本發(fā)明涉及一種3自由度的晶圓傳輸機(jī)械手及使用方法，可實(shí)現(xiàn)晶圓在不同工位之間可靠準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)移，特別應(yīng)用于晶圓在線檢測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

第三代寬禁帶半導(dǎo)體具有高穩(wěn)定性、高光電轉(zhuǎn)化、低能量損耗等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子設(shè)備、新能源汽車、飛機(jī)發(fā)動機(jī)等領(lǐng)域，其材料價格也相對貴重。因此，在整個集成器件的制作過程中，對半導(dǎo)體材料的檢測分析就尤為重要。

隨著晶圓的生產(chǎn)產(chǎn)量和尺寸不斷增加，要求晶圓的生產(chǎn)及測試向著高速化、連續(xù)化、自動化生產(chǎn)方向發(fā)展。由于需要在有限的空間實(shí)現(xiàn)晶圓工位的快速轉(zhuǎn)移，從而在進(jìn)行晶圓檢測時，對自動傳輸機(jī)械手的工作穩(wěn)定性、動作準(zhǔn)確性、以及潔凈度等方面，都提出了較高的要求。

因此，作為半導(dǎo)體檢測中硅片傳輸和定位的核心設(shè)備，對晶圓傳輸機(jī)械手的探究，對打破國外對中國高端顯微市場的壟斷，促進(jìn)我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提出一種能夠做到高效搬運(yùn)、高速和高精度定位的晶圓傳輸機(jī)械手及使用方法。

為實(shí)現(xiàn)所述目的，本發(fā)明采用的第一個技術(shù)方案如下：

一種傳輸晶圓的機(jī)械手，包括旋轉(zhuǎn)運(yùn)動系統(tǒng)，徑向運(yùn)動系統(tǒng)，垂直運(yùn)動系統(tǒng)和安裝三個所述系統(tǒng)的支架；所述的支架包括徑向支架、機(jī)殼和安裝在機(jī)殼上的上支架、下支架、垂直電機(jī)支架；

所述旋轉(zhuǎn)運(yùn)動系統(tǒng)包括一連接在升降架上的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)通過第一傳動裝置驅(qū)動一主臂旋轉(zhuǎn)，所述主臂頂端穿出所述的上支架與徑向運(yùn)動系統(tǒng)相連接進(jìn)而驅(qū)動徑向運(yùn)動系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)；所述徑向運(yùn)動系統(tǒng)包括一連接在徑向支架上的徑向驅(qū)動電機(jī)，徑向驅(qū)動電機(jī)通過第二傳動裝置驅(qū)動一沿兩徑向?qū)к壔瑒拥臋C(jī)械手爪，所述機(jī)械手爪表面設(shè)置有用于吸附晶圓的真空吸附裝置；所述垂直運(yùn)動系統(tǒng)包括一連接在所述垂直電機(jī)支架上的垂直驅(qū)動電機(jī)，所述垂直驅(qū)動電機(jī)帶有電磁抱閘制動裝置，確保了電機(jī)失電后電磁抱閘線圈也失電，使制動器的閘瓦緊緊抱住閘輪電機(jī)被制動而停轉(zhuǎn)，所述垂直驅(qū)動電機(jī)通過第三傳動裝置驅(qū)動沿兩線性導(dǎo)向軸上下移動的所述升降架，進(jìn)而驅(qū)動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動系統(tǒng)和徑向運(yùn)動系統(tǒng)上下移動。

進(jìn)一步的，所述第一傳動裝置包括一與所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)輸出端連接的主動輪和與之嚙合的從動輪，所述從動輪做成齒輪軸，所述齒輪軸的下端通過止推軸承座固定在所述升降架的下板上，以防止齒輪軸的軸向竄動，所述齒輪軸通過深溝球軸承座組件穿過所述升降架的上板，其上端伸出部分即為所述主臂。

進(jìn)一步的，所述第二傳動裝置包括一與所述徑向驅(qū)動電機(jī)輸出端連接的滾珠絲杠，所述滾珠絲杠兩端分別通過固定側(cè)方型絲杠支座組件和支持側(cè)方型絲杠支座組件固定在所述徑向支架上；所述滾珠絲杠的絲杠螺母連接一承載臺，所述承載臺上固定有所述機(jī)械手爪，且所述的承載臺與兩導(dǎo)軌滑塊相連。

進(jìn)一步的，所述第二傳動裝置，其所述固定側(cè)方型絲杠支座組件包括一個固定側(cè)支座，在所述的固定側(cè)支座內(nèi)有一對相對安裝的角接觸球軸承，以承受兩個方向的軸向力防止軸向竄動。

進(jìn)一步的，所述第二傳動裝置，其所述支持側(cè)方型絲杠支座組件包括一個支持側(cè)支座，在所述的支持側(cè)支座內(nèi)設(shè)有一深溝球軸承，以承受徑向負(fù)荷。

進(jìn)一步的，所述第三傳動裝置包括一與所述垂直驅(qū)動電機(jī)輸出端連接的滾珠絲杠，所述滾珠絲杠的兩端分別通過固定側(cè)圓型絲杠支座組件和支持側(cè)圓型絲杠支座組件連接在所述的上、下支架上；所述滾珠絲杠的絲杠螺母固定在所述升降架上，兩根相平行的線性導(dǎo)向軸通過直線軸承與所述升降架連接，所述導(dǎo)向軸的兩端分別固定在上、下支架上。

進(jìn)一步的，所述第三傳動裝置，其所述固定側(cè)圓型絲杠支座組件包括一個固定側(cè)支座，在所述的固定側(cè)支座內(nèi)有一對相對安裝的角接觸球軸承，以承受兩個方向的軸向力防止軸向竄動。

進(jìn)一步的，所述第三傳動裝置，其所述支持側(cè)圓型絲杠支座組件包括一個支持側(cè)支座，在所述的支持側(cè)支座內(nèi)設(shè)有一深溝球軸承，以承受徑向負(fù)荷。

進(jìn)一步的，還包括一真空吸附裝置，所述真空吸附裝置包括一設(shè)置在機(jī)械手爪上的真空流道，所述流道兩端分別是真空接管和出口吸盤，真空經(jīng)手爪真空流道到達(dá)所述出口處與晶圓接觸從而產(chǎn)生吸附力吸附晶圓。

本發(fā)明采用的第二個技術(shù)方案如下：

本發(fā)明的使用方法，如下：

工作時，機(jī)械手收到工控機(jī)發(fā)出的控制信號，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動系統(tǒng)與垂直運(yùn)動系統(tǒng)配合運(yùn)動使機(jī)械手旋轉(zhuǎn)后升近至片盒高度，徑向運(yùn)動系統(tǒng)驅(qū)動機(jī)械手爪伸出至片盒內(nèi)晶圓的正下方；

然后垂直運(yùn)動系統(tǒng)繼續(xù)略微上移，末端手爪接觸晶圓，真空發(fā)生器啟動，真空經(jīng)真空流道到達(dá)出口處吸住晶圓，并在徑向運(yùn)動系統(tǒng)的驅(qū)動下機(jī)械手爪徑向回縮使晶圓脫離片盒；

在片盒中的晶圓被取出后，片盒下降兩片晶圓間距離的高度；承載晶圓的機(jī)械手經(jīng)過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動系統(tǒng)與垂直運(yùn)動系統(tǒng)的配合運(yùn)動到達(dá)預(yù)對準(zhǔn)臺的高度后，徑向運(yùn)動系統(tǒng)驅(qū)動機(jī)械手爪運(yùn)動到預(yù)對準(zhǔn)臺的上方，之后機(jī)械手在垂直運(yùn)動系統(tǒng)的驅(qū)動下下降，預(yù)對準(zhǔn)臺接觸晶圓，機(jī)械手真空釋放晶圓并恢復(fù)到初始零位，完成上片過程。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明所涉及的機(jī)械手有3個自由度，分別是徑向平動、主臂回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動，其每個自由度都有一臺獨(dú)立的電機(jī)，這三種運(yùn)動既可以聯(lián)動也可以單獨(dú)運(yùn)動，這樣有利于運(yùn)動的調(diào)整及對旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行補(bǔ)償，并可實(shí)現(xiàn)任一高度任何位置取送晶圓的運(yùn)動。

2、本發(fā)明的機(jī)械手爪固定在承載臺上，所述承載臺與徑向驅(qū)動裝置固聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)了手爪隨徑向運(yùn)動機(jī)構(gòu)的聯(lián)動，取得了保證定位精度、可靠性好的有益效果。

3、本發(fā)明在垂直運(yùn)動方向上除了通過計算機(jī)程序設(shè)定升降行程控制外，所述垂直驅(qū)動電機(jī)亦帶有電磁抱閘制動裝置，確保了電動機(jī)失電能被快速有效制動而停轉(zhuǎn)，從而保證了機(jī)械手垂直方向的定位精度和制動性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動系統(tǒng)的裝配示意圖；

圖3為本發(fā)明中徑向運(yùn)動系統(tǒng)的裝配示意圖；

圖4為本發(fā)明中機(jī)械手爪的局部放大圖；

圖5為本發(fā)明中垂直運(yùn)動系統(tǒng)的裝配示意圖；

圖中：1旋轉(zhuǎn)運(yùn)動系統(tǒng)，2徑向運(yùn)動系統(tǒng)，3垂直運(yùn)動系統(tǒng)，5支架，

10電機(jī)，11主動輪，12從動輪，13主臂，14緊定法蘭，15止推軸承座，16深溝球軸承座組件，

20電機(jī)，21聯(lián)軸器，22滾珠絲杠，23固定側(cè)方型絲杠支座組件，24支持側(cè)方型絲杠支座組件，25絲杠螺母，26導(dǎo)軌滑塊，27滾動導(dǎo)軌，

30電機(jī)，31聯(lián)軸器，32滾珠絲杠，33固定側(cè)圓型絲杠支座組件，34支持側(cè)圓型絲杠支座組件，35絲杠螺母，36升降架，37直線軸承，38線性導(dǎo)向軸，39線性導(dǎo)向軸支座，

40承載臺，41真空接管，42機(jī)械手爪，43真空流道，44出口吸盤，

50徑向支架，51上支架，52下支架，53垂直電機(jī)支架，54右機(jī)殼，55左機(jī)殼，56前機(jī)殼。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。

如圖1所示，本發(fā)明包括一旋轉(zhuǎn)運(yùn)動系統(tǒng)1，一徑向運(yùn)動系統(tǒng)2，一垂直運(yùn)動系統(tǒng)3及安裝上述三個運(yùn)動系統(tǒng)1，2，3的支架5。

所述的支架5包括徑向支架50，右機(jī)殼54，左機(jī)殼55，前機(jī)殼56，后機(jī)殼，下機(jī)殼和安裝在機(jī)殼上的上支架51，下支架52和垂直電機(jī)支架53。其中后機(jī)殼和下機(jī)殼在圖中沒有進(jìn)行表示。

如圖2所示，本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動系統(tǒng)1包括一安裝在升降架36上的AC伺服電機(jī)10，電機(jī)10的輸出軸通過一主動輪11連接一從動輪12，從動齒輪做成齒輪軸，其上端穿過上支架部分即為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動系統(tǒng)的主臂13，主臂13頂端通過緊定法蘭14與徑向運(yùn)動系統(tǒng)2連接，從而在電機(jī)10的驅(qū)動下經(jīng)過減速齒輪副11、12的減速實(shí)現(xiàn)固定于徑向運(yùn)動系統(tǒng)2上的機(jī)械手爪42臂13的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。止推軸承座15固定于升降架36下板上，與齒輪軸12的下端相連接，齒輪軸12通過深溝球軸承座組件16穿過升降架36的上板，深溝球軸承座組件16與升降架36固定連接。

如圖3、圖4所示，本發(fā)明的徑向運(yùn)動系統(tǒng)2包括一安裝在徑向支架50上的AC伺服電機(jī)20，電機(jī)20的輸出軸通過一聯(lián)軸器21與滾珠絲杠22連接，絲杠22的電機(jī)端通過固定側(cè)方型絲杠支座組件23固定，另一端通過支持側(cè)方型絲杠支座組件24支持，固定側(cè)方型絲杠支座組件23內(nèi)有一對相對安裝的角接觸球軸承，支持側(cè)方型絲杠支座組件24內(nèi)設(shè)有深溝球軸承，絲杠22的絲杠螺母25連接一承載臺40，電機(jī)20驅(qū)動絲杠22轉(zhuǎn)動，承載臺40在絲杠螺母25的帶動下通過導(dǎo)軌滑塊26沿兩平行布置的滾動導(dǎo)軌27徑向移動，機(jī)械手爪42固定在承載臺40上，手爪42上設(shè)置有一真空接管41、一真空流道43和一出口吸盤44，真空經(jīng)真空流道43到達(dá)出口吸盤44處接觸晶圓可實(shí)現(xiàn)對晶圓的吸附。

如圖5所示，本發(fā)明的垂直運(yùn)動系統(tǒng)3包括一安裝在垂直電機(jī)支架53帶有電磁抱閘制動裝置的AC伺服電機(jī)30，電機(jī)30的輸出軸通過一聯(lián)軸器31與滾珠絲杠32連接，滾珠絲杠32的電機(jī)端通過固定側(cè)圓型絲杠支座組件33固定，另一端通過支持側(cè)圓型絲杠支座組件34支持，固定側(cè)圓型絲杠支座組件33內(nèi)有一對相對安裝的角接觸球軸承，支持側(cè)圓型絲杠支座組件34內(nèi)設(shè)有深溝球軸承，滾珠絲杠32的絲杠螺母35連接一升降架36的上板，電機(jī)30驅(qū)動絲杠32轉(zhuǎn)動，升降架36在絲杠螺母35帶動下通過直線軸承37沿兩平行布置的線性導(dǎo)向軸38垂直移動，線性導(dǎo)向軸38通過導(dǎo)向軸支座39與上下支架51、52固定連接。

本發(fā)明工作時，機(jī)械手收到工控機(jī)發(fā)出的控制信號，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動系統(tǒng)1與垂直運(yùn)動系統(tǒng)3配合運(yùn)動使機(jī)械手旋轉(zhuǎn)后升近至片盒01高度，徑向運(yùn)動系統(tǒng)2驅(qū)動手爪伸出至片盒內(nèi)晶圓的正下方。然后垂直運(yùn)動系統(tǒng)3略微上移，末端手爪接觸晶圓，真空發(fā)生器啟動，真空經(jīng)真空流道43到達(dá)出口44處吸住晶圓，并在徑向運(yùn)動系統(tǒng)2的驅(qū)動下手爪徑向回縮使晶圓脫離片盒01。

在片盒01中的晶圓被取出后，片盒01下降兩片晶圓間距離的高度。承載晶圓的機(jī)械手經(jīng)過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動系統(tǒng)1與垂直運(yùn)動系統(tǒng)3的配合運(yùn)動到達(dá)預(yù)對準(zhǔn)臺的高度后，徑向運(yùn)動系統(tǒng)2驅(qū)動手爪運(yùn)動到預(yù)對準(zhǔn)臺的上方，之后機(jī)械手在垂直運(yùn)動系統(tǒng)的驅(qū)動下下降，預(yù)對準(zhǔn)臺接觸晶圓，機(jī)械手真空釋放晶圓并恢復(fù)到初始零位，完成上片過程。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。所述旋轉(zhuǎn)運(yùn)動系統(tǒng)1、徑向運(yùn)動系統(tǒng)2和垂直運(yùn)動系統(tǒng)3中的傳動機(jī)構(gòu)還可以采取其他不同的結(jié)構(gòu)方式，如在徑向運(yùn)動系統(tǒng)2中，起導(dǎo)向作用的部件27可以是兩平行布置的導(dǎo)軌，也可以是兩平行布置的光杠。本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。