（机械电子工程专业论文）硅片预对准系统的研制.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 硅片预对准系统是一类面向集成电路制造业，在硅片传输过程中，补偿硅片机器 人对硅片的定位误差，集机械、电子、光学、计算机等多学科于一体的，能够自动检测 并精确定位硅片几何中心以及切边( 或缺口) 位置的高精度对准装置。 本文在充分研究国内外各种硅片预对准系统的基础上，研制了一种光学硅片预对 准系统，它结构简单、成本低廉，具有较高的对准精度和一定的实用价值，能够完成对 3 0 0 n m n 大尺寸硅片的精确定位。论文首先提出了硅片预对准系统的总体设计方案和技术 指标，然后根据设计要求，分章介绍了硅片预对准系统机械本体的设计，驱动与气动系 统的设计，视觉系统的设计，以及控制系统的设计，最后对系统进行了误差分析。 在机械本体的设计中，采用滚珠螺杆花键的特殊传动形式，在一根轴上实现了旋 转和升降两个自由度的运动，使预对准系统的结构更加紧凑，并提高了系统的传动精度。 在驱动与气动系统的设计中，应用步进电机加细分驱动器的驱动方式，既满足了精度要 求，又提高了系统的性价比，运用直线步进电机作为水平对心单元的驱动部件，进一步 简化了机构。在视觉系统的设计中，采用线阵光源、柱面透镜和线阵图像传感器设计了 视觉系统的硬件平台，并进行了圆拟合算法的分析。在控制系统的设计中，选用p c + m p c 0 7 运动控制卡，搭建系统的运动控制平台，利用视觉处理系统实时转换并向p c 机传 输硅片的位置信息，控制步进电机转动，完成对硅片的精确定位。在系统的误差分析中， 分别对系统的机械加工误差、驱动及传动误差、气动交换误差和视觉检测误差进行了分 析计算，结果表明本文设计的硅片预对准系统可以达到各项技术指标的要求。 随着硅片直径的增大，由传输引起的硅片的定位误差，越来越难以满足加工工艺 精度不断提高的发展趋势，特别是在我国尚无同类产品研制成功的情况下，研制具有自 主知识产权的硅片预对准系统对推动我国i c 装备制造业的发展将具有重要意义。 关键词：硅片预对准：集成电路：步进电机驱动；控制系统；误差分析 硅片预对准系统的研制 t h ed e v e l o p m e n to fw a f e rp r e a l i g n e r a b s t r a c t t h ew a f e rp r e a l i g n e rf o ri n t e g r a t ec i r c u i t ( i c ) m a n u f a c t u r i n g , u s e df o rc o m p e n s a t i n gt h e l o c a t i o ne r r o ro fw a f e rh a n d l i n gr o b o ti nw a f e rh a n d l i n gs y s t e m ，i sas o r to fh i 曲- p r e c i s i o n a l i g n m e n td e v i c ei n t e g r a t e dw i t ht h es u b j e c t so fm e c h a n i c s ，e l e c t r o n i c s ，o p t i c sa n dc o m p u t e r s c i e n c e ，w h i c hc a nd e t e c ta n dl o c a t ea u t o m a t i c a l l yt h eg e o m e t r i c a lc e n t e ra n dt h en o t c ho rf i a t o ft h ew a f e ra c c u r a t e l y w i t hr e s p e c tt ot h ew a f e rp r e a l i g n e r ，b a s e do nt h es u r v e yo fc u r r e n ts t a t u s ，ak i n do f o p t i c a lw a f e rp r e a l i g n e rw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s t ，u p p e r a l i g n m e n tp r e c i s i o n ，p r a c t i c a l i t y i sd e v e l o p e d ，w h i c hc a na c c o m p l i s ht h eh i 曲- p r e c i s i o n a l i g n m e n to fw a f e rw i t ht h ed i m e n s i o no f3 0 0 m m f i r s t l y ，t h eg e n e r a ld e s i g ns c h e m ea n dt h e p e r f o r m a n c ei n d e x e so ft h ew a f e rp r e a l i g n e ra r ep r e s e n t e d t h e n ，a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s ，m e c h a n i c a lr l o u m e n o n ，d r i v i n ga n dp n e u m a t i cs y s t e md e s i g n ，v i s i o ns y s t e m d e s i g n a sw e l la st h ec o n t r o l s y s t e md e s i g n o ft h ew a f e rp r e a l i g n e ra r ei n t r o d u c e d r e s p e c t i v e l y f i n a l l y ，t h ee i t o ra n a l y s i so ft h ew a f e rp r e a l i g n e ri sp e r f o r m e d t h eb a l ls c r e ws p l i n ei su s e di nt h em e c h a n i c a ln o u m e n o nd e s i g na n dt h i ss t r u c t u r ec a n r e a l i z et h em o m e n t so ft w od e g r e eo ff r e e d o mi no n ea x i s w h i c hm a k e st h es t r u c t u r eo ft h e w a f e rp r e a l i g n e rm o r ec o m p a c ta n di n c r e a s e st h et r a n s m i s s i o np r e c i s i o no ft h es y s t e m i nt h e s e c t i o n so ft h ed r i v i n ga n dp n e u m a t i cs y s t e md e s i g n ，s t e pm o t o ra n dm i c r os t e pd r i v e ra r e s e l e c t e d ，w h i c hn o to n l ys a t i s f yt h ep r e c i s i o nr e q u e s t ，b u ta l s oi n c r e a s et h ep e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e ma n dr e d u c et h ec o s t ，l i n e a rs t e pm o t o ri su s e dt od r i v et h eh o r i z o n t a la l i g n m e n tc e l l ， w h i c hm a k e st h es t r u c t u r em o r es i m p l y i nt h ep a r to fv i s i o ns y s t e md e s i g n ，t h eh a r d w a r e p l a t f o r mi sc o m p o s e do fl i n e a ra r r a yl i g h t ，c y l i n d r i c a ll e n sa n dl i n e a ra r r a yi m a g es e n s o r ，t h e n t h ea l g o r i t h mo fc i r c l ef i t t i n gm e t h o di sc a r r i e do n ，i nt h es e c t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e md e s i g n ， p c + m p c 0 7i su s e da n dt h el o c a t i o ni si n f o r m e dt ot h ep ca c c o r d i n gt ot h ev i s i o ns y s t e ma n d c o n t r o lt h es t e pm o t o rt oa c c o m p l i s ht h ea c c u r a t el o c a t i o n i nt h es e c t i o no ft h ee r r o ra n a l y s i s ， m a c h i n i n ge r r o r ，d r i v ee r r o r ，p n e u m a t i ce x c h a n g ee r r o ra n dv i s i o nd e t e c t i n ge r r o ra r e c a l c u l a t e d ，a n dt h er e s u l t sp r o v et h a ta l lt h ei n d e x e ss a t i s f yt h ed e s i g nr e q u i r e m e n to ft h e w a f e rp r e a l i g n e r a l o n gw i t ht h ea c c r e t i o no fw a f e rd i a m e t e r ，t h ee r r o ro fl i n e a r i t ya n da n g l el o c a t i o n i n c r e a s e sc o n t i n u a l l yd u et ot h eh a n d l i n g p r o c e s s ，i ti s h a r dt o s a t i s f yt h ei n c r e a s eo f m a n u f a c t u r ep r e c i s i o n ，e s p e c i a l l yu n d e rt h ec i r c u m s t a n c et h a to u rc o u n t r ys of a rh a sn os u c h 虹n do fp r o d u c t i o n s oi ti ss i g n i f i c a n tt om a n u f a c t u r eak i n do fw a f e rp r e a l l g n e rw i t ht h e i i 大连理工大学硕士学位论文 p r o p r i e t a r y i n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i g h t s ，w h i c hm a yp r o m o t e t h e d e v e l o p m e n t o fi c m a n u f a c t u r i n go fo u rc o u n t r y k e yw o r d s ：w a f e rp r e a l i g m e n t ：i n t e g r a t ec i r c u i t ：s t e p p i n gm o t o rd r i v i n g ；c o n t r o l s y s t e m ：e r r o ra n a l y s i s 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特另l lj j d 以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：丝宝日期：迎6 ：! ! ：兰 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：叠兰宝 导师签名：! ：皇j 塑6 年j 羔月三里日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 论文的选题背景及来源 集成电路( i c ) 是电子信息产业的核心f 1 】，是推动国民经济和社会信息化发展的最 主要的高新技术之一。目前，以半导体集成电路为基础的电子信息产品的世界贸易额己 达到了1 万亿美元，成为世界第一大产业，谁控制了超大规模集成电路技术，谁就控制 了世界产业。 制造技术( 工艺) 的更新和更高性能l c 制造装备的研制是半导体产业发展的两个 重要因素，而制造装备又是实现工艺技术的载体【2 】，制造工艺的更新以更高性能i c 制造 装备的研制为基础和前提条件。所以，发展i c 产业要从研制适合于i c 生产要求的i c 装备入手，逐步实现i c 制造过程的机械化、自动化和智能化，以满足i c 制造工艺高精 度和高洁净度的要求。 2 0 世纪8 0 年代，特别是9 0 年代以后，i c 产业快速发展【3 】，机械自动化技术被引入 i c 制造过程。i c 产品的制造既离不开划片机、研磨机、抛光机、光刻机等单个工艺的 制造设备，又离不开实现硅片在i c 各个工艺之间传输和定位的硅片传输系统【4 1 。硅片传 输系统作为i c 生产线的高精度、高速度和高洁净的自动化传输设备，直接体现出整机 系统的自动化程度和可靠性。因此，用于这样环境的自动化传输系统已成为i c 制造装 备中的关键设备。 硅片预对准系统是硅片传输系统的重要组成部分。近年来，全球半导体业在两个因 素，即不断缩小特征尺寸和增大硅片直径的推动下沿着摩尔定律发展，其产量也逐年增 长。硅片的主流生产线由8 0 年代的o 即m 、6 m ，到9 0 年代的0 3 和m 、8 i n ，直至今天 的0 1 即m 、1 2 i n ，逐渐向0 o 靴m 、1 8 m 方向迈进。为了满足加工工艺的要求，保证成 品率，必须研制出对准精度更高、性能更加稳定可靠、成本更加低廉的硅片预对准系统， 因此，对硅片预对准系统的研究已经成为了半导体装备制造业的重要课题。 本课题来源于大连市科技计划项目“基于i c 制造装备中的硅片精密传输系统研究与 开发”( 2 0 0 4 a 1 g x 0 8 6 ) 和国家8 6 3 计划项目“掩膜管理系统和硅片处理系统研究”子课 题“掩膜管理和硅片处理的洁净分系统”( 2 0 0 4 a a 4 2 0 0 4 0 ) 。 硅片预对准系统的研制 1 2 硅片传输系统概述 1 2 1 硅片传输系统的分类 硅片机器人传输系统是一类面向集成电路制造业，综合利用机械、电子、光学、计 算机等技术，通过编程或示教的方式，在i c 制造的各个工艺模块问精确、快速地传输 并定位硅片的1 5 1 ，具有高精度、高洁净度和高可靠性的自动化传输系统。它针对i c 制造 的工艺精度和净化要求，借助工业机器人和自动化技术，在超洁净或真空环境中向各个 加工设备输送硅片。 目前，按工作环境的不同，硅片机器人传输系统可分为两类。一类是在超洁净环境 中应用的硅片机器人传输系统，其典型结构如图1 1 所示，它由r 口型硅片机器人、光 学预对准装置和机器人末端执行器校准装置等组成【“。它的一个完整的工作流程为： 硅片机器人将待加工的硅片从片盒中取出，送至预对准装置进行定位；硅片机器人将 定位好的硅片送入工艺设备中，进行相应的工艺处理；硅片机器人将已加工好的硅片 传送到已加工硅片的片盒中：对硅片机器人的末端执行器校准，硅片机器人回零。 图1 1 超洁净环境中的硅片机器人传输系统 f i g 1 1t h ew a f e rh a n d l i n gs y s t e mi nt h eu l t r ac l e a ne n v i r o n m e n t 另一类是在真空环境中应用的硅片机器人传输系统 r l ，其典型结构如图1 2 所示， 称为集束型( c l u s t e rt o o l s ) 硅片机器人传输系统，它由真空型硅片机器人和光学预对 准装置等组成。在这种传输系统中，几种工艺设备和硅片盒被放置于蛙腿式真空型硅片 大连理工大学硕士学位论文 机器人的周围，真空型硅片机器人通过路径规划，在真空环境中完成对硅片的定位和在 各个工艺之间的传输l 剐。这种结构形式的优点是：结构紧凑、效率高1 9 l 和污染小。 图1 2 真空环境中的集束型硅片机器人传输系统 f i g 1 2t h ec l u s t e rw a f e rh a n d l i n gs y s t e mi nt h ev a c u u me n v i r o n m e n t 1 2 2 硅片传输系统的现状及其发展 i c 产品的不断变化、工艺要求的不断提高和工业机器人技术的不断进步，促使了i c 制造业硅片传输系统的产生和发展。硅片的直径经历了3 个阶段，用于传输硅片的自动 化设备也随之经历了3 个阶段1 1 0 l ：小于2 0 0 m m 阶段、2 0 0 r a m 阶段和3 0 0 m m 阶段。 硅片直径小于2 0 g r a m 阶段时，由于硅片和片盒的尺寸相对较小，工艺特征尺寸相 对较大，要求的传输精度和洁净度都不高，允许用简单的机构实现硅片传输的半自动化。 这时，采用了镊子或真空棒来代替人手夹持或吸附硅片，采用步进电机驱动传送带和硅 片升降机构代替人工搬运硅片盒，在一定程度上减少了对硅片的污染，提高了硅片传输 过程中的可靠性。 在硅片直径2 0 0 r a m 阶段，国外半导体市场需求增大，为了提高半导体产业的生产 能力，满足高速度、高精度和高洁净度的工艺要求，8 0 年代后期，以硅片机器人和硅片 预对准系统为主要组成部分的硅片传输系统诞生了。从那时起，国外的一些大学、研究 所和半导体设备制造商便开展了针对2 0 0 r a m 硅片制程的硅片传输系统的研究，先后研 制出了用于超洁净环境中的硅片机器人传输系统和用于真空环境中的集束型硅片机器 人传输系统，并申请了一些专利l l ”。 硅片预对准系统的研制 目前3 0 0 m m 的硅片生产线已逐渐代替2 0 0 m m 的硅片生产线成为主流，到2 0 1 3 年 4 5 0 m m 、0 0 3 5 z m 特征尺寸的硅片也将投入生产。硅片的直径、重量的增加与制造工艺 的提高，使硅片传输系统不断朝着大尺寸、高洁净度、高速度、高精度和高稳定性的方 向发展。 由于我国的i c 产业起步较晚，半导体设备的研究和开发与国外相比有很大差距， 在面向i c 制造业的硅片传输系统的技术开发上开展的研究很少，只有大连理工大学、 哈尔滨工业大学、中科院沈阳自动化所等少数单位开展过这方面的研究。 1 3 硅片预对准系统概述 硅片预对准系统是一类面向集成电路制造业，在硅片传输系统中，补偿硅片机器人 对硅片的定位误差，集机械、电子、光学、计算机等多学科于一体的，能够自动检测并 精确定位硅片几何中心以及切边( 或缺口) 位置的高精度对准装置1 1 2 1 。 由于加工工艺对硅片定位精度的要求高于硅片机器人的传输精度，所以在对硅片 进行工艺处理之前，必须让硅片机器人先将硅片放置于预对准装置，补偿硅片机器人对 硅片的定位误差，然后再由硅片机器人将硅片传送到工艺台上。 硅片预对准的方法是对硅片机器人末端执行器上传输的硅片定位误差校正的一种 方法。随着硅片直径的增大，硅片重量不断增加，传输过程中越来越容易造成硅片机器 人末端执行器的振动，使传输的定位误差不断增大。这种误差很难满足硅片特征尺寸不 断减小的发展趋势，因此，硅片预对准系统及其方法的应用将十分广泛。 1 4 国内外硅片预对准系统的研究与发展现状 1 4 1 国外硅片预对准系统的研究及其发展现状 “一代设备，一代工艺，一代器件”，半导体设备每提升一个档次就会伴随着半导体 工艺提高一个等级，随着加工工艺尺寸由微米? 亚微米? 深亚微米? 纳米的变化，硅片 制造装备也实现了跨越式的发展，硅片预对准系统也不例外。在国外，自二十世纪八十 年代硅片预对准系统诞生起，先后经历了两个阶段：机械式预对准系统和光学预对准系 统。 机械式预对准系统是用复杂的机构直接接触硅片，使其被动定位，主要应用于传输 精度要求较低的微米级设备中1 1 3 】。在机械式预对准装置中，对硅片的切边探测和中心定 位是分开进行的【1 4 l ，其工作原理如图1 3 所示。首先，将硅片对心放于旋转台上，旋转 台真空吸附硅片，带动硅片转动，光源发光，传感器接收光信号，由于硅片的边缘挡住 了部分光源，所以当硅片的切边( 或缺口) 旋转至光源下方时，光源接收传感器接收到 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 的光信号强弱会产生变化，当接收到的光源能量最大时，即为硅片切边距离最大处。然 后，由硅片机器人将硅片传送到校准机构，对硅片进行中心定位。机械式预对准系统的 精度主要取决于机械设计制造精度和光电检测结构的精度，只能够满足0 3 5 微米以上的 设备。 图1 3 机械式预对准原理 f i g 1 3t h ep r i n c i p l eo fm e c h a n i c a lp r e a l i g n e r 图1 4 一种机械式预对准系统 f i g 1 4a m e c h a n i c a lp r e a l i g n e r 图1 4 为一种机械式预对准系统【1 5 】，在这种预对准系统中，环绕在硅片边缘的3 个定 位柱靠连杆和同步齿型带轮传动，使围绕在承片台周围的三个滚轴沿三个滑槽运动，推 挤硅片的边缘，实现硅片位置的对心。 机械式预对准系统的优点是：成本低、控制系统和算法简单。缺点是：由于是 机械机构直接接触硅片容易对硅片造成损伤；精度低，只能满足0 3 5 z m 以上的设 备，不能满足整机精度要求，只能说是对硅片的预定位，不是严格意义上的预对准； 工艺过程复杂，时间长；机构复杂。 近年来，随着计算机、光学等技术的飞速发展，对光学预对准系统的研究与开发已 经成为主流。光学预对准系统是用光学检测仪器配合简单的机构实现硅片的高精度定位 的，它集硅片的切边探测和中心定位于一体，由光学检测仪器检测、记录硅片的中心偏 硅片预对准系统的研制 移量以及切边或缺口的位置，并将其传送给系统的控制器，用简单的机构经过直线和旋 转运动实现硅片的定位。 文献1 6 1 9 介绍了几种光学定位切边的方法： ( 1 ) 光电传感器的定位法【1 6 1 图1 5 光电传感器定位法 f i g 1 6t h el o c a t i o nm e t h o db a s e d0 1 1o p t i c a l - e l e c t r i ct r a n s d u c e r 传统的硅片定位技术是采用光电传感器的检测来实现的，如图1 5 所示，电机带动 硅片旋转，由3 个光电传感器的发射端发光，由于光线被硅片遮挡，接收端无信号输出。 当硅片旋转到定位位置时，3 只传感器的接收端即可同时接收到发射信号，根据此信号 可控制电机停转，此时定位动作完成，从而较为准确地确定出硅片定位边的位置。但此 方法也存在一定缺点：3 只光电传感器的距离应小于硅片定位边的长度，在安装时必 须呈直线排列，而且对于不同的硅片进行定位时，硅片中心与3 只检测用光电传感器的 相对位置应有严格要求，如果此位置稍有偏差，将不能对硅片进行很好地定位：这 种方法不能对有定位槽的硅片进行定位i l ”。 ( 2 ) 图像识别的定位法 图1 6 图像识别定位法 f i g 1 6l o c a t i o nm e t h o db a s e do ni m a g er e c o g n i t i o n 一6 大连理t 大学硕七学位论文 采用图像识别的方法对硅片进行定位是一种较为先进的方法，如图1 6 所示。首先 对硅片的外形轮廓进行扫描后存储，作为对比的基准。在定位时，电机带动硅片旋转， 由摄像头对硅片的外形进行实时扫描，并将所得的信息通过计算机不断与存储的基准外 形对比，当两者相符时即可控制电机停转，从而确定出晶片定位边的位置。使用上述方 法可对硅片进行较为准确地定位，而且不必对硅片的位置严格要求，但由于采用的图像 识别系统技术复杂、成本高，使用时对环境也有一定要求，而且会大幅度增加设备成本， 其实用性有待进一步证实。 ( 3 ) 光线式传感器的定位法 图1 7 光电传感器定位法 f i g 1 7t h el o c a t i o nm e t h o db a s e do i ll u m i n o u sr a ys e n s o r 采用光线式传感器的定位法对硅片进行定位能够取得较好的效果，为现在国际上比 较通用的预对准系统的定位方法，如图1 7 所示，由硅片传输机器人将硅片置于真空吸 盘上，电机开始带动硅片慢速旋转，在旋转过程中，硅片边缘始终处于传感器2 8 m m 幅 宽的检测范围内，由于在硅片的定位边位置所测幅宽均大于硅片其它位置所测幅宽，我 们可以根据不同幅宽所对应的输出信号变化来确定定位边位置，对于有定位槽的硅片也 采用与上述相同检测方式。通过对传感器输出信号的采集和处理来精确控制电机，从而 对硅片进行准确定位1 1 8 - 1 们。 专利2 0 - - 2 2 介绍了几种光学预对准系统及其工作原理： ( 1 ) 带有x 、y 移动平台的光学预对准系统 图1 8 为同本富士通株式会社的一种带有x 、y 移动平台的预对准系统【捌，它由一 个x 、y 平台，一个o f 台，一个线阵c c d 、三个步进电机和一个蜗轮蜗杆传动机构组 成，其工作原理为：o f 台吸附硅片；o f 台旋转，c c d 检测硅片边缘，计算硅片几 何中心；c c d 发送信号给控制系统，由控制系统将信号传送到x 、y 电机控制器； x 、y 平台运动，硅片中心定位：o f 台旋转硅片，c c d 检测硅片切边或缺口位置， 硅片预对准系统的研制 记录旋转电机旋转步数；旋转电机带动o f 台旋转，硅片切边或缺口定位；结束 切边检测和与定位，硅片传输到下一工位。 图1 8 带有x ，y 移动平台的预对准系统 f i g 1 8t h ep r e a l i g n e rw i t ht h ex 、yt r a v e l l i n gp l a t f o r m 这种光学预对准系统精度虽然高于机械式预对准，但由于其传动机构复杂，且为x 、 y 平台带动整个o f 台运动，所以硅片的对准精度受到了系统机械加工和传动精度的影 响。其优点为：视觉检测算法相对简单，控制系统现对容易实现。 ( 2 ) 带有接片柱的光学预对准系统 带有接片柱的预对准系统的工作原理如图1 9 所裂2 “，它由一个o f 台，3 个接片柱、 一个线阵c c d ( 8 英寸) 或一个c c d 区域摄像头( 1 2 英寸) ，三个步进或伺服组成，其 工作原理为：o f 台吸附硅片；o f 台旋转，c c d 检测硅片边缘，计算硅片偏心量，并 将偏心量转化为与接片柱在同一直线上的位移量：o f 台下降，硅片落到接片柱上； c c d 发送信号给控制系统，由控制系统将信号传送到直线驱动电机控制器；接片 柱直线运动，硅片中心定位；o f 台上升，硅片落n o f 台上；o f 台旋转硅片，c c d 检测硅片切边或缺口位置，记录旋转电机旋转步数：旋转电机带动o f 台旋转，硅片 切边或缺口定位；结束切边检测和与定位，硅片传输到下一工位。 这种预对准系统对准精度高，响应时间快，对准时间短，但控制系统和算法都复杂 于机械式预对准系统和带有x 、y 移动平台的预对准系统。 8 一 大连理工大学硕士学位论文 图1 9 带有接片柱的预对准系统及其原理图 f i g 1 9t h ep r e a l i g n e ra n ds c h e m a t i cd i a g r a mw i t hs l i c el o a d i n gp o l e ( 3 ) 单轴旋转的光学预对准系统 单轴旋转的预对准系统的工作过程简单，如图1 1 0 所示【硐，它由一个o f 台，一个线 阵c c d ( 8 英寸) 或一个c c d 区域摄像头( 1 2 英寸) ，以及一个步进电机或伺服电机组 成。其工作原理为：o f 台吸附硅片；o f 台旋转，c c d 检测硅片边缘，计算并记录 硅片几何中心和硅片的切边或缺口的位置；旋转o f 台使硅片切边或缺口定位； c c d 发送信号给控制系统，由控制系统输送信号至硅片传输系统的控制系统；由硅片 传输机器人定位抓取硅片至下一工位。 这种预对准系统对准精度高，响应时间快，对准时间最短，机构最简单，但控制系 统和算法也最复杂，因为对准后要靠硅片传输机器人来完成对硅片的对心抓取，所以对 硅片传输机器人的定位精度要求也非常苛刻。 图1 1 0 单轴旋转的预对准机构 f i g 1 1 0t h ep r e a l i g n e rm e c h a n i s mw i t hs i n g l e - a x i sr o t a t i o n 9 一 硅片预对准系统的研制 几种国外硅片预对准系统的产品及其技术指标： 图1 1 1 为r o r z e 公司的r a 3 1 0 硅片预对准系统i 矧，它有x 、z 、一三个自由度 可以实现硅片偏心量在3 m m 以内的精确定位。 图1 1 1r o r z er a 3 1 0 硅片预对准系统 f i g 1 1 1t h ep r e a l i g n e rs y s t e mo fr o r z er a 3 1 0 k e n s i n g t o n 公司生产的e x t e r n a l 硅片预对准系统，如图1 1 2 所示，它只有一个 对准轴，在保证洁净度、精度和可靠性的基础上，每小时最多可以处理4 5 0 个硅片。 图1 1 2k e n s i n g t o ne x t e r n a l 硅片预对准系统 f i g 1 1 2t h ee x t e r n a lp r e a l i g n e ro fk e m i n g t o n 图1 1 3 为b e r k e l e yp r o c e s sc o n t r o l 公司的b x 型硅片预对准系统【矧，它也是单轴 预对准系统，特点为不需要外部电源驱动，可以在1 s 内快速检测硅片的中心和切边( 缺 口) 的位置。 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 3b e r k e l e yp r o c e s sc o n t r o l 公司的b x 型硅片预对准系统 f i g 1 1 3t h eb e r k e l e yp r o c e s sc o n t r o lb xp r e a l i g n e r 图1 1 4 为i n n o v a t i v er o b o t i c s 公司的i r - - 1 3 0 0 硅片预对准系统【矧，它有x 、 z 、0 三个自由度，它有两种可选标准，既可以实现精密级的定位，又可以实现高效定 位。 图1 1 4i n n o v a t i v er o b o t i c si r 一1 3 0 0 硅片预对准系统 f i g 1 1 4t h ep r e a l i g n e ro fi n n o v a t i v e r o b o t i c si r 一1 3 0 0 硅片预对准系统的研制 i s e l r o b o t i k 公司生产的i p a - 3 0 0 v s 1 型硅片预对准系统，如图1 1 5 所示，它 有y 、z 、p 三个自由度，可以实现2 0 0 m m 或3 0 0 m m 硅片中心的高精度定位，线性定 位精度可达盟跏m 。 图1 1 5i s e l - r o b o t i ki p a - 3 0 0 v s - i 硅片预对准系统 f i g 1 1 5t h ep r e a l i g n e ro fi s e l r o b o t i ki p a - 3 0 0 v s l 上述五种硅片预对准系统的技术指标，如表1 1 所示： 表1 1 五种硅片预对准系统技术指标 t a b 1 1 t h e p e r f o r m a n c e i n d e x e so f f i v es p e c i e s w a f e r p r e a l i g n e rs y s t e m 硅片直径 定位精度 型号公司定位时间( s ) ( m ) 切边或缺口( 。)中心( r m ) r a 3 1 0 r o r z e 3 0 00 0 2o 1 5 e x t e r n a l k e n s i n g t o n 2 0 0 0 0 0 5 5 0 0 5 18 b e r k e l e y 快速0 8 b x p r o c e s s2 0 0 3 0 00 0 40 0 2 5 精密1 8 c o n t r o l i n n o v a t i v e标准0 0 4标准0 0 4标准5 7 - - + i 3 i r 一1 3 0 02 0 0 3 0 0 r o b o t i c s 高精度- 4 - 0 0 4高精度0 0 4高精度7 4 - + 1 9 i p a - 3 0 0 v si s e l 一r o b o t i k 2 0 0 3 0 0 0 0 50 0 0 2 53 5 大连理t 大学硕士学位论文 从表1 1 中可以看出，各硅片预对准系统对硅片切边或缺口的定位精度在o 0 2 。一 o 0 5 。之间，对硅片中心定位精度在如0 0 2 5 m m - - + 0 1 m m 之间，而完成硅片预对准的时 间贝0 在9 3 s 一0 8 s 之间。 1 4 2 国内硅片预对准系统的研究及其发展现状 由于我国半导体设备制造业起步较晚，半导体设备市场仍由国外半导体设备占主 体，国产设备所占市场份额极小，有关硅片预对准系统同类产品的研究很少，只有中国 电子科技集团公司第4 5 研究所、哈尔滨工业大学、中科院沈阳自动化所等单位开展过 有关方面的研究。目前，国内半导体制造业中应用的同类产品主要依靠进口。 1 5 国内外硅片预对准系统的发展趋势 目前，国外先进的硅片预对准系统的发展趋势可以归纳为以下几点：1 高精度，随 着高精度的传感器，惯量小、响应快、精度高的电机和可靠的控制系统的应用，定位装 置的重复精度能够保证硅片的精确定位。2 检测硅片尺寸的大型化，目前能够达到直径 3 0 0 m m ，今后将随着硅片尺寸的增大而发展。3 低检测时间，i f l 前单轴定位装置已经可 以将检测时间缩短到1 8 s 以内，随着半导体装备制造业自动化程度的提高，要求的检测 时间将越来越短。 虽然近几年国内已经开始了对硅片预对准系统的研究，但是研究的程度还不能形成 产品化生产，随着国内半导体行业的快速发展，开发拥有本国自主知识产权的硅片预对 准系统的产品具有重要意义。 1 6 论文的主要研究内容 本文在充分研究国外各种硅片预对准系统的基础上，研制了一种光学硅片预对准系 统。它结构简单，成本低廉，具有较高的对准精度，具有一定的实用价值，能够完成对 3 0 0 m m 大尺寸硅片的精确定位。论文首先提出了硅片预对准系统的总体设计方案和技 术指标，然后根据设计要求，分章节介绍了硅片预对准系统的机械本体设计，驱动与气 动系统的设计，视觉系统的设计，以及控制系统的设计，最后对系统进行了误差分析。 ( 1 ) 硅片预对准系统总体方案的设计。通过分析、比较国外各种机械式和光学式 硅片预对准系统的技术方案和技术指标，本着在保证精度的情况下，尽量简化系统算法、 降低成本的设计原则，确定了本硅片预对准系统的三自由度总体设计方案、技术指标以 及预对准原理。 ( 2 ) 硅片预对准系统机械本体的设计。选用直线导轨等传动部件，设计了硅片预 对准系统的水平对心单元，用于完成对硅片的水平偏移量的校正。选用滚珠螺杆花键的 硅片预对准系统的研制 特殊传动形式，设计了硅片预对准系统的承片台单元，在一根轴上实现了旋转和升降两 个自由度的运动，使预对准系统的结构更加紧凑，并提高了系统的传动精度，用于完成 对硅片的偏心的角度校正，以及切边( 或缺口) 位置的校正。 ( 3 ) 硅片预对准系统驱动与气动系统的设计。为提高性价比、简化控制系统，采 用步进电机加细分驱动器作为系统的驱动方式。在水平对心单元利用直线步进电机作为 驱动部件，既简化了机构，又提高了传动精度。确定了气动系统的设计方案及其工作原 理。经过计算得出了直线步进电机、旋转步进电机、细分驱动器、真空发生器和电磁阀 的具体规格型号。 ( 4 ) 硅片预对准系统视觉系统的设计。确定了视觉系统的设计方案、硬件组成和 工作原理，选用了线阵光源、柱面透镜和线阵图像传感器搭建视觉系统的硬件平台，实 现了对硅片边缘位置的高精度检测，分析了圆拟合的算法。 ( 5 ) 硅片预对准系统控制系统的设计。给出了控制系统中的运动控制系统和视觉 处理系统两大部分的设计方案，给出了运动控制系统的硬件组成框图和软件设计流程 图。在运动控制系统中选用“p c + m p c 0 7 多轴运动控制卡”的运动控制形式，在视觉处 理系统中，用c p l d 时序脉冲发生电路向t c d l 5 0 0 c 图像传感器发送脉冲信号，a d 转换电路接收t c d 的电压模拟信号并将此信号实时地转化为数字信号，又通过串口实 时传输给p c 机。p c 机根据接收到的图像检测结果，对数据进行比较、计算和分析，最 后将结果传送到m p c 0 7 运动控制卡，利用运动控制卡控制步进电机和气动原件的运动。 ( 6 ) 硅片预对准系统的误差分析。分别对系统的机械加工误差、驱动及传动误差、 气动交换误差和视觉检测误差进行了分析计算，并计算了硅片预对准系统对硅片中心定 位的总误差和切边( 或缺口) 定位的误差，结果表明本文设计的硅片预对准系统可以达 到各项技术指标的要求。 大连理 大学硕士学位论文 2 硅片预对准系统的总体方案设计 综合分析、比较国内外硅片预对准系统，结合本课题的实际要求，本文设计了一种 可以完成对3 0 0 m m 硅片精确定位的，具有y 、z 、口，三个自由度的光学硅片预对准系 统。 2 1 硅片预对准系统的总体设计方案 本文设计的硅片预对准系统主要包括：水平对心单元，承片台单元，驱动、传动及 气动系统，视觉系统和控制系统。其中水平对心单元和承片台单元用于调整硅片的偏心 量和切边( 或缺口) 的位置；驱动与气动系统用于向整个系统提供动力源；视觉系统用 于检测硅片的边缘位置；控制系统( 包括视觉处理系统和运动控制系统) 用于接收并处 理视觉系统采集的图像信息，控制电机运动。 图2 1 为硅片预对准系统的总体结构示意图，图中水平对心单元1 有一个y 向自由度， 由托盘、两个直线导轨、三个接片柱等组成，外驱螺母式直线步进电机经细分驱动后， 驱动托盘沿直线导轨做y 向运动；承片台单元2 有旋转和升降两个自由度，由滚珠螺杆花 键、圆柱型承片台等组成，两个旋转步进电机经细分驱动后，通过同步齿型带轮的传动， 驱动滚珠螺杆花键做旋转或升降运动；视觉系统4 由线阵光源、柱面透镜和线阵图像传 感器组成，由线阵图像传感器接收到的光强信号的强弱，判断硅片边缘的位置。图中未 表明的控制系统由运动控制系统和视觉处理系统两部分组成，运动控制系统中选用多轴 运动控制卡，控制步进电机的转动，视觉处理系统负责向线阵传感器发送时序脉冲，实 时转换并向p c 机传输硅片的位置信息。 本文设计的硅片预对准系统的优点为：机械结构设计紧凑、新颖，实现硅片预对准 的算法简单，由于采用了步进电机驱动和自行搭建视觉系统的方案，降低了系统的成本， 提高了系统的性价比。 硅片预对准系统的研制 1 ) 水平对心单元2 ) 承片台单元3 ) 驱动系统4 ) 视觉系统 图2 1 硅片预对准系统总体结构示意图 f i g 2 1t h ed i a g r a m m a t i cs k e t c ho fw a f e rp r e a l i g n e ro v e r a l ls t r u c l o r e 2 2 硅片预对准系统的预对准原理 本硅片预对准系统的预对准原理如下： ( 1 ) 视觉系统4 通过检测接收光源光强的变化率，判断硅片是否已放置到承