JP5537125B2

JP5537125B2 - ウェハセンシング装置および当該装置を備えた半導体製造装置

Info

Publication number: JP5537125B2
Application number: JP2009259303A
Authority: JP
Inventors: 隆一佐藤; 英宣西川
Original assignee: Lam Research Corp
Current assignee: Lam Research Corp
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2029-11-12
Also published as: JP2011108693A

Description

この発明は、ウェハセンシング装置および当該装置を備えた半導体製造装置に関し、特にシリコンなどの半導体基板（以下、ウェハとも記す）の有無を検出する赤外線温度センサーを使用したウェハセンシング装置および当該装置を備えた半導体製造装置に関する。

従来、プラズマ処理装置等を備えた半導体製造装置においては、複数の真空処理室およびロードロック室と連結された搬送室を備え、搬送室内に配置された搬送ロボットがロードロック室に搬送されたウェハを搬送室を介して真空処理室の載置台に載置し、載置台に載置された処理済みのウェハを搬送室を介してロードロック室に搬送していた。このため、ウェハの搬送経路には、搬送されるウェハの有無を検出するセンサーが備えられていた。

下記の特許文献１には、センサーを備えた搬送ロボットの一例が開示されている。特許文献１の装置は、載置された試料（ウェハ）を吸引して保持する試料載置台および試料載置台上にプラズマを生成するプラズマ生成手段を備え真空処理室と、バッファ（搬送）室内に配置され、ロードロック室に搬送された試料をバッファ室を介して試料載置台に載置し、試料載置台に載置された処理済みの試料をバッファ室を介してロードロック室に搬送する真空搬送手段とを備え、真空搬送手段による試料の搬送経路には、搬出される試料の位置を検出するセンサーを備えている。

特開２００７−１４９９６０号公報

従来、搬送効率向上のために、ウェハを搭載、保持する搬送ロボットのエンドエフェクタ（以後、ＥＥとも記す）が上下に２個装備され、上下２個のＥＥで２枚のウェハを同時に保持、搬送可能なものがあった。この搬送ロボットの場合には例えばＥＥ上段に処理前のウェハを搭載したままで、ＥＥ下段に処理後のウェハを搭載して移送する場合があった。

この時に、搬送ロボットによる処理後のウェハの取り出しミスが発生すると、処理後のウェハの上に処理前のウェハが重ねて搭載されてしまい、ウェハの損傷や余分な排除処理を行わなければならないなどのトラブルとなる。従って、搬送ロボットがＥＥ下段に処理後のウェハを搭載する動作を行った後に、処理後のウェハがＥＥ下段に搭載されているか否かを確実に判定する必要があった。

ところが、上記特許文献１に開示されているような透過型の光センサーではウェハの有無は検出可能であるが、ウェハがＥＥの上下のどちらに、あるいは両方に搭載されているのかを判別することが出来ないという問題点があった。

また、距離を測定する反射型の光電センサーによってセンサーからウェハまでの距離を測定することによってウェハの有無や位置を判定する方法も考えられるが、上下のＥＥ間の間隔は数ｍｍ程度しかないため、上段のウェハを検知しているのか、下段のウェハを検知しているのかを判断するしきい値の調整が難しく、更に、処理済みのウェハは高温に加熱されたことによる反りなどがあり、正確な検出が困難であるという問題点があった。

本発明の目的は、上記したような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、簡単な構成で処理後のウェハの有無を確実に判定することができるウェハセンシング装置および当該装置を備えた半導体製造装置を提供することにある。

本発明のウェハセンシング装置は、ウェハ搬送ロボットによって処理室より半導体ウェハの回収動作を行った際、ＥＥに搭載したウェハの赤外線放射温度を遠隔計測することにより回収した半導体ウェハの有無を判定する点に特徴がある。

本発明のウェハセンシング装置は、加熱を含む処理を行う処理装置を備えた半導体製造装置に装備され、半導体ウェハの有無を検出するウェハセンシング装置において、搬送手段によって搬送されるウェハの温度を赤外線温度センサーにより遠隔計測する温度計測手段と、前記温度計測手段による計測結果が第１の一定温度以上の場合は、ウェハが搬送手段に搭載されていると判定する判定手段とを備えたことを主要な特徴とする。

また、本発明のウェハセンシング装置において、前記赤外線温度センサーは、ゲートバルブを介して前記処理装置と連結された搬送室の下面あるいは上面に設けられた、赤外線を透過する気密の観測窓の外部からウェハの温度を遠隔計測する点にも特徴がある。

また、本発明のウェハセンシング装置において、前記判定手段は、前記計測結果が第２の一定温度以上の場合は、処理済ウェハが搬送手段に搭載されていると判定し、前記計測結果が第２の一定温度以下であり、かつ第３の一定温度以上の場合は、処理済ウェハが搬送手段に搭載されていると判定すると共に、前記処理装置の温度が異常であることを示す信号を出力し、前記計測結果が第３の一定温度以下である場合は、処理済ウェハが搬送手段に搭載されていないと判定する点にも特徴がある。

本発明の半導体製造装置は、ゲートバルブを介して加熱を含む処理を行う処理装置と連結され、搬送ロボットが配置された搬送室を備えた半導体製造装置において、搬送室の下面に前記したウェハセンシング装置を備え、搬送ロボットは複数のエンドエフェクタを備えている点にも特徴がある。

本発明のウェハセンシング装置においては、以下のような効果がある。
（１）ウェハ搬送ロボットのＥＥが通過する搬送モジュールの任意の位置に赤外線温度センサーユニットを設置して、非接触で、ウェハが２枚以上重なるように搭載される搬送ロボットにおいても問題なく処理後のウェハの有無が判別できる。
（２）光電センサーを使用する際のような光軸調整や距離調整などが不要である。

（３）ＥＥには何ら手を加えず、かつ搬送室の外部にウェハセンシング装置を配置可能であり、製造や保守が容易であると共に内部の汚染防止の効果もある。
（４）処理後の回収ウェハの放射温度が本来の高温より低い場合にはチャンバ内の温度制御に異常が有り、回収用ウェハの加工精度が悪化しているとの判定を行うことが可能である。

本発明のウェハセンシング装置を備えた半導体製造装置の構成を示す断面図である。本発明のウェハセンシング装置の構成を示す断面図である。本発明のウェハセンシング装置を備えた半導体製造装置の動作を示す平面図である。本発明のウェハセンシング装置の回路構成を示す回路図である。本発明のウェハセンシング装置を備えた半導体製造装置の処理内容を示すフローチャートである。

以下に本発明のウェハセンシング装置について、これを実施するための形態を実施例により具体的に説明する。

図１は、本発明のウェハセンシング装置を備えた半導体製造装置の構成を示す断面図である。半導体製造装置はプラズマ処理装置等の複数の真空処理室１１および図示しないロードロック室等が搬送モジュール（搬送室）１０と連結された構造を備えている。各真空処理室１１と搬送室１０とは開閉可能なゲートバルブ１６を介して連結されている。

搬送室１０には搬送ロボット１２が配置されている。搬送ロボット１２は本体が水平に回転可能であり、ロボット本体には上下移動および回転が可能な第１アーム１３が装着されており、第１アーム１３の先端にはやはり回転可能な第２アーム１４が装着されている。第２アーム１４の先端には回転可能な上下２段のエンドエフェクタ（ＥＥ）１５が装着されている。実施例においては、上段ＥＥは例えば処理前の未処理ウェハ、下段ＥＥはレジスト剥離処理後の処理済ウェハを搭載するように使用するものとする。

真空処理室１１内には、ウェハの搭載台２０が配置されており、搭載台２０の周囲の搬送ロボットのＥＥ１５と干渉しない位置３箇所には、ウェハを搭載台から持ち上げるためのリフター２１が配置されている。このリフター２１はメインコントローラーからの指令に基づき、図示しない処理装置の制御装置による制御よって上下に移動する。

本発明のウェハセンシング装置であるセンサーユニット１８は搬送室１０の下面に設けられた観測窓１９の外部に配置される。観測窓１９は、例えば搬送ロボット１２がウェハを搬送する際にウェハの中心が移動する軌跡の真下の任意の位置に設けてもよい。センサーユニット１８は赤外線センサーを備え、被測定物の有無情報あるいは温度情報を搬送ロボット制御装置１７へ出力する（詳細は後述する）。

搬送ロボット制御装置１７は、図示しないメインコントローラーから指令情報を受信し、指令の内容に基づいてセンサーユニット１８および他の装置から状態情報を取得し、搬送ロボット１２を制御すると共に、装置の状態情報あるいは警報情報をメインコントローラーあるいは他の装置へ出力する。

処理室１１より処理済ウェハを回収用の下段ＥＥに載せてから次に供給用の上段ＥＥ上の未処理ウェハを処理室１１へ搬送するまでの間は上下段のＥＥ共にウェハが搭載された状態となる。このとき、回収すべき処理済ウェハが処理室１１内の搭載台２０に取り残された状態で、未処理ウェハを処理室１１へ搬送してしまうと、未処理ウェハが処理済ウェハと重なって両方のウェハを破損するトラブルを起こしてしまう。よって、処理済ウェハと未処理ウェハを両方同時にＥＥに載せた状態で、処理済ウェハが回収用の下段ＥＥ上に載っていることを確認しなければならない。

例えば半導体シリコン基板等のウェハのレジスト剥離装置においてプラズマによるレジスト剥離処理を行う際、レジスト剥離処理速度はウェハ表面温度に大きく依存し、ウェハ表面温度が高いほど速くなる。このため、ウェハは搭載台２０上で高温に加熱される。処理直後のウェハ温度は、処理前に比べると数百度程度高い。

本来、シリコンは赤外線の放射率が低く、正確な温度測定自体は難しいとされているが、被測定物が高温か、そうでないかを判定する用途として利用するなら十分である。レジスト剥離処理前のウェハ温度を基準にし、レジスト剥離処理後のウェハの温度と比較し、一定レベル以上の温度差が検出できればウェハ(処理済)有りと判定し、一定レベル以下の場合には、そのレベルの程度に応じて、ウェハ無し又はプロセスチャンバ内の温度制御に異常有りとの判定を行う。

図２は、本発明のウェハセンシング装置の構成を示す断面図である。本発明のウェハセンシング装置であるセンサーユニット１８は搬送室の下面２５に設けられた観測窓１９の外部に配置される。観測窓１９は、搬送室の下面２５に設けた孔（１９）の下端に窓ユニット２６を装着して、気密性を維持しつつ、外部から内部の温度を測定できるようにしたものである。

窓ユニット２６は略円筒形で中央に貫通孔が設けられ、この貫通孔の下端に赤外線を透過するガラス板（あるいはガラスレンズ）２７が気密に固着されている。そして窓ユニット２６は搬送室の下面２５に設けた孔（１９）の下端に気密に装着されている。

シリコンの赤外線放射率は、約１．１μｍ〜６．５μｍの波長範囲においては非常に低く、温度検出が困難である。一般的に外部から装置内を覗くための窓として使用されている石英ガラスが透過する波長は、約５μｍ以下である。そこで、赤外線透過窓に使用するガラス材料としては、フッ化バリウムなどの６．５μｍ以上の波長の赤外線を透過するものを使用する。フッ化バリウムなどの窓材は高価なので、必要最小限の寸法のものを使用する。

センサーユニット１８はセンサー部２８を備え、外部から観測窓越しに回収用ＥＥ上の処理済ウェハの発する赤外線放射温度を検出する。赤外線センサー２８としては、６．５μｍ以上の波長の赤外線を検出可能なものであればサーモパイルの他、バイロ（焦電型赤外線センサー）、サーミスタなどの公知の任意の赤外線センサーを利用可能である。センサーユニット１８は本発明における搬送手段によって搬送されるウェハの温度を赤外線温度センサーにより遠隔計測する温度計測手段に相当する。

信号処理回路２９は例えば受光した赤外線放射量に応じて電圧が単調増加するアナログ信号を生成し、このアナログ信号をあらかじめ未処理ウェハを赤外線センサーで計測したときのアナログ信号値を参考にして設定したしきい値と比較回路で比較し、処理済ウェハがあるか否かを判定する。センサーユニット１８は被測定物の有無の判定情報あるいは温度異常情報を搬送ロボット制御装置１７へ出力する（詳細は後述する）。信号処理回路２９は、本発明における温度計測手段による計測結果が第１の一定温度以上の場合は、ウェハが搬送手段に搭載されていると判定する判定手段に相当する。

図３は、本発明のウェハセンシング装置を備えた半導体製造装置の動作を示す平面図である。図３（ａ）は、搬送ロボット１２がアーム１３、１４を伸ばしてリフター２１に載っているウェハ３０の下に下段のＥＥ１５を挿入し、アームを上方に移動させるか、あるいはリフター２１を下げることにより、ウェハ３０を下段のＥＥ１５に搭載した状態を示している。（上段のＥＥは図示していない）

図３（ｂ）は、搬送ロボット１２がアーム１３、１４を折り畳んでウェハ３０が搭載されている下段のＥＥ１５をゲートバルブ１６付近まで移動してきた状態を示している。この状態においては観測窓１９の上部にはウェハ３０が存在しているので、赤外線センサーでＥＥ上の処理済ウェハの有無判定を行う。そして、判定結果がウェハ有りの場合には、再度搬送ロボットのアームを処理室内へ伸ばし、供給用の上段ＥＥに載せてある未処理ウェハをリフター２１に搭載する。なお、この実施例においては、観測窓１９は搬送室１０の下面のゲートバルブ１６近傍に配置されている。これは、ウェハ有無の判定後に上段ＥＥのウェハをリフター２１に載せるか、あるいは再度取り出し動作を行うので、ＥＥの移動距離をなるべく短くするためである。

図４は、本発明のウェハセンシング装置の回路構成を示す回路図である。赤外線センサー２８としては前述した任意のセンサー素子を使用可能である。センサー回路４０は、センサー素子から出力される信号の増幅、温度補償、直線化補償などを行う。センサー回路４０から出力される例えば受光した赤外線放射量に応じて電圧が単調増加するアナログ信号は、２個の比較器４１、４２の＋入力端子に接続される。２個の比較器４１、４２の−入力端子にはそれぞれ半固定抵抗器４３、４４が接続されている。

２個の半固定抵抗器４３、４４から出力される電圧と対応する温度をそれぞれＴ１、Ｔ２とし、処理済みウェハがＥＥ上に搭載されており、温度も正常な場合に赤外線センサーによって検出される温度をＴｎ、ウェハが搭載されていない場合に検出される温度をＴｅとすると、Ｔ１、Ｔ２、Ｔｎ、Ｔｅの関係がＴｎ＞Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔｅとなるように、半固定抵抗器４３、４４（Ｔ１、Ｔ２）を設定する。なお、Ｔ１、Ｔ２は、本発明における第２の一定温度、第３の一定温度に相当する。

第１の比較器４１の出力デジタル信号は否定（NOT）回路４５および論理積（AND）回路４７に接続され、否定回路４５の出力は２個の論理積回路４８、４９に接続される。また、第２の比較器４２の出力デジタル信号は否定回路４６および２個の論理積回路４７、４８に接続され、否定回路４５の出力は論理積回路４９に接続される。

論理積回路４７からは、ウェハが有り、かつ高温（温度正常）である場合（高温）に論理１が出力される。論理積回路４９からは、ウェハがないか、あるいはウェハがあっても低温である場合（低温）に論理１が出力される。論理積回路４８からは、ウェハは有るが、第１の所定値（Ｔ１）よりも低温であり、第２の所定値（Ｔ２）よりは高温である場合（中温）に論理１が出力される。センサーユニット１８は３個の論理積回路４７、４８、４９の出力信号を被測定物の有無の判定情報あるいは温度異常情報として搬送ロボット制御装置１７へ出力する。

図５は、本発明のウェハセンシング装置を備えた半導体製造装置の処理内容を示すフローチャートである。Ｓ１０においてはメインコントローラーから指令を受信するまで待つ。Ｓ１１においては受信した指令が処理室からのウェハの取り出し指令か否かが判定され、判定結果が否定の場合には他の処理に移行するが、肯定の場合にはＳ１２に移行する。

Ｓ１２においては取り出し可能な状態、即ちゲートバルブが開いており、リフターが上がっているか否かを判定し、取り出し可能になるまで待つ。Ｓ１３においては取り出し回数を０回にリセットする。Ｓ１４においては搬送ロボット１２を駆動して処理室からウェハを取り出し、観測窓１９の上部に移動する動作を行う。

Ｓ１５においてはウェハセンシング装置からセンサー情報を読み込む。Ｓ１６においてはセンサー情報が高温（＝正常）か否かが判定され、判定結果が否定の場合にはＳ１７に移行するが、肯定の場合には１９Ｓに移行する。Ｓ１７においてはセンサー情報が低温（未搭載）か否かが判定され、判定結果が否定（＝中温、異常）の場合にはＳ１８に移行するが、肯定の場合にはＳ２０に移行する。

Ｓ１８においてはメインコントローラーに処理装置の温度異常を通知する。Ｓ１９においてはメインコントローラーに取り出し完了を通知し、Ｓ１０に移行する。Ｓ２０においては取り出し動作の回数が予め設定されている上限を超えたか否かが判定され、判定結果が否定の場合にはＳ２１に移行するが、肯定の場合にはＳ２２に移行する。Ｓ２１においては取り出し回数に１を加算し、Ｓ１４に移行する。Ｓ２２においてはメインコントローラーに取り出しエラーを通知し、動作を停止する。

以上、説明したように、本発明のウェハセンシング装置においては、ＥＥには何ら手を加えず、搬送室の外部に赤外線温度センサーユニットを設置して、非接触で処理後のウェハの有無が判別できる。また、処理後の回収ウェハの放射温度が本来の高温より低い場合にはチャンバ内の温度制御に異常が有るとの判定を行うことが可能である。

以上、実施例を開示したが、本発明には以下に示すような変形例も考えられる。実施例においては処理室と対応してウェハセンシング装置を設ける構成を開示したが、処理装置毎に１個ではなく、搬送室に１個のみ設けても良い。また、実施例においては搬送室の下面に観測窓を設ける構成を開示したが、搬送室の上方に、あるいは下方と上方の両方に観測窓を設けて温度を測定可能としてもよい。

実施例においてはＥＥが２個装着されている搬送ロボットについて開示したが、ＥＥの数は任意であり、ＥＥが１個の搬送ロボットを備えた半導体製造装置においても本発明をそのまま実施可能である。

実施例においては搬送室の外部にセンサーを配置する例を開示したが、搬送室内部に赤外線センサーを配置してもよい。この場合、信号ケーブルを引き出せばいいので観測窓は不要となる。実施例においては電圧の比較器を用いて判定を行う例を開示したが、センサーユニットにおいてセンサー回路の出力電圧をＡ／Ｄ変換して出力し、搬送ロボット制御装置内においてソフトウェアによってウェハの有無や温度異常の判定を行ってもよい。この場合に、ウェハの温度は処理装置における処理温度や取り出してからの時間によっても変化するので、これらのパラメータも考慮してＴ１、Ｔ２の値を動的に決定してもよい。適用例１：加熱を含む処理を行う処理装置を備えた半導体製造装置に装備され、半導体ウェハの有無を検出するウェハセンシング装置において、搬送手段によって搬送されるウェハの温度を赤外線温度センサーにより遠隔計測する温度計測手段と、前記温度計測手段による計測結果が第１の一定温度以上の場合は、ウェハが搬送手段に搭載されていると判定する判定手段とを備えたことを特徴とするウェハセンシング装置。
適用例２：前記赤外線温度センサーは、ゲートバルブを介して前記処理装置と連結された搬送室の下面あるいは上面に設けられた、赤外線を透過する気密の観測窓の外部からウェハの温度を遠隔計測することを特徴とする適用例１に記載されたウェハセンシング装置。
適用例３：前記判定手段は、前記計測結果が第２の一定温度以上の場合は、処理済ウェハが搬送手段に搭載されていると判定し、前記計測結果が第２の一定温度以下であり、かつ第３の一定温度以上の場合は、処理済ウェハが搬送手段に搭載されていると判定すると共に、前記処理装置の温度が異常であることを示す信号を出力し、前記計測結果が第３の一定温度以下である場合は、処理済ウェハが搬送手段に搭載されていないと判定することを特徴とする適用例１に記載されたウェハセンシング装置。
適用例４：ゲートバルブを介して加熱を含む処理を行う処理装置と連結され、搬送ロボットが配置された搬送室を備えた半導体製造装置において、前記搬送室の下面に請求項１乃至３のいずれかに記載されたウェハセンシング装置を備え、前記搬送ロボットは複数のエンドエフェクタを備えていることを特徴とする半導体製造装置。

本発明のウェハセンシング装置は熱処理を伴う任意の半導体製造装置に適用可能である。

１０…搬送モジュール（搬送室）
１１…真空処理室
１２…搬送ロボット
１３…第１アーム
１４…第２アーム
１５…エンドエフェクタ
１６…ゲートバルブ
１７…搬送ロボット制御装置
１８…センサーユニット
１９…測定窓
２０…ウェハ搭載台
２１…リフター

Claims

加熱を含む処理を行う処理装置を備えた半導体製造装置に装備され、半導体ウェハの有無を検出するウェハセンシング装置において、
搬送手段によって搬送されるウェハの温度を赤外線温度センサーにより遠隔計測する温度計測手段と、
前記温度計測手段による計測結果が第１の一定温度以上の場合は、ウェハが前記搬送手段に搭載されていると判定する判定手段であって、
前記計測結果が前記第１の一定温度よりも低い第２の一定温度以上の場合は、処理済ウェハが前記搬送手段に搭載されていると判定し、
前記計測結果が第２の一定温度以下であり、かつ前記第２の一定温度よりも低い第３の一定温度以上の場合は、処理済ウェハが前記搬送手段に搭載されていると判定すると共に、前記処理装置の温度が異常であることを示す信号を出力し、
前記計測結果が第３の一定温度以下である場合は、処理済ウェハが前記搬送手段に搭載されていないと判定する判定手段と
を備えたことを特徴とするウェハセンシング装置。
前記赤外線温度センサーは、ゲートバルブを介して前記処理装置と連結された搬送室の下面あるいは上面に設けられた、赤外線を透過する気密の観測窓の外部からウェハの温度を遠隔計測することを特徴とする請求項１に記載されたウェハセンシング装置。
ゲートバルブを介して加熱を含む処理を行う処理装置と連結され、搬送手段が配置された搬送室を備えた半導体製造装置において、
前記搬送室に請求項１または２に記載されたウェハセンシング装置を備え、
前記搬送手段は複数のエンドエフェクタを備えている
ことを特徴とする半導体製造装置。