ZILAB ZILAB Co., Ltd.
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Technology

在微米量级上，测量这一行为本身就会改变数值

晶圆落在卡盘上的瞬间，重力使它弯曲；地面振动使传感器晃动； 对准角度稍有偏差，各个方向的扫描就互相错位。 平坦度计量设备的难度不在传感器的分辨率， 而在于能多诚实地把这些干扰分离出去。 本页说明 ZILAB 是如何完成这一分离的。

Measurement chain

一片晶圆所经过的路径

下面的顺序不是随意划分的目录，而是设备对每一片晶圆实际执行的动作顺序。 每一步都为下一步建立前提。

  1. STEP 1

    映射 —— 只取存在的那些

    载片盒上料后，搬运机械手上的映射传感器一次读出各槽位有无晶圆。 空槽直接跳过，从而省去逐槽伸臂确认的时间。

  2. STEP 2

    对准 —— 把缺口对到基准角

    对准器一边旋转晶圆一边读取边缘，求出中心偏差 (x, y) 与缺口角度， 再对到配方设定的基准角。此后所有坐标都以该角度为原点。

    对准误差在后续工序中绝无法挽回。 各个方向的扫描若不能交于中心，基准面本身就是错的。

  3. STEP 3

    第一次扫描 —— 直线电机匀速通过

    晶圆从上下电容式传感器之间通过。扫描轴为直线电机， 没有齿轮与皮带的回差；采样在加减速结束后的匀速段进行， 沿 R 方向间距 2 mm。

  4. STEP 4

    θ 旋转后扫描其余各线

    θ 轴旋转晶圆后再次通过，按配方设定的线数重复。默认配置为 4 线。 扫描轴固定不动、旋转的是晶圆， 因此每次扫描路径本身的几何完全相同。

    若每条线使用不同的轴，轴间几何误差就会伪装成线间差异。 始终使用同一根轴，该误差成为共同项，在基准面计算中相互抵消。

  5. STEP 5

    电学特性与 ID

    每片晶圆最多在 3 点测量电阻率以确认分布，并判定 P/N 导电类型。 θ 轴旋转到设定角度，由正反面 OCR 读取激光刻码 ID，并确认直径。

  6. STEP 6

    补偿 —— 重力、平台、机台匹配

    从原始波形中依次扣除自重挠曲分量与平台基准面分量， 再用主晶圆标定得到的系数消除机台间差异。 至此，才只剩下属于晶圆本身的形状。

  7. STEP 7

    基准面计算与分选

    从剩余形状求出 Best-fit 与 3-Point 两种基准面， 计算 Thickness、TTV(GBIR)、Bow、Warp、GFLR。 与配方的等级条件比对后判定，由分选机械手放入相应输出端口。

The physics

四个问题，我们换了一种解法

以下四项并非换了更好的零件所得到的性能， 而是因为问题的建立方式不同而产生的差异。

Gravity sag

用物理推导自重挠曲，再扣除

直径 300 mm、厚 0.8 mm 的硅圆片仅凭自重就会下垂数微米。 卡盘上的晶圆所呈现的形状，始终是 自身形状 + 重力引起的弹性挠曲之和。 当 Warp 规格以数十微米计时，这一项不是可以忽略的量级。

ZILAB 从硅的弹性常数与支承条件出发，把它作为 薄板弯曲问题建立，用基准晶圆标定系数后从测量值中分离。 它不是一个固定偏移量，而是随半径位置具有形状的项。

既然出自物理方程，当晶圆厚度或支承条件改变时， 可以用同一套逻辑重新建立。经验常数做不到这一点。

Dual capacitive probe

厚度与形状在同一瞬间分离

上下电容式传感器隔着晶圆相对。两者之间的基准间隙 G 固定，因此对上侧距离 a 与下侧距离 b：

厚度 = G − (a + b)
中性面位置 = (a − b) / 2

厚度无需翻面即可得到，形状取自同一采样瞬间。 两次运行之间的时间差所带来的误差在原理上并不存在。 由于是非接触测量，测量行为也不会碰触晶圆表面。

Multi-line constraint

多个方向彼此约束

θ 轴旋转晶圆，扫描多条直径线。默认配置为 4 线， 即晶圆基准 0 / 45 / 90 / 135° 四个方向。所有线都通过中心， 因而产生「中心处高度必须一致」的约束。 该约束减少了各线基准面的自由度， 同时也可反过来用于检验对准的好坏。

最小二乘基准面(Best-fit)与 三点基准面(3-Point)取自同一组数据， 因此无论贵司规格采用哪一种定义都无需重测。 扫描线数可在配方中选择 —— 3 线以上。

Notch estimation

以对称性代替顶点

直接寻找缺口顶点，会把该单点所承载的传感器噪声原封不动地变成角度误差。 缺口浅、边缘曲率大，越靠近顶点信号越平坦，反而更难判定。

ZILAB 改为取缺口进入传感器视窗与离开视窗两点的中点来推定顶点。 方法利用缺口轮廓的对称性，两点各自的噪声在取平均时相互抵消。 改用该方法后，角度推定的离散度下降了一个数量级以上。

Mechanical design

算不掉的，就用结构切断

补偿并不能覆盖一切。不可重现的干扰——地面振动、搬运部的反作用力、 温度引起的结构变形——无法用计算消除。 对这类项，正确答案是一开始就不让它到达测量部。

  • 测量部置于花岗岩平台之上 —— 以质量与刚度抑制高频变形。
  • 空气弹簧隔振台 —— 将整块花岗岩从地面浮起，切断外部振源。
  • 直线电机扫描轴 —— 取消齿轮与皮带，消除回差与传递振动。
  • 非接触测量 —— 测量行为不对晶圆施加任何力。
  • 上部护罩与全端口安全光幕 —— 阻断粉尘进入与作业中的干涉。
ZAFS 4000 内部等轴测图 —— 中央花岗岩平台上的测量部与直线扫描台，左右搬运机械手，四周载片盒端口
内部构成 —— 花岗岩平台上的测量部 / 直线扫描台 / 搬运机械手 2 台

Verification data

与其声称，不如对上

计量设备无法自证其数值。以下是 ZILAB 出厂前必定执行的三项比对。

重复性 — 同一点测量 10 次 × 5 组
组12345
平均 (µm)832.23832.23832.24832.24832.23
最大−最小 (µm)0.010.010.010.010.01
标准差 (µm)0.0020.0030.0020.0030.002

厚度重复性规格为 ± 0.05 µm。实测标准差比它低一个数量级以上。 （Warp · Bow 的重复性规格为 ± 0.5 µm。）

基准晶圆比对 — Warp / Bow（7 片平均，µm）
项目基准值ZAFS偏差
Warp (Best-fit)11.7811.420.36
Warp (3-Point)12.9013.280.38
Bow (Best-fit)−5.16−5.350.20
Bow (3-Point)−8.47−8.580.12
基准晶圆比对 — 中心厚度 / TTV（µm）
槽位厚度基准厚度实测TTV 误差
1831.99832.17−0.10
2831.98832.06−0.15
3832.98833.07−0.05
4832.97832.99−0.13
5832.18832.20−0.13

与同级商用设备的交叉测量

将同一批 7 片 MSA 主晶圆，与客户现场已在运行的同级商用平坦度测量设备并排测量。 Warp、Bow、中心厚度三项指标的槽位趋势均一致， 差异落在基准晶圆比对所确认的偏差范围之内。

出厂验收 以连续 Auto Running 100 片以上、设备原因故障 0 次作为出厂条件。

Software

控制软件由我们自己编写

运动、搬运、测量、补偿运算、配方、分选判定、日志、上位系统对接， 全部由一个团队完成。懂测量原理的人来写控制代码， 物理模型与实现之间便不会出现翻译损失。

  • 无需硬件即可跑完整流程的仿真层 —— 新功能在上实机之前先反复验证数百次。
  • 每片晶圆都保留原始数据 —— 扫描波形、对准诊断值与动作履历一并保存，事后可完整复现。
  • 上位系统对接 —— 测量结果直接写入客户的 MES / 数据库。
  • 以配方为中心的运行 —— 等级条件、扫描线数、电阻率测点数、OCR 字符位数均在配方中设定。
ZAFS 4000 控制软件的 Measure 画面 —— 左侧设备平面图与端口状态，右侧配方与等级条件
运行画面 —— 在同一画面上查看端口状态与等级条件

Patent

专利申请中

ZILAB 已就本页所述测量原理中的核心部分提出专利申请，目前正在审查中。 具体构成与权利要求范围将在申请公开时于此处公布。

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