全自功划片机的关键技术研究

1 引言 技术和市场因素一直在影响芯片切割技术的发展。电子产品"轻、薄、短、小"的市场趋势，要求许多电子器件除了要有更小的体积外，还要有更强、更快的功能[1]。就半导体而言，如记忆体IC等，已由早期的一层变成多层的封装，一颗IC里可叠7～8层芯粒(chip)，而总体积只有原来的几分之一。因此晶圆(wafer)的厚度也由650 μm一路减至120 μm、100 μm、75 μm、50 μm、25 μm。当厚度降到230 μm以下时，用半自动划片机分割晶圆就出现了问题，一方面是生产效率低下，产能下降；另一方面是破片率攀升，产品的合格率降低。晶圆大直径化与薄型化的市场要求，决定了全自动划片机在IC晶圆分割中占据的核心地位，发展国产全自动划片机已迫在眉睫。 全自动划片机是从装片、位置校准、切割、清洗/干燥，到卸片为止的一系列工序，全部自动化操作。全自动划片机的工作流程见图1[2]。划片机的切割机理是强力磨削，强力磨削的执行单元-空气静压电主轴单元，完成自动上、下料的晶圆传输定位系统，自动对准系统和自动清洗系统是全自动划片机的关键。本文结合全自动划片机的结构，研究了全自动划片机的关键技术。 2 空气静压电主轴 划片机的切割机理是强力磨削，主轴是强力磨削的执行部件，其轴线旋转精度和运转的平稳性直接影响划片机的精度，是划片机的核心部件。空气静压电主轴采用空气轴承支承，感应电机驱动，将转轴与电机的转子集成在一体，实现了主轴的"零传动"[3]。划片机加工的材料是硅晶圆、陶瓷基板等硬脆材料；由于空气静压电主轴具有恒定的刚度、回转精度高，能够较好地保持刃具的锋锐性；可以提高加工产品的品质，延长刃具的使用寿命，是划片机能够采用的唯一的一种主轴。空气静压电主轴的结构见图2。空气静压电主轴的技术性能主要体现在主轴的旋转精度、刚度及动平衡等方面。 划片机主轴的旋转精度要求小于2 μm，是划片机的重要技术指标。空气静压电主轴的转轴采用空气静压轴承支承，空气静压轴承气膜的均化效应能使旋转精度提高至小于轴表面圆度的1/4。采用精加工的手段，可使转轴的圆度误差小于2 μm，用空气静压轴承来支承时，旋转精度可小于1 μm。 主轴刚度定义为： 式中：W为载荷，ε为偏心率，h0为轴承的平均间隙。 可以看出，刚度与间隙成反比，刚度随间隙的减小而增大，但间隙的减小取决于加工难度和成本。 动平衡就是使回转体的质量均匀分布，以减少由不平衡量产生的离心力(F)即： 式中：U为不平衡质量与该质量重心与回转中心距离的乘积； ω为回转体的角速度(1/s)。 由此可见不平衡质量是以主轴转速的二次方影响主轴动态性能的，所以主轴的转速越高，主轴不平衡量引起的动态问题越严重。对于电主轴来说，由于电机转子直接过盈固定在主轴上，增加了主轴的转动惯量，使主轴的极限频率下降，因此超高速电主轴的动平衡精度应严格要求。主轴整体动平衡时采用去重法进行平衡，根据数显动平衡仪显示不平衡质量的大小及方位，用小直径磨轮去除多余的质量。 电主轴的输出特性有恒转矩和恒功率2种形式，如3图所示[4]。划片机的空气静压电主轴的转速范围为3 000～60 000 r/min，一般采用恒转矩输出。 3 晶圆的传输定位 晶圆的传输要求机械手将待划切晶圆按照设定的时序在上片位、预定位、对准、划切以及清洗工位之间进行准确传递。全自动划片机的晶圆传输定位采用气缸驱动、真空吸盘吸附，气缸推拉和摆臂机械手传递的定位方式。 全自动划片机上下片和清洗系统中晶圆的定位精度、传输速度和可靠性直接影响到划片效率和质量。为避免与工作台控制系统耦合，降低系统开发复杂度，将上下片和清洗部分定义为一个分系统，通过串口形式与划切主机通信，以独立于划片机主机运行，方便系统的设计和调试，实现主、从机的并行操作，在提高整体系统可靠性的同时，大幅提高了整机运行效率。 上下片系统可简化为如图4所示的状态机模型，该系统和全自动划片的主机按自定义通信协议进行命令发送和响应解析。 上下片分系统实现中的技术难点主要包括以下3个方面： (1)晶圆精密定位。划切晶圆的传输是一种点位运动，因而控制方式属于点位控制。晶圆传输运动的首要条件是定位精度高，考虑到经济性，选用步进电机作为执行器，脉冲加方向的开环位置控制模式。对于运动控制器的输出脉冲频率要求不高：一般数千赫兹到数十千赫兹即可满足要求，因此选用单片机作为运动控制器，结合外围电气和气动回路，实现片盒升降运动、晶圆推拉运动，并完成二自由度摆臂机械手在晶圆三工位之间的快速切换。 摆臂机械手在预对准台、划切台和清洗台3个工位间传输晶圆，传输运动的重复定位精度直接景响到整个系统的稳定性和可靠性。全自动划片机采用微步驱动技术、阶梯形曲线加减速控制、机械寻末端振动抑制等控制技术，达到了较高的定位精度。 (2)步进电机加减速控制。在步进电机运转过程中，如果启动和停止控制不当，就会出现启动时抖动和停止时过冲的现象，从而影响控制精度，特别是摆臂机械手驱动电机，在3个工位间频繁启动和停止时，抖动和过冲现象就更为明显。 通过改变输出脉冲的时间间隔，单片机就可以控制步进电机加减速运转，实现方法有软件和硬件2种。软件方法依靠延时程序来改变脉冲输出的频率。硬件方法是依靠单片机内部的定时器来实现，在每次进入定时中断后，改变定时常数(即定时器的装载值)，从而在升速时使脉冲频率逐渐增大，减速时使脉冲频率逐渐减小，这种方法占用CPU时间较少，是一种比较理想的调速方法。在实际应用中，采用阶梯形曲线来逼近加减速曲线，得到离散化的各档速度。速度是分档上升的，而且每升一档都保持一段时间，保证稳定运行几个脉冲后再升一档，这就克服了步进电机转子的转动惯量所引起的速度滞后，只有当实际运行速度达到相应值后，才可继续升速，实际上这也是局部速度误差的自动纠正。这种加减速控制策略在解决分系统调试过程中出现的步进电机失步、跳步、噪音等问题上取得了良好的效果。 (3)机械手末端振动抑制。由于晶圆传输机械手固有的低刚度结构，当电机急剧加减速时，机械手末端将会发生振动。对机械手末端进行减振控制，在频繁的点位控制应用中尤为重要，否则就有可能出现晶圆吸附不牢或重复定位精度不准确的情形。通过微步驱动技术，控制流入电动机线圈的电流使电动机基本步距角更加地细分化，结合阶梯形曲线加减速控制策略，可以实现传动系统低噪音、低振动平滑运行。同时，驱动电机在特定转速下会产生共振，为了抑制这种振动，要避开这一转速区。 4 自动图像识别对准技术 自动图像识别对准技术是集成电路后封装设备中的一项重要技术单元。划片机图像识别系统对划痕的跟踪提取与分析是一个相对复杂的过程，易受冷却水及划屑随机形成的假图形的影响。而假图形的形成与划切材料、划切效率、冷却水压、以及吹气强度等多种因素有关，冷却水对晶圆图像的影响见图5所示。划片机图像识别系统要求在高速划切时，具有极强的去伪存真能力。 自动图像识别对准技术的关键是选择高精度的图像处理算法。全自动划片机的图像处理采用Open CV视觉函数库的模板几何特征匹配算法；与传统的灰度级匹配不同，几何特征匹配通过设置兴趣域并学习兴趣域内的物体几何特征，然后在图像内寻找相似形状的物体，它不依赖于特殊的象素灰度，从原理上保证了它具有优于传统视觉定位算法的一些特点。这种技术的应用，提高了全自动划片机的视觉识别效率和自动对准的能力，使得在改变工件角度、尺寸、明暗度等条件的情况下，仍能精确定位物体，实现自动对准划切[5]。 采用Open CV视觉函数库的模板几何特征匹配算法后，考虑到划片机工作现场的实际情况，为了有效地提取预存模板图像的特征点，应对获取的划切工件模板图像进行预处理，以便提取出图像当中的几何特征，这些预处理主要包括减小和滤除图像中的噪声、增强图像中待匹配的几何特征点等。其中滤波和分割是提取预模板图像几何特征前的2个重要步骤[5]。 SUSAN(Smallest Univalve Segment Assimilating Nucleus)滤波可以在滤除图像噪声的同时很好地保存物体的其他结构特征，能够满足全自动划片机自动对准系统对定位模板图像进行噪声平滑处理的要求。图像分割的算法选用基于度量空间的灰度阈值分割法，相当于对图像进行二值化处理。划片机自动图像识别对准流程可用图6表示，晶圆图像自动识别对准过程如图7所示。

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