JST与力士乐自动化一起努力推进半导体制造

挑战
创建一个138英尺长的湿工作台硅清洁站，利用线性运动和控制技术的组合驱动多个笛卡尔机器人

力士乐的解决方案

• CKR皮带驱动线性模块
• 滚珠丝杠线性模
• MKR皮带驱动线性模块
• IndraDyn MSK同步伺服电机
• IndraDrive C数字智能伺服驱动器
• 力士乐易处理系统

结果

• 高空笛卡尔机器人的有效使用
• 在清洁站138英尺长的精度，准确性和重复性
• 鲁棒性和可靠性
• 清洁度达到10级洁净室标准
• 系统订购为单个部件号

背景
尽管硅是用于智能手机和其他电子设备的半导体的关键成分，但只有经过提纯的硅才能用于制造半导体芯片。生产半导体级硅涉及多晶硅块的上游加工，纯度为“11N”，即99.999999999 %。JST Manufacturing(博伊西，ID www.jstmfg.com)通过使用博世力士乐公司(Charlotte, NC www.boschrexroth-us.com)的直线运动和电气驱动和控制技术，建立先进的湿式工作台清洁站，帮助客户解决这一挑战。

JST为洁净室应用提供清洁和处理设备，从单片蚀刻到自动湿法处理设备。“这包括各种尺寸的湿台式清洁站，但通常不超过30英尺长，”首席运营官托尼•伯塔尼奥利(Tony Bertagnolli)表示。“但最近，我们为一个海外客户建造了一条138英尺长的生产线，使用了多个龙门机器人。为了满足机器人在这段距离内的行走要求，我们结合了线性运动和控制技术，并具有精度、鲁棒性和清洁度，这是博世力士乐所能提供的。”

在清洁多晶硅块中保持纯度
JST的湿式台清洁站部署在硅制造过程的开头。在那个阶段，长圆柱多晶硅棒，称为锭，尺寸大约一到三英寸的块 - 没有比拳头大。将块放入特殊的篮子，在一站进入化学蚀刻罐以去除氧化硅和其他污染物。然后将块浸泡，冲洗并干燥。在一个单独的过程中，块在炉中熔化并转变成被冷却，蚀刻和最终开发到计算机芯片中的纯单晶硅汽缸中。

对于前端块清理过程，JST的湿式工作台设计可以在22小时内处理大约4吨的硅块。为了保持这种生产能力，每隔6.6分钟就要清洗一个装有44磅硅块的篮子。

“这需要一个独特的湿工作台清洁站设计，”Bertagnolli说。“我们设计并建造了一个由A1和A2两个单元组成的空间站。”在24英尺长的A2单元中，一篮篮的大块是人工通过一扇自动门装载的。然后，两轴机器人循环篮子通过5个酸蚀刻浴和两个冲洗浴排列成一行沿着x轴的长度。随着篮子沿x轴向下移动，它们被放入每个化学和冲洗槽(z轴)中。

在A2单元完成酸蚀和冲洗步骤后，篮子通过气闸自动转移到88英尺长的A1部分的生产线，该生产线使用三轴龙门机器人循环篮子通过两个x轴行包含浸泡和干浴。在这一过程的最后，空篮子被自动卸载使用客户提供的传送带。

“不同寻常的是，A1单元使用了高架龙门，也就是笛卡尔机器人。头顶笛卡尔机器人通常不用于半导体工艺系统，以避免在产品上方产生粒子。然而，在洁净室条件下进行了大量的颗粒测试后，我们发现系统中使用的力士乐型材直线导轨和直线运动模块产生的颗粒远远少于规格允许的数量。力士乐笛卡尔运动部件能够处理这种级别的清洁，这是一个真正的功劳。”

在整个过程中，保护组件免受污染和点蚀至关重要。“Rexroth密封件保持线性运动滚动条清洁，”Bertagnolli强调。“并且它们保持化学蚀刻蚀入线性模块。”Bosch Rexroth并入其他功能，以确保系统达到10级洁净室标准或更好。运动系统组件使用薄的铬镀层进行耐腐蚀性。它们也被洁净室润滑脂润滑。

独特的直线运动系统走距离处理沉重的硅块
除了使用高架龙门设计，车站的长度也提出了独特的挑战。据Bertagnolli说，JST通常建造12到30英尺长的半导体清洁站。

为了处理88英尺的A1长度，龙门机器人行走的x轴的每一边由6个10英尺的部分和3个9英尺的部分组装在高强度力士乐挤压铝结构框架上的力士乐型材线性导轨。由于长度，框架和轮廓轨道需要精确匹配关节，以确保机器人的平稳运动。

使用来自Bell-everman，Inc。（Goleta，CAWwell-Everman。COM）的双同步Servobelt™线性运动模块，每个龙门机器人托架驱动X轴。与传统的单皮带驱动器不同，每个伺服炉模块由一对齿形，钢加固T5聚氨酯带和博世REXROTH INDRADYN MSK同步伺服电机供电。伺服电机，与模块一起乘坐乘坐的模块，转动上下“有源”皮带，其与较低，永久粘合的“静态”皮带（见图1）。通过带驱动的设计大大提高了这种长跨度的刚度，精度和可重复性，这提供了许多与电线性电动机相同的益处，而是以与传统的线性模块相当的值。

为确保精度和可重复性，力士乐IndraDrive C数字智能伺服驱动器通过主从配置同步伺服带模块的运动。”“我们可以在长X轴上平稳而精确地移动，”Bertagnolli说两个模块之间的同步非常精确。”当大块通过湿台清洗站时，由第三方PLC控制平台执行控制和定时顺序。

当机器人车厢沿着轨道移动时，为了将篮子从一个浴室横向移动到另一个浴室，这些龙门结合了力士乐的其他直线运动技术。对于y轴，每个机架使用一个力士乐CKR皮带驱动线性模块，由另一个力士乐IndraDyn MSK伺服电机提供动力。CKR模块的冲程为48英寸，篮子通过两排浸泡槽和干槽。

为了将多晶硅块放入浸泡槽和干槽中，A1单元上的龙门机器人使用力士乐CKK滚珠丝杠线性模块。这提供了一个32英寸冲程的垂直z轴运动，以降低和提高将篮子浸到每个浴槽中的组件。每条手臂的末端是一个j钩末端执行器，适合每个篮子的一对槽。

“滚珠丝杠必须承受一定量的扭矩。Rexroth线性执行器证明比来自其他供应商的滚珠丝更可靠且稳健。加速度在Z轴上光滑且迅速，因为从浴缸中抬起篮子，“Bertagnolli说。

A2单元使用相同类型的双伺服带线性模块沿X轴向下移动机架托架组件，移动约20英尺。与A1单元不同，由于只有一排浴缸，因此不需要横向Y轴运动。为了提升和降低篮子进入蚀刻和冲洗槽，Z轴运动由另一套力士乐CKK滚珠丝杠致动器提供。

种棒加工使用更多的直线运动
在针对同一客户的一个单独应用程序中，JST还创建了一个独立的系统来清理生长多晶硅锭的种子棒。

处理长距离的机器人旅行要求采用了线性运动和控制技术的组合，只有只有博世雷克索可以提供的精确度，稳健性和清洁度。

种子棒安装在特别设计的圆柱形车厢中，在每个腐蚀槽中旋转。与A1和A2系统一样，种子棒清洁工具也利用了一个龙门机器人，通过一系列的腐蚀槽来移动带锭的圆柱形车厢。

对于这个工具，安装在浴槽两侧的两个力士乐MKR线性模块用于从开始到结束沿x轴移动圆柱支架。每个MKR线性模块由一个23.5英尺长的球轨和齿形皮带驱动，由力士乐IndraDyn MSK伺服电机提供多圈绝对反馈。

为了提高和降低圆柱形车厢进入每个浴槽，一个力士乐CKK模块与侧面安装的伺服电机被利用，而一个旋转末端执行器在车厢传送带旋转槽中的棒。

对于这些和其他项目，JST与自动化合作伙伴西北运动公司(Issaquah, WA www.nwmotion.com)，力士乐驱动器和控制产品的分销商合作。在这种情况下，三个单元的电气驱动、轨道和线性模块通过力士乐EasyHandling System的单个部件编号提供，以确保所有组件作为一个集成的龙门机器人解决方案一起工作。

“我们真的很感谢每个站的Rexroth组件如何都可以作为单一部件号订购，”Bertagnolli Notes。“我们必须在设计批准后十周开始建设，因此这帮助我们满足了我们的生产时间表。多年来，Rexroth驱动和控制产品给了我们一个竞争优势。在将此许多部分结婚时，轨道和拼接试剂盒的适合和形式必须精确消除悬挂。在这个应用程序中，Rexroth Cartesian运动系统表明，我们竭尽全力满足客户的确切规格。“

Servobelt™是Bell-Everman，Inc。的商标

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表格bos-2893-12-2014