CN106098578A - 灯泡故障检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供用于检测在快速热处理(RTP)工具中的灯泡故障的设备和方法。本发明提供灯泡故障检测系统，该灯泡故障检测系统可容纳DC和/或AC电压。系统沿着电路路径采样电压信号，该电路路径由至少两个串联连接的灯泡形成；基于采样的电压信号来计算横跨于至少两个串联连接的灯泡中的第一灯泡的电压降；和基于横跨于第一灯泡的电压降与施加至电路路径的总电压之间的关系来确定灯泡故障是否已发生。
Description
本申请是申请日为2012年6月22日、申请号为201280027749.4、名称为“灯泡故障检测器”的发明专利申请的分案申请。
发明背景
发明领域
本发明的实施例一般涉及用于检测灯泡故障的设备和方法，更为特定而言涉及检测在快速热处理(RTP)工具中的串联连接的灯泡的灯泡故障的设备和方法。
相关技术的描述
快速热处理(RTP)是允许基板(例如硅晶片)的快速加热和快速冷却的任何热处理技术。特定的峰值温度和所使用的加热时间取决于晶片处理的类型。RTP晶片处理应用包括：退火、掺杂剂活化、快速的热氧化和硅化(silicidation)等等。在快速地加热至相对为高的温度后快速地冷却(将RTP特征化)提供更为精确的晶片处理控制。将较薄的氧化物使用于MOS栅极中的趋势已导致：对于一些装置应用氧化物厚度低于100埃(Angstroms)的需要。如此薄的氧化物需要在含氧大气(oxygen atmosphere)中非常快速地加热和冷却晶片的表面以生长如此薄的氧化物层。RTP系统可提供此等级的控制，且被使用于快速的热氧化处理。
将短的加热周期使用于RTP的结果为：可横跨于晶片表面而存在的任何的温度梯度不利地影响晶片处理。因而，在RTP中期望是：在处理期间，监控横跨于晶片表面的温度，并且改善在晶片表面中和晶片表面上的温度的均匀性。结果，对个别的加热元件的放置、控制和监控进行设计，以使得热输出可被控制以有助于改善横跨于晶片表面的温度的均匀性。
然而，目前的方法通常将不产生所需要的温度均匀性。由于元件故障或不佳的效能而造成的热强度的变动可大幅地损坏期望的温度分布控制和导致不可接受的处理结果。从而，可在晶片处理期间检测故障或不可接受的元件效能的监控系统对RTP系统而言是有用的特性。
因而，具有用于加热元件的故障检测的改善的设备和方法的需要。此外，需要独立于电压和电流波形的故障检测系统。还需要可识别哪个元件已故障的故障检测系统。
发明概述
本发明的实施例一般涉及用于检测灯泡故障的设备和方法，更为特定而言涉及检测在快速热处理(RTP)工具中串联连接的灯泡的灯泡故障的设备和方法。
在一个实施例中，系统一般包括：腔室主体，所述腔室主体具有开口；灯泡头组件(lamphead assembly)，所述灯泡头组件耦接至所述腔室主体的所述开口，所述灯泡头组件包括多个灯泡，所述多个灯泡布置于阵列(array)中；和灯泡故障检测器，所述灯泡故障检测器电耦接至所述灯泡头组件。灯泡故障检测器一般包括：电压数据采集模块，所述电压数据采集模块放置为在电路路径上采样电压信号，所述电路路径由所述多个灯泡的至少两个串联连接的灯泡形成；第一电容器，所述第一电容器耦接至所述电路路径于第一节点处，所述第一节点与所述至少两个串联连接的灯泡中的第一灯泡相关联，并且所述第一电容器耦接至所述电压数据采集模块；第二电容器，所述第二电容器耦接至所述电路路径于第二节点处，所述第二节点与所述至少两个串联连接的灯泡中的所述第一灯泡相关联，并且所述第二电容器耦接至所述电压数据采集模块；和控制器，所述控制器调适为从所述电压数据采集模块接收采样电压信号的数字值，并且基于横跨于所述至少两个串联连接的灯泡中的所述第一灯泡的电压降，确定所述至少两个串联连接的灯泡中的一个或多个灯泡的状态，所述横跨于所述至少两个串联连接的灯泡中的所述第一灯泡的电压降是由所述采样电压信号确定的。
在另一实施例中，系统一般包括：腔室主体，所述腔室主体具有开口；灯泡头组件，所述灯泡头组件耦接至所述腔室主体的所述开口，所述灯泡头组件包括多个灯泡，所述多个灯泡布置于阵列中；和灯泡故障检测器，所述灯泡故障检测器电耦接至所述灯泡头组件。灯泡故障检测器一般包括：电压数据采集模块，所述电压数据采集模块放置为在电路路径上采样电压信号，所述电路路径由所述多个灯泡的至少两个串联连接的灯泡形成；第一电容器，所述第一电容器耦接至所述电路路径于第一节点处，所述第一节点与所述至少两个串联连接的灯泡中的第一灯泡相关联，并且所述第一电容器耦接至所述电压数据采集模块；第二电容器，所述第二电容器耦接至所述电路路径于第二节点处，所述第二节点与所述至少两个串联连接的灯泡中的所述第一灯泡相关联，并且所述第二电容器耦接至所述电压数据采集模块，其中所述电路路径与所述第一电容器和第二电容器是灯泡电路板的部分，并且其中所述至少两个串联连接的灯泡耦接至灯泡电路板；和控制器，所述控制器经调适为从所述电压数据采集模块接收采样电压信号的数字值，并且基于横跨于所述至少两个串联连接的灯泡中的所述第一灯泡的电压降，确定所述至少两个串联连接的灯泡中的一个或多个灯泡的状态，所述横跨于所述至少两个串联连接的灯泡中的所述第一灯泡的电压降是由所述采样电压信号确定的。
在另一实施例中，用于检测使用于半导体基板的热处理的灯泡中的灯泡故障的方法一般包括以下步骤：沿着电路路径采样电压信号，所述电路路径由至少两个串联连接的灯泡形成，其中所述电压信号在所述至少两个串联连接的灯泡中的第一灯泡的节点处被采样；基于采样的电压信号来确定横跨于所述至少两个串联连接的灯泡中的所述第一灯泡的电压降；和基于横跨于第一灯泡的电压降与电路路径的总电压降之间的关系来确定灯泡的故障。
附图简要说明
因此，可详细地理解本发明的上述特征的方式，可参考各实施例获得上文简要概述的本发明的更具体描述，一些实施例图示于附图中。然而，应注意的是，附图仅描绘本发明的典型实施例，因此不应视为对本发明的范围的限制，因为本发明可允许其它的同等有效的实施例。
图1表示根据一个实施例的半导体处理系统的部分截面图。
图2A表示根据一个实施例的灯泡故障检测系统的示意图。
图2B表示根据一个实施例的灯泡故障检测系统的示意图。
图3表示根据一个实施例的用在图2B的灯泡故障检测系统的电路板的部分截面图。
图4表示根据另一个实施例的灯泡故障检测系统的示意图。
图5表示根据另一个实施例的灯泡故障检测系统的示意图。
具体描述
本发明的实施例一般涉及用于检测灯泡故障的设备和方法，更为特定而言涉及检测在快速热处理(RTP)工具中串联连接的灯泡的灯泡故障的设备和方法。
图1表示根据一个实施例的半导体处理系统10的部分截面图。半导体处理系统10可一般包括：半导体处理腔室12；晶片传送设备(wafer handling apparatus)或支撑设备14，该晶片传送设备或支撑设备14位于该半导体处理腔室12内；和灯泡头或热源组件16，该灯泡头或热源组件16位于该半导体处理腔室上。
半导体处理腔室12包括：主体18和窗口20，该窗口20放置于该主体18的上边缘上。o-环34位于该窗口20与主体18之间，以在界面处提供气密(air-tight)的密封。窗口20可由对红外光为透明的材料所制成。举例而言，窗口20可由透明的熔融的二氧化硅石英所制成。主体18可由不锈钢制成并且以石英(未示出)来作为内衬。圆形通道22形成主体18的基部的部分。
处理腔室12的主体18包括：处理气体进气口62和气体排气口64。在使用中，在处理腔室12内的压力在将处理气体经由进气口62引入之前可减少至次大气压力(sub-atmospheric pressure)。处理腔室12通过真空泵67和阀63的方式经由管道或口66来抽取而排空。压力典型地减少至大约1托(torr)与160托之间。特定的工艺可在大气压力下进行。
窗口20设置在灯泡头组件16与主体18之间。o-环35位于窗口20与灯泡头组件16之间以在界面处提供气密的密封。夹具56将窗口20、灯泡头组件16和处理腔室12彼此间紧固。在其它的实施例中，灯泡头组件16可被布置在主体18的下侧以加热晶片或基板30的背侧。主体18可至少部分地由石英或另一透明的材料组成，以允许从灯泡头组件16放射的辐射接触基板30的背侧。主体18可进一步调适为允许将灯泡头组件16夹紧或紧固至其下侧而维持密封的环境。
灯泡头组件16包括多个灯泡36，所述多个灯泡由电插槽38支撑。电插槽38可连接至用于功率分配的电路板11。灯泡36可以是放射红外线辐射的灯泡。每一灯泡36可使用陶瓷封装化合物37而被封装在凹部40内。封装化合物37可相对地为多孔的并且从磷酸镁(magnesium phosphate)中形成。封装化合物37也可为白色的，以将从灯泡36放射的辐射反射。凹部40可为反射的和/或以反射材料来作为内衬，例如(举例而言)金或不锈钢。如图所示，凹部40的开口端位于窗口20的相邻处，以允许从灯泡36放射的辐射进入半导体处理腔室12。
灯泡36可布置于灯泡头组件16之内的阵列中，以为了均匀地分散在半导体处理腔室12内的热。灯泡36和插槽38可连接至电路板11，以使得并联连接的电路的阵列被建立，其中每一电路包括一对串联连接的灯泡L1、L2，如同在图2A至图2B所示。
灯泡头组件16可包括冷却腔室42，该冷却腔室由上腔室壁44、下腔室壁46、圆柱壁48和凹部40所界定。冷却剂流体(例如水或气体)经由入口50被引入冷却腔室42并且在出口52处去除。冷却剂流体在凹部40之间流动并用于将凹部40冷却。
可提供真空泵68，以减少灯泡头组件16内的压力。在灯泡头组件16内的压力通过经由管道或口69(包含阀65)来抽取而减少，该管道或口69延伸穿过冷却腔室42并且与凹部40的内部空间流体相通。凹部40的内部空间经由小的通路(passageways)70彼此间流体相通，所述小的通路延伸穿过凹部40的壁。
可提供热传导气体(例如氦)的加压源75，以将灯泡头组件16填充热传导气体。源75通过口或管道76和阀77的方式连接至灯泡头组件16。热传导气体被引入形成在灯泡头盖80与上腔室壁44之间的空间78，该空间均匀地分散灯泡头组件16内的热传导气体。打开阀77使得热传导气体流动至空间78。阀77可维持为打开直到灯泡头组件16大体上充满热传导气体为止。因为灯泡封装化合物37是多孔的，所以热传导气体流动经过封装化合物37并且流进凹部40以将灯泡36冷却。在一个实施例中，灯泡头组件16并未被排空，并且热传导气体经由进气口(未示出)被引入灯泡头组件16和经由排气口(未示出)排出，以维持热传导气体流动经过灯泡头组件16。
晶片传送设备14可包括：磁性转子24，该磁性转子放置在通道22之内；管状的支撑件26，该管状的支撑件26放置在磁性转子24上或另外地耦接至磁性转子24并且设置在通道22之内；和一边缘环28，该边缘环放置在管状的支撑件26上。管状的支撑件26可由石英制成。边缘环28可从碳化硅石墨中形成并且由硅所包覆。在处理期间，晶片或基板30放置于边缘环28上。磁性定子32可位于通道22的外部并且用来经由主体18磁性地感应磁性转子24的转动，由此造成管状的支撑件26和边缘环28的转动。
传感器(例如一个或多个高温计58)位于主体18的反射的下壁59中，并且放置为检测晶片30的下表面的温度，该晶片放置在边缘环28中。高温计58可连接至功率供应控制器60，该功率供应控制器60响应于测量的温度控制由功率供应器45提供至灯泡36的功率。
在操作中，功率(例如AC或DC功率)由功率供应器45提供至功率分配电路板11并分配至灯泡36。测量电路板17可连接至功率分配板11的电路以用于数据采集和灯泡故障检测的目的。数据采集单元(DAQ)47可连接至测量电路板17。DAQ 47测量横跨于灯泡36的电压，并且将电压数据馈入至处理器/控制器49，该处理器/控制器49使用该数据以确定在灯泡36的任何者中是否具有故障。
图2A表示灯泡故障检测系统200的示意图。系统200包括DAQ 47和处理器/控制器49。灯泡故障检测系统200可结合AC和/或DC功率供应器来使用。图2B表示灯泡故障检测系统210的示意图。系统210包括DAQ 47、处理器/控制器49和一对电容器201A、201B。灯泡故障检测系统210可结合AC功率供应器来使用。
目前参照图1、图2A、及图2B，如同前文所述，灯泡36可分布至数对串联连接的灯泡L1、L2的电路路径202。灯泡故障检测系统200的DAQ 47可耦接至由灯泡L1、L2形成的电路路径202。灯泡故障检测系统210的电容器201A、201B可耦接在由灯泡L1、L2形成的电路路径202与DAQ 47之间。电容器201A、201B可衰减由功率供应器45提供至电路路径202的电压(V)。举例而言，功率供应器45可构造为提供200V至电路路径202，并且DAQ 47可构造为测量最大值仅为5V。电容器201A、201B衰减电压下降至DAQ 47的可读取的电平。如果功率供应器45的接地处于与DAQ 47的接地不同的电位，则电容器201A、201B的使用为额外地有用的。
该对电容器201A和201B可以是功率分配电路板11的部分，如同在图3中的功率分配电路板11的部分截面图所示。目前参照图1至图3，一对端点组301A、301B布置在电路板11上以对于该对串联连接的灯泡L1、L2建立电路路径202。端点301A、301B被调整大小并且放置为分别接收灯泡L1、L2的连接器302A、302B。该对电容器201A、201B也可布置于功率分配电路板11内。电容器201A、201B可为平行的平板电容器，所述平行的平板电容器包括：第一极板303和第二极板304，该第一极板303和该第二极板304由功率分配电路板11的介电材料305分隔。电容器201A的第一极板303可连接至端点组301A的端点之一，并且电容器201B的第一极板303可连接至端点组301A的另一端点。连接器306可被用来将功率分配电路板11的电容器201A、201B与DAQ 47连接。
特别当AC功率由功率供应器45提供时，对整流由DAQ 47采样的电压信号是有用的，以使得对于灯泡故障检测而言精确的测量是可能的。可使用于图1至图3的实施例中的滤波整流器400的一个实施例被显示于图4中。衰减电阻器401可耦接在电容器201A与电容器201B之间以与灯泡L1并联。衰减电阻器401可限定在电容器201A与电容器201B之间的衰减并可具有大的多的电阻值，例如相较于灯泡L1的电阻值为较大的数量级，以为了不影响由DAQ 47在正常操作期间所进行的测量。
滤波整流器400可一般包括：桥式整流器402；测量电容器403；和泄放电阻器(bleeding resistor)404。桥式整流器可包括四个二极管405。二极管405可形成为单一的单元或可为耦接在一起的分立元件。桥式整流器402具有端点406A、406B。衰减电阻器401可耦接以与桥式整流器402的端点406A、406B并联。桥式整流器402还具有抽头(taps)407A、407B，所述抽头407A、407B耦接以与测量电容器403并联。泄放电阻器404可耦接以与测量电容器403并联并且还耦接至DAQ 47。示出的滤波整流器400将由功率供应器45所提供的电压整流且可用于额外地将高的电压衰减，以使得电压信号可由DAQ 47来读取。
参照图5，示出多个电路C1-Cn，其中n是在2与200之间。电路C1-Cn的每一个都包括：具有一对串联连接的灯泡L1、L2的电路路径202；一对电容器201A、201B；衰减电阻器401；和滤波整流器400。电路C1-Cn可连接至单一的高效率的连接器506。连接器506可与多路复用器(MUX)500连接，该多路复用器(MUX)500可以是DAQ 47的部分。MUX 500包括多个开关501，所述开关501可由控制器49来控制以选择性地测量电路C1-Cn的电压信号。MUX 500的开关501可连接至差动放大器502。差动放大器502将电容器201A、201B提供的电压信号组合为单一的输出电压，该输出电压限定横跨于灯泡L1的电压降。输出电压是来自电容器201A、201B的电压信号的差，所述电压信号经过衰减并且由滤波整流器400整流，所述电压信号的差也可由差动放大器502来放大。输出电压可由一值来放大，该值取决于可由DAQ 47读取的最大值电压和来自电容器201A、201B及滤波整流器400的电压信号的衰减。举例而言，输出电压可由在0.1与5之间的值来放大。在一个实施例中，输出电压是由1的值来放大。差动放大器502还可限制在电压信号中的噪声。
差动放大器502的输出可耦接至模拟至数字转换器(ADC)503。ADC 503可将由MUX500接收的模拟电压信号转换至可由控制器49读取的二进制信号。在一个实施例中，ADC503可输出8-位的二进制的信号或更高位的二进制的信号，例如10-位的二进制的信号。ADC503的输出可耦接至窗口比较器504。窗口比较器504的使用在具有高的信号噪声或在施加AC电压受到信号中的变动的影响的情况中特别地有利的。在示出于图5的实施例中，窗口比较器504可以是实体部件，该实体部件用来执行前文所描述的功能。在另一个实施例中，由窗口比较器504执行的功能可由被程序化至控制器49的算法来实现，在此情况中ADC 503直接地连接至控制器49。
窗口比较器504可以是数字装置，该数字装置接收来自ADC 503的输出电压，并且基于来自ADC 503的输出电压提供数字输出电压。举例而言，如果来自ADC 503的输出电压在一特定范围之内，该范围在Vmin和Vmax之间，则窗口比较器504将输出具有二进制代码的形式的TRUE(1)值，该TRUE(1)值可由控制器读取。如果来自ADC 503的输出电压在该范围之外，则窗口比较器504将输出具有二进制代码的形式的FALSE(0)值，该FALSE(0)值可由控制器读取。来自窗口比较器504的其它的输出是可能的。代表施加至电路路径202的总电压的第一范围可由DAQ 47可读取的最大值电压来限定。由Vmin和Vmax限定的第二临界范围可在第一范围之内。在一个实施例中，DAQ 47的最大可读取的电压是5V，Vmin是1V，并且Vmax是4V。在替代性的实施例中，窗口比较器504可以是模拟装置并且可放置在ADC 503之前，以使得窗口比较器504的输出由ADC 503调整为数字值。
关于灯泡故障，窗口比较器504的输出可用来发出灯泡L1、L2的状态的信号至控制器49。举例而言，如果窗口比较器504的输出为TRUE，则在电路路径202中的灯泡L1、L2二者为可操作的。如果窗口比较器504的输出为FALSE，则灯泡故障已发生。额外地或替代性地，通过控制器49对由ADC 503输出的电压所作的比较可被用来确定灯泡L1、L2的哪一个已故障。在一个实施例中，如果由ADC 503输出的电压大于Vmax，则灯泡L1处于开路状态。如果由ADC 503输出的电压小于Vmin，则灯泡L2处于开路状态。在另一个实施例中，如果由ADC 503输出的电压等于施加至电路路径的总电压，像经过衰减和整流的那样，则灯泡L1处于开路状态。如果由ADC 503输出的电压等于零，则灯泡L2处于开路状态。词汇“等于(equal to)”并不被限制为完全地等于或由于在电路内的损失和功率的变动而具有不受限制的精确性。
在图2至图5中所表示的电路路径202可构造为具有多于两个串联的灯泡。在具有多于两个灯泡的情况中，灯泡故障可基于横跨于第一灯泡的电压降与施加至电路路径202的总电压值之间的差来检测，施加至电路路径202的该总电压值与在电路路径202中的灯泡的总数目成比例。举例而言，对于串联地布置于电路路径202上的三个灯泡而言，当所有的灯泡都可操作时，横跨于串联中的第一灯泡上的电压降应大约为施加至电路路径202的总电压的1/3。该值可为近似的或在临界范围之内以考虑：在电路路径202中的损失和变动、测量中的不精确、和当使用AC功率时的电压变动。
因此，描述灯泡故障检测器，该灯泡故障检测器可有效地确定灯泡故障，并且该灯泡故障检测器可使用于具有不同的接地电位的系统中。
虽然前述涉及本发明的实施例，可设计本发明的其它和进一步的实施例，而不背离本发明的基本的范围，并且本发明的范围由随附的权利要求书确定。
Claims (1)
1.一种用于半导体基板的热处理的设备，所述设备包括：
腔室主体，所述腔室主体具有开口；
灯泡头组件，所述灯泡头组件耦接至所述腔室主体的所述开口，所述灯泡头组件包括多个灯泡，所述多个灯泡布置于阵列中；和
灯泡故障检测器，所述灯泡故障检测器电耦接至所述灯泡头组件，并且所述灯泡故障检测器包括：
电压数据采集模块，所述电压数据采集模块放置为在电路路径上采样电压信号，所述电路路径由所述多个灯泡中的至少两个串联连接的灯泡形成；
第一电容器，所述第一电容器耦接至所述电路路径于第一节点处，所述第一节点与所述至少两个串联连接的灯泡中的第一灯泡相关联，并且所述第一电容器耦接至所述电压数据采集模块；
第二电容器，所述第二电容器耦接至所述电路路径于第二节点处，所述第二节点与所述至少两个串联连接的灯泡中的所述第一灯泡相关联，并且所述第二电容器耦接至所述电压数据采集模块；和
控制器，所述控制器调适为从所述电压数据采集模块接收所述采样电压信号的数字值，并且基于横跨于所述至少两个串联连接的灯泡中的所述第一灯泡的电压降，确定所述至少两个串联连接的灯泡中的一个或多个灯泡的状态，所述横跨于所述至少两个串联连接的灯泡中的所述第一灯泡的电压降是由所述采样电压信号确定的。
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