本发明涉及半导体加工技术领域，具体地，涉及一种晶片位置偏差的检测和调整方法以及半导体加工设备。
背景技术：
在半导体器件的制造过程中，一般是将晶片放置在密封清洁的容器或片盒中，并利用机械手在该容器或片盒与工艺腔室之间自动进行取放片操作，以防止外来颗粒对晶片的污染。而且，通常在工艺腔室内设置有托盘，该托盘上具有多个安放槽，用于放置晶片；并且托盘与电机控制器连接，该电机控制器用于驱动托盘旋转一定的角度。在进行取放片操作时，首先在电机控制器的控制下，托盘旋转一定的角度，以使其中一个安放槽位于指定的取放片位置；机械手平移至该安放槽的正上方，以进行取片或放片的操作。
但是，由于机械手传输晶片的过程所涉及的部件较多、机械结构和过程的控制复杂，同时受到电机累计误差和控制方法等因素的影响，这使得机械手在将晶片放置在相应的安放槽上时，往往有很大的几率出现晶片的放置位置不准确的问题，即，晶片与安放槽之间存在位置偏差。从而造成晶片整个温度分布与正确放置时的温度分布不一样，进而导致工艺质量变差。虽然在每次进行设备维护时，会对机械手的取放片位置进行校准，以确保机械手在自动流程中能放置准确。但是，上述传输晶片的过程只是单纯依靠电机的控制来保证机械后和托盘运动到位，而没有采取任何监测手段来检测实际操作中的机械手和托盘是否真正运动到位，因此，即使晶片出现位置偏差，也无法及时反馈给使用者，而一旦晶片的位置偏差过大，甚至出现“搭边”现象(晶片的边缘搭在安放槽与托盘上表面形成的台阶上)，该晶片往往会报废，从而影响工艺良率。
技术实现要素：
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种晶片位置偏差的检测和调整方法以及半导体加工设备，其可以在机械手进行取放片操作时，检测晶片位置偏差，从而可以根据该晶片位置偏差及时地对托盘的旋转角度和/或机械手的位移量进行调整，以确保晶片准确到位，进而可以提高工艺良率。
为实现本发明的目的而提供一种晶片位置偏差的检测方法，所述晶片位置偏差是指在利用机械手将晶片置于托盘上的安放槽内之后，所述晶片的圆心相对于所述安放槽的圆心的中心偏差，包括以下步骤：
S1，在所述托盘上表面与所述安放槽的边界处定义观察区域；
S2，采集所述托盘在所述观察区域内的实时图像，并基于所述晶片和所述托盘的光反射率差异对所述实时图像进行灰度处理，以获得计算所述中心偏差所需的位置信息；
S3，基于所述位置信息进行计算，以获得所述中心偏差。
优选的，在所述托盘上表面上建立二维坐标系，所述坐标系以所述安放槽的圆心为原点、所述安放槽的圆心与所述托盘的圆心之间的连线方向为X轴，以垂直于所述X轴的方向为Y轴；在所述步骤S1中，所述观察区域的形状、尺寸和位置被设置为：所述观察区域的边界与所述安放槽的边缘之间具有第一、第二交界点；并且，在所述观察区域内定义一个圆弧，该圆弧以所述托盘的圆心为圆心，且通过所述观察区域的圆心，并与所述安放槽的边缘之间具有第三交界点；晶片边缘与所述观察区域的边界之间具有第一、第二交叉点，晶片边缘与所述圆弧之间具有第三交叉点；在所述步骤S2中，所述晶片位置偏差所需的位置信息包括：所述第一～第三交界点对应地与第一～第三交叉点分别在所述X轴和Y轴上的距离；在所述步骤S3中，根据所述距离计算得出所述第一～第三交叉点分别在所述坐标系上的坐标；根据该坐标计算得出所述第一～第三交叉点所在圆的圆心坐标，从而获得所述晶片的圆心相对于所述安放槽的圆心分别在所述X轴和Y轴上的偏差量。
优选的，所述观察区域的圆心位于：平行于所述Y轴的直线与所述安放槽的边界相交的交点处；在所述步骤S2中，所述晶片位置偏差所需的位置信息包括：所述第一～第三交界点对应地与第一～第三交叉点在所述Y轴上的垂直距离；基于所述垂直距离获得所述晶片的圆心相对于所述安放槽的圆心分别在所述X轴和Y轴上的偏差量。
作为另一个技术方案，本发明还提供一种晶片位置偏差的调整方法，其包括以下步骤：
S100，利用机械手将晶片置于托盘上的安放槽内；
S200，采用本发明提供的上述晶片位置偏差的检测方法获得所述晶片的圆心相对于所述安放槽的圆心的中心偏差；
S300，判断所述晶片位置偏差是否在允许范围内；若是，则结束当前晶片的位置偏差检测；若否，则进入步骤S400；
S400，利用机械手自所述安放槽取出所述晶片；
S500，根据所述中心偏差对所述托盘的旋转角度和/或所述机械手的位移量进行调整，直至消除所述中心偏差；然后重新进入步骤S100。
其中，所述安放槽的数量为多个，且沿所述托盘的周向均匀排布；通过使所述托盘旋转，而使各个安放槽逐一位于所述机械手的取放片位置；在所述步骤S100中，首先通过使所述托盘旋转，而使其中一个安放槽位于所述取放片位置；然后利用机械手将晶片置于该安放槽内；在所述步骤S300中，若判断所述晶片位置偏差在允许范围内，则结束当前晶片的位置偏差检测，同时通过使所述托盘旋转，而使下一个安放槽位于所述取放片位置；然后重新进入步骤S100，利用机械手将下一个晶片置于该安放槽内。
作为另一个技术方案，本发明还提供一种半导体加工设备，包括工艺腔室、托盘和机械手，其中，所述托盘设置在所述工艺腔室内，且在所述托盘上设置有用于放置晶片的安放槽；所述机械手用于将晶片传输至所述安放槽内，或自所述安放槽取出晶片；所述半导体加工设备还包括：可透视的观察窗，其设置在所述工艺腔室的顶部，且位于对应于所述托盘上表面与所述安放槽的边界处的位置处；并且，所述观察窗在所述托盘上表面上的正投影被定义为观察区域；检测装置，设置在所述观察窗上方，用以透过该观察窗采集所述托盘在所述观察区域内的实时图像；处理和计算单元，用于基于所述晶片和所述托盘的光反射率差异对所述实时图像进行灰度处理，以获得计算所述晶片位置偏差所需的位置信息；以及基于所述位置信息进行计算，以获得所述晶片的圆心相对于所述安放槽的圆心的中心偏差。
优选的，所述托盘位于所述安放槽周边的部分在厚度方向具有一个低于所述托盘上表面的台阶，用以防止置于所述安放槽内的晶片脱离所述安放槽。
优选的，所述台阶的最大半径与所述安放槽的半径之间的差值为0.5～4mm。
优选的，所述安放槽的半径与所述晶片的半径的差值为0.5～4mm。
优选的，所述检测装置为具有闪光灯的CCD图像传感器。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的晶片位置偏差的检测方法，其通过在托盘上表面与所述安放槽的边界处定义观察区域，且采集托盘在观察区域内的实时图像，并基于晶片和托盘的光反射率差异对该述实时图像进行灰度处理，以获得计算中心偏差所需的位置信息；然后基于该位置信息进行计算出晶片的圆心相对于安放槽的圆心的中心偏差。这样，在机械手进行取放片操作时，可以根据该中心偏差及时地对托盘的旋转角度和/或机械手的位移量进行调整，以确保晶片准确到位，避免晶片因出现“搭边”现象而报废，从而可以提高工艺良率。
本发明提供的晶片位置偏差的调整方法，其通过采用本发明提供的上述晶片位置偏差的检测方法，可以根据该中心偏差及时地对托盘的旋转角度和/或机械手的位移量进行调整，以确保晶片准确到位，避免晶片因出现“搭边”现象而报废，从而可以提高工艺良率。
本发明提供的半导体加工设备，其通过在工艺腔室的顶部设置可透视的观察窗以及设置在该观察窗上方的检测装置，可以利用该检测装置透过该观察窗实时采集观察区域的实时图像；然后，利用处理和计算单元基于晶片和托盘的光反射率差异对该述实时图像进行灰度处理，以获得计算中心偏差所需的位置信息；然后基于该位置信息进行计算出晶片的圆心相对于安放槽的圆心的中心偏差。这样，在机械手进行取放片操作时，可以根据该中心偏差及时地对托盘的旋转角度和/或机械手的位移量进行调整，以确保晶片准确到位，避免晶片因出现“搭边”现象而报废，从而可以提高工艺良率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的半导体加工设备所采用的托盘和机械手的示意图；
图2A为本发明实施例所采用的托盘的局部剖视图；
图2B为晶片圆心与安放槽的圆心相重合时的示意图；
图2C为晶片圆心相对于安放槽的圆心存在中心偏差的示意图；
图3为本发明实施例提供的晶片位置偏差的检测方法的流程框图；
图4为本发明实施例所采用的托盘的局部俯视图；
图5为本发明实施例所定义的观察区域的放大图；以及
图6为本发明实施例提供的晶片位置偏差的调整方法的流程框图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的晶片位置偏差的检测和调整方法以及半导体加工设备进行详细描述。
图1为本发明实施例提供的半导体加工设备所采用的托盘和机械手的示意图。请参阅图1，半导体加工设备包括工艺腔室(图中未示出)、托盘10和机械手12。其中，托盘10设置在工艺腔室内，且在托盘10上设置有多个用于放置晶片的安放槽11，且沿该托盘10的周向均匀排布。通过使该托盘10旋转，而使各个安放槽11逐一位于机械手12的取放片位置A，如图1所示。当托盘10通过旋转将其中一个安放槽11旋转至取放片位置A之后，机械手12水平伸入该安放槽11的上方，并将晶片传输至安放槽12内，或自该安放槽12取出晶片。
图2A为本发明实施例所采用的托盘的局部剖视图。如图2A所示，托盘10位于安放槽11周边的部分在厚度方向具有一个低于托盘10上表面的台阶13，用以防止置于安放槽11内的晶片脱离安放槽11，从而有利于提高生产效率和工艺稳定性，优选的，台阶13的最大半径与安放槽11的半径之间的差值r1为0.5～4mm。另外，安放槽11的半径与晶片的半径的差值r2优选为0.5～4mm，这是因为：若安放槽11的半径过小，则会导致机械手调试难度增大；反之，若安放槽11的半径过大，则容易出现硅渣、均匀性指标不满足要求等的工艺问题。
在机械手进行上述取放片操作的过程中，为了实现实时检测晶片位置偏差，即，在利用机械手12将晶片置于位于取放片位置A处的安放槽11内之后，或者自该安放槽11取出晶片之前，在线检测晶片的圆心相对于安放槽11的圆心O2的中心偏差，半导体加工设备还包括可透视的观察窗、检测装置和处理和计算单元(图中均未示出)。其中，观察窗设置在工艺腔室的顶部，且位于对应于托盘10上表面与安放槽11的边界处的位置处，在此位置处，该观察窗在托盘10上表面上的正投影位于托盘10上表面与安放槽11的边界处，该正投影区域被定义为观察区域B，如图1所示。
检测装置设置在上述观察窗上方，用以透过该观察窗采集托盘10在该观察区域B内的实时图像。上述检测装置可以为具有闪光灯的CCD(Charge-coupledDevice，电荷耦合元件)图像传感器，用以将光学影像转化为数字信号。具体来说，CCD图像传感器可以透过观察窗垂直地拍照，以采集获取托盘10在该观察区域B内的实时图像。容易理解，由于CCD图像传感器透过观察窗垂直地拍照，因而上述观察区域B的边界尺寸与观察窗的实际窗口尺寸一致。
处理和计算单元用于基于晶片和托盘10的光反射率差异对由上述CCD图像传感器反馈的实时图像进行灰度处理，以获得计算晶片位置偏差所需的位置信息；以及基于该位置信息进行计算，以获得晶片的圆心相对于安放槽11的圆心的中心偏差。具体来说，由于托盘10的材料与晶片的材料不同，二者的光反射率不同，因此，通过对由上述CCD图像传感器反馈的实时图像进行灰度处理，可以更容易地区分出实时图像中的晶片和托盘，从而可以清楚地分辨出晶片和安放槽各自的边缘与观察区域B的边界之间的交点位置，以进行相应的距离测量，从而可以获得计算晶片位置偏差所需的位置信息。
本发明实施例提供的半导体加工设备，其在机械手进行取放片操作时，可以根据该中心偏差及时地对托盘的旋转角度和/或机械手的位移量进行调整，以确保晶片准确到位，避免晶片因出现“搭边”现象而报废，从而可以提高工艺良率。
下面对本发明实施例提供的晶片位置偏差的检测方法进行详细描述。具体地，在托盘10上表面上建立二维坐标系，该坐标系以安放槽11的圆心O2为原点、安放槽11的圆心O2与托盘10的圆心O1之间的连线方向为X轴，以垂直于所述X轴的方向为Y轴。而且，如图2B所示，若晶片20的圆心O4与安放槽11的圆心O2相重合，则表示晶片不存在中心偏差；如图2C所示，若晶片20的圆心O4相对于安放槽11的圆心O2偏移，则表示晶片存在中心偏差，且晶片20在X轴和Y轴方向上的偏移量分别为dx和dy。
图3为本发明实施例提供的晶片位置偏差的检测方法的流程框图。请参阅图3，该检测方法包括以下步骤：
S1，在托盘上表面与安放槽的边界处定义观察区域；
S2，采集该观察区域的实时图像，并基于晶片和托盘的光反射率差异对所述实时图像进行灰度处理，以获得计算中心偏差所需的位置信息；
S3，基于位置信息进行计算，以获得中心偏差。
在步骤S1中，如图4和图5所示，观察区域B即为观察窗在托盘10上表面上的正投影区域，其可以根据观察窗的形状、尺寸和位置而改变，在该观察区域B内，可以观测到晶片20的边缘、安放槽11的边界以及台阶13的边界。而且，观察区域B的形状、尺寸和位置被设置为：观察区域B的边界与安放槽11的边缘之间具有第一交界点S1和第二交界点S2；并且，在观察区域B内定义一个圆弧14，该圆弧14以托盘10的圆心O1为圆心，且通过观察区域B的圆心O3，并与安放槽11的边缘之间具有第三交界点S2；与之相对应的，晶片20的边缘与观察区域B的边界之间具有第一交叉点M1和第二交叉点M3，晶片边缘与圆弧14之间具有第三交叉点M2。
因为上述第一～第三交界点(S1～S3)的位置坐标是已知的，而且通过在步骤S2中，利用设置在观察窗上方的检测装置采集获取托盘10在观察区域B内的实时图像，可以测量出第一～第三交界点(S1～S3)对应地与第一～第三交叉点(M1～M3)分别在X轴和Y轴上的距离，该距离和第一～第三交界点(S1～S3)的位置坐标即为晶片位置偏差所需的位置信息。
在步骤S3中，根据上述位置信息，可以计算出第一～第三交叉点(M1～M3)的坐标，基于根据不在一条直线上的三点可确定圆心的原理，由第一～第三交叉点(M1～M3)的位置坐标可以计算得出第一～第三交叉点(M1～M3)所在圆的圆心坐标，即为晶片20的圆心O4的位置坐标，从而根据晶片20的圆心O4和安放槽11的圆心O2的位置坐标，可以计算出晶片20在X轴和Y轴方向上的偏移量dx和dy。
在实际应用中，可以对上述检测方法进行一个有效简化，更容易得到结果。具体地，使观察区域B的圆心O3位于平行于Y轴的直线与安放槽11的边界相交的交点处；在本实施例中，该直线即为Y轴。由此，在进行上述步骤S2中，晶片位置偏差所需的位置信息只需获得第一～第三交界点(S1～S3)对应地与第一～第三交叉点(M1～M3)在Y轴上的垂直距离(h1～h3)，如图5所示；在步骤S3中，利用该垂直距离(h1～h3)，即可计算出晶片20在X轴和Y轴方向上的偏移量dx和dy。
下面对上述计算过程进行详细描述。具体地，在托盘10上表面上建立二维坐标系，该坐标系以安放槽11的圆心O2为原点、安放槽11的圆心O2与托盘10的圆心O1之间的连线方向为X轴，以垂直于所述X轴的方向为Y轴。
安放槽11边界的几何方程为：
X2+Y2＝R12(1)，
其中，X和Y为变量，R1为安放槽11的半径。
由于观察区域B的圆心O3位于平行于Y轴的直线与安放槽11的边界相交的交点处，因而观察区域B边界的几何方程为：
X2+(Y-R1)2＝R22(2)，
其中，R2为观察区域B的半径。
通过将上述方程式(1)和(2)联解，可以得到第一交界点的坐标S1(X1，Y1)和第二交界点的坐标S2(X2，Y2)；二者可以得出：
Y1+Y2＝(2R12-R22)/R1(3)
另外，当晶片20放置在安放槽11内的位置不存在偏差时，如图2B所示，此时晶片20边缘的几何方程为：
X2+Y2＝R32(4)
其中，R3为晶片20的半径。
当晶片存在中心偏差，且晶片20在X轴和Y轴方向上的偏移量分别为dx和dy，如图2C所示，此时晶片20边缘的几何方程为：
(X-dx)2+(Y-dy)2＝R32(5)
通过将上述方程式(5)和(2)联解，可以得到晶片20的边缘与观察区域B的边界之间的第一交叉点的坐标M1(X3，Y3)和第二交叉点的坐标M2(X4，Y4)。
此外，根据：
Y1-Y3＝h1(6)
Y2-Y4＝h3(7)
通过将上式(6)和(7)相加，可以得到：
Y1+Y2-(Y3+Y4)＝h3+h1(8)
将Y1～Y4的坐标代入式(8)，可以得到：
代入各点坐标：
另外，圆弧14与安放槽11的边缘之间的第三交界点的坐标S2(X5，Y5)，与晶片边缘与圆弧14之间的第三交叉点的坐标M2(X6，Y6)具有以下关系：
Y5-Y6＝h2(10)
将式(10)代入式(5)，可以得出：
在上述式(9)和(11)中，由于R1～R3已知，而h1～h3可以利用检测装置采集获取托盘10在观察区域B内的实时图像，并通过测量获得，从而上述式(9)和(11)可以组成一个二元二次方程，并求解出dx和dy，即，获得晶片偏移位置。
更进一步的，当晶片的半径为100mm时，综合考虑工艺性能、观察方便等因素，安放槽的半径优选为103mm；观察区域的半径(即为观察窗的半径)为10mm。安放槽和观察区域通过采用上述尺寸，dx和dy的数值一般均小于3，这远远小于晶片的半径，由此可以认为：
通过将上式(12)代入式(9)，可以进一步化简式(9)，从而可以更容易地计算出dx和dy。
本发明实施例提供的晶片位置偏差的检测方法，其在机械手进行取放片操作时，可以根据该中心偏差及时地对托盘的旋转角度和/或机械手的位移量进行调整，以确保晶片准确到位，避免晶片因出现“搭边”现象而报废，从而可以提高工艺良率。
作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种晶片位置偏差的调整方法，图6为本发明实施例提供的晶片位置偏差的调整方法的流程框图。请参阅图6，该调整方法包括以下步骤：
S100，利用机械手将晶片置于托盘上的安放槽内；
S200，采用本发明实施例提供的上述晶片位置偏差的检测方法获得晶片的圆心相对于安放槽的圆心的中心偏差；
S300，判断晶片位置偏差是否在允许范围内；若是，则结束当前晶片的位置偏差检测；若否，则进入步骤S400；
S400，利用机械手自安放槽取出晶片；
S500，根据中心偏差对托盘的旋转角度和/或机械手的位移量进行调整，直至消除中心偏差；然后重新进入步骤S100。
针对托盘具有多个安放槽的情况，即，安放槽的数量为多个，且沿托盘的周向均匀排布，可以通过使托盘旋转，而使各个安放槽逐一位于机械手的取放片位置。在这种情况下，在步骤S100中，首先通过使托盘旋转，而使其中一个安放槽位于取放片位置；然后利用机械手将晶片置于该安放槽内；在步骤S300中，若判断晶片位置偏差在允许范围内，则结束当前晶片的位置偏差检测，同时通过使托盘旋转，而使下一个安放槽位于取放片位置；然后重新进入步骤S100，利用机械手将下一个晶片置于该安放槽内。
优选的，在步骤S300中，上述允许范围可以设置在上述台阶13边界的内部范围内，当dx和dy超过该允许范围时，晶片就会超过台阶13的边界，出现“搭边”现象。
在步骤S500中，在利用处理和计算单元计算出晶片位置偏差之后，其可以将该晶片位置偏差发送至控制单元；控制单元可以根据该晶片位置偏差判断是否需要将偏离的晶片取回，并在取回偏离的晶片之后，对托盘的旋转角度和/或机械手的位移量进行调整，以确保机械手再次传输晶片时，能够使晶片准确到位。
本发明实施例提供的晶片位置偏差的调整方法，其通过采用本发明实施例提供的上述晶片位置偏差的检测方法，可以根据该中心偏差及时地对托盘的旋转角度和/或机械手的位移量进行调整，以确保晶片准确到位，避免晶片因出现“搭边”现象而报废，从而可以提高工艺良率。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。