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        基于PLC全自動圓片清洗機的設計

        2019-07-24 10:33:16孟慶嵩
        智富時代 2019年6期

        孟慶嵩

        【摘 要】本文簡述了全自動圓片清洗機的發(fā)展趨勢以及工藝要求,以全自動圓片清洗機設計為例,分析其系統(tǒng)組成,介紹了系統(tǒng)流程、設計步驟和關鍵技術,經(jīng)現(xiàn)場工藝驗證,能實現(xiàn)自動上下料以及清洗功能,系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠,具有一定的推廣價值。

        【關鍵詞】圓片清洗;PLC;上下料

        隨著我國集成電路產(chǎn)業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展,我國半導體設備和半導體材料產(chǎn)業(yè)越來越得到政府和業(yè)界的重視和支持。于此同時,對晶圓表面對潔凈度要求也越來越高。絕大部分清洗系統(tǒng)應用于晶圓減薄后清洗,而晶圓在劃切完成之后清洗,設備還是手動將圓片一片一片放入清洗腔體中進行清洗,這樣浪費人力和時間。鑒于此種情況,需要設計一種全自動圓片清洗機,能實現(xiàn)自動上下料功能,節(jié)省人工和時間。

        1.全自動圓片清洗機系統(tǒng)的設計

        全自動清洗機設備主要由兩部分構成,分別為控制系統(tǒng)和運行機構組成。

        1)控制系統(tǒng)主要由監(jiān)控主機和兩個PLC以及擴展模塊組成。監(jiān)控主機與PLC之間通過以太網(wǎng)方式收發(fā)數(shù)據(jù),而PLC1控制3個電機運行、水氣檢測和塔燈控制,PLC2控制另外3個電機運行,擴展IO模塊負責傳感器檢測和電磁閥控制。兩個PLC之間使用RS485連接進行數(shù)據(jù)交互。

        2)運行機構,主要包含6個電機,分別為片盒升降電機、框架預對準電機、水平拖拽電機、取片機械手電機、擺臂吹二流體電機、清洗旋轉電機。

        2.全自動圓片清洗機功能實現(xiàn)

        本文設計的設備主要是實現(xiàn)圓片清洗過程的自動上下料功能,下面介紹關鍵功能的實現(xiàn)方法和步驟。

        2.1硬件功能分析。升降電機自動運行到有需要清洗的圓片后,利用水平電機將其從料盒中取出,先放到預對準框架上,再通過機械手放到清洗臺中,高速旋轉配合二流體進行清洗,并將洗后的圓片放到相應料盒位置。其相互之間位置關系如下圖1所示:

        2.2電機工位分析

        每個電機初始化后,運動到各自安全到位置,定義為各自到初始位,除此之外,各自到流程工位,具體情況如下:

        2.2.1 ACS1(擺臂吹二流體電機)。工位1、2分別為擺動起始和終止位。

        2.2.2 ACS2(框架預對準電機)。工位1(預對準位)即圓片從料盒取出時,框架張開位置。工位2(加緊圓片位)即圓片在框架上加緊后,將圓片位與框架上方正的位置。工位3(加緊圓片松開位)即圓片在框架加緊后,需要微微張開,確保機械手真空吸附良好。

        2.2.3 ACS3(水平運動拖拽電機)。工位1(取料位)即ACS3運動到將圓片從料盒中取出到位置。工位2(放片位)即ACS3運動到圓片全部位于框架上方的位置偏后。工位3(腔體位)即ACS3運動到圓片全部位于框架上方到位置,此時位置位于機械手正下方即腔體正上方。

        由于圓片在料盒中高度不平,每次夾取位置不同,使得機械手每次真空吸附位置不同,出現(xiàn)吸附不住情況,因此ACS3需要先到工位2,再推回到工位3。

        2.2.4 ACS4(片盒升降電機)。工位1(片盒掃描位)即ACS4運動到檢測傳感器位置。工位2(夾取位)即ACS4運動到水平電機可以夾取圓片位置(檢測傳感器和框架高度差),工位3(放片位)即ACS4運動到水平電機可以將圓片送回料盒位置(由于重力原因,需要此位置比工位2略低,方便圓片進入料盒)。

        2.2.5 ACS5(取片機械手電機)。工位1(框架位)即ACS5在框架上真空吸附圓片位置。工位2(清洗臺位)即ACS5在清洗臺上真空吸附圓片位置。工位3(放蓋位)即ACS5攜帶圓桶蓋子到放蓋子位置。工位4(框架上方位)即ACS5電機運動到框架上方,圓片未離開框架但吸嘴形變量釋放位置。工位5(清洗臺上方位)即ACS5電機運動到清洗上方,圓片未離開清洗臺但吸嘴形變量釋放位置,由于吸嘴形變未完全釋放,當打開真空破壞時候,氣量大就會出現(xiàn)刺耳聲音,氣量小就會出現(xiàn)真空卸不掉情況。工位6(框架上方微動脫離位)即ACS5運動到框架上方,圓片剛剛離開框架位置,此時框架才可打開,防止出現(xiàn)框架打開時候由于摩擦使圓片掉落,完全離開也可判斷圓片是否真空滿足要求,同時此位置也是清洗完畢后,將清洗后的圓片放在框架上時,ACS5所處位置,以保證圓片正好放到框架上,同時不會出現(xiàn)與框架剮蹭掉落晶圓情況。工位7(清洗臺上方微動脫離位)即ACS5電機運動到清洗臺上方,圓片剛剛離開清洗臺位置。

        2.2.6 ACS6(清洗旋轉電機)。工位1(停止位)即旋轉啟動、停止所處位置,方便機械手吸附位置相同。

        2.3流程分析。設備運行部分主要是依靠PLC邏輯程序?qū)崿F(xiàn),合理的設計和功能分配,能使設備穩(wěn)定,操作方便。包括掃描片盒流程、取放片流程、清洗流程、送片流程。

        2.3.1片盒掃描。ACS4自下而上運動,同時讀取繃架檢測信號,繃架檢測傳感器為兩個接近式傳感,一旦有片,就會檢測到信號,傳遞到PLC,PLC判斷兩個傳感器都有信號,則此片需要清洗,記錄位置,檢測只有一個信號,則認為此片擺放不正,不能取片。

        2.3.2取片。此過程是料盒中把需要清洗的圓片取出。ACS4運動到有料位置,設備兼容8寸和12寸,根據(jù)尺寸ACS2運動到片子從料盒中取出后放到其上面位置,,ACS3運動到取片位置,打開相應氣缸取出片子,完成取片過程。

        2.3.3放片。此過程主要是將圓片放到清洗臺。由于圓片在料盒中有間隙,使得取料時候前后方向和左右方向存在偏差,此偏差會造成機械手抓取位置不確定出現(xiàn)真空不足而掉片情況。

        取片后,ACS3拖拽到位,ACS2微動加緊,使得片子在框架上面的位置相對于機械手的角度趨于固定ACS3再到工位3,解決左右方向存在偏差問題,此過程ACS3攜帶的夾嘴處于張開狀態(tài),利用張開的夾嘴推回到位,保證每次推的位置固定,解決前后方向存在偏差問題。

        ACS5運動到圓片上方,利用真空吸住圓片,打開ACS2,ACS5運動到清洗臺上方,再釋放真空,由于機械手和清洗臺之間密閉空間,此時需要將ACS5微微抬起后釋放真空,防止密閉空間不易釋放真空。保證清洗臺真空滿足要求后,ACS5離開,完成抓片過程。

        2.3.4清洗。此過程主要是高速旋轉和配合二流體清洗圓片,包括清洗和吹干兩個過程。清洗時ACS6轉速為設定清洗轉速,配合吹水吹氣,此時吹氣起到助推作用,使得清洗效果良好,結束后是吹干過程,ACS6轉速變?yōu)榇蹈赊D速,擺臂吹氣,將清洗噴的液體吹干。

        2.3.5送片。此過程主要是洗后片子送回,并判斷是否還有片子是否清洗,如果有片需要清洗,繼續(xù)流程,如果無片需要清洗,進入結束流程,每個電機回位,提示完成。此過程是上述取片和放片的可逆過程,但是由于圓片重力作用,此時ACS3送片之前,需要將ACS4微微降落,使得圓片前端可以順利進入料盒中,完成送片過程。

        3.結論

        根據(jù)本文設計的全自動圓片清洗機的設備實現(xiàn)了對劃切后圓片進行清洗,滿足設計要求,并且在南通某客戶的工藝現(xiàn)場運行結果表明,該系統(tǒng)運行情況穩(wěn)定、可靠,實現(xiàn)功能完備,適用于同類型的清洗機系統(tǒng)。

        【參考文獻】

        [1]晶圓清洗技術應用[J]. 李東旭,陳立新, 郭曉婷,馬巖,蔣興橋,榮宇.清洗世界.2018 (7).

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