晶圆预对准精确定位算法

全离开传感器后数据才恢复正常 。定义缺口的变化 率最大的斜边拐点处为缺口的起 、 终点 。根据缺口 对晶圆中心大约 1. 15° 的张角可以预先设置好光透 传感 器 下 限 值 。光 透 传 感 器 控 制 器 提 供 了 一 个 LOW 数字信号输出 ,当检测数据小于传感器定义好 的下限值时 ,LOW 端数字输出为 0 , 否则输出为 1 。 所以在缺口细采样时 , 我们除了采集光透传感器模 拟输出信号以外 , 还同步采集其 LOW 数字输出信 号 。然后对后者数据进行查找 , 从 1 到 0 变化的拐 点就是缺口的起点 , 从 0 到 1 变化的拐点就是缺口 的终点 ,从而找到实际缺口形心计算的数据段 。 本文中的缺口形心指的是以缺口为外轮廓的小 扇形的形心 , 如图 3 所示 。缺口形心计算原理同样 采用质点系重心法 , 与晶圆形心计算原理相同 。只 不过晶圆形心计算的是一个圆 , 而缺口形心计算的
图 5 CCD 晶圆标记拍摄图片
黄春霞等 : 晶圆预对准精确定位算法
晶圆预对准精确定位算法
黄春霞 ② 曹其新 刘仁强
①
( 上海交通大学机器人研究所 上海 200240)
摘 要 针对 IC 制造工艺中传统的晶圆预对准控制系统预对准精度不高和占用空间较 大的不足 ,提出了一种采用高精度激光位移传感器和低成本的透射式激光传感器的新型 晶圆预对准系统 ,并结合该系统的特点提出了相应的晶圆预对准精确对位算法 ,而且进行 了晶圆预对准重复性精度检测和实验验证 。该系统用两种传感器数据融合的方式来检测 晶圆的边缘 ,用质点系重心法确定晶圆形心和缺口位置 , 最终实现了微米级的晶圆预对 准 。该系统提高了对准算法的精度 ,减小了预对准台占用的实际空间 ,降低了成本 。实验 结果验证了该系统的有效性 。 关键词 晶圆预对准 ,质点系重心法 ,形心计算
θ i +1
=
1 3
i =1
∑r3
i
θ sinθ i +1 - sin i
( 6)
2
1 2
N i =1
N
是一个小扇形 ,即它们的计算公式类似 ,只是积分角 度范围不一致 。
i =1
∑r i θi +1 - θi
y =
ρ・r2 sinθ d rdθ ∑ κ
i =1 N
ρ・rd rdθ ∑ κ
d
d N
=
1 晶圆预对准原理
概括地说 , 本文提出的系统的晶圆预对准原理 是 : 工控机获取传感器采集的数据 ,计算出晶圆形心
① 863 计划 (200XAA4C3000) 资助项目 。 ② 女 ,1981 年生 ,博士 ; 研究方向 : 硅片预对准 ; 联系人 ,E2mail :hcx81314 @sjtu. edu. cn ( 收稿日期 :2006212229)
的最小二乘圆拟合来找对准信息 。具体来说就是 , CCD 传感器采集晶圆旋转过程中的边缘数据 , 采用 最小二乘圆拟合求得晶圆的半径以及圆心坐标 。对 心执行机构移动晶圆使其圆心与旋转中心重合 , 以 完成晶圆圆心定位 。根据之前的圆周采样数据 , 采 用边缘变化率法找到缺口粗位置 , 将缺口旋转到 CCD 传感器扫描线附近对缺口进行小范围细采样 , 同样用最小二乘圆算法拟合缺口 , 得到缺口圆的圆 心坐标 。缺口圆心和旋转中心连线与晶圆边缘的交 点为缺口中心 ,将缺口中心旋转到指定的角度 ,以完 成晶圆缺口定位 [1 ] 。该算法用最小二乘圆拟合算法 求晶圆圆心和缺口圆心 ,然而晶圆含有缺口 ,并不是 一个标准圆 ,所以计算时不得不去除缺口部分数据 。 另外 ,这两种对准方法都采用线性 CCD 传感器检测 晶圆边缘 ,而该传感器采样频率较小 ,从而限制了晶 圆一周的采样点数 ,并且其占用空间较大 ,在主机框 架空间尺寸限定的情况下 ,CCD 传感器的空间尺寸 无法满足要求 。本文在研究分析上述预对准算法的 基础上 ,提出了一种基于高精度激光位移传感器和 低成本透射式激光传感器的新型晶圆预对准系统和 相应的预对准算法 ,提高了对准精度 ,减少了占用空 间。
— 709
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高技术通讯 2007 年 7 月 第 17 卷 第 7 期 和缺口方向 , 然后控制执行机构完成晶圆预对准 。 图 1 为激光位移传感器和光透传感器与晶圆相对位 置简图 。晶圆缺口深度约为 1mm ; 缺口边沿对应晶 圆形心的张角约为 1. 15° , 其形状并非一致 , 以 V 形 槽为主 ,半圆形槽为辅 。激光位移传感器光点打到 晶圆边缘 ,检测晶圆径向距离 。当其检测 V 形槽缺 口时 ,在 V 形槽两个斜边位置 , 激光反射光将无法 回到其接受透镜处 , 因此缺口数据会出现大量超量 程坏点 。为了统一起见 , 缺口精定位数据的重新采 集使用的是光透传感器 , 其检测头在晶圆边沿上下 表面安装 ,光带方向指向系统原点方向 ,由遮光量大 小决定径向距离 。
i =1
2 r dr sinθ dθ ∑ ∫ ∫ θ 0
i
r θ
θ i +1
图3 缺口形心的极坐标求解
i =1
∑ ∫ 0
N
N
r θ
rd r
∫dθ
θ i
θ i +1
3 晶圆预对准重复性精度检测和实验
=
1 3
i =1
∑r3
i
θ cosθ i +1 - cos i
( 7)
2
验证
为了验证本文所述预对准算法是否满足系统重 复性精度要求 ,下面进行晶圆预对准重复性精度检 测实 验 。实 验 所 需 装 置 是 硅 片 预 对 准 台 、 一片 200mm 上带标记的晶圆 、 CCD 摄像头 、 图像采集卡 。 晶圆预对准台如图 4 所示 ; CCD 摄像头方向垂直于
2 预对准精确定位算法
2. 1 晶圆形心定位算法
在晶圆预对准过程中 , 晶圆形心需要调整到与 转台中心重合 ( 转台中心定义为系统原点) 。定位的 关键在于晶圆形心的计算 。只有形心坐标计算出来 之后才能指导定心执行机构实现晶圆形心定位 。由 于晶圆存在缺口 ,它并不是标准圆 ,因此放弃采用最 小二乘圆拟合求晶圆圆心的方法 。本文提出用质点 系重心法 [4 ] 求晶圆形心 。该算法精度高 , 适用于任 何形状的物体 。 力学质点系的重心坐标公式为 :
0 引 言
晶圆预对准控制是集成电路 ( IC) 制造工艺中的 重要环节之一 。由于光刻机视野很小 , 因此在将晶 圆传送到光刻机进行光刻之前 , 晶圆必须进行纳米 级对准 。晶圆存放在片盒中 ,两者存在毫米级间隙 , 使机械手从片盒取出的晶圆存在毫米级的随机偏 心 ,缺口方向亦随机 , 因此 , 晶圆需要进行两级对准 定位 ,即微米级预对准和纳米级精确对准 。晶圆微 米级预对准过程就是通过一定的方法 , 使其形心调 整到指定范围之内 ,使其缺口转动到指定方向 ,即包 括晶圆形心 、 缺口两个对准过程 [1 ] 。晶圆预对准台 就是实现晶圆预对准的装置 。 传统的晶圆预对准台采用线性电荷耦合器件 ( CCD) 传感器检测晶圆边缘 [2 ] 。其预对准算法之一 是通过线形 CCD 信号实际波形与标准波形的比较 来找对准信息 。具体来说就是 ,旋转晶圆 ,当晶圆存 在偏心时 ,线性 CCD 信号的实际波形表现为类似一 条正弦曲线 ,否则其表现为标准波形 。这样通过两 种波形的比较可以得到晶圆的偏心 。偏心已知后 , 对心执行机构移动晶圆 ,使其形心与转台中心重合 。 重复该过程直到晶圆形心被调整到指定范围之内 。 接着转台带动晶圆再次旋转 ,找到晶圆至 CCD 被遮 长度最小处 ,即晶圆缺口的最低点处 ,然后进行缺口 定位 [3 ] 。该算法精度不高 , 尤其是缺口部分利用最 低点单个采样点来定位 , 精度受采样频率和干扰影 响很大 。另外一种预对准算法是通过晶圆边缘数据
假设晶片密度均匀 , 那么根据式 ( 1) , ( 2) , 晶圆 形心坐标为 :
i =1
x =
ρ・r2cosθ d rdθ ∑ κ
i =1 N
N
ρ・rd rdθ ∑ κ
d
d N
=
i =1
2 r dr cosθ dθ ∑ ∫ ∫ θ 0
i
r θ
θ i +1
i =1
∑ ∫ 0
N
N
r θ
rd r
∫dθ
θ i
M = My =
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i =1
∑m
n i =1
i
为该质点系的总质量 ;
n
∑
mixi , Mx =
i =1
∑m y
i i
分别为该质点系
对 y 轴和 x 轴的静矩 。 晶圆一周采集 N 个有效点 ,每个采集点与转台 编码一一对应 ,即极坐标 ( r θ ,θ i ) 已知 。晶圆将分 成 N 个扇形 , 如图 2 所示 。那么 , 晶圆质点系总质 量是 :
1 2
N
i =1
∑r i θi +1 - θi
2. 2 晶圆缺口定位算法
晶圆预对准除了形心对准外 , 还需要进行缺口 对准 ,即需将晶圆缺口方向转动到指定角度 。在计 算缺口形心之前 ,缺口部分数据要进行重新细采样 。 在晶圆形心计算过程中 ,缺口粗位置已求出 ,据此将 缺口旋转到光透传感器附近开始对缺口小范围的细 采样 。为了使缺口形心计算不受粗定位的影响 , 实 际缺口形心计算的数据段选取是根据当前细采样的 数据信息 。具体原理是 ,当晶圆形心调整好后 ,对光 透传感器来说 ,其在非缺口部分数据变化量很小 ,而 在缺口部分变化量却很大 , 整个数据会很好地反映 出缺口的形状特征 。传感器数据变化趋势是 , 当缺 口进入光透传感器时 ,数据会明显地减小 ,直到缺口 最低点到达时为止 ,然后便明显地增大 ,直到缺口完
i =1
ρ・rd rdθ ∑ κ
d
N
( 3)
图2 质点系重心法求解晶圆形心示意图
晶圆质点系 y 轴静矩是 :
黄春霞等 : 晶圆预对准精确定位算法
i =1
ρ・r2cosθ d rdθ ∑ κ
d
N
( 4)
晶圆质点系 x 轴静矩是 :
i =1
ρ・r2 sinθ d rdθ ∑ κ
d
N
( 5)
n
My x = = M
i =1 n
∑m x
i- 1 n
i i
( 1)
∑
mi
i i
y =
图1 传感器与晶圆相对位置简图
Mx = M
i =1 n
∑m y
i- 1
( 2)
∑m
i
其中 :
n
晶圆预对准的具体原理如下 。第一 , 转台高速 转动一周 ,数据采集卡以转台编码作为外部时钟 ,同 时采集激光位移和光透传感器获得的晶圆边缘一周 数据 。该方法的优点是保证每个采样点与转台编码 一一对应 ,从而得到每个采样点极坐标值数据 。第 二 ,利用激光位移传感器获取的数据 ,采用质点系重 心法计算晶圆形心和半径 ,然后再计算缺口粗位置 。 对 V 形槽缺口晶圆来说 , 利用激光位移传感器缺口 部分数据超量程的特殊性质找缺口起始和终止点 , 作为缺口粗定位标准 ; 对半圆形槽晶圆来说 ,利用光 透传感器数据在缺口起终点变化率绝对值最大的性 质找到缺口起始和终止点 , 作为缺口粗定位标准 。 第三 ,晶圆形心计算出来后 ,对心执行机构移动晶圆 将其形心与旋转中心重合 , 以完成晶圆形心定位 。 第四 ,根据之前找到的缺口粗位置 ,将缺口旋转到光 透传感器附近对缺口进行小范围细采样 ( 采样外部 时钟信号是转台编码 4 倍频信号 , 这样数据量是原 来的 4 倍) 。利用光透传感器事先定义好的域值 ,找 到缺口实际的数据段 , 该数据段数据同样采用质点 系重心法来计算缺口形心 。缺口形心和旋转中心连 线为缺口方向 ,将该方向旋转到指定的角度 ,以完成 晶圆缺口定位 。 — 710 —
图4 晶圆预对准台
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高技术通讯 2007 年 7 月 第 17 卷 第 7 期 晶圆 ,抓取晶圆标记的放大图片 ,如图 5 所示 。检测 方法是 ,初始位置任意的同一块晶圆进行预对准操 作 ,当预对准完成后 ,CCD 抓取一张晶圆标记图片 , 该过程重复 25 次获得 25 张图片 。这组图片运用图 像分析软件进行分析 ,把其中任意一张作为模版 ,剩 余的都和它进行匹配 , 结果将获得 25 组像素坐标 , σ 值 。表 1 是一组晶圆预对 然后对 x , y 分别计算 3 σ值已经 准重复测量精度检测实验结果 ,可以看出 3 满足微米级重复性定位精度要求 。该过程重复多 次 ,都能得到理想的类似结果 。实验证明该预对准 算法精度高 ,运用该算法的预对准台满足微米级定 位精度要求 。