CN204303761U - 一种平板式外延炉的载片错位监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种平板式外延炉的载片错位监测装置，所述载片错位监测装置包括被装载片、外延炉的基座、载片槽、机械手、激光发射器、激光接收器、激光检测及控制基板等，激光检测及控制基板与外延炉的机械手臂检测及控制基板和机台主控制系统之间相互连接。当被装载片完成装载后，通过激光发射器发射激光至外延炉基座的载片槽中心位置，激光经过被装载片的反射；激光接收器进行反射激光的接收，通过激光接收器是否接收到激光的判断进行载片错位监测。本实用新型所提供监测装置可以在载片完成后的第一时间准确有效的探测到载片错位的发生，避免了由此而引起的外延片及后道器件厂家的损失。

Description

一种平板式外延炉的载片错位监测装置

技术领域

本实用新型涉及外延片的制造装置，尤其涉及一种平板式外延片制造装置中的载片监控装置。

背景技术

在半导体芯片制造中，作为一种制作半导体分立器件的主要材料，硅外延片有极其重要的地位，这是因为硅外延片既能保证PN结的高击穿电压，又能降低器件的正向压降；同时硅外延片还能解决IC的隔离问题，因此它也是IC器件的主要原材料。在实际的工业生产中，化学气相淀积(chemical vapor deposition，CVD)技术被广泛应用于硅外延片的制造。CVD外延炉中的平板式外延炉是目前硅外延片制造中的主力设备，如LPE公司的LPE3061、ASM以及Centura等平板式外延炉是业界普遍使用的硅外延生长设备。

平板式外延炉采用机械手自动装载硅片，目前在使用平板式外延炉生长外延片的过程中，时常会出现硅片装载错位(out of pocket)的情况,正常的硅片装载位置为硅片与基座的载片槽水平贴紧，如附图1a及1b中所示，一方面确保在高温的硅外延生长过程中硅片与基座间形成良好的热传导，保证外延过程中硅片温度的均匀性；同时，外延生产过程中，平板式外延炉气源的气流方向如附图2所示，硅片良好的装载能保证其表面气流的均匀性。而一旦发生out of pocket的情况时，硅片搭接在载片槽边缘如附图1c及1d中所示，硅片上的温度和气流均发生变化。众所周知，对于半导体器件来说，需要外延层具有完美的晶体结构及均匀的电性参数如外延厚度和电阻率，而在外延生长过程中，硅外延片主要的参数电阻率及厚度随温度、气流等因素的变化而改变，out of pockek出现使外延过程中硅片上的温度和气流的变化直接导致外延片厚度、电阻率均匀性变差，甚至产生晶格缺陷。

目前流行的平板式外延设备无法探测硅片装载错位(out of pocket)，另外机械手完成硅片装载后，也无法人工识别该异常。out of pocket一旦发生，外 延片参数将失控。而外延片的实际生产中，由于主要参数的测试方法如电阻率测试为破坏性测试，所以在连续生产过程中采用的是生产25～100片测试一片的抽样测试，所以往往外延片参数的测试不能及时发现out of pocket造成的电性参数问题，从而无法及时进一步侦测到设备已发生out of pocket异常；实际生产过程中，通常是在后道厂家制成器件后，在器件的电性检测中发现电性参数异常，反推回来发现是外延片制造过程中的out of pocket异常导致；而从外延片出货到后道器件生产测试，简单的器件如肖特基二极管芯片的制造也至少要经历25天以上一个生产的生产周期，一台平板式外延炉如LPE3061的6”外延片产能是5000片/月，其造成的外延片及后道器件厂家的损失可想而知。而在实际的外延生产过程中，一台平板式外延炉出现out of pocket的概率并不低，通常1～2个月发生一次。大量的实际生产数据和经验说明硅片装载错位(out of pocket)的及时监控对平板式外延炉生产具有重要的意义。

实用新型内容

为了解决目前平板式外延炉因为硅片装载错位(out of pocket)导致外延片参数异常，由此而导致外延片及后道器件厂家损失严重的问题，本实用新型提供了一种可以在硅片装载后及时对out of pocket进行监测的装置，可避免因硅片装载错位(out of pocket)而导致外延片参数异常等问题。

本实用新型提供了一种平板式外延炉的载片错位监测装置，所述平板式外延炉包括被装载片，基座，载片槽，石英罩，用于装载被装载片的机械手，机械手臂检测及控制基板，机台主控制系统以及报警装置；其特征在于：所述载片错位监测装置包括激光发射器、激光接收器、激光检测及控制基板，激光发射器及激光接收器分别与激光检测及控制基板相连，所述激光检测及控制基板作为激光发射器及激光接收器、机台主控制系统之间的信号发射、接收及处理中心，并控制激光发射器及激光接收器的开启及关闭；所述机械手臂检测及控制基板及激光检测及控制基板分别与机台主控制系统连接，机台主控制系统还连接报警装置，所述激光发射器的安装位置为使其激光发射到载片槽内，所述激光接收器的安装位置限定为：激光发射器发射的激光被完全水平装载的被装载片反射的反射线的接收位置上。

进一步地，所述激光发射器安装在石英罩外部的一侧，所述激光接收器安装石英罩外部的另一侧。

进一步地，所述激光发射器的安装位置限制为：使得激光发射器的激光正好照射到载片槽的中心位置，且在被装载片完全水平放置于载片槽情况下，激光的入射角θ为0°<θ≤60°之间任意一个角度；激光接收器在石英罩外侧相对激光发射器的安装位置为：连接激光接收器与载片槽中心的连线与法线垂直载片槽时的入射线的夹角为2θ+/-0.2°。

优选的，激光发射器与激光接收器集成为一体，安装在石英罩外部，集成的激光发射器与激光接收器的安装位置限制为使得激光正好照射到载片槽内，且在被装载片完全水平放置于载片槽情况下，激光的入射角θ为0°，即垂直入射到载片槽中。

进一步地，机械手臂检测及控制基板和激光检测及控制基板集成到一块电路基板上。

进一步地，被装载片为单面抛光硅片。

本实用新型所提供监测装置可以在载片完成后的第一时间准确有效的探测到载片错位(out of pocket)的发生，并发出警报，设备可以及时得到检修，避免了异常情况的进一步延续，以及因为out of pocket异常导致的连续出现外延片以及后道器件的参数异常，且避免了由此而导致外延片及后道器件厂家损失严重的问题。另外out of pocket的监测与硅片装载过程几乎同时进行，不影响设备的正常生产效率。

附图说明

图1a为硅片正常装载在基座的载片槽中的俯视示意图。

图1b为硅片正常装载在基座的载片槽中的侧视示意图。

图1c为硅片装载在基座的载片槽中出现out of pocket时的俯视示意图。

图1d为硅片装载在基座的载片槽中出现out of pocket时的侧视示意图。

图2为平板式外延炉中外延生产过程气源的气流示意图，图中箭头表示外延生产过程中气流的方向。

图3a为实施例1中激光的入射角θ为0°<θ≤60°时的载片错位监测装置应用示意图。

图3b为实施例1中激光的入射角θ为0°时的载片错位监测装置应用示意图。

图4a为正常装载硅片时激光发射与接收示意图。

图4b为装载硅片发生out of pocket时激光发射与接收示意图。

图5为实施例2中平板式外延炉基座及载片槽示意图，图中箭头表示基座旋转方向。

其中各附图中：1为被装载片；2为基座；3为载片槽；4为石英罩，5为激光发射器；6为激光接收器；7为激光检测及控制基板；8为机械手；9为机械手臂检测及控制基板；10为机台主控制系统；11为报警装置。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

实施例1

本实施例在目前业界普遍使用的ASM单片外延炉中应用本实用新型的载片错位(out of pocket)监测装置，ASM单片外延炉的一个反应腔只有一个载片槽，本实施例的被装载片为单面抛光硅片。如图3a所示：在外延炉反应腔中石英罩4的外部的一侧装有一激光发射器5，在石英罩外部的另一侧装有一激光接收器6，用来在out of pocket监测中进行激光的发射及接收；激光发射器5及激光接收器6分别与激光检测及控制基板7相连，激光检测及控制基板7作为激光发射器5及激光接收器6之间的信号发射、接收及处理、激光发射器及激光接收器的开启及关闭等信号处理中心；同时外延炉用来自动装载硅片的机械手8也与机械手臂检测及控制基板9相连，机械手臂检测及控制基板9作为指挥机械手8的运作的指令中心；各基板均与外延炉的机台主控制系统10连接；外延炉的机台主控制系统10还连接有外延炉的报警装置11。如图4a所示，激光发射器5的安装位置限制为：使得激光发射器5的激光正好照射到载片槽3的中心位置，且在被装载片1完全水平放置于载片槽情况下，激光的入射角θ为0°<θ≤60°之间任意一个角度；激光接收器6在石英罩4外侧相对激光发射器5的安装位置为：连接激光接收器6与载片槽3中心的连线与法线垂直载片槽时的入射线的夹角为2θ+/-0.2°。

对比上面的实施方式中激光发射器5和激光接收器6的安装方法，更为优选的实施方式为将激光发射器5与激光接收器6集成为一体，安装在石英罩4外的顶部，如图3b，集成的激光发射器与激光接收器的安装位置限制为使得激光正好照射到载片槽3内，且在被装载片1完全水平放置于载片槽情况下，激光的入射角θ为0°，即垂直入射到载片槽3中被装载片上。此种垂直入射的方式，集 成的激光发射器与激光接收器的安装位置更为灵活，只要确保激光垂直入射到载片槽3内，并不限制在载片槽中心；且两者的集成，避免了在有角度的情况下，不管激光发射和激光接收器任何一个的位置的轻微变动，设备维护人员都需要花较长时间去调节激光发射和接收器的相对最佳位置，因而此种垂直入射方式在保证有效监测同时，也降低了维护难度。

其中，机械手臂检测及控制基板9和激光发射器及激光接收器的激光检测及控制基板7可集成到一块电路板上，以节约空间。

在外延片生产过程中，该载片错位(out of pocket)监测装置具体工作步骤如下：

1)外延炉机械手进行自动装片，硅片被装载到基座的载片槽中，机械手复位；

2)机械手臂复位的感应信号(即机械手臂控制传感器信号)传送给机械手臂检测及控制基板，基板将处理后的机械手臂复位的感应信号传送给机台主控制系统。机台主控制系统将从机械手臂检测及控制基板发出的载片完成信号处理后会将启动信号传输到激光发射器及激光接收器的激光检测及控制基板上，激光检测及控制基板将接收到的启动信号处理后，发出动作指令信号，启动激光发生器和激光接收器；

3)激光照射在硅片上，被硅片反射；

4)激光接收器如果接收到被反射的激光，如图4a所示，激光接收器将接收到激光的信号传输给激光检测及控制基板，基板处理信号并传输给外延炉的机台主控制系统，机台主控制系统指挥外延炉进行下一步正常生产工作；

5)步骤4)中激光接收器如果未接收到被反射的激光，如图4b所示，激光接收器将未接收到激光的信号传输给激光检测及控制基板，基板处理信号并传输给外延炉的机台主控制系统，机台主控制系统终止外延炉的进一步工作，并显示out of pocket异常提示，同时启动外延炉的报警装置；工作人员修复设备。

实施例2

本实施例将本实用新型的载片错位(out of pocket)监测装置应用在目前平板式外延炉中使用广泛的LPE3061外延炉上，LPE3061因其设备的高灵活性和多种工艺的适用，如新一代分立器件技术、IGBT、PowerMos及薄层、掩埋层，且因其使用低频功率发生器加热，可以节省电力，外延片质量接近于单片炉产品， 成本接近于高产能外延炉，且是业界唯一可淀积外延膜厚达200微米以上的外延反应炉，因此是目前硅外延片生产厂家常用设备。LPE3061的基座有多个载片槽3，可以同时生产多片外延片，载片时，机械手8自动将被装载片装载在如图5所示的机械手对应的载片位的载片槽3中，然后通过基座2旋转依次将未载片的载片槽3送至机械手对应的载片位置，进行载片。本实施例为生产6”外延片的LPE3061上应用载片错位(out of pocket)监测装置，待外延生产的被装载片为单面抛光硅片。与实施例1一样，在外延炉反应腔中石英罩4的外部的一侧装有一激光发射器5，在石英罩4外部的另一侧装有一激光接收器6，用来在out ofpocket监测中进行激光的发射及接收；激光发射器5及激光接收器6分别与激光检测及控制基板7相连，激光检测及控制基板7作为激光发射器5及激光接收器6之间的信号发射、接收及处理、激光发射器5及激光接收器6的开启及关闭等信号处理中心；同时外延炉用来自动装载硅片的机械手8也与机械手臂检测及控制基板9相连，机械手臂检测及控制基板9作为指挥机械手8的运作的指令中心；各基板均与外延炉的机台主控制系统10连接；外延炉的机台主控制系统10还连接有外延炉的报警装置11。激光发射器5的安装位置限制为：使得激光发射器5的激光正好照射到载片槽3的中心位置，且在被装载片1完全水平放置于载片槽情况下，激光的入射角θ为0°<θ≤60°之间任意一个角度；激光接收器6在石英罩4外侧相对激光发射器5的安装位置为：连接激光接收器6与载片槽3中心的连线与法线垂直载片槽时的入射线的夹角为2θ+/-0.2°。

同样，对比上面的实施方式中激光发射器和激光接收器的安装方法，更为优选的实施方式为将激光发射器5与激光接收器6集成为一体，安装在石英罩4外部，集成的激光发射器与激光接收器的安装位置限制为使得激光正好照射到如图5中外延炉机械手8对应的载片位的载片槽3中，且在被装载片1完全水平放置于载片槽情况下，激光的入射角θ为0°，即垂直入射到机械手对应的载片槽3中被装载片上。

其中，机械手臂检测及控制基板9和激光发射器及激光接收器的激光检测及控制基板7可集成到一块电路板上，以节约空间。

在外延片生产过程中，该载片错位(out of pocket)监测装置具体工作步骤如下：

1)外延炉机械手开始进行自动装片，硅片首先被装载到如图5机械手对应 的载片位的载片槽中，机械手复位；

2)机械手臂复位的感应信号(即机械手臂控制传感器信号)传送给机械手臂检测及控制基板，基板将处理后的机械手臂复位的感应信号传送给机台主控制系统。机台主控制系统将从机械手臂检测及控制基板发出的载片完成信号处理后会将启动信号传输到激光发射器及激光接收器的激光检测及控制基板上，激光检测及控制基板将接收到的启动信号处理后，发出动作指令信号，启动激光发生器和激光接收器；

3)激光照射在硅片上，被硅片反射；

4)激光接收器如果接收到被反射的激光，如图4a所示，激光接收器将接收到激光的信号传输给激光检测及控制基板，基板处理信号并传输给外延炉的机台主控制系统；机台主控制系统判断硅片是否装载完毕，如果还有待载片的载片槽，基座旋转，使下一个待载片的载片槽移动到如图5所示的机械手对应的载片位；

5)重复步骤1)～4)，直至全部载片槽硅片装载完成，机台主控制系统指挥外延炉进行下一步正常生产工作；

6)步骤4)中激光接收器如果未接收到被反射的激光，如图4b所示，激光接收器将未接收到激光的信号传输给激光检测及控制基板，基板处理信号并传输给外延炉的机台主控制系统，机台主控制系统终止外延炉的进一步工作，并显示out of pocket异常提示，同时启动外延炉的报警装置；工作人员修复设备。

Claims (6)

1.一种平板式外延炉的载片错位监测装置，所述平板式外延炉包括被装载片(1)，基座(2)，载片槽(3)，石英罩(4)，用于装载被装载片的机械手(8)，机械手臂检测及控制基板(9)，机台主控制系统(10)以及报警装置(11)；其特征在于：所述载片错位监测装置包括激光发射器(5)、激光接收器(6)、激光检测及控制基板(7)，激光发射器(5)及激光接收器(6)分别与激光检测及控制基板(7)相连，所述激光检测及控制基板(7)作为激光发射器(5)及激光接收器(6)、机台主控制系统(10)之间的信号发射、接收及处理中心，并控制激光发射器(5)及激光接收器(6)的开启及关闭；所述机械手臂检测及控制基板(9)及激光检测及控制基板(7)分别与机台主控制系统(10)连接，机台主控制系统(10)还连接报警装置(11)；所述激光发射器(5)的安装位置为使其激光发射到载片槽(3)内，所述激光接收器(6)的安装位置限定为：激光发射器(5)发射的激光被完全水平装载的被装载片(1)反射的反射线的接收位置上。

2.根据权利要求1所述的一种平板式外延炉的载片错位监测装置，其特征在于：所述激光发射器(5)安装在石英罩(4)外部的一侧，所述激光接收器(6)安装在石英罩(4)外部的另一侧。

3.根据权利要求2所述的一种平板式外延炉的载片错位监测装置，其特征在于：所述激光发射器(5)的安装位置限制为：使得激光发射器(5)的激光正好照射到载片槽(3)的中心位置，且在被装载片(1)完全水平放置于载片槽情况下，激光的入射角θ为0°<θ≤60°之间任意一个角度；激光接收器(6)在石英罩(4)外侧相对激光发射器(5)的安装位置为：连接激光接收器(6)与载片槽(3)中心的连线与法线垂直载片槽时的入射线的夹角为2θ+/-0.2°。

4.根据权利要求1所述的一种平板式外延炉的载片错位监测装置，其特征在于：激光发射器(5)与激光接收器(6)集成为一体，安装在石英罩外部，集成的激光发射器与激光接收器的安装位置限制为使得激光正好照射到载片槽内，且在被装载片(1)完全水平放置于载片槽情况下，激光的入射角θ为0°，即垂直入射到载片槽中。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种平板式外延炉的载片错位监测装 置，其特征在于：机械手臂检测及控制基板(9)和激光检测及控制基板(7)集成到一块电路基板上。

6.根据权利要求5所述的一种平板式外延炉的载片错位监测装置，其特征在于：所述被装载片(1)为单面抛光硅片。