CN105655277A - 定位校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体制造技术领域，具体公开一种定位校准装置。本发明包括：旋转轴、四个卡爪，所述卡爪设置在所述旋转轴上，所述卡爪环绕所述旋转轴旋转中心依次布置，所述卡爪两两之间夹角为45度、135度、45度、135度；所述135度夹角方向形成一贯通空间，用于机械手传递晶圆；所述卡爪外边缘环绕形成圆半径小于晶圆半径。本发明利用卡爪结构用于检测键合片偏心的Aligner，相对原有卡爪式Aligner，取消托架结构，而且旋转轴不再需要上升下降，即可完成对键合片的偏心检测功能；同时由于取消了上升下降过程，大大的提高检测速度，且通过适当的降低旋转速度，防止滑片的发生。

Description

定位校准装置

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种用于支撑晶圆的具有新型卡爪结构的定位校准装置。

背景技术

定位校准装置(也称校准仪，英文Aligner)是一种应用于晶圆加工中的预对准装置，主要功能为偏心校正与凹口(notch)对准。在工作流程中，与其配合的机械手将晶圆放置到Aligner上，Aligner检测晶圆的偏心程度以及notch口所在位置，并将notch口对准到设定角度，通知机械手将晶圆取走。保证在下一级加工时，所有晶圆都是处于同样的位置。

当前Aligner主要有吸附式和卡爪式两种。采用吸附式的Aligner使用真空吸附的原理来固定晶圆，如图1所示，晶圆被放置到托架2’之后，Aligner的吸附结构1’上升，将晶圆顶起；并开启气阀抽气，将晶圆吸附在旋转轴上；完成检测偏心和notch对准后，气阀通气，解除吸附；旋转轴下降，将晶圆放回到托架2’上，Aligner通知机械手将晶圆取走。

吸附式Aligner由于将晶圆紧紧的吸附在旋转轴上，因此可以以较高的转速旋转，工作效率较高；但其缺点是只能检测表面光滑的晶圆，CCD3’设置在托架2’上方，例如未加工的硅片，而表面不光滑的，例如键合片，由于不能被吸附，则不能被上述Aligner检测。

卡爪式Aligner使用卡爪托举的方式代替吸附方式，用于检测表面不光滑的晶圆。相对于吸附式Aligner，卡爪式Aligner0’的旋转速度不能很快，否则会滑片。现有卡爪式Aligner结构侧视图和俯视图分别如图2和图3所示，四个卡爪4’之间的角度为45°或135°。其工作流程与吸附式Aligner相似，只是没有吸附与解除吸附过程。

卡爪式Aligner用于检测表面不光滑的晶圆，例如键合片；而键合片的notch口已经被膜所覆盖，不能再做notch口对准，因此此时Aligner只是做检测偏心。由于键合片的检测不需要notch口对准，因此卡爪式Aligner的结构效率有待提高。

同时，现有卡爪式Aligner还有一个缺点：如图4所示，当晶圆5’偏心过大时，机械手放置晶圆过程中晶圆可能只被2个托架2’支撑起来，当机械手撤离时，晶圆会顺势下滑，上述情况下卡爪在上升的过程中会和托架将晶圆夹坏。

发明内容

本发明旨在克服现有对准技术的缺陷，提高检测速度，提供一种新型定位校准装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种定位校准装置，包括：旋转轴、四个卡爪，所述卡爪设置在所述旋转轴上，所述卡爪环绕所述旋转轴旋转中心依次布置，所述卡爪两两之间夹角为45度、135度、45度、135度；所述135度夹角方向形成一贯通空间，用于机械手传递晶圆；所述卡爪外边缘环绕形成圆半径小于晶圆半径。

一些实施例中，所述卡爪包括水平杆及与所述水平杆垂直的立柱，所述立柱设置在水平杆的外端，所述立柱顶端设置有橡胶圈。

一些实施例中，所述立柱与水平杆固定或活动链接。

一些实施例中，所述立柱与水平杆通过螺纹连接，所述立柱与水平杆还设置有橡胶圈。

一些实施例中，所述立柱顶端设置有延长端。

一些实施例中，所述立柱采用圆柱、六边形柱或三角形柱。

一些实施例中，所述立柱与水平杆通过螺纹、焊接或铆接固定。

本发明的有益效果在于：采用卡爪结构用于检测键合片偏心的Aligner，相对原有卡爪式Aligner，取消托架结构，而且旋转轴不再需要上升下降，即可完成对键合片的偏心检测功能；同时由于取消了上升下降过程，大大的提高检测速度，且通过适当的降低旋转速度，防止滑片的发生。

附图说明

图1为现有吸附式的Aligner的结构示意图。

图2为现有卡爪式的Aligner的结构侧视图。

图3为现有卡爪式的Aligner的结构俯视图。

图4为现有卡爪式的Aligner的结构示意图。

图5为根据本发明一个实施例的定位校准装置的结构示意图。

图6为根据本发明一个实施例的定位校准装置的结构俯视图。

图7为根据本发明一个实施例的定位校准装置的偏心示意图。

图8为根据本发明一个实施例的定位校准装置的偏心俯视图。

图9为根据本发明一个实施例的定位校准装置的偏心俯视图。

图10为根据本发明一个实施例的定位校准装置的工作示意图。

图11为根据本发明一个实施例的定位校准装置的结构示意图。

图12为根据本发明一个实施例的定位校准装置的刻度图。

图13为根据本发明一个实施例的定位校准装置的结构示意图。

图14为根据本发明一个实施例的定位校准装置的结构俯视图。

图15为根据本发明一个实施例的定位校准装置的结构侧视图。

图16为根据本发明一个实施例的定位校准装置的结构示意图。

图17为根据本发明一个实施例的定位校准装置的结构侧视图。

图18为根据本发明一个实施例的定位校准装置的结构俯视图。

图19为根据本发明一个实施例的定位校准装置的结构侧视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明定位校准装置，包括：旋转轴、四个卡爪，所述卡爪设置在所述旋转轴上，所述卡爪环绕所述旋转轴旋转中心依次布置，所述卡爪两两之间夹角为45度、135度、45度、135度；所述135度夹角方向形成一贯通空间，用于机械手传递晶圆；所述卡爪外边缘环绕形成圆半径小于晶圆半径。

如图5所示，相对于原有卡爪，最大差别即末端加高，此加高部分基于取代原有托架。所述卡爪包括水平杆(7、8)及与所述水平杆(7、8)垂直的立柱9，卡爪中水平杆维持在原Aligner中卡爪的初始高度，而卡爪中立柱的顶点高度为原Aligner中托架的高度，保证卡爪与CCD互不干涉，也保证机械手17取送晶圆5时空间。

如果实现检测晶圆偏心功能，只需将晶圆5旋转一周，因此能保证卡爪每次停止位置相同，如图5、6所示，卡爪固定停止位，每次机械手送来或取走晶圆时所占用空间，与卡爪互不干涉。

所述立柱设置在水平杆的外端，所述立柱顶端设置有橡胶圈。

当晶圆偏心过大时，可能会发生晶圆不能被正确支撑的情况，如图5、7、8所示。卡爪越短，则能够检测偏心的范围越大。本发明实施例中不考虑卡爪过短导致晶圆的重心置于卡爪支撑区域之外，因为实际中卡爪的立柱之间距离至少要大于机械手宽度。

另一方面，卡爪越短，机械手在卡爪的立柱之间能够左右调整的空间越小，能取走的晶圆的偏心范围越小。综合上述情况，可知能够校正的晶圆偏心的范围是有限的。

卡爪长度与可检偏心范围的关系：支撑晶圆的方面，可知晶圆在只有两个支撑点的时候会掉下去，此时不能正确检测偏心。如图9所示，晶圆会掉下去的情形中偏心最小的状况。

本发明实施例中与电机相连的旋转底盘上螺孔位置已固定，因此四个卡爪之间的角度固定为45°或135°。假设卡爪宽度为kc，旋转中心到卡爪上立柱边缘的长度为l_c，晶圆半径为R，如图9所述，偏心大小为x。可得到：

$x=\sqrt{R^2-{\left(\sqrt{{\left(\frac{k_c}{2}\right)}^2+l_c^2}\sin (\arctan \frac{k_c}{{2l}_c}+\frac{\mathrm{\π}}{8})\right)}^2}-\sqrt{{\left(\frac{k_c}{2}\right)}^2+l_c^2}\cos (\arctan \frac{k_c}{{2l}_c}+\frac{\mathrm{\π}}{8})$

其中，R为定值，旋转底盘上螺孔的直径固定，因此新型卡爪的宽度也未变动，上述方程中只有偏心x与l_c是可变量。可知在合理的lc设计范围内，上式是单调递减的。

从机械手取片方面，卡爪长度与可检偏心的关系：机械手在不碰撞的情况下向左调节的最大程度，如图10所示，此情况下的最小偏心x是旋转中心到机械手轴线的距离。此时x与l_c的几何关系如下：

$\left(\frac{\frac{h}{2}+x}{\sqrt{{\left(\frac{k_c}{2}\right)}^2+l_c^2}}\right)+\arccos \left(\frac{x}{l_{\mathrm{robot}}}\right)=\arctan \left(\frac{k_c}{2l_c}\right)+\frac{\mathrm{\π}}{8}+\frac{\mathrm{\π}}{2}$

其中，h为机械手宽度，l_robot为机械手轴心到旋转中心的距离。上式是个隐函数，偏心x和旋转中心到立柱边缘距离l_c为变量。可知在合理的l_c设计范围内两者为单调递增关系。

上述两个函数在第一象限内分别为单调递增和单调递减，则两函数有一交点，此交点的l_c即为的设计中旋转中心到卡爪立柱内侧边缘距离。

除l_c之外，影响卡爪长度的因素还有立柱的长度。从上面的分析可知，支撑wafer和机械手取片都与立柱的长度无关。立柱涉及到卡爪停止在固定位置。

如果旋转轴使用带有绝对式多圈码盘的电机，如图6所示，则每次Aligner上电后都可在初始化过程中将卡爪停到指定位置。如果旋转轴使用带有增量式码盘的电机，且旋转轴是电机直驱或者是其他方式的1:1驱动，则利用Z相寻零方法在初始化过程中将卡爪停到预定位置。如果使用电机带有增量式码盘且旋转轴由电机传动驱动，则需要使用CCD寻零的方式来使卡爪停到预定位置。

若使用CCD3寻零，则卡爪需要被CCD3扫描到；此时卡爪的立柱为具有延长部分的结构，即立柱顶端设置有延长端13，如图11所示。

若不需要使用CCD寻零，则卡爪的立柱不需要延长结构，自身长度设计为满足橡胶圈的安装。

整个卡爪的制作材料选择轻型材质，卡爪的重量越大，转动惯量越大，电机抖动越大。

立柱与水平杆固定或活动连接，一些实施例中，立柱与水平杆通过螺纹、焊接或铆接固定。

本发明优选活动连接以实现末端调平功能，卡爪用于支撑wafer的立柱与水平杆是分开两部分加工的。使用时将立柱拧到或螺纹固定到卡爪的水平杆上，立柱与水平杆还设置有橡胶圈12。上述相接处，如图12所示，通过调节立柱拧到水平杆的程度，实现水平面的微调。

立柱设计为圆柱型，更方便调平时防止立柱的位置旋转变动。在不需要CCD寻零情况下，将螺丝部分与圆柱型立柱为一体；立柱还可根据需要设计成六边形柱或三角形柱等结构。

本发明新型卡爪还可迅速还原为原有卡爪式Aligner结构，使其具有notch口对准功能，即只需将卡爪的立柱拆下，并将托架部分安装即可。

本发明卡爪，只需替换原有卡爪卸下托架，即可省去上升下降过程，实现偏心检测功能。由于不需要上升下降，大大的提高了偏心检测的速度。同时，由于不需要上升下降，还节省掉用于Z轴的驱动器和配套的电机，节约Aligner的成本。

本发明代替原有卡爪结构之后，即使机械手送来的晶圆偏心过大，晶圆不能被正确的支撑，也不会损坏晶圆。在旋转一周采集数据后分析得出晶圆放置不对，报警即可。

本发明卡爪结构以Aligner不需要notch口对准为前提，notch对准会使卡爪停在未知位置，机械手取片时可能会发生干涉。本发明卡爪是直接替换原有卡爪即可，对原有Aligner没有不可恢复的更改。当需要Aligner做缺口对准时，只需卸下立柱和安装托架即可。考虑到安装立柱可能带来的水平面变化，本发明卡爪还自身带有水平微调功能。

实际使用中，首先机械手放晶圆到Aligner上；机械手带晶圆伸到卡爪上方，如图13、14所示。

如图15所示，机械手落下晶圆，然后机械手抽离。

如图16所示，旋转轴6带动晶圆旋转一周，停止。在旋转过程中，CCD采集数据；旋转完成后，经过对采集数据进行处理，计算偏心数据。

如图17、18所示，机械手根据偏心数据自身旋转一定角度后取晶圆，此时偏心已被校正。

如图19所示，机械手抬起晶圆，机械手将晶圆取走。以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种定位校准装置，其特征在于，包括：旋转轴、四个卡爪，所述卡爪设置在所述旋转轴上，所述卡爪环绕所述旋转轴旋转中心依次布置，所述卡爪两两之间夹角为45度、135度、45度、135度；所述135度夹角方向形成一贯通空间，用于机械手传递晶圆；所述卡爪外边缘环绕形成圆半径小于晶圆半径。

2.如权利要求1所述的定位校准装置，其特征在于，所述卡爪包括水平杆及与所述水平杆垂直的立柱，所述立柱设置在水平杆的外端，所述立柱顶端设置有橡胶圈。

3.如权利要求2所述的定位校准装置，其特征在于，所述立柱与水平杆固定或活动链接。

4.如权利要求3所述的定位校准装置，其特征在于，所述立柱与水平杆通过螺纹连接，所述立柱与水平杆还设置有橡胶圈。

5.如权利要求2所述的定位校准装置，其特征在于，所述立柱顶端设置有延长端。

6.如权利要求2所述的定位校准装置，其特征在于，所述立柱采用圆柱、六边形柱或三角形柱。

7.如权利要求2所述的定位校准装置，其特征在于，所述立柱与水平杆通过螺纹、焊接或铆接固定。