CN104576483A - 一种硅片预对准装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种硅片预对准装置及其方法，该装置包括结构光发射系统、成像系统、工件台、基准板、标记板、计算机以及平台控制系统，硅片和基准板分别放置于所述工件台上，所述标记板放置于所述基准板上，所述结构光发射系统发出的投影光束照射至所述基准板的边缘，所述投影光束反射后的检测光束被成像系统接收，所述成像系统、计算机、平台控制系统及工件台依次相连。本发明通过结构光发射系统与成像系统，确定硅片边缘与吸盘背景的三维坐标，从而准确定位用于后续软件处理的硅片边缘点，摒除了非硅片边缘点对于硅片中心定位的干扰，提高了硅片预对准系统的精确性。

Description

一种硅片预对准装置及其方法
技术领域
本发明涉及激光退火机系统，尤其涉及一种硅片预对准装置及其方法。
背景技术
硅片预对准系统是激光退火机系统的关键分系统之一，其主要功能为计算硅片中心在硅片工件台坐标系的位置，以检测硅片的当前位置与姿态，为后续的激光退火提供方便。硅片在盒内的位置偏差，可能造成硅片退火不均匀，因此必须在设备内部实现硅片的对准。
常见的硅片对准系统是通过可见光照明拍摄，获取硅片边缘图片，将图片通过软件算法处理后定位的。由于硅片置于吸盘上，而吸盘表面呈螺纹状条纹。如图1所示，在拍摄得到的硅片边缘图像中，包含硅片边缘1（图中虚线所示）和吸盘表面螺纹状的干扰条纹2。在拍摄硅片边缘1的图像时，吸盘表面的干扰螺纹2成为干扰硅片边缘1定位的重要因素，这会严重影响准确判断硅片边缘以及精确定位硅片中心。
发明内容
本发明提供一种硅片预对准装置及其方法，以解决现有硅片预对准方法易受吸盘表面的干扰螺纹影响，造成定位不准的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种硅片预对准装置，包括结构光发射系统、成像系统、工件台、基准板、标记板、计算机以及平台控制系统，硅片和基准板分别放置于所述工件台上，所述标记板放置于所述基准板上，所述结构光发射系统发出的投影光束照射至所述基准板的边缘，所述投影光束反射后的检测光束被成像系统接收，所述成像系统、计算机、平台控制系统及工件台依次相连。
较佳地，所述结构光发射系统包括激光和条纹标记板，所述激光经条纹标记板发出条纹状的单色激光束。
较佳地，所述条纹标记板包括中心条纹，所述激光发出的投影光束垂直照射所述中心条纹。
较佳地，所述成像系统包括成像镜头和CCD。
较佳地，所述计算机中包括三维信息提取系统和图像处理定位硅片中心系统。
本发明还提供了一种硅片预对准方法，应用于如上所述的硅片预对准装置，包括以下步骤：
S10：将所述标记板放置于所述基准板上，所述标记板在工件台所在的坐标系中的三维坐标已知；
S20：进行工件台坐标系与成像系统坐标系的转换关系标定；
S30：将所述标记板在工件台坐标系中的三维坐标转换为在成像系统坐标系中的三维坐标；
S40：将投影光束投射到所述标记板上，利用成像系统摄取基准板上标记板的标定条纹图像；
S50：通过S30步骤中转换得到的标记板在成像系统中的三维坐标以及S40步骤中得到的标记板的标定条纹图像，推导出二者之间的参数关系；
S60：工件台移动，带动硅片移动至基准板位置，摄取硅片边缘条纹图像，根据S50步骤中得到的参数关系，得到硅片的中心坐标及旋转偏差；
S70：将S60步骤中得到的硅片中心坐标和旋转偏差数据返回至所述平台控制系统，调整硅片的位置。
较佳的，S20步骤中，采用张正友坐标标定法进行转换关系标定。
较佳的，S60步骤中，得到硅片中心坐标及旋转偏差的步骤为：
S61：获取硅片边缘的条纹图像上四个边缘点的位置坐标以及硅片的切口位置坐标；
S62：通过获取的四个边缘点的位置坐标，运用Rasac拟合圆算法，得到硅片的中心坐标和半径；
S63：根据初步得到的硅片的中心坐标与半径，筛选出切口位置处的缺口像素，对该缺口像素运用Rasac拟合圆算法，得到以缺口为弧的切口的中心坐标和半径；
S64：计算硅片的中心坐标与切口的中心坐标的连线在工件台上的偏差，即硅片的旋转偏差。
较佳的，S61步骤中，通过计算机中的三维信息提取系统筛选出有效的硅片的边缘点。
本发明提供的硅片预对准装置及其方法，该装置包括结构光发射系统、成像系统、工件台、基准板、标记板、计算机以及平台控制系统，硅片和基准板分别放置于所述工件台上，所述标记板放置于所述基准板上，所述结构光发射系统发出的投影光束照射至所述基准板的边缘，所述投影光束反射后的检测光束被成像系统接收，所述成像系统、计算机、平台控制系统及工件台依次相连。本发明通过结构光发射系统与成像系统，确定硅片边缘与吸盘背景的三维坐标，从而准确定位用于后续软件处理的硅片边缘点，摒除了非硅片边缘点对于硅片中心定位的干扰，提高了硅片预对准系统的精确性。
附图说明
图1为现有硅片预对准方法中拍摄得到的硅片边缘图像；
图2为本发明一具体实施方式的硅片预对准装置的结构示意图；
图3为本发明一具体实施方式的硅片预对准装置中条纹标记板的示意图；
图4为本发明一具体实施方式的硅片预对准装置中成像系统摄取的硅片的条纹图像；
图5为本发明一具体实施方式的硅片预对准装置中采用的结构光图像法的原理示意图；
图6为本发明一具体实施方式的硅片预对准装置中成像系统摄取的硅片的边缘点的示意图。
图1中：1-硅片边缘，2-干扰螺纹；
图2～6中：10-结构光发射系统，11-激光，12-条纹标记板，13-中心条纹，20-成像系统，30-工件台，40-基准板，50-标记板，60-计算机，70-平台控制系统，80-硅片，81-切口，82、83、84、85-边缘点；
21-断层条纹，22-平滑条纹。
具体实施方式
为了更详尽的表述上述发明的技术方案，以下列举出具体的实施例来证明技术效果；需要强调的是，这些实施例用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。
本发明提供的硅片预对准装置及其方法，如图2所示，该装置包括结构光发射系统10、成像系统20、工件台30、基准板40、标记板50、计算机60以及平台控制系统70，硅片80和基准板40分别放置于所述工件台30上，所述标记板50放置于所述基准板40上，所述结构光发射系统10发出的投影光束照射至所述基准板40的边缘，所述投影光束反射后的检测光束被成像系统20接收，所述成像系统20、计算机60、平台控制系统70及工件台30依次相连。
具体地，对本发明中以下几个名词做出如下定义：
投影光束：从结构光发射系统10发出的平行光束，在被基准板40或者硅片80反射前称为投影光束。
测量条纹：投影光束投射在基准板40表面形成的几何条纹称为测量条纹。
检测光束：从结构光发射系统10发出的平行光束，在被基准板40或者硅片80表面反射之后被称为检测光束。
标定条纹图像：投影光束投射在基准板40表面的标记板50形成反射光被成像系统20接收，形成的二维条纹图像称为标定条纹图像。
本发明采用新增的结构光发射系统10、成像系统20以及基准板40和标记板50，确定硅片80的边缘与吸盘背景的三维坐标，代替现有技术中可见照明拍摄的硅片边缘图案以及单纯依靠软件分辨硅片边缘的结构及方法，排除了非硅片边缘点对硅片中心定位的干扰，提高了硅片预对准系统的精确度。
较佳地，请继续参考图2，所述结构光发射系统10包括激光11和条纹标记板12，所述激光11经条纹标记板12发出条纹状的单色激光束，较佳地，请结合图3，所述条纹标记板12包括中心条纹13，所述激光11发出的投影光束垂直照射所述中心条纹13上。
较佳地，所述成像系统20包括成像镜头和CCD。所述成像系统20接收由基准板40反射的检测光束，用以确定成像系统20相对于工件台30坐标系的位置。
较佳地，所述计算机60中包括三维信息提取系统和图像处理定位硅片中心系统。
本发明还提供了一种硅片预对准方法，应用于如上所述的硅片预对准装置，包括以下步骤：
S10：将所述标记板50放置于所述基准板40上，所述标记板50在工件台30所在的坐标系中的三维坐标已知；
S20：进行工件台30坐标系与成像系统20坐标系的转换关系标定；具体地，采用张正友坐标标定法进行转换关系标定。
S30：将所述标记板50在工件台30坐标系中的三维坐标转换为在成像系统20坐标系中的三维坐标；
S40：将投影光束投射到所述标记板50上，利用成像系统20摄取基准板40上标记板50的标定条纹图像；
S50：通过S30步骤中转换得到的标记板50在成像系统20中的三维坐标以及S40步骤中得到的标记板的标定条纹图像，推导出二者之间的参数关系；
这种方法为结构光图像法，其原理为运用基于三角测量原理的主动式结构光编码测量技术，请重点参考图5。
图中，P（x，y，z）为标记板50的成像点，其对应的检测光束在以成像系统20中心O为原点的坐标系中的坐标为P’（u，v），a为被测点与光源中心形成的直线和X轴的夹角，f为成像系统20的焦距，b为光源中心与成像系统20中心的距离。根据几何成像原理，在XOZ平面内可得：
f/u＝z/x  （1）
(b-x)/z＝cota  （2）
根据（1）（2）式可得（3）式
x＝bu/(fcota+u)  （3）
同理在YOZ平面内满足：
f/v＝z/y  （4）
x/y＝u/v  （5）
综上所述，可得（x，y，z）与（u，v，f）存在映射关系，如下式所示
x y z = b f cot a + u u v f - - - ( 6 )
（6）式中的b，f以及a值需要通过标定获取。
系统标定参数的具体方法如下：
在同一条纹上获取至少三组已知点：三维坐标点（xi,yi,zi）以及图像坐标点（ui,vi）i＝1,2...,n在同一条条纹上的点，a值是相等的，通过一条条纹上的三组以上的数据，即可计算出b，f值，以及当前条纹对应的ai：
b = x i y j u j - x i y j u i y j u i - x i v j f = z i v i / y i a i = cot - 1 [ ( b - x i ) u i x i f ] ( i ≠ j ) - - - ( 7 )
依次在剩余的每条条纹中找出若干点，即可得到不同条纹对应的a值。
S60：工件台30移动，带动硅片80移动至基准板40位置，摄取硅片边缘条纹图像，根据S50步骤中得到的参数关系，得到硅片80的中心坐标及旋转偏差。具体地，移动工件台30，将硅片30边缘位置移至标定的基准板40上标记板50的位置，进入成像系统20的视场内，激光11输出平行投影光束，光线经过条纹标记板12后被投影到硅片80的边缘位置，成像系统20接收检测光束，获取二维条纹图像。获取的条纹图像如图4所示，在硅片80与吸盘的交界处的断层条纹21形状会出现一定程度的不连续或者扭曲，而直接照射在硅片80或者吸盘的条纹为平滑条纹22，二者的特征存在明显的差异。
S70：将S60步骤中得到的硅片80中心坐标和旋转偏差数据返回至所述平台控制系统70，调整硅片80的位置。
较佳的，请重点参考图6，S60步骤中，在获取硅片条纹图像后，所述图像处理定位硅片中心系统运用软件算法进行硅片中心定位，具体地，得到硅片80中心坐标及旋转偏差的步骤为：
S61：获取硅片边缘的条纹图像上四个边缘点82、83、84、85的位置坐标以及硅片80的切口81位置坐标，本实施例中，切口81位于其中一个边缘点85内，较佳的，通过计算机60中的三维信息提取系统筛选出有效的硅片80的边缘点82、83、84、85。具体地，所述三维信息提取系统根据获取的二维条纹图像（如图4所示）以及通过基准板40标定的系统参数，计算出断层21处以及邻近像素对应的三维坐标，以此区分硅片80与其放置的吸盘等工件的位置的三维坐标差异，通过三维坐标差异，筛选出二维条纹图像中的有效硅片边缘点。
S62：通过获取的四个边缘点82、83、84、85的位置坐标，运用Rasac拟合圆算法，得到硅片80的中心坐标和半径；
S63：根据初步得到的硅片80的中心坐标与半径，筛选出切口81位置处的缺口像素，对该缺口像素运用Rasac拟合圆算法，得到以缺口为弧的切口81的中心坐标和半径；
S64：计算硅片80的中心坐标与切口81的中心坐标的连线在工件台30上的偏差，即硅片80的旋转偏差。
本发明中，激光11发出的光束在标定前照射到基准板40上，通过基准板40的三维坐标与成像系统20得到的二维条纹图像，对系统的参数进行标定；然后将硅片80移到已经标定好的基准板40的位置，投影光束照射到硅片80边缘处，通过摄取的二维条纹图像计算出硅片80边缘以及吸盘的三维信息，以此作为分辨硅片80边缘与吸盘的依据；最后将准确定位的硅片边缘点作为定位硅片80中心位置的输入，调整硅片80的位置，准确性更高。
综上所述，本发明提供的硅片预对准装置及其方法，该装置包括结构光发射系统10、成像系统20、工件台30、基准板40、标记板50、计算机60以及平台控制系统70，硅片80和基准板40分别放置于所述工件台30上，所述标记板50放置于所述基准板40上，所述结构光发射系统10发出的投影光束照射至所述基准板40的边缘，所述投影光束反射后的检测光束被成像系统20接收，所述成像系统20、计算机60、平台控制系统70及工件台30依次相连。本发明通过结构光发射系统10与成像系统20，确定硅片80边缘与吸盘背景的三维坐标，从而准确定位用于后续软件处理的硅片边缘点82、83、84、85，摒除了非硅片边缘点对于硅片80中心定位的干扰，提高了硅片预对准系统的精确性。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种硅片预对准装置，其特征在于，包括结构光发射系统、成像系统、工件台、基准板、标记板、计算机以及平台控制系统，硅片和基准板分别放置于所述工件台上，所述标记板放置于所述基准板上，所述结构光发射系统发出的投影光束照射至所述基准板的边缘，所述投影光束反射后的检测光束被成像系统接收，所述成像系统、计算机、平台控制系统及工件台依次相连。
2.如权利要求1所述的硅片预对准装置，其特征在于，所述结构光发射系统包括激光和条纹标记板，所述激光经条纹标记板发出条纹状的单色激光束。
3.如权利要求2所述的硅片预对准装置，其特征在于，所述条纹标记板包括中心条纹，所述激光发出的投影光束垂直照射所述中心条纹。
4.如权利要求1所述的硅片预对准装置，其特征在于，所述成像系统包括成像镜头和CCD。
5.如权利要求1所述的硅片预对准装置，其特征在于，所述计算机中包括三维信息提取系统和图像处理定位硅片中心系统。
6.一种硅片预对准方法，应用于如权利要求1～5中任意一项所述的硅片预对准装置，其特征在于，包括以下步骤：
S10：将所述标记板放置于所述基准板上，所述标记板在工件台所在的坐标系中的三维坐标已知；
S20：进行工件台坐标系与成像系统坐标系的转换关系标定；
S30：将所述标记板在工件台坐标系中的三维坐标转换为在成像系统坐标系中的三维坐标；
S40：将投影光束投射到所述标记板上，利用成像系统摄取基准板上标记板的标定条纹图像；
S50：通过S30步骤中转换得到的标记板在成像系统中的三维坐标以及S40步骤中得到的标记板的标定条纹图像，推导出二者之间的参数关系；
S60：工件台移动，带动硅片移动至基准板位置，摄取硅片边缘条纹图像，根据S50步骤中得到的参数关系，得到硅片的中心坐标及旋转偏差；
S70：将S60步骤中得到的硅片中心坐标和旋转偏差数据返回至所述平台控制系统，调整硅片的位置。
7.如权利要求6所述的硅片预对准方法，其特征在于，S20步骤中，采用张正友坐标标定法进行转换关系标定。
8.如权利要求6所述的硅片预对准方法，其特征在于，S60步骤中，得到硅片中心坐标及旋转偏差的步骤为：
S61：获取硅片边缘的条纹图像上四个边缘点的位置坐标以及硅片的切口位置坐标；
S62：通过获取的四个边缘点的位置坐标，运用Rasac拟合圆算法，得到硅片的中心坐标和半径；
S63：根据初步得到的硅片的中心坐标与半径，筛选出切口位置处的缺口像素，对该缺口像素运用Rasac拟合圆算法，得到以缺口为弧的切口的中心坐标和半径；
S64：计算硅片的中心坐标与切口的中心坐标的连线在工件台上的偏差，即硅片的旋转偏差。
9.如权利要求8所述的硅片预对准方法，其特征在于，S61步骤中，通过计算机中的三维信息提取系统筛选出有效的硅片的边缘点。
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