Reflexionslichttaster Wafer-Position präzise erkennen

Autor / Redakteur: Peter U. Halter* / Gerd Kucera

Wafer werden im Reinraum in speziellen Kunststoffkassetten gelagert und zur Weiterbearbeitung transportiert. Ein Roboterarm übernimmt das Greifen und Umsetzen der Siliziumscheiben. Spezielle Optosensoren erkennen genau die Position der stark reflektierenden Wafer.

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Bild 1: Front Opening Unified Pods (FOUP) werden heute üblicherweise für Lagerung von Wafern verwendet
Bild 1: Front Opening Unified Pods (FOUP) werden heute üblicherweise für Lagerung von Wafern verwendet
( Archiv: Vogel Business Media )

Front Opening Unified Pods (FOUP) heißen die Kassetten, die heute üblicherweise für Lagerung von Wafern verwendet werden (Bild 1). Sie lassen sie sich an ihrer Vorderseite öffnen, um dann die Waferscheiben zu entnehmen. Diese Aufgabe übernimmt ein Roboterarm. Aber ein Roboter an sich ist erst einmal „blind“. Entnimmt er ohne optische Rückmeldung die Wafer aus der Kassette, können diese zerstört werden, wenn die sie etwa mehrlagig eingelegt werden oder beim Transport verrutschen. Reflexionslichttaster bieten sich dann als optische Sensoren an, die den Roboter über exakte Lage und Anzahl der Wafer pro Einlegefach informieren.

Spiegelnde Oberflächen blenden den optischen Sensor

Die Anforderungen an den Lichttaster sind bei der Waferdetektion alles andere als trivial. Je nach Beschichtung hat man es mit stark spiegelnden Oberflächen zu tun. Fällt der Laserstrahl auf ein Notch oder Flat (siehe Kasten), wird die Auswertung fehlerhaft. Diese Problematik wurde an die Sensor-Experten der Schweizer Firma Baumer Electric herangetragen, die den an diese Anforderung angepassten Lichttaster OHDM 16P5651 für 300-mm-Wafer entwickelte (Bild 2). Wird er mit definierter Geschwindigkeit senkrecht relativ zur Kassette bewegt, lassen sich die Positionen der Waferscheiben ermitteln und man kann so auch erkennen, wenn mehrere Scheiben im selben Fach liegen.

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Spezielles Auswerteverfahren sorgt für Sicherheit

Doch in der Praxis zeigt sich dieses Abtasten weit komplizierter. Aufgrund ihrer meist glänzenden Oberfläche reflektieren Wafer das Laserlicht sehr gut, allerdings auch in viele verschiedene Richtungen. Deshalb kommt in der Regel nur sehr wenig Licht zum Empfänger zurück. Um das wenige Licht für die Messung auszunutzen, muss der Empfänger sehr empfindlich sein. Dies birgt die Gefahr, dass das Restlicht der Überstrahlung von einem anderen Wafer mit einem Nutzsignal verwechselt werden kann. Mit Hilfe eines zum Patent angemeldeten optisch-elektronischen Auswerteverfahrens können die Sensor-Experten die Spiegelungen und Überstrahlungen erkennen und ausfiltern.

Ebenfalls problematisch ist, dass an den Notches und Flats das Licht nicht wie an den runden Kanten zurückgeworfen wird. Das kann zu falschen Messergebnissen führen. Abhilfe schafft hier eine Laserlinie. Dazu wird der Laserstrahl mit einer Zylinderoptik in eine Linie „aufgeweitet“. Die zu den Waferscheiben parallele Linie liefert auch dann noch zuverlässige Ergebnisse, wenn an der Waferkante kleine Unregelmäßigkeiten vorliegen oder die Linie auf Notches oder Flats trifft. Zudem erlaubt dieses System höhere Toleranzen, was die Lage des Wafers betrifft: Auch hervorstehende Wafer werden zuverlässig erkannt.

Die Waferposition in der Maschine wird präzise erkannt

Wafer, die im FOUP schräg liegen, sind ebenfalls durch den blinden Zugriff des Roboters gefährdet. Um diese zu erkennen und deren exakte Position zu ermitteln, verwendet man zwei Lichttaster des Typs OHDM 16P5651. Beide Taster werden auf gleicher Höhe im 45°-Winkel angeordnet. Diesen Aufbau empfiehlt der Hersteller als Standard. Ein eingebauter Mikroprozessor sorgt dafür, dass sich die Signale der zwei Sensoren bei ihren Messungen nicht gegenseitig stören. Durch Vergleich der beiden Eingangssignale lässt sich sehr unkompliziert ermitteln, ob die Wafer waagrecht oder eben schräg im Kassettenschacht liegen.

Damit der Roboterarm ungestört zugreifen kann, sollten ihm die Sensoren möglichst nicht den Weg versperren. Auch dieser Anforderung werden die Wafer-Mapping-Sensoren gerecht. Mit einer hohen Tastweite von 133 mm können sie einfach außerhalb des Arbeitsbereichs des Greifarms montiert werden. Eine Montage seitlich der FOUPs im 45°-Winkel bietet sich hier in den meisten Anwendungen an.

Weitere Vorteile: Der Wafer-Mapping-Sensor arbeitet mit Hintergrundausblendung. Daher hat die Rückseite des FOUPs keinerlei Auswirkungen auf das Messergebnis, egal welche Farbe sie hat oder ob sie beschriftet ist. Die Installation des Sensors ist denkbar einfach. Er muss lediglich auf dieselbe Ebene der Waferscheibe positioniert werden, weitere Anpassungen sind nicht nötig (Bild 3).

Robuster Sensoraufbau ohne bewegliche Teile

Der ursprünglich zur Erkennung von 300-mm-Wafern entwickelte Sensor kann auch für 200-mm-Wafer eingesetzt werden. Die Sensor-Experten stellen in solchen Fällen ihr Knowhow für die richtige Einrichtung zur Verfügung. Dank seines robusten und temperaturbeständigen Metallgehäuses eignet sich der Lichttaster für den Einsatz in Temperaturbereichen von -5 bis 50 °C. Da keine beweglichen Teile eingebaut sind, ist der Lichttaster zudem vibrationsbeständig.

Für Servicezwecke lässt sich bei laufendem Sensor der Laserstrahl ausschalten. Weil der Sensor besonders auf den Umgang mit hochglänzenden, runden Materialien getrimmt wurde, eignet er sich auch zum Erkennen von CDs oder glänzenden Metallscheiben. Haupteinsatzgebiet bleibt aber sicher die Wafer-Erkennung. Auch an diesem speziellen Lichttaster zeigt sich ein Trend, dem man derzeit in der Automatisierungsbranche immer öfter begegnet: Optimale Lösungen lassen sich erzielen, wenn verschiedene Komponentenhersteller bereits in der frühen Entwicklungsphase zusammenarbeiten.

Glänzende Oberflächen fordern Sensoren heraus

Beim Verarbeiten von Wafern informieren spezielle Kennzeichnungen auf den Halbleiterscheiben über deren exakte Position in der Bearbeitungsmaschine. So genannte Flats (das sind flache Abschnitte an den Waferscheiben) geben an, welche Winkelorientierung vorliegt und informieren zudem über die Kristallorientierung der Oberfläche. Mittlerweile haben als Notches bezeichnete Kerben diese Flats weitgehend abgelöst. Ihr wesentlicher Vorteil: Sie verursachen weniger Verschnitt. Doch sowohl an den hochautomatisierten Fertigungsablauf als auch an die Automatisierungskomponenten, insbesondere den optischen Sensoren, werden weiterhin außerordentlich hohe Anforderungen gestellt. Ein Einsatz von Lichttastern ist bei der Waferdetektion alles andere als trivial. Denn aufgrund der Scheibenbeschichtung hat man es mit stark spiegelnden Oberflächen zu tun. Aber Lichttaster des Typs OHDM 16P5651 sind darauf getrimmt, die Waferpostition präzise zu erkennen.

Baumer Electric, Tel. +49(0)6031 60070

*Dr. Dipl.-Phys. Peter U. Halter ist Entwicklungsleiter Opto-Systeme bei der Baumer Electric AG, Frauenfeld (Schweiz).

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