La présente invention appartient au domaine des outils dédiés à la manipulation d'objets, notamment d'objet fragiles, et plus particulièrement au domaine des dispositifs destinés à la manipulation des plaquettes de silicium durant les processus industriels.

Elle a pour objet un dispositif de préhension apte à manipuler une ou plusieurs plaquettes et à les déplacer d'un endroit à un autre, grâce à un bras articulé muni de buses d'expulsion d'un gaz sous pression et de patins de retenue. Un procédé de déplacement de plaquettes à l'aide de ce dispositif est également un objet de l'invention.

Un préhenseur est un dispositif terminal servant à la saisie et à la manipulation d'objets. C'est un outils très utilisé dans de nombreux domaines d'activité, qui est indispensable à l'automatisation et à la robotisation d'opérations industrielles. L'organe préhenseur est monté à l'extrémité d'un système assurant son déplacement, tel qu'un vérin ou un bras articulé, et peut fonctionner selon divers principes. Il peut être de type mécanique comme par exemple une pince, pneumatique par exemple avec ventouses à vide ou à effet Bernouilli, électrostatique ... Qu'elles soient destinées à la fabrication des cellules photovoltaïques, des semiconducteurs ou d'autres éléments semblables, les plaquettes de silicium doivent subir un certain nombre d'opérations, qui sont réalisées en plusieurs étapes par des équipements spécifiques. Il faut donc transporter les plaquettes d'un équipement à l'autre et les placer de manière adéquate pour le traitement prévu. Selon la nature de l'opération, les plaquettes vont être soit déposées sur des systèmes de transport individuel, soit placées sur des plateaux ou dans des paniers, etc. Des robots équipés d'un système préhenseur transfèrent les plaquettes d'une station vers une autre. Ils doivent agripper les plaquettes à la position de chargement pour les transporter jusqu'à la position de déchargement où elles sont libérées.

Bien entendu, on souhaite que ces manipulations soient effectuées rapidement et sans dommage, ceci alors que les plaquettes sont de faible épaisseur et très fragiles. Le système de préhension doit préserver l'intégrité des pièces (ni casse, ni ébréchure,...) et ne pas apporter de contamination particulaire ou de pollution chimique, en particulier de nature métallique et/ou ionique aux plaquettes. Dans le cas des applications solaires, il est admis que le préhenseur tienne la plaquette par sa face arrière ou par sa face active, à condition de ne pas marquer cette plaquette, ni d'y apporter une quelconque contamination chimique qui serait dommageable à l'efficacité de la cellule solaire. Dans le cas des semi-conducteurs, il est fortement recommandé de ne tenir la plaquette que par sa face arrière inactive.

Ce faisant, le maintien des plaquettes doit être ferme pour assurer la conservation de leurs coordonnées de positionnement, quelles que soient les directions et le sens des vitesses de déplacement, sans quoi lors du déchargement les plaquettes pourraient être placées sur la station réceptrice de manière inadéquate, voire se désolidariser du préhenseur en cours de transfert.

L'outil de préhension doit en outre être adapté aux standards préexistants de l'industrie qui met en œuvre des équipements sophistiqués répondant à de nombreuses contraintes technologiques, et conçus pour traiter des plaquettes de dimensions définies par les usages.

Devant la multiplication des contraintes de tous ordres, certaines étapes de fabrication sont peu ou incommodément automatisées. Par exemple, on sait qu'au cours d'une des étapes de fabrication, les plaquettes sont disposées dans des paniers (appelés aussi "process boats") en quartz ou en carbure de silicium, en vue d'un traitement physicochimique (dopage, dépôt d'une couche mince, gravure, ...). Or, l'écartement des plaquettes dans ces paniers est de quelques millimètres seulement - typiquement moins de 5 mm. Pour automatiser la manipulation des plaquettes lors des phases de chargement et de déchargement des paniers, ou lors d'opération d'inspection et de contrôle, ou pour toutes autres raisons, il est souhaitable de disposer d'un préhenseur qui puisse se glisser entre deux plaquettes à l'intérieur d'un panier.

C'est un des objectifs de la présente invention de proposer un dispositif de préhension dont l'encombrement en épaisseur respecte ce critère décisif d'encombrement, tout en répondant aux autres conditions imposées par les conditions de fabrications des plaquettes de silicium, que celles-ci soient destinées à une application microélectronique ou solaire. Les contraintes technologiques précitées se combinent à des impératifs économiques, une productivité de haut niveau étant un objectif permanent. Ceci suppose une vitesse élevée des déplacements d'une station à l'autre et des temps d'attente réduits entre deux actions, ou encore la réduction des cas de dégradation de plaquettes. Ainsi, il est apparu au déposant que le point décisif pour les gains de productivité, résidait dans la possibilité de réaliser la manipulation simultanée de plusieurs plaquettes, et en particulier de plaquettes disposées côte à côte. Plusieurs obstacles s'y opposent cependant.

La première difficulté provient du fait que dans certaines étapes de fabrication, les plaquettes à capturer peuvent être non coplanaires, car disposées sur un support qui n'est lui-même pas parfaitement plan. C'est le cas notamment lorsque les plaquettes sont placées à plat côte à côte sur un plateau. On peut alors avoir une différence de niveau d'une plaquette à l'autre allant jusqu'à un millimètre. L'organe préhenseur doit avoir la possibilité de saisir plusieurs plaquettes simultanément, malgré leur positionnement dans des plans différents.

Un autre problème est que les plaquettes peuvent elles-mêmes ne pas être parfaitement planes. L'organe préhenseur doit donc être capable de saisir et de maintenir un objet fragile mais dont la surface présente des irrégularités ou est déformée par ses contraintes internes. Certains systèmes, notamment les systèmes à ventouses sous vide sont dans ce cas mal adaptés.

Si un maintien absolu des plaquettes est assuré, elles pourront subir des accélérations très importantes dirigées parallèlement à la face de maintien des plaquettes (c'est-à-dire perpendiculairement à la force de maintien). Un système capable de déplacer plusieurs plaquettes simultanément devra les fixer de façon absolue toutes sans qu'elles aient la possibilité de glisser latéralement. Cette exigence, déjà formulée dans le cas d'un préhenseur mono-plaquette est particulièrement sensible dans le cas d'un préhenseur multi-plaquettes, et ce d'autant plus lorsqu'elles sont disposées côte à côte.

C'est donc un autre objectif essentiel de la présente invention, de proposer un dispositif de préhension multi-plaquettes, c'est-à-dire assurant la préhension simultanée de plusieurs plaquettes au cours d'une même opération, même si celles-ci ne sont pas placées exactement dans le même plan, et permettant leur déplacement. Il est en outre recherché de disposer d'un préhenseur qui puisse s'adapter à différentes situations, notamment qui soit apte à manipuler aussi bien une plaquette individuelle qu'une pluralité de plaquettes concomitantes.

Un autre levier pour accélérer le rythme des transferts d'une station à une autre est que le dispositif préhenseur puisse manipuler les plaquettes très rapidement après un traitement à température élevée, sans attendre leur refroidissement. Pour répondre à cet impératif, l'invention proposera un dispositif fonctionnant à une température des plaquettes relativement haute (jusqu'à environ 400 °C, mais typiquement inférieure à 350 °C . De nombreux types de préhenseurs ont été proposés pour effectuer des opérations automatisées sur plaquettes de silicium, sans toutefois répondre à l'ensemble de ces objectifs, ni donner entièrement satisfaction. On remarque tout d'abord que les dispositifs strictement mécaniques, dont l'organe préhenseur est généralement une pince, sont à écarter d'office car ils provoquent des dégradations physiques fréquentes : à leur contact, les plaquettes s'écaillent ou même se cassent.

Des systèmes pneumatiques ont été proposés, comme par exemple DE 39 23 672, dans lesquels l'organe préhenseur est muni de ventouses à vide, ou des systèmes électrostatiques tels que celui qui est décrit dans FR 2 818 050. De tels systèmes imposent une arrivée à proximité immédiate allant jusqu'au contact intime, du préhenseur vis-à-vis des plaquettes. Une approche aussi fine n'est pas possible pour une préhension multi-plaquettes, compte tenu des décalages des plaquettes dans le plan. Des dispositifs mécaniques de compensation des niveaux, par exemple à l'aide d'une jupe en élastomère souple, ont été imaginés pour compenser le défaut de planéité. Malheureusement, ces dispositifs ne respectent pas les contraintes de température des procédés en jeu et ils créent un encombrement incompatible avec les objectifs de la présente invention.

D'autres types de systèmes ont été proposés, mettant à profit l'attraction créée par la dépression résultant de l'effet Bernoulli. Par exemple, le brevet US 4,087,133 décrit un dispositif comportant une plaque perforée à travers laquelle est expulsé de l'air comprimé en direction d'un objet à déplacer. La dépression induit une aspiration qui permet d'attirer l'objet par succion. La plaquette est maintenue à une certaine distance d'équilibre de la plaque perforée, ce qui évite le contact avec le préhenseur. Cependant, ces dispositifs ont du mal à garder en position la plaquette : lorsque le préhenseur va se déplacer, la plaquette qui n'est pas maintenue latéralement, risque de glisser et de perdre ses coordonnées de localisation. Certes, cette perte des coordonnées de localisation peut être évitée en limitant les accélérations du robot manipulateur, c'est-à-dire en limitant la vitesse des mouvements du robot, mais dans ce cas c'est au prix d'une perte de productivité importante.)

Le dispositif de manipulation d'un substrat décrit dans la demande de brevet US2008/0267741 combine un premier système agissant par attraction de la face supérieure d'un substrat (par effet Bernoulli) et un second système d'attraction muni d'une ventouse à vide agissant sur la face inférieure. Ce dispositif permet la manipulation d'une plaquette unique, mince et très déformée, soit par sa face supérieure soit par sa face inférieure, selon la déformation qu'elle a subi.

Ainsi, aucun des systèmes de préhension connus à ce jour ne permet de manipuler des plaquettes de silicium de manière sûre, simultanément et rapidement, en répondant aux contraintes qui sont imposées lors des différentes étapes de fabrication.

Le but de la présente invention est de proposer un préhenseur destiné à manipuler des objets fragiles et de faible épaisseur relativement à leur surface, tels que des tranches de silicium, qui remédie aux inconvénients précités. Plus particulièrement, un objectif de l'invention est de permettre la manipulation simultanée (préhension, maintien, libération) de plusieurs plaquettes dans une même opération. Un autre objectif de l'invention est d'avoir un encombrement en épaisseur tel que le préhenseur peut se glisser entre deux plaquettes disposées dans un panier de rangement ou autre support aux standards de l'industrie. Un autre objectif de l'invention est d'assurer une bonne préhension de plaquettes ayant une surface imparfaitement plane. Un autre objectif de l'invention est d'assurer une bonne préhension d'un ensemble des plaquettes disposées côte à côte en une même prise, alors que leur position dans le plan présente un décalage pouvant aller jusqu'à un millimètre. Encore un objectif de l'invention est d'assurer un maintien efficace des pièces de sorte qu'elles puissent subir des accélérations très importantes tout en conservant leurs coordonnées de positionnement, et ce quels que soient le sens et la vitesse de déplacement. On recherche en particulier un maintien absolu lorsque les accélérations sont dirigées parallèlement à la face de maintien (c'est-à-dire perpendiculairement à la force de maintien). Un objectif encore de l'invention est que le dispositif préhenseur introduise le moins possible de forces d'inertie sur les accélérations des mouvements du robot manipulateur, notamment il doit donc avoir une masse faible. Enfin, le système de préhension doit pouvoir manipuler des plaquettes à une température élevée et à l'atmosphère.

En outre, il va de soit que le système de préhension doit conserver l'intégrité des pièces (ni casse, ni ébréchure, ...) et ne pas apporter de contamination ou de pollution chimique, en particulier de nature métallique et/ou ionique aux plaquettes.

L'invention a ainsi pour objet un dispositif de préhension de plaquettes au cours de leur mise en œuvre industrielle, qui comprend au moins un bras relié à un système de guidage, le bras adoptant la forme générale d'une lame, comportant une première et une seconde parois entre lesquelles est ménagé un circuit d'amené d'un gaz sous pression, une desdites parois étant munie d'au moins un élément préhenseur, lequel comprend : i) une buse (6) d'expulsion du gaz à grande vitesse, alimentée par ledit circuit, dont l'orifice de sortie (12) est prolongé par un élément présentant une surface incurvée continue qui s'oriente progressivement dans un plan sensiblement parallèle à la paroi (2), de sorte que le flux gazeux s'échappant de la buse reste attaché tangentiellement à ladite paroi, et

ii) un jeu de patins fixés à ladite paroi de la lame à proximité de ladite buse, lesdits patins maintenant la plaquette à une distance déterminée de la paroi.

Le dispositif de préhension est destiné à manipuler des plaquettes, de manière automatisée, durant leur mise en oeuvre industrielle. Il est précisé que la préhension réalisée par le dispositif objet de l'invention comprend le fait de saisir une plaquette, de la tenir pendant une phase de déplacement, puis de la lâcher au moment et à l'endroit voulus. Le dispositif peut manipuler aussi bien une pluralité de plaquettes concomitantes. Par plaquettes, on entend des objets à deux dimensions, c'est-à-dire où deux dimensions prédominent. Ce sont donc des objets présentant deux faces principales, dont l'épaisseur est faible relativement à la surface de ces faces principales. Comme on le verra plus loin, grâce au dispositif selon la présente invention, les plaquettes concernées ici peuvent être rigides ou souples, et de tailles variables. Elles peuvent aussi ne pas être totalement planes et elles peuvent avoir une surface lisse ou rugueuse.

Le dispositif de préhension fait généralement partie d'une machine robotisée utilisée pour déplacer des objets. La machine et ses accessoires sont mus par un système de guidage, qui est programmé ou piloté à distance en général par un opérateur électronique programmable. Les bras robotisés sont mobiles et habituellement articulés de manière à opérer des déplacements dans toutes les directions souhaitées. Le robot peut être équipé de plusieurs bras dont les mouvements peuvent être coordonnés ou indépendants. Cependant il est important que la masse de ces éléments de structure soit aussi faible que possible de façon à minimiser les forces d'inertie supplémentaires qui contrarient les mouvements du robot. Par souci de clarté, la description qui va suivre portera sur un seul bras, mais s'étend expressément à un mode de réalisation où le système de guidage commande plusieurs bras. Le bras, qui adopte la forme d'une lame, peut être par exemple réalisé par jonction de deux plaques constituant une première et une seconde parois, entre lesquelles un espace est préservé pour y ménager un circuit d'amené d'un gaz sous pression. Les moyens d'alimentation en gaz sous pression sont connus de l'homme de l'art, qui saura les mettre en œuvre sans difficulté.

Un élément préhenseur, ou plusieurs éléments préhenseurs de préférence identiques, sont installés dans une des parois du bras mobile. Chaque élément est composé de deux organes essentiels, à savoir une buse d'expulsion du gaz et un jeu de patins, coopérant entre eux pour réaliser la préhension efficace, précise et ferme d'une plaquette.

Dans la mesure où la plupart des opérations sont initiées en approchant le bras mobile au-dessus des plaquettes qui se présentent à plat, face principale à l'horizontale, on décrira ci-après le dispositif dans l'orientation particulière correspondante qu'il adopte au moment du captage de la plaquette, c'est-à-dire dans laquelle la paroi qui est munie d'éléments préhenseurs est la paroi inférieure du bras mobile. Cette orientation initiale du bras ne présume pas de son orientation et de la position relative de la plaquette dans les déplacements ultérieurs du bras. On note en outre que le dispositif préhenseur selon l'invention peut supporter les plaquettes par leur face arrière ou les maintenir par leur face avant.

La buse est alimentée par le circuit d'amené du gaz sous pression de sorte que le gaz est expulsé à grande vitesse. La forme de la buse est telle qu'elle oriente le flux gazeux le long de la paroi de la lame. Ce jet d'air à grande vitesse entraîne l'air qui se trouve entre la paroi du bras préhenseur et la plaquette à agripper, provoquant un effet de dépression. Lorsque l'espace entre celle-ci et la paroi n'est plus que de quelques millimètres, se crée une sorte de cavité ouverte à l'intérieur de laquelle la pression est inférieure à la pression atmosphérique, ce qui provoque une attraction de la plaquette vers la buse. Cette dépression et l'effet d'attraction en découlant, connus sous le nom d'Effet Coanda, seront entretenus aussi longtemps que la buse sera alimentée en air comprimé.

Ce faisant, la plaquette est maintenue à distance de la paroi par les patins disposés autour de la buse. On empêche ainsi tout contact de la plaquette avec la paroi, tout en assurant son maintien latéral. En effet, en l'absence de patins, la plaquette serait dans une position flottante à proximité immédiate de la paroi, en équilibre entre deux zones se trouvant à des pressions différentes. Les patins stoppent la plaquette en servant de butée, de sorte qu'elle est continuellement attirée vers la paroi, sans jamais venir à son contact. La plaquette étant plaquée contre les patins, on évite un glissement latéral (parallèle à la paroi du bras) lors des déplacements de celui-ci, comme c'est le cas lorsque la plaquette est en lévitation flottante à distance de la buse. Les patins contribuent ainsi également au maintien latéral des plaquettes.

L'attraction de la plaquette par l'effet de la dépression se manifeste déjà à quelques millimètres et n'impose donc pas un distance très stricte de l'objet à capter par rapport à l'élément préhenseur. C'est pourquoi il n'est pas nécessaire qu'une plaquette soit parfaitement plane pour que sa préhension s'effectue correctement. On ajoute que, lorsque plusieurs plaquettes doivent être captées en même temps par plusieurs éléments préhenseurs, il n'est pas nécessaire non plus qu'elles soient disposées exactement dans un même plan les unes par rapport aux autres pour que le dispositif selon l'invention les agrippe toutes ensemble correctement. Ceci représente un avantage essentiel de la présente invention, qui vient s'ajouter à celui que constitue la conformation de faible épaisseur du dispositif.

En effet, on relève que le bras mobile est conçu avec une forme en lame de faible hauteur et qu'il n'est porteur que d'éléments préhenseurs (un ou plusieurs), qui sont eux-mêmes pour l'essentiel intégrés dans la paroi du bras. On a ainsi un dispositif peu encombrant, apte à s'insérer entre des objets rapprochés, et à extraire l'un d'eux ou à en ajouter un nouveau dans une série.

Selon une caractéristique avantageuse du dispositif de préhension objet de la présente invention, chaque buse comprend une embase périphérique annulaire montée dans un évidement pratiqué dans la paroi de la lame et un pion central arrimé à l'embase par des pattes, l'espace ménagé entre l'embase et le pion constituant une fente circulaire de largeur calibrée terminée par un orifice de sortie également circulaire, de manière que le flux de gaz s'échappe sur un secteur angulaire de 360°.

L'embase est fixée dans la paroi par tout moyen à la disposition de l'homme du métier : sertissage, collage, ou autre. De préférence, elle a la même épaisseur que la paroi et n'apporte ainsi aucune aspérité notamment externe, risquant d'interférer avec le processus de captation et de préhension.

Les pattes maintenant l'embase et le pion central ensemble sont discrètes, c'est-à-dire qu'elles sont espacées et de largeur minime par rapport à la longueur de l'orifice de sortie. Leur longueur définit l'écartement entre l'embase et le pion central qui constitue la fente par laquelle s'échappe le gaz sous pression. La fente et son orifice de sortie sont circulaires, dans la mesure où leur projection plane, orthogonale à l'axe du pion, est un cercle. Le flux de gaz s'échappe donc de tous côtés sur un secteur angulaire de 360°, l'effet de barrière qui pourrait résulter de la présence des pattes de maintien s'étant avéré insignifiant. On crée ainsi un effet d'attraction bien équilibré, perpendiculaire au sens de la force d'attraction.

De manière avantageuse, selon l'invention, le pion central est évasé à sa partie inférieure de manière que la fente circulaire est de plus en plus étroite dans le sens de circulation du gaz. Par cette conformation, on crée un rétrécissement par lequel le gaz doit passer, ce qui accroît sa vitesse jusqu'à sa sortie, et accentue la dépression locale au voisinage de la buse.

En outre, on sait qu'une vitesse élevée du flux gazeux combinée à un écoulement sur une surface incurvée induit un phénomène par lequel les couches superficielles du flux gazeux tendent à rester appliquées contre la paroi. La buse selon l'invention met à profit ce phénomène, appelé "effet Coanda", pour optimiser la préhension des plaquettes. Ainsi, selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la bordure intérieure de l'embase adopte la forme d'une lèvre arrondie qui se prolonge au-delà de l'orifice de sortie de la fente avec une surface incurvée s'orientant progressivement dans un plan sensiblement parallèle à la paroi de la lame, de sorte que le flux gazeux s'échappe tangentiellement à la paroi de la lame. Les veines du gaz restent alors collées à la surface de l'embase et s'évacuent latéralement, sans repousser la plaquette et donc sans l'éloigner. De manière corollaire, l'énergie cinétique des molécules de gaz est transférée aux molécules constituantes de l'air compris entre la paroi du bras et la plaquette, ce qui provoque l'entraînement de ces molécules hors de cet espace, et accentue encore l'abaissement de la pression dans cet espace, alors que la pression au dessous de la plaquette demeure inchangée (c'est la pression atmosphérique). La différence de pression entre les deux faces principales de la plaquette provoque un déplacement de celle-ci vers la paroi, la plaquette venant se plaquer sur les patins d'appui. Elle y sera maintenue tout le temps que durera l'expulsion de gaz à travers la buse.

Selon un mode de réalisation intéressant de l'invention, les pattes d'arrimage du pion central à l'embase sont solidaires de la partie inférieure et de la partie supérieure de celui- ci, en définissant une fente de largeur calibrée à +/-0,025 mm près. De la sorte, le pion est solidement maintenu à l'embase avec un minimum de points de contact susceptibles de dévier le flux gazeux de manière inappropriée. Il est ainsi maintenu à une distance bien définie et constante de l'embase, ce qui assure une répartition égale du flux gazeux dans toutes les directions sur un secteur angulaire de 360 °. De manière intéressante, l'embase et le pion sont fabriqués d'un seul tenant, de sorte que la buse est formée d'un unique élément monobloc, parfaitement calibré.

Selon une caractéristique particulière de la présente invention, le dispositif préhenseur comprend au moins trois patins en matériau thermorésistant, non contaminant et non chimiquement polluant vis-à-vis du matériau des plaquettes, et ayant un coefficient d'adhérence élevé. Pendant les déplacements, quels que soient le sens et la direction de ces déplacements, les plaquettes reposent sur les trois plages d'appui, avec une stabilité totale. Il va de soi que, dans les applications microélectroniques ou photovoltaïques, le matériau des trois patins est choisi pour ne pas contaminer chimiquement les plaquettes de silicium mises en œuvre.

Ainsi, selon l'invention, les patins sont de préférence constitués d'un matériau choisi parmi les polymères ou les céramiques. Un polymère convenable peut par exemple être un polyimide. Une céramique peut aussi être utilisée, par exemple une céramique réfractaire telle qu'une alumine (Al ₂ 0 ₃ ), une mullite (aluminosilicate dont la composition est 3AI ₂ 03,2Si0 ₂ ), ou une zircone (nom commun de l'oxyde de zirconium, Zr0 ₂ ). Ces composés sont maintenant principalement des produits de synthèse.

Les surfaces d'appui offertes par les patins sont telles que les forces de frottement permettent le maintien absolu des plaquettes lors des accélérations et décélérations du robot, ceci sans provoquer ni rayure, ni griffure de la surface des plaquettes, même lorsque la température de celles-ci est à une valeur élevée. Notamment, la forme et la disposition des patins est étudiée pour obtenir une adhérence maximum des plaquettes, sans perturber le flux gazeux. L'adhérence de la surface d'appui peut être quantifiée par le biais de la rugosité, notée Ra. La rugosité Ra est définie comme la moyenne arithmétique des valeurs absolues des écarts entre les pics et les creux d'une surface. L'adhérence recherchée ici pour la surface d'appui des patins peut être exprimée par une valeur de Ra de l'ordre 25 μηι. Ce résultat est obtenu par le choix du matériau constitutif des patins, mais on peut aussi optimiser les surfaces d'appui en recourant à des patins de forme allongée, placés radialement à la périphérie de la buse d'expulsion du gaz.

Conformément à l'invention, les patins équipant le dispositif de préhension ont une hauteur suffisante pour maintenir la plaquette à distance de la paroi de la lame, ou si la buse fait saillie à la surface de la paroi, au-dessus de la buse. Cette différence de niveau peut aller de quelques dixièmes de millimètre à au plus deux millimètres, et en tout état de cause, elle est suffisante pour que les plaquettes ne touchent pas, ni la buse ni la paroi du bras, mais soient efficacement captées et maintenues.

Les patins et les pattes d'arrimage du pion central à l'embase peuvent être disposés radialement par rapport à l'axe de la buse, dans l'alignement les uns des autres. Chaque patin fait le pendant d'une patte, de sorte que si le flux gazeux est légèrement réduit lorsqu'il sort de la buse au niveau de la patte, il va ensuite rencontrer le patin associé de sorte qu'il n'y a pas de conséquence notable dans la régularité du flux gazeux, ni dans la qualité de la préhension.

Comme indiqué précédemment, un des avantages importants du dispositif selon l'invention, est sa capacité à manipuler plusieurs objets simultanément, sans perdre les atouts d'un encombrement faible. Cette possibilité est réalisée grâce à la mise en place de plusieurs éléments préhenseurs disposés sur le paroi d'un même bras du dispositif de préhension. On pourra ainsi capter autant de plaquettes que d'éléments préhenseurs présents, ou même capter une plaquette de grande taille à l'aide de deux (ou davantage) éléments préhenseurs voisins. C'est pourquoi, dans un mode de réalisation préféré du dispositif de préhension selon l'invention, la paroi du bras comprend quatre éléments préhenseurs ou huit éléments préhenseurs, disposés selon un axe longitudinal du bras.

Le plus souvent, les plaquettes à prendre en charge sont posées sur un support et leur prise se fait nécessairement par dessus, par leur face supérieure. On va utiliser alors un dispositif de préhension dont la paroi inférieure est équipée d'éléments préhenseurs. Toutefois, dans certaines situations, il est intéressant d'agripper les plaquettes par leur face inférieure. Le dispositif de préhension selon l'invention, peut fonctionner quelle que soit son orientation, son orientation initiale et son orientation finale au cours d'une opération de déplacement d'une ou plusieurs plaquettes important peu. Dans ce cas, le dispositif de préhension doit être muni d'éléments préhenseurs sur la paroi supérieure. C'est pourquoi, de manière intéressante, la première et la seconde parois dudit au moins un bras sont munies chacune d'au moins un élément préhenseur.

Différentes configurations peuvent être adoptées pour le dispositif de préhension selon l'invention, en fonction des postes de travail du robot manipulateur, sans que cela gêne le bon fonctionnement du dispositif. En particulier, il peut comprendre deux bras montés en râteau sur une platine de liaison fixée au système de guidage. On obtient par exemple une forme en U si les bras sont montée parallèle sur la platine de liaison, ou bien s'il sont montés avec un angle entre eux, on peut avoir une forme en V pour deux bras, en W pour quatre bras. De manière alternative, le dispositif peut comprendre au moins deux bras, simples ou multiples, montés en opposition sur une platine de liaison tournante fixée au système de guidage.

Ainsi, un système destiné à n'agripper qu'une seule plaquette légère pourra n'avoir qu'un simple bras avec un seul élément préhenseur. Une plaquette plus lourde pourra nécessiter un système préhenseur en V ou autre. De même, certaines applications peuvent nécessiter le transport de multiples plaquettes à la fois, à l'aide d'un ou plusieurs bras dotés de multiples éléments préhenseurs. Ce faisant, on peut souhaiter avoir une station de préhension et/ou de dépose individualisée pour chacune des plaquettes.

Le dispositif selon l'invention a été conçu pour pouvoir répondre à cette exigence, en intégrant des moyens d'assurer l'alimentation en gaz de manière indépendante pour chaque groupe d'éléments préhenseurs, voire pour chaque élément préhenseur. Ainsi, de préférence, le circuit d'amené du gaz est formé d'un réseau de conduits agencés pour alimenter séparément chaque buse ou chaque paire de buses. II peut être prévue une commande appropriée permettant de stopper ou de poursuivre l'alimentation en gaz de chacun des conduits alimentations des buses. Ainsi, de manière avantageuse, dans le dispositif de préhension selon l'invention, le circuit d'amené du gaz est connecté à une unité de commande, ladite unité étant apte à interrompre l'alimentation du gaz dans un ou plusieurs conduits dudit réseau. L'unité de commande pourra par exemple être reliée à des moyens de contrôle de l'état des plaquettes manipulées, pour écarter les plaquettes endommagées des étapes suivantes de traitement et de fabrication.

Comme indiqué précédemment, le dispositif selon l'invention a un encombrement particulièrement réduit dans l'axe perpendiculaire au plan général des plaquettes qu'il doit manipuler, ce qui le rend particulièrement utile dans la plupart des opérations de fabrication des plaquettes de silicium notamment. Ainsi ledit au moins un bras comprenant au moins un élément préhenseur, présente de préférence une épaisseur totale inférieure à 4,75 mm de sorte que le préhenseur peut se glisser entre deux plaquettes disposées dans un paniers ou un "process boat" aux standards de l'industrie.

Le dispositif tel que décrit ci-dessus est particulièrement adapté à une utilisation dans un processus industriel de fabrication mettant en œuvre des plaquettes, même si celles-ci sont fragiles. Il autorise une grande accélération / décélération et donc une vitesse élevée des déplacements d'une station à l'autre et des temps d'attente réduits entre deux actions, ou encore la réduction des cas de dégradation de plaquettes.

C'est pourquoi est également revendiqué un procédé de déplacement de plaquettes d'une première position vers une seconde position à l'aide d'un dispositif de préhension selon l'invention, lequel procédé comprend les étapes consistant essentiellement à :

a)- se doter d'un dispositif de préhension de plaquettes comprenant au moins un bras relié à un système de guidage, le bras adoptant la forme générale d'une lame comportant une première et une seconde parois entre lesquelles est ménagé un circuit d'amené d'un gaz sous pression, l'une desdites parois étant munie d'au moins un élément préhenseur, lequel comprend : i) une buse (6) d'expulsion du gaz à grande vitesse, alimentée par ledit circuit, dont l'orifice de sortie (12) est prolongé par un élément présentant une surface incurvée continue qui s'oriente progressivement dans un plan sensiblement parallèle à la paroi (2), de sorte que le flux gazeux s'échappant de la buse reste attaché tangentiellement à ladite paroi, et

ii) un jeu de patins fixés à la paroi de la lame à proximité de ladite buse, lesdits patins maintenant la plaquette à une distance déterminée de la paroi ;

b)- ouvrir le circuit d'amené du gaz pour alimenter en gaz ledit au moins un élément préhenseur ;

c)- approcher ledit bras d'une plaquette se trouvant à ladite première position, jusqu'à captage de celle-ci par ledit au moins un élément préhenseur et immobilisation au contact desdits patins ;

d) - déplacer ledit bras chargé de ladite plaquette jusqu'à ladite seconde position ;

e) - fermer le circuit d'amené du gaz pour interrompre l'alimentation dudit au moins un élément préhenseur et libérer ladite plaquette à sa seconde position,

f) - répéter les étapes b) à e) tant qu'il reste des plaquettes à déplacer.

Le procédé objet de l'invention comprend les étapes de saisir une plaquette, de la tenir pendant une phase de déplacement, puis de la lâcher au moment et à l'endroit voulus. Il est généralement mis en œuvre à l'aide d'un robot comportant un dispositif de préhension, grâce à un système de guidage qui est programmé ou piloté à distance par un opérateur. Les bras robotisés sont mobiles et habituellement articulés de manière à opérer des déplacements dans toutes les directions souhaitées. Grâce au procédé objet de l'invention, les plaquettes peuvent ne pas être parfaitement planes, puisque l'organe préhenseur est capable de saisir et de maintenir un objet dont la surface présente des irrégularités ou est déformée par ses contraintes internes.

De manière avantageuse le flux gazeux est accéléré en passant à travers une fente circulaire de largeur calibrée ménagée dans ladite buse, ladite fente étant de plus en plus étroite dans le sens de circulation du gaz, avant d'être expulsé par la buse sur un secteur angulaire de 360 °. De préférence, le flux gazeux est expulsé à travers la fente en suivant la forme d'une lèvre arrondie s'orientant progressivement dans un plan sensiblement parallèle à la paroi de la lame, de sorte que les couches superficielles du flux gazeux tendent à rester appliquées contre ladite paroi, conformément à l'effet Coanda. Ceci accentue l'abaissement de la pression dans cet espace, alors que la pression au dessous de la plaquette demeure la pression atmosphérique. La différence de pression entre les deux faces principales de la plaquette provoque un déplacement de celle-ci vers la paroi, la plaquette venant se plaquer sur les patins d'appui.

La fente de la buse a une de largeur calibrée à +/-0,025 mm près, de sorte qu'on obtient un maintien du pion à une distance bien définie et constante de l'embase, et par suite une répartition égale du flux gazeux dans toutes les directions sur un secteur angulaire de 360 °.

Le système de préhension peut manipuler des plaquettes à une température d'environ 250 ^, mais des températures supérieures, par exemple jusqu'à 350 ^, peuvent se rencontrer dans les processus industriels concernés, par exemple en sortie de four après un traitement à haute température. C'est pourquoi, le procédé de déplacement de plaquettes selon l'invention peut être réalisé à une température des plaquettes inférieure à 350 ^< C.

De manière inattendue, il a été trouvé que le flux gazeux circulant dans le bras du dispositif et débouchant au niveau des plaquettes à capter, peut être utilement employé pour refroidir l'atmosphère et les plaquettes à proximité, à condition qu'il soit lui-même à une température modérée. Dans d'autres situations, on souhaite maintenir une température donnée, voire augmenter la température des plaquettes durant leur manipulation. C'est pourquoi, de manière intéressante selon l'invention, on alimente ledit au moins un élément préhenseur en gaz sous pression, ledit gaz étant à une température prédéterminée, pour agir sur la température des plaquettes. On peut ainsi refroidir ou chauffer la plaquette dès sa captation et durant ses mouvements entre une position initiale et un seconde finale. Le gaz est envoyé dans le circuit à une pression comprise entre 2 bars et 6 bars. Le procédé de déplacement de plaquettes selon l'invention permet avantageusement de déplacer simultanément de ladite première position à ladite seconde position, au moins deux plaquettes, et de préférence quatre plaquettes ou huit plaquettes. Ceci est rendu possible notamment du fait que l'organe préhenseur a la capacité de saisir plusieurs plaquettes, disposées sur un support qui n'est pas parfaitement plan. Selon un mode de mise en œuvre particulièrement intéressant de l'invention, les buses d'expulsion du gaz sont alimentées par des conduits distincts ménagés dans le circuit d'amené du gaz sous pression, par exemple pour chaque buse ou pour chaque paire de buses. Cette disposition permet que seulement certaines des buses soient en fonctionnement pour capter des plaquettes se trouvant à leur niveau, sans gaspillage de gaz. Elle permet aussi de relâcher sélectivement des plaquettes, au cours d'une étape du procédé selon l'invention. Un même bras préhenseur peut ainsi manipuler plusieurs plaquettes sur différentes positions en les agrippant et/ou en les relâchant soit toutes en même temps, soit séquentiellement une par une, soit en combinaison.

Ainsi, selon l'invention, le procédé de déplacement de plaquettes peut comprendre une étape de sélection des plaquettes, durant laquelle une ou plusieurs plaquettes sont libérées à des positions prédéterminées par interruption de l'alimentation des buses d'expulsion du gaz, lesdites buses étant alimentées par des conduits distincts du circuit d'amené du gaz sous pression. Par exemple, une étape de tri des plaquettes peut être réalisée, durant laquelle l'état de chaque plaquette est contrôlé et les plaquettes défectueuses sont libérées par interruption de l'alimentation en gaz dans les conduits correspondants dudit circuit. Le procédé de déplacement de plaquettes selon l'invention est avantageusement mis en œuvre, ledit déplacement s'effectuant d'une première position à une deuxième position selon un mouvement de translation, de rotation radiale ou de rotation axiale, ou une combinaison de ceux-ci. Ainsi, les plaquettes peuvent effectuer des mouvements dans tous sens type, passer de l'horizontale à la verticale, tourner dans leur plan, ou se retourner totalement, ceci sans perdre les coordonnées absolues de chacun de leurs points.

Le dispositif de préhension tel qu'il a été décrit plus haut peut être utilisé pour la manipulation et pour le déplacement d'objets de toute sorte, et notamment de plaquettes fines, souples ou rigides, éventuellement fragiles. Il est particulièrement adapté à un travail automatisé, se déroulant à des températures élevées, et demandant une grande précision, comme c'est le cas dans l'industrie du silicium, que ce soit pour des applications microélectroniques ou solaires. Est ainsi revendiquée l'application du dispositif de préhension selon l'invention à la manipulation de plaquettes de silicium au cours de leur mise en œuvre industrielle. La présente invention sera mieux comprise, et des détails en relevant apparaîtront, grâce à la description qui va être faite d'une ses variantes de réalisation, en relation avec les figures annexées, dans lesquelles :

- La figure 1 est une vue schématique en coupe d'un segment d'un bras comportant un élément préhenseur appartenant à un dispositif selon l'invention. Sur la figure 1 a, le plan de coupe est quelconque, mais ne passe pas par les patins ni par les pattes d'arrimage. Sur la figue 1 b, le plan coupe un patin et une patte d'arrimage.

- La figure 2 est une vue de dessous d'un élément préhenseur selon l'invention.

- La figure 3 est une vue dessus d'un dispositif de préhension chargé de huit plaquettes de dimensions 150X80 mm.

- La figure 4 est une vue de dessus d'un dispositif de préhension chargé de quatre plaquettes de dimensions 156X156 mm.

Dans le présent exemple, le dispositif de préhension de plaquettes comprend deux bras 1 identiques, montés en râteau sur la platine de liaison 3, laquelle est fixée à un système de guidage (non représenté). L'ensemble a la forme générale d'un U. La platine 3 est donc la pièce mécanique de liaison avec le robot ou le manipulateur mécanique. C'est à travers elle que l'alimentation en gaz des conduits 4 situés dans les bras 1 va se faire. Chaque bras 1 adopte la forme générale d'une lame comportant les parois 2, qui sont des plaques métalliques, de préférence en matériau léger tel que l'aluminium, le carbone ou le titane afin de présenter une inertie minimum aux déplacements. Elles sont assemblées entre elles de manière à y ménager le circuit d'amené d'un gaz sous pression 4. La paroi inférieure 2 (selon l'orientation représentée sur les figures) de chaque bras 1 est munie de quatre éléments préhenseurs 5, alignées selon l'axe principal du bras 1 . Les bras 1 ont une épaisseur hors tout de moins de 4,70 mm.

Sur les figures 1 et 2 a été représenté un des éléments préhenseurs. Il comprend :

i) la buse 6 pour l'expulsion du gaz à grande vitesse, laquelle est alimentée par le circuit d'amené du gaz 4, et ii) un jeu de trois patins 7, fixés à la paroi 2 à proximité de la buse 6. Sur la figure 1 b, est représentée aussi une plaquette (100) de silicium durant son maintien par l'élément préhenseur.

La buse 6 est formée de l'embase annulaire 8 sertie dans un évidement pratiqué dans la paroi 2 de la lame, et du pion central 9. Le pion central 9 est arrimé à l'embase 8 par les pattes 10, espacées et de largeur minime par rapport à la longueur de l'orifice de sortie. Trois pattes d'arrimage 10 sont placées entre le pion et l'embase, telles des cloisons minces s'étendant depuis la partie inférieure du pion central 9 jusqu'à à la partie supérieure du pion central 9, à écartement de 120° les unes des autres. Elles définissent une fente entièrement circulaire de largeur calibrée à +/-0,025 mm près, dont l'ouverture est au plus de 0,2 mm, pour un diamètre de l'ordre d'au plus 10 mm.

L'espace ménagé entre l'embase 8 et le pion 9 constitue la fente 1 1 circulaire, qui est terminée par l'orifice de sortie 12, également circulaire. Le flux de gaz s'échappe ainsi de tous côtés, sur un secteur angulaire de 360 °. Le pion central 9 est évasé à sa partie inférieure de manière que la fente circulaire 1 1 est de plus en plus étroite dans le sens de circulation du gaz, avec un rapport des surfaces entrée/sortie de l'ordre de 4.

La forme de la buse 6 est telle qu'elle oriente le flux gazeux le long de la paroi 2 de la lame. La bordure intérieure 13 de l'embase 9 adopte la forme d'une lèvre arrondie qui se prolonge au-delà de l'orifice de sortie 12 de la fente 1 1 avec une surface incurvée 14 s'orientant progressivement dans un plan sensiblement parallèle à la paroi 2, de sorte que le flux gazeux s'échappe tangentiellement à la paroi. Le gaz éjecté des buses 6 est typiquement de l'air comprimé sec et filtré, sous une pression de moins de 6 bars. Les trois patins 7, de forme ovale, sont placés radialement à 120 ° les uns des autres, à la périphérie de la buse 6 d'expulsion du gaz, de sorte à obtenir un appui isostatique de la plaquette. Ils sont disposés dans le prolongement des pattes d'arrimage 10. Ils sont en polyimide thermorésistant et présentent une rugosité Ra = 25 μηι. Ils sont fixés à la paroi 2 et constituent un élément de butée d'une hauteur de 1 mm au-dessus de la surface de la paroi 2.

Comme représenté aux figures 3 et 4, chaque bras 1 du dispositif de préhension peut manipuler plusieurs plaquettes 100. L'emplacement des éléments préhenseurs, non visibles sur cette vue, est indiqué par le symbole φ. Les plaquettes sont ici des plaquettes de silicium, telles que celles utilisées pour la fabrication de cellules photovoltaïques, de petit format (150X80 mm, figure 3) ou de grand format (156X156 mm, figure 4). Compte tenu de leur épaisseur (150 μηι), ce sont des objets de 12 g qui sont maintenus par les éléments préhenseurs. Les bras 1 comportant chacun quatre éléments préhenseurs 3, il est possible d'utiliser un même dispositif de préhension pour agripper huit plaquettes 100, chacune à l'aide d'un élément préhenseur (figure 3), ou bien quatre plaquettes 100, chacune à l'aide de deux éléments préhenseurs (figure 4).

Un tri des plaquettes par un système de sélection connecté à un système de coupure de l'alimentation en gaz différentié par buse permet de déposer sélectivement les différentes plaquettes en des positions définies selon les critères de tri. Par exemple, on peut réaliser une élimination des plaquettes défectueuses par un système optique connecté à un système coupant l'alimentation en gaz de la ou des buses correspondantes.

Le dispositif tel que décrit ci-dessus autorise une accélération élevée lors des déplacements et des temps d'attente réduits entre deux actions, en particulier grâce à une mise à température rapide des plaquettes par l'effet du flux gazeux.