JP2005521926A - ワイヤレス基板状センサ - Google Patents

Abstract

ワイヤレス基板状センサ（１１２、１１８）は、半導体処理システムの整列と較正を容易にするために設けられている。ワイヤレス基板状センサ（１１２、１１８）は、半導体処理システム内に設置された目標物（１１６）の１つまたはそれ以上の数の画像を撮影する光学撮像装置（１３０）を備える。ワイヤレス基板状センサ（１１２、１１８）により得られた目標物（１１６）の画像の分析から、少なくとも３つの自由度の位置および／または方向の情報が得られる。ワイヤレス基板状センサ（１１２、１１８）による基準位置撮影から、取り出しエラー（pick-up errors）の測定や補正が行えるよう、追加の目標物（１１４）を半導体処理システム内の既知の位置に設けることもできる。

Description

半導体処理システムは、非常に清浄な環境および非常に正確な半導体ウェハ移動を必要とする特色をもつ。そのため、業界においては、必要な精度をもつ半導体処理システム内の多様な処理部位に対して、半導体ウェハなどの基板を移動させる目的のため、高精度のロボット装置に依存している。

そのようなロボット装置の信頼性が高く、かつ、効率的な動作は、各部品の正確な位置、整列、および／または、平衡特性によって決まる。正確なウェハ位置決めにより、ウェハ処理システムにおける壁部へのウェハの偶発的な衝突を最小限にすることができる。処理室内の処理台におけるウェハの正確な位置決めは、処理能力を最大にするためにも必要である。半導体処理システム内での平面間の正確な平衡性は、ロボットのエンドエフェクタからウェハキャリヤ棚部、予備整列真空チャック、負荷ロックエレベータ棚、処理室トランスファーピン、および／または処理台への転送時における基板のスライド動作またはブレ動作を最小限にするために重要である。支持台に対してウェハがスライド移動すると、微細片が掻き取られてしまい、生産ロスにつながる。たとえ１ミリ以内の範囲でも、部品の配置間違いや整列ミスは、半導体処理システムにおける部品同志の衝突を起こし、製造効率低下および／または品質低下という結果になる。

正確な位置決めは、製造開始時に達成して、システム稼働中も維持する必要がある。部品の位置は、通常の磨耗の結果、あるいは、保守、修理、変更、交換の作業の結果として変動する場合がある。それゆえ、半導体処理システムにおける種々の部品の相対的な微細な位置変動を自動的に計測して修正することは、大変重要な要素である。

従来においては、ウェハなどの基板形状のセンサを配置して、半導体処理システムでの基板の傾斜や加速などの情報を無線で伝達できるよう半導体処理システム内を移動させる試みが行われてきた。ここでいう「基板状」とは、半導体ウェハ、液晶ガラスパネル、レチクルなどの基板形状のセンサを意味する。従来のワイヤレス基板状センサは、半導体処理システムの処理環境内の内部条件を決める主要因を測定するための追加式検知器を備える。ワイヤレス基板状センサを使えば、製造処理（焼成、エッチング、物理気相成長、化学気相成長、被膜、洗浄、乾燥など）や基板操作機構への障害影響や、内部環境への影響を最小限にしながら、処理機器の多様な位置での測定が行える。例えば、ワイヤレス基板状センサは、真空室が通気孔をもったりポンプ動作をする必要がなく、実際の処理作業における影響以外のウルトラクリーン環境への汚染リスクを持たない。また、ワイヤレス基板状センサは、処理条件測定における監視不確実性を最小限にできる。

そのため、半導体処理システム内での部品の位置変動に関する情報の獲得や修正を簡易化すると同時に、ワイヤレス基板状センサの優位性を提供できるシステムが現在広く要望されている。しかし、従来のワイヤレス基板状センサは、傾斜や加速などの限定された情報は提供できるが、必要な位置情報は提供できない。また、半導体処理システム内の多様な部品の相互動作により基板処理を正確に行うため、それら部品の相対位置を調整するための主体的な操作が、操作者に求められることになる。けれども、現在入手可能なセンサは、半導体処理システムの部品相互間の位置オフセット調整を自動的に行うことができない。

本発明に関わるワイヤレス基板状センサは、半導体処理システムの整列および較正を簡易にできるよう設定される。ワイヤレス基板状センサは、半導体処理システム内にある対象物つまり目標物の１つまたはそれ以上の数の光学画像を撮影するための光学撮像装置を備える。そのワイヤレス基板状センサで撮影した目標物の画像の分析から、少なくとも３つの自由度における位置、存在／不在、値、および／または方向などの有効情報が得られる。また、ワイヤレス基板状センサによる基準位置画像の分析から、取り出し動作（pick up）における位置エラーの測定や補正が行えるよう、半導体処理システム内の既知位置に、追加の目標物を固定することもできる。

従来技術におけるワイヤレス基板状半導体センサに関しては、センサが検知できる情報に限界がある。半導体処理システムの整列や較正を容易にするには、従来のワイヤレス基板状センサよりも多くの機能が必要となる。特に、半導体処理システム内における部品の正確な位置や方向の修正を可能にするような情報を提供できるワイヤレス基板状センサは従来存在しない。このことは、以下の説明から明白になるであろう。

図１は、半導体ウェハ処理環境の概略図であって、ウェハ収容部１００、ロボット１０２、単なる箱として図的に示されるシステム部品モジュール１０４を備える。ウェハ収容部１００には、図示では３つのウェハ１０６、１０８、１１０および本発明の実施形態に関わるワイヤレス基板状センサ１１２が配備されている。図１から明らかなように、センサ１１２は、好ましくは、ウェハ自体と同じ方法で、半導体ウェハ処理環境内でセンサを移動させられる形態で構成されている。従って、本発明の実施形態は、あたかもウェハなどの基板のように、基板状センサを該システムを通って移動可能にする程度の高さしかない低い高さのワイヤレス基板状センサである。例えば、およそ９．０ｍｍを越えない高さが、許容値であると考えられる。好ましくは、センサの重量は、２枚のウェハよりも軽く、例えば、２５０グラム程度以下の重さが許容される。計測離隔距離が２５ｍｍ程度の場合、大部分の適用条件に合致できるが、適用例によっては異なる値の計測離隔距離が必要となる。ここでいう「計測離隔距離」とは、センサの底面から目標物までの法線距離である。センサの直径は、３００ｍｍ径、２００ｍｍ径、１５０ｍｍ径などの標準半導体ウェハサイズのいずれかであるのが好ましい。

前記のセンサ１１２は、寸法的に安定した素材で形成されるのが好ましい。基板状センサで３次元オフセット値を正確に測定するには、該センサを実際の基板と同様に変形できることが重要である。通常のウェハの寸法および特性は、ＳＥＭＩ（国際半導体器材）基準のＭ１―０３０２の「研磨済み単結晶シリコンウェハ」（ｗｗｗ．ｓｅｍｉ．ｏｒｇ）の仕様書に記載のとおりである。その端部で支持された３００ｍｍ径シリコンウェハの中心部は、自重により０．５ｍｍ程度沈下している。センサのたわみ量と実際のウェハのたわみ量の差はセンサの計測精度以下でなければならない。好ましい実施形態では、基板状センサの剛性によって、実際のシリコンウェハとほぼ同様の変形が発生する。それゆえ、個別の差分変形（differential deflection）を補正する必要がない。また別の例として、測定値に補正要素を付加しても構わない。同様に、基板状センサの重量により、支持体が変形する。基板支持体として、エンドエフェクタ、支持台、トランスファーピン、棚部などがあるが、それらに限定されるものではない。支持体の前記差分たわみ量は、センサと基板の重量の差と、基板支持体の機械的剛性の関数で示せる。センサによる支持体のたわみ量と基板によるたわみ量の差は、センサの測定精度以内であるか、あるいは、該たわみ量の差は適切な較正で補正される必要がある。

従来例においては、真空トランスファーロボットのエンドエフェクタと処理室支持台との整列操作は、処理室のカバーを外して目視したり、あるいは、カバーの透明窓部から目視したりして、操作者が行ってきた。場合によっては、適当な固定具や治具を処理台上に設置して、基準マークを設ける必要があった。基板状センサは、操作者を支援する改良された整列方法を可能にするものである。基板状センサにより、カバーを取り外す工程を行うことなく、窓部からの目視以上の明確な視界でもって、対象物の画像を整列できる。また、ワイヤレス基板状センサは、処理時間を短縮でき、整列の再現性を改善できる。

ワイヤレス基板状センサは、無線によりアナログのカメラ画像の転送が可能である。

好ましい実施形態として、ワイヤレス基板状センサの機械式副撮像装置（machine vision sub-system）を使えば、そのメモリに記録されたデジタル画像の一部または全部を表示や分析のため外部装置へ転送することができる。外部装置は、それら複数のデジタル画像を格納できるよう構成することも可能である。また、表示装置を受信器に近接して設けてもよいし、画像データをデータネットワークで伝送して遠隔表示させても構わない。別の好ましい実施形態として、カメラ画像をデジタルデータストリームに符号化することにより、伝送チャンネルノイズによる画像劣化を最小限にすることも可能である。さらに、必要なデータレートを最小にするため、周知のデータ間引法を使ってデジタル画像を圧縮することもできる。１つ前の画像から変化した部分だけを転送することにより、データレートをかなり減らすことができる。基板状センサや表示装置は、操作者が整列の精度を評価する支援操作が行えるよう、電子クロスヘアー（electronic cross hair）表示や他の適当なマーク表示を付加しても構わない。

それらの画像支援技術は、手動処理よりも便利な方法ではあるが、それでも操作者の判断が整列の再現性や再構成に影響を与える。ワイヤレス基板状センサのカメラで撮影された画像は、２次元正規化相関法などの周知の方法で分析され、希望位置からのパターンのオフセット値が算出される。パターンは、画像装置が認識するように設定された画像内の所望域である。装置により、パターンを記録することも可能である。装置に対して、パターンは数学的に記述される。数学的記述パターンは、製造時に固定されるか、あるいは、使用地点でプログラム化することができる。従来の２次元正規化相関法は、パターン画像サイズの変動に弱い。単純なレンズ装置を使えば、対象物の距離に比例して拡大率を変えることができる。画像または基準値の一方を繰り返しスケール処理すれば、パターンのオフセット値測定の精度をあげることができる。スケール処理による最大相関値は、パターンのサイズが既知である場合には拡大率を示し、基準パターンが記録されている場合には拡大率は既知となる。

画像面のピクセルが対象物面のピクセルのサイズに対応することが知られている場合には、操作者や機械制御器にとっては、ピクセルなどの単位よりも標準の測定値でのオフセット値のほうが解釈しやすい。例えば、オフセット値がｍｍ単位であると、通知された量だけ操作者は装置を簡単に調整できる。標準単位のオフセット値を算出するために必要な演算は、手動演算、外部のコンピュータ演算、または、好ましくはセンサ自体の演算により実行される。センサにより画像から必要な情報を取り出す場合、最小量の情報が伝送されるため、操作者や外部の演算制御器に課される演算負荷は最小ですむ。このようにして、整列の再現性や再生度を改善するために対象基準値を使うことができる、自動オフセット計測では、技術者の判断による変動値の除去により、整列再生度が改善される。

半導体処理機器の整列や較正の間、第２の基板支持体に対するエンドエフェクタの正確な位置決めは重要ではなく、両方の基板支持体を互いに平行に維持することが重要である。好ましい実施形態では、ワイヤレス基板状センサの機械式副撮像装置を、二つの基板支持体間の３次元位置関係を計測するのに利用する。例えば、ロボットのエンドエフェクタがトランスファ位置近辺でワイヤレス基板状センサを把持して、センサカメラから対向基板支持体上に配置されたパターンまでの、６度の自由度をもつ３次元オフセット値の測定を行う。６度の自由度には、デカルト座標系のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の変位、および、ヨー、ピッチ、ロール方向とがある。しかしながら、本発明の精神や範囲を逸脱することなく、その他の座標系を利用できることが、当業者には明白であろう。平行度とデカルト座標系のオフセット値の同時計測により、操作者や制御器による満足できる整列の客観的な判定が可能となる。制御器を利用した場合、操作者の介入を必要としない整列操作の完全自動化が行える。自動整列操作では、装置の動作性能や有効性を最大にするための予防的保守ルーチンも含まれる。

一般論として、ロボット装置１０２の操作や自動較正は、センサ１１２を選択して基準目標物（reference target）１１４まで搬送する行為を、ロボット１０２に命令することにより実行できる。一度命令を下せば、ロボット１０２は、センサ１１２のもとエンドエフェクタ（end effector）１１６をスライドさせるための種々のリンク部分を駆動させて、収容部１００からセンサ１１２を取り出すことができる。取り出したセンサ１１２は、ロボット１０２により、基準目標物１１４まで移動させられて、センサ１１２内の光学撮像装置（図１に図示しない）を使って基準目標物１１４の画像（image）を撮影する。そして、目標パターンのプリオリ認識（a-priori knowledge）に基づいて、センサ１１２と目標物１１４のあいだの３次元オフセット値を計測する。測定演算は、センサ内と外部コンピュータのどちらで行っても構わない。基準目標物１１４の正確な位置や方向のプリオリ認識に基づいて、３次元オフセット値の分析を行い、センサ１１２を取り出したロボット１０２の取り出しエラー値（pick-up error）を算出する。そして、内部または外部の演算処理により、装置がセンサ１１２の取り出し操作（pick-up process）に起因するエラーの補正を行えるようにする。

その情報を使って、システム部品１０４の正確な位置や方向を算出するため、システム部品１０４上の目標物１１７などの付属目標物の画像を得るためにセンサ１１２を動作させる。この操作を繰り返すことにより、ロボット１０２の制御器は、半導体処理システム内の全部品の正確な位置を確実にマッピングすることができる。このマッピングにより、自由度の少なくとも３度、または、好ましくは６度（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸、ヨー、ピッチ、ロール方向）での位置や方向の情報が作成される。そして、他の部品に対する所定部品の位置や方向の６度の自由度を操作者が機械的に調整するのに、マッピング情報を利用するのである。ワイヤレス基板状センサによる正確な測定値は、操作者による判断によるばらつきを最小または低下させるのに利用できる。好ましくは、この位置情報をロボットやシステム制御器に送り、較正処理を自動化することも可能である。全ての機械的調整が完了すると、基板状センサを残りの整列エラー値を計測するのに使用できる。自由度が６度のオフセット測定値は、ロボットおよび／またはシステム制御器のメモリに蓄積されている座標点を調整するのにも利用できる。そのような座標点には、それらに制限されるものではないが、エンドエフェクタがＦＯＵＰスロットＮｏ．１基板トランスファ点にある場合での自動基板ハンドリングロボットの位置、エンドエフェクタがＦＯＵＰスロットＮｏ．２５基板トランスファ点にある場合での自動基板ハンドリングロボットの位置、エンドエフェクタが基板整列用基板トランスファ点にある場合での自動基板ハンドリングロボットの位置、エンドエフェクタが負荷ロック基板トランスファ点にある場合での自動基板ハンドリングロボットの位置、エンドエフェクタが自動基板ハンドリング装置のフレーム部に取り付けされた基準目標物の地点にある場合での自動基板ハンドリングロボットの位置、エンドエフェクタが負荷ロック基板トランスファ点にある場合での真空トランスファロボットの位置、エンドエフェクタが処理室基板トランスファ点にある場合での真空トランスファロボットの位置、エンドエフェクタが真空トランスファ装置のフレーム部に取り付けられた目標物の地点にある場合での真空トランスファロボットの位置などが含まれる。

本発明の別の実施形態として、測定値を蓄積し伝送する。いくつかの半導体処理システムでは、リアルタイムの無線通信ができない。システムの構造自体が無線通信の障害となるのである。無線通信エネルギも、基板処理システムの正確な動作に影響を与える。その場合、センサ１１２を種々の目標物まで送ったさいに測定値を記録しておき、ホスト装置へ転送しておく。センサ１１２の撮像装置や別の検知器を使うときに、動きが停止したのを確認して、センサ１１２は測定時間やオフセット値を記録するのである。その後、センサ１１２がそのホルスタ（図６に図示）まで戻ってから、センサ１１２は蓄積した時間や値を読み出して、ホスト装置へと伝送する。そのような伝送は、導電体、光学信号、誘電結合、その他の適当な手段により行える。ワイヤレス基板状センサの蓄積と伝送能力により、動作信頼性を高め、コストを低下させ、システムの通常の処理サイクルを短縮できる。しかも、センサやそのホルスタの近辺の敏感な部品とのＲＦエネルギの相互作用の可能性を防止することもできる。蓄積と伝送動作は、リアルタイムの無線通信チャンネルの一時的な通信障害を克服するためにも使用されることができる。

図２は、本発明の別の実施形態に関わるワイヤレス基板状センサ１１８の上面斜視図である。センサ１１８は、重量低減がなされている点でのみ図１に示すセンサ１１２と異なる。特に、センサ１１２は、３００ｍｍ径ウェハなどの標準サイズのウェハを収容できる外周部１２２内に中央センサ部１２０を支持できるように複数の支持片１１８を備える。反対に、センサ１１８は、それ自体の重量を低減するために複数の貫通孔１２４を備える。必要とされる重量削減のためには、その他の形状の開孔を採用しても構わない。さらに追加的重量低減のための構成として、例えば、凹部、および／または、軽量素材を充填したセンサ部分を設けることができる。両センサ１１２と１１８は共に、中央領域１２０を備える。中央部１２０の下側の一部に、図３に示すようなアクセス孔１２６を設ける。アクセス孔１２６のおかげで、センサ１１８がロボット１０２により移動させられるに連れて、照明器１２８と撮像装置１３０により、センサ１１８下方の目標物の画像（image）を撮影することができる。

図４は、本発明の実施形態のセンサ中央部１２０のブロック図である。中央部１２０には、好ましくは、その上面に多数の部品が実装された回路基板１４０が備わっている。特に、回路基板１４０にはバッテリ１４２が実装されており、電源制御モジュール１４６を経由してデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）１４４に接続されている。電源制御モジュール１４６は、デジタル信号プロセッサ１４４に適切レベルの電圧を供給する。好ましくは、電源制御モジュール１４６には、テキサスインスツルメント社（Texas Instruments）のＴＰＳ５６０２形式として市販の電源制御ＩＣを利用する。加えて、デジタル信号プロセッサ１４４として、テキサスインスツルメント社のＴＭＳ３２０Ｃ６２１１形式のマイクロプロセッサの利用が好ましい。デジタル信号プロセッサ１４４は、どのようなタイプでも構わないメモリモジュール１４８に接続されている。好ましくは、メモリ１４８に、１６Ｍ×１６サイズの同期ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＳＤＲＡＭ）を備える。また、メモリ１４８は、２５６Ｋ×８サイズのフラッシュメモリを備えるのが好ましい。フラッシュメモリは、必要に応じて、プログラム、較正データ、および／または、追加の固定データなどの不揮発性データを蓄積するのに有効である。また、ランダムアクセスメモリは、プログラム動作に関する撮影画像やデータなどの揮発性データの蓄積に使われる。

前記のデジタル信号プロセッサ１４４には、好ましくは複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）からなる照明モジュール１５０および撮像装置１５２が、カメラ制御器１５４経由で接続されている。カメラ制御器１５４は、撮影と照明を支援するため、デジタル信号プロセッサ１４４からの指示に従って関連信号をＬＥＤや撮像装置１５２に送る。撮像装置１５２は、好ましくは、電荷結合素子（ＣＣＤ）や相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）などのエリアアレイ素子であって、アレイ素子上に画像を集束する光学系１５６に接続されている。好ましくは、撮像装置は、コダック社（Kodak）のＫＡＣ―０３１０形式の市販のものでよい。デジタル信号プロセッサ１４４も、好ましくは、複数のＩ／Ｏ端子１５８、１６０を備える。それら端子は、デジタル信号プロセッサ１４４と追加装置との通信を簡単にできる直列端子であるのが好ましい。特に、シリアル端子１５８は無線周波数モジュール１６２に接続されており、その端子１５８から送られたデータが無線周波数モジュール１６２を経由して外部の装置へ伝送できる。好ましい実施形態として、無線周波数モジュール１６２は、ブルートゥース シグ（Bluetooth SIG：www.bluetooth.com）から入手可能な周知のブルートゥース規格のブルートゥースコア仕様１．１版（２００１年２月２２日）に基づいて動作する。無線周波数モジュール１６２の例として、ミツミ社のＷＭＬ−Ｃ１１形式の市販製品を利用できる。

また、センサ１６４は、半導体処理システム内の追加条件に関する情報を提供できるものであれば、どのような形式のものでも構わない。そのようなセンサ１６４として、複数の温度計、加速計、傾斜計、コンパス（磁界方向検知器）、光検知器、圧力計、電界強度計、磁界強度計、酸性度計、音響計、湿度計、化学雰囲気計測器、その他の検知器などが採用できる。

図５は、センサが動作しないときに、ワイヤレス基板状センサを収容し保持するのに使うオプションのホルスタ（holster）１８０の図である。ホルスタ１８０は、ワイヤレス基板状センサの内部バッテリの再充電するのに都合の良い設備を備えている。好ましくは、ホルスタ１８０に、ワイヤレス基板状センサに電気接続された適当な接点端子を備えて、センサ内蔵の電源を再充電する。そのような接点接続は、誘導結合、光起電結合、容量結合、導電結合などの適当な技術で行うことができる。

図６は、本発明の実施形態における目標物の実施形態の概略図である。目標物１９０として重要なのは、既知のサイズと幾何形状の目標物からの画像を撮影して、該目標物のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸、および、ヨー、ピッチ、ロール方向での位置を算出するために、その画像の処理が行えることである。そのような６自由度の位置算出は、ワイヤレス基板状センサでは今まで行われていない。目標物１９０は、５０ｍｍ×５０ｍｍのサイズをもち、既知のサイズ、幾何形状、相互の位置関係をもつ、４つの円形マーク１９２を備えている。目標物１９０を注意深く撮影し処理して、撮像装置（ワイヤレス基板状センサ）から目標物（半導体処理システムの部品または基準マーク）までの位置をベクトルに変換する計算をさせるのである。

例えば、３次元における平面の正確な位置を、カメラで撮影したその平面の２次元画像から判定しなければならない。図７に、平面の位置を３つのベクトルで表す例を示す。ＡとＢは平面上の２つのベクトルであり、平面の方向を記述している。それを、平面上の局所座標系の軸として考えてみる。Ｃのベクトルは、撮像装置から平面上の基準点までを示しており、つまり平面の位置を表す。（実際には、Ｃベクトルは撮像装置のレンズ内の特定点からの距離であり、その特定点の正確な位置は撮像装置の構造に依存する要素である。）

例えばインデクス点１９２などの数個のマーク点が平面上に付いている場合、各点を２つの座標値（ｕ，ｖ）で示すことができる。そのマーク点の３次元空間における位置は、以下のようにベクトル等式で表せる。

Ｐ＝Ｃ＋ｕ・Ａ＋ｖ・Ｂ （式１）
このマーク点のカメラ画像内の位置（ｘ，ｙ）は、斜視変換（perspective transformation）から算出できる。

ｘ＝ｋ・Ｐ_x／Ｐ_z； および ｙ＝ｋ・Ｐ_y／Ｐ_z
ただし、ｋは撮像装置の視界に関する定数である。

平面上のマーク点の位置と画像上のマーク点の位置との関係は、以下の数式の結合で示せる。

ｘ・（Ｃ_z＋ｕ・Ａ_z＋ｖ・Ｂ_z）＝ｋ・（Ｃ_x＋ｕ・Ａ_x＋ｖ・Ｂ_x）；および
ｙ・（Ｃ_z＋ｕ・Ａ_z＋ｖ・Ｂ_z）＝ｋ・（Ｃ_y＋ｕ・Ａ_y＋ｖ・Ｂ_y）

パターンが既知であれば、各マーク点のｕとｖの値も既知の定数である。また、マーク点のｘとｙの値は、画像から計測でき、ｋの値はカメラ較正により決定することができる。

カメラ較正の方法として、まず、カメラに対する既知の位置（Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｚ）でマーク点を撮影する。値（ｘ、ｙ）がカメラ画像内のマーク点であれば、カメラ拡大率を以下のように算出する。

ｋ＝ｘ＊Ｐｚ／Ｐｘ、
または、
ｋ＝ｙ＊Ｐｚ／Ｐｙ

必要に応じて、ｋのより正確な値を、複数の測定値を求めて、それらの統計演算により決定しても構わない。

図６に示すような４つのマーク点のパターンを使えば、８つの線形等式で示せ、さらに、以下のような９つの未知数が求められる。
Ｃ_x、Ｃ_y、Ｃ_z、Ａ_x、Ａ_y、Ａ_z、Ｂ_x、Ｂ_y、およびＢ_z

前記の９つの数値が決定すれば、平面の空間での位置や方向が算出できる。８つの等式と９つの未知数しか扱わないため、一意の演算解のためさらにもう１つの制約数を利用する必要がある。撮像装置にとっては、大きな目標物も、クローズアップにより拡大された小さな目標物も全く同じにみえるように、装置の拡大率を変えると同じ画像となるため、一意性の不備が存在する。このことは、３つのベクトルＡ、Ｂ、Ｃをある定数と乗算しても等式は変化しないことに注目すれば、等式から明らかである。つまり、追加の３つの線形等式を得るため、５つのマーク点を使っても最終制約値を付加できないことを意味する。代わりに、装置のサイズに関する制約を使わねばならない。最も簡単な制約は、｜Ａ｜＝１などの絶対値であって、測定値ｕ、ｖの単位がベクトルＡ、Ｂ、Ｃで使う単位と同じであることが必須条件となる。

前記の８つの線形等式と１つの非線形等式の解は、マーク点の所定のパターンで決まる（ただし、４つのマーク点が一列に並ぶような特殊例は除く）。その結果は簡単な画像処理技術にて利用でき、ビデオ画像から平面の３次元の位置や方向を自動的に算出するコンピュータプログラムを作成できる。

簡単に言えば、目標物１９０の位置や方向の演算は、対象となる平面に付着できる４つの簡単に認識できるマーク点をもつ目標物を選択することにより実行できる。そこで、上記のような技法を使って算出した該マーク点の選択された位置は、９つの変数を含む８つの等式を作成するにの使用される。これらの式は第９番目の式である９つの要素のうちの８つをもつ位置ベクトルの式を得て解かれる。例えば、Ｃ_zの式を得て、Ａ、Ｂ、Ｃのｘとｙ成分とが解かれる。測定を行う場合の毎回のセンサの動作は下記の通りである。

（１）平面上の目標物の画像をデジタル化する。
（２）画像内の基準マーク点を認識するため、ブロブ分析（blob analysis）などの標準的な画像処理法を使う。
（３）成分の９番目が１．０だと仮定して、位置ベクトルの８つの成分を得るために前記の演算を使う。
（４）Ａの長さを算出し、その長さで全成分を割り算して、ベクトルＡ、Ｂ、Ｃの正確な値を算出する。
（５）撮像装置のレンズ以外の基準点に関連した位置が記録できるよう、方向ベクトルＡとＢの結果値を回転角度に変換し、Ｃにオフセット値を加える。前記の技法は解決策の１つであって、本発明の精神や範囲を逸脱することなく２次元画像を使った平面の画像の認識方法の採用も可能である。

上記のように、本発明に関わる実施形態をいくつか説明したが、、本発明の精神や範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を行えることも、当業者には明白に理解できよう。また、本発明に関わる実施形態においては、較正のための目標物の光学画像を撮影して、それら画像の処理から少なくとも３つの自由度の位置および方向の情報を獲得する場合を説明したが、その他の光学特性の追加も可能である。例えば、実施形態のワイヤレス基板状センサを、文字および／またはバーコードを認識できるように設定することもできる。

半導体ウェハ処理環境の概略図である。 本発明の実施形態によるワイヤレス基板状センサの上面斜視図である。 本発明の実施形態によるワイヤレス基板状センサの下面図である。 本発明の実施形態におけるセンサ中央部１２０のブロック図である。 本発明の実施形態によるワイヤレス基板状センサを保持するホルスタの上面斜視図である。 本発明の実施形態における目標物の上平面図である。 本発明の実施形態におけるベクトル変換の概略図である。

符号の説明

１００……ウェハ収容部
１０２……ロボット
１０４……システム部品モジュール
１０６、１０８、１１０……ウェハ
１１２……センサ
１１４……基準目標物
１１６……エンドエフェクタ
１１７……目標物
１１８……ワイヤレス基板状センサ
１２０……中央センサ部
１２２……外周部

Claims (43)

1. ワイヤレス基板状センサであって、
   基板状のハウジングと、
   センサに電力を供給するための電力供給部と、
   目標物の画像を撮影するための撮像装置と、
   前記の画像を処理し、センサの位置に対する目標物の位置に関するデータを獲得するために、前記の撮像装置に接続されたプロセッサと、
   前記のデータを外部装置へ無線で伝送するため、前記のデジタル信号のプロセッサに接続されたワイヤレス通信モジュールとからなるワイヤレス基板状センサ。
2. さらに、前記目標物を照射する照明器を含む請求項１のセンサ。
3. 前記電力供給部が充電可能である請求項１のセンサ。
4. 前記データが、少なくとも２度の自由度の、前記センサの位置に対する前記目標物の位置に関連するものである請求項１のセンサ。
5. 前記データが、少なくとも３度の自由度の、前記センサの位置に対する前記目標物の位置に関連するものである請求項１のセンサ。
6. 前記データが、少なくとも６度の自由度の、前記センサの位置に対する前記目標物の位置に関連するものである請求項１のセンサ。
7. 前記画像が、該画像内のパターンを検出するために解析される請求項１のセンサ。
8. 前記センサが、該画像内の事前に限定された２つのパターン間の距離を測定するように構成されている請求項１のセンサ。
9. 前記センサが文字を認識する請求項１のセンサ。
10. 前記センサがバーコードを認識する請求項１のセンサ。
11. さらに、前記画像を表示するために、前記センサに操作可能に接続された表示装置を含む請求項１のセンサ。
12. さらに、前記画像を記録するための部品を含む請求項１のセンサ。
13. 前記プロセッサがデジタル信号プロセッサである請求項１のセンサ。
14. 前記プロセッサがマイクロプロセッサである請求項１のセンサ。
15. 前記プロセッサが前記センサ上に配置される請求項１のセンサ。
16. 前記センサが寸法的に安定した素材で形成される請求項１のセンサ。
17. 半導体処理システムの較正を行うのに利用するワイヤレス基板状センサアセンブリであって、
    プロセッサと、内部電源と、撮像装置とを備えたワイヤレス基板状センサと、
    互い既知の関連性を備えた少なくとも４つの目標インデクス（indicia）が設けられた自動較正用目標物とからなり、前記の自動較正用目標物が、システムの少なくとも１つの所定位置に実装可能であって、前記のセンサが、少なくとも２つの自由度における少なくとも１つの自動較正目標物に対する位置情報を提供できるよう設定されているワイヤレス基板状センサアセンブリ。
18. 付加的に照射源を有する請求項１７のアセンブリ。
19. 付加的にワイヤレス通信装置を有する請求項１７のシステム。
20. 前記プロセッサがデジタル信号プロセッサである請求項１７のアセンブリ。
21. 前記センサが約３００ｍｍの直径を有する請求項１７のアセンブリ。
22. 前記センサが約２００ｍｍの直径を有する請求項１７のアセンブリ。
23. 前記センサが約１５０ｍｍの直径を有する請求項１７のアセンブリ。
24. 前記センサが約４５０ｍｍの直径を有する請求項１７のアセンブリ。
25. 前記センサが、少なくとも３度の自由度における、少なくとも１つの自動較正用目標物に関する位置情報を提供するように構成される請求項１７のアセンブリ。
26. 前記センサが、少なくとも６度の自由度における、少なくとも１つの自動較正用目標物に関する位置情報を提供するように構成される請求項１７のアセンブリ。
27. 前記センサが操作者に前記位置情報を提供する請求項１７のアセンブリ。
28. 前記センサがシステム制御器に前記位置情報を提供する請求項１７のアセンブリ。
29. 前記センサがロボット制御器に前記位置情報を提供する請求項１７のアセンブリ。
30. 前記センサが寸法的に安定した素材で形成される請求項１７のアセンブリ。
31. さらに、前記センサに接続され、不使用時に前記センサを機械的に収納するように構成されたホルスタ（holster）からなる請求項１７のアセンブリ。
32. 前記ホルスタが前記センサの前記内部電源と接続された時に、該内部電源を充電する請求項１７のアセンブリ。
33. 前記ホルスタが前記センサと通信する請求項３１のアセンブリ。
34. 各自動較正用目標物が前記インデクスに対して強いコントラストの背景色を有する請求項１７のアセンブリ。
35. 前記センサがホスト装置に後で送信するための値を記憶し、該センサは、それが静止したことを認識するためにその光学撮像装置を使用し、その後、オフセットの時刻と値を記録する請求項１７のアセンブリ。
36. 前記センサが文字を認識する請求項１７のアセンブリ。
37. 前記センサがバーコードを認識する請求項１７のアセンブリ。
38. ３次元における平面目標物の位置と方向を判定する方法であって、
    前記の目標物上に少なくとも４つの基準インデクスを設ける工程と、
    前記の目標物の画像をデジタル化する工程と、
    前記の目標物の画像内の少なくとも４つの基準インデクスを確認する工程と、
    前記の少なくとも４つの基準インデクスの確認に基づいて、位置と方向を示す未知数を求めるために、前記インデクスを示す式を解く工程とからなる、３次元での平面目標物の位置と方向の判定方法。
39. ワイヤレス基板状センサであって、
    基板状のハウジングと、
    センサに電力を供給するための電力供給部と、
    目標物の画像を撮影するための撮像装置と、
    前記の画像を外部装置へ無線で伝送するため、前記の撮像装置に接続されたワイヤレス通信モジュールとからなるワイヤレス基板状センサ。
40. 前記外部装置が半導体処理システムを調整するために操作者に用いられる表示装置である請求項３９のセンサ。
41. 前記表示装置が調整を介在する操作者の補助として前記画像上に並列ガイドを示す請求項３９のセンサ。
42. 前記センサが前記画像内の事前に限定されたパターンの存在を検出するように構成された請求項３９のセンサ。
43. 前記センサが前記画像内の２つの事前に限定されたパターン間の距離を測定するように構成された請求項３９のセンサ。

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