李學(xué)威，孫義田，何偉全，張 鵬，陳守良

(1.沈陽新松機器人自動化股份有限公司，沈陽 110168;2.東北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，沈陽110819)

0 引言

晶圓預(yù)對準(zhǔn)是晶圓搬運以及整個IC 制造過程中的重要環(huán)節(jié)，晶圓的定位與識別都需要預(yù)對準(zhǔn)機(Prealigner)的參與。晶圓預(yù)對準(zhǔn)的目的是計算晶圓的偏心并找到其缺口(notch)，進而補償其偏心并將缺口轉(zhuǎn)到預(yù)設(shè)方向，為下一步的晶圓識別或處理做好準(zhǔn)備。文章［1］～［6］對晶圓偏心及缺口的識別方法進行了理論計算和實驗，驗證了晶圓預(yù)對準(zhǔn)方法的有效性，其不足之處在于，對晶圓預(yù)對準(zhǔn)誤差分析不能反映出包括轉(zhuǎn)動中心偏置、晶圓初始放置狀態(tài)等因素在內(nèi)的其他誤差的綜合影響。

本文以新松機器人公司開發(fā)的預(yù)對準(zhǔn)機(圖1)為分析對象，建立了預(yù)對準(zhǔn)機的數(shù)學(xué)模型，對包括CCD 的精度、轉(zhuǎn)動中心偏置及晶圓初始放置狀態(tài)等多種誤差因素進行了仿真分析，得到了多種誤差影響下的晶圓對準(zhǔn)誤差的變化規(guī)律，對預(yù)對準(zhǔn)系統(tǒng)的改進提供了理論指導(dǎo)。

圖1 預(yù)對準(zhǔn)系統(tǒng)組成圖

1 晶圓預(yù)對準(zhǔn)原理及仿真模型的建立

參考圖1，預(yù)對準(zhǔn)機的工作原理是:首先將晶圓放置到三個頂針上，然后旋轉(zhuǎn)吸盤將晶圓托起，再將晶圓旋轉(zhuǎn)一周，由線陣CCD 傳感器檢測晶圓的邊緣位置和缺口位置，并將位置數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行晶圓圓心的計算。裝置將計算后的數(shù)據(jù)(偏心量)傳送至晶圓傳輸機械手，機械手將晶圓抓起，調(diào)整晶圓圓心的絕對位置。隨后晶圓再次被本裝置托起并按計算數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)至一定角度，實現(xiàn)晶圓的對準(zhǔn)。

晶圓的邊緣主要由兩部分組成，如圖2 所示:圓周和缺口(notch)。其中缺口部分由兩直線段N1N2、N3N4夾一圓弧段N2N3構(gòu)成。其中N1、N2、N3、N4為缺口各部分的端點。根據(jù)SEMI 標(biāo)準(zhǔn)中給出的晶圓缺口尺寸，缺口的總跨度約為1.04°，深度約為1mm，其中相對平緩的圓弧段N2N3的跨度約為0.49°。

圖2 晶圓邊緣組成

如圖3 所示，為預(yù)對準(zhǔn)原理圖，預(yù)對準(zhǔn)機以吸盤吸附帶動晶圓繞轉(zhuǎn)動中心轉(zhuǎn)動，并由設(shè)置在晶圓邊緣附近的線陣CCD 傳感器來采集晶圓邊緣的信息，使晶圓轉(zhuǎn)動一周，可獲得轉(zhuǎn)動過程中每一轉(zhuǎn)角所對應(yīng)的晶圓邊緣與CCD 線陣所在直線交點P 的信息，即OP 的長度［1］。理論上，晶圓的轉(zhuǎn)動中心應(yīng)當(dāng)處在CCD 線陣所在直線上，但實際上，由于制造及裝配存在誤差，晶圓實際的轉(zhuǎn)動中心會相對理論轉(zhuǎn)動中心產(chǎn)生一定的偏置，設(shè)O 為晶圓理論轉(zhuǎn)動中心，O'為晶圓實際轉(zhuǎn)動中心，OO'即為轉(zhuǎn)動中心的偏置。

根據(jù)圖3 所示的模型，以晶圓理論轉(zhuǎn)動中心O為原點，并以通過O 點的CCD 線陣所在直線為X 軸建立坐標(biāo)系XOY。設(shè)晶圓實際轉(zhuǎn)動中心O'與理論轉(zhuǎn)動中心O 的距離OO'為e，OO'相對X 軸的轉(zhuǎn)角為a;晶圓圓心為C，晶圓偏心量O'C 長度為d，O'C 相對OO'的轉(zhuǎn)角為t。晶圓缺口頂點與晶圓圓心C 所在直線連線相對O'C 轉(zhuǎn)角為b。晶圓邊緣與CCD 線陣所在直線交點為P。當(dāng)晶圓轉(zhuǎn)動時，隨著t 的變化，OP長度也會隨之變化。

設(shè)OP 長度為L，晶圓半徑為R，則當(dāng)晶圓圓周與CCD 線陣所在直線相交時，由圖3 所示的幾何關(guān)系可推導(dǎo)出L 與以上各參數(shù)之間的關(guān)系:

類似地，可得到晶圓缺口部分與CCD 線陣所在直線相交時的L 的方程。思路是，首先假設(shè)晶圓缺口部分各段端點與CCD 線陣所在直線相交，再根據(jù)幾何關(guān)系反推出各自情況下的轉(zhuǎn)角t(tc1、tc2、tc3、tc4)，然后建立分段函數(shù)求得各段交點，得到相應(yīng)的缺口模型(本文未列出缺口模型的計算公式)。

圖3 預(yù)對準(zhǔn)原理圖

對模型進行仿真驗證，取經(jīng)驗值:

對整個圓周按相同間隔的轉(zhuǎn)角均勻的采集4800組數(shù)據(jù)，并對采集結(jié)果加入隨機誤差，取CCD 的精度為0.03mm，仿真結(jié)果如圖4 所示，該結(jié)果與實際采集數(shù)據(jù)的變化趨勢一致。

圖4 晶圓邊緣原始數(shù)據(jù)采集仿真

2 誤差仿真分析

下面基于仿真模型，晶圓初始放置狀態(tài)、晶圓轉(zhuǎn)動中心偏置及CCD 精度等影響晶圓偏心及缺口識別精度的幾個誤差來源分別進行分析。

2.1 晶圓初始放置狀態(tài)對識別誤差的影響仿真

晶圓初始放置狀態(tài)包括不同的晶圓偏心量和偏心角，分析兩者的大小對識別誤差的影響有利于識別算法的改進與整機性能的驗證。

不考慮晶圓中心偏置(設(shè)e =0)，即假設(shè)晶圓實際轉(zhuǎn)動中心O'與理論轉(zhuǎn)動中心O 重合。設(shè)置CCD的精度為0.03mm，由節(jié)1 建立的模型仿真得到晶圓偏心量識別誤差dd 及偏心角識別誤差dth 與晶圓偏心量和偏心角大小的關(guān)系圖(圖5 和圖6)。利用最小二乘圓擬合法得到晶圓在初始位置時的圓心坐標(biāo)為［2-3，6］:(－1.2772，1.5395)，與理想情況相比存在誤差，但誤差不超過0.01mm，是可以接受的。而把擬合得到的圓心坐標(biāo)表示成極坐標(biāo)的形式為(2.0003，129.6785)，即晶圓偏心量為2.0003mm，偏心角為129.6785°。偏心量的識別誤差較小，幾乎可以忽略不計，但偏心角的識別誤差卻較大，達到了0.3215°。

圖5 晶圓初始狀態(tài)對偏心識別誤差影響

圖6 晶圓初始狀態(tài)對偏心角的識別誤差影響

2.2 轉(zhuǎn)動中心偏置對識別誤差的影響仿真

這里按照節(jié)1 中的設(shè)定(e =1mm)，并考慮CCD的影響，分別改變晶圓偏心量大小及初始轉(zhuǎn)角進行仿真，得到結(jié)果如下。

(1)改變偏心量大小時的偏心識別。

圖7 改變偏心量大小時偏心的識別誤差

圖8 改變偏心量大小時偏心角的識別誤差

(2)改變初始轉(zhuǎn)角時的偏心識別

圖9 改變初始轉(zhuǎn)角時的偏心識別誤差

2.3 不考慮CCD 影響時的偏心識別

仍按照1.2 中的設(shè)定，并且不考慮CCD 的影響，改變晶圓偏心量大小進行仿真，得到結(jié)果如圖10。

可以看到，晶圓偏心量的識別幾乎不受轉(zhuǎn)動中心偏置的影響;晶圓偏心角的識別同時受轉(zhuǎn)動中心偏置和CCD 的影響，并且大致成疊加關(guān)系;當(dāng)綜合考慮轉(zhuǎn)動中心偏置和CCD 的影響時，隨著晶圓偏心量增大，對其識別誤差逐漸下降并趨于穩(wěn)定;另外，雖然由于兩項因素相疊加的關(guān)系使對偏心角的識別誤差加大，但隨著晶圓初始轉(zhuǎn)角的改變(0 ～360°)，識別誤差卻保持了較好的穩(wěn)定性，最大波動不超過0.05°也就是說，當(dāng)晶圓的初始偏心量被控制在一定范圍內(nèi)(如8 ～10mm)時，并且在轉(zhuǎn)動中心偏置及CCD 不變的情況下，不僅對晶圓偏心量的識別將會比較準(zhǔn)確(誤差在0.01mm 以內(nèi))，而且對晶圓偏心角的識別誤差也會保持相對的穩(wěn)定(波動在0.05°以內(nèi))。這對晶圓預(yù)對準(zhǔn)誤差的控制、標(biāo)定及補償?shù)确矫娑驾^為有利。

2.4 晶圓缺口識別誤差精度分析

對于晶圓缺口的識別采用較常見的一階差分法［4-5］。當(dāng)晶圓被準(zhǔn)確對心后其邊緣數(shù)據(jù)的一階差分如圖11 所示。

圖11 晶圓邊緣數(shù)據(jù)一階差分

圖12 為各參數(shù)對晶圓缺口識別的影響，其中圖13a 為晶圓偏心量大小對結(jié)果的影響，可以看出，晶圓缺口識別誤差與晶圓偏心量大小基本成正比，即偏心量越大誤差也越大，因此，需要在晶圓對心后進行缺口識別。圖12b 為轉(zhuǎn)動中心偏置對結(jié)果的影響，與晶圓偏心識別相同，轉(zhuǎn)動中心偏置對缺口識別的影響也可轉(zhuǎn)化一角度偏差，且此偏差基本也偏心識別時相同，為0.3375°。圖12c 為CCD 對結(jié)果的影響，它對結(jié)果造成了±0.08°的隨機誤差。圖12d 為綜合考慮以上各項因素時的晶圓缺口識別情況，對結(jié)果造成了0.18°至0.38°的偏差，有0.2°的波動，波動是由CCD 讀數(shù)的隨機誤差造成的。其中，各影響因素的大小分別為:晶圓偏心量0.1mm，轉(zhuǎn)動中心偏置(1，－120°)，線陣CCD 精度0.03mm。而晶圓初始轉(zhuǎn)角對其缺口識別的影響與偏心識別類似，可忽略不計，這里不再贅述。

3 結(jié)論

基于晶圓預(yù)對準(zhǔn)模型，通過將仿真得到的結(jié)果與設(shè)定值進行比較，得到了晶圓偏心及缺口識別的絕對誤差，系統(tǒng)地分析了各因素對晶圓偏心及缺口識別的影響規(guī)律。得到的重要結(jié)論如下:

圖12 晶圓缺口的識別誤差

①采用精度在0.03mm 或更高的線陣CCD 傳感器，晶圓偏心量的識別受轉(zhuǎn)動中心偏置及晶圓初始狀態(tài)的影響較小，在忽略其他因素影響時，其精度可達到±0.005mm;

②晶圓轉(zhuǎn)動中心相對CCD 線陣所在直線的偏置對晶圓偏心及缺口識別的影響可轉(zhuǎn)化為一固定的偏角，在本文所設(shè)定的條件下，其大小在0.33°至0.34°之間;

③當(dāng)考慮CCD 的影響時，隨著晶圓偏心量的增大，對晶圓偏心角的識別誤差逐漸下降并趨于穩(wěn)定;

④晶圓初始轉(zhuǎn)角對晶圓偏心及缺口識別的影響較小，可忽略不計;

⑤當(dāng)CCD 精度為0.03mm 時，其對晶圓缺口的識別會造成±0.08°的影響;

⑥晶圓缺口識別誤差與晶圓偏心量大小基本成正比，即偏心量越大誤差也越大，當(dāng)偏心量在0.1mm以下時，此影響可忽略不計。

［1］Vladimir W. R. Volovich，San Jose. Semiconductor object pre-aligning method［P］. USA:5125791，1992－6－30.

［2］周杰，韓龍. 采用線陣型光學(xué)傳感器的晶圓預(yù)對準(zhǔn)方法［J］. 黑龍江科技學(xué)院學(xué)報，2009，19(6):465－469.

［3］喬遂龍. 嵌入式晶圓預(yù)對準(zhǔn)控制系統(tǒng)的研究［D］. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

［4］李春江. 晶圓處理預(yù)對準(zhǔn)系統(tǒng)的研究［D］. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

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［6］杜宇. 硅片預(yù)對準(zhǔn)系統(tǒng)的研制［D］. 大連:大連理工大學(xué)，2006.