CN115136295A - 用于为末端执行器提供自提取夹持的装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于楔形夹具的装置、系统和方法，该楔形夹具适于为末端执行器提供自提取夹持，该末端执行器适于保持半导体晶片或诸如矩形面板的其它基片。所述装置、系统和方法可包括两个内夹爪，两个内夹爪至少机械地与机器人基座相关联；两个外臂，两个外臂经由至少一个臂凸轮与内夹爪相关联；以及多个楔形夹具。每个楔形夹具可以包括：弹簧；凸轮，凸轮装载在弹簧上；以及凸轮行进路径，凸轮可滑动地关联到凸轮行进路径中。内夹爪的收缩和外臂的随后的臂凸轮传动将压力施加到半导体晶片的圆周边缘，使得圆周边缘沿各凸轮的凸轮行进路径并抵抗各凸轮的一个弹簧按压每个凸轮。夹爪可围绕基片的中心点同步地闭合，从而保持基片居中。

Description

用于为末端执行器提供自提取夹持的装置、系统和方法

背景技术

技术领域

本发明涉及诸如半导体晶片的物品的传送和处理，更具体地涉及用于为末端执行器提供自提取夹持(self extracting grips)的装置、系统和方法。

背景说明

机器人技术的使用已被公认为一种制造权宜之计，特别是在人工操作效率低和/或不理想的应用中。其中一种情况是在半导体领域中，机器人和自动化站用于在各种工艺步骤中处理和保持晶片。例如，这些工艺步骤可包括化学机械平坦化(CMP)、蚀刻、沉积、钝化以及各种其它工艺，其中必须保持密封和/或“清洁”环境，以便限制污染的可能性并确保满足各种特定工艺条件。

目前在半导体领域中自动处理这些晶片的实践通常包括使用可操作地连接到机器人的末端执行器，例如为了将半导体晶片从装载堆叠装载到可对应于前述示范性工艺步骤的各种处理端口中。机器人用于配置末端执行器以从特定端口或堆叠取回晶片，例如在相关处理室中处理之前和/或之后，和/或将晶片与台站相关联，例如可以包括放置晶片的台站卡盘。

因此，晶片可以由与末端执行器连接关联的机器人在站之间穿梭以进行额外处理。当完成给定的晶片处理时，机器人可以将已处理的晶片从其台站移动，并将已处理的半导体晶片返回到装载端口。通常在每个工艺运行期间以这种方式处理多个半导体晶片的堆叠。

已知技术还包括翻转和旋转晶片和类似基片的机器人，例如用于在处理期间或之后的检查。然而，在现有技术中实际使用的典型类型的末端执行器是边缘夹持晶片处理器。在边缘夹持晶片处理器中，晶片仅被最低限度地处理，末端执行器和晶片之间的外围接触仅在晶片的外圆周处。通常，这种边缘夹持由在末端执行器的远端和近端部分处相关联的机械楔(mechanical wedges)提供(相对于末端执行器的对应机器人基座，在该机器人基座处提供末端执行器臂的机器人移动和电力)。

然而，这些楔形引导件可能会在保持的晶片上施加不必要的摩擦，或者如果晶片侧向翻转或旋转，则摩擦不足，因此可能会由于过度或不足的楔形引起的摩擦而提供晶片的不可预测的释放和/或释放定位。此外，由于楔形夹具通常覆盖晶片的外圆周的一部分，所以这些边缘夹具或靠近这些边缘夹具通过的晶片工具可能会在晶片上造成障碍，从而损坏晶片。例如，如果晶片经历摩擦并且与楔形夹具一起行进超过释放点而不是及时从夹具中取出，则晶片和/或其上的结构将被损坏。

由于楔形夹具的被动自动释放特性，上述楔形夹具摩擦经常发生。也就是说，典型的边缘夹持设计将楔角折衷至大约75°，使得楔形夹具不会产生过度摩擦并且会自动释放。然而，楔形夹具的这个角度限制了翻转或旋转与楔形夹具相关联的晶片的能力，部分原因是楔形夹具的角度不足以保持翻转或旋转的晶片。对于薄的、柔性的、大的晶片，这个问题会加剧，由于晶片在夹具内的挠曲能力，这可能需要在晶片的圆周处有更多的重叠以保持晶片，并且需要更陡的楔形夹具角度以便确实地捕获晶片，这种情况可能导致晶片在不期望的时间自动释放。

在特定实施例中，一些半导体处理应用可能需要使用旋转腕部末端执行器。旋转腕部末端执行器可能需要用于楔形夹具的更陡的角度和更深的楔形基座，使得末端执行器的旋转不会不适当地从楔形夹具自释放晶片。然而，在这种情况下，作为非限制性实施例，较深的楔形基座和较陡的楔形夹具角度基本上更可能在期望的释放时间引起过度摩擦，并且由此使晶片的自释放无效，从而导致缺少期望的释放和/或对晶片的损坏。

发明内容

某些实施方式是并且包括用于楔形夹具的装置、系统和方法，该楔形夹具适于为末端执行器提供自提取夹持，该末端执行器适于保持半导体晶片。所述装置、系统和方法可包括两个内夹爪，两个内夹爪至少机械地与机器人基座相关联；两个外臂，两个外臂经由至少一个臂凸轮系统(例如可以包括伺服电机和提供凸轮传动(camming)的同步带)与内夹爪相关联；以及多个楔形夹具，其中所述多个楔形夹具中的两个楔形夹具分别紧固到靠近所述末端执行器前端(例如其机器人基座)的所述两个内夹爪中的每个内夹爪，并且其中所述多个楔形夹具中的两个楔形夹具分别紧固到远离所述末端执行器前端的每个所述外臂。

远端和近端楔形夹具中的至少一个中的每一个可以包括：弹簧；凸轮，所述凸轮加载在弹簧上；以及凸轮行进路径，凸轮容纳在该凸轮行进路径中并由凸轮行进路径引导，例如可滑动地引导。因此，内夹爪的收缩和外臂的随后的臂凸轮传动将压力施加到半导体晶片的圆周边缘，使得所述圆周边缘沿各凸轮的凸轮行进路径并抵抗各凸轮的一个弹簧按压每个凸轮，从而加载凸轮以在多个边缘夹具内夹持半导体晶片。

因此，本发明提供了至少一种用于提供楔形夹具的装置、系统和方法，所述楔形夹具适于为末端执行器提供自提取夹持，所述末端执行器适于保持半导体晶片。

附图说明

示例性组件、系统和方法将在下文中参考附图描述，其仅作为非限制性实施例给出，其中：

图1是用于处理半导体晶片的末端执行器的图示；

图2是晶片处理系统的图示；

图3示出了末端执行器和晶片处理器；

图4是具有楔形夹具的末端执行器的图示；

图5是具有楔形夹具的末端执行器的图示；

图6是具有楔形夹具的末端执行器的图示；以及

图7和图8是具有楔形夹具的末端执行器的图示。

具体实施方式

本文提供的附图和描述可能已经被简化以说明与清楚理解本文描述的装置、系统和方法相关的方面，同时为了清楚起见，消除了可以在典型的类似装置、系统和方法中发现的其他方面。因此，本领域技术人员可以认识到，其它元件和/或操作对于实现本文所述的装置、系统和方法可能是期望的和/或必要的。但是因为这样的元件和操作在本领域中是已知的，并且因为它们不促进对本发明的更好理解，所以为了简洁起见，在此可能不提供对这样的元件和操作的讨论。然而，本发明被认为仍然包括本领域普通技术人员已知的对所描述的方面的所有这样的元件、变化和修改。

在全文中提供实施方式，使得本发明充分彻底并且将所公开的实施方式的范围完全传达给本领域技术人员。阐述了许多具体细节，例如具体组件、装置和方法的实施例，以提供对本发明的实施方式的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，不需要采用某些具体公开的细节，并且可以以不同的形式来实施实施方式。因此，所公开的实施方式不应被解释为限制本发明的范围。如上所述，在一些实施方式中，可能不详细描述公知的工艺、公知的装置结构和公知的技术。

本文所用的术语仅是为了描述特定实施方式的目的，而不是旨在进行限制。例如，如本文所用，各部件可以是一个，也可以是多个，除非上下文另外清楚地指明。术语“包括”和“具有”是包含性的，因此指示了所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。除非特别地被确定为优选的或需要的执行顺序，否则这里描述的步骤、过程和操作不应被解释为必须要求它们以所讨论或示出的特定顺序执行。还应理解，可采用额外或替代步骤来代替所揭示方面或与所揭示方面结合。

当元件或层被称为在另一元件或层“上”、“之上”，“连接到”或“联接到”另一元件或层时，除非另外明确指出，否则其可以直接在另一元件或层上、之上，直接连接到或联接到另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件或层被称为“直接在另一元件或层上”、“直接在另一元件或层之上”，“直接连接到”或“直接联接到”另一元件或层时，可能不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词语应当以类似的方式解释(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。此外，如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。

此外，尽管术语第一、第二、第三等可以在这里用于描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应当受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一个元件、部件、区域、层或部分区分开。因此，除非上下文清楚地指出，否则诸如“第一”、“第二”和其它数字术语的术语当在本文中使用时不暗示顺序或次序。因此，在不脱离实施方式的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分。

实施方式提供了一种用于与末端执行器相关联的自提取楔形夹具，其可以用于半导体工艺中。所公开的楔形夹具确保了释放部件在需要时被释放，并且当被末端执行器拾起时或者当从末端执行器释放时，例如保持居中在楔形夹具上时，基本上或完全保持在期望的位置。因此，半导体晶片或经处理的部件处于预期用于处理的位置，而不是随机定位，使得在其上执行的处理有缺陷，或者使得错过了处理或堆叠内的预期放置。

更特别地，一个或多个所公开的边缘夹具可与末端执行器夹持在晶片上的两个、三个或四个“角”相关联。所公开的楔形夹具可以包括弹簧加载的滑动凸轮或“圆盘(puck)”，例如当释放由相对的“角”楔形夹具施加的压力时，该弹簧加载的滑动凸轮或“圆盘”从楔形夹具的夹持中明确地提取晶片。也就是说，所公开的楔形夹具提取凸轮(extraction cams)可以是被动的，至少因为晶片可以放置在末端执行器的一个或多个臂上，随后末端执行器可以自动地收缩，使得相对的楔形夹具施加在晶片或部件的圆周上。

当末端执行器臂收缩时楔形夹具在圆周上的这种施加实现了提取凸轮“装载”到相应楔形夹具的主体中。此后，基于末端执行器臂的机器人扩展，末端执行器的相对“角”处的相对楔形夹具之间的距离的增加释放弹簧上的加载压力，从而允许相应的提取凸轮从楔形夹具壳体弹出。这实现了与末端执行器相关联的晶片或部件的释放。当然，根据本文的论述，所属领域的技术人员将了解，提取凸轮不仅可如所公开为被动的，而且也可为主动的，例如气动或电驱动的。

因此，所公开的提取凸轮可以允许将晶片或部件弹簧加载到末端执行器中，从而改善反向操纵，并且从而提供与末端执行器相关联的晶片或部件的增强的定位和目标释放。此外，由所公开的具有嵌入式提取凸轮的楔形夹具提供的改进的定位可以显著地改进在从楔形夹具释放时的晶片的自导向，例如其中，作为非限制性实施例，晶片可以主动地引导其自身到达托盘面罩袋(pallet mask pocket)或晶片卡盘。

值得注意的是，尽管这里的讨论是针对适于处理多种尺寸的半导体晶片的凸轮式可收缩/可扩展的末端执行器提供的，但是本领域技术人员将理解，可以采用其它末端执行器技术，例如，提供弹簧压力以将晶片装载到楔形夹具中，和/或释放弹簧压力以允许晶片的自释放。此外，应注意，所公开的楔形夹具和提取凸轮可与单晶片大小的末端执行器一起使用，或与能够处理多种尺寸晶片的前述末端执行器一起使用。

图1示出了与末端执行器12相关联的晶片10。所示的晶片10通过保持器60(虚线所示)，例如多个楔形夹具，保持在末端执行器12上。

图2示出了适于精确地处理不同直径、组成和物理属性的半导体晶片的自动处理系统50。处理系统50能够快速、有序连续地处理基片(substrates)，例如晶片10，以进行处理。所供应的基片10可在末端执行器12上在堆叠67与各种固定点103之间操纵或转移以用于部分地由例如可提供于基座(base)110中的机器人来处理，以执行前述操纵和转移。该固定点103可包括一个或多个卡盘，例如可在将该基片10放置到该卡盘103上时夹持该基片。例如，可以通过使用一个或多个真空装置105来执行这种夹持。

所示的晶片10可以通过例如两对相对的楔形夹具14a、14b、16a、16b保持在末端执行器12上。简而言之，每个相对的对14a-b、16a-b包括近端楔形夹具14a、16a和远端楔形夹具14b、16b，从而在夹持的晶片10的四个“角”处提供楔形夹具。

图3A示出了类似于图2所示的末端执行器12的正视图。在图3A的图示中，末端执行器12包括具有内部和外部夹爪(jaws)102、104的伺服驱动叉100，所述夹爪同步移动到中心以便夹持放置在所示的四个“角”楔形夹具14a-b、16a-b内的晶片10。

图3B是图3A的末端执行器12的侧视图(profile illustration)。如图所示，最远端的楔形夹具14b、16b(来自末端执行器基座壳体110，图3B中未示出)可以通过夹爪102、104从壳体110向远端向外凸轮传动(cammed)150，从而延长由远端楔形夹具14b、16a和其对应的近端楔形夹具14a、16a构成的相应一对之间的距离。更具体地说，每对相应的楔形夹具14a-b、16a-b之间距离的减小对夹持在其间的晶片10(图3B中未示出)施加摩擦，从而使每对相应的楔形夹具14a-b、16a-b之间的晶片10的圆周边缘对例如与每个相应的远端和近端楔形夹具对14a-b、16a-b相关联的弹簧(图3B中未示出弹簧)施加加载压力。

现在另外参考图4，由每对楔形夹具14a-b、16a-b之间距离的减小引起的加载压力的施加可以将提取凸轮114弹簧加载到相应的楔形壳体130中，从而将晶片的圆周边缘10a夹紧在每个相应的楔形夹具14a、b、16a、b内。值得注意的是，与现有技术相比，晶片10的圆周边缘10a的这种增强的摩擦夹持允许增加可用的楔形角，从而改进晶片夹持。

更具体地说，图4示出了图3A和3B的末端执行器12的剖视图，示出了夹持晶片10并在四个角的楔形夹具14a、b、16a、b中的每一个内施加提取凸轮114。如图所示，当末端执行器致动凸轮155使楔形夹具的每个远端和近端对14a-b、16a-b之间的距离减小时，每个楔形夹具14a、b、16a、b可以夹持被夹持的晶片10的圆周边缘10a。

现在再参考图5，该夹持在收缩时引起与每个提取凸轮114相关的弹簧120的压缩，并因此允许在晶片10的圆周边缘10a上应用每个楔形，从而夹紧晶片10。因此，每对楔形夹具14a-b、16a-b之间的距离的增加引起每个提取凸轮114上的弹簧120的解压缩，从而引起提取凸轮114从每个楔形夹具14a、b、16a、b的主体向外弹出，从而弹出先前夹持的晶片10的边缘。

更特别地，图5是图4中的近端楔形夹具16a、b的图示。如图所示，楔形夹具14a、16a中的每一个可包括在凹陷提取凸轮引导件(sunk extraction cam guide)404内的凹陷凸轮114，凹陷提取凸轮引导件404允许提取凸轮114放置在压缩和解压缩位置。此外，尽管每个相应的提取凸轮114的弹簧120可以与楔形夹具壳体的任何方面物理地相关联，以提供用于施加弹簧力的基座，但是弹簧120在图4中示出为与用于将每个楔形夹具拧到末端执行器12的边缘夹持特征的其相应部分上的一个或多个螺钉410相关联。

图6以类似于图5的方式示出了与末端执行器12相关联的成对的楔形夹具中的最远端的楔形夹具14b、16b的特写。如图所示，末端执行器的凸轮部分155朝向末端执行器基座110的运动已经将提取凸轮114压缩到每个相应的楔形夹具中。

图7示出了形成末端执行器晶片夹持特征的一部分的楔形夹具14a的顶部剖视图。如图所示，在末端执行器夹持特征的最内部上，提取凸轮弹簧120围绕用于楔形夹具14a的安装螺钉410加载。

然后，通过从晶片的圆周部分10a施加压力，将提取凸轮114从晶片夹具的倾斜部分边缘的齐平位置向内推动。提取凸轮114位于楔形夹具部分和末端执行器夹持基座部分的凹陷引导件404内，其中凹陷引导件404的长度足以允许提取凸轮114基于由晶片边缘10a施加到提取凸轮114的弹簧加载压缩压力而处于完全压缩和完全解压缩位置。

图8是夹持在图7的楔形夹具14a内的晶片10的侧视图。如图所示，所公开的楔形夹具14a可以具有比现有技术中的楔形夹具更陡的角度，部分原因是所公开的提取凸轮114施加到被夹持晶片的边缘10a的肯定的自释放压力。

前述装置、系统和方法还可包括对本文中提及的各种机器人和真空功能性的控制。作为非限制性实施例，这样的控制可以包括使用一个或多个用户接口的手动控制，所述用户接口诸如控制器、键盘、鼠标、触摸屏等，以允许用户输入指令以由与机器人和本文讨论的系统相关联的软件代码执行。另外，如本领域技术人员所公知的，系统控制也可以是完全自动化的，例如其中手动用户交互仅发生以“设置”和编程所引用的功能，即，用户可以仅初始地编程或上载计算代码以执行贯穿本文所讨论的预定移动和操作序列。在手动或自动实施方式或其任何组合中，控制器可被编程，例如，以使基片的已知位置、机器人、固定点以及其间的相对位置相关联。

还应理解，本文描述的系统和方法可根据任何计算环境运行和/或由任何计算环境控制，因此，不应假定所采用的计算环境限制本文描述的在具有各种不同组件和配置的计算环境中的系统和方法的实现。也就是说，本文描述的概念可以使用各种组件和配置中的任何一种在各种计算环境中实现。

此外，提供本发明的描述以使得本领域的任何技术人员能够制造或使用所公开的实施方式。所属领域的技术人员将容易明白对本发明的各种修改，且本文所界定的一般原理可在不脱离本发明的精神或范围的情况下应用于其它变化。因此，本发明内容并不旨在局限于本文所描述的实施例和设计，而是应当符合与本文所公开的原理和新颖特征相一致的最宽范围。

Claims (20)

1.一种末端执行器，能够处理半导体晶片，所述末端执行器包括：

两个内夹爪，所述两个内夹爪至少机械地与机器人基座相关联；

两个外臂，所述两个外臂经由至少一个臂凸轮与所述内夹爪相关联；

多个楔形夹具，其中，所述多个楔形夹具中的两个楔形夹具分别紧固到靠近所述机器人基座的所述两个内夹爪中的每个内夹爪，并且其中，所述多个楔形夹具中的两个楔形夹具分别紧固到远离所述机器人基座的每个所述外臂，并且其中，所述远端楔形夹具和所述近端楔形夹具中的至少一个中的每个包括：

弹簧；

凸轮，所述凸轮装载在所述弹簧上；以及

凸轮行进路径，所述凸轮可滑动地关联到所述凸轮行进路径中；

其中，所述内夹爪的收缩和所述外臂的随后的臂凸轮传动将压力施加到所述半导体晶片的圆周边缘，使得所述圆周边缘沿各凸轮的凸轮行进路径并抵抗各凸轮的一个弹簧按压每个所述凸轮，从而加载所述凸轮以将所述半导体晶片夹持在所述多个边缘夹具内。

2.根据权利要求1所述的末端执行器，其中，所述机器人基座包括伺服电机，以驱动至少所述两个内夹爪。

3.根据权利要求1所述的末端执行器，其中，所述两个内夹爪和所述两个外臂共同构成叉形。

4.根据权利要求1所述的末端执行器，其中，所有四个所述楔形夹具包括所述弹簧和所述凸轮。

5.根据权利要求1所述的末端执行器，其中，所述两个内夹爪是同步的。

6.根据权利要求1所述的末端执行器，其中，每个所述楔形夹具是成角度的。

7.根据权利要求1所述的末端执行器，其中，每个所述弹簧围绕其楔形夹具的紧固件中的相应一个紧固件加载。

8.根据权利要求7所述的末端执行器，其中，所述紧固件包括螺钉。

9.根据权利要求1所述的末端执行器，其中，每个所述凸轮行进路径在所述楔形夹具内凹陷。

10.根据权利要求1所述的末端执行器，其中，所述两个外夹爪能够通过所述机器人基座旋转180至360度。

11.一种楔形夹具，适于紧固到能够处理半导体晶片的末端执行器，所述楔形夹具包括：

壳体；

凸轮，所述凸轮可移动地安装在所述壳体内，并且能够完全压入所述壳体内，并且能够至少部分地在所述壳体外解压缩；

弹簧，所述弹簧可加载地按压所述凸轮，其中，所述弹簧在所述按压时被完全加载，并且在所述解压缩期间被卸载。

12.根据权利要求11所述的楔形夹具，其中，所述弹簧围绕所述紧固件紧固。

13.根据权利要求11所述的楔形夹具，其中，所述紧固件包括螺钉。

14.根据权利要求11所述的楔形夹具，其中，所述弹簧加载由所述半导体晶片的圆周边缘产生。

15.根据权利要求11所述的楔形夹具，其中，所述弹簧加载由所述末端执行器的收缩产生。

16.根据权利要求11所述的楔形夹具，还包括凸轮行进路径，所述可移动安装发生在所述凸轮行进路径中。

17.根据权利要求16所述的楔形夹具，其中，所述凸轮行进路径在所述壳体内凹陷。

18.根据权利要求17所述的楔形夹具，其中，所述凸轮行进路径使用无润滑的引导件和圆盘。

19.根据权利要求11所述的楔形夹具，其中，所述凸轮包括圆盘。

20.根据权利要求11所述的楔形夹具，其中，所述楔形夹具与第二楔形夹具成对。

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