DE3855389T2

DE3855389T2 - System und Verfahren zur Ermittlung des Zentrums eines integrierten Schaltungsplättchens

Info

Publication number: DE3855389T2
Application number: DE3855389T
Authority: DE
Inventors: David Cheng; Wesley W Zhang
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1987-04-20
Filing date: 1988-04-18
Publication date: 1997-01-02
Anticipated expiration: 2008-04-19
Also published as: EP0288233B1; EP0288233A2; JPS6448443A; JPH0727953B2; US4819167A; EP0288233A3; DE3855389D1; ATE140103T1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zum genauen Bestimmen der Position eines sich bewegenden Halbleiterwafers, der auf einer beweglichen Halterung gehalten wird, als einer Hilfe zum genauen Verbringen dieses Gegenstands und insbesondere auf Vorrichtungen und Verfahren zum genauen Bestimmen der Position eines sich bewegenden Wafers mit integrierten Schaltkreisen auf einem Roboterarm bezüglich einem Speicherlift.
In der JP-A-61 87352 ist eine Vorrichtung zum Ausrichten kreisförmiger Wafer beschrieben, die eine Abflachung des äußeren Umfangs aufweisen. Die Vorrichtung weist ein Band auf, auf dem Wafer getragen werden und das mittels eines Stoppers in einer auf einem kreisförmigen Tisch konzentrischen Position angehalten wird. Der Tisch wird durch einen Zylinder auf das Niveau des Bands angehoben, wo er dann unter den Wafer greift und durch die Rotation des Tischs den Wafer in Rotation versetzt. Eine Anzahl in einem Abstand voneinander angebrachter, Licht abgebender Elemente ist über dem Pfad des Wafers angebracht, und eine entsprechende Anzahl Licht empfangender Elemente sind unter dem Pfad des Wafers angebracht. Die Licht empfangenden bzw. abgebenden Elemente sind so angeordnet, daß bei einer Rotation des Wafers in eine vorbestimmte Position die Lichtstrahlen zwischen den entsprechenden abgebenden und empfangenden Elementen unterbrochen werden, und das resultierende Signal wird zum Bestimmen der Rotation des Wafers verwendet.
Fig. 1 und 2 stellen ein Vielfachkammer-Waferherstellungssystem 10 dar, das im einzelnen in der detaillierten Beschreibung ausgeführt ist. Bei dem System 10 werden Wafer 15 auf einer Klinge 31 eines Roboters 30 zwischen einem externen Kassettenlift 18 und einem inneren Ladungsschleusenlift 19, zwischen dem internen Lift 19 und einer oder mehreren (vorzugsweise einer großen Anzahl) Prozeßkammern 12 und zwischen den Kammern transportiert. Dieses System ist kompakt und stellt präzise Toleranzanforderungen, zum Beispiel zum Laden der internen Schleusen-Speicherkassette 19 vom externen Lift 18. Aufgrund der en gen Toleranzen und der daraus resultierenden Notwendigkeit zum genauen Einbringen jedes Wafers 15 in die innere Schleusen-Speicherkassette 19 muß die Position des jeweiligen Wafers bezüglich der Roboterkl inge 31 genau bestimmt werden, nachdem der Wafer vom externen Kassettenlift 18 abgeladen wurde. Diese Bestimmung wird durch die Bewegung des Wafers 15 kompliziert und insbesondere dadurch, daß ein Bestimmen der Position des Wafers ohne ein Unterbrechen der Bewegung des Roboters und des Wafers beim Betrieb vorgezogen wird.
Die vorliegende Erfindung profitiert sogar von der Bewegung des Wafers beim Beschaffen der notwendigen Positionsinformation und liefert so die notwendige sehr präzise Positionsinformation, ohne daß dabei die Bewegung des Roboters unterbrochen wird.
Erfindungsgemäße Vorrichtungen und Verfahren sind in den Ansprüchen 1 bis 5 definiert.
Bei der hier bevorzugten Ausfi;hrungsform ist der Gegenstand ein im wesentlichen runder Halbleiterwafer, die Positionsbestimmungseinrichtung ist ein zum Berechnen der Mitte des Wafers geeigneter Prozessor oder Computer, und die Sensoranordnung weist drei Sensoren auf.
Außerdem kann die Halteeinrichtung einen Roboterträgerarm für den Wafer und einen doppelten Vierarm-Lenkermechanismus aufweisen, die wirksam mit dem Roboterträgerarm verbunden sind und diesen tragen. Und die steuerbare Bewegungseinrichtung kann eine mit einem ausgewählten Antriebsarm des Vierarm-Lenkermechanismus zum Hin- Und Herdrehen des Antriebsarms und zum Aus- und Einfahren des Roboter-Halterungsarms entlang des Bewegungspfads verbundene drehbare Welle aufweisen.
Vorzugsweise umfaßt der Schritt des Berechnens des Mittelpunkts des Wafers folgende Schritte: erstens, Bestimmen des Mittelpunkts des Wafers entlang einer allgemein parallel zum Bewegungspfad verlaufenden Koordinatenachse und zweitens, Verwenden der ersten Mittelkoordinate zum Bestimmen des Mittelpunkts des Wafers entlang einer zweiten Koordinatenachse.
Die obigen und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 und 2 eine Draufsicht bzw. einen waagrechten Schnitt durch ein Verarbeitungssystem für integrierte Schaltungen, in das das vorliegende Wafer-Mittelpunktfindersystem einbezogen ist,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der optischen Wafererfassung, der Wafer- Mittelpunktsbestimmung, und des Motorsteuerungssystems,
Fig. 4 eine schematische Darstellung der sieben Koordinatenpositionen, die zum Bestimmen der Position des Wafers bezüglich einer ausgewählten Position des Wafers, wie zum Beispiel eines Speicherlifts, verwendet wird, die sieben Auslöserpunkte auf der Roboterklinge und dem Wafer und ihre entsprechenden Positionen entlang der Achse der Klinge und des Waferbewegung,
Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung, ähnlich einer Draufsicht, bei der das bei der Mittelpunktermittlungsberechnung verwendete Koordinatensystem und das Verhältnis des Koordinatensystems zur Roboterklinge, dem Wafer und dem Sensorfeld gezeigt sind, Fig. 6 eine Darstellung des Verhältnisses der sieben Auslösepunkte zur Sensoranordnung und dem Koordinatensystem,
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Wafers mit einer hinteren Kantenabflachung, die auf den mittleren Sensor trifft,
Fig. 8, 9 und 10 schematische Darstellungen der zum Bestimmen des Wafermittelpunkts verwendeten geometrischen Verhältnisse, wenn eine Waferabflachung auf den linken, den rechten bzw. den mittleren Sensor trifft,
Fig. 11 eine schematische Darstellung eines zum Anwenden der Annäherung durch die Methode der kleinsten Quadrate verwendeten geometrischen Verhältnisses,
Fig. 12 das nichtorthogonale Koordinatensystem, das zutrifft, wenn sich der Roboterarm in einem Winkel e zur Achse des Sensors bewegt, und
Fig. 13 und 14 die Koordinatenachsenrotation bzw. die resultierende Koordinatendefinition der Auslösepunkte.

1. Überblick über das Waferhandhabungs- und Verarbeitungssystem

Fig. 1 und 2 sind eine Draufsicht bzw. ein senkrechter Schnitt eines Verarbeitungssystems 10 für integrierte Schaltungen des Typs, für den das erfindungsgemäße Wafer-Mittelpunktbestimmungssystem gedacht ist. Das Viefachkammerverarbeitungssystem 10 ist im Detail in der EP-A-0272141 beschrieben.
In Fig. 1 und 2 ist als Illustration dargestellt, daß das Vielfachkammersystem 10 eine abgeschlossene, im wesentlichen polygonal geformte Vakuumschleusenkammer 11 aufweist, an die die vier abgeteilten, für einzelne Wafer gedachten Vakuumverarbeitungskammern 12 an den entsprechenden Schleusenkammerwänden 13 zum Verarbeiten der Wafer 15 angrenzen, die anfänglich in üblichen Plastikkassetten 16 und 17 enthalten sind. Diese Kassetten sind auf dem externen Kassettenlift 18 angeordnet, der an die fünfte, die vordere, Kammerwand 14 anliegend angeordnet ist.
Wie durch Pfeile 20 (Fig. 1) und 21 (Fig. 2) angezeigt, ist der externe Kassettenlift 18 waagrecht und senkrecht ausfahrbar. Der interne Speicherlift 19 ist entlang des Pfads 23 senkrecht indexierbar. Es können zum Beispiel computergesteuerte schrittmotorgetriebene Antriebsspindelsysteme zum Positionieren der Lifts zum Laden unverarbeiteter Wafer in den Speicherlift 19 in der Schleusenkammer 11 und zum Zurückverbringen verarbeiteter Wafer, zum Entleeren des internen Lifts 19 in die Kammern 12 und zum Zurückverbringen von Wafern zum internen Lift verwendet werden. Fig. 2 stellt als Beispiel indexierende senkrechte Bewegungsantriebssysteme dar: einen durch den Schrittmotor 26 angetriebenen Spindelantrieb 27 zum reziproken Indexieren des externen Lifts 17 und einen durch den Schrittmotor 28 angetriebenen Spindelantrieb 29 zum reziproken Indexieren des internen Speicherlifts 19. Die Motoren werden vorzugsweise durch einen Mikrocomputer 25, wie zum Beispiel einen IBM-PC gesteuert.
Der Roboter 30 wird zum Verbringen von Wafern zwischen dem unter atmosphärischem Druck stehenden externen Lift 18 und dem internen Speicherlift 19, als auch zwischen dem internen Lift 19 und den Verarbeitungskammern 12 verwendet. Der Roboter 30 weist eine Wafertransportklinge 31 auf, die zur linearen Hin- und Herbewegung, die durch einen Pfeil 32 (R-Bewegung) angezeigt ist, und zur Hin- und Herdrehung, die durch einen Pfeil 33 (0-Bewegung) angezeigt ist, geeignet ist, siehe Fig. 1.
Insbesondere weist der Roboter 30 einen Vierarm-Lenkermechanismus 34 auf, der auf dem Ende der Klinge 31 an den Lenkerenden 36 und 37 sitzt. Die entgegengesetzten Lenkerenden 39 und 41 des Mechanismus 34 sind an der Platform 38 befestigt. Ein konzentrischer Wellen-Antriebsmechanismus bewirkt eine R- und eine θ-Bewegung. Das heißt, der Antriebsenker 42 des doppelten Vierarm- Lenkermechanismus 34 ist an seinem Ende 41 mit einer drehbaren Antriebswelle 43 (Fig. 2) verbunden, deren Rotation dazu führt, daß der Vierarm-Lenkermechanismus 34 die Klinge 31 entlang des R-Pfads 32 aus- und einfährt. Eine zweite konzentrische drehbare Welle 44 ist auf der Platform 38 angebracht und dreht diese und versetzt so die Klinge 31 entlang des Pfads 33 in eine Hin- und Her-θ- Bewegung. Ein vom Computer 25 gesteuertes und vom Motor 51 getriebenes Kabel- und Trommelantriebssystem 52 dreht die θ-Welle 44, während der vom Motor 53 angetriebene Kabel- und Trommelantrieb 54 die R-Welle 43 dreht. Es ist also offensichtlich, daß bestimmte Kombinationen von R- und θ-Bewegung ein Ausfahren der Klinge 31 in die Kassette 18 zum dortigen Auf und Abladen von Wafern, ein Ausfahren der Klinge in den internen Kassettenlift 19 zum dortigen Ab- und Aufladen von Wafern und ein schwenkbares Ausrichten bei und ein Ausfahren der Klinge in eine ausgewählte Kammer oder ausgewählte Kammern 12 zum Auf- und Abladen von Wafern an den einzelnen in Phantomdarstelung dargestellten waagrechten Waferhaltepositionen in den jeweiligen Kammern ermöglichen.
Nachdem die Wafer 15 vom externen Lift 18 auf den internen Speicherlift 19 geladen wurden, wird das Schleusenkammerschlitzventil 46 über dem Eingangsschlitz 47 geschlossen und die Wafer 15-15 können in den Kammern ohne ein Unterbrechen des Vakuums in einzelnen oder mehrfachen Schritten bearbeitet werden. Als Alternative können zusätzliche Wafer in den Lift 19 geladen werden, während andere in den Kammern 12 bearbeitet werden, und die Schleusenkammer kann zum Ent- und Beladen der Kammern 12 wieder evakuiert werden.
Ein Schlitzventil 46 ist schwenkbar an jedem der Schlitze 47 angebracht, wie durch den Pfeil 50 in Fig. 2 angezeigt, damit der entsprechende Schlitz zum Vakuumisolieren der entsprechenden Kammer(n) geschlossen und zum Wafertransport geöffnet werden kann. Bei einer derzeit bevorzugten Ausführungsform werden die Schi itzventile durch ein (pneumatisches) luftzylinderbetriebenes Nokkensystem unter Steuerung des Computers 25 geöffnet und geschlossen.

2. Grundlegende Anforderungen zur Präzisions-Waferhandhabung

Wie oben beschrieben und weiter mit Bezug auf Fig. 1 und 2 hat das vielfältige und kompakte System 10 sehr präzise Waferhandhabungs- und -positionierungsanforderungen. Das Ende der Roboter-Transportklinge 31 hat Saugöffnungen 48-48 (Fig. 1) die ein Verwenden der Klinge als Saugaufnehmer zum Entladen der Wafer 15 aus der Kassette 18 in den internen Speicher ift und umgekehrt ermöglichen. Vorzugsweise hält eine Tasche 49 in der Klinge 31 die Wafer 15 während des Transports zwischen dem internen Lift 19 und den Kammern 12 und zwischen den Kammern. Jedoch sind die einzelnen Wafer 15-15 in den entsprechenden Kassetten 16 und 17 nicht genau gleich positioniert, und sie sind auch auf der Klinge 31 nicht genau gleich positioniert. Nachdem also der Wafer 15 aus einer Kassette 16 oder 17 ausgeladen wurde, muß die präzise Position des Wafers 15 auf der Klinge 31 dem Steuercomputer 25 geliefert werden. Nur wenn das vorausgesetzt wird, kann der Computer 25 sich auf die verschiedenen Positionen eines jeden Wafers 15 einstellen und den Wafer präzise in einer Position im Speichenift 19 abladen.

3. Optisches Wafererfassungsystem

Das Folgende bezieht sich auf Fig. 1 und 2 und insbesondere auf Fig. 3. Das optische Wafererfassungssystem 60 liefert Waferpositionsdaten (die Mittelpunktskoordinate des Wafers), die es dem Roboter 30 ermöglichen, den Wafer 15 in der internen Speicherkassette 19 präzise zu positionieren. Dieses System 60 weist drei optische Sensoren 61-63 auf, die unter dem vorderen Schleuseneingangsschlitz 47 entlang einer Linie senkrecht zum Pfad 32 der Roboterklinge 31 angeordnet sind, und drei optische Emitter 64-66, die über dem vorderen Eingangsschlitz 47 in Ausrichtung mit den entsprechenden Sensoren so angeordnet sind, daß die Sensoren in den von den entsprechenden Emittern abgegebenen Lichtstrahlen 67-69 liegen. Typischerweise besteht jedes optische Paar aus einem herkömmlichen Infrarotemitter und einem Infrarotsensor.
In Fig. 3 wird das von den Sensoren 61-63 kommende Ausgangssignal durch beigeordnete Analog-Digital-Wandler 71-73 in digitale 0/1-Signale umgewandelt. Diese Signale werden als Eingangssignal an den Systemcomputer 25 weitergeleitet, der sie verwendet, um die Mittelpunktskoordinate des Wafers 15 bei dessen Eintritt in die Schleusenkammer 11 zu berechnen und um den Betrieb der R- und θ-Antriebsmotoren sowie der anderen Antriebsmotoren über entsprechende herkömmliche Positions-Rückkopplungssensoren usw. zu steuern, wie das zum Bewerkstelligen der erforderlichen präzisen Positionierungsvorgänge des Roboters 30, d.h. das Positionieren des Wafers 15 beim internen Kassettenlift 19 erforderlich und erwünscht ist. Einzelheiten der Erfassungs- und Motorsteuerungsschaltungen sind bekannt und können durch den Durchschnittsfachmann in diesem Gebiet leicht auf ein bestimmtes System zugeschnitten werden. Daher werden solche Einzelheiten hier nicht eingehender behandelt.

4. Definition des Koordinatensystems und der Waferdatenpunkte

Wie in Fig. 5 gezeigt, wird durch die optischen Sensoren und den Roboterpfad 32 in günstiger Weise ein x-y-Koordinatensystem gebildet. Der Ursprung (0,0) des x-y-Koordinatensystems ist durch die Position des Mittelsensors 62 definiert. Die x-Achse ist der Pfad des Roboterarms bzw. der Roboterklinge 31; die y- Achse ist die Mittellinie der drei Sensoren. Wegen der nichtlinearen Verhältnisses zwischen den Motorschritten und der Klingenposition wird vorzugsweise eine Suchtabelle im Compterspeicher bereitgestellt, durch die die auf den jeweiligen Schritt bezogene x-Koordinate geliefert wird.
In Fig. 4, 5 und 6 werden sieben Koordinatenpunkte zur Wafermittelpunkt- Koordinatenberechnung verwendet: eine Roboterklingenreferenzposition und sechs Waferpositionen. Diese sieben Positionen werden definiert, indem die Klinge 31 aus dem externen Lift 18 prallel zur x-Achse herausgezogen wird, wodurch die Klinge 31 und der Wafer 15 durch die Lichtstrahlen 67-69 bewegt werden und nacheinander die Sensoren 61-63 blockieren und wieder freigeben. Diese sieben Koordinatenpositionen sind in Fig. 4 und 6 willkürlich x&sub1; bis x&sub7; benannt.
In Fig. 3-6 wird die erste Koordinate, x&sub1;, durch die vordere Kante des Waferklingenschlitzes 74 (Fig. 5) bestimmt. Das heißt, der Sensor 62 wird freigegeben und das resultierende "1"-Signal wird zum Computer 25 geleitet, während die vordere Kante des Schlitzes 74 durch die Sensorposition hindurchgeht. Wenn die Klinge weiter entlang der x-Achse zur Schleusenkammer 11 und in diese hinein bewegt wird, werden die Sensoren 62, 61 und 63 nacheinander durch die vordere Kante des sich bewegenden Wafers 31 blockiert, wodurch das entsprechende Eingangssignal an den Computer 25 von "0" in "1 " geändert wird, wodurch die entsprechende Ausfahrposition des Motors zum Speichern im Computerspeicher als entsprechende Positionen x&sub2;, x&sub3; und x&sub4; erzeugt wird. Wenn umgekehrt der Wafer 15 sein Durchqueren der Sensorpositionen durchführt, werden die Sensoren 61, 62 und 63 nacheinander freigegeben, und die Ausfahrposition des Motors, die dem resultierenden Wechsel des Eingangssignals von "1" nach "0" entspricht, wird im Computerspeicher als Positionen x&sub5;, x&sub6; bzw. x&sub7; gespeichert.
Natürlich muß die Abfolge nicht genau die angegebene sein. So kann zum Beispiel x&sub4; entlang der x-Richtung näher bei x&sub1; sein als x&sub3; (zum Beispiel, weil eine Waferabflachung bei x&sub3; liegt, oder einfach aufgrund von Veränderungen der Position des Wafers auf der Klinge 31), was dazu führt, daß x&sub4; vor x&sub3; erfaßt wird. So kann auch x&sub7; näher bei x&sub1; liegen als x&sub3; (wieder wegen der Ausrichtung des Wafers oder weil eine Waferabflachung auf die Position x&sub7; trifft und diese bestimmt).
Die Positionen x&sub1; - x&sub7;, die durch entsprechende Schrittmotorschritte dargestellt sind, werden durch den Computer 25 von Motorausfahrschritten in x- Koordianten umgewandelt.
Nach den zuerst durchgeführten Schritten zum Bestimmen der Motorausfahrpositionen x&sub1; bis x&sub7; und dem Umwandeln der Position in x-Koordinaten werden die sechs Wafer-x-Koordinaten x&sub2; - x&sub7; in den unten beschriebenen Algorithmen zum Bestimmen der Mittelpunktskoordinate des Wafers und zum Überprüfen der Ergebnisse verwendet. Die der Roboterarmklinge entsprechende x&sub1;-Koordinate wird zum Setzen des Ursprungs des Koordinatensystems (Schnitt der x- mit der y- Achse) verwendet.
Natürlich wird die Entfernung zwischen den Sensoren so gewählt, daß es unter normalen Umständen nicht möglich ist, daß eine Waferabflachung zwei Sensoren auslöst. Wenn also die Größe der im System 10 verarbeiteten Wafer verändert wird, kann es notwendig sein, die Sensoren weiter auseinander zu positionieren, wodurch einem größeren Wafer Rechnung getragen wird, ohne daß eine Abflachung zwei Sensoren auslöst. Wenn dagegen die Wafergröße verringert wird, kann es notwendig sein, die Sensoren näher zueinander zu positionieren, so daß alle Sensoren durch den kleineren Wafer aktiviert werden.

5. Bestimmung des Wafermittelpunkts unter Verwendung sich bewegender Kingenkoordinaten

Die folgende Erörterung über die Berechnung der Mittelpunktposition des Wafers 15 auf der Klinge 31 beschreibt die derzeit bevorzugten Möglichkeiten und gegebenenfalls Alternativen dazu. Die wichtigsten, sich jedoch widersprechenden Anforderungen sind dabei die Einfachheit der Berechnung und die Genauigkeit. Die x-Koordinate (xc) des Wafermittelpunkts wird im wesentlichen durch Annäherung bestimmt und wird beim Berechnen der entsprechenden y- Mittelpunktskoordinate (yc) verwendet.

(a) Bestimmung der x-Koordinate

In Fig. 6 können die einzelnen Mittelpunkte M&sub1;, M&sub2; und M&sub3;, die durch die entsprechenden Datenpunktpaare x&sub3; und x&sub6;, x&sub2; und x&sub6; sowie x&sub4; und x&sub7; definiert sind, zum Annähern der x-Koordinate des Mittelpunkts des Wafers 15 verwendet werden. Das heißt, der Mittelpunkt wird durch folgende Ausdrücke angenähert:
M&sub1;=(x&sub3;+x&sub5;)/2 oder (1)
M&sub2;=(x&sub2;+x&sub6;)/2 oder (2)
M&sub3; =(x&sub4;+x&sub7;)/2. (3)
Die Erfahrung lehrt jedoch, daß sich diese einzelnen Mittelpunkte typischerweise durch geringe Werte unterscheiden. Da die x-Mittelpunktkoordinate zum Berechnen der y-Koordinate verwendet wird, sollte die x-Koordinate so genau wie möglich sein, um den Fehler in der berechneten y-Koordinate zu verringern. Vorzugsweise wird dann der Mittelpunkt als Durchschnitt aller drei Mittelpunkte ermittelt:
M1,2,3 = (M&sub1; + M&sub2; + M&sub3;)/3 = (x&sub2;+x&sub3;+x&sub4;+x&sub5;+x&sub6;+x&sub7;)/6. (4)
Wo einer der sechs Datenpunkte x&sub2; - x&sub7; auf eine Abflachung trifft, werden der entsprechende Datenpunkt oder die entsprechenden zwei Datenpunkte nicht bei der x-Mittelpunktkoordinatenberechnung verwendet. Die verbleibenden vier oder fünf Datenpunkte geben jedoch eine ausreichend genaue Annäherung von xc. Zum Beispiel illustriert Fig. 7 die Situation, in der der mittlere Datenpunkt x&sub6; der hinteren Kante auf die Waferabflachtung 76 trifft (von ihr definiert wird). Wenn der Computer nicht entscheiden kann, welcher Datenpunkt von der Abflachtung ausgelöst wird, werden beide ignoriert. So würden in diesem Fall x&sub2; und x&sub6;, die M&sub2; entsprechen, nicht verwendet. Stattdessen werden vier M&sub1; und M&sub3; entsprechende Datenpunkte zur Berechnung der x-Mittelpunktkoordinate verwendet:
M1,3=(M&sub1;+M&sub3;)/2 = (x&sub3;+x&sub4;+x&sub5;+x&sub7;)/4. (5)
Als Alternative wird in Fällen, in denen die beiden Datenpunkte unterscheidbar sind, der "gute" Punkt verwendet. So wird in unserem Beispiel der Datenpunkt der vorderen Kante x&sub2; in der Berechnung mit einbezogen, um eine Ausmittlung über fünf Datenpunkte zu erzielen:
M1,3 = (x&sub2;+x&sub3;+x&sub4;+x&sub5;+x&sub7;)/5 (6)

(b) Bestimmung der y-Mittelpunktkoordinate aus R

Als nächstes ist es wünschenswert, die y-Koordinate des Wafermittelpunkts unter Verwendung einer schnellen aber genauen Berechnungsmethode zu berechnen. Es gibt verschiedene Methoden zum Berechnung von yc, die der doppelten Anforderung von Geschwindigkeit und Genauigkeit genügen.
Eine Möglichkeit ist die Berechnung des Radius R des Wafers 15 und die Verwendung des berechneten R zur Berechnung von yc.
Eine Möglichkeit zum vorläufigen Bestimmen von R ist die einfache Berechnung des Durchschnitts der beiden Auslösepunkte x&sub2; und x&sub6; des Mittelsensors 62:
R = M&sub2; = (x&sub2;+x&sub6;)/2. (7)
Mit Bezug auf Fig. 7 kann die Gleichung (6) verwendet werden, wenn eine Abflachung, wie z.B. die Abflachung 76, auf der linken oder rechten Seite des Wafers 15 liegt, aber nicht, wenn die Waferabflachung auf eine der beiden mittleren Auslösepunkte x&sub2; und x&sub6; trifft. Die Möglichkeit ist sehr einfach und schnell, doch kann es sein, daß sie nicht ausreichend genau bei der Bestimmung von R und daher auch yc ist.
Eine zweite Möglichkeit zum vorläufigen Bestimmen von R ergibt einen theoretisch genaueren Wert von R, bringt jedoch eine etwas komplizierte Berechnung und mehr Computerzeit mit sich. Die größere Kompliziertheit ist jedoch kein besonderer Hinderungsgrund für schnelle Prozessoren und Computer, die heute verfügbar sind. Wegen der höheren Genauigkeit wird diese zweite Möglichkeit bevorzugt. Mit Bezug auf Fig. 8 gründet sich diese alternative Möglichkeit für R auf der geometrischen Konstruktion rechtwinkliger Dreiecke mit einer Hypotenuse der Länge R und Basen, die mit der y-Achse zusammenfallen. Diese Möglichkeit läßt sich anwenden, wenn eine Waferabflachung 76 auf einen der mittleren Auslösepunkte trifft, jedoch nicht, wenn die Abflachung auf einen äußeren Auslösepunkt trifft. Die Anwendung der Satzes des Pythagoras auf die beiden rechtwinkligen Dreiecke von Fig. 8 ergibt:
R²=(yc-y&sub1;)²+(x&sub2;-x&sub5;)²/4 (8)
R²=(yc-y&sub3;)²+(x&sub4;-x&sub7;)²/4. (9)
Die simultane Auflösung der Gleichungen (8) und (9) liefert:
R² =([(y&sub1;-y&sub3;)²+(D&sub1;²+D&sub3;²)/2]-D&sub1;²D&sub3;²/4)/4(y&sub1;-y&sub3;)², (10)
wobei D&sub1; = x&sub2;-x&sub5;
und D&sub3; = x&sub4;-x&sub7;.
Eine Lösung der Gleichung (10) enthält keine Näherung außer einen Trunkierungsfehler am Ende bei der Konvertierung vom Fließkomma in ganze Zahlen, wenn ein fließendes Dezimalkomma verwendet wird.
Die y-Koordinate yc des Wafermittelpunkts erhält man dann, indem man den durch eines der obigen Verfahren - vorzugsweise aus der Gleichung (10) - ermittelten Wert R entweder in Gleichung (8) oder in Gleichung (9) einsetzt.
Als Alternative und mit Bezug auf Fig. 9 und 10 können bei einem Treffen der Waferabflachung auf einen M&sub3; (Fig. 9) entsprechenden rechten Auslösepunkt oder einen der M&sub1; (Fig. 10) entsprechenden linken Auslösepunkte die Gleichungen (7) und (8) zum Berechnen von R verwendet werden.

(c) Direkte Berechnung der y-Mittelpunktkoordinate, yc

Die derzeit bevorzugte Möglichkeit zur Berechnung von yc beruht auch auf den in Fig. 8 bis 10 dargestellten geometrischen Verhältnissen, doch umgeht sie die zwischengeschaltete Berechnung von R durch Lösen der entsprechenden pythagoreischen Gleichungen nach yc. Wieder werden drei Sätze Gleichungen abgeleitet, je nachdem, ob der linke, der mittlere oder der rechte Sensor eine Abflachung erfaßt (wenn keine Abflachung erfaßt wird, kann ein beliebiger dieser Gleichungssätze zum Ermitteln von yc verwendet werden). In jedem Fall werden die beiden Gleichungen simultan für yc gelöst.

(1) Durch mittleren Sensor erfaßte Waferabflachung

Wenn die Waferabflachung durch den mittleren Sensor 62 erfaßt wird, werden die entsprechenden Datenauslösepunkte für diesen Sensor verworfen, und yc wird durch einfaches Subtrahieren der Gleichung (9) von (8) berechnet:

(2) Durch rechten Sensor erfaßte Waferabflachung

Wenn mit Bezug auf Fig. 9 der rechte Sensor 63 durch eine Abflachung ausgelöst wird, werden die beiden Datenpunkte für M&sub3; verworfen und der linke oder der mittlere Datenpunkt, der sich auf M&sub1; bzw. auf M&sub2; bezieht, werden zum Herleiten der folgenden Gleichungen verwendet:
R² = (D&sub1;/2)²+(y&sub1;-yc)² (12)
R² = (D&sub2;/2)²+(yc)² (13)
wobei D&sub1; = x&sub2;-x&sub5;
und D&sub2; = x&sub3;-x&sub6;.
Eine simultane Lösung dieser zwei Gleichungen ergibt:

(3) Durch linken Sensor erfaßte Waferabflachung

Wenn mit Bezug auf Fig. 10 die Waferabflachung durch den linken Sensor 61 erfaßt wird, ergeben die dem mittleren bzw. dem rechten Sensor, M&sub2; und M&sub3;, entsprechenden Datenpunkte die folgenden zwei Gleichungen:
R²=(D&sub3;/2)²+(y&sub3;-yc)² (15)
R² =(D&sub2;/2)²+(yc)². (16)
Eine simultane Lösung dieser zwei Gleichungen ergibt:
Wenn, wie schon erwähnt, keine Abflachung erfaßt wird, kann eine beliebige der drei Möglichkeiten zum direkten Berechnen von yc verwendet werden.
Dieses direkte Verfahren wird bevorzugt, da es die Zwischenberechnung des Radius R ausläßt und daher auch den mit der Berechnung des Radius verbundenen Fehler vermeidet. Außerdem ist die Berechnung kürzer und schneller.

6. Vergleich mit einer Annäherung über die Methode der kleinsten Quadrate

Die Geschwindigkeit und die Genauigkeit der obigen Möglichkeit zum Bestimmen von xc und der folgenden Berechnung von yc direkt von xc wird wahrscheinlich am klarsten durch den Vergleich mit anderen, genauso exakten Möglichkeiten, wie zum Beispiel der Annäherung durch die Methode der kleinsten Quadrate. In Fig. 11 ist der Mittelpunkt des Wafers (xc, yc) Für jeden der sechs erfaßten Punkte oder Positionen x&sub1; (i = 2-7), gibt es eine entsprechende Distanz Di von (xi, yi) zum Mittelpunkt:
Di = [(xi-xc)² +(yi-yc)²]. (18)
Wenn ein perfekter Radius R angenommen wird, ist der Fehler zwischen Di und R:
Ei=Di-R. (19)
Unter Verwendung der Methode der kleinsten Quadrate kann die Gleichung (18) folgendermaßen gelöst werden:
ΣEi²=Σ(Di-R)² (20)
wobei i=2, .... , 7.
Durch Bilden der partiellen Ableitungen nach xc, yc und R und Gleichsetzen dieser Ableitungen mit Null erhält man drei nichtlineare Gleichungen. Da in jeder Gleichung Wurzelausdrücke vorkommen, gibt es keine direkte Möglichkeit für eine Lösung. Zum Lösen der Wurzel kann jedoch numerische Iteration verwendet werden.
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß das oben erörterte bevorzugte Verfahren zum Berechnen von (xc, yc) sehr genaue Lösungen ergibt, was bedeutet, daß nicht die Methode der kleinsten Quadrate oder andere zeitraubende und/oder iterative Techniken verwendet werden müssen.

7. Rotation der Koordinatenachse

Die obigen Berechnungslösungen sind möglich, wenn sich der Roboterarm 31 in einer senkrecht zur die Sensoren verbindenden Linie, d.h. zur y-Achse, bewegt. Wenn sich der Roboterarm 31 nicht senkrecht zur Sensorachse bewegt, sondern in einem Winkel θ, kommt das nichtorthogonale Koordinatensystem von Fig. 12 zur Anwendung. Es gibt zwar eine Anzahl von Arten und Weisen zum Berechnen des Wafermittelpunkts für dieser Situation, doch ist es eine günstige und einfache Möglichkeit anzunehmen, die Koordinatenachsen seien immer noch im rechten Winkel zueinander und beide Achsen seien um θ gedreht, so daß die y- Achse mit der Spur des mittleren Sensors zusammenfällt, wie in Fig. 13 gezeigt.
Nach der Rotation wird die Koordinate eines jeden Punktes verändert. In Fig. 14 ist diese Rotation geringfügig anders als die Standardrotation, bei der die Koordinaten der Punkte im alten Koordinatensystem bekannt sind. Wie hier durch die Bezeichnungen "altes x" und "altes y" angezeigt, ist der bekannte Wert des jeweiligen Punktes nicht die Koordinate dieses Punkts. So beläßt man anfänglich yo = altes y, yn = neues y; und xo = altes x, xn = neues x.
Aus dem Diagramm ergibt sich:
xn = xo +yosinθ (21)
yn =yocosθ, (22)
oder
Wenn θ gleich Null ist&sub3; findet keine Rotation statt.
Da in der Praxis θ sehr klein ist, kann folgendermaßen vereinfacht werden:
In Umkehrung der Berechnung, rechnen wir:
In einer Annäherung in kleien Winkeln:

8. Probendaten und Analyse

Eingangsdaten können verschiedene Formen haben. Wie in Tabelle 1 gezeigt, sind die Daten in den meisten Situationen Eingangssignale an den Computer 25 als sieben Datenpaare. Wie zuvor erörtert, ist das Signal der aktuelle Status des Sensors. Jedes Bit repräsentiert einen Sensor. Wenn das Bit list, wird der entsprechende Sensor vom Wafer blockiert; ansonsten ist er nicht blockiert. Wenn das Bit sich von 0 nach 1 verändert, wird die vordere Kante des Wafers erfaßt. Ein Bit bleibt auf 1, bis es vom Wafer freigegeben wird (das Signal verändert sich von 1 nach 0). Der mittlere Sensor 62 ist am längsten blockiert. In der Tabelle list jede Zahl auf der linken Seite des Signals die Anzahl der Schritte, die sich der Motor beim jeweiligen Auslösestatus des Sensors bewegt hat. Die Zahlen verringern sich, da der Roboter beim Einbringen des Wafers seinen Arm 31 einzieht, so daß der Grad des Ausfahrens tatsächlich verringert wird. Unter den sieben Datenpaaren von Tabelle 1, werden die ersten Daten nicht am Wafer ausgelöst, sondem an der Klinge des Roboterarms. Dieser Punkt ist, wie schon gesagt, der Ursprung unseres Zwei-Koordinatenraum-Koordinatensystems, und die restlichen Daten werden zum Berechnen des Mittelpunkts des Wafers verwendet. Mit den Signalen kann der Computer 25 die vom gleichen Sensor ausgelösten Daten identifizieren. Er nimmt lediglich die Bitspalte unter dem Signal her, wenn das Bit von 0 nach 1 geht und von 1 nach 0, und nimmt die Information auf, die zum Anwenden der Mittelpunktermittlungsalgorithmen notwendig ist.
Sechs oder sieben Einträge sind die häufigste Art des Eingangssignals. Es ist sehr selten, jedoch nicht unmt glich, daß zwei Sensoren von einem Wafer zur gleichen Zeit ausgelöst werden. Tabelle 2 illustriert diesen seltenen Fall. Hier wurden die beiden Seitensensoren gleichzeitig freigegeben jedoch nicht blokkiert). Da dies ein gültiger Eingangsdatensatz ist, verwirft ihn der Computer nicht. Es gibt verschiedene Arten und Weisen, mit diesen Daten umzugehen. Man kann kompl iziertere Algorithmen oder Berechnungsroutinen zum Verarbeiten unterschiedlicher Eingangsdatenlängen aufbauen, oder man kann die Daten an der Eingangsprüfungsstufe so angleichen, daß die Länge nicht wesentlich ist. Der Einfachheit halber wählen wir das zweite Verfahren. Beim Auslösen durch die vordere Kante des Wafers wird zum Beispiel ein symmetrisches Muster erzeugt, und die Daten der beiden gleichzeitig auslösenden Sensoren werden dupliziert. Das ist möglich, da die Signale nicht an der Rechnung beteiligt sind, sie helfen nur beim Identifizieren der Daten. Tabelle 3 ist das Ergebnis dieser Angleichung von Tabelle 2. Die Berechnungsergebnisse sind genauso gut wie bei Tabelle 1.
Tabelle 4 stellt Daten für die Situation dar, in der beide Seiten sowohl an der vorderen als auch an der hinteren Kante gleichzeitig auslösen. Theoretisch ist dies möglich, wenn die Sensoren perfekt ausgerichtet und angeordnet sind. Um damit zurechtzukommen, werden einfach die Daten beim Auslösen der beiden Sensoren dupliziert und ein Signal hinzugefügt. Tabelle 5 ist die resultierende modifizierte Form von Tabelle 4. Ein weiterer Vorteil beim Modifizieren des Eingangssignals an dieser Stelle ist, daß dieser Datensatz genauso wie unmodifizierte Eingangsdaten überprüft werden kann.
Während des Prüfungsvorgangs können die Eingangsdaten Vibrationen aufweisen. Siehe zum Beispiel die Daten von Tabelle 6. Das ist ein mechanisches Problem, das normalerweise nicht vorkommt. Wenn es jedoch auftritt, sollte das Programm das Problem erkennen und so ausgleichen können, daß die korrekten Daten aus den Eingangssignalen herausgefiltert werden können. Dieses Erkennen und der Ausgleich werden folgendermaßen bewerkstelligt: Wenn zwei aufeinanderfolgende Signale sich ein paarmal wiederholen, werden die korrekten Daten herausgeholt, indem die folgenden Daten mit den wiederholten Signalen entfernt werden. Tabelle 7 ist der Fall, bei dem die korrekten Daten von Tabelle 6 herausgeholt wurden. Tabelle 1 Tabelle 2 Tabelle 3 Tabelle 4 Tabelle 5 Tabelle 6 Tabelle 7

9. Wafer mit zwei Abflachungen

Das folgende Verfahren ergibt die Mittelpunktposition eines Wafers, der zwei Abflachungen hat, eine größere und eine kleinere.
1. Die kleinere Abflachung wird ignoriert, und der Mittelpunkt und der Radius werden unter Verwendung aller Punkte auf der Kante außer der größeren Abflachung berechnet.
2. Nach dem Berechnen der Radii und dem Berechnen des Durchschnitts werden die maximale Differenz zwischen dem Durchschnitt und der Distanz von dem jeweiligen Punkt zum Mittelpunkt berechnet. Der Punkt mit der größten Differenz zum Durchschnitt wird auf der kleineren Abflachung lokalisiert. Da alle vier Punkte gültige Punkte sind, ist der Durchschnitt nach den gültigen Punkten hin gewichtet.
3. Einsetzen der vier verbleibenden identifizierten gültigen Punkte in die Standardgleichung für einen Kreis und simultanes Lösen dieses Gleichungssystems zur Berechnung des Mittelpunkts.
Nach der Beschreibung der bevorzugten und alternativen Ausführungsformen der Erfindung folgen nun die Patentansprüche.

Claims

1. Vorrichtung zum Erfassen des geometrischen Orts in Relation zu einem ausgewählten Punkt auf einem kreisförmigen Halbleiterwafer (15) vorbestimmter Größe, mit einer bewegilohen Halterung (31) für den Wafer zum Bewegen des Wafers entlang einer ersten linearen Achse (x), einem Feld von Sensoren (61, 62, 63), die an verschiedenen Orten entlang einer zweiten linearen Achse (y) angeordnet sind, die allgemein quer zur ersten linearen Achse verläuft, entlang der sich die Halterung bewegt, wobei die Sensoren so angeordnet sind, daß sie durch vordere und hintere Kanten des sich entlang der ersten linearen Achse bewegenden Wafers zum Erzeugen von die Waferposition darstellenden Ausgangssignalen ausgelöst werden können, auf die Ausgangssignale ansprechenden Einrichtungen (25, 71, 72, 73) mit einer Berechnungseinrichtung zum Berechnen der Lage des Wafers relativ zum ausgewählten Punkt und einer steuerbaren Bewegungseinrichtung (30), die auf die berechnete relative Lage des Wafers zum Bewegen der Halterung mit dem darauf angeordneten Wafer zum ausgewählten Punkt reagiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungseinrichtung (25) den Mittelpunkt des Wafers berechnet, indem das Sensorfeld drei Sensoren (61, 62, 63) zum Bereitstellen von sechs Waferkanten-Positionspunkten aufweist und indem die bewegliche Halterung einen Roboterarm aufweist (31), der den Wafer (15) horizontal darauf hält und eine Öffnung (74) hat, die bei einem bestimmten Ort eine bekannte Entfernung vom ausgewählten Punkt entfernt ist, wobei der Bewegungspfad der Öffnung mit einem der Sensoren in Deckung gebracht wird, wodurch dieser Sensor ausgelöst wird und sich so eine Referenzposition für die Waferpositionspunkte ergibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Halterung weiter einen doppelten Vierarm- Lenkermechanismus (34) aufweist, der mit dem Roboterarm wirksam verbunden ist, und daß die steuerbare Bewegungseinrichtung eine drehbare Welle (43) aufweist, die mit einem ausgewählten Antriebsarn (42) des Vierarm-Lenkermechanismus so verbunden ist, daß dieser zum Hin- und Herdrehen des Antriebsarms und zum Aus- und Einfahren des Roboter-Halterungsarms entlang des Bewegungspfads verwendet werden kann, und eine Einrichtung (53, 54), die auf die Ortsinformation reagiert, indem sie die Welle dreht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Bewegungseinrichtung weiter eine zweite drehbare Welle (44), die auf dem doppelten Vierarm-Lenkermechanismus (34) zur Drehung damit angebracht ist, und Einrichtungen (51, 52) zum Drehen der zweiten Welle aufweist.

4. Verfahren zum Erfassen des geometrischen Orts in Relation zu einem ausgewählten Punkt eines kreisförmigen Halbleiterwafers (15) vorbestimmter Größe, mit einer vorderen und einer hinteren Kante, und zum Bewegen der Halterung und des darauf angeordneten Wafers entlang eines vorgewählten Pfads zum ausgewählten Punkt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Positionieren des Wafers auf einer beweglichen Halterung (31), Bewegen der Halterung und des darauf angeordneten Wafers auf einer ersten linearen Achse (x), Bereitstellen eines Feldes von Sensoren (61, 62, 63), die in Abständen an verschiedenen Orten entlang einer zweiten linearen Achse (y) angeordnet sind, die sich quer zur ersten linearen Achse erstreckt, Bewegen des Wafers entlang der ersten linearen Achse, so daß dessen vordere und hintere Kante die Sensoren auslöst und entsprechende die Wafer-Kantenpunkte darstellende Ausgangssignale erzeugt, die den Sensor- Auslösepunkten entlang des Bewegungspfads entsprechen, Bereitstellen einer Öffnung auf der Halterung, die an einer ausgewählten Stelle eine bekannte Entfernung vom ausgewählten Punkt entfernt ist, wobei der Bewegungspfad der Öffnung mit einem der Sensoren in Deckung gebracht wird, wodurch dieser Sensor ausgelöst wird und sich so eine Referenzposition für die Waferpositionspunkte ergibt, Berechnen des Mittelpunkts des Wafers relativ zur Referenzposition und zum ausgewählten Punkt in Reaktion auf die Ausgangssignale, und Anhalten der Bewegung des Wafers am ausgewählten Punkt in Reaktion auf die Berechnung der relativen Position.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Berechnens des Mittelpunkts des Wafers erstens beinhaltet, daß der Mittelpunkt des Wafers genau entlang einer Koordinatenachse bestimmt wird, die allgemein parallel zur ersten linearen Achse verläuft, und zweitens, daß die erste Mittelpunktkoordinate zum Bestimmen des Mittelpunkts des Wafers entlang einer allgemein senkrecht auf der ersten linearen Achse stehenden Koordinatenachse verwendet wird.