CN111640685A - 半导体设备及工件状态检测方法 - Google Patents

半导体设备及工件状态检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种半导体设备及工件状态检测方法，半导体设备包括包括承载装置和至少三个检测单元，其中，该承载装置用于将待测工件固定在其承载面上；至少三个检测单元所在的最小圆面与承载面同轴，其中，最小圆面的直径小于待测工件的直径；各检测单元用于实时检测各自与待测工件之间的竖直间距，以使控制单元能够根据各检测单元检测的竖直间距，判断待测工件的状态。本发明提供的半导体设备及工件状态检测方法的技术方案，不仅检测单元的安装简单，系统容错性较好，而且可以实现对诸如待测工件高度、水平度以及在工艺过程中诸如是否碎片、旋转平稳度等的待测工件状态。

Description

半导体设备及工件状态检测方法
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域，具体地，涉及一种半导体设备及工件状态检测方法。
背景技术
集成电路制造过程中的晶圆清洗是指在氧化、光刻、外延、扩散等工序前，采用物理或化学方法去除晶圆表面的污染物和自身氧化物，以得到符合清洁度要求的晶圆表面的过程。清洗工艺涉及到多种不同的关键环节，因此，晶圆清洗质量的好坏对器件性能有重要的影响。在金属互连工艺过程中，晶圆背面很难避免附着有金属残留，该金属残留如果得不到有效去除，对接下来的掩膜光刻工艺结果会产生颠覆性影响。因此，对晶圆背面清洗设备的要求也要相应提高。
目前，晶圆背面的清洗设备的承载装置不仅可以夹持固定晶圆，且该晶圆能够在背吹气体(例如氮气)的作用下悬浮在承载装置上方，以便于机械手执行取放动作，同时保证机械手不会接触朝下的晶圆正面。晶圆的悬浮高度需要满足机械手的可抓取条件，按照一般设计，晶圆的悬浮位置距离承载装置的承载面的高度为3.5mm，且晶圆需要水平升起，不允许存在较大倾斜。这就需要对晶圆的悬浮高度和水平度进行检测，以确保机械手能够成功取放晶圆。
如图1和图2所示，现有的清洗设备采用两组对射式的光电传感器(1,2)检测晶圆的悬浮高度，两组光电传感器(1,2)交叉安装在承载装置的外侧，且固定在距离承载面一定高度的位置处，当两组光电传感器(1,2)被触发时，可以确认晶圆当前位于悬浮位置。
但是，上述检测方式在实际应用中不可避免地存在以下问题：
其一，对光电传感器的安装位置的精度有很高要求，安装难度较大，且不便于位置调整。
其二，由于只有晶圆恰好到达悬浮高度时，才能够触发传感器，当晶圆的高度因背吹气体的压力或流量波动而在合理范围内变化时，传感器不能完全触发，导致对机械手的取放允许条件苛刻，系统运行的容错性较差。
其三，上述测试方式只能检测晶圆是否满足取放条件，而无法检测晶圆水平度，尤其无法检测在工艺过程中诸如是否碎片、旋转平稳度等的晶圆状态。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种半导体设备及工件状态检测方法，其不仅检测单元的安装简单，系统容错性较好，而且可以实现对诸如待测工件高度、水平度以及在工艺过程中诸如是否碎片、旋转平稳度等的待测工件状态的检测。
为实现上述目的，本发明提供了一种半导体设备，包括承载装置，所述承载装置用于将待测工件固定在其承载面上，还包括至少三个检测单元，所述至少三个检测单元所在的最小圆面与所述承载面同轴，其中，所述最小圆面的直径小于所述待测工件的直径；
各所述检测单元用于实时检测各自与所述待测工件之间的竖直间距，以使控制单元能够根据各所述检测单元检测的所述竖直间距，判断所述待测工件的状态。
可选的，所述至少三个检测单元在所述最小圆面上均匀分布。
可选的，所述至少三个检测单元均位于所述承载面的上方，以能够自上而下向所述待测工件发送检测信号，所述检测信号用于检测所述竖直间距。
可选的，各所述检测单元包括非接触式距离传感器。
可选的，所述半导体设备包括清洗设备。
作为另一个技术方案，本发明还提供一种工件状态检测方法，应用于本发明提供的上述半导体设备上，所述工件状态检测方法包括：
若所述待测工件满足检测条件，则利用所述至少三个检测单元实时检测各自与所述待测工件之间的竖直间距；
根据各所述检测单元检测的所述竖直间距，获得表示待测工件状态的状态参数值，并将所述状态参数值与预设的安全阈值进行比较，且根据比较结果判断所述待测工件的状态是否异常。
可选的，所述获得表示待测工件状态的状态参数值，并将所述状态参数值与预设的安全阈值进行比较，且根据比较结果判断所述待测工件的状态是否异常的步骤，具体包括：
获得各所述检测单元检测的所述竖直间距的变化量；
判断所有所述检测单元检测的所述竖直间距的变化量是否均位于预设的安全悬浮高度区间；
若是，则确认所述待测工件到达悬浮位置；
若否，则确认所述待测工件的高度异常。
可选的，在所述确认所述待测工件的高度异常之后，所述方法还包括：
判断是否有所述检测单元检测的所述竖直间距的变化量超出预设的安全变化幅度值，其中，所述安全变化幅度值大于所述安全悬浮高度区间中的最大值；
若有，则确认所述待测工件发生碎片或飞片；
若没有，则确认所述待测工件未发生碎片或飞片。
可选的，所述获得表示待测工件状态的状态参数值，并将所述状态参数值与预设的安全阈值进行比较，且根据比较结果判断所述待测工件的状态是否异常的步骤，具体包括：
获得每两个所述检测单元检测的所述竖直间距的差值，并判断各所述差值的绝对值是否均小于或等于预设的倾斜阈值；
若是，则确认所述待测工件的水平度满足要求；
若否，则确认所述待测工件的水平度异常。
可选的，所述倾斜阈值根据所述待测工件的直径、所述最小圆面与所述待测工件的半径差值以及预设的最大安全误差确定。
本发明的有益效果：
本发明提供的半导体设备及工件状态检测方法的技术方案中，承载装置包括至少三个检测单元，至少三个检测单元所在的最小圆面与承载面同轴，且该最小圆面的直径小于待测工件的直径，各检测单元用于实时检测各自与待测工件之间的竖直间距,可以使控制单元能够根据各检测单元检测的竖直间距，判断待测工件的状态。由于各检测单元检测的是各自与待测工件之间的竖直间距，这对检测单元的安装位置的精度要求不高，从而可以降低安装难度；同时，根据至少三个检测单元检测的竖直间距，不仅可以实现对诸如待测工件高度、水平度以及在工艺过程中是否碎片、旋转平稳度等的待测工件状态进行检测，而且系统容错性较好。
附图说明
图1为现有的清洗设备中光电传感器的安装立体图；
图2为现有的清洗设备中光电传感器的安装侧视图；
图3为本发明实施例提供的半导体设备的承载装置与检测单元的立体图；
图4为本发明实施例提供的半导体设备的承载装置与检测单元的俯视图；
图5为本发明实施例提供的半导体设备的承载装置与检测单元的侧视图；
图6为本发明实施例提供的工件状态检测方法的流程框图；
图7A为本发明实施例采用的倾斜阈值的一种计算示意图；
图7B为本发明实施例采用的倾斜阈值的另一种计算示意图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的半导体设备及工件状态检测方法进行详细描述。
请一并参阅图3至图5，本发明实施例提供的半导体设备，其包括承载装置11和三个检测单元(12a，12b，12c)，其中，承载装置11用于将待测工件13固定在其承载面11a上。承载面11a可以定义为承载装置11上用于放置待测工件13的区域。承载装置11例如包括采用夹持固定的方式固定待测工件13的夹持机构，并且承载装置11中设置有能够朝向待测工件13吹送背吹气体(例如氮气)的气路。在该夹持机构解除对待测工件的固定时，通过控制背吹气体的压力和流量，可以使待测工件13在背吹气体的作用下自承载面11a上升，并悬浮于承载面11a上方的指定高度位置(以下称悬浮位置)处，从而便于机械手执行取放动作。
三个检测单元(12a，12b，12c)分布在一平面上的同一圆周上，该平面与承载面11a相互平行，即，三个检测单元(12a，12b，12c)相对于承载面11a的高度一致。并且，三个检测单元(12a，12b，12c)所在最小圆面与承载面11a同轴，且该最小圆面的直径小于待测工件13的直径，这样可以使各检测单元发出的光斑均能够落在待测工件13的表面上，以实现竖直间距的检测。可选的，三个检测单元(12a，12b，12c)在最小圆面上均匀分布，以为控制单元的计算和判断提供方便。
如图5所示，各检测单元用于实时检测各自与待测工件13之间的竖直间距。例如，当待测工件13置于承载面11a上时，三个检测单元(12a，12b，12c)各自与待测工件13之间的竖直间距分别为d1、d2和d3。控制单元根据各检测单元检测的上述竖直间距，判断待测工件13的状态。根据三个检测单元(12a，12b，12c)检测的竖直间距，不仅可以通过计算实现对诸如待测工件高度、水平度以及在工艺过程中是否碎片、旋转平稳度等的待测工件状态进行检测，而且系统容错性较好，从而可以提高对设备的控制效果。
上述控制单元例如为可编程逻辑控制器(PLC)等的控制器，其可以采用总线连接的方式与各检测单元连接，从而可以实现对不同腔室中的检测单元的检测信号进行集中控制，进而可以提高控制实时性和控制精度。
需要说明的是，在本实施例中，检测单元为三个，但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，检测单元可以根据具体需要设定为四个、五个或者六个以上。
各检测单元可以为诸如红外传感器、激光传感器等的非接触式距离传感器。
在实际应用中，可以根据不同的工艺要求，选择合适类型的距离传感器，以及设计各检测单元相对于待测工件的安装位置。另外，可以利用支架将检测单元固定在半导体设备的反应腔室内的相应位置处，该支架例如为将检测单元固定在承载装置上方的吊装设备。
下面以半导体设备为清洗设备为例，对检测单元的功能进行详细说明，该清洗设备例如应用于清洗晶圆的背面，即，晶圆的背面朝上，而正面朝下。由于在金属互联工艺(例如铜互联)中，晶圆的正面对光敏感，在这种情况下，可以使各检测单元均位于承载面11a的上方，以能够自上而下向晶圆的背面发射检测信号，该检测信号用于检测竖直间距。这样，由各检测单元发出的检测信号的光斑会落在晶圆的背面，以实现晶圆状态的检测，同时不会对晶圆正面产生影响。
当然，在实际应用中，在满足工艺要求的前提下，也可以选用可发射强度较弱的检测信号的检测单元应用于上述清洗设备中，或者将检测单元所在位置设置在能够使检测信号落在靠近晶圆边缘的非作用区域中，此时可以允许将各检测单元安装在承载面11a的下方，以能够自下而上向晶圆正面发射检测信号。另外，针对除上述晶圆背面清洗设备之外的其他一些应用，例如不会对光敏感的晶圆清洗设备，则可以根据具体需要，任意选择将检测单元设置在承载面11a的上方或下方。
在利用上述清洗设备对待测工件进行清洗工艺时，首先进行放片过程，即，将承载装置11的夹持机构打开，并开始吹送背吹气体，然后利用机械手将待测工件13传入工艺腔室中，此时在背吹气体的作用下，待测工件13悬浮在承载面11a的上方；在此过程中，各检测单元朝向待测工件13竖直发射检测信号，以实时检测各自与待测工件13之间的竖直间距；控制单元根据各检测单元检测的竖直间距，可以对待测工件13的当前状态进行判断，待测工件13的当前状态包括对待测工件13的高度和水平度进行判断，以确认待测工件13是否位于正确的悬浮位置，以及水平度是否满足安全条件。若待测工件13的状态正常，则机械手移出工艺腔室，并关闭背吹气体，以使待测工件13下落至承载装置11的承载面11a上。
开始进行清洗工艺，在此过程中，承载装置11带动其上的待测工件13旋转，此时各检测单元同样朝向待测工件13竖直发射检测信号，以实时检测各自与待测工件13之间的竖直间距；控制单元根据各检测单元检测的竖直间距，可以对待测工件13的当前状态进行判断，待测工件13的当前状态包括对待测工件13的旋转平稳度、是否碎片和是否飞出等状态进行判断，若各检测单元检测的竖直间距均是一致的，或者误差在一个很小的范围内波动，则表示待测工件13的旋转平稳度满足要求。若有检测单元检测的竖直间距突然增大，则表示待测工件可能发生碎片或者待测工件飞出。
在完成工艺之后，开始进行取片过程，即，承载装置11的夹持机构解除对待测工件13的固定，并开始吹送背吹气体，以使待测工件13自承载面11a上升，并悬浮在承载面11a的上方；在此过程中，各检测单元朝向待测工件13竖直发射检测信号，以实时检测各自与待测工件13之间的竖直间距；控制单元根据各检测单元检测的竖直间距，可以对待测工件13的当前状态进行判断，待测工件13的当前状态包括对待测工件13的高度和水平度进行判断，以确认待测工件13是否位于正确的悬浮位置，以及水平度是否满足安全取片条件。若待测工件13的状态正常，则机械手移入工艺腔室，并取出待测工件13，从而完成取片动作。
在实际应用中，控制单元当检测到待测工件13的状态出现异常时，可以发出报警，以通知工作人员及时进行相应的措施，从而可以避免设备损坏。
由上可知，通过利用各检测单元实时检测自身与待测工件之间的竖直间距，在包含取放片、清洗的整个工艺过程中均可以对待测工件的状态进行判断，实现对诸如待测工件高度、水平度以及在工艺过程中是否碎片、旋转平稳度等的待测工件状态进行检测。另外，由于各检测单元设置在承载面11a的上方或下方，这样对检测单元的安装位置的精度要求不高，从而可以降低安装难度。
作为另一个技术方案，请参阅图6，本发明实施例还提供一种工件状态检测方法，该方法在本发明实施例提供的半导体设备对待测工件进行处理的过程中检测待测工件的状态。以图5示出的半导体设备的承载装置11和三个检测单元(12a，12b，12c)为例，工件状态检测方法包括：
步骤S1、若待测工件满足检测条件，则利用三个检测单元实时检测自身与待测工件之间的竖直间距。
步骤S2、根据各检测单元检测的上述竖直间距，获得表示待测工件状态的状态参数值，并将该状态参数值与预设的安全阈值进行比较，且根据比较结果判断待测工件的状态是否异常。
在上述步骤S1中，待测工件满足检测条件是指待测工件13的当前工艺进程满足状态检测的条件，即，可利用三个检测单元对待测工件状态进行实时检测，例如，在机械手完成对待测工件13的取放操作之后，可以利用三个检测单元对待测工件进行检测，以判断待测工件13的悬浮高度是否到位。
以上述半导体设备为用于清洗待测工件背面的清洗设备为例，三个检测单元(12a，12b，12c)位于承载面11a的上方。在这种情况下，针对待测工件的取片过程，上述步骤S2进一步包括：
S21，获得各检测单元检测的竖直间距的变化量。
例如，在步骤S21中，如图5所示，假设当待测工件13处于承载装置11的承载面11a上时，三个检测单元(12a，12b，12c)检测到的竖直间距分别为d1、d2和d3；在待测工件13自承载面11a上升至悬浮位置之后，三个检测单元(12a，12b，12c)检测到的竖直间距分别为d1′、d2′和d3′，那么，三个检测单元(12a，12b，12c)检测的竖直间距的变化量分别为Δd1＝d1-d1'，Δd2＝d2-d2'和Δd3＝d3-d3'。
S22，判断所有检测单元检测的竖直间距的变化量是否均位于预设的安全悬浮高度区间内；若是，则确认待测工件到达正确的悬浮位置；若否，则确认待测工件的高度异常，此时无法取片，可发出报警。
上述安全悬浮高度区间是指允许待测工件13达到的悬浮高度范围，该范围例如为大于或等于3mm。
类似的，待测工件13的放片过程也可以采用上述检测方法判断待测工件的高度是否异常。
可选的，在确认待测工件13的高度异常之后，工件状态检测方法还包括：
S23，判断是否有检测单元检测的竖直间距的变化量超出预设的安全变化幅度值，其中，该安全变化幅度值大于上述安全悬浮高度区间中的最大值；若有，则确认待测工件13发生碎片或飞片；若没有，则确认待测工件13未发生碎片或飞片。
所谓飞片，是指待测工件13在背吹气体的作用下自承载装置上被吹飞。容易理解，若待测工件13发生碎片或飞片，则检测单元检测到的竖直间距的变化幅度可能会瞬间产生较大变化，基于此，通过设定安全变化幅度值，可以用于判断待测工件13是否发生碎片或飞片。
对于待测工件的水平度，上述步骤S2进一步包括：
S21’，获得每两个检测单元检测的竖直间距的差值。
具体来说，从所有检测单元中选取两个检测单元的所有组合，例如，如图5所示，对于三个检测单元(12a，12b，12c)，分别计算检测单元12a和检测单元12b检测的竖直间距的差值(Δd12＝d1-d2)、检测单元12a和检测单元12c检测的竖直间距的差值(Δd13＝d1-d3)以及检测单元12b和检测单元12c检测的竖直间距的差值(Δd23＝d2-d3)。
S22’，判断各差值的绝对值是否均小于或等于预设的倾斜阈值；若是，则确认待测工件的水平度满足要求；若否，则确认待测工件的水平度异常。
可选的，上述倾斜阈值根据待测工件的直径、最小圆面与待测工件的半径差值以及预设的最大安全误差确定。以图5示出的三个检测单元(12a，12b，12c)为例，三个检测单元(12a，12b，12c)相对于检测平面的中心对称分布。在这种情况下，请一并参阅图7A和图7B，上述倾斜阈值按下述公式计算获得：
Figure BDA0002524028200000091
Figure BDA0002524028200000092
其中，如图7B所示，待测工件13是水平放置的，其直径为a，例如a＝300mm；假设待测工件13发生倾斜，其倾斜后朝上的表面为13a，如图7A所示，在该表面13a上，三个检测单元(12a，12b，12c)的检测斑点分别为12a’，12b’和12c’；三个检测斑点(12a’，12b’，12c’)与待测工件13的边缘之间的径向间距分别为Δl1、Δl2和Δl3，且Δl1＝Δl2＝Δl3＝Δl，由此可以计算获得检测斑点12a’与中心O之间的距离，即，
Figure BDA0002524028200000093
由此，根据三角形的勾股定理，可以计算获得线段OA的长度为
Figure BDA0002524028200000094
由此，可以推导出等式：
Figure BDA0002524028200000095
如图7B所示，按三角形相似的原理，可以计算获得倾斜阈值。其中，Δe为倾斜阈值；a为待测工件的直径；Δea为预设的最大安全误差，该最大安全误差可以为机械手在工艺腔室中的取放片高度与安全悬浮高度值的差值，例如，取放片高度为3.5mm；安全悬浮高度值为3mm；最大安全误差为0.5mm。
当然，在实际应用中，上述倾斜阈值也可以采用其他计算方法获得，还可以根据经验获得。
综上所述，本发明实施例提供的半导体设备及工件状态检测方法的技术方案中，承载装置包括至少三个检测单元，至少三个检测单元所在的最小圆面与承载面同轴，且该最小圆面的直径小于待测工件的直径，各检测单元用于实时检测各自与待测工件之间的竖直间距，可以使控制单元能够根据各检测单元检测的竖直间距，判断待测工件的状态。由于各检测单元检测的是各自与待测工件之间的竖直间距，这不仅对检测单元的安装位置的精度要求不高，从而可以降低安装难度；同时，根据至少三个检测单元检测的竖直间距，不仅可以实现对诸如待测工件高度、水平度以及在工艺过程中是否碎片、旋转平稳度等的待测工件状态进行检测，而且系统容错性较好。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种半导体设备，包括承载装置，所述承载装置用于将待测工件固定在其承载面上，其特征在于，还包括至少三个检测单元，所述至少三个检测单元所在的最小圆面与所述承载面同轴，其中，所述最小圆面的直径小于所述待测工件的直径；
各所述检测单元用于实时检测各自与所述待测工件之间的竖直间距，以使控制单元能够根据各所述检测单元检测的所述竖直间距，判断所述待测工件的状态。
2.根据权利要求1所述的半导体设备，其特征在于，所述至少三个检测单元在所述最小圆面上均匀分布。
3.根据权利要求1所述的半导体设备，其特征在于，所述至少三个检测单元均位于所述承载面的上方，以能够自上而下向所述待测工件发送检测信号，所述检测信号用于检测所述竖直间距。
4.根据权利要求1所述的半导体设备，其特征在于，各所述检测单元包括非接触式距离传感器。
5.根据权利要求1所述的半导体设备，其特征在于，所述半导体设备包括清洗设备。
6.一种工件状态检测方法，其特征在于，应用于权利要求1-5任意一项所述的半导体设备上，所述工件状态检测方法包括：
若所述待测工件满足检测条件，则利用所述至少三个检测单元实时检测各自与所述待测工件之间的竖直间距；
根据各所述检测单元检测的所述竖直间距，获得表示待测工件状态的状态参数值，并将所述状态参数值与预设的安全阈值进行比较，且根据比较结果判断所述待测工件的状态是否异常。
7.根据权利要求6所述的工件状态检测方法，其特征在于，所述获得表示待测工件状态的状态参数值，并将所述状态参数值与预设的安全阈值进行比较，且根据比较结果判断所述待测工件的状态是否异常的步骤，具体包括：
获得各所述检测单元检测的所述竖直间距的变化量；
判断所有所述检测单元检测的所述竖直间距的变化量是否均位于预设的安全悬浮高度区间；
若是，则确认所述待测工件到达悬浮位置；
若否，则确认所述待测工件的高度异常。
8.根据权利要求7所述的工件状态检测方法，其特征在于，在所述确认所述待测工件的高度异常之后，所述方法还包括：
判断是否有所述检测单元检测的所述竖直间距的变化量超出预设的安全变化幅度值，其中，所述安全变化幅度值大于所述安全悬浮高度区间中的最大值；
若有，则确认所述待测工件发生碎片或飞片；
若没有，则确认所述待测工件未发生碎片或飞片。
9.根据权利要求6所述的工件状态检测方法，其特征在于，所述获得表示待测工件状态的状态参数值，并将所述状态参数值与预设的安全阈值进行比较，且根据比较结果判断所述待测工件的状态是否异常的步骤，具体包括：
获得每两个所述检测单元检测的所述竖直间距的差值，并判断各所述差值的绝对值是否均小于或等于预设的倾斜阈值；
若是，则确认所述待测工件的水平度满足要求；
若否，则确认所述待测工件的水平度异常。
10.根据权利要求9所述的工件状态检测方法，其特征在于，所述倾斜阈值根据所述待测工件的直径、所述最小圆面与所述待测工件的半径差值以及预设的最大安全误差确定。
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