一种传输片叉、机械手及半导体设备的制作方法

1.本发明涉及半导体加工设备技术领域，特别涉及一种具备位置检测功能的传输片叉、机械手及半导体设备。


背景技术：

2.随着科技的进步，近年来对超薄硅片的需求日益增长，更薄的硅片能带来众多的好处，包括超薄的封装、更小的尺寸外形、更好的电气性能及更好的散热性能。现阶段，硅片制造领域最常用的硅片减薄方式为研磨，通过硅片减薄的方式形成taiko硅片。这种普遍的研磨方式，对硅片的厚度要求一般是在750um～120um，但是当硅片圆(wafer)厚度低于100um时，硅片圆便会变得非常柔软有弹性，无法直接对其继续进行加工。随着功率半导体的兴起，需要对wafer上下表面同时进行工艺处理，当wafer厚度等于100um或者小于100um时，wafer的刚性性能进一步下降，导致在搬送和承载wafer时，wafer变形太大，造成搬送过程中的碎片问题，同时后续的工艺制程也会因为wafer变形而无法进行。
3.taiko硅片这项技术是在对硅片圆进行研磨时，保留硅片外围约3mm左右的边缘部分，只对圆内进行研磨薄型化，满足了内圈的工艺要求，同时硅片的刚性也能得到保证。从而减少了晶圆的翘曲，降低对了对后工序加工机台的传送要求及硅片的破片风险。
4.目前，在硅片前端传输设备(efem)中，taiko硅片的应用越来越广泛。由于taiko硅片自身的厚度远小于常规标准硅片，为了提高taiko硅片的可运输性和taiko硅片自身的稳定性，输送片叉只能接触硅片外围约3mm左右的边缘部分。由于有上述接触要求的存在，因此存在如下问题：
5.1.现有常规片叉接触面不在硅片外围3mm的边缘部分，如果继续使用常规片叉进行taiko硅片的传输，会导致片叉接触到taiko硅片厚度100um的部分，导致硅片传输中产生变形和破碎；
6.2.由于taiko硅片接触的位置非常有限，只有边缘的3mm区域，常规片叉是无法进行有效的支撑和传输的；
7.3.由于taiko硅片接触的位置非常有限，只有边缘的3mm区域，taiko硅片减薄部分会有明显下垂，导致传统的对射传感器由于检测区域过大而无法使用；传统的反射式传感器也会应为整体的厚度偏厚而受到使用场景的限制。
8.因此，需要对taiko硅片的片叉和传感器进行重新的设计，以适应taiko硅片传输的需求。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种具备位置检测功能的传输片叉、机械手及半导体设备。
10.为实现上述目的，本发明提供一种传输片叉，用于承载taiko硅片，所述taiko硅片包括边缘支撑环和中部减薄区域，所述传输片叉包含：片叉本体，其上设置有多个环形支撑
机构，且所述环形支撑机构的中心到taiko硅片的圆心距离相等，以形成taiko硅片的承载区域，用于支撑taiko硅片；限位机构，其设置在每个所述环形支撑机构的中心，且竖直高度高于所述环形支撑机构的高度，用于固定所述环形支撑机构和限制taiko硅片的水平位移；至少3组反射式传感器，其设置在片叉本体上，且每个所述反射式传感器相邻设置在所述环形支撑机构与taiko硅片接触的一侧，用于测量taiko硅片的高度信息；根据反射式传感器接收到taiko硅片的高度信息，判断taiko硅片是否位于正确位置。
11.优选的，多个所述环形支撑机构形成的承载区域与taiko硅片同心，且分布在taiko硅片的边缘支撑环范围内；当taiko硅片放置在环形支撑机构时，taiko硅片的边缘支撑环下表面与每个环形支撑机构上表面接触，使taiko硅片的边缘支撑环搭接在环形支撑机构上，实现taiko硅片得到环形支撑机构的支撑。
12.优选的，所述环形支撑机构为o型圈，所述限位机构为限位柱，将所述限位柱设置在所述o型圈的中心，使所述o型圈卡在所述限位柱的下方，所述o型圈受到所述限位柱提供的压力固定在片叉本体和限位柱之间。
13.优选的，将所述限位柱上表面的棱角切削成一斜面形成倒角，以减小所述限位柱划伤taiko硅片表面的风险。
14.优选的，所述o型圈采用防腐蚀材料高纯氟橡胶制成；所述限位柱采用聚醚醚酮材料制成。
15.优选的，所述反射式传感器采用限定反射式传感器，具有固定的测量范围d，若taiko硅片到所述限定反射式传感器的高度超出该测量范围d，则说明taiko硅片位置发生偏移。
16.优选的，所述o型圈的高度为d1，所述限位柱的高度为d2，则d2＞d-d1，使taiko硅片被限位柱顶起时，taiko硅片到所述限定反射式传感器的高度大于测量范围d，实现taiko硅片位置偏移的报警。
17.优选的，所述片叉本体为y字型，其包括两个叉指和一个连接臂，多个所述环形支撑机构对称设于两个所述叉指上。
18.一种传输机械手，所述taiko硅片传输机械手末端安装有如上文所述的传输片叉。
19.一种半导体设备，包括如上所述的传输机械手。
20.综上所述，与现有技术相比，本发明提供的一种taiko硅片传输片叉、机械手及半导体设备，具有如下有益效果：
21.1.通过在片叉本体上设置环形支撑机构，形成taiko硅片边缘3mm的支撑环的承载区域，使本发明提供的taiko传输片叉伸入taiko硅片下方时，该承载区域能够支撑taiko硅片边缘3mm的支撑环，避免了对taiko硅片中间减薄区域的污染，实现了taiko硅片传输功能；
22.2.通过设置限定反射式传感器，实现了taiko硅片在传输过程中的在位和位置正确性的检测功能，避免在taiko硅片在取片过程中发生硅片跌落，也使得在taiko硅片传输过程中，能够检测taiko硅片产生的偏移，避免偏移所带来的掉片风险。
附图说明
23.图1为本发明提供的用于taiko硅片的传输片叉的结构示意图；
24.图2为本发明提供的用于taiko硅片的传输片叉中的限位机构结构示意图；
25.图3为本发明提供的用于taiko硅片的传输片叉中的传感器配置示意图；
26.图4为本发明提供的用于taiko硅片的传输片叉中的传感器触发示意图。
具体实施方式
27.以下将结合本发明实施例中的附图1～附图4，对本发明实施例中的技术方案、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
28.本发明的核心思想在于提供一种具备位置检测功能的taiko硅片传输片叉，其安装于硅片传输机械手的末端，使得机械手通过末端的传输片叉能够伸入taiko硅片的边缘实现对taiko硅片的支撑传输；同时在传输过程中，利用至少3组反射式传感器，满足taiko硅片传输过程中对taiko硅片位置准确性的需求。
29.本发明提供的一种具备位置检测功能的taiko硅片传输片叉，taiko硅片包括边缘支撑环(本实施例中，所述边缘支撑环的环宽为3mm)和中部减薄区域，所述传输片叉包括：片叉本体，其上设置有多个环形支撑机构，以形成taiko硅片的承载区域，用于支撑taiko硅片的边缘；限位机构，其设置在每个所述环形支撑机构的中心，且竖直高度高于所述环形支撑机构的高度，用于固定所述环形支撑机构和限制taiko硅片的水平位移；至少3组反射式传感器，其设置在片叉本体上，且每个所述反射式传感器相邻设置在所述环形支撑机构与taiko硅片接触的一侧，用于测量taiko硅片的高度信息；根据反射式传感器接收到taiko硅片的高度信息，判断taiko硅片是否位于正确位置。
30.优选的，如图1所示，所述片叉本体100为y字型，其包括两个叉指和一个连接臂，多个所述环形支撑机构设于两个所述叉指上。本实施例中，4个所述环形支撑机构对称分布在两个叉指上，且每个所述环形支撑机构的中心到taiko硅片圆心的距离相等，以形成taiko硅片的承载区域，该承载区域与所述taiko硅片同心。所述连接臂的一端与两个叉指连接，另一端用于连接硅片传输机械手，通过传输机械手带动传输片叉的移动。其中，所述片叉本体100采用陶瓷材料al2o3，使得片叉本体100能够在非常薄的情况下依旧保持良好的结构刚性，保证了传输的有效性。
31.具体的，如图1所示，在本实施例中，片叉本体100上设置有4个o型圈作为环形支撑机构，以形成taiko硅片的承载区域(分别为第一o型圈201、第二o型圈202、第三o型圈203以及第四o型圈204)；其中，第三o型圈203和第四o型圈204设置在两个叉指的末端，第一o型圈201与所述第三o型圈203设置在其中一个叉指上且平行间隔设置，第二o型圈202与第四o型圈204设置在另一个叉指上且平行间隔设置，且4个o型圈的圆心到taiko硅片圆心的距离相等，形成与所述taiko硅片同心的承载区域，该承载区域分布在taiko硅片的边缘支撑环的范围内，即该承载区域的半径小于taiko硅片的半径，且该承载区域与taiko硅片的接触面
的宽度小于taiko硅片边缘支撑环的宽度；当taiko硅片放置在环形支撑机构时，taiko硅片的边缘支撑环下表面与每个o型圈的部分上表面接触，使taiko硅片的边缘支撑环搭接在o型圈上，进而taiko硅片的边缘支撑环得到o型圈的支撑，实现o型圈承载taiko硅片的作用。后续描述中，以环形支撑机构为o型圈作为示例进行描述。
32.进一步的，所述o型圈采用防腐蚀材料高纯氟橡胶制成。如图1所示，图1中的taiko硅片上的阴影部分为taiko硅片允许承载的范围，即为一环宽为3mm的边缘支撑圆环。需要说明的是，虽然本实施例中的o型圈是一个完整的圆形，但是实际与taiko硅片接触的承载区域为o型圈的一段圆弧，因此将该片叉伸入taiko硅片的边缘圆环下时，该o型圈能够有效地支撑承载taiko硅片。另外由于o型圈与taiko硅片边缘的接触面是一段圆弧，而非一个端点，因在在实际应用中，当o型圈的一部分进入到taiko硅片边缘3mm以外的区域时，即o型圈进入到减薄的硅片中心区域内时，o型圈的圆滑表面也不会破坏taiko硅片的表面，通过o型圈的设置优化了承载区域对taiko硅片的支撑效果。
33.其中，结合图1和图2所示，在每个所述环形支撑机构的中心均设置有高度高于该环形支撑机构高度的限位机构；本实施例中，在每个o型圈的圆心处安装有一个高度高于该o型圈高度的限位柱(包括第一限位柱205、第二限位柱、第三限位柱以及第四限位柱，其中第二～第四限位柱图中未示)。以第一o型圈201和其对应的第一限位柱205为例，所述第一限位柱205采用peek材料(聚醚醚酮材料)制成，其化学性质稳定，在工作过程中耐腐蚀，耐高温。
34.进一步，所述第一限位柱205包括如下作用：其一，所述第一限位柱205作为该第一o型圈201的固定件，通过将该第一限位柱205设置在第一o型圈201的中心，所述第一限位柱205的侧壁为一斜面252，该斜面252与片叉本体100形成一固定空间，将第一o型圈201卡在第一限位柱205与片叉本体100之间的固定空间内，具体的，所述斜面252会轻微挤压所述第一o型圈201，所述第一o型圈201被挤压变形后所产生的回弹力通过斜面252会产生一个朝向片叉本体100的分力，该分力会将第一o型圈201压在片叉本体100上，也就是说，第一o型圈201受到第一限位柱205提供的压力而固定在片叉本体100和第一限位柱205之间，实现第一o型圈201在片叉本体100上水平方向的移动限制；其二，该第一限位柱205具有导向作用，当片叉本体100在取放taiko硅片的过程中，第一限位柱205有一定的导向作用将存在一定偏移的taiko硅片导向到正确的位置上并完成取放片的动作；其三，该第一限位柱205具有限位作用，在片叉本体100承载taiko硅片进行输送的过程中，由于第一限位柱205的高度高于第一o型圈201的高度，当taiko硅片传输过程中出现微量的偏移和滑动时，第一限位柱205能够进行有效的阻挡，防止出现taiko硅片从片叉本体100上掉落的情况，同时由于限位柱和o型圈共布置了4个位置即一个o型圈对应设置一个限位柱，因此，在第一限位柱205与其他3个限位柱的配合下，使taiko硅片在片叉本体100水平方向上的平移能够被完全限制，有效固定了taiko硅片在输送过程中的位置。
35.再进一步的，为了避免限位机构(本实施例为限位柱)划伤taiko硅片表面，以及进一步提升限位柱的导向作用，如图2所示，第一限位柱205的上表面的棱角切削成一斜面形成倒角251，该倒角251降低了原本第一限位柱205的棱角锐度，降低了划伤taiko硅片表面的风险，并且存在一定偏移的taiko硅片可以沿着该倒角251导向到正确的位置上，辅助片叉本体100完成取片的动作。
36.如图3所示，本实施例中的反射式传感器为限定反射式传感器，共包括3组，分别为第一限定反射式传感器301、第二限定反射式传感器302以及第三限定反射式传感器303。与常规的对射式或非限定反射式的传感器不同，限定反射式传感器器对于被测物体的位置要求更高，更加适合taiko硅片自身的使用情况。采用限定反射式传感器作为反射式传感器具有如下几个方面的设计：
37.1.在靠近taiko硅片承载区的位置上放置限定反射式传感器，由于限定反射式传感器的检测点越靠近承载区，taiko硅片自身重力所导致的变形对于检测距离的影响就越小，因此限定反射式传感器相邻设置在环形支撑机构搭接有taiko硅片的一侧，使限定反射式传感器贴近taiko硅片的承载区域，提高检测高度的准确性；
38.2.选用薄型的传感器(即限定反射式传感器)对taiko硅片边缘的背面进行检测，由于限定反射式传感器对距离比较敏感，因此利用这一特性可以满足准确测量测量硅片的位置；
39.3.通过在环形支撑机构的中心设置限位机构(本实施例是在o型圈内设置限位柱)，使得taiko硅片在片叉本体100的水平方向产生较大偏移量的时候，会被环形支撑机构中的限位机构顶起；当taiko硅片的边缘被顶起后，taiko硅片的被测面(即背面)和限定反射式传感器的距离增大，导致taiko硅片背面与限定反射式传感器的高度差超过该限定反射式传感器的测量范围，进而触发报警，提示taiko硅片发生位移。
40.进一步的，结合图3所示，在传输taiko硅片的过程中由于taiko硅片从硅片盒取出放在片叉本体100的环形支撑机构上时存在初始位移误差和搬运taiko硅片过程中的加减速运动以及震动都会存在一定的概率导致taiko硅片从硅片承载区域(即与o型圈接触的圆弧)上滑落，因此在靠近硅片承载区域的位置设置3个限定反射式传感器，能够保证taiko硅片在从任意一个承载区滑落时都能够触发至少一个限定反射式传感器。
41.当taiko硅片在搬运过程中因为位置错误或者滑动幅度过大而从硅片承载区域跌落或者被限位柱顶起的时候，在竖直方向上产生最明显变化的就是承载区域，但是由于限定反射式传感器的结构，导致该限定反射式传感器无法设置在承载区域(即无法设置在环形支撑机构上)。
42.为了通过限定反射式传感器检测taiko硅片竖直方向上的位移变化并基于此位移变化判断taiko硅片是否处于合适的位置，限定反射式传感器需要相邻设置在环形支撑机构与taiko硅片接触的一侧(即限定反射式传感器布置在尽可能靠近硅片承载区域的位置)，且每个限定反射式传感器布置在taiko硅片的边缘环宽为3mm圆环下方的位置。由于相对于taiko硅片被减薄的区域，taiko硅片的3mm边缘的刚性较强，因此限定反射式传感器布置在taiko硅片的边缘环宽为3mm圆环下方的位置能够有效减少taiko硅片由于自身重力所导致的变形对于检测距离的影响。
43.需要说明的是，由于限定反射式传感器的检测点是布置在taiko硅片边缘环宽为3mm圆环下方的位置，因此当taiko硅片产生小于允许的最大滑移3mm的时候，限定反射式传感器检测点仍然会在taiko硅片边缘以内，此时，限定反射式传感器检测点在水平方向上依旧被taiko硅片遮蔽，因此不会产生报错信息，taiko硅片能够正常进行传输。当taiko硅片产生大于允许的最大滑移3mm的时候，限定反射式传感器检测点在水平方向上无法被taiko硅片遮蔽，因此会产生报错信息，此时需要停止设备并报警，进而能够预防因为taiko硅片
在片叉本体100上偏移过大导致的相关风险。
44.如图4所示，图4为taiko硅片产生大于允许的最大偏移量时的传感器触发示意图。由于taiko硅片只有边缘3mm的环形范围内能够与片叉本体100上的环形支撑机构接触，因此本实施例中，允许taiko硅片产生的最大偏移量为3mm。进一步结合图4，当taiko硅片产生了大于3mm的偏移量时，第一o型圈201上的第一限位柱205就会将taiko硅片顶起。由于限定反射式传感器本身的感应范围有限，其感应距离只有0.3～2.5mm，在本实施例中，第一o型圈201的高度为1.8mm，若taiko硅片放置位置正确，即taiko硅片的边缘均搭接在片叉本体100上的o型环圈上，此时taiko硅片到限定反射式传感器的距离为1.8mm，因此也就是说只要将限定反射式传感器竖直方向上对应的taiko硅片顶起高度设计到大于0.7mm就能够使taiko硅片脱离传感器的感应区域，实现对硅片偏移的检测。在本实施例的设计中，将每个限位柱的高度设计成高于o型圈1.5mm，通过这样的设计就能够满足在taiko硅片被限位柱顶起的时候，位于限定反射式传感器竖直方向检测区域的taiko硅片抬升高度大于0.7mm，有效脱离限定反射式传感器的检测区域。
45.进一步，对第一限定反射式传感器301、第二限定反射式传感器302以及第三限定反射式传感器303的感应判断逻辑进行说明。当片叉本体100在efem(硅片前端传输设备)内部处于取片阶段的时候，robot执行取片动作，取片动作执行完成后，判断3处传感器是否有检测到taiko硅片，如果3组限定反射式传感器都检测到taiko硅片，则认为taiko硅片在位，并且位置正确；如果任意一组限定反射式传感器没有检测到taiko硅片，则认为taiko硅片位置错误。当片叉本体100在efem内部处于传输阶段的时候，如果任意一组限定反射式传感器没有检测到taiko硅片，则认为taiko硅片位置错误，robot停止等待。
46.综上所述，本发明提供的具备位置检测功能的taiko硅片传输片叉，具有如下优点：
47.1.通过设置环形支撑机构形成承载区域，使得片叉本体100能承载taiko硅片边缘3mm的环形区域；
48.2.即使taiko硅片在传输过程中产生了轻微的滑移，由于环形支撑机构的圆滑表面的设计，使环形支撑机构上的承载区域的进入到taiko硅片边缘3mm以外的区域，也不会对taiko硅片的承载产生明显的影响；
49.3.在taiko硅片边缘下方设置有限定反射式传感器，通过检测限定反射式传感器的有效范围内是否检测到taiko硅片以及3组限定反射式传感器的组合状态判断taiko硅片位置的正确性，实现了对taiko硅片的位置检测。
50.基于同一发明构思，本发明还提供一种具备位置检测功能的taiko硅片传输机械手，所述taiko硅片传输机械手末端安装有如上文所述的具备位置检测功能的taiko硅片传输片叉。同时，本发明还提供一种半导体设备，包括上述的具备检测功能的taiko硅片传输机械手。
51.本发明提供的具备位置检测功能的taiko硅片传输片叉安装于硅片传输机械手末端，用于半导体设备中对taiko硅片在多个腔室之间进行传输。半导体设备还包括放置taiko硅片的承载装置等多个工位和控制机械手进行各种动作的控制装置，承载装置具有用于承载taiko硅片的支撑部件，控制装置具有判断模块，所述判断模块分别与片叉本体100上的限定反射式传感器连接，用于接收限定反射式传感器发送的高度信息并进行判断。
52.具体的，片叉本体100上安装有至少3组限定反射式传感器，片叉本体100在伸进待取taiko硅片下方时，至少3组限定反射式传感器分别会被taiko硅片边缘的3mm圆环遮挡，此时由限定反射式传感器的发射区射出的出射光线，经由taiko硅片的背面形成的反射区反射后沿原路径返回至限定反射式传感器的接受区，限定反射式传感器的接受区接收到反射信号包含的高度信息后，将该高度信息传输给控制装置中的判断模块，所述判断模块会根据各个限定反射式传感器接收到的高度信息识别taiko硅片是否处于正确位置，当taiko硅片在正确位置时，片叉本体100正常取片，若taiko硅片不在正确位置，判断模块报警，片叉本体100停止取片，机台或工作人员进行检查。所述正确位置指的是，taiko硅片遮蔽限定反射式传感器，且taiko硅片到限定反射式传感器的高度差位于正常范围内。
53.综上所述，本发明有效解决了传统传输片叉由于taiko硅片仅有边缘3mm的环宽的承载区域而无法传输的问题，通过设置环形支撑机构，不仅提供了较大的接触面积，而且提供了较大的摩擦力减少了taiko硅片滑移的风险；同时利用环形支撑机构上的限位机构，进一步限制了taiko硅片的水平方向的移动；最后利用限定反射式传感器对taiko硅片的高度检测，有效确定了taiko硅片的位置，进而避免了传输过程中的掉片风险，能够有效降低因为传输过程中的碎片而产生的生产成本。
54.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
55.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。