TW270225B - - Google Patents

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270225 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明说明（1 ) 發明説明 公告：美國政府在本發明具有已付費之特許權，並在限制 情沉有權要求專利權所有人，依計割名稱MMST下，受讓人 與美國空軍間之合同條件所規定之合理條件特許他人。 發明之技術領域 本發明係概括關於半導體晶圓物理特徵之即時測量，尤 指一種基於表面粗糙度所引起之雷射光束散射之非侵害性 半導體晶圓溫度測量用之方法及設備。 發明之背景 積體電路晶片製造廠家藉幾種製造方法之不同组合製造 半導體器件。對很多此等方法，晶圓溫度爲一項重要參數 。更明確而f ’需要晶圓溫度之精確測量及控制以及其均 一性，俾使與目標處理參數之偏差減至最小，並增加器件 製造產量。熱製造過程，諸如熱退火，氧化，及化學蒸敷 (chemical vapor deposition,簡稱CVD)，便爲晶圓溫度 爲一項重要處理參數之方法之實例。目前，在等離子蝕刻 作業諸如反應離子蚀刻（reactive ion etch,簡稱Rig)時 使用熱電偶測量晶圓溫度。另外，有些化學蒸敷法，諸如 等離子增強化學蒸敷（plasma-enhanced chemical vapor deposition,簡稱PECVD)，採用熱電偶供溫度測量。 在半導體製造設備供溫度測量之熱電偶有種種實際缺點 。例如熱電偶可能受用以在等離子蚀刻處理時產生等離子 之RF及電磁場（例如13 56MHz RF及2.45GHz微波）所干援。 熱電偶也具有侵害性，因爲其必須置於接受溫度測量之處 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS )八4規格（210χ297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消費合作枉印製 270225 五、發明説明（2 ) --- 。在有些應用’熱電偶可能需與晶圓表面實際接觸 準確之溫度感測，因此而導致晶圓溫度之干擾及可沪之: 圓污染。再者，大多數熱電偶均有測量誤差及緩慢 時間。 在有些熱處理應用諸如快速熱處理（rapid thei_mai processing,簡稱RTP)，備供非接觸操作之高溫測定a術也 可用以測量晶圓溫度。但計算高溫測定感測器有若干缺點 。例如，準確之以高溫測定術爲基礎之溫度測量，需要準 確知道晶圓在高溫測定測量波長帶之光譜發射率。光課發 射率已知可能隨各種參數，諸如晶圓溫度，晶圓電阻率， 材料層，及其厚度，以及處理室幾何形狀及其材料而變化 ，使得高溫測定感測器由於發射率變化及其他雜訊源而相 當不準確。通常，習知之高溫測定技術可能有測量不準確 及重複性誤差高達土 100eC或更高。而且，高溫測定技術 需要使用熱電偶交又校準，引起先前所述與熱電偶關連之 種種問題。 發明之概述 因此，需要一種方法及設備，供在半導體器件製造處理 時，準確及可重複測量器件之溫度。 需要一種晶圓溫度感測器，其不受晶圓處理時所可能存 在之RF及電磁場影響或干擾。 另需要一種對半導體晶圓處理不具侵害性之晶圓溫度感 測器。 另需要一種不易有誤差及緩慢響應之晶圓溫度感測器。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -訂 A7 270225 _____B7_ 五、發明説明（3 ) 另需要一種不依靠知道晶圓之光譜發射率，以確定其溫 度之晶圓溫度感測器。 再需要一種晶圓溫度感測器，其無需另外溫度感測器之 交又校準。 根據本發明，提供一種方法，系統及設備，其實際消除 或減少與先前晶圓溫度測量感測器關連之缺點及問題。 本發明提供一種供在處理設備即時溫度測量之感測器。 該 感測器包括一光學能源，用於提供具有已知光譜特徵之光 能。該感測器也包括一光學系統，用以向一工件傳輸至 少光能之一部份，並用以在其與工件互相作用後接收至少 光能之一部份。該感測器也包括一信號處理系統，用以依 據測量與溫度有關表面粗糙度引起之光散射現象所影響之 光學參數，而確定工件之溫度。 更明確而言’本發明包括一非侵害性感測器，用以於半 導體處理設備即時測量半導體晶圓溫度。本發明之感測器 依據由於晶圓之熱膨脹所致雷射光散射之變化確定晶圓溫 度。由於使用晶圓背面表面粗糙度便能作測量故對晶圓 無需特殊測試結構。該感測器包括一以第—波長提供第一 雷射光束之第一雷射源，及一以第二波長提供第二雷射光 束之第二雷射源。（採用波長調變之單一雷射源也係在本 發明之創新概念以内）。該感測器包括波長調變電路，於 雷射光束被導至晶圓表面及自其反射時，調變第一及第二 雷射光束之波長。感測器系統也包括測量電路，以測量由 本紙張尺度適用中國國^7〇^) (210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
'II 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 270225
五、發明説明（ 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 第二波長詞變所產生之晶圓反射率變化 。該感 括電路，在已知溫度由第-及第二雷射光第面反射率_定晶面之所產生— 害::::圓:優：，爲可在器件製造過程即時非侵 * 另外，可將本發明之感測器結合至 現有之半導體處理設備’諸如RTP設備，提供在原處晶片 溫度測=技術㈣。本發明之另_技術妓，爲其所能 測量之寬廣溫度範園，自低溫至高溫（例如2G(rc至删·0 )，準確度及重複性優於±20.c。因此，可使用本發明之 感測器供各種熱及等離子製造方法。而且，可容易完成本 發明之感測器供多點溫度測量，以供測量及控制晶圓溫度 均一性。 本發明之供測量晶圓溫度之感測器，其另一技術優點爲 其不受晶圓之表面發射率變化所影響。因此其無關於以高 溫測定技術爲基礎之系統所提及之問題。本發明之溫度感 測器也不受半導體晶圓處理時可能存在之RF或電磁場所影 響。本發明之感測器爲非侵害性，因此提供不妨礙半導體 晶圓處理之技術優點。本發明之感測器在諸如蚀刻，鍍敷 ’及退火等半導體處理適合並有效測量溫度。而且，本發 明之感測器在RTP時不受加熱燈所干援。 本發明之感測器提供另一技術優點爲在半導髏晶圓提供 單點或多點溫度測量。越過半導體晶圓之多點溫度測量可 6 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) Μ規格（210Χ297公釐） -I I -- - I · (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 7 Ή衣. 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 270225 A7 ___________ B7 五、發明説明（5 ) 用以對晶圓測量在製造過程中可能具有重要性之溫度均一 性。本發明之另一技術優爲其與現有溫度感測器比較之低 成本。本發明之溫度感測器，其成本由於使用容易獲得之 雷射而爲較低。 本發明之感測器也可用於與半導髏晶圓處理無關之其他 應用並且提供每當希望非侵害性，在原處，即時，可重 複及準確之測量時，適合測量物體溫度之技術優點。 附圖之簡要説明 爲更完全瞭解本發明，及其諸多優點，現請參照下列説 明，配合附圖考慮，在附圖中： ' 圈1爲示意圖，示在半導體晶圓之未抛光背面，反射光 束之鏡面及散射組份； 圖2示晶圓之表面粗糙度與正常鏡面反射間之典型關 係； 圖3爲使用本發明之溫度感測器之單晶圓半導體器件製 造反應器之示意圖； 圖4爲示意圖，示本發明之較佳實施例。 圈5爲流程圖，示本發明之溫度感測器所執行之方法； 國6爲示意圖，示本發明之較佳實施例；以及 圖7示本發明之利用分束器及鏡之另—實施例之示意 圖。 不*、 發明之詳細説明 請參照附圖，便最佳瞭解本發明之諸實施例及其優點， 相同數字用於各圖之諸相同之對應部份。 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS )八4規格（210X297公釐） ----------f >-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、11' 經濟部中央標準局員工消費合作衽印製 270225 A7 _ B7 五、發明説明（6 ) 本發明係以對背面表面粗糙度所引起之入射雷射光束散 射之熱膨脹效應爲基礎。標準矽晶圓具有未抛光之背面表 面，其rms表面粗糙度値約爲數千埃，例如5〇〇〇埃。晶圓 溫度之任何變化在晶圓具有一種使rms晶圓背面表面粗糙 度改變之對應熱膨脹效應。由於溫度變化所致之表面粗糖 度變化r可由方程1表示。 式中：0(爲熱膨脹係數；以及 T爲水溫。 矽（Si)及鍺（Ge)之線性熱膨脹係數α分别爲4.2 X 1〇_6 tJ—1及6·1χ 10_6·〇-ι。因此，矽之由於溫度τ變化所致之 表面粗輪度變化，可由方程2大约表示。 λ m 4.2 X l〇-6/°C (2)
r dT 晶圓背面表面粗糙度之任何變化，均產生晶圓之鏡面反 射率變化。實際上，熱膨胀係數CX多少爲溫度相關。此溫 度相關參數爲基本材料特性，並且如此項技藝上所知，可 在寬廣溫度範園予以列表。 圖1示半導體晶圓10有基片12及在基片12上所製成之器 件結構14。圖中也示被導至晶圓1〇之背面表面，功率p之 相干雷射光束16。入射雷射光束之一部份被鏡面反射爲功 率Psp之鏡面光束18(僅爲圖示而偏置）。入射光束16之其 餘部份爲在散射反射功率PS(：之間距20自半導鱧晶圓表面 -8 - 一———— 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 装· 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 270225 A7 B7 五、發明説明（7 ) 反射及散射。表面散射參數心可由方程3表示。 散射雷射功率 Psc S __________________(3) (散射+鏡面）雷射功率 PSc+PSp 通常，圈1之晶圓10有一已抛光前表面21在基片12與器 件結構14之間，及一在基片12上之未抛光背面表面22。已 抛光表面21通常較未抛光表面22具有較高反射率。已拋光 及未抛光表面之散射參數心與反射率間之關係可由方程4 表示。 1- Sr = R/R〇 ⑷ 式中：R。爲已抛光表面之表面鏡面反射率；以及 R爲未抛光或粗糙表面之表面鏡面反射率。 未拋光表面鏡面表面反射率R對已拋光表面鏡面反射率 R〇可由方程5大約表示。 ^v'(W(i)， (5) 式中：r爲rms表面粗糖度； n0爲光束在其中行進之介質之折射率；以及 λ爲雷射光束之各種波長。 就眞空或空氣而言，η〇=1 ，故方程5得出方程6,表 示已抛光與未抛光表面之表面鏡面反射率R°及R間之關係 爲rms表面粗糖度r之函數。
圖2示方程6之關係之曲線圖，其中X轴線23爲晶圓之 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ----------^ — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本育) -訂 270225 A7 Β7 五、發明説明（8 ) nns表面粗糙度，其垂直於導至晶圓1〇之雷射光束之波長 λ «Υ轴線爲未拋光表面之鏡面反射R除以拋光表面之鏡 面反射率R。，其根據以上之方程4提供散射參數sr。線26 示正常化之鏡面反射率隨增加正常化表面粗糙度r而迅速 減少。同樣，散射參數Sr隨較大之表面粗糙度値而增加。 此爲對應（在闽1中）於來自入射雷射光束16之功率在pS(： 20所散射反射之部份與在Psp 18所反射者比較之增加量。 囡此，晶圓之溫度T變化時，晶圓1〇之熱膨脹或收墙導 使rms表面粗糖度r改變。rms表面粗糙度之改變復產生 正常化鏡面反射率之改變。 利用方程1及2,由於溫度T之變化所致之鏡面反射率 R之變化，可由方程7表示。 j_ dR ~r It ⑺ 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 要確定由於被導向在晶圓10之雷射光束波長調變而致级 長λ之變化所引起之鏡面反射率R之變化，假定晶圓由承 波長λ之變化所引起之抛光表面反射率Re之變化爲已知儀 。應用此假設於方程6及7，求出由於雷射光束波長入之 變化所致鏡面反射率R之變化，得出方程8。+Α(4πΓ)2 1 dR R dk λ3 (8) 囡此，可計算求得由於波長調變引起之波長λ之變化所爱 表面鏡面反射率R之變。 如果使用二不同波長之雷射光束，則可獲致準確之溫肩 10 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
270225 Α7 Β7 五、發明説明（9 ) 測量而無需發射率。較佳爲’雷射波長必須選擇爲致使二 雷射之光子能量高於所測試晶圓之矽帶隙能量’使晶圓對 雷射波長不透明。而且，由於矽帶隙能量随增加之溫度T 而減少，故波長之選擇應依據在晶圓所經歷最高溫度之最 小矽帶隙能量。而且，二雷射光束之波長予以選擇爲被此 接近或相鄰。囡而在二接近波長由於雷射光束波長λ之變 化所致雷射表面鏡面反射率R。之變化，其間之關係可由方 程9表面 fdR.) fdR、 (9)
R dk 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 這意味鏡面反射率値之隨雷射波長變化之正常化變化， 在二相鄰中心波長λ 1及λ 2爲相等。 雷射光束1及雷射光束2要符合方程9之要求，其一箱 可能之選擇，爲雷射光束1在波長850毫微米（nm)，而雷 射光束2在波長820nm。可藉調變雷射電流予以調諧之單 模二極管雷射符合此項要求。另一可能之選擇爲雷射光耒 1在波長820nm，而雷射光束2在波長780nm。此二雷射也 均爲相當低成本之市售二極管雷射。 因此，由於雷射光束1及雷射光束2之波長λ之變化用 致晶圓10之未抛光表面鏡面反射率R之變化，可由方程1( 表示 丄(Μ. R 1 "ϊλ ·λΙ 2 (4nr)2 λ 1 >λ 2時，產生方程11 r{ 1 1 I 儀 λ! λ2 dR^ dX, 一 1卜 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） (10) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
270225 五、發明説明（10)
Α7 Β7 1 dR [1㈣ (4^/2ηΓΫ ί, - ί^)3| R dk λ-Λ, λ-λ, λ2 (mJ (Π) 已知由於溫度τ之變化所致鏡面反射率R之變化可由方 程7表示，及由於溫度Τ之變化所致晶圓表面之rms表面 粗糙度r之變化可由方程1表示，並假定： Γ = r〇[\^a{T - 7^] (12) 式中γ。爲晶圓10之未拋光背面表面在室溫或另一已知 溫度之rms表面粗糙度；以及 γ爲晶圓10之未拋光背面表面在所測量溫度之rms 表面粗糙度。 然後將方程12代入方程11得出方程13,解此方程便可求 ----------- (请先閱讀背面之注意事項存填寫本頁) T 庶 溫 知 来 得 \UdR) 1 ΜΛ 久1 λ-λ. 1 >λ1 (4ν/2π〇2 λι (13) 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 [1+ α (Τ-300) f 因此，測量由於第一及第二雷射光束之波長λ之變化所 致鏡面反射率R之變化，並應用方程Π，獲得在已知溫度 (諸如室溫）之rms表面粗梭度7 〇，可藉以確定晶圓之溫 度。已知溫度通常爲室溫（300。K)。要確定一未知溫度’ 在該未知溫度測量由於第一及第二雷射光束之波長λ之變 化所致反射率R之變化，並使利用此等測量結果及應用方 程13，便可確定晶圓10之溫度Τ。 本發明之溫度感測器，其解析度爲器件處理應用完全可 接受。例如，已知： 12 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 270225 A7 B7 五、發明説明（11) ^一在？ =Τ〇= 300β K (室溫）之Γ 假設：λ = 85〇nm，及 7 =5〇0〇埃或500nm，及 α =在矽爲 4.2X 10 _6 C-1 然後，應用方程7得出
1 dR 一 —〜 R dT 得出 或
dR —I — dT J. dR 7 7τ 4.59χ 1(Γ* / °C,
-459 ppmj °C {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 装_ 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 遑產生小於攝氏一度之溫度測量解析度。這也意味較短之 雷射波長增強測量靈敏度，以及在雷射波長人爲850nm， 晶圓溫度之1¾變化，產生由晶圆表面所反射功率psp之 460ppm變化。此鏡面反射率靈敏度將會提供〗^以内之溫 度測量靈敏度。 圖3示一產生本發明之代表性單晶圓環境之半導體製造 反應器30之示意圖。在單晶圓快速熱/等離子處理反應器 諸如Texas Instruments之自動化眞空處理機（Automated Vaccuum Processor，簡稱AVP)内，可存在供器件處理之半 導體晶圓10。在圖3之右下角開始，氣體分配網路32可包 含二氣體岐管：一非等離子生產氣體岐管（未示）及一等離 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) A4規格（210X297公釐）
、1T 經濟部中央榡準局員工消費合作杜印製 270225 五、發明説明（l2) 子攻管。非等離子生產氣體岐管連接至氣體管路34，其穿 過反應器外殼36及處理室壁38,繼續通過接地電極4〇，並 進入氣艘注入器42。等離子岐管經由氣體管路44連接進入 放電腔46’以供產生生產等離子。生產等離子活化物質在 等離子放電管48内經過’通過反應器外殼36及處理室壁38 ，通過接地電極40，並進入晶圓處埋環境。 半導體晶圓10出現在氣體注入器總成42上面，並由低熱 質量插銷50所支撐。低熱質量插銷50由接地電極4〇予以支 撐在處理室38内。處理室38包括光學石英窗52,其使半導 體晶圓10與鎢由素加熱燈模組54分開。在本發明之一種實 施例，嫣_素加熱燈模組54包括隨後諸圖及關連文字所説 明之本發明之一個或多個溫度感測器。 處理室38也包括將生產氣體及等離子移除至抽吸機組58 内之抽空介面56。另外，隔離閘門60允許半導體晶圓自負 載鎖定室62傳入處理室38。處理室壁38由一垂直移動之元 件（未示）所支撐，以允許半導體晶圓移入處理室38。一半 導體晶圓卡匣64見於負載鎖定室62内，晶圓處理機器人66 自其移出單片半導體晶圓10以供處理。負載鎖定室62也包 括允許抽吸機組58保持眞空之眞空泵介面68以使負載鎖定 室62及處理室38保持在眞空狀況下。 處理控制電腦70在圖3之反應器38控制半導體晶圓1〇之 製造。來自處理控制電腦70之控制信號包括在線路74上至 分段溫度/燈電源控制器72之信號。分段控制器72提供各 種控制信號至燈模組電源76。燈模組電源76復提供各種控 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210X297公釐） ---------^装— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 270225 A7 ΒΊ_ 五、發明説明（13) ~ 制信號至鴿由素加熱燈模組54。處理控制電極70也將設定 値導至抽吸機組58，並將氣體及等離子進口流量信號導至 氣雅分紀網路32。處理控制電腦70提供控制信號至微波源 78,其在一種實施例在245〇MHz之頻率操作，以在放電腔 46提供等離子類之適當活化。 處理控制電腦70響應溫度感測器輸出（經由感測器線路 82所收到），而經由線路74發出功率控制信號至分段控制 器72 °自鎢由素加熱燈模組54至處理控制電腦7〇之感測線 路82包括來自本發明之溫度感測器之信號，其在晶圓上在 多點即時測量半導體晶圓1〇之溫度。 圈4示溫度感測器1〇〇之示意圖，其爲本發明之一種實 施例。感測器1〇〇包括一光能源或雷射源1〇2，其包括第一 雷射104及第二雷射1〇6。雷射源102接收來自雷射驅動器 108之功率，其復接收來自振盪器110之調變信號。振蘆器 110復可受圖3之處理控制電腦7〇所控制。 經濟部中央標準局員工消費合作社印家 在感測器100之一種實施例，雷射1〇4及1〇6之波長經分 别選擇爲850nm及820nm，以供矽晶圓溫度測量。也可使用 波長λ爲820之雷射1〇4及波長人爲81〇nm之雷射106 ,或波 長爲810nm之雷射1〇4及780ηηι之雷射106之其他組合，供石夕 晶圓溫度測量。雷射源102藉一對光纖112搞合至多工器 114。多工器114將其所接收之雷射光束合併爲單一複合光 束’並藉光纖電纜118耦合至定向耦合器116。在一種替代 性實施例，多工器114爲一光織束。定向耦合器ι16通過光 纖電纜120耦合至光纖終端及準直透視122。請予察知，可 -15 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） 270225 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（14) 用光纖束代替定向耦合器，而不偏離本發明之概念。 透視122將雷射光束124(其爲來自第一雷射104及第二雷 射106之合併雷射光束）導至及導離晶圓1〇。晶圓1〇在設備 100上位於致使晶圓10之粗糙後側表面22朝向透鏡122，以 及可能同時接受製造處理之晶圓1〇之前侧表面背向透鏡 122 〇 定向耦合器116藉光纖電纜126耦合至波長劃分多工解調 器（wavelength division demultiplexer,簡稱 WDM)128〇 DMD 128耦合至檢測器模組130。檢測器模組130包含第一 檢測器132及第二檢測器133，其可爲低雜訊敏感檢測器。 在檢測器模組130也可成功使用鍺，矽，或雪崩光電檢測 器。第一檢測器132耦合至第一前置放大器/除法器134， 並且第二檢測器133耦合至第二前置放大器/除法器136。 前置放大器/除法器134及136之輸出饋給至信號處理機 138。 信號處理機138可有很多類比，數位或混合實施例，並 且信號處理機138不意爲限於圖4中所示之實施例。事實 上，信號處理機138可設計爲包括雷射驅動器108，振盪器 110，檢測器模組130，前置放大器/除法器134及136，以 及檢測器166及168 ◊信號處理機138包括耦合至第二前置 放大器/除法器136之鎖定放大器140,及耦合至第一前置 放大器/除法器134之鎖定放大器142。信號處理機138也 包括耦合至鎖定放大器140之第一混波器144,及耦合至鎖 定放大器142之第二混波器146。此二混波器將其個别鎖定 -16 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） --------一装— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 270225 "[r (^i) A7 B7 五、發明说明（15) 放大器之輸出乘以來自振盪器110在線路147上所供給之雷 射調變振盪器信號之分數。 信號處理機138也包括低通濾波器，包括耦合至第一混 波器144及耦合至第一除法器150之低通濾波器148。低通 滅波器152耦合至第二混波器146及第二除法器154。低通 滅波器156耦合在前置放大器/除法器136與第一除法器 150之間，及低通濾波器耦合在前置放大器/除法器 134與第二除法器154之間。除法器150及154之輸出耦合至 提供信號處理機138之輸出之微分放大器160。 信號處理機138之輸出耦合至類比數位轉換器162,其復 耦合至電腦164。在一種替代性實施例，電腦164可包括在 圖3之處理控制電腦70。 信號處理機138之輸出信號163對應於方程10及13之： *λ, \««/ Ji-lj 電腦164依據在基準溫度（例如室溫）或在任何未知溫度之 測量，獲得晶圓10之溫度。 圖5示圖4之本發明之感測器100,在即時非接觸式測 量晶圓10之溫度時，所執行之功能步驟。該過程在晶圓1〇 之溫度爲已知，一般爲在已知基準溫度諸如室溫（300。K) 時之步驟200開始。在步驟204，振盪器11〇將供雷射驅動 器108之調變信號提供至雷射源102。在步驟206，雷射驅 動器108提供經調變之電流至雷射源1〇2。在雷射源1〇2内 ，第一雷射104及第二雷射106經由光纖電纜112提供第一 -17 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐〉 ---------^装— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 270225 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 A7 B7 五、發明説明（16) 及第二雷射光束至多工器或合併器114。在步骤208，多工 器114將二雷射光束合併爲單一光束◊在步樣21〇，合併之 雷射光束被導至及導離晶圓1〇。此爲藉多工器Π4在光讖 電纜118提供合併之光束124至定向耦合器116所完成。定 向耗合器116或光纖束控制在光織電纜120上在定向搞合器 116與準直/聚光透鏡122間行進之信號之方向。定向耦合 器116允許來自多工器114之雷射光束在光纖電纜120行進 至透鏡122。透鏡122藉對準或衆焦將多工處理之第一及第 二雷射光束124投影至晶圓10背面表面，並且也接收鏡面 反射之光束。 必須測量由於在導至晶圓10之二雷射光束之中心波長周 園，波長λ之變化所致晶圓10背面表面22之鏡面反射率R 之變化，俾藉方程11計算在已知基準溫度或室溫之背面粗 糙度。此爲在步驟206調變複合光束124中之二雷射光束之 波長λ所達成。光束124之雷射波長在步驟206調變及在步 骤216分開時，測量鏡面反射功率Psp之變化，藉以確定鏡 面反射率値之變化。鏡面反射功率Psp値提供散射參數値 ，其復可用以計算在室溫之晶圓10之背面表面粗糙度。 鏡面反射功率雷射光束124藉透鏡122予以校驗並藉光纖 電纜120傳至定向耦合器116。在返回路徑上，定向耦合器 116(或光織束）。將鏡面反射雷射光束經由光讖電纜126導 引至WDM128。在步驟216，WDM128將複合光束124多工解調 爲由鏡面第一雷射光束及鏡面第二雷射光束所組成之反射 鏡面光束，並提供表示多工解調或分開光束之信號至偵測 -18 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 270225 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明説明（17) 器模組130。 在步驟218，開始提出必要之資料，以確定1*]113表面粗糖 度。在偵測器模組130，第一偵測器132及第二>(貞測器133 測量反射雷射光束之功率，以供在信號處理機138内處理。 前置放大器/除法器134及136分别調節來自偵測器〗32及 !33之信號，以供在信號處理機138内處理。 在步驟218,信號處理機138自表示鏡面反射光束之信號 獲得必須之資訊，以便可識别由於光束波長λ之變化所致 反射率R之變化。在步驟219，詢問是否已知晶圓1〇之溫 度Τ。假設晶圓爲在已知溫度諸如室溫，則流程進行至步 驟220。在步驟220，應用方程11，電腦164可計算求得晶 圓10之背面表面22之rms表面粗糖度7。。rms表面粗糖度 7 〇 —經確定，流程便回至步驟204，以供連績之即時晶圓 溫度測量。 除了在步驟219晶圓10之溫度T已知，流程進行至步驟 222外，重複圖5所述之過程步驟，以在稍後時間確定晶 圓10之溫度。執行圖5之步驟204至218，並知道在室溫之 rms表面粗糙度7。之値，藉以測量由於雷射之波長7調變 所致反射率R之變化，在步驟222可利用方程13即時獲得 該未知溫度Τ。 在圖4之感測器1〇〇爲求得增強之信號對雜訊性能，使 偵測器模組130冷卻，經發現有效。例如，使用熱電冷卻 ，並在低於室溫之溫度操作偵測器模組，便減少感測器 100上之雜訊問題◊冷卻雷射源1〇2也可使來自雷射源102 -19 - 本紙張尺度適用中國國家棣準（CNS ) Α4規格（210X297公羡） ---------^ .衣-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂- 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 270225 A? 一 _B7 五、發明説明（18) 之波長達於最佳。這在感測器1〇〇提供增強之信號雜訊比 及溫度測量準確度。 測量由於波長變化所致鏡面反射率之變化時，採用雷射 光束調變。此可利用由振盪器110至雷射驅動器108之方波 或三角波達成。此可利用如圖4中所示之另外偵測器166 及168 ’測量入射雷射光束功率水準。偵測器166及168提 供與入射光束功率水準成比例之信號。將偵測器132及133 之輸出分别除以偵測器166及168之輸出，可抵消雷射功率 漂移及雜訊之效應。將除法之結果經由前置放大器/除法 器134及136饋給至信號處理機138。這允許顯著增加系統 100之信號雜訊比及測量可重複性。 也可使用來自振盪器110之正弦信號，代替三角波或方 波調變，達成雷射電流及波長調變。可使雷射源102保持 在固定溫度，以消除任何溫度相關之漂移。而且，如果將 所有四偵測器132，133，166及168均冷卻至200* K輿300β κ 間之溫度，便使低雜訊效應爲最低，並使測量解析度及可 重複性爲最高。也可使用干擾測量法確定在每一雷射光束 由於調變所致波長λ之精確變化。 圖6爲示意圖，例示本發明之溫度感測器之較佳實施例 ，圖示感測器結合於圖3之快速熱處理室30。在此圖中， 半導體晶圓10置爲朝下，背侧22面向溫度感測器。圈6包 括三具晶圓溫度感測器100排列爲在晶圓10提供多點溫度 測量。用以在晶圓供溫度分布測量之感測器探針，其數量 並無限制。每一溫度感測器1〇〇之光纖終端及準直透鏡122 -20 - ---------^二衣------、玎------^ {請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
270225 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（19) 圖示爲固定於位於加熱燈模組54内之中空光管内。圈6示 晶圓10位於光學石英窗52下面。光窗52不僅用以將燈光通 量及感測器雷射光束傳至晶圓10,並且也在處理室内保持 受控制之處理環境，以供處理半導體晶圓10。光窗52對來 自燈模組54之燈能量以及每一溫度感測器1〇〇所發射及接 收之入射相干雷射光束124均爲光透明。光透明度爲窗材 料及通過光窗52之光能波長之函數，故供窗52之材料選擇 爲具有在希望帶之光透明度作爲一項必要特色。例如，可 使用一種諸如石英之窗材料供1.3um雷射光束。波長大於 4nm，將需要替代性窗材料，諸如藍寶石。 圖6之多點溫度感測器，其操作爲與圖4之溫度感測器 100之操作所述者相同。每一溫度感測器100導使雷射光束 124被透鏡122透射通過石英窗52及通過晶圓背面環境170 。每一雷射光束124射於晶圓10背面，而反射光束之一部 份作爲鏡面光束傳回至透鏡122,並且其餘部份被散射反 射。將每一雷射光束調變並測量其效應，以測量由於雷射 波長調變所致晶圓10背面之鏡面反射率變化。利用測得之 鏡面反射率値變化，及晶圓10之實測室溫rms表面粗糙度 ，供對應於感測器探針位置之晶圓位置即時計算晶圓10之 溫度。 請予察知，在RTP反應器30包括多具溫度感測器100，可 測量晶圓10之溫度圖或分布。可將每一系統100所測得之 溫度値饋給至分段溫度控制系統，以供確立均一及可重複 之處理。也請予察知，可將圖5中所示溫度感測器之每一 -21 - 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4規格（2ι〇Χ297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 衣 訂 270225 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裂 A7 B7 五、發明説明（20) 透鏡122耦合至一光纖束。光纖束可用以傳輸雷射光束（有 二多工調變之波長），及在每一感測器探針接收鏡面反射 光束。 圖7示基於使用鏡及分束器替代光纖之本發明之一種替 代性實施例。除了與圖4之溫度感測器1〇〇之諸組件相似 者以外，圖7之晶圓溫度測量感測器180包括分束器182, 184,192及194。第一雷射104在使第一雷射光束分開之分 束器192將第一光束導向，將一部份導至偵測器〗96，並將 第一雷射光束之其餘部份導至分束器182。分束器182然後 將光束之一部份發送至分束器184,其復將源自第一雷射 104之光束之一部份發送至晶圓10。第二雷射106將第二雷 射光束導至將第二雷射光束分爲二部份之分束器194。第 一部份行進至偵測器198，其餘部份行進至分束器184。分 束器184將來自雷射源106之雷射光束之一部份與來自第一 雷射源104之光束之一部份合併，並發送合併之光束至晶 圓背面22。 雷射104及106光束之合併部份形成被導向晶圓1〇之合併 光束124,並且其鏡面反射部份被分束器182及184導向稜 鏡多工解調器190。稜鏡多工解調器190對鏡面反射之合併 光束進行波長除法多工解調，並提供分開之反射第一及第 二光束至偵測器模組130。偵測器模組130之輸出信號提供 至k號處理機138(在闽3中未明示），以供如配合阃4之 討論所説明者處理。 圈7中所示雷射源102之雷射爲可調諧二極管雷射。可 -22 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 衣· 本紙張尺度適财關轉準（CNS ) ( 21GX297公釐） 270225 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（21) 調諧二極管雷射可藉雷射驅動器108及振盪器11〇調變其驅 動電流予以調變。電流調變改變來自雷射源102之雷射輸 出波長及強度，產生同時之調幅及調頻。在一種理想系統 ，將僅調變其強度水準而藉以調變雷射波長。但此爲不可 能。因此，分束器192及194，以及偵測器196及198用以監 測來自雷射104及1〇6之入射雷射光束之強度。來自偵測器 132及133之輸出信號於是分别除以來自偵測器196及198之 輸出信號，俾消除強度變化效應。 黑體吸收器186及188使過量雷射光束功率消散，在原來 入射光束之方向退出分束器182及184。 在圖4或7中所示晶圓溫度測量設備之任一實施例，均 可採用單一雷射而非圖示之二雷射。單一雷射實施例也能 直接測量表面粗糙度及計算晶圓溫度。一雷射設備必須提 供晶圓表面之鏡面及散射反射光束之即時測量。 也請予察知，雖然本發明之幾種實施例業經配合由晶片 圓10之背面表面22獲得rms表面粗糙度及鏡面反射率予以 討論，但也可將雷射光束導至晶圓10之前側表面，而藉以 使用本發明測量晶圓10之溫度T。可藉本發明之感測器完 成測量由於晶圓10之前側上之波長變化所致鏡面反射率之 變化。本案所討論之本發明之幾種實施例也可用於半導想 處理以外之其他應用。本發明之感測器可有效測量任何工 件之溫度。 雖然本發明業經詳細説明，但請予瞭解，對其可作成各 種變化，替代及更改，而不偏離後附申請專利範圏所述之 本發明之精神及範圍。 -23 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐) — ---- ---------^ /衣— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 ^

Claims (1)

  1. 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 270225 as B8 C8 _ _ D8_____ 六、申請專利範圍 ΐ·一種在處理設備供即時溫度測量之感測器，包含： 一光學能源，用以提供具有已知光譜特徵之光能； —光學系統，用以將光能之至少一部份傳輸至一工件 ’並用以在其與工件互相作用後接收光能之至少一部份 ;以及 一信號處理系統，用以依據受溫度相關表面粗糙度引 起之光散射現象所影響之光學參數之測量，確定工件之 溫度。 2·根據申請專利範圍第1項之感測器，其中溫度相關表面 粗糖度5丨起之光散射現象係與工件之表面散射參數有關 ’散射參數依工件表面以及熱膨脹及收縮效應而定。 3. 根據申請專利範团第1項之感測器，其中光能源包含至 少一雷射源。 4. 根據申請專利範園第1項之感測器，其中光能源另包 含： 一第一雷射源，供以第一波長提供第一雷射光束；以 及 一第二雷射源，供以第二波長提供第二雷射光束。 5. 根據申請專利範圍第1項之感測器，另包含： 一第一雷射源，供以第一波長提供第一雷射光束； 一第二雷射源，供以第二波長提供第二雷射光束； 以及 其中上迷信號處理系統另包含： 波長調變電路，用以於第一及第二雷射光束被導至及 -24 - 本紙張尺度適用中國國家檩準（CNS ) A4规格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 装_ 270225 A8 B8 C8 D8 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 '申請專利範圍 導離工件表面時，調變該二雷射光束之波長； 測量電路，用以測量由第一及第二雷射光束之波長調 變所產生之工件反射率之變化；以及 電路可操作由第一及第二雷射光束之波長調變所產生 之工件反射率之變化，確定在已知基準溫度之工件之表 面粗輪度，該電路另可操作於工件在未知溫度時由第一 及第二雷射光束之波長調變所產生之工件反射率之變化 以及在已知溫度之工件表面粗糖度確定工件之溫度。 6·根據申請專利範園第1項之感測器，另包含： 一第一雷射源，供以第一波長提供第一雷射光束； —第二雷射源，供以第二波長提供第二雷射光束； 以及 其中上述光學系統另包含： 一光學多工器，用以將第一及第二雷射光束合併爲 一合併之光束； 光導組件，用以將合併光束之至少一部份傳輸至工 件表面，並在自工件表面反射後，接收所傳輸光束之至 少一部份；以及 一光學多工解調器，用以在合併光束自工件反射後 將其分開爲第一波長及第二波長光束。 7.根據申請專利範園第1項之感測器，其中上述光學系統 另包含可操作在整個感測器系統導引光能之光纖。 8·根據申請專利範圍第1項之感測器，其中上述光學系統 另包含許多用以在整個感測器系統導引光能之分束器。 -25 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4· ( 2丨Qx297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 270225 A8 B8 C8 D8 ~、申請專利範圍 9. 根據申請專利範圍第1項之感測器，其中上述光學系統 包含一可操作以控制對工件傳輸及自其收集光能之定向 耦合器。 10. 根據申請專利範園第1項之感測器，其中信號處理系 統包含可操作在自工件反射後，測量第一及第二雷射光 束之功率水準之偵測器。 11. 根據申請專利範圍第1項之感測器，其中上述光能源 另包含： 一第一雷射源，供以第一波長提供第一雷射光束； 一第二雷射源，供以第二波長提供第二雷射光束； 以及 其中第一及第二雷射源之波長予選擇爲致使在第一及 第二雷射波長，鏡面反射率參數對波長之導數基本上等 於 1 (dR0\ 1 (dR) Ra <άλί λ λ, R„ 12.根據申請專利範園第1項之感測器，另包含： 一第一雷射源，供以第一波長提供第一雷射光束； 一第二雷射源，供以第二波長提供第二雷射光束； 以及 其中上述信號處理系統另包含： 輸入偵測器，可操作在自工件反射前，測量第一及 及第二雷射光束之強度； (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 采· 、1Τ 本紙張又度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X 297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 270225 戠 C8 D8 六、申請專利範圍 輸出偵測器，可操作在自工件反射後，測量第一及 第二雷射光束之強度；以及 電路可操作使用來自輸入偵測器及輸出偵測器之第 一及第二雷射光束之實測強度，補償第一及第二雷射光 束之功率水準變化。 13. 根據申請專利範園第1項之感測器，另包含： 一第一雷射源，供以第一波長提供第一雷射光束； 一第二雷射源，供以第二波長提供第二雷射光束； 以及 其中上述信號處理電路另包含一雷射驅動器可操作驅 動第一及第二雷射源，該雷射驅動器另可操作改變供給 至第一及第二雷射源之電源，藉以調變第一及第二雷射 光束之波長。 14. 根據申請專利範圍第1項之感測器，其中上述工件包 含一半導體晶圓。 15. 根據申請專利範園第1項之感測器，其中上述處理設 備包含一半導體器件製造設備。 16. —種測量半導體晶圓溫度之方法，包含下列步驟： 以第一波長產生第一雷射光束； 以第二波長產生第二雷射光束； 使第一及第二雷射光束同時自晶圓表面反射； 於晶圓在已知基準溫度時，測量自上述調變步驟所產 生對應於第一及第二波長之晶圓之第一及第二鏡面反射 率變化； -27 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ---------^装-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 270225 韶 C8 D8 六、申請專利範圍 確定在已知溫度之晶圓之表面粗糙度特徵； 於晶圓在未知溫度時，再次使第一及第二雷射光束同 時自晶圓反射； 再次同時調變第一及第二窜射光束之波長； 於晶圓在未知溫度時，再次測量自上述調變步驟所產 生對應於第一及第二波長之晶圓之第一及第二鏡面反射 率變化；以及 自在已知溫度之晶圓之實測表面粗糙度特徵及在未知 溫度之晶圓之第一及第二鏡面反射率變化，確定晶圓溫 度。 17·根據申請專利範圍第16項之方法，另包含下列步驟： 在上述反射步驟前，將第一及第二雷射光束合併爲 一合併光束；以及 在上述測量步驟前，將合併光束分開爲第一及第二雷 射波長。 18. 根據申請專利範圍第16項之方法，另包含下列步驟： 在上述反射步驟前，測量第一及第二雷射光束之強度 t 在上述反射步騍後，測量第一及第二雷射光束之強度 ;以及 在上述反射步驟前及後，使用第一及第二雷射光束之 實測強度補償第一及第二雷射光束之功率變化之效應。 19. 根據申請專利範園第16項之方法，另包含下列步驟： 選擇第一及第二雷射源之波長，致使在第一及第二雷 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 装· 、1T, A8 B8 C8 D8 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 射波長，鏡面反射率參數對波長之正常化導數基本上等 於：丄㈣1 20. —種在處理設備供測量半導體晶圓溫度之i點感測器 系統，包含： 許多溫度感測器’可搡作在半導體處理設備測量半導 禮晶圓溫度，各包含： 一第一雷射源，供以第—波長提供第一雷射光束； 一第二雷射源’供以第二波長提供第二雷射光束； 波長調變電路，可操作於雷射光束被導至及導離晶 圓表面時調變第一及第二雷射光束之波長； 測量電路，可操作測量由於第一及第二雷射光束波 長之調變所致晶圓之反射率變化；以及 電路可操作由第一及第二雷射光束之波長調變所產生 晶圓之鏡面反射率變化，確定在已知溫度之晶圓之表面 粗糙度特徵，該電路另可操作於晶圓在未知溫度時由第 一及第二雷射光束之波長調變所產生之晶圓之反射率變 化以及在已知溫度之晶圓之表面粗糙度特徵確定晶圓之 溫度；以及 其中上述許多溫度感測器予以排列俾在分布於晶圓表 面區域之數點測量晶圓之溫度。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 訂 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) A4規格（2丨OX297公釐）
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