DE102012006521A1

DE102012006521A1 - Handhabungseinheit für Waferscheiben sowie Verfahren zum Aufnehmen einer Waferscheibe

Info

Publication number: DE102012006521A1
Application number: DE201210006521
Authority: DE
Inventors: Andreas Behr
Original assignee: Innolas Semiconductor GmbH
Current assignee: Innolas Semiconductor GmbH
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-10-02
Also published as: WO2013143677A1

Abstract

Beschrieben wird eine Handhabungseinheit zum Aufnehmen, Transportieren und Ablegen einer Waferscheibe, mit einem Waferscheibenträger, der an einem um wenigstens drei Raumachsen positionierbaren Manipulatorarm angebracht ist. Der Waferscheibenträger verfügt über einen Waferscheibenaufnahmebereich, dem eine Auflageebene zuordenbar ist, und sieht darüber hinaus wenigstens zwei den Waferscheibenaufnahmebereich seitlich lokal begrenzende Haltemittel vor, an die zumindest der Umfangsrand einer auf dem Waferscheibenträger aufliegenden Waferscheibe selbst zentrierend angrenzt. Ferner wird ein Verfahren zum Aufnehmen einer Waferscheibe beschrieben. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass an dem Waferscheibenträger wenigstens zwei optische Sensoren mit jeweils einer orthogonal zur Auflageebene orientierten und dem Waferscheibenaufnahmebereich zugewandten Sensorblickrichtung angeordnet sind, die Sensorsignale generieren, und dass eine Auswerte- und Steuereinheit vorgesehen ist, die auf Grundlage der Sensorsignale Steuersignale zur Positionierung des Manipulatorarmes erzeugt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Handhabungseinheit zum Aufnehmen, Transportieren und Ablegen einer Waferscheibe, mit einem Waferscheibenträger, der an einem um wenigstens drei Raumachsen positionierbaren Manipulatorarm einer Robotereinheit angebracht ist. Der Waferscheibenträger verfügt über einen Waferscheibenaufnahmebereich, dem eine Auflageebene zugeordnet ist, und sieht wenigstens zwei den Waferscheibenaufnahmebereich seitlich lokal begrenzende Haltemittel vor, an die zumindest der Umfangsrand einer auf dem Waferscheibenträger aufliegenden Waferscheibe selbst zentrierend angrenzt. Ferner wird ein Verfahren zum Aufnehmen einer Waferscheibe auf einem Waferscheibenträger erläutert.
Stand der Technik
Handhabungseinheiten der vorstehenden Gattung dienen dem Transport und der Positionierung von aus einem Halbleitermaterial bestehenden, dünnen Scheiben, vorzugsweise von aus Silizium bestehenden, kreisrunden Waferscheiben, die als Grundsubstrat zur Herstellung von Chips mit integrierten Schaltkreisen dienen. Die Prozessierung derartiger Waferscheiben setzt eine sichere Handhabung vereinzelter Waferscheiben voraus, die es gilt zwischen diversen Bevorratungs- und Zwischenlagerbehältnissen und Bearbeitungsstationen, bspw. in Form von Prozesskammern zu transportieren.
Zur Bevorratung der Waferscheiben ist typischerweise eine Vielzahl von Waferscheiben in stapelförmiger Anordnung in einer Kassette untergebracht, aus der bzw. in die die einzelnen Waferscheiben vereinzelt unter Verwendung einer geeigneten Handhabungseinheit entnommen oder abgelegt werden.
Eine typische Handhabungseinheit sieht einen zumeist platten oder fingerartig ausgebildeten Waferscheibenträger vor, der an einem, um wenigstens drei Raumachsen beweglichen Manipulatorarm einer Robotereinheit angebracht ist. Zur Waferscheiben-Aufnahme aus einer Kassette ist der Waferscheibenträger möglichst flach ausgebildet, um so kontaktfrei zwischen zwei in einem Vertikalstapel angeordneten Waferscheiben innerhalb der Kassette einzufahren und nachfolgend eine Waferscheibe durch vertikales Anheben aufzunehmen, um diese durch eine anschließende Horizontalbewegung aus der Kassette zu entnehmen.
Während des Aufnahme- und Transportvorganges einzelner Waferscheiben gilt es dafür Sorge zu tragen, dass die einzelne Waferscheibe weder beschädigt noch durch Fremdkörperkontakt kontaminiert wird. Insbesondere die industriellen Rahmenbedingungen für die Chipherstellung fordern hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten, so dass die für die Positionierung und Handhabung der Waferscheiben erforderlichen Transportmechanismen sicher und schnell und zugleich für jede einzelne Waferscheibe möglichst schonend arbeiten müssen.
Dies erfordert für den Aufnahmevorgang einer Waferscheibe auf den jeweiligen Waferscheibenträger eine möglichst exakte Vorpositionierung des Waferscheibenträgers relativ zur aufzunehmenden Waferscheibe, zum anderen gilt es, die auf einem Waferscheibenträger aufgenommene Waferscheibe sicher zu befestigen, um sie mit hohen Transportgeschwindigkeiten und damit verbundenen großen, auf die jeweilige Waferscheibe einwirkenden Beschleunigungskräften handzuhaben.
Eine gattungsgemäße Handhabungseinheit zum Aufnehmen, Transportieren und Ablegen einer Waferscheibe ist der DE 11 2004 001 162 T5 zu entnehmen, die als Waferscheibenträger zwei an einem Basisglied angebrachte Tragzinken aufweist, an denen zur randseitigen Kontaktierung einer aufzunehmenden Waferscheibe Tragglieder angebracht sind, die noppenartig oder als schräg zu einer durch die flächige Zinkenform vorgegebene Auflageebene für die Waferscheibe ausgebildete Kulissenelemente ausgebildet sind. Sowohl das Basisglied als auch die beiden, an dem Basisglied angebrachten Aufnahmezinken weisen eine maximale Profilhöhe von weniger als 12 mm auf, so dass der aus Basisglied und tragzinken bestehende Endeffektor vermittels eines Handhabungsroboters in enge Zwischenräume zwischen einem Stapel aus Waferscheiben verfahrbar ist. Längs des Basisgliedes ist zu Zwecken einer sicheren Halterung einer Waferscheibe eine Zylinder-Kolben-Schiebeeinrichtung vorgesehen, deren Kolben radialseitig mit dem Umfangsrand einer auf den Traggliedern aufliegenden Waferscheibe in Kontakt bringbar ist. In einer ausgefahrenen Kolbenposition wird somit die Waferscheibe gegen zusätzlich zu den Traggliedern randseitig an den Zinken vorgesehenen Anschlaggliedern angedrückt und relativ zur Zinkenanordnung zentriert. Ein zusätzlich am Basisteil vorgesehener Lichtsensor erkennt das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer auf den Trägerzinken aufliegenden Waferscheibe. Hierbei ist der Lichtweg des Lichtsensors parallel zur Auflageebene der Waferscheibe orientiert.
Zu Zwecken einer exakten Positionierung der Handhabungseinheit relativ zu einer aufzunehmenden Waferscheibe, die beispielsweise innerhalb einer Bevorratungskassette zur Entnahme vorliegt, gilt es, den Bewegungs- und Positionierungsvorgang der robotergesteuerten Handhabungseinrichtung anzulernen. Hierzu eignet sich ein in der EP 2 298 509 A1 beschriebenes Verfahren sowie eine damit verbundene Vorrichtung, die anstelle eines Waferscheibenträgers eine sensorbestückte Justierschablone vorsieht, die am Manipulatorarm einer Robotereinheit angebracht ist. Die mit Lichtsensoren bestückte Justierschablone weist zwei sich gegenüber liegende U-Schenkelteile auf, die gemeinsam eine Messebene bilden, längs der wenigstens zwei Lichtpfade jeweils einer Lichtschrankensensorik verlaufen. Am jeweiligen Ort einer aufzunehmenden Waferscheibe, bspw. innerhalb einer Bevorratungskassette, wird eine speziell ausgebildete Testscheibe mit jeweils zwei orthogonal zur Scheibenebene abstehenden Pins platziert, deren exakte Raumlagen es mit Hilfe der am Manipulatorarm angebrachten, Sensorbestückten Justierschablone zu bestimmen gilt. Weitere Einzelheiten hierzu können der vorstehend genannten Druckschrift entnommen werden. Vergleichbare, mit optischen Sensoren ausgerüstete Justierschablonen, die am Manipulatorarm zu Positionierzwecken angebracht sind, sind den nachfolgenden Druckschriften zu entnehmen: JP 2005011966 A , JP 2005310858 A , JP 2008114348 A .
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Handhabungseinheit zum Aufnahmen, Transportieren und Ablegen einer Waferscheibe, mit einem Waferscheibenträger, der an einem um wenigstens drei Raumachsen positionierbaren Manipulatorarm einer Robotereinheit angebracht ist, gemäß den weiteren Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1, derart weiterzubilden, dass eine Positionierung des Waferscheibenträgers relativ zu einer aufzunehmenden Waferscheibe exakt möglich wird, selbst in Fällen, in denen die exakte Lage bzw. Position einer aufzunehmenden Waferscheibe vorher nicht bestimmt ist. Die hierfür erforderliche Vorrichtung soll ein weitgehend verzögerungsfreies Aufnehmen einer Waferscheibe auf den Waferscheibenträger ermöglichen.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Ein lösungsgemäßes Verfahren ist Gegenstand des Anspruches 8. Den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind in den Unteransprüchen sowie der weiteren Beschreibung enthalten.
Eine lösungsgemäß ausgebildete Handhabungseinheit zum Aufnehmen, Transportieren und Ablegen einer Waferscheibe gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 ist dadurch ausgebildet, dass an dem Waferscheibenträger wenigstens zwei optische Sensoren mit jeweils einer orthogonal zur Auflageebene orientierten und dem Waferscheibenaufnahmebereich zugewandten Sensorblickrichtung angeordnet sind, die Sensorsignale generieren.
Wird zu Zwecken einer Waferscheibenaufnahme der Waferscheibenträger in einer parallel zur aufzunehmenden Waferscheibe orientierten, horizontalen Bewegungsebene unter die Waferscheibe bewegt, so vermögen die wenigstens zwei an unterschiedlichen Bereichen des Waferscheibenträgers angeordneten, optischen Sensoren, deren Sensorblickrichtung jeweils vertikal nach oben, d. h. der aufzunehmenden Waferscheibe zugewandt ist, das Ereignis der Sensorüberdeckung durch die Waferscheibe, aufgrund von sich ändernden Lichtverhältnissen am Ort der optischen Sensoren, zu erfassen. Die jeweiligen Überdeckungsereignisse an den Orten der beiden optischen Sensoren treten jeweils auf, sobald der jeweilige optische Sensor in senkrechter Projektion auf die Waferscheibe vom Umfangsrand der Waferscheibe überdeckt wird. In gleicher Weise vermögen die beiden optischen Sensoren das Ereignis exakt zu erfassen, bei dem die optischen Sensoren bei gleich bleibender horizontaler Bewegungsrichtung des Waferscheibenträgers auf der gegenüber liegenden Seite der Waferscheibe unter dem Umfangsrand wieder hervortreten, d. h. in senkrechter Projektion auf die Waferscheibe von der Waferscheibe nicht mehr überdeckt sind.
Die von den optischen Sensoren erzeugten Sensorsignale werden zur weiteren Auswertung drahtgebunden oder drahtlos an eine Auswerte- und Steuereinheit übermittelt, auf deren Grundlage Steuersignale zur Positionierung des Manipulatorarms erzeugt werden.
Die lösungsgemäße Handhabungseinheit ermöglicht somit eine berührungslose, optische Lagevermessung einer aufzunehmenden Waferscheibe, so dass der Waferscheibenträger exakt zentrisch zur Waferscheibe in einer unterhalb der aufzunehmenden Waferscheibe liegenden Ebene navigiert wird, bevor der Waferscheibenträger zu Zwecken der Waferscheibenaufnahme vertikal angehoben wird.
Mit Hilfe der Insitu-Lage-Vermessung jeder einzelnen aufzunehmenden Waferscheibe können Lagetoleranzen, mit denen einzelne Waferscheiben bspw. innerhalb einer stapelförmig ausgebildeten Kassette abgelegt sind, exakt erfasst und entsprechend bei der Aufnahme jeder einzelnen Waferscheibe berücksichtigt werden. Durch eine exakte Vorpositionierung des Waferscheibenträgers relativ zu einer aufzunehmenden Waferscheibe können jegliche Verkippungen oder Verkantungen der Waferscheibe relativ zum Waferscheibenträger, die während der Kontaktierung zwischen Waferscheibe und Waferscheibenträger auftreten können, ausgeschlossen werden. So verfügt der Waferscheibenträger über wenigstens zwei, vorzugsweise drei oder vier längs des Umfangsrandes einer aufzunehmenden Waferscheibe über die Auflageebene des Waferscheibenträgers erhabene Haltemittel, die vorzugsweise für eine zentrierte Aufnahme der Waferscheibe über schräg zur Auflageebene geneigte Zentrierflanken verfügen. Eine bevorzugte Ausführungsform für einen Waferscheibenträger, der einseitig mit einem Roboter-Manipulatorarm verbunden ist und somit um wenigstens drei Raumachsen ortsaufgelöst positioniert bzw. navigiert werden kann, weist ein aus leichtem Werkstoff, bspw. Faserverbundwerkstoff, gefertigtes plattenförmiges Tragteil auf, das möglichst flächensteif ist und über eine geringe Plattendicke verfügt. Das plattenförmige Tragteil weist aus Gewichtsgründen eine möglichst flächenreduzierte Plattenform auf, die es jedoch ermöglichen soll, dass wenigstens zwei, vorzugsweise drei oder vier Haltemittel längs des Umfangsrandes einer aufzunehmenden Waferscheibe angeordnet sind. Eine bevorzugte Plattenform ist beispielsweise rechteck- oder trapezförmig mit einer Schmalseite, die kleiner bemessen ist als die Hälfte des Waferscheibendurchmessers, sowie einer Längsseite, die dem Waferscheibendurchmesser entspricht oder diesen geringfügig überragt. Selbstverständlich sind auch von der Rechteckform abweichende Plattenformen denkbar, die eine Montage oder Integration von wenigstens zwei, vorzugsweise drei oder mehr Haltemitteln zur sicheren Aufnahme einer Waferscheibe gewährleisten.
Der plattenförmig ausgebildete Waferscheibenträger ist einseitig mit dem Manipulatorarm einer Robotereinheit verbunden und weist einen dem Manipulatorarm gegenüber liegenden, frei endenden Trägerplattenbereich auf, an dem randseitig wenigstens zwei Haltemittel angebracht sind, auf die zumindest der Umfangsrand einer Waferscheibe selbstzentrierend abgelegbar ist. Die Haltemittel befinden sich somit exakt längs des kreisrunden Umfangsrandes einer auf der Waferscheibe aufzubringenden Waferscheibe. Das wenigstens dritte Haltemittel ist am plattenförmigen Waferscheibenträger in unmittelbarer Nähe zum Manipulatorarm angebracht und spannt mit den wenigstens zwei randseitig vorgesehenen Haltemitteln eine für die Waferscheibe dienende Auflageebene auf.
Vorzugsweise im Bereich der randseitig angebrachten Haltemitteln sind wenigstens zwei längs des Umfangsrandes der Waferscheibe beabstandet angeordnete optische Sensoren angebracht, deren Sensorblickrichtung jeweils orthogonal zur Auflageebene orientiert sowie einer aufzunehmenden Waferscheibe zugewandt ist. Die einzelnen optischen Sensoren sind jeweils unmittelbar neben den randseitig angebrachten Haltemittel, vorzugsweise außerhalb eines durch die Haltemittel definierten Auflagebereiches für die Waferscheibe angeordnet. Die wenigstens zwei auf dem Waferscheibenträger angeordneten optischen Sensoren weisen jeweils eine Lichtquelle sowie einen Lichtempfänger auf, die derart aufeinander abgestimmt sind, so dass Lichtreflexionsereignisse, die in einem definierten Abstand über einer den optischen Sensoren zuordenbaren Sensorebene auftreten, mit erhöhter Sensitivität detektiert werden. Die optischen Sensoren gilt es vorzugsweise derart zu konfektionieren, so dass das von der Lichtquelle emittierte Licht jeweils an der Unterseite einer aufzunehmenden Waferscheibe reflektiert und vom zugeordneten Lichtempfänger empfangen wird, wobei die Sensorebene lediglich einen Millimeter oder wenige Millimeter unter der Waferscheibenunterseite geführt wird. Vorzugsweise sind hierzu die Lichtquelle sowie auch der Lichtempfänger eines optischen Sensors derart aufeinander abgestimmt, so dass die Hauptemissionsrichtung der Lichtquelle sowie die Hauptempfangsrichtung des Lichtempfängers einen Winkel β einschließen, der typischerweise zwischen 45° und 60° misst. Alternativ oder in Kombination mit einem derart ausgebildeten optischen Sensor bietet es sich an, die Lichtquelle mit einer entsprechenden Fokussieroptik zu ergänzen, durch die der emittierte Lichtstrahl auf die Unterseite der aufzunehmenden Waferscheibe zu fokussieren. Diese Maßahmen tragen dazu bei, dass Reflexionsereignisse an entfernt gelegenen Objekten, wie bspw. Waferscheiben innerhalb einer Stapelanordnung, die sich in übergeordneten Ablageebenen befinden, keinen Einfluss auf die optische Lageerfassung der jeweils aufzunehmenden Waferscheibe haben. Weitere Einzelheiten hierzu sind im Weiteren unter Bezugnahme auf die in den Figuren illustrierten Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Mit Hilfe der vorstehend beschriebenen lösungsgemäß ausgebildeten Handhabungseinheit ist es möglich, den dynamischen Vorgang der Waferscheibenaufnahme online zu überwachen. Hierzu wird der leere Waferscheibenträger mittels des Robotergeführten Manipulatorarms außerhalb eines Bereiches, der durch eine vertikale Projektion auf eine aufzunehmende Waferscheibe begrenzt wird, längs der Vertikalachse z unterhalb einer aufzunehmenden Waferscheibe positioniert. Der Waferscheibenträger wird relativ zur aufzunehmenden Waferscheibe vorzugsweise derart ausgerichtet, so dass der vom Manipulatorarm abgewandte Randbereich des Waferscheibenträgers, an dem die wenigstens zwei optischen Sensoren angebracht sind, stirnseitig der aufzunehmenden Waferscheibe unmittelbar gegenübersteht, wobei der Waferscheibenträger vorzugsweise mittig zur Waferscheibe ausgerichtet wird. Die mittige Ausrichtung ist nicht exakt, sondern lediglich grob vorzunehmen.
Anschließend wird der Waferscheibenträger horizontal unter die Waferscheibe, vorzugsweise längs einer Linearbewegung geführt, so dass die wenigstens zwei randseitig am Waferscheibenträger angebrachten optischen Sensoren von der Waferscheibe überdeckt werden. Die längs einer horizontalen x-y-Ebene erfolgende Linearbewegung des Waferscheibenträgers wird beendet, sobald die wenigstens zwei optischen Sensoren in Bewegungsrichtung unter der Waferscheibe am gegenüberliegenden Umfangsrande wieder hervortreten. In dieser Konstellation befindet sich der Waferscheibenträger in einem Abstand von 1 mm oder einigen wenigen Millimetern weitgehend vollständig unterhalb der aufzunehmenden Waferscheibe. Die optischen Sensoren vermögen das Ereignis des Hervortretens unter der Waferscheibe aufgrund von sich durch die sich ändernden Lichtverhältnisse am Ort der jeweiligen optischen Sensoren getrennt voneinander zu detektieren. Durch die roboterunterstützte und somit ortsaufgelöste Bewegung des Waferscheiberitragers mit den daran fest angebrachten optischen Sensoren innerhalb der horizontalen x-y-Ebene ist eine exakte Koordinatenzuordnung zu den Orten möglich, an denen die wenigstens zwei optischen Sensoren unter der Waferscheibe längs des Waferscheiben-Umfangsrandes hervortreten. Mit Hilfe des bekannten Waferscheibendurchmessers sowie der messtechnisch erfassten, zwei Tangentenpunkte längs des Waferscheiben-Umfangsrandes ist eine rechnerunterstützte Ermittlung der tatsächlichen Lage der Waferscheibe relativ zur x-y-Ebene, längs der der Waferscheibenträger roboterunterstützt verfahren wird, möglich. Auf der Grundlage der ermittelten Lage der Waferscheibe werden nun Korrekturinformationen berechnet, mit denen der Waferscheibenträger exakt in senkrechter Projektion unterhalb der Waferscheibe verfahren wird. Letzten Endes wird der Waferscheibenträger mit Hilfe des roboterunterstützten Manipulatorarms längs der Vertikalachse angehoben, so dass die Waferscheibe auf den am Waferscheibenträger vorgesehenen Haltemittel zur Auflage kommt.
In einer bevorzugten Weiterbildung des lösungsgemäßen Verfahrens werden zur exakten Lageermittlung der aufzunehmenden Waferscheibe zusätzlich auch jene x-y-Koordinaten verwendet, die mit jenen Punkten des Umfangsrandes der Waferscheibe korrespondieren, an denen die optischen Sensoren initial an der Waferscheibe überdeckt werden. Somit liegen zur exakten Lageermittlung der Waferscheibe vier Umfangsrandpunkte vor, mit denen eine exakte Lagebestimmung relativ zur horizontalern x-y-Ebene möglich ist, längs der der Waferscheibenträger zentrisch relativ zur Waferscheibe ausgerichtet werden kann. Weitere Ausführungsbeispiele, die sowohl die lösungsgemäße Handhabungseinheit sowie auch das lösungsgemäße Verfahren zur Aufnahme einer Waferscheibe betreffen, sind im Weiteren unter Bezugnahme auf die illustrierten Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1a, b Seitenansicht sowie Draufsicht auf einen an einem roboterunterstützten Manipulatorarm angebrachten Waferscheibenträger,
2 Detaildarstellung eines am Waferscheibenträger angebrachten optischen Sensors in Gegenüberstellung zu einer Waferscheibe sowie
3a bis f Sequenzbilddarstellungen zur überwachten Waferscheibenaufnahme auf einen Waferscheibenträger.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In den 1a und b ist eine Handhabungseinheit zum Aufnehmen, Transportieren und Ablegen einer Waferscheibe in einer schematisierten Seitenansicht, siehe 1a sowie einer Draufsicht, siehe 1b, illustriert. Die Handhabungseinheit weist einen Waferscheibenträger 1 auf, der an einem um wenigstens drei Raumachsen, nämlich Vertikalachse z sowie zwei orthogonal zueinander orientierte Horizontalachsen x, y, positionierbaren Manipulatorarm 2 einer Robotereinheit R angebracht ist. Der Waferscheibenträger 1 ist plattenförmig ausgebildet und weist in dem in 1b illustrierten Ausführungsbeispiel eine trapezförmige Grundform auf, deren breitere Trapezseite mit dem Manipulatorarm 2 und deren schmälere Trapezseite dem Manipulatorarm 2 gegenüber liegend frei endend angeordnet ist.
Für eine zentrierte Lagerung einer Waferscheibe 4 auf der Oberfläche des Waferscheibenträgers 1 sind längs des Umfangsrandes U der aufzunehmenden Waferscheibe 4 Haltemittel 3, 3' auf der Oberfläche des Waferscheibenträgers 1 angeordnet, die den Waferscheibenaufnahmebereich 6 für die Waferscheibe begrenzen. Typischerweise ist jedes einzelne Haltemittel 3, 3' gegenüber der Oberfläche des Waferscheibenträgers 1 erhaben ausgebildet und weist eine erste obere schräge Gleitfläche 31 auf, längs der der Umfangsrand U einer aufzunehmenden Waferscheibe 4 bei einem Aufnahmevorgang in selbst zentrierender Form abgleiten kann, um in den Aufnahmebereich 6 des Waferscheibenträgers 1 zu gelangen, der peripher von den Vertikalflanken 32 der Haltemittel 3, 3' begrenzt wird, siehe hierzu die Detaildarstellung in 1b. Unmittelbar am unteren Bereich der Vertikalflanke 32 grenzt ein keilförmiger Abschnitt 31' an, durch den die Waferscheibe gegenüber der Oberfläche des Waferscheibenträgers 1 beabstandet gelagert werden kann, d. h. die Auflageebene 5 für die Unterseite einer aufzunehmenden Waferscheibe ist gegenüber der Oberfläche des Waferscheibenträgers 1 beabstandet um den Kontakt zwischen Waferscheibe und Waferscheibenträger 1 aus Gründen möglicher Kontaminationen zu reduzieren.
Zusätzlich weist der Waferscheibenträger 1 zwei optische Sensoren 7, 8 auf, die außerhalb des Auflagebereiches 6 angebracht sind und längs eines parallel zum Umfangsrand U der aufzunehmenden Waferscheibe 4 verlaufenden Parallelkreises 9 beabstandet zueinander angeordnet sind. Die optischen Sensoren 7, 8 können innerhalb des plattenförmigen Waferscheibenträgers integriert, wie dies aus einer Querschnittsdarstellung gemäß 2 zu entnehmen ist, oder an der Oberfläche des Waferscheibenträgers 1 appliziert sein. Die optischen Sensoren 7, 8 sind vorzugsweise derart ausgebildet, so dass Reflexionsereignisse, die das von der Lichtquelle L emittierte Licht an der Unterseite einer Waferscheibe 4 in einem vorgegebenen vertikalen Abstand Δh zur Sensorebene S erfährt, mit besonders hoher Sensitivität nachgewiesen werden können. In vorteilhafter Weise wird hierzu in Abhängigkeit des Abstandsmaßes Δh die Hauptemissionsrichtung der Lichtquelle L sowie die Hauptempfangsrichtung des Lichtempfängers E derart geneigt, so dass sie einen Winkel β einschließen, für den gilt 45° <= Beta <= 60°. Eine andere Möglichkeit zur Einstellung der Sensitivität der optischen Sensoren in Bezug auf Reflexionsereignisse, die im Abstand Δh von der Sensorebene S stattfinden, besteht in der Verwendung einer das emittierte Licht fokussierenden Optik O, die den Fokuspunkt in einem Abstand Δh von der Sensorebene S abbildet.
Mit Hilfe der optischen Sensoren 7, 8 ist es möglich, bei geeigneter Bewegung des Waferscheibenträgers 1 parallel unterhalb einer aufzunehmenden Waferscheibe jene Umfangspunkte an der Waferscheibe zu erfassen, an denen die optischen Sensoren von der Waferscheibe 4 überdeckt sowie von dieser wieder frei gegeben werden. Eben diese Reflexionsereignisse, die in Form von Sensorsignalen erfassbar sind, werden einer Steuer- und Auswerteeinheit 10 zugeführt, die unter Maßgabe einer Zielfunktion zur Zentrierung des Waferscheibenträgers exakt unterhalb der aufzunehmenden Waferscheibe Steuersignale generiert, die der Robotereinheit R zur weiteren Bewegungskontrolle zugeführt werden.
In den 3a bis f sind Sequenzbilder dargestellt, die die Bewegungsschritte des roboterunterstützten Waferscheibenträgers 1 zur zentrierten Aufnahme einer Waferscheibe 4 illustrieren. in der linken Bilddarstellung sind hierzu jeweils eine Seitenansicht und in der rechten Bilddarstellung eine Draufsicht der einzelnen Bewegungsschritte gezeigt.
So gilt es eine, beispielsweise in einer Kassette, nicht dargestellt, vorrätig gelagerte Waferscheibe 4 mit Hilfe des Waferscheibenträgers 1 sicher aufzunehmen. Der in den Sequenzbildern rechteckförmig dargestellte Waferscheibenträger 1 weist gleichsam, wie im vorstehend illustrierten Fall, vier Haltemittel 3, 3' auf, die längs des Umfangsrandes der aufzunehmenden Waferscheibe 4 auf dem Waferscheibenträger 1 angebracht sind. Jeweils an der rechten Stirnseite des Waferscheibenträgers 1 sind die optischen Sensoren 7, 8 angeordnet. Auf die Darstellung des Manipulatorarmes 2 ist in den Sequenzbilddarstellungen verzichtet worden.
Zur Waferscheibenaufnahme wird der leere Waferscheibenträger 1 längs der Vertikalachse z mit einem Vertikalabstand Δh unterhalb der aufzunehmenden Waferscheibe 4 sowie außerhalb eines Bereiches, der durch vertikale Projektion auf die aufzunehmende Waferscheibe begrenzt ist, positioniert. Zudem gilt es, den leeren Waferscheibenträger längs der Horizontalebene, x-y-Ebene, relativ zur Waferscheibe 4 möglichst, aber nicht notwendigerweise exakt, mittig auszurichten. In der Draufsichtdarstellung gemäß 3a ist zur Erläuterung der folgenden Navigationsschritte eine signifikant außermittige Relativlage des Waferscheibenträgers 1 relativ zur aufzunehmenden Waferscheibe 4 dargestellt, die verdeutlichen soll, dass für die Waferscheibenaufnahme keine im Vorfeld durchzuführenden Kalibrierungsmaßnahmen erforderlich sind.
Ausgehend von der in 3a dargestellten Position wird der leere Waferscheibenträger 1 innerhalb der horizontalen x-y-Ebene längs einer Linearachse LR bewegt, wobei der leere Waferscheibenträger 1 gemeinsam mit den optischen Sensoren 7, 8 unter die Waferscheibe 4 verfährt. Während der Linearbewegung gelangen die optischen Sensoren 7, 8 an jeweils zwei unterschiedlichen Orten längs des Umfangsrandes U der Waferscheibe 4 unter die Waferscheibe, wobei das Ereignis der initialen Überdeckung der jeweiligen optischen Sensoren 7, 8 aufgrund der sich durch die Überdeckung verändernden Reflexionsverhältnisse ortsaufgelöst exakt erfasst werden kann. Durch die roboterunterstützte ortsaufgelöste Linearbewegung längs der horizontalen x-y-Ebene werden exakte Umfangskoordinaten der Waferscheibe 4 P1(x, y) sowie P2(x, y) erfasst. In gleicher Weise können zwei weitere Punkte längs des Umfangsrandes der Waferscheibe 4 erfasst werden, an denen die zwei optischen Sensoren 7, 8 unter der Waferscheibe 4 durch Weiterbewegung des leeren Waferscheibenträgers 1 längs der linearen Bewegungsrichtung wieder hervortreten. In der Sequenzbilddarstellung gemäß 3b ist zu sehen, dass der optische Sensor 8 aufgrund der nicht exakt mittigen Horizontalanordnung des Waferscheibenträgers 1 relativ zur Waferscheibe 4 bereits unter der Waferscheibe 4 vorgetreten ist, während der optische Sensor 7 von der Waferscheibe 4 noch überdeckt ist. Der Bewegungsvorgang des Waferscheibenträgers 1 wird abgestoppt, sobald beide optische Sensoren 7, 8 unter den Umfangsrand der Waferscheibe 4 hervorgetreten sind. Dies ist in der Sequenzbilddarstellung gemäß 3c illustriert, die zugleich die Bestimmung von vier längs des Umfangsrandes U der Waferscheibe 4 befindlichen Punkten P1 bis P4 hervorhebt. Anhand der vier bekannten Koordinaten P1, P2, P3, P4 längs des Umfangsrandes der Waferscheibe 4 lassen sich mit Hilfe einer Auswerte- und Steuereinheit Korrekturinformationen berechnen, auf deren Basis der Waferscheibenträger 1 relativ zur Lage der Waferscheibe 4 exakt auszurichten ist.
In einer ersten Variante wird der Waferscheibenträger 1 aus der in 3c illustrierten Position direkt in eine relativ zur aufzunehmenden Waferscheibe 4 zentrierten Position unterhalb der Waferscheibe 4 verfahren, gemäß der Sequenzbilddarstellung in 3e. Darauf folgend wird der Waferscheibenträger 1 vertikal zur Aufnahme der Waferscheibe 4 angehoben, gemäß 3f.
In einer zweiten Variante fährt der Waferscheibenträger 1 entgegengesetzt zur initialen Bewegungsrichtung LR zurück, so dass beide optische Sensoren 7, 8 von der Waferscheibe 4 wieder überdeckt sind, siehe hierzu Sequenzbilddarstellung gemäß 3d. Zugleich erfolgen Korrekturbewegungen K derart, dass der Waferscheibenträger 1 exakt mittig unterhalb der Waferscheibe 4 ausgerichtet wird. Erneut wird der Waferscheibenträger 1 linear parallel zur initialen Bewegungsrichtung LR bewegt, so dass nun beide optischen Sensoren 7, 8 gleichzeitig unter den Umfangsrand der Waferscheibe 4 hervortreten. In diesem Fall ist eine exakte räumliche Ausrichtung des Waferscheibenträgers 1 relativ zur Waferscheibe 4 gewährleistet. Sollten beide optische Sensoren nicht exakt gleichzeitig unter dem Umfangsrand der Waferscheibe 4 hervortreten, so gilt es, den in der Sequenzbilddarstellung gemäß 3d illustrierten Korrekturschritt zu wiederholen, gegebenenfalls so lange, bis der in 3e illustrierte Fall eintritt, dass beide optische Sensoren exakt gleichzeitig unterhalb des Umfangsrandes der Waferscheibe 4 hervortreten. Abschließend wird gemäß Sequenzbilddarstellung in 3f der leere Waferscheibenträger 1 vertikal zur Aufnahme der Waferscheibe 4 angehoben.
Bezugszeichenliste

1: Waferscheibenträger
2: Manipulatorarm
3, 3': Haltemittel
4: Waferscheibe
5: Auflageebene
6: Waferscheibenaufanhmebereich
7, 8: Optische Sensoren
9: Kreisbogen
10: Auswerte-, Steuereinheit
R: Robotereinheit
31: Geneigte Gleitfläche
31': Keilfläche
32: Vertikale Flanke
LR: Lineare Bewegungsrichtung
U: Umfangsrand
R: Robotereinheit
O: Fokussieroptik
L: Lichtquelle
E: Lichtempfänger
K: Korrekturbewegung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112004001162 T5 [0007]
EP 2298509 A1 [0008]
JP 2005011966 A [0008]
JP 2005310858 A [0008]
JP 2008114348 A [0008]

Claims

Handhabungseinheit zum Aufnehmen, Transportieren und Ablegen einer Waferscheibe, mit einem Waferscheibenträger, der an einem um wenigstens drei Raumachsen positionierbaren Manipulatorarm angebracht ist, über einen Waferscheibenaufnahmebereich verfügt, dem eine Auflageebene zuordenbar ist, sowie wenigstens zwei den Waferscheibenaufnahmebereich zumindest seitlich lokal begrenzende Haltemittel vorsieht, an die der Umfangsrand einer auf dem Waferscheibenträger aufliegenden Waferscheibe selbst zentrierend angrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Waferscheibenträger wenigstens zwei optische Sensoren mit jeweils einer orthogonal zur Auflageebene orientierten und dem Waferscheibenaufnahmebereich zugewandten Sensorblickrichtung angeordnet sind, die Sensorsignale generieren, und dass eine Auswerte- und Steuereinheit vorgesehen ist, die auf Grundlage der Sensorsignale Steuersignale zur Positionierung des Manipulatorarmes erzeugt.
Handhabungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei optischen Sensoren derart angeordnet und ausgebildet sind, dass die optischen Sensoren zumindest folgende Fälle zu detektieren vermögen: a) eine aufzunehmende Waferscheibe überdeckt jeweils den optischen Sensor und b) keine Überdeckung des optischen Sensors durch eine Waferscheibe.
Handhabungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei optischen Sensoren derart an dem Waferscheibenträger angeordnet sind, dass bei einer auf dem Waferscheibenträger aufliegenden Waferscheibe, die von einem kreisrunden Umfangsrand begrenzt ist, die wenigstens zwei optischen Sensoren in Umfangsrichtung der Waferscheibe voneinander beabstandet und entweder längs des Umfangsrandes oder jeweils radial gleich beabstandet zum Umfangsrand der Waferscheibe positioniert sind.
Handhabungseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer jeweils radial gleich beabstandeten Positionierung der optischen Sensoren zum Umfangsrand der Waferscheibe, die optischen Sensoren außerhalb des Waferscheibenaufnahmebereich es angeordnet sind.
Handhabungseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei optischen Sensoren randnah zum Umfangsrand der Waferscheibe angeordnet sind.
Handhabungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sensoren in einer gemeinsamen Sensorebene jeweils eine Lichtquelle und einen Lichtempfänger aufweisen, sodass von der Lichtquelle emittiertes Licht im Falle einer Waferscheibenüberdeckung durch Reflexion an der Waferscheibe zumindest teilweise auf den Lichtempfänger trifft und ein Sensorsignal erzeugt.
Handhabungseinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle Hauptemissionsrichtung und der Lichtempfänger eine Hauptempfangsrichtung aufweisen, die einen Winkel β einschließen, für den gilt: 45° ≤ β ≤ 60°.
Verfahren zum Aufnehmen einer Waferscheibe auf einen Waferscheibenträger, der an einem um wenigstens drei Raumachsen, nämlich Vertikalachse z sowie zwei orthogonal zueinander orientierte Horizontalachsen x, y, positionierbaren Manipulatorarm angebracht ist, aus einem wenigstens eine Waferscheibe bevorratenden Waferscheibenreservoir oder von einem mit wenigstens einer Waferscheibe bestückten Bearbeitungsplatz, unter Verwendung einer Handhabungseinheit nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Positionieren des leeren Waferscheibenträgers längs der Vertikalachse z unterhalb einer aufzunehmenden Waferscheibe sowie außerhalb eines Bereiches, der durch vertikale Projektion auf die aufzunehmende Waferscheibe begrenzt ist, – Bewegen des Waferscheibenträgers längs einer Bewegungsrichtung in einer unterhalb der aufzunehmenden Waferscheibe liegenden x-y-Ebene, so dass die wenigstens zwei optischen Sensoren in senkrechter Projektion auf die Waferscheibe von der Waferscheibe überdeckt werden, – Beenden der Bewegung des Waferscheibenträgers nachdem die wenigstens zwei optischen Sensoren in Bewegungsrichtung unter der Waferscheibe hervortreten, – Erfassen von x-y-Koordinaten innerhalb der x-y-Ebene, an denen die zwei optischen Sensoren unter der Waferscheibe hervortreten, – Ermitteln einer Korrekturinformation zum Positionieren des Waferscheibenträgers relativ zur Waferscheibe auf Basis der erfassten x-y-Koordinaten, – Positionieren des Waferscheibenträgers relativ zur Waferscheibe innerhalb der x-y-Ebene und – Anheben des Waferscheibenträgers zur Aufnahme der Waferscheibe längs der Vertikalachse z.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegen des Waferscheibenträgers in Bewegungsrichtung längs einer Linearsachse erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionieren des leeren Waferscheibenträgers derart erfolgt, dass die beiden am Waferscheibenträger angeordneten optischen Sensoren weitgehend symmetrisch zu einer der aufzunehmenden Waferscheibe zuordenbaren Durchmesserachse angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass x-y-Koordinaten innerhalb der x-y-Ebene erfasst werden, an denen die zwei optischen Sensoren während des Bewegens längs der Bewegungsrichtung jeweils von der Waferscheibe überdeckt werden, und gemeinsam mit den bereits erfassten x-y-Koordinaten, an denen die zwei optischen Sensoren unter der Waferscheibe hervortreten, zur Ermittlung der Korrekturinformation herangezogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Beenden der Bewegung des Waferscheibenträgers dieser entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung verfahren wird, so dass beide optischen Sensoren in senkrechter Projektion auf die Waferscheibe von der Waferscheibe wieder überdeckt werden, dass der Waferscheibenträger unter Berücksichtigung der Korrekturinformation relativ zur Waferscheibe in der x-y-Ebene positioniert und in Bewegungsrichtung bewegt wird, bis beide optischen Sensoren gleichzeitig unter der Waferscheibe hervortreten.