基于四象限傳感器的物料自動校準(zhǔn)策略研究

常美榕，刁坤杰，周小水，劉嘉瑋，史文明

( 中國電子科技集團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、高效等特點外，還要求其能夠自動、準(zhǔn)確地補償物料傳輸系統(tǒng)集成及傳輸過程造成的偏移，實現(xiàn)高精度、高重復(fù)性的物料裝載，采用光電傳感器進行位置探測和控制。

象限光電傳感器具有精度高、反應(yīng)快、非接觸式等優(yōu)點，在高分辨率的位移偏差測量、對準(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、位置對稱且相對獨立的四部分。通過測量光束的光斑在各象限的電信號差異，確定光斑相對于四象限傳感器中心的位置變化，從而測定位移偏差。

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，并在裝載前控制運動臺微動預(yù)先補償，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量方法，然后指出基于四象限傳感器測量系統(tǒng)的構(gòu)成和工作流程，設(shè)計了運動臺預(yù)補償方法，并進行了實驗驗證。

1 位姿測量原理

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，可將光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。按照笛卡爾坐標(biāo)系可將其分成四部分，對應(yīng)傳感器的四個象限，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，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準(zhǔn)的圖形、標(biāo)記等，本文以“米”字形標(biāo)記為例進行研究?！懊住弊中螛?biāo)記簡稱米字標(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稱，忽略死區(qū)對各象限輸出電流的影響），如圖3 所示。

圖3 投影示意圖

1.2 位姿測量方案

物料位置發(fā)生偏移時，米字標(biāo)中心與四象限傳感器中心不重疊，傳感器四個象限的輸出電流值各不相同，計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)中心相對傳感器中心x、y 方向的偏移值[3]，計算方法如式(1)所示：

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

然而，實際使用場景下，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算。此外，實際裝配時傳感器坐標(biāo)系xqdoyqd與笛卡爾坐標(biāo)系xmoy 還會存在夾角，同樣影響偏移量的計算，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際偏移值計算方法應(yīng)為：

式(2)中，k 為常量，主要為傳感器自身誤差對偏移量計算產(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，從而實現(xiàn)物料位置對準(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 個四象限傳感器實現(xiàn)物料位姿對準(zhǔn)。2 個四象限傳感器分別與2 個米字標(biāo)對應(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際偏移值及2 個米字標(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 自動校正方案

物料傳輸系統(tǒng)主要由物料庫、機械手、激光發(fā)射裝置和四象限傳感器組成。其中，物料庫是物料由外部進入設(shè)備內(nèi)部的“窗口”；機械手可在物料庫和運動臺間多個工位移動、旋轉(zhuǎn)進行物料拾取、放置，將物料以一定精度裝載至運動臺；激光發(fā)射裝置固定于機械手與運動臺交接工位正上方；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)對應(yīng)。四象限傳感器、激光發(fā)射裝置與物料的相對位置關(guān)系如圖6 所示。

圖6 傳感器、激光發(fā)射裝置及物料相對位置關(guān)系示意圖

機械手將物料裝載至運動臺的流程為：運動臺運動至交接位置（記為交接零位），機械手在運動臺側(cè)零位向運動臺靠近至交接位，隨后下降將物料放置在運動臺，最后機械手退回至運動臺側(cè)零位。機械手將物料由物料庫2 裝載至運動臺的俯視運動軌跡依次為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)由物料庫傳送至運動臺的過程會造成物料位置發(fā)生一定偏移。

為自動校正傳輸過程中產(chǎn)生的偏移，在機械手位于交接位時，上位機軟件發(fā)送指令采集四象限傳感器的輸出電流，計算物料實際位姿偏移，控制運動臺微動自動執(zhí)行補償，隨后機械手下降放置物料并退回運動臺側(cè)零位，最后控制運動臺返回交接零位，再次發(fā)送指令采集四象限傳感器的輸出電流，計算此時物料實際位姿偏移，如圖8 所示。

圖8 自動校正流程圖

2.2 補償標(biāo)定方案

使用四象限傳感器測量物料位姿偏差后，控制運動臺同向微動自動補償物料位姿偏差。此時物料位于運動臺前與運動臺無接觸，并且物料位姿偏差測量坐標(biāo)系與運動臺坐標(biāo)系并非線性對應(yīng)。

物料中心與運動臺中心存在偏差，同樣物料坐標(biāo)系與運動臺坐標(biāo)系存在夾角。控制運動臺微動，直至使用四象限傳感器測量的物料位姿偏差為零，即[x y Rz]TQD=[0 0 0]TQD，記錄此時運動臺的絕對坐標(biāo)位置[xS0yS0RzS0]T。

隨后依次控制運動臺分別在X、Y、Rz3 個方向單獨移動讀取物料位姿偏移并返回原位置，即控制運動臺在X 向相對移動[x 0 0)]TS，讀取此時物料位姿偏移[x1y1Rz1]TQD后返回[xS0yS0RzS0]T；控制運動臺在Y 向相對移動[0 y 0)]TS，讀取此時物料位姿偏移[x2y2Rz2]TQD后返回[xS0yS0RzS0]T；控制運動臺在Rz 向相對移動[0 0 Rz]TS，讀取此時物料位姿偏移[x3y3Rz3]TQD后返回[xS0yS0RzS0]T，其計算如式(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動臺補償距離的映射關(guān)系。[x y Rz]TS為運動臺相對運動距離，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]為運動臺相對移動距離、[QD]為測量的位姿誤差，即可得出物料位姿偏移與運動臺相對運動距離的映射矩陣A。

3 實驗驗證

3.1 位姿測量驗證

為驗證自動校準(zhǔn)策略可行性，首先測試物料位姿偏差測量的可靠性。實驗采取控制變量法，通過物料傳輸系統(tǒng)將物料由物料庫運送至機械手，停留在預(yù)對準(zhǔn)位置，與預(yù)對準(zhǔn)單元建立連接并初始化，手動讀取測量位姿偏差，重復(fù)讀取十次記錄后計算位姿偏差平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。詳細實驗數(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)，且位姿偏移測量方案數(shù)據(jù)穩(wěn)定，表明使用四象限傳感器測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均會對Rz 產(chǎn)生影響。但整體而言，四象限傳感器測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

3.2 映射矩陣標(biāo)定

在驗證物料位姿偏差測量數(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)計算，分別控制運動臺在X、Y 向相對運動100 μm，Rz 向相對運動100 μrad，分別讀取物料位姿偏差，共執(zhí)行3 組試驗。試驗標(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，即可依測量的物料位姿偏移及映射矩陣得出運動臺補償距離，執(zhí)行包含自動校準(zhǔn)策略的物料裝載，從而提高物料裝載精度。

3.3 自動校正策略驗證

在完成位姿測量方案驗證和映射矩陣標(biāo)定的基礎(chǔ)上，最后開展實驗驗證自動校正策略。實驗流程為：物料傳輸系統(tǒng)將物料由物料庫運送至機械手，隨后按圖7 所示流程執(zhí)行自動校正策略，將物料裝載至運動臺。此過程共記錄兩次物料位姿偏移值，第一次為運動臺執(zhí)行補償前的偏移值，第二次為完成補償、物料裝載至運動臺，且運動臺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，且卸載時無需執(zhí)行自動校準(zhǔn)策略。

物料從物料庫裝載至運動臺、由運動臺卸載回物料庫為一次完整實驗流程。由以上實驗流程描述可知一次實驗共獲得兩次物料位姿偏移數(shù)據(jù)，將第一次記為補償前，第二次記為補償后。

共執(zhí)行15 次完整實驗流程，獲得30 組物料位姿偏移數(shù)據(jù)，并計算物料補償前、補償后位姿偏移均值及標(biāo)準(zhǔn)差，詳細數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 自動校準(zhǔn)策略驗證實驗數(shù)據(jù)

表3 中補償前位置偏差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，較補償前各方向偏移均有明顯校正。此外，補償前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，較補償前各方向標(biāo)準(zhǔn)差同樣有明顯減小，且補償后的物料位姿偏移遠優(yōu)于重復(fù)定位精度要求。

由實驗數(shù)據(jù)可以看出補償前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)部機械結(jié)構(gòu)僅能較好的保證X 向偏差較??；補償后各方向偏移均有明顯減小，表明自動校準(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)差均遠低于要求范圍，表明自動校準(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校準(zhǔn)策略，通過實驗證明，該策略可行，物料傳輸系統(tǒng)對精度損失的影響小，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、運動臺運動精度、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、耗時長，且受操作員自身水平影響較大。今后在這兩個方面還需進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，進而提升自動校正策略核心數(shù)據(jù)的標(biāo)定效率。