CN112490141A - 一种晶圆放置状态检测方法、半导体工艺设备 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供了晶圆放置状态检测方法、半导体工艺设备，该方法包括：基于预设目标温度，加热半导体工艺设备工艺腔室中的基座，以加热承载在基座的片槽中的晶圆；旋转基座，并通过工艺腔室的观测窗检测晶圆的表面温度；当检测到晶圆的表面温度低于预设表面温度阈值时，确定晶圆处于搭边放置状态。通过本申请实施例提供的技术方案，当晶圆处于搭边放置状态时，可以方便快捷地检测到这种异常状态。

Description

一种晶圆放置状态检测方法、半导体工艺设备
技术领域
本申请涉及半导体制造领域，具体涉及一种晶圆放置状态检测方法、半导体工艺设备。
背景技术
诸如CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相淀积)设备的半导体设备中的工艺腔室普遍具有基座，例如石墨基座。工艺腔室一般为石英腔。基座包括多个用于放置晶圆的片槽。
一些情况会导致晶圆在片槽中的放置状态为搭边放置状态。例如，用于带动基座旋转的电机的转动过程中基座与电机之间的连接机构经常会发生打滑而造成未能同步运转，导致晶圆出现搭边放置状态。例如，在机械手进行将晶圆放置到片槽中的操作时，可能因为气流和手指调节高度的影响，导致晶圆没有垂直落下，在下落过程中发生偏移导致晶圆出现搭边放置状态。
如果未能检测到晶圆处于搭边放置状态而对处于搭边放置状态的晶圆进行工艺，在进行工艺后会出现硅渣，导致电阻率和厚度均匀性不合格。同时，会增加机械手抓取晶圆的难度，容易在晶圆上引起压痕，导致半导体工艺设备的良率的降低。
因此，如何方便快捷地检测出处于搭边放置状态的晶圆以避免对处于搭边放置状态的晶圆进行工艺成为一个需要解决的问题。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种晶圆放置状态检测方法、半导体工艺设备。
根据本申请实施例的第一方面，提供一种晶圆放置状态检测方法，包括：
基于预设目标温度，加热半导体工艺设备工艺腔室中的基座，以加热承载在所述基座的片槽中的晶圆；
旋转所述基座，并通过所述工艺腔室的观测窗检测所述晶圆的表面温度；
当检测到所述晶圆的表面温度低于预设表面温度阈值时，确定所述晶圆处于搭边放置状态。
根据本申请实施例的第二方面，提供一种半导体工艺设备，包括：
包括：工艺腔室，所述工艺腔室上设置有观测窗，所述工艺腔室中设置有基座，所述基座上设置有用于承载晶圆的片槽，其特征在于，所述观测窗上方设置有测温组件，用于检测晶圆的表面温度，所述半导体工艺设备还包括：
控制器，被配置为控制所述基座中的加热元件基于预设目标温度，加热所述基座，以加热承载在所述片槽中的晶圆；使所述基座旋转，控制所述测温组件检测晶圆的表面温度；当所述测温组件检测到晶圆的表面温度低于预设表面温度阈值时，确定晶圆处于搭边放置状态。
本申请实施例提供的晶圆放置状态检测方法、半导体工艺设备，通过基于预设目标温度，加热半导体工艺设备工艺腔室中的基座，以加热承载在基座的片槽中的晶圆；旋转基座，并通过工艺腔室的观测窗检测晶圆的表面温度；当检测到晶圆的表面温度低于预设表面温度阈值时，确定晶圆处于搭边放置状态的技术方案，当晶圆处于搭边放置状态时，可以方便快捷地检测到这种异常状态。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1示出了本申请实施例提供的晶圆放置状态检测方法的流程图；
图2示出了与检测晶圆的放置状态相关的部件的示意图；
图3A示出了处于正常放置状态的晶圆的效果示意图；
图3B示出了处于搭边放置状态的晶圆的效果示意图；
图4示出了每一个晶圆的状态均为正常放置状态时多个晶圆的表面温度和基座的表面温度的示意图；
图5示出了在存在处于搭边放置状态的晶圆的情况下多个晶圆的表面温度和基座的表面温度的示意图；
图6示出了实时获取基座及晶圆表面温度的流程示意图；
图7示出了检测晶圆的放置状态的流程示意图；
图8示出了本申请实施例提供的半导体工艺设备的功能结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1示出了本申请实施例提供的晶圆放置状态检测方法的流程图，该方法包括：
步骤101，基于预设目标温度，加热半导体工艺设备工艺腔室中的基座，以加热承载在基座的片槽中的晶圆。
在本申请中，工艺腔室中的基座包括多个片槽。基座的每一个片槽可以各自承载一个晶圆。
在本申请中，在检测基座中的晶圆的放置状态之前，基于预设目标温度，加热半导体工艺设备工艺腔室中的基座，通过基座热传导对基座的片槽中的晶圆加热。预设目标温度为在检测基座中的晶圆的放置状态之前，通过基座热传导对晶圆加热，期望晶圆的表面温度在加热完成之后达到的温度。
由于通过基座热传导对晶圆加热，因此，在加热完成之后，基座的表面温度通常高于晶片的表面温度。
步骤102，旋转基座，并通过工艺腔室的观测窗检测晶圆的表面温度。
在本申请中，可以通过步进电机或者伺服电机等各种驱动组件驱动基座旋转。
在本申请中，工艺腔室的观测窗的上方设置有测温组件，该测温组件可以通过工艺腔室的观测窗检测晶圆的表面温度，例如该测温组件可以包括红外测温仪。
对于任意一个晶圆，当通过工艺腔室的观测窗检测晶圆的表面温度时，可以由设置在工艺腔室的观测窗上方的红外测温仪接收晶圆表面辐射出的红外线从而检测到该晶圆的表面温度。
工艺腔室的观测窗可以设置于工艺腔室的顶部。工艺腔室的观测窗透是光的，可以允许光线通过，工艺腔室的顶部的其他部分不透光。红外测温仪可以处于垂直状态即红外测温仪的光轴垂直于基座所在的平面。
请参考图2，其示出了与检测晶圆的放置状态相关的部件的示意图。
在图2中，示出了滑轨1、红外测温仪2、基座3、工艺腔室4、透明观察窗5。红外测温仪安装2在滑轨1上。基座3为圆形，基座3包括多个圆形的片槽。例如，6英寸晶圆的石墨基座包括9个圆形的片槽。每一个片槽各自承载一个晶圆。旋转电机带动基座3旋转。在基座3旋转的过程中，红外测温仪2持续接收基座和晶圆辐射出的红外线，进而检测到基座和晶圆的温度。
在本申请中，在停止旋转基座，并停止检测晶圆的表面温度之前，对于任意一个晶圆，每一次通过红外测温仪检测到晶圆的一个表面温度，均可以实时从红外测温仪读取到该表面温度。
步骤103，当检测到晶圆的表面温度低于预设表面温度阈值时，确定晶圆处于搭边放置状态。
请参考图3A，其示出了处于正常放置状态的晶圆的效果示意图。
在图3中，示出了片槽的底部、片槽的第一个台阶、片槽的第二个台阶。片槽的第二个台阶与基座的表面处于同一个水平面上。阴影部分表示晶圆。处于正常放置状态的晶圆为水平放置的。
请参考图3B，其示出了处于搭边放置状态的晶圆的效果示意图。
如图3B所示，处于搭边放置状态的晶圆与片槽的底部具有一个接触点，处于搭边放置状态的晶圆与片槽的第一个台阶具有另一个接触点。处于搭边放置状态的晶圆为倾斜放置的。
在本申请中，在停止旋转基座，并停止检测晶圆的表面温度之前，对于任意一个晶圆，通过红外测温仪检测到的晶圆的每一表面温度，均可以用于确定晶圆的表面温度是否小于表面温度阈值。从而，可以实时确定晶圆的表面温度是否小于表面温度阈值。
在本申请中，可以预先在基座中的每一个晶圆均处于正常放置状态的情况下，基于预设目标温度，加热半导体工艺设备工艺腔室中的基座，然后，将基座旋转一周，将采集到的所有晶圆的表面温度中的最小值或略小于该最小值的一个温度作为表面温度阈值。
在一些实施例中，预设表面温度阈值为在目标温度下晶圆的平均表面温度与预设表面温度最大误差值的差值。
在本申请中，可以预先在基座中的每一个晶圆均处于正常放置状态的情况下，基于预设目标温度，加热半导体工艺设备工艺腔室中的基座，然后，将基座旋转一周，将采集到的所有晶圆的表面温度的和除以采集到的晶圆的表面温度的数量，将得到的计算结果作为在目标温度下晶圆的平均表面温度。
可以由工程师预先设置预设表面温度最大误差值，例如6℃，将在目标温度下晶圆的平均表面温度减去预设表面温度最大误差值，得到预设表面温度阈值。
作为示例，在每一个晶圆的放置状态均处于正常放置状态的情况下平均表面温度与最低表面温度之差、在基座中的一个晶圆的放置状态处于搭边放置状态的情况下平均表面温度与最低表面温度之差如下表所示：
表1
Figure BDA0002790276950000061
在每一个晶圆的放置状态均处于正常放置状态的情况下，采集到的所有表面温度中的最低表面温度为1061℃。在每一个晶圆的放置状态均处于正常放置状态的情况下，在目标温度下晶圆的平均表面温度1066℃平均表面温度与最低表面温度1061℃之差为5℃。
预设表面温度阈值为在目标温度下晶圆的平均表面温度减去预设表面温度最大误差值。例如，预设表面温度最大误差值为6℃，预设表面温度阈值为在目标温度下晶圆的平均表面温度1066℃减去6℃，即1060℃。在每一个晶圆的放置状态均处于正常放置状态的情况下，最低表面温度大于预设表面温度阈值。
在基座中的第9个片槽中的晶圆处于搭边放置状态，第1-8个片槽中的晶圆处于正常放置状态。处于搭边放置状态的第9个片槽中的晶圆的多个表面温度中的最低的表面温度为采集到的所有表面温度中的最低表面温度即1045℃。最低表面温度远低于平均表面温度。最低表面温度1045℃小于预设表面温度阈值例如1060℃。
请参考图4，其示出了每一个晶圆的状态均为正常放置状态时多个晶圆的表面温度和基座的表面温度的示意图。
横坐标轴为与表面温度的采集时刻相关的坐标轴。纵坐标轴为与表面温度相关的坐标轴。工艺腔室中的基座包括9个片槽。片槽可以称之为pocket，pocket1-pocket9。对片槽中的晶圆的多个表面温度进行连接形成的与晶圆的表面温度相关的线段。
在目标温度下晶圆的平均表面温度为1066℃。与晶圆的表面温度相关的线段上的任意一个点的纵坐标为1066℃或略大于1066℃或略小于1066℃。相邻的两个与晶圆的表面温度相关的线段之间的线段为对基座的多个表面温度进行连接形成的与基座的表面温度相关的线段。
每一个与基座的表面温度相关的线段各自具有一个表面温度峰值。与基座的表面温度相关的线段由两个子线段组成。与基座的表面温度相关的线段的两个子线段共同的端点为表面温度峰值。
请参考图5，其示出了在存在处于搭边放置状态的晶圆的情况下多个晶圆的表面温度和基座的表面温度的示意图。
在目标温度下晶圆的平均表面温度为1066℃。第1-8个片槽即pocket1-pocket8中的晶圆的放置状态为正常放置状态。第9个片槽即pocket9中的晶圆的放置状态为搭边放置状态。pocket9的最高的表面温度略大于1066℃，pocket9的最低的表面温度为1045℃，pocket9的最低的表面温度也是采集到的所有表面温度中的最低表面温度。在目标温度下晶圆的平均表面温度1066℃与pocket9的最低的表面温度1045℃的差为21℃，pocket9的最低的表面温度1045℃明显小于预设表面温度阈值1060℃。
在一些实施例中，在确定晶圆处于搭边放置状态之后，还包括：生成指示晶圆处于搭边放置状态的告警信息，告警信息包括处于搭边放置状态的晶圆所处的片槽的位置。
在本申请中，对于任意一个晶圆，可以根据在开始旋转基座的时刻各片槽的位置、基座旋转的角速度、基座已经旋转的时长，确定任意一个时刻测温组件检测的晶圆所处的片槽的位置。
对于一个处于搭边放置状态的晶圆，在确定该晶圆处于搭边放置状态之后，可以根据在开始旋转基座的时刻各片槽的位置、基座旋转的角速度、基座已经旋转的时长，确定在检测到该晶圆的表面温度低于预设表面温度阈值时该晶圆所处的片槽的位置，生成包括该位置的告警信息。
在一些实施例中，通过以下步骤确定处于搭边放置状态的晶圆所处的片槽的位置：获取用于带动基座旋转的电机的编码器在检测到该晶圆的表面温度低于预设表面温度阈值时输出的编码信息；基于该编码信息，确定该晶圆所处的片槽的位置。
用于带动基座旋转的电机的编码器可以为增量式编码器。增量式编码器输出的编码信息为脉冲的数量。可以根据用于带动基座旋转的电机的编码器在目标时刻输出的脉冲的数量，确定在检测到该晶圆的表面温度低于预设表面温度阈值的时刻该晶圆所处的片槽的位置相对于开始旋转基座的时刻该晶圆所处的片槽的位置的位移，根据开始旋转基座的时刻该晶圆所处的片槽的位置、在检测到该晶圆的表面温度低于预设表面温度阈值的时刻晶圆所处的片槽的位置相对于开始旋转基座的时刻该晶圆所处的片槽的位置的位移，确定在检测到该晶圆的表面温度低于预设表面温度阈值的时刻该晶圆所处的片槽的位置。
在停止旋转基座，并停止检测晶圆的表面温度之前，对于基座中的任意一个晶圆，当该晶圆处于搭边放置状态时，均可以通过步骤102-103检测出该晶圆处于搭边放置状态。
步骤102-103为示例性的在基座旋转时通过一个搭边放置状态的晶圆的一个表面温度检测到该晶圆处于搭边放置状态的过程中执行的步骤。
在一些实施例中，还包括：在基座旋转的圈数达到预设圈数后，停止旋转基座，并停止检测晶圆的表面温度。
作为示例，预设圈数可以为两圈。可以在基座旋转的圈数达到两圈后，停止旋转基座，并停止检测晶圆的表面温度。
在一些实施例中，在确定晶圆处于搭边放置状态之后，还包括：重新放置晶圆。
在确定晶圆处于搭边放置状态之后，可以停止基座旋转。自动触发或由工程师触发，使传输组件(例如机械手)重新放置处于搭边放置状态的晶圆，以纠正存在的异常状态。
请参考图6，其示出了实时获取基座及晶圆表面温度的流程示意图。
终端例如PC或PLC发出指令指示电机驱动器驱动旋转电机。旋转电机驱动基座旋转。在基座旋转过程中，红外测温仪在每一个检测时刻检测到基座表面的一个表面温度或某一个晶圆的表面温度。终端例如PC或PLC可以实时读取红外测温仪采集到的相关的表面温度，每一次读取到的表面温度为基座的一个表面温度或某一个晶圆的一个表面温度。
请参考图7，其示出了检测晶圆的放置状态的流程示意图。
在开始检测晶圆的放置状态的过程之前，基于预设目标温度，加热半导体工艺设备工艺腔室中的基座，通过基座热传导对基座的片槽中的晶圆加热。在加热基座完成之后，间隔预设时长例如10s，开始检测过程。间隔预设时长之后开始检测过程是为了在基座的表面温度和晶圆的表面温度较为稳定的情况下进行检测。
获取预设表面温度最大误差值D1，将在目标温度下晶圆的平均表面温度减去预设表面温度最大误差值D1，得到预设表面温度阈值Tm。
实时读取表面温度例如直接从红外测温仪实时读取表面温度。每一次读取到的表面温度为基座的一个表面温度或某一个晶圆的一个表面温度。每当读取到某一个晶圆的表面温度T，判断T是否小于Tm。若T<Tm，确定该晶圆处于搭边放置状态，记录该晶圆所处的片槽的位置，生成包括该位置的告警信息，在生成告警信息之后，可以结束检测过程，从而，停止旋转基座，并停止检测晶圆的表面温度，以便于重新放置该晶圆。
在基座旋转的圈数达到两圈后，结束检测过程，从而，停止旋转基座，并停止检测晶圆的表面温度。
请参考图8，其示出了本申请实施例提供的半导体工艺设备的功能结构框图。半导体工艺设备包括：工艺腔室801，工艺腔室801上设置有观测窗803，工艺腔室801中设置有基座802，基座802上设置有用于承载晶圆的片槽806,其特征在于，观测窗803上方设置有测温组件807，该测温组件807可以包括红外测温仪，测温组件807用于检测晶圆的表面温度，半导体工艺设备还包括：
控制器808，被配置为控制基座802中的加热元件804基于预设目标温度，加热基座802，以加热承载在片槽806中的晶圆；使基座802旋转，控制测温组件807检测晶圆的表面温度；当控制测温组件807检测到晶圆的表面温度低于预设表面温度阈值时，确定晶圆处于搭边放置状态。
在一些实施例中，预设表面温度阈值为在目标温度下晶圆的平均表面温度与预设表面温度最大误差值的差值。
在一些实施例中，控制器808进一步被配置为在基座旋转的圈数达到预设圈数后，使基座802停止旋转，控制控制测温组件807停止检测晶圆的表面温度。
在一些实施例中，控制器808进一步被配置为在确定晶圆处于搭边放置状态之后，生成指示晶圆处于搭边放置状态的告警信息，告警信息包括处于搭边放置状态的晶圆所处的片槽的位置。
在一些实施例中，控制器808进一步被配置为获取用于带动基座旋转的电机805的编码器在检测到晶圆的表面温度低于预设表面温度阈值时输出的编码信息；基于编码信息，确定晶圆所处的片槽的位置。
在一些实施例中，控制器808进一步被配置为在确定晶圆处于搭边放置状态之后，控制传输组件(例如机械手)重新放置该晶圆。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种晶圆放置状态检测方法，其特征在于，所述方法包括：
基于预设目标温度，加热半导体工艺设备工艺腔室中的基座，以加热承载在所述基座的片槽中的晶圆；
旋转所述基座，并通过所述工艺腔室的观测窗检测所述晶圆的表面温度；
当检测到所述晶圆的表面温度低于预设表面温度阈值时，确定所述晶圆处于搭边放置状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设表面温度阈值为在所述目标温度下所述晶圆的平均表面温度与预设表面温度最大误差值的差值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述基座旋转的圈数达到预设圈数后，停止旋转所述基座，并停止检测所述晶圆的表面温度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在确定所述晶圆处于搭边放置状态之后，还包括：
生成指示所述晶圆处于搭边放置状态的告警信息，所述告警信息包括处于搭边放置状态的所述晶圆所处的片槽的位置。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过以下步骤确定处于搭边放置状态的所述晶圆所处的片槽的位置：
获取用于带动所述基座旋转的电机的编码器在检测到所述晶圆的表面温度低于预设表面温度阈值时输出的编码信息；
基于所述编码信息，确定所述晶圆所处的片槽的位置。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在确定所述晶圆处于搭边放置状态之后，还包括：
重新放置所述晶圆。
7.一种半导体工艺设备，包括：工艺腔室，所述工艺腔室上设置有观测窗，所述工艺腔室中设置有基座，所述基座上设置有用于承载晶圆的片槽，其特征在于，所述观测窗上方设置有测温组件，用于检测晶圆的表面温度，所述半导体工艺设备还包括：
控制器，被配置为控制所述基座中的加热元件基于预设目标温度，加热所述基座，以加热承载在所述片槽中的晶圆；使所述基座旋转，控制所述测温组件检测晶圆的表面温度；当所述测温组件检测到晶圆的表面温度低于预设表面温度阈值时，确定晶圆处于搭边放置状态。
8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述预设表面温度阈值为在所述目标温度下晶圆的平均表面温度与预设表面温度最大误差值的差值。
9.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述控制器进一步被配置为在所述基座旋转的圈数达到预设圈数后，使所述基座停止旋转，控制所述测温组件停止检测晶圆的表面温度。
10.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述控制器进一步被配置为在确定晶圆处于搭边放置状态之后，生成指示所述晶圆处于搭边放置状态的告警信息，所述告警信息包括处于搭边放置状态的晶圆所处的片槽的位置。
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