晶圆机械手PLC控制系统的设计与实现分析

晶圆机械手PLC控制系统的设计与实现分析

杨洋

身份证号码：231005198806081017

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

2. 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、电源等进行合理设计。从当前大部分应用企业来看，一般会选择B&R 2003系列PLC作为晶圆机械手的核心控制器，以便对整个晶圆机械手的工艺过程和部分自适应算法等进行全面有效控制。另外，为了确保上位机系统与其他主站之间的运行数据能实时交换，还要将CAN总线作为PLC系统的通信总线。并将整个PLC分为4个扩展槽，以便可以为扩展系统模拟量输入输出模块以及创建真空环境检测模块等创造良好条件。除此之外，为了增加PLC读写点数，应在系统底板上安装可扩展的I/O模块。同时晶圆机械手三种运动方式的控制可通过增加三个步进电机来实现。而要想确保晶圆机械手PLC控制系统可以在同一个程序中完成不同的编辑工作，还要对其各运动坐标以及装载腔的各片层位置与反应腔位置等分别进行定义，这样在与电机连接后，就能对相应的驱动程序合理设计与编写[2]。

3.晶圆机械手PLC控制系统功能调试要点分析

晶圆传递机械臂的主要功能作用是将存储在装载腔和反应腔中的晶圆进行往复的运动传递，在这一过程中，通常会涉及垂直升降、水平旋转和径向伸缩等运动流程。鉴于此，就要切实保证晶圆机械手

PLC控制系统的定位精度及运行稳定性等达到最佳标准，才能实现对晶圆的精确定位。而这一目标的实现，需要相关企业在晶圆传递机械臂架构设计完毕后，对其具体应用功能予以全面调试，具体应从以下两个方面入手：首先，机械方面的调试，即通过对晶圆机械手末端手臂安装位置的调整，来发挥出机械手的控制功能和优势；其次，电气控制方面的调试，即对各步进电机的细分驱动进行有效调整，以便在缩小电机间步进距离的基础上，最大化避免设计偏差的产生，另外，还要采用插补算法对机械手的运行轨迹进行精准定位，并将相应的计算结果纳入PLC程序编写中，这样才能提高数据位数，规避迭代计算误差的产生；最后，为了避免步进电机在加减速过程中不会产生较大的机械振动反应，不仅要利用PLC运动学控制模块来对步进电机的加减速度进行有效控制。而且还要对晶圆机械手PLC控制系统作出采样分析，其中，末端机械手臂采样方式要以接触式测量方法为主，保障系统径向直线运动重复定位精度，从而在满足晶圆生产制作需求。

结束语：

综上所述，晶圆是半导体集成电路生产制作的基础材料，为了满足其真空环境下的生产制作需求，就要通过基于PLC控制的传递机械臂的辅助才能实现最终的生产目标。在实际生产过程中，要想充分发挥晶圆机械手的优势和作用，首要任务就是对其运行轨迹实施准确的计算分析，同时还要根据相应的控制要求，对晶圆传递机械臂PLC控制系统I/O分配以及程序设计要点进行全面掌握，并全面优化晶圆机械手的控制参数以及步进电机控制器参数，这样才能提高晶圆机械手运行的可靠性和稳定性，进而使其在长期重复不间断工作中可以真正做到自我诊断和自我补偿。

参考文献

[1]晁黎明.基于PLC的机械手控制系统设计[J].科技信息,2021,(01):376

-377.

[2]张利军,王刚等.MP2300在晶圆传输机械手控制系统中的应用[J].魅力中国,2022,(06):29-30.