陈英男

摘 要：IC制造装备是半导体工艺制程的重要载体。芯片生产过程中，用晶圆传输系统来实现晶圆在不同工位之间快速、高效、可靠的搬运。随着晶圆生产的产量和尺寸的不断增加，对晶圆传输结构的速度、精度要求也日益提高。本文主要介绍R.θ型晶圆传输机械手的典型结构、使用条件、特点及注意事项。为晶圆输送系统的设计及选型提供一些参考依据。

关键词： R.θ；机械手；晶圆；结构；洁净

集成电路是电子信息产业的核心，是推动国民经济和社会信息化发展的高新技术之一。IC制造装备作为实现工艺制程的载体在其中发挥着重要作用。晶圆的生产、加工需经过多个工序。晶圆传输系统用来实现晶圆在不同工位之间快速、高效、可靠的搬运。随着晶圆生产的产量和尺寸的不断增加，对晶圆传输结构的速度、精度要求也日益提高。

1 晶圆传输机械手概述

晶圆传输机械手是晶圆输送系统的一種典型应用。按应用环境，可分为洁净机械手和真空机械手。洁净机械手主要应用在洁净大气环境中，为避免运动部件产生粒子污染源影响系统洁净度及基于减少晶圆表面污染等原因，一般将驱动、传动部件隔离在晶圆传输路径之外或将其封闭在独立的防尘空间内。真空机械手一般应用在1×10-5 Pa真空环境中，除了满足洁净环境的要求外，还要求适应真空环境，结构比洁净机械手更复杂。

晶圆传输机械手大都在有限的空间中实现晶圆的快速搬运，因此对其运动特性、反映灵敏性、运动准确性等方面，都有较高的要求。按传动方式，可分为平面关节型机械手（SCARA）和径向直线运动（R.θ）型机械手。典型的平面关节型机械手（图1）有4个自由度，分别为大臂回转、小臂回转、末端执行器回转以及升降运动，每个关节由独立的电机驱动，其手臂与末端执行器之间的运动相互独立，这样有利于运动的调整及对旋转角度进行补偿。但因其升降结构设置在末端执行器一侧，空间尺寸无法满足去晶圆盒或反应腔取送晶圆的要求，故应用并不广泛。典型的径向直线运动型机械手（图2）有3个自由度，分别为R（径向）运动、θ（旋转）运动和z（升降）运动。部分特殊应用可能会在末端执行器上增加翻转动作。

2 R.θ型机械手主要结构

2.1 z（升降）结构

升降结构用来实现上层机械臂的上下运动，多用于取放晶圆的交接动作。一般采用伺服电机驱动同步带及滚珠丝杠传动，直线导轨导向的结构形式。

2.2 θ（旋转）结构

旋转结构用来实现上层机械臂在圆周方向的整体旋转，以便对准取送片位置。多通过伺服电机驱动同步带的传动结构或直驱电机的结构形式实现。旋转轴径向误差通过旋转臂反映到末端执行器上会产生很大的放大效果。当机械臂伸出时力臂较长，旋转轴会受较大的力矩。图3是手臂的转动关节受力图，这种两点支承方式避免了反作用力矩的存在而仅仅只有反作用力，轴承Bi1只产生径向反作用力Ri1x防止径向间隙，提供水平刚度。轴承Bi2产生垂直反作用力Ri2z防止轴向间隙，提供垂直刚度，并提供水平反作用力Ri2x。Bi2轴承可以选择两个角接触轴承，一个四点接触球轴承或滚子轴承来实现。设计时应尽量使轴承间距lBi最大化以保证反作用力最小。

2.3 R（径向）伸展结构

径向伸展结构用于实现机械手臂沿径向的直线伸缩运动，伸展过程中始终保持末端执行器的运动轨迹为直线，这是R.θ型机械手的典型特征。结构原理如图4所示，由两套相互关联的同步带机构来实现，其中R轴电机与大臂体固联，带轮1与θ轴固联，带轮2与小臂体固联，带轮3与大臂体固联，带轮4与末端执行器固联，且大臂与小臂长度相等即OA=AB，带轮1与带轮2的直径比为2∶1，带轮3与带轮4的直径比为1∶2。执行伸展运动时，带轮1相对θ轴不动，R轴电机带动大臂相对带轮1正向旋转一个角度α，带轮2带动小臂反向转动2α，带轮4相对带轮3正向转动α。BC点运动轨迹始终沿着OB做直线运动。要实现精确的径向直线伸缩运动，第一要保证精确的传动比，常用的非金属同步齿形带结构因存在齿形间隙及长期磨损易发尘等原因已经较少采用，现多选用耐磨性和刚性更好的钢带。但装配完成后必须进行张力测试和调整。第二要保证大臂体和小臂体带轮中心距的一致性，可将两个工件的轴承孔组合加工，以确保运动精度。

2.4 末端执行器

末端执行器是指置于机械手臂末端用来执行操作的工具。晶圆搬运的末端执行器形式有些采用托举式结构，即只拖取晶圆而不对其进行固定，这种方式结构简单，但定位精度低，且在高速运行时可能会导致晶圆脱离。现多使用夹持式或真空吸附式，但结构比较复杂，且需注意操作过程中对晶圆造成的损伤。有时还需在手臂上装备传感器来执行探寻或定位工作。

2.5 洁净材料

晶圆搬运系统需选择合适的材料及表面处理方法，来降低对洁净环境的污染。洁净机器人的常用材料有如下几个类别：

不锈钢有良好的洁净度，耐腐蚀，硬度高，热膨胀小。但与铝相比成本高，且因密度大，在运动中需要更高的能耗和更复杂的控制算法。因此主要用于较小的运动部件。

铝合金质轻，强度高，无毒，无磁，无火花，耐腐蚀，加工简单。是洁净机器人中结构件的典型材料。但在潮湿环境中会发生电化学腐蚀，需要进行表面处理来抑制腐蚀和污染。

塑料兼具洁净度，耐热性和化学稳定性等优点。是歧管，末端执行器，O形密封圈的典型材料。PEEK（聚醚醚酮）、PTFE（聚四氟乙烯）、Viton（氟橡胶）、硅胶等是较常用的材料。特别是PEEK，具有高纯度，高强度、低摩擦系数、高耐磨性和低粒子挥发性，常用于与晶圆直接接触的部件。且PEEK可被石墨强化提高导电性，防止静电放电损伤晶圆。并可通过玻璃纤维和碳纤维强化机械性能。

陶瓷材料具有良好的机械，电学和热力学性能，及良好的光洁度，硬度，耐磨、耐热和耐腐蚀性。多用于晶圆搬运的末端执行器。但其加工难度及成本较高。因陶瓷是电绝缘体，作为执行器必须接地避免静电放电对晶圆造成损害。

3 结语

晶圆传输机械手根据应用及需求的不同，还有很多不同的类型，但其结构也更加复杂，控制系统难度也更高。也希望不久的将来能够开发出更简单高效，高精度的晶圆传输机械手。

参考文献：

[1]刘延杰，等.同步带传动晶圆传输机械手精度分析与补偿[J].机械传动，2010（04）33.37.

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