一种单臂三自由度的晶圆传输机械手及使用方法与流程

本发明涉及一种3自由度的晶圆传输机械手及使用方法，可实现晶圆在不同工位之间可靠准确的转移，特别应用于晶圆在线检测系统。

背景技术：

第三代宽禁带半导体具有高稳定性、高光电转化、低能量损耗等优势，被广泛应用于消费电子设备、新能源汽车、飞机发动机等领域，其材料价格也相对贵重。因此，在整个集成器件的制作过程中，对半导体材料的检测分析就尤为重要。

随着晶圆的生产产量和尺寸不断增加，要求晶圆的生产及测试向着高速化、连续化、自动化生产方向发展。由于需要在有限的空间实现晶圆工位的快速转移，从而在进行晶圆检测时，对自动传输机械手的工作稳定性、动作准确性、以及洁净度等方面，都提出了较高的要求。

因此，作为半导体检测中硅片传输和定位的核心设备，对晶圆传输机械手的探究，对打破国外对中国高端显微市场的垄断，促进我国半导体产业的发展，具有重要意义。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提出一种能够做到高效搬运、高速和高精度定位的晶圆传输机械手及使用方法。

为实现所述目的，本发明采用的第一个技术方案如下：

一种传输晶圆的机械手，包括旋转运动系统，径向运动系统，垂直运动系统和安装三个所述系统的支架；所述的支架包括径向支架、机壳和安装在机壳上的上支架、下支架、垂直电机支架；

所述旋转运动系统包括一连接在升降架上的旋转驱动电机，旋转驱动电机通过第一传动装置驱动一主臂旋转，所述主臂顶端穿出所述的上支架与径向运动系统相连接进而驱动径向运动系统旋转；所述径向运动系统包括一连接在径向支架上的径向驱动电机，径向驱动电机通过第二传动装置驱动一沿两径向导轨滑动的机械手爪，所述机械手爪表面设置有用于吸附晶圆的真空吸附装置；所述垂直运动系统包括一连接在所述垂直电机支架上的垂直驱动电机，所述垂直驱动电机带有电磁抱闸制动装置，确保了电机失电后电磁抱闸线圈也失电，使制动器的闸瓦紧紧抱住闸轮电机被制动而停转，所述垂直驱动电机通过第三传动装置驱动沿两线性导向轴上下移动的所述升降架，进而驱动旋转运动系统和径向运动系统上下移动。

进一步的，所述第一传动装置包括一与所述旋转驱动电机输出端连接的主动轮和与之啮合的从动轮，所述从动轮做成齿轮轴，所述齿轮轴的下端通过止推轴承座固定在所述升降架的下板上，以防止齿轮轴的轴向窜动，所述齿轮轴通过深沟球轴承座组件穿过所述升降架的上板，其上端伸出部分即为所述主臂。

进一步的，所述第二传动装置包括一与所述径向驱动电机输出端连接的滚珠丝杠，所述滚珠丝杠两端分别通过固定侧方型丝杠支座组件和支持侧方型丝杠支座组件固定在所述径向支架上；所述滚珠丝杠的丝杠螺母连接一承载台，所述承载台上固定有所述机械手爪，且所述的承载台与两导轨滑块相连。

进一步的，所述第二传动装置，其所述固定侧方型丝杠支座组件包括一个固定侧支座，在所述的固定侧支座内有一对相对安装的角接触球轴承，以承受两个方向的轴向力防止轴向窜动。

进一步的，所述第二传动装置，其所述支持侧方型丝杠支座组件包括一个支持侧支座，在所述的支持侧支座内设有一深沟球轴承，以承受径向负荷。

进一步的，所述第三传动装置包括一与所述垂直驱动电机输出端连接的滚珠丝杠，所述滚珠丝杠的两端分别通过固定侧圆型丝杠支座组件和支持侧圆型丝杠支座组件连接在所述的上、下支架上；所述滚珠丝杠的丝杠螺母固定在所述升降架上，两根相平行的线性导向轴通过直线轴承与所述升降架连接，所述导向轴的两端分别固定在上、下支架上。

进一步的，所述第三传动装置，其所述固定侧圆型丝杠支座组件包括一个固定侧支座，在所述的固定侧支座内有一对相对安装的角接触球轴承，以承受两个方向的轴向力防止轴向窜动。

进一步的，所述第三传动装置，其所述支持侧圆型丝杠支座组件包括一个支持侧支座，在所述的支持侧支座内设有一深沟球轴承，以承受径向负荷。

进一步的，还包括一真空吸附装置，所述真空吸附装置包括一设置在机械手爪上的真空流道，所述流道两端分别是真空接管和出口吸盘，真空经手爪真空流道到达所述出口处与晶圆接触从而产生吸附力吸附晶圆。

本发明采用的第二个技术方案如下：

本发明的使用方法，如下：

工作时，机械手收到工控机发出的控制信号，旋转运动系统与垂直运动系统配合运动使机械手旋转后升近至片盒高度，径向运动系统驱动机械手爪伸出至片盒内晶圆的正下方；

然后垂直运动系统继续略微上移，末端手爪接触晶圆，真空发生器启动，真空经真空流道到达出口处吸住晶圆，并在径向运动系统的驱动下机械手爪径向回缩使晶圆脱离片盒；

在片盒中的晶圆被取出后，片盒下降两片晶圆间距离的高度；承载晶圆的机械手经过旋转运动系统与垂直运动系统的配合运动到达预对准台的高度后，径向运动系统驱动机械手爪运动到预对准台的上方，之后机械手在垂直运动系统的驱动下下降，预对准台接触晶圆，机械手真空释放晶圆并恢复到初始零位，完成上片过程。

本发明采用以上技术方案，具有以下优点：

1、本发明所涉及的机械手有3个自由度，分别是径向平动、主臂回转和升降运动，其每个自由度都有一台独立的电机，这三种运动既可以联动也可以单独运动，这样有利于运动的调整及对旋转角度进行补偿，并可实现任一高度任何位置取送晶圆的运动。

2、本发明的机械手爪固定在承载台上，所述承载台与径向驱动装置固联，从而实现了手爪随径向运动机构的联动，取得了保证定位精度、可靠性好的有益效果。

3、本发明在垂直运动方向上除了通过计算机程序设定升降行程控制外，所述垂直驱动电机亦带有电磁抱闸制动装置，确保了电动机失电能被快速有效制动而停转，从而保证了机械手垂直方向的定位精度和制动性能。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中旋转运动系统的装配示意图；

图3为本发明中径向运动系统的装配示意图；

图4为本发明中机械手爪的局部放大图；

图5为本发明中垂直运动系统的装配示意图；

图中：1旋转运动系统，2径向运动系统，3垂直运动系统，5支架，

10电机，11主动轮，12从动轮，13主臂，14紧定法兰，15止推轴承座，16深沟球轴承座组件，

20电机，21联轴器，22滚珠丝杠，23固定侧方型丝杠支座组件，24支持侧方型丝杠支座组件，25丝杠螺母，26导轨滑块，27滚动导轨，

30电机，31联轴器，32滚珠丝杠，33固定侧圆型丝杠支座组件，34支持侧圆型丝杠支座组件，35丝杠螺母，36升降架，37直线轴承，38线性导向轴，39线性导向轴支座，

40承载台，41真空接管，42机械手爪，43真空流道，44出口吸盘，

50径向支架，51上支架，52下支架，53垂直电机支架，54右机壳，55左机壳，56前机壳。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括一旋转运动系统1，一径向运动系统2，一垂直运动系统3及安装上述三个运动系统1，2，3的支架5。

所述的支架5包括径向支架50，右机壳54，左机壳55，前机壳56，后机壳，下机壳和安装在机壳上的上支架51，下支架52和垂直电机支架53。其中后机壳和下机壳在图中没有进行表示。

如图2所示，本发明的旋转运动系统1包括一安装在升降架36上的AC伺服电机10，电机10的输出轴通过一主动轮11连接一从动轮12，从动齿轮做成齿轮轴，其上端穿过上支架部分即为旋转运动系统的主臂13，主臂13顶端通过紧定法兰14与径向运动系统2连接，从而在电机10的驱动下经过减速齿轮副11、12的减速实现固定于径向运动系统2上的机械手爪42臂13的旋转运动。止推轴承座15固定于升降架36下板上，与齿轮轴12的下端相连接，齿轮轴12通过深沟球轴承座组件16穿过升降架36的上板，深沟球轴承座组件16与升降架36固定连接。

如图3、图4所示，本发明的径向运动系统2包括一安装在径向支架50上的AC伺服电机20，电机20的输出轴通过一联轴器21与滚珠丝杠22连接，丝杠22的电机端通过固定侧方型丝杠支座组件23固定，另一端通过支持侧方型丝杠支座组件24支持，固定侧方型丝杠支座组件23内有一对相对安装的角接触球轴承，支持侧方型丝杠支座组件24内设有深沟球轴承，丝杠22的丝杠螺母25连接一承载台40，电机20驱动丝杠22转动，承载台40在丝杠螺母25的带动下通过导轨滑块26沿两平行布置的滚动导轨27径向移动，机械手爪42固定在承载台40上，手爪42上设置有一真空接管41、一真空流道43和一出口吸盘44，真空经真空流道43到达出口吸盘44处接触晶圆可实现对晶圆的吸附。

如图5所示，本发明的垂直运动系统3包括一安装在垂直电机支架53带有电磁抱闸制动装置的AC伺服电机30，电机30的输出轴通过一联轴器31与滚珠丝杠32连接，滚珠丝杠32的电机端通过固定侧圆型丝杠支座组件33固定，另一端通过支持侧圆型丝杠支座组件34支持，固定侧圆型丝杠支座组件33内有一对相对安装的角接触球轴承，支持侧圆型丝杠支座组件34内设有深沟球轴承，滚珠丝杠32的丝杠螺母35连接一升降架36的上板，电机30驱动丝杠32转动，升降架36在丝杠螺母35带动下通过直线轴承37沿两平行布置的线性导向轴38垂直移动，线性导向轴38通过导向轴支座39与上下支架51、52固定连接。

本发明工作时，机械手收到工控机发出的控制信号，旋转运动系统1与垂直运动系统3配合运动使机械手旋转后升近至片盒01高度，径向运动系统2驱动手爪伸出至片盒内晶圆的正下方。然后垂直运动系统3略微上移，末端手爪接触晶圆，真空发生器启动，真空经真空流道43到达出口44处吸住晶圆，并在径向运动系统2的驱动下手爪径向回缩使晶圆脱离片盒01。

在片盒01中的晶圆被取出后，片盒01下降两片晶圆间距离的高度。承载晶圆的机械手经过旋转运动系统1与垂直运动系统3的配合运动到达预对准台的高度后，径向运动系统2驱动手爪运动到预对准台的上方，之后机械手在垂直运动系统的驱动下下降，预对准台接触晶圆，机械手真空释放晶圆并恢复到初始零位，完成上片过程。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制。所述旋转运动系统1、径向运动系统2和垂直运动系统3中的传动机构还可以采取其他不同的结构方式，如在径向运动系统2中，起导向作用的部件27可以是两平行布置的导轨，也可以是两平行布置的光杠。本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。