Brevet FR2578471A1 — publié le 19860912

-1- La présente invention a trait en général aux appareils destinés à assurer la manipulation de puces à semi-conducteurs et plus particu- lièrement à un appareil de manipulation de puces que l'on peut utiliser dans un système automatisé. L'appareil décrit ici peut être exploité par exemple avec un bras robotique de façon à permettre la manipulation de puces électroniques sans aucune intervention humaine. Pendant le traitement de substrats ou puces à semi-conducteurs, on effectue toute une séquence d'opérations sur des quantités importantes d'unités comportant de multiples puces à semi-conducteurs. Par exemple, il arrive fréquemment que l'on doive transférer des puces non-traitées entre des bacs de stockage appelés "cassettes" et des supports utilisés pendant le traitement et que l'on appelle "berceaux" ou "barquettes". Au terme du traitement programmé, les puces doivent être restituées aux cassettes de stockage. Ces opérations étaient autrefois essentiellement exécutées manuellement. Or, le recours à des opérateurs humains s'est révélé peu satisfaisant. Des particules, telles que des pellicules et des fragments de peau humaine, que peuvent dégager des opérateurs pen- dant la manipulation des puces, ont posé des problèmes de fabrication de plus en plus nombreux, à mesure que les dimensions des circuits intégrés diminuaient. Les ruptures peuvent atteindre des taux relativement élevés en raison d'une manipulation inefficace et la multiplication des opéra- tions de routine engendre une fatigue humaine, au détriment de la quali- té d'exécution des taches à assurer. Durant ces dernières années, un certain nombre de bras robotiques ont été mis au point et sont désormais disponibles dans le commerce. Un bras d'automate peut exécuter une multitude de mouvements commandés d'une manière approximative, sans que l'on observe une diminution du rendement en fonction du taux de répétition. Par conséquent, on constate une demande croissante en faveur d'un appareil qui peut être accouplé à un bras robotique et prendre en charge des puces à semi-conducteurs, tout en garantissant, en outre, une meil- leure fiabilité en égard aux posssibilités qu'offrent les opérateurs hu- mains. Par conséquent, l'un des buts de la présente invention consiste à prévoir un appareil et un procédé perfectionnés pour la manipulation de puces à semi-conducteurs. Un autre but de l'invention consiste à prévoir un appareil per- fectionné pour la manipulation de puces à semi-conducteurs, lequel n'e- xige ni l'intervention, ni l'assistance d'un opérateur humain. -2- Par ailleurs, l'invention a pour but de prévoir un procédé et un appareil-perfectionnés pour prendre en charge et libérer des puces à se- mi-conducteurs dans des conditions dûment contrôlées, tout en contrôlant l'information concernant les efforts que l'on applique à la puce à semi- conducteurs. Ces différents buts, ainsi que d'autres encore, sont réalisés, con- formément à la présente invention, grâce à un appareil qui comporte trois barrettes saillantes qui en constituent les doigts actifs et qui seront appelés "doigts" dans la description qui suit. Ces doigts émergent d'un bottier ou corps de l'appareil, et les deux doigts extérieurs parmi les trois prévus, tous en forme de barrettes sensiblement plates, sont re- liés directement au bottier grâce à des ressorts du type à lamelles dé- formables. Le doigt du milieu est relié à un ensemble qui comprend un chariot coulissant mû par un moteur et également des ressorts-lames fle- xibles. Ces doigts portent à leur extrémité des petits boutons profilés qui servent à manipuler une puce à semi-conducteurs. La prise d'une puce s'effectue en mettant le doigt central en extension, en déplaçant l'ap- pareil autour de la puce à saisir, puis en rétarctant le doigt central, jusqu'à ce que les bouts des doigts en forme de boutohs entrent en con- tact avec la puce, Des capteurs., sous forme de jauges de contraintes, peuvent être associés aux doigts ainsi qu'aux ressorts-lames flexibles. Ils permettent à un ordinateur de contr8ler les efforts exercés sur une puce par l'appareil et aussi les efforts exercés sur les doigts par d'autres objets, par exemple le support de traitement ou la cassette dans laquelle se trouvent les puces. Enfin, ces capteurs peuvent permettre la détection d'efforts non prévus qui pourraient s'exercer sur les doigts, par exemple par suite d'un choc avec un objet ou une personne. Ces différentes caractéristiques, ainsi que d'autres propres à la présente invention, seront mieux comprises à la lecture de la descrip- tion qui suit et se réfère au dessin annexé, sur lequel: La FIGURE 1 est une vue en perspective de l'appareil que l'on peut accoupler à un bras robotique suivant la présente invention; --- La FIGURE 2 est une vue en plan de l'appareil suivant l'invention, o l'on voit la position de ses composants internes lorsqu'on a retiré le couvercle de la chambre supérieure; La FIGURE 3 est une vue en perspective d'un sous-ensemble de doigt fixe; La FIGURE 4 est une vue en perspective d'un sous-ensemble de cha- riot mobile, et -3 - La FIGURE 5 est une vue par en-dessous de l'appareil suivant la présente invention, oh l'on voit la position de ces composants électri- ques internes lorsqu'on a retiré le couvercle de la chambre inférieure. Si l'on se réfère tout d'abord à la Figure 1, on voit que l'appa- reil 10 destiné à être accouplé à un bras robotique comporte un corps formé par un bottier 11 à deux chambres qui contiennent les composants mecaniques et électrique de l'appareil. La chambre supérieure du bottier 11, comme le montre la Figure 2,- renferme le sous-ensemble du chariot 21, les sous-ensembles pour les doigts extérieurs fixes 35 et 27, et le sous-ensemble du doigt central mobile 16. Si l'on se reporte maintenant à la Figure 3, on voit que chacun des doigts extérieurs fixes se compose d'une barrette 15 en acier inoxy- dable qui émerge du bottier 11, d'une barrette plus épaisse 17 en acier inoxydable a une extrémité de laquelle est fixée la barrette 15, de deux ressorts-lames flexibles 25 fixes a la barrette plus épaisse 17, et de deux supports de tringle 23 qui servent à monter le sous-ensemble du doigt lateral correspondant sur le bottier i1. Les ressorts-lames fle- xibles 25 permettent au doigt correspondant de se déplacer dans une fai- ble mesure le long de son axe longitudinal tout en maintenant ce doigt immobile dans tous les autres axes. L'un des ressorts-lames 25 de chaque sous-ensemble de doigts est pourvu de deux jauges de contrainte 26, ce cui permet de contrôler toute flexion du ressort 25 correspondant. Ces jauges de contrainte peuvent 9tre de tout type connu et disponible dans le commerce, soit à semi-conducteurs, soit à feuilles métalliques. Le doigt 15 proprement dit est équipé pour sa part de deux jauges de con- trainte 26 qui permettent le contr8le de toute flexion ou flambage du doigt dans une direction perpendiculaire au plan du doigt considéré. Si l'on se réfère à la Figure 4, on voit que les supports de trin- gles 23, lorsqu'ils sont montés dans la cavité supérieure du bottier, ser- vent également de support à deux tringles cylindriques de guidage 22 qui portent en coulissement le chariot mobile désigné comme étant le sous- ensemble 21. Ce sous-ensemble 21 se compose d'un corps de chariot 24, de paliers 30 permettant le coulissement axial des tringles 22, et d'une oremaillère 28, en prise avec un pignon correspondant 18. Le doigt cen- tral 16 à mobilité axiale est rendu solidaire du sous-ensemble 21 du chariot 24 par deux ressorts-lames flexibles 25; des jauges de contrainte 26 sont également montées sur ces ressorts-lames. Lorsque l'ensemble est monté, la crémaillère 28 engrène avec le pignon 18 solidaire en rotation de l'arbre de sortie d'un moteur électrique 14. Ce moteur sert à entra ner -4 - le doigt central 15 de façon à le déplacer axialement soit vers l'exté- rieur, soit vers l'intérieur du bottier 11. Le moteur 14 est monté sur le couvercle supérieur 19 du bottier et peut actionner la crémaillère 28 lorsque le couvercle 19 est monté sur le bottier 11. La rotation du mo- teur 15 imprime donc un mouvement de translation linéaire au chariot 24 et au doigt central 16. Deux capteurs photo-optiques 29 sont prévus pour détecter la présence d'un bord 21 dusousensemble du chariot afin de dé- terminer les positions tant de sortie maximale que de rentrée maximale du chariot par rapport au bottier. Si l'on se reporte à la Figure 5, on voit que la chambre inférieure du bottier 11 contient les composants électriques de l'appareil. Ces composants comprennent une carte à circuit imprimé 31 sur laquelle sont montés les autres composants, six circuits amplificateurs 32 à jauges de contrainte, un circuit 33 de commande du moteur 14 et une plaquette à bornes pour le càble électrique. Chaque paire de jauges de contrainte qui asservissent le mécanisme logé dans la chambre supérieure est reliée par des conducteurs à un circuit amplificateur 32. Ce circuit amplifica- teur 32 sert à amplifier et conditionner correctement le signal reçu des capteurs des jauges de contrainte afin de le transmettre à un ordinateur de contr8le. Ce dernier peut être un processeur banalisé associé à des interfaces adéquates et programmé de façon à répondre à des signaux d'en- trée. Le circuit 33 de contrôle du moteur 14 se compose en fait de trois circuits intégrés qui servent à commander la marche du moteur sur une distance déterminée par l'intermédiaire d'un ordinateur de pilotage ou de contr8le à capteurs. Le dispositif de connexion 36 assure la transmission de tous les signaux électriques entre l'appareil et le système d'ordina- teur de contr8le ou moniteur. Fonctionnement Le fonctionnement du mode préféré de réalisation de l'invention peut 8tre décrit comme suit: en fait, il existe cinq modes de fonctionne- ment que l'on peut utiliser grâce à la présente invention pour transférer une puce à semi-conducteur entre un bac de stockage tel qu'une cassette et un support de traitement tel qu'un berceau ou barquette. Il s'agit de: 1") saisir la puce; 20) libérer la puce; 30) repérer l'aré.e de la puce; 4 ) localiser la surface du support de traitement, et 5") détecter une "collision" éventuelle. Dans chacun de ces modes de fonctionnement, lein- formation provenant des capt)eurs à jauges -te -ntrainte est %tilisée pour accrottre la fiabilité fonctionnelle de l'opération de transfert des puces. Les signaux émis par les jauges de contrainte sont traités dans les com- -5 - posants électroniques contenus dans l'appareil 10, puis appliqués à l'ap- pareil de traitement des données (non représenté) associé au bras robo- tique. La position approximative des multiples puces à manipuler par l'appareil peut être programmée dans la structure du bras robotique. Ce dernier déplace alors l'appareil de support 10 pour le placer dans une position o il surmonte la puce qui se trouve dans la cassette de stocka- ge. Le doigt central 16 est alors mis en extension sous le contrôle du programme de l'ordinateur. Les bouts 20 en forme de boutons qui se trou- vent à l'extrémité de chacun de ces doigts sont ainsi placés tout près de la surface (mais à l'extérieur du bord) de la puce. Le bras robotique abaisse l'appareil 10 jusqu'à une position dans laquelle les bouts en forme de bouton 20 se trouvent sensiblement dans le même plan que la puce. Un mouvement contr8lé du bras robotique est alors commandé et orienté par le système d'ordinateur de contr8le à capteurs, lequel déplace l'ap- pareil 10 jusqu'à ce que les doigts extérieurs entrent en contact avec le bord de la puce avec une force de valeur pré-établie. Tout déséquili- bre dans les forces qui serait détecté par suite d'une position initiale défectueuse de l'appareil aura pour effet d'agir sur le bras du robot afin de modifier la position de l'appareil 10 en conséquence. Ce mode de fonctionnement est désigné par l'expression:"Opération de localisation du bord de la puce". Le doigt extensible 16 est ensuite rétracté pour finalement entrer en contact avec le bord de la puce. Celle-ci est ensuite poussée contre les doigts fixes extérieurs, tout en faisant fléchir leurs ressorts-la- mes 25, Lorsque la déformation des ressorts-lames 25 atteint un certain degré, déterminé à l'aide des jauges de contrainte, le moteur qui entra - ne le doigt central est stoppé. Dans ces conditions, la puce est ferme- ment saisie. Ce mode de fonctionnement est celui appelé "saisie de la pu- ce". Le bras robotique est utilisé pour assurer les déplacements de l'appareil 10 de manipulation des puces, avec la puce qu'il transporte, jusqu'à une position approximative par rapport à la surface de traitement du support en cours de chargement. Par exemple, si ce support était ver- tical, comme dans le cas de certains modèles de berceaux ou barquettes, la position de l'appareil serait dans ces conditions sensiblement paral- lèle à la surface du support, mais à une certaine distance de cette sur- face. Le mode dit de localisation de surface peut maintenant 9tre utilisé pour coordonner le déplacement du bras robotique qui est nécessaire pour placer la puce en position d'alignement soit à proximité immédiate, soit 6- mnme directement contre,la surface du berceau ou barquette. Les capteurs à jauges de contrainte prévus sur les soigts fournissent les données né- cessaires pour exécuter cette tâche. Dés que tous les doigts ont été in- fléchis sur la m9me distance par ladite surface, on peut stopper le mou- vement du bras robotique. Sous contr8le d'un programme adéquat, le bras robotique peut dé- placer l'appareil 10 de manipulation des puces sur une distance pré-éta- blie par rapport à la surface en question afin d'éviter une génération partielle due au frottement de la puce sur la surface, et l'on peut utili- ser le mode dit de repérage de l'arête de la puce afin de déterminer quels sont éventuellement les guides de repérage qui font saillie sur la sur- face des berceaux ou barquettes qui doit porter la puce. Dans ce mode de fonctionnement, l'appareil et la puce se déplacent le long de la surface jusqu'à entrer en contact avec les guides de repérage. Lorsque la puce porte fermement contre les guides de repérage des supports et repose sur la surface de ces supports, on peut adopter le mode de fonctionnement de libération de la puce. Dans ce mode de fonction- nement, le doigt central est mis en extension tandis que l'ordinateur de contr8le agit sur l'effort qui s'applique encore aux ressorts-lames 25 des doigts extérieurs fixes. Etant donné qu'à cet instant la puce est maintenue entre les doigts fixes de l'appareil et les guides de repérage des supports, il ne devrait se produire aucun changement important dans la déflexion de ces ressorts-lames, puisque le doigt central se trouve en extension. En effet, l'appareil ne sera pas en condition de libérer la puce pour qu'elle prenne une position non-assurée. La puce peut Atre libérée et l'on peut alors utiliser le bras robotique pour déplacer l'appareil afin de l'éloigner du support de trai- tement afin d'amorcer le cycle suivant de chargement. Cette opération peut bien entendu être inversée pour le chargement du support de traitement. Les capteurs à jauges de contrainte prévus sur tous les doigts permettent de détecter tout contact inattendu avec des objets ou des opérateurs. Lorsqu'un tel contact est décelé, on peut commander une réponse appro- priée qui agit sur le bras robotique. Par exemple, le bras robotique peut 8tre stoppé immédiatement ou actionné de façon à se déplacer à une vitesse plus lente jusqu'à ce que l'on ait constaté que l'obstruction enregistrée a disparu. La description qui précède illustre le fonctionnement d'un mode préféré de réalisation de l'invention sans toutefois limiter le domaine de celle-ci, cette limitation n'étant définie que par les Revendications -7 - qui suivent. Bien entendu, de nombreuses variantes et modifications peu- vent être envisagees par tout spécialiste dans l'art sans s écarter cepen- dant des principes de base de l'invention. - 8 - R E V E N D I CA T I ON S 1. Appareil (10) destiné à 9tre utilisé avec un bras robotique pour la manipulation de pièces de travail, du type comprenant une struc- ture de bottier (11), et caractérisé par le fait qu'il comprend: a) plusieurs organes (15, 16) qui émergent de cette structure de bottier (11) ; b) des moyens d'accouplement (17, 25, 23, 21, 22) pour relier au moins un organe (15) de ces organes (15, 16) à ladite structure de bottier (11), ces moyens comprenant des capteurs (26, 29) destinés à dé- terminer la valeur d'un effort appliqué à cet organe (15), et c) des moyens (18, 28) de mise en extension afin de déplacer au moins un organe (16) desdits organes par rapport à l'appareil (10). 2. Appareil selon la Revendication 1, caractérisé par le fait que ledit appareil (10) a une position prédéterminée par rapport à une pièce de travail, lesdits moyens (18, 28) de mise en extension permettant aux- dits organes (16) d'agir sur la pièce de travail. 3. Appareil selon la Revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens d'accouplement (17,-25, 23, 21, 22) comportent un élément dé- formable (25) et que les moyens capteurs comprennent une jauge de con- trainte (26) associée audit élément déformable (25). 4. Appareil selon la Revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comprend un dispositif de contr8le qui sert à stopper le fonctionx nement dudit moyen de mise en extension (18, 28) lorsque des paramètres détectés par ladite jauge de contrainte (26) atteignent certaines valeurs prédéterminées. 5. Appareil selon la Revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins une seconde jauge de contrainte (26) accouplée audit autre organe (16), des paramntres déterminés de cette seconde jau- ge de contrainte indiquant l'instant o le contact est réalisé avec un 3O corps extérieur. 6. Appareil selon la Revendication 5, caractérisé par le fait qu'il comprend un bras robotique (16) et dans lequel un moyen de contr8- le (18, 28) est accouplé à la seconde jauge de contrainte (26), lesdits moyens de contr8le (18, 28) étant destinés à réagir dlune façon prédéter- minée aux paramètres détectés par cette jauge de contrainte (26}. 7. Appareil selon la Revendication 6, caractérisé par le fait qEe l'on peut placer une pièce de travail dans ure position aêtez.iê4e par rapport à un support de traitement de pièce en fonction des para_ètres détectés par ladite seconde jauge de contrainte (26). --9- 8. Appareil selon la Revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits organes (15, 16) comprennent un bras extensible (16) et au moins un bras non-extensible (15), tandis que les moyens d'accouplement com- prennent un corps déformable (25) qui relie ledit bras non-extensible (15) au bottier (11) de l'appareil, et que les moyens détecteurs comprennent au moins une jauge de contrainte (26) açcouplée audit corps déformable (25), et que la jauge de contrainte (26) est reliée électriquement à un ordinateur de contr8le utilisé pour contr8ler un moteur d'entra nement (14) du doigt extensible (16) pour commander les mouvements dudit bras robotique (16). 9. Appareil selon la Revendication 8, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins une jauge de contrainte (26) reliée audit bras extensible (16), de manière à fournir un signal de sortie lorsqu'un ef- fort est appliqué à ce bras (16). 10. Appareil selon la Revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits organes sont utilisés pour agir sur un matériel plat, de forme sensiblement circulaire et comprennent plusieurs organes de saisie (20) et, en outre: a) une structure accouplée à chacun des moyens de saisie pour contr8ler le contact avec ce matériel; b) des moyens (18, 28) pour contr8ler les mouvements des moyens de saisie (20) afin de pouvoir agir sur des matériels de différents dia- mètres, et c) des moyens capteurs (26) accouplés à l'un au moins desdits organes (15, 16) pour contr8ler les moyens de contrôle des mouvements (18, 28) en fonction de la valeur d'un effort appliqué au matériel pré- cité. 11. Appareil (10) selon la Revendication 10, caractérisé par le fait qu'il comprend un second moyen capteur (26) accouplé à l'un au moins des moyens de saisie pour détecter un effort appliqué audit matériel. 12. Procédé de manipulation d'une pièce de travail de forme sensi- blement circulaire et plane, conformément à l'appareil de la Revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend les phases qui consistent à: a) saisir la pièce de travail avec l'appareil (10) en lui ap- pliquant un effort contr8lé, et b) contr8ler des efforts appliqués par l'appareil pendant la libération de la pièce de travail. 13. Procédé selon la Revendication 12, caractérisé par la phase qui consiste à contr8ler des efforts qui indiquent qu'une collision im- - 10 - prévue s'est produite. 14. Procédé selon la Revendication 12, caractérisé par le fait qu'il comprend la phase qui consiste à contr8ler de façon adaptée des parties mobiles de l'appareil afin d'aligner la pièce de travail par rap- port à des supports utilisés pour le stockage de cette pièce de travail.