CN118016579A - 四手指大气洁净双晶圆同取叠合避让式机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了四手指大气洁净双晶圆同取叠合避让式机械臂，涉及晶圆运输技术领域，包括机械底座，机械底座的顶面设有避让臂，避让臂的顶面两端设有两组晶圆机械臂和两组晶圆托盘；所述避让臂旋转带动其中一个晶圆机械臂取放晶圆时，使另一个晶圆机械臂旋转固定角度，避让取放晶圆的路径；同时与上方的晶圆托盘连接的晶圆机械臂也会旋转，而避让臂旋转的同时，会通过另一组晶圆机械臂带动下方的晶圆托盘，使下方的晶圆托盘旋转同样的角度，避开上方的晶圆托盘取放晶圆的路径，这时候晶圆托盘就不需要设计很长的悬臂，刚性能得到很好的保证，提高晶圆传送效率也不会引起结构振动。

Description

四手指大气洁净双晶圆同取叠合避让式机械臂

技术领域

本发明涉及晶圆运输技术领域，具体涉及四手指大气洁净双晶圆同取叠合避让式机械臂。

背景技术

在晶圆运输的过程中，需要使用到专门的机械臂，晶圆机械臂可以完成晶圆运输过程中的取放操作，现有的晶圆机械臂，例如授权公告号为CN101436562B的专利公开的双臂晶圆传输机械手以及公开号为CN108098794A的专利公开的机械手臂及其晶圆传送装置与晶圆检测机台，此类机械臂在取放晶圆的过程中，由于机械手臂上的晶圆托盘在取放晶圆时，为了避让取放晶圆的路径，需要增加晶圆托盘悬臂的长度，导致晶圆托盘的刚性不足，因而导致提高晶圆传送效率时会引起结构振动，从而使晶圆的运输不稳定，且容易导致晶圆的取放位置出现误差，影响了晶圆的加工。

发明内容

为了克服上述的技术问题，本发明的目的在于提供四手指大气洁净双晶圆同取叠合避让式机械臂，以解决现有技术中，在取放晶圆的过程中，由于机械手臂上的晶圆托盘在取放晶圆时，为了避让取放晶圆的路径，需要增加晶圆托盘悬臂的长度，导致晶圆托盘的刚性不足，因而导致提高晶圆传送效率时会引起结构振动的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

具体是提供一个四手指大气洁净双晶圆同取叠合避让式机械臂，包括机械底座，机械底座的顶面设有避让臂，避让臂的顶面两端均设有晶圆机械臂和晶圆托盘；所述避让臂旋转带动其中一个晶圆机械臂取放晶圆时，使另一个晶圆机械臂旋转固定角度，避让取放晶圆的路径。

作为本发明进一步的方案：所述避让臂包括第一大臂和第二大臂，第一大臂和第二大臂之间的夹角为一百五十度至一百八十度，第一大臂和第二大臂的顶端分别与两组晶圆机械臂转动连接。

作为本发明进一步的方案：所述两组晶圆机械臂与第一大臂和第二大臂对接处的距离大于晶圆托盘的最大宽度。

作为本发明进一步的方案：所述晶圆托盘的形状均为C字形，且端头位置均设有晶圆缺口，晶圆缺口用于放置晶圆。

作为本发明进一步的方案：所述晶圆缺口内设有负压吸盘。

作为本发明进一步的方案：所述机械底座包括底座主体，底座主体的底面固定连接有底板，底座主体的顶面固定连接有顶板，底板的顶面螺栓连接有升降电机，升降电机的一侧设有传动箱，传动箱的顶端安装有丝杠和滚珠螺母，滚珠螺母嵌套在丝杠上。

作为本发明进一步的方案：所述底座主体的内侧设有升降座，升降座的侧面与滚珠螺母的侧面固定连接，升降座的内侧设有第一转轴和第二转轴，第一转轴的顶端与第一大臂连接，第二转轴的顶端与第二大臂连接。

作为本发明进一步的方案：所述避让臂与两组晶圆机械臂的连接处以及晶圆机械臂和晶圆托盘的连接处均设有校准机构。

作为本发明进一步的方案：所述校准机构包括第一转子，第一转子的内侧设有第二转子，第二转子的侧面固定连接有滑块，第一转子的内部开设有与滑块相匹配的滑槽，第一转子的一侧固定连接有油缸壳，油缸壳远离第一转子的一端安装有液压缸。

作为本发明进一步的方案：所述机械底座的内部设有控制模块，避让臂和晶圆机械臂上设有激光感应器；

所述控制模块预设晶圆机械臂和晶圆托盘静止状态的初始位置；

所述控制模块通过激光感应器采集晶圆机械臂和晶圆托盘工作N次后静止状态的停止位置，N为正整数；

基于停止位置与初始位置的偏差，控制模块根据偏差使用校准机构校准晶圆机械臂和晶圆托盘静止状态的停止位置。

本发明的有益效果：

1、本发明中，通过设置的避让臂，当避让臂通过其中一组晶圆机械臂控制晶圆托盘时，避让臂、该组晶圆机械臂和该组晶圆托盘会根据晶圆的位置旋转一定角度，使该组晶圆托盘移动至晶圆的位置，当使用上方的晶圆托盘取放晶圆时，避让臂会逆时针旋转一定角度，同时与上方的晶圆托盘连接的晶圆机械臂也会旋转，而避让臂旋转的同时，会通过另一组晶圆机械臂带动下方的晶圆托盘，使下方的晶圆托盘旋转同样的角度，避开上方的晶圆托盘取放晶圆的路径，这时候晶圆托盘就不需要设计很长的悬臂，刚性能得到很好的保证，提高晶圆传送效率也不会引起结构振动。

2、本发明中，当该晶圆机械臂控制晶圆托盘取放晶圆，完成晶圆取放的一个循环后，晶圆机械臂会移动返回至初始的位置，此时控制模块再次通过激光感应器采集晶圆机械臂静止状态的停止位置，此时控制模块通过激光感应器采集晶圆机械臂上标记点的坐标，然后根据坐标和坐标之间的距离来校准晶圆机械臂静止状态的停止位置，保证晶圆机械臂在运输晶圆的过程中精确度更高。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中避让臂的结构示意图；

图3是本发明中第一大臂的结构示意图；

图4是本发明中第二大臂的结构示意图；

图5是本发明中机械底座正面的内部结构示意图；

图6是本发明中机械底座背面的内部结构示意图；

图7是本发明中校准机构的剖视图；

图8是本发明中控制模块的工作流程框图。

图中：1、机械底座；11、底座主体；12、底板；13、顶板；14、升降电机；15、传动箱；16、丝杠；17、升降座；171、滚珠螺母；18、第一转轴；19、第二转轴；110、第一连接法兰；1101、第二连接法兰；111、第一电机；112、第二电机；113、第三电机；114、限位滑轨；2、避让臂；21、第一大臂；22、第二大臂；3、晶圆机械臂；4、晶圆托盘；5、校准机构；51、第一转子；511、外接端口；52、第二转子；521、滑块；53、油缸壳；54、液压缸；541、活塞；55、滑槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，本发明公开了四手指大气洁净双晶圆同取叠合避让式机械臂，包括机械底座1，机械底座1的顶面设有避让臂2，避让臂2的顶面两端均设有晶圆机械臂3和晶圆托盘4；避让臂2旋转带动其中一个晶圆机械臂3取放晶圆时，使另一个晶圆机械臂3旋转固定角度，避让取放晶圆的路径；

需要说明的是，在使用该四手指大气洁净双晶圆同取叠合避让式机械臂运输晶圆的过程中，避让臂2两端的两组晶圆托盘4均可以进行晶圆的取放工作，具体是，当避让臂2通过其中一组晶圆机械臂3控制晶圆托盘4时，避让臂2、该组晶圆机械臂3和该组晶圆托盘4会根据晶圆的位置旋转一定角度，使该组晶圆托盘4移动至晶圆的位置，以图2为例，当使用上方的晶圆托盘4取放晶圆时，避让臂2会逆时针旋转一定角度，同时与上方的晶圆托盘4连接的晶圆机械臂3也会旋转，而避让臂2旋转的同时，会通过另一组晶圆机械臂3带动下方的晶圆托盘4，使下方的晶圆托盘4旋转同样的角度，避开上方的晶圆托盘4取放晶圆的路径，这时候晶圆托盘4就不需要设计很长的悬臂，刚性能得到很好的保证，提高晶圆传送效率也不会引起结构振动。

如图3和图4所示，避让臂2包括第一大臂21和第二大臂22，第一大臂21和第二大臂22之间的夹角为一百五十度至一百八十度，第一大臂21和第二大臂22的顶端分别与两组晶圆机械臂3转动连接；

需要说明的是，第二大臂22的底端连接转轴，该转轴安装在机械底座1内，由机械底座1通过控制转轴的旋转来控制第二大臂22的旋转，第一大臂21和第二大臂22可以设置为固定连接，这样当第二大臂22旋转的同时就会带动第一大臂21同步旋转。

如图2所示，两组晶圆机械臂3与第一大臂21和第二大臂22对接处的距离大于晶圆托盘4的最大宽度，需要说明的是，这样可以保证晶圆托盘4自由在第一大臂21和第二大臂22之间穿梭，不会影响晶圆托盘4的移动。

如图1－图4所示，晶圆托盘4的形状均为C字形，且端头位置均设有晶圆缺口，晶圆缺口用于放置晶圆，需要说明的是，C字形的晶圆托盘4可以提高晶圆托盘4整体的刚性，提高晶圆传送效率也不会引起结构振动，C字形的晶圆托盘4有两端，所以晶圆托盘4可以同时取放两块晶圆，晶圆缺口的形状与晶圆大小相匹配，由于每个晶圆托盘4具有两个晶圆缺口，因此一个晶圆托盘4可以同时取放两块晶圆，两组晶圆托盘4就可以取放四块晶圆。

晶圆缺口内设有负压吸盘，当晶圆托盘4移动至晶圆的底面时，晶圆缺口内的负压吸盘便可以将晶圆的底面吸附住，这样在晶圆托盘4运输晶圆的过程中可以保证晶圆的稳定性；

另外需要注意的是，负压泵（附图中未出示）可以设置在机械底座1的内部，然后负压泵的输入端通过气管与负压吸盘连接，气管可以经过避让臂2和晶圆机械臂3的内部与负压吸盘连接，保证四手指大气洁净双晶圆同取叠合避让式机械臂外观的整洁性，当需要负压吸盘吸住晶圆的时候，可以先打开负压泵，然后负压泵通过气管使负压吸盘产生吸附力，当晶圆缺口接触到晶圆的底面时，产生吸附力的负压吸盘便可以将晶圆的底面吸附住，使晶圆稳定在晶圆托盘4上。

如图5和图6所示，机械底座1包括底座主体11，底座主体11的底面固定连接有底板12，底座主体11的顶面固定连接有顶板13，底板12的顶面螺栓连接有升降电机14，升降电机14的一侧设有传动箱15，传动箱15的顶端安装有丝杠16和滚珠螺母171，滚珠螺母171嵌套在丝杠16上；

需要说明的是，底座主体11的内侧还设有限位滑轨114，底座主体11的内壁靠近限位滑轨114的位置开设有与限位滑轨114相匹配的轨道槽，保证限位滑轨114可以在轨道槽内沿竖直方向自由移动，升降电机14的输出轴通过齿轮与传动箱15的输入端动力连接，传动箱15的输出端通过齿轮与丝杠16的侧面啮合，这样打开升降电机14后，升降电机14便可以将动力通过传动箱15输送至丝杠16，带动丝杠16转动，转动的丝杠16配合滚珠螺母171，实现滚珠螺母171竖直方向的移动。

如图5和图6所示，底座主体11的内侧设有升降座17，升降座17的侧面与滚珠螺母171的侧面固定连接，升降座17的内侧设有第一转轴18和第二转轴19，第一转轴18的顶端与第一大臂21连接，第二转轴19的顶端与第二大臂22连接；

需要说明的是，限位滑轨114直接与升降座17固定连接，由于升降座17的侧面与滚珠螺母171的侧面固定连接，所以当滚珠螺母171沿竖直方向移动时，滚珠螺母171便会带动升降座17同时沿竖直方向移动，并且由于限位滑轨114直接与升降座17固定连接，底座主体11的内壁靠近限位滑轨114的位置开设有与限位滑轨114相匹配的轨道槽，所以限位滑轨114和轨道槽的配合可以使升降座17移动时更加稳定；

另外需要注意的是，升降座17的侧面还设有第一电机111、第二电机112和第三电机113，第一转轴18由两组相互嵌套的转轴组成，第一转轴18包括内轴和外轴，第一电机111的输出轴通过齿带与内轴的侧面啮合，当打开第一电机111后，第一电机111的输出轴便可以通过齿带来带动内轴转动，第二电机112的输出轴通过齿带与外轴的侧面啮合，内轴的顶端固定连接有第一连接法兰110，转动的内轴则可以直接带动第一连接法兰110，外轴的顶端固定连接有第二连接法兰1101，第一连接法兰110的顶面螺栓连接有第一驱动轴（图中未出示），第一驱动轴穿过第二大臂22后通过齿轮控制与第一大臂21连接的晶圆机械臂3的转动，第二连接法兰1101的顶面螺栓连接有第二驱动轴（图中未出示），第二驱动轴通过齿轮控制与第二大臂22连接的晶圆机械臂3的转动；

第三电机113的输出轴通过齿带与第二转轴19的侧面啮合，第二转轴19直接与第二大臂22底面的转轴固定连接，这样打开第三电机113后，第三电机113的输出轴便可以通过齿带来驱动第二转轴19，第二转轴19再通过转轴带动第二大臂22转动。

实施例2：

如图1和图7所示，避让臂2与两组晶圆机械臂3的连接处以及晶圆机械臂3和晶圆托盘4的连接处均设有校准机构5；

需要说明的是，校准机构5的数量一共有四组，分别用来校准两组晶圆机械臂3和两组晶圆托盘4的位置。

如图7所示，校准机构5包括第一转子51，第一转子51的内侧设有第二转子52，第二转子52的侧面固定连接有滑块521，第一转子51的内部开设有与滑块521相匹配的滑槽55，第一转子51的一侧固定连接有油缸壳53，油缸壳53远离第一转子51的一端安装有液压缸54；

需要说明的是，当校准机构5处于避让臂2和晶圆机械臂3的连接处时：

第一转子51与避让臂2内部的齿轮啮合，具体是第一驱动轴或者第二驱动轴的顶端与该齿轮固定连接，也就是说，第一驱动轴或者第二驱动轴通过该齿轮直接与第一转子51的侧面啮合，这样在第一驱动轴或者第二驱动轴旋转的时候，便可以通过齿轮带动第一转子51转动，第二转子52的端面直接与晶圆机械臂3的表面固定连接，这样当第一转子51转动时，第一转子51便可以通过第二转子52带动晶圆机械臂3同步转动；

当校准机构5处于晶圆机械臂3和晶圆托盘4的连接处时：

晶圆机械臂3的内部设置电机，电机的输出轴通过齿轮直接与第一转子51的侧面啮合，第二转子52的端面直接与晶圆托盘4的表面固定连接，这样打开晶圆机械臂3内部的电机时，电机的输出轴便可以通过第一转子51带动第二转子52，第二转子52再带动晶圆托盘4旋转；

如图7所示，油缸壳53的内部设有活塞541，液压缸54的输出端直接与活塞541连接，油缸壳53远离液压缸54的一端直接与第一转子51内部的滑槽55连通，当活塞541移动时，活塞541便可以将油缸壳53中的液压油输送至滑槽55内，从而使滑槽55内的液压油增多，可以驱使滑块521在滑槽55内滑动，从而实现了调整第一转子51和第二转子52之间的相对角度，在滑槽55远离油缸壳53的一端还开设有外接端口511，外接端口511的作用是平衡滑槽55内部的压力，保证滑块521可以正常在滑槽55内滑动；

另外需要注意的是，油缸壳53和液压缸54的大小以及位置由本领域技术人员根据四手指大气洁净双晶圆同取叠合避让式机械臂内部空间的冗余进行相应的调整。

实施例3：

如图8所示，机械底座1的内部设有控制模块，避让臂2和晶圆机械臂3上设有激光感应器；控制模块预设晶圆机械臂3和晶圆托盘4静止状态的初始位置；控制模块通过激光感应器采集晶圆机械臂3和晶圆托盘4工作N次后静止状态的停止位置，N为正整数；基于停止位置与初始位置的偏差，控制模块根据偏差使用校准机构5校准晶圆机械臂3和晶圆托盘4静止状态的停止位置；

需要说明的是，这里以校准第一大臂21顶面的晶圆机械臂3的停止位置为例：

首先，控制模块预设晶圆机械臂3的初始位置，即控制模块通过第一大臂21上的激光感应器采集晶圆机械臂3的位置，然后将该位置作为晶圆机械臂3的初始位置，具体可以使用计算机，机械底座1顶面的圆心位置为三维坐标系的原点，此时控制模块通过激光感应器采集晶圆机械臂3上标记点的坐标（x，y，z），坐标（x，y，z）可作为晶圆机械臂3的初始位置坐标；

当该晶圆机械臂3控制晶圆托盘4取放晶圆后，完成晶圆取放的一个循环后，晶圆机械臂3会移动返回至初始的位置，此时控制模块再次通过激光感应器采集晶圆机械臂3静止状态的停止位置，此时控制模块通过激光感应器采集晶圆机械臂3上标记点的坐标（x1，y1，z），然后根据坐标（x，y，z）和坐标（x1，y1，z）之间的距离来校准晶圆机械臂3静止状态的停止位置，保证晶圆机械臂3在运输晶圆的过程中精确度更高；

校准的方法是计算停止位置与初始位置的偏差：

a=[（x1-x）²+（y1-y）²+（z-z）²]^-2；

其中a为停止位置与初始位置的偏差，然后控制模块根据偏差a的值控制液压缸54，液压缸54的输出端驱动活塞541，当活塞541移动时，活塞541便可以将油缸壳53中的液压油输送至滑槽55内，从而使滑槽55内的液压油增多，可以驱使滑块521在滑槽55内滑动，从而实现了调整第一转子51和第二转子52之间的相对角度，即调整了晶圆机械臂3的位置，偏差a的值与液压缸54的输出端的移动距离的关系由本领域技术人员使用计算机模拟得出，具体是：

本领域技术人员预先收集大量偏差a以及对应的液压缸54的输出端的移动距离，然后根据这些数据模拟出二者的关系。

当该晶圆机械臂3控制晶圆托盘4取放晶圆后，完成晶圆取放的m个循环后，晶圆机械臂3会移动返回至初始的位置，此时控制模块再次通过激光感应器采集晶圆机械臂3静止状态的停止位置，此时控制模块通过激光感应器采集晶圆机械臂3上标记点的坐标（xm，ym，z），然后根据坐标（x，y，z）和坐标（xm，ym，z）之间的距离来校准晶圆机械臂3静止状态的停止位置，保证晶圆机械臂3在运输晶圆的过程中精确度更高；

综上所述，晶圆机械臂3每次取放完晶圆后，都会进行一次校准，从而保证晶圆机械臂3在运输晶圆的整个工作过程中始终保持高准确度和高精确度；

第二大臂22顶面的晶圆机械臂3，以及两组晶圆托盘4的校准与第一大臂21顶面的晶圆机械臂3的校准方式相同，在此不做赘述。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.四手指大气洁净双晶圆同取叠合避让式机械臂，其特征在于，包括：

机械底座（1），机械底座（1）的顶面设有避让臂（2），避让臂（2）的顶面两端均设有晶圆机械臂（3）和晶圆托盘（4）；

所述避让臂（2）旋转带动其中一个晶圆机械臂（3）取放晶圆时，使另一个晶圆机械臂（3）旋转固定角度，避让取放晶圆的路径。

2.根据权利要求1所述的四手指大气洁净双晶圆同取叠合避让式机械臂，其特征在于，所述避让臂（2）包括第一大臂（21）和第二大臂（22），第一大臂（21）和第二大臂（22）之间的夹角为一百五十度至一百八十度，第一大臂（21）和第二大臂（22）的顶端分别与两组晶圆机械臂（3）转动连接。

3.根据权利要求2所述的四手指大气洁净双晶圆同取叠合避让式机械臂，其特征在于，所述两组晶圆机械臂（3）与第一大臂（21）和第二大臂（22）对接处的距离大于晶圆托盘（4）的最大宽度。

4.根据权利要求3所述的四手指大气洁净双晶圆同取叠合避让式机械臂，其特征在于，所述晶圆托盘（4）的形状均为C字形，且端头位置均设有晶圆缺口，晶圆缺口用于放置晶圆。

5.根据权利要求4所述的四手指大气洁净双晶圆同取叠合避让式机械臂，其特征在于，所述晶圆缺口内设有负压吸盘。

6.根据权利要求3所述的四手指大气洁净双晶圆同取叠合避让式机械臂，其特征在于，所述机械底座（1）包括底座主体（11），底座主体（11）的底面固定连接有底板（12），底座主体（11）的顶面固定连接有顶板（13），底板（12）的顶面螺栓连接有升降电机（14），升降电机（14）的一侧设有传动箱（15），传动箱（15）的顶端安装有丝杠（16）和滚珠螺母（171），滚珠螺母（171）嵌套在丝杠（16）上。

7.根据权利要求6所述的四手指大气洁净双晶圆同取叠合避让式机械臂，其特征在于，所述底座主体（11）的内侧设有升降座（17），升降座（17）的侧面与滚珠螺母（171）的侧面固定连接，升降座（17）的内侧设有第一转轴（18）和第二转轴（19），第一转轴（18）的顶端与第一大臂（21）连接，第二转轴（19）的顶端与第二大臂（22）连接。

8.根据权利要求3所述的四手指大气洁净双晶圆同取叠合避让式机械臂，其特征在于，所述避让臂（2）与两组晶圆机械臂（3）的连接处以及晶圆机械臂（3）和晶圆托盘（4）的连接处均设有校准机构（5）。

9.根据权利要求8所述的四手指大气洁净双晶圆同取叠合避让式机械臂，其特征在于，所述校准机构（5）包括第一转子（51），第一转子（51）的内侧设有第二转子（52），第二转子（52）的侧面固定连接有滑块（521），第一转子（51）的内部开设有与滑块（521）相匹配的滑槽（55），第一转子（51）的一侧固定连接有油缸壳（53），油缸壳（53）远离第一转子（51）的一端安装有液压缸（54）。

10.根据权利要求9所述的四手指大气洁净双晶圆同取叠合避让式机械臂，其特征在于，所述机械底座（1）的内部设有控制模块，避让臂（2）和晶圆机械臂（3）上设有激光感应器；

所述控制模块预设晶圆机械臂（3）和晶圆托盘（4）静止状态的初始位置；

所述控制模块通过激光感应器采集晶圆机械臂（3）和晶圆托盘（4）工作N次后静止状态的停止位置，N为正整数；

基于停止位置与初始位置的偏差，控制模块根据偏差使用校准机构（5）校准晶圆机械臂（3）和晶圆托盘（4）静止状态的停止位置。