CN106158622B - 用于热映射和热工艺控制的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于热映射和热工艺控制的方法和装置。根据一些实施例提供了一种热处理装置。该热处理装置包括：加热源，用于向在正表面上形成有电路的工件传输入射辐射；辐射传感器，被配置为接收从工件的正表面辐射的光；以及控制器，耦合至辐射传感器，控制器被设计为控制加热源以减小工件的温度变化。

Description

用于热映射和热工艺控制的方法和装置

交叉参考

本申请是2010年5月28日提交的第12/789,816号美国专利申请的部分继续，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明一般地涉及半导体技术领域，更具体地涉及热处理装置及方法。

背景技术

半导体集成电路(IC)工业经历了快速发展。IC材料和设计的技术进步产生了多代IC，每一代都具有比前一代更小且更复杂的电路。这些进步增加了处理和制造IC的复杂度，并且对于将要实现的进步来说，需要IC处理和制造的类似发展。在IC演进的过程中，功能密度(即，单位芯片面积上互连器件的数量)通常增加，而几何尺寸(即，可使用制造工艺创建的最小部件(或线))减小。这种按比例缩小工艺通常通过增加生产效率和降低相关成本来提供优势。这种按比例缩小还增加了处理和制造IC的复杂度，并且对于将要实现的进步来说，需要IC处理和制造的类似发展。在一个实例中，当热退火工艺被应用于半导体晶圆时，出现非均匀热效应，导致不同位置的器件性能不同。然而，还没有监控上述不均匀性的有效方式以及降低不均匀性的有效方式。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种热处理装置，包括：加热源，用于向工件传输入射辐射，所述工件具有形成在所述工件的正表面上的电路；辐射传感器，被配置为接收从所述工件的正表面辐射的光；以及控制器，耦合至所述辐射传感器，所述控制器被设计为控制所述加热源以减小所述工件的温度变化。

该装置还包括：第一滤波器，被配置为与所述加热源相邻，并被设计为使得来自所述加热源的第一波长范围内的入射辐射被导向所述工件以及阻挡来自所述加热源的第二波长范围内的入射辐射，其中，所述第二波长范围不同于所述第一波长范围。

该装置还包括：第二滤波器，被配置为与所述辐射传感器相邻，以在从所述工件的正表面辐射的光到达所述辐射传感器之前过滤从所述工件的正表面辐射的光，其中所述第二滤波器使所述第二波长范围内的光通过。

在该装置中，所述第二波长范围与所述第一波长范围互补。

在该装置中，所述辐射传感器被设计为响应于所述第二波长范围内的光。

在该装置中，所述辐射传感器包括配置为阵列的多个感测像素，且所述辐射传感器被配置为与所述热处理装置的视窗相邻。

该装置还包括：成像模块，配置在所述工件和所述辐射传感器之间，以将从所述工件的正表面的目标区域内辐射的光成像至所述感测像素。

在该装置中，所述成像模块包括至少一个透镜，以将从所述正表面辐射的光聚焦到所述辐射传感器的感测像素。

在该装置中，所述成像模块包括改变所述目标区域的大小的机构。

在该装置中，所述成像模块包括将所述目标区域重新定位到所述工件的正表面上的不同位置的机构。

在该装置中，所述辐射传感器的多个感测像素形成在半导体衬底上；以及成像模块与所述辐射传感器集成并形成在所述半导体衬底上。

在该装置中，所述第二滤波器与所述辐射传感器集成并形成在所述半导体衬底上。

在该装置中，所述第一波长在大约0.35μm至大约3μm的范围内，以及所述第二波长在大约3μm至大约6μm的范围内。

在该装置中，所述控制器包括分辨率增强器，所述分辨率增强器被设计为使用数学模块预处理被所述辐射传感器检测的光以减少不同感测像素之间的串扰。

在该装置中，所述数学模型被定义为：I(r_i)＝∑C(r_i,r_j)*S(r_j)，其中，总和∑关于下标j；下标i和j是在1至所述目标区域中的子区域的总数的范围内的整数；参数r_i表示第i个子区域，S(r_j)是被与子区域r_i配对的感测像素所接收的总辐射信号；I(r_i)表示来自所述子区域r_i的总辐射强度，以及C(r_i，r_j)是与串扰相关联的系数矩阵。

在该装置中，所述加热源包括被配置为与所述工件的正表面相邻的正面加热源以及被配置为与所述工件的背表面相邻的背面加热源；所述控制器被设计为向所述正面加热源提供第一功率P1以及向所述背面加热源提供第二功率P2；以及所述控制器可用于根据与图案相关的温度变化调整功率比P1/P2。

根据本发明的另一方面，提供了一种热处理装置，包括：正面加热源，被配置为从工件的正表面向所述工件传输第一入射辐射，所述工件具有形成在所述正表面上的电路图案；背面加热源，被配置为从所述工件的背表面向所述工件传输第二入射辐射；辐射传感器，被配置为检测从所述工件的正表面辐射的光；以及控制器，耦合至所述辐射传感器，所述控制器被设计为向所述正面加热源提供第一功率P1以及向所述背面加热源提供第二功率P2，其中，所述控制器可用于根据反馈回路中的所述工件的温度变化调整功率比P1/P2。

在该装置中，所述控制器可用于减小功率比以减小温度变化。

根据本发明的又一方面，提供了一种用于热处理的方法，包括：在热处理室中提供工件；使用来自加热源的第一波长范围内的辐射，照射所述工件，从而加热所述工件；通过对不同于所述第一波长范围的第二波长范围内的光敏感的辐射传感器，在热处理期间接收从所述工件的正表面辐射的光；以及根据所接收的光确定与图案相关的温度变化。

该方法还包括：通过控制器，根据所述温度变化控制所述加热源，其中，所述加热源还包括被配置为加热所述工件的正表面的正面加热源；所述加热源还包括被配置为加热所述工件的背表面的背面加热源；所述控制器被设计为向所述正面加热源提供第一功率P1以及向所述背面加热源提供第二功率P2，并且所述控制器可用于根据反馈回路中的与图案相关的温度变化调整功率比P1/P2。

附图说明

当结合附图阅读时，根据以下详细的描述来更好地理解本发明的各个方面。注意，根据工业的标准实践，各个部件没有按比例绘制。实际上，为了讨论的清楚，可以任意地增加或减小各个部件的尺寸。

图1是根据一些实施例的热处理系统的示意图。

图2是示出根据一些实施例的第一波长范围和第二波长范围的示图。

图3示出了根据一些实施例的图1的热处理系统的一部分。

图4是根据一些实施例的图1中的控制器的框图。

图5是根据一些实施例的利用图1的热处理系统实施的方法的流程图。

图6是根据一些实施例的热处理系统的示意图。

图7是示出根据一些实施例的图6的热处理系统的各个区域的顶视图。

图8是示出根据一些其他实施例的图6的热处理系统的各个区域的顶视图。

图9是根据一些实施例的图6中的控制器的框图。

图10是根据一些实施例的利用图6的热处理系统实施的方法的流程图。

具体实施方式

以下公开内容提供了许多不同的用于实施本发明的不同特征的实施例或实例。以下描述部件或配置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例而不用于限制。例如，在以下的描述中，在第二部件上方或之上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件被形成为直接接触的实施例，并且也可以包括可以在第一部件和第二部件形成附件部件使得第一部件和第二部分没有直接接触的实施例。此外，本发明可以在各个实例中重复参考标号和/或字母。这些重复是为了简化和清楚，其本身并不表示所讨论的各个实施例和/或结构之间的关系。

图1是根据一些实施例构造的热处理装置100的示意图。热处理装置100包括处理室102，其具有被设计和构造为用于热处理(诸如快速热处理(RTP))的封闭空间。室102可包括各种机构，它们被集成到一起并可用于执行与对应的热处理相关联的各种功能。在一个实例中，室102包括提供用于净化和/或反应(诸如热氧化)的气体的机构。

根据本发明的一个实施例，热处理装置100包括快速热处理器。尽管本发明的一个实施例包括快速热处理器，但可结合用于电子设备或封装件的热处理中的任何类型的室来使用本发明的技术。对于本发明的目的，术语“室”表示热或光能量被应用于工件(诸如晶圆)以加热、照射、干燥或固化工件的任何壳体。

热处理装置100包括衬底台103，其被设计为支撑和保持工件104以用于接收预期的热工艺。衬底台103可包括适当的机构来移动工件104。例如，衬底台103包括使工件围绕垂直于工件104的顶面106的轴旋转以使热变化被平均和减少的机构。在本实施例中，工件104是半导体衬底，诸如半导体晶圆。在一些实例中，半导体晶圆是硅晶圆。可选或此外地，半导体衬底包括：另一种元素半导体，诸如锗；化合物半导体，包括碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟和/或锑化铟；合金半导体，包括SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP和/或GaInAsP；或它们的组合。在又一可选方式中，半导体衬底是绝缘体上半导体(SOI)。在其他可选方式中，半导体衬底可包括掺杂外延层和/或覆盖不同类型的另一半导体层的半导体层，诸如硅锗层上的硅层。半导体衬底根据将要形成在其上的集成电路的设计要求而包括各种掺杂结构。在各个实例中，半导体衬底可包括各种掺杂区域，其掺杂有p型掺杂物(诸如硼或BF₂)、n型掺杂物(诸如磷或砷)或它们的组合。掺杂区域可包括p型掺杂阱、n型掺杂阱、n型源极和漏极部件、p型源极和漏极部件和/或各种沟道掺杂部件(例如，抗穿通掺杂)。在各个实施例中，掺杂物可通过离子注入被引入工件104。在一次或多次离子注入之后，可以在热处理装置100中实施热退火工艺，以激活引入的掺杂物并减少由于对应的离子注入所导致的损伤。在其他实例中，可以对热处理器装置100中的工件104应用热氧化以形成热氧化硅层。工件104可以可选地包括其他对象，诸如3D封装中的堆叠晶圆、印刷电路板、电子封装件或任何适当的集成电路结构。

工件104具有正表面106和背表面108。各种集成电路(IC)部件110(诸如掺杂部件)形成在工件104的正表面上。在各个实例中，IC部件110可包括半导体部件(诸如源极和漏极部件、沟槽掺杂部件)、介电部件(诸如浅沟槽隔离部件)、导电部件(诸如栅电极、接触件、通孔、金属线)或它们的组合。正表面106与背表面108的热特性不同，这稍后进行进一步的描述。

热处理装置100包括加热源112，该加热源被配置在室102中且可用于为工件104提供热能来用于热处理。加热源112具有为工件104提供热能的适当的机构。加热源112可包括多个加热元件(诸如卤素灯)，该多个加热元件被配置为阵列以用于为工件104提供均匀和有效的加热效果。加热源112生成朝向工件104引导的辐射能量113。在本实施例中，辐射能量113是具有包括红外线辐射的光谱的光。在一些实例中，加热源112包括配置在室102中的多个卤素灯(诸如钨卤素灯)。本领域技术人员应该理解，还可以使用其他辐射源。在特定实例中，加热源112包括多个卤素灯，灯的数量在20个灯至409个范围内。卤素灯被组织成2至15个区域来用于加热能量调整。可选地，每个卤素灯都是用于独立电能调整的区域。当钨卤素灯被用于加热源112时，钨卤素灯发出与大约0.35μm至大约3μm的波长范围相对应的短波带的红外线辐射。在热工艺期间，工件104被加热，并且生成来自工件104的光辐射117。具体地，来自工件104的光辐射(目标辐射)117和来自加热源112的光辐射(源辐射)113具有不同的光谱。对象(如果是完美的黑色主体)具有通过普朗克定律所确定的光谱的辐射。根据普朗克定律，对象的温度(K)越低，从主体辐射的光的强度越弱且较长波长的分量越大。相反，对象的温度越高，光的强度越强且较短波长的分量越大。即使对象不是完美的黑色主体，这也是适用的。在用于说明的一些实施例中，在热工艺期间，工件104的温度在大约600℃至大约1300℃的范围内。在热工艺期间，加热源中的卤素灯可具有大于2000℃的温度。加热源112的辐射光谱(源辐射光谱)不同于工件104的辐射光谱(目标辐射光谱)。与目标辐射光谱相比，源辐射光谱具有较多的来自短波长的贡献以及较少的来自长波长的贡献。然而，两个光谱被重叠，引起从工件104提取温度信号的问题，这将在稍后进一步描述。

热处理装置100包括集成在室102中的视窗114。视窗114包括被设计为对光辐射117透明的适当材料(诸如玻璃)。热处理装置100还包括辐射传感器(也被称为检测器)116，其被配置为与视窗114相邻以通过视窗114接收来自工件104的光辐射117。辐射传感器116对光辐射117敏感并且用于检测光辐射117，从而相应地确定工件104的温度。通过使用辐射传感器116，可通过确定辐射强度或光谱的特性参数(诸如光谱的峰值波长，通过维恩定律来描述)来以非接触方式确定工件104的温度。

辐射传感器116是光传感器。在本实施例中，辐射传感器116是对IR光敏感的红外线(IR)传感器。在又一实施例中，辐射传感器116包括对IR光敏感的光电二极管。光电二极管是当暴露给光(诸如红外线辐射)时具有生成电能(诸如电流)的特性的半导体器件。例如，电能进一步用于确定照射光的对象的温度，以用于温度测量。光电二极管的灵敏度与用于制造光电二极管的材料相关联，因为只有具有充足能量来激发电子横跨材料带隙的光子会产生足够的光电流。在一些实施例中，辐射传感器116被设计为有效确定对象(诸如工件104)的温度(温度在大约600℃至大约1300℃的范围内)的响应光谱。在各个实例中，辐射传感器116可包括在大约1μm至大约6μm的波长区域中工作的硫化铅(PbS)和硒化铅(PbSe)检测器。PbS和PbSe光电二极管均是光敏IR检测器，光敏IR检测器在暴露给IR辐射时需要偏置电压来测量电阻压降。此外，本领域技术人员应该理解，针对特定的灵敏度和其响应的波长范围(以及用于所生成信号的所需放大要求)来选择检测器。适合于本发明的一个实施例的市售的光敏型红外线检测器的实例为IEEMAP-2DV，其由威尔明顿红外线技术公司提供。

辐射传感器116与热处理室102集成，并被配置在使得来自工件104的正表面106的光辐射117被辐射传感器116收集的位置处。在传统的热处理系统中，热传感器被配置为接收来自晶圆的背表面的辐射。然而，这些系统将仅提供晶圆的晶圆级温度数据，而不能提供图案相关联的温度变化。正表面106和背表面108具有不同的热分布，因为正表面106具有图案化结构(各种IC部件形成在正表面上)而背表面108是不具有任何图案的均匀表面。在正表面106上，各种热相关参数(诸如辐射吸收、辐射反射和热能量扩散)是不同的。作为用于说明的一个实例，图案化部件110是介电材料(诸如氧化硅)的STI部件，而正表面106的剩余区域是半导体材料(诸如硅)的有源区域，STI部件110的反射、吸收和扩散不同于半导体有源区域的反射、吸收和扩散。此外，正表面上的图案密度根据位置的不同而不同，这在热工艺期间会引起热分布变化。这种热变化会进一步引起根据位置不同所导致的不期望的器件性能变化。由于背表面108不被图案化，所以在背表面108上没有与图案相关的热变化。当到达背表面108时，基本上会减少或消除来自正表面106的热分布变化的影响。因此，来自工件104的背表面108的光辐射可用于确定晶圆平均温度而不能得到正表面106的热分布变化。因此，辐射传感器116被配置为接收从工件104的正表面106辐射的光辐射117。

第二，被辐射传感器116收集的光不仅来自目标辐射117而且来自源辐射113。这种干扰降低了辐射传感器116进行的温度测量的精度。在传统的热处理系统中，热传感器被配置为接收来自晶圆的背表面的光辐射(如上所述)，晶圆本身可用作吸收光辐射的对象。基本降低了热传感器进行的温度测量期间来自源辐射的干扰。在本发明的情况下，辐射传感器116的结构能够接收来自工件104的正表面106的光辐射117而且还暴露给来自加热源112的光辐射113。通过其他机构来消除或减少干扰。在公开的热处理装置100的实施例中，预先确定两个光谱范围(或波长范围)。第一波长范围在能量方面对应于大部分来自于加热源112的光辐射。来自加热源112的第一波长范围之外的光辐射对工件104的热能量具有微小的贡献。第二波长范围以上升的温度方面对应于大部分在热工艺期间来自工件104的光辐射。来自工件104的第二波长范围内的光辐射足够用于确定工件104的温度。第一波长范围和第二波长范围是不同的。在一些实施例中，在第一波长范围和第二波长范围之间没有重叠。具体地，第一波长范围与较短的波长相关联，因此也被称为短波长范围。第二波长范围与较长的波长相关联，因此也被称为长波长范围。在一些实施例中，第一波长范围在大约0.35μm至大约3μm之间，而第二波长范围在3μm至大约6μm之间。通过如上限定的两个波长范围，通过下面所述的一个或多个机构来消除或减少干扰。

在一些实施例中，热处理系统100包括第一滤波器118，其配置在加热源112和工件104之间以带通第一波长范围内的光辐射。换句话说，第一滤波器118对第一波长范围内的光辐射来说是透明的，并且对于第一波长范围之外的光辐射来说是不透明的。因此，过滤掉加热源112的第一波长范围之外的光辐射。

在一些实施例中，热处理系统100还包括第二滤波器120，其配置在工件104和辐射传感器116之间以过滤掉第二波长范围之外的光辐射并带通第二波长范围内的光辐射。因此，被导向辐射传感器116的第二波长范围内的光辐射被辐射传感器116检测到并进一步用于确定工件104的温度。

通过在热处理装置100中集成第一滤波器118和第二滤波器120，从加热源112辐射的第一波长范围内的光通过第一光滤波器118并投射至工件104用于热工艺期间的加热效果。然而，从工件104的正表面106辐射的第二波长范围内的光通过第二滤波器120并投射至辐射传感器116用于工件104的温度测量。从加热源112直接辐射的第二波长范围内的光被第一滤波器118阻挡且不能进入辐射传感器116。从加热源112直接辐射的第一波长范围内的光被引导至工件104用于加热效果但是被第二滤波器120阻挡而不能进入辐射传感器116。总之，来自加热源112的光辐射能够加热工件104但不会干扰使用来自工件104的光辐射进行工件104的温度测量。

在一些实施例中，第一滤波器118由石英或用于选择IR范围透射的其他适当的材料制成。第一滤波器118可被配置为与加热源112相邻。在一些其他实施例中，滤波器118可与加热源112集成以实现相同的功能。例如，加热源112包括钨卤素灯，每一个钨卤素灯都进一步包括在石英灯泡或具有适当涂层的适当材料的灯泡中密封的钨丝。

在一些实施例中，第二滤波器120是配置在视窗114和辐射传感器116之间的滤波器。例如，第二滤波器是具有适当涂层(诸如多膜涂层)的透明板以实现过滤功能(阻挡第二波长范围之外的光)。在一些实施例中，第二滤波器120与视窗114集成为一个部件。例如，视窗114由具有期望透射光谱的适当材料制成或者由涂有多层膜以实现过滤功能的透明板制成。在一些其他实施例中，第二滤波器120与辐射传感器116集成为一个部件，使得辐射传感器116仅对第二波长范围内的光敏感(或响应)。例如，辐射传感器116在同一电路衬底中包括内置滤波器或集成滤波器，这稍后进一步描述。

在一些实施例中，热处理装置100被设计为使得第一滤波器和第二滤波器互补。具体地，第二滤波器120是使第二波长范围内的光通过的带通滤波器。第一滤波器118是停止(阻挡)第二波长范围内的光并使第二波长范围之外的光通过的带阻滤波器。换句话说，第一波长范围内的光通过第一滤波器118但被第二滤波器120阻挡。如图2所示，水平轴表示光的波长，而垂直轴表示滤波器的透射率。左边的垂直轴表示第二滤波器120的透射率，以及右边的垂直轴表示第一滤波器118的透射率。第一波长范围和第二波长范围也被标示。如上所述，第二波长范围被选择为足以确定工件104的温度，并且被进一步选择使得互补的第二波长范围对应于从加热源112辐射的光的主要辐射能量。因此，加热源112能够有效地加热工件104但是不会干扰使用辐射传感器116进行的工件104的温度测量。

通过检测来自工件104的正表面106的光辐射，辐射传感器116能够得到具有图案相关的变化的信号。通过使用第一滤波器和第二滤波器(118和120)，消除(或减少)了源辐射和目标辐射之间的干扰，增强了辐射传感器116进行的温度测量的空间分辨率。为了测量和监控温度变化，辐射传感器116被设计为具有多个像素，多个像素被配置为二维(2D)阵列以得到工件104不同位置处的温度，或者更具体地，诸如图3根据一些实施例的热处理装置100的一部分的示意图所示，在热工艺期间得到工件104的正表面106的2D热分布。辐射传感器116包括N×M个感测像素130，其中N和M是足以得到热变化的任何适当的整数(例如，10和10)。每个感测像素130都是感测来自工件104的光辐射的IC结构。在一些实施例中，每个感测像素130都是光电二极管。在又一些实施例中，感测像素130形成在一个集成电路芯片中。例如，N×M个光电二极管形成在半导体衬底中并连接至读取电路以从光电二极管提取数据。

仍然参照图3，进一步详细地示出工件104。在本实施例中，工件104是包括多个芯片128的半导体晶圆。电路形成在每个芯片128的电路区域中。电路图案可具有随位置而变化的图案密度，如上所述这将引起热分布变化，并且被称为图案加载效应。然而，由于这种热分布变化对应于图案密度变化并且这种热分布变化在尺寸上远小于芯片大小。例如，为几微米的级别。因此，2D像素阵列的辐射传感器116被配置为捕获芯片内的区域。具体地，从该区域辐射的光集中到辐射传感器116的像素阵列中的感测像素130。该区域被称为目标区域132。目标区域132可以选择为不同位置，但是该目标区域在尺寸上包括足够的与图案相关联的温度变化。例如，目标区域可以选择为类似区域的但在两个或多个芯片128上方延伸的区域。在用于说明的一些实施例中，目标区域132包括芯片128的全部电路区域。可选地。目标区域132是全部电路区域的一部分。从目标区域辐射的光集中于辐射传感器116的像素阵列中的像素130并提供目标区域的热信号，该信号被辐射传感器116检测，用于进一步确定衬底104的目标区域132上的温度空间分布。换句话说，来自目标区域132的热信号通过成像机构(或聚焦机构)122映射到辐射传感器116的像素阵列中的感测像素130。目标区域132包括映射到多个感测像素130的多个子区域134，使得从一个子区域134辐射的光集中于对应的一个感测像素130并被该对应的一个感测像素130接收。以这种方式来使子区域134和感测像素130配对。选择子区域134的大小，使得与衬底104的图案密度相关联的温度变化具有与子区域134的尺寸可比较的典型尺寸。在一些实施例中，子区域134的尺寸小于大约0.5mm，而目标区域132的尺寸大于约10mm。每个热信号都来自不同的子区域134并且被对应的感测像素130所接收。

在一些实施例中，成像机构122包括透镜或透镜组，其被配置为将来自目标区域的辐射光117成像到辐射传感器116的感测像素130，这不仅要求辐射传感器116捕获从目标区域辐射的光而且还要求来自目标区域的信号映射到阵列中的所有像素130。在一些其他实施例中，成像机构122还包括放大或缩小的机构，以改变目标区域132的大小。在一些其他实施例中，成像机构122还包括改变聚焦位置使得目标区域132可以从一个位置改变为另一个位置的机构，诸如从工件的中心位置改变到边缘位置。因此，成像机构122可以动态地感测固定于衬底台103的衬底104的不同区域。在一些实施例中，成像机构122包括微机电系统(MEMS)，诸如具有可用于实现上述功能(诸如扫描、重新定位和/或缩放)的多个微透镜的MEMS。

在一些实施例中，成像机构122可集成到辐射传感器116中。辐射传感器116包括形成在半导体衬底中的集成电路上的多个感测像素130。每个感测像素130都是光敏器件(诸如光电二极管)，其被设计为对期望范围内的光敏感。此外，辐射传感器116还包括多个微透镜，该多个微透镜形成在半导体衬底上并以配对的方式设置在对应的光敏器件上方。可选地，附加地形成微透镜并与独立的成像机构122协作用于上述适当的聚焦功能。此外或可选地，滤色器层可形成在辐射传感器的半导体衬底上，使得光117将在到达感测像素113之前被过滤。辐射传感器116中的滤色器可替代第二滤波器120或者与第二滤波器120协作来用于上述过滤功能。

因此，通过使用从正表面106辐射的目标辐射117来确定目标区域的热分布，热信号117将承载与形成在工件104的正表面106上的图案化部件110的图案密度相关联的温度变化。相反，如上所述，从背表面108辐射的光不具有与图案密度相关联的温度变化或者具有远小于正表面106的温度变化。此外，通过成像机构122利用辐射传感器116的感测像素130捕获来自芯片128内的目标区域的热信号，热信号将承载足够的与图案密度相关联的温度变化。此外，通过所公开的系统100和对应方法，衬底104的目标区域的热分布增强更好的空间分辨率。具体地，通过使用第一滤波器118阻挡来自加热源112的第二波长范围内的辐射，来自加热源112的第一波长范围内的辐射113能够有效地加热衬底104并避免被第二波长范围内的辐射信号干扰，因为该辐射信号被用于辐射传感器116的温度确定。此外，通过使用第二滤波器120，从衬底104的正表面106辐射的光117进一步被过滤掉第二波长范围之外的部分，以构成第二波长范围内的辐射信号，进一步减少或消除来自加热源112的辐射113与来自衬底104的辐射117之间的干扰。第二滤波器120之后的热信号具有高质量和较少的噪声，因为来自加热源的辐射被第一滤波器118或第二滤波器120所阻挡。

热处理系统100还包括与辐射传感器116和加热源112耦合的控制器126。控制器126被设计为根据从辐射传感器116检测的热信号中提取的目标区域132的热分布调整加热源112的加热功率。例如，控制器126可控制加热源112以通过以下各种适当的模式来调整补偿热变化的加热功率：诸如根据随位置的温度变化一个区域一个区域的独立控制或者一个灯一个灯的独立控制或者根据随时间的温度变化动态地控制加热功率。

在一些实施例中，在热信号被辐射传感器116检测之后，可进一步增强来自衬底104的正表面106的热信号。这将在下面解释。由于目标区域132被映射至感测像素130，所以来自目标区域132的子区域134的热信号被集中于像素阵列的对应感测像素130。实际上，仍然会存在串扰，这意味着被感测像素130检测的热信号不可能完全来自于对应的子区域134，而是还可以包括来自其他子区域134的贡献。然而，来自其他子区域134的贡献小于配对的子区域134。当子区域远离配对的子区域134时，这种贡献越发小。从其他观点来看，来自一个子区域134的辐射没有完全被引导至配对的感测像素130而是还有小部分被引导至其他感测像素。根据这种理解，可以建立数学模型并用于处理热信号，使得减少或消除串扰。在一些实施例中，数字模块具有以下形式，

I(r_i)＝∑C(r_i,r_j)*S(r_j) 等式(1)

其中，总和关于下标j。下标i和j是1至M×N范围内的整数(或者目标区域132中的子区域134的总数)。参数r_i表示第i个子区域，S(r_j)是被与子区域r_i配对的感测像素130接收的总辐射信号，I(r_i)表示来自子区域r_i的总辐射强度，以及C(r_i，r_j)是与成像机构122的串扰或聚焦效率相关联的系数矩阵，被称为集合系数C(r_i，r_j)。系数C(r_i，r_j)与第i个子区域和第j个子区域之间的串扰相关联，或者更具体地，与从第i个子区域134到第j个感测像素130的辐射信号相对于被第j个感测像素130接收的总信号相关联。在不存在串扰的理想情况下，如果r_i＝r_j则C(r_i，r_j)＝1，而如果r_i≠r_j则C(r_i，r_j)＝0。在实际情况下，即使r_i≠r_j，C(r_i，r_j)也不为零。系数C(r_i，r_j)可根据来自热处理系统100的历史制造数据来确定。例如，通过热处理系统100对多个晶圆进行热处理，热数据被收集并与作为参考的以其他方式确定的温度分布进行比较。通过选择适当的系数C(r_i，r_j)，由此获得的热分布与以其他方式获得的热分布具有较小的差异。因此，与第i个子区域134相关联的热信号强度I(r_i)排除了来自其他子区的串扰，并包括从其他非配对的感测像素提取的附加相关强度。因此，构建和实施数学模型(诸如等式1)以减小串扰并进一步增强信号强度来用于更好的空间分辨率。在一些实施例中，在控制器126中包括数学模型。

图4是根据一些实施例的控制器126的框图。控制器126可包括电流/电压(I/V)转换器142，其被设计为将来自辐射传感器116的电流信号转换为电压信号。I/V转换器142可与辐射传感器116耦合。在一些实例中，来自I/V转换器142的信号是M×N温度数据，该温度数据对应于每个时间点的衬底104的目标区域132上的热分布。控制器126可进一步包括与I/V转换器142耦合的远程温度控制器(RTC)144。RTC 144可包括微处理器或其他电路，该微处理器或其他电路被设计为得到来自I/V转换器142的温度反馈并通过向加热源112提供适当的功率输出来确定如何补偿温度变化。RTC 144根据来自I/V转换器142的温度反馈信号生成控制信号。控制器126还包括向加热源112提供电能的电源模块146。电源模块146可为不同的区域中的灯单独供电。在一些实施例中，电源模块146包括一个或多个可控硅整流器(SCR)来以特定模式(诸如基于区域的模式)向加热源116提供电源。RTC 144根据温度反馈控制电源模块146。RTC 144可实施适当的反馈机构来用于温度补偿。在一些实施例中，RTC144是比例-积分-微分控制器(PID控制器)。在一些实施例中，控制器126还包括分辨率增强器148来预处理温度分布(温度矩阵)，从而减少串扰。在又一些实施例中，分辨率增强器148包括如等式(1)所表示的数学模型。来自I/V转换器142的辐射信号通过等式(1)进行预处理。分辨率增强器148将来自I/V转换器142的S(r_j)作为输入并生成I(r_i)作为输出。然后，增强信号I(r_i)被发送至RTC 144。分辨率增强器148可以是与I/V转换器142和RTC 144耦合的独立模块。可选地，分辨率增强器148可以与RTC144集成。控制器126还可以包括数据库150以存储制造数据，诸如被热处理系统100处理的晶圆的历史数据。这些数据可以被提供给分辨率增强器148以确定系数C(r_i，r_j)。分辨率增强器148还包括根据历史数据生成系数C(r_i，r_j)的功能。可选或附加地，数据库150可包括以其他方式确定的系数C(r_i，r_j)，诸如来自工程师的输入。

图5示出了根据一些实施例的热处理方法160的流程图。方法160包括操作162，其中，通过热处理系统100对工件104执行热处理。如上所述，热处理系统100被设计为捕获工件104的目标区域132的热分布，其具有与图案密度相关的温度变化。例如，热处理系统100包括：加热源112，被配置为从正表面106加热工件104；第一滤波器118和第二滤波器120；辐射传感器116，被设计为对第二波长范围内的光敏感；以及成像机构122，将来自目标区域的热信号映射至感测像素130，在一些实施例中，热处理是热退火工艺。在其他实施例中，热处理可以是半导体制造工艺的一部分，诸如热氧化工艺。在这种情况下，热氧化工艺可包括同时提供氧气和热工艺。

方法160包括操作164，其中，通过辐射传感器116检测从工件104的正表面的目标区域132内辐射的目标辐射117。目标辐射117包括与不同子区域134相关联的热信号。来自子区域134的热信号被映射至辐射传感器116的感测像素130，从而确定目标区域132的热分布。

方法160可包括操作166，其中，使用数学模型(诸如在等式(1)中定义的数学模型)来预处理热信号，以减少串扰并增强热分布的分辨率。可通过控制器126中的分辨率增强器148来实施操作166。

方法160包括操作168，其中，根据热信号(或预处理的热信号)通过控制器126来控制加热源112以减少与图案相关的温度变化。操作168可以以基于区域的模式控制加热源。

图6示出了根据一些其他实施例的热处理系统170。热处理系统170类似于热处理系统100。例如，热处理系统170包括第一加热源112，其被配置为向固定于衬底台103的工件104的正表面106提供加热能量(辐射能量)。热处理系统170可包括被配置为用于上述预期功能的第一滤波器118和第二滤波器120。热处理系统170进一步包括第二加热源172，其被配置为向工件104的背表面108提供加热能量。在本实施例中，第二加热源172在加热机构和结构方面与第一加热源112类似。热处理器系统170还可以包括第三滤波器176，其被配置为出于上面关于第一滤波器118描述的相同原因(减少干扰)而阻挡来自第二加热源172的第二波长范围内的辐射。第三滤波器176在功能和结构方面类似于第一滤波器118。控制器126与第一加热源和第二加热源耦合以控制第一加热源和第二加热源。当工件104能够吸收来自背面加热源172的辐射时，可以省略第三滤波器176。

加热源112和加热源172还可以分别称为正面加热源112和背面加热源172。热处理系统170包括用于处理工件104的正面加热源112和背面加热源172。在一些实施例中，工件104通过衬底台103而提升或降低。正面和背面加热源(112和172)均具有多个加热元件178，其通过区域(诸如区域A、B、C、D)进行控制。通过控制器126来控制正面和背面加热源。图7示出了根据一些实施例的图6的四个加热区域的顶视图，如US8,383,513所描述的，其全部内容结合于此作为参考。每个区域都被控制为提供与其他区域独立的加热功率。图6示出了正面加热源和背面加热源的加热元件和加热区域是类似的。然而，不是必须如此。可与背面加热源不同地配置和控制正面加热源的加热元件。此外，对于正面加热源和背面加热源来说，区域划分也可以是不同的。此外，正面加热源和背面加热源可划分为2、3、5、6或更多个区域，而不是4个区域。在一些实施例中，与背面加热源独立地控制正面加热源。

图6和图7所示的加热元件和加热区域是同轴的。如果工件104不是圆形的，则加热元件和区域可以进行不同配置。例如，如果衬底是矩形的，则根据一些实施例，如图8所示，可以平行地配置正面和/或背面加热元件。图8中的加热元件可以是正面加热源或背面加热源。通过区域(诸如A’、B’、C’和D’)来控制加热元件178。

在一些实施例中，工件104最初通过正面和背面加热源来加热，其具有的功率水平等于或小于对应电源的总功率的大约20％。在一些实施例中，正面加热源的功率被配置(或控制)为不超过正面电源的总功率的30％。在一些其他实施例中，正面加热源的功率被配置(或控制)为不超过正面电源的总功率的20％。然而，背面加热源可使用其电源的总功率。在一些实施例中，背面加热源的总功率在大约50KW(千瓦特)至大约250KW之间。在一些实施例中，正面加热源的总功率也在大约30KW至大约200KW之间。在一些其他实施例中，正面加热源的总功率也在大约35KW至大约175KW之间，并且正面加热源可使用其全功率。在一些实施例中，正面加热源贡献了小于用于将衬底的温度提升至峰值退火温度的总功率的大约50％。在一些其他实施例中，正面加热源贡献了等于或小于用于将衬底的温度提升至峰值退火温度的总功率的大约30％。这些数据仅是实例。

在一些实施例中，正面加热源112被设置为第一区域而背面加热源172被设置为第二区域。通过实验发现，来自背面加热源172的加热效果具有较少的与图案相关的温度变化，这是因为图案110形成在工件104的正表面106上。相反，来自正面加热源112的加热效果具有较多的与图案相关的温度变化。在一些方法中，通过控制器126调整正面加热源112的第一功率P1与背面加热源172的第二功率P2的比率(P1/P2)以减少与图案密度相关的温度变化。分析热分布以提取与图案相关的温度变化。当与图案相关的温度变化较大时，相对于第一功率P1增加第二功率P2，或者减小功率比P1/P2以减少与图案相关的温度变化。当与图案相关的温度变化较小时，相对于第二功率P2增加第一功率P1，或者增加功率比P1/P2以维持足够的加热功率，其中温度变化在可容忍的范围内。在一些实施例中，历史数据可用于使功率比P1/P2与温度变化相关联，从而建立相关数据的表格。相关数据的表格可存储在数据库150中并且可用于确定控制反馈回路中的加热功率的功率比。

图9示出了根据一些实施例的控制器126。其类似于图4中的控制器126。然而，电源模块146被设计为与正面加热源112和背面加热源172都耦合以控制第一功率P1和第二功率P2。在又一些实施例中，RTC 144基于热分布提取与图案相关的温度变化并根据与图案相关的温度变化确定功率比P1/P2。根据功率比P1/P2或者附加地根据总的功率(P1+P2)(与所需总体加热功率相关联)来控制具有第一功率P1的正面加热源112和具有第二功率P2的背面加热源172。

图10示出了根据一些实施例的热处理方法180的流程图。方法180部分地类似于方法160。例如，方法180包括操作162，其中，通过热处理系统170(具体地，通过正面加热源和背面加热源(112和172))对工件104执行热处理。方法180包括操作164，通过辐射传感器116检测从工件104的正表面106的目标区域132内辐射的热信号。在本实施例中，即使工件104在热工艺期间被两个加热源(112和172)加热，仍然从工件104的正表面辐射的光中提取热信号，这是因为如上所述将被热处理的电路形成在正表面106上并且正表面温度对图案110更加敏感。

方法180可进一步包括操作166，使用数学模型(诸如等式(1))来处理热信号，以减少串扰并增强热分布分辨率。

方法180还包括操作182，根据与图案相关的温度变化确定功率比P1/P2。如上所述，当与图案相关的温度变化较大时，增加功率比P1/P2。操作182可进一步包括根据热分布提取与图案相关的温度变化。注意，热分布是来自正表面106的目标区域132内的温度分布。在一些实施例中，与图案相关的温度变化通过公式T_v＝Sqr{Sum[T(r_i)-T₀]2}来确定。在该公式中，T_v表示与图案相关的温度变化，“Sqr”代表平方根，“Sum”表示所有子区域r_i的总和，T(r_i)表示子区域r_i的测量温度，以及T₀表示目标区域中的所有T(r_i)的平均温度。

方法180还包括操作168，其中，根据与图案相关的温度变化，通过控制器126控制加热源。具体地，通过操作182确定功率比P1/P2。因此，利用功率比P1/P2调整加热源以减少可容忍范围内的温度变化。

在一些实施例中，方法180能够通过空间分辨率小于500μm且以目标区域的大约0.5℃的温度分辨率来确定温度变化。在一些实施例中，第一波长范围在大约0.35μm至大约3μm之间，以及第二波长范围在大约3μm至大约6μm之间。

根据许多不同的实施例，本公开提供了热处理系统及其使用方法。在一些实施例中，热处理系统包括成像机构、第一滤波器和第二滤波器。在一些实施例中，热处理系统包括控制器，其被设计和集成为根据温度变化控制功率比P1/P2。在一个实例中，热处理系统及其使用方法被设计为用于快速热处理(RTP)。然而，所公开的系统和方法不限于RTP，而是可以用于需要热监控和控制的任何适当的制造系统，尤其用于监控和控制与电路图案相关的温度空间变化。例如，系统100(或170)可以是热氧化系统。

在不同的实施例中，本公开展示了各种优势。例如，通过使用从正表面106辐射的热信号117来确定目标区域的热分布，热信号117可承载与衬底104的图案密度相关的温度变化。相反，如上所述，来自背表面108的热信号不具有与图案密度相关的温度变化或者远小于正表面106的温度变化。此外，通过成像机构122利用辐射传感器116的感测像素130捕获来自芯片128内的目标区域的热信号，热信号将承载足够的与图案密度相关的温度变化。此外，通过所公开的系统100和对应方法，利用更好的分辨率增强衬底104的目标区域的热分布。具体地，通过使用第一滤波器118阻挡来自加热源112的第二波长范围内的辐射，来自加热源112的第一波长范围内的辐射113能够有效地加热衬底104并避免干扰第二波长范围内的目标辐射(或辐射信号)，因为该辐射信号被用于辐射传感器116的温度确定。此外，通过使用第二滤波器120，从衬底104的正表面106辐射的光117进一步过滤掉第二波长范围外的部分，以生成第二波长范围内的辐射信号，进一步减少或消除来自加热源113的辐射113与来自衬底104的辐射117之间的干扰。第二滤波器120之后的热信号具有高质量和低噪声，这是因为来自加热源的辐射被第一滤波器118或第二滤波器120阻挡。在一些实施例中，系统包括正面加热源112和背面加热源172。根据所获得温度变化调整功率比P1/P2以减少温度变化并将其反馈至加热源112和172用于闭环控制模式的实时加热控制。

因此，根据一些实施例提供了热处理装置。该热处理装置包括：加热源，用于向在正表面上形成有电路图案的工件传输入射辐射；辐射传感器，被配置为接收从工件的正表面辐射的光；以及控制器，耦合至辐射传感器，控制器被设计为控制加热源以减小工件的温度变化。

根据一些实施例提供了一种热处理装置。该装置包括：正面加热源，被配置用于从工件的正表面向工件传输第一入射辐射，工件具有形成在正表面上的电路图案；背面加热源，被配置用于从工件的背表面向工件传输第二入射辐射；辐射传感器，被配置为检测从工件的正表面辐射的光；以及控制器，耦合至辐射传感器，控制器被设计为向正面加热源提供第一功率P1以及向背面加热源提供第二功率P2，其中，控制器可用于根据反馈回路中的工件的温度变化调整功率比P1/P2。

根据一些实施例提供了一种用于热处理的方法。该方法包括：在热处理室中提供工件；使用来自加热源的第一波长范围内的辐射，辐射工件，从而加热工件；通过对不同于第一波长范围的第二波长范围内的光敏感的辐射传感器，在热处理期间接收从工件的正表面辐射的光；以及根据所接收的光确定与图案相关的温度变化。

上面论述了多个实施例的特征使得本领域技术人员能够更好地理解本发明的各个方面。本领域技术人员应该理解，他们可以容易地以本公开为基础设计或修改用于执行与本文所述实施例相同的目的和/或实现相同优点的其他工艺和结构。本领域技术人员还应该意识到，这些等效结构不背离本发明的精神和范围，并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下做出各种变化、替换和改变。

Claims (18)

1.一种热处理装置，包括：

加热源，用于向工件传输入射辐射并且包括被配置为与所述工件的正表面相邻的正面加热源以及被配置为与所述工件的背表面相邻的背面加热源，所述工件具有形成在所述工件的正表面上的电路图案；

辐射传感器，被配置为接收从所述工件的正表面辐射的光；以及

控制器，耦合至所述辐射传感器，并且被设计为向所述正面加热源提供第一功率P1以及向所述背面加热源提供第二功率P2，所述控制器被设计为根据从所述工件的正表面辐射的光控制所述正面加热源和所述背面加热源，并且用于根据与电路图案相关的温度变化调整功率比P1/P2以减小与所述工件的所述电路图案相关的温度变化。

2.根据权利要求1所述的热处理装置，还包括：第一滤波器，被配置为与所述加热源相邻，并被设计为使得来自所述加热源的第一波长范围内的入射辐射被导向所述工件以及阻挡来自所述加热源的第二波长范围内的入射辐射，其中，所述第二波长范围不同于所述第一波长范围。

3.根据权利要求2所述的热处理装置，还包括：第二滤波器，被配置为与所述辐射传感器相邻，以在从所述工件的正表面辐射的光到达所述辐射传感器之前过滤从所述工件的正表面辐射的光，其中所述第二滤波器使所述第二波长范围内的光通过。

4.根据权利要求2所述的热处理装置，其中，所述第二波长范围与所述第一波长范围互补。

5.根据权利要求2所述的热处理装置，其中，所述辐射传感器被设计为响应于所述第二波长范围内的光。

6.根据权利要求1所述的热处理装置，其中，所述辐射传感器包括配置为阵列的多个感测像素，且所述辐射传感器被配置为与所述热处理装置的视窗相邻。

7.根据权利要求6所述的热处理装置，还包括：成像模块，配置在所述工件和所述辐射传感器之间，以将从所述工件的正表面的目标区域内辐射的光成像至所述感测像素。

8.根据权利要求7所述的热处理装置，其中，所述成像模块包括至少一个透镜，以将从所述正表面辐射的光聚焦到所述辐射传感器的感测像素。

9.根据权利要求7所述的热处理装置，其中，所述成像模块包括改变所述目标区域的大小的机构。

10.根据权利要求7所述的热处理装置，其中，所述成像模块包括将所述目标区域重新定位到所述工件的正表面上的不同位置的机构。

11.根据权利要求7所述的热处理装置，其中，

所述辐射传感器的多个感测像素形成在半导体衬底上；以及

成像模块与所述辐射传感器集成并形成在所述半导体衬底上。

12.根据权利要求11所述的热处理装置，其中，第二滤波器与所述辐射传感器集成并形成在所述半导体衬底上。

13.根据权利要求2所述的热处理装置，其中，所述第一波长在0.35μm至3μm的范围内，以及所述第二波长在3μm至6μm的范围内。

14.根据权利要求1所述的热处理装置，其中，所述控制器包括分辨率增强器，所述分辨率增强器被设计为使用数学模型预处理被所述辐射传感器检测的光以减少不同感测像素之间的串扰。

15.根据权利要求14所述的热处理装置，其中，所述数学模型被定义为：

I(r_i)＝∑C(r_i,r_j)*S(r_j)

其中，总和∑关于下标j；下标i和j是在1至目标区域中的子区域的总数的范围内的整数；参数r_i表示第i个子区域，S(r_j)是被与子区域r_i配对的感测像素所接收的总辐射信号；I(r_i)表示来自所述子区域r_i的总辐射强度，以及C(r_i，r_j)是与串扰相关联的系数矩阵。

16.一种热处理装置，包括：

正面加热源，被配置为从工件的正表面向所述工件传输第一入射辐射，所述工件具有形成在所述正表面上的电路图案；

背面加热源，被配置为从所述工件的背表面向所述工件传输第二入射辐射；

辐射传感器，被配置为检测从所述工件的正表面辐射的光；以及

控制器，耦合至所述辐射传感器，所述控制器被设计为向所述正面加热源提供第一功率P1以及向所述背面加热源提供第二功率P2，其中，所述控制器用于根据反馈回路中的与所述工件的所述电路图案相关的温度变化调整功率比P1/P2。

17.根据权利要求16所述的热处理装置，其中，所述控制器用于减小功率比以减小温度变化。

18.一种用于热处理的方法，包括：

在热处理室中提供工件，所述工件具有形成在正表面上的图案；

使用来自加热源的第一波长范围内的辐射，照射所述工件，从而加热所述工件；

通过对不同于所述第一波长范围的第二波长范围内的光敏感的辐射传感器，在热处理期间接收从所述工件的正表面辐射的光；

根据所接收的光确定与所述图案相关的温度变化；以及

通过控制器，根据所述温度变化控制所述加热源，其中，

所述加热源还包括被配置为加热所述工件的正表面的正面加热源；

所述加热源还包括被配置为加热所述工件的背表面的背面加热源；

所述控制器被设计为向所述正面加热源提供第一功率P1以及向所述背面加热源提供第二功率P2，并且所述控制器用于根据反馈回路中的与图案相关的温度变化调整功率比P1/P2。

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