专利名称：一种基片处理系统及其机械手臂装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及自动化传输设备领域，特别涉及一种用于基片处理系统的机械手臂装 置。本发明还涉及一种包括上述机械手臂装置的基片处理系统。
背景技术：
随着我国经济建设的快速发展，市场对于基片的需求量日益增大，由此便带动了 基片加工行业的迅猛发展。目前，用于加工基片的工艺腔的内部一般具有静电卡盘，该静电卡盘用于支撑被 加工的基片，且其下部设有升降装置，该升降装置上插有用于支撑基片的顶针。加工基片 时，一般通过专用的机械手臂将基片送入工艺腔内，并使基片高于静电卡盘的上表面一定 距离；此时，位于上位的升降装置通过顶针把机械手上的基片托起，机械手臂随后退出工艺 腔，而后，升降装置向下移动，把基片平稳地放到静电卡盘上表面后开始加工；加工完成后， 升降装置向上移动，将基片托起到一定高度，机械手臂重新伸入工艺腔内把基片取走。由上述基片的加工过程可知，在基片的加工开始之前，需要通过机械手臂将基片 送入反应腔室，而加工完成之后，同样需要通过利用机械手臂将基片取出反应腔室。因此， 机械手臂是基片加工过程中必不可少的设备，其工作质量以及工作稳定性的高低，直接影 响整个基片加工系统加工质量的优劣。基片加工中使用的机械手臂通常为水平搬运机械手臂，并且由上述的使用过程可 知，该机械手臂需要具有伸缩、旋转、升降等功能。请参考图1，图1为一种典型的机械手臂的原理图。该种典型的机械手臂包括第一摇杆11和第二摇杆12，第一摇杆11的第一端连接 有电机(图中未示出)，其第二端通过第一铰接轴与第二摇杆12的第一端铰接，第二摇杆 12的第二端通过滑块15安装有手臂13，手臂13通过滑块15可滑动地安装于滑轨14上， 并且能够在滑轨14的延伸方向上滑动；上述第一摇杆11在电机的驱动下，以第一端与电机 的连接点为旋转点摆动，并带动第二摇杆12以第一铰接轴为转轴摆动，从而带动滑块15进 而带动手臂13在滑轨14上滑动，上述第一摇杆11和第二摇杆12既具有连接作用，又具有 传递动力的作用。在基片加工过程中，需要机械手具有足够的搬运距离，因此，上述第一摇杆11和 第二摇杆12均需要具有足够的长度；同时，由于基片加工环境的限制，机械手能够占用的 空间较小，则两摇杆需要具有较小的旋转半径。为了满足上述要求，上述第一摇杆11和第 二摇杆12的长度应相等，并且，第一摇杆11的第一端应位于滑轨14延伸方向的中间位置。而在机械手臂的伸缩过程中，在伸缩到某一位置时，第一摇杆11和第二摇杆12大 体重叠时，机构的传动角为零，该位置即为死点位置，此时，机械手臂的有效传动力矩为零， 机构处于不传力位置，而不利于机械手臂的连续化传送作业。众所周知地，当机构处于死点 位置时，上述第二摇杆12大致垂直于机械手臂的伸缩方向。在上述典型的机械手臂中，通常利用滑块15的惯性带动机械手臂通过死点位置，为了使机械手臂顺利通过死点位置，目前通常通过增加滑块15惯性的方式。而在实际的工 作过程中，可能由于各种原因而使得滑块15失去了通过死点而必须具备的惯性，此时，机 械手臂机构无法通过死点；另外，在机构调试的过程中，由于滑块15的测试速度较慢，其具 备的能量不足以带动机构通过死点位置；因此，在很多情况下，机械手臂机构可能无法顺利 通过死点位置，机构的传动可靠性较低。综上所述，如何在保证结构较为简单的情况下，使机械手臂能够顺利通过死点位 置，从而提高机械手臂的传动可靠性，就成为本领域技术人员亟须解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于基片处理系统的机械手臂装置，其结构较为简单， 且装置整体不存在死点位置，具有较高的工作可靠性。本发明的另一目的是提供一种包括 上述机械手臂装置的基片处理系统。为解决上述技术问题，本发明提供一种机械手臂装置，包括具有第一摇杆和第二 摇杆的第一双摇杆机构，以及具有第三摇杆和第四摇杆的第二双摇杆机构；所述第一摇杆 和所述第三摇杆均以其第一端铰接于该机械手臂装置的基础部分；所述第二摇杆和所述 第四摇杆分别以其第一端相对应地铰接于所述第一摇杆的第二端和所述第三摇杆的第二 端；所述第一摇杆和所述第三摇杆在驱动部件的作用下绕其各自的第一端旋转时，所 述第二摇杆和所述第四摇杆均带动手臂本体沿第一滑轨滑动；所述第二摇杆与所述第四摇杆形成适当的夹角。进一步地，所述第二摇杆的第二端通过第一滑块与所述手臂本体连接，所述第四 摇杆的第二端通过第二滑块以及所述第一滑块与所述第二滑块之间的弹性机构与所述手 臂本体连接。进一步地，所述弹性机构为沿所述手臂本体的运动方向伸缩的直线弹簧。进一步地，所述直线弹簧的数目为多个。进一步地，所述第三摇杆的第一端与所述第一摇杆的第一端固定连接。进一步地，所述第一摇杆和所述第三摇杆具有一体式结构。进一步地，所述第一滑块沿所述第一滑轨滑动；所述第一滑块上进一步安装有第 二滑轨，所述第二滑块沿所述第二滑轨滑动。进一步地，所述第一滑轨大体平行于所述第二滑轨。本发明还提供一种基片处理系统，包括上述任一项所述的机械手臂装置。进一步地，所述基本处理系统为等离子刻蚀机。本发明所提供的机械手臂装置，包括第一双摇杆机构和第二双摇杆机构；第一双 摇杆机构进一步包括第一摇杆和第二摇杆，第一摇杆的第一端铰接于该机械手臂装置的基 础部分，第二摇杆的第一端与第一摇杆的第二端相铰接；第一摇杆在驱动部件的作用下绕 其第一端旋转时，第二摇杆带动与其连接的手臂本体沿第一滑轨滑动；上述第二双摇杆机 构进一步包括第三摇杆和第四摇杆，第三摇杆通过其第一端铰接于机械手臂装置的基础部 分，第四摇杆的第一端与第三摇杆的第二端铰接，第四摇杆的第二端安装有手臂本体；第三 摇杆在驱动部件的作用下绕其第一端旋转时，第四摇杆带动手臂本体沿第一滑轨滑动；且第二摇杆和手臂本体的滑动方向所形成的夹角，与第四摇杆和手臂本体的滑动方向形成的 夹角不同。这样，在传动的过程中，当第二摇杆与手臂本体的滑动方向形成某一夹角时，第一 双摇杆机构的输出端(也即第二摇杆的第二端)输出的第一水平分力与摩擦力的合力为 零，第二摇杆处于不传力状态，第一双摇杆机构处于死点位置；而此时，由于第四摇杆与第 二摇杆形成适当的夹角，则第四摇杆与手臂本体的滑动方向所形成的夹角，与上述第二摇 杆与手臂本体的滑动方向所形成的夹角不同，因此，第二双摇杆机构的输出端(也即第四 摇杆的第二端)输出的第二水平分力与摩擦力的合力不为零，第二双摇杆机构此时能够传 力；反之，当第二双摇杆机构处于不传力的死点位置时，上述第一双摇杆机构已摆脱先前的 死点位置能够传力；从而使得包括第一双摇杆机构和第二双摇杆机构的机械手臂装置整体 不存在死点位置，进而提高了装置的传动可靠性。在一种优选的实施方式中，上述第三摇杆的第一端与第一摇杆的第一端固定连 接。这样，第一摇杆与第三摇杆通过同一驱动装置驱动，从而节省了一个驱动部件，不仅简 化了装置的结构，并且降低了生产成本；同时，保证了第一双摇杆机构和第二双摇杆结构的 输入动力相同，进一步保证了两组双摇杆机构在不同的时间达到死点位置。在另一种优选的实施方式中，上述第二摇杆的第二端通过第一滑块与手臂本体连 接，第四摇杆的第二端通过第二滑块以及第一滑块和第二滑块之间的弹性机构与手臂本体 连接。当手臂本体沿第一滑轨运动时，上述第二摇杆与手臂本体运动方向的夹角，和第四摇 杆与手臂本体运动方向的夹角均时刻变化，因此，在手臂本体的运动过程中，上述第一滑块 和第二滑块在手臂本体运动方向上的距离时刻发生变化；当运动于前面的双摇杆机构处于 死点位置时，弹性机构对其施加适当的推力，以帮助其顺利通过死点位置；而当运动于后面 的双摇杆机构处于死点位置时，弹性机构对其施加适当的拉力，以帮助其通过死点位置，从 而进一步提高了装置的传动可靠性。在另一种具体实施方式
中，上述第一滑块沿第一滑轨滑动；所述第一滑块上进一 步安装有第二滑轨，第二滑块沿第二滑轨滑动。这样，将第二滑轨固定安装于第一滑块上， 不仅保证了第一滑块和第二滑块的同步运动，并且结构较为紧凑，有效地减少了机械手臂 装置的空间占用量。
图1为一种典型的机械手臂装置的原理图；图2为本发明所提供机械手臂装置第一种具体实施方式
的原理图；图3为本发明所提供机械手臂装置第二种具体实施方式
的原理图；图4为图3所示机械手臂装置的立体图；图5为图3所示机械手臂装置仰视方向的立体图；图6为图3所示机械手臂装置仰视方向的结构示意图。
具体实施例方式本发明的核心是提供一种用于基片处理系统的机械手臂装置，其结构较为简单， 且装置整体不存在死点位置，具有较高的工作可靠性。本发明的另一核心是提供一种包括上述机械手臂装置的基片处理系统。请参考图2，图2为本发明所提供机械手臂装置第一种具体实施方式
的原理图。在第一种具体实施方式
中，本发明所提供的机械手臂装置，包括第一双摇杆机构 和第二双摇杆机构；第一双摇杆机构进一步包括第一摇杆21和第二摇杆22，第一摇杆21 的第一端铰接于该机械手臂装置的基础部分0，第二摇杆22的第二端铰接于手臂本体3 ；上 述第二双摇杆机构进一步包括第三摇杆23和第四摇杆M，第三摇杆23通过其第一端铰接 于机械手臂装置的基础部分0，第四摇杆M的第二端铰接于手臂本体3 ；所述第二摇杆22 和所述第四摇杆M分别以其第一端相对应地铰接于第一摇杆21的第二端和第三摇杆23 的第二端；具体为，第二摇杆22的第一端与第一摇杆21的第二端相铰接；第四摇杆M的第 一端与第三摇杆23的第二端铰接，第一摇杆21和第三摇杆23在驱动部件的作用下绕其各 自的第一端旋转时，第二摇杆22和第四摇杆M均带动与其连接的手臂本体3沿第一滑轨 41滑动；具体为，第一摇杆21在驱动部件的作用下绕其第一端旋转时，第二摇杆22带动与 其连接的手臂本体3沿第一滑轨41滑动；第三摇杆23在驱动部件的作用下绕其第一端旋 转时，第四摇杆M带动手臂本体3沿第一滑轨41滑动；且上述第二摇杆22与第四摇杆M 形成适当的夹角。需要指出的是，上述适当的夹角应该理解为，在不同的机械手臂装置中，为通过死 点位置而确定的夹角的大小不同，本领域的技术人员能够根据实时的工作状况合理地确定 上述夹角的大小。另外，应至少保证两双摇杆机构之一处于死点位置时，上述第二摇杆22与第四摇 杆M之间形成适当的夹角，当然，该夹角也可以在手臂本体3的运动过程中始终存在。当上述第二摇杆22与第四摇杆M之间形成适当的夹角时，上述第二摇杆22与手 臂本体3的滑动方向形成的第一夹角α，和第四摇杆M与手臂本体3的滑动方向所形成的 第二夹角β不同。具体地，上述第二摇杆22的第二端可以通过第一滑块61与手臂本体3连接，以提 高手臂本体3直线运动的可靠性，并简化手臂本体3与第二摇杆22之间的安装过程。相应 地，上述第四摇杆M的第二端可以通过第二滑块62以及第一滑块61和第二滑块62之间 的机构与手臂本体3连接。需要指出的是，本发明所提供的机械手臂装置主要应用于基片处理系统，用于基 片的水平传送，上述驱动部件可以为伺服电机；显然地，上述驱动部件的作用是为机械手臂 装置提供动力，能够实现该功能的本领域中常规使用的动力元件均可以作为本发明中的驱 动部件。并且，当该机械手臂装置用于基片处理系统中时，手臂本体3可以为图4至图6所 示的端部为U形托盘的结构，被传送的基片支撑于该U形托盘中；上述手臂本体3的结构也 不局限于本发明具体实施方式
中所提供的形式，在基片处理系统中，其主要作用是支撑基 片，因此，能够实现托起基片目的的任何形式的手臂本体3均可以作为本发明中手臂本体3 的具体实施方式
。另外，本发明所提供的机械手臂装置不仅可以用于基片处理系统，也可以应用于 其他类型的设备中，此时，上述驱动部件应根据实际工况中所需的动力的大小来选择；并 且，当该机械手臂装置应用于其他类型的设备中时，其手臂本体3的具体形式应根据设备 所使用的场合以及所要运送的零部件的性质确定。
在传动的过程中，当第二摇杆22与手臂本体3的滑动方向形成第一夹角α时，第 一双摇杆机构的输出端(也即第二摇杆22的第二端)输出的第一水平分力与摩擦力的合 力为零，第二摇杆22处于不传力状态，第一双摇杆机构处于死点位置；而此时，由于第二摇 杆22与第四摇杆M形成适当的夹角，则第四摇杆M与手臂本体3的滑动方向所形成的第 二夹角β，和上述第二摇杆22与手臂本体3的滑动方向所形成的第一夹角α不同，第二双 摇杆机构的输出端(也即第四摇杆M的第二端)输出的第二水平分力与摩擦力的合力不 为零，第二双摇杆机构此时能够传力；反之，当第二双摇杆机构处于不传力的死点位置时， 上述第一双摇杆机构已摆脱前述的死点状态而能够传力；从而使得包括第一双摇杆机构和 第二双摇杆机构的机械手臂装置整体不存在死点位置，进而提高了装置的传动可靠性。上述第一双摇杆机构和第二双摇杆机构的具体设置方式可以有多种形式。例如，上述第一摇杆21、第三摇杆23的长度可以大体相同，也可以不相同。为了保 证第二摇杆22与手臂本体3运动方向所形成的第一夹角α，与第四摇杆M与手臂本体3 运动方向所形成的第二夹角β不同，则第二摇杆22与第四摇杆M不应平行安装。上述第一双摇杆机构所使用的驱动装置，与第二双摇杆机构所使用的驱动装置可 以不同，但是为了保证两双摇杆机构之一在处于死点位置时，两从动杆(即第二摇杆22和 第四摇杆24)与手臂本体3运动方向的夹角不同，因此，驱动装置应能保证第一摇杆21和 第二摇杆的转动速度同步。在一种优选的实施方式中，上述第一滑块61与第二滑块62通过弹性机构连接。当 手臂本体3沿第一滑轨41运动时，上述第二摇杆22与手臂本体3运动方向的夹角α，和 第四摇杆M与手臂本体3运动方向的夹角β均时刻变化，因此，在手臂本体3的运动过程 中，上述第一滑块61和第二滑块62在手臂本体3运动方向上的距离时刻发生变化；当运动 于前面的双摇杆机构处于死点位置时，弹性机构对其施加适当的推力，以帮助其顺利通过 死点位置；而当运动于后面的双摇杆机构处于死点位置时，弹性机构对其施加适当的拉力， 以帮助其通过死点位置。上述弹性机构可以为直线弹簧5，具体地，上述直线弹簧5应为至少包括两根弹簧 的弹簧系统，当两双摇杆机构均处于正常运动状态时，两根弹簧中的第一弹簧处于压缩状 态，第二弹簧处于伸长状态；当位于运动前方的双摇杆机构处于死点位置时，原本处于压缩 状态的第一弹簧释放其压缩力，并对处于死点位置的双摇杆机构施加推动力，以帮助其顺 利通过死点位置；当位于运动后方的双摇杆机构处于死点位置时，原本处于伸长状态的第 二弹簧释放其拉伸力，并对处于死点位置的双摇杆机构施加拉力，以帮助其顺利通过死点 位置。上述直线弹簧5也不局限于包括两根弹簧，其可以包括两组弹簧，在两双摇杆机 构均处于正常工作状态时，其中一组弹簧处于压缩状态，另一组弹簧处于伸长状态。上述直线弹簧5的材料等参数应根据实际工作中的使用要求选择，从而通过材料 等参数的选择确定较为合适的弹性系数的数值，弹性系数的具体数值不应受本说明书的限 制。显然地，上述弹性机构也不局限于直线弹簧5，其主要作用为在任一双摇杆机构处 于死点位置时，向其施加作用力，以使机构顺利通过死点位置，则能起到上述作用的零部件 或机构均可以作为上述弹性机构的具体实施例。
上述第三摇杆23的第一端与第一摇杆21的第一端可以固定连接。这样，第一摇 杆21与第三摇杆23通过同一驱动装置驱动，从而节省了一个驱动部件，不仅简化了装置的 结构，并且降低了生产成本；同时，保证了第一双摇杆机构和第二双摇杆结构的输入动力相 同，进一步保证了两组双摇杆机构在不同的时间达到死点位置。请参考图3至图6，图3为本发明所提供机械手臂装置第二种具体实施方式
的原理 图；图4为图3所示机械手臂装置的立体图；图5为图3所示机械手臂装置仰视方向的立体 图；图6为图3所示机械手臂装置仰视方向的结构示意图。在第二种具体实施方式
中，上述第一摇杆21和第三摇杆23可以具有一体式结构， 从而保证了第一摇杆21和第三摇杆23的同步运动，使得第一滑块61和第二滑块62的传 动力的差别，仅取决于第二摇杆22与手臂本体3运动方向的夹角α，和第四摇杆M与手臂 本体3运动方向的夹角β的不同，进一步提高了机械手臂装置的传动可靠性。上述第一摇杆21和第三摇杆23具有一体式结构，可以具体为，上述第一摇杆21 的第二端和第三摇杆23的第二端通过连杆7连接；进一步地，上述第一摇杆21、第三摇杆 23以及连杆7可以设置于同一块连接板上，该连接板可以大体呈三角形，第一摇杆21和第 三摇杆23沿该三角形的两个边设置。这样，不仅保证了机构传动的可靠性，并且，以一个连 接板替代第一摇杆21、第三摇杆23以及连杆7，加工制造更为简单，结构可靠性更高。在上述具体实施方式
的基础上，还可以对本发明所提供的机械手臂装置进行进一 步的改进。请继续参考图3至图6 ；在第三种具体实施方式
中，上述第一滑块61沿第一滑轨 41滑动；第一滑块61进一步安装有第二滑轨42，第二滑块62沿第二滑轨42滑动。这样， 由于第二滑轨42通过第一滑块61被固定安装于手臂本体3上，从而保证了第二滑轨42与 第一双摇杆机构的同步运动，而使得两摇杆机构的死点位置的出现，仅取决于第二摇杆22 或者第四摇杆M与手臂本体3运动方向的夹角，进而保证了当第一双摇杆机构处于死点位 置的时候，第二双摇杆机构不会处于死点位置，反之亦然，从而进一步提高了机械手臂装置 的传动可靠性；同时，将第二滑轨42固定安装于第一滑块61上，不仅保证了第一滑块61和 第二滑块62的同步运动，并且结构较为紧凑，有效地减少了机械手臂装置的空间占用量。需要指出的是，上述第二滑轨42也不局限于安装于手臂本体3上，在满足使用功 能的条件下，上述第二滑轨42也可以安装于其他适当的位置。 上述第二滑轨62也不局限于安装于手臂本体3上，其也可以安装于其他能够实现 使用功能的位置。上述第一滑轨41和第二滑轨42大体平行设置，以进一步提高机械手臂装置的空 间利用率和运动可靠性。除了上述机械手臂装置，本发明还提供一种包括上述机械手臂装置的基片处理系 统，该基片处理系统的其他各部分结构请参考现有技术，在此不再赘述。具体地，上述基本处理系统为等离子刻蚀机。以上对本发明所提供的一种基片处理系统及其机械手臂装置进行了详细介绍。本 文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于 帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在 不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种机械手臂装置，其特征在于，包括具有第一摇杆和第二摇杆0 的第一 双摇杆机构，以及具有第三摇杆和第四摇杆04)的第二双摇杆机构；所述第一摇杆 (21)和所述第三摇杆均以其第一端铰接于该机械手臂装置的基础部分(0)；所述第二 摇杆0 和所述第四摇杆04)分别以其第一端相对应地铰接于所述第一摇杆的第 二端和所述第三摇杆的第二端；所述第一摇杆和所述第三摇杆在驱动部件的作用下绕其各自的第一端旋转 时，所述第二摇杆0 和所述第四摇杆04)均带动手臂本体C3)沿第一滑轨Gl)滑动；所述第二摇杆0 与所述第四摇杆04)形成适当的夹角。
2.根据权利要求1所述的机械手臂装置，其特征在于，所述第二摇杆0 的第二端通 过第一滑块(61)与所述手臂本体C3)连接，所述第四摇杆04)的第二端铰接于第二滑块 (62)上，并通过所述第一滑块(61)与所述第二滑块(62)之间的弹性机构与手臂本体(3) 连接。
3.根据权利要求2所述的机械手臂装置，其特征在于，所述弹性机构为沿所述手臂本 体(3)的运动方向伸缩的直线弹簧(5)。
4.根据权利要求3所述的机械手臂装置，其特征在于，所述直线弹簧(5)的数目为多个。
5.根据权利要求4所述的机械手臂装置，其特征在于，所述第三摇杆的第一端与 所述第一摇杆的第一端固定连接。
6.根据权利要求5所述的机械手臂装置，其特征在于，所述第一摇杆和所述第三 摇杆03)具有一体式结构。
7.根据权利要求1至6任一项所述的机械手臂装置，其特征在于，所述第一滑块(61) 沿所述第一滑轨Gl)滑动；所述第一滑块(61)进一步安装有第二滑轨(42)，所述第二滑 块(6 沿所述第二滑轨0 滑动。
8.根据权利要求7所述的机械手臂装置，其特征在于，所述第一滑轨大体平行于 所述第二滑轨G2)。
9.一种基片处理系统，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的机械手臂装置。
10.根据权利要求9所述的基本处理系统，其特征在于，所述基本处理系统为等离子刻 蚀机。
全文摘要
本发明公开了一种机械手臂装置，其第一双摇杆机构的第一摇杆(21)和第二双摇杆机构的第三摇杆(23)均以其第一端铰接于基础部分(0)；第二摇杆(22)和第四摇杆(24)分别以其第一端相对应地铰接于所述第一摇杆(21)的第二端和所述第三摇杆(23)的第二端；所述第一摇杆(21)和所述第三摇杆(23)在驱动部件的作用下绕其各自的第一端旋转时，所述第二摇杆(22)和所述第四摇杆(24)均带动手臂本体(3)沿第一滑轨(41)滑动；所述第二摇杆(22)与所述第四摇杆(24)形成适当的夹角。这样，在装置的工作过程中，两双摇杆机构不同时到达死点位置，从而提高了装置的传动可靠性。本发明还公开了一种包括上述机械手臂装置的基片处理系统。
文档编号B25J9/08GK102092045SQ20091024238
公开日2011年6月15日 申请日期2009年12月15日 优先权日2009年12月15日
发明者周卫国, 赵梦欣 申请人:北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司