黃金蘭,趙明宇,劉　烽

(秦皇島視聽機(jī)械研究所，河北 秦皇島　066000)

?

一種探針臺(tái)自動(dòng)定位方法的研究與實(shí)現(xiàn)

黃金蘭,趙明宇,劉烽

(秦皇島視聽機(jī)械研究所，河北 秦皇島066000)

摘要：探針臺(tái)希望在上片后無(wú)需人工對(duì)準(zhǔn)，就能從晶圓的第一個(gè)晶粒(第一點(diǎn))開始檢測(cè)，然而晶圓上片后，探針下方的開始位置往往并不是第一點(diǎn)；為了讓第一點(diǎn)快速的移至探針下方，對(duì)平臺(tái)的運(yùn)行軌跡進(jìn)行了研究，提出了螺旋定位法的概念，以平臺(tái)上開始位置為中心，螺旋式步進(jìn)運(yùn)行，配合鏡頭的圖像識(shí)別技術(shù)，一步一識(shí)別，逐步擴(kuò)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(diǎn))；由于第一點(diǎn)與特殊點(diǎn)的位置相對(duì)固定，所以找到了特殊點(diǎn)即找到了第一點(diǎn)；此方法經(jīng)過(guò)算法分析及整合編程后，進(jìn)行了多次試驗(yàn)，并交付客戶使用，第一點(diǎn)都能快速移至探針正下方且長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定；此自動(dòng)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(tái)的工作效率。

關(guān)鍵詞：探針臺(tái)；晶圓；螺旋定位；第一點(diǎn)；特殊點(diǎn)

0引言

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

對(duì)于一臺(tái)自動(dòng)探針臺(tái)，開始檢測(cè)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(tái)XY軸運(yùn)動(dòng)方向平行。然而，在操作時(shí)，第一步是人工放片，即晶圓通過(guò)操作人員手工放置到承片臺(tái)上，第二步是上片，即承片臺(tái)隨平臺(tái)移動(dòng)至大致的起始位置。此刻，承片臺(tái)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(jī)器視覺的識(shí)別下，首先進(jìn)行調(diào)平，使晶圓的行列與平臺(tái)的X,Y軸運(yùn)行方向平行。然后通過(guò)機(jī)器視覺找到晶圓開始測(cè)試的第一點(diǎn)[2]。此文主要討論如何快速準(zhǔn)確的定位第一點(diǎn)。

晶圓測(cè)試的第一點(diǎn)位于左側(cè)第一列的上面第一個(gè)晶?；蛘咦钌厦娴谝恍械淖筮叺谝粋€(gè)晶粒，調(diào)平后探針?biāo)诘奈恢檬请S機(jī)的，可能在晶圓的任何一個(gè)位置，要讓機(jī)器識(shí)別出來(lái)探針現(xiàn)在所在位置并不是第一點(diǎn)位置，并且要控制平臺(tái)移動(dòng)承片臺(tái)使晶圓第一點(diǎn)位于探針正下方[3]。這個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)起來(lái)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(shí)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(tái)主要由計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、相機(jī)、圖像采集卡及接口電路組成，整個(gè)系統(tǒng)采用上下位機(jī)模式，上位機(jī)主要通過(guò)C++ MFC編程編輯人機(jī)界面，包括系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)顯示等功能，下位機(jī)的核心是接在PC機(jī)的PCI口的運(yùn)動(dòng)控制卡，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等接在控制卡的IO口上，這樣就能通過(guò)上位機(jī)的指令控制機(jī)械平臺(tái)等運(yùn)動(dòng)[4]。尋找第一點(diǎn)，主要就是通過(guò)上位機(jī)編程，加上螺旋定位的算法，在顯微相機(jī)圖像處理的輔助下完成功能。

1.2機(jī)械結(jié)構(gòu)

自動(dòng)探針臺(tái)的機(jī)械平臺(tái)是整個(gè)結(jié)構(gòu)中的主體，晶圓的傳輸(上下片)，承片臺(tái)升降、旋轉(zhuǎn)等都是通過(guò)這個(gè)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。X，Y兩個(gè)垂直方向的運(yùn)動(dòng)部件均采用的是伺服電機(jī)加驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)導(dǎo)軌絲杠的結(jié)構(gòu)，主要實(shí)現(xiàn)承片臺(tái)的平面進(jìn)給走向，承片臺(tái)下方有一Z軸電機(jī)，控制承片臺(tái)升降，另外還有一個(gè)U軸電機(jī)調(diào)整承片臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度[5]。

圖1　探針臺(tái)平臺(tái)機(jī)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(gè)唯一的特殊點(diǎn)，它區(qū)別于晶圓上其他任何一個(gè)晶粒。同一批次生產(chǎn)的晶圓片上的特殊點(diǎn)幾乎是一致的，所以測(cè)試同一批次的晶圓時(shí)，只需要設(shè)置一次特殊點(diǎn)的模板，系統(tǒng)保存后會(huì)自動(dòng)識(shí)別符合其模板的特殊點(diǎn)。且第一點(diǎn)與特殊點(diǎn)的位置相對(duì)固定，它們之間的運(yùn)動(dòng)軌跡也可由系統(tǒng)事先確定并保存，一旦找到特殊點(diǎn)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)按照這個(gè)固定的運(yùn)動(dòng)軌跡移動(dòng)平臺(tái)，使第一點(diǎn)在探針正下方，由此開始測(cè)試。

圖2所示為尋找特殊點(diǎn)的程序流程圖，虛線框內(nèi)是實(shí)現(xiàn)算法的過(guò)程，m的數(shù)值逐次加1，通過(guò)m的數(shù)值，來(lái)確定下一次相應(yīng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)。

如圖3所示，虛線框內(nèi)為鏡頭視野，要注意的是鏡頭實(shí)為不動(dòng)點(diǎn)，承片臺(tái)所載晶圓實(shí)為動(dòng)點(diǎn)，圖中為相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，m指移動(dòng)次數(shù)，坐標(biāo)(x,y)代表X，Y軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(duì)應(yīng)坐標(biāo)為(0,0)，在初始視野中，鏡頭沒有匹配到特殊點(diǎn)模板，即沒有識(shí)別捕捉到特殊點(diǎn)，則m=m+1，依照算法，移動(dòng)坐標(biāo)為(1,0)，即X軸往正方向移動(dòng)一個(gè)晶粒的距離(平臺(tái)往左，示意圖中往右)，此時(shí)視野中心來(lái)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(diǎn)，m繼續(xù)加1，移動(dòng)坐標(biāo)為(0,1)，Y軸往正方向移動(dòng)一個(gè)晶粒的距離(平臺(tái)往后，示意圖中往上)，視野中心來(lái)到晶粒2，鏡頭依然尋找特殊點(diǎn)。依次類推，直到在視野中出現(xiàn)特殊點(diǎn)，并且與特殊點(diǎn)模板匹配上，才能進(jìn)行下一步——移至第一個(gè)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(diǎn)模板，則m=m+1，按照螺旋法算法，可計(jì)算出X,Y軸電機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，移至下一個(gè)晶粒處。如何使平臺(tái)按照螺旋法移動(dòng)到下一個(gè)點(diǎn)可通過(guò)以下計(jì)算方法得到。表1為平臺(tái)每次移動(dòng)坐標(biāo)個(gè)數(shù)，從中找到m與各坐標(biāo)出現(xiàn)個(gè)數(shù)的關(guān)系。

表1　平臺(tái)移動(dòng)坐標(biāo)個(gè)數(shù)與m的關(guān)系

m的值為0,1,2,……，每移動(dòng)一個(gè)坐標(biāo)后到達(dá)某個(gè)視野，若沒有特殊點(diǎn)，則m+1，所以m是一個(gè)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(shí)再確定m的數(shù)值處于以下4個(gè)區(qū)間中的哪一個(gè)，每一個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng)相應(yīng)的移動(dòng)坐標(biāo)。

判斷m∈上述4組區(qū)間的哪一組，每一組區(qū)間對(duì)應(yīng)平臺(tái)移動(dòng)的坐標(biāo)，

以上計(jì)算過(guò)程即為螺旋定位法的具體實(shí)現(xiàn)，根據(jù)算法結(jié)果，在程序的相機(jī)視圖類CCcdView中，結(jié)合電機(jī)控制類CMotorControl對(duì)象，加入此算法程序[6]。

3結(jié)論

BTZ-3100型自動(dòng)探針臺(tái)加上螺旋定位法晶圓上片調(diào)平后到找到特殊點(diǎn)的過(guò)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(diǎn)，圖4(b)為平臺(tái)根據(jù)螺旋定位法軌跡運(yùn)行至某處的視野，在此視野中仍然沒有找到特殊點(diǎn)，繼續(xù)按照程序設(shè)定軌跡運(yùn)行，圖4(c)為目標(biāo)視野，視野中右下方開始出現(xiàn)特殊點(diǎn)，立刻匹配上模板，把特殊點(diǎn)移至預(yù)定位置，接下來(lái)，平臺(tái)按照特殊點(diǎn)與第一點(diǎn)之間的固定運(yùn)動(dòng)軌跡，最終使第一個(gè)晶粒(第一點(diǎn))移至探針正下方。

BTZ-3100自動(dòng)探針臺(tái)在顯微鏡相機(jī)的輔助下，加上螺旋定位法后，定位至第一點(diǎn)的過(guò)程平均用時(shí)不超過(guò)0.4s(與視野放大倍數(shù)相關(guān))，而之前人工操作平均用時(shí)為10s，顯然，第一點(diǎn)定位速度加快，效率更高。螺旋定位法在BTZ-3100型自動(dòng)探針臺(tái)上經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，并在交付客戶使用中，此自動(dòng)定位部分運(yùn)行平穩(wěn)，且在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的情況下，沒有出現(xiàn)異常。

圖4　BTZ-3100探針臺(tái)找到特殊點(diǎn)過(guò)程圖

探針臺(tái)操作中，占用人力資源最多的步驟在于晶圓上片到第一點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)完成這一流程，所以此自動(dòng)定位法的運(yùn)用，在很大程度上又降低了人力成本。更值得一提的是，在機(jī)器視覺的幫 助下，平臺(tái)把第一點(diǎn)移至探針下方的精度將比人為操作找準(zhǔn)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(tái)步進(jìn)距離相應(yīng)的也變成n倍，運(yùn)用此改進(jìn)型的螺旋定位法，速度將會(huì)更快。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張曉生.機(jī)器視覺在全自動(dòng)探針臺(tái)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(jī)器視覺的探針自動(dòng)定位測(cè)試系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2014,5.

[3] 羅和平.數(shù)字IC自動(dòng)測(cè)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(jìn)，等.VisualC++實(shí)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(tái)的晶圓自動(dòng)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(huì)斌，鄭梁.基于探針臺(tái)的測(cè)量系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].機(jī)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(hào)：1671-4598(2016)02-0261-03

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

中圖分類號(hào)：TP23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)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。