機械手臂夾持開合機構的優化設計方案

趙??晗

冠禮控制科技（上海）有限公司

摘? ?要：

隨著半導體行業的發展，全自動濕制程清洗設備面臨更新換代。在迭代過程中存在不同規格晶舟共用機械手臂的情況，這對機械手臂夾持機構提出了更高的適應性需求。鑒于此，對機械手臂夾持機構進行了優化設計，采用電動滑臺驅動引導塊，利用引導溝槽將直線行程轉化為搖臂旋轉，配合PLC及光電傳感器對電動滑臺的行程進行控制，實現末端夾持機構對不同規格晶舟夾持的自動適應性切換，解決了電機驅動方案夾持不對稱及氣缸驅動方案開合度單一的問題。通過建立夾持開合機構的優化模型，進行實驗驗證分析，確定了設計理論的有效性及準確性，為持續性優化提供了參考。

0 ?具體實施

集成電路半導體硅片日益增長的市場需求，給泛半導體加工行業帶來了前所未有的機遇和挑戰。隨著硅片的標準直徑不斷增大，表面精度要求也越來越高，這使得硅片加工難度也隨之增大。更新換代現有的硅片加工設備，開發適應大直徑硅片拋光且加工精度更高的高產能自動化設備已迫在眉睫[1]。而性能可靠、功能完善、自動化程度高的清洗設備是實現高質量清洗效果的保障[2]，因此對于全自動清洗設備的適應性開發是廣大設備廠商共同面臨的問題。

硅片由傳統的2、4、6 in直徑向8 in甚至12 in過渡的過程中，不可避免地存在交叉使用的問題，這對自動清洗設備尤其是搬運機械手臂提出了極大的挑戰。因不同尺寸硅片晶舟差異較大（圖1），要利用一套搬運機械手臂同時滿足不同尺寸硅片晶舟的夾持和搬運，就需要提高搬運機械手臂對不同尺寸晶舟夾持的兼容性和適應性。針對此問題，對機械手臂夾持開合機構進行優化設計，使其同時滿足多種規格晶舟夾持的需求，確保設備在晶圓換代轉型期間可以共用同一臺設備進行生產跑片或小批量測試。例如，目前比較常見的設備需求是4 in與6 in共用、6 in與8 in共用、8 in與12 in共用，或4、6、8 in共用等，這就要求設備配置的機械手臂可以同時滿足多種尺寸，且可以依據上貨區放置的產品自行切換至對應的夾取范圍。

1 ?機械手臂夾持開合機構優化設計需求分析

1.1 ?傳統設計方案

在全自動濕制程清洗設備中，硅片及承載硅片的晶舟需要在水平方向（通常定義為X軸）實現槽式清洗機各槽體間的搬運轉移，在垂直方向（通常定義為Y軸）實現放入槽體或提升出槽體的作業。為了保證制程工藝對流場、溫控及潔凈度的要求，一般機械手臂采取脫鉤設計，亦即機械手臂末端夾持機構（定義為A軸）需要有一定的開合度，實現對晶舟及硅片的夾取或放開。通常X軸、Y軸的動作由伺服電機驅動[3]，而A軸因其空間布局小，動作穩定性要求高，常采用氣缸或步進電機驅動（圖2、圖3），二者的差異分析如表1所示。

1.2 ?優化設計需求

基于上述機構夾持不對稱或開合度單一的問題及行業發展的需求，對機械手臂夾持開合機構進行優化設計，優化后的設計方案需滿足以下技術需求：

（1）夾持機構可同時滿足4、6、8、12 in硅片及晶舟夾持的需求，其末端開合機構需滿足表2尺寸要求。

（2）夾持機構需滿足完全對稱夾持開合的要求，以防夾持不同步導致晶舟移位或因夾緊力不一致導致掉籃等風險。

（3）夾持機構在設備清洗制程中，通過上料區RFID讀取不同規格的晶舟后，機械手臂可自動切換至對應晶舟規格的開合度需求，無須進行校正或人工調整。

2 ?機械手臂夾持開合機構優化設計

為滿足全自動清洗設備中搬運機械手臂對不同規格晶舟及硅片的廣泛適應性，常規的機械手臂X軸及Y軸僅需在行程及配套導向機構做相對應的延長，即可滿足水平及垂直方向不同的行程需求，本設計方案不做深入研究。為滿足針對不同規格晶舟夾持開合度的需求，在依托常規機械手臂X軸及Y軸[4]的基礎上，進一步探討夾持開合機構的優化設計，該機械手臂的機構簡圖簡化如圖4所示。

2.1 ?動力機構優化設計

由于A軸布局空間緊湊，對機構傳動穩定性及對稱性要求高，在夾持動力機構優化選型過程中，充分考慮到氣缸、電機等現有的不足，最終選擇尺寸小、控制簡單、可多點定位的直流電動滑臺作為動力驅動，以市面廣泛認可的SMC直流電動滑臺為例，其參數與氣缸或步進電機相比如表3所示。

雖然直流電動滑臺尺寸較大，但它突破了氣缸或步進電機僅滿足4 in或6 in晶舟的局限，可實現從2、4、6、8 in至12 in的晶舟夾持范圍的覆蓋，且電動滑臺帶抱閘剎車，即使斷電狀態也可以保持對晶舟的穩定夾持。

2.2 ?傳動機構優化設計

根據全自動清洗設備搬運機械手臂的應用特性，其夾持機構需滿足完全低沉夾持開合的需求，以確保左右兩邊對晶舟同時施加相同的作用力，避免晶舟移位或夾持過程中掉籃。優化設計后動力源選擇可多點定位的直流電動滑臺，亦即需要通過夾持傳動機構，將電動滑臺的直線運動轉化為末端夾持部件的旋轉開合動作。

夾持傳動機構（圖5）采用引導塊與電動滑臺緊固連接，為確保重復定位精度，引導塊開設定位銷孔，定位調試后通過定位銷限位。引導塊上開有一定傾角的引導溝槽，相對于引導塊對稱布置的左右搖臂，通過魚眼軸承在引導溝槽內的滾動，實現其在引導溝槽內垂直方向位移的升降，進而帶動兩邊的ARM旋轉運動，并傳遞到末端夾持部件實現對晶舟的開合夾取動作。引導塊上安裝有sensor感應片，在電動滑臺行程過程中，感應片隨之移動，通過光電感應sensor的感應將信號傳遞到PLC，進而實現對電動滑臺的啟?？刂?，以適應不同規格晶舟的夾取開合度需求。

2.3 ?末端執行機構優化設計

全自動清洗設備制程槽體內一般采用無機或有機化學藥液對硅片進行清洗、去膠、顯影、蝕刻等工藝，因此機械手臂末端執行機構工作環境存在腐蝕性強、溫度高、空間有限、有機粘附等狀況。為保證機械手臂搬運穩定性及環境耐受性，夾持動力及傳動機構設置在遠離槽體的一端，且通過表面噴涂防腐鐵氟龍的不銹鋼外罩防護盒進行防護，同時在防護盒內通入微量潔凈氮氣，保持防護盒內微正壓狀態，避免槽體外溢的酸氣侵蝕到相關機構部件。為了確保動力有效傳動，對稱設置兩支ARM手臂，表面經過鐵氟龍噴涂，ARM一端采用雙支撐軸承固定，可隨搖臂同角度旋轉，ARM末端緊固裝有夾持組件，夾持組件與ARM間通過定位溝槽內置螺絲防止松動或轉動不同步。夾持組件可以根據晶舟類型和需求，采用PTFE板型或PFA包覆U型夾爪等，該方案采用PTFE板型夾爪做進一步分析。

當安裝在機械臂夾持機構底板上的電動滑臺移動時，與其組裝在一起的引導塊隨之運動，引導塊開設的引導溝槽內設有與搖臂安裝在一起的魚眼軸承，隨著引導塊的位移，魚眼軸承在引導溝槽內的高度也會變化，進而帶動左右搖臂做對稱的旋轉動作，搖臂與ARM緊固連接，同時ARM與末端的夾持組件同步運動，從而將電動滑臺的直線行程傳遞到PTFE板型夾爪的開合夾持運動，實現對晶舟的夾取或放開（圖6）。

3 ?機械手臂夾持開合機構優化設計模型的驗證

3.1 ?動力機構優化模型

依據設計方案架構，電動滑臺作為動力輸出源帶動引導塊移動，引導塊限位高度與電動滑臺行程和引導溝槽的設計傾角存在正切三角函數關系，簡化設計模型（圖7），可得引導塊限位高度理論公式：

式中：H為引導塊限位高度；S為電動滑臺行程；θ為引導溝槽傾角。

3.2 ?傳動機構優化模型

夾持傳動機構的搖臂通過魚眼軸承與引導塊相連，當引導塊隨電動滑臺位移，魚眼軸承在引導塊溝槽內的Y軸垂直高度也會變化，進而帶動搖臂及與搖臂安裝在同一根ARM軸上的夾持末端執行機構同角度旋轉，簡化其設計模型（圖8）可得末端執行機構夾持組件相對XY平面的夾角理論計算公式：

式中：α為搖臂相對于機械臂底板旋轉角；h為電動滑臺零行程時搖臂旋轉中心相距引導塊溝槽起始位置的高度；L1為搖臂旋轉中心相距引導塊中心的距離；β為夾持組件相對于搖臂旋轉面的初始夾角；γ為夾持組件與機械臂底板夾角。

3.3 ?執行機構優化模型

當末端執行機構夾持組件與XY平面的夾角隨行程變動時，傳遞到夾持末端執行機構的夾爪，實現其對晶舟的夾取或放開動作，簡化其設計模型（圖9）可得末端開合度與夾角的理論計算關系：

式中：W為夾持組件打開距離；T為夾持組件距離ARM中心軸厚度；L2為夾持組件末端長度；L3為夾持組件距離ARM中心軸高度。

3.4 ?模型驗證及計算結果

結合上述理論關系可知，機械手臂夾持開合機構的開合度W以及其對應晶舟夾持能力，與引導塊的傾角θ、搖臂旋轉中心相距引導塊中心的距離L1、電動滑臺零行程時搖臂旋轉中心相距引導塊溝槽起始位置的高度h、夾持組件相對于搖臂旋轉面初始夾角β、夾持組件末端長度L2等參數成正相關；與電動滑臺行程S、夾持組件距離ARM中心軸厚度T、夾持組件距離ARM中心軸高度L3成負相關。結合設計模型，此處定義：L1＝125mm，h＝12mm，T＝42.5mm，L3＝34mm，θ＝31°，β＝2°，L2＝366mm。

將上述數值代入公式（1）～（4），可得夾持開合度W隨電動滑臺行程變化的計算數據如表4所示。

4 ?機械手臂夾持開合機構的實驗分析

4.1 ?正向實驗分析

依據上述機械手臂優化設計方案建立SolidWorks 2021三維模型，依據理論公式計算不同行程對應的夾持開合度以及自三維模型直接測量（圖10）的結果比較如表5所示，理論與測量偏差范圍在±2%，考慮到建模及裝配誤差，該偏差在合理可接受范圍。

4.2 ?反向實驗分析

設計來源于需求，因此若已知所需的開合度范圍，需選擇合適的電動滑臺行程時，基于表6所示的對應關系驗證比較表，可知該模型理論計算與實測（圖11）偏差在≤±0.5 mm的合理范圍，可作為模型搭建之前設計選型的依據。

5? 結語

機械手臂夾持開合機構優化的技術方案，采用電動滑臺作為動力驅動，利用引導塊的引導溝槽將直線行程轉化為搖臂的旋轉運動，進而傳遞到夾持末端實現對晶舟的夾持作業。通過PLC及預設的光電感應傳感器對電缸行程進行感應控制，可實現對不同晶舟夾持開合度的自動切換。相比較電機驅動的夾持方案，該技術方案消除了夾持不對稱的問題；相對于氣缸驅動的方案，該設計方案解決了開合度單一的問題。且通過偏差范圍在±2%的理論模型驗證及實驗分析可知該設計方案的有效性和準確性，該方案也為后續持續的設計優化需求提供了產品選型及相關可變參數定義的參考，降低了模型修改的頻次及難度。

審核編輯：黃飛