1、1毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化气动旋回流驱动非接触气爪搬运系统1引言11半导体制造业21世纪是信息时代，随着信息产业的发展，作为信息时代的关键性基础产业一一半导体制造业，成为当前的热点产业，对人类的工作和生活有着重要的影响。由于半导体制造业是技术复杂、资金密集、收益高的高技术产业，在市场需求快速变化和全球竞争加剧的情况下，如何对半导体制造系统进行控制优化，有效降低半导体制造的成本，提高制造设备总体利用率成为亚待解决的问题。而了解半导体制造的工艺流程，分析半导体制造系统控制的需求，是半导体制造系统控制研究的基础和前提，对提高控制优化的有效性和可行性等具有重要作用4。12半导体制造业的非
2、接触搬运要求半导体器件支撑着庞大的信息产业，而半导体器件93以上是硅器件，它们以硅片为基础材料。由于半导体晶片易磨损、易污染、翘曲变形等，对搬运条件要求较高。硅片夹持装置的性能要求由硅片夹持运输过程的特点以及硅片本身的特点决定。硅片在生产制造过程中要经过几百道加工工序，需要进行许多次夹持过程，这就要求夹持装置的可靠性和安全性要高且硅片为贵重工件，夹持装置对硅片的损伤越小，越可以提高硅片利用率，减小利益损失，所以硅片夹持装置对硅片的损伤要尽可能小，保证硅片洁净，表面平整光亮呈镜面，无麻坑、橘皮状、波纹、划痕、雾状等缺陷1。硅片的大直径化发展趋势，使得硅片更易产生翘曲变形，面型精度和表面光洁度不易
3、保持，加工效率低等一系列严重问题。硅片直径变大，每个硅片的重量增加，更主要是相应硅片的价值也急速上升，人工搬运的经济风险太大，需要自动化传输系统。如今硅片直径由20OMM向3O0MM甚至450MM过渡，从技术上要考虑硅片的平整度及弯曲度等影响，以及硅片的表面态，所以技术难度不可低估。因此，大直径硅片的应用将对硅片的超精密加工技术提出新的挑战，而硅片夹持装置在硅片的超精密加工技术中占有重要地位，不仅需要完成稳定夹持过程，还必须保证硅片不发生翘曲变形、表面超洁净、应力分布均匀、具有高的机械强度等作用且硅片为贵重工件，夹持装置对硅片的损伤越小，越可以提高硅片利用率，减小利益损失，所以硅片夹持装置对硅
4、片的损伤要尽可能小，特别是半导体晶2片正在向大尺寸方向发展，大尺寸极薄基板更容易产生上述问题，所以半导体晶片在搬运过程中必须要实现非接触的要求。13空气非接触夹持的优点利用空气动力学原理实现的非接触夹持应用与硅片的夹持和运输过程，有着其独特的优势1气动非接触夹持对对硅片的材料、形状限制低，适用于对下一代大直径硅片的夹持要求。2气动装置使用气体作为工作介质，对工作环境没有污染，符合半导体制造过程对于环境洁净性能的要求。3非接触夹持避免了夹持装置与硅片表面的接触，极大的降低了表面划痕的产生的可能性，这对于需要经历几百道加工工序的硅片来说，极大的提高了成品率，降低了生产成本。4减小了硅片翘曲变形、表
5、面残留污渍等缺陷的发生3。14空气非接触搬运技术的现状目前非接触搬运技术有电磁式、超声波式和空气悬浮式等几种方式。其中，空气悬浮式具有清洁无污染、不发热、不产生磁场和能够高速传输等优点，是非接触搬运领域的主流技术。空气非接触式搬运设备上浮的对象主要是玻璃基板、半导体晶片、各种胶片基板、光盘、回路基板等板状制品。空气非接触式输送设备广泛应用在平板显示、半导体、太阳能光伏电池、食品、医药等行业2。现在，在空气非接触搬运技术领域中走在前端的主要是日本和韩国等发达国家。日本夏普公司已经讲空气非接触搬运技术投入到液晶平板生产线中。我国目前液晶面板的生产线最高为第5代，仍在采用滚轮式或真空吸附式的搬运系统
6、，在搬运技术方面已落后于国际先进水平1。2气动旋回流驱动的原理及应用21气动旋回流原理3图21气动旋回流原理图如图21所示，在一个倒置的一端开口的杯状容器中，在其侧壁上方切向接入一空气导管，向容器中射入高压气体，气体进入夹持装置后由于离心力的作用，被甩向容器内壁并强制旋转，形成旋涡，旋涡的中心为速度很高的“涡核”。旋涡流在吸盘底部排出时，因其约束的突然消失导致压力突变，产生回流，因此在容器的中间产生了负压，接近真空，置于吸盘下方的平板类工件就会受到一个向上的吸附力。由于压力差的作用，气体以螺旋状向下运动，在吸盘底部呈散射状排出，从而在硅片的外围与吸盘之间形成气垫，对硅片产生排斥力。当吸引力与排
7、斥力的合力与硅片重力平衡时，即可实现非接触夹持。22旋回流气爪的现状图22是日本著名的气动元件生产商SMC公司的空气悬浮式玻璃基板搬运系统。该搬运技术是应用流体力学原理，使压缩空气通过压力室上的多孔质体形成一层气体膜，流体对工件施加的压力与工件自身的重量达到平衡而使工件保持平稳。空气悬浮式搬运系统是洁净度极高的非接触搬运，这样避免了搬运过程中玻璃基板的划伤和污染。除此之外，它还具备其他优点这种搬运系统的支持面积大，因此上浮对象较稳定，而且可以缓和集中应力机械强度高，不会因供给流体的压力不同而发生变形，因而装置可实现薄形化所采用的高温烧结的陶瓷体在大气中不会氧化。空气吸浮式玻璃基板搬运系统是利用
8、吸浮机构产生负压，空气在吸浮机构与工件间的间隙排出时对工件产生向上的提升力，此力与工件自重形成一对平衡力5。4图22空气悬浮式玻璃基板搬运系统上图为在第28届日本东京国际流体动力展览会上展出的由CKD和妙德公司生产的用于搬运设备的气浮装置，这种装置主要用在液晶屏幕和扁平屏幕的传送和搬运。该装置采用的多孔新材料可以减少执行器的空气消耗量，可完成清洁和无损伤的搬运，可以提高产品的合格率3。图23是德国一家公司开发的以非接触方式搬运半导体晶片的机器手，该类型机械手可搬运直径为300毫米的晶圆，并且工具和晶圆的距离约在005MM一05MM之间。其原理是利用超声波在工具表面形成一层空气薄膜，使晶圆漂浮于
9、其上。工具翻转时，不是用超声波而是用气泵吸附晶圆。据非接触涡流负压搬运器的流场特性及实验研究介绍，此时晶圆和工具之间也不接触，常态下使周围空气流动即可形成空气薄膜。该公司在第18届FPD研发及制造技术展览会暨研讨会FINETECHJAPAN，2008年4月16日一18日，东京有明国际会展中心的德国库卡机器人KUKAROBOTER的展区展出了该工具。此外，美国的NEWWAYPREEISION公司131基于空气静压轴承的基础，利用多孔质材料开发了非接触式大型玻璃基板和硅晶片的搬运装置日本第一设施工业公司开发了具有识别工件有无的气悬浮式非接触式技术以色列ORBOTECH开发的气浮式搬运技术可以自动检
10、测玻璃基板的大小及重量，随时与基板保持一定距离进行漂浮搬运。5图23非接触搬运半导体晶圆的机器人图24的装置是日本KOGANEI小金井公司生产的NCT系列非接触式搬运元件。该搬运元件可实现非接触搬运玻璃基板、光盘、半导体硅晶片等，同时还可吸附表面略有凹凸的不平整工件，如电路板。它是利用空气漩涡产生的负压吸附工件，当工件靠近搬运元件时，空气会发挥斥力的作用阻止工件靠近，从而实现在非接触状态下能够吸附并搬运工件。此元件不会在工件上留下痕迹，由于不会吸入环境中的粉尘能够达到洁净搬运效果，吸附力也比较强3。图24旋回流驱动非接触式搬运元件目前，在第8代液晶面板生产线中已全面使用了旋回流空气悬浮式非接触
11、搬运技术。日本夏普公司正在建设的第10代液晶平板生产线也拟采用该项技术。我国目前液晶面板6的生产线最高为第5代，仍在采用滚轮式或真空吸附式的搬运系统，在搬运技术方面已落后于国际先进水平。从2006年起，中国新建立了多家用于半导体芯片制造及太阳能电池芯片制造的多晶硅晶片工厂，但大部分的晶片搬运仍采用吸盘式抓取，同样存在废品率高的问题。液晶显示和硅晶片产业在信息产业中有重要的基础性地位，是在技术和资本双密集型的产业，也是目前我国正重点发展和扶持的高技术产业，所以研究和使用空气式非接触搬运技术对于提高我国的生产技术有重要的意义5。3气动伺服系统31关键元件该气动伺服系统主要元件包括气源系统、气缸、电
12、磁阀和辅件等。311气源系统由产生、处理和储存压缩空气的设备所组成的系统称为气源系统。典型的气源系统由下列部分组成空气压缩机、后部冷却器、过滤器包括前置过滤器、油水分离器、管道过滤器、除油过滤器、除臭过滤器、灭菌过滤器等等、稳压储气罐、干燥机冷冻式或吸附式、自动排水排污器，输气管道、管路阀件、仪表等。上述设备根据工艺流程的不同需要，组合成完整的气源系统。312气缸气缸是气动系统的执行元件之一，用于实现直线往复运动或摆动。常用的气缸有单作用气缸、双作用汽缸和缓冲气缸。313电磁阀在气动回路中，电磁控制换向阀的作用是利用电磁力的作用来实现阀的切换以及控制气流的流动方向，分为直动式电磁阀和先导式电磁
13、阀。直动式电磁阀直接利用电磁力推动阀芯换向，特点是在真空、负压、零压时能正常工作；而先导式换向阀则利用电磁先导阀输出的先导气压推动阀芯换向，特点是便于实现电、气联合控制。4小结在半导体及液晶面板生产的搬运技术方面，非接触式输送设备的运用可以降低成本、提高成品率、实现高效节能。根据国家在高新产业的指导性政策，随着大型硅晶片和液晶面板等生产技术的发展以及高端生产线的不断建设，使用快速、稳定、低能耗的气悬浮或气吸浮式非接触式搬运系统将成为未来的主流，空气非接触式搬送技术有着光明的市场前景。75主要参考文献1阮晓东,郭丽媛,傅新,邹俊旋涡式非接触硅片夹持装置的流动计算及试验研究J机械工程学报,2010
14、,161891942门连通,白淑璠非接触式搬运设备在液晶物流中的应用J物流技术,20627293郭丽媛非接触硅片夹持装置的研究D浙江大学,20104徐克林气动技术基础M重庆,重庆大学出版社,19975王涛,杨玉贵,彭光正半导体及平板显示制造业中的空气非接触搬运技术J液晶与显示,200934044086吴秋华,江楠,朱君君气动伺服机械手控制系统的设计J液压与气动,20105971037丛明,于旭,徐晓飞硅片传输机器人的发展及研究现状J机器人技术与应用,2007042052128SMC中国有限公司现代实用气动技术M北京机械工业出版社,19989LIXIN,KAWASHIMAK,KAGAWATANA
15、LYSISOFVORTEXLEVITATIONJEXPERIMENTTHERMALANDFLUIDSCIENCE,2008,3281448145410MARIOLENTOUSINGANINTEGRATEDCONTROLLERTOMANAGEWAFERHANDLINGSYSTEMSMARIOJ,2001,19811812411CHRISFELIXHOLDONWITHVACUUMCLAMPINGJPRODUCTIONMACHINING,2007,71110210812VACUUMGENERATORJFACTORYEQUIPMENTNEWS,2001,358778413RACHAELMORLINGP
16、NEUMATICTECHNOLOGYENHANCESANINTELLIGENTTRANSPORTROBOTSYSTEMJDESIGNSOLUTIONS,2009,178666914ZHANGMENG,LEIWEIXINTHEORETICALSTUDYANDAPPLICATIONOFPNEUMATICSERVOPOSITIONINGSYSTEMJMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,2010515YUXIAOLIN1,WANGNING,YANGJUNBAOSTUDYONSERVOCONTROLSTRATEGYFORPNEUMATICMANIPULATORJTRANSACTIONSOFSHENYANGLIGONGUNIVERSITY,201079910516TAOXIANGTING,YUANRUIBO,LUOJINGTHEAPPLICATIONSANDDEVELOPMENTSOFTHEPNEUMATICMANIPULATORJMACHINETOOLHYDRAULICS,200783339
