晶片定位原理與算法

呂 菲，耿博耘，李春龍，莫 宇，周傳月

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300220)

在半導體材料的加工過程中，為了提高生產效率，大部分設備都使用自動傳片系統，自動化程度高的設備往往實現片盒到片盒的傳輸。這類設備的工作過程大致相似，即進片、定位、機械手傳遞、加工、機械手傳遞、出片。由此可見定位在加工過程中占據了非常重要的位置，只有能夠實現精確定位，才能很好地完成加工過程，保證晶片的加工精度[1]。自動化設備應用較多的工序有倒角、激光打標、光刻等。

目前晶片定位技術主要有兩種：電子定位、電子機械定位。在定位過程中，需要找到晶片的主參考面或者定位槽（對6英寸以上晶片）。對于有參考面的晶片，電子機械定位技術應用較多，機械定位配合電傳感器，定位精度一般可以達到100 μm范圍，這樣的精度能夠滿足光刻工藝預對準要求[2]。如果要同時滿足帶定位槽和帶參考面兩種晶片的定位要求，則往往采用電子定位系統，這是本文討論的重點。

1 晶片輪廓特點以及識別的主要數據

對于帶定位槽的晶片（DOTCH），如圖 1所示。沿位置8和位置4通過圓心連線，其長度記為L，將晶片直徑記為準，定位槽的深度記為H，則H=準-L。我們可以用晶片的直徑和槽的深度反映晶片的輪廓特點。

圖1 有定位槽的晶片示意圖

圖2 只有主參考面的晶片示意圖

對于只有一個參考面的晶片(OF)，如圖2所示，沿位置8和位置4通過圓心連線，其長度記為B，將晶片直徑記為準，可以用B和準反映晶片的輪廓特點。對于有兩個參考面的晶片，主參考面和次參考面之間有一定的夾角，可以用B和準以及夾角反映晶片的輪廓特點。

2 數據采集方法及數據特點

我們以單參考面晶片為例說明判斷過程與原理。

2.1 數據采集方法

晶片的輪廓特點和特征值在上節已經說明。對晶片的定位就是要得到晶片的位置信息，這些信息需要由大量數據經過處理得到。經過機械手傳片后，晶片進入設備坐標系中。如圖3所示，其中B點是設備中固定位置，傳感器的位置也是固定的，只要得到晶片圓心位置A的信息、參考面EF的信息，就完成了晶片的精確定位。通過機械手將定位后的晶片精確傳送到加工工位，即可以進行晶片的精密加工[3-4]。

圖3 晶片的數據采集系統

在圖3所示的數據采集系統中，固定點B是承片臺的中心，晶片由真空吸附在承片臺上[5]，承片臺以一定角度旋轉，同時由傳感器讀取晶片邊緣的位置信息，完成數據采集。

2.2 數據特點

在晶片定位中，我們需要的是晶片圓心和參考面信息，如圖3所示，通過A和B兩點做一直線，與圓相交于B1和B2，除參考面外，圖形沿AB直線對稱，參考面上任意一點與B之間的連線都比線段B B2短。

3 數據分析及處理

數據采集是分步進行，以承片臺旋轉一定角度獲取位置信息，信息量和數據處理精度取決于旋轉角度大小。以旋轉角為0.0036°，則完成360°采集數據量為100000。處理方法：

輪廓識別軟件對數據處理后，得到最大值Lmax=BB2和最小值Lmin=BB1，同時記錄得到最大值和最小值旋轉角度，進而得到晶片圓心線和偏移值Δ=AB的信息。采集到的數據中，用得到最小（大）值時的旋轉角度加或減90°，就得到晶片邊緣位置對應的距離，記為：L1=BD=BC，晶片半徑為R，，則：

其中：L是Lmax=BB2或最小值Lmin=BB1

同樣的數據處理，可以得到BE和BF的長度，及它們之間的夾角α=∠EBF。對三角形△EBF做垂線 BG，β1=∠EBG，β2=∠GBF，則 α=β1+β2，參考面長度 LEF=LBE×sin β1+LBF×sin β2，且 LBE×cos β1=LBF×cosβ2

通過計算可以得到 LEF，以及 β1和 β2，進而得到B值。至此得出晶片定位需要的所有信息：R、B、Δ、∠GBA[6，7]。

同樣的處理方法可適用于次參考面。

4 定位系統組成

要完成上述數據采集與數據處理，需要如下部件：計算機系統、承片臺步進電機、驅動器、位置傳感器等。位置傳感器的選擇有多種方案，列出以下兩種方案供參考：

1）位置傳感器使用光電傳感器，該傳感器由步進電機驅動，在承片臺轉動一定角度后，步進驅動光電傳感器，由傳感器狀態記錄驅動傳感器電機的數據，進而得到位置信息。

2）采用專用傳感器以及驅動器：KEYENCE LS-7000 MICROMETER以及LS-7030傳感器。

5 結 論

定位系統是設備的一部分，在實際使用過程中，選擇的定位方法與設備要求的精度有關，還要考慮設備常量以及晶片進入設備坐標系的容差值。對于與數據處理相關的輪廓識別軟件，在實際應用中要考慮其響應速度、數據處理速度、軟件容錯性等多種因素。

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