KR100936085B1 - 무선 기판형 센서 - Google Patents

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싸이버옵틱스 쎄미콘덕터 인코퍼레이티드
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Abstract

반도체 프로세싱 시스템의 정렬 및 캘리브레이션을 용이하게 하는 무선 기판형 센서(112, 118)가 제공된다. 무선 기판형 센서(112, 118)는 반도체 프로세싱 시스템내에 배치된 타겟(116)의 하나 이상의 이미지를 획득하는 광학 이미지 획득 시스템(130)을 포함한다. 무선 기판형 센서(112, 118)에 의해 얻어진 타겟(116)의 이미지 분석은 적어도 자유도 3으로 위치 및/또는 배향 정보를 제공한다. 무선 기판형 센서(112, 118)를 이용하여 기준 위치를 이미징하면 픽업 에러를 측정 및 보상할 수 있도록, 추가적인 타겟(114)이 반도체 프로세싱 시스템내의 기지의 위치에 첨부된다.

Description

무선 기판형 센서{WIRELESS SUBSTRATE-LIKE SENSOR}
반도체 프로세싱 시스템은 매우 청정한 환경과 매우 정밀한 반도체 웨이퍼 이동을 특징으로 한다. 업계에서는, 필요한 정밀도를 가진 반도체 프로세스 시스템내의 여러 프로세스 스테이션 주변에 반도체 웨이퍼와 같은 기판을 이동시키기 위해서, 고정밀도의 로봇 시스템에 상당히 의지한다.
이러한 로봇 시스템의 신뢰성 있고 효율적인 동작은 구성 요소의 정밀한 위치 조정, 정렬 및/또는 병렬(parallelism)에 의존한다. 정확한 웨이퍼 위치는, 웨이퍼가 웨이퍼 처리 시스템의 측벽에 우연히 긁힐 수 있는 가능성을 최소화한다. 그 프로세스의 양품율을 최적화하기 위해서는, 처리 챔버내의 프로세스 페데스탈(pedestal) 상에서의 정확한 웨이퍼 위치를 필요로 한다. 반도체 프로세싱 시스템내의 표면간의 정밀한 병렬은, 로봇의 단부 작동체로부터 웨이퍼 캐리어 단, 사전 정렬 진공 척, 로드 잠금 엘리베이터 단, 프로세스 챔버 전달 핀 및/또는 페데스탈까지의 전달동안에 기판 슬라이딩 또는 이동을 최소화할 수 있게 보장하는데 있어서 중요하다. 웨이퍼가 지지대에 부딪혀서 슬라이딩하는 경우에, 입자가 긁혀 양품율 손실을 야기할 수 있다. 밀리미터 단위의 작은 크기에도, 오배치 또는 오정렬된 구성 요소는 반도체 프로세싱 시스템내의 다양한 구성 요소와의 협동 작용에 영향을 미쳐, 제품의 양품율 및/또는 품질을 저하시킨다.
이러한 정밀한 위치 조정은 초기 제조 단계에서 이루어져야 하며, 시스템 사용동안에 유지되어야 한다. 구성 요소의 위치 조정은 일반적인 마모로 인해, 또는 유지, 보수, 변경 또는 교환동안의 과정의 결과로, 변경될 수 있다. 따라서, 반도체 프로세싱 시스템의 여러 구성 요소의 상대적인 미세한 위치 변화를 자동으로 측정하여 보상하는 것이 매우 중요해지고 있다.
과거에는, 반도체 프로세싱 시스템을 통하여, 반도체 시스템내에서의 기판의 경사 및 가속도와 같은 정보를 무선으로 전달하도록 이동될 수 있는 웨이퍼와 같은 기판 형태인 기판형 센서를 제공하려고 시도하였다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "기판형"은 반도체 웨이퍼, 액정 디스플레이 유리 패널 또는 레티클(reticle)과 같은 기판 형태인 센서를 의미한다. 기판형 센서가 반도체 프로세싱 시스템의 프로세싱 환경에서의 다수의 내부 조건을 측정할 수 있게 하는 다른 형태의 검출기를 포함하는 무선 기판형 센서를 제공하려고 시도하였다. 무선 기판형 센서에 의해, 프로세싱 장비 전체의 여러 지점에서 측정되어, 기판 핸드링 메카니즘과 제조 프로세스(예, 베이킹, 에칭, 물리적 증착, 화학적 증착, 코팅, 세정, 건조 등)의 장애를 감소시킬뿐만 아니라, 내부 환경의 파괴를 감소시킨다. 예를 들어, 무선 기판형 센서는 진공 챔버가 배출 또는 펌핑될 필요가 없으며, 또한, 실제 프로세싱동안에 경험하게 되는 초청정 환경에서의 높은 오염 위험성을 취하지 않는다. 무선 기판형 센서 형상 계수(form factor)는 최소의 관측 불확실성을 가진 프로세스 조건의 측정을 가능하게 한다.
현재, 반도체 프로세싱 시스템내의 구성 요소의 위치적인 변화에 대한 정보 의 획득 및 보상을 용이하게 하면서, 무선 기판형 센서의 장점을 제공하는 시스템이 긴박하게 필요하다. 현재, 무선 기판형 센서가 경사 및 가속도와 같은 제한된 정보를 제공하고 있지만, 필요한 위치 정보를 제공하지 않는다. 여전히, 기술자들은, 이러한 구성 요소가 협동하여 매우 조심스러운 기판 프로세싱을 제공할 수 있게 하기 위해서, 주관적으로 판단하여, 반도체 프로세싱 시스템내의 여러 구성 요소의 상대적인 위치를 조정한다. 현재 이용가능한 센서는 반도체 프로세싱 시스템의 구성 요소들간의 위치적인 오프셋의 자동 조정을 할 수 없다.
발명의 개요
반도체 프로세싱 시스템의 정렬 및 캘리브레이션을 용이하게 하는 무선 기판형 센서가 제공된다. 무선 기판형 센서는 반도체 프로세싱 시스템내의 타겟 또는 객체의 하나 이상의 이미지를 획득하는 광학 이미지 획득 시스템을 포함한다. 무선 기판형 센서에 의해 얻어진 타겟의 이미지의 분석은 위치, 존재/부재, 값 및/또는 적어도 자유도 3의 배향과 같은 유용한 정보를 제공한다. 무선 기판형 센서를 이용하여 기준 위치 이미지를 분석하면, 픽업으로 인한 위치 에러를 측정하고 보상할 수 있도록, 다른 타겟이 반도체 프로세싱 시스템내의 기지의 위치에 첨부될 수 있다.
도 1은 반도체 웨이퍼 프로세스 환경에 대한 개략도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선 기판형 센서의 정면 사시도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선 기판형 센서의 하부도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 중심부(120)의 개략도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선 기판형 센서를 수용하기 위한 홀스터(holster)의 정면 사시도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 타겟의 정면 평면도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 벡터 변형의 개략도.
종래 기술에서 무선 기판형 반도체 센서를 제공하였지만, 이러한 센서에 의해 제공된 정보는 제한되어 있었다. 반도체 프로세싱 시스템의 정렬 및 캘리브레이션을 상당히 용이하게 하기 위해서는, 무선 기판형 센서에 의해 지금까지 제공되어 왔던 기능보다 상당히 많은 기능을 필요로 한다. 특히, 무선 기판형 센서는, 반도체 프로세싱 시스템내에서의 구성 요소의 매우 정밀한 위치 및 배향을 계산할 수 있게 하는 정보를 제공하지 못했다. 이러한 특징 및 다수의 다른 특징들이 이하의 설명으로 자명해 질 것이다.
도 1은 단순히 하나의 박스로서 개략적으로 예시된 웨이퍼 컨테이너(100), 로봇(102) 및 시스템 구성 요소 스테이션(104)을 포함하는 반도체 웨이퍼 프로세싱 환경의 개략도이다. 3개의 웨이퍼(106, 108, 110) 및 본 발명의 실시예에 따른 무선 기판형 센서(112)를 포함하는 웨이퍼 컨테이너(100)가 도시되어 있다. 도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 바람직하게, 센서(112)는 웨이퍼 자체와 동일한 방식으로 반도체 웨이퍼 프로세싱 환경내에서 이동가능하게 하는 형상 계수로 구현된다. 따라서, 본 발명의 실시예는, 웨이퍼와 같은 기판이 그랬던 것처럼, 기판형 센서가 본 시스템을 통해 이동할 수 있게 하기에 충분히 낮은 높이를 가진 기판형 무선 센서를 제공한다. 예를 들어, 대략 9.0㎜보다 적은 높이가 허용가능할 것으로 기대된다. 바람직하게, 센서는 2개의 웨이퍼보다 적은 중량을 가지고 있으며, 예를 들어, 대략 250 그램 미만의 중량이 허용가능할 것으로 기대된다. 대략 25㎜의 이격 거리가 대부분의 응용예의 조건을 충족시킬 것으로 기대되지만, 몇몇 응용예에서는 다른 이격 거리를 필요로 할 수 있다. 본 명세서에 사용된 "이격 거리"는 센서의 바닥부로부터 타겟까지의 명목상의 거리이다. 바람직하게, 센서의 직경은 300㎜, 200㎜ 또는 150㎜의 표준 반도체 웨이퍼 직경 중 하나와 일치한다.
바람직하게, 센서(112)는 치수적으로(dimensionally) 안정한 물질로 구성된다. 기판형 센서가 3차원 오프셋을 정확하게 측정하기 위해서, 센서가 실제 기판과 유사한 방식으로 변형되는 것이 중요하다. 일반적인 웨이퍼 치수와 특징점은, 다음의 명세서, SEMI M1-0302, "Specification for Polished Monocrystaline Silicon Wafers", Semiconductor Equipment and Materials International, www.semi.org 에서 찾을 수 있다. 에지에서 지지되는 300㎜ 실리콘 웨이퍼의 중심부는 자신의 중량으로 인해 대략 0.5㎜ 내려 앉게 될 것이다. 센서의 변형과 실제 웨이퍼의 변형간의 차이는 센서 측정의 정확도보다 매우 적을 것이다. 바람직한 실시예에서, 기판형 센서의 강성으로 인해, 실제 실리콘 웨이퍼의 기울어짐(deflection)과 상당히 일치하게 기울어진다. 따라서, 상이한 기울어짐을 보정하기 위한 보상이 필요없다. 대안으로, 보상 계수가 측정값에 부가될 수 있다. 유사하게, 기판형 센서의 중량은 자신의 지지부를 또한 기울게 할 수 있다. 기판 지 지부는 단부 작동체(end effectors), 페데스탈, 전달 핀(transfer pins), 단(shelves) 등을 포함하며, 이들로 제한되지 않는다. 상이한 지지부의 기울어짐은 센서와 기판의 중량 차이와 기판 지지부의 기계적인 강성 둘다의 함수일 수 있다. 센서에 의한 지지부의 기울어짐과 기판에 의한 지지부의 기울어짐간의 차이는 센서 측정의 정확도보다 매우 적어야 하거나, 그 기울어짐 차이는 적절한 계산에 의해 보상되어야 한다.
종래 기술에서, 기술자들은 프로세스 챔버의 뚜껑(lid)을 제거한 후에 또는 뚜껑의 투명한 창을 통해 진공 전달 로봇의 단부 작동체와 프로세스 챔버 페데스탈을 관찰함으로써, 프로세스 챔버 페데스탈과 진공 전달 로봇의 단부 작동체의 정렬을 반복적으로 조정하였다. 몇몇의 경우에, 적절한 기준 마크를 제공하기 위해서 꽉 맞는 고정물 또는 지그(jig)가 프로세스 페데스탈 상에 먼저 배치되어야 한다. 기판형 센서는 기술자의 도움으로 정렬 방법이 개량될 수 있게 한다. 기판형 센서는 창을 통해 보는 것보다 더 명확하게 또한 커버를 제거하는 단계없이도 정렬되는 객체의 이미지를 제공한다. 무선 기판형 센서는 상당한 시간을 절약하고 정렬의 반복성을 개선시킨다.
무선 기판형 센서는 아날로그 카메라 이미지를 무선으로 전송할 수 있다.
바람직한 실시예는 메모리내에 저장된 디지털 이미지의 일부 또는 모두를 디스플레이 또는 분석을 위한 외부 시스템에 전송하기 위해서 기판형 무선 센서의 기계 비젼 서브 시스템을 이용한다. 또한, 외부 시스템은 이러한 다수의 디지털 이미지를 저장하도록 구성될 수 있다. 디스플레이는 수신기의 근처에 배치될 수 있 고, 또는 이미지 데이터가 원격 디스플레이를 위한 데이터 네트워크를 통해 재생될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 카메라 이미지는 통신 채널 노이즈에 의해 발생되는 화질의 저하를 최소화하기 위해 디지털 데이터 스트림으로서 인코딩되어 전송된다. 디지털 이미지는, 필요한 데이터 레이트를 최소화하기 위해서, 공지의 데이터 축소 방법 중 하나를 이용하여 압축될 수 있다. 또한, 데이터 레이트는, 이전의 이미지로부터 변경된 이미지의 일부만을 전송함으로써 상당히 감소될 수 있다. 기판형 센서 또는 디스플레이는 전자 크로스 헤어 또는 다른 적절한 마크를 오버레이하여, 기술자를 도와 정렬 품질을 향상시킬 수 있다.
수동 방법에 비해 비젼 보조 티칭(vision-assisted teaching)이 편리하지만, 기술자의 판단이 여전히 정렬의 반복성 및 재생가능성에 영향을 미친다. 기판형 무선 센서 카메라에 의해 획득된 이미지는, 예상 위치로부터의 패턴의 오프셋을 측정하기 위해서, 2차원 정규화 보정법을 포함한 다수의 공지 방법을 이용하여 분석될 수 있다. 패턴은, 비젼 시스템이 인식하도록 준비된 이미지의 임의의 부분일 수 있다. 패턴은 시스템에 의해 기록될 수 있다. 패턴은 시스템에 수학적으로 표현될 수 있다. 수학적으로 표현되는 패턴은 제조 시점에 정해질 수 있거나, 이용 순간에 프로그래밍될 수 있다. 종래의 2차원 정규화 보정법은 패턴 이미지 크기의 변화에 민감하다. 단일 렌즈 시스템이 사용될 때, 객체 거리에 비례하여 배율이 변한다. 개량된 패턴 오프셋 측정 성능이 이미지 또는 기준 중 하나를 반복적으로 크기 조정함으로써 얻어질 수 있다. 최적의 보정으로 되는 스케일은, 패턴의 사이즈를 알고 있거나, 기준 패턴이 기록되었을 때 사용된 배율을 알고 있으면, 그 배 율을 표시한다.
이미지 평면내의 픽셀들과 객체 평면내의 픽셀 사이즈간의 대응을 알고 있는 경우에, 오프셋은 기술자 또는 기계 제어기가 픽셀과 같은 임의의 단위보다 해석하기 용이한 표준 측정 단위로 기록될 수 있다. 예를 들어, 오프셋은, 작동자가 기록된 양에 의해 시스템을 단순히 조정할 수 있도록, 밀리미터 단위로 제공될 수 있다. 오프셋을 표준 단위(standard units)로 얻는데 필요한 계산이 수동적으로, 외부 컴퓨터에 의해, 또는 센서 자체내에서 우선적으로 행해질 수 있다. 센서가 필요한 정보를 이미지로부터 추출할 때, 최소량의 정보가 전송되어, 기술자 또는 외부 제어기에 있어서는 계산적인 부담이 최소화된다. 이러한 방식으로, 객관적인 기준이 정렬의 반복성 및 재생가능성을 향상시키는데 사용될 수 있다. 자동 오프셋 측정은 기술자의 판단으로 인한 변화를 제거함으로써 정렬의 재생가능성을 향상시킨다.
반도체 프로세싱 장비의 정렬 및 캘리브레이션 동안에, 제 2 기판 지지 구조물에 대해 단부 작동체를 올바르게 배치하는 것이 중요하며, 또한 기판 지지 구조물 둘다를 서로 평행하게 하는 것이 중요하다. 바람직한 실시예에서, 무선 기판형 센서의 기계 비젼 서브 시스템은 2개의 기판 지지부간의 3차원 관계를 측정하는데 사용된다. 예를 들어, 로봇의 단부 작동체는 전달 위치에 매우 근접하게 무선 기판형 센서를 붙잡고 있으며, 센서 카메라로부터 대향하는 기판 지지부 상에 위치한 패턴까지 자유도 6으로의 3차원 오프셋의 측정이 이루어질 수 있다. 하나의 자유도 6 세트는 데카르트 좌표계(cartesian coordinate system)의 x, y, z에 따른 변 위뿐만 아니라, 이탈(yaw), 피치(pitch), 및 롤(roll)을 포함한다. 그러나, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 다른 좌표계가 사용될 수 있다는 것을 알 것이다. 평행 및 데카르트 오프셋 둘 다의 동시 측정에 의해, 기술자 또는 제어기가 만족스러운 정렬을 객관적으로 결정할 수 있다. 제어기가 사용될 때, 기술자의 개입을 필요로 하지 않는 정렬이 충분히 자동화될 수 있다. 자동화된 정렬은, 시스템 성능 및 이용가능성을 최적화하는 예정된 방지 유지 루틴(scheduled preventive maintenance routines)에 포함될 수 있다.
매우 일반적으로, 로봇(102)에게 센서(112)를 선택하여 기준 타겟(114)로 전달하라고 지시함으로써, 로봇 시스템(102)의 동작 및 자동 캘리브레이션이 수행된다. 지시되면, 로봇(102)은 여러 링크를 적절히 작동시켜 센서(112) 하의 단부 작동체(116)를 슬라이딩시켜 컨테이너(100)로부터 센서(112)를 제거한다. 제거되면, 로봇(102)은 기준 타겟(114) 바로 위로 센서(112)를 이동시켜, 센서(112)내의 광학 이미지 획득 시스템(도 1에는 도시되지 않음)으로 하여금 기준 타겟(114)의 이미지를 획득하도록 하게 한다. 타겟 패턴의 연역적인 지식(a-priori knowledge)에 기초하여, 센서와 타겟(114)간의 3차원 오프셋이 측정된다. 측정 계산은 센서 또는 외부 컴퓨터내에서 이루어질 수 있다. 기준 타겟(114)의 정밀한 위치 및 배향에 대한 연역적인 지식에 기초하여, 그들의 3차원 오프셋이 분석되어, 센서(112)를 픽업하는 로봇(102)에 의해 발생되는 픽업 에러를 결정할 수 있다. 내부 또는 외부 계산에 의해, 시스템은 센서(112)의 픽업 프로세스에 의해 발생되는 에러를 보상할 수 있다.
이러한 정보에 의해, 센서(112)는 시스템 구성 요소(104) 상의 타겟(116)과 같은 추가적인 타겟의 이미지를 획득하여, 시스템 구성 요소(104)의 정밀한 위치 및 배향을 계산하는데 사용될 수 있다. 이러한 프로세스를 반복함으로써, 로봇(102)의 제어기는 반도체 프로세싱 시스템내의 모든 구성 요소에 대한 정확한 위치를 정밀하게 매핑할 수 있다. 바람직하게, 이러한 매핑은 적어도 자유도 3로, 또한 바람직하게는 자유도 6(x, y, z, 이탈, 피치 및 롤)로 위치 및 배향 정보를 생성한다. 이러한 매핑 정보는 기술자에 의해 다른 구성 요소의 자유도 6 위치 및 배향에 대한 임의의 구성 요소의 자유도 6 위치 및 배향을 기계적으로 조정하는데 사용될 수 있다. 바람직하게는, 기판형 무선 센서에 의해 제공되는 정확한 측정값은 기술자의 판단으로 인한 가변성을 최소화 또는 감소시키는데 사용된다. 바람직하게, 이러한 위치 정보는 캘리브레이션 프로세스를 자동화하는 로봇 또는 시스템 제어기에 기록된다. 모든 기계적인 조정이 완료된 후에, 기판형 센서는 남은 정렬 에러를 측정하는데 사용될 수 있다. 자유도 6의 오프셋 측정값은 로봇 및/또는 시스템 제어기의 메모리에 저장된 좌표 포인트를 조정하는데 사용될 수 있다. 이러한 포인트는, 단부 작동체가 FOUP 슬롯 #1 기판 전달 포인트에 위치할 때의 공기식(atmospheric) 기판 핸들링 로봇의 위치와, 단부 작동체가 FOUP 슬롯 #25 기판 전달 포인트에 위치할 때의 공기식 기판 핸들링 로봇의 위치와, 단부 작동체가 기판의 사전 정렬기 기판 전달 포인트에 위치할 때의 공기식 기판 핸들링 로봇의 위치와, 단부 작동체가 로드 잠금 기판 전달 포인트에 위치할 때의 공기식 기판 핸들링 로봇의 위치와, 단부 작동체가 공기식 기판 핸들링 시스템의 프레임에 부착된 기준 타겟에 위치할 때의 공기식 기판 핸들링 로봇의 위치와, 단부 작동체가 로드 잠금 기판 전달 포인트에 위치할 때의 진공 전달 로봇의 위치와, 단부 작동체가 프로세스 챔버 기판 전달 포인트에 위치할 때의 진공 전달 로봇의 위치와, 단부 작동체가 진공 전달 시스템의 프레임에 부착된 타겟에 위치할 때의 진공 전달 로봇의 위치를 포함하지만, 이들 위치로 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 다른 실시예는 그 측정값을 저장 및 기록한다. 실시간 무선 통신은 몇몇 반도체 프로세싱 시스템에서는 비실용적일 수 있다. 이 시스템의 구조는 무선 통신과 간섭할 수 있다. 무선 통신 에너지는 기판 프로세싱 시스템의 올바른 동작과 간섭할 수 있다. 이들의 경우에, 바람직하게, 센서(112)는 호스트로의 추후 전송을 위해서, 여러 타겟으로 전달되기 때문에 값을 기록할 수 있다. 이미지 획득 시스템을 이용한 센서(112) 또는 다른 적절한 검출기가 더 이상 이동하는 것이 없다고 인식할 때, 센서(112)는 바람직하게, 오프셋의 시간 및 값을 기록한다. 추후 시간에, 센서(112)가 자신의 홀스터(도 6에 도시)로 복귀될 때, 센서(112)는 저장된 시간 및 값을 리콜하여 이러한 정보를 호스트로 전송할 수 있다. 이러한 전송은 전기적인 전달, 광학적인 시그널링, 유도성 커플링 또는 다른 적절한 수단에 의해 이루어질 수 있다. 무선 기판형 센서의 저장 및 기록 동작은 잠재적으로, 신뢰성을 증가시키고, 비용을 줄이고, 시스템에 대한 조정 승인 사이클을 단축시킨다. 또한, RF 에너지가 센서 및 그 센서의 홀스터의 근처에 있는 감응성 장비와 상호작용할 수 있는 가능성을 피한다. 또한, 저장 및 기록 동작은 실시간 무선 통신 채널의 일시적인 중단을 극복하는데 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선 기판형 센서(118)의 정면 사시도이다. 센서(118)는, 단지 중량 감소가 영향을 미치게 하는 방식면에서 도 1에 도시된 센서(112)와 다르다. 특히, 센서(112)는, 300 밀리미터 직경의 웨이퍼와 같은 표준 웨이퍼 크기를 수용할 수 있는 외면(122)내에 중심 센서 부분(12)을 현수(suspend)하기 위해 다수의 지주(strut)(118)를 사용한다. 대조적으로, 센서(118)는 센서(118)의 중량을 감소시키기 다수의 스루홀(124)을 사용한다. 필요한 중량 감소를 달성하기 위해서, 다른 패턴의 홀이 사용될 수 있다. 예를 들어, 중공인 센서 부분 및/또는 경량의 물질로 채워진 부분을 포함한 다른 중량 감소 설계가 또한 고려된다. 센서(112)와 센서(118) 둘다는 중심부(120)를 사용한다. 중심부(120)의 하부측 부분은 도 3에 도시된 액세스 홀(126) 바로 위에 배치된다. 액세스 홀(126)에 의해, 조명기(128)와 이미지 획득 시스템(130)은, 센서(118)가 로봇(102)에 의해 이동되기 때문에, 센서(118) 아래에 배치된 타겟의 이미지를 획득할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 부분(120)의 개략도이다. 바람직하게, 부분(120)은, 다수의 구성 요소가 장착되는 회로 보드(140)를 포함한다. 특히, 배터리(142)는 회로 보드(140) 상에 장착되어 전력 관리 모듈(146)을 통해 디지털 신호 프로세서(DSP)(144)에 결합된다. 전력 관리 모듈(146)에 의해, 적절한 전압 레벨이 디지털 신호 프로세서(144)에 제공될 수 있다. 바람직하게, 전력 관리 모듈(146)은 Texas Instruments 사의 상표명 TPS5602의 전력 관리 집적 회로이다. 추가적으로, 디지털 신호 프로세서(144)는 바람직하게 Texas Instruments 사의 상표명 TMS320C6211의 마이크로프로세서이다. 디지털 신호 프로세서(144)는 임의 유형 의 메모리의 형태를 취할 수 있는 메모리 모듈(148)에 결합된다. 그러나, 바람직하게, 메모리(148)는 바람직하게는 16Mx16의 크기를 가진 SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)을 포함한다. 또한, 모듈(148)은 바람직하게 256Kx8의 크기를 가진 플래시 메모리를 포함한다. 플래시 메모리는 프로그램으로서의 비휘발성 데이터, 캘리브레이션 데이터 및/또는 필요로 할 수 있는 추가적인 다른 비변화 데이터를 저장하는데 유용하다. 랜덤 액세스 메모리는 프로그램 동작과 관련된 획득된 이미지 또는 데이터와 같은 휘발성 데이터를 저장하는데 유용하다.
바람직하게 다수의 발광 다이오드(Light Emitting Diodes: LED)를 포함하는 조명 모듈(150) 및 이미지 획득 시스템(152)은 카메라 제어기(154)를 통해 디지털 신호 프로세서(144)에 결합된다. 카메라 제어기(154)는 이미지 획득 및 조명을 용이하게 하여, 디지털 신호 프로세서(144)에 의해 지시된 바에 따라, 관련 시그널링을 LED와 이미지 획득 시스템(152)에 제공한다. 바람직하게, 이미지 획득 시스템(152)은, 바람직하게는 광학 시스템(156)에 결합된 전하 결합 장치(CCD) 또는 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 이미지 장치와 같은 영역 어레이 장치를 포함하며, 광학 시스템은 이들 어레이 상에 이미지를 집속시킨다. 바람직하게, 이미지 획득 장치는 상표명 KAC-0310의 Kodak 사의 제품이다. 또한, 바람직하게, 디지털 신호 프로세서(144)는 다수의 I/O 포트(158, 160)를 포함한다. 바람직하게, 이들 포트는 디지털 신호 프로세서(144)와 다른 장치간의 통신을 용이하게 하는 직렬 포트이다. 특히, 직렬 포트(158)는, 포트(158)를 통해 전송된 데이터가 고주파 모듈 (162)을 통해 외부 장치와 결합되도록, 고주파 모듈(162)에 결합된다. 바람직한 일실시예에서, 고주파 모듈(162)은 Bluetooth SIG(www.bluetooth.com)로부터 이용가능한 공지의 블루투스 표준인, 블루투스 코어 사양 버전 1.1(Bluetooth core specification version 1.1)에 따라서 동작한다. 모듈(162)의 일예는 Mitsumi사의 상표명 WML-C11이다.
검출기(164)는 적절한 형태를 취하여 반도체 프로세싱 시스템내의 다른 조건에 관한 관련 정보를 제공할 수 있다. 이러한 검출기는 하나 이상의 온도계(thermometers), 가속도계(accelerometers), 경사계(inclinometers), 나침반(compasses)(자계 방향 검출기)(Magnetic field direction detectors), 광 검출기(light detectors), 압력 검출기(pressure detectors), 자기장 세기 검출기(magnetic field strength), 산도 검출기(acidity detectors), 음파 검출기(acoustic detectors), 습도 검출기(humidity detectors), 화학적 부분의 활성화 검출기(chemical moiety activity detectors) 또는 적절한 다른 형태의 검출기를 포함할 수 있다.
도 5는 무선 기판형 센서가 사용되지 않을 때 무선 기판형 센서를 저장하고 보유하는데 사용될 수 있는 옵션의 홀스터(180)를 도시한다. 홀스터(180)는 무선 센서의 내부 전력 저장 장치를 재충전하는 편리한 방법을 제공한다. 바람직하게, 홀스터(180)는, 무선 기판형 센서를 전기적으로 결합하여 센서내의 전원을 재충전시키는 적절한 접점을 포함한다. 이러한 결합은, 유도성(inductive), 광기전성(photovoltaic), 용량성(capacitive) 및 전도성(conductive) 방법을 포함한 임의의 적절한 방법을 통해 이루어질 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 유용한 타겟의 개략도이다. 타겟(190)의 중요한 특징은, 그 이미지가 처리되어 이탈, 피치 및 롤 뿐만 아니라 x, y, z 위치를 계산하도록, 기지의 크기 및 기하학적 형태를 가진 가시적인 타겟을 제공한다는 것이다. 지금까지는, 이러한 자유도 6의 위치적인 계산은 무선 기판형 센서를 이용하여 조정되지 않았다. 바람직하게, 타겟(190)은 50㎜ x 50㎜의 크기를 가지고 있으며, 기지의 크기, 기하학적인 형태 및 서로에 대한 위치 관계를 가진 4개의 원형 마크(192)를 포함한다. 타겟(190)의 조심스러운 이미지 촬영 및 프로세싱에 의해, 시스템은 벡터를 계산하여 이미지 획득 시스템(무선 기판형 센서)으로부터 타겟(반도체 프로세싱 시스템 구성 요소 또는 기준 마커)로의 위치를 변형시킬 수 있다.
예를 들어, 3차원의 평면의 정확한 위치가 카메라에 의해 찍힌 표면의 2차원 이미지로부터 알아야 한다고 가정한다. 그 표면의 위치는 다음의 도 7에 도시된 3개의 벡터로 표시될 수 있다. A와 B는 표면의 평면내의 2개의 벡터이며, 이들은 표면의 배향을 나타낸다. 이들은 표면 상의 국부 좌표계의 축으로서 고려될 수 있다. C는 이미지 획득 시스템으로부터 표면 상의 기준 포인트까지의 벡터이며, 표면의 위치를 나타낸다. (실질적으로, C는 이미지 획득 시스템의 렌즈 내측의 특정 위치로부터 측정되며, 이 포인트의 정확한 위치는 이미지 획득 시스템의 설계에 따라 다르다.)
표면이 표시(192)와 같은 몇몇 마킹을 가지고 있다면, 마킹 패턴에서의 포인 트는 2개(u, v)로 표면 좌표에 표시된다. 3차원 공간에서의 이 포인트의 위치는 다음의 벡터 수학식에 의해 표시된다.
Figure 112004035287801-pct00001
EQ. 1
이러한 포인트에서의 카메라의 이미지에서의 위치(x, y)는 다음의 투시 변형식에 의해 결정된다.
Figure 112004035287801-pct00002
및
Figure 112004035287801-pct00003
여기서, k는 이미지 획득 시스템의 시계에 관련된 상수이다.
표면 상의 마크의 위치와 이미지 상의 마크의 위치간의 관계는 다음의 수학식들을 조합함으로써 구해질 수 있다.
Figure 112004035287801-pct00004
및
Figure 112004035287801-pct00005
기지의 패턴이 사용되면, 각각의 마크에 대한 u와 v는 기지의 상수이다. 또한, 각각의 마크에 대한 x, y는 이미지로부터 측정될 수 있으며, k는 카메라를 캘리브레이션함으로써 결정될 수 있다.
카메라를 캘리브레이션하는 한가지 방법은 카메라에 대한 기지의 위치상의 마크, (Px, Py, Pz)를 이미지화하는 것이다. (x, y)가 카메라 이미지내의 마크의 위치이면, 카메라 배율은 다음 중 하나에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112004035287801-pct00006
또는
Figure 112004035287801-pct00007
필요하다면, 몇가지를 측정하고 통계적인 기술을 이용함으로써, k에 대한 보다 정확한 값을 결정할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 4개의 마크를 가진 패턴이 사용되면, 이것은 8개의 선형 수학식의 시스템으로 되고, 이하의 9개의 미지값에 대해서 해를 구할 수 있다.
Figure 112004035287801-pct00008
및
Figure 112004035287801-pct00009
이들 9개의 값을 알게 되면, 표면의 공간에서의 위치 및 배향이 계산될 수 있다. 단지 8개의 수학식과 9개의 미지값이 있기 때문에, 단일 해(unique solution)를 알기 위해서는 제약 조건(constraint)이 하나 더 적용되어야 한다. 동일 이미지는 스케일링 계수에 의해 시스템을 변화시키는 것으로부터 발생할 수 있기 때문에, 단일성의 부족이 존재하고, 큰 타겟은 이미지 획득 시스템에서, 작은 타겟이 클로즈 업될 때와 정확하게 동일하게 보일 것이다. 이러한 점은, 상술한 수학식들에서, 모든 3개의 벡터, A, B, C에 상수를 곱하면 이들 수학식을 변화시키지 않는다는 것을 주목함으로써 알 수 있다. 이것이 의미하는 바는, 3개의 선형 수학식을 추가적으로 얻기 위해 단순히 5개의 마크를 이용함으로써, 최종 제약 조 건이 부가될 수 없다는 것이다. 대신에, 시스템의 크기 상의 제약 조건이 사용될 수 있다. 선택하기에 가장 쉬운 제약 조건은, u와 v를 측정하는데 사용되는 단위가 벡터 A, B, C 상에서 사용되는 단위와 동일한 것을 필요로 하는 절대값
Figure 112004035287801-pct00010
와 같은 조건이다.
이들 8개의 선형 수학식과 하나의 비선형 수학식에 대한 해는 특정 패턴의 마킹(4개의 마크 모드가 직선상에 있는 것과 같은 몇몇 특정한 경우를 제외)에 있어서 찾을 수 있다. 그 결과는 단일 이미지 프로세싱 기술과 조합되어 사용되어, 표면의 3차원 위치 및 배향을 비디오 이미지로부터 자동 계산하는 컴퓨터 프로그램을 생성한다.
요약하면, 타겟(190)의 위치 및 배향의 계산은, 관련 표면에 부착될 수 있는 4개의 용이하게 찾은 마크를 가진 타겟을 선택함으로써 수행된다. 그 다음, 상술한 방법이 사용하고, 마크의 선택된 위치를 이용하여, 9개의 변수로 이루어진 8개의 수학식 시스템이 생성된다. 그 다음, 본 8개의 수학식 시스템을 풀면, 9번째 변수로 표현되는, 위치 벡터의 9개의 구성 성분 중 8개 성분에 대한 수식을 얻게 된다. 예를 들어, Cz로 표현되는, C의 x, y 성분과 A, B를 구한다. 측정을 수행하는 매 시간마다 센서에 의해 다음의 단계;
1) 표면상의 타겟의 이미지를 디지털화하는 단계와,
2) 블롭(blob) 분석과 같은 표준 이미지 프로세싱 기술을 이용하여 이미지내의 기준 마크를 찾는 단계와,
3) 9번째 변수가 1.0이다 라고 가정하고, 상술한 표현식을 이용하여 위치 벡터의 8개의 성분을 얻는 단계와,
4) A의 길이를 계산하고 모든 성분을 이러한 길이로 나누어서, 벡터 A, B, C에 대한 올바른 값을 생성하는 단계와,
5) 이미지 획득 시스템의 렌즈 이외의 몇몇 기준 포인트에 대한 위치가 기록되도록, 배향 벡터 A, B에 대한 결과를 회전각으로 옵션적으로 변환시키고 C에 오프셋을 부가하는 단계를 수행한다. 상술한 방법은 단지 예시적인 방법이며, 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않는 범위에서, 2차원 이미지를 이용하여 표면의 위치를 찾는 다른 접근 방법이 사용될 수 있다는 것을 고려해야 한다.
본 발명은 바람직한 실시예를 기준으로 설명되었지만, 당업자라면, 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 형상 및 세부 사항을 변경할 수 있다는 것을 알 것이다. 본 발명의 실시예가 캘리브레이션 타겟의 광학 이미지를 획득하고 이러한 이미지를 프로세싱하여 위치 및 배향 정보를 적어도 자유도 3으로 확인하는 것에 대하여 설명하였지만, 다른 광학 특징이 제공될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서의 무선 기판형 센서는 문자 및/또는 바코드를 인식하도록 되어 있다.

Claims (43)

  1. 무선 기판형 센서로서,
    기판형 하우징과,
    상기 무선 기판형 센서에 전력을 제공하도록 되어 있는 전원과,
    타겟의 이미지를 획득하도록 되어 있는 이미지 획득 시스템과,
    상기 이미지 획득 시스템으로부터 상기 이미지를 수신하고, 상기 이미지를 프로세싱하고 상기 무선 기판형 센서의 위치에 대한 상기 타겟의 위치에 관련된 데이터를 얻는 디지털 신호 프로세서와,
    상기 디지털 신호 프로세서에 결합되어 상기 데이터를 외부 장치로 무선으로 전달하는 무선 통신 모듈을 포함하는 무선 기판형 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 타겟을 조명하는 조명기를 더 포함하는 것인 무선 기판형 센서.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 데이터는 적어도 자유도 2로 상기 타겟의 위치를 상기 무선 기판형 센서의 위치에 관련시키는 것인 무선 기판형 센서.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 데이터는 적어도 자유도 3으로 상기 타겟의 위치를 상기 무선 기판형 센서의 위치에 관련시키는 것인 무선 기판형 센서.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 데이터는 적어도 자유도 6으로 상기 타겟의 위치를 상기 센서의 위치에 관련시키는 것인 무선 기판형 센서.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 이미지는 상기 이미지내의 패턴을 검출하기 위해 분석되는 것인 무선 기판형 센서.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 무선 기판형 센서는 상기 이미지내의 2개의 사전 결정된 패턴간의 거리를 측정하도록 되어 있는 것인 무선 기판형 센서.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 무선 기판형 센서는 문자를 인식하는 것인 무선 기판형 센서.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 무선 기판형 센서는 바코드를 인식하는 것인 무선 기판형 센서.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 이미지를 디스플레이하는 디스플레이를 더 포함하는 것인 무선 기판형 센서.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 이미지를 기록하는 구성 요소를 더 포함하는 것인 무선 기판형 센서.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 무선 기판형 센서 상에 배치되는 것인 무선 기판형 센서.
  13. 삭제
  14. 반도체 프로세싱 시스템의 캘리브레이션을 수행하는데 사용되는 무선 기판형 센서 어셈블리로서,
    프로세서, 내부 전원, 및 이미지 획득 시스템을 포함하는 무선 기판형 센서와,
    적어도 4개의 타겟 표시를 포함하는 자동 캘리브레이션 타겟을 포함하되,
    상기 자동 캘리브레이션 타겟은 상기 시스템의 적어도 하나의 스테이션에 장착가능하며,
    상기 무선 기판형 센서는 적어도 자유도 2로 적어도 하나의 자동 캘리브레이션 타겟에 대한 위치 정보를 제공하도록 되어 있는 것인 무선 기판형 센서 어셈블리.
  15. 제 14 항에 있어서, 조명 소스를 더 포함하는 것인 무선 기판형 센서 어셈블리.
  16. 제 14 항에 있어서, 무선 통신 장치를 더 포함하는 것인 무선 기판형 센서 어셈블리.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 프로세서는 디지털 신호 프로세서인 것인 무선 기판형 센서 어셈블리.
  18. 제 14 항에 있어서, 상기 무선 기판형 센서는 대략 300㎜의 직경을 가진 것인 무선 기판형 센서 어셈블리.
  19. 제 14 항에 있어서, 상기 무선 기판형 센서는 대략 200㎜의 직경을 가진 것인 무선 기판형 센서 어셈블리.
  20. 제 14 항에 있어서, 상기 무선 기판형 센서는 대략 150㎜의 직경을 가진 것인 무선 기판형 센서 어셈블리.
  21. 제 14 항에 있어서, 상기 무선 기판형 센서는 적어도 자유도 3으로 적어도 하나의 자동 캘리브레이션 타겟에 대한 위치 정보를 제공하도록 되어 있는 것인 무선 기판형 센서 어셈블리.
  22. 제 14 항에 있어서, 상기 무선 기판형 센서는 적어도 자유도 6으로 적어도 하나의 자동 캘리브레이션 타겟에 대한 위치 정보를 제공하도록 되어 있는 것인 무선 기판형 센서 어셈블리.
  23. 제 14 항에 있어서, 상기 무선 기판형 센서는 상기 위치 정보를 디스플레이에 제공하는 무선 기판형 센서 어셈블리.
  24. 제 14 항에 있어서, 상기 무선 기판형 센서는 시스템 제어기에 상기 위치 정보를 제공하는 것인 무선 기판형 센서 어셈블리.
  25. 제 14 항에 있어서, 상기 무선 기판형 센서는 로봇 제어기에 상기 위치 정보를 제공하는 것인 무선 기판형 센서 어셈블리.
  26. 삭제
  27. 제 14 항에 있어서, 상기 무선 기판형 센서에 결합되어 상기 무선 기판형 센서가 사용되지 않을 때 상기 무선 기판형 센서를 기계적으로 저장하도록 되어 있는 홀스터를 더 포함하는 것인 무선 기판형 센서 어셈블리.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 홀스터는, 상기 홀스터와 상기 무선 기판형 센서의 내부 전원이 서로 결합되어 있을 때, 상기 무선 기판형 센서의 내부 전원을 충전시키는 것인 무선 기판형 센서 어셈블리.
  29. 제 27 항에 있어서, 상기 홀스터는 상기 무선 기판형 센서와 통신하는 것인 무선 기판형 센서 어셈블리.
  30. 제 14 항에 있어서, 상기 무선 기판형 센서는 호스트로의 추후 전송을 위한 값을 기록하고, 상기 무선 기판형 센서는 이미지 획득 시스템을 이용하여, 더 이상 이동하고 있지 않다는 것을 인식하고, 그 다음, 오프셋의 시간 및 값을 기록하는 것인 무선 기판형 센서 어셈블리.
  31. 제 14 항에 있어서, 상기 무선 기판형 센서는 문자를 인식하는 것인 무선 기판형 센서 어셈블리.
  32. 제 14 항에 있어서, 상기 무선 기판형 센서는 바코드를 인식하는 것인 무선 기판형 센서 어셈블리.
  33. 무선 기판형 센서로서,
    기판형 하우징과,
    상기 무선 기판형 센서에 전력을 제공하도록 되어 있는 전원과,
    타겟의 이미지를 획득하도록 되어 있는 이미지 획득 시스템과,
    상기 이미지 획득 시스템에 결합되어 상기 이미지를 외부 장치로 무선으로 전달하는 무선 통신 모듈을 포함하는 무선 기판형 센서.
  34. 제 33 항에 있어서, 상기 외부 장치는, 반도체 프로세싱 시스템을 조정하기 위해 기술자에 의해 사용되는 디스플레이인 것인 무선 기판형 센서.
  35. 제 34 항에 있어서, 상기 디스플레이는 상기 이미지를 표시하고, 상기 이미지 상에 정렬 가이드를 함께 표시하는 것인 무선 기판형 센서.
  36. 제 33 항에 있어서, 상기 무선 기판형 센서는 사전 결정된 패턴의 상기 이미지에서의 존재를 검출하도록 되어 있는 것인 무선 기판형 센서.
  37. 제 33 항에 있어서, 상기 무선 기판형 센서는 상기 이미지내의 2개의 사전 결정된 패턴간의 거리를 측정하도록 되어 있는 것인 무선 기판형 센서.
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  39. 삭제
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  41. 삭제
  42. 삭제
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