ASM2000机台机械手运行的影响因素分析

徐卫东

（南京国盛电子有限公司，江苏 南京 211111）

1 概述

ASM2000外延设备，提供比较先进的集成电路外延技术，某些方面达到世界上最新技术发展的工艺水平[1]。在硅片传递过程中，采用“正面、非接触式”模式，较好地避免了硅片表面缺陷的产生。但是，在这种传递模式下，偶有发生硅片掉落现象。该现象通常发生在机械手传递腔处（图1）。为了提高掉片故障处理的效率及成功率，提升机台的标准化程度，保障产品的一致性，优化设备参数，提升机台的可靠性和稳定性[2]，文章将从硅片传递的工作原理开始分析，总结导致硅片掉落的可能原因，供故障排查所用[3]。

图1 机械手传递腔区域

2 吸盘取片工作原理介绍

ASM2000外延设备通过吸盘实现硅片的自动传递。硅片传递过程中，吸盘利用气体伯努利原理在硅片正面，没有直接接触的情况下将硅片“吸起来”。

吸盘采用吹氮气的形式将硅片“吸起来”，其下表面有很多气孔向外吹气。这样，在硅片正表面形成高速的气流，而硅片背面相对无气体流动。根据气体伯努利方程，流速越快，压强越小，而产生的压力越小。即硅片背面的压力大于上表面的压力，当压力足够大时，硅片便被“吸起来”了。同样，根据气体伯努利原理，通过控制吸盘上各方向的气体流速，使硅片产生向吸盘脚方向的力，最终硅片稳定在吸盘脚处，通过机械手臂进行自动传送。

具体分析在吸盘取片过程中硅片的受力情况，设定吸盘对硅片的吸力为F吸，硅片重力为G，吸盘脚对硅片作用力为F脚，硅片受到阻力为F阻，如图2所示。

图2 硅片受力示意图

硅片能够被吸起来，则要求：F吸＞G+F脚+F阻（1）

3 硅片掉落的可能原因分析

根据式（1），从4个方面分析硅片掉落的可能原因：

（1）吸盘吸力变小；

（2）外界阻力变大；

（3）吸盘脚作用力异常；

（4）硅片重力变大。

3.1 吸盘吸力变小

根据气体伯努利原理，吸盘吸力变小即硅片背面与正表明所受作用力的合力变小。即硅片正表明气流速度减小（硅片仅在移动过程中有一定气体流速，而机械手动作相对较慢，硅片背面气流暂不考虑）。吸盘气流速度可以通过浮子流量计进行监控，考虑到浮子流量计后端可能出现漏气、堵塞现象，需同时监控吸盘吹气压力。即在一定压力下，流量应为定值。

下面将进一步分析压力、气流变化可能的原因。从气路图可以看出，气路压力变小有2种原因：

（1）气路压力变小；

（2）吸盘吹气流量变小。

3.1.1 气路压力变小

若是主管道氮气供应的压力变低，则检查：这个可能不大，但是也有可能发生，吸盘管路的主氮气压力表在机台上方，可以用梯子爬上去查看，变小了的话，看看调压阀能不能调回来，不能就要去气柜间查看氮气供应是不是有问题。

若是吸盘吹气压力过低，则检查：硅片的大小要求的吹气压力是不同的，吹气压力和硅片规格要求的压力不吻合的情况下，就需要把调压阀调到要求压力。

3.1.2 吸盘吹气流量变小

在压力不变的情况下，可以检查管路流量，根据压力流量表，查看流量是否有问题，把吸盘管路流量计上的开关推出来，再打开吸盘气就可以读出管路流量。

在一定压力下管路流量是一定的，根据厂家推荐的设置，吸盘吹气流量变小了就只有2个原因：

（1）管路流量变大，管路漏气。如果管路氮气，完全从吸盘孔喷出来，那么吸盘孔没有顺坏的情况下，流量就不会变。那么管路流量变大，就说明氮气没有完全从吸盘孔流出来，有漏气导致吸盘处流量变小，吸力变小掉片。

根据管路安装情况，漏气有4个原因：

①接头漏气；吸盘吹气管路上有接头松动导致漏气，这个可能性不大，我们可以用扳手把接头都紧固一遍，顺便查看是否有螺丝松动。

②软管漏气。手臂进气孔：此处有一个软管，用来连接气路末端和手臂进气孔。软管两头使用卡子卡在两端，管子会随着手臂的旋转而旋转，存在漏气的可能，漏气只能直接换一根新的。

③吸盘漏气。吸盘过滤器安装不到位，导致漏气，检查吸盘过滤器安装是否有问题，重新安装吸盘。

④手臂漏气。在其他原因都检查没有问题的情况下，那么就要换个手臂，再检查流量有没有异常，手臂的关节动密封的地方高温烘烤旋转，时间久了就会有漏气的可能。

（2）管路流量变小，管路堵。如果管路氮气，完全从吸盘孔喷出来，那么吸盘孔不变流量就不会变。那么管路流量变小，说明氮气没有很顺利从吸盘孔流出来，有地方堵，导致吸盘处流量变小，吸力变小掉片。根据上图管路安装情况，整个吸盘管路都是比较粗的，有可能堵的地方只有2处：①吸盘过滤器堵。换一个新的过滤器看看流量还有没有异常。②手臂关节堵。若是臂管内有异物堵，一般情况下，管路流量变小，有堵的地方都是手臂有问题，手臂关节处的密封圈老化，旋转摩擦掉下颗粒，使管路堵塞。

3.2 外界阻力变大

吸盘在转动的过程中，除了在片架里面空间比较小之外，其他动作的地方空间都比较大，在空气阻力可以忽略不计的情况下，外界阻力主要就是来自片架对硅片的阻力。也就是硅片被吸起的过程中碰到了片架，导致掉片。其中碰触可以分为2种：（1）左右碰触；（2）上下碰触。

3.2.1 左右碰触

吸盘伸进片架的时候不居中，导致硅片吸起的过程中碰到片架的左右边缘（图3），阻力变大，从而引起掉片的原因有3种：①吸盘调节不居中；②手臂转不到位；③手臂左右晃动幅度不一致。

3.将0.5片氟哌酸（含量0.125 g）与3～5 ml蜂胶酊混合后给仔猪灌服，一般连服2～3剂即可。蜂胶酊可用蜂胶溶解在95%的酒精中制成，浓度以20%为宜。

图3 硅片左右碰触示意图

①吸盘调节不居中。把吸盘伸到片架里面来查看左右是否居中，不居中有2种可能，一是调节吸盘在片架左右的时候，没有调好，这时候我们可以先把吸盘左右居中调好。再反复旋转查看是否有变化，没有变化的就是当初没有调好，有变化的话就是下面的原因。

②手臂转不到位。手臂多次旋转后转不到位，导致吸盘不居中碰到片架左右边缘掉片。初始化就可以转到位，这个一般都是手臂传动系统有问题，可以检查一下皮带是否松动掉齿，手臂传动平台是否松动，电机是否固定不牢。

③手臂左右晃动幅度不一致。手臂伸进片架后是居中的，但是在伸缩的过程中左右晃动的幅度不一致，比如往左晃动得比右大，这需要多次伸缩仔细观察。这种情况一般是齿轮箱有异常，需要重新安装齿轮箱或者更换新的齿轮箱。

3.2.2 上下碰触

当吸盘伸进片架的时候，吸盘脚露出硅片1 mm左右，硅片吸起后和片槽之间的间隙，是硅片在片槽的中间稍微偏上一点（图4）。吸盘和硅片的间隙过大或者过小，都会导致硅片吸起的过程中，碰到片架的上下边缘，阻力变大，从而引起掉片。

图4 硅片上下碰触示意

依据此时相接触的备件来分析，上下碰触的原因有4个：①片架水平异常；②吸盘水平异常；③片架高度异常；④手臂高度发生变化。

下面详细分析这4个原因的解决办法：

①片架水平异常。片架前后左右水平，要求绝对水平，放上水平仪查看是否水平，不水平的话，调整水平。当片架左右水平不好时候，硅片吸起的时候，水平高的一边碰到片架上方，导致掉片。当片架前后水平不好的时候，硅片缩回去的时候，片架里头水平低，硅片碰到片架上边缘，片架里头水平高，硅片碰到片架下边缘。

②吸盘水平异常。吸盘在片架里面的水平要求，左右绝对水平，前头可以稍微高一点。当吸盘水平异常的时候和片架水平异常一样，会导致硅片吸起来缩回去的过程中碰触片架上边缘或者下边缘。

③片架高度调节异常。片架高度异常，将会直接导致硅片吸起的时候，碰触片架上下边缘掉片。一般2种情况会导致片架高度异常：片架高度调节不到位，片架升降系统异常。若是片架高度调节不到位，则检查：重新按要求调整片架高度，使硅片吸起后在片槽的中间偏上一点，并把扫描硅片的激光探头调好，使硅片在片槽中间显示（图5）。若是片架升降系统异常，则检查：如果重新调好片架高度后，升降几次片架高度又有变化，那么就可能是升降系统这里有问题了。可以查看传动系统有无异常，电机是否损坏需要更换。

图5 第13档硅片扫描显示

④手臂高度发生变化。手臂高度变化，一般都是手臂下垂。下垂的原因有3点：不正常高温烘烤下垂；质量差；使用久了自然下垂。

不正常高温烘烤下垂的处理：程序设置不合理，导致手臂受到高温烘烤的时间长，冷却时间又比较短，手臂这样工作负荷比较大，传片实验可以明显看到手臂下垂，这就需要更改程序设置。

质量差的处理：运行程序正常，但是传片实验后发现手臂下垂了，而且冷却后又恢复高度，这样的手臂就是质量不好，建议更换。如果冷却后高度没有恢复，那么重新调整片架高度，再做传片实验，确定手臂高度不再变化了，那就没有问题，如果手臂有下垂且可以恢复，那么这个手臂就不能用。

使用久了自然下垂的处理：一个手臂是有使用寿命的，长时间使用后，关节磨损，手臂长期经过高温烘烤，会受损，这样的手臂下垂，只有更换新手臂使用了。

3.3 吸盘脚作用力异常

吸盘脚起到稳定硅片的作用，平衡吸盘对硅片向后的拉力，吸盘脚长期和硅片碰触表面会受损，当吸盘脚上有一个小凹口的时候，硅片吸起的过程中被小凹口卡住导致掉片（图6）。

图6 硅片被吸盘脚卡住示意图

吸盘脚表面有磨损后需要更换，最后需要用专用工具测试，吸盘脚高度安装是否符合标准。

3.4 硅片重力变大

吸盘吸力最主要的就是克服硅片的重力，吸盘流量的大小是根据硅片的大小来设置的，如果某个硅片的重力偏大，吸力不够就会导致掉片。不过这种可能性很小，一般硅片只有微观的缺陷，重力大小不会相差太大，所以这个原因可以暂不考虑。

还有一种可能就是硅片翘曲，表面不平需要的吸力增大，变相等于重力增大，这时可以通过几何参数设备测量几何参数来确认硅片是否翘曲。

4 结论

综上所述，单片机台机械手稳定装取片的影响因素，可从硅片受到的4个作用力出发分析，得出4个原因：（1）吸盘吸力变小；（2）外界阻力变大；（3）吸盘脚作用力异常；（4）硅片重力变大。

掉片故障发生后，排查原因从机台设置到人为调试，最后考虑备件质量原因，影响装取片的因素，文章仅以问题产生的现象，对原因进行不断分析，得出结论后采取相对的解决方案，取得了较好调整结果，不排除还有其他偶发因素。