基于PLC全自動圓片清洗機的設計

孟慶嵩

【摘 要】本文簡述了全自動圓片清洗機的發展趨勢以及工藝要求，以全自動圓片清洗機設計為例，分析其系統組成，介紹了系統流程、設計步驟和關鍵技術，經現場工藝驗證，能實現自動上下料以及清洗功能，系統運行穩定、可靠，具有一定的推廣價值。

【關鍵詞】圓片清洗；PLC；上下料

隨著我國集成電路產業的持續快速發展，我國半導體設備和半導體材料產業越來越得到政府和業界的重視和支持。于此同時，對晶圓表面對潔凈度要求也越來越高。絕大部分清洗系統應用于晶圓減薄后清洗，而晶圓在劃切完成之后清洗，設備還是手動將圓片一片一片放入清洗腔體中進行清洗，這樣浪費人力和時間。鑒于此種情況，需要設計一種全自動圓片清洗機，能實現自動上下料功能，節省人工和時間。

1.全自動圓片清洗機系統的設計

全自動清洗機設備主要由兩部分構成，分別為控制系統和運行機構組成。

1）控制系統主要由監控主機和兩個PLC以及擴展模塊組成。監控主機與PLC之間通過以太網方式收發數據，而PLC1控制3個電機運行、水氣檢測和塔燈控制，PLC2控制另外3個電機運行，擴展IO模塊負責傳感器檢測和電磁閥控制。兩個PLC之間使用RS485連接進行數據交互。

2）運行機構，主要包含6個電機，分別為片盒升降電機、框架預對準電機、水平拖拽電機、取片機械手電機、擺臂吹二流體電機、清洗旋轉電機。

2.全自動圓片清洗機功能實現

本文設計的設備主要是實現圓片清洗過程的自動上下料功能，下面介紹關鍵功能的實現方法和步驟。

2.1硬件功能分析。升降電機自動運行到有需要清洗的圓片后，利用水平電機將其從料盒中取出，先放到預對準框架上，再通過機械手放到清洗臺中，高速旋轉配合二流體進行清洗，并將洗后的圓片放到相應料盒位置。其相互之間位置關系如下圖1所示：

2.2電機工位分析

每個電機初始化后，運動到各自安全到位置，定義為各自到初始位，除此之外，各自到流程工位，具體情況如下：

2.2.1 ACS1（擺臂吹二流體電機）。工位1、2分別為擺動起始和終止位。

2.2.2 ACS2（框架預對準電機）。工位1（預對準位）即圓片從料盒取出時，框架張開位置。工位2（加緊圓片位）即圓片在框架上加緊后，將圓片位與框架上方正的位置。工位3（加緊圓片松開位）即圓片在框架加緊后，需要微微張開，確保機械手真空吸附良好。

2.2.3 ACS3（水平運動拖拽電機）。工位1（取料位）即ACS3運動到將圓片從料盒中取出到位置。工位2（放片位）即ACS3運動到圓片全部位于框架上方的位置偏后。工位3（腔體位）即ACS3運動到圓片全部位于框架上方到位置，此時位置位于機械手正下方即腔體正上方。

由于圓片在料盒中高度不平，每次夾取位置不同，使得機械手每次真空吸附位置不同，出現吸附不住情況，因此ACS3需要先到工位2，再推回到工位3。

2.2.4 ACS4（片盒升降電機）。工位1（片盒掃描位）即ACS4運動到檢測傳感器位置。工位2（夾取位）即ACS4運動到水平電機可以夾取圓片位置（檢測傳感器和框架高度差），工位3（放片位）即ACS4運動到水平電機可以將圓片送回料盒位置（由于重力原因，需要此位置比工位2略低，方便圓片進入料盒）。

2.2.5 ACS5（取片機械手電機）。工位1（框架位）即ACS5在框架上真空吸附圓片位置。工位2（清洗臺位）即ACS5在清洗臺上真空吸附圓片位置。工位3（放蓋位）即ACS5攜帶圓桶蓋子到放蓋子位置。工位4（框架上方位）即ACS5電機運動到框架上方，圓片未離開框架但吸嘴形變量釋放位置。工位5（清洗臺上方位）即ACS5電機運動到清洗上方，圓片未離開清洗臺但吸嘴形變量釋放位置，由于吸嘴形變未完全釋放，當打開真空破壞時候，氣量大就會出現刺耳聲音，氣量小就會出現真空卸不掉情況。工位6（框架上方微動脫離位）即ACS5運動到框架上方，圓片剛剛離開框架位置，此時框架才可打開，防止出現框架打開時候由于摩擦使圓片掉落，完全離開也可判斷圓片是否真空滿足要求，同時此位置也是清洗完畢后，將清洗后的圓片放在框架上時，ACS5所處位置，以保證圓片正好放到框架上，同時不會出現與框架剮蹭掉落晶圓情況。工位7（清洗臺上方微動脫離位）即ACS5電機運動到清洗臺上方，圓片剛剛離開清洗臺位置。

2.2.6 ACS6（清洗旋轉電機）。工位1（停止位）即旋轉啟動、停止所處位置，方便機械手吸附位置相同。

2.3流程分析。設備運行部分主要是依靠PLC邏輯程序實現，合理的設計和功能分配，能使設備穩定，操作方便。包括掃描片盒流程、取放片流程、清洗流程、送片流程。

2.3.1片盒掃描。ACS4自下而上運動，同時讀取繃架檢測信號，繃架檢測傳感器為兩個接近式傳感，一旦有片，就會檢測到信號，傳遞到PLC，PLC判斷兩個傳感器都有信號，則此片需要清洗，記錄位置，檢測只有一個信號，則認為此片擺放不正，不能取片。

2.3.2取片。此過程是料盒中把需要清洗的圓片取出。ACS4運動到有料位置，設備兼容8寸和12寸，根據尺寸ACS2運動到片子從料盒中取出后放到其上面位置，，ACS3運動到取片位置，打開相應氣缸取出片子，完成取片過程。

2.3.3放片。此過程主要是將圓片放到清洗臺。由于圓片在料盒中有間隙，使得取料時候前后方向和左右方向存在偏差，此偏差會造成機械手抓取位置不確定出現真空不足而掉片情況。

取片后，ACS3拖拽到位，ACS2微動加緊，使得片子在框架上面的位置相對于機械手的角度趨于固定ACS3再到工位3，解決左右方向存在偏差問題，此過程ACS3攜帶的夾嘴處于張開狀態，利用張開的夾嘴推回到位，保證每次推的位置固定，解決前后方向存在偏差問題。

ACS5運動到圓片上方，利用真空吸住圓片，打開ACS2，ACS5運動到清洗臺上方，再釋放真空，由于機械手和清洗臺之間密閉空間，此時需要將ACS5微微抬起后釋放真空，防止密閉空間不易釋放真空。保證清洗臺真空滿足要求后，ACS5離開，完成抓片過程。

2.3.4清洗。此過程主要是高速旋轉和配合二流體清洗圓片，包括清洗和吹干兩個過程。清洗時ACS6轉速為設定清洗轉速，配合吹水吹氣，此時吹氣起到助推作用，使得清洗效果良好，結束后是吹干過程，ACS6轉速變為吹干轉速，擺臂吹氣，將清洗噴的液體吹干。

2.3.5送片。此過程主要是洗后片子送回，并判斷是否還有片子是否清洗，如果有片需要清洗，繼續流程，如果無片需要清洗，進入結束流程，每個電機回位，提示完成。此過程是上述取片和放片的可逆過程，但是由于圓片重力作用，此時ACS3送片之前，需要將ACS4微微降落，使得圓片前端可以順利進入料盒中，完成送片過程。

3.結論

根據本文設計的全自動圓片清洗機的設備實現了對劃切后圓片進行清洗，滿足設計要求，并且在南通某客戶的工藝現場運行結果表明，該系統運行情況穩定、可靠，實現功能完備，適用于同類型的清洗機系統。

【參考文獻】

[1]晶圓清洗技術應用[J]. 李東旭，陳立新， 郭曉婷，馬巖，蔣興橋，榮宇.清洗世界.2018 （7）.