常美榕，刁坤杰，周小水，劉嘉瑋，史文明

( 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所， 北京 100176)

高端半導(dǎo)體制造設(shè)備精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且構(gòu)成單元數(shù)量多，自動(dòng)化程度高。因此，物料傳輸系統(tǒng)成為必備的基本配置[1]。

物料傳輸系統(tǒng)除需要具備安全、可靠、準(zhǔn)確、高效等特點(diǎn)外，還要求其能夠自動(dòng)、準(zhǔn)確地補(bǔ)償物料傳輸系統(tǒng)集成及傳輸過程造成的偏移，實(shí)現(xiàn)高精度、高重復(fù)性的物料裝載，采用光電傳感器進(jìn)行位置探測(cè)和控制。

象限光電傳感器具有精度高、反應(yīng)快、非接觸式等優(yōu)點(diǎn)，在高分辨率的位移偏差測(cè)量、對(duì)準(zhǔn)控制等方面應(yīng)用廣泛[2]。常用的四象限傳感器是將一個(gè)圓形或方形象限傳感器的光敏面分割為面積相等、形狀相同、位置對(duì)稱且相對(duì)獨(dú)立的四部分。通過測(cè)量光束的光斑在各象限的電信號(hào)差異，確定光斑相對(duì)于四象限傳感器中心的位置變化，從而測(cè)定位移偏差。

本文介紹了一種基于四象限傳感器的物料校準(zhǔn)策略，借助2 個(gè)四象限傳感器定位物料位置、姿態(tài)信息，并在裝載前控制運(yùn)動(dòng)臺(tái)微動(dòng)預(yù)先補(bǔ)償，提高物料裝載精度和重復(fù)性。

首先介紹了四象限傳感器的工作原理及物料位姿測(cè)量方法，然后指出基于四象限傳感器測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成和工作流程，設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)臺(tái)預(yù)補(bǔ)償方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 位姿測(cè)量原理

1.1 四象限傳感器工作原理

四象限傳感器是光電傳感器的一種，是由光電二極管排列而成的光電傳感器件，可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。按照笛卡爾坐標(biāo)系可將其分成四部分，對(duì)應(yīng)傳感器的四個(gè)象限，分別標(biāo)記為1、2、3、4，各象限間存在不能感光的溝道，稱為死區(qū)，如圖1 所示（本文以方形光敏面的四象限傳感器為例）。激光照射在傳感器光敏面，經(jīng)傳感器內(nèi)部電路轉(zhuǎn)換輸出電流，各象限電流值分別記為I1、I2、I3、I4。理想狀態(tài)下，激光發(fā)射裝置位于四象限傳感器正上方且無不透光物遮擋時(shí)，各象限的輸出電流值相等，即I1=I2=I3=I4。

圖1 坐標(biāo)系下傳感器各象限示意圖

通常物料表面包含用于對(duì)準(zhǔn)的圖形、標(biāo)記等，本文以“米”字形標(biāo)記為例進(jìn)行研究?！懊住弊中螛?biāo)記簡(jiǎn)稱米字標(biāo)，通常是中心透光四周不透光的圖形，位于物料邊緣且成對(duì)出現(xiàn)，如圖2 所示。

圖2 米字標(biāo)示意圖

光束透過標(biāo)記在四象限傳感器光敏面形成光斑，理想狀態(tài)下，物料上米字標(biāo)中心與四象限中心重合，激光光斑經(jīng)米字標(biāo)投影在四象限傳感器上各象限的面積相同，即各象限輸出電流值相等（由于四象限傳感器死區(qū)所占比例較小且呈中心對(duì)稱，忽略死區(qū)對(duì)各象限輸出電流的影響），如圖3 所示。

圖3 投影示意圖

1.2 位姿測(cè)量方案

物料位置發(fā)生偏移時(shí)，米字標(biāo)中心與四象限傳感器中心不重疊，傳感器四個(gè)象限的輸出電流值各不相同，計(jì)算各象限間的輸出電流差值即可得出笛卡爾坐標(biāo)系下米字標(biāo)中心相對(duì)傳感器中心x、y 方向的偏移值[3]，計(jì)算方法如式(1)所示：

為消除光斑自身因素對(duì)輸出電流I1、I2、I3、I4的影響，計(jì)算偏移值時(shí)做歸一化處理。△x 為米字標(biāo)中心相對(duì)于傳感器中心x 向的偏移量，△y 為米字標(biāo)中心相對(duì)于傳感器中心y 向的偏移量。

然而，實(shí)際使用場(chǎng)景下，傳感器自身的結(jié)構(gòu)、濾波放大電路的均勻度、激光發(fā)射裝置光量均勻性等均影響偏移量的計(jì)算。此外，實(shí)際裝配時(shí)傳感器坐標(biāo)系xqdoyqd與笛卡爾坐標(biāo)系xmoy 還會(huì)存在夾角，同樣影響偏移量的計(jì)算，如圖4 所示。

圖4 傳感器坐標(biāo)系與笛卡爾坐標(biāo)系關(guān)系

因此，米字標(biāo)中心較傳感器中心的實(shí)際偏移值計(jì)算方法應(yīng)為：

式(2)中，k 為常量，主要為傳感器自身誤差對(duì)偏移量計(jì)算產(chǎn)生的影響，α 為傳感器坐標(biāo)系與笛卡爾坐標(biāo)系的夾角。xqd、yqd為理想狀態(tài)下米字標(biāo)中心偏移值，xm、ym為笛卡爾坐標(biāo)系下米字標(biāo)中心實(shí)際偏移值。

使用四象限傳感器能夠準(zhǔn)確得出米字標(biāo)在X、Y 方向的位置偏移，從而實(shí)現(xiàn)物料位置對(duì)準(zhǔn)。為定位物料繞Z 軸的旋轉(zhuǎn)角度，即Rz方向的姿態(tài)信息，可借助2 個(gè)四象限傳感器實(shí)現(xiàn)物料位姿對(duì)準(zhǔn)。2 個(gè)四象限傳感器分別與2 個(gè)米字標(biāo)對(duì)應(yīng)，傳感器分布如圖5 所示。

圖5 四象限傳感器分布圖

2 個(gè)四象限傳感器分別記為QD1、QD2，米字標(biāo)中心較傳感器中心的實(shí)際偏移值及2 個(gè)米字標(biāo)中心的夾角分別為：

式(3)中，xqd1、yqd1、xqd2、yqd2分別為米字標(biāo)中心較傳感器中心在x、y 方向的理論偏移值，α1、α2分別為QD1、QD2坐標(biāo)系與笛卡爾坐標(biāo)系的夾角。x1、y1、x2、y2分別為米字標(biāo)中心較傳感器中心的實(shí)際偏移值，θ 為兩米字標(biāo)中心的夾角[4]。

為定位物料的位置、姿態(tài)偏移，本文以QD1為基準(zhǔn)，將x1、y1視為物料在x、y 方向的位置偏移，2個(gè)米字標(biāo)中心的夾角視為物料在Rz 方向的偏移，因此在X、Y、Rz 方向上位姿偏移值分別為x1、y1、θ。

2 校正策略

2.1 自動(dòng)校正方案

物料傳輸系統(tǒng)主要由物料庫(kù)、機(jī)械手、激光發(fā)射裝置和四象限傳感器組成。其中，物料庫(kù)是物料由外部進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部的“窗口”；機(jī)械手可在物料庫(kù)和運(yùn)動(dòng)臺(tái)間多個(gè)工位移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)進(jìn)行物料拾取、放置，將物料以一定精度裝載至運(yùn)動(dòng)臺(tái)；激光發(fā)射裝置固定于機(jī)械手與運(yùn)動(dòng)臺(tái)交接工位正上方；四象限傳感器固定于交接工位正下方，分別與物料上的米字標(biāo)對(duì)應(yīng)。四象限傳感器、激光發(fā)射裝置與物料的相對(duì)位置關(guān)系如圖6 所示。

圖6 傳感器、激光發(fā)射裝置及物料相對(duì)位置關(guān)系示意圖

機(jī)械手將物料裝載至運(yùn)動(dòng)臺(tái)的流程為：運(yùn)動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)至交接位置（記為交接零位），機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)臺(tái)側(cè)零位向運(yùn)動(dòng)臺(tái)靠近至交接位，隨后下降將物料放置在運(yùn)動(dòng)臺(tái)，最后機(jī)械手退回至運(yùn)動(dòng)臺(tái)側(cè)零位。機(jī)械手將物料由物料庫(kù)2 裝載至運(yùn)動(dòng)臺(tái)的俯視運(yùn)動(dòng)軌跡依次為a-b-a-c-d，如圖7 所示。

圖7 裝載物料俯視示意圖

通常，物料裝載重復(fù)定位精度要求為X 向不高于400 μm，Y 向不高于400 μm，Rz 向不高于700 μrad；X、Y 向標(biāo)準(zhǔn)差不高于10 μm，Rz 向標(biāo)準(zhǔn)差不高于100 μrad[5]。然而經(jīng)物料傳輸系統(tǒng)由物料庫(kù)傳送至運(yùn)動(dòng)臺(tái)的過程會(huì)造成物料位置發(fā)生一定偏移。

為自動(dòng)校正傳輸過程中產(chǎn)生的偏移，在機(jī)械手位于交接位時(shí)，上位機(jī)軟件發(fā)送指令采集四象限傳感器的輸出電流，計(jì)算物料實(shí)際位姿偏移，控制運(yùn)動(dòng)臺(tái)微動(dòng)自動(dòng)執(zhí)行補(bǔ)償，隨后機(jī)械手下降放置物料并退回運(yùn)動(dòng)臺(tái)側(cè)零位，最后控制運(yùn)動(dòng)臺(tái)返回交接零位，再次發(fā)送指令采集四象限傳感器的輸出電流，計(jì)算此時(shí)物料實(shí)際位姿偏移，如圖8 所示。

圖8 自動(dòng)校正流程圖

2.2 補(bǔ)償標(biāo)定方案

使用四象限傳感器測(cè)量物料位姿偏差后，控制運(yùn)動(dòng)臺(tái)同向微動(dòng)自動(dòng)補(bǔ)償物料位姿偏差。此時(shí)物料位于運(yùn)動(dòng)臺(tái)前與運(yùn)動(dòng)臺(tái)無接觸，并且物料位姿偏差測(cè)量坐標(biāo)系與運(yùn)動(dòng)臺(tái)坐標(biāo)系并非線性對(duì)應(yīng)。

物料中心與運(yùn)動(dòng)臺(tái)中心存在偏差，同樣物料坐標(biāo)系與運(yùn)動(dòng)臺(tái)坐標(biāo)系存在夾角?？刂七\(yùn)動(dòng)臺(tái)微動(dòng)，直至使用四象限傳感器測(cè)量的物料位姿偏差為零，即[x y Rz]TQD=[0 0 0]TQD，記錄此時(shí)運(yùn)動(dòng)臺(tái)的絕對(duì)坐標(biāo)位置[xS0yS0RzS0]T。

隨后依次控制運(yùn)動(dòng)臺(tái)分別在X、Y、Rz3 個(gè)方向單獨(dú)移動(dòng)讀取物料位姿偏移并返回原位置，即控制運(yùn)動(dòng)臺(tái)在X 向相對(duì)移動(dòng)[x 0 0)]TS，讀取此時(shí)物料位姿偏移[x1y1Rz1]TQD后返回[xS0yS0RzS0]T；控制運(yùn)動(dòng)臺(tái)在Y 向相對(duì)移動(dòng)[0 y 0)]TS，讀取此時(shí)物料位姿偏移[x2y2Rz2]TQD后返回[xS0yS0RzS0]T；控制運(yùn)動(dòng)臺(tái)在Rz 向相對(duì)移動(dòng)[0 0 Rz]TS，讀取此時(shí)物料位姿偏移[x3y3Rz3]TQD后返回[xS0yS0RzS0]T，其計(jì)算如式(4)所示：

其中，[x y Rz]TQD為物料位姿偏移，記作QD。A 為物料位姿偏差與運(yùn)動(dòng)臺(tái)補(bǔ)償距離的映射關(guān)系。[x y Rz]TS為運(yùn)動(dòng)臺(tái)相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離，記做S。則A 應(yīng)為三階矩陣：

因此，式(4)可記為[QD]=[A][S]，其中[S]為運(yùn)動(dòng)臺(tái)相對(duì)移動(dòng)距離、[QD]為測(cè)量的位姿誤差，即可得出物料位姿偏移與運(yùn)動(dòng)臺(tái)相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離的映射矩陣A。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 位姿測(cè)量驗(yàn)證

為驗(yàn)證自動(dòng)校準(zhǔn)策略可行性，首先測(cè)試物料位姿偏差測(cè)量的可靠性。實(shí)驗(yàn)采取控制變量法，通過物料傳輸系統(tǒng)將物料由物料庫(kù)運(yùn)送至機(jī)械手，停留在預(yù)對(duì)準(zhǔn)位置，與預(yù)對(duì)準(zhǔn)單元建立連接并初始化，手動(dòng)讀取測(cè)量位姿偏差，重復(fù)讀取十次記錄后計(jì)算位姿偏差平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。詳細(xì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 物料位姿偏移

由表1 可以看出，物料在X 向位置偏移均值為70.657 μm，Y 向位置偏移均值為206.086 μm，Rz 向姿態(tài)偏移均值為-704.643 μrad。X、Y 向的標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.615 μm、2.377 μm，Rz 向標(biāo)準(zhǔn)差為10.383 μrad。各方向標(biāo)準(zhǔn)差均在合理范圍內(nèi)，且位姿偏移測(cè)量方案數(shù)據(jù)穩(wěn)定，表明使用四象限傳感器測(cè)量物料位姿偏差具備可行性與可靠性。

Rz 向標(biāo)準(zhǔn)差較X、Y 向稍大，是由于X、Y 向僅由QD1標(biāo)定測(cè)出物料位置偏差，Rz 向則由QD1、QD2標(biāo)定的位置偏差聯(lián)合確定，因此任傳感器任一方向的位置偏差波動(dòng)均會(huì)對(duì)Rz 產(chǎn)生影響。但整體而言，四象限傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

3.2 映射矩陣標(biāo)定

在驗(yàn)證物料位姿偏差測(cè)量數(shù)據(jù)可靠性的基礎(chǔ)上，按照本文所提出的映射關(guān)系標(biāo)定方案，執(zhí)行映射矩陣A 的標(biāo)定。為便于數(shù)據(jù)計(jì)算，分別控制運(yùn)動(dòng)臺(tái)在X、Y 向相對(duì)運(yùn)動(dòng)100 μm，Rz 向相對(duì)運(yùn)動(dòng)100 μrad，分別讀取物料位姿偏差，共執(zhí)行3 組試驗(yàn)。試驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 映射矩陣標(biāo)定數(shù)據(jù)

將表2 數(shù)據(jù)帶入式(4)即可得出映射矩陣[A]中各元素的數(shù)值，結(jié)果如式(5)：

映射矩陣A 標(biāo)定完成后，即可依測(cè)量的物料位姿偏移及映射矩陣得出運(yùn)動(dòng)臺(tái)補(bǔ)償距離，執(zhí)行包含自動(dòng)校準(zhǔn)策略的物料裝載，從而提高物料裝載精度。

3.3 自動(dòng)校正策略驗(yàn)證

在完成位姿測(cè)量方案驗(yàn)證和映射矩陣標(biāo)定的基礎(chǔ)上，最后開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自動(dòng)校正策略。實(shí)驗(yàn)流程為：物料傳輸系統(tǒng)將物料由物料庫(kù)運(yùn)送至機(jī)械手，隨后按圖7 所示流程執(zhí)行自動(dòng)校正策略，將物料裝載至運(yùn)動(dòng)臺(tái)。此過程共記錄兩次物料位姿偏移值，第一次為運(yùn)動(dòng)臺(tái)執(zhí)行補(bǔ)償前的偏移值，第二次為完成補(bǔ)償、物料裝載至運(yùn)動(dòng)臺(tái)，且運(yùn)動(dòng)臺(tái)返回交接零位后的偏移值。最后反向?qū)⑽锪闲遁d至物料庫(kù)，且卸載時(shí)無需執(zhí)行自動(dòng)校準(zhǔn)策略。

物料從物料庫(kù)裝載至運(yùn)動(dòng)臺(tái)、由運(yùn)動(dòng)臺(tái)卸載回物料庫(kù)為一次完整實(shí)驗(yàn)流程。由以上實(shí)驗(yàn)流程描述可知一次實(shí)驗(yàn)共獲得兩次物料位姿偏移數(shù)據(jù)，將第一次記為補(bǔ)償前，第二次記為補(bǔ)償后。

共執(zhí)行15 次完整實(shí)驗(yàn)流程，獲得30 組物料位姿偏移數(shù)據(jù)，并計(jì)算物料補(bǔ)償前、補(bǔ)償后位姿偏移均值及標(biāo)準(zhǔn)差，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 自動(dòng)校準(zhǔn)策略驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 中補(bǔ)償前位置偏差X 向均值為62.813 μm，Y 向均值為410.111μm，Rz 向均值為-740.975μrad，補(bǔ)償后位置偏差X 向均值為7.760 μm，Y 向均值為6.146 μm，Rz 向均值為39.666 μrad，較補(bǔ)償前各方向偏移均有明顯校正。此外，補(bǔ)償前X 向標(biāo)準(zhǔn)差為36.043 μm，Y 向標(biāo)準(zhǔn)差為9.369 μm，Rz 向標(biāo)準(zhǔn)差為24.374 μrad，補(bǔ)償后X 向標(biāo)準(zhǔn)差為2.210 μm，Y向標(biāo)準(zhǔn)差為2.602 μm，Rz 向標(biāo)準(zhǔn)差為9.060 μrad，較補(bǔ)償前各方向標(biāo)準(zhǔn)差同樣有明顯減小，且補(bǔ)償后的物料位姿偏移遠(yuǎn)優(yōu)于重復(fù)定位精度要求。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出補(bǔ)償前X 向偏移值較小，Y 向、Rz 向偏移值較大，這可能是物料傳輸系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)僅能較好的保證X 向偏差較小；補(bǔ)償后各方向偏移均有明顯減小，表明自動(dòng)校準(zhǔn)策略的引入極大程度的提高了物料裝載精度，且各方向的標(biāo)準(zhǔn)差均遠(yuǎn)低于要求范圍，表明自動(dòng)校準(zhǔn)策略是穩(wěn)定可靠的。

4 結(jié)束語

在半導(dǎo)體制造設(shè)備物料傳輸系統(tǒng)中，為減小物料位姿偏移的影響，提出了一種基于四象限傳感器的物料自動(dòng)校準(zhǔn)策略，通過實(shí)驗(yàn)證明，該策略可行，物料傳輸系統(tǒng)對(duì)精度損失的影響小，提升了物料重復(fù)定位精度，穩(wěn)定性好，可靠性高，為半導(dǎo)體制造設(shè)備提升物料裝載精度提供了可行的技術(shù)方案。

但本文所提的映射矩陣標(biāo)定方案仍存在一定局限性：一是映射矩陣不具備通用性，其影響因素有四象限傳感器性能、運(yùn)動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)精度、激光發(fā)射裝置及傳感器的安裝誤差等；二是映射矩陣采用人工標(biāo)定的方式效率低、耗時(shí)長(zhǎng)，且受操作員自身水平影響較大。今后在這兩個(gè)方面還需進(jìn)一步深入研究和不斷優(yōu)化，使其標(biāo)定操作更規(guī)范、標(biāo)定結(jié)果兼容性更強(qiáng)，進(jìn)而提升自動(dòng)校正策略核心數(shù)據(jù)的標(biāo)定效率。