TWI804427B

TWI804427B - 液滴影像檢測系統及其裝置與方法

Info

Publication number: TWI804427B
Application number: TW111132310A
Authority: TW
Inventors: 桑友樂; 陳榮忠; 蔡明諺; 曹永昌
Original assignee: 瀚軒股份有限公司
Priority date: 2022-08-26
Filing date: 2022-08-26
Publication date: 2023-06-01
Also published as: TW202410231A

Abstract

一種液滴影像檢測系統，包含：一影像檢測裝置，具有一相機，可拍攝位於一物件上的一液滴的一側面影像，該液滴具有一體積V，且該物件與該液滴的接觸邊緣在一切線方向形成一液滴接觸角θ；一控制計算單元，與該影像檢測裝置電連接，可接收該側面影像，且該控制計算單元根據該側面影像計算得一液滴直徑值2a；該控制計算單元根據該體積V及該液滴直徑值2a，以數學公式計算該液滴的液滴高度h，再計算該液滴接觸角θ，可據以替代直接量測的液滴接觸角及液滴高度，以克服因障礙物阻擋而必須斜看液滴的側面時所造成的液滴接觸角及液滴高度誤差。

Description

液滴影像檢測系統及其裝置與方法

一種檢測系統，尤指一種液滴影像檢測系統及其裝置與方法。

一般的液體接觸角測量的主要應用是確定一固體表面與一特定液體的潤濕狀態。水滴接觸角可用於測量一固體表面的疏水性或親水性。水滴接觸角測量的一般用途還包含：確認如清潔度和其他表面處理的效果。如圖8所示，一水滴91與固體表面92形成一水滴接觸角

。

表面處理是工業製程中不可或缺的工藝，例如在對一矽晶圓進行一長晶的製程(epitaxy growth)前，首先要去除矽晶圓表面的雜質及氧化層等，然後才能在矽晶圓的表面進行長晶，此時如何確認矽晶圓的表面潔淨度就十分的重要，對此，以水滴接觸角來確認矽晶圓的表面潔淨度，是一般用於確認矽晶圓的表面潔淨度的方法。至於其他製程工件的表面，同樣也可以水滴接觸角度來確認其表面的潔淨度。

水滴接觸角的量測一般是使用照像機/攝影機對準位於一工件表面上的一水滴的側面，拍攝得該水滴與該工件表面二者接觸的一影像，進而從該影像量測得到該水滴與該工件表面的一水滴接觸角，如圖9所示，根據一水滴95與一工件表面96二者接觸的一影像，一水滴接觸角

被量測為47.3度。

但是當該工件表面96被一物體所阻礙，以致於該照像機/攝影機無法平視工件表面96的水滴95的側面時，就退而求其次以斜看水滴的方式來量測水滴接觸角。如圖10A與圖10B所示，圖10A顯示一矽晶片97被置於一封裝結構98之內的俯視圖，圖10B為該矽晶片97與該封裝結構98在圖10A的一剖面之剖面圖。可知當一攝影機100欲以正視一水滴99的側面的方式來量測該矽晶片97表面的水滴接觸角時，該矽晶片97上的該水滴99會被該封裝結構98所遮擋；因此必須以一攝影機101以斜看該水滴99的側面的方式來量測該矽晶片97上的水滴接觸角。此時，相較於以正視該水滴99的側面的方式所測得的水滴接觸角與水滴高度，以斜看該水滴99的側面的方式所測得的水滴接觸角與水滴高度會有較大的誤差。因此如何減小斜看水滴的側面時所產生關於量測水滴接觸角與水滴高度的誤差，是工程上實際量測一工件表面的水滴接觸角時會經常遭遇且必須克服的問題。

為了解決上述問題，本發明提出一種液滴影像檢測系統，包含：一影像檢測裝置，具有一相機，該相機可以平視或斜視的方式拍攝位於一物件上的一液滴的一側面影像，該液滴具有一體積V，且該物件與該液滴的接觸邊緣在一切線方向形成一液滴接觸角

；一控制計算單元，與該影像檢測裝置電連接，接收該側面影像，且該控制計算單元根據該側面影像量測得一液滴直徑值2a；其中該控制計算單元先計算該液滴的一液滴高度h；

該控制計算單元再計算該液滴接觸角

；

。

較佳的，該影像檢測裝置進一步包含一針頭，可滴落一液滴；其中該液滴的該體積V是給定的，或是由以下步驟計算所得：該相機，拍攝該液滴從該針頭完全分離之瞬間的一滴落側面影像；該控制計算單元，可接收該滴落側面影像，且該控制計算單元沿著該液滴滴落的方向由頭至尾每隔一厚度∆x在該滴落側面影像上切出一第k圓盤，該第k圓盤具有一第k半徑

，總共可得直徑分別為2

的N個圓盤, k = 1, 2,…N，N為大於2的整數；該控制計算單元以下列算式計算該液滴體積V；

。

本發明還提出一種影像檢測裝置，包含：一二維移動機構、一乘載架、及一固定柱，分別設置於一平面基板上；一平台，設置於該二維移動機構上；一線性移動機構，設置於該乘載架上；一注射裝置，設置於該線性移動機構上，該注射裝置具有一針頭；一控制計算單元，分別電連至該二維移動機構、該線性移動機構及該注射裝置，並控制該二維移動機構將該平台上的一物件移動至該針頭的正下方，並控制該線性移動機構將該針頭移動至該物件上方的一高度後，使該注射裝置輸出一體積V的一液滴，並經由該針頭滴落於該物件上；一相機設置於該固定柱上，該相機可拍攝該液滴與該物件接觸的一影像；該控制計算單元根據該影像可識別出該液滴的一液滴直徑；該控制計算單元根據該液滴直徑及該液滴的該體積V，執行一液滴接觸角計算步驟，以獲得該物件與該液滴的接觸邊緣在一切線方向所形成的一液滴接觸角。

在另一實施例中，本發明還提出一種液滴影像檢測系統，包含：一影像檢測裝置，具有一針頭，可滴落一液滴；一相機，可拍攝該液滴從該針頭分離滴落時的一側面影像；一控制計算單元，與該影像檢測裝置電連接，可接收該側面影像，且該控制計算單元沿著該液滴滴落的方向由頭至尾每隔一厚度∆x在該側面影像上切出一第k圓盤，該第k圓盤具有一第k半徑

，總共可得直徑分別為2

其中該厚度∆x係為該側面影像的至少一畫素所對應的一長度，該第k半徑

為該側面影像中對應於該第k圓盤的半徑的所有畫素所對應的一長度。

本發明還提出一種液滴影像檢測方法，包含：提供位於一物件上的一液滴的一側面影像，該液滴具有一體積V；根據該側面影像量測得該液滴的一液滴直徑值2a；根據以下公式計算該液滴的一液滴高度h；

根據以下公式計算該液滴的一液滴接觸角

。

請參閱圖1所示，圖1顯示了本發明的液滴影像檢測裝置1。本發明的影像檢測裝置1具有一平面基板2，在該平面基板2上設置有一二維移動機構3、一乘載架4、一固定柱5，該二維移動機構3上設置一平台6，該乘載架4上設置一線性移動機構7，該固定柱5上設置一側視相機8及一斜視相機9，該側視相機8經由一第一固定夾10固定在該固定柱5上，該斜視相機9經由一第二固定夾11固定在該固定柱5上。該線性移動機構7上設置一注射裝置12，該注射裝置12具有一針頭13，本發明的影像檢測裝置1還具有一控制計算單元(未圖示)，分別電連至該二維移動機構3、該線性移動機構7及該注射裝置12。該控制計算單元可為一微控制器、一微處理器、一個人電腦、一筆電、一手機、一平板電腦、或一伺服器。

其中該二維移動機構3係可沿著一XY平面移動，可帶動該平台6沿著該XY平面移動。該線性移動機構7係沿著一Z軸方向移動，可帶動該注射裝置12及該針頭13沿著該Z軸方向移動。該平台6上可放置一待測物件14，以量測該待測物件14的表面的一水滴接觸角，該控制計算單元(未圖示)控制該二維移動機構3的作動而將該待測物件14移動至該針頭13的正下方，該控制計算單元(未圖示)經由控制該線性移動機構7可控制移動該注射裝置12的該針頭13至該待測物件14上方的一適當高度後，使該注射裝置12輸出一體積V的液體至該針頭13，並經由該針頭13形成一液滴，滴落於該待測物件14上，該液滴例如是一水滴15。其中該XY平面係平行於該平面基板2，該Z軸方向則係垂直於該平面基板2。

如圖2所示，圖2顯示本發明之影像檢測裝置的相機平視水滴與斜視水滴，其中該第一固定夾10可沿著該固定柱5被調整固定於該固定柱5上，使得該側視相機8平視位於該待測物件14上的該水滴15的側面。該第二固定夾11亦可沿著該固定柱5被調整固定於該固定柱5上，使得該斜視相機9可斜視位於該待測物件14上的該水滴15的側面以避過一障礙物(未圖示)的阻擋，如一半導體晶片的封裝結構。當該側視相機8平視該水滴15的側面時，該側視相機8可拍攝該水滴15與該待測物件14的一平視影像，經由該平視影像可識別出該水滴15與該待測物件14的一平視水滴接觸角(類似於圖9所示之量測到的水滴接觸角

)、一平視水滴高度、以及一平視水滴直徑。當該斜視相機9斜視該水滴15的側面時，該斜視相機9可拍攝該水滴15與該待測物件14的一斜視影像，經由該斜視影像可識別出該水滴15與該待測物件14的一斜視水滴接觸角、一斜視水滴高度、以及一斜視水滴直徑。

經過多次的量測與比較，採用斜看水滴的方式所得到的該斜視水滴接觸角及該斜視水滴高度，相較於該平視水滴接觸角及該平視水滴高度都會存在較大的誤差，但是該斜視水滴直徑與該平視水滴直徑二者則無明顯差異，如圖3所示，圖3為本發明影像檢測裝置斜看水滴時的量測直徑與平視水滴時的量測直徑二者之間的誤差，其中橫軸代表量測樣品的編號，縱軸代表該二者之間的誤差，且該平視水滴的量測直徑的一平均值為1.67毫米(mm)，可知該二者之間的誤差係在±3%以內。

因此本發明提出一水滴計算方法，包含一水滴模型，係根據該針頭13滴落的液滴具有一體積V，及該斜視水滴直徑(令其值為2a)，並依據該水滴模型來推導出一水滴高度h，並以該水滴高度h替代該斜視水滴高度，然後再經由一切線角度公式，推導出一水滴接觸角

用以替代該斜視水滴接觸角的量測值；請參考圖4，圖4顯示本發明的水滴模型，其包含一理想球體16，具有一圓心O，以及由該理想球體16的上方部分所構成的一圓球缺體17，該圓球缺體17代表的是本發明該水滴模型中的水滴，其為該理想球體16的一部份，並具有一體積V、一水滴半徑a、及一水滴高度h。經推導可得以下的公式1：

……公式1 將公式1展開可得公式2：

……公式2 公式2為水滴高度h的3次方程式，解出公式2中的水滴高度h，可得公式3：

……公式3

請參考圖5，圖5顯示本發明的水滴接觸角計算模型，其中一圓弧21及一底弦22代表該圓球缺體17的一剖面，在該圓弧21及該底弦22的交點K，具有一切線T，該切線T與該底弦22的夾角即為該水滴接觸角

，該圓弧21的中點M與該底弦22的距離為公式3中的水滴高度h，該底弦22的長度的一半為該水滴半徑a，該圓弧21及該底弦22的交點K與該圓弧21的中點M二者間形成一線段T1，該線段T1與該底弦22的夾角

經推導係為該水滴接觸角

的一半，由圖5可知公式4：

……公式4 及公式5：

……公式5 所以該水滴接觸角

即可由該水滴高度h與該水滴半徑a得出。

如圖6所示，圖6為本發明之液滴影像檢測系統所計算的水滴接觸角度與實際量測的水滴接觸角度二者之間的誤差，其中橫軸代表量測樣品的編號，縱軸代表該二者之間的誤差，可知該二者之間的誤差係為±4.3度，仍在一般水滴接觸角度量測可接受的誤差的範圍(±5度)之內。

如圖7所示，圖7為本發明的一實施例，圖7顯示計算一水滴23的體積之近似值模型。在本實施例中，該水滴23的體積V，可以使用積分的方式求出近似值。如圖7所示，將一水滴23的影像切成很多小圓盤加總，假設每個小圓盤厚度皆為

，且

為該水滴23的影像中的一個畫素所對應的厚度，則一第k圓盤體積

為：

其中，

為該第k圓盤的半徑，

為該水滴23的影像中對應於該第k圓盤的半徑的所有畫素所對應的長度，N為大於2的整數。依體積積分的方式，即公式6，可求出完整水滴體積的近似值V:

……公式6 由於該斜視相機9斜視該水滴15的側面時所量測到的該斜視水滴高度並不準確，故在本實施例中，該水滴23的影像較佳的是以該側視相機8平視該水滴23從該針頭13完全分離之瞬間的一水滴滴落側面影像為準，如此可以計算出較為準確的水滴體積的近似值V。

在一實施例中，無論是使用側視相機8平視該水滴15的側面時，拍攝所得的該平視影像，或是使用斜視相機9斜視該水滴15的側面時，拍攝所得的該斜視影像，只要根據該平視影像/該斜視影像量測到該平視水滴直徑/該斜視水滴直徑後，皆可使用前述公式1~6來計算該水滴高度h及該水滴接觸角

，以替代直接量測的水滴高度及直接量測的水滴接觸角。

由上述說明及實施例可知本發明的液滴影像檢測系統可根據由本發明影像檢測裝置量測一斜視水滴直徑，並由一控制計算單元跟據該斜視水滴直徑以及一水滴的體積，依前述公式3計算得到一水滴高度h，然後再依前述公式5計算得到一水滴接觸角

，可避開因斜看水滴的側面時所產生關於量測水滴接觸角與水滴高度的誤差，達到本發明的目的。

1:影像檢測裝置 2:平面基板 3:二維移動機構 4:乘載架 5:固定柱 6:平台 7:線性移動機構 8:側視相機 9:斜視相機 10:固定夾 11:固定夾 12:注射裝置 13:針頭 14:待測物件 15:水滴 16:理想圓球 17:圓球缺體 21:圓弧 22:底弦 23:水滴 91:水滴 92:物件 95:水滴 96:物件 97:晶片 98:封裝機構 99:水滴 100:攝影機 101:攝影機 r:理想球體的半徑 O:理想球體的圓心 a:圓球缺體的底面半徑 h:圓球缺體的高度 V:水滴體積 T:切線 T1:線段 K:交點 M:中點

:第k圓盤的半徑

:一個畫素所對應的厚度

:水滴接觸角

:夾角

圖1係本發明影像檢測裝置的示意圖。圖2係本發明之影像檢測裝置的相機平視水滴與斜視水滴的示意圖。圖3係本發明影像檢測裝置其斜看水滴時的量測直徑與平視水滴時的量測直徑二者之間的誤差圖。圖4係本發明之液滴影像檢測系統的水滴模型示意圖。圖5係本發明之液滴影像檢測系統的水滴接觸角計算模型示意圖。圖6係本發明之液滴影像檢測系統所計算的水滴接觸角度與實際量測的水滴接觸角度二者之間的誤差圖。圖7係本發明的一實施例，顯示計算水滴體積之模型。圖8係一水滴及相對應的一水滴接觸角的示意圖。圖9係一水滴的影像及量測到的一水滴接觸角。圖10A係一矽晶片位於一封裝結構中的俯視圖。圖10B係為圖10A在一剖面的剖面圖。

1:影像檢測裝置

2:平面基板

3:二維移動機構

4:乘載架

5:固定柱

6:平台

7:線性移動機構

8:側視相機

9:斜視相機

10:固定夾

11:固定夾

12:注射裝置

13:針頭

14:待測物件

15:水滴

Claims

一種液滴影像檢測系統，包含：一影像檢測裝置，具有一相機，該相機可以平視或斜視的方式拍攝位於一物件上的一液滴的一側面影像，該液滴具有一體積V，且該物件與該液滴的接觸邊緣在一切線方向形成一液滴接觸角
；一控制計算單元，與該影像檢測裝置電連接，接收該側面影像，且該控制計算單元根據該側面影像量測得一液滴直徑值2a；其中該控制計算單元以下列算式先計算該液滴的一液滴高度h；
該控制計算單元再以下列算式計算該液滴接觸角

。
如請求項1所述之液滴影像檢測系統，其中該影像檢測裝置進一步包含一針頭，可滴落該液滴；其中該液滴的該體積V是由以下步驟計算所得：該相機拍攝該液滴從該針頭完全分離之瞬間的一滴落側面影像；該控制計算單元接收該滴落側面影像，且該控制計算單元沿著該液滴滴落的方向由頭至尾每隔一厚度
在該滴落側面影像上切出一第k圓盤，該第k圓盤具有一第k半徑
，總共可得直徑分別為2
的N個圓盤，k = 1, 2,…N ，N為大於2的整數；該控制計算單元以下列算式計算該液滴體積V；
。
如請求項1所述之液滴影像檢測系統，其中該影像檢測裝置進一步包含一針頭，可滴落該液滴；其中該液滴的該體積V是給定的。
如請求項1所述之液滴影像檢測系統，其中該影像檢測裝置，進一步具有一二維移動機構；一線性移動機構；一注射裝置，設置於該線性移動機構上，該注射裝置具有一針頭；該控制計算單元，分別電連至該二維移動機構、該線性移動機構及該注射裝置，並控制該二維移動機構將該物件移動至該針頭的正下方，並控制該線性移動機構將該針頭移動至位於該物件上方的一高度後，使該注射裝置輸出該液滴，並經由該針頭滴落於該物件上。
一種影像檢測裝置，包含：一二維移動機構、一乘載架、及一固定柱，分別設置於一平面基板上；一平台，設置於該二維移動機構上；一線性移動機構，設置於該乘載架上；一注射裝置，設置於該線性移動機構上，該注射裝置具有一針頭；一控制計算單元，分別電連至該二維移動機構、該線性移動機構及該注射裝置，並控制該二維移動機構將該平台上的一物件移動至該針頭的正下方，並控制該線性移動機構將該針頭移動至該物件上方的一高度後，使該注射裝置輸出一體積V的一液滴，並經由該針頭滴落於該物件上；一相機設置於該固定柱上，該相機可拍攝該液滴與該物件接觸的一影像；該控制計算單元根據該影像可識別出該液滴的一液滴直徑；該控制計算單元根據該液滴直徑及該液滴的該體積V，執行一液滴接觸角計算步驟，以獲得該物件與該液滴的接觸邊緣在一切線方向所形成的一液滴接觸角。
如請求項5所述之影像檢測裝置，其中該液滴的該體積V是給定的，或是由以下步驟計算所得：該相機，可拍攝該液滴從該針頭完全分離之瞬間的一滴落側面影像；該控制計算單元，可接收該滴落側面影像，且該控制計算單元沿著該液滴滴落的方向由頭至尾每隔一厚度∆x在該滴落側面影像上切出一第k圓盤，該第k圓盤具有一第k半徑
，總共可得直徑分別為2
的N個圓盤, k = 1, 2,…N，N為大於2的整數；然後該控制計算單元將該第1至第N圓盤的體積相加得到該液滴體積V。
一種液滴影像檢測系統，包含：一影像檢測裝置，具有一針頭，可滴落一液滴；一相機，可拍攝該液滴從該針頭分離滴落時的一側面影像；一控制計算單元，與該影像檢測裝置電連接，可接收該側面影像，且該控制計算單元沿著該液滴滴落的方向由頭至尾每隔一厚度
在該側面影像上切出一第k圓盤，該第k圓盤具有一第k半徑
，總共可得直徑分別為2
的N個圓盤，k = 1, 2,…N，N為大於2的整數；該控制計算單元以下列算式計算該液滴體積V；
。
如請求項7之液滴影像檢測系統，該厚度∆x係為該側面影像的至少一畫素所對應的一長度，該第k半徑
為該側面影像中對應於該第k圓盤的半徑的所有畫素所對應的一長度。
一種液滴影像檢測方法，包含：提供一液滴的一側面影像，該液滴具有一體積V；根據該側面影像量測得該液滴的一液滴直徑值2a；根據以下公式計算該液滴的一液滴高度h；
根據以下公式計算該液滴的一液滴接觸角
；
。
如請求項9之液滴影像檢測方法，其中該液滴的該體積V是給定的，或是由以下步驟計算所得：提供該液滴在滴落瞬間時的一滴落側面影像；沿著該液滴的滴落方向依序每隔一厚度
在該滴落側面影像上切出一第k圓盤，該第k圓盤具有一第k半徑
，總共可得直徑分別為2
的N個圓盤，k = 1, 2,…N ，N為大於2的整數；依據下式計算該液滴體積V；
。