利用带传动结构实现多层等间距可变的晶圆搬送机械手结构的制作方法

1.本发明涉及半导体自动化设备领域，尤其涉及一种在半导体机器人上的 利用带传动结构实现多层等间距可变的晶圆搬送机械手结构。


背景技术：

2.晶圆存储装置在半导体生产中主要起到放置和输送晶圆的作用，为了简 化运输和尽可能降低被污染的风险，芯片制造商利用晶圆存储装置来搬运和 储存晶圆。对于不同间距的晶圆存储装置，在该搬运途中，需要使用能可变 间距的末端执行器以取放晶圆，同时需要高精度定位避免损伤晶圆。
3.请参阅图1，图1所示为现有技术中一种不同间距的晶圆存储装置的结 构示意图。如图所示，该中国专利cn103688348a公开了一种末端作用器 装置及具备该末端作用器装置的基板搬运用机械手，图1根据第一实施形态 的间距变更机构4的侧面的图，图1示出间距较大的初期状态，图1也示出 间距小的状态。在托板10上可升降地设置有截面圆形的活塞轴50，在该活 塞轴50的上端部安装有凸缘(flange)51。在活塞轴50上嵌入上下延伸的 螺旋状的螺旋弹簧40，该螺旋弹簧40的弹簧节距(spring pitch)以等间隔 形成。螺旋弹簧40是一个压缩螺旋弹簧，在该螺旋弹簧40的外周部上，前 述多个爪片30、30上下隔着间隔配置并使梢端部朝着半导体晶圆9的中心 部。爪片30具体地设置为五个，最下层的爪片30与托板10接触且不升降， 除此以外的四个爪片30、30可升降。
4.在每层末端执行器之间放置相同劲度系数的弹簧，通过改变顶部总高度 时，每根弹簧压缩相同的长度，实现等间距变换。该间距变更机构的优势为 成本低廉，结构简单和占地小，但该间距变更机构具有难以克服的弊端，即 难以保证弹簧劲度系数相同，精确定位性差。
5.为克服上述弊端，请参阅图2，图2所示为现有技术中另一种不同间距 的晶圆存储装置的结构示意图。如图所示，该日本jp3999723公开了一种 能够保持多个薄基板例如半导体晶片或玻璃基板的基板保持装置，其利用连 杆机构实现等间距高度变换。图中基板保持装置20包括用于保持晶片22的 多个保持构件30、用于协调移动保持构件30的连杆31和用于协调移动保 持构件30的驱动马达32。第一移动机构37和第二移动机构38分别由第一 驱动电机39和第二驱动电机40驱动。第一移动机构37和第二移动机构38 能够单独操作。第一移动件46固定在第一移动机构37的滑块59上。第二 移动件48固定在第二移动机构38的滑块59上。第一移动构件46和第二移 动构件48可以沿x轴单独移动。
6.利用连杆机构旋转时，轴上各点的线性方向上移动长度等比的特性，将 末端执行器固定于连杆上2：1：-1：-2的点位上，则可以实现等间距变换。 该间距变更机构的优势为成本低廉和结构相对简单。然而，该间距变更机构 具有难以克服的弊端，即连杆结构可靠性差，关节(joint)处易磨损。


技术实现要素：

7.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
8.一种利用带传动结构实现多层等间距可变的晶圆搬送机械手结构，其包 括：形状相同且上下正对设置的第一带轮和第二带轮；所述第一带轮和第二 带轮之一为主动轮，另一个为从动轮，所述主动轮与所述电机相连；所述第 一带轮或第二带轮包括m层直径从大到小以相同间隔变化且层叠在一起的 同步轮，每一个所述第一带轮的同步轮通过钢带和所述第二带轮中直径相同 的传动轮子相传动连接；从所述第一带轮或第二带轮中心的第一个同步轮直 径开始，从里到外按1n、2n
…
nn倍直径增加；在每一条所述钢带左右侧均 固设置有m个负载节点，所述负载节点为2m个，每一个负载节点通过同步 轮与负载连接部连接一个末端执行器；其中，m的取值为正整数；所述末端 执行器共有2m 1个，平行设于所述第一带轮或第二带轮之间的2m 1个所 述末端执行器成为三组，第一末端执行器组包括m个末端执行器，第二末端 执行器组包括一个末端执行器，第三末端执行器组包括m个末端执行器，所 述第二末端执行器组水平固设于所述第一带轮和第二带轮之间的中心位置并 与所述负载连接部相垂直连接；第一末端执行器组和第三末端执行器组中末 端执行器分别以所述第二末端执行器组为中心对称设置；所述第一末端执行 器组和第三末端执行器组中靠近第二末端执行器组的两个相邻末端执行器相 距为最小同步轮直径的值；所述末端执行器包括具有晶圆搭载部和固定手部； 所述固定手部使所述晶圆搭载部和同步轮与负载连接部相固接；当所述电机 带动所述主动轮左右摇摆转动，各所述末端执行器之间的等间距变大，反之 变小。
9.进一步地，所述的利用带传动结构实现多层等间距可变的晶圆搬送机械 手结构还包括导向柱，所述导向柱垂直设置于所述底座上，在所述导向柱设 置有2m个与相应的所述末端执行器的固定手部相接触连接的直线轴承，当 所述末端执行器之间的间距变大或变小时，所述直线轴承沿所述导向柱上下 滑动。
10.进一步地，所述的利用带传动结构实现多层等间距可变的晶圆搬送机械 手结构，其还包括限位模块，用于限定所述电机带动所述主动轮左右摇摆转 动的幅度。
11.进一步地，所述限位模块为两个平行的滑槽，用于分别为容置左右两侧 m个所述同步轮与负载连接部。
12.进一步地，所述主动轮左右摇摆转动的幅度为
±
34.38度。
13.进一步地，m为4。
14.进一步地，所述第一带轮或第二带轮包括2层直径从大到小以相同间隔 变化且层叠在一起的同步轮，每一个所述第一带轮的同步轮通过钢带和所述 第二带轮中直径相同的传动轮子相传动连接；从所述第一带轮或第二带轮中 心的第一个同步轮直径开始，从里到外按1：2倍直径增加。
15.从上述技术方案可以看出，本发明的利用带传动结构实现多层等间距可 变的晶圆搬送机械手结构，可以应用于不同间距的晶圆存储装置之间的传片， 对于不同间距的晶圆存储装置，使用可变间距的末端执行器以取放晶圆，不 仅满足了高精度定位避免损伤晶圆的要求，且结构简单和稳定可靠寿命长， 即在保证精度的同时，亦可兼顾经济性。
附图说明
16.图1所示为现有技术中一种不同间距的晶圆存储装置的结构示意图
17.图2所示为现有技术中另一种不同间距的晶圆存储装置的结构示意图
18.图3所示为本发明实施例中的利用带传动结构实现多层等间距可变的晶 圆搬送机械手结构的侧视图
19.图4所示为本发明实施例中的利用带传动结构实现多层等间距可变的晶 圆搬送机械手结构的立体图
20.图5所示为本发明实施例中末端执行器的示意图
21.图6所示为本发明实施例中末端执行器的晶圆搭载部的示意图
具体实施方式
22.下面结合附图3-6，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
23.需要说明的是，本发明的利用带传动结构实现多层等间距可变的晶圆搬 送机械手结构可以包括形状相同且上下正对设置的第一带轮和第二带轮；所 述第一带轮和第二带轮之一为主动轮，另一个为从动轮，所述主动轮与所述 电机相连。通常为结构方便起见，可以设置第二带轮为主动轮，第一带轮为 从动轮。
24.为满足多个(假设2m 1个)平行等距设置的末端执行器的同步变间距 需要，第一带轮或第二带轮需要包括m层直径从大到小以相同间隔变化且层 叠在一起的同步轮，每一个所述第一带轮的同步轮通过一条钢带和所述第二 带轮中直径相同的传动轮子相传动连接；从所述第一带轮或第二带轮中心的 第一个同步轮(最小同步轮)直径开始，每一个同步轮从里到外依次按1n、 2n
…
nn倍直径增加，这里的n可以是最小同步轮的直径。
25.在本发明的实施例中，在每一条所述钢带左右侧均固设置有m个负载节 点，所述负载节点为2m个，每一个负载节点通过同步轮与负载连接部连接 一个末端执行器；其中，m的取值为正整数。
26.所述末端执行器共有2m 1个，平行设于所述第一带轮或第二带轮之间 的2m 1个所述末端执行器成为三组，第一末端执行器组包括m个末端执行 器，第二末端执行器组包括一个末端执行器，第三末端执行器组包括m个末 端执行器，所述第二末端执行器组水平固设于所述第一带轮和第二带轮之间 的中心位置并与所述负载连接部相垂直连接；第一末端执行器组和第三末端 执行器组中末端执行器分别以所述第二末端执行器组为中心对称设置；所述 第一末端执行器组和第三末端执行器组中靠近第二末端执行器组的两个相邻 末端执行器相距为最小同步轮直径的值。
27.所述末端执行器包括具有晶圆搭载部和固定手部；所述固定手部使所述 晶圆搭载部和所述同步轮与负载连接部相固接；当所述电机带动所述主动轮 左右摇摆转动，各所述末端执行器之间的等间距变大，反之变小。
28.此外，在本发明的实施例中，还可以包括导向柱，所述导向柱垂直设置 于固定底座上，在所述导向柱设置有2m个与相应的所述末端执行器的固定 手部相接触连接的直线轴承，当所述末端执行器之间的间距变大或变小时， 所述直线轴承沿所述导向柱上下滑动。
29.具体地，请参阅图3，图3所示为本发明实施例中的利用带传动结构实 现多层等间
距可变的晶圆搬送机械手结构的侧视图。如图所示，传动结构可 以包括形状相同且上下正对设置的第一带轮和第二带轮；所述第一带轮和第 二带轮之一为主动轮，另一个为从动轮，所述主动轮与所述电机相连；作为 动力的主动轮直连电机，电机带主动轮转动，使用钢带作为传动连接，从动 轮随着同步转动，主动轮和从动轮的外型是一致的。
30.如图3所示，主动轮和从动轮均包括两对同步轮，一对为图中所示为大 同步轮以及一对为图中所示为小同步轮的两部分组成，大同步轮直径为小同 步轮直径2倍。
31.请参阅图4，图4所示为本发明实施例中的利用带传动结构实现多层等 间距可变的晶圆搬送机械手结构的立体图。如图所示，末端执行器共有5个， 平行设于所述第一带轮或第二带轮之间的5个所述末端执行器成为三组，第 一末端执行器组包括2个末端执行器，第二末端执行器组包括一个末端执行 器，第三末端执行器组包括2个末端执行器，所述第二末端执行器组水平固 设于所述第一带轮和第二带轮之间的中心位置并与所述负载连接部相垂直连 接；第一末端执行器组和第三末端执行器组中末端执行器分别以所述第二末 端执行器组为中心对称设置；所述第一末端执行器组和第三末端执行器组中 靠近第二末端执行器组的两个相邻末端执行器相距为最小同步轮直径的值。
32.请参阅图5和图6，图5所示为本发明实施例中末端执行器的示意图， 图6所示为本发明实施例中末端执行器的晶圆搭载部的示意图。如图所示， 所述末端执行器包括具有晶圆搭载部和固定手部；所述固定手部使所述晶圆 搭载部和同步轮与负载连接部相固接；当所述电机带动所述主动轮左右摇摆 转动，各所述末端执行器之间的等间距变大，反之变小。
33.具体地，钢带上附有负载节点分别连接各层末端执行器，组成可变机械 手的结构，从水平固设第二末端执行器组为中心(即中央的末端执行器为独 立固定结构)，其上层等间距平行叠加的两个末端执行器，由带钢带上随负 载节点向上运动，其下层等间距平行叠加的两个末端执行器，由带钢带上随 负载节点向下运动，每一个所述第一带轮的同步轮通过钢带和所述第二带轮 中直径相同的传动轮子相传动连接；从所述第一带轮或第二带轮中心的第一 个同步轮直径开始，从里到外按1：2倍直径增加。所述第一末端执行器组 和第三末端执行器组中靠近第二末端执行器组的两个相邻末端执行器相距为 小同步轮直径的值。这样就可以实现自上往下各末端执行器层运动距离比为 2：1：-1：-2(以向上运动为正)，从而实现五层末端执行器等间距变间距。
34.在本发明的实施例中，该利用带传动结构实现多层等间距可变的晶圆搬 送机械手结构还可以包括导向柱，所述导向柱垂直设置于所述底座上，在所 述导向柱设置有4个与相应的所述末端执行器的固定手部相接触连接的直线 轴承，当所述末端执行器之间的间距变大或变小时，所述直线轴承沿所述导 向柱上下滑动。
35.此外，该利用带传动结构实现多层等间距可变的晶圆搬送机械手结构还 可以包括限位模块，用于限定所述电机带动所述主动轮左右摇摆转动的幅度， 较佳地，所述限位模块为两个平行的滑槽，用于分别为容置左右两侧m个所 述同步轮与负载连接部。此外，所述主动轮或从动轮的左右摇摆转动的幅度 为
±
34.38度。
36.下面可以通过一个实际的例子来说明本发明的有益效果。在该实例中， 其目标是要求各末端执行器之间等间距从6～15mm之间进行变换，重复定 位精度0.02mm，那么相关的参数设定供参考如下，并且利用钢带的高响应 动作及电机的精度控制，即可可实现如下
表1所示的目标。
37.带轮大轮段直径(外侧)φ60mm 带轮小轮段直径(内侧)φ30mm 动作范围(外侧)18mm目标12～30mm动作范围(内侧)9mm目标6～15mm动作速度(外侧)25.8mm/sec设定动作速度(内侧)12.9mm/sec设定停止精度 0.02mm目标加減速時間0.3sec设定最大加速g0.009g计算值带轮转数13.32rpm计算值带轮旋转加速度4.65rad/sec^2计算值带轮旋转角度行程
ꢀꢀꢀꢀ±
34.38度计算值带轮转动误差許容値
ꢀꢀꢀꢀ±
2.29分计算值
38.以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明 的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构 变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。