晶圓傳輸機械手結構淺析

陳英男

摘 要：IC制造裝備是半導體工藝制程的重要載體。芯片生產過程中，用晶圓傳輸系統(tǒng)來實現(xiàn)晶圓在不同工位之間快速、高效、可靠的搬運。隨著晶圓生產的產量和尺寸的不斷增加，對晶圓傳輸結構的速度、精度要求也日益提高。本文主要介紹R.θ型晶圓傳輸機械手的典型結構、使用條件、特點及注意事項。為晶圓輸送系統(tǒng)的設計及選型提供一些參考依據。

關鍵詞： R.θ；機械手；晶圓；結構；潔凈

集成電路是電子信息產業(yè)的核心，是推動國民經濟和社會信息化發(fā)展的高新技術之一。IC制造裝備作為實現(xiàn)工藝制程的載體在其中發(fā)揮著重要作用。晶圓的生產、加工需經過多個工序。晶圓傳輸系統(tǒng)用來實現(xiàn)晶圓在不同工位之間快速、高效、可靠的搬運。隨著晶圓生產的產量和尺寸的不斷增加，對晶圓傳輸結構的速度、精度要求也日益提高。

1 晶圓傳輸機械手概述

晶圓傳輸機械手是晶圓輸送系統(tǒng)的一種典型應用。按應用環(huán)境，可分為潔凈機械手和真空機械手。潔凈機械手主要應用在潔凈大氣環(huán)境中，為避免運動部件產生粒子污染源影響系統(tǒng)潔凈度及基于減少晶圓表面污染等原因，一般將驅動、傳動部件隔離在晶圓傳輸路徑之外或將其封閉在獨立的防塵空間內。真空機械手一般應用在1×10-5 Pa真空環(huán)境中，除了滿足潔凈環(huán)境的要求外，還要求適應真空環(huán)境，結構比潔凈機械手更復雜。

晶圓傳輸機械手大都在有限的空間中實現(xiàn)晶圓的快速搬運，因此對其運動特性、反映靈敏性、運動準確性等方面，都有較高的要求。按傳動方式，可分為平面關節(jié)型機械手（SCARA）和徑向直線運動（R.θ）型機械手。典型的平面關節(jié)型機械手（圖1）有4個自由度，分別為大臂回轉、小臂回轉、末端執(zhí)行器回轉以及升降運動，每個關節(jié)由獨立的電機驅動，其手臂與末端執(zhí)行器之間的運動相互獨立，這樣有利于運動的調整及對旋轉角度進行補償。但因其升降結構設置在末端執(zhí)行器一側，空間尺寸無法滿足去晶圓盒或反應腔取送晶圓的要求，故應用并不廣泛。典型的徑向直線運動型機械手（圖2）有3個自由度，分別為R（徑向）運動、θ（旋轉）運動和z（升降）運動。部分特殊應用可能會在末端執(zhí)行器上增加翻轉動作。

2 R.θ型機械手主要結構

2.1 z（升降）結構

升降結構用來實現(xiàn)上層機械臂的上下運動，多用于取放晶圓的交接動作。一般采用伺服電機驅動同步帶及滾珠絲杠傳動，直線導軌導向的結構形式。

2.2 θ（旋轉）結構

旋轉結構用來實現(xiàn)上層機械臂在圓周方向的整體旋轉，以便對準取送片位置。多通過伺服電機驅動同步帶的傳動結構或直驅電機的結構形式實現(xiàn)。旋轉軸徑向誤差通過旋轉臂反映到末端執(zhí)行器上會產生很大的放大效果。當機械臂伸出時力臂較長，旋轉軸會受較大的力矩。圖3是手臂的轉動關節(jié)受力圖，這種兩點支承方式避免了反作用力矩的存在而僅僅只有反作用力，軸承Bi1只產生徑向反作用力Ri1x防止徑向間隙，提供水平剛度。軸承Bi2產生垂直反作用力Ri2z防止軸向間隙，提供垂直剛度，并提供水平反作用力Ri2x。Bi2軸承可以選擇兩個角接觸軸承，一個四點接觸球軸承或滾子軸承來實現(xiàn)。設計時應盡量使軸承間距l(xiāng)Bi最大化以保證反作用力最小。

2.3 R（徑向）伸展結構

徑向伸展結構用于實現(xiàn)機械手臂沿徑向的直線伸縮運動，伸展過程中始終保持末端執(zhí)行器的運動軌跡為直線，這是R.θ型機械手的典型特征。結構原理如圖4所示，由兩套相互關聯(lián)的同步帶機構來實現(xiàn)，其中R軸電機與大臂體固聯(lián)，帶輪1與θ軸固聯(lián)，帶輪2與小臂體固聯(lián)，帶輪3與大臂體固聯(lián)，帶輪4與末端執(zhí)行器固聯(lián)，且大臂與小臂長度相等即OA=AB，帶輪1與帶輪2的直徑比為2∶1，帶輪3與帶輪4的直徑比為1∶2。執(zhí)行伸展運動時，帶輪1相對θ軸不動，R軸電機帶動大臂相對帶輪1正向旋轉一個角度α，帶輪2帶動小臂反向轉動2α，帶輪4相對帶輪3正向轉動α。BC點運動軌跡始終沿著OB做直線運動。要實現(xiàn)精確的徑向直線伸縮運動，第一要保證精確的傳動比，常用的非金屬同步齒形帶結構因存在齒形間隙及長期磨損易發(fā)塵等原因已經較少采用，現(xiàn)多選用耐磨性和剛性更好的鋼帶。但裝配完成后必須進行張力測試和調整。第二要保證大臂體和小臂體帶輪中心距的一致性，可將兩個工件的軸承孔組合加工，以確保運動精度。

2.4 末端執(zhí)行器

末端執(zhí)行器是指置于機械手臂末端用來執(zhí)行操作的工具。晶圓搬運的末端執(zhí)行器形式有些采用托舉式結構，即只拖取晶圓而不對其進行固定，這種方式結構簡單，但定位精度低，且在高速運行時可能會導致晶圓脫離?，F(xiàn)多使用夾持式或真空吸附式，但結構比較復雜，且需注意操作過程中對晶圓造成的損傷。有時還需在手臂上裝備傳感器來執(zhí)行探尋或定位工作。

2.5 潔凈材料

晶圓搬運系統(tǒng)需選擇合適的材料及表面處理方法，來降低對潔凈環(huán)境的污染。潔凈機器人的常用材料有如下幾個類別：

不銹鋼有良好的潔凈度，耐腐蝕，硬度高，熱膨脹小。但與鋁相比成本高，且因密度大，在運動中需要更高的能耗和更復雜的控制算法。因此主要用于較小的運動部件。

鋁合金質輕，強度高，無毒，無磁，無火花，耐腐蝕，加工簡單。是潔凈機器人中結構件的典型材料。但在潮濕環(huán)境中會發(fā)生電化學腐蝕，需要進行表面處理來抑制腐蝕和污染。

塑料兼具潔凈度，耐熱性和化學穩(wěn)定性等優(yōu)點。是歧管，末端執(zhí)行器，O形密封圈的典型材料。PEEK（聚醚醚酮）、PTFE（聚四氟乙烯）、Viton（氟橡膠）、硅膠等是較常用的材料。特別是PEEK，具有高純度，高強度、低摩擦系數(shù)、高耐磨性和低粒子揮發(fā)性，常用于與晶圓直接接觸的部件。且PEEK可被石墨強化提高導電性，防止靜電放電損傷晶圓。并可通過玻璃纖維和碳纖維強化機械性能。

陶瓷材料具有良好的機械，電學和熱力學性能，及良好的光潔度，硬度，耐磨、耐熱和耐腐蝕性。多用于晶圓搬運的末端執(zhí)行器。但其加工難度及成本較高。因陶瓷是電絕緣體，作為執(zhí)行器必須接地避免靜電放電對晶圓造成損害。

3 結語

晶圓傳輸機械手根據應用及需求的不同，還有很多不同的類型，但其結構也更加復雜，控制系統(tǒng)難度也更高。也希望不久的將來能夠開發(fā)出更簡單高效，高精度的晶圓傳輸機械手。

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