CN114454203B - 机械手及吸盘 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械手及吸盘，机械手包括吸盘，吸盘用于基于伯努利原理吸附晶圆，吸盘具有相对的第一表面和第二表面并包括金属吸盘本体，金属吸盘本体的第一表面覆盖有绝缘层并设置有多个气孔，吸盘还包括多个沿金属吸盘本体周向分布的绝缘挡块，绝缘挡块用于在晶圆的外围进行限位，且所有绝缘挡块通过导电层与金属吸盘本体连接，导电层用于与晶圆的边缘接触；如此配置，可以确保吸盘在真空释放后成功释放晶圆，降低晶圆破片的风险。

Description

机械手及吸盘

技术领域

本发明涉及半导体设备技术领域，具体涉及一种机械手及吸盘。

背景技术

在晶圆加工过程中，伯努利机械手(吸盘)就是利用了伯努利原理的机械手，机械手的喷气口中喷出的气体(例如氮气等惰性气体)遇到圆盘的表面(例如上表面，当然也可以是下表面，以上表面为例)后，气体自圆盘上表面迅速扩散，使得圆盘上表面的气流速度大于下表面的气流速度，根据伯努利原理可知，此时圆盘下表面的气压大于圆盘上表面的气压，因而使圆盘被吸附在伯努利机械手上。

伯努利机械手通过伯努利原理吸附晶圆，把晶圆放在具有真空吸附功能的真空卡盘上后，机械手放开晶圆。同时真空卡盘通过多孔真空吸附把晶圆吸附到真空卡盘上。工艺结束后真空卡盘停止真空吸附，伯努利机械手吸附晶圆，把晶圆从真空卡盘上取下，并带出工艺腔室。伯努利机械手主要用于吸附薄片小于200um厚度的晶圆，晶圆薄片脆且易碎、翘度大。当前伯努利手臂正面主体采用金属材料，背面主体和挡块采用绝缘材料，但是绝缘材料(如含氟树脂)抗静电能力弱，容易产生静电尖端积聚效应，晶圆与玻璃在解离过程中产生的大量静电积聚在绝缘挡块上，导致伯努利手臂在真空释放后仍无法有效释放薄片晶圆，导致晶圆破片。

因此，亟需一种能够及时释放薄片晶圆的吸盘及机械手，以降低晶圆破片的风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机械手及吸盘，以确保吸盘在真空释放后能够成功释放晶圆，降低晶圆破片的风险。

为实现上述至少一种目的，本发明提供了一种吸盘，用于基于伯努利原理吸附晶圆，所述吸盘具有相对的第一表面和第二表面，并包括金属吸盘本体，所述金属吸盘本体的第一表面覆盖有绝缘层并设置有多个气孔，所述吸盘还包括多个沿所述金属吸盘本体周向分布的绝缘挡块，所述绝缘挡块用于在所述晶圆的外围进行限位，且所有所述绝缘挡块通过导电层与所述金属吸盘本体连接，所述导电层用于与所述晶圆的边缘接触。

可选地，所述导电层包括相互连接的第一导电层和第二导电层，所述第一导电层与所述金属吸盘本体连接，所述第二导电层与所述绝缘挡块连接并用于与所述晶圆的边缘接触。

可选地，所述第一导电层固定在所述第二表面上，所述金属吸盘本体的材料与所述第一导电层的材料相同或不相同。

可选地，所述第一导电层为长条形结构。

可选地，所述绝缘挡块具有连接部和主体部，所述连接部固定在所述金属吸盘本体或所述绝缘层上并部分延伸超过所述金属吸盘本体的边缘；所述主体部的第一表面相对于所述连接部的第一表面凸出一级台阶；所述台阶的内侧面与所述连接部的第一表面形成大于或等于90°的夹角；所述第二导电层设置在所述主体部的第一表面。

可选地，所述绝缘层的第一表面设置有多个环绕所述气孔设置的环形隔垫，多个所述环形隔垫与多个所述气孔一一对应设置，至少部分所述环形隔垫与所述连接部连接，且所述环形隔垫的厚度等于所述连接部凸出所述绝缘层的第一表面的厚度。

可选地，所述第二导电层在沿所述晶圆的周向方向上的长度不大于2cm，且所述第二导电层在沿所述晶圆的周向方向上的长度不小于1.5cm；所述导电层的厚度为0.1mm～0.3mm。

可选地，所述导电层的材料为锡铝合金。

可选地，所述导电层包括质量分数为20％±5％的锡。

为实现上述目的，本发明提供了一种机械手，其包括任一项所述的吸盘。

在本发明提供的机械手及吸盘中，吸盘用于基于伯努利原理吸附晶圆，其包括金属吸盘本体，所述金属吸盘本体的第一表面覆盖有绝缘层并设置有多个气孔，所述吸盘还包括多个沿所述金属吸盘本体周向分布的绝缘挡块，所述绝缘挡块用于在所述晶圆的外围进行限位，且所有所述绝缘挡块通过导电层与所述金属吸盘本体连接，导电层用于与所述晶圆的边缘接触。如此配置，可通过导电层及时导走绝缘挡块上和/或晶圆上积聚的静电，使得吸盘在真空释放后能够成功释放晶圆，解决晶圆破片的问题。

在本发明提供的机械手及吸盘中，所述导电层包括相互连接的第一导电层和第二导电层，所述第一导电层与所述金属吸盘本体连接，所述第二导电层与所述绝缘挡块连接并用于与晶圆的边缘接触。如此配置，可精确地控制绝缘挡块上的导电材料的尺寸，并兼顾导电性能和吸附性能，另一方面由于绝缘挡块上的第二导电层与晶圆边缘接触，使得晶圆解离过程中的静电可通过第二导电层直接导走，从而避免在绝缘挡块上积聚静电，进一步提升晶圆释放的成功率；优选，所有绝缘挡块的凸起的整个第一表面设置有第二导电层，使得导电效果更好。

在本发明提供的机械手及吸盘中，所述第二导电层在沿所述晶圆的周向方向上的长度不大于2cm，且所述第二导电层在沿所述晶圆的周向方向上的长度不小于1.5cm，同时导电层的厚度为0.1mm～0.3mm。如此配置，一方面可降低导电层对伯努利吸附效应的不利影响，确保吸盘能够有效且可靠地吸附晶圆，另一方面能够保证良好的导电性能。

在本发明提供的机械手及吸盘中，所述导电层的材料优选为锡铝合金，以获取优良的导电性能、抗腐蚀性能和抗疲劳性能，同时降低成本。

在本发明提供的机械手及吸盘中，所述绝缘挡块具有连接部和主体部，所述连接部固定在所述金属吸盘本体和/或所述绝缘层上并至少部分超出所述金属吸盘本体的边缘；所述主体部的第一表面相对于所述连接部的第一表面凸出一级台阶，且所述台阶的内侧面与连接部的第一表面形成大于90°的夹角，使得台阶面的内侧面能够引导晶圆进入绝缘挡块的台阶内侧。如此配置，可通过斜面的引导来降低晶圆的放置难度，也进一步降低晶圆的损伤。

附图说明

图1是本发明根据优选实施例提供的从第一表面观察吸盘时的吸盘结构示意图；

图2是本发明根据优选实施例提供的从第二表面观察吸盘时的吸盘结构示意图。

【附图标记说明如下：】

1-金属吸盘本体；2-绝缘层；3-气孔；4-绝缘挡块；41-连接部；42-主体部；43-内侧面；5-导电层；51-第一导电层；52-第二导电层；6-环形隔垫。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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，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。

在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，“不小于”的含义是大于或等于本数；“不大于”的含义是小于或等于本数。

以下结合附图和优选实施例对本发明做进一步的说明，在不冲突的情况下，下述的实施方式及实施方式中的特征可以相互补充或相互组合。

图1示出了本发明优选实施例提供的从第一表面观察吸盘时的吸盘立体结构示意图，图2示出了本发明优选实施例提供的从第二表面观察吸盘时的吸盘立体结构示意图。这里的“第一表面”和“第二表面”为吸盘的两个相对的表面，如第一表面可以是吸盘的反面，第二表面可以是吸盘的正面，或者反过来设置。

如图1和图2所示，本发明优选实施例公开了一种吸盘，用于基于伯努利原理吸附薄片晶圆，如厚度小于200μm的晶圆。本实施例提供的吸盘具体包括金属吸盘本体1，其中金属吸盘本体1的第一表面覆盖有绝缘层2并设置有多个气孔3。气孔3的数量根据实际需要设定，只要通过多个气孔3喷出的气体形成伯努利效应吸附晶圆即可。如本实施例中，气孔3的数量为6个，当然在其他实施例中，气孔3的数量可以是不同的设置，对此不作要求。金属吸盘本体1的材料为金属材料，优选为轻金属材料，更优选为铝合金材料。绝缘层2的材料一般为非金属材料，优选为树脂材料，更优选为含氟树脂材料，耐腐蚀性好。应理解，气孔3贯穿绝缘层2并与金属吸盘本体1内的气道连通。各个气孔3可以共用金属吸盘本体1内的一个气道，也可以分别配置相互独立的气道。

金属吸盘本体1上还设置有多个周向分布的绝缘挡块4，绝缘挡块4用于在晶圆的外围进行限位，这样做，在伯努利吸附晶圆时，可以进一步防止晶圆晃动移位，且绝缘挡块4的数量根据实际需要设定即可。作为一实施例，绝缘挡块4的数量与气孔3的数量相同。作为另一实施例，绝缘挡块4的数量小于气孔3的数量。如本实施例中，气孔3的数量为6个，绝缘挡块4的数量为4个。多个绝缘挡块4围绕金属吸盘本体1的中心轴线对称设置。绝缘挡块4的材料为非金属材料，优选为树脂材料，更优选为含氟树脂材料，耐腐蚀性好。且每个绝缘挡块4通过导电层5与金属吸盘本体1连接，而且导电层5还能够与晶圆的边缘接触。如此配置，可通过导电层5及时导走绝缘挡块4上和/或晶圆上的静电，使得吸盘在真空释放后能够成功释放晶圆，并解决晶圆破片的问题。

作为一具体实施例，导电层5包括相互连接的第一导电层51和第二导电层52，第一导电层51与金属吸盘本体1连接，第二导电层52与绝缘挡块4连接，且第二导电层52能够与晶圆的边缘接触以避免在绝缘挡块4上积聚静电，进一步提升晶圆释放的成功率。具体地，绝缘挡块4上正对晶圆边缘(即晶圆侧面)的第二导电层52与晶圆接触即可。

作为一实施例，第一导电层51与第二导电层52为分体式结构，即分体制作成型后相互连接。作为另一实施例，第一导电层51与第二导电层52为一体制作成型。其中一体式的导电层5可以更好的将绝缘挡块4和/或晶圆上积聚的静电导走，导电效果更好。但是无论是分体式或者是一体式的导电层5，均需要精确地控制第二导电层52的厚度来兼顾导电性能和真空吸附的性能。因为绝缘挡块4的尺寸较小，在如此小的绝缘挡块4上设置第二导电层52增加了工艺难度，既需要保证第二导电层52不会太薄，又需要保证第二导电层52不会太厚；太厚的第二导电层52会影响伯努利效应，影响吸附性能；而太薄的导电层5的导电效果差。

本发明实施例绝缘挡块4在沿晶圆的周向方向上的长度(如弧长)不大于2cm，且绝缘挡块4沿晶圆的周向方向上的长度(如弧长)不小于1.5cm。为了保证良好的导电性能，第二导电层52优选在沿晶圆的周向方向上的长度(优选弧长)不大于2cm，也即第二导电层52在晶圆的圆周方向上尽可能具有更大的长度，更优选第二导电层52在沿晶圆的周向方向上的长度(优选弧长)不小于1.5cm，以兼顾导电性能和吸附性能。

第二导电层52在绝缘挡块4上的设置方式不作特别的限定，如可以是喷涂、刮涂、点涂等涂覆方式将第二导电层52设置在绝缘挡块4的凸起的至少部分第一表面上，或者以粘接的方式将第二导电层52设置在绝缘挡块4的凸起的至少部分第一表面上。无论何种方式，只要确保第二导电层52不会轻易脱落，使第二导电层52能够牢固地固定在绝缘挡块4上即可，另需确保第二导电层52能够接触到晶圆边缘。

作为一实施例，绝缘挡块4上的凸起的部分第一表面上设置有第二导电层52，使第二导电层52既能够与第一导电层51连接，又能够与晶圆的边缘接触。作为另一实施例，绝缘挡块4上的凸起的整个第一表面上设置有第二导电层52，导电效果更好。如本实施例中，绝缘挡块4的凸起的整个第一表面设置有第二导电层52。优选，所有绝缘挡块4的凸起的整个第一表面设置有第二导电层52，导电效果更好。

作为一可选方案，第一导电层51以焊接、粘接或涂覆等方式固定在金属吸盘本体1的第二表面上，金属吸盘本体1的材料与第一导电层51的材料可以相同或不相同。如本实施例中，金属吸盘本体1的材料为铝合金，导电层5的材料为锡铝合金。

优选，导电层5的材料为锡铝合金，以获取优良的导电性能、抗腐蚀性能和抗疲劳性能，同时降低成本。当然导电层5的材料还可以是其他金属导电材料，如铜、铝、银等。更优选，导电层5包括质量分数为20％±5％的锡，而其余成份为铝，使得导电层5的导电性能、抗腐蚀性能和抗疲劳性能更为优良。

第一导电层51的一部分固定在金属吸盘本体1的第二表面上，另一部分与第二导电层52固定连接。优选，第一导电层51焊接或粘接在金属吸盘本体1的第二表面上。第一导电层51的尺寸不宜过大，以免影响吸盘原有的性能。作为一优选实施例，第一导电层51为长条形结构，如第一导电层51的一端焊接或粘接在金属吸盘本体1的第二表面上，另一端连接至第二导电层52。第一导电层51设置为细长形的薄片，不会过于增加吸盘的重量，而且也不易与外部结构产生干涉。

导电层5的厚度优选为0.1mm～0.3mm，更优选为0.2mm，在兼顾吸盘真空吸附性能的情况下，还能够兼顾较好的导电性能，并降低掉片的风险。作为一优选实施例，第一导电层51为长度50mm、宽度8mm、厚度0.2mm的导电薄片。作为一优选实施例，第二导电层52为长度20mm、宽度5mm、厚度0.2mm的导电涂层。

参阅图1，绝缘层2的第一表面上设置有多个环形隔垫6，且对应于每个气孔3设置有一个环形隔垫6，环形隔垫6环绕气孔3设置。环形隔垫6主要由含氟橡胶材料制成。环形隔垫6的设置方式可以是，通过胶粘剂粘接在绝缘层2的第一表面上。环形隔垫6用于隔离绝缘层2和晶圆，便于晶圆被更好的吸附且更容易取下，并且环形隔垫6本身具有一定的摩擦系数，能够防止晶圆滑动和偏移，起到一定的缓冲作用。本实施例中，金属吸盘本体1的材料为铝合金，绝缘挡块4和绝缘层2的材料为含氟树脂，环形隔垫6的材料为含氟橡胶，如含氟硅胶。

继续参阅图1和图2，绝缘挡块4具有连接部41和主体部42，连接部41固定在金属吸盘本体1上和/或绝缘层2上并至少部分超出金属吸盘本体1的边缘以连接主体部42。连接部41可以直接固定在绝缘层2的第一表面上，或与绝缘层的侧面或金属吸盘本体1的侧面固定连接。连接部41可以与绝缘层2一体成型或分体成型连接。主体部42设置在连接部41超出金属吸盘本体1的结构上。本发明实施例连接部41可通过螺丝锁紧在绝缘层2的第一表面上。需理解的是，主体部42即为绝缘挡块4的凸起。其中主体部42的第一表面(即凸起的顶面)相对于连接部41的第一表面凸出一级台阶，进一步地，所述台阶的内侧面43(即正对晶圆边缘的表面)与连接部41的第一表面形成大于或等于90°的夹角，使得台阶的内侧面43为朝远离吸盘中心方向倾斜的斜面，如此设置，可通过台阶的内侧面43引导晶圆进入绝缘挡块4的内侧，从而通过斜面降低晶圆的放置难度，也进一步降低晶圆的损伤。所述台阶的内侧面43优选与晶圆侧面的倾斜角度相配合。更进一步地，所述台阶的内侧面43相对于连接部41的第一表面的夹角的角度不大于145°，以使台阶具有更好的导向效果并同时兼顾对晶圆的阻挡。优选所述夹角的角度为95°～145°，如95°、110°、115°、120°、125°、130°、135°、140°或145°。

作为一可选方案，至少部分环形隔垫6与绝缘挡块4的连接部41连接，两者的连接方式不限定，优选一体连接；且环形隔垫6的厚度等于连接部41凸出绝缘层2的第一表面的厚度，以避免晶圆搁置在连接部41上的部分翘起。

本发明实施例的晶圆边缘搭在绝缘挡块4的连接部41上，且第二导电层52设置在绝缘挡块4的主体部42的第一表面上。如果主体部42上的第二导电层52太厚，整个晶圆与气孔3距离过远，产生的真空负压无法吸附晶圆，因此第二导电层52的厚度不能太厚，优选为0.1mm～0.3mm，更优选为0.2mm。

进一步地，本发明实施例还提供一种机械手，其包括本发明实施例提供的吸盘。进一步地，所述机械手还包括与吸盘连接的机械手本体，所述机械手本体具有多个自由度，能够带动吸盘运动。优选，所述吸盘与所述机械手本体之间可通过翻转机构连接，以实现吸盘的180°翻转。

需说明的是，本实施例中吸盘的形状不限于附图所示的闭合环状，还可以是开放式的叉片结构。

综上所述，本发明提供的机械手及吸盘可通过导电层及时导走绝缘挡块上和/或晶圆上积聚的静电，使得吸盘在真空释放后能够成功释放晶圆，解决晶圆破片的问题，以此提供了一种能够防静电的伯努利手臂。此外，通过实际的试验验证后，本实施例提供的吸盘可有效降低薄片晶圆解离过程中因静电积聚的粘片现象，几乎粘片率可以降低到0％，导电效果好，有效的降低了晶圆的破片率，降低了制造成本。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种吸盘，用于基于伯努利原理吸附晶圆，其特征在于，所述吸盘具有相对的第一表面和第二表面，所述吸盘包括金属吸盘本体，所述金属吸盘本体的第一表面覆盖有绝缘层并设置有多个气孔，所述吸盘还包括多个沿所述金属吸盘本体周向分布的绝缘挡块，所述绝缘挡块用于在所述晶圆的外围进行限位，且所有所述绝缘挡块通过导电层与所述金属吸盘本体连接，所述导电层用于与所述晶圆的边缘接触；所述导电层包括相互连接的第一导电层和第二导电层，所述第一导电层与所述金属吸盘本体连接，所述第二导电层设置在所述绝缘挡块上并用于与所述晶圆的边缘接触。

2.根据权利要求1所述的吸盘，其特征在于，所述第一导电层固定在所述第二表面上，所述金属吸盘本体的材料与所述第一导电层的材料相同或不相同。

3.根据权利要求2所述的吸盘，其特征在于，所述第一导电层为长条形结构。

4.根据权利要求1所述的吸盘，其特征在于，所述绝缘挡块具有连接部和主体部；所述连接部固定在所述金属吸盘本体和/或所述绝缘层上并至少部分超出所述金属吸盘本体的边缘；所述主体部的第一表面相对于所述连接部的第一表面凸出一级台阶；所述台阶的内侧面与所述连接部的第一表面形成大于或等于90°的夹角；所述第二导电层设置在所述主体部的第一表面。

5.根据权利要求4所述的吸盘，其特征在于，所述绝缘层的第一表面设置有多个环绕所述气孔设置的环形隔垫，多个所述环形隔垫与多个所述气孔一一对应设置，至少部分所述环形隔垫与所述连接部连接，且所述环形隔垫的厚度等于所述连接部凸出所述绝缘层的第一表面的厚度。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的吸盘，其特征在于，所述第二导电层在沿所述晶圆的周向方向上的长度不大于2cm，且所述第二导电层在沿所述晶圆的周向方向上的长度不小于1.5cm；所述导电层的厚度为0.1mm～0.3mm。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的吸盘，其特征在于，所述导电层的材料为锡铝合金。

8.根据权利要求7所述的吸盘，其特征在于，所述导电层包括质量分数为20％±5％的锡。

9.一种机械手，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的吸盘。