预对准机与机械手相对坐标系标定

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在实际应用中，由于制造、装配及驱动装置等存在误差，难以保证晶圆转动中心处与 CCD线阵的相对位置，即晶圆实际转动中心与理论转动中心并不重合，并且实际转动中心的位置也无法预先得知Ⅲ。而由预对准机的误差分析可知，这会给晶圆偏心角及缺口转角识别带来误差口。另外，当预对准结束时，晶圆最终要被机械手以-定姿态取走 ，并且应当保证晶圆每次被取走时其在机械手上的位置-致，因此需要准确获得预对准机到机械手基坐标系的位姿关系。而在实际应用中，这-位姿关系中的各参数也必定存在误差I3。综上所述，在对晶圆预对准之前应先进行对预对准机 自身及预对准机与机械手之间相对坐标系的标定。

2预对准机自身标定如图1所示，为预对准原理图，预对准机以吸盘吸附带动晶圆绕转动中心转动，并由设置在晶圆边缘附近的线阵 CCD传感器来采集晶圆边缘的信息，使晶圆转动-周，可获得转动过程中每-转角所对应的晶圆边缘与CCD线阵所在直线交点P的信息，即 OP的长度，根据所采集到的信息采用适当的算法即可获得晶圆的偏心及缺口位 。理论上，晶圆的转动中心应当处在CCD线阵所在直线上，但实际上 ，由于制造及装配存在误差，晶圆实际的转动中心会相对理论转动中心产生-定的偏置，这里 0为晶圆理论转动中心，0 为晶圆实际转动中心。这个偏置会给晶圆偏心及缺口的识别带来误差。

图 l预对准原理图Fig.1 Pre-Alignment Principle Diagram为了仿真预对准过程并进-步分析各项因素对预对准过程的影响，应首先建立晶圆边缘信息采集模型。根据图l所示的模型，以晶圆理论转动中心 0为原点 ，并以通过 0点的 CCD线阵来稿日期：2012-09-11基金项目：国家科技重大专项/Ic装备机械手及硅片传输系统系列产品研发与产业化(20o9zxO2012)作者简介：李学威，(1975-)，男，辽宁北票人，工程师，主要研究方向：机器人技术186 李学威等：预对准机与机械手相对坐标系标定 第7期所在直线为 轴建立坐标系XOY。设晶圆实际转动中心 0与理论转动中心 0的距离 00 为e，00 相对 轴的转角为 ct；晶圆圆心为 C，晶圆偏心量 0 C长度为 d，0 C相对 00 的转角为 t。晶圆缺口顶点与晶圆圆心 C所在直线连线相对 0 C转角为 b。晶圆边缘与 CCD线阵所在直线交点为 P。当晶圆转动时，随着 t的变化，OP长度也会跟着变化，设 OP长度为 ，晶圆半径为R，不考虑缺口，则当晶圆圆周与CCD线阵所在直线相交时，L与以上各参数之间的关系为：Leeosa-dcos(t-Ⅱ)VR-(esinadsin(t-a)) (1)对预对准机自身的标定仅限于对晶圆实际转动中心 0 e，。)的标定。由图 1可知，在每次晶圆预对准过程中，晶圆圆心 C的位置由晶圆实际转动中心 0(e，。)的位置，及晶圆圆心 C相对实际转动中心 0 的位置(d，t)同时决定，即在式 1中存在四个未知数 e、a，d、f，若已知晶圆边缘与CCD线阵的四个交点的读数及相对应的电机转角，则可得到关于以上四个参数的四个方程，求角方程组即可得到这四个参数的确切值。此方法的问题在于，由于CCD读数存在误差，所得到的方程的解必然存在偏差，并且由仿真可知，即使CCD的精度达到 lOlm以内，仍无法得到较为准确的解，偏差较大。采用参数拟合的方法也同样会有较大的偏差。因此，这种方法不适合对晶圆实际转动中心位置的标定。由晶圆预对准误差分析可知.晶圆转动中心偏置对晶圆偏心缺口的识别造成的误差可转化成-固定的转角，而对晶圆偏心量识别的影响可忽略不计。依此结论，可进-步将此固定转角转化到预对准机与机械手的坐标转换矩阵中去。因此，可将预对准机自身标定及预对准机与机械手相对坐标系的标定结合在-起进行标定。

3预对准机标定整体思路根据晶圆预对准误差精度分析结果，利用误差转化的方法将预对准机自身误差转化成预对准机与机械手相对坐标系误差，从而实现预对准机自身与相对坐标系的综合标定。

误 结 转 偏 自 相 相差 论 动 导 心 导 身 转 对 转 对中 致 角 致 坐 化 坐 化 坐分 心 识 标 标 标析 偏 别 系 系 系置 误 误 误 标差 差 差 定图2预对准机标定整体思路Fig.2 The Whole Calibration Idea of Pre-Alignment Machine4预对准机与机械手相对坐标系标定预对准机与机械手相对坐标系标定包括，坐标系相对位置标定，即坐标系原点相对位置标定，以及坐标系相对姿态标定，即坐标系相对方向的标定。

4.1预对准机与机械手坐标系相对方向标定预对准机与机械手坐标系相对方向的标定可通过求两者相应坐标轴的夹角(只讨论 轴和 y轴)来获得。根据预对准机和机械手各自的特点，并结合预对准机自身具备的检测功能提出了多种方式来对两者相对方向进行标定。

4.1.1平移法首先机械手将晶耘置在预对准机上，由预对准机识别出晶圆圆心在坐标系xoy中的位置 c，再由机械手抓起晶圆沿自身坐标系 x轴方向移动距离 AX，使晶圆圆心到达A点；arctan(ya-yC/xA C)即为所求；或者进行步假设晶圆圆心沿预对准机坐标系xoy的 轴移动距离 AX会到达 点，则连接 c、A、曰三点将构成以AX为腰、以Z为底的等腰三角形。则厶4CB即为机械手与预对准机坐标系相对方向的夹角，通过余弦定理可求得。

图3平移法Fig.3 Paralleling Method4.1.2改进平移法由于机械手无法或难以进行 R、Theta联动，即难以在任意位置沿 x 移动，则可让机械手带动晶圆沿当前的R向移动距离AX，因为当前机械手的位置在其自身坐标系下的转角已知，则机械手与 Aligner坐标系的相对方向也可求。

图4改进平移法Fig.4 Improved Paralleling Method4.1-3偏心补偿法由于现有 Aligner算法对于晶圆圆心相对于转轴的偏心量d的计算较为准确(可达到 0.1mm以下)，可晶圆圆心 C转至某-方向，同时将机械手的R向转至接近晶圆圆心当前的偏置方向，之后机械手将晶圆托起向前前进距离d，放下晶圆，由Aligner再次计算此时的偏心量 d ，如图5所示，则可得到等腰三角形 COC ，应用余弦定理，可求得角 t，依据此角 t对机械手或 Aligner的方向进行补偿。

No.7July.2013 机械设计与制造 187图5偏心补偿法Fig.5 The Eccentricity Compensation Methodtalco8( cos(1- 1 l d')) (2)重新放置晶圆，重复多次，求取平均值。

4-2预对准机与机械手坐标系相对位置标定4.2.1圆拟合法首先机械手将晶耘置预对准机上，由预对准机识别出晶圆圆心在坐标系xoy中的位置 c，再由机械手抓起晶圆绕其自身坐标系原点 o 转动-定角度后，将晶圆重新放置在预对准机上，再次识别晶圆圆心在坐标系xoy中的位置 C.，再由机l械手折魄 晶圆绕其自身坐标系原点o 转动 (这里认为机械手转轴通过其坐标系原点0 ，并目.其他轴不动)-定角度后，将晶圆重新放置在预对准机上，再次识别晶圆圆心在坐标系xoy中的位置 C ，以此类推，识别出晶圆圆心的多个位置，而这些位置所组成的点都在同-个圆上，而这个圆的圆心及为机械手坐标系原点O ，采用圆拟合方法即可求出O在预对准机坐标系下的坐标，即两者坐标系的相对位置。

4.2.2等腰三角形顶点法图6等腰三角形顶点法Fig.6 The Isosceles Triangle Vertex Method由于受Aligner检测范围的限制，机械手带动晶圆的转动范围有限，这样在小范围内进行的三点圆心计算精度不高，偏差较大。因此，改为让机械手带动晶圆转动-已知角度，这样就相当于已知了等腰三角形 CO C。的顶角 a及底边上的两个顶点 C、C 在 Aligner坐标系下的位置坐标(xc，yc)，( c ，yc。)，则等腰三角形的顶点 O(即机械手的坐标原点)在 Aligner坐标系下的位置也可求。且相对原始方案，此方案的计算精度可提高-个数量级，如图 6所示。

/.厂- -- ～ l 2s in od2 L-cos an( X ) )Jc-Xc 。 I，/-。/ sin2 i /o-，uon(. x) )(3) sn( ) ，/5标定实验分别选取偏心补偿法及等腰三角形顶点法进行预对准机与机械手相对姿态及相对位置的标定实验 ，实验平台如图 7所示。

标定结束后对参数进行补偿，之后让机械手再次与 aligner配合对晶圆偏心进行补偿，补偿后再次让 aligner计算晶圆偏心量，重复补偿 30次，得到补偿后的晶圆偏心量在(0.2-0.5)mm之间。而未标定之前，补偿后的晶圆偏心量在(4～7)mm之间。每次补偿晶圆偏心的同时利用CCD摄像机对晶圆进行重复定位置精度测量，得到晶圆的重复定位精度为(±0.3)mm。由实验可以看到，利用偏心补偿法及等腰三角形顶点法对预对准机与机械手相对坐标系进行标定，晶圆预对准的精度得到了明显的提高。

1.预对准机 2.晶圆 3.CCD摄像头 4.机械手图7预对准系统实验平台Fig.7 The Experimental Platform of Pre-Alignment System6结论利用误差转化的方法将预对准机 自身误差转化为预对准机与机械手相对坐标系的误差，进而进行预对准机自身及其与机械手相对坐标系的综合标定可有效提高晶圆预对准机的精度。