半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的晶圓預(yù)對準系統(tǒng)綜述

耿克濤 劉長偉 陳勝華 王石磊

寧波潤華全芯微電子設(shè)備有限公司 浙江 寧波 315400

引言

半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中，需要確定晶圓的圓心坐標(biāo)。隨著半導(dǎo)體制造工藝的提升，對晶圓圓心坐標(biāo)的定位精度也不斷提高。因此，在制造環(huán)節(jié)中需要晶圓預(yù)對準系統(tǒng)對晶圓中心進行對準。伴隨著新技術(shù)的應(yīng)用，晶圓預(yù)對準系統(tǒng)從傳統(tǒng)的機械式不斷發(fā)展出基于視覺的晶圓預(yù)對準系統(tǒng)以及光電式晶圓預(yù)對準系統(tǒng)。

1 機械式晶圓預(yù)對準系統(tǒng)

機械式晶圓預(yù)對準結(jié)構(gòu)主要依靠機械結(jié)構(gòu)推擠晶圓的邊緣，實現(xiàn)晶圓對準。

圖1為夾持式機械預(yù)對準系統(tǒng)[1]，通過夾持氣缸兩側(cè)的輸出端分別連接對中塊，兩側(cè)的對中塊上分別均布有多個柱塞彈簧對中組件，實現(xiàn)對中央吸盤上的晶圓進行對中操作。

圖1 夾持式機械預(yù)對準系統(tǒng)

圖2為一種依靠滾珠運動推動晶圓邊緣對準的機械式預(yù)對準系統(tǒng)[2]。

圖2 滾軸式機械預(yù)對準系統(tǒng)

機械式對中結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是系統(tǒng)控制過程簡單、成本低；缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度差、易污染、易損傷。由于其精度較差，因此一般用于微米級設(shè)備中[3]。

2 基于視覺的晶圓預(yù)對準系統(tǒng)

圖像識別定位式：通過攝像頭對晶圓進行成像，然后捕捉晶圓外輪廓得到晶圓圓心。

基于視覺的晶圓對準系統(tǒng)[4]結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用大幅面紅外光源作為背光源，晶圓上方采用高分辨率相機鏡頭對晶圓進行圖像采集。在圖像中提取晶圓邊緣確定晶圓的中心。然后通過高精度二維微動平臺調(diào)整偏差，完成預(yù)對準操作。

圖3 基于視覺的晶圓對準系統(tǒng)

針對尺寸較大的晶圓，由于相機視野與系統(tǒng)體積的限制，會采用對晶圓邊緣逐次成像的方式進行預(yù)對準。如圖4為一種基于視覺尋邊的晶圓對準系統(tǒng)[5]。系統(tǒng)通過攝像頭采集晶圓邊緣圖像，首先根據(jù)采集到的晶圓圖像，通過二維傅里葉變換對晶圓圖像進行頻域提取，得到晶圓偏離角。然后，采用Canny邊緣檢測得到晶圓邊緣點坐標(biāo)，多次采樣后得到做個位置點坐標(biāo)；再采用最小二乘回歸法求出晶圓所在圓的中心坐標(biāo)與直徑。

圖4 基于視覺尋邊的晶圓對準系統(tǒng)

這樣，系統(tǒng)通過一種基于傅里葉變換和最小二乘回歸的晶圓位置預(yù)對準算法，實現(xiàn)晶圓的預(yù)對準。該算法能自動適應(yīng)二維空間中不同類型的晶圓。缺點是在確定晶圓偏離角時，需對晶圓圖像二維傅里葉變換進行頻域提取。因此對無圖案晶圓無法執(zhí)行。

3 光電式晶圓預(yù)對準系統(tǒng)

考慮到大部分半導(dǎo)體生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)對空間大小的限制以及預(yù)對準精度要求的提升等，空間需求更小、精度更高的光電式晶圓預(yù)對準系統(tǒng)逐漸成為主流。

光電式晶圓預(yù)對準系統(tǒng)的工作過程為：首先，通過電機帶動承載臺旋轉(zhuǎn)與晶圓旋轉(zhuǎn)，光學(xué)位置傳感器獲取不同旋轉(zhuǎn)角度下晶圓邊緣遮擋的長度，從而得到不同角度下晶圓邊緣到旋轉(zhuǎn)中心的半徑。

如圖5示意的一種光電式晶圓預(yù)對準系統(tǒng)[6]。

圖5 光電式晶圓預(yù)對準系統(tǒng)

然后，通過質(zhì)心法或最小二乘法等算法計算得到晶圓所在圓的圓心坐標(biāo)。

如圖6所示，為美國Genmark公司的光電式晶圓預(yù)對準系統(tǒng)Stand Alone Pre-Aligner。

圖6 Genmark公司晶圓預(yù)對準裝置

最后，根據(jù)得到的圓心偏移情況，通過平移單元將晶圓調(diào)整至目標(biāo)位置。

圖7 不同平移單元的晶圓預(yù)對準裝置

如圖7所示，不同平移單元組成的晶圓預(yù)對準裝置示意圖。因此，根據(jù)平移單元的結(jié)構(gòu)不同，可以將光電式晶圓預(yù)對準系統(tǒng)，分為X-Y-Z-θ四自由度、Y-Z-θ三自由度式、X-Y-θ三自由度式/θ單自由度式四種[7]。

4 結(jié)束語

本文對現(xiàn)有晶圓預(yù)對準系統(tǒng)進行回顧，總結(jié)了常見的三大類預(yù)對準系統(tǒng)的工作原理、應(yīng)用場景與優(yōu)缺點。目前，隨著半導(dǎo)體加工工藝的發(fā)展，晶圓預(yù)對準系統(tǒng)仍在不斷發(fā)展迭代。相信未來伴隨著新技術(shù)、新工藝的加入，體積更小、使用更方便、精度更高、速度更快的晶圓預(yù)對準系統(tǒng)會不斷出現(xiàn)。