TW200938814A - Semiconductor wafer metrology apparatus and method - Google Patents

Description

200938814 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於半導體晶圓之量測。 【先前技術】 微電子器件乃利用各種技術製造在半導體晶圓上，該等 技術例如包含沈積技術（CVD、PECVD、PVD等）及移除技 術（如化學蝕刻、CMP等）。以例如藉由清潔、離子植入、微 影術等改變半導體的質量之方法，可對半導體如矽晶圓進 行進一步處理。此等處理技術通常會改變在半導體晶圓表 面處或表面上的質量。表面變化之組態通常對器件功能至 關重要，所以基於品質控制之目的，有必要在生產過程中 對晶圓進行評估’以便判定其是否具有正確組態。 許多現有的量測技術都已為人熟知。以蝕刻處理而言， 其中一種熟知技術係破壞一經處理的晶圓而對其橫截面執 行一詳細分菥。如罢玆公械Si壬由I® a τ., ^

常都會中斷（亦即製造停止）。因而無法進行連續性生產

時’晶圓可使用電阻探針予以測試 世界專利WO 02/03449揭示了 _ 種用於研究半導體晶圓 135035.doc 200938814 之裝置與方法，其中判定晶圓質量的改變以評估晶圓之各 種特性，如使晶圓的製造可被監控。一種獲得質量量測值 之普遍方法係使用-非常靈敏的力感測器以量測由地心引 力產生的力（重量）。在中等程度的精確度下，可假^該力係 ， 僅由晶圓之質量引起。然而，如果需要更高程度的精確度， 便可能需要考慮其他的力。 一此種力（揭示於世界專利W〇 〇2/〇3449)係藉由大氣浮 〇 力而產生。在半導體量測中，一半導體晶圓通常在大氣（亦 即非真空）中進行量測。該晶圓因此會挪動此大氣中的一 量，其會產生一向上推力。該向上推力取決於大氣（空氣） 擒度大氣（空氣）密度又取決於眾多因素，包含溫度、氣壓、 相對濕度及空氣組成。該向上推力會減少由力感測器檢測 到的該晶圓之表觀重量。 世界專利WO 02/03449揭示了一種用於補償或修正大氣 孚力之影響之方法。感測器被提供用於監控溫度、壓力及 〇 相對濕度。一處理器從此等感測器接收量測值並用來計算 空氣密度，其可在相應的重量量測中用於補償浮力。該處 理器可根據計算得到的空氣密度，連同與該晶圓相關之該 • 重量量測值與密度資訊來計算浮力。 - 【發明内容】 本發明試圖發展揭示於世界專利WO 02/03449中之量測 技術°發明者發現當在大氣浮力被去除或合適地被補償的 條件下對晶圓進行靈敏質量量測時，其他（通常較小）誤差會 變得顯而易見。例如，由晶圓周圍的大氣運動（氣流）而產生 135035.doc 200938814 的麼力影響及由晶圓或周圍材料上的電荷產生的靜電力， ，可引發此等誤差。世界專利觸麵449中指ώ，與大氣 夺力相比，此等影響較小’且提議藉由在一殼罩（稱重腔室） 内進行重量量測來限制其影響。為了在提供-小空間以減 夕氣流影響與將周圍材料與該晶圓隔開得夠遠以減少靜電 力影響之間達到-平衡，該腔室乃依照一特定尺寸製造。 ❹ 但此等為相互矛盾之要求。本發明提出-種解決方法’其 能同時減少該兩種影響。 當該晶圓與周圍材料（如，包體壁）之間存在一電麼電位 差時’靜電吸引力就會產生。靜電電荷在量上可以上升到 數千伏特。在-晶圓上’電荷可能存在於其表面上或本體 (基板）内。在後者之情況中，電荷有可能被如氧化石夕或氮化 石夕之絕緣塗層所誘捕。電荷可能藉由許多途徑產生，如早 期處理或製造步驟、磨潤、接觸帶電等。電離器件先前已 提出作為-種減少靜電的方法。然而，其也有局限性此 乃由於其僅能中和表面電荷且經常具有不均衡的陽離子與 陰離子流，使得其留下剩餘電荷。 就最普遍的來說，本發明提議對一晶圓執行大氣浮力補 償稱重’其中該晶圓係在—大體上直立的條件下進行稱重。 半導體晶圓通常係一薄圓盤（如直徑2〇〇或3〇〇 _及 !_厚）。這意味著任-靜電力之大部分會垂直作用於該晶 圓之平面，如一腔室壁與-晶圓之間的靜電力可與一平行 板電容器之板片之間的力進行比較。藉由將該晶圓 從水平變為垂直或近乎垂直’可減少在力(重量)感測器方向 135035.doc 200938814 。因此’作用在與晶圓之重力分量相同的方向 上之静電分量會減少。 、^的半導體晶圓之製造、處理與量測技術通常在一水 平定向對晶圓進行輸送、操作與處理。熟知的晶圓稱重方 法包括將該晶圓水平放置到-精確力感測器之稱重臺上。 改變該s日圓之定向係—特殊且根本的步驟。

、因此，可提供一種用於量測一半導體晶圓之質量之方 法”亥方法包含將該晶圓放置在一在一腔室内之稱重儀器 上’且藉由量測該晶圓之重量及補償藉由該腔室内之大氣 施加於該晶圓上之浮力來判定該晶圓之質量，其中當量測 該晶圓之重量時’該晶圓之平面係大體上直立。 由於該靜電力能藉由有效地重定向其力分量的方向（而 非減小此等力分量的大小)而被減小，因此可將該腔室形成 -較小的晶圓圍封室。該腔室内的氣流之影響也會因此而 減小。 此外’ -直立晶圓在其重力方向上對於該稱重儀器呈現 較小的橫截面。由於例如誤差力的大小與其上受氣流作用 之晶圓的面積成正比，因此這意味著在該方向上的氣流分 量對於重量測量值的影響可減小。 77 該方法可包含減小上述靜電力（如，利用電離器（ion㈣) 之大小的方法。 使用揭示於世界專利WO 02/03449之任意方法可達成補 償大氣浮力。一重約128 g的典型的300 mm晶圓可能受到一 相當於約45 mg之浮力。此力的大小在一相對較短的^間内 135035.doc -8- 200938814 可能發生10-20%(如4-6 mg)的變化。 本發明亦提供用於量測一半導體晶圓之皙 心冥重之裝置，該 、里，—腔室， 其配置用於判 裝置具有：一稱重儀器，用於量測該晶圓 叫〜里篁，一脉令-

用於在量測過程中容納該晶圓；監控構件其画 定藉由腔室内的大氣而施加於該晶圓上之浮力 固持器，其配置用於當量測該晶圓之重量時， 直立定向支撐該晶圓之平面。 在本文中，大體上直立較佳意味著與垂直線（與地心引力 成一直線）所成角度在10。以内，更佳在5。以内。事實上與 完全垂直線成一小的非零角度有利於在重量量測時增進晶 圓之穩定性。因此，該晶圓固持器較佳地包含：一基底， 用於支撐處於直立定向之該晶圓之下緣；及一直立後支 架，用於支撐該晶圓之上部部分，使得該直立定向與完全 垂直線成一小的非零角度。該基底具有一唇緣用於防止該 晶圓滑動。 _ 較佳地，5亥監控構件包含一溫度監控器、一壓力監控器 及一濕度監控器’該等係配置用於判定腔室内的溫度、壓 力及濕度。 該壓力監控器較佳包含一壓力感測器，其在800_1200 • mbar的絕對範圍内具有一高於0.4 %之精確度。溫度靈敏度 較佳小於0.〇2 %/。(：。響應時間較佳小於2〇〇 ms 該溫度監 控器較佳具有一溫度感測器，其具有一高於0.2°C的精確度 及一小於10秒的響應時間。該濕度監控器較佳具有一濕度 感測器’其具有一高於2%的精確度及一小於1分鐘的響應 135035.doc -9- 200938814 時間。 0.01 mg。如為大於20。，晶圓該範圍可：數可精確到 之標稱重量而擴展。該儀器較 〜土於該等晶圓 複性及-小於⑽VC之溫度靈佳敏卢有偏-:於〇.〇3叫的可重 簠敏度偏差。該腔室可包含一 加熱器，且該腔室内部較佳保 +MM。。之内。若加熱時，二體上恆溫，如在 境溫度内。 ^封至則較㈣持在代之環

該腔室也可與—藉由—電腦控制之晶圓運輸構件相關， 該晶圓傳輸構件係配置用於以可釋放方式運載-晶圓，其 可通過一開:從腔室外部移動到腔室内部，以將晶圓放置 到晶圓固持益上。 較佳地，該晶圓運輸構件係—機械臂，其可適用於抓夹 該晶圓。較佳地，該手臂可圍繞其轴旋轉，以在將晶圓放 置到晶圓固持器之前將該晶圓之平面旋轉到直立定向。 【實施方式】 以下參考附圖，描述本發明之實施例。 圖1與圖2展示本發明背後之理論。圖〗顯示在重量量測過 程中一非真空腔室（未顯示）内之半導體晶圓1〇所受的某些 力。由地心引力產生的重力12被大氣浮力14所抵消。在重 量量測過程中，該浮力14可予以測出並補償。然而，額外（較 小）的靜電力16同樣也大體上平行於重力而作用。當浮力“ 被補償時’此等靜電力16會在重量量測中引起一明顯誤 差。該等靜電力16係由腔室壁與晶圓之間的交互作用所引 135035.doc 200938814 起。該晶圓之幾何外形意味著此等力顯著垂直於該晶圓1〇 之平面。 圖2展不如果將晶圓1 〇保持在一直立定向，那麼該等靜電 力16就會被旋轉偏離重力12之方向，且因此其對重量量測 • 之影響減小。在稱重時，藉由減小該晶圓在垂直（地心引力） . 方向之所佔面積，可有效減小該影響。 s亥影響闌釋於圖3(a)、3(b)與3(c)中，其顯示當一晶圓1〇 ❿ 之平面被旋轉到一直立定向時之該晶圓10之平面圖。如圖 3(a)所顯示，一在水平條件下之典型的3〇() mm直徑晶圓之 所佔面積約為706.9 cm2。如圖3(b)所顯示，當該晶圓之平 面與垂直線成約5。時，該所佔面積減小到約61.5ein2e如圖 3(c)所顯示，當該晶圓完全垂直時可達到最小垂直所佔面 積。該最小垂直所佔面積約為2.3 cm2。 該等腔室壁與該晶圓之間的靜電力類似於一平行板電容 器之相對金屬板所受到的力。在該情形下，力F可藉由 εε〇ν2Α ❹ 2^2給定’其中ε為隔開金屬板之材料（如，介電質）的相 對介電常數’ ε〇為自由空間之介電常數，ν為金屬板之間的 電壓差，d為金屬板之間的間距，及a為每一金屬板之面積。 ’ 基於此，一直徑為30〇 mm的晶圓，其定位在與接地表面相 .距10 mm處且靜電電荷僅為5 V，會受到一大約相當於〇1 mg的力。將該晶圓旋轉到一直立定向會移動其力向量的方 向，使其與重力向量不在一直線上。 圖4顯示一晶圓稱重裝置，其應用以上原理且係本發明之 一實施例。在該裝置中’該晶圓10被支撐在一晶圓固持器 135035.doc -11- 200938814 20上，如圖4所顯示，其具有一 L型橫截面。晶圓固持器20 包含一基底22 (如，突出平板），其支承晶圓10之下緣。一直 立壁24從該基底22之一端向上延伸到一支架26。該晶圓10 可倚靠在該支架26上，使得其平面與垂直方向成一小角度 (如，約5°)。一唇緣28被提供於該基底22之另一端以防該晶 圓10滑落，亦即保持使其穩定。

該晶圓固持器20被安裝在一連接到一稱重儀器30之直立 桿32上，如一赛多利斯（Sartorius)BP2IID或其他適合的精準 天平。 該晶圓固持器20與稱重儀器被圍封在腔室34内。該晶圓 固持器20位於該腔室34上部部分且該稱重儀器30位於下部 部分。經由一熟知方式（如世界專利WO 02/03449)，該兩個 部分可被分成數個部分（藉由桿32上之通孔）以減小該晶圓 固持器圍封室之體積，且從而減小氣流。該腔室34包括一 溫度感測器36、一濕度感測器38及一壓力感測器40。此等 感測器被安裝為使其感測元件與該晶圓固持器20—同位於 該腔室34上部部分。該壓力感測器40可為一德魯克 (Druck)PMP4010AB。該溫度感測器與濕度感測器可結合起 來，如作為品科（Pico)RH02。將藉由此等感測器獲得的量 測值饋送到一處理單元（未顯示），如一外部PC或内部微處 理器，從而使得空氣密度可被計算，如利用以下公式 0.3485P - 0.00132 X (0.0398Γ2 -0.1036Γ +9.5366) xif

Pair ~ (273.14+ Γ)χ 1000 其中Pair為空氣密度，單位為g/cm3 ; Ρ為壓力，單位為mBar ; 135035.doc -12- 200938814 T為溫度，單位為。c，及H為相對濕 以 ^ . 口刀比表不。空 :雄度可利用以下等式而用於計算大氣浮力對該晶圓的影

B < (Pair

Pair Pc . .£s!L· Αν, 其中B為大氣浮力影響，單位為克；^為藉由稱重儀写 ❹ _到的晶圓重量（單位為克）；Pair為計算出的空氣密度°， 卓位為g/em3;Pw為晶圓密度，單位ag/em3;及&為用於校 準該稱重儀器之一校準砝碼的密度（單位為g/cm3)。 由於該晶DIO係直立㈣在腔室34内，該晶圓與該腔室 之壁之間的靜電力與該重力大體上不會在同—個方向(垂 直方向）上。這可讓該腔室34之上部部分之壁靠近該晶圓 10,從而減小了腔室34内的氣流影響，且不會在重量量測 中明顯增加由靜電力產生的誤差。 〇 該腔至34包含—門（未顯示），其位於上部部分之壁上， 用於接收處於直立位置之該晶圓1G以便放置到固持請 上。 L常"亥裝置用於晶圓製造流程中，亦即該晶圓10將從 • 7處理點被轉運到該量測裝置，反之亦然。晶圓在整個製 造流程中通常以-水平定向進行輸送。因此，一用於將該 S圓〇轉運到里測裝置之機械臂（未顯示）係可圍繞一軸進 行旋轉，以改變-所固持晶圓之平面之定向。例如，該機 械手臂可圍繞其轴進行旋轉(可扭轉)。其他的組態也有可 135035.doc •13- 200938814 能。 本發明提出一用於計算一半導體晶圓之質量之量測裝 置，使晶圓中因大氣浮力、靜電力與氣流所引起的誤差可 予以補償或減小。一量測裝置之處理誤差能力的好壞可通 過可重複性與測量值（亦即隨時間推移，同—對象測量值的 波動範圍）來假定。就_3G〇 mm直徑的半導體晶圓（質量約 128g)12/21言之，本發明可產生小於〇」叫的質量可 性。 ❹

【圖式簡單說明】 圖1係一水平晶圓之受力示意圖； 圖2係一垂直晶圓之受力示意圖； 的所佔面積之 圖3(a)、3(b)與3(c)顯示一晶圓在不同定向 平面示意圖；及 圖4顯示本發明之一實施例之一稱重裝置。 【主要元件符號說明】 10 半導體晶圓 12 重力 14 大氣浮力 16 靜電力 20 晶圓固持器 22 基底 24 直立壁 26 支架 28 唇緣 135035.doc -14- 200938814 30 稱重儀器 32 直立桿 34 腔室 36 溫度感測器 38 濕度感測器 40 壓力感測器 ❹ ❹ 135035.doc -15-

Claims (1)

1. 200938814 十、申請專利範圍： 1. 一種量測一半導體晶圓之質量之方法，該方法包含： 將該曰曰圓放置在一位於一腔室内之稱重儀器上；及 藉由量測該晶圓之重量及補償藉由腔室内之大氡施加 於邊晶圓之浮力來判定該晶圓之質量， 其中在量測該晶圓之該重量時，該晶圓之該平面係大 體上垂直。

   2·如請求項1之方法，其中補償大氣浮力包括量測或計算空 氣密度Pair、晶圓密度pw及一校準密度，以利用以下等式 來計算一大氣浮力影響B : Wvx{B〇!^_Pai^

   其中Ww為該晶圓之測定重量。 3.如Μ求項2之方法，其包含量測壓力p、溫度τ及相 Η以計算空氣密度。 ，，、又 ❹ 4·述請求項中任—項之方法，其將該晶圓曝露於電離 輻射中，以減少該晶圓表面上之任何靜電電荷之量。 5.如„月求項13中任一項之方法其包括： 在判定該晶圓之質量後’將該晶圓之該平面移動到一 大體上水平定向； 在該水平定向上處理該晶圓； 重，將處於一直立定向之該晶圓放置到一稱重儀器上 及判定該晶圓之質眚#半跟 量之步驟，以判定由該晶圓處理引起 的晶圓質量變化。 135035.doc 200938814 6·—種用於量測一半導體晶圓之質量之裝置，該裝置具有： 一稱重儀器’用於量測該晶圓之該重量； 一腔室’用於在量測過程中容納該晶圓； 監控構件’其係配置用於判定由該腔室内的該大氣施 加於該晶圓上之該浮力；及 一晶圓固持器’其係配置用於當量測該晶圓之重量 時’以一大體上直立定向支撐該晶圓平面。 ❹

   7’如叫求項6之裝置，其中該晶圓固持器係配置用於支撐該 曰曰圓平面，使其與地心引力方向之一向量所成角度在5。 以内。 8·如請求項6或7之裝置，其中該晶圓固持器包含：一基底， 其用於支撐處於該直立定向之該晶圓之一下緣；及一直 後支架，其用於支撐該晶圓之一上部部分，使得該直 立疋向與完全垂直線成一小的非零角度。 如”月求項8之裝置，其中該基底具有一直立唇緣 圓滑動。 曰曰 10·如請求項6至7中任一項之裝置，其中該監控構件包含一 2監控器、一壓力監控器及一濕度監控器，該等係配 用於判定該腔室内之溫度、壓力與濕度。 … η·如清求項6至7中任一項之裝置， 抑制夕日 匕3藉由一電腦進行 之曰曰圓運輸構件，該晶圓運輸構件係 釋放方式運載一晶圓，且可通過η 置用於以可 到腔官^ 1 口從腔室外部移動 内。Ρ ’以將該晶圓放置到該晶圓固持器上。 .s月求項11之裝置，其中該晶圓運輸構件包含 牙’其 135035.doc 200938814 可適用於抓夾該晶圓且圍繞其軸旋轉，以在將該晶圓放 置到該晶圓固持ι§之前，將該晶圓之平面旋轉到該直立 定向。 參 φ 135035.doc