CN113437009A - 一种晶圆真空搬运机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及晶圆加工技术领域，公开了一种晶圆真空搬运机械手，包括第一机械臂、第二机械臂、取片叉、位于第一机械臂下端的驱动机构，还包括设法兰盘、机壳，第一机械臂包括第一外壳、下端与驱动机构连接且上端与第一外壳固定的第一转轴、与驱动机构连接的第一齿轮、转动连接在第一外壳远离第一转轴一端处的第二齿轮、第一皮带、与第一外壳固定的第二转轴，第二机械臂包括与第二齿轮固定的第二外壳、与第二转轴固定的第三齿轮、与取片叉固定的第四齿轮、第二皮带，驱动机构包括基座、支架、驱动支架上下移动的第一驱动件、设置在支架内且用于驱动第一转轴转动的第二驱动件、设置在支架内且用于驱动第一齿轮转动的第三驱动件。

Description

一种晶圆真空搬运机械手

技术领域

本发明涉及晶圆加工技术领域，特别涉及一种晶圆真空搬运机械手。

背景技术

晶圆是指制作硅半导体电路所用的硅晶片，其原始材料是硅。高纯度的多晶硅溶解后掺入硅晶体晶种，然后慢慢拉出，形成圆柱形的单晶硅。硅晶棒在经过研磨，抛光，切片后，形成硅晶圆片，也就是晶圆。目前国内晶圆生产线以 8英寸和 12 英寸为主。

晶圆的主要加工方式为片加工和批加工，即同时加工1 片或多片晶圆。随着半导体特征尺寸越来越小，加工及测量设备越来越先进，使得晶圆加工出现了新的数据特点。同时，特征尺寸的减小，使得晶圆加工时，空气中的颗粒数对晶圆加工后质量及可靠性的影响增大，而随着洁净的提高，颗粒数也出现了新的数据特点；故而为了保证晶圆加工后的质量，晶圆加工的环境通常为真空状态。

目前，公开号为CN211956120，公开日为2020年11月17日的中国专利公开了一种曝光机自动上下片装置，包括传送机械手、第一装片卡槽、自动对平边装置与曝光机，传送机械手设置在曝光机前端，第一装片卡槽设置在传送机械手左侧，自动对平边装置设置在传送机械手与曝光机之间，传送机械手适于将第一装片卡槽中的晶元输送至自动对平边装置中，由自动对平边装置将晶圆输送至曝光机中进行曝光，自动对平边装置包括激光找平器、第一真空吸盘、第一真空吸盘驱动装置、导轨与上片机械手，第一真空吸盘适于吸附由传送机械手输送至自动对平边装置中的晶元，第一真空吸盘驱动装置适于驱动晶元转动，以使激光找平器对准设置在晶元侧面的平边。

该种曝光机自动上下片装置在利用驱动电机带动第一机械臂、第二机械臂和取片叉进行运动，通过取片叉搬运晶圆；其中通常为了保持真空搬运环境，第一机械臂、第二机械臂和取片叉均位于一个真空的搬运腔体内，而驱动电机位于搬运腔体外侧，驱动电机的输出轴穿过腔体后与第一机械臂连接；但是由于现有技术中取片叉在搬运的过程中需要平移和升降，故而通过单独依靠驱动电机无法完成整个搬运的过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种晶圆真空搬运机械手，能够比较方便的搬运晶圆。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种晶圆真空搬运机械手，包括第一机械臂、第二机械臂、取片叉、位于第一机械臂下端的驱动机构，还包括设置在驱动机构上端且用于连接外部真空腔体的法兰盘、位于驱动机构外侧的机壳，所述第一机械臂包括第一外壳、下端与驱动机构连接且上端与第一外壳固定的第一转轴、与驱动机构连接且转动连接在第一转轴周侧的第一齿轮、转动连接在第一外壳远离第一转轴一端处的第二齿轮、设置在第一齿轮和第二齿轮之间的第一皮带、与第一外壳固定且位于第二齿轮内部的第二转轴，所述第二机械臂包括与第二齿轮固定的第二外壳、转动连接在第二外壳内且与第二转轴固定的第三齿轮、转动连接在第二外壳远离第三齿轮的一端上且与取片叉固定的第四齿轮、设置在第三齿轮和第四齿轮之间的第二皮带，所述驱动机构包括设置在机壳内的基座、设置在基座上且用于连接第一机械臂的支架、设置在基座上用于驱动支架上下移动的第一驱动件、设置在支架内且用于驱动第一转轴转动的第二驱动件、设置在支架内且用于驱动第一齿轮转动的第三驱动件。

本发明的进一步设置为：所述第一驱动件包括固定在基座上的第一电机、与第一电机的输出轴连接的驱动丝杆、连接在驱动丝杆上的丝杆螺母、固定在支架上且与丝杆螺母固定连接的卡块。

本发明的进一步设置为：所述第二驱动件包括固定在支架下端的第二电机、与第二电机的输出轴连接的连接轴、连接第一转轴与连接轴的联轴器。

本发明的进一步设置为：所述第三驱动件包括固定在支架侧边上的第三电机、与第三电机输出轴连接的驱动齿轮、位于支架内且转动连接在第一转轴周侧的从动齿轮、设置在驱动齿轮和从动齿轮之间的驱动皮带、中部供第一转轴穿过且与从动齿轮连接的离合器、上端与第一齿轮连接且下端与离合器连接的轴套。

本发明的进一步设置为：所述轴套与第一转轴之间的间隙内充入有磁流体。

本发明的进一步设置为：所述支架的上端设置有上端穿过法兰盘且供轴套在内部转动连接的包裹套，所述包裹套与轴套之间的缝隙内也充入有磁流体。

本发明的进一步设置为：所述包裹套的外侧设置有上端与法兰盘连接且下端与包裹套底部连接的波纹伸缩套。

本发明的进一步设置为：所述波纹伸缩套的上下两端均设置有橡胶密封圈。

本发明的进一步设置为：所述第一外壳和第二外壳内均设置有抵紧在第一皮带和第二皮带上的张紧轮。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.当需要利用取片叉的平移和升降从而进行晶圆搬运时，利用第一驱动件带动基座和支架上下移动，支架即可带动第一机械臂上下移动，最后即可带动取片叉进行升降；

而利用第二驱动件驱动第一转轴转动，第一转轴即可带动第一机械臂的第一外壳转动，第一外壳即可带动第三齿轮绕着第一转动进行公转，其中第三齿轮则是依靠第二皮带连接第四齿轮，第四齿轮则是连接着取片叉；

同时利用第三驱动件带动第一齿轮转动，第一齿轮即可通过第一皮带带动第二齿轮转动，第二齿轮即可带动第二机械臂的第二外壳绕着第二齿轮进行转动；

在第二驱动件和第二驱动件的共同作用下，取片叉即可在水平面内实现转角和移动，从而完成平移取片的连贯动作，再配合第一驱动件的升降，最终即可实现比较方便的搬运晶圆；

2.当需要依靠第一驱动件驱动基座和支架上下移动时，启动第一电机，第一电机即可带动驱动丝杆进行转动，驱动丝杆则带动丝杆螺母沿着驱动丝杆的延伸方向进行来回平移，而移动中的丝杆螺母即可带动卡块进行移动，最终即可带动基座和支架上下移动，从而带动第一机械臂、第二机械臂和取片叉上下移动；

3.当需要依靠第二驱动件驱动第一转轴转动时，启动第二电机，第二电机的输出轴即可利用联轴器连接第一转轴和连接轴，从而通过第二电机带动第一转轴转动；

4.当需要依靠第三驱动件驱动第一齿轮转动时，启动第三电机，第三电机带动驱动齿轮转动，驱动齿轮依靠驱动皮带带动从动齿轮转动，从动齿轮即可通过离合器连接轴套，从而带动轴套进行转动，而轴套即可带动第一齿轮进行转动；

5.为了避免外界的空气通过轴套与第一转轴之间的间隙进入晶圆搬运的真空腔体内，利用轴套与第一转轴之间的间隙内充入的磁流体，通过磁流体从而对轴套与第一转轴之间的间隙进行密封；其中磁流体即具有液体的流动性，又具有固体的磁性，磁流体密封就是利用磁性液体对磁场的响应性而实现的，当把磁流体注入到由高性能的永久磁铁、导磁良好的极靴、轴所构成的磁回路间隙中，在磁场的作用下，磁流体在间隙中形成数个液体“O”型圈，当磁流体受压差作用时，磁性液体在非均匀磁场中略微移动，产生对抗压差的磁力，从而达到平衡，起到密封的作用；

6.在包裹套和轴套之间的缝隙内也充入有磁流体，从而通过磁流体对包裹套和轴套之间的缝隙进行密封；

7.当第一驱动件在带动支架进行上下移动时，利用波纹伸缩套上端与法兰盘连接且下端与包裹套底部连接，支架的移动即可带动波纹伸缩套伸缩，同时波纹伸缩套即可对包裹套的外部进行密封；

8.利用波纹伸缩套的上下两端均设置的橡胶密封圈，橡胶密封圈即可起到较好的密封效果；

9.利用张紧轮对第一皮带和第二皮带进行张紧，从而有利于第一皮带和第二皮带进行稳定的传动。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明去除机壳后的结构示意图；

图3是本发明中第一机械臂、第二机械臂和取片叉的结构示意图；

图4是图3中A-A的结构剖视图；

图5是图3中B-B的结构剖视图；

图6是本发明的结构剖视图；

图7是本发明的局部结构剖视图，主要用于体现磁流体位置的结构。

附图标记：1、第一机械臂；11、第一外壳；12、第一转轴；13、第一齿轮；14、第二齿轮；15、第一皮带；16、第二转轴；2、第二机械臂；21、第二外壳；22、第三齿轮；23、第四齿轮；24、第二皮带；3、取片叉；4、驱动机构；41、基座；42、支架；43、第一驱动件；431、第一电机；432、驱动丝杆；433、丝杆螺母；434、卡块；44、第二驱动件；441、第二电机；442、连接轴；443、联轴器；45、第三驱动件；451、第三电机；452、驱动齿轮；453、从动齿轮；454、驱动皮带；455、离合器；456、轴套；5、法兰盘；6、机壳；7、包裹套；8、波纹伸缩套；81、橡胶密封圈；9、张紧轮。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

一种晶圆真空搬运机械手，参照图1、图2，该种晶圆真空搬运机械手包括第一机械臂1、第二机械臂2、取片叉3、位于第一机械臂1下端的驱动机构4、设置在驱动机构4上端且用于螺栓连接外部的真空腔体的法兰盘5、位于驱动机构4外侧的机壳6，其中第一机械臂1一端连接第二机械臂2的一端且另一端连接驱动机构4，而第二机械臂2则是一端连接第一机械臂1且另一端连接取片叉3；通过驱动机构4带动第一机械臂1、第二机械臂2和取片叉3完成晶圆搬运的动作。

参照图3、图4，第一机械臂1包括第一外壳11、第一转轴12、第一齿轮13、第二齿轮14、第一皮带15和第二转轴16，其中第一外壳11位于第一机械臂1的外层，而第一转轴12的下端用于连接驱动机构4且上端通过螺栓与第一外壳11固定，同时第一齿轮13通过轴承转动连接在第一转轴12上端的周侧，而第一齿轮13的下侧用于连接驱动机构4；其中第二转轴16则是通过螺栓固定在第一外壳11远离第一转轴12的一端处，同时第二齿轮14通过轴承转动连接在第二转轴16周侧，而第一皮带15则是连接在第一齿轮13和第二齿轮14之间。

参照图3、图4、图5，第二机械臂2包括第二外壳21、第三齿轮22、第四齿轮23和第二皮带24，其中第二外壳21位于第二机械臂2的外层，且第二外壳21与第二齿轮14通过螺栓固定连接，而第三齿轮22通过轴承转动连接在第二外壳21的一端内，同时第三齿轮22通过螺栓与第二转轴16的上端固定连接，而第四齿轮23通过轴承转动连接在第二外壳21远离第三齿轮22的一端上，且第四齿轮23通过螺栓与取片叉3固定，其中第二皮带24则是连接在第三齿轮22和第四齿轮23之间；同时第一外壳11和第二外壳21内均通过螺栓连接有抵紧在第一皮带15和第二皮带24上的张紧轮9。

参照图2、图6，驱动机构4包括设置在机壳6内的基座41、设置在基座41上且用于连接第一机械臂1的支架42、设置在基座41上用于驱动支架42上下移动的第一驱动件43、设置在支架42内且用于驱动第一转轴12转动的第二驱动件44、设置在支架42内且用于驱动第一齿轮13转动的第三驱动件45。

参照图2、图6，第一驱动件43包括第一电机431、驱动丝杆432、丝杆螺母433和卡块434，其中第一电机431通过螺栓固定在基座41侧边位置处，而驱动丝杆432下端与第一电机431的输出轴连接，同时丝杆螺母433螺纹连接在驱动丝杆432上，而卡块434则是焊接在支架42上，而卡块434通过螺栓固定在丝杆螺母433上；其中基座41中部镂空供支架42上下移动。

参照图2、图6，第二驱动件44包括第二电机441、连接轴442和联轴器443；其中第二电机441通过螺栓固定在支架42的下端，而连接轴442的下端与第二电机441的输出轴连接，同时联轴器443则是用于连接第一转轴12的下端与连接轴442的上端。

参照图2、图6、图7，第三驱动件45包括固定在支架42侧边上的第三电机451、与第三电机451输出轴连接的驱动齿轮452、位于支架42内且转动连接在第一转轴12周侧的从动齿轮453、设置在驱动齿轮452和从动齿轮453之间的驱动皮带454、中部供第一转轴12穿过且与从动齿轮453连接的离合器455、上端与第一齿轮13连接且下端与离合器455连接的轴套456；其中第三电机451通过螺栓固定在支架42的侧边上，而驱动齿轮452键连接在第三电机451的输出轴上，同时从动齿轮453位于支架42内且套设在第一转轴12周侧，从动齿轮453与第一转轴12为间隙配合，故而从动齿轮453转动连接在第一转轴12的周侧；其中驱动皮带454连接在驱动齿轮452和从动齿轮453之间，而离合器455则是连接在支架42内，且离合器455中部供第一转轴12穿过并与第一转轴12之间间隙配合，同时离合器455下侧通过螺栓与从动齿轮453的上侧固定连接，而轴套456则是上端与第一齿轮13通过螺栓固定连接且下端通过螺栓与离合器455的上端固定连接；其中轴套456也供第一转轴12穿过，且轴套456与第一转轴12之间的缝隙内连接有轴承，同时轴套456与第一转轴12之间的间隙内还充入有磁流体（图中未示出）。

参照图2、图6、图7，支架42的上端还设置有包裹套7，其中包裹套7的上端穿过法兰盘5且供轴套456在内部通过轴承转动连接，而包裹套7与轴套456之间的缝隙内也充入有磁流体；同时包裹套7的外侧还设置有波纹伸缩套8，波纹伸缩套8的上端与法兰盘5通过螺栓连接且下端与包裹套7底部通过螺栓连接，其中波纹伸缩套8的上下两端均设置有橡胶密封圈81。

原理：当需要利用取片叉3的平移和升降从而进行晶圆搬运时，利用第一驱动件43带动基座41和支架42上下移动，其中启动第一电机431，第一电机431即可带动驱动丝杆432进行转动，驱动丝杆432则带动丝杆螺母433沿着驱动丝杆432的延伸方向进行来回平移，而移动中的丝杆螺母433即可带动卡块434进行移动，最终即可带动基座41和支架42上下移动，从而带动第一机械臂1、第二机械臂2和取片叉3上下移动。

而利用第二驱动件44驱动第一转轴12转动，其中启动第二电机441，第二电机441的输出轴即可利用联轴器443连接第一转轴12和连接轴442，从而通过第二电机441带动第一转轴12转动，第一转轴12即可带动第一机械臂1的第一外壳11转动，第一外壳11即可带动第三齿轮22绕着第一转动进行公转，其中第三齿轮22则是依靠第二皮带24连接第四齿轮23，第四齿轮23则是连接着取片叉3。

同时利用第三驱动件45带动第一齿轮13转动，其中启动第三电机451，第三电机451带动驱动齿轮452转动，驱动齿轮452依靠驱动皮带454带动从动齿轮453转动，从动齿轮453即可通过离合器455连接轴442套，从而带动轴套456进行转动，而轴套456即可带动第一齿轮13进行转动，第一齿轮13即可通过第一皮带15带动第二齿轮14转动，第二齿轮14即可带动第二机械臂2的第二外壳21绕着第二齿轮14进行转动。

在第二驱动件44和第二驱动件44的共同作用下，取片叉3即可在水平面内实现转角和移动，从而完成平移取片的连贯动作，再配合第一驱动件43的升降，最终即可实现比较方便的搬运晶圆。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种晶圆真空搬运机械手，包括第一机械臂（1）、第二机械臂（2）、取片叉（3）、位于第一机械臂（1）下端的驱动机构（4），其特征在于：还包括设置在驱动机构（4）上端且用于连接外部真空腔体的法兰盘（5）、位于驱动机构（4）外侧的机壳（6），所述第一机械臂（1）包括第一外壳（11）、下端与驱动机构（4）连接且上端与第一外壳（11）固定的第一转轴（12）、与驱动机构（4）连接且转动连接在第一转轴（12）周侧的第一齿轮（13）、转动连接在第一外壳（11）远离第一转轴（12）一端处的第二齿轮（14）、设置在第一齿轮（13）和第二齿轮（14）之间的第一皮带（15）、与第一外壳（11）固定且位于第二齿轮（14）内部的第二转轴（16），所述第二机械臂（2）包括与第二齿轮（14）固定的第二外壳（21）、转动连接在第二外壳（21）内且与第二转轴（16）固定的第三齿轮（22）、转动连接在第二外壳（21）远离第三齿轮（22）的一端上且与取片叉（3）固定的第四齿轮（23）、设置在第三齿轮（22）和第四齿轮（23）之间的第二皮带（24），所述驱动机构（4）包括设置在机壳（6）内的基座（41）、设置在基座（41）上且用于连接第一机械臂（1）的支架（42）、设置在基座（41）上用于驱动支架（42）上下移动的第一驱动件（43）、设置在支架（42）内且用于驱动第一转轴（12）转动的第二驱动件（44）、设置在支架（42）内且用于驱动第一齿轮（13）转动的第三驱动件（45）。

2.根据权利要求1所述的一种晶圆真空搬运机械手，其特征在于：所述第一驱动件（43）包括固定在基座（41）上的第一电机（431）、与第一电机（431）的输出轴连接的驱动丝杆（432）、连接在驱动丝杆（432）上的丝杆螺母（433）、固定在支架（42）上且与丝杆螺母（433）固定连接的卡块（434）。

3.根据权利要求1所述的一种晶圆真空搬运机械手，其特征在于：所述第二驱动件（44）包括固定在支架（42）下端的第二电机（441）、与第二电机（441）的输出轴连接的连接轴（442）、连接第一转轴（12）与连接轴（442）的联轴器（443）。

4.根据权利要求1所述的一种晶圆真空搬运机械手，其特征在于：所述第三驱动件（45）包括固定在支架（42）侧边上的第三电机（451）、与第三电机（451）输出轴连接的驱动齿轮（452）、位于支架（42）内且转动连接在第一转轴（12）周侧的从动齿轮（453）、设置在驱动齿轮（452）和从动齿轮（453）之间的驱动皮带（454）、中部供第一转轴（12）穿过且与从动齿轮（453）连接的离合器（455）、上端与第一齿轮（13）连接且下端与离合器（455）连接的轴套（456）。

5.根据权利要求4所述的一种晶圆真空搬运机械手，其特征在于：所述轴套（456）与第一转轴（12）之间的间隙内充入有磁流体。

6.根据权利要求5所述的一种晶圆真空搬运机械手，其特征在于：所述支架（42）的上端设置有上端穿过法兰盘（5）且供轴套（456）在内部转动连接的包裹套（7），所述包裹套（7）与轴套（456）之间的缝隙内也充入有磁流体。

7.根据权利要求6所述的一种晶圆真空搬运机械手，其特征在于：所述包裹套（7）的外侧设置有上端与法兰盘（5）连接且下端与包裹套（7）底部连接的波纹伸缩套（8）。

8.根据权利要求7所述的一种晶圆真空搬运机械手，其特征在于：所述波纹伸缩套（8）的上下两端均设置有橡胶密封圈（81）。

9.根据权利要求1所述的一种晶圆真空搬运机械手，其特征在于：所述第一外壳（11）和第二外壳（21）内均设置有抵紧在第一皮带（15）和第二皮带（24）上的张紧轮（9）。

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