CN115472545A - 晶圆检测预对准系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及芯片检测处理装备技术领域，公开了一种晶圆检测预对准系统，包括机架上设置的精密运动单元、光学检测单元、真空单元和驱控单元，所述真空单元对晶圆实现真空吸附，所述真空单元设置于精密运动单元上，所述光学检测单元位于精密运动单元一侧，驱控单元控制所述精密运动单元驱动所述真空单元将晶圆送至光学检测单元进行检测，所述精密运动单元的运动包括XYZ轴方向运动和驱动真空单元C轴旋转。本发明还公开了相应的预对准方法。本发明采用差分原理进行检测，易分辨，对准精度高，稳定性好，适用性强。

Description

晶圆检测预对准系统及方法
技术领域
本发明涉及芯片检测处理装备技术领域，尤其涉及一种晶圆检测预对准系统及方法。
背景技术
集成电路（IC）作为电子信息产业的核心，在市场需求推动下一直得以高速发展，已成为影响国家经济、政治和国防安全的战略性产业。随着IC集成度水平的不断提高，半导体制造业对晶圆的尺寸规格及加工精度要求也越来越高，晶圆的尺寸日趋加大化，材质多品种，加工精度也已达到了纳米级。
半导体制造涉及研磨、抛光、涂胶、光刻、刻蚀、氧化、切割、封测等等工艺，每种工艺都需要预先获取晶圆的位置与姿态，即晶圆预对准。晶圆预对准系统虽是半导体制造装备的一个辅助系统，但其却包含了机械、电子、光学、软件、算法等多学科技术的集成。晶圆预对准系统的精度与效率直接影响着半导体制造的良率与产率，因此，研制具有小型化、集成化、高精度、高效率的晶圆预对准系统具有重要的实际意义和应用价值。
晶圆预对准系统经历了机械和光学预对准两个阶段。机械预对准完全受机械结构精度的影响，其对准精度较低。光学预对准目前应用较为广泛，其利用光学传感器检测晶圆的边缘以一定的算法获得晶圆的中心位置和缺口方向。通过对市面上相关产品进行分析，总结出以下几点不足：
1、精度不佳：
目前，市面上预对准系统的驱动通常采用步进电机，而且仅在晶圆单侧设置线阵型光学传感器进行视觉检测，导致精度受限。
2、效率不高：
如θ-R型预对准系统，含有Y、Z、θ三个自由度，由于晶圆中心的对准只能沿着一个水平轴进行，所以存在运算繁杂，运行低效的问题。
3、适用性差：
虽然半导体制造对晶圆的尺寸要求日趋加大化，但由于大尺寸晶圆工艺的复杂性与不成熟，所以目前晶圆的尺寸还呈现多样化，常规的包括4寸、6寸、8寸，以及12寸晶圆。与此同时，半导体材料的多品种也要求晶圆预对准系统能同时适用于非透明片、半透明片，以及透明片。
市面上相关产品一般会规定特定的适用范围，针对不同尺寸段的晶圆需要选配不同的模组来实现。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种晶圆检测预对准系统及方法，采用差分原理进行检测，易分辨，对准精度高，稳定性好，适用性强。
本发明采取的技术方案是：
一种晶圆检测预对准系统，其特征是，包括机架上设置的精密运动单元、光学检测单元、真空单元和驱控单元，所述真空单元对晶圆实现真空吸附，所述真空单元设置于精密运动单元上，所述光学检测单元位于精密运动单元一侧，驱控单元控制所述精密运动单元驱动所述真空单元将晶圆送至光学检测单元进行检测，所述精密运动单元的运动包括XYZ轴方向运动和驱动真空单元C轴旋转。
进一步，所述精密运动单元的Y轴方向运动行程最大值大于150mm。
进一步，所述晶圆的大小为直径ф50～ф300mm。
进一步，所述光学检测单元包括晶圆空间和晶圆空间上方设置光源、准直透镜、第一滤光片和第一光学传感器，所述第一光学传感器位于晶圆上方，所述第一光学传感器接收晶圆的反射光。
进一步，所述第一光学传感器位于晶圆空间上方侧边，所述准直透镜下方设置分光镜，所述分光镜将反射光发送至第一光学传感器。
进一步，所述晶圆空间下方设置第二滤光片和第二光学传感器，所述光学传感器位于晶圆空间下方，所述第一光学传感器与第二光学传感器的像素顺序相反。
一种晶圆检测预对准方法，其特征是，包括如下步骤：
第1步：系统初始化复位；
第2步：机械手将晶圆放置于真空单元上；
第3步：精密运动单元将晶圆送至光学检测单元位置；
第4步：光学检测单元检测到晶圆后，真空单元吸附晶圆固定；
第5步：C轴旋转360°，光学检测单元采集晶圆边缘位置和缺口位置信号，送至驱控单元；
第6步：计算出晶圆中心所在象限以及与C轴中心在X轴、Y轴上的偏移量；
第7步：真空单元释放晶圆，Z轴向上运动，晶圆脱离真空单元；
第8步：调整X轴和Y轴的偏移量，使晶圆与C轴同心；
第9步：Z轴向下运动，真空单元吸附晶圆；
第10步：C轴旋转360°，光学检测单元采集晶圆边缘位置和缺口位置信号，送至驱控单元；
第11步：计算缺口中心位置所在象限；
第12步：根据缺口中心位置所在象限，C轴旋转所需角度，完成缺口定位；
第13步：真空单元释放晶圆，机械手取走晶圆。
本发明的有益效果是：
（1）通过差分原理进行幅值扩大，使信号更易识别和获取；
（2）避免共模误差，抗干扰能力强，EMC性能好；
（3）适用性强，可同时适用于直径ф50～ф300的晶圆；
（4）定位精度相比传统的机械或光学模式大大提高；
（5）适用于各种透明和非透明材质的晶圆；
（6）可满足光刻、刻蚀、测试等纳米级工艺对晶圆的预对准要求。
附图说明
附图1是本发明的预对准系统的结构示意图；
附图2是预对准系统工位变换示意图；
附图3是光学检测单元的结构原理图；
附图4是第一光学传感器感光光路示意图；
附图5是第一光学传感器信号输出示意图；
附图6是第二光学传感器感光光路示意图；
附图7是第二光学传感器信号输出示意图；
附图8是预对准方法流程图；
附图9是边缘过渡带上的点运动规律示意图；
附图10是单端信号与差分信号对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明晶圆检测预对准系统及方法的具体实施方式作详细说明。
参见附图1，晶圆检测预对准系统包括机架上设置的精密运动单元10、光学检测单元11、真空单元12和驱控单元13，所述真空单元12对晶圆实现真空吸附，所述真空单元12设置于精密运动单元10上，所述光学检测单元11位于精密运动单元10一侧，驱控单元13控制所述精密运动单元10驱动所述真空单元12将晶圆送至光学检测单元11进行检测，所述精密运动单元10的运动包括XYZ轴方向运动和驱动真空单元C轴旋转。
其中，光学检测单元11用于检测晶圆边缘轮廓数据，精密运动单元10用于对晶圆中心偏心和缺口方向进行调整。精密运动单元10包含X、Y、Z、C四个运动轴，属于θ-X-Y型预对准系统。真空单元12用于吸附与释放晶圆。驱控单元13用于接收光学检测单元数据并进行处理与传输，控制精密运动单元10。驱控单元13采用多轴运动控制卡并集成到系统内部，连接上位机软件进行控制。
参见附图2,精密运动单元的Y轴方向运动行程进行放大后，根据工位变换原理，设大小尺寸晶圆的半径分别为R1、R2，则：ΔY= R1-R2。进一步有：ΔYmax= R1max-R2min。
假设晶圆直径最大为300mm，最小为50mm，则ΔYmax= R1max-R2min=300/2-50/2=125（mm）。当Y轴行程大于150mm时，专利所述晶圆预对准系统能同时适用于直径ф50～ф300的晶圆。
参见附图3,光学检测单元的结构为，在晶圆7的一侧（图示为上侧）设置有点光源1，透镜2，光阑4，分光镜5，第一滤光片6，在晶圆7的另一侧（图示为下侧）设置有第二滤光片8。同时，在被测晶圆7两侧（图示为上下侧）分别布置有第一光学传感器3与第二光学传感器9，用于光线的接收与信号转换，两者像素顺序刚好相反。
参见附图4,第一光学传感器的感光路径为：点光源1发射光束经透镜2准直，然后通过光阑4的限制后依次透过分光镜5、第一滤光片6，此时，光束被晶圆7遮挡的部分将被反射回去，再次透过第一滤光片6，经分光棱镜反射后照射到第一光学传感器3。
第一光学传感器3感光区为光束被晶圆7反射部分，其输出信号如附图5所示（以线阵型光学传感器为例）。
参见附图6,第二光学传感器的光路径为：点光源1发射光束经透镜2准直，然后通过光阑4的限制后依次透过分光镜5与第一滤光片6，此时光束可分为两部分，一部分光线投射入晶圆7，然后透过第二滤光片8，最后照射到第二光学传感器9。另一部分未被晶圆7遮挡的光线将直接透过第二滤光片8后照射到第二光学传感器9。
第二光学传感器9感光区有两部分，一部分为光束投射入晶圆7光线，另一部分为光束未被晶圆7遮挡光线，其输出信号如附图7所示（以线阵型光学传感器为例）。
参见附图5、7,Ta对应光束被晶圆7遮挡而反射部分光线，Tb对应光束投射入晶圆7部分光线。Sa、Sb均为边缘过渡带。Qa为第一光学传感器未感光部分，Qb对应光束未被晶圆7遮挡光线。
分析图5与图7，按照相关光学理论，边缘过渡带Sa与Sb中心点Ha与Hb即为晶圆理论轮廓位置。由于第一光学传感器与第二光学传感器的像素顺序刚好相反，则Ha点与Hb点的运动规律刚好相反，进一步的，Ha点与Hb点即可表征晶圆上两个相差180°的轮廓点。
参见附图8,为通过预对准系统进行预对准的方法步骤，具体的，系统启动后，对系统进行初始化，通过上位机软件使控制X轴、Y轴、Z轴和C轴回零。通过机械手将晶圆放置于真空单元的晶圆支撑台上，触发光学传感器，检测晶圆是否送到光学检测单元内。确认晶圆送至指定位置后，真空单元将晶圆进行吸附固定。驱动C轴旋转360°,光学检测单元采集晶圆边缘位置和缺口位置，并将信号发送给驱控单元的控制卡，控制卡A/D模块将接收的模拟信号转成成数字信号后传送至上位机软件。上位机软件通过圆拟合算法计算出晶圆的中心所在象限，以及与C轴中心在X轴、Y轴上的偏移量。同时，真空单元释放晶圆，驱动Z轴向上运动，晶圆脱离真空单元。
然后根据晶圆中心所在象限，以及与C轴中心在X轴和Y轴上的偏移量，精密运动单元驱动X轴和Y轴运动，使晶圆与C轴同心，完成晶圆中心定位。完成后，Z轴向下运动，晶圆降至真空单元后，被真空单元吸附。
此时，再驱动C轴旋转360°,光学检测单元采集晶圆边缘位置和缺口位置，通过上位机软件计算缺口位置所在象限，根据缺口位置所在象限信息，C轴带着晶圆旋转至相应角度，完成缺口定位。完成后，真空单元释放晶圆，机械手取走晶圆。完成一次预对准。
上位机控制精密运动单元回零后进行下一个晶圆的预对准操作。
参见附图8,为Ha点与Hb点的运动规律，O点为晶圆旋转中心，O´为初始位置（θ=0）晶圆的中心，O"为晶圆旋转θ角度后的中心，Δr为晶圆偏心量。
Ha在CD之间变换，Hb在AB之间变换，CHa与BHb变化符合余弦函数规律，考虑系统噪声时其表达式为：
CHa =ξΔr•cos（θ+π+φ）+Δr+k+f（x）
=-ξΔr•cos（θ+φ）+Δr+k+f（x）；
BHb =ξΔr•cos（θ+φ）+Δr+k+f（x）
ξ：随机噪声因子；φ：相位差；
k：白噪声；f（x）：共模噪声；
θ=0时，CHa=-ξΔr•cosφ+Δr+k+f（x1）；
BHb =ξΔr•cosφ+Δr+k+f（x1）
θ=π时，CHa=ξΔr•cosφ+Δr+k+f（x2）；
CHa=-ξΔr•cosφ+Δr+k+f（x2）；
单独分析第一光学传感器或第二光学传感器时有以下结论：
2Δr=|2ξΔr•cosφ+ f（x2）- f（x1）|
进一步得到：
Δr（1-ξcosφ）=[f（x2）- f（x1）]/2 or
Δr（1+ξcosφ）=[f（x1）-f（x2）]/2
由此可见，单独分析第一光学传感器或第二光学传感器信号时引入了共模误差，同时由于共模误差的存在，无法准确标定ξ与φ。
通过附图8的流程以及附图9，综合分析第一光学传感器与第二光学传感器信号，可得：
OHa=OC+CHa=OC-ξΔr•cos（θ+φ）+Δr+k+f（x）；
OHb=OB+BHb=OC+ξΔr•cos（θ+φ）+Δr+k+f（x）；
至此，可得到两个大小相等，方向相反的信号（OHa、OHb的长度变化），即差分信号。
进一步得到：OHb-OHa=2ξΔr•cos（θ+φ）；
通过标定ξ、φ，依据测得的OHb与OHa即可计算出Δr（注意光学传感器与回转中心O点相对位置也需标定）。
由此可见，综合分析第一光学传感器与第二光学传感器的差分信号能够消除共模误差，准确标定ξ与φ，因而精度更高。第一光学传感器与第二光学传感器产生的差分信号避免了共模误差，抗干扰能力强，EMC性能良好。
参见附图10，综合分析第一光学传感器与第二光学传感器的差分信号能够消除共模误差，准确标定ξ与φ，因而精度更高。通过图中的一对光学传感器产生的差分信号与单个光学传感器输出的单端信号相比。BHb、CHa长度变化的单端信号经过差分后幅值扩大为两倍，信号能量更大，使得更易识别与获取。
第一光学传感器接收光束被晶圆反射部分的光线，第二光学传感器接收投射入晶圆与未被晶圆遮挡的光线，即光束被晶圆反射与透射的光线均能被有效接收，所以本专利所述晶圆预对准系统适用于各代半导体透明、半透明、非透明材质晶圆。
本专利所述基于差分原理进行检测的晶圆预对准系统相关参数如下表所示：
指标 数值 单位
晶圆中心定位精度 ±0.025 mm
晶圆缺口定位精度 ±0.04 °
定位时间 2 s
适用晶圆直径 ф50～ф300 mm
适用晶圆材质 透明、半透明、非透明 -
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种晶圆检测预对准系统，其特征在于：包括机架上设置的精密运动单元、光学检测单元、真空单元和驱控单元，所述真空单元对晶圆实现真空吸附，所述真空单元设置于精密运动单元上，所述光学检测单元位于精密运动单元一侧，驱控单元控制所述精密运动单元驱动所述真空单元将晶圆送至光学检测单元进行检测，所述精密运动单元的运动包括XYZ轴方向运动和驱动真空单元C轴旋转。
2.根据权利要求1所述的晶圆检测预对准系统，其特征在于：所述精密运动单元的Y轴方向运动行程最大值大于150mm。
3.根据权利要求2所述的晶圆检测预对准系统，其特征在于：所述晶圆的大小为直径ф50～ф300mm。
4.根据权利要求1所述的晶圆检测预对准系统，其特征在于：所述光学检测单元包括晶圆空间和晶圆空间上方设置光源、准直透镜、第一滤光片和第一光学传感器，所述第一光学传感器位于晶圆上方，所述第一光学传感器接收晶圆的反射光。
5.根据权利要求4所述的晶圆检测预对准系统，其特征在于：所述第一光学传感器位于晶圆空间上方侧边，所述准直透镜下方设置分光镜，所述分光镜将反射光发送至第一光学传感器。
6.根据权利要求5所述的晶圆检测预对准系统，其特征在于：所述晶圆空间下方设置第二滤光片和第二光学传感器，所述光学传感器位于晶圆空间下方，所述第一光学传感器与第二光学传感器的像素顺序相反。
7.一种晶圆检测预对准方法，应用如权利要求1至6中任一项所述的晶圆检测预对准系统，其特征在于：包括如下步骤：
第1步：系统初始化复位；
第2步：机械手将晶圆放置于真空单元上；
第3步：精密运动单元将晶圆送至光学检测单元位置；
第4步：光学检测单元检测到晶圆后，真空单元吸附晶圆固定；
第5步：C轴旋转360°，光学检测单元采集晶圆边缘位置和缺口位置信号，送至驱控单元；
第6步：计算出晶圆中心所在象限以及与C轴中心在X轴、Y轴上的偏移量；
第7步：真空单元释放晶圆，Z轴向上运动，晶圆脱离真空单元；
第8步：调整X轴和Y轴的偏移量，使晶圆与C轴同心；
第9步：Z轴向下运动，真空单元吸附晶圆；
第10步：C轴旋转360°，光学检测单元采集晶圆边缘位置和缺口位置信号，送至驱控单元；
第11步：计算缺口中心位置所在象限；
第12步：根据缺口中心位置所在象限，C轴旋转所需角度，完成缺口定位；
第13步：真空单元释放晶圆，机械手取走晶圆。
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