CN117894727A - 一种晶圆传输机械手及晶圆传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种晶圆传输机械手及晶圆传输方法，其中晶圆传输机械手包括机械手本体、ARM横梁、上手臂和下手臂，机械手本体包括本体底座、Z轴中段和Z轴上段，Z轴上段与Z轴中段之间可伸缩连接，Z轴中段与本体底座之间可伸缩连接；Z轴上段与ARM横梁固定连接；ARM横梁的两端分别与两个连接段的端首部对应垂直连接，上手臂的端首部和下手臂的端首部分别与两个连接段的端尾部对应转动安装，上手臂位于下手臂的上方；上手臂的端尾部可转动的安装有上末端执行器，下手臂的端尾部可转动的安装有下末端执行器。本发明能够解决现有双臂晶圆传输机械手结构复杂，Z轴行程受本体尺寸限制的问题。

Description

一种晶圆传输机械手及晶圆传输方法

技术领域

本发明涉及晶圆传输技术领域，尤其是涉及一种晶圆传输机械手及晶圆传输方法。

背景技术

晶圆传输机械手广泛应用于半导体设备，是芯片生产过程中不可或缺的关键设备。现有晶圆传输机械手主要分为单臂、双臂两类，双臂工作效率更高，使用效果优于单臂。现有双臂机械手包括等臂长机械手和不等臂长机械手这两种。其中不等臂长机械手的运动规律复杂，成本更高。现有晶圆传输机械手大多将ARM轴电机及配套减速器置于ARM的第一关节处，机械手大臂与小臂由钢带或同步带等传动件驱动第二关节和第三关节的转动，ARM传动结构复杂。现有晶圆传输机械手大多为单Z轴结构，竖直方向的升降距离小于机械手本体高度，Z轴行程增加时需要增加机械手本体高度，不适用于安装空间有限且需要较大Z轴行程的场合。

公开号为CN218385173U的实用新型专利公开了一种双Z轴晶圆搬运机器人，相对于现有单Z轴结构而言，能够使用相对较小的本体高度实现更大的Z轴行程；但其双Z轴由两套串联的丝杆螺母机构实现，结构复杂笨重，且Z轴需要2台电机配合，对电机和控制系统资源也造成比较大的浪费；其双臂为传统大小臂结构，大臂内部包含传动零部件，结构复杂。

公开号为CN103846905B的发明专利公开了一种双臂真空机械手，其双臂向相反方向伸展，Z轴行程有限，仅适用于真空腔室内的晶圆传输，不适用于存放多层晶圆的晶舟和晶圆盒；并且下手臂结构受限，其手臂内部的钢带传动，装配难，成本高；其大臂内部有钢带，结构复杂。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种晶圆传输机械手，能够解决现有双臂晶圆传输机械手结构复杂，Z轴行程受本体尺寸限制的问题。

本发明的第二目的在于提供一种晶圆传输方法。

本发明提供一种晶圆传输机械手，包括机械手本体、ARM横梁、上手臂和下手臂，所述机械手本体包括本体底座、Z轴中段和Z轴上段，所述Z轴上段与所述Z轴中段之间可伸缩连接，所述Z轴中段与所述本体底座之间可伸缩连接；所述Z轴上段的顶部与所述ARM横梁的中心处固定连接，所述机械手本体能够驱动所述ARM横梁进行升降并绕所述Z轴上段的轴线旋转；所述ARM横梁的两端分别与两个连接段的端首部对应垂直连接，所述上手臂的端首部和所述下手臂的端首部分别与两个所述连接段的端尾部对应转动安装，且所述上手臂位于所述下手臂的上方；所述上手臂的端尾部可转动的安装有上末端执行器，所述下手臂的端尾部可转动的安装有下末端执行器；所述ARM横梁的中心与所述连接段的端尾部中心之间的间距为L1，所述连接段的端首部中心和端尾部中心之间的间距为L2，所述连接段的端首部中心与所述ARM横梁的中心之间的间距为L3，L1、L2与L3之间构成直角三角形；所述上手臂的端首部中心和端尾部中心之间的间距等于L1，所述下手臂的端首部中心和端尾部中心之间的间距等于L1。

根据本发明提供的一种晶圆传输机械手，所述上末端执行器采用托举手指、真空吸附手指、夹持手指、伯努利手指、翻转手指或多指机构；所述下末端执行器采用托举手指、真空吸附手指、夹持手指、伯努利手指、翻转手指或多指机构。

根据本发明提供的一种晶圆传输机械手，在所述ARM横梁的两端底部分别安装有上手臂电机和下手臂电机，所述上手臂电机与所述上手臂的端首部驱动连接，所述下手臂电机与所述下手臂的端首部驱动连接。

根据本发明提供的一种晶圆传输机械手，所述上手臂和所述下手臂的结构相同；其中，所述下手臂包括ARM上壳体、ARM下盖板、手臂关节轴承和末端执行器关节轴承，所述ARM上壳体与所述ARM下盖板之间连接形成中空结构，所述末端执行器关节轴承安装于所述ARM上壳体的顶板上，所述手臂关节轴承安装于所述ARM下盖板上，并且所述末端执行器关节轴承与所述手臂关节轴承分别位于所述下手臂的两个端部中心；在所述中空结构内分别设有手臂关节同步带轮、末端执行器关节同步带轮和ARM同步带，所述手臂关节轴承的外圈通过手臂关节法兰与所述ARM下盖板连接，所述手臂关节同步带轮与所述手臂关节轴承的内圈连接，所述手臂关节轴承的内圈与所述下手臂电机的驱动轴连接；所述末端执行器关节轴承的外圈与所述ARM上壳体连接，所述末端执行器关节轴承的内圈通过末端执行器关节法兰与所述末端执行器关节同步带轮连接，所述末端执行器关节法兰与所述下末端执行器连接；所述ARM同步带连接于所述手臂关节同步带轮和所述末端执行器关节同步带轮之间。

根据本发明提供的一种晶圆传输机械手，所述本体底座包括底座外壳、底座下法兰、底座上法兰、两个底座立柱、两个底座导轨和两个底座滑块，所述底座外壳的两端分别与所述底座下法兰、所述底座上法兰对应连接，各所述底座立柱分别设置于所述底座外壳内，且各所述底座立柱的两端分别与所述底座下法兰、所述底座上法兰对应连接；各所述底座导轨分别呈竖直向对应安装于各所述底座立柱上，各所述底座滑块分别与各所述底座导轨对应滑动配合。

根据本发明提供的一种晶圆传输机械手，所述Z轴中段包括Z轴中段外壳、Z轴中段下法兰、Z轴中段上法兰、两个Z轴中段立柱、两个Z轴中段导轨和两个Z轴中段滑块，所述Z轴中段下法兰位于所述底座外壳内，且所述Z轴中段下法兰分别与两个所述底座滑块连接固定；所述Z轴中段外壳的两端分别与所述Z轴中段下法兰、所述Z轴中段上法兰对应连接，各所述Z轴中段立柱分别设置于所述Z轴中段外壳内，且各所述Z轴中段立柱的两端分别与所述Z轴中段下法兰、所述Z轴中段上法兰对应连接；各所述Z轴中段导轨分别呈竖直向对应安装于各所述Z轴中段立柱上，各所述Z轴中段滑块分别与各所述Z轴中段导轨对应滑动配合。

根据本发明提供的一种晶圆传输机械手，所述Z轴上段包括Z轴上段外壳、Z轴上段下法兰和旋转电机，所述Z轴上段下法兰位于所述Z轴中段外壳内，且所述Z轴上段下法兰分别与两个所述Z轴中段滑块连接固定；所述旋转电机位于所述Z轴上段外壳内，所述旋转电机包括相互配合的旋转电机动子和旋转电机定子，所述旋转电机定子与所述Z轴上段下法兰连接固定，所述旋转电机动子与所述Z轴上段外壳连接固定，以使所述Z轴上段外壳能够绕所述旋转电机定子转动；所述Z轴上段外壳的上端与所述ARM横梁的中心处连接固定。

根据本发明提供的一种晶圆传输机械手，所述机械手本体还包括电动推杆，所述电动推杆的固定端与所述Z轴中段下法兰连接固定，所述电动推杆的移动端与所述底座下法兰连接固定，所述电动推杆的移动端能够在Z轴电机的驱动下沿竖直方向相对于所述电动推杆的固定端进行往复运动；在所述电动推杆的固定端的顶部安装有滑轮，在所述滑轮上绕接钢带，所述钢带的一端与所述底座下法兰连接固定，所述钢带的另一端与所述Z轴上段下法兰连接固定。

根据本发明提供的一种晶圆传输机械手，在所述底座外壳内还安装有用于穿行所述本体底座与所述Z轴中段之间的线缆和气管的底座拖链；在所述Z轴中段外壳内还安装有用于穿行所述Z轴中段与所述Z轴上段之间的线缆和气管的Z轴中段拖链。

本发明还提供一种晶圆传输方法，采用上述的晶圆传输机械手，具体包括如下步骤：

S1.初始位置时，Z轴中段和Z轴上段均处在行程最低点，ARM横梁、上手臂和下手臂均处在原点位置，此时上末端执行器位于下末端执行器的正上方，且所述上末端执行器和所述下末端执行器在水平面上的投影重合；

S2.接收到上位机指令后，控制Z轴电机和旋转电机联动，以使所述Z轴中段和所述Z轴上段联动上升，带动所述ARM横梁、所述上手臂、所述下手臂、所述上末端执行器和所述下末端执行器同步上升至指定高度，并带动所述ARM横梁、所述上手臂、所述下手臂、所述上末端执行器和所述下末端执行器整体转动到指定角度；

S3.控制所述旋转电机和上手臂电机联动，所述ARM横梁和所述上手臂同时转动指定角度，以使所述上手臂伸出至第一指定位置；控制所述ARM横梁上升指定高度，以使所述上末端执行器抓取晶圆；

S4.控制所述旋转电机和所述上手臂电机、下手臂电机联动，所述ARM横梁、所述上手臂和所述下手臂同时转动至指定角度，以使所述上手臂返回原点，以使所述下手臂伸出至第二指定位置；控制所述ARM横梁上升指定高度，以使所述下末端执行器抓取晶圆；

S5.控制所述Z轴电机和所述旋转电机联动，以使所述上手臂到达第三指定位置；控制所述旋转电机与所述上手臂电机联动，所述ARM横梁和所述上手臂同时转动指定角度，以使所述上手臂伸出至第四指定位置；控制所述ARM横梁下降指定高度，以使所述上末端执行器释放晶圆；

S6.控制所述旋转电机和所述上手臂电机联动，所述ARM横梁和所述上手臂同时转动指定角度，以使所述上手臂返回原点；

S7.控制所述Z轴电机和所述旋转电机联动，以使所述下手臂到达第五指定位置；控制所述旋转电机和所述下手臂电机联动，所述ARM横梁和所述下手臂同时转动指定角度，以使所述下手臂伸出至第六指定位置；控制所述ARM横梁下降指定高度，以使所述下末端执行器释放晶圆。

本发明提供的晶圆传输机械手，在升降行程的最低点时，Z轴上段可收缩于Z轴中段内，Z轴中段可收缩于本体底座内；在升降行程的最高点时，Z轴上段可完全伸出于Z轴中段，Z轴中段可完全伸出于本体底座。因此，Z轴上段的总升降行程能够大于升降行程最低点时的机械手总高度，有效解决了现有技术中Z轴行程受本体尺寸限制的问题。

本发明提供的晶圆传输机械手，由于ARM横梁可同时作为双臂（下手臂和上手臂）的大臂，并将Z轴上段的顶部与ARM横梁的中心处进行固定连接，从而通过机械手本体能够驱动ARM横梁进行升降并绕Z轴上段的轴线进行旋转，使得机械手的双臂只需要设置一个第一关节，不仅使得机械手的整体结构更加简单，而且传输晶圆的效率更高。

本发明提供的晶圆传输机械手，通过ARM横梁、下手臂、上手臂、上末端执行器以及下末端执行器之间的特定结构设置方式以及L1、L2与L3之间的直角三角形构成方式，使得在初始位置时，上末端执行器能够位于下末端执行器的正上方，使得此时上末端执行器和下末端执行器在水平面上的投影相重合，从而能够在相同回转干涉范围时，本发明实施例的晶圆传输机械手相对于现有技术的机械手具有更远的取片距离。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明晶圆传输机械手的轴测图；

图2为本发明晶圆传输机械手中去掉底座外壳和Z轴中段外壳后的轴测图；

图3为本发明晶圆传输机械手中去掉底座外壳和Z轴中段外壳后的主视图；

图4为本发明晶圆传输机械手处于升降行程最低点时的主视图；

图5为本发明晶圆传输机械手处于升降行程最低点时的侧视图；

图6为本发明晶圆传输机械手中上手臂、上末端执行器、下手臂和下末端执行器处于初始位置时的俯视图；

图7为本发明晶圆传输机械手中上手臂和上末端执行器处于抓取晶圆时的俯视图；

图8为本发明晶圆传输机械手中下手臂的剖视图。

附图标记说明：

1、本体底座；101、底座立柱；102、底座导轨；103、底座滑块；104、底座上法兰；105、底座下法兰；106、底座拖链；107：底座外壳；

2、Z轴中段；201、Z轴中段下法兰；202、Z轴中段立柱；203、Z轴中段导轨；204、Z轴中段滑块；205、Z轴中段上法兰；206、Z轴中段拖链；207：Z轴中段外壳；

3、Z轴上段；301、Z轴上段下法兰； 302、旋转电机动子；303、旋转电机定子；304：Z轴上段外壳；

4、ARM横梁；401、上手臂电机；402、下手臂电机；403、连接段；

5、下手臂；501、ARM下盖板；502、手臂关节轴承；503、手臂关节法兰；504、ARM上壳体；505、手臂关节同步带轮；506、ARM同步带；507、末端执行器关节同步带轮；508、末端执行器关节轴承；509、末端执行器关节法兰；

6、上手臂；

7、上末端执行器；

8、下末端执行器；

9、电动推杆的固定端；901、电动推杆的移动端；902、Z轴电机；903、钢带；904、滑轮。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图8所示，本发明实施例的晶圆传输机械手，包括机械手本体、ARM横梁4、下手臂5和上手臂6，机械手本体包括本体底座1、Z轴中段2和Z轴上段3，Z轴上段3与Z轴中段2之间可伸缩连接，Z轴中段2与本体底座1之间可伸缩连接。Z轴上段3的顶部与ARM横梁4的中心处固定连接，机械手本体能够驱动ARM横梁4进行升降并绕Z轴上段3的轴线旋转。ARM横梁4的两端分别与两个连接段403的端首部对应垂直连接，上手臂6的端首部和下手臂5的端首部分别与两个连接段403的端尾部对应转动安装，且上手臂6位于下手臂5的上方。上手臂6的端尾部可转动的安装有上末端执行器7，下手臂5的端尾部可转动的安装有下末端执行器8，上末端执行器7位于下末端执行器8的上方。

其中，ARM横梁4的中心与连接段403的端尾部中心之间的间距为L1，连接段403的端首部中心和端尾部中心之间的间距为L2，连接段403的端首部中心与ARM横梁4的中心之间的间距为L3，则L1、L2与L3之间构成直角三角形。上手臂6的端首部中心和端尾部中心之间的间距等于L1，下手臂5的端首部中心和端尾部中心之间的间距等于L1。

也即，下手臂5和上手臂6构成晶圆传输机械手的双臂，ARM横梁4同时作为双臂的大臂，将ARM横梁4的中心与Z轴上段3的连接处作为机械手的第一关节，将下手臂5和上手臂6与两个连接段403的连接处分别作为机械手的两个第二关节，将下手臂5与下末端执行器8的连接处以及上手臂6与上末端执行器7的连接处分别作为机械手的两个第三关节。因此，第一关节与第二关节之间的关节中心距等于L1，第二关节与第三关节之间的关节中心距等于L1。因此，设定下手臂5上的两个关节中心距的长度为下手臂5的臂长，设定上手臂6上的两个关节中心距的长度为上手臂6的臂长，则下手臂5的臂长等于上手臂6的臂长等于直角三角形的斜边长度L1。

需要说明的是，如图6所示，在本实施例中，连接段403的端首部中心为，ARM横梁4的轴线与连接段403的轴线之间的交点。连接段403的端尾部中心为，连接段403与上手臂6（或下手臂5）之间的连接中心，也即，机械手的第二关节中心。上手臂6（或下手臂5）的端首部中心为，连接段403与上手臂6（或下手臂5）之间的连接中心，也即，机械手的第二关节中心。上手臂6（或下手臂5）的端尾部中心为，上手臂6（或下手臂5）与上末端执行器7（或下末端执行器8）之间的连接中心，也即，机械手的第三关节中心。

本发明实施例的晶圆传输机械手，在升降行程的最低点时，Z轴上段3可收缩于Z轴中段2内，Z轴中段2可收缩于本体底座1内；在升降行程的最高点时，Z轴上段3可完全伸出于Z轴中段2，Z轴中段2可完全伸出于本体底座1。因此，Z轴上段3的总升降行程能够大于升降行程最低点时的机械手总高度，有效解决了现有技术中Z轴行程受本体尺寸限制的问题。

本发明实施例的晶圆传输机械手，由于ARM横梁4可同时作为双臂的大臂，并将Z轴上段3的顶部与ARM横梁4的中心处进行固定连接，从而通过机械手本体能够驱动ARM横梁4进行升降并绕Z轴上段3的轴线进行旋转，使得机械手的双臂只需要设置一个第一关节，不仅使得机械手的整体结构更加简单，而且传输晶圆的效率更高。

本发明实施例的晶圆传输机械手，通过ARM横梁4、下手臂5、上手臂6、上末端执行器7以及下末端执行器8之间的特定结构设置方式以及L1、L2与L3之间的直角三角形构成方式，使得在初始位置时，上末端执行器7能够位于下末端执行器8的正上方，使得此时上末端执行器7和下末端执行器8在水平面上的投影相重合，从而能够在相同回转干涉范围时，本发明实施例的晶圆传输机械手相对于现有技术的机械手具有更远的取片距离。

具体来说，ARM横梁4为中空结构，ARM横梁4的内部可为穿行线缆和气管预留空间。

具体来说，上末端执行器7可以采用托举手指、真空吸附手指、夹持手指、伯努利手指、翻转手指或多指机构。下末端执行器8可以采用托举手指、真空吸附手指、夹持手指、伯努利手指、翻转手指或多指机构。也即，上末端执行器7和下末端执行器8均为选配项，并且上末端执行器7和下末端执行器8可以采用相同类型，也可以采用不同类型。

具体来说，在ARM横梁4的两端底部分别安装有上手臂电机401和下手臂电机402，上手臂电机401与上手臂6的端首部驱动连接，下手臂电机402与下手臂5的端首部驱动连接。也即，通过上手臂电机401能够驱动上手臂6和上末端执行器7进行运动，通过下手臂电机402能够驱动下手臂5和下末端执行器8进行运动。

在本发明的一些实施例中，上手臂6和下手臂5的臂长不仅相同，而且上手臂6和下手臂5的结构也相同。下面以下手臂5为例，对下手臂5的具体结构进行说明。

其中，下手臂5包括ARM下盖板501、ARM上壳体504、手臂关节轴承502和末端执行器关节轴承508，ARM上壳体504与ARM下盖板501之间连接形成中空结构，末端执行器关节轴承508安装于ARM上壳体504的顶板上，手臂关节轴承502安装于ARM下盖板501上，并且末端执行器关节轴承508与手臂关节轴承502分别位于下手臂5的两个端部中心。也即，末端执行器关节轴承508的中心对应下手臂5的端尾部中心，手臂关节轴承502的中心对应下手臂5的端首部中心。在中空结构内分别设有手臂关节同步带轮505、ARM同步带506和末端执行器关节同步带轮507，手臂关节轴承502的外圈通过手臂关节法兰503与ARM下盖板501连接，手臂关节同步带轮505与手臂关节轴承502的内圈连接，手臂关节轴承502的内圈与下手臂电机402的驱动轴连接。末端执行器关节轴承508的外圈与ARM上壳体504连接，末端执行器关节轴承508的内圈与末端执行器关节法兰509连接，末端执行器关节法兰509与末端执行器关节同步带轮507连接，末端执行器关节法兰509与下末端执行器8连接。ARM同步带506连接于手臂关节同步带轮505和末端执行器关节同步带轮507之间。

也即，通过下手臂电机402能够驱动手臂关节同步带轮505转动，手臂关节同步带轮505通过ARM同步带506带动末端执行器关节同步带轮507转动，末端执行器关节同步带轮507通过末端执行器关节法兰509带动下末端执行器8转动。由此，通过下手臂电机402能够实现对下手臂5和下末端执行器8的驱动操作，同理，通过上手臂电机401能够实现对上手臂6和上末端执行器7的驱动操作。

在本发明的一些实施例中，本体底座1包括底座外壳107、底座下法兰105、底座上法兰104、两个底座立柱101、两个底座导轨102和两个底座滑块103，底座外壳107的两端分别与底座下法兰105、底座上法兰104对应连接，各底座立柱101分别设置于底座外壳107内，且各底座立柱101的两端分别与底座下法兰105、底座上法兰104对应连接。其中各底座导轨102分别呈竖直向对应安装于各底座立柱101上，各底座滑块103分别与各底座导轨102对应滑动配合。

在本发明的一些实施例中，Z轴中段2包括Z轴中段外壳207、Z轴中段下法兰201、Z轴中段上法兰205、两个Z轴中段立柱202、两个Z轴中段导轨203和两个Z轴中段滑块204，Z轴中段下法兰201位于底座外壳107内，且Z轴中段下法兰201分别与两个底座滑块103连接固定。Z轴中段外壳207的两端分别与Z轴中段下法兰201、Z轴中段上法兰205对应连接，各Z轴中段立柱202分别设置于Z轴中段外壳207内，且各Z轴中段立柱202的两端分别与Z轴中段下法兰201、Z轴中段上法兰205对应连接。各Z轴中段导轨203分别呈竖直向对应安装于各Z轴中段立柱202上，各Z轴中段滑块204分别与各Z轴中段导轨203对应滑动配合。也即，Z轴中段2能够通过底座滑块103沿底座导轨102进行上下滑动，以使Z轴中段2能够向下收缩于本体底座1内或向上伸出于本体底座1外。

在本发明的一些实施例中，Z轴上段3包括Z轴上段外壳304、Z轴上段下法兰301和旋转电机，Z轴上段下法兰301位于Z轴中段外壳207内，且Z轴上段下法兰301分别与两个Z轴中段滑块204连接固定。旋转电机位于Z轴上段外壳304内，旋转电机包括相互配合的旋转电机动子302和旋转电机定子303，旋转电机定子303与Z轴上段下法兰301连接固定，旋转电机动子302与Z轴上段外壳304连接固定，以使Z轴上段外壳304能够绕旋转电机定子303转动。Z轴上段外壳304的上端与ARM横梁4的中心处连接固定。也即，Z轴上段3能够通过Z轴中段滑块204沿Z轴中段导轨203进行上下滑动，以使Z轴上段3能够向下收缩于Z轴中段2内或向上伸出于Z轴中段2外。而通过设置旋转电机，能够通过Z轴上段外壳304带动ARM横梁4绕Z轴中段2的轴线进行转动。

进一步来说，机械手本体还包括电动推杆，电动推杆的固定端9与Z轴中段下法兰201连接固定，电动推杆的移动端901与底座下法兰105连接固定，电动推杆的移动端901能够在Z轴电机902的驱动下沿竖直方向相对于电动推杆的固定端9进行上下往复运动。在电动推杆的固定端9的顶部安装有滑轮904，在滑轮904上绕接钢带903，钢带903的一端与底座下法兰105连接固定，钢带903的另一端与Z轴上段下法兰301连接固定。

由此，通过Z轴电机902能够驱动Z轴中段2进行上下运动，同时在钢带903的拉动作用下，能够带动Z轴上段3进行同步的上下运动。也即，当Z轴电机902驱动Z轴中段2向上运动时，通过钢带903能够带动Z轴上段3同步向上运动。当Z轴电机902驱动Z轴中段2向下运动时，通过钢带903能够带动Z轴上段3同步向下运动。

由此，本发明实施例的晶圆传输机械手，Z轴中段2和Z轴上段3能够在电动推杆和钢带903作用下进行联动升降，以使Z轴上段3的升降行程能够大于行程最低点时的机械手总高度，从而使得机械手的Z轴行程不再受机械手本体尺寸的限制。

而且，本发明实施例的晶圆传输机械手，仅在一台Z轴电机902和一台旋转电机的配合作用下，实现了机械手的双Z轴升降及旋转功能，使得机械手的整体体积更小，进而节约了电机数量和控制系统资源，降低了成本。

具体来说，在底座外壳107内还安装有用于穿行本体底座1与Z轴中段2之间的线缆和气管的底座拖链106。在Z轴中段外壳207内还安装有用于穿行Z轴中段2与Z轴上段3之间的线缆和气管的Z轴中段拖链206。

本发明还提供一种晶圆传输方法，采用上述实施例的晶圆传输机械手，具体包括如下步骤：

S1.初始位置时，Z轴中段2和Z轴上段3均处在行程最低点，ARM横梁4、上手臂6和下手臂5均处在原点位置，此时上末端执行器7位于下末端执行器8的正上方，且上末端执行器7和下末端执行器8在水平面上的投影重合。其中，ARM横梁4的原点位置为可设置的指定角度，该指定角度为0°~360°之间的任意角度。

S2.接收到上位机指令后，控制Z轴电机902和旋转电机联动，以使Z轴中段2和Z轴上段3联动上升，带动ARM横梁4、下手臂5、上手臂6、上末端执行器7和下末端执行器8同步上升至指定高度，并带动ARM横梁4、下手臂5、上手臂6、上末端执行器7和下末端执行器8整体转动到指定角度。

S3.控制旋转电机和上手臂电机401联动，以使ARM横梁4和上手臂6同时转动指定角度，以使上手臂6伸出至第一指定位置；同时控制ARM横梁4上升指定高度，以使上末端执行器7抓取晶圆。

S4.控制旋转电机和上手臂电机401、下手臂电机402联动，以使ARM横梁4、上手臂6和下手臂5同时转动至指定角度，以使上手臂6返回原点，以使下手臂5伸出至第二指定位置；同时控制ARM横梁4上升指定高度，以使下末端执行器8抓取晶圆。

S5.控制Z轴电机902和旋转电机联动，以使上手臂6到达第三指定位置；控制旋转电机与上手臂电机401联动，以使ARM横梁4和上手臂6同时转动指定角度，以使上手臂6伸出至第四指定位置；同时控制ARM横梁4下降指定高度，以使上末端执行器7释放晶圆。

S6.控制旋转电机和上手臂电机401联动，以使ARM横梁4和上手臂6同时转动指定角度，以使上手臂6返回原点。

S7.控制Z轴电机902和旋转电机联动，以使下手臂5到达第五指定位置；控制旋转电机和下手臂电机402联动，以使ARM横梁4和下手臂5同时转动指定角度，以使下手臂5伸出至第六指定位置；控制ARM横梁4下降指定高度，以使下末端执行器8释放晶圆。

S8.然后重复上述步骤S3至步骤S7，直到完成上位机要求的所有取放晶圆任务。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种晶圆传输机械手，其特征在于，包括机械手本体、ARM横梁、上手臂和下手臂，所述机械手本体包括本体底座、Z轴中段和Z轴上段，所述Z轴上段与所述Z轴中段之间可伸缩连接，所述Z轴中段与所述本体底座之间可伸缩连接；所述Z轴上段的顶部与所述ARM横梁的中心处固定连接，所述机械手本体能够驱动所述ARM横梁进行升降并绕所述Z轴上段的轴线旋转；所述ARM横梁的两端分别与两个连接段的端首部对应垂直连接，所述上手臂的端首部和所述下手臂的端首部分别与两个所述连接段的端尾部对应转动安装，且所述上手臂位于所述下手臂的上方；所述上手臂的端尾部可转动的安装有上末端执行器，所述下手臂的端尾部可转动的安装有下末端执行器；

所述ARM横梁的中心与所述连接段的端尾部中心之间的间距为L1，所述连接段的端首部中心和端尾部中心之间的间距为L2，所述连接段的端首部中心与所述ARM横梁的中心之间的间距为L3，L1、L2与L3之间构成直角三角形；所述上手臂的端首部中心和端尾部中心之间的间距等于L1，所述下手臂的端首部中心和端尾部中心之间的间距等于L1。

2.根据权利要求1所述的晶圆传输机械手，其特征在于，所述上末端执行器采用托举手指、真空吸附手指、夹持手指、伯努利手指、翻转手指或多指机构；所述下末端执行器采用托举手指、真空吸附手指、夹持手指、伯努利手指、翻转手指或多指机构。

3.根据权利要求1所述的晶圆传输机械手，其特征在于，在所述ARM横梁的两端底部分别安装有上手臂电机和下手臂电机，所述上手臂电机与所述上手臂的端首部驱动连接，所述下手臂电机与所述下手臂的端首部驱动连接。

4.根据权利要求3所述的晶圆传输机械手，其特征在于，所述上手臂和所述下手臂的结构相同；

其中，所述下手臂包括ARM上壳体、ARM下盖板、手臂关节轴承和末端执行器关节轴承，所述ARM上壳体与所述ARM下盖板之间连接形成中空结构，所述末端执行器关节轴承安装于所述ARM上壳体的顶板上，所述手臂关节轴承安装于所述ARM下盖板上，并且所述末端执行器关节轴承与所述手臂关节轴承分别位于所述下手臂的两个端部中心；在所述中空结构内分别设有手臂关节同步带轮、末端执行器关节同步带轮和ARM同步带，所述手臂关节轴承的外圈通过手臂关节法兰与所述ARM下盖板连接，所述手臂关节同步带轮与所述手臂关节轴承的内圈连接，所述手臂关节轴承的内圈与所述下手臂电机的驱动轴连接；所述末端执行器关节轴承的外圈与所述ARM上壳体连接，所述末端执行器关节轴承的内圈通过末端执行器关节法兰与所述末端执行器关节同步带轮连接，所述末端执行器关节法兰与所述下末端执行器连接；所述ARM同步带连接于所述手臂关节同步带轮和所述末端执行器关节同步带轮之间。

5.根据权利要求1所述的晶圆传输机械手，其特征在于，所述本体底座包括底座外壳、底座下法兰、底座上法兰、两个底座立柱、两个底座导轨和两个底座滑块，所述底座外壳的两端分别与所述底座下法兰、所述底座上法兰对应连接，各所述底座立柱分别设置于所述底座外壳内，且各所述底座立柱的两端分别与所述底座下法兰、所述底座上法兰对应连接；各所述底座导轨分别呈竖直向对应安装于各所述底座立柱上，各所述底座滑块分别与各所述底座导轨对应滑动配合。

6.根据权利要求5所述的晶圆传输机械手，其特征在于，所述Z轴中段包括Z轴中段外壳、Z轴中段下法兰、Z轴中段上法兰、两个Z轴中段立柱、两个Z轴中段导轨和两个Z轴中段滑块，所述Z轴中段下法兰位于所述底座外壳内，且所述Z轴中段下法兰分别与两个所述底座滑块连接固定；所述Z轴中段外壳的两端分别与所述Z轴中段下法兰、所述Z轴中段上法兰对应连接，各所述Z轴中段立柱分别设置于所述Z轴中段外壳内，且各所述Z轴中段立柱的两端分别与所述Z轴中段下法兰、所述Z轴中段上法兰对应连接；各所述Z轴中段导轨分别呈竖直向对应安装于各所述Z轴中段立柱上，各所述Z轴中段滑块分别与各所述Z轴中段导轨对应滑动配合。

7.根据权利要求6所述的晶圆传输机械手，其特征在于，所述Z轴上段包括Z轴上段外壳、Z轴上段下法兰和旋转电机，所述Z轴上段下法兰位于所述Z轴中段外壳内，且所述Z轴上段下法兰分别与两个所述Z轴中段滑块连接固定；所述旋转电机位于所述Z轴上段外壳内，所述旋转电机包括相互配合的旋转电机动子和旋转电机定子，所述旋转电机定子与所述Z轴上段下法兰连接固定，所述旋转电机动子与所述Z轴上段外壳连接固定，以使所述Z轴上段外壳能够绕所述旋转电机定子转动；所述Z轴上段外壳的上端与所述ARM横梁的中心处连接固定。

8.根据权利要求7所述的晶圆传输机械手，其特征在于，所述机械手本体还包括电动推杆，所述电动推杆的固定端与所述Z轴中段下法兰连接固定，所述电动推杆的移动端与所述底座下法兰连接固定，所述电动推杆的移动端能够在Z轴电机的驱动下沿竖直方向相对于所述电动推杆的固定端进行往复运动；在所述电动推杆的固定端的顶部安装有滑轮，在所述滑轮上绕接钢带，所述钢带的一端与所述底座下法兰连接固定，所述钢带的另一端与所述Z轴上段下法兰连接固定。

9.根据权利要求7所述的晶圆传输机械手，其特征在于，在所述底座外壳内还安装有用于穿行所述本体底座与所述Z轴中段之间的线缆和气管的底座拖链；在所述Z轴中段外壳内还安装有用于穿行所述Z轴中段与所述Z轴上段之间的线缆和气管的Z轴中段拖链。

10.一种晶圆传输方法，其特征在于，采用如权利要求1至9任一项所述的晶圆传输机械手，具体包括如下步骤：

S1.初始位置时，Z轴中段和Z轴上段均处在行程最低点，ARM横梁、上手臂和下手臂均处在原点位置，此时上末端执行器位于下末端执行器的正上方，且所述上末端执行器和所述下末端执行器在水平面上的投影重合；

S2.接收到上位机指令后，控制Z轴电机和旋转电机联动，以使所述Z轴中段和所述Z轴上段联动上升，带动所述ARM横梁、所述上手臂、所述下手臂、所述上末端执行器和所述下末端执行器同步上升至指定高度，并带动所述ARM横梁、所述上手臂、所述下手臂、所述上末端执行器和所述下末端执行器整体转动到指定角度；

S3.控制所述旋转电机和上手臂电机联动，所述ARM横梁和所述上手臂同时转动指定角度，以使所述上手臂伸出至第一指定位置；控制所述ARM横梁上升指定高度，以使所述上末端执行器抓取晶圆；

S4.控制所述旋转电机和所述上手臂电机、下手臂电机联动，所述ARM横梁、所述上手臂和所述下手臂同时转动至指定角度，以使所述上手臂返回原点，以使所述下手臂伸出至第二指定位置；控制所述ARM横梁上升指定高度，以使所述下末端执行器抓取晶圆；

S5.控制所述Z轴电机和所述旋转电机联动，以使所述上手臂到达第三指定位置；控制所述旋转电机与所述上手臂电机联动，所述ARM横梁和所述上手臂同时转动指定角度，以使所述上手臂伸出至第四指定位置；控制所述ARM横梁下降指定高度，以使所述上末端执行器释放晶圆；

S6.控制所述旋转电机和所述上手臂电机联动，所述ARM横梁和所述上手臂同时转动指定角度，以使所述上手臂返回原点；

S7.控制所述Z轴电机和所述旋转电机联动，以使所述下手臂到达第五指定位置；控制所述旋转电机和所述下手臂电机联动，所述ARM横梁和所述下手臂同时转动指定角度，以使所述下手臂伸出至第六指定位置；控制所述ARM横梁下降指定高度，以使所述下末端执行器释放晶圆。