CN105762101B - 晶片定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶片定位装置及方法。其中该装置包括用于放置晶片的旋转支撑结构和晶片位置采集结构，晶片位置采集结构包括光源、透镜、CCD传感器和数据处理部件，其中，光源包括LED，透镜为长条形透镜，且长条形透镜能够将LED发出的光发散为面积大于等于CCD传感器的接收面面积的长条形光斑；数据处理部件接收CCD传感器的输出信号，并对所接收的信号进行处理，得到晶片的位置。整个装置对光源的要求大大降低，大大降低了设备成本。且只使用一个透镜对光源进行处理，设备整体结构精简，安装方便。其配合本发明的晶片定位方法实现了通过普通光源进行晶片位置的确定。该方法计算量小，晶片位置确定准确。

Description

晶片定位装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体设备制造领域，特别是涉及一种晶片定位装置及方法。

背景技术

在半导体的制程工艺中(比如8英寸晶片)，待处理的晶片需要从大气环境中逐步传送到反应腔室中进行例如刻蚀工艺(Etch)、物理气象沉积(PVD)等进行工艺处理。把晶片传送到反应腔室，需要一个由一系列的大气设备和真空设备等组成的晶片传输系统，图1即是常见的半导体工艺用晶片传输系统。传输系统由片盒装载装置101(LoadPort)、真空片盒升降装置102(VCE)、真空机械手103(Vacuum Robot)、传输腔室104(Transport Chamber)构成。并能够将晶片传输到反应腔室105中。

为了保证工艺处理的稳定性，晶片需要以极其高的精度传送至反应腔中预定的位置。当前机械手的理论传输精度能够达到设定的要求，但是在实际的传输过程中，会有包括机械振动、安装精度等在内的各种不确定的原因导致晶片相对于机械手的手指中心发生偏移，而该偏移量的检测是无法通过机械手完成的，因此为了保证晶片能够精确的到达反应腔的预定位置保证工艺质量，必须要对晶片进行校准消除该偏差。因此，通常会增加一个晶片校准装置，先确定晶片的位置再对晶片进行位置的微调以消除偏差。

传统技术中主要有以下两种方式来确定晶片的位置：1)使用多组透镜将散光源的光在CCD上汇聚成一点确定晶片边缘位置，并进一步确定晶片的位置；2)使用平行光源根据晶片边缘在CCD上的投影确定晶片的边缘，并进一步确定晶片的位置。其中第一种方法对光源的稳定性要求很高，且设备体积庞大。而第二种方法对光源的安装精度要求高，且平行光源的制造成本也较高。因此，研究一种对光源要求较低的晶片定位装置是一个亟待解决的问题。

发明内容

基于此，有必要针对传统技术中晶片定位装置中对光源要求很高的问题，提供一种对设备光源要求低，且晶片位置确定准确的晶片定位装置及方法。

为达到本发明目的提供的一种晶片定位装置，包括用于放置晶片的旋转支撑结构和晶片位置采集结构，所述晶片位置采集结构包括光源、透镜、CCD传感器和数据处理部件，其中，

所述光源包括LED，所述透镜为长条形透镜，且，

所述长条形透镜能够将所述LED发出的光发散为面积大于等于所述CCD传感器的接收面面积的长条形光斑；

所述数据处理部件接收所述CCD传感器的输出信号，并对所接收的信号进行处理，得到所述晶片的位置。

作为一种晶片定位装置的可实施方式，所述LED至少为两个，所述光源还包括基板，至少两个所述LED固定在所述基板上。

作为一种晶片定位装置的可实施方式，至少两个所述LED与同一个供电电源并联连接。

作为一种晶片定位装置的可实施方式，至少两个所述LED光源在所述基板上以与所述长条形透镜一致的方向等距排列。

作为一种晶片定位装置的可实施方式，所述基板水平设置，且与所述长条形透镜平行。

本发明还提供一种晶片定位方法，采用前述的晶片定位装置，包括如下步骤：

S100，将晶片传送至旋转支撑结构上，旋转支撑结构旋转带动晶片的边缘依次通过晶片位置采集结构；

S200，CCD传感器按照预设采样频率获取所述晶片旋转一周的第一数量的边缘位置投影曲线，并传输至数据处理部件；

S300，所述数据处理部件对每条所述边缘位置投影曲线与均匀光曲线相减得到第一数量的差值曲线；

S400，对所述差值曲线进行边缘搜索，得到每条所述差值曲线对应的所述晶片的边缘像素点，并根据预设的像素点与实际长度值的对应关系确定所述边缘像素点对应的晶片边缘实际长度；

S500，根据得到的第一数量的所述晶片边缘实际长度确定所述晶片的晶片圆心坐标；

其中，所述旋转支撑结构匀速旋转。

作为一种晶片定位方法的可实施方式，还包括以下步骤：

S600，根据所述旋转支撑结构的圆心位置与所述晶片圆心坐标确定所述晶片的偏心角和偏心距。

作为一种晶片定位方法的可实施方式，还包括确定所述预设的像素点与实际长度值的对应关系的步骤，具体包括以下步骤：

用指定半径的圆盘代替所述晶片执行步骤S100～S300得到圆盘差值曲线，并继续对所述圆盘差值曲线进行边缘搜索得到第一数量的所述圆盘的边缘对应的圆盘像素点位置；

对第一数量的所述圆盘像素点位置进行算术平均，得到所述指定半径对应的像素点位置；

求得预设数量的指定半径的圆盘对应的预设数量的像素点位置；

对预设数量的像素点位置及对应的指定半径进行直线拟合，得到预设的像素点与实际长度值的对应关系；

所述预设数量的指定半径的圆盘包括至少两个半径不同的圆盘。

作为一种晶片定位方法的可实施方式，步骤S400中，对所述差值曲线进行边缘搜索，得到每条所述差值曲线对应的所述晶片的边缘像素点，包括以下步骤：

S410，对所述差值曲线进行滤波处理，得到滤波曲线；

S420，根据预设的局部窗口宽度和局部窗口阈值对所述滤波曲线进行局部比较，获取所述边缘像素点所在的局部信息；

S430，在所述局部信息中使用OSTU算法进行边缘搜索，得到所述边缘像素点。

作为一种晶片定位方法的可实施方式，将满足以下公式的像素点确定为所述局部信息中包含的像素点：

其中，i表示所述滤波曲线中的第i个像素点；f(i)表示第i个像素点的光强值；l为局部窗口宽度；r为局部窗口阈值，i+2≤k≤i+l-2。

本发明的有益效果包括：本发明的晶片定位装置，使用了LED作为光源，使用长条透镜将LED发出的光发散成为长条形光斑供CCD传感器检测。整个装置对光源的要求大大降低，实现使用普通LED对晶片位置进行确定，大大降低了设备成本。且只使用一个透镜对光源进行处理，设备整体结构精简，安装方便。此装置配合本发明的晶片定位方法实现了通过普通光源进行晶片位置的确定。且该方法计算量小，晶片位置确定准确。

附图说明

图1为半导体工艺用的晶片传输系统示意图；

图2为本发明的晶片定位装置的一具体实施例的结构示意图；

图3为本发明一实施例中旋转支撑结构上不放置晶片时CCD传感器接收到的光线强度曲线图；

图4为本发明一实施例中旋转支撑结构上放置晶片时CCD传感器接收到的光线强度曲线图；

图5为本发明的晶片定位方法的一具体实施例的流程图；

图6为本发明的晶片定位方法的一具体实施例的均匀光曲线示意图；

图7为本发明的晶片定位方法的一具体实施例晶片边缘位置投影曲线示意图；

图8为图6与图7做差后的差值曲线示意图；

图9为图8的差值曲线经过滤波后的滤波曲线示意图。

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，以下结合附图对本发明的晶片定位装置及方法的具体实施方式进行说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明一实施例的晶片定位装置，如图2所示，包括用于放置晶片100的旋转支撑结构001和晶片位置采集结构，晶片位置采集结构包括光源201、透镜202、CCD传感器203和数据处理部件(未示出)，数据处理部件可设置在半导体设备的制造设备的上位机中，如设置在工艺控制的计算机中等。其主要作用是接收CCD传感器的输出信号，并对所接收的信号进行处理，得到晶片的位置。其中，光源包括LED，透镜为长条形透镜，且长条形透镜能够将LED发出的光发散为面积大于等于CCD传感器的接收面面积的长条形光斑。

此处需要说明的是，旋转支撑结构001上没有放置晶片100时，CCD传感器上接收到无遮挡的光线强度，如图3所示(横坐标为像素点，纵坐标为光线强度)，光线强度变化很大且无明显的规律。而当旋转支撑结构001上放置有晶片100时，晶片100的一部分会遮挡住到达CCD传感器的光线，从而CCD传感器接收到的光线会发生变化。CCD传感器接收到的有遮挡时的光线强度，如图4所示(横坐标为像素点，纵坐标为光线强度)，被遮挡部分的光线强度明显减弱。数据处理部件可根据变化的光线强度确定被校准晶片的边缘位置。并可利用晶片旋转一周或者大于一周所采集到的多个光线强度曲线最终确定晶片位置。通过比较被校准晶片位置和预期晶片位置(或者旋转支撑结构001支撑晶片的支撑部件中心)，确定需对晶片进行的移动，并使用调整部件对晶片位置进行微调，如使用机械手移动晶片等，从而实现对晶片的校准。

本发明实施例的晶片定位装置，使用了LED作为光源，使用长条透镜将LED发出的光发散成为长条形光斑供CCD传感器检测。整个装置对光源的要求大大降低，实现使用普通LED对晶片位置进行确定，大大降低了设备成本。且只使用一个透镜对光源进行处理，设备整体结构精简，安装方便。

此处需要进一步说明的是，长条形透镜可使用半圆柱形的长条形的凸透镜。

具体的，在光源结构设置方面，可在光源中设置基板204，将LED固定设置在基板204上。同时，为了避免使用单LED可能会造成长条形光斑的边缘的亮度不够，即长条形光斑的中心与边缘的亮度值会有过大的差距，影响最终的结果，保证边缘的亮度，可在基板上设置至少两个LED。且两个或者两个以上的LED若在基板上均匀分布会达到更好的光线强度均匀的效果。当然，若检测距离较小时，也可使用单LED。

作为一种可实施方式，将至少两个LED光源在基板上以单排等距排列，并且成列方向与长条形透镜的较长方向一致。同时将LED中心位置与CCD的中心位置大致重合可以使CCD传感器获得的光线强度曲线更好。

较佳地，可将至少两个LED与同一个供电电源并联连接。因为LED发出的光线强度只会随着流经其的电流的大小变化而变化。使用同一个电源供电，使多个LED光线强度在任意间隔时刻变化趋势是大致相同的。便于后续通过光线强度确定晶片边缘的位置。

其中基板的形状可配合半导体设备的制造设备的结构设置。作为一种可实施方式，可将基板水平设置，且与长条形透镜平行。

本发明还提供一种晶片定位方法，其采用前述的晶片定位装置确定晶片的位置，如图5所示，包括如下步骤：

S100，将晶片传送至旋转支撑结构上，旋转支撑结构旋转带动晶片的边缘依次通过晶片位置采集结构。

此处需要说明的是，此晶片定位方法是在半导体设备的制作过程中进行的，其是制作工艺中晶片校准的一部分。制作过程中，一般通过机械手将待校准(待确定位置)的晶片放置到设备的旋转支撑结构上。当然，此过程中晶片定位装置中的光源要处于开启状态。如前面所述，晶片定位装置中旋转支撑结构带动晶片旋转的过程中会对透过长条形透镜到达CCD传感器的光线造成遮挡，而光线强度的跳变会发生在晶片的边缘位置。

S200，CCD传感器按照预设采样频率获取晶片旋转一周的第一数量的边缘位置投影曲线，并传输至数据处理部件。

所述的预设采样频率是结合旋转支撑结构的旋转速度确定的，且一般旋转支撑结构为匀速转动，两者结合确定在晶片旋转一周的过程中CCD采样多少(第一数量，大于等于2)帧的图像。采样频率较高时，获得的同一个待校准晶片的边缘位置投影曲线的个数越多，晶片位置的确定会更准确。但是晶片位置确定的准确性和采样频率之间并不是正比关系。因此，在考虑数据处理部件的处理速度的情况下，可尽量提高CCD的采样频率。

作为一种可实施方式，在旋转支撑结构匀速转动的旋转速度为240°/s的情况下，可设置CCD传感器的采样频率为5MHz，其单帧采样时间间隔为1ms，即1KHz。晶片旋转一圈CCD传感器可以采集约1500帧图像。

在其他实施例中，晶片定位装置中的旋转支撑结构也可采用非匀速转动，其只要和CCD传感器采样频率相配合在晶片旋转一周的过程中获得足够多帧的图像即可。即能够通过获得的多帧图像中确定晶片的位置。

S300，数据处理部件对每条边缘位置投影曲线与均匀光曲线相减得到第一数量的差值曲线。

此处需要说明的是，本发明的晶片定位装置中使用的LED作为光源得到的光不是均匀的，也不是平行光。有晶片和无晶片时CCD上接收到的光线强度大致的趋势相同，但是由于不均匀性太明显，无法直接通过常用的算法对其计算得到边缘值。因此需要对其进行适当的处理，以得到正确的结果。此处所说的均匀光曲线也可以说是CCD传感器所接收的环境光曲线，其通过如下步骤获得。

首先CCD传感器采集多帧没有晶片遮挡的光线强度曲线图像。之后再对所采集的多个光线强度曲线进行平均处理。如，设采集了m帧的图像，则有m个没有晶片遮挡的光线强度曲线，设CCD共有n个像素。下面用i表示CCD中的单个像素，即i的取值范围为1-n；用j表示采集帧数中单帧，即j的取值范围为1-m。同时使用f(i,j)来表示在第j次采集的单帧图像中，第i个像素的光强值。则均匀光曲线(即环境光曲线)的计算公式为：

依此公式即可得出每个像素点的环境光强值。从而对CCD传感器接收到的光线强度进行了均匀化。如在其中一次检测中求得的均匀光曲线如图6所示，在同一设备中某次获得的边缘位置投影曲线如图7所示，图6与图7所示的曲线光线强度做差值得到如图8所示的差值曲线。其中，图6、图7和图8中的横坐标均表示像素点，纵坐标表示光线强度。

S400，对差值曲线进行边缘搜索，得到每条差值曲线对应的晶片的边缘像素点，并根据预设的像素点与实际长度值的对应关系确定边缘像素点对应的晶片边缘实际长度。

S500，根据得到的第一数量的晶片边缘实际长度确定晶片的晶片圆心坐标。此处可对得到的第一数量的晶片边缘实际长度使用最小二乘法进行拟合，得到实际的晶片圆心坐标，确定晶片的位置。

本发明实施例的晶片定位方法，通过对获取的光线强度进行均匀化获得环境光曲线，并将环境光曲线与有晶片遮挡的光线强度做差处理后再进行边缘搜索，得到边缘像素点，实现了普通光源下对晶片位置的确定，且算法简单，计算量小。

进一步的，还可以继续执行以下步骤：

S600，根据旋转支撑结构的圆心位置与晶片圆心坐标确定晶片的偏心角和偏心距。使晶片位置调节参数更加精细，可将计算得出的结果直接用于机械手对镜片位置的调整。

需要说明的是，预设的像素点与实际长度值的对应关系可针对每一半导体设备的制作设备进行实际检测获得，具体包括以下步骤：

启动晶片定位装置后，首先，用指定半径的圆盘代替晶片执行步骤S100～S300得到圆盘差值曲线，并继续对圆盘差值曲线进行边缘搜索得到第一数量的圆盘的边缘对应的圆盘像素点位置。此处所说的指定半径的圆盘一般为机械精加工的铝合金材质圆盘，该圆盘能够与支撑件紧密配合，即认为使用该铝合金圆盘进行示教的时候其中心与支撑件的中心点是重合的。例如真实的晶片的半径为100mm，而支持校准的范围为5mm，则可以将机械精加工的圆盘半径设计为105mm，102mm，100mm，98mm，95mm。且选取预设数量的指定半径的圆盘中最好能包括最大和最小校准范围以及真实晶片半径三点。

其次，对第一数量的圆盘像素点位置进行算术平均，得到指定半径对应的像素点位置。

然后依次放入不同半径不同的指定半径圆盘，求得预设数量的指定半径的圆盘对应的预设数量的像素点位置。

最后，对预设数量的像素点位置及对应的指定半径进行直线拟合，得到预设的像素点与实际长度值的对应关系。所述预设数量即为所选取的指定半径圆盘的数量。

需要说明的是，对于同一半导体设备的制作设备，可在设备安装完成后进行一次像素点与实际长度值的对应关系的确定实验，也可以针对同一规格的晶片进行一次像素点与实际长度值的对应关系的确定实验，但是此确定步骤不是每次晶片位置确定中都要进行一次，如果已经有对应规格的像素点与实际长度值的对应关系，则无需再进行相同的实验。

此对应关系的确定是针对具体的设备甚至具体规格的晶片进行的，其可准确的表征像素点所对应的实际长度，使整体晶片位置确定更加精确。也可以消除因为安装或者装配精度带来的设备间的差异，起到了一个初始化的作用。

具体地，步骤S400中，对差值曲线进行边缘搜索，得到每条差值曲线对应的晶片的边缘像素点，可采用局部最大类间差值法进行，包括以下步骤：

S410，对差值曲线进行滤波处理，得到滤波曲线。

滤波处理的目的是为了尽可能多的滤除图像噪声与随机干扰，同时尽量保持图像的对比度信息。可采用中值滤波处理、均值滤波或者多个滤波算法的组合等，以滤除噪声并增加对比度。如，前述实施例中的图8中的差值曲线经过滤波处理后如图9所示。

S420，根据预设的局部窗口宽度和局部窗口阈值对滤波曲线进行局部比较，获取边缘像素点所在的局部信息。

对于局部信息，可将满足以下公式的像素点确定为局部信息中包含的像素点：

其中，i表示滤波曲线中的第i个像素点；f(i)表示第i个像素点的光强值；l为局部窗口宽度；r为局部窗口阈值，i+2≤k≤i+l-2。

对于局部窗口宽度和局部窗口阈值可在同一规格晶片的第一次校准(第一次位置确定)中通过自学习获得，具体按以下描述进行：

在已经获取均匀光曲线(环境光曲线)之后，在校准装置中放入晶圆或者相似遮挡物，启动CCD传感器采集光线强度曲线(边缘位置投影曲线)，使用光线强度曲线对其进行窗口宽度与阈值的自学习。设窗口宽度为l,窗口阈值为r，其中l预设值为奇数且l>5；设对于像素点i，其光强值为f(i)，将采集到的光线强度曲线中满足式(2)的连续像素点认为局部窗口。若在搜索中得到了多个满足要求的局部窗口(同一光线强度曲线)，记录该局部窗口的起始像素点和数量，若多个局部窗口的其起始像素很接近，如起始像素点之间间隔的像素点数小于等于2时，则将窗口宽度加1，重新进行匹配，直至起始像素点的位置均不接近为止。若此时仍有多个满足要求的局部窗口，则将窗口阈值加1，再次进行匹配，直至仅有一个匹配窗口为止，若没有匹配窗口，则将窗口阈值和窗口长度均减1，然后再次进行匹配。同时，可预设设定可进行匹配的最大次数，并在匹配次数达到最大值时停止自学习选择人为输入局部窗口宽度和局部窗口阈值，或者对设备进行检修等。

在学习完成之后，需要再次采集一帧图像获取边缘位置投影曲线，并使用学习得到的窗口阈值和窗口宽度对其进行校验，检测该情况下边缘是否出现了较大的波动，如果波动较大，则需要重新进行校准学习，否则，则接受该学习的结果。

S430，在局部信息中使用OSTU算法进行边缘搜索，得到边缘像素点。

该算法基于传统的边缘搜索算法最大类间差值法(OSTU)法改进得来。因为传统的OSTU虽然对于边缘识别的准确度较高，但是由于涉及到大量的运算，使得计算结果的得出需要一定的时间，这会影响到每帧间的采样时间间隔，从而导致精度的降低。而采用本发明的局部最大类间差值法使得边缘值不再对半导体设备的制作设备的机械结构，光学结构有严格的要求，降低实现成本。且使用OSTU算法对局部信息进行计算，使得原来需要计算的像素点由CCD的像素个数(一般为2048)降低为局部窗口长度(一般为15)，使得循环的次数大大减小(所需耗费的时间不足原来的0.5％)，而且由于不需要得到所有的预处理数据即可进行匹配，因此可以在CCD传感器单帧图像采集完毕之前即得到最终的边缘值，极大的缩短了采样间隔，有利于提高最终拟合精度。同时，由于只使用了局部的像素信息，可以有效的排除某些噪声和干扰引起的问题。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。

Claims (6)

1.一种晶片定位装置，包括用于放置晶片的旋转支撑结构和晶片位置采集结构，其特征在于，所述晶片位置采集结构包括光源、透镜、CCD传感器和数据处理部件，其中，

所述光源包括LED，所述透镜为长条形透镜，且，

所述长条形透镜能够将所述LED发出的光发散为面积大于等于所述CCD传感器的接收面面积的长条形光斑；

所述数据处理部件接收所述CCD传感器的输出信号，并对所接收的信号进行处理，得到所述晶片的位置；

所述光源还包括基板，所述LED固定设置在所述基板上，所述基板水平设置，且与所述长条形透镜平行；

所述LED至少为两个,至少两个所述LED固定在所述基板上,至少两个所述LED与同一个供电电源并联连接，至少两个所述LED光源在所述基板上以与所述长条形透镜一致的方向等距排列。

2.一种晶片定位方法，其特征在于，采用权利要求1所述的晶片定位装置，包括如下步骤：

S100，将晶片传送至旋转支撑结构上，旋转支撑结构旋转带动晶片的边缘依次通过晶片位置采集结构；

S200，CCD传感器按照预设采样频率获取所述晶片旋转一周的第一数量的边缘位置投影曲线，并传输至数据处理部件；

S300，所述数据处理部件对每条所述边缘位置投影曲线与均匀光曲线相减得到第一数量的差值曲线；

S400，对所述差值曲线进行边缘搜索，得到每条所述差值曲线对应的所述晶片的边缘像素点，并根据预设的像素点与实际长度值的对应关系确定所述边缘像素点对应的晶片边缘实际长度；

S500，根据得到的第一数量的所述晶片边缘实际长度确定所述晶片的晶片圆心坐标；

其中，所述旋转支撑结构匀速旋转。

3.根据权利要求2所述的晶片定位方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S600，根据所述旋转支撑结构的圆心位置与所述晶片圆心坐标确定所述晶片的偏心角和偏心距。

4.根据权利要求2所述的晶片定位方法，其特征在于，还包括确定所述预设的像素点与实际长度值的对应关系的步骤，具体包括以下步骤：

用指定半径的圆盘代替所述晶片执行步骤S100～S300得到圆盘差值曲线，并继续对所述圆盘差值曲线进行边缘搜索得到第一数量的所述圆盘的边缘对应的圆盘像素点位置；

对第一数量的所述圆盘像素点位置进行算术平均，得到所述指定半径对应的像素点位置；

求得预设数量的指定半径的圆盘对应的预设数量的像素点位置；

对预设数量的像素点位置及对应的指定半径进行直线拟合，得到预设的像素点与实际长度值的对应关系；

所述预设数量的指定半径的圆盘包括至少两个半径不同的圆盘。

5.根据权利要求2所述的晶片定位方法，其特征在于，步骤S400中，对所述差值曲线进行边缘搜索，得到每条所述差值曲线对应的所述晶片的边缘像素点，包括以下步骤：

S410，对所述差值曲线进行滤波处理，得到滤波曲线；

S420，根据预设的局部窗口宽度和局部窗口阈值对所述滤波曲线进行局部比较，获取所述边缘像素点所在的局部信息；

S430，在所述局部信息中使用OSTU算法进行边缘搜索，得到所述边缘像素点。

6.根据权利要求5所述的晶片定位方法，其特征在于，将满足以下公式的像素点确定为所述局部信息中包含的像素点：

其中，i表示所述滤波曲线中的第i个像素点；f(i)表示第i个像素点的光强值；l为局部窗口宽度；r为局部窗口阈值，i+2≤k≤i+l-2。