CN103811385A - 一种用于运送晶圆的机械手机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于运送晶圆的机械手机构，包括一升降驱动机构、一旋转驱动机构、一水平驱动机构和一末端执行部件，所述末端执行部件在旋转驱动机构和水平驱动机构的驱动下承载晶圆做直线运动。本发明的用于运送晶圆的机械手机构，通过对末端执行部件的负载中心进行设计，使之偏置于第一轴线和第三轴线构成的平面外，巧妙地把负载中心的运动轨迹和末端执行部件旋转轴心的运动路径设置为不重合的、且平行的两条直线；通过将负载中心向旋转主臂和旋转副臂的弯曲侧偏置，使机械手最大弯曲时的占用的空间在水平方向上不超过负载边缘的运动轨迹，不占用额外的空间，避免了干涉其他的机械手机构的运作，达到机械手水平运动工作空间布置的优化。

Description

一种用于运送晶圆的机械手机构
技术领域
本发明涉及一种在工业上移送物件过程中使用的机械手机构，尤其涉及一种用于运送晶圆的机械手机构。
背景技术
在现有的半导体加工过程中，需要对晶圆进行两道检测程序：先是低倍率的快速检测，然后是高倍率的仔细检测。当完成低倍率的快速检测后，需要用一机械手将晶圆运送至高倍率检测平台上。机械手作为负责不同工位之间传送晶圆的关键自动化设备，一方面，主要要求减小占用空间，另外一方面亦要求扩大作业区域，这就涉及到如何在水平运动工作空间布置的优化，使得机械手在合格地完成工作任务的同时，减少干涉其他机械手的机会。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在水平运动工作空间优化布置的用于运送晶圆的机械手机构。
为达到上述目的本发明提供了一种用于运送晶圆的机械手机构，其包括：
一升降驱动机构；
一旋转驱动机构，安装于升降驱动机构上；
一水平驱动机构，包括旋转主臂和旋转副臂，旋转主臂安装于旋转驱动机构上端，由旋转驱动机构驱动绕第一轴线旋转，旋转主臂和旋转副臂在第二轴线处安装于一体，且旋转主臂和旋转副臂绕第二轴线相对旋转；
一末端执行部件，可旋转地安装于水平驱动机构的旋转副臂上，可绕第三轴线旋转，所述末端执行部件在旋转驱动机构和水平驱动机构的驱动下承载晶圆做直线运动；
其中，末端执行部件的负载中心的运动路径为一与第一轴线、第三轴线均垂直的直线，且第一轴线、第二轴线和第三轴线相互平行，负载中心的运动路径与第一轴线和第三轴线构成的面之间具有一特定距离，所述特定距离等于第一轴线到旋转主臂最远端的距离与晶圆半径之差。
所述水平驱动机构中，旋转驱动机构与旋转主臂连接，旋转主臂的一端与一固定带轮通过轴承可相对旋转地安装于一体，且固定带轮的中轴线为第一轴线，旋转主臂的另一端固定连接有一肘轴组件，所述肘轴组件的轴向固定连接一带轮轴；一级从动带轮通过轴承可转动地安装在肘轴组件上，且所述一级从动带轮与旋转副臂的一端固定连接，可绕肘轴组件同步转动；所述固定带轮通过一级齿形带与一级从动带轮啮合，一级从动带轮的中轴线为第二轴线；
旋转副臂的另一端固定连接有一腕轴组件，二级从动带轮通过轴承可转动地安装在腕轴组件上，且所述二级从动带轮与末端执行部件固定连接，可绕腕轴组件同步转动；所述带轮轴通过二级齿形带与二级从动带轮啮合，二级从动带轮的中轴线为第三轴线；
其中，固定带轮与从动带轮的齿数比为2：1，带轮轴与二级从动带轮的齿数比为1∶2，旋转主臂与旋转副臂的旋转方向相反，旋转副臂与末端执行部件的旋转方向相反，即旋转主臂与旋转副臂、末端执行部件为转数比为1∶-2∶1的传动结构；所述第一轴线、所述第二轴线和所述第三轴线相互平行，所述第一轴线与第二轴线的距离，等于所述第二轴线与所述第三轴线的距离。
所述末端执行部件的负载中心是晶圆的中心，所述第一轴线与第二轴线的距离小于晶圆的直径。
所述二级从动带轮的轴心在所述末端执行部件的负载中心的运动路径之外。
本发明的用于运送晶圆的机械手机构，通过对末端执行部件的负载中心进行设计，使之偏置于第一轴线和第三轴线构成的平面外，巧妙地把负载中心的运动轨迹和末端执行部件旋转轴心的运动路径设置为不重合的、且平行的两条直线；通过将负载中心向旋转主臂和旋转副臂的弯曲侧偏置，使机械手最大弯曲时的占用的空间在水平方向上不超过负载边缘的运动轨迹，不占用额外的空间，避免了干涉其他的机械手机构的运作，达到机械手水平运动工作空间布置的优化。
附图说明
图1为本发明的用于运送晶圆的机械手机构托住晶圆的一个实施例的立体图；
图2为图1所示的用于运送晶圆的机械手机构托住晶圆的一运动状态的俯视图；
图3为图1所示的用于运送晶圆的机械手机构托住晶圆的另一运动状态的俯视图；
图4为图1所示的用于运送晶圆的机械手机构的A-A剖面示意图；
图5为图1所示的用于运送晶圆的机械手机构的另一剖面示意图。
附图标号说明
旋转主臂3         旋转副臂4             末端执行部件5
第一轴线M1        第二轴线M2            第三轴线M3
驱动电机10        减速机14              支撑框架8
第一带轮11        同步带12              第二带轮13
磁流体密封装置15  固定带轮17            法兰2
一级齿形带19      一级从动带轮20        带轮轴24
二级从动带轮26    二级齿形带25          腕轴组件29
晶圆6             肘轴组件23
具体实施方式
下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行进一步的详细说明。
如图1所示，本发明的用于运送晶圆的机械手机构的一个实施例，包括：
一升降驱动机构；
一旋转驱动机构，安装于升降驱动机构上；
一水平驱动机构，安装于旋转驱动机构上端，包括旋转主臂3和旋转副臂4，旋转主臂3由旋转驱动机构驱动绕第一轴线M1旋转，旋转主臂3和旋转副臂4在第二轴线M2处安装于一体，且旋转主臂3和旋转副臂4绕第二轴线M2相对旋转；
一末端执行部件5，可旋转地安装于旋转副臂4上，末端执行部件5和旋转副臂4绕第三轴线M3相对旋转。
图2为机械手机构处于伸展状态的示意图，图3为机械手机构处于收缩状态的示意图，第一轴线M1为垂直于图面且经过M点的直线，第二轴线M2为垂直于图面且经过N点的直线，第三轴线M3为垂直于图面且经过O点的直线。
如图4和图5所示，所述旋转驱动机构具体包括一驱动电机10和减速机14，固定安装于支撑框架8上。驱动电机10的输出端连接于第一带轮11，第一带轮11通过同步带12与第二带轮13进行柔性连接，第二带轮13连接于减速机14上，减速机14的输出端与磁流体密封装置15连接，磁流体密封装置15一端固定连接于法兰2。
在水平驱动机构中，具体地、所述磁流体密封装置15的输出端与旋转主臂3的首端连接，旋转主臂3的首端还与一固定带轮17通过轴承可相对旋转地安装于一体，且固定带轮17的中轴线为第一轴线M1。所述固定带轮17与法兰2固定连接。
旋转主臂3的末端第二轴线M2处固定连接有一肘轴组件23，所述肘轴组件23的轴向固定连接一带轮轴24。一级从动带轮20通过轴承可转动地安装在肘轴组件23上，且所述一级从动带轮20与旋转副臂4的首端固定连接，可绕肘轴组件23同步转动。所述固定带轮17通过一级齿形带19与一级从动带轮20啮合，一级从动带轮20的中轴线为第二轴线M2。
旋转副臂4的末端第三轴线M3处固定连接有一腕轴组件29，二级从动带轮26通过轴承可转动地安装在腕轴组件29上，且所述二级从动带轮26与末端执行部件5固定连接，可绕腕轴组件29同步转动。所述带轮轴24通过二级齿形带25与二级从动带轮26啮合，二级从动带轮26的中轴线为第三轴线M3。末端执行部件5在晶圆6下方托住晶圆6进行直线运动，如图2和图3所示，直线路径L1即为末端执行部件5的负载中心X的运动路径。
如图2和图3所示的状态，在本发明实施例的机械手机构由伸展状态运动到收缩状态的过程中，法兰2是固定不动的，旋转主臂3围绕第一轴线M1进行顺时针旋转，而旋转主臂3和旋转副臂4围绕第二轴线M2进行旋转运动，旋转副臂4和末端执行部件5围绕第三轴线M3旋转运动，而末端执行部件5和负载（晶圆6）随着旋转主臂3和旋转副臂4的旋转伸缩，进行直线运动。
在这个传动过程中，驱动电机10带动第一带轮11，第一带轮11通过同步带12将运动传递给第二带轮13；第二带轮13带动减速机14进行减速运动，然后通过磁流体密封装置15输出端带动旋转主臂3转动。由于固定带轮17通过一级齿形带19与一级从动带轮20相啮合，在旋转主臂3转动过程中，固定带轮17和一级从动带轮20相对位置产生了变化，一级齿形带19的啮合作用使一级从动带轮20转动，这也就带动了旋转主臂3和旋转副臂4围绕第二轴线M2进行相对旋转运动，固定带轮17与一级从动带轮20构成行星周转轮系。同时，二级从动带轮26通过二级齿形带25与带轮轴24相啮合，这也就带动了旋转副臂4和末端执行部件5围绕第三轴线M3进行相对旋转运动。在以旋转主臂3为参考体系的旋转副臂4中，带轮轴24和二级从动带轮26也构成一个行星周转轮系。在这两个行星周转轮系的作用下，旋转副臂4与末端执行部件5的旋转连接轴心O始终沿着径向的直线路径L2伸缩动作。
另外，负载（晶圆6）被末端执行部件5托住，两者之间相互固定不动，因此，负载中心X运动的路径L1取决于旋转副臂4与末端执行部件5的旋转连接轴心O运动的路径L2，即路径L1为平行于路径L2的直线。
需要指出的是，固定带轮17与一级从动带轮20的齿数比为2：1，带轮轴24与二级从动带轮26的齿比为1∶2，又由于旋转主臂3与一级从动带轮20之间为负号传递结构，即旋转主臂3与旋转副臂4、末端执行部件5为1∶-2∶1转数比的传动结构。
旋转主臂3与一级从动带轮20之间，以及二级从动带轮26与旋转副臂4之间，为负号传递机构；换句话说，旋转主臂3与旋转副臂4的旋转方向相反，旋转副臂4与末端执行部件5的旋转方向相反，实现旋转主臂3、旋转副臂4与末端执行部件5的转数比为1∶-2∶1的传动关系。
特别的，所述第一轴线M1、所述第二轴线M2和所述第三轴线M3相互平行，其中，所述第一轴线M1与第二轴线M2的距离，等于所述第二轴线M2与所述第三轴线M3的距离。所述末端执行部件5的负载是晶圆6，所述第一轴线M1与第二轴线M2的距离小于晶圆6的直径，所述二级从动带轮26的旋转轴心O在所述末端执行部件5的负载中心X运动的路径L1之外。
具体地，负载中心X运动的路径L1与第一轴线M1和第三轴线M3构成的面（路径L2所在的垂直于图2的图面的平面）之间具有一特定距离（即图2和图3中的路径L1和路径L2之间的最短距离），所述特定距离等于第一轴线M1到旋转主臂3最远端的距离与晶圆6半径之差。这样，在伸缩传动过程中，即使旋转主臂3在旋转达到图2和图3中的横向最大行程时，也不会超过晶圆6的最右端的运动轨迹，也不超过晶圆6最左端的运动轨迹，机械手弯曲时占用的空间在水平方向上不超出负载的运动空间，避免了干涉其他的机械手机构的运作。
这样，负载中心X沿着路径L1运动，第三轴线M3沿路径L2运动，旋转主臂3的运动行程不超过晶圆6的水平运动空间。在同负载和同臂长的情况下，相对于负载中心X运动的路径L1与末端执行部件5旋转轴心O重叠的传统设计，进一步优化了机械手水平运动工作空间的布置。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种用于运送晶圆的机械手机构，其特征在于，包括：
一升降驱动机构；
一旋转驱动机构，安装于升降驱动机构上；
一水平驱动机构，包括旋转主臂和旋转副臂，旋转主臂安装于旋转驱动机构上端，由旋转驱动机构驱动绕第一轴线旋转，旋转主臂和旋转副臂在第二轴线处安装于一体，且旋转主臂和旋转副臂绕第二轴线相对旋转；
一末端执行部件，可旋转地安装于水平驱动机构的旋转副臂上，可绕第三轴线旋转，所述末端执行部件在旋转驱动机构和水平驱动机构的驱动下承载晶圆做直线运动；
其中，末端执行部件的负载中心的运动路径为一与第一轴线、第三轴线均垂直的直线，且第一轴线、第二轴线和第三轴线相互平行，负载中心的运动路径与第一轴线和第三轴线构成的面之间具有一特定距离，所述特定距离等于第一轴线到旋转主臂最远端的距离与晶圆半径之差。
2.根据权利要求1所述的用于运送晶圆的机械手机构，其特征在于：
所述水平驱动机构中，旋转驱动机构与旋转主臂连接，旋转主臂的一端与一固定带轮通过轴承可相对旋转地安装于一体，且固定带轮的中轴线为第一轴线，旋转主臂的另一端固定连接有一肘轴组件，所述肘轴组件的轴向固定连接一带轮轴；一级从动带轮通过轴承可转动地安装在肘轴组件上，且所述一级从动带轮与旋转副臂的一端固定连接，可绕肘轴组件同步转动；所述固定带轮通过一级齿形带与一级从动带轮啮合，一级从动带轮的中轴线为第二轴线；
旋转副臂的另一端固定连接有一腕轴组件，二级从动带轮通过轴承可转动地安装在腕轴组件上，且所述二级从动带轮与末端执行部件固定连接，可绕腕轴组件同步转动；所述带轮轴通过二级齿形带与二级从动带轮啮合，二级从动带轮的中轴线为第三轴线；
其中，固定带轮与从动带轮的齿数比为2：1，带轮轴与二级从动带轮的齿数比为1∶2，旋转主臂与旋转副臂的旋转方向相反，旋转副臂与末端执行部件的旋转方向相反，即旋转主臂与旋转副臂、末端执行部件为转数比为1∶-2∶1的传动结构；所述第一轴线、所述第二轴线和所述第三轴线相互平行，所述第一轴线与第二轴线的距离，等于所述第二轴线与所述第三轴线的距离。
3.根据权利要求2所述的用于运送晶圆的机械手机构，其特征在于：所述末端执行部件的负载中心是晶圆的中心，所述第一轴线与第二轴线的距离小于晶圆的直径。
4.根据权利要求3所述的用于运送晶圆的机械手机构，其特征在于：所述二级从动带轮的轴心在所述末端执行部件的负载中心的运动路径之外。
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