搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃與硅片校準(zhǔn)技術(shù)研究

關(guān)鍵詞：集成電路；搬運(yùn)機(jī)器人；運(yùn)動控制；硅片校準(zhǔn)算法

中圖分類號：TQ264.1；TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）12-0102-04

隨著全球半導(dǎo)體行業(yè)的興起，半導(dǎo)體機(jī)器人在國內(nèi)外市場的需求不斷擴(kuò)大[1-2]。然而，國際市場上半導(dǎo)體機(jī)器人主要由國外公司壟斷[3-6]。硅片搬運(yùn)機(jī)器人是一種特殊的機(jī)器人，目前國外學(xué)者對半導(dǎo)體機(jī)器人進(jìn)行了比較深入的研究。如對晶圓搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析與仿真，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的工作空間和靈活的運(yùn)動方式[3]。對真空硅片搬運(yùn)機(jī)器人本體的研究，并對硅片進(jìn)行定位和對準(zhǔn)操作[4]。對動態(tài)環(huán)境下機(jī)器人路徑的新型啟發(fā)蟻群規(guī)劃，機(jī)器人必須滿足嚴(yán)格的軌跡規(guī)劃性能、可靠性和控制精度等方面的要求[5]。這些研究雖然對機(jī)器人進(jìn)行了一定的研究，但是缺乏對搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃與硅片校準(zhǔn)技術(shù)研究。機(jī)器人運(yùn)動學(xué)和硅片校準(zhǔn)技術(shù)是不可或缺的要素[7-10]。通過硅片校準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)對搬運(yùn)機(jī)器人的自主操作和管理，可以提高半導(dǎo)體制造工藝的效率、質(zhì)量和可靠性。本研究旨在探究半導(dǎo)體硅片搬運(yùn)機(jī)器人在半導(dǎo)體裝備制造工作環(huán)境中的運(yùn)動控制和硅片校準(zhǔn)算法，以提高機(jī)器人的傳輸和操作效率。

1機(jī)器人系統(tǒng)概述

以某企業(yè)的硅片搬運(yùn)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行研究。該硅片搬運(yùn)機(jī)器人通過高操控性的伺服馬達(dá)和控制軟件，在高級別的無塵環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)低振動以及平穩(wěn)快速搬送，如圖1所示。

半導(dǎo)體機(jī)器人軟件操作系統(tǒng)支持Montavista，該系統(tǒng)級平臺提供一套完整的工具和可部署的運(yùn)行時組件，是嵌入式Linux開發(fā)解決方案的一部分。該軟件系統(tǒng)具有多個單核處理器，每個單核處理器用于運(yùn)行運(yùn)動控制算法、機(jī)器人算法、機(jī)器人任務(wù)分配、機(jī)器人引用中的一種。通過共享內(nèi)存來交換數(shù)據(jù)以獲取機(jī)器人變量、通訊方式等信息。此外，半導(dǎo)體硅片搬運(yùn)機(jī)器人應(yīng)用還包括應(yīng)用界面顯示、與上位機(jī)通信、應(yīng)用指令、應(yīng)用模型、應(yīng)用的上電邏輯等功能。

2軌跡規(guī)劃

2.1軌跡規(guī)劃S型基本原理

常用的規(guī)劃方式有T規(guī)劃（梯形規(guī)劃）、S規(guī)劃（二次規(guī)劃），多項(xiàng)式規(guī)劃、sin規(guī)劃等。這里以S規(guī)劃為例進(jìn)行說明，規(guī)劃對關(guān)節(jié)運(yùn)動或空間運(yùn)動、運(yùn)動的路徑姿態(tài)軌跡無關(guān)，所以僅以多關(guān)節(jié)聯(lián)動為例[11-14]。S規(guī)劃也稱二次規(guī)劃，即速度和時間最高成二次關(guān)系，典型的S規(guī)劃速度曲線分為7段，簡稱為加加、勻加、減加、勻速、加減、勻減、減減。7段速度曲線、加速度曲線以及加加速度曲線分別如圖2～圖4所示。

由圖2～圖4可知，S規(guī)劃的加速度是連續(xù)的，因此在速度過渡處光滑。對于S規(guī)劃只要確定最大速度V_max、最大加速度A_max（最大減速度D_max，暫時默認(rèn)最大減速度與最大加速度相等）、加加速度J這3個參數(shù)就可以確定整個運(yùn)行過程[15-18]。

2.2連續(xù)軌跡處理

在每段運(yùn)動之間采用連續(xù)軌跡可以避免頻繁起停、提升運(yùn)動柔順性及工作效率。在7段插補(bǔ)段以外定義第8種連續(xù)軌跡段，在前一段軌跡即將減速時，判斷是否連續(xù)軌跡連接下一段運(yùn)動，進(jìn)入連續(xù)軌跡段。

2.2.1關(guān)節(jié)到關(guān)節(jié)連續(xù)軌跡

連續(xù)軌跡段的速度為前一段減速速度與后一段加速速度之和，可保證實(shí)際運(yùn)動距離與兩段總距離一致。和速度不能超過最大速度，所以對以下2種情況分別考慮：

（1）前一段減速時間大于等于后一段加速時間見圖5。

在連續(xù)軌跡規(guī)劃段，將前一段的減速速度和后一段的加速速度相加，作為實(shí)際的速度。當(dāng)前一段減速時間小于等于后一段加速時間時，可直接進(jìn)行連續(xù)軌跡插補(bǔ)，直至前一段速度減到0，與后一段速度重合；當(dāng)前一段減速時間大于后一段加速時間時，需先按照原減速規(guī)劃進(jìn)入加減段進(jìn)行減速，當(dāng)剩余減速時間等于下一段加速時間時在跳轉(zhuǎn)到連續(xù)軌跡段，如果加減段結(jié)束剩余減速時間仍然大于下一段加速時間，依次跳入勻減段、減減段繼續(xù)減速。

2.2.2關(guān)節(jié)到直線或直線到關(guān)節(jié)連續(xù)軌跡

關(guān)節(jié)運(yùn)動到直線運(yùn)動或直線運(yùn)動到關(guān)節(jié)運(yùn)動的連續(xù)軌跡處理，進(jìn)入連續(xù)軌跡段后，即按正常直線運(yùn)動做插補(bǔ)，反解獲得關(guān)節(jié)值，然后加上下一段關(guān)節(jié)運(yùn)動加速段各軸差值，或減掉上一段關(guān)節(jié)運(yùn)動減速段各軸差值即可。

2.2.3直線到直線連續(xù)軌跡

同樣在保證前一段減速段時間小于等于后一段加速段時間進(jìn)入連續(xù)軌跡段后，連續(xù)軌跡段路徑為2條直線上的矢量和，如下圖7所示。

進(jìn)入直線與直線之間連續(xù)軌跡時，姿態(tài)依次按此4個旋轉(zhuǎn)角度依次插補(bǔ)，可得從T'_new旋轉(zhuǎn)而來的姿態(tài)矩陣，再聯(lián)合該周期的位置插補(bǔ)，經(jīng)過反解后即得到該周期的關(guān)節(jié)值。

3硅片校準(zhǔn)

硅片校準(zhǔn)是一種通過特定算法和設(shè)備對硅片進(jìn)行位置、方向和形狀校準(zhǔn)和調(diào)整的過程。在半導(dǎo)體制造工藝中，硅片校準(zhǔn)是非常關(guān)鍵的一步，因?yàn)楣杵谥圃爝^程中需要經(jīng)歷多個工序，如光刻、蝕刻、沉積等，每個工序都對硅片的位置和方向要求非常高。硅片位置或方向不準(zhǔn)確會導(dǎo)致光刻圖案對應(yīng)不準(zhǔn)，從而影響器件性能和產(chǎn)量。硅片校準(zhǔn)通常采用光學(xué)設(shè)備、機(jī)器人、控制算法等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)[19-20]。其中，廣泛應(yīng)用的硅片校準(zhǔn)技術(shù)是一種實(shí)時檢測硅片位置和方向的機(jī)器人和傳感器等設(shè)備，通過調(diào)整機(jī)器人運(yùn)動軌跡和控制算法，使硅片的位置和方向達(dá)到所需精度。硅片校準(zhǔn)技術(shù)具有響應(yīng)速度快、精度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在半導(dǎo)體制造工藝中得到廣泛應(yīng)用。自動硅片對中是通過驅(qū)動器鎖存兩次觸發(fā)傳感器時手指中心的位置，對比硅片校準(zhǔn)標(biāo)定時的相關(guān)數(shù)據(jù)即可獲取硅片在手指坐標(biāo)系下的偏差。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)

從驅(qū)動器采集到的半導(dǎo)體搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)動位置、速度和加速度過程數(shù)據(jù)，如圖8（a）～圖8（c）所示。

由圖8可知，半導(dǎo)體搬運(yùn)機(jī)器人末端產(chǎn)生的TCP位置軌跡曲線連續(xù)可導(dǎo)，驗(yàn)證了運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)的正確性。對連續(xù)位置曲線求取二階導(dǎo)數(shù)，其加速度可以看到加速度符合a=KJ。其中，J為加加速度；K為加速度方向參數(shù)。

4.2硅片校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

工位的硅片校準(zhǔn)算法精度，如圖9所示。

半導(dǎo)體硅片傳輸機(jī)器人的理論位置值與運(yùn)動學(xué)實(shí)際位置值的絕對誤差滿足工程實(shí)際需求，硅片校準(zhǔn)糾偏后精度為小于±0.2mm。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了半導(dǎo)體搬運(yùn)機(jī)器人硅片校準(zhǔn)算法的可行性和有效性，并證明其符合機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動性能。

5結(jié)語

（1）對半導(dǎo)體晶圓搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)械本體和軟件架構(gòu)進(jìn)行了分析，并介紹了實(shí)驗(yàn)平臺；

（2）在運(yùn)動控制方面，提出了一種基于幾何法的分析方法，解耦了半導(dǎo)體搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)問題，并闡述了S型規(guī)劃方法和連續(xù)軌跡規(guī)劃方法，實(shí)驗(yàn)證明了對連續(xù)位置曲線求取二階導(dǎo)數(shù)，其加速度可以看到加速度符合a=KJ；

（3）提出了一種硅片校準(zhǔn)算法，該算法考慮了半導(dǎo)體制造中搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)動控制與硅片校準(zhǔn)算法問題。并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出的方法的有效性和正確性。提出的方法可以有效地解決半導(dǎo)體搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動控制與硅片校準(zhǔn)問題，且絕對誤差在0.2mm范圍內(nèi)，為半導(dǎo)體硅片搬運(yùn)機(jī)器人應(yīng)用提供了可行性依據(jù)。