材料制备与设备 电子工业苣用设备 ■ 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） 摘 要：介绍了应用于硅片传输系统的机械手发展现状，主要针对１２英寸全自动探针测试台的 工艺需要进行机械手系统设计，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。 关键词：硅片；传输系统；机械手；探针测试台 中图分类号：ＴＮ３０５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００４—４５０７（２０１２）０３—００３６．０５ Ｒｏｂｏｔ Ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ Ｗａｆｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ＬＶ Ｌｅｉ，ＨＵ Ｘｉａｏｘｉａ，ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇｙｕ （Ｔｈｅ ４５ｔｈ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＥＴＣ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０１６０１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｉｎ ｗａｆｅｒ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｄｅｓｉｇｎ ｉＳ ａｉｍｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ １ ２ ｉｎｃｈ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｐｒｏｂｅ ｓｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ａｌｓｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｆｒａｍｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｉｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｒｏｂｏｔ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｃａｎ ｅｘｔｅｎｄ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒｓ ｍａｃｈｉｎｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｐｒｏｄｕｃｔ ｌｉｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ；ｃａｎ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅ ｅｎｏｒｍｏｕｓｌｙ ｔｏ ｔｈｅ ｈｏｍｅｇｒｏｗｎ ｐｒｏｄｕｃｔ ｌｉｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ⅵ ｆｅｒ：Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ；Ｒｏｂｏｔ；Ｐｒｏｂｅ Ｓｔａｔｉｏｎ 集成电路（ＩＣ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）是电子信息产 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 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 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【４Ｊ。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 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 收稿日期：２０１１－１１－０１ ■ 电子工业董用设吝 材料制备与设备 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 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 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 ｉｎｌＴｌ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ｌ０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×ｌ０ Ｐａ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（ — ）型机械 互，他的每个关节处都有一立的电机，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，其扒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， 向重复定位精度可达± ０．００５。，可用在洁净等级为ｌ０级的洁净环境中。 图１ ＡＤＥＰＴ Ｓ３５０ＣＲ平面关节型机械手 典型的Ｒ． 型机械手有３个自由度，分别为 （径向）运动、 （旋转）运动和 （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［５１。 图２所示的是日本ＲＯＲＺＥ公司开发的ＲＲ７００系 列就是典型的Ｒ— 型机械手，其Ｒ向重复定位精 度可达±０．０５ ｒｎｎｌ， 向重复定位精度可达± ０．００８。， 轴重复定位精度可达±０．０２ ｍｍ，可用 在洁净等级为ｌ０级的洁净环境中。 材料制备与设备 电子工业董用设吝 － 图２ ＲｏＲＺＥ ＲＲ７００ Ｒ一０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 白东京精密（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 ． ）型机械手，在初次设计中首 先完成单托盘式径向直线运动（尺． ）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 ． ）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 向抬升到取片高度，机械手伸向片盒 向 微抬 ‘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、 、 ） 机构形式：Ｒ（径向）运动、 （旋转）运动和 （上 下１运动 驱动方式：分别为ＡＣ伺服电机驱动。 运动范围：Ｒ向：５００ ｍｍ；０向：２００。； 向：３００ ｍｍ 最大速度：Ｒ向：３００ ｍｍ／ｍ；０向：２００。／ｓ； 向：３００ ｍｍ／ｓ 重复定位精度： 向：±０．１ ｍｍ；０向：±０．０３。； 向：±０．０５ ｍｍ 抓取质量：１ ｋｇ 机械手各部件如图５所示。 － 电子工业毫用设备 材料制备与设备 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 ｒ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。 ０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 （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一０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１：２ｔ 。 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［ ，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／０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。 Ｚｈａｎｇｔ ］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 材料制备与设备 电子工业苣用设备 ■ 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— ）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 ｍｌｒｌ、０．８ Ｉｘｍ， 到９０年代的２００ ｍｍ、０．３５ ｔｘｍ，直到今天的 ３００ ｍｉｎ、０．１８ Ｉｘｍ，逐渐向４５０ ｍｍ、０．０５ ｔｘｍ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。 参考文献： ［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： ２００４２０１ １３０１３．１，２００４． ［６】 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