WO2003098683A1 - System for aligning wafers and for reading micro bar-codes and marks on chips using laser - Google Patents

System for aligning wafers and for reading micro bar-codes and marks on chips using laser Download PDF

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Manuel Lozano Fantoba
Carles PERELLÓ GARCÍA
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Joaquín SANTANDER VALLEJO
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Abstract

The invention relates to a system for reading micra-sized marks on semiconductor wafers, which can be connected to wafer measurement test stations. The aforementioned micra-sized marks can be bar-codes containing information or special marks for the alignment of the axes of the chips on the wafer in relation to the axes of movement X and Y of the station. The invention consists of a laser reading system of the type used in CD players, which enables micrometer resolution. The reading system is stationary while the wafer moves by means of motors in the test station. The advantages of the invention lie in the simplicity of the system which can be connected to any existing test station and which is, therefore, very cheap. In addition, said system can be used to read micro bar-codes containing the relevant information of each chip.

Description

TÍTULOTITLE
SISTEMA DE ALINEAMIENTO DE OBLEAS Y DE LECTURA DESHAFT ALIGNMENT AND READING SYSTEM
MICROCÓDIGOS DE BARRAS Y DE MARCAS EN CHIPS CON LÁSER.BAR AND BRAND MICROCODES IN CHIPS WITH LASER.
SECTOR DE LA TÉCNICASECTOR OF THE TECHNIQUE
La invención se dirige al sector de la tecnología microelectrónica. Y más específicamente al apartado de caracterización eléctrica de circuitos integrados en oblea.The invention is directed to the microelectronic technology sector. And more specifically to the section of electrical characterization of integrated circuits in wafer.
Cuando se ha terminado de fabricar una oblea, es necesario proceder a su caracterización eléctrica. Para ello se coloca la oblea en un sistema denominado mesa de puntas, que sujeta la oblea mediante vacío en un soporte metálico y unas puntas metálicas hacen contacto eléctrico con los circuitos fabricados, permitiendo su test. El soporte metálico tiene un movimiento X-Y que permite el desplazamiento de un chip a otro. También posee un movimiento Z, que permite que las puntas hagan contacto eléctrico o queden situadas a una cierta distancia de la oblea, de esta forma es posible el desplazamiento X-Y.When you have finished manufacturing a wafer, it is necessary to proceed to its electrical characterization. For this, the wafer is placed in a system called a tip table, which holds the wafer by means of a vacuum on a metal support and metal tips make electrical contact with the manufactured circuits, allowing its test. The metal support has an X-Y movement that allows the movement of one chip to another. It also has a Z movement, which allows the tips to make electrical contact or to be located at a certain distance from the wafer, in this way X-Y displacement is possible.
Al situar una oblea por primera vez en el soporte es necesario alinear las direcciones X-Y de los chips con las direcciones X-Y de movimiento del soporte, de forma que al mover la oblea según los ejes de la mesa de puntas, siempre nos desplacemos de un chip a otro y no en diagonal. Este alineamiento se puede hacer de manera manual o automática. Uno de los objetos de esta patente es realizar el alineamiento de forma automática.When placing a wafer for the first time on the support it is necessary to align the XY directions of the chips with the XY directions of movement of the support, so that when moving the wafer according to the axes of the tip table, we always move from a chip to another and not diagonally. This alignment can be done manually or automatically. One of the objects of this patent is to perform the alignment automatically.
Las obleas pueden contener información grabada en ellas. Estas marcas generalmente se hacen mediante mareaje con láser y son para toda la oblea. Otro de los objetos de esta patente es permitir leer marcas de tamaño microscópico, tales como códigos de barras, en la oblea. Estas marcas pueden ser globales para toda la oblea o individuales para cada chip. Las marcas a leer no tienen porque estar limitadas a códigos de barras. Es posible utilizar el sistema para leer marcas realizadas con las puntas metálicas de lectura, en pequeños rectángulos metálicos destinados al efecto, fabricados en los chips. ESTADO DE LA TÉCNICAWafers may contain information recorded on them. These marks are usually made by laser marking and are for the entire wafer. Another object of this patent is to allow reading microscopic size marks, such as bar codes, on the wafer. These brands can be global for the entire wafer or individual for each chip. The marks to read do not have to be limited to barcodes. It is possible to use the system to read marks made with the metal reading tips, in small metal rectangles intended for this purpose, manufactured on the chips. STATE OF THE TECHNIQUE
El sistema empleado actualmente tanto para el alineamiento como para la lectura de marcas en oblea se basa en un microscopio óptico, un sistema de adquisición de imágenes y un procesado de la imagen en ordenador. Dado que los microscopios y placas de adquisición de imágenes son elementos muy caros, los sistemas que hay en el mercado presentan un coste muy elevado.The system currently used for aligning and reading wafer marks is based on an optical microscope, an image acquisition system and computer image processing. Since microscopes and image acquisition plates are very expensive elements, the systems on the market have a very high cost.
No se conoce ningún artículo sobre la utilización de un sistema con láser para la lectura de microcódigos de barras y alineamiento de obleas. Los microcódigos de barras son un concepto nuevo y no hay sistemas para su lectura.There is no known article on the use of a laser system for bar microcode reading and wafer alignment. Bar microcodes are a new concept and there are no systems for reading.
Con respecto a las patentes, se ha buscado en la base de datos de Esp@cenet, de la Oficina Española de Patentes y Marcas (http://es.espacenet.com/). Las patentes relacionadas encontradas se listan a continuación, aunque ninguna de ellas se refiere a un invento semejante al descrito en esta memoria.With respect to patents, the database of Esp @ cenet, of the Spanish Patent and Trademark Office (http://es.espacenet.com/), has been searched. The related patents found are listed below, although none of them refers to an invention similar to that described herein.
Como lectores de códigos de barras, la única referencia que aparece con la búsqueda código de barras y oblea (barcode AND reader) es la siguiente:As barcode readers, the only reference that appears with the barcode and wafer search (barcode AND reader) is as follows:
Bar code recipe selection system using workstation controllers. Número de patente US5432702, fecha: 11-7-1995, autor: Barnett Gerald W. Este sistema lee códigos de barras asociados a obleas de silicio para determinar el proceso que debe realizarse sobre las mencionadas obleas. El código de barras no es de tamaño microscópico, no se especifica el tipo de lector, y lo que protege es el sistema de leer un código de barras para seleccionar un proceso. No sirve para alineamiento.Bar code recipe selection system using workstation controllers. Patent number US5432702, date: 11-7-1995, author: Barnett Gerald W. This system reads bar codes associated with silicon wafers to determine the process to be performed on the mentioned wafers. The barcode is not microscopic in size, the type of reader is not specified, and what protects is the system of reading a barcode to select a process. It does not serve for alignment.
Como sistema de alineamiento, en la búsqueda de los términos láser, oblea y mesa de pruebas (láser AND wafer AND prober) aparece una referencia:As an alignment system, a reference appears in the search for the terms laser, wafer and test table (AND wafer AND prober laser):
Wafer prober. Número de patente: US4864227, fecha: 5-9-1989, autor: Mitsuya Sato. Este sistema utiliza un haz láser para proceder al alineamiento, pero no de la oblea, sino de las agujas metálicas que se emplean para establecer contacto eléctrico entre la misma y los equipos de medida. No es lo mismo que el invento descrito en esta memoria.Wafer prober. Patent number: US4864227, date: 5-9-1989, author: Mitsuya Sato. This system uses a laser beam to proceed with the alignment, but not of the wafer, but of the metal needles that are used to establish electrical contact between it and the measuring equipment. It is not the same as the invention described herein.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN - Breve descripción de la invención.DESCRIPTION OF THE INVENTION - Brief description of the invention.
La invención consiste en un sistema para leer marcas del tamaño de mieras en obleas de semiconductor, adaptable a estaciones de prueba de medida de obleas. Estas marcas pueden ser códigos de barras conteniendo información o marcas especiales para el alineamiento de los ejes de los chips en la oblea con respecto a los ejes de movimiento X e Y de la estación de prueba. Este alineamiento previo es un paso necesario antes de poder comenzar a realizar una cartografía (medida de todos los chips de la oblea) y hay que realizarlo bien manualmente por un operador entrenado o mediante un sistema automático. Pero todos los sistemas comerciales automáticos se basan en cámaras de video con sistema de reconocimiento de imágenes, que son muy caros.The invention consists of a system for reading marks of the size of microns in semiconductor wafers, adaptable to test stations measuring wafers. These marks can be bar codes containing information or special marks for the alignment of the axes of the chips in the wafer with respect to the axes of movement X and Y of the test station. This pre-alignment is a necessary step before you can start mapping (measuring all wafer chips) and it must be done either manually by a trained operator or by an automatic system. But all automatic commercial systems are based on video cameras with image recognition system, which are very expensive.
La novedad de este sistema es que se basa en un sistema lector láser de los utilizados en reproductores de CD y permite resolución de micrómetros. El sistema de lectura está fijo y es la oblea, gracias a los motores de la estación de pruebas, quién se mueve. Las principales ventajas son su simplicidad, que puede adaptarse a cualquier estación de pruebas existente y que resulta muy barato. Además permite la lectura de microcódigos de barras, conteniendo información relevante de cada chip.The novelty of this system is that it is based on a laser reader system used in CD players and allows micrometer resolution. The reading system is fixed and it is the wafer, thanks to the engines of the test station, who moves. The main advantages are its simplicity, which can be adapted to any existing test station and is very cheap. It also allows the reading of bar microcodes, containing relevant information of each chip.
- Descripción detallada de la invención. El sistema objeto de esta invención está diseñado para ser incorporado a una mesa de puntas de medida de obleas, como la mostrada en la figura 1. En dicha mesa de puntas se coloca el sistema de lectura compuesto por un diodo láser y un fotodiodo, junto con su sistema óptico, mostrado en la figura 2. Este subsistema debe colocarse en un lateral donde no interfiera con las puntas de medida, pero que esté encima de la zona recorrida por la oblea. Se monta en un tornillo micrométrico para poder ajustar su posición en el eje Z en función del espesor de la oblea. También podría utilizarse un sistema con un micromotor para que el ajuste de posición fuera autmático. Las marcas que se tienen que poner en la oblea se pueden realizar en cualquier tipo de material con tal de que presenten un contraste suficiente con el entorno. En el campo de la microelectrónica, lo más común es utilizar el nivel de metalización, sobre óxido de silicio, aunque no está limitado a esta elección.- Detailed description of the invention. The system object of this invention is designed to be incorporated into a table of measuring tips of wafers, as shown in Figure 1. On said table of tips is placed the reading system composed of a laser diode and a photodiode, together with its optical system, shown in figure 2. This subsystem should be placed on one side where it does not interfere with the measuring tips, but is above the area covered by the wafer. It is mounted on a micrometer screw to adjust its position on the Z axis depending on the thickness of the wafer. A system with a micromotor could also be used to make the position adjustment automatic. The marks that have to be put on the wafer can be made on any type of material as long as they present a sufficient contrast with the environment. In the field of microelectronics, the most common is to use the level of metallization, on silicon oxide, although it is not limited to this choice.
Las marcas se detectan por una diferencia en la luz recogida por una matriz de fotodiodos que proviene de un diodo láser y que es reflejado en la superficie de la oblea. El sistema puede operar con luz ambiente, aunque se reduce el contraste.The marks are detected by a difference in the light collected by an array of photodiodes that comes from a laser diode and that is reflected on the wafer surface. The system can operate in ambient light, although the contrast is reduced.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LOS DIBUJOSDETAILED DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Figura 1. Mesa de puntas para la medida de obleas con el lector de códigos de barras incorporado. La mesa de puntas consta de un sistema fijo (1). Sobre el se desplaza de manera motorizada en los ejes X e Y un soporte (2). Este soporte tiene una parte móvil según el eje Z (3). En este soporte se fija la oblea con circuitos (4). Esta oblea es la que contiene los circuitos que se van a medir, junto con los microcódigos de barras y las marcas de alineamiento. Además tenemos unas puntas metálicas (5) que son las que realizan el contacto eléctrico y un microscopio (6). En un lado, pero en una posición tal que el soporte (2) junto con la oblea (4) pueda moverse bajo él, se encuentra el sistema objeto de esta invención compuesto por un tornillo micrométrico con movimiento en el eje Z (7) y el sistema de diodo láser y fotodiodo (8).Figure 1. Tip table for measuring wafers with the built-in barcode reader. The tip table consists of a fixed system (1). A support (2) moves in a motorized manner on the X and Y axes. This support has a moving part along the Z axis (3). On this support the wafer is fixed with circuits (4). This wafer is the one that contains the circuits to be measured, along with the bar microcodes and alignment marks. We also have metal tips (5) that are the ones that make the electrical contact and a microscope (6). On one side, but in a position such that the support (2) together with the wafer (4) can move under it, is the system object of this invention composed of a micrometric screw with movement in the Z axis (7) and the laser diode and photodiode system (8).
Figura 2. Sistema de lectura de microcódigos de barras y otras marcas en las obleas. Consta de diodo láser (1), fotodiodo testigo (2), lentes del diodo láser (3), red de difracción (4), lente cilindrica (5), prisma polarizado (6), matriz de fotodiodos (7), lente de colimación (8), filtro de cuarto de onda polarizado (9), objetivo (11). La superficie de lectura se representa en (12) y el movimiento de vertical y lateral del foco en (13).Figure 2. Bar code reading system and other marks on the wafers. It consists of laser diode (1), control photodiode (2), laser diode lenses (3), diffraction network (4), cylindrical lens (5), polarized prism (6), photodiode matrix (7), lens collimation (8), quarter wave polarized filter (9), objective (11). The reading surface is represented in (12) and the vertical and lateral movement of the focus in (13).
Figura 3. Vista en perfil (1) y en planta (2) de la matriz de fotodiodos (7) de la figura 2. A, B, C, D, E y F son los seis fotodiodos. Figura 4. Detalle del sistema de enfoque y posicionamiento de tres rayos, conseguidos mediante el prisma (6) y la lente cilindrica (5) de la figura 2, utilizando la matriz de seis fotodiodos de la figura 3. A, B, C, D, E y F son los seis fotodiodos.Figure 3. Profile view (1) and plan view (2) of the photodiode matrix (7) of Figure 2. A, B, C, D, E and F are the six photodiodes. Figure 4. Detail of the three-ray focusing and positioning system, achieved by the prism (6) and the cylindrical lens (5) of Figure 2, using the six photodiode matrix of Figure 3. A, B, C, D, E and F are the six photodiodes.
Figura 5. Circuito de enfoque del diodo láser. Consta de circuito oscilador (1), circuito contador (2), bus de 8 o 12 bits (3), circuito conversor digital-analógico (4), tensión de referencia o umbral (5), circuito comparador (6), matriz de fotodiodos (7), diodo emisor láser (8) y bobinas de enfoque (9) que controla el movimiento en el eje Z de las lentes de enfoque. En (10) se representa la oblea con las marcas a leer.Figure 5. Focus circuit of the laser diode. It consists of oscillator circuit (1), counter circuit (2), 8 or 12 bit bus (3), digital-analog converter circuit (4), reference voltage or threshold (5), comparator circuit (6), matrix of photodiodes (7), laser emitting diode (8) and focusing coils (9) that controls the movement on the Z axis of the focusing lenses. In (10) the wafer is represented with the marks to be read.
Figura 6. Esquema de la corona circular utilizada para hallar el origen de la oblea. P es el punto, arbitrario, en se empieza a leer las marcas en la oblea, Δx es la distrancia recorrida desde que se entra en la corona hasta que se sale de ella, R es el radio de la corona.Figure 6. Schematic of the circular crown used to find the origin of the wafer. P is the point, arbitrary, when you begin to read the marks on the wafer, Δx is the distraction traveled from when you enter the crown until you leave it, R is the radius of the crown.
Figura 7. Esquema de la forma en que se calcula el giro que hay que corregir en la oblea. (xι,yι) es el centro de la primera corona, (x2,y2) es el centro de la segunda corona y γ es el ángulo girado.Figure 7. Scheme of the way in which the turn to be corrected in the wafer is calculated. (xι, yι) is the center of the first crown, (x 2 , y 2 ) is the center of the second crown and γ is the angle rotated.
EJEMPLO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN.EXAMPLE OF EMBODIMENT OF THE INVENTION.
El sistema consta de un lector láser externo, que se coloca en la mesa de puntas y una electrónica de control, que va conectada al lector láser externo y a un ordenador mediante una interfase adecuada.The system consists of an external laser reader, which is placed on the tip table and a control electronics, which is connected to the external laser reader and to a computer through an appropriate interface.
El lector láser externo (8) de la figura 1, se sujeta mediante un tornillo micrométrico, (7) de la figura 1, en una zona de la mesa de puntas, para permitir el ajuste vertical de la posición inicial, que dependerá del espesor de las obleas. El lector láser es un lector estandard de los utilizados en los equipos de lectura de CD.The external laser reader (8) of figure 1, is fastened by a micrometric screw, (7) of figure 1, in an area of the tip table, to allow vertical adjustment of the initial position, which will depend on the thickness of the wafers. The laser reader is a standard reader used in CD reading equipment.
El lector externo se conecta a una interfase como se muestra en la figura 5. Las señales necesarias son las salidas de la matriz de fotodiodos, la polarización del diodo láser y la polarización de las bobinas de enfoque por un lado y la conexión al ordenador por el puerto que se desee por el otro.The external reader is connected to an interface as shown in figure 5. The necessary signals are the outputs of the photodiode array, the polarization of the diode laser and polarization of the focus coils on the one hand and the connection to the computer by the desired port on the other.
En la operación del sistema se distinguen varias acciones diferentes: hallar el origen, alinear la oblea y leer los códigos de barras,Several different actions are distinguished in the operation of the system: find the origin, align the wafer and read the bar codes,
Hallar el origenFind the origin
Una vez colocada la oblea en la mesa de puntas es necesario encontrar la referencia de la misma con respecto al rayo láser. Para ello se utiliza un motivo en forma de corona circular con un pequeño círculo en el centro, tal como se muestra en la figura 6, que ha de estar grabado de forma visible en la oblea, tarea que se realiza de forma simultanea al proceso de fabricación microelectrónico.Once the wafer is placed on the tip table it is necessary to find the reference of the same with respect to the laser beam. For this, a circular crown-shaped motif with a small circle in the center is used, as shown in Figure 6, which must be visibly engraved on the wafer, a task that is performed simultaneously with the process of microelectronic manufacturing
El algoritmo de encontrar el centro del motivo, y por tanto, la referencia de coordenadas de la oblea, es el siguiente: i) Situar el rayo láser en cualquier zona próxima a la parte exterior de la corona circular, ii) Desplazar el rayo de manera horizontal hasta que se detecte la corona. Fijar el origen momentáneamente en este punto. iii) Desplazar la oblea de manera que el rayo siga la horizontal hasta el otro extremo de la corona. iv) Calcular la distancia recorrida y aplicar la siguiente fórmula:The algorithm of finding the center of the motif, and therefore, the coordinate reference of the wafer, is as follows: i) Place the laser beam in any area near the outside of the circular crown, ii) Move the beam of horizontal way until the crown is detected. Fix the origin momentarily at this point. iii) Move the wafer so that the beam follows the horizontal to the other end of the crown. iv) Calculate the distance traveled and apply the following formula:
ÁxAx
Δy = , Ra --Δy =, R a -
donde,where,
Δx = distancia recorrida.Δx = distance traveled.
R = radio externo de la corona circular.R = external radius of the circular crown.
v) Desplazar el rayo una distancia Δy en el eje y y una distancia Δx/2 en el eje x. Alinear la obleav) Move the beam a distance Δy on the y axis and a distance Δx / 2 on the x axis. Align the wafer
Una vez localizada la oblea en la mesa de puntas es necesario alinearla angularmente de modo que los ejes x e y de movimiento de la mesa coincidan con los ejes x e y de la oblea.Once the wafer is located on the tip table, it is necessary to align it angularly so that the x and y axes of movement of the table coincide with the x and y axes of the wafer.
Para el alineamiento automático se utilizan dos coronas circulares como las del algoritmo de hallar el origen, separadas una distancia c, tal como se muestra en la figura 7. Se localizan ambos centros con el algoritmo anterior y se calcula directamente el ángulo que forman.For automatic alignment, two circular crowns are used, such as the algorithm of finding the origin, separated by a distance c, as shown in Figure 7. Both centers are located with the previous algorithm and the angle they form is calculated directly.
Figure imgf000009_0001
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Lectura de los códigos de barrasBarcode reading
La lectura de los códigos de barras se limita a desplazar la oblea bajo el lector láser y medir la anchura de las zonas claras y de las zonas obscuras, posteriormente esta información se transforma en la secuencia de barras de diferentes anchuras y se decodifica el texto escrito. El sistema puede funcionar con cualquier tipo de código de barras. The bar code reading is limited to moving the wafer under the laser reader and measuring the width of the light and dark areas, later this information is transformed into the sequence of bars of different widths and the written text is decoded . The system can work with any type of barcode.

Claims

REINVINDICACIONES REINVINDICATIONS
1.- Sistema lector de microcódigos de barras para mesas de puntas para la caracterización de obleas microelectrónicas formado por un lector lector láser de los utilizados en reproductores de discos compactos y un interface electrónico para ordenador que se acopla a mesas de puntas convencionales.1.- Bar code reader system for tip tables for the characterization of microelectronic wafers formed by a laser reader reader used in compact disc players and an electronic computer interface that attaches to conventional tip tables.
2.- Aplicación de aparato según la reivindicación 1 para encontrar el origen de la oblea en la mesa de puntas.2. Application of apparatus according to claim 1 to find the origin of the wafer on the tip table.
3.- Aplicación del aparato según la reivindicación 1 para encontrar el ángulo que la oblea está girada y poder alinearla adecuadamente con los ejes de movimiento de la mesa de puntas. 3. Application of the apparatus according to claim 1 to find the angle that the wafer is rotated and to be able to properly align it with the axes of movement of the tip table.
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