光刻机专用硅片传输机器人的设计与分析

论文摘要

光刻机是半导体制造的核心装备,硅片传输机器人是其内部专用的自动物料处理设备,它的工作速度、定位精度、可靠性,使用洁净度等直接影响光刻工序中的生产效率和制造质量。国外的半导体设备生产商已经开发了系列硅片传输系统,形成了完整的产品体系,与其相比目前国内尚无自主知识产权的相关产品,因此研究硅片传输机器人的相关技术具有重要意义。本文首先从硅片传输机器人的功能需求、机器人基本理论、产品调研三个角度出发确定了两种主流构型:SCARA型和R-θ型。通过比较最终确定R-θ型为硅片传输机器人的构型,并提出了基本设计方案。建立了R-θ型机器人的R向直线传输机构模型,进行了运动学和动力学分析。为结构设计、电机选型和控制方法的确定提供了理论支持。在基本设计原则指导下,充分考虑特殊要求,设计了硅片传输机器人的机械系统。通过采用多种高精度的传动元件、轴承和大速比的直流伺服系统分别实现了R、Z、θ及Y向的机械功能设计。特别是解决了提高R向直线度,全包覆本体,Z向运动导向等结构上的一些设计难题。使用PRO/E及ADAMS建立了硅片传输机器人虚拟样机,实现了运动功能仿真,验证了结构设计的正确性与合理性,并通过动力学仿真校核了伺服系统的选型。最后,针对硅片传输过程中亟需解决的振动控制问题,从传输机械臂的结构刚度和臂内同步带传动的特性进行了分析,探讨了传输过程中的振动机理及其解决方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 国内外硅片传输机器人的发展现状及分析
• 1.1.1 硅片传输机器人领域现状
• 1.1.2 国内外硅片传输机器人的研究现状
• 1.2 硅片传输机器人研究的技术特点
• 1.3 课题来源和主要研究内容
• 1.3.1 课题的来源
• 1.3.2 论文的主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 第2章 硅片传输机器人构型及操作臂机构分析
• 2.1 硅片传输机器人构型的研究
• 2.1.1 硅片传输机器人的功能需求
• 2.1.2 机器人学范畴基本构型特征分析
• 2.1.3 产品调研数据分析
• 2.1.4 硅片传输机器人构型确定
• 2.2 机器人操作臂的运动学与动力学分析
• 2.2.1 常用直线运动机构
• 2.2.2 直线伸缩运动模型的建立
• 2.2.3 硅片传输机器人操作臂的运动学分析
• 2.2.4 硅片传输机器人操作臂的动力学分析
• 2.3 硅片传输机器人的基本方案与技术参数
• 2.4 本章小结
• 第3章 硅片传输机器人机械结构设计
• 3.1 机械结构设计的基本原则
• 3.1.1 提高洁净度
• 3.1.2 提高工作速度和定位精度
• 3.1.3 提高可靠性和适应性
• 3.2 机器人 R 向直线传输动作实现
• 3.2.1 R 向直线运动部件结构设计
• 3.2.2 R 向驱动及传动结构设计
• 3.2.3 R 向机械设计的主要特点
• 3.3 机器人Z 向升降运动的实现
• 3.3.1 Z 向驱动、传动设计及计算
• 3.3.2 Z 向导向及整体框架结构设计
• 3.4 机器人θ向旋转运动实现
• 3.5 机器人Y 向直线运动的实现
• 3.6 本章小结
• 第4章 虚拟样机仿真与振动分析
• 4.1 虚拟样机的建立
• 4.1.1 ADAMS 与Pro/E 的联合使用
• 4.1.2 Pro/E 模型的建立及装配
• 4.1.3 利用MECH /Pro 接口进行模型转化
• 4.1.4 ADAMS/view 下虚拟样机模型的建立
• 4.2 基于虚拟样机的仿真分析
• 4.2.1 机械系统基本运动功能仿真
• 4.2.2 机械系统动力学性能与伺服电机选型
• 4.3 臂体及同步带柔性传动的振动分析
• 4.3.1 臂体刚柔混合模型振动分析
• 4.3.2 R 向带传动振动分析与控制
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢