褚金錢 徐 方

1.中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所機(jī)器人國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)，110016 2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京，100049

0 引言

集成電路制造業(yè)的特點(diǎn)是超精密化、超潔凈環(huán)境和細(xì)微化，加工工藝涉及近百道工序，其中有許多重要的工藝環(huán)節(jié)需要在真空環(huán)境下完成。加工過(guò)程中，硅片需要在生產(chǎn)線上不同的工藝加工模塊之間進(jìn)行高效的傳輸和定位，半導(dǎo)體設(shè)備前端模塊（equipment front－end module，EFEM）是完成這一任務(wù)的關(guān)鍵裝備。

裝載端口由支撐系統(tǒng)（符合BOLTS—M標(biāo)準(zhǔn)）、開盒裝置、映射定位系統(tǒng)等組成，其主要功能是通過(guò)開盒裝置實(shí)現(xiàn)晶圓盒的開門動(dòng)作，同時(shí)映射定位系統(tǒng)掃描晶圓盒里的晶圓位置信息，并將此位置信號(hào)反饋給半導(dǎo)體設(shè)備前端模塊的控制系統(tǒng)。

目前，國(guó)外科研單位主要從事裝載端口的晶圓盒夾緊機(jī)構(gòu)、晶圓盒門的吸附方式和開鎖機(jī)構(gòu)、晶圓掃描的算法優(yōu)化等方面研究，對(duì)裝載端口開盒裝置和映射定位系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究相對(duì)較少，且主要采用傳統(tǒng)的氣缸驅(qū)動(dòng)方式。該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)需要3個(gè)氣缸來(lái)執(zhí)行動(dòng)作，具有氣缸數(shù)量多、占用空間大、動(dòng)作復(fù)雜、不易控制等缺點(diǎn)。

根據(jù)裝載端口開盒裝置和映射定位系統(tǒng)動(dòng)作執(zhí)行的功能需求，筆者運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的型綜合理論，將平行四連桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)串聯(lián)起來(lái)作為裝載端口開盒裝置、映射定位系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。利用MATLAB仿真組件中的SimMechanism模塊建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型，得到開盒裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡，并將其與傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)仿真模型的運(yùn)動(dòng)特性曲線進(jìn)行比較。

1 建立傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的Simulink模型

EFEM主要包括支撐殼體、操作機(jī)械手（安裝有校平螺釘）、機(jī)械手移動(dòng)單元、預(yù)對(duì)準(zhǔn)器、裝載端口組件等，裝載端口組件是EFEM中非常關(guān)鍵的部分，如圖1所示。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)EFEM的研究基本上處于起步階段，半導(dǎo)體生產(chǎn)線的自動(dòng)化設(shè)備（如裝載端口）幾乎都靠引進(jìn)國(guó)外產(chǎn)品，因此對(duì)其研究就顯得非常重要。

如圖2所示，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的裝載端口采用對(duì)射式光纖傳感器，由3個(gè)氣缸分別驅(qū)動(dòng)開盒裝置和映射定位系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)形式上，它們包括1個(gè)沿豎直方向的直線運(yùn)動(dòng)和2個(gè)繞支點(diǎn)A的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)用 MATLAB中的Simulink／Sim－Mechanism建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的模型（圖3），根據(jù)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中開盒機(jī)構(gòu)和映射定位系統(tǒng)動(dòng)作執(zhí)行的工作空間要求來(lái)設(shè)置模型中機(jī)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)。

圖1 EFEM結(jié)構(gòu)圖

圖2 傳統(tǒng)的裝載端口結(jié)構(gòu)圖［1］

根據(jù)機(jī)械手抓取晶圓的工作空間要求，設(shè)置Simulink模型中的控制信號(hào)（圖4）來(lái)保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確地模擬運(yùn)動(dòng)軌跡。開盒裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡由1個(gè)繞支點(diǎn)A的轉(zhuǎn)動(dòng)和1個(gè)沿豎直方向的移動(dòng)共同實(shí)現(xiàn)，故只需2路位移控制信號(hào)。圖4中的Y1、Y2為裝載端口的2路位移控制信號(hào)（分別驅(qū)動(dòng)門繞支點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿豎直方向的升降）。通過(guò)微分模塊對(duì)這2路位移信號(hào)進(jìn)行一次微分、二次微分處理就可以獲得與之對(duì)應(yīng)的速度曲線、加速度曲線，然后用Mux模塊合成位移信號(hào)、速度信號(hào)和加速度信號(hào)，并以此作為仿真模型的控制信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。因?yàn)镸ATLAB工作空間中只能處理n×2（行數(shù)為n，列數(shù)為2）的矩陣，即我們需要對(duì)位移曲線信號(hào)進(jìn)行矩陣運(yùn)算后才能把它作為激勵(lì)信號(hào)輸出到SimMechanism模型中。

圖3 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的裝載端口模型圖

圖4 位移控制信號(hào)

2 基于連桿理論的Simulink模型

如圖2所示，裝載端口的開門機(jī)構(gòu)主要用來(lái)執(zhí)行晶圓盒門的開啟、關(guān)閉操作，驅(qū)動(dòng)映射定位系統(tǒng)的對(duì)射式光纖傳感器沿豎直方向移動(dòng)來(lái)獲取晶圓盒里的晶圓位置信息。晶圓盒門開啟后，開門機(jī)構(gòu)執(zhí)行如下動(dòng)作：驅(qū)動(dòng)晶圓盒門下降至映射定位系統(tǒng)起始位置處→映射定位系統(tǒng)向前運(yùn)動(dòng)伸進(jìn)晶圓盒內(nèi)→驅(qū)動(dòng)映射定位系統(tǒng)掃描晶圓盒里的晶圓位置信息→映射定位系統(tǒng)機(jī)械手做縮進(jìn)運(yùn)動(dòng)退出晶圓盒→驅(qū)動(dòng)晶圓盒門下降至完全開啟位置處。至此開門機(jī)構(gòu)完成整個(gè)開門動(dòng)作。反之，按照逆序執(zhí)行該流程來(lái)完成關(guān)門動(dòng)作。

在設(shè)計(jì)開門機(jī)構(gòu)時(shí)，要求開門機(jī)構(gòu)能執(zhí)行晶圓盒門的開啟、關(guān)閉操作并驅(qū)動(dòng)映射定位系統(tǒng)掃描晶圓盒里的晶圓位置信息。上述任務(wù)過(guò)程執(zhí)行中，要求相關(guān)操作能夠有序、準(zhǔn)確進(jìn)行，各種動(dòng)作之間不會(huì)相互干涉，能滿足各動(dòng)作的執(zhí)行精度要求，且具有很好的柔順性，以便完成晶圓的工藝處理過(guò)程。與此同時(shí)，開門機(jī)構(gòu)相對(duì)整個(gè)裝載端口具有嚴(yán)格的位置要求，即當(dāng)被放置在裝載端口前端運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的晶圓盒移動(dòng)至分界面處時(shí)，開門機(jī)構(gòu)在開啟位置處能夠吸附晶圓盒門，同時(shí)，連桿機(jī)構(gòu)在其工作空間范圍內(nèi)能順利執(zhí)行開啟、關(guān)閉操作，并保證映射定位系統(tǒng)能夠掃描整個(gè)晶圓盒里的晶圓。

基于連桿理論的裝載端口改變傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的對(duì)射式光纖傳感器，采用反射式激光傳感器。運(yùn)用機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的型綜合方法，將平行四連桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)串聯(lián)起來(lái)作為裝載端口的驅(qū)動(dòng)裝置，只需1個(gè)氣缸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)形式上，開盒裝置（由平行四連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)）的運(yùn)動(dòng)可分解為豎直運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)，映射定位系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)是曲柄滑塊結(jié)構(gòu)的滑塊沿豎直方向的直線移動(dòng)。

在設(shè)計(jì)開門機(jī)構(gòu)時(shí)，對(duì)其初始狀態(tài)位置、開門狀態(tài)位置及工作區(qū)域都有嚴(yán)格限制，工作空間具體要求如圖5所示。

圖5 位置要求示意圖

2.1 解析法分析裝載端口的運(yùn)動(dòng)特性

為了研究整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，采用復(fù)數(shù)矢量法［2］進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析（為便于解析法分析，我們將組合連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)90°）。以O(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立圖6所示的直角坐標(biāo)系，取逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎较?，CH＝a（a為門的目標(biāo)點(diǎn)與連桿鉸接點(diǎn)的距離）。該平面連桿機(jī)構(gòu)由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)OCE和平行四連桿機(jī)構(gòu)OBCD串聯(lián)組合［3］，桿DG為外部驅(qū)動(dòng)源。在該坐標(biāo)系下建立機(jī)構(gòu)的位置方程，根據(jù)位置方程對(duì)時(shí)間分別求一次導(dǎo)數(shù)和二次導(dǎo)數(shù)，得出機(jī)構(gòu)的速度和加速度方程，解出有關(guān)桿件的位置、速度和加速度，從而完成機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。平行四連桿機(jī)構(gòu)OBCDG［4］的運(yùn)動(dòng)分析如下。

圖6 組合連桿機(jī)構(gòu)分析圖

2.1.1 基于D點(diǎn)建立函數(shù)關(guān)系

（1）位置分析。建立圖6所示的直角坐標(biāo)系，其中l(wèi)1為桿AC的長(zhǎng)度，l2為桿CD的長(zhǎng)度，l4為桿D G的長(zhǎng)度，φ為桿AC與X軸的夾角，θ4為DG與X負(fù)向的夾角，（xG，yG）是G點(diǎn)在直角坐標(biāo)系OXY中的坐標(biāo)。根據(jù)桿件的位置關(guān)系，列出投影方程：

X方向

Y方向

故可以求得

故可以求得

2.1.2 基于H點(diǎn)建立函數(shù)關(guān)系

（1）位置分析。建立如圖6所示的直角坐標(biāo)系，根據(jù)桿件的位置關(guān)系，列出投影方程：X方向

Y方向

2.1.3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)OCE［5］的運(yùn)動(dòng)（基于E點(diǎn)建立函數(shù)關(guān)系）分析

（1）位置分析。建立如圖6所示的直角坐標(biāo)系，（xE，yE）是E點(diǎn)在直角坐標(biāo)系OXY中的坐標(biāo)，θ3為桿EC與X正向的夾角。根據(jù)桿件的位置關(guān)系，列出投影方程：

X方向

Y方向

由式（11）代入式（10）可得

故可以求得

（3）加速度分析。對(duì)式（10）、式（11）進(jìn)行二次求導(dǎo)（aE為滑塊E的加速度），解方程可以得到

2.2 建立裝載端口的Simulink模型［6-8］

根據(jù)Semi標(biāo)準(zhǔn)［9］要求設(shè)計(jì)裝載端口的開門機(jī)構(gòu)，準(zhǔn)確安裝在裝載端口合適位置處。結(jié)合開門機(jī)構(gòu)的工作原理，分析并繪出該開門機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，確定各桿件的尺寸參數(shù)：OB＝CD＝320mm，OC＝BD＝202mm，映射定位系統(tǒng)的反射式激光傳感器在圖6所示坐標(biāo)系位置坐標(biāo)E（－75mm，72mm）。利用 MATLAB中的Simulink／SimMechanism模塊建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的模型圖（圖7）。

圖7 裝載端口模型圖（基于連桿理論）

根據(jù)機(jī)械手抓取晶圓的工作空間要求，設(shè)置Simulink模型中的控制信號(hào)（圖8），以保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)能準(zhǔn)確地模擬運(yùn)動(dòng)軌跡。圖7中，Y為裝載端口的位移控制信號(hào)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)串聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。

圖8 位移控制信號(hào)

3 仿真結(jié)果分析

搭建裝載端口模型后，Simin模塊將工作空間workspace中的速度信號(hào)輸入到仿真模型，為控制系統(tǒng)提供激勵(lì)信號(hào)。由Joint Actuator模塊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，以保證裝載端口能夠準(zhǔn)確地執(zhí)行開盒動(dòng)作和晶圓的映射定位功能。仿真過(guò)程中，加載在目標(biāo)點(diǎn)處的Joint Sensor模塊輸出相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性信號(hào)（如位移、速度、加速度等），考慮到基于連桿理論開門機(jī)構(gòu)的軌跡曲線直接影響到該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，因此論文重點(diǎn)分析比較設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的軌跡曲線與傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的軌跡曲線。通過(guò)建立裝載端口的仿真模型、動(dòng)態(tài)模擬設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的裝載過(guò)程和卸載過(guò)程，形象直觀地再現(xiàn)裝載端口的動(dòng)作流程，并輸出開盒裝置運(yùn)動(dòng)的軌跡曲線，如圖9、圖10所示，設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)中滑塊的速度、加速度曲線如圖11、圖12所示。大，過(guò)渡過(guò)程平穩(wěn)，且加速度控制在30mm／s2以內(nèi)，能更好地執(zhí)行開盒動(dòng)作和映射定位掃描動(dòng)作，有效減小周圍氣流擾動(dòng)并獲得Semi標(biāo)準(zhǔn)中所需的 Mini環(huán)境（Class 1000）。

圖9 連桿理論的軌跡曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的型綜合方法將平行四連桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)串聯(lián)起來(lái)，為裝載端口開盒裝置、映射定位系統(tǒng)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，是裝載端口組件設(shè)計(jì)中的一種創(chuàng)新思路。通過(guò)MATLAB的Simulink／SimMechanism模塊建立仿真模型，獲得開盒裝置運(yùn)動(dòng)的軌跡曲線，其運(yùn)動(dòng)學(xué)特性符合半導(dǎo)體設(shè)備前端模塊的動(dòng)作需求和工作空間要求，對(duì)裝載端口設(shè)計(jì)具有一定的工程指導(dǎo)意義。

圖10 傳統(tǒng)的軌跡曲線

圖11 滑塊的速度曲線

圖12 滑塊的加速度曲線

設(shè)計(jì)時(shí)，將裝載端口布置在半導(dǎo)體設(shè)備前端模塊內(nèi)合適位置處，運(yùn)用Solidworks動(dòng)態(tài)模擬開門機(jī)構(gòu)的執(zhí)行過(guò)程。結(jié)果表明，基于連桿理論開門機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡在EFEM可允許的空間范圍內(nèi)且不會(huì)對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉。

基于連桿理論設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)只需1路控制信號(hào)，這樣就能很好地優(yōu)化開門機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡。通過(guò)規(guī)劃控制信號(hào)，可以使滑塊的速度達(dá)到55mm／s，加速度控制在30mm／s2以內(nèi)，能更好地避免傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)中的加速?zèng)_擊等問(wèn)題。

通過(guò)與傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)曲線比較，我們不難看出，基于連桿理論的軌跡曲線起始段曲率半徑

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