晶片定位原理與算法

呂 菲，耿博耘，李春龍，莫 宇，周傳月

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津 300220)

在半導(dǎo)體材料的加工過(guò)程中，為了提高生產(chǎn)效率，大部分設(shè)備都使用自動(dòng)傳片系統(tǒng)，自動(dòng)化程度高的設(shè)備往往實(shí)現(xiàn)片盒到片盒的傳輸。這類設(shè)備的工作過(guò)程大致相似，即進(jìn)片、定位、機(jī)械手傳遞、加工、機(jī)械手傳遞、出片。由此可見(jiàn)定位在加工過(guò)程中占據(jù)了非常重要的位置，只有能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位，才能很好地完成加工過(guò)程，保證晶片的加工精度[1]。自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用較多的工序有倒角、激光打標(biāo)、光刻等。

目前晶片定位技術(shù)主要有兩種：電子定位、電子機(jī)械定位。在定位過(guò)程中，需要找到晶片的主參考面或者定位槽（對(duì)6英寸以上晶片）。對(duì)于有參考面的晶片，電子機(jī)械定位技術(shù)應(yīng)用較多，機(jī)械定位配合電傳感器，定位精度一般可以達(dá)到100 μm范圍，這樣的精度能夠滿足光刻工藝預(yù)對(duì)準(zhǔn)要求[2]。如果要同時(shí)滿足帶定位槽和帶參考面兩種晶片的定位要求，則往往采用電子定位系統(tǒng)，這是本文討論的重點(diǎn)。

1 晶片輪廓特點(diǎn)以及識(shí)別的主要數(shù)據(jù)

對(duì)于帶定位槽的晶片（DOTCH），如圖 1所示。沿位置8和位置4通過(guò)圓心連線，其長(zhǎng)度記為L(zhǎng)，將晶片直徑記為準(zhǔn)，定位槽的深度記為H，則H=準(zhǔn)-L。我們可以用晶片的直徑和槽的深度反映晶片的輪廓特點(diǎn)。

圖1 有定位槽的晶片示意圖

圖2 只有主參考面的晶片示意圖

對(duì)于只有一個(gè)參考面的晶片(OF)，如圖2所示，沿位置8和位置4通過(guò)圓心連線，其長(zhǎng)度記為B，將晶片直徑記為準(zhǔn)，可以用B和準(zhǔn)反映晶片的輪廓特點(diǎn)。對(duì)于有兩個(gè)參考面的晶片，主參考面和次參考面之間有一定的夾角，可以用B和準(zhǔn)以及夾角反映晶片的輪廓特點(diǎn)。

2 數(shù)據(jù)采集方法及數(shù)據(jù)特點(diǎn)

我們以單參考面晶片為例說(shuō)明判斷過(guò)程與原理。

2.1 數(shù)據(jù)采集方法

晶片的輪廓特點(diǎn)和特征值在上節(jié)已經(jīng)說(shuō)明。對(duì)晶片的定位就是要得到晶片的位置信息，這些信息需要由大量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理得到。經(jīng)過(guò)機(jī)械手傳片后，晶片進(jìn)入設(shè)備坐標(biāo)系中。如圖3所示，其中B點(diǎn)是設(shè)備中固定位置，傳感器的位置也是固定的，只要得到晶片圓心位置A的信息、參考面EF的信息，就完成了晶片的精確定位。通過(guò)機(jī)械手將定位后的晶片精確傳送到加工工位，即可以進(jìn)行晶片的精密加工[3-4]。

圖3 晶片的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在圖3所示的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，固定點(diǎn)B是承片臺(tái)的中心，晶片由真空吸附在承片臺(tái)上[5]，承片臺(tái)以一定角度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)由傳感器讀取晶片邊緣的位置信息，完成數(shù)據(jù)采集。

2.2 數(shù)據(jù)特點(diǎn)

在晶片定位中，我們需要的是晶片圓心和參考面信息，如圖3所示，通過(guò)A和B兩點(diǎn)做一直線，與圓相交于B1和B2，除參考面外，圖形沿AB直線對(duì)稱，參考面上任意一點(diǎn)與B之間的連線都比線段B B2短。

3 數(shù)據(jù)分析及處理

數(shù)據(jù)采集是分步進(jìn)行，以承片臺(tái)旋轉(zhuǎn)一定角度獲取位置信息，信息量和數(shù)據(jù)處理精度取決于旋轉(zhuǎn)角度大小。以旋轉(zhuǎn)角為0.0036°，則完成360°采集數(shù)據(jù)量為100000。處理方法：

輪廓識(shí)別軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理后，得到最大值Lmax=BB2和最小值Lmin=BB1，同時(shí)記錄得到最大值和最小值旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而得到晶片圓心線和偏移值Δ=AB的信息。采集到的數(shù)據(jù)中，用得到最?。ù螅┲禃r(shí)的旋轉(zhuǎn)角度加或減90°，就得到晶片邊緣位置對(duì)應(yīng)的距離，記為：L1=BD=BC，晶片半徑為R，，則：

其中：L是Lmax=BB2或最小值Lmin=BB1

同樣的數(shù)據(jù)處理，可以得到BE和BF的長(zhǎng)度，及它們之間的夾角α=∠EBF。對(duì)三角形△EBF做垂線 BG，β1=∠EBG，β2=∠GBF，則 α=β1+β2，參考面長(zhǎng)度 LEF=LBE×sin β1+LBF×sin β2，且 LBE×cos β1=LBF×cosβ2

通過(guò)計(jì)算可以得到 LEF，以及 β1和 β2，進(jìn)而得到B值。至此得出晶片定位需要的所有信息：R、B、Δ、∠GBA[6，7]。

同樣的處理方法可適用于次參考面。

4 定位系統(tǒng)組成

要完成上述數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理，需要如下部件：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、承片臺(tái)步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、位置傳感器等。位置傳感器的選擇有多種方案，列出以下兩種方案供參考：

1）位置傳感器使用光電傳感器，該傳感器由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在承片臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)光電傳感器，由傳感器狀態(tài)記錄驅(qū)動(dòng)傳感器電機(jī)的數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到位置信息。

2）采用專用傳感器以及驅(qū)動(dòng)器：KEYENCE LS-7000 MICROMETER以及LS-7030傳感器。

5 結(jié) 論

定位系統(tǒng)是設(shè)備的一部分，在實(shí)際使用過(guò)程中，選擇的定位方法與設(shè)備要求的精度有關(guān)，還要考慮設(shè)備常量以及晶片進(jìn)入設(shè)備坐標(biāo)系的容差值。對(duì)于與數(shù)據(jù)處理相關(guān)的輪廓識(shí)別軟件，在實(shí)際應(yīng)用中要考慮其響應(yīng)速度、數(shù)據(jù)處理速度、軟件容錯(cuò)性等多種因素。

[1] 王學(xué)軍.對(duì)硅片自動(dòng)定位方法及軟件控制原理的探討[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2004，33(12):63-65.

[2] DECLERCKG.Material，processandapplication research formore moore and more than moore atIMEC[C]..ISTC/CSTIC 2009中國(guó)國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)研討會(huì).上海，中國(guó)，2009:32-41.

[3] SKUNANICHA，YAMARTINOJ，MUID，etal.Process optimizationandcontrolbasedontoo-lleveldata:advanced etch applications[J].SST，2004，47(6):104-112.

[4] GASSER B.The future of process control systems in high performance Si based nanotechnology[C]..AEC/APC Symp.Osaka，Japan，2003.

[5] MUI D，SASANO H，LIU W，et al.Integrated optical metrology controls pos-t etch CDs[J].Semiconductor International，2002，25(6):83-90.

[6] 徐品烈.高速粘片機(jī)晶片工作臺(tái)的電機(jī)選型計(jì)算與運(yùn)動(dòng)控制[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2007，144(1):66-70.

[7] 張林.DMC運(yùn)動(dòng)控制卡在硅片倒角機(jī)中的應(yīng)用[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2006，137(7):49-51.