CN116666299A - 用于晶圆传输设备的摩擦垫及晶圆传输设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及集成电路生产制造技术领域，提供一种用于晶圆传输设备的摩擦垫及晶圆传输设备，包括用于设置在晶圆传输设备中机械手上的基体和凸出于基体表面的工作台，工作台包括用于与晶圆摩擦接触的工作面。通过机械手驱动工作台移动至待传输的晶圆底部，使工作台的工作面与晶圆接触，由工作面与晶圆之间的静摩擦带动晶圆传输，通过将工作面设置为具有环形微特征的表面、具有放射形微特征的表面、具有垂直阵列微特征的表面、镜面和粗糙面的其中一种，进而能够提高与晶圆之间的静摩擦力，且由于工作面的表面微特征与晶圆之间接触，减小了接触面积，则降低了工作面提供的粘附力，进而防止分离过程中晶圆变形、振颤。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路生产制造技术领域，尤其涉及一种用于晶圆传输设备的摩擦垫及晶圆传输设备。
背景技术
晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆，在晶圆上可加工制作成各种电路元件结构，而成为有特定电性功能的IC产品。晶圆加工工艺设备中需用到晶圆传输设备对晶圆进行传输，其常见传输方式有摩擦传输式、真空吸附式、夹持式等，其中摩擦传输式通过晶圆自身重力产生的摩擦力进行传输，具有结构简单、晶圆变形小的优点，其主要通过机械手配备用于与晶圆直接接触、提供摩擦力的摩擦垫对晶圆进行传输，使用时机械手驱动摩擦垫移动至晶圆底部，而后抬高摩擦垫，使其工作面与晶圆接触，之后摩擦垫沿水平方向移动，依靠工作面与晶圆的静摩擦力带动晶圆同步移动，即可对晶圆进行传输，将晶圆传输至规定位置后，摩擦垫向下移动与晶圆分离。
目前常用的摩擦垫存在以下技术问题：
(1)摩擦垫长期使用后会出现磨损，使用寿命低，当摩擦垫的工作面被磨损后影响晶圆的取放；
(2)摩擦垫与机械手之间装配不稳，导致摩擦垫在传输过程中易产生晃动，进而无法平稳地输送晶圆；
(3)摩擦垫提供的摩擦力不足，导致传输过程中其与晶圆之间会出现相对滑动，严重时出现晶圆掉落的情况，且摩擦垫与晶圆分离时，摩擦垫提供的粘附力过大，导致放置过程中其与晶圆分离困难，易导致晶圆变形、振颤。
发明内容
本发明提供一种用于晶圆传输设备的摩擦垫及晶圆传输设备，旨在解决上述现有技术存在的技术问题之一。
本发明提供一种用于晶圆传输设备的摩擦垫，包括用于设置在晶圆传输设备中机械手上的基体和凸出于所述基体表面的工作台，所述机械手包括相交的第一接触面和第二接触面，所述基体用于与所述第一接触面和所述第二接触面相抵，且所述基体能够与所述第一接触面和/或所述第二接触面相连接；所述工作台包括用于与晶圆摩擦接触的工作面，所述工作面至少为具有环形微特征的表面、具有放射形微特征的表面、具有垂直阵列微特征的表面、镜面和粗糙面的其中一种。
根据本发明提供的一种用于晶圆传输设备的摩擦垫，所述第一接触面和/或所述第二接触面上贯穿设有与外界连通的浇注口，所述浇注口用于向所述第一接触面和/或所述第二接触面与所述基体之间浇注粘胶。
根据本发明提供的一种用于晶圆传输设备的摩擦垫，所述工作台还包括分别与所述工作面和所述基体表面相交的过渡面。
根据本发明提供的一种用于晶圆传输设备的摩擦垫，所述过渡面与所述工作面之间通过倾角或倒圆角过渡。
根据本发明提供的一种用于晶圆传输设备的摩擦垫，所述基体与所述工作台为一体成型结构。
根据本发明提供的一种用于晶圆传输设备的摩擦垫，所述基体与所述工作台均由柔性材料制成。
根据本发明提供的一种用于晶圆传输设备的摩擦垫，所述柔性材料至少包括橡胶、PVC、PU和硅胶的其中一种。
本发明还提供一种摩擦垫的工作面表面形貌的制备方法，用于制备所述的用于晶圆传输设备的摩擦垫中所述工作面的表面形貌，所述工作面为粗糙面，所述制备方法包括：
根据预设的摩擦力数值、所述工作面材料的损耗因子以及所述工作面的弹性能之间的函数关系，确定所述工作面的弹性能，其中，预设的摩擦力数值为所述晶圆与所述工作面之间的摩擦力预设数值，所述工作面材料的损耗因子由测试得到；
根据所述工作面的弹性能、所述工作面材料的泊松比、所述工作面材料的弹性模量、所述晶圆与所述工作面之间的接触压力以及粗糙峰平均曲率半径的函数关系，确定所述粗糙峰平均曲率半径的数值，其中，所述工作面材料的泊松比、所述工作面材料的弹性模量以及所述晶圆与所述工作面之间的接触压力均由测试得到；
根据所述工作面表面自由能、所述晶圆表面自由能以及界面粘附能之间的函数关系，确定所述界面粘附能的数值，其中，所述工作面表面自由能和所述晶圆表面自由能均由测试得到；
根据预设的粘附力数值、所述界面粘附能的数值以及所述晶圆与所述工作面真实接触面积的等效半径的函数关系，确定所述等效半径的数值，其中，预设的粘附力数值为所述晶圆与所述工作面之间的粘附力预设数值；
根据所述粗糙峰平均曲率半径的数值以及所述等效半径的数值，制备所述工作面的表面形貌。
本发明还提供一种晶圆传输设备，包括上述的用于晶圆传输设备的摩擦垫。
根据本发明提供的一种晶圆传输设备，所述第一接触面和所述第二接触面之间形成用于容纳所述基体的容纳空间，所述基体设置于所述容纳空间内。
上述技术方案的其中一个技术方案中，工作台作为凸出于基体表面的部分，此设计能够减缓整体摩擦垫的磨损，提高使用寿命，并且便于控制工作台的尺寸，通过控制工作台的尺寸设计能够控制晶圆与摩擦垫之间的粘附力；
另一个技术方案中，通过将基体部分设置在相交的第一接触面和第二接触面之间，且将基体与第一接触面和第二接触面相抵，并且将基体与第一接触面和第二接触面的其中一者或二者相连接，能够提高摩擦垫与机械手的装配稳定性，实现平稳地输送晶圆；
又一个技术方案中，通过机械手驱动工作台移动至待传输的晶圆底部，并驱动工作台抬高，使工作台的工作面与晶圆接触，由工作面与晶圆之间的静摩擦带动晶圆传输，通过将工作面设置为具有环形微特征的表面、具有放射形微特征的表面、具有垂直阵列微特征的表面、镜面和粗糙面的其中一种，进而能够提高与晶圆之间的静摩擦力，则防止传输过程中工作面与晶圆之间出现相对滑动，进而防止传输过程中晶圆掉落，且当工作面与晶圆分离时，由于工作面的表面微特征与晶圆之间接触，减小了接触面积，则降低了工作面提供的粘附力，便于二者分离，进而防止分离过程中晶圆变形、振颤。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的用于晶圆传输设备的摩擦垫的结构示意图；
图2是本发明提供的晶圆传输设备的结构示意图；
图3是本发明提供的晶圆与摩擦垫分离过程的示意图；
图4是本发明的一个实施例提供的摩擦垫的结构示意图；
图5是本发明的一个实施例提供的摩擦垫的结构示意图；
图6是本发明的一个实施例提供的摩擦垫的结构示意图；
图7是本发明的一个实施例提供的摩擦垫的俯视图；
图8是本发明的一个实施例提供的摩擦垫的俯视图；
图9是本发明的一个实施例提供的摩擦垫的俯视图；
图10是本发明的一个实施例提供的工作面的表面微特征示意图；
图11是本发明的一个实施例提供的工作面的表面微特征示意图；
图12是本发明的一个实施例提供的工作面的表面微特征示意图；
图13是本发明的一个实施例提供的工作面的表面微特征示意图；
图14是本发明的一个实施例提供的工作面的表面微特征示意图；
图15是本发明提供的摩擦垫变形与粘附力的函数关系图。
附图标记：
1：工作台；101：工作面；102：过渡面；2：晶圆；3：基体；4：机械手。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“第一方面实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
下面结合图1-图15描述本发明的用于晶圆传输设备的摩擦垫及晶圆传输设备。
参照图1和图2所示，本实施例提供一种用于晶圆传输设备的摩擦垫，摩擦垫是直接或者间接装配在晶圆传输设备的机械手4上，和晶圆2直接接触，用以提供传输所需的摩擦力的装置，其包括用于设置在晶圆传输设备中机械手4上的基体3以及凸出于基体3表面的工作台1，机械手4包括相交的第一接触面和第二接触面，基体3用于与第一接触面和第二接触面相抵，且基体3能够与第一接触面和/或第二接触面相连接，工作台1包括用于与晶圆2摩擦接触的工作面101，使工作面101能够对晶圆2提供传输所需的摩擦力，其中工作面101至少为具有环形微特征的表面、具有放射形微特征的表面、具有垂直阵列微特征的表面、镜面和粗糙面的其中一种，进而能够增大工作面101与晶圆2之间的静摩擦，提供足够大的摩擦力，进而能够防止晶圆2与工作面101之间产生相对滑动，防止晶圆2掉落，并且相较于现有技术而言，工作面101与晶圆2之间的实际接触面积减少，从而减少了工作面101与晶圆2分离时的粘附力。
具体的，由机械手4可以驱动工作台1移动至晶圆2的底部，抬高工作台1并使其工作面101与晶圆2的底面贴合，通过机械手4驱动工作台1沿水平方向移动，通过工作面101与晶圆2之间的静摩擦可以对晶圆2传输，传输至规定位置后，机械手4驱动工作台1沿垂向向下移动，使工作面与晶圆2分离，即可完成传输工作。
本实施例中，工作台1作为凸出于基体3表面的部分，此设计能够减缓整体摩擦垫磨损，提高使用寿命，并且便于控制工作台1的尺寸，通过控制工作台1的尺寸设计能够控制晶圆2与摩擦垫之间的粘附力。
本实施例中，基体3可以抵靠于第一接触面和第二接触面之间，其中，第一接触面或第二接触面可以水平设置，对基体3起到托举作用，基体3可以通过粘胶或连接机构与第一接触面和/或第二接触面相连接，以提高稳定性，防止基体3由机械手4上掉落，实现平稳地传输晶圆2。
作为一种可选的实施方式，第一接触面与基体3底面通过粘胶固定，此时第二接触面与基体3侧面之间可以不浇注粘胶，通过在第一接触面上设置贯穿机械手4本体的浇注口，由浇注口送入粘胶，使其在第一接触面与基体3底面之间扩散，进而可以使基体3粘附在第一接触面。
进一步的，第一接触面可以是粗糙面，在浇注过程中可以扩散粘胶，提高接触面积，进而增强粘附力。
可选的，基体3可以通过螺栓、卡扣等连接机构可拆卸地设置于第一接触面和/或第二接触面上。
本实施例中，基体3与工作台1均由柔性材料制成，相较于现有技术中摩擦垫内芯为金属材料且外层包裹柔性材料的技术特征而言，整体由柔性材料制成的基体3与工作台1使用寿命长，防止磨损表层后损伤晶圆2，保证了工作面101的洁净度。
可选的，上述的柔性材料包括但不限于橡胶、PVC、PU和硅胶。
进一步的，参照图1所示，摩擦垫存在以下结构特征关键尺寸设计：
(1)通过工作面101的尺寸D1，设计摩擦垫与晶圆2的表观接触面积；
(2)通过工作面101的表面微特征，设计摩擦垫与晶圆2的真实接触面积，进一步设计摩擦垫与晶圆2之间的摩擦力与粘附力；
(3)过渡面102与基体3表面相交，二者之间具有夹角，通过工作台1根部尺寸D2、工作台1的高度H1，设计工作台1与基体3之间的夹角角度。通过对此夹角角度的设计可以避免工作台1根部应力集中，使其整体受力更均匀，提高摩擦垫使用寿命，还可以降低粘附力作用，使放置过程中晶圆2与摩擦垫更易分离，参照图3所示，具体为工作台1边缘首先与晶圆2分离，进而逐步分离；
(4)通过基体3高度H2，设计摩擦垫与机械手4的位置关系，机械手4上可设置用于容纳摩擦垫的容纳空间，具体为基体3上表面应高于机械手4上表面；
(5)通过基体3尺寸D3，设计摩擦垫与机械手4的装配关系，装配形式包括但不限于夹持、过盈配合、胶水粘合、高低温装配。
参照图7、图8和图9所示，结构特征(1)中，工作台1的上表面形状包括但不限于矩形、圆形和环形。其中，工作台1上分别与工作面101和基体3表面相交的过渡面102与工作面101之间通过倾角或倒圆角过渡，以降低尖角处应力集中、减少磨损。
参照图10至图14所示，结构特征(2)中，工作面101的表面微特征包括但不限于环形微特征、放射形微特征、镜面、具有垂直阵列微特征的表面和不规则粗糙面。采用不同的表面微特征，可以得到不同的摩擦力，从而可以根据传输速度要求对结构特征(2)进行设计。
本实施例中，以不规则粗糙面为例，粗糙面摩擦力f满足下式：
f＝αφ
式中，α为损耗因子，ф为弹性能，ф的表达式为：
式中，μ为柔性材料的泊松比，E为材料弹性模量，F为接触压力，R为粗糙峰平均曲率半径。
工作面101采用不同的表面微特征，可以得到不同的粘附力，粘附力P满足下式：
P＝-1.5πωR
式中，R为等效半径(此处R与摩擦力公式中不同，等效半径与结构特征(1)、结构特征(2)均相关)，ω为界面粘附能，其表达式为：
式中，γ1与γ2分别为工作台1与晶圆2的表面自由能。通过结构特征(2)可以设计工作面101的表面自由能，从而降低粘附力。
参照图4、图5和图6所示，结构特征(3)中，工作面101与基体3表面之间的夹角角度，包括但不限于锐角、直角和钝角。采用不同的角度，可以得到不同的晶圆2与摩擦垫分离效果，即两者之间粘附力表现不同。
具体的，摩擦垫与晶圆2分离过程中，其受力与变形符合弹性力学原理，通过仿真与试验手段可以将弹性力学原理可视化。此处通过仿真手段，对不同结构特征(3)的粘附力进行对比，参照图15可见相同粘附力下摩擦垫变形不同，根据弹性力学原理，该变形必然导致不同的应变及应力分布。具体为工作台1边缘部分应力与变形最大，图15中示出了晶圆2与摩擦垫最先分离位置，随后晶圆2与摩擦垫沿途中箭头方向、由边缘向中心逐步分离。根据粘附力公式，逐步分离可以有效降低等效半径R，从而减小粘附力。
进一步的，结构特征(3)可以减少摩擦垫在摩擦力与粘附力作用下的应力集中，使应力分布更均匀，降低整体应力水平，从而提高摩擦垫的使用寿命。
参照图2所示，结构特征(4)与结构特征(5)可以确保摩擦垫可以适用于不同尺寸、不同结构形式的机械手4，具有通用性。
作为一种可选的实施方式，基体3与工作台1为一体成型结构，保证二者之间连接强度，使晶圆2与工作面101之间平稳摩擦。
基于上述的摩擦垫中各结构特征的关键尺寸设计，在另一方面，本实施例还提供一种摩擦垫的工作面表面形貌的制备方法，用于制备上述实施例提供的用于晶圆传输设备的摩擦垫中工作面101的表面形貌，工作面101为粗糙面，该制备方法包括：
根据预设的摩擦力数值、工作面101材料的损耗因子以及工作面101的弹性能之间的函数关系，该函数关系参见上述的摩擦力计算公式，确定工作面101的弹性能，其中，预设的摩擦力数值为晶圆2与工作面101之间的摩擦力预设数值，工作面101材料的损耗因子由测试得到；
根据工作面101的弹性能、工作面101材料的泊松比、工作面101材料的弹性模量、晶圆2与工作面101之间的接触压力以及粗糙峰平均曲率半径的函数关系，该函数关系参见上述的弹性能计算公式，确定粗糙峰平均曲率半径的数值，其中，工作面101材料的泊松比、工作面101材料的弹性模量以及晶圆2与工作面101之间的接触压力均由测试得到；
根据工作面101表面自由能、晶圆2表面自由能以及界面粘附能之间的函数关系，该函数关系参见上述的界面粘附能计算公式，确定界面粘附能的数值，其中，工作面101表面自由能和晶圆2表面自由能均由测试得到；
根据预设的粘附力数值、界面粘附能的数值以及晶圆2与工作面101真实接触面积的等效半径的函数关系，该函数关系参见上述的粘附力计算公式，确定等效半径的数值，其中，预设的粘附力数值为晶圆2与工作面101之间的粘附力预设数值；
根据粗糙峰平均曲率半径的数值以及等效半径的数值，制备工作面101的表面形貌。
进一步的，采用上述方法，可以根据需要的摩擦力和粘附力制备相应的工作面101的表面形貌。
另一方面，本实施例还提供一种晶圆传输设备，包括上述实施例提供的用于晶圆传输设备的摩擦垫，使本实施例提供的晶圆传输设备具备上述实施例提供的用于晶圆传输设备的摩擦垫的全部优点。
作为一种可选的实施方式，机械手4上可设置用于容纳摩擦垫的容纳空间，参照图2所示，该容纳空间由与基体3底面接触的第一接触面和与基体3侧面接触的第二接触面围成。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种用于晶圆传输设备的摩擦垫，其特征在于，包括用于设置在晶圆传输设备中机械手(4)上的基体(3)和凸出于所述基体(3)表面的工作台(1)，所述机械手(4)包括相交的第一接触面和第二接触面，所述基体(3)用于与所述第一接触面和所述第二接触面相抵，且所述基体(3)能够与所述第一接触面和/或所述第二接触面相连接；所述工作台(1)包括用于与晶圆(2)摩擦接触的工作面(101)，所述工作面(101)至少为具有环形微特征的表面、具有放射形微特征的表面、具有垂直阵列微特征的表面、镜面和粗糙面的其中一种。
2.根据权利要求1所述的用于晶圆传输设备的摩擦垫，其特征在于，所述第一接触面和/或所述第二接触面上贯穿设有与外界连通的浇注口，所述浇注口用于向所述第一接触面和/或所述第二接触面与所述基体(3)之间浇注粘胶。
3.根据权利要求1所述的用于晶圆传输设备的摩擦垫，其特征在于，所述工作台(1)还包括分别与所述工作面(101)和所述基体(3)表面相交的过渡面(102)。
4.根据权利要求3所述的用于晶圆传输设备的摩擦垫，其特征在于，所述过渡面(102)与所述工作面(101)之间通过倾角或倒圆角过渡。
5.根据权利要求1所述的用于晶圆传输设备的摩擦垫，其特征在于，所述基体(3)与所述工作台(1)为一体成型结构。
6.根据权利要求1所述的用于晶圆传输设备的摩擦垫，其特征在于，所述基体(3)与所述工作台(1)均由柔性材料制成。
7.根据权利要求6所述的用于晶圆传输设备的摩擦垫，其特征在于，所述柔性材料至少包括橡胶、PVC、PU和硅胶的其中一种。
8.一种摩擦垫的工作面表面形貌的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-7任一项所述的用于晶圆传输设备的摩擦垫中所述工作面(101)的表面形貌，所述工作面(101)为粗糙面，所述制备方法包括：
根据预设的摩擦力数值、所述工作面(101)材料的损耗因子以及所述工作面(101)的弹性能之间的函数关系，确定所述工作面(101)的弹性能，其中，预设的摩擦力数值为所述晶圆(2)与所述工作面(101)之间的摩擦力预设数值，所述工作面(101)材料的损耗因子由测试得到；
根据所述工作面(101)的弹性能、所述工作面(101)材料的泊松比、所述工作面(101)材料的弹性模量、所述晶圆(2)与所述工作面(101)之间的接触压力以及粗糙峰平均曲率半径的函数关系，确定所述粗糙峰平均曲率半径的数值，其中，所述工作面(101)材料的泊松比、所述工作面(101)材料的弹性模量以及所述晶圆(2)与所述工作面(101)之间的接触压力均由测试得到；
根据所述工作面(101)表面自由能、所述晶圆(2)表面自由能以及界面粘附能之间的函数关系，确定所述界面粘附能的数值，其中，所述工作面(101)表面自由能和所述晶圆(2)表面自由能均由测试得到；
根据预设的粘附力数值、所述界面粘附能的数值以及所述晶圆(2)与所述工作面(101)真实接触面积的等效半径的函数关系，确定所述等效半径的数值，其中，预设的粘附力数值为所述晶圆(2)与所述工作面(101)之间的粘附力预设数值；
根据所述粗糙峰平均曲率半径的数值以及所述等效半径的数值，制备所述工作面(101)的表面形貌。
9.一种晶圆传输设备，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的用于晶圆传输设备的摩擦垫。
10.根据权利要求9所述的晶圆传输设备，其特征在于，所述第一接触面和所述第二接触面之间形成用于容纳所述基体(3)的容纳空间，所述基体(3)设置于所述容纳空间内。
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