劉勁松，王 森，褚大偉

(1．上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2．上海微松工業(yè)自動(dòng)化有限公司，上海 201114)

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采用晶圓傳送機(jī)器人的晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)方法

劉勁松1，2，王 森1，褚大偉1

(1．上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2．上海微松工業(yè)自動(dòng)化有限公司，上海 201114)

針對(duì)傳統(tǒng)的晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)控制系統(tǒng)成本高和體積大的不足，設(shè)計(jì)了基于晶圓傳送機(jī)器人的晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置，并提出了高效、高精度的晶圓圓心和缺口定位算法。采用交換吸附的方式通過預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置一維旋轉(zhuǎn)和晶圓傳送機(jī)器人空間平移實(shí)現(xiàn)晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)。誤差分析及預(yù)對(duì)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，晶圓圓心的定位精度<50 ，預(yù)對(duì)準(zhǔn)時(shí)間為10 s，滿足設(shè)計(jì)要求。

晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)；晶圓傳送機(jī)器人；定位算法；交換吸附

集成電路 (IC)[1]是制造技術(shù)(工藝)的更新和更高性能IC制造裝備的研制，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的兩個(gè)重要因素，而制造裝備又是實(shí)現(xiàn)工藝技術(shù)的載體[2]。

光刻機(jī)是微電子器件制造業(yè)中不可或缺的工具[3]。而這一過程中，晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置是不可或缺的工具，其是以機(jī)械方式或光學(xué)方式對(duì)晶圓進(jìn)行預(yù)對(duì)準(zhǔn)。晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置對(duì)定位精度要求高。本文在保證精度的前提下從降低成本角度設(shè)計(jì)了一種晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)方法，在晶圓傳送機(jī)器人輔助下完成晶圓定位。

1 預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)原理

晶圓植球機(jī)是高端IC封裝的核心設(shè)備，其晶圓級(jí)封裝以Ball Grid Array技術(shù)為基礎(chǔ)，將百微米級(jí)的焊錫球放置到刻好電路的晶圓上[4]，采用凸點(diǎn)技術(shù) (Bumping) 作為其I/O 電極，晶圓上形成凸點(diǎn)有3種方式：電鍍方式、印刷錫膏方式和植球方式[5]。預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置對(duì)晶圓定位，晶圓傳送機(jī)器人將定位后的晶圓放置于植球平臺(tái)，等待晶圓后續(xù)的印刷與植球，此過程傳送機(jī)器人等待時(shí)間較長(zhǎng)。本文創(chuàng)新點(diǎn)是放寬預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置對(duì)晶圓定位的時(shí)間要求，晶圓在印刷和植球的同時(shí)，預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置執(zhí)行對(duì)下一片晶圓的定位動(dòng)作，關(guān)鍵點(diǎn)在于預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置對(duì)晶圓定位的精度要求上。

預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置一般具有3個(gè)自由度：X、Y方向的平移和U軸的旋轉(zhuǎn)，在晶圓對(duì)準(zhǔn)過程中參與的機(jī)構(gòu)越多，引入誤差的因素就相應(yīng)增加。本文設(shè)計(jì)將預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置自由度減少為只有U軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)自由度，將X、Y方向的圓心偏差通過U軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移到Y(jié)方向如圖1所示。在晶圓定位過程中晶圓傳送機(jī)器人是不可或缺的，機(jī)器人的精度略高于預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置精度，定位精度可達(dá)±0.02 mm，因此將預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置Y方向圓心調(diào)整由傳送機(jī)器人完成，預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置只有U軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)自由度。充分利用晶圓傳送機(jī)器人，間接提高了晶圓定位的精度。

晶圓圓心定位通過晶圓在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和傳送機(jī)器人之間交換吸附完成，引入氣動(dòng)交換誤差，為保證定位精度要求真空系統(tǒng)在吸附和釋放晶圓過程中不能產(chǎn)生沖擊,真空壓力變化由原來階躍變化變?yōu)樾逼伦兓?最大限度減小晶圓在交換吸附過程中的精度損失。采用的控制方式是在氣路中加入節(jié)流閥[6]，減小晶圓交換吸附中的誤差。

圖1 預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置機(jī)構(gòu)

晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)方法經(jīng)歷了機(jī)械和光學(xué)預(yù)對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)階段。機(jī)械預(yù)對(duì)準(zhǔn)定位完全受機(jī)械結(jié)構(gòu)精度的影響，測(cè)量精度較低。光學(xué)預(yù)對(duì)準(zhǔn)目前應(yīng)用較為廣泛，其利用光學(xué)測(cè)量元件檢測(cè)晶圓的邊緣，以一定的算法獲得晶圓的圓心位置[7-8]。光學(xué)測(cè)量元件有點(diǎn)陣型、線陣型，也可以是相機(jī)或攝像頭。目前，較為成熟且已投入工業(yè)應(yīng)用的預(yù)對(duì)準(zhǔn)方法采用線陣型光學(xué)傳感器，其不接觸晶圓，具有較高的測(cè)量精度。本文采用光學(xué)預(yù)對(duì)準(zhǔn)線陣CCD檢測(cè)[9]。

2 預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)算法

2.1 晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)策略

計(jì)算晶圓圓心的過程稱為圓擬合，擬合算法的目的是用測(cè)量出的晶圓邊界值來確定晶圓的參數(shù)，根據(jù)得到的參數(shù)對(duì)晶圓進(jìn)行對(duì)心。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算方法的不同，可采用不同的擬合算法，如表1所示。

表1 圓擬合算法比較

分析上述擬合算法:回轉(zhuǎn)半徑法公式簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，但對(duì)于測(cè)量的要求苛刻；軌跡擬合法計(jì)算量小，但精度受測(cè)量噪聲的影響，且晶圓偏心率越小影響越大，此外對(duì)于缺口的判斷存在一定的困難，不適合用在高精度晶圓圓度擬合中；最小二乘圓算法需采集較多邊緣數(shù)據(jù)并進(jìn)行復(fù)雜數(shù)據(jù)運(yùn)算。根據(jù)上述分析，從降低成本角度出發(fā)，借助晶圓傳送機(jī)器人，采用簡(jiǎn)單的線性幾何方法進(jìn)行晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)。

2.2 線性幾何算法

在晶圓傳送機(jī)器人輔助下的晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)如圖2所示，本文采用線性幾何算法對(duì)晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)，如圖3所示。

圖2 預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置與晶圓傳送機(jī)器人示意圖

圖3 晶圓檢測(cè)數(shù)學(xué)模型

圖3機(jī)構(gòu)組成：1.六軸晶圓傳送機(jī)器人；2.叉子；3.線陣CCD傳感器；4.晶圓；5.旋轉(zhuǎn)平臺(tái)。預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置運(yùn)行之前通過機(jī)構(gòu)調(diào)整使得旋轉(zhuǎn)平臺(tái)圓心與線陣CCD中間位置重合。晶圓傳送機(jī)器人叉子中心與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中心重合，控制器將此時(shí)位置記錄為初始位置。

線性幾何算法如下：

(1)晶圓傳送機(jī)器人將晶圓從料盒取出放置在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，U軸旋轉(zhuǎn)一圈，線陣CCD對(duì)晶圓邊緣距離D進(jìn)行檢測(cè)，記錄最大值Dmax,最小值Dmin，PLC控制器根據(jù)編碼器數(shù)值驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)晶圓，將偏心調(diào)整到Y(jié)方向；

(2)晶圓由旋轉(zhuǎn)平臺(tái)交換到晶圓傳送機(jī)器人叉子上，晶圓傳送機(jī)器人根據(jù)圓心偏移量L沿Y向移動(dòng)；

L=(Dmax-Dmin)/2

(1)

(3)將晶圓交換到旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，晶圓圓心與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中心重合。U軸旋轉(zhuǎn)一圈，線陣CCD檢測(cè)晶圓邊緣，當(dāng)D最小時(shí)記錄編碼器的值，此時(shí)即為缺口中心位置。根據(jù)缺口目標(biāo)角度，控制器計(jì)算U軸旋轉(zhuǎn)角度。完成晶圓定心與缺口定位；

(4)晶圓傳送機(jī)器人移動(dòng)至初始位置，將晶圓傳送至植球平臺(tái)上。

2.3 晶圓缺口對(duì)檢測(cè)影響分析

圖4 晶圓缺口對(duì)檢測(cè)影響示意圖

L′=(Dmax-Dmin)/2

(2)

首先基于邊緣變化率的方法來檢測(cè)晶圓缺口范圍，檢測(cè)原理是利用缺口端點(diǎn)位置的銳變特性，設(shè)采樣點(diǎn)為l1,l2,…,li,li+1,ln[13]，對(duì)采樣數(shù)據(jù)求循環(huán)一階差分相當(dāng)于求出晶圓邊緣點(diǎn)變化率，即

(3)

由于缺口的端點(diǎn)比較尖銳，求循環(huán)一階差分后出現(xiàn)兩個(gè)脈沖。脈沖的最高點(diǎn)即缺口的兩個(gè)邊緣端點(diǎn)。

p=1.5°/360°×2=0.83%

(4)

可見在計(jì)算L時(shí)需要進(jìn)行邊緣擬合計(jì)算的可能性較小，相比于其他預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置間接地避免了大量變量數(shù)據(jù)的計(jì)算。

預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置工作流程如圖5所示。

圖5 晶圓線性幾何算法流程圖

3 誤差分析及實(shí)驗(yàn)研究

3.1 誤差分析

整個(gè)預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)誤差由3部分組成：運(yùn)動(dòng)誤差、晶圓交換誤差和檢測(cè)元件誤差。其中運(yùn)動(dòng)誤差包括機(jī)器人平移運(yùn)動(dòng)的誤差和旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)誤差[14]

λ=|λ1|+|λ2|+|λ3|

(5)

其中，λ為總誤差；λ1為運(yùn)動(dòng)誤差；λ2為氣動(dòng)交換誤差；λ3為檢測(cè)誤差。線陣型CCD傳感器分辨率為12μm，故引入的測(cè)量誤差為±6μm。采樣點(diǎn)數(shù)與檢測(cè)誤差綜合考慮，在最不利情況下檢測(cè)誤差和測(cè)量誤差相等，λ3為6μm。

在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)誤差方面，通過CCD傳感器檢測(cè)使旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中心與CCD檢測(cè)面中心在X軸方向重合，引入λ3，該裝置只有旋轉(zhuǎn)自由度，旋轉(zhuǎn)單元重復(fù)定位精度為0.001 4°在整個(gè)晶圓定位過程中，晶圓旋轉(zhuǎn)兩次，旋轉(zhuǎn)誤差

Δφ=2×0.001 4°=0.002 8°

(6)

12inch晶圓半徑為152.4mm，晶圓偏移量不超過15mm,則系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)誤差在x軸上的最大誤差

ΔX=(152.4+15)×sin0.002 8°+6=14.2μm

(7)

Y軸方向誤差來源于晶圓傳送機(jī)器人，精度為±20μm，即ΔY為20μm，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)誤差

(8)

氣路系統(tǒng)中加入節(jié)流閥控制真空度緩慢上升或下降，可將氣動(dòng)交換誤差降低在1.5μm內(nèi)。因此該系統(tǒng)誤差最大為

λ=|λ1|+|λ2|+|λ3|=32μm

3.2 實(shí)驗(yàn)研究

在完成晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置的組裝和編寫控制程序后，對(duì)晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置進(jìn)行調(diào)試。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示，將圓心標(biāo)記好的晶圓放置于預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，連接晶圓傳送機(jī)器人，接通電源和真空?qǐng)?zhí)行晶圓定位控制程序，線陣CCD進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，PLC處理數(shù)據(jù)控制電機(jī)及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)完成晶圓定位，利用光學(xué)CCD記錄晶圓標(biāo)記點(diǎn)的位置如圖7所示。重新放置晶圓進(jìn)行15次觀測(cè)，獲得多組晶圓標(biāo)記點(diǎn)的位置，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

圖6 傳送機(jī)器人與預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置

圖7 晶圓坐標(biāo)示意圖

表2 標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)(xi,yi)

系統(tǒng)精度計(jì)算公式[15]

(9)

(10)

4 結(jié)束語

本文在植球機(jī)工作流程的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種在晶圓傳送機(jī)器人輔助下完成晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)任務(wù)的裝置,對(duì)晶圓定位方法進(jìn)行研究，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析和實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足對(duì)預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的要求。(1)與晶圓傳送機(jī)器人配合最大程度利用檢測(cè)時(shí)間確保定位精度；(2)預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，配合晶圓傳送機(jī)器人簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少成本；(3)采用線性幾何方法，相比于其他預(yù)對(duì)準(zhǔn)策略大幅減少了數(shù)據(jù)的采集與計(jì)算；(4)預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置采用先定圓心，再尋找缺口中心位置。減少了圓心對(duì)缺口定位的影響，而且缺口定位不需要計(jì)算大量數(shù)據(jù)檢測(cè)，提高了缺口定位的精度。

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Wafer Pre-aligning Method Based on Wafer Transfer Robot

LIU Jinsong1,2, WANG Sen1, ZHU Dawei1

(1. School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2. Shanghai Micson Industrial Automation Co, Ltd., Shanghai 201114, China)

A wafer pre-alignment control system of less cost and smaller size based on wafer transfer robot is designed, and an efficient and high precision positioning algorithm of the wafer center and notch is introduced. The pre-alignment one-dimensional rotation and wafer transfer robot space movement are adopted to achieve wafer pre-aligning by utilizing exchange adsorption. Error analysis and pre-aligned experiment show that the positioning accuracy of wafer center is less than 50 m, and the whole pre-alignment process time is 10s.

wafer pre-alignment; wafer transfer robot; positioning algorithm; exchange adsorption

2016- 01- 20

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助項(xiàng)目(15DZ1101201)

劉勁松(1968-)，男，博士，教授。研究方向：高端半導(dǎo)體芯片制造裝備，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.11.003

TN405

A

1007-7820(2016)11-009-04