晶圓盒中晶圓位置檢測技術(shù)的研究

劉勁松，朱志強(qiáng)，時 威

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海微松工業(yè)自動化有限公司，上海 201114）

晶圓盒中晶圓位置檢測技術(shù)的研究

劉勁松1,2，朱志強(qiáng)1，時 威2

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海微松工業(yè)自動化有限公司，上海 201114）

晶圓盒自動開蓋機(jī)構(gòu)（Load Port）是半導(dǎo)體工業(yè)自動化中的核心設(shè)備之一，晶圓盒（Cassette）中晶圓位置檢測（Mapping）過程的好壞直接決定了Load Port的優(yōu)劣。通過簡要介紹晶圓自動開蓋機(jī)構(gòu)檢測的原理，闡述了由于晶圓彎曲對檢測過程影響。然后把晶圓抽象為一個密度不等的梁，計(jì)算出其在重力作用下產(chǎn)生的撓度，并把兩測量點(diǎn)之間的最大撓度與晶圓的實(shí)際厚度的和作為晶圓的計(jì)算厚度，解決了晶圓變彎對檢測過程的影響，使檢測的精度得到改善。

晶圓盒自動開蓋機(jī)構(gòu)；Mapping；晶圓；撓度

0 引言

在晶圓制作和封裝測試過程中Load Port是晶圓傳送必不可少的設(shè)備。Load Port可以自動打開晶圓盒（Cassette）的蓋子并對其內(nèi)晶圓的厚度及位置進(jìn)行檢測。現(xiàn)在主流晶圓直徑有8inch和12inch，現(xiàn)在又在研發(fā)18inch[1]。一方面，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展靠兩大輪子推動，一是不斷縮小芯片特征尺寸，二是不斷擴(kuò)大晶圓尺寸[2,3]。另一方面，封裝用的芯片厚度卻變得越來越薄[4,5]。而且使用傳統(tǒng)的金剛石切割法，晶圓越厚對劃片刀的損耗越大[6,7]。雖然有學(xué)者提出將薄晶圓之間以硅通孔垂直互連，實(shí)現(xiàn)高密度3D疊層封裝，以突破摩爾定律[8]。然而短期內(nèi)制作大而薄的晶圓依然是半導(dǎo)體發(fā)展的方向。對于小而厚的晶圓，當(dāng)把其放入晶圓槽內(nèi)時，幾乎沒有變形，而對于大而薄的晶圓，當(dāng)把其放入晶圓槽內(nèi)時，就會產(chǎn)生一定程度的變形。此時繼續(xù)傳統(tǒng)的檢測方式就會發(fā)生錯誤，所以有必要對現(xiàn)有的檢測原理進(jìn)行改進(jìn)。

假設(shè)晶圓盒只有兩邊有槽，那么晶圓放在晶圓槽上就如同一個簡支梁，通過測量可以得知兩槽邊緣之間的距離。另外在晶圓盒的下邊添加一個質(zhì)量傳感器，可以間接計(jì)算出單個晶圓的質(zhì)量。通過計(jì)算可求出晶圓的變形，在此變形的基礎(chǔ)上對晶圓的厚度進(jìn)行相應(yīng)的修正，從而達(dá)到檢測的要求。

1 檢測的原理

圖1是真實(shí)情況下晶圓放在晶圓盒中的位置。圖2是晶圓、晶圓槽以及兩檢測點(diǎn)O1、O2相對位置的簡略俯視圖。設(shè)兩晶圓槽之間的距離為L，兩檢測點(diǎn)O1、O2之間的距離為l。其中，O1、O2兩點(diǎn)代表固定于Load Port上的可在豎直方向上運(yùn)動的激光傳感器的發(fā)射端與接收端。在傳感器上下移動的過程中，激光會被晶圓遮擋產(chǎn)生激發(fā)信號。通過這一系列的間斷信號就可以知道哪些槽上有晶圓，晶圓的放置是否發(fā)生了錯位，以及是否產(chǎn)生了疊片等問題。實(shí)際生產(chǎn)中，若測量的厚度落在了晶圓實(shí)際厚度的50%～150%之間，則認(rèn)為正確。把這些位置數(shù)據(jù)傳遞給機(jī)械手的控制器就可以利用機(jī)械手完成晶圓的傳輸工作。

圖1 晶圓盒及晶圓

圖2 晶圓、晶圓槽及檢測點(diǎn)相對位置俯視圖

2 問題描述

圖3為較薄晶圓在晶圓盒中的對位置的簡略圖。從圖中我們可以看出晶圓出現(xiàn)了一定程度的變形，若此時還按照原來的測量方法，則檢測出的結(jié)果與實(shí)際情況有很大的出入，會被誤認(rèn)為產(chǎn)生了疊片。因?yàn)榇藭r通過激光傳感器測出的厚度已經(jīng)不是晶圓的實(shí)際厚度d,而是晶圓的厚度d與晶圓在O1、O2之間產(chǎn)生的最大撓度w之和D。因此，應(yīng)該以（D-0.5d，D+0.5d）作為判斷晶圓厚度的正確區(qū)間。于是解決問題的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確求出在重力影響下晶圓在O1、O2兩點(diǎn)之間的最大撓度w。

圖3 較薄晶圓在晶圓盒中的狀態(tài)

3 解決方案

3.1 把晶圓抽象為一個變線密度的梁

當(dāng)晶圓發(fā)生彎曲時，晶圓與槽的接觸實(shí)際為線接觸。所以可以把晶圓抽象為一個線密度不等的簡支梁如圖4所示。再建立如圖5所示的坐標(biāo)系。已知晶圓是一個厚度、密度均勻的圓板，通過積分可以求出晶圓在x方向上的線密度[9]。

圖4 晶圓抽象為變密度梁

圖5 晶圓線密度微分圖

微分關(guān)系式：

積分后的結(jié)果：

式中，ρ(x)為晶圓在x方向上的線密度，ρ0為晶圓的密度，d為晶圓的厚度，R為晶圓的半徑。

3.2 計(jì)算晶圓盒對晶圓的作用力

如圖6R所示，把槽對晶圓的力F1、F2分解為水平方向上的力P1、P2和豎直方向上的力N1、N2根據(jù)力的平衡可知水平分力P1、P2大小相等方向相反，而豎直分力N1、N2之和等于重力G，又由于受力是對稱的，所以N1、N2必大小相等，方向相同。

圖6 晶圓受力示意圖

水平方向：

豎直方向：

由對稱性：

3.3 計(jì)算晶圓所受彎矩

由3.1節(jié)可知晶圓的線密度是從兩邊到中間逐漸增加的，所以其受到的是從兩邊到中間遞增的分布力。圖7是晶圓在豎直方向上的受力圖，b、c為兩個晶圓槽的邊緣。

圖7 晶圓豎直方向受力圖

圖8 截面法受力圖

由于激光傳感器兩端O1、O2處在bc段，所以只需要計(jì)算bc段的彎矩。應(yīng)用截面法，并取截面左側(cè)（如圖7所示）。由左端梁的平衡方程[10]：

得：

3.4 計(jì)算晶圓的撓度

梁的撓曲線近似微分方程為[11]：

式中，ω(x)′為撓度的二階微分，M(x)為梁所受到的彎矩，E為晶圓的彈性模量[12]，Iz為截面對中性軸的慣性矩。

由3.3節(jié)可以求得彎矩M(z)，Iz的計(jì)算如下：

圖9 晶圓截面圖

然后，對式(9)進(jìn)行兩次積分，并利用邊界條件b、c兩點(diǎn)的撓度為零，可以求出撓度的表達(dá)式：

即：

4 結(jié)果分析

通過上面的方法可以求出bc段任意一點(diǎn)的撓度，進(jìn)而求出O1、O2兩點(diǎn)之間的最大撓度w。

計(jì)算厚度D：

當(dāng)檢測的結(jié)果落在區(qū)間左側(cè)時：若d對D的貢獻(xiàn)率大于w則考慮是較薄晶圓，若w對D的貢獻(xiàn)率大于d則考慮是較厚晶圓。

當(dāng)檢測的結(jié)果落在區(qū)間右側(cè)時：若w對D的貢獻(xiàn)率較大考慮是晶圓較薄造成的，另外也有可能發(fā)生了疊片或者晶圓的放置發(fā)生了錯位。

應(yīng)當(dāng)說明的是，晶圓的變形不能太大，否則將無法檢測。如圖10所示，當(dāng)檢測光源經(jīng)過第18層的晶圓時就會立即被第19層的晶圓遮擋，使傳感器產(chǎn)生連續(xù)的信號，這樣就無法識別晶圓盒內(nèi)的晶圓放置是否有誤，同時對機(jī)械手的傳送也造成了很大的干擾。此時就必須采用其他的檢測方式，或者改進(jìn)晶圓盒的結(jié)構(gòu)，如在晶圓下面設(shè)置支撐，同時給機(jī)械手留出足夠的工作空間。

圖10 撓度過大時的晶圓狀態(tài)

5 結(jié)論

晶圓盒自動開該機(jī)構(gòu)是晶圓制造及封裝測試過程中的核心設(shè)備之一。文章闡述的改進(jìn)方法可以使Load Port滿足更多品類的晶圓的檢測，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用的目的。本文闡述的方法更多的是對算法的改進(jìn)，不僅節(jié)約了成本而且提高了使用效率。然而此方法的不足在于當(dāng)晶圓過薄變形過大時，無法完成檢測的要求。應(yīng)該考慮使用其他的解決方法。

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Research on mapping of load port

LIU Jin-song1,2, ZHU Zhi-qiang1, SHI Wei2

TP23

A

1009-0134(2017)04-0066-04

2016-12-23

上海市科學(xué)技術(shù)委員會項(xiàng)目（16DZ1121003）

劉勁松（1968 -），男，哈爾濱人，教授，博士，研究方向?yàn)楦叨税雽?dǎo)體芯片制造裝備、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用、系統(tǒng)集成和機(jī)電一體化裝備設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。