CN104396002A - 多单元旋转端末效应器机制 - Google Patents

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Abstract

一种旋转式端末效应器被揭示，其用以高速操作工件，其中工件例如为太阳能电池。旋转式端末效应器可无限制地旋转。旋转式端末效应器具有夹具支架，其能够支持多个夹具，夹具可安排成任何配置，例如为4×1的线性阵列。每一夹具和抽吸系统相连通，其中，在一些实施例中，每一夹具可以选择性地启用或停用。也提供多个电性元件，例如为邻近传感器，其被安装在转动的夹具支架。在另一实施例中，使用了具有多个侧面的端末效应器，每一侧面包含多个夹具。

Description

多单元旋转端末效应器机制
技术领域
本发明涉及一种工件操作，且尤其涉及一种多单元旋转端末效应器(endeffector)机制。
背景技术
离子布植为引入可改变导电率的杂质于工件的一种标准技术，所需的杂质材料在离子源中被离子化，离子被加速而形成预定能量的离子束，且离子束被射向工件的表面。离子束中的高能离子穿透至工件材料的块材中且嵌入工件材料的晶格，并形成具有预期导电性的区域。
离子布植已被证明是一种掺杂太阳能电池的可行的方法。太阳能电池制造工业最为关注的两件事为制造输出量和电池效率，电池效率测量了能量转换成电能的量。为了在太阳能电池制造业保持竞争力，可能需要更高的电池效率。然而，制造输出量不能为了增加电池的效率而牺牲。
离子布植移除了使用于现行的太阳能电池的处理步骤，如扩散炉。若使用离子布植处理而非使用炉管扩散处理，则激光边缘隔离处理步骤也可能会被省略，这是因为离子布植仅掺杂所需的表面。离子布植也提供了对太阳能电池的整个表面执行的全面性离子布植(blanket implant)或对太阳能电池的局部表面的选择性(或图案化)的离子布植的能力。在高输出量时使用选择性离子布植来选择性植入可避免炉管扩散所需的昂贵且费时的微影或图案化步骤。选择性植入也使新的太阳能电池设计成为可能。此外，离子布植已被用于制造具有较高电池效率的太阳能电池。
任何离子布植机的制造输出量或可靠性的任何改良，将有利于全球的太阳能电池制造商，这样的改良可以是能一次拿起与移动多个工件的能力，因此，能够一次拿起多工件的端末效应器可加速采用太阳能电池作为一种替代能源来源。
发明内容
一种旋转式端末效应器被揭示，其用以高速操作工件，工件例如为太阳能电池。旋转式端末效应器可以无限地旋转，旋转式端末效应器具有夹具支架，其能够支持多个夹具，夹具可安排成任何配置，如4×1的线性阵列。每一夹具和抽吸系统相连通，其中，在一些实施例中，每一夹具可以选择性地启用和停用。也提供电性元件，如邻近传感器，其被安装于转动的夹具支架。在另一实施例中，具有多个表面的端末效应器被使用，其中每一表面具有多个夹具。
附图说明
为更好地了解本发明，请参考附图，这些附图被引入本文作为参考：
图1为第一实施例的工件操作系统的立体图。
图2为图1所示第一实施例的工件操作系统的顶部立体图。
图3为图1所示第一实施例的工件操作系统的侧面立体图。
图4为根据一实施例的端末效应器。
图5为图4所示端末效应器的横截面图。
图6为图4和图5所示端末效应器的夹具支架的内部图。
图7为根据第二实施例的端末效应器。
图8的A-L显示使用图7中的端末效应器而装载及卸载工件的一顺序。
图9为根据另一实施例的端末效应器。
图10的A-B显示一实施例使用的旋转管套节。
具体实施方式
在此描述有关太阳能电池的工件操作系统(workpiece handling system)。然而，实施例可用于其他工件，例如为半导体晶圆(semiconductor wafers)、发光二极管(light emitting diodes，LEDs)以及绝缘层覆硅晶圆(silicon-on-insulator(SOI)wafers)或其他元件。工件操作系统除了可与离子布植设备一起使用，也可与其他处理设备一起使用，其他处理设备例如为沉积、蚀刻或其他工件处理系统。因此，本发明并不限于下面描述的具体实施例。
图1至图3显示的作为示例的工件操作系统100使用4x4的工件矩阵可每小时处理超过2000片晶圆(wafers per hour，wph)。当然，也可采用其他的工件矩阵的设计，此处的实施例不限于仅是4x4矩阵。这些附图表示工件操作系统，其每一单独元件将于如下描述更多细节。图1显示传送带模块(beltmodules)、支架模块(gantry module)、矩阵(matrix)、生成站(build station)、交换(swapbot)以及装载锁定装置(load locks)的立体图。图2和图3显示上述元件的相对应的上视图及侧视图。
工件的矩阵101可放置于载具(carrier)中，载具具有独立的槽或凹部可以抓住工件。在另一实施例中，没有载具用于工件，在处理之前和处理中，矩阵101是由机器臂或其他方式来操作。在此实施例中的矩阵101可经由静电、机械夹具或重力而被抓住。
此工件操作系统100通过晶舟(cassette)或其他接口转移工件，建立矩阵101并且将其移至装载锁定装置(load lock)102。相反的过程也可被执行，其通过工件操作系统100将工件转移回晶舟或其他接口。装载锁定装置(loadlock)102则连接至离子布植机(ion implanter)或其他处理工具中。
在本实施例中，三个传送带模块106a-c可从晶舟输送工件。工件的输送可执行于特定的速度、区间(interval)或间距(pitch)，机器臂或机器人(robot)也可用以放置工件于传送带模块106a-c上。在传送带模块106a-c的末端，相机(camera)107及控制器(controller)将会决定每一工件的位置且将会决定工件转移至矩阵101时，工件的位置或方位是否需要被修正。而在其他实施例中，也可采用多于或小于三个传送带模块106a-c。每一传送带模块106a-c可指定为装载或卸载工件，或可用于装载和卸载工件两种。
支架模块(gantry module)108从传送带模块106a-c拿起工件并且建置矩阵101，其例如是利用静电、机械或真空力来达成。支架模块108可三维地移动，且也可实现旋转运动。此支架模块108可以使用从相机107和控制器的信息来校正工件的位置或方位。支架模块108也可以将工件从矩阵101移开并放置于传送带模块106a-c，进而移转回晶舟或其他接口。
支架模块108可具有至少一Y轴致动器(actuator)、一X轴致动器、一Z轴致动器以及一倾斜或旋转的致动器，其提供了四个自由度并使拿取及放置操作可被实行。支架模块108可以在x方向、y方向和θ(倾斜)方向上修正工件，支架模块108也可将工件由任一传送带模块106a-c输送至矩阵101中的任一位置。支架模块108也可以执行在θ方向上的旋转或倾斜。.
在另一实施例中，支架模块108可以跳过或不放置“坏”的工件。这些“坏”的工件可能已损坏或破损。支架模块108还可弥补可能没有正确装上传送带模块106a-c的“遗漏”的工件。在这一方面，相机107及处理器(processor)也可用以协助支架模块108。
支架模块108的端末效应器105是一个多重夹具设计(multi-gripperdesign)，其为较小版本的矩阵101。因此，虽然矩阵101可为4x4的工件，而支架模块108可为1x4或其他设计。支架模块108可修正各别的单一工件或1x4组(1x4group)中的所有工件。
在本实施例的操作中，支架模块108拿取四个已处理的工件并将其放置于传送带模块106a-c中的其中之一，之后，支架模块108由传送带模块106a-c拿取四个未处理过的工件并将其放置于矩阵101，这减少了运送时间的时数及支架模块108没有输送工件的时间。未处理的工件被放置于之前处理过的工件已被移开的矩阵101，此过程可重复且由支架模块108合并装载或卸载工件于矩阵101上的过程可被使用于整个矩阵101中。
交换模块109(使用至少一“互换机器臂(swap robot或swapbot)”)也可用以放置矩阵101在装载锁定装置102中。此交换模块109可为线性致动器(linear actuator)，交换模块109中可以有一个或超过一个的互换机器臂(swap robots)，举例而言，这些互换机器臂可持有空的载具及满的载具，一个互换机器臂可在装载或卸载的路程中停止。每一互换机器臂对于每一叶片(blades)可具有一Z轴的致动器和一个以上的Y轴致动器，第一互换机器臂可于生成台(build station)110拿起矩阵101中的一个未处理的工件，且第二互换机器臂可伸入装载锁定装置102以拿起处理过的工件。处理过的工件会从装载锁定装置102中移开，而未处理的工件会放置于装载锁定装置102中。处理后的工件返回生成台卸载，而未处理的工件处于离子布植或其他处理中。
矩阵101的构造(building)可与装载锁定装置102的抽气或排气搭配，这可能会提升附接到装载锁定装置102的系统的输出量(throughput)，其中此系统例如为离子布植设备。
图4为放大版本的端末效应器105，这是对于支架模块108而言，而图5是端末效应器105的一个横截面。如上所述，端末效应器105允许绕着和载具101垂直的轴作旋转运动，端末效应器105还允许可一次夹持多个工件。图4显示的实施例展示包括四个夹具201的端末效应器105，然而端末效应器105可以容纳任何数量的夹具。所有的夹具201都安装于夹具支架202。在一些实施例中，夹具支架202包括内部空腔203，其可为任何所需的液体或电气导管安排路线。举例而言，在一些实施例中，每一夹具201连通至管路或其他流体导管，其为抽吸系统的接口，从而允许夹具201拿起并夹持工件，相同地，夹具支架202可能需要电性接触而附接至一个或多个电气元件，这些元件的例子包括邻近传感器(proximity sensors)209或相机，然而也可以包括其他元件。
连接到夹具支架202的是旋转管套节203。旋转管套节203用于连接一个以上的静止(stationary)或固定(fixed)的流体连接器204a至旋转流体连接器204b。在本实施例中，旋转管套节203具有旋转部(rotating portion)203a及固定部(stationary portion)203b这两部分，包括旋转流体连接器(rotatingfluid connectors)204b的旋转部203a与夹具支架202一起移动，而包含包括静态流体连接器(stationary fluid connectors)204a的固定部(stationary portion)203b则保持固定。嵌入于旋转管套节203的是导管，其用以连接每一静态流体连接器204a至相对应的旋转流体连接器204b。在操作中，抽吸系统连接至静态流体连接器204a，其通过嵌入于旋转管套节的导管与旋转流体连接器204b连通。如图6所示，导管230将每一旋转流体连接器204b连接至各自相对应的夹具201。
旋转管套节203的旋转部203a刚性地定至夹具支架202。旋转部203a则为夹具支架202的驱动元件。换句话说，旋转部203a的旋转造成夹具支架202的自转(spin)。
旋转管套节203的上方为外壳(housing)205，外壳205罩着滑环206和旋转耦合器(rotary coupling)207，外壳205附接至马达安装法兰(motormount flange)208并且用以保护及保持其内部元件。滑环206是一种允许与旋转元件电性连接的装置，电性连接例如为导线(wires)或电缆(cables)210，其附接于滑环206的外部且为刚性连接。一组导电环是用来传递这些信号至导电环的内部，在此处，导线211穿越元件内的孔213并连接至夹具支架202上。换句话说，一组导线211可以连接至滑环206的固定外部部分，对应的一组导线211由滑环206的旋转内部部分离开，在此处连接至固定的外部部分的每一导线211与离开滑环206的旋转内部部分的导线211的相对应的其中之一相连通。
在一些实施例中，多个导线211，以六条导线为例，其被传送至夹具支架202，然而任何数目的导线211也可想象得到。这些导线211可用以带来能源、接地信号或数据于固定于夹具支架202上的元件。
旋转耦合器207用以将旋转致动器215与轴220耦合，轴220提供使夹具支架202旋转的方法。轴220可为空心的且具有一个以上的由其外部到其内部的开口。在一实施例中，导线211由滑环206穿过这些开口而于轴220向下传递至夹具支架202，在本实施例中，滑环206与夹具支架202一起转动，使得第二轴220和导线211之间没有相对运动。
需要留意的是，滑环206与旋转管套节203都包含一个穿过其的孔，以允许轴220从旋转耦合器207通过至旋转管套节203的旋转部203a。旋转致动器215可为与伺服电动机耦合的50∶1的谐波齿轮箱，然而其它旋转器致动器也可使用。
图10的A-B中显示的一实施例中，轴220是与旋转管套节203一体成型的一部分。在本实施例中，轴220固定至旋转部203a的内部部分及延伸通过位于固定部203b的孔，其延伸出一预定的长度且超出旋转管套节203，此扩展的长度允许滑环206在轴220上滑动，如图10的B所示。之后，此扩展长度接触旋转耦合器207并固定于其上。在另一实施例中，轴200是一个分离的组件，其一末端固定至旋转耦合器207，另一末端则固定至旋转管套节203的旋转部203b。
当提供高扭矩时，此种配置可达成无限地旋转，其也允许多个夹具201放置于夹具支架202，每一夹具都可独立地控制。在图4所示的实施例中，夹具可排列成4×1的线性矩阵。然而，其他配置也为可能且在揭示的范围之内。例如，线性阵列可大于4×1，在其它实施例中，阵列可以不是线性的，如一个2×2的矩阵。端末效应器是绕着垂直于夹具201所在的平面的轴而旋转。
在另一实施例中，不同的端末效应器300也可使用。图7所示的是具有多个表面310的端末效应器300，每一表面310具有多个夹具301，每一夹具301都可连接至抽吸系统，其类似于前面所述。在一些实施例中，每一夹具的抽吸系统可独立于其他夹具而致动。在其他实施例中，一个或多个夹具则共用一个共同的抽吸系统，并作为一个单元启动，因此每一夹具301连接至导管并与抽吸系统相连通。端末效应器300也具有旋转管套节和滑环，如图5中所描述相关联的部分，这些元件将使夹具301和系统其余部分之间的流体及电性连结的扭曲为最少。然而端末效应器300在其它实施例中无法完全360°旋转，其不同于图5中的端末效应器300。在本实施例中，流体和电气连接可允许扭曲，因为它们受到的扭曲量是有一定限度的，因此，在本实施例中，可不需要旋转管套节或滑环。不同于前述的实施例，端末效应器300是绕着平行为夹具301所在的平面的轴而旋转，此旋转轴允许端末效应器300的不同侧面与工件接触。
图7的端末效应器300具有多个侧面，每一侧面具有一个或多个夹具301。在一实施例中，有M+1个侧面，其中这些侧面中的每一个侧面皆具有N个夹具，此端末效应器300与载具结合并运作而用以保持工件，其保持着M*N个工件。作为一个范例，若载具装载了16个工件并组织为4×4的矩阵，端末效应器300可具有3个侧面，每一侧面有8个夹具，如图7所示。
在另一实施例中，端末效应器600可有5个侧面，每一侧面具有4个夹具610，如图9所示。在本实施例中，载具上的所有的工件可以保持在端末效应器600的四个侧面上。这允许另一侧面可被用于其他目的。换言之，其包含一个额外的侧面允许同时用于装载和卸载工件。
图8的A-L显示了一个例子，其使用具有3个侧面的端末效应器，每一侧面具有8个夹具301。如前所述，端末效应器的其它配置是可能的。在图8的A中，端末效应器300装载未处理的工件于其侧面中的两面。假设如图7的结构，有8个未处理的工件在侧面350和8个未处理的工件在侧面351侧，而侧面352在此时是空的。
在图8的B中，端末效应器300被移到载具101，举例而言，载具101包含16个处理后的工件，其组织成4列且每列中有4个工件。在图8的C中，端末效应器300被降下，使无承载物的侧面352位于两列处理过的工件的顶上。在图8的D中，抽吸系统与相关联的侧面352被启用，且侧面352上的夹具301从载具101中拿起处理后的工件。之后，端末效应器300在垂直方向上移动。在图8的E中，端末效应器300通过旋转120度以移动不同的侧面351在载具101上方。转动量被定义为360度/(侧面的数量)。在端末效应器300旋转过后，端末效应器300垂直向下移动，如图8的F所示，故使侧面351上的未处理的工件放置在载具101上。然后，与侧面351相关联的抽吸系统被停用，使得夹具301上的未处理的工件被释放。
之后，端末效应器300垂直移动，如图8的G所示。然后，端末效应器往载具101中的其他处理后的工件水平移动，如图8的H所示。接着，降低端末效应器，从而使侧面351接触或接近接触处理过的工件，如图8的I所示。之后，启动与侧面351相关联的抽吸系统，从而由载具101拿起处理后的工件，如图8的J所示。接着，端末效应器300垂直移动，空出足够的空间，以使端末效应器300可以旋转120°，如图8的K所示。然后降低端末效应器300，以使侧面350上的未处理的工件可被放置在载具101上，如图8的L所示。然后，停用与侧面350相关联的抽气系统，从而释放载具101上的未处理的工件。
端末效应器300现在有16个处理后的工件，然后移动到另一位置卸载这些处理后的工件，并采用同样的过程拿起16个未处理的工件。上述所示的顺序于顺时针方向移动端末效应器，在一些实施例中，如不使用旋转管套节和滑环时，随后的处理将通过往反时针方向移动端部执行器300而进行。
类似的过程在图9中的端末效应器600被执行。在本实施例中，端末效应器600必须被旋转5次，以允许16个工件的装载和卸载。换句话说，图8的E-J中所示的步骤将执行额外的两次，用以移进工件至所有的5个侧面或将工件从所有的5个侧面移出。
在一些实施例中，如图7的端末效应器300是用以代替图4的端末效应器200。在本实施例中，支架模块108用于移动和控制端末效应器300。
在另一个实施例中，图7中的端末效应器300也可以与不同的致动器一起使用。在本实施例中，此致动器可替代图1中的支架模块108和交换模块109。此致动器可以直接将未处理的工件由传送带模块106a-c移动至装载锁定装置102。如前所述，端末效应器300可从传送带模块106a-c拿起足够的未处理的工件，以填满整个载具101。在其它实施例中，载具可能不会被使用到，且端末效应器300可以直接将未处理的工件移动至装载锁定装置102的下表面。拿起所需数量的未处理的工件之后，端末效应器300被致动器移动至装载锁定装置102，然后，将未处理的工件放置于装载锁定装置102和拿起处理过的工件，并与图8中所描述过的过程相配合。
本发明不局限于本文所描述的具体实施例的范围，事实上，除了本文所述的那些实施例之外，通过前述和附图，其他的各种实施例和对本文揭示的修改对于本技术领域中技术人员是显而易见的，且其他的实施例和修改皆应在本文所揭示的范围内。此外，在特定环境中针对特定用途的特定实现，虽然已被在此描述的本发明中，在本技术领域中技术人员将知到，它的效用并不限于此。本发明可为有益于各种的环境中实现的各种目的，因此，载于上文的申请专利范围应以完全的广度及本发明在此描述的精神来解释。

Claims (14)

1.一种端末效应器，应用于工件操作系统，其特征在于所述端末效应器包括：
多个夹具，每一所述夹具与对应的流体导管相互连通，所述流体导管适于作为抽吸系统的接口；
可旋转支架，支撑所述夹具；
旋转管套节，包括第一固定部以及旋转部，所述第一固定部包括多个固定连接器，所述旋转部具有相对应数量的旋转连接器，其中每一所述固定连接器和对应的所述旋转连接器经由对应的导管相连通于所述旋转管套节中，其中每一所述旋转连接器附接至对应的流体导管且其中所述旋转部为固定于所述可旋转支架；
滑环，包括固定外部部分及旋转内部部分，第一导线连接至所述固定外部部分，第二导线则由所述旋转内部部分伸出，其中所述第一导线和所述第二导线经由所述滑环而相互连通；
旋转致动器，配置的位置使得所述滑环位于所述旋转致动器及所述旋转管套节之间；以及
轴，耦合所述旋转致动器与所述旋转部，其中所述滑环以及所述旋转管套节各包括内部孔，使所述轴通过所述内部孔。
2.根据权利要求1所述的端末效应器，其特征在于所述轴包括内部孔，且所述第二导线穿越所述内部孔。
3.根据权利要求1所述的端末效应器，其特征在于所述夹具在所述夹具支架上排列成线性阵列。
4.根据权利要求3所述的端末效应器，其特征在于还包括四个夹具。
5.根据权利要求1所述的端末效应器，其特征在于所述轴与所述旋转管套节为一体，且所述轴由所述旋转管套节的所述旋转部延伸。
6.根据权利要求5所述的端末效应器，其特征在于还包括旋转耦合器，耦合所述旋转致动器与所述轴，其中所述滑环配置于所述轴上，且位于所述旋转管套节以及所述旋转耦合器之间。
7.一种工件操作系统，包括支架模块，其用以将多个工件从第一位置移动至第二位置，其特征在于所述支架模块包括：
端末效应器，用以拿起所述工件；
第一致动器，用以在X方向移动所述端末效应器；
第二致动器，用以在Y方向移动所述端末效应器；
第三致动器，用以在Z方向移动所述端末效应器；
其中，所述端末效应器包括：
多个夹具，每一所述夹具与对应的流体导管相互连通，所述流体导管适于作为抽吸系统的接口；
可旋转支架，支撑所述夹具；
旋转管套节，包括第一固定部与旋转部，所述第一固定部包括多个固定连接器，所述旋转部具有相对应数量的旋转连接器，其中每一所述固定连接器和对应的所述旋转连接器经由对应的导管相连通于所述旋转管套节中，其中每一所述旋转连接器附接至对应的流体导管，且其中所述旋转部为固定于所述可旋转支架；
滑环，包括固定外部部分及旋转内部部分，第一导线连接至固定外部部分，第二导线由旋转内部部分伸出，其中所述第一导线和所述第二导线经由所述滑环而相互连通；
旋转致动器，配置的位置使得所述滑环位于所述旋转致动器及所述旋转管套节之间；以及
轴，耦合所述旋转致动器和所述旋转部，其中所述滑环以及所述旋转管套节各包括内部孔，使所述轴通过所述内部孔。
8.根据权利要求7所述的工件操作系统，其特征在于所述轴与所述旋转管套节为一体，且所述轴由所述旋转管套节的所述旋转部延伸。
9.根据权利要求8所述的工件操作系统，其特征在于还包括旋转耦合器，耦合所述旋转致动器与所述轴，其中所述滑环配置于所述轴，且位于所述旋转管套节以及所述旋转耦合器之间。
10.根据权利要求7所述的工件操作系统，其特征在于还包括位于所述可旋转支架的电性元件，所述电性元件和所述第二导线相连通。
11.一种工件操作系统，包括支架模块，用以将多个工件从第一位置移动至第二位置，其特征在于所述支架模块包括：
端末效应器，用以拿起所述工件；
第一致动器，用以在X方向移动所述端末效应器；
第二致动器，用以在Y方向移动所述端末效应器；
第三致动器，用以在Z方向移动所述端末效应器；
其中，所述端末效应器包括：
包括四个夹具的线性阵列，每一所述夹具与对应的流体导管相互连通，所述流体导管适于作为抽吸系统的接口；
可旋转支架，支撑所述夹具的线性阵列；
旋转管套节，包括第一固定部及旋转部，所述第一固定部包括四固定连接器，所述旋转部具有相对应数量的旋转连接器，其中每一所述固定连接器和对应的所述旋转连接器经由对应的导管相连通于所述旋转管套节中，其中每一所述旋转连接器附接至对应的流体导管且其中所述旋转部为固定于所述可旋转支架；
滑环，包括固定外部部分及旋转内部部分，第一导线连接至所述固定外部部分，第二导线由所述旋转内部部分伸出，其中所述第一导线和所述第二导线经由所述滑环而相互连通；
旋转致动器，配置的位置使得所述滑环位于所述旋转致动器及所述旋转管套节之间；以及
轴，耦合所述旋转致动器和所述旋转部，其中所述滑环以及所述旋转管套节各包括内部孔，使所述轴通过所述内部孔。
12.根据权利要求11所述的工件操作系统，其特征在于所述轴与所述旋转管套节为一体，且所述轴由所述旋转管套节的所述旋转部延伸。
13.根据权利要求12所述的工件操作系统，其特征在于还包括旋转耦合器，耦合所述旋转致动器与所述轴，其中所述滑环配置于所述旋转管套节以及所述旋转耦合器之间的所述轴。
14.根据权利要求11所述的工件操作系统，其特征在于还包括位于所述可旋转支架上的电性元件，所述电性元件和所述第二导线相连通。
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