CN115122369A - 一种末端执行器、机械手和晶圆传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种末端执行器、机械手和晶圆传输装置，其中末端执行器包括双夹持片叉、限位块、垫块和夹持滚轮。限位块和垫块形成供晶圆放置的第一支撑位置和第二支撑位置，位于第一支撑位置的晶圆和第二支撑位置的晶圆相对于水平方向向两个相反的方向倾斜且不同心。夹持滚轮移动相同距离位置时，对第一支撑位置或第二支撑位置的晶圆进行夹持。规避了晶圆因相同的接触位置而易造成晶圆污染的问题，同时减少了繁琐的控制逻辑，提高了控制效率。

Description

一种末端执行器、机械手和晶圆传输装置

技术领域

本发明涉及晶圆传输设备技术领域，尤其涉及一种末端执行器、机械手和晶圆传输装置。

背景技术

晶圆传输装置主要用于集成电路制造过程中各个工艺模块间精确、快速、稳定的传输并定位晶圆。其中传输机械手中的末端执行器，是机器人用于执行动作的关键部件，依据执行动作的不同而结构也不尽相同。在半导体集成电路制造过程中，根据不同工艺机台的要求，晶圆传输选择不同的夹持方式。目前，常用的晶圆夹持方式有真空吸附式和边缘夹持式，真空吸附式末端执行器与晶圆的接触方式为吸盘接触晶圆上表面或者下表面，通过吸盘的真空吸力抓取晶圆。但对于晶圆接触有特殊要求的，如晶圆表面不允许接触，则需要采用边缘夹持式末端执行器，边缘夹持式末端执行器的工作原理是通过气缸夹持动作和限位块共同作用抓取晶圆，将晶圆限定在限位块和气缸的夹持滚轮之间。

但对于一些上料和下料要求有不同的晶圆加工设备，如晶圆清洗设备，需要将清洗前的晶圆和清洗后的晶圆放置在机械手的不同位置，以免污染已经清洗过的晶圆，此时真空吸附式接触晶圆传输方式无法满足使用需求，必须采用边缘夹持式末端执行器。

参见附图1所示，为现有边缘夹持式末端执行器中采用的一种限位块，限位块上仅有一个晶圆接触面，晶圆的下端面只能抵接在此晶圆接触面上，会增加晶圆表面和此晶圆接触面的污染风险。限位块污染后，需要及时更换，降低了工作效率，提高了生产成本。也无法满足晶圆清洗设备这类加工设备的需求。

参见附图2所示，为现有边缘夹持式末端执行器中采用的另一种限位块，限位块具有位于不同高度的第一支撑位置和第二支撑位置，且第一支撑位置和第二支撑位置为上下并列台阶结构。每个支撑位置均包括垂直设置的一个接触面和一个抵接面，晶圆能放置在接触面上且端部抵接在抵接面上。在第一支撑位置的接触面污染时，可以使用第二支撑位置的接触面，能在两个不同的接触面接触晶圆，此时可以满足晶圆清洗设备这类加工设备的需求，也是现有边缘夹持式机械手中最常采用的限位块。

但对于这种限位块，位于较高位置的第一支撑位置的接触面在接触晶圆时，如果被污染，在机械手传输过程中，第一支撑位置的接触面上的污染颗粒容易被卷起掉落到下方第二支撑位置的接触面上造成下方接触面的污染。同时由于第一支撑位置和第二支撑位置支撑晶圆时，晶圆在水平面内位于不同的位置，则气缸需要驱动夹持滚轮移动到不同位置，即气缸的位移不一致，增加的位移控制单元二次控制，降低了控制效率。

发明内容

为克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种末端执行器，利用在竖直和水平面上均错位的第一放置位置和第二放置位置放置晶圆，避免晶圆因相同的接触位置而易造成晶圆污染的问题。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种末端执行器，包括双夹持片叉，还包括限位块，所述限位块设置有两个，且对称设置在双夹持片叉的一侧，每个所述限位块均具有承载晶圆下表面的承载面和与晶圆边缘抵接的抵接面，所述承载面和抵接面对应设置，且均设置有两个。垫块，所述垫块设置有至少一个，且设置在双夹持片叉的另一侧，所述垫块具有承载晶圆下表面的两个接触面，一个所述承载面和一个接触面形成供晶圆放置的第一支撑位置，另一个所述承载面和另一个接触面成型供晶圆放置的第二支撑位置，位于所述第一支撑位置的晶圆和第二支撑位置的晶圆相对于水平方向向两个相反的方向倾斜且不同心。夹持滚轮，所述夹持滚轮设置有一个且和垫块位于双夹持片叉的同一侧，所述夹持滚轮能在驱动件驱动下沿水平面移动以靠近或远离限位块，所述夹持滚轮在移动相同距离位置时，能对所述第一支撑位置或第二支撑位置的晶圆进行夹持。

本发明的有益效果在于：一方面利用一个承载面和一个接触面形成供晶圆放置的第一支撑位置，另一个承载面和另一个接触面成型供晶圆放置的第二支撑位置，两个承载面和两个接触面均在竖直和水平面上错位，规避了晶圆因相同的接触位置而易造成晶圆污染的问题。另一方面利用一个夹持滚轮，在移动相同位移的情况下，能对不同位置的晶圆进行夹持，减少了繁琐的控制逻辑，提高了控制效率。

进一步来说，两个所述承载面位于不同高度位置，且两个所述承载面在水平方向并列且间隔设置，在水平方向靠近所述垫块的一个承载面的高度位置低于另一所述承载面的高度位置；两个所述接触面位于不同高度位置，且两个所述接触面在水平方向上并列且间隔设置。

两个承载面分别为承载面一个承载面二，两个接触面分别为接触面一和接触面二，当晶圆放置在第一支撑位置时，此时晶圆的下端面抵靠在承载面一和接触面二上，由于承载面二和承载面一在水平方向上交错，两者间存在距离，接触面一和接触面二同样在水平方向上错位，两者间存在距离。因此即使承载面一和接触面二受到污染后，污染的颗粒也不会掉落到承载面二和接触面一上。晶圆放置在第二支撑位置时，此时晶圆的下端面抵靠在承载面二和接触面一上，承载面二和接触面一仍是清洁的状态，不会对晶圆造成污染。

进一步来说，所述抵接面与对应设置的承载面垂直设置，且抵接面沿对应设置的承载面远离垫块的一侧的端部向上延伸。抵接面和承载面之间围成供晶圆放置的空间，当夹持滚轮移动时，能推动晶圆沿承载面微动，并将晶圆边缘顶紧在抵接面上。

进一步来说，位于低处的所述承载面对应的抵接面的延长线到另一个所述承载面朝向垫块的端面之间，在水平方向上留有间隙d。间隙d的设置，让晶圆放置到第二支撑位置，且晶圆的边缘抵接在位于低处的抵接面上时，位于高处的承载面不会对晶圆造成干扰。

进一步来说，两个所述抵接面均为圆弧面，且所述圆弧面的圆弧半径与晶圆半径相同，圆弧面的抵接面能与晶圆边缘完全贴合，增大接触面积，提高夹持晶圆的稳定性。所述抵接面的高度均大于晶圆的厚度，保证抵接面能完全覆盖与其抵接的晶圆的边缘。

进一步来说，两个所述承载面均倾斜设置，且位于高处的所述承载面朝向垫块向下倾斜，另一个所述承载面朝向垫块向上倾斜；两个所述接触面均倾斜设置，且位于高处的所述接触面朝向限位块向下倾斜，另一个所述接触面朝向限位块向上倾斜。由于晶圆是倾斜放置在第一支撑位置和第二支撑位置的，倾斜设置的承载面和接触面与晶圆的放置后的倾斜方向一致，能增大与晶圆的接触面积，提高对晶圆支撑的稳定性。同时由于两个承载面是倾斜的，与承载面垂直设置的抵接面也是倾斜的。

进一步来说，两个所述抵接面和对应设置的承载面共同设置在一个限位块上，所述限位块包括连接部和沿连接部的一侧延伸的两个平行的阶梯结构，两个所述阶梯结构沿水平方向延伸且间隔设置。限位块成一体结构，节约空间、简化安装。

一个所述阶梯结构包括台阶一，所述台阶一的上表面为一个承载面，所述台阶一与连接部的交界处为对应设置的抵接面。另一个所述阶梯结构包括与连接部依次连接的台阶三和台阶二，所述台阶二和台阶二在同一竖直方向上，所述台阶二的上表面为另一个承载面，台阶二与台阶三的交界处即为对应设置的抵接面。

进一步来说，两个所述接触面共同设置在一个垫块上，所述垫块包括结合部，所述结合部一侧沿水平方向延伸有并列且间隔设置的台阶四和台阶五，所述台阶四和台阶五的上端面位于不同高度位置，所述台阶四和台阶五的上端面分别为两个接触面。限位块成一体结构，节约空间、简化安装。

进一步来说，所述双夹持片叉成U型结构，包括根部和沿根部延伸的两个手指部，两个所述手指部间隔设置且长度相同，两个限位块分别固定在两个手指部远离根部的端部，所述垫块固定在根部上。

进一步来说，所述夹持滚轮在移动过程中，所述夹持滚轮到两个限位块之间的距离始终相同，所述夹持滚轮和两个限位块形成等腰三角形。即两个限位块对称设置在轮滚的移动直线的两侧，保证两个限位块对晶圆施加的反向的夹持力相同，对晶圆的夹持更加稳定。

进一步来说，所述垫块设置有两个，且两个所述垫块对称设置在夹持滚轮两侧。垫块设置两个，对晶圆的初步放置提供更加稳定的支撑。

进一步来说，所述夹持滚轮包括上下且同轴心设置的上凸台和下凸台，所述上凸台和下凸台均为圆柱结构，所述上凸台和下凸台的侧壁，能分别抵接位于所述第一支撑位置的晶圆和位于第二支撑位置的晶圆。

进一步来说，所述上凸台的直径小于下凸台的直径，所述上凸台与下凸台的半径之差等于位于高处的承载面一的宽度加上间隙d。由于晶圆的尺寸是固定的，但两个抵接面水平和竖直两个方向上位置均不相同，为了移动相同距离后，夹持滚轮能在水平方向上将晶圆顶紧在抵接面上，根据限位块，设置特定的上凸台与下凸台的半径差值。

所述上凸台和下凸台的高度大于晶圆的厚度，且位于低处的所述接触面的高度位置位于下凸台42的上下端面的高度位置之间；位于高处的所述接触面的高度位置位于上凸台41的上下端面的高度位置之间。为了移动相同距离后，夹持滚轮能在竖直方向与晶圆抵接，根据垫块，设置特定的上凸台与下凸台的高度位置。

进一步来说，所述驱动件为气缸，所述气缸的气压满足

其中S为气缸的活塞杆直径，m为晶圆质量，a₁为晶圆在Z轴上移动的加速度；a₂为晶圆在X轴上移动的加速度；a₃为晶圆在Y轴旋转时的转角加速度；θ为与晶圆边缘抵接的抵接面到晶圆圆心连线，与Y轴之间的夹角。

晶圆的夹持与传输会受到晶圆夹持力和晶圆本身放置方式的影响。夹持力太小，对晶圆的夹紧程度偏松，不利于晶圆稳定传输。夹紧力太大，会破坏晶圆边缘甚至导致晶圆破碎。因此气缸需要提供一个合适的夹持里，以满足晶圆稳定安全传输的需求。

本发明还公开了一种机械手，包括固定板，所述固定板上设置有上述末端执行器，所述双夹持片叉和驱动件固定在固定板上。

本发明还公开了一种晶圆传输装置，包括机械手臂，所述机械手臂的输出端固定有至少一个机械手，所述机械手臂能带动晶圆传输机械手在X轴、Y轴和Z轴三个方向上移动。

附图说明

图1为现有技术中限位块的结构示意图；

图2为现有技术中另一种限位块的结构示意图；

图3为本发明一实施例中末端执行器的结构示意图；

图4为本发明一实施例中限位块的立体结构示意图；

图5为本发明一实施例中限位块的俯视图；

图6为本发明一实施例中垫块的立体结构示意图；

图7为本发明一实施例中晶圆位于第一支撑位置和第二支撑位置状态下的结构示意图；

图8为本发明一实施例中晶圆与两个承载面接触状态的示意图；

图9为本发明一实施例中晶圆与两个接触面接触状态的示意图；

图10为本发明一实施例中晶圆位于第一支撑位置的俯视图；

图11为本发明一实施例中晶圆位于第二支撑位置的俯视图；

图12为本发明一实施例中夹持滚轮的立体结构示意图；

图13为本发明一实施例中晶圆夹持在夹持滚轮和限位块之间时的状态示意图；

图14为本发明一实施例中晶圆处于夹紧状态下的晶圆受力示意图；

图15为本发明一实施例中末端执行器在沿Y轴旋转时晶圆启动力的示意图；

图16为本发明一实施例中抵接面对晶圆的施力方向示意图。

图中：

1、双夹持片叉；11、根部；12、手指部；2、限位块；21、连接部；211、螺丝孔；22、台阶一；221、承载面一；222、抵接面一；23、台阶二；231、承载面二；232、抵接面二；24、台阶三；3、垫块；31、结合部；32、台阶四；321、接触面一；33、台阶五；331、接触面二；4、夹持滚轮；41、上凸台；42下凸台；5、晶圆；6、驱动件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

在各图中，箭头X、Y表示相互正交的水平方向，箭头Z表示上下方向(与X-Y平面正交的竖直方向)。

参见附图3所示，本发明的一种用于晶圆传输的末端执行器，包括双夹持片叉1、限位块2、垫块3和夹持滚轮4。限位块2设置有两个，且对称设置在双夹持片叉1的一侧，垫块3设置在双夹持片叉1的另一侧。夹持滚轮4设置在双夹持片叉1设置有垫块3的一侧，夹持滚轮4能在驱动件6驱动下沿双夹持片叉1在水平面的Y轴做往复移动，夹持滚轮4能在移动过程中靠近或远离限位块2。晶圆5可载置在限位块2和垫块3上，并夹紧在两个限位块2和夹持滚轮4之间，夹持滚轮4和两个限位块2形成三角结构，抵接在晶圆5的边缘，对圆形的晶圆5进行定位夹紧。

参照附图3所示，双夹持片叉1的一个表面为放置面，晶圆5并不是直接放置在放置面上，但限位块2和垫块3均固定在放置面上。双夹持片叉1成U型结构，包括根部11和沿根部11延伸的两个手指部12，两个手指部12间隔设置。手指部12长度相同，且相对根部11的中线对称设置，手指部12远离根部11的端部为限位部，两个限位块2分别固定在两个手指部12的限位部上，而垫块3固定在根部11上。

在一个实施例中，夹持滚轮4在移动过程中，夹持滚轮4到两个限位块2之间的距离始终相同，夹持滚轮4和两个限位块2形成的三角结构为等腰三角形，夹持滚轮4设置在垂直穿过两个限位块2连线中点的中线上，夹持滚轮4沿此中线移动。

在一个实施例中，垫块3设置有两个，两个垫块3相对夹持滚轮4对称设置在根部11上。垫块3也可仅设置一个，位于夹持滚轮4一侧即可，仅有一个垫块3，利用两个限位块2和一个垫块3也可实现晶圆5的初步放置。垫块3也可以是三个及以上。在本实施例中，垫块3设置两个，保证对晶圆5的初步放置提供更加稳定的支撑。

参见附图4所示，限位块2具有承载晶圆5下表面的承载面和与晶圆5边缘抵接的抵接面，参加附图6所示，垫块3具有承载晶圆5下表面的接触面。承载面和抵接面对应设置，且每个限位块2上均设置有两个，接触面设置有两个。参见附图7所示，一个承载面和一个接触面形成供晶圆5放置的第一支撑位置，另一个承载面和另一个接触面成型供晶圆5放置的第二支撑位置，位于第一支撑位置的晶圆5和位于第二支撑位置的晶圆5相对于水平方向向两个相反的方向倾斜。

夹持滚轮4仅设置有一个，且夹持滚轮4在移动相同距离位置时，能对第一支撑位置或第二支撑位置的晶圆5进行夹持。两个支撑位置实现晶圆5不同位置的放置，减少对晶圆5的污染。

参见附图4和5所示，限位块2的两个承载面分别为承载面一221和承载面二231，承载面一221和承载面二231能将晶圆5支承在不同高度。且承载面一221和承载面二231位于一个Y-Z平面的两侧。即承载面一221和承载面二231在水平方向并列且间隔设置，且承载面一221和承载面二231位于不同高度。承载面一221和承载面二231在竖直和水平面上均错位设置。

限位块2的两个抵接面分别为抵接面一222和抵接面二232，抵接面一222和承载面一221垂直，抵接面一222与承载面一221远离根部11的一侧的端部连接，且沿承载面一221向上延伸。抵接面二232和承载面二231垂直设置，抵接面二232沿承载面二231远离根部11的一侧的端部向上延伸。

在一个实施例中，承载面一221和承载面二231可水平。但在本申请中，承载面一221和承载面二231均倾斜设置，且承载面一221和承载面二231相对水平方向向两个相反的方向倾斜。由于晶圆5是倾斜放置在第一支撑位置和第二支撑位置的，倾斜设置的承载面一221和承载面二231能增大与晶圆5底面的接触面积，提高对晶圆5夹持的稳定性。

在本实施例中，参见附图8所示，承载面二231相对承载面一221在水平方向位于靠近垫块3的位置，承载面一221所在的高度位置高于承载面二231所在的高度位置，因此承载面一221朝向根部11向下倾斜，而承载面二231朝向根部11向上倾斜。

在一个实施例中，当承载面一221和承载面二231水平时，抵接面一222和抵接面二232垂直设置。但在本实施例中，由于承载面一221和承载面二231均倾斜设置，因此，为了增大于晶圆5边缘的接触面积，提高对晶圆5夹持的稳定性，抵接面一222和抵接面二232也倾斜设置。且两个抵接面一222和抵接面二232在竖直方向的倾斜角度不同。

在一个实施例中，承载面一221靠近根部11的边缘同样为圆弧结构，承载面一221靠近根部11的边缘向下延伸有截止面。参见附图5所示，抵接面二232的延伸线到承载面一221靠近根部11的边缘（即截止面）之间，在水平方向上留有间隙d。间隙d的设置，让晶圆5放置到第二支撑位置，且晶圆5的边缘抵接在抵接面二232上时，承载面一221不会对晶圆5造成干扰。此时晶圆5完全不会与承载面一221有任何接触和投影的重叠。

在一个实施例中，抵接面一222和抵接面二232均为圆弧面，且圆弧面的圆弧半径与晶圆5半径相同。但由于抵接面一222和抵接二在水平面错位，因此，抵接面一222和抵接面二232的圆弧面形成的圆心不重合。

在一个实施例中，为了对晶圆5夹持的稳定性，抵接面一222和抵接面二232的高度均高于晶圆5的高度。

在一个实施例中，抵接面一222和承载面一221可以设置在一个限位块2上，承载面二231和抵接面二232可以设置在另一个限位块2上，此时限位块2采用分体结构。但在本实施例中，限位块2采用一体结构，抵接面一222、承载面一221、抵接面二232和承载面二231共同设置在一个限位块2上。

参见附图4所示，限位块2还包括连接部21，连接部21与抵接面一222远离承载面一221的一侧连接，且连接部21沿抵接面一222在水平方向朝向远离承载面一221侧延伸。连接部21通过固定部与抵接面二232连接，固定部与抵接面二232连接，且固定部沿抵接面二232在水平方向延伸至与连接部21连接。

在本实施例中，一体式的限位块2，包括连接部21和沿连接部21的一侧延伸的两个平行的阶梯结构，两个阶梯结构沿水平方向延伸且间隔设置。一个阶梯结构包括台阶一22，台阶一22的上表面即为承载面一221，台阶一22与连接部21的交界处即为抵接面一222。另一个阶梯结构包括与连接部21依次连接的台阶三24和台阶二23，台阶二23和台阶三24在同一竖直方向上，但台阶一22与台阶二23、台阶三24之间有留有一个缺口。即实现了承载面一221和承载面二231在水平面上的交错。台阶二23的上表面即为承载面二231，台阶二23与台阶三24的交界处即为抵接面二232。

在一个实施中，固定部（即台阶三24）的上端面的高度低于承载面一221的高度，晶圆5放置在承载面一221上时，晶圆5会经过固定部，此时固定部的上端面所在的高度位置低，为晶圆5让位。

连接部21上开设有螺丝孔211，便于将整个限位块2固定在手指部12上。

参见附图6所示，垫块3的两个承载面接触面分别为接触面一321和接触面二331，接触面一321和接触面二331供晶圆5的下端面抵靠。接触面一321和接触面二331位于不同高度位置，且接触面一321位于接触面二331水平方向的一侧，即接触面一321和接触面二331位于Y-Z平面的两侧。接触面一321和接触面二331在水平方向并列且间隔设置，同时接触面一321和接触面二331位于不同高度位置。接触面一321和接触面二331在竖直和水平面上均错位设置。

在一个实施例中，接触面一321和接触面二331可水平设置。但在本申请中，接触面一321和接触面二331均倾斜设置，且接触面一321和接触面二331相对水平方向向两个相反的方向倾斜。由于晶圆5是倾斜放置在第一支撑位置和第二支撑位置的，倾斜设置的接触面一321和接触面二331能增大与晶圆5底面的接触面积，提高对晶圆5夹持的稳定性。

在本实施例中，参见附图9所示，接触面一321所在的高度位置高于接触面二331所在的高度位置，因此接触面一321朝向手指部12向下倾斜，而接触面二331朝向手指部12向上倾斜。

晶圆5放置在第一支撑位置时，晶圆5承载在承载面一221和接触面二331上；晶圆5放置在第二支撑位置时，晶圆5承载在承载面二231和接触面一321上。

在一个实施例中，接触面一321可以设置在一个垫块3上，接触面二331可以设置在另一个垫块3上，此时垫块3采用分体结构。在本实施例中，垫块3采用一体结构，接触面一321和接触面二331共同设置在一个垫块3上。

在本实施例中，参见附图6所示，垫块3包括结合部31，结合部31朝向手指部12的一侧沿水平方向延伸有台阶四32和台阶五33，台阶四32和台阶五33并列且间隔设置，台阶四32和台阶五33的上端面位于不同高度位置，且台阶四32的上端面即为接触面一321，台阶五33的上端面即为接触面二331。台阶四32和台阶五33之间留有一个缺口。

参见附图10所示，当晶圆5放置在第一支撑位置时的俯视图，此时晶圆5的下端面抵靠在承载面一221和接触面二331上，由于承载面二231和承载面一221在水平方向上交错，两者间存在距离，接触面一321和接触面二331同样在水平方向上错位，两者间存在距离。因此即使承载面一221和接触面二331受到污染后，污染的颗粒也不会掉落到承载面二231和接触面一321上。保证晶圆5放置在第二支撑位置时，参见附图11所示，此时晶圆5的下端面抵靠在承载面二231和接触面一321上，承载面二231和接触面一321仍是清洁的状态，不会对晶圆5造成污染。

晶圆5放置到第一支撑位置和第二支撑位置时，晶圆5的圆心不同心，且高度不同，因此夹持滚轮4需要夹持的位置在竖直和水平方向上均不相同。在一个实施例中，可针对第一支撑位置和第二支撑位置，分别设计两组对应的夹持滚轮4。但这样会加大成本，且需要增加判别是哪个位置的晶圆5夹紧，会增大控制的繁琐程度。

在本实施例中，为了节约驱动件6位移控制的计算量，需要夹持滚轮4在实现第一支撑位置的晶圆5和第二支撑位置的晶圆5的夹持的同时，驱动件6每次驱动夹持滚轮4的位移相同。

参见附图12所示，本实例中的夹持滚轮4采用同轴心圆形台阶凸台结构，包括上下且同轴心设置的上凸台41和下凸台42，上凸台41和下凸台42均为圆柱结构，且上凸台41的直径小于下凸台42的直径。上凸台41和下凸台42利用各自的侧壁，分别抵接位于第一支撑位置的晶圆5和位于第二支撑位置的晶圆5。

参见附图13所示，夹持滚轮4夹持晶圆5状态的示意图，当晶圆5放置在第一支撑位置时，晶圆5下端面抵靠在承载面一221上，朝向夹持滚轮4一侧向下倾斜，此时下凸台42与晶圆5抵接，将晶圆5顶紧在抵接面一222上。当晶圆5放置到第二支撑位置时，晶圆5下端面抵靠在承载面二231上，朝向夹持滚轮4一侧向上倾斜，此时上凸台41与晶圆5抵接，将晶圆5顶紧在抵接面二232上。

由于晶圆5的尺寸是固定的，但抵接面一222和抵接面二232在水平和竖直两个方向上位置均不相同，因此为了配合将晶圆5顶紧在抵接面一222或抵接面二232上，保证夹持滚轮4每次在Y轴向移动相同距离，上凸台41与下凸台42的半径之差等于承载面一221的宽度加上间隙d。同时，夹持滚轮4为了在高度方向上能与晶圆5的边缘抵接，下凸台42和上凸台41的厚度均大于晶圆5厚度。下凸台42的上端面高度位置位于接触面一321和接触面二331的高度位置之间，且下凸台42的下端面高度位置低于接触面一321的高度位置，即接触面一321的高度位置位于下凸台42的上下端面的高度位置之间。上凸台41的下端面高度位置低于接触面一321的高度位置，上凸台41的上端面高度位置高于接触面一321的高度位置，即接触面二331的高度位置位于上凸台41的上下端面的高度位置之间。

夹持滚轮4的半径与晶圆5位置相关联，夹持滚轮4可以作为一个单独零件与驱动件6相联，这样则减少了繁琐的控制逻辑，不论晶圆5位置在哪，其夹紧动作只需要一个指令。

夹持滚轮4在驱动件6驱动下沿Y轴水平移动，驱动件6可选用气缸。晶圆5的夹持与传输会受到晶圆5夹持力和晶圆5本身放置方式的影响。夹持力太小，对晶圆5的夹紧程度偏松，不利于晶圆5稳定传输。夹紧力太大，会破坏晶圆5边缘甚至导致晶圆5破碎。因此气缸需要提供一个合适的夹持力，以满足晶圆5稳定安全传输的需求。

晶圆5倾斜放置在第一支撑位置和第二支撑位置，这对晶圆5在传送过程的受力和形变也将产生不同影响。为了确保晶圆5能稳定安全传输，需要确定晶圆5夹持方式和夹持角度不同的情况下，气缸的最小使用气压。但同时由于限位块的每个台阶高度都仅有2-3mm，被夹持晶圆5直径是台阶高度的十几倍到几十倍，因此晶圆5相对水平方向倾斜角度可忽略不计。

参见附图14所示，晶圆5由夹持滚轮4和两个限位块2形成的三角结构进行夹持，在水平面上，晶圆5的夹紧依赖于气缸传递给夹紧滚轮4的推力F_气缸，一个限位块2对晶圆5的反作用力F_夹持力1，另一限位块2对晶圆5的反作用力F_夹持力2，其中

F_夹持力= F_夹持力1= F_夹持力2

（1）

其中θ为限位块2与晶圆5边缘抵接的抵接面到晶圆圆心的连线与Y轴之间的夹角。

当末端执行器夹紧晶圆5在Z轴上移动时，Z轴的加速度a₁=V_max/t,

其中V_max为末端执行器在Z轴方向的最大速度，t为加速时间，均为已知或可计算量。

末端执行器夹持晶圆5时，限位块2对晶圆5有一个夹紧力，抵接面与晶圆5边缘表面之间因夹紧力而产生了摩擦力F_摩擦，

F_摩擦=μ F_加持力（2）

其中μ为晶圆5与限位块2的抵接面之间的摩擦系数。

则当Z轴方向以a₁为加速度时所需要提供的力F₁=ma₁，m为晶圆5的质量。为确保晶圆5被夹紧不会滑落，稳定夹持晶圆5，晶圆摩擦力需大于晶圆本身的重力，即

（3）

由公式(1)、(2)和(3)计算得出F_气缸＞2 ma₁cosθ/μ(4)。

当末端执行器夹紧晶圆5在X轴上移动时，末端执行器在X轴的加速度

a₂=V_max2/t₂

其中V_max2为末端执行器在X轴的最大速度，t₂为水平加速时间，均为已知量或可计算量。

末端执行器在X轴加速平移产生了作用于晶圆上的力

F₂=ma₂

为确保晶圆被夹紧而不会发生水平方向上的移动，晶圆与限位块之间的摩擦力F_摩擦应该大于末端执行器加速平移作用于晶圆上的力F₂，即

（5）

由公式(1)、(2)和(5)计算得出F_气缸＞2 ma₂cosθ/μ（6）。

当末端执行器绕Y轴旋转时，其旋转角加速度a₃

a₃=V_线/t₃ ,V_线=wr

其中V_线为水平旋转线速度，r为旋转半径，t₃为加速时间，w为旋转角速度。

晶圆被夹持启动旋转时，一侧的限位块不受力，故总体受力状态如图15所示，

F_启= F_气缸tanθ

晶圆5被夹持启动时F_启＞ma₃，可得出F_气缸＞ ma₃ /tanθ（7）。

综上，结合（4）（6）（7），F_气缸＞2 ma₁cosθ/μ、

F_气缸＞2 ma₂cosθ/μ和F_气缸＞ ma₃ /tanθ，得出

F_气缸＞max(2 ma₁cosθ/μ, 2 ma₂cosθ/μ, ma₃ /tanθ)(8)

根据气缸气压P_气缸= F_气缸/S,S为气缸活塞杆直径，可以得出气缸正常运行时所需最小气压值。

参见附图16所示，本实施例中，限位块2具有抵接面一222和抵接面二232，两者产生的夹持力与Y轴之间的夹角不同，其中抵接面一222对晶圆5的夹持力与Y轴之间的夹角为θ₁，抵接面二232对晶圆5的夹持力与Y轴之间的夹角为θ₂，其中θ₂＞θ₁。结合公式（8）可知，抵接面对晶圆5的夹持力与Y轴之间的夹角越大，所需气压越小，但夹持力与Y轴之间的夹角不能超过90°，否则会因两个限位块2和夹紧滚轮4三点在180°范围内而无法夹紧晶圆5。即两个限位块2与夹紧滚轮4之间形成的等腰三角形为锐角等腰三角形。

由于晶圆5放置在第一支撑位置和第二支撑位置时，抵接面一222和抵接面二232对晶圆5产生的夹持力与Y轴之间的夹角不同，因此在两个位置时，气缸所需的最下气压值也不同。因此在末端执行器夹持机械手之前，根据晶圆放置的位置，调节气缸的气压值。

本发明还公开了一种机械手，包括固定板，上述末端执行器的根部11固定在固定板上。驱动件6固定在固定板上，以驱动夹持滚轮4移动。

夹持滚轮4与驱动件6的输出端转动连接，即驱动件6在驱动夹持滚轮4沿Y轴往复移动的同时，夹持滚轮4能沿自身轴向在外力驱动下转动。晶圆5在初始放置到第一支撑位置或第二支撑位置时，并没有完全对准到位，可能会在夹持滚轮4与其边缘抵接后，产生移动，因此将夹持滚轮设置成可滚动的形式，减小晶圆在移动过程中对晶圆的摩擦，并能利用转动的夹持滚轮4将晶圆5推动到位。

本发明还公开了一种晶圆传输装置，还包括多关节的机械手臂，机械手的固定板固定在机械手臂上。机械手臂能带动固定板在Z轴和X轴沿直线移动，并能带动固定板绕Y轴旋转。实现晶圆5的不同位置的搬运。

机械手搬运晶圆5至工艺一中时，将加工前的晶圆5夹持在第一支撑位置。首先机械手臂带动末端执行器移动到晶圆5的下方，然后晶圆5机械手臂带动末端执行器上移顶起晶圆5，将晶圆5抵靠在承载面一221和接触面二331上。然后驱动件6驱动夹持滚轮4朝向晶圆5移动，夹紧滚轮的下凸台42的侧边推动晶圆5，将晶圆5夹紧在下凸台42和两个抵接面一222之间。晶圆5完成固定，可在机械手臂带动下移动到指定位置。晶圆5到达指定位置后，驱动件6驱动夹持轮轮朝向远离晶圆5的一侧移动，然后机械手臂带动末端执行器下移与晶圆5分离。

对于经过工艺一加工的晶圆5，由于承载面一221和接触面二331已经可能存在污染，为了减少对晶圆5的污染，将经过工艺一加工的晶圆5夹持在第二支撑位置。将晶圆5抵靠在承载面二231和接触面一321上。然后驱动件6驱动夹持滚轮4朝向晶圆5移动，夹紧滚轮的上凸台41的侧边推动晶圆5，将晶圆5夹紧在上凸台41和两个抵接面二232之间。

在工艺前后的晶圆5通过晶圆传输装置上不同的晶圆5位置进行传送，这样可以避免因相同接触位置而造成的晶圆5污染。

以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (17)

1.一种末端执行器，包括双夹持片叉，其特征在于：还包括

限位块，所述限位块设置有两个，且对称设置在双夹持片叉的一侧，每个所述限位块均具有承载晶圆下表面的承载面和与晶圆边缘抵接的抵接面，所述承载面和抵接面对应设置，且均设置有两个；

垫块，所述垫块设置有至少一个，且设置在所述双夹持片叉的另一侧，所述垫块具有承载晶圆下表面的两个接触面，一个所述承载面和一个接触面形成供晶圆放置的第一支撑位置，另一个所述承载面和另一个接触面形成供晶圆放置的第二支撑位置，位于所述第一支撑位置的晶圆和第二支撑位置的晶圆相对于水平方向向两个相反的方向倾斜，且晶圆的圆心不同心；

夹持滚轮，所述夹持滚轮设置有一个且和垫块位于双夹持片叉的同一侧，所述夹持滚轮能在驱动件驱动下沿水平面移动以靠近或远离限位块，所述夹持滚轮在移动相同距离位置时，能对所述第一支撑位置或第二支撑位置的晶圆进行夹持。

2.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于：两个所述承载面位于不同高度位置，且两个所述承载面在水平方向并列且间隔设置，在水平方向靠近所述垫块的一个承载面的高度位置低于另一所述承载面的高度位置；两个所述接触面位于不同高度位置，且两个所述接触面在水平方向上并列且间隔设置。

3.根据权利要求2所述的末端执行器，其特征在于：所述抵接面与对应设置的承载面垂直设置，且所述抵接面沿对应设置的承载面远离垫块的一侧的端部向上延伸。

4.根据权利要求3所述的末端执行器，其特征在于：位于低处的所述承载面对应的抵接面的延长线到另一个所述承载面朝向垫块的边缘之间，在水平方向上留有间隙d。

5.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于：两个所述抵接面均为圆弧面，且所述圆弧面的圆弧半径与晶圆半径相同，所述抵接面的高度均大于晶圆的厚度。

6.根据权利要求2所述的末端执行器，其特征在于：两个所述承载面均倾斜设置，且位于高处的所述承载面朝向垫块向下倾斜，另一个所述承载面朝向垫块向上倾斜；两个所述接触面均倾斜设置，且位于高处的所述接触面朝向限位块向下倾斜，另一个所述接触面朝向限位块向上倾斜。

7.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于：两个所述抵接面和对应设置的承载面共同设置在一个限位块上，所述限位块包括连接部和沿连接部的一侧延伸的两个阶梯结构，两个所述阶梯结构沿水平方向延伸且间隔设置；

一个所述阶梯结构包括台阶一，所述台阶一的上表面为一个承载面，所述台阶一与连接部的交界处为对应设置的抵接面；

另一个所述阶梯结构包括与连接部依次连接的台阶三和台阶二，所述台阶二和台阶二在同一竖直方向上，所述台阶二的上表面为另一个承载面，台阶二与台阶三的交界处即为对应设置的抵接面。

8.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于：两个所述接触面共同设置在一个垫块上，所述垫块包括结合部，所述结合部一侧沿水平方向延伸有并列且间隔设置的台阶四和台阶五，所述台阶四和台阶五的上端面位于不同高度位置，所述台阶四和台阶五的上端面分别为两个接触面。

9.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于：所述双夹持片叉成U型结构，包括根部和沿根部延伸的两个手指部，两个所述手指部间隔设置且长度相同，两个限位块分别固定在两个手指部远离根部的端部，所述垫块固定在根部上。

10.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于：所述夹持滚轮在移动过程中，所述夹持滚轮到两个限位块之间的距离始终相同，所述夹持滚轮和两个限位块形成等腰三角形。

11.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于：所述垫块设置有两个，且两个所述垫块对称设置在夹持滚轮两侧。

12.根据权利要求4所述的末端执行器，其特征在于：所述夹持滚轮包括上下且同轴心设置的上凸台和下凸台，所述上凸台和下凸台均为圆柱结构，所述上凸台和下凸台的侧壁，能分别抵接位于所述第一支撑位置的晶圆和位于第二支撑位置的晶圆。

13.根据权利要求12所述的末端执行器，其特征在于：所述上凸台的直径小于下凸台的直径，所述上凸台与下凸台的半径之差等于位于高处的承载面的宽度加上间隙d。

14.根据权利要求12所述的末端执行器，其特征在于：所述上凸台和下凸台的高度均大于晶圆的厚度，且位于低处的所述接触面的高度位置位于下凸台42的上下端面的高度位置之间；位于高处的所述接触面的高度位置位于上凸台41的上下端面的高度位置之间。

15.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于：所述驱动件为气缸，所述气缸的气压满足

其中S为气缸活塞杆直径，m为晶圆质量，a₁为晶圆在Z轴上移动的加速度；a₂为晶圆在X轴上移动的加速度；a₂为晶圆在Y轴旋转时的转角加速度；θ为与晶圆边缘抵接的抵接面到晶圆圆心连线与Y轴之间的夹角。

16.一种机械手，其特征在于：包括固定板，所述固定板上设置有权利要求1-15任一所述的末端执行器，所述双夹持片叉和驱动件固定在固定板上。

17.一种晶圆传输装置，其特征在于：包括机械手臂，所述机械手臂的输出端固定有至少一个权利要求16所述的机械手，所述机械手臂能带动机械手在X轴、Y轴和Z轴三个方向上移动。

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