CN105706219A - 使用红外线摄影机的低温快速热处理控制 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施方式一般关于用在处理腔室(诸如RTP腔室)中监控基板温度均匀性的方法及装置。基板温度的监控利用耦合至具有广角透镜的探头的红外线摄影机。所述广角透镜被定位于所述探头中并利用弹簧固定，且所述广角透镜能够承受高温处理。所述广角透镜促成了在单一图像中观察所述基板的实质上整个表面。所述基板的所述图像可与参考图像比较，以促成灯调整，若必要的话，以产生所述基板的均匀加热。
Description
技术领域
本发明的实施方式一般关于用于处理基板(诸如半导体基板)的快速热处理腔室中的视觉反馈。
背景技术
快速热处理腔室其中包含多个灯，所述灯用于在允许所述基板冷却前，将基板快速地加热至所需温度。需要横越基板的均匀加热，以确保基板间的均匀性，以及横越单个基板的均匀处理。通常，利用多个高温计量测基板加热均匀性，所述高温计被导向以在横越所述基板表面的多个点上量测基板温度。然而，所述高温计仅提供基板温度的点量测，且加热均匀性必须从此有限数量的高温计量测推断。此外，空间上和成本上不允许将高温计增加至足以提供准确、整体的基板温度均匀性指示的数量。
因此，存在对用于监控基板温度均匀性的改进的方法及装置的需求。
发明内容
本发明的实施方式一般关于用于在处理腔室(诸如RTP腔室)中监控基板温度均匀性的方法及装置。基板温度的监控利用耦合至具有广角透镜的探头的红外线摄影机。所述广角透镜被定位于所述探头中并利用弹簧固定，且所述广角透镜能够承受高温处理。所述广角透镜促成了在单一图像中观察所述基板的实质上整个表面。所述基板的所述图像可与参考图像比较，以促成灯的调整，若必要的话，以产生所述基板的均匀加热。
一个实施方式中，处理腔室包括腔室主体，设置于所述腔室主体中的灯阵列，设置于所述腔室主体上的盖，设置穿过所述腔室盖中的开口的探头，所述探头在所述探头的第一端具有广角透镜阵列，及耦合至所述探头的第二端的红外线摄影机。
另一个实施方式中，在处理腔室中监控灯性能的方法包括利用红外线摄影机与广角透镜阵列拍摄(capture)处理腔室内的基板的图像、将所述拍摄的图像传输至控制单元，并将所述拍摄的图像与参考图像比较以确定所述基板是否具有所需温度均匀性。
另一个实施方式中，处理腔室包括腔室主体；设置于所述腔室主体中的灯阵列；设置于所述腔室主体上的盖；设置穿过所述腔室盖中的开口的探头，所述探头在所述探头的第一端具有广角阵列，其中所述探头包括外壳及弹簧定位于其中，且其中所述广角透镜阵列包括多个透镜；及耦合至所述探头的第二端的摄影机。
附图说明
通过参考实施方式(一些实施方式在附图中说明)，可获得在上文中简要总结的本发明的更具体的说明，而能详细了解上述的本发明的特征。然而应注意，附图仅说明本发明的典型实施方式，因而不应将这些附图视为限制本发明的范围，因为本发明可容许其它等效实施方式。
图1A及图1B为依据本发明的一个实施方式的处理腔室的示意图。
图2为依据本发明的一个实施方式的探头的剖面示意图。
图3A绘示耦合至摄影机的光学组件的探头。
图3B绘示依据本发明的另一个实施方式的广角透镜组件。
图4绘示依据本发明的一个实施方式的监控灯性能的方法的流程图。
图5绘示由本发明的红外线摄影机拍摄的基板的图像。
为了助于理解，已尽可能使用相同的附图标记指定各图共有的相同元件。应考虑一个实施方式的元件与特征可有利地并入其它实施方式而无需进一步说明。
具体实施方式
本发明的实施方式一般关于用于在处理腔室(诸如RTP腔室)中监控基板温度均匀性的方法及装置。利用耦合至具有广角透镜的探头的红外线摄影机监控基板温度。所述广角透镜定位于所述探头内并利用弹簧固定，且所述广角透镜能够承受高温处理。所述广角透镜促成了在单一图像中观察所述基板的实质上整个表面。所述基板的所述图像可与参考图像比较，以促成灯调整，若必要的话，以产生所述基板的均匀加热。
图1A及图1B为依据本发明一个实施方式的处理腔室端点示意图。处理腔室100可为快速热处理(RTP)腔室，所述快速热处理腔室可从加利福尼亚州圣克拉拉(SantaClara,California)的应用材料公司取得。处理腔室100包含主体102，所述主体由，举例而言，不锈钢或铝所形成，且所述主体适于在其上支撑腔室盖104。处理区域106定义于腔室主体102与腔室盖104之间。基板支撑件109定位于腔室主体102内的处理区域106的下部分。基板支撑件109适于在处理腔室100内处理时于其上支撑基板，诸如半导体基板。基板支撑件109可由透光材料形成，诸如石英，以促成利用光辐射的基板108的所述加热。
气室110耦合至腔室主体102且适于在处理时提供并移除一或更多个处理气体至/离开处理区域106。一个范例中，第一气室110可适于将处理气体提供至处理区域106，而第二气室110可适于从处理区域106移除反应副产物及未反应的处理气体。通过气室110进入处理腔室100的处理气体在进入处理区域106前导引经过预热环112。预热环112可由碳化硅或石墨而形成，且所述预热环在提供边缘保护给基板108的同时促成了所述处理气体的加热。预热环112包含设置于穿透中央的圆形开口。为了在处理时覆盖基板108的所述边缘，所述开口的直径小于基板108，诸如大约小于1毫米至大约小于10毫米。因此，预热环112也可作用为夹环。预热环112可致动于处理位置(如图1A中所示)与所述处理位置上方的提升位置之间，所述提升位置促成基板108从处理腔室100移除。
处理腔室100也包含灯阵列114，所述灯阵列设置于腔室主体102的下部分中。灯阵列114包含多个以紧密堆积(closepacked)的六边形阵列安排的灯116，诸如白炽灯。灯阵列114可细分为可独立控制的灯116的区域。灯阵列114适于将光辐射导向基板108，以快速地将基板108的温度提升至所需的处理温度。举例而言，基板108可从大约摄氏20度加热至大约摄氏800度或大约摄氏1200度，以在基板108上执行退火处理。另一个范例中，基板108可加热至小于大约摄氏400度或小于大约摄氏300度的温度。
盖104包含设置于所述盖的下表面上的反射板118，所述下表面相邻于所述处理区域106。反射板118适于将光辐射反射回基板108的所述上表面以提供基板108更有效的加热并促成盖104的温度控制。为了进一步促成盖104的温度控制，盖104包含形成于冷却主体121中的冷却通道120，以允许冷却流体流过所述盖以通过热交换器(未显示)从盖104移除热。
盖104包含穿过所述盖的开口，以容纳探头122。容纳探头122的所述开口可相对于基板108与灯阵列114而设置于中央，或可从其中央偏离。探头122在其内包含光学元件以促成将所述内部腔室空间的图像，举例而言，基板108的上表面的图像，传输至诸如红外线(IR)摄影机的摄影机124。广角透镜123(例如“鱼眼”透镜)设置于探头122的下端上。广角透镜123可具有大约160度至大约170度的视角，诸如大约163度以促成基板108实质上整个所述上表面，或至少不被预热环或夹环覆盖的基板108的部分的观察。所述探头可由，举例而言，铝或其合金所形成。
探头122穿过反射板118和冷却主体121而设置，且探头122促成摄影机124的图像拍摄。探头122通过支架126固定到位，所述支架耦合至盖104的上表面。密封件128环绕探头122而设置于探头122与支架126之间以减轻处理气体从处理区域106的泄漏。所述探头可具有大约2英寸至大约1英尺的长度，举例而言，大约5英寸至大约7英寸，以将摄影机124远离处理区域106，从而使摄影机124经受较少的热，因此减少摄影机124热相关损坏的可能性。
摄影机124适于拍摄基板108的图像并将所述图像传输至控制单元130。控制单元130可为，举例而言，计算机，且包含一或更多个处理器或内存以促成数据的计算。一个范例中，控制单元130适于从摄影机124接收数据，诸如图像，并将所述图像与储存在所述计算机内存中的第二图像(例如参考图像)比较。基于比较结果，控制单元130可透过闭环(closed-loop)控制而产生处理条件的改变。举例而言，控制单元130可增加施加至一或更多个灯的功率，因此增加灯强度与局部加热。
图2为依据本发明一个实施方式的探头122的剖面示意图。探头122包含外壳234，诸如不锈钢管。广角透镜阵列223设置于相邻于孔236的所述外壳的下部分中。孔236可具有相对小的直径，例如大约3毫米至大约7毫米，以限制进到探头122的光辐射的量，从而减少探头122所不期望的加热。广角透镜阵列223包含五个透镜223a-223e，所述透镜垂直定位在彼此上方。透镜223a-223e可由玻璃或石英形成且由间隔器238所分离，所述间隔器沿着外壳234的所述内部表面设置。广角透镜阵列223的利用促成了比单一透镜更广的视角，所述单一透镜具有结合(combined)的厚度与相同的曲率。应理解到包含五个透镜仅为范例，且多于或少于五个透镜可被利用于探头122中。
每个透镜223a-223e利用弹簧240固定到位，所述弹簧盘绕于外壳234的所述内部表面。弹簧240的如果不通过剖面图将不可见的部分显示为虚线，以促成解释。弹簧240邻接设置于外壳234内的弹簧支撑件242，并对最上方的透镜223a施加压力。此力量接着通过间隔器238与剩余透镜223b-223e传输，以将透镜223a-223e固定至外壳234的所述底部部分。如此，可避免使用在处理区域106的高温氛围中可能退化的胶水或其他粘结复合物。一个实施方式中，透镜223a-223e在其表面上具有相同的曲率。然而，应考虑到透镜223a-223e的所述曲率可为不同的，以产生来自广角透镜阵列223的所需视野。
梯度折射率(gradientindex,GRIN)棒透镜(rodlens)244设置为穿过开口，所述开口中央地形成于弹簧支撑件242中。GRIN棒透镜244通过所述透镜材料内的折射率的连续变化而达到聚焦。GRIN棒透镜244可耦合至光学组件，举例而言，所述摄影机(显示于图1A)的透镜，以促成所述图像的聚焦以用于摄影机124的拍摄。一个实施方式中，GRIN棒透镜244的顶表面可用环氧树脂密封，以提供探头122内的真空紧密密封。
以摄影机拍摄灯阵列的图像的现有技术尝试是不成功的，因为现有光学组件无法承受由所述灯阵列在所述处理区域附近所产生的高温。由于探头122的承受高温与大温度波动的能力，探头122的利用促成了相邻于高温环境的使用，从而在没有因过量的热而损伤摄影机124或探头122的情况下允许摄影机的使用。在处理时，探头122可达到大约摄氏800度或更少的温度，诸如大约摄氏400度或更少。然而，如图1A中所绘示，探头122穿过冷却主体121，所述冷却主体通过从探头122移除热而辅助所述探头的温度管理。
图2绘示探头122的一个实施方式；然而，也应考虑到额外的实施方式。另一个实施方式中，应考虑到广角透镜阵列223根据必须取得所需视角而包含比五个透镜223a-223e更多或更少个透镜。
图3A绘示探头122耦合至摄影机124(显示于图1A)的光学组件390。探头122可耦合至光学组件390的聚焦区段391，并通过固定螺丝392固定。光学组件390可通过螺纹393固定至摄影机124。聚焦区段391可在基板平面提供焦深(depthoffocus)，以通过忽略或不收集所不期望的IR辐射或反射(举例而言，来自相邻于所述基板的腔室组件)而增加确定基板温度的准确性。
图3B绘示依据本发明另一个实施方式的广角透镜组件323。所述广角透镜组件包含六个透镜323A-323G以促成处理腔室内的所需视角。所述广角透镜组件可设置于探头122内。如图3B所绘示，透镜323A-323G可依所需而具有不同的形状与曲率，以产生所需的视角。此外，透镜323A-323G可互相接触，或可在彼此之间包含间隔器。另一个实施方式中，应考虑到透镜323e与323f可被结合为单一透镜。
图4绘示依据本发明一个实施方式的监控基板温度均匀性的方法的流程图470。流程图开始于操作472。在操作472中，处理腔室内的基板的图像被实时拍摄，所述拍摄利用广角透镜，诸如探头122(显示于图1B)内的广角透镜123与红外线摄影机。在操作474中，所述拍摄的图像接着传输至控制单元，诸如显示于图1A中的控制单元130。所述控制单元促成基板温度均匀性的确定，举例而言，通过将所拍摄的所述图像与在操作476中储存在所述控制单元中的参考图像的比较，或利用软件算法以分析所拍摄的所述图像。
操作478中，所述灯的输出被调整以促成横越所述基板的温度均匀性。举例而言，选择的灯区域可经受增加的供电以在相邻于所述选择的灯区域中促成增加的基板局部加热。因此，能够基于通过IR摄影机量测从基板辐射的热而控制灯区域(或独立灯)。操作480中，晶片的处理数据与历史参考数据比较。举例而言，用于处理目前基板而提供至每个灯区域的功率的量与历史数据比较。操作482中，若当前基板的处理条件偏离所述历史数据大于预定的容许量，则旗标(flag)被呈现至操作者。因此，操作者被通知所述处理腔室可能需要维护。此外，比较历史分布促成了一致的基板间处理结果。另一个实施方式中，应考虑到所述晶圆可于操作472-482时旋转。
图5绘示如通过广角透镜(例如于图2中绘示的广角透镜223a-223e)观察的基板108的拍摄图像350。所述广角透镜允许观察实质上全部的基板108，尽管基板108定位相对地接近所述广角透镜。举例而言，灯116与所述广角透镜之间的距离可小于大约5英寸或小于大约3英寸。广角透镜223的利用允许保持相对小的所述腔室体积保持相对地小。横越拍摄图像350的灰度级(grayscale)变化指示了温度变化。为了清楚的目的而不显示背景图像，例如腔室环境。
一个范例中，所述控制单元可包含算法以将图5中显示的拍摄广角图像转换成更常规的平面图像。应考虑到，从广角格式转换所述图像可促进将所述图像与所述基准图像比较的过程。
本发明的益处包含基板温度均匀性的光学确定。红外线摄影机与广角透镜的利用允许确定所述基板整个表面的温度，而非仅为如先前使用高温计确定的离散点。探头的使用促进了所述广角透镜与所述红外线摄影机的利用，所述探头适于承受用于热处理腔室中的升高的处理温度。此外，所述益处包含基于以IR摄影机量测的基板辐射热而控制灯区域。
尽管以上针对本发明的实施方式，但可在并未背离本发明的基本范畴的情况下设计本发明的其它及进一步的实施方式。且本发明的范围由以下专利申请范围确定。
Claims (15)
1.一种处理腔室，所述处理腔室包括：
腔室主体；
设置于所述腔室主体中的灯阵列；
设置于所述腔室主体上方的盖；
探头，所述探头设置为穿过所述腔室盖内的开口，所述探头在所述探头的第一端上具有广角透镜阵列；及
红外线摄影机，所述红外线摄影机耦合至所述探头的第二端。
2.如权利要求1所述的处理腔室，其中所述广角透镜阵列包括多个透镜，所述多个透镜以间隔器分离。
3.如权利要求1所述的处理腔室，其中所述探头包括外壳与定位于所述外壳中的弹簧。
4.如权利要求1所述的处理腔室，其中所述盖包含在所述盖中的冷却通道。
5.如权利要求1所述的处理腔室，其中所述广角透镜阵列具有大约160度至大约170度的视角。
6.如权利要求1所述的处理腔室，其中所述盖包含在所述盖中的冷却通道，所述冷却通道与所述探头热连通(thermalcommunication)。
7.一种在处理腔室中监控灯性能的方法，所述方法包括以下步骤：
利用红外线摄影机与广角透镜阵列拍摄所述处理腔室内的基板的图像；
将拍摄的所述图像传输至控制单元；及
从拍摄的所述图像确定均匀性。
8.如权利要求7所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：在将拍摄的所述图像与参考图像比较后，调整提供至所述灯阵列内的一或更多个灯的功率。
9.如权利要求7所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：在所述拍摄图像之前，提升所述处理腔室内的预热环。
10.如权利要求7所述的方法，其中在拍摄所述图像时，透明基板定位于所述处理腔室内。
11.如权利要求7所述的方法，其中从拍摄的所述图像确定均匀性的步骤包括以下步骤：将拍摄的所述图像与参考图像比较。
12.一种处理腔室，所述处理腔室包括：
腔室主体；
设置于所述腔室主体中的灯阵列；
设置于所述腔室主体上方的盖；
探头，所述探头设置为穿过所述腔室盖内的开口，所述探头在所述探头的第一端上具有广角透镜阵列，其中所述探头包括外壳与定位于所述外壳中的弹簧，且其中所述广角透镜阵列包括多个透镜；及
摄影机，所述摄影机耦合至所述探头的第二端。
13.如权利要求12所述的处理腔室，其中：
所述探头的所述外壳包括不锈钢；
所述广角透镜阵列具有大约160度至大约170度的视角；
所述盖包含在所述盖中的冷却通道，所述冷却通道与所述探头热连通；及
摄影机为红外线摄影机。
14.如权利要求12所述的处理腔室，其中：
所述盖包含与所述盖耦合的反射板，且其中所述探头设置为穿过所述反射板；
所述探头的所述外壳包括不锈钢；及
所述外壳包括孔，所述孔具有大约3毫米至大约7毫米的直径。
15.如权利要求12所述的处理腔室，其中所述盖包含在所述盖中的冷却通道，所述冷却通道与所述探头热连通。
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