CN105514010A - 一种硅片安全运输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种硅片安全运输方法，对机械手片叉进行了位姿识别，通过在片叉上设置不在同一直线上的三个或以上的传感器，在基座上设定基准面，在基准面上设定探测点，片叉下表面的传感器探测到每个传感器与探测点的坐标值，再利用这些坐标值建立片叉下表面的平面方程，并结合基准面的平面方程，来得到片叉下表面与基准面之间的倾角，通过将上述坐标值中的Z距离值和预先设定的Z距离阈值进行比较，并且上述倾角与预先设定的倾角阈值进行比较，从而对机械手片叉进行相应的调整，确保片叉在理论示教数据的指定位置上，并且处于水平状态。

Description

一种硅片安全运输方法

技术领域

本发明涉及半导体加工设备技术领域，具体涉及一种硅片安全运输方法。

背景技术

硅片的安全存取和运输是集成电路大生产线一个非常重要的技术指标；在生产过程中通常要求运输设备自身导致的硅片破片率应小于十万分之一。作为批量式硅片热处理系统，相对于单片式工艺系统，每个生产工艺所需的硅片传输、硅片放置和取片次数更多，因而对硅片传输、硅片放置和取片的安全性和可靠性要求更高。

目前，机械手被广泛应用于半导体集成电路制造技术领域中，机械手是硅片传输系统中的重要设备，用于存取和运输工艺处理前和工艺处理后的硅片，其能够接受指令，精确地定位到三维或二维空间上的某一点进行取放硅片，既可对单枚硅片进行取放作业，也可对多枚硅片进行取放作业。

目前，批量式硅片热处理系统的硅片传取环节的位置参数一般采用离线示教的方式获取并存储在控制器中，同时按周期进行检测和校准。机械手根据存储的离线示教的数据对承载机构上放置的硅片进行取放操作。当机械手在对硅片进行取放作业时，硅片承载机构由于环境温度变化、负载变化以及机械结构变形等因素的影响，机械手按离线存储的位置坐标取放承载机构上的硅片时，存在产生碰撞导致硅片或设备受损的风险，造成不可弥补的损失。同时，由于硅片在热处理过程中产生的受热变形等情况也会使硅片的实际分布状态与离线示教位置参数有不同，使得机械手取放硅片的运动处于非安全状态，

请参阅图1，图1为现有技术中机械手在硅片传输、硅片放置和取片时的位置结构示意图。如图所示，当硅片2在支撑部件3上处于倾斜等异常状态时，机械手1在自动存取硅片2的运动处于非安全工作状态，非常容易造成硅片2及设备(包括机械手1)的损伤。在机械手1完成硅片放置后或准备取片前，需对支撑部件3上硅片组中的硅片2分布状态进行准确的位姿识别，同时对识别出的各种异常状态提供准确应对措施，以实现安全取放片。

在对硅片的位姿进行识别之前，对承载硅片的片叉的位姿识别是至关重要的，片叉倾斜或距离不准确与否将影响对硅片位姿识别的准确度。

发明内容

为了克服以上问题，本发明旨在对硅片的位姿进行识别之前，对承载硅片的片叉的位姿进行识别并作出相应调整，确保片叉处于水平状态、与基准面在合适的距离之内以及在理论示教数据的安全阈值范围内。

为了达到上述目的，本发明提供了硅片安全运输方法，包括机械手对硅片的拾取和放置，机械手安装于基座上，机械手具有片叉，片叉用于承载硅片，片叉是可翻转的，硅片放置于硅片承载装置中的支撑部件上，在片叉上表面和下表面分别具有不在同一个直线上的三个或以上的传感器，在对硅片的位姿进行识别之前，进行片叉位姿的识别和调整，所述片叉位姿的识别和调整包括：

步骤S01：在基座上设定基准面，并且设定位于所述基准面上的探测点，设定理论示教数据，机械手执行取放片操作指令；所述理论示教数据包括机械手运行的指定位置、机械手片叉的下表面相对于所述基准面的倾角阈值范围、以及机械手片叉的下表面相对于所述探测点的沿Z轴的距离阈值范围；选取基座上的水平面作为基准面；

步骤S02：机械手运行至所述理论示教数据中的指定位置后，所述片叉下表面的每个传感器探测相对于所述探测点的三维坐标值；

步骤S03：根据所述片叉下表面的每个传感器的所述坐标值求取所述片叉下表面的平面方程；

步骤S04：通过所述平面方程计算所述片叉下表面相对于所述基准面的倾角；

步骤S05：判断所述片叉下表面的每个传感器与所述探测点的沿Z轴的距离值是否在沿Z轴的所述距离阈值范围内以及判断所述片叉下表面相对于所述基准面的倾角是否在所述倾角阈值范围内；

步骤S06：当所述片叉下表面的每个传感器与所述探测点的沿Z轴的距离值不在沿Z轴的所述距离阈值范围内或者所述片叉下表面相对于所述基准面的倾角不在所述倾角阈值范围内，则对所述理论示教数据中的设定位置进行自动位置调整，同时更新所述理论示教数据；

当所述片叉下表面的每个传感器与所述探测点的沿Z轴的距离值在沿Z轴的所述距离阈值范围内并且所述片叉下表面相对于所述基准面的倾角在所述倾角阈值范围内，则所述机械手继续执行所述取放片操作；

当所述片叉下表面的每个传感器与所述探测点的沿Z轴的距离不在沿Z轴的所述距离阈值范围内并且所述片叉下表面相对于所述基准面的倾角不在所述倾角阈值范围内，则报警并等待处理。

优选地，所述步骤S06中，所述位置调整包括距离调整和倾角调整，其中，

所述距离调整过程包括：

步骤S601：所述片叉下表面的每个传感器连续两次探测与所述探测点的坐标值，得到所述片叉下表面的每个传感器的第一次坐标值和第二次坐标值；

步骤S602：求取第一次坐标值的Z值的第一平均值和第二次坐标值的Z值的第二平均值；

步骤S603：计算所述Z值的第一平均值和所述Z值的第二平均值的差值，作为沿Z轴的距离补偿值；

步骤S604：将所述理论示教数据中的每个指定位置在沿Z轴方向上均加上所述距离补偿值。

所述倾角调整过程包括：

步骤S611：根据所述片叉下表面的平面方程和所述基准面的平面方程，计算所述片叉下表面的法线矢量与所述基准面的法线矢量；

步骤S612：根据所述片叉下表面的法线矢量的坐标值与所述基准面的法线矢量之间的坐标值以及所述步骤S04中得到的倾角，在直角坐标系中计算所述片叉下表面的法线矢量沿X轴方向所旋转的角度以及沿Y轴方向所旋转的角度；

步骤S613：以所述片叉下表面的法线矢量沿X轴方向所旋转的角度使片叉沿X轴旋转，以所述片叉下表面的法线矢量沿Y轴方向所旋转的角度使片叉沿Y轴旋转，从而使所述片叉下表面相对于所述基准面的倾角在所述倾角阈值范围内；

步骤S614：计算调整后的所述片叉下表面的每个传感器探测与所述探测点的新的坐标值，判断新的沿Z轴的距离值是否在沿Z轴的所述距离阈值范围内；如果是，则所述机械手继续执行所述取放片操作；如果不是，则按照所述距离调整过程对所述片叉的所述理论示教数据中的每个指定位置进行沿Z轴的距离调整。

优选地，所述步骤S612中，包括：求取所述片叉下表面相对于所述基准面的旋转矩阵；然后，根据旋转矩阵乘以所述基准面的法线矢量得到所述片叉下表面的法线矢量，计算出所述片叉下表面的法线矢量相对于所述基准面的法线矢量沿X轴方向的旋转角度以及沿Y轴方向的旋转角度，所述片叉下表面的法线矢量相对于所述基准面的法线矢量沿X轴方向的旋转角度为所述片叉下表面相对于所述基准面沿X轴方向的旋转角度，所述片叉下表面的法线矢量相对于所述基准面的法线矢量沿X轴方向的旋转角度为所述片叉下表面相对于所述基准面沿Y轴方向的旋转角度；其中，所述旋转矩阵为

$L_z=\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}& 0\\ -\sin \mathrm{\α}& cos\mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right].$

优选地，所述传感器为光电传感器。

优选地，所述倾角阈值范围为倾角阈值的绝对值的正负值。

优选地，所述距离阈值包括第一级距离阈值和第二级距离阈值；所述第一级距离阈值为所述机械手重复定位的精度指标，所述第二级距离阈值为所述机械手实际的安全取放片裕量小于正常的安全取放片裕量的1/2时的距离值；所述安全取放片裕量包括：所述机械手片叉到其上方的支撑部件底部的距离的上安全取放片裕量，所述机械手片叉到其下方的硅片的距离的下安全取放片裕量。

优选地，所述步骤S06中，包括：

当所述片叉下表面的每个传感器与所述探测点的沿Z轴的距离小于所述第一级距离阈值时，并且所述片叉下表面相对于所述基准面的倾角在所述倾角阈值范围内，则所述机械手继续执行所述取放片操作；

当所述片叉下表面的每个传感器与所述探测点的沿Z轴的距离大于所述第一级距离阈值且小于所述第二级距离阈值，或者所述片叉下表面相对于所述基准面的倾角不在所述倾角阈值范围内时，则对所述理论示教数据中的设定位置进行自动位置调整，同时更新所述理论示教数据；

当所述片叉下表面的每个传感器与所述探测点的沿Z轴的距离大于所述第二级距离阈值，且所述片叉下表面相对于所述基准面的倾角不在所述倾角阈值范围内时，则报警并等待处理。

优选地，所述理论示教数据的指定位置中包括所述机械手预向下放片或预退出取片的第一位置、以及所述机械手预向上取片或预退出放片的第二位置，所述硅片安全运输方法还包括：在所述第一位置时，通过所述机械手的片叉下表面的每个传感器检测所述片叉下表面与所述片叉下方相邻支撑部件的距离，然后根据所述支撑部件之间的距离来推算所述片叉上表面距离所述片叉上方相邻硅片底部的实际距离，再比较所述实际距离与所述理论示教数据中的所述片叉上表面距离所述片叉上方相邻硅片底部的理论距离，得出第一差值，利用该第一差值来调整所述机械手片叉的第一位置；在所述第二位置时，通过所述机械手的片叉下表面的每个传感器检测所述片叉下表面与所述片叉下方相邻硅片顶部的实际距离，然后比较所述实际距离与所述理论示教数据中的所述片叉下表面距离所述片叉下方相邻硅片顶部的理论距离，得出第二差值，利用该第二差值来调整所述机械手片叉的第一位置。

优选地，所述探测点为一个或多个。

优选地，当探测点为多个时，求取所述片叉下表面的每个传感器相对于每个探测点的坐标值，然后求取这些这些坐标值的Z值的平均值作为片叉下表面到基准面的距离。

本发明对机械手片叉进行了位姿识别，通过在片叉上设置不在同一直线上的三个或以上的传感器，在基座上设定基准面，在基准面上设定探测点，片叉下表面的传感器探测到每个传感器与探测点的坐标值，再利用这些坐标值建立片叉下表面的平面方程，并结合基准面的平面方程，来得到片叉下表面与基准面之间的倾角，通过将上述坐标值中的Z距离值和预先设定的Z距离阈值进行比较，并且上述倾角与预先设定的倾角阈值进行比较，从而对机械手片叉进行相应的调整，确保片叉在理论示教数据的指定位置上，并且处于水平状态。

附图说明

图1为现有技术中机械手在硅片传输、硅片放置和放片时的位置示意图

图2为本发明的一个较佳实施例的半导体设备的硅片承载装置的结构示意图

图3为本发明的一个较佳实施例的硅片传输、取片或放片过程中机械手的片叉和硅片的相对位置关系透视示意图

图4为本发明的一个较佳实施例的传感器组、机械手、硅片和支撑部件的相对位置关系俯视示意图

图5为本发明的一个较佳实施例的硅片、支撑部件和片叉的位置关系以及取片路线示意图

图6为本发明的一个较佳实施例的硅片、支撑部件和片叉的位置关系以及放片路线示意图

图7为本发明的一个较佳实施例的硅片安全传输方法的流程示意图

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

本发明的半导体设备包括用于放置多个硅片的硅片承载装置和用于拾取和运输硅片的机械手，硅片承载装置具有支撑部件，硅片水平放置于支撑部件上，多个硅片在竖直方向上排列，如图2所示，本发明的一个较佳实施例的半导体设备中的硅片承载装置，包括：黑线框内为内部装载有硅片的片盒B和装载硅片进入反应腔室C的硅片支撑机构A；半导体设备还具有承载片盒B的片盒支撑机构F，片盒支撑机构F连接于底座G上；机械手E用于从片盒B中拾取硅片并且放置于硅片支撑机构A上，当反应腔室C底部的炉门D打开时，硅片支撑机构A携带着硅片进入反应腔室C中，或者当反应结束后，反应腔室C底部的炉门D打开，硅片支撑机构A携带着处理后的硅片从反应腔室C底部退出，机械手E从硅片支撑机构A上拾取硅片并且放置于片盒B中；图2中的箭头表示各个部件的可移动方向。因此，本发明的取片过程可以但不限于包括从片盒中拾取硅片的过程，也可以包括从硅片支撑机构中拾取硅片的过程；同理，本发明的放片过程可以但不限于包括将硅片放置于片盒中，也可以包括将硅片放置于硅片支撑机构上。

本发明中，机械手具有片叉，片叉上下表面固定有不在同一条直线上的三个或以上的传感器组，传感器组用于定义一个或多个基准面；片叉上表面的三个传感器用于定义上基准面，片叉下表面的三个传感器用于定义下基准面，上基准面和下基准面可以为同一平面也可以为具有一定间距的平面；本发明的片叉可以在水平面内或竖直面内进行翻转，从而导致片叉可能产生倾斜情况；在半导体领域中，机械手一般具有单只机械爪或多只机械爪，以适应批量化生产的需要。在一些本发明的实施例中，机械手可以具有多只机械爪，在任意一个或多个机械爪的片叉的上表面和下表面三个或多个传感器，下面的实施例仅以一个机械手的一个片叉上表面和下表面分别具有三个传感器为例，其它的实施例原理相同，在此不再赘述。

以下结合附图3-7和具体实施例对本发明的硅片安全传输方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。

本实施例的半导体设备的硅片承载装置中硅片分布状态识别系统包括：设置于机械手片叉上的传感器组、判断装置、控制装置和报警装置。

请参阅图3和图4，本实施例中，支撑部件101上承载有硅片W，支撑部件101均匀分布于一半的硅片W的边缘，机械手100的片叉101为对称V型，机械手100还具有夹持部件；片叉101的对称轴与硅片W的直径重合，片叉101的两个倾斜侧壁最外侧之间的宽度小于硅片W的直径；

本实施例的传感器组(黑实心圆)，设置于机械手100的片叉101的上下表面，用于检测片叉101到一个硅片底部的距离测量值以及片叉101到该一个硅片下方相邻硅片的距离测量值；在片叉101的上表面设置有三个传感器S1、S2、S3，其中两个传感器S1和S2分别位于V型片叉101的对称的两个斜壁上且对应于置于片叉101上的硅片W的直径上，所剩的一个传感器S3位于V型片叉101的对称两个斜壁内侧相交的位置上，在该片叉101所在平面建立原点，设置为XOY基准面，传感器S1、S2的连线的中点与的传感器S3的连线垂直且平分传感器S1、S2的连线；因此，将V型片叉斜壁上的两个传感器S1、S2的连线设为X轴，将传感器S1、S2的连线的中点与传感器S3的连线设为Y轴，传感器S1、S2的连线的中点为坐标原点O，以此构成片叉所在XOY平面，这里需要说明的是，在涉及传感器的相对位置关系时，将传感器视为一个点。本实施例中，以片叉101上表面的传感器S1、S2、S3所反馈的测量值来判断硅片W的位姿和取片过程是否能够安全取片，用于计算圆柱面方程、截交线方程、硅片所在平面与片叉所在平面的夹角、截交线与片叉所在平面的最小距离和最大距离；本实施例中，传感器通过光电信号探测距离来实现的，也就是传感器为光电传感器。

本实施例的判断装置，用于判断机械手包括片叉在取片或放片运动过程中是否会触碰到硅片，以及判断硅片是否在所述机械手的片叉上，当可能触碰到硅片时向报警装置发送信号；

控制装置，根据判断装置的判断结果来控制机械手是否停止运动；并且用于控制机械手执行取片操作指令，设置理论示教数据；在取片或放片之前，先对控制装置输入示教数据，然后控制装置按照这些示教数据控制机械手来执行取片操作指令；当判断装置判断机械手可能触碰到硅片时，控制装置使机械手停止运动；请参阅图5，为本发明的一个较佳实施例的硅片、支撑部件和片叉的位置关系以及取片路线示意图；硅片W位于支撑部件102上，带箭头的粗虚线表示本实施例的取片过程的路线，细虚线框表示运动中的硅片W’，P1位置为预取片安全位置，P2位置为预向上取片位置，P3为取片过程中机械手的片叉接触到硅片的位置，P4为预退出取片位置，P5为取片过程中机械手的夹持部件夹持晶圆的位置，P6为取片后的退出安全位置；本实施例中，取片过程的路线和放片过程的路线相同，两者的运动方向相反；取片过程的理论示教数据的各个参数值与放片过程的理论示教数据的各个参数值可以相同也可以不相同。图5中显示出理论示教数据各个参数，包括硅片W的厚度d、支撑部件厚度t、相邻硅片W的间距s、预向上取片位置P2上的机械手的片叉底部到片叉下方硅片上表面的距离s2、预退出取片位置P4上的片叉上的硅片顶部到片叉上方相邻的支撑部件底部的距离s1、以及预向上取片位置P2到预退出取片位置P4之间的距离s3；请参阅图6，为本发明的一个较佳实施例的硅片、支撑部件和片叉的位置关系以及放片路线示意图；硅片W位于支撑部件102上，带箭头的粗虚线表示本实施例的取片过程或放片过程的路线，细虚线框表示运动中的硅片W’，P’1位置为放片后的退出安全位置，P’2位置为预退出放片位置，P’3为放片过程中机械手的片叉将硅片放置于支撑部件时的位置，P’4为预向下放片位置，P’5为放片过程中机械手的夹持部件取消夹持的位置，P’6为预放片安全位置；图6中显示出理论示教数据各个参数，包括硅片W的厚度d、支撑部件厚度t、相邻硅片W的间距s、退出放片位置P’2上的机械手的片叉底部到片叉下方硅片上表面的距离s2、预向下放片位置P’4上的片叉上的硅片顶部到片叉上方相邻的支撑部件底部的距离s1、以及预向下放片位置P’4到预退出放片位置P’2的距离s3。需要说明的是，本发明中，放片过程的理论示教数据的各个参数值和取片过程的理论示教数据的各个参数值可以相同也可以不同。这里需要说明的是，相邻硅片W的间距s由支撑部件之间的距离来决定，相邻硅片W的间距s等于相邻支撑部件底部的距离。

报警装置，接收判断装置发出的信号，然后发出警报。

硅片的安全传输过程中，利用了在片叉上表面和下表面分别设置的不在同一个直线上的三个或以上的传感器，在对硅片的位姿进行识别之前，进行片叉位姿的识别和调整，本实施例中，请参阅图7，以片叉上表面和下表面分别设置有不在同一直线上的三个传感器为例进行描述，还需要说明的是，下属描述中，距离或距离阈值指的是传感器的坐标值的Z值；片叉位姿的识别和调整包括以下步骤：

步骤S01：在基座上设定基准面，并且设定位于基准面上的探测点，设定理论示教数据，机械手执行取放片操作指令；理论示教数据包括机械手运行的指定位置、机械手片叉的下表面相对于基准面的倾角阈值范围、以及机械手片叉的下表面相对于探测点的距离阈值范围；选取基座上的水平面作为基准面；

具体的，通常基座指的是固定机械手的机台本体，由于机台本体具有多个平面，可以利用这些平面作为参考面来检测和调整片叉的位置和角度；理论示教数据中的指定位置包括上述实施例中的P1、P2、P3、P4、P5和P6位置，以及s1、s2、s3和s数据。设基准面为XOY平面，Z＝0，基准面上的探测点为初始位置，探测点可以为一个或多个。探测点的坐标为(0,0,0)。

步骤S02：机械手运行至理论示教数据中的指定位置后，片叉下表面的每个传感器探测相对于探测点的坐标值，并且根据坐标值得到片叉下表面与基准面的距离；

具体的，当探测点为多个时，求取片叉下表面的每个传感器相对于每个探测点的坐标值以及相应的片叉下表面与基准面的距离，然后求取这些距离的平均值作为片叉下表面到基准面的距离；

步骤S03：根据片叉下表面的每个传感器的坐标值求取片叉下表面的平面方程；

具体的，位于片叉下表面的不在同一直线上的三个传感器的坐标值分别为(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)和(x3,y3,z3)，根据坐标值计算出片叉下表面的平面方程为AX+BY+CZ+D＝0；

其中，A、B、C和D计算式如下：

A＝y1z2-y1z3-y2z1+y2z3+y3z1-y3z2

B＝-x1z2+x1z3+x2z1-x2z3-x3z1+x3z2

C＝x1y2-x1y3-x2y1+x2y3+x3y1-x3y2，

D＝-x1y2z3+x1y3z2+x2y1z3-x2y3z1-x3y1z2+x3y2z1。

步骤S04：通过平面方程计算片叉下表面相对于基准面的倾角；

具体的，基准面的平面方程为Z＝0，建立片叉下表面的平面方程和基准面的平面方程组，

AX+BY+CZ+D＝0

Z＝0

它们的法线矢量分别为{A,B,C}和{0,0,1}，设这两个法线矢量的夹角为α，那么这两个平面的夹角就是α，于是，

cosα＝C/[√(A²+B²+C²)]

α＝arccos(C/[√(A²+B²+C²)])。

步骤S05：判断片叉下表面的每个传感器与探测点的距离是否在距离阈值范围内以及判断片叉下表面相对于基准面的倾角是否在倾角阈值范围内；

具体的，这里，倾角阈值范围为倾角阈值绝对值的正负值[-σ，σ]，距离阈值范围为[D1，D2]，σ为倾角阈值绝对值，距离阈值包括D1和D2，分别为第一级距离阈值和第二级距离阈值；第一级距离阈值为机械手重复定位的精度指标，第二级距离阈值为机械手实际的安全取放片裕量小于正常的安全取放片裕量的1/2时的距离值；安全取放片裕量包括：机械手片叉到其上方的支撑部件底部的距离的上安全取放片裕量，机械手片叉到其下方的硅片的距离的下安全取放片裕量；需要说明的是，机械手重复定位的精度指标和安全取放片裕量都是根据经验得到的，而且不同的设备具有不同的机械手重复定位的精度指标和安全取放片裕量。

步骤S06：当片叉下表面的每个传感器与探测点的距离不在距离阈值范围内或者片叉下表面相对于基准面的倾角不在倾角阈值范围内，则对理论示教数据中的设定位置进行自动位置调整，同时更新理论示教数据；

本实施例中，本步骤S06中，具体包括：

当片叉下表面的每个传感器与探测点的距离小于第一级距离阈值时，并且片叉下表面相对于基准面的倾角在倾角阈值范围内，则机械手继续执行取放片操作；

当片叉下表面的每个传感器与探测点的距离大于第一级距离阈值且小于第二级距离阈值，或者片叉下表面相对于基准面的倾角不在倾角阈值范围内时，则对理论示教数据中的设定位置进行自动位置调整，同时更新理论示教数据；

当片叉下表面的每个传感器与所述探测点的距离大于第二级距离阈值，且片叉下表面相对于基准面的倾角不在倾角阈值范围内时，则报警并等待处理。

这里，自动位置调整包括距离调整和倾角调整，其中，

沿Z轴的距离调整过程包括：

步骤S601：片叉下表面的每个传感器连续两次探测与探测点的距离，得到片叉下表面的每个传感器的第一次坐标值和第二次坐标值；

具体的，对探测点进行连续两次探测并求取平均值可以增加数值稳定性。设片叉下表面上的三个传感器前后两次探测的坐标值为(x11,y11,z11)，(x21,y21,z21)，(x31,y31,z31)，(x12,y12,z12)，(x22,y22,z22)，(x32,y32,z32)；

步骤S602：求取第一次坐标值的第一平均值和第二次坐标值的第二平均值；

具体的，Z值的平均值为Zave1＝Average(z11,z21,z31)，Zave2＝Average(z12,z22,z32)；

步骤S603：计算第一平均值和第二平均值的差值，作为距离补偿值；

具体的，沿Z轴的距离补偿值为Zchange＝Zave1-Zave2；

步骤S604：将理论示教数据中的每个指定位置均加上距离补偿值。

具体的，在每个指定位置的坐标值的Z值上均相应的加上Zchange。

理论示教数据的指定位置中包括机械手预向下放片或预退出取片的第一位置、以及机械手预向上取片或预退出放片的第二位置，距离调整过程还包括：在第一位置时，通过机械手的片叉下表面的每个传感器检测片叉下表面与片叉下方相邻支撑部件的距离，然后根据支撑部件之间的距离来推算片叉上表面距离片叉上方相邻硅片底部的实际距离，再比较实际距离与理论示教数据中的片叉上表面距离片叉上方相邻硅片底部的理论距离，得出第一差值，利用该第一差值来调整机械手片叉的第一位置；在第二位置时，通过机械手的片叉下表面的每个传感器检测片叉下表面与片叉下方相邻硅片顶部的实际距离，然后比较实际距离与理论示教数据中的片叉下表面距离所述片叉下方相邻硅片顶部的理论距离，得出第二差值，利用该第二差值来调整所述机械手片叉的第一位置，从而确保取放片操作流程在安全阈值范围内。

当片叉的水平度不合适时，进行倾角调整过程，包括：

步骤S611：根据片叉下表面的平面方程和基准面的平面方程，计算片叉下表面的法线矢量与基准面的法线矢量；

具体的，关于平面方程和基准面方程以及相应的法线矢量的求取可以参考步骤S04的描述。

步骤S612：根据片叉下表面的法线矢量的坐标值与基准面的法线矢量之间的坐标值以及步骤S04中得到的倾角，在直角坐标系中计算片叉下表面的法线矢量沿X轴方向所旋转的角度以及沿Y轴方向所旋转的角度；

具体的，本步骤S612包括：求取片叉下表面相对于基准面的旋转矩阵

$L_z=\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}& 0\\ -\sin \mathrm{\α}& cos\mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$

然后，根据旋转矩阵乘以基准面的法线矢量得到片叉下表面的法线矢量，这里，基准面的法线矢量设为 $\left[\begin{array}{c}{x}_p\\ y_p\\ z_p\end{array}\right],$ 片叉下表面的法线矢量设为 $\left[\begin{array}{c}{x}_q\\ y_q\\ z_q\end{array}\right],$

则有 $\left[\begin{array}{c}{x}_q\\ y_q\\ z_q\end{array}\right]=L_z\left[\begin{array}{c}{x}_p\\ y_p\\ z_p\end{array}\right],$

片叉按照上述旋转矩阵进行旋转，即可完成相对于基准面的水平度调节；具体的，通过上述方程计算出片叉下表面的法线矢量相对于基准面的法线矢量沿X轴方向的旋转角度以及沿Y轴方向的旋转角度，片叉下表面的法线矢量相对于基准面的法线矢量沿X轴方向的旋转角度为片叉下表面相对于基准面沿X轴方向的旋转角度，片叉下表面的法线矢量相对于基准面的法线矢量沿X轴方向的旋转角度为片叉下表面相对于基准面沿Y轴方向的旋转角度；

步骤S613：以片叉下表面的法线矢量沿X轴方向所旋转的角度使片叉沿X轴旋转，以片叉下表面的法线矢量沿Y轴方向所旋转的角度使片叉沿Y轴旋转，从而使片叉下表面相对于基准面的倾角在倾角阈值范围内；

步骤S614：计算调整后的片叉下表面的每个传感器探测与探测点的新的距离，判断新的距离是否在距离阈值范围内；如果是，则机械手继续执行取放片操作；如果不是，则按照距离调整过程对片叉的理论示教数据中的每个指定位置进行距离调整。在片叉进行翻转之后，有可能偏离原来的位置或者由于片叉倾斜所检测的距离会不可信，从而需要重新进行距离检测和调整，可以采用上述距离调整过程来进行调整，这里不再赘述。

当片叉下表面的每个传感器与探测点的距离在距离阈值范围内并且片叉下表面相对于基准面的倾角在倾角阈值范围内，则机械手继续执行取放片操作；

当片叉下表面的每个传感器与探测点的距离不在距离阈值范围内并且片叉下表面相对于基准面的倾角不在倾角阈值范围内，则报警并等待处理。

综上所述，本发明对机械手片叉进行了位姿识别，通过在片叉上设置不在同一直线上的三个或以上的传感器，在基座上设定基准面，在基准面上设定探测点，片叉下表面的传感器探测到每个传感器与探测点的坐标值，再利用这些坐标值建立片叉下表面的平面方程，并结合基准面的平面方程，来得到片叉下表面与基准面之间的倾角，通过将上述坐标值中的Z距离值和预先设定的Z距离阈值进行比较，并且上述倾角与预先设定的倾角阈值进行比较，从而对机械手片叉进行相应的调整，确保片叉在理论示教数据的指定位置上，并且处于水平状态。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种硅片安全运输方法，包括机械手对硅片的拾取和放置，机械手安装于基座上，机械手具有片叉，片叉用于承载硅片，所述片叉是可翻转的，硅片放置于硅片承载装置中的支撑部件上，其特征在于，在片叉上表面和下表面分别具有不在同一个直线上的三个或以上的传感器，在对硅片的位姿进行识别之前，进行片叉位姿的识别和调整，所述片叉位姿的识别和调整包括：

步骤S01：在基座上设定基准面，并且设定位于所述基准面上的探测点，设定理论示教数据，机械手执行取放片操作指令；所述理论示教数据包括机械手运行的指定位置、机械手片叉的下表面相对于所述基准面的倾角阈值范围、以及机械手片叉的下表面相对于所述探测点的沿Z轴的距离阈值范围；选取基座上的水平面作为基准面；

步骤S02：机械手运行至所述理论示教数据中的指定位置后，所述片叉下表面的每个传感器探测相对于所述探测点的三维坐标值；

步骤S03：根据所述片叉下表面的每个传感器的所述坐标值求取所述片叉下表面的平面方程；

步骤S04：通过所述平面方程计算所述片叉下表面相对于所述基准面的倾角；

步骤S05：判断所述片叉下表面的每个传感器与所述探测点的沿Z轴的距离值是否在沿Z轴的所述距离阈值范围内以及判断所述片叉下表面相对于所述基准面的倾角是否在所述倾角阈值范围内；

步骤S06：当所述片叉下表面的每个传感器与所述探测点的沿Z轴的距离值不在沿Z轴的所述距离阈值范围内或者所述片叉下表面相对于所述基准面的倾角不在所述倾角阈值范围内，则对所述理论示教数据中的设定位置进行自动位置调整，同时更新所述理论示教数据；

当所述片叉下表面的每个传感器与所述探测点的沿Z轴的距离值在沿Z轴的所述距离阈值范围内并且所述片叉下表面相对于所述基准面的倾角在所述倾角阈值范围内，则所述机械手继续执行所述取放片操作；

当所述片叉下表面的每个传感器与所述探测点的沿Z轴的距离不在沿Z轴的所述距离阈值范围内并且所述片叉下表面相对于所述基准面的倾角不在所述倾角阈值范围内，则报警并等待处理。

2.根据权利要求1所述的硅片安全运输方法，其特征在于，所述步骤S06中，所述位置调整包括距离调整和倾角调整，其中，

所述距离调整过程包括：

步骤S601：所述片叉下表面的每个传感器连续两次探测与所述探测点的坐标值，得到所述片叉下表面的每个传感器的第一次坐标值和第二次坐标值；

步骤S602：求取第一次坐标值的Z值的第一平均值和第二次坐标值的Z值的第二平均值；

步骤S603：计算所述Z值的第一平均值和所述Z值的第二平均值的差值，作为沿Z轴的距离补偿值；

步骤S604：将所述理论示教数据中的每个指定位置在沿Z轴方向上均加上所述距离补偿值。

所述倾角调整过程包括：

步骤S611：根据所述片叉下表面的平面方程和所述基准面的平面方程，计算所述片叉下表面的法线矢量与所述基准面的法线矢量；

步骤S612：根据所述片叉下表面的法线矢量的坐标值与所述基准面的法线矢量之间的坐标值以及所述步骤S04中得到的倾角，在直角坐标系中计算所述片叉下表面的法线矢量沿X轴方向所旋转的角度以及沿Y轴方向所旋转的角度；

步骤S613：以所述片叉下表面的法线矢量沿X轴方向所旋转的角度使片叉沿X轴旋转，以所述片叉下表面的法线矢量沿Y轴方向所旋转的角度使片叉沿Y轴旋转，从而使所述片叉下表面相对于所述基准面的倾角在所述倾角阈值范围内；

步骤S614：计算调整后的所述片叉下表面的每个传感器探测与所述探测点的新的坐标值，判断新的沿Z轴的距离值是否在沿Z轴的所述距离阈值范围内；如果是，则所述机械手继续执行所述取放片操作；如果不是，则按照所述距离调整过程对所述片叉的所述理论示教数据中的每个指定位置进行沿Z轴的距离调整。

3.根据权利要求2所述的硅片安全运输方法，其特征在于，所述步骤S612中，包括：求取所述片叉下表面相对于所述基准面的旋转矩阵；然后，根据旋转矩阵乘以所述基准面的法线矢量得到所述片叉下表面的法线矢量，计算出所述片叉下表面的法线矢量相对于所述基准面的法线矢量沿X轴方向的旋转角度以及沿Y轴方向的旋转角度，所述片叉下表面的法线矢量相对于所述基准面的法线矢量沿X轴方向的旋转角度为所述片叉下表面相对于所述基准面沿X轴方向的旋转角度，所述片叉下表面的法线矢量相对于所述基准面的法线矢量沿X轴方向的旋转角度为所述片叉下表面相对于所述基准面沿Y轴方向的旋转角度；其中，所述旋转矩阵为

$L_z=\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}& 0\\ -\sin \mathrm{\α}& cos\mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right].$

4.根据权利要求1所述的硅片安全运输方法，其特征在于，所述传感器为光电传感器。

5.根据权利要求1所述的硅片安全运输方法，其特征在于，所述倾角阈值范围为倾角阈值的绝对值的正负值。

6.根据权利要求1所述的硅片安全运输方法，其特征在于，所述距离阈值包括第一级距离阈值和第二级距离阈值；所述第一级距离阈值为所述机械手重复定位的精度指标，所述第二级距离阈值为所述机械手实际的安全取放片裕量小于正常的安全取放片裕量的1/2时的距离值；所述安全取放片裕量包括：所述机械手片叉到其上方的支撑部件底部的距离的上安全取放片裕量，所述机械手片叉到其下方的硅片的距离的下安全取放片裕量。

7.根据权利要求6所述的硅片安全运输方法，其特征在于，所述步骤S06中，包括：

当所述片叉下表面的每个传感器与所述探测点的沿Z轴的距离小于所述第一级距离阈值时，并且所述片叉下表面相对于所述基准面的倾角在所述倾角阈值范围内，则所述机械手继续执行所述取放片操作；

当所述片叉下表面的每个传感器与所述探测点的沿Z轴的距离大于所述第一级距离阈值且小于所述第二级距离阈值，或者所述片叉下表面相对于所述基准面的倾角不在所述倾角阈值范围内时，则对所述理论示教数据中的设定位置进行自动位置调整，同时更新所述理论示教数据；

当所述片叉下表面的每个传感器与所述探测点的沿Z轴的距离大于所述第二级距离阈值，且所述片叉下表面相对于所述基准面的倾角不在所述倾角阈值范围内时，则报警并等待处理。

8.根据权利要求1所述的硅片安全运输方法，其特征在于，所述理论示教数据的指定位置中包括所述机械手预向下放片或预退出取片的第一位置、以及所述机械手预向上取片或预退出放片的第二位置，所述硅片安全运输方法还包括：在所述第一位置时，通过所述机械手的片叉下表面的每个传感器检测所述片叉下表面与所述片叉下方相邻支撑部件的距离，然后根据所述支撑部件之间的距离来推算所述片叉上表面距离所述片叉上方相邻硅片底部的实际距离，再比较所述实际距离与所述理论示教数据中的所述片叉上表面距离所述片叉上方相邻硅片底部的理论距离，得出第一差值，利用该第一差值来调整所述机械手片叉的第一位置；在所述第二位置时，通过所述机械手的片叉下表面的每个传感器检测所述片叉下表面与所述片叉下方相邻硅片顶部的实际距离，然后比较所述实际距离与所述理论示教数据中的所述片叉下表面距离所述片叉下方相邻硅片顶部的理论距离，得出第二差值，利用该第二差值来调整所述机械手片叉的第一位置。

9.根据权利要求1所述的硅片安全运输方法，其特征在于，所述探测点为一个或多个。

10.根据权利要求9所述的硅片安全运输方法，其特征在于，当探测点为多个时，求取所述片叉下表面的每个传感器相对于每个探测点的坐标值，然后求取这些这些坐标值的Z值的平均值作为片叉下表面到基准面的距离。