CN108604557B - 自知生产晶片 - Google Patents

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Abstract

实施例包括自知基板和用于利用自知基板的方法。在一个实施例中，处理自知基板的方法可包括启动自知基板上的处理操作。处理操作可以是在生产基板上的功能装置的制造中所使用的任何处理操作。该方法可进一步包括接收来自自知基板上的一或多个传感器的输出信号。在一些实施例中，一或多个传感器形成在基板的非生产区域上。该方法可进一步包括将输出信号和与一或多个处理条件相关联的端点标准比较。例如，端点标准可与处理条件(如膜厚度)相关联。该方法可进一步包括当满足该端点标准时，结束该处理操作。

Description

自知生产晶片
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年1月28日提交的题为“SELF-AWARE PRODUCTION WAFERS(自知生产晶片)”的美国非临时专利申请15/009,692 的权益，且为所有目的藉由援引将其整体纳入于此。
技术领域
实施例涉及半导体处理的领域，且更具体言之，涉及用于实时特征化生产基板上的处理的装置和方法。
背景技术
通常通过处理基板一给定时间量，及接着使用膜厚度测量工具(如椭圆仪)测量所沉积或去除的膜的量来测量沉积和去除速率。此种技术的问题是仅有处理的最终结果可以被确定。如此一来，无法确定处理过程期间对膜的实时变化。在某些情况下，使用光发射光谱仪(OES)可以提供关于等离子体的一些实时信息，但仍然缺乏判定等离子体对基板表面影响的能力。此外， OES不适合与远程等离子体一起使用。
此外，在生产基板(如为了在半导体表面上形成多个晶粒而正被处理的晶片)中，常执行测量(metrology)以确保该处理已根据适当规范执行。若测量展示没有达到规范，则该层可能需要重做。为了达到高产率，可需要在多个关键操作之后执行测量。额外的测量和重做减少每个基板的产量且增加生产每个装置的总成本。
发明内容
实施例包括自知基板和用于利用自知基板的方法。在一个实施例中，处理自知基板的方法可包括启动自知基板上的处理操作。处理操作可以是在生产基板上的功能装置的制造中所使用的任何处理操作。该方法可进一步包括接收来自自知基板上的一或多个传感器的输出信号。在一些实施例中，一或多个传感器形成在基板的非生产区域上。例如，非生产区域可以是切锯通道 (saw-streets)。如此一来，因为传感器仅占了功能装置无法置于的区域，所以基板的产率不会下降。该方法可进一步包括将输出信号和与一或多个处理条件(processing condition)相关联的端点标准比较。例如，端点标准可与处理条件(如膜厚度)相关联。该方法可进一步包括当满足该端点标准时，结束该处理操作。
在一些实施例中，自知基板可以包括一基板，其中在该基板的支撑表面上方的非生产区域上形成多个传感器。一或多个生产区域可在基板的支撑表面上形成。例如，生产区域可包括晶粒区域或显示区域。根据实施例，每个传感器能够产生对应于处理条件的输出信号。例如，输出信号可包括电压、电流、频率和/或时间测量。处理条件包括以下各者中的一或多个：膜厚度、颗粒存在与否、质量、基板温度、吸座温度、表面电荷、磁场强度、特定气体浓度、等离子体的电子能量分布函数(EEDF)或电压直流(VDC)。此外，实施例包括自知传感器，自知传感器包含在基板上形成的网络接口装置。多个传感器中的各者经由一或多个通孔(via)与该网络接口装置通信耦合。在一个实施例中，网络接口装置可形成在基板中的空腔中。
以上发明内容不包括详细清单的所有实施例。可以预期的是，包含的所有系统和方法可以从上面概述的各式实施例的所有合适组合来实施，以及可以从以下实施方式与本发明案所申请的权利要求具体指出的公开中来实施。这些组合具有没有具体记载于上述发明内容中的特别优点。
附图说明
图1A是根据实施例包括电路和多个传感器的基板的底表面的说明图。
图1B是根据实施例的基板的上表面的说明图，图示了晶粒位置之间的非生产区域中的传感器位置。
图1C是图示根据实施例的基板截面图的说明图，该基板包括通孔，以贯穿基板厚度将传感器垫连接到底表面的电路。
图2A是图示根据实施例具有在传感器垫上形成的传感器的基板的部分截面图的说明图。
图2B是图示根据实施例在基板上方形成的多个后段(BEOL) 层的说明图，其中第二传感器形成在后段层的上方。
图3是根据实施例安装在自知基板上的电子电路的说明图。
图4A至4C是根据实施例可包含于自知基板中的传感器的说明图。
图5是根据实施例放置在基板处理工具的腔室中的自知基板的说明图。
图6是表示根据实施例用于提供工艺的实时监测的方法中的操作的流程图图示。
图7是表示根据实施例的方法中的操作的流程图图示，该方法利用来自第一处理操作的传感器输出信号来调整将用于第二处理操作中的处理配方。
图8描绘可与根据实施例的自知基板结合使用的示例性计算机系统的框图。
具体实施方式
根据各种实施例描述了用于实时监测基板上的处理条件的装置和方法。在下面的描述中，阐述了许多具体细节，以提供对实施例的全面理解。显然，本领域技术人员可在没有这些具体细节的情况下实施这些实施例。在其他示例中，为了不无谓地混淆实施例，未详述公知的方面。此外，应理解到，在附图中所示的各种实施例是说明性表示且不一定按比例描绘。
用于验证在基板上的处理操作已经正常实施的现有技术是耗时且昂贵的。例如，当需要验证沉积膜的厚度时，基板需要从沉积腔室移除并使用不同的工具分析。例如，测量工具(如椭圆仪，ellipsometer)可用来判定由沉积工艺获得的最终膜厚度。
此种典型的验证工艺有数个缺点。第一，工艺验证使用超过一个的工具。额外的测量工具占用制造设备中的宝贵空间。另外，使用多个工具产生额外的基板运输操作，并因此增加了验证工艺所需的时间。第二，工艺验证仅能在完成工艺之后判定膜的厚度。如此一来，若在沉积工艺中有错误(如膜过厚或过薄)，则可能需要重做基板。重做基板的额外时间降低产量，且因此增加了装置的总成本。
因此，实施例包括具有能够提供处理操作的实时分析的传感器的基板。如此一来，实施例消除了对昂贵测量设备的需求，且允许进行处理操作期间基板表面上与处理站中的状况的实时分析。基板上的传感器允许当膜正在被沉积或蚀刻时判定膜厚度。知道处理期间的膜厚度提供了增加产率及产量的好处。
尽管以前的膜沉积(或蚀刻)工艺使用在处理操作期间不会变化的处理配方(process recipe)，但本文所述的实施例允许对处理配方作动态改变。例如，在处理期间在一给定点处的膜厚度可以与所需的膜目标厚度作比较。在沉积工艺中，若膜假设在处理配方完成之后太薄，则可实时调整配方以增加沉积工艺的长度，直到达到所需的厚度。类似地，若在完成处理配方之前达到了所需的厚度，则可调整处理配方以提早结束，以避免重做基板的需要。另外，可从所需的目标值修改接续的处理配方以计入膜厚度的变化。例如，若在第一工艺中，膜沉积到比所需厚度更厚的厚度，则可调整第二工艺(如蚀刻工艺)以增加蚀刻时间。
此外，实施例提供在制造工艺中更早捕捉制造误差的能力。例如，某些装置层可能容易在高表面电荷、温度、暴露于高强度磁场等处受损坏。然而，当前的测量设备仅允许在处理操作完成后检查，且此种类型的损坏甚至可能无法检测得到。相反地，本文所述的实施例可包括一或多个传感器，其经设计以监测这些临界参数(critical parameters)，以判定处理操作期间是否超过最大阈值(maximum threshold)。例如，用于监测膜厚度变化、颗粒存在与否、质量、基板温度、吸座温度、表面电荷、磁场强度、特定气体浓度、等离子体的电子能量分布函数(EEDF)或VDC等的传感器可形成于基板上。此外，可在处理操作之间加入或移除传感器，以为不同的处理操作提供不同的传感器。如此一来，可订制传感器的选择来仅为每个处理操作检测所需的信息。
将理解到，以下所述的自知基板和方法可以在其中实时工艺监测是有益的任何形状因子(form factor)或工艺来使用。更具体言之，尽管相对于用于制造集成电路的晶片处理来描述自知基板和方法，但是亦可适配这些装置和方法以用于其他技术，如在电子工业中的显示器和/或太阳能工业的光伏电池。
现在参考图1A，根据实施例图示自知基板100的背侧表面103 的说明图。自知基板100可包括基板102，基板102具有总体形状因子和/或与半导体晶片相同的材料和形状。在一个实施例中，基板102可至少部分地由半导体材料构成。例如，基板102可以是结晶硅材料、结晶的III-V族半导体材料、绝缘体上硅(SOI)或类似物。此外，基板102可具有实质为盘形的晶片形状因子且具有直径106。基板102可具有厚度109(示于图1C中所示的自知基板100的截面图说明图中)。在实施例中，基板102的晶片形状因子包括95 至455mm之间的直径106(如直径106可称为100mm、200mm、300mm或 450mm)。此外，基板102的晶片形状因子可包括小于1mm的厚度109(如 525μm、775μm或925μm)。厚度109亦可大于1mm(如数毫米，最大10mm)。因此，可使用容易获得的晶片材料和典型的晶片制造工艺和设备来制造自知基板100，且当自知基板100在晶片处理工具中处理时，可基本上模拟半导体晶片。根据额外的实施例，基板102可具有通常在基板处理工具中处理的任何类型的基板的形状因子。例如，在显示器技术使用的玻璃面板(如基于薄膜晶体管(TFT)的显示器)亦可用作基板102。
自知基板100可包括在基板102上形成的电路113中的一或多个区域。自知基板100的电路113可通信耦接至在基板102的支撑表面104上形成的一或多个传感器垫118。电路113以虚线图示，以指示电路113可能不形成在基板102的背侧表面103上。例如，电路113可嵌入于基板102，如将在下面更详细说明。根据实施例，电路113可经由通孔电耦接至传感器垫118。
在图示的实施例中，每个传感器垫118与电路113配对。根据额外的实施例，超过一个的传感器垫118可与电路113的每个区域配对。此外，实施例可包括电子电路集线器116。电子电路集线器116可利用有线或无线连接与电路113的独立区域的各者通信耦合。例如，嵌入在基板102的电迹线114 可将电路113中的一或多个区域与电子电路集线器116串联连接，或者电路113 中的一或多个区域可通过个别电迹线115与电子电路集线器116并联连接。因此，可在传感器垫118之间产生电连接，和/或可使用电迹线、电导线、通孔和其他公知类型的电连接器将传感器垫118连接到电子电路集线器116。
现在参考图1B，根据实施例图示自知基板100的支撑表面104 的说明图。如图所示，一或多个传感器垫118可制造于支撑表面104上的预定位置处。在实施例中，多个传感器垫118(如几十到几百万个)可建置或放置在支撑表面104上。每个传感器垫118可具有一已知位置。例如，第一传感器垫118可位于第一位置110，且第二传感器垫118可位于第二位置112。第二位置112可具有相对于第一位置110的一已知位置，或相对于自知基板100上的某个其他参考点的已知位置。
传感器垫118可随机地或依一预定图案排列在整个支撑表面 104上分布。当使用随机分布时，每个传感器垫118的绝对或相对位置仍可是预定和已知的。在实施例中，用于传感器垫118的预定图案可包括网格图案、同心圆图案、螺旋图案等。例如，图1B所示的传感器垫118沿着非生产区域 122横跨支撑表面104分布。在某些半导体制造处理中，非生产区域122可以是基板102的生产区域(如晶粒区域、显示区域等)109不位于该处的区域。在集成电路晶粒(如逻辑、存储器或类似物)的制造中，非生产区域122可被称为切锯通道或划割线。非生产区域122提供处理完成之后切割刀或刻痕刀 (scoring blade)可用于将生产区域109上形成的独立晶粒从基板上单片化 (singulate)出来的区域。因此，沿非生产区域122形成传感器垫118不占据可用于形成功能装置的有价值空间(valuable real estate)。因此，包括沿非生产区域122形成的传感器垫118的实施例没有降低基板的产率。
在实施例中，传感器垫118经布置以提供位置处的工艺监测信息，其被预测为具有处理操作期间处理条件中最大程度的变化。例如，基板102 的温度或对于等离子体的暴露可在整个基板表面上变化。因此，某些实施例可包括没有在整个支撑表面104上均匀分布的传感器垫118。例如，相较基板102 的中心，基板102的外周通常经历更大的工艺变化。因此，外部区域可比基板 102的中心区域具有更多个传感器垫118。
现在参考图1C，根据实施例示出自知基板100的截面图示。如上所述，多个传感器垫118可在整个支撑表面104上分布。在实施例中，电路 113的每个区域可嵌入于传感器垫118下方的基板102中。例如，空腔128可形成入基板102中。随后电路113可在空腔128中形成。
在图示的实施例中，电路113所示从空腔128的底表面向上延伸。例如，电路113可是安装在空腔128中的晶粒。然而，实施例不限于这些配置。例如，电路113可以被直接制造至基板102(如当基板是半导体基板时)中。覆盖层 129可形成在空腔128中，以在基板102上的装置制造期间将电路113与处理条件隔离。在实施例中，覆盖层129的顶表面可与基板102的顶表面实质共平面。此外，可以理解，对基板的“支撑表面”的指代亦可包括覆盖层129的顶表面。如此一来，在一些实施例中，传感器垫118形成在覆盖层129的顶表面上方。为了提供从传感器垫118到电路113的电连接，通孔117可穿过覆盖层 129形成。覆盖层129可以是能够沉积在基板102上方的任何材料。例如，覆盖层129可以是氧化物、氮化物、多晶硅、外延生长的半导体材料或类似物。
图1C亦图示了基板102的装置层101。在实施例中，装置层101 是基板102的其中可制造功能半导体器件(如晶体管、二极管等)的部分。装置层101可以是与基板102相同的材料。或者，装置层可以是不同于基板102 的材料。例如，基板102可包括硅半导体材料，及一或多个缓冲层，且装置层 101可以是III-V族半导体材料。
现在参考图2A，根据实施例图示自知基板100的部分的截面图。在图2A中，虚线描绘生产区域109和非生产区域122之间的边界。在非生产区域122中，传感器219形成在传感器垫118上。传感器垫118经由通孔117 将传感器219通信耦合到在空腔128中形成的电路113。根据实施例，传感器 219可制造于传感器垫118上或者传感器可安装在垫118上。尽管传感器219 和传感器垫118被示为形成于支撑表面104之上，但实施例并不局限于这种配置。例如，传感器219可被制造于基板102中或基板102的装置层101中。
传感器219可以是适合用于监测基板将被暴露的给定处理操作的任何传感器。例如，传感器219可包括用于测量膜厚度变化、颗粒存在与否、质量、基板温度、吸座温度、表面电荷、磁场强度、特定气体浓度、等离子体的EEDF、VDC等的传感器。这些传感器219可如何实施的具体实施例在下文中被更详细地公开。
现在参考图2B，根据实施例图示在数个处理操作之后，自知基板100的部分的截面图。图2B所示的实施例展示即使在附加层形成于支撑表面104上方之后，仍可使用传感器219。例如，后段BEOL堆栈中的互连层225 可形成在支撑表面104上方。为了继续使用传感器219来监测在不同级别的处理操作，新的传感器垫218可用穿过附加层225形成的额外通孔217连接到前面的垫118。在所示的实施例中，新的传感器垫218与通孔217针对每个层形成(且在不再需要传感器219之后，移除每个层上形成的传感器219)。不同于形成在传感器垫118上的传感器219的这种传感器219可形成或安装于所暴露的传感器垫218。然而，若在产生新的层期间不需要传感器，则可省略该垫。当最后需要新的传感器219时，可接着产生通孔217穿过多个层，直至达到先前的传感器垫118/218。
现在参考图3，根据实施例图示自知基板100的电子电路集线器 116的框图的图示。尽管图3参考电子电路集线器116，但应当理解，电子电路集线器116的组件中的一或多个可包含于整个基板102上分布的电路113的每个区域。另外，在一些实施例中，电子电路集线器116可被省略，及图3中所述的组件中的一或多个可提供在电路113的每个区域中。自知基板100的电子电路集线器116可被包围或支撑在壳体370中。壳体370和/或电子电路集线器116的电子组件可安装在基板102上(如在空腔128中)。但是，电子电路集线器116可与通过一或多个电迹线114/115和通孔117的传感器219电连接而放置。
在实施例中，自知基板100的电子电路集线器116可包括安装在基板102的时钟374。时钟374可以是具有电子振荡器(如石英晶体)的电子电路，以输出具有精确频率的电信号，如本领域中所已知的。因此，时钟374 可经配置输出对应于电信号的时间值。该时间值可以是独立于其他操作的绝对时间值，或该时间值可被同步到基板处理工具中的其他时钟(在下文被更详细地描述)。例如，时钟374可以被同步到基板处理工具的系统时钟，使得由时钟374输出的时间值对应于系统时钟输出或控制的系统时间值和/或系统操作。时钟374可经配置以当特定处理操作发生时，启动时间值的输出。例如，电子电路集线器116可包括加速度计375，当自知基板100停止运动时，触发时钟 374以开始输出时间值。因此，时间值可提供关于自知基板100加载到基板处理工具的特定处理站时的信息。
在实施例中，自知基板100的电子电路集线器116可包括安装在基板102上的处理器376。处理器376可操作地耦接(如通过电通过总线(bus) 377和/或迹线114/115电连接)至一或多个传感器219及耦接至时钟374。处理器376代表一或多个通用处理装置，如微处理器、中央处理单元或类似物。更具体言之，处理器376可以是复杂指令集计算(CISC)微处理器、精简指令集计算(RISC)微处理器、超长指令字(VLIW)微处理器、实现其他指令集的处理器或者实现指令集组合的处理器。处理器376亦可以是一或多个专用处理装置，如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、网络处理器或类似物。
处理器376经配置以执行用于实施本文所述操作的处理逻辑。例如，处理器376可经配置而发送和/或记录传感器219的预定位置、由时钟 374输出的时间值以及来自传感器219的输出信号。因此，处理器376可经配置而发送和/或记录处理操作期间在基板102上发生的实时处理条件。
在一些实施例中，电子电路集线器116可包括网络接口装置371。网络接口可通过使用调变电磁辐射穿过非固体(non-solid)介质传送数据。网络接口装置371可以实现任何数量的无线标准或协议，包括但不限于Wi-Fi (IEEE 802.11系列(family))、WiMAX(IEEE802.16系列)、IEEE 802.20、长期演进技术(LTE)、Ev-DO、HSPA+、HSDPA+、HSUPA+、EDGE、GSM、GPRS、CDMA、TDMA、DECT、蓝牙或其衍生物，以及被指定为3G、4G、 5G等的任何其他无线协议。处理器376可经由总线377或其他电连接与网络接口装置371通信。因此，处理器376可操作地耦接至网络接口装置，以将来自传感器219的输出信号和由时钟374输出的时间值发送到外部装置。
根据实施例，网络接口装置371与传感器219通信耦合，使得来自每个传感器219的输出信号可被发送到网络接口装置371，而不需由处理器或任何其他组件先处理。接着网络接口装置371可发送输出信号到自知基板 100外部的计算装置。因此，实施例可包括具有电子电路集线器116的自知基板100，电子电路集线器116包含电源379和网络接口装置371，因为来自传感器219的输出信号可能不需要在本地处理或存储。在此种实施例中，来自传感器输出信号的数据可被处理或记录在外部装置上。
卸载(Offloading)处理和存储功能到外部装置有几个好处。首先，降低了装置的功率消耗。因此，因为电容器组、压电弹簧(piezoelectric spring) 或类似物可提供足够的电力来发送输出信号，所以可能不需要电池。此外，通过移除不需要的组件减少了电子电路的复杂度提供更可靠且更便宜的装置。
实时发送来自传感器219的输出信号亦允许处理操作进行精准控制。没有依赖处理配方来决定处理参数，传感器可提供基板上所发生事情的几近同时反馈。例如，若需要处理操作以沉积一定厚度的膜，可继续处理直到输出信号指示膜的厚度已经达到所期望的程度。此处理更详细的说明在下面被更详细地描述。
自知基板100的电子电路集线器116可任选地包括安装在基板 102上的存储器378。存储器378可包括以下各者中的一或多个：主存储器(如只读存储器(ROM)、闪存、动态随机存取存储器(DRAM，如同步DRAM (SDRAM)或Rambus DRAM(RDRAM)等)、静态存储器(如闪存、静态随机存取存储器(SRAM)等)或辅助存储器(如数据存储装置)。处理器376 可经由总线377或其他电连接与存储器378通信。因此，处理器376可操作地耦接到存储器378以记录来自传感器219的输出信号和由时钟374输出的时间值在存储器378中。
自知基板100的电子电路集线器116可包括安装在基板102上的电源379。电源379可包括电池、电容器组或其他公知的电源供应。电源379 可透过总线377电连接到自知基板100的组件中的一或多个以供电给所连接的组件。例如，电源379可电连接到传感器219、时钟374、处理器376或存储器378中的一或多个以供电给传感器219、时钟374、处理器376或存储器378 中的一或多个。
自知基板100的电子电路集线器116可包括与上述自知基板100 的组件电连接的额外组件。更具体言之，电子电路集线器116可包括频率源372 (如宽频率源)或检测器373。频率源372和/或检测器373可安装在基板102 上。频率源372和检测器373可具有与自知基板100的传感器219的具体实施例相关的特定应用。因此，频率源372和检测器373的进一步描述保留于下面相应的传感器论述。
现在参照图4A，根据实施例图示自知基板100的晶体管传感器类型的传感器219的示意图。在实施例中，自知基板100的一或多个传感器219 包括晶体管传感器219。晶体管传感器219可包括一或多个晶体管(如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)442)。MOSFET 442可包括源极444、漏极446和栅极448。晶体管传感器219亦可包括收集器(collector)440。收集器440可被形成具有一表面，膜432可沉积在该表面上。在实施例中，膜432 可以是在处理操作期间厚度会改变的膜(如膜厚度会在沉积处理期间增加，以及在蚀刻处理期间减少)。因此，实施例包括收集器440，其为对于用于减少膜432厚度的蚀刻处理抗蚀刻的材料。
在一个实施例中，收集器440电连接到MOSFET 442。例如，收集器440可透过电迹线414电连接到MOSFET 442的栅极448。收集器440 可与MOSFET 442物理上分离，然而，子组件可彼此电连接。因此，即便当收集器440位于与MOSFET 442分离的预定位置时，MOSFET 442可经配置以检测收集器440上的膜432的厚度增加或减少。
在实施例中，收集器440可包括由外缘443限定的轮廓。当在向下方向观察时，外缘443的形状可以是圆形、矩形或任何其他形状。此外，收集器440可以是平坦的(即，收集器440可具有实质平面的上表面)或收集器440可具有如图4A所示的锥形上表面。在实施例中，收集器440不是与 MOSFET 442分离的结构，反之，其合并于MOSFET 442中。例如，收集器440可以是MOSFET 442的栅极448上的收集区域。
在实施例中，晶体管传感器219的输出信号可以是跨栅极448 所测得的MOSFET442的阈值电压。阈值电压可直接对应于收集器440上的膜 432的厚度。例如，当没有膜432在收集器440上时，阈值电压可具有第一值，以及当膜432在收集器440上时，阈值电压可具有第二值(不同于第一值)。因此，MOSFET 442的阈值电压可响应于收集器440上的膜432的厚度而变化。处理器376可经配置以检测阈值电压的变化，以及因此，自知基板100可以注意到在晶体管传感器219位置处的膜432的厚度变化。额外的实施例可包括发送输出信号(即，阈值电压)到具有网络接口装置371的外部计算装置。
现在参考图4B，根据实施例图示自知基板100的共振器类型的传感器219的示意图。在实施例中，自知基板100的一或多个传感器219包括共振器类型传感器219。共振器传感器219可以是合适的共振质量传感器，如石英晶体微量天平(QCM)、表面声波(SAW)或膜体声波共振器(FBAR)，这些对于量化其表面上沉积的膜432的累积质量是都是公知的。为了简洁和易于理解的目的的简化描述，共振器的复杂性和多样性不在此描述。共振器传感器219可在横跨基板102的支撑表面104上的预定位置处形成。每个共振器传感器219可具有特征频率(如共振频率)，如本领域中所公知。例如，没有多加详述，共振器传感器219可以通过如图4B所示的简单质量弹簧系统(simple mass-spring system)表示。共振器传感器219的特征频率可与共振器传感器219 的质量M成反比。例如，特征频率可正比于微共振器系统的(k/M)的平方根 (sqrt(k/M))，其中“M”对应于质量M以及“k”对应于共振器传感器219 的比例常数。因此，将认识到，当共振器传感器219上的膜432厚度变化时，特征频率改变。因此，膜432的厚度可在膜432的沉积或蚀刻期间进行监测。
现在参考图4C，根据实施例图示自知基板100的共振器类型的传感器219的示意图。可使用的共振器传感器219的一个示例性类型是微机电系统(MEMS)共振质量传感器，如热致动的高频单晶硅共振器。此种共振器类型传感器219可使用单掩模处理而制造于支撑表面104上而作为独立装置或阵列。共振器传感器219可包括在对称平面452的两侧上的两个垫450。波动的电流可通过两个垫450之间而引起电流路径中的交流电(AC)欧姆损耗分量(ohmic loss component)。在实施例中，大部分的欧姆损耗发生在与垫450 互连的薄支柱454中。薄支柱454可位于中央且在直接正交于对称平面452的方向上在垫450之间延伸。支柱454中产生的波动温度可能引起AC力以及引起在支柱454中的交变热应力，而以面内(in-plane)共振模式致动共振器传感器219。在面内共振模式中，具有质量“M”的垫450在相反的方向上振动。因此，在共振，共振器传感器219包括振动垫450的特征频率，且支柱454的电阻(resistance)由压阻效应引起的交变机械应力调变。因此，共振器传感器 219中存在有对应于特征频率的可检测小信号动生电流(motional current)。
为了检测共振器传感器219的特征频率变化，频率源372和检测器373可合并于自知基板100的电子电路集线器116中。频率源372可以是用于激发共振器传感器219的宽频率源。检测器373可监测共振器传感器219 的特征频率，以及检测特征频率的变化。例如，检测器373可输出对应于特征频的信号(如输出电压或电流)到处理器376。处理器376可经配置以接收输出电压及识别特征频率的变化。因此，当输出电压改变时和/或当共振器传感器219的特征频率改变时，自知基板100可以注意到变化，其随着膜432的厚度变化。亦可纪录膜432厚度变化的时间及位置，以在处理操作的整个过程期间提供特定位置处的膜432的厚度变化的监测。例如，随着共振器传感器219的质量M增加(如随着膜432的厚度增加)，特征频率将下移，而允许自知基板100捕捉膜厚度增加的历史。或者，当自知基板100不包括处理器和存储器时，输出信号可通过网络接口装置371发送到外部计算装置，以提供处理操作的实时工艺监测。
尽管本文提供了示例性晶体管传感器和共振传感器，但是应当理解，任何传感器可用于监测处理操作期间基板上或处理站中不同的处理条件。根据各式实施例，能够产生对应于处理条件(如膜厚度变化、颗粒存在与否、质量、基板温度、吸座温度、表面电荷、磁场强度、特定气体浓度、等离子体的电子能量分布函数(EEDF)或VDC等)的输出信号(如输出电压、输出电流、频率、时间测量等)的任何传感器可作为传感器219使用。
根据实施例，自知基板100可与任何基板处理站一起使用。根据实施例，图5图示一个示例性基板处理站(如基板处理工具560)的平面图。基板处理工具560可包括由一或多个装载闸566物理连接到工厂接口564的缓冲腔室562。工厂接口564可以能够容纳一或多个前开式晶片传送盒(FOUP) 565，前开式晶片传送盒565用于将基板于制造设备的工具之间输送。在自知基板100具有类似于生产基板的形状因子的实施例中，相同设备(如FOUP、基板传送机械手(未图示)等)可用于在制造设备内输送自知基板100。
一或多个处理腔室568可直接地物理地连接到缓冲腔室562或者通过一或多个相应的装载闸(未图示)物理地连接到缓冲腔室562。缓冲腔室562基本上可作为中间体积(比处理腔室568个别的体积大)，其保持在低压(尽管是在比处理腔室568内的处理压力高的压力下)。因此，在半导体器件的制造期间真空(或接近真空)条件下，基板(如自知基板)可在基板处理工具560的腔室之间移动。可通过基板处理工具560中所包含的各式装置(如机械臂、梭等，为了不让图示过于复杂，没有示出)启用此运动。
可在处理腔室568中执行各种制造操作。例如，处理腔室568 的至少一个可以是等离子体蚀刻腔室、沉积腔室、光刻工具的腔室或任何其他半导体处理工具腔室。如此一来，处理腔室568可用于在真空条件下、大气条件或任何其他压力状态下执行制造处理。自知基板100的每个传感器219可经配置以在各个处理腔室568实现处理操作期间感测给定的处理条件的变化(如膜厚度变化、颗粒存在与否、质量、基板温度、吸座温度、表面电荷、磁场强度、特定气体浓度、等离子体的电子能量分布函数(EEDF)或VDC等)。
基板处理工具560可耦接至外部计算机或服务器561。外部计算机561可用于提供将在基板上执行的处理操作所用的配方、监测整个设施中基板的流程，以及一般用于提供自动制造处理。基板处理工具560可以有线或无线地连接到外部计算机561。在实施例中，计算机561亦可并入处理工具560。在实施例中，计算机561可接收来自对应于腔室处理的每个腔室568的输出信号，如电压、气体流速、压力设置等。此外，计算机561可通过自知基板100的网络接口装置371无线地耦接至自知基板100。
如此一来，实施例允许在处理操作期间发送实时处理条件到外部计算机561。外部计算机561可经配置来处理来自自知基板上的传感器219 的输出信号，以判定是否已经达到所期望的端点(如膜厚度)。比起单独依靠处理配方时的可能控制，依靠来自基板表面的实时数据允许处理操作的更精确的控制。另外，由于膜的厚度在完成处理操作时是已知的，所以额外的测量操作可被省略。以各种方式使用自知基板100的方法在下面参照图6和7被更详细的说明。
现在参照图6，根据实施例图示表示以基板处理站中的自知基板 100监测及控制基板处理操作的方法中的操作的流程图。在操作682，外部计算机561可启动基板处理站(如基板处理工具560)中自知基板100的基板处理操作。自知基板100可具有上述的结构和组件(如在生产区域109之间的非生产区域传感器219中形成的多个传感器219，及用于发送自一或多个传感器 219获得的输出信号的网络接口)。每个传感器219可经配置以产生对应于基板表面上的处理条件的输出信号。在此所述的示例性实施例中，正被监测的处理条件是在沉积处理中的膜厚度。然而，可以理解，不是膜厚度或者除了膜厚度之外，可监测其他的处理条件(如颗粒存在与否、质量、基板温度、吸座温度、表面电荷、磁场强度、特定气体浓度、等离子体的电子能量分布函数(EEDF) 或VDC等)。
在实施例中，可根据处理配方通过基板处理工具560执行基板处理操作。例如，基板处理工具560可接收来自外部计算机561的处理配方。处理配方可存储在外部计算机561可存取的存储器中。在实施例中，处理配方可用于沉积处理、蚀刻处理、暴露处理或在基板上装置制造中使用的任何其他处理操作。
在实施例中，处理配方可包括端点标准，端点标准与正在被基板102上的一或多个传感器219所监测的处理条件相关联。例如，在膜沉积或蚀刻操作中，端点标准可以是所期望的膜厚度。在一些实施例中，端点标准可能要求由所有传感器219所回报的膜厚度至少为一预定的目标值。额外的实施例可包括一端点标准，其要求传感器219的阈值百分比达到预定的目标值(如传感器中的至少95％已经达到或超过预定的目标值)。其他实施例可包括一端点标准，其中所有的传感器219至少达到预定目标值的阈值百分比(如所有的传感器回报预定目标值的至少95％)。在又一个实施例中，端点标准可对应于超过一个类型的处理条件(如膜厚度和温度皆可用于产生端点标准)。
在一些实施例中，在操作682，自知基板100上的时钟374可被启动且与和处理工具560相关联的一时钟同步。例如，可通过检测减速到零的运动的自知基板100上的加速度计375启动时钟374。将自知基板100上的时钟374与和处理工具560相关联的时钟同步，允许用来自自知基板100的数据覆盖来自处理工具的数据。
在操作684，外部计算机561可接收来自基板102上形成的一或多个传感器219的输出信号。来自传感器219的输出信号可通过网络接口装置 371被发送到外部计算机561。因此，可得到处理条件变化的实时分析。在实施例中，输出信号可对应于与端点标准相关的基板102的处理条件。在膜沉积操作的具体示例中，输出信号可对应于膜厚度。其他实施例可包括可对应于颗粒存在与否、质量、基板温度、吸座温度、表面电荷、磁场强度、特定气体浓度、等离子体的电子能量分布函数(EEDF)或VDC等的输出信号。在实施例中，输出信号可以是输出电压、输出电流、频率、时间测量等。根据实施例，可使用多个传感器类型为超过一个的处理条件提供输出信号。
在操作686，外部计算机561可将来自一或多个传感器219的输出信号与端点标准比较。在一些实施例中，外部计算机561可通过先把每个输出信号转换成针对处理条件的值而将输出信号与端点标准比较。例如，电压可被转换成针对膜厚度的值。在实施例中，可用一查找表进行该转换，该查找表将一输出信号与一处理条件值配对。接着外部计算机561可针对端点标准检查转换过的输出信号，以判定是否满足端点标准。
在操作688，当满足端点标准时，外部计算机561可结束处理操作。例如，外部计算机561可传送指令到处理工具560，以指示处理工具560 停止处理操作。如此一来，处理操作可不依赖处理配方来提供针对处理的端点。相反地，实施例允许端点依赖在基板表面上的实际情况。
此处理操作的实时监测允许处理操作的更精确控制，以及允许基板之间有更好的重现性。例如，腔室568中的处理条件可能在重复使用后发生变化(如由于沿腔室侧壁的残留沉积，装置的不均匀磨损等)，其可能会导致沉积或蚀刻速率的变化。仰赖单一处理配方可能无法考虑到这些变化，而导致基板之间的不一致。相反地，实施例提供对处理操作的立即调整，其能够考虑腔室中的不一致处理条件。
根据额外的实施例，用于使用自知基板100的处理可包括基于基板上所观察到的状况调整未来的处理配方。图7图示表示此处理中的操作的流程图。
在操作792，在用处理站(如处理工具560)的第一处理操作处理自知基板100期间或之后，从自知基板100上的一或多个传感器219设置的输出信号可由外部计算机接收。可根据处理配方或实质类似于相对图6所述的处理操作的一处理操作来执行处理工具560中实现的第一处理操作。在实施例中，来自传感器219的输出信号可通过网络接口装置371被发送到外部计算机 561。因此，不需要额外的测量，就可得到处理操作的最终结果。在实施例中，输出信号可对应于基板102上的处理条件。在膜沉积操作的具体示例中，输出信号可对应于膜厚度。其他实施例可包括可对应于颗粒存在与否、质量、基板温度、吸座温度、表面电荷、磁场强度、特定气体浓度、等离子体的电子能量分布函数(EEDF)或VDC等的输出信号。在一个实施例中，输出信号可以是输出电压、输出电流等。根据实施例，可使用多个传感器类型为超过一个的处理条件提供输出信号集。
此外，尽管使用了“输出信号集”术语，但应当理解，实施例可使用从传感器219接收到的任何数量的输出信号。例如，在膜厚度传感器219，可使用最终的输出信号，但亦可使用来自基板温度传感器219的所有输出信号。关于膜厚度，最终值对于修改未来的处理操作可能是关键的，而所达到的最高温度或处理操作期间基板所获得的累积热能对于修改未来的处理操作可能是关键的(如考虑处理操作期间所花费的热预算量)。
在操作794，外部计算机561可将输出信号集与一或多个目标值比较。一或多个目标值可与来自第一处理操作的所期望的处理结果相关联。例如，针对沉积或蚀刻操作的一目标值可以是膜厚度值。额外的目标值可与外部计算机获得的任何其他输出信号集相关联。例如，当得到基板温度输出数据时，热预算最大值可用作目标值，或当得到表面电荷输出数据时，残留电荷最大值可用作目标值。实施例亦可包括与均匀分布(如整个基板102上膜的均匀沉积) 相关联的目标值。此外，目标值可与一或多个基板之间的均匀性(如一批量内 (a lot)的基板或者一或多个批量内的基板之间的均匀特征)相关联。在另一个实施例中，目标值可与(或单一处理工具内或多个处理工具的处理站之间的) 一或多个处理站之间的处理均匀性相关联。
在一些实施例中，外部计算机561可通过先把每个输出信号转换成针对处理条件的值而将输出信号集与目标值比较。例如，电压可被转换成针对膜厚度的值。接着外部计算机561可针对一或多个目标值检查转换过的输出信号集，以判定未来的处理操作是否需要修改。
现在参照操作796，当一或多个输出信号集不同于目标值时，外部计算机561可调整用于一第二处理操作的一或多个处理配方。在第一处理操作是沉积处理操作的情况中，若输出信号集指示已经超过目标值，则可修改第二处理操作(如蚀刻操作)以增加蚀刻处理的蚀刻速率或长度。类似地，若目标值是热预算的最大使用，且第一处理操作超过最大热预算，则可修改第二处理操作以减少热预算使用。例如，可修改第二处理在较低的温度且以更长的时间运行。
因此，可依一种方式使用自知基板100，该种方式通过允许产生作为每个处理操作期间从基板获得的数据结果的自定化处理配方来改善产率。此外，对处理配方的实时调整允许避免昂贵且费时的重做基板。
现在参照图8，根据实施例图示基板处理工具560的示例性计算机系统561的框图。所示的计算机系统561的一或多个组件可用于自知基板100 的电子电路集线器116中。此外，基板处理工具560可结合计算机系统561。在实施例中，计算机系统561与下列各者耦接并控制：机器人、装载闸、处理腔室和基板处理工具560的其他组件。计算机系统561亦可提供用于如上所述的基板处理工具560的系统日志文件。计算机系统561亦可接收和分析自自知基板100获得的输出信号。即，计算机系统561可于基板处理工具560中实施，以控制晶片制造处理的处理操作、产生日志文件来记录处理相关的时间和动作，及比较自知基板100记录的数据的日志文件，以判定处理条件的变化如何改变自知基板100表面上的条件。
计算机系统561可与局域网络(LAN)、内部网络、外联网或因特网中的其他机器连接(如以网络连接)。计算机系统561可以以客户端- 服务器网络环境中的服务器或客户端机器或作为点对点(或分布式)网络环境中的同级机器(peer machine)的能力操作。计算机系统561可以是个人计算机(PC)、平板PC、机顶盒(STB)、个人数字助理(PDA)、蜂窝电话、网络设备、服务器、网络路由器、交换器或网桥或者能够执行指定机器执行的特定动作的一组指令(顺序的或者其他方式)的任何机器。此外，尽管仅描绘了单一机器作为计算机系统561，但是术语“机器(machine)”应当理解为包括独立或共同执行一组(或多组)指令来执行本文所述的一或多个方法的任何机器集合(如计算机)。
计算机系统561可包括(具有指令存储于其上的非瞬时机器可读取介质的)计算机程序产品或软件822，其可用来编程计算机系统561(或其他电子装置)以执行根据实施例的处理。机器可读取介质包括用于以机器可 (如计算机)读取的形式存储或发送信息的任何机制(mechanism)。例如，机器可读取(如计算机可读取)介质包括机器(如计算机)可读取存储介质(如只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)、磁盘存储介质、光存储介质、闪存装置等)、机器(如计算机)可读取传输介质(电、光、声或其他形式的传播信号(如红外线信号、数字信号等))等。
在一个实施例中，计算机系统561包括系统处理器802、主存储器804(如只读存储器(ROM)、闪存、动态随机存取存储器(DRAM，如同步DRAM(SDRAM)或Rambus DRAM(RDRAM)等)、静态存储器806(如闪存、静态随机存取存储器(SRAM)等)或辅助存储器818(如数据存储装置)，以上各者经由总线830彼此通信。
系统处理器802代表一或多个通用处理装置，如微系统处理器、中央处理单元或类似物。更具体言之，系统处理器可以是复杂指令集计算(CISC) 微系统处理器、精简指令集计算(RISC)微系统处理器、超长指令字(VLIW) 微系统处理器、实现其他指令集的系统处理器或者实现指令集组合的系统处理器。系统处理器802亦可以是一或多个专用处理装置，如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、网络系统处理器或类似物。系统处理器802经配置以执行用于执行本文所述的操作的处理逻辑。
计算机系统561可进一步包括系统网络接口装置808，其用于与其他装置或机器(如，自知基板100)通信。计算机系统561亦可包括视频显示单元810(如液晶显示器(LCD)、发光二极管显示器(LED)或阴极射线管(CRT))、字母数字输入装置812(如键盘)、光标控制装置814(如鼠标)和信号产生装置816(如扬声器)。
辅助存储器818可包括机器可存取存储介质831(或更具体地来说，计算机可读取存储介质)，执行本文所述的方法与功能中的任意一或多个的一或多个指令集(如软件822)存储于机器可存取存储介质831上。在亦构成机器可读取存储介质的计算机系统561、主存储器804与系统处理器802执行软件822期间，软件822亦可完全或至少部分地驻留在主存储器804内和/ 或系统处理器802内。软件822亦可进一步经由系统网络接口装置808被发送或接收于网络820上。
尽管机器可存取存储介质831所示为单一介质的示例性实施例，但是术语“机器可读取存储介质”应视为包括存储一或多个指令集的单一介质或多个介质(如集中式或分布式数据库，和/或相关联的高速缓存与服务器)。术语“机器可读取存储介质”亦应视为包括能够存储或编码用于机器执行的指令集，且其使得机器执行这些方法中的任何一或多个。因此，术语“机器可读取存储介质”应理解为包括但不限于固态存储器及光和磁性介质。
在前述的说明书中，已经描述了具体的示例性实施例。显然地，在不背离以下权利要求的范围下，可对其作各式变化。因此，本说明书和附图被视为具有说明性意义而非限制性的意义。

Claims (15)

1.一种处理自知基板的方法，包括以下步骤：
启动在所述自知基板上的处理操作；
接收来自所述自知基板上的一或多个传感器的输出信号，其中所述自知基板包括多个形成在基板的支撑表面上方的非生产区域上的传感器，其中所述基板包括一个或多个生产区域，其中所述非生产区域是与所述一个或多个生产区域相邻的划割线，其中所述多个传感器在所述基板的中心与所述基板的外部区域之间非均匀地分布，且其中所述外部区域相比所述基板的中心包括了所述多个传感器中的更多传感器，且其中所述多个传感器中的每一个包括收集器和栅极，所述收集器具有矩形形状的外缘且具有锥形上表面，该锥形上表面具有从所述外缘到该外缘下面的位置向内逐渐变细的锥形侧壁，并且所述锥形侧壁横向环绕该锥形侧壁内的中空区域，且所述收集器通过电迹线电连接至所述栅极；
将所述输出信号和与一或多个处理条件相关联的端点标准比较；及
当满足所述端点标准时，结束所述处理操作。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述端点标准包括预定目标值。
3.如权利要求2所述的方法，其中当至少一个传感器提供等于所述预定目标值的输出信号时，所述端点条件被满足。
4.如权利要求2所述的方法，其中当所有传感器提供等于或超过所述预定目标值的输出信号时，所述端点标准被满足。
5.如权利要求2所述的方法，其中所述端点标准包括两个或更多个预定目标值，每个预定目标值与不同处理条件相关联。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：
将所述自知基板上的时钟和与处理工具相关联的时钟同步；及
以所述传感器输出覆盖处理工具传感器数据。
7.一种用于分析在自知基板上的处理操作的方法，包括以下步骤：
在第一处理操作期间或所述第一处理操作之后，接收来自所述自知基板上的一或多个传感器的一或多个输出信号集，其中所述自知基板包括：
基板；
多个形成在所述基板的支撑表面上方的非生产区域上的传感器，其中所述基板包括一个或多个生产区域，其中所述非生产区域是与所述一个或多个生产区域相邻的划割线，其中所述多个传感器在所述基板的中心与所述基板的外部区域之间非均匀地分布，其中所述外部区域相比所述基板的中心包括了所述多个传感器中的更多传感器，其中每个传感器能够产生对应于处理条件的输出信号，且其中所述多个传感器中的每一个包括收集器和栅极，所述收集器具有矩形形状的外缘且具有锥形上表面，该锥形上表面具有从所述外缘到该外缘下面的位置向内逐渐变细的锥形侧壁，并且所述锥形侧壁横向环绕该锥形侧壁内的中空区域，且所述收集器通过电迹线电连接至所述栅极；和
形成在所述基板上的网络接口装置，其中所述多个传感器中的每一个经由一个或多个通孔通信耦合到所述网络接口装置；及
将所述一或多个输出信号集与目标值比较，其中所述目标值与处理条件相关联。
8.如权利要求7所述的方法，进一步包括以下步骤：
当所述输出信号集中一或多个不同于所述目标值时，调整用于第二处理操作的处理配方。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述目标值是膜厚度。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述目标值是热预算最大值。
11.如权利要求7所述的方法，其中所述输出信号集与两个或更多个目标值比较。
12.一种自知基板，包括：
基板；
多个传感器，所述多个传感器在所述基板的支撑表面上方的非生产区域上形成，其中所述基板包含一或多个生产区域，其中所述非生产区域是与所述一个或多个生产区域相邻的划割线，其中所述多个传感器在所述基板的中心与所述基板的外部区域之间非均匀地分布，其中所述外部区域相比所述基板的中心包括了所述多个传感器中的更多传感器，其中每个传感器能够产生对应于处理条件的输出信号，且其中所述多个传感器中的每一个包括收集器，所述收集器具有矩形形状的外缘且具有锥形上表面，该锥形上表面具有从所述外缘到该外缘下面的位置向内逐渐变细的锥形侧壁，并且所述锥形侧壁横向环绕该锥形侧壁内的中空区域，且所述收集器通过电迹线电连接至栅极；及
网络接口装置，所述网络接口装置形成在所述基板上，其中所述多个传感器中的每个传感器经由一或多个通孔与所述网络接口装置通信耦合。
13.如权利要求12所述的自知基板，其中所述网络接口装置形成在所述基板中的空腔中，及其中所述空腔以覆盖层填充。
14.如权利要求13所述的自知基板，进一步包括：
所述基板的所述支撑表面上方形成的一或多个层，其中所述多个传感器形成在所述一或多个层中的最上层上。
15.如权利要求12所述的自知基板，其中所述输出信号是电压、电流、频率或时间测量，及其中所述处理条件包括以下各者中的一或多个：膜厚度、颗粒存在与否、质量、基板温度、吸座温度、表面电荷、磁场强度、特定气体浓度、等离子体的电子能量分布函数或VDC。
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