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，用晶圓傳輸系統來實現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的核心，是推動國民經濟和社會信息化發展的高新技術之一。IC制造裝備作為實現工藝制程的載體在其中發揮著重要作用。晶圓的生產、加工需經過多個工序。晶圓傳輸系統用來實現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的一種典型應用。按應用環境，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境中，為避免運動部件產生粒子污染源影響系統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真空環境中，除了滿足潔凈環境的要求外，還要求適應真空環境，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、末端執行器回轉以及升降運動，每個關節由獨立的電機驅動，其手臂與末端執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。旋轉軸徑向誤差通過旋轉臂反映到末端執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。設計時應盡量使軸承間距lBi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，由兩套相互關聯的同步帶機構來實現，其中R軸電機與大臂體固聯，帶輪1與θ軸固聯，帶輪2與小臂體固聯，帶輪3與大臂體固聯，帶輪4與末端執行器固聯，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塵等原因已經較少采用，現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 末端執行器

末端執行器是指置于機械手臂末端用來執行操作的工具。晶圓搬運的末端執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行探尋或定位工作。

2.5 潔凈材料

晶圓搬運系統需選擇合適的材料及表面處理方法，來降低對潔凈環境的污染。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。但在潮濕環境中會發生電化學腐蝕，需要進行表面處理來抑制腐蝕和污染。

塑料兼具潔凈度，耐熱性和化學穩定性等優點。是歧管，末端執行器，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、高耐磨性和低粒子揮發性，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行器。但其加工難度及成本較高。因陶瓷是電絕緣體，作為執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，控制系統難度也更高。也希望不久的將來能夠開發出更簡單高效，高精度的晶圓傳輸機械手。

參考文獻：

[1]劉延杰，等.同步帶傳動晶圓傳輸機械手精度分析與補償[J].機械傳動，2010（04）33.37.

[2]呂磊，等.應用于硅片傳輸系統的機械手設計[J].材料制備與設備，2012（5）：36.40.

[3]叢明，等.面向IC制造的硅片機器人傳輸系統綜述[J].機器人，2007（5）：261.265.

[4]張士軍，等.硅片傳輸定位機器人的設計[J].機器人，2005（3）：26.28.