搬運機器人運動規劃與硅片校準技術研究

關鍵詞：集成電路；搬運機器人；運動控制；硅片校準算法

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

隨著全球半導體行業的興起，半導體機器人在國內外市場的需求不斷擴大[1-2]。然而，國際市場上半導體機器人主要由國外公司壟斷[3-6]。硅片搬運機器人是一種特殊的機器人，目前國外學者對半導體機器人進行了比較深入的研究。如對晶圓搬運機器人運動學分析與仿真，能夠實現較大的工作空間和靈活的運動方式[3]。對真空硅片搬運機器人本體的研究，并對硅片進行定位和對準操作[4]。對動態環境下機器人路徑的新型啟發蟻群規劃，機器人必須滿足嚴格的軌跡規劃性能、可靠性和控制精度等方面的要求[5]。這些研究雖然對機器人進行了一定的研究，但是缺乏對搬運機器人運動規劃與硅片校準技術研究。機器人運動學和硅片校準技術是不可或缺的要素[7-10]。通過硅片校準，可以實現對搬運機器人的自主操作和管理，可以提高半導體制造工藝的效率、質量和可靠性。本研究旨在探究半導體硅片搬運機器人在半導體裝備制造工作環境中的運動控制和硅片校準算法，以提高機器人的傳輸和操作效率。

1機器人系統概述

以某企業的硅片搬運機器人執行機構為例進行研究。該硅片搬運機器人通過高操控性的伺服馬達和控制軟件，在高級別的無塵環境下，實現低振動以及平穩快速搬送，如圖1所示。

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

2軌跡規劃

2.1軌跡規劃S型基本原理

常用的規劃方式有T規劃（梯形規劃）、S規劃（二次規劃），多項式規劃、sin規劃等。這里以S規劃為例進行說明，規劃對關節運動或空間運動、運動的路徑姿態軌跡無關，所以僅以多關節聯動為例[11-14]。S規劃也稱二次規劃，即速度和時間最高成二次關系，典型的S規劃速度曲線分為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規劃的加速度是連續的，因此在速度過渡處光滑。對于S規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，暫時默認最大減速度與最大加速度相等）、加加速度J這3個參數就可以確定整個運行過程[15-18]。

2.2連續軌跡處理

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

2.2.1關節到關節連續軌跡

連續軌跡段的速度為前一段減速速度與后一段加速速度之和，可保證實際運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。

在連續軌跡規劃段，將前一段的減速速度和后一段的加速速度相加，作為實際的速度。當前一段減速時間小于等于后一段加速時間時，可直接進行連續軌跡插補，直至前一段速度減到0，與后一段速度重合；當前一段減速時間大于后一段加速時間時，需先按照原減速規劃進入加減段進行減速，當剩余減速時間等于下一段加速時間時在跳轉到連續軌跡段，如果加減段結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、減減段繼續減速。

2.2.2關節到直線或直線到關節連續軌跡

關節運動到直線運動或直線運動到關節運動的連續軌跡處理，進入連續軌跡段后，即按正常直線運動做插補，反解獲得關節值，然后加上下一段關節運動加速段各軸差值，或減掉上一段關節運動減速段各軸差值即可。

2.2.3直線到直線連續軌跡

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入連續軌跡段后，連續軌跡段路徑為2條直線上的矢量和，如下圖7所示。

進入直線與直線之間連續軌跡時，姿態依次按此4個旋轉角度依次插補，可得從T'_new旋轉而來的姿態矩陣，再聯合該周期的位置插補，經過反解后即得到該周期的關節值。

3硅片校準

硅片校準是一種通過特定算法和設備對硅片進行位置、方向和形狀校準和調整的過程。在半導體制造工藝中，硅片校準是非常關鍵的一步，因為硅片在制造過程中需要經歷多個工序，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確會導致光刻圖案對應不準，從而影響器件性能和產量。硅片校準通常采用光學設備、機器人、控制算法等技術手段實現[19-20]。其中，廣泛應用的硅片校準技術是一種實時檢測硅片位置和方向的機器人和傳感器等設備，通過調整機器人運動軌跡和控制算法，使硅片的位置和方向達到所需精度。硅片校準技術具有響應速度快、精度高、可靠性強等優點，在半導體制造工藝中得到廣泛應用。自動硅片對中是通過驅動器鎖存兩次觸發傳感器時手指中心的位置，對比硅片校準標定時的相關數據即可獲取硅片在手指坐標系下的偏差。

4實驗結果與分析

4.1運動控制實驗

從驅動器采集到的半導體搬運機器人運動位置、速度和加速度過程數據，如圖8（a）～圖8（c）所示。

由圖8可知，半導體搬運機器人末端產生的TCP位置軌跡曲線連續可導，驗證了運動學數據的正確性。對連續位置曲線求取二階導數，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。

4.2硅片校準實驗

工位的硅片校準算法精度，如圖9所示。

半導體硅片傳輸機器人的理論位置值與運動學實際位置值的絕對誤差滿足工程實際需求，硅片校準糾偏后精度為小于±0.2mm。通過實驗驗證了半導體搬運機器人硅片校準算法的可行性和有效性，并證明其符合機器人實際運動性能。

5結語

（1）對半導體晶圓搬運機器人的機械本體和軟件架構進行了分析，并介紹了實驗平臺；

（2）在運動控制方面，提出了一種基于幾何法的分析方法，解耦了半導體搬運機器人運動學問題，并闡述了S型規劃方法和連續軌跡規劃方法，實驗證明了對連續位置曲線求取二階導數，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算法，該算法考慮了半導體制造中搬運機器人運動控制與硅片校準算法問題。并通過實驗驗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體搬運機器人的運動控制與硅片校準問題，且絕對誤差在0.2mm范圍內，為半導體硅片搬運機器人應用提供了可行性依據。