应用于硅片传输系统的机械手设计

吕 磊，胡晓霞，王洪宇

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京101601)

集成电路（IC Integrated Circuit）是电子信息产业的核心，是推动国民经济和社会信息化发展的最主要的高新技术之一[1]。

制造技术（工艺）的更新和更高性能IC制造装备的研制使半导体产业发展的两个重要因素，而制造装备又是实现工艺技术的载体，制造工艺的更新以更高性能IC制造装备的研制为基础和前提条件，所以发展IC产业要从研制适合于IC生产要求的装备入手，逐步实现制造过程的机械化、自动化和智能化，以满足IC制造工艺高精度和高洁净度的要求[2]。

20世纪80年代，特别是90年代以后，IC产业快速发展，机械自动化技术被引入IC制造过程[3]。IC产品的制造离不开划片机、研磨机、抛光机、光刻机等单个工艺的加工设备，又离不开实现硅片的IC各个工艺之间传输和定位的硅片传输系统[4]。硅片传输系统是硅片加工设备的重要组成部分，其功能是实现硅片在不同工位之间快速、高效、可靠的转移，它直接体现出整机的自动化程度以及可靠性。随着硅片生产的产量和尺寸的不断增加，要求硅片生产向着高速、连续化生产方式发展，人工装夹的方式根本无法达到这一要求，必须由高速度、高精度的硅片传输系统来完成。由于是在有限的空间中实现硅片工位的快速转换，因此对硅片传输系统的运动特性、反映灵敏性、运动准确性以及工作稳定可靠性等方面，都必须有较高的要求。

在250 mm及以上大尺寸半导体自动化生产线中，硅片传输系统普遍采用多轴机械手系统。由于国内装备制造业的整体水平相对落后，目前国内半导体自动化生产线基本由进口设备组成，国内半导体设备厂商占据份额非常小。

根据国内硅片发展现状以及发展趋势，本文主要对300 mm全自动探针测试台的机械手结构进行设计及优化。进而推广到其他硅片生产工艺，以调高国内半导体设备生产效率和国际竞争力，从整体上提高我国社会生产的安全高效。

1 机械手发展现状

机械手是一类面向集成电路制造业，综合利用机械、电子、光学、计算机等技术，通过编程或示教的方式，在IC制造的各个工艺模块间精确、快速地传输并定位硅片，具有高精度、高洁净度和高可靠性的自动传输系统。它针对IC制造的工艺精度和净化要求，借助工业自动化技术，在超洁净或真空环境中向各个加工设备输送硅片。

目前，生产线上主要应用的机械手，按应用环境的不同，可分为净化机械手和真空机械手。净化机械手是指用在洁净大气环境中的硅片传输机械手，这种机械手洁净等级高，一般在10级，有的可以达到1级，运动时产生尘埃少，且有良好的密封措施。真空机械手是指用在1×10-5Pa真空环境中的硅片传输机械手，这种机械手除了要求适应真空环境外，还要同时满足净化环境的要求，结构比净化机械手更复杂，主要应用于集束型硅片传输系统中。

按传动方式的不同，硅片传输机械手可分为平面关节型机械手和径向直线运动 (R-θ)型机械手。平面关节型机械手又可分为间接驱动型和直接驱动型两种；径向直线运动型机械手又可分为单托盘式、双托盘反向式和双托盘同向式3种。

典型的平面关节型机械手有4个自由度，分别为大臂回转、小臂回转、末端执行器回转以及升降运动，其中手臂和末端执行器之间的运动式相互独立，他的每个关节处都有一台独立的电机，这些关节既可以联动也可以单独运动，这样有利于运动的调整和对旋转角度进行补偿。间接驱动型机械手需要使用减速器和润滑油，容易污染环境；直接驱动型机械手通过电机直接驱动负载，无需减速器的降速，简化了机构，减少了污染。如图1所示为美国ADEPT公司开发的S350CR系列，是典型的直接驱动4轴平面关节型机械手，其x、y轴重复定位精度可达±0.015 mm，z轴重复定位精度可达±0.01 mm，θ向重复定位精度可达±0.005°，可用在洁净等级为10级的洁净环境中。

图1 ADEPT S350CR平面关节型机械手

典型的R-θ型机械手有3个自由度，分别为R(径向)运动、θ(旋转)运动和 z(上下)运动，其显著特征是电机通过复杂的带传动驱动前、后臂的关节回转，机械手的手臂能沿着径向做直线运动[5]。图2所示的是日本RORZE公司开发的RR700系列就是典型的R-θ型机械手，其R向重复定位精度可达±0.05 mm，θ向重复定位精度可达±0.008°，z轴重复定位精度可达±0.02 mm，可用在洁净等级为10级的洁净环境中。

图2 RORZE RR700 R-θ型机械手

2 全自动探针台机械手结构方案

目前国内300 mm全自动探针测试台主要出自东京精密(Accretech)、东京电子(Tokyo Electron)以及EG公司(Electroglas)，均采用机械手进行硅片传输。综合设计难度、装配方式、维护成本考虑，认为日本东京精密公司UF3000的机械手系统原理适合进行国产化设计。由于UF3000采用双托盘同向式径向直线运动(R-θ)型机械手，在初次设计中首先完成单托盘式径向直线运动(R-θ)型机械手设计以及实验调试，发现并解决问题，然后再进行双托盘同向式径向直线运动(R-θ)型机械手设计。

要求机械手运动各工位如图3所示，要求的工艺流程为：探针测试台初始化时自动检测机械手机构、预对准机构各传感器状态，恢复初始化零位。将片盒放在承载台上，工控机发出控制信号机械手z向抬升到取片高度，机械手伸向片盒z向微抬升并真空吸附硅片将其缓缓拖出，真空压力传感器检测机械手是否有硅片。机械手顺时针旋转180°并伸出将硅片置于预对准承片台上，预对准机构扫描硅片缺口，预对准完成后机械手吸附硅片缩回，逆时针旋转90°并伸出将硅片置于设备承片台3个立柱上，机械手缩回，设备进行自动对准并测试，下片时设备承片台3个立柱上升，将硅片顶起，机械手伸出z向微抬升并真空吸附硅片，缩回后逆时针旋转90°，将硅片放入片盒中，即可开始下一个周期，其工艺流程如图4所示。

图3 机械手运动工位

图4 机械手运动工艺流程

3 基本技术参数

自由度数目：3个自由度(R、θ、z)

机构形式：R(径向)运动、θ(旋转)运动和 z(上下)运动

驱动方式：分别为AC伺服电机驱动。

运动范围：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

重复定位精度：R 向：±0.1 mm；θ向：±0.03°；z向：±0.05 mm

抓取质量：1 kg

机械手各部件如图5所示。

图5 机械手各部件

4 机械手各部件介绍

4.1 z(上下)运动部件

该部件实现机械手的上下运动，采用了传统的丝杠导轨结构，并用伺服电机驱动。上下运动部分比较重，为防止断电后运动部分由于重力作用下移，因此使用了具有断电抱闸功能的伺服电机。

4.2 θ(旋转)运动部件

该部件实现机械手的旋转运动，采用伺服电机驱动，同步齿形带传动，完成上层机械臂的总体旋转。旋转范围要求达到200°，需要准确定位3个工位：片盒取片工位、预对准工位、承片台测试工位。

θ向旋转轴径向误差以及轴向误差通过两个旋转臂反映到真空吸托盘上会产生很大的放大效果，有可能影响整个机械手系统精度。针对轴向间隙利用一对背面组合型向心轴承消除间隙；针对径向跳动在向心轴承稍远端装配一个深沟球轴承进行辅助支撑，以防止旋转轴径向摆动。

4.3 R(径向)运动部件

该部件实现机械手的径向直线伸缩运动，这是R-θ型机械手的典型标志。是由两套相互关联的同步齿形带机构来实现的，其转动原理如图6所示，其中OA=OB，同步齿形带轮1与同步齿形带轮2的传动比为2∶1，同步齿形带轮3与同步齿形带轮4的传动比为1∶2[6]。

参考哈尔滨工业大学理论力学教研室主编《理论力学》第四版，对径向直线伸缩运动进行动力学分析[7]，可以得到B点的运动轨迹为直线运动，方向始终沿着OB直线；BD的运动轨迹为直线运动，方向始终沿着OB直线[8]。

要实现精确的径向直线伸缩运动，第一要保证精确的传动比，这里采用同步带传动，具有传动比准确，无滑差，可获得恒定的传动比的优点。第二要保证后臂体和前臂体的同步齿形带轮中心距一致性，这就需要两个工件的轴承孔需要组合加工，以确保运动精度[9]。

图6 径向直线运动型机械手原理图

4.4 控制系统设计

该机构利用3个交流伺服电机+伺服驱动器，控制系统采用雷塞多轴控制卡+PC工控机。工控机运行运动程序，通过多轴控制卡控制伺服驱动器来驱动伺服电机运动。真空压力传感器以及限位开关有运动控制卡的通用数字I/O接口控制。

5 机械手的关键技术

5.1 校准技术

为了满足传输不同尺寸硅片的需要，机械手的真空吸托盘要经常更换，虽然机械手具有很高的重复定位精度，但是由于零部件传动误差和定位误差的存在，其绝对位置精度较低，真空吸托盘工作一段时间后，会产生位置偏移，造成传输硅片不准确。因此校准系统非常必要。人工校准的方法需要大量的时间和很高的技巧，而且精度低。

Zhang[10]等人采用经典的一面两孔的定位方式，结合新的补偿算法，解决了校准精度的问题。其校准过程为：首先将真空吸托盘上的两个孔与校准装置的销对准，并插入，编码器反馈给电机一个位置信号，控制器针对此时的位置进行校正、控制。在更换不同规格的真空吸托盘时，根据其尺寸的变化，计算出控制系统所需要的补偿量，输入到控制器，此时进行校正、控制。

5.2 传感器控制系统

由于机械手属于开环控制系统，工控机程序发送指令给伺服电机，即使运行精度非常高，因为没有反馈信号，就不能确保真空吸托盘达到预定位置。当然，片盒放置位置误差，片盒尺寸误差以及不同硅片尺寸误差都可能引起机械手不能达到所需要的位置。

目前方案是单独设计机械手控制面板，当更换不同规格硅片以及片盒时，放置片盒到承载台后，通过人工操作控制面板，首片先采用人工取片对位记录初始位置，然后自动运行。

将来需要在此基础上添加压力传感器，当真空吸托盘前端或侧面碰到其他物体时，压力传感器产生作用，提醒操作人员需要校准机械手。

5.3 双托盘同向式径向直线运动(R-θ)型机械手

在目前单托盘径向直线运动型机械手的基础上，继续开发出双托盘同向式径向运动型机械手，如图7所示。增加了一个真空吸托盘，使上下片效率提高1倍，但也加大了控制系统难度。

图7 双托盘同向式径向直线运动型机械手

6 结束语

随着硅片直径的增大，特征尺寸的减小，其主流生产线已由20世纪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，逐渐向 450 mm、0.05 μm 方向迈进。硅片直径和质量的增加与制造工艺的提高，使硅片加工设备中机械手系统朝着更高洁净度、更高速度、更高精度和更高稳定性的方向发展。

本文论述的机械手系统主要针对300 mm全自动探针测试台的工艺需要，对机械手结构以及设计中需要注意的关键技术进行了阐述。该设计可以推广到整个半导体生产线其他工艺设备的应用，对未来大尺寸半导体生产线的国产化具有很大意义。

[1]汪劲松，朱煜.我国“十五”期间IC制造装备的发展战略研究[J].机器人技术与应用，2002（2）：5-9.

[2]丛明，杜宇.面向IC制造的硅片机器人传输系统综述[J].机器人，2007(5)：261-265.

[3]田陆平.集成电路关键设备市场分析及发展战略[J].电子工业专用设备，2006，35(1):1-7.

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

[5]康仁科，郭东明，张士军等.一种传输机器人[P].中国：200420113013.1，2004.

[6]李正贤.一种机械手式上下片传输机构.电子工业专用设备，1995，24(4):32-33.

[7]哈尔滨工业大学理论力学教研室编.《理论力学》第四版.北京：高等教育出版社，1993.

[8]Saeed B.Niku著.孙福春，朱纪洪，刘国栋等译.机器人学导论-分析、系统及应用.北京：电子工业出版社，2004：108，113-115.

[9]张士军，金洙吉等.硅片传输定位机器人的设计[J].机器人，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.