机械手传片工位校准工具及校准方法与流程

本发明涉及半导体器件制造技术领域，具体地，涉及一种机械手传片工位校准工具及校准方法。

背景技术：

化学气相沉积是指在一定温度下通过进气管路的一种或多种气体发生化学反应，生成的固态物质沉积在基座表面，形成碳化硅涂层或薄膜材料。

化学气相沉积的硅外延设备腔室为满足晶片表面气流场的均匀性，首先需要保证机械手传片工位的精度，即晶片与基座的同心性，它是保证后续工艺动作的前提。当前有多种机械手工位校准的方式，多为通过前道工位保证晶片与机械手同心性，再通过校准晶片等工具保证晶片和基座的同心性，人视觉系统相对机械定位或传感器定位的精度和重复性较差，为提升设备的稳定性和校准效率，需要优化机械手工位校准的功能。

图1为晶片与机械手同心结构示意图，图2为气相沉积腔室内晶片与基座同心结构示意图。如图1所示，一般认为晶片落在如图1所示的位置为同心位。为保证晶片与机械手同心，一般通过两种方式实现，第一种是机械手从真空腔室中取出一个经过调整器校准的标准片，此时默认真空腔室的机械手工位是准确的；另外一种方式是直接手动放一片晶片在机械手上，摆放至如图1所示位置。下一步是对腔室机械手的工位进行校准，图2三个支撑针用于支撑晶片，为保证晶片和基座的同心性，一般先通过反复手动更改机械手坐标值并放片进腔室的基座上，再升起基座肉眼观察晶片是否居中的方式确定是否同心。

通过前道工位、手动放片和观察方式校准机械手工位时有以下缺点：一、肉眼观察校准结果，精度、重复性低；二、更改坐标值反复验证，效率低；三、一旦腔室工位不准确时，确定问题原因困难。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种机械手传片工位校准工具及校准方法，能够提高机械手传片至基座工位的精度和效率。

为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供一种机械手传片工位校准工具，用于校准机械手传片至基座上的位置，包括：

工具主体，所述工具主体设有与晶片的边缘相匹配的弧形部；

所述弧形部的两端设有第一测距传感器和第二测距传感器，所述第一测距传感器和所述第二测距传感器能够与所述基座上任意两个支撑针位于同一直线，所述第一测距传感器和所述第二测距传感器分别用于测量各自与其相邻的所述支撑针之间的第一距离和第二距离，并向控制器发送所述第一距离和所述第二距离，以用于所述控制器根据所述第一距离和所述第二距离控制所述机械手对所述晶片在所述基座上的位置进行校准。

优选地，所述工具主体的底部设有与所述机械手的手指形状相匹配的手指凹槽，用于容纳所述手指，且所述手指的底部与所述工具主体的底部平齐。

优选地，所述弧形部的两端设有一对传感器安装板，所述第一测距传感器和所述第二测距传感器安装固定在所述传感器安装板上。

优选地，所述手指的设有与所述晶片的相匹配的弧形容纳槽，用于容纳所述晶片，所述弧形部的中部与所述弧形容纳槽的弧形边缘重合。

根据本发明的一方面，提供一种机械手传片工位校准方法，利用所述的机械手传片工位校准工具发送的数据进行校准，包括如下步骤：

步骤1：接收所述第一测距传感器和所述第二测距传感器测量发送的各自与基座上位于同一直线上的两个支撑针的第一距离和第二距离，判断和是否均在校准范围内且二者的差值是否大于预设差值；

步骤2：当第一距离和第二距离均在校准范围内且二者的差值小于或等于所述预设差值时，校准结束；

步骤3：当第一距离和第二距离均在校准范围内且二者的差值大于所述预设差值时，计算机械手传片至基座上的传片工位相对于标准工位的偏移角度，并控制机械手旋转所述偏移角度，然后转向执行所述步骤1，直至二者的差值小于或等于所述预设差值。

优选地，所述判断第一距离和第二距离是否均在校准范围内，包括：

判断所述第一距离和所述第二距离是否均小于所述晶片的半径。

优选地，所述方法还包括：

若所述第一距离和所述第二距离至少一个未在所述校准范围内，则继续转向执行所述步骤1。

优选地，所述计算机械手传片至基座上的传片工位相对于标准工位的偏移角度，包括：

基于所述第一测距传感器和所述第二测距传感器之间距离、所述两个支撑针之间的距离、所述机械手的回转中心到所述第一测距传感器的距离、所述机械手的回转中心到所述第一测距传感器与所述第二测距传感器连线的中点的距离、所述机械手的回转中心到所述支撑针的距离和所述第一距离，计算所述偏移角度。

优选地，所述基于所述第一测距传感器和所述第二测距传感器之间距离、所述两个支撑针之间的距离、所述机械手的回转中心到所述第一测距传感器的距离、所述机械手的回转中心到所述第一测距传感器与所述第二测距传感器连线的中点的距离、所述机械手的回转中心到所述支撑针距离和所述第一距离，计算所述偏移角度，包括：

基于以下公式计算所述偏移角度：

其中，θ为偏移角度，o为所述机械手的回转中心，c、d为所述基座上的所述任意两个支撑针的位置，a、b分别为所述第一测距传感器和所述第二测距传感器所在的位置，其中a、b、c、d在同一直线上，e为a、b两点连线的中点，oe为所述机械手的回转中心到e点的距离，ae为所述第一测距传感器和所述第二测距传感器之间距离的一半，ce为所述两个支撑针之间距离的一半，a1为所述机械手传片至基座上的传片工位与标准工位偏移θ角度时的第一测距传感器的位置，ca1与第一距离相等，oa为所述机械手的回转中心到所述第一测距传感器的距离，oa＝oa1，oc为所述机械手的回转中心到所述支撑针的距离。

优选地，所述预设差值小于或等于0.25。

本发明具有以下有益技术效果：通过校准工具的第一测距传感器和第二测距传感器与基座上任意两个支撑针位于同一直线，第一测距传感器和第二测距传感器分别用于测量各自与其相邻的支撑针之间的第一距离和第二距离，并向控制器发送第一距离和第二距离，控制器根据第一距离和第二距离自动控制机械手对晶片在基座上的位置进行校准，有利于提高晶片与基座同心的精度，提升工艺设备指标的稳定性。

本发明的方法具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1为晶圆与机械手同心结构示意图。

图2为气相沉积腔室内晶圆与基座同心结构示意图。

图3示出根据本发明实施例的机械手传片工位校准工具的结构示意图。

图4示出图3中a-a向剖视图。

图5示出图3中b-b向剖视图。

图6示出根据本发明实施例的晶圆与基座同心点位参考示意图。

图7示出图6中c-c向剖视图。

图8示出根据本发明实施例的机械手传片工位校准方法的流程示意图。

图9示出本发明实施例的θ角度的示意图。

图10示出图9的局部示意图。

附图标记说明：

1、基座；2、晶片；3、支撑针；4、支撑针；5、支撑针；6、手指；7、工具主体；8、固定螺栓；9、固定螺栓；10、第一传感器安装板；11、第二传感器安装板；12、第一测距传感器；13、第二测距传感器；14、手指固定板；15、前端弧形边缘；16、中部弧形边缘；17、中心线。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

实施例1

图3示出根据本发明实施例的机械手传片工位校准工具的结构示意图，图4示出图3中a-a向剖视图，图5示出图3中b-b向剖视图，图6示出根据本发明实施例的晶圆与基座同心点位参考示意图，图7示出图6中c-c向剖视图。

如图3-图5所示，本发明实施例的一种机械手传片工位校准工具，用于校准机械手传片至基座1上的位置，包括：工具主体7，工具主体7设有与晶片2的边缘相匹配的弧形部；弧形部的两端设有第一测距传感器12和第二测距传感器13，第一测距传感器12和第二测距传感器13能够与基座1上任意两个支撑针位于同一直线，第一测距传感器12和第二测距传感器13分别用于测量各自与其相邻的支撑针之间的第一距离d1和第二距离d2，并向控制器发送第一距离d1和第二距离d2，以用于控制器根据第一距离d1和第二距离d2控制机械手对晶片2在基座1上的位置进行校准。

具体地，校准工具的第一测距传感器12和第二测距传感器13与基座上任意两个支撑针位于同一直线，测量测距传感器到两支撑针第一距离d1和第二距离d2，控制器根据第一距离d1和第二距离d2的差值来判断是否需要进行工位校准，并控制机械手对晶片在基座1上的位置进行校准，实现了晶片2与基座1的物理定位，提高了晶片与基座同心的精度，提升了工艺设备指标的稳定性。

作为一个示例，第一测距传感器12和第二测距传感器13分别设置于弧形部的两端，且相对于工具主体7的中心线17对称布置，并能够与基座1上任意两个支撑针位于同一直线。

作为一个示例，第一测距传感器12和第二测距传感器13为红外测距传感器。

作为优选方案，工具主体7的底部设有与机械手的手指6形状相匹配的手指凹槽，用于容纳手指，且所述手指的底部与所述工具主体的底部平齐。如图3和图4所示，工具主体7的手指凹槽与手指形状相匹配，保证工具主体7的中心线17与手指6的中心线重合。

作为一个示例，如图5所示，工具主体7的底部与手指固定板14的底部平齐，从而保证工具主体7的底部与手指6的底部平齐且重合，如果手指6的底部凸出工具主体7的底部时，会影响测距传感器对支撑针测距准确性，引起干涉。

作为优选方案，弧形部的两端设有一对传感器安装板，第一测距传感器和第二测距传感器分别安装固定在上述传感器安装板上。

如图6和图7所示，工具主体7的弧形部的两端与任意两支撑针位于同一直线，在弧形部的两端安装第一测距传感器12和第二测距传感器13，第一测距传感器12通过固定螺栓8安装在第一传感器安装板10上，第二测距传感器13通过固定螺栓9安装在第二传感器安装板11上。

作为一个示例，第一测距传感器12和第二测距传感器13测量第一距离d1、第二距离d2实时反馈到控制器，控制器判断第一距离d1、第二距离d2是否在校准范围内，当手指6刚刚伸入腔室，测距传感器未被遮挡时，第一距离d1、第二距离d2为第一测距传感器12和第二测距传感器13之间的距离，其可将第一距离d1和第二距离d2的校准范围设定为大于0小于晶圆的半径150mm。

作为一个示例，如图7所示，当第一距离d1和第二距离d2在校准范围内，且d1＝d2时，晶片2和基座1同心，即晶片2、手指6、基座1三体同心。

作为优选方案，手指6设有与晶片相匹配的容纳槽，用于容纳晶片，弧形部的中部与容纳槽的弧形边缘重合。

具体地，容纳槽包括前端弧形边缘15和中部弧形边缘16，通过前端弧形边缘15和中部弧形边缘16能够将晶片固定于容纳槽内，工具主体7上的弧形部的中部与手指6的中部弧形边缘16重合，从而实现工具主体7与手指6的精准定位。

图4示出了手指6与工具主体7工装一体时一端的剖视图，工具主体7的整体结构与手指6的中心线对称。弧形部的半径为150mm，能够匹配直径为300mm的晶片尺寸，弧形部的中部与手指6的中部弧形边缘16重合，保证手动放片到工具主体7的弧形部时，即可确定晶片2和手指6的同心度。

当机械手传片位置与基座需要校准时，将机械手传片工位校准工具安装到手指6上，手指6托着晶片2放置于工艺腔室内的基座1上。

实施例2

图8示出根据本发明实施例的机械手传片工位校准方法的流程示意图，图9示出本发明实施例的θ角度的示意图，图10示出图9的局部示意图。

如图8所示，本发明实施例的一种机械手传片工位校准方法，利用上述的机械手传片工位校准工具发送的数据进行校准，包括如下步骤：

步骤1：接收第一测距传感器和第二测距传感器测量发送的各自与基座上位于同一直线上的两个支撑针的第一距离和第二距离，判断和是否均在校准范围内且二者的差值是否大于预设差值；

作为优选方案，判断第一距离和第二距离是否均在校准范围内，包括：

判断第一距离和第二距离是否均小于晶片的半径。

作为一个示例，当第一测距传感器12和第二测距传感器13被支撑针遮挡时，第一距离d1和第二距离d2在可校准范围内，即第一距离d1和第二距离d2均小于晶片2的半径，例如晶片2的半径为150mm。

作为优选方案，方法还包括：若第一距离d1和第二距离d2至少一个未在校准范围内，则继续转向执行步骤1。

作为一个示例，当机械手刚刚经过门阀时，第一测距传感器12和第二测距传感器13之间无遮挡物，此时检测到的第一距离d1和第二距离d2为两测距传感器的距离大于200mm(两支撑针之间距离约为200mm)，此时判断第一距离d1和第二距离d2超出可校准范围0-150mm，返回上一步继续判断；当第一测距传感器12和第二测距传感器13被支撑针遮挡时，第一距离d1和第二距离d2在可校准范围内。

步骤2：当第一距离d1和第二距离d2均在校准范围内且二者的差值小于或等于预设差值时，校准结束；

作为优选方案，预设差值小于或等于0.25。

具体地，第一测距传感器12和第二测距传感器13到任意两支撑针距离相等时，即当第一距离d1等于第二距离d2时，晶圆、手指6和基座三体同心。

步骤3：当第一距离d1和第二距离d2均在校准范围内且二者的差值大于预设差值时，计算机械手传片至基座1上的传片工位相对于标准工位的偏移角度，并控制机械手旋转偏移角度，然后转向执行步骤1，直至二者的差值小于或等于预设差值。

具体地，当第一距离d1和第二距离d2在校准范围内，带入第一距离d1于公式(1)，得到机械手旋转轴的目标旋转角度θ，控制器将指令发送给机械手，机械手执行完动作后，再次进入第一距离d1、第二距离d2比较循环，直到第一距离d1、第二距离d2差值在预设差值0.25mm以内时，认为校准工位完成；如果不在范围内，则再次带入第一距离d1于公式(1)中，得到机械手的旋转角度θ并执行，直到第一距离d1和第二距离d2差值在预设差值范围内，才终止该循环。

作为优选方案，计算机械手传片至基座1上的传片工位相对于标准工位的偏移角度，包括：

基于第一测距传感器13和第二测距传感器14之间距离、两个支撑针之间的距离、机械手的回转中心到第一测距传感器13的距离、机械手的回转中心到第一测距传感器13与第二测距传感器14连线的中点的距离、机械手的回转中心到支撑针的距离和第一距离d1，计算偏移角度。

如图9和图10所示，可基于以下公式计算偏移角度：

其中，θ为偏移角度，o为机械手的回转中心，c、d为基座上的任意两个支撑针的位置，a、b分别为第一测距传感器和第二测距传感器所在的位置，其中a、b、c、d在同一直线上，e为a、b两点连线的中点，oe为机械手的回转中心到e点的距离，ae为第一测距传感器和第二测距传感器之间距离的一半，ce为两个支撑针之间距离的一半，a1为机械手传片至基座上的传片工位与标准工位偏移θ角度时的第一测距传感器的位置，ca1与第一距离相等，oa为机械手的回转中心到第一测距传感器的距离，oa＝oa1，oc为机械手的回转中心到支撑针距离。

综上所述，控制器采集到第一测距传感器12和第二测距传感器13到两支撑针第一距离d1和第二距离d2后，通过第一距离d1和第一距离d2的差值来判断是否需要进行工位校准，当需要工位校准时，通过算法得到机械手需要旋转的角度θ并发送给机械手，机械手转动完成后，再次判断第一距离d1和第二距离d2的差值，直至符合预设差值范围，即工位校准完成。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。