CN1336008A

CN1336008A - 试片夹持机械手末端执行器

Info

Publication number: CN1336008A
Application number: CN99814032A
Authority: CN
Inventors: P·巴基; P·菲利普斯基
Original assignee: Advanced LCD Technologies Development Center Co Ltd
Current assignee: Advanced LCD Technologies Development Center Co Ltd
Priority date: 1998-12-02
Filing date: 1999-12-02
Publication date: 2002-02-13
Anticipated expiration: 2019-12-02
Also published as: IL166019A0; US6618645B2; US6898487B2; IL166018A; IL166019A; US20020042666A1; JP2002531942A; US6453214B1; US20060045719A1; WO2000033359B1; US20030055533A1; ATE389237T1; AU2041000A; EP1135795A2; IL166018A0; CN1238882C; IL143467A; US7233842B2; WO2000033359A2; EP1135795B1

Abstract

本发明的机械手(16)末端执行器(10,110,210)能干净利索地将半导体晶片(12)在晶片盒(14)和加工站之间转移。末端执行器包括近端和远端支承块(24,26,124,126),它们的垫块和挡部分(32,34,132,134)或者靠晶片周边的接触或者在晶片周边向里的环形禁区(30)内支托和夹持晶片。主动接触头(50,150,220)可由真空驱动活塞(52,152)在收缩的晶片装载位置和将晶片推向远端支承块的伸出的位置之间运动,以夹在晶片的边缘或其禁区。末端执行器还包括光纤光透射传感器(90,102,202,214),用于确定各种晶片表面、边缘、厚度,倾斜度及厚度参数。传感器提供机械手以伸出和升高二个定位数据的保障办法,迅速准确地从晶片盒中存放的许多间隔很小的晶片取出和放回晶片,本方法有效地防末端执行器和晶片之间发生意外接触,确保晶片干净可靠地夹在边缘或其禁区内。

Description

试片夹持机械手末端执行器

发明的领域

本发明涉及试片夹持的装置和方法，更具体地说，涉及一种夹持半导体晶片边缘的机械手末端执行器，它能极大地减少晶片背面的损伤和微粒污染。

发明的背景

集成电路是用半导体材料的晶片制成的。晶片通常装在盒内，盒中有许多间隔很小的槽，每条槽可放一片晶片。盒子通常运到加工站，再从盒中取出晶片，用预对准器按预定方位放置，或进行加工，并返回其他地方作进一步处理。

各种晶片夹持装置被用来将晶片放入盒中或从盒中取出并在各加工站之间运输。许多场合采用机械手，其刮勺形的端部插入盒中取出或放入晶片，机械手的端部称作末端执行器，末端执行器通常利用真空方法将晶片可松开地夹持在其上。末端执行器通常穿过二相邻晶片之间的间隙进入盒内并且夹住晶片背部将其从盒中取出，末端执行器必须很薄，刚性好，有很高的定位精度使适合插入盒内相隔很小的晶片之间并且不碰到它们，晶片加工后，机械手将晶片放回盒内。

不幸的是，在盒子、机械手、加工站，例如预对准器，之间传送晶片可能使晶片背部造成损坏并对盒内其它晶片造成污染，因为晶片的有意夹持及不经心的触及都可能碰出微粒，它会掉到并沉积在其他晶片上。晶片背部的损坏包括擦伤及晶片材料的金属污染和有机物污染，机械手以及用真空办法夹持晶片的预对准器能最大限度减少背部损伤和微粒的产生。甚至用真空压力夹持法或其他任何非边缘夹持法产生的极少微粒也足以污染装在盒内的相邻晶片。减少这种污染对保持晶片加工生产率尤为重要，况且转送的晶片可能会背部被擦伤或磨损，造成晶片的加工损坏。

因此需要一种试片夹持的末端执行器，能可靠迅速准确地转送半导体晶片，同时最大限度地减少晶片的擦伤和微粒污染。

发明的概要

因此本发明的目的是提供一种试片夹持装置，它能最大限度地减少试片损坏和污染微粒的产生。

本发明的另一目的是提供一种半导体晶片的夹持装置，它能迅速准确地将半导体晶片在晶片盒和晶片加工站之间传送。

本发明的再一个目的是提供一种晶片夹持装置，它能对现有的机械手系统作改进。

本发明的机械手末端执行器迅速而干净地在晶片盒和加工站之间传送半导体晶片。末端执行器包括一个或一个以上的近端支承块和二个或二个以上的远端支承块，其上有垫块和挡块部分支托并夹持晶片的环形禁区，此禁区是从晶片周边向里延伸的区域。末端执行器还包括一个主动接触头，它可在收缩的晶片装载位置和伸出的晶片夹持位置之间移动，主动接触头是可移动的，以将晶片推至远端支承块，从而使晶片被夹持在边缘或禁区内，末端执行器可做成具有斜的支承块以实现晶片边缘接触。光学传感器可检测主动接触头处于收缩位置和伸出位置，即安全试片装载/夹持情况。

末端执行器一般是刮勺形的且其近端可有效地连接到机械手上。主动接触头位于近端，使末端执行器可以比有移动机构末端执行器更轻、更坚固、更薄，移动机构不能插进盒内相邻晶片的中间。没有移动机构还可使末端执行器在盒内几乎不产生污染。此外，将主动接触头定位在末端执行器的近端可确保它远离恶劣条件，如高温环境和液体。

真空压力驱动的活塞使主动接触头在收缩位置和伸出位置之间移动，在收缩位置时晶片被装载到末端执行器上而在伸出位置时晶片被夹持。第一实施例的活塞利用真空压力使主动接触头在两个极端位置之间运动；第二实施例的活塞用真空压力使主动接触头缩回并用弹簧使主动接触头伸出；第三实施例的活塞增加了上面提到光学传感器，用于检测试片的安全装载/夹持情况，即主动接触头的收缩位置和伸出位置。

末端执行器的另一实施例包括平的或斜的，狭窄的或弓形的支承块，晶片起初就装在其上。狭窄的和弓形的斜支承块有助于使晶片对中并夹持在主动接触头与远端支承块中间。弓形支承块更容易适应平的晶片的装夹。

末端执行器还包括光纤光透射传感器，用于精确确定晶片边缘和底面的位置。三个可选择的实施例是：将晶片的边缘和底面传感器设置在末端执行器的近端；将边缘传感器放置在末端执行器的近端而底面传感器设置在末端执行器的远端；以及将组合的边缘传感器和底面传感器设置在末端执行器的远端。在这三个实施例中，传感器都能提供给机械手有关伸出、升高和定位的数据，这些数据支撑着迅速准确地将晶片放到晶片传送台或加工室及及从其中取出晶片的方法，和将晶片放进存放在晶片盒中的许多间距很小的晶片中间和从中取出晶片的方法。此方法有效地防止末端执行器与盒中叠放的相邻晶片或停留在加工装置上的晶片发生意外接触，影响晶片干净可靠的夹持。

本发明的其他目的和优点从下述结合附图对优选实施例的详细说明中7就会明白。

附图的简单说明

图1是本发明末端执行器第一实施例的平面图，示出其插进半导体晶片盒中准备取出或放回晶片。

图2是图1中的末端执行器的侧视图，图中没有晶片盒，但示出插入存放在盒中三片间隔很小的晶片中间的末端执行器。

图3是本发明平支承块实施例的放大侧视图，示出接合晶片禁区的支承块。

图4是本发明斜支承块实例的放大例侧视图，示出牢固接合晶片周边的斜支承块。

图5是图1中的末端执行器和晶片的局部放大平面图，示出本发明第一实施例的末端执行器的晶片和主动接触头、晶片支承块、及晶片边缘与高度传感器之间的位置关系。

图6A及6B分别是图5中的边缘与高度传感器之一的侧视图和正视图，进一步放大以示出光纤光路与晶片的相对位置。

图7是本发明末端执行器的第二实施例的平面图，示出其夹持一半导体晶片并靠近晶体盒中的半导体晶片以便检测、取出或放回晶片。

图8是图7的末端执行器的侧向剖视图，示出主动接触头驱动机构夹持存放在晶片盒中间距很小的相邻晶片之间的一片晶片。

图9是安装在图7中的末端执行器远端的本发明远端弓形支承块实施例放大的等轴测图。

图10是图7中的末端执行器的端向透视图，示出本发明第二实施例末端执行器的主动接触头，弓形支承块，及晶片边缘与高度传感器之间的位置关系。

图11是图7中的末端执行器的底视图，示出本发明第二实施例末端执行器高度传感器光纤行走路线。

图12是本发明末端执行器第三实施例的局部剖开顶视图，示出晶片、位置感测主动接触头驱动机构，和近端支承块之间的位置关系。

图13是图12中的末端执行器的侧向剖视图，示出完全伸到晶片盒中存放的间隔很小的相邻晶片中间的位置感测主动接触头驱动机构。

图14是图12中的末端执行器平面全图，示出另一个晶片夹持和检测位置。

图15A和15B是本发明的机械手和末端执行器的平面图，示出用于检测到晶片边缘(为了清楚起见晶片尺寸缩小了)的经向距离的三个角位移位置。

图16A和16B分别是典型的双臂多杆机械手系统的侧视图和顶视图，本发明的末端执行器由此机械手装置伸出。

图17是操作杆图形侧视图，示出图16A及16B中机械手装置的杆件和组合的机械联动机构。

图18是操作杆图形的轴测图，示出图16A和16B中的机械手装置的机械联动机构的马达驱动连杆传递的旋转运动。

图19A为一简图，示出获得提供的控制信号所使用的空间关系及参数，图19B是图16A及16B中机械手装置的马达控制器的方块图。

优选实施例的详细说明

图1及2示出本发明第一例实例的刮勺形末端执行器10，可用于将半导体晶片，如晶片12(表示成透明的以便显示下面的结构)，送回晶片盒14或从晶片盒14中取出。末端执行器10适合于接纳并牢固夹持晶片12并将它传送到盒14中或从盒中取出进行加工。图2所示的末端执行器10尤其适合从叠放在晶片盒14中的间隔很小的晶片中，如晶片12、12A和12B中，取出和放回。晶片直径小于150mm间隔节距通常是4.76mm(3/16英寸)；直径为200mm的晶片通常间隔的节距为6.35mm(1/4英寸)；300mm的晶片通常间隔的节距为10mm(0.394英寸)。

末端执行器10可操作地连接于机械手16上(图上只示出其一部分)，它可用众所周知的方法由程序定位。通常，末端执行器10伸进晶片盒14中取出位于晶片12A和12B之间的晶片12。末端执行器10随后由机械手16微调定位并操纵夹持晶片12的周边18，从盒14中取出晶片12，再将晶片12送到加工站(未示)进行加工。必要时，末端执行器10可重新将晶片12插入盒14中，释放晶片12并从盒14中退出。

末端执行器10在近端20可操作地连接于机械手16并且伸展到远端22。末端执行器10在近端20和远端22之间接纳晶片12，它还包括至少二个，最好四个支承块，晶片12起初装载在这些支承块上。二个远端支承块24位于末端执行器10的远端22或其附近；且至少一个，最好两个近端支承块26位于近端，远端支承块24也可做成单一的弓形支承块，它的角范围大于“平的”支承块的长度，这长度通常是在半导体晶片上得到的晶体结构指示特性。位于两个近端支承块26中间的平面27只是作为一个例子。当然，晶片12的取向可以不同，因此周边18也被示出位于在两近端支承块26之间。

晶片12有一禁区30(它的一部分用虚线表示)。半导体晶片有一环形禁区，即不活动部分，它从边缘18向里延伸1至5mm，并环绕晶片12一整圈。在SEME标准M10298第18和19页上，禁区30作为工业标准晶片的一部分称做边缘外形标准框。一般来说，末端执行器10任何部分都不可接触晶片12禁区30边界线以外部分，可以预见，将来的标准将只允许边缘接触，这是一种本发明很容易适应的要求。

两个支承块24之间的距离和两个支承块26之间的距离，它们的角范围都大于晶片12上的任何部分，从而保证晶片12被夹持在禁区内。支承块24及26可用各种材料制造，但最好是聚醚醚酮(“peek”)，这是英国Victrex公司生产的半晶质高温热塑塑料。支承块材料可以改变，以适应不同的工作环境，如高温场合。

图3示出一个平的远端支承块24平的实施例。该实施例更适合与直径小于200mm左右的晶片很好地一起使用，但不限于此尺寸。远端支承块24包括垫块部分32和挡块部分34。在平的实施例中，垫块部分32基本上平行于假想平面36伸展穿过晶片12，而挡块部分34向晶片12倾斜，与平面垂线的夹角，即挡块角38最大约为5°。作为一种选择，垫块部分32可以偏离晶片12相对于平面36倾斜最大约3°。垫块部分32的长度40是禁区30深度的函数，但最好在3mm左右。晶片12通常有圆形周边且与支承块24只在禁区30内接触。晶片12被推入垫块部分32和挡块部分34形成的夹角中而卡住。

图4示出斜的远端支承块24的实施例。该实施例更适合与其直径大于200mm(但不限于此)的晶片一起使用，远端支承块24包括斜垫块部分42和挡块部分34。在这斜的实施侧中，斜垫块部分42偏离晶片12倾斜，其相对于平面36的角度，即支承块角44约为3°，而挡块部分34向晶片12倾斜，挡块角38最大约3°。斜垫块部分42的长度40是禁区30深度的函数，但最好是3mm。如前所述，晶片12通常有一大体上呈圆形的周边，，它与支承块24只在禁区30内接触，晶片12被推入垫块部分42和挡块部分34形成的夹角中而卡住。在这斜的实施例中，支承块24与晶片12的底面46基本不接触，此支承块实施例也只适合晶片边缘接触。

远端支承块24的平的和斜的实施例的高度48大体达到但不超出晶片12的顶面。

再看图1，近端支承块26除了不需要挡块之外和远端支承块24相似，但其垫块部分的长度为长度40的二倍。

末端执行器10还包括主动接触头50，它位于末端执行器10的近端20且在二近端支承块26之间。主动接触头50可在收缩的晶片装载位置(用虚线表示)和伸出的晶片夹持位置(用实线表示)之间运动。

主动接触头50可操作地与活塞52相连接，活塞50可在收缩位置和伸出位置之间作往复运动。在第一实施例中，活塞52在缸筒54中作往复运动，且最好用真空压力使主动接触头50伸缩。主动接触头50由活塞杆56与活塞52连接，活塞杆56穿过气密垫58伸出。缸筒54成为末端执行器10中的真空室，被活塞52分成推动腔60和回复腔62。推动腔60与真空压力源(末示)通过第一管道64气压连通，回复腔62与真空压力源通过第二管道66气压连通。真空压力通过推动腔60作用到活塞52的正面，使主动接触头50伸到晶片夹持位置并由可编程序控制器控制经回复腔62作用到活塞52的背面，使主动接触头50退回。真空压力源经机械手16中的回转真空连通槽(pool)输送到第一和第二管道。优选的回转真空连通池的详细说明见美国专利5,741,113号—可连续回转的多连杆的机械手机构，该专利已转让给本申请的受让人。

活塞52还包括环形凹槽68，与活塞杆56中的通气孔(未示)气压相通。当活塞52处在行程极限时第一和第二管道64及66分别与在凹槽68相通位置的推动腔60和回复腔62连接。因此，第一和第二管道64，66的真空压力在活塞52处于行程极限位置时降低，从而向真空控制器提供信号，即主动接触头50完全伸出或缩回，实现晶片12的正常装载。

晶片12被装到末端执行器10上后，驱动主动接触头50将晶片12推向夹持位置。当主动接触头50伸出时将晶片12推向远端支承块24，直至晶片12被主动接触头50和远端支承块24夹持在禁区30内。

近端支承块26相对于远端支承块24设置，最好使晶片12的平面36在夹持时平行于末端执行器10。当近端和远端支承块24和26采用平的实施例时这样的安排容易实现。但当采用斜的实施例，则近端和远端支承块24和26要这样布置，使主动接触头50伸出且晶片被夹持时与垫块部分42的各点与晶片12的中心点70等距离。例如，当晶片12处于图1所示位置时，远端和近端支承块24和26的垫块部分在周边18的切点处接触晶片12，因此，通过各垫块部分42中点的直线相交于晶片12的中心70。

主动接触头50位于近端20使末端执行器10比具有移动机构的末端执行器更轻、更牢固和更薄，移动机构不能插入盒14中相邻晶片12、12A、和12B之间。没有移动机构还使末端执行器10几乎不在盒14中造成污染。此外，主动接触头50位于末端执行器10的近端20可确保主动接触头50远离严酷条件，如高温环境和液体。

相邻晶片12、12A、12B的间隔小，要求末端执行器10进入盒14时定位准确且可靠地夹住晶片而不会触及相邻晶片。

图5、6A、和6B分别示出晶片边缘和高度传感器第一实施例的顶视图，侧视图和正视图，此传感器可精确提供晶片12相对于末端执行器10的位置数据(晶片12在图上是透明的以便显示下面的结构)。传感器装入第一和第二传感器室80和82中，它们一起构成三个光透视传感器，每个有一对光纤液/光接收器。

二个晶片边缘传感器按以下方式工作，第一和第二传感器室80和82各包括一根光源光纤84和一根光接收器光纤86，在光源和光接收器中间形成U形开口可放进晶片12的周边18。光纤84和86还有彼此面对的狭窄的光透射通道，用于检测有无晶片12的周边18存在。光纤84和86穿过套圈92延伸到光源/光接收器组件94，该组件94安装在末端执行器10的合适位置，靠近机械手16的转动接头。光源/光接收器组件94用常规方法检测光纤84和86之间的光透射度，因而能精确检测二个光路孔90之间周边18的位置，当然，光纤84和86的相对位置可倒置。

下面说明一个高度传感器的工作，第一传感器室80包括光源光纤96(用假想线表示)，第二传感器室82还包括光接收器光纤98(用假想线表示)，光纤96和98在其之间形成宽的开口，可沿晶片12底面弦线100瞄准。光纤96和98还有互相面对的光路孔102，它们形成一条狭摘的光透射通道104，用于检测有无晶片12底面的弦线100，光纤96和98穿过套圈106延伸到光源/光接收器组件94，光源/光接收器组件94可用常规方法检测光纤96和98之间的光透射度，从而精确地检测二光路孔102之间的底面弦线100的位置。当然，光纤96和98相对位置可倒置。

二个光路孔102互相隔开的距离如果大于平面27的长度则可测到平面27。如果二光路孔102之间检测到底面弦线100则平面27是存在的，但一对光路孔90的一个检测不到周边18。

末端执行器10进入已知直径，例如250mm，的晶片12的方法参考图2，5，6A，6B在下面加以说明。

主动接触头50位于其收缩位置。

末端执行器10沿X方向插进盒14，例如插入晶片12和12B之间，直到有一对或一对以上光路孔90检测到周边18。

与机械手16相连的控制器(未示)记录检测到周边18时机械手16的伸出量，但不计任何检测到的平面。

末端执行器100沿-X轴退回一定距离，使晶片12和边缘探测器有足够间隙。

机械手16沿Z向运动，直到检测到晶片12的底面弦线100。

控制器记录晶片12的底面的Z向高度。

控制器计算在Z向高度低于晶片12的底面时要进入盒14中所需的X向距离，因此远端和近端支承块24和26越过晶片12和12B。

控制器还计算：

1)远端支承块24相对于光透射通道104的径向距离偏差和高度距离偏差，及

2)检测到周边18后末端执行器10收缩的径向距离。

控制器使末端执行器10沿X向移动进入盒14并沿Z向升高使放置的垫块24和26接触晶片12。

驱动主动接触头90使晶片12被推进远端支承块24的垫块和挡块部分32和34的夹角内，从而卡住晶片12。

末端执行器将晶片12沿-X方向从盒14中撤回。

图7和8示出本发明刮勺式末端执行器110的第二实施例，它可用于将半导体晶片，如晶片12(在图上是透明的，以便显示下面的结构)传送到晶片盒14中(本视图中末示出)和从盒14中取出。末端执行器110和末端执行器10相似，但它还适于检测存放在晶片盒14的晶片底面而不必伸进盒内。图8示出的末端执行器110特别适合于从存放在晶片盒14中间隔很小的晶片中，如晶片12，12A和12B中取出和放回晶片12。

末端执行器110可有效地连接到机械手16上。通常，末端执行器110在进入晶片盒14从晶片12A和12B中间取出晶片12之前检测晶片12的底面。末端执行器110然后由机械手16精确定位并夹持晶片12的周边18，将晶片12从盒14中取出，再传送给加工站(末示)进行加工。需要时末端执行器110然后重新将晶片12插入14盒中，释放晶片12并自己从盒14中撤出。

末端执行器110可在近端120有效地连接于机械手16并伸展到远端112。末端执行器110在近端120和远端122之间接纳晶片12，它最好包括至少二个，最好四个弓形支承块，晶片12开始就装载在支承块上。二个远端弓形支承块124位于末端执行器110的远端122，或与其接近；至少1个，最好2个近端弓形支承块126位于靠近近端120。远端和近端弓形支承块124和126的角范围大于平面27，图上所示平面27位于二个近端支承块的中间只是为了举例。当然晶片12也可与所示的有不同取向。

弓形支承块124和126，无论它们是如图所示分开的还是合併成单一支承块，其角度范围都大于晶片12上的任何部分，从而保证晶片12足够夹牢，无论其是否是平的，并且只夹在禁区30内。和支承块24和26一样，支承块124及126可用不同材料制造，但最好是peek。

图9示出的远端弓形支承块124的实施例可适用平的或非平的晶片。远端弓形支承块124包括斜垫块部分132和挡块部分134。再参看图4，斜垫块部分132偏离晶片12倾斜，相对于平面36的支承块角44约为3°，挡块部分136也向晶片12倾斜，挡块角38最大约为3°。斜垫块部分132的长度140是禁区30深度的函数，但最好长3mm左右。如前所述，晶片12通常有园形周边且以晶片边缘触点与弓形支承块124接触(同时必定只在禁区30内)。当然，周边不必是园的。晶片12通过压入斜垫块部分132和挡块部分134的夹角中而被卡住。

远端弓形支承块124的高度148大体达到但不超出晶片12的顶面。

再参看图7，近端弓形支承块126与远端弓形支承块124相似，但其支承块126不必需要有挡块部分且其垫块部分的长度为长度140的二倍左右。

末端执行器110还包括主动接触头150，它位于末端执行器110的近端120且在二个近端弓形支承块126的中间。主动接触头150可在收缩的晶片装载位置(未示)和伸出的晶片夹持位置(示出)之间移动。

再参看图8，图8示出第二实施例的主动接触头驱动机构151和末端执行器110一起使用。主动接触头150与活塞152有效地连接，活塞152在收缩和伸出位置之间作往复运动。在本实施例中，活塞152在缸筒154内作往复运动并由弹簧155推动使主动接触头150伸出，而由真空压力使主动接触头150收缩。主动接触头150用活塞杆156与活塞152相连，活塞杆156穿过环形气密密封垫158伸出。缸筒154有一个端盖板159，它构成真空室160的一个壁，另一壁是由可移动的活塞152构成的。真空室160与真空压力源(未示)通过真空供应管162和真空通道164气压相通。弹簧155压向活塞152的正面，使主动接触头150伸到晶片夹持位置而真空压力经真空室160作用到活塞152的正面，克服弹簧作用力使主动接触头150回到晶片释放位置。

在第二实施例中，主动接触头150仅由弹簧155的力推向晶片12。弹簧155支撑在活塞152的凹腔160和端盖板159之间。真空压力源经旋转真空连通密封件或机械手16中的套管通到真空通道164。

执行机构151还包括与大气相通的通气管168，使活塞152在缸筒154中作自由运动，通气管168与真空压力源不连通。驱动机构151用环绕端盖板159和真空引入管162四周的O型密封圈170，以及环绕活塞152的环形动密封件172形成真空密封。O型减震密封环174固定到活塞152的正面，吸收活塞152到达行程极限时可能产生的接触冲击。

晶片12装载到末端执行器110上后，使主动接触头150动作，将晶片12移动到其夹持位置。当主动接触头150受弹簧155的作用而伸出时，将晶片12推向远端弓形支承块124，直到晶片12在晶片边缘触点(及禁区30内)被主动接触头150和远端弓形支承块124夹持。主动接触头150包括向里倾斜的工作面176，它将晶片12推向近端弓形支承块126，从而牢固地夹持晶片12的周边。

近端弓形支承块126布置在与远端弓形支承块124相对的位置，因此在夹持时晶片12时，晶片12的平面最好平行于末端执行器110。

和末端执行器10的情况相似，主动接触头150位置靠近近端120使末端执行器110可以比有移动机构的末端执行器更轻、更牢固、更薄，移动机构是不能伸进盒14中相邻晶片12、12A和12B中间的。在末端执行器110近端和远端之间无移动机构还可使末端执行器110几乎不在盒14内产生污染。此外，与由二条真空管路驱动的末端执行器10不同，末端执行器100只需一条真空管路即可操作。当然，末端执行器10上可装上驱动机构151。

相邻晶片12、12A和12B的间距很小，需要末端执行器110精确以进入盒14内并可靠地夹持晶片而不碰及相邻晶片。

图7、10、11示出第二实施例的晶片边缘和高度传感器的顶视图、侧视图和底视图。该传感器能提供晶片12相对于末端执行器110的精确定位数据。晶片边缘传感器装在第一和第二传感器室180、182内，各有一对光纤光源/光接收器，可在各室中形成一个光透射传感器。高度传感器装在末端执行器110的远端122。

二个晶片边缘传感器按下述方式工作。第一和第二传感器室180和182各有光源光纤84和光接收器光纤86，与末端执行器10一样，在它们之间有一条U形开口88，可放进晶片12的周边18。如前所述，光纤84和86有相互面对面的光路通孔，它们形成一条狭窄的光透射通道，用于检测有无晶片12的周边18存在。这二个晶片边缘传感器分开的距离183大于平面27的长度，因此，二个晶片边缘传感器只有一个检测晶片12的周边18时也能检测到平晶片。当然，检测平面27时晶片12在盒14中必须正确定向。

高度传感器按下述方式工作。和第一实施例不同，其第一和第二传感器室180和182中不包括光源光纤96和光接收器光纤98。相反，在本实施例中，光源光纤96通过形成在末端执行器110底面的第一通道184且设置在近端120和在末端执行器110的远端122附近的第一远端尖端188之间。这样，光接收器光纤98穿过形成在末端执行器110的底面中的第二通道186并在近端120和末端执行器110远端122附件的第二远端尖端190之间布置。远端尖端188和190在凹口191两边相隔较宽，凹口191成了某些处理设备，如晶片预对准器的释放区(relief region)。

光纤96和98终止在远端尖端188和190上形成的彼此相对的光路孔192、194处。光纤96和98在它们之间形成一条宽的开口，可瞄准晶片12A底面弦线200。互相面对的光路孔192和194形成一条狭窄的光透射通道202，用于检测晶片12A底面有无弦线200。在末端执行器110中，光透射通道202伸过远端122之外，因此首先接触晶片12，进一步提供检测遮断物的能力。如前所述，光源/光接收器组件94用传统方法可测光纤96和98之间的光透射度，因而能精确检测光路孔192和194之间底面弦线200的位置。当然，光纤96和98的相互位置可以倒过来。

下面将参看图7、8、10来说明末端执行器110进入盒内间隔很小的晶片中预定晶片的方法。

主动接触头150处于其收缩位置

末端执行器110沿X方向移向盒14，直到尖端188和190靠近但不触及盒14中任何一片预定位置的晶片12。

末端执行器110然后沿Z向扫描，使光透射通道202与盒14中的任何晶片底面弦线200相交，此外还检测从盒14伸向末端执行器110的任何遮断物。

控制器(未示)记录检测到的任何晶片和被检测遮断物底面的Z向高度。

为了接近预定晶片，机械手16移动到例如晶片12A计算得到的Z向高度，同时为末端执行器在相邻晶片之间留出间隙。

执行下列选择的操作：

末端执行器110可选择地沿X向移向盒14，直到尖端188和190靠近但不触及晶片12A，在此位置上光透射通道202应靠近晶片12的底面弦线200；

机械手16可选择地沿Z向移动，直到检测到晶片12A的底面弦线200；

控制器可选择地验证预先测到的晶片12A底面的Z向高度；及

机械手16可选择地沿-Z方向移动，为在相邻晶片间的末端执行器110提供间隙。

末端执行器110沿X向插入盒14中相邻晶片之间，直到至少有一个晶片边缘传感器测到周边18。

控制器将末端执行器10沿Z向移动到计算得到的高度，使支承垫块124和126触及晶片12A。

驱动主动接触头150使之推动晶片12A进入远端弓形支承块124的垫块部分132和挡块部分134之间的夹角内，从而卡住晶片12A(在图7中，夹住的晶片是晶片12)。

末端执行器110沿-X方向从盒14中取出晶片12A。

末端执行器110在Z向断面很薄，以及准确的晶片位置的检测，因而能干净利落地快速可靠地移动盒中间隔很小的晶片。

图12、13和14示出本发明第三实施例的优选叉形末端执行器210，用于将半导体晶片，如晶片12(在图上是透明的，以便显示下面的结构)，运送给晶片盒14(图中未示)或从盒中取出。末端执行器210与末端执行器10、110相似，但还包括位置感测主动接触头驱动机构212，却没有近端边缘和高度传感器。末端执行器210而是应用远端传感器214来完成晶片的各种测量。远端传感器214的实现方法类似于高度传感器，产生如图7和10中所示的光透射通道202。

图13示出的末端执行器210特别适合图中所示从叠在晶片盒14中间隔很小的晶片中，如晶片12、12A和12B中取出和放回晶片。

图14示出的末端执行器210在近端216与机械手16有效连接并延伸到叉形远端218和220，末端执行器210在近端216和叉形远端218和220之间接纳晶片12，且较好至少有2个，最好4个弓形支承块，晶片12开始就装载在这些支承块上。远端弓形支承块124位于或者靠近叉形远端218和220，且至少有一个，最好二个弓形支承块126位于靠近近端216。末端执行器210也包括主动接触头222，它位于末端执行器210的近端216处且在二个近端弓形支承块126之间。

参看图12和13，位置感测主动接触头驱动机构212是主动接触头驱动机构的第三实施例。与第二实施例一样，主动接触头222可有效地连接活塞152，在全缩、全伸及中间位置之间作往复运动。活塞152在缸筒154内移动，且被弹簧(图8)推动使主动接触头222伸出并由真空压力使主动接触头222缩回。主动接触头222由活塞杆156连接到活塞152上，活塞杆156穿过环形气密垫158。缸筒154包括端盖板159，它成为真空室160的一个壁。真空室160的另一壁是可移动的活塞152。真空室160通过真空供给管162和真空管路164与真空压力源(未示)气压连通。弹簧加压到活塞152的正面，使主动接触头222伸到晶片夹持及全伸位置，而真空压力则通过真空室160作用到活塞152的正面，克服弹力并使主动接触头退回到晶片释放和全缩位置。

驱动机构212还包括和大气相通的通气孔168，使活塞152可在与真空压力源不通的缸筒154内自由运动。执行机构212实现真空密封靠环绕在端盖板159和真空连接管162四周的O型环170，并靠环绕活塞152的环形移动密封件。

与第一及第二实施例不同，执行机构212还包括位置指示轴224，该轴与活塞152连接并沿轴向穿过环形密封222伸进端盖板159中，一对遮光器开关228和230安装到电路板232上。电路板232正好在端盖板159后面，因此根据指示轴224的位置，在各自遮光器开关228和230内它能遮断一对光束234和236。

遮光器开关228和230检测主动接触头222处于收缩位置区、可靠夹持操作区和伸出位置区的相应位置(图12和13示出的主动接触头222处于全伸位置)。

收缩位置区确保晶片12未被夹持，并在位置指示轴224遮断光束234和236时检测到。

安全夹持操作位置区是主动接触头222的位置范围，在该范围内进行晶片的装载，夹持或卸载操作，当位置指示轴224遮断光束236但未遮断光束234时检测到此区域。此外，当主动接触头222伸出并停在安全夹持操作区时表明晶片夹持正常。

伸出位置区是主动接触头222的位置范围，在该范围内晶片12未被夹持，在位置指示轴224既未遮断光束234又不遮断光束236时测得此区域。

遮光器开关228和230与上述控制器作电气连接，控制器与真空压力源共同作用驱动活塞152，脉冲或压力调节真空压力大小，从而控制主动接触头222的位置，当然，其它形式的可控驱动力也能用于定位主动接触头222。

在一个工作实例中，主动接触头222移动到安全夹持操作区，晶片12被装载到末端执行器210中。晶片12装好后，驱动主动接触头222使晶片12移动到其被夹持位置。当触头150伸出时，将晶片12推到远端弓形支承块124的斜垫块部分132上面直到晶片12被卡住。必须检测到主动接触头222处于安全夹持操作区，保证晶片12被正确夹持。

当位置指示轴224遮断二条光束234和236时，主动接触头222便退回到收缩位置区，晶片12便被释放，当晶片12被释放时，它便滑回到远端支承块124的斜垫块部分132上，因此在晶片12和挡块部分134之间有足够间隙，为了沿Z轴安全移动并撤回末端执行器216。

图14示出末端执行器的第三实施例的顶视圈。图中末端执行器10和110的晶片边缘传感器已经撤走。末端执行器210的远端传感器214装在叉形远端218和220内。远端传感器214按下述方式工作，光源的光纤穿过形成在末端执行器210底面内的第一通道238(用假想线表示)并在近端216和叉形远端218之间伸展。同样，光接收器光纤通过形成在末端执行器210底面内的第二通道240(用假想线表示)并在近端216和叉形远端220之间伸展，叉形远端218和220在凹口242两边离得较开，成为某些形式处理设备，如预对准器的释放区。

光导纤维终止在叉形远端218和220中形成的相互面对的二个光通路孔(未示)处。光纤在它们之间形成一个宽的凹口，可检查晶片周边或底面弦线。彼此面对的光路孔形成一条狭窄的光透射通道224，用于检测有无晶片周边或底面弦线存在。光透射通道224伸展到将会首先接触晶片的叉形远端218和220以外，因而具有检测遮断物的能力。如前所述，光源/光接收器组件94能用常规方法检测光纤间的光透射度，因而能检测遮断光透射通道224的任何物体。

末端执行器210采用远端传感器214来进行晶片周边及/或顶面和底面弦线的检测，从而完成与晶片有关的各种操作，包括：确定盒内有无晶片、盒中Z轴的位置、从盒中伸出量、在盒内倾角；确定晶片回转中心、厚度、晶片之间中心至中心的距离、机械手旋转轴；并验证末端执行器质心位置。晶片检测操作可参照末端执行器210的光透射通道244说明如下，但也可用末端执行器110的光透射通道202完成。

图14示出三个可选择的晶片位置。所示晶片12(以假想线表示)被末端执行器210夹持，所示晶片12A(用实线表示)处于晶片边缘检测位置，所示晶片12B(用假想线表示)处于晶片弦线检测位置。

检测晶片12B凸出盒子(未示)的量，需要逐步将机械手沿Z轴作上下运动(扫描)并使末端执行器210在每次扫描开始时沿X轴移动，直到检测到凸出的晶片，如晶片12B，以前的机械手系统通常利用专门的凸出物传感器。任何凸出的晶片要移回到其正常位置，如晶片12A所示位置。当所有晶片处于正常位置时，最后一次扫描确定盒内晶片的Z轴位置，机械手16沿X和Z轴的运动最好用微调方式完成。

当光透射通道244被遮断后，表明检测到晶片12B的存在。末端执行器210确定晶片12B的顶面和底面的位置的方法是，沿Z轴下移，直到晶片12B的顶面弦线遮断光透射通道244。末端执行器210继续向下移动到光透射通道244恢复，此时表明测得晶片12B的底面弦线。末端执行器210于是移动到光透射通道遮断和恢复的Z轴中点，这一Z轴位置表示晶片12B厚度的中点。在保持这一Z轴位置的同时，末端执行器210沿X轴方向缩回，直到光透射通道244恢复，表明晶片周边18已测到。所示晶片12A即此位置。

当末端执行器210处于晶片12A所代表的边缘检测位置并且由于晶片12A的半径是已知的，与机械手16相连的控制器及位置编码器可确定晶片12A的X轴或到中心246的径向距离以及为提供晶片12A的底面与末端执行器210之间的间隙所需的Z轴下行距离。知道间隙对于将晶片放入盒内及从盒中取出是必需的，因为晶片未必平行于末端执行器210并且盒内相邻晶片的间距可能很小。

末端执行器210还包括可控的仰转角(supination)248，这是相对于Y轴末端执行器绕X轴的倾角。水平放置在盒内的晶片的主平面倾角通常是0°，这与末端执行器210的仰转角248应当配合。但为了减少晶片表面的污染，晶片常常垂直放在盒内。由于盒的存放槽的宽度大于晶片厚度，因此允许晶片有一不定的倾角，所以用下述方法来确定仰转角248是否等于晶片的倾角。此法中晶片处于水平方向只是作为例子。

末端执行器210的仰转角248调整到0°。

机械手16将末端执行器210沿X轴方向移动，使光透射通道244与晶片12B的弦线相交。

机械手16将末端执行器210沿Z轴方向上下移动，同时使其仰转角248来回摆动，直到推断出晶片12B的最小厚度为止。

最小厚度表示末端执行器210与晶片都在同一基准面中，因此仰转角248基本上等于晶片12B的倾角。

机械手系统可装备二个末端执行器或多个手臂(见图16A及16B的双臂机械手)，上述控制仰转角的方法可推广到多个末端执行器系统。这时，以一个晶片作为基准，求出它们之间X，Y，Z的尺寸偏差。

参看图15A和15B，由于在盒内或预对准器(未示)上晶片12位置有一定的不确定性，光透射通道244也被用来校准机械手16和末端执行器210。如图15B所示，当晶片12的中心252，末端执行器210上的主动接触头222(作为目标物)及机械手16的肩轴线260在一直线上时便达到对准目的。对准时最好应用柱面坐标系，其中r轴从肩轴线260径向伸出，θ轴绕轴肩轴线260旋转一角度伸出，Z轴则与肩轴线260共轴。

完成对准操作需要求出机械手16的肩轴线260与晶片12的周边18最接近点之间的最小径向距离r_min(为了说明清楚起见，图上晶片缩小了)。这与求肩轴线260与切向检测周边18的光透射通道244之间的最大伸出距离r_EXT方法一样。伸出距离r_EXT可由控制机械手16的系统读出和调节。

图15A示出位于第一和第二角位移位置的机械手16和末端执行器210，它们分别用实线和虚线表示。对准操作开始时，将机械手16从晶片中心252及轴肩轴线260联线移动一θ₁角到第一角位移位置。

机械手16在r轴方向伸展并在Z轴方向扫描，因此光透射通道244可测到晶片12。

机械手16随后沿r轴方向收缩，检测晶片的周边18并读出第一伸出距离r_EXT1。

将机械手16从晶片中心252及肩轴线260的联线移动一θ₂角到第二角位移位置。

机械手16沿r方向伸出并沿Z轴方向扫描，这样光透射通道244可测到晶片12。

机械手16沿r方向缩回，检测周边18并读出第二伸出距离r_EXT2。

重复上述旋转和边缘探测步骤，直到求得肩轴线260至周边18的最大距离，图15B示出这一对准位置。

另一方面，若已知任何二个伸出距离，可通过计算求得对准位置，并将其储存在控制器中供以后使用。例如，对位移角θ而言，对应的伸出距离r_EXT已知，因此特定的位移角θ可用余弦定理算出伸出距离r_EXT等于r_min。当然，对准位置也可手工调节并存储在控制器中供将来使用。

图15B示出处于对准位置的机械手16和末端执行器210，从该位置开始，机械手控制器进行以下运动操作以取出晶片12。

控制器操作完成末端执行器210的质心262沿通过肩轴线260和晶片中心252的连接假想线移动，直到质心262和晶片中心252重合，要求的r轴移动距离叫做偏移距离，其计算方法如下：

r轴在光透射通道244和远端支承块124之间的距离是制造末端执行器210时确定的预定距离264。

同样，晶片12的直径266也是预定的。

因此，偏移距离是距离264与直径266之和。

假设控制器已经根据上述扫描和检测操作使末端执行器210运动，使凸出的晶片定位并放回，确定晶片的顶面和底面的Z轴位置及周边18的r轴位置，确定晶片的倾角并移动到与所选晶片12对中的位置。

末端执行器210移动到能穿过所选晶片12的底面与任何相邻晶片顶面的Z轴位置。

末端执行器210沿r轴方向移动偏移距离。

末端执行210沿Z轴移动，使近端支承块126(图14)和远端支承块124能触及晶片12。

使主动接触头222(图14)活动以移动晶片周边18到远端支承块124的夹角中，从而边缘夹持晶片12。

末端执行器210沿r轴方向移动，从而取出晶片12。

上述的距离和对准的确定是在没有任何以前的机械手和末端执行器要求的夹紧装置的情况下完成的，如果应用多个末端执行器210，则可重复进行上述步骤，同时确定任何Z轴距离或它们之间的高度差。

参看图5，应当注意到，在室80和82内的U形边缘检测传感器检测不平的300mm晶片的某些参数是很有用的。例如，当晶片装在盒内或末端执行器位于晶片下面时，边缘检测传感器可用于确定机械手肩轴线与晶片中心的中心距。当然，U形开口88(图6A)的Z轴尺寸存在一个潜在的空隙问题。

再参看图15A和15B，光透射通道244还可结合末端执行器210的仰转能力来确定末端执行器210的质心262是否与晶片12B的中心252及机械手16的肩轴线轴向对齐。理论上，质心262与被夹持晶片的中心共轴且在肩轴线260与晶片12的中心252的假想延长线上。但制造误差和产生光透射通道244的部件的定位可能使质心262的计算位置偏离仰转转角。确定质心262是偏离还是重合需要进行上述对准操作，使末端执行器210转动一个180°的仰转角248(图14)，并且重复做对准操作。如果质心偏移，则计算的调整量在仰转轴的相反侧呈镜象关系，将二次计算调整量加以平均即可求出质心262的正确位置。

上面几个实施例只是为了举例说明本发明的原理。业内人士还可作不少体现本发明原理的修改和变更，因而这种修改和变更仍在本发明实质范围内。

例如，业内人士明白，活塞可由其他动力能源驱动，如脉冲螺线管，它可使活塞在夹持晶片12时放慢速度。电信号也可驱动和控制活塞的定位。活塞也可用液压操作和监控，如在末端执行器浸在液体中的应用场合。

末端执行器可以开叉，或有切口，或做成可避开障碍物(如预对准器的轴套)的形状。末端执行器可由非机械手的其它装置带动，如X-Y工作台，及其它有二个或二个以上自由度的定位器。此外，末端执行器可用于夹持非半导体晶片的其他试样，如液晶显示器的显示屏、光盘、计算机存储盘，这些都可存放在不同于上述盒子的载体中。

传感器最好用发光二极管和激光二极管发出的激光束，但也可用白炽的、红外的或其它辐射源。

支承块的夹角最好是锐角，但本发明可以包括靠重力将试样夹持到末端执行器的实施例，这种情况夹角可以是小于180°的钝角。

图16A、16B和图17、18示出一种多连杆机械手系统308，其上可装末端执行器210，图19A和19B结合机械手位移的数学表达式介绍说明机械手定位机构308的一个例子，说明与上述各种晶片检测量相关参数计算所必需的线位移和角位的控制。美国专利5,765,444号有这种机械手系统结构和操作的详细说明。

图16A，16B分别是安装在支承台309顶面且穿过其中孔口的双臂多连杆机械手系统308的侧视图和顶视图。参看图16A和16B，二个同样的但单独控制的三连杆机械手机构310L和310R可转动地安装在主杆311的相对二端。主杆311安装在主壳体312的顶面，可绕主心轴或主杆轴313转动。由于它们彼此为镜像，因此机械手机构310L和310R的所有部件都对应且用同样数字表示，再分别加上尾标L和R。因此，下面只讨论机械手机构310R的结构和操作，当然同样适用于机械手机构310L。

机械手机构310R包括固定在园柱形垫圈315R顶面的上臂314R，它定位在主连杆311的右端并可绕轴肩轴线316R转动。园柱形垫圈315R可安装电动机和机械手机构的某些部件，下面将对此说明。上臂314R的远端318R固定前臂322R的近端320R，前臂322R可绕肘部的轴线324R转动，前臂322R有一远端326R，其上安装有末端执行器，也即手210R的近端328R，手210R可绕腕轴轴线322R转动。手210R在其远端334R装有流体压力出口管336R，它在进口338处将供给机械手机构310R的真空压力送到真空管道164，以便在手210R的适当位置上夹持半导体晶片12、光盘或其它适用的试片(未示)。正如下面要详述的，上臂314R，前臂322R及手210R都能连续绕各自的肩轴线3 16R，肘部轴线324R和腕轴轴线332R转动。

图17示出机械手机构310R的连杆元件及相关的机械联动机构。参看图17，机械手机构310R由第一和第二同轴电动机350R和352R定位，同轴电动机由马达控制器354提供的指令操作(图19A和19B)。第一电动机350R使前臂322R绕肘部轴线324R转动，第二电动机352R使上臂314R绕肩轴线316R转动。

更具体地说，第一电动机350R转动前臂的转轴356R，转轴356R穿过上臂314R中的孔伸出，并且其上端部是上臂的皮带轮358R，上臂314R的远端318R向上伸出一根立柱360R，穿过轴承362R的中心，轴承362R安装在前臂322R的近端320R的底面364R。立柱360R还穿过前臂322R中的孔伸出并且其上端部是前臂的皮带轮366R。环形皮带368R连接上臂皮带轮358R和轴承362R的外表面，随着第一电动机350R的转动使前臂322R绕肘部轴线324R转动。

第二电动机352R使安装在上臂314R底面382R的上臂转轴380R转动，从而带动上臂314R绕轴肩轴线316R转动。第一和第二电动机350R和352R协同运转，再配合下述的机械联动机构，使手210R绕肩轴线316R转动。立柱384R往上穿过安装到手210R底面388R的轴承386R的中心伸出。环形皮带390R连接前臂皮带轮366R和轴承386R的外表面，随着电动机350R和352R的协同转动使手210R绕轴肩轴线316R转动。

连接上臂314R和前臂322R的机械联动机构分成主动连接件和被动连接件。主动连接件包括皮带368R，它连接上臂皮带轮358R和轴承362R的外表面，使前臂322R随第一电动机350R的转动而转动。被动连接件包括皮带390R，它连接前臂皮带轮366R和轴承386R的外表面，使手210R随前臂322R绕肘部轴线324R的转动而转动，手210R的转动是由主动和被动连接件之间复杂的相互作用造成的，而上臂314R的转动是第二电动机352R的转动引起的。

第三电动机，即主杆电动机392，能使安装在主连杆311底面的主连杆转轴394转动，机械手机构310R可旋转地装在其上。主环支承轴承组件398，转轴394环绕承轴承组件398旋转，电动机392能绕中心轴线313连续转动360°，因而与机械手机构310R共同将手210R沿不规则路线移动到手210R可到达范围内的任何地点。

马达控制器54(图19A和19B)控制电动机350R和352R处于二个优选的工作状态，使机械手机构310R能完成二个主要运动程序。第一运动程序改变手210R的伸展或径向位置，第二运动程序改变手210R相对于肩轴线316R的角位置。图18是表达这二种运动的有用的图。

参看图17和18，在第一中工作状态，马达控制器354使第一电动机350R保持前臂转轴356R的位置不变而使第二电动机352R转动上臂转轴380R。第一电动机350R不转动使上臂皮带轮358R位置不变，第二电动机352R引起的上臂转轴380R的转动使上臂314R绕肩轴线316R转动，从而引起前臂322R绕肘轴线324的转动和手210R绕腕轴轴线322R的反向转动。由于上臂皮带轮358R与轴承362R的外径之比为4∶2，且前臂皮带轮366R与轴承386R外径之比为1∶2，所以，上臂314R沿图18所示P2方向转动会引起手210R沿直线路径400方向的运动(前臂皮带轮366R的直径和轴承386R的外径分别为轴承362R外径及上臂皮带轮358R直径的一半，使前臂322R和手210R的尺寸和形状成流线型)。

每当上臂314沿P2所示顺时针方向转动时手210R沿路线400伸长(即增大从轴肩轴线316R的径向距离)。每当上臂314R沿P₂所示逆时针方向转动，手210R沿路线400收缩(即减小从轴肩轴线316R的径向距离)。业内人士明白，图18所示镜象配置的机械手机构310随着上臂314与它们所述相反的方向转动而伸出与收缩，图16B示出机械手机构310R伸出时轴313，316R，324R，332R是共线的。

在第二种工作状态下，马达控制器352R使第一电动机350R沿P₁所示方向转动前臂转轴356R，使第二电动机352R沿P₂所示方向转动上臂转轴380R。特殊情况下，电动机350R和352R都沿同一方向同步转动相同位移，则手210R只绕轴肩轴线316R产生角位移。这是因为，由第一电动机350R的转动引起的前臂绕肘部轴线324R的转动和由第二电动机352R的转动引起的把手330R绕腕轴轴线332R的转动，以及被动传动件相互偏移的操作，它们互相抵消，从而不产生绕肘部轴线324R及腕轴轴线334R的转动。因此，手210R径向固定在路线400的一点，且仅当上臂314R绕轴肩轴线316R转动时手210R才作园弧运动。由于用运动约束来实现手210R所需要的移动路线，马达控制器354可控制第一及第二电动机350R和352R，使机械手机构310R沿非径向直线途径运动，下面将作进一步说明。

业内人士明白，为了操作机械手机械310R，第一，第二电动机350R和352R或者二个都转动，或者一个转动，一个不转。例如，机械手机构310R可以操作，使前臂322R绕肘部轴线324R转动。这种运动造成手210R在肩轴线316R和手210R全伸位置之间作简单的螺旋运动。这种运动是靠肩314R的固定位置和操作电机350R移动前臂322R实现的。

马达控制器354控制主干电动机392的运转，主连杆311沿P3所示方向转动而与电动机350和352R的工作状态无关。

电动机350R和352R的角位置由单独的玻璃刻度编码器跟踪。每个编码器通常包括环形衍射光栅刻度盘和光源/光探测器组件(末示)。这种玻璃刻度盘编码器是业内人士所熟知的。电动机392的角位置由玻璃刻度盘编码器跟踪。这种编码器和电动机350R和352R的编码器是类似的。

图19A是一简图，其中规定了一个当地坐标系，其轴的方向由半导体晶片盒168和与肩轴线316的相对位置确定。参看图19A，下述数学表达式可得出控制器354沿盒168r开口的矢量从盒中取出晶片170r的控制信号(业内人士明白，类似的数学式可应用到与本例采用的传动比不相同的场合)。

以下参数与把手210行走路线的推导有关：

θ_S＝电动机352R的转角

θ_E＝电动机350R的转角

r＝肩轴线316R至肘部轴线324R的距离及肘部轴线324R至腕轴轴线332R的距离

β＝上臂314与前臂322R之间的夹角

P＝手210R的长度

E＝2r＝机械手的伸出量

R_i＝机械手可达范围(即从轴肩轴线316R至位于手210R上晶片170r中心172r测得的半径)

应用余弦定理可得以下R_i的表达式：

R_{i} = P + \sqrt{(r^{2} + r^{2} - 2 r^{2} \cos β)}

= P + \sqrt{2} r \sqrt{(1 - \cos β)}

若β＝0，由(1)式可得R_i＝P，及

X＝0，Y＝0，θ_S＝θ_SR，θ_E＝θ_ER

θ_SR及θ_ER代表电动机基准角。电动机转角可表示为：

θ_S＝θ_SR＋Δθ_SR，θ_E＝θ_ER＋Δθ_ER。由于机械手机构310R的机械联动机构的结构，β角可表达为：

β＝2(Δθ_SR－Δθ_ER)。此式将β角与电动机转角变化联系起来。

为了从盒168_r中沿直线路径取出晶片170_r，沿X轴的X向位移等于X₀，X₀是常量。因此，X(t)＝X₀。X(t)可表示为连杆长度沿X轴分量的函数：

X(t)＝rcosθ₁＋rcosθ₂＋pcoscosθ_P

式中

θ₁＝上臂314R的转角

θ₂＝前臂322R的转角

θ_P＝手210R的转角

由于上臂314R和前臂322R有相同长度(r)，θ₁跟踪电动机352R的转角θ_S，手210R沿直线运动，得下式：

θ₁＝θ_S

θ₂＝θ₁＋π－β

θ_{p} = θ_{1} + (\frac{π - β}{2})

因此，为了计算X₀，将上述θ₁，θ₂，θ_P的式子代入式(2)的Xt，得：

X₀＝r(cosθ₁＋cosθ₂)＋pcosθ_p

X_{0} = r (\cos θ_{1} + \cos (θ_{1} + π - β)) + p \cos (θ_{1} + \frac{π}{2} - \frac{β}{2}) - - - (3)

X_{0} = r (\cos θ_{1} + \cos (θ_{1} - β)) - p \sin (θ_{1} - \frac{β}{2})

式(3)表明，为了实现手210R的直线运动，电动机352R和350R转动相同角度的θ_S和θ_E之间的约束条件。

业内人士可借助一种伺服机构控制器以任何一种方式使约束方程(3)成立。例如，为了高速操作实现规定的晶片运动路线，人们由式(3)可计算指令信号值并将其存入查阅表供实时应用。预先计算法需要按晶片运动曲线检索θ_S并由式(3)确定相应的θ_E值，从而用主从关系式求位移θ_S及θ_E。

为了获得手210R绕轴肩轴线316R的角位移，控制器354命令电动机350R和352R沿同方向转动手330R要求的角位移，以达到要求的目的地。手330R在此移动过程中不改变线性伸长。业内人士明白，手330R的同时发生的复杂线位移和角位移运动路线可由程序控制器实现，程序控制器使电动机350R和352R转过不同的角度。图6A示出第二个晶片盒168_p，其放置位置使存放的晶片170_p的中心172_p与Y₀重合。盒168_p和168_r的开口平行地放置，说明上述表达式可用来取出未放在与肩轴线316径向相距处的盒中的晶片。机械手机构310不限于作径向位移，还能在其可达范围内完成任何距离的组合。

图19B是简化框图，示出控制器354的主要部件。参看图19B，控制器354包括程序存储器474，其中存储着机械手机构310R的运动程序指令。微处理器476从程序储存器474接收并翻译运动程序指令以确定是否需要第一或第二操作状态，或是否需要转动电动机392使主连杆311定位。系统时钟478控制微处理器476的工作。查阅表(LUT)480存放完成第一工作状态直线运动的θ_S(电动机352R)和θ_E(电动机350R)和完成第二工作状态角运动所需角位移θ_S和θ_R的相应数据。由于主连杆311的转动和安装在它上面的机械手的运动无关，所以电动机392的角位移与电动机350R和352R的角位移的全面协调贯彻在运动程序指令中，而不在LUT180中。因为多轴伺服机构的误差和传动精度的误差不影响把手210的直线运动，这样可得到高速精确的直线运动。

微处理器476将θ_S和θ_E位置信号提供给伺服机构放大器482，它将θ_S和θ_E指令信号分别提供给电动机352R和350R。微处理器476还将位置信号提供给伺服机构放大器476，以将指令信号提供给主干电动机392。伺服机构放大器482接收三个玻璃刻度盘编码器的信号，分别表示电动机350R、352R和392的角位移。

微处理器476还提供控制信号给真空阀控制器484，使真空阀(未示)根据手210R夹持晶片或释放晶片的需要，从真空源(未示)提供适当的真空压力给出口管336。

对本行业的人士而言，对本发明上述实施例的细节显然可作许多改变而仍不超出本发明原理的范围，因此本发明的范围只能由书确定。

按照条约第19条的修改

1.一种试片周边夹持装置，适合于与一机构有效地连接并夹持试片的周边，它包括：

一个有近端和相对的远端的主体；

一与主体远端相连的远端支承块，它包括一个用于支承试片周边的垫块部分和一个挡块块部分，挡块部分与垫块部分形成一个夹持试片周边的夹角；

一个连接于主体近端的近端支承块，用于支承试片周边；

一个近端主动接触头，可在由试片尺寸确定的收缩的试片装载位置及伸出的试片夹持位置之间移动，装载位置为试片放到主体上留出足够间隙，伸出的试片夹持位置将试片周边推入远端支承块中形成的夹角内。

2.根据权利要求1所述的边缘夹持装置，其中近端主动接触头构成近端支承块的组成部分。

3.根据权利要求1所述的边缘夹持装置，其中主动接触头可操作地连接于流体压力驱动的活塞，该活塞安装在与主体近端相连的缸筒内并在该缸筒内作往复运动。

4.根据权利要求1所述的边缘夹持装置，其中远端支承块的形状和试片的一段周边形状相一致。

5.根据权利要求1所述的边缘夹持装置，其中远端支承块包括第一远端支承块和与第一远端支承块间隔开的第二远端支承块。

6.根据权利要求1所述的边缘夹持装置，其中主体具有通常是平面的试片支承面，支承面上固定远端支承块，远端支承块包括一垫块部分，它相对于通常是平面的试片支承面倾斜，为试片提供一坡面，当可移动的接触头处于伸出的试样夹持位置时将试片周边推进夹角内。

7.根据权利要求6所述的边缘夹持装置，其中倾斜的垫块部分与挡块部分的夹角小于180°。

8.根据权利要求1所述的边缘夹持装置，还包括主动接触头驱动机构，它可操作地连接于主动接触头，以使其在收缩的试片装载位置和伸出的试片夹持位置之间运动，该驱动机构包括偏置装置和流体压力控制装置，偏压装置施加的偏置力使主动接触头伸出到伸出的试片夹持位置，流体压力控制装置有选择地克服偏置力使主动接触头缩回到收缩的试片装载位置。

9.根据权利要求8所述的边缘夹持装置，还包括一个位置指示器，位置指示器可操作地连接于主动接触头，并可操作地与一对分开的基准位置指示装置相连，每个基准位置指示装置监视主动接触头的运动，以指示主动接触头完全收缩的试片装载位置和不夹持试片的完全伸出位置。

10.根据权利要求1所述的边缘夹持装置，其中远端支承块包括一傾斜的垫块部分，为试片提供一坡面，当主动接触头处于伸出的试片夹持位置时将试片周边推入夹角中；且其中倾斜垫块部分和挡块部分形成的夹角小于180°；还包括主动接触头驱动机构，该驱动机构可操作地连接于主动接触头，以使其在收缩的试片装载位置和伸出的试片夹持位置之间运动，该执行机构包括一个偏置装置和流体压力控制装置，偏置装置施加偏置力使主动接触头伸出到伸出的试片夹持位置，流体压力控制装置有选择地克服偏置力使主动接触头缩回到收缩的试片装载位置，从而提供一个故障安全机构，即使在供给流体压力控制装置的流体压力下降的情况下使试片夹持在远端支承块和主动接触头之间。

11.根据权利要求1所述的边缘夹持装置，还包括一个主动接触头驱动机构，该驱动机构可操作地连接于该主动接触头，使其在收缩的试片装载位置和伸出的试片夹持位置之间移动，该执行机构包括偏置装置和流体压力控制装置，偏置装置施加偏置力给主动接触头，使主动接触头伸出到伸出的试片夹持位置，并使主动接触头退回到收缩的试片装载位置，而流体压力控制装置则有选择地克服偏置力以使主动接触头完成另一次伸出到伸出的试片夹持位置和使主动接触头缩回到收缩的试片装载位置，这次的伸出位置是偏置装置未完成的。

12.一种利用末端执行器确定具有周边的试片的位置的方法，包括：

提供一个有一主体的末端执行器，该主体可操作地连接于光源和光接收器，该光源和光接收器分别有间隔开的光源光路孔和光接收器光路孔，光束在它们之间沿光透射通道传播，光源光路孔和光接收器光路孔有一定尺寸，以便光束具有已知的光束形状；

使试片和主体产生相对运动并在空间会合；

配合所述相对运动将试片定位以使试片与光透射通道相交从而遮断具有已知光束形状的光束；及

随着所述光束的遮断，建立试片周边相对于空间基准的位置。

13.根据权利要求12所述的方法，其中相对运动的包括将主体及试片相向沿行走路线移动，同时改变具有已知光束形状的光束和试件沿与行走路线垂直(tranverse)方向上的相对位置，在与具有已知光束形状的光束相交时停止主体和试片相向的相对运动，为建立试片周边的确定位置做准备。

14.根据权利要求13所述的方法，其中试片有相隔一定距离的相对的第一和第二主表面，且在垂直于行走路线方向上改变具有已知光束形状的光束与试片的相对位置的做法包括以来回方式使具有已知光束形状的光束与试片发生相对运动，来回活动距离大于两主表面之间的距离。

15.根据权利要求12所述的方法，其中根据相对运动的定位是用手工方法调节具有试片的主体使遮断具有已知光束形状的光束而完成的。

16.根据权利要求12所述的方法，其中赋予相对运动是在主体和试片相互之间的近端距离内以手工定位主体和试片来完成的。

17.一种检测试片位置的末端执行器，包括：

一主体，它包括具有二个或二个以上自由度的机构；及

一光源，它可操作地连接到主体上，并且有光源光路孔，和一光接收器，它具有光接收器光路孔，光源和光接器的光路孔间隔开并在其相互之间形成一光透射通道，具有已知光束形状的光束沿此通路从光源传播到光接收器，该光透射通道具有足够的长度，以检测位于主体附近并在相对空间基准的一预定距离内的试片所造成的具有已知光束形状的光束遮断。

18.根据权利要求17所述的末端执行器，其中主体包括近端和远端，光源和光接收器的光路孔位于近端附近并彼此相对，因此，光透射通道被载体支承的试片的确定点所遮断。

19.根据权利要求16所述的末端执行器，其中主体包括近端和远端，光源和光接收器的光路孔位于远端附近并彼此相对，因此，当该机构使主体的远端与试片相互靠近时，光透射通道被位于主体附近的载体所支承的试片所遮断。

20.根据权利要求17所述的末端执行器，其中主体包括近端和远端，光源和光接收器的光路孔在近端附近并彼此面，因此，光透射通道被由载体支承的试片的第一和第二相对的表面区所遮断。

21.一种检测试片位置的自动操纵的末端执行器，包括：

一主体；

一夹持机构，可操作地到连接于主体上，并能用主体夹住试片的适当位置。

一光源，可操作地连接于主体并且包括有光源光路孔，和一光接收器，光接收器具有光接收器光路孔，光源和光接收器的光路孔间隔开并具有一定尺寸，以在其相互之间形成光透射通道，具有已知光束形状的光束沿此通路从光源传播到光接收器，光透射通道具有足够的长度，以检测位于主体附近并在相对空间基准一预定距离内的试片所造成的具有已知光束形状的光速遮断。

22.根据权利要求11所述的末端执行器，还包括适合与将主体与机构手有效地连接的联接器，其中主体包括近端和远端，其中近端位于联接器附近，光源和光接收器的光路孔彼此相对且位于近端附近，因此在试片被主体夹持之前光透射通道由载体支承的试片的一确定点所遮断。

23.根据权利要求22所述的末端执行器，其中当试片的适当位置被载体夹持时，空间基准与试片的停止位置一致。

24.根据权利要求21所述的末端执行器，还包括联接器，适合于有效地将主体连接于机械手，其中主体包括近端和远端，联接器位于近端附近，光源和光接收器的光路孔彼此相对地位于远端附近，因此，当该机械手使主体的远端与试片相互靠近时，光透射通道被位于主体附近的载体所支承的试片所遮断。

25.根据权利要求21所述的末端执行器，还包括一适合与有效地将主体连接于机械手的联接器，该主体包括近端和远端，其中联接器位于近端附近，光源和光接收器的光路孔互相彼此相对并位于近端附近，因此，在试片被主体夹持前，载体所支承的试片的相对的第一和第二表面区将光透射通道遮断。

Claims

一个有近端和相对的远端的主体；

一个连接于主体近端的近端支承块，用于支承试片周边；

3.根据权利要求1所述的边缘夹持装置，其中主动接触头可操作连接于流体压力驱动的活塞，该活塞安装在与主体近端相连的缸筒内并在该缸筒内作往复运动。

5.根据权利要求1所述的边缘夹持装置，其中远端支承块包括第一远端支承块和与第一远端支承块相互间隔开的第二远端支承块。

10.根据权利要求1所述的边缘夹持装置，其中远端支承块包括一傾斜的垫块部分，为试片提供一坡面，当主动接触头处于伸出的试片夹持位置时将试片周边推入夹角中；且其中倾斜垫块部分和挡块部分形成的夹角小于180°；还包括主动接触头驱动机构，该驱动机构可操作地连接于主动接触头，以使其在收缩的试片装载位置和伸出的试片夹持位置之间运动，该执行机构包括一个偏置装置和流体压力控制装置，偏置装置施加偏置力使主动接触头伸出到伸出的试片夹持位置，流体压力控制装置有选择地克服偏置力使主动接触头缩回到收缩的试片装载位置，从而提供一个故障安全机构，即使在供给流体压力控制装置的流体压力下降的情况下使试片夹持在远端支承块和主动接触头中间。

提供一个有一主体的末端执行器，该主体可操作地连接于光源和光接收器，该光源和光接收器分别有间隔开的光源光路和光接收器光路孔，光束在它们之间沿光透射通道传播；

使试片和主体产生相对运动并在空间会合；

配合所述相对运动将试片定位以使试片与光透射通道相交因而遮断光束，及

随着光束的遮断，建立试片周边相对于空间基准的位置。

13.根据权利要求12所述的方法，其中相对运动的包括将主体及试片相向沿行走路线移动，同时改变光束和试件沿与行走路线垂直(tranverse)方向上的相对位置，在与光束相交时停止主体和试片相向的相对运动，为建立试片周边的确切位置做准备。

14.根据权利要求13所述的方法，其中试片有相隔一定距离的相对的第一和第二主表面，且在垂直于行走路线方向上改变光束与试片的相对位置的做法包括以来回方式使光束与试片发生相对运动，来回活动距离大于两主表面之间的距离。

15.根据权利要求12所述的方法，其中在根据相对运动的定位是用手工方法以试片调节主体使遮断光束而完成的。

16.根据权利要求12所述的方法，其中给予相对运动是在主体和试片相互之间的近端距离内以手工定位主体和试片来完成的。

17.一种检测试片位置的末端执行器，包括：

一主体，它包括具有二个或二个以上自由度的机构；及

一光源，它可操作地连接到主体上，并且有光源光路孔，和一光接收器，它具有光接收器光路孔，光源和光接器的光路孔间隔开并在其相互之间形成一光透射通道，光束沿此通路从光源传播到光接收器，该光透射通道具有足够的长度，以检测位于主体附近并在相对空间基准的一预定距离内的试片所造成的光束遮断。

21.一种检测试片位置的自动操纵的末端执行器，包括：

一主体；

一光源，可操作地连接于主体并且包括光源光路孔，和一光接收器，光接收器具有光接收器光路孔，光源和光接收器的光路孔间隔开，在其相互之间形成光透射通道，光束沿此通路从光源传播到光接收器，光透射通道具有足够的长度，以检测位于主体附近并在相对空间基准一预定距离内的试片所造成的光速遮断。