CN112490175B - 面向晶圆显微检测的分级变吸力伯努利吸盘装置及其应用方法 - Google Patents

Abstract

面向晶圆显微检测的分级变吸力伯努利吸盘装置及其应用方法，属于图像识别和晶圆检测技术领域。本发明首先使用工业相机采集晶圆图像然后把晶圆图像二值化，接着用相邻阻断法加上八邻域边界跟踪对晶圆进行边界跟踪，其次得到晶圆边界坐标。最后通过格林公式和欧式距离公式计算目标区域晶圆周长与面积，进行比值得到半径R。从工业相机中获得晶圆的半径，用装置改变分级吸盘的大小，改变吸力调节器的位置，从而改变气体的流量大小，进而改变吸盘的吸力大小；改变吸盘的方向，使工业相机可以对准晶圆的平缺口；最后手持吸盘吸取晶圆。

Description

面向晶圆显微检测的分级变吸力伯努利吸盘装置及其应用 方法

技术领域

本发明涉及用图像识别和机械装置的方法来吸取晶圆，具体是面向晶圆显微检测的分级变吸力伯努利吸盘装置及其应用方法，属于图像识别和晶圆检测技术领域。

背景技术

制造芯片的第一步就要得到高纯度的硅，进而得到高质量的晶圆。目前生产晶圆以后，对晶圆的检测主要依靠手工进行搬运，由于晶圆脆弱易损坏，手工进行搬运会对晶圆造成二次伤害。再加上晶圆厂生产的晶圆的尺寸具有多样性，用单一的拿取工具是不能拿取多尺寸晶圆。

胡晋山、康建荣等人在《测绘通报》2018年12期第21-25页公开了《一种八邻域图像边界追踪改进算法》，该文章利用了八邻域图像边界追踪改进算法，进行提取环形封闭边界，着重解决了图像追踪过程中边界重叠部位的内外边界标定与“孤岛”处理问题。冯彦铭、谢家龙等人在《机械工程与自动化》2013年06期第170-173页公开了《基于八邻域跟踪算法的封闭区域几何尺寸测量》，其中利用八邻域跟踪算法，进行了跟踪目标区域边缘得到目标边缘坐标点，通过公式计算出了目标区域的周长和面积，该方法不仅实现容易、而且计算结果准确、测量精度较高，为图像的进一步分析提供了依据。2019年，华俊义发明了一种用于吸取敏感元件的伯努利吸盘(专利授权公告号：CN 210210445 U，专利权人：昆山迈瑞凯精密工业有限公司)，采用压缩空气经过出气孔接触弧形导向面形成压力差(伯努利原理)，不仅实现了非接触式吸取，和不会产生吸盘印痕，而且还不需要真空发生器。2018年，孙进、张道周等人发明了一种用于陶瓷文物修复的手持式可微调伯努利吸附装置(专利授权公告号：209414979U，专利权人：扬州大学)，可实现了X、Y、Z方向定位精确调整，并对吸取的陶瓷碎片实现空间精准定位。

就目前的研究现状来看，现在主流利用八邻域寻找目标边界坐标并且计算周长与面积，但是基于八领域改进算法寻找目标边界坐标并且计算周长与面积还是凤毛菱角的。本发明利用八领域加上相邻阻断法，可以精准的得到晶圆的坐标，并且可以精准的计算出周长与面积；再通过机械装置，实现非接触式吸取多尺寸晶圆。

发明内容

为了克服现有技术和方法的不足，本发明设计出来面向晶圆显微检测的分级变吸力伯努利吸盘装置及其应用方法，该装置能够高效非接触吸取多尺寸晶圆。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的:

本发明的第一个目的是提供面向晶圆显微检测的分级变吸力伯努利吸盘装置，包括进气管、手柄、分级吸盘、多级顶升气缸、工业相机、吸力调节器；所述工业相机安装于分级吸盘的外壁，以获取晶圆照片；所述分级吸盘由不同直径的吸盘套叠而成，多级顶升气缸与分级吸盘一一对应，以根据晶圆大小使相应直径的吸盘顶升或收回；所述吸力调节器的一端设置有四个出气孔，并置于分级吸盘中心位置；所述进气管从手柄一端伸入，所述吸力调节器的另一端从手柄另一端伸入，并与进气管连通，以便相应直径的吸盘吸取晶圆。

进一步的，该装置设有吸盘旋转机构，该机构包括吸盘旋转电机、蜗轮A、蜗杆A，所述分级吸盘的底座与蜗轮A固定连接，所述旋转电机通过蜗轮A、蜗杆A控制分级吸盘发生旋转，以便工业相机与晶圆的平缺口位置对应。

进一步的，所述吸力调节器配备有吸力调节电机、蜗轮B、蜗杆B，所述吸力调节器由圆盘、通气管构成T型结构，该圆盘的外圆周上均匀设置出气孔；所述蜗轮B置于蜗轮A下方，所述通气管穿过蜗轮A与蜗轮B固定连接，且所述通气管外壁与手柄内腔螺纹连接；所述吸力调节电机通过蜗轮B、蜗杆B控制吸力调节器沿手柄轴向位移，以改变出气孔与晶圆之间的距离，从而改变晶圆表面的气体流速，最终改变对晶圆的吸力。

进一步的，所述旋转电机的吸盘旋转开关、进气管的进气开关设置于手柄。

本发明的第二个目的是提供面向晶圆显微检测的分级变吸力伯努利吸盘装置的应用方法，其数据处理对象为工业相机采集到晶圆图片，所述方法包括以下步骤：

步骤1.将工业相机拍成的照片进行二值化处理。(将背景设置为“0”，将边界设置为“1”)

步骤2.相邻阻断法加上八邻域边界跟踪，对晶圆进行边界跟踪。

步骤3.得到晶圆边界坐标。

步骤4.计算晶圆周长与面积，然后进行比值得到半径R。

步骤5.根据得到的晶圆半径R，通过多级顶升气缸使相应直径的吸盘顶升，即改变分级吸盘的大小，选取合适尺寸的吸盘。

步骤6.通过控制吸力调节器沿手柄轴向位移，改变吸力调节器的位置，从而改变气体流速，进而改变吸盘的吸力大小。

步骤7.改变多级吸盘的方向，使工业相机对准晶圆的平缺口。

步骤8.手持吸盘吸取晶圆。

优选的，所述步骤2中，相邻阻断法加上八邻域边界跟踪，对晶圆进行边界跟踪。自上而下、自左而右的进行扫描图像，检测到的第一个边界点标定为目标边界的起点，并停止对图像边界扫描。标定当前像素点为A，第一步从“1”的方向开始进行扫描，进行八个方向的扫描至少可以得到两个边界点，现记第一个扫描到的边界记为下一次扫描的中心点(B)，另一个即为扫描的结束点(如果有三个及其以上的点，任远其一)。现进行起始点的坐标点(X1,Y1)与下一个扫描点的中心点的坐标(X2,Y2)进行比较。定义所有扫描为顺时针扫描。

1.如果X1＜X2且Y1＝Y2，沿着“1”的方向进行扫描；

2.如果X1＜X2且Y1＜Y2，沿着“2”的方向进行扫描；

3.如果X1＝X2且Y1＜Y2，沿着“3”的方向进行扫描；

4.如果X1＞X2且Y1＜Y2，沿着“4”的方向进行扫描；

5.如果X1＞X2且Y1＝Y2，沿着“5”的方向进行扫描；

6.如果X1＞X2且Y1＞Y2，沿着“6”的方向进行扫描；

7.如果X1＝X2且Y1＞Y2，沿着“7”的方向进行扫描；

8.如果X1＜X2且Y1＞Y2，沿着“8”的方向进行扫描。

如果出现上面的情况而扫描不到边界点，即立即按照顺时针方向进行扫描，扫描时不扫描两次中心连线相邻45°方向的。从两次中心连线顺时针旋转90°方向进行扫描。这样扫描只用扫描5个方向的，可以提高扫描效率。搜索到某一像素点为目标边界点，则记录该点为当前边界点，并依据当前像素点为中心点继续追踪下一个边界点。当追踪到边界点为“1”时，停止追踪。

优选的，所述步骤4，计算晶圆周长与面积，然后进行比值得到半径R。由步骤3得到边界的坐标点，用格林公式和欧氏距离公式计算目标区域的面积S和周长L。二维平面上两点D₁(x_a,y_a)、D₂(x_b，y_b)欧氏距离式为：

格林公式：

把公式(2)离散化得：

其中n(n≥1)代表二维平面上点的集合，i代表1到n中的任意一点。

根据公式(1)、(2)和(3)可以计算出周长与面积，然后进行比值得到晶圆半径，然后对比不同尺寸的晶圆半径取相差最近的数值作为可变吸盘的半径。

优选的，所述步骤5中通过机械装置改变晶圆吸盘的大小，是由工业相机识别晶圆尺寸之后，由多级顶升气缸把对应的分级吸盘传送到对应的位置。

优选的，所述步骤6通过改变吸力调节器的位置，从而改变气体的流量大小，进而改变吸盘的吸力大小。是由吸力调节电机驱动蜗杆B、蜗轮B，从而带动吸力调节器顺时针或者逆时针旋转，使吸力调节器到达校对的位置(相同的尺寸晶圆在不同的晶圆工厂其质量可能不一样重，使用时需要校核使用晶圆和吸力的大小，使该装置具有自适应性)，从而调节进入吸盘气体的流量，进而控制吸盘吸力大小。

优选的，所述步骤7改变吸盘的方向，使工业相机可以对准晶圆的平缺口。滑动吸盘旋转开关，使电机带动蜗杆A旋转从而带动蜗轮A转动，进而带动分级吸盘整体的旋转，使工业相机正对晶圆的平缺口。

与现有技术相比，本发明有益效果是：面向晶圆显微检测的分级变吸力伯努利吸盘装置，具有连续运转的功能，该装置不需要人为进行判断晶圆尺寸，直接由工业相机识别晶圆尺寸传输给所需装置，改变晶圆吸盘大小，即实现非接触吸取多尺寸的晶圆。加上八邻域边界跟踪和相邻阻断法，可以准确识别晶圆尺寸大小。

附图说明

图1为本发明中工业相机识别晶圆尺寸的整体流程图；

图2为本发明中定义八邻域方向图；

图3为本发明中相邻阻断法搜索示意图；

图4为本发明中分级变吸力伯努利吸盘装置工作的整体流程图；

图5为本发明面向晶圆显微检测的分级变吸力伯努利吸盘装置示意图；

图6为本发明吸盘旋转电机、吸力调节电机等示意图；

图7-1、7-2为本发明吸力调节器的示意图；

图8为晶圆的示意图；

图中：1.进气管、2.手柄、3.进气开关、4.吸盘旋转开关、5.二级顶升气缸、6.一级顶升气缸、7.工业相机、8.吸力调节器、8-1通气管、8-2出气孔、8-3圆盘、9.三级吸盘、10.二级吸盘、11.一级吸盘、12.吸盘旋转电机、13.吸力调节电机、14.旋转平台、15.蜗轮B、16.蜗轮A、17.晶圆、17-1.晶圆的平缺口。

具体实施方式

下面结合附图5至图7-2对面向晶圆显微检测的分级变吸力伯努利吸盘装置进一步描述。

面向晶圆显微检测的分级变吸力伯努利吸盘装置，包括进气管1、手柄2、分级吸盘、多级顶升气缸、工业相机7、吸力调节器8；所述工业相机安装于分级吸盘的外壁，以获取晶圆照片；所述分级吸盘由不同直径的吸盘套叠而成，多级顶升气缸与分级吸盘一一对应，以根据晶圆大小使相应直径的吸盘顶升或收回；所述吸力调节器的一端设置有出气孔8-2，并置于分级吸盘中心位置；所述进气管从手柄一端伸入，所述吸力调节器的另一端从手柄另一端伸入，并与进气管连通，以便相应直径的吸盘吸取晶圆。

该装置设有吸盘旋转机构，该机构包括吸盘旋转电机12、蜗轮A16、蜗杆A，所述分级吸盘的底座(旋转平台14)与蜗轮A固定连接，所述旋转电机通过蜗轮A、蜗杆A控制分级吸盘发生旋转，以便工业相机与晶圆的平缺口位置对应。

所述吸力调节器配备有吸力调节电机13、蜗轮B15、蜗杆B，所述吸力调节器由圆盘8-3、通气管8-1构成T型结构，该圆盘的外圆周上均匀设置出气孔；所述蜗轮B置于蜗轮A下方，所述通气管穿过蜗轮A与蜗轮B固定连接，且所述通气管外壁与手柄内腔螺纹连接；所述吸力调节电机通过蜗轮B、蜗杆B控制吸力调节器沿手柄轴向位移，以改变出气孔与晶圆之间的距离，从而改变晶圆表面的气体流速，最终改变对晶圆的吸力。

所述旋转电机的吸盘旋转开关4、进气管的进气开关3设置于手柄。

本发明的分级变吸力伯努利吸盘装置在使用前，根据批次晶圆尺寸规格，事先选取好相应尺寸的吸盘，根据所需要的吸力，调节好吸力调节器的位置。

如图5所示的分级吸盘由三级吸盘9、二级吸盘10、三级吸盘11套叠而成，其中三级吸盘固定于旋转平台14，一级吸盘11、二级吸盘10分别由多级顶升气缸中的一级顶升气缸6、二级顶升气缸5控制顶升或收回。如图1-4所示，面向晶圆显微检测的分级变吸力伯努利吸盘装置，实现吸取多尺寸晶圆的步骤如下：

步骤1.将照相机拍成的照片进行二值化处理。(将背景设置为“0”，将边界设置为“1”)

步骤2.相邻阻断法加上八邻域边界跟踪，对晶圆进行边界跟踪。

采用方法见图1到图3，自上而下、自左而右的进行扫描图像，检测到的第一个边界点标定为目标边界的起点，并停止对图像边界扫描。标定当前像素点为A，第一步从“1”的方向开始进行扫描，进行八个方向的扫描至少可以得到两个边界点，现记第一个扫描到的边界记为下一次扫描的中心点(B)，另一个即为扫描的结束点(如果有三个及其以上的点，任远其一)。现进行起始点的坐标点(X1,Y1)与下一个扫描点的中心点的坐标(X2,Y2)进行比较。定义所有扫描为顺时针扫描。

1.如果X1＜X2且Y1＝Y2，沿着“1”的方向进行扫描。

2.如果X1＜X2且Y1＜Y2，沿着“2”的方向进行扫描。

3.如果X1＝X2且Y1＜Y2，沿着“3”的方向进行扫描。

4.如果X1＞X2且Y1＜Y2，沿着“4”的方向进行扫描。

5.如果X1＞X2且Y1＝Y2，沿着“5”的方向进行扫描。

6.如果X1＞X2且Y1＞Y2，沿着“6”的方向进行扫描。

7.如果X1＝X2且Y1＞Y2，沿着“7”的方向进行扫描。

8.如果X1＜X2且Y1＞Y2，沿着“8”的方向进行扫描。

如果出现上面的情况而扫描不到边界点，即立即按照顺时针方向进行扫描，扫描时不扫描两次中心连线相邻45°方向的。从两次中心连线顺时针旋转90°方向进行扫描。这样扫描只用扫描5个方向的，可以提高扫描效率。搜索到某一像素点为目标边界点，则记录该点为当前边界线的边界点，并依据当前像素点为中心点继续追踪下一个边界点。当追踪到边界点为“1”时，停止追踪。

步骤3.得到晶圆边界坐标。

步骤4.计算晶圆周长与面积，然后进行比值得到半径R。

由步骤3得到边界的坐标点，用格林公式和欧氏距离公式计算目标区域的面积S和周长L。二维平面上两点D₁(x_a,y_a)、D₂(x_b，y_b)欧氏距离式为：

格林公式：

把公式(2)离散化得：

其中n(n≥1)代表二维平面上点的集合，i代表1到n中的任意一点。

根据公式(1)、(2)和(3)可以的出周长与面积，然后进行比值的到晶圆半径，然后对比不同尺寸的晶圆半径取相差最近的数值作为分级吸盘的半径。

步骤5.通过机械装置改变晶圆吸盘的大小。

由工业相机识别晶圆尺寸之后，由多级顶升气缸把对应的分级吸盘传送到对应的位置。

步骤6.改变吸力大小。

通过驱动电机，从而带动蜗轮蜗杆转动，进而改变吸力调节器的位置，实现了改变气体的流量大小，进而改变吸盘的吸力大小。

步骤7.改变吸盘的方向，使工业相机可以对准晶圆的平缺口。

滑动吸盘旋转开关，使吸盘旋转电机带动蜗杆旋转从而带动蜗轮转动，进而带动分级吸盘整体的旋转，使工业相机正对晶圆的平缺口。

步骤8.手持吸盘吸取晶圆。

Claims (7)

1.面向晶圆显微检测的分级变吸力伯努利吸盘装置，其特征是，包括进气管(1)、手柄(2)、分级吸盘、多级顶升气缸、工业相机(7)、吸力调节器(8)；所述工业相机安装于分级吸盘的外壁，以获取晶圆照片；所述分级吸盘由不同直径的吸盘套叠而成，多级顶升气缸与分级吸盘一一对应，以根据晶圆大小使相应直径的吸盘顶升或收回；所述吸力调节器的一端设置有出气孔(8-2)，并置于分级吸盘中心位置；所述进气管从手柄一端伸入，所述吸力调节器的另一端从手柄另一端伸入，并与进气管连通，以便相应直径的吸盘吸取晶圆；

该装置设有吸盘旋转机构，该机构包括吸盘旋转电机(12)、蜗轮A(16)、蜗杆A，所述分级吸盘的底座与蜗轮A固定连接，所述旋转电机通过蜗轮A、蜗杆A控制分级吸盘发生旋转，以便工业相机与晶圆的平缺口位置对应；

所述吸力调节器配备有吸力调节电机(13)、蜗轮B(15)、蜗杆B，所述吸力调节器由圆盘(8-3)、通气管(8-1)构成T型结构，该圆盘的外圆周上均匀设置出气孔；所述蜗轮B置于蜗轮A下方，所述通气管穿过蜗轮A与蜗轮B固定连接，且所述通气管外壁与手柄内腔螺纹连接；所述吸力调节电机通过蜗轮B、蜗杆B控制吸力调节器沿手柄轴向位移，以改变出气孔与晶圆之间的距离，从而改变晶圆表面的气体流速，最终改变对晶圆的吸力。

2.根据权利要求1所述的面向晶圆显微检测的分级变吸力伯努利吸盘装置，其特征是，所述旋转电机的吸盘旋转开关(4)、进气管的进气开关(3)设置于手柄。

3.根据权利要求1所述的面向晶圆显微检测的分级变吸力伯努利吸盘装置的应用方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1)：将工业相机拍成的照片进行二值化处理；

步骤2)：相邻阻断法加上八邻域边界跟踪，对晶圆进行边界跟踪；

步骤3)：得到晶圆边界坐标；

步骤4)：计算晶圆周长与面积，然后进行比值得到半径R；

步骤5)：根据得到的晶圆半径R，通过多级顶升气缸使相应直径的吸盘顶升，即选取合适尺寸的吸盘；

步骤6)：通过控制吸力调节器沿手柄轴向位移，改变吸力调节器的位置，从而改变气体流速，进而改变吸盘的吸力大小；

步骤7)：改变多级吸盘的方向，使工业相机对准晶圆的平缺口；

步骤8)：手持吸盘吸取晶圆。

4.根据权利要求3所述的面向晶圆显微检测的分级变吸力伯努利吸盘装置的应用方法，其特征是，步骤1)中，将背景设置为“0”，将边界设置为“1”。

5.根据权利要求4所述的面向晶圆显微检测的分级变吸力伯努利吸盘装置的应用方法，其特征是，所述步骤2)中，相邻阻断法加上八邻域边界跟踪，对晶圆进行边界跟踪，具体做法如下：

自上而下、自左而右的进行扫描图像，检测到的第一个边界点标定为目标边界的起点，并停止对图像边界扫描；标定当前像素点为A，第一步从“1”的方向开始进行扫描，进行八个方向的扫描至少可以得到两个边界点，现记第一个扫描到的边界记为下一次扫描的中心点B，另一个即为扫描的结束点；现进行起始点的坐标点(X1,Y1)与下一个扫描点的中心点的坐标(X2,Y2)进行比较；定义所有扫描为顺时针扫描；

(1)如果X1＜X2且Y1＝Y2，沿着“1”的方向进行扫描；

(2)如果X1＜X2且Y1＜Y2，沿着“2”的方向进行扫描；

(3)如果X1＝X2且Y1＜Y2，沿着“3”的方向进行扫描；

(4)如果X1＞X2且Y1＜Y2，沿着“4”的方向进行扫描；

(5)如果X1＞X2且Y1＝Y2，沿着“5”的方向进行扫描；

(6)如果X1＞X2且Y1＞Y2，沿着“6”的方向进行扫描；

(7)如果X1＝X2且Y1＞Y2，沿着“7”的方向进行扫描；

(8)如果X1＜X2且Y1＞Y2，沿着“8”的方向进行扫描。

6.根据权利要求5所述的面向晶圆显微检测的分级变吸力伯努利吸盘装置的应用方法，其特征是，

如果出扫描不到边界点，即立即按照顺时针方向进行扫描，扫描时不扫描两次中心连线相邻45°方向的；从两次中心连线顺时针旋转90°方向进行扫描；这样扫描只用扫描5个方向的，可以提高扫描效率；搜索到某一像素点为目标边界点，则记录该点为当前边界线的边界点，并依据当前像素点为中心点继续追踪下一个边界点；当追踪到边界点为“1”时，停止追踪。

7.权利要求6所述的面向晶圆显微检测的分级变吸力伯努利吸盘装置的应用方法，其特征是，所述步骤4)中，计算晶圆周长与面积，然后进行比值得到半径R，具体做法如下：

由步骤3)得到边界的坐标点，用格林公式和欧氏距离公式计算目标区域的面积S和周长L；二维平面上两点D1(x_a,y_a)、D2(x_b，y_b)欧氏距离式为：

格林公式：

把公式(2)离散化得：

其中，n≥1，代表二维平面上点的集合，i代表1到n中的任意一点；

根据公式(1)、(2)和(3)可以得出周长与面积，然后进行比值得到晶圆半径，对比不同尺寸的晶圆半径取相差最近的数值作为分级吸盘的半径。

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