CN201017864Y - 一种晶片自动定位控制装置 - Google Patents

Abstract

一种晶片自动定位控制装置，包括：由主轴旋转单元，伺服电机驱动器、晶片位置检测器、误差形成器；其主轴旋转单元中承片台安装在伺服电机轴的上端，承片台中心孔与伺服电机的中空轴相通，伺服电机下端是编码器并与真空系统相连，晶片真空吸附于承片台上；晶片位置检测器安装在旋转晶片边沿，其输出晶片位置检测电信号及位置给定信号为误差形成器的输入信号，误差形成器输出的位置误差值送至伺服电机驱动器；编码器的脉冲信号及伺服电机旋转角位移量反馈到误差形成器及晶片位置检测器。它解决了晶片规整过程在两种工艺交接处由人工操作导致效率较低、增加污染和晶片易打碎、成本高的不足，能同时把晶片的定位缺口或边规整好。

Description

一种晶片自动定位控制装置

技术领域

本实用新型涉及半导体集成电路(IC)芯片制作过程中，把晶片定位缺口或定位边的位置检测到，然后自动将多个晶片在某种装载盒或舟中对齐(即均指向某一个位置或角度)的一种自动控制技术，具体为一种将该技术应用于生产实践中的晶片自动定位控制装置，目的是满足晶片加工过程中初步定位和预对准的需要。

背景技术

半导体业界传统上要在晶锭上做一个定位平面，将晶锭切成晶片后，该面留在圆形晶片上一条弦，称为定位边(即FLAT)，用以表明该晶片的晶体结构和晶向，以适应集成电路制造过程中不同工序的加工处理要求；定位边的大小和位置如图1(a)-(d)所示，图1(a)为p型(111)，图1(b)为p型(100)，图1(c)为n型(111)，图1(d)为n型(100)。[注解：P为以空穴为导电机构的半导体；n为以电子为导电机构的半导体；100、111是晶棒切割面的代号]晶片的定位边在Φ200mm(8″圆片)以及以上尺寸的晶片被定位缺口(即NOTCH)所取代。具有定位缺口的晶片，在该缺口附近的一个小区域内用激光刻上晶片的相关信息。集成电路的工艺制程设计者们力求最大限度地减少对激光刻印所在位置及其字迹清晰度造成玷污。对于Φ300mm(12″)晶片来讲，激光刻印另有一个新标准，即将激光刻印位于晶片背面靠近边缘的没有利用到的区域。定位缺口和激光刻印标识如图2所示，其中标号8为定位缺口，标号9指示为光刻的标识数字。

定位边和定位缺口在集成电路制造中的作用：

半导体集成电路制作工艺流程是一个复杂而漫长的过程，仅以采用槽式电容器的双阱三层多晶及单层金属工艺为例，制作4Mb DRAM的工艺流程，共计有164个工艺步骤，其中有17步干法刻蚀、23步去胶以及21步湿法清洗/湿法刻蚀。刻蚀工艺的基础是利用光刻技术实现精准的图形转移；光刻技术的精髓是套刻对准精度以及分辨率；套刻和对准的第一步就是首先利用定位边或槽进行预对准；因此进入光刻设备的每一个晶片希望是定位边/槽所处的位置一致，缩短完成预对准的过程和时间；不仅光刻设备如此，其他工艺设备如干法刻蚀、离子注入、扩散以及后工序中的砂轮划片、装片等设备都需要定位边/槽位置一致才能进入正常加工过程。另外，在测试工艺环节中需要靠定位边/槽定位的就更多了，如中测；膜厚测量的选点；晶片表面电阻率测量的定标、翘曲度测量等；总之，将放入片盒中的、或石英舟中的晶片，使它们的定位边/槽均整理成处于统一的某个方位，以适应下一工序加工的需要是非常必要的。

规整晶片定位缺口或边的方位的传统方法：

经过涂胶、显影、清洗等其他工艺环节后的晶片定位缺口或边的位置往往是随机的，进行下一工艺设备前，有时必需要把整盒晶片的定位缺口或边规整到统一的位置。早在上世纪五六十年代，集成电路制造常用Φ50、75和100毫米的小尺寸晶片，生产规模也小，多数情况下是人手持镊子，目测方法，在片盒内把它们一片一片的整理好。后来Φ150、200和300毫米的晶片出现在大规模生产的流水线上，再用这种老办法已不可能，故人们实用新型了这样或那样的专用机械装置代替手工作业，完成这一过程，效果很好。

装置的基本原理是一种机械机构，其原理如图3(a)-(b)所示，把装满晶片的片盒(图3(a)中的标号1)，以开口向上的方式置于其上，通过手摇或安装于机座(图3(a)中的标号3)的小型电动机带动一个圆柱体(图3中(a)中的标号5)旋转，晶片(图3中的(a)中的标号6)边缘与该圆柱体垂直相切，当该圆柱体旋转时，靠晶片边缘与圆柱体相切点处的摩擦力跟随转动；与圆柱体平行安装一个与水平面垂直的长条板(图3(a)-(b)中的标号7)，长条板通过弹簧(图3(a)中的标号4)安装于机座，该长条板上端面为一平面[见图3(a)中的标号7，用于有F1at的晶片]，或一个楔形斜面[见图3(b)，用于有缺口的晶片]；通过圆柱体的正转和反转往复运动，最终将盒内的所有晶片的定位缺口或边整合到一致的位置，即所有晶片的定位边或缺口都与长条板标号7相切或被它挂住；接着按压下挡板，使它离开晶片，视需要将所有晶片同步旋转到指定的方位。

传统方法的弊病

实现该功能的机械装置还有其它多种方式和结构，但是总存在着诸多缺陷，现分述如下：

(1)一个装置只能适应一种尺寸的晶片，不能兼容，且找定位边的只能找定位边，不能找定位缺口；反之亦然；

(2)完成该过程必须将晶片转入标准的塑料片盒内，整理好后，再用专用的倒片机(英文为：Wafer Transfer System)转移到石英舟或其它装载晶片的器具中去；

(3)每进行一次定位缺口或边的对齐过程就不可避免的增加一次颗粒、化学物质和有害离子对晶片污染的机会；

(4)增加打碎晶片造成重大经济损失的隐患。如上所述，集成电路的生产工艺那样复杂漫长，每经过一道工序，晶片的增值均很巨大，打碎一片(例如8″)晶片，损失近千美元；

(5)机械方式对齐定位缺口或边已经不适应当前深亚微米、甚至90和65纳米特征线宽集成电路工艺的规模性生产方式；12英寸、甚至14和16英寸晶片几乎全部采用SMIF(标准机械接口)、FOUP(前开口通用吊舱)组成的RGV(地上轨道车)或AGV(自动轨道车)晶片传送周转系统；前一道工序结束后，为下一道工序做准备，用现有技术装置整理好适应下一道工序的缺口方位的老路绝对行不通了。相反，必须在前一道工序结束时，就已经根据下一道工序的需要自动将缺口或边方位整理就绪。

另外，在现有技术中，还尚未发现同时进行缺口或边定位的报道。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种晶片自动定位装置，解决了集成电路制造的整个过程中，按照工艺要求，在工序衔接点，自动把晶片的定位缺口或边规整好，避免用专用装置人工操作完成此项工作，导致生产效率降低，增加污染机会、打碎晶片、增加成本等问题。

本实用新型的技术方案如下：

晶片自动定位控制装置(定位指缺口或定位边定位)，包括：由晶片、承片台、伺服电机、编码器构成的主轴旋转单元，伺服电机驱动器、晶片位置检测器、误差形成器；其中主轴旋转单元中承片台的上表面有数个环形槽，安装在伺服电机轴的上端，承片台中心孔与伺服电机的中空轴相通，伺服电机的下端是与伺服电机驱动器电连接的编码器；伺服电机轴的下端口与真空系统相连，晶片吸附于承片台上；晶片位置检测器安装在旋转晶片的边沿；晶片在伺服电机驱动下旋转，当缺口或边通过晶片位置检测器时，发出位置检测到信号，晶片位置检测器输出的晶片位置检测电信号作为误差形成器的一个输入信号，位置给定信号(指：定位缺口或边的停止信号)为误差形成器的另一个输入信号，误差形成器将两信号结果进行比较，所形成的位置误差值送至伺服电机驱动器；为消除该位置误差，伺服电机带动晶片转动，同时编码器产生的作为测量系统基准的脉冲信号及伺服电机旋转角位移量反馈到误差形成器及晶片位置检测器，只要误差形成器的值不为零，伺服电机就必须转动，当位置误差为零时，定位边或定位缺口到达设定位置，伺服电机停止转动；

其中所述伺服电机垂直安装；电机转子轴中心线穿过承片台和晶片的圆心；所述编码器采用增量型脉冲编码器；所述伺服电机为转子轴中心有一个Φ2～3mm的通孔伺服电机；所述晶片位置检测器采用光电传感器，或接近式传感器。

本实用新型的有益效果如下：

(1)兼容性好。本实用新型可适应不同尺寸的晶片，即可找定位边，又能找定位缺口。

(2)操作简单。本实用新型可按照要求自动确定晶片的定位缺口或边的位置，然后再用机槭手送入片盒内去，不需要将晶片转入塑料片盒内，整理好后，再用倒片机(英文为：Wafer Transfer System)转移到石英舟或其它装载晶片的器具中去。

(3)晶片对齐次数减少。本实用新型大大减少了颗粒、化学物质和有害离子对晶片污染的机会。

(4)本实用新型减少了打碎晶片造成重大经济损失的隐患，节约了成本。

(5)采用本实用新型，在前一道工序结束时，就已经根据下一道工序的需要自动将缺口或边方位整理就绪，提高了生产效率。

附图说明

图1(a)为晶片标识定位边示意图(p型(111))。

图1(b)为晶片标识定位边示意图(p型(100))。

图1(c)为晶片标识定位边示意图(n型(111))。

图1(d)为晶片标识定位边示意图(n型(100))。

图2为现有技术中晶片定位缺口和激光刻印图。

图3(a)为现有手动机械装置找寻定位边的机械原理图(主视图)。

图3(b)为图3(a)中楔形斜面长条板结构示意图。

图4为本实用新型组成框图。

图5为本实用新型规整过程框图。

图6为本实用新型控制原理框图。

图7为本实用新型一个实施例给定、检测、控制曲线图。

图8为本实用新型位于承片台上的晶片及伺服电机的机械结构图。

图9为本实用新型位于承片台上晶片定位位置检测示意图。

图10为本实用新型晶片定位检测器、编码器中产生A路信号和Z路信号传感器位置关系示意图；

其标号说明如下：

标号11为编码器A路信号(即伺服电机旋转角位移量)传感器所在位置；标号12为编码器Z路信号(即测量基准信号)传感器所在位置；

标号13为编码器转子Z路信号档光齿(仅一个)；标号14为编码器档光盘；标号15为晶片；

标号16为晶片缺口；标号17为旋转方向；标号18为缺口检测传感器安装位置；标号19为编码器A路信号档光齿(共P个)；标号S1、S2、S3、S4分别为四个典型的指定缺口或边停止位置；

图11为本实用新型误差形成器自动控制原理图。

图12为本实用新型运行程序流程图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本实用新型晶片自动定位装置的结构及工作过程详述如下：

本实用新型各组成部分如图4所示。包括由承片台(chuck)、伺服电机(中空轴)、编码器(采用增量型脉冲编码器)组成的主轴旋转单元、伺服电机驱动器、晶片位置检测器和误差形成器；伺服电机垂直安装，转子轴中心线穿过承片台和晶片的圆心；承片台安装在伺服电机轴上，端面有多个环形槽，中心孔与伺服电机的中空轴相通，下端口接入抽真空系统，把晶片吸牢；在伺服电机的驱动下使晶片在水平面内旋转；伺服电机的下端是与伺服电机驱动器相连的编码器。晶片位置检测器输出的晶片位置检测电信号作为误差形成器的一个输入信号，位置给定信号为误差形成器的另一个输入信号，误差形成器输出端的位置误差值送至伺服电机驱动器；同时编码器产生的作为测量系统基准的脉冲信号及伺服电机旋转角位移量反馈到误差形成器及晶片位置检测器。

晶片位置检测器(可采用透射式或反射式光电传感器，或接近开关)安装在旋转晶片的边沿(本实施采用透射式光电传感器，参见图8，位于晶片边缘上方的是发射部分，位于下方的是接收部分；晶片的定位边或缺口的初始位置是随机的，即不固定；其停止位置是可以指定的，参见图9)，当晶片旋转，定位边或定位缺口通过检测区域(即检测元件安装区域)时，遮挡或反射传感器的光路发出电信号，测得缺口或边的当前位置数据(即：以测量系统基准信号为起始信号，对伺服电机位移脉冲计数，在检测到晶片定位缺口或边时确定当前位置值)，经处理后送入误差形成器，与指定位置数据相比较形成误差值(指定位置举例，请见表1)；根据此值运行程序向伺服电机驱动器发出转动命令，(本实施采用伺服电机配套驱动器)使晶片旋转，编码器产生测量系统基准的脉冲信号及伺服电机旋转角位移量反馈到误差形成器，当误差消除后，即误差为零时，伺服电机停止转动，晶片上定位边或缺口落在指定的位置上，机械手把它原封不动的送入片盒内去；只要指定位置不变，照此处理的每一个晶片的定位边或定位槽位置，都必定在同一位置；全部规整过程流程见图5；其中提的及涂胶、显影或擦片工艺结束后，电机停止转动(即旋转停车步骤结束后)的情况下，应待晶片连同伺服电机升到高位时再重新转动，以检测缺口或边的当前位置；若存在位置偏差时，应先消除偏差，然后停转，释放真空，机械手把晶片取走。

注解：误差形成器为自动控制原理术语(参见图11)，即：给定值与反馈值作差，输出量(误差值)为给定量-反馈量＝误差。本实施例中误差形成器采用可编程控制器(PLC)(其中存有运行程序，内设当前位置存储单元、误差存储单元)。

晶片自动定位控制工作步骤如下(参见图10和11)：

晶片吸附在承片台上，其定位缺口或边的位置是随机不定的，即每一晶片和另一晶片不同；

晶片吸附后，与承片台成为一个整体，无相对运动，即定位缺口或边与编码器转子的位置也就固定了；

本实用新型规定晶片的旋转方向(也就是编码器转子转动方向)始终不变，如俯视为顺时针或反时针均可；

在本实用新型装置中，编码器输出有两路脉冲信号，一是A路脉冲信号，即伺服电机每旋转一周，发出P个脉冲，它的每一个脉冲代表着电机转过了360°/P的角度；换句话说，是电机旋转角位移的代表量；二是Z路脉冲信号，即伺服电机每旋转一周，只发出一个脉冲，它是本测量系统的基准，给定位缺口或边当前位置计数单元清零；

A、Z两路信号来自安装在伺服电机定子上的传感器，A和Z信号档光齿在编码器转子档光盘上的位置，在伺服电机出厂前已经确定，而且均无任何限制和特殊要求，都不会影响定位精度；晶片位置检测器的安装位置，往往受到设备结构等其他条件的限制，但是，它的安装位置也与检测精度无关；

定位缺口或边的指定位置的零点可任意指定；但是，为了方便，往往定为图10中的S3点；即片盒平放在工艺设备片盒站时，它的前出/入口中央为零点；

到达指定位置A路脉冲数的推算公式如下：

D＝α/(360/P)

其中：D-晶片到达指定位置的A路信号脉冲个数；

α-指定位置(缺口或边位置)的角度(以零点为起点，顺时针计算)

P-伺服电机转一周编码器发出的脉冲个数；

计算举例：设P＝2000，α＝90°，D＝500；(对应图10中的S2的位置)

晶片自动定位控制执行过程(整个执行步骤如图12的运行程序所示)

1)首先指定晶片缺口或边停止位置，输入给误差形成器，由它自动完成A路信号脉冲数的换算，送入内置的当前位置存储单元；

2)晶片放在承片台上，真空吸附牢固；

3)启动伺服电机旋转，由编码器的Z路信号对缺口或边的当前位置存储单元清零后，开始对A路脉冲信号进行加法计数；当晶片位置检测器中的位置检测传感器检测到缺口或边时，停止计数；

4)误差形成器完成位置指定脉冲数与缺口或边当前位置脉冲数相减运算，形成位置误差值，并将此误差值送入误差存储单元；同时误差存储单元开始对A路脉冲信号进行减法计数；

5)伺服电机继续旋转，编码器的A路脉冲信号使位置误差为零时，停止转动，定位缺口或边停在指定位置；

6)吸附释放，机械手取走晶片，放入片盒内；

7)下一个晶片又放到承片台上，无论缺口或边在什么位置，只要指定位置不变，通过本实用新型的上述工作过程，晶片上的缺口或边一定会停止在与上一片相同的位置。

8)如果25个晶片均在同一指定位置下，逐一经本自动定位系统整合后放入同一个片盒内，那么，这25个晶片的缺口或边均在相同的指定位置，无一例外。

定位误差分析

本系统的分辨率为Δ＝360/P；其中：P为伺机服电机的每转一周编码器发出的脉冲个数，单位：度(角度的度)；

本实用新型晶片的自动定位控制精度由编码器的分辨率和误差形成器中的±1误差共同决定综合误差。其中±1误差最大可能有4个，即指定位置1个，检测缺口或边当前位置会产生1个；而指定位置与当前位置的减法运算，有可能消除±1误差，也有可能加倍±1误差，综合误差自然不是这四个误差算数和；但是，按照最坏的情况确定其综合定位误差，其计算公式如下：

δ＝4(±1误差)Δ

其中：δ—本实用新型综合误差(来自误差形成器)，单位：度；

      Δ-分辨率，单位：度

或者：δ＝4×360/P＝1440/P(度)

如上例中若P＝2000，那么，δ＝0.720度；

此误差足可以满足工艺设备预对准的要求。

表1  晶片缺口或边典型位置代表标识

表中：Sender  代表缺口或边零乱的晶片存放片盒；

      Spin    代表主轴旋转单元(即本实用新型自动定位系统)；

      Rec.    代表接收整理好定位边或定位缺口晶片的片盒。

本实用新型控制原理如下：

控制原理框图如图6所示，本实用新型的控制系统是一个典型的全闭环控制系统，故它的所有推导得出的结果都是以经典的控制理论为基础的，令人信服。

正如图7所示，可用以位置角度为横轴，脉冲数为纵轴的直角坐标曲线表示增量式编码器产生的脉冲数量与缺口或边位置角度的关系。显然，不管每转发出的脉冲个数是多少，凡是经过360°，记数脉冲总要回零；只要晶片定位边或定位缺口检测器(传感器)安装位置一旦确定，从记数起点到搜索到定位缺口或边的记录脉冲个数就跟着被确定，即定位缺口或边所在角度坐标轴上的位置就固定下来了；指定定位缺口或边的停靠位置一经确定，那么位置误差就是定值；伺服电机驱动器根据该误差值使伺服电机转动，直至把该误差消除到零才停止，最终将晶片的定位缺口或边停在指定位置。

在以旋转方式单片处理晶片的设备中(如旋转涂胶、显影、湿法清洗、湿法刻蚀等)，应用本实用新型最为简捷，因为本实用新型设计了一个由真空吸盘固定晶片、被带有脉冲编码器的伺服电机驱动的主轴旋转单元(指由晶片、承片台、伺服电机、编码器组成的部分)；在所在工位完成其工艺后，便可开始执行规整定位缺口或边的功能了。首先启动主轴电机旋转，在此期间，利用光-电或电磁感应传感器，采用非接触式搜索定位缺口或边信号，判断出它当前所在位置；根据要求缺口或边停靠的位置，计算两位置的误差，使电机继续转动，消除该误差后停止转动，再由机械手把该晶片按要求的方位送入片盒；每一晶片均照此处理，那么，当晶片放满整盒时，所有晶片的缺口或边位置均在同一方位，即刻送入下一工艺设备进行相应工序。

本实用新型把规整定位缺口或边的功能融合到完成IC制造某道工序的设备中去，即某工序结束时，按照完成下一道工序设备的需要，提前将缺口或边规整好，送给下一道工序设备使用，省去专门规整定位缺口或边工序。换句话说，是把本实用新型作为完成工艺设备的一项附加功能，并且赋予它可选性；就是说，和本道工艺设备相连接的下一步工艺设备要求必须把所有晶片的定位缺口或边规整到某个一致的位置时，就在前一道工艺设备上添加上此功能，否则去掉。

从严格意义上讲，本实用新型的定位精度对于定位边和缺口来说是有差异的。同一个检测系统，定位缺口的精度要比定位边的精度高一些；同一个检测系统，对于同样种类的晶片标识，晶片尺寸不同，获得的定位精度也不同；就定位边标识而言，晶片的直径越小，测试精度越高；就定位缺口而言，差异则不大；相应的测试数据可证实这一结论。

值得说明的是，采用本实用新型在没有以旋转方式作为完成加工手段的设备中，也可以很方便的加入此功能，那就要增设一个承载晶片旋转的平台，专门执行这一工序；另外还可以在传片机械手上增加一个使晶片自转的轴，在完成本设备的工序后，在机械手把晶片送入片盒的过程中完成此功能。

在需要喷洒各种化学药品的处理单元中，为检测定位缺口或边信号方便，本实用新型可选用接近式传感器；在没有或不需要喷洒化学品的工艺单元中，可采用光-电传感器作为定位缺口或边位置的检测元件。

Claims (6)

1.一种晶片自动定位控制装置，其特征在于包括：由晶片、承片台、伺服电机、编码器构成的主轴旋转单元，伺服电机驱动器、晶片位置检测器、误差形成器；其中主轴旋转单元中承片台安装在伺服电机轴的上端，承片台中心孔与伺服电机的中空轴相通，伺服电机的下端是与伺服电机驱动器电连接的编码器；伺服电机轴的下端口与真空系统相连，晶片吸附于承片台上；晶片位置检测器安装在旋转晶片的边沿；晶片位置检测器输出的晶片位置检测电信号作为误差形成器的一个输入信号，位置给定信号为误差形成器的另一个输入信号，误差形成器输出端的位置误差值接至伺服电机驱动器；编码器产生的作为测量系统基准的脉冲信号及伺服电机旋转角位移量反馈到误差形成器及晶片位置检测器。

2.按照权利要求1所述晶片自动定位控制装置，其特征在于：所述伺服电机垂直安装。

3.按照权利要求1所述晶片自动定位控制装置，其特征在于：所述伺服电机为转子轴中心设有Φ2～3mm的通孔伺服电机，其转子轴中心线穿过承片台和晶片的圆心。

4.按照权利要求1所述晶片自动定位控制装置，其特征在于：所述编码器采用增量型脉冲编码器。

5.按照权利要求1所述晶片自动定位控制装置，其特征在于：所述承片台的上表面有数个环形槽。

6.按照权利要求1所述晶片自动定位控制装置，其特征在于：所述晶片位置检测器采用光电传感器，或接近式传感器。

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