面向IC制造的硅片机器人传输系统综述

文章编号 1002 20446 2007 0320261 206面向 IC制造的硅片机器人传输系统综述 3丛 明 , 杜 宇 , 沈宝宏 , 金立刚大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室 , 辽宁 大连 116024 摘 要 介绍了面向集成电路制造业的硅片机器人传输系统 ,综述了其主要组成部分 硅片机器人和预对准装置 的工作原理及国内外研究成果 . 就直接驱动技术 、 磁性流体密封技术 、 磁力传动技术 、 硅片机器人轨迹规划与控制技术 、 校准技术以及夹持技术 ,对硅片机器人传输系统的关键技术进行了探讨 .关键词 集成电路 ; 硅片机器人传输系统 ; 硅片机器人 ; 预对准装置中图分类号 TP24 文献标识码 ARoboti c W afer Handli n g System s for In tegra tedC ircu it M anufactur in g A Rev iewCONGM ing, DU Yu, SHEN Bao2hong, JIN L i2gang Key L aboratory for Precision and N on2traditional M achining Technology of M inistry of Education,D alian U niversity of Technology, D alian 116024, China Abstract This paper surveys robotic wafer handling system for integrate circuit manufacturing, and reviews the operatingprinci p le and research results of the main components of the system, i. e. , wafer robot and p realigner. It also discusses thekey technologies of robotic wafer handling system, including direct drive, magnetic fluid seals, magnetic coupling, tra2jectory p lanning, control technology, calibrati on and gripp ing.Keywords integrate circuit; robotic wafer handling system; wafer robot; p realigner1 引言 In troducti on集成电路 IC是电子信息产业的核心 [ 1 ] ,是推动国民经济和社会信息化发展的最主要的高新技术之一 . 目前 ,以半导体集成电路为基础的电子信息产品的世界贸易额已达到了 1万亿美元 ,成为世界第一大产业 ,谁控制了超大规模集成电路技术 ,谁就控制了世界产业 .制造技术 工艺 的更新和更高性能 IC制造装备的研制是半导体产业发展的两个重要因素 ,而制造装备又是实现工艺技术的载体 [ 2 ] ,制造工艺的更新以更高性能 IC制造装备的研制为基础和前提条件 . 所以 ,发展 IC产业要从研制适合于 IC生产要求的 IC装备入手 ,逐步实现 IC制造过程的机械化 、 自动化和智能化 ,以满足 IC制造工艺高精度和高洁净度的要求 .20世纪 80年代 ,特别是 90年代以后 , IC产业快速发展 [ 3 ] ,机械自动化技术被引入 IC制造过程 . IC产品的制造既离不开划片机 、 研磨机 、 抛光机 、 光刻机等单个工艺的制造设备 ,又离不开实现硅片在 IC各个工艺之间传输和定位的硅片传输系统 [ 4 ] . 硅片传输系统作为 IC生产线的高精度 、 高速度和高洁净的自动化传输设备 ,直接体现出整机系统的自动化程度和可靠性 . 因此 ,用于这样环境的自动化传输系统已成为 IC制造装备中的关键设备 .2 硅片机器人传输系统 Roboti c wafer han2dli ng system2. 1 硅片机器人传输系统概述硅片机器人传输系统是一类面向集成电路制造业 ,综合利用机械 、 电子 、 光学 、 计算机等技术 ,通过编程或示教的方式 ,在 IC制造的各个工艺模块间精第 29卷第 3期2007年 5月 机器人 ROBOTVol. 29, No. 3May, 2007 3 基金项目 国家 863计划资助项目 2002AA4212301 .收稿日期 2006 - 08 - 10确 、 快速地传输并定位硅片的 [ 5 ] ,具有高精度 、 高洁净度和高可靠性的自动化传输系统 . 它针对 IC制造的工艺精度和净化要求 ,借助工业机器人和工业自动化技术 ,在超洁净或真空环境中向各个加工设备输送硅片 .20世纪 80年代以后 ,美国 、 日本 、 德国等发达国家先后开发了多种型号的硅片机器人传输系统 ,其中比较领先的是日本的安川公司 、 RORZE公司 ,美国的 BROOK AUTOMATION公司 、 ADEPT公司等 . 我国IC产业起步晚 ,对硅片机器人传输系统的研究和开发与国外相比有较大差距 ,只有少数大学和研究所开展了有关方面的研究 [ 6 ] .目前 ,按工作环境的不同 ,硅片机器人传输系统可分为两类 ,一类是在超洁净环境中应用的硅片机器人传输系统 ,其典型结构如图 1 a所示 ,它由 R2θ型硅片机器人 、 光学预对准装置和机器人末端执行器校准装置等组成 [ 6 ] . 它的一个完整的工作流程为 ① 硅片机器人将待加工的硅片从片盒中取出 ,送至预对准装置进行定位 ; ② 硅片机器人将定位好的硅片送入工艺设备中 ,进行相应的工艺处理 ; ③ 硅片机器人将已加工好的硅片传送到已加工硅片的片盒中 ; ④ 对硅片机器人的末端执行器校准 ,硅片机器人回零 .另一类是在真空环境中应用的硅片机器人传输系统 ,其典型结构如图 1 b所示 ,称为集束型 Clus2ter Tools硅片机器人传输系统 ,它由真空型硅片机器人和光学预对准装置等组成 . 在这种传输系统中 ,几种工艺设备和硅片盒被放置于蛙腿式真空型硅片机器人的周围 ,真空型硅片机器人通过路径规划 ,在真空环境中完成对硅片的定位和在各个工艺之间的传输 [ 7 ] . 这种 结构 形式的 优点 是 结 构紧 凑 、 效 率高 [ 8 ]和污染小 .图 1 硅片机器人传输系统Fig. 1 Robotic wafer handling system2. 2 硅片机器人及其发展现状硅片机器人是在集成电路制造业中 ,取代人来完成传输硅片的工业机器人 . 它产生于 20世纪 80年代的日本 、 美国等发达国家 [ 9 ] ,可以实现硅片在不同工位之间的快速 、 高效和可靠的转移 [ 10 ] ,与传统的工业机器人相比 ,具有高速度 、 高精度 、 高稳定性和高洁净度的特点 .目前 ,市场上主要应用的硅片机器人 ,按应用环境的不同 ,可分为净化机器人和真空机器人 . 净化机器人是指用在洁净大气环境中的硅片机器人 ,这种机器人洁净等级高 ,一般在 10级 ,有的可以达到 1级 ,运动时产生尘埃少 ,且有良好的密封措施 . 真空机器人是指用在 10- 5 Pa真空环境中的硅片机器人 ,这种机器人除了要适应真空环境外 ,还要同时满足净化环境的要求 ,结构比净化机器人更复杂 ,主要应用于集束型硅片机器人传输系统中 .按传动方式的不同 ,硅片机器人可分为平面关节型硅片机器人和径向直线运动 R2θ 型硅片机器人 . 平面关节型硅片机器人又可分为间接驱动型和直接驱动型两种 . 径向直线运动 R2θ 型硅片机器人又可分为单托盘式 、 双托盘反向式和双托盘同向式三种 .典型的平面关节型硅片机器人有 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262 机 器 人 2007年 5月 降运动 ,其中手臂和末端执行器之间的运动是相互独立的 . 它的每个关节处都有一台独立的电机 ,这些关节既可以联动也可以单独运动 ,这样有利于动作的调整和对旋转角度进行补偿 . 间接驱动型硅片机器人需要使用减速器和润滑油 ,容易污染环境 . 直接驱动型硅片机器人通过电机直接驱动负载 ,无需减速器的降速 ,简化了机构 ,减少了污染 . 图 2 a所示为美国 ADEPT 公司开发的 S350 CR系列 [ 11 ] ,是典型的直接驱动 4轴平面关节型硅片机器人 ,其 X、 Y轴重复定位精度可达 01015 mm, Z 轴重复定位精度可达 0101 mm,θ 向重复定位精度可达 01005 ,可用在洁净等级为 10级的洁净环境中 .典型的 R2θ 型硅片机器人有 3个自由度 ,分别为 R 径向运动 、 θ 旋转运动 和 Z 上下运动 ,其显著特征是电机通过复杂的带传动驱动前 、 后臂的关节回转 ,硅片机器人的手臂能沿着径向做直线运动 [ 12, 13 ] . 由于这种硅片机器人的关节处采用的是带驱动 ,如果应用同步齿形带 , 会引起较大的传动误差 ,比较好的方法是选用钢带 ,这样可以减小由于带的弹性变形引起的误差 ,提高传送精度 . 图 2 b所示的日本 RORZE公司开发的 RR700系列 [ 14 ]就是典型的 R2θ 型硅片机器人 ,其 R 向重复定位精度可达 0105 mm,θ 向重复定位精度可达 01012 , Z轴重复定位精度可达 0102 mm,可用在洁净等级为 10级的洁净环境中 .图 2 硅片机器人Fig. 2 W afer robot2. 3 硅片预对准装置及其发展现状硅片预对准装置是在硅片机器人传输系统中 ,补偿硅片机器人对硅片的定位误差 ,完成对硅片中心和切边 或缺口 精确定位的一种高精度对准装置 [ 15 ] . 按定位精度的不同 ,可分为机械式预对准装置和光学预对准装置 . 目前 ,国际上主要应用的是光学预对准装置 .2. 3. 1 机械式预对准装置机械式预对准装置是用复杂的机构直接接触硅片 ,使其被动定位 ,主要应用于传输精度要求较低的微米级设备中 [ 16 ] . 在机械式预对准装置中 ,对硅片的切边探测和中心定位是分开进行的 ,其工作原理如图 3所示 . 首先 ,将硅片对心放于旋转台上 ,旋转台真空吸附硅片 ,带动硅片转动 ,光源发光 ,光源接收传感器接收光信号 ,由于硅片的边缘挡住了部分光源 ,所以当硅片的切边 或缺口 旋转至光源下方时 ,光源接收传感器接收到的光信号强弱会产生变化 ,当接收到的光源能量最大时 ,即为硅片切边距离最大处 . 然后 ,由硅片机器人将硅片传送到校准机构 ,对硅片进行中心定位 .图 3 机械式预对准原理Fig. 3 Princi p le of mechanical p realigner362 第 29卷第 3期 丛 明等 面向 IC制造的硅片机器人传输系统综述 图 4 一种机械式预对准装置Fig. 4 A mechanical p realigner图 4为一种机械式预对准专利结构简图 [ 17 ] ,在这种预对准机构中 ,环绕在硅片边缘的 3个定位柱靠连杆传动 ,推挤硅片的边缘 ,实现对硅片的中心定位 .机械式预对准系统的优点是 成本低 、 控制系统和算法简单 . 缺点是 ①机械机构直接接触硅片 ,容易对硅片造成损伤 ; ②精度低 ,只能满足 0135μ m以上的设备 ,不能满足整机精度要求 ,只能说是对硅片的预定位 ,不是严格意义上的预对准 ; ③ 工艺过程复杂 ,时间长 ; ④ 机构复杂 .2. 3. 2 光学预对准装置光学预对准是用光学检测仪器配合简单的机构实现硅片的高精度定位的 ,它集硅片的切边探测和中心定位于一体 ,由光学检测仪器检测 、 记录硅片的中心偏移量以及切边或缺口的位置 ,并将其传送给系统的控制器 ,用简单的机构经过直线和旋转运动实现硅片的定位 . 如图 5所示的日本 RORZE公司的RA310 300 mm系列 [ 18 ]就是典型的硅片光学预对准装置 .它由 1个承片台 OF台 、 3个接片柱 、 1个光学检测装 置和 3 个步进 电 机 组 成 . 其 工 作 流 程 为 ① OF台吸附硅片 ; ② OF 台旋转 ,光学检测装置检测硅片边缘 ,计算硅片偏心量 ,并将偏心量转化为与OF台的位移在一条直线上的位移量 ; ③光学检测装置发送信号给控制系统 ,由控制系统将信号传送到步进电机控制器 ; ④ OF台直线运动 ,硅片中心定位 ;⑤接片柱升起 ,吸附硅片 , OF台回位 ; ⑥ 接片柱下降 ,旋转电机带动 OF 台旋转 ,硅片的切边或缺口定位 .图 5 RORZE RA310 系列硅片光学预对准系统Fig. 5 RORZE RA310 optical p realigner目前 ,国际上 300 mm硅片 90 nm技术的生产线已经投入使用 ,光学式硅片预对准技术已经趋于成熟 . 德国的 ISEL 2ROBOTIK公司已经生产出了 IPA 2300VS21和 IPA 2300VU 21型光学式硅片预对准装置 ,其直线定位精度可达 215 μ m,旋转定位精度可达 0105 ,完成定位时间小于 315 s. 美国的 INNOVA 2TIV E公司也生产出了直线定位精度为 1215μ m、 旋转定位精度为 011的 IR1300型光学式硅片预对准装置 .3 硅片机器人传输系统的关键技术 Keytechnolog ies of roboti c wafer handli ngsystem在对硅片机器人传输系统的研究开发中 ,需要解决的关键技术问题有两点 一是如何抑制尘埃粒子的发生 ;二是如何在搬运硅片的过程中提高传输精度 ,产生平滑的加减速度运动 ,防止振动 [ 19] . 针对第一个问题国内外学者展开了对直接驱动技术 、 磁性流体密封技术以及磁力传动技术的研究 ,针对第二个问题则展开了对硅片机器人轨迹规划与控制技术 、 校准技术以及夹持技术的研究 .3. 1 直接驱动技术减速器是原动机和工作机之间独立的闭式传动装置 ,传统的电机常常必须使用减速装置降低转速和增大转矩 ,以满足工作的需要 . 因为减速器内部传动元件之间存在间隙 、 有摩擦 ,降低了机电系统的精462 机 器 人 2007年 5月 度 ,并且为了减少传动副之间的摩擦 ,减速器必须使用容易污染环境的润滑油或润滑脂 ,所以在 IC制造的洁净环境中不宜使用减速器 .直接驱动技术将负载直接刚性地连接到电机轴上 ,将这种技术运用于硅片机器人传输系统中 ,不但避免了由减速装置引起的传动误差和环境污染 ,而且简化了机构 ,提高了结构体的刚性 ,减轻了结构体的重量 [ 20 ] .直接驱动型步进电机 ,结构简单 ,可以在低速时产生大扭矩 ,但容易产生不同步的现象 ,精度不高 . 直接驱动型 AC伺服电机配合在真空环境中使用的光学编码器 、 磁性编码器 ,可以实现机构的精确定位 . 磁性编码器较光学编码器的优点是不散热 ,可靠性高 ,更适合在真空环境中使用 [ 2 ] .3. 2 磁性流体密封技术为了防止硅片机器人传输系统在传输运动时产生的尘埃向外部洁净环境扩散 ,要采取良好的密封措施 [ 21 ] . 由于传输系统中某些旋转轴的转速很高 ,用传统的 “ O” 型圈等密封件密封达不到洁净环境中的密封要求 ,故采用了磁性流体密封的方式 .磁性流体密封是以磁性流体为功能液体 ,采用聚磁结构实现非均匀磁场分布 ,将磁性流体约束在密封间隙中 ,实现密封的一种液态密封形式 [ 22] . 它的工作原理是在轴和静止元件间充满磁性流体 ,磁性流体在磁场的作用下 ,在间隙中形成液体“ O” 形环 ,把间隙全部堵住 . 这种密封技术的优点是 ①没有固体间的摩擦 ,不产生粉尘 ,也不会造成零部件的磨损 ,无污染 ,寿命长 ,摩擦产热少 ,噪声小 ; ②由于是液体与固体接触密封 ,所以气密性好 ,用在真空密封时 ,可以保持 10- 6 Pa的真空度 .3. 3 磁力传动技术磁力传动技术是利用永磁材料或电磁铁所产生的磁力作用 ,实现力或转矩 功率 无接触传递的一种新技术 [ 23 ] . 为了降低硅片机器人传输系统对环境的污染 ,引入了磁力传动技术 . 利用磁力传动器替代传统的机械接触式联轴器 ,既能使转动轴的动态密封转化为静态密封 ,又能使传输系统的驱动和传动部件与执行部件分开 ,可以在执行部件的工作区间形成更高的洁净度 [ 24] .目前 ,国内外对磁力传动技术开展的研究虽然很多 ,但其在 IC制造业中的应用还很少 ,主要存在的问题是如何提高传动精度 ,以及如何稳定地传递输出较大的转矩 .3. 4 硅片机器人轨迹规划和控制技术因为对 IC产品的需求不断增大 ,所以必须提高IC生产线的工作效率 ,基于时间最优算法的硅片机器人手臂轨迹规划一直是国内外研究的热点 . 其基本思想是由国外学者 B ianco和 Piazzi[ 25 ]提出的 ,该方法采用修正的三次多项式来构造机器人的关节轨迹 ,以关节位置 、 关节速度 、 关节加速度和关节加速度变化率等参数作为动态边界约束条件来优化机器人各个关节的运动规律 ,实现机器人末端执行器在规定的轨迹中运动时间最短 .硅片机器人的运动控制器是影响硅片机器人快速 、 平稳运动的关键因素 ,为了使硅片既快速又不被损坏地传输 ,日本的安川 、 RORZE,美国的 ADEPT、BROOKS等公司相继开发了多种硅片机器人运动控制器 ,其主要目的都在于提高传输速度和可靠性 ,使硅片机器人手臂在加减速运动过程中产生平稳的 S曲线 .3. 5 校准技术为了满足传输不同尺寸硅片的需要 ,硅片机器人的末端执行器要经常更换 ,虽然硅片传输机器人具有很高的重复定位精度 ,但是由于零部件位置误差和定位误差的存在 ,其绝对位置精度较低 . 另外 ,末端执行器工作一段时间 ,会产生位置偏移 ,造成传输硅片不准确 . 因此 ,采用末端执行器校准系统非常必要 . 人工示教的校准方法需要大量的时间和很高的技巧 ,而且精度低 .Zhang[ 26 ]等人采用经典的一面两孔的定位方式 ,结合新的补偿算法 ,解决了校准精度的问题 . 其校准过程为 首先将末端执行器上的两个孔与校准装置的销对准 ,并插入 ,编码器反馈给电机一个位置信号 ,控制器针对此时的位置进行校正 、 控制 . 在更换不同规格的末端执行器时 ,根据其尺寸的变化 ,计算出控制系统所需要的补偿量 ,输入到控制器 ,重复上述过程 .3. 6 夹持技术在 IC制造业中 ,加工工艺精度不同 ,对硅片夹持技术的要求也不同 ,对于硅片机器人传输系统 ,要根据不同的加工工艺 ,选择硅片机器人末端执行器夹持硅片的方式 .在加工工艺精度不高的情况下 ,采用真空吸附的方式 ,利用负压来 “ 吸附 ” 硅片 ,真空吸盘上的保持环可以保证硅片与吸盘之间不会产生相对运动 ,具有效率高 、 无污染等优点 . 目前 ,对于真空吸附技术的研究主要在对吸盘材料的选择和对吸盘的优化设计方面 [ 27 ] . 而在一些高精度加工工艺中 ,为了避免末端执行器直接接触硅片 ,造成污染 ,则采用了边缘562 第 29卷第 3期 丛 明等 面向 IC制造的硅片机器人传输系统综述 夹持的方式 [ 28 ] .4 结论 Conclusi on随着硅片直径的增大 ,特征尺寸的减小 ,其主流生产线已由 20世纪 80年代的 6 in、 018μ m,到 90年代的 8 in、 0135μ m ,直至今天的 12 in、 0118μ m ,逐渐向 18 in、 0105μ m 方向迈进 . 硅片的直径 、 重量的增加与制造工艺的提高 ,使硅片机器人传输系统必将朝着更高洁净度 、 更高速度 、 更高精度和更高稳定性的方向发展 .尽管我国的 IC产业得到了迅速发展 ,但用于 IC制造的半导体装备主要依靠进口 , IC制造装备的研究也是刚刚起步 . 因此 ,研究硅片机器人传输系统等IC制造装备对发展我国的 IC产业意义重大 .参考文献 References[ 1] 汪劲松 ,朱煜 . 我国 “ 十五 ” 期间 IC制造装备的发展战略研究[ J]. 机器人技术与应用 , 2002, 2 5 - 9.[ 2 ] Chiaki T. 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