DE4106617C2 - Reinraum-Handhabungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Reinraum-Handha­ bungssystem, das eine mehrachsige Handhabungseinheit aufweist, an der ein Greifer mit Greiferbacken zur Handhabung von Wafern, Carriern oder dergleichen ange­ bracht ist, und die eine Steuereinheit steuert.

Die Herstellung der Strukturen auf Wafern, wie sie für die Chip-Fertigung in der Halbleiterindustrie und/oder für mikromechanische Zwecke verwendet werden, erfordert je nach Integrationsdichte der Chips bzw. der Komplexi­ tät der mikromechanischen Bauelemente bis zu 400 Pro­ zeßschritte. In der Regel müssen alle Prozeßschritte in Reinräumen der Klasse 10 o. besser ausgeführt werden.

Um die bei der manuellen Handhabung auftretenden Be­ schädigungs- und/oder Kontaminationsrisiken zu minimie­ ren und gleichzeitig die Kosten für hochreine Bereiche bei den genannten niedrigen Reinraumklassen zu begren­ zen, wird angestrebt, den Automatisierungsgrad im Hand­ habungs- und Fertigungsbereich zu erhöhen, gleichzeitig aber die Flächen bzw. Volumina der extrem reinen Berei­ che auf die eigentliche Umgebung der Anlagen bzw. der Stationen zu begrenzen. Dabei wird gegenwärtig ange­ strebt, die Reinraum-Bereiche in folgende Abschnitte aufzuteilen:

• - Gekapselte Prozeßanlagen mit eigenen Reinsträumen, in denen die Fertigungsschritte und Handhabungsvorgänge weitgehend automatisiert sind.
• - Staubdichte Boxen, die als transportable Reinsträume für die Produkte dienen.
• - Input-/Outputgeräte, die eine definierte Schnitt­ stelle zwischen Prozeßanlage und dem umgebenden "Grauraum" schaffen.

Die Automatisierung der typischen, in einem Reinraum bei der Waferbearbeitung auftretenden Vorgänge, wie Pick-and-Place-Bewegungen, das Umladen der Wafer zwi­ schen Prozeß- und Transportcarrier oder die geregelte Bahnführung des Handhabungsobjektes, erfordern mehr­ achsige Handhabungseinheiten, die bis zu sechs Hand­ habungsachsen aufweisen müssen. Derzeit werden für Handhabungsaufgaben, bei denen mehr als drei Freiheits­ grade erforderlich sind, fast ausschließlich reinraum­ taugliche Industrieroboter verwendet. Dabei handelt es sich in praktisch allen Fällen um Industrieroboter aus dem konventionellen Produktionsbereich, die mit Hilfe von Absaugeinrichtungen, Ferrofluiddichtungen, speziel­ len Beschichtungen etc. eine gewisse Reinraumeignung erreichen.

In der Regel führt der Einsatz herkömmlicher fünf- bis sechsachsiger Robotersysteme in gekapselten Prozeßanla­ gen jedoch zu Problemen, da eine Überqualifizierung des Roboters hinsichtlich Arbeitsraum und Beweglichkeit besteht, durch die der Industrieroboter unnötig viel Arbeitsraum und Standfläche benötigt.

Demzufolge sind eine Vielzahl von jeweils einer spezi­ ellen Handhabungsaufgabe angepaßten Reinraum-Handha­ bungssystemen vorgeschlagen worden, die jedoch gerade den typischen Vorteil von Industrierobotern, nämlich die universelle Anpaßbarkeit an die unterschiedlichsten Vorgänge nicht aufweisen.

Aus der GB 21 98 413 A ist ein Reinraum-Hand­ habungssystem bekannt, daß eine mehrachsige Hand­ habungseinheit aufweist, an der ein Greifer mit Grei­ ferbacken zur Handhabung von Wafern angebracht ist und die eine Steuereinheit steuert.

Aus der DE 37 07 672 A1 ist eine Epitaxieanlage mit einem als Vielflach ausgebildeten Träger zur Aufnahme einer Vielzahl von Wafern und einer Einrichtung zum Beschicken des Waferträgers mit Wafern in der Ladezone und einem die Anlagenkomponenten aufnehmenden Reinluft­ raum bekannt.

Aus dem genannten Stand der Technik ist es nicht be­ kannt, daß beide Achsen des Grundteils parallele rot­ atorische Achsen sind, von denen eine Achse mit der Bewegungsrichtung für den oder die beweglichen Greifer­ backen fluchtet. Es ist weiterhin nicht bekannt, um die Störung der Strömung um das handzuhabende Teil mö­ glichst gering zu halten, den Greiferbacken jeweils einen Linearteil aufweisen zu lassen, der in einem Tragteil in Richtung ihrer Längsachse verschiebbar gelagert ist. Der vorgenannte Stand der Technik läßt also einen nur wenig kompakten Aufbau eines Reinraum- Handhabungssystems zu. Bisher ist auch kein einfacher Modulaufbau für Handhabungssysteme bekannt gewesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Reinraum- Handhabungssystem anzugeben, das eine mehrachsige Handha­ bungseinheit aufweist, und das leicht an die unterschied­ lichsten Handhabungsaufgaben anpaßbar ist, ohne daß das erfindungsgemäße Reinraum-Handhabungssystem bei der Durch­ führung einfacher Handhabungsaufgaben überqualifiziert wäre und insbesondere zu viel Platz einnehmen würde.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, ein modu­ lar aufgebautes Reinraum-Handhabungssystem zu schaffen, bei dem ein Grundteil durch modulare "Zusatzachsen" entsprechend der jeweiligen Handhabungsaufgabe erwei­ terbar ist. Der Grundteil weist hierzu zwei Achsen, deren bewegliche Teile außerhalb der Umgebung des hand­ zuhabenden Teils angeordnet sind, so daß die Strömung derart geführt bleibt, daß das handzuhabende Teil stets mit Reinraum-Erstluft beaufschlagt wird, und einen Verbindungsflansch auf, durch den der Grundteil mit weiteren Elementen verbindbar ist.

Dieser modulare Aufbau hat eine Reihe von Vorteilen:

Der Grundteil stellt ein Modul dar, das aufgrund des Aufbaus mit zwei Achsen bereits eine Reihe von Handha­ bungsaufgaben ausführen kann, ohne daß die Benutzung anderer Achsen erforderlich wäre. Damit ist es in vie­ len Fällen ausreichend, wenn lediglich der in einer gewissen Nähe zu dem handzuhabenden Teil angeordnete Grundteil "Reinraum-gerecht" ausgeführt ist. Die wei­ teren Achsen, die zum einen in der Regel einen deutlich größeren Abstand von dem handzuhabenden Teil als der Grundteil haben, und zum anderen wesentlich selte­ ner als die Achsen des Grundteils betätigt werden müs­ sen, so daß auch vergleichsweise wenig Abrieb etc. entsteht, müssen dann nicht mit der gleichen Reinraum- Tauglichkeit wie der Grundteil ausgeführt sein.

Der Aufbau und die Gestaltung des erfindungsgemäßen Reinraum-Handhabungssystems kann dabei entsprechend den Regeln der reinraumgerechten Konstruktion ausgeführt sein. Dies gilt sowohl für Maschinenelemente als auch für das Konstruktionsprinzip und die strömungsgerechte Auslegung. Die kinematischen Achsen, und insbesondere die im Bereich des Handhabungsobjektes angeordneten Achsen werden bevorzugt glatt und strömungsgünstig gestaltet, so daß die laminare Verdrängungsströmung, die den Reinstraum ständig durchströmt, so wenig wie möglich gestört wird. Damit ist das erfindungsgemäße Reinraum-Handhabungssystem auch in Reinräumen der nie­ drigsten Klasse einsetzbar.

Weiterhin ergibt sich durch den modulartigen Aufbau der Handhabungseinrichtung die Möglichkeit, eventuell be­ schädigte Teile leicht und ohne große Verschmutzung des Reinraumes auszutauschen:

Die reinraumgerechte Kapselung und der modulartige Aufbau mit entsprechend ausgeführten Koppelungsmecha­ nismen erlauben eine rasche Reparatur bzw. einen ra­ schen und reinraumgerechten Austausch von Komponenten, wie Greifern, Bewegungsachsen etc. im Reinraum. Im Gegensatz hierzu mußten die bekannten Systeme zur Repa­ ratur entweder in einem sogenannten mobilen Reinraum gekapselt oder abgebaut und extern repariert werden. Durch den modularen Aufbau wird die Standzeit wesent­ lich erhöht, während gleichzeitig die Partikelbelastung wesentlich verringert wird.

Erfindungsgemäß ist festgestellt worden, daß eine be­ sonders vorteilhafte Kinematik des Grundteils hinsicht­ lich der typischen Handhabungsaufgaben, wie sie sich durch die Produktionsbedingungen bei der Halbleiterfer­ tigung ergeben, aus zwei parallelen rotatorischen Ach­ sen besteht, von denen eine Achse mit der Bewegungs­ richtung für den oder die beweglichen Greiferbacken fluchtet. Dieser Aufbau führt nicht nur zu einer sehr geringen Störung der Strömung im Reinraum, da die Ach­ sen einen großen Abstand von dem handzuhabenden Teil haben und darüberhinaus leicht abdichtbar sind (An­ spruch 6), sondern ermöglicht durch die modulartige Verbindbarkeit des Grundteils mit weiteren rotatori­ schen und/oder translatorischen Achsen (Ansprüche 2 bis 4) eine besonders leichte Anpassung des erfindungsgemä­ ßen Handhabungssystems an komplexe Handhabungsaufgaben.

Dabei ist es bevorzugt, wenn die beiden rotatorischen Achsen durch einen Kragarm verbunden sind, dessen Länge typischen Reinraum-Abmessungen angepaßt ist.

Durch definierte Schnittstellen und eine Steuereinheit, die ebenfalls eine Grundeinheit aufweist, die den Grundteil steuert, und modulartig entsprechend den weiteren Elementen erweiterbar ist, kann darüber hinaus eine leichte Anpassung auch der elektro­ nischen Steuereinheit an die jeweiligen kinematischen Vorgaben erzielt werden:

Das erfindungsgemäße Reinraum-Handhabungssystem kann im Prinzip zwar mit herkömmlichen Steuereinheiten gesteu­ ert werden. Besonders bevorzugt ist es aber, wenn die Steuereinheiten sowohl Hardware- als auch Software- seitig dem modularen Konzept des Handhabungssystems folgen. Insbesondere können elektronische Baugruppen je nach Systemaufbau zusätzlich angeschlossen werden. Die Steuerungs-Software kann - basierend auf der jeweiligen Achskonfiguration - automatisch entsprechende kinemati­ sche Transformationsgleichungen erstellen, so daß jede kinematische Konfiguration exakt steuerbar ist.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Greiferbacken in einer Weise ausgebildet sind, wie sie in der älteren Anmel­ dung P 40 37 204.9 beschrieben ist, da sich hierdurch der Bewegungsmechanismus für die Greiferbacken eben­ falls in einem großen Abstand von dem handzuhabenden Teil befindet und darüber hinaus eine leichte Anpassung der Greiferbacken an die jeweilige Handhabungsaufgabe vorgenommen werden kann.

In jedem Falle ist es bevorzugt, wenn die rotatorischen Achsen durch die Labyrinth- und/oder Fluiddichtungen abgedichtet sind (Anspruch 6), da hierdurch die Ver­ schmutzung des Reinraumes so gering wie möglich gehal­ ten wird.

Das erfindungsgemäße Reinraum-Handhabungssystem kann aufgrund des modulartigen Aufbaus bei den unterschied­ lichsten Prozeßführungen in Einzelgeräten, Fertigungs­ zellen, Fertigungssektoren usw. integriert werden. Durch entsprechende Auswahl der Zusatzachsen kann das erfindungsgemäße Handhabungssystem auch als separates Zuführsystem der Prozeßanlage vorgeschaltet werden oder Handhabungs- und/oder Transportaufgaben in einem kom­ pletten Equipment übernehmen.

In jedem Falle können jedoch alle bei der Halbleiter­ fertigung erforderlichen Handhabungsvorgänge mit einem einzigen Grund-Gerätetyp, der in den unterschiedlich­ sten Konfigurationen und Ausbaustufen verwendet wird, realisiert werden.

Handhabungsvorgänge, die mit dem erfindungsgemäßen Handhabungssystem realisiert werden können, sind bei­ spielsweise die Einzelscheibenhandhabung, die Multi­ waferhandhabung, die Carrier- bzw. Boxhandhabung, die Anlagen- bzw. Prozeß-Be- und -Entladung sowie die Hand­ habung von Wafern unterschiedlichen Durchmessers und variabler Form sowie anderer in Reinsträumen gehand­ habter Substrate.

Weiterhin können durch das erfindungsgemäße Reinraum- Handhabungssystem herkömmliche Wafertransfersysteme am Anlagen-Input bzw. -Output entfallen, da Umhordevor­ gänge in Kombination mit der eigentlichen Handhabung des Transport- bzw. Prozeßcarriers durchgeführt werden. Neben einer wesentlichen Kosteneinsparung wird das Gesamtsystem durch die geringe Zahl der Komponenten darüber hinaus einfacher und zuverlässiger.

Somit erlaubt das modulare Konzept eine durchgängig kostengünstige Realisierung von einfachen Pick-and- Place-Bewegungen bis hin zu komplexen Handhabungsopera­ tionen mit bahngeführten Bewegungen, so daß mit dem erfindungsgemäßen System praktisch sämtliche Hand­ habungsaufgaben ohne zusätzlichen Konstruktionsaufwand gelöst werden können.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla­ risch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten er­ findungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1a und 1b ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Reinraum-Handhabungssystems in Vorder- bzw. Seitenansicht,

Fig. 2a und 2b entsprechende Ansichten in einer auseinandergezogenen Darstellung zur Erläu­ terung des modularen Aufbaus,

Fig. 3 perspektivisch das in den Fig. 1 und 2 darge­ stellte Ausführungsbeispiel, und

Fig. 4 perspektivisch ein zweites Ausführungsbeispiel.

Die Fig. 1a und 1b zeigen ein erstes Ausführungsbei­ spiel eines erfindungsgemäßen Reinraum-Handhabungs­ systems in Vorder- bzw. Seitenansicht. Die Fig. 2a und 2b zeigen das selbe Reinraum-Handhabungssystem wie die Fig. 1a und 1b, jedoch sind bei der Darstellung in den Fig. 2a und 2b zur Erläuterung des modulartigen Aufbaus die einzelnen Teile, aus denen das Handhabungssystem be­ steht, "auseinandergezogen". Fig. 3 zeigt das Ausfüh­ rungsbeispiel in einer perspektivischen Darstellung. Das Reinraum-Handhabungssystem weist eine mehrachsige Handhabungseinheit auf, an der ein Greifer für handzu­ habende Teile, wie Wafer, Carriern oder dgl. angebracht ist. Nicht dargestellt ist die Steuereinheit für die Handhabungseinheit.

Die Handhabungseinheit besteht bei dem gezeigten Aus­ führungsbeispiel aus einem Grundteil (1), der zwei parallele rotatorische Achsen (2, 3) aufweist, und aus Zusatzachsen (4, 5 und 6). Diese Zusatzachsen sind über einen nicht näher dargestellten Flansch mit dem Grund­ teil (1) verbunden und sind bei dem gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel ohne Beschränkung des allgemeinen Erfin­ dungsgedankens ein Drehmodul (4) und zwei Linearmodule (5, 6), die eine x,y-Lineareinheit bilden. Damit ist es möglich, den Grundteil als Einheit um eine (beispielsweise) vertikale Achse zu drehen und in einer Ebene zu verschieben.

Die zweite rotatorische Achse (3) des Grundteils (1) ist über einen Kragarm (7) an der Welle der ersten Achse (2) angebracht. Ihre Welle trägt zwei Stangen (8 und 9), von denen wenigstens eine in Richtung der Dreh­ achse der Achse (3) verschiebbar ist, und die Greifer­ backen (8′ und 9′) tragen, die beispielsweise so ausge­ bildet sein können, daß durch einen Drehmechanismus unterschiedliche Greiferbackenformen in Anlagestellung gebracht werden können. Durch Verschieben wenigstens einer der Stangen (8 bzw. 9) in Richtung der Drehachse der Achse (3) kann der Greifer zugestellt werden und so ein nicht dargestelltes Werkstück handhaben.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die bewegli­ chen Teile (2, 3, 4, 5, 6) sowohl des Grundteils (1) als auch der Zusatzachsen außerhalb des Bereichs angeordnet, durch den das handzuhabende Teil mit Reinraum- Erstluft (Pfeile) beaufschlagt wird, so daß die Konta­ minationsgefahr für das handzuhabende Teil auf ein Minimum beschränkt bleibt. Ferner sind alle Zusatzach­ sen unterhalb des handzuhabenden Teils angeordnet. Darüber hinaus bewirken glatte Außenflächen und eine strömungsgünstige Außenform eine minimale Strömungsver­ wirbelung im Bereich des handzuhabenden Teils. Um das Kontaminationsrisiko weiter zu minimieren, sind sämtli­ che rotatorischen Achsen durch Labyrinth- und/oder Ferrofluiddichtungen abgedichtet.

Fig. 3 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein zweites Ausführungsbeispiel. Dabei sind jeweils gleiche oder entsprechende Teile mit den selben Bezugszeichen bezeichnet, so daß auf eine erneute Vorstellung ver­ zichtet wird, und lediglich die Abweichungen des in dieser Figur dargestellten Ausführungsbeispiels gegen­ über dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert werden:

Anders als bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind bei diesem Ausführungsbeispiel keine Zusatzachsen vorgesehen, vielmehr ist der Grund­ teil (1), der gleich dem in den Fig. 1 bis 3 darge­ stellten Grundteil ausgebildet ist, direkt mittels eines Flansches (8′) auf einer Fläche in einem nicht dargestellten Reinraum befestigt. Mit dem Grundteil ohne Zusatzachsen lassen sich bereits einfache Hand­ habungsaufgaben ausführen.

Claims (6)

1. Reinraum-Handhabungssystem mit

• - einer Handhabungseinheit, die einen Grundteil (1) aufweist, der
  • -- zwei parallele rotatorische Achsen (2, 3), die durch einen Kragarm (7) verbunden sind, und deren bewegliche Teile außerhalb der Umgebung des hand­ zuhabenden Teils angeordnet sind, so daß die Strö­ mung derart geführt bleibt, daß das handzuhabende Teil stets mit Reinraum-Erstluft beaufschlagt wird,
  • -- sowie einen Verbindungsflansch aufweist, der an einer der rotatorischen Achsen angebracht ist, und der den Grundteil (1) mit weiteren Elementen (4, 5, 6) verbindet, und
• - einem an der anderen rotatorischen Achse ange­ brachten Greifer mit Greiferbacken (8′, 9′) zur Handhabung von Wafern, Carriern oder dgl.,
  • -- die jeweils einen Linearteil (8, 9) aufweisen, der in einem Tragteil in Richtung seiner Längs­ achse verschiebbar gelagert ist, und dessen Be­ wegungsrichtung mit der anderen rotatorischen Achse fluchtet.

2. Reinraum-Handhabungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Element eine Lineareinheit ist.

3. Reinraum-Handhabungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Element eine x/y-Lineareinheit (5, 6) ist.

4. Reinraum-Handhabungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Element ein Drehmodul (4) ist.

5. Reinraum-Handhabungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am vorderem Ende der Line­ arteile (8, 9) jeweils eine Dreheinheit (8′, 9′) ange­ bracht ist, deren Welle sich in etwa senkrecht zur Längsachse des Linearteils erstreckt und wenigstens zwei unterschiedliche Greifelemente trägt.

6. Reinraum-Handhabungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die rotatorischen Achsen durch Labyrinth- und/oder Ferrofluiddichtungen abgedich­ tet sind.