CN109545722B - 半导体生产系统及其量测系统和量测设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种半导体生产系统及其量测系统和量测设备。该半导体量测设备具有机体，机体内设有量测室。机体外设置有连接接口。连接接口与量测室连通并布置成能够连接至半导体生产设备的片库接口。本申请的设备能够大大提高半导体量测的效率并降低成本。

Description

半导体生产系统及其量测系统和量测设备

技术领域

本发明涉及半导体设备，具体涉及半导体量测设备。

背景技术

目前芯片制造工艺中，硅片在生产线不同工艺加工模块之间需要通过半导体设备前端模块(Equipment Front End Module，简称EFEM)和自动导引车系统(AutomatedGuided Vehicle，简称AGV，或称天车系统)进行高效传输和定位。

现有技术的EFEM示意如图1所示。片库(load port)7用来进行硅片的上下料。片库7上有片盒(Front-opening unified pod，简称Foup)用来盛放硅片。EFEM内部含有机械手，通过片库接口8从片盒取硅片，将硅片准确的送到工艺设备，而后将工艺处理完成的硅片再通过片库接口放回片盒。当今半导体工艺采用的国际SEMI(Semiconductor Equipment andMaterials International)标准准确定义了片库和片盒的外形尺寸，即EFEM同片盒连接的片库接口是标准化的。图2中进一步展示了目前半导体设备的立体图。

图3中右侧图为现有技术的量测设备的构造图。相对于工艺设备，量测设备亦为独立的一整套设备。硅片通过上下料口11进入工件台，而后通过测试探头对硅片进行光学测量，例如膜厚测量，关键尺寸(CD)测量，图形套刻(Overlay)测量，表面自动光学检测(AOI)测量等等。量测设备和工艺设备间的传输通过如前所述的天车系统(硅片装在片盒中)来完成。

现有量测设备有如下问题：1.硅片需要在工艺设备和量测设备间传输耗费时间，影响硅片的生产效率；2.因为硅片的生产洁净室有很高的要求，洁净室的运营成本同洁净室的空间大小直接相关，在Fab厂极度有限的空间内，独立的量测设备抢占了工厂空间；3.独立的量测设备除了需要测量系统，还需要配备独立的机械臂系统上下料，整体造价成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够提高硅片的量测效率的半导体设备。进一步地，本申请的目的是提供一种能够降低硅片的生产和量测成本的设备。

为实现上述目的，本发明提供了一种半导体量测设备，所述半导体量测设备具有机体，所述机体内设有量测室，其中，所述机体外设置有连接接口，所述连接接口与所述量测室连通并设置成能够连接至半导体生产设备的片库接口。

一实施例中，所述连接接口布置成在连接至所述片库接口时，所述量测室与所述片库接口可操作地连通。

一实施例中，所述连接接口布置有量测设备接口门，所述量测设备接口门可操作地打开或关闭。

一实施例中，所述连接接口具有连接框，所述连接框布置成能够连接至所述片库接口。

一实施例中，所述连接接口具有布置于所述连接框外部的密封件。

一实施例中，所述连接接口具有连接框和对位件，其中所述连接框上设有对位结构，所述对位件设有与所述对位结构对应的对位部。

一实施例中，所述连接接口进一步设有方位调节机构，用于调节所述连接接口相对于所述片库接口的方位。

一实施例中，所述半导体量测设备进一步设有气路系统，所述气路系统布置成向所述量测室充入气体。

一实施例中，所述气路系统布置成使得所述量测室的气压相对于大气为正压。

一实施例中，所述气路系统具有气体压力传感器，所述气路系统进一步布置成根据所述气体压力传感器检测到的压力来调节进入所述量测室的进气量。一实施例中，所述量测室内设有工件台，所述工件台能够朝向所述连接接口运动。

一实施例中，所述工件台布置成能够沿横向、纵向和垂向运动。

一实施例中，所述量测室布置成能够对硅片进行检测。

一实施例中，所述半导体生产设备是半导体设备前端模块(EFEM)。

一实施例中，所述片库接口是符合国际SEMI标准的接口。

一实施例中，所述片库接口设有片库接口门和接口外框。

一实施例中，所述连接接口设置成能够连接至半导体设备前端模块的检修门的位置或者能够连接至半导体设备前端模块的侧壁上，在除了设有片库接口的位置之外的其他合适的位置处。

本申请进一步提供了一种半导体量测系统，所述半导体量测系统包括半导体设备前端模块，所述半导体设备前端模块具有多个片库接口，其中所述半导体量测系统进一步包括至少一个如上所述的半导体量测设备，每个半导体量测设备连接至对应的一个片库接口。

一实施例中，所述半导体量测设备包括分别用于硅片的膜厚测量、关键尺寸测量、图形套刻测量和表面自动光学检测测量的半导体量测设备。

一实施例中，所述半导体量测系统进一步包括控制装置，所述半导体量测设备和所述半导体设备前端模块具有对应的工控机，其中所述控制装置与各所述工控机电连接，以控制各所述半导体量测设备和所述半导体设备前端模块的运行。

一实施例中，所述半导体量测设备进一步设有气路系统，所述气路系统布置成向所述量测室充入气体，并使得所述量测室的气压相对于大气和/或半导体前端模块为正压。

一实施例中，所述气路系统具有压差传感器，所述压差传感器布置在所述连接接口处并用于检测所述半导体量测设备与所述半导体前端模块之间的压差，其中所述气路系统进一步布置成根据所述压差传感器检测到的压差来调节进入所述量测室的进气量。

本申请还提供了一种半导体生产系统，所述半导体生产系统包括半导体工艺设备，其中所述半导体生产系统进一步包括如上所述的半导体量测系统，其中所述半导体工艺设备连接于所述半导体设备前端模块。

一实施例中，所述半导体量测设备包括分别用于硅片的膜厚测量、关键尺寸测量、图形套刻测量和表面自动光学检测测量的半导体量测设备。

一实施例中，所述半导体生产系统进一步包括半导体工艺自动化系统，各所述半导体量测设备、所述半导体工艺设备和所述半导体设备前端模块的对应工控机电连接至所述半导体工艺自动化系统，由所述半导体工艺自动化系统协调控制所述半导体量测设备、所述半导体工艺设备和所述半导体设备前端模块的运行。

一实施例中，所述半导体生产系统进一步包括半导体工艺自动化系统，各所述半导体量测设备的工控机电连接至所述半导体工艺设备对应的工控机，以及所述半导体工艺设备的工控机和所述半导体设备前端模块的工控机均电连接至所述半导体工艺自动化系统，由所述半导体工艺自动化系统协调控制所述半导体量测设备、所述半导体工艺设备和所述半导体设备前端模块的运行。

本发明的技术效果：

1.硅片可以同时在同一EFEM的操作下完成工艺加工和测量，省去了经过天车系统传输的过程，不仅节省了天车系统资源，而且节省了传输时间，特别是现代芯片加工工艺中需要对硅片在同一加工工艺和测量中多次交替进行，大大提高了硅片的产能效率；

2.本发明的模块量测设备可以通过片库接口直接集成到现有的工艺设备的EFEM上，不仅不会增加现有工艺设备的改装成本，而且空间上在片库的工位，基本不需要额外的空间，与原来独立的量测设备相比，大大节省了安装空间，降低了Fab厂的维护成本。

3.此量测设备模块不需要独立的机械臂系统，利用EFEM的机械臂直接上下料，而且整体上小型化，相比独立的量测设备，极大的降低了量测设备的物料成本。

4.本申请的半导体量测设备设置有气路系统，以向量测室内通入气体，使得量测室内相对于大气和/或者EFEM保持正压，由此保证量测室内的量测环境。

附图说明

图1是现有的带有半导体设备前端模块(EFEM)的半导体生产系统的组成结构示意图。

图1A是EFEM中的片库的结构示意图。

图2是现有的半导体设备前端模块(EFEM)的立体图。

图3是现有的硅片量测过程示意图。

图4是根据本申请的一实施例的半导体量测设备的组成结构示意图。

图5是集成有图4的半导体量测设备的半导体生产系统的结构示意图。

图6是根据本申请的一实施例的片库接口和半导体量测设备的连接接口的结构示意图。

图7是根据本申请的另一实施例的片库接口和半导体量测设备的连接接口的结构示意图。

图8是根据本申请的又一实施例的片库接口和半导体量测设备的连接接口的结构示意图。

图8A示出根据本申请的一实施例的半导体量测设备的结构示意图。

图9和10分别是根据本申请的一实施例的集成有本申请的半导体量测设备的半导体生产系统的俯视图和立体图。

图11和12分别是根据本申请的另一实施例的集成有本申请的半导体量测设备的半导体生产系统的俯视图和立体图。

图13是根据本申请的一实施例的半导体生产系统的控制系统图。

图14是根据本申请的另一实施例的半导体生产系统的控制系统图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。

除非语境有其它需要，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和其变型，诸如“包含”和“具有”应被理解为开放的、包含的含义，即应解释为“包括，但不限于”。

在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。

如该说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”和“所述”包括复数指代物，除非文中清楚地另外规定。应当指出的是术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非文中清楚地另外规定。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。

图1-2是应用于本申请的现有的半导体生产系统的组成结构示意图。如图1所示，该半导体生产系统具有半导体工艺设备1和半导体设备前端模块(EFEM)3，两者之间通过硅片传送连接口2连接。半导体设备前端模块3设有维护门4和维护门5，以用于日常的检修维护。半导体设备前端模块3还设有控制其运行的工控机6。进一步地，半导体设备前端模块3具有片库(load port)7，用来进行硅片的上下料。片库7具有片库接口8和片盒7a。如图1A所示，片库接口8具有接口外框8a和片库接口门8b。片盒(Foup)7a用来盛放硅片。片盒7a还设有片盒门7b。这里，片库和片盒符合当今半导体工艺采用的国际SEMI标准准确定义了片库和片盒的外形尺寸，即EFEM同片盒连接的片库接口是标准化的。

EFEM内部含有机械手，通过片库接口8从片盒7a取硅片，将硅片准确的送到工艺设备，而后将工艺处理完成的硅片再通过片库接口放回片盒。

图4示出根据本申请的一实施例的半导体量测设备15的结构示意图。如图4所示，该半导体量测设备15具有机体15a和位于机体15a内的量测室15b。量测室15b内具有工件台13和测试探头14。工件台13用于放置待量测的硅片。工件台13可以选择性地沿横向(x方向)、纵向(y方向)和垂向(z方向)运动。测试探头14用于对硅片进行量测，诸如膜厚测量，关键尺寸(CD)测量，图形套刻(Overlay)测量，表面自动光学检测(AOI)测量等等。

该半导体量测设备15具有同EFEM上标准定义的片库接口匹配的连接接口16，如图4所示。半导体量测设备15通过该连接接口16与EFEM的片库接口8连接，可以将量测设备和EFEM连接到一起，如图5所示。同时，为保护硅片所需的环境(洁净度、气体气氛等)，在两者的连接处采用橡胶等密封材料，通过诸如螺栓等紧固件固定压紧。

图6示出根据本申请的一实施例的片库接口8和半导体量测设备的连接接口19的结构示意图。如图6所示，连接接口19具有连接框17。连接框17固定安装于半导体量测设备15的机体15a的外壁。连接框17为大致筒状件。在连接框17的末端设有安装法兰20。安装法兰上设有安装孔，螺栓穿过该安装孔并拧入片库接口8，由此将半导体量测设备连接于EFEM。

连接接口19具有布置于连接框外部的密封件21。密封件21采用橡胶等密封材料制成。在安装后，密封件21位于片库接口8与连接框17之间，从而有效地保护硅片所处的环境(洁净度、气体气氛)。

图7示出根据本申请的另一实施例的片库接口和半导体量测设备的连接接口的结构示意图。本实施例与图6所示的实施例不同之处在于片库接口8设有片库接口门8b，而连接接口23设有量测设备接口门22。其余相同，在此不再详述。片库接口门8b和量测设备接口门22的设置可保证各腔体的环境稳定。当需要机械臂传输硅片时，打开片库接口门和量测设备接口门，传输完成后关闭，由此实现诸如量测室等各腔体的环境稳定。

图8示出根据本申请的又一实施例的片库接口8和半导体量测设备的连接接口27的结构示意图。如图8所示，连接接口27具有连接框24和对位件26。连接框24为筒状。连接框的末端设有对位结构25。本实施例中，对位结构25为插销。对位件26为板状件，其上设有与对位结构对应的对位部26a。本实施例中，对位部26a为孔。对位件26可通过螺栓18连接至片库接口8的接口外框8a。对位件26和螺栓可共同组成方位调节机构，用于调节连接接口27相对于片库接口的方位。通过调节螺栓可以调整连接接口的姿态，使得量测设备可以通过对位结构简单迅速地安装至EFEM上，同时可以保证设备维护拆装后的一致可靠性。

进一步地，半导体量测设备15还具有工控机12。工控机12用对于该半导体量测设备15进行控制，例如控制工件台13的运行，或者控制测试探头14工作。工控机12可连接至整个半导体生产系统的半导体工艺自动化系统，由半导体工艺自动化系统来控制工控机12，进而控制半导体量测设备15的运行。

进一步地，量测设备15还设置气路系统，如图8A所示。气路系统用于向量测室通入气体。较佳地气体为惰性气体，使得量测设备相对于大气为正压，较佳地也相对于EFEM也为正压。由此，保护量测过程中硅片免受环境颗粒的污染。一实施例中，气路系统可以包括管路30、控制器和气体压力传感器。控制器可以是量测设备原有的工控机，也可以是单独的控制器。该气体压力传感器可安装于量测室内，用于检测量测室内的气体压力并将该气体压力传递至控制器。控制器根据检测到的气体压力来控制气路系统的进气量，从而调节量测室内的气压，使得其相对于大气为正压或相对于EFEM为正压。

气路系统进一步包括设置于量测室机体上的进气口31。进气口经由进气管道通向气源。在进气管道上可设有气阀(图未示)。控制器可根据检测到的气体压力来调节气阀的开度，由此调节进入量测室内的进气量。

另一实施例中，气路系统还可以包括设置在连接接口位置处的一压差传感器32。该压差传感器32用于检测EFEM与量测设备间的压差。通过压差传感器反馈EFEM和量测设备间的压差情况，控制器可以相应地控制进入量测室的进气量，实现量测设备相对EFEM的正压要求。

在使用时，可方便地将本申请的半导体量测设备安装至现有的工艺设备上，尤其是半导体设备前端模块。本申请的半导体量测设备在尺寸上占有一个或多个片库工位，其中图5连接有一台量测设备并占据一个片库工位，图11和12连接有两台量测设备并占据两个片库工位。应理解的是，根据需要，一台半导体量测设备也可占据不止一个片库工位。当本申请的半导体量测设备集成到工艺设备的EFEM上，通过EFEM的机械手可以迅速的实现对硅片完成在工艺设备中的工艺处理和量测设备的测量间的切换。同样也可以在同一EFEM上集成安装多种本申请的半导体量测设备，组成半导体量测系统，从而来实现多种不同测量。该半导体量测系统可包括控制装置。该控制装置与各半导体量测设备的工控机和各半导体设备前端模块的工控机电连接，以控制各半导体量测设备和半导体设备前端模块的运行。

需要指出的是，目前的EFEM的两侧是维护门4和5。本申请的半导体量测设备也可通过设计匹配端口安装到EFEM维护门的位置，如图9和10所示。另一实施例中，半导体量测设备还能够连接至半导体设备前端模块的侧壁上，在除了设有片库接口的位置之外的其他合适的位置处。在该位置处，半导体设备前端模块设有相应的转接口。

本申请的半导体量测系统在工作时，首先通过EFEM内的机械手将硅片传送至半导体量测设备的工件台上。然后，通过半导体量测设备的测试探头对硅片进行检测后，通过EFEM内的机械手将检测完的硅片送回片库接口。根据生产需求，该过程可以来回多次。本申请半导体量测设备还可以与半导体工艺设备和连接于半导体工艺设备的半导体设备前端模块一起组成半导体生产系统。每个半导体量测设备连接至半导体设备前端模块的对应一个片库接口。由此，可大大提高生产效率并降低成本。据测算，相比于现有技术的芯片量测，本申请的芯片量测所耗费的时间可减少约4％，成本可减少约40％。

图13是根据本申请的一实施例的半导体生产系统的控制系统图。该半导体生产系统包括半导体工艺设备、连接于半导体工艺设备的半导体设备前端模块以及连接于半导体设备前端模块的对应片库接口的多种半导体量测设备。该半导体生产系统可以在同一EFEM的操控下实现对硅片的多种测量，比如膜厚测量、关键尺寸(CD)测量、图形套刻(Overlay)测量、表面自动光学检测(AOI)测量等。

如图13所示，该控制系统中，各半导体量测设备的工控机电连接至半导体工艺自动化系统(Equipment Automatic Processing，简称EAP)。EFEM也连接至EAP。这样，通过EAP统一协调控制EFEM，工艺设备和各量测设备的运行。

图14是根据本申请的另一实施例的半导体生产系统的控制系统图。该半导体生产系统包括半导体工艺设备、连接于半导体工艺设备的半导体设备前端模块以及连接于半导体设备前端模块的对应片库接口的多种半导体量测设备。该半导体生产系统可以在同一EFEM的操控下实现对硅片的多种测量，比如膜厚测量、关键尺寸(CD)测量、图形套刻(Overlay)测量、表面自动光学检测(AOI)测量等。

如图14所示，该控制系统中，各量测设备的工控机首先连接至工艺设备对应的工控机，而工艺设备工控机和EFEM受EAP控制，通过这种控制方式实现EFEM，工艺设备和各量测设备的协调运行。

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，若需要，能修改实施例的方面来采用各种发明、申请和出版物的方面、特征和构思来提供另外的实施例。

考虑到上文的详细描述，能对实施例做出这些和其它变化。一般而言，在权利要求中，所用的术语不应被认为限制在说明书和权利要求中公开的具体实施例，而是应被理解为包括所有可能的实施例连同这些权利要求所享有的全部等同范围。

Claims (23)

1.一种半导体量测设备，所述半导体量测设备具有机体，所述机体内设有量测室，其特征在于，所述机体外设置有连接接口，所述连接接口与所述量测室连通并设置成能够连接至半导体生产设备的片库接口；以及所述半导体量测设备进一步设有气路系统，所述气路系统布置成向所述量测室充入气体，使得所述量测室的气压相对于大气为正压。

2.如权利要求1所述的半导体量测设备，其特征在于，所述连接接口布置有量测设备接口门，所述量测设备接口门可操作地打开或关闭。

3.如权利要求1所述的半导体量测设备，其特征在于，所述连接接口布置成在连接至所述片库接口时，所述量测室与所述片库接口可操作地连通。

4.如权利要求1所述的半导体量测设备，其特征在于，所述连接接口具有连接框，所述连接框布置成能够连接至所述片库接口。

5.如权利要求4所述的半导体量测设备，其特征在于，所述连接接口具有布置于所述连接框外部的密封件。

6.如权利要求1所述的半导体量测设备，其特征在于，所述连接接口进一步设有方位调节机构，用于调节所述连接接口相对于所述片库接口的方位。

7.如权利要求1所述的半导体量测设备，其特征在于，所述连接接口具有连接框和对位件，其中所述连接框上设有对位结构，所述对位件设有与所述对位结构对应的对位部。

8.如权利要求1所述的半导体量测设备，其特征在于，所述气路系统具有气体压力传感器，所述气路系统进一步布置成根据所述气体压力传感器检测到的压力来调节进入所述量测室的进气量。

9.如权利要求1所述的半导体量测设备，其特征在于，所述量测室内设有工件台，所述工件台能够朝向所述连接接口运动。

10.如权利要求1所述的半导体量测设备，其特征在于，所述量测室布置成能够对硅片进行检测。

11.如权利要求1所述的半导体量测设备，其特征在于，所述半导体生产设备是半导体设备前端模块(EFEM)。

12.如权利要求1所述的半导体量测设备，其特征在于，所述片库接口是符合国际SEMI标准的接口。

13.如权利要求1所述的半导体量测设备，其特征在于，所述片库接口设有片库接口门和接口外框。

14.如权利要求1所述的半导体量测设备，其特征在于，所述连接接口设置成能够连接至半导体设备前端模块的检修门的位置或者能够连接至半导体设备前端模块的侧壁上，在除了设有片库接口的位置之外的其他合适的位置处。

15.一种半导体量测系统，所述半导体量测系统包括半导体设备前端模块，所述半导体设备前端模块具有多个片库接口，其特征在于，所述半导体量测系统进一步包括至少一个如权利要求1所述的半导体量测设备，每个半导体量测设备连接至对应的一个片库接口。

16.如权利要求15所述的半导体量测系统，其特征在于，所述半导体量测系统进一步包括控制装置，所述半导体量测设备和所述半导体设备前端模块具有对应的工控机，其中所述控制装置与各所述工控机电连接，以控制各所述半导体量测设备和所述半导体设备前端模块的运行。

17.如权利要求15所述的半导体量测系统，其特征在于，所述半导体量测设备的所述量测室的气压相对于半导体前端模块的气压为正压。

18.如权利要求15所述的半导体量测系统，其特征在于，所述半导体量测设备包括分别用于硅片的膜厚测量、关键尺寸测量、图形套刻测量和表面自动光学检测测量的半导体量测设备。

19.如权利要求15所述的半导体量测系统，其特征在于，所述气路系统具有压差传感器，所述压差传感器布置在所述连接接口处并用于检测所述半导体量测设备与所述半导体前端模块之间的压差，其中所述气路系统进一步布置成根据所述压差传感器检测到的压差来调节进入所述量测室的进气量。

20.一种半导体生产系统，所述半导体生产系统包括半导体工艺设备，其特征在于，所述半导体生产系统进一步包括如权利要求15-19任一项所述的半导体量测系统，其中所述半导体工艺设备连接于所述半导体量测系统前端模块。

21.如权利要求20所述的半导体生产系统，其特征在于，所述半导体生产系统进一步包括半导体工艺自动化系统，各所述半导体量测设备、所述半导体工艺设备和所述半导体设备前端模块的对应工控机电连接至所述半导体工艺自动化系统，由所述半导体工艺自动化系统协调控制所述半导体量测设备、所述半导体工艺设备和所述半导体设备前端模块的运行。

22.如权利要求21所述的半导体生产系统，其特征在于，所述半导体生产系统进一步包括半导体工艺自动化系统，各所述半导体量测设备的工控机电连接至所述半导体工艺设备对应的工控机，以及所述半导体工艺设备的工控机和所述半导体设备前端模块的工控机均电连接至所述半导体工艺自动化系统，由所述半导体工艺自动化系统协调控制所述半导体量测设备、所述半导体工艺设备和所述半导体设备前端模块的运行。

23.如权利要求20所述的半导体生产系统，其特征在于，所述半导体量测设备包括分别用于硅片的膜厚测量、关键尺寸测量、图形套刻测量和表面自动光学检测测量的半导体量测设备。