TW202027196A - 用於控制半導體晶圓溫度的方法及設備 - Google Patents

Abstract

一種半導體晶圓質量計量方法，包含：藉由下列步驟控制半導體晶圓溫度：偵測與該半導體晶圓溫度相關的資訊； 以及根據偵測到之與該半導體晶圓溫度相關的該資訊來控制該半導體晶圓之冷卻或加熱；其中控制該半導體晶圓之冷卻或加熱之該步驟包含控制該半導體晶圓之冷卻或加熱之該步驟的持續時間； 以及接下來將該半導體晶圓裝載至半導體晶圓質量計量設備之測量區域上。

Description

用於控制半導體晶圓溫度的方法及設備

本發明大致上係關於一種控制半導體晶圓溫度的方法以及一種用於控制半導體晶圓溫度的設備。

在一些實施例中，本發明係關於一種半導體晶圓質量計量方法以及一種半導體晶圓質量計量設備。

在半導體晶圓上製造微電子裝置會使用到多種技術，其中包含沉積技術（CVD、PECVD、PVD等）以及移除技術（例如化學蝕刻、CMP等）。半導體晶圓可以以其他方式進一步處理而改變其質量，例如藉由清洗、離子植入、微影技術等方式。

測量加工步驟任一側的晶圓質量變化是實現產品晶圓計量的一種有吸引力的方法。它的成本相對較低，速度快，並且可以自動適應不同的晶圓電路圖案。此外，與替代技術相比，它通常可以提供更高的準確性。例如，在許多典型的材料上，材料層的厚度可以分解到原子等級。在所關注的處理步驟之前和之後，對所討論的晶圓進行秤重。質量的變化與生產設備的性能及/或晶圓的期望性質相關。

在半導體晶圓上執行的處理步驟可能會導致半導體晶圓的質量發生很小的變化，這可能需要高精度的測量。例如，從半導體晶圓的表面移除少量材料可能會使半導體晶圓的質量減小幾毫克，可能希望以±100μg或更好等級的解析度來測量該變化。

在這些高測量精度水平下，因被測量之半導體晶圓中的溫度變化或測量天平的溫度所引起之測量輸出的誤差可能會變得顯著。例如，在半導體晶圓與測量天平或外殼之間大約0.005℃的溫度差可能會導致對半導體晶圓所判定之質量大約5μg的誤差。測量設備之不同零件間的溫度變化（也就是溫度不均勻性）（例如因使用測量設備測量之半導體晶圓的熱負荷所引起）會導致測量輸出上的誤差。此外，如果半導體晶圓溫度高於測量設備的測量外殼，則在測量外殼中的空氣中會產生氣流（例如對流），而可能會影響測量輸出。此外，測量外殼中的空氣可以被加熱，而改變其密度和壓力，並因此改變空氣對半導體晶圓施加的浮力。這也可能會影響測量輸出。這些影響的大小通常被認為是微不足道的，且在精度較低的質量測量中（例如以毫克級的解析度執行的測量）是被忽略的（或未被偵測到）。

在生產線中剛被處理完的半導體晶圓溫度可能是400-500℃或更高。在處理之後，可以將半導體晶圓與其他最近處理的半導體晶圓（例如總共25個）一起裝載到前開式晶圓傳送盒（FOUP）中，以在生產線的不同處理位置之間進行運輸。當FOUP到達用於秤半導體晶圓重量的秤重裝置時，半導體晶圓溫度可能仍然很高，例如70℃或更高。相對地，秤重裝置的溫度可能為約 20℃。因此，在半導體晶圓和秤重裝置之間可能存在明顯的溫度差。如上所述，半導體晶圓和秤重裝置之間的明顯溫度差可能導致重量測量中的誤差。對於高精度重量測量，即使是很小的溫度差（例如小於1℃，例如0.001℃）所引起的誤差也可能很明顯。

WO02/03449描述了一種半導體晶圓質量計量方法，該方法旨在減少由測量天平或被測量的半導體晶圓之溫度變化所引起之測量輸出的誤差。在WO02/03449所描述的方法中，將半導體晶圓自前開式晶圓傳送盒（FOUP）中移出並放置在被動式熱傳板上，該被動式熱傳板在其被放置在半導體晶圓質量計量設備之測量區域上之前已熱耦合至半導體晶圓質量計量設備的腔室。被動式熱傳板會使半導體晶圓溫度與腔室的溫度均等並保持在±0.1℃之內。當將半導體晶圓裝載到測量室中時，這種溫度均等可以降低上面所討論的潛在誤差。因此，相對於在進行測量之前沒有使半導體晶圓溫度均等的方法，此方法可以使測量輸出更加準確。

WO2015/082874 描述了WO02/03449中之半導體晶圓質量計量方法的發展，其中在使用熱傳板讓半導體晶圓溫度與半導體晶圓質量計量設備之溫度相等之前，先自半導體晶圓移除大部分的熱負荷，以減少對半導體晶圓質量計量設備的熱負荷（否則其可能導致半導體晶圓質量計量設備之溫度上的變化）。在WO2015/082874公開的實施例中，乃使用主動式熱傳板從半導體晶圓移除大部分熱負荷，然後使用被動式熱傳板使半導體晶圓溫度等於測量室的溫度，該被動式熱傳板係安裝在測量室的上表面上並與測量室保持熱平衡。

當使用例如主動式熱傳板的熱傳板來冷卻半導體晶圓時，通常是將半導體晶圓放置在熱傳板的頂部上而使其與熱傳板接觸。

典型上係將半導體晶圓放置在與熱傳板接觸一段固定的時間，該段時間被認為應足以確保將具有在預定溫度分佈內之初始進入溫度的所有半導體晶圓冷卻到實質相同的預定溫度。例如，可以將所有半導體晶圓放置在主動式熱傳板上持續40秒的固定時間。

然而這意味著會將較冷的半導體晶圓放置在與熱傳板接觸的時間長於將半導體晶圓冷卻至預定溫度的實際所需時間。因此，這會降低半導體晶圓處理的產量，且降低半導體晶圓處理的生產率。具體而言，冷卻半導體晶圓的步驟可以是半導體晶圓處理中的速率限制步驟，使得對半導體晶圓冷卻時間的任何增加都會導致半導體晶圓處理總時間的相應增加，並因而降低了產量及生產率。

本發明人已經體認到，當在冷卻半導體晶圓時，將半導體晶圓之初始進入溫度考慮進去，可改善半導體晶圓處理的產量及生產率，例如，使得較冷的半導體晶圓不像較熱的半導體晶圓冷卻那麼長的時間，或例如，如果半導體晶圓的溫度已經等於或處於預定溫度的預定範圍內，便完全不對半導體晶圓進行冷卻。

更廣泛而言，相同的考量也可以適用於其它情況下的半導體晶圓處理，其中在執行半導體晶圓之處理前，有必要將進入之半導體晶圓的溫度控制在預定溫度。

因此，最廣泛地，本發明提供一種方法，其中半導體晶圓之冷卻或加熱係至少部分地基於半導體晶圓的進入溫度來控制。此種方法的實現可以是半導體處理方法的一部分，例如半導體晶圓計量方法。

根據本發明的第一態樣，提供了一種控制半導體晶圓溫度的方法，該方法包含：偵測與半導體晶圓溫度相關的資訊；以及基於所偵測到之與半導體晶圓溫度相關的資訊來控制半導體晶圓的冷卻或加熱。

在本發明的第一態樣中，半導體晶圓的冷卻或加熱是基於與半導體晶圓溫度相關的資訊來控制。這意味著在執行半導體晶圓的冷卻或加熱時要考慮半導體晶圓溫度，俾使較冷的半導體晶圓與較熱的半導體晶圓進行不同的冷卻或加熱。因此，可以針對半導體晶圓溫度來使半導體晶圓的冷卻或加熱最佳化，從而可以提高產量和生產率。控制半導體晶圓的冷卻或加熱步驟可以包含決定不對半導體晶圓進行冷卻或加熱，例如在半導體晶圓的溫度已經等於或處於期望溫度的預定範圍內。換句話說，控制半導體晶圓的冷卻或加熱步驟可以包含將半導體晶圓的冷卻或加熱的持續時間設定為零，從而不執行半導體晶圓的冷卻或加熱。

本發明的第一態樣可以選擇性地具有以下選擇性特徵中的任何一個，或者在相容的情況下具有以下選擇性特徵的任意組合。

典型上，半導體晶圓的溫度為半導體晶圓的進入溫度，例如，如果要進行半導體晶圓的冷卻或加熱步驟的話，在半導體晶圓的冷卻或加熱步驟快要開始進行、或（就在）開始進行之前的半導體晶圓溫度。例如，如果要進行半導體晶圓的冷卻或加熱步驟的話，就在開始進行半導體晶圓的冷卻或加熱步驟之前不到1分鐘內、或不到30秒內、或不到10秒內進行對半導體晶圓溫度的測量。

典型上，如果要進行半導體晶圓的冷卻或加熱步驟的話，半導體晶圓溫度的測量係於半導體晶圓的冷卻或加熱步驟要開始前不到3秒內進行，例如在晶圓放置到熱傳板上之前不到3秒內。接著，如果要進行半導體晶圓的冷卻或加熱步驟的話，當半導體晶圓的冷卻或加熱步驟開始時，所量測到的溫度會準確地對應到半導體晶圓溫度。

與半導體晶圓溫度相關的資訊可以是半導體晶圓的實際溫度。替代性地，該資訊可以是指示或表示或與半導體晶圓的實際溫度成比例的資訊，例如半導體晶圓發射的紅外線（IR）輻射量。

偵測與半導體晶圓溫度相關的資訊通常意味著測量與半導體晶圓溫度相關的資訊，例如，測量由半導體晶圓發射出的IR輻射的量。

與半導體晶圓溫度相關的資訊可以使用非接觸式測量方法偵測。

例如，偵測與半導體晶圓溫度相關的資訊可以包含偵測由半導體晶圓發射的輻射，例如IR輻射。典型上，該方法會涉及測量由半導體晶圓發射的輻射量。由於半導體晶圓發射的IR輻射量取決於半導體晶圓溫度，因此半導體晶圓發射的IR輻射量便指出半導體晶圓的溫度。

當然，可以以不同的方式來測量與半導體晶圓溫度相關的資訊。

例如，與半導體晶圓溫度相關的資訊可以使用接觸式的方法取代來測量，例如藉由使溫度感應器與半導體晶圓接觸。

在一些例示中，測量與半導體晶圓溫度相關之資訊的步驟可以包含測量與半導體晶圓熱接觸之物體的溫度相關的資訊，例如用於傳送半導體晶圓之機械臂的末端效應器。 此資訊可以使用非接觸方法來獲得，例如透過測量紅外線輻射量。

在一些例示中，非接觸式溫度測量裝置可以嵌入在用於傳送半導體晶圓的機械臂或機械臂的末端效應器中。

在一些例示中，可以使用熱像儀來執行非接觸式測量。

當然，在本發明中可以使用方法組合或一種以上的方法來獲得與半導體晶圓溫度相關之資訊，例如接觸式方法和非接觸式方法的組合。

半導體晶圓的冷卻或加熱可以唯一地取決於半導體晶圓溫度的方式來控制，從而針對半導體晶圓的每個不同溫度執行不同的冷卻或加熱控制。

替代性地，該方法可以包含將與半導體晶圓溫度相關的偵測資訊與一或多個閾值進行比較；以及基於比較結果來控制半導體晶圓的冷卻或加熱。

例如，溫度大於（或大於或等於）閾值的半導體晶圓可以以第一方式控制其冷卻或加熱，而溫度小於（或小於或等於）閾值的半導體晶圓可以以第二方式控制其冷卻或加熱。

因此，本質上，可以將半導體晶圓分類為「冷」或「熱」類別，然後可以基於該分類來控制半導體晶圓的加熱或冷卻。例如，當控制半導體晶圓的冷卻步驟時，在「冷」類別中的晶圓比在「熱」類別中的晶圓被冷卻較短的時間，或在「冷」類別中的晶圓可以根本不被冷卻，即可以省略對「冷」類別晶圓的冷卻步驟，而對「熱」類別的晶圓進行冷卻。

更大致而言，可以將半導體晶圓分類為「環境」或「非環境」。

例如，本方法可以包含：將所偵測到之與半導體晶圓溫度相關的資訊與閾值進行比較；以及基於比較的結果，將半導體晶圓分類至多個類別之一； 以及基於該分類的結果來控制半導體晶圓的冷卻或加熱。

從半導體晶圓發射的紅外線輻射量可能受到半導體晶圓上任何塗層的顯著影響。尤其是，矽對於紅外線波長基本上是透明的，而通常應用於半導體晶圓的塗層對於紅外線波長通常是不透明的，且通常具有不同程度的紅外線發射率。因此，閾值的決定可以考慮所測量之半導體晶圓的具體構造，例如半導體晶圓的任何表面塗層。

可以藉由測量來自半導體晶圓的IR信號來實驗確定此閾值，該半導體晶圓具有針對半導體晶圓之不同溫度的特定構造（例如特定的（一或多個）表面塗層）。替代性地，可以基於理論來計算出此閾值。

更廣泛地說，該閾值可基於通常用於在半導體晶圓上之複數塗層的紅外線發射率來預先確定，例如平均值，或基於最小或最大值。

類別的數量可以是兩個，例如上面討論的「冷」或「熱」類別範例，或者也可以是兩個以上。實務上，可能類別的數量可以是任何數量。

典型上，每個類別將唯一地對應於控制半導體晶圓的加熱或冷卻的特定方式，從而使不同類別的半導體晶圓彼此不同地被冷卻或加熱。控制半導體晶圓的冷卻或加熱步驟可以包含控制半導體晶圓的冷卻或加熱的持續時間。在半導體晶圓具有等於期望溫度的溫度（例如環境溫度或測量室的溫度）的情況下，可以將半導體晶圓的冷卻或加熱的數量控制為零，從而不對半導體晶圓進行加熱或冷卻。因此，可以將半導體晶圓的冷卻或加熱的持續時間控制為零。

控制半導體晶圓的冷卻或加熱步驟可包含如果半導體晶圓之測量溫度和預定溫度（例如測量區域的溫度、例如測量室的溫度）之間的溫度差小於±2K或±1K或±0.5K或±0.1K，便省略一個可用的冷卻或加熱步驟。

例如，此可以包含控制半導體晶圓與加熱或冷卻零件（例如熱傳板）接觸的持續時間。

替代性地，或此外，這可以包含控制向用於加熱或冷卻半導體晶圓的動力加熱或冷卻零件（例如電阻加熱器或帕耳帖裝置）供電的持續時間。

例如，當冷卻半導體晶圓時，與較熱的晶圓相比，較冷的晶圓可以被冷卻較短的持續時間。相反地，當加熱半導體晶圓時，較熱的晶圓可以比較冷的晶圓加熱更短的持續時間。因此，產量及生產率可以改善。替代性地，在半導體晶圓溫度等於或處於期望溫度的預定範圍內的情況，半導體晶圓的冷卻或加熱步驟可以省略，而不進行冷卻或加熱。

替代性地，或此外，控制半導體晶圓的冷卻或加熱步驟可以包含控制半導體晶圓的冷卻或加熱的速率。在半導體晶圓溫度等於或處於期望溫度的預定範圍內的情況下，可以將冷卻或加熱的速率控制為零，從而不執行冷卻或加熱。

冷卻或加熱的速率是指溫度變化除以溫度變化發生的時間。因此，較高的冷卻或加熱速率對應於更快的溫度變化。

例如，當冷卻半導體晶圓時，比起較冷的晶圓，較熱的晶圓可以以更快的速率冷卻，以減少冷卻較熱的晶圓所花費的時間。相反地，當加熱半導體晶圓時，比起較熱的晶圓，較冷的晶圓可以以更快的速率加熱，以減少加熱較冷的晶圓所花費的時間。因此，可以改善產量和生產率。

可以使用被動式冷卻或加熱裝置（例如被動式熱傳板）或主動式冷卻或加熱裝置（例如主動式熱傳板）來冷卻半導體晶圓。

在本文中，「被動式」是指冷卻或加熱裝置並非被冷卻/加熱元件冷卻或加熱，而是僅透過周圍環境接收其溫度。

被動式熱傳板通常是具有高熱質量和/或高導熱率的材料板或塊。

例如，被動式熱傳板可以是金屬板或塊，例如鋁。

在使用被動式熱傳板進行加熱或冷卻的情況下，被動式熱傳板可以與隨後將在其中處理半導體晶圓的處理室實質上處於熱平衡，例如計量設備的測量室（熱平衡可能意味著溫差不超過0.1℃）。例如，被動式熱傳板可以例如使用具有高導熱率的螺栓附接到處理/測量室的外表面。

相反地，「主動式」指的是冷卻或加熱設備係藉由動力的加熱或冷卻裝置來加熱或冷卻。

例如，半導體晶圓可以使用帕耳帖裝置來冷卻，或者使用電阻加熱裝置來加熱。

半導體晶圓的加熱可以例如替代性地使用電加熱器來實現。

半導體晶圓的冷卻可以例如替代性地使用冷凍系統或水冷卻系統來實現。

然而，典型上使用熱傳板可以更精確地冷卻或加熱半導體晶圓。

主動式熱傳板可包含具有高熱質量和/或高導熱率的材料的板或塊，其由一或多個動力冷卻或加熱裝置來加熱或冷卻。例如，材料的板或塊可以是金屬板或塊，例如鋁。

控制半導體晶圓的冷卻或加熱步驟可以包含控制該動力冷卻或加熱裝置之功率。增加動力冷卻或加熱裝置的功率典型上係對應於增加由冷卻或加熱裝置所提供之半導體晶圓的冷卻或加熱速率，而降低動力冷卻或加熱裝置的功率典型上則是對應於降低冷卻或加熱裝置的功率。控制動力冷卻或加熱裝置之功率的步驟可以包含控制供應給動力冷卻或加熱裝置或由其使用的電力。在半導體晶圓溫度等於或在期望溫度的預定範圍內的情況下，可以將動力冷卻或加熱裝置的功率控制為零。

根據本發明的第一態樣之控制半導體晶圓溫度的方法可以是半導體晶圓處理方法的一部分，而在該半導體晶圓處理方法中係用以處理半導體晶圓。

因此，根據本發明，可以提供一種半導體晶圓處理方法，該方法包含：使用本發明之第一態樣的方法控制半導體晶圓溫度；然後將半導體晶圓裝載到半導體晶圓處理設備的處理區域上。

在這樣的處理方法中，可以將半導體晶圓溫度控制為基本上等於預定的處理溫度，該預定的處理溫度也就是執行半導體晶圓處理的半導體晶圓的期望溫度。這可以使用如上面所討論之被動式或主動式冷卻來實現，例如透過使用如上面所討論的被動式或主動式熱傳板來實現。

替代性地，首先可以將半導體晶圓溫度控制為在預定處理溫度的±2K或±1K或±0.5K或±0.1K 以內的溫度，然後該方法可以進一步包含將半導體晶圓冷卻或加熱到基本上等於預定處理溫度的進一步步驟。因此，將半導體晶圓冷卻或加熱到預定處理溫度可以是一個兩步驟的冷卻或加熱過程。

例如，根據本發明之第一態樣的方法可以包含使用主動式冷卻零件控制半導體晶圓的冷卻或加熱，然後隨後使用被動式冷卻零件來冷卻或加熱半導體晶圓，例如與處理室（要在其中處理半導體晶圓）基本上熱平衡的被動式冷卻零件（例如上述的被動式熱傳板）。

在半導體晶圓的進入溫度等於預定處理溫度或處於預定處理溫度的預定範圍內，可以省略使用主動式冷卻零件來進行半導體晶圓的冷卻或加熱步驟，且可以替代性地僅使用被動式冷卻零件來進行半導體晶圓的冷卻或加熱。如此可以顯著提高半導體晶圓的產量。

該處理方法可以是計量方法，例如質量計量方法。

在一個具體例示中，該處理方法可以是半導體晶圓質量計量方法，該方法包含使用本發明之第一態樣的方法控制半導體晶圓溫度；以及隨後將半導體晶圓裝載至半導體晶圓質量計量設備的測量區域上。

在這種質量計量方法中，典型上係使用一步驟的加熱或冷卻處理或如上述之兩步驟的冷卻或加熱處理而將半導體晶圓溫度控制為等於半導體晶圓質量計量設備之測量區域的溫度。本發明之第一態樣的方法可以應用於兩步驟之冷卻處理中的任一步驟或兩個步驟。

測量區域可以位於測量室內部； 且可以將半導體晶圓溫度控制為基本上等於測量室的溫度，或者在測量室的溫度的±2K或±1K或±0.5K或±0.1K 以內。

根據本發明之第二態樣，提供了一種用於控制半導體晶圓溫度的設備，該設備包含：用於冷卻或加熱半導體晶圓的冷卻或加熱零件；以及控制器，其配置係用以基於與半導體晶圓溫度相關的偵測資訊來控制該冷卻或加熱零件，以對半導體晶圓進行冷卻或加熱。

在相容的情況下，本發明之第二態樣可以包含以上討論的本發明之第一態樣的任何特徵。

在這些與方法步驟相關之特徵的情況下，控制器可以被配置為控制該設備以執行該等方法步驟。

另外或可替代地，本發明的第二態樣可以包含以下可選特徵的任何一個，或者在相容的情況下，可以包含以下任意特徵的任意組合。

該控制器可以被配置為：將偵測到之與該半導體晶圓溫度相關的資訊與閾值進行比較；基於該比較的結果來控制該半導體晶圓的冷卻或加熱。

該控制器可以被配置為：將偵測到之與該半導體晶圓溫度相關的資訊與閾值進行比較；基於該比較的結果，將半導體晶圓分類為複數個類別其中之一； 並基於分類結果來控制半導體晶圓的冷卻或加熱。

該控制器可以被配置為控制冷卻或加熱半導體晶圓的持續時間。  控制半導體晶圓之冷卻或加熱的持續時間的步驟可以包含決定不執行半導體晶圓的冷卻或加熱，使得半導體晶圓的冷卻或加熱的持續時間為零。

例如，在冷卻或加熱零件為動力冷卻或加熱零件的情況下，控制半導體晶圓的冷卻或加熱的持續時間步驟可以包含控制向冷卻或加熱零件供電的持續時間。

例如，控制器可以被配置為控制冷卻或加熱零件的冷卻或加熱速率。控制半導體晶圓的冷卻或加熱速率的步驟可以包含決定不執行半導體晶圓的冷卻或加熱，以使得半導體晶圓的冷卻或加熱的速率為零。

替代性地，控制半導體晶圓之冷卻或加熱的持續時間的步驟可以包含控制半導體晶圓與冷卻或加熱零件接觸的持續時間。

例如，該設備可以包含一或多個傳送零件（例如一或多個具有一或多個末端效應器的機械臂），用於裝載/卸載半導體晶圓到/離開冷卻或加熱零件，並且控制器可以控制半導體晶圓的裝載/卸載時間 ，以使半導體晶圓裝載到冷卻或加熱零件上持續所需的時間。

該冷卻或加熱零件可以包含一動力冷卻或加熱裝置。

該控制器之配置係用以控制該動力冷卻或加熱裝置的電源。

如上所討論者，該冷卻或加熱零件可以是被動式熱傳板或主動式熱傳板。

該設備可以包含偵測器，其配置係用以偵測與半導體晶圓溫度相關的資訊，例如透過測量由半導體晶圓發射的輻射量。

偵測器之配置係用以在將半導體晶圓裝載到冷卻或加熱零件上之前偵測與半導體晶圓溫度相關的資訊。這樣做是有利的，因為如果半導體晶圓溫度已經在預定溫度的預定範圍內，便可以決定不對半導體晶圓進行冷卻或加熱，在這種情況下，便不會將半導體晶圓裝載到冷卻或加熱零件上。

替代性地，當半導體晶圓被裝載到冷卻或加熱零件上時或期間，偵測器之配置係用以偵測與半導體晶圓溫度相關的資訊。

然而，偵測器可以與設備分開設置，在這種情況下，本發明可以提供一種系統，該系統包含根據本發明第二態樣的設備以及用以偵測與半導體晶圓溫度相關之資訊的偵測器。

該偵測器可以包含紅外線偵測器，用以偵測來自半導體晶圓的紅外線輻射。典型上，測量半導體晶圓所發射出的紅外線輻射量，並用於給出半導體晶圓溫度的定性（透過與其他測量值比較）或定量（透過計算）指示。

該設備可以是半導體晶圓處理設備，其進一步包含處理區域，在該處理區域中可以對半導體晶圓進行處理以測量或改變半導體晶圓之一或多個特性。

該設備可以是半導體晶圓質量計量設備，其進一步包含測量區域，在該測量區域中可以確定半導體晶圓的重量和/或質量，或者可以確定半導體晶圓的重量和/或質量的變化。

圖1顯示根據本發明之第一實施例的半導體晶圓質量計量設備。該半導體晶圓質量計量設備包含具有秤盤3的秤重天平1，秤盤3係用以容納半導體晶圓。秤重天平1之配置係用以提供測量輸出而指出裝載在秤盤3上之半導體晶圓的重量。

秤重天平1位於秤重室5內，其在秤重天平1周圍形成封閉的環境，以例如保持基本均勻之秤重天平周圍之空氣的空氣密度、氣壓和空氣溫度，並防止通風氣流並提供電磁屏蔽。秤重室5具有開口（未顯示），例如在秤重室5之側壁上的適當尺寸的狹槽，以允許例如以機械臂將半導體晶圓輸送到秤重室5中並定位在秤盤3上。在不使用時，可以用可打開的門或蓋（未顯示）蓋住開口，以在使用秤重天平1進行測量時使秤重室5基本上關閉或密封。

被動式熱傳板7位於秤重室5的頂部。被動式熱傳板7包含具有良好導熱性的材料塊（例如Al）。被動式熱傳板亦較佳具有高的熱質量，從而當其被加熱時，其溫度變化緩慢且稀少，並且具有良好的橫向導熱性，從而在整個上表面上保持基本均勻的溫度。在此實施例中，被動式熱傳板7由鋁製成，但是在其他實施例中，可以使用具有良好導熱率的任何其他材料。

被動式熱傳板7直接位於秤重室5的頂部，從而使被動式熱傳板7與秤重室5之間具有良好的熱接觸。被動式熱傳板7與秤重室5係直接物理性接觸。被動式熱傳板7可以例如使用一或多個螺栓（未顯示）及/或導熱接合層（未顯示）來附接或固定到秤重室5。

由於被動式熱傳板7與秤重室5之間良好的熱接觸的結果，被動式熱傳板7可能基本上與秤重室5熱平衡，並因此可以與秤重室5具有基本上相同的溫度。秤重天平1也可以與秤重室5處於熱平衡，因此也可以具有與秤重室5基本相同的溫度。如此，被動式熱傳板7可以與秤重天平1基本處於熱平衡，因此可能與秤重天平1的溫度基本相同。

秤重天平1及秤盤3可以被視為包含半導體晶圓質量計量設備的測量區域。替代性地，秤重室5可以被認為包含半導體晶圓質量計量設備的測量區域。

圖1的半導體晶圓質量計量設備進一步包含主動式熱傳板9、IR感應器10以及控制器12，將在下面更詳細地討論。

複數個帕耳帖裝置11附接到主動式熱傳板9的底側。每一帕耳帖裝置11具有附接到其底面的散熱槽13。可以在熱傳板9底側下方的區域17中提供氣流15，以便從帕耳帖裝置11及散熱槽13移除熱能。當然，氣流的構造可以與圖1所示的不同，例如可以透過風扇將空氣從區域17的底部吹出。

在圖1中，主動式熱傳板9被顯示為位於秤重室5的右側。然而，在其他實施例中，主動式熱傳板9可定位成不同方式，例如在不同側、在秤重室5的上方或下方、或比圖1所示的更靠近或更遠離秤重室5。在其他實施例中，主動式熱傳板9可直接或間接地附接或連接至被動式熱傳板7。

使用上，晶圓傳送器（例如EFEM之機械臂的末端效應器）係用於自FOUP（未顯示）或者自另一處理設備（未顯示）移出半導體晶圓，並將半導體晶圓傳送到主動式熱傳板9並將其放置在主動式熱傳板9上。當從FOUP（或其他處理設備）中取出半導體晶圓時，其溫度可能約為70℃。例如，半導體晶圓可能已經在半導體裝置生產線的處理站處被處理，而可能已將半導體晶圓加熱到400至500℃的溫度，然後才將半導體晶圓裝載到FOUP中。

當將半導體晶圓放置在主動式熱傳板9上時，熱能便從半導體晶圓傳導到主動式熱傳板9，從而降低了半導體晶圓溫度。典型上係將半導體晶圓定位在主動式熱傳板9上足夠長的時間，以使半導體晶圓及主動式熱傳板9達到熱平衡（例如使得它們具有基本上相同的溫度）。如下面討論者，在本實施例中，藉由主動式熱傳板9來冷卻半導體晶圓的步驟係由控制器12基於IR感應器10所測量之半導體晶圓的進入溫度來控制。如下所討論者，在某些情況下可以不執行藉由主動式熱傳板9對半導體晶圓的冷卻，在這種情況下，可以不將半導體晶圓放置在主動式熱傳板9上。

將熱能從半導體晶圓傳遞到主動式熱傳板9會用作為增加主動式熱傳板9的溫度。在此情況下，半導體晶圓與主動式熱傳板9的熱平衡溫度可能與半導體晶圓的期望溫度不同。為了防止主動式熱傳板9的溫度因來自半導體晶圓的熱負荷而升高，主動式熱傳板9可經操作而主動消散從半導體晶圓所移除的熱負荷。具體而言，操作帕耳帖裝置11以主動地從主動式熱傳板9 移除熱能。換句話說，將電力供應至帕耳帖裝置11，以使其作為主動式熱泵，而將熱能自其與主動式熱傳板9 接觸的上表面傳遞到散熱槽13所附接的下表面。

在主動式熱傳板9 下方的區域17中提供氣流15 ，帕耳帖裝置11和散熱槽13定位在該區域中，以便從帕耳帖裝置11和散熱槽13移除熱能。利用主動式熱傳板9 從半導體晶圓上因此而移除的熱能係藉由氣流15傳送離開半導體晶圓質量計量設備的秤重室5並自其消散，因此該熱能對半導體晶圓質量計量設備的溫度沒有影響。氣流15可以由例如位於區域17中或區域17之邊緣處的一或多個風扇產生。換句話說，熱能會從主動式熱傳板9 主動消散。

如上所述，主動地自主動式熱傳板9消散熱能將防止熱能積聚在主動式熱傳板9中而導致熱傳板9的溫度升高。在本實施例中，自半導體晶圓所移除之熱能乃係藉由主動式熱傳板9有效地/有效率地消散。這可以使得半導體晶圓溫度能夠利用熱傳板9更精確/準確地控制。

主動式熱傳板9的操作係用以移除來自半導體晶圓的大部分熱負荷，俾使當半導體晶圓定位在秤盤3上時，其溫度可以降低至接近於半導體晶圓所期望的溫度。主動式熱傳板9可移除超過90％、或超過95％之需被移除的熱能，以將半導體晶圓溫度降低到期望的溫度。換句話說，主動式熱傳板9可引起將半導體晶圓（當其放置在秤盤3上時）從其初始溫度降低到期望溫度時所需之超過90％或超過95％的溫度變化。

在本實施例中，當將半導體晶圓裝載到秤盤3上時，吾人期望使半導體晶圓溫度與秤重室5的溫度基本相符，俾使半導體晶圓與秤重室5之間基本上沒有溫度差（且因此在半導體晶圓與秤重天平1之間基本上沒有溫度差）。在本實施例中，主動式熱傳板9可以將半導體晶圓冷卻到秤重室5溫度的±1℃之內。例如，在秤重室的溫度為20℃的情況下，主動式熱傳板9可以將半導體晶圓冷卻至（20±1）℃的溫度。然而，在其他實施例中，由主動式熱傳板9 提供的冷卻量可以與此不同，只要主動式熱傳板9 至少提供半導體晶圓所需溫度變化的50％以上，較佳是超過80％以上。

一旦使用主動式熱傳板9 將半導體晶圓冷卻至接近期望溫度的溫度，便會使用晶圓傳送器將半導體晶圓運送至被動式熱傳板7。

然而，如上所述，在半導體晶圓溫度處於期望溫度（例如秤重室5的溫度）的預定範圍內的情況下，在使用主動式熱傳板9冷卻半導體晶圓之前，可以決定省略使用主動式熱傳板9來冷卻半導體晶圓，取而代之的是，將半導體晶圓輸送到被動式熱傳板7而不先透過主動式熱傳板9進行冷卻。

如上所討論者，當半導體晶圓被定位在被動式熱傳板7時，半導體晶圓和被動式熱傳板7之間有良好的熱接觸。因此，半導體晶圓乃藉由熱能自半導體晶圓傳導到被動式熱傳板7而冷卻下來。典型上係將半導體晶圓定位在被動式熱傳板7上足夠長的時間，以使半導體晶圓及被動式熱傳板7具有基本上相同的溫度（也就是使得半導體晶圓相符於或相等於被動式熱傳板7的溫度，而因此達到秤重室5的溫度）。例如，可以將半導體晶圓放置在熱傳板7上長達60秒的時間。

在將半導體晶圓放置在被動式熱傳板7上之前，已經先透過主動式熱傳板9 移除了大部分熱能（除非由於半導體晶圓溫度在所需溫度的預定範圍內而省略使用主動式熱傳板9進行冷卻）。因此，在溫度平衡期間，被動式熱傳板7上的熱負荷非常低，因此被動式熱傳板7和秤重室5（具有高的熱質量）的溫度在溫度平衡期間乃保持基本恆定。此外，為了使半導體晶圓與被動式熱傳板7 達到熱平衡，僅有相當少的熱能必須被交換。

當半導體晶圓溫度與秤重室5的溫度基本相等時（例如當半導體晶圓位於熱傳板7上已經過預定的時間段時），晶圓傳送器便將半導體晶圓從熱傳板7傳送到秤盤3。接著使用秤重天平1來提供指示半導體晶圓重量的測量輸出。因為半導體晶圓溫度已經基本與秤重室的溫度匹配，且沒有顯著改變秤重室的溫度（因為秤重室上的熱負荷很小），所以測量輸出中的溫度誤差可能基本上為零。例如秤重室5中可能沒有產生明顯的對流，半導體晶圓上的浮力沒有顯著變化（浮力可以是藉由加熱秤重室5中的空氣所引起），且秤重天平1中沒有因半導體晶圓出現在秤盤3上而產生明顯的溫度變化（例如溫度升高或溫度不均勻）。

如上所述，本實施例之半導體晶圓質量計量設備包含IR感應器10及控制器12。在圖中係示意性地顯示出IR感應器10及控制器12，當然它們的配置及在實施中的定位會與圖中所示的不同。

IR感應器10之配置係用以在將半導體晶圓放置在主動式熱傳板9上之前測量由半導體晶圓發出的紅外線（IR）輻射。對由半導體晶圓發射之IR輻射的測量會指出半導體晶圓在定位於主動式熱傳板9上之前的進入溫度。

如上所述，典型上係將半導體晶圓定位在主動式熱傳板9上足夠長的時間，以使半導體晶圓及主動式熱傳板9達到熱平衡（例如使得它們具有基本上相同的溫度）。過去是將所有半導體晶圓放置在主動式熱傳板9上相同的時間段（例如40秒）來實現的。然而，本發明人已經意識到，如此意味著某些較冷的半導體晶圓在主動式熱傳板9上的放置時間會比使半導體晶圓與主動式熱傳板熱平衡之實際所需的時間更長。

相對地，在本發明中，控制器12乃基於由IR感應器所執行之測量來控制主動式熱傳板9對半導體晶圓的冷卻。

具體而言，控制器12之配置係用以接收來自IR感應器的測量結果，並且基於接收到的測量結果來控制主動式熱傳板9對半導體晶圓的冷卻。

在本實施例中，控制器12之配置係用以基於IR感應器10的測量結果來控制主動式熱傳板9對半導體晶圓的冷卻的持續時間。具體而言，控制器12之配置係用以控制對較冷之半導體晶圓（其測量之IR幅值較小）的冷卻持續時間要短於對較熱之半導體晶圓（其測量之IR幅值較大）的冷卻持續時間。在半導體晶圓溫度等於或在期望溫度（例如秤重室5的溫度）之預定範圍內的情況下，可以決定不使用主動式熱傳板來冷卻半導體晶圓。換句話說，可以將透過主動式熱傳板9冷卻半導體晶圓的持續時間控制為零。

在本實施例中，控制器12之配置係用以基於IR感應器10的測量結果而將每個進入的半導體晶圓分類為「冷」或「熱」，並且透過主動式熱傳板9基於該分類來控制對半導體晶圓的冷卻持續時間。

當然，在其他實施例中，控制器12可以更一般性地配置用以基於IR感應器10的測量結果而將每個進入的半導體晶圓分類為「環境」或「非環境」。

例如，可以將IR感應器10針對半導體晶圓測量之IR輻射的大小與預定閾值進行比較，以查看其測量之大小是否大於（或大於等於）預定閾值。當該測量大小大於（或大於等於）預定閾值時，便可以將半導體晶圓歸類為「熱」，而在不是這種情況下，便可以將半導體晶圓歸類為「冷」。

被分類為「熱」的半導體晶圓可以被冷卻達第一持續時間，而被分類為「冷」的半導體晶圓可以被冷卻達較短的第二持續時間，第二持續時間可以例如為零（換句話說，「冷」晶圓可以不被主動式熱傳板9冷卻）。例如，取代於將所有的半導體晶圓讓主動式熱傳板9冷卻40秒的時間，例如，可以將「熱」晶圓冷卻40秒，而將「冷」晶圓冷卻30秒。因此，減少了用於冷卻「熱」、「冷」混合晶圓的總冷卻時間，而增加了產量和生產率。

當然，可以有兩個以上的類別，並且最熱的半導體晶圓可以被歸類為第三類別，其具有比「熱」晶圓更長的冷卻時間，例如50秒。

在本實施例中係透過控制將半導體晶圓裝載到主動式熱傳板上的時間來控制由主動式熱傳板9冷卻半導體晶圓的持續時間。因此，控制器12可以控制將半導體晶圓裝載到主動式熱傳板9上的時間以及將半導體晶圓從主動式熱傳板9上卸載的時間，以便適當地控制主動式熱傳板9對半導體晶圓冷卻的持續時間。如上所述，可以將半導體晶圓裝載到主動式熱傳板9上的時間控制為零。

在其他實施例中，控制器12可以替代地或附加地控制主動式熱傳板9之主動冷卻的量。例如，控制器12可以控制供應給帕耳帖裝置11的功率，以改變 Peltier裝置所提供的冷卻速率。

在替代性實施例中，可以基於IR感應器10的測量結果來唯一地控制半導體晶圓的冷卻，例如，使用使IR感應器10的IR測量結果與半導體晶圓之適當冷卻持續時間相關連的關係。此種關係可以透過適當的實驗預先確定。

可替代地，可以例如透過將IR感應器10之測量輸出與多個預定閾值進行比較，而將半導體晶圓分類為兩個以上的類別。

在替代性實施例中，IR感應器10和控制器12可以替代性地或附加性地設置用於被動式熱傳板7。因此，基於IR感應器10的測量值，可以由控制器12控制由被動式熱傳板7對半導體晶圓的冷卻。

圖2顯示根據第二實施例的半導體晶圓質量計量設備。根據第二實施例的半導體晶圓質量計量設備與第一實施例的不同之處在於，省略了第一實施例的被動式熱傳板7。本實施例的其他特徵可以與上述第一實施例的其他特徵相同，因此不再詳細描述這些特徵。

在第二實施例中，半導體晶圓可以從主動式熱傳板9直接被傳送到秤重室5。

在本實施例中，較佳地係控制主動式熱傳板9以使半導體晶圓溫度與秤重室5的溫度基本匹配。

圖3顯示根據第三實施例的半導體晶圓質量計量設備。根據第三實施例的半導體晶圓質量計量設備與第一實施例的不同之處在於，省略了主動式熱傳板9，而為被動式熱傳板7設置了IR感應器10和控制器12。

因此，在第三實施例中，IR感應器在將半導體晶圓裝載到被動式熱傳板7上之前，先測量來自半導體晶圓的IR輻射，該IR輻射指示出在被動式熱傳板7處的半導體晶圓的進入溫度。

接下來控制器12以與上面關於第一實施例所討論的方式類似的方式，例如透過控制將半導體晶圓裝載到被動式熱傳板7上的時間量，來控制由被動式熱傳板7冷卻半導體晶圓的持續時間。

在替代實施例中，被動式熱傳板7可以不位於秤重室5上，而是可以與秤重室5分開設置。

在以上討論的實施例中，係基於由IR感應器10所偵測到之來自半導體晶圓的IR幅度來控制半導體晶圓的冷卻。

在某些情況下，半導體晶圓可能具有一或多個塗層，該塗層可影響半導體晶圓在給定溫度下發射的IR幅度。

因此，本發明可以進一步包含例如將半導體晶圓之任何表面塗層的IR發射率納入考慮，而針對半導體晶圓的特定配置來校準IR感應器10和/或控制器12。

例如，在將IR感應器10的測量結果與預定閾值進行比較以將半導體晶圓分類為特定類別的情況下，可以將被測量之半導體晶圓的具體構造（例如半導體晶圓的任何表面塗層）納入考慮來確定預定閾值。

針對半導體晶圓之不同溫度，可以透過測量來自具有特定構造（例如特定的表面塗層）之半導體晶圓的IR信號來實驗確定這樣的預定值。替代性地，此種預定值可以基於理論來計算出。

上述實施例係關於冷卻半導體晶圓。然而，在其他實施例中，主動式及/或被動式熱傳板也可以用於加熱半導體晶圓。

上述實施例的主動式及/或被動式熱傳板可以用其他類型的冷卻或加熱裝置代替。

上述實施例係關於半導體晶圓質量計量，其中該半導體晶圓係被裝載到秤重天平上。然而，其他實施例可以是關於將半導體晶圓裝載到不同類型之測量區域上的其他類型的計量學，或更一般性地關於將半導體晶圓裝載到處理區域上的其他類型的半導體晶圓處理。

1:秤重天平 3:秤盤 5:秤重室 7:被動式熱傳板 9:主動式熱傳板 10:IR感應器10 11:帕耳帖裝置 12:控制器 13:散熱槽 15:氣流 17:區域

現在將參考附圖並僅以舉例的方式來討論本發明的實施例，其中：

圖1顯示根據本發明之第一實施例的半導體晶圓質量計量設備；

圖2顯示根據本發明之第二實施例的半導體晶圓質量計量設備；以及

圖3顯示根據本發明之第三實施例的半導體晶圓質量計量設備。

1:秤重天平

3:秤盤

5:秤重室

7:被動式熱傳板

9:主動式熱傳板

10:IR感應器10

11:帕耳帖裝置

12:控制器

13:散熱槽

15:氣流

17:區域

Claims (24)

1. 一種半導體晶圓質量計量方法，其步驟包含： 藉由下列步驟控制半導體晶圓溫度： 偵測與該半導體晶圓溫度相關的資訊； 以及 根據偵測到之與該半導體晶圓溫度相關的該資訊來控制該半導體晶圓之冷卻或加熱； 其中控制該半導體晶圓之冷卻或加熱之該步驟包含控制該半導體晶圓之冷卻或加熱之該步驟的持續時間； 以及 接下來將該半導體晶圓裝載至半導體晶圓質量計量設備之測量區域上。
2. 如請求項1之半導體晶圓質量計量方法，其中與該半導體晶圓溫度相關之該資訊係利用非接觸性測量方法所偵測。
3. 如請求項1或2之半導體晶圓質量計量方法，其中偵測與該半導體晶圓溫度相關資訊之該步驟包含偵測該半導體晶圓所放射出之輻射。
4. 如請求項1到3中任一項之半導體晶圓質量計量方法，其中該方法包含： 將與該半導體晶圓溫度相關之該偵測到之資訊與一閾值相比較； 以及 基於該比較之結果來控制該半導體晶圓之該冷卻或加熱。
5. 如請求項1到4中任一項之半導體晶圓質量計量方法，其中該方法包含： 將與該半導體晶圓溫度相關之該偵測到之資訊與一閾值相比較； 以及 基於該比較之結果而將該半導體晶圓分類至複數類別的其中之一； 以及 基於該分類之結果來控制該半導體晶圓之該冷卻或加熱。
6. 如請求項1到5中任一項之半導體晶圓質量計量方法，其中控制該半導體晶圓之冷卻或加熱之該步驟包含控制該半導體晶圓之該冷卻或加熱的速率。
7. 如請求項1到6中任一項之半導體晶圓質量計量方法，其中該半導體晶圓之冷卻或加熱係利用動力冷卻或加熱裝置。
8. 如請求項7之半導體晶圓質量計量方法，其中控制該半導體晶圓之冷卻或加熱之該步驟包含控制該冷卻或加熱裝置之功率。
9. 如請求項1到8中任一項之半導體晶圓質量計量方法，其中控制該半導體晶圓之冷卻或加熱之該步驟包含在當該半導體晶圓溫度等於預定溫度或處於該預定溫度之預定範圍內時，控制該半導體晶圓之該冷卻或加熱持續時間為零。
10. 如請求項1到9中任一項之半導體晶圓質量計量方法，其中控制該半導體晶圓之冷卻或加熱之該步驟包含若該半導體晶圓之測量溫度與預定溫度之間的溫度差小於±2K、或±1K、或±0.5K、或±0.1K時，省略可用之冷卻或加熱步驟。
11. 如請求項1到10中任一項之半導體晶圓質量計量方法，其中： 該測量區域位於測量室內； 以及 將該半導體晶圓溫度控制至基本等於該測量室溫度、或者處於該測量室溫度±2K、或±1K、或±0.5K、或±0.1K的範圍內。
12. 一種半導體晶圓質量計量設備，其包含： 用以冷卻或加熱半導體晶圓之冷卻或加熱零件； 控制器，用以根據偵測到之與該半導體晶圓溫度相關的資訊來控制該半導體晶圓之冷卻或加熱； 以及 測量區域； 其中該控制器之設置係用以藉由該冷卻或加熱零件來控制該半導體晶圓之冷卻或加熱之持續時間。
13. 如請求項12之半導體晶圓質量計量設備，其中該控制器之設置係用以： 將與該半導體晶圓溫度相關之該偵測到之資訊與一閾值相比較； 以及 基於該比較之結果來控制該半導體晶圓之該冷卻或加熱。
14. 如請求項12或13之半導體晶圓質量計量設備，其中該控制器之設置係用以： 將與該半導體晶圓溫度相關之該偵測到之資訊與一閾值相比較； 基於該比較之結果而將該半導體晶圓分類至複數類別的其中之一； 以及 基於該分類之結果來控制該半導體晶圓之該冷卻或加熱。
15. 如請求項12到14中之任一項之半導體晶圓質量計量設備，其中該控制器之設置係用以控制該半導體晶圓與該冷卻或加熱零件接觸的持續時間。
16. 如請求項12到15中之任一項之半導體晶圓質量計量設備，其中該控制器之設置係用以控制該冷卻或加熱零件之冷卻或加熱速率。
17. 如請求項12到16中之任一項之半導體晶圓質量計量設備，其中該冷卻或加熱零件包含動力冷卻或加熱裝置。
18. 如請求項17之半導體晶圓質量計量設備，其中該冷卻或加熱零件之設置係用以控制該動力冷卻或加熱裝置之功率。
19. 如請求項12到18中之任一項之半導體晶圓質量計量設備，其中該控制器之設置係用以在當該半導體晶圓溫度等於預定溫度或處於該預定溫度之預定範圍內時，控制該半導體晶圓之該冷卻或加熱持續時間為零。
20. 如請求項12到19中之任一項之半導體晶圓質量計量設備，其中該控制器之設置係用以在該半導體晶圓之測量溫度與預定溫度之間的溫度差小於±2K、或±1K、或±0.5K、或±0.1K時，省略可用之冷卻或加熱步驟。
21. 如請求項12到20中之任一項之半導體晶圓質量計量設備，其中該設備係包含偵測器，其用以偵測與該半導體晶圓溫度相關之該資訊。
22. 一種系統，其包含： 如請求項12到20中之任一項之半導體晶圓質量計量設備； 以及 偵測器，用以偵測與半導體晶圓溫度相關之資訊。
23. 如請求項21之半導體晶圓質量計量設備或請求項22之系統，其中該偵測器包含紅外線偵測器，其用以偵測來自該半導體晶圓之紅外線輻射。
24. 如請求項12到21中之任一項之半導體晶圓質量計量設備，其中該設備為可進一步包含測量區域的半導體晶圓質量計量設備。

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