CN104520470A - 化学气相沉积反应器中辐射测量偏离误差的缩减 - Google Patents

Abstract

用以减少在例如CVD反应器之类的容器中的辐射测温偏离误差的设备。在一实施例中，辐射测温计利用焦外远心透镜装置。焦外远心透镜装置聚焦于无限远处，但却被用于捕获来自于焦点外之相对接近之目标物(例如在数米内)之辐射。捕获来自目标物之准直的辐射减少了杂散辐射之贡献。在另一实施例中，源自于周围加热组件之指定部分之散射辐射，可藉由若干机制中的一个而局部地减少，包含减少指定部分之发射(例如操作温度)、或者捕获源自于该指定部分之辐射之一部分或使其偏斜。固定于接近由晶圆载具之中心延伸之轴线并横跨该指定部分的辐射测温计承受较少的杂散辐射，藉此可提供更可靠之温度读数。

Description

化学气相沉积反应器中辐射测量偏离误差的缩减

背景技术

有机金属化学气相沉积(MOCVD)为例如半导体制造之工艺中用于生长晶体层之化学气相沉积技术。MOCVD工艺在具有特别设计之流动凸缘(flow flange)之反应室中进行，该流动凸缘用以将均匀之反应器气流运送至反应室。

在MOCVD工艺期间，晶体层之温度一般是利用非接触式装置加以测量，例如辐射测温计或高温计。此种晶体生长材料包含碳化硅(SiC)、硒化锌(ZnSe)、及氮化镓(GaN)基底材料如GaN及AlGaN。某些基板长晶材料有限制辐射测温之操作波长之发射特性。例如，生长于蓝宝石基板上之GaN，于处理温度下，针对大于450nm之波长而言，可具有大于50％之透射率。如此，对大于450nm之波长，离开GaN层表面之实质部分之辐射，源自于在辐射测温计之视线之基板下方的结构(例如晶圆载具)；通过GaN层之辐射并不代表GaN层之温度。因此，市场上已开发出可在小于450nm之波长(约对应于蓝、紫、紫外光波长)探测辐射之辐射测温计，请参见例如Zettler等人之美国专利申请案公开号US2011/0064114(以下称为Zettler)，其揭露一种适用于探测在250nm至450nm范围之辐射之高温计。

使用辐射测温计有探测到不要的辐射之问题，而不要的辐射之一来源为由期望之探测带通范围以外所探测到之未滤波辐射。Zettler揭露了说明了滤波辐射之贡献之设备及技术。其指出窄带通滤波器无法完全阻挡红外光辐射，而未被阻挡之红外光辐射在(约800℃)之操作温度下可能会造成问题，因为目标物之光谱黑体发射功率，在电磁光谱之红外光部分比在窄带通滤波器之主要带通(亦即用以推断目标物温度之期望光谱带通)高约9个数量级(order of magnitude)。Zettler之方法包含使用一种探测器，该探测器在一宽波长范围(由紫外至红外光波长)内极为灵敏，且可以中心为约410nm之窄带通滤波器而过滤进入之辐射。接着使用长带通滤波器，以有效地阻挡窄带通滤波器之主要带通，但仍容许在电磁波光谱之红外光及近红外光部分未被窄带通滤波器过滤之辐射通过。Zettler将通过窄带通滤波器之主要带通之辐射推断为两测量法之间的差异，亦即仅以窄带通滤波器所获得之信号与以窄带通滤波器及长带通滤波器两者所获得之信号之间的差异。

不要的辐射之另一来源为“杂散辐射”(stray radiation)之贡献；杂散辐射为藉由外壳或其他结构并透过内部反射，而被重新导引至目标物上、且经反射至辐射测温计之视线内之反射辐射。考虑设有GaN晶圆之晶圆载具，该GaN晶圆藉由例如微波加热程序而被加热至800℃之升高温度，在此升高温度下操作之组件，例如晶圆载具及晶圆，将沿各方向发出辐射，使得辐射在反应室内进行内部反射。某些经内部反射之辐射将入射至辐射测温计所瞄准的表面上，并且成为辐射测温计所探测到之辐射。就800℃℃下之GaN晶体而言，410nm时之反射率约为0.2，杂散辐射将明显地使由辐射测温计所指示之温度值产生偏差。

当目标物正处于或接近反应室内之最高温度时，杂散辐射便足以成为问题，微波加热系统即为一例。然而，当测量在可见光谱(亦即蓝光、紫光或紫外光波长)之短波长或近短波长下之辐射时，若反应室内有在比目标物基本更高温下操作之其他来源，该问题变得恶化。此一加热装置是根据热力学第一定律转换热能，其要求电阻加热组件在远高于晶体生长层之温度下运作。热辐射加热的一个优点为可将辐射强度之轮廓加以客制化，以使晶圆载具各处具温度均匀性。

例如，考虑晶体生长层在800℃下之黑体辐射的状况。根据普朗克定律(Planck’s law)，在410nm及800℃下之黑体光谱发射功率约为2.0×10^-4W/m²·μm。今考虑例如电阻式加热组件之热源，其是透过在1800℃下运作之辐射及传导而将热量传送至晶体生长层，在410nm及1800℃下之黑体光谱发射功率约为1.4×103W/m²·μm；此情况相较于800℃(晶体生长层于CVD期间之典型操作温度)、于所关注波长，黑体光谱发射功率强度上增加约7个数量级(图1)。因此，即使在410nm下仅有些微百分率之辐射到达辐射测温计之探测器上，所指示之温度的偏差仍很明显。如此，利用电阻式加热组件之反应室中之杂散辐射贡献，可与由Zettler所识别之未过滤辐射贡献具有相同之数量级(order of magnitude)。

然而，Zettler并未提及关于杂散辐射之贡献或者反应室中具有可有效地战胜由目标物所发出辐射之辐射源的效应；再者，Zettler是以目标物可自由辐射(亦即不具有反射的贡献)之方式处理目标物，但实际上，操作于晶体生长所要求之温度下之CVD反应室内之目标物并非为自由辐射。

因此，需要一种辐射测温计，其适用于缩减因未过滤辐射及杂散辐射两者所导致之不要的辐射之效应。

发明内容

本发明之各种实施例皆使用所谓的“远心”(telecentric)光学装置，但却是以焦外(off-focus)方式，以限制至少三个不同方面中反射杂散辐射之贡献。首先，在远心光学装置中，由目标物所捕获之主要射线基本平行于光学轴，如此基本即限制了杂散辐射贡献，尤其是当目标物具有坚固之镜面反射率组件时。其次，也可调整远心光学装置，使得由目标物上之各点所对之立体角(solid angle)极小，如此亦可减少杂散辐射之贡献。第三，远心光学装置可用以捕获由目标物所发出之辐射之准直光束，如此更进一步减少了由辐射测温计所捕获之辐射之立体角，但却增加了目标物尺寸(以及后续之信噪比(signal-to-noise ratio))对前向(forward)光学元件之有效直径之比例。在捕获辐射之准直光束时，是以“焦外”方式使用远心光学装置，亦即远心光学装置并非用于目标物表面之高质量成像。因此，远心光学装置中所使用之组件，不需要具有如一般市售远心透镜系统之优异质量。

本发明之各种实施例或可互相替代地或者额外地减少杂散辐射之贡献，使得有较少杂散辐射入射于辐射测温计之目标物上，该杂散辐射是藉由辐射测温计透过在其中安装反应室及配件而探测到。在分析本案之杂散辐射时，判定：加热器阵列中之周围加热组件，对于由辐射测温计所探测到之杂散辐射具有最大贡献。亦已藉由波迹模拟(ray trace modeling)及验证实验(verification experiment)两者确认：在最接近辐射测温计目标物区域之周围加热组件部分中提供不连续性，将明显地减少由杂散辐射所引起之偏离误差。

“焦外”(”Off-Focus”)远心光学器件

在例如机器视觉系统中使用市售的远心透镜系统，以提供高放大率之清晰、鲜明影像。此等远心透镜系统可提供一影像内之所有点之均匀放大率，不论点在影像中之位置如何。换言之，用于机器视觉系统中之远心透镜系统可提供实质的等距(isometric)之影像，恰与标准成像系统所提供之透视影像相反。市售远心透镜系统之一优点为：等距影像可实质地减少影像内之视差(parallax)。

然而，在一既定设定下，远心透镜系统可提供等距影像之有效范围相当有限，此有效范围通常称为“远心深度”(telecentric depth)(参见例如Petrozzo等人所著之“Telecentric Lenses Simplify Non-Contact Metrology,”Test&Measurement World,October 15,2001,p.5)。如此，远心透镜系统之典范为其只可于物平面为中心之一狭窄范围操作。机器视觉远心透镜系统之光学元件具有高质量，以在整个影像范围内提供清晰、鲜明之影像。再者，市售的远心透镜系统一般使用高质量装配件，以提供调整物平面之焦深(focal depth)之能力；而市售的远心透镜系统之精准成像能力则提高了成本。

就本发明之各种实施例而言，是以机器视觉系统并未采用之方式利用远心概念。在一实施例中，远心光学装置是用以聚焦于无限远处，但却仅被安装于距离目标物若干公分。此种配置之优点为，来自目标物上之各点之辐射，具有实质的相同之进入光学系统之角度，并不需要与此相关联之高质量成像及昂贵的光学器件，因为其目的在于辐射聚集及探测，而非目标成像。换言之，是以“离焦”(out-of-focus)或“焦外”(”off-focus”)方式使用远心光学装置，以有效地捕获由目标物表面发出之辐射之准直光束。此一装置既不需要高质量的成像光学器件，亦不需要微调影像用之尖端装配件。

就结构上而言，在本发明之各种实施例中，焦外远心光学装置包含孔径光闸(aperture stop)及一个或以上光学元件之第一或“物”(”object”)光学元件(此处称为『物组件』(”object assembly”))。孔径光闸及物组件可定义光学轴及相对于物组件内之参考点之第一焦距，而参考点位于光学轴上。在一实施例中，孔径光闸与物组件之参考点相隔一距离，此距离基本等于物组件之第一焦距。藉由将孔径光闸设置于物组件之焦距上，物组件可有效地聚焦于无限远处。来自于焦外目标物之基本准直的辐射被传输通过物组件，且来自于焦外目标物之辐射经聚焦于孔径光闸上。

在某些实施例中，一个或以上光学元件之第二或“影像”光学元件组件(此处称为『影像组件』)可面对物组件而在孔径光闸之另一侧，且用以接收自物组件沿着光学轴传输并通过孔径光闸之辐射。影像组件定义相对于影像组件内之第二参考点之第二焦距，第二参考点位于光学轴上。

在一实施例中，实施“双边，或双侧”(”bilateral”)之远心光学装置，其中目标物及影像两者之主要射线是平行于光学轴。在双侧之装置中，物组件之焦距约莫定义了目标物距离，孔径光闸是位于物组件之基本后焦平面(back focal plane)及影像组件之前焦平面(front focal plane)。在双侧之远心装置中，不仅是透过目标光学元件组件所聚集之辐射为实质的准直，由影像光学元件组件传送至探测器之辐射亦为为实质的准直。使影像光学元件组件与探测器之间的辐射变成准直之优点为可额外剔除杂散的光。

在各种实施例中，焦外远心光学装置是作为与化学气相沉积系统中之新增或现有辐射测温计一同装设之套组(kit)。在一实施例中，远心透镜装置包含孔径光闸及用以聚集来自目标物之辐射之前向光学元件组件，且远心透镜装置经调整成，将孔径光闸定位于前向光学元件组件之焦距上。制造商所提供之操作指令亦教导用户调整前向光学元件组件之方位，使之可拦截由化学气相沉积反应室内之目标物所发出之辐射。在一实施例中，耦接远心透镜装置与辐射探测器及/或将孔径光闸定位于前向光学元件组件之焦距上是由制造商所实施；在其他实施例中，将孔径光闸定位于前向光学元件组件之焦距上及/或定位孔径光闸之步骤，则记载于制造商所提供之操作指南中。

双波长高温计

此处所揭露之各种实施例亦包含利用焦外远心概念以测量可见/紫外(UV)、可见及红外光谱中之辐射之双波常高温计(为符合本发明之目的，或可称为『光学』光谱之可见/紫外(UV)及红外光谱包含300nm至700nm之波长，『可见』光谱包含400nm至700nm之波长，且『红外』光谱包含大于700nm至10,000nm之波长)。用以由辐射测温而推断温度的常见解决之道即为所谓之“比例”高温计，比例高温计包含在两不同波长带通下测量由目标物所发出之辐射，并以使所得之信号比例对温度互相产生关联为原则加以操作。就一灰体发射器(亦即对两不同波长带通，具有相同发射率之目标物)而言，发射率之效应可藉由比例之商数(quotient)而有效地被消除，使得信号比例相对(v.s.)温度与黑体校正相同。亦已发展出多个方法，以在所视之目标物并非灰体时，修正比例高温计所指示之温度。

在彼此接近的之波长带通(band pass)比相距较远的之波长带通有较大机率具有相同发射率(亦即展现灰体行为)之一般假设下，标准比例高温计之不同波长带通在电磁光谱上倾向于彼此相当接近。然而，就某些程序而言，期望由波长光谱之不同部分获得信息，以便适当地控制程序。例如，为了将GaN沉积于MOCVD反应器中之蓝宝石基板上，一种控制程序之方法为，使用主要温度控制用之红外光高温计而推断晶圆载具之温度；但由于两波长带通一般皆处于相同电磁状态中－不论是光学或红外光，故现有比例高温计并不适合用于此目的。

在本发明之双波长高温计实施例中，是利用一对辐射测温计以测量在不同波长带通下，来自同一观测目标物之辐射。带通之中心波长可在电磁光谱之不同部分中，波长带通中之第一个位于可见/UV光谱内，而波长带通中之第二个则位于红外光谱内。在一实施例中，红外光及光学波长带通之中心波长分别约为900nm及400nm(例如930nm及405nm)。本发明之双波长高温计将光学(亦即，可见/UV)及红外光探测器结合于单一包装中，使得两测量可透过一共享视口(view port)而进行。因此，提供光学及红外光辐射测温两者并不需要使用两个视口。另一优点为光学及红外光测量两者所捕获之辐射，可透过视口窗上之相同位置而同时自同一目标物捕获，藉此消除由非同时测量所引起之可能不一致，该非同时测量是因不同目标物及透过不同视口窗而产生。焦外远心光学元件之结合更进一步削减了散射辐射(scattered radiation)之贡献，如此降低了温度量测之偏离误差。

此处所揭露之部分的双波长高温计装置可选择性地(optionally)包含发射率补偿用之反射计装置(reflectometer)；由辐射信号推断温度需要目标物之发射率或发射率补偿值的知识。当各层累积于CVD反应室中之晶圆上时，晶圆可能经历实质且非单调之发射率变化，如此所造成间歇性之破坏干扰由不同晶圆层反射出来，因而导致反射率及发射率上之周期性变异。本发明之某些实施例包含整合于辐射测温计中、具有一或二个双波长高温计之辐射测温计的反射计数器，可将反射计用于推断目标物之发射率及提供对所指示之温度之修正。结合焦外远心光学装置更降低了散射辐射之贡献，此举可减少对发射率判定之偏离误差。

就结构上而言，所揭露之远心双波长高温计可包含一个或以上用以传输来自于焦外目标物之辐射的光学元件之物组件，物组件定义相对于物组件内之参考点之焦距。在此实施例中，第一孔径光闸是用以接收由物组件传输而来之辐射，物组件及第一孔径光闸定义通过参考点之第一光学轴，第一孔径光闸位于与参考点相隔一距离，该距离基本等于物组件之焦距，以将辐射之第一被探测部分聚焦于第一孔径光闸上。此外，在此实施例中，第二孔径光闸是用以接收由物组件传输而来之辐射，物组件及第二孔径光闸定义通过参考点之第二光学轴，第二孔径光闸位于与参考点相隔一距离，该距离基本等于物组件之焦距，以将辐射之第二被探测部分聚焦于第二孔径光闸上。可设置第一电磁辐射探测器，以探测由物组件透过第一孔径光闸所传输之辐射之第一被探测部分。同理，可设置第二电磁辐射探测器，探测由物组件透过第二孔径光闸、第一电磁辐射探测器、及第二电磁辐射探测器所传输之辐射之第二被探测部分，以分别产生第一信号及第二信号，而推断焦外目标物之温度。

远心双波长高温计可更包含第一反射计子组件(subassembly)，该第一反射计子组件包含第一辐射源及第一分束器(beam splitter)，该第一辐射源是用以产生电磁辐射之第一光束，该第一分束器是用以沿着第一光学轴而传递一部分之第一光束，以照射焦外目标物。第二反射计子组件包含第二辐射源，亦可包含第二分束器，该第二辐射源是用以产生电磁辐射之第二光束，该第二分束器是用以沿着第二光学轴而传递一部分之第二光束，以照射焦外目标物。

在一实施例中，辐射之第一被探测部分是在电磁辐射之红外光谱中，辐射之第二被探测部分是在电磁辐射之可见光谱中。辐射之第二被探测部分可定义中心为波长大于或等于400nm、且小于或等于410nm之波长带通，辐射之第一被探测部分可定义包含930nm波长之波长带通。亦可使用缩减的(reduced)孔径组件，以减少由第一电磁辐射探测器所探测到之辐射之第一被探测部分、以及由第二电磁辐射探测器所探测到之辐射之第二被探测部分两者其中一者。

多通道高温计

本发明之实施例更包含“多通道”(”multi-channel”)高温计系统，其是用于推断空间温度分布，其方法为在制造期间提供复数个焦外远心辐射测温计判定晶圆之温度分布(轮廓)。晶圆温度分布期望是均匀的，以增加晶圆产率。然而晶圆载具及晶圆之总体温度是由加热组件加以控制，操作者可利用各种二次参数，以改善晶圆之间以及单一晶圆内的温度均匀性。本发明包含用以测量晶圆温度之均匀性之装置。将复数个辐射测温计各自定位，以在一既定晶圆上之不同位置观察不同之目标，且可同时获得来自各目标之数据。可调整目标之尺寸，以提供主体晶圆几近完全之覆盖，以推断横跨晶圆之温度分布。温度均匀性地图可被产生，且其准确性可藉由利用在一选定时间间隔内(例如1分钟)之同步数据之统计平均值加以改善。焦外远心光学元件之结合更降低了反应室内散射之辐射之量，其基本会随着晶圆上之目标之位置而改变。散射辐射量之降低可缩减了个别温度测量及所生成温度分布之偏离误差。

在本发明之再其他实施例中，是将多信道装置及双波长概念(及选择性之反射率测量能力)两者结合于相同系统中。藉由此装置，温度分布可具有由双波长及/或发射率补偿装置所提供之强化准确性。

就结构上而言，本发明揭露了用以推断空间温度分布之多信道高温计系统，其包含用以观察对应之复数个相邻焦外目标物之复数个辐射测温计。复数个辐射测温计中之每一者皆包含第一远心光学装置，第一远心光学装置包含一个以上传输辐射用之光学元件之物组件，物组件定义相对于物组件内之参考点之焦距。复数个辐射测温计中之每一者更包含第一孔径光闸，其是用以接收由物组件传输而来之辐射。物组件及第一孔径光闸定义通过参考点之第一光学轴，第一孔径光闸位于与参考点相隔一距离，该距离基本等于物组件之焦距，以将来自于对应之复数个相邻焦外目标物中之个别每一者的辐射之第一被探测部分聚焦于第一孔径光闸上。复数个辐射测温计中之每一者皆更包含第一电磁辐射探测器，其是用以探测由物组件透过第一孔径光闸所传输之辐射之第一被探测部分。第一电磁辐射探测器产生第一信号，由此第一信号可推断对应之复数个相邻焦外目标物中之个别每一者之温度。复数个辐射测温计可用以观察晶圆载具中之晶圆，晶圆载具被设置于化学气相沉积反应室内，其中复数个相邻焦外目标物完全被晶圆所对到(subtended)。由于晶圆载具会转动，故相邻焦外目标物被晶圆所对到之情形是周期性出现。

复数个辐射测温计至少其中一者可包含第一反射计子组件，该第一反射计子组件包含第一辐射源及第一分束器(beam splitter)，该第一辐射源是用以产生电磁辐射之第一光束，该第一分束器是用以沿着第一光学轴而传递一部分之第一光束，以照射对应之复数个相邻焦外目标物之个别每一者。第二反射计子组件包含第二辐射源，亦可包含第二分束器，该第二辐射源是用以产生电磁辐射之第二光束，该第二分束器是用以沿着第二光学轴而传递一部分之第二光束，以照射对应之复数个相邻焦外目标物之个别每一者。在某些实施例中，第一及第二反射计子组件其中一者或两者利用截波器(chopper)调制(或调变)第一光束。此外，复数个辐射测温计至少其中一者可包含缩减(reduced)之孔径组件，以选择性地减少由第一电磁辐射探测器所探测到之辐射之第一被探测部分。

在一实施例中，高温计系统之复数个辐射测温计至少其中一者更包含第二远心光学装置及第二电磁辐射探测器。该第二远心光学装置包含第二孔径光闸，该第二孔径光闸用以接收来自物组件之辐射，物组件及第二孔径光闸定义通过参考点之第二光学轴，第二孔径光闸位于与参考点相隔一距离，该距离基本等于物组件之焦距，以将来自于对应之复数个相邻焦外目标物之个别每一者的辐射之第二被探测部分聚焦于第二孔径光闸上。该第二电磁辐射探测器是用以探测由物组件透过第二孔径光闸所传输之辐射之第二被探测部分并产生第二信号，由此第二信号可推断对应之复数个相邻焦外目标物中之个别每一者之温度。辐射之第一被探测部分可在电磁辐射之红外光谱，辐射之第二被探测部分是在电磁辐射之可见光谱。在一实施例中，沿着第一光学轴及第二光学轴设置冷光镜(cold mirror)，冷光镜传送辐射之第一被探测部分并反射辐射之第二被探测部分。辐射之第二被探测部分可定义中心波长为大于或等于400nm、且小于或等于410nm之波长带通，且辐射之第一被探测部分可定义包含930nm波长之波长带通。

杂散辐射控制

各种实施例之操作准则为，局部减少来自辐射测温计之目标物附近之周围加热组件的辐射量。在一实施例中，辐射量之局部缩减是藉由在周围加热组件上包含一低热通量部分，使在辐射测温计之操作波长下，由其所发出之辐射热远小于周围加热组件之其余部分(例如低于2个数量级(order of magnitude))。低热通量部分消除了操作波长(例如可见/UV光谱)所发出之辐射，使在辐射测温计之操作波长，周围加热组件局部上不产生杂散辐射。此案例之分析及实验已显示：以此方式减少迫近辐射测温计之目标物区域之光谱辐射量，可明显地缩减由杂散辐射所引起之偏离误差。

在另一实施例中，杂散辐射量之局部缩减，是利用重新导引源自于周围加热组件之一部分之辐射而达成。在此实施例中，偏斜表面使源自于周围加热组件之一部分之辐射偏斜而离开辐射测温计之目标区域，且其位置极接近周围加热组件。以此方式，可局部地减少杂散辐射量。

在一实施例中，揭露了一种由辐射测温计所接收之杂乱辐射之限制系统。该限制系统包含：化学气相沉积(CVD)反应室；晶圆载具，用以绕着旋转轴转动，该晶圆载具包含顶面、底面、及外缘，顶面基本为平面且定义一目标物平面。将复数个加热组件设置于晶圆载具下方，其是用以辐射加热晶圆载具之底面。复数个加热组件可包含极接近晶圆载具之外缘之一周围(peripheral)加热组件，该周围加热组件可基本围绕复数个加热组件之其余的加热组件，或者包含围绕其余加热组件之两个以上加热组件。周围加热组件可包含沿着周围加热组件之指定部分之低热通量部分，相对于周围加热组件之其余部分，此低热通量部分操作在基本降低(reduced)的温度下。在一实施例中，低热通量部分是操作于比在最大操作温度下运作之加热组件之其他部分，低至少300℃之温度下。

在一实施例中，辐射测温计是用以观察极接近“缩减的散射辐射的轴线”之目标物。缩减散射辐射的轴线与目标物平面共平面，且由一旋转轴延伸并越过加热组件之低热通量部分。周围加热组件之低热通量部分可包含一电连接器。

在一实施例中，目标物是位于晶圆平面上之矩形区域内，该晶圆平面包含缩减散射辐射的轴线之一部分，该矩形区域由心轴(spindle)延伸至晶圆载具之外缘，且其宽度约等于周围加热组件之指定部分之切线尺寸(tangential dimension)之宽度。

限制系统可更包含位于CVD反应室内之一圆柱体，该圆柱体定义基本与旋转轴同中心之圆柱体轴，且具有内部表面、外部表面、及顶缘。内部表面定义一圆柱体内径，外部表面定义一圆柱体外径，而顶缘定义基本与圆柱体轴正交之一上平面。晶圆载具可定义大于圆柱体之圆柱体内径之载具外径。限制系统亦可包含位于CVD反应室内之心轴，该心轴与旋转轴同中心且具有用以与晶圆载具耦接之一末端部分。在一实施例中，辐射测温计是用以探测在电磁光谱之可见/UV部分中之辐射。

在本发明之各种实施例中，揭露了用以减少由周围加热部分之指定部分所发出之散射辐射之不同机构。在一实施例中，该机构可包含位于接近周围加热部分之指定部分的辐射阱(radiation trap)及辐射偏转器(radiation deflector)两者其中一者。

在其余实施例中，揭露了一种由辐射测温计所接收之杂散辐射之限制方法，其中目标物是位于化学气相沉积反应室中。该限制方法包含提供用以操作于化学气相沉积反应室中之晶圆载具及加热器数组。该晶圆载具是用以绕着旋转轴而转动，且具有下表面及基本平面形之上表面，而该上表面定义目标物平面。该加热器阵列包含周围加热组件，该周围加热组件包含沿着周围加热组件之指定部分之一低热通量部分。亦提供在有形媒体上之操作指令，包含以下步骤：

˙将加热器阵列设置于化学气相沉积反应器内；

˙将晶圆载具设置于化学气相沉积反应器内之加热器阵列上方，并使上表面朝上；

˙调整辐射测温计，以观察接近缩减散射辐射的轴线之目标物，该缩减散射辐射的轴线与目标物平面共平面，且由旋转轴延伸并越过加热组件之低热通量部分。

本发明之其他态样及优点，将由下列说明、结合附图并藉由范例阐述本发明之原理而变得明显。

附图简述

图1为在各种温度下根据普朗克定律之光谱黑体发射功率图；

图2为在一揭露实施例中之焦外远心辐射测温计之截面图，该焦外远心辐射测温计于操作时耦接至MOCVD反应室；

图3为在一揭露实施例中之焦外远心辐射测温计及操作时耦接至MOCVD反应室之光阱(light trap)的截面图；

图4为在一揭露实施例中之焦外远心光学装置；

图5为在一揭露实施例中之焦外远心辐射测温计之截面图，该焦外远心辐射测温计在操作时耦接至使用流动延展器之MOCVD反应室；

图5A为图5之MOCVD反应室及流动延展器之局部放大截面图；

图6A-6C绘示在一揭露实施例中用以获取晶圆之空间温度分布之多信道装置；

图7A为具有辐射测温计之MOCVD反应室之截面图；

图7B为图7A之MOCVD反应室之三维剖视图，其具有用以将辐射散射模型化之各种附属设备；

图8为自图7A之周围加热组件之一部分发出之辐射的示意图；

图9为一揭露实施例中反应室(已移除晶圆载具)内之加热组件装置之平面图；

图10为红外光辐射测温计及光学辐射测温计之比较图，两者皆在加热器阵列之加热循环期间观察晶圆载具；

图11为图9之平面图，绘示一揭露实施例中相对于杂散辐射探测实验用之加热器阵列的目标物之对准(alignment)；

图12A为辐射测温计之应答比较图，该辐射测温计是用以观察接近周围加热组件之高热通量部与接近周围加热组件之低热通量部之外半径位置上之晶圆载具；

图12B为辐射测温计之应答比较图，该辐射测温计是用以观察接近周围加热组件之高热通量部与接近周围加热组件之低热通量部之中间跨距(mid-span)半径位置上之晶圆载具；

图13A为一揭露实施例中反应室内之晶圆载具之局部平面图，反应室包含局部辐射阱；

图13B为图13A之局部辐射阱之截面图；

图14为一揭露实施例中使用局部辐射偏转器之反应室之示意图；

图15为一揭露实施例中透过视口窗观察晶圆之双波长高温计之示意图；

图16A及16B为一揭露实施例中由使用反射计子组件之高温计所接收之复合信号之代表图；及

图17说明一揭露实施例中使用获取空间温度分布用之双波长高温计之多信道装置。

具体实施方式

参照图1，其绘示在各种温度下根据普朗克定律(Planck’s law)之光谱黑体发射功率之曲线族10；约与400nm至700nm之波长带(wavelength band)一致之可见光谱区域12亦标示于图1中。关于先前所讨论之温度在410nm时之黑体发射功率上之效应，分别将在1073K及2073K(分别对应于800℃及1800℃)下之第一及第二参考点14及16标示于图1中。

参照图2及3，其是揭露关于利用辐射测温计22之MOCVD反应器系统20之实施例，其中辐射测温计22具有焦外远心光学装置24。MOCVD反应器系统20包含反应室26，反应室26可操作地耦接至流动凸缘28以定义外壳30；流动凸缘28包含层流板31，MOCVD系统之气体是透过层流板31而通入反应室26中。反应室26内设有晶圆载具32，晶圆载具32具有顶面34及底面36且可操作地耦接至心轴38，顶面34定义晶圆袋35，心轴38定义旋转轴40，而晶圆袋35中之每一者是用以将晶圆41安置于其中。本体挡门(body shutter)42可以可移动之方式插入于反应室26之内壁旁且围绕晶圆载具32。

电阻加热阵列44被设置于晶圆载具32下方，以辐射方式耦接至晶圆载具32之底面36。电阻加热阵列44可包含周围加热组件45，且可被圆柱体46所围绕，亦可以反射板48加以黏合，以增强电阻加热阵列44与晶圆载具32之间的辐射式耦接。

将辐射测温计22安装于流动凸缘28顶部，并调整其方位使之可透过视口窗52而观察到晶圆载具32之顶面34。在一实施例中，视口窗52被设置于可被主动地冷却之凹槽54中。

焦外远心光学装置24包含第一或称前方(forward)光学元件组件62(此处称为『物组件』62)及第二或称后方(rearward)光学元件组件64(此处称为『影像组件』64)。物组件62之特征在于具有一有效半径尺寸65(图4)，亦即为物组件62可有效地传输辐射至孔径光闸66之最大半径尺寸。

孔径光闸66位于物组件62与影像组件64之间。在一实施例中，物组件62与影像组件64及孔径光闸66沿着一光学轴而共心排列；光学轴68为由辐射测温计22所探测之辐射进行传递的轴。光学轴68可为笔直，如此处所例示者；或可为迂回曲折形，例如在使用平面或聚光镜传输辐射时。光学轴68可在焦外目标物72之中心，特征为具有一焦外目标物区域74。辐射测温计22亦包含用以探测电磁辐射之探测器76。

应注意：为达本发明之目的，“光学元件组件”可包含复数个光学元件(如图所示)，或者可包含单一组件，例如单一透镜。虽然此处所例示之光学元件包含透镜，然应明了亦可使用其他组件以完成辐射传输，例如聚焦镜或光纤束。

在一实施例中，调整辐射测温计22之方位，使光学轴68基本垂直于晶圆载具32之顶面34(图2)。在另一实施例中，调整辐射测温计22之方位，使光学轴68相对于垂直晶圆载具32之顶面34之方向成一锐角(图3)。在一实施例中，将光阱(light trap)82设置于三维空间中光学轴68之反射角(mirrored angle)(图3)；换言之，将光阱(light trap)82设置成可对向到(subtend)来自于晶圆载具32之顶面34处之假设反射面的光学轴68之反射。

兹将参照图4，更详细地说明辐射测温计22之焦外远心光学装置24。物组件62之特征为具有焦距F1，F1是由在物组件62上或内之光学轴68上之参考点84开始测量。“焦距”为自参考点起算至平行光学轴68而通过之射线被物组件62聚焦处之距离。就焦外远心光学装置24，孔径光闸66是位于此收敛点上，亦即在物组件62之焦距F1上。

例示之焦外远心光学装置24更具有距离L1及L2，L1为影像组件64与孔径光闸66之间的距离，而L2为影像组件64与探测器76之间的距离。孔径光闸66亦以具有主要尺寸为特征，此处，“主要尺寸”是指圆形孔径之直径或者非圆形孔径之最大尺寸(例如矩形孔径之对角线)。

在一实施例中，距离L1基本等于影像组件64之焦距，使由影像组件64传输至探测器76之辐射为实质地准直，此装置在此称为“双边”(”bilateral”)之远心光学装置。在双边之远心光学装置中，不仅由物组件62所聚集之辐射为基本准直，由影像组件64传输至探测器76之辐射亦为基本准直(如图所示)。将由影像组件64传输至探测器76之辐射准直化之一优点为可排除额外之杂散光。此种杂散辐射可能源自于系统中各种光学元件之表面以及进入辐射测温计22之离轴(off-axis)辐射。影像组件64与探测器76之间的辐射准直化，抵制了以不平行于光学轴68之角度进入影像组件64之辐射。

在一实施例中，距离L2亦可基本等于影像组件64之焦距；然而，在双边之远心光学装置中，并未将L2限制于任何特定尺寸。

射线束88之特征为包含中心或“主要”射线92之射线群集(cluster)，全部皆源自于目标物72上之无限小点94。射线束88包含源自于以主要射线92为中心之一立体角96内之无限小点94的所有射线，主要射线92平行于但偏离光学轴68。目标物区域74内之每一无限小点94皆发出相同之射线束，而由物组件62加以接收。

立体角96为主要尺寸86及目标物距离L3之函数，L3为自物组件62之最前方表面95至目标物72之距离。射线束88之立体角96愈小，射线束88中之射线与光学轴68将愈接近平行，且愈能去除杂散光。就一既定目标物距离L3而言，主要尺寸86愈小，立体角96愈小。此外，就一既定孔径光闸66之主要尺寸86而言，较长之目标物距离L3将能提供用以加强去除杂散光之较小之立体角96。一般而言，由于焦外、平行射线聚集，目标物距离L3并不具有特定尺寸，MOCVD反应室之目标物距离L3之非限制性实施例为小于2米。在一实施例中，目标物距离L3基本为物组件62之焦距，其功用为当一既定射线束88通过孔径光闸66时，实质地聚焦该既定射线束88，如图4所示。在一实施例中，目标物距离L3为200mm至300mm之数量级(order)(例如250mm)。

辐射测温计22可选择性地设有缩减尺寸的孔径组件97及/或光闸(shutter)组件98。在一实施例中，缩减尺寸的孔径组件97及光闸组件98中之每一者皆可包含安装于致动器100上之平板99。就缩减尺寸的孔径组件97而言，平板99包含相较于孔径光闸66之孔径具有缩减尺寸之孔径101，藉以至少与孔径光闸66之主要尺寸86干涉。另一方面，光闸组件98之平板99为胚料(blank)。

在操作中，可将平板99独立地设置成不接触、或部分或完全阻挡通过孔径光闸66之辐射。就缩减尺寸的孔径组件97而言，当孔径101处于展开(deployed)位置时，其可以光学轴68中心，藉以部分地阻挡辐射，并缩减辐射测温计22之有效孔径。就光闸组件98而言，将平板99由待机定位切换至展开位置，可完全阻挡目标物辐射到达探测器76。缩减尺寸的孔径组件97及光闸组件98两者皆以展开方式绘示于图4中。在一实施例中，孔径101具有在1-12mm范围之直径。

在功能上，可安装缩减尺寸的孔径组件97，以避免探测器随着温度增加而饱和。如上所述，黑体光谱发射功率可增加若干数量级(order of magnitude)，尤其在可见/UV光谱中。可利用缩减尺寸的孔径组件97，以减少到达探测器76之辐射之量，藉此避免饱和。同理，可利用光闸组件98，以保护探测器76在极端之辐射状况中免受损伤。

所例示之致动器100为旋转型致动器，当在展开位置时，其将平板99转动至光学轴68内；当在待机位置时，其将平板99转动离开光学轴68。应明了此例示装置并非限制性，可安装任何类型之若干致动器，包含可将平板99线性移入或移出光学路径之移动型装置，或者用以主动控制孔径尺寸之可调式光圈(iris)装置。

熟悉此项技艺者将认可：所需之立体角96之大小与达成一既定信噪比之目标物区域74之大小之间存在取舍；换言之，就一既定目标物距离L3而言，较小立体角96(例如较小的主要尺寸86)可用于较大目标物区域74，如此通常可加强地去除杂散辐射，然而较小目标物区域74便需要较大立体角96(例如较小的主要尺寸86)。目标物尺寸被其他因子所限制，包含视口窗52之尺寸、影像组件64之有效半径尺寸、及晶圆载具32上之目标物72之期望视野。因此，就需要较大之孔径光闸66之主要尺寸86的较小目标物区域74而言，在较短之目标物距离L3环境下，可能使焦外远心光学装置24之杂散光去除措施变成无效。

在某些非限制性实施例中，孔径光闸66之主要尺寸86物组件66之有效半径尺寸65的约1/3以下。在一实施例中，孔径光闸66之主要尺寸86在1mm至20mm之范围。

就典型之结晶生长材料之目标物而言，由目标物72进行镜面反射之相互反射辐射(inter-reflected radiation)具有一强反射分量；换言之，大部分入射于结晶生长结构之表面上之辐射将以与入射角相同之角度反射。因此，进入标准辐射测温计(亦即无远心光学装置者)之不均衡量之杂散辐射，以不平行于光学轴68之角度被反射而离开目标物72，故藉由减少射线束88之立体角96，亦基本降低了杂散辐射之量。

考虑图2中辐射测温计22之位向。由目标物72反射而进入辐射测温计22之辐射，应已被相互反射或者由视口窗52射出。视口(viewport)(窗)52可用以减少由该处反射辐射的量，例如藉由使用抗反射涂层及/或在凹槽54内设置可被主动冷却之视口窗52，以限制入射于视口窗52上之辐射量。

考虑图3中辐射测温计22之位向。如一般所述地排列且如图3所示之光阱82具有捕获将以光学轴68之镜面反射角入射于目标物72上之辐射之功能；如上所述，利用凹槽54内之抗反射窗口，光阱82亦可用以限制相互反射辐射被传输至目标物72上。

为证实焦外远心光学装置24之操作理论，利用由美国亚历桑那州土桑市Breault Research Organization,Inc.所提供之先进系统分析程序(ASAP,AdvancedSystem Analysis Program)、三维射线追踪程序(three dimensional ray tracingprogram)，将基本如图2所示及此处所述的外壳30之几何形状及操作条件模型化。执行ASAP模型，以识别杂散辐射路径及分析进入视端口窗52之杂散辐射。将周围加热组件45设定成在1800℃温度下操作之辐射源，将晶圆载具32(经模型化为在晶圆袋35中包含晶圆)模型化为800℃下之辐射源及散射媒介两者。假设晶圆袋35运载在所关注波长具有0.8发射率之晶圆41，基于普朗克定律，辐射源之黑体发射功率是在405nm之波长而建立，亦将外壳30之内壁(包含本体挡门42、层流板31、及视端口窗52)模型化为散射的媒介。

针对两不同之聚集光学元件，将辐射测温计22模型化：“标准”光学装置，在1:1放大倍率下具有10mm之目标物直径；以及如此案所述的焦外远心光学装置，具有约30mm之目标物直径。比较由目标物24发出且直接进入辐射测温计22(『信号辐射』)之405nm辐射量与外壳30内相互反射且进入各光学装置之辐射测温计22(『杂散辐射』)之405nm辐射量，其结果列于表1。

表1：针对标准装置及远心光学装置，预测在405nm下归因于信号及杂散辐射之辐射波长比例之ASAP模型结果(目标物在800℃下，周围加热组件在1800℃下)

ASAP预测：就利用标准光学器件之辐射测温计而言，在405nm波长下，探测器上约70％之辐射通量是归因于杂散辐射；然而，利用焦外远心光学装置24将杂散辐射贡献降低至39％。杂散光贡献分别引起约41℃及16℃之温度偏离误差；换言之，焦外远心光学装置24之温度测量之偏离误差比标准透镜系统几乎小2/3。

参照图5及5A，亦以实验方式验证焦外远心光学装置24。就此实验而言，MOCVD反应器系统使用流动延展器(flow extender)104，流动延展器104包含在晶圆载具32之顶面上方延伸且利用连接器108而贴附至本体挡门42之上端106。可将流动延展器用于改良流动及结晶生长环境的热特性，但由观察晶圆载具32及晶圆41之辐射测温计22所接收之杂散辐射信号之倾向亦大幅地增加。反应器系统与晶圆载具(包含在晶圆袋中之晶圆上之GaN结晶生长材料)一同操作于约800℃持续一延长期间，使外殻内之热环境处于似稳态(quasi-steady state)(亦即使MOCVD反应器系统之组件热饱和)。供电至电阻加热阵列后，利用辐射测温计进行第一次测量；接着，切断对电阻加热阵列之供电，且在十秒钟时段内利用辐射测温计进行第二次测量。在405nm波长，来自电阻加热阵列之杂散辐射几乎在切断供电时立即停止，然而由于目标物之热容(thermal capacitance)，目标物持续以与停止供电前基本相同之发射功率发出辐射。因此，假设第一次测量包含来自于电阻加热阵列在405nm波长之杂散辐射分量，而第二次测量则否。针对利用标准焦内(in-focus)光学装置之标准光学高温计以及利用焦外远心光学装置24之辐射测温计两者进行实验，两辐射测温计皆在405nm波长正常操作。结果显示于表2。

表2：针对标准及远心光学装置，估算在405nm归因于信号及杂散辐射之辐射波长比例之测量结果(目标物在800℃下；反应室具有流动延展器)

测量结果显示，就使用标准光学器件之辐射测温计而言，在405nm波长，探测器上约64％之辐射通量是归因于杂散辐射；另一方面，使用焦外远心光学装置24将杂散辐射贡献减少至约31％。此等杂散光量分别引起约34℃及12℃之温度偏离误差，焦外远心光学装置24之温度测量之偏离误差再度比标准透镜系统小约2/3。

在一实施例中，探测器76包含具有700nm之截止波长之光子计数器(photoncounter)(亦即光电倍增管，PMT(photomultiplier tube))，故其对红外光辐射不灵敏。因此，使用PMT作为探测器可大幅地消除在Zettler案所识别之光谱的红外光部分中不当滤波之疑虑。可利用滤波装置102过滤PMT，仅有主要在蓝、紫、或紫外光区域中之波长被探测到。

PMT之另一优点为其可提供快速之时间响应(time response)，此为利用高转速之晶圆载具之CVD反应室之一考虑因子，例如由美国纽泽西州Somerset之Veeco仪器公司所制造之TURBODISC系统。TURBODISC系统一般说明可见于Mitrovic等人于2005年六月所公开之“Reactor Design Optimization Based on 3D CFDModeling of Nitrides Deposition in MOCVD Vertical Rotating Disc Reactors,”(可浏览网页http://www.wpi.edu/academics/che/HMTL/CFD中之文件CRE_IV/Mitrovic.pdf)。此种高转速之系统对来自辐射探测器76之数据可能需要撷取速率在10kHz级次，PMT可提供此水平。

由滤波装置所传送之光谱之非限制性范例包含中心波长在380nm至420nm范围及带宽(band width)(半峰全幅值，full width at half maximum)在10nm至70nm范围。在一实施例中，滤波装置102更包含组合彩色玻璃滤光片之带通滤波器。滤波器组合之一非限制性范例为购自Newport之10BPF25-400之带通滤波器(中心波长为400±3.5nm；半峰全幅值为25±3.5nm)，其具有来自Thorlabs公司之FGB25彩色玻璃滤光片(400nm之局部截止波长)，两者加以组合以定义一主要带通，供容许标称的390nm至420nm间带通之辐射通过。

在一实施例中，焦外远心光学装置24之组件及布局之非限制性范例包含：物组件62为包含直径为50.8mm且焦距为249.2mm之平凸形透镜(plano-convexlens)(例如购自Thorlabs公司之LA1301-A)，该透镜位于与孔径光闸66相距249.2mm(F1)之处；影像组件64为包含直径为25.4mm且焦距为75.0mm之平凸形透镜(plano-convex lens)(例如购自Thorlabs公司之LA1608-A)，该透镜位于与孔径光闸66相距75mm(L1)、且与探测器相距75mm(L3)之处。在另一实施例中，物组件62更包含直径为50.8mm且焦距为100mm之艾克罗蔓第克(消色差的)双合透镜(achromatic doublet)(例如购自Thorlabs公司之AC508-100-A)，其并组合上述之平凸形透镜，以便将物组件之焦距F1缩短至约87mm，同时缩短组件之整体长度。在此后者之装置中，具有较短焦距(如30mm)之艾克罗蔓第克双合透镜可例如被使用作为影像组件64，以便更接近孔径(例如购自Thorlabs公司之AC254-030-A)。

在上述参考范例中之诸透镜可包含适合传送在电磁光谱之可见/UV光谱之辐射的任何材料，如硼硅玻璃(borosilicate glass)、氟化钡(barium fluoride)及熔融硅石；亦可将其涂布抗反射涂层。

或者，可使用其他滤波装置及技术，组合此处所揭露之焦外远心光学装置24。举例而言，可安装探测器及滤波装置Zettler。在某些实施例中，可使用水冷式CCD或例如崩溃光二极管(avalanche photodiode)之固态探测器。

在操作时，晶圆载具32绕着旋转轴40而转动，同时受到加热阵列44之辐射加热。晶圆载具32绕着旋转轴40转动之转速，基本可取决于MOCVD反应器系统20之操作参数及设计准则而加以变化。

辐射测温计22及焦外远心光学装置24并不限制于设有除了电阻式加热器以外之加热源之系统，本发明可包含各种实施例，例如某些CVD反应器系统可使用微波加热源。

参照图6A及6B，其是例示本发明一实施例之用于探测晶圆41上空间温度变化的多信道装置110及111。在所例示之实施例中，组成焦外远心光学装置24之复数个辐射测温计22a,22b及22c，适合用于在晶圆41转动通过视口窗52时，同时观察晶圆41上之个别目标物72a,72b及72c。可将复数个辐射测温计22a,22b及22c排列成，当晶圆载具32绕着旋转轴40转动至一既定方位时，全部目标物72a,72b及72c皆可被晶圆41对到(subtend)。

在一实施例中，复数个辐射测温计22a,22b及22c被排列成，使目标物72a,72b及72c沿着基本沿半径坐标R延伸之直线112而集中，该半径坐标R是由旋转轴40沿径向向外延伸并通过晶圆41之中心(图6A)。在另一实施例中，复数个辐射测温计22a,22b及22c被排列成，使目标物72a,72b及72c沿着基本垂直于半径坐标r且通过晶圆41之中心的直线114集中(图6B)。仍有其他实施例可定义其他形态(pattern)，例如目标物形成非线性类型的态样，或者目标物沿着相对于径向坐标r定义一锐角之直线而排列。

参照图6C，其绘示用以测量目标物72a-72e之形态的辐射测温计22a-22e之多通道群集(cluster)120。多通道群集120可提供关于例如沿着直线112及114的晶圆41温度分布之二维信息。

图6A-6C所示之各种实施例可实现中心落在例如400nm至410nm(如405nm)之波长范围之“蓝光”波长。在一实施例中，复数个辐射探测器(例如图6A之辐射测温计22a-22c)使用辐射聚集透镜、光闸/光圈、滤波器及探测器透镜用之单一支座，以提供具有较佳空间分辨率之更致密设计。在一非限制性实施例中，目标物72(如图6C之72a-72e)之尺寸可为11mm x 22mm，且仍可提供适当之信噪比。目标物之间留有1.5mm至10mm之空间的此种配置，使得在晶圆41直径约每一吋(inch)可有一个辐射测温计22或更小之密度下(亦即对于3吋晶圆有一列三个测温计，对于6吋晶圆有一列六个测温计，对于8吋晶圆有一列八个测温计等)，使用一列辐射测温计22。

可取得来自辐射测温计22a,22b及22c之输出信号，并将其储存于数据撷取系统115上。在一实施例中，数据撷取系统115包含：信号处理器116，其调节来自辐射测温计22a,22b及22c之信号并将之数字化；记忆装置117，其储存数字数据；及控制器118，例如计算机。可撷取来自辐射测温计22a,22b及22c中之每一者之时间相对信号数据，并将其储存于记忆装置117中。控制器118亦可实时施行任务，例如将信号数据转换成温度、计算平均及标准偏差、及绘制晶圆41及/或晶圆载具32之温度轮廓。尽管数据撷取系统115是为了用于图6A之结构中而绘制，但其可与此处所述的任何辐射测温计一起使用。又，熟悉此项技艺者可取得之各种系统亦适合用于数据撷取。

当一既定晶圆41相对于辐射测温计而被适当定位时所撷取之数据后，数据撷取系统115亦可用以将数据流(data stream)同步化处理。同步化使得对应至在观察例如目标物72a,72b及72c时所接收到之信号之数据流之相关部分能够被提取出来，可针对一段时间内此数据流之相关部分进行平均，以用于统计处理。在一实施例中，同步化及数据之统计处理是实时完成。同步化例程(routine)之一范例揭露于Gurary等人之美国专利第6,349,270号(”Gurary”)中。

参照图7A及7B，其是说明利用辐射测温计222之MOCVD反应器系统220，辐射测温计222用以观察在MOCVD反应器系统220内之目标物224。MOCVD反应器系统220包含操作上与流动凸缘228耦接以定义外壳230之反应室226，流动凸缘228包含层流板231，MOCVD工艺所用之气体即透过层流板231而被通入反应室226中。将晶圆载具232设置于反应室226中，晶圆载具232具有定义目标物平面233之顶面234，辐射测温计之目标物224基本安置于目标物平面233上；顶面亦定义用以支撑基板或晶圆237之晶圆袋235。晶圆载具232亦包含底面236，且被操作地与定义旋转轴240之心轴238相耦接。可将本体挡门242可拆除地插入于邻接反应室226之内壁并围绕晶圆载具232。

加热器阵列244位于晶圆载具232下方，以辐射方式耦接至晶圆载具232之底面236。加热器阵列244可被圆柱体246围绕，且亦可以细丝装设板248于下方被限制，以增强加热器阵列244与晶圆载具232之间的辐射耦接。圆柱体246定义基本与旋转轴240同中心之圆柱体轴250。

将辐射测温计222安装于流动凸缘228上方，并调整位向使其可透过视口窗252而观察晶圆载具232之顶面234。在一实施例中，视口窗252是位于可被主动冷却之凹槽254中。

加热器阵列244可包含周围(peripheral)加热组件264，由于周围加热组件264定义加热器阵列244之外周围，故如此命名。尽管此处所述的周围加热组件264为单一加热组件，亦可考虑周围(最外侧)加热组件由两个以上加热组件所组成之加热器装置。

为促进均匀加热，在所述实施例中之周围加热组件264是位于接近圆柱体246之内部表面266。复数条射线268被描绘成发射自周围加热组件、在外壳230内进行内部反射、并进入辐射测温计222。

参照图8，其是绘示在一实施例中接近圆柱体246之顶缘272及晶圆载具232之外缘274的区域。间隙276被定义于外缘274与顶缘272之间，以使晶圆载具232能够自由转动。绘示成由周围加热组件264发出之射线268a,268b及268c，代表离开间隙276之三种辐射：射线268a代表未被反射而离开间隙276之直接辐射；射线268b代表散射而离开圆柱体246之内部表面266及晶圆载具232之外缘274的辐射；射线268bc代表散射而离开晶圆载具232之底面236及细丝装设板248的辐射。

在操作时，可将晶圆袋235与基板237(例如蓝宝石)一起装载。晶圆载具232绕着旋转轴240及经加热至约1800℃温度之加热器阵列244转动，气体经由层流板231通入，以在晶圆载具232上形成结晶成长材料(例如GaN)，包含晶圆袋235及其中所容纳之任何基板237。在操作期间，结晶成长材料之温度为800℃级次。

利用三维射线追踪程序，将如图7A及7B所示之外壳230之操作条件模型化。执行射线追踪模型，以识别杂散辐射路径并分析进入视端口窗252之杂散辐射。假设周围加热组件264为连续，并将其设定为操作于1800℃温度下之辐射源。将晶圆载具232(被模型化成包含晶圆袋235中之晶圆237)模型化为800℃下之辐射源及散射媒介两者。根据普朗克定律，于405nm波长，辐射源之黑体发射功率被建立。亦将外壳230之内壁(包含本体挡门242、层流板231及视口窗252)仿真化为散射的媒介。

将位于两不同位置之辐射测温计222模型化：“外”位置，在接近半径R处的最外侧晶圆袋235之中心(参图7A)；“中间跨距”位置，于外位置与旋转轴240之间约(2/3)R处。将由目标物224发出且直接进入辐射测温计222(『信号辐射』)之405nm辐射量，与在外壳230内相互反射(inter-reflected)并进入辐射测温计222(『杂散辐射』)之405nm辐射量进行比较，结果显示于表3。

表3：在405nm归因于信号及杂散辐射之预测量(目标物在800℃下；周围加热组件操作于1800℃温度)

射线追踪模型预测到：对于形成连续环形之周围加热组件264及集中于外位置之辐射测温计222而言，在标准辐射测温计之探测器上，405nm波长下约97％之辐射通量归因于杂散辐射。在中间位置上，预测杂散辐射贡献了全部信号之约70％，此等杂散辐射贡献造成分别约为127℃及41℃之温度偏离误差。再者，射线追踪模型之结果指出：到达辐射测温计之探测器之杂散辐射，约有92％是源自于离开晶圆载具232之底面236及灯丝装设板248的散射辐射(如图8之射线268c所示)。

参照图9，其是绘示一实施例中包含内部加热组件304及周围加热组件264a之加热器阵列244a。流动凸缘228及晶圆载具232于此图中被移除，以清楚地显示加热器阵列244a之布局；心轴238、本体挡门242及灯丝装设板248亦可见于此图中。加热组件264a及304分别包含电连接器306及308。

电连接器306占据周围加热组件264a之弧形段310，相较于周围加热组件之其他等长弧形段，弧形段310之电阻已被基本降低；换言之，弧形段310构成周围加热组件264a之一个低热通量部分312。相比周围加热组件264a之高电阻部分，电连接器306是在实质的降低之温度下运作，例如，在一非限制性实施例中，周围加热组件264a是在标称为2000℃之最大操作温度下运作。在此操作条件下，但电连接器306是在约1500℃下运作，且横跨弧形段310之标称(nominal)温度被设定为1700℃以下，或者比周围加热组件264a之高电阻部分低至少300℃。如此，就操作温度而言，周围加热组件264a之低热通量部分312(亦即电连接器306)在基本低于周围加热组件264a之其余部分之温度下运作，使405nm波长之低热通量部分312之辐射量强度，比周围加热组件264a之高电阻部分低约2数量级(order)(见图1)。

可配置加热器阵列244a之内部加热组件304，使第一半长314在第一半圆内，且第二半长316在第二半圆内。因此，有一不连续段318位于第一半长314与第二半长316之间，两者仅在靠近心轴238与电连接器308之一位置上相连接。

进行实验，405nm波长下，以判定相较于加热器阵列244a整体，周围加热组件264a之杂散辐射量之相对贡献。对内部加热组件304及周围加热组件264a进行完全供电并加以控制，以将晶圆载具232维持于接近800℃之稳态温度，如同在正常结晶生长操作中所进行者一般。接着，限制供给至周围加热组件264a之功率，使周围加热组件264a仅在约一半容量下运作，但却仍可控制系统在或接近800℃之温度下加热晶圆载具232。以此方式，可将周围加热组件264a之405nm波长之辐射量降低至可忽略的程度，同时将晶圆载具232本质上维持于接近800℃之温度，且内部加热组件304实际上在更高之温度下运作，以补偿周围加热组件264a所降低的热输入。接着，同样将供给至周围加热组件264a之功率限制在约一半容量，在全部三操作条件下以辐射测温计进行测量，且在限制内部加热组件304之容量后立即采用第三条件(周围加热组件264a及内部加热组件304皆在一半容量)。基于此等测量结果，判定由辐射测温计222所接收之杂散辐射中，周围加热组件264a贡献80％与90％之间。因此，验证了仅需将源自于周围加热组件264之辐射模型化、而不需要图7A之整个加热器阵列244之简化。

于是发展出一理论：由于此一大部分之杂散辐射是源自于周围加热组件264，可藉由局部地限制周围加热组件之辐射发出，而局部地控制杂散辐射。换言之，若将辐射测温计222之目标物224固定于极接近周围加热组件264之区域的目标物平面233之区域上，且该周围加热组件264所发出之辐射已被大幅降低、捕获或传输而消散，则应可减少由辐射测温计所接收到之杂散辐射。

以下进行杂散辐射探测实验，以测试此理论。辐射测温计222是用以探测横跨标称中心为405nm之狭窄带通之电磁辐射，而第二、亦即红外光辐射测温计320(图7A)是用以探测横跨标称中心为900nm之带通之电磁辐射。如前所述，于405nm，光谱黑体发射功率上之变化对温度变化极为敏感(图1之参考符号14及16)，因此，用以探测标称为405nm之辐射之辐射测温计222，对于源自于周围加热组件264之杂散辐射亦极为敏感。然而，在900nm波长(再度参照图1及普朗克定律)，于关注之温度区域(标称2100K)中，于900nm，光谱黑体发射功率上之变化对温度变化极为敏感(见图1之参考符号322)。因此，操作于900nm之红外光辐射测温计320对源自于周围加热组件之杂散辐射基本较不敏感，反而对晶圆载具232之温度上之变化更加敏感(标称在1100K；见图1之参考符号324)。

因此，杂散辐射探测实验是建立于对杂散辐射高度敏感之探测器(辐射测温计222)所指示之温度、及对杂散辐射不敏感之参考装置(红外光辐射测温计320)所指示之温度的比较。

参照图10，其是绘示典型之杂散辐射特征(signature)330。杂散辐射特征330是基于红外光温度信号332与光学(或“蓝光”)温度信号334之比较，其中红外光温度信号332由红外光辐射测温计320所产生，而光学温度信号334由探测在标称405nm波长之辐射之辐射测温计222所产生。对于图10所显示之数据而言，辐射测温计222及红外光辐射测温计320两者皆观察目标物平面233上相似位置之目标物位置(亦即距离旋转轴240相似之半径处)。又，图10中之数据已经过正规化(normalized)处理，使初始冷却期(图10之第一区I)中所显示之初始温度具有相同轨迹。

对于杂散辐射探测实验，MOCVD反应器系统220是用以促使晶圆载具达到第一控制温度，接着，将控制温度向下调整至低于第一升高温度之一设定点温度。如温度信号332及334显示，杂散辐射特征330之第一区I说明晶圆载具232呈现稳定下降之冷却，当MOCVD系统220之温度控制器在该较低设定点温度下建立控制平衡时，杂散辐射特征330之第二区II说明温度信号332及334之回复。

在上述程序期间，红外光温度信号332基本遵循晶圆载具之真实温度轮廓(变化)之轨迹；换言之，在杂散辐射特征330之第二区II中，晶圆载具232之真实温度先历经渐进反曲(inflection)336，接着呈基本单调上升(monotonic rise)338。温度上之渐进反曲336及单调上升338现象为晶圆载具232之热质量(thermalmass)之结果。

然而，光学温度信号334之特征为，在达到控制平衡温度348之前，杂散辐射特征330之第二区II中之急速反曲342以及后续之实质过冲(overshoot)344与轻微不足(低差)(undershoot)346。光学温度信号334为由晶圆载具232所发出之信号与入射于目标物平面233目标物224上且反射进入辐射测温计222之杂散辐射的折积(convolution)，过冲344及低差346为加热器阵列244在响应一新设定点时所经历之比例增益温度轮廓(proportional gain temperature profile)之特征。由于光学温度信号334受杂散辐射分量所支配，如同射线追踪模型(ray tracing model)所预测者，故相信光学温度信号334密切地遵循加热器阵列244之控制温度轮廓(变化)之轨迹。

因此，可定量地判定由辐射测温计222所接收之辐射是否具有强散射辐射的分量。遵循与红外光温度信号332相似之轮廓(具有单调上升之渐进反曲)之温度信号是并未受散射辐射所支配，而遵循与光学温度信号334相似之轮廓(具有实质过冲之急速反曲)之温度信号却是受散射辐射所支配。

参照图11，藉由利用再次用以探测405nm标称波长之辐射之辐射测温计222，而在目标物平面233上之若干不同位置处观察目标物224a,224b,224c及224d，以重复进行杂散辐射探测实验。尽管图11是绘示外露之加热器阵列244a，然应明了：在杂散辐射探测实验期间，晶圆载具232是位于适当定位处，且以转动模式运作。因此，图11是绘示关于目标物224a-224d落在位于加热器阵列244a上方之目标物平面233上处的加热器阵列244a之位向。

为测试在接近周围加热组件264a之低热通量部、杂散辐射会被缩减之理论，配置加热器阵列244a，使低热通量部312接近目标物224a及224b，而接近目标物224c及224d之周围加热组件264a之部分为一连续部350且具有高热通量。虽然目标物224a及224d沿直径方向相对而处，但两者皆距旋转轴240约195mm(7.68吋)之径向距离处。同理，虽然目标物224b及224c沿直径方向相对而处，但两者皆距旋转轴240约142mm(5.6吋)之径向距离处。

参照图12A及12B，其是显示测试之结果。图12A之光学温度信号352及354是获得自目标物224a及224d，亦即在外径向位置上。注意：在接近周围加热组件264a之连续、高热通量部处所获得之光学温度信号354，具有高杂散辐射分量之温度轮廓特征(具有极大过冲344a之急速反曲342a)。然而，在接近周围加热组件264a之低热通量区域312处所获得之光学温度信号352，具有与图10之红外光辐射信号332相同之温度轮廓特征(温度上具有单调上升338a之渐进反曲336a)。

关于图12B，是分别由中间跨距位置上之目标物224b及224c获得光学温度信号356及358。在接近周围加热组件264a之连续、高热通量部之中间跨距位置所获得之光学温度信号358，亦具有高杂散辐射通量之温度轮廓特征(具有极大过冲144b之急速反曲342b)；然而，在接近周围加热组件264a之低热通量区域312之中间跨距位置所获得之光学温度信号356，具有与图10之红外光辐射信号332相同之温度轮廓特征(温度上具有单调上升338b之渐进反曲336b)。

因此，于目标物平面233上，其自旋转轴240沿径方向延长并越过低热通量区域312之中心，界定一缩减的散射辐射之轴线362(图11)。接近轴线362之目标物平面233上之目标物224具有减少之杂散辐射分量，如此相较于目标物平面233上别处所获得之目标物温度，可得到降低的温度偏差。在一实施例中，目标物224是沿着轴线362集中，或者接触、或部分重迭；在另一实施例中，目标物224是落入于缩减的杂散辐射之矩形区域364内部，其长度366被界定成自旋转轴240延伸至晶圆载具232之外缘274，及其宽度368是由弧形段310之弦(chord)加以定义。

参照图13A及13B，其是绘示一实施例中之辐射阱372，该辐射阱372用以捕获由周围加热组件264之指定部分374所发出辐射之一部分。在一实施例中，辐射阱372包含界定于本体挡门242上且具有切线尺寸378之一孔洞376。在一实施例中，将周围加热组件264指定部分374定义成紧邻辐射阱372且具有相同切线尺寸378之弧形段。

在操作时，由指定部分374所发出辐射380之一部分，藉由直接辐射或反射离开而接近辐射阱372之各表面，而被传输至孔洞376内。辐射阱372因而藉由捕获辐射380而局部地限制辐射之传递。在此实施例中，是将缩减的散射辐射的轴线362定义为于目标物平面233，且由旋转轴240延伸并通过孔洞376之切线方向的中心。缩减的杂散辐射之矩形区域364之宽度368是藉由切线尺寸378之弦加以定义。

参照图14，其是绘示辐射偏转器(deflector)392一实施例，用以使由周围加热组件264之指定部分394发出之一部分的辐射偏折。在一实施例中，辐射偏转器392包含在径向向内突出至接近晶圆载具232之外缘274之凸形部(convexity)396，可将凸形部396特征化成具有切线尺寸398。在一实施例中，周围加热组件264之指定部分394被界定为紧邻辐射偏转器392、且具有与凸形部396之切线尺寸398相同之弧形段。

在操作时，由指定部分374所发出之一部分辐射402，藉由直接辐射或反射离开接近辐射偏转器392之各表面，而被传输至凸形部396内。辐射偏转器392因而藉由使辐射402散射而离开由旋转轴240所界定之平面404、并通过凸形部396而局部地限制辐射之入射。在此实施例中，缩减散射辐射的轴线362是藉由目标物平面233及平面404之汇合加以界定，且由旋转轴240延伸并通过辐射偏转器392。缩减杂散辐射之矩形区域364之宽度368是藉由辐射偏转器392之切线尺寸398之弦加以界定。

在所揭露之实施例中，加热组件设有上述用以施行可局部地减少杂散辐射之技术中之至少一硬件，亦将一套操作指令提供于有形媒体(例如书面纸类复本或为计算机可存取者)上，其中，操作指令是说明相对于加热组件，如何排列辐射测温计之位向，以便缩减杂散辐射分量。可利用此一组合，以例如改善现有之CVD反应器系统。

参照图15，其是绘示一实施例之双波长高温计420。双波长高温计420包含两辐射测温计422及424，每一者皆用以观察不同之中心波长，例如分别为930nm及405nm波长。辐射测温计422及424中之每一者亦可包含焦外远心光学装置24，其组件标示于图15中，组件符号与先前所述者相同。

在一实施例中，双波长高温计420之辐射测温计422及424共同使用一共有的物组件62。可使用冷光镜426，以将(反射)可见/UV光谱辐射光束434传输至辐射测温计424，同时传送红外光辐射光束432至辐射测温计422。或者，可使用分束器(未图示)取代冷光镜426。

就功能而言，所述的双波长高温计420能够同时测量由共有目标物72所发出之辐射信号，而冷光镜426能够使得大部分之可见/UV光谱辐射被传输至辐射测温计424，同时使大部分之红外光辐射通过辐射测温计422。例如，存在着冷光镜426可有效地反射超过90％之可见或可见/UV光谱中之辐射，同时对于波长大于800nm者维持最少83％之穿透量，参见“冷光镜”，DichroTec Thin Films LLC(可浏览网页：http://www.dtthinfilms.com/cold-mirrors.html)。就两辐射测温计422及424之滤波波长是在可见/UV或红外光谱中之实施例而言，可使用适当之分光器以取代之；亦可使用如上述之缩减的尺寸孔径组件97，如图15所例示之用于辐射测温计424一般，也可以作为辐射测温计422及424其中一者或两者皆可。

在各种实施例中，可将辐射测温计422及424其中一者或两者配置一反射计子组件(reflectometer subassembly)442，反射计子组件442可包含辐射源444(称为辐射源444a及444b，分别用于辐射测温计422及424)、探测器446、及分束器448。调整或选择辐射源444a及444b，以发射包含由个别辐射测温计422及424之个别滤波装置102a及102b所通过之波长带内光谱发射的光束452。在图15中，是将光束452及光学轴68彼此分别区分为辐射测温计422及424之光束452a及452b与光学轴68a及68b。此后，光束452a及452b总称为光束452。选择探测器446(称为探测器446a及446b，分别用于辐射测温计422及424)，以回应由个别辐射源444a或444b所发出之波长带内且由个别辐射测温计422或424之滤波装置102所通过之波长。在一实施例中，反射计子组件442包含截波器458，用以在其离开辐射源444时调制光束452。

在某些实施例中，反射计子组件442亦可包含一个以上之聚焦组件454,456，例如将光束452聚焦或准直化之透镜或球面镜。在一实施例中，聚焦组件454可包含与远心操作用之物组件62或影像组件64相近之透镜组。

在操作时，使来自反射计子组件442之辐射源444之光束452通过分束器448。在一实施例中，光束452之第一部分462a或462b通过分束器448且入射于探测器446上，由探测器446所产生之信号提供光束452强度之指示。由于分束器448之位向，探测器实际上并未看见源自于目标物72或由目标物72反射之辐射。光束452之第二部分464(称为464a或464b，分别用于辐射测温计422及424，且总称为464)被分束器448反射、且基本沿着个别光学轴68a或68b传递，并经由冷光镜426而到达目标物72上。接着，光束452之第二部分464之一部分自目标物72反射，沿着个别辐射测温计422或424之个别光学轴68a或68b经由冷光镜426而返回，通过分束器448及滤波装置102，以便被辐射测温计422或424之个别探测器76a,76b探测到。

在一实施例中，具体指定反射计子组件442之布局及组件，结合通过物组件62之两光路(passes)及通过个别影像组件64a或64b之光路，而使光束452之第二部分464聚焦于个别探测器76a,76b之影像平面上。此外，可具体指定反射计子组件442，使反射计子组件之辐照“未满”(underfill)目标物72；换言之，由来自于反射计子组件442之辐射所照射之目标物72之区域小于目标物72且完全被包含于目标物72内。

就功能而言，目标物72之未满在可能发生之错准(misalignment)时的反射率测量提供了空间容差(spatial tolerance)。简言之，在CVD工艺期间，由于晶圆41内存在热梯度，故晶圆41可变形或“弯曲”。弯曲现象可能引起自目标物72反射且被探测器76a,76b所接收之光束452第二部分464之一部分被重新导向，尤其是当目标物具高度反射性时。此反射部分之重导向将使得反射之辐射在探测器76a,76b之影像平面处发生横向迁移。藉由未满目标物72之方式，反射部分某种程度上可横向地迁移，且仍可完全地对到探测器76a,76b，而因此充分地被探测器76a,76b所探测到。

尽管图15将反射计子组件442绘示于辐射测温计422及424两者中，但应明了反射计子组件442并非必要，且可利用辐射测温计422及424两者或其中一者加以施行、或两辐射测温计都无须利用。同理，使用截波器458或其余光束调制装置亦为非必要，且反射计子组件442也无须利用此。

参照图16A及16B，其是绘示一实施例中由探测器76a,76b所产生之个别复合信号472a及472b，其中探测器76a,76b用以观察由反射计子组件442所照射之目标物72。复合信号472a之特征为由施行选用截波器458或其他调制装置之反射计子组件442所产生之信号，而复合信号472b可被特征化成具有驾于基线信号476上之调制信号474。基线信号476之基线强度478代表目标物72之发射功率，调制信号474之波谷至波峰振幅482代表光束457第二部分464中自目标物72反射之部分。

复合信号472b之特征为一个由反射计子组件442所产生且不调制光束452之信号；更确切的说，复合信号472b包含具有自基线信号476延伸一数量485之脉冲或步阶信号484。步阶信号484可藉由供电至辐射源444而产生，在此情况下，于步阶信号484持续期间，步阶信号484可能产生漂移(drift)。为补偿此漂移，可利用探测器446追踪光束452之强度，并对照来自探测器446之信号，而将步阶信号484正规化，以提供正规化信号486。正规化信号486之振幅代表目标物72之反射率。

举例而言，可运用反射计子组件442，以补偿在目标物72之发射率(emissivity)上之变化。目标物之发射率可由反射率测量结果加以推断，如Gurary等人之美国专利第6,349,270号(”Gurary”)中所述，其揭露在CVD工艺中，如何由晶圆载具上之晶圆环境(context)中之反射率测量结果来推断发射率。可利用目标物发射率之迹象(indication)，以改良温度判定之准确性。

光束457之第二部分464由探测器76a或76b所感测的部分，也与由目标物72所发出之辐射相同，承受相同之准直(collimation)程序，如同上述中相关于图4所讨论者。换言之，仅有反射之来自第二部分464且基本平行于主要射线92之反射辐射被探测器76a或76b探测到，使若有来自首先受到目标物72或视端口窗52散射之辐射之任何量，亦将变得微不足道。因此，不论目标物72位于晶圆41上何处，源自于光束457之第二部分464的散射辐射之量皆极微小。藉由本质上消除散射辐射分量，结果显示不同目标物间的反射率特征更为一致。

在所例示之双波长高温计420中，于光束452a及452b之第二部分464到达个别探测器76a或76b之前，以分束器448、冷光镜426、物组件62、及视端口窗52，将光束452a及452b之第二部分464减弱两次，且以目标物72、滤波装置102及影像组件64，将光束452a及452b之第二部分464减弱一次。因此，光束452之第二部分464可能经历明显之减弱，因此需要求辐射源具有充足电力，以能提供可探测之反射率信号。具有充足电力之辐射源之非限制性范例为操作于约1mW至约10mW范围之发光二极管(LED)，可调整发光二极管，以运送通过个别辐射测温计422或424之滤波装置102之狭窄光谱范围中之能量。例如，就具有约405nm之中心波长及25nm阶次(order)之带通的滤波装置102而言，LED辐射源之非限制性范例为LED405E，其是由美国纽泽西州牛顿市之Thorolabs公司所制造，具有约405nm±10nm之中心波长及约15nm之光谱带通(半峰全幅值，full width athalf maximum)。就具有约930nm之中心波长及10nm阶次(order)之带通的滤波装置102而言，LED辐射源之非限制性范例为OD-1390，其是由美国加州NewburyPark之Opto Diode公司所制造，具有约943nm之中心波长及约60nm之光谱带通(半峰全幅值)。

参照图17，其是说明一实施例中多通道及双波长之组合系统490。在所例示之实施例中，设置了复数个双波长高温计420a,420b及420c，以沿着直线114而观察目标物72a,72b及72c。双波长高温计420a,420b及420c中之每一者皆包含个别之辐射测温计对422a/424a,422b/424b,422c/424c，一既定对之各组件是用以观察所选择之波长带通，如参照图15所述。

可配置双波长高温计420之辐射测温计422及424，使得光学元件之传递轴位于一共同平面(例如平面492，图示为通过图17中之辐射测温计422c及424c之延长轴)上。此外，可配置辐射测温计422及424之内部组件，俾使与共同平面492正交之宽度494与图6A及6B之辐射测温计22a,22b及22c之宽度相等。此一配置方式将为双波长高温计420提供与辐射测温计22相同之横向足迹(lateralfootprint)，藉以使得双波长高温计420a,420b及420c能够沿着任何任意直线或者以其他图案的方式，以与上述关于图6A及6B及图17所载相同之方式来观察目标物。

在另一实施例中，多信道装置之高温计仅其一为双波长。在此装置中，假设得自于单一双波长高温计之温度校正及/或发射率补偿适用于整个晶圆，且因此适用于所有目标物。

因此，多信道及双波长之组合系统490可实现双波长、焦外远心装置之增强的准确性，同时提供空间温度均匀性信息。

尽管此处之讨论主要集中于MOCVD反应器系统之应用，但须注意：此处所解说之原理可应用至其他类型之CVD处理室以及一般使用辐射测温计之处理室。此外，为了本发明之目的，“高温计”及“辐射测温计”两名词为同义，“探测器”为电磁辐射探测器，且“光束”为电磁辐射之光束。

下列参考文件在此以参照方式将其整体并入，除了表示其中所包含之定义及专利权利要求以外：Zettler等人之美国专利申请案公开号第2011/0064114号；Gurary等人之美国专利第6,349,270号；Petrozzo等人所著，“Telecentric Lenses SimplifyNon-Contact Metrology,”Test&Measurement World,2001年10月15日；Mitrovic等人所著，“Reactor Design Optimization Based on 3D CFD Modeling of NitridesDeposition in MOCVD Vertical Rotating Disc Reactors”，2005年6月(可浏览网页http://www.wpi.edu/academics/che/HMTL/CFD中之文件CRE_IV/Mitrovic.pdf)；“Cold Mirrors,”DichroTec Thin Films LLC(可浏览网页http://www.dtthinfilms.com/cold-mirrors.html)。

说明书中提及相对性名词，例如上与下、前与后、左与右等，是为便于说明，并非限制于任何特定位向。在不脱离本发明之范围下，图中所标注之所有尺寸得以特殊实施例之可能设计及预定用途加以变化。

此处所述的每一额外附图及方法可分开被使用，或者与其余特征及方法结合，以提供改良之装置、系统及其制造或使用方法。因此，为以最广义地实行所揭露之实施例，此处所述的特征及方法之组合并非必要，而是仅为了特别地说明代表性的实施例。

虽然本发明之实施例揭露如上所述，然并非用以限定本发明所涵盖的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，举凡依本发明权利要求所述的形状、构造、特征及数量当可做些许之变更，因此本发明之专利保护范围须视本说明书所附之权利要求界定者为准。

Claims (57)

1.一种远心光学装置，其用于辐射测温计，该远心光学装置包含：

孔径光闸；

由一个或光学元件构成的物组件，该物组件用以传输辐射至该孔径光闸，该物组件及该孔径光闸限定出光学轴，该物组件限定出相对于该物组件内第一参考点的第一焦距，该第一参考点位于该光学轴上且与该孔径光闸相隔一段距离，该距离基本等于该物组件的该第一焦距，以将来自于焦外目标物的基本准直的辐射传输通过该物组件，并将来自于该焦外目标物之该辐射聚焦于该孔径光闸上；及

电磁辐射探测器，用以探测由该物组件透过该第一孔径光闸所传输辐射之至少一部分，该电磁辐射探测器产生信号，该焦外目标物之温度由该信号而加以推断。

2.如权利要求1所述的远心光学装置，更包含由一个或光学元件构成的影像组件，该光学元件与该物组件相对、且在该孔径光闸之另一侧，用以接收由该物组件沿着该光学轴传输并通过该孔径光闸之辐射，该影像组件限定出相对于该影像组件内第二参考点的第二焦距，该第二参考点位于该光学轴上。

3.如权利要求2所述的远心光学装置，其中该影像组件的该第二参考点与该孔径光闸相隔一段距离，该距离基本等于该影像组件的该第二焦距，以将由该孔径光闸传输而通过该影像组件并到达探测器上之辐射准直化。

4.如权利要求1、2或3所述的远心光学装置，其中该孔径光闸限定出主要尺寸，该主要尺寸约为该物组件之有效半径尺寸的1/3或以下。

5.如权利要求1-4中任一项所述的远心光学装置，其中该电磁辐射探测器为截止波长为约700nm的光子计数器。

6.如权利要求1-5中任一项所述的远心光学装置，更包含滤波装置，该滤波装置具有小于450nm波长的主带通，且用以过滤入射于该电磁辐射探测器的感测区域上的辐射。

7.如权利要求6所述的远心光学装置，其中该滤波装置的主带通具有在380nm至420nm范围的中心波长、以及在20nm至50nm范围的频带宽度。

8.如权利要求6所述的远心光学装置，其中该滤波装置包含带通滤波器。

9.如权利要求1-8中任一项所述的远心光学装置，其中该焦外目标物与该物组件之间的距离小于2m。

10.如权利要求1-9中任一项所述的远心光学装置，其中该物组件包含至少一透镜。

11.一种减少辐射测温计中杂散辐射偏离的方法，该辐射测温计用于化学气相沉积室中，该方法包含下列步骤：

设置远心透镜装置，该远心透镜装置包含孔径光闸及第一光学元件组件，该第一光学元件组件用以聚集来自于目标物之辐射，该远心透镜装置用以将该孔径光闸定位于该第一光学元件组件之焦距上，以捕获由该目标物所发出之准直的辐射；

在有形媒体上提供指令，该指令包含:

调整该第一光学元件组件的方位，以拦截由该化学气相沉积室内的目标物所发出的辐射。

12.如权利要求11所述的方法，其中该提供指令步骤中所提供的该指令还包含将该孔径光闸定位于该第一光学元件组件的焦距上。

13.如权利要求11或12所述的方法，其中该提供指令步骤中所提供的该指令还包含操作地耦接该远心透镜装置与电磁辐射探测器。

14.如权利要求11、12或13所述的方法，还包含将该孔径光闸定位于该第一光学元件组件的焦距上。

15.如权利要求11－14中任一项所述的方法，还包含操作地耦接该远心透镜装置与电磁辐射探测器。

16.一种用以测量化学气相沉积室中目标物之温度的系统，该系统包含：

辐射测温计，与该化学气相沉积室操作地相耦接，该辐射测温计包含用以限定出该化学气相沉积室内部的焦外目标物的装置。

17.一种高温计系统，用以推断空间温度分布，该高温计系统包含：

复数个辐射测温计，用以观察对应的复数个相邻的焦外目标物，该复数个辐射测温计中各包含第一远心光学装置，该第一远心光学装置包含

由一个或多个光学元件构成的物组件用以传输辐射，该物组件限定出相对于该物组件内参考点的焦距；

第一孔径光闸，用以接收由该物组件传输的辐射，该物组件及该第一孔径光闸限定出通过该参考点的第一光学轴，该第一孔径光闸位于与该参考点相隔一段距离，该距离基本等于该物组件的该焦距，以将来自于该对应的复数个相邻焦外目标物中的各自目标物的该辐射中的第一被探测部分聚焦于该第一孔径光闸上；及

第一电磁辐射探测器，用以探测由该物组件通过该第一孔径光闸所传输该辐射之该第一被探测部分，该第一电磁辐射探测器产生第一信号，由该第一信号推断出该对应的复数个相邻焦外目标物中的各自目标物的温度。

18.如权利要求17所述的高温计系统，其中该复数个相邻焦外目标物的相邻目标物限定出其间的各自空间。

19.如权利要求17所述的高温计系统，其中该复数个辐射测温计用以观察晶圆载具上之晶圆，该晶圆载具被设置于化学气相沉积室内，且其中该复数个相邻焦外目标物经由该晶圆而完全对向。

20.如权利要求19所述的高温计系统，其中该焦外目标物经由晶圆而对向的情形周期性出现。

21.如权利要求17-20中任一项所述的高温计系统，其中该复数个辐射测温计中至少一个包含第一反射计子组件，该第一反射计子组件包含第一分束器及第一辐射源，该第一辐射源用以产生电磁辐射的第一光束，该第一分束器用以沿着该第一光学轴而传递该第一光束的一部分，以照射该对应的复数个相邻焦外目标物中的各自目标物。

22.如权利要求21所述的高温计系统，其中该第一反射计子组件调制该第一光束。

23.如权利要求22所述的高温计系统，其中该第一反射计子组件利用截波器调制该第一光束。

24.如权利要求17-23中任一项所述的高温计系统，其中该复数个辐射测温计中至少一个包含缩减的孔径组件，其用以选择性地减少由该第一电磁辐射探测器所探测到的该辐射的该第一被探测部分。

25.如权利要求17-24中任一项所述的高温计系统，其中该复数个辐射测温计中至少一个包含第二远心光学装置，该第二远心光学装置包含：

第二孔径光闸，用以接收来自该物组件之辐射，该物组件及该第二孔径光闸限定出通过该参考点的第二光学轴，该第二孔径光闸位于与该参考点相隔一段距离，该距离基本等于该物组件的该焦距，以将来自于该对应的复数个相邻焦外目标物中的各自目标物的该辐射的第二被探测部分聚焦于该第二孔径光闸上；及

第二电磁辐射探测器，用以探测由该物组件通过该第二孔径光闸所传输的该辐射的该第二被探测部分，该第二电磁辐射探测器产生第二信号，由该第二信号推断出该对应的复数个相邻焦外目标物中的各自目标物的该温度。

26.如权利要求25所述的高温计系统，其中辐射的该第一被探测部分在电磁辐射之红外光谱范围，辐射的该第二被探测部分在电磁辐射之可见光谱范围。

27.如权利要求25所述的高温计系统，还包含冷光镜，该冷光镜沿着该第一光学轴及该第二光学轴加以设置，且传送辐射的该第一被探测部分并反射辐射的该第二被探测部分。

28.如权利要求26或27所述的高温计系统，其中辐射的该第二被探测部分限定出波长带通，该波长带通的中心是大于或等于400nm、且小于或等于410nm之波长。

29.如权利要求26、27或28所述的高温计系统，其中辐射的该第一被探测部分限定出包含930nm波长的波长带通。

30.如权利要求21-29中任一项所述的高温计系统，其中该复数个辐射测温计中至少一个包含第二反射计子组件，该第二反射计子组件包含第二分束器及第二辐射源，该第二辐射源用以产生电磁辐射的第二光束，该第二分束器用以沿着该第一光学轴而传递该第二光束的一部分，以照射该对应的复数个相邻焦外目标物中的各自目标物。

31.如权利要求30所述的高温计系统，其中该第二反射计子组件调制该第二光束。

32.如权利要求31所述的高温计系统，其中该第一反射计子组件利用截波器调制该第一光束。

33.一种远心双波长高温计，包含：

由一个或多个光学元件构成的物组件，其用以传输来自于焦外目标物之辐射，该物组件定义相对于该物组件内的参考点之焦距；

第一孔径光闸，其用以接收由该物组件传输而来之辐射，该物组件及该第一孔径光闸定义通过该参考点之第一光学轴，该第一孔径光闸位于与该参考点相隔一距离，该距离基本等于该物组件之该焦距，以将该辐射的第一被探测部分聚焦于该第一孔径光闸上；

第二孔径光闸，其用以接收由该物组件传输而来之辐射，该物组件及该第二孔径光闸定义通过该参考点之第二光学轴，该第二孔径光闸位于与该参考点相隔一距离，该距离基本等于该物组件之该焦距，以将该辐射的第二被探测部分聚焦于该第二孔径光闸上；

第一电磁辐射探测器，其用以探测由该物组件通过该第一孔径光闸所传输该辐射之该第一被探测部分；及

第二电磁辐射探测器，其用以探测由该物组件通过该第二孔径光闸、该第一电磁辐射探测器、及该第二电磁辐射探测器所传输该辐射之该第二被探测部分，以分别产生第一信号及第二信号，而推断该焦外目标物之温度。

34.如权利要求33所述的远心双波长高温计，更包含第一反射计子组件，该第一反射计子组件包含第一分束器及第一辐射源，该第一辐射源用以产生电磁辐射之第一光束，该第一分束器用以沿着该第一光学轴而传递该第一光束的一部分，以照射该焦外目标物。

35.如权利要求34所述的远心双波长高温计，更包含第二反射计子组件，该第二反射计子组件包含第二分束器及第二辐射源，该第二辐射源用以产生电磁辐射之第二光束，该第二分束器用以沿着该第二光学轴而传递该第二光束的部分，以照射该焦外目标物。

36.如权利要求33-35中任一项所述的远心双波长高温计，其中辐射之该第一被探测部分在电磁辐射之红外光谱范围，辐射之该第二被探测部分在电磁辐射之可见光谱范围。

37.如权利要求33-36中任一项所述的远心双波长高温计，其中辐射之该第二被探测部分定义波长带通，该波长带通的中心是大于或等于400nm、且小于或等于410nm之波长，而辐射之该第一被探测部分定义包含930nm波长的波长带通。

38.如权利要求33-37中任一项所述的远心双波长高温计，更包含缩减的孔径组件，其用以减少由该第一电磁辐射探测器所探测到之该辐射之该第一被探测部分、以及由该第二电磁辐射探测器所探测到之该辐射之该第二被探测部分两者中的一个。

39.一种由辐射测温计所接收到杂散辐射之限制系统，该限制系统包含：

化学气相沉积室；

晶圆载具，用以绕着旋转轴转动，且包含顶面、底面、及外缘，该顶面基本为平面且定义目标物平面；

复数个加热组件，设置于该晶圆载具下方，用以辐射加热该晶圆载具之该底面，该复数个加热组件包含接近该晶圆载具之该外缘的周围加热组件，该周围加热组件包含沿着该周围加热组件之指定部分的低热通量部分，相对于该周围加热组件之其余部分，该低热通量部分是操作于显著的低温度下；及

辐射测温计，用以观察接近缩减的散射辐射的轴线的目标物，该缩减的散射辐射的该轴线与该目标物平面共平面，且该轴线由该旋转轴处延伸并越过该周围加热组件之该低热通量部分。

40.如权利要求39所述的限制系统，其中该辐射测温计用以观察位于晶圆平面上之矩形区域内之目标物，该晶圆平面包含该缩减的散射辐射的轴线的一部分，该矩形区域由该晶圆载具之心轴延伸至该晶圆载具的外缘且具有宽度，该宽度与该周围加热组件之该指定部分之切线尺寸约相同宽度。

41.如权利要求39或40所述的限制系统，其中该周围加热组件之该低热通量部分包含电连接器。

42.如权利要求39、40或41所述的限制系统，更包含圆柱体，其位于该CVD室内，该圆柱体定义基本与该旋转轴同中心的圆柱体轴，且具有内部表面、外部表面、及顶缘，该内部表面定义圆柱体内径，该外部表面定义圆柱体外径，而该顶缘定义基本与该圆柱体轴正交的上平面。

43.如权利要求42所述的限制系统，其中该晶圆载具定义载具外径，该载具外径大于该圆柱体之该圆柱体内径。

44.如权利要求39－43中任一项所述的限制系统，其中该周围加热组件基本围绕该复数个加热组件之其余组件者。

45.如权利要求39－44中任一项所述的限制系统，其中该辐射测温计用以探测在电磁光谱之可见/UV部分中之辐射。

46.如权利要求39－45中任一项所述的限制系统，更包含位于该CVD室内的心轴，该心轴与该旋转轴同中心、且具有用以与该晶圆载具耦接的末端部分。

47.如权利要求39－46中任一项所述的限制系统，其中相比在最大操作温度下运作之该加热组件之任何其他部分，该低热通量部分操作于低至少300℃之温度下。

48.一种由辐射测温计所接收的杂散辐射之限制方法，其中辐射测温计观察位于化学气相沉积室中的目标物，该方法包含：

提供用以操作于该化学气相沉积室中的晶圆载具及加热器阵列，该晶圆载具用以绕着旋转轴转动，且具有下表面及基本平面形之上表面，而该上表面定义目标物平面，该加热器阵列包含周围加热组件，该周围加热组件包含沿着该周围加热组件之指定部分的低热通量部分；

在有形媒体上提供指令，该指令包含以下步骤：

将加热器阵列设置于该化学气相沉积反应器内；

将该晶圆载具设置于该化学气相沉积反应器内之该加热器阵列上方，并使该上表面朝上；

调整该辐射测温计，以观察到与缩减的散射辐射的轴线接近的目标物，该缩减的散射辐射的该轴线与该目标物平面共平面，且该轴线由该旋转轴处延伸并越过该周围加热组件之该低热通量部分。

49.如权利要求48所述的方法，其中在该调整步骤中所调整之该目标物位于该目标物平面上之矩形区域内，该目标物平面包含该缩减散射辐射轴线的一部分，该矩形区域由该旋转轴延长至该晶圆载具之外缘且具有宽度，该宽度约与该周围加热组件之该指定部分之切线尺寸相同宽度。

50.如权利要求48或49所述的方法，其中在该调整步骤中所调整之该目标物包含该缩减的散射辐射的该轴线的一部分。

51.一种由辐射测温计所接收的杂散辐射之限制系统，该限制系统包含：

化学气相沉积室；

圆柱体，设置于该CVD室内且定义圆柱体轴，并具有内部表面、外部表面、及顶缘，该内部表面定义圆柱体内径，外部表面定义圆柱体外径，而该顶缘定义基本与该圆柱体轴正交的上平面；

周围加热组件，设置于该圆柱体内且接近该圆柱体之该内部表面；

心轴，设置于该圆柱体内且延伸通过该周围加热组件，该心轴具有在该圆柱体之该上平面上方延伸的末端部分；

晶圆载具，具有基本为平面形之顶面且定义目标物平面，该晶圆载具用以连接至该心轴之该末端部分，以悬吊于该周围加热组件的上方；

散射辐射减少装置，其位置接近该周围加热组件且用于减少散射辐射，该散射辐射由该周围加热组件之指定部分所发出；

辐射测温计，用以观察在该目标物平面上的目标物，该目标物接近缩减的散射辐射的轴线，该缩减的散射辐射之该轴线与该目标物平面共平面，且轴线的原点位于转轴，沿着该散射辐射减少装置的方向延伸。

52.如权利要求51所述的系统，其中该目标物位于该目标物平面上的矩形区域内，该目标物平面包含该缩减的散射辐射该轴线的一部分，该矩形区域由该旋转轴延伸至该晶圆载具的外缘且具有宽度，该宽度与该散射辐射减少装置之切线尺寸约相同宽度。

53.如权利要求51或52所述的系统，其中该散射辐射减少装置包含该周围加热组件的电连接器。

54.如权利要求51或52所述的系统，其中该散射辐射减少装置包含接近该周围加热组件之该指定部分的辐射阱及辐射偏转器两者中的一个。

55.一种由辐射测温计所接收的杂散辐射之限制系统，该限制系统包含：

化学气相沉积室；

晶圆载具，用以绕着旋转轴转动，且具有顶面、底面、及周缘，该顶面定义基本与该旋转轴正交的目标物平面；

加热组件，邻接于该晶圆载具之该底面，且接近该晶圆载具之该周缘，该加热组件包含低热通量部分，相比于最大操作温度下运作之该加热组件之任何其他部分，该低热通量部分操作于低至少300℃之温度下；及

辐射测温计的视口，该视口用以观察与缩减的散射辐射的轴线接近的目标物，该缩减的散射辐射之该轴线与该目标物平面共平面，且由该旋转轴延伸并越过该加热组件之该低热通量部分。

56.如权利要求55所述的系统，更包含辐射测温计，该辐射测温计用以透过该视口而观察目标物，且该目标物接近于该缩减散射辐射的该轴线。

57.如权利要求56所述的系统，其中该辐射测温计用以探测在电磁辐射光谱之可见/UV部分中之辐射。