陳英男

摘 要：IC制造裝備是半導(dǎo)體工藝制程的重要載體。芯片生產(chǎn)過程中，用晶圓傳輸系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)晶圓在不同工位之間快速、高效、可靠的搬運(yùn)。隨著晶圓生產(chǎn)的產(chǎn)量和尺寸的不斷增加，對(duì)晶圓傳輸結(jié)構(gòu)的速度、精度要求也日益提高。本文主要介紹R.θ型晶圓傳輸機(jī)械手的典型結(jié)構(gòu)、使用條件、特點(diǎn)及注意事項(xiàng)。為晶圓輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及選型提供一些參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞： R.θ；機(jī)械手；晶圓；結(jié)構(gòu)；潔凈

集成電路是電子信息產(chǎn)業(yè)的核心，是推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)信息化發(fā)展的高新技術(shù)之一。IC制造裝備作為實(shí)現(xiàn)工藝制程的載體在其中發(fā)揮著重要作用。晶圓的生產(chǎn)、加工需經(jīng)過多個(gè)工序。晶圓傳輸系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)晶圓在不同工位之間快速、高效、可靠的搬運(yùn)。隨著晶圓生產(chǎn)的產(chǎn)量和尺寸的不斷增加，對(duì)晶圓傳輸結(jié)構(gòu)的速度、精度要求也日益提高。

1 晶圓傳輸機(jī)械手概述

晶圓傳輸機(jī)械手是晶圓輸送系統(tǒng)的一種典型應(yīng)用。按應(yīng)用環(huán)境，可分為潔凈機(jī)械手和真空機(jī)械手。潔凈機(jī)械手主要應(yīng)用在潔凈大氣環(huán)境中，為避免運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生粒子污染源影響系統(tǒng)潔凈度及基于減少晶圓表面污染等原因，一般將驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)部件隔離在晶圓傳輸路徑之外或?qū)⑵浞忾]在獨(dú)立的防塵空間內(nèi)。真空機(jī)械手一般應(yīng)用在1×10-5 Pa真空環(huán)境中，除了滿足潔凈環(huán)境的要求外，還要求適應(yīng)真空環(huán)境，結(jié)構(gòu)比潔凈機(jī)械手更復(fù)雜。

晶圓傳輸機(jī)械手大都在有限的空間中實(shí)現(xiàn)晶圓的快速搬運(yùn)，因此對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性、反映靈敏性、運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性等方面，都有較高的要求。按傳動(dòng)方式，可分為平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手（SCARA）和徑向直線運(yùn)動(dòng)（R.θ）型機(jī)械手。典型的平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手（圖1）有4個(gè)自由度，分別為大臂回轉(zhuǎn)、小臂回轉(zhuǎn)、末端執(zhí)行器回轉(zhuǎn)以及升降運(yùn)動(dòng)，每個(gè)關(guān)節(jié)由獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其手臂與末端執(zhí)行器之間的運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，這樣有利于運(yùn)動(dòng)的調(diào)整及對(duì)旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行補(bǔ)償。但因其升降結(jié)構(gòu)設(shè)置在末端執(zhí)行器一側(cè)，空間尺寸無(wú)法滿足去晶圓盒或反應(yīng)腔取送晶圓的要求，故應(yīng)用并不廣泛。典型的徑向直線運(yùn)動(dòng)型機(jī)械手（圖2）有3個(gè)自由度，分別為R（徑向）運(yùn)動(dòng)、θ（旋轉(zhuǎn)）運(yùn)動(dòng)和z（升降）運(yùn)動(dòng)。部分特殊應(yīng)用可能會(huì)在末端執(zhí)行器上增加翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。

2 R.θ型機(jī)械手主要結(jié)構(gòu)

2.1 z（升降）結(jié)構(gòu)

升降結(jié)構(gòu)用來實(shí)現(xiàn)上層機(jī)械臂的上下運(yùn)動(dòng)，多用于取放晶圓的交接動(dòng)作。一般采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶及滾珠絲杠傳動(dòng)，直線導(dǎo)軌導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)形式。

2.2 θ（旋轉(zhuǎn)）結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)用來實(shí)現(xiàn)上層機(jī)械臂在圓周方向的整體旋轉(zhuǎn)，以便對(duì)準(zhǔn)取送片位置。多通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)或直驅(qū)電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)軸徑向誤差通過旋轉(zhuǎn)臂反映到末端執(zhí)行器上會(huì)產(chǎn)生很大的放大效果。當(dāng)機(jī)械臂伸出時(shí)力臂較長(zhǎng)，旋轉(zhuǎn)軸會(huì)受較大的力矩。圖3是手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)受力圖，這種兩點(diǎn)支承方式避免了反作用力矩的存在而僅僅只有反作用力，軸承Bi1只產(chǎn)生徑向反作用力Ri1x防止徑向間隙，提供水平剛度。軸承Bi2產(chǎn)生垂直反作用力Ri2z防止軸向間隙，提供垂直剛度，并提供水平反作用力Ri2x。Bi2軸承可以選擇兩個(gè)角接觸軸承，一個(gè)四點(diǎn)接觸球軸承或滾子軸承來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使軸承間距l(xiāng)Bi最大化以保證反作用力最小。

2.3 R（徑向）伸展結(jié)構(gòu)

徑向伸展結(jié)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂沿徑向的直線伸縮運(yùn)動(dòng)，伸展過程中始終保持末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線，這是R.θ型機(jī)械手的典型特征。結(jié)構(gòu)原理如圖4所示，由兩套相互關(guān)聯(lián)的同步帶機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，其中R軸電機(jī)與大臂體固聯(lián)，帶輪1與θ軸固聯(lián)，帶輪2與小臂體固聯(lián)，帶輪3與大臂體固聯(lián)，帶輪4與末端執(zhí)行器固聯(lián)，且大臂與小臂長(zhǎng)度相等即OA=AB，帶輪1與帶輪2的直徑比為2∶1，帶輪3與帶輪4的直徑比為1∶2。執(zhí)行伸展運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶輪1相對(duì)θ軸不動(dòng)，R軸電機(jī)帶動(dòng)大臂相對(duì)帶輪1正向旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度α，帶輪2帶動(dòng)小臂反向轉(zhuǎn)動(dòng)2α，帶輪4相對(duì)帶輪3正向轉(zhuǎn)動(dòng)α。BC點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡始終沿著OB做直線運(yùn)動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)精確的徑向直線伸縮運(yùn)動(dòng)，第一要保證精確的傳動(dòng)比，常用的非金屬同步齒形帶結(jié)構(gòu)因存在齒形間隙及長(zhǎng)期磨損易發(fā)塵等原因已經(jīng)較少采用，現(xiàn)多選用耐磨性和剛性更好的鋼帶。但裝配完成后必須進(jìn)行張力測(cè)試和調(diào)整。第二要保證大臂體和小臂體帶輪中心距的一致性，可將兩個(gè)工件的軸承孔組合加工，以確保運(yùn)動(dòng)精度。

2.4 末端執(zhí)行器

末端執(zhí)行器是指置于機(jī)械手臂末端用來執(zhí)行操作的工具。晶圓搬運(yùn)的末端執(zhí)行器形式有些采用托舉式結(jié)構(gòu)，即只拖取晶圓而不對(duì)其進(jìn)行固定，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但定位精度低，且在高速運(yùn)行時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致晶圓脫離?，F(xiàn)多使用夾持式或真空吸附式，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且需注意操作過程中對(duì)晶圓造成的損傷。有時(shí)還需在手臂上裝備傳感器來執(zhí)行探尋或定位工作。

2.5 潔凈材料

晶圓搬運(yùn)系統(tǒng)需選擇合適的材料及表面處理方法，來降低對(duì)潔凈環(huán)境的污染。潔凈機(jī)器人的常用材料有如下幾個(gè)類別：

不銹鋼有良好的潔凈度，耐腐蝕，硬度高，熱膨脹小。但與鋁相比成本高，且因密度大，在運(yùn)動(dòng)中需要更高的能耗和更復(fù)雜的控制算法。因此主要用于較小的運(yùn)動(dòng)部件。

鋁合金質(zhì)輕，強(qiáng)度高，無(wú)毒，無(wú)磁，無(wú)火花，耐腐蝕，加工簡(jiǎn)單。是潔凈機(jī)器人中結(jié)構(gòu)件的典型材料。但在潮濕環(huán)境中會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，需要進(jìn)行表面處理來抑制腐蝕和污染。

塑料兼具潔凈度，耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。是歧管，末端執(zhí)行器，O形密封圈的典型材料。PEEK（聚醚醚酮）、PTFE（聚四氟乙烯）、Viton（氟橡膠）、硅膠等是較常用的材料。特別是PEEK，具有高純度，高強(qiáng)度、低摩擦系數(shù)、高耐磨性和低粒子揮發(fā)性，常用于與晶圓直接接觸的部件。且PEEK可被石墨強(qiáng)化提高導(dǎo)電性，防止靜電放電損傷晶圓。并可通過玻璃纖維和碳纖維強(qiáng)化機(jī)械性能。

陶瓷材料具有良好的機(jī)械，電學(xué)和熱力學(xué)性能，及良好的光潔度，硬度，耐磨、耐熱和耐腐蝕性。多用于晶圓搬運(yùn)的末端執(zhí)行器。但其加工難度及成本較高。因陶瓷是電絕緣體，作為執(zhí)行器必須接地避免靜電放電對(duì)晶圓造成損害。

3 結(jié)語(yǔ)

晶圓傳輸機(jī)械手根據(jù)應(yīng)用及需求的不同，還有很多不同的類型，但其結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜，控制系統(tǒng)難度也更高。也希望不久的將來能夠開發(fā)出更簡(jiǎn)單高效，高精度的晶圓傳輸機(jī)械手。

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