CN105097617B - 基于超声的硅片分布状态识别方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于超声的半导体设备承载区域的硅片分布状态识别方法及装置，其在两个阶段即硅片传送片完成后和取片前，通过首先位于硅片组上方的第一和第二超声波传感器，其工作在自接收模式，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。

Description

基于超声的硅片分布状态识别方法及装置

技术领域

本发明涉及半导体加工设备技术领域，尤其涉及一种基于超声的半导体设备承载区域的硅片分布状态识别方法，本发明还涉及一种基于超声的半导体设备承载区域的硅片分布状态识别装置。

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基于超声的半导体设备承载区域的硅片分布状态识别方法，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基于超声的半导体设备承载区域的硅片分布状态识别装置。

为了实现上述第一个目的，本发明提供了一种基于超声的半导体设备承载区域的硅片分布状态识别方法，在位于硅片组上方，平行设置有与所述硅片组中心对称的第一和第二超声波传感器，所述第一和第二超声波传感器工作在自接收模式，图像传感单元定位于承载器侧边周围；所述方法包括以下步骤：

步骤S1、设定第一和第二超声波传感器的运动初始化参数并执行初始化，其中，所述第一和第二超声波传感器初始化参数包括水平扫描运动速度，硅片的间隔距离、水平步进距离、水平起始点位置及终止点位置和两个超声波传感器的水平间隔；所述图像传感单元初始化参数包括垂直扫描运动速度，硅片的间隔距离、水平起始点位置及终止点位置；

步骤S2、执行硅片凸片的异常状态极限位置预扫描指令；其具体包括：

步骤S21：所述第一和第二超声波传感器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上方；

步骤S22：根据第一和/或第二超声波传感器各自沿硅片层叠的垂直方向发射和接收光信号的时间差和预定的判断规则，判断硅片是否存在突出规定位置的异常状态，如果是，执行步骤S24；否则，执行步骤S23；

步骤S23：控制所述第一和第二超声波传感器沿承载区中心方向同步前进一个预设的水平步进距离，判断所述第一和第二超声波传感器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S22；

步骤S24：测量阻挡光束传播路径上障碍物距离，得到存在突出状态硅片的位置参数，发出凸片异常报警信息，执行步骤S3；

步骤S3：将所述图像传感单元对应第一个放置硅片的位置作为垂直和水平起始点位置；所述图像传感单元沿硅片的平行方向，从上至下依次拍摄所述硅片组中每片硅片放置状态的侧边平面图像；

步骤S4：对每个已标定位置的所述侧边平面图像，用图像特征识别算法，在图像标定位置区间分布区域，提取识别对象的图像分布特征，根据识别对象的厚度，判断是否存在斜片、叠片和/或空片的异常状态；如果没有异常状态，执行步骤S6；否则，执行步骤S5；

步骤S5：报警并等待人工处置或者按规定处置；

步骤S6：结束。

优选地，所述步骤S4中的识别对象的图像分布特征为单个硅片侧面图像边缘坐标的分布特征，即在图像标定位置区间的分布区域，计算硅片左右边缘在Y方向最高点和最低点坐标位置的差值，以求得识别对象的厚度，从而判断是否存在凸片、斜片、叠片和/或空片的异常状态分布情况。

优选地，所述步骤S22中预定的判断规则为：

A.如果第一和第二超声波传感器在极限位置垂直于硅片方向的硅片放置区域皆没有检测到障碍物，则相应位置不存在突出规定位置的异常状态；

B.如果第一和第二超声波传感器在极限位置垂直于硅片方向的硅片放置区域皆检测到障碍物，则相应位置存在突出规定位置的异常状态；

C.如果第一和第二超声波传感器在极限位置垂直于硅片方向的硅片放置区域有一个超声波传感器检测到障碍物，则判定为不确定状态，需再次检测或人工重复检测。

优选地，所述装置还包括第一转动单元，当所述承载器端盖内表面还具有与所述端盖中心对称的两条平行轨道和所述承载器中心同轴心的环型轨道，第一和第二超声波传感器分别设置在所述轨道的相对位置时，所述第一转动单元驱动所述两条平行轨道沿环型轨道转动；或当第一和第二超声波传感器分别设置在所述机械手U形端口的相对位置时，所述第一转动单元驱使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)舍去小数点取整后加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，所述装置还包括所述承载器或所述机械手包括第二转动单元，所述第二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和S4，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)(舍去小数点取整后)+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，本发明提供了一种基于超声的半导体设备承载区域的硅片分布状态识别方法的装置，其包括第一和第二超声波传感器、图像传感单元、控制单元和报警装置；第一和第二超声波传感器位于硅片组上方，分别设置在所述承载器端盖内表面且与所述端盖中心对称的两条平行轨道；或分别设置在硅片承载器圆周侧边的机械手上U形端部的相对位置，并随所述机械手水平移动，所述第一和第二超声波传感器工作在自接收模式；图像传感单元设置于机械手上，并随所述机械手垂直移动，定位于承载器侧边周围，用于沿硅片的平行方向，从上至下依次拍摄所述硅片组中每片硅片放置状态的侧边平面图像；控制单元用于启动检测并处理获得的层叠于所述硅片组中硅片放置状态的图像和所述硅片组中每片硅片放置状态的侧边平面图像；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，本发明提供的一种基于超声的半导体设备承载区域的硅片分布状态识别方法及装置，在两个阶段即硅片传送片完成后和取片前，通过首先位于硅片组上方的第一和第二超声波传感器，其工作在自接收模式，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(Shutter)结构示意图

图3为本发明实施例中基于超声的半导体设备承载区域的硅片分布状态识别装置中的第一和第二超声波传感器位于硅片组上方的承载器端盖的结构示意图

图4为本发明实施例中基于超声的半导体设备承载区域的硅片分布状态识别装置中的第一和第二超声波传感器，其分别位于机械手U形端部相对位置的结构示意图

图5为本发明基于超声的半导体设备承载区域的硅片分布状态识别方法一较佳实施例的流程示意图

图6为本发明实施例中基于超声的半导体设备承载区域的硅片分布状态识别的整体控制流程图

图7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超声波传感器位置关系结构示意图

图8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9为本发明实施例中第一和第二超声波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10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11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

第一超声波传感器4

第二超声波传感器5

图像传感单元6

端盖7

平行轨道8

环形轨道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。

在本发明的实施例中，采用在位于硅片组上方，平行设置有与硅片组中心对称的第一和第二超声波传感器，且第一和第二超声波传感器工作在自接收模式，图像传感单元定位于承载器侧边周围；第一和第二超声波传感器的设置位置可以通过下面两种设置方案完成。

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为本发明实施例中基于超声的半导体设备承载区域的硅片分布状态识别装置中的第一和第二超声波传感器4,5位于硅片组上方承载器3的端盖7上的结构示意图。如图所示，本发明是采用在位于硅片组2上方的承载器3端盖7内表面，设置第一和第二超声波传感器4,5，在本实施例中，第一和第二超声波传感器4,5分别设置在承载器3的端盖7内表面且与端盖7的中心相称两条平行轨道；并且，一个图像传感单元6位于承载器3侧边周围的机械手1上，并随机械手1垂直移动，用于沿硅片组2中硅片的平行方向，从上至下依次拍摄硅片组2每片硅片放置状态的侧边平面图像。

请参阅图4，图4为本发明实施例中基于超声的半导体设备承载区域的硅片分布状态识别装置中的第一和第二超声波传感器4,5，其分别位于机械手1的U形端部相对位置的结构示意图。在本实施例中，如图所示，第一和第二超声波传感器4,5分别设置硅片承载器3圆周侧边的机械手1上U形端部的相对位置，并随机械手1水平移动，第一和第二超声波传感器4,5工作在自接收模式；图像传感单元6设置于承载器3侧边周围的机械手1上，并随机械手1垂直移动，沿硅片的平行方向从上至下依次拍摄硅片组2中每片硅片放置状态的侧边平面图像。

并且，上述两种方案均包括控制单元(图未示)用于启动检测并处理获得的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。

下面结合图5参阅图6-11，对本发明的工作原理进行详细叙述。

请参阅图5，图5为本发明基于超声的半导体设备承载区域的硅片分布状态识别方法一较佳实施例的流程示意图。图6为本发明实施例中基于超声的半导体设备承载区域的硅片分布状态识别的整体控制流程图。如图所示，该方法包括以下步骤：

步骤S1、设定第一和第二超声波传感器4,5的运动初始化参数并执行初始化，其中，第一和第二超声波传感器4,5初始化参数包括水平扫描运动速度，硅片的间隔距离、水平步进距离、水平起始点位置及终止点位置和两个超声波传感器的水平间隔；图像传感单元6的初始化参数包括垂直扫描运动速度，硅片的间隔距离、水平起始点位置及终止点位置；

对于第一和第二超声波传感器4,5水平检测扫描方向的移动检测区域，是由承载器3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。例如，两个平行轨道8间的距离同硅片的直径有关，例如，对于300mm的硅片，通常可以在50mm～250mm之间选择。

假设X为机械手1上第一和第二超声波传感器4,5之间的距离，两个平行轨道8间的距离也可以设置成X，也可根据需要设置成以不同；下面的实施例均以X相同，叙述第一和第二超声波传感器4,5的水平起始点位置、步进距离及终止点位置的确定。

请先参阅图7，图7为本发明实施例中硅片处于硅片跌落极限位置时第一和第二超声波传感器4,5的位置关系结构示意图。如图所示，设定移动端盖(Shutter)7上两个超声波传感器4,5至极限预扫描起始位置，该位置距离承载器3的支撑机构中心距离为Z。同时，设定时变值b(t)，表示端盖7上两个超声波传感器4,5中心线距离支撑结构中心的实时距离，b(0)＝Z。另外，b(t)＝Y+δ为正式获取硅片分布状态的距离支撑结构中心的距离，假定图7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

δ>0，为安全余量设定值，X为第一和第二超声波传感器4,5(即为两个平行轨道9)间的距离。

同理，如设定X也为机械手1上第一和第二超声波传感器4,5间的距离，那么硅片重心位于承载器3的支撑结构边沿时(向机械手1方向偏离正常位置Y)为硅片不会滑落支撑结构的最大位移位置，该扫描检测水平起始位置至承载器3中心的距离应该大于或等于硅片组2中硅片跌落极限位置至承载器3中心的距离。

请参阅图8，图8为本发明实施例中机械手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上的两个超声波传感器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上两个超声波传感器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8，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：

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；

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，在同一平面内机械手1上的第一和第二超声波传感器4,5间的连线与硅片2中心之间的距离需要大于：

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；

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，

b(t)＝b(t-1)–a(t)

此外，对于图像传感器6的垂直扫描运动速度，硅片的间隔距离、每一次机械手水平步进距离、水平起始点位置和终止点位置，也决定于承载器3的结构参数、机械手1和硅片的尺寸参数。

如图6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，就可以执行第一检测子流程；即将第一和第二第一和第二超声波传感器4,5的工作模式设置成自接收模式，执行硅片凸片的异常状态极限位置预扫描指令(图5中的步骤S2)。

第一检测子阶段的测距模式原理为：第一超声波传感器4和第二超声波传感器5工作均在自接收模式下，工作在自接收模式的第一和第二超声波传感器4,5的发射端是垂直于硅片组2向下发射的，其通过自发射和接收的时间差可测量阻挡光束传播路径上障碍物距离超声波传感器的距离。

步骤S2、执行硅片凸片的异常状态极限位置预扫描指令；其具体包括：

步骤S21：第一和第二超声波传感器4,5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上方；

步骤S22：根据第一和/或第二超声波传感器4,5各自沿硅片层叠的垂直方向发射和接收光信号的时间差和预定的判断规则，判断硅片是否存在突出规定位置的异常状态，如果是，执行步骤S24；否则，执行步骤S23；

步骤S23：控制第一和第二超声波传感器4,5沿承载区中心方向同步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S22；

步骤S24：测量阻挡光束传播路径上障碍物距离，得到存在突出状态硅片的位置参数，发出凸片异常报警信息，执行步骤S3。

也就是说，在该检测子阶段，工作模式为自接收模式的第一和第二超声波传感器4,5发射方向至垂直于硅片表面的角度，根据第一和第二超声波传感器4,5所测得极限位光束发射/接收路径上障碍物的位置可获取极限位置突出检测结果，检测结果的判断标准可以分以下三种：

A.无障碍物，即第一和第二超声波传感器4,5在极限位置垂直于硅片方向的硅片放置区域皆没有检测到障碍物；

B.有障碍物，即第一和第二超声波传感器4,5在极限位置垂直于硅片方向的硅片放置区域皆检测到障碍物，同时根据自接收信号的时间间隔可测定障碍物位置；

C.不确定状态，需再次检测或人工重复检测，即第一和第二超声波传感器4,5在极限位置垂直于硅片方向的硅片放置区域有一个超声波传感器检测到障碍物。

具体地，在本发明的实施例中，如果在上述定位检测节点(d(0)＝Y，b(0)＝Z)未检测到硅片极限突出状态，就可以进行如下位移检测操作，如图9所示：

A)、设定速度Smove和扫描检测节点间距a，第一和第二超声波传感器4,5按设定速度同步向支撑结构中心方向移动；

B)、如果b(t)–a>Y+δ，则机械手移动至b(t)＝b(t)–a位置，在该节点位置，根据第一和第二超声波传感器4,5在的硅片放置区域检测到障碍物的状态进行运动状态的处置：

①、无障碍物：按设定速度Smove继续移动至下一检测节点；

②、有障碍物：停止运动，根据第一和第二超声波传感器4,5的测量距离反馈障碍物位置，报警并提醒用户进行操作选择；

③、不确定状态，需再次检测或人工重复检测，报警并提醒用户进行操作选择；

C)、如果b(t)–a<＝Y+δ，则机械手移动至b(t)＝Y+δ位置，在该节点位置，根据第一和第二超声波传感器4,5在的硅片放置区域检测到障碍物的状态进行运动状态的处置：

①、无障碍物：结束步骤S2，跳至步骤S3；

②、有障碍物：停止运动，根据第一超声波传感器4和第二超声波传感器5的测量距离反馈障碍物位置，报警并提醒用户进行操作选择；

③、不确定状态，需再次检测或人工重复检测，报警并提醒用户进行操作选择。

从上述步骤可以看出，如果在水平起始点的测量结果没有发现在光束传播路径上有阻挡障碍物，那么就由控制动单元(图未示)控制第一和第二超声波传感器4,5沿平行轨道8作同步水平移动，即控制两个超声波传感器沿承载区中心方向前进一个预设的水平步进距离，再次进行检测，直到检测到阻挡障碍物或没有检测到突出异常状态后，再执行第两检测子阶段(步骤S3和S4)。

本领域技术人员清楚，由于执行单侧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，对于图3中所示的方案，可以通过在承载器3的端盖7上设置一个环形轨道9，该环形轨道应该是与硅片同轴；第一转动单元(图未示)可以驱动两条平行轨道8沿环型轨道9转动，且在整个承载器3的侧周上设置多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，最终可以实现对硅片进行多角度的硅片凸片异常状态分布状态的检测。

对于图4所示的技术方案，可以通过在机械手1上或承载器3上设置第一转动单元(图未示)，第一转动单元使机械手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，得到最终的硅片分布状态异常情况结果。

上述多个位置点的选择可以采用均匀分布原则，也可以采用不均匀分布原则。例如，对于多个位置点中相邻两个位置的旋转角度相同的情况，可以选择设定如下：

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)舍去小数点取整后加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。例如，在一些特殊情况下，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。

上述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完成后，就可以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，进行第二检测子阶段，即执行步骤S3和S4。

步骤S3：将图像传感单元4对应第一个放置硅片的位置作为垂直和水平起始点位置；图像传感单元4沿硅片的平行方向，从上至下依次拍摄所述硅片组中每片硅片放置状态的侧边平面图像；

步骤S4：对每个已标定位置的侧边平面图像，用图像特征识别算法，在图像标定位置区间分布区域，提取识别对象的图像分布特征，根据识别对象的厚度，判断是否存在斜片、叠片和/或空片的异常状态；如果没有异常状态，结束(即执行步骤S6)；否则，报警并等待人工处置或者按规定处置(即执行步骤S5)。

具体地，用图像特征识别算法，在图像标定位置区间分布区域，从每个侧边平面图像中提取识别对象的放置状态特征，判断相应硅片是否存在凸片、斜片、叠片和/或空片的异常状态；如果没有异常状态，就说明该角度识别的结果为硅片组2中硅片放置位置正常；否则，就说明有异常状态存在，需报警并等待人工处置或者按规定处置。图像传感单元4采集方向为平行于硅片表面方向；根据其运动速度以及基准位置的坐标差值，按指定时间间隔采集每一个硅片放置位置的分布图像，可以获取整个承载区域内硅片分布的状态，对所有分布位置的状态结果求与运算，结果有两种：

A.正常，则进行放片后的动作或者扫描后的取片动作。

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。

具体地，请参阅图10，图10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。在该实施例中，斜片、叠片和/或空片的异常状态检测时依序进行的。

具体地，请参阅图11，图11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3的支撑部件的厚度为t。

针对每一个识别位置，图像传感器4根据其示教位置参数，自上而下进行运动拍照扫描，在每一个已标定位置用图像特征识别算法(如选择硅片边缘为特征提取点)，提取识别对象的分布特征，如果无硅片则特征提取返回空，计算识别对象的在Y方向最高点和最低点坐标位置差值，求得识别对象的厚度，比对理论设定数据，存在如下的状态分类如下表1所示：

表1

从上述表1中可以看出，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深灰色区域的宽度>＝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深灰色区域的的宽度<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深灰色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。

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，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设置第二转动单元，该第二转动单元使机械手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和S4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)舍去小数点取整后加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。

需要说明的是，第一检测子阶段超声波的测距模式，只能得到极限硅片的突出情况，在第二检测子阶段中，本发明也还是可以根据图像传感单元6得到的采集每一个硅片放置位置的分布图像，同样得到硅片组2中硅片的凸片异常的分布情况。

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 (10)

1.一种基于超声的半导体设备承载区域的硅片分布状态识别方法，在位于硅片组上方，平行设置有与所述硅片组中心对称的第一和第二超声波传感器，所述第一和第二超声波传感器工作在自接收模式，图像传感单元定位于承载器侧边周围；其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1、设定第一和第二超声波传感器的运动初始化参数并执行初始化，其中，所述第一和第二超声波传感器初始化参数包括水平扫描运动速度，硅片的间隔距离、水平步进距离、水平起始点位置及终止点位置和两个超声波传感器的水平间隔；所述图像传感单元初始化参数包括垂直扫描运动速度，硅片的间隔距离、水平起始点位置及终止点位置；

步骤S2、执行硅片凸片的异常状态极限位置预扫描指令；其具体包括：

步骤S21：所述第一和第二超声波传感器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上方；

步骤S22：根据第一和/或第二超声波传感器各自沿硅片层叠的垂直方向发射和接收光信号的时间差和预定的判断规则，判断硅片是否存在突出规定位置的异常状态，如果是，执行步骤S24；否则，执行步骤S23；

步骤S23：控制所述第一和第二超声波传感器沿承载区中心方向同步前进一个预设的水平步进距离，判断所述第一和第二超声波传感器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S22；

步骤S24：测量阻挡光束传播路径上障碍物距离，得到存在突出状态硅片的位置参数，发出凸片异常报警信息，执行步骤S3；

步骤S3：将所述图像传感单元对应第一个放置硅片的位置作为垂直和水平起始点位置；所述图像传感单元沿硅片的平行方向，从上至下依次拍摄所述硅片组中每片硅片放置状态的侧边平面图像；

步骤S4：对每个已标定位置的所述侧边平面图像，用图像特征识别算法，在图像标定位置区间的分布区域，提取识别对象的图像分布特征，根据识别对象的厚度，判断是否存在斜片、叠片和/或空片的异常状态；如果没有异常状态，执行步骤S6；否则，执行步骤S5；

步骤S5：报警并等待人工处置或者按规定处置；

步骤S6：结束。

2.根据权利要求1所述的识别方法，其特征在于，所述步骤S4中的识别对象的图像分布特征为单个硅片侧面图像边缘坐标的分布特征，即在图像标定位置区间的分布区域，计算硅片左右边缘在Y方向最高点和最低点坐标位置的差值，以求得识别对象的厚度，从而判断是否存在凸片、斜片、叠片和/或空片的异常状态分布情况。

3.根据权利要求1所述的识别方法，其特征在于，所述步骤S22中预定的判断规则为：

A.如果第一和第二超声波传感器在极限位置垂直于硅片方向的硅片放置区域皆没有检测到障碍物，则相应位置不存在突出规定位置的异常状态；

B.如果第一和第二超声波传感器在极限位置垂直于硅片方向的硅片放置区域皆检测到障碍物，则相应位置存在突出规定位置的异常状态；

C.如果第一和第二超声波传感器在极限位置垂直于硅片方向的硅片放置区域有一个超声波传感器检测到障碍物，则判定为不确定状态，需再次检测或人工重复检测。

4.根据权利要求1所述的识别方法，其特征在于，还包括第一转动单元，当所述承载器端盖内表面还具有与所述端盖中心对称的两条平行轨道和所述承载器中心同轴心的环型轨道，第一和第二超声波传感器分别设置在所述轨道的相对位置时，所述第一转动单元驱动所述两条平行轨道沿环型轨道转动；或当第一和第二超声波传感器分别设置在机械手U形端口的相对位置时，所述第一转动单元驱使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。

5.根据权利要求4所述的识别方法，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)舍去小数点取整后加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。

6.根据权利要求1所述的识别方法，其特征在于，所述承载器或机械手包括第二转动单元，所述第二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和S4，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。

7.根据权利要求6所述的识别方法，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)舍去小数点取整后加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。

8.一种采用权利要求1～7任一所述的基于超声的半导体设备承载区域的硅片分布状态识别方法的装置，其特征在于，包括：

第一和第二超声波传感器，位于硅片组上方，分别设置在所述承载器端盖内表面且与所述端盖中心对称的两条平行轨道；或分别设置在硅片承载器圆周侧边的机械手上U形端部的相对位置，并随所述机械手水平移动，所述第一和第二超声波传感器工作在自接收模式；

图像传感单元，设置于机械手上，并随所述机械手垂直移动，定位于承载器侧边周围，用于从上至下依次拍摄所述硅片组中每片硅片放置状态的侧边平面图像；

控制单元，用于启动检测并处理获得的超声波信号强度以及图像传感单元采集的图像信号情况；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。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括第一转动单元；当所述承载器端盖内表面还具有与所述端盖中心对称的两条平行轨道和所述承载器中心同轴心的环型轨道，第一和第二超声波传感器分别设置在所述轨道的相对位置时，所述第一转动单元驱动所述两条平行轨道沿环型轨道转动；或当第一和第二超声波传感器分别设置在机械手U形端口的相对位置时，所述第一转动单元驱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。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括第二转动单元，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，以在整个所述承载器侧周上设置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和S4，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。