CN103294085A - 一种用于光学测量设备的微环境控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于光学测量设备的微环境控制系统，包括环境压力控制模块，其中所述环境压力控制模块包括：进风装置，包括入口和出口，所述进风装置的入口经过所述气流温度控制模块耦接至大气，所述进风装置的出口的方向设置成与所述光学测量设备的待测晶圆方向的角度在预定范围内；以及出风装置，包括入口和出口，所述出风装置的入口耦接至所述进风装置的出口，所述出风装置的出口耦接至大气。

Description

一种用于光学测量设备的微环境控制系统

技术领域

本发明涉及半导体制造设备中的一种光学测量设备的微环境控制系统。更具体的说，涉及提供光学测量设备内部的温度、压力及洁净度满足大尺寸晶圆光学测量设备精度指标要求的微环境控制系统。

背景技术

随着IC产业的飞速发展，晶圆的尺寸逐步向300mm迈进，对晶圆的加工制造自动化及工艺要求也越来越高。比如，在整个晶圆的制程中，对洁净度及环境控制的要求越来越苛刻。传统的单纯依靠洁净厂房来控制环境的方法不但会造成能源的浪费，同时也很难满足日益提高的环境指标需求。微环境技术的运用，不但提高了控制精度，同时大大降低了洁净厂房的控制成本。

光学测量设备(包括但不限于薄膜测量和关键尺寸测量；薄膜测量可以是包括薄膜厚度，薄膜材料的光学特性参数，薄膜材料的应力参数等的测量；关键尺寸测量可以是包括线宽，高度/深度，侧壁角，图形形貌等)，对于环境控制有较高的要求，细小的灰尘或颗粒不但会污染光学器件，也会引起测量的误差。同时，内部温度的波动会大大的影响光学测量系统的稳定性。因此，必须通过合适的环境控制方法来保证测量系统环境的洁净度和气流、温度等指标的精度。本发明对光学测量设备，例如300mm晶圆测量机台，的微环境控制系统进行改进。

发明内容

本发明提供一种用于光学测量设备的微环境控制系统。

在一个实施例中，提供了一种用于光学测量设备的微环境控制系统，包括环境压力控制模块，其中所述环境压力控制模块包括：进风装置，包括入口和出口，所述进风装置的入口经过所述气流温度控制模块耦接至大气，所述进风装置的出口的方向设置成与所述光学测量设备的待测晶圆方向的角度在预定范围内；以及出风装置，包括入口和出口，所述出风装置的入口耦接至所述进风装置的出口，所述出风装置的出口耦接至大气。

在一个例子中，所述微环境控制系统还包括：气流温度控制模块，包括加热器，用于加热气流；内部洁净度控制模块，包括至少一个过滤器，用于过滤气流；以及温度压力数据采集模块。

在一个例子中，所述进风装置包括风机和出风箱，其中，所述风机的入口经由所述气流温度控制模块耦接至大气，所述风机的出口耦接至所述出风箱的入口，所述出风箱包括入口、出口、以及连通所述入口和所述出口的多个气流通道，所述出风箱的气流通道对流入出风箱的空气起到稳压作用，所述出风箱的出口耦接至所述出风装置的入口，所述多个气流通道的邻近所述进风装置的出口的部分与所述光学测量设备的待测晶圆方向的角度在预定范围内。

在一个例子中，所述风机的入口进一步经由所述内部洁净度控制模块的过滤器耦接至大气。

在一个例子中，所述多个气流通道的邻近所述进风装置的出口的部分与所述光学测量设备的待测晶圆方向平行。

在一个例子中，所述风机包括离心风机，所述出风装置包括轴流风机。

在一个例子中，所述进风装置和所述出风装置设置成使得所述光学测量设备的光学测量部分的压力高于所述光学测量设备的其他部分的压力。

在一个例子中，所述进风装置的进风量为650-700m³/h，所述出风装置的出风量为300-350m³/h。

在一个例子中，所述温度压力数据采集模块包括：

第一压差传感器，耦接至所述光学测量设备的光学测量部分与大气，用于测量所述光学测量设备的光学测量部分与大气的压差；

第二压差传感器，耦接至所述光学测量设备的光学测量部分与所述光学测量设备的前端模块，用于测量所述光学测量设备的光学测量部分与所述光学测量设备的前端模块的压差；

第三压差传感器，耦接至所述光学测量设备的光学测量部分与所述光学测量设备的电气柜，用于测量所述光学测量设备的光学测量部分与所述光学测量设备的电气柜的压差；以及

控制器，耦接至所述第一、第二、第三压差传感器、所述进风装置以及所述出风装置，用于根据所述第一、第二、第三压差传感器的测量数据控制所述进风装置以及所述出风装置的进风量和出风量。

在一个例子中，所述温度压力数据采集模块还包括：

第一温度传感器，设置于邻近所述光学测量设备的光学测量部分；

第二温度传感器，设置于邻近所述光学测量设备的电气柜；

第三温度传感器，设置于邻近所述光学测量设备的关键电机；

第四温度传感器，设置于邻近所述光学测量设备的灯；

以及

第五温度传感器，设置于邻近所述光学测量设备的关键机械部件，

其中，所述控制器还耦接至所述第一、第二、第三、第四、第五温度传感器，用于根据所述第一、第二、第三、第四、第五温度传感器的测量数据控制气流温度控制模块。

在一个例子中，当所述第一、第二、和/或第三压差传感器的测量数据和/或所述第一、第二、第三、第四、和/或第五温度传感器的测量数据超过第一预定区域，所述控制器发出报警信号；当所述第一、第二、和/或第三压差传感器的测量数据和/或所述第一、第二、第三、第四、和/或第五温度传感器的测量数据超过第二预定区域，所述控制器切断所述光学测量设备的供电。

根据本发明的一个实施例的微环境控制系统同时提供环境洁净度控制，气流温度控制以及压力控制。该系统能有效的维持机台内部温度、压力以及洁净度的精度及稳定性指标需求，达到了较好的控制效果。

在一个实施例中，该微环境控制系统用于300mm晶圆光学测量机台。

光学测量机台，例如300mm晶圆光学测量机台，可划分为几个空间，例如，划分为前端模块，机台上部测量部分和机台下方电气柜，在以下的描述中会提及。

在一个实施例中，气流温度控制模块主要是由空气加热器、温度控制器组成的。气流温度控制箱可以是一双层不锈钢保温箱，放置在机台框架上方，气流通过离心风机被吸入双层保温箱内，依次通过进口中效过滤器、加热器、气流温度传感器、然后通过风机，经过温度控制的气流最后通过出风箱末端的超高效过滤器(ULPA)吹向设备内部机台上方测量部分。气流的温度控制是通过温度控制器和温度传感器来实现的，可以实现±0.1℃的控制精度。吹向机台上方的气流在上部流动，带走测量区域及其他光学、机械部件的热量后，通过运动平台基座与框架间的缝隙流向机台下方电气柜，在下方电气柜流动带走电气元件的热量，最后从排风扇排出。

在一个实施例中，环境压力控制模块主要包括进风装置和出风装置，通过吹向机台内部的气流来实现。吹向机台内部气流的气流量和下方电器柜排出的气流量是固定的，通过保证吹入的气流量大于排出的气流量，来保证机台内部相对于环境的正压力。另外，前端模块内部也有垂直方向的气流来保证前端模块相对于环境2.5Pa左右的正压力，而机台环境压力控制模块用于保证机台上部的压力大于前端模块的压力0.5～1.5Pa左右，保证机台上部压力大于环境压力3～5pa，同时保证机台上部压力大于下方电气柜的压力0.5～2.5Pa。该压力指标是为了保证机台上部的压力最高，使其它部分的气流不会流入机台上部，从而保证机台上部的温度稳定性，同时不会有细小颗粒流入。

在一个实施例中，内部洁净度控制模块用于保证机台上部测量区域1级洁净度(STD 209E标准)，该模块首先是通过气流入口处的中效过滤器和出风口处的超高效过滤器来保证吹入机台内部气流的1级洁净度；其次是吹入机台内部的水平层流气流带走机台内部少量的细小灰尘及颗粒；同时，机台上方正压可以防止其他部位的灰尘颗粒进入机台上方。综合以上所述方法，实现了机台内部测量区域的洁净度指标。

在一个实施例中，内部温度压力采集模块包括5个温度传感器和3个压差传感器，分别布置在机台内部的不同位置，各传感器通过一块ARM板来采集数据，并通讯给工控机，用于调试和运行时监控温度和压力的控制情况。当所采集的传感器数值超过第一预定区域，例如系统预先设置的警报值时，机台软件系统会发出警告，当所采集的传感器数值超过第二预定区域，例如系统预先设置的危险值时，机台软件系统会通知电气系统紧急停止，来关闭机台的运行。其中三个压差传感器分别监控机台上部与环境、机台上部与前端模块、机台上部与机台下方电气柜之间的压差，5个温度传感器用来监控机台测量区域、电气柜、关键机械部件、关键电机以及灯等部件的温度。关键机械部件可以是光学测量部件的支撑部件。

附图说明

参考以下的附图可更好地理解本发明的实施例。附图中的部件未必按比例绘制：

图1根据本发明的一个实施例的光学测量设备的微环境控制系统示意图

图2根据本发明的一个实施例的光学测量设备的微环境控制系统温度控制箱及出风箱示意图

图3根据本发明的一个实施例的光学测量设备的微环境控制系统机台内部示例性的气流流动方式

在上述的各附图中，相似的附图标记应被理解为表示相同、相似或者相应的特征或功能。

具体实施方式

在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。

在以下的具体描述中，参考了所附的附图。附图构成了本发明的一部分，在附图中通过示例的方式示出了能够实施本发明的特定的实施例。就这一点而言，方向性的术语，例如“左”、“右”“顶部”、“底部”、“前”、“后”等，参考附图中描述的方向使用。因此本发明的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。

根据本发明的一个实施例的用于光学测量设备的微环境控制系统包括气流温度控制模块、环境压力控制模块、洁净度控制模块、温度压力采集模块。该系统的结构示意图如图1所示。

该光学测量设备的微环境控制系统可以用于测量大尺寸薄膜，例如300mm薄膜，该微环境控制系统可以分为前端模块、机台上部和机台下部电气柜三个部分，图1中描述了各部分的位置，其中机台上部和下部以基座为界。

其中，环境压力控制模块包括进风装置，该进风装置包括入口和出口，该进风装置的入口经过所述洁净度控制模块的至少一个过滤器，例如中效过滤器，气流温度控制模块耦接至大气，该进风装置的出口气体连通至所述光学测量设备内部的光学测量部分，并与电气柜部分形成气流通道，所述进风装置的出口的方向设置成与该光学测量设备的待测晶圆方向的角度在预定范围内；以及出风装置，包括入口和出口，该出风装置的入口与光学测量设备的电气柜部分气体连通，该出风装置的出口耦接至大气。

在图1的示意图中，进风装置示出为包括ULPA(超高效空气过滤器)，出风装置示出为排风扇。

更具体地，在图2的示意图中，进风装置示出为包括置于温度控制箱后端的离心风机以及与离心风机耦接的出风箱。离心风机的入口经由温度控制箱耦接到大气。

在实际运作中，离心风机抽取空气，该空气经由温度控制箱(温度控制箱将在下文详细描述)，本领域技术人员理解，离心风机的出风方向相对于进风方向是成角度的，在该示出的例子中，离心风机的进风方向大体平行于该温度控制箱，离心风机的出风方向大体垂直于该温度控制箱。离心风机的出口耦接到出风箱的入口，由离心风机和出风箱构成的进风装置的出口和入口之间存在多个气流通道，该多个气流通道可以包括该出风箱的过滤器(例如ULPA)的多个微细通道，该多个气流通道还包括在风机的出口和出风箱的入口之间的通道，用于将从离心风机接收的空气排出到该光学测量设备的光学测量区域(如图1中示出的)。

该多个气流通道的邻近进风装置的出口的部分设置成与该光学测量设备的待测晶圆方向的角度在预定范围内。该预定范围可以是例如0°(即平行于待测晶圆方向)、10°、20°、30°等，从而使得出风箱排出的气流相对于待测晶圆方向有较大的水平分量，也即在光学测量区域存在水平层流，其优点之一是容易带走附着于薄膜表面的微小颗粒。在该例子中，该多个气流通道的邻近进风装置的出口的部分即ULPA的多个微细通道。

本领域技术人员理解，根据本发明的用于光学测量设备的微环境控制系统不限于图1、2示出的方式，根据本发明的用于光学测量设备的微环境控制系统可以有多种构成方式以及布置方式。

在一个替换例中，不同于图1、2中的布置方式，出风箱(ULPA)布置在相对于温度控制箱的左侧，从而气流流经测量区域的方向是从左至右。

在另一个替换例中，进风装置包括轴流风机以及耦接到轴流风机的出风箱。在进风装置包括轴流风机的情况下，该轴流风机可以布置于温度控制箱的后端，该轴流风机的进风口大体上垂直于该温度控制箱，从而其排出的空气的方向也大体上垂直于该温度控制箱。

需要说明的是，本发明的一个基本思想是在光学测量区域提供水平层流，而不限于微环境控制系统的具体构成方式。

如下详细描述温度控制箱和出风箱：

图2中示出了温度控制箱和出风箱。在温度控制箱的进风口处装有中效过滤器，在额定风量下其平均过滤效率为90％～95％，用于对进入机台的空气进行第一级过滤。所有流入的空气是通过固定在温度控制箱末端的310mm离心风机来吸入的。吸入的空气在经过第一级过滤后(即经过中效过滤器过滤后)，流经加热器来将气流加热到需要的温度，然后在温度控制箱风道内充分的混合后，再被离心风机吹出，气流被吹入出风箱内，经过出风箱一定的静压作用后，最后通过超高效过滤器吹向机台内测量区域及光学机械部件。这里所述的超高效过滤器可以是U16等级过滤器，对0.12μm以上的颗粒的过滤效率大于等于99.99995％。所述温度控制箱内空气加热器是通过温度控制器的PID控制来控制输出电流的大小，从而控制空气的加热温度，控制精度可以是例如±0.1℃。

需要说明的是，以上描述的过滤器的选取仅是示例性的，根据实际需要，可以选取其他过滤等级的过滤器。

为了保证机台上方测量部分的洁净度，出风箱吹出的气流要维持水平层流的气流，该系统中出风口的气流速度可以在设定为0.5m/s。该固定的气流速度使机台的进气量维持在650m³/h左右。同时机台下方的排风扇以350m³/h的风量向环境排气散热。进气风机和排风机的转速可根据机台的实际情况进行调节。由于进气量大于排气量，故机台环境平衡后，能够维持一定的正压力，且保证了机台上方测量部分的压力大于环境压力3.2Pa左右，大于前端模块压力0.5Pa左右，大于机台下方电气柜压力1.5Pa左右。该正压力有效的保证了其它部分的细小颗粒不会进入机台上方测量部分。同时，由于图1示出的超高效过滤器可以保证吹入机台内层流气流的1级洁净度，且层流气流可以带走机台内累积的细小颗粒，综合以上三个方法，有效的保障了机台内部的洁净度。

环境温度压力数据采集模块用于在机台调试和运行时，监控机台内部的环境参数。在一个实施例中，环境温度压力数据采集模块包括三个压差传感器和与该三个压差传感器分别耦接的控制器。该三个压差传感器可以是SDP1000压差传感器，分别固定在机台上方测量部分的机械部件上。压差传感器的HI(高)进气接口均裸露于机台上方环境(即光学测量部分)，压差传感器的Lo(低)进气接口则通过气管连接，气管的另一端分别放置于机台所处的洁净室环境(即大气)、前端模块环境，及机台下方电气柜环境中，以此方式来分别测量机台上方(即光学测量部分)与机台下方电气柜的压差、机台上方(即光学测量部分)与前端模块的压差以及机台上方(即光学测量部分)与洁净室环境(即大气)的压差。压差传感器的数值是通过ARM板来读取并传送给机台工控机软件系统(即控制器)，数值精度可以精确到0.1Pa。

在一个实施例中，环境温度压力数据采集模块还包括分布在机台内部的5个耦接到控制器的温度传感器。该5个温度传感器可以是PT100温度传感器，通过同一块ARM板读取温度数值，并传送给工控机软件系统(即控制器)。温度传感器的读取精度为±0.1℃。工控机软件系统可以通过监控的环境数值来判断机台的状态，并给出相应的报警及危险信号。如果某一传感器的读数超出了第一预定区域，例如稳定性的控制范围，则软件系统采取相应措施报警，并将警报信息记入日志，供使用者察看。报警不影响系统的正常运行。如果某一传感器的读数超出了第二预定区域，例如系统设置的危险值时，软件系统或通知机台立即取片，停止测量，亮红灯甚至系统断电。

在一个例子中，安置在温度控制箱风道内，风机入风侧前端的PT100温度传感器，每隔167ms采集一次温度数据，并反馈给温度控制器，以供温度控制器实时调整输出电流量，从而调整加热器输出热量。温度控制箱和出风箱分别通过密封垫与机台框架固定，保证温度控制箱与出风箱间形成密闭的气流通道。

出于示例目的，图3中示出了气流在机台内部的一个流动路径。

气流被风机从大气(例如机台所处的洁净室环境)吸入到温度控制箱，该气流在吸入过程中经过一级过滤器(例如中效过滤器)，在到达风机前，气流被空气加热器加热至所需的温度，之后气流经过风机被送达出风箱，在出风箱内，气流经过二级过滤器(例如ULPA)，从出风箱流出的气流在测量区域形成水平层流，该气流继而经过运动平台基座与框架间的缝隙到达电气柜，最终经过设置在电气柜上的出风装置被排出到大气(例如机台所处的洁净室环境)。

在上文中，以微环境控制系统包括环境压力控制模块、气流温度控制模块、内部洁净度控制模块以及温度压力数据采集模块为例进行了说明。需要说明的是，本发明不限于此。微环境控制系统也可以不包括气流温度控制模块、内部洁净度控制模块和/或温度压力数据采集模块。

可以理解，上述描述的实施例仅用于描述而非限制本发明，本领域技术人员可以理解，可以对本发明进行修改和变形，只要不偏离本发明的精神和范围。上述的修改和变形被认为是本发明和所附权利要求的范围。本发明的保护范围由所附的权利要求所限定。此外，权利要求中的任何附图标记不应被理解为对本发明的限制。动词“包括”和其变形不排除出现权利要求中声明以外的其他的元件或步骤。在元件或步骤之前的不定冠词“一”不排除出现多个这样的元件或步骤。

Claims (11)

1.一种用于光学测量设备的微环境控制系统，包括环境压力控制模块，其中所述环境压力控制模块包括：

进风装置，包括入口和出口，所述进风装置的入口经过所述气流温度控制模块耦接至大气，所述进风装置的出口的方向设置成与所述光学测量设备的待测晶圆方向的角度在预定范围内；以及

出风装置，包括入口和出口，所述出风装置的入口耦接至所述进风装置的出口，所述出风装置的出口耦接至大气。

2.根据权利要求1所述的微环境控制系统，其特征在于，所述微环境控制系统还包括：

气流温度控制模块，包括加热器，用于加热气流；

内部洁净度控制模块，包括至少一个过滤器，用于过滤气流；以及

温度压力数据采集模块。

3.根据权利要求2所述的微环境控制系统，其特征在于，所述进风装置包括风机和出风箱，其中，所述风机的入口经由所述气流温度控制模块耦接至大气，所述风机的出口耦接至所述出风箱的入口，所述出风箱包括入口、出口、以及连通所述入口和所述出口的多个气流通道，所述出风箱的出口耦接至所述出风装置的入口，所述多个气流通道的邻近所述进风装置的出口的部分与所述光学测量设备的待测晶圆方向的角度在预定范围内。

4.根据权利要求3所述的微环境控制系统，其特征在于，所述风机的入口进一步经由所述内部洁净度控制模块的过滤器耦接至大气。

5.根据权利要求3所述的微环境控制系统，其特征在于，所述多个气流通道的邻近所述进风装置的出口的部分与所述光学测量设备的待测晶圆方向平行。

6.根据权利要求3所述的微环境控制系统，其特征在于，所述风机包括离心风机，所述出风装置包括轴流风机。

7.根据权利要求3所述的微环境控制系统，其特征在于，所述进风装置和所述出风装置设置成使得所述光学测量设备的光学测量部分的压力高于所述光学测量设备的其他部分的压力。

8.根据权利要求7所述的微环境控制系统，其特征在于，所述进风装置的进风量为650-700m³/h，所述出风装置的出风量为300-350m³/h。

9.根据权利要求2所述的微环境控制系统，其特征在于，所述温度压力数据采集模块包括：

第一压差传感器，耦接至所述光学测量设备的光学测量部分与大气，用于测量所述光学测量设备的光学测量部分与大气的压差；

第二压差传感器，耦接至所述光学测量设备的光学测量部分与所述光学测量设备的前端模块，用于测量所述光学测量设备的光学测量部分与所述光学测量设备的前端模块的压差；

第三压差传感器，耦接至所述光学测量设备的光学测量部分与所述光学测量设备的电气柜，用于测量所述光学测量设备的光学测量部分与所述光学测量设备的电气柜的压差；以及

控制器，耦接至所述第一、第二、第三压差传感器、所述进风装置以及所述出风装置，用于根据所述第一、第二、第三压差传感器的测量数据控制所述进风装置以及所述出风装置的进风量和出风量。

10.根据权利要求9所述的微环境控制系统，其特征在于，所述温度压力数据采集模块还包括：

第一温度传感器，设置于邻近所述光学测量设备的光学测量部分；

第二温度传感器，设置于邻近所述光学测量设备的电气柜；

第三温度传感器，设置于邻近所述光学测量设备的关键电机；以及

第四温度传感器，设置于邻近所述光学测量设备的灯；

第五温度传感器，设置于邻近所述光学测量设备的关键机械部件，

其中，所述控制器还耦接至所述第一、第二、第三、第四、第五温度传感器，用于根据所述第一、第二、第三、第四、第五温度传感器的测量数据控制气流温度控制模块。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的微环境控制系统，其特征在于，当所述第一、第二、和/或第三压差传感器的测量数据和/或所述第一、第二、第三、第四、和/或第五温度传感器的测量数据超过第一预定区域，所述控制器发出报警信号；当所述第一、第二、和/或第三压差传感器的测量数据和/或所述第一、第二、第三、第四、和/或第五温度传感器的测量数据超过第二预定区域，所述控制器切断所述光学测量设备的供电。

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