EP4315405A1 - Contactless conveying device - Google Patents
Contactless conveying deviceInfo
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- EP4315405A1 EP4315405A1 EP22713946.6A EP22713946A EP4315405A1 EP 4315405 A1 EP4315405 A1 EP 4315405A1 EP 22713946 A EP22713946 A EP 22713946A EP 4315405 A1 EP4315405 A1 EP 4315405A1
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Definitions
- the invention relates to a non-contact transport device according to the preamble of claim 1.
- the transport device according to the invention is particularly suitable for industrial applications in assembly technology, biological, chemical, pharmaceutical and food industries as well as in solar cell/display production, medical technology, laboratory automation and logistics.
- the use of the transport device in the semiconductor industry is particularly preferred.
- both contact and non-contact conveying devices are known, which are used, for example, in mechanical and plant engineering, for example for transporting payloads in packaging machines, for positioning machine elements or for the most precise possible alignment of tools on the workpiece, for example for laser processing, or in the Semiconductor industry for coating, exposure or structuring of substrates in wafer cluster or stepper systems. Systems for magnetic levitation can be used here.
- a challenge in magnetic levitation is to create a structure that levitates stably in a magnetic field.
- Another challenge is to automatically position and/or move the levitating structure in all six degrees of freedom (three each in translation and rotation) according to a target, also known as full magnetic levitation.
- such a controlled transport and positioning of a transport body carrying a payload relative to a stator is made possible by one of the two elements being transported over a plurality of at least partially movably arranged actuating magnets, the respective position and/or orientation of which relative to this element can be specified in a controlled manner via actuating elements, and the other of the two elements has at least two stationary magnets immovably connected to this element, the stationary magnets being magnetically connected to the actuating magnets are coupled.
- the transport device is set up to transport the transport body relative to the stator by controlled positioning and/or orientation of actuating magnets. In this case, the transport body is also brought and held in a desired position and/or orientation relative to the stator.
- this offers the advantage that even an interruption in the supply of electrical energy does not necessarily have to lead to a malfunction or even cause damage.
- an interruption in the power supply does not lead to a loss of the magnetic field or the magnetic coupling between the stator and the transport body.
- the coupling forces between the actuating magnets and the stationary magnets can increase as soon as the position and/or the orientation of the actuating magnets gives way to the attractive force of the stationary magnets, whereupon the transport body is pulled onto the stator and is thus secured against uncontrolled falling .
- the magnetic coupling between the stator and the transport body can cause both a levitation of the transport body, ie a lift above the stator, and a movement of the transport body relative to the stator, ie transport without the need for other touching or touchless systems.
- the disclosed transport device can also be used in environments with increased cleanliness requirements.
- the transport body can be conveyed in the environment with the increased cleanliness requirement, while the stator is arranged outside in an environment with lower cleanliness requirements. Separating elements can run through a gap between the stator and the transport body in order to separate the different cleanliness areas.
- the disclosed conveying device is thus also suitable for use in biological, chemical and/or pharmaceutical processes, as well as, for example, in gas-tight, liquid-tight and/or encapsulated areas.
- a production facility comprises at least one process station for processing the wafers, a generic transport device for transporting the wafers in a vacuum, and a storage area for storing unprocessed and processed wafers.
- the at least one process station, the transport device and the storage area are enclosed in vacuum-tight chambers and can be evacuated to UHV.
- the chambers are arranged laterally adjacent to one another and are connected to one another—possibly via vacuum-tight locks.
- a so-called vacuum load lock is located on the production system for transferring the wafers between the transport container and the production system and for storing several wafers in the vacuum area.
- the transport container is inserted into the Vacuum Load Lock under normal pressure, and then the Vacuum Load Lock is evacuated.
- a vacuum lock then opens between the Vacuum Load Lock and the conveyor area of the fabrication facility and the wafers are removed from the transport container through the lock by the transport device or inserted into the transport container.
- the vacuum lock is closed and the vacuum load lock is aerated.
- the transport container is then removed from the Vacuum Load Lock under normal pressure and transported to the next production facility, for example.
- the object of the present invention is to provide a transport device that enables complex and efficient movement sequences.
- the range of functions of the transport body should be expandable to include functions for handling, positioning, fixing, e.g. clamping, processing and/or testing payloads that are on the transport body or in the vicinity of the transport body.
- functions for handling, positioning, fixing, e.g. clamping, processing and/or testing payloads that are on the transport body or in the vicinity of the transport body.
- new functions and processes with a high degree of automation, high efficiency and high cost-effectiveness should be made possible.
- the transport device is designed for the contactless movement of at least one transport body (mover), which is equipped with a manipulator.
- the manipulator is connected to the transport body--more precisely, to its housing--either as a replaceable module or as a fixed part of the transport body, and is carried along by it.
- the transport body with the connected manipulator can be positioned in its six degrees of freedom of movement in relation to the stator by the magnetic field of a stator.
- the manipulator has at least one further degree of freedom of movement, which can be positioned in relation to the housing of the transport body when the transport body is in suspended operation. Complex and efficient movement sequences are possible through synchronous movement control of the degrees of freedom of the housing and the manipulator.
- the manipulator expands the range of functions of the transport body by functions for handling, positioning, fixing, eg clamping, processing and/or checking payloads that are on the transport body or in the vicinity of the transport body.
- the transport body with manipulator opens up numerous new fields of application for the transport device according to the invention. In technical production or in logistics, it enables new functions and processes with a high degree of automation, high efficiency and high cost-effectiveness.
- the manipulator carried on the transport body replaces stationary manipulators that would have to be provided at the loading and destination locations if the transport body did not have its own handling function.
- the manipulator has an end effector with which a payload is loaded onto the transport body at the loading location and set down at the destination.
- the manipulator can also have a clamping function with which the payload is held securely on the transport body during transport.
- the manipulator can be provided for reorienting the payload during transport in order to hand over the payload in the correct orientation at the destination without any additional expenditure of time.
- the manipulator is a kinematic system that guides the end effector, eg a process tool or a test device.
- the transport body equipped in this way can process carried payloads or payloads in its environment with the tool or check them with the test equipment. He has a high flexibility of movement. Another advantage in terms of time or economy results from the parallelization of processes with simultaneous execution of the transport and manipulation tasks.
- a manipulator may be equipped to perform multiple functions (e.g. handling and testing).
- several manipulators can be present on one transport body.
- the already mentioned reorientation of the payload can also be made possible by means of several transport bodies of the transport device according to the invention.
- the transport body is advantageously used to transport a semiconductor wafer in a vacuum transport space of a production plant.
- the stator is arranged under the vacuum transport space.
- a typical transport task in such a manufacturing plant consists in removing the wafer from a process nest of a process station and conveying it into the process nest of another process station. Since the process stations in a production plant are arranged laterally next to the transport space and therefore cannot be reached directly by the transport bodies, the manipulator according to the invention bridges the transport route from the process nest into the transport space.
- the manipulator according to the invention makes it possible to pick up and set down the wafer spatially offset to the transport space or to the transport device, with the center of gravity of the wafer being able to be far away from the transport body.
- the manipulator has at least one degree of freedom, which guides the end effector—possibly loaded with a payload (a wafer)—on a movement path (eg from the process nest) to the transport body.
- the kinematics contract and form a compact unit with the transport body and the payload (the wafer), which occupies about 2 - 4 times less transport area than a comparable transport body with a rigid end effector.
- the manipulator is extended in front of a process nest for loading and unloading. During the transport he is in the contracted state so that the transport body is better manoeuvrable.
- the saved transport area can be used to increase the number of transport bodies via the stator (in the transport space) and thus to increase the throughput and the efficiency of the transport device (the production plant).
- the manipulator can be positioned variably. With the transport body in the same position on the transport surface, it can move the payload (the wafer) to any intermediate position between its end positions. In the case of the production plant for wafers, process nests can be loaded at different distances from the transport surface of the stator.
- the manipulator can have other degrees of freedom.
- a manipulator with two degrees of freedom can be provided, with a first degree of freedom executing the contraction movement described in a plane parallel to the transport surface and a second degree of freedom executing a flow movement perpendicular to the transport surface.
- the manipulator can be designed for a larger lifting range.
- a transport body equipped with this manipulator is able to load process nests arranged at different heights with wafers. It is also possible to load a wafer cassette in a load lock, with one of several compartments of the wafer cassette arranged vertically one above the other being able to be loaded in a targeted manner.
- the manipulator can have kinematics which, within the scope of their degrees of freedom, extend beyond the limits of the transport body and thus reach places that are outside the work area of a transport body without a manipulator. For example, locations to the side of the transport surface are reached or locations at different heights above the transport surface.
- the manipulator can pick up payloads at different deployment locations, transport them to the transport body and set them down again at a destination without further stationary Handling devices are required.
- a mobile manipulator can, if necessary, replace several stationary manipulators. This reduces the complexity and costs of the overall system.
- c) Reduced transport area In order to keep the external dimensions of the transport body with manipulator and payload small, the manipulator can transport the payload to the center of the transport body, in particular over its housing. The transport area occupied by the transport body is thus minimized during transport, for example by a factor of 2-4 compared to a transport body with a rigid end effector. This has several beneficial effects, which are described in d) - f).
- the device consisting of transport body and manipulator can be constructed purely mechanically, without electrical or electronic components.
- the stator is responsible for precise positioning and provides the mechanical energy to move the transport body and drive the manipulator.
- the energy is transferred from the stator to the transport body or its manipulator by means of the magnetic fields. This makes the structure very space-saving, light and inexpensive. Since no energy store has to be carried along, no time or space has to be planned for electrically charging the energy store. Without electronics, there is no heat loss, the need for Cooling is not required. This is particularly advantageous in a vacuum, where there is little heat dissipation from the levitated device by radiation.
- a purely mechanical design can be designed for significantly higher operating temperatures, since the usual temperature limitation to protect the electronics and the energy storage device is no longer required.
- the purely mechanical device can be optimized for use under special conditions, in particular in a vacuum (when using vacuum-compatible materials), in potentially explosive areas (since there is no risk of electrical sparking), in a gas atmosphere or in liquids, even under the highest ambient pressure.
- Flexibility through modularity The mechanical interface between the transport body and the manipulator can have quick-action clamping devices and couplings, so that different types of manipulators can be used alternately on different types of transport bodies.
- the manipulator can be exchanged quickly and easily, manually or automatically, in order to prepare the transport body for a new application.
- the transport bodies and the associated payloads are preferably accommodated in a sealed transport space.
- the stator is arranged below the sealed transport space.
- the respective housings of the transport bodies are preferably also sealed. This creates a transport device for payloads, in particular wafers, which can be processed in different process stations under special surroundings, that is to say not under normal conditions.
- the transport of the payloads by means of the transport bodies of the transport device according to the invention also takes place in a special environment, ie not under normal conditions.
- a gas e.g. protective gas,
- nitrogen or inert gas or a gas mixture (e.g. purified air) or a vacuum or an ultra-high vacuum (e.g. up to 10 7 or up to 10 8 bar) or an aseptic area or an NBC-protected area or a liquid (e.g. up to 2 bar).
- a gas mixture e.g. purified air
- a vacuum or an ultra-high vacuum e.g. up to 10 7 or up to 10 8 bar
- an aseptic area e.g. up to 2 bar
- NBC-protected area e.g. up to 2 bar
- FIG. 2 three different exemplary embodiments of magnet arrays of the transport body from FIG. 1,
- figs 3a, 3b and 3d three exemplary embodiments of arrangements of magnet arrays in a housing of the transport body from FIG. 1a or 1b,
- FIG. 4 shows the housing with the magnet arrays from FIG. 3a
- Fig. 5 shows a transport body with a housing that that of Figs. 3a and 4, with a telescopic manipulator,
- Fig. 6 shows a transport body with a housing that that of Figs. 3a and 4, with a bendable manipulator,
- FIG. 7 shows a transport device with the transport body with the telescopic manipulator according to FIG. 5,
- FIG. 8 shows a method for controlling the movement path of a transport body with a manipulator
- FIG. 11 shows a method for transferring a wafer from one transport body to another transport body of the conveying device according to the invention without intermediate storage
- FIG. 12 shows a method for transferring the wafer, in which the angular position of the wafer can be changed in the full range of 360°, using the conveying device according to the invention.
- Figs. 1a to c Three variants of conveying devices according to the invention are shown schematically in Figs. 1a to c shown. They each comprise a stator 3 and at least one transport body 2, which is transported in a controlled manner relative to the stator 3 without contact.
- the stator 3 has movably arranged actuating magnets 31 (cf. FIG. 7) in a planar arrangement, the orientation of which is controlled by actuators is changeable.
- the superimposition of the magnetic fields of all the adjusting magnets 31 results in a magnetic field, which is referred to here as a levitation field. It passes through a top plate of the stator 3 upwards.
- the cover plate forms the transport surface 33, over which transport bodies 2 equipped with magnet arrays are transported without contact.
- a sensor system cyclically detects the position of each transport body 2, more precisely its housing 21, in its six degrees of freedom of movement over the transport surface 33 with high frequency and accuracy. As with any rigid body, these are three degrees of freedom in translation X, Y, Z and three in rotation rX, rY, rZ of the housing 21. From this, a controller calculates the deviation in position from a specified desired position or a desired trajectory and controls the magnetic angle in such a way that the deviation is minimal. In this way, the housing 21 of the transport body 2 is guided on the desired trajectory in a stable and robust manner against external forces.
- the transport body 2 has a drive unit 23 for the housing 21, which comprises at least one magnet array 231 fixed to the housing (cf. FIG. 2).
- the magnet array 231 experiences forces and moments in the levitation field, which are transmitted to the rigidly coupled housing 21 and drive it to move. In this way, the magnet array 231 acts as a drive unit 23 for the housing 21.
- the drive unit 23 includes a means for detecting the position of the housing 21.
- the position is detected in relation to the stator 3 by attaching a position sensor to one of the two components and attaching a code arrangement 233 to the other, which is generated by the Position sensor is detected.
- a camera-based method for position detection can be used, for example, in that a camera module 32 attached to the housing 21 detects a code arrangement 233 on the stator 3 .
- a camera module 32 integrated in the stator 3 (cf. Fig. 7) detects a code arrangement 233 on the housing 21.
- the transport body 2 carries with it a movable and controllable manipulator 22 for a payload (not shown in FIG. 1), the manipulator 22 being fastened to the housing 21 .
- the manipulator 22 includes a kinematic system 221 with an end effector 222 which, depending on the task, is designed as a tray, gripper, clamping device, tool or test equipment.
- the end effector 222 is preferably fastened to the kinematics 221 as a quickly exchangeable component and/or the kinematics 221 as a quickly exchangeable component to the housing 21, so that the transport body 2 can be quickly set up for a new task by manually or automatically changing the manipulator 22 or the end effector 222 can be prepared. It includes structural components and joints that give the end effector 222 at least one degree of freedom of movement in relation to the housing 21 .
- a joint is, for example, a rotary bearing, a linear guide, a guide with solid-state joints or a combination of these.
- the manipulator 22 is connected to a drive unit 24 via a coupling 26, which transmits kinetic energy to the kinematics 221 and enables controlled positioning.
- a drive unit 24 with multiple degrees of freedom can be present, or multiple drive units that serve all the degrees of freedom of kinematics 221 overall.
- FIG. 1 b shows a transport body 2 of purely mechanical design with a mechanical drive unit 24 for the manipulator 22 . It comprises a magnet array 241 which is connected to the housing 21 of the transport body 2 via a bearing 244 .
- the bearing 244 allows the magnet array 241 to move in at least one degree of freedom in relation to the housing 21.
- the magnet arrays 231 and 241 are arranged at a lateral distance on the underside of the transport body 2, so that both are in the effective range of the levitation field and those acting between them Forces and moments are small in relation to the forces and moments they experience in the levitation field.
- the levitation field of the stator 3 exerts a vector force and a vector moment on the movable magnet array 241 .
- the force vector and the moment vector are split along the guiding direction of the bearing 244 into two vectorial components, one of which acts in the guiding direction of the bearing 244 and the other orthogonally to the guiding direction.
- the portion in the guiding direction is transmitted from the movable magnet array 241 via an output 245, for example a shaft or a connecting rod, and a clutch 26 to the kinematics 221 and can set them in motion.
- a gear can also be provided in order to adapt the number of revolutions of the output to the number of revolutions of the kinematics 221 .
- the proportion transverse to the guiding direction is transmitted from the magnet array 241 via the bearing 244 to the housing 21 and influences its movement, together with other magnet arrays.
- a code arrangement 243 on the movable magnet array 241 enables its position in relation to the housing 21 to be detected. In this way, the position of the magnet array 241 can be controlled. With a mathematical model of the manipulator 22, the position of the magnet array 241 can be transformed into the position of the end effector 222 and vice versa if the magnet array 241 is rigidly coupled to the end effector 222 via the coupling 26 and the kinematics 221. By using the transformation, the position of the end effector 222 can also be specified as a target variable for the regulation.
- a sealed housing 21 for the transport body 2 is useful in explosion-proof areas.
- the coupling 26 between the output of the transport body 2 and the manipulator 22 can also be designed as a magnetic coupling with non-contact torque transmission.
- the housing 21 of the transport body 2 is tightly closed in an application under vacuum in order to separate the atmosphere in the transport body 2 from the surrounding vacuum. Since a mechanical rotary union in the Housing wall would destroy the tightness, a magnetic coupling can be used advantageously.
- the drive unit 24 can form an assembly with the manipulator 22 .
- the magnet array 241 and the code arrangement 243 can be integrated into a joint of the kinematics 221, with the bearing 244 and the coupling 26 being omitted. If the magnet array 241 is in the effective range of the levitation field, it can be subjected to forces and moments via the stator 3, which are then transmitted directly to the kinematics 221. If the manipulator 22 is exchanged, the drive unit 24 is necessarily exchanged as well.
- the manipulator 22 in FIG. 1 a can be driven either electrically with an electric motor or mechanically with the drive unit 24 .
- the electric motor is supplied with electrical energy and data for the target position via an electronic unit 25 .
- an electronics unit 25 can also be provided in the housing 21 in order, for example, to supply current to position sensors accommodated in the housing 21 .
- the electronics unit 25 includes the following electrical or electronic components, which are optionally present in the transport body 2: an energy store 251, for example an accumulator or a capacitor, for providing the electrical energy, and consumers, for example
- a user interface 253 which provides the user with energy and data supply for additional application-specific units on the transport body 2 .
- the transport body 2 with the manipulator 22 is constructed purely mechanically or passively.
- the electronics unit 25 is omitted. This has the following advantages:
- FIG. 1c shows a variant of a purely mechanical construction of a transport body 2, in which a combined drive unit 24 for the housing 21 and the manipulator 22 is used.
- a combined drive unit 24 for the housing 21 and the manipulator 22 is used.
- none of the magnet arrays 241 is permanently connected to the housing 21; each has its own bearing 244 and its own degrees of freedom of movement.
- the bearings 244 are designed and arranged in relation to the housing 21 in such a way that a controlled movement of the housing 21 in all six degrees of freedom is possible at all times. If a magnet array 241 cannot control a degree of freedom of the housing 21, there is at least one further magnet array 241 which serves this degree of freedom. Appropriate design of housing 21 and bearings 244 eliminates singular positions of magnet arrays 241 where housing 21 is only controllable in five or fewer degrees of freedom.
- FIG. 2 shows exemplary ring-shaped magnet arrays with permanent magnets, which can be used as magnet arrays 231 fixed to the housing and as magnet arrays 241 movable relative to the housing 21 .
- the housing 21 carries a rigidly coupled magnet array 231 and a rotatably mounted magnet array 241 in rZ.
- the degree of freedom rZ can act as a drive for a Manipulator 22 can be used, while the remaining five degrees of freedom X, Y, Z, rX, rY of the magnet array 241 are rigidly coupled to the magnet array 231 via the bearing and the housing 21 . They are therefore available in addition to driving the housing 21 and expand the working range of the forces and moments that can be exerted on the housing 21.
- Fig. 3b As Fig. 3a, but with a concentric arrangement of the two magnet arrays 231 and 241. In order to minimize the magnetic coupling between the magnet arrays 231, 241, their distance is maximized by making the inner diameter of the magnet array 231 significantly larger than the Outer diameter of the magnet array 2.4.1.
- FIG. 3d As in FIG. 3c, this arrangement has two magnet arrays 241a and b mounted rotatably in rZ, but in a concentric arrangement. In addition, a fixed magnet array 231 is present. Without the fixed magnet array 231, the housing 21 would not be steerable in rZ: since the axes of rotation of 241a and b coincide, no torque Mz can be applied to the housing 21. For example, two concentrically mounted hollow shafts can be used as output for the concentrically arranged magnet arrays 241a and b.
- Fig. 3e Housing 21 for driving a manipulator 22 with three degrees of freedom. Structure analogous to FIG. 3c, but with three magnet arrays 241.a, b and c rotatably mounted in rZ.
- FIG. 4 details the construction of the housing 21 from FIG. 3a through a side view. It shows a rotary bearing 244 which guides an output 245 formed as a shaft. This is connected to a magnet carrier in the housing 21, which Magnet array 241 carries. The rotation of the magnet array 241 about the Z-axis is provided via the output 245 on the housing 21 or transmitted to the top of the housing 21 .
- the shaft can be connected to the manipulator 22 via the coupling 26 .
- the magnet array 231 which is firmly connected to the housing 21 via the magnet carrier 232 .
- a code arrangement 233, 243 is attached to the underside of both magnet arrays 231, 241 in each case.
- the code arrangements 233, 243 can be read by the camera modules 32 in the stator 3 through a transparent housing base 212 (cf. FIG. 7).
- FIG. 5 shows the housing 2 of FIG. 4 in connection with a two-stage linear manipulator 22 with one degree of freedom. More specifically, Fig. 5a is a top view showing the contracted state of the linear manipulator 22 and Fig. 5b is a top view showing the extracted state of the linear manipulator 22 and Fig. 5c is a side view showing the contracted state of the linear manipulator 22 and Fig 5d in a side view the extracted state of the linear manipulator 22.
- the linear manipulator 22 from FIG. 5 has a linear guide as the first stage 2211 and a linear guide mounted thereon as the second stage 2212.
- An end effector 222 for receiving a payload 4 is attached to the second stage 2212, here a wafer for the semiconductor industry is shown.
- a belt pulley 261 is mounted on the output 245 of the magnet array 241 , which is formed as a shaft, and drives the two-stage linear manipulator 22 via a transmission belt 262 .
- the transport body 2 with the payload 4 has very compact external dimensions, while in the expanded state the manipulator 22 can reach a process nest in a process station PM (see FIG 4 to load or to remove a wafer 4.
- the end effector 222 can also reach process nests at intermediate positions between the two end positions of the end effector 222 .
- linear guides or roller bearings which are at least partially made of ceramic, or flexure joints.
- FIG. 6 shows the transport body 2 from FIG. 4 in connection with an articulated arm manipulator 22 with one degree of freedom. More specifically, FIG. 6a is a top view showing the contracted state of the articulated manipulator 22, and FIG. 6b is a top view showing the extracted state of the articulated manipulator 22, and FIG. 6c is a side view showing the contracted state of the articulated manipulator 22 and Fig. 6d in a side view the extracted state of the articulated arm manipulator 22.
- the articulated arm manipulator 22 from FIG. 6 guides the payload 4 on a linear path and assumes compact external dimensions in the contracted state.
- This manipulator 22 can also be freely positioned and can reach process nests at different distances from the transport body 2 .
- the kinematics 221 is connected to the housing 21 via a mounting flange 223 .
- FIG. 7 shows an exemplary embodiment of the transport device according to the invention with the transport body 2 from FIG. 5 on the stator 3 .
- the stator 3 is formed here from three identical stator modules.
- the sectional view shows the regular arrangement of the actuating magnets 31 and actuators in the stator 3, as well as the regular arrangement of the camera modules 32, which read the code arrangements 233, 243 attached to the magnet arrays 231, 241.
- the code arrangements 233, 243 not only contain the position information, but also an identification code, via which they can be unambiguously assigned to a magnet array 231, 241 in a specific transport body 2.
- a code arrangement 233, 243 is recorded simultaneously by a number of camera modules 32, so that each magnet array 231, 241 is localized several times.
- This redundancy can be used to increase the accuracy of the position detection of the code arrangement 233, 243 by averaging.
- the camera modules 32 supply the position and identification data of the detected code arrangements 233, 243 to the Plant control, which determines the actual position of the transport body 2 and the manipulator 22.
- FIG. 8 shows a method for controlling the movement path of a transport body 2 with a manipulator 22.
- the method is implemented as an algorithm in the system control.
- the following steps a) - e) are carried out cyclically in a program loop with a fixed frequency in the range of about 100Hz - 10,000Hz: a)
- the position of the transport body 2 is determined in all degrees of freedom by means of distributed position sensors, in particular with camera modules 32, im Stator 3 or in the transport body 2 detected.
- These observe code arrangements 233, 243 on a magnet array 231, 241 or on other moving parts and derive the relative position between the position sensor and the code arrangement 233, 243 from this. All position information is transmitted to the system control.
- a kinematic model of the transport device is stored in the system control, in which the geometry of the components and the locations of the joints, bearings, position sensors and the code arrangements 233, 243 are described.
- the actual position of all magnet arrays 231, 241 in the stator coordinate system is calculated from the model and the data from the position sensors by means of a geometric transformation.
- the positional deviation of the magnet arrays 231, 241 is calculated as the difference between the actual position of the magnet arrays 231, 241 and a predetermined desired position in all degrees of freedom.
- the target position is changed incrementally in each loop run according to the target trajectory.
- a position controller converts the position deviations into a vectorial target force and a vectorial target moment for each magnet array 231, 241. This is achieved, for example, with a PID algorithm that is applied for each of the degrees of freedom involved.
- the force/torque control determines the target position of the actuating magnets 31 in the stator 3 from the vectorial target force and the target torque of all magnet arrays 231, 241 and the actual position of all magnet arrays 231, 241 and the actual position of all Adjusting magnets 31 in the stator 3 and a geometric model of all magnet arrays 231, 241 and a physical model of the magnetic interaction.
- the target position is optimized in such a way that when the target position of all adjusting magnets 31 in the model is set, the predicted vectorial forces and moments that act on all magnet arrays 231, 241 match the target forces and target moments as best as possible.
- a measure is calculated with the help of an error function, which expresses the deviation of the modeled forces and moments from the target forces and moments as a numerical value.
- This error function extends to all magnet arrays 231, 241 involved and all their degrees of freedom. For example, an optimization algorithm or a neural network is used to minimize the error function.
- f) Output of the target angle to the actuators of the positioning magnets 31.
- a vacuum transport space VK is equipped with a glass floor, with the modules of the stator 3 being mounted outside the vacuum area under the transport space VK, so that the levitation field penetrates the transport space VK through the glass floor.
- Three transport bodies 2a, 2b and 2c float in the levitation field in the transport space VK: the transport bodies 2a and 2b are in the contracted state, while the transport body 2c is in the expanded state for loading an arc-shaped process nest of a process station PM.
- a high wafer throughput is achieved by the simultaneous operation of a plurality of transport bodies 2 at different process stations PM.
- wafers 4 can be conveyed through the process stations PM in an individual order, so that in a multi-variant production, different process sequences can be realized in one production plant.
- FIG. 10 shows, in four temporal steps 1 to 4, a method for quickly changing a wafer 4 in a process nest of a process station PM shown in the form of a circular arc, so that the process pause between two consecutive process sequences in the process station PM is minimal.
- two transport bodies 2a and 2b are located side by side in front of the process station PM.
- transport body 2a removes the processed wafer 4a from the process station PM and transports it via its housing 21 by contracting its manipulator 22.
- transport body 2b performs an expansion movement in order to move the next wafer to be processed 4b to be introduced into the process station PM.
- the contours of the wafers 4 can temporarily overlap in the X/Y plane.
- the end effectors 222 of the two transport bodies 2a, 2b are guided on different surfaces or at different inclinations.
- FIG. 11a shows a method for transferring a wafer 4 from one transport body 2a to another transport body 2b without intermediate storage.
- the wafer 4 is transported with a symmetrically constructed end effector 222a, the wafer center lying laterally next to the line of symmetry of the end effector 222a.
- a second end effector 222b of the same type is rotated by 180°, approaches from the opposite side and is guided under the wafer 4.
- the pairs of fingers of the two end effectors 222a, 222b are laterally offset so that they do not collide.
- the center of the wafer is offset laterally with respect to the line of symmetry of the end effector 222b.
- the handover occurs by an upward movement of end effector 222b and a downward movement of end effector 222a.
- the respective fingers on the end effectors 222a, 222b are light attached asymmetrically, so that two end effectors 222a, 222b offset from one another by 180° can move towards one another along an imaginary center line without colliding.
- a transfer takes place from a first transport body 2a with a manipulator 22 to a second transport body 2b, which is designed as a circular disk or whose housing has a circular surface on its upper side.
- the second transport body 2b picks up the wafer 4 centrally (step 2).
- the second transport body 2b serves as an intermediate deposit for the wafer 4.
- the wafer 4 is rotated by a predetermined angle about the Z axis (step 3).
- a third transport body 2c with a manipulator 22 takes over the wafer 4 in a new orientation (step 4).
- a further variant for aligning the rotational position of a wafer 4 with only one transport body 2 is described below.
- Two manipulators 22 are installed on a transport body 2 .
- a first manipulator 22 has two degrees of freedom, one to contract/expand the end effector 222 in the radial direction (as previously described) and another to flow the end effector 222 in the Z direction.
- a second manipulator 22 assumes the alignment of the rotational position of the wafer 4. It has one degree of freedom, the rotation about the Z axis perpendicular to the transport plane, and an end effector 222 for the central reception of the wafer 4.
- a wafer 4 lying on the end effector 222 can be rotated around its center.
- This arrangement makes it possible to remove a wafer 4 from a process nest with just one transport body 2, to transport it, to align the rotational position during transport and to deposit the wafer 4 at the destination in the intended rotational position.
- the following sequence of movements is provided for this purpose: a) Removal of the wafer 4 from the process nest: At the preparation location, the first manipulator 22 moves its end effector 222 under the wafer 4 lying in the process nest. After a lifting movement, the wafer 4 lies on the end effector 222. b) Contraction movement of the first manipulator 22. The wafer 4 is then located above the transport body 2, and the second manipulator 22 is now located centrally under the wafer 4.
- a transport device which is designed to transport one or more payloads 4 , in particular wafers, by means of transport body 2 .
- the transport bodies 2 can be moved and positioned in a floating manner over a transport surface 33 of a stator 3 .
- the movement and the positioning preferably take place with respect to all six degrees of freedom.
- the transport body 2 has a movable boom or a movable manipulator 22 or a movable robot arm.
- the payload 4 can be placed or fixed on its end effector 222 .
- the payload 4 can also be processed and/or checked. The processing and/or checking can also be carried out by an end effector 222 of a further transport body 2 of the same transport device.
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Abstract
The invention relates to a conveying device designed to convey one or more payloads, more particularly wafers, by means of transport bodies. The transport bodies can be floatingly moved and positioned over a transport surface of a stator. The moving and positioning are preferably carried out with respect to all six degrees of freedom. The transport body has a movable boom or a movable manipulator or a movable robotic arm. At the end effector thereof, the payload can be deposited or fastened. In developments, the payload can also be processed and/or checked. The processing and/or checking can also be carried out by an end effector of an additional transport body of the same conveying device.
Description
Berührungslose Beförderungsvorrichtung Non-contact conveyor
Beschreibung description
Die Erfindung betrifft eine berührungslose Beförderungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Insbesondere eignet sich die erfindungsgemäße Beförderungsvorrichtung für industrielle Anwendungen in der Montagetechnik, biologischen, chemischen, pharmazeutischen und Lebensmittelindustrie sowie in der Solarzellen-/Displayherstellung, Medizintechnik, Laborautomatisierung und Logistik. Besonders bevorzugt ist die Anwendung der Beförderungsvorrichtung in der Halbleiterindustrie. The invention relates to a non-contact transport device according to the preamble of claim 1. The transport device according to the invention is particularly suitable for industrial applications in assembly technology, biological, chemical, pharmaceutical and food industries as well as in solar cell/display production, medical technology, laboratory automation and logistics. The use of the transport device in the semiconductor industry is particularly preferred.
Im Rahmen der technischen Fertigung müssen oftmals Nutzlasten wie Werkstoffe, Werkstücke, Werkzeuge oder Erzeugnisse transportiert oder positioniert werden. Dazu sind sowohl berührende als auch berührungslose Beförderungsvorrichtungen bekannt, welche beispielsweise im Maschinen- und Anlagenbau Anwendung finden, beispielsweise zum Transport von Nutzlasten in Verpackungsmaschinen, zur Positionierung von Maschinenelementen oder zur möglichst präzisen Ausrichtung von Werkzeugen auf das Werkstück, beispielsweise zur Laserbearbeitung, oder in der Halbleiterindustrie zur Beschichtung, Belichtung oder Strukturierung von Substraten in Wafer-Cluster- bzw. Stepper-Anlagen. Dabei können Systeme zur magnetischen Levitation zum Einsatz kommen. Within the scope of technical production, payloads such as materials, workpieces, tools or products often have to be transported or positioned. For this purpose, both contact and non-contact conveying devices are known, which are used, for example, in mechanical and plant engineering, for example for transporting payloads in packaging machines, for positioning machine elements or for the most precise possible alignment of tools on the workpiece, for example for laser processing, or in the Semiconductor industry for coating, exposure or structuring of substrates in wafer cluster or stepper systems. Systems for magnetic levitation can be used here.
Eine Herausforderung bei der magnetischen Levitation besteht darin, eine stabil in einem Magnetfeld schwebende Konstruktion zu erstellen. Eine weitere Herausforderung besteht darin, die schwebende Konstruktion entsprechend einer Zielvorgabe automatisch in allen sechs Freiheitsgraden (jeweils drei in Translation und Rotation) zu positionieren und/oder zu bewegen, was auch als vollständige magnetische Levitation bezeichnet wird. A challenge in magnetic levitation is to create a structure that levitates stably in a magnetic field. Another challenge is to automatically position and/or move the levitating structure in all six degrees of freedom (three each in translation and rotation) according to a target, also known as full magnetic levitation.
Gemäß der DE 102016224951 A1 wird eine derartige kontrollierte Beförderung und Positionierung eines eine Nutzlast tragenden Transportkörpers relativ zu einem Stator ermöglicht, indem eines der beiden Elemente über eine Vielzahl zumindest
teilweise beweglich angeordneter Stellmagneten verfügt, deren jeweilige Position und/oder Orientierung relativ zu diesem Element über Stellelemente in kontrollierter Weise vorgegeben werden kann, und das andere der beiden Elemente über zumindest zwei unbeweglich mit diesem Element verbundene Stationärmagneten verfügt, wobei die Stationärmagneten mit den Stellmagneten magnetisch gekoppelt sind. Die Beförderungsvorrichtung ist dazu eingerichtet, den Transportkörper relativ zum Stator durch eine kontrollierte Positionierung und/oder Orientierung von Stellmagneten zu befördern. Dabei wird der Transportkörper auch in eine gewünschte Position und/oder Orientierung relativ zum Stator gebracht und gehalten. According to DE 102016224951 A1, such a controlled transport and positioning of a transport body carrying a payload relative to a stator is made possible by one of the two elements being transported over a plurality of at least partially movably arranged actuating magnets, the respective position and/or orientation of which relative to this element can be specified in a controlled manner via actuating elements, and the other of the two elements has at least two stationary magnets immovably connected to this element, the stationary magnets being magnetically connected to the actuating magnets are coupled. The transport device is set up to transport the transport body relative to the stator by controlled positioning and/or orientation of actuating magnets. In this case, the transport body is also brought and held in a desired position and/or orientation relative to the stator.
Die DE 102016224951 A1 bietet den Vorteil, dass eine Levitation und/oder eine Vorwärtsbewegung des Transportkörpers relativ zum Stator durch eine entsprechende Positionierung und/oder Orientierung der Stellmagneten mittels der jeweiligen Stellelemente ermöglicht wird. Dadurch kann auf eine Bereitstellung einer komplexen Anordnung und Ansteuerung von Magnetspulen verzichtet werden. Dies reduziert nicht nur die Komplexität der Beförderungsvorrichtung und somit die Herstellungskosten, sondern erlaubt auch den Einsatz von Permanentmagneten, welche oftmals eine sehr viel größere Flussdichte bereitstellen können als für derartige Zwecke verwendbare Magnetspulen. Dies kann wiederum eine größere Hubhöhe bzw. einen größeren Spalt zwischen dem Stator und dem Transportkörper ermöglichen, wodurch sich ein größerer Bewegungsspielraum bei Bewegungen in Z-Richtung und oder im Nick- und Roll- Winkelbereich ergeben kann. Ferner bietet dies den Vorteil, dass auch eine Unterbrechung der Versorgung mit elektrischer Energie nicht zwangsläufig zu einer Fehlfunktion oder gar der Verursachung eines Schadens führen muss. Insbesondere führt eine Unterbrechung der Leistungsversorgung nicht zu einem Verlust des Magnetfelds bzw. der magnetischen Kopplung zwischen Stator und Transportkörper. Beispielsweise können im Falle einer Unterbrechung der Leistungsversorgung die Kopplungskräfte zwischen den Stellmagneten und den Stationärmagneten zunehmen, sobald die Position und/oder die Orientierung der Stellmagneten der anziehenden Kraftwirkung der Stationärmagneten nachgibt, woraufhin der Transportkörper auf den Stator gezogen wird und so gegen unkontrolliertes Herabfallen gesichert ist. Die magnetische Kopplung zwischen dem Stator und dem Transportkörper kann sowohl eine Levitation des Transportkörpers, d.h. einen Hub über dem Stator, bewirken, als auch eine Fortbewegung des Transportkörpers relativ zum Stator, d.h. Beförderung,
ohne dass dafür noch weitere berührende oder berührungslose Systeme zwingend erforderlich wären. DE 102016224951 A1 offers the advantage that a levitation and/or a forward movement of the transport body relative to the stator is made possible by appropriate positioning and/or orientation of the actuating magnets by means of the respective actuating elements. As a result, there is no need to provide a complex arrangement and control of magnetic coils. This not only reduces the complexity of the transport device and thus the production costs, but also allows the use of permanent magnets, which can often provide a much higher flux density than magnetic coils that can be used for such purposes. This in turn can allow for a greater lifting height or a larger gap between the stator and the transport body, which can result in a greater freedom of movement for movements in the Z direction and/or in the pitch and roll angle range. Furthermore, this offers the advantage that even an interruption in the supply of electrical energy does not necessarily have to lead to a malfunction or even cause damage. In particular, an interruption in the power supply does not lead to a loss of the magnetic field or the magnetic coupling between the stator and the transport body. For example, in the event of an interruption in the power supply, the coupling forces between the actuating magnets and the stationary magnets can increase as soon as the position and/or the orientation of the actuating magnets gives way to the attractive force of the stationary magnets, whereupon the transport body is pulled onto the stator and is thus secured against uncontrolled falling . The magnetic coupling between the stator and the transport body can cause both a levitation of the transport body, ie a lift above the stator, and a movement of the transport body relative to the stator, ie transport without the need for other touching or touchless systems.
Somit ist ein berührungsloser Transport ermöglicht, so dass die offenbarte Beförderungsvorrichtung auch in Umgebungen mit erhöhten Sauberkeitsanforderungen zum Einsatz gelangen kann. Beispielsweise kann der Transportkörper in der Umgebung mit der erhöhten Sauberkeitsanforderung befördert werden, während der Stator außerhalb in einer Umgebung mit geringeren Sauberkeitsanforderungen angeordnet ist. Durch einen Spalt zwischen dem Stator und dem Transportkörper können Trennelemente verlaufen, um die verschiedenen Sauberkeitsbereiche zu trennen. Somit eignet sich die offenbarte Beförderungsvorrichtung auch zur Anwendung bei biologischen, chemischen und/oder pharmazeutischen Verfahren, sowie beispielsweise in gasdichten, flüssigkeitsdichten und/oder abgekapselten Bereichen. Contactless transport is thus made possible, so that the disclosed transport device can also be used in environments with increased cleanliness requirements. For example, the transport body can be conveyed in the environment with the increased cleanliness requirement, while the stator is arranged outside in an environment with lower cleanliness requirements. Separating elements can run through a gap between the stator and the transport body in order to separate the different cleanliness areas. The disclosed conveying device is thus also suitable for use in biological, chemical and/or pharmaceutical processes, as well as, for example, in gas-tight, liquid-tight and/or encapsulated areas.
In einer typischen Halbleiter-Fertigungslinie werden Wafer in Fertigungsanlagen (z.B. Cluster Tools) bearbeitet. Üblicherweise werden Wafer unter Normaldruck in Transportbehältern zwischen den Fertigungsanlagen transportiert, wobei der Transport als Los mit einer typischen Losgröße von 25 Stück erfolgt. Innerhalb einer Fertigungsanlage werden die Wafer üblicherweise unter Ultra-Hochvakuum (UHV) bearbeitet und transportiert. Eine Fertigungsanlage umfasst mindestens eine Prozessstation zum Bearbeiten der Wafer, eine gattungsgemäße Beförderungsvorrichtung zum Transport der Wafer im Vakuum und ein Vorratsbereich zur Bevorratung unbearbeiteter und bearbeiteter Wafer. Die mindestens eine Prozessstation, die Beförderungsvorrichtung und der Vorratsbereich sind in vakuumdichten Kammern eingefasst und können auf UHV evakuiert werden. Die Kammern sind seitlich zueinander benachbart angeordnet und - ggf. über vakuumdichte Schleusen - miteinander verbunden. In a typical semiconductor production line, wafers are processed in production equipment (e.g. cluster tools). Wafers are usually transported under normal pressure in transport containers between the production plants, with the transport taking place as a lot with a typical lot size of 25 pieces. Within a manufacturing facility, the wafers are usually processed and transported under ultra-high vacuum (UHV). A production facility comprises at least one process station for processing the wafers, a generic transport device for transporting the wafers in a vacuum, and a storage area for storing unprocessed and processed wafers. The at least one process station, the transport device and the storage area are enclosed in vacuum-tight chambers and can be evacuated to UHV. The chambers are arranged laterally adjacent to one another and are connected to one another—possibly via vacuum-tight locks.
Zur Übergabe der Wafer zwischen Transportbehälter und Fertigungsanlage und zur Bevorratung mehrerer Wafer im Vakuumbereich befindet sich an der Fertigungsanlage ein sogenanntes Vacuum Load Lock. Der Transportbehälter wird unter Normaldruck in das Vacuum Load Lock eingesetzt, anschließend wird das Vacuum Load Lock evakuiert. Dann öffnet sich eine Vakuum-Schleuse zwischen dem Vacuum Load Lock und dem Beförderungsbereich der Fertigungsanlage und die Wafer
werden von der Beförderungsvorrichtung durch die Schleuse hindurch aus dem Transportbehälter entnommen oder in den Transportbehälter eingesetzt. A so-called vacuum load lock is located on the production system for transferring the wafers between the transport container and the production system and for storing several wafers in the vacuum area. The transport container is inserted into the Vacuum Load Lock under normal pressure, and then the Vacuum Load Lock is evacuated. A vacuum lock then opens between the Vacuum Load Lock and the conveyor area of the fabrication facility and the wafers are removed from the transport container through the lock by the transport device or inserted into the transport container.
Nachdem alle Wafer aus dem Transportbehälter entnommen, bearbeitet und wieder im Transportbehälter abgelegt wurden, wird die Vakuum-Schleuse geschlossen und das Vacuum Load Lock belüftet. Anschließend wird der Transportbehälter unter Normaldruck aus dem Vacuum Load Lock entnommen und z.B. zur nächsten Fertigungsanlage transportiert. After all wafers have been removed from the transport container, processed and placed back in the transport container, the vacuum lock is closed and the vacuum load lock is aerated. The transport container is then removed from the Vacuum Load Lock under normal pressure and transported to the next production facility, for example.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Beförderungsvorrichtung bereitzustellen, die komplexe und effiziente Bewegungsabläufe ermöglicht. Der Funktionsumfang des Transportkörpers soll um Funktionen zur Handhabung, Positionierung, Fixierung, z.B. Einspannung, Bearbeitung und/oder Prüfung von Nutzlasten erweiterbar sein, die sich auf dem Transportkörper oder im Umfeld des Transportkörpers befinden. In der technischen Fertigung oder in der Logistik sollen neue Funktionen und Abläufe mit hohem Automatisierungsgrad, hoher Effizienz und hoher Wirtschaftlichkeit ermöglicht werden. The object of the present invention is to provide a transport device that enables complex and efficient movement sequences. The range of functions of the transport body should be expandable to include functions for handling, positioning, fixing, e.g. clamping, processing and/or testing payloads that are on the transport body or in the vicinity of the transport body. In technical production or in logistics, new functions and processes with a high degree of automation, high efficiency and high cost-effectiveness should be made possible.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Beförderungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben. This object is achieved by a transport device having the features of patent claim 1. Further advantageous refinements of the invention are described in the dependent patent claims.
Die erfindungsgemäße Beförderungsvorrichtung ist zur kontaktlosen Bewegung von mindestens einem Transportkörper (Mover) ausgelegt, der mit einem Manipulator ausgerüstet ist. Der Manipulator ist mit dem Transportkörper - genauer gesagt mit seinem Gehäuse - verbunden, entweder als wechselbares Modul oder als fester Bestandteil des Transportkörpers, und wird von diesem mitgeführt. Der Transportkörper mit verbundenem Manipulator ist durch das Magnetfeld eines Stators in seinen sechs Bewegungsfreiheitsgraden in Bezug zum Stator positionierbar. Darüber hinaus besitzt der Manipulator mindestens einen weiteren Bewegungsfreiheitsgrad, der bei schwebendem Betrieb des Transportkörpers in Bezug zum Gehäuse des Transportkörpers positionierbar ist.
Durch synchrone Bewegungssteuerung der Freiheitsgrade des Gehäuses und des Manipulators werden komplexe und effiziente Bewegungsabläufe möglich. Der Manipulator erweitert den Funktionsumfang des Transportkörpers um Funktionen zur Flandhabung, Positionierung, Fixierung, z.B. Einspannung, Bearbeitung und/oder Prüfung von Nutzlasten, die sich auf dem Transportkörper oder im Umfeld des Transportkörpers befinden. Der Transportkörper mit Manipulator erschließt zahlreiche neue Anwendungsfelder der erfindungsgemäßen Beförderungsvorrichtung. In der technischen Fertigung oder in der Logistik ermöglicht er neue Funktionen und Abläufe mit hohem Automatisierungsgrad, hoher Effizienz und hoher Wirtschaftlichkeit. The transport device according to the invention is designed for the contactless movement of at least one transport body (mover), which is equipped with a manipulator. The manipulator is connected to the transport body--more precisely, to its housing--either as a replaceable module or as a fixed part of the transport body, and is carried along by it. The transport body with the connected manipulator can be positioned in its six degrees of freedom of movement in relation to the stator by the magnetic field of a stator. In addition, the manipulator has at least one further degree of freedom of movement, which can be positioned in relation to the housing of the transport body when the transport body is in suspended operation. Complex and efficient movement sequences are possible through synchronous movement control of the degrees of freedom of the housing and the manipulator. The manipulator expands the range of functions of the transport body by functions for handling, positioning, fixing, eg clamping, processing and/or checking payloads that are on the transport body or in the vicinity of the transport body. The transport body with manipulator opens up numerous new fields of application for the transport device according to the invention. In technical production or in logistics, it enables new functions and processes with a high degree of automation, high efficiency and high cost-effectiveness.
Der erfindungsgemäß auf dem Transportkörper mitgeführte Manipulator ersetzt stationäre Manipulatoren, die an den Beladungs- und Zielorten bereitgestellt werden müssten, falls der Transportkörper keine eigene Handhabungsfunktion besäße. Je höher die Anzahl der anzufahrenden Positionen, umso größer ist die Einsparung von stationären Komponenten und damit die Reduktion von Komplexität und Kosten der Gesamtanlage. The manipulator carried on the transport body according to the invention replaces stationary manipulators that would have to be provided at the loading and destination locations if the transport body did not have its own handling function. The higher the number of positions to be approached, the greater the savings in stationary components and thus the reduction in complexity and costs of the overall system.
In einer typischen Anwendung hat der Manipulator einen Endeffektor, mit dem am Ort der Beladung eine Nutzlast auf den Transportkörper geladen wird und am Zielort abgesetzt wird. Der Manipulator kann auch eine Spannfunktion besitzen, mit der die Nutzlast während des Transportes auf dem Transportkörper sicher gehalten wird. Weiterhin kann der Manipulator dazu vorgesehen sein, eine Umorientierung der Nutzlast während des Transportes vorzunehmen, um die Nutzlast am Zielort ohne zusätzlichen Zeitaufwand in der richtigen Orientierung zu übergeben. In a typical application, the manipulator has an end effector with which a payload is loaded onto the transport body at the loading location and set down at the destination. The manipulator can also have a clamping function with which the payload is held securely on the transport body during transport. Furthermore, the manipulator can be provided for reorienting the payload during transport in order to hand over the payload in the correct orientation at the destination without any additional expenditure of time.
In einer weiteren Anwendung ist der Manipulator eine Kinematik, die den Endeffektor, z.B. ein Prozesswerkzeug oder ein Prüfmittel führt. Der so ausgerüstete Transportkörper kann mitgeführte Nutzlasten oder Nutzlasten in seinem Umfeld mit dem Werkzeug bearbeiten oder mit dem Prüfmittel prüfen. Dabei besitzt er eine hohe Bewegungsflexibilität. Ein weiterer zeitlicher oder wirtschaftlicher Vorteil ergibt sich aus der Parallelisierung von Abläufen bei gleichzeitiger Ausführung der Transport- und der Manipulationsaufgabe. Darüber hinaus kann ein Manipulator ausgerüstet sein, um mehrere Funktionen auszuführen (beispielsweise Handhabung und Prüfung). Weiterhin können mehrere Manipulatoren auf einem Transportkörper vorhanden sein.
Schließlich können mehrere Transportkörper vorhanden sein, die gemeinsam eine Aufgabe verrichten. Beispielsweise wird ein Werkstück auf einem ersten Transportkörper ohne Manipulator fixiert und transportiert. Ein zweiter Transportkörper mit Manipulator begleitet den ersten Transportkörper und führt mittels des Manipulators Handhabungs-, Bearbeitungs- oder Prüfaufgaben an dem transportierten Werkstück aus. In another application, the manipulator is a kinematic system that guides the end effector, eg a process tool or a test device. The transport body equipped in this way can process carried payloads or payloads in its environment with the tool or check them with the test equipment. He has a high flexibility of movement. Another advantage in terms of time or economy results from the parallelization of processes with simultaneous execution of the transport and manipulation tasks. In addition, a manipulator may be equipped to perform multiple functions (e.g. handling and testing). Furthermore, several manipulators can be present on one transport body. Finally, there can be several transport bodies that perform a task together. For example, a workpiece is fixed and transported on a first transport body without a manipulator. A second transport body with a manipulator accompanies the first transport body and uses the manipulator to carry out handling, processing or testing tasks on the transported workpiece.
Die bereits angesprochene Umorientierung der Nutzlast kann auch mittels mehrerer Transportkörper der erfindungsgemäßen Beförderungsvorrichtung ermöglicht werden. The already mentioned reorientation of the payload can also be made possible by means of several transport bodies of the transport device according to the invention.
Besondere Vorteile ergeben sich bei Einsatz der erfindungsgemäßen Beförderungsvorrichtung in der Halbleiterindustrie, wenn das Werkstück z.B. ein Wafer ist. Vorteilhaft wird der Transportkörper zur Beförderung eines Halbleiter-Wafers in einem Vakuum-Transportraum einer Fertigungsanlage eingesetzt. Der Stator ist unter dem Vakuum-Transportraum angeordnet. Eine typische Transportaufgabe in einer derartigen Fertigungsanlage (Cluster Tool) besteht darin, den Wafer aus einem Prozessnest einer Prozessstation zu entnehmen und in das Prozessnest einer anderen Prozessstation zu befördern. Da die Prozessstationen in einer Fertigungsanlage seitlich neben dem Transportraum angeordnet sind und somit nicht direkt von den Transportkörpern erreicht werden können, überbrückt der erfindungsgemäße Manipulator die Transportstrecke von dem Prozessnest in den Transportraum hinein. Der erfindungsgemäße Manipulator ermöglicht es, den Wafer räumlich versetzt zum Transportraum bzw. zur Beförderungsvorrichtung aufzunehmen und abzulegen, wobei der Schwerpunkt des Wafers weit neben dem Transportkörper liegen kann. Particular advantages result when the conveying device according to the invention is used in the semiconductor industry if the workpiece is a wafer, for example. The transport body is advantageously used to transport a semiconductor wafer in a vacuum transport space of a production plant. The stator is arranged under the vacuum transport space. A typical transport task in such a manufacturing plant (cluster tool) consists in removing the wafer from a process nest of a process station and conveying it into the process nest of another process station. Since the process stations in a production plant are arranged laterally next to the transport space and therefore cannot be reached directly by the transport bodies, the manipulator according to the invention bridges the transport route from the process nest into the transport space. The manipulator according to the invention makes it possible to pick up and set down the wafer spatially offset to the transport space or to the transport device, with the center of gravity of the wafer being able to be far away from the transport body.
Der Manipulator hat mindestens einen Freiheitsgrad, der den - ggf. mit einer Nutzlast (einem Wafer) beladenen - Endeffektor auf einer Bewegungsbahn (z.B. vom Prozessnest) zum Transportkörper führt. Dabei zieht sich die Kinematik zusammen und bildet mit dem Transportkörper und der Nutzlast (dem Wafer) eine kompakte Einheit, die etwa 2 - 4-mal weniger Transportfläche belegt als ein vergleichbarer Transportkörper mit starrem Endeffektor. Der Manipulator wird z.B. zum Be- und Entladen vor einem Prozessnest ausgefahren. Während des Transportes befindet er
sich im kontrahierten Zustand, damit der Transportkörper besser manövrierbar ist. Die eingesparte Transportfläche kann genutzt werden, um die Anzahl der Transportkörper über den Stator (im Transportraum) zu erhöhen und damit den Durchsatz und die Wirtschaftlichkeit der Beförderungsvorrichtung (der Fertigungsanlage) zu steigern. Der Manipulator ist variabel positionierbar. Bei gleicher Position des Transportkörpers auf der Transportfläche kann er die Nutzlast (den Wafer) in beliebige Zwischenpositionen zwischen seinen Endlagen fahren. So können im Falle der Fertigungsanlage für Wafer Prozessnester in unterschiedlichem Abstand zur Transportfläche des Stators beschickt werden. The manipulator has at least one degree of freedom, which guides the end effector—possibly loaded with a payload (a wafer)—on a movement path (eg from the process nest) to the transport body. The kinematics contract and form a compact unit with the transport body and the payload (the wafer), which occupies about 2 - 4 times less transport area than a comparable transport body with a rigid end effector. For example, the manipulator is extended in front of a process nest for loading and unloading. During the transport he is in the contracted state so that the transport body is better manoeuvrable. The saved transport area can be used to increase the number of transport bodies via the stator (in the transport space) and thus to increase the throughput and the efficiency of the transport device (the production plant). The manipulator can be positioned variably. With the transport body in the same position on the transport surface, it can move the payload (the wafer) to any intermediate position between its end positions. In the case of the production plant for wafers, process nests can be loaded at different distances from the transport surface of the stator.
Zusätzlich zur Kontraktionsbewegung kann der Manipulator weitere Freiheitsgrade besitzen. Beispielsweise kann ein Manipulator mit zwei Freiheitsgraden vorgesehen sein, wobei ein erster Freiheitsgrad die beschriebene Kontraktionsbewegung in einer Ebene parallel zur Transportfläche ausführt und ein zweiter Freiheitsgrad eine Flubbewegung senkrecht zur Transportfläche. Zwar kann die Hubbewegung bereits als Freiheitsrad des Transportkörpers positioniert werden, jedoch ist der Verstellbereich durch das Levitationsverfahren bedingt eng begrenzt. Der Manipulator kann auf einen größeren Hubbereich ausgelegt werden. Ein mit diesem Manipulator ausgerüsteter Transportkörper ist in der Lage, unterschiedlich hoch angeordnete Prozessnester mit Wafern zu beschicken. Auch die Beschickung einer Wafer-Kassette in einem Load Lock ist möglich, wobei gezielt eines von mehreren senkrecht übereinander angeordneten Fächern der Wafer-Kassette beschickt werden kann. In addition to the contraction movement, the manipulator can have other degrees of freedom. For example, a manipulator with two degrees of freedom can be provided, with a first degree of freedom executing the contraction movement described in a plane parallel to the transport surface and a second degree of freedom executing a flow movement perpendicular to the transport surface. Although the lifting movement can already be positioned as the wheel of freedom of the transport body, the adjustment range is narrowly limited due to the levitation process. The manipulator can be designed for a larger lifting range. A transport body equipped with this manipulator is able to load process nests arranged at different heights with wafers. It is also possible to load a wafer cassette in a load lock, with one of several compartments of the wafer cassette arranged vertically one above the other being able to be loaded in a targeted manner.
Gegenüber einem Transportkörper ohne Manipulator werden folgende Vorteile erzielt oder sind mit bevorzugten Ausgestaltungen erzielbar: a) Erweiterter Arbeitsbereich: Der Manipulator kann eine Kinematik besitzen, die sich im Rahmen ihrer Freiheitsgrade über die Grenzen des Transportkörpers hinaus ausdehnt und so Orte erreicht, die außerhalb des Arbeitsbereiches eines Transportkörpers ohne Manipulator liegen. Beispielsweise werden Orte seitlich neben der Transportfläche erreicht oder Orte in unterschiedlicher Höhe über der Transportfläche. b) Reduzierte Komplexität der Gesamtanlage: Der Manipulator kann Nutzlasten an verschiedenen Bereitstellungsorten aufnehmen, auf den Transportkörper befördern und an einem Zielort wieder absetzen, ohne dass weitere stationäre
Handhabungsvorrichtungen benötigt werden. So kann ein mobiler Manipulator ggf. mehrere stationäre Manipulatoren ersetzen. Dadurch werden die Komplexität und die Kosten der Gesamtanlage reduziert. c) Reduzierte Transportfläche: Um die Außenabmessungen des Transportkörpers mit Manipulator und Nutzlast gering zu halten, kann der Manipulator die Nutzlast in das Zentrum des Transportkörpers, insbesondere über dessen Gehäuse befördern. So wird während des Transportes die vom Transportkörper belegte Transportfläche minimiert, beispielsweise um den Faktor 2 - 4 gegenüber einem Transportkörper mit starrem Endeffektor. Das hat mehrere vorteilhafte Auswirkungen, die in d) - f) beschrieben sind. d) Höherer Durchsatz: mit dem in c) beschriebenen Vorgehen können auf einer vorgegebenen Transportfläche mehr Transportkörper untergebracht werden, so dass der Durchsatz steigt. e) Geringe Anlagengröße: Bei einer vorgegebenen Anzahl von Transportkörpern kann mit dem in c) beschriebenen Vorgehen die Transportfläche verringert werden, was beispielsweise in einem Vakuum-Transportraum mit hohen Betriebskosten in der Halbleiterfertigung zu deutlichen Kostenvorteilen führt. f) Bessere Manövrierbarkeit: mit dem in c) beschriebenen Vorgehen kann der Transportkörper geringe Außenabmessungen annehmen, er ist dann leichter manövrierbar. Ausgleichsbewegungen entfallen, die Bewegungsbahnen werden kürzer, Manöver werden beschleunigt, Wendemanöver können auf der Stelle ohne Behinderung anderer Transportkörper durchgeführt werden, auch in einem Transportraum mit geringen Abmessungen. g) Zeit- und Effizienzgewinn: Handhabungs-, Bearbeitungs- oder Prüfaufgaben an einer Nutzlast können durchgeführt werden, während die Nutzlast transportiert wird. Durch diese Parallelisierung von Abläufen wird die Zykluszeit der Bearbeitung reduziert. h) Rein mechanischer Aufbau: Die Vorrichtung bestehend aus Transportkörper und Manipulator kann rein mechanisch aufgebaut sein, ohne elektrische bzw. elektronische Komponenten. Der Stator übernimmt die präzise Positionierung und stellt die mechanische Energie zur Fortbewegung des Transportkörpers und zum Antrieb des Manipulators bereit. Die Energie wird mittels der Magnetfelder vom Stator an den Transportkörper bzw. an dessen Manipulator übertragen. Dadurch wird der Aufbau sehr platzsparend, leicht und preiswert. Da kein Energiespeicher mitgeführt werden muss, muss auch keine Zeit und Fläche zum elektrischen Laden des Energiespeichers eingeplant werden. Ohne Elektronik entsteht keine Verlustwärme, die Notwendigkeit zur
Kühlung entfällt. Das ist besonders im Vakuum von Vorteil, wo die Ableitung von Wärme aus der schwebenden Vorrichtung nur in geringem Umfang durch Abstrahlung möglich ist. Ein rein mechanischer Aufbau kann auf wesentlich höhere Betriebstemperaturen ausgelegt werden, da die übliche Temperaturbegrenzung zum Schutz der Elektronik und des Energiespeichers entfällt. Die rein mechanische Vorrichtung kann für den Einsatz unter besonderen Bedingungen hin optimiert werden, insbesondere im Vakuum (bei Verwendung Vakuum-tauglicher Materialien), in explosionsgefährdeten Bereichen (da kein Risiko elektrischer Funkenbildung besteht), unter Gasatmosphäre oder in Flüssigkeiten, auch unter höchstem Umgebungsdruck. i) Flexibilität durch Modularität: Die mechanische Schnittstelle zwischen Transportkörper und Manipulator kann Schnellspannvorrichtungen und Kupplungen aufweisen, so dass verschiedene Typen von Manipulatoren wechselweise auf verschiedenen Typen von Transportkörpern eingesetzt werden können. Der Tausch des Manipulators kann schnell und einfach durchgeführt werden, manuell oder automatisch, um den Transportkörper für eine neue Anwendung zu rüsten. Compared to a transport body without a manipulator, the following advantages are achieved or can be achieved with preferred configurations: a) Extended work area: The manipulator can have kinematics which, within the scope of their degrees of freedom, extend beyond the limits of the transport body and thus reach places that are outside the work area of a transport body without a manipulator. For example, locations to the side of the transport surface are reached or locations at different heights above the transport surface. b) Reduced complexity of the overall system: the manipulator can pick up payloads at different deployment locations, transport them to the transport body and set them down again at a destination without further stationary Handling devices are required. A mobile manipulator can, if necessary, replace several stationary manipulators. This reduces the complexity and costs of the overall system. c) Reduced transport area: In order to keep the external dimensions of the transport body with manipulator and payload small, the manipulator can transport the payload to the center of the transport body, in particular over its housing. The transport area occupied by the transport body is thus minimized during transport, for example by a factor of 2-4 compared to a transport body with a rigid end effector. This has several beneficial effects, which are described in d) - f). d) Higher throughput: With the procedure described in c), more transport bodies can be accommodated on a given transport surface, so that the throughput increases. e) Small plant size: With a given number of transport bodies, the transport area can be reduced with the procedure described in c), which leads to significant cost advantages in a vacuum transport room with high operating costs in semiconductor production, for example. f) Better manoeuvrability: with the procedure described in c), the transport body can assume small external dimensions, it is then easier to manoeuvre. Compensatory movements are eliminated, the movement paths are shorter, maneuvers are accelerated, turning maneuvers can be carried out on the spot without impeding other transport bodies, even in a transport space with small dimensions. g) Gain in time and efficiency: handling, processing or testing tasks on a payload can be performed while the payload is being transported. This parallelization of processes reduces the processing cycle time. h) Purely mechanical construction: The device consisting of transport body and manipulator can be constructed purely mechanically, without electrical or electronic components. The stator is responsible for precise positioning and provides the mechanical energy to move the transport body and drive the manipulator. The energy is transferred from the stator to the transport body or its manipulator by means of the magnetic fields. This makes the structure very space-saving, light and inexpensive. Since no energy store has to be carried along, no time or space has to be planned for electrically charging the energy store. Without electronics, there is no heat loss, the need for Cooling is not required. This is particularly advantageous in a vacuum, where there is little heat dissipation from the levitated device by radiation. A purely mechanical design can be designed for significantly higher operating temperatures, since the usual temperature limitation to protect the electronics and the energy storage device is no longer required. The purely mechanical device can be optimized for use under special conditions, in particular in a vacuum (when using vacuum-compatible materials), in potentially explosive areas (since there is no risk of electrical sparking), in a gas atmosphere or in liquids, even under the highest ambient pressure. i) Flexibility through modularity: The mechanical interface between the transport body and the manipulator can have quick-action clamping devices and couplings, so that different types of manipulators can be used alternately on different types of transport bodies. The manipulator can be exchanged quickly and easily, manually or automatically, in order to prepare the transport body for a new application.
Vorzugsweise sind die Transportkörper und die zugeordneten Nutzlasten in einem dichten Transportraum aufgenommen. Der Stator ist unterhalb des dichten Transportraumes angeordnet. Vorzugsweise sind die jeweiligen Gehäuse der Transportkörper ebenfalls dicht. Damit ist eine Beförderungsvorrichtung für Nutzlasten, insbesondere Wafer, geschaffen, die in verschiedenen Prozessstationen unter besonderer Umgebung, also nicht in Normalbedingungen, bearbeitet werden können. Der Transport der Nutzlasten mittels der Transportkörper der erfindungsgemäßen Beförderungsvorrichtung erfolgt ebenfalls in einer besonderen Umgebung, also nicht in Normalbedingungen. The transport bodies and the associated payloads are preferably accommodated in a sealed transport space. The stator is arranged below the sealed transport space. The respective housings of the transport bodies are preferably also sealed. This creates a transport device for payloads, in particular wafers, which can be processed in different process stations under special surroundings, that is to say not under normal conditions. The transport of the payloads by means of the transport bodies of the transport device according to the invention also takes place in a special environment, ie not under normal conditions.
Vorzugsweise ist in dem dichten Transportraum ein Gas (z.B. Schutzgas,A gas (e.g. protective gas,
Stickstoff oder Inertgas) oder ein Gasgemisch (z.B. gereinigte Luft) oder ein Vakuum oder ein Ultra-Hochvakuum (z.B. bis 107 oder bis 108 bar) oder ein aseptischer Bereich oder ein ABC geschützter Bereich oder eine Flüssigkeit (z.B. bis 2 bar) vorgesehen. nitrogen or inert gas) or a gas mixture (e.g. purified air) or a vacuum or an ultra-high vacuum (e.g. up to 10 7 or up to 10 8 bar) or an aseptic area or an NBC-protected area or a liquid (e.g. up to 2 bar). .
Verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Beförderungsvorrichtung mit verschiedenen Ausführungsbeispielen von Transportkörpern sind in den Figuren dargestellt.
Es zeigen Various exemplary embodiments of the transport device according to the invention with various exemplary embodiments of transport bodies are shown in the figures. Show it
Fig. 1 drei verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Beförderungsvorrichtung, 1 shows three different exemplary embodiments of the conveying device according to the invention,
Fig. 2 drei verschiedene Ausführungsbeispiele von Magnetarrays des Transportkörpers aus Fig. 1, FIG. 2 three different exemplary embodiments of magnet arrays of the transport body from FIG. 1,
Figs. 3a, 3b und 3d drei Ausführungsbeispiele von Anordnungen von Magnetarrays in einem Gehäuse des Transportkörpers aus Fig. 1a oder 1b, figs 3a, 3b and 3d three exemplary embodiments of arrangements of magnet arrays in a housing of the transport body from FIG. 1a or 1b,
Figs. 3c und 3e zwei Ausführungsbeispiele von Anordnungen von Magnetarrays in einem Gehäuse des Transportkörpers aus Fig. 1c, figs 3c and 3e two exemplary embodiments of arrangements of magnet arrays in a housing of the transport body from FIG. 1c,
Fig. 4 das Gehäuse mit den Magnetarrays aus Fig. 3a, 4 shows the housing with the magnet arrays from FIG. 3a,
Fig. 5 einen Transportkörper mit einem Gehäuse, das demjenigen der Figs. 3a und 4 entspricht, mit einem teleskopartigen Manipulator, Fig. 5 shows a transport body with a housing that that of Figs. 3a and 4, with a telescopic manipulator,
Fig. 6 einen Transportkörper mit einem Gehäuse, das demjenigen der Figs. 3a und 4 entspricht, mit einem knickbaren Manipulator, Fig. 6 shows a transport body with a housing that that of Figs. 3a and 4, with a bendable manipulator,
Fig. 7 eine Beförderungsvorrichtung mit dem Transportkörper mit dem teleskopartigen Manipulator gemäß Fig. 5, 7 shows a transport device with the transport body with the telescopic manipulator according to FIG. 5,
Fig. 8 ein Verfahren zur Steuerung der Bewegungsbahn eines Transportkörpers mit Manipulator, 8 shows a method for controlling the movement path of a transport body with a manipulator,
Fig. 9 eine Fertigungsanlage für die Halbleiterindustrie mit einer erfindungsgemäßen Beförderungsvorrichtung, 9 shows a production plant for the semiconductor industry with a conveying device according to the invention,
Fig. 10 eine Methode zum schnellen Wechsel eines Wafers in einer Prozessstation mittels der erfindungsgemäßen Beförderungsvorrichtung, 10 shows a method for quickly changing a wafer in a process station using the conveying device according to the invention,
Fig. 11 eine Methode zur Übergabe eines Wafers ohne Zwischenablage von einem Transportkörper an einen anderen Transportkörper der erfindungsgemäßen Beförderungsvorrichtung, und 11 shows a method for transferring a wafer from one transport body to another transport body of the conveying device according to the invention without intermediate storage, and
Fig. 12 eine Methode zur Übergabe des Wafers, bei der die Winkellage des Wafers im vollen Bereich von 360° verändert werden kann, mittels der erfindungsgemäßen Beförderungsvorrichtung. 12 shows a method for transferring the wafer, in which the angular position of the wafer can be changed in the full range of 360°, using the conveying device according to the invention.
Drei Varianten von erfindungsgemäßen Beförderungsvorrichtungen sind schematisch in Figs. 1a bis c dargestellt. Sie umfassen jeweils einen Stator 3 und mindestens einen Transportkörper 2, der in kontrollierter Weise relativ zum Stator 3 kontaktlos befördert wird. Dazu weist der Stator 3 beweglich angeordnete Stellmagnete 31 (vgl. Fig. 7) in einer flächigen Anordnung auf, deren Orientierung mit Aktuatoren
veränderbar ist. Aus der Überlagerung der Magnetfelder aller Stellmagnete 31 ergibt sich ein magnetisches Feld, das hier als Levitationsfeld bezeichnet wird. Es tritt durch eine Deckplatte des Stators 3 hindurch nach oben. Die Deckplatte bildet gleichzeitig die Transportfläche 33, über der mit Magnetarrays bestückte Transportkörper 2 kontaktlos transportiert werden. Three variants of conveying devices according to the invention are shown schematically in Figs. 1a to c shown. They each comprise a stator 3 and at least one transport body 2, which is transported in a controlled manner relative to the stator 3 without contact. For this purpose, the stator 3 has movably arranged actuating magnets 31 (cf. FIG. 7) in a planar arrangement, the orientation of which is controlled by actuators is changeable. The superimposition of the magnetic fields of all the adjusting magnets 31 results in a magnetic field, which is referred to here as a levitation field. It passes through a top plate of the stator 3 upwards. At the same time, the cover plate forms the transport surface 33, over which transport bodies 2 equipped with magnet arrays are transported without contact.
Ein Sensorsystem erfasst zyklisch mit hoher Frequenz und Genauigkeit die Position jedes Transportkörpers 2, genauer gesagt seines Gehäuses 21 , in seinen sechs Bewegungsfreiheitsgraden über der Transportfläche 33. Wie bei jedem starren Körper sind dies drei Freiheitsgrade in Translation X, Y, Z und drei in Rotation rX, rY, rZ des Gehäuses 21. Ein Regler berechnet daraus die Positionsabweichung zu einer vorgegebenen Sollposition bzw. einer Soll-Trajektorie und steuert die Magnetwinkel so, dass die Regelabweichung minimal wird. Auf diese Weise wird das Gehäuse 21 des Transportkörpers 2 stabil und robust gegen äußere Kräfte auf der Soll-Trajektorie geführt. A sensor system cyclically detects the position of each transport body 2, more precisely its housing 21, in its six degrees of freedom of movement over the transport surface 33 with high frequency and accuracy. As with any rigid body, these are three degrees of freedom in translation X, Y, Z and three in rotation rX, rY, rZ of the housing 21. From this, a controller calculates the deviation in position from a specified desired position or a desired trajectory and controls the magnetic angle in such a way that the deviation is minimal. In this way, the housing 21 of the transport body 2 is guided on the desired trajectory in a stable and robust manner against external forces.
Bei den Ausführungsbeispielen nach Figs. 1a und 1b hat der Transportkörper 2 eine Antriebseinheit 23 für das Gehäuse 21 , das mindestens ein gehäusefestes Magnetarray 231 umfasst (vgl. Fig. 2). Während des Betriebs erfährt das Magnetarray 231 im Levitationsfeld Kräfte und Momente, die auf das starr gekoppelte Gehäuse 21 übertragen werden und dieses zu Bewegungen antreiben. Auf diese Weise wirkt das Magnetarray 231 als Antriebseinheit 23 für das Gehäuse 21. In the exemplary embodiments according to Figs. 1a and 1b, the transport body 2 has a drive unit 23 for the housing 21, which comprises at least one magnet array 231 fixed to the housing (cf. FIG. 2). During operation, the magnet array 231 experiences forces and moments in the levitation field, which are transmitted to the rigidly coupled housing 21 and drive it to move. In this way, the magnet array 231 acts as a drive unit 23 for the housing 21.
Damit der Antrieb geregelt erfolgen kann, gehört zur Antriebseinheit 23 ein Mittel zur Positionserfassung des Gehäuses 21. Die Positionserfassung erfolgt in Bezug auf den Stator 3, indem an einem der beiden Bauteile ein Positionssensor angebracht wird und an dem anderen eine Codeanordnung 233, die von dem Positionssensor erfasst wird. Beispielsweise kann ein kamerabasiertes Verfahren zur Positionserfassung eingesetzt werden, indem ein am Gehäuse 21 befestigtes Kamera-Modul 32 eine Codeanordnung 233 auf dem Stator 3 erfasst. Gemäß den Figs. 1a und 1b erfasst ein im Stator 3 integriertes Kamera-Modul 32 (vgl. Fig.7) eine Codeanordnung 233 am Gehäuse 21.
Erfindungsgemäß führt der Transportkörper 2 einen beweglichen und steuerbaren Manipulator 22 für eine (in den Figs. 1 nicht gezeigte) Nutzlast mit sich, wobei der Manipulator 22 an dem Gehäuse 21 befestigt ist. Der Manipulator 22 umfasst eine Kinematik 221 mit einem Endeffektor 222, der je nach Aufgabe als Ablage, Greifer, Spannvorrichtung, Werkzeug oder Prüfmittel ausgeführt ist. So that the drive can be regulated, the drive unit 23 includes a means for detecting the position of the housing 21. The position is detected in relation to the stator 3 by attaching a position sensor to one of the two components and attaching a code arrangement 233 to the other, which is generated by the Position sensor is detected. A camera-based method for position detection can be used, for example, in that a camera module 32 attached to the housing 21 detects a code arrangement 233 on the stator 3 . According to Figs. 1a and 1b, a camera module 32 integrated in the stator 3 (cf. Fig. 7) detects a code arrangement 233 on the housing 21. According to the invention, the transport body 2 carries with it a movable and controllable manipulator 22 for a payload (not shown in FIG. 1), the manipulator 22 being fastened to the housing 21 . The manipulator 22 includes a kinematic system 221 with an end effector 222 which, depending on the task, is designed as a tray, gripper, clamping device, tool or test equipment.
Vorzugsweise ist der Endeffektor 222 auf der Kinematik 221 als schnell wechselbare Komponente befestigt und/oder die Kinematik 221 als schnellwechselbare Komponente auf dem Gehäuse 21 , so dass der Transportkörper 2 durch manuellen oder automatischen Wechsel des Manipulators 22 oder des Endeffektors 222 schnell für eine neue Aufgabe gerüstet werden kann. Sie umfasst Strukturbauteile und Gelenke, die dem Endeffektor 222 mindestens einen Bewegungsfreiheitsgrad in Bezug auf das Gehäuse 21 verleihen. Ein Gelenk ist beispielsweise ein Drehlager, eine Linearführung, eine Führung mit Festkörpergelenken oder eine Kombination derselben. The end effector 222 is preferably fastened to the kinematics 221 as a quickly exchangeable component and/or the kinematics 221 as a quickly exchangeable component to the housing 21, so that the transport body 2 can be quickly set up for a new task by manually or automatically changing the manipulator 22 or the end effector 222 can be prepared. It includes structural components and joints that give the end effector 222 at least one degree of freedom of movement in relation to the housing 21 . A joint is, for example, a rotary bearing, a linear guide, a guide with solid-state joints or a combination of these.
Zur gesteuerten oder geregelten Bewegung der Kinematik 221 in ihrem mindestens einen Freiheitsgrad ist der Manipulator 22 über eine Kupplung 26 mit einer Antriebseinheit 24 verbunden, die Bewegungsenergie an die Kinematik 221 überträgt und eine kontrollierte Positionierung ermöglicht. Um eine Kinematik 221 mit mehreren Freiheitsgraden zu steuern, kann eine Antriebseinheit 24 mit mehreren Freiheitsgraden vorhanden sein oder mehrere Antriebseinheiten, die insgesamt alle Freiheitsgrade der Kinematik 221 bedienen. For the controlled or regulated movement of the kinematics 221 in its at least one degree of freedom, the manipulator 22 is connected to a drive unit 24 via a coupling 26, which transmits kinetic energy to the kinematics 221 and enables controlled positioning. In order to control kinematics 221 with multiple degrees of freedom, a drive unit 24 with multiple degrees of freedom can be present, or multiple drive units that serve all the degrees of freedom of kinematics 221 overall.
Fig. 1b zeigt einen rein mechanisch aufgebauten Transportkörper 2 mit einer mechanischen Antriebseinheit 24 für den Manipulator 22. Sie umfasst ein Magnetarray 241, welches über ein Lager 244 mit dem Gehäuse 21 des Transportkörpers 2 verbunden ist. Das Lager 244 ermöglicht dem Magnetarray 241 eine Bewegung in mindestens einem Freiheitsgrad in Bezug auf das Gehäuse 21. Die Magnetarrays 231 und 241 sind mit seitlichem Abstand auf der Unterseite des Transportkörpers 2 angeordnet, so dass beide im Wirkungsbereich des Levitationsfeldes liegen und die zwischen Ihnen wirkenden Kräfte und Momente klein sind im Verhältnis zu den Kräften und Momenten, die sie im Levitationsfeld erfahren.
Das Levitationsfeld des Stators 3 übt auf das bewegliche Magnetarray 241 eine vektorielle Kraft und ein vektorielles Moment aus. Der Kraftvektor und der Momentenvektor werden entlang der Führungsrichtung des Lagers 244 in zwei vektorielle Anteile aufgespalten, von denen der eine in Führungsrichtung des Lagers 244 wirkt und der andere orthogonal zur Führungsrichtung. Der Anteil in Führungsrichtung wird vom beweglichen Magnetarray 241 über einen Abtrieb 245, z.B. eine Welle oder eine Schubstange, und eine Kupplung 26 an die Kinematik 221 übertragen und kann diese in Bewegung setzen. Auch ein Getriebe kann vorgesehen sein, um die Umdrehungszahl des Abtriebes an die Umdrehungszahl der Kinematik 221 anzupassen. Der Anteil quer zur Führungsrichtung wird vom Magnetarray 241 über das Lager 244 an das Gehäuse 21 übertragen und beeinflusst dessen Bewegung, gemeinsam mit weiteren Magnetarrays. 1 b shows a transport body 2 of purely mechanical design with a mechanical drive unit 24 for the manipulator 22 . It comprises a magnet array 241 which is connected to the housing 21 of the transport body 2 via a bearing 244 . The bearing 244 allows the magnet array 241 to move in at least one degree of freedom in relation to the housing 21. The magnet arrays 231 and 241 are arranged at a lateral distance on the underside of the transport body 2, so that both are in the effective range of the levitation field and those acting between them Forces and moments are small in relation to the forces and moments they experience in the levitation field. The levitation field of the stator 3 exerts a vector force and a vector moment on the movable magnet array 241 . The force vector and the moment vector are split along the guiding direction of the bearing 244 into two vectorial components, one of which acts in the guiding direction of the bearing 244 and the other orthogonally to the guiding direction. The portion in the guiding direction is transmitted from the movable magnet array 241 via an output 245, for example a shaft or a connecting rod, and a clutch 26 to the kinematics 221 and can set them in motion. A gear can also be provided in order to adapt the number of revolutions of the output to the number of revolutions of the kinematics 221 . The proportion transverse to the guiding direction is transmitted from the magnet array 241 via the bearing 244 to the housing 21 and influences its movement, together with other magnet arrays.
Eine Codeanordnung 243 auf dem beweglichen Magnetarray 241 ermöglicht es, dessen Position in Bezug auf das Gehäuse 21 zu erfassen. Auf diese Weise kann die Position des Magnetarrays 241 geregelt werden. Mit einem mathematischen Modell des Manipulators 22 kann die Position des Magnetarrays 241 in die Position des Endeffektors 222 transformiert werden und umgekehrt, falls das Magnetarray 241 über die Kupplung 26 und die Kinematik 221 starr mit dem Endeffektor 222 gekoppelt ist. Durch Anwendung der Transformation kann auch die Position des Endeffektors 222 als Zielgröße für die Regelung vorgegeben werden. A code arrangement 243 on the movable magnet array 241 enables its position in relation to the housing 21 to be detected. In this way, the position of the magnet array 241 can be controlled. With a mathematical model of the manipulator 22, the position of the magnet array 241 can be transformed into the position of the end effector 222 and vice versa if the magnet array 241 is rigidly coupled to the end effector 222 via the coupling 26 and the kinematics 221. By using the transformation, the position of the end effector 222 can also be specified as a target variable for the regulation.
Für den Einsatz unter besonderen Umgebungsbedingungen wie bei For use under special environmental conditions as in
• Reinigung des Transportkörpers 2 (Trennung außen nass / innen trocken), • Cleaning of transport body 2 (separation wet on the outside / dry on the inside),
• Einsatz unter Vakuum (Trennung außen Vakuum / innen Gasfüllung), • Use under vacuum (separation of vacuum on the outside / gas filling on the inside),
• Lebensmittel- oder Pharma-Bereich (Trennung außen aseptisch / innen nicht aseptisch), • Food or pharmaceutical area (separation aseptic on the outside / non-aseptic on the inside),
• explosionsgeschützte Bereiche ist ein abgedichtetes Gehäuse 21 für den Transportkörper 2 sinnvoll. Dann kann die Kupplung 26 zwischen dem Abtrieb des Transportkörpers 2 und dem Manipulator 22 auch als Magnetkupplung mit berührungsloser Drehmomentübertragung ausgeführt sein. Beispielsweise ist das Gehäuse 21 des Transportkörpers 2 in einer Anwendung unter Vakuum dicht verschlossen, um die Atmosphäre im Transportkörper 2 von dem umgebenden Vakuum zu trennen. Da eine mechanische Drehdurchführung in der
Gehäusewandung die Dichtheit zerstören würde, kann eine Magnetkupplung vorteilhaft eingesetzt werden. • A sealed housing 21 for the transport body 2 is useful in explosion-proof areas. Then the coupling 26 between the output of the transport body 2 and the manipulator 22 can also be designed as a magnetic coupling with non-contact torque transmission. For example, the housing 21 of the transport body 2 is tightly closed in an application under vacuum in order to separate the atmosphere in the transport body 2 from the surrounding vacuum. Since a mechanical rotary union in the Housing wall would destroy the tightness, a magnetic coupling can be used advantageously.
In einer anderen Weiterbildung kann die Antriebseinheit 24 mit dem Manipulator 22 eine Baugruppe bilden. Beispielsweise kann das Magnetarray 241 und die Codeanordnung 243 in ein Gelenk der Kinematik 221 integriert sein, wobei das Lager 244 und die Kupplung 26 entfällt. Falls das Magnetarray 241 im Wirkungsbereich des Levitationsfeldes liegt, kann es über den Stator 3 mit Kräften und Momenten beaufschlagt werden, die dann direkt an die Kinematik 221 übertragen werden. Bei einem Austausch des Manipulators 22 wird zwangsläufig auch die Antriebseinheit 24 getauscht. In another development, the drive unit 24 can form an assembly with the manipulator 22 . For example, the magnet array 241 and the code arrangement 243 can be integrated into a joint of the kinematics 221, with the bearing 244 and the coupling 26 being omitted. If the magnet array 241 is in the effective range of the levitation field, it can be subjected to forces and moments via the stator 3, which are then transmitted directly to the kinematics 221. If the manipulator 22 is exchanged, the drive unit 24 is necessarily exchanged as well.
Der Manipulator 22 in Fig. 1a kann wahlweise elektrisch mit einem Elektromotor oder mechanisch mit der Antriebseinheit 24 angetrieben werden. Im erstgenannten Fall (elektrischer Antrieb) wird der Elektromotor über eine Elektronikeinheit 25 mit elektrischer Energie und mit Daten für die Sollposition versorgt. Im letzteren Fall (mechanischer Antrieb) kann auch eine Elektronikeinheit 25 im Gehäuse 21 vorgesehen sein um beispielsweise im Gehäuse 21 untergebrachte Positionssensoren mit Strom zu versorgen. The manipulator 22 in FIG. 1 a can be driven either electrically with an electric motor or mechanically with the drive unit 24 . In the first case (electric drive), the electric motor is supplied with electrical energy and data for the target position via an electronic unit 25 . In the latter case (mechanical drive), an electronics unit 25 can also be provided in the housing 21 in order, for example, to supply current to position sensors accommodated in the housing 21 .
Die Elektronikeinheit 25 umfasst folgende elektrische bzw. elektronische Komponenten, die optional im Transportkörper 2 vorhanden sind: einen Energiespeicher 251 , beispielsweise einen Akkumulator oder einen Kondensator, zur Bereitstellung der elektrischen Energie, sowie Verbraucher, beispielsweise The electronics unit 25 includes the following electrical or electronic components, which are optionally present in the transport body 2: an energy store 251, for example an accumulator or a capacitor, for providing the electrical energy, and consumers, for example
• eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle 252 zur Kommunikation mit einer Basiseinheit im Stator 3, • a wireless communication interface 252 for communication with a base unit in the stator 3,
• ein Sensorsystem zur Erfassung der Freiheitsgrade des Transportkörpers 2 und des Manipulators 22, • a sensor system for detecting the degrees of freedom of the transport body 2 and the manipulator 22,
• eine elektrische Antriebseinheit 24 für den Manipulator 22, • an electric drive unit 24 for the manipulator 22,
• eine Anwenderschnittstelle 253, die dem Anwender Energie- und Datenversorgung für zusätzliche anwendungsspezifische Einheiten auf dem Transportkörper 2 bereitstellt.
In einer bevorzugten Variante gemäß Fig. 1 b ist der Transportkörper 2 mit dem Manipulator 22 rein mechanisch bzw. passiv aufgebaut. Die Elektronikeinheit 25 entfällt. Das hat folgende Vorteile: • a user interface 253 which provides the user with energy and data supply for additional application-specific units on the transport body 2 . In a preferred variant according to FIG. 1b, the transport body 2 with the manipulator 22 is constructed purely mechanically or passively. The electronics unit 25 is omitted. This has the following advantages:
• Reduktion von Baugröße, Gewicht und Komplexität des Transportkörpers 2, • reduction in size, weight and complexity of the transport body 2,
• Einsparung der zum Laden eines Energiespeichers 251 erforderlichen Zeit und Fläche, • Saving the time and space required to charge an energy storage device 251,
• Ermöglichung bzw. Vereinfachung eines Einsatzes unter extremen Umgebungsbedingungen (beispielsweise hohe Temperatur, Vakuum, Hochdruck, Feuchtigkeit). • Enabling or simplifying use under extreme environmental conditions (e.g. high temperature, vacuum, high pressure, humidity).
Fig. 1c zeigt eine Variante eines rein mechanischen Aufbaus eines Transportkörpers 2, bei der eine kombinierte Antriebseinheit 24 für das Gehäuse 21 und den Manipulator 22 verwendet wird. Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen der Figs. 1a und 1b ist keines der Magnetarrays 241 fest mit dem Gehäuse 21 verbunden, jedes besitzt ein eigenes Lager 244 und eigene Bewegungsfreiheitsgrade. 1c shows a variant of a purely mechanical construction of a transport body 2, in which a combined drive unit 24 for the housing 21 and the manipulator 22 is used. In contrast to the exemplary embodiments of Figs. 1a and 1b, none of the magnet arrays 241 is permanently connected to the housing 21; each has its own bearing 244 and its own degrees of freedom of movement.
Die Lager 244 sind in Bezug auf das Gehäuse 21 so ausgelegt und angeordnet, dass jederzeit eine kontrollierte Bewegung des Gehäuses 21 in allen sechs Freiheitsgraden möglich ist. Falls ein Magnetarray 241 einen Freiheitsgrad des Gehäuses 21 nicht ansteuern kann, ist mindestens ein weiteres Magnetarray 241 vorhanden, welches diesen Freiheitsgrad bedient. Durch geeignete Konstruktion des Gehäuses 21 und der Lager 244 werden singuläre Stellungen der Magnetarrays 241 , bei denen das Gehäuse 21 nur in fünf oder weniger Freiheitsgraden steuerbar ist, ausgeschlossen. The bearings 244 are designed and arranged in relation to the housing 21 in such a way that a controlled movement of the housing 21 in all six degrees of freedom is possible at all times. If a magnet array 241 cannot control a degree of freedom of the housing 21, there is at least one further magnet array 241 which serves this degree of freedom. Appropriate design of housing 21 and bearings 244 eliminates singular positions of magnet arrays 241 where housing 21 is only controllable in five or fewer degrees of freedom.
Fig. 2 zeigt beispielhafte ringförmige Magnetarrays mit Permanentmagneten, die als gehäusefeste Magnetarrays 231 und als gegenüber dem Gehäuse 21 bewegliche Magnetarrays 241 eingesetzt werden können. 2 shows exemplary ring-shaped magnet arrays with permanent magnets, which can be used as magnet arrays 231 fixed to the housing and as magnet arrays 241 movable relative to the housing 21 .
Fig. 3 zeigt beispielhaft fünf verschiedene Anordnungen von Magnetarrays 231 ,3 shows five different arrangements of magnet arrays 231 ,
241 mit und ohne Lager 244 in einem Gehäuse 21 eines Transportkörpers 2. 241 with and without bearing 244 in a housing 21 of a transport body 2.
Fig. 3a: Das Gehäuse 21 trägt ein starr gekoppeltes Magnetarray 231 und ein in rZ drehbar gelagertes Magnetarray 241. Der Freiheitsgrad rZ kann als Antrieb für einen
Manipulator 22 verwendet werden, während die übrigen fünf Freiheitsgrade X, Y, Z, rX, rY des Magnetarrays 241 über das Lager und das Gehäuse 21 starr mit dem Magnetarray 231 gekoppelt sind. Sie stehen daher zusätzlich zum Antrieb des Gehäuses 21 zur Verfügung und erweitern den Arbeitsbereich der Kräfte und Momente, die auf das Gehäuse 21 ausgeübt werden können. Fig. 3a: The housing 21 carries a rigidly coupled magnet array 231 and a rotatably mounted magnet array 241 in rZ. The degree of freedom rZ can act as a drive for a Manipulator 22 can be used, while the remaining five degrees of freedom X, Y, Z, rX, rY of the magnet array 241 are rigidly coupled to the magnet array 231 via the bearing and the housing 21 . They are therefore available in addition to driving the housing 21 and expand the working range of the forces and moments that can be exerted on the housing 21.
Fig. 3b: Wie Fig. 3a, jedoch mit konzentrischer Anordnung der beiden Magnetarrays 231 und 241. Um die magnetische Kopplung zwischen den Magnetarrays 231, 241 zu minimieren, wird deren Abstand maximiert, indem der Innendurchmesser des Magnetarrays 231 deutlich größer ausgelegt wird als der Außendurchmesser des Magnetarrays 2.4.1. Fig. 3b: As Fig. 3a, but with a concentric arrangement of the two magnet arrays 231 and 241. In order to minimize the magnetic coupling between the magnet arrays 231, 241, their distance is maximized by making the inner diameter of the magnet array 231 significantly larger than the Outer diameter of the magnet array 2.4.1.
Fig. 3c: Ein Gehäuse 21 mit zwei jeweils in rZ drehbar gelagerten Magnetarrays 241 a und b. Auf dem Gehäuse 21 stehen somit zwei Freiheitsgrade zum Antrieb eines Manipulators 22 zur Verfügung. Entsprechend Fig. 1c ist keines der Magnetarrays 241 starr mit dem Gehäuse 12 verbunden. Dennoch ist das Gehäuse 21 in allen sechs Freiheitsgraden steuerbar. Insbesondere kann es in rZ durch eine Rotationsbewegung der beiden Magnetarrays 241 um ein gemeinsames Drehzentrum bewegt werden. 3c: A housing 21 with two magnet arrays 241a and b each rotatably mounted in rZ. Two degrees of freedom are thus available on the housing 21 for driving a manipulator 22 . According to FIG. 1c, none of the magnet arrays 241 is rigidly connected to the housing 12. FIG. Nevertheless, the housing 21 can be controlled in all six degrees of freedom. In particular, it can be moved in rZ by a rotational movement of the two magnet arrays 241 about a common center of rotation.
Fig. 3d: Diese Anordnung besitzt wie bei Fig. 3c zwei in rZ drehbar gelagerte Magnetarrays 241a und b, jedoch in konzentrischer Anordnung. Zusätzlich ist ein festes Magnetarray 231 vorhanden. Ohne das feste Magnetarray 231 wäre das Gehäuse 21 nicht in rZ steuerbar: da die Drehachsen von 241a und b zusammenfallen, kann kein Drehmoment Mz auf das Gehäuse 21 ausgeübt werden. Als Abtrieb für die konzentrisch angeordneten Magnetarrays 241a und b können beispielsweise zwei konzentrisch gelagerte Hohlwellen eingesetzt werden. FIG. 3d: As in FIG. 3c, this arrangement has two magnet arrays 241a and b mounted rotatably in rZ, but in a concentric arrangement. In addition, a fixed magnet array 231 is present. Without the fixed magnet array 231, the housing 21 would not be steerable in rZ: since the axes of rotation of 241a and b coincide, no torque Mz can be applied to the housing 21. For example, two concentrically mounted hollow shafts can be used as output for the concentrically arranged magnet arrays 241a and b.
Fig. 3e: Gehäuse 21 zum Antrieb eines Manipulators 22 mit drei Freiheitsgraden. Aufbau analog zu Fig. 3c, jedoch mit drei in rZ drehbar gelagerten Magnetarrays 241.a, b und c. Fig. 3e: Housing 21 for driving a manipulator 22 with three degrees of freedom. Structure analogous to FIG. 3c, but with three magnet arrays 241.a, b and c rotatably mounted in rZ.
Fig. 4 detailliert den Aufbau des Gehäuses 21 aus Fig. 3a durch eine Seitenansicht. Sie zeigt ein Drehlager 244, welches einen als Welle gebildeten Abtrieb 245 führt. Diese ist im Gehäuse 21 mit einem Magnetträger verbunden, der das
Magnetarray 241 trägt. Die Drehung des Magnetarrays 241 um die Z-Achse wird über den Abtrieb 245 auf dem Gehäuse 21 bereitgestellt bzw. an die Oberseite des Gehäuses 21 übertragen. FIG. 4 details the construction of the housing 21 from FIG. 3a through a side view. It shows a rotary bearing 244 which guides an output 245 formed as a shaft. This is connected to a magnet carrier in the housing 21, which Magnet array 241 carries. The rotation of the magnet array 241 about the Z-axis is provided via the output 245 on the housing 21 or transmitted to the top of the housing 21 .
Die Welle kann über die Kupplung 26 mit dem Manipulator 22 verbunden werden. Daneben befindet sich das Magnetarray 231 , das über den Magnetträger 232 fest mit dem Gehäuse 21 verbunden ist. Auf der Unterseite beider Magnetarrays 231 , 241 ist jeweils eine Codeanordnung 233, 243 angebracht. Durch einen transparenten Gehäuseboden 212 hindurch können die Codeanordnungen 233, 243 von den Kamera- Modulen 32 im Stator 3 gelesen werden (vgl. Fig. 7). The shaft can be connected to the manipulator 22 via the coupling 26 . Next to it is the magnet array 231 , which is firmly connected to the housing 21 via the magnet carrier 232 . A code arrangement 233, 243 is attached to the underside of both magnet arrays 231, 241 in each case. The code arrangements 233, 243 can be read by the camera modules 32 in the stator 3 through a transparent housing base 212 (cf. FIG. 7).
Fig. 5 zeigt das Gehäuse 2 aus Fig.4 in Verbindung mit einem zweistufigen linearen Manipulator 22 mit einem Freiheitsgrad. Genauer gesagt zeigt Fig. 5a in einer Ansicht von oben den kontrahierten Zustand des linearen Manipulators 22 und Fig. 5b in einer Ansicht von oben den extrahierten Zustand des linearen Manipulators 22 und Fig. 5c in einer Seitenansicht den kontrahierten Zustand des linearen Manipulators 22 und Fig. 5d in einer Seitenansicht den extrahierten Zustand des linearen Manipulators 22. FIG. 5 shows the housing 2 of FIG. 4 in connection with a two-stage linear manipulator 22 with one degree of freedom. More specifically, Fig. 5a is a top view showing the contracted state of the linear manipulator 22 and Fig. 5b is a top view showing the extracted state of the linear manipulator 22 and Fig. 5c is a side view showing the contracted state of the linear manipulator 22 and Fig 5d in a side view the extracted state of the linear manipulator 22.
Der lineare Manipulator 22 aus Figur 5 hat eine Linearführung als erste Stufe 2211 und eine darauf montierte Linearführung als zweite Stufe 2212. Auf der zweiten Stufe 2212 ist ein Endeffektor 222 zur Aufnahme einer Nutzlast 4 befestigt, hier dargestellt ein Wafer für die Halbleiterindustrie. Auf dem als Welle gebildeten Abtrieb 245 des Magnetarrays 241 ist eine Riemenscheibe 261 montiert, die über ein Transmissionsband 262 den zweistufigen linearen Manipulator 22 antreibt. Im kontrahierten Zustand hat der Transportkörper 2 mit Nutzlast 4 sehr kompakte Außenabmessungen, während der Manipulator 22 im expandierten Zustand ein weit neben dem Stator 3 liegendes Prozessnest in einer Prozessstation PM (vgl. Fig. 9 oder 10) erreichen kann, um es mit dem Wafer 4 zu beladen oder um einen Wafer 4 zu entnehmen. The linear manipulator 22 from FIG. 5 has a linear guide as the first stage 2211 and a linear guide mounted thereon as the second stage 2212. An end effector 222 for receiving a payload 4 is attached to the second stage 2212, here a wafer for the semiconductor industry is shown. A belt pulley 261 is mounted on the output 245 of the magnet array 241 , which is formed as a shaft, and drives the two-stage linear manipulator 22 via a transmission belt 262 . In the contracted state, the transport body 2 with the payload 4 has very compact external dimensions, while in the expanded state the manipulator 22 can reach a process nest in a process station PM (see FIG 4 to load or to remove a wafer 4.
Da der Manipulator 22 in seinem Freiheitsgrad frei positionierbar ist, kann der Endeffektor 222 auch Prozessnester an Zwischenpositionen zwischen den beiden Endlagen des Endeffektors 222 erreichen. Für Anwendungen mit höchsten
Sauberkeitsanforderungen, wie beispielsweise die Handhabung von Wafern 4 im Vakuum, werden bevorzugt Linearführungen oder Wälzlager eingesetzt, die zumindest teilweise aus Keramik bestehen, oder Festkörpergelenke. Since the manipulator 22 can be freely positioned in terms of its degree of freedom, the end effector 222 can also reach process nests at intermediate positions between the two end positions of the end effector 222 . For applications with the highest Cleanliness requirements, such as the handling of wafers 4 in a vacuum, are preferably used linear guides or roller bearings, which are at least partially made of ceramic, or flexure joints.
Fig. 6 zeigt den Transportkörper 2 aus Fig. 4 in Verbindung mit einem Knickarm- Manipulator 22 mit einem Freiheitsgrad. Genauer gesagt zeigt Fig. 6a in einer Ansicht von oben den kontrahierten Zustand des Knickarm-Manipulators 22 und Fig. 6b in einer Ansicht von oben den extrahierten Zustand des Knickarm-Manipulators 22 und Fig. 6c in einer Seitenansicht den kontrahierten Zustand des Knickarm-Manipulators 22 und Fig. 6d in einer Seitenansicht den extrahierten Zustand des Knickarm-Manipulators 22. FIG. 6 shows the transport body 2 from FIG. 4 in connection with an articulated arm manipulator 22 with one degree of freedom. More specifically, FIG. 6a is a top view showing the contracted state of the articulated manipulator 22, and FIG. 6b is a top view showing the extracted state of the articulated manipulator 22, and FIG. 6c is a side view showing the contracted state of the articulated manipulator 22 and Fig. 6d in a side view the extracted state of the articulated arm manipulator 22.
Wie der Manipulator 22 in Fig. 5 führt der Knickarm-Manipulator 22 aus Fig. 6 die Nutzlast 4 auf einer linearen Bahn und nimmt im kontrahierten Zustand kompakte Außenabmessungen an. Auch dieser Manipulator 22 ist frei positionierbar und kann Prozessnester in unterschiedlichem Abstand vom Transportkörper 2 aus erreichen.Like the manipulator 22 in FIG. 5, the articulated arm manipulator 22 from FIG. 6 guides the payload 4 on a linear path and assumes compact external dimensions in the contracted state. This manipulator 22 can also be freely positioned and can reach process nests at different distances from the transport body 2 .
Auch hier werden bevorzugt keramische Lager oder Festkörpergelenke eingesetzt, wenn höchste Sauberkeitsanforderungen zu erfüllen sind. Die Kinematik 221 ist über einen Montageflansch 223 mit dem Gehäuse 21 verbunden. Ceramic bearings or flexure joints are also preferred here if the highest cleanliness requirements have to be met. The kinematics 221 is connected to the housing 21 via a mounting flange 223 .
In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beförderungsvorrichtung mit dem Transportkörper 2 aus Fig. 5 auf dem Stator 3 dargestellt. Der Stator 3 ist hier aus drei gleichartigen Stator-Modulen gebildet. Im Schnittbild ist die regelmäßige Anordnung der Stellmagnete 31 und Aktuatoren im Stator 3 zu sehen, außerdem die regelmäßige Anordnung der Kamera-Module 32, welche die auf den Magnetarrays 231 , 241 angebrachten Codeanordnungen 233, 243 lesen. Die Codeanordnungen 233, 243 enthalten nicht nur die Positionsinformationen, sondern auch einen Identifikationscode, über den sie eindeutig einem Magnetarray 231 , 241 in einem spezifischen Transportkörper 2 zugeordnet werden können. Je nach Konstellation wird eine Codeanordnung 233, 243 gleichzeitig von mehreren Kamera- Modulen 32 erfasst, so dass jedes Magnetarray 231, 241 mehrfach lokalisiert wird.FIG. 7 shows an exemplary embodiment of the transport device according to the invention with the transport body 2 from FIG. 5 on the stator 3 . The stator 3 is formed here from three identical stator modules. The sectional view shows the regular arrangement of the actuating magnets 31 and actuators in the stator 3, as well as the regular arrangement of the camera modules 32, which read the code arrangements 233, 243 attached to the magnet arrays 231, 241. The code arrangements 233, 243 not only contain the position information, but also an identification code, via which they can be unambiguously assigned to a magnet array 231, 241 in a specific transport body 2. Depending on the constellation, a code arrangement 233, 243 is recorded simultaneously by a number of camera modules 32, so that each magnet array 231, 241 is localized several times.
Diese Redundanz kann genutzt werden, um die Genauigkeit der Positionserfassung der Codeanordnung 233, 243 durch Mittelung zu steigern. Die Kamera-Module 32 liefern die Positions- und Identifikationsdaten der erfassten Codeanordnungen 233, 243 an die
Anlagensteuerung, die daraus die Ist-Position des Transportkörpers 2 und des Manipulators 22 ermittelt. This redundancy can be used to increase the accuracy of the position detection of the code arrangement 233, 243 by averaging. The camera modules 32 supply the position and identification data of the detected code arrangements 233, 243 to the Plant control, which determines the actual position of the transport body 2 and the manipulator 22.
Die Bewegungssteuerung des erfindungsgemäßen Transportkörpers 2 mit Manipulator 22 stellt bezüglich der Anzahl der Freiheitsgrade erhöhte Anforderungen an die Steuerung der Stellmagnete 31 im Stator 3. Während ein aus dem Stand der Technik bekannter Transportkörper 2 üblicherweise sechs Bewegungsfreiheitsgrade besitzt, hat der vorgeschlagene mechanische Transportkörper 2 mit Manipulator 22 mehr als sechs Freiheitsgrade. Die Anzahl ergibt sich aus der Summe der Freiheitsgrade des Gehäuses 21 und des Manipulators 22. Wenn beispielsweise der Manipulator 22 einen Freiheitsgrad besitzt, hat der Transportkörper 2 insgesamt 7 (= 6 + 1) Freiheitsgrade. The movement control of the transport body 2 according to the invention with manipulator 22 places increased demands on the control of the actuating magnets 31 in the stator 3 in terms of the number of degrees of freedom. While a transport body 2 known from the prior art usually has six degrees of freedom of movement, the proposed mechanical transport body 2 with manipulator has 22 more than six degrees of freedom. The number results from the sum of the degrees of freedom of the housing 21 and the manipulator 22. If, for example, the manipulator 22 has one degree of freedom, the transport body 2 has a total of 7 (=6+1) degrees of freedom.
Fig. 8 zeigt ein Verfahren zur Steuerung der Bewegungsbahn eines Transportkörpers 2 mit Manipulator 22. Das Verfahren ist als Algorithmus in der Anlagensteuerung implementiert. Die folgenden Schritte a) - e) werden in einer Programmschleife zyklisch mit einer festen Frequenz im Bereich von etwa 100Flz - 10.000Hz ausgeführt: a) Die Position des Transportkörpers 2 wird in allen Freiheitsgraden mittels verteilter Positionssensoren, insbesondere mit Kamera-Modulen 32, im Stator 3 oder im Transportkörper 2 erfasst. Diese beobachten Codeanordnungen 233, 243 auf einem Magnetarray 231 , 241 oder auf anderen bewegten Teilen und leiten daraus die relative Position zwischen dem Positionssensor und der Codeanordnung 233, 243 ab. Alle Positionsinformationen werden an die Anlagensteuerung übertragen. b) In der Anlagensteuerung ist ein kinematisches Modell der Beförderungsvorrichtung hinterlegt, in dem die Geometrie der Bauelemente sowie die Orte der Gelenke, Lager, Positionssensoren und der Codeanordnungen 233, 243 beschrieben sind. Mittels einer geometrischen Transformation wird aus dem Modell und den Daten der Positionssensoren die Ist-Position aller Magnetarrays 231 , 241 im Stator- Koordinatensystem berechnet. c) Die Positionsabweichung der Magnetarrays 231, 241 wird als Differenz der Ist- Position der Magnetarrays 231, 241 von einer vorgegebenen Soll-Position in allen Freiheitsgraden berechnet. Um den Transportkörper 2 mit Manipulator 22 dynamisch
auf einer Soll-Trajektorie zu führen, wird die Sollposition in jedem Schleifendurchlauf inkrementeil entsprechend der Soll-Trajektorie verändert. d) Ein Positionsregler überführt die Positionsabweichungen in eine vektorielle Soll- Kraft und ein vektorielles Soll-Moment für jedes Magnetarray 231 , 241. Dies wird beispielsweise mit einem PID-Algorithmus erreicht, der für jeden der beteiligten Freiheitsgrade angewandt wird. e) Die Kraft-/Momentensteuerung ermittelt die Soll-Position der Stellmagnete 31 im Stator 3 aus der vektoriellen Soll-Kraft und dem Soll-Moment aller Magnetarrays 231, 241 und der Ist-Position aller Magnetarrays 231, 241 und der Ist-Position aller Stellmagnete 31 im Stator 3 und einem geometrischen Modell aller Magnetarrays 231 , 241 und einem physikalischen Modell der magnetischen Wechselwirkung. Die Sollposition wird so optimiert, dass bei Einstellung der Sollposition aller Stellmagnete 31 im Modell die vorhergesagten vektoriellen Kräfte und Momente, die auf alle Magnetarrays 231, 241 wirken, bestmöglich mit den Soll-Kräften und Soll-Momenten übereinstimmen. Dazu wird mit Hilfe einer Fehlerfunktion ein Maß berechnet, welches die Abweichung der modellierten Kräfte und -Momente von den Soll-Kräften und - Momenten als Zahlenwert ausdrückt. Diese Fehlerfunktion erstreckt sich auf alle beteiligten Magnetarrays 231, 241 und alle ihre Freiheitsgrade. Zur Minimierung der Fehlerfunktion wird beispielsweise ein Optimierungsalgorithmus oder ein Neuronales Netz verwendet. f) Ausgabe der Sollwinkel an die Aktuatoren der Stellmagnete 31. FIG. 8 shows a method for controlling the movement path of a transport body 2 with a manipulator 22. The method is implemented as an algorithm in the system control. The following steps a) - e) are carried out cyclically in a program loop with a fixed frequency in the range of about 100Hz - 10,000Hz: a) The position of the transport body 2 is determined in all degrees of freedom by means of distributed position sensors, in particular with camera modules 32, im Stator 3 or in the transport body 2 detected. These observe code arrangements 233, 243 on a magnet array 231, 241 or on other moving parts and derive the relative position between the position sensor and the code arrangement 233, 243 from this. All position information is transmitted to the system control. b) A kinematic model of the transport device is stored in the system control, in which the geometry of the components and the locations of the joints, bearings, position sensors and the code arrangements 233, 243 are described. The actual position of all magnet arrays 231, 241 in the stator coordinate system is calculated from the model and the data from the position sensors by means of a geometric transformation. c) The positional deviation of the magnet arrays 231, 241 is calculated as the difference between the actual position of the magnet arrays 231, 241 and a predetermined desired position in all degrees of freedom. To the transport body 2 with manipulator 22 dynamic on a target trajectory, the target position is changed incrementally in each loop run according to the target trajectory. d) A position controller converts the position deviations into a vectorial target force and a vectorial target moment for each magnet array 231, 241. This is achieved, for example, with a PID algorithm that is applied for each of the degrees of freedom involved. e) The force/torque control determines the target position of the actuating magnets 31 in the stator 3 from the vectorial target force and the target torque of all magnet arrays 231, 241 and the actual position of all magnet arrays 231, 241 and the actual position of all Adjusting magnets 31 in the stator 3 and a geometric model of all magnet arrays 231, 241 and a physical model of the magnetic interaction. The target position is optimized in such a way that when the target position of all adjusting magnets 31 in the model is set, the predicted vectorial forces and moments that act on all magnet arrays 231, 241 match the target forces and target moments as best as possible. For this purpose, a measure is calculated with the help of an error function, which expresses the deviation of the modeled forces and moments from the target forces and moments as a numerical value. This error function extends to all magnet arrays 231, 241 involved and all their degrees of freedom. For example, an optimization algorithm or a neural network is used to minimize the error function. f) Output of the target angle to the actuators of the positioning magnets 31.
Fig. 9 zeigt schematisch eine Fertigungsanlage für die Halbleiterindustrie. Eine Vakuum-Transportraum VK ist mit einem Glasboden ausgerüstet, wobei die Module des Stators 3 außerhalb des Vakuum-Bereiches unter dem Transportraum VK montiert sind, so dass das Levitationsfeld durch den Glasboden in die Transportraum VK eindringt. In dem Transportraum VK schweben drei Transportkörper 2a, 2b und 2c im Levitationsfeld: die Transportkörper 2a und 2b befinden sich im kontrahierten Zustand, während sich Transportkörper 2c zur Beschickung eines kreisbogenförmigen Prozessnestes einer Prozessstation PM im expandierten Zustand befindet. Durch den gleichzeitigen Betrieb mehrerer Transportkörper 2 an unterschiedlichen Prozessstationen PM wird ein hoher Wafer-Durchsatz erreicht. Außerdem können Wafer 4 in individueller Reihenfolge durch die Prozessstationen PM befördert werden,
so dass in einer variantenreichen Produktion verschiedene Prozessabläufe in einer Fertigungsanlage realisiert werden können. 9 schematically shows a production plant for the semiconductor industry. A vacuum transport space VK is equipped with a glass floor, with the modules of the stator 3 being mounted outside the vacuum area under the transport space VK, so that the levitation field penetrates the transport space VK through the glass floor. Three transport bodies 2a, 2b and 2c float in the levitation field in the transport space VK: the transport bodies 2a and 2b are in the contracted state, while the transport body 2c is in the expanded state for loading an arc-shaped process nest of a process station PM. A high wafer throughput is achieved by the simultaneous operation of a plurality of transport bodies 2 at different process stations PM. In addition, wafers 4 can be conveyed through the process stations PM in an individual order, so that in a multi-variant production, different process sequences can be realized in one production plant.
Fig. 10 zeigt in vier zeitlichen Schritten 1 bis 4 eine Methode zum schnellen Wechsel eines Wafers 4 in einem kreisbogenförmig dargestellten Prozessnest einer Prozessstation PM, so dass die Prozesspause zwischen zwei aufeinanderfolgenden Prozessabläufen in der Prozessstation PM minimal wird. Dazu befinden sich zwei Transportkörper 2a und 2b nebeneinander vor der Prozessstation PM. Zwischen Schritt 2 und Schritt 3 entnimmt Transportkörper 2a den prozessierten Wafer 4a aus der der Prozessstation PM und befördert es durch Kontraktion seines Manipulators 22 über sein Gehäuse 21. Während der Kontraktionsbewegung von Transportkörper 2a führt Transportkörper 2b eine Expansionsbewegung aus, um den nächsten zu bearbeitenden Wafer 4b in die Prozessstation PM einzuführen. 10 shows, in four temporal steps 1 to 4, a method for quickly changing a wafer 4 in a process nest of a process station PM shown in the form of a circular arc, so that the process pause between two consecutive process sequences in the process station PM is minimal. For this purpose, two transport bodies 2a and 2b are located side by side in front of the process station PM. Between step 2 and step 3, transport body 2a removes the processed wafer 4a from the process station PM and transports it via its housing 21 by contracting its manipulator 22. During the contraction movement of transport body 2a, transport body 2b performs an expansion movement in order to move the next wafer to be processed 4b to be introduced into the process station PM.
Dabei können sich die Konturen der Wafer 4 in der X/Y-Ebene zeitweise überlappen. Zur Vermeidung von Kollisionen werden die Endeffektoren 222 der beiden Transportkörper 2a, 2b auf unterschiedlicher Flöhe oder in unterschiedlicher Neigung geführt. The contours of the wafers 4 can temporarily overlap in the X/Y plane. To avoid collisions, the end effectors 222 of the two transport bodies 2a, 2b are guided on different surfaces or at different inclinations.
Fig. 11a zeigt eine Methode zur Übergabe eines Wafers 4 ohne Zwischenablage von einem Transportkörper 2a an einen anderen Transportkörper 2b. FIG. 11a shows a method for transferring a wafer 4 from one transport body 2a to another transport body 2b without intermediate storage.
In der Darstellung aus Fig. 11 b wird gemäß einer ersten Variante der Methode aus Fig. 11 a der Wafer 4 mit einem symmetrisch aufgebauten Endeffektor 222a transportiert, wobei das Wafer-Zentrum seitlich neben der Symmetrielinie des Endeffektors 222a liegt. Ein zweiter, gleichartiger Endeffektor 222b, ist um 180° gedreht, nähert sich von der Gegenseite her an und wird unter den Wafer 4 geführt. Die Fingerpaare der beiden Endeffektoren 222a, 222b sind seitlich versetzt, so dass sie nicht kollidieren. Bezüglich der Symmetrielinie des Endeffektors 222b ist das Wafer- Zentrum seitlich versetzt. Die Übergabe erfolgt durch eine Aufwärtsbewegung von Endeffektor 222b und eine Abwärtsbewegung von Endeffektor 222a. In the illustration from FIG. 11b, according to a first variant of the method from FIG. 11a, the wafer 4 is transported with a symmetrically constructed end effector 222a, the wafer center lying laterally next to the line of symmetry of the end effector 222a. A second end effector 222b of the same type is rotated by 180°, approaches from the opposite side and is guided under the wafer 4. The pairs of fingers of the two end effectors 222a, 222b are laterally offset so that they do not collide. The center of the wafer is offset laterally with respect to the line of symmetry of the end effector 222b. The handover occurs by an upward movement of end effector 222b and a downward movement of end effector 222a.
In der Darstellung aus Fig. 11c sind gemäß einer zweiten Variante der Methode aus Fig. 11a die jeweiligen Finger an den Endeffektoren 222a, 222b leicht
asymmetrisch angebracht, so dass zwei 180° zueinander versetzte Endeffektoren 222a, 222b sich entlang einer gedachten Mittellinie kollisionsfrei aufeinanderzu bewegen können. In the representation from FIG. 11c, according to a second variant of the method from FIG. 11a, the respective fingers on the end effectors 222a, 222b are light attached asymmetrically, so that two end effectors 222a, 222b offset from one another by 180° can move towards one another along an imaginary center line without colliding.
Fig. 12 zeigt eine Methode zur Übergabe des Wafers 4, dessen Winkellage im vollen Bereich von 360° verändert werden kann. Dazu erfolgt eine Übergabe von einem ersten Transportkörper 2a mit Manipulator 22 an einen zweiten Transportkörper 2b, der als kreisförmige Scheibe ausgestaltet ist, oder dessen Gehäuse an seiner Oberseite eine kreisförmige Fläche hat. Der zweite Transportkörper 2b nimmt den Wafer 4 zentrisch auf (Schritt 2). Der zweite Transportkörper 2b dient als Zwischenablage für den Wafer 4. Dabei erfolgt die Drehung des Wafers 4 um einen vorgegebenen Winkel um die Z-Achse (Schritt 3). Danach übernimmt ein dritter Transportkörper 2c mit Manipulator 22 den Wafer 4 in neuer Ausrichtung (Schritt 4). 12 shows a method for transferring the wafer 4, the angular position of which can be changed in the full range of 360°. For this purpose, a transfer takes place from a first transport body 2a with a manipulator 22 to a second transport body 2b, which is designed as a circular disk or whose housing has a circular surface on its upper side. The second transport body 2b picks up the wafer 4 centrally (step 2). The second transport body 2b serves as an intermediate deposit for the wafer 4. The wafer 4 is rotated by a predetermined angle about the Z axis (step 3). Then a third transport body 2c with a manipulator 22 takes over the wafer 4 in a new orientation (step 4).
Eine weitere Variante zur Ausrichtung der Drehlage eines Wafers 4 mit nur einem Transportkörper 2 wird im Folgenden beschrieben. Auf einem Transportkörper 2 sind zwei Manipulatoren 22 installiert. Ein erster Manipulator 22 besitzt zwei Freiheitsgrade, einen zur Kontraktion/Expansion des Endeffektors 222 in radialer Richtung (wie zuvor beschrieben) und einen Weiteren zum Flub des Endeffektors 222 in Z-Richtung. Ein zweiter Manipulator 22 übernimmt die Ausrichtung der Drehlage des Wafers 4. Er besitzt einen Freiheitsgrad, die Drehung um die zur Transportebene senkrechte Z- Achse, und einen Endeffektor 222 zur zentrischen Aufnahme des Wafers 4. Damit kann ein auf dem Endeffektor 222 liegender Wafer 4 um seinen Mittelpunkt gedreht werden. Diese Anordnung ermöglicht es, mit nur einem Transportkörper 2 ein Wafer 4 aus einem Prozessnest zu entnehmen, zu transportieren, die Drehlage während des Transportes auszurichten und den Wafer 4 am Zielort in der vorgesehenen Drehlage abzulegen. Dazu ist folgender Bewegungsablauf vorgesehen: a) Entnahme des Wafers 4 aus dem Prozessnest: Am Bereitstellungsort fährt der erste Manipulator 22 seinen Endeffektor 222 unter das im Prozessnest liegende Wafer 4. Nach einer Hubbewegung liegt der Wafer 4 auf dem Endeffektor 222. b) Kontraktionsbewegung des ersten Manipulators 22. Anschließend befindet sich der Wafer 4 über dem Transportkörper 2, unter dem Wafer 4 liegt jetzt zentrisch der zweite Manipulator 22.
c) Übergabe des Wafers 4 vom ersten Manipulator 22 an den zweiten Manipulator 22 durch eine Abwärtsbewegung des ersten Manipulators 22. d) Ausrichtung der Drehlage des Wafers 4 durch Drehung des zweiten Manipulators 22. Zur Ausrichtung in Bezug auf eine Kerbe im Rand des Wafers 4 (Notch) kann ein Sensor vorgesehen sein, der während der Drehbewegung die Lage der Kerbe überwacht. e) Übergabe des Wafers 4 vom zweiten Manipulator 22 an den ersten Manipulator 22, durch eine Hubbewegung des ersten Manipulators 22. Der Wafer 4 liegt jetzt in der vorgesehenen Drehlage auf dem ersten Manipulator 22. f) Ablage des Wafers 4 am Zielort mit dem ersten Manipulator 22. A further variant for aligning the rotational position of a wafer 4 with only one transport body 2 is described below. Two manipulators 22 are installed on a transport body 2 . A first manipulator 22 has two degrees of freedom, one to contract/expand the end effector 222 in the radial direction (as previously described) and another to flow the end effector 222 in the Z direction. A second manipulator 22 assumes the alignment of the rotational position of the wafer 4. It has one degree of freedom, the rotation about the Z axis perpendicular to the transport plane, and an end effector 222 for the central reception of the wafer 4. A wafer 4 lying on the end effector 222 can be rotated around its center. This arrangement makes it possible to remove a wafer 4 from a process nest with just one transport body 2, to transport it, to align the rotational position during transport and to deposit the wafer 4 at the destination in the intended rotational position. The following sequence of movements is provided for this purpose: a) Removal of the wafer 4 from the process nest: At the preparation location, the first manipulator 22 moves its end effector 222 under the wafer 4 lying in the process nest. After a lifting movement, the wafer 4 lies on the end effector 222. b) Contraction movement of the first manipulator 22. The wafer 4 is then located above the transport body 2, and the second manipulator 22 is now located centrally under the wafer 4. c) Transfer of the wafer 4 from the first manipulator 22 to the second manipulator 22 by a downward movement of the first manipulator 22. d) Alignment of the rotational position of the wafer 4 by rotation of the second manipulator 22. For alignment in relation to a notch in the edge of the wafer 4 (Notch), a sensor can be provided which monitors the position of the notch during the rotary movement. e) Transfer of the wafer 4 from the second manipulator 22 to the first manipulator 22 by a lifting movement of the first manipulator 22. The wafer 4 is now in the intended rotational position on the first manipulator 22. f) Depositing the wafer 4 at the destination with the first Manipulator 22.
Offenbart ist eine Beförderungsvorrichtung, die zum Befördern einer oder mehrerer Nutzlasten 4, insbesondere Wafer, mittels Transportkörper 2 ausgelegt ist.A transport device is disclosed which is designed to transport one or more payloads 4 , in particular wafers, by means of transport body 2 .
Die Transportkörper 2 sind schwebend über einer Transportfläche 33 eines Stators 3 bewegbar und positionierbar. Vorzugsweise erfolgt das Bewegen und das Positionieren bezüglich aller sechs Freiheitsgrade. Der Transportkörper 2 hat einen bewegbaren Ausleger oder einen bewegbaren Manipulator 22 oder einen bewegbaren Roboterarm. An dessen Endeffektor 222 kann die Nutzlast 4 abgelegt oder fixiert werden. Bei Weiterbildungen kann die Nutzlast 4 auch bearbeitet und/oder geprüft werden. Die Bearbeitung und/oder Prüfung kann auch von einem Endeffektor 222 eines weiteren Transportkörpers 2 derselben Beförderungsvorrichtung ausgeführt werden.
The transport bodies 2 can be moved and positioned in a floating manner over a transport surface 33 of a stator 3 . The movement and the positioning preferably take place with respect to all six degrees of freedom. The transport body 2 has a movable boom or a movable manipulator 22 or a movable robot arm. The payload 4 can be placed or fixed on its end effector 222 . In further developments, the payload 4 can also be processed and/or checked. The processing and/or checking can also be carried out by an end effector 222 of a further transport body 2 of the same transport device.
Bezugszeichenliste: Reference list:
2 Transportkörper 2 transport bodies
21 Gehäuse 21 housing
212 Gehäuseboden 212 case back
22 Manipulator 22 manipulator
221 Kinematik 221 kinematics
2211 erste Stufe 2211 first stage
2212 zweite Stufe 2212 second stage
222 Endeffektor 222 end effector
223 Montageflansch 223 mounting flange
23 Antriebseinheit (für Gehäuse) 23 drive unit (for housing)
231 gehäusefestes Magnetarray 231 body fixed magnet array
232 Magnetträger 232 magnet carrier
233 Codeanordnung (für Gehäuse) 233 code arrangement (for housing)
24 Antriebseinheit (für Manipulator) 241 Magnetarray (gegenüber Gehäuse beweglich)24 Drive unit (for manipulator) 241 Magnet array (movable relative to housing)
243 Codeanordnung (für Manipulator) 243 code arrangement (for manipulator)
244 Lager (für Magnetarray gegenüber Gehäuse)244 bearing (for magnet array opposite housing)
245 Abtrieb 245 downforce
25 Elektronikeinheit 25 electronics unit
251 Energiespeicher 251 energy storage
252 Kommunikationsschnittstelle 252 communication interface
253 Anwenderschnittstelle 253 user interface
26 Kupplung 261 Riemenscheibe 262 Transmissionsband 26 clutch 261 pulley 262 transmission belt
3 Stator 3 stator
31 Stellmagnet 31 Solenoid
32 Kamera-Modul 32 camera module
33 Transportfläche 33 transport surface
4 Nutzlast / Wafer
LL Load Lock4 payload/wafer LL LoadLock
PM ProzessstationPM process station
VK Transportraum
VK transport space
Claims
1. Beförderungsvorrichtung zum Befördern mindestens einer Nutzlast (4), wobei jeder Nutzlast (4) mindestens ein Transportkörper (2, 2a, 2c) zugeordnet ist, der schwebend über einer Transportfläche (33) eines Stators (3) bewegbar und positionierbar ist, wobei sich zwischen einem Endeffektor (222) und einem Gehäuse (21) des Transportkörper (2) ein Ausleger oder Manipulator (22) oder Roboterarm erstreckt, wobei der Endeffektor (222) in Wirkverbindung mit der Nutzlast (4) bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausleger oder Manipulator (22) oder Roboterarm mindestens einen ersten Bewegungsfreiheitsgrad des Endeffektors (222) gegenüber dem Gehäuse (21) ermöglicht und steuert. 1. Transport device for transporting at least one payload (4), each payload (4) being assigned at least one transport body (2, 2a, 2c) which can be moved and positioned in a floating manner over a transport surface (33) of a stator (3), wherein a boom or manipulator (22) or robot arm extends between an end effector (222) and a housing (21) of the transport body (2), wherein the end effector (222) can be brought into operative connection with the payload (4), characterized in that the cantilever or manipulator (22) or robot arm enables and controls at least a first degree of freedom of movement of the end effector (222) relative to the housing (21).
2. Beförderungsvorrichtung nach Anspruch 1 , wobei der erste Bewegungsfreiheitsgrad ein veränderlicher Abstand des Endeffektors (222) zum Gehäuse (21) entlang der oder parallel zur Transportfläche (33) ist. 2. Conveyance device according to claim 1, wherein the first degree of freedom of movement is a variable distance of the end effector (222) to the housing (21) along or parallel to the transport surface (33).
3. Beförderungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wirkverbindung ein Tragen und/oder eine Handhabung und/oder eine Positionierung und/oder eine Fixierung und/oder eine Bearbeitung und/oder eine Prüfung ist, die vom Endeffektor (222) an der Nutzlast (4) ausführbar ist. 3. Conveyance device according to one of the preceding claims, wherein the operative connection is carrying and/or handling and/or positioning and/or fixing and/or processing and/or testing carried out by the end effector (222) on the payload (4) is executable.
4. Beförderungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ausleger oder Manipulator (22) oder Roboterarm eine Kinematik (221) mit zumindest zwei Stufen (2211 , 2212) oder Abschnitten aufweist. 4. Conveyance device according to one of the preceding claims, wherein the boom or manipulator (22) or robot arm has a kinematic system (221) with at least two stages (2211, 2212) or sections.
5. Beförderungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Stufen (2211 , 2212) oder Abschnitte gegeneinander linearverschieblich oder schwenkbar sind. 5. Conveying device according to claim 4, wherein the steps (2211, 2212) or sections are linearly displaceable or pivotable relative to one another.
6. Beförderungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei seitlich benachbart zur Transportfläche (33) mehrere Prozessstationen (PM) zur Bearbeitung der Nutzlast (4) angeordnet sind.
6. Conveyance device according to one of the preceding claims, wherein a plurality of process stations (PM) for processing the payload (4) are arranged laterally adjacent to the transport surface (33).
7. Beförderungsvorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 6, wobei in den Prozessstationen (PM) Prozessnester angeordnet sind, die einen seitlichen Abstand zur Transportfläche (33) aufweisen, wobei der Abstand mit dem Ausleger oder Manipulator (22) oder Roboterarm in seinem extrahierten Zustand überbrückbar ist. 7. Conveying device according to claims 2 and 6, wherein process nests are arranged in the process stations (PM) which have a lateral distance to the transport surface (33), the distance being able to be bridged with the boom or manipulator (22) or robot arm in its extracted state is.
8. Beförderungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem kontrahierten Zustand des Auslegers oder Manipulators (22) oder Roboterarms ein Mittelpunkt der Nutzlast (4) oder die Nutzlast (4) abschnittsweise oder die Nutzlast (4) vollständig über dem Gehäuse (21) des Transportkörpers (2) angeordnet ist. 8. Conveyor device according to one of the preceding claims, wherein in a contracted state of the boom or manipulator (22) or robot arm a center point of the payload (4) or the payload (4) in sections or the payload (4) completely above the housing (21) of the transport body (2) is arranged.
9. Beförderungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Gehäuse (21) des Transportkörpers (2) mindestens ein Magnetarray (231) aufgenommen und befestigt ist, das in magnetische Wechselwirkung mit dem Stator (3) bringbar und von diesem bewegbar ist. 9. Conveying device according to one of the preceding claims, wherein in the housing (21) of the transport body (2) at least one magnet array (231) is received and fixed, which can be brought into magnetic interaction with the stator (3) and moved by it.
10. Beförderungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Gehäuse (21) des Transportkörpers (2) mindestens ein Magnetarray (241) beweglich aufgenommen ist, das an den Ausleger oder Manipulator (22) oder Roboterarm mechanisch gekoppelt ist, und das in magnetische Wechselwirkung mit dem Stator (3) bringbar und von diesem bewegbar ist. 10. Conveyance device according to one of the preceding claims, wherein at least one magnet array (241) is movably accommodated in the housing (21) of the transport body (2), which is mechanically coupled to the boom or manipulator (22) or robot arm, and which interacts magnetically can be brought with and moved by the stator (3).
11. Beförderungsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Magnetarray (241 ) rotierbar in einem Lager (244) gelagert ist, und wobei an dem Magnetarray (241) drehfest eine Riemenscheibe (261) befestigt oder gekoppelt ist, die über ein Transmissionsband (262) mechanisch an den Ausleger oder Manipulator (22) oder Roboterarm gekoppelt ist. 11. Conveyance device according to claim 10, wherein the magnet array (241) is rotatably mounted in a bearing (244), and wherein a pulley (261) is rotatably fixed or coupled to the magnet array (241) via a transmission belt (262) mechanically is coupled to the boom or manipulator (22) or robotic arm.
12. Beförderungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zwei Transportkörpern (2), deren - vorzugsweise symmetrische - Endeffektoren (222a, 222b) mit seitlichem Versatz aufeinander zu bewegbar sind.
12. Conveying device according to one of the preceding claims, with two transport bodies (2) whose - preferably symmetrical - end effectors (222a, 222b) are movable towards one another with a lateral offset.
13. Beförderungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit zwei Transportkörpern (2), deren Endeffektoren (222a, 222b) zwei asymmetrische Finger haben. 13. Conveyance device according to one of claims 1 to 11, with two transport bodies (2) whose end effectors (222a, 222b) have two asymmetrical fingers.
14. Beförderungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem zusätzlichen Transportkörper (2b), dessen Gehäuse (21) eine drehbare Scheibe ist oder hat. 14. Conveying device according to one of the preceding claims, with an additional transport body (2b) whose housing (21) is or has a rotatable disk.
15. Beförderungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei über der Transportfläche (33) ein Transportraum (VK) gebildet ist, in dem ein Gas oder ein Gasgemisch oder eine Flüssigkeit, oder ein Vakuum oder ein Ultra- Hochvakuum oder ein aseptischer Bereich oder ein ABC geschützter Bereich vorgesehen ist, und wobei der mindestens eine Transportkörper (2) in dem Transportraum (VK) aufgenommen ist.
15. Conveying device according to one of the preceding claims, wherein a transport space (VK) is formed above the transport surface (33), in which a gas or a gas mixture or a liquid, or a vacuum or an ultra-high vacuum or an aseptic area or an ABC protected area is provided, and wherein the at least one transport body (2) is accommodated in the transport space (VK).
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