基于六維機械手的硅片傳輸系統

李 偉，陳 威，王 偉，柳 濱

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 065201)

集成電路（IC）制造是電子信息產業的核心，是推動國民經濟和社會信息化發展最主要的高新技術之一。發達國家國民經濟總產值增長部分的65%與IC工業相關，而全球90%以上的IC都要采用硅片。硅片傳輸系統是一類面向集成電路制造業，綜合利用機械、電子、光學、計算機等技術，通過編程或示教的方式，在IC制造的各個工藝模塊間精確、快速地傳輸并定位硅片的，具有高精度、高潔凈度和高可靠性的自動化傳輸系統。它針對IC制造的工藝精度和凈化要求，借助工業機器人和工業自動化技術，在超潔凈或真空環境中向各個加工設備輸送硅片。硅片傳輸系統作為IC生產線的高精度、高速度和高潔凈的自動化傳輸設備，直接體現出整機系統的自動化程度和可靠性。因此，用于這樣環境的自動化傳輸系統已成為IC制造裝備中的關鍵部件。

1 工程應用

化學機械拋光（CMP）是一種對半導體材料或是其它類型材料的襯底進行平坦化或拋光的方法，廣泛應用于集成電路（IC）制造業中。CMP設備實現的功能是結合拋光液中化學溶液的腐蝕和磨粒的機械磨削雙重作用，從而使硅片獲得極高的平面度和平整度[1]。

傳統的拋光（CMP）設備采用的2臺或3臺三維或四維機械手組合來構建硅片傳輸系統，一方面由于機械手數量增加而增加成本；另一方面多臺機械手的使用無形中增加了設備的整體尺寸。這勢必會造成設備成本負擔加重和相應的凈化間廠房面積和成本增加。針對上述問題本系統采用單臺六維機械手，有效地減少了方案采用機械手的數量。六維機械手姿態調整，不需要三四維機械手所需的大空間，這樣，減小了設備的整體尺寸。同時該機械手裝置與方案優化組合，使機械手只需通過末端執行器的干濕轉換，就可實現干燥硅片的傳入和拋光后濕潤硅片的傳出，進一步減小了機械手的設計數量和設備整體尺寸。

基于六維機械手構建了硅片傳輸系統。硅片傳輸系統的傳輸工位由以下工藝模塊組成：前端硅片裝載單元（LoadPort）、干末端執行器、濕末端執行器、濕硅片裝載單元、硅片裝載臺、硅片中轉單元和硅片卸載臺等構成，如圖1所示。

硅片傳輸系統要求是“干進濕出”，硅片傳輸系統是六維機械手通過換槍盤連接干末端執行器和濕末端執行器，然后機械手運動到指定工位后由上位機實時控制末端執行器抓取和釋放硅片。因此六維機械手的選型又是傳輸系統的重中之重。從以下幾個方面考慮，確定機械手選型[2]：

圖1 傳輸工位構成

（1）使用環境。不同的環境會有專門定制的工業機器人，比如噴涂行業需要的是有防暴能力的工業機器人，這與標準的機器人就有所不同，還有潔凈室的使用等等。應用于半導體行業的機械手應選用潔凈室機械手。

（2）目前使用的機械手末端執行器（End-effector）。一般是氣體驅動或電器驅動，無可避免的會有相應的氣管或電纜連接。如果機械手的氣路和電路回路是外置，則機器人運動時需特別小心；若機械手的氣路和電氣回路是內置，這種方式較為方便，只要考慮手臂和末端執行器的相對運動時線纜的管理即可。針對大尺寸（12英寸、16英寸）的硅片采用真空吸附方式會產生較大的污染，所以選用夾持式末端執行器。

（3）合理評估有效負荷和慣性。通常多數是在計算負荷時未將機械臂末端所裝工具的質量包括在內。其次是低估或者完全忽略了偏心負荷產生的慣性力。慣性力有可能造成機器人6軸的超負荷。由于我們采用兩個不同的末端執行器傳輸干硅片和濕硅片。所以我們在機械手第六軸和末端執行器之間引入換槍盤（Tool changer）去實現機械手分別與兩個末端執行器的連接和釋放。

根據末端執行器和硅片產生的靜負載力矩、更換頻率和凈室要求選擇合適的換槍盤。

式中：M1為硅片質量，M2為末端執行器的質量，L為力臂。

考慮與機械手第六軸和末端執行器安裝方便性，確定本系統所使用的換槍盤，機械手總負荷為1 077.6 g。

(4)忽視了機器人應用的相關設備示教器、通訊電纜以及一些特殊的軟件通常是必須的，但是在最初的訂購中很容易被遺忘。這些將導致整個計劃的耽擱甚至費用超過預算。要正確地挑選機器人產品時，首先要考慮自己綜合需求以及滿足設備選擇的各個方面。說明示教盒是機械手調試時很重要的部件。

(5)行程確定時，不能只按照機器人技術參數的行程來確定是否可以達到應用的要求，應該要實際考慮到末端執行器安裝后，機器人的運動軌跡是否可能達到行程所需。這也是要進行模擬仿真的關鍵原因之一。我們可以應用SolidWorks軟件進行簡單模擬以確認所選機械手能否滿足各個工位的行程要求和姿態要求。

根據以上幾點，反復模擬分析最終我們選用某廠家XX型六維機械手，其基本參數如為：

1) 凈室等級SCR-Cleanroom達到class 2 cleanliness（標準為 ISO 14644-1）。

2) 全封閉結構，內部集成用戶端的電氣信號接口，前端有氣路輸出接口。只需要將前端氣路輸出接口與換槍盤的“鎖緊”和“解鎖”氣體接口連接即可。

3) 最大負載5 kg，額定負載2 kg。我們設計的傳輸系統載荷略大于1 kg。

4) 配備人性化設計的示教盒。這個手持終端結構輕巧（700 g），人性化設計，可以在機械手編程、維護、監控種種應用中發揮優勢，并提供一定的安全保障功能。六維機械手具有相對獨立的控制系統和編程軟件。它通過以太網與上位機進行運行參數和指令等數據傳輸和通訊。控制器是控制全系列機器人的唯一平臺。六維機械手通訊控制示意圖，如圖2所示。

圖2 通訊控制示意圖

5) 工作行程為920 mm，可重復精度為±0.03 mm。我們利用SolidWorks軟件對硅片傳輸工位進行模擬。機械手采用置頂安裝方式。圖3為模擬裝載臺工位放片機械手姿態圖，圖4為模擬卸載臺工位取片機械手姿態圖。

圖3 裝載臺工位

圖4 卸載臺工位

通過以上分析、模擬，最終確認了適合本系統應用的六維機械手XX。然后完成機械手路徑規劃。所謂機械手路徑規劃是指給定移動機械手的初始位置及機械手末端的目標位置，在移動機械手各廣義坐標的工作范圍內尋找一條無碰撞路徑[3]。我們根據機械手的初始位置及利用示教盒示教的機械手末端的目標位置，插補一些中間點，從而調整機械手在坐標系的工作范圍內尋找一條無碰撞路徑并達到合理的運動路徑。機械手路徑規劃一步一步確認好后，增加和完善傳輸系統中對應的電磁閥開關動作（換槍盤解鎖和鎖緊氣體通斷、末端執行器指鉤的伸縮等等）。

2 工作原理

1)初始化。六維機械手處于系統零點（也就是動作的初始點）。上位機將前端硅片裝載單元片盒中硅片存儲信息傳遞給機械手。

2)前端硅片裝載單元取片。六維機械手連接干末端執行器，鎖緊氣體打開。鎖緊后機械手運動到前端硅片裝載單元（LoadPort）片盒中指定位置后，上位機通過機械手、換槍盤將末端執行器抓取硅片的動作指令傳遞給末端執行器，然后末端執行器執行抓取硅片的動作。

3)中轉臺放片。六維機械手運動到中轉臺處，上位機通過機械手、換槍盤將末端執行器釋放硅片的動作指令傳遞給末端執行器，然后末端執行器執行釋放硅片的動作。

4)換手。六維機械手運動到指定位置后，換槍盤“打開氣體”打開，釋放干末端執行器。然后機械手運動到指定位置后，“鎖緊氣體”打開，連接濕末端執行器。

5)中轉臺取片。六維機械手按規定好的路徑運動到中轉臺處，上位機通過機械手、換槍盤將末端執行器抓取硅片的動作指令傳遞給末端執行器，然后末端執行器執行抓取硅片的動作。

6)若設備拋光區域對應硅片的接受工位。裝載臺沒有硅片時，機械手將硅片傳送至該工位，控制濕末端執行器釋放硅片。若設備拋光區域對應硅片的輸出工位——卸載臺沒有硅片時，機械手運動到該工位，控制濕末端執行器抓取硅片。

7)機械手從卸載臺抓取硅片后，機械手運動到濕片存儲裝置對應位置，控制濕末端執行器執行釋放硅片的動作。

當然，CMP設備的硅片傳輸系統遠比上述復雜，要根據各個工位對應傳感器的實時檢測狀況和動作的優先級去靈活執行相應的動作。但究其本質，都是上述流程不同方式的組合而已。

3 結 論

基于六維機械手的硅片傳輸系統在國內少有介紹。本文基于六維機械手、換槍盤和末端執行器成功構建了硅片傳輸系統，通過幾個方面分析和軟件模擬確認合適的機械手型號，然后示教出滿足系統要求的合理路徑規劃，滿足實際應用要求。現在六維機械手硅片傳輸系統穩定、高效、精確地運轉在設備中。

[1]閆志瑞，魯進軍，李耀東.300mm硅片化學機械拋光技術分析[J].半導體技術.2006，8（31）：561-564.

[2]梁琪.工作機器人應用的十大誤區[J].機器人技術與應用.2005（05）：29-30.

[3]李新春，趙冬斌，易建強.一種移動機械手分級協調路徑規劃方法[J].制造業自動化.2005，27（05）：28-32.