CN102217033A - 用于基材处理的高温测定 - Google Patents
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Abstract
一种基材处理系统，包括：处理腔室；底座，用以支撑设置于所述处理腔室内的基材；及光学高温测定组件，耦接至所述处理腔室以量测实质上源自所述底座或基材的一部分的发射光。所述光学高温测定组件还包括光接收器及光学侦测器。所述光学高温测定组件接收所述发射光的一部分，且所述基材的温度是根据所述发射光的所述部分在至少一个波长附近的强度而确定。一种在处理期间量测基材的温度的方法包括：在支撑所述基材的底座的一部分或底座附近设置光管；使所述光管的末端屏蔽杂散光，以使得所述光管的所述末端接收来自所述底座或基材的所述部分的光；用气体净化所述光管的所述末端，以减少所述光管的所述末端的污染；侦测自所述底座发射且由所述光管接收的光的一部分；及根据来自所述底座或所述基材的所述发射光的所述部分在至少一个波长附近的强度而确定所述基材的温度。
Description
技术领域
本申请大体关于半导体处理设备，且具体地说，是关于在相对低温下用光学技术量测底座(pedestal)及基座(susceptor)的温度。
背景技术
半导体处理设备用于薄膜及涂层的沉积、图案化及处理中。已知基材处理腔室提供底座或支撑基材(以供处理)的某一等效方式。可通过用电阻性构件加热底座或通过使用加热灯以加热底座及基材，而将热提供至基材。灯通常位于处理腔室的外部。允许光穿过由高光学透射性材料(诸如石英)制成的视窗(viewport)或圆顶。石英也由于低热膨胀系数及高熔融温度而具有吸引力。
高温处理经常使用石英圆顶及外部灯以将基材的温度快速升高至处理温度。使用这些架构的处理及相关联处理腔室的说明性实例为磊晶膜成长(经常称作EPI)及快速热处理(RTP)。底座在使用灯用于加热的处理中经常称作基座。在这些处理以及其它处理中经处理的膜特性(例如，膜厚度、密度、掺质密度等)可对基材温度敏感。
确定温度的传统方法涉及安装于处理腔室内部的各位置中的热电偶。使用热电偶的困难包括部分地归因于热电偶接点的劣化或位置变化而产生的温度量测的漂移。可通过经由顶部石英圆顶而将高温计瞄准基材(通常从上方)来监视基材温度。量测基材温度的另一方法包括经由形成处理腔室的下侧的底部石英圆顶而将高温计瞄准基座的下侧处。可在查找表中或使用相关因子(correlation factor)或其它计算使基材的温度与基座的温度相关。
传统高温处理涉及在650℃至1150℃的范围中的基材温度。涉及在300℃至650℃的范围中的基材温度的一些处理被使用且正在开发中。一种此沉积处理涉及在硅基材上形成碳化硅层。由于自基材或基座发出极少量的光，在这些较低温度下使用高温计是困难的。来自腔室的其它区域的背景光或甚至源自加热灯的反射光可产生不良基材温度判读。
因此，需要一种用于甚至在低温下也可靠且快速地量测基材温度的系统及方法。
发明内容
所揭示的实施例是关于一种用于通过光学高温测定而精确且可再现地量测基材及底座(例如，基座)温度的系统及方法。通过这些系统及方法使低温量测变得可能。
一种基材处理系统包括：处理腔室；基材，其位于该处理腔室内(可能位于底座或基座上)；及光学高温测定组件，其耦接至该处理腔室以量测实质上源自该基材的一部分(诸如顶部或边缘)或底座的一部分(诸如底部或边缘)的发射光。该光学高温测定组件还包括光接收器及光学侦测器。该光接收器可位于该处理腔室内。该光学高温测定组件接收该发射光的一部分，且该基座、底座或基材的温度由该发射光的该部分在至少一个波长附近的强度而确定。一种在处理期间量测基材的温度的方法包括：在基材或支撑该基材的底座附近安置光管；使该光管的末端屏蔽杂散光，以使得该光管的该末端主要接收来自该底座的边缘的光；用气体净化该光管的该末端，以减少该光管的该末端的污染；侦测自该基材或底座发射且由该光管接收的光的一部分；及根据来自该基材或底座的该发射光的该部分在至少一个波长附近的强度而确定该基材的温度。如本文中所使用，杂散光意谓源自于除基材或底座以外的来源的光。应注意，例如光可来自底座，但并非源自于底座。此情形可在源自于加热灯的光反射出底座的情况下发生。
本发明的可应用性的其它方面将自下文所提供的详细描述变得显而易见。应了解，在表示各种实施例时，详细描述及特定实例意欲达成说明的目的且并不意欲必然地限制本发明的范畴。
附图说明
可通过参考说明书的其余部分及下面的附图来实现对本发明的性质及优势的进一步理解。将诸图并入本发明的详细描述部分中。
图1为根据所揭示实施例的光学高温测定组件的横截面图；
图2为根据所揭示实施例的安装于基材处理系统上的光学高温测定组件的透视图；
图3A至图3E为根据所揭示实施例的高温计组件的横截面图；
图4为两种不同类型的石英的吸收曲线图；
图5为根据所揭示实施例的高温计组件及具有几何特征结构的基座的示意图；
图6为根据所揭示实施例的不同温度量测的曲线图，部分的温度量测是用高温测定组件获取；
图7为根据本发明的实施例的基材处理系统的横截面图；
图8为根据本发明的实施例的基材处理系统的一部分的顶视图；及
图9A至图9B为显示根据所揭示实施例的可用以确定基材处理系统中的基材温度的示范性方法的流程图。
在附图中，类似组件及/或特征结构可具有相同组件符号。此外，可通过在组件符号之后继以短划线及区分类似组件的第二标号来区别相同类型的各种组件。只要第一组件符号在说明书中使用，则该描述可应用于具有相同第一组件符号的类似组件中的任一个而不考虑第二组件符号。
具体实施方式
本文中所揭示的实施例的方面用以通过改良基材处理系统中的基材温度的确定的精确度及可重复性来改良基材处理系统的效能。在本文中通过使用光学高温测定(pyrometry)来确定基材温度。所揭示实施例通过减少到达光学侦测器的杂散光(stray light)且管理发光材料的发射率来改良基材的温度判读。
在本文中经常描述尤其与高温基材处理系统相关的所揭示实施例的性质，这些高温基材处理系统传统上由于在高温下大量发射光来自基材及底座而大量使用高温测定。然而，现在正使用中的其它处理设备及尚未开发的那些处理设备也可受益于所揭示实施例的方式。这些方式使得能够在比传统系统中低的温度下使用高温测定。
将示范性处理及相关联的处理腔室用作揭示本文中实施例的手段。示范性处理为外延膜生长(也称作EPI)且EPI处理腔室通常使用完全位于处理腔室外部的高温计。高温计经常位于基材上方且有时位于基材下方(朝基座向上看)。两个位置都依赖于在光已通过石英(经常以石英圆顶的形式)之后自基材及/或基座接收光的高温计。
高温测定的精确量测通常需要了解对象(基材、基座等)在未知温度下的发射率。遗憾地是，发射率通常取决于温度、表面条件、掺质密度及许多其它变量。在虚拟黑体及灰体的外部，发射率也随波长而变化。随温度而改变的发射率变化最令人烦扰，因为温度是未知的。最好是在发射率相对于温度发生较小变化的对象上执行高温测定。较高发射率表面也使能够获得高温测定的更为精确的量测。
取决于表面条件及掺质类型及含量，硅基材可在低基材温度下具有低发射率且具有发射率对波长的强依赖性。对于超过约250℃的温度而言，硅的发射率在942nm处是均匀地高，然而，在250℃至600℃下，发射率可在1.55μm及3.3μm处变化一数量级(order of magnitude)，这使在两个较长波长处的精确判读变得困难。自基材进行高温测定的量测的替代方法是对基座(或通常称为底座)执行高温测定。
在EPI及其它处理中，在低于1μm的波长处自硅进行高温测定的量测可避免由于随基材温度的发射率变化产生的问题，然而替换地涉及对源自加热灯的背景光信号增加的敏感性的问题。灯由于其显著较高的温度，而产生比基材更多的照度(illumination)。900℃的基材可由灯在2100℃下加热，且400℃的基材对应于1800℃下的加热灯。对于942nm辐射，由灯在2100℃下发射的强度比由基材在900℃下发射的强度高约两个数量级。然而，由灯在1800℃下发射的强度比由基材在400℃下发射的强度高约六个数量级。在较长波长处，此效应减小。对于3.3μm辐射，由灯在2100℃下发射的强度比由黑体在900℃下发射的强度高约一个数量级，而由灯在1800℃下发射的强度比由黑体在900℃下发射的强度高约两个数量级。
尤其对于较短波长，来自灯的背景辐射可显著地影响高温测定的量测。所揭示实施例使光学高温测定能够用于灯辐射与基材辐射的高强度比率。这些所揭示实施例对于低基材温度及较短波长尤其有益。
图1为根据所揭示实施例的光学高温测定的组件的横截面图。图1中所示的是支撑在自鞘支撑体110延伸的鞘105内部的光管100。套圈(ferrule)115可对光管100进行实体密封。光管100可在处理腔室外部延伸(至图中左侧)。作为选择，光管100可如图所示端接于套圈115附近，且光可在离开光管100后得以侦测。也显示可用以便于连接高温计传感器的耦接器120。鞘105可由耐受处理温度的材料制成。鞘可由耐火的材料及/或光学吸收材料(诸如碳化硅、涂布碳化硅的石墨、氮化硅及氮化铝)制成。在所揭示实施例中，光管可为蓝宝石棒(sapphire rod)、涂布有反射材料的蓝宝石棒或具有纤芯及整合包层的纤维光缆。
为了保护延伸至处理区域中(至图中右侧)的光管100的末端不受处理条件影响，净化气体(purge gas)可流过净化连接件125。净化气体可含有对处理腔室中的处理具有很小或无影响的一种或多种气体。在实施例中，该气体可含有氢气、氮气及/或氩气。净化气体的流动速率足够高以抑制光管的接收端的沉积或蚀刻，但足够低以避免需要过度的泵气速度，而可处于约200标准立方厘米/分钟(sccm)与8标准升/分钟(slm)之间。在不同所揭示实施例中，鞘可为诸如碳化硅、氮化硅的光学吸收性陶瓷材料或诸如氧化铝的其它陶瓷。由较不易碎的材料(诸如不锈钢)制成的第二鞘可围绕光学吸收性鞘，以提供支撑和保护而不受损坏或破裂。该第二鞘可在所述鞘的长度以下部分地延伸以维持该第二鞘与处理腔室的处理区域之间的距离。在金属的第二鞘的状况下，维持此距离是有益的，因为部分处理会受到金属污染的不利影响。
图2为安装于基材处理系统200上的光学高温测定组件的透视图。连同鞘支撑体205而一同示出基材处理系统200。鞘支撑体205支撑光学吸收性鞘215，该光学吸收性鞘215延伸穿过在预热环220中制得的孔或槽。光管未示出在图2中，但其将位于光学吸收性鞘215的内部。举例而言，在一实施例中，光管100可设置于光学吸收性鞘215的内部。在此视图中，所示的该光学高温测定组件瞄准基座225的边缘，但其也可瞄准基材(未图示)。该组件也可瞄准基材的顶部，底座的底部，或基材(或底座)的任何其它可到达部分。
图3A至图3E为更详细显示的高温计组件的横截面图。图3A显示位于鞘305内部的光管310。在实施例中，鞘305可仅在用于高温测量的光学波长附近部分地吸收。鞘305由鞘支撑体300支撑。在此实施例中，光接收器320-1为光管的朝基材315延伸的末端。通过在基材315附近定位光接收器320-1，减少光管310自除了基材315以外的来源(例如加热灯)接收的光的量。在图3B至图3E中显示的所揭示实施例的其余例子中实现进一步减少。图3B显示光管310相对于鞘305收缩以使得光接收器320-2定位于鞘305的内部。可使鞘305光学地吸收以使得来自除了基材315以外的来源的光较小可能进入光管310。鞘305的末端与基材315之间的间距及光接收器320与基材315之间的间距可变化以调整来自基材315的光的收集效率且促使对来自其它来源的光的拒斥。
图3C显示光学高温测定的组件的另一实施例。在此所揭示实施例中，透镜325用以增加光管310对源自基材315的边缘区域的光的收集效率。该透镜也可减少进入光管310的杂散光(来自除了基材315以外的来源)的量。在此状况下，光接收器为透镜320-3的前界面而不是光管310的表面。透镜325可通过与鞘305进行的实体连接而得以支撑，但可替代地或组合地，透镜325可通过与光管310的实体连接得以支撑。对于可影响光管310或透镜325的收集效率的处理，净化气体可在光管310及透镜325周围流动，以保护表面免于化学反应或沉积。在实施例中，透镜325可如图所示小于鞘305的内径，或可制得较大甚至触及鞘305的内径。对于较大透镜325，可在透镜中制作孔洞或凹口以允许净化气体流动。
图3D显示光学高温测定的组件的另一实施例。在此所揭示实施例中，电馈通(electrical feed-through)经过电连接335进入处理腔室中而至光学传感器330。电连接335可包括电源供应器及用于输出指示侦测光的强度的信号线。光学传感器330可包括用以选择一或多个波长或波长范围以用于计算基材315的温度的一或多个滤波器。显示的透镜325是在基材315与光学传感器330之间的路径中。透镜325可用以增加光学传感器330的收集效率。再次，光接收器为透镜320-4的前界面且并非光学传感器330的表面。光学传感器330及透镜325可经制造而具有比鞘305的内径小的外径。在另一所揭示实施例中，光学传感器330及透镜325可具有与鞘305的内径类似的外径。当任一光学组件的外径近似于鞘的内径时，凹口或孔洞可形成于该组件中，以允许净化气体自图中左侧流动至右侧。图3E显示不具有透镜的相关实施例。杂散光仍可由鞘305抑制，尤其是在鞘305由光学吸收性材料制成时。在此状况下，光接收器为光学传感器330的前表面320-5。
由于发射率的温度依赖性及发射率比1(unity)小得多的可能性，所以在比大约1μm长的波长处的硅基材高温测定是有问题的。发射率的温度依赖性会对由轻微掺杂的硅所得的量测造成影响，从而使EPI腔室中共同基材的高温测定的量测不可靠及/或不可再现。从基材进行量测的替代方法是使高温测定组件瞄准支撑硅基材的基座侧。所揭示的高温测定组件可用以量测基座温度以及其它基材底座的温度。基座经常由具有较有利光学性质的材料制成。碳化硅及涂布碳化硅的石墨经常用以制造基座。碳化硅的发射率比硅更接近于1且较少受温度影响。事实上，对于在0.8μm至6μm的范围中的光学波长，碳化硅相当接近于灰体。使高温计瞄准在碳化硅样品处使得能够使用较长波长用于高温测定。
参考图3论述在较高波长处执行高温测定的益处。该益处是减小源自于加热灯的光强度与在显著较低温度下源自于热监视样品的光强度的比率。其它益处是由将光接收器定位于处理腔室内部的所揭示实施例而可获得。加热灯定位于通过石英圆顶从腔室体积隔离开的顶部及底部上。石英圆顶几乎对超过约4.5μm的光不透明，因此可在光接收器位于处理腔室内部时用作在这些长波长处进行的高温测定的量测的滤波器。图4为不同类型的石英的透射率的曲线图。熔融石英较为普遍地用于EPI处理腔室中，且显示了熔融石英的透射率曲线410。横轴405为以微米(μm)为单位的光学波长，且纵轴400为透射光穿过10mm材料的百分比。监视大于3.0μm或大于4.0μm的波长使光自加热灯至处理腔室中的透射分别减少至少约10％或约50％。在例如4.5μm处执行光学高温测定甚至提供更大的益处，因为在4.5μm附近的杂散灯辐射可被抑制约10倍，且取决于石英圆顶所选择的厚度而杂散灯辐射在超过4.8μm处几乎被消除。也显示在较长波长之外保持透明的合成石英的透射率曲线415。可在高于5.0μm的波长处执行光学高温测定，以提供使用合成石英的类似益处。
可通过对于提供在光接收器附近的杂散光具有最小屏蔽或不屏蔽的情况下，侦测来自基座或基材自身的光，而可确定基材的温度。直接自基材执行高温测定的情况是基材由除了基座以外的构件支撑。对于在约650℃与1300℃之间的温度，可使用具有大于3μm的波长的发射光学辐射对基座或基材执行高温测定。对于这些量测，光接收器可位于基材处理腔室的内部或外部。对于甚至更大的波长(例如，大于4μm或4.5μm)，光接收器可置放于基材处理腔室的内部，且可由石英圆顶或视端口的光学吸收提供足够的屏蔽。对于所有波长，光接收器的数值孔径(numerical aperture)可减小以提供对不是由基材或基座热产生的光的屏蔽。该数值孔径在不同实施例中可小于0.1、0.05或0.025。可组合或替代由石英提供的吸收性屏蔽及由鞘提供的任何屏蔽来使用低数值孔径。
对于在约300℃与650℃之间的温度，在自硅基材执行高温测定时低波长(在实施例中小于约1μm或1.2μm)可能是期望的，以维持足够高的发射率。在这些条件下，由于来自加热灯的大量光及石英对光的低吸收，屏蔽提供较大值。屏蔽可由延伸超出光接收器的范围的鞘提供。单独或与鞘组合，光接收器的数值孔径也可经过减小以提供屏蔽。该数值孔径在不同实施例中可小于0.1、0.05或0.025。在约2μm至4μm的范围中的波长可用于在基材处理腔室的内部或外部的高温测定，其中光屏蔽小于对具有接近1μm的波长的光学辐射使用的光屏蔽。
尽管碳化硅的发射率比硅基材对温度及波长更加不敏感，但有理由坚持解决剩余的依赖性。不管用以形成基座的材料如何而控制发射率的一个方式是在执行光学高温测定所在的区域中制造高内表面区域几何特征结构。图5为高温计组件500及沿边缘具有几何特征结构510的基座505的示意图。执行从小于1发射率的材料形成的几何特征结构的高温测量的光学高温计比从由相同材料制成的无特征结构对象能侦测更多光。随着特征结构的总内部区域相对于跨越光学入口的区域增加，所察觉到的发射率朝1增加而不管用以形成几何特征结构的材料如何。
制造出具有比孔洞的半径大的内部半径的形状具有挑战性且增加成本。在基座中制造具有高的总内部区域但具有跨越光学入口的相对小区域的几何特征结构的一种方式是在基座中钻深孔。在由涂布碳化硅的石墨、碳化硅、氮化硅、氮化铝及其它高发射性、光学吸收性陶瓷材料制成的基座中形成深孔会产生具有由石墨的发射率表征的内表面的圆柱体。对于在0.8μm与6μm之间的波长，石墨的发射率非常接近于1，所以黑体特征结构甚至对于相对浅的孔也具有高发射率。因为光学高温测定组件自较高发射率的区域收集光，所以来自基座的边缘的光学信号呈现出具有较高强度的区域。在峰值(或其统计表示)处或附近的信号可用作基座的温度的指示。
或者，可在基座的圆周的周围机械加工出沟槽，在此状况下，来自高温计的信号更一致地指示基座的温度。沟槽将允许较高速度或更精确监视基座的温度，因为有用数据不受限于使孔与高温计光接收器对准的旋转位置。沟槽经常较容易整合至基座制造处理流程中，从而进一步减小成本。
为了更佳地理解及了解所揭示实施例，现参考图6，其为在阶梯形(step-like)升温期间获取的基座的不同温度量测的曲线图。在光收集路径中用具有透镜(NA 0.05)的光管获取四个数据序列中的三个。光接收器(透镜的基座侧)距基座的边缘0.1英寸(inch)。鞘延伸更接近于基座；间隔为0.075英寸。该鞘由具有0.050英寸的内径及0.118英寸的外径的碳化硅制成。光管具有0.032英寸的外径。用安装于触及基座的边缘的预热环内部的热电偶量计(gauge)来获取四个数据序列中的一个。
表示用热电偶量计进行温度量测的曲线用虚线610予以表示且可能并非为基座(或基材)温度的理想指示。然而，热电偶量测可用以获悉在不同波长处操作高温测定组件的适用性。横轴605为以秒为单位的时间，且纵轴600为各种方法的以摄氏度为单位的温度读数。将表示用在0.942μm处操作的高温计进行温度量测的曲线显示为长虚线615。在单独获取中，在两个其它波长处搜集数据。将表示用在1.550μm处操作的高温计进行温度量测的曲线显示为短虚线620。将表示用在2.300μm处操作的高温计进行温度量测的另一曲线显示为实线625。在220秒处，关闭加热灯。来自0.942μm高温计的读数615比其它读数反应更为快速，且此快速性与具有同基座的质量类似的质量的对象的冷却不一致。在此特定配置中，在0.942μm处操作的高温计看似侦测来自灯的光。一致地，在460秒、580秒、730秒、880秒及1040秒处加热灯辐射的间断增加情形引起0.942μm高温计信号的相同快速增加。这证实了在高温计传感器上进行加热灯照明的侦测。
与0.942μm处高温计量测相比，在1.550μm处的高温计量测620并不展现急剧下降(接近220秒)或上升(包括1040秒及880秒的若干位置)。然而，在1.550μm处的高温计量测620与热电偶量测610(应注意，460秒与780秒之间的区域)显著不同。此时间区域与400℃与650℃之间的基座温度相关。1.550μm高温计量测620与热电偶量测610的显著偏差表示在400℃与650℃之间来自加热灯的光强度与来自基座的强度的比率仍过高，从而使由鞘提供的保护不充分。该比率变得更有助于较高波长的高温测定。在2.300μm处的高温计量测625贯穿400℃与650℃之间的温度范围紧密地追踪热电偶量测610。热电偶量计可能由于热负载及量计的位置(稍微远离基座)而低估基座的温度。这些区别可阐释在2.300μm处的高温计量测625与热电偶量测610之间存在的差异。
在本文中，术语“光”、“光学”及“光学器件”的使用并不意味所涉及的电磁辐射必须来自光谱的可见部分。该光可具有任何波长。
示范性系统
图7至图8显示根据本发明的实施例的基材处理系统的实例。在图7中所显示的处理装置710为沉积反应器且包括具有上部圆顶714、下部圆顶716及位于上部圆顶714与下部圆顶716之间的侧壁718的沉积腔室712。冷却流体(未图示)可循环通过侧壁718，以冷却用以通过侧壁718而密封圆顶714及716的O形环。上部衬垫782及下部衬垫784被安装抵靠侧壁718的内表面。上部圆顶714及下部圆顶716由透明材料制成以允许加热光通过而进入沉积腔室712中。
在腔室712内为用于在水平位置中支撑晶片的平坦的圆形底座720。底座720可为基座或其它晶片支撑结构且横向延伸跨越侧壁718处的腔室712以将腔室712区分成底座720上方的上部部分722及底座720下方的下部部分724。底座720安装于自底座720的底部中心向下垂直延伸的轴杆726上。轴杆726连接至使轴杆726旋转且藉此使底座720旋转的马达(未图示)。环形预热环728在其外周边处连接至下部衬垫784的内周边，且在底座720周围延伸。预热环728占用几乎与底座720相同的平面，其中预热环728的内部边缘与底座720的外部边缘隔开一间隙。
入口歧管730定位于腔室712的侧壁718中，且适以自气体源(诸如贮槽741a-741c)导入气体至腔室712中。来自贮槽741a-741c的气体的流动较佳通过手控阀及计算机控制流量控制器742a-742c独立控制。出口732定位于腔室712的一侧，而该侧与入口歧管730直径上是对置的，且出口732适以自沉积腔室712排出气体。
多个高强度灯734安装于腔室712周围，且指引其光穿过上部圆顶714及下部圆顶716而至底座720(及预热环728)上，以加热底座720(及预热环728)。底座720及预热环728由诸如对从灯734发射的辐射不透明的涂布有碳化硅的石墨的材料制成，以使得其可由来自灯734的辐射加热。上部圆顶714及下部圆顶716由对来自灯734的光为透明的材料(诸如透明石英；clear quartz)制成。上部圆顶714及下部圆顶716通常由石英制成，因为石英对可见频率与IR频率的光为透明。石英展现相对高的结构强度，且在沉积腔室712的处理环境中保持化学稳定。尽管灯是用于加热沉积腔室712中的晶片的较佳工具，但可使用其它方法，诸如电阻加热器及RF电感性加热器。红外线温度传感器736(诸如高温计)安装于下部圆顶716下方，且经由下部圆顶716而面向底座720的底表面。温度传感器736用以通过接收从底座720发射的红外线辐射而监视底座720的温度。用于量测晶片的温度的温度传感器737也可存在于一些所揭示实施例中。
上部夹环748在上部圆顶714的外表面的周边周围延伸。下部夹环750在下部圆顶716的外表面的周边周围延伸。将上部夹环748与下部夹环750紧固在一起以将上部圆顶714及下部圆顶716夹持至侧壁718。
反应器710包括用于将处理气体馈送至腔室712中的气体入口歧管730。气体入口歧管730包括：连接器盖738、隔板774、定位于侧壁718内的插入板779，及形成于上部衬垫782与下部衬垫784之间的通道760。通道760连接至腔室712的上部部分722。来自气体盖738的处理气体通过隔板774、插入板779及通道760且进入腔室712的上部部分722中。
反应器710也包括用于将惰性净化气体(例如但不限于氢气(H2)及氮气(N2))馈送至沉积腔室712的下部部分724中的独立惰性气体入口761。如图7中所示，若较佳，则可将惰性净化气体入口761整合至气体入口歧管730中，只要为惰性气体提供穿过隔板774、插入板779及下部衬垫784的实体上分离且不同的通道761，以使得惰性净化气体可独立于处理气体加以控制及导引即可。惰性净化气体入口761无需必要地与气体入口歧管730整合或与之定位于一起，而可例如以与沉积气体入口歧管730成90°的角度定位于反应器710上。
反应器710也包括气体出口732。气体出口732包括从上部腔室部分722延伸至侧壁718的外径的排气通道790。排气通道790包括形成于上部衬垫782与下部衬垫784之间且在上部腔室部分722与侧壁718的内径之间延伸的上部通道792。另外，排气通道790包括形成于定位在侧壁718内部的插入板779内的排气沟道794。用于从腔室712移除材料的真空源(例如：泵，图中未示)通过出口管733在侧壁718的外部上耦接至排气沟道794。因此，馈送至上部腔室部分722中的处理气体经由上部通道792、经由排气沟道794得以排出且进入出口管733中。
图7中所示的单晶片反应器为“冷壁”反应器。也即，在处理期间，侧壁718以及上部与下部衬垫782、784分别比预热环728及底座720(及置放于其上的晶片)处于实质上较低的温度。举例而言，在将外延硅膜沉积于晶片上的处理中，将底座及晶片加热至550-1200℃之间的温度，而侧壁(及衬垫)处于约400-600℃的温度。因为侧壁及衬垫归因于反射体735而不接收来自灯734的直接照射，且因为冷却流体循环穿过侧壁718，所以侧壁及衬垫处于较冷温度。
气体出口732也包括经由下部衬垫784而自下部腔室部分724延伸至排气通道790的通风口(vent)796。通风口796较佳与排气通道790的上部通道792相交(如图7中所示)。惰性净化气体经由通风口796、经由上部腔室通道792的一部分、经由排气沟道794而自下部腔室部分724排出且进入出口管733中。通风口796允许将净化气体自下部腔室部分直接排出至排气通道790。
根据本发明，将处理气体798自气体入口歧管730馈送至上部腔室部分722中。根据本发明，将处理气体定义为用以移除、处理或沉积置放于腔室712中的晶片或基材上的膜的气体或气体混合物。根据本发明，包含HCl及惰性气体(诸如H2)的处理气体用以通过移除及使硅表面平滑来处理硅表面。在本发明的实施例中，处理气体用以在已处理硅表面之后，在置放于底座720上的晶片的硅表面上沉积硅外延层。处理气体798通常包括硅源，诸如(但不限于)单硅烷、三氯硅烷、二氯硅烷，及四氯硅烷、甲基硅烷；及掺质气源，诸如(但不限于)膦、二硼烷、锗烷及胂及其它，以及其它处理气体(诸如氧气、甲烷、氨等)。载气(诸如H2)通常包括在沉积气流中。对于具有约5升的体积的处理腔室，通常将在35-75slm之间的沉积处理气流(包括载气)馈送至上部腔室部分722中，以在晶片上沉积硅层。处理气体798的流动基本上为自入口通道760越过预热环728，越过底座720(及晶片)，越过预热环728的相对侧且穿出排气通道790的层流(laminar flow)。处理气体通过预热环728、底座720及经处理的晶片而加热至沉积或处理温度。在将外延硅层沉积于晶片上的处理中，将底座720及预热环728加热至800℃-1200℃之间的温度。可在低至550℃的温度下通过使用减小的沉积压力而使用硅烷形成硅外延膜。
另外，当将处理气体馈送至上部腔室部分中时，将惰性净化气体799独立地馈送至下部腔室部分724中。将惰性净化气体定义为在处理温度下实质上不起反应的气体，其中将腔室特征结构及晶片置放于沉积腔室712中。当在腔室712中时，该惰性净化气体由预热环728及底座720加热至与处理气体基本上相同的温度。在相对于上部腔室部分722中的处理气体压力而在下部腔室部分724内形成正压力的速率下，将惰性净化气体799馈送至下部腔室部分724中。因此，可防止处理气体798向下渗出且进入下部腔室部分724中，及在底座720的背侧上沉积。
图8显示将气体供应至处理腔室的上部区域的气体入口歧管730的一部分。将图8的插入板779显示为由内部区域828及外部区域830构成。根据本发明的此实施例，流入内部区域828中的处理气体的组成可独立于流入外部区域830中的气体的组成加以控制。另外，可彼此独立地进一步控制气体到内部区域828的(两个)半(halves)内部区域828a、828b中的任一个的流动速率。这样做是为实现控制在半导体晶片的不同区域上混合的处理气体的组成的目的而提供气流的两个控制程度。
图7中所示的处理装置710包括控制装置710的各种操作(诸如控制气体流动、基材温度及腔室压力)的系统控制器762。在本发明的实施例中，系统控制器762包括硬盘机(内存764)、软盘机及处理器766。该处理器含有单板计算机(SBC)、模拟及数字输入/输出板、接口板及步进马达控制器板。处理装置710的各种部件可符合用于界定板、卡片机架及连接器尺寸及类型的Versa Modular Europeans(VME)标准。VME标准也界定具有16位数据总线及24位地址总线的总线结构。
系统控制器762控制装置710的活动。该系统控制器执行系统控制软件，该系统控制软件为储存于计算机可读媒体(诸如内存764)中的计算机程序。内存764可为硬盘机，但内存764也可为其它种类的内存。内存764也可为这些种类的内存中的一或多个的组合。该计算机程序包括指示时序、气体混合物、腔室压力、腔室温度、灯功率水平、底座位置及特定处理的其它参数的指令集。当然，其它计算机程序(诸如储存于另一内存器件(包括例如为软盘机或另一适合驱动器)上的计算机程序)也可用以操作系统控制器762。输入/输出(I/O)器件768(诸如LCD监视器及键盘)可用以在使用者、仪器与系统控制器762之间作为接口。
可使用储存于内存764中且由处理器766执行的计算机程序产品来实施根据本发明的用于量测及调整基材温度的过程。可采用任何计算机可读程序设计语言(诸如汇编语言、C、C++、Pascal、Fortran或其它语言)撰写计算机程序码。使用程序编辑器将适合程序代码键入单一文件或多个文件中，且将其储存或实施于计算机可用媒体(诸如计算机的内存系统)中。当经编辑的代码处于高级语言时，可编译该程序代码，且接着使所得编译码与预编译库存例程的目标码相链接。为了执行链接的经编译的目标码，系统使用者调用目标码，从而使计算机系统将该码加载到内存中，CPU自该内存读取及执行该码以执行在程序中识别的任务。处理参数，诸如根据本发明进行量测及调整所必需的处理气体流动速率(例如，H2及HCl流动速率)、处理温度及处理压力，也储存于内存764中。
图9A至图9B为显示根据所揭示实施例的可用以确定基材处理系统中的基材的温度的示范性方法的流程图。在图9A中，在可旋转的底座附近定位光管(步骤905)。使光管的末端屏蔽杂散光(步骤910)以改良底座及驻留于底座上的基材的温度确定的准确度及/或精度。在步骤915中，使惰性气体在光管的末端附近流动以减少可能影响温度确定的污染。侦测来自底座的具有长波长(例如，＞4.5μm)的光(步骤920)，且使用该光来确定底座温度(步骤925)。该底座温度可接着用以在步骤930中确定基材的温度。
在图9B中，在可旋转的基材附近定位光管(步骤955)。使光管的末端屏蔽杂散光(步骤960)以改良基材的温度确定的准确度及/或精度。在步骤965中，使惰性气体在光管的末端附近流动以减少可能影响温度确定的污染。侦测来自基材的具有短波长(例如，＜1.2μm)的光(步骤970)，且使用该光来确定基材温度(步骤975)。
在一实施例中，基材处理系统包括：处理腔室；底座，其用于支撑设置于处理腔室内的基材；及光学高温测定组件，其耦接至处理腔室以量测实质上源自于底座的边缘的发射光。该光学高温测定组件进一步包括光接收器及光学侦测器。该光接收器可位于处理腔室内。该光学高温测定组件接收所述发射光的一部分，且底座的温度是根据发射光的该部分在至少一个波长附近的强度来确定。
在另一实施例中，处理腔室的一部分是透明的，以允许来自加热灯的光的一部分进入处理腔室。
在又一实施例中，该至少一个波长中的一或多个大于3μm，以减少来自处理腔室外部的杂散光对温度量测的影响。
在又一实施例中，该至少一个波长中的一或多个大于4.5μm，以减少来自处理腔室外部的杂散光对温度量测的影响。
在又一实施例中，经接收的发射光的所述部分包括在第一波长处具有第一强度的光及在第二波长处具有第二强度的光。根据第一强度与第二强度的比率而确定底座的温度。
在又一实施例中，光接收器的数值孔径小于约0.1、0.5或0.025。
在又一实施例中，该光学高温测定组件进一步包括鞘，其中该鞘延伸超出光接收器至少0.005英寸以减少进入光接收器的杂散光的量。
在又一实施例中，光接收器在底座的边缘的0.200英寸内。
在又一实施例中，基材处理系统包括：处理腔室；及光学高温测定组件，其耦接至该处理腔室以量测实质上源自于基材的一部分的发射光。该光学高温测定组件包括光接收器及光学侦测器。该光接收器位于处理腔室内。该光学高温测定组件接收所述发射光的一部分，且基材的温度是根据发射光的该部分在至少一个波长附近的强度而确定。
在又一实施例中，该基材的温度小于约摄氏650度。
在又一实施例中，该至少一个波长中的一或多个小于约1.2μm。
在又一实施例中，该至少一个波长中的一或多个小于约1.0μm。
在又一实施例中，光接收器的数值孔径小于约0.1、0.5或0.025。
在又一实施例中，处理腔室的一部分是透明的，以允许来自加热灯的光的一部分进入处理腔室。
在又一实施例中，该至少一个波长中的一或多个大于3μm，以减少来自处理腔室外部的杂散光对温度量测的影响。
在又一实施例中，该至少一个波长中的一或多个大于4.5μm，以减少来自处理腔室外部的杂散光对温度量测的影响。
在又一实施例中，经接收的发射光的所述部分包括在第一波长处具有第一强度的光及在第二波长处具有第二强度的光。根据第一强度与第二强度的比率来确定基材的温度。
在又一实施例中，光接收器在底座或基材的边缘的0.200英寸内。
在又一实施例中，该基材处理系统进一步包括鞘，该鞘延伸超出光接收器至少0.005英寸以减少进入光接收器的杂散光的量。
在又一实施例中，其中该基材的所述部分包括基材的边缘。
在又一实施例中，基材处理系统包括：处理腔室；底座，其用于支撑设置于处理腔室内的基材，其中该底座在底座的一部分上具有一或多个特征结构，以增加邻近该一或多个特征结构处在至少一个波长附近的光学发射率；及光学高温测定组件，其耦接至该处理腔室以量测实质上源自于底座的所述部分的发射光。该光学高温测定组件进一步包括耦接至光管的第一末端的光接收器。该光学高温测定组件也包括耦接至光接收器的用于侦测发射光的一部分的光学侦测器。底座的温度是由发射光的该部分在至少一个波长附近的强度而确定。
在又一实施例中，光接收器与底座的所述部分实质上对准且接收自一或多个特征结构发出的光。
在又一实施例中，该光学高温测定组件进一步包括鞘，该鞘设置于光接收器的末端附近以减少进入光管的杂散光。
在又一实施例中，该鞘延伸越过光管的末端，但并不阻止光在底座的所述部分与光接收器之间行进。
在又一实施例中，该鞘延伸越过光管的末端，但不覆盖光管的末端处的开口。
在又一实施例中，该底座的所述部分包含底座的边缘。
在又一实施例中，该光学高温测定组件进一步包括设置于光管的第二末端附近的气体入口。该气体入口耦接至光管内的沟道，其中供应至气体入口的气体流过该沟道到光管的第一末端且进入腔室中，从而用气体净化光管的第一末端。
在又一实施例中，该气体包含氢气、氮气及氩气中的至少一种。
在又一实施例中，气体的流动速率在约200标准立方厘米/分钟(sccm)与8标准升/分钟(slm)之间。
在又一实施例中，在底座的边缘上的一或多个特征结构包括在底座的边缘周围的沟槽。
在又一实施例中，在底座的边缘上的一或多个特征结构包括钻设于底座中的孔，其中这些孔中的至少一个具有是跨越孔的开口的区域至少两倍的总内部区域。
在又一实施例中，一种用于在处理期间量测基材的温度的方法，包括：将光管设置于底座或基材的一部分附近；使光管的末端屏蔽杂散光，以使得光管的末端接收来自底座或基材的一部分的光；用气体净化光管的末端，以减少光管的末端的污染；侦测自底座或基材发射且由光管接收的光的一部分；及根据来自底座或基材的发射光的该部分在至少一个波长附近的强度而确定基材的温度。
在又一实施例中，该方法进一步包括在量测温度的同时，使底座及/或基材旋转。
在又一实施例中，该方法进一步包括使用包含氢气、氮气及氩气中的至少一种的气体来净化光管的末端。
在又一实施例中，该方法进一步包括使气体在约200标准立方厘米/分钟(sccm)与8标准升/分钟(slm)之间流动，以净化光管的末端。
在又一实施例中，该底座在底座的边缘上具有一或多个特征结构，以增加在一或多个特征结构的邻近处在至少一个波长附近的表观(apparent)光学发射率，且侦测自底座发射的光的一部分的步骤进一步包括侦测来自这些特征结构的发射光。
在又一实施例中，该至少一个波长中的一或多个大于3μm，以减少杂散光对温度量测的影响。
在又一实施例中，该至少一个波长中的一或多个大于4.5μm，以减少杂散光对温度量测的影响。
熟悉本领域技术的人员也将认识到，尽管上文已根据较佳实施例来描述本发明，但本发明不限于此。可个别地或联合地使用上文所描述的本发明的各种特征及方式。此外，尽管已在实施于特定环境中的情形下且对于特定应用描述本发明，但本领域技术人员也将认识到其用途不限于此，且可以任何数目的环境及实施来利用本发明。
Claims (15)
1.一种基材处理系统，包含：
处理腔室；
底座，用以支撑设置于所述处理腔室内的基材；
光学高温测定组件，用以量测实质上源自所述底座的边缘的发射光，所述光学高温测定组件包含：
光接收器；及
光学侦测器；
其中所述光学高温测定组件接收所述发射光的一部分；且
其中所述底座的温度是由所述发射光的所述部分在至少一个波长附近的强度而确定。
2.如权利要求1所述的基材处理系统，其中所述光接收器设置于所述处理腔室内。
3.如权利要求1所述的基材处理系统，其中所述处理腔室的一部分为透明的，以允许来自加热灯的光的一部分进入所述处理腔室。
4.如权利要求3所述的基材处理系统，其中所述至少一个波长中的一或多个大于3μm。
5.如权利要求1所述的基材处理系统，其中经接收的所述发射光的所述部分包含在第一波长处具有第一强度的光及在第二波长处具有第二强度的光，且其中所述底座的温度是由所述第一强度与所述第二强度的比率而确定。
6.如权利要求1所述的基材处理系统，还包含鞘，其中所述鞘延伸超出所述光接收器至少0.005英寸。
7.如权利要求1所述的基材处理系统，其中所述光接收器在所述底座的边缘的0.200英寸内。
8.如权利要求1所述的基材处理系统，其中所述底座具有一或多个特征结构位于所述底座的边缘上，以增加邻近所述一或多个特征结构的处于至少一个波长附近的表观光学发射率。
9.一种基材处理系统，包含：
处理腔室；
光学高温测定组件，用以量测实质上源自基材的一部分的发射光，所述光学高温测定组件包含：
光接收器；及
光学侦测器；
其中所述光学高温测定组件接收所述发射光的一部分；
其中所述光接收器设置于所述处理腔室之内；且
其中所述基材的温度是由所述发射光的所述部分在至少一个波长附近的强度而确定。
10.如权利要求9所述的基材处理系统，其中所述基材的温度小于约摄氏650度。
11.如权利要求9所述的基材处理系统，其中所述至少一个波长中的一或多个小于约1.2μm。
12.如权利要求9所述的基材处理系统，其中所述光接收器的数值孔径小于约0.1。
13.如权利要求9所述的基材处理系统，其中所述处理腔室的一部分为透明的，以允许来自加热灯的光的一部分进入所述处理腔室。
14.如权利要求9所述的基材处理系统，还包含鞘，其中所述鞘延伸超出所述光接收器至少0.005英寸。
15.如权利要求9所述的基材处理系统，其中所述光接收器在所述基材的边缘的0.200英寸内。
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