TW202012128A - 配備有彎管硬停件之機械臂總成 - Google Patents

Abstract

提供一種機器人，該機器人包括：一輪轂；一彎管接頭；一腕總成；一第一上部臂，該第一上部臂在其一第一端上可旋轉地附接至該輪轂，且在其一第二端上附接至該彎管接頭；一第一下部臂，該第一下部臂在其一第一端上附接至該彎管接頭，且在其一第二端上附接至該腕總成；及一硬停件，該硬停件延伸越過該彎管接頭及該下部臂之一部分。該硬停件在其中具有一孔隙，該下部臂延伸穿過該孔隙。該機器人能夠在一第一組態與一第二組態之間移動，在該第一組態中，該腕總成與該輪轂相距一最小距離，且在該第二組態中，該腕總成與該輪轂相距一最大距離。在該機器人自該第二組態移動到該第一組態時，該下部臂朝著該上部臂旋轉。該硬停件具有一外表面區，在該機器人處於該第一組態時，該外表面區鄰接該上部臂。

Description

配備有彎管硬停件之機械臂總成

相關申請案之交叉引用

本申請案主張2018年6月27日提交、具有同一發明人且標題為「ROBOTIC ARM ASSEMBLY EQUIPPED WITH ELBOW HARD STOP」之美國專利申請案第62/690,854號的優先權之利益，該申請案以引用方式整體併入本文中。

本申請案大體上係關於機械臂總成，且更明確而言，係關於配備有彎管硬停件之臂總成。

在典型半導體製造製程中，單個晶圓可經歷若干順序處理步驟，包括但不限於化學氣相沈積(CVD)、物理氣相沈積(PVD)、蝕刻、平面化及離子植入。此等處理步驟通常藉由機器人執行，部分原因係機器人能夠快速地且準確地執行重複之任務且在會給人造成危險之環境中工作。

諸多現代半導體處理系統以機器人集群工具為中心，該等機器人集群工具對若干處理腔室進行整合。此種佈置允許在高度可控之處理環境內對晶圓執行多個順序處理步驟，且因此使晶圓暴露於外部污染物最小化。可選擇集群工具中腔室之組合以及利用彼等腔室時之操作條件及參數以使用特定之製程配方及製程流程來製造特定結構。一些常用之處理腔室包括除氣腔室、基板預調節腔室、冷卻腔室、轉移腔室、化學氣相沈積腔室、物理氣相沈積腔室及蝕刻腔室。

已知集群工具之一個實例在U.S. 6,222,337 (Kroeker等人)中揭示，本文中在圖1中再現該案。其中揭示之集群工具10 具有機器人14 、28 ，該等機器人具有蛙腿構造。此類機器人經調適以提供其相關聯之末端執行器葉片17 在固定平面內之徑向移動與旋轉移動兩者。此等徑向及旋轉移動可經協調或組合以允許拾取晶圓32 、將晶圓32 自集群工具10 內之一個處理腔室轉移及遞送至另一個處理腔室。

參看圖1，經由匣狀預真空室12 將晶圓引入至集群工具10 及自集群工具取出晶圓。在所繪示之特定集群工具中，具有晶圓板葉片17 末端執行器之第一機器人14 位於腔室18 內且用於在第一組處理腔室間轉移晶圓32 。在所繪示之特定實施例中，此等處理腔室包括前述匣狀預真空室12 、除氣晶圓定向腔室20 、預清潔腔室24 、PVD TiN腔室22 及冷卻腔室26 。機器人14 如圖所示處於縮回位置，在該縮回位置，該機器人可在轉移腔室18 內自由地旋轉。

第二機器人28 位於轉移腔室30 中且經調適以在第二組處理腔室之間轉移基板。在所繪示之特定實施例中，該第二組處理腔室包括冷卻腔室26 及預清潔腔室24 ，且亦可包括CVD Al腔室及PVD AlCu處理腔室。集群工具10 中之腔室的特定組態被設計成提供能夠在單個工具中進行CVD與PVD製程的整合處理系統。提供微處理器控制器29 來控制製造製程序列、該集群工具內之條件及機器人14 、28 之操作。

圖2繪示可在圖1之集群工具中使用的機器人之實例。圖2中所繪示之特定機器人101 具有雙蛙腿設計且具有第一對臂103 及第二對臂105 ， 該等臂在一端上附接至腕總成107 且在另一端上附接至彎管接頭109 。每個腕總成107 轉而附接至末端執行器111 ，該末端執行器用於處置半導體晶圓。機器人1 01 進一步配備有上部臂113 、115 ，該等上部臂安裝於輪轂121 之上部可旋轉環117 及下部可旋轉環119 上。機器人101 進一步包括單塊輪轂板123 及馬達125 ，輪轂121 安裝於該單塊輪轂板上，該馬達驅動上部可旋轉環117 及下部可旋轉環119 。輪轂121 及輪轂板123 一起構成輪轂總成124 。

圖1之集群工具中常用之一種機器人為圖3中繪示之Endura XP機器人。如其中所見，XP Endura機器人201 包括輪轂203 ，該輪轂安裝於輪轂卷軸205 上。第一及第二上部臂207 可旋轉地安裝於輪轂203 上，使得第一及第二上部臂207 中之每一者的第一端可旋轉地附接至該輪轂，且第一及第二上部臂207 中之每一者的第二端具有可旋轉地附接至該第二端之一彎管接頭209 。該機器人進一步包括第一及第二下部臂211 及腕總成213 。第一及第二下部臂211 中之每一者分別在其第一端上附接至第一及第二彎管接頭209 ，且在其第二端上附接至腕總成213 。

XP Endura機器人已作為針對大量生產最佳化之300 mm金屬沈積系統之部分而市售。該系統將工廠介面與藉由系統軟體控制之兩個真空晶圓處置機器人組合。就此系統而言，晶片製造商能夠以高晶圓通過量來操作進階之晶圓處理序列(諸如，例如，低x介電質上銅沈積)以實現低成本、高產量之半導體製造。

在一個態樣中，提供一種機器人，該機器人包括：一輪轂；一第一彎管接頭；一腕總成；一第一上部臂，該第一上部臂在其一第一端上可旋轉地附接至該輪轂，且在其一第二端上附接至該第一彎管接頭；一第一下部臂，該第一下部臂在其一第一端上附接至該第一彎管接頭，且在其一第二端上附接至該腕總成；及一第一硬停件，該第一硬停件延伸越過該第一彎管接頭及該下部臂之一部分，其中該第一硬停件在其中具有一孔隙，該下部臂延伸穿過該孔隙；其中該機器人能夠在一第一組態與一第二組態之間移動，在該第一組態中，該腕總成與該輪轂相距一最小距離，且在該第二組態中，該腕總成與該輪轂相距一最大距離；其中在該機器人自該第二組態移動到該第一組態時，該下部臂朝向該上部臂旋轉；且其中該第一硬停件具有一外表面區，在該機器人處於該第一組態時，該外表面區鄰接該上部臂。

在另一個態樣中，提供一種用於限制一機器人中之一彎管接頭之運動的方法。該方法包括：(a)提供一機器人，該機器人配備有(i)一輪轂，(ii)一第一彎管接頭，(iii)一腕總成，(iv)一第一上部臂，該第一上部臂在其一第一端上可旋轉地附接至該輪轂，且在其一第二端上附接至該第一彎管接頭，及(v)一第一下部臂，該第一下部臂在其一第一端上附接至該第一彎管接頭，且在其一第二端上附接至該腕總成，其中該機器人能夠在一第一組態與一第二組態之間移動，在該第一組態中，該腕總成與該輪轂相距一最小距離，且在該第二組態中，該腕總成與該輪轂相距一最大距離，且其中在該機器人自該第二組態移動到該第一組態時，該下部臂朝向該上部臂旋轉；及施加一第一硬停件，該第一硬停件延伸越過該第一彎管接頭及該下部臂之一部分，其中該第一硬停件在其中具有一孔隙，該下部臂延伸穿過該孔隙，且其中在該機器人處於該第一組態時，該硬停件使該上部臂及該下部臂維持於一間隔開之組態。

雖然XP Endura機器人已實現了廣泛之商業應用，但其仍具有一些缺點。此等缺點之一與腕總成相對於輪轂卷軸之運動範圍相關聯。可自圖4中瞭解此運動範圍，該圖繪示了機器人總成301 ，該機器人總成包括第一堆疊式XP Endura機器人303 及第二堆疊式XP Endura機器人305 。如其中可見，XP Endura機器人被設計成在縮回組態(藉由機器人303 保持)與伸展組態(藉由機器人305 保持)之間移動，在該縮回組態中，腕總成307 與輪轂卷軸309 之間的距離最小，且在該伸展組態中，腕總成307 與輪轂卷軸309 之間的距離最大。此運動允許機器人303 、305 中之每一者將晶圓放置於該機器人係其中一個部件的工具(見圖1)中通常包括之處理腔室中且將晶圓自該等處理腔室移除。

當XP Endura機器人之馬達脫嚙時，XP Endura機器人實際上能夠進行比其日常使用中通常利用之運動範圍大之範圍的運動。因此，如圖5中所見，機器人401 具有足夠之運動範圍，使得若輪轂(未圖示)自輪轂卷軸403 移除，則腕總成405 可實際上與該輪轂通常佔據之空間重疊。實際上，在運送機器人401 時，可有利地利用此非常緊湊之組態。

遺憾的係，雖然XP Endura機器人在此範圍內移動之能力具有一些好處，但其亦在機器人之維護期間造成問題。明確而言，在正常使用期間，該機器人之馬達防止腕總成在該機器人採取縮回組態時接觸該卷軸。然而，當機器人之馬達脫嚙時，該機器人之運動範圍不再受限制，且該腕總成可移動到足夠遠以與卷軸接觸。此問題主要出現在修理或例行維護期間，此時，機器人可能要手動旋轉。藉由實體地限制機器人之臂且允許腕總成之後端接觸中央卷軸，任何向後之些許移動均會導致刮擦該輪轂。已發現此刮擦會產生大量之金屬屑及其他顆粒，如此導致晶圓污染問題及其他問題。

現在已發現可藉由本文中揭示之裝置及方法來克服前述問題。在較佳實施例中，此等裝置及方法具有一硬停件(在本文中亦被稱作OD夾鉗)，該硬停件可安裝於彎管接頭上(諸如XP Endura機器人中之彎管接頭)。此類硬停件實體上防止腕總成與卷軸接觸，即便在機器人之馬達脫嚙時仍如此。因此，此等硬停件之使用因此減少或消除顆粒產生及在機器人之修理或維護期間原本可能出現之其他問題。

圖6繪示根據本文中之教示的配備有硬停件之機器人的第一特定、非限制性實施例。如其中所見，機器人501 (在所繪示之特定實施例中，其為XP Endura機器人)包括輪轂503 ，該輪轂安裝於輪轂卷軸505 上。第一及第二上部臂507 可旋轉地安裝於輪轂503 上，使得第一及第二上部臂507 中之每一者的第一端可旋轉地附接至輪轂503 ，且第一及第二上部臂507 中之每一者的第二端配備有彎管接頭509 ，該彎管接頭可旋轉地附接至該第二端。機器人501 進一步包括第一及第二下部臂511 及一腕總成513 。第一及第二下部臂511 中之每一者分別在其第一端上附接至第一及第二彎管接頭509 ，且在其第二端上附接至腕總成513 。

圖6之機器人501 進一步包括硬停件551 ，該硬停件安裝於第一及第二彎管接頭509 中之每一者上。硬停件551 在所繪示之特定實施例中配備有殼體或主體555 (見圖7至圖8)，該主體具有形狀與上部臂507 之相對部分互補的相對之平坦側向表面553 。在使用中，與圖4中所繪示之組態類似，機器人被設計成在縮回組態與伸展組態之間移動，在該縮回組態中，腕總成513 與輪轂503 之間的距離最小，且在該伸展組態中，腕總成513 與輪轂503 之間的距離最大。此運動允許機器人501 將晶圓放置於半導體處理工具之處理腔室中且自該等處理腔室取出晶圓。然而，該硬停件用作機械障壁以防止腕總成513 與輪轂卷軸接觸，即便在機器人501 中之馬達脫嚙時仍如此。因此，硬停件551 之使用克服了上述顆粒產生之問題。

可相對於圖7至圖8來進一步瞭解硬停件551 之構造。如其中所見，硬停件551 包括主體555 ，該主體在其中具有用於容納機器人501 之下部臂511 (圖7)的開口557 且具有形狀與彎管接頭509 (見圖7)之外表面互補的內部，因此允許該主體放置於彎管接頭509 上方(彎管接頭的由下部臂511形成之部分在圖10中繪示)。主體555 在其外側上亦具有一(較佳為平坦的)表面553 ，如上所述，該表面之形狀較佳與機器人501 之上部臂507 (見圖10)之相對部分互補。

硬停件551 進一步配備有：ID夾鉗561 ，該ID夾鉗藉由合適之緊固件563 (諸如，例如，¼-20平頭螺釘)緊固至彎管接頭509 ；複數個緊固件565 (諸如，例如，#4-40圓頭螺釘)，該複數個緊固件將硬停件551 之主體555 緊固至彎管接頭509 (使用彎管接頭中已存在之螺紋孔556 —見圖7)；及蓋567 ，該蓋藉由複數個緊固件569 (諸如，例如，複數個#4-40 UNC平頭螺釘)緊固至硬停件551 。蓋567 配備有用於放氣之通風孔571 (見圖8)。圖11至圖13展示完成之總成(硬停件551 及彎管接頭509 )。

顯著地，圓頭螺釘565 穿過硬停件551 中之開槽孔隙573 突出。在圖16至圖18中可更詳細地看到此等孔隙。如圖9中所見，此種佈置准許對硬停件551 之定向進行少量之旋轉調整(在所繪示之特定實施例中，為±7.5°)及線性(在所繪示之特定實施例中，為約±0.29吋)調整，因此允許調整其定向以便閉合硬停件551 之平坦表面553 與上部臂507 之相對表面之間的任何間隙。

如圖15中所見，蓋567 配備有第一鍵合特徵575，該第一鍵合特徵與主體555 中之第二鍵合特徵577 (見圖16至圖17)可釋放地耦接以確保蓋567 之恰當定向。在所繪示之特定實施例中，該第一鍵合特徵575 為孔隙，且第二鍵合特徵577 為形狀與該孔隙互補之突出部。當然，將瞭解，可在蓋567 或主體555 上利用具有各種幾何形狀之各種鍵合特徵以確保一個鍵合特徵相對於另一個鍵合特徵之恰當定向。

在使用中，本文中揭示之該類硬停件可附接至一機器人(較佳為具有蛙腿組態之機器人，且更佳為圖6中繪示的一般類型之機器人)之一個或兩個彎管接頭。該硬停件較佳藉由複數個(較佳為螺紋)緊固件鬆散地附接至該機器人之彎管接頭或下部臂，該等緊固件延伸穿過硬停件中提供之開槽孔隙(例如，見圖16)。隨後藉由使該硬停件在該等開槽孔隙准許之運動範圍內旋轉來調整硬停件在彎管接頭上之定向(見圖9)。較佳地，調整該硬停件之定向，直至達成腕總成與輪轂或輪轂卷軸之間的期望間距，且該硬停件之外表面穩固地壓在該上部臂之毗鄰部分上且與該毗鄰部分平行。隨後旋緊該複數個緊固件以將該硬停件鎖定於此定向。

雖然已參考本文中揭示之裝置及方法在XP Endura機器人中之使用來具體地圖示說明及闡釋該等裝置及方法，但熟習此項技術者將瞭解，此等裝置及方法可在必要時經過合適之修改而在各種其他機器人系統中使用，該等機器人系統配備有末端執行器、輪轂或輪轂卷軸及腕總成，且其中該機器人之正常運動會使該末端執行器接近該輪轂或輪轂卷軸。

本發明之以上描述為說明性的，而並非意欲為限制性的。因此，將瞭解，在不脫離本發明之範疇的情況下，可對上述實施例進行各種增添、替代及修改。因此，將參考所附申請專利範圍來理解本發明之範疇。亦將瞭解，在不脫離本發明之範疇的情況下，在申請專利範圍中陳述之各種特徵可按各種組合及子組合而在其他請求項中呈現。明確而言，本揭示案明確地涵蓋先前技術中未知之任何此類組合或子組合，如同此等組合或子組合被明確地寫出。

10:集群工具 12:匣狀預真空室 14:機器人 17:末端執行器葉片 18:轉移腔室 20:除氣晶圓定向腔室 22:PVD TiN腔室 24:預清潔腔室 26:冷卻腔室 28:機器人 29:微處理器控制器 30:轉移腔室 32:晶圓 101:機器人 103:第一對臂 105:第二對臂 107:腕總成 109:彎管接頭 111:末端執行器 113:上部臂 115:上部臂 117:上部可旋轉環 119:下部可旋轉環 121:輪轂 123:輪轂板 124:輪轂總成 125:馬達 201:XP Endura機器人 203:輪轂 205:輪轂卷軸 207:上部臂 209:彎管接頭 211:下部臂 213:腕總成 301:機器人總成 303:第一堆疊式XP Endura機器人 305:第二堆疊式XP Endura機器人 307:腕總成 309:輪轂卷軸 401:機器人 403:輪轂卷軸 405:腕總成 501:機器人 503:輪轂 505:輪轂卷軸 507:上部臂 509:彎管接頭 511:下部臂 513:腕總成 551:硬停件 553:平坦側向表面 555:殼體或主體 556:螺紋孔 557:開口 561:ID夾鉗 563:緊固件 565:圓頭螺釘 567:蓋 569:緊固件 573:開槽孔隙 575:第一鍵合特徵 577:第二鍵合特徵

圖1為配備有處理腔室及配備有具有蛙腿設計之機器人的半導體工具之俯視圖。

圖2為可在諸如圖1中繪示之工具中使用的該類先前技術之半導體機器人的透視圖。

圖3為XP Endura機器人之透視圖。

圖4為堆疊式XP Endura機器人之透視圖，該透視圖展示了該等機器人中處於縮回組態之一個機器人且展示處於伸展組態之另一個機器人。

圖5為如圖所示處於通常用於運送機器人之壓縮組態的XP Endura機器人之一部分的俯視圖。

圖6為根據本文中之教示的配備有硬停件之XP Endura機器人之一實施例的透視圖。

圖7為圖6之彎管總成及硬停件之分解圖。

圖8為圖6之硬停件之分解圖。

圖9為圖6之機器人之彎管接頭部分的透視圖，其中蓋板呈現為透明的。

圖10為圖6之機器人的下部臂之一部分的透視圖。

圖11為圖7之彎管總成及硬停件之第一剖視圖。

圖12為圖6之彎管總成及硬停件之第二剖視圖。

圖13為圖8之硬停件之透視圖。

圖14至圖15為圖8之硬停件之透視圖。

圖16為圖8之硬停件之主體的透視圖。

圖17為圖8之硬停件之主體的俯視圖。

圖18為圖8之硬停件之主體的仰視圖。

551:硬停件

553:平坦側向表面

555:殼體或主體

557:開口

561:ID夾鉗

563:緊固件

565:圓頭螺釘

567:蓋

569:緊固件

Claims (16)

1. 一種機器人，該機器人包括： 一輪轂； 一第一彎管接頭； 一腕總成； 一第一上部臂，該第一上部臂在其一第一端上可旋轉地附接至該輪轂，且在其一第二端上附接至該第一彎管接頭； 一第一下部臂，該第一下部臂在其一第一端上附接至該第一彎管接頭，且在其一第二端上附接至該腕總成；及 一第一硬停件，該第一硬停件延伸越過該第一彎管接頭及該下部臂之一部分，其中該第一硬停件在其中具有一孔隙，該下部臂延伸穿過該孔隙； 其中該機器人能夠在一第一組態與一第二組態之間移動，在該第一組態中，該腕總成與該輪轂相距一最小距離，且在該第二組態中，該腕總成與該輪轂相距一最大距離； 其中在該機器人自該第二組態移動到該第一組態時，該下部臂朝向該上部臂旋轉；且 其中該第一硬停件具有一外表面區，在該機器人處於該第一組態時，該外表面區鄰接該上部臂。
2. 如請求項1之機器人，其中該上部臂上面具有一平坦區，其中該第一硬停件之該外表面區在形狀上與該平坦區互補，且其中在該機器人處於該第一組態時，該第一硬停件之該外表面區鄰接該平坦區。
3. 如請求項2之機器人，其中該第一硬停件在一平面內能夠可旋轉地調整，該平面垂直於該上部臂上之該平坦區。
4. 如請求項1之機器人，其中該第一硬停件相對於該彎管接頭之定向係可調整的。
5. 如請求項4之機器人，其中該第一硬停件藉由複數個緊固件附著至該第一彎管接頭，且其中該複數個緊固件中之每一者延伸穿過該硬停件中之一徑向狹槽。
6. 如請求項5之機器人，其中該複數個緊固件為螺紋緊固件，該等螺紋緊固件可釋放地嚙合該第一下部臂之該第一端中界定的複數個螺紋孔隙。
7. 如請求項1之機器人，該機器人進一步包括： 一第二彎管接頭； 一第二上部臂，該第二上部臂在其一第一端上可旋轉地附接至該輪轂，且在其一第二端上附接至該第二彎管接頭；及 一第二下部臂，該第二下部臂在其一第一端上附接至該第二彎管接頭，且在其一第二端上附接至該腕總成。
8. 如請求項7之機器人，該機器人進一步包括一第二硬停件，該第二硬停件延伸越過該第二彎管接頭及該下部臂之一部分，其中該第二硬停件在其中具有一孔隙，該下部臂延伸穿過該孔隙。
9. 如請求項1之機器人，其中該第一硬停件包括毗鄰於該第一彎管接頭在該上部臂與該下部臂之間延伸的一部分。
10. 如請求項9之機器人，其中在該機器人處於該第一組態時，該部分與該上部臂及該下部臂接觸。
11. 如請求項1之機器人，其中該下部臂從中延伸穿過之該孔隙位於一平面中，且其中該孔隙在該平面中之寬度大於該下部臂在該平面中之寬度。
12. 一種用於限制一機器人中之一彎管接頭之運動的方法，該方法包括： 提供一機器人，該機器人配備有 (a) 一輪轂， (b) 一第一彎管接頭， (c) 一腕總成， (d) 一第一上部臂，該第一上部臂在其一第一端上可旋轉地附接至該輪轂，且在其一第二端上附接至該第一彎管接頭，及 (e) 一第一下部臂，該第一下部臂在其一第一端上附接至該第一彎管接頭，且在其一第二端上附接至該腕總成， 其中該機器人能夠在一第一組態與一第二組態之間移動，在該第一組態中，該腕總成與該輪轂相距一最小距離，且在該第二組態中，該腕總成與該輪轂相距一最大距離，且其中在該機器人自該第二組態移動到該第一組態時，該下部臂朝向該上部臂旋轉；及 施加一第一硬停件，該第一硬停件延伸越過該第一彎管接頭及該下部臂之一部分，其中該第一硬停件在其中具有一孔隙，該下部臂延伸穿過該孔隙，且其中在該機器人處於該第一組態時，該硬停件使該上部臂及該下部臂維持於一間隔開之組態。
13. 如請求項12之方法，其中該第一硬停件包括毗鄰於該第一彎管接頭在該上部臂與該下部臂之間延伸的一部分。
14. 如請求項12之方法，其中該硬停件配備有複數個徑向孔隙，且其中該硬停件藉由複數個緊固件可釋放地附接至該彎管接頭，該複數個緊固件延伸穿過該等徑向孔隙。
15. 如請求項14之方法，其中該硬停件相對於該彎管接頭之定向在該複數個緊固件處於一旋鬆狀態時係能夠可旋轉地調整，且在該複數個緊固件處於一旋緊狀態時係固定的。
16. 如請求項15之方法，該方法進一步包括： 將該複數個緊固件置於一旋鬆狀態； 將該機器人置於該第一組態，使得該腕總成與該輪轂間隔開且該硬停件鄰接該等第一上部臂；及 將該複數個緊固件轉變為一旋緊狀態。

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