CN102564319B - 利用图像处理技术检测晶圆直线传输中滑移量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种利用图像处理技术检测晶圆直线传输中滑移量的方法，包括步骤：S1，将摄像机安装在输片机械手上方，并在晶圆及机械手末端执行器上加以标记；S2，利用摄像机分别对机械手收缩和伸展状态进行拍摄，依据拍摄图像微调所述标记，完成上述操作后用摄像机获取机械手直线输片的视频；S3，基于几何光学基本原理及CCD像素分布参数，计算所述视频的每一帧图像中晶圆相对机械手的位置；S4，逐帧分析对比晶圆相对机械手的位置变化，计算并拟合获得滑移量随时间的变化曲线。本发明能够满足不同精度等级下滑移量检测要求；可为晶圆传输机械手的速度、加速度优化控制提供理论和实验依据，从而满足输送精度的情况下达到更高的输送效率。

Description

利用图像处理技术检测晶圆直线传输中滑移量的方法

技术领域

本发明涉及集成电路(IC)制造中晶圆传输系统，尤其涉及一种利用图像处理技术检测晶圆直线传输中滑移量的方法。

背景技术

晶圆传输系统是集成电路(IC)制造中必不可少的组成部分，其传输精度直接影响集成电路(IC)工艺的精度。现有的研究大多侧重于提高负责晶圆传输的机械手的定位精度，却尚未见到精密检测传输过程中晶圆滑移量的方法。因此，只能通过直观限速或者附加额外夹持机构来保证足够小的滑移量，导致对机械手的速度、加速度优化控制缺乏有效的理论和实验依据。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是针对晶圆传输过程中缺乏精密检测晶圆滑移量的问题，提出一种利用图像处理技术检测晶圆直线传输中滑移量的方法，从而为机械手输片过程中的速度、加速度优化控制提供有力的理论和实验依据。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种利用图像处理技术检测晶圆直线传输中滑移量的方法，包括步骤：

S1，将摄像机安装在输片机械手上方，并在晶圆及机械手末端执行器上加以标记；

S2，利用摄像机分别对机械手收缩和伸展状态进行拍摄，依据拍摄图像微调所述标记，完成上述操作后用摄像机获取机械手直线输片的视频；

S3，基于几何光学基本原理及CCD像素分布参数，计算所述视频的每一帧图像中晶圆相对机械手的位置；

S4，逐帧分析对比晶圆相对机械手的位置变化，计算并拟合获得滑移量随时间的变化曲线。

优选地，所述步骤S1具体包括：

S11，将机械手机体安装于水平基面上，其机械手的末端执行器以及晶圆保持水平；

S12，将高速摄像机固定在待测装置上方，其光学系统轴线与输片机械手的安装基面垂直；

S13，从高速摄像机的前端镜头圆周上不同的三点处分别垂下重锤线，标记三个落点并求出由三个落点确定的圆心，该圆心即为高速摄像机的光学系统轴线在安装基面上的投影点；

S14，在通过上述光学系统轴线在安装基面上的投影点，且平行于机械手末端执行器直线作动方向的直线上作给定距离的标记点A、B，并在晶圆上作给定距离的标记点C、D，使得直线CD位于直线AB与光学系统轴线所确定的平面上。

优选地，所述步骤S2具体包括：

S21，启动机械手使之处于收缩、伸展的状态，分别利用高速摄像机对相应状态进行静态图像采集；

S22，分析拍摄图像，从像素上判断观察上述标记点A、B、C、D是否均位于图像横向的正中，若从像素上分析标记点的位置偏差较大，则进行轻微调节使上述4个标记点均位于静态图像横向的正中位置；

S23，启动高速摄像机开始录像，随后控制输片机械手持晶圆进行多次直线往复运动，获得机械手直线输片的视频。

优选地，所述步骤S3具体包括：

S31，通过对视频每一帧图像中标记点A、B的分析计算摄像机光学焦点到机械手末端执行器平面的距离，其计算公式为

其中标记点距离L_AB为事先设定值，标记点在CCD上的成像点距离L_A′B′可根据图像上标记点A、B之间的像素点数N_A′B′以及相机的CCD像素情况求出，f是摄像机的光学焦距，h是摄像机光学焦点到机械手末端执行器平面的距离；

S32，通过对图像中标记点C、D的分析计算晶圆平面与机械手末端执行器平面的高度差，其计算公式为

其中标记点距离L_CD为事先设定值，标记点在CCD上的成像点距离L_C′D′可根据图像上标记点C、D之间的像素点数N_C′D′以及相机的CCD像素情况求出，f是摄像机的光学焦距，h是摄像机的光学焦点到机械手末端执行器平面的距离，δh是晶圆平面到机械手末端执行器平面的距离；

S33，通过对图像中各标记点的分析计算晶圆和机械手末端执行器的相对距离，其计算公式包括

和其中B₁是标记点B和摄像机焦点O所在的直线与晶圆平面的交点，B₂是标记点B在晶圆平面上的垂足点，O₁是图像中的像素中点，

是B₁和B₂之间的距离，

可以根据图像上点B′和图像中点O₁之间的像素点数

以及相机的CCD像素情况求出，f是摄像机的光学焦距，δh是晶圆平面到机械手末端执行器平面的距离，

是B₁和标记点D之间的距离，L_AB为标记点A与B之间的距离，N_B′D′为B′与D′之间的像素点数，N_A′B′为A′与B′之间的像素点数；根据上述距离的计算即可求出该图像中晶圆和机械手末端执行器的相对距离d。

优选地，所述步骤S4具体包括：

S41，将每一帧图像中晶圆相对机械手末端执行器的位置d_x与初始位置时的d₀比较求滑移量δd_x；

S42，按照高速摄像机的每秒帧数计算每一帧图像的时间点；

S43，将上述离散滑移量以及相应的时间点进行拟合，获得滑移量δd随时间t的动态变化曲线。

(三)有益效果

本发明的优点在于：1)能够满足不同精度等级下滑移量检测要求；2)可为晶圆传输机械手的速度、加速度优化控制提供理论和实验依据，从而使得晶圆传输机械手在满足输送精度的情况下达到更高的输送效率。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明一实施例中的设备布局轴测图；

图3为本发明一实施例中的标记点布局俯视示意图；

图4为本发明一实施例中的滑移测量平面内机械手上标记点图像分析图；

图5为本发明一实施例中的滑移测量平面内晶圆上待测点图像分析图；

图6为本发明一实施例中的滑移测量平面内晶圆相对位置分析图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不是限制本发明的范围。

如图1所示，本发明所述的利用图像处理技术检测晶圆直线传输中滑移量的方法，包括步骤：S1，将摄像机安装在输片机械手上方，并在晶圆及机械手末端执行器上加以标记；S2，利用摄像机分别对机械手收缩和伸展状态进行拍摄，依据拍摄图像微调所述标记，完成上述操作后用摄像机获取机械手直线输片的视频；S3，基于几何光学基本原理及CCD像素分布参数，计算所述视频的每一帧图像中晶圆相对机械手的位置；S4，逐帧分析对比晶圆相对机械手的位置变化，计算并拟合获得滑移量随时间的变化曲线。

本发明旨在通过简单的设备和分析运算，测出晶圆在机械手直线传输过程中的动态滑移情况，为机械手速度设计分析提供有效的实验数据。

如图2所示，将机械手机体1安装于水平基面上，其机械手2的末端执行器以及晶圆3保持水平；高速摄像机4固定在待测装置上方，如图中A、B点附近的正上方，保证其光学系统轴线与输片机械手的安装基面垂直；从高速摄像机4的前端镜头圆周上不同的三点处分别垂下重锤线，标记落点并找出圆心，即为摄像机的光学系统轴线在安装基面上的投影点O₃。

如图3所示，在通过上述光学系统轴线在安装基面上的投影点O₃，且平行于机械手2末端执行器直线作动方向的直线上作给定距离的标记点A、B，并在晶圆上作给定距离的标记点C、D，使得直线CD位于直线AB与光学系统轴线所确定的平面上，定义该平面为滑移测量平面；启动机械手2使之处于收缩、伸展的状态，分别利用高速摄像机4对相应状态进行静态图像采集；分析拍摄图像，从像素上判断观察上述标记点A、B、C、D是否均位于图像横向的正中，若从像素上分析标记点的位置偏差较大，则进行轻微调节使上述4个标记点均位于静态图像横向的正中位置。

上述实验装置安装、标定完成后，启动高速摄像机4开始录像，随后控制输片机械手2持晶圆3进行多次直线往复运动，获得机械手直线输片的视频；然后基于几何光学基本原理及CCD像素分布参数，计算每一帧图像中晶圆相对机械手的位置，其具体计算原理及过程如下：

步骤1：通过对图像中参考点A、B的分析计算相机焦点高度。

如图4所示，在滑移测量平面内，机械手末端执行器上的参考标记点A、B所在直线即为机械手末端执行器面的投影，O点为摄像机的焦点，粗线O₁B′A′为摄像机CCD成像平面的投影，O₃为垂足点；根据光路几何性质知

其中摄像机焦距f及参考点距离L_AB为事先设定值，参考点在CCD上的成像点距离L_A′B′可根据图像上参考点A、B之间的像素点数N_A′B′以及相机的CCD像素情况求出，根据上述公式即可求得摄像机焦点到晶圆所在平面的高度h；

步骤2：通过对图像中待测点C、D的分析计算晶圆平面与机械手末端执行器参考点平面的高度差。

如图5所示，在滑移测量平面内，晶圆上的参考标记点C、D所在直线即为晶圆所在平面的投影，根据光路几何性质可知

其中摄像机焦距f及待测点距离L_CD为事先设定值，待测点在CCD上的成像点距离L_C′D′可根据图像上参考点C、D之间的像素点数N_C′D′以及相机的CCD像素情况求出，再根据上述步骤1中所求出的h即可求得晶圆平面与机械手末端执行器参考点平面的高度差δh；

步骤3：通过对图像中各标记点的分析计算机械手的相对位置。

如图6所示，在滑移测量平面内，机械手末端执行器上的参考标记点A、B与晶圆上的待测标记点C、D之间的距离即可以表示晶圆与机械手托盘的相对位置，为了方便求得滑移量，先求出其中某一对标记点B与D(亦可以用A与D、A与C或B与C)的水平距离；图3中O₁点为图像中的像素中点，根据三角形B′O₁O与三角形B₁B₂B的相似性，有其中f为已知且δh也在步骤2中已经求出，通过图像分析可以根据图像上参考点B′和图像中点O₁之间的像素点数

以及相机的CCD像素情况求出

根据上述公式即可求出

又根据几何性质以及图像像素与实际距离的比例关系可知

其中图像上标记点B′与D′之间的像素点数N_B′D′以及标记点A′与B′之间的像素点数N_A′B′可以通过图像分析得出，参考标记点A与B之间的距离L_AB为事先设定，根据上述参数及公式即可求出

根据上述距离的计算即可求出该图像中晶圆和机械手末端执行器的相对距离 $d=L_{B_{2}D}=L_{B_{1}D}-L_{B_1{B}_2}.$

将每一帧图像通过上述3个步骤处理方法得出每一帧图像上晶圆和机械手末端执行器的相对距离，然后将每一帧图像中晶圆相对机械手的位置d_x与初始位置时的d₀比较求滑移量δd_x；按照高速摄像机的FPS(每秒帧数)计算每一帧图像的时间点；将上述离散滑移量以及相应的时间点进行拟合，获得滑移量δd随时间t的动态变化曲线，将上述滑移量变化曲线与输片机械手的速度、加速度曲线相结合，即可进行理论分析，对输片机械手的速度进行更好的规划。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种利用图像处理技术检测晶圆直线传输中滑移量的方法，其特征在于，包括步骤：

S1，将摄像机安装在输片机械手上方，并在晶圆及机械手末端执行器上加以标记；

S2，利用摄像机分别对机械手收缩和伸展状态进行拍摄，依据拍摄图像微调所述标记，完成上述操作后用摄像机获取机械手直线输片的视频；

S3，基于几何光学基本原理及CCD像素分布参数，计算所述视频的每一帧图像中晶圆相对机械手的位置；

S4，逐帧分析对比晶圆相对机械手的位置变化，计算并拟合获得滑移量随时间的变化曲线；

其中，所述步骤S1具体包括：

S11，将机械手机体（1）安装于水平基面上，其机械手（2）的末端执行器以及晶圆（3）保持水平；

S12，将高速摄像机（4）固定在待测装置上方，其光学系统轴线与输片机械手（2）的安装基面垂直；

S13，从高速摄像机（4）的前端镜头圆周上不同的三点处分别垂下重锤线，标记三个落点并求出由三个落点确定的圆心，该圆心即为高速摄像机（4）的光学系统轴线在安装基面上的投影点；

S14，在通过上述光学系统轴线在安装基面上的投影点，且平行于机械手（2）末端执行器直线作动方向的直线上作给定距离的标记点A、B，并在晶圆上作给定距离的标记点C、D，使得直线CD位于直线AB与光学系统轴线所确定的平面上。

2.根据权利要求1所述的利用图像处理技术检测晶圆直线传输中滑移量的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

S21，启动机械手（2）使之处于收缩、伸展的状态，分别利用高速摄像机（4）对相应状态进行静态图像采集；

S22，分析拍摄图像，从像素上判断观察上述标记点A、B、C、D是否均位于图像横向的正中，若从像素上分析标记点的位置偏差较大，则进行轻微调节使上述4个标记点均位于静态图像横向的正中位置；

S23，启动高速摄像机（4）开始录像，随后控制输片机械手（2）持晶圆（3）进行多次直线往复运动，获得机械手直线输片的视频。

3.根据权利要求2所述的利用图像处理技术检测晶圆直线传输中滑移量的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

S31，通过对视频每一帧图像中标记点A、B的分析计算摄像机光学焦点到机械手末端执行器平面的距离，其计算公式为

其中标记点距离L_AB为事先设定值，标记点在CCD上的成像点距离L_A′B′可根据图像上标记点A、B之间的像素点数N_A′B′以及相机的CCD像素情况求出，f是摄像机的光学焦距，h是摄像机光学焦点到机械手末端执行器平面的距离；

S32，通过对图像中标记点C、D的分析计算晶圆平面与机械手末端执行器平面的高度差，其计算公式为

其中标记点距离L_CD为事先设定值，标记点在CCD上的成像点距离L_C′D′可根据图像上标记点C、D之间的像素点数N_C′D′以及相机的CCD像素情况求出，f是摄像机的光学焦距，h是摄像机的光学焦点到机械手末端执行器平面的距离，δh是晶圆平面到机械手末端执行器平面的距离；

S33，通过对图像中各标记点的分析计算晶圆和机械手末端执行器的相对距离，其计算公式包括

和

其中B₁是标记点B和摄像机焦点O所在的直线与晶圆平面的交点，B₂是标记点B在晶圆平面上的垂足点，O₁是图像中的像素中点，

是B₁和B₂之间的距离，

可以根据图像上点B′和图像中点O₁之间的像素点数

以及相机的CCD像素情况求出，f是摄像机的光学焦距，δh是晶圆平面到机械手末端执行器平面的距离，

是B₁和标记点D之间的距离，L_AB为标记点A与B之间的距离，N_B′D′为B′与D′之间的像素点数，N_A′B′为A′与B′之间的像素点数；根据上述距离的计算即可求出该图像中晶圆和机械手末端执行器的相对距离d。

4.根据权利要求3所述的利用图像处理技术检测晶圆直线传输中滑移量的方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

S41，将每一帧图像中晶圆相对机械手末端执行器的位置d_x与初始位置时的d₀比较求滑移量δd_x；

S42，按照高速摄像机的每秒帧数计算每一帧图像的时间点；

S43，将上述离散滑移量以及相应的时间点进行拟合，获得滑移量δd随时间t的动态变化曲线。

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