CN117558668B - 用于传送晶圆的双叉式机械臂和传送装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于传送晶圆的双叉式机械臂和传送装置，属于半导体传输技术领域，该机械臂包括自下而上平行布设的基座、第一摆臂、第二摆臂和转台，第一摆臂两端分别与基座和第二摆臂相连，转台与第二摆臂末端相连，转台连接有用于装载晶圆的第一叉臂和第二叉臂，第一摆臂上阵列设置有用于支撑第二摆臂的稳定组件，稳定组件包括底板，底板设于第一摆臂上端面，底板上端面环绕设置有支撑柱，支撑柱内设有上下贯通的滑槽，滑槽内配合设置有滚珠，滚珠与滑槽底端连接有弹簧。本发明通过提高机械臂整体结构稳定性，降低了晶圆偏移、抖动、掉落风险，且能实现无损运输，提高了传输效率和成品率。

Description

用于传送晶圆的双叉式机械臂和传送装置

技术领域

本发明属于半导体传输技术领域，具体涉及用于传送晶圆的双叉式机械臂和传送装置。

背景技术

随着半导体产业的迅速发展，集成电路特征尺寸不断趋于微细化，半导体晶片不断地朝小体积、高电路密集度、快速、低耗电方向发展，集成电路现已进入超大规模集成电路（UltraLargeScaleIntegration，简称ULSI）亚微米级的技术阶段，其中，晶圆是基本的基础材料，根据需要在上面蚀刻出所需要的电路，然后分割成小块的芯片。

在实际的半导体器件制造过程中，通常需要采用沉积、刻蚀、平坦化等工艺在晶圆上形成电路结构或隔离结构等，以获得半导体器件。半导体在制造加工过程中，往往需要通过不同的处理设备对晶圆进行不同的操作处理。此时，则需要通过晶圆传送机械臂将待处理的晶圆传送至相应的半导体处理设备中。

目前在晶圆的传输过程中，晶圆的传输方式主要是利用机械臂夹持传输或吸气式吸盘传输。对于机械臂夹持式传输而言，需与晶圆表面进行直接机械接触，并依靠摩擦力进行夹持和传输，不可避免地会产生应力集中问题，易造成晶圆破碎。吸气式吸盘传输为吸盘表面直接接触晶圆表面后再抽真空吸附，两者之间的相对姿态难以保持绝对平行，使吸盘表面触碰到晶圆表面时的碰触力不易控制，导致应力集中，出现晶圆破碎。其次，普通的吸气式吸盘通常包括多个小吸盘，而各个小吸盘之间的实际真空度有差异，导致晶圆表面受力不均匀，从而导致晶圆破碎。

申请号为US17927895的美国发明专利公开了一种晶圆传送装置、化学机械平坦化设备及晶圆传送方法。该晶圆传送装置包括用于夹持并传送晶圆的机械手，以及用于放置晶圆的传送平台；机械手由第一手爪、第二手爪、升降平台、移动机构、旋转机构和控制机构组成；移载平台由第一移载平台、第二移载平台和安装机架组成。该装置在晶圆传输过程中，可以实现干湿片分离，避免抛光后的晶圆所携带的抛光液等液体对洁净的晶圆造成污染，提高晶圆的合格率。该发明在解决以下技术问题上存在改进的空间：机械手所包含的上机械手和下机械手在运动时，臂体大部分处于悬空无支撑状态，容易在转移晶圆时发生抖动，导致晶圆被磨损或掉落碎裂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高稳定性的用于传送晶圆的双叉式机械臂和传送装置。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：

用于传送晶圆的双叉式机械臂，包括：自下而上平行布设的基座、第一摆臂、第二摆臂和转台，第一摆臂两端分别与基座和第二摆臂相连，转台与第二摆臂末端相连，转台连接有用于装载晶圆的第一叉臂和第二叉臂，第一摆臂上阵列设置有用于支撑第二摆臂的稳定组件。通过第一摆臂相对基座运动、第二摆臂相对第一摆臂运动，以及转台相对第二摆臂的方位调整，使第一叉臂与第二叉臂能快速地携带所装载晶圆到达指定位置，提高了定位的效率，第二摆臂移动至第一摆臂上方后，稳定组件能对第二摆臂的悬空臂体部分形成支撑，从而避免第二摆臂受转台的载荷影响相对第一摆臂倾斜，防止晶圆偏移或掉落，提高了晶圆传送稳定性。

优选地，稳定组件包括底板，底板设于第一摆臂上端面，底板上端面环绕设置有支撑柱，支撑柱内设有上下贯通的滑槽，滑槽内配合设置有滚珠，滚珠与滑槽底端连接有弹簧。第二摆臂经过第一摆臂上方时，第二摆臂首先接触滚珠，滚珠受压在滑槽内向下滑移并挤压弹簧，实现对第二摆臂弹性支撑，缓冲了第二摆臂活动时发生的震动，降低晶圆在第一叉臂和第二叉臂上发生跳动后倾斜，导致晶圆因姿态不正而难以被处理设备接收的可能，保证了晶圆传输稳定性和定位准确度，滚珠通过球面与第二摆臂底端面持续接触，降低了与第二摆臂的底部接触面，降低磨损，支撑柱的设置保证了第一摆臂和第二摆臂之间的高度间隙，一方面避免二者移动过程中贴合过近造成磨损，另一方面提高了第一摆臂、第二摆臂与外部空气的接触面，有助于实现散热。

优选地，稳定组件还包括顶块，顶块位于底板中心上方，支撑柱外侧固定有上下布设的卡环，支撑柱外侧在卡环之间滑动连接有套环，顶块与套环之间连接有连杆。

优选地，底板上设有连接套，连接套内壁与顶块配合设置，底板内设有通路，通路连通连接套内部与滑槽。转台上的第一叉臂和第二叉臂装载晶圆的瞬间，第二摆臂被施加突增的载荷，使得第二摆臂倾斜并靠近第一摆臂，此时第二摆臂接触并挤压滚珠，滚珠在滑槽内向下滑移并挤压下方空气，使得空气流经通路至连接套内，使得连接套内气压增大，此时膨胀的空气首先作用顶块底部，使得顶块向上对第二摆臂形成支撑，降低第二摆臂倾斜度，气流持续作用顶块，顶块通过套环在支撑柱上的滑移向上垂直移动，此时进入连接套的气流从顶块与连接套之间形成的均匀缝隙向上流出，实现对第二摆臂底部中心处的气浮支撑，加速第二摆臂水平度的恢复，同时消耗第二摆臂的震动干涉，进一步保证晶圆的稳定性，气流接触第二摆臂后形成向外扩散的缓和气流，该缓和气流能对晶圆加工后携带的抛光液进行干燥，实现对晶圆的清洁处理，提高了晶圆加工后的洁净度，扩散气流也有助于对第二摆臂散热。

优选地，第一叉臂与第二叉臂在转台同侧上下平行布设，第一叉臂包括连接于转台的第一横臂，第一横臂末端固定有第一承片台，第二叉臂包括连接于转台的第二横臂，第二横臂末端固定有第二承片台，第一承片台与第二承片台呈环形且具有开口，第二承片台的内径大于第一承片台。第一承片台与第二承片台能对晶圆形成环形支撑，环形的开口设计便于第一承片台与第二承片台伸出至晶圆上料的托盘以及晶圆的下方，通过托盘下移使晶圆以水平姿态被环形的第一承片台与第二承片台托起，实现晶圆稳定装载，降低了装载转移过程中晶圆的磨损，提高成品率，同时稳定了晶圆的水平姿态，提高了处理设备接收晶圆的成功率和效率，第一承片台与第二承片台的环形内径不同便于承载不同尺寸的晶圆，提高了适用性。

优选地，第一横臂与第二横臂之间设有辅助机构，辅助机构包括一端与转台固定的横梁，横梁在延伸方向阵列设置有连接管，连接管贯穿横梁上下端面，连接管的上端和下端分别与第一横臂和第二横臂连接有橡胶套。横梁通过连接管和橡胶套形成第一横臂与第二横臂之间的支撑连接，当第一承片台单独装载晶圆时第一承片台晃动并拉扯上方的橡胶套，橡胶套通过形变缓冲第二横臂的晃动，橡胶套通过弹性形变缓冲第一横臂或第二横臂的晃动，加速第一横臂或第二横臂复位至水平姿态，有利于使第一承片台与第二承片台快速稳定并保持水平姿态，降低晶圆抖动掉落受损可能，横梁和连接管的设置保证了第一横臂和第二横臂的间隔，避免第一承片台和第二承片台晃动后碰撞受损。

优选地，横梁在中心轴线处开设有流通槽，流通槽在远离转台的一端对外连通，连接管中空且与所述流通槽连通。

优选地，基座连接有第一电机，第一电机的驱动端与第一摆臂一端连接，第一摆臂另一端连接有第二电机，第二电机的驱动端与第二摆臂一端连接，第二摆臂另一端连接有第三电机，第三电机的驱动端与转台连接。第一电机能驱动第一摆臂相对基座转动，第二电机能驱动第二摆臂相对第一摆臂转动，第三电机能驱动转台带动第一叉臂和第二叉臂相对第二摆臂转动，从而实现三级的角度调节，使第一叉臂和第二叉臂能装载晶圆到达多个工位进行转移、检测等操作，第三电机能驱动转台旋转使得第一叉臂和第二叉臂覆盖在第二摆臂上端面，同样的第二电机能驱动第二摆臂旋转至第一摆臂的上方被稳定组件支撑，从而实现第一叉臂、第二叉臂、第二摆臂、第一摆臂在水平投影上的重叠，形成整个机械臂的收纳，降低了整个机械臂的在空间内的伸展长度，便于设置罩体对机械臂防护，降低了生产成本。

本发明由于采用了能提高晶圆平稳性的稳定组件和辅助机构，因而具有如下有益效果：第一摆臂与第二摆臂的折叠设计便于形成收纳形成防护；稳定组件通形成第一摆臂与第二摆臂的高度间隔和支撑，避免二者转动产生磨损；滚珠与弹簧对第二摆臂悬空臂体部分弹性支撑，降低晃动保证晶圆稳定性；第二摆臂下压能挤压气体使顶块顶出，实现辅助支撑，进一步稳定第二摆臂；气流能从顶块外侧流出形成第二摆臂的气浮支撑，缓冲晃动的同时，有助于形成散热，同时清理晶圆上的干燥液，实现自清洁第一叉臂和第二叉臂便于对不同尺寸晶圆转移，提高适用性；连接管通过橡胶套稳定第叉臂与第二叉臂的水平度，降低装载瞬间的晃动，防止晶圆抖动掉落，同时避免晶圆倾斜后难以快速对准处理设备；第一横臂与第二横臂晃动时能将挤压气体向外输送，形成吸盘的负压，保证装载瞬间对晶圆稳定吸附，提高了晶圆稳定性，提高成品率。因此，本发明是一种具有高稳定性的用于传送晶圆的双叉式机械臂和传送装置。

附图说明

图1为第一摆臂与第二摆臂折叠状态示意图；

图2为转台与第二摆臂俯视示意图；

图3为稳定组件示意图；

图4为支撑柱与顶块剖视示意图；

图5为第一叉臂与第二叉臂结构示意图；

图6为辅助机构示意图；

图7为第一气路和第二气路位置示意图；

图8为辅助机构剖视示意图；

图9为图8中A区域放大示意图；

图10为图8中B区域放大示意图。

附图标号：第一摆臂1；第二摆臂2；转台3；第一叉臂4；第一横臂40；第一承片台41；第一气路42；第一气孔43；第二叉臂5；第二横臂50；第二承片台51；第二气路52；第二气孔53；稳定组件6；底板60；支撑柱61；滑槽62；滚珠63；弹簧64；顶块65；卡环66；套环67；连杆68；连接套69；辅助机构7；横梁70；连接管71；橡胶套72；流通槽73；吸盘8；圆孔80；锥形套81。

具体实施方式

以下结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步详细描述：

显然，所描述的实施例仅仅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做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。

参见附图1-附图2，用于传送晶圆的双叉式机械臂，包括：自下而上平行布设的基座、第一摆臂1、第二摆臂2和转台3，第一摆臂1两端分别与基座和第二摆臂2相连，转台3与第二摆臂2末端相连，转台3连接有用于装载晶圆的第一叉臂4和第二叉臂5，第一摆臂1上阵列设置有用于支撑第二摆臂2的稳定组件6。

通过第一摆臂1相对基座运动、第二摆臂2相对第一摆臂1运动，以及转台3相对第二摆臂2的方位调整，使第一叉臂4与第二叉臂5能快速地携带所装载晶圆到达指定位置，提高了定位的效率，第二摆臂2移动至第一摆臂1上方后，稳定组件6能对第二摆臂2的悬空臂体部分形成支撑，从而避免第二摆臂2受转台3的载荷影响相对第一摆臂1倾斜，防止晶圆偏移或掉落，提高了晶圆传送稳定性。

参见附图3-附图4，稳定组件6包括底板60，底板60设于第一摆臂1上端面，底板60上端面环绕设置有支撑柱61，支撑柱61内设有上下贯通的滑槽62，滑槽62内配合设置有滚珠63，滚珠63与滑槽62底端连接有弹簧64。

第二摆臂2经过第一摆臂1上方时，第二摆臂2首先接触滚珠63，滚珠63受压在滑槽62内向下滑移并挤压弹簧64，实现对第二摆臂2弹性支撑，缓冲了第二摆臂2活动时发生的震动，降低晶圆在第一叉臂4和第二叉臂5上发生跳动后倾斜，导致晶圆因姿态不正而难以被处理设备接收的可能，保证了晶圆传输稳定性和定位准确度。

滚珠63通过球面与第二摆臂2底端面持续接触，降低了与第二摆臂2的底部的接触面，降低磨损，支撑柱61的设置保证了第一摆臂1和第二摆臂2之间的高度间隙，一方面避免二者移动过程中贴合过近造成磨损，另一方面提高了第一摆臂1、第二摆臂2与外部空气的接触面，有助于实现散热。

稳定组件6还包括顶块65，顶块65位于底板60中心上方，支撑柱61外侧固定有上下布设的卡环66，支撑柱61外侧在卡环66之间滑动连接有套环67，顶块65与套环67之间连接有连杆68。

底板60上设有连接套69，连接套69内壁与顶块65配合设置，底板60内设有通路，通路连通连接套69内部与滑槽62。

转台3上的第一叉臂4和第二叉臂5装载晶圆的瞬间，第二摆臂2被施加突增的载荷，使得第二摆臂2倾斜并靠近第一摆臂1，此时第二摆臂2接触并挤压滚珠63，滚珠63在滑槽62内向下滑移并挤压下方空气，使得空气流经通路至连接套69内，使得连接套69内气压增大，此时膨胀的空气首先作用顶块65底部，使得顶块65向上对第二摆臂2形成支撑，降低第二摆臂2倾斜度。

气流持续作用顶块65，顶块65通过套环67在支撑柱61上的滑移向上垂直移动，此时进入连接套69的气流从顶块65与连接套69之间形成的均匀缝隙向上流出，实现对第二摆臂2底部中心处的气浮支撑，加速第二摆臂2水平度的恢复，同时消耗第二摆臂2的震动干涉，进一步保证晶圆的稳定性，气流接触第二摆臂2后形成向外扩散的缓和气流，该缓和气流能对晶圆加工后携带的抛光液进行干燥，实现对晶圆的清洁处理，提高了晶圆加工后的洁净度，扩散气流也有助于对第二摆臂2散热。

参见附图5-附图6，第一叉臂4与第二叉臂5在转台3同侧上下平行布设，第一叉臂4包括连接于转台3的第一横臂40，第一横臂40末端固定有第一承片台41，第二叉臂5包括连接于转台3的第二横臂50，第二横臂50末端固定有第二承片台51，第一承片台41与第二承片台51呈环形且具有开口，第二承片台51的内径大于第一承片台41。

第一承片台41与第二承片台51能对晶圆形成环形支撑，环形的开口设计便于第一承片台41与第二承片台51伸出至晶圆上料的托盘以及晶圆的下方，通过托盘下移使晶圆以水平姿态被环形的第一承片台41与第二承片台51托起，实现晶圆稳定装载，降低了装载转移过程中晶圆的磨损，提高成品率，同时稳定了晶圆的水平姿态，提高了处理设备接收晶圆的成功率和效率，第一承片台41与第二承片台51的环形内径不同便于承载不同尺寸的晶圆，提高了适用性。

第一横臂40与第二横臂50之间设有辅助机构7，辅助机构7包括一端与转台3固定的横梁70，横梁70在延伸方向阵列设置有连接管71，连接管71贯穿横梁70上下端面，连接管71的上端和下端分别与第一横臂40和第二横臂50连接有橡胶套72。

横梁70通过连接管71和橡胶套72形成第一横臂40与第二横臂50之间的支撑连接，当第一承片台41单独装载晶圆时第一承片台41晃动并拉扯上方的橡胶套72，橡胶套72通过形变缓冲第二横臂50的晃动，橡胶套72通过弹性形变缓冲第一横臂40或第二横臂50的晃动，加速第一横臂40或第二横臂50复位至水平姿态，有利于使第一承片台41与第二承片台51快速稳定并保持水平姿态，降低晶圆抖动掉落受损可能，横梁70和连接管71的设置保证了第一横臂40和第二横臂50的间隔，避免第一承片台41和第二承片台51晃动后碰撞受损。

横梁70在中心轴线处开设有流通槽73，流通槽73在远离转台3的一端对外连通，连接管71中空且与所述流通槽73连通。

参见附图7-附图10，第一承片台41内设有对外连通的第一气路42，第二承片台51内设有对外连通的第二气路52，第一气路42与第二气路52分别沿第一承片台41和第二承片台51的延伸方向布设，第一承片台41上端面设有连通第一气路42的第一气孔43，第一气孔43在第一气路42的路径上等距布设，第二承片台51上端面设有连通第二气路52的第二气孔53，第二气孔53在第二气路52的路径上等距布设，第一气孔43与第二气孔53在端口设有吸盘8，吸盘8中心设有圆孔80，圆孔80底部设置有小端向下的锥形套81，锥形套81用于允许气流由外向内流动，第一气路42和第二气路52与流通槽73连接有管道。

晶圆装载到吸盘8上方时，吸盘8与晶圆紧密接触并形成较小的密封空间，此时晶圆受重力下移挤压吸盘8，使得密封空间内气体受压从锥形套81进入第一气孔43和第二气孔53，吸盘8到达弹性形变极限后，晶圆稳定并不再持续向下挤压吸盘8，此时密封空间不再受压，使得锥形套81封闭，形成密封空间的负压，实现装载瞬间的吸附力，提高晶圆转移至第一承片台41和第二承片台51上瞬间的稳定性。

在第一承片台41、第二承片台51装载晶圆进行转移时，负载引起第一叉臂4与第二叉臂5晃动并彼此靠近和远离，第一叉臂4与第二叉臂5靠近时，橡胶套72受压形变挤压其内部空气，气体受压经过连接管71、流通槽73、管道后，从第一气路42和第二气路52的对外端口流出，形成对外流通的气流，气流快速流动形成第一气路42和第二气路52内的负压，促使第一气孔43和第二气孔53内的空气被对外流通的气流携带排出，从而使吸盘8底部的锥形套81收到向下的气流吸附力，此时锥形套81张开，外部气流经过圆孔80和锥形套81的开口进入第一气路42和第二气路52，对上方装载的晶圆进行吸附作用，上述方案不需要额外增设泵体即可实现装载时的晶圆吸附，降低晶圆装载时晃动掉落风险，提高成品率。

基座连接有第一电机，第一电机的驱动端与第一摆臂1一端连接，第一摆臂1另一端连接有第二电机，第二电机的驱动端与第二摆臂2一端连接，第二摆臂2另一端连接有第三电机，第三电机的驱动端与转台3连接。第一电机能驱动第一摆臂1相对基座转动，第二电机能驱动第二摆臂2相对第一摆臂1转动，第三电机能驱动转台3带动第一叉臂4和第二叉臂5相对第二摆臂2转动，从而实现三级的角度调节，使第一叉臂4和第二叉臂5能装载晶圆到达多个工位进行转移、检测等操作，第三电机能驱动转台3旋转使得第一叉臂4和第二叉臂5覆盖在第二摆臂2上端面，同样的第二电机能驱动第二摆臂2旋转至第一摆臂1的上方被稳定组件6支撑，从而实现第一叉臂4、第二叉臂5、第二摆臂2、第一摆臂1在水平投影上的重叠，形成整个机械臂的收纳，降低了整个机械臂的在空间内的伸展长度，便于设置罩体对机械臂防护，降低了生产成本。

用于传送晶圆的传送装置，采用上述的用于传送晶圆的双叉式机械臂，该传送装置包括与基座连接的驱动装置，驱动装置用于驱动基座进行竖直方向和水平方向的移动，从而能使转台3能携带晶圆到达适应不同高度位置的工位进行处理。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (3)

1.用于传送晶圆的双叉式机械臂，包括：自下而上平行布设的基座、第一摆臂（1）、第二摆臂（2）和转台（3），所述第一摆臂（1）两端分别与所述基座和所述第二摆臂（2）相连，所述转台（3）与所述第二摆臂（2）末端相连，所述转台（3）连接有用于装载晶圆的第一叉臂（4）和第二叉臂（5），其特征是：所述第一摆臂（1）上阵列设置有用于支撑所述第二摆臂（2）的稳定组件（6），所述稳定组件（6）包括底板（60），所述底板（60）设于所述第一摆臂（1）上端面，所述底板（60）上端面环绕设置有支撑柱（61），所述支撑柱（61）内设有上下贯通的滑槽（62），所述滑槽（62）内配合设置有滚珠（63），所述滚珠（63）与所述滑槽（62）底端连接有弹簧（64），所述稳定组件（6）还包括顶块（65），所述顶块（65）位于所述底板（60）中心上方，所述支撑柱（61）外侧固定有上下布设的卡环（66），所述支撑柱（61）外侧在所述卡环（66）之间滑动连接有套环（67），所述顶块（65）与所述套环（67）之间连接有连杆（68），所述底板（60）上设有连接套（69），所述连接套（69）内壁与所述顶块（65）配合设置，所述底板（60）内设置通路，所述通路连通所述连接套（69）内部与所述滑槽（62），所述第一叉臂（4）与第二叉臂（5）在所述转台（3）同侧上下平行布设，所述第一叉臂（4）包括连接于所述转台（3）的第一横臂（40），所述第一横臂（40）末端固定有第一承片台（41），所述第二叉臂（5）包括连接于所述转台（3）的第二横臂（50），所述第二横臂（50）末端固定有第二承片台（51），所述第一承片台（41）与所述第二承片台（51）呈环形且具有开口，所述第二承片台（51）的内径大于所述第一承片台（41），所述第一横臂（40）与所述第二横臂（50）之间设有辅助机构（7），所述辅助机构（7）包括一端与所述转台（3）固定的横梁（70），所述横梁（70）在延伸方向阵列设置有连接管（71），所述连接管（71）贯穿所述横梁（70）上下端面，所述连接管（71）的上端和下端分别与所述第一横臂（40）和第二横臂（50）连接有橡胶套（72），所述横梁（70）在中心轴线处开设有流通槽（73），所述流通槽（73）在远离所述转台（3）的一端对外连通，所述连接管（71）中空且与所述流通槽（73）连通。

2.根据权利要求1所述的用于传送晶圆的双叉式机械臂，其特征是：所述基座连接有第一电机，所述第一电机的驱动端与所述第一摆臂（1）一端连接，所述第一摆臂（1）另一端连接有第二电机，所述第二电机的驱动端与所述第二摆臂（2）一端连接，所述第二摆臂（2）另一端连接有第三电机，所述第三电机的驱动端与所述转台（3）连接。

3.用于传送晶圆的传送装置，采用权利要求1所述的用于传送晶圆的双叉式机械臂，其特征是：所述用于传送晶圆的传送装置包括与所述基座连接的驱动装置，所述驱动装置用于驱动所述基座进行竖直方向和水平方向的移动。