- DOI:
10.13738/j.cnki.acc.qklw60536
- 专辑:
科学Ⅰ辑;信息科技
- 专题:
信息、科学;综合科技
- 分类号:
G90;N92
摘要:在半导体制造向纳米级工艺演进的背景下,真空晶圆搬运机器人的运动精度稳定性成为决定芯片良率的核心指标。机器人金属结构的热膨胀特性使其在 ±2℃的环境温变中,即可产生 5-10μm 的末端定位偏差,这一误差超过 14nm 制程的工艺容限(约 3nm)[1]。传统评估方法因忽略温度影响,导致非恒温环境下的重复定位精度测试值与实际工艺场景偏差达 40% 以上[2],严重影响设备性能判定的可靠性。
关键词:半导体 晶圆搬运机器人 重复精度评估
精确评估机器人运动精度稳定性,对半导体制造意义重大。可为企业提供可靠设备性能数据,辅助设备采购,确保真空晶圆搬运机器人满足高精度制造要求。制造时,基于评估结果能优化工艺参数,提升生产效率、降低废品率,增强企业竞争力。
1 研究目标和内容
本研究构建了一套基于温度补偿的真空晶圆搬运机器人运动精度稳定性评估系统,针对非恒温环境下的精度评估问题,通过硬件设计与算法补偿实现精准测量。系统硬件包括高精度激光位移传感器(用于检测手臂末端径向、旋转、升降三向偏移)和温度传感器(实时监测环境温度),上位机负责多源数据采集、温度补偿计算及修正数据输出。其核心原理是基于金属材料热膨胀系数与机器人手臂结构模型,建立温度变化与末端位姿偏移的数学关系,通过实时温度数据计算热膨胀引起的位置偏差并修正激光测量值,消除温度干扰。实验验证环节通过多温域对比实验设计,分析不同温度条件下的重复定位精度、轨迹跟踪误差等指标,结果表明该方法能有效降低温度对评估结果的影响,相比传统方法在消除温度干扰、提升评估准确性方面具有显著优势。
2 重复性精度评估系统设计
2.1 系统总体架构
基于温度补偿的机器人运动精度稳定性评估系统由温度传感器、激光位移传感器与上位机组成,通过多部件协同实现非恒温环境下的精度测量。温度传感器选用高精度热电偶或热敏电阻,布置于机械臂关节等关键部位及工作环境中,实时采集温度变化数据 —— 热电偶利用热电效应快速响应温变,热敏电阻通过电阻值变化精准测温。激光位移传感器采用三角测量法,通过发射 - 接收激光束计算物体位移,三个传感器分别安装于特定支架,形成径向、旋转、升降三向监测布局,实时获取手臂末端三维偏移数据。上位机作为核心处理单元,通过高速接口同步采集温度与位移数据,基于金属热膨胀系数和机器人结构模型构建补偿算法,实时计算温度变化引起的热膨胀形变并修正位移测量值;同时控制机器人执行预设轨迹重复运动,对修正后数据进行统计分析,计算重复定位精度、轨迹跟踪误差等指标,评估不同温度条件下的运动稳定性。系统工作时,温度传感器与激光传感器持续向上位机传输数据,经补偿算法消除温变干扰后,最终输出反映机器人真实运动精度的评估结果。
2.2 系统硬件选型
硬件选型是否合理对系统性能和精度起着决定性作用。该系统的核心硬件为温度传感器与激光位移传感器,二者性能参数独特,在系统中发挥着不可替代的作用。
系统选用高精度热电偶作为温度传感器,其工作原理是塞贝克效应,在常见工业应用温度范围内,精度能控制在 ±0.1℃以内,能满足系统对温度测量的高要求。并且,热电偶稳定性和可靠性良好,能在复杂工作环境中长时间稳定运行。在本系统中,热电偶被安装在机器人机械臂、关节以及工作空间周围等关键位置,全方位、精准地采集环境温度信息,为后续温度补偿计算提供可靠数据支撑。
激光位移传感器是测量机器人手臂末端偏移位置的核心部件,系统选用的是基于三角测量法的激光位移传感器。它的工作原理是向被测物体表面发射激光束,激光束经物体表面反射后,被传感器内部光学系统接收,通过测量反射光与发射光的角度差,再结合已知的传感器结构参数,就能精确算出物体与传感器之间的距离变化,从而实现对机器人手臂末端位移的高精度测量。此激光位移传感器分辨率极高,可达纳米级,能精准检测到机器人手臂末端极其微小的位移变化;测量精度同样出色,在一定测量范围内,精度可达 ±0.001mm,满足对机器人运动精度的高精度测量需求。
在实际使用中,为全面监测机器人手臂末端在不同方向的偏移位置,系统采用了三个激光位移传感器。其中一个安装在特定支架上,用于测量手臂末端径向方向的偏移,精准获取手臂水平方向的位移信息;另外两个从不同角度安装,分别测量旋转和升降方向的偏移,实现对机器人手臂末端三维空间运动的全方位监测。这三个激光位移传感器协同工作,全面、准确地获取机器人手臂末端的运动信息,为上位机进行精度评估和温度补偿提供了丰富、可靠的数据。
2.3 软件功能模块
上位机软件是核心控制中枢,集成数据采集、处理、分析与控制四大功能模块,通过模块间协同实现全流程精度评估。软件通过高速接口(如 USB 3.0)以 100-1000Hz 采样率同步采集温度传感器的热电势信号与激光位移传感器的三向位移数据,先对原始数据进行异常值过滤等预处理。数据处理模块基于机器人手臂材料热膨胀系数和结构模型,采用有限元分析等算法建立温度 - 形变数学关系,实时计算温度变化引起的末端热膨胀量并修正激光测量的偏移值。数据分析模块则对修正后的数据进行统计分析,通过计算重复定位精度(多次定位偏差的均方根)、轨迹跟踪误差(实际轨迹与预设轨迹的偏差)等核心指标,评估不同温度范围下的运动稳定性。控制模块根据预设参数生成运动指令,驱动机器人执行多周期重复运动,并通过闭环反馈实时调整轨迹,确保数据采集的全面性。整个软件系统以 "控制 - 采集 - 补偿 - 分析" 为主线,形成从原始数据到评估结果的完整处理链,为真空晶圆搬运机器人的精度优化提供量化依据。
3 精度评估方法
在实际评估机器人的运动精度稳定性时,需要根据修正后的数据进行全面、深入的分析。上位机会对修正后的偏移位置数据进行统计和计算,得出重复定位精度和标准差等评估指标的具体数值。上位机可以将机器人在不同温度条件下的重复定位精度和标准差进行对比分析,从而清晰地了解温度对机器人运动精度稳定性的影响规律。还可以通过绘制运动精度曲线,直观地展示机器人在不同温度条件下的运动精度变化情况。以采样次数为横坐标,以单轴定位数据为纵坐标,绘制出采样次数 - 单轴定位数据的二维曲线。通过观察曲线的走势和波动情况,可以判断机器人的运动精度是否稳定。如果曲线收敛于阈值要求范围内,即曲线的波动较小,数据较为集中,则判定机器人的运动精度稳定;反之,如果曲线波动较大,数据分散,则说明机器人的运动精度稳定性较差,需要进一步分析原因并进行优化。
参考文献
[1] SEMI E89-1103 Guide for measuring wafer handling robot positioning accuracy
[2] 王建国. 工业机器人热误差补偿技术[M]. 机械工业出版社,2018.
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