DE69312554T2

DE69312554T2 - Robotereinrichtung

Info

Publication number: DE69312554T2
Application number: DE69312554T
Authority: DE
Inventors: Howard Grunes
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1992-04-23
Filing date: 1993-04-22
Publication date: 1998-02-19
Anticipated expiration: 2013-04-23
Also published as: JPH0615592A; DE69330968D1; EP0567121B1; JPH0773833B2; KR940005363A; KR100281239B1; EP0742084A3; DE69312554D1; EP0742084B1; ES2106219T3; DE69330968T2; EP0742084A2; EP0567121A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Roboter. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Robotereinrichtung für die gleichzeitige Handhabung mehrerer Objekte, zum Beispiel Halbleiterwafer.

Beschreibung des Standes der Technik

Die Verwendung von Roboterarmen ist ein gut eingeführtes Herstellungshilfsmittel bei Anwendungen, bei denen eine Handhabung durch den Menschen ineffizient und/oder unerwünscht ist. Zum Beispiel werden auf dem Halbleiterfachgebiet Roboterarme verwendet, um Wafer während verschiedener Verfahrensschritte zu handhaben. Solche Verfahrensschritte schließen jene ein, die in einer Reaktionskammer vorkommen, z.B. Ätzen, Abscheidung, Passivierung usw., bei denen eine abgeschlossene Umgebung aufrechterhalten werden muß, um die Wahrscheinlichkeit der Kontamination zu begrenzen und um sicherzustellen, daß verschiedene spezielle Verfahrensbedingungen vorgesehen werden.
Die momentane Praxis schließt die Verwendung von Roboterarmen zum Laden von Halbleiterwafern von einer Ladeöffnung in verschiedene Verfahrensöffnungen innerhalb eines Mehrfachkammer-Reaktionssystems hinein ein. Der Roboterarm wird dann verwendet, um die Wafer aus einer speziellen Öffnung nach dem Bearbeiten innerhalb einer beigeordneten Verfahrenskammer zurückzuholen. Der Wafer wird dann von dem Roboterarm für eine weitere Bearbeitung im Pendelverkehr zu einer nächsten Öffnung gefahren. Wenn alle Bearbeitungen innerhalb des Reaktionssystems abgeschlossen sind, bringt der Roboterarm den Halbleiterwafer zu der Ladeöffnung zurück und ein nächster Wafer wird von dem Roboterarm zum Bearbeiten in das System hinein plaziert. Typischerweise wird während jedes Verfahrensdurchlaufes ein Stapel von mehreren Halbleiterwafern auf diese Weise gehandhabt.
Bei einem Mehrfachkammer-Reaktionssystem ist es wünschenswert, mehr als einen Halbleiterwafer auf einmal in Bearbeitung zu haben. Auf diese Weise wird das Reaktionssystem verwendet, um maximalen Durchsatz zu erhalten. Bei der bisherigen Technik muß ein Roboterarm, der in einem Reaktionssystem verwendet wird, einen Wafer lagern, einen anderen Wafer heranholen und plazieren und dann den gelagerten Wafer heranholen und plazieren. Obwohl dies die Verwendung des Reaktionssystems verbessert und verbesserten Durchsatz vorsieht, muß der Roboterarm selber im wesentlichen eine sich wiederholende Bewegung durchführt.
Ein Weg, die Ineffizienz, die mit solch einer vergeudeten Bewegung verbunden ist, zu überwinden, ist, einen Roboterarm mit der Fähigkeit, zwei Wafer zur gleichen Zeit zu handhaben, vorzusehen. Demgemäß haben einige Ausrüstungshersteller einen Roboterarm vorgesehen, bei dem die zwei Träger von einem Motor mit einem Riemenantrieb an dem einen Ende des Arms um einen Drehpunkt gedreht werden. Auf diesem Weg kann ein Wafer auf einem Träger gelagert werden, während der andere Träger verwendet wird, um einen zweiten Wafer heranzuholen und zu plazieren. Die Träger werden dann gedreht und der gelagerte Wafer kann wie gewünscht plaziert werden. Solch ein Mechanismus ist relativ komplex und erfordert eine massive Armeinrichtung um das Gewicht eines Trägerantriebs, das sich am Ende eines ausstreckbaren Roboterarms befindet, zu unterstützen. Zum Beispiel sind gewöhnlich drei Antriebe für ein System, das solch einen Roboterarm aufweist, nötig: ein Antrieb, um den Arm zu drehen, ein Antrieb, um den Arm auszuziehen und ein Antrieb, um die Träger zu drehen. Demgemäß kommt jede Verbesserung des Durchsatzes, wie sie durch solch einen Mehrfachträger-Roboterarm vorgesehen wird, auf Kosten höherer Herstellungskosten, erhöhten Gewichts und Leistungsverbrauchs sowie größerer Komplexität und daher verringerter Verläßlichkeit und Brauchbarkeit.
Ein andere Möglichkeit zum Vorsehen eines Mehrfachträger- Roboterarms ist, zwei Roboterarme koaxial um einen gemeinsamen Drehpunkt herum anzuordnen. Jeder solcher Roboterarme wird unabhängig von dem anderen betrieben und ein verbesserter Durchsatz kann durch die verbesserte Handhabungskapazität des Systems erhalten werden, d.h. zwei Arme sind besser als einer. Dennoch ist es nicht einfach, zwei Roboterarme für einen unabhängigen Betrieb um eine gemeinsame Achse vorzusehen. Demgemäß müssen Mehrfachantriebe und starre Schäfte vorgesehen werden, wobei wieder die Herstellungskosten und die Komplexität vergrößert werden, während die Verläßlichkeit verringert wird.
Eine Einrichtung mit solchen Nachteilen ist aus der EP-A- 0.066.014 bekannt, die den nächst liegenden Stand der Technik darstellt. Eine weitere Einrichtung ohne eine gemeinsame Nabe für zwei Arme aber mit dem Nachteil, komplex zu sein, ist aus der EP-A-0.423.608 bekannt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist eine Robotereinrichtung gemäß Anspruch 1, die eine mittig gelegenen Nabe mit zwei Armen aufweist. Jeder Arm ist für eine Drehung relativ zur Nabe ausgelegt. Zwei Träger, die voneinander beabstandet sind, werden zum Handhaben verschiedener Objekte, wie z.B. Halbleiterwafer, vorgesehen. Jeder Träger ist mittels einer ersten und einer zweiten Gelenkverbindung mit je einem Ende der Arme verbunden. Ein Antrieb wird für ein Drehen der Arme in entgegengesetzte Richtung voneinander vorgesehen, um den einen oder den anderen der Träger von der mittig gelegenen Nabe in radiale Richtung wegzustrecken und um beide Arme in die gleiche Richtung zu drehen, um die Drehung der Träger um die Nabe zu bewirken.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.

Kurzebeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine Robotereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine detaillierte Draufsicht auf eine Robotereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist eine detaillierte Draufsicht auf einen Teil einer Robotereinrichtung gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Fig. 4a, 4b und 4c sind schematische Darstellungen, die den Betrieb einer Robotereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wird am besten durch Bezugnahme auf die Zeichnungen in Verbindung mit dem Überblick durch diese Beschreibung verstanden. Die vorliegende Erfindung ist eine Robotereinrichtung, die geeignet ist, mehrere Objekte zu handhaben. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel findet die Erfindung bei einem Reaktionssystem Anwendung, wie es bei der Herstellung von Halbleitern verwendet wird. Zum Beispiel ist die vorliegende Erfindung zum Einführen und Entfernen von Wafern durch eine Reaktionskammeröffnung nützlich.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, zwei Objekte, wie z.B. Halbleiterwafer, zur Einführung, zum Entfernen oder zur Drehung gleichzeitig so zu handhaben, daß ein Wafer auf der Robotereinrichtung gelagert wird, während der andere plaziert wird. Dieses einmalige Merkmal ermöglicht einen erhöhten Durchsatz während der Waferbearbeitung, wenn Robotereinrichtungen nach dem Stand der Technik gegenübergestellt werden, die einen vollständigen Handhabungszyklus durchlaufen müssen, um Waferlagerung zu bewirken. Auf diese Weise wird die Reaktionskammer kontinuierlich verwendet, um einen Wafer zu bearbeiten, d.h. während ein bearbeiteter Wafer in dem Stapel ersetzt wird und ein "neuer" Wafer herangeholt wird gibt es keine "Totzeit", wie bei Systemen nach dem Stand der Technik. Die vorliegende Erfindung sieht ähnliche Vorteile vor, wenn sie in einer kaskadierten Bearbeitungseinrichtung verwendet wird, d.h. wenn mehrere Reaktionskammern sequentiell für eine Reihe von Bearbeitungsschritten verwendet werden.
In Fig. 1 wird eine Robotereinrichtung 2 in einer Draufsicht im Rahmen eines Reaktionssystems 3 gezeigt. Die Robotereinrichtung 2 ist zur Bewegung eines Halbleiterwafers 13 zu und von den Reaktionskammern 7, 9 und 11 mittig innerhalb des Reaktionssystems 3 angeordnet. Es sollte bemerkt werden, daß die vorliegende Erfindung für viele verschiedene Anwendungen bestimmt ist, obwohl das beispielhafte Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Robotereinrichtung offenbart, die sich mittig innerhalb eines Reaktionssystems befindet, wobei das Reaktionssystem drei Reaktionskammern einschließt. Demgemäß sollte das beispielhafte Ausführungsbeispiel nicht als den Umfang der Erfindung begrenzend betrachtet werden. Das heißt, die vorliegende Erfindung ist ohne weiteres für die Verwendung mit irgendeiner Waferhandhabungsanwendung geeignet, einschließlich für Reaktionssysteme mit irgendeiner Anzahl an Reaktionskammern und irgendeiner Art von Orientierung für die Robotereinrichtung.
Die Robotereinrichtung 2 schließt einen ersten Arm 6 und einen zweiten Arm 8 ein, die so angeordnet sind, daß ein Ende jedes Arms mit einer mittig gelegenen Nabe 4 verbunden ist. Jeder Arm kann unabhängig von dem anderen Arm entweder in rechts- oder in linksdrehender Weise um die Nabe gedreht werden. Demgemäß können die Arme sowohl in gleiche als auch in entgegengesetzte Richtung gedreht werden. Die Drehung kann von irgendeiner Bewegungsquelle, wie z.B. einem elektrisch betriebenen Motor oder Motoren durchgeführt werden.
Die Bewegungsquelle sollte so konfiguriert sein, daß sie den Arm 6 und den Arm 8 umkehrbar entweder in entgegengesetzte Richtungen oder in die gleiche Richtung drehen kann. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Arme unabhängig und koaxial um die Nabe drehbar und die Bewegungsquelle ist ein magnetisch gekoppelter Motor des in EP 0 423 608 A1 beschriebenen Typs.
Jeder der Arme 6/8 schließt ein Drehpunkt (28 beziehungsweise 29) ein, der an dem Ende des Armes vorgesehen ist, das dem Ende, das mit der Nabe 4 verbunden ist, entgegengesetzt ist. Die Arme sind drehbar mit Streben 24/25 verbunden. Die Streben wiederum sind durch Drehpunkte 18/19 mit einem ersten Waferträger 10 verbunden. Jede Strebe kann ein ineinandergreifendes Zahnrad 14/15 an einem Ende innerhalb des Trägers 10 einschließen, um den Träger 10 starr in radialer Ausrichtung zur Nabe 4 zu halten, während die Streben während des Betriebs der Robotereinrichtung gedreht werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann das ineinandergreifende Zahnrad 14/15, wenn gewünscht, durch einen Achter-Riemen ersetzt werden.
Die in Fig. 1 gezeigten Arme und Verbindung bilden einen zusammengesetzten Gelenkmechanismus aus, der manchmal im mechanischen Fachgebiet als ein Froschbeinmechanismus bezeichnet wird. In Fig. 1 wird der Träger 10 in einer teilweise ausgezogenen Position, zum Beispiel beim Zuführen oder beim Herausholen eines Wafers aus einer Reaktionskammer, gezeigt.
Ein zweiter Waferträger 12 wird auch in Fig. 1 gezeigt, dessen Arme 6/8 mit Streben 36/37 an Drehpunkten 34/35, die an jedem Ende der Streben angeordnet sind, verbunden sind. Die Streben 36/37 sind auch an Drehpunkten 20/21 verbunden, die sich am anderen Ende der Streben, zu dem Träger 12 hin, befinden. Wie unten ausführlicher erörtert, ist der Träger 12 mit den Armen 6/8 in einer zu Träger 10 identischen Weise verbunden, so daß die zwei Träger 180º um die Achse der Nabe 4 zueinander versetzt gehalten werden.
Fig. 2 ist eine detaillierte Draufsicht auf eine Robotereinrichtung 2, die einen Träger 10 in einer teilweise ausgestreckten Position und einen Träger 12 in einer teilweise eingezogenen Position zeigt. Pfeile in der Figur zeigen eine relative Bewegung der Arme 6 und 8 um die Nabe 4. Der Träger 10 ist durch die Streben 24/25 mit den Armen 6/8 verbunden. Die Streben 24/25 sind so angeordnet, daß sie sich durch den Betrieb der Drehpunkte 18/19 an dem Träger 10 und der Drehpunkte 28/29 an den Armen 6/8 zusammen mit den Armen 6/8 drehen.
Der Träger ist an den Drehpunkten 20/21 drehbar mit den Streben 36/37 verbunden. Die Streben 36/37 wiederum sind an den Drehpunkten 34/35 drehbar mit den Armen 6/8 verbunden.
Es sollte bemerkt werden, daß die Arme ohne weiteres so konfiguriert werden können, daß die Träger/Streben einen einzigen Drehpunkt auf jedem Arm teilen, obwohl die Arme 6/8 jeweils mit zwei Drehpunkten - einen für jeden/jede Träger/Strebe - gezeigt werden. Solch eine Einrichtung wird in Fig. 3 gezeigt, in der die Arme 6/8 so angeordnet sind, daß sie sich an einem Ende der Arme um die Nabe 4 drehen. Das andere Ende jedes Arms schließt einen einzigen Drehpunkt 40 beziehungsweise 42 ein. Die Arme sind an den Drehpunkten 40/42 jeweils mit zwei Streben gekoppelt - für jeden Träger eine Strebe. Demgemäß ist der Arm 6 mit einer Strebe 24 (für den Träger 10) und einer weiteren Strebe 36 (für den Träger 12) am Drehpunkt 40 verbunden. Während der Arm 8 mit einer Strebe 22 (für den Träger 10) und einer weiteren Strebe 37 an dem Drehpunkte 42 gekoppelt ist.
Der Betrieb der vorliegenden Erfindung wird in den Fig. 4a, 4b und 4c gezeigt. In Fig. 4a wird gezeigt, wie die Robotereinrichtung 2 gleichzeitig eine Drehbewegung beider Träger 10/12 um die Nabe 4, wie durch die Pfeile in der Figur angezeigt, durchmacht. Bei der Vorbereitung dieser Drehbewegung werden die Arme 6/8 unabhängig rechts- oder linksdrehend um die Nabe 4 gedreht, bis sie um 180º versetzt sind, bei welcher Position die Träger 10/12 äquidistant von der Nabe 4 sind. Eine Drehung der Träger wird dann durch eine Drehung beider Arme 6/8 in die gleiche Richtung, z.B. rechtsdrehend, bewirkt. Diese Drehkraft wird durch die beigeordneten Streben 24/25 und 36/37 an die Träger 10/12 gekoppelt.
Fig. 4b zeigt den Betrieb der Robotereinrichtung, bei dem der erste Träger 10 eingezogen und der zweite Träger 12 ausgestreckt wird. Wie durch die Pfeile angezeigt, übt eine entsprechende links-/rechtsdrehende Bewegung der Arme 6/8 um die Nabe 4 eine Zugkraft auf die Streben 24/25 aus, wobei der Träger 10 zu der Nabe 4 gezogen wird. Zur gleichen Zeit üben die Arme 6/8 eine Schubkraft auf die Streben 36/37 aus, wobei der andere Träger 12 von der Nabe 4 weggedrückt wird.
Fig. 4c zeigt den Betrieb der Robotereinrichtung, bei dem der zweite Träger 12 eingezogen und der erste Träger 10 ausgestreckt wird. Wie durch die Pfeile angezeigt, übt eine entsprechende rechts-/linksdrehende Bewegung der Arme 6/8 um die Nabe 4 eine Zugkraft auf die Streben 36/37 aus, wobei der Träger 12 zu der Nabe 4 gezogen wird. Zur gleichen Zeit üben die Arme 6/8 eine Schubkraft auf die Streben 24/25 aus, wobei der andere Träger 10 von der Nabe 4 weggedrückt wird.
Die vorliegende Erfindung ist für die Handhabung mehrerer Objekte nützlich. Wie oben beschrieben, findet ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung Anwendung bei einem Reaktionssystem zum Bearbeiten von Halbleiterwafern. In Fig. 1 wird ein Träger 10 in einer ausgestreckten Position gezeigt, während der andere Träger 12 in einer eingezogenen Position gezeigt wird. Demgemäß kann der eine Träger 12 verwendet werden, um einen Halbleiterwafer zu lagern, während der Träger 10 zum Beispiel einen Halbleiterwafer 13 aus einer Reaktionskammer 11 entfernt.
Beim Betrieb holt der Roboterarm einen Wafer von einem Waferstapel heran und plaziert den Wafer in eine Reaktionskammer. Der Roboterarm holt dann einen zweiten Wafer heran, während der erste Wafer in der Reaktionskammer bleibt. Nachdem ausreichend Bearbeitungszeit verstrichen ist, wird der erste Wafer aus der Reaktionskammer entfernt und der Roboterarm trägt nun zwei Wafer, einen bearbeiteten und einen neuen. Die Träger werden dann, wenn sie, wie in Fig. 4a gezeigt, angeordnet sind, gedreht, so daß ein neuer Wafer auf einem Träger in die Reaktionskammer hinein plaziert wird, während ein bearbeiteter Wafer auf dem anderen Träger zu dem Waferstapel zurückgebracht wird. Der Roboterarm lädt dann einen anderen neuen Wafer von dem Waferstapel und kehrt zu der Reaktionskammer zurück. Der eben beschriebene Vorgang wird, wie erforderlich, wiederholt. Zusätzlich ist der Roboterarm der vorliegenden Erfindung ohne weiteres für die Verwendung bei kaskadierten Prozessen geeignet, bei denen Wafer sequentiell durch eine Reihe von Reaktionskammern, als Teil eines Fertigungsflusses bewegt werden.
Im Gegensatz dazu erfordern Robotereinrichtungen nach dem Stand der Technik für die oben beschriebene Operation, daß ein erster Wafer durch die Robotereinrichtung aus der Reaktionskammer entfernt und zur Lagerung auf einen Stapel zurückgebracht wird. Die Robotereinrichtung wird dann verwendet, um einen zweiten Wafer heranzuholen und ihn in eine Reaktionskammer zu plazieren. Während der Zwischenzeit zwischen der Lagerung des ersten Wafers und dem Plazieren des zweiten Wafer in die Reaktionskammer hinein, ist die Reaktionskammer im Leerlauf. Diese Totzeit verschlechtert den Durchsatz in dem Reaktionssystem ernsthaft. Die vorliegende Erfindung verringert daher die Handhabungen und die Anzahl der Schritte, die beim Bewegen eines Wafers innerhalb eines Reaktionssystems und beim Ersetzen des Wafers durch einen neuen Wafer enthalten sind, wobei demgemäß der Durchsatz (durch Beseitigen unnötiger und vergeudeter Robotereinrichtungsbewegung) erhöht wird.
Obwohl die Erfindung hierin mit Bezug auf das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Robotereinrichtung beschrieben wird, wird ein Fachmann ohne weiteres erkennen, daß jene Handhabungen, die hierin dargelegt werden, durch andere als jene Anwendungen, die die Handhabung von Halbleiterwafern in einem Reaktionssystem und weitere Handhabungsprogramme, -geometrien, usw. enthalten, ersetzt werden können, ohne von dem Geist und dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Entsprechend sollte die Erfindung nur durch die Ansprüche, die unten eingeschlossen sind, begrenzt werden.

Claims

1. Eine Robotereinrichtung, die aufweist:

eine mittig gelegene Nabe (4);

einen ersten Arm (6), der an seinem einen Ende mit der Nabe (4) für eine koaxiale Drehung um die Nabe (4) verbunden ist;

einen zweiten Arm (8), der an seinem einen Ende mit der Nabe (4) für eine koaxiale Drehung um die Nabe (4) verbunden ist;

zwei Träger (10, 12), die unter 180º zueinander ausgerichtet sind;

gekennzeichnet durch

eine erste Gelenkverbindung (24, 25), um den einen Träger (10) mit einem Ende eines jeden Arms (6, 8) zu verbinden;

eine zweite Gelenkverbindung (36, 37), um den anderen Träger (12) mit einem Ende eines jeden Arms (6, 8) zu verbinden; und

ein Antriebsmittel für eine unabhängige Drehung der Arme (6, 8) in entgegengesetzte Richtungen um die Achse der Nabe (4), um einen der Träger (10, 12) von der mittig gelegenen Nabe (4) in radiale Richtung wegzustrecken, während der andere der Träger (10, 12) in Richtung der Nabe (4) gezogen wird, und für eine Drehung der Arme (6, 8) in die gleiche Richtung, um die Drehung der Träger (10, 12) zu bewirken.

2. Die Robotereinrichtung nach Anspruch 1, bei der der Antrieb magnetisch gekoppelte Motoren aufweist.

3. Die Robotereinrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Gelenkverbindung weiterhin aufweist:

einen in Zahneingriff stehenden Mechanismus (14, 15), durch den die Träger (10, 12) bezüglich der Nabe (4) radial ausgerichtet bleiben.

4. Die Verwendung einer Robotereinrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 bei einem Reaktionssystem zum Bearbeiten von Halbleiterwafern.