一種探針臺自動定位方法的研究與實現(xiàn)

黃金蘭,趙明宇,劉　烽

(秦皇島視聽機械研究所，河北 秦皇島　066000)

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一種探針臺自動定位方法的研究與實現(xiàn)

黃金蘭,趙明宇,劉烽

(秦皇島視聽機械研究所，河北 秦皇島066000)

摘要：探針臺希望在上片后無需人工對準，就能從晶圓的第一個晶粒(第一點)開始檢測，然而晶圓上片后，探針下方的開始位置往往并不是第一點；為了讓第一點快速的移至探針下方，對平臺的運行軌跡進行了研究，提出了螺旋定位法的概念，以平臺上開始位置為中心，螺旋式步進運行，配合鏡頭的圖像識別技術(shù)，一步一識別，逐步擴大范圍，直至在鏡頭視野中找到晶圓中唯一的特殊晶粒(特殊點)；由于第一點與特殊點的位置相對固定，所以找到了特殊點即找到了第一點；此方法經(jīng)過算法分析及整合編程后，進行了多次試驗，并交付客戶使用，第一點都能快速移至探針正下方且長時間運行穩(wěn)定；此自動定位方法不僅節(jié)省了人力成本，提高了定位精度，又大大地提升了探針臺的工作效率。

關(guān)鍵詞：探針臺；晶圓；螺旋定位；第一點；特殊點

0引言

探針臺是半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝中的中檢測試設(shè)備，與測試儀連接后，能自動完成對晶圓片的電參數(shù)和功能進行測試，并對不合格的晶粒進行標記[1]。如今的探針臺都要求精度高、效率高、可靠性高、自動化程度高。

對于一臺自動探針臺，開始檢測的理想位置是晶圓上第一粒晶粒剛好處于探針的下方，且晶圓上晶粒的排列方向與平臺XY軸運動方向平行。然而，在操作時，第一步是人工放片，即晶圓通過操作人員手工放置到承片臺上，第二步是上片，即承片臺隨平臺移動至大致的起始位置。此刻，承片臺上晶圓的位置一般與理想位置有很大的誤差。所以上片完成后，在機器視覺的識別下，首先進行調(diào)平，使晶圓的行列與平臺的X,Y軸運行方向平行。然后通過機器視覺找到晶圓開始測試的第一點[2]。此文主要討論如何快速準確的定位第一點。

晶圓測試的第一點位于左側(cè)第一列的上面第一個晶粒或者最上面第一行的左邊第一個晶粒，調(diào)平后探針所在的位置是隨機的，可能在晶圓的任何一個位置，要讓機器識別出來探針現(xiàn)在所在位置并不是第一點位置，并且要控制平臺移動承片臺使晶圓第一點位于探針正下方[3]。這個過程實現(xiàn)起來有一定的難度，現(xiàn)有的處理技術(shù)多種多樣，但是鑒于知識產(chǎn)權(quán)的原因，現(xiàn)提出了另一種方法——螺旋定位法。

1結(jié)構(gòu)

1.1電氣結(jié)構(gòu)

探針臺主要由計算機、運動控制卡、電機驅(qū)動器、電機、相機、圖像采集卡及接口電路組成，整個系統(tǒng)采用上下位機模式，上位機主要通過C++ MFC編程編輯人機界面，包括系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)測，動態(tài)顯示等功能，下位機的核心是接在PC機的PCI口的運動控制卡，電機驅(qū)動器等接在控制卡的IO口上，這樣就能通過上位機的指令控制機械平臺等運動[4]。尋找第一點，主要就是通過上位機編程，加上螺旋定位的算法，在顯微相機圖像處理的輔助下完成功能。

1.2機械結(jié)構(gòu)

自動探針臺的機械平臺是整個結(jié)構(gòu)中的主體，晶圓的傳輸(上下片)，承片臺升降、旋轉(zhuǎn)等都是通過這個平臺來實現(xiàn)的。X，Y兩個垂直方向的運動部件均采用的是伺服電機加驅(qū)動器帶動導(dǎo)軌絲杠的結(jié)構(gòu)，主要實現(xiàn)承片臺的平面進給走向，承片臺下方有一Z軸電機，控制承片臺升降，另外還有一個U軸電機調(diào)整承片臺旋轉(zhuǎn)角度[5]。

圖1　探針臺平臺機械結(jié)構(gòu)圖

2算法理論

2.1程序流程

每片晶圓上有一個唯一的特殊點，它區(qū)別于晶圓上其他任何一個晶粒。同一批次生產(chǎn)的晶圓片上的特殊點幾乎是一致的，所以測試同一批次的晶圓時，只需要設(shè)置一次特殊點的模板，系統(tǒng)保存后會自動識別符合其模板的特殊點。且第一點與特殊點的位置相對固定，它們之間的運動軌跡也可由系統(tǒng)事先確定并保存，一旦找到特殊點，系統(tǒng)會自動按照這個固定的運動軌跡移動平臺，使第一點在探針正下方，由此開始測試。

圖2所示為尋找特殊點的程序流程圖，虛線框內(nèi)是實現(xiàn)算法的過程，m的數(shù)值逐次加1，通過m的數(shù)值，來確定下一次相應(yīng)的相對運動坐標。

如圖3所示，虛線框內(nèi)為鏡頭視野，要注意的是鏡頭實為不動點，承片臺所載晶圓實為動點，圖中為相對運動狀態(tài)，m指移動次數(shù)，坐標(x,y)代表X，Y軸的相對運動位移。

圖2　程序流程圖

結(jié)合圖2與圖3，晶圓上片后，探針的初始位置在初始視野的中心(m=0)，對應(yīng)坐標為(0,0)，在初始視野中，鏡頭沒有匹配到特殊點模板，即沒有識別捕捉到特殊點，則m=m+1，依照算法，移動坐標為(1,0)，即X軸往正方向移動一個晶粒的距離(平臺往左，示意圖中往右)，此時視野中心來到離剛才的初始晶粒右邊的晶粒1，在此視野中，仍然沒有找到特殊點，m繼續(xù)加1，移動坐標為(0,1)，Y軸往正方向移動一個晶粒的距離(平臺往后，示意圖中往上)，視野中心來到晶粒2，鏡頭依然尋找特殊點。依次類推，直到在視野中出現(xiàn)特殊點，并且與特殊點模板匹配上，才能進行下一步——移至第一個晶粒位置處。

圖3　螺旋定位法示意圖

2.2算法詳解

程序中，若在視野中沒有匹配到特殊點模板，則m=m+1，按照螺旋法算法，可計算出X,Y軸電機的相對運動坐標，移至下一個晶粒處。如何使平臺按照螺旋法移動到下一個點可通過以下計算方法得到。表1為平臺每次移動坐標個數(shù)，從中找到m與各坐標出現(xiàn)個數(shù)的關(guān)系。

表1　平臺移動坐標個數(shù)與m的關(guān)系

m的值為0,1,2,……，每移動一個坐標后到達某個視野，若沒有特殊點，則m+1，所以m是一個已知值。根據(jù)表1：

現(xiàn)列出不等式：M1+1≤m≤M2，求出n的取值范圍，由于n∈N，就能確定n的值。

解得n的范圍：

n根據(jù)范圍確定為n0，此時再確定m的數(shù)值處于以下4個區(qū)間中的哪一個，每一個區(qū)間對應(yīng)相應(yīng)的移動坐標。

判斷m∈上述4組區(qū)間的哪一組，每一組區(qū)間對應(yīng)平臺移動的坐標，

以上計算過程即為螺旋定位法的具體實現(xiàn)，根據(jù)算法結(jié)果，在程序的相機視圖類CCcdView中，結(jié)合電機控制類CMotorControl對象，加入此算法程序[6]。

3結(jié)論

BTZ-3100型自動探針臺加上螺旋定位法晶圓上片調(diào)平后到找到特殊點的過程如圖4所示，圖4(a)為起始視野，在此視野中沒有找到特殊點，圖4(b)為平臺根據(jù)螺旋定位法軌跡運行至某處的視野，在此視野中仍然沒有找到特殊點，繼續(xù)按照程序設(shè)定軌跡運行，圖4(c)為目標視野，視野中右下方開始出現(xiàn)特殊點，立刻匹配上模板，把特殊點移至預(yù)定位置，接下來，平臺按照特殊點與第一點之間的固定運動軌跡，最終使第一個晶粒(第一點)移至探針正下方。

BTZ-3100自動探針臺在顯微鏡相機的輔助下，加上螺旋定位法后，定位至第一點的過程平均用時不超過0.4s(與視野放大倍數(shù)相關(guān))，而之前人工操作平均用時為10s，顯然，第一點定位速度加快，效率更高。螺旋定位法在BTZ-3100型自動探針臺上經(jīng)過多次試驗，并在交付客戶使用中，此自動定位部分運行平穩(wěn)，且在長時間運行的情況下，沒有出現(xiàn)異常。

圖4　BTZ-3100探針臺找到特殊點過程圖

探針臺操作中，占用人力資源最多的步驟在于晶圓上片到第一點對準完成這一流程，所以此自動定位法的運用，在很大程度上又降低了人力成本。更值得一提的是，在機器視覺的幫 助下，平臺把第一點移至探針下方的精度將比人為操作找準定位精度更高，也可避免工人用眼疲勞。

在此螺旋定位法的基礎(chǔ)上，還可發(fā)展成為n晶粒模板的螺旋定位法，平臺步進距離相應(yīng)的也變成n倍，運用此改進型的螺旋定位法，速度將會更快。

參考文獻：

[1] 張曉生.機器視覺在全自動探針臺中的應(yīng)用[D].深圳：哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，2008,12.

[2] 張小龍.基于機器視覺的探針自動定位測試系統(tǒng)研究[D].長沙：中南大學(xué)，2014,5.

[3] 羅和平.數(shù)字IC自動測試設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2008,4.

[4] 鄭阿奇，丁有和，鄭進，等.VisualC++實用教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[5] 譚立杰，王洪宇，王文舉.大直徑探針臺的晶圓自動傳輸系統(tǒng)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2011，202：36-40.

[6] 徐如，秦會斌，鄭梁.基于探針臺的測量系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].機電工程，2011，28(12)：1536-1538.

Research and Implementation of an Automatic Locating Method on Probe System

Huang Jinlan，Zhao Mingyu，Liu Feng

(Qinhuangdao Audio-visual Machinery Research Institute, Qinhuangdao066000, China)

Abstract：The probe system is always supposed to detect from the first grain of the wafer without manual alignment after wafer upload. However, the first position below the probe is often not ideal. In order to make the first grain below the probe quickly, spiral localization algorithm is coming out. The unique special grain of the wafer should be found first. The platform is treating the first position as the center and step moving spirally, the search range is extending step by step until find the special grain. Since the location of the first grain and the special grain is relatively fixed, so the first grain can be easily found after special grain. This method has carried on the experiment many times after integrate programmed. Now the whole system has already consigned to usage, the movements work well and stably, special grain can be found very quickly. After all, this automatic locating method not only saves labor costs, to improve the positioning accuracy, and greatly improve the efficiency of the probe system.

Keywords：probe system；wafer；spiral localization；first grain；special grain

文章編號：1671-4598(2016)02-0261-03

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.072

中圖分類號：TP23

文獻標識碼：A

作者簡介：黃金蘭(1988-)，女，浙江德清人，碩士，主要從事半導(dǎo)體專用設(shè)備方向的研究。

收稿日期：2015-08-27；修回日期：2015-10-09。