基于PLC全自動圓片清洗機的設計

孟慶嵩

【摘 要】本文簡述了全自動圓片清洗機的發(fā)展趨勢以及工藝要求，以全自動圓片清洗機設計為例，分析其系統(tǒng)組成，介紹了系統(tǒng)流程、設計步驟和關鍵技術，經(jīng)現(xiàn)場工藝驗證，能實現(xiàn)自動上下料以及清洗功能，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，具有一定的推廣價值。

【關鍵詞】圓片清洗；PLC；上下料

隨著我國集成電路產業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，我國半導體設備和半導體材料產業(yè)越來越得到政府和業(yè)界的重視和支持。于此同時，對晶圓表面對潔凈度要求也越來越高。絕大部分清洗系統(tǒng)應用于晶圓減薄后清洗，而晶圓在劃切完成之后清洗，設備還是手動將圓片一片一片放入清洗腔體中進行清洗，這樣浪費人力和時間。鑒于此種情況，需要設計一種全自動圓片清洗機，能實現(xiàn)自動上下料功能，節(jié)省人工和時間。

1.全自動圓片清洗機系統(tǒng)的設計

全自動清洗機設備主要由兩部分構成，分別為控制系統(tǒng)和運行機構組成。

1）控制系統(tǒng)主要由監(jiān)控主機和兩個PLC以及擴展模塊組成。監(jiān)控主機與PLC之間通過以太網(wǎng)方式收發(fā)數(shù)據(jù)，而PLC1控制3個電機運行、水氣檢測和塔燈控制，PLC2控制另外3個電機運行，擴展IO模塊負責傳感器檢測和電磁閥控制。兩個PLC之間使用RS485連接進行數(shù)據(jù)交互。

2）運行機構，主要包含6個電機，分別為片盒升降電機、框架預對準電機、水平拖拽電機、取片機械手電機、擺臂吹二流體電機、清洗旋轉電機。

2.全自動圓片清洗機功能實現(xiàn)

本文設計的設備主要是實現(xiàn)圓片清洗過程的自動上下料功能，下面介紹關鍵功能的實現(xiàn)方法和步驟。

2.1硬件功能分析。升降電機自動運行到有需要清洗的圓片后，利用水平電機將其從料盒中取出，先放到預對準框架上，再通過機械手放到清洗臺中，高速旋轉配合二流體進行清洗，并將洗后的圓片放到相應料盒位置。其相互之間位置關系如下圖1所示：

2.2電機工位分析

每個電機初始化后，運動到各自安全到位置，定義為各自到初始位，除此之外，各自到流程工位，具體情況如下：

2.2.1 ACS1（擺臂吹二流體電機）。工位1、2分別為擺動起始和終止位。

2.2.2 ACS2（框架預對準電機）。工位1（預對準位）即圓片從料盒取出時，框架張開位置。工位2（加緊圓片位）即圓片在框架上加緊后，將圓片位與框架上方正的位置。工位3（加緊圓片松開位）即圓片在框架加緊后，需要微微張開，確保機械手真空吸附良好。

2.2.3 ACS3（水平運動拖拽電機）。工位1（取料位）即ACS3運動到將圓片從料盒中取出到位置。工位2（放片位）即ACS3運動到圓片全部位于框架上方的位置偏后。工位3（腔體位）即ACS3運動到圓片全部位于框架上方到位置，此時位置位于機械手正下方即腔體正上方。

由于圓片在料盒中高度不平，每次夾取位置不同，使得機械手每次真空吸附位置不同，出現(xiàn)吸附不住情況，因此ACS3需要先到工位2，再推回到工位3。

2.2.4 ACS4（片盒升降電機）。工位1（片盒掃描位）即ACS4運動到檢測傳感器位置。工位2（夾取位）即ACS4運動到水平電機可以夾取圓片位置（檢測傳感器和框架高度差），工位3（放片位）即ACS4運動到水平電機可以將圓片送回料盒位置（由于重力原因，需要此位置比工位2略低，方便圓片進入料盒）。

2.2.5 ACS5（取片機械手電機）。工位1（框架位）即ACS5在框架上真空吸附圓片位置。工位2（清洗臺位）即ACS5在清洗臺上真空吸附圓片位置。工位3（放蓋位）即ACS5攜帶圓桶蓋子到放蓋子位置。工位4（框架上方位）即ACS5電機運動到框架上方，圓片未離開框架但吸嘴形變量釋放位置。工位5（清洗臺上方位）即ACS5電機運動到清洗上方，圓片未離開清洗臺但吸嘴形變量釋放位置，由于吸嘴形變未完全釋放，當打開真空破壞時候，氣量大就會出現(xiàn)刺耳聲音，氣量小就會出現(xiàn)真空卸不掉情況。工位6（框架上方微動脫離位）即ACS5運動到框架上方，圓片剛剛離開框架位置，此時框架才可打開，防止出現(xiàn)框架打開時候由于摩擦使圓片掉落，完全離開也可判斷圓片是否真空滿足要求，同時此位置也是清洗完畢后，將清洗后的圓片放在框架上時，ACS5所處位置，以保證圓片正好放到框架上，同時不會出現(xiàn)與框架剮蹭掉落晶圓情況。工位7（清洗臺上方微動脫離位）即ACS5電機運動到清洗臺上方，圓片剛剛離開清洗臺位置。

2.2.6 ACS6（清洗旋轉電機）。工位1（停止位）即旋轉啟動、停止所處位置，方便機械手吸附位置相同。

2.3流程分析。設備運行部分主要是依靠PLC邏輯程序實現(xiàn)，合理的設計和功能分配，能使設備穩(wěn)定，操作方便。包括掃描片盒流程、取放片流程、清洗流程、送片流程。

2.3.1片盒掃描。ACS4自下而上運動，同時讀取繃架檢測信號，繃架檢測傳感器為兩個接近式傳感，一旦有片，就會檢測到信號，傳遞到PLC，PLC判斷兩個傳感器都有信號，則此片需要清洗，記錄位置，檢測只有一個信號，則認為此片擺放不正，不能取片。

2.3.2取片。此過程是料盒中把需要清洗的圓片取出。ACS4運動到有料位置，設備兼容8寸和12寸，根據(jù)尺寸ACS2運動到片子從料盒中取出后放到其上面位置，，ACS3運動到取片位置，打開相應氣缸取出片子，完成取片過程。

2.3.3放片。此過程主要是將圓片放到清洗臺。由于圓片在料盒中有間隙，使得取料時候前后方向和左右方向存在偏差，此偏差會造成機械手抓取位置不確定出現(xiàn)真空不足而掉片情況。

取片后，ACS3拖拽到位，ACS2微動加緊，使得片子在框架上面的位置相對于機械手的角度趨于固定ACS3再到工位3，解決左右方向存在偏差問題，此過程ACS3攜帶的夾嘴處于張開狀態(tài)，利用張開的夾嘴推回到位，保證每次推的位置固定，解決前后方向存在偏差問題。

ACS5運動到圓片上方，利用真空吸住圓片，打開ACS2，ACS5運動到清洗臺上方，再釋放真空，由于機械手和清洗臺之間密閉空間，此時需要將ACS5微微抬起后釋放真空，防止密閉空間不易釋放真空。保證清洗臺真空滿足要求后，ACS5離開，完成抓片過程。

2.3.4清洗。此過程主要是高速旋轉和配合二流體清洗圓片，包括清洗和吹干兩個過程。清洗時ACS6轉速為設定清洗轉速，配合吹水吹氣，此時吹氣起到助推作用，使得清洗效果良好，結束后是吹干過程，ACS6轉速變?yōu)榇蹈赊D速，擺臂吹氣，將清洗噴的液體吹干。

2.3.5送片。此過程主要是洗后片子送回，并判斷是否還有片子是否清洗，如果有片需要清洗，繼續(xù)流程，如果無片需要清洗，進入結束流程，每個電機回位，提示完成。此過程是上述取片和放片的可逆過程，但是由于圓片重力作用，此時ACS3送片之前，需要將ACS4微微降落，使得圓片前端可以順利進入料盒中，完成送片過程。

3.結論

根據(jù)本文設計的全自動圓片清洗機的設備實現(xiàn)了對劃切后圓片進行清洗，滿足設計要求，并且在南通某客戶的工藝現(xiàn)場運行結果表明，該系統(tǒng)運行情況穩(wěn)定、可靠，實現(xiàn)功能完備，適用于同類型的清洗機系統(tǒng)。

【參考文獻】

[1]晶圓清洗技術應用[J]. 李東旭，陳立新， 郭曉婷，馬巖，蔣興橋，榮宇.清洗世界.2018 （7）.