机械手装置及半导体工艺设备的制作方法

1.本技术属于半导体装备技术领域，具体涉及一种机械手装置及半导体工艺设备。


背景技术：

2.工艺机械手(process transfer robot，ptr)为槽式晶圆清洗设备的重要组成部分，用于完成晶圆工艺区域中各个工艺槽之间的自动传输。由于工艺流程对工艺时间有严格的要求，需要ptr具备快速、稳定地抓取晶圆和运输晶圆，由此，快速和稳定的抓取晶圆对于ptr来说至关重要。
3.然而，当前一些ptr采用气缸直驱机械手指，气缸连接在两个机械手指之间，在采用两个机械手指抓取晶圆的过程中，当两个机械手指遇到不同的阻力时，会出现气缸的驱动力不能均分到两个机械手指中，从而造成两个机械手指各自的开合角度有所差别，从而影响对晶圆的稳定抓取。另外，采用气缸方式驱动机械手指的速度过快，且无法调节速度，容易造成晶圆被机械手指损伤的问题，从而影响晶圆的传递效率。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的是提供一种机械手装置及半导体工艺设备，至少能够解决当前工艺机械手抓取稳定性差的问题。
5.为了解决上述技术问题，本技术是这样实现的：
6.本技术实施例提供了一种机械手装置，该机械手装置包括：
7.基座；
8.抓取机构，所述抓取机构包括第一抓取组件和第二抓取组件，所述第一抓取组件和所述第二抓取组件分别可转动地连接于所述基座；
9.驱动机构，所述驱动机构包括直线模组和两组连接件，所述直线模组的输出端与所述第一抓取组件及所述第二抓取组件之间分别通过所述连接件传动连接；
10.其中，在所述直线模组的输出端沿第一方向移动的情况下，所述第一抓取组件的抓取端和所述第二抓取组件的抓取端相互靠近，以抓取晶圆；
11.在所述直线模组的输出端沿与所述第一方向相反的方向移动的情况下，所述第一抓取组件的抓取端和所述第二抓取组件的抓取端相互远离，以释放晶圆；
12.所述第一方向为经过所述第一抓取组件的转动轴线和所述第二抓取组件的转动轴线的平面的法线方向。
13.本技术实施例还提供了一种半导体工艺设备，该半导体工艺设备包括上述机械手装置。
14.在本技术实施例中，直线模组的输出端通过两组连接件分别驱动第一抓取组件和第二抓取组件运动，在输出端沿第一方向或与第一方向相反的方向移动时，可以通过两组连接件同步带动第一抓取组件和第二抓取组件相互靠近或相互远离，以实现对晶圆的抓取或释放。相比于采用气缸直驱方式的工艺机械手，本技术实施例中的机械手装置中的第一
抓取组件和第二抓取组件各自的开合角度相同，从而可以保证两个机械手抓取晶圆的稳定性。
附图说明
15.图1为本技术实施例公开的机械手装置的结构示意图；
16.图2为本技术实施例公开的机械手装置处于抓取晶圆状态的第一视角示意图；
17.图3为本技术实施例公开的机械手装置处于抓取晶圆状态的第二视角示意图；
18.图4为本技术实施例公开的机械手装置处于释放晶圆状态的第一视角示意图；
19.图5为本技术实施例公开的机械手装置处于释放晶圆状态的第二视角示意图。
20.附图标记说明：
21.100
‑
基座；110
‑
基座本体；111
‑
第一板；112
‑
第二板；120
‑
第一固定块；121
‑
第一安装孔；130
‑
第二固定块；131
‑
第二安装孔；
22.200
‑
抓取机构；210
‑
第一抓取组件；211
‑
第一支撑臂；212
‑
第一转动臂；213
‑
第一机械手指；214
‑
第一固定架；220
‑
第二抓取组件；221
‑
第二支撑臂；222
‑
第二转动臂；223
‑
第二机械手指；224
‑
第二固定架；
23.300
‑
驱动机构；310
‑
直线模组；311
‑
滑块；312
‑
轴件；320
‑
第一连接杆；330
‑
第二连接杆；
24.400
‑
晶圆。
具体实施方式
25.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
26.本技术的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
27.下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本技术实施例进行详细地说明。
28.参考图1至图5，本技术实施例公开了一种机械手装置，所公开的机械手装置包括基座100、抓取机构200和驱动机构300。
29.其中，基座100为机械手装置中的基础安装构件，其可以为抓取机构200、驱动机构300等构件提供安装基础。
30.抓取机构200为机械手装置中用于抓取晶圆400的构件。其中，抓取机构200包括第一抓取组件210和第二抓取组件220，且第一抓取组件210和第二抓取组件220分别可转动地连接于基座100。基于此，随着第一抓取组件210和第二抓取组件220分别相对于基座100的
转动，可以调节第一抓取组件210与第二抓取组件220之间的相对位置，从而可以对第一抓取组件210与第二抓取组件220之间的晶圆400进行夹紧或放松，以实现对晶圆400的抓取或释放。
31.在一些实施例中，第一抓取组件210与第二抓取组件220可以同步运动，且运动方式相反，如，第一抓取组件210和第二抓取组件220分别背离位于两者之间的晶圆400转动，以释放晶圆400，或者，第一抓取组件210和第二抓取组件220分别朝向位于两者之间的晶圆400转动，以夹紧晶圆400。基于上述设置，可以使第一抓取组件210和第二抓取组件220各自的开合角度相同，并且第一抓取组件210和第二抓取组件220对晶圆400两侧的夹紧力相同，从而保证抓取晶圆400的稳定性。
32.为了使第一抓取组件210和第二抓取组件220能够同步运动，本技术实施例中，第一抓取组件210和第二抓取组件220共用一组驱动机构300，以通过共用的驱动机构300同时驱动第一抓取组件210和第二抓取组件220转动。其中，驱动机构300包括直线模组310和两组连接件，直线模组310的输出端与第一抓取组件210及第二抓取组件220之间分别通过连接件传动连接。由于直线模组310的输出端沿直线移动，如此，在直线模组310的输出端的驱动作用下，与第一抓取组件210连接的连接件以及与第二抓取组件220连接的连接件同步运动，并且两组连接件分别带动第一抓取组件210和第二抓取组件220转动，以保证第一抓取组件210和第二抓取组件220对晶圆400两侧的夹紧力相同，从而保证了抓取晶圆400的稳定性。
33.本技术实施例中，直线模组310的输出端沿直线方向移动，基于此，在直线模组310的输出端沿第一方向移动的情况下，第一抓取组件210的抓取端和第二抓取组件220的抓取端相互靠近，以通过第一抓取组件210的抓取端和第二抓取组件220的抓取端共同夹紧晶圆400，以实现对晶圆400的抓取；在直线模组310的输出端沿与第一方向相反的方向移动的情况下，第一抓取组件210的抓取端和第二抓取组件220的抓取端相互远离，以通过第一抓取组件210的抓取端和第二抓取组件220的抓取端共同放松晶圆400，以实现对晶圆400的释放。
34.本技术实施例中，上述第一方向为经过第一抓取组件210的转动轴线和第二抓取组件220的转动轴线的平面的法线方向。可选地，第一抓取组件210的转动轴线可以呈水平设置，也即，图3和图5中第一支撑臂211的转动轴线沿水平方向设置，第二抓取组件220的转动轴线也可以呈水平设置，也即，图3和图5中第二支撑臂221的转动轴线沿水平方向设置，且第一抓取组件210的转动轴线和第二抓取组件220的转动轴线平行设置，经过两个抓取组件的转动轴线的平面为水平面。第一方向即为竖直方向，可以是竖直向下也可以是竖直向上，具体可根据实际情况而选定。
35.参考图2至图5，在一些实施例中，直线模组310包括作为输出端的滑块311，驱动机构300包括分别作为连接件的第一连接杆320和第二连接杆330，其中，第一连接杆320的一端和第二连接杆330的一端分别转动连接于滑块311，第一连接杆320的另一端转动连接于第一抓取组件210，第二连接杆330的另一端转动连接于第二抓取组件220。
36.基于上述设置，当滑块311沿第一方向或与第一方向相反的方向移动时，滑块311可以同时带动第一连接杆320的一端和第二连接杆330的一端移动，并使第一连接杆320和第二连接杆330作平面运动，第一连接杆320的另一端带动第一抓取组件210相对于基座100
转动，第二连接杆330带动第二抓取组件220相对于基座100转动，从而实现第一抓取组件210的抓取端和第二抓取组件220的抓取端相互靠近或相互远离，进而实现对晶圆400的抓取或释放。
37.在一些实施例中，直线模组310可以包括电机(图中未示出)、丝杆(图中未示出)和滑块311，其中，电机的转轴与丝杆传动连接，滑块311与丝杆螺纹连接，电机固定于基座100，滑块311滑动设置于基座100。如此，在电机的驱动作用下，由丝杆带动滑块311，使滑块311相对于基座100移动。
38.在其他实施例中，直线模组310还可以包括电机(图中未示出)、齿轮(图中未示出)、齿条(图中未示出)和滑块311，其中，电机的转轴与齿轮传动连接，齿轮与齿条啮合连接，电机和齿条中的一者固定于基座100，另一者固定于滑块311，具体可以是，齿条可以固定在基座100上，电机固定在滑块311上，或者电机固定在基座100上，齿条固定在滑块311上。如此，在电机的驱动作用下，通过相互啮合的齿轮和齿条可以带动滑块311相对于基座100移动。
39.基于上述设置，直线模组310采用电机作为驱动件，通过调节电机的转速可以实现对两个抓取组件转动速度的调节，从而可以根据实际情况而调节电机的转速。例如，在抓取晶圆400的过程中，当两个抓取组件分别离晶圆400的两侧较远时，电机转速可以相对较高，此时两个抓取组件相互靠近的速度也相对较快，从而可以提升晶圆400的抓取效率；在上述抓取晶圆400的过程中，当两个抓取组件分别靠近晶圆400的两侧时，电机转速相对较低，此时两个抓取组件相对靠近的速度也相对较慢，从而可以减弱两个抓取组件对晶圆400两侧的接触作用，以保证晶圆400不会被机械手装置损伤。在释放晶圆400的过程中，电机的转速也可以相对较高，此时两个抓取组件相互远离的速度也相对较快，从而可以提升晶圆400的释放效率。基于上述设置，既保证了晶圆400的传递效率，又保证晶圆400完好无损，因而提升了机械手装置的传输效率，乃至整个半导体工艺设备的工艺效率。
40.此处需要说明的是，上述两个抓取组件与晶圆400之间的相对距离可以通过在两个抓取组件上设置距离传感器而测定，当然，还可以在两个抓取组件的前端设置压力传感器，以测定两个抓取组件是否与晶圆400接触。如此，可以将距离检测信号或压力检测信号传递至机械手装置的控制模块，并通过控制模块控制直线模组310的电机调节转速，以满足实际工况需求。
41.参考图3和图5，在一些实施例中，直线模组310设置于第一抓取组件210和第二抓取组件220之间，第一连接杆320和第二连接杆330分别位于直线模组310的两侧，且第一连接杆320与第二连接杆330成镜像对称设置。基于上述设置，在滑块311沿第一方向或与第一方向相反的方向移动时，第一连接杆320和第二连接杆330的运动形式相互对称，从而保证了第一抓取组件210与第二抓取组件220的转动角度相等，进而使第一抓取组件210和第二抓取组件220对于晶圆400两侧的夹持力度相同，以提高机械手装置抓取晶圆400的稳定性。
42.本技术实施例中，可以通过轴件312将第一连接杆320及第二连接杆330分别与滑块311转动连接。一些实施例中，滑块311上可以设置一组轴件312，此时第一连接杆320的一端及第二连接杆330的一端均与该组轴件312转动连接，也即，第一连接杆320和第二连接杆330共用一组轴件312。如此，滑块311移动的过程中，可以通过共用的轴件312同时带动第一连接杆320和第二连接杆330运动，以使第一连接杆320和第二连接杆330的运动形式相互对
称。另一些实施例中，滑块311上还可以设置两组轴件312，第一连接杆320的一端转动连接于其中一组轴件312上，第二连接杆330的一端转动连接在另一组轴件312上，也即，第一连接杆320和第二连接杆330分别通过各自所对应的轴件312与滑块311转动连接。如此，在滑块311移动过程中，可以通过两组轴件312分别带动第一连接杆320和第二连接杆330运动，以使第一连接杆320和第二连接杆330的运动形式相互对称。
43.此处需要说明的是，上述一组轴件312的实施方式中，该组轴件312的轴线位于第一抓取组件210和第二抓取组件220的中间面上，且该组轴件312的轴线与两个抓取组件的转动轴线平行；上述两组轴件312的实施例中，两组轴件312各自的轴线相对于第一抓取组件210和第二抓取组件220的中间面镜像对称，且两组轴件312的轴线均与两个抓取组件的转动轴线平行。
44.本技术实施中，第一抓取组件210和第二抓取组件220的结构可以相同，在设置时，将第一抓取组件210和第二抓取组件220镜像对称设置，以通过第一抓取组件210和第二抓取组件220从两侧抓取晶圆400。
45.其中，第一抓取组件210和第二抓取组件220均包括支撑臂、转动臂和用于抓取晶圆400的机械手指，其中，支撑臂转动连接于基座100，转动臂的一端固定于支撑臂，转动臂的另一端转动连接于第一连接杆320的另一端或第二连接杆330的另一端，机械手指设置于支撑臂，且第一抓取组件210的机械手指与第二抓取组件220的机械手指相对设置。
46.参考图2和图4，第一抓取组件210包括第一支撑臂211、第一转动臂212和第一机械手指213。可选地，第一支撑臂211可以是长轴，第一转动臂212可以是杆件或长板件。在装配时，将第一转动臂212的一端采用螺接的方式固定在第一支撑臂211上，并使第一转动臂212的长度方向与第一支撑臂211的长度方向垂直，从而在对第一转动臂212的另一端施加作用力时，可以产生旋转力矩，以使第一支撑臂211转动。
47.可选地，第一机械手指213可以包括多个间隔设置的齿形结构，相邻两个齿形结构之间形成用于放置晶圆400的容纳槽。在第一机械手指213从晶圆400的一侧夹紧时，可以使晶圆400的一侧嵌入容纳槽中，从而可以通过相邻的两个齿形结构从晶圆400的两个侧面限制晶圆400移动，进而保证晶圆400在输送过程中不易掉落。
48.可选地，第一机械手指213可以直接固定在第一支撑臂211上，当然，还可以采用一些安装框架将第一机械手指213固定在第一支撑臂211上，只要能够实现第一机械手指213与第一支撑臂211之间的固定安装即可，具体形式不受限制。
49.本技术实施例中，第二抓取组件220包括第二支撑臂221、第二转动臂222和第二机械手指223。此处需要说明的是，第二抓取组件220的结构与第一抓取组件210的结构基本相同，具体可以参考上述对于第一抓取组件210结构的具体描述，此处不再赘述。
50.为了将机械手指固定于支撑臂，本技术实施例中，第一抓取组件210和第二抓取组件220均包括固定架，也即，第一抓取组件210包括第一固定架214，第二抓取组件220包括第二固定架224。
51.其中，第一固定架214包括第一安装板和第二安装板，第一安装板和第二安装板沿第一支撑臂211的延伸方向间隔设置，并固定于第一支撑臂211上，至少一组第一机械手指213连接于第一安装板和第二安装板之间。如此，通过第一安装板和第二安装板将第一机械手指213安装在第一支撑臂211上。可选地，可以设置两组第一机械手指213，且两组第一机
械手指213沿第一方向间隔设置。基于此，可以增加第一机械手指213与晶圆400的接触面积，从而提升第一机械手指213对于晶圆400夹持的稳定性。
52.同样地，第二固定架224可以包括第一安装板和第二安装板，第一安装板和第二安装板沿第二支撑臂221的延伸方向间隔设置，并固定于第二支撑臂221上，至少一组第二机械手指223连接于第一安装板与第二安装板之间。通过第一安装板和第二安装板将第二机械手指223安装在第二支撑臂221上。可选地，可以设置两组第二机械手指223，且两组第二机械手指223沿第一方向间隔设置。基于此，可以增加第二机械手指223与晶圆400的接触面积，从而提升第二机械手指223对于晶圆400夹持的稳定性。
53.参考图2和图4，为了将第一抓取组件210和第二抓取组件220分别安装于基座100上，本技术实施例中的基座100包括间隔设置的第一固定块120和第二固定块130，第一固定块120和第二固定块130均设有安装孔，第一抓取组件210的支撑臂的远离机械手指的一端转动连接于第一固定块120的安装孔，第二抓取组件220的支撑臂的远离机械手指的一端转动连接于第二固定块130的安装孔。
54.参考图2和图4，第一固定块120上开设第一安装孔121，第一支撑臂211的一端穿设于第一安装孔121中，且第一支撑臂211可以在第一安装孔121中转动；第二固定块130上开设第二安装孔131，第二支撑臂221的一端穿设于第二安装孔131中，且第二支撑臂221可以在第二安装孔131中转动。与此同时，第一安装孔121对第一支撑臂211的一端还具有限位作用，以保证第一抓取组件210不至于相对于基座100晃动，同样地，第二安装孔131对第二支撑臂221的一端还具有限位作用，以保证第二抓取组件220不至于相对于基座100晃动。基于此，保证了机械手装置运行的稳定性。
55.参考图2和图4，在一些实施例中，基座100还可以包括基座本体110。可选地，基座本体110可以是角形板件，其包括第一板111和第二板112，且第一板111与第二板112垂直连接。第一固定块120和第二固定块130可以沿着基座本体110的长度方向间隔的固定连接于第一板111上，且第一固定块120和第二固定件各自与第二板112之间还存在一定的间隔。
56.为了增加第一抓取组件210和第二抓取组件220的安装稳定性，本技术实施例中还在第二板112上开设第一通孔和第二通孔，第一通孔与第一安装孔121对齐，第二通孔与第二安装孔131对齐。如此，在安装第一支撑臂211时，将第一支撑臂211的一端依次穿过第一安装孔121和第一通孔，从而可以通过第一安装孔121和第一通孔的孔壁对第一支撑臂211的侧壁进行限制，保证了第一支撑臂211安装的稳定性。同样地，在安装第二支撑臂221时，将第二支撑臂221的一端依次穿过第二安装孔131和第二通孔，从而可以通过第二安装孔131和第二通孔的孔壁对第二支撑臂221的侧壁进行限制，保证了第二支撑臂221安装的稳定性。
57.在一些实施例中，将第一转动臂212设置于第一固定块120与第二板112之间，并与第一支撑臂211固定连接，在第一转动臂212对第一支撑臂211施加转动力矩时，可以保证第一支撑臂211不会倾斜或晃动，保证了第一抓取组件210抓取过程的稳定性。同样地，将第二转动臂222设置于第二固定块130与第二板112之间，并与第二支撑臂221固定连接，在第二转动臂222对第二支撑臂221施加转动力矩时，可以保证第二支撑臂221不会倾斜或晃动，保证了第二抓取组件220抓取过程的稳定性。
58.为了使两个支撑臂与基座100之间相对转动更加顺畅，本技术实施例中，支撑臂与
基座100之间通过轴承(图中未示出)连接。可选地，在第一安装孔121中设置轴承，以使第一支撑臂211与第一固定块120之间通过轴承连接；在第二安装孔131中设置轴承，以使第二支撑臂221与第二固定块130之间通过轴承连接。基于上述设置，保证了第一支撑臂211和第二支撑臂221的顺畅转动，降低了摩擦损耗，进一步保证了机械手装置的高效运行。
59.为了使连接件与转动臂之间相对转动更加顺畅，本技术实施例中，连接件与转动臂之间通过无油衬套(图中未示出)连接。可选地，在第一连接杆320与第一转动臂212之间设置无油衬套，以使第一连接杆320与第一转动臂212之间通过无油衬套连接；在第二连接杆330与第二转动臂222之间设置无油衬套，以使第二连接杆330与第二转动臂222之间通过无油衬套连接。基于上述设置，保证了连接件与转动臂之间的顺畅转动，降低了摩擦损耗，进一步保证了机械手装置的高效运行。
60.本技术实施例还公开了一种半导体工艺设备，所公开的半导体工艺设备包括上述机械手装置。通过机械手装置可以使晶圆400在上料区、工艺槽、水槽等工位之间进行稳定、高效传输，从而提高了半导体工艺设备的工作效率。
61.可选地，半导体工艺设备可以是槽式晶圆400清洗设备等。
62.综上所述，本技术实施例中，采用直线模组310和连杆机构带动机械手指运动，提高了机械手指的抓取稳定性、抓取效率，减少了机械手指的抓取失误，并且还可以设置不同的抓取速度，使得机械手装置能够在不损坏晶圆400的情况下高效运转，并且使运动控制易于实现和操作。
63.上面结合附图对本技术的实施例进行了描述，但是本技术并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本技术的启示下，在不脱离本技术宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本技术的保护之内。