應(yīng)用于硅片傳輸系統(tǒng)的機(jī)械手設(shè)計(jì)

呂 磊，胡曉霞，王洪宇

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京101601)

集成電路（IC Integrated Circuit）是電子信息產(chǎn)業(yè)的核心，是推動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)信息化發(fā)展的最主要的高新技術(shù)之一[1]。

制造技術(shù)（工藝）的更新和更高性能IC制造裝備的研制使半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的兩個(gè)重要因素，而制造裝備又是實(shí)現(xiàn)工藝技術(shù)的載體，制造工藝的更新以更高性能IC制造裝備的研制為基礎(chǔ)和前提條件，所以發(fā)展IC產(chǎn)業(yè)要從研制適合于IC生產(chǎn)要求的裝備入手，逐步實(shí)現(xiàn)制造過程的機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化，以滿足IC制造工藝高精度和高潔凈度的要求[2]。

20世紀(jì)80年代，特別是90年代以后，IC產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)被引入IC制造過程[3]。IC產(chǎn)品的制造離不開劃片機(jī)、研磨機(jī)、拋光機(jī)、光刻機(jī)等單個(gè)工藝的加工設(shè)備，又離不開實(shí)現(xiàn)硅片的IC各個(gè)工藝之間傳輸和定位的硅片傳輸系統(tǒng)[4]。硅片傳輸系統(tǒng)是硅片加工設(shè)備的重要組成部分，其功能是實(shí)現(xiàn)硅片在不同工位之間快速、高效、可靠的轉(zhuǎn)移，它直接體現(xiàn)出整機(jī)的自動(dòng)化程度以及可靠性。隨著硅片生產(chǎn)的產(chǎn)量和尺寸的不斷增加，要求硅片生產(chǎn)向著高速、連續(xù)化生產(chǎn)方式發(fā)展，人工裝夾的方式根本無法達(dá)到這一要求，必須由高速度、高精度的硅片傳輸系統(tǒng)來完成。由于是在有限的空間中實(shí)現(xiàn)硅片工位的快速轉(zhuǎn)換，因此對硅片傳輸系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性、反映靈敏性、運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性以及工作穩(wěn)定可靠性等方面，都必須有較高的要求。

在250 mm及以上大尺寸半導(dǎo)體自動(dòng)化生產(chǎn)線中，硅片傳輸系統(tǒng)普遍采用多軸機(jī)械手系統(tǒng)。由于國內(nèi)裝備制造業(yè)的整體水平相對落后，目前國內(nèi)半導(dǎo)體自動(dòng)化生產(chǎn)線基本由進(jìn)口設(shè)備組成，國內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備廠商占據(jù)份額非常小。

根據(jù)國內(nèi)硅片發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，本文主要對300 mm全自動(dòng)探針測試臺(tái)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化。進(jìn)而推廣到其他硅片生產(chǎn)工藝，以調(diào)高國內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備生產(chǎn)效率和國際競爭力，從整體上提高我國社會(huì)生產(chǎn)的安全高效。

1 機(jī)械手發(fā)展現(xiàn)狀

機(jī)械手是一類面向集成電路制造業(yè)，綜合利用機(jī)械、電子、光學(xué)、計(jì)算機(jī)等技術(shù)，通過編程或示教的方式，在IC制造的各個(gè)工藝模塊間精確、快速地傳輸并定位硅片，具有高精度、高潔凈度和高可靠性的自動(dòng)傳輸系統(tǒng)。它針對IC制造的工藝精度和凈化要求，借助工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)，在超潔凈或真空環(huán)境中向各個(gè)加工設(shè)備輸送硅片。

目前，生產(chǎn)線上主要應(yīng)用的機(jī)械手，按應(yīng)用環(huán)境的不同，可分為凈化機(jī)械手和真空機(jī)械手。凈化機(jī)械手是指用在潔凈大氣環(huán)境中的硅片傳輸機(jī)械手，這種機(jī)械手潔凈等級高，一般在10級，有的可以達(dá)到1級，運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生塵埃少，且有良好的密封措施。真空機(jī)械手是指用在1×10-5Pa真空環(huán)境中的硅片傳輸機(jī)械手，這種機(jī)械手除了要求適應(yīng)真空環(huán)境外，還要同時(shí)滿足凈化環(huán)境的要求，結(jié)構(gòu)比凈化機(jī)械手更復(fù)雜，主要應(yīng)用于集束型硅片傳輸系統(tǒng)中。

按傳動(dòng)方式的不同，硅片傳輸機(jī)械手可分為平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手和徑向直線運(yùn)動(dòng) (R-θ)型機(jī)械手。平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手又可分為間接驅(qū)動(dòng)型和直接驅(qū)動(dòng)型兩種；徑向直線運(yùn)動(dòng)型機(jī)械手又可分為單托盤式、雙托盤反向式和雙托盤同向式3種。

典型的平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手有4個(gè)自由度，分別為大臂回轉(zhuǎn)、小臂回轉(zhuǎn)、末端執(zhí)行器回轉(zhuǎn)以及升降運(yùn)動(dòng)，其中手臂和末端執(zhí)行器之間的運(yùn)動(dòng)式相互獨(dú)立，他的每個(gè)關(guān)節(jié)處都有一臺(tái)獨(dú)立的電機(jī)，這些關(guān)節(jié)既可以聯(lián)動(dòng)也可以單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，這樣有利于運(yùn)動(dòng)的調(diào)整和對旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行補(bǔ)償。間接驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手需要使用減速器和潤滑油，容易污染環(huán)境；直接驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手通過電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，無需減速器的降速，簡化了機(jī)構(gòu)，減少了污染。如圖1所示為美國ADEPT公司開發(fā)的S350CR系列，是典型的直接驅(qū)動(dòng)4軸平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手，其x、y軸重復(fù)定位精度可達(dá)±0.015 mm，z軸重復(fù)定位精度可達(dá)±0.01 mm，θ向重復(fù)定位精度可達(dá)±0.005°，可用在潔凈等級為10級的潔凈環(huán)境中。

圖1 ADEPT S350CR平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手

典型的R-θ型機(jī)械手有3個(gè)自由度，分別為R(徑向)運(yùn)動(dòng)、θ(旋轉(zhuǎn))運(yùn)動(dòng)和 z(上下)運(yùn)動(dòng)，其顯著特征是電機(jī)通過復(fù)雜的帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)前、后臂的關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)，機(jī)械手的手臂能沿著徑向做直線運(yùn)動(dòng)[5]。圖2所示的是日本RORZE公司開發(fā)的RR700系列就是典型的R-θ型機(jī)械手，其R向重復(fù)定位精度可達(dá)±0.05 mm，θ向重復(fù)定位精度可達(dá)±0.008°，z軸重復(fù)定位精度可達(dá)±0.02 mm，可用在潔凈等級為10級的潔凈環(huán)境中。

圖2 RORZE RR700 R-θ型機(jī)械手

2 全自動(dòng)探針臺(tái)機(jī)械手結(jié)構(gòu)方案

目前國內(nèi)300 mm全自動(dòng)探針測試臺(tái)主要出自東京精密(Accretech)、東京電子(Tokyo Electron)以及EG公司(Electroglas)，均采用機(jī)械手進(jìn)行硅片傳輸。綜合設(shè)計(jì)難度、裝配方式、維護(hù)成本考慮，認(rèn)為日本東京精密公司UF3000的機(jī)械手系統(tǒng)原理適合進(jìn)行國產(chǎn)化設(shè)計(jì)。由于UF3000采用雙托盤同向式徑向直線運(yùn)動(dòng)(R-θ)型機(jī)械手，在初次設(shè)計(jì)中首先完成單托盤式徑向直線運(yùn)動(dòng)(R-θ)型機(jī)械手設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并解決問題，然后再進(jìn)行雙托盤同向式徑向直線運(yùn)動(dòng)(R-θ)型機(jī)械手設(shè)計(jì)。

要求機(jī)械手運(yùn)動(dòng)各工位如圖3所示，要求的工藝流程為：探針測試臺(tái)初始化時(shí)自動(dòng)檢測機(jī)械手機(jī)構(gòu)、預(yù)對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)各傳感器狀態(tài)，恢復(fù)初始化零位。將片盒放在承載臺(tái)上，工控機(jī)發(fā)出控制信號機(jī)械手z向抬升到取片高度，機(jī)械手伸向片盒z向微抬升并真空吸附硅片將其緩緩?fù)铣觯婵諌毫鞲衅鳈z測機(jī)械手是否有硅片。機(jī)械手順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°并伸出將硅片置于預(yù)對準(zhǔn)承片臺(tái)上，預(yù)對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)掃描硅片缺口，預(yù)對準(zhǔn)完成后機(jī)械手吸附硅片縮回，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°并伸出將硅片置于設(shè)備承片臺(tái)3個(gè)立柱上，機(jī)械手縮回，設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)對準(zhǔn)并測試，下片時(shí)設(shè)備承片臺(tái)3個(gè)立柱上升，將硅片頂起，機(jī)械手伸出z向微抬升并真空吸附硅片，縮回后逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，將硅片放入片盒中，即可開始下一個(gè)周期，其工藝流程如圖4所示。

圖3 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)工位

圖4 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)工藝流程

3 基本技術(shù)參數(shù)

自由度數(shù)目：3個(gè)自由度(R、θ、z)

機(jī)構(gòu)形式：R(徑向)運(yùn)動(dòng)、θ(旋轉(zhuǎn))運(yùn)動(dòng)和 z(上下)運(yùn)動(dòng)

驅(qū)動(dòng)方式：分別為AC伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

運(yùn)動(dòng)范圍：R 向：500 mm；θ向：200°；z向：300 mm

最大速度：R 向：300 mm/m；θ向：200°/s；z向：300 mm/s

重復(fù)定位精度：R 向：±0.1 mm；θ向：±0.03°；z向：±0.05 mm

抓取質(zhì)量：1 kg

機(jī)械手各部件如圖5所示。

圖5 機(jī)械手各部件

4 機(jī)械手各部件介紹

4.1 z(上下)運(yùn)動(dòng)部件

該部件實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上下運(yùn)動(dòng)，采用了傳統(tǒng)的絲杠導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，并用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。上下運(yùn)動(dòng)部分比較重，為防止斷電后運(yùn)動(dòng)部分由于重力作用下移，因此使用了具有斷電抱閘功能的伺服電機(jī)。

4.2 θ(旋轉(zhuǎn))運(yùn)動(dòng)部件

該部件實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同步齒形帶傳動(dòng)，完成上層機(jī)械臂的總體旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)范圍要求達(dá)到200°，需要準(zhǔn)確定位3個(gè)工位：片盒取片工位、預(yù)對準(zhǔn)工位、承片臺(tái)測試工位。

θ向旋轉(zhuǎn)軸徑向誤差以及軸向誤差通過兩個(gè)旋轉(zhuǎn)臂反映到真空吸托盤上會(huì)產(chǎn)生很大的放大效果，有可能影響整個(gè)機(jī)械手系統(tǒng)精度。針對軸向間隙利用一對背面組合型向心軸承消除間隙；針對徑向跳動(dòng)在向心軸承稍遠(yuǎn)端裝配一個(gè)深溝球軸承進(jìn)行輔助支撐，以防止旋轉(zhuǎn)軸徑向擺動(dòng)。

4.3 R(徑向)運(yùn)動(dòng)部件

該部件實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的徑向直線伸縮運(yùn)動(dòng)，這是R-θ型機(jī)械手的典型標(biāo)志。是由兩套相互關(guān)聯(lián)的同步齒形帶機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，其轉(zhuǎn)動(dòng)原理如圖6所示，其中OA=OB，同步齒形帶輪1與同步齒形帶輪2的傳動(dòng)比為2∶1，同步齒形帶輪3與同步齒形帶輪4的傳動(dòng)比為1∶2[6]。

參考哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室主編《理論力學(xué)》第四版，對徑向直線伸縮運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析[7]，可以得到B點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線運(yùn)動(dòng)，方向始終沿著OB直線；BD的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線運(yùn)動(dòng)，方向始終沿著OB直線[8]。

要實(shí)現(xiàn)精確的徑向直線伸縮運(yùn)動(dòng)，第一要保證精確的傳動(dòng)比，這里采用同步帶傳動(dòng)，具有傳動(dòng)比準(zhǔn)確，無滑差，可獲得恒定的傳動(dòng)比的優(yōu)點(diǎn)。第二要保證后臂體和前臂體的同步齒形帶輪中心距一致性，這就需要兩個(gè)工件的軸承孔需要組合加工，以確保運(yùn)動(dòng)精度[9]。

圖6 徑向直線運(yùn)動(dòng)型機(jī)械手原理圖

4.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該機(jī)構(gòu)利用3個(gè)交流伺服電機(jī)+伺服驅(qū)動(dòng)器，控制系統(tǒng)采用雷塞多軸控制卡+PC工控機(jī)。工控機(jī)運(yùn)行運(yùn)動(dòng)程序，通過多軸控制卡控制伺服驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。真空壓力傳感器以及限位開關(guān)有運(yùn)動(dòng)控制卡的通用數(shù)字I/O接口控制。

5 機(jī)械手的關(guān)鍵技術(shù)

5.1 校準(zhǔn)技術(shù)

為了滿足傳輸不同尺寸硅片的需要，機(jī)械手的真空吸托盤要經(jīng)常更換，雖然機(jī)械手具有很高的重復(fù)定位精度，但是由于零部件傳動(dòng)誤差和定位誤差的存在，其絕對位置精度較低，真空吸托盤工作一段時(shí)間后，會(huì)產(chǎn)生位置偏移，造成傳輸硅片不準(zhǔn)確。因此校準(zhǔn)系統(tǒng)非常必要。人工校準(zhǔn)的方法需要大量的時(shí)間和很高的技巧，而且精度低。

Zhang[10]等人采用經(jīng)典的一面兩孔的定位方式，結(jié)合新的補(bǔ)償算法，解決了校準(zhǔn)精度的問題。其校準(zhǔn)過程為：首先將真空吸托盤上的兩個(gè)孔與校準(zhǔn)裝置的銷對準(zhǔn)，并插入，編碼器反饋給電機(jī)一個(gè)位置信號，控制器針對此時(shí)的位置進(jìn)行校正、控制。在更換不同規(guī)格的真空吸托盤時(shí)，根據(jù)其尺寸的變化，計(jì)算出控制系統(tǒng)所需要的補(bǔ)償量，輸入到控制器，此時(shí)進(jìn)行校正、控制。

5.2 傳感器控制系統(tǒng)

由于機(jī)械手屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，工控機(jī)程序發(fā)送指令給伺服電機(jī)，即使運(yùn)行精度非常高，因?yàn)闆]有反饋信號，就不能確保真空吸托盤達(dá)到預(yù)定位置。當(dāng)然，片盒放置位置誤差，片盒尺寸誤差以及不同硅片尺寸誤差都可能引起機(jī)械手不能達(dá)到所需要的位置。

目前方案是單獨(dú)設(shè)計(jì)機(jī)械手控制面板，當(dāng)更換不同規(guī)格硅片以及片盒時(shí)，放置片盒到承載臺(tái)后，通過人工操作控制面板，首片先采用人工取片對位記錄初始位置，然后自動(dòng)運(yùn)行。

將來需要在此基礎(chǔ)上添加壓力傳感器，當(dāng)真空吸托盤前端或側(cè)面碰到其他物體時(shí)，壓力傳感器產(chǎn)生作用，提醒操作人員需要校準(zhǔn)機(jī)械手。

5.3 雙托盤同向式徑向直線運(yùn)動(dòng)(R-θ)型機(jī)械手

在目前單托盤徑向直線運(yùn)動(dòng)型機(jī)械手的基礎(chǔ)上，繼續(xù)開發(fā)出雙托盤同向式徑向運(yùn)動(dòng)型機(jī)械手，如圖7所示。增加了一個(gè)真空吸托盤，使上下片效率提高1倍，但也加大了控制系統(tǒng)難度。

圖7 雙托盤同向式徑向直線運(yùn)動(dòng)型機(jī)械手

6 結(jié)束語

隨著硅片直徑的增大，特征尺寸的減小，其主流生產(chǎn)線已由20世紀(jì)80年代的150 mm、0.8 μm，到 90年代的 200 mm、0.35 μm，直到今天的300 mm、0.18 μm，逐漸向 450 mm、0.05 μm 方向邁進(jìn)。硅片直徑和質(zhì)量的增加與制造工藝的提高，使硅片加工設(shè)備中機(jī)械手系統(tǒng)朝著更高潔凈度、更高速度、更高精度和更高穩(wěn)定性的方向發(fā)展。

本文論述的機(jī)械手系統(tǒng)主要針對300 mm全自動(dòng)探針測試臺(tái)的工藝需要，對機(jī)械手結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)中需要注意的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。該設(shè)計(jì)可以推廣到整個(gè)半導(dǎo)體生產(chǎn)線其他工藝設(shè)備的應(yīng)用，對未來大尺寸半導(dǎo)體生產(chǎn)線的國產(chǎn)化具有很大意義。

[1]汪勁松，朱煜.我國“十五”期間IC制造裝備的發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2002（2）：5-9.

[2]叢明，杜宇.面向IC制造的硅片機(jī)器人傳輸系統(tǒng)綜述[J].機(jī)器人，2007(5)：261-265.

[3]田陸平.集成電路關(guān)鍵設(shè)備市場分析及發(fā)展戰(zhàn)略[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2006，35(1):1-7.

[4]Van Zant P.Microchip Fabrication:A Practical Guide to Semiconductor Processing(Fourth Edition)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[5]康仁科，郭東明，張士軍等.一種傳輸機(jī)器人[P].中國：200420113013.1，2004.

[6]李正賢.一種機(jī)械手式上下片傳輸機(jī)構(gòu).電子工業(yè)專用設(shè)備，1995，24(4):32-33.

[7]哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室編.《理論力學(xué)》第四版.北京：高等教育出版社，1993.

[8]Saeed B.Niku著.孫福春，朱紀(jì)洪，劉國棟等譯.機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論-分析、系統(tǒng)及應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2004：108，113-115.

[9]張士軍，金洙吉等.硅片傳輸定位機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J].機(jī)器人，2005(3)：26-28.

[10]Zhang M T，Goldenberg K.Fixture-based industrial robot calibration for silicon wafer handling[J].Industrial Robot，2005，32(1):43-48.