TW202239692A - 晶圓輸送設備及其應用 - Google Patents
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Abstract
一種用於輸送半導體晶圓的輸送容器，藉由3D列印從基材以規定的形狀生成，其表面至少一區域具有塗布材料，以保護免受能蝕刻半導體晶圓的化學品影響，塗布材料藉由低溫塗布製程施加，更特定係低溫燒結製程，較佳使用低於150°C的溫度。塗布材料由聚四氟乙烯、全氟烷氧基聚合物或聚偏二氟乙烯組成。輸送容器規定的形狀包括在底座中適用於移除液體介質的裝置，且包含一或多個用於半導體晶圓集成的工件保持器及／或用於半導體晶圓的載具，使待輸送的半導體晶圓可立式裝載且在自動輸送系統中輸送容器的指定輸送方向平行於半導體晶圓的正面或背面。
Description
本發明涉及一種用於半導體晶圓的輸送容器的形式的設備，該設備適用於架空式起重輸送系統（overhead hoist transport system，OHT）。
在由矽或其他半導體材料製成的半導體晶圓的生產和製程中，在各個操作步驟之間使用輸送容器，以便能夠輸送半導體晶圓及／或將它們保持在限定的方向。
這裡的輸送容器通常被配置成使得晶圓盒可以與晶圓一起放入容器中，並手動地或使用自動導引車（automated guided vehicle，AGV）輸送。
取決於自動化水準，從輸送容器裝載或卸載晶圓盒需要大量的時間。
此外，由於輸送過程中的多次移動，對輸送中的晶圓存在增加的損壞風險。
首先，有基於地板的輸送系統，其係在例如潔淨室的地板上使用自動導引車 （AGV） 或使用手推車進行操作。
其次，有基於天花板的輸送系統，它們在固定在潔淨室的天花板上的軌道系統上進行操作。在這種情況下特別有利的是使用架空式起重輸送系統。
使用AGV或手推車的基於地面的輸送系統在操作單元之間需要專用的輸送路徑。在潔淨室中，這會導致昂貴的額外的潔淨室面積，並且在某些情況下因為直接路線被操作設備佔用，導致較長的輸送路徑。
使用架空式起重輸送系統 （OHT） 克服了上述缺點，例如，晶圓可以在天花板下輸送，因此不會佔用額外的潔淨室面積。在美國專利申請案 US 2015 104 276 A1中指出了這方面的一個實例。
用於半導體晶圓的輸送容器可被製造成熱壓成形（thermoformed）、射出成形（injection-molded）、鑄造或焊接的容器。然而，正如已經發現的那樣，由於這些製造過程，容器的可能的成形和功能特徵將受到限制。
US 2004/206663 A1的說明書描述了一種具有超疏水表面的容器，以利於更有效地清潔和乾燥容器。
WO 2004/005163 A1的說明書涉及一種用於晶圓的輸送容器，該容器的部件由阻燃材料製成。
US 2005/236110 A1的說明書總體而言涉及一種系統和一種方法，用於將薄的保護性熱聚合物膜，例如PEEK，引入到例如可用於半導體製程工業的手持用具、輸送機、載具、托盤和類似設備的成形操作中。
DE 42 23 326 A1的說明書涉及一種用於半導體晶圓的載具，該載具包含載具次結構，在該次結構的至少一部分上設置有鑽石塗層。
在半導體製造中也被稱為「裝載埠」的載具系統由輸送容器和操作單元之間的機械介面和電介面構成。藉由輸送系統將輸送容器放置在該載具系統上，以便於裝載及卸載處理單元。在這裡廣泛使用的是符合 SEMI 標準的裝載埠，它允許安裝常見的半導體輸送箱，例如 FOUP（前開式統一吊艙）、FOSB（前開式海運箱）、OC（開放式盒）和 SMIF 吊艙（標準機械介面）。
因此需要改進的半導體晶圓輸送容器，其能夠與架空式起重輸送（OHT）系統結合使用，包括專門用於半導體晶圓的濕式輸送及其生產。
本發明提出一種用於半導體晶圓的輸送容器，其具有申請專利範圍中獨立項的特徵。附屬項以及以下的說明係關於有利的配置。
本發明涉及一種用於半導體晶圓，例如矽晶圓的輸送容器。它涉及藉由積層建造（additive construction）或積層製造（additive manufacturing）過程，此可更特定地係涉及3D列印，從基材生成具有規定形狀的容器。因此，基材例如被逐層添加，直到最終產生所需的規定的形狀。隨後，至少在以這種方式建造的容器的表面的預定區域，施加用於防止化學品的塗布材料，也就是說，容器藉由塗層（作為保護塗層）而具有耐化學性。
經塗布的容器可接著稱為輸送容器。施加了塗布材料的表面的相關區域更特定地是指在使用過程中旨在隨後與相應的介質或化學品接觸的區域，並且因此應該受到保護。這尤其涉及容器的內部，其頂部通常是敞開的。然而，如果輸送容器具有蓋子是特別有利的，該蓋子更特定而言係對於弄濕蓋子內表面之液體而言為不能滲透的。
藉由積層建造過程或藉由3D列印，可以製造相對於傳統生產過程，在多個方面進行優化的輸送容器，例如，針對帶有AGV和架空式起重輸送系統的乾式或濕式輸送進行了優化。這尤其藉由自由設計成形的效果而成為可能，包括集成的機械結構元件以這種方式生產而作為容器的一部分，並且沒有額外必須回過頭來連接到傳統生產的容器的組件。此外，相對於傳統的生產過程，耐化學性、表面性質、集成的且可充電的電源、機械耦合元件、感測器、外部能量和介質供應的耦合、半導體晶圓的集成保持器以及相應應用的流體功能特性可以更多元地選擇，並具有更多的適應性，這將在下文中更詳細地說明。
藉由用作或產生表面密封的塗布材料的應用，實現了改良的或實際上優化的耐化學性。關於這一點，較佳的塗布材料是聚四氟乙烯PTFE、全氟烷氧基聚合物PFA和聚偏二氟乙烯PVDF。
發明人已經認識到，藉由例如3D列印的積層建造過程，僅由基材生產的容器因為表面的粗糙度太明顯，不能用作半導體晶圓的輸送容器。對於所需的用途，表面具有嚴重的粗糙度，導致有機和無機污染物沉積在表面上和表面內，從而對正在輸送的半導體晶圓的品質產生負面影響。
然而，由於在藉由積層建造過程（3D列印）生產的容器的相關表面上塗有例如PTFE，因此現在能夠將傳統生產的輸送容器的優點，特別是耐化學性， 與用於通常是矽晶圓的半導體晶圓的容器的優點相結合，藉由積層建造過程，特別是自由成形的方式生產。
鑒於藉由積層建造過程生產的容器在傳統的塗布製程中會承受嚴重的熱負荷並因此會變形，因此已開發出與積層建造過程相結合的低溫塗布製程。
在半導體晶圓的情況下，操作所需的高純度塗層通常在高溫下施加到表面上。
由於可控制的使用低溫塗布製程，較佳溫度低於150°C，高純度塗層也可以應用於溫度穩定性較差的表面，例如 3D 列印的容器的表面，並且因此，可以將例如自由成形、化學品進出輸送容器的可控制的進出料等優點與化學和物理特性結合在一起。
例如，根據 ISO 75-1/-2，材料 PA 3200GF在 0.45 MPa 的壓力下和 X 方向上具有最高157°C的尺寸完整性溫度（dimensional integrity temperature）。類似的數字適用於包含聚醯胺的較佳基礎材料，特別是具有填料的基礎材料。如果超過此溫度，塑膠輪廓通常會自行塌陷。例如，PTFE塗層通常藉由噴塗施加，並在約 220°C至420°C的溫度下在烘箱中燒結。由於低溫燒結製程通常在例如100°C下持續較長時間，因此可以製造出耐化學品和耐髒汙的3D列印的矽晶圓容器。
藉由積層建造過程（3D列印）生產的容器的表面粗糙度可以藉由低溫塗層來降低，一般而言， Rz和Ra值（彼等指示出粗糙度）可以相對於沒有低溫塗層的容器的相應的值降低大約70%。因此，這也有助於顯著地降低液體的顆粒或其他有機或無機成分對輸送容器中的容器表面的黏附，這也使得當更換液體時，能夠以更佳容易且可控的方式將這些黏附的成分移除。
所提出的積層建造過程（3D 列印）允許優化容器設計，換言之，輸送容器在形狀和適應性方面進行了優化，從而與架空式起重輸送系統結合使用。例如，藉由使容器的形狀適應在其中輸送的半導體晶圓的簡單製造可能性，輸送容器的重量優化的液體體積是可能的，從而，使用輸送容器所需的介質或化學品的量不處於非必要的高度（例如，意味著容納液體的體積保持得盡可能的低）。
特別較佳地，容器的規定形狀包含移除介質或化學品的裝置，並且特別較佳地，還具有多個進料及／或移除裝置。
特別較佳地，還存在一個或多個集成的工件保持器，用於一個或多個半導體晶圓或其載具。工件保持器的設計可以是例如使得一個或多個半導體晶圓可以直接插入並保持在其中。
類似地並且較佳地，工件保持器也可以被設計成使得可以將載具、盒或另一保持器引入其中，然後可以將一個或較佳二個或更多個半導體晶圓依次引入並保持在其中。可供五個、十個、十五個或二十五個矽晶圓的晶圓保持器（盒） 較佳被引入到工件保持器中，允許這些矽晶圓一起被放入及／或取出，而不必連同晶圓架一起被放入或取出。
關於這一點，術語「批量處理」在半導體製造中很常見。這涉及在 3D 列印的輸送容器和位於其中的晶圓保持器中的全部晶圓同時地或單獨地放入或取出。結果，省去了裝載及卸載晶圓盒的耗時操作。此外，藉由省去盒的裝載及卸載，還降低了在與盒的介面處的晶圓由於振動而損壞的風險。
此外，較佳地，提供一個或多個框架及／或一個或多個固定裝置，用於附接和自動耦合到各種操作單元。集成到容器形狀中的加強元件是特別較佳的。
較佳地，輸送容器至操作單元的自動耦合，係藉由將容器佈置在為此目的而集成在操作單元中的機械的、電的、資料處理及／或流體耦合元件上，並結合架空式起重輸送系統來實現。
關於這一點，較佳使用三個或更多個機械部件。在與輸送容器接觸的區域中，它們可以構造成銷的形式，具有斜面的、圓形的、圓錐形的或截頭圓錐形的頭件，或者以滾子（roller）的形式。它們在載具系統上的佈置可能涉及區域上的旋轉對稱、軸對稱或不對稱分佈。載具系統可以包含附加的形狀元件，其允許用於佈置的輸送容器在水準X-Y方向上預先定位。此外，穩定元件可以位於載具系統上，以防止輸送容器橫向傾卸（tipping）。
此處裝滿的輸送容器的重量較佳大於25公斤且小於120公斤。
較佳地集成到輸送容器中的是必要的配對件（counterpieces），其藉由特別較佳為形狀配合的連接，在操作單元和輸送容器之間由於容器的放置而產生機械的、電的及／或流體的連接。
進料裝置和移除裝置可以較佳地集成到該形狀中，並且在這種情況下可以具有任何期望的設計。
在傳統製造的輸送容器的情況下，進料和移除裝置、供應管線和連接器（adapter）一般藉由附加導管、電線和包括容器上的附件的機械連接器來實現。
相反地，積層建造過程或 3D 列印使這些元素能夠集成到例如容器形狀、側壁或底座中，並允許入口和出口以有針對性的方式定位在那些對於介質、電源和資料連接的快速和物理上緊密的供應來說理想的點上，以及那些對於容器與例如操作單元或者輸送系統、架空式起重輸送系統的機械耦合來說理想的點上。較佳地，在這種情況下，這也可以根據輸送容器的期望用途，以有針對性的方式設計用於不同的輸送系統，例如其主要使用的AGV或架空式起重輸送系統。
專門用作用於架空式起重輸送系統的濕式輸送容器，積層製造過程例如 3D 列印，允許非常精確和簡單地設計和生產容器上邊緣，以便將容器容納在所謂的穿梭車（shuttle），即OHT 輸送車輛裡，它較佳配備有用於容器的可降低的保持裝置。由於精確的生產，確保了容器也可以與常規的商用架空式起重輸送系統一起使用。
發明人已經認識到，藉由積層製造過程，可以針對多個相同配置的輸送容器，以高的定位準確度將集成的機械耦合元件集成在一起。藉由積層製造過程集成的機械耦合元件與晶圓保持器的絕對定位準確度，是在不同製程設備上執行相同的裝載／卸載操作的先決條件，而無需配備裝載／卸載裝置，例如分別用於每個輸送容器的晶圓裝載／卸載機器人。因此可以確保製程序列的高度的可重複性。
發明人進一步認識到，在連續處理晶圓的情況下，特別結合架空式起重輸送系統的應用是在操作單元之間直接路由（direct routing）的先決條件。
為了控制前面的操作步驟，來自下游操作步驟的回饋時間通常在符合特定產品要求方面發揮重要作用。
發明人還認識到，與迄今為止在僅在濕式輸送的情況下藉由基於地面的輸送設備使用的傳統的晶圓盒輸送相比，當使用架空式起重輸送時可以進一步減少回饋時間，並且因此可以更有效地控制先前的操作。
使用架空式起重輸送系統進行濕式輸送的先決條件是使用本發明的輸送容器，該輸送容器特別適用於這種系統。
一種用於輸送半導體晶圓的較佳的具有規定形狀的輸送容器已經藉由3D列印由基材製成。
在這種情況下，輸送容器的表面的至少一個區域包含用於保護免受化學品影響的塗布材料。
用於製造半導體晶圓的化學品在某些情況下呈酸性或鹼性，化學殘留物或故意提供的化學品也位於輸送容器內。這些化學品的一個共同特點是它們還會污染或腐蝕輸送容器的表面。由於上述的塗層，保護了表面免受蝕刻，減少了化學品和雜質的黏附，並且容器的清潔得以改善。
在這種情況中，塗層是藉由低溫塗布製程施加的。關於這一點，特別較佳的是低溫燒結製程。該操作較佳在低於150℃的溫度下進行。
這裡的塗層較佳由以下材料之一組成：聚四氟乙烯、全氟烷氧基聚合物（perfluoroalkoxy polymer）或聚偏二氟乙烯。
輸送容器的規定形狀較佳地包含在基部中的適合於去除液體介質的裝置。特別較佳地，該裝置被設計為閥，用於快速排空容納在輸送容器中的液體。
在這種情況下，閥更佳設計成藉由容器的沉積自動地打開。該沉積發生在合適的位置。
通常，介質以可控制的方式進出用於濕式輸送半導體晶圓的輸送容器，從而輸送後的雜質以可控制的方式快速地排除。在本發明的輸送容器中，可以藉由專門為此目的設計的集成的快速排空系統實現極其廣泛和快速的排空，一般配置為所謂的快速傾瀉閥，因此可以更有效地進行調整，以防止顆粒從表面去除後重複黏附。
如果輸送容器包含一個或多個用於半導體晶圓的集成的工件保持器及／或用於半導體晶圓的載具，從而允許以直立形式裝載用於輸送的半導體晶圓，則已證明是特別有利的。
市場上的容器的一個常見特徵是，它們安裝在輸送系統上時，輸送方向的軸線總是與輸送容器的同一軸線重合。因此，容器不可能例如旋轉90° 地安裝。因此，對容器來說，存在一個指定的輸送軸。
發明人已經認識到，半導體晶圓以這樣的方式安裝在輸送容器中，使得半導體晶圓的正面或背面平行於指定的輸送方向延伸。
其效果是在輸送過程中，移動的液體不能對半導體晶圓施加任何力，或任何實質性的力。如果半導體晶圓例如旋轉90°地來輸送，則會增加損壞（斷裂）。
因此，用於在3D列印的輸送容器內輸送的半導體晶圓的保持器較佳地定位成允許其中包含的液體在輸送期間在半導體晶圓之間平行於晶圓表面移動。結果，減少了由液體在晶圓表面晃動所產生的力，晶圓在晶圓保持器中的相對運動被最小化，並且避免了晶圓表面損壞的情況。
如果所使用的輸送容器包含用於電能的能量儲存器，這已被證明是特別有利的，該能量儲存器可用於操作電組件。
另外，特別較佳的是，用於電子資料處理的元件，例如迷你PC，被內建到輸送容器中。
這大大增加了使用的可能性，例如，可以安裝合適的感測器來記錄運動曲線，這對於在發生故障時進行追蹤是很有用的。
圖1示意性地表示了較佳實施態樣中的製程序列。為此目的，在圖 （a） 中首先粗略地示意性地表示了用於積層建造過程的設備106，例如 3D 印表機，其具有供應有基材105的打印頭104。然後打印頭104首先將正在生產的容器的第一層101施加在支撐件107上。
隨後是另一層的施加，特別是新的層分別地施加到每個前面的層。在圖 （b） 中示例性地示出了施加到層101的另一層102，並且在圖 （c） 中示出了施加到層102的另一層103。
以這種方式，容器100藉由積層建造過程，以期望的或規定的形狀由基材製成，如圖（d）中粗略地示意性所示。同樣如圖（d）所示，例如將塗布材料108施加到在頂部開口的容器100的內表面上，該施加例如藉由施加工具111進行，該施加工具提供有來自罐109的塗布材料108。
以這種方式包括的容器100隨後在烘箱112中乾燥，更具體地為燒結，如圖（e）所示，例如，在預定溫度範圍內乾燥預定的時間週期，該預定溫度範圍低於基材105的尺寸完整性溫度，例如在150°C。以這種方式，完整的輸送容器110就形成了，其因此也是耐化學品的。
圖2示意性地表示了較佳實施態樣中的本發明的輸送容器202，其可以例如藉由圖1所示和參照該圖描述的方法來生產。在這種情況下，特別示出的是輸送容器202的形狀或成形；為清楚起見，已經結合圖1描述的具有塗布材料的塗層在此未明確地示出。
容器的蓋子201以這種方式與OHT輸送車200牢固地組裝在一起，OHT輸送車200又懸掛在附件204上，適合於垂直地移動輸送車。
圖 3 示出了穿過較佳的輸送容器的二個截面。在容器的輸送過程中，可以藉由密封系統304，將覆蓋裝置300例如蓋子放置在容器301上，防止液體的洩漏。安裝在工件保持器303中的多個半導體晶圓302可以在容器中安全地輸送。輸送容器的較佳預期輸送方向是沿著存儲的半導體晶圓302的正面或背面。
特別較佳的驅動單元305確保半導體晶圓在輸送過程中可以旋轉，並且因此不會在半導體晶圓的邊緣上形成污染的沉積位點。
如已經多次提到的，所提出的積層建造過程能夠實現例如晶圓輸送容器的自由的且因此優化的設計。不需要附加和安裝影響容器內操作的部件；取而代之的是，容器也可以在沒有焊接和沒有多餘材料的情況下被建造。化學品排放埠可以位於與製程相關的位置，從而確保準確地從晶圓和容器表面去除晶圓和容器表面上的反應性化學品。
建造形式可以藉由 3D 列印過程非常精確地達到所需的液體體積；一般而言，在完全浸沒在液體中的濕式輸送過程中，可以輸送一定數量的晶圓。如圖3所示，輸送容器的形狀適合特定數量的晶圓，並且因此，例如引入到容器中的液體的體積也減少到所需的最小值。
該建造形式是流體優化的，一般而言用於晶圓輸送，從而實現將顆粒和化學殘留物從晶圓和容器表面輸送到移除埠，而不會在表面上進一步積累顆粒。為此目的，較佳地架設好安裝佈置在容器底座上的中心埠，用於調節在輸送容器中快速排空的閥。
此外，較佳地，還提供了工件保持器304，該工件保持器304在該容器的生產期間藉由適當的成形而集成到該輸送容器中。載具或晶圓載具可以較佳地齊平且牢固地插入該工件保持器304中。
特別較佳地，一個或多個半導體晶圓可以直接插入到工件保持器中，無需使用晶圓載具。工件保持器的定向較佳地設計成使得在採用裝滿的容器的濕式輸送期間，不會由於液體在晶圓表面晃動而產生力，並且因此不會引起在晶圓保持器中的晶圓的相對運動。晶圓保持器的槽沿容器的輸送方向排列。
此外，集成的框架和附件（包括機械耦合元件）是可能的，其用於簡單地調整以接收輸送系統的裝置，輸送系統例如是架空式起重輸送系統。特別較佳地，多種機械耦合元件同時設置在輸送容器的下側。耦合元件用於在操作線上進行精確和一致的定位，例如使用機器人系統裝載晶圓，而無需用於捕獲容器位置的專業測量技術。
此外，藉由適當的成形，示例性地形成感測器保持器，感測器可以插入到該感測器保持器中，該感測器可能用於例如監測限定的填充水準。
在此可以提及的是，本文中集成到輸送容器的形式中的功能或組件僅僅是示例性的。還可以提供另外的組件及／或功能。取決於輸送容器的期望用途，也可以僅提供某些組件及／或功能。
100:經塗布的容器
101:正在生產的容器的第一層
102:正在生產的容器的第二層
103:正在生產的容器的另一層
104:打印頭
105:基材
106:3D印表機
107:支撐件
108:塗布材料
109:罐
110:輸送容器
111:施加工具
112:烘箱
200:OHT輸送車
201:輸送容器的蓋子，牢固地安裝在OHT輸送車上
202:輸送容器
203:用於輸送容器的載具系統
204:用於輸送車輛的垂直輸送的附件
300:覆蓋裝置
301:容器
302:半導體晶圓
303:用於半導體晶圓的工件保持器
304:容器和蓋子之間的密封系統
305:能夠在液體下旋轉儲存在容器中的半導體晶圓的驅動單元
圖1示意性地示出了較佳實施態樣中的較佳製程的序列。
圖2示意性地示出了較佳實施態樣中的本發明的輸送容器。
圖 3 同樣地以詳細的剖視圖示出了本發明的輸送容器。
無
300:覆蓋裝置
301:容器
302:半導體晶圓
303:用於半導體晶圓的工件保持器
304:容器和蓋子之間的密封系統
305:能夠在液體下旋轉儲存在容器中的半導體晶圓的驅動單元
Claims (9)
- 一種用於輸送半導體晶圓（302）的輸送容器（301），其藉由3D列印從基材（105）以規定的形狀生成， 其中該輸送容器（301）的表面的至少一個區域具有塗布材料（108），用於保護免受能夠蝕刻半導體晶圓的化學品的影響， 其中該塗布材料（108）藉由低溫塗布製程施加， 並且該塗布材料（108）由聚四氟乙烯、全氟烷氧基聚合物（perfluoroalkoxy polymer）或聚偏二氟乙烯組成， 其中該輸送容器的規定的形狀包括在底座中的適用於移除液體介質的裝置， 並且該輸送容器的該規定的形狀包含一個或多個用於半導體晶圓（302）的集成的工件保持器（303）及／或用於半導體晶圓（302）的載具，使得待輸送的該半導體晶圓（302）可以立式裝載， 並且在自動輸送系統中的該輸送容器（301）的指定輸送方向平行於該半導體晶圓的正面或背面。
- 如請求項1所述的輸送容器（301），其中低溫塗布製程係溫度低於150°C的低溫燒結製程。
- 如請求項1所述的輸送容器（301），其中，能夠移除液體介質的該裝置被配置為使得其藉由該輸送容器（301）的沉積而自動地打開。
- 如請求項1至3中任一項所述的輸送容器（301），其包含用於電能的有效能量儲存器。
- 如請求項1至3中任一項所述的輸送容器（301），其包含用於電子資料處理的系統。
- 如請求項1至3中任一項所述的輸送容器（301），其包含一個或多個能夠將該容器固定至基於地板的和基於天花板的輸送系統的固定裝置。
- 如請求項1至3中任一項所述的輸送容器（301），其包含一個或多個覆蓋裝置（300），用於防止在輸送操作期間液體的溢出。
- 如請求項1至3中任一項所述的輸送容器（301），其中，填充有液體和半導體晶圓（302）的該輸送容器（301）的重量大於15公斤並且小於120公斤。
- 一種輸送半導體晶圓的方法，其包含使用如請求項1至8中任一項所述的輸送容器（301）。
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