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Dokumentenidentifikation DE4106617C2 15.09.1994
Titel Reinraum-Handhabungssystem
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eV, 80636 München, DE
Erfinder Geißinger, Jürgen, Dr.-Ing., 7060 Schorndorf, DE;
Hägele, Martin, Dipl.-Ing., 7000 Stuttgart, DE
Vertreter Münich, W., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 80689 München; Steinmann, O., Dr., Rechtsanw., 81677 München
DE-Anmeldedatum 01.03.1991
DE-Aktenzeichen 4106617
Offenlegungstag 03.09.1992
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.09.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.09.1994
IPC-Hauptklasse B25J 21/00

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Reinraum-Handhabungssystem, das eine mehrachsige Handhabungseinheit aufweist, an der ein Greifer mit Greiferbacken zur Handhabung von Wafern, Carriern oder dergleichen angebracht ist, und die eine Steuereinheit steuert.

Die Herstellung der Strukturen auf Wafern, wie sie für die Chip-Fertigung in der Halbleiterindustrie und/oder für mikromechanische Zwecke verwendet werden, erfordert je nach Integrationsdichte der Chips bzw. der Komplexität der mikromechanischen Bauelemente bis zu 400 Prozeßschritte. In der Regel müssen alle Prozeßschritte in Reinräumen der Klasse 10 o. besser ausgeführt werden.

Um die bei der manuellen Handhabung auftretenden Beschädigungs- und/oder Kontaminationsrisiken zu minimieren und gleichzeitig die Kosten für hochreine Bereiche bei den genannten niedrigen Reinraumklassen zu begrenzen, wird angestrebt, den Automatisierungsgrad im Handhabungs- und Fertigungsbereich zu erhöhen, gleichzeitig aber die Flächen bzw. Volumina der extrem reinen Bereiche auf die eigentliche Umgebung der Anlagen bzw. der Stationen zu begrenzen. Dabei wird gegenwärtig angestrebt, die Reinraum-Bereiche in folgende Abschnitte aufzuteilen:

  • - Gekapselte Prozeßanlagen mit eigenen Reinsträumen, in denen die Fertigungsschritte und Handhabungsvorgänge weitgehend automatisiert sind.
  • - Staubdichte Boxen, die als transportable Reinsträume für die Produkte dienen.
  • - Input-/Outputgeräte, die eine definierte Schnittstelle zwischen Prozeßanlage und dem umgebenden "Grauraum" schaffen.


Die Automatisierung der typischen, in einem Reinraum bei der Waferbearbeitung auftretenden Vorgänge, wie Pick-and-Place-Bewegungen, das Umladen der Wafer zwischen Prozeß- und Transportcarrier oder die geregelte Bahnführung des Handhabungsobjektes, erfordern mehrachsige Handhabungseinheiten, die bis zu sechs Handhabungsachsen aufweisen müssen. Derzeit werden für Handhabungsaufgaben, bei denen mehr als drei Freiheitsgrade erforderlich sind, fast ausschließlich reinraumtaugliche Industrieroboter verwendet. Dabei handelt es sich in praktisch allen Fällen um Industrieroboter aus dem konventionellen Produktionsbereich, die mit Hilfe von Absaugeinrichtungen, Ferrofluiddichtungen, speziellen Beschichtungen etc. eine gewisse Reinraumeignung erreichen.

In der Regel führt der Einsatz herkömmlicher fünf- bis sechsachsiger Robotersysteme in gekapselten Prozeßanlagen jedoch zu Problemen, da eine Überqualifizierung des Roboters hinsichtlich Arbeitsraum und Beweglichkeit besteht, durch die der Industrieroboter unnötig viel Arbeitsraum und Standfläche benötigt.

Demzufolge sind eine Vielzahl von jeweils einer speziellen Handhabungsaufgabe angepaßten Reinraum-Handhabungssystemen vorgeschlagen worden, die jedoch gerade den typischen Vorteil von Industrierobotern, nämlich die universelle Anpaßbarkeit an die unterschiedlichsten Vorgänge nicht aufweisen.

Aus der GB 21 98 413 A ist ein Reinraum-Handhabungssystem bekannt, daß eine mehrachsige Handhabungseinheit aufweist, an der ein Greifer mit Greiferbacken zur Handhabung von Wafern angebracht ist und die eine Steuereinheit steuert.

Aus der DE 37 07 672 A1 ist eine Epitaxieanlage mit einem als Vielflach ausgebildeten Träger zur Aufnahme einer Vielzahl von Wafern und einer Einrichtung zum Beschicken des Waferträgers mit Wafern in der Ladezone und einem die Anlagenkomponenten aufnehmenden Reinluftraum bekannt.

Aus dem genannten Stand der Technik ist es nicht bekannt, daß beide Achsen des Grundteils parallele rotatorische Achsen sind, von denen eine Achse mit der Bewegungsrichtung für den oder die beweglichen Greiferbacken fluchtet. Es ist weiterhin nicht bekannt, um die Störung der Strömung um das handzuhabende Teil möglichst gering zu halten, den Greiferbacken jeweils einen Linearteil aufweisen zu lassen, der in einem Tragteil in Richtung ihrer Längsachse verschiebbar gelagert ist. Der vorgenannte Stand der Technik läßt also einen nur wenig kompakten Aufbau eines Reinraum- Handhabungssystems zu. Bisher ist auch kein einfacher Modulaufbau für Handhabungssysteme bekannt gewesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Reinraum- Handhabungssystem anzugeben, das eine mehrachsige Handhabungseinheit aufweist, und das leicht an die unterschiedlichsten Handhabungsaufgaben anpaßbar ist, ohne daß das erfindungsgemäße Reinraum-Handhabungssystem bei der Durchführung einfacher Handhabungsaufgaben überqualifiziert wäre und insbesondere zu viel Platz einnehmen würde.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, ein modular aufgebautes Reinraum-Handhabungssystem zu schaffen, bei dem ein Grundteil durch modulare "Zusatzachsen" entsprechend der jeweiligen Handhabungsaufgabe erweiterbar ist. Der Grundteil weist hierzu zwei Achsen, deren bewegliche Teile außerhalb der Umgebung des handzuhabenden Teils angeordnet sind, so daß die Strömung derart geführt bleibt, daß das handzuhabende Teil stets mit Reinraum-Erstluft beaufschlagt wird, und einen Verbindungsflansch auf, durch den der Grundteil mit weiteren Elementen verbindbar ist.

Dieser modulare Aufbau hat eine Reihe von Vorteilen:

Der Grundteil stellt ein Modul dar, das aufgrund des Aufbaus mit zwei Achsen bereits eine Reihe von Handhabungsaufgaben ausführen kann, ohne daß die Benutzung anderer Achsen erforderlich wäre. Damit ist es in vielen Fällen ausreichend, wenn lediglich der in einer gewissen Nähe zu dem handzuhabenden Teil angeordnete Grundteil "Reinraum-gerecht" ausgeführt ist. Die weiteren Achsen, die zum einen in der Regel einen deutlich größeren Abstand von dem handzuhabenden Teil als der Grundteil haben, und zum anderen wesentlich seltener als die Achsen des Grundteils betätigt werden müssen, so daß auch vergleichsweise wenig Abrieb etc. entsteht, müssen dann nicht mit der gleichen Reinraum- Tauglichkeit wie der Grundteil ausgeführt sein.

Der Aufbau und die Gestaltung des erfindungsgemäßen Reinraum-Handhabungssystems kann dabei entsprechend den Regeln der reinraumgerechten Konstruktion ausgeführt sein. Dies gilt sowohl für Maschinenelemente als auch für das Konstruktionsprinzip und die strömungsgerechte Auslegung. Die kinematischen Achsen, und insbesondere die im Bereich des Handhabungsobjektes angeordneten Achsen werden bevorzugt glatt und strömungsgünstig gestaltet, so daß die laminare Verdrängungsströmung, die den Reinstraum ständig durchströmt, so wenig wie möglich gestört wird. Damit ist das erfindungsgemäße Reinraum-Handhabungssystem auch in Reinräumen der niedrigsten Klasse einsetzbar.

Weiterhin ergibt sich durch den modulartigen Aufbau der Handhabungseinrichtung die Möglichkeit, eventuell beschädigte Teile leicht und ohne große Verschmutzung des Reinraumes auszutauschen:

Die reinraumgerechte Kapselung und der modulartige Aufbau mit entsprechend ausgeführten Koppelungsmechanismen erlauben eine rasche Reparatur bzw. einen raschen und reinraumgerechten Austausch von Komponenten, wie Greifern, Bewegungsachsen etc. im Reinraum. Im Gegensatz hierzu mußten die bekannten Systeme zur Reparatur entweder in einem sogenannten mobilen Reinraum gekapselt oder abgebaut und extern repariert werden. Durch den modularen Aufbau wird die Standzeit wesentlich erhöht, während gleichzeitig die Partikelbelastung wesentlich verringert wird.

Erfindungsgemäß ist festgestellt worden, daß eine besonders vorteilhafte Kinematik des Grundteils hinsichtlich der typischen Handhabungsaufgaben, wie sie sich durch die Produktionsbedingungen bei der Halbleiterfertigung ergeben, aus zwei parallelen rotatorischen Achsen besteht, von denen eine Achse mit der Bewegungsrichtung für den oder die beweglichen Greiferbacken fluchtet. Dieser Aufbau führt nicht nur zu einer sehr geringen Störung der Strömung im Reinraum, da die Achsen einen großen Abstand von dem handzuhabenden Teil haben und darüberhinaus leicht abdichtbar sind (Anspruch 6), sondern ermöglicht durch die modulartige Verbindbarkeit des Grundteils mit weiteren rotatorischen und/oder translatorischen Achsen (Ansprüche 2 bis 4) eine besonders leichte Anpassung des erfindungsgemäßen Handhabungssystems an komplexe Handhabungsaufgaben.

Dabei ist es bevorzugt, wenn die beiden rotatorischen Achsen durch einen Kragarm verbunden sind, dessen Länge typischen Reinraum-Abmessungen angepaßt ist.

Durch definierte Schnittstellen und eine Steuereinheit, die ebenfalls eine Grundeinheit aufweist, die den Grundteil steuert, und modulartig entsprechend den weiteren Elementen erweiterbar ist, kann darüber hinaus eine leichte Anpassung auch der elektronischen Steuereinheit an die jeweiligen kinematischen Vorgaben erzielt werden:

Das erfindungsgemäße Reinraum-Handhabungssystem kann im Prinzip zwar mit herkömmlichen Steuereinheiten gesteuert werden. Besonders bevorzugt ist es aber, wenn die Steuereinheiten sowohl Hardware- als auch Software- seitig dem modularen Konzept des Handhabungssystems folgen. Insbesondere können elektronische Baugruppen je nach Systemaufbau zusätzlich angeschlossen werden. Die Steuerungs-Software kann - basierend auf der jeweiligen Achskonfiguration - automatisch entsprechende kinematische Transformationsgleichungen erstellen, so daß jede kinematische Konfiguration exakt steuerbar ist.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Greiferbacken in einer Weise ausgebildet sind, wie sie in der älteren Anmeldung P 40 37 204.9 beschrieben ist, da sich hierdurch der Bewegungsmechanismus für die Greiferbacken ebenfalls in einem großen Abstand von dem handzuhabenden Teil befindet und darüber hinaus eine leichte Anpassung der Greiferbacken an die jeweilige Handhabungsaufgabe vorgenommen werden kann.

In jedem Falle ist es bevorzugt, wenn die rotatorischen Achsen durch die Labyrinth- und/oder Fluiddichtungen abgedichtet sind (Anspruch 6), da hierdurch die Verschmutzung des Reinraumes so gering wie möglich gehalten wird.

Das erfindungsgemäße Reinraum-Handhabungssystem kann aufgrund des modulartigen Aufbaus bei den unterschiedlichsten Prozeßführungen in Einzelgeräten, Fertigungszellen, Fertigungssektoren usw. integriert werden. Durch entsprechende Auswahl der Zusatzachsen kann das erfindungsgemäße Handhabungssystem auch als separates Zuführsystem der Prozeßanlage vorgeschaltet werden oder Handhabungs- und/oder Transportaufgaben in einem kompletten Equipment übernehmen.

In jedem Falle können jedoch alle bei der Halbleiterfertigung erforderlichen Handhabungsvorgänge mit einem einzigen Grund-Gerätetyp, der in den unterschiedlichsten Konfigurationen und Ausbaustufen verwendet wird, realisiert werden.

Handhabungsvorgänge, die mit dem erfindungsgemäßen Handhabungssystem realisiert werden können, sind beispielsweise die Einzelscheibenhandhabung, die Multiwaferhandhabung, die Carrier- bzw. Boxhandhabung, die Anlagen- bzw. Prozeß-Be- und -Entladung sowie die Handhabung von Wafern unterschiedlichen Durchmessers und variabler Form sowie anderer in Reinsträumen gehandhabter Substrate.

Weiterhin können durch das erfindungsgemäße Reinraum- Handhabungssystem herkömmliche Wafertransfersysteme am Anlagen-Input bzw. -Output entfallen, da Umhordevorgänge in Kombination mit der eigentlichen Handhabung des Transport- bzw. Prozeßcarriers durchgeführt werden. Neben einer wesentlichen Kosteneinsparung wird das Gesamtsystem durch die geringe Zahl der Komponenten darüber hinaus einfacher und zuverlässiger.

Somit erlaubt das modulare Konzept eine durchgängig kostengünstige Realisierung von einfachen Pick-and- Place-Bewegungen bis hin zu komplexen Handhabungsoperationen mit bahngeführten Bewegungen, so daß mit dem erfindungsgemäßen System praktisch sämtliche Handhabungsaufgaben ohne zusätzlichen Konstruktionsaufwand gelöst werden können.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1a und 1b ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Reinraum-Handhabungssystems in Vorder- bzw. Seitenansicht,

Fig. 2a und 2b entsprechende Ansichten in einer auseinandergezogenen Darstellung zur Erläuterung des modularen Aufbaus,

Fig. 3 perspektivisch das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel, und

Fig. 4 perspektivisch ein zweites Ausführungsbeispiel.

Die Fig. 1a und 1b zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Reinraum-Handhabungssystems in Vorder- bzw. Seitenansicht. Die Fig. 2a und 2b zeigen das selbe Reinraum-Handhabungssystem wie die Fig. 1a und 1b, jedoch sind bei der Darstellung in den Fig. 2a und 2b zur Erläuterung des modulartigen Aufbaus die einzelnen Teile, aus denen das Handhabungssystem besteht, "auseinandergezogen". Fig. 3 zeigt das Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen Darstellung. Das Reinraum-Handhabungssystem weist eine mehrachsige Handhabungseinheit auf, an der ein Greifer für handzuhabende Teile, wie Wafer, Carriern oder dgl. angebracht ist. Nicht dargestellt ist die Steuereinheit für die Handhabungseinheit.

Die Handhabungseinheit besteht bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Grundteil (1), der zwei parallele rotatorische Achsen (2, 3) aufweist, und aus Zusatzachsen (4, 5 und 6). Diese Zusatzachsen sind über einen nicht näher dargestellten Flansch mit dem Grundteil (1) verbunden und sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens ein Drehmodul (4) und zwei Linearmodule (5, 6), die eine x,y-Lineareinheit bilden. Damit ist es möglich, den Grundteil als Einheit um eine (beispielsweise) vertikale Achse zu drehen und in einer Ebene zu verschieben.

Die zweite rotatorische Achse (3) des Grundteils (1) ist über einen Kragarm (7) an der Welle der ersten Achse (2) angebracht. Ihre Welle trägt zwei Stangen (8 und 9), von denen wenigstens eine in Richtung der Drehachse der Achse (3) verschiebbar ist, und die Greiferbacken (8&min; und 9&min;) tragen, die beispielsweise so ausgebildet sein können, daß durch einen Drehmechanismus unterschiedliche Greiferbackenformen in Anlagestellung gebracht werden können. Durch Verschieben wenigstens einer der Stangen (8 bzw. 9) in Richtung der Drehachse der Achse (3) kann der Greifer zugestellt werden und so ein nicht dargestelltes Werkstück handhaben.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die beweglichen Teile (2, 3, 4, 5, 6) sowohl des Grundteils (1) als auch der Zusatzachsen außerhalb des Bereichs angeordnet, durch den das handzuhabende Teil mit Reinraum- Erstluft (Pfeile) beaufschlagt wird, so daß die Kontaminationsgefahr für das handzuhabende Teil auf ein Minimum beschränkt bleibt. Ferner sind alle Zusatzachsen unterhalb des handzuhabenden Teils angeordnet. Darüber hinaus bewirken glatte Außenflächen und eine strömungsgünstige Außenform eine minimale Strömungsverwirbelung im Bereich des handzuhabenden Teils. Um das Kontaminationsrisiko weiter zu minimieren, sind sämtliche rotatorischen Achsen durch Labyrinth- und/oder Ferrofluiddichtungen abgedichtet.

Fig. 3 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein zweites Ausführungsbeispiel. Dabei sind jeweils gleiche oder entsprechende Teile mit den selben Bezugszeichen bezeichnet, so daß auf eine erneute Vorstellung verzichtet wird, und lediglich die Abweichungen des in dieser Figur dargestellten Ausführungsbeispiels gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert werden:

Anders als bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind bei diesem Ausführungsbeispiel keine Zusatzachsen vorgesehen, vielmehr ist der Grundteil (1), der gleich dem in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Grundteil ausgebildet ist, direkt mittels eines Flansches (8&min;) auf einer Fläche in einem nicht dargestellten Reinraum befestigt. Mit dem Grundteil ohne Zusatzachsen lassen sich bereits einfache Handhabungsaufgaben ausführen.


Anspruch[de]
  1. 1. Reinraum-Handhabungssystem mit
    1. - einer Handhabungseinheit, die einen Grundteil (1) aufweist, der
      1. -- zwei parallele rotatorische Achsen (2, 3), die durch einen Kragarm (7) verbunden sind, und deren bewegliche Teile außerhalb der Umgebung des handzuhabenden Teils angeordnet sind, so daß die Strömung derart geführt bleibt, daß das handzuhabende Teil stets mit Reinraum-Erstluft beaufschlagt wird,
      2. -- sowie einen Verbindungsflansch aufweist, der an einer der rotatorischen Achsen angebracht ist, und der den Grundteil (1) mit weiteren Elementen (4, 5, 6) verbindet, und
    2. - einem an der anderen rotatorischen Achse angebrachten Greifer mit Greiferbacken (8&min;, 9&min;) zur Handhabung von Wafern, Carriern oder dgl.,
      1. -- die jeweils einen Linearteil (8, 9) aufweisen, der in einem Tragteil in Richtung seiner Längsachse verschiebbar gelagert ist, und dessen Bewegungsrichtung mit der anderen rotatorischen Achse fluchtet.
  2. 2. Reinraum-Handhabungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Element eine Lineareinheit ist.
  3. 3. Reinraum-Handhabungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Element eine x/y-Lineareinheit (5, 6) ist.
  4. 4. Reinraum-Handhabungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Element ein Drehmodul (4) ist.
  5. 5. Reinraum-Handhabungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am vorderem Ende der Linearteile (8, 9) jeweils eine Dreheinheit (8&min;, 9&min;) angebracht ist, deren Welle sich in etwa senkrecht zur Längsachse des Linearteils erstreckt und wenigstens zwei unterschiedliche Greifelemente trägt.
  6. 6. Reinraum-Handhabungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die rotatorischen Achsen durch Labyrinth- und/oder Ferrofluiddichtungen abgedichtet sind.






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