一种炉管设备及晶圆位置检测方法与流程

1.本技术涉及半导体技术领域，尤其涉及一种炉管设备及晶圆位置检测方法。


背景技术：

2.300mm炉管设备应用于热处理工艺过程，晶圆会在炉管腔体中被加热到600至1100摄氏度乃至以上，该过程由于应力的释放，晶圆会出现偶发应力破片的现象以及晶圆位置偏移的现象。
3.炉管设备在晶圆传送前后会通过安装在取片器(fork)上的光电传感器对晶舟上的晶圆进行扫描来判断晶舟上的晶圆位置是否正常。
4.然而目前的扫描方法仍然存在缺陷，当晶舟上晶圆位置异常时，扫描过程可能对晶圆产生撞击，导致晶圆报废等情况出现，导致大量甚至整管产品受影响报废的后果。
5.因此，有必要提供更有效、更可靠的技术方案。


技术实现要素：

6.本技术提供一种炉管设备及晶圆位置检测方法，可以对晶舟上的晶圆全方位无死角进行检测，提高检测效率和准确度，并且检测过程不会影响晶圆。
7.本技术的一个方面提供一种炉管设备，包括：反应炉，用于加热处理晶圆；底座，位于所述反应炉正下方，所述底座承载晶舟以及设置在所述晶舟内的晶圆，并且带动所述晶舟和晶圆旋转；炉门，用于封闭所述反应炉，所述炉门朝向所述底座的一面安装有测距传感器，所述测距传感器用于在垂直晶圆表面的方向探测所述晶圆的边缘位置，所述炉门处于打开状态时，所述底座能够沿垂直晶圆表面方向移动，所述炉门处于闭合状态时，所述炉门能够密闭所述反应炉。
8.在本技术的一些实施例中，所述炉管设备还包括安装底座，设置与所述炉门朝向所述底座的一面，用于安装所述测距传感器。
9.在本技术的一些实施例中，所述安装底座上设置有位置调整槽，用于调整所述安装底座在所述炉门上的位置。
10.在本技术的一些实施例中，所述炉管设备还包括冷却单元，安装于所述炉门朝向所述底座的一面，设置在所述测距传感器四周。
11.在本技术的一些实施例中，所述冷却单元包括：固定支架，将所述冷却单元固定安装于所述炉门朝向所述底座的一面；至少一层冷却管道，用于冷却液体流通。
12.在本技术的一些实施例中，所述冷却单元为镂空结构，镂空部分的位置与所述测距传感器的位置对应。
13.在本技术的一些实施例中，所述测距传感器在所述炉门上的位置与所述晶圆在所述炉门表面的投影中心的距离为晶圆半径加3-6毫米。
14.在本技术的一些实施例中，所述炉管设备还包括报警模块，与所述测距传感器通讯连接，在所述测距传感器探测所述晶圆的边缘位置异常时，所述报警模块发出警报。
15.本技术的另一个方面还提供一种晶圆位置检测方法，包括：关闭反应炉的炉门；通过底座带动所述底座承载的晶舟以及设置在所述晶舟内的晶圆旋转；使用安装在所述炉门朝向所述底座的一面的测距传感器在垂直晶圆表面的方向探测所述晶圆的边缘位置。
16.在本技术的一些实施例中，所述检测方法还包括：在所述晶圆的边缘位置异常时，通过报警模块发出警报。
17.在本技术的一些实施例中，所述检测方法还包括：通过冷却单元对测距传感器四周的环境进行降温处理。
18.本技术提供一种炉管设备及晶圆位置检测方法，在晶圆正上方设置测距传感器，检测时，底座带动晶舟和晶圆自转，实现对晶舟上的晶圆全方位无死角进行检测，提高检测效率和准确度，并且传感器位置固定，不需要移动，检测过程不会影响晶圆。
附图说明
19.以下附图详细描述了本技术中披露的示例性实施例。其中相同的附图标记在附图的若干视图中表示类似的结构。本领域的一般技术人员将理解这些实施例是非限制性的、示例性的实施例，附图仅用于说明和描述的目的，并不旨在限制本技术的范围，其他方式的实施例也可能同样的完成本技术中的发明意图。应当理解，附图未按比例绘制。
20.其中：
21.图1为本技术实施例所述的炉管设备的结构示意图；
22.图2为本技术实施例所述的炉管设备中测距传感器的安装示意图；
23.图3为本技术实施例所述的炉管设备中冷却单元的安装示意图。
具体实施方式
24.以下描述提供了本技术的特定应用场景和要求，目的是使本领域技术人员能够制造和使用本技术中的内容。对于本领域技术人员来说，对所公开的实施例的各种局部修改是显而易见的，并且在不脱离本技术的精神和范围的情况下，可以将这里定义的一般原理应用于其他实施例和应用。因此，本技术不限于所示的实施例，而是与权利要求一致的最宽范围。
25.下面结合实施例和附图对本发明技术方案进行详细说明。
26.炉管设备生产过程中，晶圆放置于晶舟上，由于晶舟自转、热应力释放等原因的存在，导致晶圆在晶舟上的位置可能发生移动甚至热应力破片。
27.炉管设备每一次制程可以一次性生产上百片晶圆，晶圆传送装置会将晶圆在晶舟与片盒之间传送，若出现破片或位置移动的情况，传送或者扫描过程可能导致大量甚至整管产品受影响报废的后果。
28.单片晶圆破片或位置偏移后，由于传送前后，设备检测装置会对整个晶舟上的晶圆进行移动式扫描，可能导致晶圆与传感器之间的撞击，导致连续性破片或者晶舟倾倒的后果。
29.炉管设备可以一次性生产上百片晶圆。首先使用传送装置将晶圆抓取，放置于晶舟上；然后将晶舟升入炉管腔体中进行制程，制程中晶舟自转；制程结束后将晶舟降至传送室，进行冷却后自转停止，并将晶圆传送至片盒中，制程结束。
30.炉管设备升降温过程中晶圆热应力释放，可能造成破片及晶圆位移，设备厂商采取的应对措施有以下两种：递进式扫描报警制动和异响报警制动。递进式扫描报警制动是由远及近递进式扫描晶舟上晶圆状态，发现异常时及时报警。异响报警制动是破片引发撞击时，第一时间产生报警并对机械手进行制动，避免传送过程中晶圆抓取装置末端安装的震动传感器对异常位置晶圆的二次伤害。
31.以上两种方式可以在一定程度上减轻因晶圆位置异常引发的后果，达到减少报废的效果。但是这两种方式都存在各自的盲区，递进式扫描报警制动的扫描过程中存在大范围死角，很多情况无法报警；异响报警制动的震动传感器的灵敏度一致性难以调试，可能存在灵敏度波动的情况导致报警不及时、误报警等情况，并且已经是机械手与异常位置晶圆接触后才报警制动，可能已经对产品造成伤害。
32.针对上述问题，本技术提出一种炉管设备，改变检测传感器的安装报警方式，有效避免因晶圆位置异常导致报废的几率，既能实现较好的安装侦测，又能有效避免破片及位置异常导致的大批量报废，较好的改善目前的缺陷，并达到比较理想的效果。
33.图1为本技术实施例所述的炉管设备的结构示意图。下面结合附图对本技术实施例所述的炉管设备进行详细说明。
34.本技术的实施例提供一种炉管设备，参考图1所示，所述炉管设备包括：反应炉100，用于加热处理晶圆；底座120，位于所述反应炉100正下方，所述底座120承载晶舟130以及设置在所述晶舟130内的晶圆140，并且带动所述晶舟130和晶圆140旋转；炉门110，用于封闭所述反应炉100，所述炉门110朝向所述底座120的一面安装有测距传感器150，所述测距传感器150用于在垂直晶圆表面的方向探测所述晶圆140的边缘位置，所述炉门110处于打开状态时，所述底座120能够沿垂直晶圆表面方向移动，所述炉门110处于闭合状态时，所述炉门110能够密闭所述反应炉100。
35.常规的一些炉管设备中，是在机械手臂的末端安装传感器。使用机械手臂一边移动一边扫描晶圆，从而检测晶圆的位置是否异常。但是机械手臂的移动是有限制的，因此传感器的扫描存在大范围死角，检测结果不准确。此外，当晶圆位置异常时，机械手臂移动时可能触碰晶圆，进而对晶圆造成二次损伤。而本技术的技术方案中，参考图1所示，测距传感器150安装在晶舟130上方的炉门110上测距传感器150由上而下发射激光图中虚线箭头)从而在垂直方向上检测晶圆140的边缘位置是否异常，检测过程中不会接触晶圆，不会对晶圆造成损伤。此外，在检测时，所述晶舟130和晶圆140在底座120带动下自转，从而实现对晶圆140的360度全方位无死角检测，检测效率高，检测结果准确。
36.继续参考图1所示，所述反应炉100是实现所述炉管设备热处理功能的主要部分。在所述炉管设备工作时，所述晶舟130以及晶圆140被升起送入所述反应炉100中，所述反应炉100对所述晶圆140进行热处理。
37.在本技术的一些实施例中，所述反应炉100可以是半导体工艺中常用的任何种类、任何型号、任何尺寸的反应炉。本技术对所述反应炉100不做限制。
38.继续参考图1所示，所述炉门110用于密封所述反应炉100。所述炉门110包括大体上呈圆形的主体部分和突出于所述主体部分的把手。所述炉门110的开关方式为：以所述把手为圆心，在水平面上旋转进行打开和关闭。所述炉管110是常见的立式炉管的移动式炉门结构，通过左右旋转的方式开关，实现炉管腔体密封功能。
39.在本技术的一些实施例中，为了提高所述炉门110的密封能力，还可以在所述炉门110和所述反应炉100之间设置橡胶材质的密封圈等。
40.继续参考图1所示，所述底座120以及承载于所述底座120的晶舟130和位于所述晶舟130中的晶圆140位于所述反应炉100正下方。
41.在本技术的一些实施例中，所述底座120为磁流体，所述底座120包括电机。所述晶舟130底部安装在磁流体上，磁流体及电机相配合可以实现晶舟自转的功能。
42.一方面，在热处理过程中，晶圆140自转可以提高加热的均匀性；另一方面，在使用测距传感器检测晶圆140位置情况时，晶圆140自转可以实现全方位无死角的检测，提高检测准确性。
43.所述晶舟130用于容纳晶圆140。在本技术的一些实施例中，所述晶舟130的种类、型号和尺寸与所述反应炉100的种类、型号和尺寸相匹配。
44.继续参考图1所示，所述测距传感器150安装于所述炉门110朝向晶圆140的一面。需要说明的是，图1中仅是示意性的示出所述测距传感器150的安装位置，详细的安装结构下文中进行说明。
45.在本技术的一些实施例中，所述测距传感器150可以是光电传感器。所述测距传感器150工作时向正下方(垂直于晶圆140的上表面的方向)发射激光(图1中虚线箭头)。所述激光遇到障碍物后反射回所述测距传感器150。所述测距传感器150根据发射激光和接收激光的时间间隔以及光速可以计算出所述激光遇到障碍物的位置距离。
46.参考图1所示，当晶圆140位置全部正常时，所述激光要遇到底座120才会反射。而当有晶圆140位置异常(晶圆凸出)时，所述激光遇到凸出的晶圆就会反射。因此，所述测距传感器150根据计算出的激光遇到障碍物的距离和位置可以判断出是否有晶圆凸出。
47.进一步，根据激光遇到障碍物的距离还可以得知晶圆凸出的具体位置。例如，将晶圆140在晶舟130上的层数与晶圆140距离测距传感器150的距离分别对应。当测距传感器150检测到有晶圆凸出时，根据该凸出晶圆距离测距传感器150的距离可以得知该晶圆在晶舟130上的层数，方便工作人员快速确认该位置异常的晶圆。
48.图2为本技术实施例所述的炉管设备中测距传感器的安装示意图。需要说明的是，附图中仅是示意图，所述炉门、测距传感器和安装底座等的形状仅为示意，实际结构并不完全相同。出于简洁的目的，图中仅示出了炉门的主体部分，省略了把手。下面结合图2对所述测距传感器的安装结构进行详细说明。
49.参考图2所示，所述炉管设备还包括安装底座151，设置于所述炉门110朝向所述底座120的一面，用于安装所述测距传感器150。
50.所述测距传感器150安装于所述安装底座151上。在本技术的一些实施例中，所述测距传感器150通过螺丝安装于所述安装底座151上。在本技术的另一些实施例中，所述测距传感器150还可以通过其他方式安装于所述安装底座151上。例如，所述测距传感器150可以与所述安装底座151为一体化结构。所述测距传感器150可以通过磁力吸附的方式安装于所述安装底座151。
51.在本技术的一些实施例中，所述安装底座151的长度为100-160毫米。所述安装底座151的宽度为50-110毫米。
52.继续参考图2所示，所述安装底座151通过安装螺丝153安装于所述炉门110上。在
本技术的另一些实施例中，所述安装底座151也可以通过其他方式(包括但不限于磁力吸附等)安装于所述炉门110上。
53.在本技术的一些实施例中，所述安装底座151上设置有位置调整槽152，用于调整所述安装底座151在所述炉门110上的位置。当安装螺丝153位置固定后，通过改变所述安装螺丝153在所述位置调整槽152中的相对位置，可以调整安装底座151的位置，进而调整所述测距传感器150的位置。
54.在本技术的一些实施例中，所述位置调整槽152的长度为50-70毫米。
55.在本技术的一些实施例中，所述测距传感器150位于所述晶圆140在所述炉门110表面的投影(虚线所示的结构)轮廓上(也就是所述虚线圆形图案的边上)。
56.在本技术的一些实施例中，所述晶圆140的位置可以在一定的误差范围内。因此，所述测距传感器150可以不恰好位于所述晶圆140在所述炉门110表面的投影(虚线所示的结构)轮廓上(也就是所述虚线圆形图案的边上)，而是位于距离所述轮廓3-6毫米的位置上。具体地，参考图2所示，所述测距传感器150在所述炉门110上的位置与所述晶圆在所述炉门表面的投影中心的距离d为晶圆半径加3-6毫米。
57.继续参考图1所示，所述炉管设备还包括冷却单元160，安装于所述炉门110朝向所述底座120的一面，设置在所述测距传感器150四周。所述冷却单元160用于对所述测距传感器150周围的环境进行降温。
58.所述反应炉100进行热处理工艺之后，反应炉100中的温度较高。当打开炉门110卸载晶舟130时，反应炉100中的高温空气扩散出反应炉会导致反应炉100出口周围的环境温度较高。当炉门100关闭后，较高的环境温度会影响测距传感器150的使用寿命甚至影响检测结果(高温导致空气密度发生变化，影响激光在空气中的传播)。因此，有必要使用所述冷却单元160对炉门110周围的环境进行降温处理。
59.图3为本技术实施例所述的炉管设备中冷却单元的安装示意图。图3为图1中冷却单元附近的局部放大图。下面结合图3对所述冷却单元160进行详细说明。
60.参考图3所示，所述冷却单元160包括：固定支架161，将所述冷却单元固定安装于所述炉门110朝向所述底座的一面；至少一层冷却管道162，用于冷却液体流通。
61.在本技术的一些实施例中，所述冷却单元160的长度为160-200毫米。所述冷却单元160的宽度为90-150毫米。
62.在本技术的一些实施例中，所述固定支架161可以通过螺丝安装于所述炉门110上。所述至少一层冷却管道162可以通过卡扣的方式悬挂于所述固定支架161上。
63.所述至少一层冷却管道162的层数可以是两层、三层或四层等。图3中以两层冷却管道作为示范。所述冷却单元160工作时，所述冷却管道162中有冷却液体流动。所述冷却液体从所述冷却管道162的一端流入，从所述冷却管道162的另一端流出。所述冷却液体对所述炉门110周围的环境进行冷却。
64.在本技术的一些实施例中，所述冷却管道162的宽度为30-60毫米。
65.在本技术的一些实施例中，所述冷却单元162为镂空结构，镂空部分的位置与所述测距传感器150的位置对应。所述冷却单元162不能遮挡所述测距传感器150，干扰测距传感器150的工作。所述镂空结构可以由冷却管道162的排列来实现。
66.半导体工艺中的大多设备都已经实现了自动化。因此，本技术实施例所述的炉管
设备除了上述机械结构(反应炉、炉门、晶舟、测距传感器和冷却单元等)以外，还包括与所述炉管设备通讯连接的控制模块和报警模块等软件部分(图中未示出)。所述软件部分安装于与炉管设备对应的机台上。
67.所述控制模块用于自动控制所述炉管设备工作。例如，所述控制模块控制所述炉门110开启和关闭；所述控制模块控制所述底座和晶舟上升和下降；所述控制模块控制所述晶舟自转；所述控制模块控制所述反应炉进行热处理；所述控制模块控制所述冷却单元进行降温处理；所述控制模块控制所述测距传感器进行晶圆位置检测；所述控制模块在所述测距传感器探测所述晶圆的边缘位置异常时控制所述报警模块发出警报。
68.在本技术的一些实施例中，所述报警模块还可以提示位置异常的晶圆在晶舟上的具体位置。
69.在本技术的一些实施例中，所述控制模块被设置为：仅当所述炉门110出于关闭状态时，所述控制模块才控制所述测距传感器进行检测以及控制所述报警模块发出警报。当炉门110在其他位置时，所述测距传感器150和晶圆140的相对位置发生改变，不应该进行检测。因此，在这种情况下，所述控制模块不控制测距传感器进行检测，也不控制所述报警模块发出警报，以免出现误报警的情况。
70.本技术所述的一种炉管设备，在晶圆正上方设置测距传感器，检测时，底座带动晶舟和晶圆自转，实现对晶舟上的晶圆全方位无死角进行检测，提高检测效率和准确度，并且传感器位置固定，不需要移动，检测过程不会影响晶圆。
71.本技术的实施例还提供一种晶圆位置检测方法，参考图1所示，包括：关闭反应炉的炉门110；通过底座120带动所述底座承载的晶舟130以及设置在所述晶舟内的晶圆140旋转；使用安装在所述炉门朝向所述底座的一面的测距传感器150在垂直晶圆表面的方向探测所述晶圆的边缘位置。
72.当反应炉的炉门110在非关闭位置时，所述测距传感器150和晶圆140的相对位置发生改变，不应该进行检测。因此，在这种情况下，测距传感器不应该进行检测，报警模块也不应该发出警报，以免出现误报警的情况。也就是说，在检测晶圆位置之前，要保证所述炉门110是关闭的。进一步，也就是在检测晶圆位置之前，要先关闭反应炉的炉门。
73.为了实现对晶圆140的360度全方位无死角检测，提高检测效率和检测结果准确性，在检测时，要通过底座120带动所述底座承载的晶舟130以及设置在所述晶舟内的晶圆140旋转。
74.在本技术的一些实施例中，可以先使用测距传感器开始检测，再通过底座带动晶舟旋转。在本技术的另一些实施例中，可以先通过底座带动晶舟旋转，再使用测距传感器开始检测。在本技术的另一些实施例中，也可以同时通过底座带动晶舟旋转和使用测距传感器进行检测。
75.在本技术的一些实施例中，所述检测方法还包括：通过冷却单元对测距传感器四周的环境进行降温处理。
76.所述反应炉100进行热处理工艺之后，反应炉100中的温度较高。当打开炉门110卸载晶舟130时，反应炉100中的高温空气扩散出反应炉会导致反应炉100出口周围的环境温度较高。当炉门110关闭后，较高的环境温度会影响测距传感器150的使用寿命甚至影响检测结果(高温导致空气密度发生变化，影响激光在空气中的传播)。因此，有必要使用所述冷
却单元160对炉门110周围的环境进行降温处理。
77.在本技术的一些实施例中，可以先使用测距传感器开始检测，再通过冷却单元对测距传感器周围的环境进行降温处理。在本技术的另一些实施例中，可以先冷却单元对测距传感器周围的环境进行降温处理，再使用测距传感器开始检测。在本技术的另一些实施例中，也可以同时冷却单元对测距传感器周围的环境进行降温处理和使用测距传感器进行检测。
78.在本技术的一些实施例中，所述检测方法还包括：在所述晶圆的边缘位置异常时，通过报警模块发出警报。所述报警模块还可以提示位置异常的晶圆在晶舟上的具体位置。
79.在本技术的一些实施例中，检测晶舟上晶圆位置异常情况的环节发生在晶圆和晶舟进入反应炉开始热处理之前。避免晶圆位置异常导致受热不均匀，出现热应力导致的破片情况。
80.在本技术的一些实施例中，检测晶舟上晶圆位置异常情况的环节发生在晶圆热处理结束后晶舟移动到反应炉之外后。避免晶圆位置异常导致搬运晶圆时机械手臂使晶圆损伤。
81.在本技术的一些实施例中，也可以在晶圆和晶舟进入反应炉开始热处理之前以及在晶圆热处理结束后晶舟移动到反应炉之外后都对晶舟上晶圆位置进行检测。
82.本技术所述的一种炉管设备及晶圆位置检测方法，在晶圆正上方设置测距传感器，检测时，底座带动晶舟和晶圆自转，实现对晶舟上的晶圆全方位无死角进行检测，提高检测效率和准确度，并且传感器位置固定，不需要移动，检测过程不会影响晶圆。
83.综上所述，在阅读本技术内容之后，本领域技术人员可以明白，前述申请内容可以仅以示例的方式呈现，并且可以不是限制性的。尽管这里没有明确说明，本领域技术人员可以理解本技术意图囊括对实施例的各种合理改变，改进和修改。这些改变，改进和修改都在本技术的示例性实施例的精神和范围内。
84.应当理解，本实施例使用的术语
″
和/或
″
包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意或全部组合。应当理解，当一个元件被称作
″
连接
″
或
″
耦接
″
至另一个元件时，其可以直接地连接或耦接至另一个元件，或者也可以存在中间元件。
85.类似地，应当理解，当诸如层、区域或衬底之类的元件被称作在另一个元件
″
上
″
时，其可以直接在另一个元件上，或者也可以存在中间元件。与之相反，术语
″
直接地
″
表示没有中间元件。还应当理解，术语
″
包含
″
、
″
包含着
″
、
″
包括
″
或者
″
包括着
″
，在本技术文件中使用时，指明存在所记载的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但并不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
86.还应当理解，尽管术语第一、第二、第三等可以在此用于描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语所限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。因此，在没有脱离本技术的教导的情况下，在一些实施例中的第一元件在其他实施例中可以被称为第二元件。相同的参考标号或相同的参考标记符在整个说明书中表示相同的元件。
87.此外，本技术说明书通过参考理想化的示例性截面图和/或平面图和/或立体图来描述示例性实施例。因此，由于例如制造技术和/或容差导致的与图示的形状的不同是可预见的。因此，不应当将示例性实施例解释为限于在此所示出的区域的形状，而是应当包括由例如制造所导致的形状中的偏差。因此，在图中示出的区域实质上是示意性的，其形状不是
为了示出器件的区域的实际形状也不是为了限制示例性实施例的范围。