基于四象限传感器的物料自动校准策略研究

常美榕，刁坤杰，周小水，刘嘉玮，史文明

( 中国电子科技集团公司第四十五研究所， 北京 100176)

高端半导体制造设备精度高、结构复杂且构成单元数量多，自动化程度高。因此，物料传输系统成为必备的基本配置[1]。

物料传输系统除需要具备安全、可靠、准确、高效等特点外，还要求其能够自动、准确地补偿物料传输系统集成及传输过程造成的偏移，实现高精度、高重复性的物料装载，采用光电传感器进行位置探测和控制。

象限光电传感器具有精度高、反应快、非接触式等优点，在高分辨率的位移偏差测量、对准控制等方面应用广泛[2]。常用的四象限传感器是将一个圆形或方形象限传感器的光敏面分割为面积相等、形状相同、位置对称且相对独立的四部分。通过测量光束的光斑在各象限的电信号差异，确定光斑相对于四象限传感器中心的位置变化，从而测定位移偏差。

本文介绍了一种基于四象限传感器的物料校准策略，借助2 个四象限传感器定位物料位置、姿态信息，并在装载前控制运动台微动预先补偿，提高物料装载精度和重复性。

首先介绍了四象限传感器的工作原理及物料位姿测量方法，然后指出基于四象限传感器测量系统的构成和工作流程，设计了运动台预补偿方法，并进行了实验验证。

1 位姿测量原理

1.1 四象限传感器工作原理

四象限传感器是光电传感器的一种，是由光电二极管排列而成的光电传感器件，可将光信号转换成电信号输出。按照笛卡尔坐标系可将其分成四部分，对应传感器的四个象限，分别标记为1、2、3、4，各象限间存在不能感光的沟道，称为死区，如图1 所示（本文以方形光敏面的四象限传感器为例）。激光照射在传感器光敏面，经传感器内部电路转换输出电流，各象限电流值分别记为I1、I2、I3、I4。理想状态下，激光发射装置位于四象限传感器正上方且无不透光物遮挡时，各象限的输出电流值相等，即I1=I2=I3=I4。

图1 坐标系下传感器各象限示意图

通常物料表面包含用于对准的图形、标记等，本文以“米”字形标记为例进行研究。“米”字形标记简称米字标，通常是中心透光四周不透光的图形，位于物料边缘且成对出现，如图2 所示。

图2 米字标示意图

光束透过标记在四象限传感器光敏面形成光斑，理想状态下，物料上米字标中心与四象限中心重合，激光光斑经米字标投影在四象限传感器上各象限的面积相同，即各象限输出电流值相等（由于四象限传感器死区所占比例较小且呈中心对称，忽略死区对各象限输出电流的影响），如图3 所示。

图3 投影示意图

1.2 位姿测量方案

物料位置发生偏移时，米字标中心与四象限传感器中心不重叠，传感器四个象限的输出电流值各不相同，计算各象限间的输出电流差值即可得出笛卡尔坐标系下米字标中心相对传感器中心x、y 方向的偏移值[3]，计算方法如式(1)所示：

为消除光斑自身因素对输出电流I1、I2、I3、I4的影响，计算偏移值时做归一化处理。△x 为米字标中心相对于传感器中心x 向的偏移量，△y 为米字标中心相对于传感器中心y 向的偏移量。

然而，实际使用场景下，传感器自身的结构、滤波放大电路的均匀度、激光发射装置光量均匀性等均影响偏移量的计算。此外，实际装配时传感器坐标系xqdoyqd与笛卡尔坐标系xmoy 还会存在夹角，同样影响偏移量的计算，如图4 所示。

图4 传感器坐标系与笛卡尔坐标系关系

因此，米字标中心较传感器中心的实际偏移值计算方法应为：

式(2)中，k 为常量，主要为传感器自身误差对偏移量计算产生的影响，α 为传感器坐标系与笛卡尔坐标系的夹角。xqd、yqd为理想状态下米字标中心偏移值，xm、ym为笛卡尔坐标系下米字标中心实际偏移值。

使用四象限传感器能够准确得出米字标在X、Y 方向的位置偏移，从而实现物料位置对准。为定位物料绕Z 轴的旋转角度，即Rz方向的姿态信息，可借助2 个四象限传感器实现物料位姿对准。2 个四象限传感器分别与2 个米字标对应，传感器分布如图5 所示。

图5 四象限传感器分布图

2 个四象限传感器分别记为QD1、QD2，米字标中心较传感器中心的实际偏移值及2 个米字标中心的夹角分别为：

式(3)中，xqd1、yqd1、xqd2、yqd2分别为米字标中心较传感器中心在x、y 方向的理论偏移值，α1、α2分别为QD1、QD2坐标系与笛卡尔坐标系的夹角。x1、y1、x2、y2分别为米字标中心较传感器中心的实际偏移值，θ 为两米字标中心的夹角[4]。

为定位物料的位置、姿态偏移，本文以QD1为基准，将x1、y1视为物料在x、y 方向的位置偏移，2个米字标中心的夹角视为物料在Rz 方向的偏移，因此在X、Y、Rz 方向上位姿偏移值分别为x1、y1、θ。

2 校正策略

2.1 自动校正方案

物料传输系统主要由物料库、机械手、激光发射装置和四象限传感器组成。其中，物料库是物料由外部进入设备内部的“窗口”；机械手可在物料库和运动台间多个工位移动、旋转进行物料拾取、放置，将物料以一定精度装载至运动台；激光发射装置固定于机械手与运动台交接工位正上方；四象限传感器固定于交接工位正下方，分别与物料上的米字标对应。四象限传感器、激光发射装置与物料的相对位置关系如图6 所示。

图6 传感器、激光发射装置及物料相对位置关系示意图

机械手将物料装载至运动台的流程为：运动台运动至交接位置（记为交接零位），机械手在运动台侧零位向运动台靠近至交接位，随后下降将物料放置在运动台，最后机械手退回至运动台侧零位。机械手将物料由物料库2 装载至运动台的俯视运动轨迹依次为a-b-a-c-d，如图7 所示。

图7 装载物料俯视示意图

通常，物料装载重复定位精度要求为X 向不高于400 μm，Y 向不高于400 μm，Rz 向不高于700 μrad；X、Y 向标准差不高于10 μm，Rz 向标准差不高于100 μrad[5]。然而经物料传输系统由物料库传送至运动台的过程会造成物料位置发生一定偏移。

为自动校正传输过程中产生的偏移，在机械手位于交接位时，上位机软件发送指令采集四象限传感器的输出电流，计算物料实际位姿偏移，控制运动台微动自动执行补偿，随后机械手下降放置物料并退回运动台侧零位，最后控制运动台返回交接零位，再次发送指令采集四象限传感器的输出电流，计算此时物料实际位姿偏移，如图8 所示。

图8 自动校正流程图

2.2 补偿标定方案

使用四象限传感器测量物料位姿偏差后，控制运动台同向微动自动补偿物料位姿偏差。此时物料位于运动台前与运动台无接触，并且物料位姿偏差测量坐标系与运动台坐标系并非线性对应。

物料中心与运动台中心存在偏差，同样物料坐标系与运动台坐标系存在夹角。控制运动台微动，直至使用四象限传感器测量的物料位姿偏差为零，即[x y Rz]TQD=[0 0 0]TQD，记录此时运动台的绝对坐标位置[xS0yS0RzS0]T。

随后依次控制运动台分别在X、Y、Rz3 个方向单独移动读取物料位姿偏移并返回原位置，即控制运动台在X 向相对移动[x 0 0)]TS，读取此时物料位姿偏移[x1y1Rz1]TQD后返回[xS0yS0RzS0]T；控制运动台在Y 向相对移动[0 y 0)]TS，读取此时物料位姿偏移[x2y2Rz2]TQD后返回[xS0yS0RzS0]T；控制运动台在Rz 向相对移动[0 0 Rz]TS，读取此时物料位姿偏移[x3y3Rz3]TQD后返回[xS0yS0RzS0]T，其计算如式(4)所示：

其中，[x y Rz]TQD为物料位姿偏移，记作QD。A 为物料位姿偏差与运动台补偿距离的映射关系。[x y Rz]TS为运动台相对运动距离，记做S。则A 应为三阶矩阵：

因此，式(4)可记为[QD]=[A][S]，其中[S]为运动台相对移动距离、[QD]为测量的位姿误差，即可得出物料位姿偏移与运动台相对运动距离的映射矩阵A。

3 实验验证

3.1 位姿测量验证

为验证自动校准策略可行性，首先测试物料位姿偏差测量的可靠性。实验采取控制变量法，通过物料传输系统将物料由物料库运送至机械手，停留在预对准位置，与预对准单元建立连接并初始化，手动读取测量位姿偏差，重复读取十次记录后计算位姿偏差平均值和标准差。详细实验数据如表1 所示。

表1 物料位姿偏移

由表1 可以看出，物料在X 向位置偏移均值为70.657 μm，Y 向位置偏移均值为206.086 μm，Rz 向姿态偏移均值为-704.643 μrad。X、Y 向的标准差分别为1.615 μm、2.377 μm，Rz 向标准差为10.383 μrad。各方向标准差均在合理范围内，且位姿偏移测量方案数据稳定，表明使用四象限传感器测量物料位姿偏差具备可行性与可靠性。

Rz 向标准差较X、Y 向稍大，是由于X、Y 向仅由QD1标定测出物料位置偏差，Rz 向则由QD1、QD2标定的位置偏差联合确定，因此任传感器任一方向的位置偏差波动均会对Rz 产生影响。但整体而言，四象限传感器测量数据稳定可靠。

3.2 映射矩阵标定

在验证物料位姿偏差测量数据可靠性的基础上，按照本文所提出的映射关系标定方案，执行映射矩阵A 的标定。为便于数据计算，分别控制运动台在X、Y 向相对运动100 μm，Rz 向相对运动100 μrad，分别读取物料位姿偏差，共执行3 组试验。试验标定数据如表2 所示。

表2 映射矩阵标定数据

将表2 数据带入式(4)即可得出映射矩阵[A]中各元素的数值，结果如式(5)：

映射矩阵A 标定完成后，即可依测量的物料位姿偏移及映射矩阵得出运动台补偿距离，执行包含自动校准策略的物料装载，从而提高物料装载精度。

3.3 自动校正策略验证

在完成位姿测量方案验证和映射矩阵标定的基础上，最后开展实验验证自动校正策略。实验流程为：物料传输系统将物料由物料库运送至机械手，随后按图7 所示流程执行自动校正策略，将物料装载至运动台。此过程共记录两次物料位姿偏移值，第一次为运动台执行补偿前的偏移值，第二次为完成补偿、物料装载至运动台，且运动台返回交接零位后的偏移值。最后反向将物料卸载至物料库，且卸载时无需执行自动校准策略。

物料从物料库装载至运动台、由运动台卸载回物料库为一次完整实验流程。由以上实验流程描述可知一次实验共获得两次物料位姿偏移数据，将第一次记为补偿前，第二次记为补偿后。

共执行15 次完整实验流程，获得30 组物料位姿偏移数据，并计算物料补偿前、补偿后位姿偏移均值及标准差，详细数据如表3 所示。

表3 自动校准策略验证实验数据

表3 中补偿前位置偏差X 向均值为62.813 μm，Y 向均值为410.111μm，Rz 向均值为-740.975μrad，补偿后位置偏差X 向均值为7.760 μm，Y 向均值为6.146 μm，Rz 向均值为39.666 μrad，较补偿前各方向偏移均有明显校正。此外，补偿前X 向标准差为36.043 μm，Y 向标准差为9.369 μm，Rz 向标准差为24.374 μrad，补偿后X 向标准差为2.210 μm，Y向标准差为2.602 μm，Rz 向标准差为9.060 μrad，较补偿前各方向标准差同样有明显减小，且补偿后的物料位姿偏移远优于重复定位精度要求。

由实验数据可以看出补偿前X 向偏移值较小，Y 向、Rz 向偏移值较大，这可能是物料传输系统内部机械结构仅能较好的保证X 向偏差较小；补偿后各方向偏移均有明显减小，表明自动校准策略的引入极大程度的提高了物料装载精度，且各方向的标准差均远低于要求范围，表明自动校准策略是稳定可靠的。

4 结束语

在半导体制造设备物料传输系统中，为减小物料位姿偏移的影响，提出了一种基于四象限传感器的物料自动校准策略，通过实验证明，该策略可行，物料传输系统对精度损失的影响小，提升了物料重复定位精度，稳定性好，可靠性高，为半导体制造设备提升物料装载精度提供了可行的技术方案。

但本文所提的映射矩阵标定方案仍存在一定局限性：一是映射矩阵不具备通用性，其影响因素有四象限传感器性能、运动台运动精度、激光发射装置及传感器的安装误差等；二是映射矩阵采用人工标定的方式效率低、耗时长，且受操作员自身水平影响较大。今后在这两个方面还需进一步深入研究和不断优化，使其标定操作更规范、标定结果兼容性更强，进而提升自动校正策略核心数据的标定效率。