專利名稱：基于機器視覺的晶圓預(yù)定位裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機器視覺技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及IC制造領(lǐng)域晶圓預(yù)定位裝置及方法。
背景技術(shù)：
晶圓預(yù)定位裝置是IC制造工藝中的一個核心部件，其功能是在晶圓被傳送到加工臺之前，對晶圓進行位置調(diào)整，保證晶圓的圓心在限定的范圍之內(nèi)。在一些IC制造設(shè)備中，比如光刻機，不僅要求對晶圓精確定位還要對晶圓預(yù)對準，即使晶圓圓心在限定的范圍之內(nèi)的同時使得硅晶圓的缺口(或者切邊)也在一定的角度范圍之內(nèi)。預(yù)定位/對準系統(tǒng)的精度直接影響到整個IC制造系統(tǒng)的效率和成品率，已成為許多IC裝備的關(guān)鍵部件。目前，主要有機械式定位和光學式對準兩類晶圓定位/對準方法。機械式預(yù)定位的優(yōu)點是控制過程簡單、成本低；不足是機械部件和晶圓的邊緣接觸，容易對晶圓造成損傷，定位精度受機械結(jié)構(gòu)精度的影響。光學式對準采用光學測量元件對晶圓的邊緣進行檢測，通過一定的算法來實現(xiàn)晶圓的定心。采用的光學測量器件主要有點陣和線陣兩種。一種方法是采用5個線陣探測器，其中4個用于檢測晶圓的偏心，一個檢測并定位缺口 ；還有采用多個點陣探測器檢測并定位硅晶圓的圓心，一個線陣探測器檢測缺口的位置；或是只采用了一個線陣CCD傳感器對圓心和缺口進行定位。相比機械預(yù)定位，光學對準具有不接觸晶圓，對準精度高，對準時間短等優(yōu)點。但是一般需要對執(zhí)行系統(tǒng)進行主動控制，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高且一般不同規(guī)格的晶圓不能在同一平臺對準。而在另外一些IC制造設(shè)備中，比如涂膠機，往往只需要對晶圓進行預(yù)定位。如果采用機械式定位難免損傷和污染晶圓，采用現(xiàn)有的光學對準結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本昂貴，且難以同時滿足不同規(guī)格晶圓預(yù)定位的要求。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，面向IC制造領(lǐng)域中晶圓預(yù)定位的需求，本發(fā)明提供一種基于機器視覺的晶圓預(yù)定位裝置及方法。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是:基于機器視覺的晶圓預(yù)定位裝置，其特征在于:在安裝框架上裝有二維微動平臺、大幅面近紅外面光源和高分辨率面陣智能相機；所述二維微動平臺用于調(diào)整晶圓位置并使其定位，所述二維微動平臺的載物臺上固定連接有用于晶圓上料裝載吸附與下料松放的真空吸附式晶圓上料臺；所述大幅面近紅外面光源的中心孔套在真空吸附式晶圓上料臺上并保持同心，其高度位于真空吸附式晶圓上料臺的上下底面之間，提供背光源，接收來自高分辨率面陣智能相機的觸發(fā)信號；所述高分辨率面陣智能相機位于真空吸附式晶圓上料臺的正上方，用于實時采集和處理晶圓圖像，得到圓心當前位置坐標，計算晶圓圓心位置誤差，輸出晶圓圓心位置誤差信息至微動平臺控制器；所述微動平臺控制器將晶圓圓心位置誤差信息轉(zhuǎn)換為控制信號至二維微動平臺。所述大幅面近紅外面 光源由勻光板、反射膜和Led驅(qū)動電路板無縫壓合而成；其中，反射膜位于勻光板和Led驅(qū)動電路板中間；Led光源均勻分布在環(huán)形勻光板的外圓圓周和內(nèi)圓圓周上。所述高分辨率面陣智能相機內(nèi)置DSP。所述二維微動平臺用于在X軸和Y軸兩個方向調(diào)整晶圓位置并定位；接收來自微動平臺控制器的控制信號。所述微動平臺控制器:接收來自高分辨率面陣智能相機的晶圓圓心誤差信息；對二維微動平臺的電機進行閉環(huán)控制；輸出脈寬信號至二維微動平臺?；跈C器視覺的晶圓預(yù)定位方法，其特征在于包括以下步驟:步驟I)晶圓上料:將晶圓平放到真空吸附式晶圓上料臺吸附；步驟2)采集晶圓圖像:觸發(fā)高分辨率面陣智能相機采集圖像；步驟3)邊緣提取:在高分辨率面陣智能相機中利用Canny算子提取晶圓邊緣；步驟4)晶圓圓心擬合:在高分辨率面陣智能相機中采用最小二乘法擬合圓心和半徑；步驟5)晶圓位置調(diào)整:根據(jù)步驟4)中的結(jié)果，微動平臺控制器將晶圓圓心當前位置坐標與基準位置坐標的差值轉(zhuǎn)化為反饋信號驅(qū)動二維微動平臺，調(diào)整晶圓位置達到基準位置。本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點:1.非接觸，避免了對晶圓邊緣的損傷；2.不作任何調(diào)整，能同時滿足2類晶圓(8英寸和12英寸)的精確定位，重復(fù)定位精度優(yōu)于0.02mm ；3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。


圖1為本發(fā)明的晶圓預(yù)定位裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為大幅面近紅外面光源示意圖；圖3為大幅面近紅外面光源三層結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為高分辨率面陣智能相機得到的晶圓實際成像圖；圖5為8-鄰域點示意圖；圖6為2-領(lǐng)域點示意圖；圖7為最小二乘擬合圓的方法示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。本發(fā)明提出的基于機器視覺的晶圓預(yù)定位裝置，包括真空吸附式晶圓上料臺、高分辨率面陣智能相機、大幅面紅外面光源和高精度二維微動平臺。預(yù)定位方法為首先利用高分辨率面陣智能相機作為傳感器對上料臺上的晶圓成像，然后通過高精度邊緣檢測算法提取晶圓邊緣，并用最小二乘算法擬合得到其圓心坐標，最后以圓心的當前位置坐標與基準位置坐標的差值作為反饋驅(qū)動二維微動平臺，調(diào)整晶圓位置達到基準位置。真空吸附式晶圓上料 臺固定聯(lián)接在高精度二維微動平臺的載物臺上，與微動平臺一起帶動晶圓作X軸和Y軸兩個方向運動。二維微動平臺、高分辨率面陣智能相機和環(huán)形大幅面近紅外光源固定聯(lián)接在安裝整個定位裝置的安裝框架上:二維微動平臺在底面；高分辨率面陣智能相機在二維微動平臺上的真空吸附式晶圓上料臺正上方；環(huán)形大幅面近紅外光源穿過晶圓上料臺，與晶圓上料臺安裝位置保持同心并比吸附晶圓的平面略低I 2_ ;二維微動平臺、高分辨率面陣智能相機和環(huán)形大幅面近紅外光源三者位置相對固定且安裝平面基本平行。高分辨率面陣智能相機與大幅面近紅外光源之間連有曝光觸發(fā)線，相機采集圖像的同時觸發(fā)光源亮滅。高分辨率面陣智能相機與二維微動平臺控制器之間通過串口通信，將控制參數(shù)傳遞給微動平臺控制器。二維微動平臺與微動平臺控制器之間連有控制線和電源線，微動平臺控制器通過電源線給二維微動平臺供電，通過控制線驅(qū)動二維微動平臺運動?；跈C器視覺的晶圓預(yù)定位裝置，包括以下四個部分(參見圖1所示):(I)真空吸附式晶圓上料臺:主要用于晶圓的上料裝載吸附與下料松放，采用真空方式以保證定位精度及減少載物臺對晶圓的干擾。(2)大幅面近紅外面光源:為了獲取晶圓邊緣的高質(zhì)量圖像，設(shè)計開發(fā)了一種新型大幅面環(huán)形紅外面光源作為晶圓成像的背光源(參見圖2所示)。為了使12英寸和8英寸的晶圓邊緣都能在一定位置偏差范圍內(nèi)清晰成像，面光源尺寸設(shè)計為有效發(fā)光面積外圓直徑360mm,內(nèi)圓直徑140mm的圓環(huán)。面光源由勻光板、反射膜和Led驅(qū)動電路板三層組成(參見圖3所示)，勻光板作磨砂處理，Led光源均勻分布在環(huán)形勻光板的外圓四周和內(nèi)圓四周。勻光板利用均勻分散在導(dǎo)光板中的微小粒子的光散射效應(yīng)將其四周的Led點光源轉(zhuǎn)變?yōu)槊婀狻?3)圖像采集處理單元:由高分辨率面陣智能相機組成，用于實時采集晶圓的圖像，并對圖像進行處理以獲取晶圓圓心的實時位置。圖4為利用高分辨率面陣智能相機采集，以大幅面近紅外面光源(2)作為背光獲得的晶圓邊緣圖像。(4)高精度二維微動平臺:可在X軸和Y軸兩個方向運動，根據(jù)圖像采集處理單元實時獲取的晶圓圓心，計算圓心位置誤差，進而調(diào)整晶圓位置，最終達到定位目的。在實例中采用日本駿河精機的高精度二維微動電控平臺KXG06020作為晶圓的位置調(diào)整機構(gòu)，其重復(fù)定位精度達到±0.0005mm。控制器采用伺服電動機控制器DS102MS?；跈C器視覺的晶圓定位方法，包括以下步驟:(1)晶圓上料:周邊裝置(一般為潔凈機械手)將晶圓平放到真空吸附臺，，打開真空，將晶圓吸附。(2)采集晶圓圖像:高分辨率面陣智能相機一般與上級的IC制造設(shè)備中央控制器通過PLC信號通信，并按其指令工作。智能相機采集圖像的同時發(fā)出觸發(fā)信號，打開大幅面背光源，以獲取晶圓的邊緣圖像。(3)邊緣提取:在獲取的晶圓圖像中，利用改進的Canny算子提取晶圓邊緣。Canny算子是高斯函數(shù)的一階微分，它能在噪聲抑制和邊緣檢測之間取得較好的平衡，主要有四步:①用高斯濾波器平滑圖像；②用一階偏導(dǎo)的有限差分計算梯度的幅值和方向；③應(yīng)用非極大值抑制梯度幅值；④用雙閾值算法檢測和連接邊緣。為降低計算復(fù)雜度，縮短計算時間，采取兩個改進措施:一是縮小處理區(qū)域，選取含有晶圓邊緣的圓環(huán)區(qū)域作為處理區(qū)域；二是將步驟④原來的8鄰域搜索策略(參見圖5)降為2鄰域搜索(參見圖6)策略，在加速邊緣提取速度的同時保證了重復(fù)定位精度。(4)晶圓圓心擬合:由于晶圓并不一定是一個完整的圓形，可能存在缺口或者斷面，采用最小二乘法擬合圓心和半徑。參見圖7所示，離散點(Xi，yi)，i = 1，2，..^0為整數(shù))是通過邊緣檢測提取的晶圓邊緣點，假設(shè)擬合圓的圓心為(a，b)，半徑為R。最小二乘擬合圓方法的基本原理:利用晶圓邊緣所有檢測點到晶圓幾何中心距離和最小，構(gòu)造極值函數(shù)F(a，b，R)，如公式(I)所示；然后對F(a，b，R)分別求a、b、R的偏導(dǎo)，令它們?yōu)镺列出方程組并求解，即可獲得圓心坐標和半徑值，如公式(2)-(12)所示。
權(quán)利要求
1.基于機器視覺的晶圓預(yù)定位裝置，其特征在于:在安裝框架上裝有二維微動平臺(2)、大幅面近紅外面光源(3)和高分辨率面陣智能相機￠);所述二維微動平臺(2)用于調(diào)整晶圓(4)位置并使其定位，所述二維微動平臺(2)的載物臺上固定連接有用于晶圓上料裝載吸附與下料松放的真空吸附式晶圓上料臺(I);所述大幅面近紅外面光源(3)的中心孔套在真空吸附式晶圓上料臺(I)上并保持同心，其高度位于真空吸附式晶圓上料臺(I)的上下底面之間，提供背光源，接收來自高分辨率面陣智能相機￠)的觸發(fā)信號；所述高分辨率面陣智能相機(6)位于真空吸附式晶圓上料臺(I)的正上方，用于實時采集和處理晶圓圖像，得到圓心當前位置坐標，計算晶圓(4)圓心位置誤差，輸出晶圓(4)圓心位置誤差信息至微動平臺控制器(5);所述微動平臺控制器(5)將晶圓(4)圓心位置誤差信息轉(zhuǎn)換為控制信號至二維微動平臺(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基 于機器視覺的晶圓預(yù)定位裝置，其特征在于: 所述大幅面近紅外面光源由勻光板、反射膜和Led驅(qū)動電路板無縫壓合而成；其中，反射膜位于勻光板和Led驅(qū)動電路板中間；Led光源均勻分布在環(huán)形勻光板的外圓圓周和內(nèi)圓圓周上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機器視覺的晶圓預(yù)定位裝置，其特征在于: 所述高分辨率面陣智能相機內(nèi)置DSP。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機器視覺的晶圓預(yù)定位裝置，其特征在于: 所述二維微動平臺用于在X軸和Y軸兩個方向調(diào)整晶圓位置并定位；接收來自微動平臺控制器的控制信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機器視覺的晶圓預(yù)定位裝置，其特征在于: 所述微動平臺控制器:接收來自高分辨率面陣智能相機的晶圓圓心位置誤差信息；對二維微動平臺的電機進行閉環(huán)控制；輸出脈寬信號至二維微動平臺。
6.基于機器視覺的晶圓預(yù)定位方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟I)晶圓上料:將晶圓平放到真空吸附式晶圓上料臺吸附； 步驟2)采集晶圓圖像:觸發(fā)高分辨率面陣智能相機采集圖像； 步驟3)邊緣提取:在高分辨率面陣智能相機中利用Canny算子提取晶圓邊緣； 步驟4)晶圓圓心擬合:在高分辨率面陣智能相機中采用最小二乘法擬合圓心和半徑； 步驟5)晶圓位置調(diào)整:根據(jù)步驟4)中的結(jié)果，微動平臺控制器將晶圓圓心當前位置坐標與基準位置坐標的差值轉(zhuǎn)化為反饋信號驅(qū)動二維微動平臺，調(diào)整晶圓位置達到基準位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于機器視覺的晶圓預(yù)定位裝置及方法，其裝置包括真空吸附式晶圓上料臺、圖像采集處理單元、大幅面紅外面光源和二維微動平臺系統(tǒng)。其方法包括以下步驟晶圓上料；采集晶圓圖像；邊緣提?。痪A圓心擬合；晶圓位置調(diào)整。本發(fā)明避免了對晶圓邊緣的損傷；具有不作任何調(diào)整，能同時滿足晶圓精確定位的優(yōu)點；同時，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，能滿足IC裝備制造中對晶圓預(yù)定位的需求。
文檔編號H01L21/68GK103219269SQ20121001756
公開日2013年7月24日 申請日期2012年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月19日
發(fā)明者吳清瀟, 歐錦軍, 朱楓, 郝穎明, 付雙飛, 苗錫奎 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所