晶片机的制作方法

专利名称：晶片机的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种晶片传送系统。更具体的，本发明包括这样一种晶片机(wafer engine)，该晶片机用于沿x轴、z轴和径向轴移动晶片以及绕θ轴转动晶片。
背景技术：
标准机械接口箱(SMIF箱)通常包括箱门，该箱门与箱壳紧密配合以提供一种密封环境，可在此密封环境中存放及传递晶片。一个这种类型箱是一种称之为FOUP10的前开式一体化箱，其中，箱门位于一个垂直平面内，且晶片支承在安装于箱壳内的一个盒子中或两个壳体中。
在加工半导体晶片的过程中，利用SMIF箱在晶片加工站内的各种工具之间传递工件。这些工具包括用于在晶片上形成集成电路图案的加工工具、用于检测晶片的度量工具、用于在一个或多个SMIF箱内拣选并重新排列晶片的分选器(sorter)、以及用于大量存放SMIF箱的堆料机。晶片加工站内通常以两种布局中的一种来摆放工具，该两种布局分别是跨架跟随式布局(a bay and a chase configuration)和舞厅式布局(a ballroom configuration)。在前一种布置下，仅维持包含工件I/O口在内的工具前端位于一级或更高级别的净室环境中。在舞厅式布局下，按照工具所执行的操作串联式地排列这些工具，且维持所有工具都位于一级或更高级别的净室环境中。
晶片加工站内的工具包括一种前端接口，该接口容纳着便于在箱体与工具之间传递工件(即，晶片)并监督这种传递的部件。一种传统的前端单元或设备前端模块(EFEM)20表示在

图1-2中。通常在工具制造厂制造出EFEM20，然后将其运送至晶片加工站。
EFEM20通常包括固定在工具前面的壳体22和安装在该壳体22内的工件操纵机械手24，该机械手24可沿x，r，θ，Z方向运动以在工件运载设备、工具及其它前端组件之间移动工件。机械手24通常安装有校平螺钉，以允许一旦将EFEM20架设并固定在工具上后可以调节该机械手24的平面性。
除了机械手24以外，EFEM20通常还包括一个或多个预校准器26，用于执行晶片中心的识别操作、槽口定位操作以及顽固痕迹(indocilemark)的读取操作。一般利用校平螺钉将该一个或多个预校准器26栓接在壳体22内，该校平螺钉允许一旦将EFEM20架设并固定在某种工具上后可以调节该一个或多个预校准器的平面性。
EFEM20还包括一个或多个装载口组件28，用于接收工件运载设备、打开该运载设备、以及将工件提供给机械手24从而在该运载设备与其它加工工具之间传递工件。对于300mm晶片的加工，半导体设备及材料国际(“SEMI”)已经开发出通常称之为箱开启器-装载器工具标准接口(或“BOLTS”接口)的一种垂直取向机架。该BOLTS接口与工具前端连接或作为该工具前端的一部分，且为将装载口组件安装到工具上提供标准安装点。名称为“Tilt and Go Load Port InterfaceAlignment System”的美国专利No.6,138,721公开了这样一种系统，该系统用于调节装载口组件至BOLTS接口附近的适当位置，然后将该装载口组件固定到接口上，此美国专利已经转让给本申请人且在此整体引入该专利以供参考。
一旦机械手24、预校准器26以及装载口组件28已安装在壳体22上后，就将EFEM20运送至晶片加工站，且固定在该加工站内的工具上。在正确固定到工具上后，经由校平螺钉在壳体22内校平EFEM组件，然后告知机械手24为在装载口组件、预校准器以及工具之间传递工件其所需要到达的捕获及下落位置。在名为“Self Teaching Robot”的美国专利申请系列No.09/729,463中公开了一种用于将各种捕获及下落位置告知给工具前端内机械手的系统，在此整体引入该申请以供参考。一旦已告知机械手位置后，就将侧面板安装到壳体22上以相对于周围环境基本上密封该壳体。
例如，传统EFEM包括安装在组装式壳体内部的多个分离且独立的工件操纵部件。壳体22具有栓接、架接或焊接到一起的一种结构机架，多个面板固定在该机架上。组装壳体22之后，将EFEM组件固定到各个面板上。对于现有EFEM来说不利的是，系统的总容许偏差(tolerance)是各个机架件、面板及组件连接的和。结果就难以校准组装后的EFEM组件，且需要将该EFEM组件相互调节至正确位置。同时，还必须告知机械手24组件的相对位置，这样EFEM组件才能相互协作。在每次调节一个或多个EFEM组件时都必须进行这种校准及告知操作。
现有技术的另一个缺点是EFEM组件通常由不同供应商制成，每个组件都有其自己的控制器和通讯协议。必须对EFEM总成采取措施，以使各组件的控制器可相互通讯，从而各组件可相互协作。独立的控制器也使维护工作复杂化，并增加了提供在EFEM内部的部件和电气连接。此外，特别是在舞厅式布局情况下，传统EFEM占据了一级净室环境的大量空间，而一级净室环境空间是非常昂贵的。
目前的300mm半导体EFEM由包括SEMI E15.1柔性(compliant)装载口组件(通常每个工具2-4个)在内的几个主要子系统组成。例如，EFEM可包括安装在钢结构机架上的晶片操纵机械手和风扇过滤器单元，以及用以封闭装载口与加工工具之间晶片操纵区域的面板。这些组件相互结合，提供了一种在FOUP与加工工具的晶片停放台之间将晶片传递给FOUP10以及自FOUP10传出晶片的装置。经由操作员手动地载入FOUP10，或者经由一种可输送及撤离至装载口的自动材料操纵系统(AMHS)自动地载入FOUP10。已经制定了工业标准，允许多个卖主提供集成为一个系统的装载口、FOUP10或其它EFEM组件。
装载口组件提供了在EFEM内AMHS与晶片操纵机械手之间的标准接口。其为放置FOUP10、对接FOUP10以密封前表面、及打开和关闭门以允许存取FOUP10内的晶片提供一个标准化位置。这种组件的尺寸都规定在SEMI E15.1中。
装载口经由栓接界面固定到前端上，该栓接界面限定在SEMIE-63中。此标准限定了一种表面及安装孔，装载口安装在该表面及安装孔上。其还限定了每个装载口自加工站地面起高达1386mm，宽约505mm。结果，该装载口使得加工工具与加工站内的操作员走道完全隔离。SEMI E-63还限定了工具侧面上的装载口尺寸，以确保各种机械手制造商的可互换性。
装载口的主要功能包括自加工站AMHS(Fab AMHS)接收FOUP10以及向加工站AMHS提供FOUP10、将FOUP10移向及移离进出口密封面(入站/出站)、以及打开及关闭FOUP门。另外，其还必须执行功能例如，将FOUP10锁定在推进板上、锁定及开启FOUP门、以及各种大量的ID及通讯功能。每个SEMI E15.1的所有这些功能都容纳在一种单片组件内，通常该单片组件作为一个整体单元附加给工具前端或自工具前端取下该单片组件。
装载口必须与晶片机械手精确对齐。如果系统中有多个装载口，必须使所有晶片都位于水平平行的平面内。通常，装载口提供若干调节件，以使FOUP10内的晶片与机械手平行。在相对于每个FOUP10内25个晶片中每一个的位置校准机械手时，为使得所消耗时间最少化，使用特定的工具及校准固定件来与所有调节件相协作。如果用一个新装载口替换旧装载口，校准过程会相当冗长。
除了相对于晶片位置对齐机械手之外，还必须使门机构与门打开机架及门密封机架对齐。同样，通常利用校准固定件及工具在工具前端或机器以外执行上述对齐操作。
还必须相对于一个或多个工具下落点(drop off point)齐平及对准机械手。这一般通过告知机械手位置以及在前端或工具上进行平面性调节来手动完成。
工具、机械手以及FOUP10之间的所有这些关系使得安装工具前端的操作相当费时。所有组件通常安装在较低精度的机架上，且利用调节件来弥补此较低精度。装载口安装在前表面上，机械手安装在底座上，风扇/过滤器单元(FFU)安装在顶部，所有其它暴露面上的表层实现小型环境的密封。
优选使组件之间的调节件最少化，并缩短对准装载口所要花费的总时间。本发明具有此优点。
发明概述本发明的一个方面是提供一种一体化构造或机架，其将多个关键的EFEM组件精确连接起来。在一种实施例中，机架作为校准内部及外部EFEM组件的唯一参考基准。在另一种实施例中，相对于机架的每个垂直支柱，校准内部及外部EFEM组件。
本发明的另一方面是提供一种尺寸可伸缩的一体化构造或机架。在一种实施例中，该一体化构造包括固定在上支撑件和下支撑件上的直立支柱。该直立支柱的数量及上下支撑件的长度取决于EFEM内I/O口的数量。类似的，可改变直立支柱和支撑件的尺寸及间隔，以容纳200mm晶片，300mm晶片以及400mm晶片。
本发明的再一方面是准确且精确地相互定位前端装载组件。优选的，利用最少量的调节件完成此校准过程。在一种实施例中，将所有内部及外部EFEM组件都精确连接到一体化机架上，这样它们就共享此公共参考点。
本发明的又一方面是提供这样一种一体化机架，该机架使装载门/运载设备门组件与多个内部EFEM组件相互隔开。在一种实施例中，使装载门/运载设备门组件下降进入小型环境内一个独立的空气流/存放区域中。此存放区域防止由例如晶片操纵机械手生成的颗粒污染该组件。
本发明的又一方面是提供一种晶片滑座对接/界面板，可容易地自EFEM上取下该板以进入EFEM的内部。在本发明一种实施例中，该可拆卸板由透明材料制成，这样用户可观察到小型环境内出现的任何问题/故障。
本发明的再一方面是减少EFEM的占地面积。在一种实施例中，利用一种滚动机座支承EFEM，由此EFEM的底面可升离晶片加工站的地面。晶片加工站地面与EFEM之间的区域可作为进入加工工具的维护口，或者用作放置辅助间的区域。
本发明的再一方面是提供一种用于传递晶片的晶片机。在一种实施例中，该晶片机可执行大量检测、标记以及度量功能，从而避免需要独立加工站来实现上述功能。
本发明的再一方面是提供一种可在占地面积缩小的EFEM内传递晶片的晶片机。在一种实施例中，该晶片机包括用于沿x轴移动晶片的线性驱动器、用于沿z轴移动晶片的垂直驱动器、用于沿径向轴移动晶片的径向驱动器、以及用于绕θ轴转动该垂直驱动器和径向驱动器的旋转驱动器。
本发明的再一方面是对晶片机上的各种颗粒生成机构提供局部过滤。在一种实施例中，一种风扇/过滤器单元安装在径向驱动器上，以捕获该径向驱动器生成的颗粒。在另一种实施例中，一种排气系统生成流经垂直驱动器的空气流，以捕获该垂直驱动器生成的任何颗粒。这些局部风扇/过滤器单元试图通过将颗粒排入一个“污浊空气”环境内、或者通过在空气回流入“清洁空气”环境之前先过滤该空气来控制晶片机生成的颗粒。
本发明的再一方面是提供一种具有双向交换能力及在空中进行校准能力的晶片机。在一种实施例中，该晶片机具有一种可快速交换的径向驱动器，或缓冲能力，以同时地存放和传递两张晶片。在另一种实施例中，在上末端执行器转动及校准第一晶片的同时，可利用下末端执行器存放和/或传递第二晶片。
本发明的再一方面是提供一种具有可移动/可互换滑动体机构的晶片机。在一种实施例中，该滑动体机构包括形成一体的加工工具，例如，OCR读取器，校准器，ID读取器或度量工具。可移动的滑动体机构允许晶片加工站自始至终采用同一晶片机，由此仅仅定制一个滑动体机构就可用于每个独立的加工站。
本发明的再一方面是提供这样一种晶片机，其具有位于θ驱动器上方的垂直驱动器。这种垂直驱动器基本上位于FOUP10区域内，从而使晶片机的占地面积减少到最小。本发明具备所有这些优点。
附图的简要说明图1是依照现有技术的一种传统前端总成的透视图；图2是图1所示前端总成的顶视图；图3是依照现有技术的一种传统前端总成的侧视图；图4是依照本发明的一种脊柱构件实施例的透视图；图5是图4所示脊柱构件的局部分解示意图；图6是依照本发明的一种FOUP对接界面实施例的透视图；图7是依照本发明的一种脊柱构件及前端装载组件实施例的局部分解示意图；图8是依照本发明、安装在脊柱构件上的一种晶片机实施例的透视图；图9是依照本发明、安装在脊柱构件上的一种晶片机驱动轨道实施例的透视图；图10是依照本发明一种前端装载接口实施例的侧视图；图11是依照本发明另一种集成小型环境及构件实施例的局部分解示意图；图12是图11所示集成小型环境及构件的侧视图；图13是依照本发明一种骨架构件实施例的局部透视图；图14是依照本发明另一种集成小型环境及构件的透视图；图15是图14所示集成小型环境及构件的侧视图；图16是说明图15所示集成小型环境及构件的一体化机架实施例的局部分解示意图；图17A-17B；图17A是依照现有技术的一种传统晶片操纵机械手实施例的顶视图；图17B是图17A所示晶片操纵机械手的顶视图，且末端执行器伸展开来；图18是依照本发明一种用于快速交换晶片的晶片机实施例的透视图；图19是图18所示晶片机的透视图，表示了驱动机构的几个组件、垂直柱及滑动体机构；图20是依照本发明另一种晶片机实施例的透视图；图21是图18所示晶片机的透视图，表示了由风扇/过滤器单元产生的空气流；图22A-22D；图22A是依照本发明又一种晶片机实施例的透视图，该晶片机的滑动体机构上配备有轮式校准器和ID读取器；图22B是图22A所示晶片机的顶视图；图22C是图22A所示晶片机的侧视图；图22D是图22A所示晶片机的后视图；图23是图22A所示一种上末端执行器实施例的透视图；图24A-24C；图24A是一种末端执行器的轮式校准器实施例的切面图，表示了由衬垫支承着的晶片；图24B是图24A所示末端执行器的轮式校准器的切面图，表示已升离衬垫且由轮支承着的晶片；图24C是图24A所示末端执行器的轮式校准器的切面图，表示正由轮释放且重新放回到衬垫上的晶片；图25是依照本发明另一种晶片机实施例的透视图；图26A-26B；图26A是另一种径向驱动器实施例的透视图；图26B是又一种径向驱动器实施例的透视图；图27A-27B；图27A是一幅俯视图，表示本发明晶片机的行程和摆动间隙优势；图27B是一种传统线性移动机械手的俯视图，表示所要求的最小间隙和最大行程；图28表示依照本发明、具有偏心转轴的快速交换滑动体的示范性移动顺序；图29A-29D；图29A是依照本发明一种前端装载接口的透视图；图29B是图29A所示集成系统的前视图；图29C是图29A所示前端装载接口实施例的侧视图；图29D是图29A所示前端装载接口实施例的俯视图；图30A-30B；图30A是安装到加工工具上的一种集成系统实施例的透视图；图30B是图30A所示集成系统的侧视图；以及图31是图30A-30B所示集成系统的侧视图，表示该集成系统如何为缓冲自动材料操作系统(AMHS)而释放空间；图32是又一种晶片机实施例的透视图。
优选实施例的详细说明现在将参照图4-31说明本发明，该图4-31一般涉及一种晶片传递系统。本发明优选实施例用于加工300mm的半导体晶片。本发明还可用于加工除半导体晶片之外的其它工件，例如标线片、平板显示器及磁性存储盘。本发明还可用于加工大于或小于300mm的晶片，例如200mm和150mm。此外，尽管本发明优选在FOUP系统内工作，但应认识到的是，本发明也可与包括开式晶片盒系统(open wafer cassettesystems)在内的其它工件传递系统相协作。
一体化脊柱构件脊柱构件(spine structure)100基于这样一种思想，使单个一体化机架或构件作为EFEM的底座。可按照相同方式重复制造这种底座，以降低系统成本，并简化在将EFEM组件安装到机架上时的校准操作。该构件或机架100可使前端装载工具所需要的空间量最小化、校准时间最少化、并极大简化了为执行所要求的维护程序和/或服务而存取该前端工具内组件的操作。
图4-5表示一体化脊柱构件100的一种优选实施例。该脊柱100包括利用一根上槽或上支撑件104和一根下槽或下支撑件106连接起来的多根直立支柱102。每根直立支柱102都具有朝内表面108和朝外表面110。如图4至图10所示，每根直立支柱102的横截面都优选为近似矩形。矩形横截面是优选的，这样每根直立支柱102的朝外表面110就能够与安装在该直立支柱102上的任何EFEM组件形成一种密封。每根直立支柱102的矩形横截面还确保了当将上下支撑件104和106固定到每根直立支柱102上时，可相对于朝内表面108和朝外表面110对齐该上下支撑件104和106。具有其它横截面例如但并不限于圆形或椭圆形的直立支柱102也在本发明范围和实质内。
在该优选实施例中，脊柱构件100主要由金属板件组成，还包括一些确保精确度的机器零件。采用金属板可利用自这种加工工艺某些方面获得的精确度。例如，在上、下支撑件104和106内形成U形的长弯头为对齐直立支柱102提供了一种相当笔直的基准。在一种优选实施例中，上、下槽104和106内冲打有孔120和122，以进一步保证每根直立支柱102与上、下槽104和106之间孔对孔的精确对准。
金属板件还起到给该系统提供外表层或安装面(随后将要描述)的功能，以及结构支撑的功能。在目前的EFEM系统中，金属板通常储备用作仅提供美容装饰以及壳体的非结构面板。通过使金属板并入成为几个结构组件，可极大地降低EFEM的材料成本。
上支撑件104固定在每根直立支柱102的顶部114上，而下支撑件106固定在每根直立支柱102的底部112上。由此，脊柱100提供了一种相当笔直且对于扭转和弯曲而言均相当刚硬的构件，以在该脊柱100上构造前端装载系统。在一种优选实施例中，上下支撑件104和106由单件金属板制成。利用每根直立支柱102顶部114的宽度指定用以制造上支撑件104的金属板内弯头的宽度，这样U形上支撑件104的宽度就基本上等于每根直立支柱102顶部114的宽度。类似的，U形下支撑件106的宽度基本上等于每根直立支柱102底部112的宽度。每个支撑件104和106都试图与每根直立支柱102的朝内表面108和朝外表面110齐平。
在一种优选实施例中，每根直立支柱102的底部112都宽于每根直立支柱102的顶部114。如图4-5所最佳表示的，脊柱构件100在一个垂直定向内对齐每根直立支柱102，这样每根直立支柱102基本上相互平行。每根支柱的中心优选相隔505mm，这是每个SEMI E-15.1中相邻装载口的最小允许间隔。以各种其它间距或不等间距隔开的直立支柱102都在本发明范围和实质内。
为在扭转方向和横向方向都提供一种刚性构造，将每根直立支柱102固定在上下支撑件104和106上。如图4所示，每根直立支柱102都位于上下支撑件104和106之间。如先前所述，利用上下支撑件104和106内的安装孔120和122对齐每根直立支柱102。仅仅是示范性的，利用(例如，经由安装孔120)固定到直立支柱102顶部114上的螺栓或销以及固定到前表面110或后表面108上的至少一个螺栓或销，将每根直立支柱102固定到上支撑件104上。还必须将每根直立支柱102固定到下支撑件106上。仅仅是示范性的，(例如，经由安装孔122)将螺栓或销固定到每根直立支柱102的底部112上，以及将至少一个螺栓或销固定到前表面110或后表面108上。
上、下支撑件104和106的U形构造还可防止每根直立支柱102在其适当位置上转动。尽管如图4-5所示，上槽104和下槽106由单片金属板制成，但由多片金属板制成的上、下支撑件104和106也在本发明范围和实质内。在一种优选实施例中，如图5所最佳表示的，上下支撑件104和106具有一种带孔表面。上下支撑件104和106的这种带孔表面允许来自风扇/过滤器单元150(FFU)的空气流过(参见图10)。
当下支撑件106固定到直立支柱102上后，就形成了前安装面118和后安装面116，各种EFEM组件可安装到该前安装面118和后安装面116上(参见图6-10)。一般而言，脊柱100生成了至少三个平行且共线的安装面直立支柱102的前表面110，前安装面118以及后安装面116。如随后将要描述的，EFEM组件安装在这三个表面之一上。这三个表面之间具有已知的特定关系，由此以最少的校准或者说完全不需要校准就可对准安装在这些表面上的组件。
下支撑件106还生成一个空气流区域121，该区域121位于前安装面118和后安装面116之间。此空气流区域121设计用于容纳一种FOUP门开启/关闭组件139，引导该组件139离开打开着的装载门并下降进入空气流区域121内。
使FOUP门开启/关闭组件139与晶片机300的操作区域隔开具有多项优点。例如，可将FFU150产生的单一空气流分割为两股独立的空气流。一股空气流引向FOUP门开启/关闭组件139，而第二股独立空气流引向晶片机区域。与单一空气流既在晶片机区域流通又在FOUP门开启/关闭组件139内流通相比，两股独立的空气流可为FOUP/进出口门组件139提供一种净室环境。若对于晶片机300和FOUP组件130而言，仅有单独一条空气流通路径，那么晶片机300生成的颗粒可能会污染FOUP/箱门组件139。
下支撑件106的后安装面116还作为一种FOUP门开启/关闭组件139与晶片机区域之间的防护屏。该后安装面116阻止晶片机300产生的颗粒进入存放有FOUP门开启/关闭组件139的空气流区域121内。该后安装面116还使得晶片机300具有局部的过滤及排气系统，该系统排出晶片板下方含有颗粒的“污浊”气体，以免污染FOUP门开启/关闭组件139(如后所述)。
图4-5所示脊柱构件100构造为一种具有四个FOUP I/O口的EFEM。具有任何数量I/O口的EFEM都在本发明实质与范围内。另外，在用以传送晶片的每个I/O口之间，EFEM可具有间隔或空白I/O口(blank I/O ports)。如前所述，脊柱构件100是可伸缩的。可改变直立支柱102的数量及上下支撑件104和106的长度，以与EFEM所要求的I/O口构造相匹配。
每根直立支柱102还具有机械加工入侧表面内的一种凸起引导件(cam guide)124。该凸起引导件124作为一种轨道或槽道，用以引导FOUP门开启/关闭组件139向后离开FOUP10并随后进入空气流区域121内。利用位于加工站内的一种马达组件(未表示)控制该进出口/箱门组件139的移动。这种马达组件在现有技术中是已知的，不需要进一步说明。机械引导且移动FOUP门12和进出口门140进入存放区域121都在本发明范围和实质内。
图6-7所示FOUP对接界面(docking interface)表示了安装在脊柱构件100上的几种EFEM组件。仅仅是示范性的，该组件可包括晶片机或机械手300、FOUP支承组件130、FOUP对接/隔离板138以及进出口门140。FOUP支承组件130包括FOUP推进支承件(advance support)132、FOUP推进组件133以及FOUP支承板134。
为自FOUP10将工件送入小型环境(参见图10-“一级区域”)中，手动或自动地将FOUP10装载到进出口推进板134上，使得FOUP门面对着装载口门140。传统装载口门140包括一对碰锁钥匙，该碰锁钥匙容纳在门锁组件内的一对相应槽中，该门锁组件安装在FOUP门的内部。适于容纳这种碰锁钥匙且位于FOUP门内的门锁例子公开在Rosenquiest等人申请、名称为“WAFER MAPPING SYSTEM”的美国专利No.6,188,323中，在此整体引入该专利以供参考。除了使FOUP门与FOUP壳体分离以外，同时转动碰锁钥匙以使该钥匙进入它们各自的FOUP门槽内。通常具有两对碰锁钥匙和槽，各对的结构及操作都相同。
箱推进板134通常具有三个动力销135或某些其它定位部件，该销135与FOUP10底面上的对应槽紧密配合，从而可将FOUP10的底面固定且重复地放置在推进板134上。一旦检测到FOUP10位于箱推进板134上后，就朝向进出口门140推进FOUP10，直至FOUP门与该进出门口140接触或位于该进出口门140附近。理想的是使各个门的前表面相互接触，以阻挡颗粒并确保进出口门的碰锁钥匙紧密配合在FOUP门的钥匙槽内。Rosenquist等人申请的名为“POD DOOR TO PORTDOOR RETENTION SYSTEM”的美国专利申请系列No.09/115,414，以及Fosnight等人申请的名为“POD TO PORT DOOR RETENTIONAND EVACUATION SYSTEM”的美国专利申请系列No.09/130,254公开了用以确保FOUP10与进出口门之间紧密、清洁连接的系统。这些申请已转让给本发明所有人，在此整体引入这些申请以供参考。
一旦FOUP10与进出口门连接后，EFEM内的线性和/或旋转驱动器就将FOUP10与进出口门一起移入EFEM的内部，然后离开打开着的装载口，由此工件随后就可接近晶片机300。如图10所示，进出口门140固定在FOUP门上，一种控制器驱动滑板以沿着每根直立支柱102内的凸起124移动运载设备和进出口门。该凸起124引导互锁的运载设备及进出口门垂直向下进入下支撑件106的空气流区域121内。如前所述，当存放在空气流区域121内时，进出口门140和FOUP门与其余一级区域相隔离。线性滑板及旋转驱动器构件(未表示)在现有技术中是已知的，不需要进一步说明。线性滑板可由线性轴承和驱动机构组成。仅仅是示范性的，线性轴承可包括滚珠轴承或空气轴承。类似的，驱动机构可包括具有凸起导杆的马达、皮带传动机或线性马达。仅仅是示范性的，旋转驱动器可包括齿轮马达、直接传动机、皮带传动机或其它类似装置。
在FOUP10及进出口门移离对接/隔离板138后，晶片机或机械手300可将工件移入工具前端内，而不会受到已贮存了的FOUP10和进出口门的干扰。一旦工具对工件的多项操作已经完成且工件已返回至FOUP10后，控制器再次启动驱动器和滑板以将门移回I/O口，然后移动FOUP门将其固定到FOUP10上。
对接/隔离板138安装在每根直立支柱102的前表面110上。该对接/隔离板138使工具前端的内部区域(一级或“清洁”区域)与外界环境或外部区域相互隔离。该对接/隔离板138还提供了一种界面，朝向该界面推进FOUP10，使FOUP10紧密且可控制地靠近该界面(例如，0-5mm间隙)。板138与FOUP10以及进出口门140形成一种辅助密封。这种辅助密封允许板138与FOUP10之间存在间隙，但仍然在该板138与FOUP10之间形成气密封。板138与FOUP10之间的气密封有助于防止气体漏出一级区域或者有助于维持装载口界面的惰性环境。
对接/隔离板138优选由单片材料制成，且该板138上具有机械加工在其内的一个或多个FOUP孔。对接/隔离板138具有定位孔144，以相对于每根直立支柱102准确地放置该板138。这就为EFEM的全部FOUP10孔之间提供了一种机器加工的精确关系。对接/隔离板138还可由独立的多片材料构成，利用相同的基准部件将该多片材料安装到每根直立支柱102上。板138可由材料例如但不限于塑料、金属、金属板或者甚至玻璃制成。
在一种优选实施例中，对接/隔离板138由透明材料例如聚碳酸酯机械加工而成。对接/隔离板138由透明材料机械加工而成的额外优点是在工具进行操作的同时，能够看到小型环境或一级区域的内部。目前的E15装载口/SEMI E63栓接界面不具备此特征。对接/隔离板138没有任何结构部件，因此可仅利用几个螺栓和/或销将其固定到脊柱100的每根直立支柱102上。由此，可容易地移除对接/隔离板138。此外，由于没有任何EFEM组件需要以该对接/隔离板138为基准进行对准，因此移除该对接/隔离板138不会干扰EFEM组件例如进出口门140、FOUP推进板134或晶片机300的安装或对准操作。这就提供了一种靠近EFEM的“清洁”区域(图10中的一级区域)以进行检修、维护或错误校正的简单方法。
图8表示安装到脊柱构件100上的晶片机300。自图中可见，其清晰表示了晶片机300可线性移动以靠近EFEM的所有I/O口。该晶片机300沿着导轨组件302移动，该导轨组件302安装在下支撑件106的后安装面116上。在此实施例中，所示线性驱动器302是一种皮带传动机。线性驱动器302由其它驱动系统例如但不限于直接传动机、线性马达、绳驱动机或链节传动机组成的情况都在本发明范围和实质内。随后将描述该晶片机300的组件，这种驱动系统在现有技术中是公知的，因此不需要进一步说明。
图9更详细地表示了图8所示安装在脊柱构件100上的导轨系统302。该导轨系统302包括上X导轨310和下X导轨312以及滑座导件311，以上部件都安装在下槽106的后安装面118上。在一种优选实施例中，上X导轨310和下X导轨312均为圆形或管状，且基本上相互平行。一个X滑座304与该上X导轨310、下X导轨312以及滑座导件311相啮合。上、下X导轨310和312还作为晶片机300的主支撑件。
图9还表示了控制箱147，其优选位于FOUP推进组件130的下方。EFEM需要多个电子控制设备(例如，控制线路、PCB等)。若这些设备易于接近以进行维护及检修，将是有利的。控制盒147提供了安装这些电子设备的区域。在一种优选实施例中，控制盒147具有一种可枢转的前盖，转下该前盖就可接近内部的电子部件。控制盒内放置着用以启动和控制EFEM组件所需要的大量电子部件和控制系统。为了易于接近这些电子部件以便于维护，利用几个可拆卸的螺栓和/或销固定控制盒147的可枢转前盖，且允许朝向加工站的地面向下枢转该前盖。
如图10以及30-31所示，脊柱构件100的构造可使EFEM的着地面积最小化，并在仍然保持整个系统精度的同时，密封该系统的清洁空间。FFU150安装在上槽104和工具接口面板154上，且密封该上槽104和工具接口面板154以形成EFEM的顶部。通过将对接/隔离板138安装到每根直立支柱102的前表面110上实现前部密封。优选为带孔表面的金属面板152安装在下支撑件106上，以形成EFEM的底部。该面板152还作为排气板，以允许来自FFU150和晶片机300的废气流排入大气中。利用端板156(参见图30)、工具接口面板154、面板152以及FFU150密封EFEM的每面，该端板156安装在脊柱100上且密封该脊柱100。如图10所示，来自FFU150和滑动体FFU420的清洁空气流穿过小型环境或一级区域，然后经由底板152以及下槽106流出。自Z槽风扇354(随后将要描述)排出的气流中含有由垂直驱动器380产生的颗粒，该气流也流经底板152。来自Z槽风扇354的气流不会进入清洁的小型环境中。
总的来说，脊柱100生成了一个单独的基准系统，用以校准及对齐EFEM组件，例如晶片机300和FOUP推进组件130。可相对于一个已知且固定的位置例如直立支柱102校准每个独立的EFEM组件，而不是使各个独立的EFEM组件相互校准及对齐。与目前所规定的传统步骤相比，这种校准方法极大地简化了校准步骤。
具有骨架的脊柱构件图11-13表示脊柱构件的另一种实施例。此实施例的主要结构部件包括水平梁170、定位支柱172以及前安装板174。如图11所示，水平梁170优选安装在每个定位支柱172的底部上以形成一种刚性机架。前安装板174也安装在每个定位支柱172上，从而为将外部的EFEM组件(例如，FOUP推进组件130)安装到脊柱构件上提供一个表面。仅仅是示范性的，水平梁170可由挤压铝制品、钢管、由弯曲金属板制成的一种构件、夹板、叠层板、或者更有可能是以上几种的组合制成。水平梁170还为将线性驱动器306安装到脊柱构件上提供一个表面。类似于脊柱构件100，此实施例为安装及对准EFEM组件提供了一个单独的参照基准。
图12表示了FOUP门12和进出口门140仍然优选存放在一级区域内部的一个隔离区域内。相应的，必须使梁170与定位支柱172之间的相隔距离大到足可将FOUP门12和进出口门140装入该梁170与定位支柱172之间。如图12所示，隔板171放置在每个定位支柱172与梁170之间以生成存放区域。经由其它方法生成存放区域也在本发明范围和实质内。梁170还作为一种防护屏，阻止由晶片机300生成的颗粒污染FOUP门12或进出口门140。
图13表示了该支承构件或脊柱的梁170可具有CNC铣制铝板176，该铝板176安装在梁170上以支承X轴导轨310和312。利用一种截面为U形的金属板175进一步地加固此构件。类似于先前实施例中的直立支柱102，对齐安装在金属板175上的直立定位支柱172。如图11所示，前安装板174安装在定位支柱172上。EFEM组件例如FOUP推进组件130安装在前安装板174上。
梁170可位于晶片机300与箱开启器之间且位于晶片操纵装置的工作区的下方。无论如何构造该梁170，该梁170都具有可将EFEM组件精确安装在其上的一个结构公共件，以避免在安装或更换EFEM时需要进行费时的调节。
单独机架/壳体图14-16表示构造为FOUP对接站的脊柱构件的又一种实施例。在此实施例中，其上安装有EFEM组件的脊柱构件是一种单一机架或壳体202。类似于脊柱构件100，该机架202为安装以及对准内部组件(例如，晶片机300)和外部组件(例如，FOUP推进组件130)提供单独一个参考基准。
如图14所示，脊柱构件200包括安装在机架202上的三个装载口组件204。每个装载口组件204都类似于先前实施例中公开的装载口组件130。使一级区域与外部大气环境相隔离的装载口门206对应于每个装载口组件204，该装载口门206用以与FOUP门啮合并使该FOUP门离开FOUP壳体。具有更多或更少数量I/O口的机架202都在本发明范围和实质内。类似的，在用以传递晶片的I/O口之间，机架202可具有一种填充或实体I/O口(a filled-in or solid I/O port)。
机架202优选由单片材料形成。仅仅是示范性的，利用冲床制造该机架202。机架202可由多种不同材料制成。仅仅是示范性的，机架202可由材料例如但不限于金属板、聚丙烯、复合材料或塑料制成。还可对机架202进行阳极表面处理，以抑制或减少脱气。无论机架202由单片材料还是独立的多片材料制成，机架202都是可伸缩的。由此，可按规格定制机架202，以生成EFEM所需数量的FOUP I/O口。
图15表示了几种安装在机架202上的EFEM组件。在此实施例中，由单片不锈钢制成的机架202是可弯曲的，仅仅是示范性的，机架202也可由铝板制成。EFEM的刚性必须足够大到可为EFEM组件提供准确的支承及对准点。附加支承件210安装在机架202上以为组件例如线性驱动器254、过滤器单元220、FOUP推进组件208以及工具接口板提供准确的支承点。
为促使空气流过装载口界面，可对机架202的顶面201和底面203进行穿孔。一种风扇/过滤器单元220安装在机架202的顶面201上并与该机架202的顶面201形成密封，以控制流过该机架202的空气速率及质量。这种风扇/过滤器单元在现有技术中是公知的，因此不需要进一步说明。单个风扇/过滤器单元220就可以实现所需要的空气流率。但是，随着机架202尺寸的增大以及由此其体积的增大，该机架202可能需要多个风扇以维持理想的环境状况。如果EFEM的内部不与外部大气条件(非惰性环境)相隔离，空气会被FFU220抽入清洁的小型环境内，然后经由机架202的底面203内的穿孔212排出。
如果EFEM是一种惰性系统，可将气流收集室224安装在机架202的底面203下并密封该机架202的底面203，这样可以完全包容且重复循环由风扇/过滤器单元220生成的空气流。端盖210还可具有一种气流返回路径，其引导空气离开收集室224且返回至风扇/过滤器单元220以重复循环。
由于机架202生成了一种小型封闭空间，从空气控制的方面而言，本发明是一种相当有效的系统。利用较少量空气来进行控制和过滤的小型环境更易于维持空气的清洁度。惰性系统或者需要分子过滤器的系统也受益于容纳较少量气体的小型环境，其中，随着更多气体经过分子过滤器，该分子过滤器将逐渐退化。仅仅是示范性的，如果较少量或较慢速率的气体流经过滤器时，常常要求该过滤器变得较小。
系统容积空间的利用先前所述全部EFEM(例如，脊柱构件、骨架以及机架)的一个关键不同点在于空间利用的根本变化。现在将仅参照脊柱构件100描述空间利用特征，但此概念可应用于本申请中公开的全部实施例。在传统的工具前端中，该前端占据了自装载口前部(装载侧平面)至加工工具面、自加工站地面至前端的最高点(该最高点通常是前端的FFU的顶端)、以及该前端整个宽度的全部空间。
一种由脊柱构件100构成的EFEM在装载口130的下方生成一个重要空间，可将清洁的晶片机区域送回加工/度量工具或用作其它目的。另外，与传统的EFEM构造要求相比，还可减少封闭区域或小型环境的总深度。晶片机径向滑动体400的前部可转入位于直立支柱102之间且FOUP门机构通常未使用的区域内。该空间使得加工工具以及终端用户可以实现减小整个工具占地面积的需求。晶片机300的构造利用了这些新约束以及较小空间限制。例如，径向滑动体400可进一步地进入加工工具内，而不是采取非偏置的方案。
由于系统的包络壳(envelope)较小，因此其相当轻，如果将其安装到独立滚动机架上，可使其滚动离开加工工具以直接靠近该工具。由于系统还比普通加工工具矮，因此其上方空间可用作其它目的，例如用作AMHS系统的本地FOUP10缓冲站。对于在顶部上方升降的传统AMHS系统而言，由于要求本地缓冲站不能阻碍到达装载口顶部上方的路径，因此本地缓冲站只能位于装载口或工具之间。对于滑出搁板布置(slide out shelf arrangement)而言，材料可存放在集成EFEM封闭区域正上方的未利用区域中。
如图30-31所示，系统可以多种方式与加工工具结合。该系统被设计成需要在四点支承。两根靠外的直立支柱底座前部内的两点提供连接点和水准点。每个端板的后下角处的两点提供后部支撑点。这些支撑点可由一种滚动机架提供，这种机架能够容易地将该系统移离加工工具。系统可支承在自加工工具起如悬臂式向外伸展的机架件上，或地面上。也可结合上述两种支承方式，其中，利用滚动机架将该系统升离加工工具机架提供的运动点(kinematic points)。
先前所述任何一种集成小型环境及构件100或200安装在与一种半导体加工相关的工具的前部上。如这里所使用的，这种工具包括但不限于用于在半导体晶片上形成集成电路图案的加工工具、用于检测各种特性及工件的度量工具、以及用于大量存放工件运载设备的堆料机。如这里所使用的，工具可简单地为一种封壳，这样就可如随后将要描述的，在一个封闭空间里输送已搬运到板背面上的工件。仅仅是示范性的，依照本发明的构件100包括一种分选器，以利用一个或多个运载设备排列及输送工件。
选择性的，构件100可以包括一种分选器或一种独立的预校准器。在既有分选器又有独立预校器的实施例中，完全依靠安装在构件100上的EFEM来执行工件操作。基于形成一级区域的封壳，构件100提供了一种可在其内处理工件的封闭、清洁环境。在本发明的几种实施例中，构件100可作为工具的一部分(参见图3A)。在本发明的其它实施例中，系统可固定到工具上，但独立于该工具(参见图29A-29D)。
如图10所最佳表示的，在脊柱100周围形成FOUP对接站。底盘118固定在下支撑件106上且与该下支撑件106形成密封。在一种优选实施例中，该底盘118为带孔表面，以允许来自FFU150的空气流过。FFU150固定在上支撑件104上且与该上支撑件104形成密封。晶片传递板122固定在底盘118及FFU150上，且与该底盘118及FFU150形成密封。晶片传递板122可包括传递窗口121，该窗口121允许晶片机300在一级区域与加工工具之间传递晶片。
该系统形成气密封，以维持一级环境。脊柱100与底盘118之间、脊柱100与FFU150之间、晶片传递板122与FFU150之间、晶片传递板122与底盘118之间形成气密封。通常，一级区域内的压力维持在高于围绕该一级区域的大气压的水平。此压力差可阻止未经过滤的空气进入一级区域内。由此，可经由底盘118内的通孔将气载颗粒或污染物吹出一级区域。有时工具会在有害环境例如纯氮环境下进行操作。在这种环境中，需要使一级区域与周围的外部环境完全隔离。一高压室可固定在底盘118上且密封该底盘118，这样可使构件100内的小型环境与大气状况完全隔离。一高压室224(参见图14)可安装到底盘118上，以收集空气并使空气回流向安装在脊柱100上的风扇/过滤器单元150。
晶片机总的来说，相对于使用频率及晶片传递周期的应急程度(criticality)，图18-23所示晶片机300可使机械惯性减少至最小。仅仅是示范性的，这种晶片机300的几项优点包括(1)实现更短的晶片交换时间，(2)减少系统的总重量，以及(3)一种更紧凑、一体化的组件。该晶片机300可在本申请公开的任何一种一体化脊柱100实施例内工作，或者作为一种独立设备进行工作。
晶片机300的一种优选实施例表示在图18-19中。该晶片机300包括四个主要的协作驱动器，以在EFEM内最佳地传递晶片。该四个驱动器分别沿x轴、θ轴、z轴、以及径向轴或r轴移动晶片。
晶片机300具有沿x轴移动该晶片机300的线性驱动器302。沿x轴移动就允许晶片机300接近每个FOUP I/O口。线性驱动器302包括x滑座304和导轨系统306。X滑座304与上x导轨310和下x导轨312滑动啮合。导轨系统306安装在后安装板116上，且包括上x导轨310和下x导轨312。该上x导轨310和下x导轨312沿x轴延伸且基本上相互平行。图18中穿过导轨系统306的断开线表示该导轨系统306可具有任何长度。导轨系统306是可伸缩的，这样晶片机300就可沿着该导轨系统306移动以接近例如存放在每个FOUP10内的晶片。晶片机300的旋转驱动器350也安装在x滑座304上。因此，移动x滑座304就沿x轴驱动该晶片机300。
晶片机300还可绕θ(theta)轴转动。在一种优选实施例中，如图18所示，旋转驱动器350包括一支柱364，该支柱364沿θ轴延伸且安装在z轴支撑件370上。旋转驱动器350还包括一种θ马达362以驱动并转动支柱364。旋转驱动器350既可顺时针转动，又可逆时针转动。旋转驱动器350也可直接安装在垂直驱动器380上。优选的，θ轴不经过滑动体400的中心。随后将要论述滑动体400的这种偏心构造的优点。
旋转驱动器350还包括伸出的风扇平台352。在晶片机300的一种优选实施例中，如图20所示，一种z槽风扇(z slot fan)354安装在风扇平台352的下侧上。晶片机300的这种构造使得z槽风扇354靠近θ马达362，且提供了一种排气孔以排出流经该晶片机300的z支柱380的空气。涌过z支柱380的空气向下流动，且离开晶片机300正在传送的任何晶片(参见图21)。选择性的，空气流可经由旋转驱动器350排放，且排出旋转驱动器350的底部。
垂直驱动支柱380安装在支撑件370上且沿z轴向上延伸。驱动支柱380移动晶片机300的滑动体400(随后将要描述)，由此沿着z轴上下移动晶片。在一种实施例中，如图19所示，驱动支柱380为一种细长支柱且近似垂直于支撑件370延伸。位于该驱动支柱380内的一种驱动组件包括z驱动马达382、z索道384、z导轨386以及z滚珠丝杠388。这种驱动器在现有技术中是公知的，因此不需要进一步说明。利用其它装置来移动滑动体机构400都在本发明范围和实质内。
滑动体400优选包括上末端执行器402和下末端执行器404，它们用于沿着r轴迅速地交换单个晶片。滑动体400这样支承着上、下末端执行器402和404，使它们平行于存放在每个FOUP10内的晶片。如图19所示，上末端执行器402和下末端执行器404沿着相同的直线路径移动。以一定间距隔开上末端执行器402和下末端执行器404，该间距足以允许上末端执行器402和下末端执行器404同时存放晶片。滑动体400包括径向驱动马达410，用于沿着径向轴或r轴线性移动上末端执行器402和下末端执行器404。
上末端执行器402支撑在第一支撑件406上，下末端执行器404支撑在第二支撑件408上。上末端执行器402和下末端执行器404中的每一个都与一径向导轨412滑动啮合且在该径向导轨412内移动，该径向导轨412基本上延伸过滑动体400的整个长度。每个径向驱动马达410都驱动一种径向传动带414。第一径向传动带414a与第一支撑件406连接，第二径向传动带414b与第二支撑件408连接。径向驱动马达410可顺时针或逆时针转动，从而绕径向驱动轮416和末端惰轮418转动径向传动带，由此伸出及缩回各个末端执行器。这样一种驱动机构在现有技术中是公知的，因此不需要进一步说明。采用其它装置以沿径向轴或r轴移动晶片都在本发明范围和实质内。
晶片机300具有多个移动部件。移动部件易于产生颗粒。例如，频繁的伸出及缩回上末端执行器402和下末端执行器404将在小型环境内产生颗粒。为阻止颗粒污染位于任一末端执行器上的晶片，一种滑动体风扇/过滤器单元(FFU)420安装在滑动体400的下侧上。该滑动体FFU420持续地将空气引入并流经滑动体的滑槽420、使空气经过滑动体400、过滤该空气、然后将该空气排入一级区域中。这种对空气流的局部过滤极大减少了进入一级区域内的颗粒量。
按照惯例，大多数小型环境都具有单独一个风扇/过滤器单元，该单元使空气在小型环境内循环流通且仅在空气流入EFEM内时过滤该空气流。在风扇/过滤器单元下游的小型环境内生成的任何颗粒将停留在清洁区域内，直至将它们排出EFEM。特别是由于半导体制造的发展方向越来越要求减少晶片上颗粒污染物的容许限度，因此理想的是使小型环境内的颗粒数量减少到最少。
当晶片机300上的任何旋转或滑动机构生成颗粒时，利用该晶片机300的局部过滤移除这些颗粒。在一种优选实施例中，如图19和21所示，一种局部风扇/过滤器单元或风扇系统设置在z支柱380和滑动体机构400两个线性驱动器的附近。如图21特别表示的，安装在滑动体机构400上的风扇/过滤器单元将经过滤的空气排入清洁的小型环境中，而垂直驱动器380的z槽风扇系统经由EFEM的底板排出未经过滤的空气。晶片机300过滤空气并将该空气排入EFEM的一级区域中。如果晶片机300不具备安装在滑动体机构400上的风扇/过滤器，那么该滑动体机构400生成的颗粒将经过一级区域并污染由任一末端执行器支承着的晶片。
图20表示晶片机300的另一种实施例。在这种实施例中，滑动体400与z支柱380啮合，使得该z支柱380近似沿着r轴。类似于晶片机300的先前实施例，这种实施例包括θ马达362、垂直驱动支柱380以及径向滑动体400。该θ马达绕θ轴转动晶片机，z支柱沿着z轴线性地移动径向滑动体400，以及径向滑动体400沿着径向轴或r轴移动末端执行器401。由此，晶片机及晶片将随着θ马达362的转动而绕θ轴转动。类似于晶片机300的先前实施例，这种实施例还包括安装在径向滑动体400上的一种v型槽风扇形式的风扇/过滤器单元。
如先前所提到的，晶片机300的滑动体400可包括不同构造的末端执行器。如图18-19所示，上下末端执行器402和404可都具有从动边支撑件(passive edge support)。这种构造在工业中是已知的，从动边的抓物末端执行器用于300mm的晶片。图22表示上末端执行器402可具有主动边抓手，而下末端执行器404可具有从动边支撑件。选择性的，末端执行器402和404可具有以下任意组合，例如，与背侧接触的真空抓手、缩小的接触区域、可拆卸衬垫。
类似的，径向驱动器400可具有不同类型的末端执行器，以在不同阶段处理晶片。例如，其中一个末端执行器仅处理“污浊”晶片，而第二末端执行器仅处理“清洁”晶片。选择性的，其中一个末端执行器可设计用以在将晶片传递给加工工具之前对准晶片并读取该晶片的ID，而第二末端执行器可具有用于在加工后处理高温晶片的高温衬垫。
图32表示可在EFEM内工作的另一种线性移动机械手系统。该机械手500包括x轴线性轴承506、与该x轴线性驱动器506滑动啮合的旋转驱动器508、z支柱510、z驱动机构512、第一转臂514以及第二转臂516。机械手500利用这些驱动器的协调运动来取出及放置晶片。旋转驱动器508在导轨507内沿x轴移动。z支柱510近似垂直于旋转驱动器508延伸。z驱动机构512在z支柱510的导轨511内沿z轴移动。第一转臂514安装在z驱动机构512的顶部上。第一转臂514绕θ2轴转动。第二转臂516可转动地安装在第一转臂514上。第一及第二转臂514和516的协调运动可沿y轴线性移动末端执行器518。如晶片机300的先前实施例，z支柱510安装在末端执行器518的侧面。
晶片机中的集成工具传统的晶片操纵机械手将单张晶片自例如FOUP10传递给一个单独的加工站。该加工站检查或调整晶片后，晶片操纵机械手再将该晶片传送至下一加工站。通常在加工站进行操作时，晶片操纵机械手必须闲等在该加工站旁或返回到FOUP10以传送第二张晶片。这种操作降低了系统产量。
在一种实施例中，晶片机300具有这样一种滑动体400，该滑动体400可执行通常在单个加工站处执行的全部功能中的一项或多项。使这些功能的一项或多项集成在滑动体400中，可提高系统产量并减小EFEM的占地面积。
图22和23表示配备有轮式校准器440及ID读取器430的一种晶片机300，该轮式校准器440及ID读取器430安装在滑动体400上。这种实施例类似于图18-19所示晶片机300，只是附加了一种安装在上末端执行器402上的轮式校准器440，以及一种安装在滑动体400上的ID读取器430。下末端执行器404具有轮式校准器的情况也在本发明实质与范围内。
ID读取器430可上下扫视，以读取晶片顶部或底部的顶表面和/或底表面上的标记。ID读取器430安装在垂直驱动器380上或安装在晶片机300的其它固定位置上也在本发明范围和实质内。在优选实施例中，有利的是在滑动体400上安装一个顶侧ID读取器430，以迅速地读取ID。如果需要，可将第二ID读取器安装在EFEM内的另一个固定位置，以读取底侧T7标记，从而确认或识别晶片的ID。
若需要读取ID而晶片定位却不重要，可取消校准器，且无论晶片到达末端执行器上的哪个位置，ID读取器430都能扫描到ID标记。为实现这种操作，将ID读取器或镜像装置(mirror assembly)转动至晶片表面的上方以扫描ID标记。这避免了为读取ID而需要转动晶片，从而提高了清洁度和产量。
利用例如轮式或其它校准器来控制晶片绕轴的转动。图23-24表示一种具有轮式校准器440的末端执行器实施例。该轮式校准器440包括驱动系统449和桨状板442。该桨状板442是晶片的主支承件。两组从动顶轮446和两个衬垫448位于桨状板442的前端处。该轮448和衬垫448在校准过程中的不同时间支承晶片。在校准晶片的同时，位于桨状板442后端处的驱动轮450沿着第三接触面支承晶片。
在一种实施例中，使轮式末端执行器440在FOUP10内的晶片下方滑动，直至晶片支承在衬垫448上后，再提升该末端执行器440。衬垫448优选仅沿着晶片的底缘支承该晶片。为校准晶片，利用驱动轮450将该晶片向前且向上推至轮446上。该晶片就升离衬垫448，且完全利用驱动轮450和顶轮446来支承该晶片。此时驱动轮450可转动，以在原地转动晶片。在晶片机300传递晶片的同时，执行此操作。不需要为校准晶片而保持晶片机300不动。
选择性的，如图26B所示，滑动体400可包括一种真空卡盘校准器411。真空卡盘校准器411的驱动机构位于滑动体400的内部，该真空卡盘校准器411具有一提升旋转轴。传感器409安装在末端执行器403上，以当晶片停留在该末端执行器上时定位该晶片的边缘。传感器409也可安装在独立于末端执行器403的一种构件上。通常，传感器409可位于各种位置，只要将该传感器409设置成可读取晶片的顶表面。
可相对于转角定位边缘位置，以确定晶片的中心和取向。传感器409作为第二反馈设备。在任何时候，传感器409相对于晶片的位置都是已知的。因此，传感器409可发送错误信号，指示晶片没有对准。由于校准器可接收来自传感器409的额外错误数据，因此具有这种传感器的校准器可提高校准的精确度。随后，可利用卡盘411重新定位晶片，且利用晶片机300在紧接着的下落站(drop off station)处将该晶片放置到中心上。
传感器409可单独安装在EFEM内，且作为独立于晶片机300的一个部件。在这种构造中，将晶片放置到可转动的卡盘411上。传感器409安装在具有位置调节装置及测量装置(未表示)的一种机构上，将该传感器409移近晶片边缘直至传感器信号达到预期能级。接着转动晶片，同时传感器机构利用来自传感器409的信号保持该传感器409的位置位于预期能级上，从而有效地保持传感器409与晶片边缘的相对位置。在晶片转动时，相对于该晶片的角位置记录传感器的位置。此数据代表晶片边缘径向位置相对于晶片转动位置的变化，可利用此数据且相对于晶片卡盘的中心计算晶片中心及基准取向。如果还沿着传感器机构的位置记录传感器信号的量值，就可提供额外的边缘位置信号，以提高晶片中心计算或基准取向的精确度。
末端执行器的轮式校准器440可包括其它组件，例如但不限于光学槽口传感器452，用以沿着晶片的边缘检测槽口。例如，一旦光学槽口传感器452沿着晶片边缘检测到槽口，驱动轮450就可将晶片转动至预期位置，并缩回以允许晶片向下回落到衬垫448上。当末端执行器在其适当位置上时或在移动该末端执行器的同时，执行此操作。这就可以在几个FOUP10之间或在FOUP10与加工工具之间传递晶片的同时校准该晶片，极大地减少了或者取消了末端执行器必须闲等的时间量。此外，如果晶片加工机300可“在空中”校准晶片，就不需要一个单独的加工站来校准晶片。
滑动体400为各种辅助功能元件、测量元件以及传感器获取各种晶片数据提供了一种稳固的安装平台。仅仅是示范性的，可将这些组件与滑动体400形成一体或安装到该滑动体400上，以检测晶片边缘、检测该晶片上的槽口位置、读取OCR/条形码、计算颗粒数量(背面或正面)、确定膜厚度/不均匀性或电路元件的线宽、(经由探头或非接触装置)检测电阻率和晶片厚度。滑动体400还可采用现有技术中已知用于检查及标记晶片的其它工艺。
为自运载设备传递工件，末端执行器402和404水平移动至将要被传递的晶片下方，然后向上移动以使工件升离其搁置位置。末端执行器402和404还可具有用于支承工件边缘的边缘抓手(edge grips)。选择性的，末端执行器402和404可为桨片式(blade type)末端执行器以支承工件的底表面。在这种实施例中，一种用于产生负压的真空源(未表示)可固定在桨状板442上或远离该桨状板442，该负压经由柔性真空管及工件操纵机械手通向末端执行器桨片。一旦启动真空源，就在末端执行器桨片的表面处形成负压，从而生成可使工件牢固保持在该表面上的吸引力。机械手上可提供一种已知构造的真空传感器(未表示)，且该真空传感器与真空系统连接，以检测工件何时与末端执行器啮合以及限制空气进入真空管。应认识到的是，本发明并不限于以上所述末端执行器，可采用各种末端执行器设计，只要该末端执行器具有拾取及下落工件的能力。
滑动体400还适于加工晶片，以及使该晶片与一级区域环境隔离。仅仅是示范性的，滑动体400可具有用于加热或冷却晶片表面、或者进行热表面处理的加工工具。在另一种实施例中，滑动体400可具有一个壳体(未表示)，在晶片机300将晶片传递给加工工具并进入一级区域的同时，晶片可缩入且临时存放在该壳体内。此壳体提供一种比一级区域环境更佳的惰性或清洁环境。在传递的同时，这种系统的晶片表面上可具有浮氧或惰性气体。
双向交换能力已知在自加工站内取出经加工晶片直至将新晶片放入加工站内之间的时间为“交换时间”。对于大多数加工工具来说，产量取决于加工时间加上交换时间。加工时间和交换时间中任一个的缩短都将提高产量。加工时间属于工具制造商的权限范围，交换时间属于主要EFEM制造商的权限范围。
对于EFEM内仅具有单独一个末端执行器的传统晶片操纵机械手来说(参见图17)，依据站布局及晶片操纵机械手的速度，交换时间可为8至16秒。以下操作顺序是这种机械手为在加工站处交换晶片所通常采用的。影响交换时间的项目以斜体字表示。决定产量的关键步骤以外的项目表示在圆括号中。
1.自加工站获取晶片2.移动已加工晶片至装载口3.利用校准器获得经校准晶片4.移动经校准晶片至加工站[开始加工晶片]5.(在加工的同时，机械手自装载口获取新晶片)6.(在加工的同时，机械手移动新晶片至校准器)7.(在加工的同时，校准器校准晶片)[重复]一种可快速交换的机械手(例如，晶片机300)具有两个末端执行器，因而通过采用以下简化步骤来执行如上所述相同的功能，可显著地缩短交换时间，该步骤为1.利用桨状板1自加工站获取晶片2.利用桨状板2移动经校准晶片至加工站[加工晶片]3.(在加工的同时，自装载口获取新晶片)4.(在加工的同时，移动新晶片至校准器)5.(在加工的同时，校准器校准晶片)6.(在加工的同时，自校准器获取经校准晶片)[重复]在这种情况下，根据机械手的速度，交换时间可缩短到3至6秒。机械手完成其全部运动的总时间也会略微减少。对于加工时间相当短因而以上圆括号内项目将成为关键步骤或将影响产量的应用而言，总运动时间是第一重要的。
如果机械手具有在空中进行校准的能力以及快速交换能力，例如末端执行器上具有轮式校准器440的晶片机300，也可提高产量并缩短机械手的总运动时间。在空中进行校准不能缩短交换时间，但其可缩短机械手的总运动时间，由此在加工时间短的情况下或在机械手必须为多个加工站服务的情况下提高产量。同时，通过减少机械手的运动次数以及晶片的移交次数，在空中进行校准可延长机械手的寿命并改进清洁度。
对于在空中进行校准的快速交换晶片机，对应的操作顺序为[加工结束]1.利用桨状板1自加工站获取晶片2.利用桨状板2移动经校准晶片至加工站[加工晶片]3.(在加工的同时，自装载口获取新晶片)4.(在加工的同时，校准晶片，同时移动至进行下次快速交换的位置)[重复]
无限制的Z轴运动图25表示的晶片机300′包括一偏心滑动体400以及一伸展的z轴驱动支柱380′，该偏心滑动体400具有轮式校准器454和ID读取器430。晶片机的这种实施例包括一种伸展的z轴驱动支柱380′，用以例如靠近堆料机、装载口、或可能位于FOUP I/O口之上的加工站。基本上，z轴驱动支柱380或380′的高度是无限的。通过沿径向轴或r轴移动上末端执行器402或下末端执行器404，晶片机300或300′可靠近位于FOUP10内的晶片。由于在大多数情况下常常需要移动晶片机300或300′，因此将上末端执行器402或下末端执行器404必须行进到FOUP10内的距离设计得较短。垂直驱动支柱380或380′的高度不会影响上末端执行器402或下末端执行器404必须行进的距离。因此，垂直驱动支柱380或380′的高度也不会影响沿径向轴或r轴的运动。
传统的晶片操纵机械手必须朝向FOUP10线性移动z驱动支柱，以使末端执行器能够靠近FOUP10并取出FOUP10内的晶片。相应的，若这种晶片操纵机械手具有较高的垂直驱动支柱，就要求马达或皮带传动机移动较重的垂直支柱。移动这种惰性物体将给晶片操纵机械手带来极大的负担。本申请中公开的晶片机是对这种晶片操纵机械手的一种改进，因为沿径向轴或r轴的轴向移动也是最短距离，在大多数情况下通常都沿着该径向轴或r轴行进。
图27A表示传统线性滑动机械手可进入加工工具内250mm以将晶片传递给该加工工具以及接收该加工工具的晶片。类似的。传统晶片操纵机械手需要EFEM工作空间内具有520mm的最小间距，这样才能在EFEM内调动该晶片操纵机械手。图27B表示偏心滑动体绕θ轴转动的可达到距离优势和摆度间距优势。在一种优选实施例中，如图19中θ轴所示，偏心转动体的转轴偏离大约50mm。偏心设置晶片机300的转轴具有两个明显优点。首先，末端执行器(例如，上末端执行器402或下末端执行器404)进入加工工具内的最大可达到距离将延长至350mm。第二，EFEM工作空间内要求的最小间距缩短至420mm。该最大可达到距离及最小间距仅仅是示范性的。增大末端执行器进入加工工具内的可达到距离，同时减少在EFEM内调度晶片机300所需要的最小间距，这将缩小EFEM的总占地面积。
图28表示晶片机300的一种示范性移动顺序，该晶片机300具有转轴偏心设置的快速交换滑动体400。仅仅是示范性的，步骤一表示晶片机300提升位于装载口一的晶片。步骤二表示晶片机300沿着径向轴取出装载口一内的晶片。步骤三表示晶片机300绕θ轴转动，同时沿x轴移回以避免碰撞装载口一。步骤四表示晶片机300沿x轴朝向加工站的I/O口移动。步骤五表示晶片机300继续绕θ轴转动，且沿x轴移动以为使晶片进入加工站而定位该晶片。步骤六表示晶片机300等待加工结束。步骤七表示晶片机300用准备进入加工站的新晶片交换已加工晶片。最后，步骤八表示晶片机300沿径向轴取出已加工晶片，同时沿x和θ轴移动以将该已加工晶片送回装载口一、二或三。
以上所述晶片机300和300′与传统晶片操纵机械手相比具有多项优点。对于大多数晶片操纵机械手的应用而言，将晶片插入及移出FOUP10或加工站所需要的径向移动具有最长的工作周期以及最长的总行进距离。晶片机300在试图接近晶片之前，使径向驱动器400尽可能地靠近该晶片。这种设置减少了上末端执行器402及下末端执行器404的移动量和移动时间，并降低了磨损。
z驱动支柱380需要占用同晶片机300转动时晶片所掠过空间相同的空间量。同时，该驱动支柱380不能在工作平面下方延伸。传统晶片操纵机械手必须利用位于晶片平面下方的区域来靠近FOUP10内的某些晶片。通常，末端执行器安装在支柱的顶端以沿z轴上下移动。该支柱占据了本来可用作其它目的的空间。类似的，当该支柱沿x轴水平移动时，位于晶片平面下方的区域必须基本上腾空，这样该支柱才不会碰撞或损坏任何障碍物。
可对晶片机300作出多种变更和/或修正，而仍然具备先前所列独特部件和优点。仅仅是示范性的，对于某些应用，可删除x轴驱动器302。类似的，单独一个径向轴就足够了。此外，对于某些应用(例如，分选器)，不需要旋转驱动器。相反，将z轴驱动器380安装在x滑座308上。例如，一种分选器应用可具有全部朝向相同方向安装的装载口，如果校准器及ID读取器结合入晶片机300内，就不需要转动。
图29-31表示整体系统的几种构造。图29A表示安装在滚动机架上的整体系统。如先前所提到的，传统EFEM向下一直延伸至晶片加工站的地面。由脊柱构件100或本申请中公开的其它实施例所构成的EFEM可节省空间，从而极大地减少了整体系统的占地面积。如图29A所示，整体系统安装在一种滚动机架上，这样装载口组件仍然维持在900mm的SEMI标准高度。在一种优选实施例中，当此整体系统栓接到加工工具的前端上时，该整体系统以下至晶片加工站地面之间具有大约2英尺的空闲空间。以前的晶片加工站内都无法获得此空间。此空间允许半导体制造商将其它物品例如电控箱放置在整体系统的下方。
选择性的，加工工具现在可具有这样一种维护通路，通过在整体系统下方爬行可到达此维护通路。滚动机架也可改进与整体系统栓接的加工工具的总维护性能。仅仅是示范性的，如果需要对加工工具进行维护，可解除整体系统与该加工工具的栓接，并解除滚动机架轮的锁定，然后使整体系统滚离加工工具的前端。传统与加工工具栓接的EFEM不具备可使EFEM滚出的轮，且其通常是一种笨重设备，需要一个以上维护人员将EFEM升离加工工具。如先前所提到的，本发明整体系统仅重几百磅，因而单独一个维护人员就能容易地使其滚离加工工具的前端。
图30表示一种与加工工具形成一体的整体系统。仅仅是示范性的，本发明系统与加工工具形成一体且安装在该加工工具上。这种系统的一个优点是如果加工站内每个加工工具都具有安装在其上的整体系统，就可将加工站的前端装载系统构造成每个加工工具需要包含类似环境，从而减少储存备用部件和培训维护人员的需求。
电气控制系统传统EFEM必须包括这样一种电力分配，该电力分配与全世界各个国家的供电要求相适应。因此，目前绝大多数EFEM可适应于110V或220V的系统。适应以上任一种电力系统要求EFEM具备诸如降压或升压变压器一类的电力部件以及其它电力部件。这些电力部件必须安装在EFEM内部，由此增大了EFEM的占地面积。
本发明EFEM被设计为全部电气部件例如FOUP推进板组件、晶片机300以及风扇/过滤器单元150都在48V系统下工作。总的来说，本发明EFEM可与将要降压至48V的110V或220V系统连接，以控制上述全部部件。由此可简化EFEM电子分配系统，不再需要多个传统电力分配部件例如升压变压器，从而进一步减小本发明EFEM的占地面积。
权利要求
1.一种用于移动半导体晶片的晶片机，包括升降机，该升降机包括基底，该基底包括用于绕垂直的θ轴转动所述基底的旋转驱动器；支承元件；单直立支柱，其水平偏离所述垂直的θ轴，自所述基底延伸到一远端，所述单直立支柱封装一用于在所述基底和所述单直立支柱的所述远端之间垂直地移动所述支承元件的第二驱动器机构；与所述支承元件连接的滑动体，所述滑动体基本上封装一用于在缩回位置和伸展位置之间移动末端执行器的第三驱动器机构。
2.如权利要求1所述的晶片机，其特征在于，所述滑动体包括气流狭槽。
3.如权利要求2所述的晶片机，还包括一风扇/过滤器单元，用于通过所述气流狭槽把气体抽吸入所述滑动体中并过滤该气体。
4.如权利要求3所述的晶片机，其特征在于，所述风扇/过滤器单元把经过过滤的气体再循环回到围绕所述滑动体的小环境的清洁区域中。
5.如权利要求1所述的晶片机，还包括末端执行器。
6.如权利要求1所述的晶片机，其特征在于，所述滑动体包括自以下组中选出的至少一个部件，所述组包括(i)工件ID读取器，(ii)工件校准器，(iii)工件槽口探测器，(iv)工件边缘探测器，(v)工件标记工具，(vi)工件处理模块，(vii)工件检查装置，(viii)环境控制装置，以及(ix)测量仪器。
7.如权利要求1所述的晶片机，其特征在于，所述单直立支柱包括气流狭槽。
8.如权利要求7所述的晶片机，还包括排出装置，用于通过所述基底把气体抽吸入所述单直立支柱中的所述气流狭槽内，并把该气体排出到的晶片机的外面。
9.如权利要求1所述的晶片机，还包括与所述基底连接的晶片机支承件。
10.如权利要求9所述的晶片机，还包括与所述晶片机支承件连接的线性驱动器机构，用于水平地移动所述晶片机支承件。
11.一种用于移动工件的工件机，包括基本上封装第一驱动器机构的滑动体，所述第一驱动器机构用于在缩回位置和伸展位置之间移动末端执行器；以及升降机，该升降机包括基底；与所述基底连接的旋转驱动器，所述旋转驱动器用于绕垂直的θ轴转动所述基底；适于固定到所述滑动体上的支承元件；单直立支柱，其水平偏离所述垂直的θ轴，所述单直立支柱自所述基底延伸到一远端，并封装第二驱动器机构，该第二驱动器机构用于在所述基底和所述单直立支柱的所述远端之间垂直地移动所述支承元件。
12.如权利要求11所述的工件机，还包括与所述旋转驱动器连接的第三驱动器机构，用于水平地移动所述升降机。
13.如权利要求11所述的工件机，其特征在于，所述滑动体包括气流狭槽。
14.如权利要求13所述的工件机，还包括一风扇/过滤器单元，用于通过所述气流狭槽把气体抽吸入所述滑动体中。
15.如权利要求11所述的工件机，其特征在于，所述风扇/过滤器单元把经过过滤的气体再循环回到围绕所述滑动体的小环境的清洁区域中。
16.如权利要求11所述的工件机，其特征在于，所述滑动体基本上与所述单直立支柱垂直。
17.如权利要求11所述的工件机，还包括末端执行器。
18.如权利要求17所述的工件机，还包括第二末端执行器。
19.如权利要求11所述的工件机，其特征在于，所述滑动体包括自以下组中选出的至少一个部件，所述组包括(i)工件ID读取器，(ii)工件校准器，(iii)工件槽口探测器，(iv)工件边缘探测器，(v)工件标记工具，(vi)工件处理模块，(vii)工件检查装置，(viii)环境控制装置，以及(ix)测量仪器。
20.如权利要求11所述的工件机，其特征在于，所述升降机还包括自以下组中选出的至少一个部件，所述组包括(i)工件ID读取器，(ii)工件校准器，(iii)工件槽口探测器，(iv)工件边缘探测器，(v)工件标记工具，(vi)工件处理模块，(vii)工件检查装置，(viii)环境控制装置，以及(ix)测量仪器。
全文摘要
本发明涉及一种用于传递晶片的晶片机。该晶片机包括用于沿x轴移动晶片的线性驱动器、用于绕一θ轴转动晶片的旋转驱动器、用于沿z轴移动晶片的线性驱动器、以及用于沿一径向轴移动晶片的线性驱动器。用于沿z轴移动晶片的线性驱动器偏离于旋转驱动器。当旋转驱动器绕θ轴转动时，Z轴和径向轴驱动器也绕θ轴转动。优选地，用于沿一径向轴移动晶片的线性驱动器是一种具有上末端执行器以及下末端执行器的双向或快速交换滑动体机构。该滑动体机构优选还具有用于校准晶片的装置以及执行各种检测和标记工序的装置。
文档编号H01L21/677GK1996552SQ20071000793
公开日2007年7月11日 申请日期2002年8月30日 优先权日2001年8月31日
发明者安东尼·C·博诺拉, 理查德·H·古尔德, 罗杰·G·海纳, 迈克尔·克罗拉克, 杰里·斯皮斯尔 申请人:阿赛斯特技术公司