基于微结构阵列的高摩擦低粘附晶圆高效传输机理与主动控制方法研究

Wafer transfer technology is an integral part in the field of the semiconductor industry technologies, and it is an important part to ensure the quality of the wafer fabrication. With the increase of the wafer size and the decrease of the characteristic line width, the demand is stricter to the environment of the wafer transfer than before. So the research on wafer transfer of efficient, reliable, non-invasive transmission in the vacuum environment becomes particularly important. From the start of the interface micro-mechanics and acceleration active control, carry on the microscopic mechanism of interfacial adhesion between the robot end effector and the wafer based on the acceleration adjustment and the research of the active control methods.Firstly, the dynamic contact model of micro-structure array and the wafer is established, the relationships between the transmission performance of the robot wafer and the acceleration, the pose of the end effector, the morphology of the micro-structure array are researched. Secondly, the micro-interface morphology of the wafer transfer of high-friction & low-adhesion and the processing method are researched. On the basis, combined with the acceleration active control, the efficient and smooth transfer method based on the acceleration active control is studied. Finally, the experiment platform is built and the associated experiments are studied. The research results of this project will provide the theoretical basis and practical method of the wafer transfer under the special environment and promote the further development of IC equipment.

晶圆传输技术是半导体工业领域中不可或缺的技术手段，是保证晶圆制造质量的重要环节。随着晶圆尺寸的增大以及特征线宽的减小，对晶圆传输环境要求越来越高，因此研究在真空环境下对晶圆的高效、可靠、无损伤传输变得尤为重要。本项目从界面微观力学和加速度主动控制入手，开展基于加速度调节的机械手末端执行器与晶圆之间微观界面粘附机理和主动控制方法的研究。首先建立微结构阵列与晶圆传输过程中的动态接触模型，研究机器人晶圆传输性能与加速度运动学参数、末端执行器位姿、微结构阵列形貌等的关系；其次，研究高摩擦低粘附的晶圆传输面微观界面形貌及其制备方法；在此基础上，结合加速度主动控制，研究真空环境下加速度主动调节晶圆高效传输的控制方法；最后，搭建晶圆传输实验系统并进行相关技术实验研究。本项目的研究成果将为特种环境下晶圆的传输提供理论基础和实用方法，对促进我国IC装备的进一步发展具有重要的理论和现实意义。

目前在真空环境下对晶圆的传输主要靠其自身重力产生摩擦力实现的，机械手与晶圆之间摩擦力的大小将限制机械手的加速度，从而影响晶圆的传输效率。本项目从界面微观力学和摩擦学理论入手，结合微观弹性接触理论，分别从忽略微结构变形和考虑微观变形两种角度，研究了晶圆传输面的微观粘附机理，对处于不同位姿角度下微结构的受力情况进行了建模分析，得出了微结构的摩擦、粘附力计算公式；对末端执行器微结构阵列进行研究，设计了圆柱体微结构阵列、长方体微结构准列和圆锥体微结构阵列，利用ANSYS分析了三种结构形式在晶圆传输过程中的受力变形情况以及利用ADAMS分析了其在传输过程中所能提供的最大传输加速度。通过分析得出圆柱体微结构阵列在传输过程中具有较小变形且能够提供更高的加速性能。基于微界面动态粘附机理，选取单晶硅作为微结构阵列传输面的衬底材料，对圆柱体微结构阵列进行设计，结合MEMS微机械制造技术，对圆柱体微结构阵列进行了制备；基于加减速调节动态粘附机理，对位姿可调节的末端执行器晶圆传输机械手传动结构进行分析，建立了晶圆传输机械手运动学及动力学模型，在分析了位姿角度与直线运动加速度之间关系的基础上提出了一种基于位姿调整的S曲线加减速主动控制算法，并基于此算法对末端执行器进行了轨迹规划。最后搭建实验平台，并进行了相关实验，实验表明基于微结构阵列的位姿调整晶圆传输机械手可进一步提高晶圆传输效率。