CN111627853B - 晶圆对心装置 - Google Patents

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Abstract

一种晶圆对心装置，包括：晶圆支撑轮组，其包括相对设置的第一晶圆支撑轮组和第二晶圆支撑轮组，和对心支架，其包括相对设置的第一对心支架和第二对心支架；所述第一对心支架和第二对心支架各自包括一对卡爪，每个卡爪包括卡爪支撑面，所述卡爪支撑面设置在所述卡爪的靠近晶圆一侧的端部上；所述卡爪进一步包括卡爪凸台，所述卡爪凸台设置在所述卡爪支撑面的远离晶圆一侧的末端上并且包括面向晶圆一侧的端面，并且所述滚轮包括滚轮轴肩支撑面，其在所述卡爪支撑面未对所述晶圆形成支撑时支撑所述晶圆，所述滚轮轴肩支撑面设置为斜坡形态，其坡度大于等于5°且小于等于20°。

Description

晶圆对心装置
技术领域
本申请涉及一种晶圆对心装置，其包括晶圆支撑轮组和对心支架，以使晶圆在超精密加工作业中得到支撑并被保持在期望的位置。
背景技术
在诸如研磨刷洗、抛光刷洗等引入外界化学介质的晶圆的超精密加工的后处理作业中，晶圆的夹持和驱动由两对相对设置的精密滚轮提供。在对晶圆夹持和释放的过程中，可能会存在滚轮将晶圆粘附带偏的风险，并最终会导致晶圆掉落，同时也会导致与机械手与晶圆之间的交互失稳甚至于失败。此外，用于卡合晶圆并带动晶圆水平旋转的滚轮具有形成为截锥状(圆台状)的上半部分和下半部分，并且晶圆从滚轮组件夹持中松脱同时机械手接托住晶圆的过程中，机械手向上移动晶圆与滚轮的上半部分干涉的事故风险，希望的是，晶圆在上方不存在任何阻碍的情况下，并且恰好在预先设定好的位置处，被机械手向上托移至其他位置。
发明内容
鉴于以上问题，本申请的目的之一在于提供一种晶圆对心装置，其至少能够在一定程度上解决现有技术中的上述问题的一部分。
根据本申请的一个方面，提供了一种晶圆对心装置，其包括：晶圆支撑轮组，其包括相对设置的第一晶圆支撑轮组和第二晶圆支撑轮组，以通过第一晶圆支撑轮组的滚轮与第二晶圆支撑轮组的滚轮支撑晶圆；和对心支架，其包括相对设置的第一对心支架和第二对心支架，以在第一晶圆支撑轮组的滚轮和第二晶圆支撑轮组的滚轮未支撑所述晶圆时支撑所述晶圆，从而确保所述晶圆始终得到支撑并被保持在期望的位置。
根据本申请的该方面，通过同时设置晶圆支撑轮组和对心支架，能够确保在晶圆处理过程中的任何时候均有支撑结构对晶圆起到支撑作用并将晶圆保持在期望的位置，从而有效避免由于滚轮粘附晶圆引起的跌落和交互失败，提高晶圆处理操作的可靠性和稳定性。
优选地，所述第一晶圆支撑轮组包括安装在第一底座上的第一对滚轮，所述第二晶圆支撑轮组包括安装在第二底座上的第二对滚轮，所述第一底座和所述第二底座沿水平方向相对设置；所述第一对心支架设置在所述第一对滚轮之间并通过第一安装臂与位于相对侧的所述第二底座相连以与所述第二底座形成联动，所述第二对心支架设置在所述第二对滚轮之间并通过第二安装臂与位于相对侧的所述第一底座相连以与所述第一底座形成联动；所述第一底座和所述第二底座设置成能沿水平方向相向移动，以使所述第一对滚轮与所述第二对滚轮相互靠近，同时使所述第一对心支架与所述第二对心支架相互远离，从而使所述第一对滚轮与所述第二对滚轮夹持所述晶圆，同时使所述第一对心支架与所述第二对心支架解除对所述晶圆的支撑；并且所述第一底座和所述第二底座设置成能沿水平方向背向移动，以使所述第一对滚轮与所述第二对滚轮相互远离，同时使所述第一对心支架与所述第二对心支架相互靠近，从而使所述第一对滚轮与所述第二对滚轮解除对所述晶圆的夹持，同时使所述第一对心支架与所述第二对心支架对所述晶圆形成支撑，以将所述晶圆保持在期望的位置。
优选地，所述第一安装臂和所述第二安装臂构造成榫卯式结构，或者构造成左右错位或上下错位，以便在空间上相互交错没有干涉。
优选地，所述第一对心支架和第二对心支架各自包括一对卡爪，每个卡爪包括卡爪支撑面，所述卡爪支撑面设置在所述卡爪的靠近晶圆一侧的端部上，以便通过所述卡爪支撑面对所述晶圆形成支撑。
优选地，所述卡爪进一步包括卡爪凸台，所述卡爪凸台设置在所述卡爪支撑面的远离晶圆一侧的末端上并且包括面向晶圆一侧的端面，以通过所述端面限制所述晶圆沿水平方向的位移，从而将所述晶圆保持在稳定的位置。
优选地，所述卡爪支撑面设置为斜坡形态，使得所述卡爪支撑面与水平方向之间存在锐角夹角。
优选地，所述滚轮包括滚轮轴肩支撑面，其在所述卡爪支撑面未对所述晶圆形成支撑时支撑所述晶圆，所述滚轮轴肩支撑面设置为斜坡形态，使得所述滚轮轴肩支撑面与水平方向之间的锐角夹角小于所述卡爪支撑面与水平方向之间的锐角夹角。
优选地，所述卡爪构造成在起点位置与终点位置之间来回平移，在所述起点位置时所述卡爪凸台距晶圆边缘最远，在所述终点位置时所述卡爪凸台距晶圆边缘最近，并且在所述终点位置时所述卡爪凸台与晶圆边缘之间沿平移方向的距离为0到2S，其中S为大于零的预定值。
优选地，所述滚轮轴肩支撑面构造成使得其沿水平方向的长度La＞(L+S)cosθ1，其中L为所述卡爪从其起点位置平移到终点位置时的平移距离，θ1为所述晶圆与所述滚轮接触时的接触点到晶圆中心点的连线与所述平移方向形成的锐角夹角。
优选地，所述卡爪支撑面构造成使得其沿水平方向的长度Lb＞(L+S)cosθ2，其中θ2为所述晶圆与所述卡爪凸台接触时的接触点到晶圆中心点的连线与所述平移方向形成的锐角夹角。
优选地，所述卡爪支撑面沿水平方向的长度Lb＜L+S，并且所述滚轮轴肩支撑面沿水平方向的长度La＞L+S。
优选地，所述滚轮包括滚轮夹持槽，所述滚轮夹持槽构造成在晶圆处理操作期间将晶圆的边缘夹持在所述滚轮夹持槽中，所述卡爪凸台的所述端面在竖直方向上的最低点平齐于或略低于所述滚轮夹持槽在竖直方向上的最低点。
优选地，所述卡爪支撑面的靠近晶圆一侧的端点低于所述滚轮轴肩支撑面的靠近晶圆一侧的端点。
优选地，所述卡爪凸台的所述端面在竖直方向上的最低点与所述卡爪凸台的上表面的最大距离大于1/2晶圆厚度。
优选地，所述端面在竖直方向上的最低点与所述卡爪凸台的上表面的最大距离为2倍晶圆厚度。
附图说明
图1-3示出了本申请一实施例的晶圆对心装置的立体图。
图4示出了本申请一实施例的晶圆对心装置的俯视图。
图5a和5b示出了本申请一实施例的对心支架的示意图。
图6a-6c示出了对心支架和滚轮的一部分的示意图，其中图6a示出了对心支架和滚轮的相互配合状态下的示意图，图6b和6c分别示出了单独的对心支架和单独的滚轮的示意图。
图7-9用于说明滚轮和对心支架的相关尺寸设计的优选实施例。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，本文所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分，并且附图并不一定按实际比例进行绘制。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
此外，还需要说明的是，本申请中使用的例如前、后、上、下、左、右、顶、底、正、背、水平、竖直等表示方位的术语仅仅是为了便于说明，用以帮助对相对位置或方向的理解，并非旨在限制任何装置或结构的取向。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1-3示出了本申请一实施例的晶圆对心装置100的立体图。在该实施例中，晶圆对心装置100可以包括两个晶圆支撑轮组110。每个晶圆支撑轮组110可以包括两个滚轮111。两个晶圆支撑轮组110可以相对设置并从两侧通过滚轮111夹持晶圆130。在该实施例中，晶圆对心装置100还可以包括两个对心支架120。这两个对心支架120也可以相对设置，并且可以从两侧对晶圆130形成支撑。
如图1所示，在通过机械手140装载晶圆130时，两个晶圆支撑轮组110背向移动远离彼此从而打开一个通道，同时两个对心支架120相向移动靠近彼此从而起到支撑晶圆的作用。
如图2所示，当要执行晶圆处理操作时，两个对心支架120背向移动远离彼此从而解除对晶圆130的支撑作用，同时两个晶圆支撑轮组110相向移动靠近彼此从而支撑晶圆130，然后再通过现有技术的方式执行晶圆处理操作。在本申请中，晶圆处理操作不是所关注的重点，因此将省略其详细描述。
如图3所示，当完成晶圆处理操作后，需要卸载晶圆130时，两个晶圆支撑轮组110背向移动远离彼此从而释放晶圆130，同时两个对心支架120相向移动靠近彼此从而对晶圆130起到支撑作用。
根据本申请的该实施例，由于设置了对心支架，因此能够在支撑轮组未支撑晶圆时通过对心支架对晶圆起到支撑作用，从而实现在任何时候均有支撑结构对晶圆起到支撑作用，进而有效避免由于滚轮粘附晶圆引起的跌落和交互失败，提高晶圆处理操作的整体可靠性和稳定性。
图4是本申请一实施例的晶圆对心装置100的俯视图。如图4所示，左侧的晶圆支撑轮组110可以包括安装在左侧的底座150上的第一对滚轮111。右侧的晶圆支撑轮组110也可以包括安装在右侧的底座150上的第二对滚轮111。左侧的底座150和右侧的底座150可以沿水平方向相对设置，其间具有一定的间隔。
同样如图4所示，左侧的对心支架120可以设置在位于左侧的第一对滚轮111之间，并通过第一安装臂123A与位于其相对侧即右侧的底座150相连以与该底座形成联动。右侧的对心支架120可以设置在位于右侧的第二对滚轮111之间，并通过第二安装臂123B与位于其相对侧即左侧的底座150相连以与该底座形成联动。第一安装臂123A和第二安装臂123B分别与其对应底座150的连接可以通过例如螺钉124等紧固件来实现。
在图4的实施例中，第一安装臂123A呈直板条的形式，而第二安装臂123B呈U形构造，第一安装臂123A正好安装到第二安装臂123B的U形构造的中空空间中。也就是说，第一安装臂123A和第二安装臂123B构造成榫卯式结构，以便两个安装臂在空间上相互交错没有干涉。这里需要说明的是，图4仅示出了安装臂的一个示例，第一安装臂123A和第二安装臂123B也可以呈其它形态，比如构造成左右错位或上下错位，只要两个安装臂在空间上相互交错没有干涉即可。
仍然参考图4，左右两侧的底座150可以设置成能沿水平方向相向移动，以使位于左侧的第一对滚轮111与位于右侧的第二对滚轮111相互靠近，同时使位于左侧的对心支架120与位于右侧的对心支架120相互远离，从而使第一对滚轮111与第二对滚轮111夹持晶圆，同时使左侧的对心支架120与右侧的对心支架120解除对晶圆的支撑。
此外，左右两侧的底座150还可以设置成能沿水平方向背向移动，以使位于左侧的第一对滚轮111与位于右侧的第二对滚轮111相互远离，同时使位于左侧的对心支架120与位于右侧的对心支架120相互靠近，从而使第一对滚轮111与第二对滚轮111解除对晶圆的夹持，同时使左侧的对心支架120与右侧的对心支架120对晶圆形成支撑。
在本实施例中，对心支架120和晶圆支撑轮组110通过与底座150相联接的驱动机构(未示出)实现运动。该驱动机构例如可以呈气缸、电机丝杆、连杆等形式。
根据本申请的该实施例，由于左右两侧的对心支架分别与其相对侧的底座相连接从而与其形成联动关系，因此能够以简单的安装结构有效地在晶圆支撑轮组未支撑晶圆时通过对心支架对晶圆起到支撑作用。
根据本申请的另一实施例，为了更可靠地支撑晶圆，可以将对心支架设定为特定结构。例如，如图2所示，两个对心支架120可以均包括本体121和从本体121的顶端向晶圆方向延伸的两个卡爪122。如图5a和5b所示，对心支架120的每个卡爪122可以包括卡爪凸台122A和卡爪支撑面122B。卡爪支撑面122B可以设置卡爪122的靠近晶圆一侧的端部上，以便在左侧和右侧晶圆支撑轮组110未支撑晶圆时通过左侧和右侧卡爪支撑面122B对晶圆形成支撑。此外，为了更好地保护晶圆，对心支架120的整体材质可以选择为PEEK/PPS等工程塑料。
图6a示出了卡爪122和滚轮111在相互配合状态下的示意图。图6b示出了单独的卡爪122的示意图，以便更清楚地显示卡爪122的相关结构。图6c示出了单独的滚轮111的局部示意图，以便更清楚地显示滚轮111的相关结构。
如图6a、6b所示，卡爪122的卡爪凸台122A可以设置在卡爪支撑面122B的左侧即远离晶圆130一侧的末端上，并且包括面向晶圆130一侧的端面，以通过该端面限制晶圆130在水平方向上的位移，从而将晶圆130保持在稳定的位置。优选地，卡爪凸台122A的端面可以设置为圆柱面结构(可参见图5b)。该圆柱面的直径可以与卡爪122的宽度一致，例如可以设置为10-15mm。
如图6a、6b所示，卡爪支撑面122B可以设置为坡度为5-20°的斜坡，使得卡爪支撑面122B形成一定的倾斜角度α。该倾斜角度α也就是卡爪支撑面122B与水平方向之间的锐角夹角。这里需要说明的是，在本申请中，锐角夹角是指两条直线相交所形成的最小正夹角。根据本申请，在其它参数已确定的情况下，应尽量选择比较小的倾斜角度α，以使卡爪支撑面122B尽早与晶圆130接触而对其形成支撑。优选地，卡爪支撑面122B的倾斜角度α可以设定为8-15°。
如图6a、6c所示，滚轮111可以包括滚轮轴肩支撑面112。该滚轮轴肩支撑面112在两对滚轮111背向移动而释放晶圆130的过程中，在卡爪支撑面122B未对晶圆130形成支撑前支撑晶圆130。滚轮轴肩支撑面112也可以设置为斜坡形态，使得滚轮轴肩支撑面112形成一定的倾斜角度β。该倾斜角度β也就是滚轮轴肩支撑面112与水平方向之间的锐角夹角。优选地，滚轮轴肩支撑面112的倾斜角度β小于卡爪支撑面122B的倾斜角度α。优选地，滚轮轴肩支撑面112的倾斜角度β可以设定为3-5°。
仍然参考图6a、6c，滚轮111可以包括滚轮夹持槽113。该滚轮夹持槽113可以构造成环形凹槽的形式，以在晶圆处理操作期间将晶圆130的边缘夹持在其中。卡爪凸台122A的端面在竖直方向上的最低点A可以设置为平齐于或略低于滚轮夹持槽113在竖直方向上的最低点C。优选地，可以将A点设置为比C点低0-0.5mm。通过这种设置，能够避免卡爪支撑面将把晶圆130向上顶起，进而避免卡爪/滚轮与晶圆三者出现干涉问题。
参考图6a-6c，类似地，卡爪支撑面122B的靠近晶圆130一侧的端点B可以设置为低于滚轮轴肩支撑面112的靠近晶圆130一侧的端点D。优选地，可以将B点设置为比D点低0.2-0.5mm。同样地，通过这种设置，能够避免卡爪支撑面将把晶圆130向上顶起，进而避免卡爪/滚轮与晶圆三者出现干涉问题。
参考图6a、6b，在一个优选实施例中，卡爪凸台122A的端面在竖直方向上的最低点A与卡爪凸台122A的上表面的最大距离H（即卡爪凸台122A的端面的最大高度）可以设置为大于晶圆厚度的1/2。更优选地，卡爪凸台122A的端面在竖直方向上的最低点A与卡爪凸台122A的上表面的最大距离H可以设置为晶圆厚度的2倍。通过这种设置，能够避免晶圆130跳出卡爪凸台122A，从而更有效地将晶圆130保持在相对稳定的位置。
下面参考图7-9来描述滚轮和对心支架的尺寸设计的优选实施例。
根据一个实施例，卡爪122可以构造成在起点位置与终点位置之间来回平移。这可以如上所述通过对心支架120与底座150的联动来实现。例如，如图7所示，卡爪122处于起点位置，这时卡爪凸台122A距晶圆130的边缘最远，而在终点位置时卡爪122已朝向晶圆130方向移动，使得卡爪凸台122A距晶圆130的边缘最近。
例如，在图7的实施例中，可以将卡爪122在起点位置距晶圆130的边缘的距离设置为L+S，其中L为卡爪122从其起点位置沿平移方向(图7中为左右方向)平移到终点位置时的平移距离。优选地，从装置整体空间角度考虑，可以将L的范围设置为10-20mm。在卡爪122从图7中所示的起点位置向右平移一定距离L到达终点位置的期间，图中所示的滚轮111也会同时向相反方向即向左移动距离L。
在该过程中，在一般情况下，晶圆130未被任一侧的滚轮粘附带着移动，晶圆130将保持不动，则在卡爪122到达其终点位置时，两侧的卡爪凸台122A均将与晶圆130的边缘具有一定的间隙S。该间隙S的数值可以根据实际情况预先进行选择。优选地，该间隙S的范围可以设置为0.2-0.5mm。此外，在一种极端情况下，如图8所示，晶圆130可能被右侧的滚轮111粘附并被带向右侧，此时晶圆130可能抵靠右侧的卡爪凸台122A，最终导致晶圆130与左侧的卡爪凸台122A之间的间隙为2S。也就是说，不论如何，在终点位置时卡爪凸台122A与晶圆130的边缘之间将总是存在一定的间隙，该间隙沿平移方向的长度为0到2S。
根据本申请，通过设置这样的间隙，能够避免在机械手抓取晶圆时因夹持过紧造成晶圆损坏的情况。
图9示出了晶圆与右侧的卡爪凸台122A接触时的情况的俯视图。在该图中，晶圆130的边缘与左侧的卡爪凸台122A之间的间隙距离为2S，而晶圆130的边缘与右侧的卡爪凸台122A的间隙距离为零。此时，晶圆130与右侧的卡爪凸台122A的接触点为F。该点F到晶圆中心点的连线与平移方向(图中示为X方向)形成的锐角夹角为θ2。为了方便比较，在图9中还虚拟地示出了晶圆130与右侧滚轮的接触点E。该点E到晶圆中心点的连线与平移方向形成的锐角夹角为θ1。根据本申请，可以基于以上给出的各种参数L、S、θ1和θ2来设计滚轮轴肩支撑面112和卡爪支撑面122B的长度尺寸。
如图7所示，滚轮轴肩支撑面112沿水平方向的长度为La。在一些实施例中，该长度La可以设置为大于(L+S)cosθ1，其中L为卡爪122从其起点位置平移到终点位置时的平移距离，θ1为晶圆与滚轮接触时的接触点到晶圆中心点的连线与平移方向形成的锐角夹角。
仍然参考图7，卡爪支撑面122B沿水平方向的长度为Lb。在一些实施例中，该长度Lb可以设置为大于(L+S)cosθ2，其中θ2为晶圆与卡爪凸台接触时的接触点到晶圆中心点的连线与平移方向形成的锐角夹角。
根据本申请，通过以计算方式来设计滚轮轴肩支撑面和卡爪支撑面的长度尺寸，能够精确地确保始终有支撑结构对晶圆起到支撑作用而不发生跌落，从而避免将滚轮轴肩支撑面和卡爪支撑面的尺寸设计得过大或者过小。
此外，鉴于清洗工艺要求需要尽量减小晶圆与卡爪的接触面积，因此可以将Lb设置为小于L+S。优选地，Lb的取值范围为0.5L到0.8L。此外，可以将La设置为大于L+S。优选地，La的取值范围为1.2L到2L。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解的是，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征特定组合而成的技术方案，同时在不脱离所述发明构思的情况下，也应涵盖由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (8)

1.一种晶圆对心装置，其特征在于，包括：
晶圆支撑轮组，其包括相对设置的第一晶圆支撑轮组和第二晶圆支撑轮组，以通过第一晶圆支撑轮组的滚轮与第二晶圆支撑轮组的滚轮支撑晶圆；和对心支架，其包括相对设置的第一对心支架和第二对心支架，以在第一晶圆支撑轮组的滚轮和第二晶圆支撑轮组的滚轮未支撑所述晶圆时支撑所述晶圆以支撑并使晶圆对心；
所述第一对心支架和第二对心支架各自包括一对卡爪，每个卡爪包括卡爪支撑面，所述卡爪支撑面设置在所述卡爪的靠近晶圆一侧的端部上；
所述卡爪进一步包括卡爪凸台，所述卡爪凸台设置在所述卡爪支撑面的远离晶圆一侧的末端上并且包括面向晶圆一侧的端面，并且
所述滚轮包括滚轮轴肩支撑面，其在所述卡爪支撑面未对所述晶圆形成支撑时支撑所述晶圆，所述滚轮轴肩支撑面设置为斜坡形态，卡爪支撑面的倾斜角度大于等于5°且小于等于20°，滚轮轴肩支撑面的倾斜角度小于卡爪支撑面的倾斜角度。
2.根据权利要求1所述的晶圆对心装置，其特征在于，所述滚轮轴肩支撑面构造成使得其沿水平方向的长度La＞(L+S)cosθ1，其中L为所述卡爪从其起点位置平移到终点位置时的平移距离，θ1为所述晶圆与所述滚轮接触时的接触点到晶圆中心点的连线与平移方向形成的锐角夹角；
S为当卡爪从起点位置平移到终点位置时，两侧的卡爪凸台分别与晶圆的边缘的间隙，其中起点位置为卡爪凸台距晶圆相应边缘最远的位置，终点位置为卡爪凸台距晶圆相应边缘最近的位置。
3.根据权利要求2所述的晶圆对心装置，其特征在于，所述卡爪支撑面构造成使得其沿水平方向的长度Lb＞(L+S)cosθ2，其中θ2为所述晶圆与所述卡爪凸台接触时的接触点到晶圆中心点的连线与所述平移方向形成的锐角夹角。
4.根据权利要求3所述的晶圆对心装置，其特征在于，所述卡爪支撑面沿水平方向的长度Lb＜L+S，并且所述滚轮轴肩支撑面沿水平方向的长度La＞L+S。
5.根据权利要求1所述的晶圆对心装置，其特征在于，所述滚轮包括滚轮夹持槽，所述滚轮夹持槽构造成在晶圆处理操作期间将晶圆的边缘夹持在所述滚轮夹持槽中，所述卡爪凸台的所述端面在竖直方向上的最低点平齐于或低于所述滚轮夹持槽在竖直方向上的最低点。
6.根据权利要求5所述的晶圆对心装置，其特征在于，所述卡爪支撑面的靠近晶圆一侧的端点低于所述滚轮轴肩支撑面的靠近晶圆一侧的端点。
7.根据权利要求1所述的晶圆对心装置，其特征在于，所述卡爪凸台的所述端面在竖直方向上的最低点与所述卡爪凸台的上表面的最大距离大于1/2晶圆厚度。
8.根据权利要求7所述的晶圆对心装置，其特征在于，所述端面在竖直方向上的最低点与所述卡爪凸台的上表面的最大距离为2倍晶圆厚度。
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