MPT nutzt PAC-Plattform von NI mit Motorsteuerungs- und Bildverarbeitungsprodukten für die Entwicklung eines Systems zum Ritzen von Wafern

Author(s):
P. C. Lindsey - Micro Processing Technology, Inc.

Industry:
Semiconductor, Industrial Controls/ Devices/ Systems

Products:
Motion Control, Data Acquisition, LabVIEW, Machine Vision

The Challenge:
Entwicklung eines automatisierten Geräts zum Ritzen von Wafern, das minimale Wartung und technischen Support benötigt

The Solution:
Verwendung der PAC-Plattform von National Instruments mit NI LabVIEW für die Entwicklung des Systems

Ursprünglich lag die Zielsetzung der Firma Micro Processing Technology, Inc. (MPT) in der Entwicklung fortschrittlicher Computersteuerungstechnologie für die Halbleiterindustrie. MPT war in diesem Bereich mehrere Jahre lang tätig und verkaufte Hard- und Software basierend auf Produkten von NI an Unternehmen, die Maschinen zur Halbleiterherstellung nachrüsten.

Notwendigkeit eines automatisierten Wafer-Ritzgeräts

Im Jahr 2001 begann MTP die Zusammenarbeit mit der SurvUS Company, einem Anbieter von hochwertigen Systemen zum Schneiden von Wafern. Beide Unternehmen erkannten den Bedarf für ein automatisiertes Gerät zum Ritzen von Wafern, das minimale Wartung und technischen Support erfordert. Deshalb entwickelten sie gemeinsam den 24-7 High Precision Scriber, ein Ritz- und Schneidegerät für Wafer.

Nach Fertigstellung der Schaltungsstrukturen auf einem Halbleiterwafer müssen einzelne Schaltungen und Bauteile aus dem Wafer ausgeschnitten werden. Für die meisten Standardsiliziumbauteile wird bei diesem Schneide und Vereinzelungsprozess ein sehr dünnes, diamantbeschichtetes Sägeblatt eingesetzt. Manche Chips und Schaltungen müssen allerdings mit anderen Methoden geschnitten werden. Einige dieser Komponenten und Schaltungen werden auf dünnem Material hergestellt, das von den Vibrationen einer Säge beschädigt würde. Außerdem wird für andere Bauteile und Schaltkreise sehr teures Trägermaterial verwendet, wie z. B. Galliumarsenid oder Indiumphosphid. Das Sägeblatt führt zu Abrieb, der bei anderen Komponenten, wie etwa MEMs und Bildverarbeitungsgeräten, Schäden verursachen würde. Solche und andere empfindliche Komponenten werden mithilfe einer Ritzschneidetechnologie vereinzelt. Bei diesem Vorgang führt das System eine scharfe Diamantspitze zwischen den Schaltkreisen und Bauteilen entlang einer kristallografischen Ebene über die Oberfläche des Wafers, wo eine Ritzlinie mit präziser Tiefe und Positionierung entsteht. Das System bricht und teilt den Wafer dann entlang dieser vorgeritzten Linie.

Das Gerät wurde für äußerste Präzision und Reproduzierbarkeit konzipiert, so dass Ritzprozesse einfach zu konfigurieren und zu warten sind. Im System kommen extrem präzise Linearlager und Linearmotoren zum Einsatz. Alle beweglichen Teile des Systems nutzen Encoder mit einer Genauigkeit im Bereich von 0,1 Mikron. Die Komponenten, die den Vorgang des Ritzens und der Kraftüberwachung und -steuerung ausführen, verwenden Luftlager. Das Ritzen kann mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1 m/s durchgeführt werden. Außerdem verwendet das System ein Kraftregelsystem. Das System verarbeitet Wafer mit einem Durchmesser von bis zu 200 mm und muss nicht vom Kunden gewartet werden. Probleme bei der Software und der Motorensteuerung können von MTP-Technikern mittels dezentraler Computerdiagnostik behoben werden. Im Fall von mechanischen Defekten ersetzt der Hersteller das System, indem über Nacht ein neues geliefert oder ein vor Ort gelagertes in Betrieb genommen wird. Das Modul für das Ritzen wiegt nur ca. 25 kg und wird in einem Container von 24 x 25 x 28 Zoll geliefert.

Erstellung des Systems

Die gesamte Systemsoftware wurde mit NI LabVIEW geschrieben. Die Motorensteuerung läuft über entsprechende Software von NI und die Motorensteuerungskarte NI PCI-7356. Das System verfügt über sechs Achsen zur Motorensteuerung sowie eine zusätzliche Achse, über die auf das Ergebnis des Kraftmesssensors reagiert werden kann. In einer Gantry-Konfiguration sind vier Linearmotor- und Encoderstufen angeordnet. Eine vertikale Stufe ist an der Querstufe befestigt. Darüber hinaus gibt es zwei Rotationsachsen. Eine wird vom System für die Drehung einer Vakuumspannvorrichtung genutzt, die den zu bearbeitenden Wafer auf seiner Position hält, und die andere ändert den Winkel der Ritzvorrichtung zur Wafer-Oberfläche. Der Kraftmesssensor besteht aus einem Luftlager, einem Linearencoder und Präzisionsfedern. Ist das System in Betrieb, wird die Position des Ritzgeräts zuerst kontrolliert zur Oberfläche des Wafers geführt. Danach verwendet das System das Feedback des Encoders des Kraftsensors als Rückgabewert der PID-Kraftregelung.

Anwender können die Funktionalität der Motorensteuerungseinheiten von NI erweitern, indem sie die neueste Version der Treibersoftware NI-Motion laden, die wiederum die Firmware auf dem Controller aktualisiert. Die Möglichkeit, den einer Achse zugewiesenen Encoder zu wechseln, ohne alle Achsen anzuhalten, war bisher bei NI-Motion nicht verfügbar. Mit einer aktualisierten Version des Treibers kann der einer Achse zugewiesene Encoder bei laufendem Betrieb gewechselt werden. Mit der neuen Funktion wurde es möglich, die Abtastrate für die Kraft der Ritzvorrichtung von ca. 60-mal auf 4000-mal pro Sekunde zu erhöhen. Da ein Durchgang eines typischen Ritzvorgangs weniger als eine Sekunde dauert, spielt diese verbesserte Kraftregelung eine besonders große Rolle. Zur richtigen Positionierung des Ritzgeräts zwischen den einzelnen Komponenten auf der Oberfläche des Wafers wurde industrielle Bildverarbeitung genutzt. Dafür kamen neben der Bildverarbeitungssoftware von NI zwei IEEE-1394-Kameras mit einer Karte des Typs NI PCI-8252 zum Einsatz. Eine Kamera diente zur Bestimmung der Position des Wafers auf der Vakuumspannvorrichtung. Die zweite Kamera wurde auf ein Mikroskop mit zwölffachem Zoom installiert. Wird diese Vergrößerung auf einem 17-Zoll-Monitor dargestellt, kann das Bild maximal um das 800fache vergrößert werden. Dank dieser Vergrößerung kann die Position der Spitze des Ritzgeräts in der Mitte der Ritzlinie auf 1 Mikron genau betrachtet werden.

Produkte von NI verkürzen die Entwicklungszeit

Dank der einfachen Bedienbarkeit der Hard- und Software von National Instruments konnte das gesamte System, einschließlich mechanisches Design, PC-Schnittstelle und Schreiben der Steuerungssoftware, in nur drei Mannjahren fertiggestellt werden. Bisherige Erfahrungen bei der Entwicklung ähnlich komplexer Systeme für die Halbleiterproduktion lassen vermuten, dass Design und Entwicklung dieses Systems ohne LabVIEW und die  PAC-Plattform von National Instruments mehr als 20 Mannjahre in Anspruch genommen hätten.

Weitere Informationen erhalten Sie über:

P. C. Lindsey
President
Micro Processing Technology, Inc.
Lafayette, CA, USA
Tel.: +1-925-294-8940
Fax: +1-925-299-8942
E-Mail: pclindsey@microptech.com

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