一种真空晶圆搬运机器人及其晶圆夹持方法与流程

本发明涉及半导体制造设备，尤其涉及一种真空晶圆搬运机器人及其晶圆夹持方法。

背景技术：

1、在半导体制造工艺中，晶圆需要在各真空工艺腔室之间进行传输，真空晶圆搬运机器人被广泛用于在真空环境下取放和搬送晶圆。为维持真空环境的洁净度与密封性，布置于真空腔室内的机器人手臂在动力引入和密封结构上受到严格限制。

2、现有真空晶圆搬运机器人多采用被动摩擦式末端执行器承载晶圆，即依靠晶圆与承载面之间的摩擦力使晶圆在搬运过程中保持位置固定。然而，随着产线对产能要求的提高，机器人的搬运速度和加速度不断提升，被动摩擦承载所能提供的保持力有限，晶圆在高速搬运过程中容易发生滑移、偏移甚至脱落，限制了搬运速度、运动姿态及稳定性。

3、为提高晶圆保持的可靠性，现有技术中出现了在机器人末端设置主动式夹持装置的方案，例如通过气缸或电机驱动夹爪夹紧晶圆边缘。但此类方案需要在真空腔室内额外增设动力源、多级传动机构以及配套的真空动密封结构（如密封传动轴、波纹管等），导致机器人末端结构复杂、体积和重量增加、成本上升，且额外引入的传动与密封环节降低了系统可靠性、增加了颗粒污染风险；同时，刚性驱动的夹持机构在夹紧力控制不当时还存在损伤晶圆的风险。

4、因此，如何在不额外增设动力源及配套真空密封结构的前提下，实现真空环境下对晶圆的可靠机械夹持，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为此，本发明的主要目的在于提供一种真空晶圆搬运机器人及其晶圆夹持方法，以在无需增设额外动力源及配套真空密封结构的前提下，利用机器人手臂自身的伸缩运动，驱动夹持机构实现对晶圆边缘的可靠机械夹持，从而在保证晶圆搬运稳定性的同时简化真空腔室内的机构。

2、为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种真空晶圆搬运机器人，其包括基座以及依次连接的第一手臂、第二手臂和第三手臂，所述第三手臂上设置有用于夹持晶圆边缘的晶圆夹持机构，还包括：辅助连杆机构，所述辅助连杆机构分别与所述第一手臂和所述第二手臂铰接，并具有随所述机器人手臂的伸缩运动而相对于所述第三手臂往复移动的触发部；

3、所述晶圆夹持机构包括：可往复移动地设置于所述第三手臂的滑动推杆、相对于所述第三手臂固定的抵接件、设置于所述滑动推杆与所述抵接件之间的弹性件、以及与所述滑动推杆一端枢接的至少两个夹爪；各所述夹爪具有与所述抵接件抵接配合的支点部；其中，在所述机器人手臂伸出时，所述触发部推动所述滑动推杆克服所述弹性件的作用力移动，并带动各所述夹爪经支点部与抵接件抵接配合，驱使各所述夹爪绕其与所述滑动推杆的枢接轴向张开方向转动；在所述机器人手臂收回时，所述触发部与所述滑动推杆分离，所述弹性件驱动所述滑动推杆复位，并连动所述夹爪经支点部与抵接件抵接配合，驱使各所述夹爪绕所述枢接轴向合拢方向转动，以夹紧晶圆边缘。

4、在可能的优选实施方式中，所述辅助连杆机构包括第一连杆和第二连杆；所述第一手臂和所述第二手臂上分别设有延伸关节部，所述第一连杆的一端与所述第一手臂的所述延伸关节部铰接，所述第二连杆的一端与所述第二手臂的所述延伸关节部铰接，所述第一连杆的另一端与所述第二连杆的另一端相互铰接而形成所述触发部，且所述辅助连杆机构与所述第一手臂、所述第二手臂构成平行四边形连杆机构。

5、在可能的优选实施方式中，所述触发部为所述第一连杆与所述第二连杆的铰接关节，所述滑动推杆具有与所述铰接关节接触配合的圆弧接触面。

6、在可能的优选实施方式中，所述晶圆夹持机构还包括设置于所述第三手臂的导轨，所述滑动推杆包括与所述导轨滑动配合的滑块及自滑块一端延伸的推杆件；所述抵接件上设有供推杆件穿设的伸缩槽，所述弹性件套设于所述推杆件，并分别与所述滑块和所述抵接件相抵，且在所述滑块被所述触发部推动时压缩蓄能。

7、在可能的优选实施方式中，两个所述夹爪之间靠近支点部处连接有阔撑弹簧，所述阔撑弹簧对两个所述夹爪施加使其夹持端合拢的弹性力，且所述阔撑弹簧与弹性件之间保持弹性力协同牵制，使所述阔撑弹簧的弹性力随所述夹爪的开合角度变化，以在夹持预设尺寸晶圆时，将所述夹紧力维持在预设夹紧力范围内。

8、在可能的优选实施方式中，所述夹爪的夹持端设置有可转动的辊轮，所述夹爪合拢时经所述辊轮与晶圆边缘滚动接触。

9、在可能的优选实施方式中，所述第三手臂上还设置有锁定垫块，所述夹爪合拢时，晶圆边缘被夹持于所述辊轮与所述锁定垫块之间。

10、在可能的优选实施方式中，所述第一手臂、第二手臂和第三手臂之间通过柔性传动机构传动，所述柔性传动机构包括钢带带轮机构、钢丝绳机构或同步带机构；所述机器人的基座内的驱动轴经波纹管密封，使所述波纹管内侧空间维持真空环境。

11、在可能的优选实施方式中，所述机器人为scara型多关节真空机器人，所述第一手臂、第二手臂和第三手臂位于真空腔室内。

12、为了实现上述目的，对应上述机器人，根据本发明的另一方面，还提供了一种真空晶圆搬运机器人的晶圆夹持方法，其步骤包括：取片步骤，控制所述机器人手臂向取片位置伸出，在伸出行程中，所述触发部随所述手臂的伸出运动推动所述滑动推杆移动，各所述夹爪张开，使晶圆的边缘进入各所述夹爪的夹持范围；夹持步骤，控制所述机器人手臂收回，在收回行程中，所述触发部与所述滑动推杆分离，所述弹性件驱动所述滑动推杆复位，各所述夹爪合拢并夹紧晶圆边缘；搬运步骤，控制所述机器人将晶圆搬运至目标位置，搬运过程中所述机器人手臂保持收回状态，各所述夹爪维持对晶圆边缘的夹紧；放片步骤，在所述目标位置控制所述机器人手臂再次伸出，所述触发部再次推动所述滑动推杆移动，各所述夹爪张开，释放晶圆。

13、通过本发明提供的该真空晶圆搬运机器人及其晶圆夹持方法，其构思在于对机器人手臂既有运动与既有机构的“复用”，一方面，通过在第一手臂与第二手臂之间增设辅助连杆机构，使其触发部随手臂伸缩而相对于第三手臂产生往复位移，将手臂伸缩这一取放晶圆所必需的运动同时用作夹爪开闭的驱动来源，实现“一运动两用”，无需增设额外动力源、传动链及配套真空密封结构；另一方面，通过“滑动推杆—弹性件—抵接件—支点部”的杠杆式位移转换机构，将上述直线往复位移转换为夹爪绕枢接轴的开闭转动，使夹爪的张开与合拢与手臂的伸出与收回姿态在时序上自动同步，并由弹性件提供柔性夹紧力，避免刚性夹持损伤晶圆。此举相比传统被动摩擦式承载方案，显著提高了真空环境下晶圆搬运的速度上限、运动姿态灵活性和可靠性，同时简化了真空腔室内的机构。并且由于本发明的方案整个取片—夹持—搬运—放片流程无需对夹持机构进行单独控制，因此控制简单、节拍紧凑，有利于提高生产效率。

1.一种真空晶圆搬运机器人，包括基座以及依次连接的第一手臂、第二手臂和第三手臂，所述第三手臂上设置有用于夹持晶圆边缘的晶圆夹持机构，其特征在于，还包括：

2.根据权利要求1所述的真空晶圆搬运机器人，其特征在于，所述辅助连杆机构包括第一连杆和第二连杆；所述第一手臂和所述第二手臂上分别设有延伸关节部，所述第一连杆的一端与所述第一手臂的所述延伸关节部铰接，所述第二连杆的一端与所述第二手臂的所述延伸关节部铰接，所述第一连杆的另一端与所述第二连杆的另一端相互铰接而形成所述触发部，且所述辅助连杆机构与所述第一手臂、所述第二手臂构成平行四边形连杆机构。

3.根据权利要求2所述的真空晶圆搬运机器人，其特征在于，所述触发部为所述第一连杆与所述第二连杆的铰接关节，所述滑动推杆具有与所述铰接关节接触配合的圆弧接触面。

4.根据权利要求1所述的真空晶圆搬运机器人，其特征在于，所述晶圆夹持机构还包括：设置于所述第三手臂的导轨，所述滑动推杆包括：与所述导轨滑动配合的滑块及自滑块一端延伸的推杆件；所述抵接件上设有供推杆件穿设的伸缩槽，所述弹性件套设于所述推杆件，并分别与所述滑块和所述抵接件相抵，且在所述滑块被所述触发部推动时压缩蓄能。

5.根据权利要求1所述的真空晶圆搬运机器人，其特征在于，两个所述夹爪之间靠近支点部处连接有阔撑弹簧，所述阔撑弹簧对两个所述夹爪施加使其夹持端合拢的弹性力，且所述阔撑弹簧与弹性件之间保持弹性力协同牵制，使所述阔撑弹簧的弹性力随所述夹爪的开合角度变化，以在夹持预设尺寸晶圆时，将所述夹紧力维持在预设夹紧力范围内。

6.根据权利要求1所述的真空晶圆搬运机器人，其特征在于，所述夹爪的夹持端设置有可转动的辊轮，所述夹爪合拢时经所述辊轮与晶圆边缘滚动接触。

7.根据权利要求6所述的真空晶圆搬运机器人，其特征在于，所述第三手臂上还设置有锁定垫块，所述夹爪合拢时，晶圆边缘被夹持于所述辊轮与所述锁定垫块之间。

8.根据权利要求1所述的真空晶圆搬运机器人，其特征在于，所述第一手臂、第二手臂和第三手臂之间通过柔性传动机构传动，所述柔性传动机构包括：钢带带轮机构、钢丝绳机构或同步带机构；所述机器人的基座内的驱动轴经波纹管密封，使所述波纹管内侧空间维持真空环境。

9.根据权利要求1所述的真空晶圆搬运机器人，其特征在于，所述机器人为scara型多关节真空机器人，所述第一手臂、第二手臂和第三手臂位于真空腔室内。

10.一种如权利要求1至9任一项所述真空晶圆搬运机器人的晶圆夹持方法，其特征在于，步骤包括：