【硅片非接触操作相关技术研究现状及其发展趋势的文献综述6000字】

硅片非接触操作相关技术研究现状及其发展趋势的文献综述1.1硅片操作技术的研究现状与发展趋势1）硅片夹持技术的研究现状及其发展趋势硅片制造工艺当中，硅片的加工流程包含离子浸没、离子注入和气相沉积等多道工序[9]。其中每一道工序都需要对硅片运动的平稳性进行保证，即都需要一种合理的硅片夹持技术。硅片夹持的作用不仅包括将工作载荷作用在硅片表面，还要在加工过程中保证硅片的固定或平稳运动。因此，改善硅片夹持技术的性能对提高硅片最终产品的质量具有重要的意义。本节将依次分析机械夹钳、石蜡粘接、静电吸盘、真空吸盘、超声悬浮和气体悬浮等夹持方式的研究现状与发展趋势。机械夹钳作为最早出现的夹持方式，结构最为简单，夹钳的一次开合动作即可完成对硅片的一次夹持[10]。在行业发展初期，由于硅片的加工精度要求较低，同时晶圆的直径较小，该方法能够满足当时的需求。石蜡粘接则是另外一种传统的夹持方式，使石蜡加热融化后产生的液体渗入到硅片与夹具之间，提供不使硅片浮动的必要浮力，然后对其加压，并将硅片平整地固定在石蜡上[11]。在石蜡层厚度较为均匀的情况下，硅片位置可以达到较高的精度，且不易发生变形。随着半导体产业的快速升级，由于其效率低下、污染严重等缺点，以上两种夹持技术已逐渐被行业所淘汰。静电吸盘在上世纪70年代由G.A.Wardly[12]率先提出，采用静电荷产生的电磁力作为吸引工件的牵引力。它的主体结构可分为电介质吸附层等三部分，以层状结构叠合在吸盘内。J-R型静电吸盘[13]如图所示，电极层接通电源后，电介质层表面将会产生电场，从而在硅片背面产生极性相反的电荷，产生吸附作用。吸附力均匀分布于硅片表面，不会产生应力集中和金属污染等问题[14]。但其吸附力相对较小，当操作距离较远时夹持精度将会不足。真空吸盘利用真空负压实现夹持操作，在夹持侧形成真空腔，另一面的大气压力将迫使工件压紧，该方法目前被广泛应用于硅片生产当中。然而，吸盘与硅片的直接接触导致硅片表面的应力分布不均匀，进而造成硅片表面微观意义上的不平整。当前国际上广泛采用的为多孔陶瓷式、沟槽式及圆柱销式三类真空吸盘，如图1.2所示。美国的Bendfeldt和Schulz[15]对沟槽式真空吸盘设计进行了相关研究，在沟槽面积仅a）多孔陶瓷式b）圆柱销式c）沟槽式图1.2真空吸盘占5%的情况下，100mm的硅片面积上吸附力就可达到50N。日本的Une和Yoshitomi[16]设计了一种圆柱销式真空吸盘，使用均匀分布的氧化铝材料，表面平整度将比传统吸盘高出3倍，有效防止了接触时对硅片表面造成的划伤，同时减少了灰尘等固体颗粒的附着。超声悬浮由Kundt于1886年发现[17]，可分为驻波悬浮和近场悬浮两种。驻波悬浮适用于微小物体的非接触操作，因此本文仅研究近场悬浮。近场超声悬浮利用压电振子产生的纵向振动，使得激励源附近的流体区域获得辐射声压，以此实现对较大重量物体的非接触操作。日本的Hashimoto等人[18]将近场悬浮技术应用于硅片的非接触输运，通过在激励源和接收源之间加载传递波使得硅片向预定方向运动，超声悬浮装置如图1.3(b)所示。a）近场超声悬浮曲线b）近场超声硅片悬浮装置图1.3近场超声悬浮伯努利悬浮的理论依据可概括为流速高处压力低，由DanielBernoulli在1726年最早提出[19]。如图所示，压缩气体通过喷嘴作用呈辐射线状排除，由于截面积较小，气体流速急剧增加，在被夹持物表面形成负压区域，使得被夹持物体受到吸引力。气体漩涡悬浮则是以圆柱腔体切面的小孔作为压缩气体的入口，使得气流在圆柱壁面的束缚下形成涡流，从而在吸盘中心形成负压区域，形成类似于真空吸盘的空间，如图1.4所示[20]。浙江大学的黎鑫等人[21]对气体漩涡悬浮的特性进行了系统的研究，通过实验研究了漩涡流场内气膜压力的分布和悬浮力影响因素；针对漩涡流场特性建立了仿真模型，并进行了可视化实验。从当前国内外的研究现状来看，传统的接触式夹持技术（静电吸盘、真空吸盘等方法）在实际应用过程中容易使得硅片表面出现细小的刮痕和裂纹，同时还存在静电遗留和金属污染等诸多问题，无法适应当前硅片制造行业新的技术需求。因此，非接触操作技术（超声悬浮、伯努利悬浮、气体旋涡悬浮等方法）正逐渐被引入半导体行业当中，但是其结构复杂、操作繁琐和稳定性不足等缺点为其进入实际应用场景带来了新的挑战。a）气体旋涡吸盘结构b）气体旋涡硅片悬浮装置图1.4气体旋涡悬浮2）硅片输运技术的研究现状及其发展趋势硅片制造过程当中，需要尽可能实现生产线自动化，合理衔接硅片在工位与工位之间的输运过程，减少进入下一道工序时对硅片进行位姿调整的时间。同时，需要避免因人工接触产生的污染，提升最终硅片的良品率。因此，硅片的自动化输运技术也具有举足轻重的作用。硅片传输与搬运采用的传统方法有吸盘和传送带，目前主要往机器人传输和搬运方向发展。吸盘在工业中的使用场景为堆叠式的硅片上料、生产线终端的硅片下料或是分选机上的硅片分配，适用于短距离输运，主要分为风琴式吸盘、光伏专用吸盘、非接触式吸盘。风琴式吸盘在吸附面上设有凹凸面，扩大了其与产品的接触部分，减弱了产品在输运过程中的倾斜问题。光伏专用吸盘则是针对光伏产业中硅片输运特点而设计的专用夹具，适用于快速搬运硅片或是太阳能电池片。非接触式吸盘可分为伯努利吸盘和气体旋涡吸盘两类，上一小节已对其原理进行了说明。如图1.5(a)所示为日本SMC公司生产的X221型伯努利吸盘[22]，其特有的凹槽设计可在输运器件将硅片的a）伯努利吸盘 b）气体漩涡吸盘c）光伏专用吸盘图1.5吸盘搬运振幅降低至±0.01mm以下。而如图1.5(b)所示则是SMC公司生产的XT661型气体漩涡吸盘[23]，直径为100mm的吸盘可提供的最大悬浮力能够达到44N，同时最远悬浮距离可以达到10mm。如图1.5(c)所示为德国SCHMALZ公司所生产的SWG型光伏专用吸盘[24]，能够产生高流量、低消耗的抽吸效果，从而实现小节拍、高精度的硅片输运。带传送主要包括皮带与钢网带两种方式，适用于长距离的传送系统[25]。皮带传送可细分为圆皮带、平皮带和同步带等输运手段。圆皮带与硅片的接触面积较小，因此对硅片表面造成的污染最小，如图1.6(a)所示。平皮带的优势则在于占用空间较小，在工位相对比较狭小处，平皮带能够负担更大的载荷。而同步带可以保证硅片输运的稳定性与精确性，减少对应接口的运动距离，从而提升当前工位的速度与产能，如图1.6(b)所示。钢网带传送不同于皮带，主要应用于烘干炉与烧结炉等需要进行高温烘烤的工位中，如图1.6(c)所示。硅片在烘干与烧结的过程中，普通皮带无法承受几百甚至近千摄氏度的高温，因此选用钢网带作为输运手段[26]。a）圆皮带b）同步带c）钢网带图1.6带传送搬运3)硅片操作机器人应用的研究现状及其发展趋势随着机器人技术的发展，硅片操作机器人逐渐进入半导体行业并成为研究热点，其最大的特点就是高速度、高精度、高可靠性和高洁净等级。硅片输运机器人主要可分为两种形式：水平多关节型(SCARA)和蛙腿型(Frog-leg)。SCARA机器人是一种水平多关节机器人，具有四根轴和四个运动自由度[27]（X、Y、Z方向的平动自由度和绕Z轴的转动自由度）。而Frog-leg机器人则通过复杂的带传动驱动前、后臂的关节回转来实现硅片机器人手臂的径向运动[28]。目前，先进的硅片输运机器人供应几乎被国外垄断，比较知名的企业有美国的BROOKS公司、日本的JEL公司、RORZE公司和韩国的KOSTEK公司等。如图1.7(a)所示为日本RORZE公司生产的RR751型硅片搬运机器人，在所有轴关节上配有带编码器的步进电机，双臂可以在较短时间内进行晶片的更换，并且提高了硅片的输运效率，同时还可以对机器人进行包括示教位置在内的实时控制[29]。JEL公司生产的DTVHR4000系列4轴圆柱坐标型高真空洁净机器人如图1.7(b)所示，采用了连杆机构作为核心部件，具有优秀的运动轨迹直线性和良好的洁净性能。该机器人的所有轴关节采用两相步进电机，使用S曲线加减速控制方式能够高速、高精度地输运硅片[30]。a）RORZE-RR751b）JEL-DTVHR4000图1.7硅片输运机器人1.2机器人视觉伺服技术的研究现状与发展趋势机器人视觉伺服系统是计算机视觉在机器人领域的一个重要研究方向，它是利用计算机视觉处理方法对传感器获得的视觉图像进行处理、分析和解释，提取出能够表征目标物体的特征信息，并将其转换为相应的指令下达给机器人控制器，控制机器人完成特定的行为任务[31]，如图1.8所示。其实机器人视觉伺服系统就是将视觉传感器融入机器人控制系统中，也可称其为机器人手眼系统。图1.8视觉伺服控制过程流程图1）视觉伺服技术的研究现状及其发展趋势Hill和Park等人[32]在1979年第一次确定了视觉伺服的概念：使用机器视觉为机器人末端执行器的运动提供闭环的位置和姿态控制，并将它与传统的look-then-move区别开来。他们利用平面位置与己知目标物体特征来进行深度估计，可以实现跟踪和抓取运动目标。基于不同的分类标准，视觉伺服技术有不同的分类方式。根据视觉传感器的类型进行划分，可分为单目视觉伺服、双目视觉伺服、红外传感视觉伺服及光栅视觉伺服等。根据视觉传感器安装的位置分类，可分为眼在手上(eye-in-hand)的视觉伺服，即视觉传感器固定于机械臂末端执行器上与眼在手外(eye-to-hand)的视觉伺服，即视觉传感器对于机械臂基坐标系静止两种。而视觉伺服最重要的分类方式在于根据误差信号的类别进行分类，按照这种分类方式将视觉伺服分为基于位置的视觉伺服和基于图像的视觉伺服。基于位置的视觉伺服(PBVS)，其误差信号为三维位姿信息，本质上隐含了对物体进行识别的过程，这种方式的优点主要在于它考虑了对操作空间变量直接进行作用的可能性，在控制器的设计方面其实是将机械臂控制部分与视觉部分分离开来，因为相对较为简单，而其缺点在于它对相机标定的误差和机械臂的模型非常敏感，另外它无法保证参考物体始终处于摄像机视野之内。日本大阪大学Hosoda等人[34]等基于定义在由机械臂末端的立体相机获得图像中的对极几何约束，直接在图像空间中设计视觉伺服轨迹生成器，然后利用基于雅可比估计器的无标定视觉伺服控制器跟踪规划好的图像轨迹，从而实现了在不需要任何系统或者相机标定等先验知识的前提下，保证机械臂末端执行器能够在未知环境中避开障碍物。Cai等人[35]提出了一种无需标定摄像机的位置视觉伺服方法，该方法基于双目眼在手外的系统设置，通过动态阻抗控制实现在机械臂运动中奇异性规避等动态环境约束的情况下的轨迹生成与避障。通过实验验证了该系统在实际工业机器人上的性能，并给出了摄像机未标定内参数的估计过程和环境中所有不确定因素的处理。基于图像的视觉伺服(IBVS)，其误差信号为二维图像内的特征信号。该种方法主要是基于图像特征的视觉反馈，常用的一些图像特征检测方法包括特征点、光流场、图像矩等等，该种方法的优点在于对于摄像机标定和机械臂模型的误差具有较强的适应性，缺点在于一方面控制器的设计较为困难，一方面它需要实时在线对图像雅克比矩阵进行计算，容易出现奇异值和不稳定点的现象。2003年，澳州国立大学的Hartley[36]人等通过给定同一场景的多个视角，也采用对极几何研究了无标定视觉伺服问题。在没有目标物体的任何三维信息的情况下，韩国先进科技学院等人Park[37]提出了基于眼在手外的立体视觉抓取场景中的无标定图像空间路径规划方法，在初始图像和期望图像的射影空间中利用对极几何沿着一条直线生成机械臂手爪的一系列中间视图，这些中间视图组成期望的图像轨迹，然后利用IBVS方法控制机械臂沿着图像轨迹运动，机械臂跟随轨迹的同时，手爪可以在三维工作空间走直线，整个运动过程中手爪的特征点始终处在相机视野内。基于混合特征的视觉伺服，即21/2D视觉伺服由Malis等人[38]提出，21/2D视觉伺服结合了2D视觉伺服与3D视觉伺服的特性，将跟踪过程中相机运动分解为平移与旋转，有效的解耦了图像特征表示带来的图像雅克比矩阵奇异性问题，同时给出了基于特征点的摄像机欠标定情况下的收敛性证明。在此研究的基础上，许多学者展开了进一步的深入研究。Gao等人[39]提出了一种基于神经网络动态反馈的混合视觉伺服控制器，用于水下机器人的路径规划。该方法通过单层的神经网络结合自适应滑动模式的控制器实现对视觉误差的补偿。Kagami等人[40]将混合视觉伺服的方法扩展至线特征，通过拟合多项式曲面模型来估计物体周围的边缘；基于图像的特征由边缘区域内的图像像素值组成。通过对基于位置和基于图像特征的加权组合，减少了最终的对准误差。2）视觉伺服机器人应用的研究现状及其发展趋势上世纪九十年代后期，随着科技的发展特别是计算机硬件技术的飞跃进步，图像处理的速度得到显著提高，其成本也随之降低。以此为基础的机器人视觉伺服技术也得到了迅猛发展。由于视觉传感器具备精度高、灵活性强的特点，使得机器人视觉伺服成为该领域的研究热点，特别在目标跟踪领域得到了广泛的研究和应用。针对适应焊缝操作环境，日本庆应义塾大学的Michishita、Kobayashi等人[41]开发了一种同时具有电弧传感器和视觉传感器的自主移动机器人焊接系统，通过对焊缝图像进行霍夫变换来检测焊缝线，在直线上焊接时速度自动调整，不仅能稳定检测焊缝线还可以加快焊接过程。如图1.9所示为加拿大SERVO-ROBOT公司研究生产的a）视觉传感器b）实际作业场景图1.9采用视觉伺服技术的机器人自主焊接系统激光视觉系统，利用其自主研发的立体激光视觉技术来改善整个焊接的过程，能够实现对焊缝的搜索，精确定位焊缝起始点，在焊接过程中，能实时检测并跟踪焊缝，校正机器人的轨迹，实现自适应控制。针对适应工业流水线分拣作业，2001年ABB公司使用IRB340四轴机械臂在流水线上对面包进行分拣任务，其采用智能相机对于密集排列的面包图像进行逐行扫描，通过图像分割确定目标位置，并采用中轴提取算法计算其偏差角度。2013年ABB使用IRB360搭载FlexPicker系统，首次实现了太阳能电池和硅片的抓取，如图1.10a)所示。日本安川公司使用的MOTOMANMPK2高速搬运系统，由高速工业相机检测传送带上的目标物体位置，并结合视觉信息控制机械臂，最快可以达到0.5秒每次的节拍，精度可以达到0.2mm，如图1.10b)所示。a）ABBIRB340机器人b）安川MOTOMANMPK2机器人图1.10搭载视觉伺服系统的搬运机器人参考文献西尾英刚编.半导体产业参考系列丛书[M].日本:日本半导体产业会社,2005张新岗主编.平显时代[M].香港:进鼎(香港)集团有限公司,2005.罗清岳.非接触性大型玻璃基板搬运技术[J].国际光电与显示,2007,(6):61-63.KasuyaYosuke.Thelatesttrendsofsemiconductor/FPDmaterialhandlingsystem:daiichiinstitutionIndustry:Air-surfacingnon-contactpanelhandlingststem[J].Semicond.FPDWorld,2006,25(9):68-69(inJapanese).邢轶斌,康永.电子科学技术中的半导体材料发展趋势[J].装备维修技术,2019,171(3).钟伟,顾小玉,黎鑫.气悬浮技术在无接触输运领域的研究进展[J].机械工程学报,2018,54(20):41-43.刘文旭,李文龙,方进.高温超导磁悬浮技术研究论述[J].超导技术,2020,48(2):45-48.胡亮,鲁晓宇,候智敏.静电悬浮技术研究进展[J].实验技术，2007,36(12),944-948AshkinA,Phys,Rev,Lett,1970,24(4):156.SadayukiUeha,YoshikiHashimoto,YoshikazuKoike.Non-contacttransportationusingnear-fieldacousticlevitation[J].Ultrasonics,2000,38(2000):26-32.KaigeShi,XinLi.ExperimentalandtheoreticalstudyofdynamiccharacteristicsofBernoulligripper[J].PrecisionEngineering,52(2018):323-331.郑学强,张佳辑,梅雪松,张东升,王恪典.一种新型磁悬浮工作平台的结构设计与特性分析[J].中国科技论文在线,2010,5(8):652-653.EwoudvanWest,AkioYamamoto,Member,IEEE,BenjaminBurns,andToshiroHiguchi,Member.Non-ContactHandlingofHard-DiskMediabyHumanOperatorusingElectrostaticLevitationandHapticDevice[J].IEEE,2007,89(32):1332-1335赵理曾,秦勇,聂玉昕.光学悬浮及其应用[J].高压物理学报，1995,24(6):331-336XinLi,ZhileiGuo,ToshiharuKagawa.Developmentandexperimentalevaluationofairflotationelementwithadditionalair-i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