DE69938360T2

DE69938360T2 - Armgreiforgan für probehalteroboter

Info

Publication number: DE69938360T2
Application number: DE69938360T
Authority: DE
Inventors: Paul Novato BACCHI; Paul S. Greenbrae FILIPSKI
Original assignee: Newport Corp USA
Current assignee: Newport Corp USA
Priority date: 1998-12-02
Filing date: 1999-12-02
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2019-12-03
Also published as: JP5518497B2; CN1801472A; DE69938360D1; CN100373580C; US6256555B1; KR20010089537A; US6275748B1; KR100749905B1; JP2010110891A

Description

Diese Erfindung betrifft eine Probenhandhabungsvorrichtung und ein Probenhandhabungsverfahren und insbesondere einen Endeffektor eines Halbleiterwaferrand-Greifroboterarms, der Schäden und Partikelverschmutzungen auf der Waferrückseite deutlich verringert.
Integrierte Schaltkreise werden aus Wafern aus Halbleitermaterial hergestellt. Die Wafer sind in der Regel in einer Kassette untergebracht, die mehrere dicht beieinander liegende Schlitze aufweist, von denen jeder einen Wafer enthalten kann. Die Kassette wird in der Regel zu einer Verarbeitungsstation verbracht, wo die Wafer aus der Kassette herausgenommen werden, durch einen Prealigner in einer vorgegebenen Ausrichtung angeordnet oder auf sonstige Weise verarbeitet und an einen anderen Ort zur Weiterverarbeitung zurückgebracht.
Es sind verschiedene Arten von Waferhandhabungsvorrichtungen zum Transportieren der Wafer zu und von der Kassette und zwischen Verarbeitungsstationen bekannt. Viele verwenden einen Roboterarm mit einem spatelförmigen Ende, das in die Kassette eingeführt wird, um einen Wafer zu entnehmen oder einzusetzen. Das Ende des Roboterarms wird als ein Endeffektor bezeichnet, der in der Regel einen Unterdruck verwendet, um den Wafer lösbar an dem Endeffektor zu halten. Der Endeffektor fährt in der Regel durch den schmalen Spalt zwischen einem Paar benachbarter Wafer in die Kassette ein und nimmt die Rückseite eines Wafer in Eingriff, um ihn aus der Kassette zu entnehmen. Der Endeffektor muss dünn, steif und mit hoher Genauigkeit positionierbar sein, um zwischen die dicht beieinander liegenden Wafern in der Kassette zu passen und diese nicht zu berühren. Nachdem der Wafer verarbeitet wurde, setzt der Roboterarm den Wafer wieder in die Kassette ein.
Leider kann das Transferieren des Wafers zwischen der Kassette, dem Roboterarm und den Verarbeitungsstationen, wie zum Beispiel einem Prealigner, Schäden auf der Rückseite des Wafers und ein Verunreinigen der anderen Wafer in der Kassette verursachen, weil die bewusste Eingriffnahme sowie ein unbeabsichtigtes Berühren des Wafers Partikel ablösen kann, die herabfallen und sich auf den anderen Wafern absetzen können. Zu Schäden auf der Waferrückseite können Kratzer sowie metallische und organische Verunreinigungen des Wafermaterials gehören. Roboterarme und Prealigner, die mit einem Unterdruck arbeiten, um den Wafer zu ergreifen, können so gestaltet werden, dass Schäden auf der Rückseite und die Entstehung von Partikeln minimiert werden. Schon die wenigen Partikel, die durch das Verfahren des Greifens mit Unterdruck oder durch andere Verfahren des Greifens an anderen Stellen als am Rand entstehen, reichen aus, um benachbarte Wafer, die in der Kassette untergebracht sind, zu verunreinigen. Das Reduzieren solcher Verunreinigungen ist besonders wichtig, um die Produktionsausbeute bei der Waferverarbeitung aufrecht zu erhalten. Des Weiteren kann der transferierte Wafer auf seiner Rückseite zerkratzt oder abgeschabt werden, was zu Waferverarbeitungsschäden führt.
Was daher gebraucht wird, ist ein Probengreif-Endeffektor, der sicher, rasch und genau Halbleiterwafer transferieren kann, während ein Zerkratzen des Wafers und Partikelverunreinigungen minimiert werden. Siehe diesbezüglich WO 94 19821 , wo eine Probenumfangsrand-Greifvorrichtung offenbart ist, die mit einem Mechanismus wirkverbunden werden kann und eine Probe an seinem Umfangsrand ergreifen kann.
Siehe diesbezüglich auch WO 97 45861 , wo eine andere Probenumfangsrand-Greifvorrichtung offenbart ist.
Eine Aufgabe dieser Erfindung ist darum die Bereitstellung einer Probenhandhabungsvorrichtung, die Schäden an den Proben und die Entstehung von Verschmutzungspartikeln minimiert.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist die Bereitstellung einer Halbleiterwafer-Handhabungsvorrichtung, die Halbleiterwafer rasch und genau zwischen einer Waferkassette und einer Wafer-Verarbeitungsstation transferieren kann.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist die Bereitstellung einer Wafer-Handhabungsvorrichtung, die an bestehende Roboterarmsysteme nachgerüstet werden kann.
Roboterarm-Endeffektoren dieser Erfindung transferieren Halbleiterwafer rasch und sauber zwischen einer Waferkassette und einer Verarbeitungsstation. Die Endeffektoren enthalten mindestens ein proximales Auflageelement und mindestens zwei distale Auflageelemente, die Auflage- und Anschlagabschnitte enthalten, die den Wafer innerhalb einer ringförmigen Ausschlusszone, die sich vom Umfangsrand des Wafers nach innen erstreckt, stützen und ergreifen. Die Auflageelemente können auch als Ruhepolster bezeichnet werden. Die Endeffektoren enthalten des Weiteren einen aktiven Kontaktpunkt, der zwischen einer zurückgezogenen Waferladeposition und einer ausgefahrenen Wafergreifposition beweglich ist. Der aktive Kontaktpunkt ist beweglich, um den Wafer so gegen die distalen Auflageelemente zu drängen, dass der Wafer nur an seinem Rand oder innerhalb der Ausschlusszone ergriffen wird. Die Endeffektoren sind so konfiguriert, dass die Endeffektoren einen Kontakt mit dem Waferrand über angeschrägte Auflageelemente herstellen. Optische Sensoren detektieren zurückgezogene, sichere Probenlade-/-greif- und ausgefahrene Positionen des aktiven Kontaktpunktes.
Die Endeffektoren sind allgemein spatelförmig und haben ein proximales Ende, das mit einem Roboterarm wirkverbunden ist. Der aktive Kontaktpunkt befindet sich an dem proximalen Ende, wodurch der Endeffektor leichter, stärker und schlanker gestaltet werden kann als Endeffektoren mit Bewegungsmechanismen, die möglicherweise nicht zwischen benachbarte Wafer in einer Kassette passen. Der Verzicht auf Bewegungsmechanismen verursacht des Weiteren, dass der Endeffektor weniger Verunreinigungen innerhalb der Kassette erzeugt. Außerdem wird durch das Anordnen des aktiven Kontaktpunktes am proximalen Ende des Endeffektors gewährleistet, dass er nicht mit rauen Bedingungen in Berührung kommt, wie zum Beispiel erwärmten Umgebungen und Flüssigkeiten.
Ein unterdruckbetätigter Kolben bewegt den aktiven Kontaktpunkt zwischen einer zurückgezogenen Position, in der der Wafer in den Endeffektor geladen wird, und einer ausgefahrenen Position, in der der Wafer ergriffen wird. Eine erste Ausführungsform des Kolbens verwendet Unterdruck, um den aktiven Kontaktpunkt zwischen äußersten Positionen zu bewegen; eine zweite Ausführungsform des Kolbens verwendet Unterdruck, um den aktiven Kontaktpunkt zurückzuziehen, und eine Feder, um den aktiven Kontaktpunkt herauszufahren; und eine dritte Ausführungsform des Kolbens fügt die oben angesprochenen optischen Sensoren hinzu, um zurückgezogene, sichere Probenlade-/-greif- und ausgefahrene Positionen des aktiven Kontaktpunktes zu detektieren.
Alternative Ausführungsformen des Endeffektors enthalten flache oder angeschrägte, schmale oder bogenförmige Auflageelemente, auf die der Wafer anfänglich geladen wird. Die Ausführungsformen mit einem schmalen und bogenförmigen angeschrägten Auflageelement unterstützen das Zentrieren und Ergreifen des Wafers zwischen dem aktiven Kontaktpunkt und den distalen Auflageelementen. Die bogenförmigen Auflage elemente ermöglichen ein besseres Ergreifen und Handhaben von Wafern mit einem Flat.
Die Endeffektoren enthalten des Weiteren faseroptische Lichtübertragungssensoren zum genauen Lokalisieren des Waferrandes und der Waferunterseite. Drei alternative Ausführungsformen enthalten das Anordnen der Waferrand- und Waferunterseitensensoren an dem proximalen Ende des Endeffektors; das Anordnen der Randsensoren an dem proximalen Ende und der Unterseitensensoren an dem distalen Ende des Endeffektors; und das Anordnen eines kombinierten Rand- und Unterseitensensors an dem distalen Ende des Endeffektors. In allen drei Ausführungsformen geben die Sensoren Daten zum Ausfahrstatus, zum Höhenstatus und zum Positionierungsstatus des Roboterarms aus, die Verfahren unterstützen, um einen Wafer rasch und genau auf einem Wafertransporttisch oder in einer Prozesskammer abzulegen oder von dort zu entnehmen und um einen Wafer in einem Stapel aus dicht nebeneinander angeordneten Wafern, die in einer Waferkassette gelagert werden, anzuordnen oder daraus zu entnehmen. Die Verfahren verhindern wirksam einen versehentlichen Kontakt zwischen dem Endeffektor und benachbarten Wafern, die in einer Kassette gelagert sind, oder einem Wafer, der auf einer Verarbeitungsvorrichtung liegt, während ein sauberes, sicheres Ergreifen des Wafers bewerkstelligt wird.
Zusammenfassend wird gemäß der Erfindung eine Probenumfangsrand-Greifvorrichtung nach Anspruch 1 bereitgestellt, die für eine Wirkverbindung mit einem Mechanismus und zum Ergreifen einer Probe an ihrem Umfangsrand geeignet ist, wobei die Randgreifvorrichtung einen Körper enthält, der ein proximales Ende, mit dem der Mechanismus wirkverbunden ist, und ein gegenüberliegendes distales Ende aufweist.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung, und um zu zeigen, wie sie in die Praxis umgesetzt werden kann, wird nun beispielhaft auf die begleitenden Zeichnungen eingegangen, in denen Folgendes zu sehen ist:
1 ist eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform des Endeffektors dieser Erfindung, der in eine Halbleiterwaferkassette eingeführt gezeigt ist, um einen Wafer zu entnehmen oder wieder einzusetzen.
2 ist ein Seitenaufriss des Endeffektors von 1 ohne die Waferkassette, wobei aber gezeigt ist, wie der Endeffektor zwischen einem benachbarten Paar von drei dicht nebeneinander angeordneten Wafern, wie sie in der Kassette gelagert sein würden, eingeführt ist.
3 ist ein vergrößerter Seitenaufriss einer Ausführungsform mit einem flachen Auflageelement dieser Erfindung, wobei gezeigt ist, wie das Auflageelement eine Ausschlusszone eines Wafers in Eingriff nimmt.
4 ist ein vergrößerter Seitenaufriss einer Ausführungsform mit einem angeschrägten Auflageelement dieser Erfindung, wobei gezeigt ist, wie das angeschrägte Auflageelement im Wesentlichen einen Umfang eines Wafers in Eingriff nimmt.
5 ist eine fragmentarische Draufsicht auf einen Abschnitt des Endeffektors und des Wafers von 1, die vergrößert ist, um Positionsbeziehungen zwischen dem Wafer und einem beweglichen Kontaktpunkt, Waferauflageelementen und Waferrand- und Höhensensoren des Endeffektors der ersten Ausführungsform dieser Erfindung aufzuzeigen.
6A und 6B sind ein Seiten- bzw. ein Vorderaufriss eines der Rand- und Höhensensoren von 5, die weiter vergrößert sind, um die Positionierung von faseroptischen Lichtpfaden relativ zu dem Wafer aufzuzeigen.
7 ist eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform des Endeffektors dieser Erfindung, wobei gezeigt ist, wie er einen Halbleiterwafer neben einem Halbleiterwafer in einer Waferkassette ergreift, um einen Wafer zu detektieren, zu entnehmen und oder wieder einzusetzen.
8 ist ein geschnittener Seitenaufriss des Endeffektors von 7, wobei ein Betätigungsmechanismus für einen aktiven Kontaktpunkt gezeigt ist, der einen Wafer zwischen benachbarten von dicht nebeneinander angeordneten Wafern, wie sie in der Waferkassette gelagert werden würden, ergreift.
9 ist eine vergrößerte isometrische Ansicht einer Ausführungsform mit einem distalen bogenförmigen Auflageelement dieser Erfindung, das an dem distalen Ende des Endeffektors von 7 montiert ist.
10 ist eine perspektivische Endansicht des Endeffektors von 7, wobei Positionsbeziehungen zwischen dem beweglichen Kontaktpunkt, bogenförmigen Auflageelementen und Waferrand- und Höhensensoren des Endeffektors der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung gezeigt sind.
11 ist eine Unteransicht des Endeffektors von 7, wobei faseroptische Verlaufskanäle für Höhensensoren des Endeffektors der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung gezeigt sind.
12 ist eine fragmentarische Draufsicht auf einen Abschnitt einer dritten Ausführungsform eines Endeffektors dieser Erfindung, wobei Positionsbeziehungen zwischen dem Wafer, einem positionsdetektierenden Betätigungsmechanismus für einen aktiven Kontaktpunkt und den proximalen Auflageelementen gezeigt sind.
13 ist ein geschnittener Seitenaufriss des Endeffektorabschnitts von 12, wobei der positionsdetektierende Betätigungsmechanismus für einen aktiven Kontaktpunkt gezeigt ist, der zwischen benachbarten dicht nebeneinander angeordneten Wafern, wie sie in der Waferkassette gelagert werden würden, ausgefahren ist.
14 ist eine Gesamtdraufsicht auf den Endeffektor von 12, wobei alternative Wafergreif- und -detektionspositionen gezeigt sind.
15A und 15B sind Draufsichten auf einen Roboterarm und einen Endeffektor dieser Erfindung, die in drei winkelverschobenen Positionen gezeigt sind, um radiale Distanzen zu einem Rand eines Wafers zu detektieren (zur besseren Erkennbarkeit verkleinert dargestellt).
16A und 16B sind ein Seitenaufriss bzw. eine Draufsicht auf ein beispielhaftes zweiarmiges Mehrgelenk-Roboterarmsystem, von dem aus sich der Endeffektor der vorliegenden Erfindung erstreckt.
17 ist ein Seitenaufriss in Form einer schematischen Ansicht, wobei die Gelenkkomponenten und das zugehörige mechanische Gestänge des Roboterarmsystems der 16A und 16B gezeigt sind.
18 ist eine isometrische Ansicht in Form einer schematischen Ansicht, wobei die Drehbewegung gezeigt ist, die durch die Motorantriebsverbindungen des mechanischen Gestänges des Roboterarmsystems der 16A und 16B veranlasst wird.
19A ist ein Schaubild, wobei die räumlichen Beziehungen und Parameter gezeigt sind, die verwendet werden, um Steuersignale zu erzeugen, die durch die in 19B als Blockschaubild gezeigte Motorsteuereinheit für das Roboterarmsystem der 16A und 16B ausgegeben werden.
Die 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform eines spatelförmigen Endeffektors 10 dieser Erfindung zum Transferieren von Halbleiterwafern, wie zum Beispiel eines Wafers 12 (der transparent gezeigt ist, damit die darunter befindlichen Strukturen zu erkennen sind), zu und von einer Waferkassette 14. Der Endeffektor 10 ist dafür geeignet, den Wafer 12 aufzunehmen und sicher zu halten und ihn zu und von der Kassette 14 zur Verarbeitung zu transferieren. 2 zeigt, dass der Endeffektor 10 besonders zum Entnehmen und Wiedereinsetzen des Wafer 12 zwischen den dicht nebeneinander angeordneten Wafern, wie zum Beispiel den Wafern 12, 12A und 12B, geeignet ist, die so gezeigt sind, wie sie möglicherweise in der Waferkassette 14 gestapelt sind. Wafer mit Durchmessern von weniger als 150 mm sind in der Regel mit einem Mittenabstand von 4,76 mm (3/16 Inch) beabstandet; Wafer mit einem Durchmesser von 200 mm sind in der Regel mit einem Mittenabstand von 6,35 mm (1/4 Inch) beabstandet; und Wafer von 300 mm sind in der Regel mit einem Mittenabstand von 10 mm (0,394 Inch) beabstandet.
Der Endeffektor 10 ist mit einem Roboterarm 16 wirkverbunden (von dem ein Abschnitt gezeigt ist), der in einer programmierbaren Weise auf allgemein bekannte Art positioniert werden kann. Im Allgemeinen wird der Endeffektor 10 in die Waferkassette 14 eingeführt, um den Wafer 12, der zwischen den Wafern 12A und 12B angeordnet ist, zu entnehmen. Der Endeffektor 10 wird dann durch den Roboterarm 16 feinpositioniert und so betätigt, dass er einen Umfang 18 des Wafers 12 ergreift, den Wafer 12 aus der Kassette 14 entnimmt und den Wafer 12 zu einer (nicht gezeigten) Verarbeitungsstation zur Verarbeitung transferiert. Der Endeffektor 10 kann dann erforderlichenfalls den Wafer 12 wieder in die Kassette 14 einsetzen, den Wafer 12 loslassen und sich aus der Kassette 14 zurückziehen.
Der Endeffektor 10 ist mit dem Roboterarm 16 an einem proximalen Ende 20 wirkverbunden und erstreckt sich zu einem distalen Ende 22. Der Endeffektor 10 nimmt den Wafer 12 zwischen dem proximalen Ende 20 und dem distalen Ende 22 auf und enthält mindestens zwei, und vorzugsweise vier, Auflageelemente, auf die der Wafer 12 anfänglich geladen wird. Zwei distale Auflageelemente 24 befinden sich an oder neben dem distalen Ende 22 des Endeffektors 10; und mindestens ein, vorzugsweise aber zwei proximale Auflageelemente 26 befinden sich in Richtung des proximalen Endes 20. Die distalen Auflageelemente 24 können alternativ als ein einzelnes bogenförmiges Auflageelement ausgebildet sein, dessen Winkelerstreckung größer als die Länge eines "Flats" ist, wobei es sich um ein Kristallstruktur-anzeigendes Merkmal handelt, das man gemeinhin an einem Halbleiterwafer findet. Ein Flat 27 ist, lediglich beispielhaft, zwischen den proximalen Auflageelementen 26 gezeigt. Natürlich kann der Wafer 12 auch eine andere Ausrichtung haben, so dass der Umfang 18 ebenfalls zwischen den proximalen Auflageelementen 26 gezeigt ist.
Der Wafer 12 enthält eine Ausschlusszone 30 (von der ein Abschnitt in Strichlinien gezeigt ist). Halbleiterwafer haben eine ringförmige Ausschlusszone, oder einen inaktiven Abschnitt, die bzw. der sich etwa 1 mm bis etwa 5 mm von dem Umfang 18 nach innen erstreckt und den Wafer 12 vollständig umgibt. Die Ausschlusszone 30 ist als Teil einer industriestandardisierten Waferrandprofilschablone in der SEMI-Spezifikation M10298, Seiten 18 und 19, beschrieben. Generell darf kein Teil des Endeffektors 10 den Wafer 12 jenseits der inneren Grenze der Ausschlusszone 30 berühren. Es wird erwartet, dass künftige Versionen der Spezifikation lediglich einen Randkontakt gestatten – eine Anforderung, die durch diese Erfindung problemlos erfüllt wird.
Die Distanz zwischen Auflageelementen 24 und die Distanz zwischen Auflageelementen 26 haben jeweils eine Winkel erstreckung, die größer als jedes Merkmal auf dem Wafer 12 ist, um zu garantieren, dass der Wafer 12 nur innerhalb der Ausschlusszone 30 ergriffen wird. Die Auflageelemente 24 und 26 können aus verschiedenen Materialien hergestellt sein, aber ein bevorzugtes Material ist Polyetheretherketon ("PEEK"), bei dem es sich um ein halbkristallines Hochtemperatur-Thermoplast handelt, das von Victrex aus Großbritannien hergestellt wird. Das Auflageelementmaterial kann geändert werden, um es an verschiedene Arbeitsumgebungen, wie zum Beispiel in Hochtemperaturanwendungen, anzupassen.
3 zeigt eine im Wesentlichen flache Ausführungsform von distalen Auflageelementen 24. Diese Ausführungsform kann vorteilhafterweise (braucht aber nicht ausschließlich) bei Wafern mit einem Durchmesser von weniger als etwa 200 mm verwendet werden. Die distalen Auflageelemente 24 enthalten einen Auflageabschnitt 32 und einen Anschlagabschnitt 34. In der flachen Ausführungsform verläuft der Auflageabschnitt 32 im Wesentlichen parallel zu einer gedachten Ebene 36, die sich durch den Wafer 12 erstreckt, und der Anschlagabschnitt 36 ist in Richtung des Wafers 12 in einem Anschlagwinkel 38 von bis etwa 5 Grad relativ zu einer Linie senkrecht zu der Ebene 36 angeschrägt. Alternativ kann der Auflageabschnitt 32 auch von dem Wafer 12 fort bis etwa 3 Grad relativ zu der Ebene 36 angeschrägt sein. Der Auflageabschnitt 32 hat eine Länge 40, die eine Funktion der Tiefe der Ausschlusszone 30 ist, aber vorzugsweise etwa 3 mm lang ist. Der Wafer 12 hat in der Regel einen im Wesentlichen gerundeten Umfangsrand und berührt die Auflageelemente 24 nur innerhalb der Ausschlusszone 30. Der Wafer 12 wird ergriffen, indem er in den eingeschlossenen Winkel gedrängt wird, der zwischen dem Auflageabschnitt 32 und dem Anschlagabschnitt 34 gebildet wird.
4 zeigt eine angeschrägte Ausführungsform der distalen Auflageelemente 24. Diese Ausführungsform kann vorteilhafterweise (braucht aber nicht ausschließlich) bei Wafern mit einem Durchmesser von größer als etwa 200 mm verwendet werden. Die distalen Auflageelemente 24 enthalten einen angeschrägten Auflageabschnitt 42 und einen Anschlagabschnitt 34. In der angeschrägten Ausführungsform ist der angeschrägte Auflageabschnitt 42 von dem Wafer 12 fort in einem Auflageelementwinkel 44 von etwa 3 Grad relativ zu der Ebene 36 angeschrägt, und der Anschlagabschnitt 36 ist in Richtung des Wafer 12 in einem Anschlagwinkel 38 von bis etwa 3 Grad angeschrägt. Der angeschrägte Auflageabschnitt 42 hat eine Länge 40, die eine Funktion der Tiefe der Ausschlusszone 30 ist, ist aber vorzugsweise etwa 3 mm lang. Wie zuvor, hat der Wafer 12 in der Regel einen im Wesentlichen gerundeten Umfangsrand und berührt die Auflageelemente 24 nur innerhalb der Ausschlusszone 30. Der Wafer 12 wird ergriffen, indem er in den eingeschlossenen Winkel gedrängt wird, der zwischen dem Auflageabschnitt 42 und dem Anschlagabschnitt 34 gebildet wird. In der angeschrägten Ausführungsform gibt es im Wesentlichen keinen Kontakt zwischen dem Auflageelement 24 und eine Unterseite 46 des Wafers 12. Diese Auflageelement-Ausführungsform ist auch für ausschließlichen Waferrandkontakt geeignet.
Sowohl die flache als auch die angeschrägte Ausführungsform der distalen Auflageelemente 24 hat eine Höhe 48, die im Wesentlichen bis zur Oberseite des Wafers 12 reicht, sich aber nicht darüber hinaus erstreckt.
Kehren wir zu 1 zurück. Die proximalen Auflageelemente 26 ähneln den distalen Auflageelementen 24, außer dass nicht jedes Auflageelement 26 unbedingt einen Anschlagabschnitt erfordert und dass sein Auflageabschnitt eine Länge von etwa dem Doppelten der Länge 40 hat.
Der Endeffektor 10 enthält des Weiteren einen aktiven Kontaktpunkt 50, der sich am proximalen Ende 20 des Endeffektors 10 und zwischen den proximalen Auflageelementen 26 befindet. Der aktive Kontaktpunkt 50 ist zwischen einer zu rückgezogenen Waferladeposition (in Strichlinien gezeigt) und einer ausgefahrenen Wafergreifposition (in durchgezogenen Linien gezeigt) beweglich.
Der aktive Kontaktpunkt 50 ist mit einem Kolben 52 für eine Hin- und Herbewegung zwischen der zurückgezogenen und der ausgefahrenen Position wirkverbunden. In einer ersten Ausführungsform bewegt sich der Kolben 52 innerhalb einer Bohrung 54 hin und her und wird vorzugsweise mittels Unterdruck betätigt, um den aktiven Kontaktpunkt 50 herauszufahren und zurückzuziehen. Der aktive Kontaktpunkt 50 ist mit dem Kolben 52 über eine Kolbenstange 56 verbunden, die sich durch eine luftdichte Abdichtung 58 hindurch erstreckt. Die Bohrung 54 bildet eine Unterdruckkammer in dem Endeffektor 10, die durch den Kolben 52 in eine Antriebskammer 60 und eine Rücklaufkammer 62 unterteilt wird. Die Antriebskammer 60 steht über einen ersten Kanal 64 mit einer (nicht gezeigten) Unterdruckquelle in pneumatischer Verbindung, und die Rücklaufkammer 62 steht über einen zweiten Kanal 66 mit der Unterdruckquelle in pneumatischer Verbindung. Der Unterdruck wirkt durch die Antriebskammer 60 gegen die Vorderfläche des Kolbens 52, um den aktiven Kontaktpunkt 50 in die Wafergreifposition auszufahren, und wirkt durch die Rücklaufkammer 62 gegen die Rückfläche des Kolbens 52, um den aktiven Kontaktpunkt 50 zurückzuziehen, so wie es durch die programmierbare Steuerung vorgegeben wird. Die Unterdruckquelle wird durch Rotationsunterdruckverbindungsschieber in dem Roboterarm 16 zum ersten und zweiten Kanal 64 und 66 gelenkt. Bevorzugte Rotationsunterdruckverbindungsschieber sind im US-Patent Nr. 5,741,113 für einen CONTINUOUSLY ROTATABLE MULTIPLE LINK ROBOT ARM MECHANISM beschrieben, das an den Rechtsnachfolger dieser Anmeldung übertragen wurde.
Der Kolben 52 enthält des Weiteren eine Ringnut 68, die mit einer (nicht gezeigten) Entlüftung in der Kolbenstange 56 in pneumatischer Verbindung steht. Der erste und der zweite Kanal 64 und 66 sind mit der Antriebskammer 60 bzw. der Rücklaufkammer 62 an Stellen verbunden, die an den Hubendpunkten des Kolbens 52 zu der Nut 68 hin öffnen. Darum wird der Unterdruck in dem ersten und dem zweiten Kanal 64 und 66 an den Hubendpunkten des Kolbens 52 verringert, wodurch Signale an die Unterdruck-Steuereinheit gesendet werden, dass der aktive Kontaktpunkt 50 vollständig ausgefahrenen oder zurückgezogen ist, um ein ordnungsgemäßes Laden des Wafers 12 zu bewirken.
Nachdem der Wafer 12 auf den Endeffektor 10 geladen wurde, wird der aktive Kontaktpunkt 50 betätigt, um den Wafer 12 in seine ergriffene Position zu bewegen. Wenn der aktive Kontaktpunkt 50 ausgefahren ist, so drängt er den Wafer 12 in Richtung der distalen Auflageelemente 24, bis der Wafer 12 innerhalb der Ausschlusszone 30 durch den aktiven Kontaktpunkt 50 und die distalen Auflageelemente 24 ergriffen wird.
Die proximalen Auflageelemente 26 sind relativ zu den distalen Auflageelementen 24 so angeordnet, dass die Ebene 36 des Wafers 12 vorzugsweise parallel zu dem Endeffektor 10 verläuft, wenn der Wafer ergriffen wurde. Diese Anordnung wird problemlos erreicht, wenn die flache Ausführungsform der proximalen und distalen Auflageelemente 24 und 26 verwendet wird. Wenn jedoch die angeschrägte Ausführungsform verwendet wird, so sind die proximalen und distalen Auflageelemente 24 und 26 so angeordnet, dass die Punkte, wo der Wafer 12 die Auflageabschnitte 42 berührt, von einer Mitte 70 des Wafers 12 im Wesentlichen gleich beabstandet sind, wenn der aktive Kontaktpunkt 50 ausgefahren und der Wafer 12 ergriffen ist. Wenn sich zum Beispiel der Wafer 12 in der in 1 gezeigten Position befindet, so berühren die Auflageabschnitte der distalen und proximalen Auflageelemente 24 und 26 den Wafer 12 an Punkten tangential zum Umfang 18 dergestalt, dass eine Linie durch die Mitte jedes Auflageabschnitts 42 die Mitte 70 des Wafers 12 schneidet.
Die Stelle des aktiven Kontaktpunkts 50 am proximalen Ende 20 macht es möglich, den Endeffektor 10 leichter, stärker und schlanker zu gestalten als Endeffektoren mit Bewegungsmechanismen, die möglicherweise nicht zwischen benachbarte Wafer 12, 12A und 12B in de Kassette 14 passen. Der Verzicht auf Bewegungsmechanismen verursacht des Weiteren, dass der Endeffektor 10 weniger Verunreinigungen innerhalb der Kassette 14 erzeugt. Außerdem wird durch das Anordnen des aktiven Kontaktpunktes 50 am proximalen Ende 20 des Endeffektors 10 gewährleistet, dass der aktive Kontaktpunkt 50 nicht mit rauen Bedingungen in Berührung kommt, wie zum Beispiel erwärmten Umgebungen und Flüssigkeiten.
Das dichte Beieinanderliegen benachbarter Wafer 12, 12A und 12B erfordert eine präzise Positionierung des Endeffektors 10, damit er sich in die Kassette 14 hineinbewegen und den Wafer sicher ergreifen kann, ohne benachbarte Wafer zu berühren.
Die 5, 6A und 6B zeigen eine Draufsicht, eine Seitenansicht bzw. eine Vorderansicht einer ersten Ausführungsform von Waferrand- und Höhensensoren, die genaue Daten für die Positionierung des Wafers 12 relativ zu dem Endeffektor 10 liefern. (Der Wafer 12 ist transparent gezeigt, um darunter befindliche Strukturen sichtbar zu machen.) Die Sensoren sind in einem ersten und einem zweiten Sensorgehäuse 80 und 82 untergebracht, die zusammen drei Lichtübertragungssensoren bilden, die jeweils ein faseroptisches Quelle/Empfänger-Paar aufweisen.
Zwei Waferrandsensoren sind folgendermaßen implementiert. Das erste und das zweite Sensorgehäuses 80 und 82 enthalten jeweils eine Lichtquellenfaser 84 und eine Lichtempfängerfaser 86, die zwischen sich eine kleine U-förmige Öffnung 88 bilden, in die der Umfang 18 des Wafers 12 eingepasst werden kann. Die Fasern 84 und 86 enthalten des Weiteren einander zugewandte Lichtpfadöffnungen 90, die einen schmalen Lichtübertragungspfad zum Detektieren des Vorhandenseins oder Fehlens des Umfangs 18 des Wafers 12 bilden. Die Fasern 84 und 86 erstrecken sich durch Hülsen 92 zu einem Lichtquellen/-empfänger-Modul 94, das an einer zweckmäßigen Stelle des Endeffektors 10 nahe seiner Drehverbindung zu dem Roboterarm 16 montiert ist. Das Lichtquellen/-empfänger-Modul 94 detektiert herkömmlicherweise Grade der Lichtübertragung zwischen Fasern 84 und 86 und detektiert dadurch genau die Positionierung des Umfangs 18 zwischen Lichtpfadöffnungen 90. Natürlich können die relativen Positionen der Fasern 84 und 86 vertauscht werden.
Ein Höhensensor ist folgendermaßen implementiert. Das erste Sensorgehäuse 80 enthält des Weiteren eine Lichtquellenfaser 96 (in durchbrochener Linie gezeigt), und das zweite Sensorgehäuse 82 enthält eine Lichtempfängerfaser 98 (in durchbrochener Linie gezeigt). Die Fasern 96 und 98 bilden zwischen sich eine breite Öffnung, die entlang einer unterseitigen Sehnenlinie 100 des Wafers 12 ausgerichtet ist. Die Fasern 96 und 98 enthalten des Weiteren einander zugewandte Lichtpfadöffnungen 102, die einen schmalen Lichtübertragungspfad 104 zum Detektieren des Vorhandenseins oder Fehlens der unterseitigen Sehnenlinie 100 des Wafers 12 bilden. Die Fasern 96 und 98 erstrecken sich durch Hülsen 106 zu dem Lichtquellen/-empfänger-Modul 94. Das Lichtquellen/-empfänger-Modul 94 detektiert herkömmlicherweise Grade der Lichtübertragung zwischen den Fasern 96 und 98 und detektiert dadurch genau die Positionierung der unterseitigen Sehnenlinie 100 zwischen den Lichtpfadöffnungen 102. Natürlich können die relativen Positionen der Fasern 96 und 98 vertauscht werden.
Der Flat 27 kann detektiert werden, indem man die Lichtpfadöffnungen 102 um eine Distanz voneinander trennt, die größer als die Länge des Flats 27 ist. Der Flat 27 ist vorhanden, wenn die unterseitige Sehnenlinie 100 zwischen den Lichtpfadöffnungen 102 detektiert wird, aber kein Umfang 18 zwischen einem der Paare von Lichtpfadöffnungen 90 detektiert wird.
Die Verfahrensweise, mit der der Endeffektor 10 auf den Wafer 12 eines bekannten Durchmessers, wie zum Beispiel 200 mm, zugreift, wird unten mit Bezug auf die 2, 5, 6A und 6B beschrieben.
Der aktive Kontaktpunkt 50 wird in seine zurückgezogene Position versetzt.
Der Endeffektor 10 wird in einer X-Richtung in die Kassette 14 zum Beispiel zwischen die Wafer 12 und 12B eingeführt, bis der Umfang 18 zwischen mindestens einem Paar Lichtpfadöffnungen 90 detektiert wird.
Eine (nicht gezeigte) Steuereinheit, die dem Roboterarm 16 zugeordnet ist, zeichnet die Ausstreckung des Roboterarms 16 auf, wenn der Umfang 18 detektiert wird, wobei jeglicher detektierter Flat ignoriert wird.
Der Endeffektor 10 wird in der X-Richtung um einen Betrag zurückgezogen, der ausreicht, um einen Freiraum zwischen dem Wafer 12 und den Randdetektoren herzustellen.
Der Roboterarm 16 wird in einer Z-Richtung bewegt, bis die unterseitige Sehnenlinie 100 des Wafers 12 detektiert wird.
Die Steuereinheit zeichnet die Z-Höhe der Unterseite des Wafers 12 auf.
Die Steuereinheit berechnet die X-Distanz, die erforderlich ist, um mit einer Z-Höhe unterhalb der Unterseite des Wafers 12 in die Kassette 14 hineinzureichen, so dass sich die distalen und proximalen Auflageelemente 24 und 26 an den Wafern 12 und 12B vorbei bewegen.
Die Steuereinheit berücksichtigt außerdem:

1) einen radialen Distanzversatz und einen Höhendistanzversatz der distalen Auflageelemente 24 relativ zu der Z-Höhe des Lichtübertragungspfades 104 und
2) die radiale Distanz, um die der Endeffektor 10 zurückgezogen wurde, nachdem der Umfang 18 detektiert wurde.

Die Steuereinheit bewegt den Endeffektor 10 in der X-Richtung in die Kassette 14 hinein und hebt ihn in der Z-Richtung an, um den Wafer 12 auf den Auflageelementen 24 und 26 zu berühren.
Der aktive Kontaktpunkt 50 wird betätigt, um den Wafer 12 in den eingeschlossenen Winkel zwischen den Auflage- und Anschlagabschnitten 32 und 34 der distalen Auflageelemente 24 zu drängen, wodurch der Wafer 12 ergriffen wird.
Der Endeffektor 10 zieht den Wafer 12 in der X-Richtung aus der Kassette 14 heraus.
Die 7 und 8 zeigen eine zweite Ausführungsform eines spatelförmigen Endeffektors 110 dieser Erfindung zum Transferieren von Halbleiterwafern, wie zum Beispiel des Wafers 12 (transparent gezeigt, um die darunter befindlichen Strukturen sichtbar zu machen), zu und von der Waferkassette 14 (in dieser Ansicht nicht gezeigt). Der Endeffektor 110 ähnelt dem Endeffektor 10, ist aber außerdem dafür geeignet, die Unterseite eines Wafers, der in der Waferkassette 14 gelagert ist, zu detektieren, ohne in die Kassette hineinzuragen. 8 zeigt, dass der Endeffektor 110 besonders dafür geeignet ist, den Wafer 12 zwischen dicht nebeneinander angeordneten Wafern, wie zum Beispiel den Wafern 12, 12A und 12B, die so gezeigt sind, wie sie in der Waferkassette 14 gestapelt sein könnten, herauszunehmen und wieder einzusetzen.
Der Endeffektor 110 ist mit dem Roboterarm 16 wirkverbunden. Im Allgemeinen detektiert der Endeffektor 110 die Unterseite des Wafers 12, bevor er sich in die Waferkassette 14 hineinbewegt, um den Wafer 12 zwischen den Wafern 12A und 12B herauszunehmen. Der Endeffektor 110 wird dann durch den Roboterarm 16 feinpositioniert und betätigt, um den Umfang 18 des Wafers 12 zu ergreifen, den Wafer 12 aus der Kassette 14 zu nehmen und den Wafer 12 zu einer (nicht gezeigten) Verarbeitungsstation zur Verarbeitung zu transferieren. Der Endeffektor 110 kann dann erforderlichenfalls den Wafer 12 wieder in die Kassette 14 einsetzen, den Wafer 12 loslassen und sich aus der Kassette 14 herausbewegen.
Der Endeffektor 110 ist mit dem Roboterarm 16 an einem proximalen Ende 120 wirkverbunden und erstreckt sich zu einem distalen Ende 122. Der Endeffektor 110 nimmt den Wafer 12 zwischen dem proximalen Ende 120 und dem distalen Ende 122 auf und enthält bevorzugt mindestens zwei, und besonders bevorzugt vier, bogenförmige Auflageelemente, auf die der Wafer 12 anfänglich geladen wird. Zwei distale bogenförmige Auflageelemente 124 befinden sich an oder neben dem distalen Ende 122 des Endeffektors 110; und mindestens ein, vorzugsweise aber zwei, proximale bogenförmige Auflageelementen 126 befinden sich in Richtung des proximalen Endes 120. Die distalen und proximalen bogenförmigen Auflageelemente 124 und 126 können eine Winkelerstreckung größer als der Flat 27 haben, der lediglich beispielhaft zwischen den proximalen Auflageelementen 126 befindlich gezeigt ist. Natürlich kann der Wafer 12 auch eine andere Ausrichtung haben als die, die hier gezeigt ist.
Die bogenförmigen Auflageelemente 124 und 126, seien sie nun wie gezeigt getrennt, oder zu einem einzelnen Auflageelement verbunden, haben eine Winkelerstreckung größer als jedes Merkmal auf dem Wafer 12, um zu garantieren, dass der Wafer 12 in ausreichendem Maße, sei er mit einem Flat versehen oder nicht, und nur innerhalb der Ausschlusszone 30 ergriffen wird. Wie die Auflageelemente 24 und 26 können auch die Auflageelemente 124 und 126 aus verschiedenen Materialien hergestellt sein, aber das bevorzugte Material ist PEEK.
9 zeigt die Ausführungsform der distalen bogenförmigen Auflageelemente 124, die sich zur Verwendung mit Wafern mit oder ohne Flat eignet. Die distalen bogenförmigen Auflageelemente 124 enthalten einen angeschrägten Auflageabschnitt 132 und einen Anschlagabschnitt 134. Nehmen wir außerdem Bezug zu 4, so ist der angeschrägte Auflageabschnitt 132 von dem Wafer 12 fort in einem Auflageelementwinkel 44 von etwa 3 Grad relativ zu der Ebene 36 angeschrägt und der Anschlagabschnitt 136 ist in Richtung des Wafers 12 in einem Anschlagwinkel 38 von bis etwa 3 Grad angeschrägt. Der angeschrägte Auflageabschnitt 132 hat eine Länge 140, die eine Funktion der Tiefe der Ausschlusszone 30 ist, aber vorzugsweise etwa 3 mm lang ist. Wie zuvor, hat der Wafer 12 in der Regel einen im Wesentlichen gerundeten Umfangsrand und berührt die bogenförmigen Auflageelemente 124 durch Waferrandkontakt (und zwangsläufig nur innerhalb der Ausschlusszone 30). Natürlich braucht der Umfangsrand nicht gerundet zu sein. Der Wafer 12 wird ergriffen, indem er in den eingeschlossenen Winkel gedrängt wird, der zwischen dem angeschrägten Auflageabschnitt 132 und dem Anschlagabschnitt 134 gebildet wird.
Die distalen bogenförmigen Auflageelemente 124 haben eine Höhe 148, welche die Oberseite des Wafers 12 im Wesentlichen erreicht, aber sich nicht darüber hinaus erstreckt.
Kehren wir zu 7 zurück. Die proximalen bogenförmigen Auflageelemente 126 ähneln den distalen bogenförmigen Auflageelementen 124, außer dass nicht jedes Auflageelement 126 unbedingt einen Anschlagabschnitt braucht und sein Auflageabschnitt eine Länge von etwa dem Doppelten der Länge 140 hat.
Der Endeffektor 110 enthält des Weiteren einen aktiven Kontaktpunkt 150, der sich an dem proximalen Ende 120 des Endeffektors 110 und zwischen den proximalen bogenförmigen Auflageelementen 126 befindet. Der aktive Kontaktpunkt 150 ist zwischen einer (nicht gezeigten) zurückgezogenen Waferladeposition und der gezeigten ausgefahrenen Wafergreifposition beweglich.
Kehren wir zu 8 zurück, wo eine zweite Ausführungsform eines Betätigungsmechanismus 151 für einen aktiven Kontaktpunkt gezeigt ist, der mit dem Endeffektor 110 verwendet wird. Der aktive Kontaktpunkt 150 ist mit einem Kolben 152 für eine Hin- und Herbewegung zwischen zurückgezogenen und ausgefahrenen Positionen wirkverbunden. In dieser Ausführungsform bewegt sich der Kolben 152 innerhalb einer Bohrung 154 hin und her und wird durch eine Feder 155 gedrängt, den aktiven Kontaktpunkt 150 auszufahren, und wird durch einen Unterdruck gedrängt, den aktiven Kontaktpunkt 150 zurückzuziehen. Der aktive Kontaktpunkt 150 ist mit dem Kolben 152 über eine Kolbenstange 156 verbunden, die sich durch eine ringförmige luftdichte Abdichtung 158 hindurch erstreckt. Die Bohrung 154 enthält eine Endkappe 159, die eine Wand einer Unterdruckkammer 160 bildet, deren andere Wand beweglich durch den Kolben 152 gebildet wird. Die Unterdruckkammer 160 steht mit einer (nicht gezeigten) Unterdruckquelle über eine Unterdruckdurchführung 162 und einen Unterdruckkanal 164 in pneumatischer Verbindung. Die Feder 155 drückt gegen die Fläche des Kolben 152, um den aktiven Kontaktpunkt 150 in die Wafergreifposition auszufahren, während der Unterdruck durch die Unterdruckkammer 160 gegen die Fläche des Kolben 152 wirkt, um die Federkraft zu überwinden und den aktiven Kontaktpunkt 150 in die Waferfreigabeposition zurückzuziehen.
In der zweiten Ausführungsform wird der aktive Kontaktpunkt 150 mit einer Kraft gegen den Wafer 12 gedrängt, die allein durch die Feder 155 bestimmt wird. Die Feder 155 wird zwischen Ausnehmungen 166 in dem Kolben 152 und der Endkappe 159 gestützt. Die Unterdruckquelle wird durch Rotationsunterdruckverbindungsdichtungen oder -schieber in dem Roboterarm 16 zu einem Unterdruckkanal 164 geleitet.
Der Betätigungsmechanismus 151 enthält des Weiteren eine Entlüftung 168, die mit der Atmosphäre in pneumatischer Verbindung steht, um eine freie Bewegung des Kolbens 152 innerhalb des Abschnitts der Bohrung 154 zu ermöglichen, der nicht in pneumatischer Verbindung mit der Unterdruckquelle steht. Der Betätigungsmechanismus 151 wird durch O-Ringdichtungen 170, welche die Endkappe 159 und die Unterdruckdurchführung 162 umgeben, und durch eine ringförmige bewegliche Abdichtung 172, die den Kolben 152 umgibt, "unterdruckdicht" gemacht. O-Ring-Pufferdichtungen 174, die an den Flächen des Kolbens 152 anliegen, nehmen Kontaktstöße auf, die möglicherweise auf den Kolben 152 an den äußersten Enden seines Hubes einwirken.
Nachdem der Wafer 12 auf den Endeffektor 110 geladen ist, wird der aktive Kontaktpunkt 150 betätigt, um den Wafer 12 in seine ergriffene Position zu bewegen. In dem Maße, wie der aktive Kontaktpunkt 150 durch die Feder 155 ausgefahren wird, drängt er den Wafer 12 in Richtung der distalen bogenförmigen Auflageelemente 124, bis der Wafer 12 mittels eines Waferrandkontakts (und zwangsläufig innerhalb der Ausschlusszone 30) durch den aktiven Kontaktpunkt 150 und die distalen bogenförmigen Auflageelemente 124 ergriffen wird. Der aktive Kontaktpunkt 150 enthält einen nach innen angeschrägten Flächenabschnitt 176, der den Wafer 12 in Richtung der proximalen bogenförmigen Auflageelemente 126 drängt, wodurch der Umfangsrand des Wafers 12 fest ergriffen wird.
Die proximalen bogenförmigen Auflageelemente 126 sind relativ zu den distalen bogenförmigen Auflageelementen 124 so angeordnet, dass die Ebene des Wafers 12 vorzugsweise parallel zu dem Endeffektor 110 verläuft, wenn der Wafer ergriffen wurde.
In einer Weise ähnlich dem Endeffektor 10 ermöglicht es die Anordnung des aktiven Kontaktpunkts 150 am proximalen Ende 120, dass der Endeffektor 110 leichter, stärker und schlanker ist als Endeffektoren mit Bewegungsmechanismen, die möglicherweise nicht zwischen die benachbarten Wafer 12, 12A und 12B in der Kassette 14 passen. Der Verzicht auf Bewegungsmechanismen zwischen seinen proximalen und distalen Enden bewirkt des Weiteren, dass der Endeffektor 110 weniger Verunreinigungen innerhalb der Kassette 14 erzeugt. Darüber hinaus erfordert der Endeffektor 100 im Gegensatz zu dem Endeffektor 10, der durch zwei Unterdruckleitungen betätigt wird, nur eine einzige Unterdruckleitung zum Betätigen. Natürlich könnte der Endeffektor 10 mit einem Betätigungsmechanismus 151 ausgestattet werden.
Die dichte Beabstandung der benachbarten Wafer 12, 12A und 12B erfordert eine genaue Positionierung des Endeffektors 110, um in die Kassette 14 einzudringen und die Wafer sicher zu ergreifen, ohne benachbarte Wafer zu berühren.
Die 7, 10 und 11 zeigen eine Draufsicht, eine Endansicht und eine Unteransicht einer zweiten Ausführungsform von Waferrand- und -höhensensoren, die genaue Daten über die Positionierung des Wafers 12 relativ zu dem Endeffektor 110 liefern. Die Waferrandsensoren sind in einem ersten und einem zweiten Sensorgehäuses 180 und 182 untergebracht, die jeweils ein faseroptisches Quelle/Empfänger-Paar aufweisen, das einen Lichtübertragungssensor in jedem Gehäuse bildet. Der Höhensensor ist in dem distalen Ende 122 des Endeffektors 110 untergebracht.
Zwei Waferrandsensoren sind folgendermaßen implementiert. Das erste und das zweite Sensorgehäuse 180 und 182 enthalten jeweils eine Lichtquellenfaser 84 und eine Lichtempfängerfaser 86, wie in dem Endeffektor 10, die zwischen sich eine kleine U-förmige Öffnung 88 bilden, in die der Umfang 18 des Wafers 12 hineinpassen kann. Wie zuvor, enthalten die Fasern 84 und 86 einander zugewandte Lichtpfadöffnungen, die einen schmalen Lichtübertragungspfad zum Detektieren des Vorhandenseins oder Fehlens des Umfangs 18 des Wafers 12 bilden. Die zwei Waferrandsensoren sind voneinander um eine Distanz 183 getrennt, die größer als die Länge des Flats 27 ist, so dass ein Wafer mit Flat detektiert werden kann, wenn nur einer der zwei Waferrandsensoren den Umfang 18 des Wafers 12 detektiert. Natürlich muss der Wafer 12 entsprechend in der Kassette 14 ausgerichtet sein, damit der Flat 27 detektiert werden kann.
Der Höhensensor ist folgendermaßen implementiert. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform enthalten das erste und das zweite Sensorgehäuse 180 und 182 keine Lichtquellenfaser 96 und keine Lichtempfängerfaser 98. Statt dessen ist in dieser Ausführungsform die Lichtquellenfaser 96 durch einen ersten Kanal 184 hindurch verlegt, der in der Unterseite des Endeffektors 110 ausgebildet ist und zwischen dem proximalen Ende 120 und einer ersten distalen Zacke 188, die proximal zu dem distalen Ende 122 des Endeffektors 110 ist, verläuft. In der gleichen Weise ist die Lichtempfängerfaser 98 durch einen zweiten Kanal 186 verlegt, der in der Unterseite des Endeffektors 110 ausgebildet ist und zwischen dem proximalen Ende 120 und einer zweiten distalen Zacke 190, die proximal zu dem distalen Ende 122 des Endeffektors 110 ist, verläuft. Die distalen Zacken 188 und 190 sind weit voneinander durch einen Spalt 191 beabstandet, der einen Aussparungsbereich für bestimmte Arten von Verarbeitungsausrüstung, wie zum Beispiel Wafer-Prealigner, bildet.
Die Fasern 96 und 98 enden in einander zugewandten Lichtpfadöffnungen 192 und 194, die in distalen Zacken 188 und 190 ausgebildet sind. Die Fasern 96 und 98 bilden zwischen sich eine breite Öffnung, die entlang einer unterseitigen Sehnenlinie 200 zum Beispiel des Wafers 12A ausgerichtet ist. Einander zugewandte Lichtpfadöffnungen 192 und 194 bilden einen schmalen Lichtübertragungspfad 202 zum Detektieren des Vorhandenseins oder Fehlens der unterseitigen Sehnenlinie 200 des Wafers 12A. In dem Endeffektor 110 erstreckt sich der Lichtübertragungspfad 202 über den Abschnitt des distalen Endes 122, der den Wafer 12 zuerst berühren würde, hinaus, wodurch eine zusätzliche Hindernisdetektionsfähigkeit bereitgestellt wird. Wie zuvor, detektiert das Lichtquellen/-empfänger-Modul 94 herkömmlicherweise Grade der Lichtübertragung zwischen Fasern 96 und 98 und detektiert dadurch genau die Positionierung der unterseitigen Sehnenlinie 200 zwischen den Lichtpfadöffnungen 192 und 194. Natürlich können die relativen Positionen der Fasern 96 und 98 vertauscht werden.
Die Verfahrensweise, mit der der Endeffektor 110 auf einen vorgegebenen Wafer zwischen dicht nebeneinander angeordneten Wafern in einer Kassette zugreift, wird unten mit Bezug auf die 7, 8 und 10 beschrieben.
Der aktive Kontaktpunkt 150 wird in seine zurückgezogene Position versetzt.
Der Endeffektor 110 wird in einer X-Richtung zu der Kassette 14 hin bewegt, bis sich die Zacken 188 und 190 neben einer vorhergesagten Position für einen beliebigen Wafer 12 in der Kassette 14 befinden, ohne sie zu berühren.
Der Endeffektor 110 wird dann in einer Z-Richtung dergestalt abgetastet, dass der Lichtübertragungspfad 202 die unterseitige Sehnenlinie 200 eines beliebigen Wafers in der Kassette 14 schneidet und außerdem jedes Hindernis detek tiert, das von der Kassette 14 in Richtung des Endeffektors 110 hervorsteht.
Die (nicht gezeigte) Steuereinheit zeichnet die Z-Höhen der Unterseiten jeder beliebigen Wafer und detektierten Hindernisse auf.
Der Roboterarm 16 wird zu einer Z-Höhe bewegt, die für den Zugriff auf einen vorgegebenen Wafer, wie zum Beispiel den Wafer 12A, berechnet wurde, während des Weiteren ein Freiraum für den Endeffektor 110 zwischen benachbarten Wafern bereitgestellt wird.
Es können die folgenden optionalen Operationen ausgeführt werden:
Der Endeffektor 110 kann optional in einer X-Richtung zu der Kassette 14 hin bewegt werden, bis sich die Zacken 188 und 190 neben dem Wafer 12A befinden, ohne ihn zu berühren. In dieser Position sollte sich der Lichtübertragungspfad 202 neben der unterseitigen Sehnenlinie 200 des Wafers 12A befinden.
Der Roboterarm 16 wird optional in einer Z-Richtung bewegt, bis die unterseitige Sehnenlinie 200 des Wafers 12A detektiert wird.
Die Steuereinheit verifiziert optional die zuvor detektierte Z-Höhe der Unterseite des Wafers 12A; und
der Roboterarm 16 wird optional in einer Z-Richtung bewegt, um einen Freiraum für den Endeffektor 110 zwischen benachbarten Wafern bereitzustellen.
Der Endeffektor 110 wird in einer X-Richtung in die Kassette 14 zwischen benachbarten Wafern eingeführt, bis der Um fang 18 zwischen mindestens einem Waferrandsensor detektiert wird.
Die Steuereinheit bewegt den Endeffektor 10 in der Z-Richtung, die so berechnet ist, dass der Wafer 12A mit den Auflageelementen 124 und 126 in Kontakt gebracht wird.
Der aktive Kontaktpunkt 150 wird betätigt, um den Wafer 12A in den eingeschlossenen Winkel zwischen den Auflage- und Anschlagabschnitten 132 und 134 der distalen bogenförmigen Auflageelemente 124 zu drängen, wodurch der Wafer 12A ergriffen wird. (In 7 ist der ergriffene Wafer als Wafer 12 gezeigt).
Der Endeffektor 110 zieht den Wafer 12A in der X-Richtung aus der Kassette 14.
Der Endeffektor 110 kombiniert ein sehr dünnes Profil in der Z-Richtung und eine genaue Waferpositionsdetektion, um eine saubere, rasche und sichere Bewegung der sehr dicht nebeneinander angeordneten Wafer in einer Kassette zu ermöglichen.
Die 12, 13 und 14 zeigen eine dritte Ausführungsform eines bevorzugten gabelförmigen Endeffektors 210 dieser Erfindung zum Transferieren von Halbleiterwafern, wie zum Beispiel des Wafers 12 (transparent gezeigt, um die darunter befindlichen Strukturen sichtbar zu machen), zu und von der Waferkassette 14 (in diesen Ansichten nicht gezeigt). Der Endeffektor 210 ähnelt den Endeffektoren 10 und 110, aber enthält des Weiteren einen positionsdetektierenden Betätigungsmechanismus 212 für einen aktiven Kontaktpunkt und kommt ohne die proximalen Endrand- und Höhensensoren aus. Statt dessen verwendet der Endeffektor 210 distale Endsensoren 214 zum Durchführen verschiedener Waferdetektionsmessungen. Die distalen Endsensoren 214 sind ähnlich wie der Höhensensor implementiert, der den Lichtüber tragungspfad 202 erzeugt, wie in den 7 und 10 gezeigt.
13 zeigt, dass der Endeffektor 210 besonders zum Entnehmen und Wiedereinsetzen des Wafers 12 zwischen dicht nebeneinander angeordneten Wafern geeignet ist, wie zum Beispiel die Wafer 12, 12A und 12B, die so gezeigt sind, wie sie in der Waferkassette 14 gestapelt sein könnten.
14 zeigt den Endeffektor 210, der mit dem Roboterarm 16 an einem proximalen Ende 216 wirkverbunden ist und sich zu den gegabelten distalen Enden 218 und 220 erstreckt. Der Endeffektor 210 nimmt den Wafer 12 zwischen dem proximalen Ende 216 und den gegabelten distalen Enden 218 und 220 auf und enthält bevorzugt mindestens zwei, und besonders bevorzugt vier, bogenförmige Auflageelemente, auf die der Wafer 12 anfänglich geladen wird. Ein distales bogenförmiges Auflageelement 124 befindet sich an oder neben jedem der gegabelten distalen Enden 218 und 220; und mindestens ein, vorzugsweise aber zwei proximale bogenförmige Auflageelemente 126 befinden sich in Richtung des proximalen Endes 216. Der Endeffektor 210 enthält des Weiteren einen aktiven Kontaktpunkt 222, der sich an dem proximalen Ende 216 des Endeffektors 210 und zwischen proximalen bogenförmigen Auflageelementen 126 befindet.
Wenden wir uns den 12 und 13 zu, wo der positionsdetektierende Betätigungsmechanismus 212 für einen aktiven Kontaktpunkt in einer dritten Ausführungsform des Betätigungsmechanismus für einen aktiven Kontaktpunkt gezeigt ist. Wie in der zweiten Ausführungsform ist der aktive Kontaktpunkt 222 mit dem Kolben 152 für eine Hin- und Herbewegung zwischen vollständig zurückgezogenen, vollständig ausgefahrenen und Zwischenpositionen wirkverbunden. Der Kolben 152 bewegt sich innerhalb der Bohrung 154 und wird durch eine Feder (8) so gedrängt, dass er den aktiven Kontaktpunkt 222 ausfährt, und wird durch einen Unterdruck so gedrängt, dass er den aktiven Kontaktpunkt 222 zurückzieht. Der aktive Kontaktpunkt 222 ist mit dem Kolben 152 über eine Kolbenstange 156 verbunden, die sich durch eine ringförmige luftdichte Abdichtung 158 erstreckt. Die Bohrung 154 enthält eine Endkappe 159, die eine Wand der Unterdruckkammer 160 bildet, deren andere Wand beweglich durch den Kolben 152 gebildet wird. Die Unterdruckkammer 160 steht über eine Unterdruckdurchführung 162 und einen Unterdruckkanal 164 in pneumatischer Verbindung mit der (nicht gezeigten) Unterdruckquelle. Die Feder drückt gegen die Fläche des Kolbens 152, um den aktiven Kontaktpunkt 222 in die Wafergreif- und vollständig ausgefahrene Positionen zu bewegen, während der Unterdruck über die Unterdruckkammer 160 gegen die Fläche des Kolbens 152 wirkt, um die Federkraft zu überwinden und den aktiven Kontaktpunkt 222 in die Waferfreigabe- und vollständig zurückgezogene Positionen zu bewegen.
Der Betätigungsmechanismus 212 enthält des Weiteren eine Entlüftung 168, die in pneumatischer Verbindung mit der Atmosphäre steht, um eine freie Bewegung des Kolbens 152 innerhalb des Abschnitts der Bohrung 154, der nicht in pneumatischer Verbindung mit der Unterdruckquelle steht, zu ermöglichen. Der Betätigungsmechanismus 212 wird durch O-Ring-Dichtungen 170, welche die Endkappe 159 und die Unterdruckdurchführung 162 umgeben, und durch eine ringförmige bewegliche Abdichtung 172, die den Kolben 152 umgibt, "unterdruckdicht" gemacht.
Anders als bei der ersten und der zweiten Ausführungsform enthält der Betätigungsmechanismus 212 des Weiteren eine Positionsanzeigewelle 224, die an dem Kolben 152 angebracht ist und sich axial durch eine ringförmige Abdichtung 226 in der Endkappe 159 hindurch erstreckt. Ein Paar optischer Unterbrecherschalter 228 und 230 sind an einer Platine 232 montiert, die direkt hinter der Endkappe 159 angeordnet ist, dergestalt, dass je nach der Position der Anzeigewelle 224 ein Paar Lichtstrahlen 234 und 236 in dem optischen Unterbrecherschalter 228 bzw. 230 unterbrochen werden.
Die optischen Unterbrecherschalter 228 und 230 detektieren die Positionen des aktiven Kontaktpunkts 222 entsprechend einer Region der zurückgezogenen Position, einer Region des sicheren Ergreifens und einer Region der ausgefahrenen Position. (Die 12 und 13 zeigen den aktiven Kontaktpunkt 222 in einer vollständig ausgefahrenen Position.)
Die Region der zurückgezogenen Position gewährleistet, dass der Wafer 12 nicht ergriffen wird und detektiert wird, wenn die Positionsanzeigewelle 224 beide Lichtstrahlen 234 und 236 unterbricht.
Die Region des sicheren Ergreifens ist ein Bereich von Positionen des aktiven Kontaktpunktes 222, innerhalb dessen die Operationen des Waferladens, -ergreifens oder -abladens sicher ausgeführt werden können und detektiert werden, wenn die Positionsanzeigewelle 224 den Lichtstrahl 236 unterbricht, aber nicht den Lichtstrahl 234. Wenn des Weiteren der aktive Kontaktpunkt 222 ausgefahren wird und in der Region des sicheren Ergreifens zum Stillstand kommt, so wird das richtige Ergreifen des Wafers verifiziert.
Die Region der ausgefahrenen Position ist ein Bereich von Positionen des aktiven Kontaktpunktes 222, innerhalb dessen der Wafer 12 nicht ergriffen wird, und wird detektiert, wenn die Positionsanzeigewelle 224 keinen der Lichtstrahlen 234 und 236 unterbricht.
Die optischen Unterbrecherschalter 228 und 230 stehen mit der oben angesprochenen Steuereinheit in elektrischer Verbindung. Die Steuereinheit wirkt mit der Unterdruckquelle, die den Kolben 152 betätigt, zusammen, um die Höhe des Unterdrucks impuls- oder druckzuregeln und dadurch die Positionen des aktiven Kontaktpunktes 222 zu steuern. Natürlich können auch verschiedene andere Formen steuerbarer Bewegungskräfte zum Positionieren des aktiven Kontaktpunktes 222 verwendet werden.
In einem Arbeitsbeispiel wird der aktive Kontaktpunkt 222 zu der Region des sicheren Ergreifens bewegt, und ein Wafer 12 wird in den Endeffektor 210 geladen. Nachdem der Wafer 12 geladen wurde, wird der aktive Kontaktpunkt 222 betätigt, um den Wafer 12 in seine ergriffene Position zu bewegen. Wenn der aktive Kontaktpunkt 150 ausgefahren wird, so drängt er den Wafer 12 nach oben auf die angeschrägten Auflageabschnitte 132 der distalen bogenförmigen Auflageelemente 124, bis der Wafer 12 ergriffen wird. Der aktive Kontaktpunkt 222 muss in der Region des sicheren Ergreifens detektiert werden, um zu gewährleisten, dass der Wafer 12 richtig ergriffen wird.
Der Wafer 12 wird freigegeben, indem der aktive Kontaktpunkt 222 in die Region der zurückgezogenen Position zurückgezogen wird, wie durch die Positionsanzeigewelle 224 detektiert wird, die beide Lichtstrahlen 234 und 236 unterbricht. Wenn der Wafer 12 freigegeben wird, so rutscht er auf den angeschrägten Auflageabschnitten 132 der distalen bogenförmigen Auflageelemente 124 zurück, wodurch genügend Freiraum zwischen dem Wafer 12 und dem Anschlagabschnitt 134 geschaffen wird, um eine sichere Höhenbewegung entlang der Z-Achse ausführen und den Endeffektor 210 herausziehen zu können.
14 zeigt eine Draufsicht auf die dritte Ausführungsform des Endeffektors 210, in der die Waferrandsensoren der Endeffektoren 10 und 110 entfernt wurden. Die distalen Endsensoren 214 des Endeffektors 210 sind in gegabelten distalen Enden 218 und 220 untergebracht. Die distalen Endsensoren 214 sind folgendermaßen implementiert. Eine Lichtquellenfaser ist durch einen ersten Kanal 238 (in durchbrochenen Linien gezeigt) verlegt, der in der Unterseite des En deffektors 210 ausgebildet ist und zwischen dem proximalen Ende 216 und dem gegabelten distalen Ende 218 verläuft. In gleicher Weise ist eine Lichtempfängerfaser durch einen zweiten Kanal 240 (in durchbrochenen Linien gezeigt) verlegt, der in der Unterseite des Endeffektors 210 ausgebildet ist und zwischen dem proximalen Ende 216 und dem gegabelten distalen Ende 220 verläuft. Die gegabelten distalen Enden 218 und 220 sind weit über einen Spalt 242 beabstandet, der einen Aussparungsbereich für bestimmte Arten von Verarbeitungsausrüstung, wie zum Beispiel Wafer-Prealigner, bildet.
Die Lichtfasern enden in (nicht gezeigten) einander zugewandten Lichtpfadöffnungen, die in den gegabelten distalen Enden 218 und 220 ausgebildet sind. Die Fasern bilden zwischen sich eine breite Öffnung, die entlang des Umfangsrandes oder der unterseitigen Sehnenlinie eines Wafers ausgerichtet ist. Die einander zugewandten Lichtpfadöffnungen bilden einen schmalen Lichtübertragungspfad 244 zum Detektieren des Vorhandenseins oder Fehlens des Umfangs oder der unterseitigen Sehnenlinie eines Wafers. Der Lichtübertragungspfad 244 erstreckt sich über den Abschnitt der gegabelten distalen Enden 218 und 220, der den Wafer zuerst berühren würde, hinaus, wodurch eine zusätzliche Hindernisdetektionsfähigkeit bereitgestellt wird. Wie zuvor, detektiert das Lichtquellen/-empfänger-Modul 94 herkömmlicherweise Grade der Lichtübertragung zwischen den Fasern und detektiert dadurch jeden Gegenstand, der den Lichtübertragungspfad 244 unterbricht.
Der Endeffektor 210 verwendet distale Endsensoren 214 zum Detektieren des Waferumfangsrandes und/oder der oberseitigen und unterseitigen Sehnenlinie, um verschiedene Waferbezogene Operationen auszuführen, darunter: Feststellen des Fehlens oder Vorhandenseins eines Wafers in einer Kassette, Z-Achsen-Position in der Kassette, Hervorstehen aus der Kassette, Neigungswinkel in der Kassette, Feststellen der Drehmitte des Wafers, Dicke, Mittenabstand zwischen dem Wafer und einer Drehachse des Roboterarms und Verifizieren des Schwerpunkts des Endeffektors. Die Waferdetektionsoperationen werden unten mit Bezug auf den Lichtübertragungspfad 244 des Endeffektors 210 beschrieben, aber sie lassen sich auch mit dem Lichtübertragungspfad 202 des Endeffektors 110 bewerkstelligen.
14 zeigt drei alternative Waferpositionen. Der Wafer 12 (in durchbrochener Linie gezeigt) ist durch einen Endeffektor 210 ergriffen gezeigt, der Wafer 12A (in durchgezogenen Linien gezeigt) ist in einer Waferranddetektionsposition gezeigt, und der Wafer 12B (in durchbrochener Linie gezeigt) ist in einer Wafersehnenliniendetektionsposition gezeigt.
Das Detektieren des Hervorstehens des Wafers 12B aus einer (nicht gezeigten) Kassette beinhaltet das schrittweise Bewegen (Abtasten) des Roboterarms 16 aufwärts und abwärts in der Z-Achsen-Richtung und das Bewegen des Endeffektors 210 in der X-Achsen-Richtung am Beginn einer jeden Abtastung, bis ein hervorstehender Wafer, wie zum Beispiel der Wafer 12B, detektiert wird. Frühere Roboterarmsysteme verwendeten in der Regel einen eigenen Sensor zum Detektieren des Hervorstehens. Jeder hervorstehende Wafer wird zurück in seine korrekte Position bewegt, wie zum Beispiel die Position, die durch den Wafer 12A gezeigt ist. Wenn sich alle Wafer in ihrer richtigen Position befinden, so werden mittels einer letzten Abtastung die Waferpositionen entlang der Z-Achse in der Kassette festgestellt. Die Bewegungen des Roboterarms 16 entlang der X- und der Z-Achse werden vorzugsweise in einem Feinauflösungsmodus ausgeführt.
Nachdem der Lichtübertragungspfad 244 unterbrochen wurde, was das detektierte Vorhandenseins des Wafers 12B anzeigt, kann der Endeffektor 210 die Ober- und die Unterseite des Wafers 12B lokalisieren, indem der Endeffektor 210 in der Z-Achsen-Richtung nach unten bewegt wird, bis eine oberseitige Sehnenlinie des Wafers 12B den Lichtübertragungspfad 244 unterbricht. Der Endeffektor 210 bewegt sich weiter abwärts, bis der Lichtübertragungspfad 244 wiederhergestellt ist. Dieser Punkt repräsentiert das Detektieren einer unterseitigen Sehnenlinie des Wafers 12B. Der Endeffektor 210 wird dann in eine Z-Achsen-Position in der Mitte zwischen den Punkten des Unterbrechens und des Wiederherstellens des Lichtübertragungspfades bewegt. Diese Z-Achsen-Position repräsentiert den ungefähren Mittelpunkt der Dicke des Wafers 12B. Unter Beibehaltung dieser Z-Achsen-Position wird der Endeffektor 210 in der X-Achsen-Richtung zurückgezogen, bis der Lichtübertragungspfad 244 wiederhergestellt ist, was anzeigt, dass der Umfang 18 des Wafers detektiert wurde. Der Wafer 12A ist in dieser Position gezeigt.
Wenn sich der Endeffektor 210 an dem Randdetektionspunkt befindet, der durch den Wafer 12A dargestellt wird, und weil der Radius des Wafers 12A bekannt ist, können die Steuereinheit und die Stellungsmelder, die dem Roboterarm 16 zugeordnet sind, die X-Achsen- oder radiale Distanz zu einer Mitte 246 des Wafers 12A und eine abwärtige Z-Achsen-Distanz, die zum Herstellen eines Freiraums zwischen der Unterseite des Wafers 12A und dem Endeffektor 210 benötigt wird, ermitteln. Der Freiraum muss bekannt sein, wenn Wafer in die Kassette eingesetzt und aus der Kassette entnommen werden, weil sich die Wafer nicht unbedingt parallel zu dem Endeffektor 210 befinden und die Abstände zwischen benachbarten Wafern in der Kassette eng sein können.
Der Endeffektor 210 enthält des Weiteren einen steuerbaren Supinationswinkel 248, bei dem es sich um den Neigungswinkel um die X-Achse des Endeffektors 210 relativ zu einer Y-Achse handelt. Die Wafer, die horizontal in einer Kassette gestapelt sind, haben gewöhnlich Hauptflächenebenen mit einem Null-Grad-Neigungswinkel, an dem der Supinationswinkel 248 des Endeffektors 210 angepasst sein sollte. Um aber die Verunreinigung der Waferoberfläche zu verringern, werden die Wafer oft vertikal in einer Kassette gelagert, und weil die Kassettenlagerschlitze breiter als die Waferdicke sind, können die Wafer einen unbestimmten Neigungswinkel einnehmen. Der Neigungswinkel kann selbst dann unbestimmt sein, nachdem eine Kassette mit Wafern in eine horizontale Ausrichtung zurückgeführt wurde. Darum wird gemäß der folgenden Verfahrensweise vorgegangen, um festzustellen, ob der Supinationswinkel 248 gleich dem Waferneigungswinkel ist. Bei dieser Verfahrensweise befinden sich die Wafer lediglich beispielhaft in einer horizontalen Ausrichtung.
Der Supinationswinkel 248 des Endeffektors 210 wird auf ungefähr null Grad gesetzt.
Der Roboterarm 16 bewegt den Endeffektor 210 dergestalt in der X-Achsen-Richtung, dass der Lichtübertragungspfad 244 eine Sehnenlinie des Wafers 12B schneidet.
Der Roboterarm 16 bewegt den Endeffektor 210 in der Z-Achsen-Richtung aufwärts und abwärts, während er um seinen Supinationswinkel 248 herum schwingt, bis eine minimale Dicke des Wafers 12B errechnet wurde.
Die minimale Dicke gibt an, dass sich der Endeffektor 210 und der Wafer auf derselben Bezugsebene befinden und darum der Supinationswinkel 248 im Wesentlichen gleich dem Neigungswinkel des Wafers 12B ist.
Roboterarmsysteme können mit zwei Endeffektoren oder mehreren Armen ausgestattet sein (siehe 16A und 16B, wo ein Doppelarmroboter dargestellt ist). Die oben beschriebene Technik für einen steuerbaren Supinationswinkel kann auf solche Systeme mit mehreren Endeffektoren ausgedehnt werden, indem ein einzelner Wafer als Referenz verwendet wird, um die Versatze in der X-, Y- und Z-Dimension zwischen ihnen zu bestimmen.
Wenden wir uns den 15A und 15B zu. Der Lichtübertragungspfad 244 wird auch dafür verwendet, den Roboterarm 16 und den Endeffektor 210 auf die mehr oder weniger unbestimmte Position des Wafers 12 in einer Kassette oder auf einen Prealigner (keines von beiden ist gezeigt) auszurichten. Die Ausrichtung ist erreicht, wie in 15B gezeigt, wenn die Mitte 252 des Wafers 12, der aktive Kontaktpunkt 222 (als ein Ziel gezeigt) auf dem Endeffektor 210 und eine Schulterachse 260 des Roboterarms 16 alle auf einer Linie liegen. Das Feststellen der Ausrichtung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines zylindrischen Koordinatensystems, bei dem sich eine r-Achse radial von der Schulterachse 260 erstreckt, sich eine Θ-Achse in einem Winkel um die Schulterachse 260 herum erstreckt und sich eine Z-Achse koaxial mit der Schulterachse 260 erstreckt.
Das Ausführen der Ausrichtungsoperationen beinhaltet das Finden einer minimalen radialen Distanz r_MIN zwischen der Schulterachse 260 des Roboterarms 16 und dem nächstgelegenen Punkt des Umfangs 18 auf dem Wafer 12 (der Wafer 12 ist verkleinert gezeigt, um diese Beschreibung zu verdeutlichen). Dies ist das gleiche wie das Feststellen einer maximalen Erstreckungsdistanz r_EXT zwischen der Schulterachse 260 und dem Lichtübertragungspfad 244 zum tangentialen Detektieren des Umfangs 18. Die Erstreckungsdistanzen r_EXT können durch das System, das den Roboterarm 16 steuert, gemessen und gesteuert werden.
15A zeigt den Roboterarm 16 und den Endeffektor 210 in einer ersten und einer zweiten winkelverschobenen Position, die durch durchgezogene bzw. Strichlinien dargestellt sind. Die Ausrichtungsoperation beginnt mit dem Bewegen des Roboterarms 16 in die erste winkelverschobene Position in einem Winkel Θ₁ von einer Linie aus, die zwischen der Wafermitte 252 und der Schulterachse 260 verläuft.
Der Roboterarm 16 wird in der r-Achsen-Richtung ausgefahren und so in der z-Achsen-Richtung abgetastet, dass der Lichtübertragungspfad 244 den Wafer 12 detektieren kann.
Der Roboterarm 16 wird dann in der r-Achsen-Richtung zurückgezogen, um den Waferumfangsrand 18 zu detektieren und eine erste Erstreckungsdistanz r_EXT1 zu messen.
Der Roboterarm 16 wird in einem Winkel Θ₂ von einer Linie aus, die zwischen der Wafermitte 252 und der Schulterachse 260 verläuft, in die zweite winkelverschobene Position bewegt.
Der Roboterarm 16 wird in der r-Achsen-Richtung ausgefahren und in der z-Achsen-Richtung dergestalt abgetastet, dass der Lichtübertragungspfad 244 den Wafer 12 detektieren kann.
Der Roboterarm 16 wird dann in der r-Achsen-Richtung zurückgezogen, um den Waferumfangsrand 18 zu detektieren und eine zweite Erstreckungsdistanz r_EXT2 zu messen.
Die oben beschriebenen Rotations- und Randdetektionsschritte werden wiederholt, bis die maximale Distanz zwischen der Schulterachse 260 und dem Umfang 18 ermittelt ist. Diese ausgerichtete Position ist in 15B gezeigt.
Alternativ kann, nachdem jeweils zwei Erstreckungsdistanzen bekannt sind, mittels Berechnung auf die ausgerichtete Position angenähert werden, und diese Position kann zur späteren Verwendung durch die Steuereinheit gespeichert werden. Zum Beispiel sind für Verschiebungswinkel Θ entsprechende Erstreckungsdistanzen r_EXT bekannt, und darum kann der konkrete Verschiebungswinkel Θ, bei dem die Erstrekkungsdistanz r_EXT gleich r_MIN ist, anhand des Kosinussatzes berechnet werden. Natürlich kann die ausgerichtete Position manuell eingestellt werden, und die Position kann zur spä teren Verwendung durch die Steuereinheit gespeichert werden.
15B zeigt den Roboterarm 16 und den Endeffektor 210 in der ausgerichteten Position. Aus dieser Position heraus führt die Roboterarm-Steuereinheit die folgenden Bewegungsoperationen aus, um den Wafer 12 zu entnehmen.
Die Steuereinheit führt Operationen aus, um den Schwerpunkt 262 des Endeffektors 210 entlang der gedachten Linie, die zwischen der Schulterachse 260 und der Wafermitte 252 verläuft, zu bewegen, bis der Schwerpunkt 262 über der Wafermitte 252 liegt. Die erforderliche Bewegungsdistanz entlang der r-Achse wird als die Versatzdistanz bezeichnet, die folgendermaßen berechnet wird:
Eine Distanz entlang der r-Achse zwischen dem Lichtübertragungspfad 244 und den distalen Auflageelementen 124 ist eine vorgegebene Distanz 264, die bei der Herstellung des Endeffektors 210 festgelegt wird.
Gleichermaßen hat der Wafer 12 einen vorgegebenen Durchmesser 266.
Darum ist die Versatzdistanz die Summe der Distanz 264 und des Durchmessers 266.
Nehmen wir an, dass die Steuereinheit zuvor eine Bewegung des Endeffektors 210 entsprechend den oben beschriebenen Abtast- und Detektionsoperationen veranlasst hat, um hervorstehende Wafer zu lokalisieren und wieder einzusetzen, z-Achsen-Positionen der Ober- und Unterseite des Wafers und r-Achsen-Positionen des Umfangs 18 zu ermitteln, den Wafer-Neigungswinkel zu ermitteln und eine Bewegung zu einer Position auszuführen, die auf einen ausgewählten Wafer 12 ausgerichtet ist.
Der Endeffektor 210 wird zu einer z-Achsen-Position bewegt, welche die Unterseite des ausgewählten Wafers 12 und die Oberseite jedes benachbarten Wafers freigibt.
Der Endeffektor 210 wird um die Versatzdistanz in der r-Achsen-Richtung bewegt.
Der Endeffektor 210 wird um eine Distanz entlang der z-Achse bewegt, wodurch veranlasst wird, dass die proximalen Auflageelemente 126 (14) und die distalen Auflageelemente 124 den Wafer 12 berühren.
Der aktive Kontaktpunkt 222 (14) wird aktiviert, um den Waferumfang 18 in die eingeschlossenen Winkel der distalen Auflageelemente 124 zu bewegen, wodurch der Wafer 12 am Rand ergriffen wird.
Der Endeffektor 210 entnimmt den Wafer 12 mit einer Bewegung in der r-Achsen-Richtung.
Diese oben beschriebenen Feststellungen von Distanz und Ausrichtung erfolgen ohne eine von den Teaching-Vorrichtungen, die von zum Stand der Technik gehörenden Roboterarmen und Endeffektoren benötigt werden. Wenn mehrere Endeffektoren 210 verwendet werden, kann die obige Verfahrensweise wiederholt werden, zusammen mit dem Feststellen jeder Z-Achsen-Distanz oder Höhendifferenzen zwischen ihnen.
Wenden wir uns 5 zu. Hier ist anzumerken, dass die U-förmigen Randdetektionssensoren in den Gehäusen 80 und 82 für das Ermitteln bestimmter Parameter eines 300 mm-Wafers ohne Flat von Nutzen sein können. Zum Beispiel können die Randdetektionssensoren verwendet werden, um den Mittenabstand zwischen der Schulterachse eines Roboterarms und einer Wafermitte zu bestimmen, während sich der Wafer in der Kassette befindet oder der Endeffektor unterhalb des Wafers angeordnet ist. Natürlich stellt die Z-Achsen-Dimension der U-förmigen Öffnungen 88 (6A) ein mögliches Abstandsproblem dar.
Kehren wir zu den 15A und 15B zurück. Der Lichtübertragungspfad 244 kann auch in Kombination mit der Supinationsfähigkeit des Endeffektors 210 verwendet werden, um zu bestimmen, ob ein Schwerpunkt 262 des Endeffektors 210 axial auf die Mitte 252 des Wafers 12B und die Schulterachse 260 des Roboterarms 16 ausgerichtet ist. Idealerweise ist der Schwerpunkt 262 koaxial zur Mitte eines ergriffenen Wafers und liegt auf einer gedachten Linie, die zwischen der Schulterachse 260 und der Mitte 252 des Wafers 12 verläuft. Jedoch können Fertigungstoleranzen und die Positionen der Merkmale, die den Lichtübertragungspfad 244 erzeugen, bewirken, dass eine berechnete Position des Schwerpunktes 262 von der Supinationsdrehachse versetzt ist. Um festzustellen, ob der Schwerpunkt 262 versetzt ist oder übereinstimmt, werden die oben angesprochenen Ausrichtungsoperationen ausgeführt, wobei der Endeffektor 210 durch einen Supinationswinkel 248 (14) von 180 Grad gedreht wird, und dann werden die Ausrichtungsoperationen wiederholt. Wenn der Schwerpunkt versetzt ist, so haben die berechneten Ausrichtungen eine spiegelbildliche Beziehung auf gegenüberliegenden Seiten der Supinationsdrehachse. Die korrekte Position für den Schwerpunkt 262 wird durch Mitteln der zwei berechneten Ausrichtungen bestimmt.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen veranschaulichen lediglich beispielhaft die Prinzipien der Erfindung. Es können durch einen Fachmann verschiedene Modifikationen und Änderungen daran vorgenommen werden, welche die Prinzipien der Erfindung verkörpern und unter ihren Geist und Geltungsbereich fallen.
Zum Beispiel ist dem Fachmann klar, dass die Kolben auch durch alternative Kraftquellen betätigt werden können, wie zum Beispiel durch ein Impuls gebendes Solenoid, das die Kolben verlangsamt, wenn der Wafer 12 befestigt ist. Elektrische Signale können dafür verwendet werden, die Positionierung der Kolben anzusteuern und zu überwachen. Die Kolben können auch pneumatisch betätigt und überwacht werden, wie zum Beispiel bei Anwendungen, wo die Endeffektoren in eine Flüssigkeit eingetaucht werden.
Die Endeffektoren können gegabelt sein oder auf sonstige Weise einen Ausschnitt enthalten oder geformt sein, um Hindernissen, wie zum Beispiel einer Prealigner-Anlagefläche, auszuweichen. Die Endeffektoren können auch durch andere Vorrichtungen als Roboterarme bewegt werden, wie zum Beispiel X-Y-Tische und andere Positionierungseinrichtungen, die zwei oder mehr Freiheitsgrade haben. Darüber hinaus können die Endeffektoren auch zum Handhaben verschiedener anderer Arten von Proben als Halbleiterwafer verwendet werden, wie zum Beispiel LCD-Anzeigefelder, Compact-Disks und Computerspeicher-Disks, die alle in anderen Trägern als den oben beschriebenen Kassetten gelagert werden können.
Die Sensoren arbeiten vorzugsweise mit Laserstrahlen von Leuchtdioden und Diodenlasern, können aber auch mit Glühlampen, Infrarot- und anderen Strahlungsquellen arbeiten.
Die eingeschlossenen Winkel der Auflageelemente sind vorzugsweise spitze Winkel, aber diese Erfindung kann auch Ausführungsformen enthalten, bei denen die Proben durch das eigene Gewicht an den Endeffektoren gehalten werden, wobei in diesen Fällen die eingeschlossenen Winkel stumpfe Winkel von weniger als 180 Grad sein können.
Die 16A und 16B und die 17 und 18 zeigen einen Typ eines Mehrgelenk-Roboterarmsystems 308, an das der Endeffektor 210 montiert werden kann. Die 19A und 19B zeigen in Verbindung mit entsprechenden mathematischen Ausdrücken, die eine Roboterarmverschiebung kenn zeichnen, ein Beispiel eines Positionierungsmechanismus 308 eines Roboterarms, um den Umgang mit den Linear- und Winkelverschiebungswerten aufzuzeigen, die benötigt werden, um die Parameter zu berechnen, die zu den verschiedenen oben beschriebenen Waferdetektionsmessungen gehören. US-Patent Nr. 5,765,444 gibt eine detaillierte Beschreibung des Aufbaus und der Funktionsweise dieser Art von Roboterarmssystem.
Die 16A und 16B sind ein Seitenaufriss bzw. eine Draufsicht auf ein zweiarmiges Mehrgelenk-Roboterarmsystem 308, das an und durch eine Öffnung in der Oberseite eines Stütztisches 309 hindurch montiert ist. Wie in den 16A und 16B dargestellt, sind zwei ähnliche, aber unabhängig steuerbare Dreigelenkroboterarmmechanismen 310L und 310R drehbar an gegenüberliegenden Enden eines Torsogelenks 311 montiert, das an der Oberseite eines Basisgehäuses 312 montiert ist, wo es sich um eine Mittel- oder Torsoachse 313 drehen kann. Weil sie einander spiegelbildlich sind, sind entsprechende Komponenten der Roboterarmmechanismen 310L und 310R durch identische Bezugszeichen bezeichnet, auf die die Suffixe "L" und "R" folgen. Dementsprechend betrifft die folgende Besprechung den Aufbau und die Funktionsweise nur des Roboterarmmechanismus' 310R, trifft aber ähnlich auch auf den Roboterarmmechanismus 310L zu.
Der Roboterarmmechanismus 310R umfasst einen Oberarm 314R, der an der Oberseite eines zylindrischen Abstandshalters 315R montiert ist, der am rechten Ende des Torsogelenks 311 positioniert ist, um eine Drehung um eine Schulterachse 316R herum auszuführen. Die zylindrischen Abstandshalter 315R schaffen Platz für die Motoren und bestimmte andere Komponenten des Roboterarmmechanismus' 310R, wie unten noch beschrieben wird. Der obere Arm 314R hat ein distales Ende 318R, an das ein proximales Ende 320R eines Unterarms 322R montiert ist, um sich um eine Ellenbogenachse 324R zu drehen, und der Unterarm 322R hat ein distales Ende 326R, an das ein proximales Ende 328R des Endeffektors oder der Hand 210R montiert ist, um eine Drehung um eine Handgelenkachse 332R auszuführen. Die Hand 210R ist an ihrem distalen Ende 334R mit einem Fluiddruckauslass 336R versehen, der vorzugsweise einen Unterdruck anlegt, der dem Roboterarmmechanismus 310R an einem Einlass 338 zu dem Unterdruckkanal 164 zugeführt wird, um einen Halbleiterwafer 12, eine Compact-Disk oder andere geeignete (nicht gezeigte) Proben sicher an ihrem Platz an der Hand 210R zu halten. Wie weiter unten noch ausführlicher beschrieben wird, sind der obere Arm 314R, der Unterarm 322R und die Hand 210R imstande, sich kontinuierlich um ihre jeweilige Schulterachse 316R, Ellenbogenachse 324R und Handgelenkachse 332R zu drehen.
17 zeigt die Gelenkkomponenten und das zugehörige mechanische Gestänge des Roboterarmmechanismus 310R. Wie in 17 gezeigt, wird der Roboterarmmechanismus 310R durch einen ersten und einen zweiten konzentrischen Motor 350R und 352R positioniert, die in Reaktion auf Befehle arbeiten, die von einer Motorsteuereinheit 354 (19A und 19B) ausgeben werden. Der erste Motor 350R dreht den Unterarm 322R um die Ellenbogenachse 324R, und der zweite Motor 352R dreht den Oberarm 314R um die Schulterachse 316R.
Genauer gesagt, dreht der erste Motor 350R eine Unterarmspindel 356R, die sich durch eine Öffnung im Oberarm 314R erstreckt und in einer Oberarmriemenscheibe 358R endet. Ein Bolzen 360R erstreckt sich aufwärts am distalen Ende 318R des Oberarms 314R durch die Mitte eines Lagers 362R, das an einer Unterseite 364R des Unterarms 322R an seinem proximalen Ende 320R montiert ist. Der Bolzen 360R erstreckt sich auch durch eine Öffnung in dem Unterarm 322R und endet in einer Unterarmriemenscheibe 366R. Ein Endlosriemen 368R verbindet die Oberarmriemenscheibe 358R und die Außenfläche des Lagers 362R, um den Unterarm 322R um die Ellenbogenachse 324R zu drehen, wenn sich der erste Motor 350R dreht.
Der zweite Motor 352R dreht eine Oberarmspindel 380R, die an einer Unterseite 382R des Oberarms 314R montiert ist, um den Oberarm 314R um die Schulterachse 316R herum zu drehen. Ein koordinierter Betrieb des ersten und des zweiten Motors 350R und 352R in Verbindung mit dem unten beschriebenen mechanischen Gestänge veranlasst eine Drehung der Hand 210R um die Schulterachse 316R. Ein Bolzen 384R erstreckt sich aufwärts durch die Mitte eines Lagers 386R, das an einer Unterseite 388R der Hand 210R montiert ist. Ein Endlosriemen 390R verbindet die Unterarmriemenscheibe 366R mit der Außenfläche des Lagers 386R, um die Hand 210R in Reaktion auf die koordinierten Drehungen der Motoren 350R und 352R um die Schulterachse 316R zu drehen.
Das mechanische Gestänge, das den Oberarm 314R und den Unterarm 322R verbindet, bildet ein aktives Antriebsgelenk und ein passives Antriebsgelenk. Das aktive Antriebsgelenk enthält einen Riemen 368R, der die Oberarmriemenscheibe 358R und die Außenfläche des Lagers 362R verbindet und den Unterarm 322R veranlasst, sich zu drehen, wenn sich der erste Motor 350R dreht. Das passive Antriebsgelenk enthält einen Riemen 390R, der die Unterarmriemenscheibe 366R und die Außenfläche des Lagers 386R verbindet und die Hand 210R veranlasst, sich um die Handgelenkachse 332R zu drehen, wenn sich der Unterarm 322R um die Ellenbogenachse 324R dreht. Eine Drehung der Hand 210R kann auch durch eine komplexe Interaktion zwischen dem aktiven und dem passiven Antriebsgelenk und die Drehung des Oberarms 314R in Reaktion auf die Drehung des zweiten Motors 352R veranlasst werden.
Ein dritter oder Torsomotor 392 dreht eine Torsogelenkspindel 394, die an einer Unterseite des Torsogelenks 311 montiert ist, woran der Roboterarmmechanismus 310R drehbar montiert ist. Ein Hauptring stützt eine Lagerbaugruppe 398, um die herum sich die Spindel 394 dreht. Der Motor 392 kann sich kontinuierlich um 360 Grad um die Mittelachse 313 zu drehen, und kann darum im Zusammenwirken mit dem Roboter armmechanismus 310R die Hand 210R entlang eines unregelmäßigen Pfades in jede Position innerhalb der Reichweite der Hand 210R bewegen.
Die Motorsteuereinheit 54 (19A und 19B) steuert die Motoren 350R und 352R in zwei bevorzugten Betriebszuständen, um den Roboterarmmechanismus 310R in die Lage zu versetzen, zwei Hauptbewegungssequenzen auszuführen. Die erste Bewegungssequenz ändert die Ausstreckungs- oder radiale Position der Hand 210R, und die zweite Bewegungssequenz ändert die Winkelposition der Hand 210R relativ zu der Schulterachse 316R. 18 ist ein nützliches Schaubild zum Darstellen der zwei Bewegungssequenzen.
Wie in den 17 und 18 gezeigt, veranlasst die Motorsteuereinheit 354 im ersten Betriebszustand den ersten Motor 350R, die Position der Unterarmspindel 356R beizubehalten, und den zweiten Motor 352R, die Oberarmspindel 380R zu drehen. Die Nichtdrehung des ersten Motors 350R behält die Position der Oberarmriemenscheibe 38R bei, und die Drehung der Oberarmspindel 380R durch den zweiten Motor 352R dreht den Oberarm 314R um die Schulterachse 316R, wodurch eine Drehung des Unterarms 322R um die Ellenbogenachse 324R und eine Gegendrehung der Hand 210R um die Handgelenkachse 332R veranlasst wird. Weil das Verhältnis der Durchmesser der Oberarmriemenscheibe 358R und der Außenfläche des Lagers 362R 4:2 ist und das Verhältnis der Durchmesser der Unterarmriemenscheibe 366R und der Außenfläche des Lagers 386R 1:2 ist, veranlasst die Drehung des Oberarms 314R in einer Richtung, die in 18 gezeigt und mit P₂ bezeichnet ist, eine Bewegung der Hand 210R entlang eines geradlinigen Pfades 400. (Die Durchmesser der Unterarmriemenscheibe 366R und der Außenfläche des Lagers 386R messen die Hälfte der Durchmessern der Außenfläche des Lagers 362R bzw. der Oberarmriemenscheibe 358R, um die Größen und Formen des Unterarms 322R und Hand 210R stromlinienförmig zu gestalten.)
Immer, wenn sich der Oberarm 314R in der Uhrzeigerrichtung dreht, die mit P₂ bezeichnet ist, streckt sich die Hand 210R entlang des Pfades 400 aus (d. h. vergrößert ihre radiale Distanz von der Schulterachse 16R). Immer, wenn sich der Oberarm 314R entgegen der Uhrzeigerrichtung dreht, die mit P₂ bezeichnet ist, zieht sich die Hand 210R entlang des Pfades 400 zurück (d. h. verkürzt ihre radiale Distanz von der Schulterachse 316R). Der Fachmann erkennt, dass sich der Roboterarmmechanismus 310 im Fall einer spiegelbildlichen Konfiguration zu der, die in 18 gezeigt ist, in Reaktion auf eine Drehung des Oberarms 314 in Richtungen ausstrecken und zurückziehen würde, die den beschriebenen entgegengesetzt sind. 16B zeigt, dass, wenn der Roboterarmmechanismus 310R ausgefahren wird, die Achsen 313, 316R, 324R und 332R kollinear verlaufen.
Im zweiten Betriebszustand veranlasst die Motorsteuereinheit 352R den ersten Motor 350R, die Unterarmspindel 356R in die Richtung zu drehen, die mit P₁ bezeichnet ist, und den zweiten Motor 352R, die Oberarmspindel 380R in der Richtung zu drehen, die mit P₂ bezeichnet ist. In dem speziellen Fall, wo die Motoren 350R und 352R synchronisiert sind, um sich in derselben Richtung um denselben Verschiebungsbetrag zu drehen, wird die Hand 210R nur um die Schulterachse 316R winkelverschobenen. Das liegt daran, dass die Drehung des Unterarms 322R um die Ellenbogenachse 324R, die durch die Drehung des ersten Motors 350R veranlasst wird, und die Drehung der Hand 330R um die Handgelenkachse 332R, die durch die Drehung des zweiten Motors 352R und den Betrieb des passiven Antriebsgelenks veranlasst wird, sich gegenseitig versetzen, um per saldo keine Drehung um die Ellenbogenachse 324R und die Handgelenkachse 332R zu bewirken. Somit ist die Hand 210R radial an einem Punkt entlang des Pfades 400 fixiert und beschreibt einen kreisförmigen Pfad, da sich nur der Oberarm 314R um die Schulterachse 316R dreht. Durch die Anwendung kinematischer Begrenzungen, um einen gewünschten Bewegungspfad für die Hand 210 zu erreichen, kann die Motorsteuereinheit 354 den ersten und den zweiten Motor 350R und 352R so betreiben, dass sie den Roboterarmmechanismus 310R entlang nicht-radialer geradliniger Pfade bewegen, wie weiter unten beschrieben wird.
Der Fachmann erkennt, dass zum Betätigen des Roboterarmmechanismus' 310R der erste und der zweite Motor 350R und 352R gekoppelt werden, indem entweder alle beide gedreht werden oder einer abgeschaltet wird, während der andere gedreht wird. Zum Beispiel kann der Roboterarmmechanismus 310R so betätigt werden, dass sich der Unterarm 322R um die Ellenbogenachse 324R dreht. Eine solche Bewegung würde die Hand 210R veranlassen, einen einfachen spiralförmigen Pfad zwischen der Schulterachse 316R und der vollen Ausstreckung der Hand 210R zu beschreiben. Diese Bewegung wird erreicht, indem die Position der Schulter 314R fixiert wird und der Motor 350R betätigt wird, um den Unterarm 322R zu bewegen.
Die Motorsteuereinheit 354 steuert den Betrieb des Torsomotors 392 und darum die Drehung des Torsogelenks 311 in einer Richtung, die mit P₃ bezeichnet ist, unabhängig von den Betriebszuständen der Motoren 350R und 352R.
Die Winkelpositionen der Motoren 350R und 352R werden durch (nicht gezeigte) separate Glasskalencodierer verfolgt. Jeder der Codierer enthält in der Regel eine ringförmige Diffraktionsgitterskala und eine Lichtquelle-/-detektor-Unterbaugruppe (nicht gezeigt). Solche Glasskalencodierer sind dem Fachmann bekannt. Die Winkelposition des Motors 392 wird durch einen Glasskalencodierer eines Typs verfolgt, der den Codierern für die Motoren 350R und 352R ähnelt.
19A ist ein Schaubild, das einen lokalen Koordinatenachserahmen darstellt, dessen Achsen durch die Ausrichtung einer Halbleiterwaferkassette 168_r und ihre Position rela tiv zu der Schulterachse 316R definiert werden. Wie in 19A gezeigt, legt die folgende Beschreibung die mathematischen Ausdrücke dar, aus denen die Befehlssignale gewonnen werden, welche die Steuereinheit 354 verwendet, um aus der Kassette 168 einen Wafer 170 entlang eines Vektors senkrecht zu der Öffnung der Kassette 168_r zu entnehmen. (Dem Fachmann ist klar, dass ähnliche mathematische Ausdrücke für andere Antriebsverhältnisse verwendet werden können als das oben angegebene Antriebsverhältnis, auf dem dieses Beispiel basiert.)
Die folgenden Parameter sind für die Ableitung des Bewegungspfades der Hand 210 relevant:

Θ_S: = Winkel des Motors 352R
Θ_E: = Winkel des Motors 350R
r: = Distanz zwischen der Schulterachse 316R und der Ellenbogenachse 324R und die Distanz zwischen der Ellenbogenachse 324R und der Handgelenkachse 332R
β: = Winkel zwischen dem Oberarm 314R und dem Unterarm 322R
p: = Länge der Hand 210R
E = 2r: = Ausstreckung des Roboterarms
R_i: = Reichweite des Roboterarms (d. h. seines Radius', gemessen von der Schulterachse 316R bis zur Mitte 172 des Wafers 170, der an der Hand 210R angeordnet ist).

Die Anwendung des Kosinussatzes ergibt die folgenden Ausdrücke für R_i:
Für β = 0 ergibt Gleichung (1), dass R_i = p und x = 0, y = 0, Θ_S = Θ_SR, Θ_E = Θ_ER. Die Quantitäten Θ_SR und Θ_ER stellen Referenzmotorwinkel dar. Die Motorwinkel können ausgedrückt werden als Θ_S = Θ_SR + ΔΘ_SR, Θ_E = Θ_ER + ΔΘ_ER. Der Winkel β kann aufgrund des Aufbaus der mechanischen Gestänge des Roboter armmechanismus' 310R ausgedrückt werden als β = 2(ΔΘ_SR – ΔΘ_ER). Diese Gleichung setzt den Winkel β zu Änderungen bei den Motorwinkeln in Beziehung.
Um den Wafer 170_r aus der Kassette 168_r entlang eines geradlinigen Pfades zu entnehmen, ist die Verschiebung entlang der X-Achse gleich X₀, was eine Konstante ist. Somit ist X(t) = X₀. Die Größe X(t) kann als eine Funktion der Längen der X-Achsen-Komponenten ihrer Glieder ausgedrückt werden: X(t) = rcosΘ1 + rcosΘ2 + pcosΘp, (2)wobei

Θ₁: = Winkel des Oberarms 314R
Θ₂: = Winkel des Unterarms 322R
Θ_p: = Winkel der Hand 210R.

Weil der Oberarm 314R und der Unterarm 322R die gleiche Länge (r) haben, Θ₁ den Winkel Θ_S des Motors 352R verfolgt und die Hand 210R sich in einer geraden Linie bewegt, gelten folgende Ausdrücke: Θ1 = ΘS Θ2 = Θ1 + π – β
Um also X₀ zu berechnen, setzt man die obigen Identitäten für Θ₁, Θ₂ und Θ_p in die Gleichung (2) für X(t) ein und gelangt zu: X0 = r(cosΘ1 + cosΘ2) + pcosΘp (3)
Gleichung (3) drückt die Einschränkung aus, welche die Beziehung zwischen den Winkeln Θ_S und Θ_E der Motoren 352R und 350R darlegt, die so arbeiten, dass sie sich um gleiche Winkeldistanzen bewegen, um eine geradlinige Bewegung der Hand 210R zu erreichen.
Der Fachmann kann die Einschränkungsgleichung (3) mit Hilfe einer Servomechanismus-Steuereinheit in einer beliebigen aus einer Anzahl von Möglichkeiten implementieren. Um zum Beispiel einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb zu erreichen, um ein bestimmtes Waferbewegungsprofil zu implementieren, kann man anhand der Gleichung (3) Befehlssignalwerte errechnen und sie in einer Nachschlagetabelle für eine Echtzeitverwendung speichern. Im Rahmen des Vorberechnungsprozesses würde Θ_S gemäß dem Waferbewegungsprofil indexiert werden, und anhand der Gleichung (3) würden die entsprechenden Θ_E-Werte ermittelt werden, wodurch die Verschiebung von Θ_S und Θ_E in einer Master-Slave-Beziehung konfiguriert wird.
Um eine Winkelverschiebung der Hand 210R um die Schulterachse 316R herum zu bewerkstelligen, veranlasst die Steuereinheit 354, dass sich die Motoren 350R und 352R in derselben Richtung um die gewünschte Winkelverschiebung der Hand 330R drehen, um den gewünschten Zielpunkt zu erreichen. Die lineare Ausstreckung der Hand 330R verändert sich nicht während dieser Bewegung. Dem Fachmann ist klar, dass komplizierte gleichzeitige Linear- und Winkelverschiebungsbewegungsprofile der Hand 330R erstellt werden könnten, indem die Steuereinheit 354 so programmiert wird, dass sich die Motoren 350R und 352R um unterschiedliche Winkelverschie bungen bewegen. 6A zeigt eine zweite Waferkassette 168, die so positioniert ist, dass die Mitte 172 eines gelagerten Wafers 170 mit Y₀ übereinstimmt. Die parallele Anordnung der Öffnungen der Kassetten 168_l und 168_r demonstriert, dass die obigen Ausdrücke dafür verwendet werden können, Wafer zu entnehmen, die in Kassetten gelagert sind, die nicht um eine radiale Distanz von der Schulterachse 316 positioniert sind. Der Roboterarmmechanismus 310 ist nicht auf eine radiale Anordnung beschränkt, sondern kann jede beliebige Kombination von Distanzen innerhalb seiner Reichweite abarbeiten.
19B ist ein vereinfachtes Blockschaubild, in dem die primären Komponenten der Steuereinheit 354 gezeigt sind. Wie in 19B gezeigt, enthält die Steuereinheit 354 einen Programmspeicher 474, der Bewegungssequenzbefehle für den Roboterarmmechanismus 310R enthält. Ein Mikroprozessor 476 empfängt aus dem Programmspeicher 474 die Bewegungssequenzbefehle und interpretiert sie, um zu bestimmen, ob der erste oder der zweite Betriebszustand benötigt wird oder ob eine Bewegung des Motors 392 benötigt wird, um das Torsogelenk 311 zu positionieren. Ein Systemtakt 478 steuert den Betrieb des Mikroprozessors 476. Eine Nachschlagetabelle (NST) 480 speichert entsprechende Werte für Θ_S (Motor 352R) und Θ_E (Motor 350R) zum Erreichen der geradlinigen Bewegung des ersten Betriebszustandes und der Winkelverschiebungen von Θ_S und Θ_E zum Erreichen der Winkelbewegung des zweiten Betriebszustandes. Weil die Drehung des Torsogelenks 311 unabhängig von den Bewegungen der daran montierten Roboterarmmechanismen ist, erfolgt die Gesamtkoordination der Winkelverschiebung des Motors 392 mit den Winkelverschiebungen der Motoren 350R und 352R in den Bewegungssequenzbefehlen und nicht in der NST 180. Das führt zu einer höheren Geschwindigkeit und einer genaueren geradlinigen Bewegung, weil keine Folgefehler und Antriebsungenauigkeitsfehler mehrachsiger Servomechanismen den geradlinigen Pfad der Hand 210R beeinträchtigen.
Der Mikroprozessor 476 gibt Θ_S- und Θ_E-Positionssignale an einen Servomechanismusverstärker 482 aus, der Θ_S- und Θ_E-Befehlssignale in den Motor 352R bzw. 350R einspeist. Der Mikroprozessor 476 gibt auch Positionssignale an den Servomechanismusverstärker 476 aus, um ein Befehlssignal in den Torsomotor 392 einzuspeisen. Der Servomechanismusverstärker 482 empfängt von den drei Glasskalencodierern Signale, welche die Winkelpositionen der Motoren 350R, 352R bzw. 392 anzeigen.
Der Mikroprozessor 476 gibt auch Steuersignale an eine Unterdruckventil-Steuereinheit 484 aus, die ein (nicht gezeigtes) Unterdruckventil veranlasst, von einer (nicht gezeigten) Unterdruckquelle einen entsprechenden Unterdruckbetrag an den Auslass 336 anzulegen, wenn es erforderlich ist, einen Wafer auf der Hand 210R zu halten oder einen Wafer von der Hand 210R zu lösen.

Claims

Probenumfangsrandgreifeinrichtung, die für ein wirksames Koppeln an einen Mechanismus angepasst ist, und die eine Probe (12) an ihrem Umfangsrand (18) ergreift, wobei die Randgreifeinrichtung Folgendes aufweist: einen Grundkörper (10) mit einem proximalen Ende (20), an das der Mechanismus wirksam gekoppelt ist, und einem gegenüberliegenden distalen Ende (22), ein distales Ruhepolster (24, 124), das an dem distalen Ende (22) des Körpers (10) befestigt ist, und einen Polsterabschnitt (32, 42) zum Tragen des Umfangsrands der Probe, und einen Rückbewegungssperrabschnitt (34, 134), der zusammen mit dem Polsterabschnitt einen eingeschlossenen Winkel zum Greifen des Umfangsrands der Probe bildet; wobei ein proximales Ruhepolster (26, 126) an das proximale Ende des Grundkörpers gekoppelt ist, um den Umfangsrand (18) der Probe zu tragen, gekennzeichnet durch einen aktiven Proximalendkontaktpunkt (50, 150), der am proximalen Ende (20) zwischen den proximalen Ruhepolstern angeordnet ist, und dazu ausgelegt ist, sich zwischen einer eingezogenen Probenbestückungsposition und einer ausgestreckten Probengreifposition zu hin und her bewegen, die durch die Größe der Probe bestimmt wird, wobei die Bestückungsposition ausreichend Platz zum Anordnen der Probe auf dem Grundkörper bietet, und die ausgestreckte Probengreifposition den Umfangsrand der Probe in den eingeschlossenen Winkel treibt, der in dem distalen Ruhepolster (24, 124) ausgebildet ist.
Randgreifeinrichtung nach Anspruch 1, wobei der aktive Proximalendkontaktpunkt (50, 150) als Teil des proximalen Ruhepolsters (26, 126) ausgebildet ist.
Randgreifeinrichtung nach Anspruch 1, wobei der aktive Kontaktpunkt (50, 150) wirksam mit einem strömungsdruckbetätigten Kolben (52) verbunden ist, der so angebracht ist, dass er sich in einer Bohrung (54), die dem proximalen Ende des Grundkörpers zugeordnet ist, hin und her bewegt.
Randgreifeinrichtung nach Anspruch 1, wobei das distale Ruhepolster (24, 124) eine Form aufweist, die an einen Bereich des Umfangs der Probe angepasst ist.
Randgreifeinrichtung nach Anspruch 1, wobei das distale Ruhepolster ein erstes distales Ruhepolster ist, und ferner ein zweites distales Ruhepolster umfasst, das von dem ersten distalen Ruhepolster beabstandet ist.
Randgreifeinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Grundkörper (10) eine im Allgemeinen flache Probentragefläche begrenzt, an der das distale Ruhepolster (24, 124) befestigt ist, und wobei das distale Ruhepolster einen Ruhepolsterabschnitt (32) aufweist, der relativ zu der im Allgemeinen flachen Probentragefläche geneigt ist, um eine Rampenfläche für die Probe bereitzustellen, da der bewegliche Kontaktpunkt dazu ausgelegt ist, in der ausgestreckten Probengreifposition den Umfangsrand der Probe in den eingeschlossenen Winkel zu treiben.
Randgreifeinrichtung nach Anspruch 6, wobei der eingeschlossene Winkel, der zwischen dem geneigten Ruhepolsterabschnitt (32) und dem Rückbewegungs-sperrabschnitt (34, 134) gebildet ist, weniger als 180° beträgt.
Randgreifeinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Mechanismus ein Betätigungsmechanismus für den aktiven Kontaktpunkt ist, und wirksam mit dem aktiven Kontaktpunkt (50, 150) verbunden ist, so dass er diesen zwischen der eingezogenen Probenbe-stückungsposition und der ausgestreckten Probengreifposition hin und her bewegt, wobei der Betätigungsmechanismus eine Vorspanneinrichtung aufweist, die dazu ausgelegt ist, eine Vorspannkraft anzulegen, um den aktiven Kontaktpunkt in die ausgestreckte Probengreifposition zu auszustrecken, und eine strömungsdruckgesteuerte Einrichtung (52), die dazu ausgelegt ist, die Vorspannkraft gezielt zu überwinden, um den aktiven Kontaktpunkt in die eingezogene Probenbestückungsposition zurückzuziehen.
Randgreifeinrichtung nach Anspruch 8, ferner umfassend einen Positionsanzeiger, der wirksam mit dem aktiven Kontaktpunkt (50, 150) verbunden ist, und wirksam einem Paar beabstandeter Bezugspositions-anzeigeeinrichtungen zugeordnet ist, wobei jede Bezugspositionsanzeigeeinrichtung die Bewegung des aktiven Kontaktpunkts überwacht, um auf diese Weise eine vollständig eingezogene Probenbestückungs-position und eine vollständig ausgestreckte Position des aktiven Kontaktpunkts ohne ergriffene Probe (12) anzuzeigen.
Randgreifeinrichtung nach Anspruch 1, wobei das distale Ruhepolster (24, 124) einen geneigten Ruhepolsterabschnitt (32) aufweist, um eine Rampenfläche für die Probe (12) bereitzustellen, da der bewegliche Kontaktpunkt dazu ausgelegt ist, in der ausgestreckten Probengreifposition den Umfangsrand der Probe in den eingeschlossenen Winkel zu treiben, und wobei ein eingeschlossener Winkel von weniger als 180° zwischen dem geneigten Ruhepolsterabschnitt und dem Rückbewe gungssperrabschnitt gebildet ist, und ferner umfassend einen Betätigungsmechanismus für den aktiven Kontaktpunkt, der wirksam mit dem aktiven Kontaktpunkt verbunden ist, und dazu ausgelegt ist, diesen zwischen der eingezogenen Probenbestückungs-position und der ausgestreckten Probengreifposition hin und her zu bewegen, wobei der Betätigungsmechanismus eine Vorspanneinrichtung aufweist, die dazu ausgelegt ist, eine Vorspannkraft anzulegen, um den aktiven Kontaktpunkt in die ausgestreckte Probengreifposition zu auszustrecken, und eine strömungsdruckgesteuerte Einrichtung (52), die dazu ausgelegt ist, die Vorspannkraft gezielt zu überwinden, um den aktiven Kontaktpunkt in die eingezogene Probenbestückungsposition zurückzuziehen, wodurch für den Fall, dass die strömungsdruckgesteuerte Einrichtung einen Strömungsdruckabfall erfährt, ein ausfallsicherer Mechanismus zum Halten der Probe zwischen dem distalen Ruhepolster und dem aktiven Kontaktpunkt bereitgestellt wird.
Randgreifeinrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Betätigungsmechanismus für den aktiven Kontaktpunkt, der wirksam mit dem aktiven Kontaktpunkt verbunden ist, und dazu ausgelegt ist, diesen zwischen der eingezogenen Probenbestückungs-position und der ausgestreckten Probengreifposition hin und her zu bewegen, wobei der Betätigungsmechanismus eine Vorspanneinrichtung und eine strömungsdruckgesteuerte Einrichtung (52) aufweist, wobei die Vorspanneinrichtung dazu ausgelegt ist, den aktiven eine Vorspannkraft an den Kontaktpunkt anzulegen, um ein Ausstrecken des aktiven Kontaktpunkts in die ausgestreckte Probengreifposition oder ein Einziehen des aktiven Kontaktpunkts in die eingezogene Probenbestückungs-position zu erreichen, und die strömungsdruck-gesteuerte Einrichtung dazu ausgelegt ist, die Vorspannkraft gezielt zu überwinden, um das von der Vorspanneinrichtung jeweils nicht erreichte Ausstrecken des aktiven Kontaktpunkts in die ausgestreckte Probengreifposition oder Einziehen des aktiven Kontaktpunkts in die eingezogene Probenbestückungsposition zu erreichen.