CN117355399A - 具有角度柔顺机构的刀片型末端执行器 - Google Patents

Abstract

本文公开了提供刀片型末端执行器的晶片搬运机械手以及相关系统，刀片型末端执行器具有内置的柔顺机构，其允许末端执行器刀片由于在第一配置以及第二配置中的重力负荷而相对于末端执行器腕部单元的腕部单元外壳少量旋转，在第二配置时，腕部单元外壳为从第一配置倒置。这样的系统可与由诸如硅碳化物之类的高刚度材料所制成的末端执行器刀片结合使用，从而允许这种末端执行器刀片可以在通常需要由更柔顺的材料所制成的末端执行器刀片的条件下使用。

Description

具有角度柔顺机构的刀片型末端执行器

相关申请

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背景技术

晶片搬运机械手可以使用多种不同类型的末端执行器来搬运半导体晶片。这样的末端执行器可包含，例如，刀片型末端执行器，其通常是长而薄的金属铲状结构，其被设计为从下方支撑半导体晶片。这样的末端执行器通常非常薄，例如仅几毫米的厚度，以便能够在晶片之间滑动，这些晶片是以竖直堆叠的方式排列，且晶片之间的中心至中心的间距为10毫米。

本文公开了对具有刀片式末端执行器的晶片搬运机械手的改良。

发明内容

本说明书中描述的主题的一个或多个实施方案的细节在附图和以下描述中阐述。其他特征、方面和优点将根据所述描述、附图和权利要求中变得显而易见。

在一些实现方案中，可提供一种包含末端执行器腕部单元的装置。所述末端执行器腕部单元可以包含：腕部单元外壳；末端执行器安装组件，其具有第一末端执行器安装件；以及一个或多个旋转界面。所述第一末端执行器安装件可以被配置为与第一末端执行器刀片机械性连接，所述第一末端执行器刀片具有限定第一平面的主表面，所述末端执行器安装组件可以通过所述一个或多个旋转界面与所述腕部单元外壳连接，使得所述末端执行器安装组件能在相对于所述腕部单元外壳的第一运动角度范围内且围绕第一轴旋转，以及当所述第一末端执行器刀片安装至所述第一末端执行器安装件时，所述第一轴可以基本上平行于所述第一平面。

在一些实现方案中，所述第一末端执行器安装件可以具有第一平面末端执行器安装表面，当所述第一末端执行器安装件与所述第一末端执行器刀片配合且所述第一平面末端执行器安装表面平行于所述第一轴时，所述第一平面末端执行器安装表面被配置为与所述第一末端执行器刀片配合。

在一些实现方案中，所述装置还可以包含所述第一末端执行器刀片。

在一些实现方案中，所述装置可以包含第一主动止动件和第二主动止动件，所述第一主动止动件被定位成当所述末端执行器安装组件位于所述第一运动角度范围的第一旋转极限时，与所述末端执行器安装组件的一部分接触，以及所述第二主动止动件被定位成当所述末端执行器安装组件处在所述第一运动角度范围的第二旋转极限时，与所述末端执行器安装组件的一部分接触。

在一些实现方案中，所述第一主动止动件以及所述第二主动止动件中的一者或两者可以是能调整的。

在一些实现方案中，所述第一运动角度范围可以小于10度。

在一些实现方案中，所述装置还可以包含：阻尼机构，其被配置为缓冲所述末端执行器安装组件相对于所述腕部单元外壳的旋转运动。

在一些实现方案中，所述装置还可以包含拉杆以及摇臂。所述拉杆可以具有能旋转地耦合至所述摇臂的第一端的第一端以相对于所述摇臂能围绕第二轴旋转，并且具有能旋转地耦合至所述末端执行器安装组件的第二端以相对于所述末端执行器安装组件能围绕第三轴旋转。所述摇臂也可以具有与所述阻尼机构的第一端能旋转地耦合的第二端，以相对于所述阻尼机构能围绕第四轴旋转，且可以安装成能围绕第五轴旋转，所述第五轴相对于所述腕部单元外壳是固定的。

在一些实现方案中，所述第五轴和所述第四轴之间的第一距离可以大于所述第五轴和所述第二轴之间的第二距离。

在一些这样的实现方案中，所述第一距离可以为所述第二距离的至少1.5倍。

在一些实现方案中，所述装置还可以包含第二末端执行器刀片，所述第二末端执行器刀片相对于所述末端执行器安装组件是固定的。

在一些实现方案中，所述第一末端执行器刀片和所述第二末端执行器刀片各自可以具有相对应的远端和相对应的近端，所述第一末端执行器刀片和所述第二末端执行器刀片的所述近端可以固定地安装至所述末端执行器安装组件，所述第一末端执行器刀片和所述第二末端执行器刀片的所述远端各自可以具有安装至其上的相对应的远端夹板，每一远端夹板可以具有从相对应的所述末端执行器刀片延伸出来的升高部，以及从其所述升高部向外延伸的捕获表面，以及每一捕获表面与相对应的所述末端执行器刀片可以间隔至少第一间隙距离。

在一些实现方案中，随着所述捕获表面从所述升高部延伸的距离增加，每一捕获表面可以倾斜远离相对应的所述末端执行器刀片。

在一些实现方案中，所述装置还可以包含致动器机构以及近端夹板。所述致动器机构可以具有第一部分和第二部分，所述致动器机构的所述第一部分相对于所述末端执行器安装组件可以是固定的，所述致动器机构的所述第二部分可以被配置为能相对于所述致动器机构的所述第一部分在第一配置和第二配置之间移动，所述近端夹板相对于所述致动器机构的所述第二部分可以是固定的，且可以具有捕获表面，该捕获表面与所述远端夹板的所述捕获表面面向基本上相同的方向，当所述致动器机构的所述第二部分处于所述第一配置时，所述近端夹板的所述捕获表面以及所述远端夹板的所述捕获表面在所述第一配置中可以不与第一参考圆重叠，当所述致动器机构的所述第二部分处于所述第二配置时，所述近端夹板的所述捕获表面以及所述远端夹板的所述捕获表面在所述第二配置中可以都与第二参考圆重叠，以及所述第一参考圆和所述第二参考圆可以具有相同直径。

在一些实现方案中，所述第一参考圆的直径可以选自由200mm、300mm和450mm所组成的群组。

在一些实现方案中，所述末端执行器腕部单元可以被配置为使得：当所述末端执行器腕部单元定位在所述第一轴水平且所述第一平面基本水平的第一方向时，所述末端执行器安装组件仅由于重力负荷而移动至所述第一运动角度范围的所述第一旋转极限，并且当所述末端执行器腕部单元定位在与所述第一方向相反的第二方向时，所述末端执行器安装组件也仅由于重力负荷而移动至所述第一运动角度范围的所述第二旋转极限。

在一些实现方案中，所述第一末端执行器刀片可以由陶瓷材料制成。

在一些实现方案中，所述第一末端执行器刀片可以由硅碳化物制成。

在一些实现方案中，所述装置还可以包含底座、一个或多个机械手手臂连杆以及腕部驱动单元。所述一个或多个机械手手臂连杆可以包含第一机械手手臂连杆，其被配置为能相对于所述底座并围绕底座轴旋转，所述腕部驱动单元可以由所述一个或多个机械手手臂连杆支撑，并可以包含腕部安装件，所述腕部安装件能围绕垂直于与所述底座轴平行的轴的轴旋转，以及所述末端执行器腕部单元可以被安装至所述腕部安装件上。

在一些实现方案中，所述装置还可以包含底座、一个或多个机械手手臂连杆以及腕部驱动单元。所述一个或多个机械手手臂连杆可以包含第一机械手手臂连杆，所述第一机械手手臂连杆被配置为能相对于所述底座旋转，所述腕部驱动单元可以由所述一个或多个机械手手臂连杆支撑，并可以包含腕部安装件，所述腕部安装件能围绕垂直于所述第一轴的轴旋转，以及所述末端执行器腕部单元可以安装至所述腕部安装件上。

在一些实现方案中，可以提供一种方法，其包含：a)将末端执行器腕部单元移动至相对于放置在基座上的晶片的第一位置，所述末端执行器腕部单元支撑一个或多个末端执行器刀片，所述一个或多个末端执行器刀片通过一个或多个旋转界面相对于所述末端执行器腕部单元能旋转地安装(所述一个或多个末端执行器刀片能相对于所述末端执行器腕部单元而围绕第一轴旋转，以及所述一个或多个末端执行器刀片可以具有安装在其上的一个或多个远端的远端夹板)，b)将所述末端执行器腕部单元从所述第一位置下降至第二位置，在所述第二位置，所述远端夹板首先接触所述基座；以及c)进一步将所述末端执行器腕部单元从所述第二位置下降至第三位置，从而使所述一个或多个末端执行器刀片相对于所述末端执行器腕部单元而围绕所述第一轴旋转。

在所述方法的一些实现方案中，在所述第三位置时，由所述末端执行器腕部单元所支撑的近端夹板可以被定位且其捕获表面被定位成使得所述捕获表面的至少一部分相对于所述晶片的法线向量处于比所述晶片的边缘更低的高度。

在所述方法的一些实现方案中，所述方法还可以包含将所述远端夹板的至少一个夹板以及所述近端夹板相对于所述晶片径向向内移动，使得沿垂直于所述晶片的轴观察时，所述近端夹板的所述捕获表面以及所述远端夹板的所述捕获表面都与所述晶片重叠。

在一些进一步的这种实现方案中，所述方法还可以包含在所述远端夹板中的所述至少一夹板以及所述近端夹板相对于所述晶片径向向内移动之后，将所述末端执行器腕部单元升高第四距离，从而将所述晶片从所述基座抬起。

在一些另外的这种实现方案中，所述方法还可以包含在所述末端执行器腕部单元升高所述第四距离之后，将所述末端执行器腕部单元围绕垂直于所述第一轴且基本上平行于所述晶片的第二轴旋转180°。

除了以上所列出的实现方案之外，从以下讨论以及附图中显而易见的其他实现方案将应理解为也落入本公开内容的范围内。

附图说明

在以下讨论中参考以下附图；附图并非旨在限制范围，而只是为了便于以下讨论而提供。

图1描绘了具有晶片搬运机械手的示例性装置的等距视图。

图2-1至2-3描绘了示例性末端执行器腕部单元以及末端执行器刀片处于各种操作状态的侧视图。

图3描绘了示例性末端执行器腕部单元以及末端执行器刀片的分解图。

图4描绘了示例性末端执行器腕部单元以及末端执行器刀片的等距视图。

图5描绘了处在不同的操作配置的图4的示例性末端执行器腕部单元。

图6描绘了示例性末端执行器腕部单元的侧视剖面图。

图7-11描绘了在晶片拾取操作的各种阶段的示例末端执行器腕部单元以及末端执行器刀片的侧视图。

具体实施方式

可用于某些半导体加工工具的一种特定类型的刀片型末端执行器可被配置为既能从下方也能从上方保持半导体晶片。例如，这种末端执行器可以从下方支撑半导体晶片，然后围绕晶片搬运机械手的腕部轴旋转180°，使得末端执行器现在定位在半导体晶片的上方，并且半导体晶片由例如夹板(cleat)所支撑，当沿垂直于半导体晶片的轴观察时，夹板可具有与半导体晶片重叠的捕获表面(catch surface)。这种末端执行器可用于在一些晶片放置操作之间将晶片翻转180°(从上至下，反之亦然)。

当末端执行器定位在晶片下方拾取晶片时，可以通过提升销机构将晶片提高离开半导体处理室的晶片支撑件，或者可例如通过使其最外边缘与前开式晶片传送盒(front-opening unified pod，FOUP)的晶片支撑台架或类似结构接合而悬浮在空中，使得末端执行器可以插入晶片下方，然后晶片下降至末端执行器上或末端执行器竖直向上移动以升高晶片而脱离支撑它的结构。一旦晶片停留在末端执行器上，末端执行器可四处移动且如果末端执行器的速度被控制以避免滑动，则晶片可以随之移动。

当在末端执行器位于晶片上方的情况下拾取晶片时，可以采用不同的方法。例如，晶片支撑件或晶片停留其上的其他结构可具有围绕晶片的圆周的一个或多个凹陷或凹部，其可与末端执行器刀片上的相对应远端夹板对齐。末端执行器刀片可以略微向下倾斜并降低，使得末端执行器刀片的远端以及因此位于其上的远端夹板与晶片支撑件或其他结构接触。末端执行器刀片的近端可附接到的末端执行器腕部单元然后可继续降低，直到晶片上与远端夹板相对的一侧的近端夹板(例如，插入晶片以及末端执行器腕部单元之间)与晶片边缘对齐，使得当近端夹板朝向晶片中心径向向内移动时(以及可选择地，当末端执行器以及远端夹板沿相反方向移动时)，近端夹板和远端夹板可接合晶片，且其捕获表面可在晶片边缘下方滑动，从而发挥从下方支撑晶片的作用。在这种进一步向下移动的过程中，可由钛或其他柔性材料制成的末端执行器刀片可略微弯曲，以适应末端执行器相对于晶片支撑件的持续向下移动，同时远端夹板保持压靠在晶片支撑件上。

然而，本发明人确定，在某些半导体加工工具中，由半导体加工工具所加工的半导体晶片可能会出现晶片弯曲，即，由于在加工过程中在晶片内产生的内应力，晶片可能会略微翘曲或弯曲——在某些情况下，晶片可能充分地弯曲，使得晶片的中心可在垂直于晶片平面的方向上发生位移，在某些情况下，位移几乎与晶片的厚度一样多。因此，例如，0.775mm的晶片可能在晶片中心附近偏移多达近0.8mm。在某些情况下，晶片可能会经历更多的偏移。结果，当这些晶片以竖直堆叠件排列时，例如，晶片之间的标称间距为10mm，相邻晶片的最近点间的实际最小距离可能只有～7.6mm，而通常为～9.2mm。本发明人确定，为了保持末端执行器与晶片堆叠件中的晶片间的各种间隙公差，可能有必要减小零件的厚度，例如末端执行器刀片，以保持这些间隙公差。然而，本发明人也确定，这样做可能使末端执行器刀片薄至不能接受的程度，即薄至它们在晶片的重量下偏移过多或可能永久变形的程度。

为了减轻这个问题，本发明人确定，不在末端执行器刀片使用例如钛之类的金属材料，而是末端执行器刀片可替代地由具有更高弹性模量的材料制成，该材料例如氮化铝、碳化硅或氧化铝的陶瓷，例如，在某些实现方案中，具有250GPa或更高的弹性模量的材料。通过使用这样的材料，末端执行器刀片可制造得更薄，而未必会出现超过允许范围的弯曲，从而即使晶片已经发生弯曲，也允许保持末端执行器和晶片之间的间隙公差。

然而，本发明人也确定，对于如上所述操作的末端执行器，例如具有从上方或下方拾取晶片的能力，将这种替代材料用于末端执行器刀片可能会证明存在问题。特别是，由陶瓷材料制成的末端执行器刀片可能无法弯曲到钛以及其他金属弯曲的程度，因此可能无法适应上述弯曲。结果，这种末端执行器刀片可能在其远端处的夹板被推入晶片支撑件并导致在末端执行器刀片内产生弯曲负荷时断裂。

为了解决这个问题，本发明人构思了一种末端执行器腕部单元，其中末端执行器安装组件能够相对于末端执行器腕部单元的腕部单元外壳进行枢转。例如，末端执行器安装组件可通过使用一个或多个旋转界面与腕部单元外壳可旋转地耦合，使得末端执行器安装组件能够相对于腕部单元外壳围绕第一轴旋转，其中第一轴平行于末端执行器支撑晶片的平面。例如，这样的旋转界面可以与一个或多个止动结构配合，以允许末端执行器安装组件以非常有限的程度进行这样的旋转，例如旋转约10、9、8、7、6、5、4、或3度或更小，例如，3度或更小。

例如，如果末端执行器腕部单元被放置在第一方向且末端执行器刀片大致平行于地面，则末端执行器安装组件可仅由于作用在末端执行器刀片上的重力(并可能受到晶片的进一步重量的帮助)而相对于腕部单元外壳旋转至第一位置。然而，如果相同的末端执行器腕部单元翻转至与第一方向相反的第二方向，则末端执行器安装组件可能仅由于作用在末端执行器刀片上的重力(并可能受到晶片的进一步重量的帮助)而相对于腕部单元外壳旋转至第二位置。

这种旋转界面可用于在末端执行器的远端的远端夹板以及腕部单元外壳之间的位置提供一定量的柔顺性，从而允许末端执行器的远端夹板与晶片支撑件保持接触——以及避免末端执行器刀片弯曲——同时末端执行器腕部单元继续降低，以便近端夹板可被带至合适位置以与晶片的边缘接合。

图1描绘了示例性晶片搬运机械手。在图1中，描绘了装置100，例如其可包含或为晶片搬运机械手。装置100可包含底座190、一个或多个机械手手臂连杆192、腕部驱动单元194、末端执行器腕部单元102以及一个或多个末端执行器刀片112/114。图1也显示了晶片101，其可使用晶片搬运机械手来运输。

底座190可包含一个或多个马达以及设备，其可用来使晶片搬运机械手的其他元件移动，例如，使机械手手臂连杆192例如相对于底座190旋转，例如，使整个机械手手臂、末端执行器腕部单元102以及末端执行器刀片112/114围绕底座190旋转，和/或相对于底座190以及彼此旋转，例如，从而导致末端执行器腕部单元102相对于底部190径向向内或向外延伸。

每一机械手手臂连杆192可被视为具有第一端和第二端，第一端可旋转地耦合至底座190或另一机械手手臂连杆192，第二端可旋转地耦合至另一机械手手臂连杆192或腕部驱动单元194。每一这样的可旋转连接允许两个连接的元件相对于彼此围绕旋转轴(例如旋转轴A、B或C)旋转。腕部驱动单元194可具有马达或其他驱动系统，其中的系统被配置为向末端执行器腕部单元102施加围绕旋转轴D的旋转运动。旋转轴D例如垂直于与旋转轴A、B及/或C平行的轴。

腕部驱动单元194可被控制，以通过围绕旋转轴D旋转末端执行器腕部单元102而使末端执行器腕部单元102在相隔180°的两个方向之间翻转。应当理解，腕部驱动单元194以及末端执行器腕部单元102也可安装至其他类型的机械手手臂单元，例如，不限于在单个水平面上伸展以及缩回而是可以替代地执行更复杂的运动的机械手手臂，例如，其具有可围绕平行、垂直轴以外的轴旋转的机械手手臂连杆。不论腕部驱动单元194以及末端执行器腕部单元102安装到哪种类型的机械手手臂，腕部驱动单元194可用于使末端执行器腕部单元102从末端执行器刀片112/114的主表面大致水平的位置翻转到翻转位置(其中，末端执行器刀片112/114实际上是倒置的或相反方向的)。

末端执行器腕部单元102可包含腕部单元外壳104/104’，其通过腕部安装件196安装至腕部驱动单元194，在图1的详细视图中，腕部安装件196被显示为从末端执行器腕部单元102中抽出。腕部安装件196可通过一个或多个紧固件或其他机械连接(未示出)附接至腕部单元外壳104/104’。例如，腕部安装件196可相对于腕部驱动单元194的其余部分围绕旋转轴D旋转。

末端执行器腕部单元102可具有与其连接的成对末端执行器刀片112和114；在一些实现方案中，两个末端执行器刀片112和114可为单一相连结构的零件，尽管在该示例中它们是分开的零件。应当理解，末端执行器腕部单元102可为将末端执行器刀片112和114连接至机械手手臂组件的部件的子组件，其中机械手手臂组件支撑末端执行器刀片112和114。

末端执行器刀片112、114可与末端执行器腕部单元102(稍后更详细讨论)内的末端执行器安装组件连接，末端执行器腕部单元102能够围绕轴稍微枢转，该轴例如与平行于旋转轴A-D的轴垂直。

图2-1至2-3描绘了末端执行器腕部单元102、末端执行器刀片112和114，以及晶片101在末端执行器安装组件(以及因此附接在其上的末端执行器刀片112、114)的各种潜在枢转位置的侧视图。在图2-1中，腕部单元外壳104、104’显示为具有可见的旋转界面110。旋转界面110可将容纳在末端执行器腕部单元102中的末端执行器安装组件与腕部单元外壳104可旋转地连接。末端执行器刀片112、114可从腕部单元外壳104、104’伸出，且可具有例如远端夹板120以及近端夹板120’，其安装至致动器机构132并且可用于在所示方向上夹持晶片101。在一些实现方案中，远端夹板120中的至少一者可固定至末端执行器的远端，即，相对于末端执行器是固定的。在一些实现方案中，近端夹板120’可以可移动地安装至致动器机构132，例如，安装至致动器机构的可移动部分，以便相对于致动器机构的一部分可移动，该部分相对于末端执行器安装组件是固定的。

在图2-1中，末端执行器安装组件已被旋转至第一旋转极限146。在图2-2中，末端执行器安装组件已被旋转至第二旋转极限148。在图2-3中，图2-1以及2-2被叠加显示，图2-1以虚线示出，以说明末端执行器刀片112和114可通过末端执行器安装组件围绕旋转界面110的旋转而摆动的全部角度范围144。可以看到，由旋转界面110以及末端执行器腕部单元102的其他元件所支撑的角度旋转量可能相当有限，例如约10°或更小，例如3°或更小。

图3描绘了示例性末端执行器腕部单元102以及安装至其上的末端执行器刀片112和114的分解图。可以看到，腕部单元外壳104和104’可在其中容纳多个部件，包含末端执行器安装组件，其包含第一末端执行器安装件108、第二末端执行器安装件109、桥梁结构111以及夹板113。夹板113可与所示的紧固件一起，以将末端执行器刀片112、114相对于末端执行器安装组件夹紧在适当位置。

桥梁结构111可跨越在第一末端执行器安装件108以及第二末端执行器安装件109之间，从而当受到扭矩作用时，使桥梁结构111、第一末端执行器安装件108以及第二末端执行器安装件109围绕旋转界面110的旋转轴一致地旋转。应当理解，桥梁结构111、第一末端执行器安装件108以及第二末端执行器安装件109可通过单个相连结构或通过以大体刚性的组件形式连接在一起的多个较小结构连接在一起提供。

该示例中的末端执行器腕部单元102包含阻尼机构156，例如线性阻尼机构，如气动阻尼机构，其可用于缓冲末端执行器安装组件围绕旋转界面110的旋转轴的旋转运动。

在该示例中，第一末端执行器安装件108包含臂部，其朝向腕部单元外壳104的背面延伸，例如，朝向末端执行器腕部单元102将安装至腕部安装件196的位置延伸。第一末端执行器安装件108的臂部可包含有利在上述阻尼功能的特征。例如，末端执行器腕部单元102可包含摇臂168以及拉杆162，其可彼此以及与其他部件可旋转地耦合，以形成连杆组，该连杆组可用于将末端执行器安装组件相对于腕部单元外壳104的旋转运动转换成可由阻尼机构156缓冲的线性运动。这将在下文中进一步详细讨论。

图3的示例也包含第一主动止动件152和第二主动止动件154。在该示例中，第一主动止动件152和第二主动止动件154都是固定螺钉，其可以旋入或旋出它们各自的螺纹孔，以便调整末端执行器安装组件可以摆动或旋转的角度范围。在其他实现方案中，第一主动止动件152和第二主动止动件154中的一者或两者可为固定的，即不可调整的。例如，第二主动止动件154可以被固定在合适位置/可以是不可调节的，而第一主动止动件152可以是可调整的。第二末端执行器安装件109可以具有延伸至存在于第一主动止动件152和第二主动止动件154之间的间隙的臂部；通过将第一主动止动件152和/或第二主动止动件154旋入/旋出它们各自的螺纹孔，可以调节第一主动止动件152和第二主动止动件154之间的间隙距离，因而允许调整第二末端执行器安装件109可以摆动的角度范围。

如上所述，桥梁结构111可用于将第一末端执行器安装件108以及第二末端执行器安装件109连接在一起，使得它们一致地移动。在一些示例中，桥梁结构还可用于支撑致动器机构132，其可用于使近端夹板120’与晶片101接合或分离。

末端执行器刀片112和114通常可以是具有定义第一平面的主表面140的大而平坦的结构；主表面140通常可平行于晶片101，其由末端执行器刀片112和114所支撑。末端执行器刀片112和114通常可具有类似的设计，例如彼此的镜像。例如，末端执行器刀片112和114可各自具有近端118以及远端116。末端执行器刀片112和114可在近端118处与末端执行器安装组件连接，例如，通过分别将末端执行器刀片112和114夹紧在夹板113以及第一及第二末端执行器安装件108和109之间实现。远端夹板120可以设置在末端执行器刀片112和114的远端116处，并连接至末端执行器刀片112和114，使得它们相对于末端执行器刀片112和114固定。末端执行器刀片112和114也可具有接触垫126，其可以固定至靠近在近端118的末端执行器刀片112和114上。

致动器机构132可具有第一部分134，其可安装至例如桥梁结构111，以便相对于末端执行器安装组件106在空间中被固定，以及第二部分136，其可相对于第一部分移动，例如，能够沿轴延伸或缩回。近端夹板120’可安装至致动器机构132的第二部分136，使得近端夹板120’可以朝向或远离末端执行器刀片112和114的远端116移动。

同样应当理解，在其他附加或替代的实现方案中，末端执行器刀片112和114可通过致动器机构或多个类似在致动器机构132的机构安装至末端执行器安装组件106上，即，使得末端执行器刀片112和114可通过致动器机构的致动沿平行于与第一轴176垂直的轴延伸或缩回，从而导致其第二部分或多个部分(其可安装至末端执行器刀片112和114上)以沿着这样的轴相对于第一部分或多个部分(其可安装至例如末端执行器安装组件106或为其一部分)平移。在这样的实现方案中，夹板113(或用于将末端执行器刀片112和114固定至末端执行器腕部单元102的其他合适装置)可替代地将末端执行器刀片112和114夹至(多个)致动器机构的(多个)第二部分，其用于移动末端执行器刀片112和114。在这样的实现方案中，远端夹板可围绕第一轴枢转且可相对于末端执行器腕部单元102沿着平行于与第一轴垂直的轴的轴平移。如果保有致动器机构132，则近端夹板或多个夹板也可沿着这样的轴平移，或者如果省略致动器机构132，则近端夹板或多个夹板可相对于末端执行器安装组件106被固定住。

图4从另一个视角显示了相同的组件且为非分解状态(腕部单元外壳104’在视图中被隐藏)。可以看到，旋转界面110允许末端执行器安装件围绕第一轴176旋转。旋转界面110虽然在该示例中显示为轴或插销，但可使用任何合适的旋转机构来提供，该旋转机构包含例如旋转挠性轴承，它可提供少量的旋转运动，而不会在配合表面之间经历或产生任何滚动或滑动接触(从而降低颗粒产生的风险)。

在图4中还可看到第二末端执行器安装件109的臂部在第一主动止动件152和第二主动止动件154之间的配置，以及包含摇臂168和拉杆162的已组装连杆组。除了第一轴176，图4也描绘了第二轴178、第三轴180、第四轴182以及第五轴184。如图所示，摇臂168被配置为相对于腕部单元外壳104围绕第五轴184枢转，且可旋转地与阻尼机构156的第一端连接，使得摇臂168可相对于阻尼机构156围绕第四轴182旋转。拉杆162进而可与摇臂168可旋转地耦合，从而能够相对于摇臂168围绕第二轴178旋转，且在另一端与第一末端执行器安装件108可旋转地耦合，以便能够相对于第一末端执行器安装件108围绕第三轴180旋转。

图5描绘了图4的相同视图，但末端执行器安装组件旋转至第二旋转极限148(如图4所示的各种部件的位置，例如，在第一旋转极限146处是以图5中的虚线示出)。连杆组可用于增加阻尼机构所经历的线性行程距离，以响应第一末端执行器安装件108的臂部的竖直行程的量，从而允许更精细的阻尼控制。

图6描绘了末端执行器腕部单元102的侧视剖面图，更详细地显示了以上所讨论的连杆组机构。可以看到，末端执行器安装组件106包含第一末端执行器安装件108以及桥梁结构111。阻尼机构156(以省略内部细节的轮廓示出)具有第一端158，其可旋转地与摇臂168的第二端172连接，使得两个部件可相对于彼此围绕第四轴182旋转。阻尼机构156也具有第二端160，其与腕部单元外壳104可旋转地连接(或相对其在空间上固定)。在其他实现方案中，阻尼机构156可与腕部单元外壳104刚性连接，且内置在阻尼机构156的其他部件中的柔顺性可用于适应第一端158的轻微旋转运动。摇臂168具有第一端170，其与拉杆162的第一端164可旋转地连接，使得该两个部件可相对于彼此围绕第二轴178旋转，且通过枢轴与腕部单元外壳104可旋转地连接，该枢轴允许摇臂168相对于腕部单元外壳104围绕第五轴184旋转。

第一末端执行器安装件108可以在一端与拉杆162的第二端166可旋转地连接，使得拉杆162能够相对于第一末端执行器安装件108围绕第三轴180旋动。当第一末端执行器安装件108围绕第一轴176以顺时针方式旋转时，拉杆162将被向下推，导致摇臂168也顺时针旋转。当第一末端执行器安装件108围绕第一轴176以逆时针方式旋转时，拉杆162将被拉起，导致摇臂168逆时针旋转。由于第二轴178和第五轴184之间以及第五轴184和第四轴182之间的距离不同，因此摇臂168可发挥倍增阻尼机构156施加至第一末端执行器安装件108的阻尼效果的作用。例如，摇臂可具有第一距离186，其介于第四轴182和第五轴184之间，以及第二距离188，其介于第五轴184和第二轴178之间且小于第一距离。在一些这样的实现方案中，第一距离186可为第二距离188的至少1.5倍，例如至少3倍、至少3.4倍、至少3.8倍或至少4.2倍。

在图6中也可看到第一末端执行器刀片112的一部分，其包含表示第一末端执行器刀片112的主表面140的虚线。在该示例中，第一末端执行器刀片112被夹在第一平面末端执行器安装表面150，且由夹板113固定在适当位置。例如，第一平面末端执行器安装表面150可平行于第一轴176。然而，应当理解，用于第一末端执行器刀片112的其他安装布置也可酌情使用。

如前所述，附接至末端执行器腕部单元102的末端执行器刀片112和114可用于拾取放置在基座上的晶片101。图7至图11描绘了在晶片拾取操作的各种阶段的示例性末端执行器腕部单元以及末端执行器刀片的侧视图。

在图7中，示出了具有腕部单元外壳704、704’的末端执行器腕部单元702，腕部单元外壳704、704’上附接有第一末端执行器安装件708以及第一末端执行器刀片712。第一末端执行器安装件708通过旋转界面710相对于腕部单元外壳704、704’可旋转地安装。第一末端执行器刀片712可具有附接至其远端的远端夹板720(可有第二末端执行器刀片，其上附接有另一个远端夹板720，如图7的示例)。远端夹板720可具有升高部722以及从升高部722朝向腕部单元外壳704、704’延伸的捕获表面724。捕获表面724可与第一末端执行器刀片间隔开至少第一间隙距离，例如，至少大于晶片701的厚度的距离，且为倾斜的，以使每一捕获表面724的第一间隙距离随着与相应的升高部722的距离增加而增加，例如，使得捕获表面724(以及下文讨论的捕获表面724’，就此而言)都具有面向末端执行器刀片的法线，且当晶片701被末端执行器保持时也面向晶片701的大致中心。腕部单元外壳704、704’也可包含致动器机构732，其具有相对于腕部单元外壳704、704’固定的第一部分(未图示)以及相对于第一部分可移动的第二部分736。致动器机构732的第二部分736可具有近端夹板720’，其具有从升高部722’向外延伸并朝向远端夹板720的捕获表面724’。当致动器机构732被致动时，其第二部分736可与近端夹板720’一起朝向(多个)远端夹板720延伸或从(多个)远端夹板720缩回。采用倾斜的捕获表面724和724’可确保晶片除了沿外径和/或外边缘外不接触夹板720和720’，即避免夹板720和720’除了沿底部边缘外不接触晶片的底部表面。

如图7所示，第一末端执行器刀片712已经定位于被容纳在基座703的晶片701上方，例如，基座可在半导体处理室内。基座703可提供围绕晶片701圆周的一个或多个凹槽，晶片701可以悬在其上。

在晶片拾取操作期间，可使末端执行器腕部单元702朝向基座703以及晶片701下降。由于重力的重量，第一末端执行器刀片712可能已经向下旋转直到它达到可在其中旋转的角度范围的极限。

在图8中，已使末端执行器腕部单元702进一步下降，直到远端夹板720已经与基座703接触。在图9中，已使末端执行器腕部单元702继续其相对于基座703的向下运动，直到近端夹板720’位于与晶片701对齐的高度，例如使得捕获表面724’低于或至少略低于晶片701的底部边缘。应当理解，远端夹板720以及近端夹板720’定位于这种配置中，以使它们的捕获表面724和724’都能够完全在具有晶片701直径的圆之外。

在图10中，致动器机构732可被致动以使近端夹板720’朝向远端夹板720移动，从而使捕获表面724’通过晶片701的底部边缘下方。同时，可使末端执行器腕部单元702在相反方向上移动较小的量，从而类似地使远端夹板720朝向近端夹板720’移动，从而使捕获表面724也通过晶片701的底部边缘下方。远端夹板720以及近端夹板720’这样的运动可以继续，直到例如晶片701不能潜在地移动并脱离捕获表面724和724’以及升高部722和722’。在这样的配置中，捕获表面724和724’可全部重叠在一个与晶片701相同直径的圆上。这样的圆，在本文中可以被称为参考圆，可具有与由末端执行器所搬运的晶片701相同的直径，例如200mm、300mm、450mm等。

一旦晶片701被捕获表面724和724’以及升高部722和722’牢固地围住，末端执行器腕部单元702就可向上移动，将捕获表面724和724’所支撑的晶片701抬离基座703。

当末端执行器腕部单元702接着旋转180°，例如倒置时，晶片701可以停留在远端夹板720的面向捕获表面724的表面上以及接触垫726上。这允许在晶片拾取和放置操作时将晶片701倒置。

当晶片701悬挂在(多个)末端执行器刀片712下方，即停留在捕获表面724上时，在一些实现方案中，末端执行器腕部单元702可用于将晶片放置在基座上(或另一个结构上)。例如，末端执行器腕部单元702可先被定位，使得末端执行器刀片712大致平行于最终接收晶片701的表面，然后可下降直到晶片与该表面接触。一旦末端执行器腕部单元702已被降低以使晶片与接收表面接触，致动器机构732可被致动以使近端夹板720’缩回而远离晶片701，从而释放晶片701的边缘。然后可使末端执行器腕部单元702向上并同时朝向晶片701移动，使得末端执行器腕部单元702遵循倾斜路径，例如，从水平方向以20°至40°倾斜的路径，例如，与水平方向成30°。这种移动允许近端夹板720’(假设它已经充分缩回)以移出晶片边缘，同时还允许远端夹板720的捕获表面从晶片701下方移出。然后，一旦夹板720和720’已经从晶片701移开，末端执行器腕部单元702可竖直向上移动。当末端执行器腕部单元702旋转180°时，即晶片701在末端执行器刀片712上方，可以执行类似的过程，但竖直移动的方向相反，以将晶片701放置在定位位置。

或者，以上讨论的与图7至11相同的过程可大致上反向执行，以执行晶片放置操作(在末端执行器腕部单元702的任一方向上)。

应当理解，本文所讨论的末端执行器腕部单元仅提供末端执行器安装组件和安装在其上的末端执行器刀片相对于腕部单元外壳非常有限量的旋转运动，并且这种运动本质上可为被动的，例如，不受马达、致动器或弹簧机构的控制。例如，在旋转挠性轴承被用于末端执行器腕部单元中的旋转界面的情形下，当末端执行器腕部单元被定向成使得末端执行器刀片的主表面为大致水平(经受在第一旋转极限或第二旋转极限时可能产生的轻微的倾斜)或从这样的方向倒置时，由于末端执行器安装组件以及末端执行器刀片的重力负荷，此类挠性轴承在弯曲时所产生的扭矩可能不足以避免末端执行器安装组件以及安装在其上的末端执行器刀片旋转通过由第一旋转极限以及第二旋转极限所定义的运动角度范围。因此，附接至这样的末端执行器腕部单元的末端执行器刀片可自由地具有少量柔顺性，其允许它们在晶片拾取操作期间与基座接合，如图7至11所示。阻尼机构可选择地用于限制末端执行器安装组件相对于腕部单元外壳旋转的速度，并缓冲消除由这种旋转运动而可能发生的任何冲击或振动。

也应当理解，本文所讨论的末端执行器腕部单元不仅可用于从水平位置拾取和放置晶片，而且还可从非水平(例如，与水平方向成最大至60°的角度)的晶片支撑表面放置或拾取晶片。

应当理解，如果在本文中使用词语“对于一个或多个＜项目(item)＞”、“一个或多个＜项目＞中的每一个＜项目＞”或类似词语，则包含单项目群组以及多项目群组，即，使用词语“对...每一个(for…each)”的含义是，在程序语言中使用其来指称所指全部项目群组中的每一项目。词语。例如，如果所引用的项目总数为单一项目，则“每一个(each)”将仅指该单一项目(尽管字典对“每一个”的定义经常将该术语定义为“两个或多个事物中的每一个”)，并不意味着必须至少有两个这样的项目。同样，术语“集合(set)”或“子集合(subset)”本身不应该被视为必然包含多个项目——应理解，一个集合或一个子集合可以包含仅一个成员或多个成员(除非上下文另有说明)。

诸如“约(about)”、“大约(approximately)”、“基本上(substantially)”、“标称(nominal)”等术语，当用于参考数量或类似的可量化特性时，应理解为包含特定的值或关系±10％以内的数值(以及包含特定的实际值或关系)，除非另有说明。

应当理解的是，本文所述的示例和实施方案仅用于说明的目的，并且本领域技术人员将根据这些示例和实施方案进行各种修改或改变。尽管为明确起见省略了各种细节，但可以实施各种设计替代方案。因此，本示例应被认为是说明性的而非限制性的，且本公开内容不限于在此给出的细节，而是可以在本公开内容的范围内进行修改。

应当理解的是，上述公开内容虽然着重于一个或多个特定示例性实现方案，但不仅限于所讨论的示例，还可适用于类似的变体以及机构，且这种类似的变体以及机构也被认为是在本公开内容的范围内。

Claims (25)

1.一种装置，其包含：

末端执行器腕部单元，所述末端执行器腕部单元包含：

腕部单元外壳；

末端执行器安装组件，其具有第一末端执行器安装件；以及

一个或多个旋转界面，其中：

所述第一末端执行器安装件被配置为与第一末端执行器刀片机械性连接，所述第一末端执行器刀片具有限定第一平面的主表面，

所述末端执行器安装组件通过所述一个或多个旋转界面与所述腕部单元外壳连接，使得所述末端执行器安装组件能在相对于所述腕部单元外壳的第一运动角度范围内且围绕第一轴旋转，以及

当所述第一末端执行器安装至所述第一末端执行器安装件时，所述第一轴基本上平行于所述第一平面。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一末端执行器安装件具有第一平面末端执行器安装表面，当所述第一末端执行器安装件与所述第一末端执行器刀片配合且所述第一平面末端执行器安装表面平行于所述第一轴时，所述第一平面末端执行器安装表面被配置为与所述第一末端执行器刀片配合。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的装置，其还包含所述第一末端执行器刀片。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其还包含第一主动止动件和第二主动止动件，所述第一主动止动件被定位成当所述末端执行器安装组件位于所述第一运动角度范围的第一旋转极限时，与所述末端执行器安装组件的一部分接触，以及所述第二主动止动件被定位成当所述末端执行器安装组件处在所述第一运动角度范围的第二旋转极限时，与所述末端执行器安装组件的一部分接触。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述第一主动止动件以及所述第二主动止动件中的一者或两者是能调整的。

6.根据权利要求1或5中任一项所述的装置，其中所述第一运动角度范围小于10度。

7.根据权利要求1或6中任一项所述的装置，其还包含：阻尼机构，其被配置为缓冲所述末端执行器安装组件相对于所述腕部单元外壳的旋转运动。

8.根据权利要求7所述的装置，其还包含拉杆以及摇臂，其中：

所述拉杆具有能旋转地耦合至所述摇臂的第一端的第一端以相对于所述摇臂能围绕第二轴旋转，并且具有能旋转地耦合至所述末端执行器安装组件的第二端以相对于所述末端执行器安装组件能围绕第三轴旋转，以及

所述摇臂具有与所述阻尼机构的第一端能旋转地耦合的第二端，以相对于所述阻尼机构能围绕第四轴旋转，且安装成能围绕第五轴旋转，所述第五轴相对于所述腕部单元外壳是固定的。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述第五轴和所述第四轴之间的第一距离大于所述第五轴和所述第二轴之间的第二距离。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述第一距离为所述第二距离的至少1.5倍。

11.根据权利要求3至10中任一项所述的装置，其还包含第二末端执行器刀片，所述第二末端执行器刀片相对于所述末端执行器安装组件是固定的。

12.根据权利要求11所述的装置，其中：

所述第一末端执行器刀片和所述第二末端执行器刀片各自具有相对应的远端和相对应的近端，

所述第一末端执行器刀片和所述第二末端执行器刀片的所述近端固定地安装至所述末端执行器安装组件，

所述第一末端执行器刀片和所述第二末端执行器刀片的所述远端各自具有安装至其上的相对应的远端夹板，

每一远端夹板具有从相对应的所述末端执行器刀片延伸出来的升高部，以及从其所述升高部向外延伸的捕获表面，以及

每一捕获表面与相对应的所述末端执行器刀片间隔至少第一间隙距离。

13.根据权利要求12所述的装置，其中随着该捕获表面从所述升高部延伸的距离的增加，每一捕获表面倾斜远离相对应的所述末端执行器刀片。

14.根据权利要求13所述的装置，其还包含致动器机构以及近端夹板，其中：

所述致动器机构具有第一部分和第二部分，

所述致动器机构的所述第一部分相对于所述末端执行器安装组件是固定的，

所述致动器机构的所述第二部分被配置为能相对于所述致动器机构的所述第一部分在第一配置和第二配置之间移动，

所述近端夹板相对于所述致动器机构的所述第二部分是固定的，且具有捕获表面，该捕获表面与所述远端夹板的所述捕获表面面向基本上相同的方向，

当所述致动器机构的所述第二部分处于所述第一配置时，所述近端夹板的所述捕获表面以及所述远端夹板的所述捕获表面在所述第一配置中不与第一参考圆重叠，

当所述致动器机构的所述第二部分处于所述第二配置时，所述近端夹板的所述捕获表面以及所述远端夹板的所述捕获表面在所述第二配置中都与第二参考圆重叠，以及

所述第一参考圆和所述第二参考圆具有相同直径。

15.根据权利要求14所述的装置，其中所述第一参考圆的直径选自由200mm、300mm以及450mm所组成的群组。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的装置，其中所述末端执行器腕部单元被配置为使得：

当所述末端执行器腕部单元定位在所述第一轴水平且所述第一平面基本水平的第一方向时，所述末端执行器安装组件仅由于重力负荷而移动至所述第一运动角度范围的所述第一旋转极限，并且

当所述末端执行器腕部单元定位在与所述第一方向相反的第二方向时，所述末端执行器安装组件也仅由于重力负荷而移动至所述第一运动角度范围的所述第二旋转极限。

17.根据权利要求3至16中任一项所述的装置，其中所述第一末端执行器刀片由陶瓷材料制成。

18.根据权利要求17所述的装置，其中所述第一末端执行器刀片由硅碳化物制成。

19.根据权利要求18所述的装置，其还包含底座、一个或多个机械手手臂连杆以及腕部驱动单元，其中：

所述一个或多个机械手手臂连杆包含第一机械手手臂连杆，其被配置为能相对于所述底座并围绕底座轴旋转，

所述腕部驱动单元由所述一个或多个机械手手臂连杆支撑，并包含腕部安装件，所述腕部安装件能围绕垂直于与所述底座轴平行的轴的轴旋转，以及

所述末端执行器腕部单元被安装至所述腕部安装件上。

20.根据权利要求18所述的装置，其还包含底座、一个或多个机械手手臂连杆以及腕部驱动单元，其中：

所述一个或多个机械手手臂连杆包含第一机械手手臂连杆，所述第一机械手手臂连杆被配置为能相对于所述底座旋转，

所述腕部驱动单元由所述一个或多个机械手手臂连杆支撑，并包含腕部安装件，所述腕部安装件能围绕垂直于所述第一轴的轴旋转，以及

所述末端执行器腕部单元安装至所述腕部安装件上。

21.一种方法，其包含：

a)将末端执行器腕部单元移动至相对于放置在基座上的晶片的第一位置，所述末端执行器腕部单元支撑一个或多个末端执行器刀片，所述一个或多个末端执行器刀片通过一个或多个旋转界面相对于所述末端执行器腕部单元能旋转地安装，其中：

所述一个或多个末端执行器刀片能相对于所述末端执行器腕部单元而围绕第一轴旋转，以及

所述一个或多个末端执行器刀片具有安装在其上的一个或多个远端的远端夹板；

b)将所述末端执行器腕部单元从所述第一位置下降至第二位置，在所述第二位置，所述远端夹板首先接触所述基座；以及

c)进一步将所述末端执行器腕部单元从所述第二位置下降至第三位置，从而使所述一个或多个末端执行器刀片相对于所述末端执行器腕部单元而围绕所述第一轴旋转。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，在所述第三位置，由所述末端执行器腕部单元所支撑的近端夹板通过以下方式定位：其捕获表面被定位成使得所述捕获表面的至少一部分相对于所述晶片的法线向量处于比所述晶片的边缘更低的高度。

23.根据权利要求22所述的方法，其还包含将所述远端夹板的至少一个夹板以及所述近端夹板相对于所述晶片径向向内移动，使得沿垂直于所述晶片的轴观察时，所述近端夹板的所述捕获表面以及所述远端夹板的所述捕获表面都与所述晶片重叠。

24.根据权利要求23所述的方法，其还包含在所述远端夹板中的所述至少一夹板以及所述近端夹板相对于所述晶片径向向内移动之后，将所述末端执行器腕部单元升高第四距离，从而将所述晶片从所述基座抬起。

25.根据权利要求24所述的方法，其还包含在所述末端执行器腕部单元升高所述第四距离之后，将所述末端执行器腕部单元围绕垂直于所述第一轴且基本上平行于所述晶片的第二轴旋转180°。