CN116587311A - 一种连杆式单臂双手指真空机械手及真空腔室 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种连杆式单臂双手指真空机械手及真空腔室，其中，真空机械手包括：下手臂主动连杆；下手臂被动连杆，与下手臂主动连杆通过第一轴承连接；上手臂主动连杆；上手臂被动连杆，与上手臂主动连杆通过第二轴承连接；手臂横向杆，一端与下手臂被动连杆通过第三轴承连接，另一端与上手臂被动连杆通过第四轴承连接；手臂横向杆具有两个伸出部，分别连接有第一手指和第二手指；第一驱动单元，连接于下手臂主动连杆，用于使下手臂主动连杆带动下手臂被动连杆进行伸缩运动；第二驱动单元，连接于上手臂主动连杆，用于使下手臂主动连杆带动下手臂被动连杆进行伸缩运动；第三驱动单元，用于驱动整体进行旋转运动。

Description

一种连杆式单臂双手指真空机械手及真空腔室
技术领域
本发明涉及半导体制造设备技术领域，具体涉及一种连杆式单臂双手指真空机械手及真空腔室。
背景技术
半导体晶圆加工中的刻蚀、沉积、外延生长等工艺需要在真空反应腔室中进行，因此需要真空机械手把晶圆从前端晶圆搬送模块搬送到真空反应腔中，而真空机械手一般安装在晶圆搬送前端模块与真空反应腔之间的真空传输腔中，因其独特的使用环境，造成传统的洁净大气水平多关节机械手(俗称洁净SCARA机械手)不能应用在真空环境下，大气机械手一般是丝杆、同步带、谐波减速器、电气线缆等构成，这些结构在真空环境或者超高真空环境下会有很大的危害，一是运动会产生颗粒污染真空环境，二是这些运动轴系释气性很差，在真空腔室抽真空的时候，因这些释放气体源的存在，造成真空环境建立要非常久，失去了经济可行性。
市面上常规的真空机械手是以直驱电机直接驱动，在真空环境内的轴系不再使用丝杆、同步带、谐波减速器、电器线缆等零部件，一般情况下真空机械手的手臂运动形式分为连杆运动和钢带运动，都可以在真空环境下实现晶圆的往复搬送功能。
连杆运动的优点：手臂薄；运行速度快，可应用在薄款真空腔室中，节约了真空腔室空间，变相的节约了成本。缺点：负载小；单侧只能安装单手指，产能低；搬送距离不远；受结构限制，与手臂连接的手指很短，需要长手指搬送的真空腔室不能对应。
钢带运动的优点：负载大；搬送距离很远；手臂单侧可以安装双手指，产能高。缺点：运行速度一般；手臂中因钢带的存在，手臂设计很厚，造成真空腔室整体厚度增加，增加成本。
因此，如何优化真空机械手的结构，使其适用性更强，是目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种连杆式单臂双手指真空机械手，能够解决连杆式机械手负载小、产能低的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种连杆式单臂双手指真空机械手，包括：
下手臂主动连杆；
下手臂被动连杆，与所述下手臂主动连杆通过第一轴承连接；
上手臂主动连杆；
上手臂被动连杆，与所述上手臂主动连杆通过第二轴承连接；
手臂横向杆，一端与所述下手臂被动连杆通过第三轴承连接，另一端与所述上手臂被动连杆通过第四轴承连接；所述手臂横向杆具有两个伸出部，分别连接有第一手指和第二手指，所述第一手指和所述第二手指均用于承载晶圆；
第一驱动单元，连接于所述下手臂主动连杆，用于使所述下手臂主动连杆带动所述下手臂被动连杆进行伸缩运动；
第二驱动单元，连接于所述上手臂主动连杆，用于使所述下手臂主动连杆带动所述下手臂被动连杆进行伸缩运动；
第三驱动单元，连接于所述下手臂主动连杆和所述上手臂主动连杆整体，用于驱动所述整体进行旋转运动。
可选方案中，所述第一驱动单元包括相互配合的第一定子线圈和第一转子，所述第一转子环绕于所述第一定子线圈的外周；
所述第一转子通过第一连接件与所述下手臂主动连杆连接；
所述第二驱动单元包括相互配合的第二定子线圈和第二转子，所述第二转子环绕于所述第二定子线圈的外周；
所述第二转子通过第二连接件与所述上手臂主动连杆连接；
所述第三驱动单元包括相互配合的第三定子线圈和第三转子；且所述第三转子环绕于所述第三定子线圈的外周；
所述第三转子通过第三连接件与所述连杆机构整体连接。
可选方案中，所述机械手还包括基座和套筒，所述套筒位于所述基座内，所述套筒具有沿周向凸出的环形外延，所述环形外延与所述基座的内壁滑动密封连接，使所述套筒的外壁与所述基座之间形成真空环境；
所述第一转子、所述第二转子、所述第三转子处于真空环境中，所述第一定子线圈、所述第二定子线圈、所述第三定子线圈位于所述套筒内部，处于大气环境中。
可选方案中，所述机械手还包括波纹管，所述波纹管的上端连接于所述环形外延的底面，所述波纹管的下端连接于所述基座的底面。
可选方案中，所述机械手还包括第四驱动单元；
所述第四驱动单元包括：
依次连接的伺服电机、同步带、同步带轮、丝杆；所述伺服电机带动所述同步带和同步带轮转动，所述同步带轮带动所述丝杆转动。
可选方案中，所述下手臂主动连杆和所述上手臂连杆长度一致，且所述下手臂被动连杆和所述上手臂被动连杆长度一致。
可选方案中，所述下手臂主动连杆与所述下手臂被动连杆的最小夹角大于30°，且所述上手臂主动连杆与所述上手臂被动连杆的最小夹角大于30°。
可选方案中，所述第一轴承、所述第二轴承、所述第三轴承均为真空轴承，所述真空轴承的表面具有润滑涂层。
可选方案中，所述第一手指和所述第二手指相互平行。
本发明还提供了一种真空腔室，包括：
真空传输腔，所述真空传输腔中设有如上述的连杆式单臂双手指真空机械手；
至少一个真空工艺反应腔，位于所述真空传输腔外周，与所述真空传输腔通过真空门阀连接；
晶圆上片台，与所述真空传输腔通过真空门阀连接。
本发明的有益效果在于：
本申请真空机械手可以单侧安装两个手指，真空机械手一次可以搬送2片晶圆，真空腔室可以做的更薄，真空传输腔单边挂接的真空反应腔可以一次放置2片晶圆，产能更高，整体节约生产成本。
进一步地，本申请提供了一种新型的外转子内定子的直驱电机结构，因转子在外侧，输出转矩更大，手臂负载增加，也是因为负载增加才能实现手臂单侧安装两个手指。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1为本发明实施例中连杆式真空机械手的轴侧图，真空机械手处于初始位置(缩回位置)，手臂没有伸出。
图2为本发明实施例中驱动机构构造图。
图3为本发明实施例中真空机械手安装在真空腔室中的俯视图，真空机械手处于初始位置，手臂没有伸出。
图4为本发明实施例中真空机械手安装在真空腔室中的俯视图，真空机械手的手臂已经展开，晶圆被送到真空反应腔的工位。
图5a至图5k为本发明实施例中真空机械手的手臂从初始位置到最大伸出位置过程中的连杆动态运行状态截图。
附图标记说明：
1a-基座；2-下手臂主动连杆；3-上手臂主动连杆；4-下手臂被动连杆；5-上手臂被动连杆；6-手臂横向杆；7-第一手指；8-第二手指；9-第一晶圆；10-第二晶圆、11-第一转子；12-第一定子线圈；13-第一连接件；14-第二转子；15-第二定子线圈；16-第二连接件；17-第三转子；18-第三定子线圈；19-第三连接件；20-套筒；21-波纹管；22-伺服电机；23-同步带；24-丝杆；25-同步带轮；26-真空机械手；27-真空传输腔；28-真空反应腔；29-晶圆上片台；30-真空反应腔；31-真空反应腔；31a-工位；31b-工位；32-前端晶圆搬送模块；33-真空门阀。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面的说明和附图，本发明的优点和特征将更清楚，然而，需说明的是，本发明技术方案的构思可按照多种不同的形式实施，并不局限于在此阐述的特定实施例。附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
实施例1
参照图1至图5k，本实施例提供了一种连杆式单臂双手指真空机械手，包括：
驱动机构和连杆机构，所述连杆机构包括：
第一连杆单元和第二连杆单元以及连接两者的手臂横向杆，所述手臂横向杆具有两个伸出部，分别连接有第一手指和第二手指，所述第一手指和所述第二手指均用于承载晶圆；
所述驱动机构包括第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元，所述第一驱动单元连接于所述第一连杆单元，用于驱动所述第一连杆单元进行伸缩运动；所述第二驱动单元连接于所述第二连杆单元，用于驱动所述第二连杆单元进行伸缩运动；所述第三驱动单元连接于所述连杆机构整体，用于驱动所述整体进行旋转运动。
具体地，本实施例中，所述第一连杆单元包括：下手臂主动连杆2；下手臂被动连杆4，与所述下手臂主动连杆2通过第一轴承连接；所述第二连杆单元包括：上手臂主动连杆3；上手臂被动连杆5，与所述上手臂主动连杆5通过第二轴承连接；所述手臂横向杆6一端与所述下手臂被动连杆4通过第三轴承连接，另一端与所述上手臂被动连杆5通过第四轴承连接。本实施例中所述第一轴承、所述第二轴承、所述第三轴承均为真空轴承，真空轴承不使用润滑剂只是在表面做了润滑涂层，防止润滑剂的释放污染真空环境。第一手指7和第二手指8分别通过真空螺丝安装在手臂横向杆6的两个伸出部，分别用于承载第一晶圆9和第二晶圆10。
本实施例中，所述下手臂主动连杆2和所述上手臂主动连杆3的长度一致，且所述下手臂被动连杆4和所述上手臂被动连杆5的长度一致。在下手臂主动连杆2以一定速度逆时针旋转时，上手臂主动连杆3以相同速度顺时针旋转，下手臂主动连杆2和上手臂主动连杆3分别会带动下手臂被动连杆4和上手臂被动连杆5转动，下手臂被动连杆4和上手臂被动连杆5的转动速度相同方向相反，下手臂被动连杆4和上手臂被动连杆5会同时把作用力给到手臂横向杆6上，因左右两个主动连杆和左右两个被动连杆的长度一致，故这两个力的合力朝向手指方向，故最终会带动手臂横向杆6和第一手指7、第二手指8一起做直线伸出运动，直到伸出到机械手的最大伸出位置。在真空机械手手臂在最大伸出位置后，以相同速度分别顺时针转动下手臂主动连杆2和逆时针转动上手臂主动连杆3，会分别通过下手臂被动连杆4、上手臂被动连杆5带动手臂横向杆6和第一手指7、第二手指8一起做直线缩回运动，直至缩回到真空机械手初始位置。
本实施例中，所述第一驱动单元包括相互配合的第一定子线圈12和第一转子11，所述第一转子11环绕于所述第一定子线圈12的外周；所述第一转子11通过第一连接件13与所述下手臂主动连杆2连接，给第一定子线圈12上电后，使第一转子11转动，第一转子11会带动下手臂主动连杆2转动；所述第二驱动单元包括相互配合的第二定子线圈15和第二转子14，所述第二转子14环绕于所述第二定子线圈15的外周；所述第二转子14通过第二连接件16与所述上手臂主动连杆3连接，给第二定子线圈15上电后，使第二转子14转动，第二转子14会带动上手臂主动连杆3转动；所述第三驱动单元包括相互配合的第三定子线圈18和第三转子17；且所述第三转子17环绕于所述第三定子线圈18的外周；所述第三转子17通过第三连接件19与所述连杆机构整体连接。给第三定子线圈18上电后，会使第三转子17转动，第三转子17会带动连杆机构整体转动，实现真空机械手的整体手臂旋转功能，实现真空机械手往不同方向的交接晶圆。
本实施例中所述机械手还包括第四驱动单元；所述第四驱动单元包括：依次连接的伺服电机22、同步带23、同步带轮25、丝杆24；所述伺服电机22带动所述同步带23和同步带轮25转动，所述同步带轮25带动所述丝杆24转动。
本实施例中，所述机械手还包括基座1a和套筒20，所述套筒20位于所述基座1a内，所述套筒20具有沿周向凸出的环形外延，所述环形外延与所述基座1a的内壁滑动密封连接，使所述套筒20的外壁与所述基座1a之间形成真空环境；所述第一转子11、所述第二转子15、所述第三转子18处于真空环境中，所述第一定子线圈12、所述第二定子线圈14、所述第三定子线圈17位于所述套筒20内部，处于大气环境中。所述机械手还包括波纹管21，所述波纹管21的上端连接于所述环形外延的底面，所述波纹管的下端连接于所述基座1a的底面。
丝杆24与套筒20(材料优选为不锈钢)之间螺纹啮合配合，实现丝杆24转动变成套筒20的上下直线运动(套筒与其他部件连接，进而使连杆结构整体上下运动，该技术属于常规技术，故在图2中未做体现)，套筒20和基座1a之间通过底部安装刚性波纹管21实现真空与大气环境的隔绝。刚性波纹管21属于动态密封，在丝杆24带动套筒20上下直线运动时，刚性波纹管21会跟着做伸缩，实现动态隔绝真空环境的作用。
本实施例可以单侧安装两个手指，真空机械手一次可以搬送2片晶圆，真空腔室可以做的更薄，真空传输腔单边挂接的真空反应腔可以一次放置2片晶圆，产能更高，整体节约生产成本。
进一步地，本实施例提供了一种新型的外转子内定子的直驱电机结构，因转子在外侧，输出转矩更大，手臂负载增加，也是因为负载增加才能实现手臂单侧安装两个手指。
实施例2
参照图3至图5k，本实施例提供了一种真空腔室，包括：
真空传输腔27，所述真空传输腔27中设有上述的连杆式单臂双手指真空机械手26；
至少一个真空反应腔，位于所述真空传输腔27外周，与所述真空传输腔通过真空门阀连接；
晶圆上片台29，与所述真空传输腔27通过真空门阀连接。
具体地，本实施例中有3个真空反应腔(真空反应腔28、真空反应腔30、真空反应腔31)，每个真空反应腔布局2个晶圆工位(工位31a和工位31b)，一次可以完成2片晶圆的加工搬送和加工工艺，产能更高。真空传输腔27和每个真空反应腔之间以及真空传输腔27与晶圆上片台29都是通过真空门阀33连接，在相互之间搬送晶圆的时候，相应的真空门阀33会打开，其他的真空门阀33是关闭的状态，保证各腔室内的气体环境是稳定的。
如图3所示，晶圆上片台29左侧与晶圆前端搬送模块32通过真空门阀33连接，常规晶圆厂在加工晶圆的时候，会使用晶圆前端搬送模块32与真空晶圆上片台29进行交接晶圆，也就是俗称的上下料。在晶圆上料给到晶圆上片台29之后，晶圆上片台29的左侧真空门阀33关闭，晶圆上片台29内部形成一个独立的腔室环境，通常通过真空泵对晶圆上片台29内部环境进行抽真空，真空度达到目标值后(目标值一般和后续要传片的腔室真空度一致，目的是为了保证门阀开合时真空气体不会因压力不同而在连通的腔室之间乱流)，之后打开晶圆上片台29的右侧与真空传输腔27相连的真空门阀33，晶圆机械手26通过运动连杆手臂从晶圆上片台29取出晶圆，真空机械手26回到图3的位置等待传片到真空反应腔31中，最后关闭晶圆上片台29右侧的真空门阀33。
如图4所示，在第一晶圆9和第二晶圆10被送到真空反应腔31的工位31a和工位31b之前，首先真空泵对真空传输腔27进行抽真空，真空度与真空反应腔31的真空度一致后，打开真空传输腔27与真空反应腔31之间的门阀33。真空机械手26转动连杆手臂使手指伸出，搬送第一晶圆9和第二10分别到真空反应腔31的工位31a和工位31b的工位，之后真空机械手26的手臂缩回，关闭真空传输腔27与真空反应腔31之前的门阀33。完成了晶圆从晶圆前端搬送模块32往真空反应腔31的上料功能，反之，流程以相反的方式进行，可以完成真空反应腔31往晶圆前端搬送模块32的下料过程，其他真空反应腔上下料模式一致。
如图5a至5k所示，是真空机械手的手臂从缩回位置到最大伸出位置过程中的连杆动态运行状态截图。在上下手臂主动连杆驱动被动连杆转动的时候，主动连杆和被动连杆的转矩合力方向与手指运行方向一致，不会出现卡死的情况；图示5e为主动连杆与被动连杆夹角最小的时候截图，最小夹角大于30°，而且连杆整体输出转矩也还是朝向手指方向。连杆运行功能性可实现。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种连杆式单臂双手指真空机械手，其特征在于，包括：
下手臂主动连杆；
下手臂被动连杆，与所述下手臂主动连杆通过第一轴承连接；
上手臂主动连杆；
上手臂被动连杆，与所述上手臂主动连杆通过第二轴承连接；
手臂横向杆，一端与所述下手臂被动连杆通过第三轴承连接，另一端与所述上手臂被动连杆通过第四轴承连接；所述手臂横向杆具有两个伸出部，分别连接有第一手指和第二手指，所述第一手指和所述第二手指均用于承载晶圆；
第一驱动单元，连接于所述下手臂主动连杆，用于使所述下手臂主动连杆带动所述下手臂被动连杆进行伸缩运动；
第二驱动单元，连接于所述上手臂主动连杆，用于使所述下手臂主动连杆带动所述下手臂被动连杆进行伸缩运动；
第三驱动单元，连接于所述下手臂主动连杆和所述上手臂主动连杆整体，用于驱动所述整体进行旋转运动。
2.如权利要求1所述的连杆式单臂双手指真空机械手，其特征在于，所述第一驱动单元包括相互配合的第一定子线圈和第一转子，所述第一转子环绕于所述第一定子线圈的外周；
所述第一转子通过第一连接件与所述下手臂主动连杆连接；
所述第二驱动单元包括相互配合的第二定子线圈和第二转子，所述第二转子环绕于所述第二定子线圈的外周；
所述第二转子通过第二连接件与所述上手臂主动连杆连接；
所述第三驱动单元包括相互配合的第三定子线圈和第三转子；且所述第三转子环绕于所述第三定子线圈的外周；
所述第三转子通过第三连接件与所述连杆机构整体连接。
3.如权利要求1所述的连杆式单臂双手指真空机械手，其特征在于，所述机械手还包括基座和套筒，所述套筒位于所述基座内，所述套筒具有沿周向凸出的环形外延，所述环形外延与所述基座的内壁滑动密封连接，使所述套筒的外壁与所述基座之间形成真空环境；
所述第一转子、所述第二转子、所述第三转子处于真空环境中，所述第一定子线圈、所述第二定子线圈、所述第三定子线圈位于所述套筒内部，处于大气环境中。
4.如权利要求3所述的连杆式单臂双手指真空机械手，其特征在于，所述机械手还包括波纹管，所述波纹管的上端连接于所述环形外延的底面，所述波纹管的下端连接于所述基座的底面。
5.如权利要求1所述的连杆式单臂双手指真空机械手，其特征在于，所述机械手还包括第四驱动单元；
所述第四驱动单元包括：
依次连接的伺服电机、同步带、同步带轮、丝杆；所述伺服电机带动所述同步带和同步带轮转动，所述同步带轮带动所述丝杆转动。
6.如权利要求2所述的连杆式单臂双手指真空机械手，其特征在于，所述下手臂主动连杆和所述上手臂连杆长度一致，且所述下手臂被动连杆和所述上手臂被动连杆长度一致。
7.如权利要求6所述的连杆式单臂双手指真空机械手，其特征在于，所述下手臂主动连杆与所述下手臂被动连杆的最小夹角大于30°，且所述上手臂主动连杆与所述上手臂被动连杆的最小夹角大于30°。
8.如权利要求2所述的连杆式单臂双手指真空机械手，其特征在于，所述第一轴承、所述第二轴承、所述第三轴承均为真空轴承，所述真空轴承的表面具有润滑涂层。
9.如权利要求1所述的连杆式单臂双手指真空机械手，其特征在于，所述第一手指和所述第二手指相互平行。
10.一种真空腔室，其特征在于，包括：
真空传输腔，所述真空传输腔中设有如权利要求1-9任一项所述的连杆式单臂双手指真空机械手；
至少一个真空工艺反应腔，位于所述真空传输腔外周，与所述真空传输腔通过真空门阀连接；
晶圆上片台，与所述真空传输腔通过真空门阀连接。
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