李 偉，陳 威，王 偉，柳 濱

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 065201)

集成電路（IC）制造是電子信息產(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)展最主要的高新技術(shù)之一。發(fā)達(dá)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值增長(zhǎng)部分的65%與IC工業(yè)相關(guān)，而全球90%以上的IC都要采用硅片。硅片傳輸系統(tǒng)是一類面向集成電路制造業(yè)，綜合利用機(jī)械、電子、光學(xué)、計(jì)算機(jī)等技術(shù)，通過(guò)編程或示教的方式，在IC制造的各個(gè)工藝模塊間精確、快速地傳輸并定位硅片的，具有高精度、高潔凈度和高可靠性的自動(dòng)化傳輸系統(tǒng)。它針對(duì)IC制造的工藝精度和凈化要求，借助工業(yè)機(jī)器人和工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)，在超潔凈或真空環(huán)境中向各個(gè)加工設(shè)備輸送硅片。硅片傳輸系統(tǒng)作為IC生產(chǎn)線的高精度、高速度和高潔凈的自動(dòng)化傳輸設(shè)備，直接體現(xiàn)出整機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和可靠性。因此，用于這樣環(huán)境的自動(dòng)化傳輸系統(tǒng)已成為IC制造裝備中的關(guān)鍵部件。

1 工程應(yīng)用

化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）是一種對(duì)半導(dǎo)體材料或是其它類型材料的襯底進(jìn)行平坦化或拋光的方法，廣泛應(yīng)用于集成電路（IC）制造業(yè)中。CMP設(shè)備實(shí)現(xiàn)的功能是結(jié)合拋光液中化學(xué)溶液的腐蝕和磨粒的機(jī)械磨削雙重作用，從而使硅片獲得極高的平面度和平整度[1]。

傳統(tǒng)的拋光（CMP）設(shè)備采用的2臺(tái)或3臺(tái)三維或四維機(jī)械手組合來(lái)構(gòu)建硅片傳輸系統(tǒng)，一方面由于機(jī)械手?jǐn)?shù)量增加而增加成本；另一方面多臺(tái)機(jī)械手的使用無(wú)形中增加了設(shè)備的整體尺寸。這勢(shì)必會(huì)造成設(shè)備成本負(fù)擔(dān)加重和相應(yīng)的凈化間廠房面積和成本增加。針對(duì)上述問(wèn)題本系統(tǒng)采用單臺(tái)六維機(jī)械手，有效地減少了方案采用機(jī)械手的數(shù)量。六維機(jī)械手姿態(tài)調(diào)整，不需要三四維機(jī)械手所需的大空間，這樣，減小了設(shè)備的整體尺寸。同時(shí)該機(jī)械手裝置與方案優(yōu)化組合，使機(jī)械手只需通過(guò)末端執(zhí)行器的干濕轉(zhuǎn)換，就可實(shí)現(xiàn)干燥硅片的傳入和拋光后濕潤(rùn)硅片的傳出，進(jìn)一步減小了機(jī)械手的設(shè)計(jì)數(shù)量和設(shè)備整體尺寸。

基于六維機(jī)械手構(gòu)建了硅片傳輸系統(tǒng)。硅片傳輸系統(tǒng)的傳輸工位由以下工藝模塊組成：前端硅片裝載單元（LoadPort）、干末端執(zhí)行器、濕末端執(zhí)行器、濕硅片裝載單元、硅片裝載臺(tái)、硅片中轉(zhuǎn)單元和硅片卸載臺(tái)等構(gòu)成，如圖1所示。

硅片傳輸系統(tǒng)要求是“干進(jìn)濕出”，硅片傳輸系統(tǒng)是六維機(jī)械手通過(guò)換槍盤連接干末端執(zhí)行器和濕末端執(zhí)行器，然后機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到指定工位后由上位機(jī)實(shí)時(shí)控制末端執(zhí)行器抓取和釋放硅片。因此六維機(jī)械手的選型又是傳輸系統(tǒng)的重中之重。從以下幾個(gè)方面考慮，確定機(jī)械手選型[2]：

圖1 傳輸工位構(gòu)成

（1）使用環(huán)境。不同的環(huán)境會(huì)有專門定制的工業(yè)機(jī)器人，比如噴涂行業(yè)需要的是有防暴能力的工業(yè)機(jī)器人，這與標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人就有所不同，還有潔凈室的使用等等。應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)的機(jī)械手應(yīng)選用潔凈室機(jī)械手。

（2）目前使用的機(jī)械手末端執(zhí)行器（End-effector）。一般是氣體驅(qū)動(dòng)或電器驅(qū)動(dòng)，無(wú)可避免的會(huì)有相應(yīng)的氣管或電纜連接。如果機(jī)械手的氣路和電路回路是外置，則機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)需特別小心；若機(jī)械手的氣路和電氣回路是內(nèi)置，這種方式較為方便，只要考慮手臂和末端執(zhí)行器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)線纜的管理即可。針對(duì)大尺寸（12英寸、16英寸）的硅片采用真空吸附方式會(huì)產(chǎn)生較大的污染，所以選用夾持式末端執(zhí)行器。

（3）合理評(píng)估有效負(fù)荷和慣性。通常多數(shù)是在計(jì)算負(fù)荷時(shí)未將機(jī)械臂末端所裝工具的質(zhì)量包括在內(nèi)。其次是低估或者完全忽略了偏心負(fù)荷產(chǎn)生的慣性力。慣性力有可能造成機(jī)器人6軸的超負(fù)荷。由于我們采用兩個(gè)不同的末端執(zhí)行器傳輸干硅片和濕硅片。所以我們?cè)跈C(jī)械手第六軸和末端執(zhí)行器之間引入換槍盤（Tool changer）去實(shí)現(xiàn)機(jī)械手分別與兩個(gè)末端執(zhí)行器的連接和釋放。

根據(jù)末端執(zhí)行器和硅片產(chǎn)生的靜負(fù)載力矩、更換頻率和凈室要求選擇合適的換槍盤。

式中：M1為硅片質(zhì)量，M2為末端執(zhí)行器的質(zhì)量，L為力臂。

考慮與機(jī)械手第六軸和末端執(zhí)行器安裝方便性，確定本系統(tǒng)所使用的換槍盤，機(jī)械手總負(fù)荷為1 077.6 g。

(4)忽視了機(jī)器人應(yīng)用的相關(guān)設(shè)備示教器、通訊電纜以及一些特殊的軟件通常是必須的，但是在最初的訂購(gòu)中很容易被遺忘。這些將導(dǎo)致整個(gè)計(jì)劃的耽擱甚至費(fèi)用超過(guò)預(yù)算。要正確地挑選機(jī)器人產(chǎn)品時(shí)，首先要考慮自己綜合需求以及滿足設(shè)備選擇的各個(gè)方面。說(shuō)明示教盒是機(jī)械手調(diào)試時(shí)很重要的部件。

(5)行程確定時(shí)，不能只按照機(jī)器人技術(shù)參數(shù)的行程來(lái)確定是否可以達(dá)到應(yīng)用的要求，應(yīng)該要實(shí)際考慮到末端執(zhí)行器安裝后，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡是否可能達(dá)到行程所需。這也是要進(jìn)行模擬仿真的關(guān)鍵原因之一。我們可以應(yīng)用SolidWorks軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單模擬以確認(rèn)所選機(jī)械手能否滿足各個(gè)工位的行程要求和姿態(tài)要求。

根據(jù)以上幾點(diǎn)，反復(fù)模擬分析最終我們選用某廠家XX型六維機(jī)械手，其基本參數(shù)如為：

1) 凈室等級(jí)SCR-Cleanroom達(dá)到class 2 cleanliness（標(biāo)準(zhǔn)為 ISO 14644-1）。

2) 全封閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成用戶端的電氣信號(hào)接口，前端有氣路輸出接口。只需要將前端氣路輸出接口與換槍盤的“鎖緊”和“解鎖”氣體接口連接即可。

3) 最大負(fù)載5 kg，額定負(fù)載2 kg。我們?cè)O(shè)計(jì)的傳輸系統(tǒng)載荷略大于1 kg。

4) 配備人性化設(shè)計(jì)的示教盒。這個(gè)手持終端結(jié)構(gòu)輕巧（700 g），人性化設(shè)計(jì)，可以在機(jī)械手編程、維護(hù)、監(jiān)控種種應(yīng)用中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，并提供一定的安全保障功能。六維機(jī)械手具有相對(duì)獨(dú)立的控制系統(tǒng)和編程軟件。它通過(guò)以太網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)和指令等數(shù)據(jù)傳輸和通訊?？刂破魇强刂迫盗袡C(jī)器人的唯一平臺(tái)。六維機(jī)械手通訊控制示意圖，如圖2所示。

圖2 通訊控制示意圖

5) 工作行程為920 mm，可重復(fù)精度為±0.03 mm。我們利用SolidWorks軟件對(duì)硅片傳輸工位進(jìn)行模擬。機(jī)械手采用置頂安裝方式。圖3為模擬裝載臺(tái)工位放片機(jī)械手姿態(tài)圖，圖4為模擬卸載臺(tái)工位取片機(jī)械手姿態(tài)圖。

圖3 裝載臺(tái)工位

圖4 卸載臺(tái)工位

通過(guò)以上分析、模擬，最終確認(rèn)了適合本系統(tǒng)應(yīng)用的六維機(jī)械手XX。然后完成機(jī)械手路徑規(guī)劃。所謂機(jī)械手路徑規(guī)劃是指給定移動(dòng)機(jī)械手的初始位置及機(jī)械手末端的目標(biāo)位置，在移動(dòng)機(jī)械手各廣義坐標(biāo)的工作范圍內(nèi)尋找一條無(wú)碰撞路徑[3]。我們根據(jù)機(jī)械手的初始位置及利用示教盒示教的機(jī)械手末端的目標(biāo)位置，插補(bǔ)一些中間點(diǎn)，從而調(diào)整機(jī)械手在坐標(biāo)系的工作范圍內(nèi)尋找一條無(wú)碰撞路徑并達(dá)到合理的運(yùn)動(dòng)路徑。機(jī)械手路徑規(guī)劃一步一步確認(rèn)好后，增加和完善傳輸系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的電磁閥開關(guān)動(dòng)作（換槍盤解鎖和鎖緊氣體通斷、末端執(zhí)行器指鉤的伸縮等等）。

2 工作原理

1)初始化。六維機(jī)械手處于系統(tǒng)零點(diǎn)（也就是動(dòng)作的初始點(diǎn)）。上位機(jī)將前端硅片裝載單元片盒中硅片存儲(chǔ)信息傳遞給機(jī)械手。

2)前端硅片裝載單元取片。六維機(jī)械手連接干末端執(zhí)行器，鎖緊氣體打開。鎖緊后機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到前端硅片裝載單元（LoadPort）片盒中指定位置后，上位機(jī)通過(guò)機(jī)械手、換槍盤將末端執(zhí)行器抓取硅片的動(dòng)作指令傳遞給末端執(zhí)行器，然后末端執(zhí)行器執(zhí)行抓取硅片的動(dòng)作。

3)中轉(zhuǎn)臺(tái)放片。六維機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到中轉(zhuǎn)臺(tái)處，上位機(jī)通過(guò)機(jī)械手、換槍盤將末端執(zhí)行器釋放硅片的動(dòng)作指令傳遞給末端執(zhí)行器，然后末端執(zhí)行器執(zhí)行釋放硅片的動(dòng)作。

4)換手。六維機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到指定位置后，換槍盤“打開氣體”打開，釋放干末端執(zhí)行器。然后機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到指定位置后，“鎖緊氣體”打開，連接濕末端執(zhí)行器。

5)中轉(zhuǎn)臺(tái)取片。六維機(jī)械手按規(guī)定好的路徑運(yùn)動(dòng)到中轉(zhuǎn)臺(tái)處，上位機(jī)通過(guò)機(jī)械手、換槍盤將末端執(zhí)行器抓取硅片的動(dòng)作指令傳遞給末端執(zhí)行器，然后末端執(zhí)行器執(zhí)行抓取硅片的動(dòng)作。

6)若設(shè)備拋光區(qū)域?qū)?yīng)硅片的接受工位。裝載臺(tái)沒(méi)有硅片時(shí)，機(jī)械手將硅片傳送至該工位，控制濕末端執(zhí)行器釋放硅片。若設(shè)備拋光區(qū)域?qū)?yīng)硅片的輸出工位——卸載臺(tái)沒(méi)有硅片時(shí)，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到該工位，控制濕末端執(zhí)行器抓取硅片。

7)機(jī)械手從卸載臺(tái)抓取硅片后，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到濕片存儲(chǔ)裝置對(duì)應(yīng)位置，控制濕末端執(zhí)行器執(zhí)行釋放硅片的動(dòng)作。

當(dāng)然，CMP設(shè)備的硅片傳輸系統(tǒng)遠(yuǎn)比上述復(fù)雜，要根據(jù)各個(gè)工位對(duì)應(yīng)傳感器的實(shí)時(shí)檢測(cè)狀況和動(dòng)作的優(yōu)先級(jí)去靈活執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。但究其本質(zhì)，都是上述流程不同方式的組合而已。

3 結(jié) 論

基于六維機(jī)械手的硅片傳輸系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)少有介紹。本文基于六維機(jī)械手、換槍盤和末端執(zhí)行器成功構(gòu)建了硅片傳輸系統(tǒng)，通過(guò)幾個(gè)方面分析和軟件模擬確認(rèn)合適的機(jī)械手型號(hào)，然后示教出滿足系統(tǒng)要求的合理路徑規(guī)劃，滿足實(shí)際應(yīng)用要求?，F(xiàn)在六維機(jī)械手硅片傳輸系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、精確地運(yùn)轉(zhuǎn)在設(shè)備中。

[1]閆志瑞，魯進(jìn)軍，李耀東.300mm硅片化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)分析[J].半導(dǎo)體技術(shù).2006，8（31）：561-564.

[2]梁琪.工作機(jī)器人應(yīng)用的十大誤區(qū)[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用.2005（05）：29-30.

[3]李新春，趙冬斌，易建強(qiáng).一種移動(dòng)機(jī)械手分級(jí)協(xié)調(diào)路徑規(guī)劃方法[J].制造業(yè)自動(dòng)化.2005，27（05）：28-32.