ASM2000機臺機械手運行的影響因素分析

徐衛(wèi)東

（南京國盛電子有限公司，江蘇 南京 211111）

1 概述

ASM2000外延設備，提供比較先進的集成電路外延技術，某些方面達到世界上最新技術發(fā)展的工藝水平[1]。在硅片傳遞過程中，采用“正面、非接觸式”模式，較好地避免了硅片表面缺陷的產生。但是，在這種傳遞模式下，偶有發(fā)生硅片掉落現(xiàn)象。該現(xiàn)象通常發(fā)生在機械手傳遞腔處（圖1）。為了提高掉片故障處理的效率及成功率，提升機臺的標準化程度，保障產品的一致性，優(yōu)化設備參數，提升機臺的可靠性和穩(wěn)定性[2]，文章將從硅片傳遞的工作原理開始分析，總結導致硅片掉落的可能原因，供故障排查所用[3]。

圖1 機械手傳遞腔區(qū)域

2 吸盤取片工作原理介紹

ASM2000外延設備通過吸盤實現(xiàn)硅片的自動傳遞。硅片傳遞過程中，吸盤利用氣體伯努利原理在硅片正面，沒有直接接觸的情況下將硅片“吸起來”。

吸盤采用吹氮氣的形式將硅片“吸起來”，其下表面有很多氣孔向外吹氣。這樣，在硅片正表面形成高速的氣流，而硅片背面相對無氣體流動。根據氣體伯努利方程，流速越快，壓強越小，而產生的壓力越小。即硅片背面的壓力大于上表面的壓力，當壓力足夠大時，硅片便被“吸起來”了。同樣，根據氣體伯努利原理，通過控制吸盤上各方向的氣體流速，使硅片產生向吸盤腳方向的力，最終硅片穩(wěn)定在吸盤腳處，通過機械手臂進行自動傳送。

具體分析在吸盤取片過程中硅片的受力情況，設定吸盤對硅片的吸力為F吸，硅片重力為G，吸盤腳對硅片作用力為F腳，硅片受到阻力為F阻，如圖2所示。

圖2 硅片受力示意圖

硅片能夠被吸起來，則要求：F吸＞G+F腳+F阻（1）

3 硅片掉落的可能原因分析

根據式（1），從4個方面分析硅片掉落的可能原因：

（1）吸盤吸力變小；

（2）外界阻力變大；

（3）吸盤腳作用力異常；

（4）硅片重力變大。

3.1 吸盤吸力變小

根據氣體伯努利原理，吸盤吸力變小即硅片背面與正表明所受作用力的合力變小。即硅片正表明氣流速度減?。ü杵瑑H在移動過程中有一定氣體流速，而機械手動作相對較慢，硅片背面氣流暫不考慮）。吸盤氣流速度可以通過浮子流量計進行監(jiān)控，考慮到浮子流量計后端可能出現(xiàn)漏氣、堵塞現(xiàn)象，需同時監(jiān)控吸盤吹氣壓力。即在一定壓力下，流量應為定值。

下面將進一步分析壓力、氣流變化可能的原因。從氣路圖可以看出，氣路壓力變小有2種原因：

（1）氣路壓力變小；

（2）吸盤吹氣流量變小。

3.1.1 氣路壓力變小

若是主管道氮氣供應的壓力變低，則檢查：這個可能不大，但是也有可能發(fā)生，吸盤管路的主氮氣壓力表在機臺上方，可以用梯子爬上去查看，變小了的話，看看調壓閥能不能調回來，不能就要去氣柜間查看氮氣供應是不是有問題。

若是吸盤吹氣壓力過低，則檢查：硅片的大小要求的吹氣壓力是不同的，吹氣壓力和硅片規(guī)格要求的壓力不吻合的情況下，就需要把調壓閥調到要求壓力。

3.1.2 吸盤吹氣流量變小

在壓力不變的情況下，可以檢查管路流量，根據壓力流量表，查看流量是否有問題，把吸盤管路流量計上的開關推出來，再打開吸盤氣就可以讀出管路流量。

在一定壓力下管路流量是一定的，根據廠家推薦的設置，吸盤吹氣流量變小了就只有2個原因：

（1）管路流量變大，管路漏氣。如果管路氮氣，完全從吸盤孔噴出來，那么吸盤孔沒有順壞的情況下，流量就不會變。那么管路流量變大，就說明氮氣沒有完全從吸盤孔流出來，有漏氣導致吸盤處流量變小，吸力變小掉片。

根據管路安裝情況，漏氣有4個原因：

①接頭漏氣；吸盤吹氣管路上有接頭松動導致漏氣，這個可能性不大，我們可以用扳手把接頭都緊固一遍，順便查看是否有螺絲松動。

②軟管漏氣。手臂進氣孔：此處有一個軟管，用來連接氣路末端和手臂進氣孔。軟管兩頭使用卡子卡在兩端，管子會隨著手臂的旋轉而旋轉，存在漏氣的可能，漏氣只能直接換一根新的。

③吸盤漏氣。吸盤過濾器安裝不到位，導致漏氣，檢查吸盤過濾器安裝是否有問題，重新安裝吸盤。

④手臂漏氣。在其他原因都檢查沒有問題的情況下，那么就要換個手臂，再檢查流量有沒有異常，手臂的關節(jié)動密封的地方高溫烘烤旋轉，時間久了就會有漏氣的可能。

（2）管路流量變小，管路堵。如果管路氮氣，完全從吸盤孔噴出來，那么吸盤孔不變流量就不會變。那么管路流量變小，說明氮氣沒有很順利從吸盤孔流出來，有地方堵，導致吸盤處流量變小，吸力變小掉片。根據上圖管路安裝情況，整個吸盤管路都是比較粗的，有可能堵的地方只有2處：①吸盤過濾器堵。換一個新的過濾器看看流量還有沒有異常。②手臂關節(jié)堵。若是臂管內有異物堵，一般情況下，管路流量變小，有堵的地方都是手臂有問題，手臂關節(jié)處的密封圈老化，旋轉摩擦掉下顆粒，使管路堵塞。

3.2 外界阻力變大

吸盤在轉動的過程中，除了在片架里面空間比較小之外，其他動作的地方空間都比較大，在空氣阻力可以忽略不計的情況下，外界阻力主要就是來自片架對硅片的阻力。也就是硅片被吸起的過程中碰到了片架，導致掉片。其中碰觸可以分為2種：（1）左右碰觸；（2）上下碰觸。

3.2.1 左右碰觸

吸盤伸進片架的時候不居中，導致硅片吸起的過程中碰到片架的左右邊緣（圖3），阻力變大，從而引起掉片的原因有3種：①吸盤調節(jié)不居中；②手臂轉不到位；③手臂左右晃動幅度不一致。

3.將0.5片氟哌酸（含量0.125 g）與3～5 ml蜂膠酊混合后給仔豬灌服，一般連服2～3劑即可。蜂膠酊可用蜂膠溶解在95%的酒精中制成，濃度以20%為宜。

圖3 硅片左右碰觸示意圖

①吸盤調節(jié)不居中。把吸盤伸到片架里面來查看左右是否居中，不居中有2種可能，一是調節(jié)吸盤在片架左右的時候，沒有調好，這時候我們可以先把吸盤左右居中調好。再反復旋轉查看是否有變化，沒有變化的就是當初沒有調好，有變化的話就是下面的原因。

②手臂轉不到位。手臂多次旋轉后轉不到位，導致吸盤不居中碰到片架左右邊緣掉片。初始化就可以轉到位，這個一般都是手臂傳動系統(tǒng)有問題，可以檢查一下皮帶是否松動掉齒，手臂傳動平臺是否松動，電機是否固定不牢。

③手臂左右晃動幅度不一致。手臂伸進片架后是居中的，但是在伸縮的過程中左右晃動的幅度不一致，比如往左晃動得比右大，這需要多次伸縮仔細觀察。這種情況一般是齒輪箱有異常，需要重新安裝齒輪箱或者更換新的齒輪箱。

3.2.2 上下碰觸

當吸盤伸進片架的時候，吸盤腳露出硅片1 mm左右，硅片吸起后和片槽之間的間隙，是硅片在片槽的中間稍微偏上一點（圖4）。吸盤和硅片的間隙過大或者過小，都會導致硅片吸起的過程中，碰到片架的上下邊緣，阻力變大，從而引起掉片。

圖4 硅片上下碰觸示意

依據此時相接觸的備件來分析，上下碰觸的原因有4個：①片架水平異常；②吸盤水平異常；③片架高度異常；④手臂高度發(fā)生變化。

下面詳細分析這4個原因的解決辦法：

①片架水平異常。片架前后左右水平，要求絕對水平，放上水平儀查看是否水平，不水平的話，調整水平。當片架左右水平不好時候，硅片吸起的時候，水平高的一邊碰到片架上方，導致掉片。當片架前后水平不好的時候，硅片縮回去的時候，片架里頭水平低，硅片碰到片架上邊緣，片架里頭水平高，硅片碰到片架下邊緣。

②吸盤水平異常。吸盤在片架里面的水平要求，左右絕對水平，前頭可以稍微高一點。當吸盤水平異常的時候和片架水平異常一樣，會導致硅片吸起來縮回去的過程中碰觸片架上邊緣或者下邊緣。

③片架高度調節(jié)異常。片架高度異常，將會直接導致硅片吸起的時候，碰觸片架上下邊緣掉片。一般2種情況會導致片架高度異常：片架高度調節(jié)不到位，片架升降系統(tǒng)異常。若是片架高度調節(jié)不到位，則檢查：重新按要求調整片架高度，使硅片吸起后在片槽的中間偏上一點，并把掃描硅片的激光探頭調好，使硅片在片槽中間顯示（圖5）。若是片架升降系統(tǒng)異常，則檢查：如果重新調好片架高度后，升降幾次片架高度又有變化，那么就可能是升降系統(tǒng)這里有問題了?？梢圆榭磦鲃酉到y(tǒng)有無異常，電機是否損壞需要更換。

圖5 第13檔硅片掃描顯示

④手臂高度發(fā)生變化。手臂高度變化，一般都是手臂下垂。下垂的原因有3點：不正常高溫烘烤下垂；質量差；使用久了自然下垂。

不正常高溫烘烤下垂的處理：程序設置不合理，導致手臂受到高溫烘烤的時間長，冷卻時間又比較短，手臂這樣工作負荷比較大，傳片實驗可以明顯看到手臂下垂，這就需要更改程序設置。

質量差的處理：運行程序正常，但是傳片實驗后發(fā)現(xiàn)手臂下垂了，而且冷卻后又恢復高度，這樣的手臂就是質量不好，建議更換。如果冷卻后高度沒有恢復，那么重新調整片架高度，再做傳片實驗，確定手臂高度不再變化了，那就沒有問題，如果手臂有下垂且可以恢復，那么這個手臂就不能用。

使用久了自然下垂的處理：一個手臂是有使用壽命的，長時間使用后，關節(jié)磨損，手臂長期經過高溫烘烤，會受損，這樣的手臂下垂，只有更換新手臂使用了。

3.3 吸盤腳作用力異常

吸盤腳起到穩(wěn)定硅片的作用，平衡吸盤對硅片向后的拉力，吸盤腳長期和硅片碰觸表面會受損，當吸盤腳上有一個小凹口的時候，硅片吸起的過程中被小凹口卡住導致掉片（圖6）。

圖6 硅片被吸盤腳卡住示意圖

吸盤腳表面有磨損后需要更換，最后需要用專用工具測試，吸盤腳高度安裝是否符合標準。

3.4 硅片重力變大

吸盤吸力最主要的就是克服硅片的重力，吸盤流量的大小是根據硅片的大小來設置的，如果某個硅片的重力偏大，吸力不夠就會導致掉片。不過這種可能性很小，一般硅片只有微觀的缺陷，重力大小不會相差太大，所以這個原因可以暫不考慮。

還有一種可能就是硅片翹曲，表面不平需要的吸力增大，變相等于重力增大，這時可以通過幾何參數設備測量幾何參數來確認硅片是否翹曲。

4 結論

綜上所述，單片機臺機械手穩(wěn)定裝取片的影響因素，可從硅片受到的4個作用力出發(fā)分析，得出4個原因：（1）吸盤吸力變?。唬?）外界阻力變大；（3）吸盤腳作用力異常；（4）硅片重力變大。

掉片故障發(fā)生后，排查原因從機臺設置到人為調試，最后考慮備件質量原因，影響裝取片的因素，文章僅以問題產生的現(xiàn)象，對原因進行不斷分析，得出結論后采取相對的解決方案，取得了較好調整結果，不排除還有其他偶發(fā)因素。