CN103646904B - 一种机械手臂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体设备制造领域，尤其涉及一种机械手臂，包括主体、晶圆承载夹持结构和至少一个连接该主体与晶圆承载夹持结构的连接臂；其中，该晶圆承载夹持结构包括若干个超声波传感器，该若干个超声波传感器分别设置于该晶圆承载夹持结构上表面与下表面的远离所述连接臂的一端处，以及靠近所述连接臂的一端处，且这些超声传感器呈等腰三角形分布，从而实现实时监控晶圆承载夹持结构的上表面与下表面通晶圆之间的距离，通过比较三个超声波传感器与晶圆之间的距离，即可判断晶圆承载夹持结构是否发生倾斜，并且当检测到的距离小于安全值时，手臂控制器会发出手臂停止的指令，从而达到防止刮伤晶圆的目的。

Description

一种机械手臂
技术领域
本发明涉及半导体设备制造领域，尤其涉及一种防止晶圆刮伤的机械手臂。
背景技术
机械手臂是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造以及太空探索等领域都能见到它的身影。尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维（或二维）空间上的某一点进行作业。机械手臂根据结构形式的不同分为多关节机械手臂，直角坐标系机械手臂，球坐标系机械手臂，极坐标机械手臂，柱坐标机械手臂等。而对于半导体制造应用来说，常用的机械手臂是用来搬送晶片。
然而，在半导体制造过程中，晶圆一般是利用传输系统将其从一个工作站传送至另一工作站，或从卡匣等收容器中传送至各个工作站，或从工作站传送至卡匣收藏保存。传输系统在传送晶圆的过程中，由于机械手臂在抓取晶圆时的与上、下两片晶圆的间隙非常小，所以十分容易刮伤晶圆的表面或者背面。
目前，现有的工艺基本上无法实时地监控手臂的位置，只能靠人的肉眼去判断手臂是否会刮伤晶圆或晶背，且需要定期的检查手臂的位置以防止手臂刮伤晶圆，从而很难解决刮伤晶圆的问题。
中国专利（公布号：200610156987.1）记载了一种自动校正机械手臂。该自动校正机械手臂,其包括一主体,一用以承载晶圆的晶圆承载夹持机构以及至少一个连接该主体与晶圆承载夹持机构的连接臂,其中,该自动校正机械手臂还包括设置在晶圆承载夹持机构上的多个光学感测器和多个位移感测器,该多个光学感测器包括至少一对第一光学感测器和至少一个第二光学感测器,该对第一光学感测器设置在该晶圆承载夹持机构远离该连接臂的一端处,该第二光学感测器与该对第一光学感测器位于至少两条直线上,该多个光学感测器用以确定晶圆的圆心;该多个位移感测器分别设置在晶圆承载夹持机构上,且该多个位移感测器位于至少两条直线上以感测确定晶圆的相对水平度。该专利文献中并未提及如何利用超声波传感器来使机械手臂达到防止刮伤晶圆的目的。
中国专利（公布号：201310044168.8）记载了一种机械手臂，包括底座、转动在底座的扭转台、活动设置在扭转台上的机械手臂主体、主控板，所述扭转台上设有驱动机械手臂主体能自由转动的若干个舵机，所述主控板电连接有控制各个舵机工作及机械手臂主体工作的驱动装置，所述主控板上设有各个舵机动作及机械手臂主体动作的动作存储模块，所述底座上连接有控制主控板通电的控制电源；本发明的优点：通过控制电源给主控板通电，通过驱动装置驱动各个舵机工作，从而驱动机械手臂主体自由转动，从而提高了实用性能，提高了生产效率，降低了劳动量，可靠性能好。该专利文献并未实现机械手臂的自动化控制。
发明内容
本发明记载了一种机械手臂，应用于半导体晶圆的取放作业中，其特征在于，所述机械手臂包括主体、晶圆承载夹持结构和至少一个连接该主体与晶圆承载夹持结构的连接臂；
其中，该晶圆承载夹持结构包括有设置在晶圆承载夹持结构上的若干个超声波传感器，该若干个超声波传感器分别设置于该晶圆承载夹持结构远离所述连接臂的一端处，以及靠近所述连接臂的一端处，以检测晶圆承载夹持结构的表面与晶圆之间的距离。
上述的机械手臂，其中，所述机械手臂还设置有控制器。
上述的机械手臂，其中，所述晶圆承载夹持结构呈扁平状。
上述的机械手臂，其中，所述晶圆承载夹持结构为U型结构，且该U型结构包括有两个相互平行并位于同一平面内的指状结构，且该两个指状结构上均设置有所述超声波传感器。
上述的机械手臂，其中，若干所述超声波传感器分别设置于所述晶圆承载夹持结构的两个表面。
上述的机械手臂，其中，设置于所述晶圆承载夹持结构的一个表面上的所述超声波传感器的数量与设置于所述晶圆承载夹持结构的另一个表面上的所述超声波传感器的数量相同。
上述的机械手臂，其中，所述晶圆承载夹持结构的一个表面上的设置有所述超声波传感器的位置与所述晶圆承载夹持结构的另一个表面上的设置有所述超声波传感器的位置相对应。
上述的机械手臂，其中，所述超声波传感器为压电式超声波传感器。
上述的机械手臂，其中，所述超声波传感器包含有两个电晶片。
上述的机械手臂，其中，所述超声波传感器还包含有一个共振板。
综上所述，本发明一种机械手臂，通过在机械手臂的晶圆承载夹持结构的上表面与下表面各安装3个呈等腰三角形分布的超声波传感器，从而实现机械手臂在前后运动过程中，手臂控制器可以实时监控晶圆承载夹持结构的上表面与下表面通晶圆之间的距离，通过比较三个超声波传感器与晶圆之间的距离是否相等，即可判断晶圆承载夹持结构是否发生倾斜，并且当检测到的距离小于安全值时，手臂控制器会发出手臂停止的指令，从而达到防止晶圆刮伤晶圆的目的。
附图说明
图1是本发明实施例所提供的一种机械手臂的结构示意图；
图2是本发明实施例所提供的一种机械手臂的晶圆承载夹持结构的结构示意图；
图3是本发明实施例所提供的一种机械手臂在抓取晶圆时的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明机械手臂做进一步地详细说明：
图1是本发明实施例所提供的一种机械手臂的示意图；如图1所示，该机械手臂10包括一主体11，至少一个连接臂12以及一个用于承载晶圆的晶圆承载夹持结构13，该晶圆承载夹持结构13为U型扁平状结构并定义该晶圆承载夹持结构13用来承载晶圆的表面为上表面，另一表面为下表面，且在该晶圆承载夹持结构13的上表面与下表面设置有相同数量的超声波传感器；其中，所述晶圆承载夹持结构上的若干个超声波传感器14应位于至少两条直线上，即该若干个超声波传感器不能位于同一条直线上；优选的，所述超声波传感器至少覆盖了所述晶圆承载夹持结构13的两个平行线的指状结构的端点，并且覆盖了所述晶圆承载夹持结构13上靠近所述连接臂12的一端；该连接臂12用以驱动该晶圆承载夹持结构13沿水平方向运动，所述主体11用以驱动所述晶圆承载加持结构13沿竖直方向运动，即通过所述连接臂12与所述主体11的共同作用驱动该晶圆承载夹持结构13沿三维方向运动。
优选的，所述主体11包括一控制器（图中未标出）及驱动器（图中未标出）。在该机械手臂10的工作过程中，该控制器可以接收所述若干个超声波传感器14所反馈来回的信号，并根据该反馈回来的信号输出一控制信号至该驱动器。所述驱动器接受该控制信号的控制，驱动所述连接臂12进行运动，以此将所述晶圆承载夹持结构13移动到目标位置。如图2所示，所述晶圆承载夹持结构13为U型结构，其包括一个与连接臂12相连接的基部131和一个从该基部131的一端延伸出来的承载部132；优选的，该承载部132包括两个相互平行的指状结构1321和1322。所述相互平行的两个指状结构1321和1322的上表面的端点处分别设置有第一超声波传感器141和第二超声波传感器142，且所述晶圆承载夹持结构13的基部131上也设置有第三超声波传感器143；其中，所述超声波传感器143位于基部131的正中间，且所述的三个超声波传感器呈等腰三角形排布。
进一步的，所述晶圆承载夹持结构13的下表面所设置的超声波传感器的排布应与所述晶圆承载夹持结构13的上表面相同，即上表面的超声波传感器与下表面的超声波传感器相对应。
优选的，所述超声波传感器14为压电式超声波传感器，该压电式超声波传感器包括两个电晶片和一个共振板。
下面结合具体的实施例来介绍该防刮机械手臂在现实工艺中的使用过程：
图3为上层晶圆21和下层晶圆22放置在晶圆固定装置20的情况下利用机械手臂10抓取晶圆时的示意图。
如图3所示，当设置超声波传感器14的晶圆承载夹持结构13伸入到位于上层晶圆21和下层晶圆22之间的卡匣23之中时，位于晶圆承载夹持结构13上表面和下表面的超声波传感器14将会检测所述晶圆承载夹持结构13与上层晶圆21和下层晶圆22之间的距离，其中，所述超声波传感器14为压电式超声波传感器，该超声波传感器14包含有两个电晶片和一个共振板，当两极被施加脉冲信号，且该脉冲信号的频率等于所述压力晶片的固有震荡频率时，该压力晶片将会发生共振，并带动共振板震动，从而将机械信号转换为电信号。当机械手臂做前进或后退动作时，超声波传感器14开始运作并发射出超声波信号，然后接收因为遇到上层晶圆21或下层晶圆22而反射回来的超声波信号，从而计算出所述晶圆承载夹持结构13与上层晶圆21和下层晶圆22之间的距离；也就是说利用声音在空气中的传播速度，计算出发射出的超声波与接收到的反射回来的超声波之间的时间差，从而得到机械手臂在运动中与上层晶圆21和下层晶圆22之间的真实距离；然后对该时间差进行处理，换算出距离值后，再将数据交付给机械手臂的控制器的控制装置进行处理。其中，由于所述三个超声波传感器14呈等腰三角形分布，所以如果3个超声波传感器14与所述晶圆之间的距离相等，则说明所述晶圆承载夹持结构13处于水平状态，相反，如果3个超声波传感器14与所述晶圆之间的距离不相等，则说明所述晶圆承载夹持结构13处于倾斜状态；并且，如果计算出的距离值小于最初设定的安全距离值，手臂控制设备将会发出停止机械手臂10运动的信号，从而达到防止刮伤的目的。
由于采用了上述技术方案，本发明一种新型机械手臂，通过在机械手臂的晶圆承载夹持结构的上表面与下表面各安装3个呈等腰三角形分布的超声波传感器，从而实现机械手臂在前后运动过程中，手臂控制器可以实时监控晶圆承载夹持结构的上表面与下表面通晶圆之间的距离，通过比较三个超声波传感器与晶圆之间的距离是否相等，即可判断晶圆承载夹持结构是否发生倾斜，并且当检测到的距离小于安全值时，手臂控制器会发出手臂停止的指令，从而达到防止刮伤晶圆的目的。
通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，基于本发明精神，还可作其他的转换。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。
对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (9)

1.一种机械手臂，应用于半导体晶圆的取放作业中，其特征在于，所述机械手臂包括主体、晶圆承载夹持结构和至少一个连接该主体与晶圆承载夹持结构的连接臂；
其中，该晶圆承载夹持结构包括有分别设置在晶圆承载夹持结构的两个表面上的若干个超声波传感器，该若干个超声波传感器分别设置于该晶圆承载夹持结构远离所述连接臂的一端处，以及靠近所述连接臂的一端处，以检测晶圆承载夹持结构的表面与晶圆之间的距离。
2.如权利要求1所述的机械手臂，其特征在于，所述机械手臂还设置有控制器。
3.如权利要求1所述的机械手臂，其特征在于，所述晶圆承载夹持结构呈扁平状。
4.如权利要求1所述的机械手臂，其特征在于，所述晶圆承载夹持结构为U型结构，且该U型结构包括有两个相互平行并位于同一平面内的指状结构，且该两个指状结构上均设置有所述超声波传感器。
5.如权利要求1所述的机械手臂，其特征在于，设置于所述晶圆承载夹持结构的一个表面上的所述超声波传感器的数量与设置于所述晶圆承载夹持结构的另一个表面上的所述超声波传感器的数量相同。
6.如权利要求5所述的机械手臂，其特征在于，所述晶圆承载夹持结构的一个表面上的设置有所述超声波传感器的位置与所述晶圆承载夹持结构的另一个表面上的设置有所述超声波传感器的位置相对应。
7.如权利要求1所述的机械手臂，其特征在于，所述超声波传感器为压电式超声波传感器。
8.如权利要求1所述的机械手臂，其特征在于，所述超声波传感器包含有两个电晶片。
9.如权利要求1所述的机械手臂，其特征在于，所述超声波传感器还包含有一个共振板。
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