專利名稱：高溫襯底傳送機(jī)械手的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施方式一般涉及高溫半導(dǎo)體加工系統(tǒng)中應(yīng)用的機(jī)械手組件。
背景技術(shù)：
典型地使其經(jīng)過大量連續(xù)加工過程，從而進(jìn)行半導(dǎo)體襯底加工，以在襯底上制作器件、導(dǎo)體和絕緣體。這些加工過程通常在加工室內(nèi)進(jìn)行，加工室設(shè)計(jì)用于進(jìn)行產(chǎn)品加工過程的單一步驟。為了有效地完成加工步驟的全部順序，許多加工室典型地與中心傳送室結(jié)合在一起，中心傳送室內(nèi)有機(jī)械手以使周圍加工室之間襯底容易傳送。具有這種結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體加工平臺(tái)通常被認(rèn)為是群集工具(cluster tool)，這些群集工具的例子有可從California的Applied Materials，Inc.，of Santa Clara的獲得的PRODUCER、CENTURA和ENDURA系列加工平臺(tái)。
一般地，群集工具由中心傳送室組成，中心傳送室內(nèi)安裝有機(jī)械手。傳送室一般被一個(gè)或者更多加工室環(huán)繞。加工室一般被用于加工襯底，例如，進(jìn)行比如蝕刻、物理氣相沉積、離子注入、光刻等等的各種各樣的加工步驟。有時(shí)傳送室與儲(chǔ)藏大量可拆卸盒子、襯底存儲(chǔ)器(每個(gè)襯底存儲(chǔ)器儲(chǔ)藏有大量襯底)的工廠接口(factory interface)相結(jié)合。為了使在傳送室的真空環(huán)境與工廠接口的一般的周圍環(huán)境之間容易傳送，在傳送室與工廠接口之間設(shè)置有裝載鎖閉室(load lock chamber)。
由于制作于襯底上器件的線寬和特征尺寸減小，在環(huán)繞傳送室的各種各樣的室內(nèi)襯底的位置精確性已變得十分重要以保證以低缺陷率重復(fù)進(jìn)行器件制作。而且，隨著由于增加的器件密度和更大的襯底直徑而在襯底上制作的器件數(shù)量增加，每個(gè)襯底的價(jià)值大大地增加。因此，對(duì)襯底的損壞或者由于襯底未對(duì)準(zhǔn)產(chǎn)生不一致性從而造成產(chǎn)量損失是非常不希望的。
為了增加全部加工系統(tǒng)中襯底的位置精確性，許多策略被采用。例如，接口常常安裝檢測(cè)襯底存儲(chǔ)盒子內(nèi)襯底的未對(duì)準(zhǔn)情況。參見Chokshi等于2000年5月2日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)No.09/562,252。機(jī)械手的位置校準(zhǔn)已變得更精密。參見Chokshi等于2000年10月13號(hào)提交的美國(guó)專利申請(qǐng)No.09/703,061。此外，已發(fā)明方法補(bǔ)償機(jī)械手托板上襯底的誤放。參見Freerks等于1999年11月9號(hào)發(fā)布的美國(guó)專利申請(qǐng)No.5,980,194和T.Matsumoto于1999年7月31號(hào)的專利No.4,944,650。
然而，這些用于增加機(jī)械手精確性的方法一般并不能補(bǔ)償當(dāng)從熱的晶片和加工室內(nèi)熱的表面?zhèn)鳠岬綑C(jī)械手時(shí)機(jī)械手經(jīng)歷的熱膨脹和收縮。由于發(fā)展的加工技術(shù)導(dǎo)致許多加工過程采用更高的操作溫度，傳送機(jī)械手更加暴露于高溫。由于傳送機(jī)械手的熱暴露增加，機(jī)械手連桿長(zhǎng)度(linkagelength)和延伸距離增加，已經(jīng)很明顯，機(jī)械手的熱膨脹已對(duì)襯底誤放起相當(dāng)大的作用。
例如，在進(jìn)行物理氣相沉積(PVD)的加工室內(nèi)，加工的溫度可高達(dá)200攝氏度。此外，一些化學(xué)氣相沉積溫度達(dá)到400攝氏度。室內(nèi)的加工過程完成之后，機(jī)械手的一部分(一般是托板和連桿的一部分)必須進(jìn)入室內(nèi)并取回?zé)岬囊r底。當(dāng)襯底被機(jī)械手拿著時(shí)，從襯底和周圍區(qū)域的熱能傳到機(jī)械手連桿。這種熱能的增加一般導(dǎo)致連桿膨脹，因此致使托板中心參考位置變化而不向機(jī)械手控制器提供反饋。這使得托板(和襯底)被放到不同于控制器預(yù)期的位置。冷卻機(jī)械手連桿產(chǎn)生相似的問題，冷卻時(shí)連桿縮短。因此，在后續(xù)的傳送過程中，由于托板中心參考位置的熱變化，襯底可能被機(jī)械手誤放在另外一個(gè)室中，這可能導(dǎo)致器件制作中襯底損壞和缺陷形成。
而且，即使采用裝備有中心發(fā)現(xiàn)方法的系統(tǒng)和器件也不能解決由熱變化引入到機(jī)械手的錯(cuò)誤。例如，當(dāng)中心發(fā)現(xiàn)傳感器沿襯底邊緣記錄點(diǎn)時(shí)，襯底中心發(fā)現(xiàn)方法旋轉(zhuǎn)襯底。相對(duì)于旋轉(zhuǎn)中心的襯底中心被發(fā)現(xiàn)。由于已知襯底中心位置，機(jī)械手被送到襯底中心位置。這種技術(shù)及其它類似技術(shù)發(fā)現(xiàn)襯底位置的偏移但并不能發(fā)現(xiàn)機(jī)械手定位的錯(cuò)誤。如果機(jī)械手由于連桿長(zhǎng)度改變而向不同于期望的位置運(yùn)動(dòng)，在襯底傳送過程中機(jī)械手將不能被正確地定位，這將導(dǎo)致襯底損壞或者有缺陷的加工。
當(dāng)襯底位于托板上時(shí)通過收集襯底邊緣數(shù)據(jù)進(jìn)行中心發(fā)現(xiàn)的器件中錯(cuò)誤甚至更嚴(yán)重。這是因?yàn)闄C(jī)械手位置錯(cuò)誤的大小可能在與延伸位置相比較的收縮位置中非常不同。
此外，在于室之間移動(dòng)的過程中由于熱變化或者經(jīng)過許多襯底機(jī)械手溫度變化的長(zhǎng)期作用，機(jī)械手連桿可能改變長(zhǎng)度。因此，在一個(gè)室內(nèi)確定的襯底中心數(shù)據(jù)到襯底移動(dòng)到其目的地(比如第二個(gè)室)時(shí)常常是不正確的。
因此，需要具有低熱膨脹的機(jī)械手組件以減小熱對(duì)機(jī)械手定位的熱影響。

發(fā)明內(nèi)容
一般地，提供用于傳送襯底的機(jī)械手。在一個(gè)具體實(shí)施方式
中，用于傳送襯底的機(jī)械手包括通過連桿連接末端執(zhí)行器(適于保持襯底于其上)的主體。末端執(zhí)行器和/或連桿由熱膨脹系數(shù)小于大約5×10-6Kelvin-1的材料組成。
在另外一個(gè)實(shí)施方式中，用于傳送襯底的機(jī)械手包括通過連桿連接末端執(zhí)行器(適于保持襯底于其上)的主體，末端執(zhí)行器和/或連桿由熱傳導(dǎo)率/熱膨脹之比大于10W/(m×K2)的材料組成。
在另外一個(gè)實(shí)施方式中，用于傳送襯底的機(jī)械手包括通過連桿連接末端執(zhí)行器(適于保持襯底于其上)的主體，末端執(zhí)行器和/或連桿由熱傳導(dǎo)率/熱膨脹之比大于10W/(m×Kelvin2)而且斷裂韌性大于1×106Pa×m0.5的材料組成。


為了使本發(fā)明的上述特征可以獲得并被詳細(xì)理解，可以通過參考以下

的實(shí)施方式來得到從上文中簡(jiǎn)要總結(jié)出的對(duì)本發(fā)明更具體的描述。
圖1是半導(dǎo)體加工系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施方式的平面視圖，其中可以實(shí)行用于確定機(jī)械手位置的方法；圖2是圖1中加工系統(tǒng)的局部截面視圖；圖3是半導(dǎo)體傳送機(jī)械手的一個(gè)實(shí)施方式的平面視圖；圖4描述圖3機(jī)械手的肘節(jié)的一個(gè)實(shí)施方式；以及圖5是確定機(jī)械手位置的方法的一個(gè)實(shí)施方式的框圖。
然而，應(yīng)該注意的是附圖只是說明本發(fā)明的典型實(shí)施方式，因此不應(yīng)認(rèn)為是對(duì)其范圍的限制，因?yàn)楸景l(fā)明可以允許其它的等效實(shí)施方式。
具體實(shí)施例方式
圖1說明半導(dǎo)體加工系統(tǒng)100的一個(gè)實(shí)施方式，其中用于確定機(jī)械手108位置的方法可以被實(shí)行。示例的加工系統(tǒng)100包括被一個(gè)或多個(gè)加工室104的傳送室102、工廠接口110和一個(gè)或多個(gè)裝載鎖閉室106。裝載鎖閉室106一般安裝在傳送室102和工廠接口110之間以使在傳送室102內(nèi)保持的真空環(huán)境與工廠接口110內(nèi)保持的基本上周圍環(huán)境之間襯底容易傳送。適于從本發(fā)明受益的加工系統(tǒng)的一個(gè)例子就是可從California的Applied Materials，Inc.，of Santa Clara得到的CENTURA加工平臺(tái)。盡管確定機(jī)械手位置的方法參考示例加工系統(tǒng)100進(jìn)行了描述，但該描述是一個(gè)例子，因此，這種方法可以實(shí)行于任何期望在應(yīng)用中決定或定位機(jī)械手的地方，在這些應(yīng)用中機(jī)械手或者機(jī)械手的組件被暴露于溫度變化，或者期望得到被機(jī)械手傳送的襯底的參考位置。
工廠接口110一般容納一個(gè)或者更多襯底存儲(chǔ)盒114。每個(gè)盒子114被設(shè)計(jì)用以存儲(chǔ)大量襯底于其中。工廠接口110一般維持在或者近大氣壓下。在一個(gè)實(shí)施方式中，過濾后的空氣供給到工廠接口110用以減小工廠接口內(nèi)顆粒的濃度并相應(yīng)地使襯底潔凈。適于從本發(fā)明受益的工廠接口的一個(gè)例子在Kroeker的美國(guó)專利申請(qǐng)No.09/161,970(1998年9月28日提交)中進(jìn)行了描述，特此以參考方式結(jié)合其全部?jī)?nèi)容。
傳送室102一般由單片材料比如鋁制成。傳送室102限定了可抽真空的內(nèi)部空間128，通過該內(nèi)部空間128在連接到傳送室102外部的加工室104之間傳送襯底。抽氣系統(tǒng)(未示出)通過設(shè)置在室底面的端口連接到傳送室102以維持傳送室102內(nèi)的真空。在一個(gè)具體實(shí)施方式
中，抽氣系統(tǒng)包括按一前一后連接渦流分子泵或者低溫泵的粗抽泵。
加工室104典型地與傳送室102外部用螺栓固定在一起?？衫玫募庸な?04的例子包括刻蝕室、物理氣相沉積室、化學(xué)氣相沉積室、離子注入室、取向室、光刻室等等。不同的加工室104可以連接到傳送室102以提供在襯底表面形成預(yù)定結(jié)構(gòu)或特征所必需的加工次序。
裝載鎖閉室106一般連接到工廠接口110和傳送室102之間。裝載鎖閉室106一般用來便于在傳送室102的真空環(huán)境與工廠接口110的基本上周圍環(huán)境之間不損失傳送室102內(nèi)真空而進(jìn)行襯底傳送。通過使用窄口閥226，每個(gè)裝載鎖閉室106選擇性地與傳送室102和工廠接口110隔離(見圖2)。
襯底傳送機(jī)械手108一般設(shè)置在傳送室102的內(nèi)部空間128中，以使傳送室102周圍的不同室之間襯底112的傳送容易。機(jī)械手108可以包括一個(gè)或者多個(gè)在傳送過程中用于支撐襯底的托板。機(jī)械手108可以有2個(gè)托板，各自連接到獨(dú)立可控的電動(dòng)機(jī)(大家所知道的雙托板機(jī)械手)或者有2個(gè)通過共用連桿連接到機(jī)械手108的托板。
在一個(gè)實(shí)施方式中，傳送機(jī)械手108有通過(蛙腿)連桿132連接到機(jī)械手108的單個(gè)托板130。一般地，靠近每個(gè)加工室104設(shè)置一個(gè)或者更多的傳感器116以觸發(fā)機(jī)械手操作參數(shù)的數(shù)據(jù)采集或者用于確定機(jī)械手位置的度量(metrics)。數(shù)據(jù)可以被單獨(dú)地或者與機(jī)械手參數(shù)一同使用以確定托板130上襯底112的參考位置。
一般地，靠近連接傳送室102到裝載鎖閉室106和加工室104的通道將一組傳感器116設(shè)置在傳送室102上或者內(nèi)部。傳感器組116可以包含一個(gè)或者多個(gè)用于觸發(fā)機(jī)械手度量和/或者襯底位置信息的數(shù)據(jù)采集的傳感器。
為了便于控制上述系統(tǒng)100，控制器120連接到系統(tǒng)100?？刂破饕话惆–PU122、存儲(chǔ)器124和支持電路126。CPU122可以是一個(gè)任何形式的可在工業(yè)環(huán)境中使用的計(jì)算機(jī)處理器，用于控制各種室和子處理器。存儲(chǔ)器124連接到CPU122。存儲(chǔ)器124，或者計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，可以是一個(gè)或多個(gè)易得到的存儲(chǔ)器比如隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、軟盤驅(qū)動(dòng)器、硬盤驅(qū)動(dòng)器、器件緩沖器或者任何其它形式的數(shù)字存儲(chǔ)器，本地的或者遠(yuǎn)程的。支持電路126連接到CPU122用于按常規(guī)方式支持處理器。這些電路126可以包括高速緩沖存儲(chǔ)器、電源供給、時(shí)鐘電路、輸入輸出電路、子系統(tǒng)等等。
圖2是系統(tǒng)100(說明傳送室102和與之連接的一個(gè)加工室104)的部分截面視圖。盡管描述了在加工室104和傳送室102之間的示例襯底傳送，但下面描述的傳送方法發(fā)現(xiàn)在使用裝載鎖閉室106、其它室或者在傳送室本身內(nèi)部希望獲得機(jī)械手連接132長(zhǎng)度熱變化相關(guān)信息的任何地方進(jìn)行傳送時(shí)有用。
示例的加工室104一般包括底部242、側(cè)壁240和封閉加工空間244的蓋子238。在一個(gè)實(shí)施方式中，加工室104可以是物理氣相沉積(PVD)室。底座246設(shè)置在加工室244內(nèi)并一般在加工過程中支撐襯底112。靶248連接到蓋子238上并由電源250加偏壓。氣體供給252連接到加工室104并供給加工或其它氣體到加工空間244。供給252提供加工氣體如從其形成等離子體的氬氣。來自等離子體的離子碰撞靶248，(從靶上)移出隨后被沉積到襯底112上的材料?？梢詮谋景l(fā)明獲益的PVD和其它加工室可以從California的Applied Materials，Inc.，of Santa Clara得到。
一般地，傳送室102具有底236、側(cè)壁234和蓋子232。傳送機(jī)械手108一般設(shè)置在傳送室102的底部236。傳送室102的一個(gè)側(cè)壁234一般包括端口202，通過該端口202襯底可以被傳送機(jī)械手108傳送到加工室104的內(nèi)部。端口202通過窄口閥226選擇性地密封以使傳送室102與加工室104隔開。窄口閥226一般移動(dòng)到如圖2中所示的打開的位置以允許室之間的襯底傳送。在Tepman等的美國(guó)專利No.5,226,632(1993年7月13號(hào)公布)中描述了一個(gè)可有利地使用的窄口閥，特此以參考的方式結(jié)合其全部?jī)?nèi)容。
傳送室102的蓋子232包括設(shè)置在端口202附近的窗口228。傳感器116一般在或者靠近窗口228設(shè)置，從而使得在襯底通過端口202時(shí)可以觀察到以部分機(jī)械手108和襯底112。窗口228可以由石英或者其它基本上不干涉?zhèn)鞲衅?16探測(cè)機(jī)構(gòu)(例如，一束透過窗口228發(fā)出并反射回傳感器116的光)的材料制成。在另一個(gè)實(shí)施方式中，傳感器116可以發(fā)出光束透過窗口228到達(dá)位于第二窗口外側(cè)的第二傳感器，第二窗口設(shè)置在室102的底部236內(nèi)(第二傳感器和第二窗口未示出)。
傳感器116一般被設(shè)置在窗口228的外部，使得傳感器116與傳送室102的環(huán)境隔開?？蛇x地，可以使用其它的傳感器116位置(包括室102內(nèi))，只要傳感器116可以被機(jī)械手108或者襯底112經(jīng)過它的運(yùn)動(dòng)周期性地切斷。傳感器116連接到控制器120并被設(shè)定用于就傳感器狀態(tài)的每個(gè)變化記錄一個(gè)或者多個(gè)機(jī)械手或者襯底的度量。傳感器116可以包括分開的發(fā)射和接收單元或者可以是整套的比如“穿透束(thru-beam)”和“反射性的”傳感器。傳感器116可以是光學(xué)傳感器、接近傳感器、機(jī)械限位開關(guān)、Hall效應(yīng)、簧片開關(guān)或者其它類型的適合于探測(cè)機(jī)械手108或者襯底存在的探測(cè)機(jī)構(gòu)。
在一個(gè)實(shí)施方式中，傳感器116包含設(shè)置在傳送室外部的光學(xué)發(fā)射器和接收器。一個(gè)適合于使用的傳感器可以從位于Minneapolis，Minnesota的Banner Engineering Corporation得到。傳感器116的放置使得機(jī)械手108或者襯底112中斷來自于傳感器的信號(hào)，比如光束204。光束204的中斷和恢復(fù)到未中斷狀態(tài)導(dǎo)致傳感器116狀態(tài)的變化。例如，傳感器116可以有4到20mA的輸出，其中傳感器116在未中斷狀態(tài)輸出4mA，而在中斷狀態(tài)傳感器輸出20mA。其它輸出的傳感器可以被用于對(duì)傳感器狀態(tài)變化發(fā)出信號(hào)。
圖3是傳送機(jī)械手108的一個(gè)實(shí)施方式的平面視圖。傳送機(jī)械手108一般包含通過連桿132連接到末端控制器(比如支撐襯底112的托板130)的機(jī)械手主體328。末端控制器可以被設(shè)定用于以任何數(shù)量的方式(例如，靜電、真空夾具、夾鉗、邊緣夾持等等)將襯底維持于其上。在一個(gè)具體實(shí)施方式
中，連桿132具有蛙腿結(jié)構(gòu)。其它用于連桿132的結(jié)構(gòu)，例如，回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)(polar structure)可被選擇性地應(yīng)用。在Ettinger等的美國(guó)專利No.09/547,189(2000年4月11號(hào)提交)中描述了一個(gè)可從本發(fā)明受益的回轉(zhuǎn)機(jī)械手的實(shí)例。
連桿132一般包括兩個(gè)翼310，翼310在弓316處與兩個(gè)臂312相連。每個(gè)翼310還與在機(jī)械手主體328內(nèi)同軸疊置的電動(dòng)機(jī)(未示出)相連。每個(gè)臂312由套管318連接到肘節(jié)330。肘節(jié)330將連桿132連接到托板130上。典型地，連桿132由鋁制成，然而，具有足夠強(qiáng)度和更小熱膨脹系數(shù)的材料，例如，鈦、不銹鋼或者陶瓷如氧化鈦摻雜的氧化鋁，也可以被使用。
可以選擇連桿132和/或肘節(jié)330的材料以減小在襯底傳送過程中的熱影響。例如，連桿132和/或肘節(jié)330可以由熱傳導(dǎo)率/熱膨脹的比率大于大約10W/(m×K2)的材料組成?？蛇x地，連桿132和/或肘節(jié)330可以由熱膨脹系數(shù)小于大約5Kelvin-1的材料組成?？蛇x地，連桿132和/或肘節(jié)330可以由斷裂韌性大于大約1×106Pa×m0.5的材料組成?？蛇x地，連桿132和/或肘節(jié)330可以由材料性能E0.5/p(彈性模量的平方根除以材料的密度)大于大約50m2.5/(kg0.5×s)的材料組成。連桿132和/或肘節(jié)330可以由具有上面所列出性能的任意組合性能的材料組成。適合于制造連桿132和/或肘節(jié)330的材料的例子包括，但不限于此，鋁/碳化硅符合材料、玻璃陶瓷(比如其中的NEOCERAMN-0和NEOCERAMN-11)，鋁/鐵復(fù)合材料、碳、碳基復(fù)合材料、鑄鋁合金、商用純鉻、石磨、鉬鈦合金、鉬鎢合金、商用純鉬、ZERODUR、INVAR、鈦Ti-6Al-4V合金、8090鋁MMC以及金屬基復(fù)合材料。金屬基復(fù)合材料一般由含有高達(dá)30％填充物(例如碳化硅顆粒)的鋁或者其它輕金屬(也就是鎂、鈦、鋁、鎂合金、鈦合金以及鋁合金組成。其它的填充物也可以被應(yīng)用以獲得上述的一種或者更多的物理性能。
在周圍環(huán)境溫度下，每個(gè)翼310的長(zhǎng)度為“A”每個(gè)臂的長(zhǎng)度為“B”，肘節(jié)330上套管318之間距離一半的長(zhǎng)度為“C”，而且定義套管318與托板130的托板中心點(diǎn)320之間的距離為“D”。機(jī)械手的延伸范圍“R”定義為沿“T”線托板130中心點(diǎn)320和機(jī)械手中心314之間的距離。每個(gè)翼310與T線成θ角。
每個(gè)翼310被一個(gè)同軸疊置的電動(dòng)機(jī)單獨(dú)控制。當(dāng)電動(dòng)機(jī)以相同方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，托板繞機(jī)械手主體328的中心314以恒定半徑轉(zhuǎn)動(dòng)ω角。當(dāng)兩個(gè)電動(dòng)機(jī)以相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從而連桿132膨脹或者收縮，因此相對(duì)于機(jī)械手108的中心314沿T線徑向向內(nèi)或者向外移動(dòng)托板130。當(dāng)然，徑向運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)同時(shí)結(jié)合的結(jié)果使機(jī)械手可能混合運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)襯底112被機(jī)械手108移動(dòng)時(shí)，傳感器116探測(cè)在達(dá)到預(yù)定位置(例如，在靠近端口202的位置)時(shí)襯底或者機(jī)械手的一部分。
在一個(gè)實(shí)施方式中，傳感器116由一組傳感器組成，例如4個(gè)傳感器，在機(jī)械手108的一次通過過程中，它們可被襯底和/或者機(jī)械手的不同部分?jǐn)嚅_以獲取多個(gè)數(shù)據(jù)組。例如，機(jī)械手108肘節(jié)330的邊緣332經(jīng)過光束204導(dǎo)致第一傳感器302的狀態(tài)變化，同時(shí)襯底導(dǎo)致第一傳感器302、第二傳感器304、第三傳感器306和第四傳感器308的狀態(tài)變化。盡管本發(fā)明被描述為肘節(jié)330或者襯底112激活傳感器302、304、306和308，但傳感器還可以被機(jī)械手108的其它組件激活。
圖4是機(jī)械手的肘節(jié)330的一個(gè)實(shí)施方式。機(jī)械手的肘節(jié)330設(shè)計(jì)成具有平的上表面402和側(cè)壁404，它們一般以彼此成適當(dāng)角度進(jìn)行設(shè)置。側(cè)壁404和上表面402之間的界面一般具有成角度的邊緣或者斜面406以減少傳感器116光束204散射光的數(shù)量。上表面402和側(cè)壁404之間的尖銳邊緣或者成斜面的過渡406提供了傳感器狀態(tài)的明確變化，這增強(qiáng)了下面描述的數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。
回到圖3，當(dāng)肘節(jié)330經(jīng)過一個(gè)或者更多的傳感器116時(shí)，傳感器從阻塞狀態(tài)變化為非阻塞狀態(tài)，反之亦然。傳感器狀態(tài)的變化一般相應(yīng)于機(jī)械手108(或者襯底112)處于相對(duì)于傳感器116的預(yù)定位置。每次機(jī)械手經(jīng)過任何一個(gè)預(yù)定位置，在事件發(fā)生時(shí)機(jī)械手的度量被控制器120的存儲(chǔ)器124記錄。每次事件時(shí)記錄的機(jī)械手的度量一般包括傳感器號(hào)、傳感器狀態(tài)(阻塞或者未阻塞)、兩個(gè)機(jī)械手電動(dòng)機(jī)中每一個(gè)的目前位置、兩個(gè)機(jī)械手電動(dòng)機(jī)的速度和時(shí)間標(biāo)志。應(yīng)用兩個(gè)事件記錄的機(jī)械手度量，控制器120能夠確定機(jī)械手108實(shí)際位置Ra相對(duì)于期望位置Re的變化，這些變化源于熱變化引起的任何的機(jī)械手連桿132膨脹或者收縮。控制器120利用熱膨脹數(shù)據(jù)以確定在機(jī)械手108的其它伸展(extension)時(shí)托板130(或者機(jī)械手的其它參考點(diǎn))的位置。
可選地，傳感器116可被用于獲取襯底112的位置數(shù)據(jù)以確定襯底的中心位置。襯底中心信息可連同托板位置信息一起使用。
確定機(jī)械手位置的方法一般存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器124中，典型地作為軟件或者軟件程序。軟件程序也可以被第二CPU(未示出)進(jìn)行存儲(chǔ)和/或者執(zhí)行，第二CPU(未示出)處于離系統(tǒng)的遠(yuǎn)處，或者該CPU控制。
圖5是用于確定機(jī)械手位置的方法500的實(shí)施方式的框圖。方法500開始于通過采集第一組機(jī)械手度量的步驟502。一般地，當(dāng)傳輸襯底112到一個(gè)加工室104內(nèi)機(jī)械手108的肘節(jié)330經(jīng)過傳感器116時(shí)，對(duì)一個(gè)傳感器116的狀態(tài)改變(也就是切斷)產(chǎn)生響應(yīng)而記錄第一組機(jī)械手度量?？蛇x地，傳感器116可以在襯底從加工室104或者其它位置回收時(shí)被斷開。
在步驟504時(shí)，采集第二組機(jī)械手度量。一般地，當(dāng)肘節(jié)330經(jīng)過一個(gè)傳感器116時(shí)響應(yīng)一個(gè)傳感器的斷開而記錄第二組機(jī)械手度量。典型地，在步驟504中被斷開的傳感器116與步驟502中襯底112被傳輸?shù)郊庸な?04(或其它室)時(shí)所斷開的是同樣的傳感器?？蛇x地，在步驟502和504中可以斷開不同的傳感器。
在步驟506時(shí)，應(yīng)用第一和第二機(jī)械手度量確定由于機(jī)械手熱膨脹導(dǎo)致的機(jī)械手的實(shí)際位置。在一個(gè)實(shí)施方式中，可通過確定對(duì)于特定角度θ控制器所期望的距離Re與當(dāng)肘節(jié)330經(jīng)過傳感器116時(shí)的Ra之間的距離R變化來確定機(jī)械手的熱膨脹。由此，作為以Re放置機(jī)械手的托板130所需的角度，θ′可在步驟508中計(jì)算出。可選地，可包括步驟510到確定和校正放置在托板130上的襯底的中心位置。
例如，當(dāng)機(jī)械手延伸，θ變小。延伸范圍R可表達(dá)為R(θ)=Acosθ+B2-(asinθ-C)2+D]]>如果機(jī)械手的連桿132(也就是翼、臂和肘節(jié))都由相同的材料制成，延伸率將與相關(guān)的連桿元件內(nèi)的溫度升高成比例。如果機(jī)械手的連桿132由不同的材料制成，該比例需要由各個(gè)連桿元件的每種材料的熱膨脹系數(shù)按比例計(jì)算。在任一情況中，EAB和EAC是依賴于連桿132所用材料的近似常數(shù)。由常數(shù)EAB和EAC，每個(gè)要素(elements)的相對(duì)增長(zhǎng)可表示為dAdB=ABEAB]]>dCdB=CB1EBC]]>在每個(gè)傳感器轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)械手的位置θ是鎖定的(latched)。對(duì)于每個(gè)肘節(jié)的轉(zhuǎn)換，延伸范圍R的變化可表示為dR＝(SensorPosition+BladeCenterToWristEdge)-R(θ)機(jī)械手元件中每個(gè)變化的范圍變化為∂R∂A=-sinθ(Asinθ-C)B2-(Asinθ-C)2+cosθ]]>∂R∂B=BB2-(Asinθ-C)2]]>∂R∂C=Asinθ-CB2-(Asinθ-C)2]]>對(duì)于每個(gè)事件，計(jì)算dBdB=dR/{dAdB∂R∂A+∂R∂B+dCdB∂R∂C}]]>如果在機(jī)械手一次通過傳感器組的過程中多個(gè)傳感器被用于采集機(jī)械手的度量，則對(duì)該值進(jìn)行平均。從它計(jì)算dA和dCdA=dAdBdB]]>dC=dCdBdB]]>因此，在任何θ機(jī)械手的實(shí)際位置可表示為Ra=R′(θ)=A′cosθ+B′2-(A′sinθ-C′)2+D]]>其中A′＝A+dAB′＝B+dBC′＝C+dC因此，為了放置托板130到Re進(jìn)行的θ校正可表示為
θ′=arctan(C′RCH-D)+arccos(B′2-A′2((C′2+(R-D)2))C′2+(R-D)2-2A′)]]>其中RCH是在環(huán)境條件下的R；和θ′是使R(θ′)＝Re時(shí)機(jī)械手發(fā)生的旋轉(zhuǎn)。
襯底112的中心還可以從在襯底經(jīng)過傳感器組襯底邊緣觸發(fā)傳感器116時(shí)記錄的機(jī)械手度量計(jì)算得出。從襯底112的邊界獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)被用于對(duì)襯底的中心位置進(jìn)行三角測(cè)量。
在一個(gè)實(shí)施方式中，通過將每個(gè)鎖定襯底邊緣位置轉(zhuǎn)化為X，Y坐標(biāo)系(其中0，0位于托板130的中心，Y從機(jī)械手中心向外延伸)，執(zhí)行了中心發(fā)現(xiàn)算法。其次，檢查點(diǎn)的序列(從鎖定的邊緣位置)，并且那些與其它點(diǎn)明顯不同圓的點(diǎn)被排除在需要考慮的點(diǎn)之外。省略的點(diǎn)可能是由于，例如，一些襯底112內(nèi)鎖定為表示凹槽或平整性的點(diǎn)經(jīng)過一個(gè)傳感器116。每個(gè)剩下的點(diǎn)被分組成三個(gè)點(diǎn)的組合以限定三角形和圓形。如果三角形的面積非常小，點(diǎn)的那種組合對(duì)于圓的計(jì)算將是十分錯(cuò)誤敏感的，并且被排除在進(jìn)一步考慮之外。接下來，計(jì)算出由每個(gè)保留的3點(diǎn)組合限定的圓的中心和半徑。然后，所有這樣半徑處于可接受范圍的圓的中心X和Y坐標(biāo)被平均以得到襯底的X和Y中心偏移。為了校正該X和Y偏移，dx＝-x和dy＝-y必須被用于機(jī)械手以使襯底居中。
采用在環(huán)境溫度下機(jī)械手托板130正確放入室內(nèi)的機(jī)械手旋轉(zhuǎn)和延伸對(duì)室內(nèi)襯底交換點(diǎn)(exchange point)進(jìn)行校正。延伸cf應(yīng)于RCH(進(jìn)入加工(或其它)室104內(nèi)的延伸范圍)。加上dY值，我們可以計(jì)算出延伸到室內(nèi)的量以校正襯底偏移R＝RCH+dY然后基于機(jī)械手108的連桿132的熱膨脹，計(jì)算出達(dá)到該延伸量的延伸角度(翼與室位置之間的角度)ω=arctan(C′R-D)+arccos(B′2-A′2-((C′2+(R-D)2))C′2+(R-D)2-2A′)]]>基于dX也對(duì)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行校正。
該方法還可以包括利用存儲(chǔ)在控制器存儲(chǔ)器124里的中心發(fā)現(xiàn)信息校正襯底的中心位置?？梢酝ㄟ^各種各樣的方法發(fā)現(xiàn)襯底的中心位置。一種方法包括將襯底沿襯底邊界的許多點(diǎn)夾持在托板上以機(jī)械地定出托板上襯底的中心。另一種方法包括使襯底直線通過一個(gè)或者多個(gè)確定相對(duì)于托板的襯底邊緣位置的傳感器。還有另外一種方法包括靠近用于觀察襯底邊界的傳感器旋轉(zhuǎn)襯底。通過記錄沿襯底邊界的許多點(diǎn)，可以對(duì)襯底中心進(jìn)行三角形測(cè)量。
一旦襯底的中心被確定并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，就可以相對(duì)于由于熱影響產(chǎn)生的位置變化而對(duì)襯底中心的位置進(jìn)行被修正。而且，當(dāng)機(jī)械手在室與室之間傳送襯底時(shí)中心位置可被反復(fù)修正并且當(dāng)機(jī)械手(或襯底)通過每個(gè)傳感器時(shí)重新確定機(jī)械手的位置。從而，對(duì)于每個(gè)襯底傳送，熱對(duì)機(jī)械手位置的影響被確定，因此對(duì)每次傳送允許控制器調(diào)整襯底的位置保證正確、無損的襯底放置。
雖然本發(fā)明的方法以軟件程序的形式進(jìn)行了討論，但這里公開的一些方法步驟可以通過硬件以及其本身或者控制器而實(shí)現(xiàn)。同樣，可以按基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行的軟件的形式、按應(yīng)用、特定集成電路或者其它類型的硬件實(shí)現(xiàn)的形式或者軟件與硬件組合的方式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
雖然前述指出了本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但可以不偏離其基本范圍設(shè)計(jì)出本發(fā)明的其它的和更進(jìn)一步的實(shí)施方式，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書確定。
權(quán)利要求
1.一種用于在加工系統(tǒng)中傳送襯底的機(jī)械手，包括主體；適合于保持襯底于其上的末端執(zhí)行器；和將末端執(zhí)行器連接到主體上的連桿，其中末端執(zhí)行器和/或連桿由熱傳導(dǎo)率/熱膨脹之比大于大約10W/(m×K2)的材料組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)械手，其中組成末端執(zhí)行器和/或連桿的材料還包括熱膨脹系數(shù)小于大約5×10-6Kelvin-1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)械手，其中組成末端執(zhí)行器和/或連桿的材料還包括斷裂韌性大于大約1×106Pa×m0.5。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)械手，其中組成末端執(zhí)行器和/或連桿的材料還包括大于大約50m2.5/(kg0.5×s)的材料性能。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)械手，其中組成末端執(zhí)行器和/或連桿的材料從鋁/碳化硅復(fù)合材料、玻璃陶瓷、鋁/鐵復(fù)合材料、碳、碳基復(fù)合材料、鑄鋁合金、商用純鉻、石墨、鉬鈦合金、鉬鎢合金、商用純鉬、ZERODUR、INVAR、鈦Ti-6Al-4V合金、8090鋁MMC以及金屬基復(fù)合材料組成的組中選擇。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)械手，其中組成末端執(zhí)行器和/或連桿的材料還包括熱膨脹系數(shù)小于大約1×10-6Kelvin-1的材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)械手，其中連桿具有蛙腿結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)械手，其中連桿具有回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。
9.一種用于在加工系統(tǒng)中傳送襯底的機(jī)械手，包括主體；適合于保持襯底于其上的末端執(zhí)行器；和將末端執(zhí)行器連接到主體上的連桿，其中末端執(zhí)行器和/或連桿由熱傳導(dǎo)率/熱膨脹之比大于大約10W/(m×K2)且斷裂韌性系數(shù)大于大約1×106Pa×m0.5的材料組成。
10.一種用于在加工系統(tǒng)中傳送襯底的機(jī)械手，包括主體；適合于保持襯底于其上的末端執(zhí)行器；和將末端執(zhí)行器連接到主體上的連桿，其中末端執(zhí)行器和/或連桿由熱傳導(dǎo)率/熱膨脹之比大于大約10W/m(Kelvin)/(Kelvin)、材料性能大于大約50m2.5/(kg0.5×s)的材料組成。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的機(jī)械手，其中組成末端執(zhí)行器和/或連桿的材料還包括斷裂韌性大于大約1×106Pa×m0.5。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的機(jī)械手，其中組成末端執(zhí)行器和/或連桿的材料還包括熱膨脹系數(shù)小于大約5×10-6Kelvin-1的材料。
13.一種用于在加工系統(tǒng)中傳送襯底的機(jī)械手，包括主體；適合于保持襯底于其上的末端執(zhí)行器；和將末端執(zhí)行器連接到主體上的連桿，其中末端執(zhí)行器和/或連桿由熱傳導(dǎo)率/熱膨脹之比大于大約10W/(m×Kelvin2)、材料性能大于大約50m2.5/(kg0.5×s)且斷裂韌性大于大約1×106Pa×m0.5的材料組成。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的機(jī)械手，其中組成末端執(zhí)行器和/或連桿的材料還包括熱膨脹系數(shù)小于大約5×10-6Kelvin-1的材料。
全文摘要
一般地，提供用于在加工系統(tǒng)中傳送襯底的機(jī)械手。在一個(gè)實(shí)施方式中，用于在加工系統(tǒng)中傳送襯底的機(jī)械手包括主體、連桿和末端執(zhí)行器(適于保持襯底于其上)。連桿將末端執(zhí)行器與主體連接在一起。末端執(zhí)行器和/或連桿由熱膨脹系數(shù)小于大約5×10
文檔編號(hào)B25J9/06GK1504306SQ0313310
公開日2004年6月16日 申請(qǐng)日期2003年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月22日
發(fā)明者克里斯·H·潘斯茲, 杰弗瑞·C·哈得根斯, 戴蒙·K·庫(kù)克斯, 邁克·瑞斯, 杰米斯·R·丘里克, C 哈得根斯, R 丘里克, K 庫(kù)克斯, 克里斯 H 潘斯茲, 瑞斯 申請(qǐng)人:應(yīng)用材料有限公司