摘要：隨著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，全自動濕制程清洗設(shè)備面臨更新?lián)Q代。在迭代過程中存在不同規(guī)格晶舟共用機械手臂的情況，這對機械手臂夾持機構(gòu)提出了更高的適應(yīng)性需求。鑒于此，對機械手臂夾持機構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，采用電動滑臺驅(qū)動引導(dǎo)塊，利用引導(dǎo)溝槽將直線行程轉(zhuǎn)化為搖臂旋轉(zhuǎn)，配合PLC及光電傳感器對電動滑臺的行程進行控制，實現(xiàn)末端夾持機構(gòu)對不同規(guī)格晶舟夾持的自動適應(yīng)性切換，解決了電機驅(qū)動方案夾持不對稱及氣缸驅(qū)動方案開合度單一的問題。通過建立夾持開合機構(gòu)的優(yōu)化模型，進行實驗驗證分析，確定了設(shè)計理論的有效性及準(zhǔn)確性，為持續(xù)性優(yōu)化提供了參考。

關(guān)鍵詞：機械手臂；夾持機構(gòu)；開合度；電動滑臺；晶舟；清洗設(shè)備

中圖分類號：TP241? 文獻標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）11-0006-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.002

0? ? 引言

集成電路半導(dǎo)體硅片日益增長的市場需求，給泛半導(dǎo)體加工行業(yè)帶來了前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。隨著硅片的標(biāo)準(zhǔn)直徑不斷增大，表面精度要求也越來越高，這使得硅片加工難度也隨之增大。更新?lián)Q代現(xiàn)有的硅片加工設(shè)備，開發(fā)適應(yīng)大直徑硅片拋光且加工精度更高的高產(chǎn)能自動化設(shè)備已迫在眉睫[1]。而性能可靠、功能完善、自動化程度高的清洗設(shè)備是實現(xiàn)高質(zhì)量清洗效果的保障[2]，因此對于全自動清洗設(shè)備的適應(yīng)性開發(fā)是廣大設(shè)備廠商共同面臨的問題。

硅片由傳統(tǒng)的2、4、6 in直徑向8 in甚至12 in過渡的過程中，不可避免地存在交叉使用的問題，這對自動清洗設(shè)備尤其是搬運機械手臂提出了極大的挑戰(zhàn)。因不同尺寸硅片晶舟差異較大（圖1），要利用一套搬運機械手臂同時滿足不同尺寸硅片晶舟的夾持和搬運，就需要提高搬運機械手臂對不同尺寸晶舟夾持的兼容性和適應(yīng)性。

針對此問題，對機械手臂夾持開合機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，使其同時滿足多種規(guī)格晶舟夾持的需求，確保設(shè)備在晶圓換代轉(zhuǎn)型期間可以共用同一臺設(shè)備進行生產(chǎn)跑片或小批量測試。

例如，目前比較常見的設(shè)備需求是4 in與6 in共用、6 in與8 in共用、8 in與12 in共用，或4、6、8 in共用等，這就要求設(shè)備配置的機械手臂可以同時滿足多種尺寸，且可以依據(jù)上貨區(qū)放置的產(chǎn)品自行切換至對應(yīng)的夾取范圍。

1? ? 機械手臂夾持開合機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計需求分析

1.1? ? 傳統(tǒng)設(shè)計方案

在全自動濕制程清洗設(shè)備中，硅片及承載硅片的晶舟需要在水平方向（通常定義為X軸）實現(xiàn)槽式清洗機各槽體間的搬運轉(zhuǎn)移，在垂直方向（通常定義為Y軸）實現(xiàn)放入槽體或提升出槽體的作業(yè)。為了保證制程工藝對流場、溫控及潔凈度的要求，一般機械手臂采取脫鉤設(shè)計，亦即機械手臂末端夾持機構(gòu)（定義為A軸）需要有一定的開合度，實現(xiàn)對晶舟及硅片的夾取或放開。通常X軸、Y軸的動作由伺服電機驅(qū)動[3]，而A軸因其空間布局小，動作穩(wěn)定性要求高，常采用氣缸或步進電機驅(qū)動（圖2、圖3），二者的差異分析如表1所示。

1.2? ? 優(yōu)化設(shè)計需求

基于上述機構(gòu)夾持不對稱或開合度單一的問題及行業(yè)發(fā)展的需求，對機械手臂夾持開合機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后的設(shè)計方案需滿足以下技術(shù)需求：

（1）夾持機構(gòu)可同時滿足4、6、8、12 in硅片及晶舟夾持的需求，其末端開合機構(gòu)需滿足表2尺寸要求。

（2）夾持機構(gòu)需滿足完全對稱夾持開合的要求，以防夾持不同步導(dǎo)致晶舟移位或因夾緊力不一致導(dǎo)致掉籃等風(fēng)險。

（3）夾持機構(gòu)在設(shè)備清洗制程中，通過上料區(qū)RFID讀取不同規(guī)格的晶舟后，機械手臂可自動切換至對應(yīng)晶舟規(guī)格的開合度需求，無須進行校正或人工調(diào)整。

2? ? 機械手臂夾持開合機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

為滿足全自動清洗設(shè)備中搬運機械手臂對不同規(guī)格晶舟及硅片的廣泛適應(yīng)性，常規(guī)的機械手臂X軸及Y軸僅需在行程及配套導(dǎo)向機構(gòu)做相對應(yīng)的延長，即可滿足水平及垂直方向不同的行程需求，本設(shè)計方案不做深入研究。為滿足針對不同規(guī)格晶舟夾持開合度的需求，在依托常規(guī)機械手臂X軸及Y軸[4]的基礎(chǔ)上，進一步探討夾持開合機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，該機械手臂的機構(gòu)簡圖簡化如圖4所示。

2.1? ? 動力機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

由于A軸布局空間緊湊，對機構(gòu)傳動穩(wěn)定性及對稱性要求高，在夾持動力機構(gòu)優(yōu)化選型過程中，充分考慮到氣缸、電機等現(xiàn)有的不足，最終選擇尺寸小、控制簡單、可多點定位的直流電動滑臺作為動力驅(qū)動，以市面廣泛認(rèn)可的SMC直流電動滑臺為例，其參數(shù)與氣缸或步進電機相比如表3所示。

雖然直流電動滑臺尺寸較大，但它突破了氣缸或步進電機僅滿足4 in或6 in晶舟的局限，可實現(xiàn)從2、4、6、8 in至12 in的晶舟夾持范圍的覆蓋，且電動滑臺帶抱閘剎車，即使斷電狀態(tài)也可以保持對晶舟的穩(wěn)定夾持。

2.2? ? 傳動機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)全自動清洗設(shè)備搬運機械手臂的應(yīng)用特性，其夾持機構(gòu)需滿足完全低沉夾持開合的需求，以確保左右兩邊對晶舟同時施加相同的作用力，避免晶舟移位或夾持過程中掉籃。優(yōu)化設(shè)計后動力源選擇可多點定位的直流電動滑臺，亦即需要通過夾持傳動機構(gòu)，將電動滑臺的直線運動轉(zhuǎn)化為末端夾持部件的旋轉(zhuǎn)開合動作。

夾持傳動機構(gòu)（圖5）采用引導(dǎo)塊與電動滑臺緊固連接，為確保重復(fù)定位精度，引導(dǎo)塊開設(shè)定位銷孔，定位調(diào)試后通過定位銷限位。引導(dǎo)塊上開有一定傾角的引導(dǎo)溝槽，相對于引導(dǎo)塊對稱布置的左右搖臂，通過魚眼軸承在引導(dǎo)溝槽內(nèi)的滾動，實現(xiàn)其在引導(dǎo)溝槽內(nèi)垂直方向位移的升降，進而帶動兩邊的ARM旋轉(zhuǎn)運動，并傳遞到末端夾持部件實現(xiàn)對晶舟的開合夾取動作。引導(dǎo)塊上安裝有sensor感應(yīng)片，在電動滑臺行程過程中，感應(yīng)片隨之移動，通過光電感應(yīng)sensor的感應(yīng)將信號傳遞到PLC，進而實現(xiàn)對電動滑臺的啟?？刂?，以適應(yīng)不同規(guī)格晶舟的夾取開合度需求。

2.3? ? 末端執(zhí)行機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

全自動清洗設(shè)備制程槽體內(nèi)一般采用無機或有機化學(xué)藥液對硅片進行清洗、去膠、顯影、蝕刻等工藝，因此機械手臂末端執(zhí)行機構(gòu)工作環(huán)境存在腐蝕性強、溫度高、空間有限、有機粘附等狀況。為保證機械手臂搬運穩(wěn)定性及環(huán)境耐受性，夾持動力及傳動機構(gòu)設(shè)置在遠(yuǎn)離槽體的一端，且通過表面噴涂防腐鐵氟龍的不銹鋼外罩防護盒進行防護，同時在防護盒內(nèi)通入微量潔凈氮氣，保持防護盒內(nèi)微正壓狀態(tài)，避免槽體外溢的酸氣侵蝕到相關(guān)機構(gòu)部件。為了確保動力有效傳動，對稱設(shè)置兩支ARM手臂，表面經(jīng)過鐵氟龍噴涂，ARM一端采用雙支撐軸承固定，可隨搖臂同角度旋轉(zhuǎn)，ARM末端緊固裝有夾持組件，夾持組件與ARM間通過定位溝槽內(nèi)置螺絲防止松動或轉(zhuǎn)動不同步。夾持組件可以根據(jù)晶舟類型和需求，采用PTFE板型或PFA包覆U型夾爪等，該方案采用PTFE板型夾爪做進一步分析。

當(dāng)安裝在機械臂夾持機構(gòu)底板上的電動滑臺移動時，與其組裝在一起的引導(dǎo)塊隨之運動，引導(dǎo)塊開設(shè)的引導(dǎo)溝槽內(nèi)設(shè)有與搖臂安裝在一起的魚眼軸承，隨著引導(dǎo)塊的位移，魚眼軸承在引導(dǎo)溝槽內(nèi)的高度也會變化，進而帶動左右搖臂做對稱的旋轉(zhuǎn)動作，搖臂與ARM緊固連接，同時ARM與末端的夾持組件同步運動，從而將電動滑臺的直線行程傳遞到PTFE板型夾爪的開合夾持運動，實現(xiàn)對晶舟的夾取或放開（圖6）。

3? ? 機械手臂夾持開合機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型的驗證

3.1? ? 動力機構(gòu)優(yōu)化模型

依據(jù)設(shè)計方案架構(gòu)，電動滑臺作為動力輸出源帶動引導(dǎo)塊移動，引導(dǎo)塊限位高度與電動滑臺行程和引導(dǎo)溝槽的設(shè)計傾角存在正切三角函數(shù)關(guān)系，簡化設(shè)計模型（圖7），可得引導(dǎo)塊限位高度理論公式：

式中：H為引導(dǎo)塊限位高度；S為電動滑臺行程；θ為引導(dǎo)溝槽傾角。

3.2? ? 傳動機構(gòu)優(yōu)化模型

夾持傳動機構(gòu)的搖臂通過魚眼軸承與引導(dǎo)塊相連，當(dāng)引導(dǎo)塊隨電動滑臺位移，魚眼軸承在引導(dǎo)塊溝槽內(nèi)的Y軸垂直高度也會變化，進而帶動搖臂及與搖臂安裝在同一根ARM軸上的夾持末端執(zhí)行機構(gòu)同角度旋轉(zhuǎn)，簡化其設(shè)計模型（圖8）可得末端執(zhí)行機構(gòu)夾持組件相對XY平面的夾角理論計算公式：

式中：α為搖臂相對于機械臂底板旋轉(zhuǎn)角；h為電動滑臺零行程時搖臂旋轉(zhuǎn)中心相距引導(dǎo)塊溝槽起始位置的高度；L1為搖臂旋轉(zhuǎn)中心相距引導(dǎo)塊中心的距離；β為夾持組件相對于搖臂旋轉(zhuǎn)面的初始夾角；γ為夾持組件與機械臂底板夾角。

3.3? ? 執(zhí)行機構(gòu)優(yōu)化模型

當(dāng)末端執(zhí)行機構(gòu)夾持組件與XY平面的夾角隨行程變動時，傳遞到夾持末端執(zhí)行機構(gòu)的夾爪，實現(xiàn)其對晶舟的夾取或放開動作，簡化其設(shè)計模型（圖9）可得末端開合度與夾角的理論計算關(guān)系：

式中：W為夾持組件打開距離；T為夾持組件距離ARM中心軸厚度；L2為夾持組件末端長度；L3為夾持組件距離ARM中心軸高度。

3.4? ? 模型驗證及計算結(jié)果

結(jié)合上述理論關(guān)系可知，機械手臂夾持開合機構(gòu)的開合度W以及其對應(yīng)晶舟夾持能力，與引導(dǎo)塊的傾角θ、搖臂旋轉(zhuǎn)中心相距引導(dǎo)塊中心的距離L1、電動滑臺零行程時搖臂旋轉(zhuǎn)中心相距引導(dǎo)塊溝槽起始位置的高度h、夾持組件相對于搖臂旋轉(zhuǎn)面初始夾角β、夾持組件末端長度L2等參數(shù)成正相關(guān)；與電動滑臺行程S、夾持組件距離ARM中心軸厚度T、夾持組件距離ARM中心軸高度L3成負(fù)相關(guān)。結(jié)合設(shè)計模型，此處定義：L1=125 mm，h=12 mm，T=42.5 mm，L3=34 mm，θ=21°，β=2°，L2=366 mm。

將上述數(shù)值代入公式（1）～（4），可得夾持開合度W隨電動滑臺行程變化的計算數(shù)據(jù)如表4所示。

4? ? 機械手臂夾持開合機構(gòu)的實驗分析

4.1? ? 正向?qū)嶒灧治?/p>

依據(jù)上述機械手臂優(yōu)化設(shè)計方案建立SolidWorks 2021三維模型，依據(jù)理論公式計算不同行程對應(yīng)的夾持開合度以及自三維模型直接測量（圖10）的結(jié)果比較如表5所示，理論與測量偏差范圍在±2%，考慮到建模及裝配誤差，該偏差在合理可接受范圍。

4.2? ? 反向?qū)嶒灧治?/p>

設(shè)計來源于需求，因此若已知所需的開合度范圍，需選擇合適的電動滑臺行程時，基于表6所示的對應(yīng)關(guān)系驗證比較表，可知該模型理論計算與實測（圖11）偏差在≤±0.5 mm的合理范圍，可作為模型搭建之前設(shè)計選型的依據(jù)。

5? ? 結(jié)語

機械手臂夾持開合機構(gòu)優(yōu)化的技術(shù)方案，采用電動滑臺作為動力驅(qū)動，利用引導(dǎo)塊的引導(dǎo)溝槽將直線行程轉(zhuǎn)化為搖臂的旋轉(zhuǎn)運動，進而傳遞到夾持末端實現(xiàn)對晶舟的夾持作業(yè)。通過PLC及預(yù)設(shè)的光電感應(yīng)傳感器對電缸行程進行感應(yīng)控制，可實現(xiàn)對不同晶舟夾持開合度的自動切換。相比較電機驅(qū)動的夾持方案，該技術(shù)方案消除了夾持不對稱的問題；相對于氣缸驅(qū)動的方案，該設(shè)計方案解決了開合度單一的問題。且通過偏差范圍在±2%的理論模型驗證及實驗分析可知該設(shè)計方案的有效性和準(zhǔn)確性，該方案也為后續(xù)持續(xù)的設(shè)計優(yōu)化需求提供了產(chǎn)品選型及相關(guān)可變參數(shù)定義的參考，降低了模型修改的頻次及難度。

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收稿日期：2023-03-03

作者簡介：趙晗（1986—），女，河南人，工程師，研究方向：濕法清洗技術(shù)、多軸機械臂的開發(fā)應(yīng)用等。