机械手及传输腔室的制作方法

本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种机械手及传输腔室。

背景技术：

在集成电路、半导体照明、微机电系统等领域的刻蚀工艺中，为了提高设备的自动化程度和安全性，通常采用机械手自动完成晶片等被加工工件的传输。

在现有的半导体加工设备中，主要包括采用阀门连接的传输腔室和工艺腔室，其中，机械手安装在传输腔室中。在进行工艺之前，传输腔室为大气状态，此时将晶片放置在机械手的手指上；然后，对传输腔室进行抽真空，之后将传输腔室与工艺腔室之间的阀门打开，承载有晶片的机械手平移至工艺腔室内，并将晶片放置在工艺腔室内；之后，空载的机械手缩回传输腔室，阀门关闭，从而完成整个晶片的传输过程。

图1为现有的一种机械手的俯视图。如图1所示，机械手设置在传输腔室1内，其包括机械手指2、曲臂3和驱动机构(图中未示出)，其中，曲臂3为两节，机械手指2固定在曲臂3的第二节端部。在驱动机构的驱动下，曲臂3通过展开或曲折带动机械手指2伸出或缩回传输腔室1。但是，由于上述机械手的曲臂3是通过旋转运动和直线运动的结合来实现机械手指3的伸缩运动，导致曲臂3的整体尺寸较大，从而造成传输腔室的体积增大，从而增加了设备的生产成本。

现有的另一种机械手是利用直线模组和旋转电机驱动机械手指的伸缩运动。具体来说，旋转电机用于提供旋转动力；直线模组分别与旋转电机和机械手指连接，用以将由该旋转电机提供的旋转动力转换为直线动力，并传递至机械手指。这种机械手在实际应用中会出现 以下问题：

由于机械手指单向的最长移动距离即为直线模组的导轨长度，为了满足机械手指完成放片操作所需的移动距离，直线模组的导轨长度较长，从而造成传输腔室的体积仍然较大，进而增加了设备的生产成本。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种机械手及传输腔室，其在满足机械手指完成放片操作所需的移动距离的前提下，体积较小，从而可以减小传输腔室的体积，进而可以降低设备的生产成本。

为实现本发明的目的而提供一种机械手，包括机械手指和直线传动机构，所述机械手指用于承载被加工工件；所述直线传动机构用于驱动所述机械手指作直线往复运动，所述直线传动机构包括一级直线模组和二级直线模组，其中，所述一级直线模组用于驱动所述二级直线模组作直线往复运动，且所述二级直线模组在位于所述一级直线模组的行程始端时与之相互重叠；所述二级直线模组用于驱动所述机械手指作直线往复运动，且所述机械手指在位于所述二级直线模组的行程始端时与之相互重叠，并且所述机械手指的直线往复运动与所述二级直线模组的直线往复运动在同一直线上。

优选的，所述二级直线模组包括直线导轨、手指固定件、单向构件、第一磁组件和第二磁组件，其中，所述直线导轨与所述一级直线模组连接，且二者之间具有相对移动；所述手指固定件与所述直线导轨可移动地连接；所述机械手指固定在所述手指固定件上；所述单向构件用于在所述手指固定件位于所述直线导轨的行程终端时，阻止所述手指固定件正向或反向移动；所述第一磁组件和所述第二磁组件用于采用磁力吸附的方式分别将所述直线导轨的行程始端和行程终端与所述手指固定件固定在一起；所述一级直线模组的驱动力大于所述第一磁组件和所述第二磁组件的磁力。

优选的，所述单向构件包括旋转轴、制动片和阻挡件，其中， 所述旋转轴水平设置在所述手指固定件的一侧，且与所述直线导轨相互垂直；所述阻挡件设置在相对于所述一级直线模组固定不动的位置处；所述制动片设置在所述旋转轴上，且可围绕所述旋转轴摆动，并且在所述手指固定件位于所述直线导轨的行程终端时，所述制动片与所述阻挡件相配合，以阻止所述手指固定件正向或反向移动。

优选的，所述阻挡件包括第一凸部和第二凸部，二者在平行于所述直线导轨的方向上形成间隙；当所述手指固定件正向移动至所述直线导轨的行程终端时，所述制动片通过摆动绕过所述第一凸部进入所述间隙内，并通过与所述第一凸部相配合，阻止所述手指固定件反向移动；当所述手指固定件反向移动至所述直线导轨的行程终端时，所述制动片通过摆动绕过所述第二凸部进入所述间隙内，并通过与所述第二凸部相配合，阻止所述手指固定件正向移动。

优选的，所述第一磁组件包括第一磁铁和第一保护件，二者分别设置在所述手指固定件和所述直线导轨的行程始端上；所述第二磁组件包括第二磁铁和第二保护件，二者分别设置在所述手指固定件和所述直线导轨的行程终端上。

优选的，所述一级直线模组包括传动机构和旋转电机，其中，所述旋转电机用于提供旋转动力；所述传动机构用于将所述旋转电机的旋转动力转换为直线动力并传递至所述二级直线模组。

优选的，所述传动机构包括滑块、丝杠和导向轨道，其中，所述丝杠与所述旋转电机连接；所述滑块分别与所述二级直线模组和所述丝杠连接，且在所述丝杠旋转时，相对于所述丝杠沿所述导向轨道移动。

优选的，所述一级直线模组还包括磁流体轴承和联轴器，其中，所述旋转电机通过所述联轴器与所述磁流体轴承连接；所述磁流体轴承与所述传动机构连接。

优选的，所述一级直线模组包括直线电机，用于向所述二级直线模组提供直线动力。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种传输腔室，在所述传输腔室内设置有机械手，用于传输被加工工件，所述机械手采用本发 明提供的上述机械手。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的机械手，其通过采用具有两级直线模组的直线传动机构，即，一级直线模组用于驱动二级直线模组作直线往复运动，且二级直线模组在位于一级直线模组的行程始端时与之相互重叠；二级直线模组用于驱动机械手指作直线往复运动，且机械手指在位于二级直线模组的行程始端时与之相互重叠，并且机械手指的直线往复运动与二级直线模组的直线往复运动在同一直线上。这样，机械手指单向的最长移动距离等于一级直线模组和二级直线模组的行程之和，从而可以在满足机械手指完成放片操作所需的移动距离的前提下，减小传输腔室的体积，进而可以降低设备的生产成本。

本发明提供的传输腔室，其通过采用本发明提供的上述机械手，减小了自身体积，从而可以降低设备的生产成本。

附图说明

图1为现有的一种机械手的俯视图；

图2A为本发明提供的机械手在第一种状态时的原理示意图；

图2B为本发明提供的机械手在第二种状态时的原理示意图；

图2C为本发明提供的机械手在第三种状态时的原理示意图；

图3为本发明实施例提供的机械手的侧视图；

图4A为本发明实施例提供的机械手在第一种状态时的俯视图；

图4B为本发明实施例提供的机械手在第二种状态时的俯视图；

图4C为本发明实施例提供的机械手在第三种状态时的俯视图；

图4D为本发明实施例提供的机械手在第四种状态时的俯视图；

图4E为本发明实施例提供的机械手在第五种状态时的俯视图；

图4F为本发明实施例提供的机械手在第六种状态时的俯视图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的机械手及传输腔室进行详细描述。

请一并参阅图2A-2C，本发明提供的机械手包括机械手指100和直线传动机构，其中，机械手指100用于承载被加工工件；直线传动机构用于驱动机械手指100作直线往复运动，该直线传动机构包括一级直线模组300和二级直线模组200，其中，一级直线模组300用于驱动二级直线模组200作直线往复运动，且二级直线模组200在位于一级直线模组300的行程始端A1(即，二级直线模组200在被一级直线模组300驱动时的移动起始点)时与之相互重叠。二级直线模组200用于驱动机械手指100作直线往复运动，且机械手指100在位于二级直线模组200的行程始端A2(即，机械手指100在被二级直线模组200驱动时的移动起始点)时与之相互重叠，并且机械手指100的直线往复运动与二级直线模组200的直线往复运动在同一直线上。

如图2A所示，以X方向为机械手进行放片时的前进方向，机械手指100和二级直线模组200的直线往复运动均在X方向所在直线上，且以与X方向相同的方向为前进方向，与X方向相反的方向为回缩方向。当二级直线模组200位于一级直线模组300的行程始端A1，同时机械手指100位于二级直线模组200的行程始端A2时，三者相互重叠，此时机械手处于初始状态，可以根据该状态下的机械手的整体尺寸设计传输腔室的体积。在一级直线模组300的驱动下，二级直线模组200和机械手指100同步移动至一级直线模组300的行程终端B1(即，二级直线模组200在被一级直线模组300驱动时的移动终止点)，如图2B所示；然后，在二级直线模组200的驱动下，机械手指100移动至二级直线模组200的行程终端B2(即，机械手指100在被二级直线模组200驱动时的移动终止点)，此时机械手指100到达放片位置，如图2C所示。

由上可知，机械手指100单向的最长移动距离等于一级直线模组300和二级直线模组200的行程之和，即，S1+S2，从而可以在满足机械手指完成放片操作所需的移动距离的前提下，减小传输腔室的体积，进而可以降低设备的生产成本。

上述机械手的放片过程仅是一个简化过程，以能够清楚地说明 本发明提供的机械手的工作原理。实际上，可以根据机械手的具体结构而对机械手的放片过程作适应性调整。下面对本发明提供的机械手的具体实施方式进行详细描述。

具体地，请一并参阅图3、图4A-图4F，本实施例提供的机械手包括机械手指14和直线传动机构，其中，机械手指14用于承载被加工工件；直线传动机构用于驱动机械手指14作直线往复运动，该直线传动机构包括一级直线模组19和二级直线模组，其中，一级直线模组19包括传动机构、旋转电机22、磁流体轴承20和两个联轴器(21，23)，其中，旋转电机22用于提供旋转动力。传动机构用于将旋转电机22的旋转动力转换为直线动力并传递至二级直线模组。旋转电机22通过联轴器21与磁流体轴承20连接，磁流体轴承20通过联轴器23与传动机构连接。该磁流体轴承20是采用导电流体作润滑剂并有外加磁场的滑动轴承，借助磁流体轴承20，可以利用由其产生的磁场而对流体的运动起阻滞作用，从而可以使流体的等效粘度成倍增加，进而可以提高轴承的承载能力。传动机构包括滑块、丝杠和导向轨道28，滑块和丝杠图中均未示出，磁流体轴承20与丝杠连接；滑块分别与二级直线模组和丝杠连接，且在该丝杠旋转时，相对于丝杠沿导向轨道28移动，从而带动二级直线模组移动。当然，在实际应用中，一级直线模组19还可以采用其他任意结构，只要能够驱动二级直线模组作直线往复运动即可，例如，一级直线模组19还可以采用直线电机，用于向二级直线模组提供直线动力。

二级直线模组包括直线导轨15、手指固定件16、单向构件、第一磁组件和第二磁组件。其中，直线导轨15与一级直线模组19中的滑块连接，在旋转电机22的驱动下，滑块带动直线导轨15沿导向轨道28移动，从而实现直线导轨15与一级直线模组19之间的相对移动。手指固定件16与直线导轨15可移动地连接，机械手指14固定在手指固定件16上。单向构件用于在手指固定件16位于直线导轨15的行程终端时，阻止手指固定件16正向(机械手进行放片的前进方向)或反向(与前进方向相反的回缩方向)移动。

在本实施例中，单向构件包括旋转轴17、制动片18和阻挡件 12，其中，旋转轴17水平设置在手指固定件16的一侧，且与直线导轨15相互垂直；阻挡件12通过安装块13设置在相对于一级直线模组19固定不动的位置处，例如传输腔室11的底部。制动片18设置在旋转轴17上，且可围绕该旋转轴17摆动，并且在手指固定件16位于直线导轨15的行程终端时，制动片18与阻挡件12相配合，以阻止手指固定件16正向或反向移动。

在本实施例中，阻挡件12包括第一凸部(图3中阻挡件12上靠右的凸起)和第二凸部(图3中阻挡件12上靠左的凸起)，二者在平行于直线导轨15的方向上形成间隙，即在第一凸部和第二凸部之间形成一凹槽。当手指固定件16正向移动至直线导轨15的行程终端时，制动片18通过摆动绕过第一凸部进入间隙内，并通过与第一凸部相配合，阻止手指固定件16反向移动。当手指固定件16反向移动至直线导轨15的行程终端时，制动片18通过摆动绕过第二凸部进入间隙内，并通过与第二凸部相配合，阻止手指固定件16正向移动。

第一磁组件和第二磁组件用于采用磁力吸附的方式分别将直线导轨15的行程始端和行程终端与手指固定件16固定在一起；并且，一级直线模组19的驱动力大于第一磁组件和所述第二磁组件的磁力。具体来说，第一磁组件包括第一磁铁26和第一保护件24，二者分别设置在手指固定件16和直线导轨15的行程始端上；第二磁组件包括第二磁铁27和第二保护件25，二者分别设置在手指固定件16和直线导轨15的行程终端上。当手指固定件16位于直线导轨15的行程始端时，第一磁铁26和第一保护件24相互吸附，在直线导轨15正向移动至一级直线模组19的行程终端的过程中，手指固定件16和直线导轨15在第一磁铁26和第一保护件24的磁吸附力的作用下固定在一起，从而手指固定件16可以随直线导轨15一起移动至一级直线模组19的行程终端。当直线导轨15反向移动至一级直线模组19的行程始端的过程中，制动片18与阻挡件12的第一凸部相配合，以阻止手指固定件16反向移动，此时直线导轨15在旋转电机22的反向驱动力的作用下会克服第一磁铁26和第一保护件24之间的磁吸附力，并朝向一级直线模组19的行程始端移动，从而使得第一磁铁 26和第一保护件24相互分离。当直线导轨15到达一级直线模组19的行程始端时，手指固定件16位于直线导轨15的行程终端，此时第二磁铁27和第二保护件25相互吸附，从而当旋转电机22再次驱动直线导轨15移动至一级直线模组19的行程终端时，可以使得手指固定件16和直线导轨15在第二磁铁27和第二保护件25的磁吸附力的作用下固定在一起，从而使得手指固定件16在直线导轨15的行程终端固定不动，当直线导轨15到达一级直线模组19的行程终端时，此时机械手指14的行程为一级直线模组19和二级直线模组的行程之和，即可达到指定的放片位置。

下面结合图4A-图4F，对本实施例提供的机械手的放片过程进行详细描述。具体地，

如图4A所示，直线导轨15位于导向轨道28的行程始端；手指固定件16位于直线导轨15的行程始端，三者相互重叠。同时，手指固定件16和直线导轨15在第一磁铁26和第一保护件24的磁吸附力的作用下固定在一起。使旋转电机22正转，其驱动一级直线模组19中的滑块沿导向轨道28正向移动，从而带动直线导轨15移动至导向轨道28的行程终端，同时手指固定件16及其上的机械手指14在第一磁铁26和第一保护件24的磁吸附力的作用下，随直线导轨15同步移动至导向轨道28的行程终端，此外，制动片18经过阻挡件12的第一凸部，并通过摆动而绕过该第一凸部，进入第一凸部和第二凸部之间的间隙内，如图4B所示。

使旋转电机22反转，其驱动一级直线模组19中的滑块沿导向轨道28反向移动，由于旋转电机22的驱动力大于第一磁铁26和第一保护件24的磁吸附力，这使得直线导轨15克服该磁吸附力，并相对于手指固定件16朝向导向轨道28的行程始端移动，而手指固定件16在制动片18与阻挡件12的第一凸部的配合作用下，在导向轨道28的行程终端处固定不动，从而只有直线导轨15返回导向轨道28的行程始端，此时手指固定件16位于直线导轨15的行程终端，同时第二磁铁27和第二保护件25相互吸附，如图4C所示。

使旋转电机22正转，其驱动直线导轨15再次移动至导向轨道 28的行程终端，同时，手指固定件16及其上的机械手指14在第二磁铁27和第二保护件25的磁吸附力的作用下，随直线导轨15同步移动，在此过程中，制动片18通过摆动而绕过阻挡件12的第二凸部，从而移出第一凸部和第二凸部之间的间隙。当直线导轨15到达导向轨道28的行程终端时，机械手指14的行程为直线导轨15和导向轨道28的行程之和，机械手指14达到最长移动距离，即将晶片传输至工艺腔室内的指定放片位置，如图4D所示。

在完成放片动作之后，使旋转电机22反转，其驱动直线导轨15再次移动至导向轨道28的行程始端，同时手指固定件16及其上的机械手指14在第二磁铁27和第二保护件25的磁吸附力的作用下，随直线导轨15同步移动，最终返回至导向轨道28的行程终端，在此过程中，制动片18经过阻挡件12的第二凸部，并通过摆动而绕过该第二凸部，重新进入第一凸部和第二凸部之间的间隙内，如图4E所示。

使旋转电机22正转，其驱动一级直线模组19中的滑块沿导向轨道28正向移动，由于旋转电机22的驱动力大于第二磁铁27和第二保护件25的磁吸附力，这使得直线导轨15克服该磁吸附力，并相对于手指固定件16朝向导向轨道28的行程终端移动，而手指固定件16在制动片18与阻挡件12的第二凸部的配合作用下，在导向轨道28的行程终端处固定不动，从而只有直线导轨15返回导向轨道28的行程始端，此时手指固定件16位于直线导轨15的行程始端，同时第一磁铁26和第一保护件24相互吸附，如图4F所示。

最后，使旋转电机22反转，其驱动直线导轨15移动至导向轨道28的行程始端，同时手指固定件16及其上的机械手指14在第一磁铁26和第一保护件24的磁吸附力的作用下，随直线导轨15同步移动，最终返回至导向轨道28的行程始端，在此过程中，制动片18通过摆动而绕过阻挡件12的第一凸部，从而移出第一凸部和第二凸部之间的间隙，最终机械手恢复至如图4A所示的状态，完成一次放片动作。

综上所述，本发明实施例提供的机械手，其通过采用具有两级直线模组的直线传动机构，即，一级直线模组用于驱动二级直线模组 作直线往复运动，且二级直线模组在位于一级直线模组的行程始端时与之相互重叠；二级直线模组用于驱动机械手指作直线往复运动，且机械手指在位于二级直线模组的行程始端时与之相互重叠，并且机械手指的直线往复运动与二级直线模组的直线往复运动在同一直线上。这样，机械手指单向的最长移动距离等于一级直线模组和二级直线模组的行程之和，从而可以在满足机械手指完成放片操作所需的移动距离的前提下，减小传输腔室的体积，进而可以降低设备的生产成本。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种传输腔室，在该传输腔室内设置有机械手，用于传输被加工工件，该机械手采用了本发明实施例提供的上述机械手。

本发明提供的传输腔室，其通过采用本发明实施例提供的上述机械手，减小了自身体积，从而可以降低设备的生产成本。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。