基于PLC全自动圆片清洗机的设计

【摘 要】本文简述了全自动圆片清洗机的发展趋势以及工艺要求，以全自动圆片清洗机设计为例，分析其系统组成，介绍了系统流程、设计步骤和关键技术，经现场工艺验证，能实现自动上下料以及清洗功能，系统运行稳定、可靠，具有一定的推广价值。

【关键词】圆片清洗；PLC；上下料

随着我国集成电路产业的持续快速发展，我国半导体设备和半导体材料产业越来越得到政府和业界的重视和支持。于此同时，对晶圆表面对洁净度要求也越来越高。绝大部分清洗系统应用于晶圆减薄后清洗，而晶圆在划切完成之后清洗，设备还是手动将圆片一片一片放入清洗腔体中进行清洗，这样浪费人力和时间。鉴于此种情况，需要设计一种全自动圆片清洗机，能实现自动上下料功能，节省人工和时间。

1.全自动圆片清洗机系统的设计

全自动清洗机设备主要由两部分构成，分别为控制系统和运行机构组成。

1）控制系统主要由监控主机和两个PLC以及扩展模块组成。监控主机与PLC之间通过以太网方式收发数据，而PLC1控制3个电机运行、水气检测和塔灯控制，PLC2控制另外3个电机运行，扩展IO模块负责传感器检测和电磁阀控制。两个PLC之间使用RS485连接进行数据交互。

2）运行机构，主要包含6个电机，分别为片盒升降电机、框架预对准电机、水平拖拽电机、取片机械手电机、摆臂吹二流体电机、清洗旋转电机。

2.全自动圆片清洗机功能实现

本文设计的设备主要是实现圆片清洗过程的自动上下料功能，下面介绍关键功能的实现方法和步骤。

2.1硬件功能分析。升降电机自动运行到有需要清洗的圆片后，利用水平电机将其从料盒中取出，先放到预对准框架上，再通过机械手放到清洗台中，高速旋转配合二流体进行清洗，并将洗后的圆片放到相应料盒位置。其相互之间位置关系如下图1所示：

2.2电机工位分析

每个电机初始化后，运动到各自安全到位置，定义为各自到初始位，除此之外，各自到流程工位，具体情况如下：

2.2.1 ACS1（摆臂吹二流体电机）。工位1、2分别为摆动起始和终止位。

2.2.2 ACS2（框架预对准电机）。工位1（预对准位）即圆片从料盒取出时，框架张开位置。工位2（加紧圆片位）即圆片在框架上加紧后，将圆片位与框架上方正的位置。工位3（加紧圆片松开位）即圆片在框架加紧后，需要微微张开，确保机械手真空吸附良好。

2.2.3 ACS3（水平运动拖拽电机）。工位1（取料位）即ACS3运动到将圆片从料盒中取出到位置。工位2（放片位）即ACS3运动到圆片全部位于框架上方的位置偏后。工位3（腔体位）即ACS3运动到圆片全部位于框架上方到位置，此时位置位于机械手正下方即腔体正上方。

由于圆片在料盒中高度不平，每次夹取位置不同，使得机械手每次真空吸附位置不同，出现吸附不住情况，因此ACS3需要先到工位2，再推回到工位3。

2.2.4 ACS4（片盒升降电机）。工位1（片盒扫描位）即ACS4运动到检测传感器位置。工位2（夹取位）即ACS4运动到水平电机可以夹取圆片位置（检测传感器和框架高度差），工位3（放片位）即ACS4运动到水平电机可以将圆片送回料盒位置（由于重力原因，需要此位置比工位2略低，方便圆片进入料盒）。

2.2.5 ACS5（取片机械手电机）。工位1（框架位）即ACS5在框架上真空吸附圆片位置。工位2（清洗台位）即ACS5在清洗台上真空吸附圆片位置。工位3（放盖位）即ACS5携带圆桶盖子到放盖子位置。工位4（框架上方位）即ACS5电机运动到框架上方，圆片未离开框架但吸嘴形变量释放位置。工位5（清洗台上方位）即ACS5电机运动到清洗上方，圆片未离开清洗台但吸嘴形变量释放位置，由于吸嘴形变未完全释放，当打开真空破坏时候，气量大就会出現刺耳声音，气量小就会出现真空卸不掉情况。工位6（框架上方微动脱离位）即ACS5运动到框架上方，圆片刚刚离开框架位置，此时框架才可打开，防止出现框架打开时候由于摩擦使圆片掉落，完全离开也可判断圆片是否真空满足要求，同时此位置也是清洗完毕后，将清洗后的圆片放在框架上时，ACS5所处位置，以保证圆片正好放到框架上，同时不会出现与框架剐蹭掉落晶圆情况。工位7（清洗台上方微动脱离位）即ACS5电机运动到清洗台上方，圆片刚刚离开清洗台位置。

2.2.6 ACS6（清洗旋转电机）。工位1（停止位）即旋转启动、停止所处位置，方便机械手吸附位置相同。

2.3流程分析。设备运行部分主要是依靠PLC逻辑程序实现，合理的设计和功能分配，能使设备稳定，操作方便。包括扫描片盒流程、取放片流程、清洗流程、送片流程。

2.3.1片盒扫描。ACS4自下而上运动，同时读取绷架检测信号，绷架检测传感器为两个接近式传感，一旦有片，就会检测到信号，传递到PLC，PLC判断两个传感器都有信号，则此片需要清洗，记录位置，检测只有一个信号，则认为此片摆放不正，不能取片。

2.3.2取片。此过程是料盒中把需要清洗的圆片取出。ACS4运动到有料位置，设备兼容8寸和12寸，根据尺寸ACS2运动到片子从料盒中取出后放到其上面位置，，ACS3运动到取片位置，打开相应气缸取出片子，完成取片过程。

2.3.3放片。此过程主要是将圆片放到清洗台。由于圆片在料盒中有间隙，使得取料时候前后方向和左右方向存在偏差，此偏差会造成机械手抓取位置不确定出现真空不足而掉片情况。

取片后，ACS3拖拽到位，ACS2微动加紧，使得片子在框架上面的位置相对于机械手的角度趋于固定ACS3再到工位3，解决左右方向存在偏差问题，此过程ACS3携带的夹嘴处于张开状态，利用张开的夹嘴推回到位，保证每次推的位置固定，解决前后方向存在偏差问题。

ACS5运动到圆片上方，利用真空吸住圆片，打开ACS2，ACS5运动到清洗台上方，再释放真空，由于机械手和清洗台之间密闭空间，此时需要将ACS5微微抬起后释放真空，防止密闭空间不易释放真空。保证清洗台真空满足要求后，ACS5离开，完成抓片过程。

2.3.4清洗。此过程主要是高速旋转和配合二流体清洗圆片，包括清洗和吹干两个过程。清洗时ACS6转速为设定清洗转速，配合吹水吹气，此时吹气起到助推作用，使得清洗效果良好，结束后是吹干过程，ACS6转速变为吹干转速，摆臂吹气，将清洗喷的液体吹干。

2.3.5送片。此过程主要是洗后片子送回，并判断是否还有片子是否清洗，如果有片需要清洗，继续流程，如果无片需要清洗，进入结束流程，每个电机回位，提示完成。此过程是上述取片和放片的可逆过程，但是由于圆片重力作用，此时ACS3送片之前，需要将ACS4微微降落，使得圆片前端可以顺利进入料盒中，完成送片过程。

3.结论

根据本文设计的全自动圆片清洗机的设备实现了对划切后圆片进行清洗，满足设计要求，并且在南通某客户的工艺现场运行结果表明，该系统运行情况稳定、可靠，实现功能完备，适用于同类型的清洗机系统。

【参考文献】

[1]晶圆清洗技术应用[J]. 李东旭，陈立新， 郭晓婷，马岩，蒋兴桥，荣宇.清洗世界.2018 （7）.