一种晶圆的预对准方法及其边缘检测装置

技术领域

本发明实施例涉及芯片检测预处理技术领域，尤其涉及一种晶圆的预对准方法及其边缘检测装置。

背景技术

晶圆是具有单晶结构的晶圆片，不同的晶圆晶体方向具有不同的化学、电学和物理特性，因此，晶圆均要求具有特定的晶体方向，离子注入、光刻等工艺均以晶体方向作为参考，半导体设备对晶圆进行刻蚀和测量前，均需要对晶圆方向进行定位。晶圆具有缺口或切边作为晶体方向的可见参考，半导体设备通过识别晶圆的缺口或切边，将晶圆以特定角度传输到精密移动平台进行加工和测量。随着半导体工艺进入纳米级别，其对半导体设备的精确度要求越来越高，为实现高速自动化生产和测量，在对晶圆进行加工和测量前，普遍采用晶圆预对准机对晶圆进行预对准，减小传输误差，如光刻机、套刻测量仪、应力测量仪、扫描电子显微镜等，预对准机的性能直接影响半导体设备的加工测量精度和生产效率。

预对准机的晶圆预对准主要包括晶圆方向定位和晶圆圆心定位，目前预对准机普遍采用线阵型CCD或光纤传感器阵列进行晶圆边缘检测，线阵型CCD传感器包含了传感器、高速数据处理单元、发光控制单元、光路组件等，体积较大，价格昂贵。光纤传感器阵列对每个传感器的安装布局要求极为严格，安装直径往往需要恰好与被测晶圆直径相当，且对晶圆方向的检测需要传感器特殊布局，这对结构组装、运输带来极大挑战，且无法支撑多种尺寸晶圆的预对准。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种预对准方法及其边缘检测装置，适用于狭小空间的晶圆边缘检测装置及其预对准方法，在有限空间内完成晶圆的边缘信息采集，可以降低对组装的精度要求，利用移动平台实现晶圆的预对准操作。

第一方面，本申请提供了一种晶圆的预对准方法，采用晶圆的边缘检测装置对晶圆预对准，所述边缘检测装置包括控制模块、检测模块和移动平台；所述控制模块分别与所述检测模块和所述移动平台电连接；所述检测模块包括发光侧和受光侧，所述发光侧和所述受光侧相对设置且两者之间形成凹槽；所述控制方法包括：

控制所述移动平台移动晶圆的边缘深入所述检测模块的凹槽内；

旋转所述晶圆一周，获得各旋转角度对应的所述晶圆的边缘在所述检测模块上的遮挡距离；

根据各旋转角度对应的所述遮挡距离，计算所述晶圆的圆心与晶圆方向；

根据所述晶圆的圆心与晶圆方向，控制所述移动平台调整所述晶圆至预对准位置。

可选的，旋转所述晶圆一周，获得各旋转角度对应的所述晶圆的边缘在所述检测模块上的遮挡距离，包括：

按预设旋转角度旋转所述晶圆一周，依次获取所述晶圆的边缘在所述检测模块的凹槽内上的光电流信号；

对各旋转角度对应的所述检测模块输出的光电流信号进行预处理，计算晶圆边缘信号对应的遮挡电压；

根据各旋转角度对应的所述遮挡电压，分别计算与所述遮挡电压对应的晶圆在检测模块上的遮挡距离；

其中，所述检测模块上的光电流信号大小与所述晶圆的伸入距离为线性相关。

可选的，所述控制模块包括控制单元、恒流驱动单元、信号转换单元、第一采样单元、第二采样单元和差分放大单元；所述控制单元生成一对相反的LON频率信号和LOF频率信号；所述LON频率信号用于控制所述恒流驱动单元输出恒定驱动电流；

对检测模块输出的光电流信号进行预处理，计算晶圆边缘信号对应的遮挡电压，包括：

控制所述LON频率信号为高电平，所述LOF频率信号为低电平，所述第一采样单元采集所述检测模块发光时的第一电压信号；

控制所述LOF频率信号为高电平，所述LON频率信号为低电平，所述第二采样单元采集所述检测模块不发光时的第二电压信号；

控制所述差分放大单元对所述第一电压信号和所述第二电压信号相减并放大，获得晶圆边缘信号对应的遮挡电压。

可选的，旋转所述晶圆一周，获得各旋转角度对应的所述晶圆的边缘在所述检测模块上的遮挡距离，还包括：

当移动平台旋转中心与晶圆中心不重合，将所述晶圆的边缘在所述检测模块上的遮挡距离与所述移动平台旋转中心和晶圆中心之间的调整距离叠加，获得实际的晶圆边缘的遮挡距离。

可选的，根据所述晶圆的圆心与晶圆方向，控制所述移动平台调整所述晶圆至预对准位置，包括：

移动所述移动平台的旋转中心与所述晶圆的圆心重合；

旋转所述晶圆的晶圆方向至预设角度。

第二方面，本申请实施例还提供了一种晶圆的边缘检测装置，用于实施第一方面提供的所述的晶圆的预对准方法，所述边缘检测装置还包括上基板、下基板以及固定所述上基板和所述下基板的支撑柱；所述上基板设置通孔；

所述移动平台包括平移组件、旋转组件、升降组件、支撑组件和吸盘；

所述平移组件和所述升降组件组合用于驱动所述晶圆沿YZ轴方向运动，所述旋转组件用于驱动所述晶圆绕C轴旋转。

可选的，还包括电路板、电路板支架；所述电路板设置在所述电路板支架上，所述电路板支架固定在所述上基板上；

所述检测模块与所述电路板电连接，所述电路板与所述控制模块电连接。

可选的，所述检测模块采用微型光电传感器。

可选的，所述凹槽的宽度大于所述晶圆的厚度。

可选的，所述凹槽的深度范围在0～15mm。

综上，本申请实施例提供的晶圆的预对准方法，采用晶圆边缘检测装置，在有限空间内完成晶圆的边缘信息采集，利用采集的晶圆的边缘信息计算晶圆的圆心和晶圆方向，实现多种尺寸晶圆的预对准操作，提高了晶圆的预对准精度。

附图说明

图1是本申请提供的一种晶圆的边缘检测装置的示意图；

图2是图1中提供的一种晶圆的边缘检测装置的侧视图；

图3是图1中提供的一种晶圆的边缘检测装置的俯视图；

图4是本申请实施例提供的一种微型光电探测器的结构图；

图5是光电流大小与伸入距离的检测位置特性的测试图；

图6是本申请提供的一种晶圆的预对准方法的示意图；

图7是本申请实施例提供的晶圆移动方向的示意图；

图8是本申请实施例提供的晶圆旋转预设角度后的示意图；

图9是控制模块中电压处理电路的模块示意图；

图10是本申请实施例提供的晶圆的预对准方法的控制电路图。

其中，附图说明为：

1、控制模块；2、检测模块；3、移动平台；4、上基板；5、下基板；6、支撑柱；7、平移组件；8、旋转组件；9、升降组件；10、支撑组件；11、吸盘；12、电路板；13、电路板支架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在本发明中能进行各种修改和变化，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。因而，本发明意在覆盖落入所对应权利要求(要求保护的技术方案)及其等同物范围内的本发明的修改和变化。需要说明的是，本发明实施例所提供的实施方式，在不矛盾的情况下可以相互组合。

本发明鉴于现有技术中所存在的上述问题中的一个或多个而提出的一种巩膜镜。图1是本申请提供的一种晶圆的边缘检测装置的示意图，图2是图1中提供的一种晶圆的边缘检测装置的侧视图，图3是图1中提供的一种晶圆的边缘检测装置的俯视图。结合图1-图3所示，本申请实施例提供的晶圆的边缘检测装置包括控制模块1、检测模块2和移动平台3；控制模块1分别与检测模块2和移动平台3电连接；检测模块2包括发光侧L1和受光侧L2，发光侧L1和受光侧L2相对设置且两者之间形成凹槽；移动平台3用于支撑晶圆W和移动晶圆W的边缘至凹槽内；检测模块2用于检测晶圆W的边缘在检测模块2上的遮挡距离；控制模块1用于根据遮挡距离计算晶圆W的圆心与晶圆方向，移动平台3用于根据晶圆W的圆心与晶圆方向调节晶圆W至预对准位置。

具体的，参照图1-图3所示，晶圆的边缘检测装置由控制模块1、检测模块2和移动平台3组成。控制模块1可以是微处理器，例如中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其它通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Rray，FPGA)或者其它可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件，硬件部件或者其任意组合。

示例性的，检测模块2可以采用U型光电探测器，检测模块2由发光侧L1和受光侧L2组成，发光侧L1用于发射检测光线，受光侧L2用于接收透过晶圆W的光线。图4是本申请实施例提供的一种微型光电探测器的结构图，参照图4所示和表1所示：

表1为发光侧L1和受光侧L2的尺寸

其中，表1中的单位为cm:厘米；图4中的单位为mm:毫米，图5中的(a)图为微型光电探测器的俯视图，图5中的(b)图为微型光电探测器的侧视图，图5中的(c)图为(b)图中沿AA方向的截面图。本申请采用微小型传感器，替代体积大且复杂的CCD传感器，可以在狭小空间内使用。

工作时，移动平台3带动晶圆W的边缘伸入发光侧L1和受光侧L2中间的凹槽内，发光侧L1发光，受光侧L2检测光电流大小，控制模块1根据检测光电流大小判断晶圆的深入距离，即晶圆W的边缘在检测模块2上的遮挡距离。图5是光电流大小与伸入距离的检测位置特性的测试图，进一步结合图5所示，在检测中心±0.5mm范围内，受光侧L2检测到的光电流大小与晶圆边缘的伸入距离表现出线性关系。其中，图5中横坐标为晶圆边缘的伸入凹槽的距离d；图5中纵坐标为受光侧L2检测到的光电流大小。

可选的，凹槽的宽度大于晶圆W的厚度。

具体的，结合图5中(b)图所示，一般晶圆的厚度在0.8mm左右，可以设置发光侧L1和受光侧L2之间凹槽的宽度为5mm，从而保证晶圆W与检测模块2的上下安全距离。

进一步地，凹槽的深度范围在0～15mm，示例性的，可以设置凹槽的深度为12mm，以保证具有足够的晶圆伸缩安全距离。

在上述实施例的基础上，继续参照图2所示，晶圆的边缘检测装置还包括上基板4、下基板5以及固定上基板4和下基板5的支撑柱6；上基板4设置通孔；移动平台3包括平移组件7、旋转组件8、升降组件9、支撑组件10和吸盘11；平移组件7和升降组件9组合用于驱动晶圆W沿YZ轴方向运动，旋转组件8用于驱动晶圆W绕C轴旋转。

具体的，参照图2所示，平移组件3与旋转组件8机械连接，旋转组件8和升降组件9机械连接，升降组件9和吸盘11机械连接，支撑组件9设置在上基板4的通孔边缘，用于支撑晶圆W，吸盘11贯穿通孔，用于吸附晶圆W。控制模块1为控制盒，控制模块1分别与平移组件7、旋转组件8、升降组件9和吸盘11电连接，平移组件7可以带动晶圆W沿Y轴方向移动，升降组件9可以带动晶圆W沿Z方向移动，旋转组件8可以带动晶圆W绕C轴旋转。

在上述实施例的基础上，继续参照图2所示，晶圆的边缘检测装置还包括电路板12、电路板支架13；电路板12设置在电路板支架13上，电路板支架13固定在上基板4上，检测模块2与电路板12电连接，电路板12与控制模块1电连接。

具体的，参照图2所示，控制模块1通过电路板12控制检测模块2获取晶圆W的边缘在检测模块2上的遮挡距离。

本申请实施例提供的提供晶圆的边缘检测装置，可以减小检测装置的体积，适用于狭小空间的晶圆边缘检测，在有限空间内完成晶圆的边缘信息采集，并降低对组装的精度要求，可以支撑多种尺寸晶圆的预对准。

基于同一个发明构思，本发明实施例还提供了一种晶圆的预对准方法，采用上述实施例提供的晶圆的边缘检测装置对晶圆进行预对准。图6是本申请提供的一种晶圆的预对准方法的示意图；图7是本申请实施例提供的晶圆移动方向的示意图；图8是本申请实施例提供的晶圆旋转预设角度后的示意图。结合图1-图7所示，本发明实施例提供的晶圆的预对准方法包括：

S101、控制晶圆的边缘深入检测模块的凹槽内。

具体的，参照图1-图3和图7所示，控制模块1控制移动平台3带动晶圆W由初始位置S0沿Y轴方向移动至检测位置S1，晶圆W的边缘深入检测模块2的凹槽内，标记深入检测模块2的凹槽内晶圆W的边缘为检测位置S11。

S102、旋转晶圆一周，获得各旋转角度对应的晶圆的边缘在检测模块上的遮挡距离。

具体的，参考图2所示，控制模块1控制检测模块2的发光侧发光，受光侧L2检测光电流大小，结合图5所示，控制模块1检测光电流大小，并根据控制模块1计算晶圆W在检测位置S12的深入距离，即晶圆W的边缘在检测模块2上的遮挡距离d1。

参照图8所示，控制模块1控制移动平台3带动晶圆W绕C轴旋转预设角度α，晶圆W旋转至检测位置S12，控制模块1控制检测模块2的发光侧发光，受光侧L2检测光电流大小，结合图5所示，控制模块1检测光电流大小，并根据控制模块1计算晶圆W在检测位置S12的深入距离，即晶圆W的边缘在检测模块2上的遮挡距离d2。

依此类推，控制模块1控制移动平台3带动晶圆W绕C轴旋转一周，获得各旋转角度α对应的晶圆W的边缘的检测位置在检测模块2上的遮挡距离。

示例性的，α为36°，晶圆W绕C轴旋转9次后，依次获得各旋转角度α对应的晶圆W的边缘的检测位置在检测模块上的遮挡距离为d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8、d9、d10。

S103、根据各旋转角度对应的遮挡距离，计算晶圆的圆心与晶圆方向。

具体的，采用三点法、矩阵拟合法、最小二乘圆拟合法等方法，对获取的遮挡距离d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8、d9、d10进行算法运算，求出晶圆的圆心与晶圆方向。示例性的，本申请实施例中的晶圆方向采用晶圆缺口方向进行标记，如图2所示中虚线圈M中缺口所示。

S104、根据晶圆的圆心与晶圆方向，控制移动平台调整晶圆至预对准位置。

具体的，控制模块1控制移动平台3带动晶圆W移动，将晶圆W的圆心与移动平台3的中心对准，晶圆方向朝向Y轴方向，以便下一道晶圆制备程序中机械手臂抓取晶圆。

综上，本申请实施例提供的晶圆的预对准方法，采用晶圆边缘检测装置，在有限空间内完成晶圆的边缘信息，利用采集的晶圆的边缘信息计算晶圆的圆心和晶圆方向，实现多种尺寸晶圆的预对准操作，提高了晶圆的预对准精度。

在上述实施例的基础上，在步骤S102中，遮挡距离的计算方法如下：

步骤S1、按预设旋转角度旋转晶圆一周，依次获取晶圆的边缘在凹槽内检测模块2上的光电流信号。

具体的，继续结合图1-图3、图7-图8所示，控制模块1控制移动平台3带动晶圆W按预设旋转角度α绕C轴旋转一周，检测模块2依次获得各旋转角度α对应的晶圆W的边缘的检测位置在凹槽内上的光电流信号。

步骤S2、分别对检测模块输出的各旋转角度对应的光电流信号进行预处理，计算晶圆边缘信号对应的遮挡电压。其中，晶圆边缘信号为晶圆的边缘的检测位置在凹槽内上的光电流信号。

具体的，控制模块1对边缘信号提取、信号转换后，得到各旋转角度对应的光电流信号对应的遮挡电压。

步骤S3、根据各旋转角度对应的遮挡电压，分别计算与遮挡电压对应的晶圆在检测模块上的遮挡距离。

其中，检测模块2上的光电流信号大小与晶圆W的伸入距离为线性相关。

进一步地，遮挡电压大小与晶圆W在检测模块上的遮挡距离满足预设关系，控制模块1将计算得到的信号遮挡电压信号转换后，分别得到各旋转角度对应的晶圆W在检测模块上遮挡距离d。

在步骤S102中，由于移动平台3旋转中心与晶圆W中心不重合，还需要对遮挡距离进行修正，具体的，对遮挡距离的修正方法如下：

当移动平台3旋转中心与晶圆W中心不重合，将晶圆W的边缘在检测模块2上的遮挡距离d

具体的，继续参照图1-图3、图7所示，控制模块1计算得到的晶圆边缘在传感器上的遮挡距离为d

在上述实施例的基础上，图9是控制模块中电压处理电路的模块示意图，图10是本申请实施例提供的晶圆的预对准方法的控制电路图。参考图9所示，控制模块1包括控制单元01、恒流驱动单元02、信号转换单元03、第一采样单元04、第二采样单元05和差分放大单元06；控制单元01生成一对相反的LON频率信号和LOF频率信号；LON频率信号用于控制恒流驱动单元02。恒流驱动单元02用于20mA恒流驱动，信号转换单元03用于实现电流信号转化为电压信号，第一采样单元04和第二采样单元05用于信号采集以及保持。其中，图10中控制单元01的灯控(LAMP Control)信号端子18与第一采样单元04的6号端子连接，用于传输LON频率信号(SM)；图10中控制单元01的灯控(LAMP comtrol)信号端子19与第二采样单元05的7号端子连接，用于传输LON频率信号(SM)；控制模块1还包括恒压单元07，示例性的，提供5V恒定电压。

一种可行的实施方式，步骤S2中，对检测模块2输出的光电流信号进行预处理，计算晶圆W边缘信号对应的遮挡电压，其中，遮挡电压的预处理方法如下：

步骤S21、控制LON频率信号为高电平，LOF频率信号为低电平，第一采样单元采集检测模块发光时的第一电压信号LON Sig。

步骤S22、控制LOF频率信号为高电平，LON频率信号为低电平，第二采样单元采集检测模块不发光时的第二电压信号LOF Sig。

步骤S23、控制差分放大单元对第一电压信号LON Sig和第二电压信号LOF Sig相减并放大，获得晶圆W边缘信号对应的遮挡电压。

具体的，参照图9和图10所示，控制单元01生成一对相反的LON、LOF的频率信号，其中，LON高电平时LOF为低电平，LON低电平时LOF为高电平。LON频率信号控制恒流驱动单元02，LON高电平时微型光电传感器的发光侧发光，低电平时微型光电传感器的发光侧关闭。

LON频率信号为高电平时，第一采样单元04进入采样模式，LON频率信号为低电平时，第一采样单元04进入保持模式。

LOF频率信号为高电平时，第二采样单元05进入采样模式，LOF频率信号为低电平时，第二采样单元05进入保持模式。

由此，第一采样单元04的输出为光电传感器发光时的第一电压信号LON Si g，第二采样单元05的输出为光电传感器不发光时的第二电压信号LOF Sig。差分放大单元06对上述两个信号进行相减并放大，由此可去掉传感器暗电流对结果的影响，从而降低环境中背景光、温度等因素的干扰。

在上述实施例的基础上，下面列举一个具体实施例，来说明本申请实施例采用附图1-图3所示的晶圆W的边缘检测装置，其中，检测模块2采用微型光电传感器，简称传感器，本申请实施例提供的晶圆W的预对准方法如下所示：

步骤S31、参照图2所示，传输手臂(图中未示出)将晶圆W放置在支撑柱6上后，吸盘11开启真空吸附，升降组件9的Z轴马达控制移动平台3上升，托起并吸附晶圆W。

步骤S32、结合图2和图7所示，平移组件7的Y轴马达带动晶圆W由初始位置S0向传感器移动，传感器被遮挡至光轴中心位置S1时停止。

步骤S33、结合图2和图8所示，传感器检测范围为±0.5mm，旋转组件8带动晶圆W绕C轴旋转预设角度α，在移动平台3旋转中心与晶圆W中心不重合时，晶圆W边缘在传感器处的遮挡位置会发生前后变化。

步骤S34、在晶圆W边缘将要超出传感器检测范围时，控制平移组件7的Y轴马达移动调整，将晶圆W边缘移动至传感器的光轴中心位置。

步骤S35、控制模块1检测和计算晶圆W边缘在传感器上的遮挡距离d

步骤S36、晶圆W绕C轴旋转一周后，得到各旋转角度对应的晶圆W边缘的遮挡距离d

步骤S37、结合图2所示，控制旋转组件8绕C轴旋转，将晶圆W的边缘距离旋转中心C最近的位置旋转至Y轴方向，此时晶圆W的圆心处于Y轴上。

步骤S38、控制吸盘11释放真空吸附，升降组件9的Z轴马达下降，将晶圆W放置到支撑柱6上。

步骤S39、平移组件7的Y轴马达带动旋转组件8的旋转中心C移动至晶圆W的圆心，吸盘11开启真空吸附，升降组件9的Z轴马达上升托起晶圆W。

步骤S310、平移组件7的Y轴马达后退至起始位置S0，同时旋转组件8将晶圆W绕C轴旋转至预设角度。

步骤S311、控制吸盘11释放真空吸附，升降组件9的Z轴马达下降，将晶圆W放置到支撑柱6上，预对准结束，完成晶圆W的预对准。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互组合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。