關(guān)于機(jī)械手臂夾持開(kāi)合機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：隨著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，全自動(dòng)濕制程清洗設(shè)備面臨更新?lián)Q代。在迭代過(guò)程中存在不同規(guī)格晶舟共用機(jī)械手臂的情況，這對(duì)機(jī)械手臂夾持機(jī)構(gòu)提出了更高的適應(yīng)性需求。鑒于此，對(duì)機(jī)械手臂夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用電動(dòng)滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)塊，利用引導(dǎo)溝槽將直線行程轉(zhuǎn)化為搖臂旋轉(zhuǎn)，配合PLC及光電傳感器對(duì)電動(dòng)滑臺(tái)的行程進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)末端夾持機(jī)構(gòu)對(duì)不同規(guī)格晶舟夾持的自動(dòng)適應(yīng)性切換，解決了電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案夾持不對(duì)稱及氣缸驅(qū)動(dòng)方案開(kāi)合度單一的問(wèn)題。通過(guò)建立夾持開(kāi)合機(jī)構(gòu)的優(yōu)化模型，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析，確定了設(shè)計(jì)理論的有效性及準(zhǔn)確性，為持續(xù)性優(yōu)化提供了參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手臂；夾持機(jī)構(gòu)；開(kāi)合度；電動(dòng)滑臺(tái)；晶舟；清洗設(shè)備

中圖分類號(hào)：TP241? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）11-0006-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.002

0? ? 引言

集成電路半導(dǎo)體硅片日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，給泛半導(dǎo)體加工行業(yè)帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。隨著硅片的標(biāo)準(zhǔn)直徑不斷增大，表面精度要求也越來(lái)越高，這使得硅片加工難度也隨之增大。更新?lián)Q代現(xiàn)有的硅片加工設(shè)備，開(kāi)發(fā)適應(yīng)大直徑硅片拋光且加工精度更高的高產(chǎn)能自動(dòng)化設(shè)備已迫在眉睫[1]。而性能可靠、功能完善、自動(dòng)化程度高的清洗設(shè)備是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量清洗效果的保障[2]，因此對(duì)于全自動(dòng)清洗設(shè)備的適應(yīng)性開(kāi)發(fā)是廣大設(shè)備廠商共同面臨的問(wèn)題。

硅片由傳統(tǒng)的2、4、6 in直徑向8 in甚至12 in過(guò)渡的過(guò)程中，不可避免地存在交叉使用的問(wèn)題，這對(duì)自動(dòng)清洗設(shè)備尤其是搬運(yùn)機(jī)械手臂提出了極大的挑戰(zhàn)。因不同尺寸硅片晶舟差異較大（圖1），要利用一套搬運(yùn)機(jī)械手臂同時(shí)滿足不同尺寸硅片晶舟的夾持和搬運(yùn)，就需要提高搬運(yùn)機(jī)械手臂對(duì)不同尺寸晶舟夾持的兼容性和適應(yīng)性。

針對(duì)此問(wèn)題，對(duì)機(jī)械手臂夾持開(kāi)合機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其同時(shí)滿足多種規(guī)格晶舟夾持的需求，確保設(shè)備在晶圓換代轉(zhuǎn)型期間可以共用同一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)跑片或小批量測(cè)試。

例如，目前比較常見(jiàn)的設(shè)備需求是4 in與6 in共用、6 in與8 in共用、8 in與12 in共用，或4、6、8 in共用等，這就要求設(shè)備配置的機(jī)械手臂可以同時(shí)滿足多種尺寸，且可以依據(jù)上貨區(qū)放置的產(chǎn)品自行切換至對(duì)應(yīng)的夾取范圍。

1? ? 機(jī)械手臂夾持開(kāi)合機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)需求分析

1.1? ? 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在全自動(dòng)濕制程清洗設(shè)備中，硅片及承載硅片的晶舟需要在水平方向（通常定義為X軸）實(shí)現(xiàn)槽式清洗機(jī)各槽體間的搬運(yùn)轉(zhuǎn)移，在垂直方向（通常定義為Y軸）實(shí)現(xiàn)放入槽體或提升出槽體的作業(yè)。為了保證制程工藝對(duì)流場(chǎng)、溫控及潔凈度的要求，一般機(jī)械手臂采取脫鉤設(shè)計(jì)，亦即機(jī)械手臂末端夾持機(jī)構(gòu)（定義為A軸）需要有一定的開(kāi)合度，實(shí)現(xiàn)對(duì)晶舟及硅片的夾取或放開(kāi)。通常X軸、Y軸的動(dòng)作由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)[3]，而A軸因其空間布局小，動(dòng)作穩(wěn)定性要求高，常采用氣缸或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)（圖2、圖3），二者的差異分析如表1所示。

1.2? ? 優(yōu)化設(shè)計(jì)需求

基于上述機(jī)構(gòu)夾持不對(duì)稱或開(kāi)合度單一的問(wèn)題及行業(yè)發(fā)展的需求，對(duì)機(jī)械手臂夾持開(kāi)合機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案需滿足以下技術(shù)需求：

（1）夾持機(jī)構(gòu)可同時(shí)滿足4、6、8、12 in硅片及晶舟夾持的需求，其末端開(kāi)合機(jī)構(gòu)需滿足表2尺寸要求。

（2）夾持機(jī)構(gòu)需滿足完全對(duì)稱夾持開(kāi)合的要求，以防夾持不同步導(dǎo)致晶舟移位或因夾緊力不一致導(dǎo)致掉籃等風(fēng)險(xiǎn)。

（3）夾持機(jī)構(gòu)在設(shè)備清洗制程中，通過(guò)上料區(qū)RFID讀取不同規(guī)格的晶舟后，機(jī)械手臂可自動(dòng)切換至對(duì)應(yīng)晶舟規(guī)格的開(kāi)合度需求，無(wú)須進(jìn)行校正或人工調(diào)整。

2? ? 機(jī)械手臂夾持開(kāi)合機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為滿足全自動(dòng)清洗設(shè)備中搬運(yùn)機(jī)械手臂對(duì)不同規(guī)格晶舟及硅片的廣泛適應(yīng)性，常規(guī)的機(jī)械手臂X軸及Y軸僅需在行程及配套導(dǎo)向機(jī)構(gòu)做相對(duì)應(yīng)的延長(zhǎng)，即可滿足水平及垂直方向不同的行程需求，本設(shè)計(jì)方案不做深入研究。為滿足針對(duì)不同規(guī)格晶舟夾持開(kāi)合度的需求，在依托常規(guī)機(jī)械手臂X軸及Y軸[4]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討夾持開(kāi)合機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，該機(jī)械手臂的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖簡(jiǎn)化如圖4所示。

2.1? ? 動(dòng)力機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于A軸布局空間緊湊，對(duì)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)穩(wěn)定性及對(duì)稱性要求高，在夾持動(dòng)力機(jī)構(gòu)優(yōu)化選型過(guò)程中，充分考慮到氣缸、電機(jī)等現(xiàn)有的不足，最終選擇尺寸小、控制簡(jiǎn)單、可多點(diǎn)定位的直流電動(dòng)滑臺(tái)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，以市面廣泛認(rèn)可的SMC直流電動(dòng)滑臺(tái)為例，其參數(shù)與氣缸或步進(jìn)電機(jī)相比如表3所示。

雖然直流電動(dòng)滑臺(tái)尺寸較大，但它突破了氣缸或步進(jìn)電機(jī)僅滿足4 in或6 in晶舟的局限，可實(shí)現(xiàn)從2、4、6、8 in至12 in的晶舟夾持范圍的覆蓋，且電動(dòng)滑臺(tái)帶抱閘剎車，即使斷電狀態(tài)也可以保持對(duì)晶舟的穩(wěn)定夾持。

2.2? ? 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)全自動(dòng)清洗設(shè)備搬運(yùn)機(jī)械手臂的應(yīng)用特性，其夾持機(jī)構(gòu)需滿足完全低沉夾持開(kāi)合的需求，以確保左右兩邊對(duì)晶舟同時(shí)施加相同的作用力，避免晶舟移位或夾持過(guò)程中掉籃。優(yōu)化設(shè)計(jì)后動(dòng)力源選擇可多點(diǎn)定位的直流電動(dòng)滑臺(tái)，亦即需要通過(guò)夾持傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將電動(dòng)滑臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為末端夾持部件的旋轉(zhuǎn)開(kāi)合動(dòng)作。

夾持傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（圖5）采用引導(dǎo)塊與電動(dòng)滑臺(tái)緊固連接，為確保重復(fù)定位精度，引導(dǎo)塊開(kāi)設(shè)定位銷孔，定位調(diào)試后通過(guò)定位銷限位。引導(dǎo)塊上開(kāi)有一定傾角的引導(dǎo)溝槽，相對(duì)于引導(dǎo)塊對(duì)稱布置的左右搖臂，通過(guò)魚(yú)眼軸承在引導(dǎo)溝槽內(nèi)的滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其在引導(dǎo)溝槽內(nèi)垂直方向位移的升降，進(jìn)而帶動(dòng)兩邊的ARM旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并傳遞到末端夾持部件實(shí)現(xiàn)對(duì)晶舟的開(kāi)合夾取動(dòng)作。引導(dǎo)塊上安裝有sensor感應(yīng)片，在電動(dòng)滑臺(tái)行程過(guò)程中，感應(yīng)片隨之移動(dòng)，通過(guò)光電感應(yīng)sensor的感應(yīng)將信號(hào)傳遞到PLC，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)滑臺(tái)的啟停控制，以適應(yīng)不同規(guī)格晶舟的夾取開(kāi)合度需求。

2.3? ? 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

全自動(dòng)清洗設(shè)備制程槽體內(nèi)一般采用無(wú)機(jī)或有機(jī)化學(xué)藥液對(duì)硅片進(jìn)行清洗、去膠、顯影、蝕刻等工藝，因此機(jī)械手臂末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作環(huán)境存在腐蝕性強(qiáng)、溫度高、空間有限、有機(jī)粘附等狀況。為保證機(jī)械手臂搬運(yùn)穩(wěn)定性及環(huán)境耐受性，夾持動(dòng)力及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置在遠(yuǎn)離槽體的一端，且通過(guò)表面噴涂防腐鐵氟龍的不銹鋼外罩防護(hù)盒進(jìn)行防護(hù)，同時(shí)在防護(hù)盒內(nèi)通入微量潔凈氮?dú)猓３址雷o(hù)盒內(nèi)微正壓狀態(tài)，避免槽體外溢的酸氣侵蝕到相關(guān)機(jī)構(gòu)部件。為了確保動(dòng)力有效傳動(dòng)，對(duì)稱設(shè)置兩支ARM手臂，表面經(jīng)過(guò)鐵氟龍噴涂，ARM一端采用雙支撐軸承固定，可隨搖臂同角度旋轉(zhuǎn)，ARM末端緊固裝有夾持組件，夾持組件與ARM間通過(guò)定位溝槽內(nèi)置螺絲防止松動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)不同步。夾持組件可以根據(jù)晶舟類型和需求，采用PTFE板型或PFA包覆U型夾爪等，該方案采用PTFE板型夾爪做進(jìn)一步分析。

當(dāng)安裝在機(jī)械臂夾持機(jī)構(gòu)底板上的電動(dòng)滑臺(tái)移動(dòng)時(shí)，與其組裝在一起的引導(dǎo)塊隨之運(yùn)動(dòng)，引導(dǎo)塊開(kāi)設(shè)的引導(dǎo)溝槽內(nèi)設(shè)有與搖臂安裝在一起的魚(yú)眼軸承，隨著引導(dǎo)塊的位移，魚(yú)眼軸承在引導(dǎo)溝槽內(nèi)的高度也會(huì)變化，進(jìn)而帶動(dòng)左右搖臂做對(duì)稱的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，搖臂與ARM緊固連接，同時(shí)ARM與末端的夾持組件同步運(yùn)動(dòng)，從而將電動(dòng)滑臺(tái)的直線行程傳遞到PTFE板型夾爪的開(kāi)合夾持運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)晶舟的夾取或放開(kāi)（圖6）。

3? ? 機(jī)械手臂夾持開(kāi)合機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的驗(yàn)證

3.1? ? 動(dòng)力機(jī)構(gòu)優(yōu)化模型

依據(jù)設(shè)計(jì)方案架構(gòu)，電動(dòng)滑臺(tái)作為動(dòng)力輸出源帶動(dòng)引導(dǎo)塊移動(dòng)，引導(dǎo)塊限位高度與電動(dòng)滑臺(tái)行程和引導(dǎo)溝槽的設(shè)計(jì)傾角存在正切三角函數(shù)關(guān)系，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)模型（圖7），可得引導(dǎo)塊限位高度理論公式：

式中：H為引導(dǎo)塊限位高度；S為電動(dòng)滑臺(tái)行程；θ為引導(dǎo)溝槽傾角。

3.2? ? 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化模型

夾持傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的搖臂通過(guò)魚(yú)眼軸承與引導(dǎo)塊相連，當(dāng)引導(dǎo)塊隨電動(dòng)滑臺(tái)位移，魚(yú)眼軸承在引導(dǎo)塊溝槽內(nèi)的Y軸垂直高度也會(huì)變化，進(jìn)而帶動(dòng)搖臂及與搖臂安裝在同一根ARM軸上的夾持末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)同角度旋轉(zhuǎn)，簡(jiǎn)化其設(shè)計(jì)模型（圖8）可得末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)夾持組件相對(duì)XY平面的夾角理論計(jì)算公式：

式中：α為搖臂相對(duì)于機(jī)械臂底板旋轉(zhuǎn)角；h為電動(dòng)滑臺(tái)零行程時(shí)搖臂旋轉(zhuǎn)中心相距引導(dǎo)塊溝槽起始位置的高度；L1為搖臂旋轉(zhuǎn)中心相距引導(dǎo)塊中心的距離；β為夾持組件相對(duì)于搖臂旋轉(zhuǎn)面的初始夾角；γ為夾持組件與機(jī)械臂底板夾角。

3.3? ? 執(zhí)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化模型

當(dāng)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)夾持組件與XY平面的夾角隨行程變動(dòng)時(shí)，傳遞到夾持末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的夾爪，實(shí)現(xiàn)其對(duì)晶舟的夾取或放開(kāi)動(dòng)作，簡(jiǎn)化其設(shè)計(jì)模型（圖9）可得末端開(kāi)合度與夾角的理論計(jì)算關(guān)系：

式中：W為夾持組件打開(kāi)距離；T為夾持組件距離ARM中心軸厚度；L2為夾持組件末端長(zhǎng)度；L3為夾持組件距離ARM中心軸高度。

3.4? ? 模型驗(yàn)證及計(jì)算結(jié)果

結(jié)合上述理論關(guān)系可知，機(jī)械手臂夾持開(kāi)合機(jī)構(gòu)的開(kāi)合度W以及其對(duì)應(yīng)晶舟夾持能力，與引導(dǎo)塊的傾角θ、搖臂旋轉(zhuǎn)中心相距引導(dǎo)塊中心的距離L1、電動(dòng)滑臺(tái)零行程時(shí)搖臂旋轉(zhuǎn)中心相距引導(dǎo)塊溝槽起始位置的高度h、夾持組件相對(duì)于搖臂旋轉(zhuǎn)面初始夾角β、夾持組件末端長(zhǎng)度L2等參數(shù)成正相關(guān)；與電動(dòng)滑臺(tái)行程S、夾持組件距離ARM中心軸厚度T、夾持組件距離ARM中心軸高度L3成負(fù)相關(guān)。結(jié)合設(shè)計(jì)模型，此處定義：L1=125 mm，h=12 mm，T=42.5 mm，L3=34 mm，θ=21°，β=2°，L2=366 mm。

將上述數(shù)值代入公式（1）～（4），可得夾持開(kāi)合度W隨電動(dòng)滑臺(tái)行程變化的計(jì)算數(shù)據(jù)如表4所示。

4? ? 機(jī)械手臂夾持開(kāi)合機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)分析

4.1? ? 正向?qū)嶒?yàn)分析

依據(jù)上述機(jī)械手臂優(yōu)化設(shè)計(jì)方案建立SolidWorks 2021三維模型，依據(jù)理論公式計(jì)算不同行程對(duì)應(yīng)的夾持開(kāi)合度以及自三維模型直接測(cè)量（圖10）的結(jié)果比較如表5所示，理論與測(cè)量偏差范圍在±2%，考慮到建模及裝配誤差，該偏差在合理可接受范圍。

4.2? ? 反向?qū)嶒?yàn)分析

設(shè)計(jì)來(lái)源于需求，因此若已知所需的開(kāi)合度范圍，需選擇合適的電動(dòng)滑臺(tái)行程時(shí)，基于表6所示的對(duì)應(yīng)關(guān)系驗(yàn)證比較表，可知該模型理論計(jì)算與實(shí)測(cè)（圖11）偏差在≤±0.5 mm的合理范圍，可作為模型搭建之前設(shè)計(jì)選型的依據(jù)。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械手臂夾持開(kāi)合機(jī)構(gòu)優(yōu)化的技術(shù)方案，采用電動(dòng)滑臺(tái)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，利用引導(dǎo)塊的引導(dǎo)溝槽將直線行程轉(zhuǎn)化為搖臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而傳遞到夾持末端實(shí)現(xiàn)對(duì)晶舟的夾持作業(yè)。通過(guò)PLC及預(yù)設(shè)的光電感應(yīng)傳感器對(duì)電缸行程進(jìn)行感應(yīng)控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同晶舟夾持開(kāi)合度的自動(dòng)切換。相比較電機(jī)驅(qū)動(dòng)的夾持方案，該技術(shù)方案消除了夾持不對(duì)稱的問(wèn)題；相對(duì)于氣缸驅(qū)動(dòng)的方案，該設(shè)計(jì)方案解決了開(kāi)合度單一的問(wèn)題。且通過(guò)偏差范圍在±2%的理論模型驗(yàn)證及實(shí)驗(yàn)分析可知該設(shè)計(jì)方案的有效性和準(zhǔn)確性，該方案也為后續(xù)持續(xù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化需求提供了產(chǎn)品選型及相關(guān)可變參數(shù)定義的參考，降低了模型修改的頻次及難度。

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收稿日期：2023-03-03

作者簡(jiǎn)介：趙晗（1986—），女，河南人，工程師，研究方向：濕法清洗技術(shù)、多軸機(jī)械臂的開(kāi)發(fā)應(yīng)用等。