TWI455226B - 用於基板傳送設備且在高溫下防下垂的端效器 - Google Patents

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Description

用於基板傳送設備且在高溫下防下垂的端效器
本發明的實施方式通常關於在半導體處理中操控並傳送半導體基板。本發明的實施方式尤其關於與機械手結合使用來操控半導體基板的端效器。
在不適宜和/或不期望人工作業的應用中，機械臂的使用對製造非常便利。例如在半導體製造業中，機械臂用於在多個步驟期間以及步驟之間加快操控基板並減少污染。
在半導體處理中使用的基板操控器(substrate handler)通常包括一個或多個連接到機械臂的端效器，也被稱爲是機械葉片或承載器。端效器配置爲在半導體傳送期間支撐基板。對於集成半導體處理系統，機械臂通常設置在具有多個小平面和裝載/卸載埠的傳送室，其中具有多個小平面是爲了適用於多個處理室。在處理期間，傳送室中的機械臂首先從裝載埠將基板裝載在端效器上。在將基板放回傳送室之後，機械臂將基板傳送至連接到該傳送室的處理室。機械臂將基板放在處理室中的基板支架上，並取回端效器。當在處理室中完成處理時，使用機械臂從基板室中取回基板，並將基板移動至另一個處理室，用於下一個處理步驟。
一些普通傳送室具有多個小平面以適用於四到六個處理室。處理室可包括快速熱處理(RTP)室、物理氣相沈 積(PVD)室、化學氣相沈積(CVD)室、和蝕刻室。
第1圖示意性地示出了配置爲在傳送室中操控基板的基板操控器10。基板操控器10包括連接到臂組件16的兩個端效器14，該臂組件16連接到旋轉部分18。在傳送過程中，基板位於端效器14上。端效器14具有連接到臂組件16的安裝介面28的固定端27，以及配置爲在其上支撐基板的自由端29。自由端29可具有基板感應孔15，其配置爲允許用於檢測基板出現的感測器光束通過。臂組件16朝向基板操控器10向外和向內徑向移動端效器14，以將基板插入處理室或從處理室中取回基板。
習知技術的端效器具有幾個局限性。首先，端效器呈現出下垂(即，首部至尾部傾斜)，這是由天然材料的柔量和基板的重量造成的。隨著端效器爲了取放緻密基板而變得越來越薄，以及隨著基板的尺寸變得越來越大，這種下垂變得更加顯著。第2A圖示意性地示出了不包含基板的端效器14的局部截面側視圖。第2B圖是其上裝載了基板30的端效器14的示意性局部截面側視圖。由位於端效器14上的基板30的重量造成的增加的下垂被示出。在裝載基板30之後，自由端下垂至一角度α。
在半導體處理中高精度是關鍵的。因而基板操控器、端效器具有高精度對準是關鍵的。端效器通常對準並緊緊固定在機械臂上，以防止任何不必要的移動，這些不必要的移動可導致由於熱膨脹而産生的變形。在一些高溫處理期間，例如快速熱退火，端效器可能需要傳送熱基板或在 熱腔室中操作。這個溫度可能高達350℃。在如此的高溫下，緊密固定的端效器由於熱膨脹可能會變形。第3圖示意性地示出了固定在臂組件16的安裝介面28上的端效器14的俯視圖。端效器14的固定端27緊密固定在安裝介面28的側壁31之間，以防止任何旋轉。當端效器14用具有比安裝介面28的材料高的熱膨脹率的材料製成時，端效器14的固定端27可能超過接縫32的容限，並變形。另外，在高溫下，還增加了下垂。
因此，需要在高溫下不會下垂或變形的用於基板傳送的裝置和方法。
本發明通常關於用於高溫下的基板傳送的裝置和方法。特別地，本發明的實施方式關於用於傳送半導體基板的高溫防下垂端效器。
本發明的一個實施方式提供了一種與基板操控器結合使用的端效器，該端效器包含：一自由端，所述自由端具有一基板支撐平面，所述基板支撐平面配置爲支撐基板，並位於使基板相對於水平面成第一角度的位置；以及一固定端，所述固定端配置爲安裝在基板操控器上，其中當沒有基板設置在自由端上時，端效器安裝在基板操控器上的基板支撐平面相對於水平面成第二角度的位置，以及第一角度不同於第二角度。
本發明的另一個實施方式提供了一種與基板操控器結 合使用的端效器，該端效器包含：一自由端，所述自由端具有配置爲在其上支撐基板的一基板支撐平面；以及一固定端，所述固定端具有配置爲將固定端固定在基板操控器的安裝表面上的底面，其中底面相對於基板支撐平面形成一角度。
本發明的又一個實施方式提供了一種基板操控器，其包含：一操作臂，具有安裝板；以及一端效器，其配置爲支撐基板，其中端效器包含：一自由端，所述自由端具有配置爲在相對於水平面成第一角度支撐基板的一基板支撐平面；以及一固定端，所述固定端安裝在操作臂的安裝板上，其中當沒有基板設置在自由端上時，端效器安裝在安裝板上的基板支撐平面相對於水平面成第二角度的位置，以及第一角度不同於第二角度。
本發明通常關於用於傳送半導體基板的裝置和方法。本發明的實施方式提供具有防下垂和高溫能力的端效器。在本發明的一個實施方式中，端效器可安裝在預定角度，以抵消由於基板和/或端效器自身的重量導致的下垂。在一個實施方式中，在端效器的安裝端上形成斜面，以有助於傾斜安裝。在本發明的一個實施方式中，端效器安裝在具有側容限的機械臂上，以允許熱膨脹。在一個實施方式中，端效器固定在位於端效器的固定端中心附近的機械臂上。在本發明的一個實施方式中，使用夾具將端效器固定在機 械臂上。
第4圖示意性地示出了根據本發明的一個實施方式的端效器組件100的分解圖。端效器組件100包含端效器110和夾具130，其中夾具130配置爲將端效器110固定在機械臂的安裝板140的腔141中。在一個實施方式中，利用螺絲133穿過相應的孔143、113、131將安裝板140、端效器110和夾具130堆疊在一起。
端效器110具有自由端124和配置爲將端效器110安裝在安裝板140上的固定端111。固定端111和夾具130具有與腔141相似的形狀，使得固定端111和夾具130都適於放置在腔141中。
自由端124具有兩個指部115，其由外相反邊緣128和內相向邊緣127限定。端效器110在標準位置具有基板感應切口118，用於允許例如紅外線光束的感測器光束來檢測在端效器110上存在的基板。端效器110還具有中心探測(center-finder)孔114。操作者可以打開腔室並將探針插入中心探測孔114，以校準端效器110的中心，使得當在腔室中放下或取出基板時，端效器110完全與腔室對準。
外相反邊緣128彎曲成單一沙漏形狀，從端效器110的固定端111開始，然後逐漸變細以形成凹進。內相向邊緣127一起彎曲以形成延伸至基板感應切口118區域的凹進。在端效器110的凹進限制了端效器110的質量以達到羽量級並強有力地支撐基板。
端效器110具有形成在固定端111附近的擱架125，和形成在指部115的尖端的擱架126。擱架125、126配置爲支撐基板的背側並在自由端124的主要部分的上方爲基板背側提供空隙。擱架125、126形成基板支撐表面125a，其配置爲支撐基板的背側。端效器110還具有末端墊座(end shoe)117、116，其配置爲側面包含基板在其中。
在本發明的一個實施方式在，端效器110以預定角度安裝，以抵消下垂。第5A-B圖示意性地示出了第4圖中的端效器組件的截面側視圖。
如在第5A圖中所示，端效器110夾在安裝板140和夾具130之間。虛線150指示在端效器110上操控基板所需的角度。通常，所需角度約爲零度，即平行於水平面。在一個實施方式中，安裝端效器110，使得基板支撐表面125a相對於由虛線150標記的所需角度成預定角度β。在一個實施方式中，爲補償由於基板重量導致的端效器110的下垂來確定預定角度β，使得當基板位於端效器110上時，基板平行於虛線150。影響預定角度β的因素可包括基板的重量和尺寸、端效器110的材料特性、端效器110的結構、以及基板的傳送溫度。
在一個實施方式中，第5A圖中所示的傾斜安裝可通過在固定端111的底表面119上形成斜面來實現。如第5B圖所示，固定端111的底表面119可傾斜，使得底表面119和基板支撐表面125a不平行。如第5B圖所示，底表面119延伸至底平面119b。基板支撐表面125a延伸至支撐平面 125b。底平面119b與支撐平面125b相交。由底平面119b和原底表面119a限定的傾斜角度γ可根據角度β來確定。在一個實施方式中，固定端111可具有錐狀，其中頂表面120平行於支撐平面125b和原底表面119a，並且底表面119與頂表面120成角度γ。
在一個實施方式中，當基板位於自由端124上時，可通過移動自由端124來確定角度γ。例如，端效器110可首先形成爲在底表面119上不具有斜面，並安裝在安裝板140上，使得固定端111基本水平地安裝在處理環境置中。然後基板可位於自由端124上，並可測量自由端124從水平面的總位移。可確定傾斜角γ以修正總位移。
同樣的，本發明的端效器可按常規構造，其中對於不同的處理參數具有不同角度γ的斜面，例如處理溫度、被處理基板的重量和尺寸、端效器的材料和結構。基板操控器，例如機械手，可通過使用不同的端效器來避免在不同製程中的下垂。
在另一個實施方式中，斜面可形成在安裝板140的頂表面上，以將端效器110安裝在預定角度。在另一個實施方式中，安裝板140可成預定角度定位於機械臂上，使得安裝在安裝板140上的端效器是傾斜的。
在本發明的一個實施方式中，端效器和基板操控器的安裝板之間的對準可利用端效器的安裝區域的中心附近的約束來獲得。再次參照第4圖，端效器110的對準可利用形成在固定端111的中心線152附近的對準槽112來實 現。在夾具130上的中心孔132與形成在安裝板140上的中心孔142對準。當安裝端效器110時，接合銷121用於穿過夾具130的中心孔132、端效器110的對準槽112、和安裝板140的中心孔142。
第6圖示意性地示出了第4圖中不具有夾具130的端效器組件100的俯視圖。由於利用對準槽112和接合銷121來實現對準，可在安裝板140的側壁144和端效器110的固定端111之間形成安全縫(relief seam)122。安全縫122和形成在固定端111的中心附近的對準槽112允許端效器110的固定端111在腔室141中膨脹而不變形。當端效器110由具有比安裝板140和/或夾具130的材料高的熱膨脹率的材料製成時，這尤其有用。
雖然，根據本發明描述了接合銷和對準槽，其他合適的用於對準在固定端的中心區域附近的端效器的對準方法也是被預期的。
本發明的端效器可由任何與在相應的處理室中將執行的半導體製程相容的材料製成。在一個實施方式中，端效器可由鋁製成。在另一個實施方式中，端效器可由鍍鎳鋁製成。其他合適的材料可包括鈦、不銹鋼和陶瓷等。同樣地，夾具可由例如鈦、鋁、不銹鋼和陶瓷等合適的材料製成。
在一個實施方式中，夾具130和安裝板140可由相同的材料製成，使得夾具130可緊密固定在安裝板140的腔141中。
在一個實施方式中，端效器由鋁製成，同時用於將端效器安裝在安裝板上的夾具由鈦製成。
第7A-B圖示意性地示出了根據本發明的另一個實施方式的端效器210。
端效器210具有自由端224和配置爲將端效器210安裝在安裝板上的固定端211。固定端211與端效器110的固定端111相似，並可按照相似的方法安裝。固定端211具有形成在端效器210的中心線252附近的對準槽212，以及多個用於安裝螺絲的通孔213。
自由端224具有兩個指部215，其由外相反邊緣228和內相向邊緣227限定。端效器210在標準位置具有基板感應孔218，用於允許例如紅外線光束的感測器光束來檢測在端效器210上存在的基板。端效器210還具有中心探測孔214。操作者可以打開腔室並將探針插入中心探測孔214，以校準端效器210的中心，使得當在腔室中放下或拿取基板時，端效器210完全與腔室對準。
外相反邊緣228在中心部分附近基本上是直線的，形成相對堅固的自由端224，其提供對基板的穩定支撐。
端效器210具有形成在自由端224上的三個凸起支架226。這三個凸起支架226形成三點基板支撐結構，與基板接觸最少。可在自由端224上機械加工凸起支架226，以在基板的邊緣和自由端224之間提供空隙。端效器210還具有末端墊座216，其形成比被傳送的基板較大的圓周。末端墊座216配置爲在緊急情況下在其中側面抓住基板。
如在第7B圖中所示，凸起支架226和末端墊座216被設計爲具有圓角，以避免刮傷基板，因此，減少了塵粒污染。
雖然前述關於本發明的實施方式，但在不偏離本發明的基本範圍內可設計其他和進一步的實施方式，並且本發明的範圍由以下申請專利範圍確定。
10‧‧‧基板操控器
14‧‧‧端效器
15‧‧‧基板感應孔
16‧‧‧臂組件
18‧‧‧旋轉部分
27‧‧‧固定端
28‧‧‧安裝介面
29‧‧‧自由端
30‧‧‧基板
31‧‧‧側壁
32‧‧‧接縫
100‧‧‧端效器組件
110‧‧‧端效器
111‧‧‧固定端
112‧‧‧對準槽
113‧‧‧孔
114‧‧‧中心探測孔
115‧‧‧指部
116‧‧‧末端墊座
117‧‧‧末端墊座
118‧‧‧基板感應切口
119‧‧‧底表面
119a‧‧‧原底表面
119b‧‧‧底平面
120‧‧‧頂表面
121‧‧‧接合銷
122‧‧‧安全縫
124‧‧‧自由端
125‧‧‧擱架
125a‧‧‧基板支撐表面
125b‧‧‧支撐平面
126‧‧‧擱架
127‧‧‧內相向邊緣
128‧‧‧外相反邊緣
130‧‧‧夾具
131‧‧‧孔
132‧‧‧中心孔
133‧‧‧螺絲
140‧‧‧安裝板
141‧‧‧腔
142‧‧‧中心孔
143‧‧‧孔
144‧‧‧側壁
150‧‧‧虛線
152‧‧‧中心線
210‧‧‧端效器
211‧‧‧固定端
212‧‧‧對準槽
213‧‧‧孔
214‧‧‧中心探測孔
215‧‧‧指部
216‧‧‧末端墊座
218‧‧‧基板感應孔
224‧‧‧自由端
226‧‧‧凸起支架
227‧‧‧內相向邊緣
228‧‧‧外相反邊緣
252‧‧‧中心線
因此通過參照實施方式，可以獲得詳細瞭解本發明的上述引用特徵的方法、本發明的更具體的描述和上述概要總結，一些實施方式在附圖中示出。應注意的是，附圖所示僅爲本發明的典型實施方式，因此不認爲限制了其範圍，本發明允許其他等效實施方式。
第1圖(習知技術)示意性地示出了配置爲在傳送室中操控基板的基板操控器；第2A-B圖(習知技術)示意性地示出了下垂端效器的局部截面側視圖；第3圖(習知技術)示意性地示出了在高溫下變形的端效器的俯視圖；第4圖示意性地示出了根據本發明的一個實施方式的端效器組件的分解圖；第5A-B圖示意性地示出了第4圖中端效器組件的截面側視圖；第6圖示意性地示出了第4圖中端效器組件的局部俯 視圖；第7A-B圖示意性地示出了根據本發明的一個實施方式的端效器。
爲了方便理解，可能的情況下，圖式中通用的相同元件使用相同的元件符號。可預期的是在一個實施方式中揭示的元件可在沒有具體描述的其他實施方式中有利應用。
100‧‧‧端效器組件
110‧‧‧端效器
111‧‧‧固定端
112‧‧‧對準槽
113‧‧‧孔
114‧‧‧中心探測孔
115‧‧‧指部
116‧‧‧末端墊座
117‧‧‧末端墊座
118‧‧‧基板感應切口
121‧‧‧接合銷
124‧‧‧自由端
125‧‧‧擱架
126‧‧‧擱架
127‧‧‧內相向邊緣
128‧‧‧外相反邊緣
130‧‧‧夾具
131‧‧‧孔
132‧‧‧中心孔
133‧‧‧螺絲
140‧‧‧安裝板
141‧‧‧腔
142‧‧‧中心孔
143‧‧‧孔
144‧‧‧側壁
152‧‧‧中心線

Claims (20)

  1. 一種與一基板操控器結合使用的端效器，包含：一自由端，其具有一基板支撐平面，所述基板支撐平面配置為支撐一基板；以及一固定端，其配置為安裝在所述基板操控器上，其中所述固定端具有一頂表面及一底表面，所述頂表面實質平行於所述自由端的所述基板支撐平面，且所述底表面相對於所述頂表面成一斜度，且所述斜度係形成以促進所述端效器的一有角度的(angled)安裝。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的端效器，其中，所述斜度的角度係經決定，使得當一基板放置在所述端效器之不具所述斜度的所述自由端上，且在一處理環境中實質平行地安裝時，所述角度修正所述自由端與一水平面的一總位移。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的端效器，其中所述處理環境的一溫度係高達350℃。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的端效器，其中所述端效器係由鋁、鍍鎳鋁、鈦、不銹鋼及陶瓷中之一者製成。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的端效器，其中所述自由端 包含三個凸起支架，所述凸起支架配置為在其上支撐所述基板而不接觸所述基板的邊緣。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的端效器，其中所述自由端具有多個末端墊座，所述末端墊座配置為側面保持所述基板。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的端效器，其中所述固定端在所述端效器的一中心線附近具有一對準槽，且所述對準槽配置為將所述端效器與所述基板操控器對準。
  8. 一種與一基板操控器結合使用的端效器，包含：一自由端，所述自由端具有一基板支撐平面，所述基板支撐平面配置為在其上支撐一基板，其中所述基板支撐平面延伸至一第一平面；以及一固定端，所述固定端具有一安裝表面，所述安裝表面配置為將所述端效器固定在所述基板操控器，其中所述安裝表面延伸至一第二平面，且當在所述端效器上未放置一基板時，所述第一平面和所述第二平面相交。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的端效器，其中所述固定端具有形成在所述端效器的中心線附近的一對準槽，所述對準槽配置為將所述端效器與所述基板操控器對準。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的端效器，其中所述固定端設置在所述基板操控器的一安裝板的一安裝腔內，而能夠適應所述安裝板及所述端效器之間的熱膨脹差異。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的端效器，其中藉由將一接合銷穿過形成在所述端效器的所述中心線附近的一對準槽及形成在所述安裝板中的一中心孔，來將所述固定端與所述安裝板對準。
  12. 如申請專利範圍第8項所述的端效器，其中所述端效器安裝在所述基板操控器上，使得沒有一基板的所述基板支撐表面與一水平面成一第一角度。
  13. 一種基板操控器，包含：一操作臂，具有一安裝板；以及一端效器，配置為支撐一基板，其中所述端效器包含：一自由端，所述自由端具有一基板支撐平面，所述基板支撐平面配置為支撐所述基板；一固定端，所述固定端安裝在所述操作臂的所述安裝板上，其中所述固定端具有一頂表面及一底表面，所述頂表面實質平行於所述自由端的所述基板支撐 平面，且所述底表面相對於所述頂表面成一斜度，且所述斜度係形成以促進所述端效器的一有角度的(angled)安裝。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的基板操控器，還包括一夾具構件，所述夾具構件配置為將所述端效器安裝在所述安裝板上，其中所述端效器堆疊在所述夾具構件和所述安裝板之間。
  15. 如申請專利範圍第13項所述的基板操控器，其中所述固定端具有形成在所述端效器的一中心線附近的一對準槽，所述對準槽配置為將所述端效器與所述安裝板對準。
  16. 如申請專利範圍第13項所述的基板操控器，其中所述安裝板具有配置為容納所述端效器的所述底表面的一安裝平面，所述安裝平面水平地設置。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的基板操控器，其中所述安裝板具有配置為容納所述端效器的一腔。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的基板操控器，其中在所述安裝板之側壁及所述端效器之所述固定端之間形成 安全縫，且所述安全縫允許所述端效器在所述腔內膨脹而不變形。
  19. 如申請專利範圍第13項所述的基板操控器，其中所述端效器及所述安裝板由不同的材料製成。
  20. 如申請專利範圍第19項所述的基板操控器，其中所述端效器由鋁製成且所述安裝板由鈦製成。
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