（机械设计及理论专业论文）硅片预对准机器人视觉系统研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 硅片预对准机器人视觉系统是硅片预对准机器人的重要组成部分，负责硅片信息的 采集、检测和处理，并根据得到的结果控制机械本体完成预对准动作。视觉系统的工作 能力是硅片预对准机器人能否实现精确定位和对准的关键。 本课题结合硅片预对准机器人机械本体，建立了一种基于线阵c c d 图像传感器， 应用于3 0 0 m m ( 1 2 英寸) 硅片光学采集、检测和对准的硅片预对准机器人视觉系统。 由于系统采用线阵c c d 作为主要的传感器，并提出了相应的对准原理和采集处理方法。 避免了使用c c d 摄像机处理算法复杂、精度提高困难的缺点，为硅片预对准机器人视 觉系统采集精度、对准精度等性能的提高提供了一种新方案。 论文首先在分析了国际上现有硅片预对准机器人产品的基础上，结合其它工业视觉 系统的应用特点，研究并提出了本课题中硅片预对准机器人视觉系统的工作原理，包括 光信息采集原理和硅片边缘标定原理两部分。 根据这一原理，提出了硅片预对准机器人视觉系统的总体解决方案，包括背景光投 射单元、信息采集单元、运算处理单元和运动执行单元四部分。并完成了视觉系统的硬 件构架搭建和主要应用程序的设计。主要内容是利用“l e d 阵列+ 分光材料”设计背景 投射光源；采用线阵c c d 图像传感器、复杂可编程逻辑器件c p l d 等芯片设计光信号 采集电路；应用a d 数据采集卡完成硅片位置信息的采集以及采集数据的转换和处理； 应用“p c i 运动控制卡+ 步进电机”的运动控制方案，实现硅片的对准和位置修正。 最后，探讨并提出了一种可应用于视觉系统的硅片边缘数据处理算法。该算法为提 高硅片预对准机器人视觉系统采集信号的精度和机器人的预对准精度提供了一个新思 路。 论文关于硅片预对准机器人视觉系统的研究，在完成线阵c c d 视觉系统总体方案 设计的同时，总结分析了硅片预对准机器人视觉系统在设计过程中存在的问题和不足， 为下一步研究工作的进行提出了展望。 关键词：硅片预对准原理；线阵c c d 图像传感器；视觉系统；透光量；边缘特征提取 硅片预对准机器人视觉系统研究 t h er e s e a r c ho f v i s i o ns y s t e mb a s e do nw a f e r p r e a l i g n e rr o b o t a b s t r a c t 。n 圮v i s i o ns y s t e mu s e df o rc o l l e c t i o n , d e t e c t i o na n dp r o c e s s i n go fw a f e ri n f o r m a t i o ni s a l li m p o r t a n tc o m p o m e n to fw a f e rp r e a l i g n m e n tr o b o t , b a s e do nw h i c ht h ee c c t r i cw a f t c a nb el o c a t e db ya l i g n m e n tm o t i o n t h cw o r k i n ga b i l i t yo f v i s i o ns y s t e mi st h ek e yp o 血f o r p r e - a l i g n m e n tr o b o tt oa c h i e v eh i g h - p r e c i s i o np o s i t i o n i n ga n da l i g n m e n t b a s e do nt h eb a s i cm a c h i n eo fr o b o t , t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e dav i s i 0 1 1 s y s t e mr e s p o n s i b l ef o r3 0 0 r a m ( i e 1 2i n c h ) w a f e ri n f o r m a t i o nd e t e c t i o na n dp r o c e s s i n gu s i n g l i n e a rc c da st h em a i ni m a g es 翻s o r b e c a u s eo f t h en e wk i n do f i m a g es e l l s o ra n da l i g n m e n t m e t h o db e i n gu s e di n s t e a do fc c dc a m e r a , t h es y s t e mg e t sr i do ft h ec o m p l i c a t e da l g o r i t h m a n dt h ew 醐k n e s so f h a r dp r o m o t i o n a tt h es a n l e ，an e ww a yh a sb e e ne x p l o r e dt om a k et h e v i s i o ns y s t e mm o l es i m p l ea n dr o b u s tt h a ns y s t e m sb e f o r e i nt h i sp a p e r ，f i r s t l yt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fv i s i o ns y s t e mi sp r o p o s e d 孔r d i i i gt ot h e a n a l y s i so fe x i s t e n tw a f e rp r e - a l i g n m e n tr o b o tp r o d u c t sa n dt h et e c h n o l o g yo fv i s i o ns y s t e m a p p l i e di no t h e r i n d u s t t i a ls y s t e m s ，w h i c hc o n c l u d et w op a r t sn a m e dl i g h ti n f o r m a t i o n c o l l e c t i o np r i n c i p l ea n dw a f e re d g ei d e n t i f i c a t i o np r i n c i p l e t h e n , b a s e do nt h ew o r k i n gp r i n c i p l e ，t h eg e n e r a ls o l u t i o ns c h e m eo fv i s i o ns y s t e mi s p u tf o r w a r d , a n dt h es t r u c t u r ea n da p p l i c a t i o np r o g r a mo fs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d 1 1 蛇 w h o l es c h e m ei sc o n s i s to fb a c k g r o u n dl i g h tp r o j e c t i o np a r t , i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o np a r t , p r o c e s s i o np a r ta n dm o t i o nc o n t r o lp a r lt h eb a c k g r o u n dl i g h tp r o j e c t i o np a r ti sm a d eu po f l e da r r a ya n dl i g h td i v e r g e n tm a t e r i a l s mi n f o r m a t i o nc o l l e c t i o np a r ti sm a d eu po fl i n e a r c c ds e n c o ra n dc o m p l e xp r o g r a m m a b l el o 百cd e v i c e ( i e c p l d ) t od e s i g nt h ec i r c u i to f s i g n a ld r i v e ra n dd e t e c t e d n ea dc a r di su s e df o rc o l l e c t i o no fe d g ea n g l ei n f o r m a t i o na n d c o n v e n t i o no fd a t a1 1 1 em o t i o np a r th a st a k e nt h ep c im o t i o nc o n t r o lc a r da n ds t e pm o t o r sa s t h em a i ne x e c u t i o nt o o l st or e a l i z et h ep r e - a l i g n m e n to f w a f e r a tl a s t , i ti se x p l o r e dan 删i d e ao fv i s i o ni n f o r m a t i o np r o c e s s i n gi nt h ep a p e r , w h i c h c a nb eu s e di nt h ev i s i o ns y s t e mo fw a f e rp r e - a l i g n e rt oo b t a i nt h es p e c i a la 嘲o fw a f e re d g e a n dt h e nc e n c e | n u a t et h e mt os o m cf e a t u r ep o i n t sb yw h i c ht h ew a f e rc a nb el o c a t e d t h er e s e a r c ho fv i s i o ns y s t e mb a s e do nw a f e rp r e - a l i g n e rr o b o ta l s om a k eac o n c l u s i o n a b o u tt h ep r o b l e ma n dd e f i c i e n c yd u m i n gt h ep e r i o do f p 湿d ，a n dg i v et h ep r o s p e c to f f u r t h e r w o r ka sw e l la s 丘n i s h i n gm o s to f t h ee x p e c t e dt a r g e ta b o u tw h o l es y s t e m 一i i 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：w a f e rir e - a l i g n m e n tp r i n c i p l e s , l i n e a rc c di m a g es e n s o r , v i s i o ns y s t e m ； l i g h ti n t e n s i t y ；e d g ef e a t u r e se x c a c f i o n i i i - 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：左垂刍! 日期：迦z 兰：梦 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：曼盥兰 导师签名：尘：立j 上月兰曰 大连理工大学硕士学位论文 引言 在现代工业自动化生产中，涉及到各种各样的检查、测量和零件识别应用，例如汽 车零配件尺寸检查和自动装配的完整性检查，电子装配线的元件自动定位，饮料瓶盖的 印刷质量检查，产品包装上的条码和字符识别等。这类应用的共同特点是连续大批量生 产、对外观质量的要求非常高。通常这种带有高度重复性和智能性的工作只能靠人工检 测来完成，我们经常在一些工厂的现代化流水线后面看到数以百计甚至逾千的检测工人 来执行这道工序，在给工厂增加巨大的人工成本和管理成本的同时，仍然不能保证1 0 0 的检验合格率( 即“零缺陷”) ，而当今企业之间的竞争，已经不允许哪怕是o 1 的缺陷 存在。有些时候，如微小尺寸的精确快速测量，形状匹配，颜色辨识等，用人眼根本无 法连续稳定地进行，其它物理量传感器也难有用武之地。这时，人们开始考虑把计算机 的快速性、可靠性、结果的可重复性，与人类视觉的高度智能化和抽象能力相结合，由 此逐渐形成了一门新学科机器视觉。 机器视觉是指用摄像机和计算机代替人眼对目标进行识别、跟踪和测量等。机器视 觉测量是一种很有发展前途的新型检测技术，它用视觉传感器采集目标图像，传送给专 用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号。图像系统 对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，如面积、长度、数量、位置等。最后，根 据预设的容许度和其他条件输出结果，如尺寸、角度、偏移量、个数、合格不合格、有 无等。因此可以认为，一个机器视觉系统就是一个能自动获取目标物体信息，并进行各 种特征量的处理、分析和测量，并对测量结果做出定性分析和定量解释，从而得到有关 目标物体的某种认识并做出相应决策的系统。 机器视觉的功能包括物体定位、特征检测、缺陷判断、目标识别、计数和运动跟踪。 机器视觉的特点是自动化、客观、非接触和高精度，它可以快速获取大量信息，易于自 动处理，也易于与设计信息以及加工控制信息集成。随着科学技术的日益完善和成熟， 机器视觉系统正在不断地向更高级和更大处理量方向发展，以往的系统往往需要几个小 时才能完成的功能，用现在的系统可以很快地实现各种功能。 人们从2 0 世纪5 0 年代开始研究二维图像的统计模式识别，6 0 年代r o b e r t s 开始进 行三维机器视觉的研究，7 0 年代中，m i t 人工智能实验室正式开设“机器视觉”课程，8 0 年代开始，开始了全球性的研究热潮，机器视觉获得了蓬勃发展，新概念、新理论不断 涌现；现在，机器视觉仍然是一个非常活跃的研究领域，与之相关的学科涉及图像处理、 计算机图形学、模式识别、人工智能、人工神经元网络等。与一般意义上的图像处理系 统相比，机器视觉强调的是精度和速度，以及工业现场环境下的可靠性。它的应用领域 硅片预对准机器人视觉系统研究 十分广泛，如航空、航天技术，生物医学工程，工业工程，军事公安，以及文化艺术领 域等。 工业视觉检测技术正是建立在机器视觉理论基础上的一门新兴的检测技术。它具有 非接触、速度快、精度高、现场抗干扰能力强等许多优点，能很好地满足现代制造业对 检测的要求，在制造设备中正取得越来越广泛的应用。运用机器视觉检测技术，不仅可 实现在线测量，而且检测速度快，检测精度高，是工业设备检测的发展方向。 硅片预对准机器人视觉系统基于工业视觉检测技术，集电子、光学和计算机等多学 科于一体，完成硅片的信息采集和处理，是硅片预对准机器人的关键部分之一。视觉系 统能够快速检测硅片的几何中心和缺口( 或切边) 位置，并将准确的硅片位置信息提供 给计算机，利用计算机控制电机实现对硅片的精确定位。 随着半导体光刻制造技术的发展，为了降低了半导体产品的成本，硅片直径的不断 增大，特征尺寸相应减小。国际上，主要的芯片制造厂商已经大量生产3 0 0 r a m 以至更 大直径的硅片，制造工艺也从1 3 0 纳米提升到9 0 纳米，甚至6 5 纳米。国内的芯片制造 厂商，也都准备着手建造3 0 0 m m 硅片的生产线。随着大尺寸硅片产能的不断扩大，用 于硅片制造的自动化设备需求也日益扩大，且要求越来越高。全球最大的半导体芯片制 造商i n t e l 公司已经在中国大连投资2 5 亿美元建立一个生产3 0 0 r a m 晶圆的工厂，并将 于2 0 1 0 年上半年投产。中芯国际、万向硅峰等国内芯片制造商也都在着手建设3 0 0 m m 硅片生产线。这些都将带动国内市场对硅片制造装备的需求。 我国的半导体装备制造业起步晚，水平相对落后，大多设备依靠国外进口。硅片预 对准机器人作为半导体工业生产线上的重要设备，对其核心部分硅片预对准机器人视 觉系统进行具有自主知识产权的开发研制，在集成电路( i c ) 制程装备的研究中具有重要 的实际意义。 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 硅片预对准机器人概述 1 1 1 硅片预对准机器人原理 硅片预对准机器人是一类面向集成电路制造业，在硅片传输系统中，补偿硅片机器 人对硅片的定位误差，集机械、电子、光学、计算机等多学科于一体的，能够自动检测 并精确定位硅片几何中心以及切边( 或缺口) 位置的高精度对准工业机器人。由于硅片 对准发生在掩模对准以前，故称其为预对准【”。 硅片机器人传输系统如图1 1 所示，在硅片机器人传输系统中，由于加工工艺对硅 片定位精度的要求高于硅片机器人的传输精度，所以在对硅片进行工艺处理之前，必须 让硅片机器人先将硅片放置于预对准装置，补偿硅片机器人对硅片的定位误差，然后再 由硅片机器人将硅片传送到工艺台上【2 】。 图1 1 硅片机器人传输系统 f i g 1 1t h ec l u s t e rw a f e rh a n d l i n gs y s t e m 硅片预对准的方法是对硅片机器人末端执行器上传输的硅片定位误差校正的一种 方法。随着硅片直径的增大，硅片重量不断增加，传输过程中越来越容易造成硅片机器 人末端执行器的振动，使传输的定位误差不断增大1 3 5 1 。这种误差很难满足硅片特征尺 寸不断减小的发展趋势，因此，硅片预对准机器人及其方法的应用将十分广泛。 1 1 2 硅片预对准机器人发展阶段 硅片的预对准机器人主要经历了机械式预对准和光学预对准两个发展阶段嘲。机械 式预对准是用复杂的机构直接接触硅片，使其被动定位，主要应用于传输精度要求较低 硅片预对准机器人视觉系统研究 的微米级设备中，由于对准精度不能满足整机精度的要求，机械式预对准只能称为晶片 预定位，不是严格意义上的预对准。 图1 2 为一种典型的机械式预对准系纠7 】，在这种预对准系统中，环绕在硅片边缘 的3 个定位柱靠连杆和同步齿型带轮传动，使围绕在承片台周围的三个滚轴沿三个滑槽 运动，推挤硅片的边缘，实现硅片位置的对心。 图1 2 一种机械式预对准系统 f i g 1 2 ak i n do f m c o h a n i c a lp r e a l i g n e r 机械式预对准系统的优点是：成本低、控制系统和算法简单。缺点是：( 1 ) 由于是 机械机构直接接触硅片容易对硅片造成损伤；( 2 ) 精度低，只能满足o 3 5i x m 以上的设 备，不能满足整机精度要求，只能说是对硅片的预定位，不是严格意义上的预对准；( 3 ) 工艺过程复杂，时间长；( 4 ) 机构复杂。 在进入到纳米级设备阶段，随着计算机、光学等技术的飞速发展，光学预对准成为 主要的对准方式嗍，对光学预对准系统的研究与开发逐渐占据主流。光学预对准系统是 用光学检测仪器配合简单的机构实现硅片的高精度定位的。光学检测仪器检测并记录硅 片位置，将其反馈给系统控制器，从而确定硅片的几何中心及缺1 3 或切边位置。它集硅 片的切边探测和中心定位于一体，由光学检测仪器检测、记录硅片的中心偏移量以及切 边或缺口的位置，并将其传送给系统的控制器，用简单的机构经过直线和旋转运动实现 硅片的定位唧。 图1 3 和图1 4 为光学预对准系统。 图1 3 为i n n o v a t i v er o b o t i c s 公司的m 一1 3 0 0 硅片预对准系统【姗，它有x 、 z 、0 三个自由度，它有两种可选标准，既可以实现精密级的定位，又可以实现高效定 位。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 图i 3i n n o v a t i v er o b o t i c si r - - 1 3 0 0 硅片预对准系统 f i g 1 3t h e p r e a l i g n = r o f i n n o v a t i v er o b o t i c si r - - 1 3 0 0 i s e l r o b o t i k 公司生产的i p a 3 0 0 v s - ! 型硅片预对准系统【l i 】，如图1 4 所示，它 有y 、z 、0 三个自由度，可以实现2 0 0 m m 或3 0 0 m m 硅片中心的高精度定位，线性定 位精度可达士2 5 岫1 。 图1 4i s e i - r o b o t i ki p a - 3 0 0 v s - i 硅片预对准系统 f 培1 , 4t h ep r e a l i g n e ro fi s e l r o b o t i ki p a - 3 0 0 v s 一1 上述几种预对准机器人产品，结构不尽相同，驱动方式也各有差别。相比传统的机 械预对准结构，光学预对准技术大大提高了机器人的工作效率和对准精度，缩短了对准 时间。可见，在硅片预对准机器人中引入基于光学原理的视觉系统是硅片预对准机器人 以及预对准技术的主要发展方向 硅片预对准机器人视觉系统研究 1 2 工业视觉系统概述 1 2 1t 业视觉系统结构原理 视觉系统以计算机为中心，主要由视觉传感器、高速图像采集系统及专用图像处理 系统等模块构成，一般包括光源、镜头、c c d 照相机、图像处理单元( 或图像采集卡) 、 图像处理软件、监视器、通讯输入输出单元等。视觉系统的输出并非图像视频信号， 而是经过运算处理之后的检测结果( 如尺寸数据) i l2 1 。 视觉传感器是整个系统信息的直接来源，主要由一个或者两个图像传感器组成，有 时还要配以光投射器及其其他辅助设备。它的主要功能是获取足够的视觉系统要处理的 最原始图像。图像传感器可以适用激光扫描器、线阵和面阵c c d 摄像机或者t v 摄像 机，也可以是最新出现的数字摄像机等。尤其是线阵和面阵c c d 摄像机，它们在计算 机视觉的发展和应用中起着至关重要的作用1 1 3 】。光投射器可以作为普通照明光源、半导 体激光器或者红外激光器等，它的主要功能是参与形成被分析的物体图像的特征。其他 辅助设备为传感器提供电源和控制接口等功能。 图像采集系统由专用视频解码器、图像缓冲器和控制接口电路组成的。它的主要功 能是实时地将视觉传感器获取的模拟视频信号转换为数字图像信号，并将图像直接传给 计算机进行显示和处理，或者将数字图像传送给专用图像处理系统进行视觉信号的实时 前端处理。随着专用视频解码器芯片和现场可编程逻辑门阵列( f p ( 漶) 芯片的出现， 现在的大多数高速图像采集系统有少数几个芯片就可以完成【14 1 。图像采集系统与计算机 的接口采用工业标准总线，如i s a 总线、v m e 总线或者p c i 总线等。 专用图像处理系统是计算机的辅助处理器，主要采用专用集成芯片( a s i c ) 、数字 信号处理器( d s p ) 或者f p g a 等设计的全硬件处理器。它可以实时高速完成各种低级 图像处理算法，减轻计算机的处理负荷，提高整个视觉系统的速度。 计算机是整个视觉系统的核心，它除了控制整个系统的各个模块的正常运行外，还 承担这视觉系统的最后结果运算和输出。由图像采集系统输出的数字图像可以直接传送 到计算机，由计算机采用纯软件方式完成所有图像信息的处理和其它运算。 1 2 2 工业视觉系统分类及应用 从视觉系统的运行环境分类，可分为p c - - b a s e d 系统和p l c - - b a s e d 系统i ”】。 基于p c 的系统利用了其开放性、高度的编程灵活性和良好的w i n d o w s 界面，同时系统 总体成本较低。基于p l c 的系统，视觉的作用更像一个智能化的传感器，图像处理单 元独立于系统，通过串行总线和i o 与p l c 交换数据。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 视觉系统在工业在线检测的各个领域都有着广泛应用。如电子装配线的元件自动定 位、汽车零配件批量加工的尺寸检查和自动装配的完整性检查、i c 上的字符识别、基于 机器视觉的仪表板总成智能集成测试系统、金属板表面自动探伤系统等。目前世界一流 的视觉系统生产商及工业解决方案提供商有美国国家仪器( n i ) 、基思士、欧姆龙、西 门子和松下等【1 6 。m 。 1 3 硅片预对准机器人视觉系统概述 1 3 1 视觉系统原理及构成 硅片预对准机器人视觉系统是机器视觉在面向i c 装备制造领域的硅片传输系统及 硅片机器人技术中的典型应用。硅片预对准机器人视觉系统是硅片预对准机器人的一个 子系统，也是整套预对准设各的核心部分，负责实现硅片位置信息的识别、机器人对准 动作的控制等关键技术内容，视觉系统的识别和分析能力决定了最终的硅片定位精度与 对准精度。它基于一般工业用视觉系统，主要由计算机、光源系统、c c d 图像传感器、 数据采集系统、数据转换系统及电机控制系统等组成。 1 3 2 视觉系统关键技术 与一般工业用视觉系统相比，硅片预对准机器人视觉系统的关键技术在于采用何种 手段采集、处理硅片信息i 堋。典型的方法有光电传感器定位法、图像识别定位法和光线 式传感器定位法。 ( 1 ) 光电传感器的定位法1 1 9 】 图1 5 光电传感器定位法 f i g 1 5t h el o c a t i o nm e t h o db a s e do i lo l 毗i c , a l - e l e c l r i gt n m s d u e 盯 传统的硅片定位技术是采用光电传感器的检测来实现的，如图1 5 所示。电机带动 硅片旋转，由3 个光电传感器的发射端发光，由于光线被硅片遮挡，接收端无信号输出。 硅片预对准机器人视觉系统研究 当硅片旋转到定位位置时，3 只传感器的接收端即可同时接收到发射信号，根据此信号 可控制电机停转，此时定位动作完成，从而较为准确地确定出硅片定位边的位置。但此 方法也存在一定缺点：3 只光电传感器的距离应小于硅片定位边的长度，在安装时必 须呈直线排列，而且对于不同的硅片进行定位时，硅片中心与3 只检测用光电传感器的 相对位置应有严格要求，如果此位置稍有偏差，将不能对硅片进行很好地定位：这 种方法不能对有定位槽的硅片进行定位。 ( 2 ) 图像识别定位法l z 0 j 图1 6 图像识别定位法 f 嘻1 6i 蒯o nm e t h o db a s e d0 1 1i m a g er e c o g n i t i o n 采用图像识别的方法对硅片进行定位是一种较为先进的方法，如图1 6 所示。首先 对硅片的外形轮廓进行扫描后存储，作为对比的基准。在定位时，电机带动硅片旋转， 由摄像头对硅片的外形进行实时扫描，并将所得的信息通过计算机不断与存储的基准外 形对比，当两者相符时即可控制电机停转，从而确定出晶片定位边的位置。使用上述方 法可对硅片进行较为准确地定位，而且不必对硅片的位置严格要求，但由于采用的图像 识别系统技术复杂、成本高，使用时对环境也有一定要求，而且会大幅度增加设备成本， 其实用性有待进一步证实。 ( 3 ) 光线式传感器的定位法1 2 1 j 图1 7 光电传感器定位法 f i g 1 7t h el o c a t i o nm e t h o db a s e d 0 1 1l u m i n o u sr a ys 翻槲 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 采用光线式传感器的定位法对硅片进行定位能够取得较好的效果，如图1 7 所示。 由硅片传输机器人将硅片置于真空吸盘上，电机开始带动硅片慢速旋转，在旋转过程中， 硅片边缘始终处于传感器一定幅宽的检测范围内，由于在硅片的定位边位置所测幅宽均 大于硅片其它位置所测幅宽，所以可以根据不同幅宽所对应的输出信号变化来确定定位 边位置，对于有定位槽的硅片也采用与上述相同检测方式。通过对传感器输出信号的采 集和处理来精确控制电机，从而对硅片进行准确定位。 1 4 硅片预对准机器人视觉系统国内外研究现状及趋势 1 4 1 国外几种硅片预对准机器人视觉系统 从上世纪7 0 年代，美国贝尔电话实验室的w s b o y l e 和g e s m i t h 于1 9 7 0 年提出 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 电荷耦合器件开始，c c d 图像传感以及基于图像传感 的视觉系统，便被广泛应用于各国的科学研究与工业生产中i 捌。国外的研究机构和公司， 建立了各种各样的视觉系统方案用于解决实际生产中的问题。如世界一流的视觉系统生 产厂商美国d a t at r a n s l a t i o n 公司，其m a c h 系列( 如d t 3 1 5 5 ) 和m v 系列p ci 工业视 觉卡已经成为业界标准。无独有偶，美国n i 公司将机器视觉和运动控制功能与其被广 泛应用的l a b v i e w 虚拟仪器软件相结合，效果显著。另外德国s i e m e n s 公司的智能化 p r o f i b u s 工业视觉系统s i m a t i c v s7 1 0 提供了一体化的、分布式的高档图像处理方 案，第一次将p c 的灵活性、p l c 的可靠性、分布式网络技术和一体化设计结合在一起， 使得西门子在p c 和p l c 体系之间找到了完美的平衡 2 3 2 5 】。 在这样的背景下，视觉系统被引入到硅片预对准机器人中。图1 8 1 1 0 是几种典型 的应用了视觉系统的硅片预对准机器人。 图1 8 为r o r z e 公司的r a 3 1 0 硅片预对准机器人1 2 6 1 ，视觉系统被放置在系统的一 侧，它有x 、z 、0 三个自由度，可以实现硅片偏心量在3 m m 以内的精确定位 图1 8r o r z er a 3 1 0 硅片预对准系统 f i g 1 8 t h e p r e a l i g n e rs y s t e m o f r o r z e r a 3 1 0 硅片预对准机器人视觉系统研究 k e i l s i n 鲫公司生产的e x - t e r n a l 硅片预对准系统唧，如图1 9 所示，它有一个对准 轴和一个u 状的视觉采集台。硅片由对准轴带动，硅片的边缘信息视觉采集台收集处理。 在保证洁净度、精度和可靠性的基础上，每小时最多可以处理4 5 0 个硅片。 图1 9k e n s i n g t o ne x t e r n a l 硅片预对准系统 f i g 1 9t h ee x t i q b a lp r e a l i g n e ro f k e n s i n g t o n 图1 1 0 为b e r k e l e yp r o c e s sc o n t r o l 公司的b x 型硅片预对准系统l 瑚，它也是单轴 预对准系统。它的视觉系统被一只探出的手臂支撑，悬浮在硅片上方。它的特点是为不 需要外部电源驱动，可以在i s 内快速检测硅片的中心和切边( 缺口) 的位置。 图1 1 0b e r k e l e yp r o c e s sc o n t r o l 公司的b x 型硅片预对准系统 f i g 1 1 0t h eb e r k e l e yp r o c e s sc o n u o lb xp r e a l i g n e r 归纳起来，国外的硅片预对准机器人视觉系统主要有二种设计方案筋喀 ( 1 ) 带有x 、y 移动平台视觉系统 图1 1 1 为带有x 、y 移动平台的预对准机器人视觉系统，它由一个x 、y 平台，一 个o f 台，一个线阵c c d 、三个步进电机和一个蜗轮蜗杆传动机构组成，其工作原理为： 大连理工大学硕士学位论文 o f 台吸附硅片；o f 台旋转，c c d 检测硅片边缘，计算硅片几何中心：c c d 发送信号给控制系统，由控制系统将信号传送到x 、y 电机控制器：x 、y 平台运动， 硅片中心定位；o f 台旋转硅片，c c d 检测硅片切边或缺口位置，记录旋转电机旋转 步数：旋转电机带动o f 台旋转，硅片切边或缺口定位；结束切边检测和与定位， 硅片传输到下一工位。 图1 1 1 带有x 、y 移动平台的预对准机器人视觉系统 f 嘻1 1 1t h ev i s i o ns y s t e mo f p r e - a l i g n e r 椭t h ex 、yt r a v e l l i n gp l a t f o r m 基于这种视觉系统的预对准装置精度虽然高于机械式预对准，但由于其传动机构复 杂，且为x 、y 平台带动整个o f 台运动，所以硅片的对准精度受到了系统机械加工和 传动精度的影响。其优点为：视觉检测算法相对简单，控制系统现对容易实现。 ( 2 ) 带有接片柱的光学视觉系统 带有接片柱的光学视觉系统的工作原理如图1 1 2 所示，它由一个o f 台，3 个接片 柱、一个c c d 区域摄像头，三个步进或伺服组成，其工作原理为：o f 台吸附硅片； 0 f 台旋转，c c d 摄像头检测硅片，摄像头对硅片的外形进行实时扫描，并将所得的 信息通过计算机不断与存储的基准外形对比；o f 台下降，硅片落到接片柱上；c c d 发送信号给控制系统，由控制系统将信号传送到直线驱动电机控制器：接片柱直线 运动，硅片中心定位；o f 台上升，硅片落到o f 台上；o f 台旋转硅片，c c d 检 测硅片切边或缺口位置；旋转电机带动o f 台旋转，硅片切边或缺口定位；结束 切边检测和与定位，硅片传输到下一工位。 这种系统检测精度高，响应时间快，所以预对准时间短，但控制系统和算法都复杂 于机械式预对准系统和带有x 、y 移动平台预对准机器人视觉系统。 硅片预对准机器人视觉系统研究 图1 1 2 带有接片柱的光学视觉系统及其原理图 f i g 1 1 2 t h e o p t i c 血v i s i o ns y s t e ma n ds c h e m a t i cd i a g r a m w i t hs l i c e l o a d i n g p o l e 1 4 2 国内对于硅片预对准机器人视觉系统的研究与应用 由于我国半导体设备制造业起步较晚，半导体设备市场仍由国外半导体设备占主 体，国产设备所占市场份额极j d 3 2 1 。有关硅片预对准系统同类产品的研究很少，再加上 成本和精度的原因，对于硅片预对准机器人视觉系统的设计和开发更是微乎其微，只有 中国电子科技集团公司第4 5 研究所、中科院沈阳自动化所等单位开展过相关边缘识别、 信号去噪和控制算法等方面的理论研究1 3 ”。 目前，国内硅片预对准机器人采用的视觉系统方案，主要是使用如基恩士 ( k e y e n c e ) 、欧姆龙( o m r o n ) 、美国国家仪器( m ) 等国外公司的视觉系统成品， 或由其按照要求提供对应的视觉系统解决方案。如哈尔滨工业大学的晶圆处理预对准系 统【3 5 1 ，该系统视觉检测采集方案是使用k e y e n c e 公司的l s 7 0 0 0 系列光学式测量产品( 图 1 1 3 ) 作为视觉传感器，该仪器光学系统采用平行光束形成影像，使用高密度绿色l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 作为入射光光源。如图1 1 4 所示，采用k e y e n c e 公司的l s 7 0 0 l 线阵c c d 控制器，处理视觉传感器采集回来的数值与计算机通信。 图1 1 3k e y e n e e 公司的l s 7 0 0 1 线阵c c d 传感器 f i g 1 1 3t h el s 7 0 0 1l i n e a rc c ds 髓l s o ro f k e y e n c ec o l t d 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 4l s 7 0 0 1 线阵o 四控制器 f 培1 1 4t h ec o n u - o i l e ro f l i n e a rc c dl s 7 1 1 4 3 硅片预对准机器人视觉系统发展趋势 国外先进的视觉采集检测系统的发展趋势可以归纳为以下几点：( 1 ) 高精度。随着 高精度的传感器，处理能力强的图像处理设备以及可靠的控制系统的应用，视觉系统的 重复精度能够保证硅片的精确定位。但) 低检测时间。目前单轴定位装置已经可以将检 测时间缩短到1 8 s 以内。( 3 ) 检测硅片尺寸的大型化。目前能够达到直径3 0 0 r a m ，今后 将随着硅片尺寸的增大而发展。 1 5 课题的主要工作及研究内容 1 5 1 课题来源 本课题来源于大连市科技计划项目“基于i c 制造装备中的硅片精密传输系统研究与 开发”( 2 0 0 4 a 1 g x 0 8 6 ) 和国家8 6 3 计划项目“掩膜管理系统和硅片处理系统研究”子课 题“掩膜管理和硅片处理的洁净分系统”( 2 0 0 4 a a 4 2 0 0 4 0 ) 。 1 5 2 主要工作和研究内容 本课题在充分调研了国内外硅片预对准机器人、应用于硅片预对准机器人的视觉系 统以及其它工业视觉系统的原理和应用的基础上，建立了一种基于线阵c c d 图像传感 器，实现3 0 0 m m ( 1 2 英寸) 硅片光学采集、检测和对准的预对准机器人视觉系统。 本文作者的主要工作是：结合机器人机械本体的特点，研究并提出了硅片预对准机 器人视觉系统的工作原理：设计了一种硅片预对准机器人视觉系统的总体解决方案；完 成了视觉系统的硬件搭建和主要应用程序的设计；最后，提出了一种可应用于硅片预对 准机器人视觉系统的硅片边缘数据处理算法。 论文的主要研究内容和组织框架如下： 硅片预对准机器人视觉系统研究 第二章是硅片预对准机器人视觉系统的研究基础。本章介绍了硅片预对准机器人的 机械本体结构、硅片预对准原理和机器人技术指标。包括旋转承片单元的机械结构和特 点，水平对心单元的机械结构和特点，硅片预对准的几何原理，以及预对准机器人的预 期技术指标。这些内容是硅片预对准机器人视觉系统研究的机械结构基础和原理基础。 为视觉系统的研究和设计提出了要求。 第三章是硅片预对准机器人视觉系统总体方案设计。包括视觉系统工作原理设计、 总体方案提出、各组成单元设计和精度要求设计。系统的工作原理设计有两点，硅片边 缘光信息的采集原理和硅片的标定原理。基于此原理，提出了系统总体方案的单元构成， 并分别设计了各个单元的组成结构和工作方式。最后，提出了视觉系统的精度要求。 第四章是硅片预对准机器人视觉系统的硬件方案设计。包括背景光投射系统组成、 信息采集电路设计、数据转换和处理的实现和运动执行系统方案的设计。主要采用线阵 c c d 图像传感器、复杂可编程逻辑器件c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 等芯片设计采集电路；应用a d 数据采集卡完成位置信息的采集以及采集数据的转换和 处理；应用“基于p c i 总线的运动控制卡+ 步进电机”的运动控制方案，实现硅片的对 准和位置修正。 第五章是硅片预对准机器人视觉系统的软件设计。包括系统驱动和单元功能设计、 系统控制主程序设计和用户控制界面的开发。主要设计了线阵c c d 的4 路驱动脉冲、 用于运算处理单元的计数器，控制主程序的工作流程和电机控制卡的操作界面。 第六章是硅片边缘数据处理算法。该方法可用于硅片预对准机器人视觉系统采集信 息的运算、处理，包括硅片边缘数据拟合和硅片特征位置提取两部分内容。该方法为提 高视觉系统采集信号的精度和机器人的预对准精度提供了一种可行的方案。 最后是结论与展望。 大连理工大学硕士学位论文 2 硅片预对准机器人视觉系统研究基础 本课题设计的光学视觉采集、检测系统是建立在硅片预对准机器人的机械本体方案 和对准方案基础上的。该硅片预对准机器人的主要任务是完成3 0 0 m m ( 1 2 英寸) 硅片 在掩模光刻前的定位和预对准。 2 1 硅片预对准机器人机械本体 硅片预对准机器人机械本体结构如图2 1 所示，主要由旋转承片单元和水平对心单 元两部分组成，具有径向( y 向) 、垂直方向( z 向) 两个平动自由度和一个垂直方向 ( 0 ，向) 的转动自由度。主要采用了直线导轨、带有滚珠螺杆螺母和花键外筒的滚珠螺 杆花键、直线步进电机和旋转步进电机等执行部件和驱动部件【蚓。 1 ) 旋转承片单元2 ) 水平对心单元3 ) 直线步进电机4 ) 旋转步进电机 图2 1 硅片预对准机器人机械本体结构 f i g 2 1t h em e c h a n i c a ls m l e t u r eo fw a f e rp r e a l i g n e rr o b o t 2 1 1 旋转承片单元 旋转承片单元由日本t h k 公司的滚珠螺杆花键、圆柱型承片台和套筒组成，能够 承载硅片实现旋转和升降两种运动。