CN103219269A - 基于机器视觉的晶圆预定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于机器视觉的晶圆预定位装置及方法，其装置包括真空吸附式晶圆上料台、图像采集处理单元、大幅面红外面光源和二维微动平台系统。其方法包括以下步骤：晶圆上料；采集晶圆图像；边缘提取；晶圆圆心拟合；晶圆位置调整。本发明避免了对晶圆边缘的损伤；具有不作任何调整，能同时满足晶圆精确定位的优点；同时，该装置结构简单，成本较低，能满足IC装备制造中对晶圆预定位的需求。

Description

基于机器视觉的晶圆预定位装置及方法

技术领域

本发明涉及机器视觉技术领域，尤其涉及IC制造领域晶圆预定位装置及方法。

背景技术

晶圆预定位装置是IC制造工艺中的一个核心部件，其功能是在晶圆被传送到加工台之前，对晶圆进行位置调整，保证晶圆的圆心在限定的范围之内。在一些IC制造设备中，比如光刻机，不仅要求对晶圆精确定位还要对晶圆预对准，即使晶圆圆心在限定的范围之内的同时使得硅晶圆的缺口(或者切边)也在一定的角度范围之内。预定位/对准系统的精度直接影响到整个IC制造系统的效率和成品率，已成为许多IC装备的关键部件。

目前，主要有机械式定位和光学式对准两类晶圆定位/对准方法。机械式预定位的优点是控制过程简单、成本低；不足是机械部件和晶圆的边缘接触，容易对晶圆造成损伤，定位精度受机械结构精度的影响。光学式对准采用光学测量元件对晶圆的边缘进行检测，通过一定的算法来实现晶圆的定心。采用的光学测量器件主要有点阵和线阵两种。一种方法是采用5个线阵探测器，其中4个用于检测晶圆的偏心，一个检测并定位缺口；还有采用多个点阵探测器检测并定位硅晶圆的圆心，一个线阵探测器检测缺口的位置；或是只采用了一个线阵CCD传感器对圆心和缺口进行定位。相比机械预定位，光学对准具有不接触晶圆，对准精度高，对准时间短等优点。但是一般需要对执行系统进行主动控制，整个系统结构复杂，成本较高且一般不同规格的晶圆不能在同一平台对准。

而在另外一些IC制造设备中，比如涂胶机，往往只需要对晶圆进行预定位。如果采用机械式定位难免损伤和污染晶圆，采用现有的光学对准结构复杂成本昂贵，且难以同时满足不同规格晶圆预定位的要求。

发明内容

针对现有技术中的不足，面向IC制造领域中晶圆预定位的需求，本发明提供一种基于机器视觉的晶圆预定位装置及方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

基于机器视觉的晶圆预定位装置，其特征在于：在安装框架上装有二维微动平台、大幅面近红外面光源和高分辨率面阵智能相机；所述二维微动平台用于调整晶圆位置并使其定位，所述二维微动平台的载物台上固定连接有用于晶圆上料装载吸附与下料松放的真空吸附式晶圆上料台；所述大幅面近红外面光源的中心孔套在真空吸附式晶圆上料台上并保持同心，其高度位于真空吸附式晶圆上料台的上下底面之间，提供背光源，接收来自高分辨率面阵智能相机的触发信号；所述高分辨率面阵智能相机位于真空吸附式晶圆上料台的正上方，用于实时采集和处理晶圆图像，得到圆心当前位置坐标，计算晶圆圆心位置误差，输出晶圆圆心位置误差信息至微动平台控制器；所述微动平台控制器将晶圆圆心位置误差信息转换为控制信号至二维微动平台。

所述大幅面近红外面光源由匀光板、反射膜和Led驱动电路板无缝压合而成；其中，反射膜位于匀光板和Led驱动电路板中间；Led光源均匀分布在环形匀光板的外圆圆周和内圆圆周上。

所述高分辨率面阵智能相机内置DSP。

所述二维微动平台用于在X轴和Y轴两个方向调整晶圆位置并定位；接收来自微动平台控制器的控制信号。

所述微动平台控制器：接收来自高分辨率面阵智能相机的晶圆圆心误差信息；对二维微动平台的电机进行闭环控制；输出脉宽信号至二维微动平台。

基于机器视觉的晶圆预定位方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1)晶圆上料：将晶圆平放到真空吸附式晶圆上料台吸附；

步骤2)采集晶圆图像：触发高分辨率面阵智能相机采集图像；

步骤3)边缘提取：在高分辨率面阵智能相机中利用Canny算子提取晶圆边缘；

步骤4)晶圆圆心拟合：在高分辨率面阵智能相机中采用最小二乘法拟合圆心和半径；

步骤5)晶圆位置调整：根据步骤4)中的结果，微动平台控制器将晶圆圆心当前位置坐标与基准位置坐标的差值转化为反馈信号驱动二维微动平台，调整晶圆位置达到基准位置。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.非接触，避免了对晶圆边缘的损伤；

2.不作任何调整，能同时满足2类晶圆(8英寸和12英寸)的精确定位，重复定位精度优于0.02mm；

3 系统结构简单，成本较低。

附图说明

图1为本发明的晶圆预定位装置结构示意图；

图2为大幅面近红外面光源示意图；

图3为大幅面近红外面光源三层结构示意图；

图4为高分辨率面阵智能相机得到的晶圆实际成像图；

图5为8-邻域点示意图；

图6为2-领域点示意图；

图7为最小二乘拟合圆的方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明提出的基于机器视觉的晶圆预定位装置，包括真空吸附式晶圆上料台、高分辨率面阵智能相机、大幅面红外面光源和高精度二维微动平台。预定位方法为首先利用高分辨率面阵智能相机作为传感器对上料台上的晶圆成像，然后通过高精度边缘检测算法提取晶圆边缘，并用最小二乘算法拟合得到其圆心坐标，最后以圆心的当前位置坐标与基准位置坐标的差值作为反馈驱动二维微动平台，调整晶圆位置达到基准位置。

真空吸附式晶圆上料台固定联接在高精度二维微动平台的载物台上，与微动平台一起带动晶圆作X轴和Y轴两个方向运动。

二维微动平台、高分辨率面阵智能相机和环形大幅面近红外光源固定联接在安装整个定位装置的安装框架上：二维微动平台在底面；高分辨率面阵智能相机在二维微动平台上的真空吸附式晶圆上料台正上方；环形大幅面近红外光源穿过晶圆上料台，与晶圆上料台安装位置保持同心并比吸附晶圆的平面略低1～2mm；二维微动平台、高分辨率面阵智能相机和环形大幅面近红外光源三者位置相对固定且安装平面基本平行。

高分辨率面阵智能相机与大幅面近红外光源之间连有曝光触发线，相机采集图像的同时触发光源亮灭。

高分辨率面阵智能相机与二维微动平台控制器之间通过串口通信，将控制参数传递给微动平台控制器。

二维微动平台与微动平台控制器之间连有控制线和电源线，微动平台控制器通过电源线给二维微动平台供电，通过控制线驱动二维微动平台运动。

基于机器视觉的晶圆预定位装置，包括以下四个部分(参见图1所示)：

(1)真空吸附式晶圆上料台：主要用于晶圆的上料装载吸附与下料松放，采用真空方式以保证定位精度及减少载物台对晶圆的干扰。

(2)大幅面近红外面光源：为了获取晶圆边缘的高质量图像，设计开发了一种新型大幅面环形红外面光源作为晶圆成像的背光源(参见图2所示)。为了使12英寸和8英寸的晶圆边缘都能在一定位置偏差范围内清晰成像，面光源尺寸设计为有效发光面积外圆直径360mm，内圆直径140mm的圆环。

面光源由匀光板、反射膜和Led驱动电路板三层组成(参见图3所示)，匀光板作磨砂处理，Led光源均匀分布在环形匀光板的外圆四周和内圆四周。匀光板利用均匀分散在导光板中的微小粒子的光散射效应将其四周的Led点光源转变为面光。

(3)图像采集处理单元：由高分辨率面阵智能相机组成，用于实时采集晶圆的图像，并对图像进行处理以获取晶圆圆心的实时位置。图4为利用高分辨率面阵智能相机采集，以大幅面近红外面光源(2)作为背光获得的晶圆边缘图像。

(4)高精度二维微动平台：可在X轴和Y轴两个方向运动，根据图像采集处理单元实时获取的晶圆圆心，计算圆心位置误差，进而调整晶圆位置，最终达到定位目的。在实例中采用日本骏河精机的高精度二维微动电控平台KXG06020作为晶圆的位置调整机构，其重复定位精度达到±0.0005mm。控制器采用伺服电动机控制器DS102MS。

基于机器视觉的晶圆定位方法，包括以下步骤：

(1)晶圆上料：周边装置(一般为洁净机械手)将晶圆平放到真空吸附台，，打开真空，将晶圆吸附。

(2)采集晶圆图像：高分辨率面阵智能相机一般与上级的IC制造设备中央控制器通过PLC信号通信，并按其指令工作。智能相机采集图像的同时发出触发信号，打开大幅面背光源，以获取晶圆的边缘图像。

(3)边缘提取：在获取的晶圆图像中，利用改进的Canny算子提取晶圆边缘。

Canny算子是高斯函数的一阶微分，它能在噪声抑制和边缘检测之间取得较好的平衡，主要有四步：①用高斯滤波器平滑图像；②用一阶偏导的有限差分计算梯度的幅值和方向；③应用非极大值抑制梯度幅值；④用双阈值算法检测和连接边缘。为降低计算复杂度，缩短计算时间，采取两个改进措施：一是缩小处理区域，选取含有晶圆边缘的圆环区域作为处理区域；二是将步骤④原来的8邻域搜索策略(参见图5)降为2邻域搜索(参见图6)策略，在加速边缘提取速度的同时保证了重复定位精度。

(4)晶圆圆心拟合：由于晶圆并不一定是一个完整的圆形，可能存在缺口或者断面，采用最小二乘法拟合圆心和半径。

参见图7所示，离散点(x_i，y_i)，i＝1，2，...N(N为整数)是通过边缘检测提取的晶圆边缘点，假设拟合圆的圆心为(a，b)，半径为R。最小二乘拟合圆方法的基本原理：利用晶圆边缘所有检测点到晶圆几何中心距离和最小，构造极值函数F(a，b，R)，如公式(1)所示；然后对F(a，b，R)分别求a、b、R的偏导，令它们为0列出方程组并求解，即可获得圆心坐标和半径值，如公式(2)-(12)所示。

$F(a,b,R)={\mathrm{\Σ}}_{i-1}^N{({(x_i-a)}^2+{(y_i-b)}^2-R^2)}^2---\left(1\right)$

$a=-\frac{A}{2}---\left(2\right)$

$b=-\frac{B}{2}---\left(3\right)$

$R=\frac{1}{2}\sqrt{a^2+b^2-4c}---\left(4\right)$

其中：

$A=\frac{\mathrm{HD}-\mathrm{EG}}{\mathrm{CG}-D^2}---\left(5\right)$

$B=\frac{\mathrm{HC}-\mathrm{ED}}{D^2-\mathrm{CG}}---\left(6\right)$

$c=-\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i-1}^M(x_i^2+y_i^2)+{\mathrm{a\Σ}}_{i=1}^M{x}_1+b{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^M{y}_1}{N}---\left(7\right)$

$C=N{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{x}_i^2-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{x}_i{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{x}_i---\left(8\right)$

$D=N{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{x}_i{y}_i-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{x}_i{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{y}_i---\left(9\right)$

$E=N{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{x}_i^2+N{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{x}_i{y}_i^2-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N(x_i^2+y_i^2){\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{x}_i---\left(10\right)$

$G=N{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{y}_i^2-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{y}_i{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{y}_i---\left(11\right)$

$H=N{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{x}_i^2{y}_i+N{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{y}_i^3-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N(x_i^2+y_i^2){\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{y}_i---\left(12\right)$

(5)晶圆位置调整：根据(4)的结果，以圆心的当前位置坐标与基准位置坐标的差值作为反馈驱动二维微动平台，调整晶圆位置达到基准位置。在此，基准位置是指能够满足晶圆加工要求的相对加工台固定的位置，可以在设备调试阶段通过手工调整获得，然后利用智能相机采集当时的晶圆图像，提取边缘拟合圆心后得到晶圆基准位置的图像坐标。

Claims (6)

1.基于机器视觉的晶圆预定位装置，其特征在于：在安装框架上装有二维微动平台(2)、大幅面近红外面光源(3)和高分辨率面阵智能相机(6)；所述二维微动平台(2)用于调整晶圆(4)位置并使其定位，所述二维微动平台(2)的载物台上固定连接有用于晶圆上料装载吸附与下料松放的真空吸附式晶圆上料台(1)；所述大幅面近红外面光源(3)的中心孔套在真空吸附式晶圆上料台(1)上并保持同心，其高度位于真空吸附式晶圆上料台(1)的上下底面之间，提供背光源，接收来自高分辨率面阵智能相机(6)的触发信号；所述高分辨率面阵智能相机(6)位于真空吸附式晶圆上料台(1)的正上方，用于实时采集和处理晶圆图像，得到圆心当前位置坐标，计算晶圆(4)圆心位置误差，输出晶圆(4)圆心位置误差信息至微动平台控制器(5)；所述微动平台控制器(5)将晶圆(4)圆心位置误差信息转换为控制信号至二维微动平台(2)。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的晶圆预定位装置，其特征在于：

所述大幅面近红外面光源由匀光板、反射膜和Led驱动电路板无缝压合而成；其中，反射膜位于匀光板和Led驱动电路板中间；Led光源均匀分布在环形匀光板的外圆圆周和内圆圆周上。

3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的晶圆预定位装置，其特征在于：

所述高分辨率面阵智能相机内置DSP。

4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的晶圆预定位装置，其特征在于：

所述二维微动平台用于在X轴和Y轴两个方向调整晶圆位置并定位；接收来自微动平台控制器的控制信号。

5.根据权利要求1所述的基于机器视觉的晶圆预定位装置，其特征在于：

所述微动平台控制器：接收来自高分辨率面阵智能相机的晶圆圆心位置误差信息；对二维微动平台的电机进行闭环控制；输出脉宽信号至二维微动平台。

6.基于机器视觉的晶圆预定位方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1)晶圆上料：将晶圆平放到真空吸附式晶圆上料台吸附；

步骤2)采集晶圆图像：触发高分辨率面阵智能相机采集图像；

步骤3)边缘提取：在高分辨率面阵智能相机中利用Canny算子提取晶圆边缘；

步骤4)晶圆圆心拟合：在高分辨率面阵智能相机中采用最小二乘法拟合圆心和半径；

步骤5)晶圆位置调整：根据步骤4)中的结果，微动平台控制器将晶圆圆心当前位置坐标与基准位置坐标的差值转化为反馈信号驱动二维微动平台，调整晶圆位置达到基准位置。

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