半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)綜述

耿克濤 劉長(zhǎng)偉 陳勝華 王石磊

寧波潤(rùn)華全芯微電子設(shè)備有限公司 浙江 寧波 315400

引言

半導(dǎo)體生產(chǎn)過(guò)程中，需要確定晶圓的圓心坐標(biāo)。隨著半導(dǎo)體制造工藝的提升，對(duì)晶圓圓心坐標(biāo)的定位精度也不斷提高。因此，在制造環(huán)節(jié)中需要晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)晶圓中心進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。伴隨著新技術(shù)的應(yīng)用，晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)從傳統(tǒng)的機(jī)械式不斷發(fā)展出基于視覺(jué)的晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)以及光電式晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)。

1 機(jī)械式晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)

機(jī)械式晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)主要依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)推擠晶圓的邊緣，實(shí)現(xiàn)晶圓對(duì)準(zhǔn)。

圖1為夾持式機(jī)械預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)[1]，通過(guò)夾持氣缸兩側(cè)的輸出端分別連接對(duì)中塊，兩側(cè)的對(duì)中塊上分別均布有多個(gè)柱塞彈簧對(duì)中組件，實(shí)現(xiàn)對(duì)中央吸盤(pán)上的晶圓進(jìn)行對(duì)中操作。

圖1 夾持式機(jī)械預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)

圖2為一種依靠滾珠運(yùn)動(dòng)推動(dòng)晶圓邊緣對(duì)準(zhǔn)的機(jī)械式預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)[2]。

圖2 滾軸式機(jī)械預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)

機(jī)械式對(duì)中結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)控制過(guò)程簡(jiǎn)單、成本低；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度差、易污染、易損傷。由于其精度較差，因此一般用于微米級(jí)設(shè)備中[3]。

2 基于視覺(jué)的晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)

圖像識(shí)別定位式：通過(guò)攝像頭對(duì)晶圓進(jìn)行成像，然后捕捉晶圓外輪廓得到晶圓圓心。

基于視覺(jué)的晶圓對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)[4]結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用大幅面紅外光源作為背光源，晶圓上方采用高分辨率相機(jī)鏡頭對(duì)晶圓進(jìn)行圖像采集。在圖像中提取晶圓邊緣確定晶圓的中心。然后通過(guò)高精度二維微動(dòng)平臺(tái)調(diào)整偏差，完成預(yù)對(duì)準(zhǔn)操作。

圖3 基于視覺(jué)的晶圓對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)

針對(duì)尺寸較大的晶圓，由于相機(jī)視野與系統(tǒng)體積的限制，會(huì)采用對(duì)晶圓邊緣逐次成像的方式進(jìn)行預(yù)對(duì)準(zhǔn)。如圖4為一種基于視覺(jué)尋邊的晶圓對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)[5]。系統(tǒng)通過(guò)攝像頭采集晶圓邊緣圖像，首先根據(jù)采集到的晶圓圖像，通過(guò)二維傅里葉變換對(duì)晶圓圖像進(jìn)行頻域提取，得到晶圓偏離角。然后，采用Canny邊緣檢測(cè)得到晶圓邊緣點(diǎn)坐標(biāo)，多次采樣后得到做個(gè)位置點(diǎn)坐標(biāo)；再采用最小二乘回歸法求出晶圓所在圓的中心坐標(biāo)與直徑。

圖4 基于視覺(jué)尋邊的晶圓對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)

這樣，系統(tǒng)通過(guò)一種基于傅里葉變換和最小二乘回歸的晶圓位置預(yù)對(duì)準(zhǔn)算法，實(shí)現(xiàn)晶圓的預(yù)對(duì)準(zhǔn)。該算法能自動(dòng)適應(yīng)二維空間中不同類(lèi)型的晶圓。缺點(diǎn)是在確定晶圓偏離角時(shí)，需對(duì)晶圓圖像二維傅里葉變換進(jìn)行頻域提取。因此對(duì)無(wú)圖案晶圓無(wú)法執(zhí)行。

3 光電式晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)

考慮到大部分半導(dǎo)體生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)對(duì)空間大小的限制以及預(yù)對(duì)準(zhǔn)精度要求的提升等，空間需求更小、精度更高的光電式晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)逐漸成為主流。

光電式晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的工作過(guò)程為：首先，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)承載臺(tái)旋轉(zhuǎn)與晶圓旋轉(zhuǎn)，光學(xué)位置傳感器獲取不同旋轉(zhuǎn)角度下晶圓邊緣遮擋的長(zhǎng)度，從而得到不同角度下晶圓邊緣到旋轉(zhuǎn)中心的半徑。

如圖5示意的一種光電式晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)[6]。

圖5 光電式晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)

然后，通過(guò)質(zhì)心法或最小二乘法等算法計(jì)算得到晶圓所在圓的圓心坐標(biāo)。

如圖6所示，為美國(guó)Genmark公司的光電式晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)Stand Alone Pre-Aligner。

圖6 Genmark公司晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置

最后，根據(jù)得到的圓心偏移情況，通過(guò)平移單元將晶圓調(diào)整至目標(biāo)位置。

圖7 不同平移單元的晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置

如圖7所示，不同平移單元組成的晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置示意圖。因此，根據(jù)平移單元的結(jié)構(gòu)不同，可以將光電式晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，分為X-Y-Z-θ四自由度、Y-Z-θ三自由度式、X-Y-θ三自由度式/θ單自由度式四種[7]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)現(xiàn)有晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行回顧，總結(jié)了常見(jiàn)的三大類(lèi)預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的工作原理、應(yīng)用場(chǎng)景與優(yōu)缺點(diǎn)。目前，隨著半導(dǎo)體加工工藝的發(fā)展，晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)仍在不斷發(fā)展迭代。相信未來(lái)伴隨著新技術(shù)、新工藝的加入，體積更小、使用更方便、精度更高、速度更快的晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)會(huì)不斷出現(xiàn)。