CN101814449A - 用于鉴别半导体晶片在热处理期间的错误位置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在利用红外发射器加热的对于红外辐射可透射的加工室内进行热处理期间鉴别半导体晶片的错误位置的方法，其中半导体晶片位于旋转的基座的圆形凹槽内，并借助红外发射器及控制系统将半导体晶片保持在预定的温度，利用高温计测定热辐射，求得测量信号的波动振幅，若该振幅超过预定的最大值，则认为半导体晶片的位置错误。在此，高温计的取向使得由高温计检测的测量斑部分地位于半导体晶片上并且部分地位于半导体晶片以外的基座上。以此方式可以鉴别半导体晶片在基座的凹槽内的偏心位置。

Description

用于鉴别半导体晶片在热处理期间的错误位置的方法
技术领域
本发明涉及在利用红外发射器加热的对于红外辐射可透射的加工室内进行热处理期间鉴别半导体晶片的错误位置的方法，其中半导体晶片位于旋转的基座的圆形凹槽(pocket)内，并借助红外发射器及控制系统将半导体晶片保持在预定的温度，利用高温计测定热辐射，求得测量信号的波动振幅，若该振幅超过预定的最大值，则认为半导体晶片的位置错误。
背景技术
热处理例如用于在高温下快速热处理半导体晶片(快速热退火“RTA”或一般的快速热加工“RTP”)，或者用于化学气相沉积(CVD)，尤其是用于在经抛光的半导体晶片上沉积外延层。
在此，半导体晶片通常支承在称作基座的支架上。基座具有边缘区域以及位于该边缘区域以内的凹槽。凹槽的深度通常大致对应于待处理的半导体晶片的厚度。在沉积期间，基座旋转，因此位于其上的半导体晶片也旋转，以确保对整个晶片表面实施尽可能均匀的处理。
必须注意确保半导体晶片在沉积外延层期间完全位于基座的凹槽内。现有技术已知用于判断这是否实际上是该情况的许多可能性。例如US 6,217,212B1所述，为此目的可以使用指向半导体晶片表面的高温计。若半导体晶片没有完全位于凹槽内，则由于倾斜放置的旋转的半导体晶片的垂直摇摆
Figure GSA00000035156500011
和角度改变，高温计检测到以比较高的振幅振荡的信号，信号的频率对应于基座旋转的频率。不同的是，在半导体晶片完全位于凹槽内的情况下，该振幅明显较小。
凹槽通常比半导体晶片大几毫米。WO 02/065510A1教导，重要的是将半导体晶片定位在基座的凹槽的中心，以避免半导体晶片上的温度不均匀性。所提供的解决方案是用于确保半导体晶片位于凹槽中的确定的中心位置处的垫片。由此还避免放置晶片之后半导体晶片在基座上浮动(Verschwimmen)。但是，垫片导致加工气体的局部涡流，这在半导体晶片与垫片相邻接的区域内导致外延层的局部厚度不均匀。
在一个可选择的方案中，对于利用边缘夹持器由机器人手臂夹持的半导体晶片在将其送入反应器内的过程中利用照相机进行追踪，并在特定的时间点将其实际位置与预定的理论位置加以比较。基于该比较的结果，调节后续的机器人移动，以补偿所确定的偏差。这在US 2003/0231950A1中有所描述。但是，该方案的缺点在于，仅确保将半导体晶片正确地放置在通常3个穿过基座而突出的销钉上。然而，在降低销钉并将半导体晶片放置在基座上时，例如由于其在基座与半导体晶片之间的气垫上的浮动或者由于销钉在下降时产生的振荡，晶片的位置同样会发生改变。根据US 2003/0231950A1无法确定由此类原因导致的半导体晶片的错误位置。
发明内容
因此，本发明的目的在于，确定半导体晶片在基座的凹槽内的实际位置，从而可以确定及消除可能产生的错误及其原因。
该目的是通过在利用红外发射器加热的对于红外辐射可透射的加工室内进行热处理期间鉴别半导体晶片的错误位置的方法而实现的，其中半导体晶片位于旋转的基座的圆形凹槽内，并借助红外发射器及控制系统将半导体晶片保持在预定的温度，利用高温计测定热辐射，求得测量信号的波动振幅，若该振幅超过预定的最大值，则认为半导体晶片的位置错误，其特征在于，高温计的取向使得由高温计检测的测量斑部分地位于半导体晶片上并且部分地位于半导体晶片以外的基座上，而错误位置是基座的凹槽内的偏心位置。
下面依据附图更详细地阐述本发明。
附图说明
图1所示为具有理想地位于凹槽中心位置的半导体晶片的基座的截面图。
图2所示为具有位于凹槽的偏心位置的半导体晶片的基座的截面图。
图3所示为具有位于凹槽的偏心位置的半导体晶片的基座的俯视图。
图4所示为用于根据本发明确定半导体晶片的错误位置的排列方式的示意图。
图5所示为在半导体晶片理想地位于凹槽中心位置的情况下温度信号的时间曲线。
图6所示为在半导体晶片位于凹槽的偏心位置的情况下温度信号的时间曲线。
具体实施方式
可以使用如US 6,217,212B1的图1所图示的装置实施根据本发明的方法。该装置包括可以气密方式封闭的室(优选由石英制成)，下面称作加工室，其具有基座。半导体晶片水平地位于绕中心轴旋转的基座上。可以偏离US 6,217,212B1的图示而设计基座，以使半导体晶片仅在边缘区域内由基座支撑，如图1、2和4所示。在此情况下，半导体晶片1仅由其边缘支承在基座2的凹槽3内的凸缘4(ledge)上。凹槽3由基座的边缘5而定界。还可以设计基座，以使半导体晶片的两面均可自由到达，例如用于双面涂覆。基座优选由不会污染半导体晶片并且在热处理条件下自身不受侵害的材料构成。由碳化硅构成的基座或者用碳化硅涂覆的石墨基座是特别合适的。
在加工室外还设置一个或多个红外发射器，如US 6,217,212的图1所示。诸如卤素灯的红外发射器提供所需的辐射能以将半导体晶片加热至所期望的加工温度，优选在600至1300℃的范围内。借助控制装置将半导体晶片保持在预定的温度。控制装置优选包括：温度传感器，例如热电偶或高温计，其用于测量半导体晶片的温度，以及控制计算机，其用于将所测的温度与所存储的理论温度加以比较并在需要时改变红外发射器的输出功率。
根据本发明，采用高温计7的测量信号(参见图4)，以监测半导体晶片1在热处理期间的位置。高温计7通常设置在加工室(未示出)以外在半导体晶片1上方，并且能够通过测量辐射输出量而测定由其所检测的测量斑6的温度。根据本发明，高温计7的取向使得其测量斑6部分地位于半导体晶片1上并且部分地位于半导体晶片1以外的基座2上。因此，测量斑6的大小优选取决于凹槽3的直径与半导体晶片1的直径之差。测量斑6的直径优选对应于凹槽3的直径与半导体晶片1的直径之差的2至5倍，更优选为3至4倍。因此在凹槽3的直径为303mm而半导体晶片1的直径为300mm时，测量斑6的直径优选为6至15mm，更优选为9至12mm。
优选地确定由高温计7所检测的热辐射的波长范围，使得半导体晶片1及基座2(取决于各种不同的材料)在该波长范围内的发射率(emissivity)尽可能不同。若半导体晶片由硅构成，而基座2的表面由碳化硅构成，则0.9至1.1μm的波长范围是有利的。基座2在该波长范围内的发射率明显大于半导体晶片1。因此，基座2(在相同温度下)看上去比半导体晶片1更热。基座2在测量斑6中贡献的面积比例越大，则高温计7的测量信号变得越强，而且所显示的未修正发射率差异的温度变得越高。半导体晶片1所贡献的面积越大，则测量斑6所显示的温度变得越低。
因此，必须定位该测量斑6，使得在半导体晶片1定位在中心位置的情况下该测量斑部分地位于半导体晶片1上并且部分地位于基座2上。若半导体晶片1定位于基座2的凹槽3的中心位置，则特别地定位该测量斑6，使得测量斑的直径的10至90％，优选20至60％，更优选30至40％位于半导体晶片1上。
在基座2连同半导体晶片1一起围绕其自身的轴旋转时，若如图1所示半导体晶片1定位于凹槽3的中心，则基座2和半导体晶片1在静止的测量斑6中贡献的面积比例仅变小。不同的是，若半导体晶片1位于凹槽3的偏心位置，则基座2和半导体晶片1在测量斑6中贡献的面积比例随着旋转而发生变化。在极端情况下，半导体晶片1靠近基座2的边缘5的一侧，而在相对的一侧与基座2的边缘5的距离最大(对应于凹槽的直径与半导体晶片的直径之差)，如图2和3所示。在此情况下，基座2和半导体晶片1在测量斑6中贡献的面积比例随着旋转发生的变化最大。若在特定的时间点测量斑6精确地位于半导体晶片1与基座2的边缘5之间距离最大的位置上，则在适当地选择测量斑的大小及位置时，基座2在测量斑中贡献的面积比例最大，几乎为100％。不同的是，在基座旋转180°之后，测量斑6位于半导体晶片1靠近基座2的边缘5的位置上。在此，半导体晶片1在测量斑6中贡献的面积比例最大，例如约为50％。
因为如上所述基座的发射率不同于半导体晶片，所以基座以及位于其上的半导体晶片的旋转导致高温计的振荡的测量信号，其振幅取决于半导体晶片在基座的凹槽内偏心的程度。因此根据本发明得出由高温计产生的测量信号的时间曲线。若得出的测量信号的波动相对较小，则半导体晶片定位于凹槽的中心。在半导体晶片靠近基座的边缘时，达到最大的振幅。
图5所示为在硅晶片最佳地定位在由碳化硅涂覆的石墨基座的凹槽内的情况下，根据本发明测得的温度T(以摄氏度计)作为时间t(以秒计)的函数。所测的温度在约1230℃的平均值附近波动。因为在硅晶片旋转时基座及硅晶片在测量斑中贡献的面积比例几乎保持恒定，所以振幅非常小，约为3K。在硅晶片处于最佳位置时，温度波动的振幅仅为几个开尔文。因为由红外发射器所发出的辐射的反射和散射也对所测的温度有贡献，所以即使在硅晶片处于最佳位置的情况下，温度偏差本身在基座旋转时不可能为零。结合无法完全避免基座的垂直摇摆的情况，这导致以小的振幅振荡的信号。
不同的是，图6所示为对于以尽可能偏心的方式定位于凹槽内的硅晶片的情况以相同的方式测得的温度信号。在此情况下，平均温度也约为1230℃，但是振幅比图5所示的情况明显大50K以上。利用在晶片最佳定位的情况下的振幅与硅晶片靠近基座边缘而偏心定位的情况下的振幅之间的巨大差异，能够清楚地表示出硅晶片在凹槽内的位置。所测的温度波动越大，则位置错误越大。
根据本发明，对于振幅(或者选择性地对于相应于振幅2倍数值的波动范围)，确定允许的最大值。若由高温计产生的测量信号的振幅低于最大值，则认为半导体晶片正确定位。不同的是，若超过最大值，则应当认为半导体晶片的位置错误，即在基座的凹槽内的偏心位置。
被认为允许的最大值取决于许多参数(例如基座的材料、半导体晶片的材料、凹槽与半导体晶片的直径之差、测量斑的大小及位置、所检测的波长、热处理的温度、半导体晶片的允许的最大的位置错误)，并且对于各种构造形式可以通过适当的预先试验而确定。例如可以针对性地将半导体晶片放置在基座上被认为是恰好仍可接受的偏心位置上。随后使用根据本发明的方法实施热处理，并确定测量信号的振幅。在冷却之后，打开加工室，测定半导体晶片在基座的凹槽内的确切位置，以确定可能的位置改变。若在热处理之后半导体晶片的位置还对应于针对性设置的恰好仍可接受的位置，则将所获得的振幅作为最大值。若半导体晶片的位置发生改变，则必须在需要时重复该试验。
可以针对性地确定最大值与高温计的测量信号的平均值的关系，从而使振幅的最大值与热处理的确切温度以及由高温计或者在评估单元中调节的发射率无关。例如可以确定的最大值在所涉及的热处理步骤中在高温计的测量信号的平均值的1至4％的范围内。
为了进行评估，高温计7(图4)优选与评估单元8相连接，该评估单元用于评估高温计的测量信号，任选将辐射温度归入该信号，并将该值作为时间的函数记录在数据存储器中。但是也可将高温计的测量信号直接作为时间的函数加以记录并用于评估，而无需明确地将其换算成温度(但是在本说明书的范畴内，出于可以进行比较的原因，高温计测量信号的振幅总是以温度单位加以表示)。可以在整个热处理期间或者在预定的时间段内进行测量及将测量值储存在数据存储器中。为了能够以尽可能简单的方式方法在振幅或波动范围方面评估测量信号，优选在热处理中温度保持恒定的阶段实施根据本发明的方法，即不在加热或冷却过程中实施。
例如在预定的时间段内通过以图5和6的方式简单地用显示器显示并通过视觉观察对曲线进行评价，从而可以将由高温计产生的测量信号作为时间的函数加以评估。但是优选例如通过评估单元自动进行评估。例如可以在适当的位置发出错误信息，以提示存在的问题。
还可通过从一个半导体晶片至另一个半导体晶片比较振幅而推断出位置错误的原因，并引发适当的措施：
a)若振幅(及由此推断的半导体晶片的位置)从一个至另一个半导体晶片发生巨大改变，则这例如可以归因于在将半导体晶片放置在基座上时由半导体晶片的位置改变导致的温度骤变。其他原因可以是在基座与半导体晶片之间的气垫上的浮动或销钉在下降时产生的振荡。在此情况下可以标记所涉及的半导体晶片，并分离出或者任选实施额外的品质控制检验。
b)若波动范围经历较长的时间缓慢地增加，则这可以表明用于将半导体晶片送入加工室内的自动输送装置(例如机器人)的定位精度下降。在此情况下，可以在位置错误变得明显以至于对所处理的半导体晶片的品质起负面作用之前，相应地校正输送装置的移动。
若除了高温计的测量信号以外，还将表示基座在旋转期间的当前位置的信号作为时间的函数加以记录，因此可以计算出半导体晶片在哪些位置过于接近基座的边缘，从而可以精确地确定必须如何校正用于将半导体晶片送入加工室内的自动输送装置的移动，以再次实现半导体晶片的最佳定位。例如可以计算出机器人的步进电机必须以哪个方向及经过几步进行校准。
根据本发明的方法可以应用在所有用于热处理半导体晶片的方法中，在这些方法中半导体晶片支承在旋转的基座上，基座的发射率不同于半导体晶片，例如RTA或CVD过程。特别优选应用于对半导体晶片尤其是硅晶片进行外延涂覆的范畴。

Claims (6)

1.在利用红外发射器加热且对于红外辐射可透射的加工室内进行热处理期间鉴别半导体晶片(1)的错误位置的方法，其中半导体晶片(1)位于旋转的基座(2)的圆形凹槽(3)内，并借助红外发射器及控制系统将半导体晶片保持在预定的温度，利用高温计(7)测定热辐射，求得测量信号的波动振幅，若该振幅超过预定的最大值，则认为半导体晶片(1)的位置错误，其特征在于，高温计(7)的取向使得由高温计(7)检测的测量斑(6)部分地位于半导体晶片(1)上并且部分地位于半导体晶片(1)以外的基座(2)上，而该错误位置是基座(2)的凹槽(3)内的偏心位置。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，若认为半导体晶片(1)定位于基座(2)的凹槽(3)的中心位置，则所述测量斑(6)的直径的10至90％位于半导体晶片(1)上。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，所述振幅的最大值被定义在测量信号的平均值的1至4％的范围内。
4.根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于，所述热处理用于在半导体晶片上沉积外延层。
5.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，被认为位置错误的各个半导体晶片在热处理之后作标记，以指示处理有缺陷。
6.根据权利要求1至5之一的方法，其特征在于，除了高温计的测量信号以外，还将表示基座在旋转期间的当前位置的信号作为时间的函数加以记录，并在被认为位置错误的情况下将这些数据用于确定必须如何校正用于将半导体晶片送入加工室内的自动输送装置的移动，从而使下一个半导体晶片避免位置错误。
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