CN1937202A - 一种硅片预对准装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于集成电路装备制造技术领域，特别涉及一种硅片预对准装置及其方法。该预对准装置包括：水平对心单元，TCD检测单元，投光单元，承片台单元和数据转化及控制单元。其中水平对心单元用于调整硅片的Y向偏移；TCD检测单元用于检测硅片的边缘以及切边或缺口的位置；投光单元用于发射平行光束；承片台单元用于旋转和升降硅片；数据转化及控制单元用于接收、转化和发送TCD检测单元的光强信号，控制步进电机的运动。本发明的效果和益处是利用该装置的方法用光学检测仪器配合简单的机构实现了硅片的高精度定位，其算法简单，成本低，可以补偿硅片在传输过程中的定位误差，实现对硅片几何中心和切边或缺口的精确定位。

Description

一种硅片预对准装置

技术领域

本发明属于集成电路装备制造技术领域，特别涉及一种硅片预对准装置及其方法，用于对硅片的几何中心以及切边(或缺口)定位。

背景技术

硅片预对准装置是一类面向集成电路制造业，在硅片加工过程中，能够自动检测并精确定位硅片几何中心以及切边(或缺口)位置的，集机械、电子、光学、计算机等多学科于一体的高精度对准装置。

由于加工工艺对硅片定位精度的要求高于硅片机器人的传输精度，所以在对硅片进行工艺处理之前，必须让硅片机器人先将硅片放置于预对准装置，补偿硅片机器人对硅片的定位误差，然后再由硅片机器人将硅片传送到工艺台上。

硅片预对准的方法是对硅片机器人末端执行器上传输的物体直线和角度定位误差校正的一种方法。随着硅片直径的增大，硅片重量不断增加，传输过程中越来越容易造成硅片机器人末端执行器的振动，使传输的线性和角度定位误差不断增大。这种误差很难满足硅片特征尺寸不断减小的发展趋势，因此，硅片预对准装置及其方法的应用将十分广泛。

目前，按定位精度的不同，硅片预对准装置及其方法主要可以分为两种：机械式预对准和光学预对准。机械式预对准装置是用复杂的机构直接接触硅片，使其被动定位，如专利US005212A1，用连杆和同步齿型带轮传动，使围绕在承片台周围的三个滚轴沿三个滑槽运动，实现硅片位置的对心。这种方法的缺点是：由于是机械机构直接接触硅片容易对硅片造成损伤；精度低，只能满足0.35μm以上的设备，不能满足整机精度要求，只能说是对硅片的预定位，不是严格意义上的预对准；工艺过程复杂，时间长；机构复杂。

光学预对准是用光学检测仪器配合简单的机构实现硅片的高精度定位。如专利US0056216A1(CN1659695A)，这种预对准装置只有一个旋转轴，由CCD线性传感器检测硅片的边缘信号，通过复杂的算法算出硅片的几何中心以及切边(或缺口)的位置，再将信号传送给硅片机器人的控制系统，由机器人对心抓取硅片。这种预对准方法虽然结构简单，但控制系统和算法都很复杂，对机器人末端执行器的定位抓取精度要求也非常苛刻。清华大学申请的专利CN1787200A则着重介绍了硅晶圆光学预对准的一种控制方法，没有对其装备结构进行介绍。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述预对准装置及其方法的不足，提出了一种硅片预对准装置及其方法。

本发明解决问题的技术方案是提出的一种硅片预对准装置，包括水平对心单元，TCD检测单元，投光单元，承片台单元和数据转化及控制单元。其中水平对心单元用于调整硅片的Y向偏移；TCD检测单元用于检测硅片的边缘及切边(或缺口)的位置；投光单元用于发射平行光束；承片台单元用于旋转和升降硅片；数据转化及控制单元用于接收、转化和发送TCD检测单元的光强信号，控制步进电机的运动。

水平对心单元，直线步进电机固定在电机支架上，电机支架和两个直线导轨都固定在底板上，两个直线导轨上有连接板，使两个直线导轨能够同步运动，直线步进电机的外部驱动螺母与连接板通过转接件连接，托盘手柄固定于导轨连接板上，三个接片柱成120°粘贴在托盘上，接片柱上开有通孔，托盘内开有气槽，使接片柱能够真空吸附硅片。

TCD检测单元，投光单元，TCD1500C线性传感器、线阵光源与透镜位置相对固定，固定在被检测硅片的边缘范围内。

承片台单元，圆柱型承片台用三个顶丝固定在滚珠螺杆花键的上部，承片台上有三个气孔，用于真空吸附硅片，气管由中空的滚珠螺杆花键内部通入，在滚珠螺杆花键与圆柱承片台的接触面处放有两个“O”型密封圈，以防止漏气。滚珠螺杆花键的滚珠螺杆螺母和滚珠花键螺母分别嵌入套筒内，固定在套筒的上下两端，套筒外侧开有竖口，以便滚珠螺杆花键的安装。两个同步齿型大带轮通过螺纹连接，分别连接在滚珠花键螺母和滚珠螺杆螺母上，两个旋转步进电机分别固定在电机支架上，两个同步齿型小带轮由顶丝固定在电机轴上，电机支架上开有椭圆孔，可以调节大带轮与小带轮的中心距，滚珠螺杆花键的上、下两端分别固定了两个丝杠限位，用以减震和限位。

本发明提出的一种应用于以上硅片预对准装置的硅片预对准方法为：

a.TCD检测单元通过检测接收光源光强的变化率，判断硅片是否已放置于圆柱型承片台上，当检测到硅片已放置时，TCD传感器发信号给电机控制卡，触发真空发生器，使圆柱型承片台真空吸附硅片。

b.电机控制卡控制两个旋转步进电机同步反向运动，滚珠螺杆花键在滚珠螺杆螺母和滚珠花键螺母的解耦运动作用下带动硅片旋转一圈，TCD检测单元通过检测接收光源的光强，检测硅片的边缘位置，记录接收光强信号最弱处步进电机转动的角度，并将接收到的最弱光强信号与硅片正确对心放置时的光强相比较，算出差值，并将差值转换成硅片的径向偏移量。

c.承片台单元旋转硅片，使步骤b算出的径向偏移与水平对心单元的Y向处于一条直线上。

d.承片台停止吸附硅片，同时触发真空发生器，电机控制卡控制驱动滚珠螺杆螺母的旋转步进电机转动，滚珠螺杆花键在滚珠螺杆螺母的驱动下，下降至水平对心单元的三个接片柱上端平面以下。

e.水平对心单元的三个接片柱真空吸附硅片，直线步进电机根据步骤b所述计算出的Y向位移量，移动硅片，完成硅片的中心定位。

f.旋转步进电机驱动滚珠螺杆螺母转动，使承片台单元上升至原位，同时接片柱停止吸附硅片，承片台吸附硅片。

g.承片台单元旋转硅片，TCD检测单元根据接收光强信号的强弱，检测硅片切边(或缺口)中心所在位置，电机控制卡记录光强最强时两个旋转步进电机的转数。

h.承片台单元将硅片切边(或缺口)旋转到指定的位置，完成硅片切边(或缺口)的定位。

本发明的效果和益处是：

1)本发明通过运用滚珠螺杆花键，实现了硅片在同一轴上的旋转和升降两个自由度的运动，简化了机构，提高了机械运动精度。

2)本发明通过单个TCD线性传感器，运用简单的算法完成了对硅片几何中心以及切边(或缺口)的定位。

3)本发明运用步进电机加细分驱动器做为驱动装置、同步齿型带做为传动部件，既可以满足定位精度，又简化了控制系统，降低了成本。

附图说明

图1是本发明硅片预对准装置的结构示意图。

图2是本发明水平对心单元1的局部放大图。

图3是本发明TCD检测单元2和投光单元3的局部放大图。

图4是本发明承片台单元4的局部放大图。

图5是本发明硅片预对准方法的工作流程图。

图中：

1.承片台单元                  2.水平对心单元

3.投光单元                    4.TCD检测单元

5.直线步进电机                6.直线步进电机支架

7.底板                        8.导轨1

9.导轨2                       10.导轨连接板

11.托盘                       12.接片柱

13.线阵光源                   14.柱面透镜

15.TCD1500C线阵图像传感器     16.旋转步进电机支架1

17.旋转步进电机1              18.同步齿型小带轮1

19.同步齿型带1                20.滚珠螺杆螺母

21.丝杠限位1                  22.滚珠螺杆花键

23.同步齿型大带轮1          24.套筒

25.旋转电机支架2            26.同步齿型小带轮2

27.旋转步进电机2            28.同步齿型带2

29.丝杠限位2                30.圆柱型承片台

31.同步齿型大带轮2          32.滚珠花键螺母

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

本发明的工作过程如下：硅片机器人将硅片放到圆柱型承片台30上，TCD1500C线阵图像传感器15检测到硅片已达到预对准装置，TCD传感器发信号给电机控制卡，同时触发真空发生器，使圆柱型承片台30真空吸附硅片。电机控制卡控制旋转步进电机17和27同步反向运动，同步齿型大带轮23和31分别带动滚珠花键螺母20和滚珠螺杆螺母32同步反向转动，滚珠螺杆花键在滚珠花键螺母20和滚珠螺杆螺母32的解耦运动作用下带动硅片旋转一周。

TCD检测单元对硅片进行边缘检测，其原理为：线阵光源13经柱面透镜14发出平行光束，未被硅片遮挡住的光线照射到TCD1500C线阵图像传感器15上产生光电荷，由TCD接收到的光信号的强弱可以判断出硅片的边缘位置。当硅片旋转一周时，TCD将接收到的光强信号转换成电压信号传送到数据转化及控制单元，计算机再将输入的信号与硅片对心时的信号相比较，得出硅片的最大径向偏移量，以及在硅片最大偏移量时圆柱承片台30较初试位置旋转的角度。

承片台单元4按旋转角度的差值旋转硅片，使硅片的径向偏移与水平对心单元1的Y向处于一条直线上，旋转步进电机27转动，同步齿型大带轮31带动滚珠螺杆螺母32转动，滚珠螺杆花键22下降。

当圆柱型承片台30上端面下降至接片柱12的上端面时，承片台停止吸附硅片，接片柱开始吸附硅片，直线步进电机5根据计算出的Y向偏移量，移动硅片，完成对硅片的几何中心定位。

旋转步进电机27驱动滚珠螺杆螺母32转动，使承片台单元4上升，当圆柱型承片台30上端面上升至接片柱12的上端面时，接片柱停止吸附硅片，承片台开始吸附硅片，带动硅片上升至预对准之前的高度，承片台单元4带动硅片旋转一周，原理同前所述。

TCD检测单元对硅片进行切边(或缺口)的检测，原理同前所述，TCD接收光强最弱处，即为硅片切边(或缺口)中心所在位置，控制单元记录光强最弱时旋转步进电机17和27的转数。承片台单元4将硅片切边(或缺口)旋转到指定的位置，完成对硅片切边(或缺口)的定位。硅片机器人将对准后的硅片传送至加工工位。如此完成一个循环。

Claims (2)

1、一种硅片预对准装置，包括水平对心单元(1)、TCD检测单元(2)、投光单元(3)、承片台单元(4)和数据转化及控制单元，其特征在于：

水平对心单元(1)：用于调整硅片的Y向偏移量，它由托盘(11)，两个直线导轨(8)和(9)，三个接片柱(12)等组成；托盘(11)手柄固定在两个直线导轨(8)和(9)的连接件上，圆心在同一个圆上的三个接片柱(12)固定在托盘(11)上，直线步进电机(5)带动托盘和接片柱在直线导轨上做Y向直线运动；

TCD检测单元(2)：TCD1500C线阵图像传感器(15)接收线阵光源(13)的光强信号，检测硅片转动的边缘位置，并把接收到的光强信号转换成电压信号传送到数据转化及控制单元；

投光单元(3)：由线阵光源(13)、柱面透镜(14)等组成，线阵光源为TCD提供光照使其产生光电荷，柱面透镜会聚线阵光源发射的光线，使其平行射出；

承片台单元(4)：具有旋转和升降两个自由度，实现硅片在真空吸附下的转动和垂直升降运动，它由滚珠螺杆花键(22)，套筒(24)，同步齿型带轮(18)、(23)、(26)、(31)，圆柱型承片台(30)，丝杆限位(21)、(29)等组成，套筒固定在机架上，滚珠螺杆花键的两个螺母(20)、(32)嵌入套筒内，分别固定在套筒的上下两端，两个同步齿型大带轮(23)、(31)通过螺纹连接分别安装在滚珠螺杆螺母和滚珠花键螺母上，当旋转步进电机(27)转动时，同步齿型大带轮(31)带动滚珠螺杆螺母转动，滚珠螺杆花键做升降运动，当旋转步进电机(17)和(27)同步反向转动时，同步齿型大带轮(23)和(31)分别带动滚珠螺杆螺母和滚珠花键螺母同步反向转动，滚珠螺杆花键在滚珠螺杆螺母和滚珠花键螺母的解耦运动作用下做旋转运动；

数据转化及控制单元：由TCD1500C脉冲发生电路、A/D转换电路、计算机、电机控制卡等组成，脉冲发生电路向TCD1500C发送脉冲信号，A/D转换电路接收TCD的电压模拟信号并将其转化为数字信号，再通过接口传输给计算机，电机控制卡控制三个步进电机的运动。

2、利用权利要求1所述一种硅片预对准装置的方法，其特征在于包括以下步骤：

a.前述的TCD检测单元(2)通过检测接收光源光强的变化率，判断硅片是否已放置于圆柱型承片台(30)上，当检测到硅片已放置时，TCD传感器发信号给数据转化及控制单元中的电机控制卡，使圆柱型承片台(30)真空吸附硅片；

b.数据转化及控制单元的电机控制卡控制旋转步进电机(17)和(27)同步反向运动，滚珠螺杆花键在滚珠螺杆螺母和滚珠花键螺母的解耦运动作用下带动硅片旋转一圈，TCD检测单元(2)通过检测接收光源的光强，检测硅片的边缘位置，记录接收光强信号最弱处步进电机转动的角度，并将接收到的最弱光强信号与硅片正确对心放置时的光强相比较，算出差值，并将此差值转换成硅片的径向偏移量；

c.前述的承片台单元(4)旋转硅片，使步骤b算出的径向偏移与水平对心单元(1)的Y向处于一条直线上；

d.承片台(30)停止吸附硅片，同时触发真空发生器，电机控制卡控制旋转步进电机(27)转动，滚珠螺杆花键在滚珠螺杆螺母的驱动下，下降至水平对心单元(2)的三个接片柱(12)上端平面以下；

e.水平对心单元(1)的三个接片柱(12)真空吸附硅片，直线步进电机(5)根据步骤b所述计算出的Y向位移量，移动硅片，完成硅片的中心定位；

f.旋转步进电机(27)驱动滚珠螺杆螺母(32)转动，使承片台单元(4)上升至原位，同时接片柱(12)停止吸附硅片，承片台(30)吸附硅片；

g.承片台单元(4)旋转硅片，TCD检测单元根据接收光强信号的强弱，检测硅片切边或缺口中心所在位置，电机控制卡记录接收光强最强时旋转步进电机(17)和(27)的转数；

h.承片台单元(4)将硅片切边或缺口旋转到指定的位置，完成对硅片切边或缺口的定位。

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