用于在旋转干燥操作期间监测半导体晶片的方法和设备

摘要

用于在旋转干燥操作期间监测半导体晶片的方法和设备。在一种用于在旋转处理操作期间监测半导体晶片的方法中，当晶片被旋转时测量在电容传感器(124)和晶片(116)之间的电容值。当确定测量的电容值达到希望的(如基本恒定)水平时，产生一个指示半导体表面处于希望状态(如干燥)的信号(130)。在另一方法中，当晶片被旋转时将光指向晶片的表面，使得从晶片表面反射的光基本垂直于晶片的表面。测量从晶片表面反射的光强。当测量的从晶片表面反射的光强达到对应于当表面处于希望状态时测量的从晶片表面反射的光强的强度水平时，产生一个指示晶片表面处于希望状态的信号。在用于旋转干燥半导体晶片的方法中，响应于该信号停止晶片的旋转。还描述了一种用于旋转干燥半导体晶片的包括电容传感器或干涉传感器的设备。

说明书

技术领域

本发明一般涉及半导体制造，更为特别地，涉及用于在旋转处理操作期间监测半导体晶片的方法、用于旋转干燥半导体晶片的方法，及用于旋转干燥半导体晶片的设备。

背景技术

在半导体器件制造中，执行各种晶片制备操作。在常规晶片清洗系统中，在一般包括第一刷盒和第二刷盒的刷台中擦洗晶片。首先在第一刷盒中包含规定化学物质和去离子(DI)水的溶液中擦洗晶片。在移动到第二刷盒后，再次在包含规定化学物质和DI水的溶液中擦洗晶片。然后将晶片移动到旋转、漂洗和干燥(SRD)台，当晶片旋转时向晶片的项表面和底表面上喷射DI水。一旦晶片被彻底漂洗，执行旋转干燥操作以使晶片的顶表面和底表面干燥。

旋转干燥操作必须对晶片的顶和底表面进行彻底干燥。如果旋转干燥操作过早地停止，即在晶片表面彻底干燥之前，残留在晶片表面上的液体会对随后的制造工序产生有害影响。另一方面，如果旋转干燥操作持续得时间比对晶片表面彻底干燥需要的时间长，晶片清洗系统的生产效率会遭受损失。在常规晶片清洗系统中，旋转干燥操作不受监测以精确确定晶片表面何时彻底干燥。因此，这些晶片清洗系统冒着或过早停止旋转干燥操作或不必要地延长旋转干燥操作的风险。

考虑到上述情况，需要一种用于在旋转干燥操作期间精确确定晶片表面何时彻底干燥的方法。另外，需要一种用于旋转干燥半导体晶片的方法和设备，其能够使旋转干燥操作精确地停止于晶片彻底干燥之时。

发明内容

广泛地讲，本发明通过提供用于在旋转处理操作(如旋转干燥)期间监测半导体晶片以精确确定晶片的表面(或多个表面)何时处于希望状态(如干燥)的方法来满足这些需求。本发明还提供用于旋转处理半导体晶片的方法和设备，其能够使旋转处理操作精确停止于操作的终点，即在该点处晶片的表面(或多个表面)处于希望状态(如干燥)。

根据本发明的一个方面，提供一种用于在旋转处理操作期间监测半导体晶片的第一方法。在该方法中，在晶片旋转时对在电容传感器和晶片之间的电容值进行测量。当确定测量的电容值达到一个希望水平，如一个基本恒定水平时，产生一个指示晶片表面处于希望状态(如干燥)的信号。在一个实施例中，响应于该信号停止晶片的旋转。

根据本发明的另一方面，提供用于旋转处理半导体晶片的第一方法。该方法包括旋转晶片，如用来干燥其表面。当晶片旋转时测量电容传感器和晶片之间的电容值。当确定测量的电容值达到希望水平，如一个基本恒定水平时，产生一个信号。响应于该信号，停止晶片的旋转。

根据本发明的又一方面，提供一种用于在旋转处理操作期间监测半导体晶片的第二方法。在该方法中，当晶片旋转时将光指向晶片的表面。光被引导为使得从晶片表面反射的光基本垂直于晶片表面。测量从晶片表面反射的光强。当测量的从晶片表面反射的光强达到一个对应于当表面处于希望状态时测量的晶片表面反射光强的强度水平时，产生一个指示晶片表面处于希望状态(如干燥)的信号。

在一个实施例中，响应于该信号停止半导体晶片的旋转。在一个实施例中，在校准操作中确定当晶片表面处于希望状态(如干燥)时测量的从晶片表面反射的光强。

根据本发明的再一方面，提供一种用于旋转处理半导体晶片的第二方法。该方法包括旋转晶片，例如干燥其表面。当晶片旋转时，将光指向晶片表面使得从晶片表面反射的光基本垂直于晶片表面。测量从晶片表面反射的光强。当测量的从晶片表面反射的光强达到一个对应于当表面处于希望状态时测量的从晶片表面反射的光强的强度水平时，产生一个指示晶片表面处于希望状态(如干燥)的信号。响应于该信号，停止晶片的旋转。在一个实施例中，在校准操作中确定当表面处于希望状态(如干燥)时测量的从晶片表面反射的光强。

根据本发明的再一方面，提供一种用于旋转处理半导体晶片的第一设备。该设备包括具有贯穿其中的中心孔的空心轴。卡盘装置安装于该轴上。卡盘装置具有贯穿其中的中心孔并包括用于在其边沿上支撑晶片的夹具。轴套设置在空心轴的中心孔内，使得其上端穿过卡盘装置的中心孔延伸。在轴套的上端内设置岐管。一个电容传感器被配置用于测量晶片和电容传感器之间的电容值，被固定于岐管。在一个实施例中，该设备进一步包括用于确定何时由电容传感器测量的电容值达到希望水平(如基本恒定水平)的处理器。

根据本发明的再一方面，提供用于旋转处理半导体晶片的第二设备。该设备包括轴和安装于轴上的卡盘装置。卡盘装置包括用于在其边沿上支撑晶片的夹具。设置一个在其上安装有电容传感器的臂部，使得电容传感器设置于将由被夹具支撑的晶片占用的空间的上方。配置电容传感器以测量在由夹具支撑的晶片和电容传感器之间的电容值。

在一个实施例中，该设备还包括用于确定何时由电容传感器测量的电容值达到希望水平(如基本恒定水平)的处理器。在一个实施例中，臂部可移动，使得电容传感器相对于将被由夹具支撑的晶片占用的空间的位置可以改变。在一个实施例中，臂部具有多个安装于其上的电容传感器。每一个电容传感器设置在将被由夹具支撑的晶片占用的空间上方，且配置每一个电容传感器以测量在由夹具支撑的晶片和该电容传感器之间的电容。

根据本发明的另一方面，提供用于旋转处理半导体晶片的第三种设备。该设备包括轴和安装于轴上的卡盘装置。卡盘装置包括用于在其边沿上支撑晶片的夹具。设备还包括具有安装于其上的光源和检测器的臂部。光源设置成将光指向由夹具支撑的晶片的表面，使得从晶片表面反射的光基本垂直于晶片表面。设置检测器以测量从晶片表面反射的光强。

在一个实施例中，设备还包括一个处理器，用于确定何时测量的从晶片表面反射的光强达到对应于当表面处于希望状态(如干燥)时测量的从晶片表面反射的光强的强度水平。在一个实施例中，臂部可移动，使得光源和检测器相对于晶片表面的位置可以改变。在一个实施例中，臂部具有多个安装于其上的光源和相应数目的检测器。每一个光源设置成将光指向由夹具支撑的晶片的表面，使得从晶片表面反射的光基本垂直于半导体晶片表面。设置每一检测器以测量来自相应光源的由晶片表面反射的光强。

本发明的设备和方法最小化了过早停止旋转处理操作(如旋转干燥)或不必要地延长旋转处理操作的风险。因此，本发明的方法和设备有利地提高了在半导体器件制造中的产量和生产率。

可以理解，前述的总体描述和下述详细描述仅为示例性的和解释性的，并不是对本发明权利要求的限制。

附图说明

被并入并组成该说明书的一部分的附图示出本发明的示例性实施例并和说明书一起解释本发明的原理。

图1是侧视图，其示出根据本发明的一个实施例的示例性卡盘装置和包括电容传感器的空心轴的处于横断面中的一些部件和处于透视图中的另一些部件。

图2是图1中示出的岐管的简化项视图。

图3是根据本发明的一个实施例在旋转干燥操作期间可以监测半导体晶片的示例性方法的简化示意图。

图4A是示例性旋转干燥操作的电容与时间的曲线图。

图4B是解释在图4A中液体膜在阶段A、B和C期间的状态的表格。

图5A是侧视图，其示出根据本发明的一个实施例的设置在示例性卡盘装置之上的具有安装于其上的电容传感器的臂部的处于横断面中的一些部件和处于透视图中的另一些部件。

图5B是根据本发明的一个实施例的连接到一个定位装置的在其上安装有电容传感器的臂部的简化顶视图。

图6A是侧视图，其示出根据本发明的一个实施例的设置在示例卡盘装置之上的在其上安装有多个电容传感器的臂部的处于横断面中的一些部件和处于透视图中的另一些部件。

图6B是根据本发明的一个实施例连接于一个定位装置的且在其上安装有多个电容传感器的臂部的简化项视图。

图7是根据本发明的一个实施例在其上安装有干涉传感器的臂部的简化示意图。

具体实施方式

下面将参考附图详细描述本发明的几个示例性实施例。

图1是侧视图，其示出根据本发明的一个实施例的示例性卡盘装置和包括电容传感器的空心轴的处于横断面中的一些部件和处于透视图中的另一些部件。如其中所示，卡盘装置100安装于空心轴102上。卡盘装置100包括包含有多个辐条的卡盘体104和位于卡盘体的辐条中的连接臂106。每一连接臂106的内端配制成沿楔形体108的侧壁滑动，楔形体108可滑动地安装在轴套110上，如下文中更为详细的解释。卡盘顶板112位于卡盘体104的项部上，且覆盖连接臂106的移动部分。晶片背侧板114附接到卡盘顶板112并位于半导体晶片116表面的正下方。可旋转安装于卡盘体104上的夹具118在其边沿上支撑晶片116。为了释放晶片116，通过沿轴套110向上滑动楔形体108，可以将夹具118旋转到打开位置。当楔形体108向上移动时，连接臂106沿着楔形体的侧壁向内滑动，由此使夹具118旋转到打开位置。关于卡盘装置100的结构和操作的另外的详细描述在于2000年12月22日申请的题目为“ChuckAssembly for use in a Spin，Rinse，and Dry Module and Methods forMaking and Implementing the Same”的U.S.申请No.09/747,665中阐明。转让给Lam Research Corporation——本申请受让人的该申请公开内容将并入下文作为参考。

空心轴102包括旋转轴102a和同轴地设置在旋转轴102a内的线性轴102b。本领域技术人员公知，空心轴102连接到向旋转轴102a提供旋转力的电动机(未示出)。在操作中，被提供到旋转轴102a的旋转力由销120传递到线性轴102b，使得旋转轴102a和线性轴102b一起旋转。连接于楔形体108的线性轴102b还可以上下移动来调节楔形体的位置并由此使夹具在开闭位置之间旋转，如上所述。关于空心轴的结构和操作的详细描述在于1999年12月23日申请的题目为“Hollow Core Spindleand Spin，Rinse，And Dry Module Including the Same”的U.S.申请No.09/470,690中阐述。转让给Lam Research Corporation——本申请的受让人的该申请的公开内容将并入下文作为参考。

继续参考图1，轴套110设置在空心轴102的中心孔内。轴套110的上部从空心轴102延伸出并穿过楔形体108的中心孔，使得轴套110的上端与晶片背侧板114的顶表面齐平。在轴套110的上端内设置岐管120。岐管120包括可以用于向晶片116的背侧释放流体(如空气和化学物质)的喷口120a。这些流体可以通过位于轴套110内的供给管(未示出)提供给岐管120。在岐管120上设置电容传感器124，如下面更为详细地描述。如果需要，还可以在岐管120上固定晶片存在传感器122(参见图2)。

根据本发明的一个实施例，电容传感器124设置在岐管120上以便在旋转干燥期间监测半导体晶片。图2是图1中示出的岐管120的简化项视图。如图2中所示，电容传感器124固定于岐管120的中心部分。可以使用任意适合的技术将电容传感器124固定于岐管120上。在一个实施例中，通过将电容传感器嵌入在形成岐管的材料中将电容传感器124固定于岐管120上。本领域技术人员可以理解电容传感器可以全部嵌入或部分嵌入于岐管中。商用的合适的电容传感器来自于如BannerEngineering Corporation of Minneapolis，Minnesota和OmronCorporation of Tokyo，Japan。

图3是示出根据本发明的一个实施例在旋转干燥期间可以监测半导体晶片的示例性方法的简化示意图。如其中所示，电容传感器124将模拟能量信号传送到晶片116的背侧并检测集中在电容传感器和晶片背侧之间的能量。根据检测到的能量水平，电容传感器124确定在晶片116和电容传感器之间的电容值。通过晶片116的背侧和电容传感器124的顶表面之间的空间定义出介电常数ε₀。在旋转干燥操作期间，介电常数ε₀随着液体膜126从晶片116的顶表面去除而改变。如图3中所示，晶片116仅在其顶表面具有液体膜。在其它旋转处理操作中，在晶片的顶和底表面上可能都具有液体膜。由电容传感器124确定的电容值连续地传送到信号处理器128，配置该处理器以在晶片表面干燥时产生信号130，如后面详述中所解释的。信号130可以为任意形式。在一个实施例中，信号为一个标记的形式，其使电动机停止并由此终止旋转干燥操作。

图4A和4B示出根据本发明的一个实施例的怎样使用由电容传感器提供的电容值来确定晶片表面何时干燥。图4A是示例性旋转干燥操作的电容与时间的曲线图。图4B是说明在图4A中示出的阶段A、B和C期间液体膜的状态的表。如图4A中所示，在阶段A中，其为晶片旋转开始之前的时间段，由于晶片表面上的液体膜的存在，在晶片和电容传感器之间的电容具有相对较高的值。在阶段B期间，其为晶片旋转的时间段，随着液体膜从晶片表面上去除，电容下降。在阶段C中，由于液体膜已经从晶片表面去除，电容保持在基本恒定水平。这样，接近阶段C开始的区域，即接近在电容达到恒定水平的点的区域，是晶片表面干燥的可靠的指示。因此，在本发明的一个实施例中，配置信号处理器128(参见图3)以在测量的电容值达到基本恒定水平时产生一个信号。

本发明说明书中所用的短语“测量的电容值达到基本恒定水平”意味着在这点测量的电容值不再随时间显著改变。显而易见地，这样一个被认为其电容值不再随着时间显著改变的点可以被改变以满足特殊情况的需要。例如，这一点可以被定义为E₁，图4A中的曲线的“平坦”部分从这一点开始。在点E₁和曲线上这一点右面的所有点处，相邻测量的电容值之间的差基本为零。另选地，在测量的电容值被认为不再随时间而显著变化的点可以定义为E₂，其在图4A中示出的曲线上发生在E₁之前。在点E₂处，相邻测量的电容值的差稍大于零。

图5A是侧视图，其示出根据本发明一个实施例设置在示例性的卡盘装置上的在其上安装有电容传感器的臂部的处于横断面中的一些部件和处于透视图中的另一些部件。如其中所示，在其上安装有电容传感器124’的臂部132设置在由卡盘装置100的夹具118支撑的晶片116之上。卡盘装置100的部件如上面参考图1描述。本领域技术人员可以理解图1中示出的轴102在图5中被省略掉。臂部132可以固定在任意的支撑部件上，如框架构件或旋转、漂洗和干燥组件的壁。在一个实施例中，臂部132由一个定位装置支撑，如下面参考图5B所述。电容传感器124’向晶片116的顶表面传送模拟能量信号，并检测集中在电容传感器和晶片项表面之间的能量。根据检测的能量水平，电容传感器124’确定晶片116和电容传感器之间的电容值。由电容传感器124’确定的电容值连续地提供到信号处理器128，如上面描述的，信号处理器128在晶片表面干燥时产生信号130(信号处理器128和信号130在图3中示出)。

图5B是根据本发明的一个实施例的连接到定位装置的且在其上安装有电容传感器的臂部的简化顶视图。如其中所示，臂部132可旋转地连接于定位装置134，定位装置在箭头所示方向中旋转臂部132，使得安装于其上的电容传感器124’“扫描”晶片116的表面。图5B中的虚线表示由电容传感器124’经过的“扫描”路径。对于本领域技术人员显而易见的是，臂部132可以以其它方式相对于晶片116移动。例如臂部132可以刚性连接于定位装置134而定位装置可以相对于晶片116移动。在定位装置134旋转臂部132的情况中，定位装置可以安装在任意的适合支撑部件上，如框架构件或旋转、漂洗和干燥组件的壁。在定位装置134相对于晶片116移动的情况中，定位装置可以安装在适合的驱动轨道上。

图6A是侧视图，其示出根据本发明的一个实施例设置在示例性卡盘装置上的且在其上安装有多个电容传感器的臂部的处于横断面中的一些部件和处于透视图中的另一些部件。如其中所示，在其上安装有电容传感器124’的臂部132设置在由卡盘装置100的夹具118支撑的晶片116之上。多个电容传感器124’的使用能够使更多的晶片表面部分被检测。由每一个电容传感器124’确定的电容值连续的提供到信号处理器128，信号处理器在每一电容传感器指示晶片表面干燥时产生信号130(信号处理器128和信号130在图3中示出)。

图6B根据本发明的一个实施例的连接于定位装置的且在其上安装有多个电容传感器的臂部的简化顶视图。如其中所示，臂部132可旋转地连接于定位装置134，定位装置在箭头的方向中旋转臂部132，使得安装于其上的每一电容传感器124’“扫描”晶片116的表面。多个电容传感器的每一个的扫描运动和晶片的旋转的结合使得在旋转干燥操作期间能够实质上监测晶片的整个顶表面。

图7是根据本发明的一个实施例的在其上安装有干涉传感器的臂部的简化示意图。如其中所示，包括光源和检测器的干涉传感器136安装在臂部132上。光源将光指向晶片116的项表面，使得从顶表面反射的光基本垂直于顶表面。该取向方式可以最小化光散射的影响。检测器测量从晶片116的顶表面反射的光强。

对于本领域技术人员显而易见的是，在干涉传感器中可以使用任意适合的光源，如光导纤维发送器、激光器，或者发光二极管(LED)。指向晶片表面的光优选地具有在大约100纳米(nm)至大约1000nm范围内的波长，且更为优选地在从大约500nm至大约850nm的范围内。在一个实施例中，光具有大约680nm的波长。不优选使用紫外光是因为它会导致晶片116上的铜的光助腐蚀(photoassisted corrosion)。本领域技术人员熟悉用于测量从晶片116表面反射的光强度的适合的检测器。

由干涉传感器136测量的强度水平连续传送到信号处理器128’，配置信号处理器以在晶片表面干燥时产生信号130’。在一个实施例中，当测量的从晶片116的表面反射的光强达到对应于当表面干燥时从晶片表面反射的光强的强度水平时，信号处理器128’产生信号130’。可以在校准操作中确定当晶片干燥时测量的从晶片表面反射的光的强度。执行校准操作时的环境条件(如湿度)应该与执行旋转干燥操作的环境条件一样。否则，在校准操作中确定的测量光强无法表示彻底干燥表面或其它希望状态。

本领域技术人员会意识到在其上安装有干涉传感器136的臂部132可以旋转，使得干涉传感器“扫描”晶片116的表面，如上面参考图5B对电容传感器的描述。另外可以在臂部132上安装多个干涉传感器136，如上面参考图6A和6B对电容传感器的描述。

总之，本发明提供用于在旋转处理操作期间监测半导体晶片的方法，以及用于旋转处理半导体晶片的方法和设备。这里根据几个示例性实施例对本发明进行描述。根据对说明书的考虑和对本发明的实践，对于本领域技术人员来说，本发明的其它实施例显而易见。例如，本领域技术人员会意识到可以将电容传感器与不同于本文中描述的示例性的卡盘装置和空心轴结构的卡盘装置和轴一起使用。另外，对于本领域技术人员显而易见的是，本文中示出的和描述的干涉传感器可以被修改以便利用椭圆光度法检测旋转干燥操作的“终点”，该椭圆光度法包括使用偏振光或其它适合的干涉技术来代替反射计。上述实施例和优选特征应该被认为是示例性的，本发明的范围由附属的权利要求书和等同物限定。