用于基板支撑件的非接触式温度校正工具和使用所述温度校正工具的方法与流程

背景

领域

本公开的实施方式一般性地涉及用于测量温度的方法和一种用于校正在处理腔室中的基板支撑件的温度控制的工具。

现有技术的描述

在进行对温度灵敏的半导体工艺(诸如退火)期间，当在处理腔室中对于基板进行处理时，继续地测量半导体基板的温度。用于测量半导体基板的温度的现有的解决方案涉及到校正被设置在基板支撑件内的加热元件的温度控制，其中在所述基板支撑件上对所述基板进行处理，而同时接触到基板或基板支撑件的表面。此些解决方案可导致：将污染物引入处理腔室中。举例而言，用于校正加热元件的解决方案中的一个为：使用具有一些热电偶的校正基板。然而，可能会不理想地将作为污染物的在热电偶内的铜引入腔室中。虽然可能会有用于减低具有污染物的风险的临时的权变方案，在校正基板上使用热电偶通常是不理想的。

用于测量半导体基板或基板支撑件的温度的另一现有的解决方案涉及到：装载弹簧的热电偶的使用。然而，已经发现到装载弹簧的热电偶具有与基板或基板支撑件之间的不佳的或不一致的接触，因此产生不准确的温度测量。

因而，需要用于测量温度的改善的方法和用于校正基板支撑件的温度控制的改善的设备。

技术实现要素：

本公开的实施方式一般性地涉及：用于测量温度的方法和一种用于校正在处理腔室中的基板支撑件的温度控制而不与所述基板支撑件的表面相接触的工具。在一个实施方式中，公开一种用于测量被设置在处理腔室中的第一基板支撑件的温度的方法。具有第一温度传感器的测试夹具可移除地被安装至所述处理腔室的腔室主体的上表面，以使得被安装至所述测试夹具的所述第一温度传感器具有视场，所述视场包含所述第一基板支撑件的与被设置在所述第一基板支撑件中的第一电阻性线圈相邻的第一区域。所述第一基板支撑件的所述第一区域的一或多个校正温度测量由所述第一温度传感器获取并且对应于每一校正温度测量的所述第一电阻性线圈的一或多个校正电阻测量同时地被获取。被设置在所述第一基板支撑件中的第一加热元件的温度控制基于所述校正温度测量和所述校正电阻测量来校正。

本公开的另一实施方式提供：一种用于测量被设置在处理腔室中的基板支撑件的温度的测试夹具。所述测试夹具包含：覆盖板、一或多个冷却通道，所述冷却通道与所述覆盖板进行热接触、穿过所述覆盖板形成的第一开口和第二开口，以及安装在所述第一开口之上的第一非接触式温度传感器和安装在所述第二开口之上的第二非接触式温度传感器，以使得所述第一非接触式温度传感器和所述第二非接触式温度传感器经配置以穿过所述覆盖板的所述开口来测量在所述覆盖板下方的表面的温度。所述覆盖板的尺寸被设定为：当所述处理腔室的盖子为打开时覆盖所述处理腔室的腔室主体的上表面。

附图说明

为了使得可详细地理解前文引述本公开的特征的方式，本公开的更为特定的描述(在前文中简短地概括)可通过参照实施方式来获得，所述实施方式中的一些被示例说明于附图中。然而，应注意到：附图仅示例说明示例性的实施方式，因而不被认为是对本公开的范围作出限制(因为本公开可容许其他的同等有效的实施方式)。

图1为处理腔室的前视图的示意性表示，所述处理腔室具有安装于所述处理腔室上的测试夹具，所述测试夹具用于测量被设置在所述处理腔室中的基板支撑件的温度。

图2为所述处理腔室的侧视图的示意性表示，所述处理腔室具有安装于所述处理腔室上的所述测试夹具。

图3为测试夹具的覆盖板的一个实施方式的俯视图。

图4为用于测量在处理腔室中的基板支撑件的温度而不与基板支撑件的表面相接触的方法的流程图。

图5为用于同时地测量被设置在处理腔室中的二个基板支撑件的温度的方法的流程图。

为了要促进理解，在可能的情况中已经使用相同的参考符号以指定给图共享的相同的元件。考虑到：一个实施方式的元件和特征可被有利地并入其他的实施方式中，而无需进一步的详述。

具体实施方式

本公开的实施方式一般性地涉及：用于校正在处理腔室中的基板支撑件的温度测量而不与所述基板支撑件的表面相接触的方法和工具。特定地，温度传感器(诸如(但不限于)：高温计)被使用以校正温度的测量。高温计允许温度的测量而不与基板支撑件相接触(即使是在处于低温的情况下)，因此降低具有污染的任何的风险而同时保持了测量的准确度和精确度。然后利用所述测量以校正被设置在基板支撑件中的加热元件的控制。虽然在被描述于本公开中的特定的实施方式中选择高温计以作为温度传感器，理解到：亦可选择其他的非接触式温度传感器(诸如：红外线温度计、红外线扫描系统、红外线热像仪和类似物)。被描述于此公开中的方法和工具的基础原理可经调适以校正：被嵌入在基板支撑件中的各种各样的加热元件。

图1为被设置在处理腔室100上的测试夹具110的前视图的示意性表示，所述测试夹具用于测量被设置于所述处理腔室中的基板支撑件的温度。虽然处理腔室100被示例说明为具有二个基板支撑件150a、150b，考虑到：测试夹具110可经调适以测量可被设置在腔室100内的任何的数目的基板支撑件的温度，而不与基板支撑件的表面相接触。处理腔室100可经配置以执行半导体制造工艺(诸如，对在基板上的材料进行蚀刻、注入、退火、沉积，及等离子体处理)。在被显示于图1中的实施方式中，处理腔室100经调适以用于对基板进行退火。

处理腔室100具有：腔室主体170和被耦接至主体170的盖子130。盖子130可被打开以显露出腔室主体170的内部。腔室主体170具有两个侧壁172、174和底板176。底板176将两个侧壁172和174耦接在一起。腔室主体170具有：分隔壁178，所述分隔壁将被限定在腔室主体170内的两个处理空间180a、180b分隔开来。基板支撑件150a被设置在处理空间180a中，而基板支撑件150b被设置在处理空间180b中(其中所述处理空间180b具有基板支撑件150b)。基板支撑件150a、150b中的每一个可位于分别的处理空间180a、180b内的中心处。基板支撑件150a、150b中的每一个可选择地包含：真空吸盘或静电吸盘。基板支撑件150a、150b中的每一个具有：圆柱形的基部150a0、150b0和圆形的顶表面150a1、150b1。顶表面150a1、150b1经配置以当(例如)在处于最高达到550摄氏度的温度的情况下进行处理时支撑基板。顶表面150a1、150b1可从与位于所述顶表面上的被处理的基板兼容并且与在腔室中的处理环境兼容的材料中制成。示例性的材料包含：石英和陶瓷(例如：可承受高温的氧化铝和氮化铝)。

基板支撑件150a、150b中的每一个具有至少两个可控制的加热区域—圆形的内区154a、154b和被设置在内区154a、154b周围的环形的外区152a、152b。内区154a、154b中的每一个具有内嵌式加热元件153a、153b。加热元件153a、153b可为：电阻性加热元件或其他的适当的加热器。加热元件153a、153b中的每一个的温度通过从一或多个电源供应器(未被显示出)处供应电流的方式来进行控制。内区154a、154b中的每一个亦具有：用于测量与加热元件153a、153b中的每一个相邻的基板支撑件150a、150b的温度的内嵌式热电偶157a、157b。热电偶157a、157b中的每一个经由分别的连接线158a、158b被耦接至控制器140。

外区152a、152b中的每一个具有内嵌式加热元件151a、151b。在一个实施方式中，内嵌式加热元件151a、151b可为：电阻性加热元件或其他的适当的加热器。加热元件151a、151b中的每一个的温度通过从一或多个电源供应器(未被显示出)处供应电流的方式来进行控制。

电阻性线圈155a、155b被设置在与每一加热元件151a、151b相邻的基板支撑件150a、150b中。电阻性线圈155a、155b中的每一个通过分别的连接线156a、156b被连接至欧姆计159a、159b以测量分别的电阻性线圈155a、155b的电阻。欧姆计159a、159b经配置以测量在电阻性线圈155a、155b中的电阻并且经由分别的连接线156a’、156b’提供电阻信息至控制器140。

控制器140包含：中央处理单元(cpu)142、存储器144，及支持电路146。控制器140可被利用以调节：从电源供应器(未被显示出)处施加至加热元件151a、151b和153a、153b的功率，以及接收：关于由各个的热电偶157a、157b测量的加热元件153a、153b的温度的信息和关于由分别的欧姆计159a、159b测量的电阻性线圈155a、155b的每一个的电阻的信息。cpu142可为：可以被使用在工业定型(industrialsetting)中的具有任何的形式的一般性目标计算机处理器。存储器144可为：随机存取存储器、只读存储器、软盘，或硬盘机，或其他的形式的数字储存。支持电路146传统上被耦接至cpu142并且可包含：缓存、时钟电路、输入/输出系统、电源供应器和类似物。

图2为被设置在处理腔室100上的测试夹具110的侧视图的示意性表示，所述测试夹具用于测量基板支撑件150a、150b的温度而不与基板支撑件的表面相接触。在进行校正期间，处理腔室100的盖子130被举升至打开位置，并且测试夹具110被放置在腔室主体170的顶部上。测试夹具110被放置在腔室主体170的顶部上。当测试夹具110经配置以校正单一的基板支撑件时，测试夹具110仅需被配置有由在图中的具有下标“a”的参照编号所识别的测试夹具元件。在进行校正之后，测试夹具110被移除并且盖子130被盖上以将腔室主体170密封而用于对基板进行处理。

如同在图2和图3中所显示，测试夹具110包含：覆盖板305、至少一个冷却通道315、外部开口112a和112b，以及两个非接触式温度传感器120a、120b。非接触式温度传感器120a、120b可为：红外线温度计、高温计、红外线扫描系统、红外线热像仪和类似物。在一个实施方式中，非接触式温度传感器120a、120b是高温计。

测试夹具110的覆盖板305从铝或其他的适当的材料中制成。覆盖板305可具有：在0.5英寸至0.75英寸之间的厚度。外部开口112a、112b穿过覆盖板305形成并且位于基板支撑件150a、150b的分别的环形的外区152a、152b的上方。可选择地，覆盖板305可包含：穿过覆盖板305形成的至少两个内部开口312a、312b，所述内部开口312a、312b与基板支撑件150a、150b的内区154a、154b对齐。外部开口112a、112b被利用以允许分别的非接触式温度传感器120a、120b在进行校正工艺期间穿过覆盖板305以检测在基板支撑件150a、150b的外区152a、152b中的温度。内部开口312a、312b可被利用以允许非接触式温度传感器120a、120b被放置在嵌入于分别的内区154a和154b中的热电偶157a、157b之上以验证：由非接触式温度传感器120a、120b所获得的温度测量。石英窗118a、118b可被设置在外部开口112a、112b中。石英窗118a、118b对于由基板支撑件150a、150b所发射的辐射而言是可透射的，以使得基板支撑件150a、150b的温度可由非接触式温度传感器120a、120b来进行测量。

非接触式温度传感器120a、120b被安装在覆盖板305的分别的外部开口112a、112b之上。附接至覆盖板305和非接触式温度传感器120a、120b的托架114a、114b被利用以将非接触式温度传感器120a、120b分隔于基板支撑件150a、150b的顶部上。在非接触式温度传感器120a、120b是高温计的实施方式中，托架114a、114b将非接触式温度传感器120a、120b与基板支撑件150a、150b的顶部分隔开与高温计的焦距相称的一距离，以用于进行基板支撑件的温度的准确的和可靠的测量。夹具、螺钉或其他的紧固构件可进一步地被使用以固持非接触式温度传感器120a、120b至托架114a、114b。当被紧固时，非接触式温度传感器120a、120b具有：穿过分别的石英窗口118a、118b至基板支撑件150a、150b中的每一个的与分别的电阻性线圈155a、155b相邻的区域的分别的视场122a、122b。非接触式温度传感器120a、120b经配置以获得在基板支撑件150a、150b中的每一个之上的分别的区域的温度测量并且经由连接线124a和124b将信息传送至控制器140。在所显示的实施方式中，非接触式温度传感器120a、120b可以是：型号为iga6-23mb10的高温计。非接触式温度传感器120a、120b可测量在宽广范围内(例如，在大约50摄氏度与1000摄氏度之间)的温度并且具有在大约210mm至5000mm之间的焦距。

冷却通道315避免覆盖板305发生以下情况：由于基板支撑件150a、150b所产生的热的缘故所造成的过热情况。在一个实例中，冷却通道315由不锈钢管制成并且被设置在形成于覆盖板305中的凹槽中。封装化合物(未被显示出)被使用以填充：在不锈钢管周围的凹槽，以确保：覆盖板305的有效的冷却。在冷却通道315上将多个短小突出物(tab)304a、304b，及304c耦接至覆盖板305以使得冷却通道315保持在形成于覆盖板305中的凹槽内。在替代性的实施方式中，短小突出物可由其他的紧固构件代替。接头302a和302b被耦接至冷却通道315的入口和出口以促进对于传热流体源(未被显示出)的容易的连接，而用于在冷却通道315内循环传热流体(诸如：水)以控制覆盖板305的温度。

测试夹具110包含多个手柄116，以使得：测试夹具110可被容易地放置在腔室主体170之上并且在已经执行校正之后被移除。塑料盖160可被设置在覆盖板305的顶部的之上以避免：覆盖板305的潜在热表面的显露。如同盖子130会在处理腔室100的操作期间发挥的作用，塑料盖160亦避免经过内部开口312a和312b的热损失，因此有助于非接触式温度传感器120a、120b可靠地测量基板支撑件150a、150b的温度。

测试夹具110被使用于利用电阻性线圈155a、155b来校正基板支撑件150a、150b的温度的测量而不与基板支撑件的表面接触。初始地，处理腔室100的盖子130被移动至打开状态以将测试夹具110容纳于腔室主体170的上表面上。测试夹具110的覆盖板305在进行校正工艺期间作为处理腔室100的盖子。覆盖板305包含与被耦接至腔室主体170的传感器接合的连锁装置(未被显示出)以仿真盖子130的封闭，而允许处理腔室100的操作。非接触式温度传感器120a、120b通过托架114a、114b被安装在测试夹具110的外部开口112a、112b的上方，以使得在基板支撑件150a、150b与非接触式温度传感器120a、120b之间的距离大致上等于非接触式温度传感器的焦距。非接触式温度传感器120a、120b具有：聚焦在与分别的基板支撑件150a、150b的分别的电阻性线圈155a、155b相邻的区域的分别的视场122a、122b。欧姆计159a、159b的每一个连接至分别的电阻性线圈155a、155b以当电阻与基板支撑件150a、150b的温度成比例地变化时直接地测量电阻性线圈的电阻。

被设置在处理腔室100中的基板支撑件150a、150b二者可在同一时间被校正。在第一基板支撑件150a的校正工艺的一个实例中，基板支撑件150a以50℃的增量被加热至550℃。在每一温度增量处使用非接触式温度传感器120a来获取基板支撑件150a的外区152a的数个校正温度测量t1、t2，…，tn。同时地，对应于每一校正温度测量的电阻性线圈155a的数个校正电阻测量r1、r2，…，rn被获取。在每一温度处，确定基板支撑件150a的测量的校正温度与电阻性线圈155a的测量的校正电阻之间的关系。多个电阻参数k1、k2，…，kn(每一个代表在每一温度下的关系)被确定为校正工艺的产物。最终的电阻参数k可被确定为：限定温度范围内的关系的线性的最佳拟合线段的斜率。电阻性线圈155a的测量的电阻与对应于电阻性线圈155a的测量的电阻的基板支撑件150a的温度t之间的此关系可被限定为：

t＝k*f(r)…………………………………(i)

其中‘k’是绘制在x-y笛卡尔坐标平面上的经过点t1、t2，…，tn，及r1、r2，…，rn的线性的最佳拟合线段的斜率；及

‘f’代表：使得基板支撑件150a的温度t可从被设置在基板支撑件150a内的电阻性线圈155a的测量的电阻r确定的关系。

亦同时地使用此相同的工艺并且通过利用非接触式温度传感器120b来获取测量的方式来校正基板支撑件150b的外区152b的温度。为了要进行验证，相对于基板支撑件150b来增加基板支撑件150a的温度以在非接触式温度传感器120a、120b对于控制器140的连接被交换的情况下推论出非接触式温度传感器120a、120b中的哪个与基板支撑件150a、150b相关联。在进行校正工艺期间，基板支撑件150a、150b的外区152a、152b的温度被维持在以下所述的范围中：相较于内区154a、154b更热10摄氏度以内并且相较于内区154a、154b更冷30摄氏度以内的温度范围，以避免基板支撑件的破裂。在进行校正之后，从腔室主体170移除测试夹具110并且将处理腔室100的盖子130盖上。

在对于在位于处理腔室100中的基板支撑件150a、150b上的基板进行后续的处理期间，基板支撑件150a、150b的外区152a、152b(以及因此在基板支撑件150a、150b上的基板的外区域)的温度可从已知的最终的电阻参数k和电阻性线圈155a、155b的测量的电阻与对应于电阻性线圈155a、155b的测量的电阻的温度之间的关系(i)中确定。

图4为根据本公开的另一实施方式的方法400的流程图，用于测量在处理腔室中的基板支撑件的温度而不与基板支撑件的表面相接触。方法400在方块410处通过将具有温度传感器的测试夹具安装在处理腔室的腔室主体的上表面上来作为开始。在一个实例中，测试夹具110被安装在处理腔室100的腔室主体170的上表面上。测试夹具110具有设置于测试夹具110上的非接触式温度传感器120a，其中利用此一方式使得：非接触式温度传感器120a具有覆盖基板支撑件150a的与嵌入于基板支撑件150a内(意即：外区152a的区域)的电阻性线圈155a相邻的区域的视场。

在方块420处，利用温度传感器以测量：位于处理腔室中的基板支撑件的校正温度。在前文所描述的实例中，非接触式温度传感器120a被使用以测量基板支撑件150a在外区152a中的校正温度。校正温度t从由被加热元件151a加热的基板支撑件150a所发射的辐射中测量的，所述辐射穿过石英窗口118a并且到达非接触式温度传感器120a的感测端。

在方块430处，被设置在基板支撑件的外区中的电阻性线圈的校正电阻通过欧姆计来测量。在前文所描述的实例中，使用被连接至电阻性线圈155a的欧姆计159a来测量被设置在基板支撑件150a的外区152a中的电阻性线圈155a的校正电阻r。在通过非接触式温度传感器120a来获取校正温度测量的同时获取校正电阻测量。

在方块440处，基于在基板支撑件的外区的测量的校正温度与电阻性线圈的测量的校正电阻之间的关系来确定电阻参数。在前文所描述的实例中，在每一温度处确定基板支撑件150a的外区152a的测量的校正温度与电阻性线圈155a的测量的校正电阻之间的关系。多个电阻参数k1、k2，…，kn(每一个代表：处于温度测量的每一个的情况下的关系)被确定为：校正工艺的产物。最终的电阻参数k被确定为：限定在温度范围内的测量的校正温度与校正电阻测量之间的关系的线性的最佳拟合线段的斜率。随后通过此已知的最终的电阻参数k和电阻性线圈155a的测量的电阻ri与对应于电阻性线圈155a的测量的电阻的温度之间的关系(i)来能够实现基板支撑件150a的外区152a的温度ti的确定。

在方块450处，基于电阻参数来校正被设置在基板支撑件中的加热元件的温度控制。在前文所描述的实例中，设置在基板支撑件150a的外区152a中的加热元件151a的控制基于最终的电阻参数k来校正。

在方块460处，测试夹具被移除。在前文所描述的实例中，通过使用手柄116的方式将测试夹具110从腔室主体170移除。

在方块470处，处理腔室的盖子被盖上以开始处理基板。在前述的实例中，在腔室主体170上将盖子130盖上，以使得处理腔室100准备好要进行处理。如同在方块410-450中概述的方法400被使用以在进行处理期间校正基板支撑件(例如：基板支撑件150a)和被放置在所述基板支撑件上的任何的基板的温度的测量。

在方块480处，在放置在基板支撑件上的基板的处理期间测量设置在基板支撑件的外区中的电阻性线圈的电阻。在前文所描述的实例中，使用欧姆计来测量被设置在基板支撑件150a中的电阻性线圈155a的电阻(如ra)。

在方块490处，基于最终的电阻参数k和被设置在基板支撑件的外区中的电阻性线圈的测量的电阻来确定基板支撑件的外区的温度。在前文所描述的实例中，基板支撑件150a的外区152a和被放置在所述基板支撑件150a上的基板的温度ti可从电阻性线圈155a的测量的电阻和最终的电阻参数k中确定。测量的电阻ri被使用在电阻性线圈155a的测量的电阻r与对应于电阻性线圈155a的测量的电阻的温度t之间的关系(i)中，以使得：

ti＝k*f(ri)…………………………………(ii)

图5是用于在处理腔室中同时地校正两个基板支撑件的温度的测量的方法的流程图。

在方块510处，使用如同在图4的流程图的方块410-450中所概述的方法400并且基于第一电阻参数来校正被设置在第一基板支撑件中的第一加热元件的控制。在前文所描述的实例中，使用非接触式温度传感器120a和如同在图4的流程图的方块410-450中概述的方法400并且基于第一电阻参数ka来校正基板支撑件150a的加热元件151a。

在方块520处，使用如同在图4的流程图的方块410-450中概述的方法400并且基于第二电阻参数来校正被设置在第二基板支撑件中的第二加热元件的控制。在前文所描述的实例中，使用非接触式温度传感器120b和如同在图4的流程图的方块410-450中概述的方法400并且基于第二电阻参数kb来校正基板支撑件150b的加热元件151b。

在方块530处，相对于第二基板支撑件来增加第一基板支撑件的温度以推论出第一温度传感器和第二温度传感器中的哪个与第一基板支撑件和第二基板支撑件相关联。在前文所描述的实例中，相对于基板支撑件150b来增加基板支撑件150a的温度以推论出非接触式温度传感器120a、120b中的哪个与基板支撑件150a、150b中的每一个相关联。

在此公开中所描述的方法和测试夹具提供：一种准确地校正基板支撑件的加热元件并且不与基板或基板支撑件的表面接触的改善的方式。通过使用温度传感器(特别是可测量基板或基板支撑件的温度而不接触基板或基板支撑件的表面的非接触式温度传感器)来实现所述改善。缺乏接触消除了在处理腔室中有金属污染的风险。此外，因为非接触式温度传感器能够以±2摄氏度的精确度来可靠地和准确地测量宽广范围中的温度，基板支撑件可被校正至期望的温度准确度。

虽然前述者针对本公开的特定的实施方式，理解到：此些实施方式仅示例说明本发明的原理和应用。因而理解到：可对于示例说明性的实施方式作出许多的修正以达成其他的实施方式，而不偏离本发明的精神和范围(如同由随附权利要求所限定)。