自动对准定位算法技术在探针设备中的应用研究

刘国敬，梁 津，张文斌，刘婷婷

( 北京中电科电子装备有限公司， 北京100176)

全自动探针测试设备是半导体工艺线上的关键测试设备，与测试仪连接后能够对集成电路和晶圆上各种管芯的电参数及其功能完成自动测试。全自动探针台主要由主机和自动上下片系统组成，主机部分主要是控制XYZ 工作台的运动，完成承片台上晶圆的自动测试，自动上下片系统主要负责片盒与承片台间晶圆的传输。全自动探针台在接收到上下片系统传输的晶圆片后，完成晶圆自动对准和晶圆启测芯粒自动定位（即自动对准定位），然后进行晶圆的参数和功能测试，自动对准定位是全自动探针设备中的关键技术。全自动探针测试设备的自动对准定位系统框图如图1 所示。

图1 全自动探针台自动对准系统

1 模版匹配

图像自动对准定位采用模板匹配的相关知识。模板匹配是一种最基本的模式识别方法，目的是在一副图像中寻找和模板图像最相似的区域，它是图像处理中最基本、最常用的匹配方法。

1.1 模板匹配原理

模板是已知的小图像，模板匹配就是在一副大图像中搜寻目标，寻找与已知图象匹配的目标，且该目标与模板有相同的尺寸、方向和图像元素，通过一定的算法可以在图中找到目标，确定其坐标位置。

1.2 模板尺寸

模板尺寸对系统性能和计算量的影响不容小觑。模板过大导致动态特性变差；过小又会减少目标的特征数据量，降低匹配的敏感程度，增大目标检测难度。

1.3 匹配区域[1]

不同的应用环境下，对匹配区域和实时性要求也不尽相同。光电探测设备需要在视频图像采集周期内(20 ms)完成数据实时处理。由于目标在2 个视场图像之间的移动量较小、特征变化不大，匹配区域可以大大缩小。匹配区域太小会导致目标动态特性变差，过大又会导致计算量大幅度增加，具体选择需要权衡设备参数来决定。

图2 为图像的模板匹配，匹配区域整个视窗。

图2 图像模板匹配图

2 自动对准算法的实现

自动对准算法实现的目标是使晶圆的划切槽与工作台的X 轴平行，同一行两点之间Y 向偏差小于5 μm。

自动对准算法实现的方法是移动工作台的X轴利用匹配模板寻找同一行的两点，通过两点坐标求出两点中心的直线与X 轴之间的夹角θ 的值，旋转θ 轴使晶圆的划切槽与工作台的X 轴平行。

2.1 自动对准原理

利用模板匹配原理寻找了晶圆划切槽同一行上的S0、S1两点，如图3 所示。

用已经做好的对准模板匹配离十字光标中心最近的图形为S0并记录坐标为(x0，y0)，承片台向右移动一段距离, 匹配到右边图像为S1并记录坐标为(x1，y1)，通过如下公式可以计算出晶圆的划切槽与X 轴之间角度θ：

转换成电机的旋转脉冲，用字母M表示，其计算为M=θ/Ω 脉冲。其中Ω 为θ 向电机的分辨率。

图3 自动对准算法原理图

2.2 自动对准实现方法

由于机械的误差和放置偏置的影响，通过电机旋转的角度与计算的结果总是有误差的，为了达到精度要求，采用了多次逼近的方法，先找晶圆同一个划切槽上短距离的两点进行粗对准，粗对准过程如图4 所示。

图4 粗对准过程示意图

找同一个划切槽上距离较远的两点进行精对准，第一次精对准取0.4 倍直径上的两点，第二次精对准取0.6 倍直径上的两点，然后取0.8 倍直径上的两点进行Y 向偏差验证，确定其偏差是否小于5 μm，若达到要求说明晶片已对准，精对准过程如5 所示。

图5 精对准过程示意图

自动对准的算法流程如图6 所示。

图6 自动对准算法流程图

3 自动定位算法的实现

自动定位实现的目标是寻找选定的晶圆启测管芯。

自动定位实现方法[2]是晶圆上选定的定位模板与用户规定的启测点的相对位置是不变的，利用定位模板的唯一性，先匹配到采集图像上的定位模板从而确定晶圆上的启测点。

由于定位模板的选取需要唯一性，所以使用区域匹配的方法，只在某个固定区域内选取与定位模板相同的图形，保证了唯一性。如图7 所示，其中大长方形区域就是选定的匹配区域，小正方形区域为定位模版。

图7 自动定位模板匹配图

自动定位之前必须先确定选定的定位模板与启测点的相对位置，自动定位流程如图8 所示。

图像自动定位实现流程如图9 所示。

4 结束语

自动对准定位技术将会越来越多地应用在半导体专用设备中，其实现的方法和技术手段是多种多样的，其基本原理相似。本文提出的自动对准定位算法已经成功应用于全自动探针测试设备中，运行结果表明，该算法能够完成晶圆片自动对准和晶圆启测管芯的自动定位，为探针设备的精确快速测试提供了可靠性保障。

图8 确定定位模板与启测点相对位置流程[3]

图9 图像自动定位算法流程图