专利名称：用于实时测定加工过程中工件的原位发射率的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测定出一个固体物体或工件，如半导体晶片的参数的系统和方法，尤其是涉及一种在热加工过程中实时求出晶片的发射率和/或温度的系统和方法。
热加工炉是大家所熟知的，并且多年来用在多种半导体制造工艺中，包括退火，扩散，氧化和化学气相沉积。结果，很容易理解，这些加工过程特别是冲击过程使得终产品的质量和均一性不断变化。典型的热加工炉不是卧式的就是立式的。在一些应用中，立式加工炉较受欢迎，因为它们在使用中产生质粒较少，因此降低了污染发生率和晶片损耗，容易自动控制，而且由于相对小的底座，故占地面积较小。
大家知道，两种传统类型的加工炉设计用来加热半导体晶片到所需的温度，以在线宽维持在小于1微米时，使掺杂物扩散到所需的深度，或执行其它传统的加工工艺，例如施加一个氧化层到晶片上或沉积化学汽相层到晶片上。在加工过程中晶片的加热条件是大家知道的且很好理解，因此被密切监视。
传统立式热加工炉，例如管式炉，被设计成在加工炉内的垂直位置支撑加工管。典型的热加工炉还使用舟形晶片组件，它被安装至适当的机构以从加工管内移进或移出晶片。然后晶片被抬升到石英或硅加热管内。然后这个管被缓慢加热到所需温度并维持这个温度到一个预定的时间。之后，这个管再被缓慢地降温、晶片被从管内取出、加工过程完成。这个加工工艺的缺点在于它对于晶片可能遭受的时间-温度变化有限制。这些或其它类型的传统立式热加工炉在Fuse等的美国专利申请No.5,217,501和Kakizaki等的美国专利申请No.5,387,265中被描述。
由于硅集成电路的临界尺寸继续向下缩小到亚微米规格。对晶片内温度的均一性和晶片到晶片的温度可重复性的要求变得越来越严格。例如，以0.18μm工艺来说，所需的晶片到晶片的温度的可重复性的量级是+/-3℃。
高温计是用于无接触测定在热加工炉内的硅晶片加工期间的温度的可选择的方法之一。但是它有一些大家共知的缺陷。一个缺陷是必须知道晶片背面的发射率才能获得准确的温度测定。通常是，硅晶片的背面层经受干扰作用后，晶片的光谱发射率可能发生巨大改变，这将导致在加工期间的温度测定出现误差。另外，晶片的发射率还依赖背部表面的粗糙度和晶片的温度。所有这些缺点使得晶片发射率的测定和预测变得很困难。
现有工艺曾试图测定原位，即在炉内或加热室内晶片的发射率，以便在加工期间测定晶片的温度。现有工艺测出晶片发射率的方法之一是使用AC波纹技术，如前面提到的美国专利No.5,310,260中所阐述的一样。一个光源被用来照射在热加工装置的加热室内的晶片的背面。除去光源的AC成分的量，测定从晶片反射的辐射和源强度。然后用波动公式计算出晶片的发射率。这种方法的一个缺点是，因为它完全发生在热加工炉的加热或加工室内，因此，半球形并均匀地照射那里的晶片，如果不说不可能，那么也是非常困难的。结果，正确地求出晶片的发射率，特别是在加工过程中实时的晶片发射率很困难。
现有工艺系统的另一个缺点是用来加热室内和晶片的加热灯还被用来照射晶片。另外，加热灯的方向和位置被固定在系统内。这个位置固定的灯很难半球形地并均匀地照射加热室内的晶片。再者，由加热灯产生的AC波纹被用来测出晶片的反射率。灯位置的固定加上AC波纹常常导致晶片反射率测定失误。
关于求出在加工期间晶片的发射率和温度的另一个困难是正确地测出在加工期间加热室内的辐射量。这个问题的产生是因为杂散光，即从光源而不是从晶片发出的辐射，在测定加热室内的辐射量时被反射到高温计上。这个测定的辐射值被累加到由晶片发射的辐射中，被用来测出晶片的温度。因为晶片的发射率是所要求的，高温计信号不能够正确地测定仅仅从晶片发射的辐射。传统的系统不能精确并完全地补偿这个杂散光成分，因此用当今生产技术取得准确的所需的温度有困难。
由于现有的热加工炉的前述和其它缺点，本发明的一个目的是提供一个用于正确、实时测出晶片发射率的系统。
本发明的另一个目标是提供一个用于测定并校正加工室内的杂散光的系统。
本发明总的和具体的目标在下面的附图和描述中将会很好地理解。
本发明提供一种用于测出在热加工装置的加热室中被加工的晶片的发射率的一种系统和方法。这个系统和方法提供一种用于求出在热加工器的加热室外部的晶片的反射率，然后测出在加热室内时晶片反射的辐射强度的装置。测出的在加热室外部(ex situ)的晶片的反射率与测出的在加热室内时晶片反射的辐射强度相关联，测出在加热室内(原位，in situ)的晶片的反射率。然后系统从原位晶片反射率实时测出在加工过程中晶片的发射率。
系统在热处理装置的加热室内进行晶片热加工之前，通过测定晶片半球形方向的反射率来确定外部(ex situ)晶片反射率。特别是，系统可以用从辐射源发出的大致均匀、半球形的辐射照射晶片的一部分，然后测定从晶片的这一部分反射的辐射强度。任选地，然后系统还可以测定辐射源的辐射强度，及从测定的晶片和辐射源的辐射强度测出晶片的反射率。
根据本发明的另一个方面，系统可以测出从晶片的这一部分反射的辐射强度与从辐射源发出的辐射强度之间的比，产生一个校准曲线使晶片的反射率与这个比相关，和/或任选地从这个校准曲线测出晶片的反射率。
根据本发明的另一个方面，系统和方法维持在原位反射率测定中加热室内部的晶片的温度与外部晶片反射率测定中晶片的温度大致相同。
根据本发明的另一个方面，系统用积分球以从辐射源发出的辐射大致均匀地照射晶片的一部分，收集从晶片反射的辐射。测定从晶片反射的辐射强度及测定从辐射源发射的辐射强度，测出在测定的反射辐射的强度和辐射源的辐射强度之间选定的数学关系，并产生一个校准曲线使晶片的反射率与所说的数学关系相关，然后系统从这个校准曲线求出晶片的反射率。由辐射源发射的辐射可以通过适当的结构，如斩波器调制。
根据本发明的另一个方面，系统和方法通过用辐射源照射放置于加热室内的晶片测出在加热室内的晶片反射的辐射强度，用检测器测定在加热室内的晶片反射的辐射强度。检测器产生一个与反射的辐射强度成比例的输出信号。然后系统使加热室内的晶片的反射率与测定的加热室内的晶片反射的辐射强度相关，然后通过公式R＝KΔVw求出加热室内的晶片的反射率，这里R是在加热室内的晶片的反射率，K是比例常数，ΔVw是在加热室内的晶片反射的辐射强度。
根据本发明的另一个方面，系统和方法通过热加工装置的加热室摆动晶片，及从摆动期间晶片反射的辐射和在加热室外部测出的晶片反射率求出比例常数K。
根据本发明的另一个方面，系统和方法然后从比例常数K计算出在加工期间晶片的反射率，测定在加工期间从晶片反射的辐射强度，及从测定的反射辐射和比例常数求出实时晶片反射率。然后系统从加工期间的晶片反射率确定晶片的发射率。
根据本发明的另一个方面，系统可以把晶片的反射率作为加工室中测定的反射辐射的强度的函数计算出来，它与加热室中晶片的位置无关。
本发明的另一功能，系统在加热室中移动或摆动晶片，并且可以选择在摆动时基本上不对晶片加热，同时相应地测量在一个或多个晶片位置处，加热室的晶片反射的辐射强度。在测量时，系统储存辐射强度和相应的晶片位置。系统也能测量在室内一个或多个位置处，加热室的晶片反射的辐射强度，并且计算出比例常数K，以便在加工期间能够测算出晶片的反射率。
根据另一个方面，系统和方法提供了一种辐射源，当它被放在加热室内用于照射晶片，并且在晶片移过时，用检测器检测或测量加热室中的晶片的辐射总量。系统能任意地把测得的晶片的总射线与光源而不是晶片的原始辐射相关联，并通过从测得的辐射总量中减去光源发出而不是晶片发出的辐射。然后系统可以从晶片的发射率和晶片发射的辐射测出在加工期间晶片的温度。
根据本发明的另一个方面，系统和方法测出在热加工装置的加热室内加工期间工件的反射率，通过直接测出热加工装置的加热室外的工件反射率，和测出在热加工装置的加热室内加工期间工件的反射率。
本发明总的和具体的目的将在下面的示意图和说明中变得更加明显。
本发明前述的及其它目的、特征和优点，将在下面对伴随示意图的描述中变得更加明显，其中参考值所代表的相同部分在不同的示意图中完全一致。示意图尽管不是实际尺寸，但以一定比例显示本发明的设计原则。
图1的框图显示了根据本发明示教的发射率测量系统。
图2是显示根据本发明教导的图1所示系统的外部辐射测量部分的透视图。
图3是显示根据本发明教导的图1所示系统的外部辐射测量部分的透视图。
图4是一个显示在图2所示系统的照明阶段晶片半球形方向反射率测定的流程框图。
图5是一个显示图3所示系统测量加热室内晶片反射的辐射强度的流程框图，以及外部晶片反射率和内部晶片反射率之间的相关性。
图6是显示图1所示系统的加热室内的总辐射的杂散光成分的测量的流程框图。
图7A和图7B显示适于由辐射源产生定向辐射到图1所示系统的加热室内的光导管图。
图8显示适于使用图1所示系统、在本发明所教导的立式热加工装置位置的卧式热加工装置图。
本发明的目的旨在提供一种在处理期间得到工件，如半导体或硅晶片的辐射强度和温度的系统和方法。本发明在加工处理过程中，首先提供求出在热加工装置的加热室外部的晶片反射率的方法，然后提供测出在热加工装置的加热室内部工件在加工期间的反射率的方法。本发明达到在热加工炉内高生产能力的情况下精确、实时测定辐射强度。因此本发明广泛地适用于在热加工过程中测出固体目标的特殊参数。为了简单明白，以下把固体目标解释为半导体晶片，所需的参数为反射率、辐射强度和温度。本领域普通技术人员就能够很容易地采用图示的用于测出参数的系统根据上面的教导测出上述以外的其它参数。
图1说明了根据本发明的设计思想做成的一个温度测量系统10。图示的系统10包括一个晶片控制器12，它能够根据已有的技术，把一个晶片装入照明阶段，也可以把晶片从照明阶段中移走。照明阶段18配备一个能方便而且容易操作的，用于使用辐射源或光源30发出的辐射均匀地照射晶片的阶段。为了简单明白，术语光源通常将用于定义产生各种便捷而且波长适当的辐射的源，这样的波长范围如以下所述。光源30产生将被引入照明阶段18的光束24。光束24用于照射晶片的一部分，如背面部分。照明阶段18构造成能够获得晶片的一个基本均匀而且半球形的照明。以下将要解释的光源30可在任何特殊波长范围内，最好在可见光、红外线和微波范围内，产生辐射。因此，用在已经解释过的系统10中的光源30，想要广泛地包括任何适当的辐射源，只要该辐射源与依据本发明而获得的晶片的一个或多个参数的精确测量值相一致即可。
在照明阶段18中被晶片反射的照明被任意适当的光学通道26，比如纤维光缆组件捕捉，然后传给检测器42。检测器42把光信号变换成适当的电信号，并被耦合进入控制步骤50。光源30还形成一束参考光束，它将沿光学通道28传送给检测器40。检测器40又反过来形成一个电信号输出给控制阶段50。控制阶段50根据接收到的信号和已经存储在内的任何数据进行适当的操作和处理，从检测器40和42中接收到的信号中，测出在照明阶段18内部晶片的半球方向的反射率。
图1进一步指出，在照明阶段18中的晶片，经过适当的方法如晶片控制器12，传送到处理阶段22。处理阶段22是合适的热加工炉，特别是一个是用于获得晶片的高产量和一个晶片快速加热的快速热加工炉，这些都与本发明的思想一致。处理阶段22对于晶片作各种各样的半导体制造处理，比如退火、扩散、氧化和化学汽相沉积技术。在处理期间，晶片被来自光源31的光照射，其中的光以辐射形式或光学通道32传播。在处理过程中，晶片反射的光被合适的纤维光缆组件捕获，并沿通路34B被传送给检测阶段36，然后沿通道到34A直接送到控制阶段50。刚才提到的检测阶段变换该光学信号为适当的电信号，以便用控制阶段50作进一步处理。
晶片在原地或在加热室内部的照明被设计的与系统余下部分相配合，并能在处理过程中的任何时候测量出半球方向的反射率R。该处测量到的反射率被用于根据已知的公式求出处理期间的辐射强度，该公式在下面还要进一步解释。尽管反射率(reflectivity)和反射系数(reflectance)可以互相换用，但为更清晰起见，这里仅用术语反射率。
附图中的控制阶段50通过反馈连接52和晶片控制器12进行反馈联通，并且通过反馈连接54和处理步骤22进行反馈联通，因此控制阶段50能够控制处理阶段22和晶片控制器12的操作，以便根据要求控制或者调整上面解释的系统性能。
控制阶段50最好包括合适的存储模块、处理器、和转换器，比如模数转换器。使得来自于别的系统元件，比如来自于检测器40、42的模拟和数字信号容易收到，以及处理接收到的信号去测出反射率、发射率和晶片温度。
再次参考图1，检测阶段36适用于测量处理阶段22中的辐射，或者是辐射通量。检测阶段36接收来自于处理阶段22的光信号，并根据接收到的光信号输出一个信号比。控制阶段50使用接收到的来自通道34的信号和来自于检测阶段36的信号以及来自于检测器40、42的信号，计算出从晶片发射出的辐射通量。因此，图示的系统10的这一部分能够被用于计算丢失的光线或者辐射的总量(这里的辐射是来自于光源而不是来自于晶片)，其中的光线或者辐射是由检测阶段36和/或检测器40和42接收到的。
图2或图3表明用于确定晶片原位发射率的图示的系统10的元件。特别是这些图表明了被系统10采用首先算出加热室外部的晶片反射率，然后关联原位反射率与外部反射率的子系统。普通的技术人员将很容易地认识到为了精确地推断来自发射通量的温度，晶片的发射率必须事先知道。对半导体的处理，晶片背面的发射率是表面光洁度、背面薄膜和晶片温度的一个复杂函数。新型系统，特别是在快速热加工系统中要求在加工过程中，能够实时测定晶片背面的发射率。图示的系统10的目标是在晶片加工过程中测量晶片背面的发射率ε。通过测定晶片背面半球方向光谱的反射率，应用下列等式可以达到这个目的。
ε(Tw)＝1-R(Tw) (1)在这一阶段可以通过均匀和半球形地照射晶片测定半球形方向的反射率，同时伴随收集需要测量发射率的方向反射的能量。另外，晶片可以从一个特殊的方向照射，有一个选定的角θ，收集整个半球形方向反射的所有能量。前述等式要求目标在高温计波长处是不透明的。只有目标在高温计波长处是不透明的，等式1才能成立。
图1和图2中的系统10首先执行半球形方向反射率的外部测量。特别是，图2显示了用于测量在热加工装置的加热室外部的晶片反射率的照明系统18。为简便起见，我们将描述外部反射率测量为发生在热加工装置的加热室外部，尽管普通技术人员即可以理解热加工装置可由选定多个附加的室构成，在加热室外部执行反射率测量。当然，在实际应用中这样的系统受到一定限制，包括提供一个结构和尺寸过度复杂的反应炉，它将限制这样的系统在半导体生产厂的超净室内的布局。
如图2所示，光源30产生辐射，穿过用于调节光到选定频率的调制器，如斩光器58。光源可以是一个稳定的卤素钨灯源。穿过斩光器58的辐射沿任何合适的光路传导，如纤维光缆24，到达积分球64。积分球62是均一的、半球形的、并基本上完全照射晶片W的背面部分。在照明系统，积分球62在选定的表面有一个孔，位置对准光缆24以接收从光源30和斩光器58来的调制的光。积分球62的内表面是高反射和弥散的，因此在积分球内部反射这个辐射，均匀地、半球形地照射晶片的一部分。由晶片反射的光，被穿过适当的孔与积分球62的内室相同的光纤26收集。在这个外部测量阶段，晶片W被维持或安置在适当的低温条件下。这里使用的术语低温，包括那些低于和最好是实际上低于晶片在热加工装置的加热室内加工过程中的最低温度，包括-200℃到1100℃之间的温度，较好是包括10℃到100℃之间的温度，最好是将晶片放置在大约为室温，如20℃到30℃之间。晶片的加工温度最好在150℃到1200℃的范围内。
纤维光缆26也能由任何可以协助接收反射回来的晶片辐射，而且相匹配的光学元件组成，由它收集到的射线被引入光电检测器42，并产生一个电输出信号64，标记为VW。当光源通过斩光器58时，其强度也通过使用纤维光缆28加以测量，并被引入第二个光电检测器40，产生一个相匹配的电输出信号66，标记为Vref。电信号VW和Vref为电压信号，这些电压与系统中的不同电压对应。特别地，电压VW对应于晶片背面反射的辐射线的电压波形的数字。电压Vref对应于光源30产生和发射出的光线。在这一阶段中，斩光器58被用于产生被调制或被遮掉的光线，这种光线帮助纠正任何直流偏移(dc)或光电检测器40和42固有的噪声，或系统10中出现的噪声。用常用技术将很容易认识到任何匹配的光电检测器40和42均可被使用，例如标准的光电检测器，但最好是由美国加利福尼亚的New Focus制造的硅光电二极管。根据选用的实施例，光电检测器40和42有预置了滤波器的光通路，这些滤波器只能通过与高温电位计频谱带相同的射线，如图3。输出电压信号VW和Vref被引入一个模数(A/D)转换器68，它转化模拟信号64和66成为相应的数字信号。图中的模数转换器可以构成控制阶段50的一部分，或者是从控制阶段50中独立出来一个元件。用常用技术将很容易认识到，可通过被使用的元件的多种排列能使得模数转换更有效，同时也可以为了已经解释过的目的使用相应输出的信息。
普通技术人员应该理解，施加于积分球62的辐射通过斩光器58调制，然后被转送到检测器40和42。在缺少从积分球62透射过来的光的情况下，典型的检测器产生一个对应于剩余本底辐射的输出信号。检测器输出信号的这一部分规定一个检测器输出的最小电压。当辐射被从辐射源30引入到积分球时，检测器产生一个对应于本底辐射和从积分球引入的辐射的最大输出信号。检测器40和42产生一个既对应于本底辐射也同样对应于积分球来的辐射的最大输出信号，及一个仅仅包括本底辐射的最小输出电压信号。最大和最小电压信号的差异通常对应于积分球的光。使用斩光器为了协助清除在检测器输出信号中的显然是噪音(例如最小输出电压信号)的本底辐射。根据本发明阐述的晶片电压Vw通过平均在一个选定的时期的检测器输出信号的最大和最小成分之间的差异来确定。
图示的控制阶段50然后根据下列等式求出电压信号64和66的电压输出信号比V-w,o=VwVref--------(2)]]>普通技术人员可以很容易理解前述比例既可用硬件也可以用软件确定。在测定晶片外部反射率之前，通过测定数个已知反射率的标准参考比建立半球方向反射率和前述电压比之间相关性的校准曲线，拟合一个最佳拟合曲线到校准点形成电压的数学函数。校准曲线是在阶段50被存储，或预先存储在存储器内的一个或多个测定的样本的集合。然后，校准曲线被用来确定在选定的低温状态下晶片的半球方向的反射率。特别是，晶片的半球方向的反射率通过下列等式计算出来R0＝f(Vw，o)(3)本发明发射率测量系统的一个明显特征是，它提供一个均匀照明热加工炉的加热室外部的晶片的照明阶段18。这个阶段在晶片热处理前，提供方便地测定加热室外部的晶片反射率。系统记录这个信息，然后将这个信息与安放在加热室内的晶片反射辐射强度相关联。这个在下面将会详细描述。
参考图1到图3，晶片处理器将晶片从照明阶段18传送到处理阶段22以执行内部辐射测定。图示的处理阶段22可以是任意适于在选定的温度下热处理硅晶片的热加工炉。根据优选实验表明，图示的处理阶段22配用一个商标名为Summitor Reliance by Eaton Thermal Processing Systems Division，USA.的快速热加工炉。顶级设计系统的特别优势是，它是一个单晶片炉，可重复性高，产品均一，维修要求相对较低。这个热加工炉通过使用一个‘热壁’立式加工炉代替多电阻灯排用于单晶片处理，形成一个温度梯度。这个热壁系统的形成是通过使用三个带状电阻加热器模块放置在炉子(未显示)的顶端，和一个冷却系统在室的底部(未显示)，从而从处理室的顶部到底部形成温度梯度。根据固定的加热室或炉子温度分布变化图，可以很方便的通过调节晶片在处理室内的位置来达到所需的温度。系统的温度的升/降率由晶片在加热室内的温度梯度垂直移动的速率控制。普通技术人员也可以理解在加工炉22之外还可以提供一个或多个加热或冷却步骤，在外部反射率测量后使晶片达到所需的条件。
在图3所示的加工炉22内，一个金刚砂或石英钟形烧结炉70形成加工或加热室74，它可以作为恒定或连续的热源。这里使用的词‘连续’的意思是在表面区域包括温度和加热都是连续的。钟形烧结炉的顶端在电阻加热器模块内闭合(未显示)，钟形烧结炉的底部通过接触冷却水(未显示)转移室而冷却。随着钟形烧结炉的顶部渐渐地接近黑体辐射器，加工室74从顶部到底部形成平滑的温度梯度。通过在室内由任何适当的晶片升降器垂直移动晶片和通过在加工室74内迅速地从转移室抬升晶片到对应所需加工温度的位置，可迅速达到温度拉升作用。当晶片垂直地降到加工室底部的水冷却转移室时，晶片被冷却。选定的在加工室内晶片的升、降速率决定晶片的加热和冷却率。
下面要描述的是一个高温计用来测量晶片的温度。为了迅速地加热晶片，需要使用一个源温高于晶片需要达到的温度的加热源。在本设计中，加热的钟形烧结炉的温度维持在大约200℃，高于所需的最大晶片加工温度。热源较大的范围使它能够迅速地在加工过程中加热硅晶片。在优选实施例中，热源的稳恒态条件和热源与工件之间较小的温差使加工产品达到均一，并同时避免滑移线产生。
参考图3，晶片W被放置在热加工装置22的加热室74内。一个光管78被用以辐射源或光源31产生并由光缆32传送的辐射照射晶片W的背面。更特别的是，光源31和调制器58被用作以在选定频率f截止的、最好于光源30不同的辐射线照射纤维光束32。普通技术人员可以理解，只要输出的光源根据它的使用在不同频率被截止，则可以用单光源代替两个光源30和31。光管78引导辐射线进入加工室，并向上到达晶片背面。从晶片背面反射的总辐射线或辐射量用与钟形烧结炉70的加工室相同的光学装置收集。光学装置包括透镜82，如蓝宝石透镜，安装在加工室74内部如升降管84的顶端、一个石英透镜86安装在升降管84的底部。升降管和透镜组件收集并聚焦从晶片W反射、由纤维光缆34B接收的辐射线。升降管84和连接结构用作在加工室74内垂直移动和摆动晶片。光管78当驻留在加工室74的内部时通过引导辐射线到晶片的背面来照射晶片。然而，在加工室环境中，与升降管组件和其它仪器连接的光管78不能够均一的、完全的及半球形照射晶片的背面。
图7A和图7B显示了根据本发明阐述的图3的光管78。光管78是一个一端连接纤维光缆32的整体石英管。光管的远端有一个以选定的角θ切割的切面端78A。根据优选试验，角θ约等于45°。光管78由匹配的接合件171连接到纤维光缆32上。光管78有一个形成在底面162上的平面部分160，形成光学粗糙面用以散射辐射线170，使它穿过光管并向上方入射。平面部分160的底部示图显示在图7B。特别是，底部平面162清楚地显示了形成在光管78上的平面，在使用时它形成向上散射光的结构。
图示的光管最好有一个选定曲率半径R在一个选定的部分173弯曲。普通技术人员可以理解这个曲率半径应该选定与光管的直径D相关，以减少在光管弯曲部位的光损失量。形成一个典型的几何关系，即，使这个半径约四倍于光管的直径，可以用数学公式表示为R≌4D.
在操作中，由光源31产生的射线170穿过光管78，通过弯曲部分173，到达远端。光线170的入射到平面或光学粗糙面163的选定部分162被通过光管向上散射。光线170的不被入射在管78的切角端78A的光学粗糙面散射的另一部分通过光管向上反射。
由光学组件收集的总辐射包括从晶片发射的辐射、由钟形烧结炉发射被晶片反射后的辐射、及从光源31穿过光管78引入加工室74的辐射。图示的光缆34B分成两支的纤维光缆，它传送一部分光学信息穿过光缆34B到达光检测器90，剩余的光学信息到达高温计96。光检测器90和高温计96最好包括相同的光柱、包括与图2的光检测器40和42相同的检测器。高温计96用作图示的系统中的检测器，具有以相对快的响应和较大的温度范围达到非接触测量的优势。然而，众所周知高温计依赖晶片的发射率和透射率，并在低温下显示缺乏灵敏性。图示的高温计96最好在谱带中心约为0.95μm的位点操作，因为硅晶片在这个波段是非透射或不透明的。在这个波长范围内运行高温计的一个优势是没有干扰辐射从钟形烧结炉穿过晶片冲击高温计。另一个优势是在这个晶片不透明的波长内运行时等式1成立。
图示的光检测器90接收沿光缆34B穿过的光学信息部分，产生一个与由光学组件接收、并由晶片反射的辐射通量的强度成比例的时变电压信号输出。光检测器90输出一个与晶片的包括发射辐射、杂散辐射和调制辐射的总辐射通量成比例的电压信号。输出信号由锁定放大器98接收，锁定放大器过滤除斩光器频率外的任何电压信号。锁定放大器98依次输出与从晶片反射的调制辐射的强度成比例的信号ΔVw。这个电压输出信号被控制阶段50的转换器68接收。
再来参考图3，一部分沿通道34B传送的光学信息被传送到高温计96，高温计依次转变这个信号成为数字输出光电二极管电流信号Itot，然后它再经任何适当的联系通路，如RS232串行连接到控制阶段50。相应于升降器位置z的系统信息被沿光缆34A直接传送给转换器68。值得注意的是入射晶片背面的辐射的强度和角分布随着晶片在加工室内的垂直位置变化或改变。因此，高温计对每个垂直位置输出一个不同的信号。另外，因为晶片在炉内被支撑着，一般来说在室内安装可以均匀照射晶片的光学组件比较困难。因此，在室74内执行的辐射测量不能满足为适合测定晶片的反射率和发射率所需的大致半球形和均匀照射的特征。
图示的包括上述原位照射技术的系统10，不能够满足为正确测定晶片的反射率和发射率所需的均匀和半球形照射的要求。因此不能够从内部反射率测定直接得出在室74内的晶片反射率。较合适的是，根据下列公式，假定内部反射率R与ΔVw成比例，R＝KΔVw(4)则图示的系统10可以在加工过程的任何时间得到晶片半球形方向的反射率。因此，控制阶段50使内部反射率R和晶片的辐射通量ΔVw成比例，比例常数是K。
图示的发射率测量系统10通过放置在加工室内的晶片，确定比例常数K，由此得出晶片的反射率。当确定晶片外部半球形方向的反射率时，晶片W与其驻留在照明系统18内时一样处于低温状态。根据优选实验，在外部测量程序中晶片处于室温状态，当置于加工室74内时也同样处于室温状态。由于晶片的有限热质量，因此热加工装置加热晶片也需要占一定量时间。然后，图示的系统10以一个迅速的方式在加工室内垂直移动或‘摆动’晶片，同时在摆动过程中实时测量和记录ΔVw、Itot和垂直位置Z。系统10由此创建一个电压值和垂直位置表。根据一个实验，在摆动过程中，系统10没有显著加热晶片，因此晶片基本上与驻留在照明阶段18时温度相同。根据一个实验，晶片在摆动过程中被标积地加热，最好被加热的范围在30°到150℃。然而，普通技术人员可以理解，在将晶片置入加工室74内之前，在晶片的外部半球形方向的反射率被确定之后，晶片的温度可以升高或降低。另外，当晶片置于加工室74内后，可以运行系统以加热晶片。因为在摆动过程中晶片的温度不会明显偏离室温，我们知道外部晶片反射率可以等于内部晶片反射率R，即R＝R0，这里的R0是用积分球62测定的半球形方向的反射率。比例常数K由下列等式获得K(Z)=R0ΔVw,o(Z)------(5)]]>一旦比例常数K被确定，则系统10可以通过剩下的程序求出晶片的反射率。因此，图示的系统在照明阶段18测定的半球形方向的反射率与根据等式4或5测定的在原位或加工室内部的反射率相关。特别是，根据下列等式可以求出在加工过程的任何时候的晶片的反射率及发射率。ϵ(Tw)=1-R0ΔVw,o(Z)ΔVw-----(6)]]>下面的假设是半球形方向的反射率与ΔVw呈线性相关。因为比例常数K在晶片摆动时求得，它可以用在整个加工过程中以求得晶片的反射率。本发明一个明显的优点是它不需要满足在内部反射率测量中均匀半球形方向照射的条件，系统10就可测出在室74内的半球形方向的反射率。
然后，图示的系统50可以求出晶片的温度Tw，通过在控制阶段50处理取自高温计的输出信号Itot，按照下面将要详细描述的方法矫正杂散光或反射光，并与测定的晶片的发射率结合测出或推断晶片的温度。普通技术人员将很容易理解这种从高温计的输出信号和发射率求出晶片温度的方法。
图4和5是一个流程框图，显示了本发明的系统10的发射率测定的操作程序。在操作中，控制阶段50指令晶片操纵器12将晶片放置在如步骤102所说的照明阶段18。如果需要，光源30产生并调制入射晶片18背面的输出辐射。特别是，如104步骤所说，光源30引辐射进入积分球62以均匀并半球形照射晶片的一部分。从晶片反射的辐射被用匹配的光学结构如纤维光缆26收集，如步骤106所述。由光源30产生并发射的辐射还被检测器64测定，如步骤108所述。检测器42产生一个输出信号Vw沿传输线路64传输，检测器40输出一个电压信号Vref沿传输线路66传输，两条线路都传输电压输出信号到控制阶段50。然后控制阶段50测出Vw/Vref的比率，如步骤110所述。步骤112显示，系统10利用预定校准曲线求出晶片半球形方向的反射率，校准曲线是在晶片放入加工室内之前，晶片处于选定的较低温度的情况下测出的。当晶片处于第一选定温度时，图示的系统10测出晶片外部半球形方向的反射率。
参考图5，然后控制阶段50从照明阶段15转送晶片W处理阶段22。晶片被放置在适当的垂直支撑装置上，被置于加工室74内。光源31通过光管78和纤维光缆32照射晶片116，如步骤116所述。然后，加工室74内的辐射或辐射通量通过检测阶段36，特别是通过高温计96和光电检测器90测定。由光电检测器96产生的信号通过锁定放大器98产生输出信号ΔVw，这在步骤118和120进行。同时，图示的系统10求出晶片在加工室74内的位置，如步骤122所述。另外，如步骤124所述，图示的系统10用高温计96测出加工室74内的辐射通量。然后系统10在步骤126通过加工室垂直摆动晶片W，同时测量晶片的辐射通量和垂直位置。如果晶片摆动完成，在步骤128系统进行计算，如果没有完成，则系统10返回步骤116并开始新一轮程序。根据步骤130和132，如果晶片摆动完成，则控制阶段50产生一个函数K(z)以求出比例常数K，并测定晶片的垂直位置z，检测器在整个加热程序中实时输出信号ΔVw。在步骤134，系统根据等式4使晶片ΔVw(如，晶片外部反射率)反射的辐射强度与在照明阶段18测定的外部晶片反射率相关。如步骤136到140所述，当使用高温计96的输出信号，下面将要详细描述，系统10求出杂散光成分、修正并补偿这一成分。系统10根据等式1求出晶片发射率，从这个信息，测出加热过程中的实时晶片温度。
在高温计中存在的一个普遍问题是杂散辐射或光进入高温计。这里使用的术语杂散光包括从晶片反射的辐射，这个辐射是从光源而不是从比如目标晶片一类的工件产生。尽管现有工艺的系统已试图测定这个光辐射成分，但总的来说没有足够的正确率满足现代热加工系统发射率测量的需要。本发明的一个显著优势是它可以正确的并实时的求出由高温计接收的杂散光成分，因此使系统能够正确地测定晶片的发射率。
联系上面图1到图3所述，晶片被置于热加工炉的热加工室74内。当晶片最初被引入加工室内时，它被设在一个预定的低温状态，如室温，从晶片发射的辐射的强度被认为可以忽略不计。因此，由高温计收集的总辐射(Itot)被认为是总辐射中的杂散光成分，这个由系统10测定并记录。特别是，在加工室74内的总辐射通量，与高温计96测定的一样，包括从晶片发射的辐射通量加上从其它发射源发射的入射到晶片上并被晶片反射的辐射通量。因为高温计96的输出信号或光电二极管电流与它接收的辐射通量成线性关系，高温计的辐射通量可以根据下列等式与输出电流信号相关Itot＝Iw+Isl(7)这里的Iw对应于与晶片发射的辐射相关的高温计的输出信号部分，Isl对应于与从光源而不是晶片发射，但是从晶片反射的辐射的高温计的输出信号部分。这个信号部分可包括从光源30和其它光源发射的辐射，以及存在于室74内但不是晶片发射的辐射。因此，一旦这个信号的总反射的辐射部分被求出(非晶片发射的辐射)，它被从总辐射中减去，得到一个正确的发射的辐射通量的测定。参考图3，纤维光缆34D传送辐射到光电监测器90和高温计96。图示的高温计96测定一个辐射量的选定部分，并输出一个与接收的辐射量成线性比例的信号Itot。高温计96实时测定辐射量并通过预定的连接结构传送输出信号到控制阶段50。当晶片被放置于加工室74内时，如前所述，系统10通过加工室摆动晶片，系统测定加工室的辐射(例如高温计的输出电流信号)和晶片的垂直位置。如果晶片在选定的低温状态，如室温，发射的光与加工室的总辐射的关系不明显，因此入射到高温计上的辐射仅仅包括从晶片反射的辐射，不包括从晶片发射的辐射。然后这个光信息被储存在控制阶段50，继而被用来补偿或修正在加工过程中的总量ΔVw的杂散光成分。
从晶片反射的和高温计的输出信号出现的辐射强度与入射辐射强度和晶片背面的反射率成比例。本发明假设入射到晶片的某一特定位置的辐射强度在整个加工过程中没有明显改变。由于本发明采用的热加工炉功能很像是一个恒热源，这种恒热源一般是用于确定与本发明相匹配的杂散光成分，加工室74内产生的热梯度正好可以满足这种要求。在加工阶段22内，当对晶片进行热加工时，能够建立反射辐射的大小是ISL=ISL,o------R(T)Ro------(8)]]>其中ISL，o是在摆动期间测得的杂散射线的强度。由晶片发射出的射线的强度可以使用方程(7)和(8)计算出来。由晶片发射出的射线的强度现在可以表示如下Iw=Itot-ISL,o(Z)----R(T)Ro----(9)]]>其中SL表示杂散光或射线。系统10根据方程(8)和(9)计算出晶片发射出的射线强度，从而也得到晶片的反射率。一旦检测阶段36接收到的射线被它的杂散光补偿，被测量的半球形定向反射率通过控制阶段，根据方程1与晶片发射率相关联，反过来晶片发射率也能根据已有的技术于晶片温度相关联。
根据图6，系统10通过照射固定在热加工设备中的晶片，和步骤140中提出的一样，确定加工室74内部的射线流的杂散光成分。接着系统10传送加工室中的射线流给高温计96，该高温计反过来产生一个接收到射线流的输出信号指示(即光电效应的电流信号)。这个信息被送到控制阶段50并被记录下来。系统10记录在加工室74中的晶片的垂直线位置，并把该位置与用高温计在该位置侧得的射线流关联起来。普通技术人员将很容易理解晶片反射的射线总量可以根据加工室中的晶片的垂直线位置变化。这是在步骤142到146中提出的。
接下来系统10确定晶片的摆动是否完成，如果没有完成，即返回到步骤140并重新测量加工室中的射线流和晶片的位置。如果摆动完成，由于在选定的低温状态，硅晶片被认为很少或根本没有射线发出，系统把高温计接收到的总射线流与反射光的晶片关联起来。正如步骤152和154建立的那样，系统接着测量ISL，o(z)和测量并记录晶片的垂直线位置z和高温输出信号Itot。从总射线流的测量值和以前的值，系统10能计算出加工室74中的射线的总的发射强度。这一步一般在晶片的热加工时，由系统实现。然后系统将这些信息与反射率和发射率的测量一起，用于在加工期间实时计算出晶片的温度。这是由步骤156到158建立的。
本发明的明显优势是，在假设晶片的相对发射在一个选定的低温时可以忽略的条件下，能在系统中10精确地测定出杂散光成分并加以补偿。因此，高温计的输出信号与系统的杂散光成分相当。由于本发明没有使用石英窗，因此它不提供受毫无用处的化学沉积物影响的成分。而且这里解释的系统在为了精确测量晶片发射率时，不要求使用特别设计的石英管或硅管。
本发明的另一个明显优势是，为了避免必须获得在室74中的晶片上的均匀照射，它使用了把外部晶片反射率与内在晶片反射率关联起来的关联方案。这样就提供了一个高精度、实时的发射率测量系统，该系统满足现代热加工系统的发射率测量要求，特别是能够满足发射率测量精度在+/-0.005的要求。
本发明也提供了一个用于关联被测量的室74中的射线流不是晶片的源生成的射线的简洁而且漂亮的设计。这可以通过使用已经解释的系统部件，测量加工室74中的射线流来获得。
图8揭示了本发明的另一个发射率测量实例，该实例发射率测量系统与热加工设备的加工室中的晶片位置无关。同样数字外加一个右上角小撇表示同类部件。加工阶段160构成一个加工室162，该室的一个选定的安装设备上装有一个晶片W。如果该室的壁被加热到一个恒定的温度，那么前文中的发射率和杂散光测量技术均可以用于当前的实施例。在运行中，由光源31′发出的射线通过匹配的射线输入口163导入到热加工炉的加工室162，以便传送射线到晶片W的背面。反射回来的射线和/或驻留在室162中的射线由纤维光缆34B′捕获，并被导向到光电检测器90′或高温计96′。由于热加工设备安装在水平环境中，运行在晶片上的反射率和温度测量与室74′内的垂直线位置无关。因此依据以前的教导，晶片被引入室74′，在室中的射线流根据前文的技术测量。如果加工室不维持在一个恒定的温度，例如，周期性地开关加热灯，那么只有前文的发射率测量技术能用于本实施例。
独立于设计的这个位置的明显优势是，在测量和晶片加热过程中，不需要对选定的位置的监视和记录，如图3中所示的晶片的垂直线位置。
而且根据另外的一个实施例，图8的系统能被修改，以使得顶和底加热板能用于固定加热室并加热晶片到适当的热加工温度。在本实施例中，加热板作为一个恒温加热源运行，所以前文所述的所有反射率和杂散光测量技术均可被采用。前文的实施例可以被认为是本发明范围内的一部分。
因此可以看出，本发明充分达到了以上提出的目的，并且从前面的解释中阐明了这些目的。因此在不脱离本发明的范围的前提下，可以在以上的结构中作一定的改变，这意味着包含在以上的解释或显示于相应的图表的所有事项，均被看成是解说性的，而没有限制的意思。
同样可以理解的是下面的权利要求是涵盖这里所述的本发明的全部一般或特殊性能，本发明领域的所有陈述，由于语言的关系，将会在下落入其中。
权利要求
1.一种用于实时测定在热加工装置(22)的加热室(74)内加工期间的半导体晶片发射率的方法，所说的方法包括以下步骤求出在热加工装置(22)的加热室(74)外的晶片(w)的反射率，求出当晶片被置于热加工装置(22)的加热室(74)内的晶片(w)反射的辐射强度，使求出的在热加工装置(22)的加热室(74)外的晶片(w)的反射率与测出的晶片被置于加热室(74)内的晶片(w)反射的辐射强度相关，以求得加热室内的晶片的反射率，及从相关的在热加工装置内部的晶片的反射率，测出在加工过程中实时的晶片(w)发射率。
2.如权利要求1的方法，其特征在于求出在热加工装置(22)的加热室外的晶片的反射率的步骤包括在热加工装置的加热室(74)内进行热加工之前，测定晶片半球性方向的反射率的步骤。
3.权利要求1的方法，其特征在于求出在热加工装置(22)的外部的晶片反射率的步骤包括用辐射源(30)发出的辐射大致均匀地照射晶片的一部分，和测定从晶片(w)的这一部分反射的辐射强度。
4.权利要求3的方法，其特征在于求出在热加工装置的加热室外部的晶片反射率的步骤还包括测定辐射源(30)的辐射强度，及从所说的测定的晶片(w)和辐射源(30)的辐射强度测出晶片(w)的反射率。
5.权利要求1的方法，还包括维持在求出加热室(74)内部的晶片反射率的步骤时晶片的温度大致于在求出在热加工装置(22)的加热室(74)外部的晶片反射率的步骤时晶片(w)的温度相同。
6.如权利要求1的方法，其特征在于求出在热加工装置的加热室外的晶片的反射率的步骤包括用积分球(62)以从辐射光源(30)发出的辐射大致均匀地照射晶片的一部分，及收集从晶片(w)反射的辐射。
7.如权利要求6的方法，还包括以下步骤测定从晶片(w)反射的辐射强度，测定从辐射源(30)发射的辐射强度，求出在测定的辐射源的反射辐射强度和辐射强度之间选定的数学关系，产生一个校准曲线使晶片的反射率与所说的数学关系相关，及从所说的校准曲线测出晶片的反射率。
8.如权利要求1的方法，其特征在于求出在加热室(74)内的晶片(w)的反射辐射强度的步骤还包括用辐射源(30，31)照射放置于加热室(74)内的晶片(w)，及用检测器(90，96)测定在加热室(74)内的晶片反射的辐射强度，所说的检测器产生一个与反射的辐射强度成比例的输出信号。
9.如权利要求8的方法，还包括使加热室(74)内的晶片的反射率与测定的加热室内的晶片的反射辐射相关的步骤。
10.如权利要求8的方法，还包括用下列等式求出加热室内的晶片的反射率的步骤R＝KΔVw这里R是在加热室(74)内的晶片的反射率，K是比例常数，ΔVw是在加热室内的晶片反射的辐射强度。
11.如权利要求10的方法，还包括求出比例常数K的步骤，通过热加工装置(22)的加热室(74)摆动晶片(w)，及从摆动期间晶片反射的辐射和在加热室外部测出的晶片反射率求出比例常数K。
12.如权利要求11的方法，还包括步骤至少从比例常数K计算出在加工期间晶片(w)的反射率，测定在加工期间从晶片(w)反射的辐射强度，及从测定的反射辐射和比例常数求出实时晶片反射率。
13.如权利要求12的方法，其特征在于测出在加工期间晶片的实时发射率的步骤还包括从加工期间晶片实时反射率求出晶片(w)的发射率的步骤。
14.如权利要求8的方法，还包括步骤通过加热室(74)移动晶片(w)，测定晶片在室(74)内的一个或多个晶片位置从晶片(w)反射的辐射强度，及储存在所说的测定中晶片(w)的辐射强度和相应的位置。
15.如权利要求14的方法，还包括步骤在求出热加工装置(22)外部的所说的晶片反射率时的晶片温度的基础上基本上不用加热晶片，测定晶片(w)反射的辐射强度。
16.如权利要求10的方法，还包括步骤通过加热室(74)移动晶片(w)，测定晶片在室(74)内的一个或多个晶片位置从晶片(w)反射的辐射的辐射强度，及计算K，以方便测出在加热室(74)内加工期间晶片的反射率的。
17.如权利要求1的方法，还包括步骤用辐射源(30，31)照射放置于加热室(74)内的晶片(w)，及从晶片被引入加热室内的温度的基础上基本不用加热晶片，当晶片在加热室移动时用检测器(90，96)测定在加热室(74)内的晶片的总辐射，及使测定的晶片的总辐射与从发射源而不是晶片始发的辐射相关。
18.如权利要求1的方法，还包括至少从晶片的发射率测出晶片(w)的温度的步骤。
19.一个用于求出在热加工装置(22)的加热室(74)内加工过程中的半导体晶片(w)的实时发射率的系统，所说的系统包括一个用于测出在热加工装置(22)的加热室(74)外部的晶片(W)的反射率的反射率测出装置(18，30，40，42，50)，一个用于测出在热加工装置的加热室内部的晶片反射的辐射强度的强度测出装置(84，86，90，96)，一个用于使求出的热加工装置(22)外部的晶片(w)的反射率，与为了测出加热室内晶片反射率而测出的加热室(74)内的晶片反射的辐射强度相关联的关联装置(50)，一个用于从热加工装置(22)内测出的相关的晶片反射率，测出加工过程中晶片(w)实时发射率的发射率测出装置(50)。
20.如权利要求19的系统，其特征在于所说的反射率测出装置包括用于在热加工装置(22)的加热室(74)加热过程之前测定晶片半球形方向反射率的测定装置(62，40，42，50)。
21.如权利要求19的系统，其特征在于所说的反射率测出装置包括一个包括与积分球(62)光学通信的辐射源(30)的辐射阶段，利用从发射源产生的辐射大致均匀照射晶片的一部分，及用于收集从晶片反射的辐射的收集装置(26)。
22.如权利要求21所述的系统，还包括用于测定晶片反射的辐射强度的第一强度测定装置(42)，用于测定辐射源(30)发射的辐射强度的第二强度测定装置(40)，用于求出测定的辐射源(50)反射辐射强度和辐射强度之间的选定的数学关系的装置(50)，用于产生使晶片的反射率与所说的数学关系相关联的校准曲线的产生装置(50)，及用于从所说的校准曲线求出晶片(w)反射率的装置。
23.如权利要求19所说的系统，其特征在于所说的强度求出装置包括一个用于照射放置于加热室(74)内的晶片的辐射源(30，31)，及一个用于测定在加热室(74)内的晶片反射的辐射强度的与所说的辐射源相通连的检测器(90，96)，所说的检测器产生一个与反射辐射强度成比例的输出信号。
24.如权利要求23的系统，还包括用于使加热室内的晶片的反射率与测定的加热室内的晶片反射辐射强度相关的关联装置。
25.如权利要求23的系统，其特征在于所说的反射率测出装置根据下列公式测出加热室(74)内的晶片(w)的反射率。R＝KΔVw这里的R是在加热室内的晶片的反射率，K是比例常数，ΔVw是加热室内的晶片反射辐射的强度。
26.如权利要求25的系统，还包括用于测出比例常数K的测出装置(50)，所说的测出装置包括用于通过热加工装置(22)的加热室(74)摆动晶片的装置，其中所说的比例常数K从摆动期间晶片反射的辐射和从所说的反射率测出装置测出的加热室外部的晶片反射率求出。
27.如权利要求26的系统，还包括用于至少从比例常数K测出加工期间晶片的反射率的装置，用于测定晶片加工期间晶片反射的辐射强度的强度测定装置(84，86，90，96)，及用于从测定的反射辐射和比例常数测出实时晶片反射率的第二反射率测出装置(50)。
28.如权利要求19的系统，还包括一个用于照射放置于加热室内的晶片的辐射源(30，31)，及一个用于在晶片移动时检测加热室内的晶片总辐射的检测器(90)。
29.如权利要求28的系统，还包括用于使测定的晶片的总辐射与从辐射源而不是晶片产生的辐射相关。
30.如权利要求29的辐射，还包括用于从至少一个晶片的发射率和从晶片发射的辐射求出在加工期间晶片(w)的温度的温度测出装置。
全文摘要
一个用于测出在热加工装置(22)的加热室(74)内的工件(w)在加工过程中的反射率的系统(10)和方法。该系统首先直接求出在热加工装置的加热室(74)外部的工件反射率,然后通过使外部晶片反射率与在加热室内的晶片反射辐射强度相关,求出在热加工装置(22)的加热室(74)内的工件在加工过程中的反射率。
文档编号G01J5/10GK1272556SQ0011795
公开日2000年11月8日 申请日期2000年3月29日 优先权日1999年3月29日
发明者J·P·赫布, A·沙基 申请人:易通公司