晶圆盒内晶圆分布状态检测装置及检测方法与流程

1.本发明涉及芯片制造技术领域，尤其涉及一种晶圆盒内晶圆分布状态检测装置及检测方法。


背景技术：

2.半导体设备用于将晶圆加工成半导体部件。通常，在加工过程中，晶圆被放置在晶圆盒中，晶圆盒通常有多层，以6寸晶圆盒为例，其一般有25层，最多放置25个晶圆。含有晶圆的晶圆盒通常放入到载入设备中，进入工艺设备之前要对晶圆盒中的晶圆进行晶圆mapping(映射)。晶圆mapping是通过传感器检测晶圆盒中各层的状态，以作为晶圆机器人取放片的依据，并检测晶圆盒内的晶圆是否存在安置异常的问题，以进行提示处理。
3.以公开号为us06356091b1的发明专利为代表的现有技术中的方案，通常是通过发射光照射晶圆盒(cassette)中的晶圆，并接收晶圆边的回光以判断晶圆盒中各层的晶圆放置状态。该方法对晶圆厚度有要求，当晶圆尺寸较薄(小于0.8mm)时，由于晶圆边缘圆角导致反射面相对于厚的晶圆片效果波动较大，会严重影响检测的准确性。因此，现有技术中的这种检测方法及装置往往只能用于超过1mm厚的晶圆mapping。对于低于0.8mm厚度的晶圆mapping是半导体行业技术人员需要解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供了一种可满足0.3mm厚度以上晶圆的mapping、结构简单、易于实现、准确性高的晶圆盒内晶圆分布状态检测装置及检测方法。
5.为了实现上述的目的，本发明的晶圆盒内晶圆分布状态检测装置及检测方法如下：
6.该晶圆盒内晶圆分布状态检测装置，其主要特点是，所述装置包括：
7.光源发生检测机构，包括相对地设置于晶圆盒两侧的反射式光电传感组件及反光组件，其中，所述反射式光电传感组件用于发射光源并接收穿过所述晶圆盒从所述反光组件上反射的反射光线；
8.升降机构，承载所述光源发生检测机构和/或所述晶圆盒，以带动所述光源发生检测机构与所述晶圆盒进行沿垂直方向的相对运动；
9.主控模块，分别与所述反射式光电传感组件及升降机构相连接，所述主控模块以所述反射式光电传感组件接收到的所述反射光线的状态为依据判断所述晶圆盒内各层晶圆的放置状态。
10.该晶圆盒内晶圆分布状态检测装置，其中，所述反射式光电传感组件与所述主控模块之间还设有放大器。
11.该晶圆盒内晶圆分布状态检测装置，其中，所述放大器的阈值范围在60～80％之间。
12.该晶圆盒内晶圆分布状态检测装置，其中，所述反光组件由回光板构成，所述回光板与所述反射式光电传感组件发射的光源的光轴形成的夹角在45
°
至90
°
之间。
13.该晶圆盒内晶圆分布状态检测装置，其中，所述升降机构包括升降平台，所述晶圆盒设置于所述升降平台上。
14.该基于上述所述的晶圆盒内晶圆分布状态检测装置的晶圆盒内晶圆分布状态检测方法，其主要特点是，所述方法为：
15.步骤1：控制所述光源发生检测机构与待测晶圆盒沿垂直方向匀速地进行相对运动，获取所述反光组件上反射的实时反射光线；
16.步骤2：将由检测到的所述实时反射光线构成的实时反射光线模拟信号波形转换为实时反射光线数字信号波形；
17.步骤3：将所述实时反射光线数字信号波形与基准反射光线数字信号波形进行比较，以确认所述待测晶圆盒中各层晶圆的放置状态。
18.该晶圆盒内晶圆分布状态检测方法，其中，所述步骤2具体为：
19.将所述实时反射光线模拟信号波形中小于系统预设光强阈值的波形段转换为高电平并取反得到低电平的实时脉冲，并所述实时反射光线模拟信号波形中不小于系统预设光强阈值的波形段转换为低电平并取反得到高电平的实时脉冲，以得到实时反射光线数字信号波形，其中，由所述高电平的实时脉冲构成检测到晶圆的电平信号。
20.该晶圆盒内晶圆分布状态检测方法，其中，所述系统预设光强阈值的范围为60％～80％的满光强。
21.该晶圆盒内晶圆分布状态检测方法，其中，所述步骤3具体为：
22.步骤31：将所述实时反射光线数字信号波形与所述基准反射光线数字信号波形进行比较，判断所述待测晶圆盒中各层晶圆的放置状态；
23.步骤32：如所述实时反射光线数字信号波形中与所述待测晶圆盒的第n层对应的(ln-0.1p，ln-p/2)范围内，不存在检测到晶圆的电平信号，则确定所述待测晶圆盒的第n层处呈空片状态；
24.步骤33：如所述实时反射光线数字信号波形中与所述待测晶圆盒的第n层对应的(ln-0.1p，ln-p/2)范围内，存在检测到晶圆的电平信号，且根据实测得到的所述待测晶圆盒第n层所对应的所述实时脉冲的宽度所确定的对应的晶圆的宽度满足(hn’-h)/h≥0.5，则确定所述待测晶圆盒中第n层处呈叠片状态；
25.步骤34：如所述实时反射光线数字信号波形中与所述待测晶圆盒的第n层对应的(ln-0.1p，ln-p/2)范围内，存在检测到晶圆的电平信号，且根据实测得到的所述待测晶圆盒第n层所对应的所述实时脉冲的宽度所确定的第n层的晶圆的宽度满足|(hn’‑
h)/h|≤0.15，并且根据所述实时反射光线数字信号波形中的实时脉冲得到的第n层的晶圆高度位置满足ln
’‑
ln≤0.2p时，则确定所述待测晶圆盒中第n层中的晶圆呈正常放置状态；
26.步骤35：如所述实时反射光线数字信号波形中与所述待测晶圆盒的第n层对应的(ln-0.1p，ln-p/2)范围内，存在检测到晶圆的电平信号，且根据实测得到的所述待测晶圆盒第n层所对应的所述实时脉冲的宽度所确定的第n层的晶圆的宽度满足|(hn’‑
h)/h|≤0.15，并且根据所述实时反射光线数字信号波形中的实时脉冲得到的第n层的晶圆高度位置满足ln
’‑
ln＞0.2p时，则确定所述待测晶圆盒中第n层处呈交叉片状态；
27.其中，p为根据所述基准反射光线数字信号波形确定的基准晶圆平均间距，h为根据所述基准反射光线数字信号波形确定的基准晶圆平均厚度，l1、l2、
…
ln
…
、lmax分别为所述基准反射光线数字信号波形中的各基准脉冲所对应层的基准晶圆高度位置；hn’为根据所述实时反射光线数字信号波形确定的所述待测晶圆盒的第n层所对应的晶圆的实测晶圆厚度，l1’、l2’、
…
ln
’…
、lmax’分别为所述实时反射光线数字信号波形中的各实时脉冲所对应层的晶圆高度位置，n为所述待测晶圆盒中对应的层号。
28.该晶圆盒内晶圆分布状态检测方法，其中，所述基准反射光线数字信号波形可通过下述步骤获取：
29.步骤0.1：控制所述光源发生检测机构与基准晶圆盒沿垂直方向匀速地进行相对运动，获取所述反光组件上反射的基准反射光线，其中，所述基准晶圆盒为各层均正常放置了晶圆的晶圆盒；
30.步骤0.2：将由所述基准反射光线构成的基准反射光线模拟信号波形转换为所述基准反射光线数字信号波形。
31.该晶圆盒内晶圆分布状态检测方法，其中，所述步骤1具体为：控制所述光源发生检测机构与所述待测晶圆盒沿垂直方向按≤5mm/s的速度匀速地进行相对运动，获取所述反光组件上反射的实时反射光线；
32.所述步骤0.1具体为：控制所述光源发生检测机构与所述基准晶圆盒沿垂直方向按≤2mm/s的速度匀速地进行相对运动，获取所述反光组件上反射的基准反射光线。
33.本发明的晶圆盒内晶圆分布状态检测装置及检测方法具备如下有益效果：
34.该晶圆盒内晶圆分布状态检测装置包括相对地设于晶圆盒两侧的反射式光电传感组件及反光组件，检测时通过对反光组件的反射光线的状态为依据判断所述晶圆盒内各层晶圆的放置状态，有效避免因晶圆倒角等原因导致的检测精准性差的问题，配合对应的检测方法可有效检测出晶圆盒内晶圆的放置状态，为后续晶圆加工步骤提供依据。该晶圆盒内晶圆分布状态检测装置及检测方法具备易于实施、测量精度高、适应性好的特点。
附图说明
35.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
36.图1是一实施例中本发明的晶圆盒内晶圆分布状态检测装置处于第一状态时的结构示意图。
37.图2是一实施例中本发明的晶圆盒内晶圆分布状态检测装置处于第二状态时的结构示意图。
38.图3是一实施例中本发明的晶圆盒内晶圆分布状态检测方法的流程图。
39.图4是一实施例中的基准晶圆盒的状态示意图。
40.图5是一实施例中的待测晶圆盒的状态示意图。
41.图6是一实施例中的实时反射光线数字信号波形与基准反射光线数字信号波形的波形对比图。
42.附图标记
43.1晶圆盒
44.2反射式光电传感组件
45.3反光组件
46.4升降机构
47.5晶圆
具体实施方式
48.为了使发明实现的技术手段、创造特征、达成目的和功效易于明白了解，下结合具体图示，进一步阐述本发明。但本发明不仅限于以下实施的案例。
49.须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
50.下面根据图1至图3对本发明的晶圆盒内晶圆分布状态检测装置及检测方法进行进一步的说明(图中并未绘制出主控模块的位置)：
51.晶圆盒内晶圆分布状态检测装置包括：
52.光源发生检测机构，包括相对地设置于晶圆盒1两侧的反射式光电传感组件2及反光组件3，其中，所述反射式光电传感组件2用于发射光源并接收穿过所述晶圆盒1从所述反光组件3上反射的反射光线，具体实施时，光源发生检测机构可设于所述晶圆盒1的中线位置；
53.升降机构4，承载所述光源发生检测机构和/或所述晶圆盒1，以带动所述光源发生检测机构与所述晶圆盒1进行沿垂直方向的相对运动；
54.主控模块，分别与所述反射式光电传感组件2及升降机构4相连接，所述主控模块以所述反射式光电传感组件2接收到的所述反射光线的状态为依据判断所述晶圆盒1内各层晶圆5的放置状态。实施时，所述反射式光电传感组件2与所述主控模块之间还设有放大器。所述放大器的阈值范围在60～80％之间。
55.该实施例中，所述反光组件3由回光板构成，所述回光板与所述反射式光电传感组件2发射的光源的光轴形成的夹角在45
°
至90
°
之间。反射式光电传感组件2可由独立的反射式光电传感器组成，也可由分立的激光光源和传感器共同构成。
56.所述升降机构4包括升降平台，所述晶圆盒1设置于所述升降平台上。即该实施例中，由升降平台带动晶圆盒1移动，而光源发生检测机构保持不动，以使得光源发生检测机构与所述晶圆盒1进行沿垂直方向的相对运动。
57.上述实施例中的晶圆盒内晶圆分布状态检测装置可执行下述晶圆盒内晶圆分布状态检测方法，以实现对晶圆盒1内的晶圆状态的检测，所述方法为：
58.步骤0.1：控制所述光源发生检测机构与所述基准晶圆盒沿垂直方向按≤2mm/s的速度匀速地进行相对运动，获取所述反光组件上反射的基准反射光线，其中，所述基准晶圆盒为各层均正常放置了晶圆5的晶圆盒；
59.步骤0.2：将由所述基准反射光线构成的基准反射光线模拟信号波形转换为所述基准反射光线数字信号波形；
60.步骤1：控制所述光源发生检测机构与所述待测晶圆盒沿垂直方向按≤5mm/s的速度匀速地进行相对运动，获取所述反光组件上反射的实时反射光线；
61.步骤2：将由检测到的所述实时反射光线构成的实时反射光线模拟信号波形转换为实时反射光线数字信号波形，具体为：
62.将所述实时反射光线模拟信号波形中小于系统预设光强阈值的波形段转换为高电平并取反得到低电平的实时脉冲，并所述实时反射光线模拟信号波形中不小于系统预设光强阈值的波形段转换为低电平并取反得到高电平的实时脉冲，以得到实时反射光线数字信号波形，其中，由所述高电平的实时脉冲构成检测到晶圆的电平信号，其中，所述系统预设光强阈值的选定范围为60％～80％的满光强(满光强度1)；
63.步骤3：将所述实时反射光线数字信号波形与基准反射光线数字信号波形进行比较，以确认所述待测晶圆盒中各层晶圆的放置状态，其中，该步骤具体为：
64.步骤31：将所述实时反射光线数字信号波形与所述基准反射光线数字信号波形进行比较，判断所述待测晶圆盒中各层晶圆的放置状态；
65.步骤32：如所述实时反射光线数字信号波形中与所述待测晶圆盒的第n层对应的(ln-0.1p，ln-p/2)范围内，不存在检测到晶圆的电平信号，则确定所述待测晶圆盒的第n层处呈空片状态；
66.步骤33：如所述实时反射光线数字信号波形中与所述待测晶圆盒的第n层对应的(ln-0.1p，ln-p/2)范围内，存在检测到晶圆的电平信号，且根据实测得到的所述待测晶圆盒第n层所对应的所述实时脉冲的宽度所确定的对应的晶圆的宽度满足(hn’-h)/h≥0.5，则确定所述待测晶圆盒中第n层处呈叠片状态；
67.步骤34：如所述实时反射光线数字信号波形中与所述待测晶圆盒的第n层对应的(ln-0.1p，ln-p/2)范围内，存在检测到晶圆的电平信号，且根据实测得到的所述待测晶圆盒第n层所对应的所述实时脉冲的宽度所确定的第n层的晶圆的宽度满足|(hn’‑
h)/h|≤0.15，并且根据所述实时反射光线数字信号波形中的实时脉冲得到的第n层的晶圆高度位置满足ln
’‑
ln≤0.2p时，则确定所述待测晶圆盒中第n层中的晶圆呈正常放置状态；
68.步骤35：如所述实时反射光线数字信号波形中与所述待测晶圆盒的第n层对应的(ln-0.1p，ln-p/2)范围内，存在检测到晶圆的电平信号，且根据实测得到的所述待测晶圆盒第n层所对应的所述实时脉冲的宽度所确定的第n层的晶圆的宽度满足|(hn’‑
h)/h|≤0.15，并且根据所述实时反射光线数字信号波形中的实时脉冲得到的第n层的晶圆高度位置满足ln
’‑
ln＞0.2p时，则确定所述待测晶圆盒中第n层处呈交叉片状态；
69.其中，p为根据所述基准反射光线数字信号波形确定的基准晶圆平均间距，h为根据所述基准反射光线数字信号波形确定的基准晶圆平均厚度，l1、l2、
…
ln
…
、lmax分别为所述基准反射光线数字信号波形中的各基准脉冲所对应层的基准晶圆高度位置；hn’为根据所述实时反射光线数字信号波形确定的所述待测晶圆盒的第n层所对应的晶圆的实测晶圆厚度，l1’、l2’、
…
ln
’…
、lmax’分别为所述实时反射光线数字信号波形中的各实时脉冲所对应层的晶圆高度位置，n为所述待测晶圆盒中对应的层号。
70.上述实施例中的晶圆盒内晶圆分布状态检测装置及检测方法可广泛应用0.3mm厚度以上晶圆的mapping(映射)。
71.在执行过程中，可通过升降平台承载晶圆盒沿图1所处的位置移动至图2所处的位
置，以光源发生检测机构可获取整个晶圆盒的晶圆放置情况。具体执行时，可同时设置多组光源发生检测机构同时对一晶圆盒进行检测，以进一步地提高检测精度(一个反射式光电传感器也能实现相应的功能)，为了便于说明，下面举了仅设置一光源发生检测机构的实施例对本发明的晶圆盒内晶圆分布状态检测装置及检测方法的工作过程及原理进行进一步地说明：
72.该实施例中的晶圆盒内晶圆分布状态检测装置包括的回光反射型激光传感器(即反射式光电传感器)可安装于一机架上，确保反射式光电传感组件发射的光源的光轴(图1及图2中连接反射式光电传感组件与反光组件的横线即为光轴)平行于晶圆平面，而晶圆(该晶圆可为6寸、厚度为0.65mm的晶圆)可放置于设置在升降机构的升降平台上的晶圆盒内，无遮挡时，激光可照射在回光板上。为了确保光路会折返，可将回光板与光轴的夹角限定在45
°
～90
°
内，(最好使回光板与光轴夹角等于90
°
)。光轴应通过晶圆盒竖直对称面。传感器的放大器可以对光强度设定阈值，输出0和1的数字信号，且能对信号取反操作。
73.通过放大器设定阈值a＝60％～80％(满光强度1)，且设定信号取反，即光强度小于a时，输出高电平(如可设定阈值a＝70％(满光强度1)，且设定信号取反，即光强度小于70％时输出高电平)，这样即可将晶圆片遮挡光轴的时间段输出为高电平信号，以得到实时反射光线模拟信号波形。
74.由于光源经由反光组件反射而不是从晶圆的侧壁上反射，有效屏蔽晶圆圆角及晶圆表面质量对回光的影响，故可有效避免晶圆形状特点导致的检测结果不准的问题。
75.上述装置执行晶圆盒内晶圆分布状态检测方法的具体过程(即mapping过程)可分为两大步——mapping calibration程序和mapping程序，具体实施过程如下：
76.mapping calibration程序具体为：晶圆盒中按正确位置装满晶圆(即如图4所示状态)，通过软件控制升降机快速升起到晶圆盒下底面超过光轴，并按≤2mm/s的速度(如1mm/s的速度)缓慢下降，通过软件读取输出的基准反射光线数字信号波形，软件中对晶圆平均间距p、晶圆平均厚度h、晶圆厚度中心的高度ln进行计算，以此作为mapping的基础。
77.第二步：mapping程序具体为：该过程将通过对放入的晶圆盒快速扫描，速度≤5mm/s(如5mm/s)通过软件读取输出的实时反射光线数字信号波形，将其与mapping calibration的信号对比(即将实时反射光线数字信号波形与基准反射光线数字信号波形进行比较)，进而判断晶圆盒内各层的状态(叠片、交叉片、空片、或正常片)。
78.如图3所示，具体的判断过程如下：
79.如果检测区域在(ln-0.1p，ln-p/2)范围内，无高电平信号(即不存在检测到晶圆的电平信号)，则确定所述待测晶圆盒的第n层处呈空片状态；
80.如果检测区域在(ln-0.1p，ln-p/2)范围内，有高电平信号(即存在检测到晶圆的电平信号)：
81.当满足条件(hn
’‑
h)/h≥0.5时，则确定所述待测晶圆盒中第n层处呈叠片状态。
82.当满足条件|(hn
’‑
h)/h|≤0.15，且ln
’‑
ln≤0.2p时，则确定所述待测晶圆盒中第n层中的晶圆呈正常放置状态。
83.当满足条件|(hn
’‑
h)/h|≤0.15，且ln
’‑
ln＞0.2p时，则确定所述待测晶圆盒中第n层处呈交叉片状态。
84.其中，mapping calibration数据(即基准数据)包括：晶圆平均间距p，晶圆平均厚
度h，每层晶圆高度位置l1、l2、
…
ln
…
、lmax。
85.mapping数据(即实测数据)包括：实测晶圆厚度hn’，晶圆高度位置l1’、l2’、
…
、ln’、
…
、lmax’。
86.上述基准数据及实测数据均可根据基准反射光线数字信号波形与实时反射光线数字信号波形得到，即可根据脉冲宽度反推出检测到的晶圆的尺寸。
87.由于该过程中，基准反射光线数字信号波形可根据实际测量得到，故基准值更为准确，且灵活度较高，使得设备可适用于对不同规格的晶圆进行准确的测量。
88.为了下面以图4至6为例对波形与晶圆盒内晶圆放置状态的关系进行说明，图4是一实施例中的基准晶圆盒的状态示意图。图5是一实施例中的待测晶圆盒的状态示意图。图6是一实施例中的实时反射光线数字信号波形与基准反射光线数字信号波形的波形对比图。其中，图6中上侧的波形图为对图4中的基准晶圆盒进行检测后得到的波形图，图6中下侧的波形图为对图5中的待测晶圆盒进行检测后得到的波形图。从图中可以看出正常状态下检测到的波形中的脉冲的数量应于晶圆盒的层数相同。当晶圆盒中存在空片时，则无法在对应位置检测到脉冲，如图6中的第2个脉冲就处于空片状态，而当出现交叉片时，脉冲状态就会呈图6中的第5个及第8个脉冲所示状态，而当出现叠片时，脉冲则会呈图6中的第12各脉冲处所示的状态。经比较可知，检测时的波形状态与晶圆盒内的晶圆放置状态一一对应，故可有效通过波形的对比确定晶圆盒内各层晶圆的放置状态，有效进行mapping。
89.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。