机械手、半导体加工设备及机械手工作状态的检测方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种机械手、半导体加工设备及机械手工作状态的检测方法。

背景技术：

机械手通常应用在磨削、抛光、刻蚀、扩散、沉积、装配、包装和测试等的半导体加工步骤中，用于对半导体晶片进行传输与定位。在半导体设备的机械手中，主要采取负压式吸片的方式取片，即：利用吸盘原理将半导体晶片吸附于石英或陶瓷手指上，并通过机械手臂的伸缩、旋转和升降等的动作搬运半导体晶片。

图1为现有的机械手的剖视图。请参阅图1，机械手包括手臂1和设置在其端部的手指2。其中，在手臂1的内部设置有气体通路4，该气体通路4的一端延伸至手指2的下表面，另一端与抽真空装置连接，在抽真空装置工作时，在手指2的下表面会产生负压，从而将晶片3吸附在手指2的下表面。

上述机械手在实际应用中不可避免地存在以下问题：

其一，关于检测晶片3是否被上述机械手成功吸附的问题。目前，检测晶片3是否被上述机械手成功吸附主要有以下两种方式：第一种方式是使用压力传感器测量气体通路4内的压力值，并计算手指2在吸附晶片时的压力值与未吸附晶片的压力值之间的差值，根据该差值判断机械手是否成功吸附晶片。但是，为了减少在吸附晶片过程中对晶片表面造成的损伤，手指2在吸附晶片时的压力值的绝对值通常较小，而且其与未吸附晶片时的压力值的绝对值比较接近，即，上述差值较小，导致在根据该差值判断机械手是否成功吸附晶片时，可能会出现误判的情况，从而该方式的可靠性较差。第二种方式是通过在用于承载晶片的工位上方设置光电传感器，来检测机械手是否成功 吸附晶片。但是该方式往往会存在以下问题，即：其一，上述光电传感器无法应用在高温环境下，而且由于晶片表面呈镜面特征，这种表面容易对光电传感器的检测光线进行反射，而光电传感器通常是基于漫反射原理设计的，导致其接收不到由晶片表面反射回来的光线(较集中)，从而影响了光电传感器的检测结果，可能出现误判的情况。

其二，关于在密闭腔室中调整机械手的取放片高度的问题。目前，由于在工艺时腔室是密闭的，无法观察到机械手与基座的相对高度关系。在这种情况下，通常是依据以往的经验数据调整机械手的取放片高度，这种方式不仅需要反复进行多次才能调整成功，而且调整结果也往往存在较大偏差，导致出现因手指的下表面与晶片之间的竖直间距较大而无法吸附晶片，或者出现手指与晶片表面碰撞的问题。

其三，关于机械手在运动过程中的碰撞保护。目前，机械手的驱动电机有过流检测功能，如果机械手与机架或者腔室侧壁等发生碰撞，驱动电机会进行过流报警并停止运动。但是，由于受到驱动电机的响应速度的限制，驱动电机进行过流报警并停止运动的时刻与实际机械手发生碰撞的时刻存在较长的时间差，导致碰撞保护不及时，从而造成机械手的手指损坏。

其四，在进行工艺之前，通常需要操作人员将未加工的晶片放入腔室中，但是由于未加工的晶片和已加工的晶片很难用肉眼辨别出来，导致存在诸如操作人员将已加工的晶片投入到腔室内的隐患。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种机械手、半导体加工设备及机械手工作状态的检测方法，其可以及时准确地判断在传输和取放晶片的过程中是否出现异常，以及传输中的晶片是否存在问题。

为实现本发明的目的而提供一种机械手，包括手臂和设置在所述手臂一端的手指，在所述手臂的内部设置有气体通路，且所述气体通路的一端延伸至所述手指的下表面，通过对所述气体通路抽真空而使晶片被吸附在所述手指的下表面，所述机械手还包括应变式传感 器，用于检测所述手臂的应变量，基于所述手臂的应变量而判断所述机械手在传输和取放晶片的过程中是否出现异常，以及传输中的晶片是否存在问题。

优选的，所述应变式传感器设置在所述手臂的外表面上，且位于所述手臂的轴向上的中点位置处。

优选的，所述应变式传感器位于所述手臂在竖直方向上的正上方。

优选的，在所述手臂内还设置有中空部，用以提高所述应变式传感器检测的灵敏度。

优选的，所述中空部位于所述应变式传感器在竖直方向上的正下方。

优选的，所述中空部在所述手臂的轴向上的长度与所述应变式传感器在所述手臂的轴向上的长度相等。

优选的，所述中空部包括一个通孔或盲孔，所述通孔或盲孔的轴向长度与所述应变式传感器在所述手臂的轴向上的长度相等。

优选的，所述中空部包括多个通孔或盲孔，多个通孔或盲孔沿所述手臂的轴向间隔排布，且每个通孔或盲孔的轴线与所述手臂的轴向相互垂直；多个通孔或盲孔在所述手臂的轴向上的总长度与所述应变式传感器在所述手臂的轴向上的长度相等。

优选的，对所述应变式传感器的导线对应所述手臂的部分进行绝缘处理，并相对于所述手臂固定不动。

优选的，所述机械手还包括可随所述手臂的运动伸缩的柔性软管，所述柔性软管与所述气体通路连接。

优选的，所述应变式传感器包括电阻应变式传感器或者光纤应变式传感器。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种半导体加工设备，其包括反应腔室和用于向所述反应腔室内传输晶片的机械手，所述机械手采用了本发明提供的上述机械手。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种机械手工作状态的检测方法，所述机械手包括手臂和设置在所述手臂一端的手指，在所述 手臂的内部设置有气体通路，且所述气体通路的一端延伸至所述手指的下表面，通过对所述气体通路抽真空而使晶片被吸附在所述手指的下表面，所述检测方法是采用了本发明提供的上述机械手，并通过检测所述手臂的应变量，基于所述手臂的应变量判断所述机械手在传输和取放晶片的过程中是否出现异常，以及传输中的晶片是否存在问题。

优选的，所述机械手工作状态包括晶片是否被所述机械手成功吸附，晶片是否被所述机械手成功吸附的检测方法包括以下步骤：

检测在所述机械手未吸附晶片时，所述手臂的初始应变量；

检测在所述机械手吸附晶片之后，所述手臂的当前应变量；

计算所述手臂的当前应变量与所述手臂的初始应变量的差值，并判断所述差值是否大于预设变化量，若是，则确定晶片被所述机械手成功吸附；若否，则确定所述机械手吸附晶片出现异常。

优选的，所述机械手工作状态包括所述机械手相对于反应腔室内的基座的高度，该高度的判断包括以下步骤：

检测在所述机械手未移入所述反应腔室内时，所述手臂的初始应变量；

检测在所述机械手移入所述反应腔室内，且位于所述基座上方时，所述手臂的当前应变量；

计算所述手臂的当前应变量与所述手臂的初始应变量的差值，并判断所述差值是否超出预设变化量，若是，则确定所述机械手与所述基座发生碰撞；若否，则所述机械手相对于所述基座的高度正常。

优选的，所述机械手工作状态包括机械手是否发生碰撞，判断机械手是否发生碰撞包括以下步骤：

实时检测在所述机械手工作时，所述手臂的当前应变量；

在所述手臂的当前应变量发生变化的同时，控制所述机械手停止工作。

优选的，所述机械手工作状态包括传输中的晶片是否为未加工的晶片，判断传输中的晶片是否为未加工的晶片包括以下步骤：

检测在所述机械手传输晶片时，所述手臂的当前应变量；

根据所述当前应变量计算出传输中的所述晶片的质量；

计算传输中的所述晶片的质量与未加工晶片的晶片的质量之间的差值，并判断所述差值是否超出预设的阈值，若是，则确定传输中的所述晶片异常；若否，则确定传输中的所述晶片为未加工的晶片。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的机械手，其使用应变式传感器检测手臂的应变量，基于该手臂的应变量而判断机械手在传输和取放晶片的过程中是否出现异常，以及传输中的晶片是否存在问题。由于在机械手传输和取放晶片的过程中，若出现未成功取片、碰撞或者晶片质量不同等的问题，其手臂会发生微小形变，这些微小形变均会被应变式传感器检测到，从而可以及时准确地发现上述问题。

本发明提供的半导体加工设备，其通过采用本发明提供的上述机械手，可以及时准确地判断在传输和取放晶片的过程中是否出现异常，以及传输中的晶片是否存在问题。

本发明提供的机械手工作状态的检测方法，其通过采用本发明提供的上述机械手，并检测手臂的应变量，基于该手臂的应变量判断机械手在传输和取放晶片的过程中是否出现异常，以及传输中的晶片是否存在问题，可以在机械手传输和取放晶片的过程中，在出现的未成功取片、碰撞或者晶片质量不同等的问题时，检测到机械手的手臂发生的微小形变，从而可以及时准确地发现上述问题。

附图说明

图1为现有的机械手的剖视图；

图2为本发明实施例提供的机械手的剖视图；

图3为本发明实施例一个变型实施例提供的机械手的剖视图；

图4为发明实施例另一个变型实施例提供的机械手的剖视图；

以及

图5为图3中机械手在腔室中时的剖视图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的机械手及半导体加工设备进行详细描述。

图2为本发明实施例提供的机械手的剖视图。请参阅图2，机械手包括手臂10、设置在该手臂10一端的手指11和应变式传感器14。其中，在手臂10的内部设置有气体通路13，且该气体通路13的一端延伸至手指11的下表面，通过对气体通路13抽真空而使晶片12被吸附在手指11的下表面。

应变式传感器14用于检测手臂10的应变量，即，手臂10发生的微小形变，由于在机械手传输和取放晶片的过程中，若出现未成功取片、碰撞或者晶片质量不同等的问题，其手臂10会发生微小形变，这些微小形变均会被应变式传感器14检测到，从而可以及时准确地发现上述问题。应变式传感器14包括电阻应变式传感器或者光纤应变式传感器等的可检测被检测物的应变量的设备。

下面以电阻应变式传感器为例对应变式传感器14的工作原理和流程进行详细描述。

具体地，电阻应变式传感器包括电阻应变片和信号调理与转换电路。其中，电阻应变片的主要特性是其电阻可以随着形变而变化。电阻应变片按其敏感栅的形状可以划分为三种类型，分别为：金属箔式、金属丝式和金属薄膜式。其中，以金属丝式为例，金属丝的直径通常在0.012mm～0.05mm之间，一般情况下为0.025mm左右。由于金属丝的电阻变化量与金属材料的导电特性电阻率和金属丝的长度成正比，与金属丝的横截面积成反比。因此，金属丝的电阻大小会随着该金属丝的长度或横截面积发生改变而变化。基于上述原理，通过将电阻应变片粘贴在手臂10上，当机械手的手臂10承受应力，并发生应变时，可以使电阻应变片也发生应变，从而该电阻应变片的电阻随之发生变化。

信号调理与转换电路用于将上述电阻应变片的电阻变化量转换为相应的电信号，并将其发送至诸如mcu或计算机等的微处理器，用以进行数据处理及显示记录等等工作，最终可以准确地判断在传输和取放晶片的过程中是否出现异常，以及传输中的晶片是否存在问题 等等。

若使用上述应变式传感器判断晶片是否被成功吸附。具体地，由于6英寸的晶片的质量约为25g；8英寸的晶片的质量约为45g，而由应变式传感器组成的称重系统的检测精度可以达到0.1g，因此，当晶片被吸附在手指上使手臂产生应变时，电阻应变片的电阻变化是显著的，即，未吸附晶片时电阻应变片的电阻与吸附有晶片时电阻应变片的电阻的差值较大，从而可以大大提高判断的准确率。

若使用上述应变式传感器判断机械手相对于反应腔室内的基座的高度。具体地，手指11已安装在手臂10上与未安装在手臂10上相比，手臂10的应变程度是不同的，也就是说，手指11本身也可以引起手臂10发生应变。利用上述性质，在需要调整手指11与基座之间的竖直间距时，由于手指11接触到基座与未接触到基座相比，手臂10的应变程度会减小，因此，当手指11接触到基座，电阻应变片的电阻会随之发生变化，并由信号调理与转换电路将上述电阻应变片的电阻变化量转换为相应的电信号，然后将其发送至微处理器，微处理器可以基于该电信号进行数据处理，最终判断出手指11是否与基座相接触，从而可以判断机械手相对于反应腔室内的基座的高度。另外，由于电阻应变片的灵敏度高，这使得当手指11与基座稍微接触便可以被检测到，通过记录此时手指11的高度，并以该高度为基准，可以更准确地确定机械手的取放片高度，避免出现因手指的下表面与晶片之间的竖直间距较大而无法吸附晶片，或者出现手指与晶片表面碰撞的问题。

若使用上述应变式传感器判断机械手是否发生碰撞。具体地，由于当机械手的手臂或手指与机架或腔室侧壁等处发生碰撞时，手臂会发生应变，这种应变几乎是与碰撞同时产生和消失，因此，应变式传感器可以实现随着碰撞的发生快速做出响应，并发出电信号，响应时间可达到10～20ms之间。微处理器可以根据来自应变式传感器的电信号及时地控制机械手的运动停止，从而对机械手起到更好的碰撞保护作用。

另外，在进行工艺之前，通常需要操作人员将未加工的晶片放 入腔室中，但是由于未加工的晶片和已加工的晶片很难用肉眼辨别出来，导致存在诸如操作人员将已加工的晶片投入到腔室内的隐患。针对这一情况，同样可以利用应变式传感器检测由机械手传输中的晶片是否为未加工的晶片。例如，对于半导体薄膜生长设备(例如cvd设备)，其用于在硅衬底表面生长一层硅外延薄膜，薄膜厚度一般为5um至100um，薄膜质量约在0.2～4g。由于由应变式传感器组成的称重系统的检测精度可以达到0.1g，因此，当机械手传输晶片时，应变式传感器可以测量出吸附在手指上的晶片的质量，并将其转换为电信号发送出去。微处理器可以根据来自应变式传感器的电信号，即，当前晶片的质量与质量标准值(未加工晶片的质量)进行差比较，若二者的差值超出预设的阈值，则确定当前晶片存在问题，从而可以在传输晶片的过程中就能够及时发现晶片异常，避免因进一步操作造成的反应腔室污染等损失和时间、原料等的浪费。

综上所述，本发明提供的机械手，其使用应变式传感器检测手臂的应变量，可以及时准确地判断在传输和取放晶片的过程中是否出现异常，以及传输中的晶片是否存在问题。

优选的，上述应变式传感器14设置在手臂10的外表面上，且位于手臂10的轴向上的中点位置处。这是因为：手臂10在其轴向上的中点位置处的应变较明显，因此，通过将应变式传感器14在该位置处，可以提高检测的灵敏度，从而可以进一步提高应变式传感器14的检测准确度。进一步优选的，应变式传感器14位于手臂10在竖直方向上的正上方，手臂10在该处的应变更加明显，从而可以进一步提高检测的灵敏度。当然，在实际应用中，可以根据具体情况，将应变式传感器14位于手臂10的其他位置处，例如位于手臂10在竖直方向上的正下方。

作为本实施例的一个变型实施例，图3为本发明实施例一个变型实施例提供的机械手的剖视图。请参阅图3，在本变型实施例中，在手臂10内还设置有中空部15，该中空部15用于提高应变式传感器14检测的灵敏度。

通过试验发现，在手臂10承受相同的应力的条件下，设有上述 中空部15的手臂10发生的应变量大于未设中空部15的手臂10发生的应变量，因此，设置上述中空部15更有利于提高应变式传感器14检测的灵敏度。

此外，上述中空部15的位置和尺寸也决定了其提高应变式传感器14检测的灵敏度的实际效果。优选的，当中空部15位于应变式传感器14在竖直方向上的正下方时，检测的效果较好。在此前提下，若中空部15在手臂10的轴向上的长度h2与应变式传感器14在手臂10的轴向上的长度h1相等，则效果最好。

在实际应用中，上述中空部15可以为通孔或盲孔，其开孔方式为在垂直于手臂10的轴向(即径向)上贯穿手臂10形成通孔，或者在垂直于手臂10的轴向(即径向)上开设盲孔，且该通孔或盲孔的数量可以为一个，而且通孔或盲孔在手臂10的轴向上的长度h2与应变式传感器14在手臂10的轴向上的长度h1相等。或者，如图4所示，中空部15由多个通孔或盲孔组成，多个通孔或盲孔沿手臂10的轴向间隔排布，且每个通孔或盲孔的轴线与手臂10的轴向相互垂直，并且多个通孔或盲孔在手臂的轴向上的总长度h2与应变式传感器在手臂的轴向上的长度h1相等。此外，通孔或盲孔在其径向截面上的形状和尺寸可以根据具体情况自由设定。

针对应变式传感器14的导线自腔室引出的方式的问题，图5为图3中机械手在腔室中时的剖视图。请参阅图5，优选的，可以对应变式传感器14的导线16(包括电源线和数据线等)对应手臂10的部分16a进行绝缘处理，并相对于手臂10固定不动，例如，可以采用捆缚的方式将导线16对应手臂10的部分16a与手臂10固定在一起，从而可以防止在机械手运动时导线16与机械手发生干涉。

优选的，机械手还包括柔性软管17，该柔性软管17与气体通路13连接，由于柔性软管17可弯曲的特性，通过选择合适的柔性软管17的长度，可以使柔性软管17随手臂10的运动伸缩，从而可以在机械手运动时，保证抽真空装置(图中未示出)能够依次经由柔性软管17和气体通路13进行抽真空操作。另外，如图4所示，导线16超出手臂10之外的部分16b可以与柔性软管17绑定在一起，并引出 至腔室100的外部。

作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种半导体加工设备，其包括反应腔室和用于向该反应腔室内传输晶片的机械手，该机械手采用了本发明实施例提供的上述机械手。

本发明实施例提供的半导体加工设备，其通过采用本发明实施例提供的上述机械手，可以及时准确地判断在传输和取放晶片的过程中是否出现异常，以及传输中的晶片是否存在问题。

作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种机械手工作状态的检测方法，该机械手的结构如图2所示，包括手臂10、设置在该手臂10一端的手指11和应变式传感器14。其中，在手臂10的内部设置有气体通路13，且该气体通路13的一端延伸至手指11的下表面，通过对气体通路13抽真空而使晶片12被吸附在手指11的下表面。

本实施例提供的机械手工作状态的检测方法，其采用本发明实施例提供的上述机械手，并通过检测手臂10的应变量，基于该手臂10的应变量判断机械手在传输和取放晶片的过程中是否出现异常，以及传输中的晶片是否存在问题。在机械手传输和取放晶片的过程中，在出现的未成功取片、碰撞或者晶片质量不同等的问题时，通过检测手臂10的应变量，可以检测到机械手的手臂发生的微小形变，从而可以及时准确地发现上述问题。

下面针对机械手的工作状态可能出现的四种情况，本实施例提供的机械手工作状态的检测方法所采用的具体步骤进行详细描述。

具体地，第一种情况：判断晶片是否被机械手成功吸附，其检测方法包括以下步骤：

检测在机械手未吸附晶片时，手臂的初始应变量；

检测在机械手吸附晶片之后，手臂的当前应变量；

计算手臂的当前应变量与手臂的初始应变量的差值，并判断差值是否大于预设变化量，若是，则确定晶片被机械手成功吸附；若否，则确定机械手吸附晶片出现异常。上述预设变化量可以根据不同直径的晶片之间的质量差别进行设定。

第二种情况：判断机械手相对于反应腔室内的基座的高度，其检测方法包括以下步骤：

检测在机械手未移入反应腔室内时，手臂的初始应变量；

检测在机械手移入反应腔室内，且位于基座上方时，手臂的当前应变量；

计算手臂的当前应变量与手臂的初始应变量的差值，并判断该差值是否大于预设变化量，若是，则确定机械手与基座发生碰撞；若否，则机械手相对于基座的高度正常。上述预设变化量可以根据在机械手能够成功吸附晶片的前提下，手指的下表面与晶片之间的竖直间距进行设定。

第三种情况：判断机械手是否发生碰撞时，其检测方法包括以下步骤：

实时检测在机械手工作时，手臂的当前应变量；

在手臂的当前应变量发生变化的同时，控制机械手停止工作。

也就是说，对机械手的手臂的应变量变化进行实时监控，并在碰撞发生时快速做出响应，及时地控制机械手的运动停止，从而对机械手起到更好的碰撞保护作用。

第四种情况：判断传输中的晶片是否为未加工的晶片，其检测方法包括以下步骤：

检测在机械手传输晶片时，手臂的当前应变量；

根据当前应变量计算出传输中的晶片的质量；

计算传输中的晶片的质量与未加工晶片的晶片的质量之间的差值，并判断该差值是否超出预设的阈值，若是，则确定传输中的晶片异常；若否，则确定传输中的晶片为未加工的晶片。上述预设的阈值可以根据已加工的晶片和未加工的晶片之间的差值进行设定。

需要说明的是，上述检测方法均是利用应变式传感器和微处理器来实现的，具体来说，应变式传感器用于对手臂的应变量进行检测，并将检测值转换为电信号，然后发送至微处理器。以电阻应变式传感器为例，其包括电阻应变片和信号调理与转换电路。其中，当手臂的应变量发生变化时，电阻应变片的电阻会随之发生变化，并由信号调 理与转换电路将上述电阻应变片的电阻变化量转换为相应的电信号，然后将其发送至微处理器。

微处理器可以基于该电信号进行数据处理，该数据处理的流程主要包括计算过程和判断过程，其中，计算过程主要是对当前数值与标准数值进行差比较；判断过程主要是根据比较结果进行相应的操作，例如发出警告、控制机械手进行相应的动作或者对判断结果进行显示等等。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。