李學(xué)威，鮑君善，路 平，何書(shū)龍

(沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，沈陽(yáng) 110168)

硅片真空傳輸平臺(tái)前端真空室的研制*

李學(xué)威，鮑君善，路 平，何書(shū)龍

(沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，沈陽(yáng) 110168)

文章設(shè)計(jì)并研制了8英寸硅片真空傳輸平臺(tái)，介紹了該傳輸平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)，并對(duì)關(guān)鍵模塊前端傳輸腔室VCE中的CTA傳輸手托盤系統(tǒng)進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)分析。垂直升降系統(tǒng)采用絲杠傳動(dòng)，CTA傳輸手采用平面四連桿機(jī)構(gòu)增大剛度。對(duì)傳輸手主動(dòng)桿強(qiáng)度和變形量進(jìn)行了有限元仿真分析。經(jīng)過(guò)重復(fù)運(yùn)行精度實(shí)驗(yàn)測(cè)試，整個(gè)平臺(tái)達(dá)到了硅片制造要求。

硅片；真空傳輸；有限元

0 引言

20世紀(jì)90年代以后，隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)也被引入到半導(dǎo)體制作的過(guò)程當(dāng)中[1]。半導(dǎo)體產(chǎn)品在制作中往往需要研磨機(jī)、拋光機(jī)、光刻機(jī)、劃片機(jī)等獨(dú)立的工藝制造單元，同時(shí)需要傳輸系統(tǒng)將硅片在各個(gè)獨(dú)立的工藝制造單元進(jìn)行傳輸和定位[2]。為了確保硅片在不同的工藝工位之間快速、準(zhǔn)確、可靠地傳輸，傳輸系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和可靠性顯得十分重要[3]。與此同時(shí)，應(yīng)該對(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)的硅片傳輸系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)特性、反應(yīng)靈敏性、運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性以及工作穩(wěn)定可靠性等方面提出較高的要求[4]。目前少量的大學(xué)及研究所在進(jìn)行相關(guān)的科學(xué)研究，如結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]、軌跡規(guī)劃[6]、安全保護(hù)[7]等。

本文以研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的硅片真空傳輸平臺(tái)為目標(biāo)，著重探討了VCE系統(tǒng)中傳輸手及托盤系統(tǒng)(Cassette Transfer Arm，CTA)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。從保證重復(fù)運(yùn)動(dòng)精度性考慮，設(shè)計(jì)真空腔室片盒升降裝置系統(tǒng)以及CTA傳輸手，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。該硅片傳輸真空平臺(tái)具有模塊化和高集成度的特點(diǎn)，減少了裝配、調(diào)試和后期維護(hù)過(guò)程中對(duì)潔凈度乃至對(duì)加工產(chǎn)品合格率造成的影響。

1 硅片平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)方案

1.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)構(gòu)成

如圖1所示，本文研制的硅片傳輸平臺(tái)由五大模塊組成，分別為真空腔室片盒升降裝置模塊、末端真空傳輸腔室模塊、真空直驅(qū)手模塊、預(yù)對(duì)準(zhǔn)模塊和底部支撐框架模塊，其中前端真空腔室片盒升降系統(tǒng)又分為結(jié)構(gòu)相同的左右兩個(gè)腔室，五大模塊在結(jié)構(gòu)上各自獨(dú)立，按照結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行組裝，這樣的模塊化設(shè)計(jì)大大降低了設(shè)備的加工、裝配難度，盡可能的減少設(shè)備工作過(guò)程中對(duì)潔凈度和真空度的影響，同時(shí)也降低了調(diào)試和后期維護(hù)的成本。

圖1 傳輸平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)圖

本平臺(tái)的工作過(guò)程如下：待處理的硅片放置于硅片盒(待加工片盒)當(dāng)中，由真空直驅(qū)手從左側(cè)真空腔室片盒升降裝置取出，送入預(yù)對(duì)準(zhǔn)模塊中進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，之后再由真空直驅(qū)手從預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置將其取出放入到末端真空傳輸腔室中，等待后續(xù)的加工處理，加工處理完成后，再通過(guò)真空直驅(qū)手拾取，放入到右側(cè)真空腔室片盒升降裝置的硅片盒(加工完成片盒)中，儀器復(fù)位，完成一次傳輸過(guò)程。

圖2為真空傳輸平臺(tái)的俯視圖，可以看出本傳輸平臺(tái)采用的是集束式的傳輸結(jié)構(gòu)[8]，主傳輸腔形狀為蛙腿式，出片盒左VCE腔室和收片盒右VCE腔室分別位于兩個(gè)相鄰支腿處，其他的支腿處可根據(jù)需要安裝相應(yīng)的加工單元，末端真空腔室的真空直驅(qū)手根據(jù)提前編輯好的程序進(jìn)行傳輸路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)硅片在硅片盒體和加工單元之間的傳輸。此類結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊，傳輸效率高和易于實(shí)現(xiàn)高潔凈度的特點(diǎn)。

圖2 傳輸平臺(tái)俯視圖

在傳輸過(guò)程中，前端真空腔室片盒升降模塊作為硅片加工處理前后的儲(chǔ)存單元，其穩(wěn)定性和精度對(duì)傳輸過(guò)程有很大的影響，本文設(shè)備中的硅片盒放置于CTA 傳輸手之上，CTA整體置于升降系統(tǒng)裝置之內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)硅片盒的上下升降運(yùn)動(dòng)，同時(shí)CTA傳輸手一側(cè)與旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)裝置相連，可帶動(dòng)CTA傳輸手中的連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一定的軌跡姿態(tài)，進(jìn)而對(duì)硅片盒的平面位置進(jìn)行定位，滿足硅片傳輸過(guò)程中對(duì)硅片盒的取放位置要求。

1.2 真空腔室片盒升降裝置結(jié)構(gòu)構(gòu)成

VCE傳輸腔室系統(tǒng)由VCE傳輸腔室、自動(dòng)開(kāi)關(guān)門裝置、CTA傳輸手及托盤、CASSETTE真空升降裝置、CASSETTE真空旋轉(zhuǎn)裝置、真空系統(tǒng)和充氣系統(tǒng)組成，VCE真空傳輸腔室系統(tǒng)示意如圖3所示。

圖3 VCE傳輸腔室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 VCE腔室關(guān)鍵件選型及仿真設(shè)計(jì)

CTA傳輸手作為VCE腔室當(dāng)中的移動(dòng)執(zhí)行部件，整體安裝在真空旋轉(zhuǎn)裝置之上，通過(guò)與之連接的Z軸滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)上下的垂直運(yùn)動(dòng)，同時(shí)添加連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)硅片盒的平面運(yùn)動(dòng)，二者的結(jié)合就可以實(shí)現(xiàn)硅片盒的整體移動(dòng)。

2.1 CTA傳輸手垂直升降系統(tǒng)關(guān)鍵部件選型校核

本文研制的升降系統(tǒng)采用的是滾珠絲杠的傳動(dòng)方式，具有傳動(dòng)平穩(wěn)、精度高等特點(diǎn)。其中滾珠絲杠的選型是十分重要的環(huán)節(jié)[9]，系統(tǒng)對(duì)硅片盒CTA的重復(fù)定位精度為0.1mm/300mm，所以選擇的滾珠絲杠必須滿足此要求。本文選擇了THK公司帶有球保持器的精密滾珠絲杠，其精度等級(jí)為C5，可達(dá)到0.1mm/300mm 的運(yùn)行誤差，與此同時(shí)，該滾珠絲杠可垂直使用，軸向載荷作用于一個(gè)方向，所以軸向間隙并不會(huì)對(duì)行程造成影響。

根據(jù)螺母長(zhǎng)度100mm，絲杠軸末端長(zhǎng)度100mm以及行程長(zhǎng)度250mm確定整個(gè)絲杠軸的長(zhǎng)度為450mm，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速Nm為3000/min、最高速度為Vmax為0.05m/s，滾珠絲杠的導(dǎo)程Ph計(jì)算如下：

此可確定導(dǎo)程需0.5mm，另外，滾珠絲杠和馬達(dá)之間用同步帶輪進(jìn)行減速，減速比2，滾珠絲杠導(dǎo)程選擇10mm，根據(jù)上述條件及絲杠的安裝空間選擇絲杠軸直徑為20mm，導(dǎo)程為10mm。

2.2 CTA傳輸手水平運(yùn)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)分析

2.2.1 CTA傳輸手平面四桿機(jī)構(gòu)建立

VCE腔室當(dāng)中的CTA傳輸手不僅可以實(shí)現(xiàn)上下的垂直運(yùn)動(dòng)，還可以對(duì)自身姿態(tài)進(jìn)行一定角度的調(diào)節(jié)，針對(duì)應(yīng)用于真空潔凈的環(huán)境，本文選擇了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠性高的四連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能，同時(shí)四連桿機(jī)構(gòu)可增大剛性，減少自由度，節(jié)約成本[10]，圖4為四連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖4 四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

根據(jù)四桿機(jī)構(gòu)原理[11]，結(jié)合VCE腔室結(jié)構(gòu)，經(jīng)計(jì)算取機(jī)架AB=33mm，主動(dòng)桿AC=285.8mm，從動(dòng)桿BC=275.7mm，連桿CD=32.5mm，主動(dòng)桿旋轉(zhuǎn)角度α=64.5°，可實(shí)現(xiàn)硅片盒按上圖軌跡移動(dòng)，首先對(duì)CTA傳輸手的連桿機(jī)構(gòu)將進(jìn)行分析以滿足CTA對(duì)位置移動(dòng)所需的要求，CTA傳輸手系統(tǒng)設(shè)計(jì)為由大臂、主動(dòng)連桿、從動(dòng)桿、CTA托盤、主動(dòng)連桿擋塊、連桿輔助支撐板構(gòu)成，其中連桿輔助支撐板為固定桿，CTA托盤為連桿與主動(dòng)連桿和從動(dòng)桿共同組成四桿機(jī)構(gòu)。

大臂固定在升降系統(tǒng)之上，主動(dòng)連桿與旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過(guò)連接軸連接，二者之間采用鍵連接，使其能夠隨著轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，即可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)對(duì)于主動(dòng)連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)控制；從動(dòng)桿的一端通過(guò)螺紋固定在主動(dòng)桿上，另一端開(kāi)孔與固定于CTA大臂之上的固定軸相配合，從動(dòng)桿和固定軸之間安裝有軸承，可自由的沿其固定軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5為CTA傳輸手的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)圖，左圖表示的是硅片盒處于VCE腔室當(dāng)中的工作狀態(tài)，右圖表示的是傳輸手運(yùn)動(dòng)將硅片盒送出VCE腔室時(shí)的工作狀態(tài)。當(dāng)硅片盒裝滿硅片，需要從VCE腔室中取出，這時(shí)VCE系統(tǒng)模塊中的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)帶動(dòng)主動(dòng)桿沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從動(dòng)桿配合其維持軌跡姿態(tài)，到達(dá)指定的裝卸位置。

圖5 CTA傳輸手運(yùn)動(dòng)姿態(tài)圖

2.2.2 CTA傳輸手形變分析

上一小節(jié)中設(shè)計(jì)的CTA傳輸手，主動(dòng)桿和從動(dòng)桿為細(xì)長(zhǎng)的懸臂梁結(jié)構(gòu)，在CTA傳輸手運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，兩個(gè)桿的末端受到硅片盒及安裝基座重力所致的向下壓力，這個(gè)壓力會(huì)造成兩個(gè)桿產(chǎn)生形變，進(jìn)而影響CTA傳輸手的運(yùn)行精度，掌握他們的形變量情況是十分必要的，其中主動(dòng)桿承受絕大部分的重力，所以單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行受力分析。

根據(jù)CTA傳輸手的運(yùn)行方式，可以確定當(dāng)其完全伸展開(kāi)將硅片盒輸送到VCE之外時(shí)，主動(dòng)桿的形變量最大。本文是在Solidworks軟件當(dāng)中利用Simulation插件對(duì)主動(dòng)桿進(jìn)行有限元分析，首先建立連桿的簡(jiǎn)化模型，硅片盒和底盤當(dāng)做一個(gè)整體負(fù)載，總重為6.2kg，即產(chǎn)生60.76N的壓力，將其作用在主動(dòng)桿的末端安裝孔，主動(dòng)桿的另一端進(jìn)行固定約束，之后按照系統(tǒng)推薦的參數(shù)進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，運(yùn)行得到結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 主動(dòng)桿受力后應(yīng)力圖

圖7 主動(dòng)桿受力后位移圖

從圖中可以得出，受力后的主動(dòng)桿最大應(yīng)力出現(xiàn)在靠近銷孔的折彎處，大小為5.207×106MPa，本文主動(dòng)桿的材質(zhì)為鎂鋁合金6061-T6，其屈服極限為2.750×108MPa，所以主動(dòng)桿在材料的強(qiáng)度上是滿足要求的；我們比較關(guān)注的最大形變位移為0.046mm，可以滿足在系統(tǒng)的運(yùn)行精度。同時(shí)本文設(shè)計(jì)的CTA傳輸手最大負(fù)載重量為9.1kg，相應(yīng)的仿真結(jié)果為：主動(dòng)桿最大應(yīng)力為1.008×107MPa，相比3.3kg負(fù)載增加了約一倍，但仍遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，滿足強(qiáng)度要求；最大形變量為0.089mm。兩組仿真得到的形變量數(shù)據(jù)也可以用來(lái)指導(dǎo)硅片盒裝卸的軟件編程，對(duì)硅片盒的裝卸裝置進(jìn)行定位修正。

3 VCE關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試

本文對(duì)VCE腔室中傳輸手的Z軸垂直精度以及X軸水平精度做了測(cè)試驗(yàn)證，目的是確保CTA傳輸手的重復(fù)運(yùn)動(dòng)精度能夠滿足使用要求，Z軸具體的測(cè)試步驟如下：

(1)啟動(dòng)工控機(jī)中的上位機(jī)程序，設(shè)置Z軸上下移動(dòng)的速度；

(2)將千分表置于VCE托盤運(yùn)動(dòng)極限位置底側(cè)，使托盤壓下千分表表針示數(shù)2～3mm,撥動(dòng)磁性座旋鈕固定好，千分表清零；

(3)打開(kāi)測(cè)試程序軟件，用數(shù)據(jù)線連接千分表與上位機(jī)；

(4)在測(cè)試程序中，于測(cè)試位置觸發(fā)指令前后，分別加入1s、4s的延遲，啟動(dòng)程序自動(dòng)運(yùn)行；

(5)記錄測(cè)試結(jié)果。

水平X軸的測(cè)試方式與Z軸大致相同，在這里不在具體的闡述，兩個(gè)方向的測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 Z軸與X軸重復(fù)度測(cè)試結(jié)果(單位：mm)

從表中我們可以看出，第二節(jié)當(dāng)中選型設(shè)計(jì)的Z軸重復(fù)精度表現(xiàn)優(yōu)秀， 3std誤差為0.008，滿足使用要求，與此同時(shí)X軸的水平重復(fù)精度3std誤差為0.698，因水平精度要求較為寬松，同樣可以滿足使用要求。同時(shí)本文對(duì)VCE傳輸手滿載情況的運(yùn)行狀態(tài)也進(jìn)行了定性測(cè)試，測(cè)試步驟如下:

(1)將硅片盒取下，硅片盒的所有層均疊片布置，共計(jì)盛裝50片硅片，將其整體置于電子秤上稱重，記錄重量信息；

(2)裝滿了硅片的硅片盒重新安放于CTA傳輸手之上，在上位機(jī)當(dāng)中啟動(dòng)程序，控制其CTA傳輸手進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)；

(3)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，需保證硅片無(wú)滑動(dòng)。

測(cè)試結(jié)果顯示：當(dāng)硅片盒中裝滿硅片時(shí)的滿載質(zhì)量為3.3kg，在測(cè)試過(guò)程中，VCE腔體系統(tǒng)整體運(yùn)行良好，這說(shuō)明本文設(shè)計(jì)制造的CTA傳輸手系統(tǒng)可以滿足使用要求。

4 結(jié)論

本文介紹了國(guó)內(nèi)首臺(tái)自主研發(fā)的8英寸硅片真空傳輸平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)，并重點(diǎn)分析了前端VCE傳輸腔室。該傳輸平臺(tái)采用絲杠傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)了VCE的升降功能，提高傳動(dòng)精度，采用平面四連桿機(jī)構(gòu)增大CTA傳輸手的剛度。最后對(duì)VCE腔室的重復(fù)運(yùn)行精度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其垂直Z軸、水平X軸的重復(fù)度3std誤差分別為0.008mm和0.698mm，均滿足硅片制造要求。

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(編輯李秀敏)

DesignofVacuumCassetteElevatorforWaferVacuumHandlingPlatform

LI Xue-wei,BAO Jun-shan, LU Ping , HE Shu-long

(Shenyang Siasun Robot and Automation Co., Ltd., Shenyang 110168, China)

An 8 inches wafer transfer system is designed and developed in this paper. The structure of the system is introduced and the equipment selection and mechanism analysis are conducted to the CTA transfer tray system of the Vacuum Cassette Elevator which is the important model in the whole system. The vertical lift system adopts the screw drive, and the CTA transfer hand uses the plane four-bar linkage mechanism to increase the stiffness. The strength and deformation of the connecting rod is analyzed by the finite element simulation. Through the repeatability testing, the wafer transfer system can meet the demands of wafer production.

wafer；vacuum transfer；finite element

TH166;TG659

：A

1001-2265(2017)09-0122-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.09.031

2017-04-05；

：：2017-05-10

國(guó)家科技重大專項(xiàng)02專項(xiàng)(2014ZX02103005)

李學(xué)威(1975—)，男，遼寧北票人，沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司高級(jí)工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)，(E-mail)lixuewei@siasun.com。