外文翻译
专 业 机械电子工程 学 生 姓 名 张 华 班 级 B机电092 学 号 05 指 导 教 师 袁 健
外文资料名称：Research，design and
experiment of end effector for wafer transfer robot
外文资料出处：Industrail Robot：An International Journal 附 件： 1.外文资料翻译译文 2.外文原文
指导教师评语： 签名： 年 月 日
晶片传送机器人末端效应器研究、设计和实验
刘延杰、徐梦、曹玉梅
张华译
摘要：目的——晶片传送机器人扮演一个重要角色IC制造行业并且末端执行器是一个重要的组成部分的机器人。本文的目的是使晶片传送机器人通过研究其末端执行器提高传输效率,同时减少晶片变形。
设计/方法/方法——有限元方法分析了晶片变形。对于在真空晶片传送机器人工作,首先,作者运用来自壁虎的超细纤维阵列的设计灵感研究机器人的末端执行器,和现在之间方程机器人的交通加速度和参数的超细纤维数组。基于这些研究,一种微阵列凹凸设计和应用到一个结构优化的末端执行器。对于晶片传送机器人工作在大气环境中,作者分析了不同因素的影响晶片变形。在吸收面积的压力分布的计算公式,提出了最大传输加速度。最后, 根据这些研究得到了一个新的种末端执行器设计大气机器人。
结果——实验结果表明, 通过本文研究应用晶片传送机器人的转换效率已经得到显着提高。并且晶片变形吸收力得到控制。
实际意义——通过实验可以看出,通过本文的研究,可以用来提高机器人传输能力, 在生产环境中减少晶片变形。还为进一步改进和研究末端执行器打下坚实的基础,。
创意/价值——这是第一次应用研究由壁虎启发了的超细纤维阵列真空晶片传送机器人。本文还通过有限元方法仔细分析不同因素在晶片变形的影响。 关键词：晶片传送机器人末端执行器、超细纤维数组、晶片 1.介绍
作为一个主要集成电路设备的制造行业,晶片机器人承担了精确定位,快速和稳定的传输晶片的任务。随着集成电路产业的快速发展(比如晶圆的直径增加到300毫米), 机械制造技术的更高的要求是为了提高生产力,因此，更高的晶片传送效率是必要的。同时,由于晶片变得越来越薄,因此晶片机器人的设计也要防止转移严重变形晶片。末端执行器是晶圆转移机器人一个重要的组件,它有一个很大的影响传输效率机器人的硅片变形。目前关于末端执行器的晶片传送机器人的研究很少。因此,它是非常必要的相关研究。发展至今有两种晶片传送机器人:真空晶片传送机器人和大气晶片传送机器人。真空晶片传送机器人工作在真空环境而大气晶片传送机器人工作在大气环境。对于真空晶片传送机器人,过境晶片依赖摩擦力晶片和晶圆自己的重量的末端执行器之间生成的。虽然大气晶片传送机器人是使用真空泵在晶片和机器人的末端执行器之间产生真空。在大气压力和真空中有一种压力区别,这造成了相当大的正常压力,然后生成足够的摩擦力来维持晶圆在机器人的位置。 2．研究
对于大气晶片传送机器人
对于晶片传送机器人工作在大气环境,晶片的两面的主要的压力差会使得摩擦力大到足以影响晶片。晶片的自己的体重还有助于一代的摩擦力。严重的晶片变形可能是由于大量吸收力,这是完全不可接受的。因此,我们需要分析对晶片的变形产生影响各种因素。考虑到高转换效率的要求,我们还应该建立最大转移加速和晶片传送机器人的末端执行器工作在大气环境的参数之间的关系。
（1）我们采用有限元分析方法分析吸收毛孔对晶片的变形数量的影响
对于晶片的变形下产生不同数量的吸收毛孔。这里我们假设吸收毛孔的半径3毫米均匀分布在一个圆半径为100毫米。吸收毛孔的数量范围从三到无限的并且用于分析的晶片是直径300毫米 厚度100微米。分析结果显示在图1和表1。结果表明,晶片的变形和应力减少增加吸收毛孔的数量,但在减少程度上变得越来越小。考虑技术和经济可行性,我们最后选择四个吸收毛孔(图2)。
图1 包含4个或6个吸收毛孔约束的晶片的变形模拟图 表1 仿真包含不同数量的吸收毛孔约束晶片的最大变形和应力
图2 包含不同数量的吸收毛孔最大变形和应力曲线
（2）吸收孔的位置也会影响的晶片变形。
通过同样的过程,我们分析晶片的变形和压力在行动与不同位置的吸收毛孔。吸收孔隙分布圈的半径范围从30到150毫米。分析结果显示在图3(a)。根据这个结果,我们可以得到的R =110毫米是最佳吸收孔位置以防止晶片的变形(图4)。
图3 (a)包含不同位置的毛孔约束晶片的变形模拟图；(b)吸收面接触等效原理
图
图4 包含吸收毛孔的不同位置最大变形和应力曲线
（3）半径影响吸收毛孔在晶片的变形
作为吸收毛孔随其半径,吸收力它生成也会改变。所以我们需要分析半径之间的关系的吸附孔,晶片变形。结果显示在图5和表2。图6显示晶片变形显着增加随着规模的毛孔吸收更大。
图5 不同的吸收孔隙半径的晶片变形的曲线
表2 受到不同的半径吸收毛孔作用的最大的晶片变形
接触宽度在晶片的变形接触宽度末端执行器之间的影响,晶片也会影响晶片应力和变形。我们分析了晶片变形在不同接触宽度和结果如下所示(图6)。结果表明,晶片变形和应力作为接触宽度的增加和减少的趋势线图7中所示。当接触宽度是20毫米,晶片最大变形是约1微米,它是可接受的。
图6 不同接触宽度的晶片变形模拟图
图7 不同接触宽度的最大变形和应力曲线
（4）在吸收区域压力分布
我们应该研究压力在吸收地区分布以防在晶圆上存在应力集中。如图3所示(b),当晶片是作用下吸收力F,它相当于,晶片接触一个球是在推动,力F。根据赫兹(1882)理论,当一个理想的球体接触一个平面,真正的接触面积可以拿到如下:
F -吸收力;Rs -半径的球体,这里我们假定它等于半径的吸收毛孔;Rk . -半径的实际的接触面积,E,n -弹性模量和泊松晶圆片的比例;Es,vs -弹性模量和泊松比的球体,这里我们假设它们是材料相当的末端执行器。如果某个地点之间的距离和中心的接触面积是r,然后上的压力这个特定的点是:
总体压力接触面积是:
对于典型的晶片和机器人工作在大气环境、材料参数是已知的。Vs= ,Es = 68GPa,V=,E=的平均绩点。我们把压力分布函数的接触面积显示在方程 ：
图8显示,没有显着变化的压力值作为X1,X2的变化,这意味着压力是近均匀分布在整个吸收面积。因此没有应力集中在吸收区域。
图8 吸收面积压力分布图
3.设计
对于真空晶片传送机器
基于以上研究设计一种微阵列的肿块,我们尝试设计一种用于晶片传送微阵列凹凸。为了降低晶片变形,我们选择四个肿块联系方式并且四个肿块是完全相同的。从方便处理方面考虑，光刻胶苏8材料被用来制造了超细纤维数组并且采用光刻技术。原理和实际图的微阵列肿块如图12所示。超细纤维数组是均匀分布的面具，总面积5X5毫米。这个面具是固定的上表面一个玻璃基片面积6X6毫米,厚度3毫米。超细纤维数组、面具、玻璃衬底,三层组成的微阵列肿块。材料参数和尺寸参数数组和薄片是超细纤维显示在表3。
表3 超细纤维数组和晶片材料参数和尺寸参数
通过SEM照片我们可以看出,纤维的表面大约是一个圆形平面,所以真正的接触面积在防颤晶片和一个单纤维之间，面积接近πr2。基于表V,这些已知值替换得到方程：
当机器人采用这类超细纤维时最大传输加速度a= m /s2。
以直径300毫米并且厚度775毫米的晶圆的典型的转移为例。晶圆片的重量公斤。通过方程,当机器人采用这种超细纤维肿块时我们可以得到最大附着力是Fad= 。它可以看到最大的附着力晶片和末端执行器之间太小,阻碍了释放晶片。
物理设计的末端执行器
在集成电路产业晶片盒的半标准大小的规定为300毫米晶圆。端效应的大小应该匹配晶圆框的大小,以正确工作。因此,有一个请求端效应的大小是长度不超过450毫米,宽度不超过250毫米,厚度没有更多的超过5毫米。基于请求,我们最后决定我们的结束效应是390毫米长,220毫米宽,4毫米厚度。
我们也优化了末端执行器的结构结合现有的样品,并想出了一个特殊的结构实现连接的凸起和微阵列末端执行器。最后形成的末端执行器显示在图13。末端执行器的振动将会导致严重的问题晶片传送。这将导致末端执行器之间的摩擦
和晶片盒、甚至碰撞,这将损害晶片。也严重的振动将导致晶片脱离末端执行器并导致严重后果。所以共振的结束效应器和机器人臂必须避免。通过有限元素分析的末端执行器设计在本文,我们得到它的动态特性,如下所示表4。
表4 末端执行器设计的普通频率
我们已经知道通过实验(不包括在这纸),机器人臂的振动频率是23赫兹,虽然第一阶固有频率的末端执行器是72赫兹,远远超过臂的振动频率。输入的频率也低于1赫兹。所以最后的效应器设计是本文能够避免共振与机器人的手臂,满足请求的动态特征。 对于大气晶片传送机器人
在前面研究结果的基础上,我们设计四个吸收毛孔最后效应是一致的分布在一个圆半径为110毫米。当前大气晶片传送机器人可以达到最大的传输加速度为1 g。这里我们把目标的末端执行器的加速度设计在达到一个加速度的 g。然后通过方程
根据已知参数,半径吸收毛孔r可以计算为r=3毫米。根据尺寸要求末端执行器和引用对现有产品,我们终于设计末端执行器的大气晶片传送机器人如图9所示。它的接触宽度与晶片是20毫米。
图9 (a)大气晶片传送机器人末端执行器的前面原理图；(b)背面；(c)实物 在案例的共振的末端执行器和机器人手臂,我们还必须分析末端执行器的动态特征。他们见表5,从这可以看到,第一阶固有频率的结束效应是54302赫兹,比手臂的振动频率是23赫兹。同样的频率输入低于1赫兹。所以设计的末端执行器能够为了避免共振与机器人的手臂,来满足要求动态特性。
表5 大气机器人末端执行器的普通频率
4.结论
对于真空晶片传送机器人的末端执行器。首先,本文应用研究壁虎启发超细纤维阵列的设计末端执行器的真空晶片传输机器人。晶圆片的变形与不同的联系在真空条件转移比较它显示4个凹凸接触是最合适的方法。超细纤维的研究数组用于晶片交通运输和关系在晶片传送加速度、附着力和材料、尺寸参数的超细纤维数组建立了。然后一种微阵列凹凸与纤维直径5毫米和纤维长度15毫米的设计和固定到一个结构优化的末端执行器。最后,实验结果表明,该机器人采用这种微阵列可以实现传输加速度撞s2,远远大于传统疙瘩由不锈钢吗钢或橡胶。这意味着应用程序的超细纤维数组对真空转移机器人具有显着提高机
器人的
传输效率和这个有着重要的意义来集成电路制造行业。还s2基本上是符合理论价值s2和它验证这项研究的正确性的超细纤维数组用于晶片过境。
对于末端执行器大气晶片传送机器人,我们已经分析了吸收毛孔的号码, 位置,半径和接触宽度在晶片变形影响。据分析,四个吸收毛孔一致分布在一个圆半径为110 mm被选择作为我们的设计方案。压力分布在吸收面积研究和结果显示没有压力集中在这个地区。考虑吸收力和末端执行器的结构、计算公式的最大转移加速建立大气机器人。基于这些研究大气机器人末端执行器,一种新的末端执行器满足请求的动态提出了特征。最后,实验结果验证研究的正确性末端执行器的前面大气机器人,我们已经成功地在吸收力方面提高了转移能力和控制晶片的大气机器人变形。
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