CN108022862A - 机械手臂工作状态检测机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机械手臂工作检测领域，特别是涉及机械手臂工作状态检测机构。其包括机械手臂本体、末端执行器；机械手臂本体内部设置轴向的真空管道，末端执行器内部设置气体通路，且机械手臂本体的真空管道一端与负压源连接，另一端与末端执行器气体通路的一端连接；气体通路的另一端通至末端执行器的底部；机械手臂本体上设置应变检测传感器。本发明基于末端执行器吸附晶片后，相对未吸附时，机械手臂本体会产生一定的应变，通过应变检测传感器检测，根据应变判断末端执行器是否吸附住晶片，根据应变较为准确调整取放晶片的高度，而且通过应变检测可以确定是否发生碰撞的情况。还可以根据应变采集、对比确定操作人员投放源晶片是否正确。

Description

机械手臂工作状态检测机构
技术领域
本发明涉及机械手臂工作检测领域，特别是涉及机械手臂工作状态检测机构。
背景技术
晶片传输机械手臂在晶片磨削、抛光、刻蚀、扩散、沉积、装配、包装和测试等半导体加工领域有着广泛的应用。晶片在上述各个加工工序之间进行传递,离不开晶片传输***的传输与定位。晶片传输机械手臂在该***中占有重要的地位,直接体现出整机***的自动化程度和可靠性。
在晶片的搬运过程中确认机械手臂是否成功抓取晶片，对于正确执行工艺流程至关重要。如果判断出现失误，轻则造成工艺失败；重则导致设备损伤。将晶片取放到工艺腔室等工位的过程中需要将机械手臂调整至合适的高度，否则会对取放晶片的成功率以及对晶片实施工艺的结果产生影响。机械手臂在运动过程中需要有及时准确的碰撞检测手段，当出现误操作等意外情况时，可以及时有效地保护机械手臂和设备的安全。机械手臂还可以考虑对操作人员投放晶片出现的差错具有一定的监测功能。
现有使用负压吸片方式吸附晶片的机械手臂，检测晶片是否被机械手臂成功吸附主要有两种方式。
第一种方式：通过负压吸片的压力值进行判断。使用压力传感器测量机械手臂内负压管路的压力值。使用负压吸片方式吸附晶片的机械手臂，当负压发生作用时，设未吸附晶片时的负压值为P1，吸附晶片时的负压值设为P2,一般情况下P1≠P2。利用ΔP＝|P1-P2|这个变量值可以判断机械手臂是否成功吸附晶片。
第二种方式：通过传感器检测机械手臂是否成功吸附晶片。例如在传片的某些工位上，设置传感器(主要是光电传感器)，利用这些传感器检测机械手臂是否成功吸附晶片。
此外，由于半导体设备的工艺流程大部分是在密闭腔室环境中进行的，无法直接观察到腔室内部的情况。在调试机械手臂寻找取放晶片的合适高度H时，其一般调试流程是:
依据以往的经验数据，调整机械手臂高度至安全位置，将此位置记为H1，在此位置将晶片释放；
开启机械手臂吸片的负压，再次调整机械手臂高度，当机械手臂吸住晶片时，记录此时的高度值为H2；
将H2设定为机械手臂取放片的高度值H；或者将H2稍作增减记为H3，将H3设定为机械手臂取放晶片的高度值H。
机械手臂在运动过程中，由于误操作等原因，可能会与机架和腔室侧壁发生碰撞。为了实现碰撞保护，机械手臂的电机有过流检测功能。如果发生碰撞，会导致驱动电机过流。根据过流报警，机械手臂会停止驱动电机的运动，从而起到一定的碰撞保护作用。
另一方面，在机械手臂传输晶片的过程中，需要将符合要求的晶片传输到工艺腔室中进行工艺。由于尺寸相同而外延层厚度，掺杂浓度等其他参数不同的晶片，例如未进行工艺的晶片与经过正常工艺的晶片，在外观上通过肉眼观察难以区分。工艺操作人员根据盛放晶片的Cassette标签对不同晶片进行区分，这种情况下存在着操作人员投放晶片发生差错的隐患。
对于检测机械手臂是否成功吸附晶片，第一种检测方式是通过负压吸片的压力值判断，存在可靠性差的缺点：
为了减少在吸附晶片过程中对晶片表面造成的损伤，未吸附晶片时的负压值P1的绝对值|P1|一般较小，吸附晶片时的负压值P2的绝对值|P2|与|P1|比较接近，利用ΔP＝|P1-P2|的数值检测晶片是否被机械手臂成功吸附可能存在误判，存在较大的误判的可能性，可靠性差。第二种检测方式是通过光电传感器进行检测。光电传感器存在检测盲区；检测结果容易受到晶片镜面反射的干扰；光电传感器只能在特定检测位置进行测量，无法全程监控机械手臂的工作状态；机械手臂或设备框架无适合空间安装光电传感器。半导体设备的工艺流程是在密闭腔室环境中进行的，利用这些传感器检测机械手臂是否成功吸附晶片，只能在某些工位实施。有些工位例如工艺腔室，被加热装置所包裹，在工艺工程中需要高温。这种条件下，在这些工位几乎不可能放置传感器对机械手臂是否成功吸附晶片进行检测。
使用光电传感器对机械手臂是否成功吸附晶片进行检测，对于晶片表面的光洁度状况有一定要求。目前的反射式光电传感器一般是基于漫反射原理设计的。如图3所示，光电传感器21一般具有一个光线发射端22和一个光线接收端23,光线发射端22发射检测光线25，被待检测物体20漫反射之后，一部分反射光线被光线接收端23接收到之后，待检测物体20成功被光电传感器21检测到。
而晶片一般经过CMP(化学机械抛光)处理，其表面非常平整光亮，呈镜面特征。这种表面容易对检测光线造成镜面反射。如图4所示，检测光线26被待检测物体20镜面反射后形成反射光线26。因为反射光线26的光束非常集中，其运行方向如果偏离光线接收端23就会导致光电传感器21的光线接收端23探测不到反射光线。在这种情况下用光电传感器检测晶片是否被机械手臂成功吸附可能存在误判。
对于工艺腔等密闭腔室调整取放片高度：由于工艺腔室密闭，无法观察到在腔室中机械手臂与底座的相对高度关系。另外由于工艺腔室需要进行周期性维护(PM),每次周期性维护之后，底座5的高度可能会在高度位置上发生变化。因此，依据前述流程进行调整，要反复多次才能调整成功。而且依照这种方法调整，调整结果可能并不合适。如果机械手臂取放晶片的高度值H偏低，在吸取晶片时机械手臂会与晶片表面碰撞，造成晶片表面损伤。如果机械手臂取放晶片的高度值H偏高，与底座5上表面放置的晶片距离远，导致无法吸附到晶片。
对于所述机械手臂在运动过程中的碰撞保护：利用电机过流来判断碰撞并停止电机运动对机械手臂进行保护，往往保护得不够及时。因为从机械手臂与机架或腔室侧壁等处开始发生碰撞的时刻t1到检测出机械手臂驱动电机过流的时刻t2，这个过程持续的时间t2-t1比较长，由于半导体设备中的机械手臂手指一般是由石英或陶瓷制成，当过流保护触发时，机械手臂手指可能已经因为碰撞而损坏了。
向半导体投入源晶片的差错预防：半导体设备的自动化程度很高，从传输晶片到工艺实施都由自动控制***自动实施，不需要人工干预，有很高的差错预防能力。但是把源Cassette从设备外放到设备中以及把工艺后Cassette从设备中拿到设备外，还是需要操作人员实施。由于人员的参与，以及源晶片与工艺后晶片从外观上用肉眼难以辨别的原因，可能出现投放源晶片的出现差错。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供机械手臂工作状态检测机构，解决上述问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种机械手臂工作状态检测机构，其包括机械手臂本体、末端执行器；所述机械手臂本体内部设置轴向的真空管道，所述末端执行器内部设置气体通路，且所述机械手臂本体的真空管道一端与负压源连接，另一端与末端执行器气体通路的一端连接；所述气体通路的另一端通至所述末端执行器的底部；所述机械手臂本体上设置应变检测传感器。
在一些实施例，优选为，所述应变检测传感器包括：光栅光纤传感器。
在一些实施例，优选为，所述光栅光纤传感器的引出线与所述机械手臂本体并行的部分固定于机械手臂本体上。
在一些实施例，优选为，所述机械手臂本体的真空管道通过柔性软管与负压源连接；所述光栅光纤传感器的引出线与所述柔性软管并行的部分固定于所述柔性软管上。
在一些实施例，优选为，所述应变检测传感器包括：电阻应变片。
在一些实施例，优选为，所述机械手臂主体的表面设置安装槽，所述应变检测传感器固定于所述安装槽中。
在一些实施例，优选为，所述安装槽的延伸方向平行于所述机械手臂主体的轴向。
在一些实施例，优选为，所述应变检测传感器与所述安装槽的内壁粘接。
在一些实施例，优选为，所述机械手臂主体上开设一个以上的孔，所述孔处于所述应变检测传感器正下方。
在一些实施例，优选为，所述孔包括通孔或盲孔。
在一些实施例，优选为，所述的机械手臂工作状态检测机构还包括：处理器，所述处理器与所述应变检测传感器相连，用于根据所述应变检测传感器的应变检测判断机械手臂的工作状态并生成机械手臂的运行动作。
(三)有益效果
本发明提供的技术方案基于末端执行器吸附晶片后，相对未吸附时，机械手臂本体会产生一定的应变，通过应变检测传感器检测，根据应变判断末端执行器是否吸住晶片，也可以根据应变确定机械手臂取放晶片是否到达合适位置，而且，当机械手臂在发生碰撞时，机械手臂本体也会产生应变，通过应变检测可以确定是否发生碰撞的情况。还可以根据应变采集、对比确定操作人员投放源晶片是否正确。
附图说明
图1为本发明一个实施例中机械手臂本体和末端执行器的位置连接关系示意图；
图2为本发明一个实施例中机械手臂本体和末端执行器深入到密闭腔体内的示意图；
图3为现有技术光电传感器检测示意图；
图4为现有技术光电传感器检测示意图；
图5为本发明一个实施例中机械手臂本体上设置应变检测传感器的结构示意图；
图6为本发明一个实施例中机械手臂本体设置孔的结构示意图；
图7为本发明一个实施例中光栅光纤传感器的工作原理示意图；
图8为本发明一个实施例中将应变检测传感器引出密闭腔室的结构示意图。
注：1机械手臂本体；2末端执行器；3晶片；4机械手臂；5底座；6应变检测传感器；7孔；8柔性软管；9引出线；a引出线与机械手臂本体并行的部分；b引出线与柔性管道并行的部分；10密闭腔室。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“第一”“第二”“第三”“第四”不代表任何的序列关系，仅是为了方便描述进行的区分。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。“当前”在执行某动作之时的时刻，文中出现多个当前，均为随时间流逝中实时记录。
基于现有问题，本发明给出了机械手臂工作状态检测机构。
下面将通过基础设计、扩展设计及替换设计对产品、方法等进行详细描述。
本发明提供一种机械手臂工作状态检测机构，如图1，2，5，6所示，其包括机械手臂本体1、末端执行器2；机械手臂本体1内部设置轴向的真空管道，末端执行器内部设置气体通路，且机械手臂本体1的真空管道一端与负压源连接，另一端与末端执行器2气体通路的一端连接；气体通路的另一端通至末端执行器2的底部；机械手臂本体1上设置应变检测传感器6。其中机械手臂本体和末端执行器构成机械手臂4。
图1示出了负压吸片的机械手臂的剖面图，真空管道一端与负压源相连，另一端与末端执行器2内部的气体通路连通。负压接通后，负压会通过机械手臂本体的真空管道传至末端执行器2内的气体通路，最终至末端执行器2的下表面，晶片3在负压的作用下，被吸附到末端执行器2的下表面上。由于机械手臂本体1与末端执行器2连接，当末端执行器2的下表面吸附有晶片3后，机械手臂本体1会产生一定的应变。由于应变检测传感器6安装于机械手臂本体1上，一旦机械手臂本体1发生形变，应变检测传感器6会直接检测到该应变，并根据该应变进行各情况的判断，比如：是否吸附晶片3；取放晶片3高度调整是否合适。另外，当发生碰撞时，机械手臂本体1同样会发生形变，产生应变，因此，通过检测应变值可以判断是否发生吸附晶片等。
在应变检测传感器6的选取方面基于应变检测的原则，比如：光栅光纤传感器；再比如：电阻应变片；等等。随着技术的日新月异，将来可用作应变检测的设备、装置、部件都可应用于本技术。
下面，以光栅光纤传感器为例进行说明：
光栅光纤传感器直接或间接的将被测量的变化转化为光栅光纤上的应变或温度变化，从而引起光栅光纤布拉格中心波长的变化，通过标定光栅光纤中心波长的变化与温度、应变的关系，就可以由光栅中心波长的变化计算处被测物理量的值，如图7所示。
光栅光纤的中心波长与温度和应变的关系为：
公式中，kT是光栅光纤的温度灵敏度系数，kε是光栅光纤的应变灵敏度系数。可见裸光栅光纤的波长漂移量与温度和应变成线性关系。对于光栅光纤中心波长为1544.000nm、1550.000nn和1555.000nm的裸栅，则对应的温度灵敏度系数分别为10.76pm/℃、10.8pm/℃、10.83pm/℃，而对应的应变灵敏度系数分别为1.205pm/℃、1.209pm/℃、1.212pm/℃。
如图8所示，光栅光纤传感器6安装于机械手臂本体1上，为了将检测信号引出，光栅光线传感器从机械手臂腔室的引出方式比较灵活。例如：设置引出线9，引出线9与机械手臂本体1并行的部分a可以和机械手臂捆缚在一起(固定的一种实现方式)，以防止机械手臂运动时光栅光纤引出段与机械手臂发生干涉。由于机械手臂需要运动，其负压引入一般需要一段柔性软管8，柔性软管一端与负压源连接，另一端与真空管道连通，引出线9可以与柔性软管并行的部分b绑定(固定的一种实现方式)，然后引出到机械手臂腔室的外部。
下面给出应变检测传感器6固定在机械手臂主体的一种方式：机械手臂主体的表面设置安装槽(比如在表面刻出一个安装槽，槽的深度可等于应变传感器放置后的高度)，应变检测传感器6固定于安装槽中，可以进一步用粘结剂与安装槽的底壁、侧壁粘接，以增加固定程度。设置安装槽的目的在于增加机械手臂本体1和应变检测传感器6的接触面积，从而有效传递机械手臂本体1的应变。
在设置安装槽时，优选将安装槽的延伸方向平行于机械手臂主体的轴向，当然在其他的实施例中二者可以有一定的夹角，但是夹角度数不可超过90度。夹角过大会影响接触面积的大小。
机械手臂是将晶片3取放于一个密闭腔室10，该密闭腔室10的一侧壁设置入口，供机械手臂主体进出，密闭腔室10底部设置底座5，底座5设置晶片3放置位。用机械手臂将晶片3取放到工艺腔室的情况如图2所示。机械手臂伸入到工艺腔室中，然后调整到合适高度H，将晶片3放到底座的表面，或者是将底座表面的晶片3吸附到末端执行器2的下表面。
基于上述各种方案，为增加应变检测的灵敏度，可以在机械手臂主体上开设一个以上的孔，如图6所示，设机械手臂本体承受的应力为F，没有孔时机械手臂本体在应变检测传感器6的位置发生的应变量设为δS，有孔时发生的应变量设为δS'。有孔时的应变量δS'＞δS，因此孔能够增加应变检测的灵敏度。
在不同的实施例中，孔的推荐位置在应变检测传感器6的正下方。孔的贯通性上可以是通孔，亦可以是盲孔。孔形状上可以是圆孔、方孔或者其他形状的孔。孔推荐特征尺寸为H7≈H6，其中H6为应变检测传感器6在机械手臂本体沿着轴向方向的长度。因为对于孔的形状没有特定要求，因此这里只给出一个推荐的特征尺寸H7。因为孔的目的是增加应变检测的灵敏度，过小和过大的孔是不合适的。如果孔过小对于增加应变检测的灵敏度的效果并不明显，如果孔过大会削弱机械手臂的机械强度。
基于上述各实施例，机械手臂工作状态检测机构还包括处理器，该处理器与应变检测传感器相连，用于根据应变检测传感器的应变检测判断机械手臂的工作状态并生成机械手臂的运行动作。关于处理器工作流程和工作方式可以参考下述的应用一至四。
另外，需要说明的是，在实际应用中处理器可以是一个独立的硬件，或者加载于某硬件设备的软件程序，该被加载的硬件设备可以是应变检测传感器本身，也可以是其他的硬件设备。
接下来，具体说明本机械手臂工作状态检测机构的具体应用：
应用一判断是否吸附晶片
当末端执行器2承受不同的负载时，机械手臂本体1产生的应变是不同的。这种应变可以通过应变检测传感器6检测出来。以判断机械手臂是否成功吸附晶片3为例，4英寸晶片3的质量约为50g，机械手臂将晶片3吸附在末端执行器2上，对机械手臂主体所造成的形变而所产生的中心波长变化是显著的，控制***利用就可以准确判断机械手臂是否成功的吸附晶片3，判断的准确率相对于现有技术中利用负压吸片的压力差值ΔP进行判断，判断的准确率大幅提高。
应用二为确定机械手臂取放晶片是否到达合适位置提供有效的判断方式
机械手臂在工艺腔室取放晶片3的过程中需要将机械手臂调整至合适的位置。用机械手臂将晶片3取放到工艺腔室的情况如图2所示。机械手臂伸入到工艺腔室中，然后调整到合适位置，将晶片3放到底座的表面，或者是将底座表面的晶片3吸附到末端执行器2的下表面。
控制机械手臂在工艺腔室中缓慢下降，当机械手臂的末端执行器2接触到底座时，机械手臂本体1的形变程度相对于末端执行器2未接触到底座表面时会减轻，导致光栅光纤传感器的中心波长变化经信号处理***转换之后，控制***可以判断末端执行器2是否与底座表面接触。由于光栅光纤传感器的灵敏度高，当末端执行器2与底座表面稍微接触便可以检测到。
应用三对机械手臂的运动过程中出现碰撞进行计时检测
当机械手臂与机架或密闭腔室10侧壁等处发生碰撞时，机械手臂本体1也会发生形变，这种形变几乎是与碰撞同时产生和消失，设从机械手臂与机架或腔室侧壁等处开始发生碰撞的时刻t1，应变测量***检测出碰撞的时刻为t'2。
Δt'＝t1-t'2
而通过电机过流检测，同样设从机械手臂与机架或腔室侧壁等处开始发生碰撞的时刻t1，检测出机械手臂驱动电机过流的时刻t2。在t1时刻，电机并不是随着碰撞几乎同时呈现出过流状态，而是需要通过一段时间的积累过程，积累到电机转轴承受到大扭矩时才会出现过流，这个过程持续的时间记为
Δt＝t1-t2
Δt'＜＜Δt，因此通过应变检测技术比过流检测技术，控制***可以更及时停止机械手臂的运动，从而对机械手臂起到更好的保护作用。例如目前用于触发汽车安全气囊的检测传感器，其本质上就是应变检测传感器，响应时间很短，在10～20ms之间。
一旦检测到碰撞，则可以根据应变情况逐步调节机械手的高度以达到合适的位置。
应用四在一定程度上对源晶片3投放出现的差错进行检测
半导体薄膜生长设备例如CVD硅外延设备用于在硅衬底表面生长一层硅外延薄膜，薄膜厚度一般为5um至100um。对于4英寸晶片3而言，生长的薄膜质量约在0.2g至4g。选择合适的光栅光纤传感器和信号处理***，可以使检测精度达到0.1g。当机械手臂传输晶片3时，可以测量出其吸附的晶片3的质量。如果传输的晶片3质量和标准值出现的偏差大于检测限，则控制***可以判断传输的晶片3存在问题。例如已经正常生长过外延层的晶片3与未经工艺处理的源晶片3难以通过肉眼在外观上进行辨别，如果将已经正常生长过外延层的晶片3误认为未经工艺处理的源晶片3，投入到设备中，就可通过这种应变检测技术在传输阶段就及时发现源晶片3问题，可以避免进一步操作造成的反应腔室污染等损失和时间、原料等的浪费。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机械手臂工作状态检测机构，其特征在于，其包括机械手臂本体、末端执行器；所述机械手臂本体内部设置轴向的真空管道，所述末端执行器内部设置气体通路，且所述机械手臂本体的真空管道一端与负压源连接，另一端与末端执行器气体通路的一端连接；所述气体通路的另一端通至所述末端执行器的底部；
所述机械手臂本体上设置应变检测传感器。
2.如权利要求1所述的机械手臂工作状态检测机构，其特征在于，所述应变检测传感器包括：光栅光纤传感器。
3.如权利要求2所述的机械手臂工作状态检测机构，其特征在于，所述光栅光纤传感器的引出线与所述机械手臂本体并行的部分固定于机械手臂本体上。
4.如权利要求3所述的机械手臂工作状态检测机构，其特征在于，所述机械手臂本体的真空管道通过柔性软管与负压源连接；所述光栅光纤传感器的引出线与所述柔性软管并行的部分固定于所述柔性软管上。
5.如权利要求1所述的机械手臂工作状态检测机构，其特征在于，所述应变检测传感器包括：电阻应变片。
6.如权利要求1所述的机械手臂工作状态检测机构，其特征在于，所述机械手臂主体的表面设置安装槽，所述应变检测传感器固定于所述安装槽中。
7.如权利要求6所述的机械手臂工作状态检测机构，其特征在于，所述安装槽的延伸方向平行于所述机械手臂主体的轴向。
8.如权利要求1所述的机械手臂工作状态检测机构，其特征在于，所述机械手臂主体上开设一个以上的孔，所述孔处于所述应变检测传感器正下方。
9.如权利要求8所述的机械手臂工作状态检测机构，其特征在于，所述孔包括通孔或盲孔。
10.如权利要求1-9任一项所述的机械手臂工作状态检测机构，其特征在于，还包括：处理器，所述处理器与所述应变检测传感器相连，用于根据所述应变检测传感器的应变检测判断机械手臂的工作状态并生成机械手臂的运行动作。
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