晶圓盒中晶圓位置檢測(cè)技術(shù)的研究

劉勁松，朱志強(qiáng)，時(shí) 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(dòng)化有限公司，上海 201114）

晶圓盒中晶圓位置檢測(cè)技術(shù)的研究

劉勁松1,2，朱志強(qiáng)1，時(shí) 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(dòng)化有限公司，上海 201114）

晶圓盒自動(dòng)開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)（Load Port）是半導(dǎo)體工業(yè)自動(dòng)化中的核心設(shè)備之一，晶圓盒（Cassette）中晶圓位置檢測(cè)（Mapping）過(guò)程的好壞直接決定了Load Port的優(yōu)劣。通過(guò)簡(jiǎn)要介紹晶圓自動(dòng)開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)檢測(cè)的原理，闡述了由于晶圓彎曲對(duì)檢測(cè)過(guò)程影響。然后把晶圓抽象為一個(gè)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(cè)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(duì)檢測(cè)過(guò)程的影響，使檢測(cè)的精度得到改善。

晶圓盒自動(dòng)開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)；Mapping；晶圓；撓度

0 引言

在晶圓制作和封裝測(cè)試過(guò)程中Load Port是晶圓傳送必不可少的設(shè)備。Load Port可以自動(dòng)打開(kāi)晶圓盒（Cassette）的蓋子并對(duì)其內(nèi)晶圓的厚度及位置進(jìn)行檢測(cè)?，F(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?jī)纱筝喿油苿?dòng)，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(lái)越薄[4,5]。而且使用傳統(tǒng)的金剛石切割法，晶圓越厚對(duì)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(duì)于小而厚的晶圓，當(dāng)把其放入晶圓槽內(nèi)時(shí)，幾乎沒(méi)有變形，而對(duì)于大而薄的晶圓，當(dāng)把其放入晶圓槽內(nèi)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一定程度的變形。此時(shí)繼續(xù)傳統(tǒng)的檢測(cè)方式就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，所以有必要對(duì)現(xiàn)有的檢測(cè)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(gè)簡(jiǎn)支梁，通過(guò)測(cè)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(gè)質(zhì)量傳感器，可以間接計(jì)算出單個(gè)晶圓的質(zhì)量。通過(guò)計(jì)算可求出晶圓的變形，在此變形的基礎(chǔ)上對(duì)晶圓的厚度進(jìn)行相應(yīng)的修正，從而達(dá)到檢測(cè)的要求。

1 檢測(cè)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(cè)點(diǎn)O1、O2相對(duì)位置的簡(jiǎn)略俯視圖。設(shè)兩晶圓槽之間的距離為L(zhǎng)，兩檢測(cè)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(dòng)的激光傳感器的發(fā)射端與接收端。在傳感器上下移動(dòng)的過(guò)程中，激光會(huì)被晶圓遮擋產(chǎn)生激發(fā)信號(hào)。通過(guò)這一系列的間斷信號(hào)就可以知道哪些槽上有晶圓，晶圓的放置是否發(fā)生了錯(cuò)位，以及是否產(chǎn)生了疊片等問(wèn)題。實(shí)際生產(chǎn)中，若測(cè)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(cè)點(diǎn)相對(duì)位置俯視圖

2 問(wèn)題描述

圖3為較薄晶圓在晶圓盒中的對(duì)位置的簡(jiǎn)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(shí)還按照原來(lái)的測(cè)量方法，則檢測(cè)出的結(jié)果與實(shí)際情況有很大的出入，會(huì)被誤認(rèn)為產(chǎn)生了疊片。因?yàn)榇藭r(shí)通過(guò)激光傳感器測(cè)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(wèn)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(gè)變線密度的梁

當(dāng)晶圓發(fā)生彎曲時(shí)，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(gè)線密度不等的簡(jiǎn)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(gè)厚度、密度均勻的圓板，通過(guò)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(duì)晶圓的作用力

如圖6R所示，把槽對(duì)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(duì)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(duì)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(gè)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(duì)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(duì)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(guò)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(cè)的結(jié)果落在區(qū)間左側(cè)時(shí)：若d對(duì)D的貢獻(xiàn)率大于w則考慮是較薄晶圓，若w對(duì)D的貢獻(xiàn)率大于d則考慮是較厚晶圓。

當(dāng)檢測(cè)的結(jié)果落在區(qū)間右側(cè)時(shí)：若w對(duì)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(cuò)位。

應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，晶圓的變形不能太大，否則將無(wú)法檢測(cè)。如圖10所示，當(dāng)檢測(cè)光源經(jīng)過(guò)第18層的晶圓時(shí)就會(huì)立即被第19層的晶圓遮擋，使傳感器產(chǎn)生連續(xù)的信號(hào)，這樣就無(wú)法識(shí)別晶圓盒內(nèi)的晶圓放置是否有誤，同時(shí)對(duì)機(jī)械手的傳送也造成了很大的干擾。此時(shí)就必須采用其他的檢測(cè)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(shí)給機(jī)械手留出足夠的工作空間。

圖10 撓度過(guò)大時(shí)的晶圓狀態(tài)

5 結(jié)論

晶圓盒自動(dòng)開(kāi)該機(jī)構(gòu)是晶圓制造及封裝測(cè)試過(guò)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(cè)，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(duì)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(guò)薄變形過(guò)大時(shí)，無(wú)法完成檢測(cè)的要求。應(yīng)該考慮使用其他的解決方法。

[1] 商海涵.中芯國(guó)際晶圓代工業(yè)務(wù)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型思考[D].復(fù)旦大學(xué),2009,40-43.

[2] 翁壽松.300mm晶圓芯片制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[J].半導(dǎo)體技術(shù),2004,01:27-29,55.

[3] 羽路.200mm、300mm和450mm晶圓及其生產(chǎn)線發(fā)展動(dòng)態(tài)[J].集成電路應(yīng)用,2005,03:1-2.

[4] 衣忠波,王欣,趙秀偉.晶圓減薄過(guò)程TTV調(diào)整技術(shù)研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2015,04:26-29.

[5] Van Borkulo J, Evertsen R, Hendriks R. Enabling technology in thin wafer dicing[J].ECS Transactions, 2009,18(1):837-842.

[6] 黃福民,謝小柱,魏昕,胡偉,苑學(xué)瑞.半導(dǎo)體晶圓激光切割新技術(shù)[J].激光技術(shù),2012,03:293-297.

[7] 江帆,CHEN Shang,冷永祥,HUANG Nan.Effect of Wafer Size on the Film Internal Stress Measurement by Wafer Curvature Method[J].Journal of Wuhan University of Technology (Materials Science),2016,01:93-99.

[8] 帥行天,張國(guó)平,鄧立波,孫蓉,李世瑋,汪正平.用于薄晶圓加工的臨時(shí)鍵合膠[J].集成技術(shù),2014,06:102-110.

[9] 王永亮.微分求積法和微分求積單元法——原理與應(yīng)用[D].南京航空航天大學(xué),2001:35-40.

[10] 文獻(xiàn)民,姜魯珍.材料力學(xué)梁彎曲理論在結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào),2016,01.

[11] 孫訓(xùn)方,方孝淑,關(guān)來(lái)泰.材料力學(xué).1[M].北京:高等教育出版社, 2009,7:158-160.

[12] M. A. Hopcroft, W. D. Nix, and T. W. Kenny, “What is the Young’s Modulus of Silicon?”[J].Journal of Microelectromechanical Systems,2010,19:229-238.

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(huì)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)。