CN102576676A - 用于改善控制加热和冷却基板的设备与方法 - Google Patents

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Abstract

描述了用于处理基板与控制基板的加热与冷却的方法及设备。提供第一波长范围内的辐射的辐射源在预定温度范围内加热基板，所述基板可吸收在所述第一波长范围内和所述预定温度范围内的第二波长范围内的辐射。滤片防止至少一部分的第二波长范围内的辐射到达所述基板。

Description

用于改善控制加热和冷却基板的设备与方法
技术领域
本发明一般涉及基板的热处理。尤其是，本发明的具体实施例涉及在快速热处理半导体期间的高温测定法。
背景
快速热处理(rapid thermal processing，RTP)技术在制造半导体集成电路中是一种已发展完全的技术，其中基板(例如，硅晶片)在RTP的腔室中被高强度的光辐射照射，以使基板快速地加热至相对高的温度而热启动(thermalactivate)基板上的工艺。一旦基板经过热处理，辐射能量就被移除并且基板快速冷却。因为仅有基板受到加热，并且基板周围的腔室未被加热至处理基板所需的高温，所以RTP技术可有效地运用能量。换句话说，在RTP工艺中，被处理的基板并未与周围的环境(即，腔室)达到热平衡。
以硅或其它晶片制造集成电路涉及许多步骤，这些步骤是沉积各层、光刻图案化各层、以及蚀刻这些图案化的层。离子注入(ion implantation)被用来在具有半导体性质的硅中掺杂有源区(active region)。制造程序中也包括晶片的热退火，此退火工序具有多种用途，包括修补注入损害和活化掺杂剂、以及结晶、热氧化和氮化、硅化(silicidation)、化学气相沉积、气相掺杂、热清洁、和其它种用途。
虽然早期硅技术中的典型退火工艺，涉及在退火炉中长时间加热多片晶片，但随着电路特征逐渐小型化，与日俱增地使用RTP以满足处理基板的迫切需求。RTP一般在单晶片的腔室中进行，用来自高强度灯的阵列的光线照射晶片，所述光线被导向在集成电路所形成的晶片正面上。至少部分的辐射会被晶片吸收，并且快速将所述晶片加热至期望的高温，例如高于600℃，或在某些应用中为高于1000℃。可快速地打开或关掉此辐射热，从而在相对短的时间中以可控制方式加热晶片，例如1分钟之内，或例如30秒之内，更准确地为10秒之内，再更准确地为1秒之内。在快速热处理腔室中可进行以下所述变化率的温度变化，至少约1℃/秒至50℃/秒以及更高的变化率，例如至少约100℃/秒或至少约150℃/秒。
在某些工艺中可能会需要较低的温度，例如低于约600℃。在处理腔室中的基板的温度可能低于400℃，并可如同约175℃一般低。这些工艺的实例为在硅晶片上形成硅化物。腔室中的基板(例如硅晶片)处理的质量和效能，部分取决于提供并保持精准的晶片或基板控制温度的能力。此外，任何在基板冷却速率中的改善会是基板的快速热处理的主要进步。因此，期望有系统与方法能够提供对基板的加热较良好的控制以及/或改善基板在热处理腔室中的冷却速率。
概述
在一个实施例中，用于加热基板的设备包括：热源，所述热源提供第一波长范围的辐射并且在预定温度范围内加热所述基板，所述基板能吸收在所述第一波长范围内和所述预定温度范围内的第二波长范围内的辐射；工艺区域，所述工艺区域包括基板支撑件以支撑所述基板；以及滤片，所述滤片设置在所述基板支撑件与所述热源之间以过滤来自所述热源的辐射，使得至少一部分的所述第二波长范围内的辐射不被所述基板所吸收。
在一个实施例中，所述滤片包括反射窗，当所述热源在将所述基板加热至低于约600℃的温度之后而关闭时，所述反射窗有效防止至少一部分的所述第二波长范围内的辐射传输到所述基板，以致所述基板的冷却以较快的速率发生，所述速率比当未防止所述第二波长的范围内的所述辐射被所述基板吸收时的速率快。在一个实施例中，所述滤片包括反射窗，所述反射窗反射所述第二波长范围内的辐射，而所述第二波长范围是预定的波长范围，所述预定的波长范围基于作为温度函数的所述基板的吸收率。
在特定实施例中，所述基板包含硅并且所述第二波长范围具有大于约1000nm的下限。在进一步的特定实施例中，所述第二波长范围具有约1000nm的下限以及约1300nm的上限，或者具有约1000nm的下限以及约1200nm的上限。
在一个实施例中，所述滤片包括吸收窗，当所述热源在将所述基板加热至低于约600℃的温度之后而关闭时，所述吸收窗有效防止至少一部分的所述第二波长范围内的辐射传输到所述基板。在一个实施例中，所述基板包含硅并且所述第二波长范围具有超过约900nm的下限。
在特定实施例中，所述热源包括数盏灯并且所述第二波长的范围是基于所述基板的组成以及所述热源的发射峰值而选择的，以改善加热所述基板的可预测性，所述热源的发射峰值以及加热所述基板的可预测性为施加至所述数盏灯的能量的函数。
在利用反射窗的特定实施例中，所述反射窗有效阻挡所述第二波长范围内预选百分比的辐射，以及阻挡第三波长范围内不同的预选百分比的辐射，所述第三波长范围不同于所述第二波长范围。
在其它特定实施例中，所述设备进一步包括处理器，能操作所述处理器以控制供给至所述数盏灯的能量的量以及能量的时间间隔，以生成预定的最大加热元件温度而向灯提供最佳化的冷却轮廓(cool down profile)，进而减少基板在所述工艺区域中的热暴露。
本发明的另一方面属于用于在快速热处理腔室中处理基板的方法，所述方法包括以下步骤：在预定温度范围内，以产生第一波长范围内的辐射的加热源快速加热所述基板，所述基板能吸收在所述第一波长范围内和所述预定温度范围内的第二波长范围内的辐射；以及过滤来自所述加热源的辐射，使得至少一部分的所述第二波长范围内的辐射不被所述基板所吸收。
在特定的方法实施例中，过滤来自所述加热源的辐射的步骤是通过反射窗提供的，当所述加热源在将所述基板加热至低于约600℃的温度之后而关闭时，所述反射窗有效防止至少一部分的所述第二波长范围内的辐射传输到所述基板，并且所述基板的冷却以较快的速率发生，所述速率比当未防止所述第二波长的范围内的所述辐射被所述基板吸收时的速率快。在一个实施例中，所述第二波长范围是预定的波长范围，所述预定的波长范围基于作为温度的函数的所述基板的吸收率。
在特定方法实施例中，所述基板包含硅并且所述第二波长范围具有超过约1000nm的下限，例如具有约1000nm的下限以及约1300nm的上限，或更具体地，具有约1000nm的下限以及约1200nm的上限。
在特定方法实施例中，过滤来自所述加热源的辐射的步骤是由吸收窗提供的，当所述加热源在将所述基板加热至低于约600℃的温度之后而关闭时，所述吸收窗有效防止至少一部分的所述第二波长范围内的辐射传输到所述基板。
在其它特定方法实施例中，所述窗进一步包括吸收剂，当所述加热源在将所述基板加热至低于约600℃的温度之后而关闭时，所述吸收剂有效阻挡至少一部分的所述第二波长范围内的辐射到达所述基板。在其它方法实施例中，所述窗进一步包括吸收剂，当所述加热源于将所述基板加热至低于约600℃的温度之后而关闭时，所述吸收剂有效阻挡至少一部分的超过预定波长的辐射到达所述基板。
在其它方法实施例中，所述基板包含硅并且所述第二波长范围具有超过约900nm的下限。
在一个方法实施例中，所述加热源包括数盏灯并且所述第二波长的范围是基于所述基板的组成以及所述加热源的发射峰值而选择的，以与未执行所述过滤步骤时相比提供更加改善的加热所述基板的可预测性，所述加热源的发射峰值以及加热所述基板的可预测性为施加至所述数盏灯的能量的函数。所述方法可进一步包括以下步骤：控制供给至所述数盏灯的能量的量以及能量的时间间隔，以生成预定的最大加热元件温度而将最佳化的冷却轮廓提供给所述灯，进而减少基板在所述腔室中的热暴露。
附图简要说明
图1示出根据一个或多个实施例的快速热处理腔室剖面图；
图2示出依据一个或多个实施例的另一快速热处理腔室剖面图；
图3A-3B示出根据本发明一个方面的滤片透射率与波长的关系图；
图4示出依据本发明一个方面的热源剖面图；
图5A是根据本发明的实施例的处理腔室的概略部分剖面图；
图5B是根据本发明的实施例的处理腔室的概略部分剖面图；
图6是根据本发明的实施例的处理腔室的概略部分剖面图；
图7示出根据本发明一个方面的两个辐射滤片特性的图；
图8示出辐射吸收率曲线与波长的关系图；
图9示出辐射强度曲线与波长的关系图；
图10图解出灯辐射在某些波长上的分布；
图11图解出某些波长上基板的辐射吸收率；
图12图解出根据本发明的实施例用于各种涂层的滤片透射率特性；
图13A至图13D图解出根据本发明的实施例通过施加第一滤片涂层后基板的辐射吸收率的分布，所述分布为源功率、温度与波长的函数；以及
图14A至图14D图解出根据本发明的实施例通过施加第二滤片涂层后基板的辐射吸收率的分布，其为源功率、温度与波长的函数。
详细描述
在对几个本发明的示例实施例进行描述之前，需要理解的是，本发明并不限于以下说明书中所提出的结构或处理步骤之细节。本发明也可有其它的实施例，并以各种不同的方式实行。
依据本发明的一个或多个实施例，提供一种用以处理诸如半导体晶片之类的基板的热处理腔室。晶片温度是用辐射高温测定法进行测量。通过辐射高温测定法能够确定晶片温度，该确定的方式是通过确定基板的发射率并应用已知的辐射定律去校正高温计，用以获得精确的温度测量值。由加热源(例如，灯)所发出的在高温计带宽或波长范围内的辐射，若被高温计检测到，会对高温计信号的判读产生干扰。这可能是因为到达高温计的腔室中源辐射(sourceradiation)的泄漏所致，或是因为在晶片对于源辐射而言是“透明的”时到达高温计的源辐射所致。例如当腔室内操作过程中的硅晶片在低于450℃，及低如25℃时，这种情况就可能发生。
图1示意性地表示出快速热处理腔室10。在美国专利第5,848,842号和6,179,466号中，Peuse等人描述了这种类型的反应器及其设备的进一步的细节。所要进行热处理的晶片12(例如，诸如硅晶片之类的半导体晶片)通过阀门或入口孔13进入腔室10的工艺区域18。晶片12在其边缘受基板支撑件支撑，如此实施例所示，所述支撑件为具有环形倾斜架15的环形边缘环14，所述环形倾斜架15与晶片12的转角接触。在美国专利第6,395,363号中，Ballance等人更完全地叙述了这个边缘环及其支撑功能。晶片放置的方位是，使得已经形成在晶片12正面中的被处理特征结构16面向上，参考向下的重力场方向，朝向由透明石英窗20界定在其上方侧的工艺区域18。与所绘的简图不同的地方在于，这些特征结构16大都并未超出晶片12表面伸出实质可观的距离，而是在表面平面之中或接近于表面平面处构成图案结构。当在叶片(paddle)或机器人翼片(robot blade)(图中未示)把晶片12传送至腔室之中与把晶片放置于边缘环14上之间传递晶片时，可以升高和降低三个举升销22以支撑晶片12背面。辐射加热装置24被装在窗20的上方，以引导辐射能量朝向晶片12并由此加热晶片12。在反应器或处理腔室10中，辐射加热装置包括大量的(典型的数目为409个)高强度钨卤灯26，这些灯26位于各个反射管27中，以六角密集(hexagonal close-packed)阵列的方式排列于窗20的上方。灯26的阵列有时被称为灯头(lamphead)。然而，也可替换为其它的辐射加热装置。一般而言，这些是以电阻性加热使辐射源的温度快速线性上升(ramp up)。合适的灯的例子包括汞蒸汽灯和闪光灯，汞蒸汽灯具有包围灯丝的玻璃或二氧化硅灯罩，而闪光灯包括诸如氙气之类气体的玻璃或硅灯罩，当该气体被激发时可作为热源。这里所使用的“灯(lamp)”这个术语，意指覆盖了那些包括包围热源的灯罩的灯。灯的“热源(heat source)”是指能增加基板温度的材料或元素，例如能被激发的气体或者灯丝。
这里所使用的快速热处理(rapid thermal processing)或RTP，是指能以约50℃/秒以及更高(例如100至150℃/秒，和200至400℃/秒)的速率均匀加热晶片的设备或工艺方法。在RTP腔室中的典型线性降温(ramp-down)(冷却)速率范围为80-150℃/秒。一些在RTP腔室中所进行的工艺，要求基板上各处温度的变化低于几摄氏度。所以，RTP腔室必须包括灯或其它合适的加热系统以及加热系统控制方式，能以高达100至150℃/秒、和200至400℃/秒的速率进行加热，而使快速热处理腔室有别于其它类型的热腔室，所述其它类型的热腔室不具备能以这些速度进行快速加热的加热系统和加热控制系统。
依据本发明具体实施例的进一步的方面，也可应用于闪光式退火(flashannealing)。这里所使用的闪光式退火是指在低于5秒内将样品进行退火，更精确地说在低于1秒内，且在一些实施例中为几毫秒内。
将整个晶片12的温度控制于精密界定的均匀温度是重要的。一种改善温度均匀度的无源装置(passive means)包括反射器28，所述反射器28与晶片12平行且在其上方延伸超过晶片12的面积并面向晶片12背面。此反射器28可有效地将晶片12所发出的热辐射反射回晶片12。晶片12和反射器28之间的间隔可在3至9mm的范围内，且反射器空腔(cavity)的宽度与厚度的深宽比(aspect ratio)较佳为大于20。依据本发明的一个方面，应用反射板来增强诸如晶片之类的基板的表面发射率(apparent emissivity)。反射器28可以由金涂层或多层介电干涉反射体(interference mirror)形成，可有效地在晶片12的背部形成黑体空腔(black-body cavity)，有助于将热从晶片12的高温区分配至其低温区。在其他实施例中，例如在美国专利第6,839,507号和第7,041,931号中所披露的那样，反射器28可以具有更不平整的表面，或具有黑色或其它颜色的表面。黑体空腔中具与晶片12的温度相对应的辐射分布，通常称为普朗克分布(Planck distribution)，而同时灯26所发出的辐射具有对应于灯26更高温度的分布。反射器28可置于金属制成的水冷式基座53上，以在特别是降温的过程中把来自晶片的过多辐射散去(heat sink)。因此，处理腔室的工艺区域具有至少两个实质平行的腔壁，其中第一腔壁为窗20，由对辐射而言是透明的材料制成，例如石英，并且实质平行于第一腔壁的第二腔壁53由金属制成且显然不透明。
改善均匀度的一种方式包括：将边缘环14支撑在可旋转圆柱30上，圆柱30磁性耦接至位于腔室外的可旋转凸缘(flange)32。转子(图中未示)旋转凸缘32并带动晶片围绕着中心34旋转，中心34也是该大体上对称的腔室的中心线。
另一个改善均匀度的方法为将灯26分成多个区，绕着中轴34而大体成环状排列于其周围。控制电路可改变输出至不同区域的灯26的电压，进而可调整辐射能量的辐射分布。一个或多个高温计40可影响分区加热的动态控制，这些高温计是通过一个或多个朝向晶片12背面的光管42耦接，经由反射器28中的孔，测量旋转中晶片12整体半径范围内的温度。光管42可以由各种结构形成，这些结构包括蓝宝石、金属、和二氧化硅光纤。计算机化的控制器44接收高温计40的输出信号，并且依此控制提供至不同环的灯26的电压，由此在处理过程中动态控制辐射加热强度和模式。高温计一般测量在窄波长带宽中的光强度，例如，测量在约700至1000nm之间的范围中40nm的窄波长带宽中的光强度。控制器44或者其它的仪器，通过已知的、在该温度下所保持的黑体辐射出来的光强度的光谱普朗克分布，将光强度数值转换成温度数值。然而，晶片12中被扫描部分的发射率(emissivity)会影响高温测定。发射率ε的值可在0至1之间变化，1代表黑体，0代表完全反射器(perfectreflector)，因而其为晶片背面反射率(reflectivity)R＝1-ε的逆测量值。因晶片的背面通常是均匀的，所以可预期其具有均匀的发射性，不过晶片背面的组成可根据先前的处理而有所变化。通过进一步纳入一种可光学探测晶片从而测量其所面对的晶片部分在相关波长范围内的发射率或反射率的发射计(emissometer)，以及控制器44中的控制算法来纳入所测得的发射率，进而能够改善高温测定的效能。
图1所示的实施例中，基板12和反射器28之间的间距，取决于该给定基板12的期望热流。在一个实施例中，基板12可位于距离反射器28相当远的位置，以减少流至基板的热流。在另一实施例中，基板12可位于靠近反射器28的位置，以增加流至基板12的热流。在基板12的加热过程中，基板12确实的位置和在特定位置滞留的时间，取决于流至基板12理想的热流量。
在另一实施例中，当基板12处于较低的位置(邻近反射器28)时，会增加从基板12至反射器28的热传导并增强冷却工艺。增加的冷却速率又提高了RTP最佳的执行效能。当基板12的位置越接近反射器28，热暴露的量将成比例地减少。图1所示的实施例可使基板12的支撑更容易地悬浮于在腔室中不同的垂直方向上的位置，以控制基板的热暴露。应要理解的是，图1所示的配置模式并非用以作为限制。特别是，本发明并不限于热源或灯朝向基板的一侧或表面、并且高温计朝向基板的相对那面的这些配置方式。
如前所述，一般以辐射高温测定法测量在处理腔室的工艺区域中的晶片温度。虽然辐射高温测定法的准确度相当高，但由加热源所发出的在辐射高温计带宽中的辐射若被高温计检测到，可能会对高温计信号的判读产生干扰。在应用材料公司的RTP系统中，这个问题可因工艺成套仪器(process kit)和晶片本身而最小化。工艺成套仪器耦接晶片和旋转系统。它可以包括图1中所示的支撑圆柱30。它还可以包括支撑环(未于图中示出，但也可以用于某些处理腔室配置中)。这种支撑环基本上为辅助性的边缘环，它支撑图1中作为14示出的边缘环。
一般而言，一个或多个如图1所示的高温计40的设置方式可以为基板或晶片12屏蔽高温计使高温计不接触辐射源26。诸如晶片之类的基板在很大程度上对于高于或等于约1100nm波长的辐射而言是透明的。因此，一种限制热源辐射到达高温计的方法为，测量对波长的辐射而言基板为实质不透明的那些波长的辐射。对于硅晶片而言，这些波长可以约为1100nm和更低。然而，如前所述，工艺成套仪器能够“泄漏”源辐射，而且并非所有的晶片在高温计的带宽范围内皆为不透明，特别是当晶片在约450℃和更低温度的低温时。在其它的具体实施例中，温度可以为约400℃和更低。在其它的实施例中，温度可以为约250℃和更低。在其它的实施例中，温度可以为高温，并且可高于在腔室中进行处理的诸如晶片之类的基板的熔点温度。
依据本发明的具体实施例，以穿过基板或者“泄漏”的方式解决加热源所发出的辐射的方案是，防止高温计带宽中的源辐射到达晶片。依据本发明的另一方面，在高温计带宽中的辐射被反射回热源。这可通过在图1中的窗20上用材料51进行涂布而完成，窗20将热源和工艺区域18分隔开，材料51反射高温计带宽中辐射，同时使足够的加热用的源辐射能穿过窗20。如图1所示，具有反射性涂层50的膜可置于窗的朝向热源的一侧。在另一实施例中，材料51可为反射层51，其置于窗20的朝向基板的一侧，如图2所示。在另一实施例中，窗的两侧可施加反射层。在特别的实施例中，全部的窗20完全被反射层覆盖，并且涂层中没有缝隙或开口。换句话说，此窗20包括不间断的反射层，或者窗20将基板与热源分隔。在窗20中没有中断或破坏窗20上连续的反射层的“透明”区段。
通过在窗20上覆盖高温计敏感的波长范围内的反射涂层，实质上不会有从热源发出的此波长范围的辐射直接到达高温计。由此，当高温计检测到此波长范围内的辐射时，此辐射仅来自于基板或者实质上仅来自于基板，即使是当基板对于此波长范围为透明时也如此，例如，在低于约400℃的温度下受到处理的硅晶片，更精确为低于约250℃。使用反射层可提高高温计的准确度。
在一个实施例中，可从腔室中移除窗20，并且涂布一层或多层的反射层。膜的反射模式取决于所选定的材料、涂层的数目和厚度。具有用于反射特定波长范围的反射层薄层的窗的制造方式和提供服务的提供商为已知。一个涂布服务的提供商例如为JDS Uniphase。在一个膜的实施例中能用在反射层中的材料可以为交替层，一般而言为实质上对于大部分由加热源所发射的辐射为透明的任何高折射率和低折射率介电材料的组合的交替层，例如，氧化钛-二氧化硅(titania-silica)或氧化钽-二氧化硅(tantala-silica)。在一个实施例中，反射层以SiO2层和Ta2O5层制成。在另一实施例中，反射层以SiO2和TiO2制成。在一个特定的实施例中，最外层包括SiO2。
在一个实施例中，这些层可包括多层(薄)层的具有不同折射率的光学透明材料，其有时被称为介电反射体(dielectric mirrors)。这些层可沉积在诸如窗20之类的基板上。多层介电反射体可如反射滤片般工作，其中反射辐射。辐射可选择性地取决于以下特征而反射，这些特征为：辐射的波长、辐射的入射角、施加的介电材料的性质(包括施加的介电材料的折射率)、每一层的厚度、层数、层的不同厚度以及层的排列。多层介电反射体的过滤性质可由如图3A的图表300中所提供的图表来说明。此图表显示辐射透射率(以百分比计)相对于所提供的辐射(取决于辐射波长)的关系。如于图3A中所见，在约700nm至1200nm的范围内，无辐射穿透，然而例如在1200nm以上，超过95％的辐射穿透。如图3A所示的这种滤片可以称为带阻(band-stop)滤片或陷波(notch)滤片。
在特定实施例中，只有做为工艺区域的一部分的窗20必须进行涂布。更进一步地说，在特定的实施例中，窗受到完全的涂布而在层中没有开口。在一个或多个实施例中，窗20为可拆卸式。这使得以下工作可相对容易地进行：膜的维修或重新施加的涂布服务，或以替代窗来替换此窗。在特定的实施例中，腔壁53未进行涂布。
依据本发明的另一方面，高温计将通过检测波长范围约为700-1100nm的辐射而测量相对低的温度，这些相对低的温度低于约400℃或低于约250℃至约175℃。在处理腔室中，由热源所发出的辐射波长范围通常从低于700nm至高于5.5微米。诸如石英之类的材料对于高于5.5微米的波长而言为不透明的。当波长范围介于约700-1100nm之间的辐射被反射回热源时，热源仍可发出足够的其它波长的辐射以加热基板至低于约400℃的温度。
在一个实施例中，反射层为宽带(broad band)反射性滤片。在一个实施例中，它作为反射性滤片操作的最大反射比约为100％，或在700nm-1000nm的范围时，最大的反射与透射比约为不小于1000。这里把相对带宽(relativebandwidth)定义为
Figure BPA00001534830800101
其中λcenter为λhigh和λlow的算术平均数波长。这里把λlow确定为这样的波长：在所述波长以上，所测量的反射是所测量的入射辐射的50％，而把λhigh确定为这样的波长：在所述波长以下，所测量的反射是所测量的入射辐射的50％。
这一方面示于图3A和图3B中，图3A和图3B示出依据本发明的一个方面的滤片的模拟透射率特征。图3A所示为线性尺度的透射率，其为波长的函数。图3B所示为对数尺度的透射率。两图中的箭头303标识出用于确定此滤片的相对带宽的50％的点。此滤片的相对带宽在50％的点处为大约500nm。
多层反射层的反射性质取决于辐射的波长。反射与透射的比也取决于热源至膜表面的入射角(Angle of Incidence，AOI)。在一个实施例中，为了基于灯所发出的辐射入射角(AOI)不大于45°的反射与穿透射之比，设计反射层。
在一个实施例中，可使大部分源辐射穿过并且可反射高温计带宽辐射的滤片，被装在窗的外面或里面，或者装在窗的两个表面上，窗使加热源和处理腔室隔离，这已在前面提供。这里所使用的“窗”一词是指介于基板和热源之间的材料。在热源为灯的实施例中，“窗”一词意指包括通常以石英或其它合适材料制成的灯罩(lamp envelope)。
所以，在其它的实施例中，滤片也可装在辐射源灯罩的内表面、外表面、或双面上。图4为此方面的图解图，在灯400的灯罩402外侧有层401。这个方面额外的优点为可提升热源的效率。
在另一个实施例中，指定波长范围内的高温计的性能可通过将吸收剂材料添加至反射性层而得到改善，其处于膜的两反射层之间的层中。吸收剂也可以以掺杂剂或外加材料的形式成为应用了反射层的基板的一部分。所以，应用了这层的基板可具有部分吸收性。应用了反射层的基板也可掺杂增强基板吸收性质的材料。具有反射层的基板为窗，例如图1和图2所示的窗20。在其它的具体实施例中，可在两块窗之间提供吸收性流体。此吸收剂不必需吸收高温计带宽中的辐射，但可吸收其它光谱范围中的辐射(尽管辐射源范围中的辐射吸收得不多)。由于两反射膜(无论是在单一窗的相对侧还是在呈间隔关系的两片分开的窗上)能作为高温计带宽的镜厅(hall of mirror)，所以吸收的净效应会被放大。所有可吸收高温计带宽中的辐射、并使吸收的辐射达到穿过石英(约0.4至4微米)的整个辐射光谱的少于几个百分比的量的材料，都适合作为吸收剂的材料。在一个实施例中，稀土氧化物为理想的候选材料，用于做为吸收剂材料添加至反射层或基板。在另一个实施例中，可使更多源辐射(与高温计辐射相比而言)穿过的通带吸收剂(band pass absorber)(例如，Si)，可以被添加至层或基板。在另一个实施例中，层中可以加入一般吸收性材料，例如，碳、金属、其它可与层材料或窗(基板)材料混合的氧化物。窗材料可包括石英、氧化铝、氧化钇、玻璃、或其它实质透明的陶瓷。
图5A与图5B概略性图解了将吸收剂材料添加至滤片的构思。如图5A中所示，腔室500包括热源502(其可为灯头)以及窗508，所述窗具有面对所述热源502的第一表面或顶表面以及面向晶片512的第二表面或底表面，所述晶片被经过箭头504所示的辐射路径的辐射加热。如前文所述，一个或两个反射涂层(可为介电质多层滤片)可设于窗508上，每一反射涂层反射高温计可工作的辐射波长带中的辐射。此类的滤片配置可称为“陷波滤片(notchfilter)”，其中陷波(notch)是指反射带。在第一实施例中，第一反射涂层是介电多层陷波滤片506形式，其能够只设置在窗508的顶表面上。此多层陷波滤片506可称为“顶部滤片堆叠层(top filter stack)”，其中所述堆叠层由多个介电层形成。“顶部”的位置事实上是由“滤片位于最远离晶片512的窗侧”所界定。在第二实施例中，介电多层陷波滤片510形式的第二反射涂层仅设置于窗508的底表面上。此多层陷波滤片510可称为“底部滤片堆叠层”，其中所述底部滤片堆叠层由多个介电层形成。“底部”的位置事实上是由“滤片位于最靠近晶片512的窗侧”所界定。在图5A所示的实施例中，顶部滤片堆叠层506以及底部滤片堆叠层510二者都施加至窗508。
如上所述，施加单一介电多层滤片或双重介电多层滤片，从而防止热源所生成的选定的波长范围中的辐射进入晶片512受处理的处理腔室。这确保由高温计(例如图1中的高温计40)所检测到的选定范围中的辐射极可能是由晶片所生成的辐射。这能够使用具有覆盖整个反射范围的反射陷波的单一陷波滤片或双重陷波滤片来实现。
在一个或更多的实施例中，诸如顶部滤片506与底部滤片510之类的双重滤片可具有重叠或附加的反射范围。此重叠配置的范例示于图7中，其中，701显示为第一滤片波长的函数的透射率特征的近似值。此滤片(如701所指)完全或几乎完全使小于λ2以及大于λ3的波长范围中的辐射穿过。它完全或几乎完全反射介于λ2与λ3之间的波长范围中的辐射。由702表示的第二滤片完全或几乎完全反射介于λ1与λ4之间的波长范围中的辐射，其中λ1＜λ2＜λ4＜λ3。结果，在窗顶部及底部使用两个具有701与702所示的特征的滤片会创造出范围在λ1至λ3中的结合的辐射反射。由此，当使用两个具有互补陷波的滤片时，实质上没有或仅有有限量的波长范围在λ1至λ3中、由灯头生成的辐射会到达晶片。使用此类互补的解决途径可有利于生成独立的滤片并且可提供较良好的整体滤片特征。
如上所述，倘若介电多层反射体施加于窗的两侧上，则可产生“镜厅”效应。关于图5A，“镜厅”效应可发生在具有相同反射波长范围的顶部滤片506与底部滤片510处，或者当这两个滤片具有在反射波长范围中的实质重叠时发生。倘若使用两个滤片506与510，使反射波长范围的重叠最小可使“镜厅”效应减至最小。“镜厅”效应捕获窗内反射体之间滤片的反射波长范围内辐射的辐射能，这是不期望的。如前所述，窗可包括辐射吸收材料而至少吸收介电反射体的反射波长范围中的辐射能。可使用吸收大波长范围的辐射的材料或者吸收有限范围(诸如反射波长范围)的辐射的材料。在一个实施例中，在使用大范围吸收材料上，使用足够的吸收剂材料以充分减弱反射波长范围中的“镜厅”效应，而不至于实质上影响从灯头到处理腔室的非反射范围内的能量传送。在进一步的实施例中，可以是石英的窗材料能够掺杂有吸收材料。这如图5A中虚线516所示。为了限制宽带能量损失以及防止过度加热窗，窗中的吸收材料浓度可限于低于约5％(以重量计)，或在更特定的实施例中，低于约1％(以重量计)或更少量。
图5B中所示的进一步的实施例中，可设一层或者更多层的吸收材料，所述吸收材料至少包括窗的一侧上或双侧上的滤片的反射波长范围。这在图5B中示为514与518。吸收层的目的是减弱所反射的辐射。为此，根据一个实施例，吸收层514与518应该位于反射涂层506和510及窗材料的块体之间。吸收层可为诸如于沉积反射介电层之前沉积在窗上的膜层。
在进一步的实施例中，吸收层可为石英窗的掺杂层的一部分。此层也可为梯度层(gradient layer)。由此，来自窗的反射波长范围中的辐射在其进入介电堆叠层前将会衰减，然后该辐射反射，并且在反射后、重回窗之前再度衰减。
在另一实施例中，多片窗可在热源与基板之间以堆叠关系设置。因此，可设置两片或者更多片的窗，每一窗具有一个或者更多的反射涂层。一片或者更多片的窗508可具有如上图5A与图5B中所描述的吸收剂，或者如下文关于图6所述的吸收剂。可在热源与基板之间以堆叠关系设置不同类型的窗，例如图5A、图5B和/或图6中的窗的每一类型中的一片或多片。可以以间隔关系设置窗，或者这些窗可以彼此毗连。
图6所示的进一步实施例中，诸如图1与图2的窗20之类的窗可为复合式窗618，所述复合式窗618包括两片窗元件608与609，可在窗之间设有间隙。窗设置在热源602与基板612之间，所述基板被经过箭头604所示辐射路径的辐射所加热。根据一个或者更多的实施例，除了窗可吸收的大范围内的辐射的第一波长带之外，复合式窗618中的窗元件608与609二者对大范围的辐射是透明的。这可通过以低量的吸收剂来掺杂窗而实现。以反射涂层606与611所涂布的外侧表面(其中，“内侧”是界定为两片窗之间)实质上反射第一波长带的辐射中的辐射。在替代性实施例中，反射涂层606与611可施加至内侧表面，而非施加至外侧表面；或者除了施加至外侧表面，还可施加至内侧表面。在此实施例中，当光线穿过第一外侧涂层606时，它穿过复合式窗的第一窗608、间隙、复合式窗的第二窗609，由第二窗的涂层611反射，往回穿过第二窗、间隙、并且往回再度穿过第一窗，等等。此配置使每次反射中光线必须穿过具有吸收剂的窗的次数最大—每一次反射中穿过两次，进而使所需的吸收剂量最小。由此，介于窗606与609之间的间隙可被填充有光吸收流体614，所述光吸收流体614可为液体或气体。流体614还可提供复合式窗618的冷却。倘若期望额外的吸收率，则可把吸收剂616掺杂到窗608中，并且/或者吸收剂619可被掺杂至窗609中。通过可包括泵的系统，可将流体614供至间隙中，所述泵将液体或气体抽吸通过间隙。所述系统还可具有温度控制系统，所述温度控制系统控制液体或气体的温度，因此可用于控制窗的温度。可添加吸收材料至气体或液体中以减小“镜厅”效应。这些吸收材料可为稀土材料，或者任何适当的吸收材料。
在进一步的实施例中，可施加含有至少两片窗的复合式窗，其中每一窗的每一侧设有具有独特的反射波长范围的多层介电反射滤片。此类复合式窗中，通过每一叠层的介电层的高达四个单独滤片特征的总和，提供总滤片特征。倘若复合式窗包括超过两片的单独窗，那么总滤片特征可由各自生成于窗侧上的单独滤片形成。
至少包括第一窗和第二窗的复合式窗的另一个实施例中，第一外侧窗可为透明窗。具有反射性涂层的第二窗可位于工艺区域和第一窗之间。第一窗可以为第二窗和/或其涂层提供对于化学磨损和/或机械磨损的保护。
在这些图中需理解的是，热源位于基板的上方，且高温计被装在热源的下方。处理腔室的其它配置是可能并且是完全可预期的，它们也在本发明的范围内。例如，处理腔室中的热源可在基板的下方，而高温计装于热源的上方。在基本上不影响这里所述的本发明的各方面的情况下，基板、热源和高温计在处理腔室中的这些和其它位置的改变都是可能并且是可预期的。
在其它的实施例中，如图1和图2中所示的第二腔壁53可以包括对于辐射而言为透明的窗，以取代金属腔壁。这种第二窗对于加热性辐射为实质透明的，加热性辐射可由第二灯头提供，第二灯头与图1和图2中的灯头24具有相似功能。第二窗与基板(例如，晶片)实质平行，并将工艺区域和第二灯头分隔开。所以，在这种配置中，至少可从两侧加热基板(例如，晶片)。在另一个实施例中，第二窗可具有反射层，它可以采用第一窗的实施例或配置中的一种形式。在包括两个窗和两个灯头的实施例中，基板(例如，晶片)的两个表面暴露于辐射之下，高温计的安装方式也可修改。在其它的实施例中，高温计可位于实质上垂直于窗(具有反射层，如前所述)的腔壁的里面、上面、或后面。在这种情况下，高温计从一侧朝向基板(例如，晶片)，而非从上方或者下方朝向基板。为了捕获足够的、来自基板的辐射，可使用定位高温计的几种实施例。在一个实施例中，高温计可以置于位于与基板(例如，晶片)平行的平面中的侧壁开口的里面或后面，所述平面高于或低于基板。这样可使高温计与基板之间具有夹角，所以可捕获足够的从基板的表面所发出的辐射。在另一个实施例中，光管(例如，石英管)可以从侧壁中的孔插入腔室的工艺区域。这个孔在与基板平行的平面之中，且此平面位于基板平面的上方或下方。光管的排列方式可以为：在工艺区域中光管的端部与基板表面平行。在光管的另一实施例中，光管可以进入工艺区域中，并与基板(例如，晶片)的表面平行。光管在处理腔室内侧的一侧可具有弯折部，使其位于基板表面的上方或下方，并实质垂直于基板的表面。
在具有两个窗、并且具有两个灯头或热源的另一个实施例中，两个窗皆可以掺杂吸收剂并涂布反射性涂层。在具有两个窗并且具有两个灯头或热源的腔室的再一个实施例中，每个窗可以为如前所述的复合式窗。
如通过上述说明所了解的那样，可提供滤片以防止来自预定的波长范围的辐射到达高温计或使该辐射到达高温计最少，而更精确地测量基板温度。在之后的描述中将更清楚地了解到，可期望提供滤片以防止预定的波长范围内的辐射到达处理腔室中的晶片或基板，或使该辐射到达处理腔室中的晶片或基板最少。因此，可设置滤片以防止某些辐射带的辐射到达基板或晶片，或使这些辐射带的辐射到达基板或晶片最少。这样的过滤辐射能够与上文所述的过滤高温计的光线分开执行或结合执行。当过滤光以防止某些带宽的辐射到达基板时，在加热晶片或基板期间能够实现较良好地控制基板温度。能够利用这种加热控制以提供更可预测的基板加热，特别是与热源辐照功率有关的加热，在特定实施例中，热源是电阻式灯，诸如钨卤灯。高度期望提供热源的辐照功率与晶片的实际温度之间的可预测关系。通过过滤预定带宽的辐射使其不致到达基板或晶片而可提供此关系。通过修改供给至灯的功率可进一步控制加热。通过模型化与经验数据二者，可获得最佳的灯功率与滤片特征，以提供对基板加热轮廓的最佳控制。在另一实施例中，通过设置滤片以在热源功率关掉后防止预定波长范围内的辐射到达基板，或使该辐射到达基板最少，能够较佳地控制基板的冷却速率。在特定实施例中，预定的波长范围与基板材料的带隙范围一致或者重叠。冷却期间的此过滤在尖峰加热(spike heating)工艺中很有用，在所述工艺中期望快速加热及冷却基板。可了解到，设置滤片以防止辐射到达高温计、设置滤片以防止辐射在开启灯以加热基板期间到达基板、以及设置滤片以防止辐射在关掉灯功率后到达基板的这些构思可分开实践，或是可一起实行两个或者更多的这些过滤方法或系统。
RTP腔室中，如图1所示的灯头24中的灯加热可由液体冷却式腔室壁包围的晶片。由灯发射的辐射能通过图1所示的石英窗20传输到晶片12，所述窗位于灯头24与晶片12之间。在热尖峰工艺(诸如尖峰式退火)中，晶片温度非常快速地升温至目标温度并且随后非常快速降温(以形成热尖峰)，经常期望有尖锐的尖峰。器件性能依赖于达到目标温度且同时在(或接近)目标温度花最少量时间(停留时间)的晶片。需要此温度性能以减少热预算，使处理期间缺陷的影响最小，防止物料扩散和/或其它劣化器件性能的物理现象。因此，为了使停留时间最短，期望实现高加热速率与高冷却速率，以及期望在热处理期间能有任何在加热与冷却速率方面的改善。
对于热尖峰处理而言，实现加速的冷却速率(特别是在低于500℃或约500℃)而不至于必须提供辅助冷却腔室壁或无须移动晶片使之更靠近腔室壁经常成本高昂、有硬件挑战性、或者需要对腔室做硬件的改变，这是处理腔室的使用者较不可能接受的。同样，在更高温度时，例如在晶片温度大于或大约600℃时，热通量主要是辐射通量占优势，相反地，在较低的晶片温度下是传导通量或对流通量占优势。
在图1所示的腔室实施例中，在传统的快速热处理腔室中，透明窗20可安置在灯与晶片之间，而来自灯的光以不同波长、角度及强度穿过此窗以加热晶片。半导体硅晶片的发射(及吸收)随波长与温度大幅改变。例如，本征硅晶片在温度低于300℃下对波长大于1.2μm的辐射是透明(即可穿透)的。当本征硅晶片加热至大于300℃的温度，它开始吸收更多波长大于1.2μm的辐射能。对于本征硅晶片、受掺杂的晶片、含有膜、氮化物或氧化物的硅晶片、或其它种类的晶片而言，此可变性是真实的，然而每种晶片可具有与其它种晶片相当不同的发射特征。当晶片加热时，在最多光能被吸收处的波长往更长的波长移动。这图解于图8中，它在图表800中显示吸收率曲线，对不同晶片温度下p型掺杂的硅而言，这些吸收率曲线为辐射波长的函数。曲线显示在300℃、400℃、500℃及600℃的晶片温度。
根据维恩位移定律(Wien′s Displacement Law)，当灯愈来愈热时，发射峰值(peak emission)发生处的波长朝愈来愈短的波长移动。发射峰值发生处的波长＝2898[μm*K]/温度[K]。这图解于图9中，它在图表900中显示一系列的相对光谱发射功率曲线，这些曲线取决于所施加的灯电压。有七条曲线：901、902、903、904、905、906、和907，从曲线901到曲线909施加的电压渐增，而曲线909代表灯的操作接近加热灯的上设计电压(upper designvoltage)。这些曲线是白炽灯式加热灯头的一般型式。这些灯使用由施加的电压加热的灯丝。电压值愈高，灯丝温度愈高。曲线901、902、903、904、905、906、和907图解了维恩位移定律，并且显示峰值辐射发射发生处的波长在更高的灯电压(因而造成更高的灯温度)时朝较短的波长移动。
较难由1-1.3微米的波长带中的辐射来精密地控制半导体基板(诸如硅晶片)的冷却与加热。这特别适用在加热至低于约600℃、低于约500℃、或低于或等于大约400℃的温度时。硅(包括掺杂的硅)在低于约600℃、低于约500℃、或低于或等于大约400℃的温度时并且在约1微米至约1.3微米(1000nm至约1300nm)的波长范围内易于吸收辐射，其可能支配晶片加热并且不利地影响冷却，因为在热源关闭时晶片会持续吸收来自热源的辐射。在一个实施例中，当基板(诸如硅晶片)是以辐射加热(例如通过电阻式灯加热，电阻式灯包括在如图1所绘示的腔室中产生某波长带的辐射的灯泡)时，通过在基板与加热灯之间设置滤片，能避免或至少减少在预定的波长带或波长范围内加热，其中所述滤片阻挡或减少至少一部分由灯头所产生在约1-1.3微米波长范围中的辐射，或者至少实质上防止这些辐射到达基板。通过阻挡或实质上减少预定波长范围内的加热(在所述预定波长范围中，基板吸收预定温度范围内的能量)，当具有与预定波长范围的波长对应的波长的辐射被滤除并且不会到达基板时，在快速加热基板期间能够维持更线性形式的温度控制ΔT/ΔP，其中ΔT是基板温度的变化，而ΔP是灯功率的变化。在一个实施例中，可通过利用窗20上的涂层(如前文所述的滤片涂层)而实现过滤，使得该受涂布的窗阻挡非期望带宽中的大量辐射(例如在1-1.3微米的波长带中)而使这些辐射不至于传输穿过所述窗并且不至于到达基板。因此，反射窗起到滤片的作用，并且如在此所用的那样，过滤一词是指阻挡至少一部分预定波长范围内的辐射。滤片可为反射滤片或者吸收滤片。可通过把介电层的堆叠层沉积于石英窗的表面上而设置反射滤片，如上文所述。过滤特征再次由所施加的介电层材料、层数与它们的厚度所界定。一旦确定工艺期间欲阻挡的波长范围(取决于工艺温度范围、基板组成以及灯所产生的辐射)，可设计与制造滤片以阻挡预定波长范围的辐射。此滤片可由各公司购得，其中之一为美国加州(California)Milpitas的JDS Uniphase。可了解到，与设计滤片相同的原理可用于设计与设置在加热源功率关掉后阻挡非期望辐射使之不到达基板的滤片。
图10在图表1000中图示出波长大于1.2微米与波长小于1.2微米的由灯头生成的辐射能(取决于灯的电压)分布的例子。图11在图表1100中图示出波长大于1.2微米与波长小于1.2微米的由硅吸收的辐射(取决于硅的温度)的例子。如图11中所见，很清楚地，由灯在约40％的最大电压(或低于此电压值)的操作电压下生成的辐射中超过一半是波长大于1.2微米的辐射。在约400℃或低于400℃的温度下，硅的加热通过小于1.2微米的波长的辐射来发生。在低温(400℃或者更低)和较低的灯电压(40％或者更低)下，由灯头辐射的能量的实质部分不会被基板吸收而加热所述基板。
期望进一步将基板或晶片吸收的辐射波长限制到低于1微米的极限之下，如基板材料的本质吸收带隙(instrinsic absorption bandgap)所确定的那样，以防止温度控制的问题。这可以通过使用将波长高于λ1和低于λ2的光线反射的反射或吸收滤片来实现，由此形成如前文所提供的陷波滤片或阻挡滤片。
图12显示根据示例性实施例的五个不同反射滤片的透射度曲线1201、1202、1203、1204及1205。图12显示所有滤片至少阻挡在900nm至1100nm的波长带中的辐射。与不阻挡或吸收预定波长范围内的辐射的窗相比，示于图12的窗在置于基板与热源之间时，仅允许有限量的辐射到达晶片。与使用对热源全部波长范围皆为透明的窗相比，所述辐射是在有限范围的波长中。与使用所谓“透明窗”的时候相比，为了传递相同量的热量，当设计成阻挡预定波长范围内的辐射的窗置于基板与热源之间时，这些灯必须使用更大的灯电压。
现在仍参考图12，在一项实验中，使用以滤片涂层1203涂布的窗20。此涂层滤除相当大的部分的介于700与1200nm之间的辐射，由此部分地过滤1-1.3微米带的辐射。通过将此滤片设置在RTP腔室的灯与基板之间，加热工艺变得更线性，使得能够由控制器更好地控制加热以及进行更快速的加热控制。通过使控制器反应更快速的设定，能使控制器受益于更线性的工艺。这可通过重新设定灯控制器的一个或更多的预设参数来实现，这种预设参数例如是施加至电阻式加热灯的电压量或者电压的持续时间。这些预设参数可通过处理器实施，所述处理器控制灯的加热轮廓。在一个实施例中，可操作处理器以控制能量的量以及供给至灯的能量的时间间隔，以生成预定的最大加热元件温度，从而提供灯的最佳化的冷却轮廓，以减少基板在腔室中的热暴露。对于包括诸如钨卤灯的电阻式灯的系统或设备而言，处理器控制施加至灯的电压的时间以及电压的量，使得加热元件(即为灯丝)达到最大预定温度。最大预定温度是最佳温度，该最佳温度由计算和/或经验研究来确定，且该最佳温度是提供最佳化冷却轮廓的温度，最佳化冷却轮廓进而使得在灯的冷却期间基板暴露给辐射的热暴露最小。因此，将了解到，一旦已确定此最大预定加热元件温度，在冷却期间由加热元件生成的热量以及加热元件的冷却速率产生较少的到达基板并且干扰最佳化冷却基板的辐射。
例如，因为较佳的线性性能，可增加控制器的增益。因为系统更加线性、增益更高，控制器(可为PID控制器或其它适合的控制器)现在能够控制该系统更快速地到达目标设定点。在更为非线性的情况中，使用不具有反射滤片或吸收滤片的窗，具有较高增益的控制器会建立较不稳定的系统，要么具有更大的对目标的超调量(overshoot)，要么实际上不稳定，并且该具有较高增益的控制器确实会无法在较短时间内到达目标设定点。进一步的实验显示，当使用具有较高截止波长λ2的滤片时，腔室的性能与控制能力进一步改善。例如，滤片涂层1203比1202具有更好的性能。
例如，可将受涂布的窗设置成成套仪器的一部分，以改善腔室的低温性能。使用者可将现有的“透明”窗与滤片进行切换，所述“透明”窗并非设计成阻挡预定波长范围内的辐射，所述滤片是具有反射涂层和/或吸收剂的窗。透明窗与滤片窗的交换可与控制器设定的改变结合，该控制器设定的改变可包括灯控制器的增益设定中的增加。热处理设备的使用者可手动设定灯控制器增益，或者从菜单选出提供适当增益的设定，而与滤片窗协作以实现最佳的加热轮廓。能提供关于控制器的菜单，以选择合适的参数以供特定窗使用，该控制器可包括处理器和用户接口。此用户接口可为包括处理器的可编程逻辑控制器，可操作所述处理器来调整灯的增益和其它控制参数，诸如施加至灯的电压量和/或持续时间。也可利用其它根据新窗的滤片特征而改变控制器设定的方法。
由此，处理腔室被设置成在限定或预定的温度范围中使用介于辐射加热源与基板间的滤片来处理半导体基板，其中半导体基板具有能量带隙，所述能量带隙使基板吸收介于λlow与λhigh之间的波长带中的辐射，并且其中所述滤片防止辐射源的介于λlow与λhigh之间的波长带中的至少一部分辐射到达基板，因而改善到达控制基板温度状态的控制器或控制系统的目标设定点的线性度和/或速度。在一个实施例中，基板是硅基板。在进一步的实施例中，基板是受掺杂的硅基板。在另一进一步的实施例中，基板是p型掺杂硅基板。在又一实施例中，介于λlow与λhigh之间的波长带介于1-1.3微米之间。在又一实施例中，限定的温度范围介于室温与600℃之间。又有一实施例，限定的温度范围介于室温与500℃之间。还有一实施例，限定的温度范围介于室温与400℃之间。再有一实施例，限定的温度范围低于400℃。在另一进一步实施例中，使用滤片结合调整控制器，以在到达目标温度方面实现较快的反应时间。还有进一步的实施例，其中控制器为PID控制器。另一实施例中，调整控制器是增加增益。
如图12所示的滤片涂层的影响进一步示于图13与图14中，在图13中滤片是以曲线1203表征，在图14中滤片是以曲线1205表征。图13A-D与图14A-D显示灯电压增加的效果。当灯的电压增加，灯变得更热，并且开始放出更多短波长的辐射。例如在图13A-D所见，当使用具有反射带或波长范围在约0.7-1.2微米之间的滤片时，在加热贡献方面，晶片几乎不受该波带的辐射加热，因为所述辐射已被滤除。在低于400℃的温度时，0.4-0.7微米的辐射起作用而支配加热工艺。
图14A-C展示了增加滤片带宽约0.15微米(与图13A-D的滤片相比)的效果。0.7-1微米范围中的辐射现在显著地起作用，在1.21-1.33微米范围中的辐射几乎完全被滤除。这通过滤除额外的1-1.3微米波长范围中的辐射而与改善的加热工艺线性度一致。
如通过上述讨论所了解的那样，能使用光谱过滤或陷波过滤来改善关于施加至灯的功率方面在热处理腔室中基板加热轮廓的可预测性及线性度。与预定波长范围内的过滤波长相同的原则可用于改善施加至热源的功率关掉后基板的冷却轮廓。可了解到，灯功率关掉时冷却期间的过滤可与加热期间的过滤分开执行或一同执行，以改善加热期间加热的线性度或可预测性。当控制的两种类型都受期望时(加热期间与冷却期间)，可利用分开的滤片，或者可利用具有用于阻挡的范围或者预定波长范围的单一滤片。冷却期间辐射的阻挡在尖峰热处理期间很有用。在处理腔室中尖峰热处理期间，灯快速加热以使晶片温度升高，但即使施加给灯的电压立刻转至0，灯仍需花一些时间冷却，且会在它们冷却期间仍然辐射晶片。倘若晶片仍吸收来自冷却的灯所辐射的能量，那么晶片的冷却速率不会如晶片不吸收来自冷却的灯的能量时那么快。
一种减少晶片持续接收来自冷却中的灯的能量量值的方法是将光学滤片(例如，窗上的反射涂层，或者在窗材料本身中的吸收掺杂剂)放置在灯与晶片之间以阻挡较长波长的光(例如，短于基板材料的吸收带边缘的波长)而使这种光不致到达晶片。因为窗阻挡大量辐射而使这些辐射不致到达晶片，所以灯需要在更高电压下运行以实现相同的加热速率(这意味着发射峰值发生在较短波长处)。当关掉灯时，灯冷却，而且冷却中的灯的发射峰值开始朝较长波长移动，并且当发射峰值波长跨越光学滤片边缘(例如，对硅基板而言是1.2微米)时，晶片不再“看见”所述冷却中的灯所发出的辐射能，而晶片将会更快速冷却。倘若滤片是设计成阻挡大于0.9微米的光线，那么甚至会需要更高的电压来实现相同的加热速率，而更快的晶片冷却速率会发生，因为冷却中的灯的发射峰值跨越0.9微米波长会比跨越1.2微米早。这已展示于图9中的不同曲线中。进一步的效果是达到相同的照射功率级，与未过滤的情况相比，在过滤的情况中需要在更高温度下操作灯。因为照射的功率(P)与灯丝温度(T)相关，即P(T)＝T4，而且因为灯丝温度冷却速率(T’)在较高灯丝温度T时较大，所以照射功率减少速率(P’)对于在较高温度启动冷却的灯丝而言相当大。
对于在具有滤片的处理腔室中操作的灯而言，需要较高的操作温度。为了使到达基板的辐射的受过滤的来源功率匹配未受过滤的辐射来源功率，加热源(灯)的操作功率将大幅高于未受过滤的加热源，而且加热灯将达到相当高的温度。例如，简单的功率模型显示，当750-1200nm波长带的辐射如上文所述被工艺腔室中窗上的滤片去除时，受过滤的加热源(与腔室中受涂布的窗结合工作的灯)可能必须在约525℃更高的温度下操作，以匹配未受过滤的加热源的辐射功率。已知具有较高温度的主体达到一定温度的冷却速率比主体具有较低温度时的冷却速率快。因此，通过提高加热源(灯)的温度并且滤除将会到达基板的辐射的实质部分，可影响冷却效果。
因此，可将光学滤片调整到用于光学性能的特定工艺以及晶片温度。可想象实施例的全部范围，其中窗阻挡大于0.7微米到大于2.0微米的波长。还可期望使滤片阻挡和传输光谱在不同强度下的多个区段(即，对于0.75-1微米而言阻挡99.9％，对于大于1.5微米而言阻挡大于80％)，以找到给定的晶片温度与种类下介于加热速率与冷却速率之间的最佳平衡。例如，倘若在5％的灯电压下，过多来自灯的照射功率被晶片“看见”而控制在期望温度(例如200℃)，那么在所述温度下的晶片温度控制可能会不佳、无法实行或无法实现。通过使用滤片阻挡一些来自灯的功率，目标晶片温度(例如200℃)能够在5％或10％或更高的平均灯区域受到控制，这取决于滤片阻挡多少辐照。此效果的另一个优点是，在有滤片的情况下，灯达到目标温度所需的额定电压电平接近灯驱动器的控制范围的中心点。例如，倘若灯驱动器的控制范围是5％至100％，那么控制范围的中心是52.5％。倘若控制器尝试在7％的额定电压下控制温度，那么控制器在变得低饱和前仅具有-2％的低端范围。然而，倘若达到相同期望温度所需的额定控制电压能够增加到10％，那么现在控制器在变得达到低饱和前具有-5％的低端范围。对于具有0-100％范围的控制器而言，最佳的额定值为50％。
辐射的改善冷却效果可展示于实际加热尖峰中，显示出辐射的改善冷却速率仅是通过使用滤片并且无额外的冷却设备。通过使用滤片窗，尖峰还应显示出用于加热晶片的改善的升温，这归因于先前所述的阻挡对应基板材料带隙的辐射所造成的线性化改善。为了比较，提供标准加热尖峰，它在外形上相当平坦，且随着温度离开峰值温度而实质上平坦地下降或减少。这是由于缺乏窗在灯关掉后过滤有助于持续加热基板的波长所致。使用陷波或带阻滤片阻挡预定波长内的辐射的正面效果是，此系统产生相当尖锐的温度，使得与不存在滤片时相比，温度能更快速上升并且相对迅速地冷却。加热与冷却的改善不仅是由于阻挡来自灯的辐射而使该辐射在它们的操作波长下不到达高温计。进一步的改善还通过较佳的控制能力与更快速的冷却而实现，这是由使用适当的滤片来防止非期望的辐射在灯关掉后不至于加热基板所致。这是通过使用滤片阻带的不同的上截止波长(upper cut-off wavelength)与下截止波长实现的。良好地阻挡对应于基板带隙的波长带中的辐射以及额外阻挡波长比带隙所对应的波长上限还大的辐射，与不具有此特征的滤片相比，创造出改善的控制能力以及冷却。
由此，使用含有反射涂层和/或吸收剂(可涂布于窗的单侧或双侧上)的窗形式的滤片，具有实质上防止来自热源的预定波长辐射到达基板的过滤性质。这改善了当热源开启时的基板加热工艺的控制能力，并且提高了关闭热源后晶片的冷却速率。
本说明书通篇所提到的“一个实施例”、“某些实施例”、“一个或多个(一个以上)的实施例”、“实施例”是指，所描述的与实施例有关的特定的特征、结构、材料、或性质包括在本发明的至少一个实施例中。因而，在本说明书通篇各处所出现的诸如“在一个或多个(一个以上)实施例中”、“在某些实施例中”、“在一个实施例中”、“在实施例中”之类措辞的出现，并不一定是指本发明的相同实施例。并且，特定的特征、结构、材料、或性质可以任何适当的方式组合出现在一个或多个实施例中。
虽然在此参照特定的实施例描述了本发明，但是需要了解的是这些实施例仅为说明本发明的原理和应用。例如，尽管上述的实施例是描述关于快速热处理腔室的，可是会理解的是，本发明的原理可应用至各种热处理腔室，而且本发明不限于快速热处理。对于本领域的普通技术人员而言，在不离开发明的精神和范围的情况下，本发明的方法和设备可进行各种修改和变化。因而，意在使本发明包括落入所附权利要求书的范围的修改和变化及其等效物。

Claims (15)

1.一种用于加热基板的设备，所述设备包括：
热源，所述热源提供第一波长范围的辐射并且在预定温度范围内加热所述基板，所述基板能吸收在所述第一波长范围内和所述预定温度范围内的第二波长范围内的辐射；
工艺区域，所述工艺区域包括基板支撑件以支撑所述基板；以及
滤片，所述滤片设置在所述基板支撑件与所述热源之间，以过滤来自所述热源的辐射，使得至少一部分的所述第二波长范围内的辐射不被所述基板吸收。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述滤片包括反射窗，当所述热源在将所述基板加热至低于约600℃的温度之后而关闭时，所述反射窗有效防止至少一部分的所述第二波长范围内的所述辐射传输到所述基板，以致所述基板的冷却以较快的速率发生，所述速率比当未防止所述第二波长范围内的所述辐射被所述基板吸收时的速率快。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述滤片包括反射窗，所述反射窗反射所述第二波长范围内的辐射，并且所述第二波长范围是预定的波长范围，所述预定的波长范围基于作为温度的函数的所述基板的吸收率。
4.如权利要求2所述的设备，其中所述基板包含硅，并且所述第二波长范围具有大于约1000nm的下限以及约1300nm的上限。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述滤片包括吸收窗，当所述热源在将所述基板加热至低于约600℃的温度之后而关闭时，所述吸收窗有效防止至少一部分的所述第二波长范围内的所述辐射传输到所述基板。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述热源包括数盏灯并且所述第二波长范围是基于所述基板的组成以及所述热源的发射峰值而选择的，以改善加热所述基板的可预测性，所述热源的发射峰值以及加热所述基板的可预测性为施加至所述数盏灯的能量的函数。
7.如权利要求2所述的设备，其中所述反射窗有效阻挡所述第二波长范围内预选百分比的辐射，以及阻挡第三波长范围内不同的预选百分比的辐射，所述第三波长范围不同于所述第二波长范围。
8.如权利要求6所述的设备，其中所述设备进一步包括处理器，能操作所述处理器以控制供给至所述数盏灯的能量的量以及能量的时间间隔，以生成预定的最大加热元件温度而向所述加热灯提供最佳化的冷却轮廓，进而减少基板在所述工艺区域中的热暴露。
9.一种用于在快速热处理腔室中处理基板的方法，所述方法包括以下步骤：
在预定温度范围内，用产生第一波长范围内的辐射的加热源快速加热所述基板，所述基板能吸收在所述第一波长范围内和所述预定温度范围内的第二波长范围内的辐射；以及
过滤来自所述加热源的辐射，使得至少一部分的所述第二波长范围内的所述辐射不被所述基板所吸收。
10.如权利要求9所述的方法，其中过滤来自所述加热源的辐射的步骤是通过反射窗提供的，当所述加热源在将所述基板加热至低于约600℃的温度之后而关闭时，所述反射窗有效防止至少一部分的所述第二波长范围内的所述辐射传输到所述基板，并且所述基板的冷却以较快的速率发生，所述速率比当未防止所述第二波长范围内的所述辐射被所述基板吸收时的速率快。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述第二波长范围是预定的波长范围，所述预定的波长范围基于作为温度的函数的所述基板的吸收率。
12.如权利要求9所述的方法，其中过滤来自所述加热源的辐射的步骤是通过吸收窗提供的，当所述加热源在将所述基板加热至低于约600℃的温度之后而关闭时，所述吸收窗有效防止至少一部分的所述第二波长范围内的所述辐射传输到所述基板。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述窗进一步包含吸收剂，当所述加热源在将所述基板加热至低于约600℃的温度之后而关闭时，所述吸收剂有效阻挡至少一部分的所述第二波长范围内的所述辐射而使所述至少一部分的所述第二波长范围内的所述辐射不至于到达所述基板。
14.如权利要求9所述的方法，其中所述加热源包括数盏灯并且所述第二波长范围是基于所述基板的组成以及所述加热源的发射峰值而选择的，以与未执行所述过滤步骤时相比提供更加改善的加热所述基板的可预测性，所述热源的发射峰值以及加热所述基板的可预测性为施加至所述数盏灯的能量的函数。
15.如权利要求14所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：
控制供给至所述数盏灯的能量的量以及能量的时间间隔，以生成预定的最大加热元件温度而向所述灯提供最佳化的冷却轮廓，进而减少基板在所述腔室中的热暴露。
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