一种晶圆传输机械手

此申请为申请号为2019108427084，名称为《一种晶圆传输机械手及其晶圆翻转方法》的分案申请

技术领域

本发明涉及半导体集成电路芯片制造的设备领域，具体涉及一种晶圆传输机械手。

背景技术

随着半导体产业的迅速发展，集成电路特征尺寸不断趋于微细化，半导体晶片不断地朝小体积、高电路密集度、快速、低耗电方向发展，集成电路现已进入超大规模集成电路(Ultra-Large-scale integration，ULSI)亚微米级的技术阶段。伴随着硅晶片直径的逐渐增大，元件内刻线宽度逐步缩小，金属层数的增多，因此半导体薄膜表面的高平坦化对器件的高性能、低成本、高成品率有着重要的影响，这导致对硅晶片表面的平整度要求将日趋严格。

目前，作为唯一能获得全局平面化效果的平整化技术化学机械抛光技术，化学机械平坦化(Chemical Mechanical Planarization，CMP)已经发展成集在线量测、在线终点检测、清洗等技术于一体的化学机械抛光技术，是集成电路向微细化、多层化、薄型化、平坦化工艺发展的产物。在晶圆进行CMP 加工后，会在晶圆表面残留加工的移除物和抛光液，为了及时去除晶圆表面的污染物，CMP设备需要搭配清洗设备使用。在干燥晶圆的工艺中，一个基本要求就是使晶圆干燥，并且杜绝原来附着在溶液中的任何颗粒重新附着至晶圆的可能。

为了使整个清洗模块达到较好的清洗效果，可以采用干燥单元是水平放置而其他几个清洗单元均是竖直放置的配置。在此种配置下，为了使晶圆从竖直状态转换成水平状态，晶圆传输机械手需提供翻转功能以配合完成这一工作。现有的清洗机械手中，一些是卡爪夹持臂未有旋转功能，只能有Z轴上下运动的单个自由度，通过晶圆卡爪端实现晶圆的翻转。但是此种实现方法需将机械手整体移动到干燥设备上方，卡爪夹持臂才能将已经经晶圆卡爪翻转的晶圆置入干燥设备中，这种晶圆传输机械手整体位于干燥设备上方的置入过程，较易给最后道干燥工艺引入杂质颗粒，降低晶圆的洁净度。且晶圆传输机械手的横向行程贯穿整个清洗模块，长行程传输对传输效率也有一定的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种晶圆传输机械手及其晶圆翻转方法，以通过实现晶圆在水平和竖直两种状态的转换来满足化学机械平坦化的工艺要求，并排除在干燥工艺中将晶圆传输机械手运动部件上的杂质颗粒散落到晶圆上的可能性。

为达到上述目的，本发明提供了一种晶圆传输机械手，用于化学机械平坦化设备的清洗模块中的晶圆传输，以将晶圆以竖直状态在清洗模块的清洗单元中完成清洗后取出，再通过翻转后以水平状态置入清洗模块的干燥单元，其包括：

横向传输轴，仅位于所述清洗单元的一侧；

横向传输拖板，设置在所述横向传输轴上，并能够沿所述横向传输轴做横向运动；

第一垂直升降轴，设置在所述横向传输拖板上，并能够在所述横向传输拖板上做竖直运动；

旋转台，设置在所述第一垂直升降轴上；

第一卡爪夹持臂，与所述旋转台相连，并由所述旋转台驱动做旋转运动，用于对晶圆进行取放。

上述的晶圆传输机械手，其中，所述清洗单元和所述干燥单元安装有可开关的门，用于所述晶圆传输机械手对晶圆进行取放时的自动打开或关闭。

上述的晶圆传输机械手，其中，所述清洗单元包括：干燥前单元和清洗模块其他单元；所述干燥单元和清洗模块其他单元位于所述干燥前单元的两侧；所述干燥前单元采用竖直方向作业；所述干燥前单元内的晶圆由所述第一卡爪夹持臂传输至所述干燥单元；所述清洗模块其他单元为晶圆过渡单元、兆声清洗单元、刷洗单元中的一个或多个。

上述的晶圆传输机械手，其中，所述晶圆传输机械手还包括：至少一个第二垂直升降轴，设置在所述横向传输拖板上，并能够在所述横向传输拖板上做竖直运动；所述第一垂直升降轴位于所述第二垂直升降轴和所述干燥单元之间；每个所述第二垂直升降轴上还设置有第二卡爪夹持臂，用于与第一卡爪夹持臂配合进行清洗模块其他单元到干燥前单元之间的晶圆传送。

本发明还提供了一种上述晶圆传输机械手的晶圆翻转方法，该方法包括晶圆置入步骤和机械手返回步骤；

所述晶圆置入步骤包括：所述第一卡爪夹持臂从所述清洗单元的干燥前单元中取出晶圆后，通过横向、竖直、旋转三个运动方向的联动或非联动动作实现晶圆从竖直状态翻转为水平状态，并将晶圆置入干燥单元；

所述机械手返回步骤包括：第一卡爪夹持臂将晶圆放置于所述干燥单元后，通过横向、竖直、旋转三个运动方向的联动或非联动动作由水平状态恢复为竖直状态，并返回原位置。

上述的晶圆传输机械手的晶圆翻转方法，其中，所述晶圆置入步骤具体包括：

所述第一卡爪夹持臂从所述干燥前单元中取出晶圆后，同时进行以下三个方向上的运动：横向传输拖板带动第一卡爪夹持臂向远离所述干燥单元的方向做横向运动，旋转台带动第一卡爪夹持臂向靠近所述干燥单元一侧旋转至晶圆达到水平状态，第一垂直升降轴带动第一卡爪夹持臂竖直运动至一定位置；

随后横向传输拖板带动第一卡爪夹持臂向靠近所述干燥单元的方向横向运动至晶圆位于干燥单元的上方；第一垂直升降轴带动第一卡爪夹持臂竖直向下运动至晶圆位于干燥单元内部指定机构；第一卡爪夹持臂松开晶圆，使晶圆位于干燥单元内部指定机构上。

上述的晶圆传输机械手的晶圆翻转方法，其中，所述晶圆置入步骤具体包括：所述第一卡爪夹持臂从所述干燥前单元中取出晶圆后，横向传输拖板带动第一卡爪夹持臂向远离所述干燥单元的方向做横向运动；然后旋转台带动第一卡爪夹持臂向靠近所述干燥单元一侧旋转至晶圆达到水平状态；接着第一垂直升降轴带动第一卡爪夹持臂竖直运动至一定位置；随后横向传输拖板带动第一卡爪夹持臂向靠近所述干燥单元的方向横向运动至晶圆位于干燥单元的上方；第一垂直升降轴带动第一卡爪夹持臂竖直向下运动至晶圆位于干燥单元内部指定机构；第一卡爪夹持臂松开晶圆，使晶圆位于干燥单元内部指定机构上。

上述的晶圆传输机械手的晶圆翻转方法，其中，所述晶圆置入步骤具体包括：所述第一卡爪夹持臂从所述干燥前单元中取出晶圆后，横向传输拖板带动第一卡爪夹持臂向远离所述干燥单元的方向做横向运动；然后旋转台带动第一卡爪夹持臂向靠近所述干燥单元一侧旋转至晶圆达到水平状态；随后横向传输拖板带动第一卡爪夹持臂向靠近所述干燥单元的方向横向运动至晶圆位于干燥单元的上方；第一垂直升降轴带动第一卡爪夹持臂竖直向下运动至晶圆位于干燥单元内部指定机构；第一卡爪夹持臂松开晶圆，使晶圆位于干燥单元内部指定机构上。

上述的晶圆传输机械手的晶圆翻转方法，其中，所述晶圆置入步骤具体包括：所述第一卡爪夹持臂从所述干燥前单元中取出晶圆后，旋转台带动第一卡爪夹持臂向靠近所述干燥单元一侧旋转至晶圆达到水平状态；随后横向传输拖板带动第一卡爪夹持臂横向运动至晶圆位于干燥单元的上方；第一垂直升降轴带动第一卡爪夹持臂竖直向下运动至晶圆位于干燥单元内部指定机构；第一卡爪夹持臂松开晶圆，使晶圆位于干燥单元内部指定机构上。

上述的晶圆传输机械手的晶圆翻转方法，其中，所述机械手返回步骤具体包括：当晶圆被放置于干燥单元后，同时进行以下三个方向上的运动：横向传输拖板带动第一卡爪夹持臂向远离所述干燥单元的方向做横向运动；旋转台带动第一卡爪夹持臂向下旋转至第一卡爪夹持臂呈竖直状态；第一垂直升降轴带动第一卡爪夹持臂竖直向上运动至一定位置。

上述的晶圆传输机械手的晶圆翻转方法，其中，所述机械手返回步骤具体包括：当晶圆被放置于干燥单元后，第一垂直升降轴带动第一卡爪夹持臂竖直向上运动至一定位置；然后横向传输拖板带动第一卡爪夹持臂向远离所述干燥单元的方向横向运动至一定位置；接着旋转台带动第一卡爪夹持臂向下旋转至第一卡爪夹持臂呈竖直状态。

上述的晶圆传输机械手的晶圆翻转方法，其中，所述机械手返回步骤具体包括：当晶圆被放置于干燥单元后，横向传输拖板带动第一卡爪夹持臂向远离所述干燥单元的方向横向运动至一定位置；然后第一垂直升降轴带动第一卡爪夹持臂竖直向上运动至一定位置；接着旋转台带动第一卡爪夹持臂向下旋转至第一卡爪夹持臂呈竖直状态。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1.本发明所提供的晶圆传输机械手设置于化学机械平坦化设备的清洗模块中，可以切实有效满足晶圆在水平和竖直两种状态的转换，符合实际生产需求，机械手翻转过程无需增加空间以供翻转，也不会对其他机构产生干扰，空间利用率高。

2.本发明中晶圆传输机械手使干燥单元能够以作用效果最佳为目标来选择晶圆放置模式(竖直或水平放置)，无需为了便于晶圆传输而使干燥单元的晶圆放置模式与清洗模块其余各单元一致。

3.由于晶圆传输机械手的横向传输轴行程只到干燥前单元为止，行程紧凑，机械手翻转后向干燥单元置入晶圆过程中，横向传输拖板不会运行到干燥单元一侧，从而排除在干燥工艺中将晶圆传输机械手运动部件上的杂质颗粒散落到晶圆上的可能性。

附图说明

图1为本发明晶圆传输机械手一较佳实施例的结构示意图；

图2为本发明晶圆翻转方法中晶圆置入步骤实施例1的流程示意图；

图3为本发明晶圆翻转方法中晶圆置入步骤实施例2的流程示意图；

图4为本发明晶圆翻转方法中晶圆置入步骤实施例3的流程示意图；

图5为本发明晶圆翻转方法中晶圆置入步骤实施例4的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

在如图1所示的较佳实施例中，本发明所提供的晶圆传输机械手，用于化学机械平坦化设备的清洗模块中的晶圆8传输，以将晶圆8以竖直状态在清洗模块的清洗单元中完成清洗后取出，再通过翻转后以水平状态置入清洗模块的干燥单元10。在一些较佳的实施例中，所述清洗单元和所述干燥单元 10安装有可开关的气动门，用于所述晶圆传输机械手对晶圆8进行取放时的自动打开或关闭。

清洗模块的清洗单元包括：干燥前单元9和清洗模块其他单元；干燥单元10和清洗模块其他单元位于干燥前单元9的两侧；在一些较佳的实施例中，所述干燥前单元9可以选择刷洗单元，在该单元中晶圆8采用竖直方向作业；所述清洗模块其他单元可以为晶圆过渡单元、兆声清洗单元、刷洗单元中的一个或多个。清洗单元的具体设置可以根据实际生产的需要进行自由组合，以灵活适用各种情况。

在该实施例中，本发明所提供的晶圆传输机械手包括：横向传输轴1、横向传输拖板2、第一垂直升降轴3、第二垂直升降轴5、第一卡爪夹持臂7 及第二卡爪夹持臂6。

其中，横向传输拖板2设置在所述横向传输轴1上，并能够沿所述横向传输轴1做横向运动；横向传输轴1仅位于所述清洗单元一侧，以使得横向传输拖板2不会运行到干燥单元10一侧，从而排除在干燥工艺中晶圆传输机械手运动部件上的杂质颗粒散落到晶圆8上的可能性。需要说明的是：横向传输轴1的位置仅需要满足横向传输拖板2不会运行到干燥单元一侧即可，至于横向传输轴1与清洗单元的空间相对位置并不做特别限定。横向传输轴1可以低于清洗单元，只需要满足晶圆传输机械手能够完成取放晶圆8即可。更优地，横向传输轴1布置于清洗单元的上方，以实现更优的布置方式。

横向传输拖板2上并排设置有第一垂直升降轴3和第二垂直升降轴5，能够在所述横向传输拖板2上各自单独做竖直上下运动。其中所述第一垂直升降轴3上还设置有旋转台4，用于驱动与其相连的第一卡爪夹持臂7做旋转运动。所述旋转台4的驱动形式为气动或电动。而所述第二垂直升降轴5 直接与第二卡爪夹持臂6相连。所述第一卡爪夹持臂7与所述第二卡爪夹持臂6相比更靠近于所述干燥单元10，用于将晶圆8从所述干燥前单元9传输至所述干燥单元10。

而所述第二卡爪夹持臂6则用于将晶圆8从所述清洗模块其他单元传输至所述干燥前单元9。该实施例设置第二卡爪夹持臂6是为了在第一卡爪夹持臂7从干燥前单元9中取出晶圆8之后，立即可以有待加工的晶圆8进入干燥前单元9内进行作业，以实现更高的生产效率。但在一些实施例中没有该第二卡爪夹持臂6的设置，并不影响本发明所解决的技术问题以及所实现的技术效果，故本发明对第二卡爪夹持臂6的数量并没有限制，可以根据实际生产情况进行配制。

横向传输轴1布置在干燥前单元9一侧，清洗模块其他单元按图1所示顺序放置在横向传输轴1下方。第二卡爪夹持臂6可以通过第二垂直升降轴 5进行Z轴方向的升降，第一卡爪夹持臂7可以通过旋转台4进行顺时针或者逆时针旋转，旋转台4通过第一垂直升降轴3进行Z轴方向的升降，横向传输拖板2通过横向传输轴1进行X轴方向的移动。干燥前单元9以及清洗模块其他单元都是干燥晶圆8的前道工艺单元，干燥单元10的作用是将清洗好的晶圆8进行表面干燥和洁净。晶圆传输机械手的作用是通过夹持晶圆8 后的横向运动、竖直运动以及旋转运动来运送晶圆8到清洗模块各个单元中。

本发明还提供了一种上述晶圆传输机械手的晶圆8翻转方法，该方法包括晶圆8置入步骤和机械手返回步骤。

所述晶圆8置入步骤包括：所述第一卡爪夹持臂7从所述清洗单元中取出晶圆8后，通过横向、竖直、旋转三个运动方向的联动或非联动动作实现晶圆8从竖直状态翻转为水平状态，并将晶圆8置入干燥单元10。

所述机械手返回步骤包括：第一卡爪夹持臂7将晶圆8放置于所述干燥单元10后，通过横向、竖直、旋转三个运动方向的联动或非联动动作由水平状态恢复为竖直状态，并返回原位置。

关于本发明所提供的基于上述晶圆传输机械手的晶圆8翻转方法，将从以下7个实施例进行具体说明。当然地，能够实现本发明上述晶圆8翻转方法的具体实施方案并不局限于下述的7个实施例。

实施例1：

在第一卡爪夹持臂7沿Z轴方向运动从干燥前单元9中取出晶圆8后(如图2的①部分所示)，如图2的②部分所示，横向传输拖板2向X+方向运动，同时旋转台4带动晶圆8沿A+顺时针旋转，以及第一垂直升降轴3携第一卡爪夹持臂7向Z-方向向下运动，第一卡爪夹持臂7携晶圆8在X+、 A+、Z-三个方向上共同运动，共同协调完成晶圆8从竖直到水平的状态转换过程，如图2的③部分所示，晶圆8已达到水平状态。在晶圆8翻转期间，干燥单元10内部指定机构已做好晶圆8放入的准备。随后横向传输拖板2 带动第一卡爪夹持臂7向X-方向移动至晶圆8位于干燥单元10的上方(如图2的④部分所示)。第一卡爪夹持臂7在Z-方向向下运动至晶圆8位于干燥单元10内部指定机构(如图2的⑤部分所示)，第一卡爪夹持臂7松开晶圆8，晶圆8位于干燥单元10内部指定机构上。

实施例2：

在第一卡爪夹持臂7沿Z轴方向运动从干燥前单元9中取出晶圆8后(如图3的①部分所示)，如图3的②部分所示，横向传输拖板2向X+方向移动一段距离，然后旋转台4带动第一卡爪夹持臂7沿A+顺时针旋转至一定角度使晶圆8达到水平状态(如图3的③和④部分所示)。接着第一垂直升降轴3携第一卡爪夹持臂7向Z-方向向下运动一定的位置。在晶圆8翻转期间，干燥单元10内部指定机构已做好晶圆8放入的准备。随后横向传输拖板 2带动第一卡爪夹持臂7向X-方向移动至晶圆8位于干燥单元10的上方(如图3的⑤部分所示)。第一卡爪夹持臂7在Z-方向向下运动至晶圆8位于干燥单元10内部指定机构(如图3的⑥部分所示)，第一卡爪夹持臂7松开晶圆8，晶圆8位于干燥单元10内部指定机构上。以上步骤是各方向单独运动组合的结果。

实施例3：

在第一卡爪夹持臂7沿Z轴方向运动从干燥前单元9中取出晶圆8后(如图4的①部分所示)，如图4的②部分所示，横向传输拖板2向X+方向移动一段距离，然后旋转台4带动第一卡爪夹持臂7沿A+顺时针旋转至一定角度使晶圆8达到水平状态(如图4的③和④部分所示)。接着横向传输拖板2带动第一卡爪夹持臂7向X-方向运动(如图4的⑤部分所示)，随后第一垂直升降轴3携第一卡爪夹持臂7向Z-方向向下运动至晶圆8位于干燥单元10内部指定机构(如图4的⑥部分所示)。最后第一卡爪夹持臂7松开晶圆8，晶圆8位于干燥单元10内部指定机构上。

实施例4：

在第一卡爪夹持臂7沿Z轴方向运动从干燥前单元9中取出晶圆8后(如图5的①部分所示)，紧接着第一卡爪夹持臂7直接沿A+顺时针旋转至一定角度使晶圆8达到水平状态(如图5的②部分所示)，然后再根据不同卡爪夹持臂的实际长短，将横向传输拖板2进行X+或X-方向移动(微调)，使晶圆8处于干燥单元10的正上方，随后第一垂直升降轴3携第一卡爪夹持臂7向Z-方向向下运动至晶圆8位于干燥单元10内部指定机构。最后第一卡爪夹持臂7松开晶圆8，晶圆8位于干燥单元10内部指定机构上。

当晶圆8被放置于干燥单元10内部指定机构后，机械手接着将返回原状态，可以采用以下实施例5-7的方案，以完成整个循环。

实施例5：

放置晶圆8的动作可以选择实施例1-4中的任一方案，当晶圆8被放置于干燥单元10内部指定机构后，机械手接着将返回原状态，横向传输拖板2 向X+方向运动，旋转台4带动晶圆8沿A-顺时针旋转，第一垂直升降轴3 携第一卡爪夹持臂7向Z+方向上升，第一卡爪夹持臂7在X+、A-、Z+三个方向上共同运动，共同协调完成从水平到竖直状态的过程。

实施例6：

放置晶圆8的动作可以选择实施例1-4中的任一方案，当晶圆8被放置于干燥单元10内部指定机构后，机械手接着将返回原状态，被横置的第一卡爪夹持臂7先往Z+方向上升到一定高位，然后往X+方向移动一定距离后，第一卡爪夹持臂7向A-方向旋转直至恢复成竖直状态，完成整个循环。

实施例7：

放置晶圆8的动作可以选择实施例1-4中的任一方案，当晶圆8被放置于干燥单元10内部指定机构后，机械手接着将返回原状态，被横置的第一卡爪夹持臂7先往X+方向移动一定距离后，再往Z+方向上升到一定高位，然后第一卡爪夹持臂7向A-方向旋转直至恢复成竖直状态，完成整个循环。

总之，晶圆8置入可以是联动或非联动，机械手返回可以是联动或非联动，关于晶圆8置入的实施例1-4和关于机械手返回的实施例5-7可根据实际需要自由组合使用，以适应各种实际生产环境。

综上所述，本发明所提供的晶圆传输机械手设置于化学机械平坦化设备的清洗模块中，可以切实有效满足晶圆在水平和竖直两种状态的转换，符合实际生产需求，机械手翻转过程无需增加空间以供翻转，也不会对其他机构产生干扰，空间利用率高。本发明中晶圆传输机械手使干燥单元能够以作用效果最佳为目标来选择晶圆放置模式(竖直或水平放置)，无需为了便于晶圆传输而使干燥单元的晶圆放置模式与清洗模块其余各单元一致。由于晶圆传输机械手的横向传输轴行程只到干燥前单元为止，行程紧凑，机械手翻转后向干燥单元置入晶圆过程中，横向传输拖板不会运行到干燥单元一侧，从而排除在干燥工艺中晶圆传输机械手运动部件上的杂质颗粒散落到晶圆上的可能性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。