晶圆机械手PLC控制系统的设计与实现分析 .pdfVIP

晶圆机械手PLC控制系统的设计与实现

分析

摘要：在半导体集成电路生产制作过程中，晶圆传递机械臂是不可缺少的重

要组成部分，为了使其整体控制精度和运行稳定性达到最大化，进而更好地提升

半导体集成电路的生产质量，关键任务就是要将PLC控制技术作为晶圆传递机械

臂的核心控制系统。本文也会根据半导体集成电路生产制作要求，提出一种晶圆

机械手PLC控制系统，并对其整体设计与功能调试要点展开着重分析，以便为相

关人士提供参考。

关键词：晶圆机械手PLC控制系统；设计要点；功能调试；研究分析

前言

晶圆是一种圆形的硅晶片，其在半导体集成电路生产制作中占有着很重要的

位置，可以加工制作成各种具有特定电性功能的电路元件结构。但是晶圆在生产

过程中，必须在真空环境下进行，且需要通过传递机械臂的辅助才能达到最终的

生产目标。同时，要想进一步提高半导体集成电路生产制作质量，还要利用PLC

控制技术对晶圆传递机械臂的运行速度和运行轨迹及运行稳定性实施全方位控制。

鉴于此，对晶圆机械手PLC控制系统的设计与实现开展深入分析很有必要。

1.晶圆机械手PLC控制系统概况及运动原理分析

1.1系统概况

在真空环境下，晶圆传递机械臂必须与装载腔和反应腔同时工作，才能满足

半导体集成电路生产制作需求。其中，装载腔分为两个存储腔体，以便为处理前、

后的晶圆提供可靠的贮存场所；而反应腔则可以为晶圆进行工艺反应创造良好的

条件，但每次反应仅能针对一片晶圆。另外，从应用功能来看，晶圆传递机械臂

PLC控制系统不仅可以根据晶圆生产工艺要求，对晶圆机械手上各轴所安装的步

进电机进行自动化控制，进而使其运行定位更加准确。而且还会结合不同类型晶

圆生产工艺控制要求，自动引入自适应算法和编码器，以便形成闭环式的控制模

式，确保各轴步进电机在运行期间不会出现失步情况。

1.2系统运动原理

当前，晶圆传递机械臂PLC控制系统的运动方式具体可分为以下几种形式，

即机械臂升降运动方式、机械臂转动方式和机械臂直线伸缩运动方式。其中，机

械臂转动和升降运动方式的实现必须确保反应腔和装载腔安装位置达到一定的稳

固性，这样才能使整个系统的控制过程越来越简便。而后一种运动方式的实现，

不仅要保证晶圆传递机械臂具有较精准的定位功能，而且其在重复运动期间也要

避免对装载腔与反应腔定位的可靠性造成影响[1]。另外，晶圆传递机械臂在实施

直线伸缩运动时，应依赖于两套关联性强的同步齿轮机构才能得以实现，具体运

动原理如图一所示。其中连杆AB为机械手大臂、连杆BC为机械手小臂、连杆CD

为机械手末端执行器。并且连杆AB与BC之间要利用关节B进行连接，而连杆BC

和末端执行器CD之间则利用关节C进行连接。此外，晶圆机械手在工作状态下，

其直线伸缩运动方式一般以径向直线往复运动方式为主，该运动方式的操作原理

如图二所示。若假设AB、BC、CD的手臂长度分别为l1、l2和l3，其相对应的

关节旋转角度假设为θ1、θ2、θ3。要想明确机械臂径向直线运动的必要条件，

就要采用插补算法来进行计算证明，最终计算结果为l1=l2和θ1：θ2：θ3=1：

-2:1。此外，还要运用齐次矩阵对晶圆传递机械臂的连杆坐标系和相邻连杆坐标

系之间的关系进行表示。即为由原点指向原点的位置向量，R是向

进行位置向量姿态变换的矩阵，T为臂件连杆间的齐次变换矩阵。而连接杆

CD和连接杆AB间的齐次变换矩阵为T=T。同时，各关节变量可结合指定的

机械臂末端执行器后端位置C，依据公式（1）θ1=和公

式（2）以及公式（3）来计算。

图一晶圆传递机械臂直线伸缩运动原理图

图二晶圆传递机械臂做径向直线往复运动原理图

1.晶圆机械手PLC控制系统设计要点分析

根据晶圆传递机械臂PLC控制系统的运动原理和运行要求，其所需的PLC相

关技术参数应包括输入/输出设备、数字量、模拟量等参数。同时为了确保系统

的正常运行，还要对PLC机型、存储容量I/O模块、电源等进行合理