晶圆传输设备及其控制方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种晶圆传输设备及其控制方法。

背景技术

目前，在半导体工艺设备中，需要把晶圆从大气环境中逐步传送到工艺腔室中进行工艺处理。在此过程中，晶圆的传输需要借助由一系列的大气设备和真空设备等组成的传输模块来实现。传输模块中通常设置有机械手臂，用以通过伸缩、升降等运动来实现将晶圆传输到工艺腔室中。传输模块中传输腔室为避让机械手臂伸缩、升降等运动，体积设计的就会较为庞大，由此导致整个设备占地较多，这对体积要求较高的半导体设备而言是不合适的。

发明内容

本发明的目的包括提供一种晶圆传输设备及其控制方法，其能够满足机械手臂的运动要求，而且体积小巧紧凑，大大节省了占地空间。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种晶圆传输设备，晶圆传输设备包括：

传输腔体，传输腔体为箱体结构，传输腔体的内部开设有容置空腔，传输腔体的四个侧壁的中部上均开设有连接口；

机械手臂，安装在容置空腔内、且连接在传输腔体底部的中心位置O，机械手臂围绕中心位置O的旋转范围为圆形区域Q，圆形区域Q的直径大于传输腔体的长度或宽度，圆形区域Q的部分延伸出四个连接口。

本发明实施例提供的晶圆传输设备的有益效果包括：

将圆形区域Q的部分延伸出传输腔体的四个侧壁上的连接口，相当于传输腔体的长度和宽度均小于圆形区域Q的直径2R，使得传输腔体的体积小巧紧凑，大大节省了占地空间，同时，满足了机械手臂在容置空腔内旋转的运动需求。

在可选的实施方式中，连接口的两侧边到中心位置O的距离L1大于圆形区域Q的半径R。

这样，连接口的两侧边是传输腔体的侧壁上距离中心位置O最近的部位，当这个距离L1大于圆形区域Q的半径R，机械手臂在旋转运动过程中不会与传输腔体的侧壁发生干涉。

在可选的实施方式中，机械手臂包括依次连接的第一传动臂、第二传动臂和操纵臂，第一传动臂连接在中心位置O，操纵臂的端部用于夹持或释放晶圆。

在可选的实施方式中，在操纵臂夹持晶圆的情况下，操纵臂与晶圆的整体长度L2小于圆形区域Q的直径2R。

这样，可以降低操纵臂夹持晶圆后碰撞到传输腔体的风险。

在可选的实施方式中，在机械手臂围绕中心位置O旋转的情况下，第一传动臂与第二传动臂之间的夹角a以及第二传动臂与操纵臂之间的夹角b均保持不变，且夹角a和夹角b均小于90°。

这样，机械手臂所占用的空间较小，机械手臂围绕中心位置O旋转的过程中，才不会与传输腔体的侧壁发生干涉，也可以让传输腔体的体积设计得更小。

在可选的实施方式中，夹角a为70°，第一传动臂的长度与第二传动臂的长度相等。

在可选的实施方式中，在机械手臂围绕中心位置O旋转的情况下，操纵臂的中心线与中心位置O位于同一竖直面内。

这样，相当于操纵臂的中心线与圆形区域Q的直径重合，可以使操纵臂设计得更长，也可以使传输腔体设计得更小。

在可选的实施方式中，在机械手臂伸出连接口的过程中，操纵臂相对于中心位置O不转动，第一传动臂与第二传动臂之间的夹角逐渐增大，在机械手臂从连接口缩回的过程中，操纵臂相对于中心位置O不转动，第一传动臂与第二传动臂之间的夹角逐渐减小。

这样，机械手臂在伸出或缩回的过程中，所占用的空间较小，可以使传输腔体设计得更小。

在可选的实施方式中，传输腔体的顶部设置有可拆卸盖板，可拆卸盖板用于打开后从容置空腔中拆装机械手臂。

这样，可以将机械手臂以及机器人从传输腔体的顶部实现整体拆装，不需要将机械臂分解。

第二方面，本发明提供一种晶圆传输设备的控制方法，控制方法应用于前述实施方式的晶圆传输设备，控制方法包括：

在控制机械手臂围绕中心位置O旋转的过程中，控制机械手臂的旋转范围为圆形区域Q，圆形区域Q的直径大于传输腔体的长度或宽度，圆形区域Q的部分延伸出四个连接口。

在可选的实施方式中，机械手臂包括依次连接的第一传动臂、第二传动臂和操纵臂，在控制机械手臂围绕中心位置O旋转的情况下，第一传动臂与第二传动臂之间的夹角a以及第二传动臂与操纵臂之间的夹角b均保持不变，且夹角a和夹角b均小于90°。

在可选的实施方式中，在控制机械手臂围绕中心位置O旋转的情况下，操纵臂的中心线与中心位置O位于同一竖直面内。

在可选的实施方式中，在控制机械手臂伸出连接口的过程中，操纵臂相对于中心位置O不转动，第一传动臂与第二传动臂之间的夹角逐渐增大，在控制机械手臂从连接口缩回的过程中，操纵臂相对于中心位置O不转动，第一传动臂与第二传动臂之间的夹角逐渐减小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的晶圆传输设备的第一视角的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的晶圆传输设备的第二视角的结构示意图；

图3为传输腔体的顶部示意图；

图4为机械手臂的旋转范围示意图；

图5至图11为晶圆传输设备工作过程的示意图。

图标：100-晶圆传输设备；110-传输腔体；111-容置空腔；112-连接口；113-方形口；114-弧形口；120-机器人；130-机械手臂；131-第一传动臂；132-第二传动臂；133-操纵臂；140-可拆卸盖板；141-石英玻璃；150-放置支架；160-门阀；170-密封盖板；180-盖板安全联锁开关；190-晶圆检测传感器；200-真空开关；210-真空规；220-晶圆；230-工艺腔体；240-定位腔体；250-晶圆盒升降腔体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

第一实施例

请参考图1和图2，本实施例提供了一种晶圆传输设备100，晶圆传输设备100包括传输腔体110、机器人120、机械手臂130、可拆卸盖板140、放置支架150、门阀160、密封盖板170、盖板安全联锁开关180和晶圆检测传感器190。

传输腔体110为箱体结构，传输腔体110的内部开设有容置空腔111，传输腔体110的四个侧壁的中部上均开设有连接口112，四个连接口112可用于与其它腔体连接，例如，本实施例中，两个相对设置的连接口112通过密封盖板170封闭，一个连接口112通过门阀160与工艺腔体230（请参考图5）连接，最后一个连接口112与定位腔体240（请参考图5）连接。其中，密封盖板170可根据工艺腔数量切换成门阀160，腔室适配性灵活。

机器人120的主体安装在传输腔体110的底部，机械手臂130安装在容置空腔111内、且连接在传输腔体110底部的中心位置O，机器人120用于驱动机械手臂130（请参考图3）旋转、升降运动。

请参考图3，传输腔体110的顶部开设有安装口，安装口包括方形口113以及连接在方形口113的角位置的弧形口114，通过安装口可以将包括机械手臂130的机器人120从传输腔体110的顶部实现整体拆装，不需要将机械臂分解。

请参考图2，传输腔体110的顶部设置有可拆卸盖板140，可拆卸盖板140用于打开安装口后从容置空腔111中拆装机械手臂130。可拆卸盖板140的中部设置有石英玻璃141，便于操作人员随时观察传输腔体110内的情况。传输腔体110顶部的边缘设置有放置支架150，便于固定可拆卸盖板140。

盖板安全联锁开关180安装在可拆卸盖板140上，在可拆卸盖板140打开之后，盖板安全联锁开关180控制机器人120、机械手臂130等运动零件停止运动，提高安全性。

晶圆检测传感器190安装在门阀160与传输腔体110之间，晶圆检测传感器190用于检测晶圆220是否存在，以避免门阀160关闭时造成晶圆220被门阀160夹碎、甚至损坏门阀160，进而可以提高工艺的稳定性和降低成本。

真空开关200和真空规210安装在传输腔体110的底部，不占空间且美观，真空规210可实时监测容置空腔111的内部压力，真空开关200可调节容置空腔111内的真空度。

请参考图4，机械手臂130围绕中心位置O的旋转范围为圆形区域Q，圆形区域Q的直径大于传输腔体110的长度或宽度，圆形区域Q的部分延伸出四个连接口112。这样，相当于传输腔体110的长度和宽度均小于圆形区域Q的直径2R，使得传输腔体110的体积小巧紧凑，大大节省了占地空间，同时，满足了机械手臂130在容置空腔111内旋转的运动需求。

连接口112的两侧边到中心位置O的距离L1大于圆形区域Q的半径R。这样，连接口112的两侧边是传输腔体110的侧壁上距离中心位置O最近的部位，当这个距离L1大于圆形区域Q的半径R，机械手臂130在旋转运动过程中不会与传输腔体110的侧壁发生干涉。

优选地，容置空腔111的四个角位置的部分延伸出圆形区域Q，避免机械手臂130和晶圆220碰撞到容置腔室的壁面。

机械手臂130包括依次连接的第一传动臂131、第二传动臂132和操纵臂133，第一传动臂131连接在中心位置O，操纵臂133的端部用于夹持或释放晶圆220。在操纵臂133夹持晶圆220的情况下，操纵臂133与晶圆220的整体长度L2小于圆形区域Q的直径2R。这样，可以降低操纵臂133夹持晶圆220后碰撞到传输腔体110的风险。

在机械手臂130围绕中心位置O旋转的情况下，第一传动臂131与第二传动臂132之间的夹角a以及第二传动臂132与操纵臂133之间的夹角b均保持不变，且夹角a和夹角b均小于90°。其中，优选夹角a为70°，第一传动臂131的长度与第二传动臂132的长度相等，则b为55°。这样，机械手臂130所占用的空间较小，机械手臂130围绕中心位置O旋转的过程中，才不会与传输腔体110的侧壁发生干涉，也可以让传输腔体110的体积设计得更小。

优选地，在机械手臂130围绕中心位置O旋转的情况下，操纵臂133的中心线与中心位置O位于同一竖直面内。这样，相当于操纵臂133的中心线与圆形区域Q的直径重合，可以使操纵臂133设计得更长，也可以使传输腔体110设计得更小。

请参考图5至图11，晶圆传输设备100的右侧连接有工艺腔体230，晶圆传输设备100的左侧连接有定位腔体240，定位腔体240的左侧连接有晶圆盒升降腔体250。

晶圆传输设备100的工作过程如下：

1.启动晶圆传输设备100，机械手臂130恢复到初始位置，如图5所示，操纵臂133的中心线与圆形区域Q的直径重合，操纵臂133正对定位腔体240，并在机器人120的控制下达到所需的高度；

2.机械手臂130向晶圆盒升降腔体250延伸，如图6所示，在机械手臂130延伸的过程中，操纵臂133相对于中心位置O不转动，第一传动臂131与第二传动臂132之间的夹角逐渐增大，使操纵臂133沿直线运动经过定位腔体240到达晶圆盒升降腔体250内，这样，机械手臂130在伸出的过程中，所占用的空间较小，可以使传输腔体110设计得更小；

3.机械手臂130在晶圆盒升降腔体250内夹取晶圆220，如图7所示；

4.机械手臂130夹持晶圆220缩回晶圆传输设备100，如图8所示，在机械手臂130缩回的过程中，操纵臂133相对于中心位置O不转动，第一传动臂131与第二传动臂132之间的夹角逐渐减小，这样，机械手臂130在缩回的过程中，所占用的空间较小，可以使传输腔体110设计得更小；

5.机械手臂130夹持晶圆220在晶圆传输设备100内旋转，直到晶圆220正对工艺腔体230，如图9和图10所示，机械手臂130围绕中心位置O逆时针旋转，机械手臂130在旋转过程中不发生变形，直到操纵臂133和晶圆220正对工艺腔体230；

6.机械手臂130将晶圆220送入工艺腔体230，如图11所示，在机械手臂130延伸的过程中，操纵臂133相对于中心位置O不转动，第一传动臂131与第二传动臂132之间的夹角逐渐增大，使操纵臂133沿直线运动到达工艺腔体230内。

本发明实施例提供的晶圆传输设备100的有益效果包括：

1.将圆形区域Q的部分延伸出传输腔体110的四个侧壁上的连接口112，相当于传输腔体110的长度和宽度均小于圆形区域Q的直径2R，使得传输腔体110的体积小巧紧凑，大大节省了占地空间，同时，规划了机械手臂130的运动路线，使机械手臂130不会与其它部件发生干涉，满足了机械手臂130在容置空腔111内旋转的运动需求；

2.在传输腔体110的顶部设置有可拆卸盖板140，可以将机械手臂130以及机器人120从传输腔体110的顶部实现整体拆装，不需要将机械臂分解，可拆卸盖板140上设置有石英玻璃141，便于操作人员随时观察传输腔体110内的情况，可拆卸盖板140上安装有盖板安全联锁开关180，提高安全性；

3.在门阀160与传输腔体110之间安装有晶圆检测传感器190，避免门阀160关闭时造成晶圆220被门阀160夹碎、甚至损坏门阀160，进而可以提高工艺的稳定性和降低成本。

第二实施例

本实施例提供一种晶圆传输设备100的控制方法，控制方法应用于第一实施例的晶圆传输设备100，控制方法包括：

1）在控制机械手臂130围绕中心位置O旋转的过程中，机械手臂130的旋转范围为圆形区域Q，圆形区域Q的直径大于传输腔体110的长度或宽度，圆形区域Q的部分延伸出四个连接口112，第一传动臂131与第二传动臂132之间的夹角a以及第二传动臂132与操纵臂133之间的夹角b均保持不变，且夹角a和夹角b均小于90°，操纵臂133的中心线与中心位置O位于同一竖直面内；

2）在控制机械手臂130伸出连接口112的过程中，操纵臂133相对于中心位置O不转动，第一传动臂131与第二传动臂132之间的夹角逐渐增大；

3）在控制机械手臂130从连接口112缩回的过程中，操纵臂133相对于中心位置O不转动，第一传动臂131与第二传动臂132之间的夹角逐渐减小。

本实施例提供的晶圆传输设备100的控制方法的有益效果包括：

控制机械手臂130按照上述方式夹取、运输、释放晶圆220，对晶圆传输设备100的容置空腔111的体积要求较小，便于将晶圆传输设备100设计得小巧紧凑，节省占地空间。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。