CN214753668U - 半导体工艺设备及其机械手 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种半导体工艺设备及其机械手，该机械手用于传输晶圆，包括手指结构，手指结构上设置有凹槽，凹槽的开口尺寸沿远离凹槽的底面的方向递增，凹槽的侧面用于通过与晶圆边缘接触来承载晶圆；并且，凹槽的底面设置有多个排气孔，凹槽的底面的中心区域为与水平面相互平行的平面，凹槽的底面的边缘区域包括至少一个朝水平面以下的方向倾斜的排气斜面。应用本申请，可以降低晶圆在传输过程中划伤的概率，提高产品的良率，并解决“气垫”效应，提高机械手的取放片精度。

Description

半导体工艺设备及其机械手

技术领域

本发明涉及半导体工艺设备技术领域，具体地，涉及一种半导体工艺设备及其机械手。

背景技术

在半导体器件制作过程中，通常需要借助机械手来实现。例如，对于对温度有要求(如需要冷却)的晶圆，如图1所示，通过机械传输组件04将晶圆06从冷却(LL)腔室01传送至传输(TC)腔室03后，再从TC腔室03传送到工艺(PM)腔室02中，在PM中进行具体工艺(如硅外延)，当工艺结束后，再将晶圆依次从PM-TC-LL腔室中传送，完成整个工艺过程。

但是，采用现有的机械传输组件04传输晶圆的过程中仍存在以下技术问题，如，晶圆在传输过程中容易自机械传输组件04的手指结构05上滑落，降低了晶圆的传输速度；发生翘曲的晶圆背面的中部区域可能与机械手接触，导致晶圆背面划伤的概率增加，降低了产品良率，且现有的手指结构05的表面与晶圆之间，在取/放片时会产生“气垫”效应(如图2所示)，影响取放片精度。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种半导体工艺设备及其机械手，可以降低晶圆在传输过程中划伤的概率，提高产品的良率，并解决“气垫”效应，提高机械手的取放片精度。

为实现本发明的目的，第一方面提供一种机械手，用于传输晶圆，包括手指结构，所述手指结构上设置有凹槽，所述凹槽的开口尺寸沿远离所述凹槽的底面的方向递增，所述凹槽的侧面用于通过与所述晶圆边缘接触来承载所述晶圆；并且，

所述凹槽的底面设置有多个排气孔，所述凹槽的底面的中心区域为与水平面相互平行的平面，所述凹槽的底面的边缘区域包括至少一个朝所述水平面以下的方向倾斜的排气斜面。

可选地，所述凹槽的侧面为相对于所述水平面倾斜的接触斜面，且所述接触斜面与所述水平面之间的夹角以及所述接触斜面靠近所述凹槽底面的边缘与所述凹槽底面之间的距离的设定，满足所述凹槽的底面的中心区域能够在所述晶圆发生翘曲时不与所述晶圆接触。

可选地，所述距离为2mm-3.5mm。

可选地，所述夹角为0.5°-2.5°。

可选地，所述排气斜面与所述水平面之间的夹角为1°～2°。

可选地，所述排气斜面自靠近所述凹槽中心的边缘至远离所述凹槽中心的边缘之间的距离为90mm～100mm。

可选地，所述机械手还包括冷却装置，所述冷却装置位于所述手指结构的下方，用于通过朝向所述手指结构吹送冷却气体来对置于所述手指结构上的所述晶圆进行冷却。

可选地，所述冷却装置包括吹气结构和气体管路，其中，

所述机械手还包括机械手本体和机械手臂，所述机械手臂的两端分别与所述手指结构和所述机械手本体连接；所述吹气结构与所述机械手本体连接，用以朝向所述晶圆吹送冷却气体；

所述气体管路的一端用于与气源连接，所述气体管路的另一端与所述吹气结构连接，且在所述气体管路上设置有通断阀。

可选地，所述吹气结构包括吹气本体，所述吹气本体具有吹气表面，且在所述吹气表面上形成有多个吹气口，多个所述吹气口分布在多个以所述吹气表面的中心为圆心，且半径不同的同心圆上。

为实现本发明的目的，另一方面提供一种半导体工艺设备，包括多个工艺腔室以及传输腔室，所述传输腔室内设置有如第一方面所述的机械手，所述机械手用于将晶圆在各个腔室之间进行传输。

本申请具有以下有益效果：

本申请提供的机械手，其手指结构上设置有凹槽，并设置凹槽的开口尺寸沿远离凹槽的底面的方向递增，并设置凹槽的侧面用于通过与晶圆边缘接触来承载晶圆，如此，采用具有坡度的斜面承载晶圆，可以防止晶圆在传输的过程中，因受横向传输作用力而自手指结构上滑落。另外，凹槽的底面设有排气孔和位于边缘的排气斜面，在机械手放片时，晶圆与手指结构之间的空气层，部分可以从排气孔排出，部分可以从侧面的排气斜面流走，从而可以提高手指结构的排气效果，有效将晶圆与手指结构之间的空气层排出，较为彻底地解决上述“气垫”效应，提高机械手的取放片精度。

附图说明

图1为机械传输组件传输晶圆的过程示意图；

图2为现有技术中晶圆与手指结构之间出现“气垫”效应的示意图；

图3为本申请实施例提供的机械手的俯视结构示意图；

图4为图3中A-A出的剖视结构示意图；

图5为本申请实施例提供的机械手承载晶圆状态下的示意图；

图6为图3中B-B出的剖视结构示意图；

图7为图3中C-C出的剖视结构示意图；

图8为本申请实施例提供的具有冷却装置的机械手的主视结构示意图；

图9a为本申请实施例提供的冷却本体的主视结构示意图；

图9b为本申请实施例提供的冷却本体的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请，本申请的实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出的本申请的特征是不必要的，则将其省略。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”和“该”也可包括复数形式。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

下面结合附图以具体的实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。

为解决上述技术问题，本实施例对现有的机械手结构进行了研究分析，结果发现：通常机械手与晶圆接触的表面为平面，晶圆在传输的过程中，受横向传输作用力，容易与机械手发生相对运动，从而自机械手的手指上滑落，降低了晶圆的传输速度。另外，晶圆在高温状态下，尤其是较大尺寸的晶圆(如12寸及以上尺寸)，会发生明显的形变翘曲现象，将边缘翘曲的晶圆放置在机械手的手指上时，晶圆的中心区域会向手指的表面凹陷，当凹陷程度一定大时，使得晶圆背面与手指大面积接触，导致晶圆背面划伤的概率增加，降低产品的良率。另外，手指靠近晶圆的表面几乎为一整体表面，晶圆与手指之间形成空气层，手指的排气效果较差，排气不够彻底，取片时可能产生“气垫”效应(如图2所示，晶圆06与手指05之间的空气层相当于一个“气垫”，将晶圆垫起来，脱离手指05的支撑)，从而影响机械手的取放片精度。

请参照图3-图5，为本实施例提供的机械手，用于传输晶圆20，包括手指结构10，手指结构10上设置有凹槽101，凹槽101的开口尺寸沿远离凹槽101的底面的方向递增，凹槽101的侧面用于通过与晶圆20边缘接触来承载晶圆20；并且，凹槽101的底面设置有多个排气孔11，凹槽101的底面的中心区域为与水平面相互平行的平面，凹槽101的底面的边缘区域包括至少一个朝水平面以下的方向倾斜的排气斜面12。

本实施例提供的机械手，其手指结构10上设置有凹槽101，并设置凹槽101的开口尺寸沿远离凹槽101的底面的方向递增，并设置凹槽101的侧面用于通过与晶圆20边缘接触来承载晶圆20，如此，采用具有坡度的斜面承载晶圆20，可以防止晶圆20在传输的过程中，因受横向传输作用力而自手指结构10上滑落。另外，凹槽101的底面设有排气孔11和位于边缘的排气斜面12，在机械手放片时，晶圆20与手指结构10之间的空气层，部分可以从排气孔11排出，部分可以从侧面的排气斜面12流走，从而可以提高手指结构10的排气效果，有效将晶圆20与手指结构10之间的空气层排出，较为彻底地解决上述“气垫”效应，提高机械手的取放片精度。

于本实施例一具体实施方式，如图5和图6所示，凹槽101的侧面为相对于水平面倾斜的接触斜面，且为了降低或避免晶圆20背面与手指结构10接触，接触斜面与水平面之间的夹角，以及接触斜面靠近凹槽101底面的边缘与凹槽101底面之间的距离的设定满足凹槽101底面的中心区域能够在晶圆20发生翘曲时不与晶圆20接触(如图5所示)，从而可以解决晶圆20在高温状态下，尤其是较大尺寸的晶圆20(如12寸及以上尺寸)，发生明显的形变翘曲，使晶圆20背面与手指结构10的表面大面积接触，导致晶圆20背面划伤的概率增加，产品良率降低的问题。

进一步地，对于晶圆20而言，作为半导体材料其在高温情况下的变形量有限，变形后产生的表面差(晶圆20表面不同位置之间沿垂直晶圆20方向的最大高度差)通常不大于2mm，所以，当上述承载晶圆20的接触斜面与凹槽101底面的最小竖直间距b大于上述晶圆20变形后产生的表面差时，采用接触斜面承载晶圆20即可避免晶圆20发生翘曲时晶圆20背面与凹槽101底面接触。另外，凹槽101的深度也不宜太深，一方面需要采用较厚的板材形成手指结构10，会造成原材料的浪费；另一方面晶圆20与凹槽101底面距离较大，也不利于手指结构10与晶圆20之间的空气层的排出。综上，可设置上述最小竖直间距b为2mm-3.5mm，既可避免晶圆20发生翘曲时晶圆20背面与凹槽101底面接触。也不会造成原材料浪费。

对于承载晶圆20的接触斜面而言，其与水平面的夹角a越大，则越不利于机械手进行取放片，取放片时晶圆20容易被卡在某一位置，继而造成晶圆20边缘的划伤和磨损；而接触斜面若与水平面的夹角a太小，则晶圆20受横向作用力的影响，容易在接触斜面上产生滑动，也会对晶圆20的边缘造成划伤和磨损。综上，可设置接触斜面与水平面之间的夹角a为0.5°-2.5°，以避免晶圆20在接触斜面上滑动或由于放片角度被接触斜面卡住等。

于本实施例另一具体实施方式，手指结构10可以包括手指本体110和设置在手指本体110上的多个凸起部件13，其中，多个凸起部件13围绕指定中心间隔设置，且多个凸起部件13的内侧面共同构成凹槽101的侧面，手指本体110朝向晶圆20的表面构成凹槽101的底面。

其中，指定中心可以理解为当晶圆20被正确放置在接触斜面上时，晶圆20的中心。本实施例通过设置多个绕该指定中心设置的凸起部件13，并通过多个凸起部件13的内侧面共同承载晶圆20，既可以实现对晶圆20的承载作用，又可以减小晶圆20与手指结构10的接触面积，进一步降低晶圆20背面被划伤的概率，提高产品的良率。

需要说明的是，上述设置接触斜面的方式只是本实施例的部分实施方式，本实施例并不以此为限，只要能形成上述接触斜面为侧面的凹槽101即可，例如，也可以在手指本体110上设置凸环或者在整体手指本体110上开设凹槽101。

进一步地，如图3和图7所示多个凸起部件13在水平面的第一方向上划分为相对设置的两组凸起部件组，每组凸起部件组可以但不限于包括两个凸起部件13。排气斜面12可以为两个，并在水平面的第二方向上相对设置，该第二方向与第一方向可以相互垂直。排气斜面12的长度可以接近两组凸起部件组之间的距离，排气斜面12的宽度，即排气斜面12自靠近凹槽101中心的边缘至远离凹槽101中心的边缘之间的距离，可以根据手指本体110的实际宽度进行设定，一般可以设为90mm～100mm，排气斜面12与水平面的夹角d可设置为1°～2°。可在两个排气斜面12之间设置上述多个排气孔11，多个排气孔11的大小可以相同，也可以不同。为减小手指本体110的体积，节省原材料，手指本体110可设置为长条形，上述第一方向可以为手指本体110的长度方向，第二方向可以为手指本体110的宽度方向。

另外，还可以在手指本体110的中心区域设置中心定位孔14，以便在在机械手对工位进行校准时，起到对手指结构10中心定位的作用，从而缩短工位校准所需的时间。并可以在该中心定位孔14附近开设排气孔11，具体地，可在中心定位孔14的一侧设置一个较大的排气孔11，在中心定位孔14的另一侧设置三个较小的排气孔11。此外，还可以在手指本体110上沿厚度方向开设减重孔15，以进一步降低手指本体110的重量。

需要说明的是，上述凸起部件13和排气斜面12的设置，只是本实施例的一种实施方式，本实施例并不以此为限，例如排气斜面12也可以包括在第二方向相对设置的两组，每组包括多个沿第一方向间隔设置的子排气斜面12。

于本实施例另一具体实施方式，该机械手还可以包括冷却装置，冷却装置位于手指结构10的下方，用于通过朝向手指结构10吹送冷却气体来对置于手指结构10上的晶圆20进行冷却。如此，在手指结构10的下方设置冷却装置，当手指在Home位传输或等待时，可以通过冷却装置对晶圆20进行持续冷却，经过该冷却装置冷却后的晶圆20可以直接传输至冷却腔室，在冷却腔室可不需要进行水冷，仅需进行抽充后直接传输出冷却腔室，从而缩短整个工艺时间，达到提升产能的目的。

进一步地，如图8所示，冷却装置可以包括吹气结构51和气体管路(图中未示出)，其中，机械手还包括机械手本体30和机械手臂40，机械手臂40的两端分别与手指结构10和机械手本体30连接；吹气结构51与机械手本体连接，用以朝向晶圆20吹送冷却气体；气体管路的一端用于与气源连接，气体管路的另一端与吹气结构51连接，且在气体管路上设置有通断阀52。如此，当晶圆20进行工艺过程(如硅外延工艺)中，通过机械手将工艺后的晶圆20取出后，若多个冷却腔室均在进行冷却工艺，机械手会缩回至Home位，同时打开气体管路上的通断阀52，向气体管路中通入冷却气体，冷却气体可持续对晶圆20进行冷却，以达到缩短整个工艺时间，提升产能的目的。

其中，机械手本体30还可以用以驱动手指结构10相对于机械手本体30旋转。机械手本体30可以通过机械臂40与手指结构10连接，通过驱动机械手臂旋转而带动手指结构10相对于机械手本体30旋转。吹气结构51可通过固定支架53固定在机械手本体30上(固定支架53可以但不限于通过螺钉进行固定)，使冷却装置可以随机械手本体30一起转动。吹气结构51也可通过螺钉固定在固定支架53上。

上述冷却气体可以但不限于为氮气，可通过多次调试确定固定流量的氮气对晶圆20的冷却效率，以得到工艺过程中使晶圆20达到预期冷却效果的具体冷却时间，例如10-20s左右。

更进一步地，吹气结构51可以包括吹气本体510，如图9a和图9b所示，吹气本体510可以具有吹气表面512，且在吹气表面512上形成有多个吹气口，多个吹气口分布在多个以吹气表面512的中心为圆心，且半径不同的同心圆上，从而可以将从进气端511进入吹气本体510的集中气流，从吹气表面512的多个吹气口均匀地吹出，以防止晶圆20由于局部冷却，产生热应力，进而发生裂片的风险。同时，该具有多个吹气口的吹气本体510还具备过滤能力，通过设置吹气口的直径，可使过滤精度达到3nm，从而对厂务输送的氮气进行二次过滤，减少晶圆20表面颗粒的产生。在实际应用中，该吹气本体510可选用扩散器，扩散器可通过气体管路与通断阀52连接，并可通过螺钉将扩散器与通断阀52均固定在固定支架53上。上述通断阀52可以为气动阀门或电动阀门，本实施例对此不做具体限定。

基于上述半导体工艺设备的机械手相同的构思，本实施例还提供一种半导体工艺设备，包括多个工艺腔室以及传输腔室，传输腔室内设置有上述任一实施方式的机械手，机械手用于将晶圆在各个腔室之间进行传输。

本实施例提供的半导体工艺设备，至少具有上述机械手的有益效果，在此不再赘述。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本申请的原理而采用的示例性实施方式，然而本申请并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本申请的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本申请的保护范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“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申请和简化描述，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申请的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种机械手，用于传输晶圆，其特征在于，包括手指结构，所述手指结构上设置有凹槽，所述凹槽的开口尺寸沿远离所述凹槽的底面的方向递增，所述凹槽的侧面用于通过与所述晶圆边缘接触来承载所述晶圆；并且，

所述凹槽的底面设置有多个排气孔，所述凹槽的底面的中心区域为与水平面相互平行的平面，所述凹槽的底面的边缘区域包括至少一个朝所述水平面以下的方向倾斜的排气斜面。

2.根据权利要求1所述的机械手，其特征在于，所述凹槽的侧面为相对于所述水平面倾斜的接触斜面，且所述接触斜面与所述水平面之间的夹角以及所述接触斜面靠近所述凹槽底面的边缘与所述凹槽底面之间的距离的设定，满足所述凹槽的底面的中心区域能够在所述晶圆发生翘曲时不与所述晶圆接触。

3.根据权利要求2所述的机械手，其特征在于，所述距离为2mm-3.5mm。

4.根据权利要求2所述的机械手，其特征在于，所述夹角为0.5°-2.5°。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的机械手，其特征在于，所述排气斜面与所述水平面之间的夹角为1°～2°。

6.根据权利要求5所述的机械手，其特征在于，所述排气斜面自靠近所述凹槽中心的边缘至远离所述凹槽中心的边缘之间的距离为90mm～100mm。

7.根据权利要求1-4任意一项所述的机械手，其特征在于，所述机械手还包括冷却装置，所述冷却装置位于所述手指结构的下方，用于通过朝向所述手指结构吹送冷却气体来对置于所述手指结构上的所述晶圆进行冷却。

8.根据权利要求7所述的机械手，其特征在于，所述冷却装置包括吹气结构和气体管路，其中，

所述机械手还包括机械手本体和机械手臂，所述机械手臂的两端分别与所述手指结构和所述机械手本体连接；所述吹气结构与所述机械手本体连接，用以朝向所述晶圆吹送冷却气体；

所述气体管路的一端用于与气源连接，所述气体管路的另一端与所述吹气结构连接，且在所述气体管路上设置有通断阀。

9.根据权利要求8所述的机械手，其特征在于，所述吹气结构包括吹气本体，所述吹气本体具有吹气表面，且在所述吹气表面上形成有多个吹气口，多个所述吹气口分布在多个以所述吹气表面的中心为圆心，且半径不同的同心圆上。

10.一种半导体工艺设备，其特征在于，包括多个工艺腔室以及传输腔室，所述传输腔室内设置有如权利要求1-9任一项所述的机械手，所述机械手用于将晶圆在各个腔室之间进行传输。

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