一种基于视觉的方形硅片预对准方法及装置与流程

本发明涉及半导体制造设备，尤其涉及一种基于视觉的方形硅片预对准方法及装置。

背景技术：

1、硅片预对准是半导体制造设备中的重要工序，通常用于在硅片进入后续工艺腔室、检测工位或搬运路径之前，对硅片的位置和姿态进行校准。预对准结果的准确性会影响后续加工、检测、键合、搬运等工序的稳定性和一致性，若硅片中心位置或角度姿态存在较大偏差，可能造成工艺区域偏移、产品一致性下降，甚至引起搬运干涉或设备异常。

2、随着半导体制造及先进封装工艺的发展，除常见圆形硅片外，方形硅片、矩形硅片以及带有定位切角的方形或矩形硅片衬底也逐渐应用于相关工艺场景。该类硅片的外形特征、定位基准和姿态判断方式与圆形硅片存在差异，其预对准过程不仅需要确定硅片的中心位置和旋转角度，还可能需要识别硅片的面向状态，以保证后续工艺按照预定方向执行。

3、现有硅片预对准设备在处理不同外形硅片时，通常更关注硅片整体轮廓或单一定位特征，对方形硅片多个角部特征之间的空间关系、定位切角对角部基准的影响以及正反面状态判断等因素考虑不足。当硅片存在放置偏差、角部切角或面向差异时，容易导致预对准结果不稳定，进而影响后续工序的可靠执行。

4、此外，在自动化设备中，视觉检测结果与执行机构之间需要保持一致的坐标关系，并需要根据检测结果对硅片位置进行校正。如果坐标转换、位姿解算和校正控制之间缺乏有效衔接，可能导致校正量计算不准确，或者在一次校正后仍无法确认硅片是否达到预设对准状态。因此，如何针对方形硅片实现稳定的视觉识别、位置姿态确定、面向判断以及闭环校正，成为亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于视觉的方形硅片预对准方法及装置，用于提高方形硅片中心定位、角度校准、面向判断和闭环校正的稳定性。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种基于视觉的方形硅片预对准方法，包括：

3、s1、对视觉采集模块进行标定，建立所述视觉采集模块的图像坐标系与以对齐执行机构的旋转台中心为原点的预设旋转台坐标系之间的坐标映射关系；

4、s2、将方形硅片放置于所述对齐执行机构的承载位置，使所述方形硅片的至少一个角部位于所述视觉采集模块的成像视野内；

5、s3、通过所述视觉采集模块采集所述方形硅片的多个角部图像，并对所述多个角部图像进行图像分割和角部特征提取，得到对应角部的图像特征坐标；

6、s4、根据所述图像特征坐标判断对应角部为普通角部或定位切角角部；当判断为普通角部时，提取该普通角部的实际角点；当判断为定位切角角部时，提取定位切角两侧的切角端点，并根据所述切角端点所在的相邻边缘恢复该定位切角角部被切除前的理论角点；

7、s5、根据所述坐标映射关系，将所述实际角点和/或所述理论角点由图像坐标转换至所述预设旋转台坐标系，得到所述方形硅片的多个物理角点坐标；

8、s6、基于所述多个物理角点坐标解算所述方形硅片的中心位置和旋转角度，并根据所述中心位置与预设目标中心位置之间的差值获得中心偏移量，根据所述旋转角度与预设目标角度之间的差值获得角度偏移量；

9、s7、确定所述方形硅片的正反面状态；其中，当检测到定位切角角部时，根据所述定位切角在相邻两条边上的切除长度关系确定所述方形硅片为正面状态或背面状态；当未检测到定位切角角部时，输出未识别状态或按照预设规则确定默认面向状态；

10、s8、根据所述中心偏移量生成平移校正量，根据所述角度偏移量生成旋转校正量，并根据所述正反面状态生成面向判断结果；当所述中心偏移量和/或所述角度偏移量超出对应的预设允许范围时，向所述对齐执行机构输出包括所述平移校正量和/或所述旋转校正量的校正指令，并在所述对齐执行机构执行校正后重新执行角部图像采集、角部特征提取、坐标转换和位姿解算，直至所述中心偏移量和所述角度偏移量均满足对应的预设允许范围。

11、进一步地，所述方形硅片包括正方形硅片、矩形硅片，以及至少一个角部被切除形成定位切角的方形或矩形硅片衬底。

12、进一步地，步骤s1包括：

13、将标定板放置于与所述方形硅片的承载面一致的检测平面上，采集标定板图像，获取所述标定板中多个标定角点的图像坐标及其对应的物理坐标，并根据所述图像坐标和所述物理坐标求取所述视觉采集模块的映射矩阵；

14、当所述视觉采集模块包括多个相机时，分别求取各相机的映射矩阵；

15、所述映射矩阵或各相机的映射矩阵共同构成所述坐标映射关系，用于将角部图像中的像素坐标转换为所述预设旋转台坐标系下的物理坐标。

16、进一步地，步骤s3中，所述视觉采集模块包括一个相机、两个相机或四个相机，所述多个角部图像通过如下任一种方式采集：

17、采用一个相机配合所述旋转台依次旋转至多个预设角度位置，以依次采集所述方形硅片的多个角部图像；

18、或者，采用两个相机配合所述旋转台的一次或多次预设角度旋转，以完成所述方形硅片四个角部图像的采集；

19、或者，采用四个相机分别对应所述承载位置的四个角部成像区域，在所述方形硅片相对于所述四个相机静止的状态下一次性采集四个角部图像。

20、进一步地，当采用一个相机采集多个角部图像时，所述旋转台相对于初始采集位置依次处于0°、90°、180°和270°的预设角度位置；

21、各预设角度位置采集得到的角部图像经同一相机的坐标映射关系转换后，再根据对应的预设角度位置进行旋转补偿，使各角部对应的物理角点坐标统一至所述预设旋转台坐标系。

22、进一步地，步骤s4包括：

23、当从角部图像中提取到一个满足预设角点响应阈值且位于预设角部感兴趣区域内的有效角点时，判定对应角部为普通角部；

24、当从角部图像中提取到两个满足预设角点响应阈值且位于预设角部感兴趣区域内的有效角点，并且所述两个有效角点分别位于相邻的硅片边缘上时，判定对应角部为定位切角角部；

25、当未从角部图像中提取到候选角点、提取到的候选角点数量大于2个，或者候选角点的角点响应值不满足所述预设角点响应阈值时，采用边缘直线拟合或霍夫直线检测重新确定角部特征。

26、进一步地，步骤s4中，恢复该定位切角角部被切除前的理论角点包括：

27、提取位于所述定位切角两侧且属于所述方形硅片相邻边缘的边缘点，分别对两组边缘点进行直线拟合，得到第一边缘直线和第二边缘直线，并将所述第一边缘直线与所述第二边缘直线的交点作为该定位切角角部被切除前的理论角点。

28、进一步地，步骤s7包括：

29、当检测到定位切角角部时，计算所述理论角点至两个切角端点的距离，分别作为所述定位切角在两条相邻边上的切除长度；

30、比较两个切除长度的大小关系，确定所述定位切角的长边侧和短边侧；

31、根据所述长边侧和所述短边侧在由所述多个物理角点坐标确定的硅片自身坐标系中的方向分布，与预设正面模板或预设背面模板进行匹配，以确定所述方形硅片的正面状态或背面状态。

32、一种基于视觉的方形硅片预对准装置，包括：

33、对齐执行机构，包括旋转台，用于承载方形硅片，并根据校正指令对所述方形硅片进行旋转和/或平移校正；

34、光源模块，对应所述对齐执行机构设置，用于使所述方形硅片区域与背景区域形成灰度差异；

35、视觉采集模块，连接图像处理模块，用于采集所述方形硅片的角部图像，并将所述角部图像发送至所述图像处理模块；

36、标定模块，连接坐标转换模块和所述视觉采集模块，用于建立所述视觉采集模块的图像坐标系与以所述旋转台中心为原点的预设旋转台坐标系之间的坐标映射关系，并将所述坐标映射关系发送至所述坐标转换模块；

37、所述图像处理模块，分别连接理论角点恢复模块和所述坐标转换模块，用于根据所述角部图像提取图像特征坐标并判断对应角部类型；当对应角部为普通角部时，将实际角点发送至所述坐标转换模块；当对应角部为定位切角角部时，将切角端点及其所在的相邻边缘发送至所述理论角点恢复模块；

38、所述理论角点恢复模块，连接所述坐标转换模块，用于根据所述切角端点及其所在的相邻边缘恢复定位切角角部被切除前的理论角点，并将所述理论角点发送至所述坐标转换模块；

39、所述坐标转换模块，分别连接位姿解算模块和正反面识别模块，用于根据所述坐标映射关系将所述实际角点、所述理论角点和所述切角端点转换为物理坐标，得到物理角点坐标、理论角点物理坐标和切角端点物理坐标；

40、所述位姿解算模块，连接闭环控制模块，用于根据所述物理角点坐标计算中心偏移量和角度偏移量；

41、所述正反面识别模块，连接所述闭环控制模块，用于在存在定位切角角部时，根据所述理论角点物理坐标和所述切角端点物理坐标确定正面状态或背面状态，并在未检测到定位切角角部时输出未识别状态或默认面向状态；

42、所述闭环控制模块，分别连接所述对齐执行机构和所述视觉采集模块，用于根据所述中心偏移量和所述角度偏移量生成所述校正指令，根据正反面状态生成面向判断结果，并在校正后触发所述视觉采集模块重新采集角部图像。

43、进一步地，当所述视觉采集模块包括一个相机时，所述一个相机被配置为配合所述旋转台的多次预设角度旋转采集多个角部图像；

44、当所述视觉采集模块包括两个相机时，所述两个相机被配置为配合所述旋转台的一次或多次预设角度旋转采集多个角部图像；

45、当所述视觉采集模块包括四个相机时，所述四个相机被配置为分别对应所述承载位置的四个角部成像区域，并在所述方形硅片相对于所述四个相机静止的状态下采集四个角部图像；所述视觉采集模块包括远心镜头，所述光源模块为背光光源。

46、与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

47、1、本发明通过采集方形硅片的多个角部图像，并基于角部特征进行坐标转换和位姿解算，能够适配正方形硅片、矩形硅片以及带定位切角的方形或矩形硅片衬底，提高了预对准方法对方形硅片的适用性。

48、2、本发明在检测到定位切角角部时，根据切角端点及其相邻边缘恢复被切除前的理论角点，避免直接使用切角轮廓导致中心位置和旋转角度计算偏差，提高了方形硅片位姿解算的准确性。

49、3、本发明根据定位切角在相邻两条边上的切除长度关系判断方形硅片的正反面状态，可在预对准过程中同步完成面向识别，降低因硅片面向错误导致后续工艺异常的风险。

50、4、本发明将视觉检测结果统一转换至预设旋转台坐标系，并根据中心偏移量和角度偏移量生成校正指令，使视觉识别结果与对齐执行机构之间形成明确的数据对应关系。

51、5、本发明在校正后重新执行图像采集、角部特征提取、坐标转换和位姿解算，直至中心偏移量和角度偏移量满足预设允许范围，实现闭环预对准控制，提高了预对准稳定性和自动化程度。