该方案将两个版库和机械手集中到一台 PLC 上控制，控制系统体积较小， PLC 具有丰富的系统资源，能够易于与上层局域网联结。
6) 洁净度和防静电设计 ¾ 材料：设备选用超硬铝和不锈钢制造，不影响洁净度。 ¾ 风浴：设备内部通过进风、出风而产生正负压的方式，防止微粒进出，保证
洁净度。版库系统前部放版部分设计为正压，防止微粒进入，版库后部升降 部分、传输机械手和配电箱内设计为负压，防止产生的微粒溢出。 ¾ 润滑：全部运动部件采用洁净润滑油，型号：KY3250。 ¾ 防静电：铝材料表面阳极化处理，不锈钢机壳可靠接地。
实验表明：采用四象限探测的方法可满足掩膜版的对准要求。由于四象限预
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对准部分需要的对准精度较高，作为精密测试系统，为保证其最后能达到较高的 微米级的对准精度，预对准系统中的关键部件—四象限的选型主要查阅了很多厂 商的产品：为达到所需测量精度，本着选取四象限的性能指标较高、分化区尺寸 较小、且配有相应的信号调理电路板的原则，最后选定Pacific Limited. Co.的四 象限：QP50-6-18，及其相应的信号处理板QP50-6SD。
两个版库和机械手的控制由一台 PLC 作为控制器，PLC 通过运动控制模块 向伺服驱动器发出伺服电机速度信号，由伺服放大器控制伺服电机速度，利用电 机的旋转编码器信号作为速度反馈，实现速度闭环。由运动控制模块实现位置控 制，利用光栅尺信号作为位置反馈，实现各轴的位置控制。机械手运动的 X、Y、 Z 轴驱动电机采用三菱公司带绝对编码器的 HC-KFS 系列交流伺服电机。图 8 为 分系统的控制系统结构图。
(3) 下掩膜版过程 ¾ 机械手运动到 R-chuck 上方； ¾ R-chuck 气动吸附松开； ¾ R-pins 上升； ¾ R-pins 气动吸附掩膜板； ¾ R-pins 抬起掩膜板，脱离 R-chuck； ¾ 版叉移到掩膜板下方，G-pins 伸出； ¾ R-pins 下降，G-pins 接版、气动塞伸出； ¾ R-pins 缩回掩膜台； ¾ 机械手运动到达放版位置；
经过研究，整个控制系统采用上下位机控制模式，鉴于对控制系统的可靠性 要求很高，而且系统中的逻辑控制较多，控制系统的现场控制器选用 PLC。因此， 上位机采用研华工控机，下位机采用 PLC，上位机与下位机之间通过网络联结。
上位机用于接受其它部分的数据，例如，上掩膜板指令，下掩膜板指令，上 哪一块掩膜板，版库中的掩膜板信息数据库等。上位机还用于将相关指令发送给 相应的 PLC 控制器，读取版库和机械手的状态等。条形码阅读器的输出通过两 个 RS232 口接入 PLC。两组四象限信号通过 A/D 模块接入 PLC，信号处理在 PLC 上完成。
掩膜机械手取版
*
条码检测
*
预对准处粗定位
**
上版升降台换位
*
预对准
*
R-chuck 处粗定位
*
Hale Waihona Puke 精细预对准*7R-pins 接版 R-chuck 接版 机械手复位
* * *
表 5 掩膜管理下版节拍规划
R-chuck 处定位 R-pins 接版 机械手接版
5s 3s 3s 1s 4s 3s 1s 1s 3s *
掩模管理系统概述
根据掩膜管理系统的功能要求、技术指标要求和位置空间要求，进行概念设 计和总体设计，确定总体组成和各部件功能、功能仿真、系统管理流程、单元部 件技术要求、单元部件机构方案，在此基础上，进行各部件机构设计、控制系统 软硬件设计、控制节拍设计，完成了掩模版库系统、掩模传输机械手、四象限预 对准探测系统和集散式控制系统等关键技术，完成了掩模管理系统的设计、加工、 装配、集成、调试、部分测试工作。
一、掩膜管理系统取得的主要成果
1) 系统总体技术方案 掩膜管理系统由机械、检测和控制系统组成。 机械系统包括掩膜版库系统、掩膜传输机械手和辅助设备。掩膜版库系统主
要包括标准版盒、版盒标准机械接口(SMIF)、版匣升降台、开盒机构和保险机构， 其功能是：配合机械手自动完成上掩膜版和下掩膜版的过程。掩膜传输机械手包 括：掩膜版叉、多自由度掩膜传输精密定位机构。其功能是：完成上掩膜版和下 掩膜版的输送和对准精密定位。辅助设备主要包括：掩膜版库支撑臂、传输机械 手支架、底座、风浴系统、走线机构、配电箱、外壳、连接件等。
传输机械手支架采用不锈钢整体焊接而成，整体外壳采用不锈钢板，并密封， 保证洁净度要求。底座充分考虑整体重心的位置，进行设计，并采用铝材整体铸 造，不产生锈蚀和腐蚀。
气流管路包括版库系统的进气和出气管道、传输机械手系统的出气管道、配 电箱的进气和出气管道，各进气、出气管道汇总到洁净间的洁净进气和出气管道， 并采用压力阀控制压力在 200mm 水柱。
7) 掩膜管理系统时间规划 根据上述流程和技术指标，进行时间规划和节拍设计。
¾ 上版时间：60s ¾ 工作时间：20s ¾ 具体节拍如表 4、表 5。
表 4 掩膜管理上版节拍规划
4s 2s 5s 3s 1s 1s 4s 15s 3s 15s 3s 3s 5s
掩膜状态检测
*
版库复位
*
机械手版盒内定位
*
图 2 版盒系统
图 3 开闭盒机构
¾ 版匣升降台 根据技术要求和技术方案，确定版盒驱动、机构、技术指标。
驱动及机构形式如表 1。机构如图 4。
表 1 版库升降系统驱动及机构形式
自由度
驱动方式
机构形式 控制方式 行程控制
Z
交流伺服电 齿形带+精密
机+光电码盘
导轨
伺服
上极限点+零 点+下极限点
¾ 保险机构 采用齿形带传动带动保险轮，保险轮上按照角度均布可使版叉通 过的圆孔。采用版匣升降台驱动电机驱动，确保版匣落下一层，保险轮转过 一格，版叉才能伸入版匣取放版，如图 5。
左极限点+零 点+右极限点
上极限点+零 点+下极限点
左极限点+ 零点+右极 限点
4
图 7 掩膜传输定位机构
(3) 辅助机构的研制 版库支撑臂用于支撑版库，采用活动轴与传输机械手支架相连，内部维修时
可将支撑臂沿着转轴逆时针旋转 90º，便于主体设备维护。为提高摆臂刚度，采 用连接块将版库支撑臂与传输机械手支架固连。
¾ 掩膜传输定位机构 根据功能要求，应具有 6 个自由度，经研究确定 4 个自
由度电动定位，2 个自由度手动定位调平，传输定位机构不仅完成传输，还
要完成精密定位。其驱动及机构形式如表 3。根据技术要求和技术方案，确
定版盒驱动、机构、技术指标。结构如图 7。
表 3 掩膜传输机械手驱动及机构形式
自由度
X
走线机构包括掩膜系统走线、掩膜传输机械手的走线，采用走线管将各部分 连接起来，注意走线口与各部分接口处的密封。配电箱安置在传输机械手支架内 部，整个电气系统与机械系统一体。
掩膜系统各部分整体外壳均采用不锈钢板，并密封。连接件采用铝件，螺丝 螺母采用不锈钢件。
4) 检测系统设计 ¾ 状态检测
为提高传感器的可靠性与使用寿命，选择光电传感器用于运动限位和掩膜板 存在检测传感器。运动的限位采用Omron公司的槽形光电传感器EE-SX670，掩 膜板检测传感器选用Omron公司的反射式光电传感器E3Z-LS61。运动控制速度检 测采用三菱电机自带的17位编码器（131072p/rev），位置检测采用Renishaw公司 的光栅检测组件，分辨率：0.1µm。 ¾ 条码阅读器
2
¾ 气动塞缩回； ¾ 机械手下降，槽两侧接版； ¾ 机械手复位； ¾ 上版升降台落下 1 个模版间隔位置（定位模版）。
3) 机构设计 (1) 掩膜版库系统的研制 ¾ 版盒系统 采用了 Asyst 公司研制的 6 英寸标准版盒，它包括版盒（密封承
放版匣）、版匣（承放掩膜版）、版库标准机械接口（SMIF），内可承放 6 块 掩膜版。如图 2。 ¾ 定位和开闭盒机构 采用三点定位销将版库定位，采用步进电机驱动，设计 了拉杆机构将版盒 4 个插拴打开和关闭，如图 3。开盒电机型号： BS86HB65-04，步距角：1.8º，保持转矩：2.5N·m。
控制系统主要包括：流程控制、信息处理、硬件控制、输入输出控制。 系统组成如图 1。确定了系统组成和各部分功能，对系统工作过程进行仿真。
版盒系统
传输机械手
机械手外壳
版
掩
库
膜
升
控
降
制
系
系
统
统
版
传
库
输
支
机
撑 臂
械 手
支
架
图 1 掩膜管理系统组成
1
2) 掩膜管理流程 根据功能要求和仿真研究，确定如下管理流程： (1) 初始化过程： ¾ 版库内掩膜状态检测； ¾ 升降到版盒顶部，版盒底部与整个版盒锁紧； ¾ 更换版盒； ¾ 版库内掩膜状态检测； ¾ 版库复位。
(2) 上掩膜版过程： ¾ 掩膜机械手沿 Y 向伸入版库； ¾ 机械手抬起，使掩膜版与版盒脱离； ¾ 版盒落入版叉，气动塞伸出，顶住掩膜版； ¾ 机械手沿 Y 向移出版库； ¾ 条码阅读器读取条码，核对条码； ¾ 机械手运动到预对准位置； ¾ 上版升降台落下 1 个模版间隔位置（定位模版）； ¾ 四象限探测，预对准； ¾ 机械手运动到 R-chuck 上方； ¾ 四象限探测掩膜板与镜头关系，精细预对准； ¾ R-pins 从掩膜台上升起，接版，真空吸附； ¾ 气动塞缩回； ¾ R-pins 下降，气动松开； ¾ 掩膜板放入 R-chuck； ¾ 机械手复位。
预对准系统中的另一关键部件——激光器的选型主要查阅了很多国内外厂 商的产品：在特定的工作条件下：特定的米字线尺寸工作距离、四象限型号、为 尽可能多地获得米字型光斑的偏移信息，得到四象限探测最好的分辨力。最后选 择了Edmund公司的LASER DIODE PREMIER，功率：5mw，波长：655nm。 5) 控制系统