CN105655278B - 晶圆尺寸可在线调整的预对准装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动化控制技术领域，具体公开一种晶圆尺寸可在线调整的预对准装置。本发明包括：预对准机，控制板，偏心计算模块，缺口位置计算模块，机械手晶圆补偿模块；偏心计算模块，用于计算所述预对准机上晶圆偏心角；缺口位置计算模块，用于确定晶圆缺口；机械手晶圆补偿模块，用于根据偏心角及缺口信息，求得晶圆补偿量；控制板根据所述机械手晶圆补偿模块的补偿量控制所述机械手对晶圆进行补偿，并调整CCD位置。本发明利用检测设置改变CCD的位置，适应直径200及直径300两种晶圆，解决以往预对准机无法兼容不同大小晶圆的问题，实现一台机器传送不同大小晶圆的功能，晶圆切换的同时，算法也随之切换以保证圆心及缺口计算的准确性。

Description

晶圆尺寸可在线调整的预对准装置

技术领域

本发明涉及自动化控制技术领域，特别涉及一种晶圆尺寸可在线调整的预对准装置。

背景技术

在晶圆搬运过程中需要一种预对准装置--prealigner，其作用是把机器人搬运过来的晶圆进行缺口对准，并计算给出晶圆的中心位置，指导机器人补偿偏移，取走晶圆。

预对准装置通过CCD扫描晶圆，通过采集的晶圆边缘数据计算出晶圆的圆心与缺口的位置；将缺口对准到指定的方向上，并将圆心的位置发送给机械手。

目前，市面上晶圆种类繁多、大小不一，而一般的预对准装置只能计算一种大小、类型的晶圆。当生产两批不同大小的晶圆时，就需要两套设备，由于预对准装置属于精密仪器，其与机器人的相对位置必须保持固定不变，才能正常运行。因此当生产大小不同晶圆时，不可单独更换预对准装置，必须更换整套机器人，这给生产带来大大的不变，而且增加了巨大的成本。

发明内容

本发明旨在克服现有晶圆预对准技术的缺陷，提高预对准适应范围，提供一种晶圆尺寸可在线调整的预对准装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种晶圆尺寸可在线调整的预对准装置，包括：预对准机，控制板，偏心计算模块，缺口位置计算模块，机械手晶圆补偿模块；所述偏心计算模块，用于计算所述预对准机上晶圆偏心角；所述缺口位置计算模块，用于确定晶圆缺口；所述机械手晶圆补偿模块，用于根据偏心角及缺口信息，求得晶圆补偿量；所述控制板根据所述机械手晶圆补偿模块的补偿量控制所述机械手对晶圆进行补偿，并调整CCD位置。

一些实施例中，所述补偿采用标定获得。

一些实施例中，所述标定包括坐标系相对方向标定单元和坐标系相对位置标定单元。

一些实施例中，所述坐标系相对方向标定单元为，

所述预对准机上的真空吸盘带动晶圆圆心转至任意位置B，并计算出偏心量d；

将所述机械手转至接近晶圆圆心当前的偏置位置A；

所述机械手将晶圆托起沿方向移动距离d至位置A’，放下晶圆；计算偏心量d’＝B’O，则得到等腰三角形BOB’，求角t＝∠B’BO

依据所述顶角t及机械手坐标轴x’o’y’下的姿态位置，求得所述机械手坐标系相对于预对准机坐标系下的方向。

一些实施例中，所述坐标系相对位置标定单元为，

所述预对准机计算晶圆起始点在预对准坐标系XOY下的位置B；

所述控制板驱动所述机械手带动晶圆转动已知角度t＝∠AO’A’；

所述预对准机计算晶圆起始点在预对准坐标系XOY下的位置B’；

根据等腰三角形BO’B’的顶角t及底边上的两个顶点B、B’在预对准机坐标系下的位置，求得机械手的坐标原点在预对准机坐标系下的位置。

一些实施例中，还包括时间控制模块，用于控制晶圆边缘数据的采集时间和晶圆的交接时间。

一些实施例中，所述预对准机为2轴摩擦式预对准机。

本发明的有益效果在于：本发明通过检测设置改变CCD的位置，适应直径200及直径300两种晶圆，解决以往预对准机无法兼容不同大小晶圆的问题，实现一台机器传送不同大小晶圆的功能，晶圆切换的同时，算法也随之切换以保证圆心及缺口计算的准确性。进一步地，改进与机械手配合的方法，提高预对准机的精度，并可稳定可靠的运行。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的机械手与预对准机相互标定示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

参考图1上述，本发明的晶圆尺寸可在线调整的预对准装置，包括：预对准机，控制板，偏心计算模块，缺口位置计算模块，机械手晶圆补偿模块。

控制板支持两路电机控制，将两个Elmo驱动器整合到一块控制板上，使用一块DSP、一块CPLD、一块片外RAM和一块EEPROM，提供足够的输入输出IO通道。

上述偏心计算模块，用于计算上述预对准机上晶圆偏心角；通过标定来补偿转轴偏置对偏心角计算带来的固定转角偏差。

圆拟合算法：当转轴与CCD传感器边界距离存在误差时，不论误差大小如何改变(零除外)，当不考虑其他误差时，用回转半径法得到的点集必不在同一个圆上，但是所得到的连续曲线(近似圆)的形心不改变，且都与晶圆圆心相同。在实际应用中此误差必定存在，因此，若拟合晶圆的圆心，优选是拟合曲线(近似圆)的形心。对曲线形心的拟合精度取决于采集到的曲线上的点的精度以及点的个数；另一方面，若曲线近似圆的程度较高，则利用圆拟合的方法在所测得的点存在误差及点的数量有限时也可得到较高的精度。

首先根据采集到的点的实际分布情况，将由回转半径法得到的各个点的坐标所组成的点集S代入到圆度评价函数H(S)中得到曲线的圆度，依此来判断是否采用圆拟合的方法(如最小二乘法)。

上述缺口位置计算模块，用于确定晶圆缺口；与偏心计算相同，转轴偏置对缺口位置计算带来的误差也通过标定来进行补偿。

首先通过一阶差分法找到缺口区域，再进行缺口顶点位置的识别。最值法适合采集到的点较多且点与点之间的区分度较好的情况；曲线拟合法适合采集到的点集与缺口实际曲线吻合度较高的情况。实际根据CCD的精度及实际采用的采点数，因此，通过进行实验来判断新样机能够采到的点数的上限，再对CCD精度进行测试，得到最佳的采点方式，根据采集到的点的分布情况来最终确定缺口的识别。

上述机械手晶圆补偿模块，用于根据偏心角及缺口信息，求得晶圆补偿量；机械手对晶圆偏心的补偿方式涉及到晶圆缺口的识别方式：缺口识别在偏心补偿之后或缺口识别与偏心识别同时进行。

前者--先对心再找缺口，是机械手每次以固定方向对晶圆偏心进行补偿，并在固定位置(晶圆转动中心)取片；后者--一次检测出偏心和缺口，机械手直接取走，是机械手每次根据计算的晶圆偏心与缺口位置来确定取片位置，后者比前者少一次对晶圆的接触，但无法补偿CCD测量误差对晶圆偏心角计算的影响，晶圆偏心角的识别误差会随着偏心量大小改变。

在实际应用中机械手是否能较准确的将晶圆圆心放置在转动中心上，采用实验的方法，当机械手对晶圆偏心进行补偿后，由aligner(对准)对补偿后的晶圆再次进行偏心识别，若偏心量小于0.1mm，则认为此方法可行，即当晶圆残留偏心量小于0.1mm时对缺口识别的影响将较小。

上述控制板根据上述机械手晶圆补偿模块的补偿量控制上述机械手对晶圆进行补偿，并调整CCD位置。

其中，上述补偿采用标定获得。

上述标定包括坐标系相对方向标定单元和坐标系相对位置标定单元。

具体地，上述坐标系相对方向标定单元为：预对准机对于晶圆圆心相对于预对准机上真空吸盘的转轴的偏心量d的计算较为准确，可达到0.05mm以下。

上述预对准机上的真空吸盘带动晶圆圆心转至任意位置B，并计算出偏心量d；

将上述机械手转至接近晶圆圆心当前的偏置位置A；

上述机械手将晶圆托起沿方向移动距离d至位置A’，放下晶圆；计算偏心量d’＝B’O，则得到等腰三角形BOB’，求角t＝∠B’BO

依据上述顶角t及机械手坐标轴x’o’y’下的姿态位置，求得上述机械手坐标系相对于预对准机坐标系下的方向。

标定结束后对参数进行修正，之后机械手再次与预对准机配合对晶圆偏心进行补偿，补偿后再次使预对准机计算晶圆偏心，若偏心量较小或不可识别，则可认为标定基本成功；若偏心量依然较大，则须重新进行标定，直至补偿后的晶圆偏心大小满足要求。

上述坐标系相对位置标定单元为：

上述预对准机计算晶圆起始点在预对准坐标系XOY下的位置B；

上述控制板驱动上述机械手带动晶圆转动已知角度t＝∠AO’A’；

上述预对准机计算晶圆起始点在预对准坐标系XOY下的位置B’；

根据等腰三角形BO’B’的顶角t及底边上的两个顶点B、B’在预对准机坐标系下的位置，求得机械手的坐标原点在预对准机坐标系下的位置。

本发明一优选实施例中，还包括时间控制模块，用于控制晶圆边缘数据的采集时间和晶圆的交接时间，即晶圆的运动时间，其由CCD的采样能力及运动控制系统决定，应从上述两方面着手进行多次尝试对预对准时间进行缩减。

上述预对准机为2轴摩擦式预对准机，解决晶圆在预对准机与机械手之间的交接及两者的配合问题。本发明预对准机为设有Z轴升降的预对准机可同时适用于U型与一型的机械手；对晶圆偏心的补偿可采取多种方案；产品实现相对容易，且实施中所需解决的技术问题较全面；可弥补市场上相关产品种类的不足，提高竞争力。

进一步地，预对准机对于晶圆的适用尺寸为200mm、300mm，其采用机械调整方式；该预对准机的托盘旋转轴选用200W伺服电机，升降轴采用电机、带轮与丝杠组合替代低速气缸，同样采用200W伺服电机并且带制动器。

上述丝杠与导轨基于同一基准面进行安装，保证平行度；同时在导轨方向增加上下硬限位开关，以防止意外事故；托盘上增加橡胶圈，增加托盘与精元之间的摩擦力；本发明预对准机采用旋转密封结构，减小摩擦扭矩，同时合理布置缩减体积，对四壁进行减重。

本发明通过检测设置改变CCD的位置，适应直径200及直径300两种晶圆，解决以往预对准机无法兼容不同大小晶圆的问题，实现一台机器传送不同大小晶圆的功能，晶圆切换的同时，算法也随之切换以保证圆心及缺口计算的准确性。进一步地，改进与机械手配合的方法，提高预对准机的精度，并可稳定可靠的运行。

具体地，本发明一实施例Aligner包括如下线程：

SCI硬件中断F281X_SCIA_RXD_Isr()、F281X_SCIB_RXD_Isr()：软件处理上对A/B两路都采用相同的接收，并发送软件中断进行进一步的处理。

SCI_DEAL软件中断SWI_SciFrameDeal()：在SCI硬件中断中发送该软件中断处理，其调用Sci_PacketDispatch()函数对帧进行解析，并调用Sci_PacketSend等函数进行帧返回。

CAN硬件中断F281X_Ecan_Isr()：该驱动中由于将CAN邮箱全部配置为发送邮箱，故不需对接收邮箱进行处理，故F281X_Ecan_Isr()只实现清发送中断。

CAN_SEND软件中断SWI_CanFrameSend()：与电机操作相关的函数中发送该软件中断，并调用SWI_CanFrameSend()函数实现对elmo驱动器的CAN帧发送，控制电机旋转。

周期函数ChangeLED：该周期函数实现每500ms控制两个LED灯的闪烁。可能有问题当前灯不变；

任务TSK_CANFrameSend()：其等待信号量CANSend_sem，其由Elmo_Init(void)函数发送，实现一帧的发送。从当前的线程分配来看，该线程似乎只在Elmo_Init(void)时才调用，利用率不高，应该与其他的CAN发送等线程优化；

任务_Task_AlignerCal()：由信号量AlignStart_sem引起，其串口接收的ALIGN命令触发，进行ALIGN动作；

任务TSK_SciFrameSend()：由信号量SCISend_sem触发，其在Sci_PacketSend()函数中发送出来。

模块驱动：

CAN模块：

对CAN模块设计接收功能，并添加CAN接收信号量CANReceive_sem，与ELMO交互时等待该信号量接收CAN帧。

CAN模块发送功能：将特定的帧使用指定的邮箱接收。且添加邮箱满、消极错误中断等错误功能。

CAN模块发送不再使用任务实现，而使用函数调用实现。

SCI模块：

SCI模块添加标志机制，保证不同线程在同时或较短间隔内请求发送时不会丢帧。

标志配合延时机制较易实现。此时在SCI发送函数中判断发送完成标志，如果没完成则延时一段时间后再判断是否发送完成，如果两次延时都发送未完成则报错。延时的时间可以根据波特率计算一帧发送时间而得来。

TSK_SciSend()线程不再使用。将SCI的发送使用函数调用实现。

MotionControl模块：

该模块根据CANOpen的应答机制及新CAN驱动重新编写针对ELMO驱动器的驱动程序。

添加对ELMO返回数据的解析。调用函数CANOpen_FrameCompare()，根据CANOpen的应答机制解析ELMO在接收NMT帧或SDO帧时返回数据的正确性，并将出现错误时的错误字记录下来。

定时器及码盘采集模块：

EV模块中设计定时器进行CCD传感器的数据采集，并同时获取相对应旋转台电机码盘值数据。

根据由任务Task_AlignerCal发送的信号量决定是否开始进行数据采集，当数据采集完成后再向任务Task_AlignerCal发送信号量启动算法进行计算。

CCD传感器数据采集模块：

对AD采样数据值首先进行移位去除不精确的低位数值，再采用平均值方法进行滤波。

硬件设计上AD采样数据有16位，软件中将AD采样数据右移4位，每采集4次进行一次平均值滤波。

LED指示灯模块：

使用EV事件管理器中的定时器中断实现，通过设置计数变量来设置LED指示灯闪烁频率。

硬件设计上有两路LED可用，软件上设计其中一路LED常亮，另一路LED在系统没有错误，即ErrorCode等于0，且程序正常运行时闪烁。另外，由于软件上设计ErrorCode被赋值且通过串口报错之后，会被复位，因此该路LED只有在程序死掉时不闪烁。

扩展RAM模块：

系统中在采集AD数据和码盘值数据时会产生较大的数据量，将这部分数据量放置在扩展RAM空间。另外，进行ALIGN指令计算时需要较大数据量的IQ格式数，也放置在扩展RAM空间。

错误处理模块：

当发生错误时通过SCI主动发送错误帧给上位机。采用全局变量ErrorBit(16位)、ErrorCode(8位)记录错误信息，ErrorBit按位定义错误，ErrorCode按值定义错误。

发生错误时返回ErrorCode，发送“RERR”指令查询错误时返回ErrorBit。

在每执行一次串口指令后，或者在与ELMO驱动器交互的过程中，系统会将产生的错误字通过SCI主动报出，且随后会将错误字ErrorCode复位。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种晶圆尺寸可在线调整的预对准装置，其特征在于，包括：预对准机，控制板，偏心计算模块，缺口位置计算模块，机械手晶圆补偿模块，CCD；

所述偏心计算模块，用于计算所述预对准机上晶圆偏心角；

所述缺口位置计算模块，用于确定晶圆缺口；

所述机械手晶圆补偿模块，用于根据偏心角及缺口信息，求得晶圆补偿量；

所述控制板根据所述机械手晶圆补偿模块的补偿量控制所述机械手对晶圆进行补偿，并调整CCD位置；

所述补偿采用标定获得，所述标定包括坐标系相对方向标定单元和坐标系相对位置标定单元。

2.如权利要求1所述的晶圆尺寸可在线调整的预对准装置，其特征在于，所述坐标系相对方向标定单元为，

所述预对准机上的真空吸盘带动晶圆圆心转至任意位置B，并计算出偏心量d；

将所述机械手转至接近晶圆圆心当前的偏置位置A；

所述机械手将晶圆托起沿方向移动距离d至位置A’，放下晶圆；计算偏心量d’＝B’O，则得到等腰三角形BOB’，求顶角t＝∠B’BO

其中，

依据所述顶角t及机械手坐标轴x’o’y’下的姿态位置，求得所述机械手坐标系相对于预对准机坐标系下的方向。

3.如权利要求2所述的晶圆尺寸可在线调整的预对准装置，其特征在于，所述坐标系相对位置标定单元为，

所述预对准机计算晶圆起始点在预对准坐标系XOY下的位置B；

所述控制板驱动所述机械手带动晶圆转动已知角度t＝∠AO’A’；

所述预对准机计算晶圆起始点在预对准坐标系XOY下的位置B’；

根据等腰三角形BO’B’的顶角t及底边上的两个顶点B、B’在预对准机坐标系下的位置，求得机械手的坐标原点在预对准机坐标系下的位置。

4.如权利要求1所述的晶圆尺寸可在线调整的预对准装置，其特征在于，还包括时间控制模块，用于控制晶圆边缘数据的采集时间和晶圆的交接时间。

5.如权利要求1所述的晶圆尺寸可在线调整的预对准装置，其特征在于，所述预对准机为2轴摩擦式预对准机。