劉勁松，朱志強，時 威

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2.上海微松工業(yè)自動化有限公司，上海 201114）

晶圓盒中晶圓位置檢測技術的研究

劉勁松1,2，朱志強1，時 威2

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2.上海微松工業(yè)自動化有限公司，上海 201114）

晶圓盒自動開蓋機構（Load Port）是半導體工業(yè)自動化中的核心設備之一，晶圓盒（Cassette）中晶圓位置檢測（Mapping）過程的好壞直接決定了Load Port的優(yōu)劣。通過簡要介紹晶圓自動開蓋機構檢測的原理，闡述了由于晶圓彎曲對檢測過程影響。然后把晶圓抽象為一個密度不等的梁，計算出其在重力作用下產(chǎn)生的撓度，并把兩測量點之間的最大撓度與晶圓的實際厚度的和作為晶圓的計算厚度，解決了晶圓變彎對檢測過程的影響，使檢測的精度得到改善。

晶圓盒自動開蓋機構；Mapping；晶圓；撓度

0 引言

在晶圓制作和封裝測試過程中Load Port是晶圓傳送必不可少的設備。Load Port可以自動打開晶圓盒（Cassette）的蓋子并對其內(nèi)晶圓的厚度及位置進行檢測?，F(xiàn)在主流晶圓直徑有8inch和12inch，現(xiàn)在又在研發(fā)18inch[1]。一方面，全球半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展靠兩大輪子推動，一是不斷縮小芯片特征尺寸，二是不斷擴大晶圓尺寸[2,3]。另一方面，封裝用的芯片厚度卻變得越來越薄[4,5]。而且使用傳統(tǒng)的金剛石切割法，晶圓越厚對劃片刀的損耗越大[6,7]。雖然有學者提出將薄晶圓之間以硅通孔垂直互連，實現(xiàn)高密度3D疊層封裝，以突破摩爾定律[8]。然而短期內(nèi)制作大而薄的晶圓依然是半導體發(fā)展的方向。對于小而厚的晶圓，當把其放入晶圓槽內(nèi)時，幾乎沒有變形，而對于大而薄的晶圓，當把其放入晶圓槽內(nèi)時，就會產(chǎn)生一定程度的變形。此時繼續(xù)傳統(tǒng)的檢測方式就會發(fā)生錯誤，所以有必要對現(xiàn)有的檢測原理進行改進。

假設晶圓盒只有兩邊有槽，那么晶圓放在晶圓槽上就如同一個簡支梁，通過測量可以得知兩槽邊緣之間的距離。另外在晶圓盒的下邊添加一個質(zhì)量傳感器，可以間接計算出單個晶圓的質(zhì)量。通過計算可求出晶圓的變形，在此變形的基礎上對晶圓的厚度進行相應的修正，從而達到檢測的要求。

1 檢測的原理

圖1是真實情況下晶圓放在晶圓盒中的位置。圖2是晶圓、晶圓槽以及兩檢測點O1、O2相對位置的簡略俯視圖。設兩晶圓槽之間的距離為L，兩檢測點O1、O2之間的距離為l。其中，O1、O2兩點代表固定于Load Port上的可在豎直方向上運動的激光傳感器的發(fā)射端與接收端。在傳感器上下移動的過程中，激光會被晶圓遮擋產(chǎn)生激發(fā)信號。通過這一系列的間斷信號就可以知道哪些槽上有晶圓，晶圓的放置是否發(fā)生了錯位，以及是否產(chǎn)生了疊片等問題。實際生產(chǎn)中，若測量的厚度落在了晶圓實際厚度的50%～150%之間，則認為正確。把這些位置數(shù)據(jù)傳遞給機械手的控制器就可以利用機械手完成晶圓的傳輸工作。

圖1 晶圓盒及晶圓

圖2 晶圓、晶圓槽及檢測點相對位置俯視圖

2 問題描述

圖3為較薄晶圓在晶圓盒中的對位置的簡略圖。從圖中我們可以看出晶圓出現(xiàn)了一定程度的變形，若此時還按照原來的測量方法，則檢測出的結(jié)果與實際情況有很大的出入，會被誤認為產(chǎn)生了疊片。因為此時通過激光傳感器測出的厚度已經(jīng)不是晶圓的實際厚度d,而是晶圓的厚度d與晶圓在O1、O2之間產(chǎn)生的最大撓度w之和D。因此，應該以（D-0.5d，D+0.5d）作為判斷晶圓厚度的正確區(qū)間。于是解決問題的關鍵在于準確求出在重力影響下晶圓在O1、O2兩點之間的最大撓度w。

圖3 較薄晶圓在晶圓盒中的狀態(tài)

3 解決方案

3.1 把晶圓抽象為一個變線密度的梁

當晶圓發(fā)生彎曲時，晶圓與槽的接觸實際為線接觸。所以可以把晶圓抽象為一個線密度不等的簡支梁如圖4所示。再建立如圖5所示的坐標系。已知晶圓是一個厚度、密度均勻的圓板，通過積分可以求出晶圓在x方向上的線密度[9]。

圖4 晶圓抽象為變密度梁

圖5 晶圓線密度微分圖

微分關系式：

積分后的結(jié)果：

式中，ρ(x)為晶圓在x方向上的線密度，ρ0為晶圓的密度，d為晶圓的厚度，R為晶圓的半徑。

3.2 計算晶圓盒對晶圓的作用力

如圖6R所示，把槽對晶圓的力F1、F2分解為水平方向上的力P1、P2和豎直方向上的力N1、N2根據(jù)力的平衡可知水平分力P1、P2大小相等方向相反，而豎直分力N1、N2之和等于重力G，又由于受力是對稱的，所以N1、N2必大小相等，方向相同。

圖6 晶圓受力示意圖

水平方向：

豎直方向：

由對稱性：

3.3 計算晶圓所受彎矩

由3.1節(jié)可知晶圓的線密度是從兩邊到中間逐漸增加的，所以其受到的是從兩邊到中間遞增的分布力。圖7是晶圓在豎直方向上的受力圖，b、c為兩個晶圓槽的邊緣。

圖7 晶圓豎直方向受力圖

圖8 截面法受力圖

由于激光傳感器兩端O1、O2處在bc段，所以只需要計算bc段的彎矩。應用截面法，并取截面左側(cè)（如圖7所示）。由左端梁的平衡方程[10]：

得：

3.4 計算晶圓的撓度

梁的撓曲線近似微分方程為[11]：

式中，ω(x)′為撓度的二階微分，M(x)為梁所受到的彎矩，E為晶圓的彈性模量[12]，Iz為截面對中性軸的慣性矩。

由3.3節(jié)可以求得彎矩M(z)，Iz的計算如下：

圖9 晶圓截面圖

然后，對式(9)進行兩次積分，并利用邊界條件b、c兩點的撓度為零，可以求出撓度的表達式：

即：

4 結(jié)果分析

通過上面的方法可以求出bc段任意一點的撓度，進而求出O1、O2兩點之間的最大撓度w。

計算厚度D：

當檢測的結(jié)果落在區(qū)間左側(cè)時：若d對D的貢獻率大于w則考慮是較薄晶圓，若w對D的貢獻率大于d則考慮是較厚晶圓。

當檢測的結(jié)果落在區(qū)間右側(cè)時：若w對D的貢獻率較大考慮是晶圓較薄造成的，另外也有可能發(fā)生了疊片或者晶圓的放置發(fā)生了錯位。

應當說明的是，晶圓的變形不能太大，否則將無法檢測。如圖10所示，當檢測光源經(jīng)過第18層的晶圓時就會立即被第19層的晶圓遮擋，使傳感器產(chǎn)生連續(xù)的信號，這樣就無法識別晶圓盒內(nèi)的晶圓放置是否有誤，同時對機械手的傳送也造成了很大的干擾。此時就必須采用其他的檢測方式，或者改進晶圓盒的結(jié)構，如在晶圓下面設置支撐，同時給機械手留出足夠的工作空間。

圖10 撓度過大時的晶圓狀態(tài)

5 結(jié)論

晶圓盒自動開該機構是晶圓制造及封裝測試過程中的核心設備之一。文章闡述的改進方法可以使Load Port滿足更多品類的晶圓的檢測，實現(xiàn)了一機多用的目的。本文闡述的方法更多的是對算法的改進，不僅節(jié)約了成本而且提高了使用效率。然而此方法的不足在于當晶圓過薄變形過大時，無法完成檢測的要求。應該考慮使用其他的解決方法。

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Research on mapping of load port

LIU Jin-song1,2, ZHU Zhi-qiang1, SHI Wei2

TP23

A

1009-0134(2017)04-0066-04

2016-12-23

上海市科學技術委員會項目（16DZ1121003）

劉勁松（1968 -），男，哈爾濱人，教授，博士，研究方向為高端半導體芯片制造裝備、工業(yè)機器人應用、系統(tǒng)集成和機電一體化裝備設計與制造技術。