晶片映射系統(tǒng)原理及實(shí)現(xiàn)算法研究

宮 晨，高小虎，侯為萍

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 101601)

隨著全球半導(dǎo)體市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展與激烈競(jìng)爭(zhēng)，半導(dǎo)體設(shè)備的自動(dòng)化水平要求也越來越高。在一些高端全自動(dòng)設(shè)備中，多采用機(jī)械手臂從料盒取放晶片，而由于不同用戶的不定需求，往往料盒中的料片不是全滿的，機(jī)械手進(jìn)行取片時(shí)普遍的做法是機(jī)械手臂運(yùn)行到料盒某層取片位，然后開啟真空，如果手臂上真空量大于某一域值，說明該層有晶片，手臂即可取走晶片；如果真空量小于等于該域值說明該層無晶片，此時(shí)手臂抬升到下一層位置，再通過真空量判斷是否有晶片，往復(fù)執(zhí)行到某層有片或該料盒最后一層被執(zhí)行完畢。這種真空吸附判斷法，有如下兩種弊端：一、執(zhí)行效率低，特別是料盒為空時(shí)，系統(tǒng)需要走完料盒中所有層才能判斷該料盒是空料盒，并提示用戶更換新的料盒；二、無料片糾錯(cuò)功能，如果料盒中某層放置兩個(gè)晶片或某晶片放入相隔兩層，機(jī)械手臂不能事先判斷出來，往往會(huì)導(dǎo)致設(shè)備停止或料片受損。為了避免上述弊端，這就迫切需要一種新的方法，能夠在機(jī)械手臂取片前事先自動(dòng)得知該料盒的所有層的狀態(tài)，自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)操作并反饋給操作者。

1 晶片映射系統(tǒng)介紹

晶片映射系統(tǒng)是一種機(jī)、光、電配合的用來映射出料盒每層晶片狀態(tài)的機(jī)構(gòu)，該系統(tǒng)是由安裝在機(jī)械臂末端的低等級(jí)激光進(jìn)行晶片掃描，通過傳感器反饋來判斷晶片槽中的晶片是否存在及正常。

晶片映射系統(tǒng)會(huì)根據(jù)掃描起點(diǎn)與終點(diǎn)位置自動(dòng)判別操作人員放置的實(shí)際料盒高度與設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)高度是否一致，如果得出結(jié)果不一致時(shí)，晶片映射系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警反饋給用戶。

晶片映射系統(tǒng)會(huì)記錄晶片位置，以及對(duì)晶片數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如果晶片都處于正常狀態(tài)放置，系統(tǒng)會(huì)操作機(jī)械臂對(duì)晶片盒中的晶片進(jìn)行收集，但是當(dāng)出現(xiàn)機(jī)器關(guān)閉或晶片交叉、雙層放置等錯(cuò)誤時(shí)，晶片映射系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行報(bào)警，并在視圖界面中繪制當(dāng)前晶片盒中的晶片狀態(tài)。操作人員可以根據(jù)提示進(jìn)行取消操作或者點(diǎn)擊OK按鈕，來指示系統(tǒng)進(jìn)行下一步操作，即跳過任何空的、放置有問題的晶片槽或者取出晶片盒進(jìn)行整理。

2 晶片映射系統(tǒng)構(gòu)造及原理

我們?cè)跈C(jī)械手掃描手臂前端固定一對(duì)LED發(fā)射和接受的裝置（見圖1），當(dāng)執(zhí)行晶片映射掃描時(shí)，機(jī)械手θ軸旋轉(zhuǎn)到料盒中心處、z軸升降到掃描起始位、y軸（即安裝LED裝置的機(jī)械手掃描手臂軸）伸縮到掃描位。根據(jù)選擇的頂部掃描或底部掃描（見圖2）方式，當(dāng)z軸從頂部掃描起使位下降到料盒底部的掃描起使位或從底部掃描使位上升到料盒頂部的掃描起使位時(shí)，帶動(dòng)y軸一起升降并掃描，通常未做特別處理的硅晶片是反射激光的，當(dāng)y軸上的發(fā)射器與接受器中間有晶片時(shí)，發(fā)射器發(fā)射的光束被晶片邊緣發(fā)射而不能傳遞到接收器上；如果中間沒有晶片，則接受器感應(yīng)到發(fā)射器傳遞過來的光束而轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電平信號(hào)。在掃描執(zhí)行過程中，我們需實(shí)時(shí)采集接收器端的電平信號(hào)，并記錄若干對(duì)（最多為料盒層數(shù)）電平信號(hào)跳變時(shí)的機(jī)械手z軸位置，每一對(duì)位置對(duì)應(yīng)了料盒中的一個(gè)晶片位置，并將這些對(duì)位置保存到系統(tǒng)軟件中開辟的二維數(shù)組中進(jìn)行算法分析。算法中將會(huì)根據(jù)晶片厚度、料盒每一層槽寬、料盒每一層在系統(tǒng)坐標(biāo)中的位置及二維數(shù)組中的若干對(duì)位置映射出料盒總片數(shù)、每一晶片所處層號(hào)、是否有雙片放置、交叉層放置等狀態(tài)。

圖1 掃描裝置

圖2 掃描運(yùn)動(dòng)方式

3 晶片映射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及算法

3.1 參數(shù)配置與數(shù)據(jù)采集

在晶片映射系統(tǒng)進(jìn)行掃描前，需要對(duì)掃描參數(shù)進(jìn)行配置，以保證掃描結(jié)果的正確性。需要配置以下參數(shù)：Range：晶片的實(shí)際位置和計(jì)算位置允許的偏差值，范圍默認(rèn)設(shè)定為晶片厚度的0.2倍；Pitch：片盒槽寬，對(duì)一批料盒此數(shù)值是固定的，可以測(cè)量得出；Thickness：晶片的實(shí)際厚度，用來確定是否某些槽放置了“雙層”晶片；TScanPos：機(jī)械手θ軸執(zhí)行掃描時(shí)的位置；YScanPos：機(jī)械手掃描軸y掃描時(shí)的位置；YSafePos：機(jī)械手掃描軸縮回到的安全位置；ZTopScanPos：機(jī)械手z軸頂部掃描位置；ZBtmScanPos：機(jī)械手z軸底部掃描位置；ZScanSpeed：z軸掃描時(shí)電機(jī)運(yùn)行的速度，為了掃描的可靠性，掃描速度不應(yīng)過高。TapeSingalOnPos：發(fā)射光束從打斷狀態(tài)恢復(fù)時(shí)的“z”軸位置，即接收器恢復(fù)有信號(hào)時(shí)的位置；TapeSingalOffPos：發(fā)射光束被打斷時(shí)的“z”軸位置，即接收器從有信號(hào)跳變到無信號(hào)時(shí)的位置。

在各電機(jī)軸被成功初始化后，即可執(zhí)行晶片映射操作，當(dāng)掃描開始進(jìn)行時(shí)，晶片掃描系統(tǒng)開辟一個(gè)工作線程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)與掃描工作，每次掃描前應(yīng)確保y軸縮回到安全位，這樣θ軸旋轉(zhuǎn)、z軸升降到掃描位時(shí)確保y軸不會(huì)與料盒等其他機(jī)構(gòu)碰撞干涉，再建立一個(gè)布爾變量bIsSingaled，初始值設(shè)定為假，用來保證只有接受器上信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)才采集當(dāng)前z軸位置并存入到二維數(shù)組中。晶片映射系統(tǒng)提供頂部掃描和底部掃描兩種方式，如果是頂部掃描則z軸掃描起始位為ZTopScanPos，掃描結(jié)束位為ZBtmScanPos；如果是底部掃描則相反。機(jī)械手θ軸、z軸、y軸成功到達(dá)掃描位后，z軸從掃描位向掃描結(jié)束位方向運(yùn)行，在電機(jī)停止運(yùn)行前一直刷新接收器上信號(hào)，如發(fā)生跳變就采集數(shù)據(jù)。概要流程圖見圖3。

圖3 映射系統(tǒng)概要流程

3.2 映射算法分析

在晶片映射系統(tǒng)執(zhí)行過程中，如果異常處理模塊沒有反饋異常，我們就可以對(duì)采集的到的若干對(duì)位置進(jìn)行分析，以映射出料盒中所有晶片狀態(tài)。對(duì)于z軸沒有外接光柵尺、磁柵尺等反饋信號(hào)，僅用電機(jī)自身編碼器的情形，需要將晶片厚度、片盒槽寬數(shù)值轉(zhuǎn)換為編碼器脈沖值，定義常量Scale，這里代表1 mm對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)。

定義iNum表示料盒中某槽的層號(hào)，那么晶片盒的每層槽寬的脈沖值范圍為：(iNum*Pitch*Scale+ZBtmScanPos)～((iNum+1)*Pitch*Scale+ZBtmScan-Pos)。將這若干對(duì)位置與料盒每一層的槽寬脈沖范圍進(jìn)行比較，如果某對(duì)數(shù)據(jù)中任一值處于此范圍說明此層有料片。在某層有料片時(shí)，料片正常放置：(Thickness-Range)*Scale<|TapeSingalOffPos-TapeSingallOnPos|<(Thickness-Range)*Scale時(shí)；料片雙層放置：(2*Thickness-Range)*Scale<|TapeSingalOffn-Pos-Tape SingallOnPos|<(2*Thickness+Range)*Scale；料片交叉放置：某對(duì)數(shù)據(jù)不能同時(shí)處于某層的槽寬脈沖范圍并且|TapeSingalOffPos-TapeSingallOnPos|>(2*Thickness+Range)*Scale)。通過此映射算法，就能算出是否料盒為空盒、有雙層晶片、交叉放置晶片的層號(hào)，及當(dāng)前料盒總共的料片數(shù)目，見圖4與圖5，并能夠及時(shí)反饋給操作者并圖形化顯示。

圖4 映射分析結(jié)果（空料盒）

圖5 映射分析結(jié)果

4 總 結(jié)

晶片映射掃描系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、有效地映射出料盒內(nèi)所有晶片的狀態(tài)，當(dāng)料盒處于空料盒、雙層放片、交叉放片等狀態(tài)時(shí)能夠報(bào)警，當(dāng)料盒狀態(tài)正常時(shí)，機(jī)械手會(huì)自動(dòng)到各有片層取片，克服了機(jī)械手傳統(tǒng)真空判斷取片方式的執(zhí)行效率低、料片無糾錯(cuò)的弊端，大大提高了設(shè)備整體的可靠性和自動(dòng)化水平。

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