关于机械手臂夹持开合机构的优化设计.docx

摘??要：

随着半导体行业的发展，全自动湿制程清洗设备面临更新换代。在迭代过程中存在不同规格晶舟共用机械手臂的情况，这对机械手臂夹持机构提出了更高的适应性需求。鉴于此，对机械手臂夹持机构进行了优化设计，采用电动滑台驱动引导块，利用引导沟槽将直线行程转化为摇臂旋转，配合PLC及光电传感器对电动滑台的行程进行控制，实现末端夹持机构对不同规格晶舟夹持的自动适应性切换，解决了电机驱动方案夹持不对称及气缸驱动方案开合度单一的问题。通过建立夹持开合机构的优化模型，进行实验验证分析，确定了设计理论的有效性及准确性，为持续性优化提供了参考。

关键词：

机械手臂；夹持机构；开合度；电动滑台；晶舟；清洗设备

0?具体实施

集成电路半导体硅片日益增长的市场需求，给泛半导体加工行业带来了前所未有的机遇和挑战。随着硅片的标准直径不断增大，表面精度要求也越来越高，这使得硅片加工难度也随之增大。更新换代现有的硅片加工设备，开发适应大直径硅片抛光且加工精度更高的高产能自动化设备已迫在眉睫。而性能可靠、功能完善、自动化程度高的清洗设备是实现高质量清洗效果的保障，因此对于全自动清洗设备的适应性开发是广大设备厂商共同面临的问题。

硅片由传统的2、4、6in直径向8in甚至12in过渡的过程中，不可避免地存在交叉使用的问题，这对自动清洗设备尤其是搬运机械手臂提出了极大的挑战。因不同尺寸硅片晶舟差异较大（图1），要利用一套搬运机械手臂同时满足不同尺寸硅片晶舟的夹持和搬运，就需要提高搬运机械手臂对不同尺寸晶舟夹持的兼容性和适应性。针对此问题，对机械手臂夹持开合机构进行优化设计，使其同时满足多种规格晶舟夹持的需求，确保设备在晶圆换代转型期间可以共用同一台设备进行生产跑片或小批量测试。例如，目前比较常见的设备需求是4in与6in共用、6in与8in共用、8in与12in共用，或4、6、8in共用等，这就要求设备配置的机械手臂可以同时满足多种尺寸，且可以依据上货区放置的产品自行切换至对应的夹取范围。

1?机械手臂夹持开合机构优化设计需求分析

1.1?传统设计方案

在全自动湿制程清洗设备中，硅片及承载硅片的晶舟需要在水平方向（通常定义为X轴）实现槽式清洗机各槽体间的搬运转移，在垂直方向（通常定义为Y轴）实现放入槽体或提升出槽体的作业。为了保证制程工艺对流场、温控及洁净度的要求，一般机械手臂采取脱钩设计，亦即机械手臂末端夹持机构（定义为A轴）需要有一定的开合度，实现对晶舟及硅片的夹取或放开。通常X轴、Y轴的动作由伺服电机驱动[3]，而A轴因其空间布局小，动作稳定性要求高，常采用气缸或步进电机驱动（图2、图3），二者的差异分析如表1所示。

1.2?优化设计需求

基于上述机构夹持不对称或开合度单一的问题及行业发展的需求，对机械手臂夹持开合机构进行优化设计，优化后的设计方案需满足以下技术需求：

（1）夹持机构可同时满足4、6、8、12in硅片及晶舟夹持的需求，其末端开合机构需满足表2尺寸要求。

（2）夹持机构需满足完全对称夹持开合的要求，以防夹持不同步导致晶舟移位或因夹紧力不一致导致掉篮等风险。

（3）夹持机构在设备清洗制程中，通过上料区RFID读取不同规格的晶舟后，机械手臂可自动切换至对应晶舟规格的开合度需求，无须进行校正或人工调整。

2?机械手臂夹持开合机构优化设计

为满足全自动清洗设备中搬运机械手臂对不同规格晶舟及硅片的广泛适应性，常规的机械手臂X轴及Y轴仅需在行程及配套导向机构做相对应的延长，即可满足水平及垂直方向不同的行程需求，本设计方案不做深入研究。为满足针对不同规格晶舟夹持开合度的需求，在依托常规机械手臂X轴及Y轴的基础上，进一步探讨夹持开合机构的优化设计，该机械手臂的机构简图简化如图4所示。

2.1?动力机构优化设计

由于A轴布局空间紧凑，对机构传动稳定性及对称性要求高，在夹持动力机构优化选型过程中，充分考虑到气缸、电机等现有的不足，最终选择尺寸小、控制简单、可多点定位的直流电动滑台作为动力驱动，以市面广泛认可的SMC直流电动滑台为例，其参数与气缸或步进电机相比如表3所示。

虽然直流电动滑台尺寸较大，但它突破了气缸或步进电机仅满足4in或6in晶舟的局限，可实现从2、4、6、8in至12in的晶舟夹持范围的覆盖，且电动滑台带抱闸刹车，即使断电状态也可以保持对晶舟的稳定夹持。

2.2?传动机构优化设计

根据全自动清洗设备搬运机械手臂的应用特性，其夹持机构需满足完全低沉夹持开合的需求，以确保左右两边对晶舟同时施加相同的作用力，避免晶舟移位或夹持过程中掉篮。优化设计后动力源选择可多点定位的直流电动滑台，亦即需要通过夹持传动机构，将电动滑台的直线运动转化为末端夹持部件的旋转开合动作。

夹持传动机构（图5）采用引导块与电动滑台紧固连接