CN100355055C - 硅晶圆预对准控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于计算机数值控制领域，特别涉及IC制造领域硅晶圆预对准的控制方法，包括：由硅晶圆的圆周采样、数据预处理、圆拟合和硅晶圆对心组成的硅晶圆定位方法；由缺口粗定位、缺口细采样、缺口拟合和将缺口中心旋转到指定的角度组成的缺口定位方法两部分。本发明可大大提高预对准精度。

Description

硅晶圆预对准控制方法

技术领域

本发明属于计算机控制技术领域，特别涉及IC制造领域硅晶圆预对准的控制方法。

背景技术

硅晶圆预对准控制是IC制造工艺中重要的环节之一。由于光刻机视野很小，因此在将硅晶圆传送到光刻机进行曝光之前，必须将硅晶圆进行预对准处理，使得传送到曝光台上硅晶圆的标记在光刻机的视野之内。具体来说，硅晶圆预对准控制的过程，就是通过一定的方法，使得硅晶圆的圆心在一定的范围之内，同时硅晶圆的缺口停留在指定的角度，即包含圆心定位和缺口检测两个主要过程。

实现上述过程所需的设备一般包含如下几个部分：光学探测器，用于采集硅晶圆的边缘以及缺口；一个旋转单元，用于带动硅晶圆转动；对心执行机构，用于将硅晶圆的圆心移到旋转单元的旋转中心。硅晶圆预对准主要采用机械式预对准和光学预对准或者两者混合的方法。US专利6932558号中采用机械结构实现硅晶圆的圆心定位。该设备有3个互成120度分布的滚轴，滚轴向内收缩运动推动硅晶圆，使之移动到指定的位置。并且通过滚轴的转动带动硅晶圆的旋转。关于硅晶圆圆心的定位，更多的是采用光学测量，然后通过机械设备进行定位的方式。采用光学定位硅晶圆圆心的方式有很多种，如US专利4880384号中采用一个线阵CCD检测硅晶圆边缘。旋转硅晶圆，检测最大值，并将最大值旋转到线阵CCD方向后移动硅晶圆到圆心处。重复旋转，检测最大值，移动硅晶圆，直到圆心在特定范围之内。该方法假定硅晶圆半径大小已知，圆心定位的精度和效率很低。US专利4887904号中采用4对探测器检测硅晶圆的边缘，间隔90度均匀分布，同时还需要另外一个探测器检测缺口的位置。另外，US专利5194743号中，采用3对点阵探测器检测硅晶圆的边缘，一对线阵探测器检测切边。US专利5258832号中，两个点阵探测器用于定位圆心，另外一个线阵探测器用于检测切边。

硅晶圆缺口一般采用光学探测器进行检测。简单的方法，可以通过硅晶圆圆心定位之后，通过细采样检测最小值采样点，如US专利4880384号中。虽然该方法用来检测切边，但是同样适用于缺口的检测。该方法的不足之处是采样密度的大小对缺口(或者切边)的影响很大，采样密度越高，缺口检测越精确，时间和空间复杂性也越高。US专利4752898号中首先拟合一段余弦曲线，然后和真实采样曲线求差分，得到切边初始位置。该方法也能十分有效地适用于缺口的初步寻找。然而该专利中关于切边位置的修正，只利用了初始位置相邻的两个点进行计算，受采样点精度的影响。US专利6275742提出了互相关方法求解缺口的位置，但是该方法的不足之处在于需要一个已知的缺口图形与采样得到的数据进行比较。不同硅晶圆的缺口数据可能具有差异性。US专利5438209中提出了一种很好的解决思想。文中的方法适用于“V”形缺口，通过缺口上的若干采样点，计算“V”形缺口的两条直线，其交点即为“V”形缺口的中间位置。其不足之处在于直线的计算，分别仅利用了2个点，同样受采样精度的影响。

上面一些关于硅晶圆圆心及缺口(切边)检测的方法存在如下的一些不足或者局限性：

1.机械式圆心对准由于接触滚轴与硅晶圆边缘接触，一方面可能污染硅晶圆，另一方面在定位时滚轴可能使得硅晶圆变形。

2.采用多个光学传感器，增加设备成本。

3.圆心和缺口(切边)检测的方法过于简单，精度不高。要么需要多次重复的操作，要么仅利用了离散的少数几个特殊的采样点，计算的精度受单个采样点误差的干扰很大，不能充分的利用全部的采样数据。

4.设备或者方法的局限性，不能适用当前IC工艺的需要，如仅适用于切边或者“V”形缺口的检测，不适用于圆弧缺口硅晶圆的检测。

发明内容

本发明的主要目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种硅晶圆预对准的控制方法。能够按照硅晶圆预对准精度和时间的要求，完成硅晶圆的圆心对准和缺口定位，可大大提高预对准精度。

本发明提出的硅晶圆预对准控制方法，包括光学探测器，用于采集硅晶圆的边缘以及缺口的数据；一个旋转单元，用于带动硅晶圆转动；对心执行机构，用于将硅晶圆的圆心移到旋转单元的旋转中心；所述光学探测器为单个CCD传感器，使该CCD传感器光束线阵方向通过旋转中心；该方法包括硅晶圆圆心定位、硅晶圆缺口定位两部分，其特征在于，

所述硅晶圆定位方法包括以下步骤：

11)：圆周采样：旋转单元带动硅晶圆旋转，CCD传感器采集硅晶圆旋转过程中的边缘数据，同时记录采样起始时刻的位置值；

12)数据预处理，剔除超出CCD测量范围的无效采样数据；

13)圆拟合：采用最小二乘圆算法拟合求得硅晶圆的半径以及圆心坐标；

14)硅晶圆对心：根据得到的硅晶圆的圆心坐标值，采用对心执行机构移动硅晶圆，将硅晶圆的圆心与旋转中心重合，以完成硅晶圆圆心的定位；

所述缺口定位方法包括以下步骤：

21)缺口粗定位：根据圆周采样数据，采用边缘变化率法检测硅晶圆缺口范围，边缘变化率最大的点为缺口中心的初始估计值，同时剔除缺口范围内的采样点；

22)缺口细采样：将硅晶圆的缺口旋转到CCD传感器的扫描线附近，对缺口进行小范围的细采样；

23)缺口拟合：根据缺口中心的初始估计值，采用最小二乘圆算法拟合缺口，得到缺口圆的圆心坐标，缺口圆心和旋转中心连线与硅晶圆边缘的交点，既为所寻找的缺口中心；

24)将缺口中心旋转到指定的角度，以完成硅晶圆的缺口定位。

本发明的特点和效果：

本发明通过单个CCD传感器检测硅晶圆的边缘以及缺口，通过较少的旋转和移动来实现硅晶圆的圆心和缺口定位。

本发明通过曲线拟合来计算硅晶圆的圆心以及缺口的中心位置。该方法不受单个采样数据误差的影响，能充分利用全部的采样数据，对测量误差有较强的抑制作用，能够大大提高圆心对准和缺口检测的精度。

本发明的方法对不同尺寸的硅晶圆均有效。通过调整CCD探测器到旋转中心的距离(约硅晶圆半径)，可以适用于不同尺寸的硅晶圆预对准。有很强的适用性。另外，对于含有切边的硅晶圆，只需要将缺口检测中缺口的最小二乘圆拟合修改成直线拟合，即可实现切边检测，并且切边中心为旋转中心到切边直线的垂足。

精度高：通过圆拟合算法和缺口检测算法，可以在同等测量器件精度条件下提高预对准的精度。如果测量器件的精度为σ，那么硅晶圆圆心的计算精度可达

其中N为采样总数。

简单易用：本发明不需预先知道硅晶圆的精确半径，在对不同规格的圆片定位时只需调整CCD的按装位置，即可进行圆心和缺口定位，操作使用方便。

本发明可以大大提高整个IC制造设备流水线的整体性能，提高IC生产的成品率，对IC装备的发展有重要的意义。

附图说明

图1为本发明方法采用的硅晶圆预对准设备实施例结构示意图。

图2为本发明方法的总体流程图。

图3为本发明对心前后缺口坐标变换示意图。

图4为本发明缺口圆拟合示意图。

具体实施方式

本发明的硅晶圆预对准控制方法结合实施例及附图详细说明如下：

本发明方法采用的硅晶圆预对准设备实施例结构如图1所示，其中，6为带缺口的硅晶圆(本实施例中采用8英寸(直径200mm)的硅晶圆)，2为旋转单元，可以绕Z轴旋转，顶端的圆形平台上带有凹槽，用于真空吸附硅晶圆；5为楔形台，通过在X方向上的移动，可以使得旋转单元2沿Z方向运动；3为对心单元，半圆形平台顶端也带有凹槽；4为水平导轨，对心单元3可以沿着水平导轨在X方向上移动；1为CCD探测器(本实施例中采用Keyence公司的线阵光源CCD LS-7010)。探测器的光束为一线阵光束，宽度约为7mm，探测器的安放位置距离旋转单元2的中心约一个硅晶圆半径的距离(约100mm)，且光束线阵方向通过旋转中心，使得硅晶圆的边缘尽可能在CCD探测器的测量范围之内。

采用上述硅晶圆预对准设备实施本发明方法的总体流程主要包括硅晶圆定位和缺口定位两个部分，如图2所示，分别详细说明如下：

本发明方法的硅晶圆定位流程，包括以下步骤：

(1)圆周采样：在图1所示的预对准设备中，设各个伺服电机的码盘值均为零，并使旋转单元2在最上方位置，对心单元在最左边位置。首先旋转单元通过真空吸附硅晶圆，然后旋转单元带动硅晶圆旋转450度。设置合适的采样频率和采样点数(采样点数和频率的设定取决于精度要求，CCD采样速率，控制单元的存储容量以及整个预对准的时间要求。本实例中选择采样频率为480/周)，使得采样的点数尽可能分布圆周一圈。之所以旋转硅晶圆一圈多一些，是考虑到旋转起始和结束时的加减速问题，因此并非旋转刚启动的时候采样数据，而是在旋转45度的时候开始采样，而在旋转结束前45度停止采样，使得采样数据尽可能均匀分布于圆周上。

(2)数据预处理：对于(1)中采样得到的数据，不能直接进行圆拟合。一方面，由于CCD探测器的测量范围有限，故要剔除CCD量程之外的数据，通过设置上限阈值和下限阈值(由于本例中CCD的最大测量值为7.13050，可设置上限阈值为7.13050，下限阈值为0)，即可剔除无效的采样数据；另一方面是对缺口的处理，因为圆拟合不能包含缺口数据，故缺口数据也要剔除掉。通过边缘变化率法即可找到硅晶圆缺口上的点。先将CCD探测器测量得到的数据l_i和旋转角度θ_i(可通过记录的电机码盘值求解)变换成直角坐标系下的圆周数据(x_i，y_i)，i＝1，2，...，N，N为总采样点数，对相邻的3个采样点计算夹角即为边缘变化率。由于硅晶圆边缘采样点的分布基本上比较均匀，故圆周上相邻3点的夹角大小差不多，而缺口上点的夹角则有较大的变化。设定合适的阈值(阈值采用经验的方法确定。本实施例中圆周采样为480，则相邻3点的夹角为π-2π/480，考虑到测量误差的影响，阈值可以设定为π-5*2π/480～π-10*2π/480。本实施例中的阈值设定为3.05弧度)，可以判断哪些点是缺口上的点。边缘变化率最大的点即为缺口中心的初始估计值，则记录该点的位置(由于CCD测量范围的限制，硅晶圆的缺口可能有部分或者全部在量程之外)。

(3)圆拟合。采用最小二乘圆算法，计算出硅晶圆的圆心坐标(d_x，d_y)以及硅晶圆的半径R。从而可以计算硅晶圆的偏心角度和偏心距离d。(其中， $d=\sqrt{{d_x}^2+{d_y}^2},$ 若d_y≥0，则＝acos(d_x/d)，若d_y＜0，则＝π+acos(d_x/d))最小二乘圆的基本思想，是找到这样的一个期望圆，使得采样的圆周上的点到期望圆的距离最小。

(4)硅晶圆对心。硅晶圆对心的目的是将硅晶圆的圆心移动到旋转中心处，方法如下：由于圆拟合已经计算了硅晶圆圆心的偏心角度和偏心大小，故首先旋转硅晶圆，将硅晶圆的圆心旋转到X轴正向处；然后移动楔形台4，使得旋转单元2下降，硅晶圆从旋转单元2切换到对心单元3上面；接着对心单元沿X轴负向移动d的距离；最后旋转单元2上升，硅晶圆从对心单元3切换到旋转单元2上面。此时，硅晶圆的圆心和旋转中心重合。

本发明方法的缺口定位的流程，包括以下步骤：

(1)缺口初定位：其目的是找到缺口中心的大致位置。如果在圆拟合过程中已经检测到缺口，则需要对缺口坐标进行变换，如图3所示。实心圆代表的硅晶圆已经将圆心转动到X轴方向，虚线代表的硅晶圆的圆心移动到旋转中心处。α为对心之前缺口与硅晶圆圆心的夹角，α′为对心之后缺口与硅晶圆圆心的夹角，l为对心之前缺口到旋转中心的测量值，则有 ${\mathrm{\α}}^{\′}=\arctan \left(\frac{l\cos \mathrm{\α}-d}{l\sin \mathrm{\α}}\right),$ 于是对心之后缺口的角度为

其中为圆拟合过程中计算得到的圆心偏心角度。否则表明在圆周采样过程中没有检测到缺口，故需要进行对缺口进行检测。旋转硅晶圆一周，同时记录采样数据和码盘值。采样密度不需要很高，每度1个采样点即可(由于硅晶圆缺口的张角约为2～3度，这样可以保证缺口上有2～3个采样点)。由于此时硅晶圆的圆心已和旋转中心重合，故只需要对所有的采样数据比较，距离旋转中心最小的采样点，即为缺口中心的初始估计值。

(2)缺口细采样：对硅晶圆的缺口进行细采样。由于硅晶圆的缺口张角约为2～3度，故可在缺口中心提前2度开始采样，本实施例采样范围可约为5度，使得采样点覆盖整个缺口部分。采样密度尽可能高一些，本实施例为400～500个采样点。

(3)缺口拟合：硅晶圆的缺口中心附近，可以看成是一段很小的圆弧(本实施例的直径大概3mm左右)，如图4所示。图中C(x，y)为缺口圆心，M(x，y)为缺口中心，R(x，y)为旋转中心。首先需要估计缺口圆弧部分的大小。如果缺口拟合的部分过多，则拟合出来的缺口圆可能不准确。缺口圆弧拟合范围的大小可以通过实验的方法来确定。可以先找到缺口中心的初始估计值，然后向前、向后各取若干个点作为拟合点，保证拟合点的范围在缺口中心1～2度范围内即可。采用最小二乘圆算法拟合缺口圆，得到缺口圆心的坐标。缺口圆心和旋转中心连线与硅晶圆边缘的交点，既为所寻找的缺口中心位置。

(4)最后将缺口中心旋转到指定的角度可以完成硅晶圆的缺口定位。

本实施例中精度位可达到2微米，定位时间为10秒。

Claims (1)

1、一种硅晶圆预对准控制方法，包括光学探测器，用于采集硅晶圆的边缘以及缺口的数据；一个旋转单元，用于带动硅晶圆转动；对心执行机构，用于将硅晶圆的圆心移到旋转单元的旋转中心；所述光学探测器为单个电荷耦合器件传感器，使该电荷耦合器件传感器光束线阵方向通过旋转中心；该方法包括硅晶圆圆心定位、硅晶圆缺口定位两部分，其特征在于，

所述硅晶圆圆心定位方法包括以下步骤：

11)圆周采样：旋转单元带动硅晶圆旋转，电荷耦合器件传感器采集硅晶圆旋转过程中的边缘数据，同时记录采样起始时刻的位置值；

12)数据预处理，剔除超出电荷耦合器件测量范围的无效采样数据及缺口数据；

13)圆拟合：采用最小二乘圆算法拟合求得硅晶圆的半径以及圆心坐标；

14)硅晶圆对心：根据得到的硅晶圆的圆心坐标值，采用对心执行机构移动硅晶圆，将硅晶圆的圆心与旋转中心重合，以完成硅晶圆圆心的定位；

所述硅晶圆缺口定位方法包括以下步骤：

21)缺口粗定位：根据圆周采样数据，采用边缘变化率法检测硅晶圆缺口范围，边缘变化率最大的点为缺口中心的初始估计值，同时剔除缺口范围内的采样点；

22)缺口细采样：将硅晶圆的缺口旋转到电荷耦合器件传感器的扫描线附近，对缺口进行小范围的细采样；

23)缺口拟合：根据缺口中心的初始估计值，采用最小二乘圆算法拟合缺口，得到缺口圆的圆心坐标，缺口圆心和旋转中心连线与硅晶圆边缘的交点，即为所寻找的缺口中心；

24)将缺口中心旋转到指定的角度，以完成硅晶圆的缺口定位。

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