CN103021919B - 一种晶圆预对准装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种晶圆预对准装置，包括工作台面、θ-Y二自由度运动单元、垂直过渡单元、真空吸附单元、以及视觉检测单元，其中：所述θ-Y二自由度运动单元用于调整晶圆的偏心量和缺口位置；垂直过渡单元用于临时放置晶圆，使晶圆与θ-Y二自由度运动单元能够完全脱离开，从而达到调整偏心量的目的；真空吸附单元同轴固定在θ-Y二自由度运动单元上，用于固定晶圆，使其能实现对心和缺口定位；视觉检测单元用于检测晶圆的边缘位置和缺口位置。本发明设计的晶圆预对准装置可以实现将晶圆的最大径向位移偏心量旋转到一个轴上，这样就能有效地减少一个X向自由度，从而对于晶圆的预对准装置减少了一个直线运动平台，节省了成本，提高定位效率。

Description

一种晶圆预对准装置

技术领域

本发明涉及半导体制造装置，具体涉及一种晶圆预对准装置。

背景技术

晶圆预对准装置是晶圆处理系统的重要子系统，其作用是在晶圆被传送到加工工位之前，对晶圆进行定位处理，计算晶圆与标准位置的偏差，然后驱动运动平台使晶圆的圆心及缺口(或者切边)定位于特定的范围之内。晶圆预对准的目的有两个，一是确定晶圆圆心位置，二是确定晶圆缺口方向。操作前晶圆圆心在预对准系统上的位置是未知的，缺口方向也是随机的，预对准的目的就是将晶圆圆心调整到指定位置，将缺口方向调转到指定方向。

晶圆预对准系统经历了从机械预对准到高精度光学预对准的发展历程。机械式预对准装置是用复杂的机构直接接触晶圆，使其被动定位；主要应用于传输精度要求较低的微米级设备，如专利US487904中的预对准装置通过定心爪的收缩将晶圆移到旋转中心，美国专利US4880384则采用3个滚轴对硅晶圆定心的方案；这些方法缺点是机械部件和晶圆的边缘接触，极易对晶圆造成污染，同时定位精度完全受机械结构精度的影响。

光学式预对准装置则采用光学测量元件对晶圆的边缘进行检测，通过一定的算法来实现硅晶圆的定心。采用的光学测量器件主要有光电传感器、线阵传感器和摄像头。根据所采用的探测器类型、个数以及安装位置的不同，圆心定位和缺口检测的算法也不尽相同。相比机械预对准系统，光学传感器不接触硅晶圆，具有较高的测量精度，目前较成熟且投入工业应用的预对准方法使用的是线阵型光学传感器CCD，但它尺寸较大，对空间资源很大的浪费。

中国专利CN1937202A公开了一种晶圆预对准装置，该预对准装置通过水平对心单元完成晶圆的定心，通过承片台完成晶圆缺口的定向。该预对准装置的机构和算法比较简单，但是整个晶圆预对准的过程中，存在三次对晶圆的真空交接，包括晶圆传输机械手与预对准装置、水平对心单元与承片台、承片台与机械手的晶圆交接。众所周知，晶圆本身厚度约为0.7mm，真空吸附的时候会产生局部的形变，这种变形对于整个预对准的结果会产出不利的影响，直接影响定位的精度，因为晶圆在承片台上进行的边缘扫描并通过扫描数据计算得出形心，然后再通过真空交接将晶圆转移到水平对心单元上进行定心，最后再将对心过的晶圆重新转移到承片台上进行缺口定向，该方法造成误差数据的两次叠加，也增加了定位的时间，使得该装置的效率较低。同时，该装置由于采用了滚珠螺杆花键做传动，线阵型CCD传感器检测晶圆的边缘信号，造成整个装置尺寸偏大，浪费了大量的空间。

发明内容

本发明的主要目的是为了克服上述已有技术的不足之处，发明一种新型晶圆预对准装置。既能够以极短的时间按照晶圆对准精度和对准时间的要求，完成晶圆的圆心对准和缺口定位，同时有效减小安装尺寸，节省空间。

根据本发明的一个方面，提供一种晶圆预对准装置，其特征在于，包括工作台面1、θ-Y二自由度运动单元2、垂直过渡单元3、真空吸附单元4、视觉检测单元5、数据采集单元和运动控制单元。其中：所述θ-Y二自由度运动单元2用于调整晶圆的偏心量和缺口位置，固定于工作台面1上；垂直过渡单元3垂直固定在工作台面1上，用于临时放置晶圆，使晶圆与θ-Y二自由度运动单元2能够完全脱离开，从而达到调整偏心量的目的；真空吸附单元4同轴固定在θ-Y二自由度运动单元2上，用于固定晶圆，使其能实现对心和缺口定位；视觉检测单元5用于检测晶圆的边缘位置和缺口位置，与垂直过渡单元3平行固定在工作台面1上；数据采集单元用于采集晶圆边缘数据，运动控制单元用于处理晶圆边缘数据，数据采集单元和运动控制单元均放置在外部控制器外，本发明不做详细介绍。

优选地，所述θ-Y二自由度运动单元2包括相连接的Y向直线运动平台和θ向旋转平台，其中：

直线运动平台包括二维精密滚珠丝杠10、高分辨率步进电机6、直线导轨9、滑块11、联轴器7，其中：直线运动平台的对称中心线与晶圆理想对准位置的轴线重合并固定在工作台面1上；二维精密滚珠丝杠10与滑块11相互连接，形成二维平面方向直线运动；滑块11与两条平行放置的直线导轨9相互连接；直线导轨9固定在工作台面1上；二维精密滚珠丝杠10一端通过联轴器7与高分辨率步进电机6连接，当高分辨率步进电机6转动时带动滑块11沿直线导轨9做Y向直线运动；

θ向旋转平台包括转台连接板12、转台台架13、直驱无刷伺服电机14，其中：直驱无刷伺服电机14与转台台架13同轴安装实现单轴旋转运动，Y向直线运动平台和θ向旋转平台之间通过一块转台连接板12固定，即转台连接板12固定在滑块11上，转台台架13设置于转台连接板12上。

优选地，所述θ向旋转平台采用中空式设计，真空吸附单元4的真空气管与直驱无刷伺服电机14同轴安装。

优选地，所述真空吸附单元4包括吸附套筒15、吸附连接件16、真空吸头17、内六角紧固螺钉18，其中：吸附套筒15同轴固定在转台台架13上，吸附连接件16作为真空吸头17与吸附套筒15的连接件，由多个内六角紧固螺钉18进行固定；真空吸头17用于固定晶圆，传递θ向旋转平台的力矩。

优选地，所述真空吸头17的表面形状采用不规则的扇形设计。

优选地，所述垂直过渡单元3包括底座支架19、垂直支架20、Z向直线运动平台21、L型过渡托盘25、多个接片柱26，其中：Z向直线运动平台21通过垂直支架20固定在底座支架19上，用来完成Z向直线运动；整个垂直过渡单元3放置在工作台面1上；L型过渡托盘25垂直固定在Z向直线运动平台21的滑台上做Z向垂直运动，并设计有圆形开口，使真空吸附单元4能够穿过；多个接片柱26呈正方形状固定在L型过渡托盘25上。

优选地，所述接片柱26的顶部安装有环形密封圈以防止损坏晶圆，并且采用中空设计，实现真空吸放晶圆和过渡放置晶圆两种用途。

优选地，所述视觉检测单元5包括传感器支架22、激光发射器23和接收器24，其中：激光发射器23用于发出激光束，接收器24用于接收光强信号，激光发射器23和接收器24固定在传感器支架22上，激光发射器与接收器之间存在间距。

优选地，所述激光发射器与接收器之间的间距为30cm。

优选地，还包括数据采集单元和运动控制单元，其中：数据采集单元用于实时同步地采集θ向旋转平台的位置信号和视觉检测单元5输出的边缘数据信号；运动控制单元用于通过计算数据采集单元输出的数字信号精确控制高分辨率步进电机、直驱无刷伺服电机14的转动。

这里的X、Y、Z、θ指的是笛卡尔直角坐标系的三个坐标轴方向。

所述的视觉检测单元主要由传感器支架、新型穿透式激光辨别传感器的组成。其中：穿透式激光辨别传感器由发射器与接收器组成，发射器发出激光束，接收器接收光强信号。发射器和接收器固定在特制的型材支架上，上下间距30cm，相对位置保持不变，调整支架的安装位置可以检测不同尺寸的晶圆。激光发射器发出的激光束与晶圆理想的预对准位置的轴线重合并垂直于晶圆。该穿透式激光辨别传感器采样速率高达80μs，区分精度高达5μm，并拥有自动调整功能从而减少维护需要。

所述的运动控制单元中选用多轴运动控制卡，控制步进电机、伺服电机的转动，视觉处理系统负责接收穿透式激光辨别传感器发送的模拟电压信号，实时转换并向上位机传输晶圆的位置信息，并对获得的数字信号进行数据处理，得到晶圆的形心和缺口位置，从而实现晶圆的圆心定位、缺口定位。

由于晶圆被传输到预对准装置的时候位置是随机的，存在着X、Y的偏心和缺口3个方向的位置误差。预对准的目的就是要调整这些偏差。理论上，要调整这些偏差需要3个方向自由度去补偿，考虑到检测方式和精度问题还需要一个自由度Z来进行晶圆的交接过渡，这样就一共需要4个自由度。本发明设计的晶圆预对准装置可以实现将晶圆的最大径向位移偏心量旋转到一个轴上，这样就能有效地减少一个X向自由度，从而对于晶圆的预对准装置减少了一个直线运动平台，节省了成本，提高定位效率。

因此本发明采用的晶圆预对准方法，包括如下步骤：

步骤(1)：视觉检测单元设定被测晶圆的理想检测位置，真空吸附单元固定晶圆；

步骤(2)：θ向旋转平台与真空吸附单元带动晶圆旋转一周，视觉检测单元检测出晶圆的边缘位置，将边缘信息传输给上位机，计算出晶圆的最大径向位移偏心量e_max，径向位移最大偏心量处与Y向的夹角θ，缺口采样数据段的位置；

步骤(3)：θ-Y二自由度运动单元逆时针旋转晶圆θ角，使晶圆的最大径向位移偏心量和水平Y向处于一条直线上，垂直过渡单元Z向上升使晶圆与真空吸附单元脱离，Y向运动单元补偿晶圆的最大径向位移偏心量，垂直过渡单元Z向运动下降，真空吸附单元重新固定晶圆，完成晶圆形心的定位；

步骤(4)：θ-Y二自由度运动单元带动晶圆旋转至晶圆缺口采样数据段的位置进行缺口的细采样，得到晶圆缺口中心位置与晶圆理想的预对准位置的轴线的夹角

步骤(5)：θ向运动单元带动晶圆旋转角，完成对晶圆的预对准。

本发明具有以下有益的特点和效果：

(1)本发明主要用于真空洁净环境下使用，所采用的元气件均可满足CLASS100级的洁净要求。

(2)本发明的视觉检测单元采用一种高精度激光位移传感系统，能有效地提高定位精度。

(3)本发明的外型设计尺寸仅320×300×280mm³，易于安装，节省空间。

(4)本发明的机构设计紧凑，对于交换晶圆的过渡接片单元进行了创新设计，有效节省了空间，提高了检测效率。

(5)本发明采用一种方法有效地减少一个自由度，进而减少了机构的复杂度，提高了对心的效率，缩短了对心的时间。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的θ-Y二自由度运动单元的结构示意图；

图3为本发明的真空吸附单元的结构示意图；

图4为本发明的垂直过渡单元与视觉检测单元的结构示意图；

图5为本发明的总体工作流程图；

图6为应用本发明所实现方法的总体实施流程示意图；

图7为应用本发明所实现方法的晶圆偏心量数学模型示意图；

图8为应用本发明所实现方法的晶圆形心极坐标求解示意图；

图9为应用本发明所实现方法的晶圆缺口边缘数学模型示意图；

图10为应用本发明所实现方法的缺口形心的极坐标求解示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，在本实施例中，本发明提供的晶圆预对准装置包括工作台面1、θ-Y二自由度运动单元2、垂直过渡单元3、真空吸附单元4、视觉检测单元5以及图上未标明的数据采集单元和运动控制单元。所述θ-Y二自由度运动单元2用于调整晶圆的偏心量和缺口位置，固定于工作台面1上；垂直过渡单元3垂直固定在工作台面1上，用于临时放置晶圆，使晶圆与θ-Y二自由度运动单元2能够完全脱离开，从而达到调整偏心量的目的；真空吸附单元4用于固定晶圆，使其能实现对心和缺口定位；视觉检测单元用5于检测晶圆的边缘位置和缺口位置，与垂直过渡单元3平行固定在工作台面1上。真空吸附单元4同轴固定在θ-Y二自由度运动单元2上，θ-Y二自由度运动单元2固定放置在工作台面1上，数据采集单元和运动控制单元放置在外部控制箱内。整个装置结构紧凑，适用范围广，用法灵活，工作流程简单，整个定位时间少于5s。

下面对所述晶圆预对准装置的各主要部分进行详细描述。

如图2所示，所述的θ-Y二自由度运动单元2包括：Y向直线运动平台、θ向旋转平台。其中：直线运动平台主要由二维精密滚珠丝杠10、高分辨率步进电机6、直线导轨9、滑块11、联轴器7组成，直线运动平台的对称中心线与晶圆理想对准位置的轴线重合并固定在工作台面1上。其中：二维精密滚珠丝杠10与滑块11相互连接，形成二维平面方向直线运动，滑块11与两条平行放置的直线导轨9相互连接，直线导轨9固定在型材8上，二维精密滚珠丝杠10一端通过联轴器7与步进电机6连接，当步进电机6转动时带动滑块11沿直线导轨9做Y向直线运动。θ向旋转平台主要由转台连接板12、转台台架13、直驱无刷伺服电机14组成。其中：直驱无刷伺服电机14与转台台架13同轴安装实现单轴旋转运动，Y向直线运动平台和θ向旋转平台之间通过一块转台连接板12固定，即转台连接板12固定在滑块11上。该θ向旋转平台采用中空式设计，使得真空气管能够与电机同轴安装，解决了当旋转电机大尺度转动时会由于气管拖拽造成整个θ-Y二自由度运动单元发生振动的问题。

如图3所示，所述的真空吸附单元4主要由吸盘套筒15、吸盘连接件16、真空吸头17、内六角紧固螺钉18组成。其中吸盘套筒15同轴固定在转台台架13上，吸盘连接件16作为真空吸头17与吸盘套筒15的连接件，由3个内六角紧固螺钉18进行固定。其中：真空吸头17用于固定晶圆，传递θ向旋转平台的力矩，其结构设计主要集中在吸头表面形状的设计。晶圆真空吸附受力时会发生变形，吸头表面形状的不同，晶圆吸附时产生的变形也不同，多数设计采用环形圆孔设计，容易造成晶圆真空接触部位的塌陷。因此本实施例中的真空吸头17的表面形状采用不规则的扇形设计，能有效地避免晶圆边缘的形变，提高晶圆的边缘测量精度，也能够保证在吸附、释放晶圆的过程中产生很小的冲击。

如图4所示，所述的垂直过渡单元3主要由底座支架19、垂直支架20、Z向直线运动平台21、L型过渡托盘25、4个接片柱26组成。其中：Z向直线运动平台21与Y向直线运动平台相同，通过垂直支架20固定在底座支架19上，用来完成Z向直线运动。整个垂直过渡单元3放置在工作台面1上。L型过渡托盘25垂直固定在Z向直线运动平台21的滑台上做Z向垂直运动，并设计有圆形开口，使真空吸附单元4能够穿过，有效地节省安装空间；L型过渡托盘25的设计目的是能够同视觉检测单元5同时固定在垂直支架上，有效地减少了安装尺寸，使整套装置结构紧凑，适用范围广，用法灵活，流程简单。4个接片柱26呈正方形状固定在L型过渡托盘25上，由于需要直接与晶圆接触，因此4个接片柱26的顶部安装有环形密封圈以防止损坏晶圆，并且采用中空设计，实现真空吸放晶圆和过渡放置晶圆两种用途。

如图4所示，所述的视觉检测单元5主要由传感器支架22、激光发射器23和接收器24组成。其中：由激光发射器23发出激光束，接收器24接收光强信号。激光发射器23和接收器24固定在特制的传感器支架22上，上下间距30cm，相对位置保持不变，调整传感器支架22的安装位置可以检测不同尺寸的晶圆。该激光发射器23使用透射镜头，以平行光束形式射出的激光光线在穿过受光镜头后，将汇聚到受光元件(高敏感度PD)上。当阻断此平行光束时，光束将按被阻断与射入受光元件的光线量的比例而减少；此时接收器24捕获穿过晶圆边缘和缺口的光量，该光量转换出的数据即为晶圆边缘至旋转中心的距离，将边缘上若干点的数据结合起来，通过相应算法就可以算出晶圆的圆心位置与缺口方向。

接下来对本发明应用的一个具体实施方式进行描述。

应用本发明提供的装置能够实现一种晶圆预对准检测方法，所述晶圆预对准检测方法包括如下步骤：

步骤1：令外部的晶圆传输机械手将晶圆交接给晶圆预对准装置，利用视觉检测单元5通过检测接收光强的变化率，判断晶圆是否已放置到真空吸附单元4上，当检测到晶圆已放置时，触发运动控制单元，使真空吸附单元4固定晶圆；通过θ-Y二自由度运动单元2带动真空吸附单元4使晶圆旋转一周，视觉检测单元5中的激光透过式传感器检测出晶圆的边缘位置，通过数据采集单元同步采集激光透过式传感器获得的晶圆边缘一周数据；

步骤2：令运动控制单元利用从数据采集单元获取的晶圆边缘一周数据，通过构造晶圆形心检测的数学模型，计算出晶圆的形心位置坐标径向位移最大偏心量e_max、以及径向位移最大偏心量处与水平Y向的夹角

步骤3：通过运动控制单元发出指令使θ-Y二自由度运动单元2中的θ向旋转平台带动晶圆旋转角度使径向位移最大偏心量e_max与水平Y向处于一条直线上，将径向位移最大偏心量e_max调整到Y轴上，通过垂直过渡单元3上升使晶圆脱离θ-Y二自由度运动单元2，θ-Y二自由度运动单元2中的Y向直线运动平台移动，θ向旋转平台的中心与晶圆的形心晶圆重合，完成晶圆的形心定位；

步骤4：令垂直过渡单元3下降并使真空吸附单元4固定晶圆，θ-Y二自由度运动单元2再次带动真空吸附单元4使晶圆旋转一周，视觉检测单元5检测出晶圆的边缘位置，数据采集单元同步采集晶圆边缘一周数据，运动控制单元分析晶圆边缘一周数据完成缺口数据段的定位，并发出指令使θ-Y二自由度运动单元2将缺口数据段旋转到激光透过式传感器附近对其进行小范围细采样，数据采集单元同步采集数据；运动控制单元利用从数据采集单元获取的数据，计算出晶圆实际的缺口形心位置，得到晶圆的缺口位置与Y向的夹角β；

步骤5：运动控制单元发出指令使θ-Y二自由度运动单元2中的θ向旋转平台带动晶圆旋转到指定角度，完成晶圆缺口定位。

优选地，在所述步骤2中，运动控制单元采用形心定位算法计算出晶圆的形心位置坐标径向位移最大偏心量e_max、以及径向位移最大偏心量处与水平Y向的夹角其中，所述的形心定位算法具体为：通过激光透过式传感器测得的晶圆边缘的位移值确定偏心量、θ-Y二自由度运动单元2中的θ向旋转平台的转角和边缘位移间的函数关系，从而对晶圆的形心进行精确计算。

优选地，在所述步骤4中，运动控制单元采用形心定位算法计算出晶圆实际的缺口形心位置，其中，所述的形心定位算法具体为：通过激光透过式传感器测得的晶圆边缘的位移值确定偏心量、转角和边缘位移间的函数关系，计算缺口形心，缺口形心和θ向旋转平台中心连线即为缺口方向，将缺口方向旋转到指定的角度，即能够完成晶圆缺口的精确定位。

优选地，所述的数据采集单元同步采集激光透过式传感器获得的晶圆边缘一周数据，具体地为：以θ向旋转平台的编码器信号作为外部时钟，在θ向旋转平台旋转过程中由θ向旋转平台的编码器脉冲信号控制数据采集单元对激光透过式传感器同步数据采集，使得激光透过式传感器测得的模拟量或数字量能够和θ向旋转平台的相应的转角一一对应。

优选地，在所述步骤4中，运动控制单元利用从数据采集单元获取的数据，利用圆周和缺口曲率不同这一数学特性进行分析，计算出晶圆实际的缺口形心位置。

优选地，将晶圆边缘上曲率小于3°的点认定为晶圆缺口上的点，否则，认定为晶圆圆周上的点。

优选地，通过如下公式计算晶圆形心O'的形心位置坐标

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{\ρ}}^2\cos \mathrm{\θ}\·\mathrm{d\ρd\θ}}{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\θ}\right)}\mathrm{\ρ}\·\mathrm{d\ρd\θ}}$

$\stackrel{\‾}{y}=\frac{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{\ρ}}^2\sin \mathrm{\θ}\·\mathrm{d\ρd\θ}}{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\θ}\right)}\mathrm{\ρ}\·\mathrm{d\ρd\θ}}$

其中，为晶圆形心O'的X轴坐标，为晶圆形心O'的Y轴坐标，ρ为θ向旋转平台中心O到晶圆边缘的距离，θ为θ向旋转平台中心的转台转角，ρ(θ)为硅片矢径关于角度的函数。

通过如下公式由晶圆形心O'的位置坐标计算求出径向位移最大偏心量e_max：

$e_{\max }=\sqrt{{\stackrel{\‾}{x}}^2+{\stackrel{\‾}{y}}^2},$

通过如下公式计算出径向位移最大偏心量处与Y向的夹角为

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}=\arctan \frac{\stackrel{\‾}{y}}{\stackrel{\‾}{x}}.$

优选地，在所述步骤4中，缺口数据段的定位，具体为：定义缺口的曲率变化率最大的斜边拐点处即为缺口的起、终点；数据采集单元采集激光透过式传感器的模拟输出信号以外，还同步采集激光透过式传感器的LOW数字输出信号；然后对LOW数字输出信号数据进行查找，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，从而找到缺口数据段。

优选地，所述激光透过式传感器包括激光发射器、接收器、以及传感器支架，激光发射器用于发出激光束，接收器用于接收光强信号，激光发射器和接收器固定在传感器支架上，其中，激光发射器与接收器之间存在间距，相对位置保持不变。

更为具体地，所述晶圆预对准检测方法的总体流程主要包括晶圆形心的定位检测和晶圆缺口的定位检测两个主要部分，下面分别详细说明如下：

本发明的晶圆形心定位检测的方法流程，包括以下步骤：

步骤(1)：校验晶圆边缘数据正确与否：如图7所示，设θ向旋转平台中心为O，机械手送晶圆到真空吸附单元4上，晶圆形心位于O′，偏心量为e，所述偏心量e为晶圆在偏心旋转时，激光透过式传感器到晶圆边缘的位移变化量可类比于旋转凸轮上杆件的位移；晶圆理想的外圆直径为R；通过θ向旋转平台中心建立直角坐标系，旋转θ角度后的晶圆实际几何中心坐标为(x,y)，视觉检测单元5在固定的X轴方向检测晶圆的x坐标偏移量为Ox′，计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}x=e\cos \mathrm{\θ}\\ y=e\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

Ox'＝e cosθ+(R²-e²sin²θ)^1/2

以上公式为理想条件下晶圆偏心旋转时，其偏心量e、转角θ及边缘位移间的数学函数关系，可用于检测过程中校验数据正确与否。

步骤(2)：晶圆的边缘数据采集与处理：实际检测时，可将晶圆看成不动，激光透过式传感器绕转台回转中心转动。通常选用最小二乘圆法计算晶圆的形心，但因为晶圆的圆度误差较大，约±0.1mm，另外定位缺口处的数据需单独处理，因此在本发明的一个优选例中不采用这种方法，而是设计一种基于形心计算的方法。如图8所示，数据采集单元在旋转平台编码器脉冲控制下同步采集激光透过式传感器的数字信号，得到晶圆在旋转360°的过程中，传感器到晶圆边缘的距离S_i和相应的转台转角θ_i；设θ向旋转平台中心O到晶圆边缘相应的距离为ρ_i，与下一个采样点(S_i+1，ρ_i+1，θ_i+1)角度间隔为Δθ_i，传感器激光头到θ向旋转平台轴线的距离为L；则有ρ_i＝L-S_i；由二维任意形状物体的形心计算方法，可以得到晶圆形心O′的形心位置坐标对于连续测量，计算公式如下：

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{\ρ}}^2\cos \mathrm{\θ}\·\mathrm{d\ρd\θ}}{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\θ}\right)}\mathrm{\ρ}\·\mathrm{d\ρd\θ}}$

$\stackrel{\‾}{y}=\frac{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{\ρ}}^2\sin \mathrm{\θ}\·\mathrm{d\ρd\θ}}{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\θ}\right)}\mathrm{\ρ}\·\mathrm{d\ρd\θ}}$

其中，为晶圆形心O′的X轴坐标，为晶圆形心O′的Y轴坐标，ρ为θ向旋转平台中心O到晶圆边缘的距离，θ为θ向旋转平台中心的转台转角，ρ(θ)为硅片矢径关于角度的函数。

由晶圆形心O′的位置坐标可以求出径向位移最大偏心量e_max，径向位移最大偏心量处与Y向的夹角为

步骤(3)：形心定位：旋转θ角度将径向位移最大偏心量e_max调整到与水平Y向直线运动单元处于一条直线上，这样就达到了减少一个自由度，只需调整一个Y向的偏差就能够实现形心定位的目的。垂直过渡单元3上升带动晶圆脱离真空吸附单元，然后Y轴运动平台对晶圆进行偏心量补偿e_max，完成对晶圆形心的定位。同时通过分析采集的数据还能找到缺口的起始位置，这为缺口数据段的重新采集打下基础。

本发明的晶圆缺口定位检测的方法流程，包括以下步骤：

步骤(1)：缺口边缘的识别：在晶圆形心定位检测的过程中，同时还要完成缺口边缘的识别，为缺口数据段定位做准备。可以用相邻3个点的夹角来表示晶圆边缘的变化率，如图9所示，本发明利用圆周和缺口曲率不同这一数学特性来识别晶圆的缺口数据。应用余弦定理可得到晶圆缺口的边缘变化情况：

${\mathrm{\α}}_i={\cos }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{AB}}^2+{\mathrm{BC}}^2-{\mathrm{AC}}^2}{2\mathrm{AB}-\mathrm{BC}}\right)$

通过对一组采样数据求解的晶圆对心后的边缘变化率分析可以看出，缺口的边缘变换率和圆周相比，差别很大。晶圆非缺口的边缘变化率非常小，夹角约为3°；而缺口边缘的变化率相对较大，最大夹角也不会超过2.4°，所以选取适合的域值就可以识别缺口采样点。本发明的优选例中设定的域值是3°，若α_i＜3°，则判定(x_i,y_i)为缺口上的点。

(1)缺口的数据段定位：当晶圆的形心调整后，对激光透过式传感器而言，其在非缺口部分的数据变化量变的很小很小，而在缺口部分的数据变化量却依然很大，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如图10所示，当缺口进入激光透过式传感器时，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即为缺口的起、终点。根据构造晶圆形心检测数学模型得出，缺口对晶圆中心大约呈2.4°的夹角，可以预先设置好激光透过式传感器的下限值。激光透过式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。因此，我们除了采集激光透过式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。

(2)缺口的精确定位：由缺口数据段定位得到的缺口形心计算的数据段的形状其实是以缺口为外轮廓的一小段扇形，如图10所示，这时晶圆的缺口形心计算可以同晶圆的形心计算方法一样采用形心计算法。只不过晶圆形心计算的是一个圆，而缺口形心计算的是一个小扇形，即它们的计算公式类似，只是积分角度范围不一致，进而可以求得缺口形心的坐标。缺口形心和旋转中心连线与晶圆边缘的交点，即为所寻找的缺口中心位置。

在一个优选例中，如图5所示，采用所述晶圆预对准装置实施本发明相应方法的总体流程包括以下步骤：

(1)初始化整套晶圆预对准系统。包括检测真空吸头17、L型过渡托盘25上是否有晶圆存在，θ-Y二自由度运动单元2、垂直过渡单元3状态归零；

(2)外部晶圆传输机械手将晶圆交接给晶圆预对准装置，放置在真空吸头17之上；

(3)触发视觉检测单元5，激光发射器23发出激光束，接收器24接收光强信号，检测到存在晶圆到达，触发真空吸附单元4开始工作，真空吸头17产生负压吸附被测晶圆；

(4)晶圆传输机械手撤离，晶圆预对准装置完成接片工作；

(5)触发θ-Y二自由度运动单元2，θ向旋转平台旋转360°，触发视觉检测单元5开始检测晶圆的边缘，并对其边缘数据进行采集，数据采集单元将模拟信号实时转换为数字信号传送给运动控制单元进行计算；

(6)运动控制单元通过编译的形心算法计算出晶圆的最大径向偏心量e_max，径向位移最大偏心处与Y向的夹角θ；

(7)再次触发θ-Y二自由度运动单元2，θ向旋转平台逆时针旋转至指定角度，这时将最大径向偏心量e_max调整到Y向直线运动平台方向；

(8)再次触发真空吸附单元4，真空释放晶圆；

(9)触发垂直过渡单元3，Z向直线运动平台上升运动10mm，使L型过渡托盘25带动晶圆完全脱离真空吸附单元4，暂时由4个接片柱26接替；

(10)再次触发θ-Y二自由度运动单元2；Y向直线运动平台带动真空吸附单元4按照最大径向偏心量e_max移动，使θ向旋转平台与晶圆同心，完成晶圆的形心定位；

(11)触发垂直过渡单元3，Z向直线运动平台下降运动10mm，使真空吸附单元4带动晶圆完全脱离4个接片柱26，再次触发真空吸附单元4，真空吸头17产生负压再次吸附被测晶圆；

(12)触发θ-Y二自由度运动单元2，Y向直线运动平台归零，θ向旋转平台旋转360°，触发视觉检测单元5开始检测晶圆的缺口位置，数据采集单元将模拟信号实时转换为数字信号传送给运动控制单元进行计算；得到晶圆的缺口位置与Y向的夹角

(13)触发θ向旋转平台旋转至指定角度完成晶圆的缺口定位；

(14)触发真空吸附单元4，真空释放晶圆，由外部晶圆传输机械手将晶圆脱离晶圆预对准装置；

(15)晶圆预对准装置归零，等待下片晶圆。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种晶圆预对准装置，其特征在于，包括工作台面(1)、θ-Y二自由度运动单元(2)、垂直过渡单元(3)、真空吸附单元(4)、以及视觉检测单元(5)，其中：所述θ-Y二自由度运动单元(2)用于调整晶圆的偏心量和缺口位置，固定于工作台面(1)上；垂直过渡单元(3)垂直固定在工作台面(1)上，用于临时放置晶圆，使晶圆与θ-Y二自由度运动单元(2)能够完全脱离开，从而达到调整偏心量的目的；真空吸附单元(4)同轴固定在θ-Y二自由度运动单元(2)上，用于固定晶圆，使其能实现对心和缺口定位；视觉检测单元(5)用于检测晶圆的边缘位置和缺口位置，与垂直过渡单元(3)平行固定在工作台面(1)上。

2.根据权利要求1所述的晶圆预对准装置，其特征在于，所述θ-Y二自由度运动单元(2)包括相连接的Y向直线运动平台和θ向旋转平台，其中：

直线运动平台包括二维精密滚珠丝杠(10)、高分辨率步进电机(6)、直线导轨(9)、滑块(11)、联轴器(7)，其中：直线运动平台的对称中心线与晶圆理想对准位置的轴线重合并固定在工作台面(1)上；二维精密滚珠丝杠(10)与滑块(11)相互连接，形成二维平面方向直线运动；滑块(11)与两条平行放置的直线导轨(9)相互连接；直线导轨(9)固定在工作台面(1)上；二维精密滚珠丝杠(10)一端通过联轴器(7)与高分辨率步进电机(6)连接，当高分辨率步进电机(6)转动时带动滑块(11)沿直线导轨(9)做Y向直线运动；

θ向旋转平台包括转台连接板(12)、转台台架(13)、直驱无刷伺服电机(14)，其中：直驱无刷伺服电机(14)与转台台架(13)同轴安装实现单轴旋转运动，Y向直线运动平台和θ向旋转平台之间通过一块转台连接板(12)固定，即转台连接板(12)固定在滑块(11)上，转台台架(13)设置于转台连接板(12)上。

3.根据权利要求2所述的晶圆预对准装置，其特征在于，所述θ向旋转平台采用中空式设计，真空吸附单元(4)的真空气管与直驱无刷伺服电机(14)同轴安装。

4.根据权利要求2所述的晶圆预对准装置，其特征在于，所述真空吸附单元(4)包括吸附套筒(15)、吸附连接件(16)、真空吸头(17)、内六角紧固螺钉(18)，其中：吸附套筒(15)同轴固定在转台台架(13)上，吸附连接件(16)作为真空吸头(17)与吸附套筒(15)的连接件，由多个内六角紧固螺钉(18)进行固定；真空吸头(17)用于固定晶圆，传递θ向旋转平台的力矩。

5.根据权利要求4所述的晶圆预对准装置，其特征在于，所述真空吸头(17)的表面形状采用不规则的扇形设计。

6.根据权利要求1所述的晶圆预对准装置，其特征在于，所述垂直过渡单元(3)包括底座支架(19)、垂直支架(20)、Z向直线运动平台(21)、L型过渡托盘(25)、多个接片柱(26)，其中：Z向直线运动平台(21)通过垂直支架(20)固定在底座支架(19)上，用来完成Z向直线运动；整个垂直过渡单元(3)放置在工作台面(1)上；L型过渡托盘(25)垂直固定在Z向直线运动平台(21)的滑台上做Z向垂直运动，并设计有圆形开口，使真空吸附单元(4)能够穿过；多个接片柱(26)呈正方形状固定在L型过渡托盘(25)上。

7.根据权利要求6所述的晶圆预对准装置，其特征在于，所述接片柱(26)的顶部安装有环形密封圈以防止损坏晶圆，并且采用中空设计，实现真空吸放晶圆和过渡放置晶圆两种用途。

8.根据权利要求1所述的晶圆预对准装置，其特征在于，所述视觉检测单元(5)包括传感器支架(22)、激光发射器(23)和接收器(24)，其中：激光发射器(23)用于发出激光束，接收器(24)用于接收光强信号，激光发射器(23)和接收器(24)固定在传感器支架(22)上，激光发射器与接收器之间存在间距。

9.根据权利要求8所述的晶圆预对准装置，其特征在于，所述激光发射器与接收器之间的间距为30cm。

10.根据权利要求2所述的晶圆预对准装置，其特征在于，还包括数据采集单元和运动控制单元，其中：数据采集单元用于实时同步地采集θ向旋转平台的位置信号和视觉检测单元(5)输出的边缘数据信号；运动控制单元用于通过计算数据采集单元输出的数字信号精确控制高分辨率步进电机、直驱无刷伺服电机(14)的转动。