KR100751998B1 - 웨이퍼 취급 로봇들을 위한 온더플라이 중심 발견 및 노치정렬을 위한 장치 - Google Patents

웨이퍼 취급 로봇들을 위한 온더플라이 중심 발견 및 노치정렬을 위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 중앙 이송챔버에 연결된 챔버들 사이에서 기판이 이송될 때, 온더플라이(on-the-fly) 기판 배향 및 중심 발견 구조들을 가지는 결합된 배향/중심발견 시스템을 제공한다. 상기 장치는 기판을 이송하도록 준비된 종단 이펙터(effector); 로봇에 의해 이송되는 경로와 교차하는 평면에서 센서 빔을 방출하도록 배치된 하나 또는 그이상의 이미터들; 센서 빔을 받아들이고 프로세서로 신호들을 발생시키도록 배치된 하나 또는 그이상의 리시버들; 참조 포인트에 대해 기판의 배향 인디케이터(indicator) 및 중심 포인트를 결정하기 위해 하나 또는 그이상의 리시버들로부터의 신호들을 프로세싱하도록 준비된 프로세서; 및 기판의 배향 인디케이터 및 중심 포인트에 따라 로봇 이동을 제어하기 위한 제어기를 가지는 로봇을 포함한다. 본 발명에 따라 기판을 위치시키는 방법은 센서 빔의 평면과 교차하는 경로를 따라 기판을 이송시키는 단계; 센서 빔으로부터의 신호들을 사용하여 기판의 배향 인디케이터 및 중심 포인트를 결정하는 단계; 및 기판의 배향 인디케이터 및 중심 포인트에 따라 기판을 위치시키는 단계를 포함한다.

Description

웨이퍼 취급 로봇들을 위한 온더플라이 중심 발견 및 노치 정렬을 위한 장치{APPARATUS FOR ON-THE-FLY CENTER FINDING AND NOTCH ALIGNING FOR WAFER HANDLING ROBOTS}
도 1은 본 발명에 따른 기판 배향/중심-발견 장치를 포함하는 프로세싱 시스템의 간략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 로드록(load lock) 챔버 및 이송 로봇의 사시도이다.
도 3A-3F는 본 발명에 따른 3단-팔(three-arm) 로봇을 사용하는 기판 이송의 일 실시예를 도시한다.
도 4A-4F는 개구리-다리(frog-leg) 로봇을 사용하는 기판 이송의 일 실시예를 도시한다.
*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*
로드록 챔버 : 210
이송 로봇 : 220
센서 어셈블리 : 230
이미터 : 231
리시버 : 232
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 로봇 기판 취급 시스템들에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은 기판이 로봇 취급 시스템에 의해 챔버들 사이에서 이송되는 동안 온더플라이(on-the-fly) 기판 배향 및 중심 발견을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
관련 기술의 배경
집적 회로들의 설계에서, 반도체 기판들은 프로세싱을 위한 자동화된 설비를 사용하여 다양한 반응 및 다른 프로세싱 챔버들 내로 적재된다. 전형적으로, 자동화된 설비는 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판을 로드록 챔버내의 카세트로부터 중앙 이송챔버를 통하여 이송챔버에 연결되어 배치된 하나 또는 그이상의 프로세싱 챔버들로 이송할 수 있는 로봇을 포함한다. 로봇은 이송챔버에 연결된 모든 챔버들로의 접근을 허용하기 위해 전형적으로 이송챔버에서 중앙 위치에 배치된다. 프로세스될 기판의 목적하는 정확한 표면 영역 상으로의 프로세싱의 효과들을 최대화하기 위해 프로세싱 챔버 내의 최적화 위치에 기판이 정확히 위치될 수 있도록 프로세싱 챔버에 대한 반도체 기판의 정확한 위치 및 배향을 아는 것은 바람직하다. 바람직하게는, 기판 상의 중심 포인트 및 노치(notch)나 플랫 배향 인디케이터(flat orientation indicator)는 기판을 목적하는 프로세싱 위치와 정렬되게 위치시키도록 결정된다. 마찬가지로, 위치 에러가 제거되지 않는 다면 최소화되도록 참조 포인트로서 사용되고 그 위로 기판이 이송되는 기판 위치 장치가 일상적으로 교정되는 것이 또한 바람직하다.
반도체 기판들의 중심 포인트 및 노치나 플랫 배향 인디케이터를 위치시키기 위한 현재의 한 방법 및 시스템은 "스핀들(spindle)" 타입 배향/중심-발견 장치를 제공한다. 기판은 셔틀(shuttle) 로봇에 의해 기판의 중심 및 배향을 결정하기 위해 기판이 증분적으로(incrementally) 회전되는 배향/중심-발견 장치 내의 스핀들로 이송된다. 회전 중심에서 웨이퍼의 주위 사이의 거리는 센서 수단들에 의해 선형 경로를 따라 측정되고, 웨이퍼 중심 포인트 오프셋(offset)은 측정치들의 기하학적 분석에 의해 계산되며 웨이퍼는 셔틀 로봇에 의해 스핀들 상의 중심에 위치된다.
스핀들 타입 방법 및 시스템에는 몇가지 불리한 점이 있다. 우선, 그것은 프로세싱 시스템으로부터 완전히 별개이고 구별되는 장치라는 점이다. 별개의 중심-발견 장치를 가지는 것은 제조 프로세스에서 추가적인 단계를 필요로하고, 비용과 복잡성을 부가하며 귀중한 수율 시간(throughput time)을 감소시킨다. 그것은 웨이퍼는 로봇에 의해 웨이퍼 저장 카세트로부터 직접 꺼낼 수 없고 먼저 별도의 중심-발견 장치에 의해 취급되지 않고는 프로세싱 챔버로 이송될 수 없다는 것이다. 그 결과로, 그것이 웨이퍼 저장 카세트로부터 프로세싱 챔버로 이송될 때 스핀들 타입 시스템 및 방법은 웨이퍼의 직접 이동을 이용하지 않는다. 또한, 중심-발견 방법이 정확하도록 유지되려면 셔틀 로봇은 별도의 교정 툴(tool)에 의한 주기적인 교정을 필요로 할 것이다. 더욱이, 일단 위치시키는 방법이 수행되면, 웨이퍼는 웨이퍼의 정확한 위치를 유지시키는 주기적인 교정을 또한 필요로 하는 별도의 웨이퍼 이송 암(arm)으로 이송된다.
반도체 기판들의 중심포인트를 위치시키기 위한 다른 시스템은 쳉(Cheng)등 에게 1989.4.4. 부여된 집적 회로 웨이퍼의 중심을 검출하기 위한 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR DETECTING THE CENTER OF AN INTEGRATED CIRCUIT WAFER)의 명칭인 미국 특허 제4,819,167호에서 개시되는데, 그 특허는 전체로서 참조로 여기에 포함되고 본 발명의 양수인인 미국 캘리포니아 산타 클라라의 어플라이드 머티리얼스(Applied Materials)에 양도된다.
쳉등의 발명에서, 개시된 시스템 및 방법은 반도체 웨이퍼가 웨이퍼 지지 블레이드의 선형 경로를 일반적으로 횡단하여 위치된 센서들의 어레이를 가로질러 그에 의해 선형 경로를 따라 이동되는 "광학 센서 어레이" 타입이다. 이 중심발견 방법은 프로세싱 시스템 로봇에 의해 저장 카세트로부터 웨이퍼의 직접 제거 할 때 및 프로세싱 챔버로 가는 동안 수행된다. 웨이퍼의 로봇 블레이드 및 주위 에지들은 로봇 블레이드에 대한 웨이퍼의 좌표 중심 위치를 계산하기 위해 광학 센서들에 의해 별도로 검출된다. x-y 좌표 시스템이 로봇 암/블레이드의 이동의 경로(x) 및 광학 센서들의 중심 라인(y)에 의해 정의된다. y 좌표축의 원점(0)은 중심 센서의 위치에 의해 정의된다. 로봇 블레이드의 검출은 그로부터 웨이퍼를 목표 포인트로 이동시킬 x-y 좌표 시스템의 원점(0,0) 및 참조 포인트를 제공한다. 웨이퍼의 리딩(leading) 및 트레일링(trailing) 에지들을 따르는 포인트들의 검출은 웨이퍼의 이동 경로에 일반적으로 평행한 x축 상의 포인트들을 제공하고 그로부터 웨이퍼 의 중심 포인트들이 기하학적으로 결정될 수 있다. 일단 웨이퍼 중심 위치가 기하학적으로 결정되면, 웨이퍼는 이동될 수 있고 그 목표 위치에 위치될 수 있다.
쳉등의 발명의 타입인 중심발견 시스템은 별개이고 구별되는 장치를 가지는 불리한 점을 극복한다. 웨이퍼의 중심 포인트는 웨이퍼가 그 목표 위치로 이동될 동안 바로 결정된다. 이것은 R-Theta 타입의 로봇이 쳉등의 발명에서 나타난 바와 같은 단일 로드록 챔버를 가진 다중 챔버 프로세싱 장치에서 존재할 때 웨이퍼 프로세싱 시스템 구성에 있어 특히 유리하다. 그러나, 쳉등의 발명 타입 중심발견 시스템은 노치(notch) 또는 플랫 배향(orientation) 인디케이터를 기판 상에 특정 방향으로 정렬시키기 위한 기판의 배향을 제공하지 않는다. 기판은 로드록 카세트에서 배향된 위치로 제공되고 별도의 배향 장치에서 배향되어야 한다.
그러므로, 기판이 중앙 이송챔버에 연결된 챔버들 사이에서 이송될 때 온더플라이(on-the-fly) 기판 배향 및 중심 발견 구조들을 제공하는 결합된 배향/중심발견 시스템에 대한 요구가 있다.
본 발명은 기판이 중앙 이송챔버에 연결된 챔버들 사이에서 이송될 때 온더플라이 기판 배향 및 중심 발견 구조를 가지는 결합된 배향/중심발견 시스템을 일반적으로 제공한다.
본 발명의 일면은: 기판을 이송하도록 준비된 종단 이펙터(end effector)를 가지는 로봇; 로봇에 의해 이송되는 기판의 경로를 교차하는 평면에 센서 빔을 방출하도록 배치된 하나 또는 그이상의 이미터들; 센서 빔을 받고 프로세서로 신호들을 발생시키도록 배치된 하나 또는 그이상의 리시버들; 참조 포인트에 대한 기판의 배향 인디케이터 및 중심 포인트를 결정하기 위해 하나 또는 그이상의 리시버들로부터의 신호들을 프로세싱하도록 준비된 프로세서; 및 기판의 배향 인디케이터 및 중심 포인트에 따라 로봇의 이동을 제어하기 위한 제어기를 포함하는 장치를 제공한다. 바람직하게는, 로봇은 개구리-다리 타입 로봇 또는 종단 이펙터 상에 배치된 회전가능한 그립퍼(gripper)를 가지는 다중-연결 타입 로봇을 포함한다.
본 발명의 다른 면은, 센서 빔의 평면과 교차하는 경로를 따라 기판을 이송시키는 단계; 센서 빔으로부터의 신호들을 사용하여 기판의 배향 인디케이터 및 중심 포인트를 결정하는 단계; 및 기판의 배향 인디케이터 및 중심 포인트에 따라 기판을 위치시키는 단계를 포함하는 본 발명에 따라 기판을 위치시키기 위한 방법을 제공한다. 바람직하게는, 기판의 중심 포인트는 기판 주위에 상응하는 데이터 포인트들의 집합의 에러 함수를 최소화함으로써 결정되고, 배향 인디케이터는 배향 인디케이터를 위해 저장된 데이터의 집합과 반경 이탈 값을 초과하는 데이터 포인트들의 집합을 비교함으로서 결정된다.
기판을 위치시키는 단계는 기판의 배향 인디케이터 및 중심 포인트를 목표 위치와 정렬시키는 단계를 포함한다. 기판을 위치시키는 한 방법은: 로봇의 종단 이펙터 상의 목적하는 배향으로 기판을 회전시키는 단계; 챔버 내로 삽입시키기 위해 기판을 위치시키기 위해 로봇을 회전시키는 단계; 및 기판의 중심 포인트를 챔버에서 목표 위치와 정렬시키기 위해 로봇을 연장시키는 단계를 포함한다. 기판을 위치시키는 다른 방법은: 챔버 내로 삽입하기 위해 기판을 위치시키기 위해 로봇을 회전시키는 단계; 기판의 중심 포인트를 챔버 내에서 목표 위치와 정렬시키기 위해 로봇을 연장하는 단계; 로봇으로부터 기판을 상승시키는 단계; 기판의 중심 포인트와 정렬된 회전가능 로봇 종단 이펙터를 위치시키는 단계; 회전가능 로봇 종단 이펙터 상으로 기판을 하강시키는 단계; 및 기판을 목표 배향으로 회전시키는 단계를 포함한다.
위에서 열거된 본 발명의 특징들, 이점들 및 목적들이 달성되고 상세히 이해될 수 있도록, 첨부된 도면들에서 도시되는 실시예들을 참조하여 위에서 간략히 요약된 본 발명은 더 상세하게 설명될 수 있다.
그러나, 본 발명은 다른 동등한 효과의 실시예들을 인정할 수 있을 것이기 때문에, 첨부된 도면들은 단지 본 발명의 전형적인 실시예들을 예시하는 것이고, 그러므로 그 범위를 제한하는 것이 아니고 라는 것에 주의해야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 기판 배향/중심-발견 장치를 포함하는 프로세싱 시스템의 간략도이다. 프로세싱 시스템(100)은 부착된 챔버 또는 다수의 모듈들을 가지는 메인프레임 또는 플랫폼(102)에 의해 형성되는 두-단계 진공 프로세싱 시스템이다. 두-단계 진공 프로세싱 플랫폼의 상업적 실시예의 일 예는 미국 캘리포니아 산타클라라의 어플라이드 머티리얼스(Applied Materials, Inc.)로부터 이용가능하며, 테프만(Tepman) 등에게 부여된 미국 특허 제5,186,718호에서 설명되고, 여기에 그 전체로서 참조로 포함된 Endura® 플랫폼이다.
프로세싱 시스템(100)은 제 1 스테이지 이송챔버(115)에 부착된 진공 로드-록 챔버들(105 및 110)을 포함한다. 기판들이 프로세싱 시스템(100)으로 들어가고 나가는 동안, 로드-록 챔버들(105 및 110)은 제 1 스테이지 이송챔버(115) 내에서 진공 조건들을 유지한다. 제 1 로봇(120)은 로드-록 챔버들(105 및 110)과 제 1 스테이지 이송챔버(115)에 부착된 하나 또는 그 이상의 기판 프로세싱 챔버들(125 및 130) 사이에서 기판들을 이송한다. 프로세싱 챔버들(125 및 130)은 화학 기상 증착(CVD), 물리 기상 증착(PVD), 에치, 사전-세정, 가스 배출, 배향(orientation) 및 다른 기판 프로세스와 같은 많은 기판 프로세싱 작동들을 수행하도록 구성될 수 있다. 제 1 로봇(120)은 또한 제 1 스테이지 이송챔버(115) 및 제 2 스테이지 이송챔버(140) 사이에 배치된 하나 또는 그 이상의 이송챔버들(135) 내외로 기판들을 이송한다.
이송챔버들(135)은 제 1 스테이지 이송챔버(115)와 제 2 스테이지 이송챔버(140) 사이에서 기판들이 이동되는 것을 허용하면서, 제 2 스테이지 이송챔버(140) 내에 초고 진공 조건들을 유지하기 위해 사용된다. 제 2 로봇(145)은 이송챔버(135)와 다수의 기판 프로세싱 챔버들(150, 155, 160 및 165) 사이에서 기판을 이송시킨다. 프로세싱 챔버들(125 및 130)과 유사하게, 각 프로세싱 챔버들(150내지 165)은 다양한 기판 프로세싱 작동들을 수행하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 프로세싱 챔버(150)는 절연막을 증착시키도록 구성된 CVD 챔버일 수 있고; 프로세싱 챔버(155)는 인터커넥트 구조들을 형성하기 위해 절연막에 애퍼쳐(aperture)들이나 개구들을 에치하도록 구성된 에치 챔버일 수 있고; 프로세싱 챔버(160)는 장벽(barrier) 막을 증착시키도록 구성된 PVD 챔버일 수 있으며; 프로세싱 챔버(165)는 금속막을 증착시키도록 구성된 PVD 챔버일 수 있다. 집적 회로 또는 칩의 완전한 제조에 요구되는 모든 프로세스를 수행하기 위해 다수의 프로세싱 시스템들이 요구될 수 있다.
제어기(170)는 프로세싱 시스템(100)의 전체 동작 및 기판 프로세싱 챔버들 각각에서 수행되는 개별 프로세스들을 제어할 수 있다. 제어기(170)는 마이크로프로세서 또는 컴퓨터(미도시) 및 마이크로프로세서나 컴퓨터에 의해 실행되는 컴퓨터 프로그램을 포함할 수 있다. 기판들은 제어기에 의해 제어되는 컨베이어 벨트 또는 로봇 시스템(미도시)에 의해 진공 로드-록 챔버들(105 및 110)로 이송된다. 로봇들(120 및 145)은 프로세싱 시스템(100)의 다양한 프로세싱 챔버들 사이에서 기판들을 이송하도록 제어기에 의해 또한 작동된다. 부가적으로, 제어기(170)는 프로세싱 시스템(100)에 연결된 다른 구성 요소들 또는 시스템들을 제어 및/또는 함께 사용될 수 있다. 비록 본 발명이 스테이지드(staged) 진공 프로세싱 시스템에서의 적용에서 설명되었지만, 발명자들은 기판 중심 발견 및 배향을 요구하는 다양한 기판 프로세싱 시스템들에서의 본 발명의 적용들을 고려한다. 프로세싱 시스템들의 예들은 캘리포니아 산타클라라의 어플라이드 머티리얼스로부터 이용가능한 Centura®, Endura®, Producer® 및 P5000® 시스템들을 포함한다.
도 2는 본 발명에 따른 로드록 챔버(210) 및 이송 로봇(220)의 사시도이다. 로드록 챔버(210)(예, 로드록 챔버들(105, 110) 중 하나)는 슬릿 밸브들(미도시)에 의해 선택적으로 개폐되는 개구들(202)을 통해 이송챔버(예, 제 1 스테이지 이송챔버(115))에 연결된다. 기판들은 프로세싱 시스템 내로 기판들의 도입을 용이하게 하기 위해 전형적으로 로드록 챔버 내로 적재되는 웨이퍼 카세트 내에 저장된다. 웨이퍼 카세트는 이송 로봇에 의해 웨이퍼 카세트에서의 개별 기판들의 접근을 제공하기 위해 전형적으로 로드록 챔버의 하부 부분을 통해 연결된 스텝(stepper) 모터에 의해 인덱스(index)된다. 이송 로봇(220)(예, 제 1 로봇(120))은 이송챔버에 부착된 다른 챔버들 사이에서 기판 이송들을 제공하기 위하여 이송챔버의 중심에 위치된다.
이송 로봇의 일 실시예는 도 1 및 2에서 도시된 세-관절(three-joint) 로봇이다. 이송 로봇의 각 관절은 로봇의 베이스에 수납된 모터에 의해 제어된다. 각 관절은 벨트 또는 다른 연결 메커니즘을 통해 그 제어 모터에 연결된다. 바람직하게는, 세 개의 모터들은 세 개의 연결들을 θ1, θ2 및 θ3에서 각각 위치시키기 위해 독립적으로 제어된다. 로봇은 각 모터가 게 연결들을 목적하는 θ1, θ2 및 θ3 에 각각 위치시키기 위해 요구되는 단계들의 수를 정의하는 프로그램된 운동학 방정식들의 집합에 의해 전형적으로 제어된다. 프로그램된 운동학 방정식들은 전형적으로 로봇을 특정 위치들로 이동시키기 위한 신호들을 제공하는 마이크로프로세서에 연결된 데이터 메모리 저장장치에 저장된다. 프로세서는 로봇의 역(inverse) 운동학 방정식들을 사용하여 또한 제 1 및 제 2 연결들의 관절 위치들(θ1, θ2)을 계산할 수 있다. 제 3 연결의 회전축의 주어진 위치(즉, x-y 좌표) 및 배향(θ3)에서, 제 1 및 제 2 연결의 관절 위치들(θ1, θ2)은 로봇의 역 운동학 방정식을 사용하여 계산될 수 있다. 로봇은 바람직하게는 프로세싱 시스템 내의 다양한 챔버들 사이에서 요구되는 기판 이송 함수들을 수행하기 위해 교정된다. 다양한 로봇 교정(calibration) 기술들은 당업계에서 알려져 있고 로봇들을 교정하기 위해 사용될 수 있다.
센서 어셈블리(230)는 기판이 로드록 챔버 밖으로 이송될 때 기판의 경로와 교차하는 위치에 배치된다. 일 실시예에서, 센서 어셈블리(230)는 이미터(231) 및 리시버(232)를 포함하고, 슬릿 밸브 및 개구(204)의 개폐에 관련된 관련 슬릿 밸브 어셈블리 구성 요소들로부터의 간섭을 회피하는 위치에서 개구(204)에 인접한 이송챔버의 내부 표면에 부착된다. 이미터(231)는 이미터(231)의 위치에 대향인 개구(204) 아래의 위치에 배치될 수 있다. 이미터(231)는 기판 이송 동안 기판의 경로와 교차하는 광면을 투사할 수 있다. 대안으로, 이미터는 이송의 동안 기판의 경로와 교차하는 광면을 투사하기 위해 개구(204) 상부에 배치된 개별 이미터들의 어레이를 포함할 수 있다. 리시버(232)는 단일 리시버 또는 이미터들에 의해 방출된 신호들을 검출하기 위해 개구(204) 하부에 배치된 리시버들의 어레이를 포함할 수 있다. 이미터들 및 리시버들의 어레이들을 가지는 대안의 실시예에서, 챔버 내외로의 이송의 동안 기판 경로의 완전한 커버리지를 보장하기 위해 다수의 이미터들은 서로 중첩될 수 있고 다수의 리시버들은 서로 중첩될 수 있다. 일 실시예에서, 이미터(231)는 기판 이송의 동안 웨이퍼가 완전히 잘못 정렬된 때에도 전체 웨이퍼 프로파일과 교차하는 빛을 방출하는 넓은 레이저 이미터이다.
기판이 로드록 챔버 외부로 이송될 때, 로봇 팔 및 기판의 부분은 이미터(231)로부터 방출된 광면의 부분을 막는다. 리시버(232)는 이미터(231)에 의해 방출된 빛을 검출하고 기판 이송의 동안 기판 및 로봇 팔에 의해 막힌 부분에 상응하는 신호들을 제공한다. 리시버(232)는 프로세서(예, 제어기(170))에 이러한 신호들을 제공하고, 프로세서는 이러한 신호들로부터 기판의 형상을 결정한다. 일 실시예에서, 센서(230)는 프로세서가 기판의 윤곽을 결정할 수 있는 스캔된 이미지의 데이터에 유사한 신호들을 제공한다.
기판의 형상은 막힌 빛의 부분을 시스템의 참조 포인트에 대해 기판의 운동과 서로 관련시킴으로써 결정된다. 일 실시예에서, 참조 포인트는 로봇의 시작 디폴트 위치이다. 대안으로, 이송챔버의 중심과 같은 다른 참조 포인트들은 기판의 상대적 위치를 매핑(mapping)하기 위해 효과적으로 사용될 수 있다.
로봇이 기판을 카세트 밖으로 완전히 꺼내고 기판이 센서들에 의해 스캔된 후, 기판의 주위에 상응하는 다수의 포인트들((x1, y1)에서 (xn, yn ))이 프로세서에 의해 생성된다. 기판의 중심(a, b) 및 기판의 반경(r)은 a, b, 및 r 각각에 대한 에러 함수를 최소화함으로써 이러한 데이터로부터 이때 결정된다. 에러 함수는 다음의 식에 의해 정의된다.
E(a,b,r) = [(x1-a)2 + (y1-b)2 - r2]2 +
[(x2-a)2 + (y2-b)2 - r2]2 + ... +
[(xn-a)2 + (yn-b)2 - r2]2
= Σ[(xi-a)2 + (yi-b)2 - r2]2, i= 1 에서 n 식(1)
a, b 및 r의 값들은 다음의 식등에 따라 에러를 최소화함으로써 결정된다.
δE/δa = 0 식(2)
δE/δb = 0 식(3)
δE/δr = 0 식(4)
위의 식들은 바람직하게는 웨이퍼 노치(notch) 또는 웨이퍼 플랫(flat)을 나타내는 포인트들 및 로봇 블레이드를 나타내는 포인트들과 같은 "열악한 포인트들"을 제거하는 미리 선택된 범위 내의 포인트들을 사용하여 수행된다. "열악한 포인트들"(xj, yj)은 다음의 식에 의해 제거될 수 있는데:
[(x1-a)2 + (y1-b)2 - r2]2 ≥ αmax 식(5)
αmax 는 기판 반경의 최대 예상 이탈(deviation)의 제곱에 일치하는 숫자이다. 예를 들어, 기판 반경에서의 이탈이 전형적으로 0.5mm보다 작은 200mm 기판들에 대해, αmax 는 0.25mm2(즉, 0.5mm x 0.5mm)이다. 그러므로, 이 사전 선택된 범위 외부의 검출된 포인트는 기판의 중심 포인트의 결정 부분으로서 사용되지 않는다.
"열악한 포인트들"은 웨이퍼 노치 또는 웨이퍼 플랫의 위치를 결정하기 위해 사용된다. 바람직하게는, 웨이퍼 노치 또는 웨이퍼 플랫의 크기에 관한 정보는 프로세서/컴퓨터 내로 입력되고, 컴퓨터는 많은 이러한 열악한 포인트들이 웨이퍼 노치 또는 웨이퍼 플랫에 상응하는지를 결정하기 위해 열악한 포인트들의 집합을 비교한다. 전형적으로, 연속적인 열악한 포인트들의 그룹은 웨이퍼 노치 또는 웨이퍼 플랫을 나타낸다. 프로세서는 연속적인 열악한 포인트들을 결정할 배향 인디케이터(indicator)를 위해 저장된 데이터와 비교한다.
그러나, 센서 및 리시버가 웨이퍼와 로봇 블레이드 사이를 구별할 수 없도록 웨이퍼 노치 또는 웨이퍼 플랫이 로봇 블레이드 상부에 위치되어서, 컴퓨터/프로세서가 웨이퍼 노치 또는 웨이퍼 플랫을 검출할 수 없을 때, 웨이퍼는 웨이퍼 노치 또는 웨이퍼 플랫을 로봇 블레이드로부터 떨어지게 위치시키기 위해 회전되고, 그후 웨이퍼는 센서들을 다시 통과한다. 웨이퍼는 바람직하게는 로봇의 종단 이펙터 상에 배치된 회전가능 그립퍼(gripper)/척에 의해 회전된다. 웨이퍼 블레이드로 인해 웨이퍼 노치 또는 웨이퍼 플랫이 검출로부터 차단되지 않는 것을 보장하기 위채 요구되는 회전가능한 그립퍼/척의 최소 각 변위(즉, 도(degrees))는 기판의 크기에 대한 웨이퍼 블레이드의 넓이에 의존한다. 전형적으로, 45도의 각변위는 웨이퍼 노치/플랫이 로봇 블레이드에 의해 차단되지 않는 검출가능한 위치로 이동되는 것을 보장한다. 그러나, 각변위가 기판을 검출가능한 또는 차단되지 않는 위치의 웨이퍼 노치 위치까지 충분히 회전시키는 한 각변위는 45도보다 작게 선택될 수 있다. 기판이 회전된 후, 로봇 블레이드는 완전히 연장되고 기판 형상을 결정하기 위 해 기판의 새로운 스캔을 위해 다시 수축된다. 중심 또는 웨이퍼 노치는 이때 위에서 설명된 바와 같이 계산된다.
일단 중심 포인트(a, b) 및 기판의 배향 인디케이터의 위치가 결정되면, 벡터들(A, B 및 C)이 도 5에서 나타난 바와 같이 계산될 수 있다. 벡터(A)는 로봇의 중심 포인트로부터 그립퍼의 중심까지의 벡터를 나타낸다. 벡터(B)는 로봇 상의 그립퍼의 중심으로부터 기판의 중심(a, b)까지의 벡터를 나타낸다. 벡터(C)는 기판의 중심(a, b)으로부터 배향 인디케이터까지의 벡터를 나타낸다. 프로세서는 도 6에서 나타난 바와 같이 기판을 정확한 중심 위치 및 배향으로 벡터들(A', B' 및 C')과 정렬시킨 채로 기판을 다음 프로세싱 챔버로 위치시키기 위해 역 운동학 방정식을 사용하여 로봇의 필요한 운동을 결정한다. 로봇은 그 이후 기판을 정확한 중심 위치 및 배향에 정렬시킨 채로 다음 프로세싱 챔버 내로 기판을 위치시킬 수 있다.
도 3A-3F는 본 발명에 따른 3단-팔(three-arm) 로봇을 사용하는 기판 이송의 일 실시예를 도시한다. 다음의 설명은 회전가능 진공 그립퍼와 같은 회전가능한 그립퍼(322)를 종단 이펙터(323)로서 가지는 3단-팔 로봇(320)을 사용하여 로드록 챔버(305)로부터 프로세싱 챔버(325)로의 전형적인 기판 이송을 예시한다. 본 발명이 시스템의 다양한 챔버들 사이의 기판 이송들에 적용가능한 것이 이해된다. 일반적으로, 로봇(320)은 도 3A에서 나타난 바와 같이, 로봇(320)이 완전히 수축되고 참조 방향으로부터 회전되지 않은 시작 위치(θ1a, θ2a, θ3a)로부터 시작한다. 로봇(320)은, 이때 도 3B에 나타난 바와 같이, 로봇 종단 이펙터(323)를 로드록 챔버(305) 내로 연장시키기 위한 위치에 정렬시키기 위해 위치(θ1b, θ2a, θ3a)로 회전한다.
로봇(320)은 다음, 도 3C에서 나타난 바와 같이, 회전가능 그립퍼(322)를 기판(302) 이송들의 동안 회전가능 그립퍼(32)가 기판(302)을 확실하게 잡을 수 있는 것을 보장하는 웨이퍼 카세트(306)에서 기판(302) 중심 부분 하부에 위치시키는 아래 위치(θ1c, θ2c, θ3c)로 연장된다. 대안으로, 로봇(320)은 회전가능 그립퍼(322)의 중심을 웨이퍼 카세트에서 이상적으로 정렬된 기판의 중심에 상응하는 위치에 위치시키기 위해 연장될 수 있다. 전형적으로, 웨이퍼 카세트(306)는 기판(302)을 회전가능 그립퍼(322) 상으로 위치시키기 위해 인덱스(index)된다. 대안으로, 로봇(320)은 기판(302)을 웨이퍼 카세트(306)에서의 슬롯으로부터 기판(302)을 들어올리기 위해 상승된다. 진공 메커니즘과 같은 그립퍼(322)의 그립핑 메커니즘은 이때 기판(302)을 이송될 동안 고정시키기 위해 활성화된다. 로봇(320)은 다음 도 3D에 나타난 바와 같이, 기판(302)이 그립퍼(322)에 고정된 채로, 로드록 챔버(305)의 외부 위치(θ1b, θ2a, θ3a)로 수축된다.
로봇(322)이 수축될 때, 챔버 상의 슬릿 개구에 인접하여 배치된 센서(330)(예, 이미터 및 리시버)는 기판(302)의 윤곽을 검출하고 프로세서/제어기로 신호들을 전송한다. 프로세서/제어기는 신호들을 받고, 시스템의 참조 포인트에 대한 중심 포인트 및 인디케이터의 배향을 포함하는 기판(302)의 위치를 계산한다. 일 실시예에서, 시작 위치(θ1a, θ2a, θ3a)는 다양한 챔버들 사이의 이송을 위한 단순한 계산들에 대한 참조 포인트로서 선택된다. 대안으로, 참조 포인트는, 기판이 챔버 밖으로 이송되기 전 또는 그 후에 로봇의 완전히 수축된 위치, 예를 들어 이 경우에선(θ1b, θ2a, θ3a)로서 선택된다. 그 이상의 대안으로, 원점(0,0)에 상응할 수 있는 로봇(320)의 중심 포인트는 참조 포인트로서 선택될 수 있다.
기판(302)이 로드록 챔버(305) 밖으로 수축된 후, 프로세서는 기판(302)의 위치를 계산하고, 중심 포인트 및 참조 포인트에 대한 인디케이터의 배향이 알려진다. 도 5에서 나타난 벡터들(A, B, C) 및 도 6에 나타난 벡터들(A', B', C')이 계산되고, 다음 프로세서/제어기는 기판 중심 및 배향 인디케이터가 목적하는 위치에 정렬된 채로 기판을 위치시키기 위해 필요한 로봇 운동들을 계산한다. 로봇 운동들의 계산은 위에서 설명된 역 운동학 방정식 방법을 사용하여 수행된다.
일 실시예에서, 로봇(320)은 기판(302)이 프로세스 챔버(325)로 이송될 때 기판(302)을 목적하는 배향으로 회전시키고 로봇 운동은 로봇(320) 상의 그립퍼(322)의 회전으로 인한 중심 포인트 위치의 변화를 보상한다. 도 3D에서 나타난 바와 같이, 회전가능한 그립퍼(322)는 기판(302)을 기판(302) 상의 배향 인디케이터를 목적하는 배향으로 위치시키기 위해 필요한 각 변화에 상응하는 θg도 회전시킨다. 기판(302)의 중심 포인트의 위치가 기판(302)이 회전가능 그립퍼에 의해 회전된 후 변화하기 때문에 (그립퍼의 중심 포인트가 기판의 중심 포인트와 정렬되지 않으면), 따라서 중심 포인트가 프로세스 챔버(325)에서 목적하는 중심 포인트 위치에 정렬되도록 보장하기 위해 로봇(320)의 운동은 보상된다.
도 3E에서 나타난 바와 같이, 로봇(320)은 이때 로봇(320)이 프로세싱 챔버(325) 내로 기판을 삽입하기 위해 위치되는 위치(θ1d, θ2a, θ3a)로 회전된다. 로봇(320)은 다음으로 프로세스 챔버(325)에서 중심에 위치하고 정확하게 배향되도록 기판(302)을 위치시키기 위해 도 3F에서 나타난 바와 같이 위치(θ1d, θ2d, θ 3d)로 연장된다. 이 목적 위치에서, 그립퍼(322)의 진공 메커니즘은 비활성화되고 기판(302)은 프로세스 챔버(325)에서 웨이퍼 승강 시스템에 의해 로봇 종단 이펙터(323)로부터 상승될 수 있다. 로봇(320)은 완전히 도 3E에서 나타난 로봇과 같은 위치인 프로세싱 챔버 밖의 위치(θ1d, θ2a, θ3a)로 수축되고, 기판(302)은 기판 지지대 상에 위치되거나 프로세스 챔버(325)에서 프로세스되기 위해 준비된다.
회전가능한 그립퍼를 종단 이펙터로서 가지는 3단-팔 로봇을 사용하는 기판 이송 시퀀스의 실시예의 대안으로, 로봇(320)은 우선 기판(302)을 목적 위치에서 중심에 정렬되도록 위치시키고 그 다음 기판(302)을 목적하는 방향으로 배향시킨다. 이송 시퀀스는 중심 포인트 및 기판(302)의 배향 인디케이터를 포함하는 기판의 위치를 계산하기 위한 위의 방법에 유사하다. 그러나, 이 실시예에서, 로봇이 완전히 제 1 챔버(예, 로드록 챔버)로부터 기판과 함께 수축한 후, 로봇(320)은 완전히 수축된 위치(θ1b, θ2a, θ3a)로부터 기판(302)이 프로세싱 챔버 내의 목적 위치(θ1f, θ2f, θ3f)에서 중심되는 위치로 이동한다. 기판(302)은 이때 챔버에서 웨이퍼 승강 시스템에 의해 로봇 종단 이펙터(323)를 상승시키고, 로봇(320)은 회전가능한 그립퍼(322)의 중심을 기판(302)의 중심 포인트와 정렬시키기 위해 이동한다. 이동은 도 5에서 나타난 벡터(B)와 동등하다. 기판(302)은 이때 그후 기판을 정확한 배향으로 위치시키기 위해 기판을 회전시키는 회전가능 그립퍼(322) 상으로 하강된다. 그립퍼(322)의 진공 메커니즘은 비활성화되고, 기판(302)은 로봇 종단 이펙터(323)로부터 상승된다. 로봇(320)은 이때 프로세싱 챔버(325) 밖으로 완전히 수축되고 기판 이송의 다른 시퀀스를 시작한다.
도 4A-4F는 본 발명에 따른 개구리-다리 로봇을 사용하는 기판 이송을 도시한다. 다음의 설명은 회전 그립퍼(446)를 종단 이펙터(447)로서 가지는 개구리-다리 타입 로봇(445)을 사용하여 제 1 프로세싱 챔버(450)로부터 제 2 프로세싱 챔버로의 전형적인 기판 이송을 설명한다. 도 4A에서 나타난 바와 같이, 로봇(445)은 로봇(445)이 완전히 수축되고 참조 방향으로부터 회전되지 않은 시작/참조 위치(r0,θ0)로부터 출발한다. 도 4B에서 나타난 바와 같이, 로봇(445)은 이때 로봇 종단 이펙터(447)를 제 1프로세싱 챔버(450)의 방향 중심에 정렬시키기 위해 위치(r0,θ1)로 θ1도 회전한다. θ1도의 회전은 제 1 프로세싱 챔버(450)에서 정렬된 기판의 중심을 통해 축에 상응하는 방사 축으로 교정(calibrate)된다.
로봇(445)은 이때, 도 4C에서 나타난 바와 같이, 회전가능 그립퍼(446)가 이송될 동안 기판(402)을 확실하게 잡을 수 있도록 보장하는 기판의 중심 위치 아래에 회전가능한 그립퍼(446)를 위치시키기 위해 위치(r1,θ1)로 연장된다. 전형적 으로, 프로세싱 챔버에서 기판 승강 시스템은 기판(402)을 회전가능 그립퍼(446) 상으로 위치시키기 용이하게 하는 기판 이송 위치로 기판을 상승시킨다. 그립퍼(446)의 진공 메커니즘은 이때 이송될 동안 기판(402)을 고정시키기 위해 활성화된다. 로봇(445)은 다음 그립퍼(446) 상에 기판(402)이 고정된 채로 제 1 프로세싱 챔버(445) 밖으로 수축된다. 로봇(445)은 회전 위치의 변화없이, 전형적으로 완전히 수축된다, 즉, 도 4D에 나타난 바와 같이 로봇은 위치(r0,θ1)로 수축된다.
로봇(445)이 수축할 때, 센서(430)(예, 챔버 상의 슬릿 개구에 인접하게 배치된 이미터 및 리시버)는 기판(402)의 윤곽을 검출하고 신호들을 시스템의 프로세서/제어기로 전송한다. 프로세서/제어기는 신호들을 받고 참조 포인트에 대한 중심 위치 및 배향 인디케이터를 포함하는 기판(402)의 위치를 계산한다. 한 실시예에서, 시작 포인트(r0,θ0)는 다양한 챔버들 사이의 이송에 대한 계산들을 단순화하기 위해 참조 포인트로서 선택된다. 대안으로, 참조 포인트는, 예를 들어 이 경우(r0,θ1)인, 기판이 챔버 밖으로 이송된 후의 로봇의 완전히 수축된 위치로서 선택된다. 일단 참조 포인트에 대한 중심 위치 및 배향 인디케이터를 포함하는 기판의 위치가 알려지면, 프로세서/제어기는 제 2 프로세싱 챔버9455)에서 기판 중심 및 배향 인디케이터가 목적된 위치에 정렬된 채로 기판을 위치시키기 위해 필요한 로봇 이동들을 계산한다. 로봇 이동들의 계산은 위에서 설명된 역 운동학 방정식들을 이용하여 수행된다.
로봇(445)은 우선 기판(402)을 목적하는 배향으로 회전시키고 다음으로 회전 으로 인한 중심 포인트 위치에서의 변화를 보상할 수 있다. 도 4D에 나타난 바와 같이, 회전가능 그립퍼(446)는 기판(402) 상의 배향 인디케이터를 목적하는 위치에 위치시키기 위해 요구되는 각변화에 상응하도록 기판(402)을 θg'도 회전시킨다. 회전가능 그립퍼에 의해 기판이 회전된 후에 기판의 중심 포인트가 변하기 때문에 (그립퍼의 중심 포인트가 기판의 중심 포인트와 정렬되지 않으면), 따라서 로봇의 이동은 보상된다. 도 4F에 나타난 바와 같이 로봇이 위치(r2,θ2)에 있는 채로 로봇(445)은 이때 도 4E에 나타난 바와 같이 θ2도 회전하고, 기판(402)의 중심 포인트를 프로세싱 챔버에서 정확한 배향으로 기판의 목적하는 목표 위치로 위치시키기 위해 거리 (r2)를 연장한다. 이 목표 위치에서, 그립퍼(446)의 진공 메커니즘은 비활성화되고, 기판(402)은 로봇 종단 이펙터(447)로부터 상승될 수 있다. 로봇(445)은 프로세싱 챔버 밖의 (r0,θ2)로 완전히 수축되고, 기판(402)은 기판 지지대 상으로 위치되고 제 2 프로세싱 챔버(455)에서 프로세스될 준비가 된다. 로봇(445)은 기판 이송의 다른 시퀀스를 시작하기 위해 다른 위치로 회전될 수 있다.
기판 이송 시퀀스의 대안의 실시예는 기판을 목표 위치에 위치시키고 그후 기판을 목적하는 방향으로 배향시킨다. 중심 포인트 및 배향 인디케이터를 포함하는 기판의 위치를 계산하기 위한 이송 시퀀스는 위와 동일하다. 그러나, 이 실시예에서는, 중심 포인트를 프로세싱 챔버에서 기판의 목적하는 목표 위치에 위치시키 기 위해 로봇은 먼저 θ2'도 회전하고 거리(r')가 연장된다. 기판은 그후 챔버에서 웨이퍼 승강 시스템에 의해 로봇 종단 이펙터에서 상승되고, 로봇은 기판의 중심 포인트와 회전가능 그립퍼의 중심을 정렬시키기 위해 이동된다. 기판은 이때 기판을 정확한 배향으로 위치시키기 위해 그후 회전하는 회전가능한 그립퍼 상으로 하강된다. 그립퍼의 진공 메커니즘은 비활성화되고 기판은 로봇 종단 이펙터로부터 상승된다. 로봇은 프로세싱 챔버 밖으로 완전히 수축되고, 기판은 기판 지지대 상으로 위치되고 챔버에서 프로세스될 준비가 된다. 로봇은 기판 이송의 다른 시퀀스를 시작하기 위해 다른 위치로 회전될 수 있다.
발명자들은 또한, 예를 들어, 세 번째 팔의 말단 종단 상에 배치된 종단 이펙터로서 회전가능 그립퍼를 갖지 않는 3단-팔 로봇을 포함하는 다른 로봇 구성들을 사용하는 본 발명의 적용을 고려한다. 그러나, 일부 경우들에서, 프로세싱 시스템의 물리적 제한들을 가진 간섭 문제들을 극복하기 위해 로봇 이동의 더 복잡한 구성들이 요구될 수 있다.
앞의 글이 본 발명의 바람직한 실시예를 향하는 반면, 본 발명의 다른 또는 그 이상의 실시예들이 본 발명의 기본 범위로부터 벗어나지 않고 고안될 수 있고 그 범위는 다음의 청구범위에 의해 결정된다.

Claims (10)

  1. 기판을 위치시키기 위한 장치로서:
    a) 상기 기판을 이송하기 위한 종단 이펙터(end effector)를 가지는 로봇;
    b) 상기 로봇에 의해 이송되는 기판의 경로와 교차하는 평면에서 센서 빔을 방출하도록 배치된 하나 이상의 이미터들;
    c) 상기 센서 빔을 받아들이고 프로세서로 신호들을 발생시키도록 배치된 하나 이상의 리시버들;
    d) 참조 포인트에 대한 상기 기판의 배향(orientation) 인디케이터 및 중심 포인트를 결정하기 위해 상기 하나 이상의 리시버들로부터의 신호들을 프로세싱하는 프로세서; 및
    e) 상기 기판의 배향 인디케이터 및 상기 중심 포인트에 따라 로봇 이동을 제어하기 위한 제어기
    를 포함하는 기판을 위치시키기 위한 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 로봇은 상기 종단 이펙터 상에 배치된 회전가능한 그립퍼를 가지는 개구리-다리형(frog-leg type) 로봇을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판을 위치시키기 위한 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 로봇은 다중-링크 로봇을 포함하는 것을 특징으로 하 는 기판을 위치시키기 위한 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 로봇은 상기 로봇 종단 이펙터 상에 배치된 회전가능한 그립퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판을 위치시키기 위한 장치.
  5. 기판을 위치시키기 위한 방법으로서,
    a) 센서 빔의 평면과 교차하는 경로를 따라 기판을 이송하는 단계;
    b) 상기 센서 빔으로부터의 신호들을 사용하여 상기 기판의 배향 인디케이터 및 중심 포인트를 결정하는 단계; 및
    c) 상기 기판의 배향 인디케이터 및 상기 중심 포인트에 따라 기판을 위치시키는 단계
    를 포함하는 기판을 위치시키기 위한 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 기판의 중심 포인트는 상기 기판의 주위에 상응하는 데이터 포인트들의 집합의 에러 함수를 최소화함으로써 결정되는 것을 특징으로 하는 기판을 위치시키기 위한 방법.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 배향 인디케이터는 반경 이탈 값들의 범위를 초과하는 데이터 포인트들의 집합을 배향 인디케이터를 위해 저장된 데이터의 집합과 비교함으로써 결정되는 것을 특징으로 하는 기판을 위치시키기 위한 방법.
  8. 제 5항에 있어서, 상기 기판을 위치시키는 단계는 상기 기판의 배향 인디케이터 및 상기 중심 포인트를 목표 위치와 정렬시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판을 위치시키기 위한 방법.
  9. 제 5항에 있어서, 상기 기판을 위치시키는 단계는:
    i) 로봇의 종단 이펙터 상에서 목적하는 배향으로 상기 기판을 회전시키는 단계;
    ii) 삽입할 상기 기판을 챔버 내로 위치시키기 위해 상기 로봇을 회전시키는 단계; 및
    iii) 상기 기판의 중심 포인트를 상기 챔버 내의 목표 위치와 정렬시키기 위해 상기 로봇을 연장시키는 단계
    를 포함하는 기판을 위치시키기 위한 방법.
  10. 제 5항에 있어서, 상기 기판을 위치시키는 단계는:
    i) 삽입할 상기 기판을 챔버 내로 위치시키기 위해 상기 로봇을 회전시키는 단계;
    ii) 상기 기판의 중심 포인트를 상기 챔버 내의 목표 위치와 정렬시키기 위해 상기 로봇을 연장시키는 단계;
    iii) 상기 기판을 상기 로봇으로부터 상승시키는 단계;
    iv) 상기 기판의 중심 포인트와 정렬된 회전가능한 로봇 종단 이펙터를 위치시키는 단계;
    v) 상기 회전가능한 로봇 종단 이펙터 상으로 상기 기판을 하강시키는 단계; 및
    vi) 목적하는 배향으로 상기 기판을 회전시키는 단계
    를 포함하는 기판을 위치시키기 위한 방법.
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