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CN113380686A - 一种晶圆自动对中方法 - Google Patents

一种晶圆自动对中方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种晶圆自动对中方法，在机械手取回晶圆过程中传感器采集晶圆边缘信号，通过算法得出当前晶圆中心位置，将该位置与晶圆示教中心位置对比，如有偏差则机械手在下一次送出晶圆的过程中进行补偿；当晶圆缺口刚好落在其中一个传感器检测区域内，则可通过算法将缺口区域传感器测量结果舍去。按照本方法，机台无需额外增加工位，机械手在传片的过程中即可实现对晶圆偏移量的测量和补偿，完全不影响设备产能，而且成本远低于传统机械对中单元和光学对中单元。

Description

一种晶圆自动对中方法
技术领域
本发明属于电子半导体领域，具体地说是一种晶圆自动对中方法。
背景技术
在电子半导体生产加工设备中，晶圆搬运机械手负责晶圆在各个工位之间的传递，是机台的核心运动部件，其定位精度直接决定了晶圆摆放位置的准确性，晶圆摆放位置的准确性又决定了芯片加工的良率。因此提高机械手晶圆取放的准确度尤为重要。为了提高机械手放置晶圆的准确性，在晶圆送入关键工艺单元前，例如进入匀胶单元前，先将晶圆放入机械或光学对中单元中，该单元可以保证每次送入工艺单元的芯片都位于吸盘中心，矫正晶圆进入匀胶单元时的偏移量，保正涂胶均匀性、EBR偏差和传片稳定。
1)、机械对中单元是通过机械夹持的方式进行对中，其缺点是精度较低(±0.2mm)。
2)、光学对中单元主要通过光学测量的方法对晶圆进行对中处理，其缺点是对中速度较慢。
3)、无论采用机械对中还是光学对中，都会增加若干个工位，不但使设备成本增加，而且会降低设备产能和设备空间利用率，且都无法做到对晶圆每次传递位置的实时监控。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种晶圆自动对中方法。将对中设备安装在机械手本体上，机台无需额外增加工位，机械手在传片的过程中即可实现对晶圆偏移量的测量和补偿，完全不影响设备产能，而且成本远低于传统机械对中单元和光学对中单元。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种晶圆自动对中方法，包括以下步骤：
机械手带动晶圆在R轴方向向晶圆目标位置位移；
通过在晶圆移动方向上设置光纤对射传感器，产生信号的中断和恢复；
记录产生中断和恢复信号时刻的晶圆位置坐标以及锁存相应的机械手驱动电机的编码位置；
根据中断和恢复信号的晶圆位置坐标实时判断当前晶圆中心是否与示教位置产生偏离，若是则进行位置纠偏，否则不纠偏；
根据纠偏后的晶圆中心坐标位置，计算机械手驱动电机纠偏后的编码位置，控制机械手带动晶圆移动。
所述光纤对射传感器为两组，每组中两个传感器相对放置且分别设于晶圆移动平面的两侧，其中一个设在目标工位上，另一个设于传感器固定架上，传感器固定架设在目标工位上。
所述机械手末端通过吸盘与晶圆吸附连接。
所述示教位置的计算为：
假设未发生偏离的情况下，设传感器A、B在晶圆移动方向上经过的距离分别为弦长LA、LB，弦长两端点分别为位置点Y1和位置点Y2、位置点Y3和位置点Y4；在位置点Y1和位置点Y3处产生中断信号，在位置点Y2和位置点Y4处产生恢复信号；
根据公式(1)、(2)、(3)计算传感器A测量出的弦长LA中点的坐标(xA,yA)
Figure BDA0003071773310000021
Figure BDA0003071773310000022
xA＝dA (3)
其中，dA为弦心距，晶圆圆心坐标为(0，yA)；
同理，可计算出传感器B测量出的弦长LB中点的坐标(xB，yB)，晶圆圆心坐标(0，yB)和弦心距dB；
选择(0，yA)、(0，yB)其中之一作为晶圆自动对中的示教位置。
所述位置纠偏包括R轴的补偿纠偏和TH轴的补偿纠偏两部分。
所述R轴的补偿纠偏包括：
1)在机械手拾取晶圆后，晶圆的实际位置会相对示教位置发生偏移，此时两个传感器测量出的当前晶圆圆心分别为OAn(xAn，yAn)和OBn(xBn，yBn)，弦心距分别为dAn和dBn；
Δdn＝|dBn-dAn|-|dA-dB| (4)
2)本方法检测的晶圆为带缺口晶圆；定义弦心距短的传感器为A，根据公式(4)判断：如果Δdn＞0，传感器B有可能遇到晶圆缺口，则选择传感器A测量出的晶圆圆心；如果Δdn＜0，传感器A有可能遇到晶圆缺口，则选择传感器B测量出的晶圆圆心；
假如传感器B遇到晶圆缺口，选取传感器A测量出的晶圆圆心OAn(xAn，yAn)，则根据式(5)、(6)计算出晶圆圆心OAn相对于晶圆自动对中系统的示教位置(0，yA)在X、Y方向的偏差值ΔxAn、ΔyAn；
ΔxAn＝xAn (5)
ΔyAn＝yAn-yA (6)
其中，考虑到补偿后机械手在放片时不能与其他单元干涉，因此限制补偿范围为|ΔxAn|≤2.5mm，|ΔyAn|≤2.5mm，超出该范围则不进行补偿。
所述TH轴的补偿纠偏包括：
根据式(7)计算TH轴偏差角度ΔθAn：
Figure BDA0003071773310000041
其中，LO为示教位晶圆中心与TH旋转中心的距离，LR为手臂坐标系零点与R轴示教位置的距离。
一种晶圆自动对中系统，包括控制器、传感器组、驱动电机，机械手臂；所述传感器器组分别设有晶圆移动平面的两侧，用于在晶圆移动过程中采集晶圆边缘信号；所述驱动电机用于接受控制器的指令控制机械手臂移动；所述机械手臂末端设有晶圆；所述控制器加载程序执行如权利要求1-7任意一项所述的方法步骤，计算晶圆的位置偏差并纠正，转换为驱动电机的编码位置，控制机械手臂进行位置纠偏和自动对中。
还包括放大器模块，用于将传感器组采集的晶圆边缘信号进行放大发送给控制器。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、在机器人取送晶圆过程中实现晶圆偏移的自动补偿，不像传统对中单元需额外占用对中时间，因此可以提高机台整体产能；
2、该系统对中精度高于传统的机械对中单元；
3、该系统结构紧凑，可以集成到机器人上，替代传统对中单元后可节省空间，提高机台空间利用率；
4、该系统成本仅为传统光学对中单元的十分之一；
5、该系统在测量过程中可识别晶圆缺口，无需再额外配备晶圆缺口判别单元。
6、实现无接触对中，防止晶圆边缘碰撞产生的颗粒造成工艺缺陷。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明的机械手和传感器位置关系图；
图3是本发明的传感器与放大器位置图；
图4是本发明的晶圆位置检测原理示意图；
图5是本发明的晶圆位置偏移及补偿计算示意图；
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方法做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
机械手手臂前端安装有两个光纤对射传感器，传感器一端安装在机械手R轴底座上，另一端安装在传感器固定座上，传感器固定座再与R轴底座固定。在机械手取回晶圆过程中传感器采集晶圆边缘信号，通过算法得出当前晶圆中心位置，将该位置与晶圆示教中心位置对比，如有偏差则机械手在下一次送出晶圆的过程中进行补偿；当晶圆缺口刚好落在其中一个传感器检测区域内，则可通过算法将缺口区域传感器测量结果舍去。自动对中系统结构紧凑与机械手本体集成在一起，不占用机台空间。该套晶圆自动对中系统检测精度为±0.05mm，远高于传统机械对中单元。
测量原理
该方法适用于有缺口晶圆，不适用于切平边晶圆(小尺寸)。由于使用单个传感器测量可能遇到晶圆缺口，因此将需要使用两个传感器测量，独立计算出晶圆圆心位置，并加以比较，判断出是否有传感器遇到晶圆缺口，如有则使用另一个传感器的测量值。
在机械手取片后缩手过程中，晶圆接近传感器时传感器开始采集信号。传感器A被Wafer遮挡和漏出时刻记录为TA0和TA1，传感器B被Wafer遮挡和漏出时刻记录为TB0和TB1。TA0和TB0时刻采集上升沿信号，TA1和TB1时刻采集下降沿信号。传感器A信号接到手臂电机驱动器探针1接口，传感器B信号接到手臂电机驱动器探针2接口。每个传感器的两个信号依次触发手臂电机驱动器的探针功能，锁存此时电机位置，并上传到控制器中。
如图1所示，传感器A将记录位置点Y1和位置点Y2的电机位置，传感器B将记录位置点Y3和位置点Y4的电机位置。
根据公式(1)、(2)、(3)可先计算出传感器A测量出的弦长LA中点的坐标(xA，yA)
Figure BDA0003071773310000061
Figure BDA0003071773310000062
xA＝dA (3)
其中dA为弦心距，晶圆圆心坐标为(0，yA)。
同理，可计算出传感器B测量出的弦长LB中点的坐标(xB，yB)，晶圆圆心坐标(0，yB)和弦心距dB。
使用示教工具将晶圆固定在机械手正中心，机械手在传片的过程中两个传感器分别记录此时晶圆圆心位置，如上公式所得(0，yA)、(0，yB)，该位置即为晶圆自动对中系统的示教位置。
如图2所示，在机械手拾取晶圆后，晶圆的实际位置会相对示教位置发生偏移，此时两个传感器测量出的晶圆圆心分别为OAn(xAn，yAn)和OBn(xBn，yBn)，弦心距分别为dAn和dBn。
Δdn＝|dBn-dAn|-|dA-dB| (4)
根据公式(4)判断：如果Δdn＞0，传感器B有可能遇到晶圆缺口，则选择传感器A测量出的晶圆圆心；如果Δdn＜0，传感器A有可能遇到晶圆缺口，则选择传感器B测量出的晶圆圆心；
假如传感器B遇到晶圆缺口，选取传感器A测量出的晶圆圆心OAn(xAn，yAn)，则根据式(5)(6)可计算出晶圆圆心OAn相对于晶圆自动对中系统的示教位置在X、Y方向的偏差值ΔxAn、ΔyAn。
ΔxAn＝xAn (5)
ΔyAn＝yAn-yA (6)
由于考虑到补偿后机械手在放片时不能与其他单元干涉，因此限制补偿范围为|ΔxAn|≤2.5mm，|ΔyAn|≤2.5mm，超出该范围则不进行补偿。
由于晶圆圆心的计算只涉及R轴，只需在机械臂坐标系下进行。但是进行晶圆放片补偿时，需要转动TH轴，就需要将在机械手臂坐标系下计算的ΔxAn、ΔyAn带入到TH轴旋转中心坐标系中，用于计算TH轴补偿角度。
再根据式(7)可以计算TH轴偏差角度ΔθAn。
Figure BDA0003071773310000071
在接下来机械手送片时进行偏差补偿，关闭传感器信号采集，伸手方向补偿值为ΔyAn，TH轴补偿角度为ΔθAn。
如传感器B被选出，可通过上式同理计算出晶圆偏移位置并在送片时加以补偿。
每一片晶圆在传送的过程中，会被机械手反复取放到不同单元进行工艺处理，每次取片都会通过传感器测量出晶圆偏移量，并在下次送片时进行补偿。
以上说明所描述的实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变换和改进。这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种晶圆自动对中方法，其特征在于，包括以下步骤：
机械手带动晶圆在R轴方向向晶圆目标位置位移；
通过在晶圆移动方向上设置光纤对射传感器，产生信号的中断和恢复；
记录产生中断和恢复信号时刻的晶圆位置坐标以及锁存相应的机械手驱动电机的编码位置；
根据中断和恢复信号的晶圆位置坐标实时判断当前晶圆中心是否与示教位置产生偏离，若是则进行位置纠偏，否则不纠偏；
根据纠偏后的晶圆中心坐标位置，计算机械手驱动电机纠偏后的编码位置，控制机械手带动晶圆移动。
2.根据权利要求1所述的一种晶圆自动对中方法，其特征在于，所述光纤对射传感器为两组，每组中两个传感器相对放置且分别设于晶圆移动平面的两侧，其中一个设在目标工位上，另一个设于传感器固定架上，传感器固定架设在目标工位上。
3.根据权利要求1所述的一种晶圆自动对中方法，其特征在于，所述机械手末端通过吸盘与晶圆吸附连接。
4.根据权利要求1所述的一种晶圆自动对中方法，其特征在于，所述示教位置的计算为：
假设未发生偏离的情况下，设传感器A、B在晶圆移动方向上经过的距离分别为弦长LA、LB，弦长两端点分别为位置点Y1和位置点Y2、位置点Y3和位置点Y4；在位置点Y1和位置点Y3处产生中断信号，在位置点Y2和位置点Y4处产生恢复信号；
根据公式(1)、(2)、(3)计算传感器A测量出的弦长LA中点的坐标(xA,yA)
Figure FDA0003071773300000021
Figure FDA0003071773300000022
xA＝dA (3)
其中，dA为弦心距，晶圆圆心坐标为(0，yA)；
同理，可计算出传感器B测量出的弦长LB中点的坐标(xB,yB)，晶圆圆心坐标(0，yB)和弦心距dB；
选择(0，yA)、(0，yB)其中之一作为晶圆自动对中的示教位置。
5.根据权利要求1所述的一种晶圆自动对中方法，其特征在于，所述位置纠偏包括R轴的补偿纠偏和TH轴的补偿纠偏两部分。
6.根据权利要求5所述的一种晶圆自动对中方法，其特征在于，所述R轴的补偿纠偏包括：
1)在机械手拾取晶圆后，晶圆的实际位置会相对示教位置发生偏移，此时两个传感器测量出的当前晶圆圆心分别为OAn(xAn,yAn)和OBn(xBn,yBn)，弦心距分别为dAn和dBn；
Δdn＝|dBn-dAn|-|dA-dB| (4)
2)本方法检测的晶圆为带缺口晶圆；定义弦心距短的传感器为A，根据公式(4)判断：如果Δdn＞0，传感器B有可能遇到晶圆缺口，则选择传感器A测量出的晶圆圆心；如果Δdn＜0，传感器A有可能遇到晶圆缺口，则选择传感器B测量出的晶圆圆心；
假如传感器B遇到晶圆缺口，选取传感器A测量出的晶圆圆心OAn(xAn,yAn)，则根据式(5)、(6)计算出晶圆圆心OAn相对于晶圆自动对中系统的示教位置(0，yA)在X、Y方向的偏差值ΔxAn、ΔyAn；
ΔxAn＝xAn (5)
ΔyAn＝yAn-yA (6)
其中，考虑到补偿后机械手在放片时不能与其他单元干涉，因此限制补偿范围为|ΔxAn|≤2.5mm，|ΔyAn|≤2.5mm，超出该范围则不进行补偿。
7.根据权利要求5所述的一种晶圆自动对中方法，其特征在于，所述TH轴的补偿纠偏包括：
根据式(7)计算TH轴偏差角度ΔθAn：
Figure FDA0003071773300000031
其中，LO为示教位晶圆中心与TH旋转中心的距离，LR为手臂坐标系零点与R轴示教位置的距离。
8.根据权利要求1所述的一种晶圆自动对中系统，其特征在于，包括控制器、传感器组、驱动电机，机械手臂；所述传感器器组分别设有晶圆移动平面的两侧，用于在晶圆移动过程中采集晶圆边缘信号；所述驱动电机用于接受控制器的指令控制机械手臂移动；所述机械手臂末端设有晶圆；所述控制器加载程序执行如权利要求1-7任意一项所述的方法步骤，计算晶圆的位置偏差并纠正，转换为驱动电机的编码位置，控制机械手臂进行位置纠偏和自动对中。
9.根据权利要求1所述的一种晶圆自动对中系统，其特征在于，还包括放大器模块，用于将传感器组采集的晶圆边缘信号进行放大发送给控制器。
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