CN107481960B - 一种方形晶片偏移量的测量、校准装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种方形晶片偏移量的测量、校准装置及其方法，测量装置包括旋转台、激光传感器、及与激光传感器相连的控制器；激光传感器包括发射端和接收端，旋转台包括可旋转的基座和圆形的晶片载台；基座带动晶片载台旋转时，晶片载台上的待测晶片对激光传感器发射的光线进行切割或者反射，使得激光传感器的输出信号发生变化，控制器记录激光传感器的输出信号发生变化的时间。本发明只需要一个旋转台和至少一组激光传感器，通过记录旋转台的旋转角速度和传感器输出信号发生变化的时间，即可实现对方形晶片偏移量的测量和校准，结构简单，易于实现，同时可节省安装空间和降低调试难度。

Description

一种方形晶片偏移量的测量、校准装置及其方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池制造领域，尤其涉及一种方形晶片偏移量的测量、校准装置及其方法。

背景技术

在太阳能电池制造领域，很多对晶片处理的工艺都需要在特定的腔室里预定的位置进行，所以在晶片的传输过程中，必须保证晶片被精确地放置在腔室的预定位置。如果晶片在传输的过程中发生了偏移，则机械手无法准确地将晶片传输至预定位置。

现有技术中，多采用光电探测器对晶片的位置偏移进行探测，若晶片发生了偏移，则根据偏移量来校准晶片的位置。中国专利CN101832757A公开了一种探测晶片偏移位置的方法，在晶片周围设置若干个探测器，探测预定位置晶片边缘上的探测点和晶片偏移后边缘上的探测点，通过计算晶片中心点的偏移量来确定晶片的偏移位置。中国专利CN105762089A公开了一种晶片位置偏差的测量和调整方法，在托盘上表面与安放槽的边界定义观察区域，采集托盘在观察区域的实时图像，基于晶片和托盘的光反射率差异对实时图像进行灰度处理，获得计算中心偏差所需的位置信息，再利用该位置信息进行计算，获得中心的偏差量。上述两种方法都用于测量圆形晶片的偏移量，不能用于测量方形晶片的偏移量，因此，需要提供一种方形晶片偏移量的测量和校准技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种方形晶片偏移量的测量、校准装置及其方法，解决因方形晶片在传输过程中发生偏移而影响后续工艺操作的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种方形晶片偏移量的测量装置，该测量装置包括旋转台、激光传感器、及与激光传感器相连的控制器；其中，激光传感器包括发射端和接收端，旋转台包括可旋转的基座和圆形的晶片载台；基座带动晶片载台旋转时，晶片载台上的待测晶片对激光传感器发射的光线进行切割或者反射，使得激光传感器的输出信号发生变化，控制器记录激光传感器的输出信号发生变化的时间。

优选地，上述激光传感器为对射型激光传感器，对射型激光传感器的发射端和接收端对称布置在晶片载台的上、下两侧；晶片载台的直径小于待测量晶片的边长，且传感器与晶片载台的圆心的距离满足公式：其中，R_s为对射型激光传感器发射的光线与待测晶片的交点到晶片载台的圆心的距离，L_w为待测晶片的边长。

可选地，激光传感器为反射型激光传感器，反射型传感器位于晶片载台的侧上方。

优选地，该测量装置还包括高精度伺服电机，高精度伺服电机带动基座及晶片载台按设定的角速度旋转。

进一步地，本发明还提供了一种方形晶片偏移量的校准装置，该校准装置包括上述测量装置，还包括机械手，控制器根据得出的待测晶片的偏移量，控制机械手对待测晶片进行位置补偿。

进一步地，本发明还提供了一种方形晶片偏移量的测量方法包括如下步骤：

标定步骤：将参考晶片放在晶片载台上的基准位置，按照恒定的角速度旋转一周，记录第一时间集合；其中第一时间集合包括参考晶片在晶片载台上旋转一周时，激光传感器的输出信号每次发生变化的时间；

测量步骤：待测晶片在晶片载台上，按照与标定步骤中一致的角速度旋转一周，记录第二时间集合；其中第二时间集合包括待测晶片在晶片载台上旋转一周时，激光传感器的输出信号每次发生变化的时间；

计算偏移量步骤：根据角速度、第一时间集合、及第二时间集合，得出待测晶片在X方向和Y方向上的偏移量、及旋转偏移角度。

其中，参考晶片与待测晶片的大小相同。

优选地，基准位置是指参考晶片的中心与晶片载台的圆心重合；参考晶片在基准位置旋转一周，激光传感器的输出信号发生变化的次数为8次。

进一步地，计算偏移量步骤具体包括如下子步骤：

步骤S1、根据第二时间集合判断传感器的输出信号发生变化的次数，若发生变化的次数为8次，则进入步骤S2，若发生变化的次数为6次，则进入步骤S3；

步骤S2、按照以下公式计算待测晶片在X方向和Y方向的偏移量x、y，及旋转偏移角度θ：

x＝x′*cosθ-y′sinθ，

y＝x′*sinθ+y′cosθ，

其中， T_i为激光传感器在标定步骤中信号第i次发生变化的时间，i＝1,2,3，…8；/>为待测晶片切割或反射光线8次时，激光传感器第m次信号发生变化的时间，m＝1,2,3，…8；

步骤S3、按照以下公式计算待测晶在X方向和Y方向的偏移量x₀和y₀，及旋转偏移角度θ_a：

x₀＝x″*cosθ_a-y″sinθ_a，

y₀＝x″*sinθ_a+y″cosθ_a，

若则/>

若则/>

若

若则/>

其中，为待测晶片切割或反射光线6次时，激光传感器第n次信号发生变化的时间，n＝1,2,3，…6；/>为第k次和第j次切割或反射光线的时间间隔，其中k，j＝1,2,3，…6；

进一步地，本发明提供了一种晶片偏移量的校准方法，根据上述晶片偏移量的测量方法得出待测晶片在X方向和Y方向上的偏移量、及旋转偏移角度，按照以下方式对待测晶片进行位置校准：

旋转校准：将待测晶片旋转，旋转的角度为待测晶片偏移的角度；

平移校准：对待测晶片在X方向和Y方向上进行位置补偿，其中在X方向和Y方向上的位置补偿量分别等于待测晶片在X方向和Y方向上的偏移量。

进一步地，晶片偏移量的校准方法还包括当判断出待测晶片的偏移量超出预定范围时，进行报错处理。

本发明提供了一种方形晶片偏移量的测量、校准装置及其方法，通过记录晶片载台的旋转角速度、传感器信号发生转变的时间得到晶片的偏移量，避免了因晶片偏移而导致晶片损坏或者影响对晶片的后续工艺操作。与现有技术相比，本发明只需要一个旋转台和至少一组激光传感器，通过记录旋转台的旋转角速度和传感器输出信号发生变化的时间，即可实现对方形晶片偏移量的测量和校准，结构简单，易于实现，同时可节省安装空间和降低调试难度。

附图说明

图1是本发明实施例的方形晶片偏移量的测量装置的主要结构示意图；

图2是本发明实施例中参考晶片在基准位置旋转一周的等效轨迹示意图；

图3是本发明实施例中待测晶片发生偏移，旋转一周切割光线8次时的等效轨迹示意图；

图4是图3中待测晶片仅发生X和Y方向偏移时，旋转一周切割光线8次的等效轨迹示意图；

图5是图3和图4中待测晶片的中心位置示意图；

图6是本发明实施例中待测晶片发生偏移，旋转一周切割光线6次时的等效轨迹示意图；

图7是图6中待测晶片仅发生X和Y方向偏移时，旋转一周切割光线6次的等效轨迹示意图；

图8是图6和图7中待测晶片的中心位置示意图；

图中，1-旋转台，2-激光传感器，3-发射端，4-接收端，5-晶片。

具体实施方式

以下结合附图，具体说明本发明的实施例：

实施例1

本实施例涉及一种方形晶片偏移量的测量装置，结合图1所示，其主要包括旋转台1和一组激光传感器2，激光传感器2又包括发射端3和接收端4。旋转台1包括可旋转的基座和基座上方的圆形晶片载台，方形待测晶片5(以下也简称“晶片”)经传输后放置在晶片载台上。较简便地，可旋转的基座与圆形晶片载台可以合成为一体的圆柱形旋转台。

优选地，本实施例的测量装置还包括高精度伺服电机，通过高精度伺服电机带动旋转台1按照设定的角速度旋转。当然，本发明其他实施例中，也可以通过其他方式控制旋转台1转动。

优选地，本实施例中，激光传感器2采用对射型激光传感器，其发射端3和接收端4对称布置在晶片载台的上、下两侧。晶片5在晶片载台上旋转的过程中，会从对射型激光传感器2的发射端3和接收端4中间穿过，并对传感器发射的光线进行遮挡，定义其为晶片5对光线的切割。晶片5每对光线切割一次，激光传感器2的输出信号便会发生相应变化。

本实施例的测量装置还包括与激光传感器2相连的控制器，当基座带动晶片载台旋转时，晶片载台上的待测晶片5对激光传感器2发射的光线进行切割，使得激光传感器2的输出信号发生变化，控制器记录激光传感器2的输出信号发生变化的时间。进一步地，控制器还可根据晶片载台的旋转角速度、待测晶片在晶片载台上旋转过程中激光传感器的输出信号发生变化的时间等，得出待测晶片在X方向和Y方向上的偏移量、及旋转偏移角度。具体的测量和偏移量计算方法将结合后面的实施例进行详细阐述。

为了保证旋转台1旋转的时候，晶片载台上的晶片5能正常切割激光传感器2发射的光线，需要使得圆形晶片载台的直径小于晶片5的边长，且激光传感器2的安装位置要满足公式：其中，R_s为对射型激光传感器发射的光线与晶片5交点到晶片载台的中心(即圆心)的距离，L_w为晶片5的边长。

在本发明其他实施例中，激光传感器2也可以采用反射型激光传感器，反射型激光传感器的发射端和接收端集成于一体，位于晶片载台的侧上方。反射型激光传感器发射的光线被晶片5反射以后，激光传感器2的输出信号也会相应发生变化，其信号发生变化的时间及次数与对射型激光传感器是一致的。

此外，本实施例中的测量装置仅采用一组激光传感器2，但在本发明其他实施例中，也可以设置两组、三组或者更多组激光传感器，以更好地测量晶片的偏移范围，或者通过比较多组激光传感器的数据得到更精确的测量结果。

实施例2

本实施例涉及一种方形晶片偏移量的校准装置，其包括如前述实施例中的方形晶片偏移量的测量装置，还包括机械手，控制器在根据晶片载台的旋转角速度、待测晶片在晶片载台上旋转过程中激光传感器的输出信号发生变化的时间等，得出待测晶片在X方向和Y方向上的偏移量、及旋转偏移角度后，还可控制机械手对待测晶片进行位置补偿。从而使得经过位置补偿后的晶片在后续工艺过程中不会因传输过程中的偏移而损坏或者影响工艺效果。具体的位置补偿方法将在后面的实施例中进行详细阐述。

实施例3

本实施例涉及一种方形晶片偏移量的测量方法，基于前述实施例1中的测量装置，通过记录旋转台的旋转角速度，以及晶片旋转过程中遮挡或者反射激光传感器发射的光线时，激光传感器信号每次发生变化的时间，计算得到晶片在X方向和Y方向的偏移量，及旋转偏移角度。

本实施例中，利用前述测量装置测量方形晶片的偏移量的方法包括如下主要步骤：

标定步骤：将参考晶片放在晶片载台上的基准位置，按照恒定的角速度旋转一周，记录第一时间集合；其中第一时间集合包括参考晶片在晶片载台上旋转一周时，激光传感器的输出信号每次发生变化的时间；

测量步骤：待测晶片在所述晶片载台上，按照与标定步骤中一致的角速度旋转一周，记录第二时间集合；其中第二时间集合包括待测晶片在晶片载台上旋转一周时，激光传感器的输出信号每次发生变化的时间；

计算偏移量步骤：根据角速度、第一时间集合、及第二时间集合，得出待测晶片在X方向和Y方向上的偏移量、及旋转偏移角度。

其中，参考晶片与所述待测晶片的大小相同。

更进一步地，本实施例的标定步骤具体包括：首先需要标定基准位置，如图2所示，基准位置上的参考晶片的中心O₁和晶片载台的圆心O是重合的，激光传感器发射的光线被切割的位置在S处，基准位置正是晶片在传输过程中需要保持的预定位置。

例如，在标定步骤中，将一片参考晶片(例如与待测晶片大小相同的仿真晶片)放在基准位置，启动伺服电机，使旋转台以恒定角速度ω旋转一周，参考晶片对传感器光线的切割次数为8次，切割光线的位置如附图2中所示的①-⑧，记录传感器第i次发生信号转变的时间为T_i，其中i＝1,2,3，…8，定义此时记录的时间为第一时间集合。

本实施例中，参考晶片在基准位置旋转一周，传感器光线第1次和第8次切割对应的线段为CD，A点为线段CD中点，线段EF为第2次和第3次切割所对应的线段，且B为线段EF中点，θ₁和θ₂分别为线段CD、EF对应的圆心角。根据几何关系，有：

由于无偏移时，晶片的位置是固定的，因此，只要确定ω和R_s，记录传感器输出信号的变化时间T_i，则处于基准位置时的OA和OB均可计算出来。

本实施例的晶片偏移量的具体测量步骤如下：

步骤1、待测晶片5传到旋转台1稳定后，启动伺服电机，旋转台1以设定的角速度ω开始旋转一周，此时的角速度与标定步骤中的角速度一致；

步骤2、从开始旋转计时，记录传感器2每次输出信号发生转变的时间，定义此时记录的时间为第二时间集合。

本实施例中，晶片偏移量的计算步骤具体描述如下：

步骤S1：根据前述测量步骤2中的第二时间集合判断输出信号发生转变的次数，若发生变化的次数为8次，则进入步骤S2，若发生变化的次数为6次，则进入步骤S3；

步骤S2、按照以下公式计算待测晶片在X方向和Y方向的偏移量x、y，及旋转偏移角度θ：

当晶片发生偏移时，如图3所示，记第1次和第8次切割对应的线段为C′D′，OA′为∠C′OD′的角平分线，则

旋转偏移的角度θ值如果为正值，则认为晶片向左发生旋转偏移，如果为负值，则晶片向右发生偏移。为了与标定步骤中记录的时间T_i作区分，用作为晶片切割光线8次时，激光传感器第m次信号发生变化的时间，其中，m＝1,2,3，…8，值得注意的是，本实施例的测量方法中用到的是对射型传感器，所以记录的是切割光线的次数和时间，若采用反射型传感器，则记录的是反射光线的次数和时间。

当晶片同时发生X、Y方向上的偏移和θ偏移时，第1次和第8切割的时间间隔、第2次和第3次切割的时间间隔分别和晶片只发生X和Y方向偏移时对应的切割时间间隔相同，即假设将晶片旋转回θ角度，则晶片只发生X和Y方向偏移的等效轨迹如图4所示，此时，传感器光线第1次和第8次切割对应的线段为C″D″，A″点为C″D″与OA的交点，同时也是C″D″的中点，线段E″F″为第2次和第3次切割所对应的线段，且B″既是E″F″与OB的交点，也是E″F″的中点，和/>分别为线段C″D″、E″F″对应的圆心角。根据几何关系，有：

此时，得到晶片旋转一周切割光线8次，仅发生X、Y方向偏移的偏移量x′和y′，如图5所示，则有

OM′＝x′，ON′＝y′，OO₁＝OO₁′，∠θ＝∠O₁OO₁′，∠θ′＝∠M′OO₁′

因此，晶片旋转一周，切割光线8次时，实际发生的偏移量为：

步骤S3、计算晶片相比于基准位置的旋转偏移角度θ_a，与切割8次的计算方法类似，OG为∠QOP的角平分线，为了与上述切割8次的时间区分，切割或反射6次的时间用表示，其中，n＝1,2,3，…6；则晶片切割光线6次时的偏移角度：

当晶片切割光线的次数为6次，且只发生X、Y方向的偏移时，定义此时弦长为方形晶片边长所对应的圆心角的角度为θ₀，T₀为晶片旋转θ₀角度所需的时间，则 代表第k次和第j次切割的时间间隔，其中k，j＝1,2,3，…6，即

本实施例中，第三次和第四次切割的时间间隔则此时晶片相比于基准位置向下偏移，偏移的角度为θ_a，假设将晶片旋转回θ_a角度，则晶片只发生X和Y方向偏移的等效轨迹如图7所示，此时，传感器光线第1次和第6次切割对应的线段为P′Q′，A″′点既是P′Q′与OA的交点，也是P′Q′的中点，线段H′I′为第2次和第3次切割所对应的线段，且B″′既为H′I′与OB的交点，也是H′I′的中点，/>和/>分别为线段P′Q′、H′I′对应的圆心角。

根据几何关系，有：

此时，得到晶片旋转一周切割光线6次，仅发生X、Y方向偏移的偏移量x”和y”，如图8所示，则有

OM₁′＝x″，ON₁′＝y″，OO₂＝OO₂′，∠θ_a＝∠O₂OO₂′，∠θ_a′＝∠M₁′OO₂′

因此，晶片旋转一周，切割光线6次时，实际发生的偏移量为：

本实施例中，仅针对晶片的情况列出具体实施方式，通过上述步骤测量同样可以得到：

x₀＝x″*cosθ_a-y″sinθ_a，y₀＝x″*sinθ_a+y″cosθ_a，

若则晶片相比于基准位置向右偏，此时，

若则晶片相比于基准位置向左偏，此时，

若则晶片相比于基准位置向上偏，此时，

根据本实施例以上内容可知，只要记录晶片在基准位置时的标定值，即确定了ω和R_s，T_i；再记录晶片发生偏移时旋转一周传感器信号发生变化的时间，即可得到晶片的实际偏移量。显然，当晶片的旋转角度为0时，则相当于晶片只发生了X、Y方向的偏移，进一步地，如果计算得到X、Y方向的偏移量值也为0，则说明晶片未发生偏移。

需要注意的是，上述实施例中计算晶片偏移量的时间仅选择了时间集合中的部分元素，本领域的技术人员应当理解，计算偏移量可选的时间元素并非限于上述的部分元素，而与晶片切割光线的位置和次数有关，比如，晶片切割光线8次时，上述实施例中选择了T₁、T₈、T₂、T₃、/>在实际操作中亦可选择T₄、T₅、/>T₆、T₇、/>来计算晶片的偏移量。

实施例4

本实施例涉及一种方形晶片偏移量的校准方法。在实际工艺过程中，晶片往往会偏离预定位置，即相较于预定的基准位置，会发生X、Y方向上及旋转角度θ的偏移，这就需要对偏移量进行测量以后，再通过校准手段使其回到预定的基准位置。

具体地，根据本发明前述实施例中的方形晶片偏移量的测量方法得出的待测晶片在X方向和Y方向上的偏移量、及旋转偏移角度后，按照以下方式对待测晶片进行位置校准：

旋转校准：将待测晶片旋转，旋转的角度即为待测晶片偏移的角度；

平移校准：分别对待测晶片在X方向和Y方向上进行位置补偿，其中在X方向和Y方向上的位置补偿量分别等于待测晶片在X方向和Y方向上的偏移量。

值得注意的是，上述方法是针对待测晶片旋转一周，切割或反射光线的次数为6次和8次时的晶片偏移量的校准。实际工艺过程中，当晶片旋转一周切割或反射光线的次数小于6次，即晶片至少有两条边无法切割或反射光线时，则说明晶片的偏移量过大，已超出预定的偏移范围，此时，可以通过视觉或采用多个传感器等校准方式进行粗略校准，再进一步测量得到精确偏移量；或者，更简便地，控制器也可以在判断出晶片的偏移量超出预定的范围时，进行报错处理，由操作人员手动对晶片进行位置校准。

尽管本发明的内容已经通过上述的实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应该被认为是对本发明的限制。本领域的技术人员阅读了上述内容后，对于本发明作出多种显而易见的修改和替代都处于本发明保护的范围之中。

Claims (5)

1.一种方形晶片偏移量的测量方法，所述测量方法采用方形晶片偏移量的测量装置，所述测量装置包括旋转台、激光传感器、及与所述激光传感器相连的控制器；所述激光传感器包括发射端和接收端，所述旋转台包括可旋转的基座和圆形的晶片载台；所述基座带动所述晶片载台旋转时，所述晶片载台上的待测晶片对所述激光传感器发射的光线进行切割或者反射，使得所述激光传感器的输出信号发生变化，所述控制器记录所述激光传感器的输出信号发生变化的时间；

所述激光传感器为对射型激光传感器，所述对射型激光传感器的发射端和接收端对称布置在所述晶片载台的上、下两侧；其中所述晶片载台的直径小于待测量晶片的边长，且所述传感器与所述晶片载台的圆心的距离满足公式： 其中，R_s为所述对射型激光传感器发射的光线与所述待测晶片的交点到所述晶片载台的圆心的距离，L_w为所述待测晶片的边长；

所述激光传感器为反射型激光传感器，所述反射型激光传感器位于所述晶片载台的侧上方；

所述测量装置还包括高精度伺服电机，所述高精度伺服电机带动所述基座及所述晶片载台按设定的角速度旋转；

其特征在于，所述测量方法包括如下步骤：

标定步骤：将参考晶片放在所述晶片载台上的基准位置，按照恒定的角速度旋转一周，记录第一时间集合；其中所述第一时间集合包括所述参考晶片在所述晶片载台上旋转一周时，所述激光传感器的输出信号每次发生变化的时间；

测量步骤：所述待测晶片在所述晶片载台上，按照与所述标定步骤中一致的角速度旋转一周，记录第二时间集合；其中所述第二时间集合包括所述待测晶片在所述晶片载台上旋转一周时，所述激光传感器的输出信号每次发生变化的时间；

计算偏移量步骤：根据所述角速度、所述第一时间集合、及所述第二时间集合，得出所述待测晶片在X方向和Y方向上的偏移量、及旋转偏移角度；

其中，所述参考晶片与所述待测晶片的大小相同。

2.根据权利要求1所述的方形晶片偏移量的测量方法，其特征在于，所述基准位置是指所述参考晶片的中心与所述晶片载台的圆心重合；所述参考晶片在所述基准位置旋转一周，所述激光传感器的输出信号发生变化的次数为8次。

3.根据权利要求2所述的方形晶片偏移量的测量方法，其特征在于，所述计算偏移量步骤具体包括如下子步骤：

步骤S1、根据所述第二时间集合判断所述传感器的输出信号发生变化的次数，若发生变化的次数为8次，则进入步骤S2，若发生变化的次数为6次，则进入步骤S3；

步骤S2、按照以下公式计算所述待测晶片在X方向和Y方向的偏移量x、y，及旋转偏移角度θ：

x＝x′*cosθ-y′sinθ，

y＝x′*sinθ+y′cosθ，

其中， T_i为所述激光传感器在所述标定步骤中信号第i次发生变化的时间，i＝1,2,3，…8；/>为所述待测晶片切割或反射光线8次时，所述激光传感器第m次信号发生变化的时间，其中，m＝1,2,3，…8；

步骤S3、按照以下公式计算所述待测晶在X方向和Y方向的偏移量x₀和y₀，及旋转偏移角度θ_a：

x₀＝x″*cosθ_a-y″sinθ_a，

y₀＝x″*sinθ_a+y″cosθ_a，

若则/>

若则/>

若

若则/>

其中，为所述待测晶片切割或反射光线6次时，所述激光传感器第n次信号发生变化的时间，其中，n＝1,2,3，…6；/>为第k次和第j次切割或反射光线的时间间隔，其中k，j＝1,2,3，…6；/>

4.一种方形晶片偏移量的校准方法，其特征在于，根据权利要求1-3之任一项所述的方形晶片偏移量的测量方法得出的所述待测晶片在X方向和Y方向上的偏移量、及旋转偏移角度，按照以下方式对所述待测晶片进行位置校准：

旋转校准：将所述待测晶片旋转，旋转的角度为所述待测晶片偏移的角度；

平移校准：对所述待测晶片在X方向和Y方向上进行位置补偿，其中在X方向和Y方向上的位置补偿量分别等于所述待测晶片在X方向和Y方向上的偏移量。

5.根据权利要求4所述的一种方形晶片偏移量的校准方法，其特征在于，所述方法还包括：当判断出所述待测晶片的偏移量超出预定的范围时，进行报错处理。