晶片映射系統原理及實現算法研究

宮 晨，高小虎，侯為萍

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 101601)

隨著全球半導體市場的蓬勃發展與激烈競爭，半導體設備的自動化水平要求也越來越高。在一些高端全自動設備中，多采用機械手臂從料盒取放晶片，而由于不同用戶的不定需求，往往料盒中的料片不是全滿的，機械手進行取片時普遍的做法是機械手臂運行到料盒某層取片位，然后開啟真空，如果手臂上真空量大于某一域值，說明該層有晶片，手臂即可取走晶片；如果真空量小于等于該域值說明該層無晶片，此時手臂抬升到下一層位置，再通過真空量判斷是否有晶片，往復執行到某層有片或該料盒最后一層被執行完畢。這種真空吸附判斷法，有如下兩種弊端：一、執行效率低，特別是料盒為空時，系統需要走完料盒中所有層才能判斷該料盒是空料盒，并提示用戶更換新的料盒；二、無料片糾錯功能，如果料盒中某層放置兩個晶片或某晶片放入相隔兩層，機械手臂不能事先判斷出來，往往會導致設備停止或料片受損。為了避免上述弊端，這就迫切需要一種新的方法，能夠在機械手臂取片前事先自動得知該料盒的所有層的狀態，自動進行相應操作并反饋給操作者。

1 晶片映射系統介紹

晶片映射系統是一種機、光、電配合的用來映射出料盒每層晶片狀態的機構，該系統是由安裝在機械臂末端的低等級激光進行晶片掃描，通過傳感器反饋來判斷晶片槽中的晶片是否存在及正常。

晶片映射系統會根據掃描起點與終點位置自動判別操作人員放置的實際料盒高度與設置的標準高度是否一致，如果得出結果不一致時，晶片映射系統會自動報警反饋給用戶。

晶片映射系統會記錄晶片位置，以及對晶片數量進行統計，如果晶片都處于正常狀態放置，系統會操作機械臂對晶片盒中的晶片進行收集，但是當出現機器關閉或晶片交叉、雙層放置等錯誤時，晶片映射系統會進行報警，并在視圖界面中繪制當前晶片盒中的晶片狀態。操作人員可以根據提示進行取消操作或者點擊OK按鈕，來指示系統進行下一步操作，即跳過任何空的、放置有問題的晶片槽或者取出晶片盒進行整理。

2 晶片映射系統構造及原理

我們在機械手掃描手臂前端固定一對LED發射和接受的裝置（見圖1），當執行晶片映射掃描時，機械手θ軸旋轉到料盒中心處、z軸升降到掃描起始位、y軸（即安裝LED裝置的機械手掃描手臂軸）伸縮到掃描位。根據選擇的頂部掃描或底部掃描（見圖2）方式，當z軸從頂部掃描起使位下降到料盒底部的掃描起使位或從底部掃描使位上升到料盒頂部的掃描起使位時，帶動y軸一起升降并掃描，通常未做特別處理的硅晶片是反射激光的，當y軸上的發射器與接受器中間有晶片時，發射器發射的光束被晶片邊緣發射而不能傳遞到接收器上；如果中間沒有晶片，則接受器感應到發射器傳遞過來的光束而轉換產生電平信號。在掃描執行過程中，我們需實時采集接收器端的電平信號，并記錄若干對（最多為料盒層數）電平信號跳變時的機械手z軸位置，每一對位置對應了料盒中的一個晶片位置，并將這些對位置保存到系統軟件中開辟的二維數組中進行算法分析。算法中將會根據晶片厚度、料盒每一層槽寬、料盒每一層在系統坐標中的位置及二維數組中的若干對位置映射出料盒總片數、每一晶片所處層號、是否有雙片放置、交叉層放置等狀態。

圖1 掃描裝置

圖2 掃描運動方式

3 晶片映射系統實現及算法

3.1 參數配置與數據采集

在晶片映射系統進行掃描前，需要對掃描參數進行配置，以保證掃描結果的正確性。需要配置以下參數：Range：晶片的實際位置和計算位置允許的偏差值，范圍默認設定為晶片厚度的0.2倍；Pitch：片盒槽寬，對一批料盒此數值是固定的，可以測量得出；Thickness：晶片的實際厚度，用來確定是否某些槽放置了“雙層”晶片；TScanPos：機械手θ軸執行掃描時的位置；YScanPos：機械手掃描軸y掃描時的位置；YSafePos：機械手掃描軸縮回到的安全位置；ZTopScanPos：機械手z軸頂部掃描位置；ZBtmScanPos：機械手z軸底部掃描位置；ZScanSpeed：z軸掃描時電機運行的速度，為了掃描的可靠性，掃描速度不應過高。TapeSingalOnPos：發射光束從打斷狀態恢復時的“z”軸位置，即接收器恢復有信號時的位置；TapeSingalOffPos：發射光束被打斷時的“z”軸位置，即接收器從有信號跳變到無信號時的位置。

在各電機軸被成功初始化后，即可執行晶片映射操作，當掃描開始進行時，晶片掃描系統開辟一個工作線程進行運動與掃描工作，每次掃描前應確保y軸縮回到安全位，這樣θ軸旋轉、z軸升降到掃描位時確保y軸不會與料盒等其他機構碰撞干涉，再建立一個布爾變量bIsSingaled，初始值設定為假，用來保證只有接受器上信號發生跳變時才采集當前z軸位置并存入到二維數組中。晶片映射系統提供頂部掃描和底部掃描兩種方式，如果是頂部掃描則z軸掃描起始位為ZTopScanPos，掃描結束位為ZBtmScanPos；如果是底部掃描則相反。機械手θ軸、z軸、y軸成功到達掃描位后，z軸從掃描位向掃描結束位方向運行，在電機停止運行前一直刷新接收器上信號，如發生跳變就采集數據。概要流程圖見圖3。

圖3 映射系統概要流程

3.2 映射算法分析

在晶片映射系統執行過程中，如果異常處理模塊沒有反饋異常，我們就可以對采集的到的若干對位置進行分析，以映射出料盒中所有晶片狀態。對于z軸沒有外接光柵尺、磁柵尺等反饋信號，僅用電機自身編碼器的情形，需要將晶片厚度、片盒槽寬數值轉換為編碼器脈沖值，定義常量Scale，這里代表1 mm對應的脈沖數。

定義iNum表示料盒中某槽的層號，那么晶片盒的每層槽寬的脈沖值范圍為：(iNum*Pitch*Scale+ZBtmScanPos)～((iNum+1)*Pitch*Scale+ZBtmScan-Pos)。將這若干對位置與料盒每一層的槽寬脈沖范圍進行比較，如果某對數據中任一值處于此范圍說明此層有料片。在某層有料片時，料片正常放置：(Thickness-Range)*Scale<|TapeSingalOffPos-TapeSingallOnPos|<(Thickness-Range)*Scale時；料片雙層放置：(2*Thickness-Range)*Scale<|TapeSingalOffn-Pos-Tape SingallOnPos|<(2*Thickness+Range)*Scale；料片交叉放置：某對數據不能同時處于某層的槽寬脈沖范圍并且|TapeSingalOffPos-TapeSingallOnPos|>(2*Thickness+Range)*Scale)。通過此映射算法，就能算出是否料盒為空盒、有雙層晶片、交叉放置晶片的層號，及當前料盒總共的料片數目，見圖4與圖5，并能夠及時反饋給操作者并圖形化顯示。

圖4 映射分析結果（空料盒）

圖5 映射分析結果

4 總 結

晶片映射掃描系統能夠準確、有效地映射出料盒內所有晶片的狀態，當料盒處于空料盒、雙層放片、交叉放片等狀態時能夠報警，當料盒狀態正常時，機械手會自動到各有片層取片，克服了機械手傳統真空判斷取片方式的執行效率低、料片無糾錯的弊端，大大提高了設備整體的可靠性和自動化水平。

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