硅片传输机械手的改进及其定位精度研究 .pdfVIP

硅片传输机械手的改进及其定位精度研

究

摘要：本文对硅片传输机械手的改进及其定位精度进行了分析研究。当前，

我国集成电路高速发展，其中高速、平稳的硅片机械手在运行速度上和控制精度

上都具有一定的功能性优势，大大地提高了工业领域生产效率，有效推动了我国

工业企业不断进步，取得了良好的经济效益与社会效益，具有非常深远的研究价

值。

关键词：硅片；传输机械手；改进；重复定位精度

前言：如今，人们越来越重视机械制造领域的发展，基于此，要进一步强化

对传输机械手的改进与定位精度的研究。机械手是一门综合性非常强的学科，不

仅仅包括机械技术，还包括自动化技术、传感器技术与电气液等多种技术手段，

工业机械手在工业领域发挥着重要作用，作业精度极高，在当前具有很大的发展

潜力。

1硅片传输机械手机械结构及改进

本文研究的硅片传输机械手是基于半导体薄膜设备的基础上展开的，主要包

括硬件安装和软件安装，其中软件包括设备的控制软件，设备固件，人机交互软

件等调试机械手臂的调试，腔体内硅片上下运动机构的调试，各种温控装置以及

压力装置的调试，冷却水回流装置的调试等维护保证设备正常运作，有警告和报

警及时解决，周期性检测设备的运行状况，保证产品的正常输出。

半导体的薄膜设备，在干净的硅片上需要进行不同厚度和尺寸的镀膜，薄膜

设备需要满足不同工艺要求的各种参数，例如腔体的温度，压力，腔体的大小，

不同的工艺要求也需要匹配其相应的腔体，比如等离子增强化学气相沉积腔体，

压大气压沉积腔体，高深宽比的腔体等，其传输工位构成如图1所示。

图1传输工位构成

1.1升降旋转运动

硅片传输机械手作用在于运输晶圆进行工位间的移动，在进行升降和旋转运

动时，系统内部电机会带动机械结构中位于最上方的齿轮，同步齿轮后动力继续

传递至齿形带轮，完成机械手的旋转动作。一个完整的薄膜设备一般由三个工艺

腔体、一个传送腔体、一个硅片的预加热腔体以及硅片的传送设备组成，再结合

机械手臂从晶舟取出硅片，对硅片进行镀膜并传回晶舟的过程，期间会涉及到冷

却水，工艺气体对输入和输出，副产物的抽离等。经过调试的半导体薄膜设备，

运行状态稳定，能够保证升降运动正常执行，设备机械手升降部件如图2所示。

（1）电机（2）同步齿形带轮（3）同步齿形带轮（4）丝杠花键筒（5）滚

珠丝杠化键（6）同步齿形带轮（7）上盖板（8）同步齿形带轮（9）电机（10）

挡块

图2升降旋转运动部件

1.2径向伸缩运动

该半导体薄膜设备中的机械手薄膜部件做径向直线伸缩动作时需要其内部构

件两套相互关联的同步齿轮机构相互配合，在齿轮动力作用下形成同步效应，进

而带动所有齿轮实现伸缩旋转运动，最后与臂体形成固连，末端臂体在轮系作用

下会沿着径向方向形成有序的循环运作模式。

考虑到该设备运行安全性和使用的舒适性，在进行设备调试时应采用内部走

线的方式，以防止导向裸露在外受到外界环境污染。同时为增加其荷载，在纯熟

系统安装过程中为其配备了人性化的示教盒，可以在机械手编程、维护时，发挥

好监控的优势，该设备中的机械手安装了相对独立的控制系统与编程程序，能够

对其运参数进行调试，对指令等数据进行传输和通信，其中控制器是控制全部薄

膜设备的中心平台。

1.3末端臂体的校正

为了让机械臂对硅片进行非常精准的抓取和传送，还要做好各种机械手臂末

端的校正工作。末端致动器要完成径向伸缩运动，一方面要确保它的同步齿轮带

轮没有对外转动，另一方面又要确保末端臂体执行器的径向中心线高过同步齿轮

带轮的重心。对工程师来说比较有困难的是将末端臂体的径向中心线和同步齿形

带轮的中心确认起来相当困难，也很难实现精确定位。

基于空间布局的角度，需要使用特殊的方法才能进行臂体校正。硅片传输机

械手在正常运行的状态下，其前臂、后臂与末端臂体是在一条直线上运动的，这

种情况下，机械手的伸缩可以达到最远距离，通常会使用该原理进行校正工作。

在具体校正的过程中事先需要使用百分表进行初步测量，紧接着再用千分表进行

精准定位，由于千分表的量程小，精度高，在校正中具有较高的可靠性[1]。

2硅片传输机械手定位精度分析研究

2.1机械手系统功能测试定位精度

该设备的软件设计包括系统主程序与故障处理两大系统，通过对其手部和肘

部功能的维护和调试，可以实现对工件的精确抓取。在机械手系统工程