一种直驱式可翻转晶圆传输机器人的制作方法
【技术领域】
[0001]该发明涉及晶圆自动化搬运设备领域，具体涉及一种晶圆传输洁净机器人。
【背景技术】
[0002]在超大规模集成电路(IC)制造过程中，晶圆需要在数百道工艺之间频繁传输，晶圆生产线工序集中，加工速度快，工作环境洁净度要求高，需要高性能的晶圆传输机器人。现有的R-θ型晶圆传输机器人，多使用伺服电机(步进电机)驱动配以减速器减速再带动传动轴转动，传动结构复杂，安装困难，且多数减速机构(带传动、齿轮传动等)会使传动轴偏置，更易造成偏载和冗余径向力的产生，导致电机扭矩损失和精度降低。采用直驱电机驱动，可以减少减速机构的使用，直驱电机直接连接负载，无偏载产生，传动精度高，无扭矩损失。直驱电机中空的结构特点，方便晶圆机器人控制线路和气路的内部走线，还可实现不同传动轴间的同轴布置，减少零件数，减少转轴的转动惯量，便于装配。
[0003]现有R-θ型晶圆传输机器人，其径向(R向)直线运动通过大臂、小臂和手腕的定比例运动实现(原理可见[径向直线运动型硅片传输机器人的设计与研宄.丛明，张士军.制造业自动化.第27卷第2期2005-02])。现有技术多使用同步带，利用行星轮系传动原理，使用一个电机驱动大臂、小臂和手腕关节。但同步带具有棱角误差、弹性变形和疲劳磨损的缺点，传动系统刚度低，在速度和加速度突变或者变化很大时容易引起振动，易产生微粒污染源。使用钢带传动，无弹性变形，传动精度高，系统刚度大。钢带传动无需张紧装置，无疲劳磨损，可以提高机器人可靠性，增加机器人使用寿命。还可以避免微粒污染的产生，提高机器人的洁净度。
【发明内容】
[0004]针对以上问题，该发明的主要目的是提供晶圆传输机器人。采用直驱电机驱动，解决现有技术驱动方式，结构复杂，安装困难，传动轴不同轴，传动偏载等的问题。采用钢带传动解决同步带传动中的棱角误差、弹性变形和疲劳磨损的缺点，提高传动精度和使用寿命，提供机器人洁净度。
[0005]该发明的另一目的是提供直驱式末端可翻转晶圆传输机器人。在晶圆传输过程中，多种工况下需要晶圆的翻转操作，直驱式末端可翻转机器人可以满足此种需求。
[0006]本发明提供直驱式末端可翻转晶圆传输机器人，采用如下技术方案:一种直驱式可翻转晶圆传输机器人，该机器人包括基座1、升降和回转机构2、真空吸附末端3、翻转手腕4、小臂5和大臂6 ;所述基座I内部安装升降和回转机构2，升降和回转机构2与大臂6一端(近端)连接，大臂6另一端(远端)与小臂5 —端(近端)连接，小臂5另一端(远端)与翻转手腕4的一端连接，翻转手腕4的另一端与真空吸附末端3连接。
[0007]所述晶圆传输机器人动作时，基座I固定，升降和回转机构2可绕基座I中心回转，还可沿基座垂直方向(Z向)做升降运动；大臂6近端可绕回转机构2中心回转(Θ向运动)，小臂5近端绕大臂6远端中心回转，翻转手腕4绕小臂5远端回转，大臂6、小臂5和翻转手腕4的定比例回转实现机器人手臂的径向直线运动(R向运动)；翻转手腕4内置翻转结构，真空吸附末端3绕手腕壳体水平轴线翻转；真空吸附末端3吸附晶圆片，带动晶圆片运动。
[0008]上述晶圆传输机器人的升降机构，参考附图2所示，该升降机构包括伺服电机101、减速器102、联轴器103、基座型材104、螺母108、丝杠109、导轨105、滑块107和升降连接板106。伺服电机101、减速器102、丝杠109和螺母108同轴布置于基座I侧壁上并组成丝杠螺母副传动机构；基座型材104为基座侧面支撑，导轨105固定在基座型材104上；螺母108连接升降连接板106。
[0009]伺服电机101与减速器102连接，减速器102的输出轴通过联轴器103与丝杠109连接；丝杠109固定在基座I的侧壁中间，两导轨105固定在基座I的侧壁两侧；所述各导轨105上分别安装有两个滑块107，两个滑块107分别与升降连接板106连接，以实现导向作用。
[0010]所述伺服电机101经减速器102减速，驱动丝杠螺母副的螺母108的升降运动，进而带动升降连接板106上下运动；
[0011]上述晶圆传输机器人的中心回转(θ向运动)机构，包括Θ向直驱电机204、Θ向转轴203、交叉滚子轴承b215、推力轴承213。Θ向直驱电机204的底座固定在升降连接板106上，Θ向转轴203连接在Θ向直驱电机204的输出轴端并与Θ向转轴连接板a205连接；Θ向转轴连接板b206通过螺钉连接安装固定在Θ向转轴连接板a205上。
[0012]交叉滚子轴承b215的外圈固定安装在连接板固定套筒201内壁上，以承受Θ向转轴203的径向力和倾覆力；推力轴承213通过Θ向转轴套筒214、连接板固定上套筒202安装在Θ向转轴203的外壁上。推力轴承213用以承受机器人臂体的轴向力。Θ向转轴203与基座上盖110配合，同时在基座上盖110内孔处安装有U型大弹性橡胶圈217和O型耐磨高强度密封环216。
[0013]Θ向直驱电机204输出轴直接驱动Θ向转轴203转动，带动交叉滚子轴承b215内圈、Θ向转轴套筒214和推力轴承213下圈共同转动。U型大弹性橡胶圈217浮动承受Θ向转轴203的径向偏载。
[0014]R向直驱电机207、R向转轴208、大臂6、小臂5、翻转手腕4组成晶圆传输机器人的径向直线运动机构；R向直驱电机207同轴安装在Θ向转轴203内部，R向直驱电机207的底部安装在Θ向转轴连接板b206上；R向直驱电机207的输出轴直接连接R向转轴208，R向转轴208和Θ向转轴203之间在Θ向转轴203上端通过交叉滚子轴承a212支撑，大臂6 —端连接在Θ向转轴203上，另一端连接小臂5近端(靠近大臂6 —端为近端)，小臂5远纟而连接翻转手腕4。
[0015]R向直驱电机207及R向转轴208随Θ向转轴203同步回转，同时R向直驱电机207输出轴可独立驱动R向转轴208相对于Θ向转轴203转动，R向转轴208的回转驱动大臂6绕Θ向转轴203中心回转，同时小臂5近端绕大臂6远端(大臂6远离Θ向转轴203的一端)回转，翻转手腕4绕小臂5远端回转，通过大臂6、小臂5和翻转手腕4三连杆定比角速度运动，实现机器人的R向直线伸缩运动。
[0016]上述晶圆传输机器人的径向直线运动(R向运动)机构中，大臂6包括大臂壳体601、大臂固定带轮210、小臂驱动轮606、大臂上下半钢带610、小臂驱动轮轴604、交叉滚子轴承d612、交叉滚子轴承e613、深沟球轴承605。
[0017]大臂壳体601通过大臂壳体上盖607、大臂壳体下盖602上下密封。
[0018]R向转轴208上端连接大臂壳体601的近端上壳体，大臂固定带轮210固定在Θ向转轴203上端，大臂固定带轮210和R向转轴208之间通过交叉滚子轴承d612支撑；大臂壳体下盖602和大臂固定带轮210之间通过交叉滚子轴承e613支撑。
[0019]大臂上下半钢带610固定安装在大臂行星轮系的大臂固定带轮210和小臂驱动轮606之间，大臂壳体601远端下壳体固定连接小臂驱动轮轴604，小臂驱动轮轴604和小臂驱动轮606之间通过一对深沟球轴承605支撑；小臂壳体501、大臂壳体上盖607之间通过交叉滚子轴承c608支撑；小臂驱动轮606上端连接小臂壳体501近端。
[0020]大臂壳体601 (相当于行星架)、大臂固定带轮210 (太阳轮)、小臂驱动轮606 (行星轮)、大臂上下半钢带610共同组成行星周转轮系。大臂壳体601绕Θ向转轴203回转，带动小臂驱动轮606绕大臂固定带轮210公转，大臂上下半钢带610绕带轮缠绕，而大臂固定带轮210不随大臂壳体601回转，使小臂驱动轮606绕小臂驱动轮轴604自转，进而驱动小臂壳体501近端绕大臂壳体601远端回转。
[0021]上述晶圆传输机器人的径向直线运动(R向运动)机构中，小臂5包括小臂壳体501、小臂定轮512、小臂上下半钢带510、手腕驱动轮504、手腕驱动轮轴502 ;在小臂壳体501内部，固定于大臂壳体601远端的小臂驱动轮轴604上端连接有小臂定轮512 ;手腕驱动轮轴502固定在小臂壳体501远端下壳体上，手腕驱动轮504通过上下一对深沟球轴承a503支撑在手腕驱动轮轴502下端，在手腕转轴505和小臂上盖507之间通过交叉滚子轴承b506支撑；而小臂上下半钢带510连接在小臂定轮512和手腕驱动轮504之间；手腕驱动轮504上端连接手腕转轴505，手腕转轴505连接翻转手腕4。
[0022]小臂壳体501通过小臂上盖507密封。
[0023]小臂壳体501近端绕大臂壳体601远端回转时，小臂定轮512相对于大臂壳体601静止，小臂上下半钢带510绕小臂定轮512和手腕驱动轮504缠绕，组成小臂行星轮系。手腕驱动轮504绕手腕驱动轮轴502回转，手腕转轴505随之绕小臂壳体501远端转动。
[0024]参考附图5所示，手腕转轴505绕小臂壳体501远端回转，手腕转轴505上端固定连接翻转手腕4，翻转手腕4内部设计翻转机构，驱动真空吸附末端3翻转。
[0025]该晶圆传输机器人R向直线运动时，参考附图6所示为小臂5、大臂6相对回转动作示意(对比附图1中大小臂状态)，同时真空吸附末端3实现了翻转动作。
[0026]采用上述技术方案，实现晶圆传输机器人的垂直升降运动、中心回转运动、径向直线