半导体技术分享五：芯片顶针机构和晶圆台的详细设计分析

固晶机在精度、速度、方式力量及进料/出料机构各有其不同层次的要求，但在系统架构上大致皆可划分为芯片处理装置、晶圆台装置、顶针处理装置、运动控制模块、视觉系统、软体等六大模组如图1-1所示。


图1-1.示意图

1-2-1晶圆载台

晶圆载台如图1-3所示，需提供Z轴升降功能，行业一般负载最重40Kg(12时晶圆)最轻20Kg(6寸晶圆)一般晶圆先放置于提篮，标准规格为25片，此模组平台需能方便更换6、8、12寸晶圆，一般仅可更换两种规格，即6、8寸及8、12寸较少有3种规格共存，但业界有因成本考量自创规格则不在此规格内。



图1-2晶圆载台示意图

1-2-2晶圆工作平台
晶圆工作平台工作如图1-3所示，晶圆工作平台需有X、Y及R轴，且必须能高速精密定位，R轴在8寸以下需要能够精密定位.但在12寸规格中，因为12寸惯性过大在时间内无法快速且稳定的定位，故目前市面上大多在取放头上增加旋转轴以补偿芯片(CHIP)与角度之偏差，因应贴膜材质、晶片尺寸大小不同需提供不同扩片深度，下降后将晶圆切割道拉开，方便顶针顶出及取晶。


图1-3.12寸晶圆工作平台架构示意图

1-2-3 WAFER拉片机构
整个晶圆处理模组需借由拉片机构如图1-4所示，由拉片机构将晶圆由晶圆载台拉至晶圆工作平台。


图1-4.拉片机构示意图

1-3 基板loading处理模组

1-3-1 L/UL模组
进出料模组架构如图1-5所示，动作流程为利用汽缸，将料匣推至基准位，夹持固定后将第一片料架上升至与输送轨道同高度，再利用汽缸将基板推入输送轨道。出料模组与入料模组架构相似，这里不展示图片。


图1-5.进出料模组示意图

1-3-2传送轨道装置

输送轨道如图1-6所示，其功能特点:

1.物科确实传输及挟持功能

2.置晶点需要提供相当精准的平面

3.置晶点须能承受取放头下压之力量

4.轨道具有可调宽度的调整功能



图1-6.输送轨道示意图

1-4芯片处理模组

1-4-1芯片顶针模组
晶片(CHIP)顶出模组主要功能为当晶圆(Wafer)工作平台利用视觉辨识系统将晶片移至取晶位置时，利用真空将蓝膜吸住，接著内部顶针上升，在不能刺穿蓝膜前提下，使晶片剥离蓝膜，使吸头能够吸取晶片，一般怕顶出时晶片倾斜，所以顶出时有一段行程是与取放头同动，取放头上需有缓冲装置，避免将晶片压碎或产生裂痕如图1-7所示。目前晶圆制程能力提升，晶圆厚度已达2mil(约5um)，以往薄晶片大多使用多针顶出，目前进口设备已改多段顶出如图1-8所示，以避免晶片破裂。


图1-6.薄DIE裂片示意图



图1-7.多段顶出架构示意图

2-4-2吸针机构

取放模组功能特点:

一、对于物料进行取及放之动作:

1.取放晶片需配合顶真机构运用真空机制

2.取放过程中需有检测取放失败检测的功能

3.搭配传输架构，取放模组会有不同自由度设计

二、高速及高精度设计

1.取放行程及芯片尺寸会影响速度

2.高速及高精度为相斥条件，所以必须取得平衡点，这是我们国内设备没做好的原因！

三、特殊制程需求:

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  压力控制:对应不同客户、产品制程···等，需要不同力量
  
  目前业界常见吸取机构有以下两种形式:摆臂式和直线式。
  
  1.摆臂式取放模组如图1-9所示：
  
  利用共轭凸轮，点对点取放，一个马达即可控制θ与Z轴成本较低但由于凸轮曲线、行程等限制，速度与精度有其瓶颈。
  
  
  
  图1-9.摆臂式取放头
  

2.直线式取放模组如图1-10所示：

可程式控制X-Y-Z位置，选用适当元件可达成高速及高精度之条件，相比于摆臂式成本亦相当高。目前高端机已经对精度和速度有要求的均采用这种方式设计！

图1-10.直线式取放头示意图





    吸取头在高速下运行，为了保持精度和足够的抗震性，用于固定的底座必须做有限元分析：









                     


结果：当机台承受一重力时它整体的总变形量为0003mm且发生最大的位移是在取放头处。

其实行业目前搞设计的较少利用分析软件协助开发，大多依赖资深员工之经验，而资深员工也因软件的学习繁杂而排斥，新员工因较无经验无法设定出适当的边界条件，造成分析数据之误差，造成对分析软体的不信任，又因成本问题，往往明知有问题却不肯痛心投入成本根治问题，而以治标方式改善，使得国产设备落后。