四连杆晶片夹紧机构 【技术领域】
本发明涉及一种用于在晶片处理期间固定半导体晶片的夹紧机构。更具体地，本发明涉及一种四连杆机构，其能稳定地夹紧机械手远端附近的半导体晶片。
背景技术
晶片是用于半导体芯片或集成电路制造的基础材料，通常为硅。一般地，晶片是从一个坯料或“晶块”上切下的基础材料薄片。每个8英寸(200mm)产品晶片为大约1/30英寸(0.85mm)厚，且具有变化为±1mm的直径。因为基础材料的性质和每个薄片的薄度，晶片很容易由于操作失误而损坏。
晶片一般通过将每个晶片暴露于一系列单独的加工过程中如光掩蔽、蚀刻和注入而加工成半导体芯片。现代半导体加工系统包括成组(cluster)工具，其将多个腔室集合在一起，在每个腔室内完成一个或多个单独的加工。这些腔室可包括例如除气室、衬底预处理室、冷却室、转移室、化学气相沉积室、物理气相沉积室、蚀刻室等等。
一般地，这些腔室围绕一个容纳一晶片处理机器人的中央腔室。该成组工具一般也包括一个盒体，在半导体加工之前和之后，多个晶片堆叠在其中。晶片操作机器人进入多个腔室和盒体，经过连接每个腔室和盒体的端口到达中央腔室。在操作期间，晶片操作机器人反复将晶片从一个腔室输送到另一个腔室、或到盒体和从盒体输送到腔室。此外，成组工具形成了一个密封的环境，其被控制以限定半导体的潜在污染，和确保维持最佳的加工条件。成组工具的实例可以在美国专利5955858、5447409和5469035中找到，其所披露的内容在这里以引用的方式结合在本申请中。
为了提高加工效率，要求高的晶片产量。可以从多个途径获得高产量。首先，可以提供双倍的腔室。然而，该可能的解决方案实质上增加了每个成组工具的成本和复杂性。其次，可以在每个成组工具中提供附加的晶片操作机器人。此外，该解决方案实质上增加了每个成组工具的成本和复杂性。第三，可以增加任何单个工艺的速度。虽然每个工艺的优化始终被改善，但是一般在目前尽可能小的时间完成每个工艺。最后，可以增加每个晶片由每个晶片操作机器人操作地操作速度。然而，该方案受到许多标准的限制，如每个晶片必须安全地由晶片操作机器人在最少的时间抓住或夹紧；晶片的夹紧必须是稳固的，但并非过度，免得伤害易碎的晶片；晶片的夹紧和放置必须精确和准确，因为任何错位可能对该工艺和/或损坏晶片；腔室之间的转移，或移入或移出盒体，均必须平稳，以便晶片不会受到任何不必要的应力，且在最坏的情况下，如果晶片从夹紧机构中移位，该情况必须能被感知，晶片转移系统必须暂停；该夹紧机构必须耐热，因为在一些工艺中，可能将夹紧机构暴露于高温下；夹紧机构必须不会将任何颗粒或污染物引入封闭的环境中，它们可能最终损坏晶片或半导体(已经发现，与半导体的临界尺寸或线宽度目前为0.18μm一样小的颗粒也能够损坏形成在晶片上的集成电路的完整性)；晶片夹紧机构应该能够自动地使错位的晶片居中；最后，晶片夹紧机构必须不会将静电场引入晶片中，其可能放电并损坏正在生产的半导体装置。
为了使系统的产量最大化，在输送期间，在不引起所夹紧的晶片滑动的情况下，晶片操作机器人必须尽可能快地转动和延伸。当机器人加速晶片，以致于其惯性超过了夹紧机构的夹紧力时会产生滑动。这样导致不期望的晶片运动，从而引起晶片不对准和颗粒产生。
上述增加晶片产量的可能解决方案中，增加每个晶片的处理速度是最实用和节省成本的。因此，为了达到上述标准，需要一个更坚固和较好设计的晶片夹紧机构。
许多现有技术的装置试图以达到一些或所有上述标准的方式来加紧晶片。图1A、1B和美国专利5955858中示出了一个这种现有技术的装置100的机械腕部组件102的底视图，图中其底盖板已经去掉。从腕部组件102延伸的夹紧手指108与晶片104的周边接合以将晶片104夹紧到一晶片承载刀片(carrying blade)上。通过由一对平行四边形弹簧112施加的力，最好如图1B所示，晶片104被保持在手指108和刀片桥部(blade bridge)110之间。平行四边形弹簧112将手指108向晶片104偏置。
腕部组件102与晶片操作机器人的田鸡腿型机械臂114的远端连接。在机械臂114伸展期间，也就是，如图1A所示，当机械臂向彼此互相牵引时，将旋转传递给枢轴116，其又转动嵌齿118。嵌齿118又与手指108接合，以使手指108从晶片104缩回。因此，当机械臂114延伸时晶片104被释放，而当机械臂114缩回时晶片104被夹紧。如果手指直接附接到嵌齿118上，那么夹紧力将取决于机器人的运动特性，例如机械臂的伸长和缩回的速度。在该装置中手指通过控制平行四边形弹簧112的刚性独立地设置。
该腕部组件102的缺点是，平行四边形弹簧112容易因平面之外的力而变形，从而导致夹紧力的方向偏离标准。这将导致不可靠的夹紧和由手指和晶片之间的摩擦力而导致的可能颗粒污染。此外，已经发现平行四边形弹簧112的循环寿命(大约1年或1千万弹性周期)是不够的。另外，腕部组件102不能对未正确对中的晶片提供夹紧。如果弹簧变形，捕捉袋也就是夹紧机构能够捕捉晶片的整个区域将容易改变，由此减小了在转移到各腔室和从各腔室转移出来期间晶片操作系统对晶片位置偏差的容许误差。也发现，在安装之前、安装期间和安装之后，所制造的平行四边形弹簧对制造缺陷和误操作非常敏感，从而导致不可靠的夹紧。此外，弹簧的制造工艺也要求不能可靠控制的电抛光步骤。最后，由误操作所导致弹簧的任何结构缺陷将产生减小弹簧疲劳寿命的应力集中点。
图1C和美国专利6155773中示出了去除局部底盖板的另一现有技术夹紧腕部组件120的局部底视图。该夹紧腕部组件120包括一个杠杆组件122、一个弯曲部件124、和一对与晶片130接合的夹紧手指126。片簧128将弯曲部件124向晶片130偏压。当夹紧腕部组件120处于伸长位置时，平移部件132与第一杠杆134接合以使手指从其夹紧位置缩回。然而腕部组件120不会对未正确对中的晶片进行夹紧。而且，空间限制防止了该夹紧腕部组件120在一相对的双刀片机器人上实施。
最后，图1D和美国专利5810935中示出了去除底盖板的另一现有技术晶片保持器140的局部底视图。晶片保持器140包括用于保持晶片144圆边的保持装置142，和一个用于操作保持装置142的致动部件。拉簧148将保持装置142向晶片144偏置。致动装置不仅将附加的复杂性和成本引入该系统中，而且其导致了更多的颗粒产生的可能区域和可能的电场，这些均可能损害晶片。
考虑到上述问题，有必要提供一个晶片夹紧机构，其能用于快速操作安全地夹紧晶片、满足上述标准、以及克服现有技术中所存在的缺陷。
【发明内容】
本发明晶片夹紧机构的一个优选实施例包括一连杆机构和一与该连杆机构接触的晶片接触点。该连杆机构最好与机械臂的远端附近连接。该连杆机构最好包括一四连杆，其具有：一第一连杆，其具有一第一固定枢轴和一远离所述第一固定枢轴的第一浮动枢轴；一第二连杆，其具有一第二固定枢轴和一远离所述第二固定枢轴的第二浮动枢轴；和一第三连杆，其具有一与所述第一浮动枢轴旋转相连的第一连接枢轴，和具有一与所述第二浮动枢轴旋转相连的第二连接枢轴。在使用中，机械臂的运动驱动连杆机构，其又使得晶片接触点夹紧晶片。
因此，上述夹紧机构可靠地增加了产量同时减小了成本。与较昂贵的主动对中方法相比，该夹紧机构也提供了被动的晶片对中的好处，由此消除了由于晶片位置的变化而产生失败的可能。
【附图说明】
为了更好地理解本发明的特性和目的，应当参照结合附图并根据下面的描述，其中：
图1A和1B是现有技术腕部组件的底视图和立体图；
图1C是另一现有技术腕部组件的底视图；
图1D是另一现有技术晶片保持器的底视图；
图2是本发明一实施例去除了顶盖板的晶片夹紧机构的顶视示意图；
图3A和3B分别是图2中所示晶片夹紧机构在伸长位置和缩回位置的顶视图；
图4是图2连杆机构的分解图；
图5A和5B分别是图2腕部236的分解图和组装图；和
图6是本发明另一实施例去除了顶盖板的另一晶片夹紧机构的顶视图。
在附图的几个视图中，相同的参考数字表示相应的部件。
【具体实施方式】
图2是本发明一实施例去除了顶盖板的晶片夹紧机构200一部分的顶视示意图。该夹紧机构200安全地将位于晶片承载刀片240上的晶片234夹持到晶片操作机器人(未示出)一个或多个机械臂228的远端。所示的机械臂228最好是类似于美国专利5955858(结合在本申请中)所披露的晶片操作机器人的田鸡腿型机械臂的单侧。该夹紧机构200，也包括图2部件关于线238的镜面反射。完整的夹紧机构在图3示出。
机械臂228的远端旋转地与腕部236相连，其最好位于机械臂228的远端。夹紧机构200包括部分固定到腕部236上的连杆机构202。在一个优选实施例中，该连杆机构202是一个四连杆机构，其是一个由四个连杆集合构成的连杆机构，其在一闭合回路中首尾销接在一起。
连杆机构202包括一个细长的第一连杆206，其具有一第一固定枢轴212和一第一浮动枢轴214。该第一固定枢轴212和第一浮动枢轴214最好位于第一连杆206相对端附近。第一固定枢轴212可转动地固定到腕部236上。在一优选实施例中，该第一固定枢轴212可旋转地固定到基础连杆204的第一端上，基础连杆固定到腕部236上。
连杆机构202也包括一个细长的第二连杆208，其具有一第二固定枢轴218和一第二浮动枢轴220。该第二固定枢轴218和第二浮动枢轴220最好位于第二连杆208相对端附近。第二固定枢轴218可转动地固定到腕部236上。在一优选实施例中，该第二固定枢轴218可旋转地固定到基础连杆204的第二端上，基础连杆固定到腕部236上。第一连杆206和第二连杆208最好是摇杆，其设置成在两个限制位置之间摆动，但最好不能连续旋转360度。
连杆机构202又包括一个细长的第三连杆210，其将第一连杆206连接到第二连杆208上。第三连杆210包括一第一连接枢轴216，其可旋转地与第一浮动枢轴214相连，和一第二连接枢轴222，其可旋转地与第二浮动枢轴216相连。在一优选实施例中，第一浮动枢轴214和第一连接枢轴216是一个并且是相同的枢轴。同样，在一优选实施例中，第二浮动枢轴220和第二连接枢轴222也是一个并且是相同的枢轴。
此外，第三连杆210最好是一个浮动连杆，其运动仅仅由第一浮动枢轴214关于第一固定枢轴212和第二浮动枢轴220关于第二固定枢轴218的转动所约束。
该夹紧机构200也包括一个与连杆机构202相连的晶片接触点232。在使用中，连杆机构202的运动使得晶片接触点232与晶片234接触，由此将晶片234夹紧在两个夹紧机构200的晶片接触点232和位于晶片承载刀片240远端的桥部302(图3)之间。晶片接触点232最好与第三连杆210的一部分相连，其超出所述第一连接枢轴216轴向延伸。
第三连杆210最好也包括一个位于第二连接枢轴222附近的致动接触点224。该致动接触点224最好位于细长凸缘244的远端。该凸缘224最好基本上垂直于第三连杆210延伸，其接近于第二连接枢轴222。
偏置机构230连接到连杆机构202上。该偏置机构230将连杆机构202和晶片接触点232压向晶片234。偏置机构230最好是一个简单的拉簧，其能够对于不同应用通过选择不同的弹簧硬度而定制。这些弹簧可从现成的产品获得，如果在全变形时恢复力为弹簧极限抗拉强度(UTS，即Ultimate Tensile Strength)的45％的情况下，一般具有超过一千万次的疲劳寿命。偏置机构230最好将其一端与基础连杆204相连，另一端与第二连杆208相连，偏置第二连杆208，使之转向晶片234。
机械臂228的端部最好连接一个凸轮226。凸轮226又旋转地与腕部236相连，以允许凸轮226关于凸轮枢转点248旋转。一嵌齿250从凸轮226的周边径向延伸，以便嵌齿250与凸轮226一起旋转。凸轮226也与一个齿轮246这样相连，即相对的夹紧机构200的相对齿轮相互啮合以保证每个凸轮226的相同和相反的角度旋转。这确保了刀片和晶片通过机械臂准确地延伸，也就是，腕部基本上保持垂直于机械臂的伸长和缩回方向。为了消除这两个齿轮之间由齿轮的松散啮合而导致的游隙，一个弱弹簧(未示出)可在一个齿轮上的点和另一齿轮上的点之间这样延伸，即弹簧的张力使这两个齿轮在相反的方向上稍微转动，直至这两个齿轮发生轻微的接触。
基础连杆204、第一连杆206、第二连杆208和第三连杆210连接之间的相互关系这样选择，即在使用中，晶片接触点232遵循一预定的轨迹。在晶片仍然在加工腔室中时，由于突然地脱离卡盘、后部冷却气压急变、或晶片升起振动，在腔室中可以发生晶片从预定释放位置的运动。为了解决这个问题，夹紧机构的有效捕捉范围设定为从标准的晶片放置位置大约0.125英寸(3.175mm)处。换句话说，如果晶片在任何方向上移动小于0.125英寸，那么夹持腕部仍然能够在其袋内捕捉晶片，从而进行重对中并夹紧晶片。在加工腔室中存在不正常晶片运动的情况下，该增加的捕捉区域增加夹紧机构的稳定性。
在大多数情况下，加工腔室中晶片运动被物理地约束为小于夹紧机构的有效捕捉范围。然而，对于其它情况，晶片的运动完全不受约束，可以使用一个传感系统来检测在口袋之外情况的晶片，防止操作失误或晶片破损。一种适用的传感系统披露在美国专利6166509中，其内容在此引用参考。该传感系统包括一个可视辨别标志248，其最好位于晶片接触点232的附近。该可视辨别标志248由系统使用用于判断晶片接触点232的位置。这样如果可视辨别标志248移动超出了极限位置，就允许系统感应晶片是否被正确地夹紧。可视辨别标志248的位置也用于计算晶片的中心，以便机械臂228的运动能够被控制为精确定位晶片在加工腔室等内的位置。因此，与较昂贵的主动对中方法相比，该夹紧机构提供了被动晶片对中的好处。
每个枢轴212、214、218、220最好包括一个轴承和一个销钉。而该轴承最好包括多个位于轴承座圈内的滚珠，在这里一个连杆附接到该轴承的座圈上，另一个与销钉连接。所述销钉和轴承座圈最好由不锈钢如SST440C制成，而轴承最好由不锈钢或陶瓷如氮化硅制成。每个连杆最好由铝制成。
图3A和3B分别是图2中所示晶片夹紧机构200在伸长304位置和缩回306位置的顶视图。在使用中，当机械臂228伸长304时，也就是当田鸡腿型机械臂228彼此相向转动时，凸轮226旋转，使得每个嵌齿250(图2)与其各自的致动接触点224接触(图2)，从而将晶片接触点232(图2)从晶片234缩回。因此，当机械臂228伸长304时，晶片234能够在腔室或盒体内被释放。类似地，当机械臂228缩回306时，也就是，当田鸡腿型机械臂228彼此离开旋转时，晶片234由晶片夹紧机构200(图2)夹紧，以便晶片234能被转移到不同的腔室或盒体中。释放或夹紧的定时可根据连杆长度、转移腔室尺寸等来调节。
图4是图2中连杆机构202的分解图。因为许多工艺对金属污染物敏感，而晶片接触点232有可能脱落颗粒到晶片上，所以晶片接触点232最好包括一个带有围绕其的轴套404的轴承。该轴套可从钝性材料(passive material)中选择，以免其与加工气体反应和将附产品或颗粒排放到晶片上。而且，一个不可旋转的接触点232可使得晶片在指尖上滚动而不是在其上滑动。该滚动运动的实际结果是使刀片中心与晶片中心偏离，从而导致一个不完全的夹紧。
晶片接触点232最好可除去，以允许不同的连杆机构202使用由不同材料制成的晶片接触点232。例如，高温加工将使用石英晶片接触点，而低温加工将使用迭尔林(Delrin)或铝制成的晶片接触点。为晶片接触点所选择的材料是根据特性如热膨胀系数(CTE)、耐腐蚀性、机械加工性能约束等而定的。
在一个优选实施例中，轴套404最好是钛。另外，整个轴承和轴套组合可以是陶瓷，其具有更好的耐化学腐蚀性。这些轴承最好干运转，也就是没有润滑油，因为轴承润滑油放出的气体接近晶片边缘从而导致晶片污染。因此，最好是一种混合轴承。一种用于中等温度(高达450℃)加工的适当的混合轴承包括Si3N4滚珠和440C不锈钢轴承座圈，用最小限度的润滑油运转。一般不使用全陶瓷轴承(Si3N4滚珠和轴承座圈)，因为其比混合轴承昂贵10倍。因为标准的滚珠分隔器如笼、冠、保持架等不耐腐蚀，且轴承轴向上的负载小，所以最好为满装(fullcomplement)防护径向轴承配置。
致动接触点224以及每个枢轴点(图2中的212、214、216、218、220和222)与上述物体没有类似的轴套或轴承，因为这些轴承不靠近晶片，所以其能够采用成品轴承。
连杆机构202最好也包括设于其上的坚硬止块402，其能够限制连杆运动的范围，从而限制偏置机构230的最大变形。
图5A和5B分别是图2中腕部236的分解图504和组装图502。如能看到的，两个连杆机构202位于腕部236内。也示出了凸轮226上的嵌齿250。盖板506固定到腕部236上以封闭上述部件。
图6是本发明另一实施例的另一晶片夹紧机构600去除了顶部盖板的顶视图。在该实施例中，偏置机构602连接在第一连杆604和基础杆606之间。在该实施例中，偏置机构602最好是一个压缩弹簧。该偏置机构602偏压晶片接触点608与晶片610接触。
以例证和说明的目的提供了本发明具体实施例的上述说明。其并非穷举或将本发明限定为这里所披露的具体形式，考虑到上述教导，明显地许多修改和变形是可能的。为了更好地解释本发明的原理和其实际应用从而使本领域的其它技术人员能够更好地利用本发明和根据预期使用作出各种改进的各种实施例，选择和描述了这些实施例。此外，方法中步骤的顺序不一定要以列出的顺序中出现。本发明的范围要由随后的权利要求和其等效物所限定。