CN101258387A - 确定半导体晶片的光学属性的方法与系统 - Google Patents

Abstract

公开了用于确定例如半导体晶片的衬底的至少一个光学特性的方法与系统。一旦确定光学特性，那么，为了改善工艺处理，可以控制在工艺处理室中的至少一个参数。例如，在一个实施例中，处于室温或接近于室温时，首先确定衬底中一个面的反射率。由该信息，将可以精确估计在高温处理期间晶片的反射比与/或发射比。在晶片处理期间，使用高温计，可用发射比校正温度测量。除了进行更加精确的温度测量之外，衬底的光学特性也能够用于更好的优化加热循环。

Description

确定半导体晶片的光学属性的方法与系统

相关申请

本发明涉及并要求具有美国序列号60/696,608、于2005年7月5日提交的临时申请的优先权。

背景技术

精确测量热物体的表面温度是许多工业与科学过程所关心的。例如，在制作半导体装置期间，必须精确地测量与控制温度。尤其是，在晶片的快速热处理期间、或者在修改或向晶片表面添加化学薄膜或涂层(coating)期间，必须精确地监视半导体晶片的温度。为了这些半导体制作过程，应当在几度的程度内知晓：处于可以从小于400摄氏度扩展到超过1100摄氏度的范围的温度的衬底的温度。

过去，采用(1)接触方法或(2)非接触方法来确定热物体的温度。例如，在接触方法中，热物体与例如轮流连接到温度计的热电偶(thermocouple)的传感器接触，以指示物体的温度。另一方面，确定温度的传统的非接触方法包括：使用光传感器，如感测由物体发射的处于特定光波长的热辐射的光学高温计(pyrometer)。一旦了解了由物体发射的热辐射，便可估计该物体的温度。

当为了在电子行业中使用而处理半导体材料时，在测量半导体晶片的温度时，通常优先使用非接触方法。例如，非接触方法的一个优点是：在加热处理期间，可使晶片旋转，其提升整个晶片的均衡温度分布。旋转晶片也提升处理气体流与晶片之间的更均衡的接触。除了能够旋转晶片外，使用非接触方法的另一优点在于：由于不需要将温度计(temperature gauge)附在晶片上，所以，在半导体制造期间，能够更加快速地处理晶片，以节省宝贵的时间。

对于所有高温晶片工艺的当前及可预知的兴趣，一个更重要的需求在于：以高精度、可重复能力和速度的方式确定晶片的真实温度。精确测量晶片温度的能力在所制造的半导体装置的质量与尺寸上具有直接的收益。例如，给定半导体装置所需的最小特征尺寸将限制完成后的微芯片的计算速度。随之，特征尺寸与在处理期间测量并控制装置温度的能力相联系。因此，在半导体行业中，开发更加精确的温度测量与控制系统面临着越来越大的压力。

在这方面，常规的非接触光学测高温(pyrometry)系统的主要缺点在于：所述系统测量的是晶片的表面温度，而非真实温度。尤其是，实际的表面发射辐射不如理想的或完美地黑体(blackbody)更加有效。通过理论与计算，一旦了解到黑体所发射的辐射，便将能够计算黑体的温度。然而，例如晶片的真实的物体只发出在相同温度由黑体所发射的辐射的一小比例。该比例被定义为真实物体的发射比(emittance)。因此，当检测到由真实物体所发射的辐射时，高温计通常指示可能与物体的真实温度不同的表面温度。

因此，为了使用高温计测量真实物体的真实温度，必须校正所指示的温度，以考虑到发射比。不幸的是，通常，并不了解真实物体的发射比，且非常难以精确测量。此外，半导体晶片的发射比在晶片之间也不相同。所述发射比是晶片的属性，并且取决于许多参数，例如晶片的化学成分、晶片的厚度、晶片的表面粗糙度、晶片表面呈现的涂层，以及高温计操作的波长。

除了能够确定半导体晶片的发射比以外，当在高温计所操作的波长、晶片呈半透明时，也会发生精确确定晶片的温度的问题。在低温时，这个问题尤其显著。

过去，对于在处理晶片之前、或在处理晶片期间测量半导体晶片的属性，已经建议了一些方法。例如，美国专利No.6,056,434公开了一种通过测量半导体晶片的反射率、以协助确定晶片的发射比的方法。

本发明的公开针对于进一步改进确定衬底(例如，在热处理室中将要被处理的半导体晶片)的光学属性的方法。根据本发明公开的内容确定晶片的属性或特性可能被用于更好的控制加热处理和/或加热衬底的方式。

发明内容

本公开一般针对于这样的方法，其确定例如半导体晶片的衬底的光学特性，以便在加热处理期间更精确地加热晶片、或者在加热处理期间更佳地控制各种系统组件或变量。所公开的系统与方法允许：通过辐射感测装置(例如，高温计)的改进的精度与晶片温度读数，或衬底的热辐射属性改进的测量与/或预测。在一个实施例中，可将根据本方法确定的衬底的光学特性提供给用于改进的晶片温度控制的控制器。

在一个实施例中，例如，本公开针对于一种确定半导体晶片的至少一个光学特性的方法。该方法包括向具有特定厚度的半导体晶片的第一表面上发射光的步骤。引导发射到半导体晶片的第一表面上的光通过光路(opticalpathway)，该光路被配置成将从第一表面反射的光与透过晶片的光相分离，且由晶片的第二、且相对的表面反射。

一旦从第一表面反射的光与从第二表面反射的光相分离，便可使用检测器检测从第一表面反射的光。该检测器可以是例如任何合适的光传感器，且可被配置成检测处于某一波长或某个波长范围的从第一表面反射的光量。

根据本公开，基于所检测的从第一表面反射的光量，随后，确定半导体晶片的至少一个光学特性。该特性可以包括第一表面的反射率(reflectivity)、第一表面的发射率(emissivity)、第一表面的吸收率(absorptivity)、或第一表面的透射率(transmissivity)。可替换或添加地，光学特性可以包括半导体晶片的反射比(reflectance)、发射比(emittance)、吸收比(absorptance)或透射比(transmittance)。此外，取代或除了确定半导体晶片第一表面的至少一个光学特性之外，使用该方法也能够用于确定晶片的相反表面的至少一个光学特性。

为了将从第一表面反射的光与从第二表面反射的光分离而使用的光路可依据特定应用而变化。例如，该光路可以包括多个光学装置。所述光学装置可包括镜子、透镜、光圈(aperture)等等。在一个特定实施例中，例如，光路包括第一透镜与第二透镜，其将光引导到半导体晶片的第一表面的特定位置上。在光从第一表面反射开后，光再次透过第二透镜。从该第二透镜开始，光由镜子反射，并透过第三透镜，以聚焦在光检测器上。应该理解，然而，上述实施例仅仅代表可用于本公开的光路的一个例子。

随着光通过光路，将从第一表面反射的光与从第二表面反射的光分离的方式可取决于应用而不同。例如，可通过调节系统中的一个或多个透镜的焦距而执行分离不同光束。可替换或附加地，为了分离不同的光流(light steams)，该系统可以包括各种光圈或滤光器。在其它实施例中，为了将从第一表面发射的光与从第二表面反射的光分离，可将光以入射角的分布的方式发射到半导体晶片的第一表面。

为了将光发射到衬底的第一表面上，可使用的光源可依据特定的应用而改变。例如，在一个实施例中，光可以包括宽带光源。可选地，光源可发射激光束。

一旦基于上述方法而确定了半导体晶片的至少一个光学特性，便可在各种系统与处理中使用或合并该光学特性。例如，在一个实施例中，使用所确定的一个或多个光学特性来为控制半导体晶片的加热处理。在该实施例中，基于该光学特性，至少可控制在加热半导体晶片的处理中的一个系统组件。

例如，在一个实施例中，系统组件可以包括具有辐射测量装置的温度测量系统(例如，高温计)，其在为了确定半导体晶片的温度而加热的期间，感测由半导体晶片发出的辐射量。使用所检测的来自第一表面的光量来确定半导体晶片的发射比，以与由辐射测量装置感测的辐射量一起用于确定半导体晶片的温度。

在一个实施例中，例如，辐射感测装置检测在某一波长由半导体晶片发射的辐射。在与辐射感测装置操作的相同波长，检测由半导体晶片的第一表面反射的光量。从半导体衬底的第一表面检测的反射光量的测量还可以发生在低于大约100摄氏度的温度。例如，在辐射感测装置操作的波长、半导体晶片的透射比小于0.1的温度下，使用来自半导体晶片的第一表面的所检测的光量来确定半导体晶片的反射比与发射比。更特别地，在一个实施例中，可使用在低于大约100摄氏度的温度下确定的反射比和/或发射比，来预测在例如使用模型的更高的温度下的衬底的发射比。

在可替换实施例中，系统组件可与用于加热晶片的加热装置相关。在加热处理期间，例如，可以调节用于加热半导体晶片的加热装置的功率控制器。加热装置可以包括例如光能源阵列、加热的基座(susceptor)、或所述两者的混合。在加热以便调节功率控制器、并因此选择性地增加或减小用来加热半导体晶片的能量的期间，可使用所检测的来自半导体晶片的第一表面的光量来确定半导体晶片的吸收比。以这种方式，使用吸收比来优化功率与能量设置。该实施例中，从半导体晶片的第一表面反射、并被检测的光可以处于与用于加热晶片的电磁辐射的波长的范围充分重叠的波长范围。

在本发明公开的另一个实施例中，所确定的半导体晶片的光学特性可用于校正在辐射感测装置操作的波长下、透射率大于0.1的较低温度下的辐射感测装置的读数。在该实施例中，光源发射的光入射到晶片的第一表面上，并且，独立地检测从第一表面反射的光量与从晶片的相对表面反射的光量。例如，可使用光路，以便将从第一表面反射的光量与从晶片的相对表面反射的光分离。随后，使用该信息确定晶片的两个表面的反射率。然后，使用该反射率确定在辐射感测装置操作的波长、透射率大于0.1的温度下的半导体晶片的透射比与发射比。随后，所确定的透射比与发射比可用于校正采用辐射感测装置所进行的温度测量。

以相似方式，本公开的方法也可用于在较低温度时控制加热装置的功率或能量级别。在该实施例中，然而，在与用于加热晶片的电磁辐射的波长范围充分重叠的波长范围，检测离开半导体晶片第一表面、以及离开半导体晶片第二表面的反射光。以这种方式，能够确定吸收比，并使用吸收比来优化功率或能量设置。

如上所述，在热处理室内或处理室外，可以确定半导体晶片的光学特性。例如，在一个实施例中，可在任何合适的位置确定光学特性。例如，测量可发生在机器臂的位置或在独立的室中。一旦确定了光学特性，便可将晶片传递到热处理室以经历各种处理。随后，可使用光学特性来控制热处理系统中的至少一个系统组件。

下面将更加详细地讨论本发明的其它特性与方面。

附图说明

在说明书的剩余部分，将特别阐述包括本领域最佳方式的本发明的全面且清楚的公开，其包括在对附图的引用，附图中：

图1是可用于本发明的系统与方法的热处理室的一个实施例的侧视图；

图2是依照本发明做出的系统的一个实施例的平面图；

图3是图示发射到例如半导体晶片的衬底上的光束的侧视图；

图4图示发射到例如半导体晶片的衬底上的两个光束的侧视图；

图5图示发射到例如半导体晶片的衬底上的两个光束的另一个实施例的侧视图；

图6是依据本发明的可使用的光路的一个实施例的侧视图；

图7是依据本发明的可使用的光路的另一个实施例的侧视图；

图8是依据本发明的可使用的光路的另一个实施例的侧视图；

图9是图解下面将更加详细地描述的基于位置的光强的图；

图10是依照本发明的可以使用的光路的另一个实施例的侧视图；

图11是依照本发明的可以使用的光路的另一个实施例的侧视图；

图12是依照本发明的可以使用的又一个光路的侧视图；

图13是依照本发明的可以使用的光路的另一个实施例的侧视图；

图14是依照本发明的可以使用的光路的另一个实施例的侧视图；

图15是图解晶片双面照射的一个实施例的侧视图；

图16是图解晶片双面照射的另一个实施例的侧视图；

图17是图解依照本公开的在不同的位置照射晶片的实施例的侧视图；

图18是图解向包含正面与背面涂层的半导体晶片上发射光束的侧视图；

图19是图解光线入射到晶片的前表面上的传播、以及在各个位置上的光强值的侧视图；

图20是晶片光学属性的温度依赖的图示，其中，衬底具有温度相关的吸收系数；以及

图21到26是依据本发明的测量晶片属性的方法的流程图的不同实施例。

在本说明书和附图中重复使用的附图标记意图代表本发明相同或相似的特征或元素。

具体实施方式

本领域的普通技术人员能够了解，目前的讨论仅仅是示范实施例的描述，其并不作为对本发明更宽的方面的限制。

通常，本公开针对于这样的方法与系统，其确定衬底的至少一个光学特性，然后使用该特性来控制在衬底上执行的处理。例如，在一个实施例中，衬底可以包括半导体晶片，并且，在加热处理期间，使用该光学特性来更好地确定和控制晶片的温度。可选地，可使用该光学特性来控制用于加热晶片的加热装置。

也应当理解，本公开中的方法可以与除了半导体晶片以外的其它衬底结合使用。例如，本公开的方法可以与任何适合的衬底(例如带状、薄膜、光纤、细丝等等)一起使用。

当衬底包含半导体材料时，可在衬底的热处理期间，在衬底的氧化期间、或在修改或向衬底的表面添加薄膜的其它处理期间，使用本发明的方法。例如，可依据本发明使用的其它处理包括一些合适的薄膜沉积处理，例如化学蒸汽沉积处理或原子层沉积处理。在用于在衬底上沉积材料、或蚀刻衬底的等离子处理期间，也可使用本发明的原理。

参考图1，图解了系统10的通常的一个最佳实施例，系统10可以用于处理例如半导体晶片的衬底的本发明的处理中。系统10包括适用于接收例如晶片14的衬底的处理室12，以进行各种处理。可将晶片14置于处理室12中的衬底支撑台15上，可选地，可将支撑台15配置为使晶片旋转。室12被设计为在非常快的速率与仔细的受控条件下加热晶片14。室12可由各种材料制成，包括特定金属、玻璃以及陶瓷。例如，室12可由不锈钢与石英制成。

当室12由热传导材料制成时，该室可以包括冷却系统，例如，如图1所示，室12包括缠绕所述室的周长的冷却管道(cooling conduit)16。管道16适用于使例如水的冷却液体循环，该冷却液体用于保持室12的壁处于恒温。

室12也可以包括进气口18与出气口20，以将气体引入室内和/或保持室处于预设的压力范围。例如，可以通过进气口18将气体引入室12内，以与晶片14起反应。一旦经过处理，便可使用出气口20从该室排气。

可选地，可通过进气口18将惰性气体送入室12，以阻止在该室内发生任何不想要的或不理想的副反应。在另一实施例中，进气口18与出气口20可以用于为室12加压。当需要时，可在室12内创建真空。

在处理期间，室12能够适用于使用晶片旋转机构21旋转晶片14。旋转晶片可更加促进晶片表面的更强的温度均匀性，并可促进晶片14与引入到室内的气体之间的增强的接触。应当理解，除半导体晶片以外，该室还可适用于处理光学部件、薄膜、光纤、带、以及具有特定形状的其它衬底。

为了在处理期间加热晶片14，可将一个或多个加热装置置于与室相关联。在该实施例中，加热装置22包括多个灯24，例如卤钨灯、弧光灯、激光器或其混合。加热装置22可以包括反射镜(reflector)或反射镜组，用于将由加热装置发射的热能导向晶片14上。如图1所示，灯24可以被置于晶片13之上。然而，应当理解，可将所述灯置于任意特定位置。例如，系统10内也可以包括另外的灯，其不但可以被放置于晶片14之上，也可以在晶片14之下。

作为对使用多个灯的替换、或除了灯之外，所述处理室也可以包括各种其它加热装置。例如，加热装置可以发出任何合适的电磁辐射，其被配置为加热衬底。例如，加热装置可以发出射频或微波能量。在其它实施例中，可在热壁环境中、或通过对流加热来加热衬底。也可利用能量束加热衬底。例如，该能量束可以包括等离子束、电子束、或离子束。

在一个特定实施例中，处理室可以包括加热的基座。例如，可将加热的基座置于晶片之上或晶片之下，以在不接触晶片的情况下加热晶片。在本领域中，这样的加热基座是众所周知的。

如图1所示，可将渐进功率控制器25装备到例如灯24的一个或多个加热装置，功率控制器25可用于增加或减小由加热装置发射的热能。

热处理室10进一步包括多个光纤或光导管28，其依次与多个光检测器30通信。配置光纤28，以接收由晶片14在特定的波长上发射的热能。然后，将所探测的辐射量传递给光检测器30，光检测器30生成用于确定晶片的温度的可用的电压信号。在一个实施例中，与光检测器30相结合的每个光纤28都包括高温计。

在该处理期间，可将系统10设计为使得光纤只检测由晶片14发射的热辐射，而不检测由灯24发射的辐射。在这一点上，系统10包括滤光器32，其阻止由灯发射的处于光检测器30的工作波长的热辐射进入室12。滤光器32可以是窗，并且，在一个实施例中，可以由熔融石英(fused silica)或石英(quartz)组成。

如上所述，在由光纤28和光检测器30进行的处理期间，监视半导体晶片14的温度，光检测器30感测由晶片14发射的处于特定波长的辐射量，以确定温度。为了基于由光检测器30感测的辐射量而精确地计算温度，必须获知、或者估计晶片14的各种特性。例如，温度确定基于晶片14的反射比、透射比、和/或发射比，它们经常难以被预测或估计。这些值不但基于晶片14的温度而改变，而且可在其被处理时、由于在晶片14上所构建的任何结构而发生改变。

过去，为了设计能够确定或估计晶片14的特性的非接触温度测量系统，已经进行了许多尝试。在一些实施例中，例如，在处理晶片的同时，作出确定或测量。例如，在此引用以作参考的美国专利No.6,056,434讨论了一种利用反射计的原位(in-situ)温度确定处理。

在其它实施例中，已经作出在衬底被处理之前测量衬底的各种特性的尝试。然而，如上所述，衬底的光学特性可以随着温度而改变。同样地，衬底上存在的一些材料可能要发生转变，或者，可在衬底上形成其它材料，其影响衬底的结构与光学属性。这些障碍已经限制了使用预处理特性作为改进处理的手段的能力。

出现的主要问题之一是因为：通过其温度与掺杂而强烈影响例如硅的半导体材料的光学吸收。例如，典型地，处于室温且波长＞～1.1μm的轻掺杂硅晶片是半透明的。结果，在室温且波长大于约1.1μm时执行的典型测量将受到透射通过衬底、并从晶片的相反表面反射的光的结果(consequences)的影响。当在处理系统中加热晶片时，硅的吸收系数随着温度而非常迅速地上升，并且，晶片变得更加不透明。这个改变导致晶片的反射比与发射比的大的变化。在这种情形下，对于改进温度测量或控制，属性的室温测量将不太有用。

本公开针对于用于在处理晶片之前确定例如半导体晶片的衬底的光学属性的方法与系统。依照本发明，测量或确定晶片的各种光学属性，其不但可以被用来帮助产生更加精确的温度确定，也能够用来以优化热能的吸收的方式而控制加热装置。具有的特别优势是，使用本发明的方法获得的信息允许不但在低温、而且在高温时的温度确定。可在处理晶片之前，在处理室的外面执行本发明的方法。可选地，也可在处理室自身的内部执行所述确定。

在讨论本发明的原理之前，对于光束如何与衬底进行交互的简短描述可能是有用的。例如，图3显示具有代表性的类似晶片的结构，其被以入射角θ_o入射到其表面的光线A0照射。类似晶片的结构可在其顶表面(WF)与底表面(WB)具有涂层与装置特征，其将影响这些表面的反射率与透射率。在顶表面，反射入射光线中的一部分功率，从而形成反射光线R1。光线的第二部分穿透前表面(WF)，且形成内部光线A1。作为由晶片与包含光线A0的入射介质的折射率之间的差异而引起的结果，该光以不同角度θ_i穿透。随着光线A1穿透通过晶片的厚度，其强度也因为在晶片内的能量被吸收而减小。典型地，通过被称为比耳定律(Beer’s law)的指数关系，该吸收取决于通过晶片的路径长度。

当光线A1到达晶片的后表面时，其一部分透射通过该表面，以形成光线T1。第二部分从后表面WB反射，且形成第二内部光线A2。如果晶片的后表面WB在A1到达点处与A0入射的晶片的前表面平行，那么，倘若超越晶片后面的介质的折射率与包含A0的介质相同，则光线T1将在与原始的光线A0平行的方向传播。光线A2也将处于晶片正常的对于A1的相同的角度。在光线A2回头朝向晶片的前表面WF时，光线A2也将通过吸收而减弱，其中，将透射光线A2的一部分，以形成光线R2，并且，将反射它的另一部分以形成另一个内部光线A3。

随后，内部光线A3遵循与A1的行为相同的行为，从而返回到晶片的后表面WB，并且，生成第二透射光线T2、以及另一个内部光线A4。随后，A4遵循与A2的行为相同的行为，从而返回到晶片表面，并生成外部光线R3、以及内部光线A5。因此，我们看到：入射到晶片的表面的单个光线A0能够生成无限系列的反射光线(如R1、R2、R3等等)、以及无限组的透射光线T1、T2等等。

实际上，与沿着通过衬底厚度的每一条内部光线的路径的有限的吸收相结合的表面的有限的反射率与透射率通常导致：随着内部反射数量的增长，光线的功率相当快速的削弱。然而，如果测量设备从除了第一反射R1以外的例如R2、R3的光线中收集能量，那么，通过衬底的光透射的程度将能够强烈影响反射比测量。同样地，通过收集多次反射的光线(例如T2、以及第一光线T1)的能量，将影响透射比的测量。

图4图解了：在除了作为具有有限大小的校准束而示出了入射光束、而不是图3中的理想的单个光线之外均类似于图3的场景中，在反射比测量中的这样的多次反射光线的效果。

所显示的两个极限光线A和B代表校准光束H0的外部限定。如在OVR1处所示，在两个晶片表面(例如，HR1与HR2)反射的光束重叠，使得如果光检测器用于试图测量反射率，则由检测器收集的光不但包括由晶片的前表面反射的光，而且还包括从晶片的后表面反射的光。这样的测量将无法区分由晶片的前表面和从晶片的后表面所反射的光。

同样地，例如，作为在束HT1与HT2之间的重叠OVT1的结果，透射比的测量也将导致受到衬底内的光的多次反射影响的测量。

通常，本公开针对于这样的方法与系统，其用于向例如半导体晶片的衬底上发射光，并通过各种手段将从晶片的前表面反射的光量与从晶片的后表面反射的光量分离。一旦光被分离，则能够进行每个表面的反射率的精确测量。如在下面详细描述的那样，本发明已发现：在之后处理晶片时，该信息对于控制处理室中的至少一个参数能够是有用的。

例如，参考图5，其图解了用于消除多次反射的效果的方法的一个实施例。在这个情况中，已选择入射光束H0的大小以及衬底上的入射角度，以将从不同表面反射的光束(HR1、HR2、HR3等等)分离。从衬底的前面(HR1)反射的入射光束的位置与从衬底的后表面(HR2)反射的光而到达前表面的位置并不重叠。结果，存在在空间上分离的许多反射光束。这些光束中的光能够指向(fall on)不同的检测器、或传感器阵列。在入射束的第一反射中所反射的光的强度只受衬底前表面的反射率的影响，然而，在第二反射束中，则受到衬底的前后面的反射率、以及衬底的吸收系数的影响。

在一些情形中，可能只对前表面的反射率感兴趣，但是，通过收集分离束中的光，有可能更加完整地分析晶片的光学属性。例如，通过收集两个反射光束，可推出关于晶片的两个表面、和/或晶片的吸收系数的信息。相似的优势也可应用于透射光HT1、HT2等等的不同分量的分析，如图5所示。此外，通过对入射到晶片的前表面或后表面的光进行分离测量，可获得甚至更多的信息，和/或能够减小在对晶片的光学属性的估计中的错误的数量。

当进行如图5所示的方法时，所使用的一个或多个检测器可以包括：能够在特定波长或波长范围上测量光束的强度的任何合适装置。

尽管在一些实施例中，使用图5中的配置具有一些优势，但其可能难以适用于所有类型的衬底，尤其对于那些相对薄且折射率相对大的那些衬底类型。在该环境中，光的入射束撞击(impinge)到顶表面的位置与从衬底的后表面反射的光束撞击到顶表面的位置之间的距离可以相当小，从而导致需要非常小的入射光束。然而，可使用激光源来为窄光束提供更高强度的照射。

在另一实施例中，甚至在反射光束部分重叠的情况下，也可使用各种技术来确定并区分由晶片的前表面反射的光量与由晶片的后表面发射的光量。例如，只要光只是部分重叠，便可通过几何计算来计算重叠的程度。此外，可通过改变入射束或入射角的大小或形状，使重叠的情形变化，这将允许确定由前表面反射的光量。例如，改变光HO的校准束的入射角度可以改变反射率、以及通过衬底的路径长度。在一个特定的实施例中，例如，在一种情形中，所检测的离开衬底的反射光可以包括所有的反射分量R1、R2、R3，例如，如图3所示。在第二种情形中，通过改变入射角度，反射束的分量中可以没有重叠。其后，相似的技术也可以用于透射光的分析。

在其它实施例中，取代或除了操纵光源来分离不同的光分量之外，还可以设计光路，将其配置为分离不同的光分量。一旦分离了不同的光分量，便可检测或测量任何光分量，以排除其它的光分量。例如，在一个实施例中，从衬底的顶表面反射的光可以与从衬底的底表面反射的光分离。为了确定衬底的各种属性，可以检测从顶表面反射的光量和/或从底表面反射的光量。例如，从衬底的顶表面与底表面反射的光均提供了关于衬底的各种特性的信息。

例如，图6图解了用于区分由类似晶片的衬底的顶表面与底表面反射的光的可替换的方法。如图所示，由光源S发出的光线传播通过包括透镜与镜子的光路。光线A1由S发射出，随后由透镜L1收集，其形成由光线A2代表的校准束。A2通过镜子M，并作为光线A3而继续。L2是对光聚焦的透镜，其形成撞击到晶片前表面WF上的光线A4。

从WF反射光线A4的一部分，以形成光线ARF1。由透镜L2收集ARF1，透镜L2对其重新校准，以形成光线ARF2。光线ARF2从镜子M反射，以形成光线ARF3。由透镜L3收集ARF3，透镜L3将其聚焦，以形成撞击到检测器D2上的光线ARF4。

光线A4的第二部分透射通过晶片的表面WF，以形成内部光线AT1。AT1的一部分透射通过晶片的后表面，以形成透射光线AT2。AT1的第二部分从后表面WB反射，从而形成内部光线ATRB1。随后，ATRB1的一部分在前表面被反射，以形成内部光线ATRBRF1。随后，ATRBRF1向后表面传播，并且，其一部分透射通过晶片的后表面WB，以形成第二透射光线ATRBRF2。也将在WB处反射ATRBRF1的第二部分(未示出)，以形成如上所述的无限多的内部光线系列。ATRB1的一部分透射通过前表面WF，以形成第二反射光线ATRB2。

如果光线ARF1与ATRB2两者均被反射光测量系统的光学器件(optics)收集、且到达同一检测器元件，则晶片的后表面的反射率将影响反射比测量。

ATRB2由透镜L2收集、并被聚焦，以形成光线ATRB3，再由镜子M反射，以形成由透镜L3聚焦、以作为ATRB5碰撞到检测器D3的ATRB4。

如果D2与D3是分离的检测器，则在两个反射光线之间进行区分是可能的。在这种情形中，从检测器D2的测量代表仅来自晶片的前表面的反射。由于通过WF的透射率和来自WB的内部反射，其强度将受到晶片中光的吸收的影响，所以，从检测器D3的测量对于晶片属性的分析可能也是有用的。

在一些系统中，源S可以在一个角度范围内发射光。尽管有可能通过使用光圈而限制入射角度的范围，但这可能由于光强的减弱，而导致用于测量的信号强度的损失。传播通过光学系统的光线的行为可以在光轴的不同角度上被分析。图7图解了从S发射出的两个光线随着它们通过如图6所考虑的相同的光学系统的行为。在这一情形中，以与光轴相同的角度发射光线A与光线B，但它们位于光轴的相对边。它们的行为关于光轴而对称。光线ARF与BRF代表从晶片的前表面反射的两个光线，且可以看出，它们均终止于检测器平面的相同点。这是由于，在从晶片的前表面反射以后，选择光学器件，以使得将在检测器平面上重建源S的像。在这个例子中，这意味着选择L1的焦距以匹配S与L1之间的距离，并且，L2的焦距匹配L2与晶片的前表面之间的距离，并且，透镜L3的焦距匹配L3与检测器D2之间的距离。

源S经由从晶片前表面WF反射而在检测器平面上成像的情形确保来自源的能量被有效地转移到放置检测器D2的检测器平面上的一小块区域。在如图7所示的实施例中，由于两条光线ARF与BRF源自源S的相同点，所以，两条光线ARF与BRF会聚到检测器D2上的相同点。在该实施例中，源S上的那一点位于光轴上，但是，对于S的平面上的任何点而言都是一样的。另一方面，从晶片的后面反射的光线BTRB与ATRB在不同位置到达检测器D2的平面。如果期望，则可用检测器D1和D3检测到它们。如上所述，从晶片的后面反射的光线BTRB与ATRB也能够提供关于衬底的光学特性的有用信息。因此，在特定实施例中，可以只对检测由衬底的前面反射的光线感兴趣，而在其它实施例中，却只对检测由衬底的后面反射的光线感兴趣。当然，在另一个实施例中，由衬底的前面反射的光线与由衬底的后面反射开的光线可各自被单独测量。

图8中示出了根据本发明的方法可使用的另一个光路。图解于图8中的光路与图解于图7中的光路相似。然而，在该实施例中，两条光线A与B从源S以到光轴不同的角度发射。从晶片的前表面反射的光线ARF与BRF再次到达检测器D2上的相同点。然而，从晶片的后表面反射的两条光线ATRB与BTRB到达不同位置，且只有BTRB到达检测器D2。这说明了关于由晶片的前面反射或由晶片的后面反射的光线对于由检测器D2检测的信号的相对影响的通常观点。从晶片的后表面WB反射的能量可能被分布在比从晶片的前面WF反射的能量更大的区域上而结束。结果，由晶片的后表面反射的能量对于来自检测器D2的信号的相对贡献要小于来自晶片的前面的反射。其原因是由于选择光学器件以使得晶片表面WF的像被形成在检测器平面上。由于从晶片的后面WB反射的光线并未在检测器平面上成像，所以，能量的分布将更为扩散。

在图9中图解了通过选择光学条件以优化到达检测器的能量强度、而在由晶片的后面反射的能量与前面反射的能量之间进行区分的原理。曲线A图解了对于已从晶片的前表面反射的光线而言，检测器平面中的功率强度分布。曲线B显示了对于已从晶片的后面反射的光线的相应的分布。曲线C是对于在后表面已经历多次反射的光线的曲线，而曲线D则是来自曲线A、B、以及C的强度和。如果我们考虑由落在轴位置-XD/2至+XD/2之间的曲线D所代表的光的部分作为由检测器所检测的能量，则我们可看到来自曲线A的信号的贡献将远大于来自曲线B或C的信号的贡献。

如图6-8所示，为了将不同的光分量分离开和/或控制来自前反射或后反射的光信号的贡献，可使用并调整各种光路。进一步，可将其它的技术或光学元件加入到光路中，以帮助将不同的分量分离。例如，光圈或滤光器可被并入到光路中，以在期望时阻隔光线。

例如，参考图10，其显示了使用阻隔元件70的光路的一个实施例。在该实施例中，阻隔元件70用于阻隔光线B以及与轴具有较小倾角的光线。以这种方式，检测器D2只接收已从半导体晶片的前表面WF反射的光线。

也可将在晶片表面控制入射角度分布的阻隔元件放置于别处，或者在入射束，或者在反射束，只要它们的作用在于阻隔这些已从晶片的后面反射的光线、并且仍旧能够到达感兴趣的检测器上即可。如果期望将被测量的反射比与特殊的入射角或入射角范围相匹配，则对于入射角分布的控制可能也是有用的。在一些实施例中，还有可能通过可调节的阻隔元件来改变入射角的范围，并在不同的设置中进行反射的光信号的测量。这些种类的测量能够帮助特征化样本的光学属性，例如通过特征化晶片内的吸收度。

依赖于特定应用，依照本发明产生的光路可以包括如图10所示的单个阻隔元件70、或多个阻隔元件。应当了解的是，阻隔元件可以作为如图10所示的分离组件而包含于光路中，或者可以被合并到其它某个光学元件中。例如，当这些元件能够限制传播通过光学系统、并到达检测器的光线的特定范围时，透镜、镜子或其它光学元件的有限的直径能够充当此处所使用的阻隔元件。

阻隔元件70可以是任何能够减小一些不想要的光线的装置。在一个实施例中，例如，阻隔元件可以包含包括有只允许所选的光线通过的光圈的器件。如上所述，然而，也可以使用透镜、滤光器、镜子或其它光学元件。

用于控制从前表面WF反射的能量与从后表面WB反射的能量的比率的另一个方法包括优化透镜(尤其是透镜L2和L3)的焦距。当在检测器平面D2处重新成像时，这些透镜的焦距的比率控制在前表面WF形成的S的中间像的放大倍数。通过减小透镜L2相对于透镜L3的焦距，可增加放大倍数。这具有增加区分从前后表面的反射的能力的作用。图11图解了这一点，由于在该种情形下，我们看到光线BTRB不再指向检测器D2，所以，与图8中BTRB到达检测器的例子相比，示出了对于从晶片的后表面反射的光的改进的区分性。

如图11所示，在一个实施例中，能够通过减小聚焦深度而分离不同的光分量。在图7与8所示的实施例中，晶片的前表面WF位于透镜L2的焦点上，且检测器则位于L3的焦点上。L2的聚焦深度依赖于许多因素，包括焦距和照射的角度。如果设定了条件，以使得对于主要从表面WF周围很窄范围的位置发射出的光线的集合而言，透镜L2与透镜L3只在检测器平面成像，那么，将聚焦深度限于晶片的表面附近的区域内。由于到达检测器的大多数辐射已从晶片的顶表面反射，所以，通过确保晶片的后面WB位于聚焦深度之外，可以分离从晶片的前面与后面反射的光线。

在一些实施例中，可以使用入射束中的相对大范围的入射角度。这种情形也可能在处理室中对于入射到晶片上加热辐射的入射角度的范围更具有代表性，从而提供了这种测量方法的第二个有用之处。在这种方式之中，能够在室中通过光学建模评估加热辐射撞击到晶片上的情形，例如通过使用光线追踪(ray-tracing)软件。随后，可使用对于加热辐射的入射角度的范围的合适的理解，来将在测量系统中所使用的照射条件与应用于处理设备中的照射条件相匹配。

在一些例子中，可从晶片表面相当小的区域内收集反射光线，以阻止已经传播到晶片的后表面且向表面重新反射的光线的收集。收集反射光的区域的大小决定于所使用的光学器件、检测器的尺寸、以及所包括的任意光圈、滤光器或其它光学元件。由于在样品非常薄的情况下，如果从晶片表面的一大块区域内选择光线，则更难以将从前表面与后表面反射的光线分离，所以，所分析的面积的最佳大小在部分取决于样品的厚度。然而，可能存在要考虑的其它的因素。例如，如果晶片的表面被图案化，则反射率可能在收集反射光的区域内变化。如果期望收集区域的平均属性，则这可能是具有优势的。

例如，在一个实施例中，收集反射光的晶片表面的区域的尺寸可能相对较小，且能够被设计成匹配由温度测量装置(例如，高温计)查看的区域。换句话说，高温计的视野能够匹配收集反射光的区域。在另一个实施例中，然而，可从晶片表面上的相对大的区域收集光。当在加热装置与衬底之间优化功率耦合时，从相对大的区域收集反射光数据可能是有用的。另一方面，如果通过能量束加热衬底，则被光学特性化的面积能够匹配通过能量束照射的面积。这样的方法对于特征化且优化激光束能量的耦合尤其有用。这在半导体衬底经常是半透明的发射波长大于～1μm的能量的激光器尤其有用。例如，这样的激光器包括二极管激光器、YAG激光器、纤维激光器、CO与CO₂激光器。

在一个特定实施例中，可以跨越衬底扫描光源。关于反射光的光强的信息被顺序收集。通过移动光源、移动光路、和/或移动衬底自身而发生扫描。以这种方式，能够在衬底上的任何特定位置收集信息。可选地，可跨越晶片的面积收集平均值。

在一个实施例中，为了提供短焦距的镜头，可使用显微镜物镜。该镜头可被置于光路中的任何位置，例如如图11所示的透镜L2处。当置于透镜L2处时，可使用显微镜物镜将辐射聚焦到晶片表面上。这样的镜头可以具有小焦距和高数字光圈。结果，它们提供了一种便利的方法，以提供使用大范围的入射角度照射晶片，并且收集具有小的聚焦深度的光的光学系统，尤其当作为结果的晶片表面的放大倍率相对较大时(例如，光学系统具有大于x10的放大倍率，比如大于x50)。然而，也可以考虑一些可选方法，包括更大且离晶片表面更远的光学器件，只要确保仅从想要的区域收集光线、且所收集辐射的大部分仅在第一表面上被反射即可。测量系统的光轴也不需要与晶片表面相垂直。

通过在平面中扫描检测器，或通过使用不同尺寸的检测器，或可变的或在检测器平面中扫描光圈，或通过使用成像检测器，比如电荷耦合器件(CCD)相机，或检测器阵列，对于在检测器平面中光分布的分析是可能的。关于在检测器平面中的光的空间分布的信息能够被用于改进测量。例如，如果衬底的厚度是已知的、或其被测量，则解释关于从晶片的前表面或后表面反射的分量的强度分布的形状是可能的。可使用算法将所检测的分布分解至从前表面反射的分量，而与产生于衬底中多个反射的其它分量相反。因此，如图9的建议，从后表面反射的分量可用数学方式从总信号中减去，以产生对于从晶片的前表面反射的信号的更加精确的估计。

在图5-8与10-11中，焦点主要在于区分与从后表面反射的光相对的从晶片的前表面反射的光量。如上所述，事实上，存在无限系列的反射光线。图12图解了来源于光源S的单个光线A如何传播通过前述的光学系统。在该示例中，该图显示了从晶片的前表面WF反射的光线R1、起源于后表面WB处一次反射的光线R2、以及分别起源于后表面处的二、三和四次反射的R3、R4和R5的路径。理论上，系列中存在无限多数量的光线，但是，如上所述，由于能量损失，光线的强度相当迅速地减小。光线R1、R2、R3、R4与R5相应地到达检测器D2、D3、D4、D5与D6。为了更好地特征化晶片的光学属性，测量这些光线的每一个的强度是可能的。当想要测量光线R1、R2、R3、R4与R5时，例如，光源S可以是激光源，以生成足够强度而使测量发生。

为了使源发射光线具有一个范围内的入射角度，一些光线将到达每个检测器元件，而导致如图9所示的曲线族B&C。强度分布的分析可能有助于识别如上所述的分量，且这样的方法能够结合光圈或其它限制传播的角度范围的光学元件的使用，并且，因此反射光分量族能够到达检测器。

所描述的关于反射光分析的原理也能够应用于透射通过衬底的光的分析。例如，例如，图13显示了两个光线A与B通过光路从源S传播的一个实施例，其中镜头L1与L2与以前一样用作在晶片表面WF形成光源S的像，且镜头L4与L5将WF处的S的像在检测器平面TD2处重新成像。该设计确保透射光线不从晶片的后面反射，TA与TB在TD2的平面处聚焦。在晶片的后表面处经历至少一次反射的光线，例如ATRBRF与BTRBRF，到达检测器平面的不同位置。因此，在某种意义上，与反射光线相当类似，减小多次反射光线对于由TD2检测的信号的贡献是可能的。

图14显示单条光线A的行为，以与图12所图解的多反射光线相当相似的方式，其透射通过光学系统与晶片，生成多透射光线。如果需要，这样的光线也可以由检测器阵列检测，对于那些就反射光空间分布而言的内容，相似的分析方法被用于分析透射光的空间分布。

应当注意到，尽管此处的说明示出了源与晶片之间的两个透镜的使用，但是，能够通过使用更多或更少的透镜的各种的可选的光路，或甚至通过将一些或所有的透镜替代为镜子，例如曲面镜或其它光学元件，来实现基本原理。如果需要，控制入射或反射光的偏振状态的光学器件也能够包含于设备中。这样的光学器件可以包括起偏器与阻尼器，例如四分之一波片，半波片或全波片，或其它能够产生想要的偏振状态的辐射的光学元件，包括面偏振、椭圆偏振或圆偏振。

当配置偏振的状态和/或配置入射角度时，对于任何给定的测量布置，应注意到考虑这些因素。对于法向入射或近似法向的入射(例如，入射光的入射角小于大约25度)，效果通常相当小。在非法向入射的情形中，利用在S平面或P平面中偏振的入射辐射来执行测量通常是有用的。用于两种条件的测量能够允许对于衬底的光学属性的全面确定。椭圆偏振测量也可以在各种时刻执行，比如在衬底的低温预特征化期间。

可在任何感兴趣的波长进行测量，或可通过附着合适的能谱设备(例如单色仪或其它的波长选择性的滤光元件)在全光谱执行测量。通过使用宽带能量源、并收集所有的在具有宽波长响应的检测器处反射的辐射，也能够执行完整的属性的测量。

用于向半导体晶片上发射光的光源S可以是任何合适的发光装置。例如，光源可以发出一个波长范围或特定波长的光。合适的光源可以包括W-halogen光热灯泡、Xe-arc灯、放电灯、发光二极管、激光器、或热源，例如黑体空腔、glowbar或其它热辐射发射元件。在一些例子中，设置灯辐射源以使得它们发射在处理设备中使用的能量源的光谱代表将是有用的。完成这点的一个方法是特征化感兴趣的辐射源，并将其与能够在处理设备中模仿能量源的波长滤光元件相结合。

在一个实施例中，光源可以包括超连续光源。由于超连续光源比传统的宽带光源(例如钨-卤灯或LED)更加明亮，所以，对于快速测量晶片的光学属性，超连续光源拥有一些特殊优势。由于在给定时间内能量传递非常大，所以，对于反射光、透射光或扫描光的检测允许更高信号级别，这对于执行非常快速的测量是十分有用的。如果存在相对高级别的可能干扰晶片属性的精确测量的杂散的背景辐射，由于非常明亮的照射能够使得来自这样的杂散的光源的光对于来自超连续光源的光而言是微不足道的，它也可能是有用的。这对于处理室中的晶片的光学属性或热属性的测量具有特殊的优势，尤其是如果晶片是热的或如果由加热元件、灯、激光器或等离子体发射的杂散辐射。由于大量的辐射可从小的发射区域传递、并且其可方便地与光线、光导管及其它能够方便地被引入处理设备与室的元件相连接，所以，非常亮的辐射源也允许使用紧凑型光学元件。超连续光源也能够产生相对平坦的光谱，例如，在宽波长范围内其并不变化太多。这将具有扩展由光源方便地覆盖的波长范围、以及且简化光谱测量的解释(如反射与透射光谱)的优势。

通过将非线性介质暴露于高功率辐射下，而产成超连续光。例如，通过将来自激光器的高功率脉冲辐射应用到水电池(water cell)并收集发射光的光谱，而生成超连续光。有效的方法包括使用光子含晶光纤或锥形光纤。超连续光源能够生成覆盖对于特征化半导体晶片有用的波长范围的光谱。例如，来自KOHERAS A/S(BirkerΦd，Denmark)的KOHERAS SuperK^TM白色超连续源产生具有在460nm与2000nm之间功率光谱强度大于4mW/nm的辐射光谱。这样的光源对于在处理室中测量晶片透射或反射具有特殊的兴趣。该测量可被用于推断出晶片的温度。进一步，可直接地或与可选波长滤光元件相结合使用光源进行各种其它的测量。这样的元件能够选择传递到晶片的光的波长，或从晶片反射、散射、透射或发射之后的光。测量能够包括如上所述的反射与透射，然而它们也能够包括调制到达晶片的光的方法，并且其创建晶片属性的热调制或电调制。可检测这样的调制，并且使用该调制来提取关于晶片的信息。

此外，这样的光源甚至对于热处理是有用的，尤其是对于具有涂层模式的晶片的情形。在这种情形中，使用广谱加热能够减小不同图案区域的功率吸收的差异的程度，从而提供更加均衡的处理。

当使用热能量源时，将它们的温度设置为实际处理条件下晶片温度的代表是有用的。如果必要，后者也可以设置为基于处方(on a recipe-by-recipe basis)而匹配的晶片温度。例如，如果关键过程步骤发生在1000摄氏度，则其热量源也应在这个温度。对于这些使用宽带辐射源的例子，使用宽带检测器，例如热电堆、测辐射热仪，或焦热电装置检测反射辐射将是便利的。通过校准程序，可补偿在处理室中与在测量设备中所应用的条件的差异。如果处理设备使用激光器加热晶片，则在同一波长进行光学测量将是必要的。如果激光以入射与偏振状态的特定角度入射到晶片上，这些方面也可以在测量中合并。

应当了解到，可执行衬底的前表面与后表面上的测量，以提供对于衬底的光学属性的更加完整的描述。如上所描述，在一个实施例中，可在跨越晶片表面的许多位置处进行测量。随后，该信息可以提供整个晶片的辐射属性的空间分布的地图。

在跨越晶片表面的多个位置执行测量对于提高处理的一致性尤其有价值，例如，通过提高温度一致性。例如，可向测量与控制系统提供关于整个晶片表面的光学属性或热属性的变化的信息。在一个实施例中，为了预测如何在晶片上不同的位置优化加热条件，可通过基于模型的控制器使用该信息。例如，能够向用于预测对于提供给不同层的灯的功率的优化的设置的基于模型的控制系统提供属性的分布，以优化温度一致性。当加热或另外将衬底置于一个或多个激光束的影响下，也能够使用相似的方法以控制存在变化的功率。

对于校正用于检测晶片上不同位置的温度的传感器的读数而言，关于跨越表面的光学属性变化的信息可能是有用的。关于晶片的厚度或掺杂变化的信息也可以用于相似的目的。同样地，关于晶片上涂层或模式的变化的信息能够以相似的方式使用。

在一些情形下，在至少两个配置中执行测量可能是有用的，一个是只收集来自被照射表面的反射光，而一个是光学配置，以使得聚焦深度大且在晶片的两个表面反射之后收集光(如图3所示情形)。通过改变在一个光路内的聚焦深度而使得这两种情形互相调和，例如通过使用如图10所示的光圈或通过分离测量步骤。

来自晶片两个表面的反射测量与晶片的透射测量的组合允许相当完整的光学属性的特征化。在室温下执行透射率与反射率的测量的一个有用方面在于它们允许确定晶片是否重掺杂。这能够通过推断波长大于～1μm的光学吸收度来确定。如果对于轻掺杂材料，吸收系数明显大于所预期的，例如电阻系数大于0.5Ωcm的硅，则该材料可被识别为重掺杂。这个信息能够用于改进温度测量精度，并改进温度控制，尤其是在温度低于～800摄氏度的处理期间。

例如，在多于一个温度处执行预测量可被用于区分轻掺杂晶片与重掺杂晶片，或者通常提供关于掺杂的性质的信息。在多于一个温度处执行测量对于确定晶片的其它属性也是有用的。例如，在不同温度的测量与检测表面反射率相结合可以显示表面反射率中的温度相关性。该信息对于改进反射比、透射比、发射比，或吸收比的估计的精度是有用的。例如，在感兴趣的温度(T2)，可通过在其它的温度(例如T1与T3)获得的测量来获得表面的反射率。在多于一个温度特征化特征与外推第三温度的概念对于估计衬底的吸收系数的温度相关性也可以是有用的。

这些测量中的任何一个能够与调制透射通过衬底的光的方法合并，例如通过引入额外的自由载流子吸收的照射，例如通过在半导体中创建额外的电子空穴对。吸收度的调制将通过对于通过衬底的厚度传播的光线敏感的反射或透射辐射的分量中的相应调制来证明它自己。对于改进精度，该方法是有用的。我们也能够通过应用其它形式的辐射来调制光透射，包括可轻松获得的来自β辐射发射器的β粒子流的机械调制的电子放射。其也可能通过有意调制晶片温度并观察所测量属性中的改变而获得额外的信息。

如上所述，作为表面图中的模式化与变化的结果，晶片表面可以散射辐射。在这种情形中，可通过散射模式来影响反射光束与透射光束的强度。特征化散射光的存在和程度的一种方法是：检查是否晶片任一表面的对入射光测量的透射率相同。如果其依据被照射的表面而不同，则很有可能是：晶片的至少一个表面正在沿着对于透射测量不被正确收集的方向散射光。因此，不均匀的透射比的测量可能是光散射的征兆。晶片的光散射模式的特征化能够帮助改进光学属性预测的精度。这对于在高温计波长处提供光谱发射比的改进的估计尤其有用。在光散射的效果尤其明显的一些情形下，测量晶片的双向反射比分布函数、以执行光谱发射比的精确估计可能是必要的。对于测量反射比与透射比而使用积分球来控制照射条件也可能是有用的。

当特征化晶片与任何给定加热能量源之间相互作用时，计算通常需要考虑能量源发射的能量的光谱分布。能够通过越过覆盖能量源发射其能量的光谱区域的波长间隔、测量作为波长的函数的感兴趣的光学属性，而覆盖该方面。可以使用光学属性的加权积分获得综合的属性。例如，如果感兴趣的属性是变量f(λ，T)，且能量源发射光谱I_L(λ)，那么，综合属性为F(T)，其中

$F\left(T\right)=\frac{\∫I_L\left(\mathrm{\λ}\right)f(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}}{{\∫I}_L(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}},$

在一个包括由加热源发生的大多数能量的波长范围中计算该积分。变量f(λ，T)可以是反射比、吸收比、透射比等等。对于确定耦合能量源的功率，综合的吸收比特别有用。相似的原理也可应用于确定综合的发射比，例如总发射比。在这种情形下，加权的光谱是与感兴趣的温度的黑体辐射光谱。例如，可以根据以下方程，从光谱发射比ε(λ，T)计算总发射比ε_tot(T)：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{tot}}\left(T\right)=\frac{{\∫W}_{\mathrm{bb}}(\mathrm{\λ},T)\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}}{\∫W_{\mathrm{bb}}(\mathrm{\λ},T)\mathrm{d\λ}}$

其中，W_bb(λ，T)是Planck辐射函数，其描述黑体辐射器的辐射光谱。在包括黑体辐射器在温度T发射的大多数能量的波长范围中执行该积分。当其处于任何给定的温度时，可使用综合发射比的估计来帮助确定从晶片辐射的热度。确定综合属性的可选的方法可包括使用合适的光谱照射晶片，并因此直接执行综合测量。后面的方法可能需要小心制作照射光谱、以及光学检测系统的光谱响应，但可能在一些情形中具有更快、更简单的优势。

如上所描述，在一个实施例中，测量可在衬底的前表面与后表面执行，以提供衬底的光学属性的更加完整的描述。在另一个实施例中，晶片的两面均可以被照射，以执行双面测量。

例如，图15显示一种布置，其包括提供入射到晶片两表面中任一表面的光的能力的设备。辐射源SWF照射晶片的前面(WF)。由WF反射的光被DRWF收集，这是辐射收集和感测布置。如果需要，DRWF能够包括限制所检测的辐射只是由WF反射的分量。同样地，DTWF是辐射收集与收集透射通过晶片的辐射的感测布置。辐射源SWB照射晶片(WB)的后侧。由DRWB收集从WB反射的光，这是辐射收集与感测布置。如果需要，DRWB能够包括限制所检测的辐射只是由WB反射的光学器件。同样地，DTWB是辐射与收集透射通过晶片的辐射收集和感测布置。为了晶片的属性的更加完整的特征化，这些测量子系统的合并允许利用从晶片的任一侧的照射的测量。

图16显示了第二布置，其包括提供入射到晶片的两个表面中任一表面的光的能力的设备。辐射源SWF照射晶片的前侧(WF)。D1收集从WF反射的来自SWF的光，这是辐射收集与感测布置。如果需要，D1能够包括限制所检测的辐射只是由WF反射的分量。同样地，D2是辐射收集与感测布置，以收集来自SWF的透射通过晶片的辐射。辐射源SWB照射晶片的后面(WB)。在这个布置中，配置光学元件，以使得来自SWB的从WB反射的光被D2收集。如果需要，D2能够包括限制所检测的辐射只是由WB反射的光学器件。同样地，D1能够收集来自SWB的透射通过晶片的光。如根据图15中而成为可能的那样，该实施例可执行同样的测量，但是，该实施例使用更少的光学组件与检测器，并由此将更便宜与更简单。按照图16中的方案，也可能更易于在晶片上相同的空间位置执行测量。如果需要，可在不同时间执行使用来自SWF与来自SWB的辐射的测量，以防止来自SWF的辐射在检测器检测来自SWB的辐射的同时到达。可选地，通过使用来自SWF与SWB中至少一个的辐射输出的调制，向至少一个信号提供时变特性，该信号允许按照辐射来源于的特定光源而被区分。例如，SWF的输出可在已知频率进行亮度调制，且来自D1与D2的信号能够被过滤，以追踪所述频率分量的行为。分离信号的其它的方法能够包括来自SWF与SWB的光输出的差异(例如波长或偏振状态)的采用(exploitation of differences)。光收集与感测布置D1与D2的特性发生变化也是可能的，以使得它们更适于来自SWF与SWB的辐射的测量。例如，在其收集来自SWF的从晶片反射的光的同时，D1的特性可能被设置用来优化反射光的收集，然后，当收集来自SWB的透射的光时，它们被设置为优化透射光的收集。当然，如果需要，可以优化特性，以同时执行这些功能。

图15与16中所显示的光收集与感测布置的能够为晶片属性的测量而优化的特性可以包括光学元件(例如透镜、光圈、镜子和检测器)的位置与形状的调节与选择。它们也能够包括滤光元件或偏振元件。它们也能够包括例如电子的或数字的滤光器、放大器设置和信号处理电路和算法。辐射源SWF和SWB也能够包括光学的和电子的元件，以协助优化反射光或透射光分量的测量，并且，如果需要，这些元件能够因特殊晶片属性的测量而变化。尽管图15与16中所显示的配置显示入射光与晶片的法线成一个角度，但是，如果需要，测量也可以法向入射或近似法向入射而进行。在这种情形中，包括允许光收集与感测布置的分束光学器件以采样由晶片反射或透射的辐射、而不完全阻碍入射辐射的路径是便利的。

对于多数应用，使用向晶片传递辐射，或收集由消色差的晶片反射的辐射或透射的辐射的光学元件是有用的。这样的光学元件具有这样的特性，即它们的聚焦属性并不随着波长而明显变化。这允许在来自晶片的相同区域的采样辐射中执行测量的时候，在宽的范围的波长中执行测量(顺序地或同时地)。通过反射光学元件获得消色差方法是最简单的。

图17显示了设备的示例，其中在晶片上多于一个位置处执行测量。在该示例中，光入射到晶片的前表面，但是，该方法容易扩展到晶片后表面上的光入射的测量，或图16与17中的方法，其中双面测量是可能的。通过其它方案，在多个位置测量或者甚至晶片属性的映射也是可能的。例如，能够机械地移动晶片通过测量布置，以使得能够在不同位置评估属性。可选地，能够相对于固定晶片移动测量设备，或能够在晶片表面上扫描用于测量的辐射束。另一个方法包括使用更宽的辐射束照射整个晶片，或至少晶片的一个片断，并分析辐射的反射束与透射束。该束能够包括从整个晶片反射、或来自于子区域(例如线型区域)的光。通过扫描关于辐射束的辐射收集与感测布置，或扫描相对于收集与感测布置的辐射束，能够执行这样的分析。可选地，能够通过光学系统收集光束，并传递到成像装置，例如相机。

上述方法的实际应用

一旦我们已获得表面反射率的测量，并且如果需要，获得晶片透射率，则该信息能够用于在晶片处理期间预测晶片的热辐射的属性。一个非常简单的方法可用于传导在晶片温度T＞700摄氏度的步骤。在这种情况下，对于大多数考虑，厚度大于600μm的硅晶片在所有感兴趣的波长可被认为是不透明的。如果就是这样的情况，则在任一给定波长的晶片的反射率与发射比与基尔霍夫(Kirchhoff)定律相关。

一个更加复杂的方法将合并关于晶片温度的信息，以产生对于辐射属性的改进的评估。例如，如果高温计读数可用，则可以不同的方式使用从中推断的温度改进属性的估计。一个方法是从模型预测晶片的吸收系数，然后将该属性与晶片的光学属性的室温测量相合并，以提供晶片的高温属性的更加精确的评估。

高温计读数也能够用于提供来自晶片的辐射损失的更好的评估。该损失依赖于辐射损失与温度。通过合并所述两属性的评估，能够获得来自晶片的不同区域的辐射热损失的改进的评估，并因此通过对灯的功率进行合适的调节，能够改进晶片温度控制和温度一致性。

例如，下面是更加详细的方法，以使用从图示的光路中收集的信息。如上所述，在一个实施例中，本公开针对于在衬底的内部透射比小于0.1的高温处、校正辐射感测装置(例如高温计)的读数的方法。在该实施例中，本发明的光路被用于收集从晶片的一个表面(例如晶片的前表面)反射的光。在晶片处于相对低的温度(例如室温)时执行测量。也可以在与高温计操作的充分相同的波长范围执行测量。

可从本公开中的方法确定晶片的前表面的反射率。该反射率被用于推断或确定高温下晶片的反射比。特定地，在高温下，由于内部透射率随温度减小，反射比与前表面的反射率充分相同。晶片的发射比可以通过反射比确定。例如，晶片的发射比通常等于1减去反射比。所确定的发射比随后被用于校正高温计读数，并改进温度控制的精度。

在一个可选的实施例中，本发明的方法也能够被用于在低温处校正高温计读数，其中衬底的内部透射比大于0.1。在该实施例中，当晶片处于相对低温且处于高温计操作的波长范围的时候，如图所示的光学布置可以被用于收集并确定从晶片的一个表面反射的光量。

在一个实施例中，本公开的光学布置也可以用于收集从晶片的相反表面反射的光，例如如上的使用相同条件的晶片的后表面。通过该信息，可以确定晶片前表面的反射率与晶片后表面的反射率。可以通过模型或在高温处的晶片的其它测量来测量或确定晶片的透射比。

在确定透射比后，可确定晶片的发射比。例如，发射比通常等于1减去透射比减去反射比。该发射比随后能够被用于校正高温计读数，并改进温度控制的精度。

除了提供改进的温度测量，本公开中的方法也能够被用于控制加热装置，以优化功率吸收。例如，在高温处，其中晶片的内部透射比小于0.1，本公开中的方法能够被用于收集并确定从一个表面(例如晶片的前表面)反射的光量。这些测量可以在例如在室温或接近室温的低温下完成。在该实施例中，然而，执行测量的波长范围应当与在处理期间被用于加热晶片的加热装置的波长范围充分重叠。

一旦确定晶片的一个表面的反射率，该反射率被用于确定在更高温度下的反射比。如上所提到的，在更高的温度下，由于内部透射比的减小，反射比与反射率充分相等。

随后，能够使用反射比确定吸收比，其通常等于在更高温度下的发射比。特别是，吸收比等于1减去反射比。随后，吸收比能够被用于对室内的一个或多个加热装置，优化功率吸收和/或能量设置。

上述方法非常好地与那些显示于图1中的系统相适应，其中，通过加热装置22，从晶片的一面，对晶片14加热。如果通过分离加热装置而加热晶片的两面，然而，对于晶片反面，能够重复使用上述方法。通过这种方式，可以独立于加热晶片的底面的第二加热装置，而控制加热晶片的顶面的第一加热装置。

本公开的方法也能够被用于在低温下优化加热装置的设置，其中，衬底的内部透射比大于0.1。在这个实施例中，光学布置被用于收集在室温或接近室温下从晶片的一个表面反射的光，且其波长范围与加热晶片的加热装置的波长范围充分重叠。随后，将以相似的条件，在晶片的相反表面执行相同的测量决定。

通过该信息，可确定衬底的前表面的反射率与后表面的反射率。随后，测量或在高温下由晶片的模型推断衬底的透射比。一旦确定透射比，便可通过假设吸收比与发射比充分相等来估计吸收比。因此，吸收比等于1减去透射比减去基于晶片的一侧的反射比。随后，在晶片处理期间，吸收比被用于优化在加热装置上的功率输出和/或加热装置的能量设置。

再次，如果第一加热装置加热晶片的一侧，且第二加热装置加热晶片的相反的一侧，对于晶片的相反的表面，上述方法能够重复，以彼此独立地优化所述两个加热装置。

除了上面的实施例之外，从本公开的方法中获得的信息能够被用于控制包括在热处理室中的各种其它参数。

尽管在如图10所示的热处理室10中可以确定如上所述的光学特性，但在一个实施例中，可以在不同的位置确定光学特性，例如任何合适的平台上、机器臂上、或独立的室中。另外，上述测量可紧接在处理之前发生，或在与晶片处理本身不同的时间发生。例如，参考图2，图解了整个的晶片处理系统。在该实施例中，大多数晶片堆叠在热处理室10与根据本发明制作的晶片光学处理室200附近的筒(cartridge)100中。为了将晶片从一个位置移动到另一个位置，系统进一步包括晶片操作装置110。

在处理期间，包含在筒100中的晶片可以被移动到晶片光学处理室200中，根据上面描述的方法，以确定晶片的至少一个光学特性。一旦确定晶片的特性，随后，便使用晶片操作装置110再次将晶片传输到热处理室10中。随后，在晶片光学处理室200中确定的晶片的光学特性可以被用于控制至少热处理室10中的一个处理变量或系统组件。例如，该信息可用来为加热装置控制功率控制器，或可被用于校准或控制用于在处理期间确定晶片的温度的高温计。

回来参考图1，热处理室10可进一步包括系统控制器50，例如，其可以是微处理器。控制器50可以被配置为从光检测器30接收电压信号，其代表从各种位置采样的辐射量。可配置控制器50为基于从光检测器30检测的辐射量，并结合在晶片光学处理室200中确定的光学特性，计算晶片14的温度。

如图1所示的系统控制器50也能够与加热装置功率控制器25通信。再次，基于在室的外面确定的晶片的光学特性，控制器50能够有选择地增加或减小加热装置的功率，以优化由加热装置发射且由晶片14吸收的热能量的吸收。然而，除了控制辐射强度之外，应当了解到，功率控制器25结合系统控制器50还可以被用于以其它方式控制加热装置22。例如，系统控制器50也可以被配置成改变由灯24发射的辐射量，以使得晶片表面的不同部分经受不同量的辐射。根据本发明，也可以有选择地控制辐射接触晶片14的入射角度与辐射的波长。

根据本发明，在进一步详细讨论各种特别的方法之前，首先讨论即使当晶片包含前表面或后表面涂层时、光如何传播通过晶片以及光强如何基于其传播路径而改变可能是有帮助的。

例如，参考图18，显示了衬底或晶片14，其包括前侧涂层80与后侧涂层82。显示出入射光功率(power)84接触到晶片14的前侧涂层80。

当侧根据本公开的方法时，应当考虑如图18所示一般的晶片14具有各种属性。例如，晶片的两个表面可以具有不同的反射率与透射率。此外，对于从晶片的外面入射到表面上的辐射、或从晶片内入射的辐射，表面的反射率可以不同。表面区域可以包括各种影响反射率与透射率的薄膜与图案。这些表面区域(在晶片的前面与后面)覆盖形成大多数晶片的衬底材料。当晶片为半透明时，在晶片中传播的各种能量束的多反射影响其前表面反射比R^* _WF，与其透射比S^*，就好像是在晶片的外面所观察到的。所有的光学属性均可以是波长λ与温度T的函数。

在下面的讨论中，T_t是晶片顶表面的透射率，T_b是晶片底表面的透射率，对于从衬底的外面入射到衬底上的辐射，R_tv是对于从衬底中入射到衬底上的辐射的晶片顶表面的反射率，R_ts是对于从衬底中入射到衬底上的辐射的晶片顶表面的反射率，并且，R_bs是晶片的底表面的反射率。通常，如果入射辐射不是法向入射，则所有的属性将是入射角与辐射的偏振平面的函数。

通常，大多数晶片的材料具有吸收系数α(λ，T)，其是辐射波长λ与温度T的函数。光线传播通过衬底所经历的强度的衰减，能够通过下面的方程描述：

α＝exp(-α(λ，T)d/cosθ_i)   (1)

其中，d是衬底的厚度，θ_i是传播的内角。后面的角度是光线的方向与晶片表面的法线之间的角度。正如此处所使用的，变量“a”指内部透射比。

在图19中，我们看到，反射光线R1的强度仅由晶片前表面(WF)的反射率R_tv所影响，以使得如果入射光线具有强度I，随后，则光线R₁具有强度R_tvI。已经透射到衬底的光线仅在其所传播通过的前表面区域到大多数晶片的那一点具有强度T_tI。随着光线A1穿过衬底，由于能量吸收，其损失强度。结果，其在它刚好到达后表面区域(WB)的那点具有强度aT_tI。当反射光线A2到达前表面时，作为在衬底中的吸收的结果，其已损失更多的强度，其现在具有的强度为a²T_tR_bsI。最初形成光线A3的在前表面反射的光线A2的部分具有强度a²T_tR_bsR_tsI，然而，透射通过前表面的部分形成光线R2，其具有的强度为a²T_t ²R_bsI。当光线A3到达后表面时，其强度为a³T_tR_bsT_tsI。最初，反射形成光线A4的A3的部分具有强度为a³T_tR_bs ²R_tsI，然而，形成光线T2的透射通过后表面的部分具有强度为a³T_tR_bsR_tsT_bI。当光线A4到达前表面时，其具有强度为a⁴T_tR_bs ²R_tsI。从前表面反射以形成光线A5的部分具有强度为a⁴T_tR_bs ²R_ts ²I，然而，透射通过前表面以形成光线R3的部分具有强度为a⁴T_t ²R_bs ²R_tsI。从这点来看，容易看出随着更多的多反射发生，每个连续的从衬底形成的透射光线与反射光线将相对于前一个进一步衰减。衰减引起通过衬底的两个通道，以及从顶表面通过反射与从底表面，以使得每条光线相对于前一条光线在强度上减小一个因子a²R_tsR_bs。

能够通过计算所有分量T1、T2等等的总和，而获得通过晶片透射的总强度，其组成顺序形式

aT_tT_bI+aT_tT_b(a²R_tsR_bs)I+aT_tT_b(a²R_tsR_bs)²I+aT_tT_b(a²R_tsR_bs)³I+........(2)

其也可以被简化为以下表达式：

IaT_tT_b{1+a²R_tsR_bs+(a²R_tsR_bs)²+(a²R_tsR_bs)³+.........}.(3)

同样地，可通过将所有分量R1、R2、R3等相加，而获得从晶片反射的总强度，其组成顺序形式

R_tvI+a²T_t ²R_bsI+a²T_t ²R_bs(a²R_tsR_bs)I+a²T_t ²R_bs(a²R_tsR_bs)²I+a²T_t ²R_bs(a²R_tsR_bs)³I+......

                          (4)

其也可以被简化为以下表达式：

表达式(3)与(5)包括几何级数，其可以被简化为更简单的表达式。考虑到总透射能量与入射强度的比率I，给出晶片的透射比为：

$S^{*}=\frac{{\mathrm{aT}}_t{T}_b}{1-a^2{R}_{\mathrm{ts}}{R}_{\mathrm{bs}}}---\left(6\right)$

同样地，通过下述表达式给出晶片的前表面的反射比

$R_{\mathrm{WF}}^{*}=R_{\mathrm{tv}}+\frac{a^2{T}_t^2{R}_{\mathrm{bs}}}{1-a^2{R}_{\mathrm{ts}}{R}_{\mathrm{bs}}}---\left(7\right)$

通常，透射比与反射比也依赖于入射角度与所考虑的偏振平面。通过分别考虑两个正交的偏振平面，P-偏振状态与S-偏振状态，这个问题可被处理。对于每个情形，使用合适的反射率与透射率确定相应的反射比与透射比。对于任何给定波长，晶片前表面的发射比ε_WF或吸收比A_WF，可通过下面的表达式获得入射角与偏振状态

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{WF}}=A_{\mathrm{WF}}=1-S^{*}-R_{\mathrm{WF}}^{*}---\left(8\right)$

合并方程6、7和8，我们可推出：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{WF}}=A_{\mathrm{WF}}=1-R_{\mathrm{tv}}-\frac{a{T}_t(T_b+a{T}_t{R}_{\mathrm{bs}})}{1-a^2{R}_{\mathrm{ts}}{R}_{\mathrm{bs}}}---\left(9\right)$

在给定关于表面的反射率、透射律、和衬底的吸收系数与厚度的合适的数据集合，该表达式可用于计算晶片前表面的发射比与吸收比。

通过来自特定光线的可选收集能量，确定特定属性

传统的测量并不在反射光与为由晶片反射或透射的强度作出贡献的透射光之间进行区分。结果，丢失可能对表现晶片属性有用的信息。例如，通过可选择的测量光线R1的强度，可直接推断得出量R_tv，而无需知道a、T_t、R_bs或R_ts，如果是测量R_WF ^*则需要这些变量。同样地，通过可选择地测量光线T1的强度，可确定量aT_tT_b，而无需知道R_bs或R_ts，如果是测量S^*则需要这些变量。

此外，通过可选择地测量其它光线的强度，能够获得更多的信息。例如，如果确定内部透射比a，则可用方程1推断吸收系数。通过重新整理方程1如下，可计算吸收系数

$\mathrm{\α}(\mathrm{\λ},T)=-\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_i}{d}\ln a---\left(10\right)$

且对于法向入射，其将简化为θ_i＝0的情况，以使得

$\mathrm{\α}(\mathrm{\λ},T)=-\frac{\ln a}{b}---\left(11\right)$

在辐射不是法向入射的情形中，角度θ_i可由Snell定律获得。实际上，大多数半导体材料的折射率相当高(＞3)，以使得近似的 ${\mathrm{\θ}}_i\≅0$ ，通常导致所获得吸收系数的值的错误小于7％，且如果碰撞到晶片的辐射的入射角度＜30°，误差将典型地小于2％。

通过选择性地测量光线R2的强度，可获得变量a²T_t ²R_bs。由于其与内部透射率的相关性将使得我们能够使用反射光分量的测量推断衬底中光学吸收的大小，这是非常有用的。尽管通常是通过执行透射比测量确定衬底中的光学吸收，在一些环境中，由于几何的、机械的或其它制约，执行透射比测量是困难的，在这些情况中使用反射测量达到该目标则是有用的。尽管R_WF ^*也受到内部透射比的影响，但使用直接测量R_WF ^*推断内部透射比可能是困难的。例如，如果光线R1的强度远大于光线R2的强度，则由并不依赖于内部透射比的第一表面反射R_tv占据R_WF ^*测量的优势。结果，产生光线R2、R3等对反射比的贡献的非常精确确定是困难的。这使得基于R_WF ^*的测量作出内部透射比的确定更加倾向于出错。相反地，光线R2的强度直接受到内部透射比大小的影响，于是它的测量可以给出更加精确的估计。

反射分量R2也受到晶片顶表面透射率T_t与后表面反射率R_bs的影响。因此，通过测量R2的强度，也可以确定上面的属性。作为光线R2、R3等的贡献的结果，反射比R_WF ^*对它们也是敏感的。然而，它也受到R_tv和Rts的影响，所以使用R_WF ^*的测量来推断T_t或R_bs可能是更加困难的。

在各种环境中，选择性地测量任何其它光线的单独贡献也可能是有用的。例如，光线T2对变量a、T_t、T_b、R_bs和R_ts是敏感的。对于该光线强度的测量允许透射测量为从衬底中入射的辐射提供关于前表面反射率的信息R_ts。光线强度的比率也可能是有用的。例如，光线T2与T1，或R3与R2的强度的比率给出变量a²R_tsR_bs。

晶片的后表面与前表面的分离测量

对于晶片的更加全面的特性，布置分离测量从两个相反侧入射到晶片上的光的反射和/或透射光分量将是有用的。例如，光线A0可以入射到如图19所示标有WF的一面上，或能够入射到面WB上。

如果光线A0以相同的角度和相同的偏振入射，那么，对于两种方案，透射光分量T1、T2等应当相同。如果交换下标t与b，由于每一项并不改变(每一项相应于透射光的强度)，当检查表达式2中级数的项时，这是明显的。从WF到WB改变被照射的表面，其下标的交换是数学等价的。两种照射条件下，透射光测量的一致性可用于检查测量设备运行良好。然而，如果任一晶片表面具有引起光散射的任何特征，则反射或透射光线的模式可能将更加复杂，且强度测量可能变得对于被照射的一侧更加敏感。如果大块晶片能够散射光，这也可以是正确的。

尽管透射光分量应当相等的，而不管照射在哪个表面，同样的情况对于反射光分量则不如此。结果，表面WB的照射，提供了关于晶片光学属性的新的信息。当晶片被照射在前表面时，R_WF ^*并不必须与当后表面被照射时的R_WB ^*相等。由方程7给出晶片的反射比R_WF ^*，且R_WB ^*则由下面的方程给出

$R_{\mathrm{WB}}^{*}=R_{\mathrm{bv}}+\frac{a^2{T}_b^2{R}_{\mathrm{ts}}}{1-a^2{R}_{\mathrm{ts}}{R}_{\mathrm{bs}}}---\left(12\right)$

其中，R_bv是对于从晶片的外面入射到晶片上的辐射的后表面的反射率。

同样地，对于我们命名为R1_WF、R2_WF、R3_WF等前表面照射的各种反射光线，并不必须匹配相应的我们命名为R1_WB、R2_WB、R3_WB等后表面照射的光线。如果将下标t与b交换，由于每一项都交换(每个项相应于反射光线的强度)，当检查表达式4中级数的项时，这种不对称的起源变得明显。这种不对称允许背面照射的测量提供关于晶片的光学属性的额外的信息。特别是，我们发现对于从晶片外面入射的辐射R_bv，第一反射光线R1_WB能够提供后表面反射率的测量。然而，第二反射光线R2_WB强度的测量能够提供变量a²T_b ²R_ts的测量。

从该讨论中，对于从晶片的前面与后面照射的情形，反射光和/或透射光分量的测量能够提供许多关于晶片光学属性的信息片段，这是明显的。应当注意的是，从晶片的任一或两个表面的吸收比或发射比的测量中抽取光学属性的信息也是可能的。对于晶片的两面，这些变量通常也是不相等的。晶片前面的发射比ε_WF和其吸收比A_WF可从方程8中推出，其导出方程9，然而，晶片后面的发射比ε_WB和其吸收比A_WB可通过下式得到

${\text{\ϵ}}_{\mathrm{WB}}=A_{\mathrm{WB}}=1-S^{*}-R_{\mathrm{WB}}^{*}---\left(13\right)$

其导出下面的方程

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{WB}}=A_{\mathrm{WB}}=1-R_{\mathrm{bv}}-\frac{a{T}_b(T_1+a{T}_b{R}_{\mathrm{ts}})}{1-a^2{R}_{\mathrm{ts}}{R}_{\mathrm{bs}}}---\left(14\right)$

尽管这些变量的直接测量需要特殊的仪器，它是可能的。例如，在任何给定波长处的发射比可由测量由晶片热发射的辐射而推出。通过比较在与晶片相同温度下，来自晶片的与来自黑体辐射源的热发射的强度，推出发射比是可能的。这样的测量可被用于测量ε_WF和ε_WB。能够测量给定波长下的吸收比，即通过在该波长使用已知强度的辐射照射晶片，并观察晶片温度随时间的变化。在感兴趣的波长处，晶片温度的增加可能与晶片的吸收比相关。这样的测量可用于确定A_WF和A_WB。

从测量中获得关于晶片属性的信息

在本公开中所描述的测量可用于各种目的，包括被处理的晶片类型的描述。例如，最佳的处理方法可能需要关于衬底材料的信息，它的掺杂、晶片厚度，以及在给定波长范围内晶片的反射比与透射比。这样的信息能够用于预测光谱发射比或吸收比的温度相关性，或总发射比或吸收比。该信息能够用于改进热处理的一致性与可重复性，且也能够为了最佳的时间效率并获得最好的晶片生产量，而用于优化加热处理的控制。尽管能够分别向处理设备提供关于被处理晶片类型的信息，有时，这是不方便的，或着信息不可用。在这种情形下，紧接在处理之前或甚至在处理的较早部分期间，所期望属性的原位确定可能是想要的。

例如，由于衬底的材料属性影响其由α(λ，T)的波长相关性描述的吸收光谱，通过获得被链接到吸收系数α(λ，T)的内部透射比的评估，能够发现正被处理的晶片的类型。理论上，能够通过其吸收光谱的测量而识别正被处理的晶片的类型。例如，制作衬底的材料能够通过将所测量的吸收光谱与一系列各种材料的吸收光谱数据相比较而识别。例如，如果正被处理的晶片是轻掺杂硅，则吸收光谱随着波长从0.8μm增加而大量减小吸收，其中在室温下的α(λ，T)为～850cm^-1，其中，在室温下的α(λ，T)为～0.02cm^-1。这个明显的特性通常被称作吸收限，且其光谱位置被链接到材料的带结构中最小能隙的数量。在吸收光谱中，如此特有的特征的识别能够帮助识别晶片衬底是由硅制成的。

相反，如果晶片是由锗制成的，则吸收限特性将出现在波长范围接近1.8μm。相似的方法可用于区分其它材料的出现，例如GaAs、InP、InSb、GaSb、GaN、InN、SiC和钻石，是因为这些材料的吸收光谱也显示吸收限。其还可被用来识别诸如硅锗合金的半导体合金、或GaAs和InP的四元易熔合金(quaternary alloy)的存在。吸收光谱的分析甚至能够用于推出这些合金的组成，例如硅与锗成分的比率。尤其是α(λ，T)的分析也能够用于在各种绝缘体与金属间区分，也适用于半导体，这是因为绝大多数材料在它们的吸收光谱中显示特有的特征。

例如，由于出现电子在能级之间迁移，许多材料显示吸收特性。这样的特性典型地出现在紫外(UV)、可见的以及近红外波长。许多材料也显示与原子种类的振动的平均位置相联系的吸收特性。参考关于吸收限的光谱位置、电子迁移和振动的吸收特性等的所测量的吸收光谱的比较可被用于识别所处理的材料。实现吸收现象是重要的，其能够影响反射光强度与透射光强度，以及它们任一个的测量可用于推断关于吸收光谱的信息。然而，在不透明表面的情形中，反射光谱的分析也能够提供相似的信息。

吸收光谱也能够用于确定晶片掺杂的状态。例如，电活跃掺杂物导致自由载流子吸收现象。自由载流子吸收则由具有能够通过半导体格子的电荷载流子的电磁辐射的相互作用而产生。吸收的强度依赖于自由载频的浓度(concentration)。在半导体中，自由载流子可以是电子或空穴，其依赖于掺杂的种类。在n-型半导体中，占优势的载流子是电子，然而，在p-型半导体中，占统治地位的则是空穴。自由载流子吸收的波长与温度相关性能够通过理论或经验模型而估计。这样的模型也能够包括吸收光谱上掺杂的其它作用，例如在重掺杂半导体中的禁带收缩效应，以及与带之间迁移相关的吸收。通过收集与吸收光谱相关的信息，并用模型分析光谱，确定载流子(电子或空穴)的类型及其浓度则是可能的。在半导体制造步骤期间，该信息能够用于预测行为。

除了关于衬底的信息之外，光学属性的测量还提供晶片表面涂层与模式的信息。可在晶片的前后两面涂覆(coat)。这些涂层可由一沓多个薄膜组成。它们也可以被横向地图案化，以形成各种装置特性，且也可以是沟渠形特征或其它非平面的结构出现。典型地，装置特性将在晶片(前面所述的WF)的前面。本公开中所描述的光学测量也可以帮助表现特征的种类的特性和晶片表面附近出现的层。从描述中获得的信息能够在半导体制作步骤期间，用于改进过程控制。此处，对于形成关于晶片任一表面上的薄膜与结构种类更加完整的了解，区别前后表面反射能力是有用的。反射光与透射光测量均受到晶片两个表面的光学属性的影响，下面将进一步描述。

各种反射光与透射光测量的比较有助于识别在任何给定波长，任一表面上的薄膜是透明还是不透明的，以及衬底是透明还是不透明的。例如，如果晶片表面的薄膜是不透明的，例如T_t＝0，可能像是如果晶片被镀上金属层的情况那样，则前表面反射比 $R_{\mathrm{WF}}^{*}={R1}_{\mathrm{WF}}$ 与多级反射R2_WF、R3_WF等全为零。在该情形中，透射比S^*以及所有的透射光分量T1、T2等也都为零。然而，如果衬底透明，即a≠0，且后表面层透明，即Tb≠0，则后表面反射比 $R_{\mathrm{WB}}^{*}\≠{R1}_{\mathrm{WB}}$ 且R1_WB≠0。因此，对于前后表面照射的反射光分量的比较能够有助于识别是否在晶片的一个表面上的薄膜是不透明的。如果我们发现一个表面上的反射比与反射率相同，然而，对于另一个表面并不相同，则可能是前一表面包括不透明薄膜。应当注意到，如果后表面反射率R_BS＝0，由于没有第二次反射，则前表面的反射比也将等于其反射率，但是，在这种情况中，透射比将不为零，除非前表面碰巧是一个全反射体。在实践中不大可能出现这样的情形。可将该方法同等地良好应用于寻找晶片的前或后表面上的不透明薄膜。为了相同的目的，也能够分析其它的测量量。例如，如果透射比S^*或第一透射光分量T1为零，且后表面反射比 $R_{\mathrm{WB}}^{*}\≠{R1}_{\mathrm{WB}}$ 且R1_WB≠0，则我们能够推出前表面是不透明的。

如果晶片衬底是不透明的，则a＝0，且晶片每一表面的反射比等于其反射率，例如 $R_{\mathrm{WF}}^{*}=R_{\mathrm{tv}}$ 且 $R_{\mathrm{WB}}^{*}=R_{\mathrm{bv}}.$ 然而，反射光分量R2_WF、R3_WF等，与R2_WB、R3_WB等为零。然而，透射比S^*＝0，且所有的透射光分量T1、T2等也全为零。因此，在任一给定波长，这些反射能量或透射能量分量的分析能够用于推出衬底材料是否是不透明的。然而，我们应当注意如果两表面上的薄膜是不透明的，例如，即使衬底本身是透明的，即a≠0，如果T_t＝0且T_b＝0，则相同的条件可能出现(例如 $R_{\mathrm{WF}}^{*}=R_{\mathrm{tv}}$ 、 $R_{\mathrm{WB}}^{*}=R_{\mathrm{bv}}$ 、S^*＝0、T1＝0、T2＝0等等)。

能够被用于确定是否晶片的表面包含吸收薄膜的其它测试是测试对于从衬底中入射的辐射与从衬底外入射的辐射，其反射率是否相同，例如，如果R_tv≠R_ts，则晶片的顶表面包含吸收薄膜。然而，如果R_tv≠(1-T_t)，则顶表面包含吸收薄膜。相似的规则可应用于表现晶片后表面的特性。

如果上薄膜和底薄膜均为透明，且晶片也是透明，则出现特殊情形，其中对于从晶片的任一面入射的光，反射比相同。在该情形中

$R_{\mathrm{WF}}^{*}=R_{\mathrm{WB}}^{*}=\frac{R_{\mathrm{tv}}+R_{\mathrm{bv}}-2R_{\mathrm{tv}}{R}_{\mathrm{bv}}}{1-R_{\mathrm{tv}}{R}_{\mathrm{bv}}}---\left(15\right)$

结果，晶片及其所有涂层是否为非吸收的简单测试即是检查是否 $R_{\mathrm{WF}}^{*}=R_{\mathrm{WB}}^{*}.$

通过选择在其中执行这样的诊断测试的波长范围，可查明晶片特性的不同方面。例如，通过选择红外区域中的波长范围，例如1.55μm，如果检测晶片显示可感知的吸收系数，例如，大于1cm^-1，则晶片必定为重掺杂，例如，具有小于0.1Ωcm的电阻系数。合适的吸收级别的定义的抽取标准依赖于波长，以一种对于在光学吸收上掺杂的作用能够从模型确定的方式。对于任意测试，最好在多个波长执行测试，以减小表面反射率或一些其它的条件的不正常的合并，而产生错误结果。也能够使用宽带光源执行测试，如果需要，其在各种波长传递光。

衬底吸收系数的确定

为了推出α(λ，T)的值，通常有必要推出由方程1给出的内部透射比。内部透射比可以通过测量图19所图解的反射光或透射光分量而获得，或从由表面WB被照射的测量中获得相似的分量获得。然而，通常，了解晶片的其它属性也是必要的。例如，通过重新整理表达式7，“a”由下述表达式给出

$a=\sqrt{\frac{R_{\mathrm{WF}}^{*}-R_{\mathrm{tv}}}{\{(R_{\mathrm{WF}}^{*}-R_{\mathrm{tv}})R_{\mathrm{ts}}+T_t^2\}{R}_{\mathrm{bs}}}}---\left(16\right)$

因此，为了获得a的值，应当知道R_WF ^*、R_tv、R_ts、T_t、以及R_bs。尽管这些变量可以从其它的测量或计算中得到，但通常它们是未知的。由于通过测量反射光分量R1可建立第一表面反射R_tv的值，本公开中描述的方法能够帮助改进a的估计。通过传统的方式，反射比R_WF ^*也能够建立。在实际重要性的许多情形中，本公开的方法能够进一步提供感兴趣的光学属性的完整描述，包括内部透射比的精确确定，以及由此而来的吸收吸收α(λ，T)。

内部透射比也能够从透射光测量中获得。重新整理表达式6，可获得如下表达式：

$a=\frac{-T_t{T}_b+\sqrt{T_t^2{T}_b^2+4R_{\mathrm{ts}}{R}_{\mathrm{bs}}{\left(S^{*}\right)}^2}}{2R_{\mathrm{ts}}{R}_{\mathrm{bs}}{S}^{*}}---\left(17\right)$

此处，为了获得a，需要知道S^*、T_t、R_ts、T_b、以及R_bs的值。再一次，这些变量可以从其它测量或变量中得知，但通常，它们是未知的。内部透射比的值也能够从发射辐射或透射辐射的特定分量得到。例如，如上所示，光线T1具有强度I_T1，其由aT_tT_bI给出。因此，从下述表达式推出内部透射比

$a=\frac{I_{T1}}{T_i{T}_{b}I}---\left(18\right)$

内部透射比可从光线R2的强度的测量获得，其具有强度a²T_t ²R_bsI。由此，内部透射率可由下述表达式推出

$a=\sqrt{\frac{I_{R2}}{T_i^2{R}_{\mathrm{bs}}I}}---\left(19\right)$

由于从衬底显现的每个连续的透射与反射光线将相对于前一个而衰减，内部透射率也能够从连续的反射光线与透射光线的强度的比率的测量获得。作为通过衬底的两个通道，以及从顶表面以及底表面的反射的结果，出现衰减，以使得每条光线相对于前面的光线，其强度都减小一个因子a²R_tsR_bs。因此，如果光线R3的强度是I_R3，I_R3与I_R2的比率为K，由K＝I_R3/I_R2＝a²R_tsR_bs给出，且我们能够从下面的表达式推出

$a=\sqrt{\frac{K}{R_{\mathrm{ts}}{R}_{\mathrm{bs}}}}---\left(20\right)$

相似的方法可用于连续透射光线(例如T1和T2等等)的比率。

表面涂层不吸收辐射的情形

晶片的顶表面与底表面均不包含吸收薄膜的情形很特别。在这种情况下，T_t＝1-R_tv、T_b＝1-R_bv、R_tv＝R_ts和R_bv＝R_bs。这使得我们可以使用本公开中的方法按照我们能测量的变量，为发射比与透射比重新整理表达式，包括第一表面反射率R_tv和R_bv，其能够相应的从R1_WF和R1_WB中获得，表达式为

$R_{\mathrm{WF}}^{*}=R_{\mathrm{tv}}+\frac{a^2{(1-R_{\mathrm{tv}})}^2{R}_{\mathrm{bv}}}{1-a^2{R}_{\mathrm{tv}}{R}_{\mathrm{bv}}}---\left(21\right)$

同样地，对于从后面入射的光的晶片的透射比为

$R_{\mathrm{WB}}^{*}=R_{\mathrm{bv}}+\frac{a^2{(1-R_{\mathrm{bv}})}^2{R}_{\mathrm{tv}}}{1-a^2{R}_{\mathrm{tv}}{R}_{\mathrm{bv}}}---\left(22\right)$

给出透射比为

$S^{*}=\frac{a(1-R_{\mathrm{tv}})(1-R_{\mathrm{bv}})}{1-a^2{R}_{\mathrm{tv}}{R}_{\mathrm{bv}}}---\left(23\right)$

这些表达式21、22或23中的任何一个可用于推断内部透射比，且由此从所测量量中确定衬底的吸收系数α(λ，T)。例如，重新整理21，获得下面的表达式

$a=\sqrt{\frac{R_{\mathrm{WF}}^{*}-R_{\mathrm{tv}}}{\{(R_{\mathrm{WF}}^{*}-R_{\mathrm{tv}})R_{\mathrm{tv}}+{(1-R_{\mathrm{tv}})}^2\}{R}_{\mathrm{bv}}}}---\left(24\right)$

本公开中描述的方法可用于推断表达式中方程24右手边的所有的变量，并由此能够用于产生内部透射比的精确确定。可通过传统方法获得反射比R_WF ^*，且可通过本公开中描述的方法确定反射率R_tv和R_bv。例如，通过照射晶片的前表面，且只收集在晶片的前表面反射一次的光，能够推断出反射率R_tv。随后，通过照射晶片的后表面，并只收集在晶片的后表面反射一次的光，能够推断出反射率R_bv。已测量R_WF ^*、R_tv、和R_bv，则能够计算方程24中的内部透射比。也能够从相似的方法中推断内部透射比，即结合方程22的使用，测量后表面的反射比R_WB ^*。此外，可从透射比S^*的测量中推断出内部透射比。在后一种情形中，可从下面的表达式中获得内部透射比

$a=\frac{-(1-R_{\mathrm{tv}})(1-R_{\mathrm{bv}})+\sqrt{{(1-R_{\mathrm{tv}})}^2{(1-R_{\mathrm{bv}})}^2+4R_{\mathrm{tv}}{R}_{\mathrm{bv}}{\left(S^{*}\right)}^2}}{2R_{\mathrm{tv}}{R}_{\mathrm{bv}}{S}^{*}}---\left(25\right)$

其通过重新整理方程23而获得。再一次，一旦获得透射比S^*，且获得反射率R_tv和R_bv，方程25可用于推断内部透射率。同样地，可从透射光线T1的测量中获得内部透射率，并使用通过重新整理方程18而获得的表达式

$a=\frac{I_{T1}}{(1-R_{\mathrm{tv}})(1-R_{\mathrm{bv}})I}---\left(26\right)$

内部透射比也能够通过测量反射光线R2的强度，并使用通过重新整理方程19而获得的表达式而获得。

$a=\sqrt{\frac{I_{R2}}{{(1-R_{\mathrm{tv}})}^2{R}_{\mathrm{bv}}I}}---\left(27\right)$

内部透射比能够通过测量连续的反射光线与透射光线的比率，并使用通过重新整理方程20而获得表达式而获得。

$a=\sqrt{\frac{K}{R_{\mathrm{tv}}{R}_{\mathrm{bv}}}}---\left(28\right)$

总之，对于在晶片前后表面上的薄膜均为非吸收的情形，本公开的方法允许对衬底材料的吸收系数的精确确定。在薄膜吸收的情形中，可能需要进一步的测量或建模，以达到对于吸收系数足够精确的确定。然而，由于在重要的实际应用中出现这种情况，表面薄膜为非吸收的情形具有实际重要性，例如在装置制造序列的早期执行的氧化或沉积过程，以及在一些半导体晶片的退火过程中，例如离子注入损伤退火。在这样的过程中，至少对于红外波长，表面薄膜频繁相对的透明。然而，在许多模式薄膜出现在晶片上的情形中，即使这些薄膜自身是吸收的，所述模式意味着吸收薄膜仅部分地覆盖晶片的表面，且由此允许入射辐射的重要片段透射到衬底中。应当明白的是倘若与晶片前表面和后表面之一的透射率T_t和T_b相比，内部透射比a相当小，尽管表面薄膜的确显示一些吸收，非吸收薄膜情形的分析可能仍旧是适度地精确。该方法的成功能够依赖于任何表面层和/或表面覆盖度的吸收的力度。因此，倘若相对于辐射传播通过衬底到相反表面所引起的吸收度，由这些特性引起的吸收度更小，则该方法可能甚至被用于出现吸收薄膜的情况，例如金属、硅化物或重掺杂半导体区域。典型的晶片在其后表面并没有吸收材料厚层，以使得通常有理由假设后表面是非吸收的。

图20显示在波长λ处，一片材料的一些光学属性的温度相关性的示例。在该示例中，组成片(通常指衬底)的多数部分的材料的吸收系数α(λ，T)随温度而变化。结果，内部透射比也随着温度而改变。在下面的讨论中，进一步详细描述了本公开中的方法，以显示它们如何用于预测作为温度的函数的光学属性。所使用的方法依赖表面反射率的低温测量与硅的光学吸收模型的结合。

在所显示的示例中，所考虑的情形是针对轻掺杂的硅晶片。在这个例子中，轻掺杂意味着电阻系数远大于～1Ωcm。所考虑的晶片具有775μm的厚度，对于如半导体装置制造中所使用的直径为300mm的硅晶片是典型的。在这个例子中，晶片前表面的反射率R_tv＝0.3，且晶片后表面的反射率R_bv＝0.6，且假定这两个表面的反射率并不随温度而改变，且在表面上不存在吸收薄膜。对于2.3μm的波长，光学属性是作为温度的函数而计算的。在该例中，计算晶片上法向入射的入射辐射或在法向入射中从晶片发射的辐射。所计算的变量是晶片前后表面的反射率R_WF ^*、R_WB ^*，晶片的透射比S^*，以及晶片前面的发射比ε_WF、晶片后面的发射比ε_WB。可从上面的方程6、7、9、12和14的关联中获得这些变量。所有这些变量都是波长与温度的函数，且在该例中，由于内部透射比是温度的函数，而出现温度相关性。由于吸收系数α(λ，T)的温度相关性，而出现内部透射比的温度相关性。对于在波长为2.3μm，可从Vandenabeele与Maex的J.Appl.Phys.72，5867(1992)中所给出的模型中获得α(λ，T)此处所显示的计算。通常，用于推断α(λ，T)的模型可以是任何关于感兴趣的材料的吸收系数的波长和温度相关性的理论或经验模型。例如，对于轻掺杂硅，由Rogne等在Appl.Phys.Lett.69，2190(1996)中所描述的光学吸收模型提供计算波长在～1到～9μm之间、温度在室温到～800摄氏度之间的α(λ，T)的方式。Timans  在为由F.Roozeboom(Klumer AcademicPublishers，Dordrecht，荷兰，1995)所编写的“Advances in Rapid Thermaland Integrated Processing”中的章节“The Thermal Radiative Propertiesof Semiconductors”35页中的轻掺杂硅与重掺杂硅的光学吸收与反射系数提供数据与模型。该模型也可以从～0.5μm到λ～30μm的远红外线的可见区域中提供对于宽范围波长的估计。所描述的模型也能够考虑到衬底的掺杂情况，例如掺杂浓度，或关于衬底中电子与空穴浓度的信息。该著作中也已描述其它合适的模型，包括例如用于自由载流子吸收的Drude模型，其可用于估计红外吸收中电子与空穴浓度的作用。

对于预测光学和热属性所需要的其它信息是晶片的厚度。依赖于预测中所需要的精度，所述厚度可由所处理的由用户作为输入参数提供的晶片大小的合适厚度估计，或利用工具手动或自动的测量。

在所示出的该示例中，在低温时，2.3μm处的α(λ，T)非常低，例如当室温时，估计要小于10^-6cm^-1。在这种情况下， $a\≅1$ 。相反，在高温时，α(λ，T)是大的，例如在730摄氏度是为～100cm^-1。在那种情形中， $a\≅0.00054$ 。随着温度升高，内部透射比进一步趋近于零，且晶片变得不透明。对于温度低于～250摄氏度，该图显示内部透射比如何保持为～1，且衬底有效地透明，但是随着温度升高，内部透射比减小，直到温度大于750摄氏度，可以说晶片为半透明。在介于250和750摄氏度之间的间隔，可认为晶片是半透明的。

在其中晶片是透明的低温下，透射率S^*＝0.34，但随着温度升高，其落向零，对于温度大于750摄氏度，其将小于10^-4。在低温时，如上面方程15所预计的，前表面入射光的反射比等于后表面入射光的反射比。在该例中，室温下， $R_{\mathrm{WF}}^{*}=R_{\mathrm{WB}}^{*}=0.66.$ 然而，随着温度升高，R_WF ^*与R_WB ^*均减小，且不再相等。减小的发生是由于在衬底中吸收的增加降低了第二表面(相反于被照射的表面)反射光对反射比的贡献。当衬底变得有效的不透明时，反射比等于相应的被照射表面的反射率，以使得 $R_{\mathrm{WF}}^{*}=R_{\mathrm{tv}}=0.3$ 且 $R_{\mathrm{WB}}^{*}=R_{\mathrm{bv}}=0.6.$ 当晶片为透明时，所观察的来自两相反面的片的发射比在低温下均为零。不能吸收辐射的物体也不能发射辐射的基本规律则是一致的。随着温度升高，晶片变得半透明，发射比也增加，直到晶片有效的不透明，它们等于相应的表面的发射比，以使得ε_WF＝1-R_tv＝0.7且ε_WB＝1-R_bv＝0.4。

该例显示本公开如何在温度提升时，提供发射比或等价的吸收比的估计。原则上，在加热期间，可推断这些变量，例如通过在处理室中进行R_WF ^*和S^*的实时测量，并随后从方程8计算ε_WF。然而，在一些环境中，在室中执行精确测量可能是困难的。相反，本公开中的方法允许在处理室外的便利位置确定晶片的任何属性。随后，这能够与关于α(λ，T)随温度的趋势的了解，以及晶片厚度的了解相结合，以做出处理期间晶片的发射比与吸收比的预测。在该例中，当晶片处于处理室中T＞750摄氏度，室温下R_bv的测量对于ε_WB合适的值的确定是足够的。关于发射比的信息可用于校正高温计的读数，以确定晶片的温度。建模方法也可用于预测作为温度的函数的晶片光谱吸收比的温度相关性。可向控制算法提供该信息，以改进对于加热处理的控制。例如，通过提供晶片与加热能量源灯之间匹配的功率的改进估计，或通过提供来自晶片的辐射能量热损失的改进估计。

图21中的流程图显示如何执行本公开方法的一个实施例。第一步是将晶片装载到可执行光学测量的位置。下一步是在初始温度T1测量晶片的光学属性。初始温度可以是接近室温。光学属性可以是本公开前面所提到的任何属性。通过使用包括照射晶片的任一表面的方法，可测量它们。下一步，其是可选的，包括确定晶片的厚度。该确定可通过测量或通过收集来自外部输入的数据的信息。晶片厚度测量的各种方法都可在此处使用，例如光学的、电的或机械测量。通常，最好使用探测器执行厚度测量，而不接触晶片表面，以防止表面损伤或沾污，尤其在将要制作的电子装置的晶片表面上。例如，可通过使用红外干涉计测量晶片的厚度。也可以通过使用光学探测器测量厚度，以产生前后表面位置与随后确定它们之间距离的精确的同步测量。在这种情况中，在探测器所使用的波长处，晶片无需透明。光学探测器能够基于光学干涉计的方法，或它们也能基于激光三角测量的方法。晶片厚度也能够通过电容位移探测器测量。也能够使用通过检测气流行为对表面位置的影响而确定尺寸的气动测微仪进行测量。也能够通过称重晶片来确定，并使用估计晶片的面积与密度来推断厚度。在一些情形中，如果晶片表面上的涂层本身具有充实的厚度，当确定衬底自身的厚度时，考虑它们的厚度可能是必要的。这可以通过从包括这样的涂层的晶片的厚度的测量中减去涂层的厚度来实现。

下一步，也是可选的，包括确定晶片的掺杂。该确定可通过测量或从外部输入数据中收集信息。如果需要确定掺杂，典型地，这需要电的或光学的测量。如上面所指出的，该测量中所描述的方法可用于帮助确定衬底掺杂的性质。掺杂的信息可包括掺杂的类型，例如晶片衬底为n型材料或p型材料。它也可以包括衬底的电阻率。它也可以包括用来掺杂衬底的物品和衬底中的掺杂浓度。它也可以包括衬底中电子和空穴的浓度。确定掺杂的其它方法也包括使用接触或非接触探测器的直接电测量。非接触探测器通常是首选，以防止表面损伤或沾污。非接触探测方法可以包括检测在衬底中由振荡电磁场引起的涡电流。

也可以提供关于晶片的种类与属性的其它信息。例如，所提供的信息可以包括晶片衬底的种类，例如晶片是否是硅、镓、砷化物、锗等。也可以包括关于出现在晶片表面上的薄膜的性质的信息，如在晶片的任一表面上存在的薄膜的厚度、材料、以及属性。它还可包括有关在晶片表面上存在的图案的性质的信息。能够提供的其它属性也包括热属性，例如导热系数、热扩散系数或特殊的热容量。厚度与掺杂的测量作为可选的而被描述，这是由于对于光学属性的一些简单预测，并不必需高度精确的了解这些变量。然而，对于改进的处理控制的各种目的，晶片厚度的测量也可能是有用的。例如，晶片的热质量依赖于其厚度。结果，晶片的加热速率或冷却速率受晶片厚度的影响。晶片厚度的确定有助于改进加热或冷却晶片的控制。例如，能够向用于设置加热功率的控制算法提供关于晶片厚度的信息。如果加热是开环的，这对于控制过程也可以是有用的，也就是无需从监测晶片温度的温度检测器反馈控制。该信息可与所使用的加热类型无关的使用，且当通过电磁辐射或通过热传导或气体对流加热晶片时使用。例如，可被用于在通过电热板或基座进行加热晶片的系统中改进控制。通过精确了解晶片厚度，在将其装载到电热板上之后，预测晶片温度的演进，将是更加容易的。在该例中，可获得控制中的改进，甚至无须晶片光学属性的任何测量。这样的改进在晶片主要由热传导加热的情形中尤其有用。在该情况中，光学属性对于传递到或传出晶片的热量具有更小的影响，但是晶片的热质量对于加热循环仍旧具有强烈的作用。

下一步是至少在感兴趣的一个第二温度T2使用模型预测光学属性。实际上，这可以包括在温度范围上预测光学属性，也就是建立光学属性的温度相关性。该光学属性再次可以是本公开中的任何一个光学属性，例如发射比、吸收比、反射比、透射比或表面反射率或发射比等。可在任一感兴趣的波长或温度预测这些属性。

所使用的模型可以是基于本公开给出的方程，或另一方程集，或允许预测光学属性的算法。模型的输入至少包括在第一温度T1执行的初始测量。其可选地包括关于晶片厚度与晶片掺杂的信息。在晶片掺杂的信息是可获得的情形中，其可被用于预测衬底的光学吸收系数和/或反射系数如何随波长和/或温度而变化。

下一步骤包括使用关于光学属性的信息，以评估与加热处理相关的参数。参数的例子包括在用于检测晶片温度的高温计所使用的波长处的晶片的发射比。在该情形中，发射比改进的评估能够提供更加精确的温度读数。通常，高温计可以基于由晶片发射的热辐射的强度的检测值而确定晶片温度。晶片发射比或反射比可提供给基于由衬底发射的辐射的强度的检测值而计算晶片温度的算法。现有技术中已描述许多测高温的方式。已显示有助于减小发射比改变对高温计所确定的温度的效果的方法，例如通过面对至少部分晶片表面形成反射腔来提高晶片的发射比。然而，如果可以获得辐射的初始评估，则精度改进是有可能的。对于减小发射比变化的效果的其它方法包括使用原位光学测量，以在处理期间测量晶片的发射比的方法。一个这样的方法是脉动高温计方法。在该方法中，发射比的初始估计可用于提高测量的精度。这里，一个重要的方面涉及杂散光对测量精度的影响。这样的光可从晶片反射，并随后由高温计检测，而将错误引入到温度测量中。通过精确估计晶片的反射比，能够更加精确地估计反射的杂散光量，并由此在确定晶片温度中考虑其作用。此外，在晶片为半透明的情形中，例如方程8和13中的例子，为了确定晶片的发射比，而了解晶片的透射比与反射比通常是必要的。如果需要，本发明中的方法也能够用于确定透射比与发射比。透射比的测量也有助于获得由衬底透射的杂散辐射量的估计，其将在为了确定晶片的温度而解释所检测辐射时被考虑。

在一些情形中，透射比和/或反射比的测量也能够用于确定晶片温度。例如，如果我们知道这些变量之一在给定波长的温度相关性，则我们能够使用它们中任一的原位测量以确定晶片温度。该方法的优点是测量由晶片发射的辐射不再是必要的。也可使这样的方法对于杂散光问题不敏感。这也能够在相对低温处使用，其中由于热发射辐射的低强度，测高温可能是非常困难的。反射比或透射比的温度相关性可通过使用本发明中描述的方法而估计，甚至在不存在关于晶片表面出现的涂层的现有知识的情形中。例如，如所述，能够获得晶片前表面和后表面的反射率。可从早先描述的模型中获得硅的吸收系数的温度相关性，如果需要，则与所测量的反射率结合，以提供透射比或反射比的温度相关性的评估。由此在该示例中，被建模的参数是透射比或反射比的温度相关性。

该参数也可以用于确定加热系统特性的设置的控制算法中。该特性影响向晶片的能量传递，或由晶片的能量损失，并由此影响温度，与晶片的加热速率或冷却速率。可能影响整个晶片上的这些量，或者它们仅在晶片上的特定区域受到影响。在后一种情形中，通过系统特性的改变，能够影响晶片温度一致性。系统特性可以是处理变量，例如功率或通过加热灯或能量束传递的能量、加热辐射元件的温度和位置、应用于电导体上的电流或电压、射频或微波功率的大小，或气流的大小。处理变量的其它例子包括室中的气体的成份，及其压力、气流方向等。该特性也可以是加热系统的物理特性，例如反射体的位置、反射体的反射比、能量的加热束的位置与大小、波长、入射角度或电磁能量束的偏振状态，相对于晶片位置的加热源的位置，晶片与电热板之间或晶片与散热器等之间缝隙的大小。

为控制算法所提供的参数可以是任何影响晶片热响应的因子。控制算法可以是基于模型的控制器。例如，算法能够为处理或系统变量预测合适的设置，以在给定加热周期中保持晶片温度，并/或保持晶片中合适的温度一致度。预测可以是基于在处理期间发生的加热传输现象的模型。清楚地，通过为模型提供关于晶片属性的更好的信息，改进模型与真实的逼真度是可能的，并由此获得处理或系统变量更好的估计。可在开环模式下操作控制算法，其中基于模型预测设置。其也可能在闭环模式下操作，其中从至少一个检测器为算法提供关于晶片情况的反馈。在后一情形中，控制算法也可以使用热传输现象的模型，以改进控制设置的选择。事实上，该算法能够包括预测基于来自模型的预测的控制设置的近似值的部分，以及修正那些设置以考虑来自检测器的信息的第二部分。

如早先所提到的，提供给控制器的参数可以是物理特性，例如晶片的厚度。在由光辐射或热辐射加热晶片或晶片通过辐射流失热量的情形中，晶片的光学属性也可以影响热属性。因此，参数可以是发射比、吸收比、反射比或透射比。通常，其能够与任何描述晶片如何发射、吸收、反射、透射或散射电磁辐射的属性相关。早先，讨论本公开中方法的使用，以识别晶片是否是重掺杂的或是轻掺杂的。也可向控制算法提供该信息，或甚至能够用于选择适宜的控制算法，其考虑到如何预计与能量源相伴的重掺杂材料。如果需要，控制算法的选择能够影响加热处方(recipe)结构。同样地，如果确定晶片表面具有金属涂层，则控制算法应考虑这一因素。算法可确定能量如何应用于晶片，包括在哪个时间段以多大强度应用到晶片上的哪个位置。其也能够确定是否以开环模式操作加热，或以闭环模式加热，其中来自晶片情况的至少一个检测器的反馈用于控制处理。在一些情形中，可能存在开环与闭环模式之间的迁移操作，其由在晶片属性的预测量的基础上所选择的标准确定。例如，其可能确定晶片是否在给定温度被预测足够不透明，随后，当检测器报告晶片温度在给定温度之上时，温度检测器的读数是有效的。在该情形中，一旦在初始加热步骤期间到达给定温度，控制器能够选择闭环控制方法。

下一步骤是处理晶片。控制或测量算法使用所述参数，以提供更加精确的、可重复的或一致的处理，或提供更快或更有效的处理方式。典型的处理包括热退火、结晶化、炼制合金、烧结、氧化、氮化、薄膜沉积、蚀刻，以及在沉积在晶片上的材料之间提升反应(promotion of reactions)，或在晶片上的材料预处理气体之间。

最后的步骤包括卸下晶片。

图22显示本发明另一个流程图。在该情形中，该图明确的包括在多个波长和多个晶片温度测量光学属性的可能性。来自这样一系列测量的信息可用于在处理温度预测晶片的光学属性

图23显示本发明的另一个流程图，其明确地显示使用从反射光或透射光中选择特定分量用于测量的方法，以确定晶片的光学属性的步骤。这可能是一组光线，如图19中所称的光线R1，其中该光线已从晶片的第一表面反射。在该情形中，所确定的光学属性可能是前表面(WF)的反射率R_tv。

图24显示一个示例，其中在处理温度处，测量表面反射率的方法被用于预测发射比。可用非常简单的模型预测发射比的值，例如ε_WF＝1-R_tv。发射比可用于修正高温计的读数。其也可以用于估计加热能量源相匹配的功率。其也能够用于估计晶片表面的热损失。反射率与发射比的确定可在单一波长完成，或其可以在各种波长完成。

图25显示另一个流程图，其图解一个示例，其中，预测量被用于确定晶片的掺杂特性。随后，当进行处理温度下光学属性的预测时，要考虑该掺杂特性。该光学属性用于确定用于监测或控制该处理的参数。该参数可以是用于确定高温计温度读数是否有效的阈值温度标准。其也可以是晶片发射比或吸收比。参数也可以是标志，其告知控制系统使用何种温度测量或控制算法。其也可以用于确定使用何种温度检测器。例如，如果确定晶片为重掺杂(例如，电阻率＜0.1Ωcm)，则对于给定范围内的温度，系统能够选择使用高温计测量晶片温度。另一方面，如果确定晶片为轻掺杂(例如，电阻率＜0.1Ωcm)，则基于通过衬底的红外光的透射，由检测器测量温度。掺杂特性的确定也可以用于改进温度测量的精度。例如，如果红外透射测量被用于确定晶片温度，则关于晶片掺杂特性的知识可用于修正晶片掺杂对红外透射的影响，以及能够获得晶片温度更加精确的估计。

图26显示另一个流程图，其图解一个示例，其中关于晶片厚度的信息用于提供被提供给测量或控制系统的参数。参数可以是厚度。例如，基于模型的控制器可使用厚度信息，以预测晶片的加热速率或冷却速率。其也可以使用厚度信息预测晶片到达给定温度所耗费的时间。该方法可用于改进加热处理的可重复性。将晶片厚度作为处理系统的输入而提供，或其可通过处理系统中的硬件测量。厚度信息也可用于预测晶片的光学属性。

如果是必要的，本公开中所描述的任何一个流程图步骤和方法可被合并。

由本领域的普通技术人员对本发明的这些或其它修改与变化是容易的。另外，应当了解到，在整体或部分，各种实施例的各方面是可交换的。然而，本领域的普通技术人员将领会到，前述的描述仅是为了示例，而不作为对本发明的限制。

Claims (38)

1、一种用于控制衬底的加热处理的方法，包括：

向衬底的第一表面上发射光，所述衬底包括第一表面、以及与第一表面相隔一厚度的相反的第二表面；

引导所述光通过将从第一表面反射的光与从第二表面反射的光分离的光路；

检测从第一表面反射的光量；以及

基于所检测的从第一表面反射的光量，在加热衬底的处理中控制或调节至少一个系统组件。

2、如权利要求1所述的方法，其中，所述系统组件包括温度测量系统，该温度测量系统包括在加热期间感测由衬底发射的辐射量、以确定衬底的温度的辐射测量装置，使用所检测的来自第一表面的光量来确定衬底的发射比，以便用于与由辐射测量装置感测的辐射量相结合来确定衬底的温度。

3、如权利要求1所述的方法，其中，所述系统组件包括加热系统，该加热系统包括用于加热衬底的加热装置的功率控制器，使用所检测的来自第一表面的光量来确定衬底的吸收比，以调节功率控制器，并由此选择性地增加或减小用来加热衬底的能量。

4、如权利要求1所述的方法，进一步包括步骤：

检测从衬底的第二表面反射的光量；并且

其中，系统组件包括温度测量系统，该温度测量系统包括在加热期间感测由衬底发射的辐射量、以确定衬底的温度的辐射测量装置，使用所检测的来自第一表面的光量与所检测的来自第二表面的光量，来为衬底确定发射比、透射比、反射比，或其组合，以与由辐射测量装置感测的辐射量相结合来确定衬底的温度。

5、如权利要求1所述的方法，其中，在热处理室中加热衬底，且在热处理室外将光发射到衬底的第一表面上，并且，在检测到从第一表面反射的光量之后，将衬底转移到热处理室中。

6、如权利要求1所述的方法，其中，在低于100℃的温度下，向衬底的第一表面上发射光。

7、如权利要求1所述的方法，其中，在加热处理期间，通过光能量源、通过加热的基座、通过射频、通过微波能量、通过热壁环境、通过对流加热、通过传导加热、通过诸如等离子束、电子束或离子束之类的能量束来加热、或者通过其混合，来加热衬底。

8、如权利要求2所述的方法，其中，辐射测量装置感测由衬底在特定波长上发射的辐射，并且，其中，在辐射测量装置操作的相同波长上，检测从衬底的第一表面反射的光量，在低于约100℃的温度下，向衬底的第一表面上发射光。

9、如权利要求8所述的方法，其中，使用所检测的来自衬底的第一表面的光量，来确定在其中在辐射测量装置操作的波长上衬底的透射比小于0.1的温度下的、衬底的反射比或发射比。

10、如权利要求3所述的方法，其中，在加热处理期间，通过在一波长范围的电磁辐射来加热衬底，并且，其中，从衬底的第一表面反射、并被检测的光处于与加热衬底的电磁辐射的波长范围基本上重叠的波长范围。

11、如权利要求5所述的方法，其中，所述系统组件包括温度测量系统，该温度测量系统包括在加热期间感测由衬底发射的辐射量、以确定衬底的温度的辐射测量装置，使用所检测的来自第一表面的光量来确定衬底的发射比，以便用于与由辐射测量装置感测的辐射量相结合来确定衬底的温度，并且，其中，辐射测量装置感测由衬底在特定波长上发射的辐射，并且，其中，在辐射测量装置操作的相同波长上，检测从衬底的第一表面反射的光量，在低于约100℃的温度下，向衬底的第一表面上发射光。

12、如权利要求11所述的方法，其中，使用从衬底的第一表面检测的反射光量与从衬底的第二表面检测的反射光量，来确定衬底的所述两个表面的反射率，使用该反射率，来确定在其中在辐射测量装置操作的波长上衬底的透射比大于0.1的温度下的、衬底的透射比或发射比。

13、如权利要求10所述的方法，进一步包括步骤：检测从衬底的第二表面反射的光量，使用从衬底的第一表面检测的反射光量与从衬底的第二表面检测的反射光量来确定每个表面的反射率，并且，使用每个表面的反射率，来确定在其中在用于加热衬底的电磁辐射的波长范围的衬底的透射比小于0.1的温度下的、衬底的吸收比。

14、如权利要求1所述的方法，其中，所述光路包括至少两个光学装置。

15、如权利要求14所述的方法，其中，所述至少两个光学装置包括第一透镜与第二透镜。

16、如权利要求14所述的方法，其中，所述光路包括将光引导至衬底的第一表面的特定位置上的第一光学装置与第二光学装置，随后，由第一表面反射的光再次通过第二光学装置，从第二光学装置开始，光由第三光学装置反射，并接触到第四光学装置，以便聚焦到光检测器上。

17、如权利要求15所述的方法，其中，至少部分地，通过调节第一透镜的焦距与第二透镜的焦距，将从第一表面反射的光与从第二表面反射的光分离。

18、如权利要求14所述的方法，其中，至少部分地，通过使用阻断装置，将从第一表面反射的光与从第二表面反射的光分离。

19、如权利要求1所述的方法，其中，发射到衬底的第一表面上的光包括激光束。

20、如权利要求14所述的方法，其中，所述至少两个光学装置包括透镜、镜子、或其混合。

21、如权利要求1所述的方法，其中，发射到衬底的第一表面上的光是由宽带光源产生的。

22、一种用于确定衬底的至少一个光学特性的方法，包括：

向衬底的第一表面上发射光，所述衬底包括第一表面、以及与第一表面相隔一厚度的相反的第二表面；

引导所述光通过将从第一表面反射的光与从第二表面反射的光分离的光路；

检测从第一表面反射的光量；以及

基于从第一表面反射的光量，确定衬底的至少一个光学特性，所述特性包括：第一表面的反射率、发射率、吸收率、或透射率；或衬底的反射比、发射比、吸收比、或透射比；或者上述的任意混合。

23、如权利要求22所述的方法，其中，在特定的光波长范围上确定衬底的光学特性。

24、如权利要求23所述的方法，其中，特定的光波长范围包括辐射测量装置操作的波长，其用来测量衬底的温度。

25、如权利要求23所述的方法，其中，光波长范围与用于加热衬底的电磁辐射的波长范围基本上重叠。

26、如权利要求22所述的方法，其中，在确定了衬底的至少一个光学特性之后，将衬底置于热处理室中、并加热，并且，其中，在加热处理期间，基于所述至少一个光学特性来控制至少一个系统组件。

27、如权利要求22所述的方法，其中，在加热衬底的热处理室中，确定衬底的至少一个光学特性。

28、如权利要求22所述的方法，其中，衬底包括半导体晶片，并且，其中，基于所述至少一个光学特性，来控制半导体晶片处理系统的至少一个系统组件。

29、如权利要求26所述的方法，其中，所述系统组件包括温度测量系统，该温度测量系统包括在加热期间感测由衬底发射的辐射量、以确定衬底的温度的辐射测量装置，使用所检测的来自第一表面的光量来确定衬底的发射比值，以便用于与由辐射测量装置感测的辐射量相结合来确定衬底的温度。

30、如权利要求26所述的方法，其中，所述系统组件包括加热系统，该加热系统包括用于加热衬底的加热装置的功率控制器，使用所检测的来自第一表面的光量来调节功率控制器，并由此选择性地增加或减小用来加热衬底的能量。

31、如权利要求26所述的方法，进一步包括步骤：

检测从衬底的第二表面反射的光量；并且

其中，所述系统组件包括温度测量系统，该温度测量系统包括在加热期间感测由衬底发射的辐射量、以确定衬底的温度的辐射测量装置，使用所检测的来自第一表面的光量与所检测的来自第二表面的光量，来为衬底确定发射比、透射比、反射比、或其组合，以与由辐射测量装置感测的辐射量相结合来确定衬底的温度。

32、如权利要求22所述的方法，其中，所述光路包括至少两个光学装置。

33、如权利要求30所述的方法，其中，所述至少两个光学装置包括第一透镜与第二透镜。

34、如权利要求30所述的方法，其中，所述光路包括将光引导至衬底的第一表面的特定位置上的第一光学装置与第二光学装置，随后，由第一表面反射的光再次通过第二光学装置，从第二光学装置开始，光由第三光学装置反射，并接触到第四光学装置，以便聚焦到光检测器上。

35、如权利要求33所述的方法，其中，至少部分地，通过调节第一透镜的焦距与第二透镜的焦距，将从第一表面反射的光与从第二表面反射的光分离。

36、如权利要求32所述的方法，其中，至少部分地，通过使用一个阻断装置，将从第一表面反射的光与从第二表面反射的光分离。

37、如权利要求32所述的方法，其中，所述至少两个光学装置包括透镜、镜子、或其混合。

38、如权利要求34所述的方法，其中，所述至少两个光学装置包括透镜、镜子、或其混合。

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