实现基板正交传送的真空搬运装置及其搬运方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及了在两个真空腔体或者多个功能模块间进行基板传输的技术领域。特别地，涉及到实现基板正交传送的真空搬运装置及其搬运方法。
【背景技术】
[0002]在太阳能、平板显示、半导体等行业中，覆膜基板通常需要在装载腔、卸载腔、工艺处理腔等多个不同的模块间进行传送，而不同的设备结构对基板的传送要求要求有着巨大的差异。
[0003]目前常见的真空覆膜设备按各功能腔体的位置可以大概分为集束式(Cluster)设备和直线式(In-Line)设备。而按照基板是水平还是直立放置又可将真空覆膜设备分为卧式设备和立式设备。参阅图1所示，集束式设备通常为中央设置有真空搬运腔体110的多边形结构，其多边形各边上分别连接有装载腔120、卸载腔130、工艺处理腔140，其中，真空搬运腔体110内设置有真空搬运装置150，用于实现基板在装载腔120、卸载腔130、工艺处理腔140之间的传输。参阅图2所示，直线式设备通常为装载腔120、工艺处理腔140、卸载腔130沿直线方向的线性组合，在设备运行过程中基板会依次通过上述各腔体。
[0004]不同的设备结构对基板传输有着不同的要求，通常集束式设备要求位于设备中心的真空搬送装置具备多角度旋转定位以及机械手臂伸缩的功能，其需要多驱动源和多自由度。而直线型设备则通常采取滚轮摩擦传动，传动结构相对简单。
[0005]另外，对于一些有特殊需求的设备产品，很多设备厂商也会针对这些特殊需求进行一些特殊的传输功能设计。
[0006]专利US2013230370A1公开了一种优化的集束式半导体设备，该设备中由于各工艺腔体具有独立受控的处理时间，因此需要基板具有非常快的搬运速度，同时该设备又要求具有高的集成度和小的占地面积，所以其多边形的中央真空搬运腔体被设计为具有长边的形状，并在长边处连接多个工艺处理腔，这样对真空搬运装置的要求就不同于传统的旋转定位和手臂伸缩功能，而是需要其能够沿长边方向实现线性平移。同时，真空搬运装置还需要具有旋转功能以便将基板从工艺腔中取出或者送入。这意味着该真空搬运装置需要两个独立的动力源及相应的机械传动机构，且要求传动机构不能相互影响以及与真空腔体实现真空动密封。该专利采取了磁力耦合的方式实现上述功能，依靠真空外和真空内的两个磁极来穿过真空腔体墙板的磁场从而实现动力传动，然而，这种磁力耦合传动的方式所能承受的力矩通常很小，容易产生过转动或者转动不到位的情况，大大降低了设备的传动精度以及可靠性。
[0007]专利US2007051314A1公开了一种能够实现大型基板在多工艺处理腔体以及装载卸载腔体之间进行基板搬送的可移动式转移腔体。专利US2007059129A1公开了实现这种结构的【具体实施方式】，该可移动式转移腔体需要将内部的真空搬运装置和外部的真空腔体以及该功能模块上的所有附件一起在外部的轨道上移动，且需要在移动过程中保持真空状态，然后与对应成线性平行排列的工艺处理腔体以及装载卸载腔体进行靠接后来实现真空密封。这种结构的整体移动单元质量和体积都非常大，且在靠接后很难保证弹性密封件(通常为0型密封圈)的压缩量和减轻靠接时造成的冲击，因此，其真空密封的可靠性难以得到保证。
[0008]专利CN102282664A公开了一种基板处理系统，特别涉及一种在两排线性排列的工艺腔体之间实现基板搬送的中央基板传送腔体。该中央基板传送腔体的真空搬运装置需要沿工艺腔体排列方向进行平行移动，且真空手臂在垂直于工艺处理腔线性排列方向具有双向伸缩功能。这样，就需要涉及至少两套相对独立的传动机构。该专利沿线性排列方向的平移运动采用线性电机，且双向伸缩的驱动源或者做升降功能的驱动源设置在真空腔体内部。然而，目前市面上适用于真空环境的驱动源选择性很少且价格昂贵，特别是输出功率很小，无法满足工业生产中搬送大尺寸大质量基板的要求。
[0009]另外，在实际应用中还有一种如图3所示的具有平移功能的直线型基板处理装置。例如:在PVD工艺腔体中有时需要在同一片基板101的正面301和背面302都进行膜层沉积。此时，当基板101在第一膜层处理阵列310完成正面膜层沉积后，载有基板101的转移架会在具有平移功能的腔体110中进行一定位置的平移并且进入第二膜层处理阵列320中进行反面膜层的沉积，这样基板101的装载端和卸载端均在工艺腔体的同侧。由于这种应用中通常采用立式结构，其在第一膜层处理阵列310和第二膜层处理阵列302间平移的行程通常较短，如常见的行程小于300_，因此，此种情况下在腔体110内的平移以及在处理阵列方向传动的多向运动通常采取波纹管和旋转动密封的组合即可，而如果在腔体110内平移的行程较大，如大于500_，则波纹管和旋转动密封组合将因为可靠性变差、使用寿命缩短及复杂导向机构所带来的成本太高等原因而不再适用。
[0010]总的来说，在真空覆膜设备中，当在两个或者多个腔体间分别沿着正交的两个方向传送基板时，现有技术中会面临诸如无法进行长长距离平移、传动精度和可靠性不高、密封效果不佳、难以搬运大尺寸基板等一系列技术限制。
【发明内容】
[0011]为了解决上述问题，本发明提供了一种实现基板正交传送的真空搬运装置及其搬运方法，一方面通过由滚珠花键、交错轴齿轮机构、旋转平移转向机构三者共同组成的传动机构来控制基板在某一方向的运动情况，另一方面通过另一传动机构来控制基板在与该方向垂直的另一方向上的运动情况，从而使得该真空搬运装置能够在真空搬运腔体内实现进行长距离的平移和优良的密封效果，同时又保证了基板传送中的高精度和高可靠性。
[0012]本发明提供了一种实现基板正交传送的真空搬运装置，其被设置于一真空搬运腔体内部，用于完成两个功能腔体之间的基板传送，所述真空搬运装置上设置有机械手组件，其在真空搬运腔体内承载基板的运动方向为第一方向，从所述功能腔体中抓取和放置基板的运动方向为第二方向，第一方向与第二方向垂直，其特征在于:所述真空搬运装置还包括能够分别独立控制第一方向运动情况的第一传动机构和控制第二方向运动的第二传动机构，所述第一传动机构或者第二传动机构中有一个传动机构包括:设置有旋转螺母的滚珠花键、旋转平移转向机构、分别与所述旋转螺母和旋转平移转向机构固定相连的一对相互啮合的交错轴齿轮机构，所述旋转平移转向机构及与其相连的交错轴齿轮为同轴转动。
[0013]可选地，所述第一传动机构或者第二个传动机构中另一个传动机构包括:变向单元，以及与所述变向单元相配用的伞齿轮机构或者变向柔性联轴器。
[0014]可选地，所述旋转平移转向机构及所述变向单元的目的均用于将旋转运动转变为直线运动，均可以采用滚珠丝杠、钢带钢带轮、链轮链条、同步轮、蜗轮蜗杆结构中的任意一种。
[0015]可选地，所述交错轴齿轮机构可以是伞齿轮机构或者交错圆柱斜齿轮机构。
[0016]可选地，所述第一传动机构由第一驱动源驱动，所述第二传动机构由第二驱动源驱动，所述第一驱动源与第二驱动源中至少有一个设置在所述真空搬运腔体外部。
[0017]可选地，位于所述真空搬运腔体外部的第一驱动源或第二驱动源与所述真空搬运腔体之间采用磁流体方式进行密封。
[0018]可选地，所述基板的面积大于0.5m2,所述基板的重量大于5Kg。
[0019]可选地，所述机械手组件处于收缩状态时在所述真空搬运腔体内部的位移范围大于0.5米。
[0020]本发明还提供了一种实现基板正交传送的真空搬运装置的搬运方法，其包括:所述机械手组件在第一方向或第二方向上某一方向的运动情况:驱动所述滚珠花键转动，则与所述滚珠花键的旋转螺母固定连接的一对交错轴齿轮结构也会随之转动，并带动与之相连的旋转平移转向机构运动，从而实现所述机械手组件在该方向上的运动；所述机械手组件在第一方向或第二方向上另一方向的运动情况:驱动变向单元工作，将所述变向单元的旋转运动转变直线运动，从而实现所述机械手组件在该方向上的运动。
[0021]可选地，所述旋转平移转向机构及所述变向单元的目的均用于将旋转运动转变为直线运动，均可以采用滚珠丝杠、钢带钢带轮、链轮链条、同步轮、蜗轮蜗杆结构中的任意一种。
[0022]与现有技术相比，本发明具有以下技术效果:
1，本发明中使用了两套能够进行独立控制的传动机构，第一传动机构用于控制基板在第一方向上的运动情况，第二传动机构用于控制基板在第二方向上的运动情况，由于基板在这两个方向上均为相对独立的运动，相互之间并没有关联，因此避免了二者之间的干扰，提高了真空搬运装置运行中的精度和可靠性标准。另外，本发明中也不涉及现有技术中的磁耦合传动方式，无需使用磁性元件，从而避免了磁性元件对处理腔内正常工艺的干扰或者对其他元器件造成干扰，进一步提高了真空搬运装置的精度和可靠性。
[0023]2，本发明中的旋转平移转向机构及变向单元选用滚珠丝杠、钢带钢带轮、链轮链条、同步轮、蜗轮蜗杆等方式实现，其中并没有涉及现有技术中常用的波纹管，使得基板在第一方向和第二方向上的行程不再受到较短的波纹管长度的限制，例如，在采用滚珠丝杠作为旋转平移转动机构的情况下，基板的行程的长短可以达到滚珠丝杠的长度，而滚珠丝杠的长度可以根据实际需要制作为任意长度。
[0024]3，本发明中第一驱动源或者第二驱动源可以放置在真空搬运腔体的外部，这样就无需使用真空马达，从而使得驱动源可以采用大功率的马达，一方面实现基板的长距离运动行程，另一方面也可以节省设备成本。
[0025]4，在本发明的可选方案中，变向单元可以采用成本较低的滚珠丝杠结构，滚珠丝杠可以在大行程范围内保持快速平