Новая система управления роботом для обработки кремниевых пластин.

После многих лет работы создана схема управления, которая призвана совершить мини-революцию в такой области как обработка кремниевых пластин. Это также упростит процесс разработки и выпуска систем управления для применяемых в данной сфере робототехнических комплексов.

Традиционно для управления трех- и четырехкоординатными робототехническими комплексами, применяемыми для обработки кремниевых пластин в условиях воздушной среды и вакуума, использовались индивидуальные системы управления, разработанные специально для каждого конкретного случая и для каждого типа робота. Как результат, данные системы управления имели ограниченные возможности, отличались высокой сложностью обслуживания и могли использоваться только с тем роботом, для которого они создавались. Но сегодня мы можем наблюдать как в данной сфере происходят весьма существенные изменения.

Обработка кремниевых пластин
Современные роботы рассматриваемого класса выпускаются такими компаниями как Yaskawa, Genmark, Hirata и Brooks Automation. Они предназначены для того, чтобы в непрерывном режиме осуществлять передачу 300-мм кремниевой пластины с одной точки обработки на другую, где с ними выполняют операции роботы типов R-Theta и SCARA. При этом в системе управления таким роботом задаются параметры позиции, где необходимо взять пластину, и той позиции, куда ее необходимо переложить.
Типовой режим работы рассматриваемого робота во время процесса ионной имплантации (ионного легирования) выглядит следующим образом:
выдвижение манипулятора к позиции, с которой необходимо забрать полупроводниковую пластину;
захват пластины манипулятором;
перевод манипулятора в положение, в котором возможно безопасно и беспрепятственно выполнить действия с пластиной;
поворот пластины на требуемый угол для последующей обработки;
выдвижение манипулятора с пластиной ко второй рабочей позиции;
опускание пластины на рабочее место другого робота для заключительной обработки;
перевод манипулятора в исходное положение и повтор операции.
Однако каждое последующее действие робота происходит через небольшой "холостой" промежуток времени, необходимый для осущесвления "доводки" робота — чтобы он точно и до конца выполнил то действие и перешел в то рабочее положение, на которые ему была дана команда. Таким образом, робот постоянно совершает ощутимые ускорения и торможения. Последствием этого является то, что дорогостоящие пластины подвергаются во время рабочего процесса чрезмерным нагрузкам. Это создает угрозу их повреждению.
Понимая нежелательность этого, выпускающие описываемых роботов компании готовы сотрудничать с любыми разработчиками — с тем чтобы для систем управления роботов создавались "макросы", помогающие объединить несколько действий робота в одно. Но создание хорошего "пользовательского макроса" и его внедрение занимают в совокупности несколько месяцев. На повестке дня встал вопрос об альтернативном варианте.

Рождение альтернативы
Решение этой непростой задачи взяла на себя американская компания Axis New England (г. Денвер). Работы велись в интересах одного из крупнейших производителей полупроводников в Соединенных Штатах — компании Axcelis Technologies, расположенной в штате Массачусетс.
За основу был взят типовой и широко распространенный контроллер движения — модель Turbo PMAC2 Ultra Light, выпускаемая компанией Delta Tau и обеспечивающая управление 32 осями. В данной модели используется интерфейс MACRO (Motion And Control Ring Optical), разработанный специалистами Delta Tau Data Systems для соединения контроллеров движения, приводов и модулей I/O в сеть кольцевой топологии волоконно-оптическим кабелем.
Данный интерфейс (протокол) позволяет передавать оптический сигнал и замыкать контуры управления по волоконно-оптическому кольцу, избегая возникновения электромагнитного шума, паразитных емкостей, токов утечки и других помех, характерных для кабельных линий управления. При этом используется лишь один волоконно-оптический кабель, что существенным образом упрощает процедуру монтажа изделия и, в конечном итоге, сокращает сроки ввода системы в эксплуатацию. А наличие встроенной прямой и инверсной кинематики сделало контроллер движения Turbo PMAC2 Ultra Light идеальным решением для использования в робототехнических комплексах, применяемых в области обработки кремниевых пластин.
Через шесть месяцев интенсивной работы инженеры и программисты представили результат своих трудов — уравнения кинематики, дающие системе управления возможность осуществлять контроль сразу за четырьмя разнотипными роботами (два четырехкоординатных и два трехкоординатных робота). Таким образом, разработчикам удалось найти альтернативу системам управления, существовавшим ранее.

Проверка делом
С новыми уравнениями кинематики программирование системы управления роботами стало для пользователя относительно простой задачей. При этом все команды перемещения робота задаются с помощью символов осей Х и Y, а за отправную точку взят центр обрабатываемой кремниевой пластины. Это позволяет создавать на основе простых и очевидных команд программы управления движением точную пространственную траекторию безостановочного перемещеия — от момента захвата пластины после ее обработки одним роботом и до укладки этой пластины на рабочее место другого робота.
Благодаря наличию у контроллера движения компании Delta Tau возможности выполнять расчет инверсной кинематики в автоматическом режиме, разработчикам удалось обеспечить соблюдение постоянной скорости перемещения центра кремниевой пластины — путем регулирования отдельных мехатронных соединений роботов: прямолинейное и круговое движения совмещаются — для формирования непрерывной, без резких переходов, траектории движения робота, что исключает вероятность воздействия на пластину чрезмерных нагрузок — ускорений и торможений. Причем "макрос" не имеет ограничений и может быть написан всего лишь за несколько часов, а не нескольких месяцев.
Новая разработка продемонстрировала свои высокие характеристики на практике, а также наглядно показала, что благодаря возможности быстро загружать новый набор уравнений кинематики система может быть использована для интеграции новых, разнотипных роботов. В своем нынешнем виде система управления способна контролировать работу 14 осей роботов — у двух четырехкоординатных и двух трехкоординатных, а также одновременно оперировать еще 10 осями.
Еще большую помощь оказал волоконно-оптический кабель, благодаря которому компания AxcelisTechnologies смогла сократить объем проводки при одновременном сохранении централизованного контроля за сильносвязанными системами. Данная конфигурация также позволила отказаться от необходимости осуществлять управление пятью отдельными контроллерами (в том числе четырех контроллеров непосредственно для роботов), что сокращает расходы на их закупку и монтаж, а также снижает латентность системы.
Учитывая все вышесказанное, можно сделать вывод о том, что полупроводниковую промышленность в ближнесрочной перспективе ожидают весьма существенные перемены. Естественно — к лучшему.

Автор — Грег Эллродт, инженер компании Axis New England.
Перевод — Владимир Щербаков, ЗАО "Сервотехника".

Все новости  |  Подписка на новости  |  Добавить свою новость