CN113394158A - —种单臂三自由度的晶圆传输机械手及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及晶圆传输机械手领域，公开了—种单臂三自由度的晶圆传输机械手及使用方法，通过垂直移动组件、旋转组件与径向移动组件将机械爪的一端靠近顶层晶圆片的一侧上方，通过伸缩电机等设置，使得延伸板的一端逐渐靠近顶层晶圆片并位于晶圆片的上方，启动抽气组件，利用伯努利吸盘原理，使得通孔处的压强较小，继而使得顶层晶圆片被吸附至延伸板的一端，通过控制径向移动组件将顶层晶圆片向片盒外移动一段距离，继而便于后续使用真空发生器与吸盘对顶层晶圆片进行运输，同时，扩大片盒内的操作空间，便于机械爪运转后续晶圆片，通过反向电机等设置，吸盘发生翻转吸附晶圆片，扩大片盒的储存能力，提高空间利用率。

Description

—种单臂三自由度的晶圆传输机械手及使用方法
技术领域
本发明涉及晶圆传输机械手领域，具体为—种单臂三自由度的晶圆传输机械手及使用方法。
背景技术
随着晶圆的生产产量和尺寸不断增加，要求晶圆的生产及测试向着高速化、连续化、自动化生产方向发展。由于需要在有限的空间实现晶圆工位的快速转移，从而在进行晶圆检测时，对自动传输机械手的工作稳定性、动作准确性、以及洁净度等方面，都提出了较高的要求，因此，作为半导体检测中硅片传输和定位的核心设备，对晶圆传输机械手的探究，对打破国外对中国高端显微市场的垄断，促进我国半导体产业的发展，具有重要意义。
现有技术中，公开号为CN106409740B的专利文献中提出了一种晶圆传输机械手用来满足晶圆片的传输需求，但是对晶圆片盒的要求较高，多个晶圆片在片盒内的储存间距较大，以方便机械爪伸入片盒内利用吸盘吸附晶圆片进行转移，因此造成片盒的储存容量小，空间利用率较低，此外，采用丝杆配合导向机构移动机械爪的方式，转移晶圆速度慢，效率低，因此，我们公开了—种单臂三自由度的晶圆传输机械手及使用方法用来满足晶圆片的传输需求。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了—种单臂三自由度的晶圆传输机械手及使用方法，具备灵活抓取等优点，解决了传统机械手难操作造成片盒容量小等系列问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：—种单臂三自由度的晶圆传输机械手及使用方法，包括固定座，所述固定座包含相对应的底座与顶座，所述固定座上安装有垂直导杆和垂直移动组件，所述垂直导杆上滑动套接有升降台，所述垂直移动组件用以带动所述升降台快速升降，所述升降台上安装有旋转组件，所述旋转组件上连接有径向移动组件，所述径向移动组件用以带动机械爪快速移动，所述径向移动组件包含反向组件，所述反向组件用以翻转所述机械爪，且所述机械爪上安装有用以吸附晶圆片的吸盘；
还包括延伸组件，所述延伸组件用以带动片盒内的顶层晶圆片。
优选地，所述垂直移动组件包含垂直电动滑轨与垂直电动滑块，所述固定座上固定安装有两个位置相对应的所述垂直电动滑轨，两个所述垂直电动滑轨上均滑动套接有所述垂直电动滑块，两个所述垂直电动滑块通过对应的连接件固定连接有同一个所述升降台。
优选地，所述旋转组件包含旋转电机与旋转杆，所述升降台上固定安装有所述旋转电机，所述旋转电机的输出轴通过第一联轴器固定连接有所述旋转杆，所述旋转杆的顶端固定连接有径向台。
优选地，所述径向移动组件包含径向电动滑轨与径向电动滑块，所述径向台上固定连接有两个位置相对应的所述径向电动滑轨，两个所述径向电动滑轨上均滑动套接有所述径向电动滑块，且两个所述径向电动滑块的顶部均固定连接有连接柱，两个所述连接柱的顶端均固定连接有同一个径向滑座。
优选地，所述反向组件包含反向电机与螺接件，所述径向滑座的顶部固定连接有所述反向电机，所述反向电机的输出轴通过第二联轴器固定连接有反向输出轴，所述反向输出轴与所述机械爪通过所述螺接件相连接。
优选地，所述机械爪上固定安装有与所述吸盘相连通的真空发生器，所述机械爪的顶侧固定安装有弹簧，所述弹簧的另一端固定安装有压力传感器，所述压力传感器用以检测所述吸盘是否吸附晶圆片。
优选地，所述延伸组件包含延伸板与径向齿，所述机械爪的一侧开设有径向滑槽，所述径向滑槽内滑动套接有所述延伸板，所述延伸板内开设有空腔，且所述机械爪的顶侧开设有与所述径向滑槽相连通的矩形槽，所述延伸板的顶部固定安装有多个分布均匀的径向齿，所述机械爪上固定安装有伸缩电机，所述伸缩电机的输出轴的一端固定连接有与所述径向齿相啮合的主动齿轮；
所述延伸组件还包括通孔与抽气组件，所述延伸板的一端开设有多个与所述空腔连通的通孔，所述机械爪上固定安装有所述吸盘，所述抽气组件的一端通过进气软管与所述空腔相连通。
本申请还公开了一种单臂三自由度的晶圆传输机械手的使用方法：
工作时，机械手收到工控机发出的控制信号，垂直移动组件与旋转组件配合运动使机械手旋转后升近至片盒高度，通过工控机判断顶侧晶圆片与片盒顶侧内壁间距若小于机械爪的厚度，径向移动组件驱动机械手爪伸出至片盒的一侧，控制伸缩电机运转，驱动主动齿轮与延伸板，当延伸板的一端进入顶侧晶圆片与片盒的顶侧内壁间的间隙后，开启抽气组件，将顶侧吸盘吸附在延伸板的一端，控制伸缩电机反向驱动延伸板，顶层晶圆片向外移动一段距离，关闭抽气组件后控制伸缩电机将延伸板收回机械爪内，垂直移动组件带动机械爪位于顶层晶圆片的下方，径向移动组件驱动机械手爪伸出至顶层晶圆片的正下方，然后垂直移动组件继续略微上移，压力传感器接触晶圆，真空发生器启动，通过吸盘吸住晶圆，并在径向移动组件的驱动下机械爪径向回缩使晶圆脱离片盒；
在片盒中的顶层晶圆被取出后，承载晶圆的机械手经过垂直移动组件与旋转组件的配合运动到达预对准台的高度后，径向移动组件驱动机械爪运动到预对准台的上方，之后机械爪在垂直移动组件的驱动下下降，预对准台接触晶圆，断开真空发生器，机械爪释放晶圆并恢复到初始零位，完成上片过程；
重复上述操作，再度通过工控机判断上层晶圆片与片盒顶侧内壁间距是否小于机械爪的厚度，若小于，则持续上述操作；若大于机械爪的厚度，即通过反向组件控制吸盘翻转，通过径向移动组件使机械爪移动至片盒内的晶圆正上方，然后垂直移动组件继续略微下移，压力传感器接触晶圆，真空发生器启动，通过吸盘吸住晶圆，并在径向移动组件的驱动下机械爪径向回缩使晶圆脱离片盒，完成取片过程。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了—种单臂三自由度的晶圆传输机械手及使用方法，具备以下有益效果：
1、该单臂三自由度的晶圆传输机械手及使用方法，通过设置垂直电动滑轨与垂直电动滑块及径向电动滑轨与径向电动滑块替代丝杆运动，使得机械爪在垂直方向与水平方向上移动更加迅速灵活，提高了晶圆片的传输效率，通过设置相连接的弹簧与压力传感器，使得压力传感器受到晶圆压力时，确保晶圆被吸盘完全吸附，避免机械爪未吸附晶圆做无用功，也能防止晶圆未吸附牢固在运输时发生脱落的情况。
2、该单臂三自由度的晶圆传输机械手及使用方法，通过垂直移动组件、旋转组件与径向移动组件将机械爪的一端靠近顶层晶圆片的一侧上方，启动伸缩电机，使得主动齿轮转动带动径向齿移动，继而使得延伸板的一端逐渐靠近顶层晶圆片并位于晶圆片的上方，启动抽气组件，利用伯努利吸盘原理，使得通孔处的压强较小，继而使得顶层晶圆片被吸附至延伸板的一端，通过控制径向移动组件将顶层晶圆片向片盒外移动一段距离，继而便于后续使用真空发生器与吸盘对顶层晶圆片进行运输，同时，扩大片盒内的操作空间，便于机械爪运转后续晶圆片。
3、该单臂三自由度的晶圆传输机械手及使用方法，通过反向电机，使得反向输出轴通过螺接件带动机械爪进行翻转，继而使得真空发生器与吸盘发生翻转，从而通过径向移动组件将机械爪的一端伸入至片盒内的晶圆片上方进行吸附运输，进而使得片盒内能够存放更多数量的晶圆片，扩大片盒的储存能力，提高空间利用率。
附图说明
图1为本发明机械手的第一视角立体结构示意图；
图2为本发明机械手的第二视角立体结构示意图；
图3为本发明机械手的固定座立体结构示意图；
图4为本发明机械手的径向移动组件立体结构示意图；
图5为本发明机械手的机械爪第一视角立体结构示意图；
图6为本发明机械手的机械爪第二视角立体结构示意图；
图7为本发明机械手的部分拆分立体结构示意图；
图8为本发明机械手的剖开立体结构示意图。
图中：1、底座；2、顶座；3、垂直导杆；4、垂直电动滑轨；5、垂直电动滑块；6、连接件；7、升降台；8、旋转电机；9、旋转杆；10、径向台；11、径向电动滑轨；12、径向电动滑块；13、径向滑座；14、反向电机；15、反向输出轴；16、螺接件；17、机械爪；18、真空发生器；19、吸盘；20、弹簧；21、压力传感器；22、径向滑槽；23、延伸板；24、空腔；25、通孔；26、径向齿；27、伸缩电机；28、主动齿轮；29、抽气组件；30、进气软管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了—种单臂三自由度的晶圆传输机械手及使用方法
本申请的一种典型的实施方式中，如图1-8所示，—种单臂三自由度的晶圆传输机械手及使用方法，包括固定座，固定座包含相对应的底座1与顶座2，固定座上安装有垂直导杆3和垂直移动组件，垂直导杆3上滑动套接有升降台7，垂直移动组件用以带动升降台7快速升降，升降台7上安装有旋转组件，旋转组件上连接有径向移动组件，径向移动组件用以带动机械爪17快速移动，径向移动组件包含反向组件，反向组件用以翻转机械爪17，且机械爪17上安装有用以吸附晶圆片的吸盘19；
还包括延伸组件，延伸组件用以带动片盒内的顶层晶圆片。
进一步的，在上述方案中，垂直移动组件包含垂直电动滑轨4与垂直电动滑块5，固定座上固定安装有两个位置相对应的垂直电动滑轨4，两个垂直电动滑轨4上均滑动套接有垂直电动滑块5，两个垂直电动滑块5通过对应的连接件6固定连接有同一个升降台7，通过设置垂直电动滑轨4与垂直电动滑块5，替代传统电机驱动丝杆实现升降，使得升降台7间接带动机械爪17快速升降。
进一步的，在上述方案中，旋转组件包含旋转电机8与旋转杆9，升降台7上固定安装有旋转电机8，旋转电机8的输出轴通过第一联轴器固定连接有旋转杆9，旋转杆9的顶端固定连接有径向台10，通过设置旋转电机8，实现多角度抓取。
进一步的，在上述方案中，径向移动组件包含径向电动滑轨11与径向电动滑块12，径向台10上固定连接有两个位置相对应的径向电动滑轨11，两个径向电动滑轨11上均滑动套接有径向电动滑块12，且两个径向电动滑块12的顶部均固定连接有连接柱，两个连接柱的顶端均固定连接有同一个径向滑座13，通过设置径向电动滑轨11与径向电动滑块12，替代传统方式在径向上设置丝杆进行驱动，进一步提升了机械爪17径向上的移动速度。
进一步的，在上述方案中，反向组件包含反向电机14与螺接件16，径向滑座13的顶部固定连接有反向电机14，反向电机14的输出轴通过第二联轴器固定连接有反向输出轴15，反向输出轴15与机械爪17通过螺接件16相连接，通过设置反向组件，使得机械爪17实现双面“夹取”，提高机械爪17的实用性。
进一步的，在上述方案中，机械爪17上固定安装有与吸盘19相连通的真空发生器18，机械爪17的顶侧固定安装有弹簧20，弹簧20的另一端固定安装有压力传感器21，压力传感器21用以检测吸盘19是否吸附晶圆片，通过设置压力传感器21，在检测到吸盘19未完全吸附晶圆片时停止后续操作，避免无用做功。
进一步的，在上述方案中，延伸组件包含延伸板23与径向齿26，机械爪17的一侧开设有径向滑槽22，径向滑槽22内滑动套接有延伸板23，延伸板23内开设有空腔24，且机械爪17的顶侧开设有与径向滑槽22相连通的矩形槽，延伸板23的顶部固定安装有多个分布均匀的径向齿26，机械爪17上固定安装有伸缩电机27，伸缩电机27的输出轴的一端固定连接有与径向齿26相啮合的主动齿轮28，通过设置伸缩电机27，间接驱动延伸板23径向移动；
延伸组件还包括通孔25与抽气组件29，延伸板23的一端开设有多个与空腔24连通的通孔25，机械爪17上固定安装有吸盘19，抽气组件29的一端通过进气软管30与空腔24相连通，通过设置抽气组件29，利用伯努利吸盘原理，将顶层的晶圆片吸附起并向片盒外移动一定距离，方便后续吸盘19夹取。
本申请还公开了一种单臂三自由度的晶圆传输机械手的使用方法：
工作时，机械手收到工控机发出的控制信号，垂直移动组件与旋转组件配合运动使机械手旋转后升近至片盒高度，通过工控机判断顶侧晶圆片与片盒顶侧内壁间距若小于机械爪的厚度，径向移动组件驱动机械手爪伸出至片盒的一侧，控制伸缩电机运转，驱动主动齿轮与延伸板，当延伸板的一端进入顶侧晶圆片与片盒的顶侧内壁间的间隙后，开启抽气组件，将顶侧吸盘吸附在延伸板的一端，控制伸缩电机反向驱动延伸板，顶层晶圆片向外移动一段距离，关闭抽气组件后控制伸缩电机将延伸板收回机械爪内，垂直移动组件带动机械爪位于顶层晶圆片的下方，径向移动组件驱动机械手爪伸出至顶层晶圆片的正下方，然后垂直移动组件继续略微上移，压力传感器接触晶圆，真空发生器启动，通过吸盘吸住晶圆，并在径向移动组件的驱动下机械爪径向回缩使晶圆脱离片盒；
在片盒中的顶层晶圆被取出后，承载晶圆的机械手经过垂直移动组件与旋转组件的配合运动到达预对准台的高度后，径向移动组件驱动机械爪运动到预对准台的上方，之后机械爪在垂直移动组件的驱动下下降，预对准台接触晶圆，断开真空发生器，机械爪释放晶圆并恢复到初始零位，完成上片过程；
重复上述操作，再度通过工控机判断上层晶圆片与片盒顶侧内壁间距是否小于机械爪的厚度，若小于，则持续上述操作；若大于机械爪的厚度，即通过反向组件控制吸盘翻转，通过径向移动组件使机械爪移动至片盒内的晶圆正上方，然后垂直移动组件继续略微下移，压力传感器接触晶圆，真空发生器启动，通过吸盘吸住晶圆，并在径向移动组件的驱动下机械爪径向回缩使晶圆脱离片盒，完成取片过程。
工作原理：通过设置垂直电动滑轨4与垂直电动滑块5及径向电动滑轨11与径向电动滑块12替代丝杆运动，使得机械爪17在垂直方向与水平方向上移动更加迅速灵活，提高了晶圆片的传输效率，通过设置相连接的弹簧20与压力传感器21，使得压力传感器21受到晶圆压力时，确保晶圆被吸盘19完全吸附，避免机械爪17未吸附晶圆做无用功，也能防止晶圆未吸附牢固在运输时发生脱落的情况。
当工控机识别出片盒内晶圆片间距小容量大，导致顶侧晶圆片与片盒顶侧内壁间隙过小无法伸入机械爪17时，通过垂直移动组件、旋转组件与径向移动组件将机械爪17的一端靠近顶层晶圆片的一侧上方，启动伸缩电机27，使得主动齿轮28转动带动径向齿26移动，继而使得延伸板23的一端逐渐靠近顶层晶圆片并位于晶圆片的上方，启动抽气组件29，利用伯努利吸盘原理，使得通孔25处的压强较小，继而使得顶层晶圆片被吸附至延伸板23的一端，通过控制径向移动组件将顶层晶圆片向片盒外移动一段距离，继而便于后续使用真空发生器18与吸盘19对顶层晶圆片进行运输，同时，扩大片盒内的操作空间，便于机械爪17运转后续晶圆片。
若片盒内的相邻晶圆片的间距过小，使得吸盘19无法从晶圆片的底部对其进行吸附转移时，通过启动反向电机14，使得反向输出轴15通过螺接件16带动机械爪17进行翻转，继而使得真空发生器18与吸盘19发生翻转，从而通过径向移动组件将机械爪17的一端伸入至片盒内的晶圆片上方进行吸附运输，进而使得片盒内能够存放更多数量的晶圆片，扩大片盒的储存能力，提高了空间利用率。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种单臂三自由度的晶圆传输机械手，包括固定座，所述固定座包含相对应的底座(1)与顶座(2)，其特征在于：所述固定座上安装有垂直导杆(3)和垂直移动组件，所述垂直导杆(3)上滑动套接有升降台(7)，所述垂直移动组件用以带动所述升降台(7)快速升降，所述升降台(7)上安装有旋转组件，所述旋转组件上连接有径向移动组件，所述径向移动组件用以带动机械爪(17)快速移动，所述径向移动组件包含反向组件，所述反向组件用以翻转所述机械爪(17)，且所述机械爪(17)上安装有用以吸附晶圆片的吸盘(19)；还包括延伸组件，所述延伸组件用以带动片盒内的顶层晶圆片。
2.根据权利要求1所述的—种单臂三自由度的晶圆传输机械手，其特征在于：所述垂直移动组件包含垂直电动滑轨(4)与垂直电动滑块(5)，所述固定座上固定安装有两个位置相对应的所述垂直电动滑轨(4)，两个所述垂直电动滑轨(4)上均滑动套接有所述垂直电动滑块(5)，两个所述垂直电动滑块(5)通过对应的连接件(6)固定连接有同一个所述升降台(7)。
3.根据权利要求2所述的—种单臂三自由度的晶圆传输机械手，其特征在于：所述旋转组件包含旋转电机(8)与旋转杆(9)，所述升降台(7)上固定安装有所述旋转电机(8)，所述旋转电机(8)的输出轴通过第一联轴器固定连接有所述旋转杆(9)，所述旋转杆(9)的顶端固定连接有径向台(10)。
4.根据权利要求3所述的—种单臂三自由度的晶圆传输机械手，其特征在于：所述径向移动组件包含径向电动滑轨(11)与径向电动滑块(12)，所述径向台(10)上固定连接有两个位置相对应的所述径向电动滑轨(11)，两个所述径向电动滑轨(11)上均滑动套接有所述径向电动滑块(12)，且两个所述径向电动滑块(12)的顶部均固定连接有连接柱，两个所述连接柱的顶端均固定连接有同一个径向滑座(13)。
5.根据权利要求4所述的—种单臂三自由度的晶圆传输机械手，其特征在于：所述反向组件包含反向电机(14)与螺接件(16)，所述径向滑座(13)的顶部固定连接有所述反向电机(14)，所述反向电机(14)的输出轴通过第二联轴器固定连接有反向输出轴(15)，所述反向输出轴(15)与所述机械爪(17)通过所述螺接件(16)相连接。
6.根据权利要求5所述的—种单臂三自由度的晶圆传输机械手，其特征在于：所述机械爪(17)上固定安装有与所述吸盘(19)相连通的真空发生器(18)，所述机械爪(17)的顶侧固定安装有弹簧(20)，所述弹簧(20)的另一端固定安装有压力传感器(21)，所述压力传感器(21)用以检测所述吸盘(19)是否吸附晶圆片。
7.根据权利要求6所述的—种单臂三自由度的晶圆传输机械手，其特征在于：所述延伸组件包含延伸板(23)与径向齿(26)，所述机械爪(17)的一侧开设有径向滑槽(22)，所述径向滑槽(22)内滑动套接有所述延伸板(23)，所述延伸板(23)内开设有空腔(24)，且所述机械爪(17)的顶侧开设有与所述径向滑槽(22)相连通的矩形槽，所述延伸板(23)的顶部固定安装有多个分布均匀的径向齿(26)，所述机械爪(17)上固定安装有伸缩电机(27)，所述伸缩电机(27)的输出轴的一端固定连接有与所述径向齿(26)相啮合的主动齿轮(28)；
所述延伸组件还包括通孔(25)与抽气组件(29)，所述延伸板(23)的一端开设有多个与所述空腔(24)连通的通孔(25)，所述机械爪(17)上固定安装有所述吸盘(19)，所述抽气组件(29)的一端通过进气软管(30)与所述空腔(24)相连通。
8.根据权利要求1-7任一所述的单臂三自由度的晶圆传输机械手的使用方法，其特征在于：
工作时，机械手收到工控机发出的控制信号，垂直移动组件与旋转组件配合运动使机械手旋转后升近至片盒高度，通过工控机判断顶侧晶圆片与片盒顶侧内壁间距若小于机械爪的厚度，径向移动组件驱动机械手爪伸出至片盒的一侧，控制伸缩电机运转，驱动主动齿轮与延伸板，当延伸板的一端进入顶侧晶圆片与片盒的顶侧内壁间的间隙后，开启抽气组件，将顶侧吸盘吸附在延伸板的一端，控制伸缩电机反向驱动延伸板，顶层晶圆片向外移动一段距离，关闭抽气组件后控制伸缩电机将延伸板收回机械爪内，垂直移动组件带动机械爪位于顶层晶圆片的下方，径向移动组件驱动机械手爪伸出至顶层晶圆片的正下方，然后垂直移动组件继续略微上移，压力传感器接触晶圆，真空发生器启动，通过吸盘吸住晶圆，并在径向移动组件的驱动下机械爪径向回缩使晶圆脱离片盒；
在片盒中的顶层晶圆被取出后，承载晶圆的机械手经过垂直移动组件与旋转组件的配合运动到达预对准台的高度后，径向移动组件驱动机械爪运动到预对准台的上方，之后机械爪在垂直移动组件的驱动下下降，预对准台接触晶圆，断开真空发生器，机械爪释放晶圆并恢复到初始零位，完成上片过程；
重复上述操作，再度通过工控机判断上层晶圆片与片盒顶侧内壁间距是否小于机械爪的厚度，若小于，则持续上述操作；若大于机械爪的厚度，即通过反向组件控制吸盘翻转，通过径向移动组件使机械爪移动至片盒内的晶圆正上方，然后垂直移动组件继续略微下移，压力传感器接触晶圆，真空发生器启动，通过吸盘吸住晶圆，并在径向移动组件的驱动下机械爪径向回缩使晶圆脱离片盒，完成取片过程。
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