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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410805114.3(22)申请日 2014.12.22H01L 21/66(2006.01)(71)申请人 杭州立昂微电子股份有限公司地址 310018 浙江省杭州市经济技术开发区20 号路 199 号(72)发明人 徐林海 黄力平 周诗雨 朱春生张瑞丽 孔熙(74)专利代理机构 杭州宇信知识产权代理事务所 ( 普通合伙 ) 33231代理人 张宇娟(54) 发明名称平板式外延炉的载片错位监测装置及监测方法(57) 摘要本发明提供了一种平板式外延炉的载片错位监测装置及载片错位的检测方法，所述载片错位监测装置包括被装载片、外延炉的。
2、基座、载片槽、机械手、激光发射器、激光接收器、激光检测 & 控制基板等，激光检测 & 控制基板与外延炉的机械手臂检测 & 控制基板和机台主控制系统之间相互连接。当被装载片完成装载后，通过激光发射器发射激光至外延炉基座的载片槽中心位置，激光经过被装载片的反射 ；激光接收器进行反射激光的接收，通过激光接收器是否接收到激光的判断进行载片错位监测。本发明所提供监测装置及监测方法可以在载片完成后的第一时间准确有效的探测到载片错位的发生，避免了由此而引起的外延片及后道器件厂家的损失。(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书6页 附图3页(10)申。
3、请公布号 CN 104505353 A(43)申请公布日 2015.04.08CN 104505353 A1/2 页21.一种平板式外延炉的载片错位监测装置，所述平板式外延炉包括被装载片 (1)，基座 (2)，载片槽 (3)，石英罩 (4)，用于装载被装载片的机械手 (8)，机械手臂检测 & 控制基板(9)，机台主控制系统 (10) 以及报警装置 (11) ；其特征在于 ：所述载片错位监测装置包括激光发射器 (5)、激光接收器 (6)、激光检测 & 控制基板 (7)，激光发射器 (5) 及激光接收器(6) 分别与激光检测 & 控制基板 (7) 相连，所述激光检测 & 控制基板 (7) 作为激光。
4、发射器(5) 及激光接收器 (6)、机台主控制系统 (10) 之间的信号发射、接收及处理中心，并控制激光发射器 (5) 及激光接收器 (6) 的开启及关闭 ；所述机械手臂检测 & 控制基板 (9) 及激光检测 & 控制基板 (7) 分别与机台主控制系统 (10) 连接，机台主控制系统 (10) 还连接报警装置 (11) ；所述激光发射器 (5) 的安装位置为使其激光发射到载片槽 (3) 内，所述激光接收器 (6) 的安装位置限定为 ：激光发射器 (5) 发射的激光被完全水平装载的被装载片 (1)反射的反射线的接收位置上。2.根据权利要求 1 所述的一种平板式外延炉的载片错位监测装置，其特征在于。
5、 ：所述激光发射器 (5) 安装在石英罩 (4) 外部的一侧，所述激光接收器 (6) 安装在石英罩 (4) 外部的另一侧。3.根据权利要求 2 所述的一种平板式外延炉的载片错位监测装置，其特征在于 ：所述激光发射器(5)的安装位置限制为：使得激光发射器(5)的激光正好照射到载片槽(3) 的中心位置，且在被装载片 (1) 完全水平放置于载片槽情况下，激光的入射角 为0 60之间任意一个角度 ；激光接收器 (6) 在石英罩 (4) 外侧相对激光发射器 (5)的安装位置为 ：连接激光接收器 (6) 与载片槽 (3) 中心的连线与法线垂直载片槽时的入射线的夹角为 2+/-0.2。4.根据权利要求 1 。
6、所述的一种平板式外延炉的载片错位监测装置，其特征在于 ：激光发射器(5)与激光接收器(6)集成为一体，安装在石英罩外部，集成的激光发射器与激光接收器的安装位置限制为使得激光正好照射到载片槽内，且在被装载片 (1) 完全水平放置于载片槽情况下，激光的入射角 为 0，即垂直入射到载片槽中。5.根据权利要求 1 至 4 任意一项所述的一种平板式外延炉的载片错位监测装置，其特征在于 ：机械手臂检测 & 控制基板 (9) 和激光检测 & 控制基板 (7) 集成到一块电路基板上。6.一种平板式外延炉的载片错位监测方法，其特征在于 ：被装载片 (1) 完成装载后，通过激光发射器 (5) 发射激光至外延炉基座。
7、 (2) 的载片槽 (3) 中心位置，激光经过被装载片(1) 的反射 ；并设激光接收器 (6) 进行反射激光的接收，通过激光接收器 (6) 是否接收到激光的判断进行载片错位监测。7.根据权利要求 6 所述的一种平板式外延炉的载片错位监测方法，其特征在于 ：使用权利要求 1 5 任意一项所述的一种平板式外延炉的载片错位监测装置，进行平板式外延炉的载片错位监测，步骤包括 ：1)外延炉的机械手(8)装片，被装载片(1)被装载到基座(2)的载片槽(3)中，机械手(8) 复位 ；2) 机械手臂复位的感应信号传送给机械手臂检测 & 控制基板 (9)，该基板将处理后的机械手臂复位的感应信号传送给机台主控制系。
8、统 (10)，机台主控制系统 (10) 将启动信号传输到激光检测 & 控制基板 (7) 上，激光检测 & 控制基板 (7) 将接收到的启动信号处理后，发出动作指令信号，启动激光发射器 (5) 和激光接收器 (6) ；权 利 要 求 书CN 104505353 A2/2 页33) 激光照射在被装载片 (1) 上，并被被装载片 (1) 反射 ；4) 激光接收器 (6) 如果接收到被反射的激光，激光检测 & 控制基板 (7) 处理信号并传输给外延炉的机台主控制系统 (10)，外延炉进行下一步正常生产工作 ；5) 步骤 4) 中激光接收器 (6) 如果未接收到被反射的激光，激光检测 & 控制基板 (7。
9、)将未接收到激光的处理信号传输给外延炉的机台主控制系统 (10)，机台主控制系统 (10)终止外延炉的进一步工作，并显示 out of pocket 异常提示，同时启动外延炉的报警装置(11)。权 利 要 求 书CN 104505353 A1/6 页4平板式外延炉的载片错位监测装置及监测方法技术领域0001 本发明涉及外延片的制造装置，尤其涉及一种平板式外延片制造装置中的载片监控装置及监控方法。背景技术0002 在半导体芯片制造中，作为一种制作半导体分立器件的主要材料，硅外延片有极其重要的地位，这是因为硅外延片既能保证 PN 结的高击穿电压，又能降低器件的正向压降 ；同时硅外延片还能解决 IC。
10、 的隔离问题，因此它也是 IC 器件的主要原材料。在实际的工业生产中，化学气相淀积 (chemical vapor deposition，CVD) 技术被广泛应用于硅外延片的制造。CVD 外延炉中的平板式外延炉是目前硅外延片制造中的主力设备，如 LPE 公司的LPE3061、ASM 以及 Centura 等平板式外延炉是业界普遍使用的硅外延生长设备。0003 平板式外延炉采用机械手自动装载硅片，目前在使用平板式外延炉生长外延片的过程中，时常会出现硅片装载错位 (out of pocket) 的情况 , 正常的硅片装载位置为硅片与基座的载片槽水平贴紧，如附图1a及1b中所示，一方面确保在高温的硅。
11、外延生长过程中硅片与基座间形成良好的热传导，保证外延过程中硅片温度的均匀性 ；同时，外延生产过程中，平板式外延炉气源的气流方向如附图 2 所示，硅片良好的装载能保证其表面气流的均匀性。而一旦发生 out of pocket 的情况时，硅片搭接在载片槽边缘如附图 1c 及 1d 中所示，硅片上的温度和气流均发生变化。众所周知，对于半导体器件来说，需要外延层具有完美的晶体结构及均匀的电性参数如外延厚度和电阻率，而在外延生长过程中，硅外延片主要的参数电阻率及厚度随温度、气流等因素的变化而改变，out of pockek 出现使外延过程中硅片上的温度和气流的变化直接导致外延片厚度、电阻率均匀性变差，甚。
12、至产生晶格缺陷。0004 目前流行的平板式外延设备无法探测硅片装载错位 (out of pocket)，另外机械手完成硅片装载后，也无法人工识别该异常。out of pocket一旦发生，外延片参数将失控。而外延片的实际生产中，由于主要参数的测试方法如电阻率测试为破坏性测试，所以在连续生产过程中采用的是生产25100片测试一片的抽样测试，所以往往外延片参数的测试不能及时发现 out of pocket 造成的电性参数问题，从而无法及时进一步侦测到设备已发生 out of pocket 异常 ；实际生产过程中，通常是在后道厂家制成器件后，在器件的电性检测中发现电性参数异常，反推回来发现是外延片制。
13、造过程中的out of pocket异常导致 ；而从外延片出货到后道器件生产测试，简单的器件如肖特基二极管芯片的制造也至少要经历25 天以上一个生产的 cycle time，一台平板式外延炉如 LPE3061 的 6”外延片产能是 5000片 / 月，其造成的外延片及后道器件厂家的损失可想而知。而在实际的外延生产过程中，一台平板式外延炉出现 out of pocket 的概率并不低，通常 1 2 个月发生一次。大量的实际生产数据和经验说明硅片装载错位(out of pocket)的及时监控对平板式外延炉生产具有重要的意义。说 明 书CN 104505353 A2/6 页5发明内容0005 为了。
14、解决目前平板式外延炉因为硅片装载错位(out of pocket)导致外延片参数异常，由此而导致外延片及后道器件厂家损失严重的问题，本发明提供了一种可以在硅片装载后及时对 out of pocket 进行监测的装置及相应的监测方法，可避免因硅片装载错位(out of pocket) 而导致外延片参数异常等问题。0006 本发明提供了一种平板式外延炉的载片错位监测装置，所述平板式外延炉包括被装载片，基座，载片槽，石英罩，用于装载被装载片的机械手，机械手臂检测 & 控制基板，机台主控制系统以及报警装置 ；其特征在于 ：所述载片错位监测装置包括激光发射器、激光接收器、激光检测 & 控制基板，激光发射。
15、器及激光接收器分别与激光检测 & 控制基板相连，所述激光检测 & 控制基板作为激光发射器及激光接收器、机台主控制系统之间的信号发射、接收及处理中心，并控制激光发射器及激光接收器的开启及关闭 ；所述机械手臂检测& 控制基板及激光检测 & 控制基板分别与机台主控制系统连接，机台主控制系统还连接报警装置，所述激光发射器的安装位置为使其激光发射到载片槽内激光接收器的安装位置限定为 ：激光发射器发射的激光被完全水平装载的被装载片反射的反射线的接收位置上。0007 进一步地，所述激光发射器安装在石英罩外部的一侧，所述激光接收器安装石英罩外部的另一侧。0008 进一步地，所述激光发射器的安装位置限制为：使得。
16、激光发射器的激光正好照射到载片槽的中心位置，且在被装载片完全水平放置于载片槽情况下，激光的入射角 为 0 60之间任意一个角度 ；激光接收器在石英罩外侧相对激光发射器的安装位置为：连接激光接收器与载片槽中心的连线与法线垂直载片槽时的入射线的夹角为2+/-0.2。0009 优选的，激光发射器与激光接收器集成为一体，安装在石英罩外部，集成的激光发射器与激光接收器的安装位置限制为使得激光正好照射到载片槽内，且在被装载片完全水平放置于载片槽情况下，激光的入射角 为 0，即垂直入射到载片槽中。0010 进一步地，机械手臂检测 & 控制基板和激光检测 & 控制基板集成到一块电路基板上。0011 本发明还提。
17、供了一种平板式外延炉的载片错位监测方法，其特征在于 ：被装载片完成装载后，通过激光发射器发射激光至外延炉基座的载片槽中心位置，激光经过被装载片的反射 ；并设激光接收器进行反射激光的接收，通过激光接收器是否接收到激光的判断进行载片错位监测。0012 进一步地，使用本发明的平板式外延炉的载片错位监测装置，监测步骤包括 ：0013 1) 外延炉的机械手装片，被装载片被装载到基座的载片槽中，机械手复位 ；0014 2) 机械手臂复位的感应信号传送给机械手臂检测 & 控制基板，该基板将处理后的机械手臂复位的感应信号传送给机台主控制系统，机台主控制系统将启动信号传输到激光检测 & 控制基板上，激光检测 &。
18、 控制基板将接收到的启动信号处理后，发出动作指令信号，启动激光发射器和激光接收器 ；0015 3) 激光照射在被装载片上，并被被装载片反射 ；0016 4) 激光接收器如果接收到被反射的激光，激光检测 & 控制基板处理信号并传输给说 明 书CN 104505353 A3/6 页6外延炉的机台主控制系统，外延炉进行下一步正常生产工作 ；0017 5)步骤4)中激光接收器如果未接收到被反射的激光，激光检测&控制基板将未接收到激光的处理信号传输给外延炉的机台主控制系统，机台主控制系统终止外延炉的进一步工作，并显示 out of pocket 异常提示，同时启动外延炉的报警装置。0018 本发明所提供。
19、监测装置及监测方法可以在载片完成后的第一时间准确有效的探测到载片错位 (out of pocket) 的发生，并发出警报，设备可以及时得到检修，避免了异常情况的进一步延续，以及因为 out of pocket 异常导致的连续出现外延片以及后道器件的参数异常，且避免了由此而导致外延片及后道器件厂家损失严重的问题。另外 out of pocket 的监测与硅片装载过程几乎同时进行，不影响设备的正常生产效率。附图说明0019 图 1a 为硅片正常装载在基座的载片槽中的俯视示意图。0020 图 1b 为硅片正常装载在基座的载片槽中的侧视示意图。0021 图 1c 为硅片装载在基座的载片槽中出现 out。
20、 of pocket 时的俯视示意图。0022 图 1d 为硅片装载在基座的载片槽中出现 out of pocket 时的侧视示意图。0023 图 2 为平板式外延炉中外延生产过程气源的气流示意图，图中箭头表示外延生产过程中气流的方向。0024 图 3a 为实施例 1 中激光的入射角 为 0 60时的载片错位监测装置应用示意图。0025 图 3b 为实施例 1 中激光的入射角 为 0时的载片错位监测装置应用示意图。0026 图 4a 为正常装载硅片时激光发射与接收示意图。0027 图 4b 为装载硅片发生 out of pocket 时激光发射与接收示意图。0028 图 5 为实施例 2 中平。
21、板式外延炉基座及载片槽示意图，图中箭头表示基座旋转方向。0029 其中各附图中 ：1为被装载片 ；2为基座 ；3为载片槽 ；4为石英罩，5为激光发射器 ；6 为激光接收器 ；7 为激光检测 & 控制基板 ；8 为机械手 ；9 为机械手臂检测 & 控制基板 ；10为机台主控制系统 ；11 为报警装置。具体实施方式0030 下面结合附图对本发明作进一步说明。0031 实施例 10032 本实施例在目前业界普遍使用的 ASM 单片外延炉中应用本发明的载片错位 (out of pocket)监测装置，ASM单片外延炉的一个反应腔只有一个载片槽，本实施例的被装载片为单面抛光硅片。如图 3a 所示 ：在外。
22、延炉反应腔中石英罩 4 的外部的一侧装有一激光发射器 5，在石英罩外部的另一侧装有一激光接收器 6，用来在 out of pocket 监测中进行激光的发射及接收 ；激光发射器 5 及激光接收器 6 分别与激光检测 & 控制基板 7 相连，激光检测& 控制基板 7 作为激光发射器 5 及激光接收器 6 之间的信号发射、接收及处理、激光发射器及激光接收器的开启及关闭等信号处理中心 ；同时外延炉用来自动装载硅片的机械手 8 也与机械手臂检测&控制基板9相连，机械手臂检测&控制基板9作为指挥机械手8的运作的说 明 书CN 104505353 A4/6 页7指令中心 ；各基板均与外延炉的机台主控制系统。
23、 10 连接 ；外延炉的机台主控制系统 10 还连接有外延炉的报警装置 11。如图 4a 所示，激光发射器 5 的安装位置限制为 ：使得激光发射器 5 的激光正好照射到载片槽 3 的中心位置，且在被装载片 1 完全水平放置于载片槽情况下，激光的入射角 为 0 60之间任意一个角度 ；激光接收器 6 在石英罩 4 外侧相对激光发射器 5 的安装位置为 ：连接激光接收器 6 与载片槽 3 中心的连线与法线垂直载片槽时的入射线的夹角为 2+/-0.2。0033 对比上面的实施方式中激光发射器 5 和激光接收器 6 的安装方法，更为优选的实施方式为将激光发射器 5 与激光接收器 6 集成为一体，安装在。
24、石英罩 4 外的顶部，如图 3b，集成的激光发射器与激光接收器的安装位置限制为使得激光正好照射到载片槽 3 内，且在被装载片 1 完全水平放置于载片槽情况下，激光的入射角 为 0，即垂直入射到载片槽 3中被装载片上。此种垂直入射的方式，集成的激光发射器与激光接收器的安装位置更为灵活，只要确保激光垂直入射到载片槽 3 内，并不限制在载片槽中心 ；且两者的集成，避免了在有角度的情况下，不管激光发射和激光接收器任何一个的位置的轻微变动设备维护人员都需要花较长时间去调节激光发射和接收器的相对最佳位置，因而此种垂直入射方式在保证有效监测同时，也降低了维护难度。0034 其中，机械手臂检测 & 控制基板 。
25、9 和激光发射器及激光接收器的激光检测 & 控制基板 7 可集成到一块电路板上，以节约空间。0035 在外延片生产过程中，该载片错位 (out of pocket) 监测装置具体工作步骤如下：0036 1) 外延炉机械手进行自动装片，硅片被装载到基座的载片槽中，机械手复位 ；0037 2) 机械手臂复位的感应信号 ( 即机械手臂控制传感器信号 ) 传送给机械手臂检测 & 控制基板，基板将处理后的机械手臂复位的感应信号传送给机台主控制系统。机台主控制系统将从机械手臂检测 & 控制基板发出的载片完成信号处理后会将启动信号传输到激光发射器及激光接收器的激光检测 & 控制基板上，激光检测 & 控制基板。
26、将接收到的启动信号处理后，发出动作指令信号，启动激光发生器和激光接收器 ；0038 3) 激光照射在硅片上，被硅片反射 ；0039 4) 激光接收器如果接收到被反射的激光，如图 4a 所示，激光接收器将接收到激光的信号传输给激光检测 & 控制基板，基板处理信号并传输给外延炉的机台主控制系统，机台主控制系统指挥外延炉进行下一步正常生产工作 ；0040 5)步骤4)中激光接收器如果未接收到被反射的激光，如图4b所示，激光接收器将未接收到激光的信号传输给激光检测 & 控制基板，基板处理信号并传输给外延炉的机台主控制系统，机台主控制系统终止外延炉的进一步工作，并显示 out of pocket 异常提。
27、示，同时启动外延炉的报警装置 ；工作人员修复设备。0041 实施例 20042 本实施例将本发明的载片错位(out of pocket)监测装置应用在目前平板式外延炉中使用广泛的 LPE3061 外延炉上，LPE3061 因其设备的高灵活性和多种工艺的适用，如新一代分立器件技术、IGBT、PowerMos 及薄层、掩埋层，且因其使用低频功率发生器加热，可以节省电力，外延片质量接近于单片炉产品，成本接近于高产能外延炉，且是业界唯一可淀积外延膜厚达 200 微米以上的外延反应炉，因此是目前硅外延片生产厂家常用设备。LPE3061说 明 书CN 104505353 A5/6 页8的基座有多个载片槽 。
28、3，可以同时生产多片外延片，载片时，机械手 8 自动将被装载片装载在如图 5 所示的机械手对应的载片位的载片槽 3 中，然后通过基座 2 旋转依次将未载片的载片槽 3 送至机械手对应的载片位置，进行载片。本实施例为生产 6”外延片的 LPE3061 上应用载片错位 (out of pocket) 监测装置，待外延生产的被装载片为单面抛光硅片。与实施例 1 一样，在外延炉反应腔中石英罩 4 的外部的一侧装有一激光发射器 5，在石英罩 4 外部的另一侧装有一激光接收器 6，用来在 out of pocket 监测中进行激光的发射及接收 ；激光发射器 5 及激光接收器 6 分别与激光检测 & 控制基。
29、板 7 相连，激光检测 & 控制基板 7 作为激光发射器 5 及激光接收器 6 之间的信号发射、接收及处理、激光发射器 5 及激光接收器6 的开启及关闭等信号处理中心 ；同时外延炉用来自动装载硅片的机械手 8 也与机械手臂检测 & 控制基板 9 相连，机械手臂检测 & 控制基板 9 作为指挥机械手 8 的运作的指令中心 ；各基板均与外延炉的机台主控制系统 10 连接 ；外延炉的机台主控制系统 10 还连接有外延炉的报警装置 11。激光发射器 5 的安装位置限制为 ：使得激光发射器 5 的激光正好照射到载片槽 3 的中心位置，且在被装载片 1 完全水平放置于载片槽情况下，激光的入射角 为0 60。
30、之间任意一个角度 ；激光接收器 6 在石英罩 4 外侧相对激光发射器 5 的安装位置为 ：连接激光接收器 6 与载片槽 3 中心的连线与法线垂直载片槽时的入射线的夹角为 2+/-0.2。0043 同样，对比上面的实施方式中激光发射器和激光接收器的安装方法，更为优选的实施方式为将激光发射器 5 与激光接收器 6 集成为一体，安装在石英罩 4 外部，集成的激光发射器与激光接收器的安装位置限制为使得激光正好照射到如图5中外延炉机械手8对应的载片位的载片槽 3 中，且在被装载片 1 完全水平放置于载片槽情况下，激光的入射角 为 0，即垂直入射到机械手对应的载片槽 3 中被装载片上。0044 其中，机械。
31、手臂检测 & 控制基板 9 和激光发射器及激光接收器检测 & 控制基板 7可集成到一块电路板上，以节约空间。0045 在外延片生产过程中，该载片错位 (out of pocket) 监测装置具体工作步骤如下：0046 1) 外延炉机械手开始进行自动装片，硅片首先被装载到如图 5 机械手对应的载片位的载片槽中，机械手复位 ；0047 2) 机械手臂复位的感应信号 ( 即机械手臂控制传感器信号 ) 传送给机械手臂检测 & 控制基板，基板将处理后的机械手臂复位的感应信号传送给机台主控制系统。机台主控制系统将从机械手臂检测 & 控制基板发出的载片完成信号处理后会将启动信号传输到激光发射器及激光接收器的。
32、激光检测 & 控制基板上，激光检测 & 控制基板将接收到的启动信号处理后，发出动作指令信号，启动激光发生器和激光接收器 ；0048 3) 激光照射在硅片上，被硅片反射 ；0049 4) 激光接收器如果接收到被反射的激光，如图 4a 所示，激光接收器将接收到激光的信号传输给激光检测 & 控制基板，基板处理信号并传输给外延炉的机台主控制系统 ；机台主控制系统判断硅片是否装载完毕，如果还有待载片的载片槽，基座旋转，使下一个待载片的载片槽移动到如图 5 所示的机械手对应的载片位 ；0050 5)重复步骤1)4)，直至全部载片槽硅片装载完成，机台主控制系统指挥外延炉进行下一步正常生产工作 ；说 明 书CN 104505353 A6/6 页90051 6)步骤4)中激光接收器如果未接收到被反射的激光，如图4b所示，激光接收器将未接收到激光的信号传输给激光检测 & 控制基板，基板处理信号并传输给外延炉的机台主控制系统，机台主控制系统终止外延炉的进一步工作，并显示 out of pocket 异常提示，同时启动外延炉的报警装置 ；工作人员修复设备。说 明 书CN 104505353 A1/3 页10图 1a图 1b图 1c图 1d图2说 明 书 附 图CN 104505353 A。