一種基于多目機器視覺技術的硅片搬運機構研究

鄧 樂，樊 坤

（1. 長沙長泰機器人有限公司，長沙 410000；2. 中國電子科技集團公司第四十八研究所，長沙 410000）

0 引言

在太陽電池整個生產(chǎn)過程中，無論是采用發(fā)射極和背面鈍化(PERC)工藝路線、隧穿氧化層鈍化接觸(TOPCon)工藝路線，還是采用異質結(HJT)工藝路線等，都需要經(jīng)歷多次的硅片上/下料。以采用HJT 工藝路線制備太陽電池為例，在其化學氣相沉積(CVD)工藝制程中，硅片所覆膜層的厚度一般為5～10 nm，因此CVD 工藝制程后硅片的i 層、i/n 層、p 層都是極其脆弱的薄膜層。經(jīng)過生產(chǎn)驗證，CVD 工藝制程完成后，需在氮氣氛圍下，在30 min 內對硅片進行物理氣相沉積(PVD)工藝制程，否則其表面易部分氧化生成二氧化硅，導致太陽電池的光電轉換效率降低。因此，無論采用何種工藝路線，太陽電池的制備對生產(chǎn)環(huán)境及硅片搬運機構生產(chǎn)效率的要求很高。

硅片搬運機構上的托盤是進行CVD 和PVD工藝制程時常用的載具。為了保證硅片在CVD或PVD 工藝制程時保持位置固定，托盤上通常設有貼合硅片外形的沉臺開口，因此硅片被硅片搬運機構搬運進沉臺開口前需要進行精確定位。若硅片搬運進托盤沉臺開口時，硅片邊緣搭接在沉臺開口邊緣(即搭邊不良)，后續(xù)制程中將可能會產(chǎn)生繞鍍、劃痕等缺陷，導致硅片的良率大幅降低。

托盤沉臺開口邊緣與硅片下表面接觸的面積越小，太陽電池背面掩膜(即硅片棱邊附近的覆膜)的寬度越小，鍍膜的有效面積越大，太陽電池的光電轉換效率越高。因此，研究硅片搬運機構如何高精度、無損傷且快速地將硅片搬運進托盤沉臺開口內具有重要意義。

在此背景下，本文研究了一種基于多目機器視覺技術的硅片搬運機構，該新型硅片搬運機構配合4 軸高精度微動平臺及龍門機械手等部件，可快速地將CVD 工藝制程完成后的硅片搬運進PVD 工藝制程的托盤沉臺開口內。通過對傳統(tǒng)硅片搬運機構的機械結構和動作流程進行分析，指出其存在的不足，然后分析新型硅片搬運機構獨特的動作流程、機械結構組成及特性，并重點分析新型硅片搬運機構使用多目機器視覺技術實現(xiàn)硅片位置檢測及硅片搭邊不良在線檢測的原理，以及其應用優(yōu)勢。

1 傳統(tǒng)的硅片搬運機構

1.1 傳統(tǒng)硅片搬運機構的機械結構與動作流程

在傳統(tǒng)硅片搬運機構中，需要自動上下料機構將硅片放入托盤內，托盤內硅片單邊間隙最小為0.25 mm，而硅片經(jīng)過皮帶傳輸以后的定位精度為±1.00 mm，因此硅片需要進行二次定位。傳統(tǒng)的硅片一次定位(即硅片矯正)、二次定位機械結構有很多種[1]，其中某種硅片一次定位、二次定位機械結構示意圖分別如圖1[1]、圖2[1]所示。

圖1 傳統(tǒng)的硅片一次定位機械結構示意圖[1]Fig. 1 Schematic diagram of traditional mechanical structure for first positioning of silicon wafers[1]

圖2 傳統(tǒng)的硅片二次定位機械結構示意圖[1]Fig. 2 Schematic diagram of traditional mechanical structure for secondary positioning of silicon wafers[1]

傳統(tǒng)的硅片搬運機構的動作流程[1]為：硅片在柔性傳輸帶上排列完成后(即完成硅片一次定位)，被頂升氣缸驅動的定位塊組件頂起，硅片自身的重力使其能沿著定位塊內側斜壁下滑并落入每組定位塊內，實現(xiàn)硅片二次定位，一般定位精度可達到±0.20 mm。由于加工與裝配均存在誤差，且硅片自身尺寸也存在誤差，導致10%左右的硅片放入托盤沉臺開口時存在搭邊不良現(xiàn)象。

在硅片二次定位的同時，托盤會被夾緊定位。當硅片二次定位完成后，多軸機械手利用無痕吸盤將硅片吸起，搬運至托盤的沉臺開口內。傳統(tǒng)的硅片搬運機構示意圖如圖3[2]所示。

圖3 傳統(tǒng)的硅片搬運機構示意圖[2]Fig. 3 Schematic diagram of traditional silicon wafer handling mechanism[2]

1.2 傳統(tǒng)硅片搬運機構的缺點

雖然傳統(tǒng)的硅片搬運機構已在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛采用，但其依然具有以下缺點[3]：

1)定位方式未實現(xiàn)硅片搭邊不良的在線檢測。搭邊不良的硅片有可能成為失效片、低效片、隱裂片。

2)傳輸方式無法消除硅片搬運機構的累計誤差。硅片在皮帶線上完成二次定位后，定位精度為±0.20 mm。由于硅片搬運機構的裝配與傳輸均存在誤差，二者的累計誤差至少為±0.10 mm，從而使整個硅片搬運機構的精度誤差達到±0.30 mm。而硅片與托盤沉臺開口邊緣的單邊最小間隙僅為0.25 mm，且由于托盤在工藝設備中受到高溫加熱，托盤沉臺開口很容易向上凸起或向下凹陷變形，使托盤沉臺開口與硅片之間的間隙會越來越小。因此在傳統(tǒng)的硅片搬運機構中，將硅片搬運至托盤沉臺開口內時，硅片極易與沉臺開口邊緣搭接，增大后續(xù)流程中硅片產(chǎn)生劃傷與繞鍍的風險。

3)硅片上的覆膜非常容易損壞，而傳統(tǒng)的硅片搬運機構在搬運硅片進托盤沉臺時，均采用吸盤吸取硅片，吸盤的負壓有可能導致硅片產(chǎn)生吸盤印不良。

2 新型硅片搬運機構的動作流程

本文提出的基于多目機器視覺技術的硅片搬運機構的動作流程中，將平行于托盤傳輸線傳輸方向的托盤沉臺稱為列，共r列；垂直于托盤傳輸線傳輸方向的托盤沉臺稱為行，共m行。龍門機械手同時搬運n片硅片，該機構設有與列數(shù)對應的r個4 軸高精度微動平臺(其中：平行于托盤傳輸線傳輸方向的軸為x軸，垂直于托盤傳輸線傳輸方向的軸為y軸；垂直于地面的軸為z軸；水平方向順時針旋轉的軸為θ軸)和r+1 個相機。龍門機械手每搬運1 次硅片，托盤就沿托盤傳輸線向前移動1 行，以便下次硅片搬運作業(yè)。該基于多目機器視覺技術的硅片搬運機構的具體動作流程圖如圖4 所示。

圖4 基于多目機器視覺技術的硅片搬運機構的動作流程圖Fig. 4 Action flowchart of silicon wafer handling mechanism based on multi camera machine vision technology

3 基于多目機器視覺技術的硅片搬運機構的機械結構

基于多目機器視覺技術的硅片搬運機構的整體機械結構包括：多目機器視覺系統(tǒng)、龍門機械手、硅片傳輸線、托盤傳輸線、微動平臺等。其中，龍門機械手、硅片傳輸線、托盤傳輸線和微動平臺上下依次布置；托盤傳輸線和硅片傳輸線垂直布置，具體如圖5 所示。需要說明的是，為了便于觀看，圖中機械結構隱藏了部分機架。

圖5 基于多目機器視覺技術的硅片搬運機構的整體機械結構示意圖Fig. 5 Schematic diagram of overall mechanical structure of silicon wafer handling mechanism based on multi camera machine vision technology

基于多目機器視覺技術的硅片搬運機構具有以下特性：

1)效率方面。本機構采用模塊化設計，硅片傳輸線和托盤傳輸線為垂直布置，因此可設置多套硅片傳輸線、龍門機械手、多目機器視覺系統(tǒng)、4 軸高精度微動平臺等，從而實現(xiàn)硅片搬運效率的翻倍提升。例如圖5 中，使用了兩套龍門機械手、2r個4 軸高精度微動平臺和2r+2 個相機，將硅片搬運效率提升了1 倍。若繼續(xù)增加龍門機械手的數(shù)量，硅片搬運效率還可以進一步提升。

2)精度方面。本機構的動作流程中，首先由龍門機械手抓取硅片傳輸線上的硅片運送到微動平臺(即托盤沉臺開口)，再使用多目機器視覺系統(tǒng)和微動平臺配合調整硅片位置，因此無需考慮龍門機械手搬運硅片的誤差。

3)產(chǎn)品質量方面。龍門機械手并未使用吸盤，而是采用了兩排非金屬材料的勾爪來夾取硅片，從根本上避免了吸盤印的產(chǎn)生。

4)功能方面。采用多目機器視覺系統(tǒng)后，增加了硅片搭邊不良的在線檢測功能。

4 多目機器視覺系統(tǒng)的檢測原理

4.1 位置檢測

本文提出的基于多目機器視覺技術的硅片搬運機構中，托盤、相機、微動平臺、背光源的布局俯視圖如圖6 所示。托盤沉臺開口承托硅片的邊沿單邊寬度只有0.75 mm(即圖6 中的黃色部分)；托盤沉臺中間為鏤空結構。

圖6 托盤、相機、微動平臺、背光源的布局俯視圖Fig. 6 Top view of layout of tray，camera， micro motion platform，and backlight source

當托盤停止運動后，相機位于托盤沉臺的邊角正上方，微動平臺位于托盤沉臺開口的正下方；此時相機進行第1 次拍照，記錄托盤沉臺開口的位置和角度信息。微動平臺的z軸上升，其托舉臺穿過托盤沉臺網(wǎng)框的鏤空孔，上升到高于托盤沉臺開口一定高度的位置。龍門機械手先將硅片搬運到微動平臺托舉臺上表面的吸附板上，真空發(fā)生器開啟負壓，吸附板將硅片輕微吸緊，防止硅片移動；此時相機進行第2 次拍照，記錄硅片與托盤沉臺開口的位置和角度信息。調整微動平臺θ軸、x軸和y軸位置來進行硅片角度及位置偏移校準。當微動平臺完成第1 次偏移校準后，相機進行第3 次拍照，再次進行x軸、y軸、θ軸校準，以便提高放片精度。硅片角度和位置調整完成后，真空發(fā)生器破真空，硅片脫離微動平臺托舉臺上表面的吸附板，微動平臺的z軸下降，硅片轉移至托盤沉臺內。

為了降低硬件成本和提高拍照精度，多目機器視覺系統(tǒng)采用小視野拍照。因為同等像素下，通過調節(jié)矩陣相機的焦距來調整拍照視野，拍照視野越小，精度越高。除了托盤兩側的相機，每個相機同時拍攝兩個托盤沉臺開口和相應的硅片的邊角；根據(jù)兩個相機拍攝得到的信息，通過耦合算法，計算出硅片3 條邊與托盤沉臺開口3 條邊的相對位置。本機構通過在硅片的邊上和托盤沉臺開口的邊上各取數(shù)個點，進行多次直線插補運算，以提高多目機器視覺系統(tǒng)的測量精度。針對1 片硅片而言，硅片位置及角度調整示意圖如圖7 所示。圖中：A、B分別代表相機1、相機2 拍攝的需要偏移校準的角度值；C、D和E、F分別為設置在硅片和托盤沉臺角上的標記點；x1、x2均表示微動平臺的x軸方向要調整的距離；y1、y2均表示微動平臺的y軸方向要調整的距離。

圖7 硅片位置及角度調整示意圖Fig. 7 Schematic diagram of silicon wafer position and angle adjustment

雖然理論上相機1 拍攝到的角度A和相機2 拍攝到的角度B相等，但是由于托盤沉臺可能存在變形，因此微動平臺θ軸的實際調整角度θa的計算式為：

同理，微動平臺x軸的實際調整距離xa的計算式為：

微動平臺y軸的實際調整距離ya的計算式為：

采用此算法后再進行調整能增加托盤的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。

4.2 硅片搭邊不良在線檢測

基于多目機器視覺技術的硅片搬運機構采用先搬運硅片再調整硅片位置的獨特動作流程，在搬運硅片過程中，產(chǎn)生硅片搭邊不良的可能性極低。通過客戶的PVD 自動化設備的實際生產(chǎn)對該機構的硅片搭邊不良情況進行了驗證，結果顯示，該機構的搭邊不良率小于0.1%，達到了國內領先水平。

當硅片放入托盤沉臺開口內后，相機將第4次拍照，檢測托盤上是否有搭邊不良的硅片。由于新型硅片搬運機構在x軸和y軸方向上的硅片搭邊不良在線檢測的原理基本相同，所以本文以x軸為例進行說明。

該新型硅片搬運機構的所有相機均安裝在同一高度，且相機之間的間距相等且已知，間距設為L，位于相鄰兩個托盤沉臺連接線中心上方的相機1、相機2 的中心坐標分別為(xc1,yc1)、(xc2,yc2)。此外，硅片邊長最大允許尺寸為Xmax，最小允許尺寸為Xmin。多目機器視覺系統(tǒng)在相機第4 次拍照后測量得出硅片左邊緣和右邊緣的x軸坐標分別為xgl、xgr(對應的y軸坐標分別為ygl、ygr)，而相機在第1 次拍照時已記錄得到的托盤沉臺開口左、右限位x軸坐標分別為xtl、xtr(對應的y軸坐標分別為ytl、ytr)。硅片搭邊不良在線檢測示意圖如圖8 所示。

圖8 硅片搭邊不良在線檢測示意圖Fig. 8 Schematic diagram of online detection of poor silicon wafer edging

由此可以得到：

托盤沉臺的設計寬度限定條件為：

若相機第1 次拍照時，出現(xiàn)xtr-xtl＜Xmax+0.5，則會出現(xiàn)托盤需要維護的報警。

在未出現(xiàn)硅片搭邊不良，且托盤和硅片的尺寸滿足設計與質檢要求的情況下，以下條件將得到滿足：

使用邏輯“或”判定是否存在硅片搭邊不良，以下條件滿足任意1 個即判斷為硅片搭邊不良：

1)xgl＜xtl，為左側搭邊不良；

2)xgr＞xtr，為右側搭邊不良；

3)xgr-xgl＜Xmin。

4.3 基于多目機器視覺技術的硅片搬運機構的應用優(yōu)勢

在硅片變薄的發(fā)展趨勢下，基于多目機器視覺技術的硅片搬運機構的設計使其具有很大的應用優(yōu)勢，原因在于：

1)在新型硅片搬運機構中，硅片在放入托盤沉臺前，平放在微動平臺托舉臺上，硅片的受力面積較大，變形很小；而傳統(tǒng)的硅片搬運機構采用吸盤吸取硅片，硅片的受力面積較小，變形較大，因此產(chǎn)生硅片搭邊不良的概率更高。

2)本新型硅片搬運機構采用多目機器視覺技術與微動平臺配合進行硅片定位，不會對硅片產(chǎn)生使其受力變形的側向力；而傳統(tǒng)的硅片搬運機構采用導輪與定位塊進行硅片定位，均會對硅片產(chǎn)生側向力，硅片可能變形，導致定位精度下降。

3)本新型硅片搬運機構中，當硅片的厚度很小時，將增加硅片變形修正值P(其取值可從生產(chǎn)經(jīng)驗中得到)，即當xgr-xgl＜Xmin-P時，可判斷為硅片搭邊不良。這是因為硅片很薄，托盤沉臺開口深度很淺，即使硅片搭邊，硅片與水平面之間的傾角也非常??；并且由于托盤沉臺中間是大面積鏤空結構，因此無論是否有硅片搭邊不良，托盤沉臺與硅片的接觸面積都很小。硅片搭邊不良與硅片正確地放在托盤沉臺開口內時硅片的變形量幾乎相等，此時需增加硅片變形修正值以幫助判斷是否存在硅片搭邊不良。

4)本新型硅片搬運機構有利于減小太陽電池背面掩膜寬度，增加了太陽電池的有效吸光面積，從而可提高其光電轉換效率。

5 結論

太陽電池產(chǎn)業(yè)最大的競爭就是成本的競爭。更高的原材料利用率，更高的太陽電池生產(chǎn)效率才能讓光伏產(chǎn)業(yè)在國家新能源戰(zhàn)略中占據(jù)更高的位置。本文研究了一種基于多目機器視覺技術的硅片搬運機構，在分析傳統(tǒng)硅片搬運機構的機械結構和動作流程的基礎上，對該新型硅片搬運機構獨特的動作流程、機械結構及特性進行了介紹，并重點分析了其使用多目機器視覺技術實現(xiàn)硅片位置檢測及硅片搭邊不良在線檢測的原理。本機構的創(chuàng)新性在于引入了多目機器視覺技術和獨特的動作流程，從而解決了硅片搬運過程中可能產(chǎn)生吸盤印、劃傷、隱裂等缺陷的問題。采用高精度多目機器視覺系統(tǒng)的硅片搬運機構有利于減小太陽電池背面掩膜寬度，增加太陽電池的有效吸光面積，從而可提高其光電轉換效率。