Brevet FR2652914A1 — publié le 19910412

Llévolution actuelle de l'industrie de la micro-électronique se fait essentiellement selon deux directions préférentielles. La première concerne l'accroissement constant de la surface utile des plaques de silicium sur lesquels sont fabriqués les circuits intégrés. On note, par exemple, sur la décénie 1980-1990 que le diamètre de ces tranches de silicium est passé de deux pouces à huit pouces. La seconde tendance est relative à ce que l'on appelle communément la densité d'intégration des circuits intégrés qui est passée pour les mémoires de soixante quatre kilo-bits à quatre méga-bits durant la même période. Compte tenu des évolutions engendrées sur le couple performance-prix des circuits intégrés on a assisté à une véritable explosion du marché du semi-conducteur et les plus grands fabriquants mondiaux traitent aujourd'hui plusieurs milliers de plaques de silicium par jour afin de satisfaire la demande mondiale. En raison des volumes considérables de circuits intégrés à produire et de la sophistication extrême des technologies empIoyées pour les fabriquer, les chaînes de production sont de plus en plus automatisées et l'on prévoit pour les prochaines années une automatisation complète de celles-ci afin d'accroître encore les rendements et les niveaux d'intégration des puces électroniques.Ces chaînes placées dans des salles blanches de classes 1 (1 poussière par pied cube) seront animées par des robots, eux-mêmes pilotés par les hommes pIacés dans des salles "grises", de classes 10 ou 100. On comprend dès lors, que compte tenu des divers flux de plaques de silicium qu'il faut quotidiennement traiter et, de l'automatisation des opérations techniques, qu'il devienne nécessaire l'immatriculer celIes-ci afin de pouvoir les suivre tout au long de la chaîne de production. Actuellement cette immatriculation est lue par l'opérateur, il n'existe pas de machine capable de faire une identification automatique de la plaque de silicium. L'immatriculation de la tranche de silicium est obtenue en gravant par laser dans la masse de celle-ci des caractères alpha-numériques ou tout autres caractères, codes à barres par exemple, pouvant permettre une identification visuelle de la plaque. Les caractères sont déssinés sur le substrat de silicium en focalisant sur celui-ci un faisceau laser de forte puissance dirigé par des miroirs mobiles, eux mêmes pilotés par ordinateur. Selon la figure 1, on remarque qu'un caractère est représenté par une suite d'impacts successifs provoqués par la fonte et la volatilisation du silicium sous le faisceau de lumière laser. Selon une caractéristique de l'invention, le bon fonctionnement de l'appareil que nous proposons est fondé sur le postulat de Fresnel. La plaque de silicium sur laquelle sont gravés, par exemple, les caractères alpha-numériques se comporte vis-à-vis d'une large partie du spectre optique comme un miroir quasi-parfait. En ce cas, lorsqu'on éclaire ce miroir celui-ci va réfléchir la lumière et chaque élément AS de la surface S du substrat de silicium se comporte à son tour comme une source d'ondes secondaires dont nous pouvons obtenir la perturbation en un point quelconque P de l'espace au dessus du substrat et ce pour tout temps.Dans le cas le plus simple, une approximation suffisante toutefois pour comprendre le postulat, on démontre que la perturbation P au temps t peut s'exprimer sous la forme Où l'intégrale est détendue à toute la surface S et le facteur f(r-vt) représente une onde r sphérique émise par l'élément de surface dS au temps t - v et qui atteint P, situé à une distance r de dS, à l'instant t.Dé cette expression générale simplifiée, on peut noter deux points fondamentaux, à savoir: i/ que la perturbation P au temps t va dépendre de la surface d'émission, autrement dit: l'intensité lumineuse de chaque source d'ondes secondaire est proportionnelle à l'aire de chacune de ces sources et ii/ du fait de la présence du facteur directionnel g(6) = Z (1 + cos 0) l'amplitude des ondes émises par chaque source d'ondes secondaires n'est pas la même dans toutes les directions. Partant de ces considérations fondamentales, on peut dire que si un miroir présente des défauts à sa surface, défauts qui peuvent être géométriques et/ou optiques, et que celui-ci est éclairé de façon correcte on doit voir apparaître par réflection et d'après le postulat de Fresnel un fond continu de lumière dû à la partie homogène du miroir et à l'intérieur de ce fond continu des variations, plus ou moins importantes d'amplitude lumineuse consécutives aux inhomogénéités provoqués par les défauts présents à la surface du miroir. Ces inhomogénéités sont très localisées et sont connexes aux pourtours et au volume des défauts, qui les provoquent. Pour que l'image des caractères présente le plus fort contraste possible, il est important que la lumière vienne sur la plaque de silicium d'une seule et unique direction.En effet, si l'intérieur des caractères est éclairé par des rayonnements parasites, provenant de la source interne ou de sources externes, le niveau des contrastes peut diminuer et même disparaître de manière ponctuelle et aléatoire suivant les angles que peuvent présenter les trous du marquage laser. L'objet de notre invention concerne donc une machine de vision capable de faire de façon automatique une image des caractères d'identification gravés sur un substrat de silicium, ou sur tout autre substrat, et d'en donner une qualité telle que cette image puisse être envoyée sur un ordinateur qui pourra la binariser et la reconnaître par voie informatique. La prise de vue ainsi que la définition et la qualité de celle-ci va dépendre essentiellement de deux paramètres: l'éclairage du substrat et la disposition du montage optique permettant à la caméra une vue aussi parfaite que possible des caractères gravés dans le substrat. Conformément à ce que nous venons de préciser, dans le cadre de notre invention l'éclairage spécifique que nous avons réalisé est tel que pour obtenir les contrastes désirés nous avons travaillé celui-ci de telle sorte à obtenir au niveau de la plaque de silicium un pinceau de lumière fin et uni-directionnelle dont la surface couvre au mieux la surface de marquage laser. L'invention sera mieux comprise à la lumière des exemples de réalisation détaillés et illustrés par les figures annexées qui vont suivre: - La figure 1 représente la gravure des caractères alpha-numériques dans une plaquette de silicium ainsi que le détail d'un cratère élémentaire tels qu'on les voit à l'aide d'un microscope électronique à balayage. - La figure 2 représente le schéma de la machine expérimentale dans lequel ont été détaillés tous les constituants et principes de base de notre invention. - La figure 3 représente un système similaire au précédent dans lequel par un alignement spécifique et rigoureux de la caméra CCD et de la source d'éclairage, on parvient à une simplification extrême de la machine qui dans ces conditions se compose essentiellement d'un châssis 1 à l'intérieur duquel sont placés à l'abri des parasites externes une caméra CCD 2 placée dans un bloc mécanique 3 par lequel on est capable d'ajuster l'axe optique de visée de la caméra. L'élément d'éclairage 4 est lui confiné dans une boîte fermée de tous cotés 5 sauf à l'avant ou une ouverture 6 laisse passer la lumière vers un diffuseur de lumière 13 fait dans une matière organique ou inorganique dépoli. Tout l'équipage ainsi assemblé est fixé dans un ensemble mécanique 8 par lequel est ajusté l'axe d'éclairage en direction du substrat 9 et des caractères alpha-numérique qui y sont gravés. En 10 et 11 on trouve respectivement ralîmentation électrique de l'éclairage et celle relative à la caméra, en 12 est la sortie de signal de la caméra CCD. La figure 2 est une illustration du système qui nous a servi de modèle pour conduire nos essais selon une caractéristique de l'invention. ll se compose essentiellement d'une boite 1 noire, faite dans un matériau quelconque non transparent aux radiations lumineuses, et servant de corps à l'appareil et de protection contre les radiations parasites extérieures directes. En 2 on trouve une caméra, dans notre cas il s'agit d'un appareil Panasonic CCD, placée face aux caractères gravés sur le wafer de silicium 7. Interposé entre la caméra 2 et la plaque de silicium nous trouvons un miroir semi-transparent 3 faisant un angle d'environ quarante cinq degrés par rapport à l'axe optique de la caméra. Dans l'autre direction, perpendiculairement à l'axe optique de la caméra nous trouvons une source de lumière 4, en l'oecurence dans notre exemple un néon de marque Claude d'une puissance de vingt watts, le tout enfermé dans une boite étanche 5 dans laquelle on a pratiqué une ouverture 6 par laquelle va s'échapper un pinceau de lumière 7. Ce pinceau de lumière 7 vient heurter un diffuseur 8, fait dans une surface dépolie quelconque, plastique translucide ou autre matériau inorganique transparent à partir duquel la lumière sera réémise. Les inhomogénéités de surface de ce diffuseur, dues en particuliers aux micro-rugosités de surface, vont alors réemettre la manière du faisceau qui traverse le diffuseur comme autant de points sources de lumière élémentaires (formation de grains de lumière).Le miroir réfléchissant 3 voit donc arriver la lumière d'un nombre "infini" de points sources, cette lumière il va la projeter sur le substrat de silicium 9 à l'endroit ou sont gravées les caractères alpha-numériques. Ceux-ci ainsi éclairés apparaissent à la caméra 2 selon la représentation donnée par la figure 4. Conformément au postulat de Fresnel que nous avons décrit précédemment il faut afin d'obtenir un rapport signal sur bruit important que le pinceau de lumière qui vient éclairer les caractères alpha-numériques soit tel que sa surface couvre au plus juste la surface qu'occupent sur la plaque de silicium les caractères qui y sont gravés et que ce faisceau de lumière soit uni-directionnel. Dans ces conditions la lumière réfléchie par le substrat de silicium vers la caméra montre un fond continu dans lequel se détachent en sombre les trous de lumière conformes aux pourtours des lettres et chiffres gravés dans le silicium. Le contraste ainsi obtenu est rapporté dans la figure 4. La caméra CCD et l'éclairage sont reliés au secteur électrique via les connexions 10 et 11, en 12 on trouve le cordon par lequel transite l'information receuillie par la caméra CCD pour l'amener à un ordinateur de traitement adéquat de l'image. REVENDICATIONS 1 Appareil de prise d'image de caractères alpha-numériques, codes à barres ou autres, gravés chimiquement, par voie sèche ou humide ou par laser sur des substrats semi conducteurs et servant d'immatnculation personnalisée à chaque plaque de semi conducteur sur laquelle sont fabriqués des circuits intégrés, en ce qu'il est constitué d'une caméra CCD ou autre, qui regarde directement au travers d'un miroir semi-réfléchissant le pinceau de lumière réfléchi par la surface du semi-conducteur. En ce que les caractères gravés dans le substrat soient éclairés au moyen d'une source lumineuse de faible puissance et dont la lumière passe au travers d'un diffuseur fabriqué dans une matière organique ou inorganique, en ce que cette lumière est uni-directionnelle et que son aire couvre au mieux la surface de marquage des caractères.En ce que l'éclairage est placé dans un boitier clos, afin qu'il n'éblouisse pas toute la plaque, dans lequel on a pratiqué une ouverture permettant le passage d'un pinceau de lumière uni-directionnelle que l'on peut orienter de façon correcte sur les caractères d'identification gravés sur la plaque du semi-conducteur de façon à obtenir sur la caméra la meilleure définition possible de l'image désirée et en ce que tout l'ensemble est placé dans une boite étanche au radiations lumineuses parasites provenant le l'extérieur. 2 Appareil selon des revendications 1 caractérisé en ce que l'on y incorpore un filtre optique de façon à de que la lumière qui arrive sur la plaque de semi-conducteur et qui peut être recouverte d'une résine photo-sensible ne révèle pas cette résine. Par exemple, à l'heure actuelle les résines photo-sensibles sont relévées par des longueurs d'ondes inférieures à 0,4 micron, pour éviter tout ennui on peut donc interposer entre la source lumineuse et la plaque de semi-conducteur ainsi traitée un filtre optique qui coupe toute radiations dont la longueur d'onde est inférieure à 0,5 micron. 3 Appareil selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le diffuseur est directement fait sur l'enveloppe externe de l'ampoule d'éclairage. 4 Appareil selon les revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que le diffuseur est obtenu par un dépot métallique sur un substrat organique ou inorganique transparent, dépot qui après gravure par voie sèche ou humide présente l'aspect d'une grille de pas régulier présentant des parties opaques à la lumière et d'autres transparentes à celle-ci. 5 Appareil selon les revendications 1, 2, 3 et 4 caractérisé en ce que l'on incorpore sur le trajet du faisceau lumineux un système optique, à base de lentilles et/ou de prismes par exemple, susceptible de diriger la lumière incidente vers les caractères gravés dans le substrat semi-conducteur sous un angle et avec une surface d'éclairement optimum pour la détection visuelle par une caméra. 6 Appareil selon les revendications 2,3,4 et 5 caractérisé en ce que la caméra et le système d'éclairage sont arrangés de telle sorte que le miroir semi-réfléchissant est supprimé et que les dits constituants sont montés conformément au schéma présenté sur la figure 3. 7 Appareil selon les revendications 1 à 6 dans lequel est intégré un automate qui auto-aligne les plaques de semiconducteurs de façon à ce que les caractères gravés qui s'y trouvent soient toujours vus par la caméra dans une position identique et correcte au déchiffrage informatique. 8 Appareil selon les revendications I à 7 en ce que celui-ci lise tous les caractères gravés sur des supports organiques et inorganiques autres que des semiconducteurs.