传输温度测定中的激光噪声消除的制作方法
【专利摘要】揭露了用于测量基板的温度的装置与方法。所述装置包含：指示温度的辐射的源；关于指示温度的辐射的检测器；以及解相关器，所述解相关器设置于在所述指示温度的辐射的源与所述关于指示温度的辐射的检测器之间的光路中。所述解相关器可以是宽带放大器和/或搅模器。宽带放大器可以是宽带激光器、布拉格光栅、光纤布拉格光栅、拉曼放大器、布里渊放大器或这些装置的组合。所述解相关器被选择以发出辐射，所述辐射至少部分地通过正被监测的基板传输。若所述解相关器是增益驱动装置，则所述源与所述解相关器被匹配，以使得所述源的发射光谱在所述解相关器的增益带宽内。
【专利说明】传输温度测定中的激光噪声消除
【技术领域】
[0001]本文描述的实施方式涉及退火基板的装置与方法。更特定而言，本文描述的装置和方法涉及利用辐射传输的温度测量。
【背景技术】
[0002]传输高温测量(transmiss1n pyrometry)是检测基板的热状态的常见方式。热处理腔室通常会使基板暴露至激烈、非相干或相干辐射以提升所述基板的温度，所述基板的升温范围是整个基板或者是所述基板的表面区域或者部分。用来加热基板的辐射在腔室中产生强的背景辐射环境。
[0003]因为高功率辐射能从腔室中的背景辐射被区分出来，所以使用高功率辐射来检测基板的热状态。通常使用激光器，因为激光器提供高功率，并且因为激光器提供选择最适合基板的特定波长的机会。激光器会产生相干辐射，且当相干辐射传输穿过基板时，相干辐射能指示所述基板的热状态，所述热状态可被记录为温度。传输的辐射可被高温计检测，且所述传输的辐射可与入射辐射比较，所述传输与所述基板热状态相关。
[0004]由激光器产生的辐射通常具有很窄的光谱宽度，且当激光器操作时，辐射的精确波长能检测地变化。发射激光的(Iasing)介质的温度会影响由激光器发出的波长，但即使是温度受控的激光器也会因为例如模态跳动(mode-hopping)而显出噪声。当此变动的辐射撞到(impact)基板时，所述辐射的一些辐射在所述基板的相对表面之间反射，而产生干涉效应。当激光的波长改变时，激光和所述干涉的复合作用会在传输的光中产生大量噪声，所述噪声降低高温计准确检测所述基板的热状态的能力。
[0005]与激光辐射内固有的噪声结合的是在基板上的温度效应。当所述基板温度变化时，所述基板的折射率可变化，且所述基板的厚度可变化，这些变化改变了被观察的干涉图案。因为根据改变的干涉效应来调节传输的辐射的强度，所以这些结合的噪声源大大地降低使所述传输的辐射和热状态相互关联的能力。
[0006]因此，有对低噪声的传输测量的装置和方法的需要。
【发明内容】
[0007]揭露了用于测量基板的温度的装置与方法。所述装置包含指示温度的辐射的源、关于指示温度的辐射的检测器以及解相关器，所述解相关器设置于光路中，所述光路在所述指示温度的辐射的源与所述关于指示温度的辐射的检测器之间。所述解相关器可以是宽带放大器和/或搅模器(mode scrambler)。宽带放大器可以是宽带激光器、布拉格光栅、光纤布拉格光栅、拉曼放大器、布里渊放大器或这些装置的组合。所述解相关器被选择以发出辐射，所述辐射至少部分地通过正被监测的基板传输。若所述解相关器是增益驱动装置(gain-driven device)，则使所述源与所述解相关器相匹配，以使得所述源的发射光谱在所述解相关器的增益带宽内。
[0008]热处理腔室可有如本文描述的传输热分析仪。所述腔室具有:在外壳中的基板支撑件；邻近所述基板支撑件的热源，所述热源用于加热设置于基板支撑件上的基板；和传输组件，所述传输组件包含相干辐射源、解相关器和检测器，所述检测器被放置以使得由所述解相关器发出的辐射经过所述基板支撑件行进至所述检测器。所述解相关器可增加辐射中模态的数量，或所述解相关器可加宽辐射的光谱以防止噪声信号到达检测器。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]为了能够详细了解上述的本发明的特征，可通过参考实施方式获得上文简要概述的本发明的更具体的描述，所述实施方式的一些实施方式图示于附图中。然而需要注意的是，这些附图仅图示本发明的典型实施方式，因此不应视为本发明的范围的限制，因为本发明可允许其他等同有效的实施方式。
[0010]图1为根据一个实施方式的温度测量装置的示意图；
[0011]图2为根据另一实施方式的热处理腔室的示意侧视图；
[0012]图3A为曲线图，图示关于现有技术装置的传输信号；
[0013]图3B为曲线图，图示本发明的实施方式的传输信号；
[0014]图4A为曲线图，图示在热处理期间关于现有技术装置的传输信号；
[0015]图4B为曲线图，图示关于使用根据本发明的实施方式的装置的热处理的传输信号;
[0016]为了帮助理解，已尽可能地使用相同标记数字以表示各图中共有的相同元件。应了解的是，在一个实施方式中揭露的元件可有利地应用于其他实施方式而无需特定详述。
【具体实施方式】
[0017]图1为根据一个实施方式的装置100的示意图，装置100用于确定基板110的热状态。装置100包含:相干热辐射112的源102 ;解相关器104，解相关器104将相干热辐射112转换成解相关的热福射114 ;检测器106,检测器106检测已传输穿过基板110的传输辐射116 ;和数据处理器108，比如计算机，数据处理器108用于将来自检测器106的信号转换成基板110的热状态的指示。
[0018]源102可以是激光器，比如激光二极管，或者源102可以是另一超发光源(super luminescent source),比如发光二极管(LED)。为准确地检测基板的热状态,源102通常为发出窄辐射光谱的源，以致所述辐射被所述基板的吸收能被准确地确定。在大部分实施方式中，源102是激光二极管。以至少约950nm，例如980nm、1024nm或其他此类波长发光的激光二极管经常用来检测主要由硅制成的基板的热状态。
[0019]解相关器104加宽从源102接收的辐射光谱，和/或减少所接收的辐射的相干。加宽的光谱和/或解相关的辐射减少经由基板反射的光的干涉，减少了传输的辐射中的噪声。因此检测器106更准确地指示基板110的热状态。
[0020]在一些实施方式中，解相关器104可以是宽带放大器。宽带放大器通常是辐射放大器，所述辐射放大器接受输入辐射并且横跨相对宽的光谱放大所述输入辐射。在一个实施方式中，此类放大器是发射激光的介质，所述发射激光的介质被设计为具有几何形状以支持宽的谐振频率范围。带有反射内容物的产生多谐振腔的晶体发射激光的介质是一个实例。在其他实施方式中，辐射经由光学非线性被放大而导致光谱展宽。可使用的宽带放大器的实例包含宽带激光器、布拉格光栅、光纤布拉格光栅、光纤激光器、标准具(etalon)、拉曼放大器以及布里渊放大器。所述解相关器亦可为搅模器。
[0021]在以增益驱动宽带放大器为特征的实施方式中，宽带放大器的增益光谱通常包含源102的发射光谱，以使得由源102发出的辐射被所述宽带放大器光谱加宽。所述宽带放大器会通常具有在约50THz与约1，OOOTHz之间的光谱带宽或发射带宽，所述光谱带宽或发射带宽比如在约300THz与约700THz之间，例如约500THz。若源102具有窄的带宽，例如单频激光器，则源102的发射可被选择在所述宽带放大器的增益光谱中，或者所述宽带放大器可与源102相匹配。
[0022]由解相关器104发出的辐射通常被选择为具有至少部分通过基板110传输的波长。在解相关器104对辐射无光谱效应的情况中，从解相关器104出现的辐射与从源102接收的辐射将基本上具有实质上相同的波长和光谱。在解相关器104如同大部分宽带放大器一样改变辐射的光谱分布的情况中，所述解相关器和所述源可被匹配，以使得所述解相关器具有增益带宽，所述增益带宽覆盖所述源的发射光谱，同时所述解相关器发射光谱包含一或更多个通过所述基板传输的波长。
[0023]由源发出的辐射将通常具有第一主要波长(比如第一模态)，而由解相关器(可以是宽带放大器)发出的辐射将通常具有第二主要波长(比如第二模态)。在多数情况中，第一模态与第二模态之间的差，或者是说第一主要波长与第二主要波长之间的差在约5nm与约20nm之间，比如约6nm与约1nm之间,例如约6nm。值得注意的是,所述差取决于源及解相关器类型的选择。若所述源被用来当作用于宽带放大器的泵，例如操作为宽带激光器，则所述源有发射光谱，所述发射光谱在所述宽带放大器的增益光谱内。若所述宽带放大器是模态分散(mode-dispersed)的宽带Nd:YAG激光器,举例而言,所述宽带Nd:YAG激光器以大约1，064nm发射，其中M2大于约30且光谱带宽大约在560THz左右，则所述源可以是单频激光器，所述单频激光器在808nm或869nm发射，808nm或869nm在Nd = YAG激光器的两增益带的中心附近。
[0024]检测器106通常是高温计，但方便时检测器106可以是另一类型的辐射检测器。举例而言，亦可使用光电二极管阵列或CCD阵列。在一个实施方式中，二极管激光器被用来当作源，所述二极管激光器发出窄带宽l，030nm的辐射，且所述二极管激光器被耦合至光纤布拉格光栅(“FBG”)，所述光纤布拉格光栅有约6nm-10nm的发射光谱偏移和约
1.6nm-2.0nm的光谱宽度。高温计检测从FBG出现的福射,且所述高温计记录电流，所述电流被数据处理器108转换成基板的热状态的指标，所述指标比如是温度。
[0025]源102可以是随温度变化的发射器。举例而言，激光二极管通常发出具有取决于发射激光的介质的温度的波长的辐射。举例而言，铟镓砷(InGaAs)激光二极管的发射波长通常具有约0.25nm/°C的温度依赖关系(cbpendence)。因此在一些实施方式中，所发射的辐射的波长可被调整到一程度。为了最好结果，调整所述发射的辐射可有助于使所述发射的辐射与解相关器104的特性相匹配。在激光二极管实施方式中，热电冷却器可耦接至发射激光的介质以提供所需的冷却。通过监测被检测器108检测的信号内的噪声，同时调整发射激光的介质的温度以找到将信号中的噪声最小化的设定能够发现提供最佳准确性的波长。
[0026]图2为根据另一实施方式的设备200的示意侧视图。设备200是具有如上文结合图1描述的传输热分析装置的热处理腔室。热处理腔室比如VULCAN?腔室，所述VULCAN?腔室可从加州圣克拉拉市的应用材料公司(Applied Materials, Inc.，)获得，所述热处理腔室可与根据参考图1描述的任一实施方式的热分析仪一起使用。其他热处理装置，例如从其他制造商获得的RTP腔室亦可从本文描述的实施方式受益。
[0027]设备200包含外壳202，外壳202围住基板支撑件204，基板206可被设置于基板支撑件204上。基板206通过图2中未图示的输送机构经由开口 214进入外壳202。所述基板输送机构可为本领域已知的任何常规机构。
[0028]加热器208设置在外壳202中，且加热器208邻近基板206的处理位置，以使得基板206可通过加热器208被热处理。加热器208可以是一排高强度灯210，所述高强度灯210比如是放电灯，高强度灯210可排列成阵列以向基板206提供均匀热辐射。窗212可以是石英窗，窗212保护加热器208不受腔室的处理环境的影响。所述腔室中通常包含旋转机构(未图示)。
[0029]热分析组件包含:相干热辐射的源216 ;解相关器220，解相关器220通过第一光导管218光学耦合至源216 ;和检测器224，检测器224被设置以使得离开解相关器220的辐射穿过基板支撑件204行进至检测器224。离开解相关器220的辐射通过第二光导管222传播，第二光导管222被设置成穿过加热器208。
[0030]源216、解相关器220和检测器224可以是上文结合图1描述的任一实施方式。在一些实施方式中，光导管218可以是光纤。在其他实施方式中，源216可直接稱合解相关器220，举例而言，源216物理耦合或接触至解相关器220。在一些情况中，源216和解相关器220可被焊接，或解相关器220可被焊接至导管218。检测器224可耦接至如图1所示的数据处理器。
[0031 ] 在一些实施方式中，检测器224可以是多个单独的传感器，检测器224可分布于不同位置以在不同位置处测量基板的热状态。在此类实施方式中，解相关器220发出的辐射可被例如分光器226 (所述分光器226可以是光纤束)分开，分光器226通过导管228将解相关的辐射的各部分引向基板206的不同位置，以使检测器224的这些单独的传感器进行检测。
[0032]在一个实施方式中，导管218与解相关器220通过抗反射稱合而被光学地f禹合。抗反射I禹合的一种类型是平面稱合(flat face coupling),其中导管218的小面(facet)和解相关器220的相对小面分别垂直于光路，且导管218的小面和解相关器220的相对小面分别有抗反射涂层。抗反射稱合技术的另一类型是物理稱合(physical coupling),比如焊接，其中介于导管218与解相关器220之间的界面的组成逐渐转化以提供平滑的指数变化，以最小化反射。抗反射稱合的第三种类型是成角抛光连接(angled polishedconnect1n)，其中导管218的小面和解相关器220的相对小面相对光路是成角的，以使得被反射的任何辐射被驱散离开光路。
[0033]在操作中，传输方法被用来减少或消除检测基板热状态时的噪声。相干辐射的源被放置以便用至少部分穿过基板传输的辐射照射基板的一部分。检测器接收传输的辐射并基于所述传输的辐射产生信号。利用解相关器使由所述源发出的相干辐射经受光谱展宽和/或解相关，所述解相关器可以是如上文结合图1和图2所述的宽带放大器。可通过调整所述相干辐射的波长来最小化被检测的信号中的噪声。所述相干辐射的波长可例如通过将热电冷却器耦合至激光二极管而在能调的激光器中被调整。在一个实施方式中，所述激光二极管的温度从约0°c调整至约50°C，比如将所述激光二极管的温度从约0°C调整至约40°C，举例而言，将所述激光二极管的温度从约0°C调整至约25°C，以减少被检测的信号中的噪声。
[0034]解相关器的特性通常与辐射源的特性相匹配，以使得所述辐射源提供被解相关器有效地解相关的辐射。举例而言，若所述解相关器是宽带放大器，则所述辐射源的发射光谱通常被选择在所述宽带放大器的增益带宽中。所述宽带放大器被选择以提供至少一部分通过基板传输的宽带辐射。较佳的是从解相关器发出的实质上全部辐射在通过所述基板传输的范围内，所述通过所述基板传输的范围作为热状态(例如温度)的函数，以使得所述检测器可使传输的辐射与热状态相关联。
[0035]应注意的是，虽然图2描绘其中源216、导管218以及解相关器220在外壳202的内部的设备，但在一些实施方式中，源216、导管218以及解相关器220可被放置于所述外壳外部。
[0036]图3A为曲线图，图示使用现有技术的装置的传输信号，噪声在信号内是容易看见的。图3B为曲线图，图示使用本文描述的装置的传输信号，其中噪声大量减小。图4A图示使用现有技术装置的热处理期间记录的传输信号，其中噪声是容易看见的。图4B为曲线图，图示使用本文描述的装置的热处理期间的传输信号，其中噪声大量减小。
[0037]虽然上述内容针对本发明的实施方式，但在不背离本发明的基本范围的情况下，可设计本发明的其他及进一步的实施方式。本发明的范围由下面的要求保护的范围确定。
【权利要求】
1.一种用于测量辐射穿过基板的传输的装置，包括: 相干辐射源； 用于所述相干辐射的检测器； 基板支撑件，所述基板支撑件在所述相干辐射源与所述检测器之间；以及 宽带放大器，所述宽带放大器设置在所述相干辐射源与所述检测器之间的光路中。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述宽带放大器是宽带发射激光的介质。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述宽带放大器是光纤布拉格光栅。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述相干辐射源是激光器，所述激光器以第一波长发出福射；且所述光纤布拉格光栅以第二波长发出福射；且所述第一波长与所述第二波长之间的差在约5nm与约20nm之间。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述激光器通过成角耦合光学地耦合至所述光纤布拉格光栅。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述相干辐射源以处于第一模态的波长分布发出辐射，且所述宽带放大器以处于第二模态的波长分布发出辐射，且所述第一模态与所述第二模态之间的波长差在约5nm与约20nm之间。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述相干辐射源以处于第一模态的波长分布发出辐射，且所述宽带放大器以处于第二模态的波长分布发出辐射，且所述第一模态在所述宽带放大器的增益光谱内。
8.一种用于热处理基板的装置，包括: 夕卜壳; 设置在所述外壳内的热源； 邻近所述热源的基板支撑件； 相干辐射源； 解相关器，所述解相关器沿着所述解相关器与所述相干辐射源之间的光路光学地耦合至所述相干辐射源；以及 检测器，所述检测器沿着所述检测器与所述解相关器之间的光路光学地耦合至所述解相关器，且所述检测器被放置以使得离开所述解相关器的辐射在到达所述检测器之前经过所述基板支撑件。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述解相关器是宽带放大器。
10.如权利要求8所述的装置，其中所述解相关器是具有增益光谱的宽带放大器，所述增益光谱包含由所述相干辐射源发出的辐射的频率。
11.如权利要求9所述的装置，其中所述相干辐射源有具有第一主要波长的发射光谱，所述宽带放大器有具有第二主要波长的发射光谱，且所述第一主要波长与所述第二主要波长之间的差在约5nm与约20nm之间。
12.如权利要求8至11的任一项权利要求所述的装置，其中所述相干辐射源是具有大于约950nm的主要波长的二极管激光器。
13.如权利要求8所述的装置，其中所述相干辐射源与所述解相关器通过抗反射光学奉禹合奉禹合在一起。
14.如权利要求1或9所述的装置，其中所述宽带放大器选自由激光器、光纤激光器、布拉格光栅、光纤布拉格光栅、拉曼放大器、布里渊放大器以及标准具组成的群组。
15.如权利要求6或14所述的装置，其中所述相干辐射源是能调的光纤耦合激光二极管，且所述宽带放大器是光纤布拉格光栅，且使用成角抛光连接耦合所述能调的光纤耦合激光二极管与所述光纤布拉格光栅。
16.如权利要求15所述的装置，所述装置进一步包含分光器，所述分光器在所述光纤布拉格光栅与所述热检测器之间。
【文档编号】H01L21/324GK104185778SQ201380014791
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2013年3月8日 优先权日:2012年3月30日
【发明者】季平·李, 阿伦·缪尔·亨特, 托马斯·霍 申请人:应用材料公司