李學(xué)威，孫義田，何偉全，張 鵬，陳守良

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

0 引言

晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)是晶圓搬運(yùn)以及整個(gè)IC 制造過程中的重要環(huán)節(jié)，晶圓的定位與識(shí)別都需要預(yù)對(duì)準(zhǔn)機(jī)(Prealigner)的參與。晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)的目的是計(jì)算晶圓的偏心并找到其缺口(notch)，進(jìn)而補(bǔ)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(shí)別或處理做好準(zhǔn)備。文章［1］～［6］對(duì)晶圓偏心及缺口的識(shí)別方法進(jìn)行了理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)方法的有效性，其不足之處在于，對(duì)晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)誤差分析不能反映出包括轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)器人公司開發(fā)的預(yù)對(duì)準(zhǔn)機(jī)(圖1)為分析對(duì)象，建立了預(yù)對(duì)準(zhǔn)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)包括CCD 的精度、轉(zhuǎn)動(dòng)中心偏置及晶圓初始放置狀態(tài)等多種誤差因素進(jìn)行了仿真分析，得到了多種誤差影響下的晶圓對(duì)準(zhǔn)誤差的變化規(guī)律，對(duì)預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的改進(jìn)提供了理論指導(dǎo)。

圖1 預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)組成圖

1 晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)原理及仿真模型的建立

參考圖1，預(yù)對(duì)準(zhǔn)機(jī)的工作原理是:首先將晶圓放置到三個(gè)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(jìn)行晶圓圓心的計(jì)算。裝置將計(jì)算后的數(shù)據(jù)(偏心量)傳送至晶圓傳輸機(jī)械手，機(jī)械手將晶圓抓起，調(diào)整晶圓圓心的絕對(duì)位置。隨后晶圓再次被本裝置托起并按計(jì)算數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)至一定角度，實(shí)現(xiàn)晶圓的對(duì)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(diǎn)。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(duì)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(duì)準(zhǔn)原理圖，預(yù)對(duì)準(zhǔn)機(jī)以吸盤吸附帶動(dòng)晶圓繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)一周，可獲得轉(zhuǎn)動(dòng)過程中每一轉(zhuǎn)角所對(duì)應(yīng)的晶圓邊緣與CCD 線陣所在直線交點(diǎn)P 的信息，即OP 的長度［1］。理論上，晶圓的轉(zhuǎn)動(dòng)中心應(yīng)當(dāng)處在CCD 線陣所在直線上，但實(shí)際上，由于制造及裝配存在誤差，晶圓實(shí)際的轉(zhuǎn)動(dòng)中心會(huì)相對(duì)理論轉(zhuǎn)動(dòng)中心產(chǎn)生一定的偏置，設(shè)O 為晶圓理論轉(zhuǎn)動(dòng)中心，O'為晶圓實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)中心，OO'即為轉(zhuǎn)動(dòng)中心的偏置。

根據(jù)圖3 所示的模型，以晶圓理論轉(zhuǎn)動(dòng)中心O為原點(diǎn)，并以通過O 點(diǎn)的CCD 線陣所在直線為X 軸建立坐標(biāo)系XOY。設(shè)晶圓實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)中心O'與理論轉(zhuǎn)動(dòng)中心O 的距離OO'為e，OO'相對(duì)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(duì)OO'的轉(zhuǎn)角為t。晶圓缺口頂點(diǎn)與晶圓圓心C 所在直線連線相對(duì)O'C 轉(zhuǎn)角為b。晶圓邊緣與CCD 線陣所在直線交點(diǎn)為P。當(dāng)晶圓轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，隨著t 的變化，OP長度也會(huì)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(shí)，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(shí)的L 的方程。思路是，首先假設(shè)晶圓缺口部分各段端點(diǎn)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(diǎn)，得到相應(yīng)的缺口模型(本文未列出缺口模型的計(jì)算公式)。

圖3 預(yù)對(duì)準(zhǔn)原理圖

對(duì)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，取經(jīng)驗(yàn)值:

對(duì)整個(gè)圓周按相同間隔的轉(zhuǎn)角均勻的采集4800組數(shù)據(jù)，并對(duì)采集結(jié)果加入隨機(jī)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(shí)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(dòng)中心偏置及CCD 精度等影響晶圓偏心及缺口識(shí)別精度的幾個(gè)誤差來源分別進(jìn)行分析。

2.1 晶圓初始放置狀態(tài)對(duì)識(shí)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(duì)識(shí)別誤差的影響有利于識(shí)別算法的改進(jìn)與整機(jī)性能的驗(yàn)證。

不考慮晶圓中心偏置(設(shè)e =0)，即假設(shè)晶圓實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)中心O'與理論轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)別誤差dd 及偏心角識(shí)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(shí)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(shí)別誤差較小，幾乎可以忽略不計(jì)，但偏心角的識(shí)別誤差卻較大，達(dá)到了0.3215°。

圖5 晶圓初始狀態(tài)對(duì)偏心識(shí)別誤差影響

圖6 晶圓初始狀態(tài)對(duì)偏心角的識(shí)別誤差影響

2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)中心偏置對(duì)識(shí)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(jìn)行仿真，得到結(jié)果如下。

(1)改變偏心量大小時(shí)的偏心識(shí)別。

圖7 改變偏心量大小時(shí)偏心的識(shí)別誤差

圖8 改變偏心量大小時(shí)偏心角的識(shí)別誤差

(2)改變初始轉(zhuǎn)角時(shí)的偏心識(shí)別

圖9 改變初始轉(zhuǎn)角時(shí)的偏心識(shí)別誤差

2.3 不考慮CCD 影響時(shí)的偏心識(shí)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(jìn)行仿真，得到結(jié)果如圖10。

可以看到，晶圓偏心量的識(shí)別幾乎不受轉(zhuǎn)動(dòng)中心偏置的影響;晶圓偏心角的識(shí)別同時(shí)受轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)中心偏置和CCD 的影響時(shí)，隨著晶圓偏心量增大，對(duì)其識(shí)別誤差逐漸下降并趨于穩(wěn)定;另外，雖然由于兩項(xiàng)因素相疊加的關(guān)系使對(duì)偏心角的識(shí)別誤差加大，但隨著晶圓初始轉(zhuǎn)角的改變(0 ～360°)，識(shí)別誤差卻保持了較好的穩(wěn)定性，最大波動(dòng)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(shí)，并且在轉(zhuǎn)動(dòng)中心偏置及CCD 不變的情況下，不僅對(duì)晶圓偏心量的識(shí)別將會(huì)比較準(zhǔn)確(誤差在0.01mm 以內(nèi))，而且對(duì)晶圓偏心角的識(shí)別誤差也會(huì)保持相對(duì)的穩(wěn)定(波動(dòng)在0.05°以內(nèi))。這對(duì)晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)誤差的控制、標(biāo)定及補(bǔ)償?shù)确矫娑驾^為有利。

2.4 晶圓缺口識(shí)別誤差精度分析

對(duì)于晶圓缺口的識(shí)別采用較常見的一階差分法［4-5］。當(dāng)晶圓被準(zhǔn)確對(duì)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(duì)晶圓缺口識(shí)別的影響，其中圖13a 為晶圓偏心量大小對(duì)結(jié)果的影響，可以看出，晶圓缺口識(shí)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(duì)心后進(jìn)行缺口識(shí)別。圖12b 為轉(zhuǎn)動(dòng)中心偏置對(duì)結(jié)果的影響，與晶圓偏心識(shí)別相同，轉(zhuǎn)動(dòng)中心偏置對(duì)缺口識(shí)別的影響也可轉(zhuǎn)化一角度偏差，且此偏差基本也偏心識(shí)別時(shí)相同，為0.3375°。圖12c 為CCD 對(duì)結(jié)果的影響，它對(duì)結(jié)果造成了±0.08°的隨機(jī)誤差。圖12d 為綜合考慮以上各項(xiàng)因素時(shí)的晶圓缺口識(shí)別情況，對(duì)結(jié)果造成了0.18°至0.38°的偏差，有0.2°的波動(dòng)，波動(dòng)是由CCD 讀數(shù)的隨機(jī)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(dòng)中心偏置(1，－120°)，線陣CCD 精度0.03mm。而晶圓初始轉(zhuǎn)角對(duì)其缺口識(shí)別的影響與偏心識(shí)別類似，可忽略不計(jì)，這里不再贅述。

3 結(jié)論

基于晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)模型，通過將仿真得到的結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到了晶圓偏心及缺口識(shí)別的絕對(duì)誤差，系統(tǒng)地分析了各因素對(duì)晶圓偏心及缺口識(shí)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(shí)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(shí)別受轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)，其精度可達(dá)到±0.005mm;

②晶圓轉(zhuǎn)動(dòng)中心相對(duì)CCD 線陣所在直線的偏置對(duì)晶圓偏心及缺口識(shí)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(shí)，隨著晶圓偏心量的增大，對(duì)晶圓偏心角的識(shí)別誤差逐漸下降并趨于穩(wěn)定;

④晶圓初始轉(zhuǎn)角對(duì)晶圓偏心及缺口識(shí)別的影響較小，可忽略不計(jì);

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

⑥晶圓缺口識(shí)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(shí)，此影響可忽略不計(jì)。

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

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