白雁兵，王 寧

（中電科風(fēng)華信息裝備股份有限公司，山西 太原 030024）

引言

晶圓（Wafer），是生產(chǎn)集成電路所用的載體,多指單晶硅圓片。隨著集成電路（Integrated circuit，IC）制造技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片特征尺寸越來越小，互連層數(shù)越來越多，晶圓直徑也不斷增大。要實(shí)現(xiàn)多層布線，晶圓表面必須具有極高的平整度、光滑度和潔凈度，而化學(xué)機(jī)械拋光（Chemical mechanical polishing,CMP）是目前最有效的晶圓平坦化技術(shù)，它與光刻、刻蝕、離子注入、PVD/CVD 一起被稱為IC 制造最核心的五大關(guān)鍵技術(shù)。

目前，國內(nèi)主流制造商在對晶圓表面光刻膠的涂覆與去邊還處于純手工生產(chǎn)狀態(tài)，即手動在晶圓表面滴膠，加熱完成后人工用手術(shù)刀在放大鏡下反復(fù)刮去外輪廓，直至達(dá)到使用要求。純手工生產(chǎn)模式不僅生產(chǎn)效率低下，耗費(fèi)大量人工而且手工出錯率大，稍有不慎就會將晶圓材料劃破，造成昂貴的材料浪費(fèi)。因此迫切需要研發(fā)出自動化設(shè)備來解決生產(chǎn)瓶頸。

1 工藝簡介

本設(shè)備核心在于利用機(jī)器人手臂去模擬人手，先操作手術(shù)刀將晶圓片邊緣的殘余光刻膠刮拭干凈，再夾取棉簽將晶圓片底部的殘膠擦拭干凈。具體流程如下圖1 所示。

根據(jù)循環(huán)中機(jī)器人所做的工作，可以大體將機(jī)器人功能分為以下功能。

1.1 機(jī)器人取棉簽功能

機(jī)器人手臂上安裝有手術(shù)刮刀架與棉簽夾。

圖1 機(jī)器人刮邊清潔流程圖

在自動生產(chǎn)前，需要先將手術(shù)刀片安裝在刀架上固定好，并將裝滿棉簽的棉簽盒放置在棉簽盒上料位，棉簽盒可以依次橫排裝滿24 支棉簽。自動生產(chǎn)開始后，機(jī)器人會從棉簽一位開始依次夾取棉簽，后去檢測位置檢測棉簽是否夾取成功，如該棉簽位沒有放置棉簽，或者在夾取過程中棉簽掉落沒有檢測到，機(jī)器人會循環(huán)去棉簽二位夾取，直至檢測到棉簽夾取成功。詳細(xì)流程如下頁圖2 所示。

1.2 機(jī)器人清潔刮刀功能

在棉簽夾取檢測成功后，機(jī)器人會運(yùn)動到刮刀清潔位置清潔刮刀，因光刻膠具有黏附性，所以刀片的清潔需要用專用的EBR 清洗液噴灑在無塵布上擦拭刀片[1]。

圖2 機(jī)器人取棉簽流程圖

機(jī)器人到清潔位后，無塵布卷料機(jī)構(gòu)會自動進(jìn)給，并噴灑清洗液，無塵布濕潤后，清潔氣缸閉合將刀片夾在無塵布中，通過機(jī)器人Z 軸上下動作，達(dá)到刀片清潔的目的。

1.3 機(jī)器人刮膠功能

該功能是機(jī)器人模擬人手工刮膠時的動作，將手術(shù)刀頭接觸晶圓邊，吃刀量1 mm 左右，沿方晶圓片四邊依次刮過，將晶圓邊上的堆膠刮掉。機(jī)器人刮膠流程與刮膠軌跡如圖3 所示。

圖3 機(jī)器人刮膠軌跡

1.4 機(jī)器人棉簽擦拭功能

該功能是機(jī)器人模擬人手夾取棉簽，將勻膠過程中流入晶圓底部的殘膠沿邊緣擦拭掉，具體路徑與刮膠路徑相似，這里就不再詳細(xì)介紹。

2 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)備整機(jī)共有10 個三菱伺服電機(jī)、4 個IAI電缸、1 個勻膠高速電機(jī)、1 個匯川DD 馬達(dá)、1 個步進(jìn)膠泵、2 個東方交流電機(jī)、1 臺雅馬哈機(jī)器人、1 臺JEL 晶圓搬運(yùn)機(jī)器人、9 個SMC 氣缸等[2]。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)的輸入量輸出量以及程序量，選擇三菱Q06 系列CPU，選用一個QD77MS16 總線定位模塊來驅(qū)動10 個三菱伺服電機(jī)，選用兩個QD75MS4脈沖定位模塊來驅(qū)動4 個IAI 電缸、1 個勻膠高速電機(jī)、1 個匯川DD 馬達(dá)、1 個步進(jìn)膠泵，選用QJ71C24N 串口模塊用于PLC 與JEL 晶圓搬運(yùn)機(jī)器人通訊，選用4 個QH42P（32IN、32OUT）輸入輸出混合模塊，選用Q64AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)對膠泵壓力的控制。設(shè)備整體硬件架構(gòu)圖如下圖4 所示。

圖4 整體硬件架構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)使用三菱PLC 編程軟件GXWorks2 的梯形圖進(jìn)行編寫，人機(jī)交互使用三菱機(jī)交互軟件GT Designer3 分別進(jìn)行編寫，雅馬哈機(jī)器人程序使用雅馬哈自帶編寫軟件編寫，整機(jī)動作流程如圖5 所示。

圖5 整機(jī)動作流程圖

4 勻膠工藝研究

晶圓表面滴膠完成后，需要將晶圓片快速旋轉(zhuǎn)，使得片表面的光刻膠均勻分布，在加速過程中，勻膠電機(jī)的加速度直接影響勻膠效果，加速度的大小等于單位時間內(nèi)速度的增量。若動點(diǎn)的速度v1經(jīng)t 秒后變成v2，則其加速度可表示為：

三菱PLC 中設(shè)置的加速時間是伺服電機(jī)速度從零加速到最高速度限制值所用的時間，也就是說在PLC 中設(shè)定的加速時間只有在最高轉(zhuǎn)速下才準(zhǔn)確。但是在實(shí)際生產(chǎn)中勻膠電機(jī)的速度是要求在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)任意切換的，所以想要準(zhǔn)確控制勻膠電機(jī)的加速度，就要求只能用等比算法轉(zhuǎn)換，讓加速時間實(shí)際加速度相匹配。具體算法實(shí)例如下：

在相同加速度要求下，任意加速時間:

假設(shè)電機(jī)從靜止開始加速，即V1=0，那么根據(jù)等比算法一定滿足:

所以在以任意速度為速度最大值時，PLC 需要設(shè)定的實(shí)際加速時間為：

根據(jù)上述算法，就可以準(zhǔn)確控制與驗(yàn)證加速時間的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

當(dāng)前形勢下，設(shè)備自動化生產(chǎn)已是主流趨勢，本文主要介紹了如何通過PLC 控制機(jī)器人手臂，實(shí)現(xiàn)了模擬人手動作，達(dá)到了晶圓片刮邊的工藝要求。設(shè)備投產(chǎn)后顯著降低了失誤率，提高了生產(chǎn)效率，減少人工成本，得到了客戶的一致好評。