應用機器視覺之新式晶圓定位方法

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姓名

陳煜彬(Yu-Pin Chen) 查詢紙本館藏

畢業系所

光機電工程研究所

論文名稱

應用機器視覺之新式晶圓定位方法
(A Novel Method for Wafer Positioning Using Machine Vision)

相關論文

★ 光學遮斷式晶圓定位系統與半導體製程設備之整合	★ 應用於太陽能聚光器之等光路型與金字塔型二次光學元件的分析與比較
★ 口徑550 mm反射鏡減重與撓性支撐結構最佳化設計	★ 光機整合分析應用於620mm反射鏡變形分析與八吋反射鏡彈性膠緊固設計
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摘要(中)

本論文提出一新式晶圓定位方法，應用機器視覺及影像處理技術，僅需利用一張影像即可計算晶圓在機械手臂之相對位置。將雷射光經由柱狀透鏡展開成一線段光線並投射於散射面上，架設CCD (Charge-Coupled Device)照相機於此散射面之上方。當特殊設計之機械手臂傳送晶圓通過該線段光線上方時，將部分遮斷線段光線。使用CCD 照相機擷取散射面上被遮斷之光線影像，再利用影像處理與所發展之演算法，即可得到晶圓與機械手臂之相對位置。
在取像參數設定方面，實際拍攝擴束光線影像，以影像灰階值不飽和為原則，選用適當的光圈及曝光時間，再由MTF (Modulation Transfer Function)曲線決定最佳之鏡頭工作距離，並針對鏡頭畸變現象進行校正。在定位實驗部分，先以較小的四吋晶圓進行靜態定位實驗，決定系統誤差之校正方法與實驗流程。之後以八吋晶圓進行靜態定位實驗，決定八吋晶圓定位實驗之校正參數，最後再進行八吋晶圓動態定位實驗，修正曝光時間後，成功擷取移動中之晶圓與手臂影像並進行晶圓定位計算，所得之平均定位誤差約0.37mm，誤差之標準差為0.18mm。最後亦說明實驗誤差來源以及改善系統準確度之建議方法。

摘要(英)

This thesis proposes a novel method for detecting wafer position on a robot blade on the basis of machine vision. The wafer positioning system comprises two line-shaped beams spreading toward a scattering surface on the way of wafer transfer. The images taken from a CCD camera mounted above the scattering surface are analyzed, and the position of the wafer center on the robot blade can be determined after image processing.
The lens parameters are predetermined, in order to obtain a better precision of positioning results. The aperture and the exposure time are chosen on the grounds that the gray-level values from images of spread beams are unsaturated. The working distance is determined based on the MTF curves. Besides, the lens distortion is also corrected.
The procedure of the positioning experiment and the calibrating approaches of the system errors are determined in accordance with the positioning experiments of 4" wafers. Then, the calibrating parameters for 8" wafers were calculated through static positioning experiments of 8" wafers. Finally, real-time positioning experiments are successfully performed. The positions of wafer and robot can be estimated from the images captured when the wafer and robot are in motion. The experimental results reveal that the average error is about 0.37mm and the standard deviation of error is about 0.18mm.

關鍵字(中)

★ 晶圓定位
★ CCD
★ 影像處理

關鍵字(英)

★ Image Processing
★ Machine Vision
★ Wafer Positioning

論文目次

中文摘要 i
Abstract ii
致謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 ix
一、緒論 - 1 -
1-1 研究背景 - 1 -
1-2 文獻回顧 - 1 -
1-2-1 光遮斷式晶圓定位 - 2 -
1-2-2 CCD式晶圓定位 - 4 -
1-2-3 光遮斷式與CCD式之優缺點分析 - 8 -
1-3 研究動機與目的 - 10 -
1-4 論文架構 - 10 -
二、晶圓定位方法設計 - 12 -
2-1 晶圓位置感測方法實驗架構 - 12 -
2-2 雷射擴束系統設計 - 14 -
2-2-1 ynu光線追跡法(Ray Tracing) - 14 -
2-2-2 利用ynu法估算擴束光線長度與柱狀透鏡規格之選用 - 17 -
2-2-3 擴束光線模擬 - 21 -
2-3 機械手臂設計與晶圓圓心位置演算法 - 23 -
2-3-1 晶圓圓心相對位置演算法 - 24 -
2-3-2 晶圓半徑演算法 - 28 -
三、機器視覺與影像處理 - 30 -
3-1 CCD照相機 - 30 -
3-1-1 CCD主要結構與原理 - 30 -
3-1-2 CCD與CMOS比較 - 32 -
3-2 CCD與鏡頭各部參數定義 - 34 -
3-3 影像閥值 - 38 -
3-3-1 閥值的運算 - 38 -
3-3-2 設定適合的閥值 - 39 -
3-4 歐蘇法 - 41 -
3-5 雜訊濾波 - 48 -
3-6 邊緣偵測 - 49 -
3-6-1 導數與邊緣 - 49 -
3-6-2 Sobel運算子 - 51 -
3-7 影像畸變校正 - 53 -
3-8 調制轉換函數 - 56 -
四、取像參數設定與鏡頭校正 - 59 -
4-1 CCD與鏡頭規格 - 59 -
4-2 光圈及曝光時間參數選擇 - 59 -
4-2-1 實驗架構與流程 - 60 -
4-2-2 實驗結果 - 62 -
4-3 焦距與工作距離參數選擇 - 65 -
4-3-1 實驗架構與流程 - 65 -
4-3-2 實驗結果 - 68 -
4-3-3 焦距值校正 - 68 -
4-4 畸變校正 - 70 -
4-4-1 實驗架構與流程 - 70 -
4-4-2 實驗結果 - 72 -
4-5 結論 - 75 -
五、晶圓定位實驗 - 76 -
5-1 四吋晶圓定位實驗 - 76 -
5-1-1 實驗架構 - 76 -
5-1-2 靜態實驗結果 - 78 -
5-1-3 手臂斜率與晶圓半徑校正 - 80 -
5-1-4 系統誤差校正實驗 - 83 -
5-1-5 討論 - 86 -
5-2 晶圓定位準確度實驗 - 87 -
5-2-1 實驗設計 - 87 -
5-2-2 實驗結果 - 88 -
5-2-3 討論 - 92 -
5-3 八吋晶圓定位實驗 - 93 -
5-3-1 實驗架構與機械手臂設計 - 93 -
5-3-2 八吋晶圓實驗之取像參數 - 95 -
5-3-3 靜態實驗結果 - 97 -
5-3-4 動態實驗結果 - 99 -
5-4 八吋晶圓定位之動態準確度實驗 - 101 -
5-4-1 實驗設計 - 101 -
5-4-2 實驗結果 - 102 -
5-5 結果與討論 - 105 -
六、結論與未來展望 - 109 -
參考文獻 - 111 -

參考文獻

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指導教授

陳怡呈(Yi-Cheng Chen)

審核日期

2011-8-15

推文