专利名称：通过相互作用机构夹持物品的机器人臂的制作方法
技术领域：
本发明涉及机械臂。更具体地说，本发明涉及一种随自身的伸展和收拢而夹持和释放工件的机器人臂。
在大规模集成电路(LSI)的制造过程中，附着在半导体晶片、液晶显示片(LCD)、太阳能电池板等表面的微颗粒或杂质大大降低最终产品的生产率。因而在制造过程中需要在一个清洁的环境中将半导体晶片传送和保持。通常将多个半导体晶片装入一个盒子中传输于各个加工系统之间。在一个加工系统中，通过机器人臂将半导体晶片送到预定的位置。为了加工系统中的输送过程中固定住半导体晶片，使用了真空吸盘或静电吸盘。如果使用这样的吸盘，为了在通过机器人臂进行输送的过程中可靠地夹持住半导体晶片，机器人臂的结构将变得很复杂。
例如，清洗晶片表面以及不能因清洗而破坏环境是很重要的。使用氩气在低压环境下完成晶片的表面清洗是一种已知的方法。在这种方法中，氩气或含有氩气的混合气体被冷却至很低的温度并将之喷到工件的表面上。当此气体从喷嘴中喷出进入低压环境时，它迅速地绝热膨胀并降低其自身的温度。低温产生固态氩。微小的固态氩粒冲击工件的表面。
业已提出了一种将氩气变为固态氩粒的方法。在这种方法中，在某一压力下的含有氩气的气体被冷却至略高于其在此压力下的液化点温度，然后从喷嘴中喷出进入低压环境。
在低压环境中使用的一加工系统通常装有一个总是保持在低压环境下的作业室，以及一个在低压环境和大气压环境之间交替变换的压力锁定室。需要有一个机器人在作业室和压力锁定室之间传送工件。
对半导体制造加工来说，需要一个结构简单，尤其是很少产生杂质颗粒的机器人(臂)。
本发明的目的是提供一种不需要用来夹持工件的复杂驱动机构的机器人臂。
根据本发明的一个方面，提供一种机器人臂，它包括一个转轴；
一个固定在转轴上并具有伸展/收缩折叠机构的臂件；一个以转动方式支承在臂件末端并与转轴具有恒定相互关系的支承件；以及一个由固定在支承件上的支承轴所支承的、用于与支承件配合共同支承工件的辅助支承件，该辅助支承件随着臂件的伸展/收缩折叠运动而摆动。
当臂件伸展或或收缩时，辅助支承件随着臂件的伸展或收缩而摆动。在辅助支承件摆动时，一个工件被夹持或释放。因此，工件可随着臂件的伸展或收缩而被夹持或释放。
根据本发明，可通过简单的机构夹持住工件，而无需使用夹持工件的复杂驱动机构。
图1是本发明实施例的清洗系统方框图。
图2是氩的相图。
图3是本发明实施例清洗系统的剖视图。
图4是图3所示清洗系统之清洗室的截面图。
图5A和5B是图3所示清洗系统之流率控制装置的截面视图。
图6是实验所用的流率控制装置的截面视图。
图7A是图3所示清洗系统的缓冲室的平面图，而图7B是沿图7A中点划线B7-B7的缓冲室的截面视图。
图8A～图8I示意性表示了在缓冲室中更换各晶片位置的方法。
图9是图3所示清洗系统之晶片夹持器的平面图。
图10是图3所示清洗系统之机器人臂的臂头平面图。
图11A是图10的所示机器人臂的局部平面图，图11B是它的局部截面视图。
图12A是图3所示清洗系统之隔板的平面图，图12B是喷头、隔板以及晶片的截面视图。
首先，结合图1和图2来描述根据本发明实施例之使用机器人臂的表面清洗系统和方法的概况。
图1是根据本发明实施例之表面清洗系统的方框图，氩气(Ar)瓶1和氮气(N2)瓶2由管线经过压力控制阀3和4连接到交汇点20，在那里氩气和氮气相互混合。混合后的氩氮气经管供入过滤器5，由过滤器去除掉混合气中的杂质颗粒。
去除掉杂质颗粒后的混合气体经管22供入到冷却器6(即热交换器)，在那里将气体冷却并从喷嘴组件10中喷入真空室11，从冷却器6中喷出的混合气的压力和温度是由压力表8和温度表7来测定的，并将测定结果以电信号的形式提供给温度控制器9。
温度控制器9控制着冷却器6，从而使冷却器6冷却后的温度等于或低于测定压力时的氩气液化温度。
图2是表示氩气液化温度和固化温度的曲线。在图2中，横座标表示熵，以焦耳/克分子·绝对温度[joule/(mol·k)]为单位。纵座标表示绝对温度K，区域G表示气相，区域L表示液/气相。区域S表示固/气相。曲线a表示液化温度(即气态和液态的界面)。虚线表示固化温度(即液态和固态的界面)。以及P点表示氩的三态点。
图1所示的温度控制器9根据输入的压力和温度信号控制着冷却器6，因而使冷却器6出口处的气体温度等于或低于测定压力下的氩气液化温度，满足图2所示的关系。
混合气中的部分或全部氩气被冷却和液化，形成微小的液滴。
混合气体中的氮气份额最好设定为2～70克分子百分比(mol％)。由于氮气的比热比氩气的比热大，因此，如果氮气的份额设置得大，那么冷却气体所需要的热量就大。这就是把氮气的份额设定得较小的原因。此外，由于氮气的液化温度比氩气的液化温度低，假若混合气体中仍然有一些气态氮气(尽管氮气的数量很少)，那么即便混合气体已经极度冷却，也仍然存在着一些作为载体的气体。
当混合气体从喷嘴组件10喷入真空室11时，其压力迅速降低，并且绝热膨胀。因此，混合气体的温度迅速降低，微小的氩滴至少其表面被固化而变成微小的氩粒。
按照上述方式，含有许多微小氩粒的流体被喷向工件12的表面，从而可以有效地清洗工件的表面。
真空室11经过一个流速控制阀13连接至一个未示出的柚真空装置。压力表14连接到真空室11上，与压力表14测定的压力值相应的信号被送至压力控制器15。
压力控制器15根据测出的压力来控制流速控制阀13。包括流速控制阀13、压力表14和压力控制器15在内的这个柚真空装置将真空室11内的压力保持为一个降低的压力值。
压力控制阀13最好将真空室11中的压力控制在高于或等于0.2大气压至低于或等于0.7大气压之间(绝对压力)。最好将压力控制为低于或等于氩的三态点(0.68大气压)。喷嘴组件10中的适当压力取决于真空室11中的压力，最好将它设定为3～7个大气压(绝对压力)。
如果喷嘴组件10和真空室11之间的压力差很小，就不能获得很好的清洗效果。随着压力差的增加，清洗效果逐渐改善。如果压力差设得过大，从喷嘴组件10中喷出的微小的氩粒在真空室中弥散并悬浮在真空室中，那么清洗效果又会降低。
其原因可解释如下如果压力差很小，混合气体的绝热膨胀量就很小，因而可以认为，微小的氩滴尚未固化就撞击清洗表面。这种情况下的清洗效果很差。如果压力差过大，混合气体的绝热膨胀量很大并且其温度降得很低，因而可以认为微小的氩滴几乎固化到其芯部，因而撞击清洗表面的固态颗粒被弹性地弹回。这种情况下的清洗效果也很差。
如果压力差适当，就可以假定，微小的氩滴只有其表面被固化，其内部仍为液态。如果微小的氩粒只在其表面形成有固态的壳体，那么当它撞击清洗表面时，外壳就会破碎，就不会弹回。因此可以认为这就改善了清洗效果。
如果真空室11中的压力低于或等于氩的三态点，那么就不存在液态的氩，从而至少使微小氩滴的表面被固化。通过将真空室11中的压力设定为等于或低于氩的三态点，就很容易控制微小的氩滴使之转变为具有固化外壳的微小氩粒。
在将气体引入系统之前，最好通过与管21相连的阀17排空清洗系统中的空气，以免混入杂质气体。在系统运行停止以后，最好也通过打开阀17将排出混合气体。
由于喷嘴组件10上游的压力通常是保持恒定的，所以压力表8也可以设置在冷却器6的上游。
在上面的描述中，使用了氩气和氮气的混合气。氩气被液化，微小的氩滴在氮气或混合气中流动。除了混合气以外，也可以只使用氩气。
在这种情况下，当氩气经过冷却器6以后，一部分氩气变成微小的氩滴并悬浮在其余的氩气中。因此，一定百分比直至全部(100％)的氩气可作为清洗气体。在喷嘴组件的末段中可以贮存着氩液而不是氩滴，当这些液体随同气体一同从喷嘴组件中喷出时，这些液就转变为液滴。
真空室11中的工件12可以被加热。当含有微小氩滴的气体从喷嘴组件10中喷出时，至少微小氩滴的表面被固化，并且这些氩滴撞击到工件12上。如果工件的温度升至一定程度，那么附着在工件表面上的这些氩粒或氩滴便迅速汽化。
在上述方式中，颗粒的喷砂效应和汽化都有助于清洗。通过调整氩气的比例、压力、制冷压力、冷却温度等就可以控制微小氩粒的直径。
在图1所示的示例中使用了一个冷却器，也可以使用两个或多个冷却器，可在第一冷却器中液化和去除杂质气体，在第二冷却器中液化氩气。
图3是根据本发明实施例的晶片清洗系统之截面视图。晶片清洗系统的构成包括清洗室30、缓冲室40、机器人操作室50、晶片装载室60、和晶片卸载室70。清洗室30与缓冲室40由闸阀81隔工。缓冲室40与机器人操作室50由闸阀82隔开。机器人操作室50与晶片装载室60由闸阀83隔开。机器人操作室50与晶片卸载室70由闸阀84隔开。每一腔室的内部通过一个阀与一个未示出的真空泵相连，并且可被单独抽真空。
由纯铝制成的直管式喷头安装在清洗室30的内部。喷头3l的侧壁上设有许多沿轴向方向的喷孔32，喷孔32是在喷头31侧壁上成形的通孔，一个由铝或蓝宝石制成的小管可插入每个通孔中以构成各个喷孔32。含有微小氩滴的气体如图1所述那样供入到喷头31中。供入喷头31的气体从喷孔32中喷出，喷到清洗室30中，与此同时，气体作绝热膨胀，从而被冷却形成微小的氩粒。
流速控制装置33安装在清洗室30的端壁上，通过抽真空可控制清洗室30的内部，使之具有所要求的压力。
晶片装载室和卸载室60、70上装有门61和71。把门61和71打开，就可以对夹持晶片的晶片载体进行装载和卸载。要被清洗的晶片62由晶片载体63夹持并移入晶片装载室60。清洗后的晶片接下来被送给晶片卸载室70中的晶片载体73。
用来输送晶片的机器人臂51设置在机器人操作室50中。机器人臂51的构成包括装在带有升降机构的转轴52上的第一臂51A、装在第一臂51A远端上的第二臂51B，以及装在第二臂51远端上的臂头51C。机器人臂51通过各臂之间连接点的弯曲，可以使臂头51C在转轴52上方运动。通过各臂连接点围绕转轴52的伸展和收缩，臂头51C可移至缓冲室40、晶片装载室60、或晶片卸载室70中。
机器人臂51可沿着垂直于附图纸面的方向上下直线移动。通过将臂头51C移至晶片装载室60或缓冲室40中的晶片的下方，然后升起臂头51C，就可以将晶片放置在臂头51C上。与此相反，通过将晶片放置在臂头51C上，然后将臂51C移过晶片在卸载室60或缓冲室40中所处的位置，再降下臂头51C，就可以将晶片放置在另外的预定位置。
晶片夹持器41和过渡板42设置在缓冲室40中，晶片夹持器41通过支承轴45支承在缓冲室40中。支承轴45通过缓冲室40的下部连接到驱动轴48上。驱动轴48接受来自滚珠丝杆机构49的驱动力，并且可以沿着图3所示的横向方向直线移动。当驱动轴48沿横向直线移动时，支承轴45以及晶片夹持器41也可以沿横向移动。驱动轴48通过波纹管与缓冲室气密连接。图3表示晶片夹持器41处在缓冲室40中的原始位置。
晶片夹持器41载着晶片，在图3中朝右移动，进入清洗室30，到达喷头31的右方位置。晶片被送入清洗室30之后，晶片夹持器41就逐渐向左移动，同时在图3所示中上下往复运动。此时，从喷头31的多个喷孔32中同的含有微小氩粒的气体喷到晶片的表面上，以此清洗晶片。在清洗过程中晶片保持器41上下往复运动的幅度设定为大于喷孔32的间距，并且适当地设定好其向左运动的速度。以便清洗整个晶片表面。晶片夹持器41的晶片夹持机构将结合图9在下文中详述。
过渡板42是在晶片从臂头51C移向晶片保持器41，或从晶片保持器41移向臂头51C时，用来暂时地夹持晶片。过渡板42有两层，用于同时保持两个晶片。在缓冲室40中转移晶片的方法将在下文中结合图8A～8I予以详述。
下面用图3的清洗系统描述清洗晶片的方法。
首先，所有的闸阀81～84都关闭，并将缓冲室40和机器人操作室50抽至100毫乇或更高的真空度。含有微小氩粒的气体从喷头31中喷出，喷入清洗室30时，清洗室30被抽至0.3～0.7大气压的真空。一个装有许多尚未清洗的晶片62的晶片载体63被移置于晶片装载室60中。一个空的晶片载体73移置至晶体卸载室70中。晶片装载室和卸载室60、70被抽至100毫乇(mtorr)或更高的真空度。
打开闸阀83，使臂头51C移入晶片装载室60，尚未清洗的晶片62被移至臂头51C上。通过机器人臂51的收缩，晶片从装载室60移至机器人操作室50。然后将闸阀83关闭。
打开闸阀82，使臂头51C移入缓冲室40，并将由臂头51C夹持的晶片通过过渡板42转移到晶片夹持器41上。如果过滤板42装有清洗过的晶片，就将它转移到臂头51C上，这样就把清洗过的晶片从缓冲室40移至机器人操作室50。然后将闸阀82关闭。
将氮气引入缓冲室40，缓冲室40中的压力设置为大致等于清洗室30中的压力。当缓冲室40和清洗室30中的压力大致相等时，将闸阀81打开。由于缓冲室40和清洗室30中的压力大致相等，即使打开了闸阀81，也不会发生气体的扰动。因此，就可以防止附着在腔室内壁上的氩粒发生胀破而附着在晶片上。
晶片夹持器41如图3所示向右移动，将晶片送入清洗室30。然后晶片夹持器逐渐向左移动，同时如图3所示上下往复运动。此时，含有微小氩粒的气体从喷孔32中喷出，喷向晶片表面，以便清洗它。清洗之后，晶片夹持器41回到缓冲室40中，闸阀81关闭。缓冲室40被抽至100毫乇或更高的真空度。清洗过的晶片从晶片保持器41移至过渡板42。
在清洗晶片的同时，机器从臂51将清洗过的晶片送到晶片卸载室70中的晶片载体73上。机器臂51从晶片装载室60中检取另一片待清洗的晶片并把它送到机器人操作室50中。
当闸室82打开之后，由机器人臂51夹持的待清洗晶片被送到晶体夹持器41上。由过渡板42夹持的清洗过的晶片被移至臂头51C上并送入机器人操作室50中。
上述过程重复进行，以便顺序连续清洗许多晶片。
在上述过程中，氮气被引入缓冲室40，以便使缓冲室40和清洗室30中的压力相等。除了引入氮气以外，还可以采用另一种方法，即平稳地提高清洗室30中的真空度，使之等于缓冲室的真空度。为了提高清洗室30的真空度，就需要停止供给其即将从喷头31中喷出的含有微小氩粒的气体。当停止供气时，喷头31中的压力突然降低，并且喷头31中的气体绝热膨胀。这种绝热膨胀使温度迅速降低并使喷头31中的氩固化。
在喷头31中生成的固态氩难以消除。固态氩可能会堵塞喷孔32。因而，喷头31中有关下一次清洗时的温度、压力等条件参数将变得难以调定。因此，采用提高清洗室30的真空度来消除缓冲室40和清洗室30之间压力差的方法，是不值得推荐的。
如图3所示，清洗室30不是直接与机器人操作室50相连，而是通过缓冲室40间接地相连。这样就可以将晶片在清洗室30和机器人操作室50之间传送，而无需将清洗室30抽至很高的真空度。
在图3所述的过程中，表面清洗是通过将含有微小氩粒的流体喷入清洗室30来完成的。缓冲室40的作用并不仅仅局限于表面清洗，而在设置清洗室30的减压环境方面也起作用。尤其是当机器人操作室50中的压力与清洗室30中的压力不同时，缓冲室50尤为有用。机器人操作室50用一个通常的真空泵将它抽至100毫乇或更高的真空度。因此，最好是将机器人操作室50设置为一个减压的环境，其压力值范围是高于或等于100毫乇至低于或等于一个大气压。
下面参照图4描述清洗到的结构。
图4是沿图3中点划线A-A的截面视图。清洗室30主要由主室34、副室35和热屏蔽室36构成。外壁100限定了主室34和热屏蔽室36。主室34和热屏蔽室36由隔热板101隔开。尽管隔热板101可以围绕着整个主室34的周边设置，但在图4中，它仅设置在主室34的侧部和底部。因此，主室34的上部仅通过外壁100与大气环境隔开。
在缓冲室40一侧的外壁100和隔热板侧壁上，设有一个槽状的通孔102。在缓冲室40的隔热板侧壁上也设有相似的通孔48。缓冲室40和主室34借助这两个孔102和48相互连通。一个闸阀81设置在外壁100和缓冲室40的侧壁之间。当闸阀阻断通孔48时，主室34与缓冲室40就可以隔开。
副室35设置在面对缓冲室40的位置，主室34则处在两者之间。副室35是由盒状的到副室壁103限定出的一个空腔，只在主室34一侧有一个开口。为了进行清洗，晶片从缓冲室40经过通孔48和102，再经过主室34而装入副室35。
喷头31装在主室34中，其位置略高于通孔102。含有微小氩粒的气体从喷头31的喷孔32中喷出，从通也102的一侧倾斜向下喷向副室35的一侧。在喷头31和晶片通道之间装在隔板107和108，以便隔挡住从喷孔32中喷出的气流的外周部分，只有未受隔板107、108遮挡的气流中心部分才撞击到晶片表面。当晶片未送入清洗室30时，从喷孔32喷出的气流冲击到隔板板101。隔板107和108的结构和作用将在下文中结合附图12A和12B予以描述。
外壁106以气密方式安装在外壁100上，并围绕着副室壁103的周边。在外壁106和副室壁103之间的空腔中，设有气流通道隔板104。在气流隔板104和副室壁103之间便确定出一个气流通道37。在气流隔板104和外壁106之间也确定出一个气流通道39。
气流通道隔板104位于主室34一侧的端部紧密地与隔热板101相接触。通过隔热板101与副室壁103之间的间隙109，气流通道37与主室34相通。而气流通道39则是通过外壁100与副室壁103之间的空隙110与热屏蔽室36相通。
气流通道隔板104的位于主室34另一侧的端部装有一个圆柱形的气流通道隔套105。隔套105的端部插入气流控制装置33中。通过气流通道37以及气流隔套105的内腔，主室34与气流控制装置33相通。而热屏蔽室36则是通过气流通道39以及气流隔套105的外腔与气流控制装置33相通。
气流控制装置33是由外管120、针芯121、排气管122以及针芯驱动机构123构成。外管120的一端气密地装在外壁106上，所以气流通道隔套105的端部就可以插入外管120中。通过气流通道隔套105的内腔和外腔，气流通道37和39分别与外管120的内腔相通。
插入外管120内腔中的针芯121有一个小直径杆段、一中等直径的杆段和一大直径的杆段。针芯121的变径段和小直径杆段的端部都制成锥形。针芯驱动机构123沿轴向驱动针芯121并控制它插入外管120中的深度。排气管122的一端连接在外管120的侧壁上，外管120的内部通过排乞管122排气。通过改变针芯121的插入深度，就可以改变气流通道的流通率以及控制排气的流率。气流控制装置33将结合图5A～图6予以描述。
下面结合清洗室30描述晶片的清洗方法。
含有微小氩粒的气体从喷头31中喷出，以冷却主室34的内部并使主室34的温度处于稳定的状态。从喷头31喷出的气体和微小氩粒经过间隙109和气流通道37排出外面。
由于微小的氩粒冲击着隔热板101，该板被冷却至氩的液化点温度附近。由于隔热板101被冷却到很低的温度，这就难以通过使用O形圈等措施在隔热板101和外壁100之间建立起气密的连接面。在图4所示的结构中，隔热板101和外壁100具有直接相互接触，没有使用O形圈之类的元件。因此，一部分气体从主室34透过连接面渗入到热屏蔽室36中。渗入到热屏蔽室36中的气体通过空隙110和气流通道39排出外面。
流率控制装置33将主室34和热屏蔽室36中的压力分别控制在0.3～0.7大气压和0.2～0.6大气压。将热屏蔽室36中的压力设置为低于主室34中的压力之原因是为了防止热屏蔽室36中的气体流回到主室34中去。
晶片由图3所述的晶片夹持器41夹持着，并从缓冲室40经过通孔48和102送入副室35。送入副室35的晶片在主室34的隔板107、108下方移动并返回到缓冲室40中。随着晶片在隔板107、108下方移动，含有微小氩粒的气流冲击晶片表面而将之清洗。
为了缩短将主室34内部冷却至稳定状态所需的时间，最好使隔热板101的热容量尽可能地小。在本实施例中，使用5mm厚的铝板作为隔热板101。
为了增强热屏蔽室36的隔热效果，最好使热屏蔽室36的内部具有尽可能高的真空度。为了保障主室34和热屏蔽室36之间具有的大压力差，就要求隔热板101具备很高的机械强度。但是不推荐通过增加隔热板101的厚度来增强其强度，因为这样会加大其热容量。因此在本实施例中，主室34和热屏蔽室36之间的压力差设置为0.1大气压左右。
随着外壁100外表面温度的降低，水会冷凝在该表面上，随着温度的进一步降低，霜会附着在该表面上。为了避免水的冷凝，最好增加外壁100的厚度，并且使外壁100的内外表面之间具有较大的温差。在本实施例中，外壁100的厚度设为20mm。
在图4的描述中，含有微小氩粒的流体喷入主室34中。隔热板10l的作用并不局限于喷射微小氩粒，隔热板的作用也可适用于喷射其它低温流体。
下面结合图5A和5B描述流率控制装置33的结构和工作。
图5A和5B是流率控制装置33的截面图。流率控制装置33由圆柱形外管120、针芯121和排气管122构成。
外管120的一端以气密方式装在清洗室的外壁106上，外管的内腔则与清洗室的内部相通。气流隔套105从外管120的一端插入其内腔中。如图4所述那样，气流通道隔套105中的气流通道37A通过气流通道37与主室34相通。在气流隔套105的外周与外管120的内周之间形成的圆柱形的气流通道39A则通过气流通道39与热屏蔽室36相通。
排气管122的一端装在外管120的侧壁上，其另一端与一个未示出的真空泵相连。外管120的内腔可通过排气管122被抽真空。
在外管120的内壁上设有一段小直径部分124，其位置处于气流隔套105的端部与外管120/排气管122的连接部之间。
针芯121是由小直径杆段121A、中直径杆段121B、大直径杆段121C以及各段之间的锥形连接段构成。小直径杆段121A的外径略小于气流通道隔套105的内径。中直径杆段121B的外径略小于(外管120中)小直径部分124的内径。大直径杆段121C的外径略小于外管121的内径。
如图5A和5B所示，针芯121从小直径杆段121A的端部开始插入外套120中。如图4所示的针芯驱动机构123控制着针芯121的插入深度。图5A表示针芯121浅浅地插在外管120中，图5B表示针芯121深深地插在外管120中。如图5B所示，当针芯121深插入外管120中时，小直径杆段121A插在气流通道隔套105的气流通道37A中，而中直径杆段121B其端侧的一部分则插在小直径部分124中。
如图5A所示，当针芯121的插入深度很浅，小直径杆段121A未插入气流通道隔套105时，气流通道37A和39A通过针芯121与外管120内表面之间的间隙都与排气管122相通。这，就在气流通道37A和排气管122之间以及气流通道39A和排气管122之间形成了非常通畅的气流通道，并且通过这些通畅的气流通道使气流通道37A和39A排气。
如图5B所示，如果大部分的小直径杆段121A插入气流通道37A中，那么连接气流通道37A、39A与排气管122的气流通道就变狭窄。具体地说，气流通道37A与排气管122的相通要经过小直径杆段121A的外表面与气流通道隔套105的内表面之间的狭小间隙，以及中直径杆段121B的外表面与小直径部分124的内表面之间的狭小间隙；气流通道39A与排气管122的相通要经过中直径杆段121B的外表面与小直径部分124的内表面之间的狭小间隙。这些狭小间隙构成了流通阻力。
这种流通阻力降低气流通道37A、39A与排气管122之间的气流通道的流通率，因而也就降低了气流通道37A、39A中的排气能力。由小直径杆段121A和中直径杆段121B形成的流通阻力串联作用于气流通道37A与排气管122之间的气流通道。与此相反，气流通道39A与排气管122之间的气流通道上只作用着由中直径杆段121B形成的流通阻力。因此，气流通道37A的抽空能力大大低于气流通道39A的抽空能力。
通过调整小直径杆段121A的外径与气流通道隔套105的内径之间的差值、中直径杆段121B的外径与小直径部分124的内径之间的差值、以及调整小直径杆段121A流通阻力区的长度相对于中直径杆段121B流通阻力区长度的比值等参量，就可以将气流通道37A、39A抽空能力之间的差值设定到一个所要求的数值上。
下面结合图6描述采用图5A、5B中的流率控制装置对真空室进行压力控制的实验结果。
图6是本实验所用流率控制装置的截面图。实验所用流率控制装置的针芯，除了其锥端以外，具有相同的直径。这个针芯可以看作只具有小直径杆段121A或中直径杆段121B的图5A、5B中所示的那种针芯121。
针芯131插在外管130中。如图6所示，带有通孔的针芯支承环133安装在外管130的左端，这个支承环133通过一个固定环134固定在外管130上，该支承环的通孔直径大约等于针芯131的直径。针芯131插在支承环133的通孔中并且在径向方向获得支承。外管130的内径是10.2mm，针芯131的外径是9.53mm。排气管132的一端连接在外管130的侧壁上，其另一端与一个未示出的真空泵相连。真空泵的抽空能力大约是500升/分。
如图6所见，外管130的右端接至真空室(未示出)。在这些条件下，真空室中的压力受到控制。以4立升/分(slm)的氮气流速以及40立升/分(slm)的氩气流速，将氮气和氩气引入真空室。在这些条件下，真空室中的压力在0.2～0.5大气压的范围内变化，并且可以稳定地加以控制。在0.2～0.5的气压值范围内，对应于针芯131沿轴向约0.5mm的移动量，气压值将大约变化0.01大气压。
就传统的针阀来说，针芯的锥端插入圆形孔中以改变孔面积，也就是改变气流通道的截面积，以此来控制速率。为了获得很高的真空度，甚至采用传统的方法也可以平稳地控制压力。然而，传统的阀难以在0.2～0.7大气压的范围中以0.01大气压的精度平稳地改变压力。而在图6所示中，不仅仅通过改变气流通道的横截面面积，而且通过使用流率控制装置来改变流通阻力区的长度，由此调整流通率，因而0.2～0.7大气压范围中的压力就可以平稳地加以控制。
传统针阀的端部如果深深地插入孔中，就有可能使锥面与孔的内缘相接触。如果锥面接触到孔的内缘，那么接触面有可能受损，或者产生出诸如磨屑之类的颗粒。从而采用图5A～图6所示的流率控制装置，即使针芯被深深地插入，针芯也不会与外管接触，这样就可以避免因接触而产生的受损或颗粒。
下面结合图7A和7B描述缓冲室的结构。
图7A是图3所示缓冲室40内部的示意性俯视图。晶片夹持器41和过渡板42设置在缓冲室40中。过渡板42由主杆43支承。当装卸晶片时，闸阀82被打开，机器人臂的臂头51C伸进缓冲室40中。
过渡板42有一个固定在主杆43上的支承件44，以及固定在支承件44上的两个平板。
图7B是沿图7A中点划线B7-B7的横截面图。以相等距离平行设置的上下平板42a和42b固定在支承件44上。在俯视图中，上下平板42a、42b具有相同的形状。
如图7A所示，上下平板各有一个臂部42A，其一端固定在支承件44上，而且如图7A所示它沿着闸阀81朝着下方延展。上下平板还各有一个晶片夹持部分42B，它们位于臂部42A的另一端附近并朝着缓冲室40的中心延伸。晶片夹持部分42B将晶片夹持在其上表面上。为了在靠近晶片外周的位置处稳定地把持住晶片，晶片夹持部分42B设有三个从中心区域向外周延伸的伸出部分42Ba。在伸出部分42Ba的上表面上设有凸起物，晶片就放置在这些凸起物上。
主杆43可在垂直于附图纸面的方向中上下直线移动。缓冲板42随着主杆43一起上下移动。
晶片夹持器41有一个平板形状，在其原始位置时，该平板在三个方向上围绕着过渡板的晶片夹持部分42B，只有与臂部42A的连接部分那一方向除外。晶片夹持器41的内周有一圆弧，其直径略小于晶片的直径。夹持器41的外周为矩形。在晶片夹持器41的内周上，在与过渡板的伸出部分42Ba相应的位置处设有凹口，这样，晶片夹持器41和过渡反42就不会在水平面中重叠。通过将晶片底面的外周区域放置在晶片夹持器41上表面的内周区域上，就可以放置好一个晶片。晶片夹持器41的结构将在下文中结合图9予以描述。
臂头51C也有一个平板形状，当它进入到缓冲室40时，该平板在水平面中从三个方向上围绕住过渡板的晶片夹持部分42B，只有与臂部42A的连接部分那一个方向除外。臂头51C也具有相应的平板形状，这样臂头51C和过渡板42就不会在水平面中重叠。臂头51C将晶片保持在其上表面上，并将晶片送到处于原始位置上的晶片夹持器41的晶片获取位置。臂头51C的结构将在下文中结合图10予以描述。
过渡板42可以上下自由移动，这是因为晶片保持器41和臂头51C并不与它在水平面中重叠。当过渡板42升起时，由晶片夹持器41或臂头51C夹持的那个晶片就转移到过渡板42上。相反；当过渡板42下降时，由过滤板42夹持的晶片便转移到晶片夹持器41或臂头51C上。
下面结合图8A～8I描述缓冲室40中的晶片转移方法。
图8A～8I是一个示意图，表示出过渡板的上下平板42a和42b、晶片夹持器41以及臂头51C三者之间在高度方向上的相互位置关系。
如图8A所示，夹持有一个未清洗晶片62A的臂头51C插在上下平板42a和42b之间。如图8B所示，过渡板42上升，以将臂头51C上的晶片62A转移到下平板42b上。
如图8C所示，臂头51C从缓冲室40中退出，过渡板42下降，使晶片夹持器41位于上下平板42a、42b之间。因而晶片62A便转移到晶片夹持器41上。然后将晶片夹持器41移至清洗室，以便清洗晶片62A。如图8D所示，当晶片夹持器41伸入到清洗室30中时，过渡板42下降。当晶片夹持器41回到其原始位置时，上平板42a位于晶片夹持器41的下方。如图8E所示，过渡板42上升，使下平板42b高于晶片夹持器41。清洗过的晶片62A便转移到上平板42a上。
如图8F所示，持有一片未清洗晶片62B的臂头51C插在上下平板42a、42b之间。如图8G所示，过渡板42上升，使下平板42b高于臂头51C。晶片62B便转移到了下平板42b上。
如图8H所示，臂头51C暂时地退出缓冲室40，然后重新插在上下平板42a、42b之间。如图8I所示，过渡板42下降，使上平板位于臂头51C和晶片夹持器41之间，然后使下平板42b低于晶片夹持器。晶片62A便转移到臂头51C上，而晶片62B便转移到晶片夹持器41上。然后，臂头51C退出缓冲室。通过重复图8A～图8I所示的过程，就可以顺序连续地清洗许多晶片。
如上所述，过渡板设有用以夹持晶片的两个平板42a和42b。因而就可以在短时间内完成未清洗的晶片从臂头51C向晶片夹持器41的转移，以及将清洗后的晶片从晶片保持器41向臂头51C的转移。
在图8A～8I的描述中，只有过渡板42是上下移动的。然而，也可以代之以臂头51C或晶片夹持器41的上下移动。由于机器人臂具有上下移动的功能，因而臂头51C可以上下移动而无需附加机构。例如，在图8F所示的步骤中，可以是使臂头51C下降，以代替过渡板42的上升。
下面结合图9描述晶片夹持器4l的结构和工作。图9是晶片夹持器41的平面图。晶片夹持器41是由晶片保持部分41a和臂部41b构成。晶片夹持部分41a具有平板形状，它是在一个矩形的、其大致中央的部位切去一个圆形部分，如图9所示，切去的圆形部分在矩形的右侧开口。如图9所示，臂部41b自晶片夹持部分41a向左侧延伸。在图9中所见的上下部分是由不同的平板41A和41B构成的，这两个平板在左端处由支承轴45连接在一起并且可以张开和闭合。在上下方向中(即垂直于附图纸面的方向中)，平板41A和41B在支承轴45附近相互重叠，而臂部41b的右侧部分和晶片夹持部分41a则位于同一水平面中。
晶片夹持部分41a中的切去的圆部分之直径略小于晶片的直径。这样，通过将晶片底面的周边部分放置在晶片夹持部分的切去向圆附近的周边部位上，就可以夹持住晶片。
一个弹性件设置在平板41A和41B之间，并且沿着使两者闭合的方向施加弹性压力。另外还固定地设置一个辊子46，其位置是当晶片夹持器41位于图3所示的缓冲室40中的原始位置时，辊子46在臂部41b的重叠区域处只与平板41B的臂部相接触。当支承轴45如图9中所见稍微向上移动时，只有平板41B贴靠在辊子46上，两个平板便稍微张开。当支承轴45将至其原始位置时，两个平板通过弹性件的恢复力而闭合。
在晶片保持部分41a的上表面上，沿着将要保持的晶片的外周边，设置了许多凸起物47。在两个平板41A和41B略微张开的状态下将晶片放到晶片夹持部分41a上以后，两平板41A和41B闭合，以便使各个凸起物47向内椎晶片的外周。因此，与晶片被简单地放置在晶片保持部分41a上表面上的情形相比，本发明可以更加稳定和可靠地保持住晶片。
下面结合图10～11B描述机器人臂的结构和工作。
图10是机器人臂的平面图。机器人臂的的构成主要包括第一臂51A、第二臂51B和臂头51C。第一臂51A连接在转轴52上，该轴沿垂直方向如图3所示从机器人操作室50的底面向上突伸。第二臂51B连接在第一臂51A的末端，而臂头51C连接在第二臂51B的末端。第一臂51A。第二臂51B以及臂头51C的长度是相等的。
第一臂51A装在转轴52上，可相对于机器人操作室50的底面转动。第二臂51B以转动方式安装在固定于第一臂51A的转轴53B上。转轴53A固定在第二臂51B上并与转轴53B同心。转轴52和53A在其外周壁上设有齿，这些齿与同步带160A啮合。转轴52与53A的齿数比为2∶1。
臂头51C以可转动方式安装在固定于第二臂51B的转轴54上。转轴56固定在臂头51C上并与转轴54同心。转轴53B和56在其外周壁上设有齿，这些齿与同步带160B啮合。转轴53B与56的齿数比为1∶2。
第一臂51A和第二臂51B构成了可以合拢的臂，并且臂头51C的轴向方向总是指向转轴52。为了实现这种合拢功能，每一转轴都由上述的双机构doublemechanism构成。
围绕着转轴54设有从第二臂51B的上表面凸出来的凸体156A和156B(在图10中由阴影线来表示)。凸体156A和156B对称于转轴54的中心轴线。凸体156A和156B在它们的侧壁上分别确定出了凸轮表面157A、158A和凸轮表面157B、158B。凸轮表面158A和158B都是圆柱表面的一部分，并且以转轴中心轴线54为其中心。从凸轮表面157A、157B到转轴54中心轴线的距离不是恒定值，而是逐渐地和单调地变化的。因此，当凸轮表面转动时，与凸轮表面157A、157B相接触的凸轮随动件的表面便被沿转轴54的径向方向被传动。
臂头51C的构造主要包括安装在第二臂51B上的支承件151，和安装在支承件151上的辅助支承件152A、152B。
支承件151设有用以水平地(即垂直于转轴54)夹持住晶片62的晶片夹持面151a、151b。晶片夹持面151a夹持着晶片62上靠近转轴54一侧的外周部分，而晶片夹持面151b则夹持着晶片62上远离转轴54一侧的外周部分。晶片夹持面151b通过连接部分151a连接至转轴部分56。
在晶片夹持面151b上沿着晶片62的外周边形成有许多止挡凸起151C。放置在晶片夹持面151b上的晶片62的外周侧壁与这些凸起151C的侧壁接触。因此，晶片62在夹持面的平面中沿某一方向被支承(或者说被挡住)。
辅助支承件152A和152B分别装在支承轴153A和153B上，这两个支承轴设在支承件151的底面(即附图纸页的背面)上。辅助支承件可以在支承面的平面中摆动。辅助支承件152A、152B对称于一个假想平面，该平面包含了转轴54的中心轴线并穿过晶片夹持面151b的中心。
辊子154A和154B分别装在辅助支承件152A和152B的一端。辊子154A和154B的外表面分别与凸轮面157A，158A和凸轮面157B、158B接触。随着臂头51C围绕转轴54转动，辊子154A和154B沿着齿轮面运动。
在辅助支承件152A和152B的另一端上设有凸起155A和155B，它们与晶片62的外周侧壁相接触，并且将晶片推向凸起151C方向。辅助支承件152A和152B分别受到弹性件159A和159B的弹性作用，从而使辅助支承件位于凸起155A、155B一侧的端部作相互靠拢运动。当凸起155A和155B一侧的支承件端部作相互分离的摆动时，凸起155A和155B移到支承件151的下方。在支承件151的底面(即附图纸页的背面)上对应于凸起155A和155B的轨变区域设有凹部，因而凸起155A和155B不会与支承件151相接触。
图11B是凸轮机构的截面图。第二臂51B是平板形状，它具有一个内腔，并且形成有一个从内底面突伸进入内腔中央的转轴54。在臂头51C的下表面上形成有配合部分55。配合部分55的凹部与转轴54相配合，这样就可以将臂头51C以转动方式安装在第二臂51B上。
凸体156A和156B制作在第二臂51B的上表面上。凸体156A和156B的凸轮面分别与辊子154A和154B的外周侧壁相接触。
下面描述机器人臂的操作。
为了收拢机器人臂，第一臂51A要逆时针转动。例如，在转轴52固定的情况下绕转轴52转过一个角度θ。这一转动等效于转轴52沿顺时针方向相对于第一臂51A转过同样角度θ。通过同步带160A与转轴52相结合的转轴53A便相对于第一臂51A转过2θ角度。由于转轴53A固定在第二臂51B上，所以第二臂51B也沿顺时针方向相对于第一臂51A转过1θ角度。现在来看以转轴52、53A和54的中心轴线为顶点的等腰三角形。当机器人臂收拢时，这个等腰三角形的顶角减小了2θ角度，因而它的底角便增大B-θ角度。当第一臂51A沿逆时针方向转过θ角度时，等腰三角形的底角增大一θ角度，因此，连接两个转轴52和54中心轴线的直线的方向没有发生改变。也就是说机械臂的方向没有改变，仅仅是它的长度缩短了。
由于第二臂51B沿顺时针方向相对于第一臂51A转过2θ角度，固定在第一臂51A上的转轴53B就沿逆时针方向相对于第二臂51B转过2θ角度。通过同步带160B与转轴53B相结合的转轴56便沿逆时针方向相对于第二臂51B转过θ角度。固定在转轴56上的臂头51C也沿逆时针方向相对于第二51B转过θ角度。由于第二臂51B沿顺时针方向相对于第一臂51A转过2θ角度，因此，臂头51C相对于第一臂51A是沿顺时针方向转过1θ角度。
当第一臂51A沿逆时针方向转过θ角度时，臂头51C就沿顺时针方向相对于第一臂51A转过θ角度，因而臂头51C的方向没有发生改变。也就是说，臂头51C完成了靠向转轴52的输送运动。
当臂头51C沿逆时针方向围绕转轴54相对于第二臂51B转动时，如图10所示，辊子154A就从凸轮面158A运动到凸轮面157A上。辅助支承件152A受弹性件159A的恢复力作用，以支承轴153A为枢轴沿逆时针方向摆动。同样，辅助支承件152B以支承轴153B为枢轴，沿顺时针方向摆动。凸起155A和155B将晶片62推向凸起151C的方向，并且将晶片62夹持在晶片保持面上151a、151b的预定位置处。
图11划机器人臂伸展时凸轮机构的俯视图。参照图10，当转轴52固定时，随着第一臂51A沿顺时针方向转动，臂头51C就完成远离转辆52的输送运动。臂头51C沿顺时针方向围绕着转轴54相对于第二臂51B转动。辊子154A从凸轮面157A运动到凸轮面158A上。辅助支承件152A以支承轴153A为枢轴，沿顺时针方向摆动。同样，辅助支承件152B以支承轴153B为枢轴，沿逆时针方向摆动。
参照图10，凸起155A和155B运动到支承件151的下面，并解除对晶片62的支承。如上所述，当机器人臂收拢时，它自动地夹持住晶片，而当其伸展时，就自动地解除对晶片的夹持。
由于凸轮机构采用了设置在第二臂51B上的凸轮面，以及在臂头51C上的随动凸轮面，因而就不再需要有另外的驱使辅助支承件152A和152B摆动的驱动机构来夹持住晶片。
在对图10的描述中，采用了一对辅助支承件。然而不一定要用一对支承件。单个辅助支承件也可以将晶片夹持在支承平面中。同样，在对图10的论述中，尽管是描述了对晶片的夹持，但夹持对象并非只限于晶片。除了晶片以外，其它的物品也可以被夹持，只要凸起物151C、155A和155B的形状予以正确地选择即可。如果只通过凸起物151C、155A和155B就可以把物品夹持住，那么晶片夹持面151a和151b就可不要。
也是在对图10的描述中，尽管那里的凸轮面是面对转轴设置的，然而凸轮面也可以背对转轴设置。辊子154A或154B也可以在夹在两个相对的凸轮面之间。可以使用另一个凸轮机构，或者是采用一个协调运动机构而不是凸轮机构。
下面结合图12A和12B描述图4中所示的隔板107的结构和工作。
图12A是隔板107和平面图。矩形不锈钢板的隔板107在其一侧有许多半圆形的切口140。切口140的间距相等于图3所示喷头31上喷孔32的间距。切口140所在那侧的端面被制成具有60°斜角的斜面。
图12B是喷头31、隔板107和108、以及清洗中的晶片62的截面视图。其中，从喷孔32喷出的气流的中心线141以45°相交于晶片表面。隔板107这样设置使得每一半圆切口140的中心对准从喷孔32喷出的气流的中心线141。
隔板107设置在晶片62表面上方5mm的位置处。喷头31设在这样的位置沿着气流中心线141量取的从晶片62表面到喷孔32的距离为20mm。在上述这些条件下清洗晶片。与不设隔板107的清洗作业相比，采用带有3或4mm半径切口140的隔板107能够提供更好的清洗效果。与不设隔板107的清洗作业相比，采用带有5mm半径切口140的隔板107作用几乎不存在。
为什么带有3或4mm半径切口140的隔板107能够提供更好的清洗效果，其原因可以解释如下从喷孔32喷出的气流随着它的扩散变得越来越粗。可以认为靠近气流外周区域的气流中包含了那些从每一喷孔32的内表面附近流过的气流，因而含有一些从每一喷孔32的内表面上喷出来的杂质。气流外周附近的气流流速低于中心区域的流速，因而清洗效果不好。
因此可以认为气流外周附近的气流具有很强的沉淀杂质的作用，而不是清洗晶片表面的作用。中心线141下方的气流沿着晶片清洗的移动方向冲击已被中心气流清洗过的晶片表面。在图12B所示的实例中，中心线141下方的气流142沿着晶片清洗的移动方向(即图12B中箭头64所示的方向)冲击已被清洗过的晶片表面。因而，被气流142污染过的晶片表面此后不再得到清洗。因此可以认为，用隔板107遮挡住气流142就可以获得很好的清洗效果。
被气流中心线141上方的气流143污染过的晶片表面位于图12B中的左侧，这部分表面随后由中心部的气流清洗。因此可以认为气流143污染的影响很小。为了消除气流143的污染，在气流中心线141上方面对着隔板107，可以使用另一块隔板108。
在上面的实验中，隔板距离晶片表面的高度是5mm。这一高度也可以改变。在2～5mm的高度范围内可以获得大体类似的清洗效果。喷头31所在的位置可以是从晶片表面62至喷头31沿气流中心线141测量的距离为5～20mm。
在图12A所示中，隔板在其纵向外周边上设有半圆形切口。然而并非一定要求切口是半圆形的。例如，可以采用中心角小于180°的圆弧切口。甚至可以采用没有切口只有直线形状边缘的隔板。
在上述实施例中，水平放置晶片使清洗表面的方向朝上。晶片表面的方向并非仅限于此。例如，清洗表面可以方向朝下，或者垂直地放置晶片。
现已结合实施例描述了本发明，但本发明并非只限于上述实施例。对本领域的技术人员而言，显然可以在不超出所附权利要求书范围的前提下，进行各种修改、完善和组合。
权利要求
1.一种机器人臂，其特征在于，它包括一个转轴；一个固定在转轴上并具有伸展/收缩折叠机构的臂件；一个以转动方式支承在臂件末端并与转轴具有恒定相互关系的支承件；以及一个由固定在支承件上的支承轴所支承的、用于与支承件配合共同支承工件的辅助支承件，辅助支承件随着臂件的伸展/收缩折叠运动而摆动。
2.如权利要求1所述的机器人臂，其特征在于，所述辅助支承件通过设置在支承件和臂件的转动部分上的凸轮机构而摆动。
3.如权利要求2所述的机器人臂，其特征在于，所述凸轮机构包括设置并固定在臂件上的、围绕所述转动部分之转动中心轴线的凸轮表面；设置在辅助支承件上、用以与凸轮表面接触的凸轮随动件表面；以及所述机器人臂还包括用以向辅助支承件提供摆动力、以及将凸轮随动件表面推向凸轮表面的弹性件。
4.如权利要求2所述的机器人臂，其特征在于，所述支承件包括用以沿一个方向支承工件的支承面；以及所述辅助支承件还包括面向前述支承面的、用以与前述支承面一起夹持住工件的辅助支承面。
5.如权利要求3所述的机器人臂，其特征在于，所述支承件包括用以沿一个方向支承工件的支承面；以及所述辅助支承件包括面向前述支承面的、用以与前述支承面一起夹持住工件的辅助支承面。
6.如权利要求4所述的机器人臂，其特征在于，所述的支承件具有用以夹持工件的夹持面，所述的支承面和辅助支承面与由该夹持面所夹持的工件的侧壁接触，以此约束工件的位置。
7.如权利要求5所述的机器人臂，其特征在于，所述的支承件具有用以夹持工件的夹持面，所述的支承面和辅助支承面与由该夹持面所夹持的工件的侧壁接触，以此约束工件的位置。
8.如权利要求2所述的机器人臂，其特征在于，还包括安装在支承件上的第二个辅助支承件，这第二个辅助支承件能够摆动，并且相对于一个假想平面与前述第一个辅助支承件相互对称，假想平面包含着前述转动部分的转动中心轴线并穿过所述支承面的中心；所述凸轮机构还包括用以驱动第二个辅助支承件的第二个凸轮表面，第二个凸轮表面相对于转动部分的转动中心轴线与前述的第一个凸轮表面相互对称。
9.如权利要求3所述的机器人臂，其特征在于，还包括安装在承件上的第二个辅助支承件，第二个辅助支承件能够摆动，并且相对于一个设定平面与前述的第一个辅助支承件相互对称，设定平面包含前述转动部分的转动中心轴线并穿过所述支承面的中心；所述凸轮机构还包括用以驱动第二个辅助支承件的第二凸轮表面，所述的第二个凸轮表面相对于转动部分的转动中心轴线与前述的第一个凸轮表面相互对称。
全文摘要
带有伸展/收缩折叠机构的臂件固定在转轴上。支承件以转动方式安装在臂的末端。该支承件与转轴保持恒定的相互关系。辅助支承件安装在固定于支承件的支承轴上，辅助支承件可以摆动。在支承件和辅助支承件的转动部分上设有凸轮机构。辅助支承件通过该凸轮机构随着臂元件的伸展/收缩折叠运动而摆动。
文档编号B25J9/06GK1151344SQ9611320
公开日1997年6月11日 申请日期1996年7月31日 优先权日1995年7月31日
发明者玉井忠素, 山本敏隆 申请人:住友重机械工业株式会社