CN1988127A - 基于多传感器数据融合的硅片预定位系统 - Google Patents

Abstract

一种半导体光刻技术领域的基于多传感器数据融合的硅片预定位系统。本发明中，传感器模块将检测到的硅片信息连接到信号调理模块，信号调理模块对硅片信息进行调理，调理后的信号连接到数据采集模块，数据采集模块将信号调理模块调理后的信号转换成数据，并将转换后的数据输出到硅片形心缺口计算模块，硅片形心缺口计算模块对数据采集模块转换的数据进行处理，得到运动控制模块的调整量，并将该调整量输出到运动控制模块，运动控制模块根据硅片形心缺口计算模块得到的调整量完成硅片定位的实际操作，限位控制模块对运动控制模块进行限位诊断和故障排除，运动控制模块将部分信号输出到信号处理模块进行处理，为数据采集模块提供外部时钟信号。

Description

基于多传感器数据融合的硅片预定位系统

技术领域

本发明涉及的是一种半导体光刻技术领域的系统，特别是一种基于多传感器数据融合的硅片预定位系统。

背景技术

当光刻机发展到纳米级时，要求硅片传输系统所传送的硅片必须达到微米级的重复性定位要求，而在硅片传输系统中完成定位的就是硅片预定位系统。硅片在片盒中是随意摆放，由于片盒的间隙导致硅片存在±2mm的随机偏心，以及随机缺口方向，当机械手从片盒中取出硅片传送到预定位台上后，硅片预定位台必须对硅片随机的偏心和缺口方向进行调整，完成微米级的定位。硅片预定位系统所需的设备一般包括以下几个部分：光学探测器，用于检测硅片边缘；一个旋转单元，用于带动硅片转动；对心执行机构，用于将硅片形心移到旋转单元的旋转中心。定位的核心算法是硅片形心和缺口形心的寻找算法。

经对现有技术的文献检索发现，US专利4880384号中所述的硅片预定位系统采用一个线性CCD传感器检测硅片边缘。硅片预定位步骤是旋转硅片，观察线形CCD信号波形。当硅片中心与转台中心重合时，线性CCD信号波形是标准波形，否则将是类似一条正弦曲线。这样通过实际波形与标准波形的比较可以得到硅片的偏心。偏心已知后，硅片下端有三个支柱会升起抬高硅片，使其与转台脱离，然后对心执行机构移动硅片使其形心与转台中心重合。重复该过程直到硅片形心到达特定范围之内。接着转台带动硅片再次旋转，找到硅片至CCD被遮长度最小处，也就是缺口的最低点，然后进行缺口对准。该硅片预定位系统精度不高，尤其是缺口部分利用最低点单个采样点来定位，精度受采样频率和干扰影响很大。

中国专利公开号CN1787200A中所述的硅片预定位系统也是使用一个线性CCD传感器采集硅片旋转过程中的边缘数据，采用最小二乘圆算法拟合求出硅片的半径以及圆心坐标，旋转硅片，将其圆心旋转到x轴正向处，然后使旋转单元下降，将硅片从旋转单元切换到对心执行机构上，接着对心执行机构移动硅片将其圆心与旋转中心重合，以完成硅片圆心定位。根据之前的圆周采样数据，采用边缘变化率法找到缺口粗位置，将缺口旋转到CCD传感器扫描线附近对缺口进行小范围细采样，同样用最小二乘圆算法拟合缺口，得到缺口圆的圆心坐标，缺口圆心和旋转中心连线与硅片边缘的交点为缺口中心，将缺口中心旋转到指定的角度，以完成硅片缺口定位。该系统用最小二乘圆拟合算法求硅片圆心和缺口圆心，然而硅片含有缺口，并不是一个标准圆，所以计算时只能去除缺口部分数据。另外缺口的粗定位直接决定缺口细采样的起始和结束点，而用边缘变化率法粗定位缺口精度较差，直接影响缺口的精定位。

上述预定位系统共同局限是，(1)都采用线性CCD传感器检测硅片边缘，而该传感器采样频率较小，直接限制了一周的采样点数，从而限制了精度提升的空间。(2)线性CCD传感器占用空间较大，在主机框架空间尺寸限定的情况下，CCD传感器的空间尺寸无法满足要求。(3)当硅片调整偏心时，需要硅片与旋转单元脱离，使其切换到对心执行机构上，然后后者调整硅片，使硅片中心和转台中心重合。该调整方法不仅导致表面接触和颗粒产生，而且调整时间较长，另外在切换过程中硅片会产生微小的偏移，导致误差的引入。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的不足，自主研发一种新型的基于多传感器数据融合的硅片预定位系统，完成硅片传输过程中所需要的微米级定位。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括六个模块：传感器模块、信号调理模块、数据采集模块、硅片形心缺口计算模块、运动控制模块、限位控制模块。传感器模块将检测到的硅片信息连接到信号调理模块，信号调理模块接收硅片信息后对其进行调理，调理后的信号连接到数据采集模块，数据采集模块将信号调理模块调理后的信号转换成数据，并将转换后的数据输出到硅片形心缺口计算模块，硅片形心缺口计算模块对数据采集模块转换的数据进行处理，得到运动控制模块的调整量，并将该调整量输出到运动控制模块，运动控制模块根据硅片形心缺口计算模块得到的调整量完成硅片定位的实际操作，限位控制模块对运动控制模块进行限位诊断和故障排除，运动控制模块将部分信号输出到信号处理模块进行进一步处理，为数据采集模块提供外部时钟信号。

所述的传感器模块，由激光位移传感器及其控制器、激光透射式传感器(简称光透传感器)及其控制器、电涡流传感器及其控制器组成。机械尺寸较大的激光位移传感器感测头是镶嵌放置在主机框架中，不占用实际空间。激光位移传感器测量硅片边缘获取径向距离；光透传感器用来检测缺口数据，其感测头分别安装在硅片边沿的上下表面，由遮光量大小决定径向距离。电涡流传感器用来检测转台高速转动时的径向跳动。这些传感器输出信号先进入信号调理模块进行调理后再进行采集。每个传感器的控制器统一放在控制柜内，信号从控制器后面板的接线端子引出，三个控制器都引出一些传感器状态读取以及控制的I/O信号，它们都是OC门，在信号调理模块中必须接上拉电阻。

所述的激光位移传感器测量范围是±5mm，分辨率是0.3μm，光透传感器检测区域5×1mm，分辨率是2～5μm，电涡流传感器测量范围1mm，分辨率是0.4μm。

所述的信号调理模块，物理体现就是一块信号调理板，主要完成对传感器检测输出的模拟信号进行滤波处理，以消除干扰；传感器数字信号的OC门电路的处理，转台编码信号的放大、倍频处理以作为数据采集卡的外部时钟信号，还有执行机构的限位处理。

所述的数据采集模块采用转台编码处理信号作为外部时钟进行激光位移、光透和电涡流三个传感器信号的同步采集，这样每个采集点对应的角度信息也已知。对光透和电涡流传感器来说，采集的是经过滤波后的模拟量，而激光位移传感器控制器另外提供了一个40芯并口数据线，其中13～33引脚这21根数字线反映控制器屏幕显示值的补码，只要同步采集这21根数字线，然后在软件中完成补码到原码的转换，就可以精确获得控制器屏幕显示值，这样就避免了模拟信号可能存在的干扰。

所述的硅片形心缺口计算模块，分别计算硅片形心和硅片缺口形心，计算硅片形心必须已知硅片每个角度对应的径向距离，因为数据采集是以转台的编码信号作为外部时钟，所以数据采集点对应的角度已知，但是激光位移传感器的数据并不仅仅表示硅片的径向距离，因为转台高速旋转时至少存在3μm的径向跳动和70μrad的偏摆，因此需要用电涡流传感器实测转台的径向跳动和偏摆误差(统一表现为径跳)，然后从激光位移传感器的测量值中消除掉才得到硅片的径向距离。激光位移和电涡流传感器的数据融合后得到理想转台圆心到硅片边界的半径数据以及该点对应的角度，即获得数据点极坐标(r，θ)，然后利用质点系重心法获得硅片形心。形心调整好后，该进行硅片缺口的检测。激光位移传感器在检测缺口时，光线打到缺口斜边反射回来的反射光回不到激光感侧头接收透镜处，导致缺口检测失败，所以缺口的数据检测采用上下对射式感测头的光透传感器。转台转动硅片使缺口到达光透传感器感测头下，然后转台慢速转动，用光透传感器获得的缺口数据并采用前述相同算法计算出缺口形心。两个形心都已知后，就可以知道实际执行机构完成硅片定位的调整量。

所述的运动控制模块，是用一块四轴运动控制卡控制四自由度的执行机构，转台(θ轴)放在最下方，两直线位移台组成的X-Y轴置于转台上方，旁边支架固定安装一个Z轴可上下直线运动。由于X-Y轴置于转台上方，这样当调整硅片偏心时，直接调整X-Y轴即可，不需要硅片与转台上的吸盘的脱离。通过软件中调用库函数给控制卡发送指令，后者接受的指令后完成相应的操作，比如控制卡初始化或者驱动执行机构的运动等。

所述的限位控制模块，实现四个执行机构的限位诊断和排除。X、Y、Z位移台在两端自带了限位开关，当限位开关被压住时，可以调用控制卡的库函数实现软件消除，但是如果是机械卡死的话，就必须外部加电硬件消除，并且加电时间为0.8s。转台可以无限制转动，但在本系统中为了防止绕线以及零点定位问题只能让其转动一周，所以在其左右两端分别安装了限位开关，当限位压住后，转台断电停止，可以利用I/O口控制转台临时通电，并旋转使限位开关松开。

本发明工作时，传感器模块检测硅片边缘径向信息和转台径向跳动信息，信号接入信号调理板进行处理。信号调理模块主要完成对传感器输出模拟信号进行滤波处理、数字信号OC门电路的处理，转台编码信号放大和倍频处理等。数据采集模块采集调理好的数字信号和模拟信号，采集的外部时钟由处理后的转台编码信号提供，这样可以实现数据同步采集，并且可以知道每个数据点所对应的角度值，采集来的数据存放在工控机内存中供硅片形心缺口计算模块计算。硅片形心缺口计算模块先要对数据采集模块获取的数据进行处理，首先激光位移传感器数据进行D/A转换和软件滤波，然后通过多传感器数据融合获得每个角度位置对应的硅片径向距离，计算出硅片形心和缺口形心，最终推出执行机构X、Y、R台实现硅片定位需要走动的调整量。运动控制模块完成硅片定位的实际操作，根据硅片形心缺口计算模块求得的执行机构调整量，工控机发送命令给四轴运动控制卡，后者驱动执行机构动作。限位控制模块可检测执行机构是否到达限位，如果是，可以调整执行机构由限位状态恢复到正常状态。

本发明采用激光位移传感器和光透传感器配合使用检测硅片边缘，它们体积很小，加上激光位移传感器感测头实际是镶嵌在主机框架中，所以传感器几乎不占用实际的空间尺寸。它们的采样频率远远高于线性CCD传感器的采样频率，可以实现高速采样，大大增加硅片边缘一周采样点数，从而可以提高精度。本发明用质点系重心法计算硅片形心和缺口形心，该方法不但重复性精度高，而且适用于任何形状的物体，即对硅片形状没有要求。本发明在调整硅片形心和转台中心重合时，不需要硅片与旋转机构的脱离，从而提高了硅片形心的定位效率，并且避免了颗粒和误差的产生。本发明精度高，效率好，大大提高了光刻机的整体性能，对光刻机的发展有重要意义。

附图说明

图1为本发明结构框图

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括六个模块：传感器模块、信号调理模块、数据采集模块、硅片形心缺口计算模块、运动控制模块、限位控制模块。传感器模块将检测到的硅片信息连接到信号调理模块，信号调理模块接收硅片信息后对其进行调理，调理后的信号连接到数据采集模块，数据采集模块将信号调理模块调理后的信号转换成数据，并将转换后的数据输出到硅片形心缺口计算模块，硅片形心缺口计算模块对数据采集模块转换的数据进行处理，得到执行机构调整量，并将该执行机构调整量输出到运动控制模块，运动控制模块根据硅片形心缺口计算模块得到的执行机构调整量完成硅片定位的实际操作。

所述传感器模块，主要由三个传感器组成，激光位移传感器感测头嵌入在主机框架中，光点打在硅片的边缘检测硅片径向距离；光透传感器光带朝向转台中心，依据遮光的多少来检测硅片的径向距离，主要用于检测硅片缺口数据；电涡流传感器检测吸盘下端心轴的径向跳动，其反映转台的径向跳动。每个传感器都带有一个控制器，控制器统一放在控制柜内，信号从控制器后面板的接线端子引出。三个控制器都引出一些传感器状态读取(如超量程状态)以及控制(如传感器复位)的I/O信号，它们都是OC门，在信号调理板中必须接上拉电阻。光透传感器和涡流传感器输出是模拟信号，而激光位移传感器提供了模拟和数字信号两种输出，数字信号代表控制器屏幕显示值的补码，为了避免模拟信号可能的干扰问题，对于核心检测部件激光位移传感器采用数字信号输出。传感器的所有输出信号都进入信号调理板进行处理，模拟信号要进行滤波，数字信号都要上拉电阻；转台编码信号是四路差分信号，选用其中一路信号引入信号调理板，进行电压放大处理以及高频滤波，该信号将作为数据采集卡的外部时钟。当检测形心时，信号频率不做改变，此时转台旋转一周同步采集三个传感器输出信号，采集点数是176000。当检测缺口时，为了在缺口部分采集尽量多的点，把转台的编码信号进行了四倍频处理，这样数据量是原来的四倍。另外，四个执行机构的限位控制都是在信号调理板中完成，但是在图1为了直观起见，把限位控制分成一个单独的模块。

对于所述信号调理模块和数据采集模块来说，传感器信号经过信号调理板调理后再接入数据采集卡端子板，端子板与工控机中的数据采集卡通过电缆线相连，采集工作任务是外部时钟触发的数字和模拟信号同步采集任务，其带有3个通道，其中两个模拟通道(分别代表光透传感器通道和电涡流传感器通道)和一个数字通道(21位激光位移传感器输出组成一个数字通道)。在软件中只要让转台旋转，并立刻启动该任务就可以进行硅片整周数据采集，采集好的数据存放在事先开辟的动态内存中，待硅片形心缺口计算模块来处理。

所述硅片形心缺口计算模块是本系统的关键模块，其必须先对由数据采集卡采集来的存放在内存中的数据进行数据转换、软件滤波、数据融合处理，处理完的数据才可以用来计算硅片的形心位置以及缺口位置。对于数据处理部分所要做的工作如下，激光位移传感器采样的是21位数字信号，但是计算需要的是模拟量，所以先必须进行数模转换，具体就是补码到原码的转换，再除以10000即可得到所需值。接下来要进行软件滤波，因为整周采样点个数是176000，但是实际计算硅片的形心只需5500个点即可。为了充分利用所有的采样点，每32个点作一次平均，得到一个计算点，这样在保证精度的前提下可以大大节省计算时间。下步是进行数据融合，在计算形心时，激光位移传感器数据包含着转台的径向跳动，所以激光位移传感器数据减去反映转台径跳的电涡流传感器数据才是实际硅片的径向距离，事先每个点的角度值已知，那么每个计算点的极坐标已知，利用质点系重心法就可以获得硅片形心。由于硅片一周数据已知，可以根据激光位移传感器在缺口部分数据超量程的性质或者光透传感器在缺口部分数据变化率绝对值最大的性质找到缺口的粗位置。X-Y轴移动，使硅片形心与转台中心调整到一定范围之内，然后根据求出的缺口粗位置转动转台，使缺口到达光透传感器感测头之下，接着转台慢速旋转，重新采集缺口数据，采用质点系重心法进行缺口形心的计算，最后转动转台使硅片缺口方向转动到指定的角度位置。

所述运动控制模块由四个执行机构以及四轴运动控制卡组成，转台θ轴(分辨率9μrad)放在最下方；X-Y轴(分辨率8.5nm)置于转台上方，Z轴(分辨率7nm)固定在旁边支架上，四轴运动控制卡是基于PCI总线，可以直接插入工控机的PCI插槽中，同时随卡还提供功能强大的运动控制函数库，打包成动态链接库形式，在软件中只需要调用库函数就可以有效地解决执行机构复杂的运动控制问题。

所述限位控制模块实现四个执行机构的限位诊断和排除。每个执行机构都带有限位开关，当执行机构压到限位后会自动停止，必须排除故障后才可以重新正常工作。X、Y、Z位移台出现Negative Limit或者Positive Limit限位报警时，可以直接调用控制卡的库函数消除故障，但是如果是Motion Error话，表示的是机械卡死，此时必须在位移台供电引脚外接15V电源，并且加电时间选择0.8s，让位移台调整过来。转台正常可以无限制转动，但在本系统中为了防止绕线以及零点定位问题只能让其转动一周，所以在其左右两端分别安装了限位开关，当限位压住后，转台断电停止，可以利用I/O口控制转台临时通电，并旋转使限位开关松开。

Claims (10)

1、一种基于多传感器数据融合的硅片预定位系统，包括：传感器模块、信号调理模块、数据采集模块、硅片形心缺口计算模块、运动控制模块、限位控制模块，其特征在于，传感器模块将检测到的硅片信息连接到信号调理模块，信号调理模块接收硅片信息后对其进行调理，调理后的信号连接到数据采集模块，数据采集模块将信号调理模块调理后的信号转换成数据，并将转换后的数据输出到硅片形心缺口计算模块，硅片形心缺口计算模块对数据采集模块转换的数据进行处理，得到运动控制模块的调整量，并将该调整量输出到运动控制模块，运动控制模块根据硅片形心缺口计算模块得到的调整量完成硅片定位的实际操作，限位控制模块对运动控制模块进行限位诊断和故障排除，运动控制模块将部分信号输出到信号处理模块进行进一步处理，为数据采集模块提供外部时钟信号。

2、根据权利要求1所述的基于多传感器数据融合的硅片预定位系统，其特征是，所述的传感器模块，由激光位移传感器及其控制器、激光透射式传感器及其控制器、电涡流传感器及其控制器组成，这些传感器及其控制器都连接到信号处理模块，激光位移传感器感测头是镶嵌放置在主机框架中，激光位移传感器测量硅片边缘获取径向距离；光透传感器用来检测缺口数据，其感测头分别安装在硅片边沿的上下表面，由遮光量大小决定径向距离；电涡流传感器用来检测转台高速转动时的径向跳动；每个传感器的控制器统一放在控制柜内，信号从控制器后面板的接线端子引出。

3、根据权利要求2所述的基于多传感器数据融合的硅片预定位系统，其特征是，所述的激光位移传感器测量范围是±5mm，分辨率是0.3μm，激光透射式传感器检测区域5×1mm，分辨率是2～5μm，电涡流传感器测量范围1mm，分辨率是0.4μm。

4、根据权利要求1或者2所述的基于多传感器数据融合的硅片预定位系统，其特征是，所述的传感器模块，其中的激光透射式传感器和电涡流传感器输出是模拟信号，而激光位移传感器提供了模拟和数字信号两种输出，数字信号代表控制器屏幕显示值的补码，为了避免模拟信号可能的干扰问题，对于核心检测部件激光位移传感器采用数字信号输出；传感器的所有输出信号都进入信号调理板进行处理，模拟信号要进行滤波，数字信号都要上拉电阻；转台编码信号是四路差分信号，选用其中一路信号引入信号调理板，进行电压放大处理以及高频滤波，该信号将作为数据采集卡的外部时钟。

5、根据权利要求1所述的基于多传感器数掘融合的硅片预定位系统，其特征是，所述的信号调理模块，完成对传感器检测输出的模拟信号进行滤波处理，以消除干扰；传感器数字信号的OC门电路的处理，转台编码信号的放大、倍频处理以作为数据采集卡的外部时钟信号，还有执行机构的限位处理。

6、根据权利要求1所述的基于多传感器数据融合的硅片预定位系统，其特征是，所述的数据采集模块，采用转台编码处理信号作为外部时钟进行激光位移、激光透射式和电涡流三个传感器信号的同步采集，这样每个采集点对应的角度信息也已知；激光透射式传感器和电涡流传感器采集的是经过滤波后的模拟量，而激光位移传感器控制器另外提供了一个40芯并口数据线，其中13～33引脚这21根数字线反映控制器屏幕显示值的补码，只要同步采集这21根数字线，然后在软件中完成补码到原码的转换，就能获得控制器屏幕显示值，这样就避免了模拟信号可能存在的干扰。

7、根据权利要求1所述的基于多传感器数据融合的硅片预定位系统，其特征是，所述信号调理模块和数据采集模块，传感器信号经过信号调理板调理后再接入数据采集卡端子板，端子板与工控机中的数据采集卡通过电缆线相连，采集工作任务是外部时钟触发的数字和模拟信号同步采集任务，其带有3个通道，其中两个模拟通道分别代表激光透射式传感器通道和电涡流传感器通道，一个数字通道是由激光位移传感器输出组成的，只要让转台旋转，并立刻启动该任务就进行硅片整周数据采集，采集好的数据存放在事先开辟的动态内存中，待硅片形心缺口计算模块来处理。

8、根掘权利要求1所述的基于多传感器数据融合的硅片预定位系统，其特征是，所述的硅片形心缺口计算模块，分别计算硅片形心和硅片缺口形心，计算硅片形心必须已知硅片每个角度对应的径向距离，需要用电涡流传感器实测转台的径向跳动和偏摆误差，然后从激光位移传感器的测量值中消除掉才得到硅片的径向距离；激光位移和电涡流传感器的数据融合后得到理想转台圆心到硅片边界的半径数据以及该点对应的角度，即获得数据点极坐标(r，θ)，然后利用质点系重心法获得硅片形心；形心调整好后，该进行硅片缺口的检测，激光位移传感器在检测缺口时，缺口的数据检测采用上下对射式感测头的光透传感器，转台转动硅片使缺口到达光透传感器感测头下，然后转台慢速转动，用光透传感器获得的缺口数据并采用前述相同算法计算出缺口形心；两个形心部已知后，就能知道实际执行机构完成硅片定位的调整量。

9、根据权利要求1所述的基于多传感器数据融合的硅片预定位系统，其特征是，所述的运动控制模块，是用一块四轴运动控制卡控制四自由度的执行机构，转台θ轴放在最下方，两直线位移台组成的X-Y轴置于转台上方，旁边支架固定安装一个Z轴可上下直线运动，当调整硅片偏心时，直接调整X-Y轴，软件中调用库函数给控制卡发送指令，后者接受的指令后完成相应的操作。

10、根据权利要求1所述的基于多传感器数掘融合的硅片预定位系统，其特征是，所述的限位控制模块，实现四个执行机构的限位诊断和排除，X、Y、Z位移台在两端自带了限位开关，当限位开关被压住时，调用控制卡的库函数实现软件消除；如果机械卡死，必须外部加电硬件消除，并且加电时间为0.8s，为了防止绕线以及零点定位问题，让转台转动只能一周，在其左右两端分别安装了限位开关，当限位压住后，转台断电停止，利用I/O口控制转台临时通电，并旋转使限位开关松开。