JP2005513775A - 半導体ウェハキャリア用マッピングセンサ - Google Patents

Abstract

改良されたレーザベースのウェハキャリア用マッピングセンサ（１００）が提供される。センサ（１００）はレーザ源の改良、光学系の改良、および検出器の改良を含む種々の改良を含んでいる。レーザ源（１０６，１０８）の改良は該レーザ源（１０６，１０８）の仕様と同じサイズおよび出力で使用される型のレーザ源を含む。光学的改良はウェハ（１０２）上のレーザ縞を意図的にデフォーカスする特徴と、正確な縞の発生を支援するさらなる特徴を含む。検出器の改良はゲインを増加させるとともに外乱光の影響を低減することを含む。これらの特徴の組み合わせは著しく改善された動的応答を有するセンサ（１００）を容易に製作させるとともに、にせのクロススロットエラーの頻度を低減するというさならる効果を与える。

Description

ウェハキャリア用マッピングセンサは、半導体ウェハの製造および処理に際してウェハキャリア内のウェハを検出するために使用される。

キャリア内でウェハを効率的に処理するために、半導体の製造装置(tool)は、キャリア内のどの位置にウェハがあるか、またウェハがキャリア内に正しく保持されているかどうかを認識しなければならない。ウェハキャリア用マッピングセンサはウェハの縁を走査してウェハの有無を検出し、さらにクロススロットのようなエラーを検出する。「クロススロット」は、ウェハが単一の「スロット」内に支持されておらず、誤って、二つのスロットに跨って支持されるというウェハの位置の誤りである。この場合には、製造装置がウェハに作用しようとせずに、エラー信号を発生するようにすることが重要である。

ウェハキャリア用マッピングシステムは最近、代表的には窒化コーティングの施されたダークウェハ(dark wafer)の使用増加に伴う困難な要求に直面し始めている。マッピングシステムは、例えば銅もしくはアルミニュームがコーティングされたシリコンウェハ等の従来のライトウェハ(light wafer)、またはダーク窒化ウェハを最適に検出するように調節されることはできるが、感知システムは混在したライトおよびダークウェハの両方を適切に処理できない。例えば、システムがダークウェハ用に最適に調節されている場合には、照度レベルおよび検出ゲインが高すぎるので、ライトウェハに対したときに、感知システムは、にせのクロススロットエラー等の誤信号を発生する。逆に、システムがライトウェハ用に調節されている場合には、ダークウェハを、その存在を認識させるのに十分足りるように記録することに失敗する。あいにく、これら二極端の間で妥協するように感知システムを調節すると、にせのクロススロットエラーは依然として発生し、いくつかのダークウェハは全く検出されないというより悪い事態が発生する。

ここに、ライトおよびダークウェハの混合を含むキャリア内でウェハの存在を確実に検出するだけでなく、にせのエラーを低減もしくは除去できるウェハキャリア用マッピングシステムを提供する必要性がある。このようなシステムを提供できれば、一つの感知システムに両タイプのウェハを収容できるから、技術者の負担が低減するであろう。さらに、技術者が、各々のクロススロットエラーが本当ににせのエラーであるかどうかを判断する第２の推測をする必要がないので、センサの信頼性は向上するであろう。

改良されたレーザベースのウェハキャリア用マッピングセンサが提供される。

このセンサは、レーザ源の改良、光学的な改良、および検出器の改良を含む多くの改良を含んでいる。レーザ源の改良はこのレーザ源のサイズおよび出力の仕様通りに使用される型のレーザ源を含む。光学的改良はウェハ上でレーザ縞を意図的にぼかす（デフォーカスする）という特徴だけでなく、正確な縞の発生を支援するというさらなる特徴を含む。検出器の改良はゲインの増大を含み、かつ、周囲光の影響を低減する。これらの特徴の種々の組み合わせは、著しく改良された動的応答を有するセンサの構造を容易に製作する付加的な共同作用を提供すると共に、にせのクロススロットエラーの頻度を低減する。

本発明の実施形態は、レーザベースウェハキャリア用マッピングセンサの有効ダイナミックレンジを増大させることを目的としている。著しく進歩したウェハ検出を共同作用で提供する種々の特徴およびそれらの組み合わせが明らかにされる。これらの特徴は以下に個々に明らかにされるが、本発明の実施形態は個々の特徴に限定されず、その広範囲の組み合わせをも含むことは明らかである。

図１は、本発明の実施形態に係るウェハキャリア用マッピングシステムを示す図である。図２は軸上における適用に一層適したセンサの幾何学的配置を示す図である。センサ１００は、例えばキャリア１０４内のウェハを検出するように配置されている。キャリア１０４の一例はフロント・オープニング・ユニファイド・ポッド（ＦＯＵＰ）である。二つのレーザ源、好ましくはレーザダイオード１０６および１０８は、ウェハの縁１１８から反射されたときに、それぞれ検出器１１０および１１２を照らす。光源１０６，１０８は適当な付勢信号を光源１０６，１０８に供給するレーザ駆動回路１１４に結合される。レーザ駆動回路１１４はレーザ駆動回路１１４に制御信号を供給するＤＳＰ論理素子１１６に結合される。ＤＳＰ論理素子１１６はさらに検出器１１０，１１２（好ましくはフォトトランジスタ）から信号を受信してこの信号を有効に検出するために増幅する増幅回路１１９に結合される。これは、ウェハの縁１１８での強い反射が期待され、かつウェハが平坦面を有していないような軸上検出用に好適な幾何学的配置である。しかしながら、本発明の実施形態は軸上（on-axis）および軸外（off-axis）双方でのウェハ検出に有用である。

本発明の一つの特徴はレーザ源である。各光源１０６，１０８は好ましくはレーザダイオードである。レーザ源は、産業への適用を容易にするため、最低に規格されるレーザ規格（ＣＤＲＨ第１級およびＩＥＣ−８０６２５−１第１級）の下で許可される最大近くの出力を提供するように選択される。レーザ強度がこの規格を超える場合、装置製造者は比較的精巧で高価なレーザへの安全上の予防措置が必要となり、したがってこのようなセンサの使用は不利に作用すると考えられる。しかしながら、高い強度についての心配がない実施形態では、このような強度を本発明の実施形態に従って使用することができる。

レーザ源の仕様に関する他の特徴は、フォトトランジスタ検出器のピーク応答波長又はその近くの波長を有するレーザ出力を提供することを含んでいる。好ましい実施形態では、検出器のピーク応答波長は約９００ｎｍであるので、レーザ源は波長８５０もしくは９００ｎｍのレーザを出力するように選択される。しかしながら、これらの波長は好ましい構成の例示であり、検出器とレーザ源の波長のこの組み合わせにそれほど限定されない。増大されたレーザの波長を使用することによるさらなる効果は、第１級仕様内に依然としてありながらピーク検出器の応答波長近くで、より大きいパワーを提供することである。さらに、光源１０６，１０８は比較的絞られたビームを提供するために、小さなレーザ放出面積を有するように選択される。好ましくは、このような光源は商業的に入手可能な、約４×２０ミクロンの放出面積を有するエッジエミッションフォトダイオードである。しかしながら、縦型空洞レーザ源等の他のタイプのレーザセンサを本発明の実施形態に従って使用することができる。

レーザ出力だけを増大すると、上述したようなにせのクロススロットエラーの発生が増大すると考えられる。しかしながら、本発明の実施形態によるさらなる特徴は、レーザによって、レーザ縞がウェハ上に正確に形成されるのを確実にすることである。図２Ａは従来技術に係るレーザ源および関連する光学系を示す図である。光源１２０は発散するレーザビーム１２２を発生し、このレーザビームは集束光学系１２４に入射し、ビーム１２６となってウェハの縁の近くに集束される。このビーム１２６は光を水平面内に発散させるシリンドリカルレンズ１２８を通過する。しかしながら、ビームは垂直面内の点１３０で集束し、その後、角度θ１で発散する。

図２Ｂは、ビームがウェハ上に当たったときの、図２Ａに示した集束ビームの強度分布の代表例を示す。図２Ｂの縦軸はウェハ上の縦位置を表す。この分布は最も強い強度が焦点位置１３０に対応するベル曲線を有する。しかしながら、ピークはそれが求められているほどにシャープではなく、ピークの両側は、にせのクロススロットエラーが発生するのに十分な強度を含んでいる。

図３Ａは本発明の実施形態に係るレーザ源１０６および関連する光学系の図である。図３Ａには、二つの主な特徴として、デフォーカス用光学系と一つもしくはそれ以上の光学的絞りとが図示されている。

デフォーカスは、予定されたウェハの縁の前もしくは背後のいずれかに焦点１３６が合うようにするために、集束レンズ１３２およびシリンドリカルレンズ１３４の焦点距離を選択するとともに、位置決めすることによって実現される。レンズ１３２，１３４は、好ましくは散乱する光量が最も少ない材料で形成される。内部の欠陥に起因する光学的発散を低減するため、プラスチックの代わりにしばしばガラスが使用される。集束レンズ１３２は、そこを通過する光の発散角度を小さくするとともに、例えば８〜１５ｍｍの比較的大きな焦点距離をもつのが望ましい。これは、従来のシステムで使用されている例えば４．５ｍｍの短い焦点距離とは明瞭に異なるものである。この構成は少なくとも二つの効果をもたらす。

第１に、焦点１３６を過ぎたビームはθ１（図２Ａに示す）より大きい角度θ２で発散するので、ＣＤＲＨ第１級内にとどまっていながら、増大したレーザ源のパワーを適用することができる。これは、ビームの交点（クロスオーバ点）から２００ｍｍの位置におかれたテスト開口における光の強度が広い面積に広がるからである。このように、固定されたサイズのレーザ種別開口によって集められた光は少ないので、光源１０６，１０８は強いパワーを有することができる。

第２に、レンズ１３２の焦点距離を増大させることによって倍率は小さくなり、それによって図３Ｂに実線で示した強度分布を生ずる。比較のため、図２Ｂからのイメージを図３Ｂに点線で重ね合わせた。図示のように、分布の中央部における強度は実際上最大ではない。その代わりに、分布は一対のピークを含んでいる。この分布による主たる効果の一つは、領域１３８において図２Ｂのものより低い強度をもつことである。従来技術では、縞の中央部から１ｍｍの所にある、この「スカート」の強度は、ピーク強度の５００分の１以上または１０００分の１以上である。しかし、この発明の実施例の態様におけるセンサでは、この強度は、約１００００分の１に低減する。すなわち従来の１０分の１に低減する。この「スカート」部分はこの設計によって形成されるのではなく、レーザシステムおよび光学系の副次的効果によって形成されるのである。レーザ内の種々の要素、および／または関連する光学系により、ビームの非常に小さな部分がスカート領域内に向けられる。しかしながら、全体の強度が増大し、検出器のゲインは増大するので、この領域が、にせのクロススロットエラーの少なくとも一部の原因であると考えられる。例えば、明るいウェハ上の「スカート」は非常に厚く（３〜７ｍｍ）表れることがある。この厚さは、ロボットもしくは負荷ポート内のマッピングソフトウェアが、明るく光っているウェハをクロススロットであると読み取り、装置を休止させる。

さらに、集束レンズ１３２の焦点距離の増大によって得られる他の効果は、光学的絞り用の空間が得られることである。図３Ａはウェハ上に正確なレーザ縞が容易に形成されるようにするために配置される光学的絞り１４０，１４２および１４４を示す。ここで使用されている光学的絞りは、望ましくない照射を阻止する効果を有する光学系列に挿入される全てのデバイスを意味する。これは、構成要素自体に存在する本来的な絞りとは異なるものである。絞り１４０，１４２および１４４は散乱した光を最小にして、領域１３８での照射レベルを低減するのに非常に役立つ。好ましくは、絞り１４０は２００ミクロン以下の直径を有する開口であり、現実のレーザチップに非常に接近して、例えば３００ミクロン以内に装着され、そのレーザチップから放出された照明だけが絞り１４０を通過する。ある実施形態では、レーザ源は物理的パッケージを含み、絞り１４０はこの物理的パッケージに対して直接に装着されることができる。追加の絞り１４２および１４４は放出されたレーザビームの質をさらに高める。

本発明の実施形態はまた検出器の感度を向上する、および／または外乱光の影響を低減するという特徴を含む。検出器１１０，１１２（図１に示す）は、好ましくはフォトトランジスタまたはシリコンフォトダイオードである。検出器１１０，１１２は好ましくは、ウェハのノッチによって縞が全体に分散して配置される場合であっても、レーザ縞およびウェハを見るのに十分な大きさの視野（ＦＯＶ）を有するように構成される。このノッチは一般的に長さ３ｍｍであり、したがって、このノッチのどちら側からもコントラストが見えるようにＦＯＶは６ｍｍであるのが好ましい。図４に例示した一実施形態では、縞の像が検出器１１０の上に集束されるようにレンズ１５０は検出器１１０の前面に配置される。好ましくは、レンズ１５０の焦点距離は約１０〜２０ｍｍである。

図４は、本発明の実施形態に係る他の検出器の特徴を例示する。検出器１１０，１１２は好ましくは非常に高いゲインを有するように設定される。この特徴を与えることによって、周囲光の影響を低減することが大変重要である。したがって、周囲光のフィルタ１６０は検出器１１０の前面に操作可能に配置され、周囲光は全体的に遮断される。検出器に入った周囲光は検出器のゲインを増大させて、予期できないまた制御もできない変化をセンサ感度に与える。図４は検出器１１０だけに関する検出器の特徴を示すが、このような特徴は両方の検出器に適用するのが好ましい。

本発明は好ましい実施形態により説明されたが、当業者は形状および細部において本発明の精神および範囲から逸脱しないで変形できることを認識するであろう。また、本発明の実施形態は上述の改善されたいかなる特徴を含むことができ、さらなる実施形態はこれらの間で共同作用して有利に実現される種々の組み合わせを含む。例えば、光源出力周波数をピーク検出器応答に整合させることにより、より効率的な検出のみならず、より高いレーザパワーを可能にする。さらに、長い焦点距離を有するコリメートレンズを使用することにより、デフォーカスの効果だけでなく光学的絞りを挿入するための空間を形成してレーザ縞をより一層正確に形成する一方で、レーザパワーの増大をさらに可能にする。

上記した特徴の組み合わせを適用することにより、改良されたレーザベースウェハキャリア用マッピングシステムが実現され、明るいウェハと暗いウェハの両方がウェハキャリア内に異種的に混在した場合に、これらを高い信頼性で検出することができる。これは、単一のウェハキャリア用マッピングセンサが、技術者に大きな負担をかけたりセットアップを必要とすることなく、高い信頼性で使用されるのを可能にする。

本発明の実施形態に係る改良されたウェハキャリア用マッピングシステムを示す図である。 従来技術に係るレーザ源および光学系の図である。 図２Ａの構成によって発生されたレーザ強度分布を示すレーザ強度の図である。 本発明の実施形態に係るレーザ源および光学系の図である。 図３Ａの構成によって発生されたレーザ強度分布であり、図２Ｂとの比較を示すレーザ強度の図である。 本発明の実施形態に係る検出器および光学系の図である。

符号の説明

１００……センサ
１０２……ウェハ
１０４……キャリア
１０６，１０８……レーザダイオード
１１０，１１２……検出器
１１４……レーザ駆動回路
１１６……ＤＳＰ論理素子
１１８……ウェハの縁
１１９……増幅回路

Claims (21)

1. 発散レーザビームを発生するように構成された少なくとも一つのレーザ源と、
   前記発散レーザビームを受光しウェハの縁の近くに集束させるように配置された集束レンズと、
   前記ビームを受光し、かつ該ビームを第１の方向に発散させて、縞を発生させるように配置されたシリンドリカルレンズと、
   前記ウェハの縁で反射したレーザ光を受光しセンサ出力信号を生成するように構成された検出器と、
   少なくとも一つのレーザ源の前に配置された少なくとも一つの光学的絞りとからなるウェハキャリア用マッピングセンサ。
2. 前記集束レンズの焦点距離が少なくとも約８ｍｍである請求項１のセンサ。
3. 前記少なくとも一つの光学的絞りが三つの光学的絞りを含んでいる請求項１のセンサ。
4. 前記少なくとも一つの光学的絞りが前記少なくとも一つのレーザ源の物理的パッケージ上に直接配置された請求項１のセンサ。
5. 前記少なくとも一つのレーザ源がレーザダイオードチップを含み、前記少なくとも一つの光学的絞りが該チップから約３００ミクロン以内に配置されている請求項１のセンサ。
6. 前記少なくとも一つの光学的絞りが約２００ミクロンより大きくない直径の開口を含んでいる請求項１のセンサ。
7. 前記検出器がピーク検出波長を有し、前記少なくとも一つのレーザ源が、該ピーク検出波長に匹敵するレーザ光を提供するように構成された請求項１のセンサ。
8. 前記ピーク検出波長が約８５０ｎｍである請求項７のセンサ。
9. 前記少なくとも一つのレーザ源が、少なくともＣＤＲＨ第１級およびＩＥＣ−８０６２５−１第１級の一つにおける最大許容パワーで動作するように構成された請求項８のセンサ。
10. 前記ピーク検出波長が約９００ｎｍである請求項７のセンサ。
11. 前記少なくとも一つのレーザ源が、少なくともＣＤＲＨ第１級およびＩＥＣ−８０６２５−１第１級の一つにおける最大許容パワーで動作するように構成された請求項１０のセンサ。
12. 前記少なくとも一つのレーザ源が、少なくともＣＤＲＨ第１級およびＩＥＣ−８０６２５−１第１級の一つにおける最大許容パワーで動作するように構成された請求項１のセンサ。
13. 前記検出器の前に配置されて、該検出器の光収集量を増やすレンズをさらに備えた請求項１のセンサ。
14. 前記検出器の視野が、予想されるウェハのノッチのサイズより大きい請求項１３のセンサ。
15. 前記視野が約６．０ｍｍである請求項１４のセンサ。
16. 前記検出器がフォトトランジスタを含んでいる請求項１のセンサ。
17. 前記少なくとも一つのレーザ源がレーザダイオードを含んでいる請求項１のセンサ。
18. 前記少なくとも一つのレーザ源がエッジエミッタを含んでいる請求項１のセンサ。
19. 前記エッジエミッタが約４×２０ミクロンの能動的放出面積を有している請求項１８のセンサ。
20. 前記検出器の前に配置された周囲光のフィルタをさらに備えた請求項１のセンサ。
21. ウェハの縁でレーザ縞を感知しそれを示す信号を提供するように構成された検出器と、
    第２方向の高さより大きい第１方向の幅、中央部、および該中央部でピーク強度を有するレーザ縞を発生させるためのレーザ縞発生器とからなり、
    前記縞が前記中央部から前記第２方向へ１ｍｍの間隔をおいた領域を含み、該領域の強度が前記ピーク強度の約１００００分の１以下であるウェハキャリア用マッピングセンサ。

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