Brevet FR2664525A1 — publié le 19920117

ROBOT DE MANUTENTION DE TRANCHE A CAPTEUR OPTIQUE La présente invention concerne les robots de manutention de tranche de semi-conducteur comprenant une tête de préhension de tranche par aspiration, fixée au dernier segment d'un bras articulé et munie d'un capteur de détection de tranche ou de repère sur équipement. Les robots de manutention du type ci-dessus défini sont largement utilisés dans la fabrication des circuits intégrés. On les emploie notamment pour prélever une tranche à un emplacement de présentation et la déposer à un autre emplacement, par exemple pour prélever une tranche dans une cassette et la déposer sur un équipement tel qu'un photo-répéteur sur tranche. L'évolution des circuits intégrés conduit à des tailles de motifs élémentaires de plus en plus réduites et à des lignes de plus en plus fines, ce qui augmente d'autant la sensibilité aux poussières, le risque d'endommagement des tranches par égratignure provoquée par le contact avec la tête de préhension ou un obstacle et l'incidence financière des rebuts. On cherche en conséquence à réduire les risques d'endommagement à chaque stade de la fabrication et notamment lors de la manutention des tranches. L'un des problèmes auquels on se heurte pour atteindre ce résultat est lié au fonctionnement en aveugle des robots de manutention. La tête est déplacée vers une position déterminée où elle saisit une tranche, (généralement par une aspiration qui plaque la face non active de la tranche contre une face plane de la tête), fixée par programmation a priori ou par apprentissage. Il est impossible d'éviter des tolérances sur l'emplacement de présentation et/ou sur l'emplacement de dépose d'une tranche. Lorsque par exemple la tranche doit être prélevée dans une cassette, les cassettes ont des dispersions dimensionnelles d'origine ou dues à leur évolution dans le temps. Dans le cas où l'emplacement est situé sur une machine complexe à suspension anti-vibratoire, l'emplacement de présentation ou de dépose n'est pas non plus immuable, pas plus que les zones libres d'entrée et de sortie. Pour réduire le risque d'accrochage ou d'égratignure des tranches, il est nécessaire de détecter la présence d'un obstacle ou de repères permettant d'identifier l'emplacement de présentation ou de dépose, à une distance suffisante pour que l'électronique de commande du robot puisse arrêter ou modifier le déplacement de la tête avant contact matériel d'une partie quelconque de la tête avec l'élément sensible. On connait déjà des capteurs de proximité, par exemple à jauge pneumatique ou à détecteur capacitif. Ils ne permettent pas une détection à distance suffisante pour garantir l'enveloppe de sécurité requise autour de la tête. La présente invention vise à résoudre le problème de la détection sans contact de la présence d'une tranche ou plus généralement d'un obstacle à une distance suffisamment importante pour éviter les risques d'endommagement, et ce en ne mettant en oeuvre que des moyens simples, robustes et peu susceptibles de panne. Dans ce but l'invention propose un robot du type ci-dessus défini caractérisé en ce que le capteur comporte un dispositif illuminateur fournissant un faisceau de lumière inactinique, dirigé vers l'avant dans le sens de déplacement vers la position de prélèvement ou de dépose et un détecteur de lumière réfléchie par un obstacle situé dans le faisceau à une distance supérieure à 1 cm du capteur. Le dispositif illuminateur comporte une source ne fournissant pratiquement pas d'énergie aux longueurs d'ondes inférieures à 500 nanomètres, ce qui réduit les conséquences d'une insolation de la résine revêtant la face active de la tranche. On peut utiliser pour cela un émetteur dont le spectre est limité au rouge ou à l'infrarouge ou un émetteur de lumière blanche associé à un filtre de coupure absorbant les longueurs d'ondes au-delà de 500 nanomètres. L'émetteur peut notamment être un laser héliumnéon, qui a l'avantage de fournir un faisceau relativement intense et monochromatique, et donc de permettre, à la réception, une bonne discrimination par rapport à la lumière ambiante grâce à un filtre interférentiel ou à bande étroite. On peut également utiliser une diode laser qui a l'avantage d'un volume très faible. En règle générale, le dispositif illuminateur comportera une ou plusieurs fibres optiques dont une des tranches terminales reçoit l'émission lumineuse de l'émetteur optique et dont l'autre tranche terminale fournit un faisceau qui est repris par une optique fournissant un faisceau de sortie couvrant la zone de détection. Dans un premier mode de réalisation, le capteur comporte un dispositif illuminateur ayant une fibre optique unique d'émission fournissant un faisceau étroit d'éclairement et le détecteur comporte une fibre optique munie d'une optique de focalisation, sur sa tranche terminale, de la lumière réfléchie par un obstacle placé à une distance prédéterminée, généralement de quelques centimètres. Une telle disposition permet de réaliser un capteur très peu encombrant, pouvant aisément être incorporé à la tête elle-même. L'organe sensible du détecteur est sensiblement ponctuel. Il peut être d'un des types largement utilisés à l'heure actuelle, tels qu'une photodiode ou une cellule photo-électrique. En contrepartie de sa simplicité, un tel capteur a l'inconvénient de ne pas fournir d'indication autre que de présence. En conséquence une exploration ne peut être effectuée que par balayage en déplaçant la tête. Dans un second mode de réalisation, le dispositif illuminateur est prévu pour fournir un faisceau plat et le détecteur est prévu pour donner une indication plus complète. Le détecteur peut par exemple utiliser dans ce but un élément photosensible à positionnement ajustable selon un ou deux axes, un élément photo-sensible à plusieurs secteurs (par exemple à deux ou quatre quadrans) ou une matrice ou barrette de sites photo-sensibles. Une telle solution facilite notamment l'identification de repères. Un autre mode de réalisation encore, fournit une image sommaire, mais néanmoins à deux dimensions, permettant une reconnaissance des formes et éventuellement des repères. Une telle image peut être fournie par exemple par une matrice de capteurs CCD (c'est-à-dire de capteurs à couplage de charges) ou une barrette de sites photosensibles associée à un miroir déflecteur de balayage. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers d'exécution de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe montrant la constitution générale du bras d'un robot de manutention de tranches, muni d'un capteur optique à distance - la figure 2 est un schéma à grande échelle montrant la disposition des éléments principaux du capteur de la figure 1 ; - les figures 3 et 4, similaires aux figures 1 et 2, montrent un autre mode de réalisation. La figure 1 montre le bras d'un robot de manutention de tranches ayant une constitution générale classique et qui, pour cette raison, ne sera que sommairement décrit. Il comporte un arbre 10 portant un premier segment 12 et pouvant tourner sur un corps 14 autour de son axe, sous l'action d'un premier servo-moteur d'entraînement, non représenté. L'extrémité du segment 12 porte un second segment 16, pouvant tourner par rapport au premier autour d'un second axe, sous l'action d'un autre servo-moteur, également non représenté. Enfin un dernier segment 18 est monté rotatif sur le premier. Cette disposition n'est pas la seule possible et on connaît de nombreux robots ayant une constitution de bras différente. Le dernier bras 18 est solidaire d'une tête de préhension 20 permettant de saisir par aspiration une rondelle 22 et de la plaquer contre une surface plate 24 de la tête, en appui contre un épaulement 26 de référence. Pour cela des trous d'aspiration 28 sont répartis dans la face 24 et reliés à une canalisation 20 qui peut être mise sous vide ou à la pression atmosphérique, voire même en légère surpression, par l'intermédiaire de joints tournants ménagés dans les axes successifs. La tête 20 montrée en figures 1 et 2 est munie d'un capteur à faisceau fin permettant une visée pratiquement ponctuelle. Ce capteur comporte un dispositif illuminateur fournissant un faisceau fin d'illumination 32, le dispositif représenté a une fibre optique 34 pouvant avoir un diamètre important, dont une face terminale est couplée à un émetteur de lumière inactinique, tel qu'une diode laser 36, par un condenseur 38 et dont l'autre tranche terminale fournit un faisceau de sortie qui est repris par un objectif 40. Le détecteur comporte lui aussi une fibre optique 42 munie d'une lentille convergente d'entrée 44 à courte focale. L'autre extrémité de la fibre optique est couplée à un élément photosensible 46 tel qu'une cellule photo-électrique ou une photodiode dont la plage spectrale de sensibilité est adaptée à l'émetteur. Les deux fibres 34 et 42 peuvent être fines, si nécessaire pour permettre de les loger dans la tête de préhension 20. L'objectif 40 et la lentille de formation d'image sur la tranche terminale de la fibre optique 42 sont prévus pour viser un point situé à quelques centimètres devant la tête de préhension. Dans la pratique, on pourra constituter les lentilles 40 et 44 par une seule et même tranche de lentille convergente collée à l'extrémité de la tête de préhension pour en constituer une partie intégrante. Les fibres 34 et 42 peuvent aller jusqu'à proximité de l'axe de rotation du dernier bras 18. Les liaisons électriques d'alimentation et de transmission de signal peuvent passer par les axes creux de rotation des arbres, de la même façon que les fils d'alimentation qui sont nécessaires pour commander les servo-moteurs. Aussi longtemps qu'aucun objet n'est dans la zone éclairée et dont l'image est formée par la lentille convergente 44, l'élément photosensible 46 ne fournit aucun signal. Si par contre un objet matériel, tel que le bord d'une tranche 22 placée dans une cassette 47 ou une marque à fort contraste se trouve dans la zone d'analyse, l'élément photosensible 46 fournit un signal de retour dont l'amplitude dépend de la nature de l'objet réfléchissant. Une exploration spatiale, commandée par les circuits de commande du robot permet d'obtenir les informations néc'es- saires pour vérifier la présence ou l'absence d'une tranche 22. Dans la variante de réalisation montrée en figures 3 et 4, où les organes correspondant à ceux des figures 1 et 2 sont désignés par les mêmes numéros de référence, le dispositif d'illumination est prévu pour fournir ou synthétiser un faisceau approximativement plat. On peut pour cela utiliser une nappe de fibres optiques associées chacune à une lentille à courte focale et à grande frontale Le détecteur est alors prévu pour fournir une image à résolution spatiale au moins dans une direction. Dans le cas illustré sur la figure 4, ce détecteur est constitué par une optique d'entrée 50 à grande frontale, un miroir de balayage 52 d'axe de pivotement parallèle à la grande dimension des tranches 22 et une barrette 54 de sites photosensibles, allongée dans le sens de l'axe du miroir 52. Le détecteur complet peut être intégré dans un bloc optique étanche 56. L'ensemble constitué par la barrette 54 et le miroir 52 peut être remplacé par un organe photosensible du genre "vidicon" ou une matrice à deux dimensions de sites photosensibles. Dans le cas où on utilise une barrette CCD comportant les sites photosensibles et l'électronique en circuit hybride qui traite leurs signaux de sortie, le volume requis pour constituer le détecteur (barrette 54, miroir de balayage 52 et optique 50 fournissant un grandissement de l'ordre de 1/10), le bloc optique peut avoir une dimension très faible, de l'ordre de 40 x 40 x 20 mm et constituer une verrue de petite taille au-dessus de l'axe de rotation du dernier bras 18. Il est important que ce bloc optique n'empiète pas sur la zone réservée aux tranches ou à celle nécessaire pour fournir une garde suffisante au cours des déplacements. Le fonctionnement du robot équipé d'un capteur du genre décrit ci-dessus est le suivant. Une tranche 22 ayant été immobilisée, généralement par aspiration sous vide, à un poste de présentation ou dans une cassette 47, la tête de préhension 20 du robot est déplacée suivant une trajectoire qui l'amène en face de la position de prélèvement. Au cours de la période finale de ce déplacement, la présence d'une tranche 22 est indiquée par le capteur optique. En fonction des indications fournies par ce capteur, les moteurs du bras sont commandés par le circuit d'asservissement et de commande du robot jusqu'à ce que la face d'appui 24 soit juste au-dessous de la position de la tranche, sans contact avec cette dernière. La tête est déplacée verticalement jusqu'à la position précise de prélèvement. Si la tranche était retenue par aspiration au poste de présentation, cette aspiration est supprimée. La tranche 22 peut alors être saisie par mise sous vide de la canalisation 30 et le degré de vide qui apparaît dans cette canalisation permet de vérifier qu'une tranche a bien été saisie. La tête est relevée d'une fraction de millimètre pour dégager la tranche du support sur lequel elle reposait. Le bras du robot est déplacé dans un plan purement horizontal selon une trajectoire permettant de dégager la tranche en évitant tout frottement. Lors d'une dépose, les opérations sont inverses des précédentes. Le capteur optique permet alors de vérifier l'absence de tranche après l'opération de dépose. Le capteur peut être utilisé également pour déterminer la présence de repères lié à un équipement sur lequel doit être déposée la tranche. Un capteur du type qui vient d'être décrit a pu être réalisé, avec une frontale supérieure à 220 mm, sur un robot destiné à réaliser une séquence de transfert (prélèvement, déplacement et dépose) en moins de 10 secondes. L'invention ne se limite pas aux modes particuliers de réalisation qui ont été représentés et décrits d'exemple et il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend aux variantes restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1. Robot de manutention de tranche de semi-conducteur, comprenant une tête (20) de préhension de tranche (22) par aspiration, fixée au dernier segment (18) d'un bras articulé et munie d'un capteur de détection de tranche ou d'équipement, caractérisé en ce que ledit capteur comporte un dispositif illuminateur (34,36,38,40) fournissant un faisceau de lumière inactinique dirigé vers l'avant dans le sens de déplacement vers la position de prélèvement et un détecteur de lumière réfléchie par un obstacle situé dans le faisceau à une distance supérieure à 1 cm de la tête. 2. Robot selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif illuminateur comprend un émetteur (36) dans le rouge ou l'infra-rouge tel qu'un laser He-Ne ou une diode laser. 3. Robot selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif illuminateur comporte au moins une fibre optique (34) dont une des tranches terminales reçoit l'émission lumineuse d'un émetteur optique (36) et dont l'autre tranche terminale fournit un faisceau qui est repris par une optique (40) fournissant un faisceau de sortie couvrant la zone de détection. 4. Robot selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif illuminateur a une fibre optique unique d'émission (34) fournissant un faisceau étroit (32) d'éclairement et en ce que le détecteur comporte une fibre optique (42) munie d'une optique (44) de focalisation, sur sa tranche terminale, de la lumière réfléchie par un obstacle placé à une distance prédéterminée de quelques centimètres. 5. Robot selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le dispositif illuminateur est prévu pour fournir un faisceau plat et le détecteur est prévu pour donner une indication d'identification complète. 6. Robot selon la revendication 5, caractérisé en ce que le détecteur peut par exemple comporter un élément photosensible à positionnement ajustable selon un ou deux axes, un élément photosensible à plusieurs secteurs, par exemple à deux ou quatre quadrans, ou une barrette de sites photosensibles. 7. Robot selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le détecteur comporte une matrice de capteurs CCD ou une barrette de sites photosensibles (54) associée à un miroir déflecteur (52) de balayage.