提高晶圓掃描效率的方法研究

羅 楊

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京101601)

隨著手機的功能日益強大，攝像頭已是手機的一個常規(guī)配置。為保證攝像頭的品質(zhì)，在其還是裸片時就需要對其性能進行測試。通常，在攝像頭的主芯片（裸片）中已經(jīng)集成了影像采集和處理功能，配合鏡頭就構(gòu)成一個完整的攝像頭。芯片的正面是呈矩陣排列的金屬凸點，探針從正面接觸凸點來進行電參數(shù)的測試；鏡頭從背面接觸芯片，進行圖像測試。檢測時，首先對芯片進行電參數(shù)的測試，包括開路測試和短路測試。電參數(shù)測試合格后，再打開光源，進行圖像檢測。

目前的測試大多是針對已劃切的單粒芯片，采用純手動的方式進行操作和判斷。測試時，將芯片嵌入測試板，測試板通過USB 口與電腦連接，電腦端安裝有配套的測試軟件。打開測試板的電源后，先手動選擇進行開短路的電參數(shù)測試，測試軟件會根據(jù)預(yù)設(shè)的條件判斷是否合格；若合格，再手動開啟圖像采集功能，采集到的圖像顯示在電腦端，由人工判斷是否存在壞點等缺陷。測試完畢后，關(guān)閉電源，更換下一粒芯片。

為了提高效率，可以選擇采用自動化的設(shè)備來直接測試未劃切的攝像頭芯片。劃切前的攝像頭芯片均勻分布在200 mm(8 英寸)的晶圓上(如圖1 所示)。設(shè)備的工作原理：在晶圓的正面，有兩個X、Y 方向的電機帶動探針組件運動，在晶圓的背面，另有兩個X、Y 方向的電機帶動鏡頭運動。測試時，探針組件和鏡頭定位到同一個芯片的正反面，與測試板通訊來進行測試，測試過程與手動測試類似。測試完成后再定位到下一個芯片。由于芯片的正反兩面在測試過程中均需要使用，晶圓必須采用環(huán)型夾具來懸空固定。夾具在正反兩面都高出晶圓表面約5 mm；而在移動過程中，探針脫離凸點的距離在0.3～0.5 mm 之間，鏡頭距離芯片背面的距離不到0.1 mm。因此，測試過程中必須嚴格控制測試范圍，避免由于碰到夾具而造成探針和背面鏡頭的損壞。

為了校正晶圓的角度以及統(tǒng)一探針組和鏡頭的坐標系，設(shè)備配有智能相機來進行圖像識別。智能相機是一種高度集成化的微小型機器視覺系統(tǒng)，它將圖像的采集、處理和通信功能集成于單一相機內(nèi)，從而提供了具有多功能、模塊化、高可靠性、易于實現(xiàn)的機器視覺解決方案[1]。使用時，先為智能相機設(shè)定模板，然后移動智能相機，捕捉圖像。捕捉到的圖像若能與模板匹配，智能相機計算后將給出圖像的X、Y 以及θ 坐標，若不能匹配，則給出提示。由于智能相機具有較大的焦距，其鏡頭與晶圓的垂直距離遠大于環(huán)形夾具5 mm 的高度，所以它可以運動到晶圓的邊緣任意位置，而不用擔心與環(huán)形夾具發(fā)生碰觸。下面對利用智能相機進行掃描的兩種方案進行分析。本文將就如何利用智能相機來準確高效定位晶圓的有效測試范圍展開分析。

1 掃描方案分析

掃描方案有兩種，“全片掃描”和“邊緣掃描”，下面將具體分析兩種方案的實現(xiàn)方法、優(yōu)點與缺點，找出二者中效率更高者。

1.1 全片掃描

圖1 晶圓模擬圖示

“全片掃描”，顧名思義，就是指利用智能相機逐一掃描整個晶圓上的所有芯片，從中去掉邊緣殘片，確定出晶圓的有效測試范圍。具體實現(xiàn)方法如下：

1.1.1 實現(xiàn)方法

首先，選擇一個標準芯片為智能相機建立模板，在掃描過程中，捕捉到的圖像都會與此模板比較，若不能匹配，則判斷為無效芯片。

然后，智能相機按照一定的路徑掃描整個晶圓的范圍，將每一個能與模板匹配的芯片的脈沖坐標記入文件中。處于晶圓邊緣的芯片由于殘缺不能與模板匹配，被判斷為無效芯片，其信息不會記錄到文件中。通過這種方式，可以過濾掉邊緣的殘缺芯片，掃描結(jié)束后，得到一個記錄有效芯片信息的坐標映射文件。

在測試過程中，讀取坐標映射文件，依次運動到文件中記錄的坐標位置進行測試即可。由于文件中已經(jīng)過濾掉邊緣的殘缺芯片，所以能保證測試針和鏡頭的安全。全片掃描和全片掃描后的測試流程圖如圖2 所示。圖3 為全片掃描時智能相機的運動軌跡示意圖。

1.1.2 優(yōu)點與缺點

從實現(xiàn)方法可以看出，全片掃描的優(yōu)點是簡單易行，直接使用智能相機掃描全片即可。由于每個有效管芯的坐標都已記錄，測試過程中不用再次計算，只用讀取文件，運動到指定的絕對坐標處即可。

但由于算法簡單，全片掃描同時還具有如下缺點：①掃描范圍過大，消耗時間太長；②由于光線等原因，部分處于有效測試范圍內(nèi)的完整管芯不能與模板匹配，沒有記入坐標文件，造成漏測。③由于裝載晶圓的差異，即使是同一型號的晶圓，其電機脈沖坐標也存在差異，掃描好的坐標文件不能重復(fù)利用，每個晶圓測試前都必須重新掃描。

圖2 全片掃描及其測試流程圖

圖3 全片掃描軌跡示意圖

1.2 邊緣掃描

“邊緣掃描”是相對“全片掃描”而言，指利用智能相機掃描晶圓邊緣上的完整芯片，通過計算，確定出晶圓的有效測試范圍。

由于晶圓中的所有芯片大小相同，且分布間隔均勻，所以晶圓中各芯片的相對位置關(guān)系是固定的。因此，只要確定出其中一個芯片的絕對坐標，其余芯片的坐標也可以確定。其實，確定晶圓有效測試范圍的關(guān)鍵點在于定位晶圓最外圈有效芯片的位置，在其以內(nèi)的芯片必然是可以進行安全測試的，而且其坐標也可以計算出來（見圖4）。邊緣掃描需要兩個輔助條件：查找首測點和進行Map 坐標映射。

圖4 內(nèi)外圈有效管芯分布圖

1.2.1 查找首測點

在邊緣掃描法中，只用記錄一個特殊芯片的脈沖坐標，其他有效芯片的脈沖坐標可以由這個特殊芯片計算得到。這個特殊芯片稱為首測點，是指按照從左到右，從上到下的方向查找到的晶圓左上角第一個匹配的芯片。

查找首測點時，首先根據(jù)晶圓的中心坐標(XC，YC)和片徑D，計算出位于左上角且在晶圓外部的一個坐標(X0，Y0)，計算見公式(1)；然后相機運動到(X0，Y0)處，按照從左到右，從上到下的順序查找能與模板匹配的第一個芯片，該芯片就是首測點(XF，YF)，如圖5 所示。圖6 為查找首測點流程圖。

圖5 首測點示意圖

1.2.2 Map 坐標映射

晶圓安裝到設(shè)備上后，晶圓的每個位置都可以獲得脈沖坐標。設(shè)晶圓的脈沖中心坐標為(XC，YC)，芯片的脈沖尺寸為SX和SY，任意芯片中心的脈沖坐標為(XP，YP)，Map 坐標為(XM，YM)，可以得到Map 坐標映射公式(2)：

Map 坐標可以看作是對晶圓的一個提煉和簡化，其坐標值均為整數(shù)。上述公式反映了晶圓上各芯片相對于中心的位置關(guān)系。對于同一型號的晶圓，這種位置關(guān)系是唯一的。圖7 中顯示了各芯片的Map 坐標關(guān)系。

在查找首測點后，可以得出首測點的脈沖坐標為(XF，YF)，根據(jù)上述公式，可以計算出其Map坐標為(XMF，YMF)。若已知某芯片的Map 坐標為(XM，YM)，芯片的脈沖尺寸為SX和SY，根據(jù)啟測點獲取其脈沖坐標(XP，YP)的公式(3)為：

圖6 查找首測點流程圖

圖7 芯片相對于中心的關(guān)系

1.2.3 掃描邊緣

綜合上述兩個條件，可以得出這樣一個方法：首先采用某種方法僅掃描晶圓的邊緣，根據(jù)公式(2)計算出每個有效邊緣管芯的Map 坐標，記入文件。這個文件反映了芯片間的相對關(guān)系，對同一型號的晶圓都是有效的。在自動測試前，先查找首測點得到一個實際脈沖坐標，根據(jù)公式(3)來推算所有有效芯片的實際脈沖坐標。

掃描邊緣時，將晶圓分為左右兩個部分，先掃描晶圓的左側(cè)邊緣，再掃描晶圓的右側(cè)邊緣。兩側(cè)邊緣在X 方向均按照從晶圓外側(cè)向晶圓內(nèi)側(cè)運動的方式掃描，找到匹配芯片后，將其Map 坐標記錄到文件中，然后退回到晶圓外側(cè)；在Y 方向按照從上到下運動的方式進行掃描，直到掃描完整個晶圓。掃描邊緣的流程圖和邊緣掃描軌跡示意圖分別如圖8 和圖9 所示。

自動測試開始前，先查找啟測點，獲得啟測點的脈沖坐標。根據(jù)啟測點的定義，其必然對應(yīng)掃描邊緣時記錄的Map 坐標文件中左邊緣的第一個Map 坐標值。這樣，有了啟測點的脈沖坐標和Map坐標，再加上文件中記錄的邊緣芯片的Map 坐標，根據(jù)公式(3)，可以計算出所有邊緣管芯的脈沖坐標。在測試時，根據(jù)計算出當前行的最左和最右邊緣的X 坐標，就可以確定出當前行的測試范圍。以此類推，整個晶圓的測試范圍也都可以確定。這樣，針對同一型號的晶圓，掃描一次邊緣得到邊緣芯片的Map 坐標文件后，以后每次測試前只用查找啟測點來重新確定脈沖坐標即可。圖10為邊緣掃描后的測試流程圖。

1.2.4 優(yōu)點與缺點

從實現(xiàn)方法可以看出，邊緣掃描的優(yōu)點有：①掃描范圍小，消耗時間短；②同一型號的晶圓只用掃描一次邊緣，以后每次測試該型號的晶圓只用簡單查找一下首測點即可，利用率很高。

邊緣掃描具有的缺點：①以管芯大小與間隔均勻為前提，適用范圍有限制；②掃描得出的只是相對坐標，在實際測試中還要計算每個管芯的脈沖坐標。

1.3 兩種方案的效率比較

設(shè)整個晶圓中的有效管芯個數(shù)為NT，邊緣管芯個數(shù)為NE，電機走單個步距的平均時間為T1，電機走5 倍步距的平均時間為T5，智能相機平均匹配時間為TC，查找首測點的平均時間為TF，那么進行一次全片掃描的耗時TA 和進行一次邊緣掃描的耗時TE 的計算公式分別為：

圖8 掃描晶圓邊緣流程圖

圖9 邊緣掃描軌跡示意圖

圖10 邊緣掃描測試流程圖

以片徑為200 mm，芯片大小為3 mm×3.1 mm的晶圓為例，計算可得有效管芯個數(shù)NT=3200 個，邊緣管芯個數(shù)NE=120 個。運動參數(shù)如表1 所示。

以表1 的速度分別進行2000 次的單個步距走步和5 倍步距走步，計算單次走步的時間，如此重復(fù)5 次，求得平均值T1=109ms，T5=349ms。以類似的方法求得智能相機平均匹配時間TC=13ms。再進行10 次查找首測點步驟，計算平均時間TF= 11s, 則根據(jù)公式 (4) 和公式 (5)：TA=7.205min，TE=1.814min。

表1 運動參數(shù)

可以看出，僅單次掃描一個晶圓，“邊緣掃描”就比“全片掃描”要快約5 min：

TA-(TE+TF/60)=7.205-1.997=5.207 min。

若有10 個同一型號的晶圓需要測試，其掃描所消耗的時間差距就更大：

10TA-(TE+10TF/60)=70.25-3.647=66.603 min。

經(jīng)過比較可以得出：兩種掃描方式各有優(yōu)缺點，“全片掃描”簡單易行，但可能漏掉有效芯片，耗時較長，且不能重復(fù)使用掃描結(jié)果，效率較低；“邊緣掃描”耗時短，與查找首測點配合使用，對同一型號的晶圓可以重復(fù)利用，在測試同一型號的多個晶圓時的效率優(yōu)勢非常明顯。

2 結(jié)束語

本文從測試手機攝像頭芯片引出“如何通過智能相機掃描晶圓的測試范圍”這一問題，通過分析比較，找到了一種提高晶圓掃描效率的方案：邊緣掃描。這種方案對于掃描管芯未劃切、且管芯大小與間隔均勻的晶圓有很高的效率，并可以推廣到其他需求和條件類似的設(shè)備中使用，如探針臺等。

[1] E.R. Davies 著，Machine vision：theory，algorithms，practicalities（機器視覺：理論、算法與實踐）[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[2] 北京凌云光視數(shù)字圖像技術(shù)有限公司. 圖像和機器視覺產(chǎn)品手冊[Z]. 北京，2007.

[3] 深圳度信科技有限公司，測試板V90 產(chǎn)品說明手冊[Z].深圳，2009.

[4] 王建波，胡泓. 圖像模板匹配技術(shù)在探針臺系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 計算機與信息技術(shù)，2006，(1-2)：13.