由折射及具有磁化率的波的速度上的变化测量温度的方法与流程

本发明的实施方式涉及半导体器件的制造。尤其是，实施方式涉及制造期间测量半导体器件的温度。

背景技术：

快速热处理(或rtp)意指在数秒或更低的时幅(timescale)上快速加热硅晶片至高温(高至摄氏1200度或更高)的半导体制造处理。然而在冷却期间，晶片温度必须缓慢下降以防止由热震动的位错(dislocation)及晶片破裂。快速加热速率通常由高强度灯具或激光来达成。rtp被用于包含掺杂物活化、热氧化、金属回流及化学气相沉积的半导体制造的广泛应用。

测量处理温度对控制rtp工具中的快速加热及冷却速率是关键的，以防止对在其中处理的硅晶片的损坏。因此，rtp工具需要具有快速反应、精确且能够在约250摄氏度至1100摄氏度的温度范围内精确测量温度的温度测量装置。通常对rtp工具而言在以下两种能力间折衷：快速且精确地于温度范围的一端以相对低的成本测量基板温度的能力、与于该温度范围的另一端测量该温度的能力。

因此，存有改良温度测量装置的需求。

技术实现要素：

于此描述用于在真空腔室中使用热传感器原位(in-situ)确定基板温度的方法及设备。在一个实施方式中，热传感器具有传送器，该传送器经构造以传送电磁波；接收器，该接收器经构造以接收电磁波；及控制器，该控制器经构造以控制该传送器及该接收器，其中可操作该控制器以自所传送的该电磁波及所接收的该电磁波之间的差异来确定温度。

在另一实施方式中，提供处理腔室。该处理腔室包含腔室主体及基板支撑件，该基板支撑件设置于该腔室主体的内部容积中。传送器经定向以经过设置于该基板支撑件上的基板来传送电磁波。接收器经定向以接收由该传送器发射的电磁波。控制器经构造以控制该传送器及该接收器。可操作该控制器以自所传送的该电磁波及所接收的该电磁波的磁场变化来确定温度。

而在另一实施方式中，提供用于设置于处理腔室中的基板的温度的非接触测量的方法。该方法包含以下步骤：将基板传输进入处理腔室；引导电磁波穿过设置于该处理腔室中的该基板；在通过该基板之后接收该电磁波；及基于所引导的该电磁波及所接收的该电磁波之间的变化的度量指示来确定该基板的温度。

附图说明

以上本发明的详述特征可以被详细理解的方式，以及本发明的更特定描述可以通过参照实施方式来获得，实施方式中的一些实施方式绘示于附图中。然而，应当注意，所附图式仅绘示本发明典型的实施方式，因而不应视为对本发明范围的限制，因为本发明可允许其它等同有效实施方式。

图1为具有热传感器的处理腔室的示意截面图。

图2为示出于图1的处理腔室中的热传感器的示意截面图。

为了便于理解，尽可能使用相同附图标号，以标示附图中共通的相同元件。考虑到，于一个实施方式中所公开的元件在没有特定描述下可有益地运用于其它实施方式中。

具体实施方式

本公开内容的实施方式一般地涉及用于快速测量在具有快速且极端的温度改变的腔室中经受处理的基板上的温度的设备及方法。温度测量装置可帮助控制基板温度，使得最小化归因于过度加热的损坏及可在基板处理期间损坏基板的热震动情形。在一个实施方式中，温度控制装置可使用无线电波衍射以快速且精确地测量基板温度。在另一实施方式中，温度控制装置可使用电磁波以快速且精确地测量基板温度。

图1为根据一个实施方式的具有热传感器190的处理腔室100的示意截面视图。可使用处理腔室100以处理一个或更多个基板，包含沉积材料于基板的上方表面上，例如在图1中所描绘的基板108的上方表面116。处理腔室100包含腔室主体101，腔室主体101连接至处理腔室100，上方圆顶128及下方圆顶114。在一个实施方式中，上方圆顶128可由以下材料来制造：例如不锈钢、铝、或包含石英的陶瓷、包含气泡石英(例如，具有液包体(fluidinclusions)的石英)、氧化铝、氧化钇或蓝宝石。上方圆顶128也可由经涂覆的金属或陶瓷来形成。下方圆顶114可由光学透明或半透明材料来形成，例如石英。下方圆顶114耦接至腔室主体101，或为腔室主体101的整体部分。腔室主体101可包含支撑上方圆顶128的底板160。

设置辐射加热灯具102阵列于下方圆顶114下方，用以加热其它组件外，设置于处理腔室100内的基板支撑件107的背侧104。交替地，设置该辐射加热灯具102阵列于上方圆顶128上方，用以加热其它部件外，设置于处理腔室100内的基板108的上方表面116。在沉积期间，基板108可经由装载口103被带入处理腔室100且置于基板支撑件107上。可调适灯具102以加热基板108至预先确定温度，以便于供应进入处理腔室的工艺气体的热分解，用以沉积材料于基板108的上方表面116上。在一个实施例中，沉积于基板108上的材料可为iii族、iv族和/或v族材料、或包含iii族、iv族和/或v族掺杂物的材料。例如，沉积材料可为下列的其中一者或多者：砷化镓、氮化镓、或氮化铝镓。可调适灯具102以快速加热基板108至约300摄氏度至约1200摄氏度的温度，例如约300摄氏度至约950摄氏度。

灯具102可包含由可选的反射器143环绕的灯泡141，反射器143相邻于下方圆顶114且设置于下方圆顶114的下方，用以在工艺气体通过反射器143的上方以便于将材料沉积于基板108的上方表面116上时加热基板108。灯具102被安置为绕着基板支撑件107的轴件132增加的半径的环状群组。轴件132由石英形成且包含中空部分或其中的孔穴，这降低了靠近基板108中央的辐射能量的侧向位移，因而促进均匀的照射基板108。

在一个实施方式中，每个灯具102耦接至功率分配板(未示出)，经由功率分配板功率被供应至每个灯具102。放置灯具102于灯头145内，在被处理期间或处理后，通过将冷却流体导入位于灯具102之间的通道149可冷却灯头145。灯头145传导地冷却下方圆顶114，部分因为灯头145与下方圆顶114很靠近。灯头145也可冷却灯壁及反射器143的壁。如果需要，灯头145可与下方圆顶114接触。

示出基板支撑件107处于升高的处理位置，但可通过致动器(未示出)垂直移动至处理位置下方的装载位置，以允许升降销105接触下方圆顶114。升降销105通过基板支撑件107中的孔111且将基板108由基板支撑件107提高。机械手(未示出)可接着进入处理腔室100以占用且经由装载口103从处理腔室100移除基板108。放置新的基板于具有上方表面116的基板支撑件107上，接着可提高至处理位置以放置基板108而与基板支撑件107的前侧110接触，其中器件多在上方表面116上而面朝上形成。

设置于处理腔室100中的基板支撑件107将处理腔室100的内部容积分隔成工艺气体区域156(基板支撑件107的前侧110上方)及净化气体区域158(基板支撑件107下方)。基板支撑件107在处理期间由中央轴件132旋转，以最小化处理腔室100内的热及工艺气体流动空间不均匀性的影响，因此便于基板108的均匀处理。基板支撑件107通过中央轴件132支撑，中央轴件132在装载及卸除期间(且在一些情形中，在基板108处理期间)在往上及往下的方向134上移动基板108。基板支撑件107可由具有低热质量或低热容量的材料形成，使得被基板支撑件107吸收及发射的能量最小化。基板支撑件107可由碳化硅或涂覆碳化硅的石墨形成，以吸收来自灯具102的辐射能量且快速地传导辐射能量至基板108。在一个实施方式中，基板支撑件107在图1中被示出为具有中央开口的环，以便于基板中央暴露于由灯具102产生的热辐射下。基板支撑件107可自基板108边缘支撑基板108。在另一实施方式中，基板支撑件107也可为不含中央开口的碟状构件。而在另一实施方式中，基板支撑件107也可为碟状或盘状的基板支撑件，或由个别指状物延伸的多个插销，例如三个插销或五个插销。

在一个实施方式中，上方圆顶128及下方圆顶114由光学透明或半透明材料(例如石英)形成。上方圆顶128及下方圆顶114为薄的以最小化热内存。在一个实施方式中，上方圆顶128及下方圆顶114可具有约3mm及约10mm之间的厚度，例如约4mm。通过将热控制流体(例如冷却气体)经由入口126导入热控制空间136及经由出口130抽出热控制流体，可热控制上方圆顶128。在一些实施方式中，经过热控制空间136的冷却流体循环可减少于上方圆顶128的内表面上的沉积。

可在腔室主体101内设置衬垫组件162，且衬垫组件162被底板160的内圆周环绕。衬垫组件162可由处理抵抗性材料形成，且大体上将处理容积(即，工艺气体区域156及净化气体区域158)屏蔽于腔室主体101的金属壁外。可穿过衬垫组件162设置开口170(例如狭缝阀)且与装载口103对准，以允许基板108的通过。

经由形成于底板160的侧壁中的工艺气体进入口175，将供应自工艺气体供应源173的工艺气体导入工艺气体区域156。也可在衬垫组件162中形成额外的开口(未示出)以允许气体流经。工艺气体进入口175经构造以在大体径向朝内的方向上引导工艺气体。在薄膜形成工艺期间，基板支撑件107位于处理位置中，而相邻于工艺气体进入口175且处于与工艺气体进入口175约相同的高度，因而允许工艺气体沿着流动路径169流动，流动路径169跨基板108的上方表面116而界定。工艺气体经由气体排出口178离开工艺气体区域156(沿着流动路径165)，气体排出口178定位于处理腔室100相对于工艺气体进入口175的相对侧上。可通过耦接至气体排出口178的真空泵180，而便于经由气体排出口178移除工艺气体。当工艺气体进入口175及气体排出口178相互对准且设置大致于相同高度，据信这样平行安置使大体平坦、均匀的气体流动能够跨越基板。可藉由通过经由基板支撑件107的旋转来提供进一步的径向均匀性。

将供应自净化气体源163的净化气体经由净化气体进入口164导入净化气体区域158，净化气体进入口164在底板160的侧壁中形成。设置净化气体进入口164于工艺气体进入口175下方的一高度处。净化气体进入口164经构造以在大体径向朝内的方向上引导净化气体。如果需要，净化气体进入口164可经构造以在朝上的方向上引导净化气体。在膜形成工艺期间，基板支撑件107位于一位置处，使得净化气体沿着流动路径161跨基板支撑件107的背侧104流动。不受任何特定理论限制，相信净化气体的流动能防止或实质避免工艺气体流动进入净化气体区域158，或减少工艺气体扩散进入净化气体区域158(即，基板支撑件107下方的区域)。净化气体离开净化气体区域158(沿着流动路径166)且经由气体排出口178排出处理腔室，气体排出口178位于处理腔室100相对于净化气体进入口164的相对侧上。

相似地，在净化处理期间，基板支撑件107可位于升高的位置以允许净化气体侧向流动跨过基板支撑件107的背侧104。本领域普通技术人员应当理解：出于说明目的示出工艺气体进入口、净化气体进入口、及气体排出口，因而可调整气体进入口或排出端口的位置、大小、或数量等，以进一步便于基板108上均匀的材料沉积。

可选地，可放置反射器122于上方圆顶128或下方圆顶114的外部，以将由基板108辐射或基板108传送的红外光反射回到基板108上。由于反射的红外光，通过包含以其它方式可逸散出处理腔室100的热来改善加热的效率。反射器122可由金属制成，例如铝或不锈钢。反射器122可具有入口端口126及出口端口130以乘载流体(例如水)的流动以冷却反射器122。如果需要，可通过使用高反射性涂覆层(例如金涂覆层)涂覆反射面来改善反射效率。

可设置一个或更多个热传感器190于灯头145及上方圆顶128中，以测量基板108的热发射。每个热传感器190包含传送器191及接收器192，且耦接至至少一个传感器控制器194。可设置热传感器190于灯头145中的不同位置处，以便于在处理期间检视(即，感测)基板108的不同位置。在一个实施方式中，设置热传感器190于灯头145下方的腔室主体101的部分上。自基板108的不同位置感测温度便于确定是否出现温度反常或不均匀性。这些温度不均匀性可导致膜形成的不均匀性，例如厚度及成分。虽然图1中图示了一个热传感器190(包括传送器191及接收器192)，可使用一个或更多个额外的热传感器190以获得基板108的边缘至边缘温度剖面。应预想，可安置热传感器190以确定基板108的多个预先确定位置处的温度。

例如，可放置和/或定向每个热传感器190以检视基板108的区域且感测该区域的热状态。在一些实施方式中，可径向定向基板108的区域。例如，在旋转基板108的实施方式中，热传感器190可检视或定义具有与基板108的中央实质相同的一中央的基板108的中央部分中的中央区域，带有环绕该中央区域且与该中央区域同心的一个或更多个区域。然而，这些区域不须为同心或径向定向。在一些实施方式中，可以非径向方式在基板108的不同位置处安置区域，例如以cartesian格状安置。

可设置热传感器190的传送器191于灯具102之间(例如，在通道149中)且经定向而实质斜向基板108的上方表面116。在一些实施方式中，将传送器191及接收器192以实质相似角度定向斜向基板108。在其它实施方式中，可定向传送器191及接收器192稍微离开彼此。例如，传送器191及接收器192可具有相互约5度内的定向角度。

在处理期间，控制器182自热传感器190(或自传感器控制器194)接收温度的度量指示且基于该度量单独地调整输送至每个灯具102(或单个灯具群组或灯具区域)的功率。控制器182可包含独立对多种灯具102或灯具区域供电的功率源184。控制器182也可包含传感器控制器194。控制器182可经构造以产生基板108上所需温度剖面，且基于对自热传感器190接收的度量与预先确定的温度剖面或目标设定点的比较，控制器182可调整对灯具和/或灯具区域的功率，以使指示基板的侧向温度剖面的所观察(感测)的热信息符合所需温度剖面。控制器182也可调整对灯具及/或灯具区域的功率，以使一个基板的热处理符合另一基板的热处理，以防止腔室性能随着时间飘移。

可操作热传感器190以探测基板108上的温度，例如，传感器控制器194可指示传送器191发送传送信号146。传送信号146可与基板108或其它可修改、衰减、或变更传送信号146的主体相互作用。接收信号147(被变更的传送信号146)被引导远离基板108至接收器192。接收器192接着将接收信号147传达至传感器控制器194。传感器控制器194可比较传送信号146与接收信号147以确定温度。图2中更详细讨论热传感器190。

图2为示出于图1的处理腔室中的热传感器190的示意截面视图。虽然一个或更多个传送器191可引导基板108的上方表面116、基板108的下侧208、或两者的组合处的一个或更多个传送信号146，机制为相似的，并且讨论可参考单一传送器。亦即，传送器191以第一角度222引导基板108的下侧208处的传送信号146自正交角度210、220至基板108的下侧208。传送信号146由基板108变更，例如由通过衍射至中间角度218来改变信号的第一角度222，例如示出为传播穿过基板108的中间信号240。中间角度218可取决于基板108的属性以及基板108的温度。基板的属性与中间角度218一起产生信号146、147的位移216。中间信号240离开基板108的上方表面116，可在上方表面116再次衍射至第二角度212，而作为接收信号147随后被接收器192探测到。在一个实施方式中，第一角度222及第二角度212实质相似，在第二实施方式中，第一角度222及第二角度212不相似。

热传感器190可在相关联于电磁波传送的一个或更多个法则上运作。热传感器190可利用基板108的属性以造成传送信号146中的改变。这些属性产生自传送信号146至取决于温度的接收信号147的位移216，且相应地，可使用以确定基板108的温度。在一个实施方式中，可探测到基板108的温度为基板108的折射及密度中的改变的函数。例如，硅具有在0摄氏度时约2.3290g·cm³及在1414摄氏度时约2.57g·cm³的密度。电磁波在波通过介质(例如基板108)时在速率上改变且折射，并且随着基板108的动态密度变化。因此，传送信号中的改变可指示基板108密度中的改变，接着可关联于基板108的温度。此外，也可使用测量在传送信号146传播通过基板108时被基板108密度所影响的传送信号146的速度，以产生关于基板108温度的信息。在另一实施方式中，电磁波可确定基板108的电磁场。基板的电磁场中的改变关联于基板108温度中的改变。

热传感器190可衰减至相同波长或频谱，或衰减至不同波长或频谱。例如，使用于处理腔室100的基板可为成分上同质的，或可具有不同成分的领域，例如特征位置。使用衰减至不同波长的热传感器190可允许具有不同成分及不同发射的基板领域的监控来回应热能量。

虽然声波无法穿越真空，无线电波为能够穿越真空的电磁波。声音由物质(例如空气或水)中的压力变化组成因而无法穿越真空。然而，类似于可见光、红外光、紫外光、x射线及伽马射线的无线电波，为容易穿越真空的电磁波，使得无线电波适用于真空环境，例如等离子体处理腔室及类似者。

在一个实施方式中，热传感器190衰减至红外光波长，例如700纳米至1mm，例如约3μm。热传感器190可产生连续波，例如正弦波。然而，应理解可为任何合适的波，例如脉冲波。脉冲波可有利地具有较低噪声，使得脉冲波为热传感器190的使用所需。例如，脉冲波可测量针对脉冲波自传送器至接收器的时间变化且比较对抗多种基板温度的时间变化。

穿越材料介质的电磁波真实速度取决于该介质的密度。不同材料由于电磁波的吸收及重新发射工艺造成不同延迟量。不同材料具有更紧密聚集的原子，因而原子之间的距离量也更低。针对基板108的密度变化取决于材料的本性以及某些属性，例如基板108的温度。此外，电磁波的速度取决于材料及电磁波所穿越材料的密度。电磁波的速度越过给定距离逐渐地改变。因此，通过分析电磁波由输入至输出的变化，我们可将温度探测为基板108的折射及密度中的改变的函数。可通过比较作为温度的函数的频率及速度的变化与折射而在特定点处验证温度。

例如，声波的速度在保持20摄氏度的干空气中为约343m/s或约767mph。波的速度取决于介质(即，空气或基板)的温度。声音的速度可表示为v＝331m/s+0.6t，其中v为波的速度，t为空气以摄氏度数的温度，331m/s为干空气于0摄氏度中的声音速度，且0.6为一常数。随着温度增加，声音的速度也以每摄氏度0.6m/s的速率增加。声音的速度也取决于介质的可压缩性及惯性。归因于媒介的可压缩性的速度变化可表示为v2＝(弹性属性/惯性属性)。其中弹性属性通常为介质的体积模量(bulkmodulus)或杨氏模量(young’smodulus)，且惯性属性为介质的密度。可将这些相同原则应用至电磁波以测量真空气氛中基板的温度。

在另一实施方式中，可使用经构造以探测磁化率(susceptibility)的传感器190来确定基板108的温度。使用curie-weiss法则，可使用磁场变化以测量基板108中的温度。磁化率与基板的温度反向成比例，经由该基板的温度来测量磁场。因此，在基板108处测量磁场指示测量的温度。

在一个实施方式中，传送器191可为置于基板下方的磁铁的形式。在一个实施方式中，接收器192可为传感器的形式，该传感器用于使用传送器191所提供的场来测量基板108的磁化率。可在反射器平板中或下方放置磁铁(即，传送器191)且相对于基板的磁场磁铁被控制及隔绝。基板108磁场中的改变可表示为使用curie’s法则的温度函数，即，χ＝m/h＝mμ0/b＝c/t。其中χ为在基板108上施加磁场感应的磁化率；m为每单位容积的磁矩，h为宏观的磁场，μ0为自由空间的磁导率；b为磁场；c为材料特定的curie常数；而t为(基板)温度。

热传感器190针对不同温度范围及操作条件可具有不同实施方式。在一个实施方式中，热传感器190可经构造针对一般用途且可操作热传感器190于约250摄氏度(500华氏度)及约2500摄氏度(4500华氏度)之间的温度。一般用途的热传感器可包括操作于约0.65μm波长(或约0.7μm及约1.1μm之间；或约0.9μm及约1.9μm之间)的窄频带辐射温度计。一般用途热传感器可具有固态光电探测器、约0.9mm直径的光学分辨率、及约250：1的距离率(d-ratio)，固态探测器除其它之外，例如si或ge。

在另一实施方式中，热传感器190可为具有两色率的高温计的高精确度热传感器。该两色代表使用于热测量的两个分离的波长。可于约650摄氏度(1200华氏度)及约2500摄氏度(4500华氏度)之间的温度使用高精确度热传感器。高精确度热传感器可使用针对约0.8μm及约0.9μm的两色频带来操作。有利地，高精确度热传感器独立于发射率、波动和/或视野路径扰动，且针对移动目标自动补偿。

而在另一实施方式中，热传感器190可为可程序化的/高性能的热传感器。可于约100摄氏度(212华氏度)及约2500摄氏度(4500华氏度)之间的温度使用可程序化的/高性能的热传感器。可程序化的/高性能的温度计可具有内建信号调节及数字计算、在约2μm及约20μm之间的宽或窄带的频带选择、双向界面、例如最大/最小/差分/维持的多个可程序化功能、针对不同材料成分的可程序化大气温度、及透镜视野的选择，例如led或激光器。

而在另一实施方式中，热传感器190可为高温一般用途热传感器。可于约250摄氏度(500华氏度)及约2500摄氏度(4500华氏度)之间的温度使用高温一般用途热传感器。高温一般用途热传感器可操作于窄频带，例如约0.65μm，或约0.7-1.1μm、或约0.9-1.9μm。高温一般用途热传感器可具有诸如si或ge之类的固态光电探测器、约0.9mm直径的光学分辨率、及约250：1的距离率。

而在另一实施方式中，热传感器190可为高稳定度热传感器。可在约300摄氏度(600华氏度)及约2500摄氏度(4500华氏度)之间的温度针对复杂的应用操作高稳定度热传感器。高稳定度热传感器可由一个或更多个窄频带辐射温度计组成。例如，高稳定度热传感器在选择的频带外可在约3.9μm的频带中针对玻璃和/或经由热气体操作、在约5.0μm的频带中针对玻璃表面操作、在约4.2μm及约5.3μm之间的频带中针对内燃气体操作。高稳定度热传感器可具有热电探测器、截波稳定化、且具有适用于1mm目标为100：1距离率的光学分辨率。高稳定度热感应器具有约30msec的反应时间且可具有约4ma至约20ma的模拟输出。

而在另一实施方式中，热传感器190可为高速、两色率热传感器。可在约150摄氏度(300华氏度)及约2500摄氏度(4500华氏度)之间的温度操作高速、两色率热传感器。高速、两色率温度计可具有窄频带，例如约0.8μm及约2.1μm之间的第一带及约0.9μm及约2.4μm之间的第二带。高速、两色率热传感器可额外地具有内部震动检查。有利地，高速、两色率热传感器大幅独立于发射率、波动和/或视野路径扰动，且针对移动目标自动补偿。

尽管前述针对本发明的实施方式，在不脱离本发明的基本范围的情况下可设计本发明其它的及进一步的实施方式。