硅片承载装置中硅片的安全放置方法
硅片承载装置中硅片的安全放置方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及半导体加工设备技术领域，具体设及一种半导体设备的娃片承载装置 中娃片的安全放置方法。
【背景技术】
[0002] 娃片的安全存取和运输是集成电路大生产线一个非常重要的技术指标;在生产过 程中通常要求运输设备自身导致的娃片破片率应小于十万分之一。作为批量式娃片热处理 系统，相对于单片式工艺系统，每个生产工艺所需的娃片传输、娃片放置和取片次数更多， 因而对娃片传输、娃片放置和取片的安全性和可靠性要求更高。
[0003] 目前，机械手被广泛应用于半导体集成电路制造技术领域中，机械手是娃片传输 系统中的重要设备，用于存取和运输工艺处理前和工艺处理后的娃片，其能够接受指令，精 确地定位到Ξ维或二维空间上的某一点进行取放娃片，既可对单枚娃片进行取放作业，也 可对多枚娃片进行取放作业。
[0004] 目前，批量式娃片热处理系统的娃片传取环节的位置参数一般采用离线示教的方 式获取并存储在控制器中，同时按周期进行检测和校准。机械手根据存储的离线示教的数 据对承载机构上放置的娃片进行取放操作。当机械手在对娃片进行取放作业时，娃片承载 机构由于环境溫度变化、负载变化W及机械结构变形等因素的影响，机械手按离线存储的 位置坐标取放承载机构上的娃片时，存在产生碰撞导致娃片或设备受损的风险，造成不可 弥补的损失。同时，由于娃片在热处理过程中产生的受热变形等情况也会使娃片的实际分 布状态与离线示教位置参数有不同，使得机械手取放娃片的运动处于非安全状态，
[0005] 请参阅图1，图1为现有技术中机械手在娃片传输、娃片放置和取片时的位置结构 示意图。如图所示，当娃片2在支撑部件3上处于倾斜等异常状态时，机械手1在自动存取娃 片2的运动处于非安全工作状态，非常容易造成娃片2及设备(包括机械手1)的损伤。
[0006] 因此，在机械手1完成娃片放置后或准备取片前，需对支撑部件3上娃片组中的娃 片2分布状态进行准确的位姿识别，同时对识别出的各种异常状态提供准确应对措施，W实 现安全取放片。
【发明内容】
[0007] 为了克服W上问题，本发明旨在通过对娃片承载装置中相对于机械手片叉上下位 置的娃片的分布安全状态位姿的识别来进行娃片传输，从而快速准确的测量娃片在娃片承 载装置中的状态，诊断相对水平度分布结果，确保娃片的安全放置。
[000引为了达到上述目的，本发明提供了半导体设备的娃片承载装置中娃片的安全放置 方法，所述半导体设备包括用于放置多层娃片的所述娃片承载装置和用于拾取和运输娃片 的机械手，所述娃片承载装置具有支撑部件，所述机械手具有用于承载娃片的片叉，所述片 叉上下表面固定有不在同一条直线上的Ξ个或W上的传感器组，所述传感器组用于定义一 个或多个基准面;所述安全放置方法包括：
[0009] 步骤SOI:执行放片操作流程指令，设置放片理论示教数据；
[0010] 步骤S02:所述机械手运动至预放片安全位置，预放片安全位置上的机械手还未伸 入娃片承载装置内区域；
[0011] 步骤S03:所述机械手携带待放置娃片运行至娃片承载装置内的待放置娃片上方 的预向下放片位置；
[0012] 步骤S04:所述机械手的片叉按照理论示教数据把所述片叉上的待放置娃片放置 于预放片的支撑部件上；
[0013] 步骤S05:机械手未离开放置于支撑部件上的娃片，此时，采集最新的所述片叉上 表面的每个传感器与所述步骤S04中放置于所述支撑部件上的娃片的距离测量值，并且根 据所述测量值计算放置于所述支撑部件上的娃片所在平面与所述机械手的片叉所在平面 的倾斜角；
[0014] 步骤S06:根据所述倾斜角来判断放置于所述支撑部件上的娃片是否会产生滑动； 如果是，则执行步骤S07;如果不是，则执行步骤S08;
[0015] 步骤S07:所述机械手停止运动，并且报警等待处理；
[0016] 步骤S08:所述机械手运行至预退出放片位置，然后从所述预退出放片位置退出所 述娃片承载装置区域至安全位置；
[0017] 步骤S09:判断全部所述娃片是否放置完毕;如果是，则执行步骤S10;如果不是，贝U 执行步骤S02;
[0018] 步骤S10:停止所述放片过程的操作；其中，所述放片理论示教数据包括娃片的厚 度、相邻娃片的间距、所述预退出放片位置上的机械手的片叉底部到所述片叉下方娃片上 表面的距离、所述预向下放片位置上的机械手的片叉顶部到片叉上方相邻的支撑部件的距 离、W及所述预向下放片位置到预退出放片位置之间的距离。
[0019] 优选地，所述预退出放片位置上的片叉底部到该位置上的片叉下方相邻娃片的距 离的安全极限值为下安全放片裕量，当所述预退出放片位置上的片叉下方相邻娃片呈水平 放置时，且预退出放片位置上的片叉底部到该位置上的片叉下方相邻娃片的距离大于下安 全放片裕量时，所述步骤S08中的机械手不会触碰到所述预退出放片位置上的片叉下方相 邻娃片。
[0020] 优选地，所述步骤S08中，所述机械手的片叉所在平面到所述预退出放片位置下方 相邻娃片的最小距离极限值=相邻娃片的间距-娃片的厚度-所述预退出放片位置到所述 预退出放片位置下方相邻支撑部件的距离-设备允许的位置变化量，所述步骤S08具体包 括:所述机械手从从所述预退出放片位置向外退出所述娃片承载装置区域的安全位置的运 动过程中，周期性连续采集所述片叉上表面的每个传感器与放置于支撑部件上的娃片底部 的距离的测量值，并且求取运些测量值的最小值，将该最小值与所述的最小距离极限值相 比较，当该最小值大于或等于所述最小距离极限值时，所述机械手继续向外退出所述娃片 承载装置区域至安全位置;否则所述机械手停止运动，并且发出警报等待处理。
[0021 ] 优选地，所述步骤S05具体包括：
[0022] 步骤S051:所述机械手将待放置娃片放置于预放片的支撑部件之后，获取最新的 所述片叉上表面的每个传感器与放置于所述支撑部件的娃片的距离的测量值；
[0023] 步骤S052:W所述机械手的片叉所在平面为放片过程的X0Y平面，设定理论娃片的 外圆周分布方程为圆柱面方程，计算所述圆柱面方程，根据最新的所述测量值计算放置于 所述支撑部件上的娃片下表面的平面方程；
[0024] 步骤S053:计算放置于所述支撑部件上的娃片下表面的平面方程与所述圆柱面方 程的截交线方程；
[0025] 步骤S054:根据所述步骤S053中的所述截交线方程计算该截交线与所述放片过程 的所述X0Y平面的夹角，即放片过程中放置于所述支撑部件上的娃片的倾斜角。
[00%]优选地，所述步骤S06具体包括:设定娃片不会产生滑动的理论安全倾斜角阔值， 将所述步骤S054中的所述倾斜角与所述理论安全倾斜角阔值进行比较;当所述步骤S054中 的所述倾斜角小于或等于所述理论安全倾斜角阔值时，执行所述步骤S08;否则，执行所述 步骤S07。
[0027] 优选地，所述理论安全倾斜角阔值等于娃片的摩擦系数的反正切函数值。
[0028] 优选地，所述步骤S03中，在机械手达到所述预向下放片位置后，停止运动，对待放 置娃片是否在片叉上进行检测；如果是，则执行步骤S04;如果不是，则机械手停止运动，并 且报警等待处理。
[0029] 优选地，所述预向下放片位置上的机械手的片叉顶部到所述片叉上方相邻的支撑 部件的距离的安全极限值为上放片裕量，当所述片叉上待放置娃片与所述片叉上方相邻的 支撑部件的距离小于所述上放片裕量时，所述步骤S03中的机械手不会触碰到所述片叉上 方相邻的支撑部件。
[0030] 优选地，所述娃片承载装置包括内部装载有娃片的片盒和装载娃片进入反应腔室 的娃片支撑机构;所述半导体设备还具有承载所述片盒的片盒支撑机构。
[0031] 优选地，所述步骤S02中，所述预放片安全位置在所述娃片承载装置的一侧，且与 所述娃片承载装置的距离大于2倍的相邻娃片间距。
[0032] 本发明的半导体设备的娃片承载装置中娃片的安全放置方法，通过示教数据设置 机械手的运动轨迹和位置，利用机械手片叉上的传感器组来探测片叉和娃片之间的距离测 量值，根据距离测量值来计算判断娃片所在平面与机械手的片叉所在平面的截交线方程并 据此计算出娃片相对于片叉的倾斜角，从而判断娃片是否会产生滑动，确保娃片放置后不 产生滑动。因此，本发明实现了在放片过程中对娃片的位姿进行了判断，从而避免机械手片 叉触碰到娃片导致娃片受损 ，提高了放片过程的安全性。
【附图说明】
[0033] 图1为现有技术中机械手在娃片传输、娃片放置和放片时的位置示意图
[0034] 图2为本发明的一个较佳实施例的半导体设备的娃片承载装置的结构示意图
[0035] 图3为本发明的一个较佳实施例的娃片传输、取片或放片过程中机械手的片叉和 娃片的相对位置关系透视示意图
[0036] 图4为本发明的一个较佳实施例的传感器组、机械手、娃片和支撑部件的相对位置 关系俯视示意图
[0037] 图5为本发明的一个较佳实施例的娃片、支撑部件和片叉的位置关系W及放片路 线示意图
[0038] 图6为本发明的一个较佳实施例的娃片的安全拾取方法的流程示意图
[0039] 图7a为本发明的一个较佳实施例的片叉所在平面、倾斜的娃片W及娃片外圆周分 布圆柱面的相对位置关系示意图
[0040] 图7b为本发明的一个较佳实施例的片叉所在平面、倾斜的娃片W及娃片外圆周分 布圆柱面的相对位置关系的截面结构示意图
[0041] 图8为本发明的一个较佳实施例的倾斜娃片受力示意图
【具体实施方式】
[0042] 为使本发明的内容更加清楚易懂，W下结合说明书附图，对本发明的内容作进一 步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也 涵盖在本发明的保护范围内。
[0043] 本发明的半导体设备包括用于放置多个娃片的娃片承载装置和用于拾取和运输 娃片的机械手，娃片承载装置具有支撑部件，娃片水平放置于支撑部件上，多个娃片在竖直 方向上排列；如图2所示，本发明的一个较佳实施例的半导体设备中的娃片承载装置，包括： 黑线框内为内部装载有娃片的片盒B和装载娃片进入反应腔室C的娃片支撑机构A;半导体 设备还具有承载片盒B的片盒支撑机构F，片盒支撑机构F连接于底座G上;机械手E用于从片 盒B中拾取娃片并且放置于娃片支撑机构A上，当反应腔室C底部的炉口D打开时，娃片支撑 机构A携带着娃片进入反应腔室C中，或者当反应结束后，反应腔室C底部的炉口D打开，娃片 支撑机构A携带着处理后的娃片从反应腔室C底部退出，机械手E从娃片支撑机构A上拾取娃 片并且放置于片盒B中；图2中的箭头表示各个部件的可移动方向。因此，本发明的取片过程 可W但不限于包括从片盒中拾取娃片的过程，也可W包括从娃片支撑机构中拾取娃片的过 程；同理，本发明的放片过程可W但不限于包括将娃片放置于片盒中，也可W包括将娃片放 置于娃片支撑机构上。
[0044] 本发明中，机械手具有片叉，片叉上下表面固定有不在同一条直线上的Ξ个或W 上的传感器组，传感器组用于定义一个或多个基准面;片叉上表面的Ξ个传感器用于定义 上基准面，片叉下表面的Ξ个传感器用于定义下基准面，上基准面和下基准面可W为同一 平面也可W为具有一定间距的平面;在半导体领域中，机械手一般具有单只机械爪或多只 机械爪，W适应批量化生产的需要。在一些本发明的实施例中，机械手可W具有多只机械 爪，在任意一个或多个机械爪的片叉的上表面和下表面Ξ个或多个传感器，下面的实施例 仅W-个机械手的一个片叉上表面和下表面分别具有Ξ个传感器为例，其它的实施例原理 相同，在此不再寶述。
[0045] W下结合附图3-8和具体实施例对本发明的半导体设备娃片承载装置中娃片的安 全放置方法及娃片分布状态识别系统作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简 化的形式、使用非精准的比例，且仅用W方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
[0046] 本实施例的半导体设备娃片承载装置中娃片分布状态识别系统包括:设置于机械 手片叉上的传感器组、判断装置、控制装置和报警装置。
[0047] 请参阅图3和图4,本实施例中，支撑部件101上承载有娃片W，支撑部件101均匀分 布于一半的娃片W的边缘，机械手100的片叉101为对称V型，机械手100还具有夹持部件;片 叉101的对称轴与娃片W的直径重合，片叉101的两个倾斜侧壁最外侧之间的宽度小于娃片W 的直径；
[004引本实施例的传感器组（黑实屯、圆），设置于机械手100的片叉101的上下表面，用于 检测片叉101到一个娃片底部的距离测量值W及片叉101到该一个娃片下方相邻娃片的距 离测量值;在片叉101的上表面设置有Ξ个传感器51、52、53，其中两个传感器51和52分别位 于V型片叉101的对称的两个斜壁上且对应于置于片叉101上的娃片W的直径上，所剩的一个 传感器S3位于V型片叉101的对称两个斜壁内侧相交的位置上，在该片叉101所在平面建立 原点，设置为XOY基准面，传感器S1、S2的连线的中点与的传感器S3的连线垂直且平分传感 器S1、S2的连线；因此，将V型片叉斜壁上的两个传感器S1、S2的连线设为X轴，将传感器S1、 S2的连线的中点与传感器S3的连线设为Y轴，传感器S1、S2的连线的中点为坐标原点0，W此 构成片叉所在XOY平面，运里需要说明的是，在设及传感器的相对位置关系时，将传感器视 为一个点。本实施例中，W片叉101上表面的传感器S1、S2、S3所反馈的测量值来判断娃片W 的位姿和取片过程是否能够安全取片，用于计算圆柱面方程、截交线方程、娃片所在平面与 片叉所在平面的夹角、截交线与片叉所在平面的最小距离和最大距离;本实施例中，传感器 通过光电信号探测距离来实现的。
[0049] 本实施例的判断装置，用于判断机械手包括片叉在取片或放片运动过程中是否会 触碰到娃片，W及判断娃片是否在所述机械手的片叉上，当可能触碰到娃片时向报警装置 发送信号；
[0050] 控制装置，根据判断装置的判断结果来控制机械手是否停止运动;并且用于控制 机械手执行取片操作指令，设置理论示教数据;在取片或放片之前，先对控制装置输入示教 数据，然后控制装置按照运些示教数据控制机械手来执行取片操作指令；当判断装置判断 机械手可能触碰到娃片时，控制装置使机械手停止运动;请参阅图5,为本发明的一个较佳 实施例的娃片、支撑部件和片叉的位置关系W及放片路线示意图；娃片W位于支撑部件102 上，带箭头的粗虚线表示本实施例的取片过程或放片过程的路线，细虚线框表示运动中的 娃片W'，P1位置为放片后的退出安全位置，P2位置为预退出放片位置，P3为放片过程中机械 手的片叉将娃片放置于支撑部件时的位置，P4为预向下放片位置，P5为放片过程中机械手 的夹持部件取消夹持的位置，P6为预放片安全位置；图5中显示出理论示教数据各个参数， 包括娃片W的厚度d、支撑部件厚度t、相邻娃片W的间距S、预退出放片位置P2上的机械手的 片叉底部到片叉下方娃片上表面的距离s2、预向下放片位置P4上的片叉上的娃片顶部到片 叉上方相邻的支撑部件底部的距离si、W及预向下放片位置P4到预退出放片位置P2的距离 S3。
[0051] 报警装置，接收判断装置发出的信号，然后发出警报。
[0052] 请参阅图6,本实施例的半导体设备娃片承载装置中娃片的安全放置方法包括：
[0053] 步骤SOI:执行放片操作流程指令，设置放片理论示教数据；
[0054] 具体的，通过向控制装置中输入取片理论示教数据，从而控制机械手执行取片操 作指令;放片理论示教数据包括娃片的厚度、相邻娃片的间距、支撑部件的厚度、预退出放 片位置上的机械手的底部到片叉下方娃片上表面的距离、预向下放片位置上的片叉上的娃 片顶部到待放置支撑部件上方的相邻的支撑部件的距离、W及预向上取片位置到预退出取 片位置之间的距离；
[0055] 步骤S02:机械手运动至预放片安全位置，预放片安全位置上的机械手还未伸入娃 片承载装置内区域；
[0056] 具体的，预放片安全位置在娃片承载装置的一侧，且与娃片承载装置的距离大于2 倍的相邻娃片间距。
[0057] 步骤S03:机械手携带待放置娃片运行至娃片承载装置内的待放置娃片上方的预 向下放片位置；
[0058] 具体的，在机械手从预放片安全位置向娃片承载装置运行的过程中，机械手的夹 持部件执行对娃片的夹持动作;预向下放片位置上的机械手的片叉顶部到片叉上方相邻的 支撑部件的距离的安全极限值为上放片裕量，当片叉上待放置娃片与片叉上方相邻的支撑 部件的距离小于上放片裕量时，本步骤S03中的机械手不会触碰到片叉上方相邻的支撑部 件。
[0059] 在机械手达到预向下放片位置后，停止运动，对待放置娃片是否在片叉上进行检 巧。;如果是，则执行步骤S04;如果不是，则机械手停止运动，并且报警等待处理；
[0060] 步骤S04:机械手的片叉按照理论示教数 据把片叉上的待放置娃片放置于预放片 的支撑部件上；
[0061] 具体的，机械手从预向下放片位置向下运行，使片叉上的娃片与预放片的支撑部 件接触，从而使娃片放置于该支撑部件上;需要说明的是，此时机械手的片叉还未离开该娃 片。
[0062] 步骤S05:机械手未离开放置于支撑部件上的娃片，此时，采集最新的片叉上表面 的每个传感器与步骤S04中放置于支撑部件上的娃片的距离测量值，并且根据测量值计算 放置于支撑部件上的娃片所在平面与机械手的片叉所在平面的倾斜角；
[0063] 具体的，在预放片的支撑部件与片叉上的娃片接触后，开始采集片叉上表面的Ξ 个传感器到放置好的娃片底部的距离测量值;此时，机械手还未离开该放置于支撑部件上 的娃片;本步骤S05的过程包括：
[0064] 步骤S051:机械手将待放置娃片放置于预放片的支撑部件之后，获取最新的片叉 上表面的每个传感器与放置于支撑部件的娃片的距离的测量值；
[0065] 步骤S052:W机械手的片叉所在平面为放片过程的X0Y平面，设定理论娃片的外圆 周分布方程为圆柱面方程，计算圆柱面方程，根据最新的测量值计算放置于支撑部件上的 娃片下表面的平面方程；
[0066] 具体的，WP2位置为基点，0点对应位置为理论娃片放置中屯、位置，即娃片放置在 X0Y平面沿Z方向向上和向下的W娃片直径为圆周的圆柱面内，设定娃片半径为R，直径为 2R，设定娃片圆周及位置偏差为0,即娃片分布在W0点为圆屯、R+0为半径的圆周内；圆柱面 方程为X 2+Y2 = R。
[0067] 步骤S053:计算放置于支撑部件上的娃片下表面的平面方程与圆柱面方程的截交 线方程；
[0068] 具体的，请参阅图7a和图7b，图7a为本发明的一个较佳实施例的片叉所在平面、倾 斜的娃片W及娃片外圆周分布圆柱面的相对位置关系示意图，图7b为本发明的一个较佳实 施例的片叉所在平面、倾斜的娃片W及娃片外圆周分布圆柱面的相对位置关系的截面结构 示意图；圆柱体201为娃片外围圆周构成的圆柱体，片叉所在平面为202,当放置于支撑部件 上的娃片W呈倾斜状态时，该娃片W在圆柱体201中产生的截交面呈倾斜状态，如图7b所示， 片叉所在平面202作为基准面呈水平放置，求得截交线与片叉所在平面202的夹角就是待取 娃片w相对于水平面的倾斜角。
[0069] 片叉上表面的Ξ个传感器得到的距离测量值分别为zl、z2和z3，W已经定义的X0Y 平面可知，娃片所在平面上分别对应于Ξ个传感器的不在同一条直线上的空间Ξ点的坐标 值分别为(xl，yl，zl)、（x2，y2，z2)和(x3，y3，z3);根据运些坐标值计算出待取娃片下表面 的平面方程，aX+bY+cZ+d = 0;
[0070] 其中，a、b、c和d计算式如下：
[0071 ] a = ylz2-ylz3-y2zl+y2z3+y3zl-y3z2
[0072] b = -xlz 化 χ1ζ3+χ2ζ1-χ2ζ3-χ3ζ1+χ3ζ2
[0073] c = xly2-xly3-x2yl+x 巧 3+x3yl-x：3y2，
[0074] d = -xly 化 3+xly3z2+x 巧 Iz3-x2y3zl-x：3ylz 化 x3y2zl。
[0075] 然后，计算该平面方程与圆柱面方程的截交线方程，建立方程式组为：
[0076] aX+bY+cZ+d = 0
[0077] χ2+γ2二R
[0078] 由W上两个方程可得:AX+BY+CZ+D = 0，该方程即为截交线方程
[0079] 步骤S054:根据步骤S053中的截交线方程计算该截交线与放片过程的Χ0Υ平面的 夹角，即放片过程中放置于支撑部件上的娃片的倾斜角；
[0080] 具体的，根据放置于支撑部件上的娃片下表面的平面方程和片叉所在平面方程构 成方程组为：
[0081 ] AX+BY+CZ+D = 0
[0082] Z = 0
[0083] 它们的法线矢量分别为{A，B，C}和{0,0,1}，设运两个法线矢量的夹角为α，那么运 两个平面的夹角就是〇,于是，
[0084] cosa = C/[^T(A^+B^+C^)]
[0085] a = arc cos(C/[^T(A2+b2+c2)])。
[0086] 运里需要说明的是，Ξ个传感器探测距离时，Ξ个传感器到娃片底部的探测发射 线为平行的，从而可W探测娃片上相应位置的距离；
[0087] 步骤S06:根据倾斜角来判断放置于支撑部件上的娃片是否会产生滑动；如果是， 则执行步骤S07;如果不是，则执行步骤S08;
[0088] 具体的，设定娃片不会产生滑动的理论安全倾斜角阔值，将步骤S054中的倾斜角 与理论安全倾斜角阔值进行比较;当步骤S054中的倾斜角小于或等于理论安全倾斜角阔值 时，执行步骤S08;否则，执行步骤S07;
[0089] 此处的滑动包括娃片滑出定位槽或者娃片相对片叉产生滑动，请参阅图8,为本发 明的一个较佳实施例的倾斜娃片受力示意图，其中，α为实际中娃片与水平面的倾斜角，娃 片受到向下的重力mg，支撑部件给娃片的反作用力Ν，此外，设娃片的滑动摩擦系数为μ，受 到最大静摩擦力略大于滑动摩擦力，运里近似为滑动摩擦力，所W娃片的最大静摩擦力为μ mgcosa，当重力和摩擦力的合力为零，刚好使娃片不向下运动时，所对应的娃片倾斜角即为 娃片的理论安全倾斜角阔值δ;
[0090] 根据娃片受力情况设定娃片不会产生滑动的理论安全倾斜角阔值：
[0091] mgsin(S)-mg ο〇3(δ)μ = 〇,从而得到S = a;rc tan(y)。
[0092] 将求得的放置于支撑部件上的娃片的倾斜角α与理论安全倾斜角阔值进行比较； 当倾斜角小于或等于理论安全倾斜角阔值时，执行步骤S08;否则，执行步骤S07;具体为：
[0093] 判断装置判断α ^ δ时，说明在片叉将娃片放置于支撑部件上且离开该娃片时不会 导致该娃片产生滑动，可W继续进行放片操作，执行步骤S08;
[0094] 判断装置判断α>δ时，说明在片叉将娃片放置于支撑部件上且离开该娃片时会导 致该娃片产生滑动，如果机械手继续进行取片操作会产生滑片的危险，执行步骤S07;
[00Μ]步骤S07:机械手停止运动，并且报警等待处理；
[0096] 具体的，控制装置控制机械手停止运行等待处理，判断装置发送信号给报警装置， 报警装置发出警报；
[0097] 步骤S08:机械手运行至预退出放片位置，然后从预退出放片位置退出娃片承载装 置区域至安全位置；
[0098] 具体的，预退出放片位置上的片叉底部到该位置上的片叉下方相邻娃片的距离的 安全极限值为下安全放片裕量，当预退出放片位置上的片叉下方相邻娃片呈水平放置时， 且预退出放片位置上的片叉底部到该位置上的片叉下方相邻娃片的距离大于下安全放片 裕量时，本步骤S08中的机械手不会触碰到预退出放片位置上的片叉下方相邻娃片;机械手 的片叉所在平面到预退出放片位置下方相邻娃片的最小距离极限值=相邻娃片 的间距S-娃片的厚度d-预退出放片位置到预退出放片位置下方相邻支撑部件的距离S2-设 备允许的位置变化量丫；最小距离极限值Z2min-limit =相邻娃片的间距S-娃片的厚度d-预退 出放片位置到预退出放片位置下方相邻支撑部件的距离S化设备允许的位置变化量γ ;。
[0099] 本步骤S08还包括:机械手从预退出放片位置向外退出娃片承载装置区域的安全 位置的运动过程中判断片叉是否会触碰到放置于支撑部件上的娃片，如果是，机械手停止 运动，并且发出警报等待处理;如果不是，机械手继续向外退出娃片承载装置区域至安全位 置;具体包括:机械手从预退出放片位置向外退出娃片承载装置区域的安全位置的运动过 程中，周期性连续采集片叉上表面的每个传感器与放置于支撑部件上的娃片底部的距离的 测量值，机械手片叉上表面的Ξ个传感器的距离测量值为Ζ1、Ζ2和Ζ3,并且求取运些测量值 的最小值Zmin-distance，通过判断装置将该最小值Zmin-distance与最小距离极限值Zlmin-limit、 Z2min-limit相比较：
[0100] 当该最小值Zmin-distanee小于最小距离极限值Zlmin-limit或大于最小距离极限值 时，机械手停止运动，并且发出警报等待处理；
[0101] 否则，当最小值Z min-distanee大于或等于最小距离极限值Zlmin-limit，且小于或等于最 小距离极限值时，机械手继续向外退出娃片承载装置区域至安全位置；
[0102] 运里需要说明的是，Ξ个传感器探测距离时，Ξ个传感器到娃片底部的探测发射 线为平行的，从而可W探测娃片上相应位置的距离；
[0103] 较佳的，从预退出放片位置退出娃片承载装置区域至安全位置，该安全位置大于2 倍的相邻娃片间距S。
[0104] 步骤S09:判断全部娃片是否放置完毕;如果是，则执行步骤S10;如果不是，则执行 步骤S02;
[01化]步骤S10:停止放片过程的操作；
[0106]请参阅表一，为本发明的另一个较佳实施例的在取片过程和放片过程中机械手到 其上下位置的娃片的距离与娃片的安全状态分类表;表一中，放片过程中，片叉在P6位置、 P5位置、W及P1位置上，均可W通过片叉上的传感器来探测得到结果，P6位置上的片叉上表 面的传感器探测片叉与娃片承载装置之间的距离，P1位置上亦然;P5位置上，片叉上表面的 传感器探测片叉与放置于支撑部件上的娃片的距离。
[0107]表一 [010 引
[0110]综上所述，本发明的半导体设备的娃片承载装置中娃片的安全放置方法，通过示 教数据设置机械手的运动轨迹和位置，利用机械手片叉上的传感器组来探测片叉和娃片之 间的距离测量值，根据距离测量值来计算判断娃片所在平面与机械手的片叉所在平面的截 交线方程并据此计算出娃片相对于片叉的倾斜角，从而判断娃片是否会产生滑动，确保娃 片放置后不产生滑动。因此，本发明实现了在放片过程中对娃片的位姿进行了判断，从而避 免机械手片叉触碰到娃片导致娃片受损，提高了放片过程的安全性。
[0111]虽然本发明已W较佳实施例掲示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而 已，并非用W限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若 干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应W权利要求书所述为准。
【主权项】
1. 一种半导体设备的硅片承载装置中的硅片的安全放置方法，所述半导体设备包括用 于放置多层硅片的所述硅片承载装置和用于拾取和运输硅片的机械手，所述硅片承载装置 具有支撑部件，所述硅片水平放置于支撑部件上，多个所述硅片在竖直方向上排列，所述机 械手具有用于承载硅片的片叉，所述片叉上下表面固定有不在同一条直线上的三个或以上 的传感器组，所述传感器组用于定义一个或多个基准面;其特征在于，所述安全放置方法包 括： 步骤SO1:执行放片操作流程指令，设置放片理论示教数据； 步骤S02:所述机械手运动至预放片安全位置，预放片安全位置上的机械手还未伸入硅 片承载装置内区域； 步骤S03:所述机械手携带待放置硅片运行至硅片承载装置内的待放置硅片上方的预 向下放片位置； 步骤S04:所述机械手的片叉按照理论示教数据把所述片叉上的待放置硅片放置于预 放片的支撑部件上； 步骤S05:机械手未离开放置于支撑部件上的硅片，此时，采集最新的所述片叉上表面 的每个传感器与所述步骤S04中放置于所述支撑部件上的硅片的距离测量值，并且根据所 述测量值计算放置于所述支撑部件上的硅片所在平面与所述机械手的片叉所在平面的倾 斜角； 步骤S06:根据所述倾斜角来判断放置于所述支撑部件上的硅片是否会产生滑动；如果 是，则执行步骤S07;如果不是，则执行步骤S08; 步骤S07:所述机械手停止运动，并且报警等待处理； 步骤S08:所述机械手运行至预退出放片位置，然后从所述预退出放片位置退出所述硅 片承载装置区域至安全位置； 步骤S09:判断全部所述硅片是否放置完毕;如果是，则执行步骤S10;如果不是，则执行 步骤S02; 步骤S10:停止所述放片过程的操作;其中，所述放片理论示教数据包括硅片的厚度、相 邻硅片的间距、所述预退出放片位置上的机械手的片叉底部到所述片叉下方硅片上表面的 距离、所述预向下放片位置上的机械手的片叉顶部到片叉上方相邻的支撑部件的距离、以 及所述预向下放片位置到预退出放片位置之间的距离。2. 根据权利要求1所述的硅片的安全放置方法，其特征在于，所述预退出放片位置上的 片叉底部到该位置上的片叉下方相邻硅片的距离的安全极限值为下安全放片裕量，当所述 预退出放片位置上的片叉下方相邻硅片呈水平放置时，且预退出放片位置上的片叉底部到 该位置上的片叉下方相邻硅片的距离大于下安全放片裕量时，所述步骤S08中的机械手不 会触碰到所述预退出放片位置上的片叉下方相邻硅片。3. 根据权利要求2所述的硅片的安全放置方法，其特征在于，所述步骤S08中，所述机械 手的片叉所在平面到所述预退出放片位置下方相邻硅片的最小距离极限值=相邻硅片的 间距-硅片的厚度-所述预退出放片位置到所述预退出放片位置下方相邻支撑部件的距离-设备允许的位置变化量，所述步骤S08具体包括:所述机械手从从所述预退出放片位置向外 退出所述硅片承载装置区域的安全位置的运动过程中，周期性连续采集所述片叉上表面的 每个传感器与放置于支撑部件上的硅片底部的距离的测量值，并且求取这些测量值的最小 值，将该最小值与所述的最小距离极限值相比较，当该最小值大于或等于所述最小距离极 限值时，所述机械手继续向外退出所述硅片承载装置区域至安全位置;否则所述机械手停 止运动，并且发出警报等待处理。4. 根据权利要求1所述的硅片的安全放置方法，其特征在于，所述步骤S05具体包括： 步骤S051:所述机械手将待放置硅片放置于预放片的支撑部件之后，获取最新的所述 片叉上表面的每个传感器与放置于所述支撑部件的硅片的距离的测量值； 步骤S052:以所述机械手的片叉所在平面为放片过程的XOY平面，设定理论硅片的外圆 周分布方程为圆柱面方程，计算所述圆柱面方程，根据最新的所述测量值计算放置于所述 支撑部件上的硅片下表面的平面方程； 步骤S053:计算放置于所述支撑部件上的硅片下表面的平面方程与所述圆柱面方程的 截交线方程； 步骤S054:根据所述步骤S053中的所述截交线方程计算该截交线与所述放片过程的所 述XOY平面的夹角，即放片过程中放置于所述支撑部件上的硅片的倾斜角。5. 根据权利要求4所述的硅片的安全放置方法，其特征在于，所述步骤S06具体包括:设 定硅片不会产生滑动的理论安全倾斜角阈值，将所述步骤S054中的所述倾斜角与所述理论 安全倾斜角阈值进行比较;当所述步骤S054中的所述倾斜角小于或等于所述理论安全倾斜 角阈值时，执行所述步骤S08;否则，执行所述步骤S07。6. 根据权利要求5所述的硅片的安全放置方法，其特征在于，所述理论安全倾斜角阈值 等于硅片的摩擦系数的反正切函数值。7. 根据权利要求1所述的硅片的安全放置方法，其特征在于，所述步骤S03中，在机械手 达到所述预向下放片位置后，停止运动，对待放置硅片是否在片叉上进行检测；如果是，则 执行步骤S04;如果不是，则机械手停止运动，并且报警等待处理。8. 根据权利要求1所述的硅片的安全放置方法，其特征在于，所述预向下放片位置上的 机械手的片叉顶部到所述片叉上方相邻的支撑部件的距离的安全极限值为上放片裕量，当 所述片叉上待放置硅片与所述片叉上方相邻的支撑部件的距离小于所述上放片裕量时，所 述步骤S03中的机械手不会触碰到所述片叉上方相邻的支撑部件。9. 根据权利要求1所述的硅片的安全放置方法，其特征在于，所述硅片承载装置包括内 部装载有硅片的片盒和装载硅片进入反应腔室的硅片支撑机构;所述半导体设备还具有承 载所述片盒的片盒支撑机构。10. 根据权利要求1所述的硅片的安全放置方法，其特征在于，所述步骤S02中，所述预 放片安全位置在所述硅片承载装置的一侧，且与所述硅片承载装置的距离大于2倍的相邻 硅片间距。
【专利摘要】本发明提供了一种半导体设备的硅片承载装置中硅片的安全放置方法，通过示教数据设置机械手的运动轨迹和位置，利用机械手片叉上的传感器组来探测片叉和硅片之间的距离测量值，根据距离测量值来计算判断硅片所在平面与机械手的片叉所在平面的截交线方程并据此计算出硅片相对于片叉的倾斜角，从而判断硅片是否会产生滑动，确保硅片放置后不产生滑动。因此，本发明实现了在放片过程中对硅片的位姿进行了判断，从而避免机械手片叉触碰到硅片导致硅片受损，提高了放片过程的安全性。
【IPC分类】H01L21/67, H01L21/673
【公开号】CN105489532
【申请号】CN201511021420
【发明人】徐冬
【申请人】北京七星华创电子股份有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月31日
【技术领域】
[0001] 本发明设及半导体加工设备技术领域，具体设及一种半导体设备的娃片承载装置 中娃片的安全放置方法。
【背景技术】
[0002] 娃片的安全存取和运输是集成电路大生产线一个非常重要的技术指标;在生产过 程中通常要求运输设备自身导致的娃片破片率应小于十万分之一。作为批量式娃片热处理 系统，相对于单片式工艺系统，每个生产工艺所需的娃片传输、娃片放置和取片次数更多， 因而对娃片传输、娃片放置和取片的安全性和可靠性要求更高。
[0003] 目前，机械手被广泛应用于半导体集成电路制造技术领域中，机械手是娃片传输 系统中的重要设备，用于存取和运输工艺处理前和工艺处理后的娃片，其能够接受指令，精 确地定位到Ξ维或二维空间上的某一点进行取放娃片，既可对单枚娃片进行取放作业，也 可对多枚娃片进行取放作业。
[0004] 目前，批量式娃片热处理系统的娃片传取环节的位置参数一般采用离线示教的方 式获取并存储在控制器中，同时按周期进行检测和校准。机械手根据存储的离线示教的数 据对承载机构上放置的娃片进行取放操作。当机械手在对娃片进行取放作业时，娃片承载 机构由于环境溫度变化、负载变化W及机械结构变形等因素的影响，机械手按离线存储的 位置坐标取放承载机构上的娃片时，存在产生碰撞导致娃片或设备受损的风险，造成不可 弥补的损失。同时，由于娃片在热处理过程中产生的受热变形等情况也会使娃片的实际分 布状态与离线示教位置参数有不同，使得机械手取放娃片的运动处于非安全状态，
[0005] 请参阅图1，图1为现有技术中机械手在娃片传输、娃片放置和取片时的位置结构 示意图。如图所示，当娃片2在支撑部件3上处于倾斜等异常状态时，机械手1在自动存取娃 片2的运动处于非安全工作状态，非常容易造成娃片2及设备(包括机械手1)的损伤。
[0006] 因此，在机械手1完成娃片放置后或准备取片前，需对支撑部件3上娃片组中的娃 片2分布状态进行准确的位姿识别，同时对识别出的各种异常状态提供准确应对措施，W实 现安全取放片。
【发明内容】
[0007] 为了克服W上问题，本发明旨在通过对娃片承载装置中相对于机械手片叉上下位 置的娃片的分布安全状态位姿的识别来进行娃片传输，从而快速准确的测量娃片在娃片承 载装置中的状态，诊断相对水平度分布结果，确保娃片的安全放置。
[000引为了达到上述目的，本发明提供了半导体设备的娃片承载装置中娃片的安全放置 方法，所述半导体设备包括用于放置多层娃片的所述娃片承载装置和用于拾取和运输娃片 的机械手，所述娃片承载装置具有支撑部件，所述机械手具有用于承载娃片的片叉，所述片 叉上下表面固定有不在同一条直线上的Ξ个或W上的传感器组，所述传感器组用于定义一 个或多个基准面;所述安全放置方法包括：
[0009] 步骤SOI:执行放片操作流程指令，设置放片理论示教数据；
[0010] 步骤S02:所述机械手运动至预放片安全位置，预放片安全位置上的机械手还未伸 入娃片承载装置内区域；
[0011] 步骤S03:所述机械手携带待放置娃片运行至娃片承载装置内的待放置娃片上方 的预向下放片位置；
[0012] 步骤S04:所述机械手的片叉按照理论示教数据把所述片叉上的待放置娃片放置 于预放片的支撑部件上；
[0013] 步骤S05:机械手未离开放置于支撑部件上的娃片，此时，采集最新的所述片叉上 表面的每个传感器与所述步骤S04中放置于所述支撑部件上的娃片的距离测量值，并且根 据所述测量值计算放置于所述支撑部件上的娃片所在平面与所述机械手的片叉所在平面 的倾斜角；
[0014] 步骤S06:根据所述倾斜角来判断放置于所述支撑部件上的娃片是否会产生滑动； 如果是，则执行步骤S07;如果不是，则执行步骤S08;
[0015] 步骤S07:所述机械手停止运动，并且报警等待处理；
[0016] 步骤S08:所述机械手运行至预退出放片位置，然后从所述预退出放片位置退出所 述娃片承载装置区域至安全位置；
[0017] 步骤S09:判断全部所述娃片是否放置完毕;如果是，则执行步骤S10;如果不是，贝U 执行步骤S02;
[0018] 步骤S10:停止所述放片过程的操作；其中，所述放片理论示教数据包括娃片的厚 度、相邻娃片的间距、所述预退出放片位置上的机械手的片叉底部到所述片叉下方娃片上 表面的距离、所述预向下放片位置上的机械手的片叉顶部到片叉上方相邻的支撑部件的距 离、W及所述预向下放片位置到预退出放片位置之间的距离。
[0019] 优选地，所述预退出放片位置上的片叉底部到该位置上的片叉下方相邻娃片的距 离的安全极限值为下安全放片裕量，当所述预退出放片位置上的片叉下方相邻娃片呈水平 放置时，且预退出放片位置上的片叉底部到该位置上的片叉下方相邻娃片的距离大于下安 全放片裕量时，所述步骤S08中的机械手不会触碰到所述预退出放片位置上的片叉下方相 邻娃片。
[0020] 优选地，所述步骤S08中，所述机械手的片叉所在平面到所述预退出放片位置下方 相邻娃片的最小距离极限值=相邻娃片的间距-娃片的厚度-所述预退出放片位置到所述 预退出放片位置下方相邻支撑部件的距离-设备允许的位置变化量，所述步骤S08具体包 括:所述机械手从从所述预退出放片位置向外退出所述娃片承载装置区域的安全位置的运 动过程中，周期性连续采集所述片叉上表面的每个传感器与放置于支撑部件上的娃片底部 的距离的测量值，并且求取运些测量值的最小值，将该最小值与所述的最小距离极限值相 比较，当该最小值大于或等于所述最小距离极限值时，所述机械手继续向外退出所述娃片 承载装置区域至安全位置;否则所述机械手停止运动，并且发出警报等待处理。
[0021 ] 优选地，所述步骤S05具体包括：
[0022] 步骤S051:所述机械手将待放置娃片放置于预放片的支撑部件之后，获取最新的 所述片叉上表面的每个传感器与放置于所述支撑部件的娃片的距离的测量值；
[0023] 步骤S052:W所述机械手的片叉所在平面为放片过程的X0Y平面，设定理论娃片的 外圆周分布方程为圆柱面方程，计算所述圆柱面方程，根据最新的所述测量值计算放置于 所述支撑部件上的娃片下表面的平面方程；
[0024] 步骤S053:计算放置于所述支撑部件上的娃片下表面的平面方程与所述圆柱面方 程的截交线方程；
[0025] 步骤S054:根据所述步骤S053中的所述截交线方程计算该截交线与所述放片过程 的所述X0Y平面的夹角，即放片过程中放置于所述支撑部件上的娃片的倾斜角。
[00%]优选地，所述步骤S06具体包括:设定娃片不会产生滑动的理论安全倾斜角阔值， 将所述步骤S054中的所述倾斜角与所述理论安全倾斜角阔值进行比较;当所述步骤S054中 的所述倾斜角小于或等于所述理论安全倾斜角阔值时，执行所述步骤S08;否则，执行所述 步骤S07。
[0027] 优选地，所述理论安全倾斜角阔值等于娃片的摩擦系数的反正切函数值。
[0028] 优选地，所述步骤S03中，在机械手达到所述预向下放片位置后，停止运动，对待放 置娃片是否在片叉上进行检测；如果是，则执行步骤S04;如果不是，则机械手停止运动，并 且报警等待处理。
[0029] 优选地，所述预向下放片位置上的机械手的片叉顶部到所述片叉上方相邻的支撑 部件的距离的安全极限值为上放片裕量，当所述片叉上待放置娃片与所述片叉上方相邻的 支撑部件的距离小于所述上放片裕量时，所述步骤S03中的机械手不会触碰到所述片叉上 方相邻的支撑部件。
[0030] 优选地，所述娃片承载装置包括内部装载有娃片的片盒和装载娃片进入反应腔室 的娃片支撑机构;所述半导体设备还具有承载所述片盒的片盒支撑机构。
[0031] 优选地，所述步骤S02中，所述预放片安全位置在所述娃片承载装置的一侧，且与 所述娃片承载装置的距离大于2倍的相邻娃片间距。
[0032] 本发明的半导体设备的娃片承载装置中娃片的安全放置方法，通过示教数据设置 机械手的运动轨迹和位置，利用机械手片叉上的传感器组来探测片叉和娃片之间的距离测 量值，根据距离测量值来计算判断娃片所在平面与机械手的片叉所在平面的截交线方程并 据此计算出娃片相对于片叉的倾斜角，从而判断娃片是否会产生滑动，确保娃片放置后不 产生滑动。因此，本发明实现了在放片过程中对娃片的位姿进行了判断，从而避免机械手片 叉触碰到娃片导致娃片受损 ，提高了放片过程的安全性。
【附图说明】
[0033] 图1为现有技术中机械手在娃片传输、娃片放置和放片时的位置示意图
[0034] 图2为本发明的一个较佳实施例的半导体设备的娃片承载装置的结构示意图
[0035] 图3为本发明的一个较佳实施例的娃片传输、取片或放片过程中机械手的片叉和 娃片的相对位置关系透视示意图
[0036] 图4为本发明的一个较佳实施例的传感器组、机械手、娃片和支撑部件的相对位置 关系俯视示意图
[0037] 图5为本发明的一个较佳实施例的娃片、支撑部件和片叉的位置关系W及放片路 线示意图
[0038] 图6为本发明的一个较佳实施例的娃片的安全拾取方法的流程示意图
[0039] 图7a为本发明的一个较佳实施例的片叉所在平面、倾斜的娃片W及娃片外圆周分 布圆柱面的相对位置关系示意图
[0040] 图7b为本发明的一个较佳实施例的片叉所在平面、倾斜的娃片W及娃片外圆周分 布圆柱面的相对位置关系的截面结构示意图
[0041] 图8为本发明的一个较佳实施例的倾斜娃片受力示意图
【具体实施方式】
[0042] 为使本发明的内容更加清楚易懂，W下结合说明书附图，对本发明的内容作进一 步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也 涵盖在本发明的保护范围内。
[0043] 本发明的半导体设备包括用于放置多个娃片的娃片承载装置和用于拾取和运输 娃片的机械手，娃片承载装置具有支撑部件，娃片水平放置于支撑部件上，多个娃片在竖直 方向上排列；如图2所示，本发明的一个较佳实施例的半导体设备中的娃片承载装置，包括： 黑线框内为内部装载有娃片的片盒B和装载娃片进入反应腔室C的娃片支撑机构A;半导体 设备还具有承载片盒B的片盒支撑机构F，片盒支撑机构F连接于底座G上;机械手E用于从片 盒B中拾取娃片并且放置于娃片支撑机构A上，当反应腔室C底部的炉口D打开时，娃片支撑 机构A携带着娃片进入反应腔室C中，或者当反应结束后，反应腔室C底部的炉口D打开，娃片 支撑机构A携带着处理后的娃片从反应腔室C底部退出，机械手E从娃片支撑机构A上拾取娃 片并且放置于片盒B中；图2中的箭头表示各个部件的可移动方向。因此，本发明的取片过程 可W但不限于包括从片盒中拾取娃片的过程，也可W包括从娃片支撑机构中拾取娃片的过 程；同理，本发明的放片过程可W但不限于包括将娃片放置于片盒中，也可W包括将娃片放 置于娃片支撑机构上。
[0044] 本发明中，机械手具有片叉，片叉上下表面固定有不在同一条直线上的Ξ个或W 上的传感器组，传感器组用于定义一个或多个基准面;片叉上表面的Ξ个传感器用于定义 上基准面，片叉下表面的Ξ个传感器用于定义下基准面，上基准面和下基准面可W为同一 平面也可W为具有一定间距的平面;在半导体领域中，机械手一般具有单只机械爪或多只 机械爪，W适应批量化生产的需要。在一些本发明的实施例中，机械手可W具有多只机械 爪，在任意一个或多个机械爪的片叉的上表面和下表面Ξ个或多个传感器，下面的实施例 仅W-个机械手的一个片叉上表面和下表面分别具有Ξ个传感器为例，其它的实施例原理 相同，在此不再寶述。
[0045] W下结合附图3-8和具体实施例对本发明的半导体设备娃片承载装置中娃片的安 全放置方法及娃片分布状态识别系统作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简 化的形式、使用非精准的比例，且仅用W方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
[0046] 本实施例的半导体设备娃片承载装置中娃片分布状态识别系统包括:设置于机械 手片叉上的传感器组、判断装置、控制装置和报警装置。
[0047] 请参阅图3和图4,本实施例中，支撑部件101上承载有娃片W，支撑部件101均匀分 布于一半的娃片W的边缘，机械手100的片叉101为对称V型，机械手100还具有夹持部件;片 叉101的对称轴与娃片W的直径重合，片叉101的两个倾斜侧壁最外侧之间的宽度小于娃片W 的直径；
[004引本实施例的传感器组（黑实屯、圆），设置于机械手100的片叉101的上下表面，用于 检测片叉101到一个娃片底部的距离测量值W及片叉101到该一个娃片下方相邻娃片的距 离测量值;在片叉101的上表面设置有Ξ个传感器51、52、53，其中两个传感器51和52分别位 于V型片叉101的对称的两个斜壁上且对应于置于片叉101上的娃片W的直径上，所剩的一个 传感器S3位于V型片叉101的对称两个斜壁内侧相交的位置上，在该片叉101所在平面建立 原点，设置为XOY基准面，传感器S1、S2的连线的中点与的传感器S3的连线垂直且平分传感 器S1、S2的连线；因此，将V型片叉斜壁上的两个传感器S1、S2的连线设为X轴，将传感器S1、 S2的连线的中点与传感器S3的连线设为Y轴，传感器S1、S2的连线的中点为坐标原点0，W此 构成片叉所在XOY平面，运里需要说明的是，在设及传感器的相对位置关系时，将传感器视 为一个点。本实施例中，W片叉101上表面的传感器S1、S2、S3所反馈的测量值来判断娃片W 的位姿和取片过程是否能够安全取片，用于计算圆柱面方程、截交线方程、娃片所在平面与 片叉所在平面的夹角、截交线与片叉所在平面的最小距离和最大距离;本实施例中，传感器 通过光电信号探测距离来实现的。
[0049] 本实施例的判断装置，用于判断机械手包括片叉在取片或放片运动过程中是否会 触碰到娃片，W及判断娃片是否在所述机械手的片叉上，当可能触碰到娃片时向报警装置 发送信号；
[0050] 控制装置，根据判断装置的判断结果来控制机械手是否停止运动;并且用于控制 机械手执行取片操作指令，设置理论示教数据;在取片或放片之前，先对控制装置输入示教 数据，然后控制装置按照运些示教数据控制机械手来执行取片操作指令；当判断装置判断 机械手可能触碰到娃片时，控制装置使机械手停止运动;请参阅图5,为本发明的一个较佳 实施例的娃片、支撑部件和片叉的位置关系W及放片路线示意图；娃片W位于支撑部件102 上，带箭头的粗虚线表示本实施例的取片过程或放片过程的路线，细虚线框表示运动中的 娃片W'，P1位置为放片后的退出安全位置，P2位置为预退出放片位置，P3为放片过程中机械 手的片叉将娃片放置于支撑部件时的位置，P4为预向下放片位置，P5为放片过程中机械手 的夹持部件取消夹持的位置，P6为预放片安全位置；图5中显示出理论示教数据各个参数， 包括娃片W的厚度d、支撑部件厚度t、相邻娃片W的间距S、预退出放片位置P2上的机械手的 片叉底部到片叉下方娃片上表面的距离s2、预向下放片位置P4上的片叉上的娃片顶部到片 叉上方相邻的支撑部件底部的距离si、W及预向下放片位置P4到预退出放片位置P2的距离 S3。
[0051] 报警装置，接收判断装置发出的信号，然后发出警报。
[0052] 请参阅图6,本实施例的半导体设备娃片承载装置中娃片的安全放置方法包括：
[0053] 步骤SOI:执行放片操作流程指令，设置放片理论示教数据；
[0054] 具体的，通过向控制装置中输入取片理论示教数据，从而控制机械手执行取片操 作指令;放片理论示教数据包括娃片的厚度、相邻娃片的间距、支撑部件的厚度、预退出放 片位置上的机械手的底部到片叉下方娃片上表面的距离、预向下放片位置上的片叉上的娃 片顶部到待放置支撑部件上方的相邻的支撑部件的距离、W及预向上取片位置到预退出取 片位置之间的距离；
[0055] 步骤S02:机械手运动至预放片安全位置，预放片安全位置上的机械手还未伸入娃 片承载装置内区域；
[0056] 具体的，预放片安全位置在娃片承载装置的一侧，且与娃片承载装置的距离大于2 倍的相邻娃片间距。
[0057] 步骤S03:机械手携带待放置娃片运行至娃片承载装置内的待放置娃片上方的预 向下放片位置；
[0058] 具体的，在机械手从预放片安全位置向娃片承载装置运行的过程中，机械手的夹 持部件执行对娃片的夹持动作;预向下放片位置上的机械手的片叉顶部到片叉上方相邻的 支撑部件的距离的安全极限值为上放片裕量，当片叉上待放置娃片与片叉上方相邻的支撑 部件的距离小于上放片裕量时，本步骤S03中的机械手不会触碰到片叉上方相邻的支撑部 件。
[0059] 在机械手达到预向下放片位置后，停止运动，对待放置娃片是否在片叉上进行检 巧。;如果是，则执行步骤S04;如果不是，则机械手停止运动，并且报警等待处理；
[0060] 步骤S04:机械手的片叉按照理论示教数 据把片叉上的待放置娃片放置于预放片 的支撑部件上；
[0061] 具体的，机械手从预向下放片位置向下运行，使片叉上的娃片与预放片的支撑部 件接触，从而使娃片放置于该支撑部件上;需要说明的是，此时机械手的片叉还未离开该娃 片。
[0062] 步骤S05:机械手未离开放置于支撑部件上的娃片，此时，采集最新的片叉上表面 的每个传感器与步骤S04中放置于支撑部件上的娃片的距离测量值，并且根据测量值计算 放置于支撑部件上的娃片所在平面与机械手的片叉所在平面的倾斜角；
[0063] 具体的，在预放片的支撑部件与片叉上的娃片接触后，开始采集片叉上表面的Ξ 个传感器到放置好的娃片底部的距离测量值;此时，机械手还未离开该放置于支撑部件上 的娃片;本步骤S05的过程包括：
[0064] 步骤S051:机械手将待放置娃片放置于预放片的支撑部件之后，获取最新的片叉 上表面的每个传感器与放置于支撑部件的娃片的距离的测量值；
[0065] 步骤S052:W机械手的片叉所在平面为放片过程的X0Y平面，设定理论娃片的外圆 周分布方程为圆柱面方程，计算圆柱面方程，根据最新的测量值计算放置于支撑部件上的 娃片下表面的平面方程；
[0066] 具体的，WP2位置为基点，0点对应位置为理论娃片放置中屯、位置，即娃片放置在 X0Y平面沿Z方向向上和向下的W娃片直径为圆周的圆柱面内，设定娃片半径为R，直径为 2R，设定娃片圆周及位置偏差为0,即娃片分布在W0点为圆屯、R+0为半径的圆周内；圆柱面 方程为X 2+Y2 = R。
[0067] 步骤S053:计算放置于支撑部件上的娃片下表面的平面方程与圆柱面方程的截交 线方程；
[0068] 具体的，请参阅图7a和图7b，图7a为本发明的一个较佳实施例的片叉所在平面、倾 斜的娃片W及娃片外圆周分布圆柱面的相对位置关系示意图，图7b为本发明的一个较佳实 施例的片叉所在平面、倾斜的娃片W及娃片外圆周分布圆柱面的相对位置关系的截面结构 示意图；圆柱体201为娃片外围圆周构成的圆柱体，片叉所在平面为202,当放置于支撑部件 上的娃片W呈倾斜状态时，该娃片W在圆柱体201中产生的截交面呈倾斜状态，如图7b所示， 片叉所在平面202作为基准面呈水平放置，求得截交线与片叉所在平面202的夹角就是待取 娃片w相对于水平面的倾斜角。
[0069] 片叉上表面的Ξ个传感器得到的距离测量值分别为zl、z2和z3，W已经定义的X0Y 平面可知，娃片所在平面上分别对应于Ξ个传感器的不在同一条直线上的空间Ξ点的坐标 值分别为(xl，yl，zl)、（x2，y2，z2)和(x3，y3，z3);根据运些坐标值计算出待取娃片下表面 的平面方程，aX+bY+cZ+d = 0;
[0070] 其中，a、b、c和d计算式如下：
[0071 ] a = ylz2-ylz3-y2zl+y2z3+y3zl-y3z2
[0072] b = -xlz 化 χ1ζ3+χ2ζ1-χ2ζ3-χ3ζ1+χ3ζ2
[0073] c = xly2-xly3-x2yl+x 巧 3+x3yl-x：3y2，
[0074] d = -xly 化 3+xly3z2+x 巧 Iz3-x2y3zl-x：3ylz 化 x3y2zl。
[0075] 然后，计算该平面方程与圆柱面方程的截交线方程，建立方程式组为：
[0076] aX+bY+cZ+d = 0
[0077] χ2+γ2二R
[0078] 由W上两个方程可得:AX+BY+CZ+D = 0，该方程即为截交线方程
[0079] 步骤S054:根据步骤S053中的截交线方程计算该截交线与放片过程的Χ0Υ平面的 夹角，即放片过程中放置于支撑部件上的娃片的倾斜角；
[0080] 具体的，根据放置于支撑部件上的娃片下表面的平面方程和片叉所在平面方程构 成方程组为：
[0081 ] AX+BY+CZ+D = 0
[0082] Z = 0
[0083] 它们的法线矢量分别为{A，B，C}和{0,0,1}，设运两个法线矢量的夹角为α，那么运 两个平面的夹角就是〇,于是，
[0084] cosa = C/[^T(A^+B^+C^)]
[0085] a = arc cos(C/[^T(A2+b2+c2)])。
[0086] 运里需要说明的是，Ξ个传感器探测距离时，Ξ个传感器到娃片底部的探测发射 线为平行的，从而可W探测娃片上相应位置的距离；
[0087] 步骤S06:根据倾斜角来判断放置于支撑部件上的娃片是否会产生滑动；如果是， 则执行步骤S07;如果不是，则执行步骤S08;
[0088] 具体的，设定娃片不会产生滑动的理论安全倾斜角阔值，将步骤S054中的倾斜角 与理论安全倾斜角阔值进行比较;当步骤S054中的倾斜角小于或等于理论安全倾斜角阔值 时，执行步骤S08;否则，执行步骤S07;
[0089] 此处的滑动包括娃片滑出定位槽或者娃片相对片叉产生滑动，请参阅图8,为本发 明的一个较佳实施例的倾斜娃片受力示意图，其中，α为实际中娃片与水平面的倾斜角，娃 片受到向下的重力mg，支撑部件给娃片的反作用力Ν，此外，设娃片的滑动摩擦系数为μ，受 到最大静摩擦力略大于滑动摩擦力，运里近似为滑动摩擦力，所W娃片的最大静摩擦力为μ mgcosa，当重力和摩擦力的合力为零，刚好使娃片不向下运动时，所对应的娃片倾斜角即为 娃片的理论安全倾斜角阔值δ;
[0090] 根据娃片受力情况设定娃片不会产生滑动的理论安全倾斜角阔值：
[0091] mgsin(S)-mg ο〇3(δ)μ = 〇,从而得到S = a;rc tan(y)。
[0092] 将求得的放置于支撑部件上的娃片的倾斜角α与理论安全倾斜角阔值进行比较； 当倾斜角小于或等于理论安全倾斜角阔值时，执行步骤S08;否则，执行步骤S07;具体为：
[0093] 判断装置判断α ^ δ时，说明在片叉将娃片放置于支撑部件上且离开该娃片时不会 导致该娃片产生滑动，可W继续进行放片操作，执行步骤S08;
[0094] 判断装置判断α>δ时，说明在片叉将娃片放置于支撑部件上且离开该娃片时会导 致该娃片产生滑动，如果机械手继续进行取片操作会产生滑片的危险，执行步骤S07;
[00Μ]步骤S07:机械手停止运动，并且报警等待处理；
[0096] 具体的，控制装置控制机械手停止运行等待处理，判断装置发送信号给报警装置， 报警装置发出警报；
[0097] 步骤S08:机械手运行至预退出放片位置，然后从预退出放片位置退出娃片承载装 置区域至安全位置；
[0098] 具体的，预退出放片位置上的片叉底部到该位置上的片叉下方相邻娃片的距离的 安全极限值为下安全放片裕量，当预退出放片位置上的片叉下方相邻娃片呈水平放置时， 且预退出放片位置上的片叉底部到该位置上的片叉下方相邻娃片的距离大于下安全放片 裕量时，本步骤S08中的机械手不会触碰到预退出放片位置上的片叉下方相邻娃片;机械手 的片叉所在平面到预退出放片位置下方相邻娃片的最小距离极限值=相邻娃片 的间距S-娃片的厚度d-预退出放片位置到预退出放片位置下方相邻支撑部件的距离S2-设 备允许的位置变化量丫；最小距离极限值Z2min-limit =相邻娃片的间距S-娃片的厚度d-预退 出放片位置到预退出放片位置下方相邻支撑部件的距离S化设备允许的位置变化量γ ;。
[0099] 本步骤S08还包括:机械手从预退出放片位置向外退出娃片承载装置区域的安全 位置的运动过程中判断片叉是否会触碰到放置于支撑部件上的娃片，如果是，机械手停止 运动，并且发出警报等待处理;如果不是，机械手继续向外退出娃片承载装置区域至安全位 置;具体包括:机械手从预退出放片位置向外退出娃片承载装置区域的安全位置的运动过 程中，周期性连续采集片叉上表面的每个传感器与放置于支撑部件上的娃片底部的距离的 测量值，机械手片叉上表面的Ξ个传感器的距离测量值为Ζ1、Ζ2和Ζ3,并且求取运些测量值 的最小值Zmin-distance，通过判断装置将该最小值Zmin-distance与最小距离极限值Zlmin-limit、 Z2min-limit相比较：
[0100] 当该最小值Zmin-distanee小于最小距离极限值Zlmin-limit或大于最小距离极限值 时，机械手停止运动，并且发出警报等待处理；
[0101] 否则，当最小值Z min-distanee大于或等于最小距离极限值Zlmin-limit，且小于或等于最 小距离极限值时，机械手继续向外退出娃片承载装置区域至安全位置；
[0102] 运里需要说明的是，Ξ个传感器探测距离时，Ξ个传感器到娃片底部的探测发射 线为平行的，从而可W探测娃片上相应位置的距离；
[0103] 较佳的，从预退出放片位置退出娃片承载装置区域至安全位置，该安全位置大于2 倍的相邻娃片间距S。
[0104] 步骤S09:判断全部娃片是否放置完毕;如果是，则执行步骤S10;如果不是，则执行 步骤S02;
[01化]步骤S10:停止放片过程的操作；
[0106]请参阅表一，为本发明的另一个较佳实施例的在取片过程和放片过程中机械手到 其上下位置的娃片的距离与娃片的安全状态分类表;表一中，放片过程中，片叉在P6位置、 P5位置、W及P1位置上，均可W通过片叉上的传感器来探测得到结果，P6位置上的片叉上表 面的传感器探测片叉与娃片承载装置之间的距离，P1位置上亦然;P5位置上，片叉上表面的 传感器探测片叉与放置于支撑部件上的娃片的距离。
[0107]表一 [010 引
[0110]综上所述，本发明的半导体设备的娃片承载装置中娃片的安全放置方法，通过示 教数据设置机械手的运动轨迹和位置，利用机械手片叉上的传感器组来探测片叉和娃片之 间的距离测量值，根据距离测量值来计算判断娃片所在平面与机械手的片叉所在平面的截 交线方程并据此计算出娃片相对于片叉的倾斜角，从而判断娃片是否会产生滑动，确保娃 片放置后不产生滑动。因此，本发明实现了在放片过程中对娃片的位姿进行了判断，从而避 免机械手片叉触碰到娃片导致娃片受损，提高了放片过程的安全性。
[0111]虽然本发明已W较佳实施例掲示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而 已，并非用W限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若 干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应W权利要求书所述为准。
【主权项】
1. 一种半导体设备的硅片承载装置中的硅片的安全放置方法，所述半导体设备包括用 于放置多层硅片的所述硅片承载装置和用于拾取和运输硅片的机械手，所述硅片承载装置 具有支撑部件，所述硅片水平放置于支撑部件上，多个所述硅片在竖直方向上排列，所述机 械手具有用于承载硅片的片叉，所述片叉上下表面固定有不在同一条直线上的三个或以上 的传感器组，所述传感器组用于定义一个或多个基准面;其特征在于，所述安全放置方法包 括： 步骤SO1:执行放片操作流程指令，设置放片理论示教数据； 步骤S02:所述机械手运动至预放片安全位置，预放片安全位置上的机械手还未伸入硅 片承载装置内区域； 步骤S03:所述机械手携带待放置硅片运行至硅片承载装置内的待放置硅片上方的预 向下放片位置； 步骤S04:所述机械手的片叉按照理论示教数据把所述片叉上的待放置硅片放置于预 放片的支撑部件上； 步骤S05:机械手未离开放置于支撑部件上的硅片，此时，采集最新的所述片叉上表面 的每个传感器与所述步骤S04中放置于所述支撑部件上的硅片的距离测量值，并且根据所 述测量值计算放置于所述支撑部件上的硅片所在平面与所述机械手的片叉所在平面的倾 斜角； 步骤S06:根据所述倾斜角来判断放置于所述支撑部件上的硅片是否会产生滑动；如果 是，则执行步骤S07;如果不是，则执行步骤S08; 步骤S07:所述机械手停止运动，并且报警等待处理； 步骤S08:所述机械手运行至预退出放片位置，然后从所述预退出放片位置退出所述硅 片承载装置区域至安全位置； 步骤S09:判断全部所述硅片是否放置完毕;如果是，则执行步骤S10;如果不是，则执行 步骤S02; 步骤S10:停止所述放片过程的操作;其中，所述放片理论示教数据包括硅片的厚度、相 邻硅片的间距、所述预退出放片位置上的机械手的片叉底部到所述片叉下方硅片上表面的 距离、所述预向下放片位置上的机械手的片叉顶部到片叉上方相邻的支撑部件的距离、以 及所述预向下放片位置到预退出放片位置之间的距离。2. 根据权利要求1所述的硅片的安全放置方法，其特征在于，所述预退出放片位置上的 片叉底部到该位置上的片叉下方相邻硅片的距离的安全极限值为下安全放片裕量，当所述 预退出放片位置上的片叉下方相邻硅片呈水平放置时，且预退出放片位置上的片叉底部到 该位置上的片叉下方相邻硅片的距离大于下安全放片裕量时，所述步骤S08中的机械手不 会触碰到所述预退出放片位置上的片叉下方相邻硅片。3. 根据权利要求2所述的硅片的安全放置方法，其特征在于，所述步骤S08中，所述机械 手的片叉所在平面到所述预退出放片位置下方相邻硅片的最小距离极限值=相邻硅片的 间距-硅片的厚度-所述预退出放片位置到所述预退出放片位置下方相邻支撑部件的距离-设备允许的位置变化量，所述步骤S08具体包括:所述机械手从从所述预退出放片位置向外 退出所述硅片承载装置区域的安全位置的运动过程中，周期性连续采集所述片叉上表面的 每个传感器与放置于支撑部件上的硅片底部的距离的测量值，并且求取这些测量值的最小 值，将该最小值与所述的最小距离极限值相比较，当该最小值大于或等于所述最小距离极 限值时，所述机械手继续向外退出所述硅片承载装置区域至安全位置;否则所述机械手停 止运动，并且发出警报等待处理。4. 根据权利要求1所述的硅片的安全放置方法，其特征在于，所述步骤S05具体包括： 步骤S051:所述机械手将待放置硅片放置于预放片的支撑部件之后，获取最新的所述 片叉上表面的每个传感器与放置于所述支撑部件的硅片的距离的测量值； 步骤S052:以所述机械手的片叉所在平面为放片过程的XOY平面，设定理论硅片的外圆 周分布方程为圆柱面方程，计算所述圆柱面方程，根据最新的所述测量值计算放置于所述 支撑部件上的硅片下表面的平面方程； 步骤S053:计算放置于所述支撑部件上的硅片下表面的平面方程与所述圆柱面方程的 截交线方程； 步骤S054:根据所述步骤S053中的所述截交线方程计算该截交线与所述放片过程的所 述XOY平面的夹角，即放片过程中放置于所述支撑部件上的硅片的倾斜角。5. 根据权利要求4所述的硅片的安全放置方法，其特征在于，所述步骤S06具体包括:设 定硅片不会产生滑动的理论安全倾斜角阈值，将所述步骤S054中的所述倾斜角与所述理论 安全倾斜角阈值进行比较;当所述步骤S054中的所述倾斜角小于或等于所述理论安全倾斜 角阈值时，执行所述步骤S08;否则，执行所述步骤S07。6. 根据权利要求5所述的硅片的安全放置方法，其特征在于，所述理论安全倾斜角阈值 等于硅片的摩擦系数的反正切函数值。7. 根据权利要求1所述的硅片的安全放置方法，其特征在于，所述步骤S03中，在机械手 达到所述预向下放片位置后，停止运动，对待放置硅片是否在片叉上进行检测；如果是，则 执行步骤S04;如果不是，则机械手停止运动，并且报警等待处理。8. 根据权利要求1所述的硅片的安全放置方法，其特征在于，所述预向下放片位置上的 机械手的片叉顶部到所述片叉上方相邻的支撑部件的距离的安全极限值为上放片裕量，当 所述片叉上待放置硅片与所述片叉上方相邻的支撑部件的距离小于所述上放片裕量时，所 述步骤S03中的机械手不会触碰到所述片叉上方相邻的支撑部件。9. 根据权利要求1所述的硅片的安全放置方法，其特征在于，所述硅片承载装置包括内 部装载有硅片的片盒和装载硅片进入反应腔室的硅片支撑机构;所述半导体设备还具有承 载所述片盒的片盒支撑机构。10. 根据权利要求1所述的硅片的安全放置方法，其特征在于，所述步骤S02中，所述预 放片安全位置在所述硅片承载装置的一侧，且与所述硅片承载装置的距离大于2倍的相邻 硅片间距。
【专利摘要】本发明提供了一种半导体设备的硅片承载装置中硅片的安全放置方法，通过示教数据设置机械手的运动轨迹和位置，利用机械手片叉上的传感器组来探测片叉和硅片之间的距离测量值，根据距离测量值来计算判断硅片所在平面与机械手的片叉所在平面的截交线方程并据此计算出硅片相对于片叉的倾斜角，从而判断硅片是否会产生滑动，确保硅片放置后不产生滑动。因此，本发明实现了在放片过程中对硅片的位姿进行了判断，从而避免机械手片叉触碰到硅片导致硅片受损，提高了放片过程的安全性。
【IPC分类】H01L21/67, H01L21/673
【公开号】CN105489532
【申请号】CN201511021420
【发明人】徐冬
【申请人】北京七星华创电子股份有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月31日
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