CN101128716B - 用于热处理硅晶圆的低温测温方法和装置 - Google Patents

Abstract

快速热处理(RTP)系统(110)包括监控由硅晶圆(32)对来自处于较低功率级RTP灯(46)的辐射的吸收而决定的温度的透射高温计(12)。建立涉及对应于晶圆和辐射灯温度的光电检测器的光电流的非标准化值的查找表。校准步骤(170)通过已知的晶圆和灯温度测量光电流并且因此标准化其后测量的所有光电流(142)。透射高温计可用于对低于500℃的热处理执行闭环控制或者用于包括闭环控制的辐射高温计的较高温度工艺的预加热阶段。通过测量初始上升速率并相应重新调整灯功率控制预加热温度上升速率。在具有光束分离器(204)的集成结构中可以包括透射高温计和辐射高温计，其中所述光束分离器划分来自晶圆的辐射。

Description

用于热处理硅晶圆的低温测温方法和装置

技术领域

本发明从广义上涉及半导体的热处理。具体而言，本发明涉及硅晶圆的快速热处理(RTP)。 

背景技术

快速热处理(RTP)为适用于包括退火、掺杂剂激活、氧化和氮化等的多种热工艺的术语。上述工艺通常在高于1000℃的相对较高温度下执行。上述快速热处理还可以在存在前驱物或者蚀刻气体的情况下用于蚀刻或者化学气相沉积。蚀刻或者化学气相沉积工艺通常是在RTP腔室中于500℃到800℃之间的稍低温度下执行。RTP典型地依赖于装配于灯头中并照射待处理衬底的一列高强度白炽灯。这些灯以通电方式提供能量并可以快速导通和截止，同时这些灯辐射的主要部分射向衬底。因此，可以在基本不加热腔室的情况下快速加热晶圆并且此后一旦从所述灯上去除电源，晶圆可以尽快冷却。因此，可以更准确地控制预定温度下的处理时间并且可以减少总热预算。另外，由于总处理时间降低，因此产量得到提高。 

图1示意性地示出由Ranish等人在美国专利6,376,804中描述的RTP反应器10的截面图，在此引用该专利的全部内容作为参考，并且该反应器的典型代表是California的Santa Clarad的Applied Materials公司提供的辐射RTP反应器。反应器10包括处理腔室12、位于腔室12内的晶圆支架14以及位于腔室12顶部围绕中心轴18对称设置的灯头16或者热源组件。 

处理腔室包括主体20和位于该主体20上的窗口22。窗口22由可透过红外光的材料构成，例如透明的熔融硅土石英(fused silica quartz)。 

主体20由不锈钢构成并且与石英结合(未示出)。靠近主体20底部形成环形通道24。晶圆支架14包括位于通道24内的可旋转的磁转子26。管状石英提升器(riser)28位于磁转子26上或者以其他方式与磁转子26连接，并且在提升器28上设置由涂敷硅的碳化硅、不透明碳化硅或者石墨构成的边缘环30。在处理期间，晶圆32或者其他衬底位于边缘环30上。可旋转磁定子34设置于主体20的外部与磁转子26轴向对准的位置并通过主体20与转子磁性连接。未示出的马达围绕中心轴18旋转磁定子34，从而旋转所述磁性连接的转子26并因此旋转边缘环30以及支撑的晶圆32。三个或者四个升降针36与构成主体20的底部壁((bottom wall))的反射器板38滑动密封连接。一个未示出的机构提升以及降低所有升降针36以选择性地使晶圆32在边缘环30上来回降低或者提升以及使晶圆32在未示出的用于传输晶圆32进出腔室12的机械臂上来回地提升或者降低。 

石英窗口22位于主体20的上边缘，并且位于该窗口22和主体20之间的O-环40在窗口22和主体20之间提供气密密封(air-tight seal)。灯头16覆盖在该窗口22上部。位于窗口22和灯头16之间的另一O-环42在窗口22和灯头16之间提供气密密封。夹具44结合O-环40和42从而将灯头16密封连接到主体20上。 

灯头16包括多盏灯46，灯46由电插座48支撑并且通过该电插座48提供能量。优选地，灯46为发出强烈红外光的高强度白炽灯，如钨卤灯(tungsten halogen bulb)，所述钨卤灯在石英灯管内部具有钨灯丝，所述石英灯管由一种气体填充，该气体含有卤族气体(如溴)并由惰性气体稀释以清洁该石英灯管。每个灯管均由相对多孔的陶瓷制造的化合物50装配。灯46设置在反射器主体54中形成的垂直定向的柱状灯孔52内部。反射器主体54的灯孔52的开口端与窗口22相邻，灯46与窗口22分离。 

在反射器主体54内部形成环绕各灯孔52的液体冷却通道56。诸如水的冷却剂以经由入口60引入冷却通道56并在出口62排出的方式冷却反射器主体54并且所述冷却剂流动靠近灯孔52，冷却灯46。 

通过诸如蓝宝石棒(sapphire rod)的光导管72选择性地将诸如7支或者更多支高温计70的热传感器耦接到各间隙72上，这些间隙贯穿反射器板38并且沿该反射器板38的半径间隔设置。通常在主体20中支撑刚性的蓝宝石光导管72以及高温计，但是也可以存在中间柔性光纤或者光导管。如Peuse等人在美国专利5,755,511和Adams等人在美国专利6,406,179中对高温计所述，高温计70检测晶圆32下表面的不同径向部分以及边缘环30的温度以及其他热特性，在此引入该专利全部内容作为参考。高温计70更具体地说是一种辐射测温计并且包括一光学窄带滤波器，该滤波器在低于950nm波长，即，在略高于约1.1ev(1.1μm)的硅带隙能量的光子能量时具有约20nm的通频带，可选地表现为低于硅晶圆的带隙波长的光子波长。这些滤波器很容易形成为多层干涉滤波器。从而，硅晶圆32吸收从灯46发出的较短波长可见光辐射，使得高温计70对来自晶圆32的黑体(blackbody)辐射敏感而对来自灯46的辐射不敏感。 

高温计70向灯电源控制器76提供温度信号，其中该控制器76响应于测量温度来控制施加给红外灯46的能量。可以在径向排列的区域(例如15个区域)控制红外灯46以提供解决热边缘效应的更适合的径向热轮廓。高温计70一起向电源控制器76提供表示整个晶圆32上温度轮廓的信号，该控制器响应于所述测量温度来控制提供给红外灯46的各个区域的能量，从而提供闭环温度控制。 

处理腔室12的主体20包括处理气体入口80和气体出口82。在使用时，在经过入口80引入工艺气体以前，将处理腔室12内的气压降低至次大气压。真空泵84通过抽吸口86和阀88抽空处理腔室12。典型地将压力降低到约1至160Torr之间。然而，某些工艺可以在大气压力下执行，只是要存在某些指定气体，并且对这些工艺不需要抽空该处理腔室。 

第二真空泵90降低灯头16内的压力，尤其在处理腔室泵吸到一较低压力时，第二真空泵90降低灯头16内的压力从而降低施加在石英窗口22上的压力差。第二真空泵90通 过泵吸包括阀94的口92来降低灯头16内的压力。口92与包括灯孔52的反射器主体54的内部空间流体连接。 

诸如氦的热导气体的压力源98用该热导气体填充灯头16以方便灯46和液体冷却通道之间的热传输。氦源98通过阀100和口102与灯头16连接。将热导气体引入形成在灯头覆盖物104和各个灯46的底座之间的气体岐管104中。打开阀100使得气体流入岐管104。由于该灌注灯的化合物50相对多孔，因此热导气体流过该灌注灯的化合物并流入灯46的壁和灯孔52之间的间隔中从而冷却灯46。 

然而，所述RTP腔室在低温使用时存在某些缺陷。用于硅RTP的典型辐射高温计包括硅光电二极管检测器，该硅光电二极管检测器检测从热物体中辐射的通常窄带宽的浦朗克辐射光谱的强度并通过该检测强度确定该物体的温度。但是，高温计通常用于测量较高温度，例如大于500或800℃的温度。在腔室部件温度相对不高并且存在辐射灯管漏光的RTP反应器结构中，传统的高温计对于低于约450℃的晶圆温度相对失效。暴露于350℃的物体中的传统高温计所产生的光电流约在0.8pA附近，在典型RTP环境中，这是一个很容易被热以及电子噪声掩盖的级别。而且，该晶圆在这些温度时是部分可穿透的并且腔室并非是不透光的。观察发现，在存在冷晶圆环境下导通白炽灯以后，高温计马上由于直接和间接灯辐射显示350℃。 

对于RTP来说，至少在两种情况下要进行对晶圆温度的低温控制，在高温RTP中，通过采用辐射高温计的闭环控制系统非常精细地控制较高的晶圆温度，如上所述，该辐射高温计仅在约450℃以上有效。但是，为了到达该温度，晶圆必须先在向辐射灯施加预定量电流的开环控制系统下加热。当高温计检测到温度已经达到该辐射高温计的低检测容限时，热量控制转到闭环系统。在开环控制期间，除关断条件以外并没有精确监控预加热。因此，可能出现温度梯度或者过度的加热速率的情况。晶圆在预加热期间可能已经畸变为圆顶(domed)或者土豆片(potato-chip)形状，这些形状在更高温度时阻止了有效RTP。因此必须要精确优化预加热条件，尤其是优化区域加热分布从而实现均匀预加热。预加热优化通常要求熟练技术人员对大量的晶圆进行试验从而建立避免热变形或者其他不利结果的预加热方案。但是，该预加热方案强烈依赖于在晶圆上已经形成的特征图形。除非是在非常长的生产运行情况下，否则很难对各个级别的芯片设计进行优化。另一方面，还对一些类的顶层由金属或者氧化物的指定类型材料构成的无图案普通晶圆执行优化。在生产时，对于类似的顶层选择预加热方案。通常，该方法已证明无法令人满意并且产生不确定的预加热速率以及还需要再进行调整的不均匀性。 

在可预见的下一代集成电路制造的镍、钴或者硅化钛的接触中，对于在低于500℃甚至低于250℃抑或几乎在室温执行RTP已经提出了要求。将传统的辐射高温计应用到需要相对较低热处理温度的高级工艺中会是很方便的。可以考虑设计具有冷壁和低温辐射高温计的自动低温RTP腔室，但是人们更希望对于该低温处理采用商用的高温RTP腔室。进一步希望提供一种既可以用于低温处理又可以用于高温处理的RTP腔室从而使得同一腔室可 以用于不同的处理步骤。 

Hunter等人已经在美国专利6,151,446中描述了一种透射高温计(transmission pyrometer)，该高温计用于判断支撑在升降针上的晶圆在光学检测器中何时产生足以表示晶圆在降到边缘环以前已经达到腔室温度的光电流，在此引入该专利作为参考。该透射高温计包括在靠近硅带隙的范围内有效的某类过滤。随着硅晶圆的逐渐升温，硅晶圆的带隙能量降低(波长增加)。该透射高温计旨在检测通过硅晶圆过滤的来自辐射加热灯的辐射，该辐射通常保持在低强度。随着硅带隙进入或者超出检测器的带宽，该检测器信号急剧变化，从而提供硅晶圆的温度指示。Hunter透射高温计被结合到腔室升降针中以判断何时将晶圆降低到热边缘环上是安全的。该专利中记载的最高工作温度仅为约400℃。尽管Hunter对灯功率提供了一定的反馈控制，但是仍希望对晶圆温度的更接近且更精细的控制。 

发明内容

本发明的一方面包括采用透射高温计在快速热处理腔室中测量低于500℃甚至低于250℃的晶圆温度。透射高温计检测来自光学辐射灯且经过硅晶圆过滤后的光学辐射。硅在某些波长范围的吸收主要依赖于晶圆温度。该温度测量可用于不大于该温度的热处理，或者可以用于控制最高到辐射高温计可以测量的晶圆温度点的预加热，该温度例如400到500℃，大于该温度时通过采用辐射高温计的闭环来控制加热。 

可以通过在1μm和1.2μm之间的波长范围下没有过滤或者很少有过滤的硅光电二极管实施用于低于约350℃的低温透射高温计。在扩展到约500℃的波长范围内有效的透射高温计包括InGaAs二极管光电检测器以及阻挡超过约1.2μm辐射的滤波器。辐射高温计和透射高温计可以集成为包括光学分离器的结构，其中该光学分离器从光导管或者其他光学导管接收辐射并将这些辐射划分为朝向透射高温计和辐射高温计的滤波器的各个光束。 

在已知与分配给辐射加热灯的功率或者其他电学特性、晶圆温度和透射高温计的光电流相关的总体特性的情况下，有利地执行透射高温计。在一个编译这些特性的方法中，可以通过灯和检测器特性计算光电流为一常数。二维表中填充了作为晶圆和灯温度函数的不标准光电流，或者也可以采用获取已知特性的其他方法。处于已知晶圆温度的光电流初始测量值允许对正处理的晶圆的列表数据执行标准化处理。其后此后，当在已知灯温度或者电阻测量高温计光电流时，参考该表从而获得相应的晶圆温度。 

集成的双重高温计可以在单独的罩内形成，其该双重高温计既包括透射高温计又包括辐射高温计。单独的光导管在晶圆背部提供光。光束分离器将接收的光分配给两个高温计。所述罩可以支撑在RTP反射器板上。 

本发明的热处理系统包括有响应于所述至少一个透射高温计的输出，控制分配给所述辐射热源的能量的电源控制系统，所述电源控制系统包括：存储涉及由所述透射高温计产生的并且对于所述晶圆温度的多个值以及表示在所述辐射热源中灯丝温度的变量的多个值的光电流的未标准化特性的存储器；用于测量来自所述透射高温计且对于所述灯丝的设定温度和所述晶圆的已知温度的标准化光电流的装置；以及用于根据所述测量的标准化光电流标准化所述存储的非标准化特性的装置。 

本发明涉及一种热处理系统，该热处理系统包括：可控的辐射热源；支撑组件，该支撑组件配置为用于支撑位于其上并与所述辐射热源相对的硅衬底；至少一个透射高温计，该至少一个透射高温计设置在所述支撑组件的相对侧，同时所述衬底支撑于所述至少一个透射高温计上部并且所述透射高温计用于检测来自所述辐射热源通过衬底过滤后的辐射以及用于测量低于500℃的所述衬底的温度；以及电源控制系统，该电源控制系统响应于所述至少一个透射高温计的输出，控制分配给所述辐射热源的能量。 

本发明还涉及一种热处理系统，该热处理系统包括：包括白炽灯的辐射热源；用于支撑与所述辐射热源相对的硅晶圆的支架；设置在所述支架一侧并与所述辐射热源相对的反射器板；具有通过位于所述反射器板中的缝隙光学连接的输入端的光导管，该光导管由所述反射器板支撑并朝向所述晶圆；接收所述光导管输出并将所述输出划分为第一光束和第二光束的光束分离器；接收所述第一光束并检测由辐射热源发出且通过晶圆过滤的辐射能量以测量低于500℃的硅晶圆温度的透射高温计；以及接收所述第二光束的辐射高温计。 

本发明还涉及一种用于加热硅衬底的工艺，所述工艺包括如下步骤：在施加给辐射热源的第一功率级照射所述硅衬底，通过对来自所述辐射热源经所述硅衬底过滤后的辐射敏感的透射高温计测量初始温度上升速率，其中所述透射高温计测量低于500℃的所述硅衬底的至少两个温度从而通过当测量至少所述两个温度时在两个温度之间的至少一个间隔建立所述初始温度上升速率；并且基于所述初始温度上升速率，向所述辐射热源施加第二功率级从而以所希望的温度上升速率加热所述硅衬底。 

本发明还涉及一种双重高温计，该双重高温计包括：光束分离器，该光束分离器接收来自光导管的信号并将该信号划分为来自反射表面的第一光束和不是来自反射表面的第二光束；透射高温计，接收所述第一光束并且通过检测经衬底透射且过滤的辐射能量来测量低于500℃的衬底的温度；以及接收所述第二光束的辐射高温计。 

本发明还涉及一种双重高温计，该双重高温计包括：光束分离器，该光束分离器接收来自光导管的信号并将该信号划分为第一光束和第二光束的；透射高温计，接收所述第一光束并且通过检测经衬底透射且过滤的辐射能量来测量低于500℃的衬底的温度；以及接收所述第二光束的辐射高温计，其中所述透射高温计和辐射高温计用于检测硅晶圆的温度。 

附图说明

图1为包括至少一个辐射高温计的传统快速热处理(RTP)腔室的截面示意图； 

图2为既包括透射高温计又包括辐射高温计的本发明RTP腔室的一个实施方式的截面示意图； 

图3所示为硅吸收边缘随温度变化的曲线； 

图4所示为在透射高温计中不同因素对于光电流的贡献与晶圆温度函数的曲线图； 

图5为采用透射高温计测量RTP腔室中的晶圆温度的基本方法流程图； 

图6为随着晶圆加热透射高温计和辐射高温计性能的比较曲线图； 

图7为采用透射高温计控制RTP腔室的加热速率的另一方法的工艺流程图，该方法包括参照测量的初始温度上升速率调整灯功率； 

图8为辐射和透射高温计结合用于快速热处理的截面图。 

具体实施方式

图2所示为本发明的快速热处理(RTP)腔室110的一个实施方式的截面示意图。该RTP腔室包括至少一个透射高温计112。尽管本发明的某些方案可以通过透射高温计单独实施，但是优选的本发明的腔室110还包括一个或者多个辐射高温计70。两个高温计70和112可以包括在接收来自光导管72的光学辐射的单独系统中并且光学分离器(splitter)114在两个高温计70和112之间划分接收的辐射。如上所述，辐射高温计70包括处于亚微米波长的窄带通滤波器，即允许能量大于硅带隙的光子经过。由于晶圆32阻止了来自灯46的较短波长，因此辐射高温计70在测量晶圆32背部的黑体辐射温度方面非常有效。另一方面，透射高温计112对于较长波长光，尤其对于靠近处于所关心晶圆温度的硅带隙的光或者更长一点的光很敏感。 

经过均匀晶圆的具体波长的光学辐射的透射率或者透射系数τ表示如下 

τ(α，x)＝e^-α·x    (1) 

其中α为吸收系数而x为晶圆的厚度。靠近硅带隙的硅吸收系数具有已知的温度相关性，在图3的曲线中示出了室温(20℃)和200℃的情况。陡坡部分为光学带隙的吸收边缘，该吸收边缘既依赖于热激活自由载波的热变化又依赖于光子分布。该吸收边缘随着波长增加转变为较长的波长(较小的光子能量)。 

透射高温计所需的光谱过滤不同于辐射高温计。透射高温计滤波器和光子检测器一起提供光谱响应，该光谱响应需要对在所关心晶圆温度的波长吸收间隙敏感。这种需求根据透射高温计是否仅需要在低于250℃的温度测量还是需要在最高450℃的温度以及更高一点的温度进行测量而变化。但是，为了保持合理的信噪比，仅应该检测黑体辐射光谱的限定带宽。 

不通过光学过滤的硅光学检测器可以在约250℃或者350℃以下执行该功能。硅光学检测器对于波长大于约1.1μm的辐射不敏感。随着晶圆从室温加热到350℃，晶圆吸收边缘从1μm上升到1.2μm。因此，该净效应(net effect)为稍窄的通带。但是，在晶圆温度高于约350℃时，吸收边缘超出硅光学检测器的检测容限从而很难检测到任意进一步增加的吸收边缘波长。因此，对于晶圆温度较高的操作，希望采用对较长波长敏感的光学检测器。该检测器的一个实施例为检测带范围在0.9μm和1.7μm之间的InGaAs二极管光学检测器。为了避免高达1.7μm的较大分布，InGaAs应该结合通过波长在1.2μm或者1.3μm以下的低通滤波一起使用，即，在通过透射高温计测量的最高温度时允许具有低于硅晶圆带隙波长的波长的大部分辐射经过并阻止大部分高于该带隙波长的浦朗克波谱。此外，该滤波器可以为截断约1.0μm或者1.1μm辐射的带通滤波器。 

参照图4的曲线说明操作方式。线126表示对于一设定灯电流来说来自透射高温计的总光电流和晶圆温度的函数关系。在较低温度，总光电流主要是由来自发热灯并穿过晶圆的光子流产生的光电流128。但是，如线130所示，存在一恒定的本底辐射(background radiation)，例如杂散辐射以及热腔室部件。在较高的温度，如线132所示，存在一来自晶 圆本身不断增长的黑体辐射的分布。在温度约为400℃时出现灯和晶圆黑体分布的交叉，该温度靠近辐射高温计开始变为有效的下端点。 

本发明的一方面依赖于透射高温计对于灯电流和晶圆温度的相关性，这种相关性称为高温计特性。用于生产的晶圆的晶圆厚度受到严格控制，例如，300mm的晶圆为0.75±0.02mm，因此假设晶圆厚度为已知量。在图5的工艺流程图中示出了晶圆可控加热的基本算法。在步骤136，将已知温度的晶圆插入RTP腔室并在步骤138将灯转换设置为低电流，例如，约为最终灯电流的20％。在步骤140，在晶圆花费时间在灯辐射下显著加热之前测量来自透射高温计的光电流。通过灯电流和晶圆温度的已知数值执行该测量并适当标准化这些已知特性。 

在步骤142，对已知但不标准的光电流随灯以及晶圆温度的变化特性执行标准化操作。可以通过许多方式执行该步骤，但是最容易的步骤是对光学检测器的光电流输出应用比例因子从而得到与初始晶圆以及灯温度下的非标准光电流特性值相符的测量光电流。此后，依比例决定所有测量的光电流值。 

建立初始的晶圆温度可以包括不同步骤。引入的晶圆应该处于加载该晶圆的传输腔室的环境温度，例如25℃。但是，可以在灯已经导通后的温度特性步骤开始期间加热晶圆，一个花费约8秒钟采用15％灯功率的工艺可能产生约10℃的误差，即使温度增加依赖于晶圆类型。在通过灯导通后测量灯强度以及模拟指定晶圆对于指定轮廓的热响应获得特性步骤期间的温度上升。对于模拟可以假设初始温度为40℃。一旦我们知道对于指定的灯功率和产生的强度轮廓该晶圆加热了多少，则到特性周期(characterizationperiod)结束时可以准确测量晶圆温度并对随后的高温计提供初始晶圆温度。 

在步骤144以后，灯电流至少上升到初始预加热值。此后，在步骤146，对于同一晶圆以及上升的灯电流测量来自透射高温计的光电流。在步骤148，通过所测得的光电流和标准化的特性确定晶圆温度。重复步骤146和148直到在步骤150确定已经达到某个最终预加热晶圆温度。 

可以通过许多方式建立所需的灯和晶圆特性。可以对大量的灯电流、晶圆温度以及可能的晶圆厚度的组合测量高温计光电流并采用这些试验值使光电流与晶圆温度相关。人们仍然认为标准化对于解决晶圆变化以及包括不同灯的腔室条件的变化来说都是很必要的。 

一种优选方法依赖于对光电流对灯的电学测量的相关性和透射经过硅晶圆的温度相关性以及光学检测器的响应的相当完整的理解。透射高温计的光电流IPD主要依赖于晶圆温度TW和灯温度TL并可以表示如下 

$I_{\mathrm{PD}}=\mathrm{\Ω}\·\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}R\left(\mathrm{\λ}\right)\·\mathrm{\τ}(\mathrm{\λ},T_W,\mathrm{\χ})\·L(\mathrm{\λ},T_L)\mathrm{d\λ}---\left(2\right)$

其中λ₁和λ₂为表示光学检测器的敏感性光谱容限的积分的界限，λ₁和λ₂的范围为0.8到1.7μm，R(λ)为包括任意采用的滤波器的光学检测器的响应函数，L(λ，T_L)为灯温度为T_L的灯的辐射强度光谱，而Ω为用于解决背景辐射差异、晶圆顶表面的反射率、透射通道的 视角因子(view factor)以及灯辐射强度差异的标准化因子。对晶圆顶表面的反射率进行适当的标准化允许在不必单独对各种类型的结构进行RTP预加热优化的情况下处理具有不同水平和垂直结构的不同类型晶圆。另外，单独标准化测量重点考虑主要影响顶表面反射率的差异。 

灯辐射强度L是在灯丝中分配的功率的函数并因此是灯温度T_L、用作灯丝材料的发射率ε_L((λ，，T_L))以及由于灯丝卷绕导致对该发射率校正δ((λ，，T_L))的函数。通过如下钨丝的经验表达式确定灯温度T_L。 

$T=\mathrm{\α}\·R_L^{0.831}---\left(3\right)$

其中α为通过对于一类灯发出的辐射进行光谱测量确定的常数，R_L为灯丝的电阻，可以通过瞬态电压和来自该灯的SCR驱动器的电流反馈确定该电阻。已知灯丝温度的情况下，可以通过以下等式计算灯的辐射强度 

(4) 

L(λ，T_L)＝L_BB(λ，T_L)ε(λ，T_L)δ(λ，T_L) 

其中L_BB为来自温度为T_L的表面的黑体辐射光谱， 

$L_{\mathrm{BB}}(\mathrm{\λ},T)=\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5}{(e^{c_2/\mathrm{\λT}}-1)}^{-1}---\left(5\right)$

其中c₁和c₂是分别为3.742×10^-16Wm²和0.1439mK的公知的辐射常数。钨的发射率ε公知为温度和波长的函数。卷曲和校正因子δ需要计算或者可选地对各类灯进行测量。 

通过如下等式表示经过在温度为T_W厚度为x的硅晶圆的透射率 

$\mathrm{\τ}(\mathrm{\λ},T_W,\mathrm{\χ})=e^{-\mathrm{\α}(\mathrm{\λ},T_W)\·\mathrm{\χ}}---\left(6\right)$

其中α为波长为λ且温度为T_W时硅的吸收系数。该吸收系数可以测量或者可以通过由Timans在1993年11月15日发表在Applied Physics杂志Vol 74，No.10，第6353-6364页题目为“Emissivity of silicon at elevated temperatures(在温度提高时硅的发射率)”中描述的模型计算。该Timans模型通过光子和自由载体描述该吸收并且体现出和轻掺杂硅的测量吸收系数的良好一致性。Timans参考文献对于高温计的总体讨论也是很有价值的。 

找到基于测得的光电流转换等式(2)的积分以求出晶圆温度的封闭表达式在计算方面是富有挑战性的并且很难实现实时调整。相反，优选地编辑一查找表。例如，通过采用灯丝温度TL作为一个轴而采用晶圆温度T_W作为另一个轴建立二维查找表。所计算的、非标准化的光电流值采用该表中的单元。 

在已知晶圆温度T_W和电学方式测量的灯丝温度T_L的初始光电流测量将表中不标准的计算光电流值与测量光电流相关联并因此允许对整个表确定标准化常数Ω。尽管可以对表 中的所有输入进行标准化，但是优选地通过现在已知的标准化常数在光学检测器的输出依比例决定所有测量光电流。 

在标准化步骤后的晶圆处理期间，已知电流和灯电源电压的电学测量值测量来自透射高温计的光电流，所述电压和电流基于等式(3)提供灯温度。然后参考查找表将在已知灯温度下测量的以及依比例决定的光电流与晶圆温度相关联。在表列光电流如果必要的话在灯温度之间执行插值算法。其他方法也可用于存储以及获得与灯和晶圆温度相对的光电流特性。可以通过多项式的系数、幂级数或者其他将光电流与指定灯温度的晶圆温度相关的数学函数来表示表的每列。可以很容易地以实时方式计算该数学函数。可选地，整个表可以转换为两变量幂级数。如果需要的话，该多项式和幂级数可以包括随着晶圆温度变化的光电流作为该多项式的值。 

通过一硅光电二极管验证本发明，其中该硅光电二极管晶圆的背部与其中一个灯相对并具有窄视域同时没有超出硅光电二极管响应度的1μm下限的其他过滤，并且对于所关心温度吸收边缘在1.2μm以下。单独的传统辐射高温计面向晶圆的同一总区域但是具有滤波器并具有较宽视角。另外，在裸片中植入热电偶以测量在验证测试期间的真正温度。在图6的曲线中示出结果，该曲线示出在灯导通后通过作为时间函数的不同方法确定的温度。线154示出通过热电偶确定的晶圆温度。线156示出通过本发明的透射高温计并结合前述查找表工作确定的晶圆温度。线158示出通过传统的辐射高温计确定的温度。在所有温度中，该透射高温计测量的温度相对接近热电偶的温度。温度在300℃以下时，传统辐射高温计无法准确测量晶圆温度，但是在较高的温度时，传统辐射高温计性能可以满足要求。进一步如图4所示，该设计的透射高温计在约350℃或者400℃以上具有展平响应。因此，人们希望在温度低于约350℃的过渡温度的温度时依赖于透射高温计测量而当高于该温度时依赖于辐射高温计测量。但是，所述的过渡温度可能依赖于两个高温计的设计而改变，当前设计显示过渡温度处于约350℃和400℃之间。 

至少存在两个可以应用本发明的工艺，即几乎室温测量以及开环调节(开环调节也称为预加热)。根据本发明的几乎室温测量使用优选地以和在高温下结合使用的辐射测量类似的结构在热控制系统的反馈环内径向设置的多个透射高温计。从而，在低于250℃的温度进行准确的热量控制是可能的，可考虑将这种准确的热量控制用于多个先进集成电路结构中。由于所述的硅光电二极管在晶圆温度大于300℃时表现出较差的性能，因此希望该低温操作可以用于制造更适于更长波长的光学监测器和滤波器，例如InGaAs光学监测器和干涉过滤器。如前所述，人们希望RTP腔室具有在所有晶圆温度时均可通过热反馈控制操作可执行低温和高温处理的能力。 

对于低温测量，希望提供一种与加热灯分离的透射辐射光源。该光源可以是激光或者LED，但是一般认为分离的低强度白炽灯具有较好的长期稳定性。 

还可以结合标准的高温RTP采用本发明从而在不涉及辐射高温计的情况下更准确地控制预加热阶段(也称为开环调节)。在图7的流程图示出简单的预加热工艺。在将已知温 度的晶圆插入RTP腔室后，在步骤170中，通过对查找表建立标准化因子或者存储系统特性的其他方法来校正透射高温计。在步骤172，将RTP灯设定为预定的低功率级，例如，该低功率级处于完全高温级别的15％，该低功率级产生低于10℃/s的相对较慢的加热速率。在步骤172，在已经将各个灯设定为低功率级别后，经校正后的透射高温计至少测量两次晶圆温度并从而测得在两次测量间隔期间随着晶圆加热的温度初始上升速率。在步骤176，电源控制器计算调整后的灯功率级，该功率级将温度上升速率从初始测量值改变为所需温度上升速率，该所需上升速率为10到20℃/s范围内的一设定值。此后，一直继续该预加热直到步骤178确定该晶圆温度已经达到过渡温度，在该过渡温度下，在步骤180将该控制转换为主要依赖于传统高温RTP控制系统采用的辐射高温计的闭环控制。 

在对初始上升速率调整以后可以通过多种方式执行该预加热。由于灯功率已经进行了重新调整，因此预加热仅依赖于逝去的时间。无论透射高温计还是辐射高温计均可用于检测已经到达过渡温度的时间，两种高温计通常对该过渡温度均很敏感。对于更精细的控制，该透射高温计可以对该预加热阶段采用闭环控制系统从而动态调节灯电流以在预加热期间保持所需的温度上升速率。此外，可以对预加热阶段的不同部分调节所需的预加热上升速率。 

尽管上述描述集中于单独透射高温计并且仅提到了一个灯功率设定，但是如果在不同径向位置定位多个透射高温计并且采用某些有差别的区域加热，则可提高准确性。例如，一个透射高温计可以设置在靠近晶圆中心的位置，第二点靠近从晶圆到边缘的过渡位置，而第三点仅位于边缘环上。然后对预加热可以将灯分为至少三个类似区域。在图7的初始速率调整中，通过三个透射高温计测量三个初始温度上升速率。然后，分别重新调整位于不同加热区域的灯以获得典型公共所需上升速率，在窄的过渡区域可能采用某个插值。 

本发明的透射高温计对于初始预加热也是很有用的，该初始预加热将晶圆加热到例如约200℃的边缘环的温度，此时晶圆支撑在升降针上。一旦晶圆达到该温度，升降针就将晶圆降到边缘环上，然后开始旋转。辐射高温计在该阶段几乎是不可用的，具体原因在于存在许多光从悬浮晶圆周围的灯泄漏到下面的高温计上。尽管前述的Hunter透射高温计具有同样的功能，但是它们嵌入在升降针中并因此不易监控200℃以上的预加热温度。 

将分离的辐射和透射高温计连接到反射器板的不同间隙上是可能的。但是，通过修改Adams等人的辐射高温计使该辐射高温计在辐射高温计滤波器前包括有角度的局部反射器从而集成两个高温计是方便的。该反射的辐射指向未过滤的硅光电检测器，从而用作所述透射高温计。 

在图8中以截面图形式示出Adams等人采用的双高温计190的实施例，该实施例也应该适用于其他实施方式。一蓝宝石光导管192和金属套管194在RTP反射器板底部支撑高温计190。高温计形成在罩196的内部，罩196容纳具有反射内壁202的瞄准仪198，其中反射内壁212从位于瞄准仪198中与光导管192的输出临近的轴向孔199沿径向向外闪烁以校准射向窄带滤波器200的光导管辐射，该滤波器200通常由多层干涉滤波器构成。在 罩196中支撑该窄带滤波器200并且滤波器与辐射高温计连接。但是，可调的镀金针204从瞄准仪壁202凸出并且具有倾斜反射表面206，该可调的镀金针204用作光束分离器，将部分来自光导管192的辐射引向穿过瞄准仪198的孔隙210与反射表面206相对的光电检测器208。光电检测器208可以是硅光电二极管，在该情况下，光电检测器208仅可以用作用于较低晶圆温度的透射高温计。但是，对于高一点的晶圆温度，光电检测器208可能具有较长的波长响应，诸如InGaAs光电二极管，在这种情况下，在光电检测器208和光束分离器204之间插入未示出的分离透射高温计滤波器。 

剩余的辐射经过光束分离器204并在进入具有向内变细的反射壁214的集中器212的由宽变窄端以前，该剩余的辐射通过辐射高温计滤波器200过滤，其中该反射壁214将过滤后的辐射集中到位于集中器212的末端通过窄轴向间隙216暴露的第二光电检测器215上。光电检测器215完成该辐射高温计并通常用作为硅光电二极管。来自两个光电检测器208、215的分离电学导线引向光电检测器电源以及灯电源控制器从而向所述两个高温计提供光电流。 

所述结构有益于采用对于RTP反射器板及RTP反射器板间隙和光导管的现有设计。也可以采用其他结构以及类型的光束分离器。通过波长选择光束分离器改善敏感性。 

本发明提供了优良的低温控制RTP工艺，该工艺既包括在低温下的有效热工艺又包括获得辐射高温计常规采用的较高温度所需的预加热。可以将透射高温计方便而经济地结合到高温RTP腔室的现有设计中以扩展高温RTP腔室的操作温度范围并更精确控制预加热阶段。 

Claims (20)

1.一种热处理系统，所述热处理系统包括：

可控的辐射热源；

支撑组件，该支撑组件配置用于支撑位于其上并与所述辐射热源相对的硅衬底；

至少一个透射高温计，所述至少一个透射高温计设置在所述支撑组件的相对侧，同时所述硅衬底支撑于所述至少一个透射高温计上部并且所述透射高温计用于检测来自所述辐射热源通过所述硅衬底过滤后的辐射以及用于测量低于500℃的所述硅衬底的温度；以及

电源控制系统，所述电源控制系统响应于所述至少一个透射高温计的输出，控制分配给所述辐射热源的能量。

2.根据权利要求1所述的热处理系统，其特征在于，在关于所述硅衬底的中心的不同径向位置设置多个所述透射高温计。

3.根据权利要求2所述的热处理系统，其特征在于，所述透射高温计之一朝向所述硅衬底的中心部分，而所述透射高温计的另一个朝向所述支撑组件。

4.根据权利要求1所述的热处理系统，其特征在于，所述硅衬底包括硅晶圆。

5.一种热处理系统，所述热处理系统包括：

包括白炽灯的辐射热源；

用于支撑与所述辐射热源相对的硅晶圆的支架；

设置在所述支架一侧并与所述辐射热源相对的反射器板；

光导管，所述光导管具有通过位于所述反射器板中的缝隙光学连接的输入端，所述光导管由所述反射器板支撑并朝向所述硅晶圆；

接收所述光导管输出并将所述输出划分为第一光束和第二光束的光束分离器；

接收所述第一光束并检测由辐射热源发出且通过所述硅晶圆过滤的辐射能量以测量低于500℃的硅晶圆温度的透射高温计；以及

接收所述第二光束的辐射高温计。

6.根据权利要求5所述的热处理系统，其特征在于，所述系统还包括接收所述透射高温计和辐射高温计的输出并且响应控制施加给所述灯的功率的控制器。

7.根据权利要求5或6所述的热处理系统，其特征在于，所述系统还包括升降针，所述升降针以可移动方式设置在所述反射器板的缝隙中用于选择性支撑所述硅晶圆，其中所述光导管与所述升降针机械上是独立的。

8.根据权利要求5或6所述的热处理系统，其特征在于，所述系统还包括连接所述光导管和所述光束分离器的柔性光导管。

9.根据权利要求5所述的处理系统，所述处理系统还包括控制器，该控制器响应于透射高温计的输出来测定所述硅晶圆的温度并因此计算传送至辐射热源的功率量。

10.一种用于加热硅衬底的工艺，所述工艺包括如下步骤：

在施加给辐射热源的第一功率级照射所述硅衬底，通过对来自所述辐射热源经所述硅衬底过滤后的辐射敏感的透射高温计测量初始温度上升速率，其中所述透射高温计测量低于500℃的所述硅衬底的至少两个温度从而通过当测量至少所述两个温度时在两个温度之间的至少一个间隔建立所述初始温度上升速率；并且

基于所述初始温度上升速率，向所述辐射热源施加第二功率级从而以所希望的温度上升速率加热所述硅衬底。

11.根据权利要求10所述的工艺，其特征在于，所述所希望的温度上升速率大于所述初始温度上升速率。

12.根据权利要求10所述的工艺，其特征在于，所述工艺还包括：

在向所述辐射热源施加所述第二功率级的同时监控所述硅衬底的温度；

当所述监控温度达到预定过渡温度时，利用辐射温度计启动向所述辐射热源施加的功率的闭环控制。

13.根据权利要求10到12任一权利要求所述的工艺，其特征在于，所述工艺还包括通过将所述透射高温计暴露于已知温度的硅衬底中而校准该高温计的步骤。

14.一种双重高温计，所述双重高温计包括：

光束分离器，所述光束分离器接收来自光导管的信号并将所述信号划分为来自反射表面的第一光束和不是来自反射表面的第二光束；

透射高温计，所述透射高温计接收所述第一光束并且通过检测经硅衬底透射且过滤的辐射能量来测量低于500℃的硅衬底的温度；以及

接收所述第二光束的辐射高温计。

15.根据权利要求14所述的高温计，其特征在于，所述高温计还包括：

容纳所述光束分离器并具有接收来自所述光导管的辐射的入口间隙的罩；

所述透射高温计包括通过所述罩支撑的第一光电检测器；

所述辐射高温计包括通过所述罩支撑的第二光电检测器和通过所述罩支撑的第一光学滤波器；以及

所述光束分离器设置在所述入口间隙和所述滤波器之间的光学路径上。

16.根据权利要求15所述的高温计，其特征在于，所述第一光电检测器和第二光电检测器为硅光电二极管。

17.根据权利要求16所述的高温计，其特征在于，在所述光束分离器和所述第一光电检测器之间的光学路径上不执行滤波。

18.根据权利要求15所述的高温计，其特征在于，所述透射高温计包括InGaAs光电二极管和设置在所述光束分离器和InGaAs光电二极管之间的光学路径上的第二光学滤波器。

19.根据权利要求15所述的高温计，其特征在于，所述高温计还包括：

瞄准仪，所述瞄准仪在其宽端与所述滤波器相邻设置并在其窄端接收所述光导管输出，其中所述光束分离器设置在所述窄端和所述滤波器之间，其中所述第一光电检测器通过位于所述瞄准仪侧壁的间隙接收来自所述光束分离器的光；并且

集中器，所述集中器通过所述滤波器经由所述集中器宽端接收辐射，其中所述第二光电检测器通过所述集中器的窄端接收光。

20.一种双重高温计，所述双重高温计包括：

光束分离器，所述光束分离器接收来自光导管的信号并将所述信号划分为第一光束和第二光束；

透射高温计，所述透射高温计接收所述第一光束并且通过检测经硅晶圆透射且过滤的辐射能量来测量低于500℃的硅晶圆的温度；以及

接收所述第二光束的辐射高温计，

其中所述辐射高温计用于检测所述硅晶圆的温度。

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