多關節機械手在晶圓減薄機中的應用

衣忠波，石 偉 ，王仲康，常 亮

(1.北京中電科電子裝備有限公司，北京100176；2.北方通用電子集團有限公司，陜西西安710100)

集成電路芯片不斷向高密度、高性能和輕薄短小方向發展，為滿足IC封裝要求，圖形硅片的背面減薄成為半導體后半制程中的重要工序。作為晶圓減薄設備的關鍵部件，機械手負責晶圓在各個工位的傳輸。其優點在于:動作靈活、運動慣性小、通用性強、能抓取晶片在各個工位之間傳輸。隨著生產的需要，對多關節手臂的靈活性，定位精度及作業空間等提出越來越高的要求。目前，在半導體行業多關節機械手應用十分廣泛，除了全自動晶圓減薄設備外，在化學機械拋光、晶圓清洗、測試、包裝等設備中都有廣泛的應用。圖1為晶圓減薄機布局圖。

圖1 晶圓減薄機布局圖

1 工藝介紹

全自動晶圓減薄機的典型工藝流程如圖2所示，它包括：利用多關節機械手把晶圓從片盒位置搬運到定位臺，定位完成后，機械手把晶圓從定位臺搬運到承片臺，然后依次通過粗磨、精磨完成對晶圓的磨削，機械手再把減薄完成的晶圓搬運到清洗臺進行清洗，清洗完成后，再把晶圓搬運到片盒，從而完成一個晶圓的全自動磨削過程。機械手結構見圖3、圖4。

圖2 晶圓傳輸工藝過程

圖3 多關節機械手三維圖圖

2 關節機械手的組成部分

多關節機械手按照減薄設備的工藝需要應包括4個自由度，即手爪的水平方向ρ伸出和縮回、系統θ向的旋轉、系統Z向升降和手爪ω向的翻轉。

圖4 機械手結構示意圖

2.1 Z向升降系統

Z向系統實現整個系統的升降動作要求，主要是為了滿足各個工位高度變化的要求，采用伺服電機的驅動方式實現機構升降，滿足機械手Z向精度±0.05 mm，同時保證了傳輸效率。

2.2 旋轉系統

旋轉系統主要是為了滿足磨削傳輸過程，工位變化的要求，采用伺服電機的驅動方式實現機構旋轉，滿足機械手旋轉精度2′。

2.3 水平伸縮系統

伸縮系統實現手爪的水平伸出、收回動作，主要因為各個工位距離旋轉中心位置的不同，實現伸縮到位。采用DD電動機直接驅動的方式實現關節的水平伸縮，可以在不帶減速機的狀態下直接驅動負載，并且實現從低速至高速的強力平滑運行，滿足機械手伸縮重復定位精度±0.1 mm。

2.4 手爪的翻轉系統

翻轉系統實現手爪的翻轉，為了滿足取、放片工藝要求。采用步進電機驅動方式，保證了機構翻轉的可靠性，以及翻轉重復定位精度3′。

3 控制系統

機械手采用獨立的控制系統，可以單獨形成一個標準部件系統控制，它的動作涉及了Z軸、θ軸、ω軸和ρ軸的運動，Z軸為升降運動；θ軸為旋轉運動；ω為翻轉運動；ρ軸為伸縮運動。主要考慮了開放性、經濟性、實用性、可靠性等方面。

機械手運動共有4個工位，分別為:片盒1、片盒2、中心定位臺和清洗臺。機械手控制的重點在于對運動的重復精度、平穩度以及精確度的控制。

機械手電氣硬件主要包括：觸摸屏、可編程控制器單元、定位控制模塊、與主站通信單元、交流伺服驅動單元、步進驅動單元、電源控制部分、繼電器、傳感器、閥等，通過觸摸屏可以實現機械手的獨立控制模式。見圖5。

圖5 機械手控制框圖

4 相關技術發展狀況

圖6 六自由度多關節機械手

在國外，多關節機械手技術發展較為成熟，已成為一種標準設備而得到工業界的廣泛應用，從而形成了一些世界上比較有影響力的傳輸機械手公司，如日本的Rorze公司、Yaskawa公司、Jel公司，美國的Adept公司、Innovative公司，韓國的Dastatech公司、TES公司等，現在已發展出多種新型式機械手，如真空式機械手、潔凈空間機械手。國外機械手在國內售價都較為昂貴，設備將產生極大的成本壓力。圖6為六自由度多關節機械手。

在國內，集成電路產業起步比較晚，用于晶片傳輸的多關節機械手發展較為滯后，能夠實現四自由度的要求，但在可靠性、穩定性方面，難以滿足設備的工藝要求。中國電子科技集團公司地四十五研究所開發的四自由度多關節機械手通過JB-801，JB-802兩代晶圓減薄機的工藝應用，可靠性、穩定性均能滿足傳輸工藝要求。并通過研究應用，開發了應用于晶圓清洗設備的多關節機械手。見圖7、圖8所示。

圖7 JB-802晶圓減薄機多關節機械手

圖8 晶圓清洗設備的多關節機械手

5 結束語

半導體晶片在各個加工工序之間進行加工處理是離不開晶片傳輸機械手的傳輸和定位，直接體現出整機系統自動化程度和可靠性，隨著自動化程度的提高，多關節機械手在半導體專用設備上的應用越來越廣泛，不斷地提高機械手的可靠性、穩定性，推廣多關節機械手國產化應用，提供物料傳輸最佳的解決方案，我們需要不斷的努力。

[1]（美）夸克，（美）瑟達著，韓鄭生等譯，半導體制造技術[M].北京：電子工業出版社，2009.

[2]王仲康.超薄化芯片[J].電子工業專用設備.2006（11）：13～18.

[3]胡耀臻.片子自動傳輸機械手[J].電子工業專用設備.1979，26(1):39-42.

[4]康仁科，郭東明，張士軍，等.一種傳輸機器人[P].中國：200420113013.1，2004.