DE10328660B3 - Verfahren zum Bestimmen der Temperatur eines Halbleiterwafers - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Temperatur T0 eines Halbleiterwafers 2 am Zeitpunkt t0 eines thermischen Kontakts des Halbleiterwafers 2 mit einem Temperaturerfassungselement 10. Erfindungsgemäß wird in einem ersten Verfahrensschritt 21 ein Temperaturverlauf 7 des Temperaturerfassungselements 10 vom Zeitpunkt t0 des thermischen Kontakts bis zum Zeitpunkt tG eines thermischen Gleichgewichts zwischen dem Halbleiterwafer 2 und dem Temperaturerfassungselement 10 aufgenommen und in einem zweiten Verfahrensschritt 22; 220 die Temperatur T0 des Halbleiterwafers 2 am Zeitpunkt t0 des thermischen Kontakts auf der Grundlage einer Zeitdauer Δt zwischen dem Zeitpunkt t0 des thermischen Kontakts und dem Zeitpunkt tG des thermischen Gleichgewichts und der zum Zeitpunkt tG des thermischen Gleichgewichts erreichten Temperatur TG des Halbleiterwafers 2 durch Rückrechnung mit Hilfe einer aus dem Newtonschen Abkühlungsgesetz abgeleiteten Gleichung bestimmt. Die Erfindung betrifft ferner eine Temperaturbestimmungsvorrichtung 1 für eine Aufnahmevorrichtung 4 zum Aufnehmen eines Halbleiterwafers 2 und eine Aufnahmevorrichtung 4 für einen Halbleiterwafer 2 mit einer solchen Temperaturbestimmungsvorrichtung 1.

Description

  • Verfahren zum Bestimmen der Temperatur eines Halbleiterwafers Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Temperatur eines Halbleiterwafers am Zeitpunkt eines thermischen Kontakts des Halbleiterwafers mit einem Temperaturerfassungselement.
  • Halbleiter-Bauelemente dominieren heutzutage einen großen Teil der Elektronik. Diese Bauelemente bestehen aus einer komplexen Anordnung elektronischer Strukturen, die in mehreren übereinander angeordneten Ebenen auf einem Halbleitersubstrat, auch als Chip bezeichnet, miteinander verschaltet sind. Die Herstellung von Chips auf einer Halbleiterscheibe, im folgenden als Halbleiterwafer bezeichnet, ist charakterisiert durch eine große Anzahl an Fertigungsschritten, welche in unterschiedlichen Fertigungsanlagen wie beispielsweise Ofenanlagen oder Plasmaätzanlagen durchgeführt werden. Sobald ein Fertigungsschritt in einer Fertigungsanlage beendet ist, muss ein Halbleiterwafer zur nächsten Anlage transportiert werden.
  • Um kurze Durchlaufzeiten der Halbleiterwafer bei der Fertigung zu erreichen, werden in der Regel spezielle Transportbehälter eingesetzt, in denen mehrere Halbleiterwafer gleichzeitig transportiert werden können. Als besonders günstig erweisen sich hierbei sogenannte FOUP-Boxen (Front Opening Unified Pod), welche sich durch sehr schnelle Be- und Entladungszeiten auszeichnen.
  • Problematisch ist jedoch, dass ein aus einer Fertigungsanlage entnommener und teilweise eine hohe Temperatur aufweisender Halbleiterwafer beim Ablegen in eine FOUP-Box eine in der Regel aus einem Kunststoff bestehende Auflagefläche beschädigen kann. Dies ist insbesondere auch dann der Fall, wenn Prozessprobleme in einer Fertigungsanlage eine überhöhte Temperatur eines Halbleiterwafers hervorrufen und folglich Beschädigungen an der Auflagefläche entstehen. Ähnliche Probleme können auch an Auflageflächen in beispielsweise Kühlkammern auftreten.
  • Aus diesem Grund wird eine Überprüfung der Temperaturen der aus einer Fertigungsanlage entnommenen Halbleiterwafer zum Zeitpunkt des Ablegens der Halbleiterterwafer auf die betreffenden Auflageflächen angestrebt, um beispielsweise eine vorangehende Abkühlzeit zu ermitteln, innerhalb derer die Halbleiterwafer unter eine kritische Temperatur abkühlen können, so dass sich temperaturbedingte Beschädigungen der Auflageflächen vermeiden lassen. Auch können Prozessprobleme in den Fertigungsanlagen, welche überhöhte Temperaturen der Halbleiterwafer hervorrufen, erfasst werden.
  • Zur Bestimmung der Temperatur der Halbleiterwafer werden Temperaturerfassungselemente wie beispielsweise Thermoelemente eingesetzt, welche auf den zum Teil schwer zugänglichen Auflageflächen angeordnet sind. Beispielsweise ist aus der US 5 567 909 eine Aufnahmevorrichtung für einen Halbleiterwafer bekannt, bei welcher ein Thermoelement auf einer zum Lagern des Halbleiterwafers ausgebildeten Auflagefläche angeordnet ist.
  • Von Nachteil ist jedoch, dass die Temperatur zum Zeitpunkt des Ablegens eines Halbleiterwafers auf eine Auflagefläche, also die Temperatur zum Zeitpunkt eines erstmaligen thermischen Kontakts des Halbleiterwafers mit einem Thermoelement nicht direkt bestimmt werden kann, da nur die Eigentemperatur des Thermoelements gemessen wird, welche zu diesem Zeitpunkt bei Umgebungstemperatur unterhalb der Temperatur des Halbleiterwafers liegt. Erst nach einer Zeitdauer ab dem Zeitpunkt des thermischen Kontakts, innerhalb derer sich das Thermoelement aufheizt und das Thermoelement und der Halbleiterwafer annähernd gleiche Temperaturen aufweisen, also ab dem Zeitpunkt eines thermischen Gleichgewichts von Thermoelement und Halbleiterwafer lässt sich die Temperatur des Halbleiterwafers mit dem Thermoelement direkt bestimmen. In dieser Zeitdauer kühlt sich der Halbleiterwafer jedoch bereits ab, so dass die verstrichene Zeitdauer zu einem Messfehler führt, welcher der Differenz zwischen der Temperatur des Halbleiterwafers am Zeitpunkt des thermischen Kontakts und am Zeitpunkt des thermischen Gleichgewichts entspricht.
  • Ein solcher Messfehler tritt selbst bei optimalen Bedingungen, d.h. bei einer relativ großen thermischen Kapazität des Halbleiterwafers gegenüber dem Thermoelement und bei einem guten thermischen Kontakt zwischen Halbleiterwafer und Thermoelement auf, da immer eine gewisse Zeitdauer verstreicht bis sich das Thermoelement mit dem Halbleiterwafer in einem thermischen Gleichgewicht befindet.
  • Dieser Messfehler kann zwar verkleinert werden, indem man einen Temperaturwert nach einer festgelegten Zeitdauer von beispielsweise einer Sekunde nach dem thermischen Kontakt des Halbleiterwafers mit dem Thermoelement misst und anschließend einen empirisch ermittelten Korrekturwert zu diesem Temperaturwert addiert, um die Temperatur am Zeitpunkt des thermischen Kontakts von Halbleiterwafer und Thermoelement zu erhalten. Das Problem besteht hierbei jedoch darin, dass unterschiedliche thermische Kopplungen zwischen Halbleiterwafer und Thermoelement zu unterschiedlichen Korrekturwerten führen, es in der Regel aber an Zeit fehlt, bei jeder Messung die thermische Kopplung zu überprüfen, um annähernd konstante Messbedingungen zu ermöglichen und damit konstante Korrekturwerte einzusetzen. Problematisch ist weiterhin, die festgelegte Zeitdauer genau einzuhalten, so dass sich wiederum Messungenauigkeiten ergeben können.
  • Aus der US 5 539 855 ist ein Verfahren bzw. eine Messvorrichtung zum Beurteilen der Güte des thermischen Kontakts zwischen einem Halbleiterwafer und einem Temperaturerfassungselement bekannt.
  • Ferner ist aus der EP 1 241 459 A1 ein Verfahren zum zeitlich versetzten Bestimmen der Temperatur eines Halbleiterwafers basierend auf einer Messung der von dem Halbleiterwafer emittierten Wärmestrahlung bekannt.
    •
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren bereitzustellen, mit dessen Hilfe die Temperatur eines Halbleiterwafers am Zeitpunkt eines thermischen Kontakts des Halbleiterwafers mit einem Temperaturerfassungselement mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Bestimmen der Temperatur eines Halbleiterwafers am Zeitpunkt eines thermischen Kontakts des Halbleiterwafers mit einem Temperaturerfassungselement vorgeschlagen, bei welchem in einem ersten Verfahrensschritt ein Temperaturverlauf des Temperaturerfassungselements vom Zeitpunkt des thermischen Kontakts des Halbleiterwafers mit dem Temperaturerfassungselement bis zum Zeitpunkt eines thermischen Gleichgewichts zwischen dem Halbleiterwafer und dem Temperaturerfassungselement aufgenommen. Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt die Temperatur des Halbleiterwafers zum Zeitpunkt des thermischen Kontakts des Halbleiterwafers mit dem Temperaturerfassungselement auf der Grundlage einer Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt des thermischen Kontakts und dem Zeitpunkt des thermischen Gleichgewichts von Halbleiterwafer und Temperaturerfassungselement und der zum Zeitpunkt des thermischen Gleichgewichts von Halbleiterwafer und Temperaturerfassungselement erreichten Temperatur des Halbleiterwafers durch Rückrechnung mit Hilfe einer aus dem Newtonschen Abkühlungsgesetz abgeleiteten Gleichung bestimmt. Sofern die in diese Gleichung eingehenden Parameter bekannt sind, ermöglicht dieses Verfahren das Bestimmen der Temperatur des Halbleiterwafers zum Zeitpunkt des thermischen Kontakts des Halbleiterwafers mit dem Temperaturerfassungselement mit einer hohen Genauigkeit.
  • Vorzugsweise wird der Zeitpunkt des thermischen Gleichgewichts zwischen Halbleiterwafer und Temperaturerfassungselement anhand eines Nullpunkts der zeitlichen Ableitung des aufgenommenen Temperaturverlaufs des Temperaturerfassungselements bestimmt. Dieser Nullpunkt entspricht dem Zeitpunkt des erstmaligen thermischen Gleichgewichts zwischen dem Halbleiterwafer und dem Temperaturerfassungselement, da der Temperaturverlauf des Temperaturerfassungselements gekennzeichnet ist durch einen Anstieg ab dem Zeitpunkt des thermischen Kontakts, durch ein Durchlaufen eines Maximums im Zeitpunkt des erstmaligen thermischen Gleichgewichts und durch einen anschließenden Abstieg im thermischen Gleichgewicht entsprechend der Temperatur des Halbleiterwafers. Hierdurch lassen sich einerseits kurze Messzeiten erreichen, andererseits wird das Verfahren vereinfacht, da eine derartige Bestimmung des thermischen Gleichgewichts selbstständig bzw. automatisch von entsprechenden Messgeräten oder Auswerteeinrichtungen durchgeführt werden kann.
  • Um das erfindungsgemäße Verfahren weiter zu automatisieren, wird der Zeitpunkt des thermischen Kontakts von Halbleiterwafer und Temperaturerfassungselement vorzugsweise mit einem Zeitpunkt eines Temperaturanstiegs im Temperaturverlauf des Temperaturerfassungselements gleichgesetzt. Hierdurch kann das Aufnehmen des Temperaturverlaufs durch das Temperaturerfassungselement über ein Ansteigen der Temperatur des Temperaturerfassungselements ausgelöst werden, was sich sehr einfach beispielsweise mit Hilfe eines auf Temperaturveränderungen sensitiven Auslöseelements realisieren lässt.
  • Es wird weiter eine Temperaturbestimmungsvorrichtung für eine Aufnahmevorrichtung zum Aufnehmen eines Halbleiterwafers vorgeschlagen, welche ein Temperaturerfassungselement und eine Auswerteeinrichtung aufweist, wobei das Temperaturerfassungselement ausgelegt ist, einen Temperaturverlauf vom Zeitpunkt eines thermischen Kontakts des Halbleiterwafers mit dem Temperaturerfassungselement bis zum Zeitpunkt eines thermischen Gleichgewichts zwischen dem Halbleiterwafer und dem Temperaturerfassungselement aufzunehmen und wobei die Auswerteeinrichtung ausgelegt ist, die Temperatur des Halbleiterwafers zum Zeitpunkt des thermischen Kontakts des Halbleiterwafers mit dem Temperaturerfassungselement auf der Grundlage einer Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt des thermischen Kontakts und dem Zeitpunkt des thermischen Gleichgewichts von Halbleiterwafer und Temperaturerfassungselement und der zum Zeitpunkt des thermischen Gleichgewichts von Halbleiterwafer und Temperaturerfassungselement erreichten Temperatur des Halbleiterwafers durch Rückrechnung mit Hilfe einer aus dem Newtonschen Abkühlungsgesetz abgeleiteten Gleichung zu bestimmen. Mit Hilfe dieser Temperaturbestimmungsvorrichtung für eine Aufnahmevorrichtung zum Aufnehmen eines Halbleiterwafers lässt sich die Temperatur des Halbleiterwafers am Zeitpunkt des thermischen Kontakts des Halbleiterwafers mit dem Temperaturerfassungselement mit einer hohen Genauigkeit bestimmen.
  • Die Temperaturbestimmungsvorrichtung kann ein Auslöseelement aufweisen, welches das Aufnehmen des Temperaturverlaufs durch das Temperaturerfassungselement auslöst, sobald die Temperatur des Temperaturerfassungselements ansteigt. Eine derartige Temperaturbestimmungsvorrichtung vermittelt ein hohes Maß an Bedienkomfort.
  • Weiterhin wird eine Aufnahmevorrichtung für einen Halbleiterwafer mit einer solchen Temperaturbestimmungsvorrichtung vorgeschlagen, deren Temperaturerfassungselement auf einer zum Lagern des Halbleiterwafers ausgebildeten Auflagefläche der Aufnahmevorrichtung angeordnet ist. Durch die Anordnung des Temperaturerfassungselements auf der Auflagefläche ergibt sich eine gute thermische Kopplung zwischen dem Halbleiterwafer und dem Temperaturerfassungselement, wodurch die Genauigkeit des Bestimmens der Temperatur des Halbleiterwafers zum Zeitpunkt des thermischen Kontakts des Halbleiterwafers mit dem Temperaturerfassungselement begünstigt wird.
    •
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Ablaufdiagramm einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen der Temperatur eines Halbleiterwafers am Zeitpunkt eines thermischen Kontakts des Halbleiterwafers mit einem Temperaturerfassungselement,
  • 2 ein Diagramm der Temperaturverläufe des Halbleiterwafers während der Abkühlung und des Temperaturerfassungselements,
  • 3 ein Ablaufdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen der Temperatur eines Halbleiterwafers am Zeitpunkt eines thermischen Kontakts des Halbleiterwafers mit einem Temperaturerfassungselement,
  • 4 ein weiteres Diagramm der Temperaturverläufe des Halbleiterwafers während der Abkühlung und des Temperaturerfassungselements, und
  • 5 und 6 eine schematische Darstellung eines Transportbehälters mit einer Temperaturbestimmungsvorrichtung, in welchen ein Halbleiterwafer abgelegt wird.
  • 1 zeigt ein Ablaufdiagramm einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen der Temperatur T0 eines Halbleiterwafers am Zeitpunkt t0 eines thermischen Kontakts des Halbleiterwafers mit einem Temperaturerfassungselement, wobei die Temperatur T0 des Halbleiterwafers zu diesem Zeitpunkt t0 über der Temperatur des Temperaturerfassungselements liegt, welches eine Umgebungstemperatur TU aufweist.
  • Hierzu wird in einem ersten Verfahrensschritt 21 ein Temperaturverlauf des Temperaturerfassungselements vom Zeitpunkt t0 des thermischen Kontakts des Halbleiterwafers mit dem Temperaturerfassungselement bis zum Zeitpunkt tG eines thermischen Gleichgewichts zwischen dem Halbleiterwafer und dem Temperaturerfassungselement aufgenommen.
  • Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt 22 die Temperatur T0 des Halbleiterwafers zum Zeitpunkt t0 des ther mischen Kontakts des Halbleiterwafers mit dem Temperaturerfassungselement auf der Grundlage einer Zeitdauer Δt zwischen dem Zeitpunkt t0 des thermischen Kontakts und dem Zeitpunkt tG des thermischen Gleichgewichts von Halbleiterwafer und Temperaturerfassungselement und der Temperatur TG zum Zeitpunkt tG des thermischen Gleichgewichts durch Rückrechnung mithilfe der aus dem Newtonschen Abkühlungsgesetz abgeleiteten Gleichung T0 = TG·ekΔt + TU·(1 – ekΔ t) bestimmt.
  • In diese Gleichung gehen neben den Temperaturen TG und TU und der Zeitdauer Δt = tG – t0 eine Zeitkonstante k des Abkühlungsvorgangs des Halbleiterwafers ein. Die Zeitkonstante k, welche über die Gleichung k = (α·A)/(c·m) abhängig ist von dem Wärmeübergangskoeffizienten α des Halbleiterwafers in ruhender Luft, dem Flächeninhalt A der gesamten Oberfläche des Halbleiterwafers, der spezifischen Wärmekapazität c und der Masse m des Halbleiterwafers wird hierbei mittels gemessener und/oder berechneter Werte dieser Parameter α, A, c und m festgelegt.
  • Zur Veranschaulichung dieses Verfahrens zeigt 2 ein Diagramm der Temperaturverläufe des Halbleiterwafers während der Abkühlung und des Temperaturerfassungselements. Der Temperaturverlauf 6 des Halbleiterwafers ist dabei durch die durchgezeichnete Linie und der Temperaturverlauf 7 des Temperaturerfassungselements durch die strichpunktierte Linie dargestellt.
  • Der Halbleiterwafer, welcher sich zu Beginn beispielsweise in einer Prozessanlage befindet, weist zuerst eine hohe Prozesstemperatur TPr auf. Ab einem Zeitpunkt tPrEnd, welcher das Entnehmen des Halbleiterwafers aus der Prozessanlage markiert, kühlt der Halbleiterwafer entsprechend dem Newtonschen Abkühlungsgesetz kontinuierlich auf die Temperatur TU der Umgebung ab. Es resultiert folglich ab diesem Zeitpunkt tPrEnd ein exponentieller Abfall mit der Zeitkonstante k im Temperaturverlauf 6 des Halbleiterwafers.
  • Der Temperaturverlauf 7 des Temperaturerfassungselements weist zu Beginn den konstanten Wert der Umgebungstemperatur TU auf. Ab dem Zeitpunkt t0, bei welchem das Temperaturerfassungselement den Halbleiterwafer thermisch kontaktiert, erwärmt sich das Temperaturerfassungselement, bis zum Zeitpunkt tG der Halbleiterwafer und das Temperaturerfassungselement gleiche Temperaturen aufweisen. Dieser Zeitpunkt tG markiert somit den Zeitpunkt eines erstmaligen thermischen Gleichgewichts zwischen dem Halbleiterwafer und dem Temperaturerfassungselement.
  • Da sich ab dem Zeitpunkt tG der Halbleiterwafer und das Temperaturerfassungselement im thermischen Gleichgewicht befinden, kühlt das Temperaturerfassungselement entsprechend dem Temperaturverlauf 6 des Halbleiterwafers wieder kontinuierlich auf die Umgebungstemperatur TU ab, d.h. ab diesem Zeitpunkt tG stimmt der Temperaturverlauf 7 des Temperaturerfassungselements mit dem Temperaturverlauf 6 des Halbleiterwafers überein.
  • Wie anhand von 2 zu erkennen ist, hat sich der Halbleiterwafer in der Zeitdauer Δt zwischen dem Zeitpunkt t0 des thermischen Kontakts und dem Zeitpunkt t0 des thermischen Gleichgewichts von der Temperatur T0 um den Temperaturunterschied ΔT auf die Temperatur TG abgekühlt.
  • Nimmt man den Temperaturverlauf 7 des Temperaturerfassungselements vom Zeitpunkt t0 des thermischen Kontakts bis zum Zeitpunkt tG des erstmaligen thermischen Gleichgewichts zwischen Halbleiterwafer und Temperaturerfassungselement auf, bestimmt die Temperatur TG am Zeitpunkt tG und die Zeitdauer Δt zwischen den Zeitpunkten t0 und tG, so lässt sich entsprechend dem in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Verfahren auf die Temperatur T0 zum Zeitpunkt t0 des thermischen Kontakts zurückrechnen.
  • Eine wichtige Voraussetzung hierbei besteht darin, dass Randbedingungen wie die Luftbewegung, die Oberflächeneigenschaften des Halbleiterwafers usw., welche die die Zeitkonstante k des Abkühlungsvorgangs bestimmenden Parameter α, A, c und m und damit die Zeitkonstante k beeinflussen, sowie die Umgebungstemperatur TU während der Aufnahmezeit bzw. der Zeitdauer Δt konstant sind, um die Temperatur T0 des Halbleiterwafers am Zeitpunkt t0 des thermischen Kontakts des Halbleiterwafers mit dem Temperaturerfassungselement mit einer hohen Genauigkeit zu bestimmen.
  • Aufgrund der Tatsache, dass der Temperaturverlauf 7 des Temperaturerfassungselements ein Maximum am Zeitpunkt tG des thermischen Gleichgewichts aufweist, lässt sich dieser Zeitpunkt tG sowie die zugehörige Temperatur TG anhand einer Nullpunktsermittelung der zeitlichen Ableitung des Temperaturverlaufs bestimmen. Dies kann selbstständig bzw. automatisch von entsprechenden Messgeräten oder Auswerteeinrichtungen durchgeführt werden, wodurch sich das Verfahren einfach gestaltet. Gleichzeitig werden auch kurze Messzeiten erreicht, da der Zeitpunkt tG wie oben erläutert den Zeitpunkt des erstmaligen thermischen Gleichgewichts markiert.
  • Da sich das Temperaturerfassungselement ab dem Zeitpunkt t0 erwärmt, kann das erfindungsgemäße Verfahren weiter automatisiert werden, indem das im ersten Verfahrensschritt 21 durchgeführte Aufnehmen des Temperaturverlaufs 7 des Temperaturerfassungselements über das Ansteigen der Temperatur des Temperaturerfassungselements ausgelöst wird. Dies lässt sich sehr einfach mithilfe eines auf Temperaturveränderungen sensitiven Auslöseelements verwirklichen.
  • Der für die Rückrechnung auf die Temperatur T0 des Halbleiterwafers am Zeitpunkt t0 des thermischen Kontakts benötigte Wert der Zeitkonstante k wird bei dem in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Verfahren mithilfe von gemessenen und/oder berechneten Werten der die Zeitkonstante k bestimmenden Parameter α, A, c und m festgelegt.
  • Sofern diese Parameter α, A, c und m nicht bekannt sind bzw. nicht gemessen werden können oder dies einen zu großen Aufwand erfordern würde, gibt es andere Möglichkeiten, den Wert der Zeitkonstante k zu bestimmen. Hierzu zeigt 3 ein Ablaufdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen der Temperatur T0 eines Halbleiterwafers am Zeitpunkt t0 eines thermischen Kontakts des Halbleiterwafers mit einem Temperaturerfassungselement.
  • Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform wird bei dem in 3 dargestellten erfindungsgemäßen Verfahren in einem zweiten Verfahrensschritt 220 die Zeitkonstante k aus einem ersten Temperaturwert T1 und einem zweiten Temperaturwert T2 berechnet, welche zu einem ersten Zeitpunkt t1 und einem zweiten Zeitpunkt t2 ab dem Zeitpunkt tG des thermischen Gleichgewichts zwischen Halbleiterwafer und Temperaturerfassungselement aufgenommen werden.
  • Anhand der folgenden 4, welche ein weiteres Diagramm der Temperaturverläufe des Halbleiterwafers während der Abkühlung und des Temperaturerfassungselements ab dem Zeitpunkt t0 des thermischen Kontakts zeigt, wird dieses Verfahren veranschaulicht.
  • Der Temperaturverlauf 6 des Halbleiterwafers ist wiederum gekennzeichnet durch ein exponentiell abfallendes Verhalten. Die Temperatur 7 des Temperaturerfassungselements steigt ab dem Zeitpunkt t0 des thermischen Kontakts bis zum Zeitpunkt tG des thermischen Gleichgewichts zwischen Halbleiterwafer und Temperaturerfassungselement an und folgt dann ab diesem Zeitpunkt tG dem Temperaturverlauf 6 des Halbleiterwafers.
  • Die Zeitkonstante k kann aus den in 4 eingezeichneten Temperaturwerten T1 und T2 zu den jeweiligen Zeitpunkten t1 und t2 und der Umgebungstemperatur TU über die Gleichung k = –(ln((T2 – TU)/(T1 – TU))/(t2 – t1)), welche aus dem Newtonschen Abkühlungsgesetz abgeleitet werden kann, berechnet werden, so dass über die ursprüngliche Gleichung T0 = TG·ekΔ t + TU·(1 – ekΔt) wieder auf die Temperatur T0 am Zeitpunkt t0 des thermischen Kontakts von Halbleiterwafer und Temperaturerfassungselement zurückgerechnet werden kann.
  • Alternativ kann das Zurückrechnen auf die Temperatur T0 des Halbleiterwafers am Zeitpunkt t0 des thermischen Kontakts dadurch erfolgen, dass in der Gleichung T0 = TG·ekΔ t + TU·(1 – ekΔ t) anstelle der Temperatur TG zum Zeitpunkt tG des erstmaligen thermischen Gleichgewichts eine beliebige Temperatur TG' ab dem Zeitpunkt tG aus dem aufgenommenen Temperaturverlauf 7 des Temperaturerfassungselements eingesetzt wird, also eine beliebige Temperatur TG', bei welcher sich der Halbleiterwafer und das Temperaturerfassungselement im thermischen Gleichgewicht befinden. Entsprechend müsste die Berechnung auf der Grundlage einer Zeitdauer Δt' zwischen dem Zeitpunkt t0 des erstmaligen thermischen Kontakts und dem dieser Temperatur TG' zugehörigen Zeitpunkt tG' durchgeführt werden.
  • Hierbei kann es von Vorteil sein, als Temperatur TG' und als entsprechenden Zeitpunkt tG' die Temperatur T1 und den Zeitpunkt t1 oder die Temperatur T2 und den Zeitpunkt t2 einzusetzen, um die Zahl der für die Berechnung verwendeten Parameter zu reduzieren.
  • Eine weitere günstige Alternative besteht darin, den ersten Zeitpunkt t1 auf den Zeitpunkt tG des erstmaligen thermischen Gleichgewichts und entsprechend die erste Temperatur T1 auf die Temperatur TG des Halbleiterwafers festzulegen, so dass die Temperatur T0 über die Gleichung T0 = T1·ekΔ t + TU·(1 – ekΔt) mit der Zeitdauer Δt = t1 – t0 berechnet werden kann, wodurch wiederum eine Reduzierung der Anzahl der verwendeten Parameter erzielt wird.
  • Die 5 und 6 zeigen eine schematische Darstellung eines Transportbehälters 4 zur Aufnahme mehrerer Halbleiterwafer, in welchen ein aus einer Prozessanlage entnommener Halbleiterwafer 2 mit Hilfe eines Halters 3 abgelegt wird. Der Transportbehälter 4 ist mit mehreren Auflageflächen 5 und einer Temperaturbestimmungsvorrichtung 1 versehen, welche ausgelegt ist, die Temperatur des Halbleiterwafers 2 zum Zeitpunkt des Ablegens in dem Transportbehälter 4 zu bestimmen.
  • Die Temperaturbestimmungsvorrichtung 1 weist hierzu zwei als Thermoelemente 10 ausgebildete Temperaturerfassungselemente auf, welche auf zwei einander gegenüberliegenden Auflageflächen 5 des Transportbehälters 4 angeordnet sind. Die Thermoelemente 10, bei welchen eine Temperaturerfassung über den thermoelektrischen Seebeck-Effekt erfolgt, zeichnen sich durch einen niedrigen Preis aus und können auch an schwer zugänglichen Stellen innerhalb des Transportbehälters 4 angeordnet werden.
  • Die Temperaturbestimmungsvorrichtung 1 weist weiter eine Auswerteeinrichtung 12 auf, welche über Zuleitungen 11 mit den Thermoelementen 10 elektrisch verbunden ist. Die Auswerteeinheit 12 ist ausgelegt, die Temperatur T0 des Halbleiterwafers 2 am Zeitpunkt t0 des thermischen Kontakts des Halbleiterwafers 2 mit den Thermoelementen 10 entsprechend einem der oben erläuterten Verfahren zu bestimmen.
  • Die Auswerteeinrichtung 12 ist ferner mit einem auf Temperaturveränderungen sensitiven Auslöseelement 13 versehen, welches das Aufnehmen des Temperaturverlaufs durch die Thermoelemente 10 auslöst, sobald die Temperatur der Thermoelemente 10 ansteigt. Dies ist dann der Fall, wenn der aus der Pro zessanlage entnommene Wafer 2 auf die mit den Thermoelementen 10 versehenen Auflageflächen 5 wie in 6 dargestellt abgelegt wird.
  • Ab diesem Zeitpunkt, dem Zeitpunkt t0 des thermischen Kontakts des Halbleiterwafers 2 mit den Thermoelementen 10 wird entsprechend einem der oben erläuterten Verfahren ein Temperaturverlauf durch die Thermoselemente 10 aufgenommen und über die Auswerteeinheit 12 die Temperatur T0 des Halbleiterwafers 2 zum Zeitpunkt t0 des thermischen Kontakts des Halbleiterwafers 2 mit den Thermoelementen 10 bestimmt.
  • Die Temperaturbestimmungsvorrichtung 1 weist weiter ein Anzeigeelement 14 auf, welches ausgelegt ist, die über Temperaturbestimmungsvorrichtung 1 bestimmte Temperatur T0 des Halbleiterwafers 2 zum Zeitpunkt t0 des thermischen Kontakts zwischen dem Halbleiterwafer 2 und den Thermoelementen 10 anzuzeigen, wodurch ein hoher Bedienkomfort erzielt wird. Auf dem Anzeigeelement 14 können noch weitere Informationen wie etwa die aktuelle Temperatur der Thermoelemente 10 oder der Temperaturverlauf der Thermoelemente 10 angezeigt werden.
  • Die in den 5 und 6 dargestellte Auswerteeinrichtung 12 kann entweder als integrierter Bestandteil des Transportbehälters 4 oder auch als externes Gerät realisiert sein, welches an den Transportbehälter 4 angeschlossen wird. Ferner kann das Auslöseelement 13 unabhängig von der Auswerteeinrichtung 12 als eigenständiges Gerät verwirklicht sein.
  • Weiterhin ist es möglich, die Auswerteeinrichtung 12 als Computerprogramm eines Auswertecomputers auszubilden, welcher an den Transportbehälter 4 angeschlossen wird. Im letztgenannten Beispiel besteht dann die Möglichkeit, die Temperaturbestimmung „online" während der Temperaturerfassung durch die Thermoelemente 10 oder auch nachträglich „offline" durchzuführen.
  • Die dargestellte Temperaturbestimmungsvorrichtung 1 ist ferner nicht beschränkt auf den Einsatz zur Bestimmung der Temperatur eines Halbleiterwafers beim Ablegen in einen Transportbehälter. Diese Temperaturbestimmungsvorrichtung 1 kann alternativ auch an anderen Stellen wie etwa Kühlkammern eingesetzt werden, an denen die Temperatur eines Halbleiterwafers beim Ablegen bestimmt werden soll.
    • 1
    Temperaturbestimmungsvorrichtung
    10
    Thermoelement
    11
    Zuleitung
    12
    Auswerteeinrichtung
    13
    Auslöseelement
    14
    Anzeigeelement
    2
    Halbleiterwafer
    3
    Halter
    4
    Transportbehälter
    5
    Auflagefläche
    6
    Temperaturverlauf des Halbleiterwafers
    7
    Temperaturverlauf des
    Temperaturerfassungselements
    21, 22, 220
    Verfahrensschritt
    t
    Zeit
    Δt
    Zeitdauer
    t0
    Zeitpunkt des thermischen Kontaktes
    t1
    Erster Zeitpunkt
    t2
    Zweiter Zeitpunkt
    tG
    Zeitpunkt des thermischen Gleichgewichtes
    tPrEnd
    Zeitpunkt des Prozessendes
    T
    Temperatur
    ΔT
    Temperaturunterschied
    T0
    Temperatur bei t0
    T1
    Erster Temperaturwert
    T2
    Zweiter Temperaturwert
    TG
    Temperatur bei tG
    TPr
    Prozesstemperatur
    TU
    Umgebungstemperatur
    k
    Zeitkonstante
    α
    Wärmeübergangskoeffizient
    A
    Flächeninhalt
    c
    Spezifische Wärmekapazität
    m
    Masse

Claims (6)

  1. Verfahren zum Bestimmen der Temperatur (T0) eines Halbleiterwafers (2) am Zeitpunkt (t0) eines thermischen Kontakts des Halbleiterwafers (2) mit einem Temperaturerfassungselement (10) mit den Verfahrensschritten: a) Aufnehmen eines Temperaturverlaufs (7) des Temperaturerfassungselements (10) vom Zeitpunkt (t0) des thermischen Kontakts des Halbleiterwafers (2) mit dem Temperaturerfassungselement (10) bis zum Zeitpunkt (tG) eines thermischen Gleichgewichts zwischen dem Halbleiterwafer (2) und dem Temperaturerfassungselement (10); und b) Bestimmen der Temperatur (T0) des Halbleiterwafers (2) zum Zeitpunkt (t0) des thermischen Kontakts des Halbleiterwafers (2) mit dem Temperaturerfassungselement (10) auf der Grundlage einer Zeitdauer (Δt) zwischen dem Zeitpunkt (t0) des thermischen Kontakts und dem Zeitpunkt (tG) des thermischen Gleichgewichts von Halbleiterwafer (2) und Temperaturerfassungselement (10) und der zum Zeitpunkt (tG) des thermischen Gleichgewichts von Halbleiterwafer (2) und Temperaturerfassungselement (10) erreichten Temperatur (TG) des Halbleiterwafers (2) mit Hilfe der Gleichung T0 = TG·ekΔt + TU·(1 – ekΔt), wobei TU eine Umgebungstemperatur und k eine Zeitkonstante sind, wobei die Zeitkonstante k über die Gleichung k = (α·A)/(c·m) bestimmt wird, wobei α dem Wärmeübergangskoeffizienten des Halbleiterwafers (2) in ruhender Luft, A dem Flächeninhalt der gesamten Oberfläche des Halbleiterwafers (2), c der spezifischen Wärmekapazität und m der Masse des Halbleiterwafers (2) entspricht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Zeitpunkt (tG) des thermischen Gleichgewichts zwischen Halbleiterwafer (2) und Temperaturerfassungselement (10) anhand eines Nullpunkts der zeitlichen Ableitung des aufgenommenen Temperaturverlaufs (7) des Temperaturerfassungselements (10) bestimmt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zeitpunkt (t0) des thermischen Kontakts von Halbleiterwafer (2) und Temperaturerfassungselement (10) mit einem Zeitpunkt eines Temperaturanstiegs im Temperaturverlauf (7) des Temperaturerfassungselements (10) gleichgesetzt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zeitkonstante (k) auf der Grundlage von gemessenen und/oder berechneten Werten der die Zeitkonstante (k) bestimmenden Parameter (α, A, c, m) festgelegt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Zeitkonstante (k) aus einem ersten Temperaturwert (T1) und einem zweiten Temperaturwert (T2) des Temperaturerfassungselements (10) berechnet wird, welche zu einem ersten Zeitpunkt (t1) und einem zweiten Zeitpunkt (t2) ab dem Zeitpunkt (tG) des thermischen Gleichgewichts zwischen Halbleiterwafer (2) und Temperaturerfassungselement (10) aufgenommen werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der erste Zeitpunkt (t1) auf den Zeitpunkt (tG) des thermischen Gleichgewichts und die erste Temperatur (T1) auf die Temperatur (TG) des Halbleiterwafers beim thermischen Gleichgewicht zwischen Halbleiterwafer (2) und Temperaturerfassungselement (10) festgelegt werden.
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