激光劃片機(jī)的晶圓自動對準(zhǔn)方法研究

張 乾，張永昌，鄧勝強(qiáng)，譚立杰

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

近年來，激光劃片機(jī)在半導(dǎo)體加工行業(yè)的應(yīng)用日趨廣泛，憑借其高效率、可控性強(qiáng)、低污染等優(yōu)勢，得到了越來越多廠家的青睞。自動化、智能化是裝備發(fā)展的大勢所趨，可降低人力成本，提高生產(chǎn)效率。圖像自動對位是自動化加工設(shè)備的核心功能，本文在具備自動上下料和底部對準(zhǔn)功能的激光劃片機(jī)上，提出了一種自動識別對準(zhǔn)方案，可以精確高效地完成對GPP晶圓正面晶粒的識別與對準(zhǔn)，計算劃片軌跡，并完成晶圓劃片。

1 設(shè)計要求

具有底部對準(zhǔn)功能的激光劃片機(jī)，將GPP晶圓正面朝下放置在透明的可旋轉(zhuǎn)工作臺上，通過底部對準(zhǔn)光路系統(tǒng)完成晶圓正面晶粒的圖像對準(zhǔn)，并在固定激光光路的基礎(chǔ)上，通過工作臺正交移動完成背面激光劃片。該加工方法可以減少傳統(tǒng)GPP晶圓制造工藝環(huán)節(jié)，降低生產(chǎn)成本，深受廣大廠家青睞。透明的可旋轉(zhuǎn)工作臺由放置在旋轉(zhuǎn)電機(jī)上的正面帶有真空槽的玻璃吸盤構(gòu)成。真空槽的存在，使旋轉(zhuǎn)電機(jī)僅能在有限的角度區(qū)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)。累計旋轉(zhuǎn)角度過大，會產(chǎn)生真空管路環(huán)繞堵塞。因此，設(shè)計中需要合理規(guī)劃旋轉(zhuǎn)角度。

圖像識別的過程是提取圖形特征，與目標(biāo)模板進(jìn)行匹配。匹配程度越高，識別結(jié)果可信度越高。由于GPP晶圓制作環(huán)節(jié)中的腐蝕溝槽環(huán)節(jié)存在不可控性，晶粒外觀無法確保嚴(yán)格一致性。如圖1所示。類似的不規(guī)則性會影響圖像識別結(jié)果。因此自動對準(zhǔn)方案要有較強(qiáng)的容錯能力和兼容性，以確保較高的識別成功率與識別精度。在實際生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)廠家對激光劃片機(jī)的要求為：精度±15 μm，角度誤差±0.01°，報廢率低于5‰。

圖1 GPP晶粒外觀示意圖

2 方案設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 設(shè)計流程與界面

經(jīng)過多次測試，最終設(shè)計方案流程如圖2所示。

先根據(jù)晶圓圖形特征制作模板，然后點擊“運(yùn)行”按鈕進(jìn)行晶圓自動對準(zhǔn)操作。采用圖像識別方法進(jìn)行模板匹配，根據(jù)匹配結(jié)果進(jìn)行三次調(diào)整，每次調(diào)整均是通過旋轉(zhuǎn)工作臺使晶圓轉(zhuǎn)正，轉(zhuǎn)正后即可采用建立網(wǎng)格節(jié)點的方法計算劃片軌跡，然后進(jìn)行劃片操作。

2.2 制作對位模板

建立模板的要求：保證模板方向平行于工作臺運(yùn)動方向，對比度清晰，圖形規(guī)則，并進(jìn)行二值化（黑白化）處理，去除圖像的灰度干擾，便于提取特征。在制定合適的模板以后，點擊運(yùn)行按鈕，進(jìn)行晶粒外觀的自動對準(zhǔn)流程。匹配模板后得到的信息如圖3所示：

圖2 識別對準(zhǔn)流程（上）與界面（下）

圖3 提取晶粒的圖形模板

（1）當(dāng)前圖形與模板的角度差值；

（2）當(dāng)前圖形位于圖像上的像素坐標(biāo)，該坐標(biāo)可以通過數(shù)學(xué)方法轉(zhuǎn)化成為相對于工作臺的坐標(biāo)值。

2.3 粗調(diào)

經(jīng)過多次對準(zhǔn)操作后，旋轉(zhuǎn)工作臺的旋轉(zhuǎn)角度會超限。因此，每次粗調(diào)開始前旋轉(zhuǎn)工作臺要回到零點。

取一固定點作為對準(zhǔn)過程第一點，獲取當(dāng)前圖像并進(jìn)行識別，與模板匹配后得到當(dāng)前圖形與模板的角度差值，即為當(dāng)前圖形轉(zhuǎn)正需要的角度值。在晶圓方向任意朝向的前提下，工作臺最小轉(zhuǎn)動在±45°內(nèi)即可將晶圓轉(zhuǎn)正。因此將獲得的角度進(jìn)行區(qū)間處理，歸化到±45°之間。而為保證粗調(diào)精度盡可能高，需要獲取當(dāng)前圖像上所有圖形的角度值，并進(jìn)行均值化計算。經(jīng)過兩次處理后，按最終值進(jìn)行工作臺旋轉(zhuǎn)。完成粗調(diào)。

2.4 細(xì)調(diào)

粗調(diào)完成后，獲取當(dāng)前位置工作臺坐標(biāo)，第二次進(jìn)行圖像識別與模板匹配，獲取當(dāng)前圖像上晶粒的像素坐標(biāo)，并轉(zhuǎn)化成晶粒的工作臺坐標(biāo)（x1，y1），然后沿Y向進(jìn)行短距離移動到第二點，第三次進(jìn)行圖像識別與模板匹配，獲取當(dāng)前圖像上晶粒的像素坐標(biāo)，并轉(zhuǎn)化成晶粒的工作臺坐標(biāo)（x2，y2），根據(jù)公式，求得偏轉(zhuǎn)角度θ1。按偏轉(zhuǎn)角度θ1進(jìn)行工作臺旋轉(zhuǎn)。完成細(xì)調(diào)。

2.5 精調(diào)

細(xì)調(diào)完成后，第四次進(jìn)行圖像識別與模板匹配，獲取當(dāng)前圖像上晶粒的像素坐標(biāo)，并轉(zhuǎn)化成晶粒的工作臺坐標(biāo)()，然后將工作臺按Y向移動長距離到第三點，第五次進(jìn)行圖像識別與模板匹配，獲取當(dāng)前圖像上晶粒的像素坐標(biāo)，并轉(zhuǎn)化成晶粒的工作臺坐標(biāo)（x3，y3），根據(jù)公式 θ2=-arctan求得偏轉(zhuǎn)角度θ2，按偏轉(zhuǎn)角度θ2進(jìn)行工作臺旋轉(zhuǎn)。完成精調(diào)。同時獲取一次當(dāng)前圖像角度判斷對位操作是否出現(xiàn)角度誤差，如沒有問題，則可進(jìn)行下一步操作。如果有異常，選擇設(shè)備報警或者重新進(jìn)行識別。

2.6 計算劃片軌跡

三次調(diào)整結(jié)束后，晶圓方向已經(jīng)與工作臺移動方向平行，可以開始計算劃片軌跡。根據(jù)設(shè)定好的晶粒尺寸制定網(wǎng)格節(jié)點，根據(jù)第六次圖像識別結(jié)果，將晶粒移動到網(wǎng)格節(jié)點上的固定位置，進(jìn)行第七次識別，并進(jìn)行判斷。此時所有晶粒應(yīng)位于各個節(jié)點附近（如圖4所示），通過判斷晶粒坐標(biāo)和節(jié)點位置的坐標(biāo)差值是否在設(shè)定閾值內(nèi)，可以判斷識別結(jié)果是否出現(xiàn)錯誤或者出現(xiàn)角度異常。當(dāng)晶粒與網(wǎng)格節(jié)點匹配后，劃片位置就是當(dāng)前圖像中心，可以直接計算整片晶圓的劃片軌跡。當(dāng)前方向的劃片軌跡計算結(jié)束后，將晶圓旋轉(zhuǎn)90°重新進(jìn)行本步操作，計算第二方向劃片數(shù)據(jù)后，即可進(jìn)行劃片操作。根據(jù)加工尺寸制定網(wǎng)格節(jié)點圖，如圖4(a)所示；當(dāng)晶圓轉(zhuǎn)正并移動到目標(biāo)位置時，即網(wǎng)格的四個角和四個晶粒的中心正好重合，誤差在幾個像素以內(nèi)，如圖4(b)所示；如果晶圓實際尺寸小于設(shè)定尺寸，目標(biāo)位置不重合，如圖4(c)所示；存在角度調(diào)整偏差，如圖4(d)所示。

圖4 網(wǎng)格節(jié)點匹配圖

2.7 多策略方案

為使每次圖像識別可獲取足夠多信息來保證識別結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要對不同尺寸的晶粒進(jìn)行分類，設(shè)定對應(yīng)的識別策略。在圖像視場和分辨率一定的情況下，對2.54 mm以下晶粒分成晶粒模板與街區(qū)模板兩種方案，并根據(jù)晶粒尺寸劃分了4個區(qū)間，制定了對應(yīng)的4種策略，保證每張圖像上最少有4個圖形被識別（最多9個）。滿足用戶95%以上的識別與劃片需求，并且可以提高識別精度。

3 實驗數(shù)據(jù)驗證

將上述設(shè)計編程實現(xiàn)，經(jīng)過上機(jī)調(diào)試運(yùn)行后，使用工業(yè)生產(chǎn)線上的正式產(chǎn)品進(jìn)行實驗測試，并最終在生產(chǎn)線上進(jìn)行在線驗證。

3.1 粗調(diào)結(jié)果驗證

在已知晶圓轉(zhuǎn)正后角度數(shù)值的前提下，手動旋轉(zhuǎn)工作臺將晶圓位于任意初始角度，然后運(yùn)行程序進(jìn)行粗調(diào)校準(zhǔn)，進(jìn)行十次實驗，數(shù)據(jù)如表1所示（實際目標(biāo)值為2.354°）。

粗調(diào)校準(zhǔn)完成后，可再次獲得當(dāng)前圖像上每個晶粒的角度信息，單個晶粒的角度信息與目標(biāo)值誤差較大，有可能大于1°，而多個晶粒的角度平均值最大小于0.5°，因此采用取平均值的方案是合理的。這樣可以保證當(dāng)晶圓沿Y方向從第一點移動到第二點時，參與計算偏轉(zhuǎn)角度的晶粒位于同一列，不會出現(xiàn)錯列的情況。

表1 粗調(diào)校準(zhǔn)實驗數(shù)據(jù)

3.2 識別轉(zhuǎn)正結(jié)果驗證

每次實驗前先手動對準(zhǔn)晶圓并獲取對準(zhǔn)角度，然后下料重新運(yùn)行識別流程，第二次實驗時手動旋轉(zhuǎn)晶圓，改變晶圓的初始角度并再次手動對準(zhǔn)獲取旋轉(zhuǎn)對正的角度，以模擬實際加工中晶圓方向存在的不確定性。進(jìn)行10次實驗，實驗數(shù)據(jù)見表2。

3.3 劃片軌跡精度驗證

劃片精度是設(shè)備最重要的驗收指標(biāo)，也是晶圓自動對準(zhǔn)方案是否可靠的直接判斷依據(jù)。因此本驗證環(huán)節(jié)在生產(chǎn)線上進(jìn)行，通過晶圓的自動上下片、自動對位、劃片和裂片，獲得最終的晶粒產(chǎn)品。在晶粒中進(jìn)行抽測，測量晶粒對邊的長度并計算差值，即為最終誤差。10次數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 精調(diào)校準(zhǔn)實驗數(shù)據(jù)

表3 計算劃片軌跡實驗數(shù)據(jù)

抽測結(jié)果的平均誤差為0.003 mm，未見明顯的角度偏移，完全滿足工藝指標(biāo)。

3.4 驗證結(jié)果

該方案經(jīng)過大量在線測試，正確率大于99.5%，劃片精度符合要求。但是測試過程中發(fā)現(xiàn)某些批次晶圓外觀嚴(yán)重不良（如圖5所示，左圖為未通過電性測試的晶粒被墨點標(biāo)記后出現(xiàn)的外觀不良，右圖為光刻腐蝕工藝不合格導(dǎo)致的外觀不良，這兩種晶粒都是不合格的），無法識別，只能進(jìn)行手動對準(zhǔn)操作。在正常批次GPP晶圓的在線測試中，識別效率，人工識別的對準(zhǔn)時間一般在20 s以上；自動識別方案的最小一次對準(zhǔn)時間為22 s，最大一次對準(zhǔn)時間28 s，基本與人工操作持平，但是流暢性更高，基于全自動上下料和自動圖像識別對準(zhǔn)的激光劃片機(jī)，沒有怠工時間，效率高于人工操作，人工成本低，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

圖5 晶圓外觀不良示意圖

4 結(jié)束語

晶圓自動識別對準(zhǔn)是實現(xiàn)全自動激光劃片的重要功能，其精度也是衡量設(shè)備性能的重要指標(biāo)。本文提出的識別對準(zhǔn)方法，通過一次粗調(diào)減小后續(xù)調(diào)整工作量，通過一次精調(diào)保證整個流程的精度；計算劃片軌跡過程中，通過匹配網(wǎng)格節(jié)點的方式，保證識別精度并可以有效的排除識別過程出現(xiàn)的異常情況。該方法通過大量在線驗證，識別正確率和精度滿足生產(chǎn)工藝需求。后續(xù)工作內(nèi)容是進(jìn)一步優(yōu)化識別效率，提高適應(yīng)多種復(fù)雜晶圓自動對位算法的兼容性。

[1] 韓微微，張孝其.半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域的晶圓激光劃片概述[J]，電子工業(yè)專用設(shè)備，2010，39(12)：39-43.

[2] 單琳子.基于模板匹配技術(shù)的物品圖像高效快速識別算法研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2015.

[3] 董晶.模板圖像快速可靠匹配技術(shù)研究[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2015.