CN104899887A - 半导体设备承载区域的硅片分布状态图像检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种半导体设备承载区域的硅片分布状态图像检测方法以及装置，其在位于硅片组上方设置图像传感单元，在位于硅片承载器圆周侧边的机械手U形端部相对位置上，设置光电扫描单元或超声扫描单元；且承载器和机械手间可以作相对旋转和/或定位的运动；在第一检测阶段的图像采集模式下，执行硅片凸片的异常状态极限位置预扫描指令；通过在第二检测阶段的光电扫描/超声扫描单元的互接收模下，执行硅片凸片的异常状态循环扫描指令；以及通过在第三检测阶段的光电扫描/超声扫描单元互接收模式下，执行硅片分布状态异常扫描指令；且在承载器的周围布设多个扫描检测点，进一步地提高了检测精度。

Description

半导体设备承载区域的硅片分布状态图像检测方法及装置

技术领域

本发明涉及半导体加工设备技术领域，尤其涉及一种半导体设备承载区域的硅片分布状态图像检测方法，本发明还涉及一种半导体设备承载区域的硅片分布状态图像检测装置。

背景技术

硅片的安全存取和输运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，通常要求由于输运设备自身导致的硅片破片率应小于十万分之一。并且，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，用于存取和输运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。

然而，当机械手在对硅片进行取放作业时，尤其是，当硅片在传输过程或热处理过程中导致的受热变形等情况会导致硅片在承载器上处于突出状态或者处于叠片、斜片或无片状态时，往往会产生碰撞导致硅片或设备受损，造成不可弥补的损失。

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，当硅片组2中的硅片在承载器3上处于突出等异常状态时，机械手1在自动存取硅片2的运动处于非完全工作状态，非常容易造成硅片2及设备(包括机械手1)的损伤。

因此，在机械手1完成硅片放置后或准备取片前，需对承载器3上硅片组2中的硅片分布状态进行准确的识别，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。

目前，批量式硅片热处理系统的硅片分布状态的识别一般是采用单纯的光电信号运动扫描方法对硅片在承载器3上的分布状态进行识别，这种扫描方法仅对硅片组2中的硅片处于叠片、斜片或无片等异常状态时，有一定的检测效果，但如果硅片在承载器3上处于突出状态时，就不能很好地检测出，也就是说，通过现有技术简单的得出异常或正常的结果，在运动扫描过程中还是易产生碰撞导致硅片或设备受损，同时经常产生漏报、误报的情况。

随着半导体集成电路制造技术的发展，对硅片的安全存取和输运提出了更高的要求，即对机械手的精准控制要求也越来越高。因此，如何快速准确检测硅片半导体设备承载区域内的硅片分布状态，避免机械手运动造成硅片及设备损伤，已成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种半导体设备承载区域的硅片分布状态图像检测方法，能够快速准确检测硅片半导体设备承载区域内的硅片分布状态，避免机械手运动造成硅片及设备损伤。本发明的第二个目的是提供三种半导体设备承载区域的硅片分布状态检测装置。

为了实现上述第一个目的，本发明提供了一种半导体设备承载区域的硅片分布状态图像检测方法，其在位于硅片组的上方，设置有图像传感单元，在位于硅片承载器圆周侧边的机械手上，设置有光电扫描单元、超声扫描单元或图像传感单元，其中，所述光电扫描单元包括两个互为发射端和接收端的水平对射式光电传感器，分别位于所述机械手U形端的相对位置；所述超声扫描单元包括两个互为发射端和接收端的水平对射式超声传感器，分别位于所述机械手U形端的相对位置；所述方法包括以下步骤：

步骤S1、设定理想放置硅片的中心坐标和实际放置区域距所述中心坐标偏差阈值；启动所述图像传感单元，拍摄硅片放置状态图像，利用图像特征识别算法，判断所述硅片组中硅片放置是否位于偏差阈值区域；如果是，执行步骤S3，否则，执行步骤S2；

步骤S2、执行硅片凸片的异常突出状态循环扫描指令，判断并获得所述硅片组中硅片异常突出的位置；

步骤S3：执行硅片分布状态异常扫描指令，根据两个所述光电传感器/或超声波传感单元间相互发射和接收的反馈值在扫描检测区域内光/超声波信号强度的分布状态，判断是否存在斜片、叠片和/或空片的异常状态；或者，根据图像传感单元在扫描检测区域内图像的分布状态，判断是否存在斜片、叠片和/或空片的异常状态。

优选地，所述步骤S2可以具体包括以下步骤：

步骤S21、设定机械手运动扫描初始化参数并执行初始化；其中，所述运动扫描初始化参数包括机械手水平和/或垂直扫描运动速度，硅片的间隔距离、每一次机械手水平步进距离、水平起始点位置及终止点位置和上/下垂直起始点位置及终止点位置；

步骤S22、所述机械手定位对应于所述承载器第一个放置硅片的垂直起始点和水平起始点位置；

步骤S23、根据两个所述光电传感光电扫描单元/超声传感单元器间相互发射和接收光/超声信号的反馈值接收时间随遮挡范围产生强度上的变化，判断相应位置的硅片是否存在凸片的异常状态；如果是，执行步骤S26；否则，执行步骤S24；

步骤S24：所述机械手依序下降或上升一个硅片的间隔距离，先判断所述位置是否是上/下垂直终止点位置；如果是，执行步骤S25；否则，执行步骤S23；

步骤S25：所述机械手沿所述承载区中心方向前进一个预设的水平步进距离，判断所述位置是否是水平终止点位置；如果是，执行步骤S3；否则，执行步骤S23；

步骤S26：发出凸片异常报警信息，继续执行步骤S23。

优选地，所述承载器或所述机械手包括转动单元，所述转动单元使所述机械手围绕所述承载器作相对旋转运动，且在整个所述承载器侧周上具有N个旋转检测停止位置，在每一个检测位置执行一次所述步骤S2，得到一组相应的检测结果；最后将N组检测结果进行与运算，得到最终的硅片凸片的异常状态分布，其中，N为大于等于2的正整数。

优选地，所述N个位置中相邻两个位置的旋转角度相同，选择设定如下：

A.当(360°/设定旋转角度)的余数＝0时：

累计检测位置数目＝360°/设定旋转角度

实际旋转角度＝设定旋转角度

B.当(360°/设定旋转角度)的余数≠0时：

累计检测位置数目＝(360°/设定旋转角度)取整(舍去小数点后)+1

实际旋转角度＝360°/累计检测位置数目

如果由旋转起始点和设定旋转角度生成的检测位置坐标值与所述承载器支撑点的坐标位置冲突，则需重新设定起始点和旋转角度值。

优选地，所述步骤S25中，所述机械手沿水平方向每次移动水平步进距离相等或逐渐减小；且所述水平起始位置与硅片处于跌落极限位置时的位置相关，所述水平终止点位置与承载器的支撑结构参数和相关。

优选地，所述步骤S3可以具体包括：

步骤S31：根据硅片的厚度、相邻硅片的间隔距离和承载器的厚度，获得判断斜片、叠片和空片的运动扫描区域；

步骤S32：所述机械手定位于水平运动起始点位置和垂直终止点位置；

步骤S33：根据两个所述光电传感器/或超声波传感器相互发射和接收光信号的预设检测区域和在该区域的光信号遮蔽宽度情况，依次判断相应的硅片放置位置是否存在斜片、叠片和/或空片的异常状态；如果是，执行步骤S35；否则，直接执行步骤S34；

步骤S34：所述机械手依序下降一个硅片的间隔距离，判断所述位置是否是垂直终止点位置；如果是，结束；否则，执行步骤S33；

步骤S35：发出相应位置存在斜片、叠片和/或空片的异常状态信息，执行步骤S34。

优选地，如果所述图像传感单元位于机械手上，那么，所述步骤S3还可以具体包括：

步骤S31′：根据硅片的厚度、相邻硅片的间隔距离和承载器的厚度，获得判断斜片、叠片和空片的运动扫描区域；

步骤S32′：所述机械手定位于水平起始点位置和垂直起始点位置；

步骤S33′：启动所述图像传感单元，沿硅片水平方向拍摄硅片侧边放置状态图像，采用硅片边缘为特征提取点的图像特征识别算法，提取识别对象的分布特征，依次判断相应的硅片放置位置是否存在斜片、叠片和/或空片的异常状态；如果是，执行步骤S35′；否则，直接执行步骤S34′；

步骤S34′：所述机械手依序下降一个硅片的间隔距离，判断所述位置是否是垂直终止点位置；如果是，结束；否则，执行步骤S33′；

步骤S35′：发出相应位置存在斜片、叠片和/或空片的异常状态信息，执行步骤S34′。

优选地，所述承载器或所述机械手包括转动单元，所述转动单元使所述机械手围绕所述承载器作相对旋转运动，且在整个所述承载器侧周上具有M个旋转检测停止位置，在每一个检测位置执行一次所述步骤S3，得到一组相应的检测结果；最后将M组检测结果进行与运算，得到最终的硅片分布状态异常情况结果；其中，M为大于等于2正整数。

优选地，所述M个位置点中相邻两个位置的旋转角度相同，选择设定如下：

A.当(360°/设定旋转角度)的余数＝0时：

累计检测位置数目＝360°/设定旋转角度

实际旋转角度＝设定旋转角度

B.当(360°/设定旋转角度)的余数≠0时：

累计检测位置数目＝(360°/设定旋转角度)取整(舍去小数点后)+1

实际旋转角度＝360°/累计检测位置数目

如果由旋转起始点和设定旋转角度生成的检测位置坐标值与所述承载器支撑点的坐标位置冲突，则需重新设定起始点和旋转角度值。

为了实现上述第二个目的，本发明提供了一种半导体设备承载区域的硅片分布状态图像扫描检测方法的装置，其包括图像传感单元、光电扫描单元、控制单元和报警装置；图像传感单元设置在位于硅片组的上方，用于俯视采集所述硅片组中层叠硅片放置状态的图像；光电扫描单元设置于在所述承载器的圆周侧边的机械手上，并随所述机械手移动，在水平和/或垂直预设方向进行移动并执行扫描检测，其包括两个互为发射端和接收端的光电传感器；所述光电传感器分别位于机械手的U形端部相对位置；控制单元用于启动检测并处理获得的光电强度和分布情况结果，得到所述硅片在承载器上的异常状态分布情况；其中，所述的异常状态包括硅片凸出、斜片、叠片和/或空片的状态；以及报警装置，与所述控制单元连接，所述控制单元根据异常状态分布情况控制所述报警装置的启闭。

为了实现上述第二个目的，本发明又提供了一种半导体设备承载区域的硅片分布状态图像扫描检测方法的装置，其包括图像传感单元、超声波传感单元、控制单元和报警装置；图像传感单元设置在位于硅片组的上方，用于俯视拍摄层叠于所述硅片组中硅片放置状态的图像；超声波传感单元设置于在所述承载器的圆周侧边的机械手上，并随所述机械手移动，在水平和/或垂直预设方向进行移动并执行扫描检测，其包括两个互为发射端和接收端的超声波传感器；所述超声波传感器分别位于机械手的U形端部相对位置；控制单元用于启动检测并处理获得的超声波强度和分布情况结果，得到所述硅片在承载器上的异常状态分布情况；其中，所述的异常状态包括硅片凸出、斜片、叠片和/或空片的状态；以及报警装置与所述控制单元连接，所述控制单元根据异常状态分布情况控制所述报警装置的启闭。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的半导体设备承载区域的硅片分布状态的图像检测方法及装置，在两个阶段即硅片传送片完成后和取片前，首先通过位于硅片组上方的图像传感单元，执行硅片凸片的异常状态极限位置预扫描指令；然后，通过位于硅片承载器圆周侧边的机械手上的光电扫描单元或超声扫描单元，执行硅片凸片的异常状态循环扫描指令；最后，通过位于机械手上的光电扫描单元、超声扫描单元或图像传感单元执行硅片分布状态异常扫描指令。因此，本发明能快速准确对硅片在承载器中区域是否有硅片凸出、斜片、叠片和/或空片的异常分布状态进行诊断，且在承载器的周围布设多个扫描检测点，实现了多角度检测，进一步地提高了检测精度，很好地避免了机械手运动造成硅片及设备损伤。实验证明，本发明的技术方案实现简单，效果良好。

附图说明

图1为现有技术中机械手在硅片传输、硅片放置和取片时的位置示意图

图2为现有技术中位于硅片组上方的承载器端盖(自动炉门，shutter)结构示意图

图3为本发明实施例中半导体设备承载区域的硅片分布状态图像检测装置中的图像传感单元位于硅片组上方的承载器端盖结构示意图

图4为本发明实施例中半导体设备承载区域的硅片分布状态图像检测装置中的第一和第二光电传感器，其分别位于机械手U形端部相对位置，图像传感单元位于机械手上的结构示意图

图5为本发明实施例中半导体设备承载区域的硅片分布状态图像检测装置中的第一和第二超声波传感器，分别位于机械手U形端部相对位置，图像传感单元位于机械手上的结构示意图

图6为本发明半导体设备承载区域的硅片分布状态图像检测方法一较佳实施例的流程示意图

图7为本发明实施例中半导体设备承载区域的硅片分布状态图像检测的整体控制流程图

图8为本发明实施例中硅片存在突出异常状态的图像示意图

图9为本发明硅片突出异常状态检测一较佳实施例的指令控制流程图

图10为本发明实施例中硅片存在突出异常分布状态的检测过程工作原理示意图

图11本发明实施例中硅片处于硅片跌落极限位置时与第一和第二光电传感器位置关系结构示意图

图12为本发明实施例中机械手U形端距离硅片中心之间最小安全距离时的计算原理示意图

图13为本发明实施例中第一和第二光电传感器在检测硅片存在突出异常分布状态过程中的移动轨迹示意图

图14为本发明实施例中判断是否存在斜片、叠片和/或空片的异常状态的一较佳实施例的具体控制流程示意图

图15为本发明实施例中硅片和承载器的位置关系参数示意图

[图中附图标记]：

机械手1

硅片组2

承载器3

第一光电传感器4

第二光电传感器5

第一超声波传感器6

第二超声波传感器7

端盖8

图像传感单元9

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。其次，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实施例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。

请参阅图2、图3和图4，图2为现有技术中位于硅片组上方的承载器端盖(Shutter)结构示意图；图3为本发明实施例中半导体设备承载区域的硅片分布状态图像检测装置中的图像传感单元9位于硅片组2上方的承载器端盖(Shutter)结构示意图。如图所示，本发明提供的半导体设备承载区域的硅片分布状态图像检测方法，是采用在位于硅片组2上方的承载器3端盖8内表面，设置有图像传感单元9，并且可选择在位于硅片承载器3圆周侧边的机械手1上，设置光电扫描单元(第一组合方案)或超声扫描单元(第二组合方案)的一种。需要说明的是，不论采用上述两种组合方案的任何一种，图像传感单元9可以位于硅片组2上方的任何位置，也可以位于机械手1上，在此不再赘述。

请参阅图4，图4为本发明实施例中半导体设备承载区域的硅片分布状态检测装置的第一和第二光电传感器，其分别位于机械手U形端部相对位置第一和第二光电传感器，其分别位于机械手U形端部相对位置，图像传感单元位于机械手上的结构示意图。在本实施例中，光电扫描单元可以包括两个互为发射端和接收端的水平对射式光电传感器，即第一光电传感器4和第二光电传感器5，分别位于机械手1的U形端的相对位置，第一和第二光电传感器4,5工作在互接收模式。在本发明的一些实施例中，如果图像传感器9也同样设置在机械手1上，并随机械手1移动时，可以设置成当位于硅片组的上方时(执行步骤S1)，用于俯视拍摄层叠于硅片组2中硅片放置状态的图像。

请参阅图5，图5为本发明实施例中半导体设备承载区域的硅片分布状态检测装置的第一和第二超声波传感器，分别位于机械手U形端部相对位置，第一和第二光电传感器，其分别位于机械手U形端部相对位置，图像传感单元位于机械手上的结构示意图。在本实施例中，超声扫描单元通常可以包括两个互为发射端和接收端的水平对射式超声传感器，即第一超声波传感器6和第二超声波传感器7，分别位于机械手1的U形端的相对位置，第一和第二超声波传感器6,7工作在互接收模式。在本发明的一些实施例中，如果图像传感器9也同样设置在机械手1上，并随机械手1移动时，可以设置成当位于硅片组的上方时(执行步骤S1)，用于俯视拍摄层叠于硅片组2中硅片放置状态的图像。

控制单元(图未示)用于启动检测并处理获得的光电强度、超声波信号强度以及图像传感单元采集的图像信号情况，并通过判断得到硅片组2在承载器3上的异常状态分布情况；其中，异常状态包括硅片凸出、斜片、叠片和/或空片的状态；并且，控制单元还可以连接报警单元，该控制单元可以根据异常状态分布情况控制报警单元的启闭。

请参阅图6、7、8、9、10、11和12，图6为本发明半导体设备承载区域的硅片分布状态图像检测方法一较佳实施例的流程示意图。图7为本发明实施例中半导体设备承载区域的硅片分布状态图像检测的整体控制流程图。如图所示，所述方法包括以下步骤：

步骤S1、设定理想放置硅片的中心坐标和实际放置区域距该中心坐标偏差阈值；启动位于硅片组2上方的图像传感单元9，拍摄硅片放置状态图像，利用图像特征识别算法，判断硅片组2中硅片放置是否有超出偏差阈值区域的情况；如果是，执行步骤S3，否则，执行步骤S2；

步骤S2、执行硅片凸片的异常突出状态循环扫描指令，判断并获得硅片组2中硅片异常突出的位置；

步骤S3：执行硅片分布状态异常扫描指令，根据两个光电传感器4,5/或超声扫描单元6,7间相互发射和接收的反馈值在扫描检测区域内光信号强度的分布状态，判断是否存在斜片、叠片和/或空片的异常状态；或者，根据图像传感单元在扫描检测区域内图像的分布状态，判断是否存在斜片、叠片和/或空片的异常状态。

也就是说，在硅片的传送片完成后和取片前，本发明通过下述三个检测子阶段完成整个检测过程：

首先，设定理想放置硅片的中心坐标和实际放置区域距该中心坐标偏差阈值；请参阅图8，图8为本发明实施例中硅片存在突出异常状态的图像示意图。如图所示，假设理论硅片中心坐标为A(xa,ya)，半径为Ra，即硅片图像处于正常硅片位置(空白)区域中心；如果实际硅片图像处于深灰色区域，圆周区域中心与正常硅片位置(空白)区域中心相同，半径(边缘距中心点的距离)不同为Rb，由于Rb没有超过偏差阈值，则为可以接受的偏差范围内；如果实际硅片图像处于浅灰色区域，圆周区域中心与正常硅片位置(空白)区域中心相同，半径不同为Rc，已超过偏差阈值，则为不可以接受的偏差范围内。

在本发明的一些实施例中，实际硅片中心点C(xc,yc)，可以通过图像采集及识别算法求出；

$\sqrt{{(x_c-x_a)}^2+{(y_c-y_a)}^2}$

即计算出实际硅片中心点与理论硅片中心点的距离，即其偏心程度，可以算出硅片是否存在突出问题。图像识别方法为选择硅片与支撑机构交接的点为特征识别点，利用不在同一直线上的三点可以确定一个圆周的圆心位置，利用群组方式，分别从总的特征点中选择三个点为一组C_n ³的排列组合，分别算出圆心坐标位置，然后将所有组的圆心坐标位置进行平均，即可求得C(xc,yc)。

根据上述判断原则，用图像传感单元9的检测结果图像得到是否有硅片突出异常状况。请参阅图9，图9为本发明硅片突出异常状态检测一较佳实施例的指令控制流程图。硅片突出异常状态检测后，将需要进行硅片突出异常状况的定位步骤，即步骤S2。

执行该步骤S2可以采用两种技术方案，第一和第二光电传感器4,5，以及第一和第二超声波传感器6,7方案，两种方案原理相同，下面就以第一和第二光电传感器4,5互对射式传感器为例进行详细叙述。

第一和第二光电传感器4,5互对射式传感器分别位于机械手U形端的相对位置，其检测工作原理请参阅图10。如图所示，第一和第二光电传感器4,5的反馈值接收时间会随着遮挡的范围产生强度上的变化。在检测正常的情况下，为了获取硅片在承载结构上某一个位置有无障碍物的扫描数据，该有无障碍物的判断由光电传感器强度变化判定，即以硅片扫描示教中心值为基准，如果光电传感器接收端的光强度返回值小于指定阈值α，则认为相应区域内有物体遮挡，返回状态值为1，代表该承载器3相应位置上的硅片处于突出异常状态；如果光电传感器接收端的光强度返回值大于等于指定阈值α，则认为相应区域内无物体，返回状态值为0，代表该承载器3相应位置上的硅片处于正常状态。

如图10所示，横坐标上出现的检测时间点t1，t2，t3，t4与机械手1的运动扫描速度有关，因此，可以根据时间检测结果变化的起始点和范围即可确定硅片的状态，同时可以计算出其超过正常范围的突出程度，得到每个硅片放置位置是否可以安全进行工艺或者卸载的诊断结果。

在检测过程开始前，可以通过预先示教机械手1的控制参数，这些控制参数可以控制机械手1在预设的方向和位置，也相应设定了两个对射式光电传感器4,5或超声波传感器6,7的扫描检测轨迹，该初始化参数包括第一和第二光电传感器4,5水平起始点位置及终止点位置和上/下垂直起始点位置及终止点位置、硅片的间隔距离以及机械手水平步进间距等参数。

机械手1扫描检测轨迹的每一次扫描检测的起始位置是由水平起始点位置和上/下垂直起始点位置决定，上/下垂直起始点位置是两个位置，上垂直起始点位置对应于硅片组2的顶层硅片放置的位置，下垂直起始点位置对应于硅片组2的底层硅片放置的位置。

在检测过程中，如果是从上垂直起始点位置开始，那么下一个检测位置就是依序下降一个相邻硅片的间隔距离，直到下垂直起始点位置；同理，如果是从下垂直起始点位置开始，那么下一个检测位置就是依序上升一个相邻硅片的间隔距离，直到上垂直起始点位置。

对于水平检测扫描方向的移动检测区域，是由承载器的结构参数和硅片的尺寸参数决定的，即水平起始位置与硅片处于跌落极限位置时的位置相关，水平终止点位置与承载器3的支撑结构参数相关。

假设X为机械手1上第一和第二光电传感器4,5的发送端和接收端之间的距离，那么，X的取值需确保机械手1在运动过程中能够正常扫描指定尺寸硅片而不与硅片发生干涉现象。请参阅图11，图11为本发明实施例中硅片处于硅片跌落极限位置时与第一和第二光电传感器位置关系结构示意图。如图所示，假定图中硅片重心位于承载器3的支撑结构边沿时(偏离正常位置Y)为硅片不会滑落支撑结构的最大位移位置，设定硅片相对绝对水平位置倾角为γ，γ的取值大小由结构设计确定，则有如下关系：

tan(γ)＝s/Y,γ＝arctan(s/Y)，s为相邻两片硅片之间的间隔距离，即硅片组2水平放置在承载器3上时两相邻硅片中心在竖直方向的距离；那么

$Z>\sqrt{r^2-{(X/2)}^2}\cos \left(\mathrm{\γ}\right)+Y+\mathrm{\δ},$ δ>0，为安全余量设定值，X为第一和第二光电传感器4,5(或为第一和第二超声波传感器6,7)间的距离。

请参阅图12，图12为本发明实施例中机械手U形端距离硅片中心之间最小安全距离时的计算原理示意图。如图所示，设定该扫描检测起始位置距离承载器3中心距离为Z，同时设定水平检测扫描的时变值为b(t)，b(t)表示机械手1上的两个光电传感器4间中心线距离支撑结构中心的实时距离，那么，在水平扫描检测起始位置，b(0)＝Z；此外，为考虑安全余量，b(t)＝Y+δ为正式获取硅片分布状态的距离承载器3结构中心的距离；其中：

X为机械手1上第一和第二光电传感器4,5间的距离；

Y为承载器3半径，即承载器3的中心点到其边缘的长度；

r为硅片组2中硅片的半径，即硅片中心到其边缘的长度；

s为相邻两片硅片之间的间隔距离，即硅片组2水平放置在承载器3上时两相邻硅片中心在竖直方向的距离；

γ为设定相对于绝对水平位置的硅片倾斜角，本领域技术人员清楚，通用硅片的厚度通常为0.7mm，相对于直径为300mm或200mm硅片，即其半径为150mm或100mm时，硅片2厚度d/r的比值是小于1/100。因此，在计算硅片的倾斜角度时，硅片的厚度d可近似为0，这时，该倾斜角的关系可按如下公式计算为：

tan(γ)＝s/Y,

γ(0)＝arctan(s/Y)，即γ(0)的取值大小由结构设计确定

请参阅图10，当硅片重心位于支撑结构边沿，该极限位置倾斜的硅片在绝对水平平面上的投影则为：

$\sqrt{r^2-{\left(\frac{X}{2}\right)}^2}\cos \left(\mathrm{\γ}\right)$

如果Z为极限的扫描起始位置，也就是机械手1中心在该位置距离承载器3中心距离，即在水平扫描检测起始位置，b(0)＝Z，那么考虑安全余量；

$Z\left(0\right)>\sqrt{r^2-{(X/2)}^2}\cos \left(\mathrm{\γ}\right)+Y+\mathrm{\δ}$

δ>0，为安全余量设定值，即机械手1此时做竖直方向的运动不会与硅片发生干涉的安全距离，该值大小也与上述X、r以及硅片中心与机械手1的U型端口中心是否在同一水平线产生影响，因此，在检测时，需尽量将U型端口上的互为发射接收的第一和第二光电传感器4,5/第一和第二超声波传感器6,7间的中心线与硅片定位在一个平面上。并且，在同一平面内机械手1上的第一和第二光电传感器4,5/第一和第二超声波传感器6,7间的连线与硅片2中心之间的距离需要大于：

$\sqrt{r^2-{\left(\frac{X}{2}\right)}^2}$

也就是说，当极限位扫描没有检测到硅片异常时，即相当于在硅片倾斜情况下，机械手1沿水平方向运动如下距离，在竖直方向上运动依然不会与倾斜的硅片产生干涉；

$r-\sqrt{r^2-{\left(\frac{X}{2}\right)}^2}*\cos \left(\mathrm{\γ}\right)$

水平扫描起始点设定完成后，还需设定对于机械手1每次向承载器3中心方向移动距离为c(t)，其中，t＝0,1,2,3……；机械手1沿水平方向每次移动水平步进距离可以相同也可以不同，例如，可以逐渐减小。

如果a(t)为中间长度变量，用于机械手1每次可以安全移动的距离，a(0)＝0；b(t)为中间长度变量，即机械手1中心距硅片中心的实时距离，b(0)＝Z；h(t)为中间长度变量，用于计算硅片倾斜的倾角，h(0)＝Y；那么，

$a\left(t\right)=r-\sqrt{r^2-{\left(\frac{X}{2}\right)}^2}*\cos \left(\mathrm{\γ}(t-1)\right)$

b(t)＝b(t-1)–a(t)

如图7所示，上述的初始化参数确定并后，就可以等待并接收硅片分布状态扫描指令，得到指令后就直接开始进行实际的检测流程了。如果初始化步骤失败，则报出异常位置和结果，等待人工处置或者按规定处置。

上述初始化步骤完成后，将第一和第二光电传感器4,5/第一和第二超声波传感器6,7的工作模式设置成互接收模式，执行硅片凸片的异常状态极限位置循环扫描指令(图6中的步骤S2)。

步骤S2、执行硅片凸片的异常状态极限位置循环扫描指令；具体地，步骤S2包括如下步骤：

步骤S21、设定机械手运动扫描初始化参数并执行初始化；其中，该运动扫描初始化参数包括机械手水平和/或垂直扫描运动速度，硅片的间隔距离、每一次机械手水平步进距离、水平起始点位置及终止点位置和上/下垂直起始点位置及终止点位置；

步骤S22、机械手1定位对应于承载器3第一个放置硅片的垂直起始点和水平起始点位置；

步骤S23、根据两个光电传感光电扫描单元间相互发射和接收光/超声信号的反馈值接收时间随遮挡范围产生强度上的变化，判断相应位置的硅片是否存在凸片的异常状态；如果是，执行步骤S26；否则，执行步骤S24；

步骤S24：机械手1依序下降或上升一个硅片的间隔距离，先判断所述位置是否是上/下垂直终止点位置；如果是，执行步骤S25；否则，执行步骤S23；

步骤S25：机械手1沿承载器3的承载区中心方向前进一个预设的水平步进距离，判断该位置是否是水平终止点位置；如果是，执行步骤S3；否则，执行步骤S23；

步骤S26：发出凸片异常报警信息，继续执行步骤S23。

也就是说，在本发明的一些实施例中，当机械手1向硅片中心移动一步时，需先判断b(t)的情况：

I.如果b(t)>＝Y+δ

c(t)＝a(t)

h(t)＝h(t-1)+a*cos(γ-1)

γ(t)＝arctan(s/(h(t)))

即随着硅片中心位置的变化，硅片的倾角γ(t)会相应变化,机械手1向承载器3的结构中心方向移动距离c(t)；

II.如果b(t)<Y+δ

c(t)＝b(t-1)–(Y+δ)

b(t)＝Y+δ

即机械手1向承载器3中心方向移动距离c(t)，即停止于获取硅片分布状态的距离承载器3中心距离的位置。

请参阅图13，图13为本发明实施例中第一和第二光电传感器在检测硅片存在突出异常分布状态过程中的移动轨迹示意图。获取完所有硅片放置位置扫描结果后，如发现有异常位置则给出指定位置异常的报警提示，等待人工处置或者按规定处置。

由于执行硅片突出异常的单侧扫描并不能完全诊断硅片在承载区突出异常的分布状态情况，因此，在本发明的一些实施例中，可以通过在承载器3或机械手1上设置一个转动单元，该转动单元使可以使机械手1围绕承载器3作相对旋转运动，且在整个承载器3的侧边周围设置多个个旋转检测停止位置，在每一个检测位置执行一次步骤S2的操作，得到一组相应的检测结果；最后将多组检测结果进行与运算，得到最终的硅片凸片的异常状态分布，即可以实现对硅片进行多角度的分布状态检测。

根据承载器3的支撑结构特点，多个位置点可以均匀分布，也可以不均匀分布；例如，为避开承载器3的支撑柱，可以在距该支撑柱的左右10°或20°的位置重新设点检测。

对于多个位置点中相邻两个位置的旋转角度相同的情况，选择设定如下

A.当(360°/设定旋转角度)的余数＝0时：

累计检测位置数目＝360°/设定旋转角度

实际旋转角度＝设定旋转角度

B.当(360°/设定旋转角度)的余数≠0时：

累计检测位置数目＝(360°/设定旋转角度)取整(舍去小数点后)+1

实际旋转角度＝360°/累计检测位置数目

当然，如果由旋转起始点和设定旋转角度生成的检测位置坐标值与承载器3支撑点的坐标位置冲突，则需重新设定起始点和旋转角度值。

然后，就可以按无冲突的起始点和设定旋转角度生成的圆周上检测位置，获取整个承载区域内有无硅片突出情况分布的状态，每个检测位置获取一组分布状态值，然后对所有检测位置的分布位置的状态结果求与运算，结果有两种：

A.正常，则可以进行放置硅片后的操作或者扫描后的取片操作。

B.异常，报出异常位置和结果供用户处置，同时根据异常结果提供用户操作选项。

接下来，请再参阅图6，图6中的步骤S3：执行硅片分布状态异常扫描指令，根据两个所述光电传感器/或超声波传感器间相互发射和接收的反馈值在扫描检测区域内光信号强度的分布状态，判断是否存在斜片、叠片和/或空片的异常状态；或者，根据图像传感单元在扫描检测区域内图像的分布状态，判断是否存在斜片、叠片和/或空片的异常状态。

请参阅图14，图14本发明实施例中判断是否存在斜片、叠片和/或空片的异常状态的一较佳实施例的具体控制流程示意图。在本发明的实施例中，步骤S3可以通过以下几种方案实现：

实施例一

在本实施例中，采用的是机械上的两个光电传感器/或超声波传感器方案；该种方案中步骤S3的实现方式可以具体包括如下步骤(以光电传感器4,5为例说明)：

步骤S31：根据硅片的厚度和相邻硅片的间隔距离，获得判断斜片、叠片和空片的运动扫描区域；

步骤S32：机械手1定位于水平运动终止点位置和垂直起始点位置；

步骤S33：根据两个光电传感器4,5相互发射和接收光信号的预设检测区域和在该区域的光信号遮蔽宽度情况，依次判断相应的硅片放置位置是否存在斜片、叠片和/或空片的异常状态；如果是，执行步骤S35；否则，直接执行步骤S34；

步骤S34：机械手1依序下降一个硅片的间隔距离，判断该位置是否是垂直终止点位置；如果是，结束；否则，执行步骤S33；

步骤S35：发出相应位置存在斜片、叠片和/或空片的异常状态信息，执行步骤S34。

具体地，请参阅图15，图15为本发明实施例中硅片和承载器的位置关系参数示意图。如果设定硅片厚度值d，示教基准位置为d/2，相邻硅片间间距为s，承载器2的间隔厚度为t，根据不同的扫描区域内，光电传感单元4接收端的返回值状态1/0的情况，可以得到硅片的分布状态如下表1所示。

表1

从上述表1中可以看出，可以根据在预设检测区域和在该区域的光信号遮蔽宽度情况，即检测到的返回值判断相应区域内是否出现斜片、叠片或者无片现象。如对于斜片情况，在运动扫描区域[2*(d+d*1/3),S-d*1/3]范围内，如果出现检测结果中遮蔽区域的宽度>＝d，那么就可以断定该相应位置上出现了斜片现象，如果出现检测结果中遮蔽区域的宽度<0.1d，那么就可以断定该相应位置上没有出现斜片现象，如果出现检测结果中遮蔽区域的宽度不在上述两个情况范围，那么控制单元可以向报警单元发出提醒信息或发出再次执行检测的信息，直到获取所有硅片放置位置扫描结果，如有异常位置则给出指定位置异常的报警提示，等待人工处置或者按规定处置。

在该实施例中，斜片、叠片和/或空片的异常状态检测时可以依序进行的。

此外，由于执行硅片斜片、叠片和/或空片异常的单侧扫描并不能完全诊断硅片在承载区突出异常的分布状态情况，因此，同步骤S2相同，在本发明的一些实施例中，可以通过在承载器3或机械手1设置转动单元，该转动单元使机械手1围绕承载器3作相对旋转运动，该旋转运动可以实现在承载器3的侧边周围设置多个检测位置，在每一个检测位置执行一次步骤S3的操作，得到一组相应的检测结果；最后将多组检测结果进行与运算，得到最终的硅片斜片、叠片和/或空片的异常状态分布，即可以对硅片在圆周上的分布状态进行更详细的检测。

且根据承载器3的支撑结构特点，多个位置点可以均匀分布，也可以不均匀分布；例如，为避开承载器3的支撑柱，可在距该支撑柱的左右10°或20°的位置重新设点检测。

对于多个位置点中相邻两个位置的旋转角度相同的情况，选择设定如下：

A.当(360°/设定旋转角度)的余数＝0时：

累计检测位置数目＝360°/设定旋转角度

实际旋转角度＝设定旋转角度

B.当(360°/设定旋转角度)的余数≠0时：

累计检测位置数目＝(360°/设定旋转角度)取整(舍去小数点后)+1

实际旋转角度＝360°/累计检测位置数目

当然，如果由旋转起始点和设定旋转角度生成的检测位置坐标值与承载器3支撑点的坐标位置冲突，则需重新设定起始点和旋转角度值。

然后，就可以按无冲突的起始点和设定旋转角度生成的圆周上检测位置，获取整个承载区域内有无硅片存在斜片、叠片和/或空片的情况，每个检测位置获取一组分布状态值，然后对所有检测位置的分布位置的状态结果求与运算，结果有两种：

A.正常，则可以进行放置硅片后的操作或者扫描后的取片操作。

B.异常，报出异常位置和结果供用户处置，同时根据异常结果提供用户操作选项。

此外，再请参阅图7，在最后得到是否存在斜片、叠片和/或空片的检测扫描结果后，可以进行工艺的判断步骤，该步骤的具体流程步骤已在图7中呈现，在此不再赘述。

实施例二

本发明实施例中半导体设备承载区域的硅片分布状态图像检测装置中的图像传感单元，如果位于机械手上，那么，在本发明的实施例中，采用图像传感单元在与硅片平行的方向采集硅片组2中每一片硅片的侧面图形的方案，同样可以实现判断是否存在斜片、叠片和/或空片的异常状态的，该方案步骤S3的实现方式可以具体包括如下步骤：

步骤S31′：根据硅片的厚度、相邻硅片的间隔距离和承载器的厚度，获得判断斜片、叠片和空片的运动扫描区域；

步骤S32′：机械手1定位于水平运动起始点位置和垂直终止点位置；

步骤S33′：启动图像传感单元9，沿硅片水平方向拍摄硅片侧边放置状态图像，采用硅片边缘为特征提取点的图像特征识别算法，提取识别对象的分布特征，依次判断相应的硅片放置位置是否存在斜片、叠片和/或空片的异常状态；如果是，执行步骤S35′；否则，直接执行步骤S34′；

步骤S34′：机械手1依序下降一个硅片的间隔距离，判断所述位置是否是垂直终止点位置；如果是，结束；否则，执行步骤S33′；

步骤S35′：发出相应位置存在斜片、叠片和/或空片的异常状态信息，执行步骤S34′。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。

Claims (13)

1.一种半导体设备承载区域的硅片分布状态图像检测方法，其特征在于，在位于硅片组的上方，设置有图像传感单元，在位于硅片承载器圆周侧边的机械手上，设置有光电扫描单元或超声扫描单元；其中，所述光电扫描单元/超声波传感单元包括两个互为发射端和接收端的水平对射式光电传感器，分别位于机械手U形端的相对位置；所述方法包括以下步骤：

步骤S1、设定理想放置硅片的中心坐标和实际放置区域距所述中心坐标偏差阈值；启动所述图像传感单元，拍摄硅片放置状态图像，利用图像特征识别算法，判断所述硅片组中硅片放置是否有超出偏差阈值区域的情况；如果是，执行步骤S3，否则，执行步骤S2；

步骤S2、执行硅片凸片的异常突出状态循环扫描指令，判断并获得所述硅片组中硅片异常突出的位置；

步骤S3：执行硅片分布状态异常扫描指令，根据两个所述光电传感器/或超声波传感器间相互发射和接收的反馈值在扫描检测区域内光信号强度的分布状态，判断是否存在斜片、叠片和/或空片的异常状态。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21、设定机械手运动扫描初始化参数并执行初始化；其中，所述运动扫描初始化参数包括机械手水平和/或垂直扫描运动速度，硅片的间隔距离、每一次机械手水平步进距离、水平起始点位置及终止点位置和上/下垂直起始点位置及终止点位置；

步骤S22、所述机械手定位对应于所述承载器第一个放置硅片的垂直起始点和水平起始点位置；

步骤S23、根据两个所述光电传感光电扫描单元/超声传感单元器间相互发射和接收光/超声信号的反馈值接收时间随遮挡范围产生强度上的变化，判断相应位置的硅片是否存在凸片的异常状态；如果是，执行步骤S26；否则，执行步骤S24；

步骤S24：所述机械手依序下降或上升一个硅片的间隔距离，先判断所述位置是否是上/下垂直终止点位置；如果是，执行步骤S25；否则，执行步骤S23；

步骤S25：所述机械手沿所述承载区中心方向前进一个预设的水平步进距离，判断所述位置是否是水平终止点位置；如果是，执行步骤S3；否则，执行步骤S23；

步骤S26：发出凸片异常报警信息，继续执行步骤S23。

3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述承载器或所述机械手包括转动单元，所述转动单元使所述机械手围绕所述承载器作相对旋转运动，且在整个所述承载器侧周上具有N个旋转检测停止位置，在每一个检测位置执行一次所述步骤S2，得到一组相应的检测结果；最后将N组检测结果进行与运算，得到最终的硅片凸片的异常状态分布，其中，N为大于等于2的正整数。

4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述N个位置中相邻两个位置的旋转角度相同，选择设定如下：

A.当(360°/设定旋转角度)的余数＝0时：

累计检测位置数目＝360°/设定旋转角度

实际旋转角度＝设定旋转角度

B.当(360°/设定旋转角度)的余数≠0时：

累计检测位置数目＝(360°/设定旋转角度)取整(舍去小数点后)+1

实际旋转角度＝360°/累计检测位置数目

如果由旋转起始点和设定旋转角度生成的检测位置坐标值与所述承载器支撑点的坐标位置冲突，则需重新设定起始点和旋转角度值。

5.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述步骤S25中，所述机械手沿水平方向每次移动水平步进距离相等或逐渐减小；且所述水平起始位置与硅片处于跌落极限位置时的位置相关，所述水平终止点位置与承载器的支撑结构参数和相关。

6.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

步骤S31：根据硅片的厚度、相邻硅片的间隔距离和承载器的厚度，获得判断斜片、叠片和空片的运动扫描区域；

步骤S32：所述机械手定位于水平运动起始点位置和垂直终止点位置；

步骤S33：根据两个所述光电传感器/或超声波传感器相互发射和接收光信号的预设检测区域和在该区域的光信号遮蔽宽度情况，依次判断相应的硅片放置位置是否存在斜片、叠片和/或空片的异常状态；如果是，执行步骤S35；否则，直接执行步骤S34；

步骤S34：所述机械手依序下降一个硅片的间隔距离，判断所述位置是否是垂直终止点位置；如果是，结束；否则，执行步骤S33；

步骤S35：发出相应位置存在斜片、叠片和/或空片的异常状态信息，执行步骤S34。

7.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述图像传感单元位于机械手上，所述步骤S3具体包括：

步骤S31′：根据硅片的厚度、相邻硅片的间隔距离和承载器的厚度，获得判断斜片、叠片和空片的运动扫描区域；

步骤S32′：所述机械手定位于水平运动起始点位置和垂直终止点位置；

步骤S33′：启动所述图像传感单元，沿硅片水平方向拍摄硅片侧边放置状态图像，采用硅片边缘为特征提取点的图像特征识别算法，提取识别对象的分布特征，依次判断相应的硅片放置位置是否存在斜片、叠片和/或空片的异常状态；如果是，执行步骤S35′；否则，直接执行步骤S34′；

步骤S34′：所述机械手依序下降一个硅片的间隔距离，判断所述位置是否是垂直终止点位置；如果是，结束；否则，执行步骤S33′；

步骤S35′：发出相应位置存在斜片、叠片和/或空片的异常状态信息，执行步骤S34′。

8.根据权利要求6或7所述的检测方法，其特征在于，所述承载器或所述机械手包括转动单元，所述转动单元使所述机械手围绕所述承载器作相对旋转运动，且在整个所述承载器侧周上具有M个旋转检测停止位置，在每一个检测位置执行一次所述步骤S3，得到一组相应的检测结果；最后将M组检测结果进行与运算，得到最终的硅片分布状态异常情况结果；其中，M为大于等于2正整数。

9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，所述M个位置点中相邻两个位置的旋转角度相同，选择设定如下：

A.当(360°/设定旋转角度)的余数＝0时：

累计检测位置数目＝360°/设定旋转角度

实际旋转角度＝设定旋转角度

B.当(360°/设定旋转角度)的余数≠0时：

累计检测位置数目＝(360°/设定旋转角度)取整(舍去小数点后)+1

实际旋转角度＝360°/累计检测位置数目

如果由旋转起始点和设定旋转角度生成的检测位置坐标值与所述承载器支撑点的坐标位置冲突，则需重新设定起始点和旋转角度值。

10.一种采用权利要求1～9任一所述的半导体设备承载区域的硅片分布状态图像扫描检测方法的装置，其特征在于，包括：

图像传感单元，设置在位于硅片组的上方，用于俯视拍摄层叠于所述硅片组中硅片放置状态的图像；

光电扫描单元，设置于在所述承载器的圆周侧边的机械手上，并随所述机械手移动，在水平和/或垂直预设方向进行移动并执行扫描检测，其包括两个互为发射端和接收端的光电传感器；所述光电传感器分别位于机械手的U形端部相对位置；

控制单元，用于启动检测并处理获得的光电强度和分布情况结果，得到所述硅片在承载器上的异常状态分布情况；其中，所述的异常状态包括硅片凸出、斜片、叠片和/或空片的状态；以及

报警装置，与所述控制单元连接，所述控制单元根据异常状态分布情况控制所述报警装置的启闭。

11.根据权利要求10所述的检测装置，其特征在于，还包括转动单元，用于驱动所述承载器作相对于所述机械手旋转和/或定位的运动，或驱动所述机械手相对所述承载器做旋转和/或定位的运动。

12.一种采用权利要求1～9任一所述的半导体设备承载区域的硅片分布状态图像扫描检测方法的装置，其特征在于，包括：

图像传感单元，设置在位于硅片组的上方，用于俯视拍摄层叠于所述硅片组中硅片放置状态的图像；

超声波传感单元，设置于在所述承载器的圆周侧边的机械手上，并随所述机械手移动，在水平和/或垂直预设方向进行移动并执行扫描检测，其包括两个互为发射端和接收端的超声波传感器；所述超声波传感器分别位于机械手的U形端部相对位置；

控制单元，用于启动检测并处理获得的超声波强度的分布情况结果，得到所述硅片在承载器上的异常状态分布情况；其中，所述的异常状态包括硅片凸出、斜片、叠片和/或空片的状态；以及

报警装置，与所述控制单元连接，所述控制单元根据异常状态分布情况控制所述报警装置的启闭。

13.根据权利要求12所述的检测装置，其特征在于，还包括转动单元，用于驱动所述承载器作相对于所述机械手做旋转和/或定位的运动，或驱动所述机械手相对所述承载器做旋转和/或定位的运动。