ITMI990281A1 - Dispositivo per maneggiare substrati mediante un istema autolivellante a depressione in reattori epistassiali ad induzione con suscettore di - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale

La presente invenzione riguarda un dispositivo per il maneggio di substrati, in particolare fette di semiconduttori, in un’apparecchiatura usata per la deposizione da vapori chimici (CVD) di materiale semiconduttore sui medesimi substrati e un metodo per manovrare il medesimo dispositivo. In special modo, riguarda un dispositivo per il maneggio di substrati usati in un reattore epitassiale e, in particolare, riguarda un reattore epitassiale per provvedere deposito da vapori chimici (CVD) di materiali sui medesimi substrati, di preferenza su substrati di silicio impiegati nella fabbricazione di componenti a semiconduttori, come “chip” di circuiti integrati.

Più in particolare, la presente invenzione riguarda un dispositivo a servizio di reattori epitassiali come quelli protetti dal brevetto italiano No.

1.271.233, depositato il 30 Settembre 1994, per “Reattore epitassiale munito di suscettore discoidale piano ed avente flusso di gas parallelo ai substrati” e concesso il 27 Maggio 1997. Con il servizio del presente dispositivo il sopraddetto reattore epitassiale diventa del tipo denominato “da-cassetta-a-cassetta” perché delle cassette contenenti i substrati, non ancora trattati, sono posizionate aU’intemo del reattore e, durante un ciclo di caricamento del prodotto, si utilizza un primo braccio meccanizzato, o robot, non facente parte della presente invenzione, per portare i substrati da una cassetta di deposito ad una camera di spurgo e un secondo braccio meccanizzato, o robot, portante al suo esterno un mezzo di presa e di trasporto, oggetto della presente invenzione, per portare i substrati dalla camera di spurgo al suscettore, mentre durante un ciclo di scaricamento il secondo robot porta i substrati dal suscettore alla camera di spurgo e successivamente il primo robot porta i medesimi substrati, che hanno subito i trattamenti, dalla camera di spurgo ad una delle cassette, il tutto avvenendo senza intervento manuale di un operatore che sovrintende al funzionamento del reattore.

L’invenzione è particolarmente applicabile a sistemi di deposizione CVD a parete fredda, preferibilmente, a reattori in grado di. fornire crescita epitassiale su substrati o fette di silicio, impiegati nella fabbricazione di dispositivi semiconduttori mediante deposizione per pirolisi da vapori di clorosilani.

I più diffusi reattori epitassiali commerciali si dividono in due principali categorie:

a) reattori a fetta singola (monofetta), in grado cioè di trattare una sola fetta alla volta; e

b) reattori di tipo a “batch” (ossia a cariche), in grado di trattare contemporaneamente una pluralità di substrati o fette.

I sistemi di riscaldamento utilizzati per i sopraddetti reattori sono riconducibili a due tipi: il riscaldamento a lampade ed il riscaldamento ad induzione a media o alta frequenza.

I reattori di tipo “batch” più diffusi a livello industriale sono essenzialmente di due tipi : il sistema cosiddetto “barrel", cioè con suscettore prismatico o tronco-piramidale, ed il sistema “pancake” con suscettore discoidale sostanzialmente piano.

Tipicamente, al presente, i reattori di tipo batch sono a caricamento manuale, mentre i reattori monofetta sono a caricamento automatico.

Nei reattori a caricamento automatico il substrato, o fetta, può essere maneggiato in diversi modi che presentano sia vantaggi, sia inconvenienti. La manipolazione dei substrati è particolarmente critica nel campo dei semiconduttori e, in particolare, nei reattori epitassiali dove si incontrano problemi di temperatura e di contaminazione da parte di particelle.

In generale, ogni substrato o fetta presenta un lato inferiore (retro), un Iato superiore (fronte) ed una parete laterale (bordo). Le dimensioni del fronte e del retro sono di norma comprese tra 75 e 300 mm, potendo arrivare anche a 400 mm, mentre le dimensioni del bordo sono minori o vicino a 1 mm. 11 fronte è la parte più importante di una fetta perché su di esso avviene il processo di reazione chimica, cioè il deposito.

Per il sopraddetto motivo, è importante evitare ogni contatto tra fronte e qualsiasi tipo di utensile usato per il maneggio, perché ogni contatto, sia pur minimo, provoca imperfezioni nel reticolo cristallino. Se le imperfezioni si formano in fase di caricamento, sono ingigantite da! successivo processo termico, tuttavia sono da evitarsi anche imperfezioni indotte in fase di scaricamento

In sostanza, si può affermare che non è mai consentito un contatto, anche accidentale, con il fronte della fetta. Invece, entro certi limiti, è ammesso un contatto con il retro e con il bordo della medesima fetta.

Perciò, per muovere una fetta, si può agire dal fronte (tuttavia senza contatto diretto), dal retro o dal bordo.

In pratica, esiste un solo sistema che consente un maneggio dal fronte, senza contatto tra utensile e fetta, ed è quello basato sull’effetto Bemouilli, secondo il quale, realizzando un opportuno utensile di presa (end-efFector) è possibile, soffiando del gas inerte filtrato verso il fronte della fetta, creare un effetto di attrazione della medesima fetta che, in posizione orizzontale, è sufficiente a vincere il peso della fetta, mantenendo la medesima in sospensione.

Tuttavia, si hanno necessariamente dei contatti accidentali tra i bordi delle fette ed alcuni punti fissi dell’utensile di presa perché, in assenza di appoggio e quindi di attrito, è necessario avere dei punti fissi per bloccare la fetta sotto l’utensile di presa, però questo fatto non è particolarmente negativo.

Nella fase di scarico, per sollevare la fetta dalla cava in cui risiede, è necessario vincere, oltre al peso proprio, anche una leggera depressione che si fonila tra la cava e la medesima fetta. Siccome ciò non è possibile mediante il solo effetto Bemouilli, è necessario evitare la formazione dì questa depressione per esempio tramite una rete di minuscoli canali realizzati nella cava sotto la fetta. Questa tecnica è ottima, ma è meglio allatta a reattori riscaldati a lampade, rispetto a reattori riscaldati ad induzione, perché la presenza di canali non conduttori nella massa di grafite dei suscettori nuocerebbe all’unifonnità di riscaldamento delle fette. Inoltre, tale tecnica è di dubbia compatibilità con reattori di tipo batch, perché, se LUI flusso di gas inerte aiuta a mantenere pulito il fronte della fetta in fase di maneggio, è verosimilmente deleterio per le fette adiacenti, specialmente se il maneggio avviene in prossimità del suscettore, perché il flusso di gas tiene in movimento qualsiasi particella di polvere presente.

Un altro sistema consiste nel maneggiare la fetta dal retro, che però ha il problema che il retro della fetta è accessibile quando si trova nella cassetta ma non lo è più quando risiede sul suscettore. Per ovviare a questo inconveniente, si possono ricavare dei fori passanti nel suscettore e sollevare la fetta, quando richiesto, tramite piccoli supporti, passanti attraverso i fori, che possono alzarsi per provvedere al sollevamento ed abbassarsi per consentire l’alloggiamento della fetta nel suscettore. In effetti, nel ciclo di caricamento i supporti sono alzati e le fette sono appoggiate sui medesimi. Successivamente i supporti sono abbassati e le fette sono deposte nelle corrispondenti sedi sul suscettore. Nel ciclo di scarico, i supporti sono alzati e con essi le fette; quindi si introduce una lingua o utensile di presa (end-effector) di opportuno materiale sotto la fetta c questa è rimossa. Se si volesse garantire una maggiore stabilità, è possibile frenare la fetta applicando una leggera depressione tra fetta ed mensile di presa. Tuttavia, anche questa tecnica, pur essendo buona, in pratica è ben applicabile a reattori del tipo riscaldato a lampade, mentre è probabilmente inaccettabile a reattori riscaldati per induzione, perché i fori praticati nella grafite del suscettore renderebbero non uniforme la corrente circolante e quindi il riscaldamento.

Un altro sistema noto è quello che consente di afferrare la fetta sul diametro esterno, o bordo, in due o più punti con sistemi di presa mobili, come pinze meccaniche. Tuttavia, questo sistema non è di facile realizzazione, richiedendo lavorazioni particolari della cava, o delle cave, del suscettore che non sono completamente compatibili con il sistema di riscaldamento ad induzione. Infine, come già detto, non è proponibile alcun contatto diretto sul fronte della fetta.

Esistono comunque, dei sistemi che consentono di afferrare la fetta sul fronte, limitando il contatto ad in una o più aree della sua corona esterna. La fetta è trattenuta da un sistema a depressione mediante una camera ricavata tra fetta e utensile di presa. In questo caso però la forza di sollevamento è limitata alla superficie di contatto con la corona esterna della fetta e un sia pur minimo errore di posizionamento tra fetta ed utensile di presa si traduce rispettivamente in una minore o maggiore superficie di contatto con rischi di mancanza di presa sulla fetta o di un aumento di difetti dovuti al contatto diretto tra utensile e presa. In conclusione, questo sistema non è ottimale a causa della superficie di contatto sempre troppo grande tra utensile e fronte della fetta.

La presente invenzione ha lo scopo di meglio realizzare un dispositivo automatizzabile di rifornimento e prelievo di fette di semiconduttori a e da un reattore epitassiale come quello descritto nel citato brevetto italiano No. 1.271.233 che.protegge un reattore epitassiale munito di suscettore discoidale piano ed avente flusso di gas parallelo ai substrati.

In sintesi, il funzionamento del reattore e dell’associato dispositivo comprende la seguenti fasi:

* posizionamento delle cassette contenenti le fette da accrescere entro il reattore;

* fase di caricamento del prodotto, dove le fette sono trasferite airintemo della camera di reazione, come descritto in maggior dettaglio nel seguito;

* breve fase di spurgo in idrogeno nella camera di reazione;

* fase di riscaldamento per portare il suscettore e le fette all’opportuna temperatura;

* ciclo di processo come richiesto dalla specifica da seguire;

* fase di raffreddamento ad una temperatura compatibile con la fase di scaricamento; e

* scaricamento delle fette accresciute e loro ritorno nelle cassette, come descritto in maggior dettaglio nel seguito.

Le fasi di caricamento e scaricamento avvengono a temperature compatibili con il materiale realizzante l’utensile di presa.

Ogni ciclo di accrescimento può essere seguito da altri cicli di accrescimento oppure da un ciclo, detto di attacco, dove le fette non sono caricate e si eseguono le seguenti operazioni:

* breve fase di spurgo mediante idrogeno della camera di reazione;

* fase di riscaldamento per portare il suscettore all’adatta temperatura di attacco;

* ciclo di attacco come richiesto dalla specifica da eseguire; e

* fase di raffreddamento ad una temperatura compatibile con la fase di caricamento di fette successiva alla fase di attacco.

Il reattore epitassiale oggetto del sopra citato brevetto italiano No.

1.271.233 è di tipo cosiddetto “pancake”, ossia a suscettore discoidale, riscaldato ad induzione per cui nessuno dei sistemi qui sopra illustrati può essere utilizzato efficacemente.

Per rimediare ai sopraddetti inconvenienti, si impiega una soluzione comprendente:

una prima zona del reattore, verso la cosiddetta sala bianca, destinata ad ospitare le cassette contenenti le fette da trattare e quelle già trattate, dove questa parte del reattore può essere in ambiente di aria o, in alternativa, prevedere una camera di spurgo con un gas inerte, almeno alla temperatura ambiente per il silicio della fetta da trattare (un gas inerte, sia pure economico come l’azoto, può essere preferibile all’aria). Nel seguito viene descritto il caso, più semplice, di ambiente di aria, dove non si richiedono né tenute di gas particolarmente efficienti, né prolungati lavaggi con gas inerti. Nel caso di impiego di aria, si aggiunge solamente un cosiddetto filtro assoluto per aria allo scopo di mantenere ambiente di aria il più possibile esente da particelle solide (pulviscolo). Inoltre, la medesima prima zona del reattore è munita di due porte, apribili in qualsiasi momento, per consentire la rimozione delle cassette contenenti le fette, dove l’apertura delle porle non richiede cicli di spurgo o di lavaggio con gas inerti particolarmente lunghi. Comunque, in alternativa, qualora le lavorazioni sulle fette rendessero intollerabili anche i più piccoli difetti dovuti ad ossidazione locale della medesima fetta, è prevista la realizzazione della prima zona del reattore munita di porte a tenuta e di impianto di spurgo, anche mediante pompa pneumatica di estrazione, ed immissione di gas inerte, al fine di minimizzare l’esposizione della fetta all’aria e, di conseguenza, i medesimi difetti. Esiste un primo robot, chiamato robot esterno, che sovrintende al maneggio delle fette, le fette essendo maneggiate sul retro perché le presenti cassette disponibili in commercio sono costruite proprio per consentire questo maneggio. Un utensile di presa del robot esterno, pure disponibile in commercio, trasporta le fette tenendole premute in posizione mediante una modesta depressione disponibile sul robot.

II funzionamento della sopraddetta soluzione è spiegato qui di seguito.

In fase di caricamento, si toglie una fetta dalla corrispondente cassetta e la si posiziona in una stazione di allineamento e centratura che può anche essere costruita entro il medesimo robot esterno. Le cassette, la stazione di allineamento e centratura ed il robot esterno non sono nuovi e non fanno parte della presente invenzione. Qui la fetta è orientata secondo l’angolo voluto e si calcola la posizione del suo centro geometrico per consentire una successiva presa .precisa. Successivamente la fetta è posizionata entro la camera di spurgo sopra un disco di quarzo, fungente da appoggio, sagomato in modo da consentire un maneggio tramite l’utensile di presa commerciale del medesimo robot esterno. Il disco di quarzo ha una massa relativamente grande rispetto alla fetta al fine di meglio dissipare il suo calore durante la fase di scaricamento.

Si chiude la porta di accesso e la camera di spurgo è lavata con un gas inerte, allo scopo di rimuovere completamente ogni traccia di aria, ed eventualmente il lavaggio può essere aiutato da un ciclo di estrazione pneumatica per accelerare la medesima operazione di spurgo. A questo punto si apre la porta dì accesso alla camera dove opera il robot interno, fatto secondo l’invenzione, che funziona sempre in atmosfera di gas inerte e, tranne che durante operazioni di manutenzione, non è mai esposto all’aria.

L’utensile di presa, o mano, del robot interno costituisce parte della presente invenzione, la quale invenzione consente di maneggiare in modo appropriato le fette mediante un contatto molto limitato con il loro bordo. Infatti, ogni fetta ha una parte smussata (edge o bordo) estendentesi per circa 1 mm. La parte dell’utensile di presa a contatto con il bordo della fetta è sagomata in modo tale da limitare la zona di contatto al solo smusso esteso per 1 mm, del bordo ed è di opportuno materiale, come quarzo. Tale parte della fetta non è comunque utile nella costruzione di circuiti integrati e quindi questa scelta non è dannosa per la qualità del prodotto finito. Inoltre, l’utensile di presa, o mano, è collegato al braccio del robot interno mediante un tubo strutturale che ha due funzioni :

- la prima di prolungare il braccio del robot per raggiungere la posizione del suscettore all’interno della camera di reazione;

- la seconda di consentire mediante uno snodo o sfruttando l’elasticità del braccio, un certo autolivellamento tra utensile, o mano, e fetta che è utilizzato nelle operazioni di sollevamento della medesima fetta.

Il sollevamento della fetta è garantito da una certa depressione ottenuta da una macchina pneumatica dedicata. La depressione è trasferita alla fetta attraverso una serie di fori distribuiti lungo la periferia dell’utensile di presa, concentrati in corrispondenza della zona rotonda delle fetta e mancanti in una zona appiattita (fiat) o rientrante a tacca (notch) che serve ad identificazione ed orientamento di ogni fetta, dóve per fette di diametro fino a 150 mm si preferisce la zona appiattita, mentre per fette di diametro superiore si preferisce la zona rientrante a tacca. Siccome ogni irregolarità di forma della fetta provoca una diminuzione locale degli effetti della depressione, si deve compensare, secondo l’invenzione, questa diminuzione con una concentrazione, opportunamente calcolata di fori di aspirazione nell’utensile di presa.

Nella fase di caricamento il suscettore ruota e posiziona, mediante riferimenti di per sé noti, correttamente la cava da caricare Questo posizionamento può essere fatto mediante sistemi ottici di per sé noti. Quindi la fetta è introdotta nella camera di reazione e posizionata sopra un’opportuna cava del suscettore. Il robot interno si abbassa leggermente, porta la fetta a contatto con la cava, e, togliendo la depressione, rilascia la fetta caricata sulla medesima cava. Si ripetono le fasi di caricamento fino a che sono occupate tutte le cave presenti sul suscettore. Si iniziano quindi i trattamenti programmati delle fette.

Tra tutti i sistemi ottici si può impiegare un sistema di telemetro a laser che misura la distanza tra un emettitore laser ed il suscettore sotto esame, producendo un segnale analogico proporzionale alla detta distanza. Per esempio, il telemetro a laser aiuta ad eliminare difetti di parallelismo del suscettore attraverso un algoritmo di scansione e successiva correzione tramite mezzi meccanici di per sé noti (per esempio, viti micrometriche). Questo parallelismo è essenziale per consentire uniformità di depositi epitassiali sulle fette.

Una volta completati i trattamenti programmati delle fette, si deve provvedere a scaricarle dal suscettore. Per fare questo, dopo aver aspettato che il suscettore si sia portato a temperatura adeguata per consentire di estrarre senza danno le fette dalla camera di reazione, si deve ancora impiegare il medesimo robot interno che provvede a togliere ciascuna fetta dalla corrispondente cava del suscettore e a trasportala entro la camera di spurgo dove si posa sul disco di quarzo che con la sua grande massa provvede a raffreddarla. Dopo sufficiente raffreddamento, la fetta viene trasferita dal robot esterno ad una sede di una della cassette poste nella prima zona del reattore.

La presente invenzione che realizza i procedimenti qui sopra esposti consiste di un dispositivo per maneggiare substrati di materiali prodotti in apparecchiature o reattori epitassiali, come fette di materiali semiconduttori, comprendente:

Lina camera di reazione,

un robot interno per maneggiare i substrati o fette di materiali semiconduttori,

una camera stagna che alloggia il robot interno;

una camera di spurgo per passare in atmosfera di pulizia le fette,

una zona di magazzino contenente delle cassette portanti accatastate le fette di materiali semiconduttori,

un robot esterno per far passare le fette dal magazzino al robot interno, caratterizzato dal fatto che il mezzo di presa del robot interno comprende almeno un braccio articolato infilabile nella camera di reazione terminante con un utensile di presa o mano per prendere una fetta di materiale semiconduttore dalla camera di spurgo e trasportarla, dopo aver attraversato la camera stagna, a depositarsi in una cava di un suscettore a disco della camera di reazione, e viceversa, dalla cava alla camera di spurgo, dove la mano tocca la fetta su una zona periferica o bordo smussato, la mano afferra la fetta sfruttando un effetto di depressione e la posa sul suscettore a disco toccando prima la corrispondente cava su un lato e quindi entrando completamente in contatto con la medesima e viceversa, nel trasportare una fetta dalla camera di reazione alla camera di spurgo, afferra la fetta sfruttando un effetto di depressione, la distacca dalla cava del suscettore, sollevandola prima da un lato e quindi distaccandola completamente, e la posa infine su un disco di appoggio contenuto nella camera di spurgo.

In particolare, il braccio è tubolare cavo, comunicante, da una parte, mediante un tubo flessibile con una sorgente di depressione e dall’altra con una cava circolare praticata entro la mano per applicare depressione tra una faccia inferiore della medesima mano ed una fetta presente sotto la mano.

Di preferenza, tra il braccio tubolare cavo ed il braccio articolato del robot interno sono interposti dei mezzi di snodo che consentono al braccio tubolare cavo di poter alzarsi ed abbassarsi per portare la mano al disopra e al disotto di un piano definito dal braccio articolato.

In aggiunta, tra il braccio tubolare cavo ed il braccio articolato del robot interno sono interposti dei mezzi di snodo che consentono inoltre una rotazione del braccio tubolare cavo attorno ad un suo asse longitudinale.

Di preferenza, i mezzi di snodo comprendono un cuscinetto di appoggio, fissato al braccio articolato, portante un perno di rotazione, attorno al quale ruotano i mezzi di snodo, ed una vite di regolazione per fissare il livelli consentiti di innalzamento ed abbassamento della mano rispetto al piano del braccio articolato per cui la mano può appoggiarsi in senso radiale sul suscettore discoidale solo con la parte anteriore, solo con la parte posteriore, oppure perfettamente in piano con il medesimo suscettore.

In aggiunta, i mezzi di snodo comprendono inoltre attorno al braccio tubolare cavo delle bussole antiattrito per consentire un allineamento in senso perpendicolare al raggio del suscettore discoidale della medesima mano.

Ancora di maggior preferenza, la mano ha la forma di un disco di diametro superiore alla fetta da maneggiare e presenta una parte inferiore, affacciata verso la fetta, munita di una sede rientrante che impegna solo un orlo periferico esterno della medesima fetta.

In più l’orlo periferico della fetta è conformato come una regione smussata che collega la superficie superiore alla superficie laterale della medesima fetta.

Di preferenza, la sede è presente su una parte inferiore della mano ed è munita di una pluralità di fori periferici in comunicazione con una camera interna alla medesima mano che, a sua volta, comunica con il braccio tubolare cavo per applicare depressione tra la fetta e la mano.

Di massima preferenza, i fori periferici sono maggiormente concentrati dove si prevedono maggiori perdite di depressione.

In un particolare esempio di realizzazione, si impiega un telemetro a laser il quale misura una distanza tra un emettitore laser ed il suscettore a disco della camera di reazione, sotto esame, producendo un segnale analogico proporzionale alla detta distanza, dove detto telemetro rileva difetti di planarità del suscettore, come pure difetti di parallelismo tra il suscettore e la camera di reazione.

Inoltre, si impiega una tacca praticata nell’orlo esterno del suscettore come riferimento angolare rilevabile dal telemetro laser e le cave per le fette sono contate a partire da questa tacca.

Secondo la presente invenzione si realizza anche un metodo per posare una fetta in una sede di un suscettore discoidale, presente in una camera di reazione, mediante una mano di un dispositivo, come sopra definito, caratterizzato dal fatto che una fetta, tenuta aderente alla mano per depressione, entra nella camera di reazione tenuta sollevata, si porta fino a sopra una della cave del suscettore discoidale, scende per posarsi sulla medesima cava rimanendo inclinata in avanti in modo da toccare la cava inizialmente in un punto radialmente più interno, successivamente con tutta la superficie, quindi, dopo aver tolto la depressione che tiene unita la fetta alla mano, scende ancora staccando la mano dalla fetta, poi la mano si risolleva, staccandosi completamente dalla fetta ed infine si ritira uscendo fuori dalla camera di reazione.

In alternativa, il metodo per prelevare una fetta da una sede di un suscettore discoidale, presente in una camera· di reazione, mediante una mano di un dispositivo, come sopra definito, è caratterizzato dal fatto che la mano entra nella camera di reazione tenuta sollevata, si porta fino a sopra una fetta ospitata in una delle cave del suscettore discoidale, si abbassa fino a toccare la fetta, prima su un punto radialmente interno e quindi sull’ intera circonferenza della fetta, poi, dopo aver toccato la fetta sull’intera circonferenza, applica depressione per portare la fetta ad aderire con il suo bordo alla mano e quindi comincia a risalire staccando la fetta dalla cava, prima in un punto radialmente esterno e poi sull’intera superficie della fetta, ed infine, dopo aver sollevato completamente la fetta dalla cava del suscettore, la porta fuori dalla camera di reazione .

Le caratteristiche della presente invenzione saranno definite nelle rivendicazioni formanti la parte conclusiva della sua descrizione. Tuttavia, altre caratteristiche e pregi risulteranno dalla seguente descrizione dettagliata di un suo esempio di realizzazione, data a scopo illustrativo e non limitativo, nella quale:

- la figura 1 è una vista dall’alto sezionata di un reattore epitassiale a disco servito da un robot esterno e da un robot interno secondo l’invenzione; - la figura 2 è una vista laterale in sezione e raccorciata di un utensile di presa, o mano, situato all’estremo di un braccio estensibile del robot interno secondo la presente invenzione;

- la figura 3 è una vista dall’alto in sezione e raccorciata del medesimo utensile di presa, o mano;

- la figura 4 è una vista parziale, sezionata e ingrandita del particolare della mano, racchiuso nel cerchio 4 della figura 2, intesa a mostrare come avviene l’impegno della mano con la fetta di materiale semiconduttore da trasportare;

- le figure da 5 a 8 sono viste laterali in sezione e raccorciate che illustrano una sequenza di avvicinamento ad una cava del suscettore del mezzo di presa del robot interno portante una fetta di semiconduttore per provvedere a caricare la fetta nella cava del suscettore;

- le figure da 9 a 12 sono viste laterali in sezione e raccorciate che illustrano una sequenza<' >di distacco del mezzo di presa dalla fetta caricata nella cava del suscettore

- le figure da 13 a 16 sono viste laterali in sezione e raccorciate che illustrano una sequenza di avvicinamento del mezzo di presa del robot ad una fetta di semiconduttore presente in una cava del suscettore per provvedere al prelievo della medesima fetta ; e

- le figure da 17 a 20 sono viste laterali in sezione e raccorciate che illustrano una sequenza di distacco e prelievo della fetta di semiconduttore dulia cava del suscettore.

Si consideri dapprima la figura 1 nella quale si vede un reattore epitassiale 20 comprendente una camera di reazione 22 servita da più robot per il collocamento ed il prelievo di fette 24a-e di materiale semiconduttore su un suscettore a disco 26 munito di cave 28a-e dimensionate per ospitare le medesime fette 24a-e .

Siccome le fette 24.,.,, devono essere collocate nelle e prelevate dalle cave 28.,.,. del disco 26 presente nella camera di reazione 22 senza essere manipolate manualmente, a questo proposito è stato realizzato un robot, cosiddetto interno, 30, che comprende un braccio tubolare 64 terminante con un utensile di presa o mano 70, oggetto della presente invenzione, ed un robot, cosiddetto esterno, 32. Il robot interno 30 rimane localizzato tra la camera di reazione 22 cd una camera di spurgo 34 avente il compito di trattare fette 24a-e in transito tra una prima zona o di magazzino 36 di fette ed il robot interno 30 e, viceversa, dal robot interno 30 alla prima zona di magazzino 36.

La zona di magazzino 36 è munita di due cassette 38 e 40 che servono a contenere delle fette di materiale semiconduttore da sottoporre a trattamenti nella camera di reazione 22, oppure a contenere le fette di materiale semiconduttore che abbiano subito i trattamenti nella camera di reazione 22. Inoltre, la zona di magazzino 36 contiene un braccio articolato 42, terminante con un mezzo di presa 44 del tipo a depressione, che serve ad assicurare il trasporto di fette 24 dalla cassetta 38 alla camera di spurgo 34 e, viceversa, dalla camera di spurgo 34 alla cassetta 40. Il braccio articolato 42 è già di per sé noto.

La camera di spurgo 34 comprende una prima porta a tenuta ermetica 50, di tipo ad azionamento rapido come una porta a ghigliottina, una seconda porta a tenuta ermetica 52, del medesimo tipo della porta 50, ed un disco 54 di appoggio delle fette 24 in transito entro la medesima camera di spurgo 34. Di preferenza, il disco 54 è fatto di quarzo per assicurare buona resistenza all’usura e contaminazione sostanzialmente nulla ed è munito di una rientranza 55 per ospitare il mezzo di presa 44 quando entra nella camera di spurgo 34 per depositare o prelevare una fetta 24. I! disco 54 ha massa relativamente grande, rispetto alla fetta, al fine di meglio dissipare il suo calore durante la fase di raffreddamento. La camera ili spurgo 34 serve a portare le fette 24 dall’atmosfera sostanzialmente depolvcrizzata della zona di magazzino 36, che può essere di aria o di un semplice gas inerte, come azoto, a quella della camera di reazione 22, la quale consiste principalmente di idrogeno, e viceversa dall’atmosfera sostanzialmente di idrogeno della camera di reazione 22 a quella della zona ili magazzino 26, perchè conviene evitare di introdurre gas reattivi con l<'>idrogeno nella camera di reazione e di liberare nell’atmosfera l’idrogeno assieme ai gas, che si formano nella camera di reazione durante le reazioni per le deposizioni CVD e che possono<' >essere tossici od irritanti, come per esempio HC1.

Il robot interno 30 è contenuto in una camera stagna 56 munita, oltre che della porta a tenuta ermetica 52 verso la camera di spurgo 34, anche di un’altra porta a tenuta ermetica 57 verso la camera di reazione 22 e comprende un braccio articolato 58 portante al suo estremo esterno un mezzo di presa e di trasporto 60, da descriversi più in dettaglio nelle figure da 2 a 4, che serve a trasportare le fette 24 dalla camera di spurgo 34 alla camera di reazione 22 e viceversa.

Considerando le figure da 2 a 4, si vede che un mezzo di presa e trasporto 60 secondo la presente invenzione consiste di mezzi di snodo 62, collegati al braccio articolato 58, di un braccio tubolare 64 munito di raccordo 66 da collegarsi ad un tubo flessibile 68 (visibile nella figura 1) clic, a sua volta, si collega ad una macchina pneumatica (non mostrata) come sorgente di depressione. Il braccio tubolare 64 si collega, al suo estremo distante dai mezzi di snodo 62, ad un utensile di presa o “mano” 70 che serve a trattenere una fetta 24 durante il suo trasporto dal disco 54 di appoggio delle fette presente nella camera di spurgo 34 al suscettore discoidale 26 e, viceversa, dal suscettore 26 al disco di appoggio 24.

La mano 70 è formata da due elementi 72 e 74, sagomati a corona circolare ed incollati tra di loro. L’elemento superiore 72 è munito di una coda 76, per ancoraggio ad una morsa 78 collegata al braccio tubolare 64, e forma con una coda 80 dell’elemento inferiore 74 un condotto 82 comunicante con il braccio tubolare 64. L’elemento inferiore 74 è munito di una cava circolare 84 comunicante con il condotto 82 e con dei forellini attraversanti la sua faccia rivolta verso la fetta 24. Inoltre, questo elemento inferiore 74 entra in contatto solo con un bordo limitato 25 della fetta 24 che è previsto di nessuna utilità per i trattamenti da eseguirsi sulla fetta.

Si considerino ora le figure da 5 a 8 che illustrano il procedimento del mezzo di presa 60 per depositare una fetta di semiconduttore 24 entro una cava 28 del disco di suscettore 26. Come è stato ampiamente illustrato nelle figure 2 e 3, il mezzo di presa 60 è formato da una mano 70 che si collega mediante il braccio tubolare 64 ed il raccordo 66 ad un tubo flessibile 68 comunicante, su comando, con una sorgente di depressione.

Come mostrato nella figura 5, il mezzo di presa 60 entra nella camera di reazione 22 portando una fetta 24 di semiconduttore aderente alla mano 70, dove l’adesione della fetta 24 alla mano 70 è assicurata dalla depressione simboleggiata da una freccia 90 applicata al raccordo 66. L<’>entrata nella camera di reazione 22 è simboleggiata da una prima freccia spessa 92 che indica un movimento di avanzamento del braccio articolato 58. Quindi il mezzo di presa 60 comincia a scendere verso il suscettore discoidale 26, come simboleggiato da una seconda freccia spessa 94 che indica un movimento di abbassamento del medesimo braccio articolato 58.

Fintanto che il braccio articolato 58 è così rialzato che la fetta 24 tenuta dalla mano 70 non tocca la cava 28 sul suscettore discoidale 26, il peso della mano 70 e della fetta 24 obbligano i mezzi di snodo 62 ad appoggiarsi su un cuscinetto 96 presente all’estremo del braccio 58, ruotando attorno ad un perno 98 e scendendo fino ad un punto consentito da una vite di regolazione 100. Quando il braccio 58 scende fino al punto in cui l’estremo della fetta 24 tocca la cava 28 verso l’interno del suscettore 26, come visibile nella figura 6, si arresta la discesa della mano 70 ed il mezzo di presa 60 viene ad orientarsi sempre più parallelo al suscettore 26 con inizio di sollevamento della vite 100 fino a che, come visibile nella figura 7, la fetta 24 si appoggia totalmente sulla cava 28. A questo punto si toglie la depressione, rappresentata dalla freccia 90, provocando il distacco della fetta 24 dalla mano 70. Nel frattempo prima che la fetta 24 si sia distaccata dalla mano 70 due bussole 63 e 65 di materiale antiattrito, come ceramica o Teflon consentono una rotazione del braccio tubolare 64 secondo una freccia circolare 67, indicata nella figura 3, per consentire un completo livellamento della fetta 24 nella cava 28 conferendo quindi ai mezzi di presa e trasporto 60 la caratteristica di autolivellamento propria di questa invenzione. Una volta che la fetta 24 è completamente appoggiata e livellata nella cava 28 e che l’assenza della depressione 90 ha provocato il distacco della mano 70 dalla medesima fetta, un’ulteriore discesa del braccio articolato 58 porta a sollevare la mano 70 dal lato interno della fetta 24, come visibile nella figura 8.

Esaminando ora le figure da 9 a 12 si vede come la mano 70 può distaccarsi dalla fetta 24, abbandonandola completamente nella cava 28 del suscettore 26. Infatti nella figura 9 si vede che, mentre la medesima assenza di depressione 90 mantiene sostanzialmente distaccata la mano 70 dalla fetta 24, il braccio 58 comincia a sollevarsi secondo la freccia spessa 104 fino a che la mano 70 si appoggia completamente sulla fetta 70, come visibile nella figura 10, pur rimanendo distaccata dalla fetta a causa dell’assenza di depressione 90 applicata alla mano. Un successivo rialzamento del braccio articolato 58 secondo la freccia 104 porta a sollevare sul lato esterno la mano 70, come visibile nella figura 11. Infine un ulteriore sollevamento del braccio 58 distacca completamente e solleva la mano 70 dalla fetta 24 ed un movimento di ritiro del braccio 58 secondo la freccia 106 porta i mezzi di presa e trasporto 60 fuori dalla camera di reazione 22 (vedere la figura 1).

Le figure da 13 a 16 illustrano il procedimento del mezzo di presa 60 per far posare una mano 70 su una fetta 24 alloggiata in una cava del suscettore 26 e le figure da 17 a 20 illustrano il sollevamento ed il prelievo della fetta 24 dalla cava 28 del suscettore 26.

Facendo riferimento in particolare alle figure da 13 a 16, si vede che il braccio articolato 58 con il movimento di avanzamento indicato dalla freccia 92 porta la mano 70 in allineamento con la fetta 24 mentre con il movimento di abbassamento indicato dalla freccia 94 fa avvicinare la mano alla fetta. Come visibile nella figura 14, l’abbassamento ulteriore del braccio 58 porta la mano 70 in contatto prima con il lato interno della fetta 24 ed infine, come visibile nella figura 15, in contatto con tutta la fetta 24. Le bussole 63 e 65, consentendo una rotazione attorno all’asse del braccio tubolare 64, permettono anche un completo autoallineamento della mano 70 con la fetta 24. Il braccio 58 può scendere ancora un poco, come illustrato nella figura 16, portando ad un certo distacco della mano 70 dal lato interno delia fetta 24 ma la cosa è priva di importanza.

Facendo riferimento alla figura 17, si vede che il braccio articolato 58 ricomincia a salire, come indicato dalla freccia 104, mentre al braccio tubolare 64 è applicata una depressione indicata dalla freccia 90 che fa aderire per primo il lato esterno della fetta 24 alla mano 70. Successivamente, come indicato nella figura 18, un’ulteriore risalita del braccio articolato 58 porta la mano 70 completamente aderente alla fetta 24 mentre la depressione 90 attacca la fetta 24 alla mano 70. Il successivo ulteriore sollevamento del braccio 58 fa ruotare i mezzi di snodo 62 attorno al loro perno 98 fino a che la vite 100 si appoggia sul cuscinetto 96, provocando il distacco del lato esterno della fetta 24 dalla cava 28 del suscettore 26, come visibile nella figura 19, evitando perciò ogni forzatura di distacco della fetta 24 dalla cava 28, come potrebbe succedere se si volesse distaccare la fetta 24 mantenendola parallela alla cava 28. Questo evita potenziali danni alla fetta 24 dovuti a forze eccessive applicate dalla mano 70 e possibili vibrazioni del medesimo braccio tubolare 64 dovute ad un improvviso rilascio della fetta 24 dalla cava 28. Infine, come visibile nella figura 20, un ultimo sollevamento del braccio 58 secondo la freccia 104 distacca completamente la fetta 24 dalla cava 28, mentre un movimentò di ritiro del braccio 28 secondo la freccia 106 porta la mano 70 con la fetta 24 fuori dalla camera di reazione 22 (vedere la figura 1).

Si deve notare che, per evitare eccessive deformazioni da imbarcamento delle fette 24, e/o per compensare piccoli errori di allineamento quando le medesime fette sono trasportate dalla mano 70, sono presenti mezzi per regolare la depressione applicata dalla medesima fetta 70. In particolare, la depressione deve essere massima mentre la mano 70 inizia ad impegnare le fette 24, ma viene poi regolata ad un valore prefissato quando è completo l’impegno della mano 70 con le fette 24.

Quanto è stato qui sopra esposto ha illustrato un esempio di realizzazione dell’invenzione da non considerarsi affatto come limitante l’invenzione il cui ambito di protezione sarà definito solo dalle allegate rivendicazioni. Quindi si devono considerare qui protette tutte quelle soluzioni logicamente equivalenti che possono venire in mente ad un esperto nel ramo dalla lettura della sopraddetta descrizione.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per maneggiare substrati di materiali prodotti in apparecchiature o reattori epitassiali, come fette (24) di materiali semiconduttori, comprendente: lina camera di reazione (22), un robot interno (30) per maneggiare i substrati o fette (24) di materiali semiconduttori, una camera di spurgo (34) per passare in atmosfera di pulizia le fette (24), una zona di magazzino (36) contenente delle cassette (38, 40) portanti accatastate le fette (24) di materiali semiconduttori, un robot esterno (32) per far passare le fette (24) dal magazzino (36) al robot interno (30), il robot interno (30) comprendendo una camera stagna (56) che alloggia un braccio articolato (58) il quale porta al suo estremo esterno un mezzo di presa (60), caratterizzato dal fatto che il mezzo di presa (60) del robot interno (30) comprende almeno un braccio (64) infilabile nella camera di reazione (22) terminante con un utensile di presa o mano (70) per prendere una fetta (24) di materiale semiconduttore dalla camera di spurgo (34) e trasportarla, dopo aver attraversato la camera stagna (56), a depositarsi in una cava (28) di un suscettore a disco (26) della camera di reazione (22), e viceversa, dalla cava (2S) alla camera di spurgo (34), dove la mano (70) tocca la fetta (24) su una zona periferica o bordo smussato (25), la mano afferra la fetta (24) sfruttando un effetto di depressione e la posa sul suscettore (26) a disco toccando prima la corrispondente cava (28) su un lato e quindi entrando completamente irì contatto con la medesima e viceversa, nel trasportare una fetta (24) dalla camera di reazione (22) alla camera di spurgo (34), afferra la fetta (24) sfruttando un effetto di depressione, la distacca dalla cava (28) del suscettore (26), sollevandola prima da un lato e quindi distaccandola completamente, e la posa infine su un disco di appoggio (54) contenuto nella camera di spurgo (34).
2. 2. Dispositivo per maneggiare substrati, come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il braccio (64) è tubolare cavo, comunicante, da una parte, mediante un tubo flessibile (68) con una sorgente di depressione c dall’altra con una cava circolare (84) praticata entro la mano (70) per applicare depressione tra una faccia inferiore della medesima mano (70) ed una fetta (24) presente sotto la mano (70).
3. 3. Dispositivo per maneggiare substrati, come alla rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che tra il braccio tubolare cavo (64) ed il braccio articolato (58) del robot interno (30) sono interposti dei mezzi di snodo (62) che consentono al braccio tubolare cavo (64) di poter alzarsi ed abbassarsi per portare la mano (70) al disopra e al disotto di un piano definito dal braccio articolato (58).
4. 4. Dispositivo per maneggiare substrati, come alla rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che tra il braccio tubolare cavo (64) ed il braccio articolato (58) del robot interno (30) sono interposti dei mezzi di snodo (62) che consentono inoltre una rotazione del braccio tubolare cavo (64) attorno ad un suo asse longitudinale.
5. 5. Dispositivo per maneggiare substrati, come alla rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che i mezzi di snodo (62) comprendono un cuscinetto di appoggio (96), fissato al braccio articolato(58), portante un perno di rotazione (98), attorno al quale ruotano i mezzi di snodo (62), ed una vite di regolazione (100) per fissare il livelli consentiti di innalzamento ed abbassamento della mano (70) rispetto al piano del braccio articolato (58) per cui la mano (70) può appoggiarsi in senso radiale sul suscettore discoidale (26) solo con la parte anteriore, solo con la parte posteriore, oppure perfettamente in piano con il medesimo suscettore (26).
6. 6. Dispositivo per maneggiare substrati, come alla rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che i mezzi di snodo (62) comprendono inoltre attorno al braccio tubolare cavo (64) delle bussole antiattrito (63, 65) per consentire un allineamento in senso perpendicolare al raggio del suscettore discoidale (26) della medesima mano (70).
7. 7. Dispositivo per maneggiare substrati, come alla rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che la mano (70) ha la forma di un disco di diametro superiore alla fetta (24) da maneggiare e presenta una parte inferiore (74), affacciata verso la fetta (24), munita di una sede rientrante che impegna solo un orlo periferico esterno (25) della medesima fetta (24).
8. 8. Dispositivo per maneggiare substrati, come alla rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che l’orlo periferico (25) della fetta (24) è conformato come una regione smussata che collega la superficie superiore alla superficie laterale della medesima fetta.
9. 9. Dispositivo per maneggiare substrati, come alla rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che la sede è presente su una parte inferiore (74) della mano (70) ed è munita di una pluralità di fori periferici (86) in comunicazione con una camera (84) interna alla medesima mano (70) che, a sua volta, comunica con il braccio tubolare cavo (64) per applicare depressione tra la fetta (24) e la mano (70).
10. 10 Dispositivo per maneggiare substrati, come alla rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che i fori periferici (86) sono maggiormente concentrati dove si prevedono maggióri perdite di depressione.
11. 1 1. Dispositivo per maneggiare substrati, come alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che si impiega un telemetrò a laser il quale misura una distanza tra un emettitore laser ed il suscettore a disco (26) della camera di reazione (22), sotto esame, producendo un segnale analogico proporzionale alla detta distanza, dove detto telemetro rileva difetti di planarità del suscettore (26), come pure difetti di parallelismo tra il suscettore (26) e la camera di reazione (22).
12. 12. Dispositivo per maneggiare substrati, come alla rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che si impiega una tacca praticata nell’orlo esterno del suscettore (26) come riferimento angolare rilevabile dal telemetro laser e le cave (28) per le fette (24) sono contate a partire da questa tacca.
13. 13. Metodo per posare una fetta (24) in una sede (28) di un suscettore discoidale (26), presente in una camera di reazione (22), mediante una mano (70) di un dispositivo secondo le rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che una fetta (24), tenuta aderente alla mano (70) per depressione, entra nella camera di reazione (22) tenuta sollevata, si porta fino a sopra una della cave (28) del suscettore discoidale (26), scende per posarsi sulla medesima cava (28) rimanendo inclinata in avanti in modo da toccare la cava (28) inizialmente in un punto radialmente più interno, successivamente con tutta la superficie, quindi, dopo aver tolto la depressione che tiene unita la fetta (24) alla mano (70), scende ancora staccando la mano (70) dalla fetta (24), poi la mano (70) si risolleva, staccandosi completamente dalla fetta (24) ed infine si ritira uscendo fuori dalla camera di reazione (22).
14. 14. Metodo per prelevare una fetta (24) da una sede (28) di un suscettore discoidale (26), presente in una camera di reazione (22), mediante una mano (70) di un dispositivo secondo le rivendicazioni da 1 a 12 caratterizzato dal fatto che la mano (70) entra nella camera di reazione (22) tenuta sollevata, si porta fino a sopra una fetta (24) ospitata in una delle cave (28) del suscettore discoidale (26), si abbassa fino a toccare la fetta (24) prima su un punto radialmente interno e quindi sull’intera la circonferenza della fetta (24), poi, dopo aver toccato la fetta sull’intera circonferenza, applica depressione per portare la fetta (24) ad aderire con il suo bordo (25) alla mano (70) e quindi comincia a risalire staccando la fetta (24) dalla cava (28), prima in un punto radialmente esterno e poi sull’intera superficie della fetta (24), ed infine, dopo aver sollevato completamente la fetta (24) dalla cava (28) del suscettore (26), la porta fuori dalla camera di reazione (22).
15. 15. Metodo, come alle rivendicazioni 13 e 14, caratterizzato dal fatto che, per evitare eccessive deformazioni delle fette (24) dovute ad imbarcamento, si applica alla mano (70) una depressione che è massima all’inizio dell’impegno delle fette (24) da parte della medesima mano (70), quando le fette (24) non sono ancora completamente aderenti alla mano (70), ma successivamente dei mezzi di regolazione delle depressione riducono la medesima depressione ad un valore minore, sufficiente a mantenere l’adesione tra fette (24) e mano (70) senza provocare deformazione sostanziale delle fette (24).