晶圆定位、定向方法及其晶圆边缘检测装置

技术领域

本公开涉及位置检测的领域，尤其涉及晶圆定位、定向方法及其晶圆边缘检测装置。

背景技术

随着半导体制造工艺水平的不断提升，产线对制造设备的精度提出了更高的标准，同时也要求晶圆在加工设备中保持较高的位置精度。然而，晶圆被存放、搬运的过程中，势必会因误差的累积，导致其位置精度持续降低。因此，在进入光刻、切割等流程前，需要对晶圆的圆心及缺口方向进行检测，其准确性影响晶圆的良率而速度则影响产率。晶圆边缘位置采集、定位、定向是检测的主要步骤。常用的边缘位置采集方法为切边扫描识别。随后再利用算法进行定位及定向。传统的定位与定向方法为：采用最小二乘圆拟合法对晶圆进行定位与定向，其虽精度较高但是计算复杂度较高。在利用最小二乘圆拟合法拟合晶圆边缘时，需要将大量的边缘数据转化为相对于转轴坐标系的直角坐标再进行拟合。数据转化过程费时，使得计算效率降低。

本发明将提供一种晶圆定位、定向方法，旨在直接对晶圆的角度和距离数据进行拟合计算，避免将以上数据转化为相对于转轴坐标系的直角坐标。相较于最小二乘圆拟合法能够提高晶圆定位的计算效率，且不损失精度。

发明内容

本公开提供了一种晶圆定位、定向方法，用于至少部分解决现有技术中采用最小二乘圆拟合法进行晶圆定位时，需要先行计算晶圆边缘各点在转轴坐标系下的直角坐标，从而导致的计算效率低的问题。

基于此，本公开提供一种晶圆定位、定向方法，包括：S1，转台带动晶圆转动并对转动角度θ

根据本公开的实施例，S2中根据距离差值最大值d

根据本公开的实施例，若|p-q|＞2m+1，则将晶圆在[缺口张角,360°-缺口张角]区间范围内随机转动一个角度后，再重新进行步骤S1。

根据本公开的实施例，S3中，根据去除晶圆缺口位置的(θ

去除晶圆缺口位置后的(θ

A＝(X

计算出晶圆圆心在转台坐标系下的坐标(a

根据本公开的实施例，S3中，根据缺口位置的(θ

缺口位置后的(θ

A1＝(X1

计算出缺口圆心在转台坐标系下的坐标(a

根据本公开的实施例，S4，根据晶圆圆心坐标(a

缺口在晶圆坐标系下相对于晶圆圆心的角度为：

本公开另一方面提供了一种晶圆边缘检测装置，包括：底板；转台，固定于底板的上方，用于带动晶圆转动，测量晶圆转动的角度；承片台，固定于转台的上方，用于装载晶圆；距离检测装置，固定于底板的上方，用于测量晶圆边缘与距离检测装置间的距离；检测装置采用如上所述的晶圆定位、定向方法进行晶圆缺口的定位。

根据本公开的实施例，转台包括转动体与安装在转动体内部的角度检测传感器，转动体中设有贯穿孔；优选地，转动体为中心设有通孔的DD马达，角度检测传感器为DD马达内部的编码器。

根据本公开的实施例，承片台平面设有连通的气道和围绕气道的密封墙，承片台中部设有贯穿孔，贯穿孔下固连有转动接头，转动接头另一端连接气管，转动接头及气管可插入到转台的贯穿孔中；气管的另一端从转台的贯穿孔另一端穿出。

根据本公开的实施例，距离检测装置包括测距仪和升降台，升降台固定于底板上，测距仪固定于升降台的升降部上。

根据本公开实施例提供的晶圆定位、定向方法，至少包括以下有益效果：

直接对晶圆边缘的位置数据进行拟合计算，避免了需要将位置数据转化为相对于转台坐标系的直角坐标再进行拟合，而导致的数据转化过程费时，造成计算效率低的问题；本晶圆定位、定向方法在保证了计算精度的情况下，提高了定位的效率。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了本公开实施例提供的晶圆定位、定向方法的流程图。

图2示意性示出了本公开实施例提供的晶圆边缘检测装置的示意图。

图3示意性示出了本公开实施例提供的晶圆边缘检测装置未装载晶圆时的示意图。

图4示意性示出了本公开实施例提供的承片台的结构示意图。

图5示意性示出了本公开实施例提供的承片台的正视图。

图6示意性示出了本公开实施例提供的晶圆定位、定向方法的原理图。

图7示意性示出了本公开实施例1提供的晶圆定位方法在不同标准差的高斯噪声与离群点比例的组合下，各自进行30次拟合后误差的标准差示意图。

图8示意性示出了最小二乘圆拟合法的晶圆定位方法(1730个边缘点)在不同标准差的高斯噪声与离群点比例的组合下，各自进行30次拟合后误差的标准差示意图。

图9示意性示出了本公开实施例2提供的晶圆边缘数据。

图10示意性示出了本公开实施例2提供的晶圆定位方法在不同标准差的高斯噪声与离群点比例的组合下拟合后误差的标准差示意图。

图11示意性示出了最小二乘圆拟合法的晶圆定位方法(3460个边缘点)在不同标准差的高斯噪声与离群点比例的组合下拟合后误差的标准差示意图。

图中，1-底板，2-转台，3-晶圆，4-距离检测装置，401-测距仪，402-升降台，5-承片台，6-转动接头，7-气管。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

本公开的目的在于提供一种晶圆定位、定向方法，通过测得晶圆边缘与距离检测装置的距离和对应的角度，初步确定晶圆缺口的位置；根据晶圆缺口位置数据和去除晶圆缺口的位置数据，分别计算缺口圆心和晶圆圆心在转台坐标系下的坐标；根据上述两个坐标，计算缺口在晶圆坐标系下的初始位置，从而根据晶圆缺口实现晶圆的定向；而晶圆圆心在转台坐标系下的坐标实现定位。该定位、定向方法直接利用晶圆边缘与距离检测装置的距离和对应的角度进行位置的拟合计算，在保证了定位、定向精度的情况下，提高了定位的效率。

图1示意性示出了本公开实施例提供的晶圆定位、定向方法的流程图。

如图1所示，该晶圆定位、定向方法例如可以包括操作S1～操作S4。

操作S1，转台2带动晶圆3转动并对转动角度θ

操作S2，根据距离差值最大值d

操作S3，根据去除晶圆缺口位置的(θ

操作S4，根据晶圆圆心坐标(a

图2示意性示出了本公开实施例提供的晶圆边缘检测装置的示意图。图3示意性示出了本公开实施例提供的晶圆边缘检测装置未装载晶圆时的示意图。

如图2所示，该晶圆边缘检测装置，包括：底板1；转台2，固定于底板1的上方，用于带动晶圆3转动，并测量晶圆3转动的角度；承片台5(参见图3)，固定于转台2的上方，用于装载晶圆3；距离检测装置4，固定于底板1的上方，用于测量晶圆3边缘与距离检测装置4间的距离；晶圆边缘检测装置采用如上所述的晶圆定位、定向方法进行晶圆缺口的定位。

转台2包括转动体与安装在转动体内部的角度检测传感器；转动体用于带动承片台5上方装载的晶圆3转动，角度检测传感器用于检测转动体转动的角度，即检测晶圆3转动的角度。转动体中部设有贯穿孔，承片台5的供气通路从该贯穿孔穿出后与外部气泵相连，后续结合承片台5结构对该贯穿孔做进一步介绍。转台2的转动体可以采用的DD马达或中空旋转台，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。在本公开的实施例中，转动体为中心设有通孔的DD马达，角度检测传感器为DD马达内部的编码器。在本公开的实施例中，转台2的底部与底板1通过螺栓固连、上平面与承片台5通过螺栓固连，该三者间也可以采用其他方式进行固连，这里不作限制。

距离检测装置4包括测距仪401和升降台402，升降台402固定于底板1上，测距仪401固定于升降台402的升降部上，在本公开的实施例中，升降台402的底座通过螺栓固定于底板1上，测距仪401通过螺栓固定于升降台402的升降部上；也可以采用其他方式进行底板1、升降台402和测距仪401的连接，这里不作限制。升降台402可带动测距仪401进行升降运动，以适应在对不同厚度的晶圆3进行距离检测时，测距仪401发出的信号能被晶圆边缘反射或者上平面遮挡。测距仪401采用如图2所示的激光测距仪或如图3所示的CCD激光测微仪。测距仪401分为激光发射装置和接收装置，图2中的激光测距仪进行距离检测时激光发射装置发出的激光被晶圆3反射后被接收装置接收，从而实现距离检测装置4与晶圆边缘的距离检测。图3中的CCD激光测微仪的激光发射装置发射一排激光，晶圆上平面会遮挡住一部分激光，此时接收装置接收到的一排激光长度就会减小，从而实现距离检测装置4与晶圆边缘的距离检测。

转台2与测距仪401在不同的实施例中可以相互组合为DD马达+激光测距仪、DD马达+CCD激光测微仪、中空旋转台+激光测距仪、中空旋转台+CCD激光测微仪的方案，此处不再赘述。

图4示意性示出了本公开实施例提供的承片台的结构示意图。图5示意性示出了本公开实施例提供的承片台的正视图。

如图4所示，承片台5平面设有连通的气道和围绕气道的密封墙，承片台5中部设有通孔。在承片台5吸附晶圆3时，设置在承片台5边缘的密封墙使承片台5与晶圆3之间的空间形成密闭空间，从而使承片台5与晶圆3之间的气体经过承片台5平面上相连通的气道从承片台5中部的通孔抽出。在本公开的实施例中，在密封墙的边缘加工有多个安装孔，该安装孔用于承片台5与转台的上平面通过螺栓进行连接。图4示出了气道的一种设置方式，该气道也可以采用其他结构形式，本公开不作限制。

如图5所示，在承片台5中间通孔下固连有转动接头6，转动接头6另一端连接气管7，转动接头6及气管7可插入到转台2的贯穿孔中；气管7的另一端从转台2的贯穿孔另一端穿出。转台2带动晶圆3转动时，转动接头6能使承片台5与晶圆3之间的气体顺利通过气管7被气泵抽出。转台2中的贯穿孔提供了转动接头6及气管7的放置空间。气管7的另一端从转台2的转动体的贯穿孔穿出后，末端接有电磁阀，电磁阀的另一端接有气泵，电磁阀用于抽气通道的通断和控制抽气速度，气泵用于通过气道、转动接头6、气管7抽取承片台5与晶圆3之间的气体。气泵被启动且电磁阀打开时，若将晶圆3放置于承片台5上，气道中的气体被抽出，晶圆3被吸附到承片台5上。

下面结合晶圆边缘检测装置对晶圆的定位、定向方法进行说明，使用该晶圆定位、定向方法，可以通过晶圆边缘位置，计算出缺口具有圆弧段的晶圆被放置到承片台时的初始位置，从而对晶圆进行定位、定向。

在本公开的实施例中，操作S2中根据距离差值最大值d

在P1两端各m个点作为缺口位置。m为缺口所占测量点数的二分之一并向下取整。晶圆3的缺口的圆弧段在晶圆上的张角为D°，晶圆圆周上采集的点数为n，那么缺口内的采集点数g为：

那么缺口内的采集点数g/2值向下取整，就得到m的值。

这里采用在获得距离突变位置后，先确定缺口底部位置，然后两端各向外延伸m个点来获取缺口的初步位置，而不是直接以距离突变位置间的晶圆边缘部分作为缺口，是因为不同制造工艺的晶圆缺口中的圆弧形状不尽相同，如有些缺口包括底部圆弧段和其两端的直线段，有的晶圆缺口为完整圆弧形。当缺口并非完全是圆弧形时，距离d

当晶圆上片时，初始检测位置正好位于晶圆缺口内时，第一个距离突变位置会在检测初期被检测到，另一个距离突变位置却在接近晶圆旋转一周的末期被检测到，此时先前的缺口初步定位方法就不适用了。为了仍能采用前述的方法进行缺口的初步定位，需要将初始检测位置移出晶圆缺口，即将晶圆随机转动[缺口张角,360°-缺口张角]区间范围内任一个角度后，再重新进行步骤S1。

图6示意性示出了本公开实施例提供的晶圆定位、定向方法的原理图。

根据本公开的实施例，S3中，根据去除晶圆缺口位置的(θ

去除晶圆缺口位置后的(θ

A＝(X

计算出晶圆圆心在转台坐标系下的坐标(a

以下，结合图6对晶圆圆心在在转台坐标系下的坐标(a

在晶圆搬运过程中晶圆3圆心O'点相对于转台中心O点的偏移距离为e一般小于2mm，而较为普遍使用的8寸晶圆半径为100mm、12寸晶圆半径为150mm。一般地，可以认为e＜＜r，且sin

Op

由于距离检测装置4相对于转台中心O的距离为l，因此，晶圆边缘到测距仪401的理论距离d

d

d

上式中，(l-r)、ecosβ、esinβ均为常数，设其分别为a

d

又由于ecosβ、esinβ分别为晶圆圆心在转台坐标系下的坐标值，因此，a

由于d′

令：

V＝[V

A＝[a

f＝[d

则模型可进一步地表示为：

V＝XA-Y

由最小二乘原理，优化模型可转化为：

f(A)＝||V||

则f(A)可进一步地表示为：

f(A)＝(XA-Y)

对A求导，令f(A)＝0，则有：

A＝(X

以此即可求解出a

根据本公开的实施例，S3中，根据缺口位置的(θ

缺口位置后的(θ

A1＝(X1

计算出缺口圆心在转台坐标系下的坐标(a

缺口拟合圆的误差方程可写为：

式中，V

方程可进一步地表示为：

V

式中，x

V1＝X1A1-Y1

式中：

V1＝[V

X1＝[1 2(l-d

Y1＝[-(l-d

由最小二乘原理，优化模型可转化为：

f(A1)＝||V1||

对A1求导，令f(A1)＝0，则有：

A1＝(X1

由此可计算得到A1，获得缺口的圆心位置(a

根据本公开的实施例，S4，根据晶圆圆心坐标(a

缺口在晶圆坐标系下相对于晶圆圆心的角度为：

在得到晶圆3的圆心和晶圆缺口的圆心在转台坐标系下的坐标，即同一坐标系下的坐标后，即可利用上述两个坐标值，计算出缺口初始位置，即缺口具有圆弧形部分的晶圆被放置到承片台时，缺口圆心在以晶圆圆心为中心点的晶圆坐标系下的角度值α，从而利用缺口对晶圆进行定向。由于(a

下面通过具体实施方式对本公开作进一步说明。在以下实施例中对上述晶圆定位、定向方法进行具体说明。但是，下述实施例仅用于对本公开进行例示，本公开的范围不限于此。

实施例1：

本公开的晶圆定位、定向方法，包括依次执行以下的步骤：

步骤1：转台2带动晶圆3转动一周，转台2在转动时实时检测晶圆3转动角度(θ

步骤2，将距离检测装置实时检测晶圆3距离自身的距离写作向量[d

步骤3，去除晶圆缺口位置后的数据为

步骤4，晶圆缺口数据为

步骤5，令晶圆缺口在初始位置时相对于晶圆圆心坐标系(以晶圆圆心为原点)的角度为α，

以此即可求对晶圆3的定向。

图7示意性示出了本公开实施例1提供的晶圆定位方法在不同标准差的高斯噪声与离群点比例的组合下，各自进行30次拟合后误差的标准差示意图。图8示意性示出了最小二乘圆拟合法的晶圆定位方法(1730个边缘点)在不同标准差的高斯噪声与离群点比例的组合下，各自进行30次拟合后误差的标准差示意图。

同时，为进一步说明步骤3提出的晶圆3圆心相对于转台轴心坐标轴的偏移量计算公式的优势，建立一个晶圆仿真模型，将晶圆仿真模型随机偏移转轴轴心一定距离和一定角度后，获取数量为1730的边缘点(θ

实施例2：

本公开的晶圆定向方法，包括依次执行以下的步骤：

步骤1：转台2带动晶圆3转动一周，转台2在转动时实时检测晶圆3转动角度(θ

图9示意性示出了本公开实施例提供的晶圆边缘数据。

步骤2，将距离检测装置实时检测晶圆3距离自身的距离写作向量[d

步骤3，去除晶圆缺口位置后的数据为

步骤4，晶圆缺口数据为

步骤5，令晶圆缺口在初始位置时相对于晶圆圆心坐标系(以晶圆圆心为原点)的角度为α，

以此即可求对晶圆3的定向。

图10示意性示出了本公开实施例2提供的晶圆定位方法在不同标准差的高斯噪声与离群点比例的组合下拟合后误差的标准差示意图。图11示意性示出了最小二乘圆拟合法的晶圆定位方法(3460个边缘点)在不同标准差的高斯噪声与离群点比例的组合下拟合后误差的标准差示意图。

同时，为进一步说明步骤3提出的晶圆3圆心相对于转台轴心坐标轴的偏移量计算公式的优势，将晶圆3随机偏移转轴轴心一定距离和一定角度后，在采集到的边缘点数量为3460的位置数据(θi，di)中加入高斯噪声(标准差σ∈[0mm,0.1mm])及少量离群点(比例∈[0,10％)，并重复仿真30次，获得30次晶圆拟合圆圆心的误差绝对值并计算标准差。结果如图10、11所示，可看出两者在拟合精度上性能相似。但基于步骤3的拟合方法平均计算时间为0.249ms，基于最小二乘圆拟合法的平均计算时间为0.347ms，基于步骤3的拟合法较最小二乘圆拟合法效率提高28.2％。

综上，本公开将采集的晶圆边缘的角度和距离信息直接用于晶圆的定位，避免了需要将位置数据转化为相对于转台坐标系的直角坐标再进行拟合来进行晶圆的定位，在保证计算精度的前提下，提高了晶圆定位和定向的效率，从而提高了整个晶圆加工过程的效率。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。