CN107112255B - 用于测量从半导体材料反射的辐射的水平以用于测量半导体材料的掺杂物含量的系统 - Google Patents

Abstract

一种通过以下来非接触地测量半导体材料的掺杂物含量的系统和方法：将离开材料的红外(IR)辐射反射到积分球中以散射所接收的辐射，并使部分的辐射穿过不同波长范围的带通滤波器，比较穿过每个滤波器的能级，并且通过参照由用于该系统的已知晶圆掺杂物含量制成的相关曲线来计算掺杂物含量。

Description

用于测量从半导体材料反射的辐射的水平以用于测量半导体 材料的掺杂物含量的系统

技术领域

本发明总体上涉及半导体器件的一层或多层中掺杂物含量的测量，并且涉及与商业制造线相关联的这种器件(诸如用于光伏(PV)太阳能电池、LED和采用扩散(散布)的、植入的或外延地沉积的掺杂层的任何其他半导体器件)的掺杂物(掺杂剂)含量的非接触测量的系统和方法。

更具体地，本发明涉及用于通过以合适的角度指引(引导)半导体材料处的源辐射并且用如本文中修改的积分球收集所反射的辐射来测量从半导体材料反射的辐射水平(level，程度/等级)以用于测量半导体材料中掺杂物含量的方法和系统，其中积分球作为之前在发表的美国专利8829442中描述的测量系统的一部分。用于非瞄准(准直)红外辐射源的替代的实施方案提供了准直器(其可以是导管或者光管)，用于以合适的角度指引源辐射。

背景技术

作为背景，我们将描述晶体硅(c-Si)PV电池制造过程(工艺)以及半导体LED的制造过程。

为了制作c-Si PV电池，硅晶圆在电池制造线中要经受一系列的处理步骤。每个引入的晶圆均被轻微地大体积掺杂(即到处扩散)有创建“自由载流子”(半导体用语)的原子，该原子是施主(创建了n型晶圆)或者是受主(创建了p型晶圆)。第一步(在引入检查以抛弃缺陷晶圆或者将晶圆分类成多种之后)旨在让晶圆通过湿法化学蚀刻处理来移除锯痕以及其他的表面缺陷和污染物。然后将每个晶圆均各向同性地纹理化(texture，制绒)(另一种湿法处理)以微观地使其表面粗糙化，从而增强其捕获入射光子的能力。在纹理化之后，然后晶圆以从晶圆的表面延伸的非常薄的层的形式掺杂有与大体积掺杂物具有相反类型的、创建“自由载流子”(半导体用语)的化学品。在当前的实践中，这种掺杂可能通过以下两种方法中的一种方法来发生-“在线(内联)”方法或“分批”方法。在线法将掺杂物化学品沉积在晶圆的顶部表面上，通常以液态形式承载。(在磷掺杂物的情况下，该载体最常见的为磷酸)。然后干燥经沉积的掺杂物载体并且然后使生成的产品扩散(使用高温炉)到每个晶圆中，以形成当暴露在阳光中时允许晶圆产生电力的半导体结。在这种在线方法中，通过执行这些步骤的设备连续地运送晶圆，该设备典型地包括用以施加液态载体的第一“掺杂物”机器，然后是用以干燥载体的“干燥”机器，从而使掺杂物化学品留在表面上，以及第三机器，使掺杂物扩散到晶片中的内联扩散炉。在分批方法中，晶圆被装载到盒子(最常见的由石英制成并且在半导体用语中被称为“舟”(boat))中，该盒子被插入“管式”扩散炉中，然后密封该炉，并且同时将晶圆暴露于气态形式的掺杂物载体(最常见的为氯化磷酰)且然后被加热以使掺杂物扩散到晶圆中。然后将该晶圆从炉中移除，从舟中卸载并且移动至制造线的下一部分。在两种方法中，引入的掺杂物的量、扩散过程花费的时间以及扩散过程的温度决定了第二掺杂物的深度的渗透深度以及第二掺杂物的深度的浓度。而且，第二掺杂物通过扩散过程的性质被引入并扩散到晶圆的所有表面中。需要注意的是，从此处开始，除非特别说明，否则“掺杂物”涉及引入到大体积掺杂的晶圆的表面上的该第二掺杂物。然后每个晶圆均再次被湿法蚀刻以移除磷硅酸盐玻璃或硼硅酸盐玻璃(也称为PSG或BSG，掺杂物扩散步骤的副产物)，并且可以被蚀刻以形成图案或移除“背”侧上的所有掺杂物或一部分掺杂物，以防止并联(分流)。在该步骤之后，将涂层(最常见为氮化硅)施加至晶圆的顶部表面，以减少反射并且钝化表面。通常使用等离子体增强化学蒸汽沉积设备来施加该涂层。在此之后，晶圆具有在其顶部和底部表面上印刷的金属接触(触点，接触部，contact)，其中顶部接触图案被设计成最小化对暴露于硅材料的光的干扰，同时提供对流出晶圆的电流具有最小阻抗的路径。干燥这些金属接触(其以金属浆的形式被印刷)，并且然后使用炉将这些金属接触扩散到晶圆中。在此之后，如果在晶圆的背侧上的掺杂物的一部分没有在先前被完全或部分地移除，则使用激光或机械设备在晶圆的外边界周围切割凹槽，以防止并联(分流)。最终，对晶圆(其现在是成品PV电池)进行测试和分档。

作为掺杂物在晶圆的容积内的分布的函数，掺杂物浓度在确定所得的成品PV电池的量子效率和其他电特性(其最终导致晶圆的功率输出容量和市场价值)中起核心作用。因此，PV电池制造过程中与扩散到晶圆中的掺杂物的量和分布有关的步骤是重点。具体地，这些步骤是：(a)如由晶圆制造商供应的原(raw，未加工的)晶圆的初始“基极(base)”掺杂(在目前的大多数情况下，原晶圆使用硼进行正掺杂)；以及(b)晶圆的外部区域的稍后掺杂(在目前的大多数情况下，这是使用磷的负掺杂的)。第二掺杂步骤形成了所谓的“发射极”。我们将使用术语“基极”来指代原晶圆掺杂，并且使用术语“发射极”来指代由第二掺杂步骤产生的所得的半导体形成。

为了确保发射极形成过程在所需的规格内，采取了某些测量来提供原晶片基极掺杂物浓度和发射极掺杂物浓度的指示。在当前的实践中，在PV电池制造过程中，通常手动地或由使用可见光-谱工业相机的单点视觉测量设备以不同的间隔检查光伏(PV)晶圆。除了原材料验收阶段(在制造线开始时)和最终检查和分档(在制造线结束时)外，晶圆的连续在线测量通常在范围和覆盖范围方面受到限制，并且替代地使用离线(外联)非连续采样，特别是用于检查不适于通过可见光-谱工业相机技术进行调查(interrogation，询问)的属性(property)。当使用离线采样时，在采样之间的时间间隔内，数百个晶圆可以经历制造过程中感兴趣的一个或多个步骤。这种情况在确定PV晶圆内的掺杂物的施加、浓度和扩散的处理步骤中是常见的，并且因此这些步骤目前不能很好地被控制，从而限制了PV电池制造工厂中可接受的成品物品的产量。为了提高产量，该行业现在正在寻求实现连续的在线测量，理想地在100％的晶圆上，以便更好地控制影响PV晶圆中掺杂物浓度和分布的步骤。

半导体发光二极管(以下简称为“导体发光)执行与PV电池相反的功能。代替吸收光子来生成电力，LED使用电力来发射光子(被称为电致发光的现象)。在LED制造中，晶圆由诸如蓝宝石的中性衬底组成。与PV电池制造相比，晶圆被抛光而不是被纹理化，每个晶圆均包含多个LED，并且用于创建半导体的掺杂物作为外延层沉积在晶圆的表面上，而不是通过在PV电池制造中使用的扩散过程扩散。尽管这些结构和制造存在差异，但是这些掺杂物层可以通过本发明中公开的相同方法来检验。从这一点来看，为了简单和清楚，将描述PV电池结构，而不将本发明的应用限制于其他掺杂的半导体结构。

在PV电池制造中，已经为在线测量发射极掺杂提出了许多现有和新颖的技术，但都具有严重的限制。对于扩散的掺杂物的测量，这些技术是扩散长度的表面光伏(SPV)测量、方块(sheet)电阻的涡流测量以及在德国的弗劳恩霍费尔(Fraunhofer)太阳能研究所开发的用于测量方块电阻的红外方法。(J.Isenberg,D.Biroand W.Warta，“Fast,Contactless and Spatially Resolved Measurement of Sheet Resistance by anInfrared MethodS,Prog.Photovolt:Res.Appl.2004；12:539-552)。据我们所知，不存在用于测量湿法掺杂物载体膜的方法。

在实验室中已经使用SPV测量来测量扩散长度(在重组以实现均衡载体浓度之前，大体积半导体中的过量载体平均行进了多长)。例如参见：D.K.Schroder,“Surfacevoltage and surface photovoltage:history,theory and applications”,Meas.Sci.Technol.12R16-R31,2001。典型地通过将晶圆放置在接地电极上(尽管没有后传感器板的非接触方法是可能的)并且将电容探针定位在样本上方一短距离处来执行SPV测量。因为测量是电容性的，所以测量区域是非常有限的，最大偏距(stand-off distance，避开距离)非常小，并且对于晶圆弯曲或竖直移动的容差很小。而且，在运送机-馈送的制造操作中，因为有限的偏距，如果任意晶圆粘在一起(并不罕见的情况)，如果晶圆断裂并且碎片在运送机上没有放平(也并不罕见)，或者如果任何外来物体被无意地引入运送机，或者如果运送机本身经历超过传感器偏距的小竖直振荡，则非常有可能存在在运送机上的“碰撞(crash)”导致卡住(jam)。最后，因为需要专门的晶圆运送，以及对于SPV测量的非常接近的偏距(standoff distance)要求，因此将这种技术引入到现有的制造线中可能需要大量的线路修改，而这可以使其使用成本高昂且不实用。

涡流测量与SPV具有许多相同的限制，并且先前已被证明为不适于发射极掺杂的在线测量(使用方块电阻测量作为度量)。(Rueland,E.；Fath,P.；Pavelka,T.；Pap,A.；Peter,K.；Mizsei,J,“Comparativestudy on emitter sheet resistivity measurementsfor inline quality control”,Photovoltaic Energy Conversion,2003.Proceedingsof 3rd World Conference on Volume 2,Issue,12-16May 2003Page(s):1085-1087Vol.2.)

Fraunhofer方法虽然适合于实验室，但是具有许多使该方法不适于实际的在线使用的要求，最显著的是对不存在假(spurious)热量或光的严格要求，这对于提供在线制造环境是非常困难和昂贵的。

因此，需要一种灵活的、可构造的、稳健的和成本有效的方法和装置，用于在线测量原晶圆掺杂物浓度、从在线掺杂物中显露的湿法掺杂物膜的量和分布以及在扩散后的制造线中的任何步骤中发射极中的掺杂物浓度的目的。

还需要为每个晶圆限定具体的、可重复的样本位点(site)，以便能够映射晶圆内发射极变化，无论是否是有意的。作为推论，还需要一种具有改变扫描“强度”(在一定时间段内在横向机器方向上的每单位长度取的样本的数量)的能力的装置和方法，以便如果需要，允许操作员执行定期或非计划的深度测量。

还需要一种用于连续地捕获接收的从晶圆表面反射的辐射的系统，而不管在晶圆的不同区域上的散射图案中的表面粗糙度以及变化。而且还需要在两个检测器之间基本上平均地指引该辐射。并且还需要将入射辐射以最小化镜面反射的影响的方式从辐射源指引到晶圆上。

发明内容

在本发明的实施方案中，用于测量从半导体材料反射的辐射的水平以用于测量材料的掺杂物含量的系统，包括：a)红外辐射源；b)调制器(调节器)，该调解器用于调制来自红外辐射源的辐射；c)积分球，该积分球具有用于接收经调制的来自所述源的辐射的第一开口以及用于接收从材料反射的辐射的第二开口，所述球体被构造成将所接收的从所述材料反射的辐射散射到所述球体内；d)准直器(瞄准器，collimator)，该准直器被构造成指引来自红外辐射源的辐射穿过球体，用以离相对于材料的法线的一角度冲击(impact)材料，该角度足以最小化来自直接反射回准直器的辐射并且还足以最小化来自半导体材料的在反射前进入球体的辐射；e)第一挡板，该第一挡板被定位在球体内，用以防止所接收的从材料反射的辐射行进到第一带通滤波器，而没有在球体内进行第一散射；f)第二挡板，该第二挡板被定位在球体内，用以防止所接收的从材料反射的辐射行进到第二带通滤波器，而没有在球体内进行第一散射；g)第一带通滤波器或第一边缘通滤波器(边缘滤波器)，其被定位成接收所接收的从材料反射的辐射的第一部分，该第一带通滤波器或第一边缘滤波器被构造成使来自由红外辐射源发射的整个光谱内的红外辐射的有限波段(波长带)穿过第一滤波器；h)第二带通滤波器或第二边缘通滤波器，其被定位成接收所接收的从材料反射的辐射的第二部分，第二带通滤波器或第二边缘通滤波器被构造成使来自由红外辐射源发射的整个光谱内的红外辐射的有限波段穿过第二滤波器，其中由第二滤波器通过的有限波段与由第一滤波器穿过的有限波段相比是不同的；i)第一辐射检测器，其被定位成接收穿过第一滤波器的辐射并被构造成确定第一能级；以及j)第二辐射检测器，其被定位成接收穿过第二滤波器的辐射并被构造成确定第二能级。

在可替代的实施方案中，离法线的角度可以为约十度。在另一实施方案中，准直器可以包括至少部分地在球体内延伸的导管。在又一实施方案中，导管可以是光管。在另一实施方案中，光管可以纵向地通过球体的中心延伸基本上球体的整个直径。在另一实施方案中，准直器可以包括透镜，该透镜被构造成将经调制的来自源的辐射聚焦以行进通过球体来冲击材料。在又一实施方案中，经调制的来自源的辐射可以离开球体以通过第二开口冲击材料。

在另一实施方案中，第一挡板和第二挡板可被构造成基本上阻挡相同程度的所接收的从材料反射的辐射。准直器可以被定位成在冲击材料之前对来自源的辐射进行准直。

球体可以包括内表面，该内表面被构造成增强球体内的所接收的从材料反射的辐射的反射。导管可以包括外表面，该外表面被构造成增强球体内的所接收的从材料反射的辐射的反射。

在各种实施方案中：第二开口可以被定位在离材料的一距离处，以在不考虑材料的表面变化的情况下，使基本上所有的从材料反射的辐射都进入球体。第二开口可以被定位在离材料约5mm处。第二开口和导管的下游开口可以是同轴对齐的。球体的第二开口的直径可以大于导管的下游开口的直径。调制器可以选自以下各项的组：a)使用高速斩波轮的调制器；b)使用源的脉冲调制的调制器；以及c)使用源的频率调制的调制器。辐射源可以是以下中的任一个：a)多波长红外激光器(红外激光)，b)多于一个的红外激光器(红外激光)，每个均处于不同波长，c)一个或多个红外发光二极管，或d)宽带红外辐射源。用于第一滤波器和第二滤波器二者的通带可以比1微米长，并且用于第一滤波器的通带不同于用于第二滤波器的通带。光管可以包括外表面，该外表面被构造成增强球体中所接收的从材料反射的辐射的反射。球体的第二开口的直径可以为约3cm，并且球体的内径可以为约5cm。导管的下游开口的直径为约1.3cm。球体的第二开口直径与内径的比值可以为约3比5。第二开口直径与光管的下游开口的直径的比值可以为约2比1。放大器可包括在系统中，用于放大第一能级和第二能级的确定值，放大器被同步到辐射调制频率。

在又一替代实施方案中，一种用于测量从半导体材料反射的辐射的水平以用于测量材料中的掺杂物含量的系统，包括：a)准直的红外辐射源；b)调制器，用于调制来自红外辐射源的辐射；c)积分球，具有用于接收调制的来自源的辐射的第一开口以及用于接收从材料反射的辐射的第二开口，该球体被构造成将所接收的从材料反射的辐射散射到球体内；d)第一挡板，其被定位在球体内，用以防止所接收的从材料反射的辐射行进至第一带通滤波器，而没有在球体内进行第一散射；e)第二挡板，其被定位在球体内，用以防止所接收的从材料反射的辐射行进至第二带通滤波器，而没有在球体内进行第一散射；f)第一带通滤波器或第一边缘通滤波器，其被定位成接收所接收的从材料反射的辐射的第一部分，该第一滤波器被构造成使来自由红外辐射源发射的整个光谱内的红外辐射的有限波段穿过第一滤波器；g)第二带通滤波器或第二边缘通滤波器，其被定位成接收所接收的从材料反射的辐射的第二部分，第二带通滤波器被构造成使来自由红外辐射源发射的整个光谱内的红外辐射的有限波段穿过第二滤波器，其中第二滤波器穿过的有限波段与穿过第一滤波器的有限波段相比是不同的；h)第一辐射检测器，其被定位成接收穿过第一带通滤波器的辐射并且被构造成确定第一能级；以及i)第二辐射检测器，其被定位成接收穿过所述第二滤波器的辐射并被构造成确定第二能级；其中准直的红外辐射源被构造成指引辐射穿过球体以离相对于材料的法线的一定角度冲击材料，该角度足以最小化来自直接被反射回准直器的辐射并且还足以最小化在从半导体材料反射之前进入球体的辐射。

总之，申请人已经开发了一种改进的系统，与申请人的美国已发表的专利号8829442(在本文中有时被称为之前(早期)的实施方案)的主题的系统相比，该改进的系统包括不同的光路径设计。该改进的系统的目标是使掺杂浓度测量对晶圆的表面特性的变化较不敏感。新设计还更加紧凑。

附图说明

图1为(n-Si)在不同掺杂程度的自由载流子的吸收相对于波长的曲线图；

图2为未掺杂的c-Si晶圆(W1)和掺杂的c-Si晶圆(W16)的可区分的反射比(率)的曲线图；

图3为根据本公开内容的实施方案的用于测量半导体材料的掺杂物含量的非接触系统的示意性框图；

图4为根据发表的美国专利8829442中的公开内容的实施方案的用于测量半导体材料的掺杂物含量的非接触系统的示意性框图，包括单个发送器和单个接收器，该单个接收器包括两个传感器；

图5为根据本公开内容的实施方案的在晶圆的各种测试位置采样的方法和采样图案的示意性俯视图；

图6为根据本公开内容的替代的实施方案的用于测量半导体材料的掺杂物含量的非接触系统的框图；

图7为根据本公开内容的替代实施方案的用于测量半导体材料的掺杂物含量的非接触系统的框图，其中，在掺杂室的任一侧上使用一对如图6中描绘的系统；

图8为根据本公开内容的替代实施方案的用于测量半导体材料的掺杂物含量的非接触系统的框图，其中，多个发送器和接收器被定位在半导体材料的一系列晶圆之上；

图9为示出了根据本公开内容的实施方案的用于测量半导体材料的层的掺杂物含量的非接触系统与所述半导体材料的层的如由四点探针测量的方块电阻的关联的示意性图表的曲线图；

图10a和图10b为示出了由于在源辐射的冲击点处不同晶圆纹理造成的反射的主能量波瓣不同的图表；

图11为本发明的用于测量从半导体材料反射的辐射程度的系统的若干部件的简化框图；

图12为图10和图11的本发明的用于测量从半导体材料反射的辐射程度的系统的立体图；

图13为图12的系统的前视图；

图14为图12的系统的截面侧视图；

图15为图12的系统的截面后视图；

图16为具有准直的红外源而没有导管或光管的替代的系统的前视图；

图17为图16的系统的截面侧视图。

具体实施方式

基本的技术及工艺与图1至图9中的之前的实施方案保持相同。申请人已经开发了对于系统如何将能量传递至晶圆以及如何收集用于检测器的反射的改进，如参照图10至图17的在优选的实施方案中所描述的。

一般细节：

·使用相同类型的红外辐射源；

·使用相同类型的用于该源的调制器；

·在具有准直器的实施方案中没有使用任何种类的将红外能量传递至晶圆的抛物面反射器或透镜。在一实施方案中，使用光管(可以是镀金的)将调制的红外能量传递至晶圆表面；

·没有使用透镜来收集来自晶圆的反射的能量；

·使用积分球来收集来自晶圆的反射的能量。该球体被定位成靠近晶圆(大约5mm)，以与之前的实施方案中的位于更大的偏距处的透镜相比，更加连续地捕获更大百分比的反射的能量。

·使用两个检测器，每个检测器均具有在检测器前面的不同红外滤波器(可以是带通滤波器或者边缘通滤波器)，以接收部分的辐射。现在这些检测器均直接安装至积分球；

.挡板被定位在积分球内，以避免从晶圆到任一个检测器的直接的光路径；

.在一个实施方案中，用于将能量传递至晶圆的光管轴向地安装在积分球中，并且从到晶圆的法线角偏移以最小化返回光管的镜面反射；

.不存在对来自带通滤波器或边缘通滤波器的任一种的反射的能量的依赖，并且没有使用分束器；

.检测器信号的处理与之前实施方案中的保持相同。然而，除了使用来自两个检测器的输出的差值或比值来确定掺杂程度，还可以使用-分析地或实验地确定是足够的-使用了这两种信号的任意组合的公式或查找表格。

由于掺杂，掺杂的硅(或者实际上任何的半导体)晶圆具有对应于自由电荷载流子的空间聚焦的红外辐射的特性吸收、反射振幅和反射相/偏振。特别地，n型掺杂的硅呈现出在不同掺杂水平处明显不同的红外光谱的自由载流子吸收(或者作为推论，反射比)，如图1和图2中示出的。

图1为用于在300°K以不同浓度扩散形成负掺杂硅衬底(n-Si)的各种负掺杂物的自由载流子吸收相对于波长的曲线图。参照图1的曲线图上的数字，掺杂物浓度(以每立方厘米中的原子为单位)为：1-1.4×10¹⁶cm^-3(砷掺杂物)；2-8×10¹⁶cm^-3(锑)；3-1.7×10¹⁷cm^-3(锑)；4-3.2×10¹⁷cm^-3(磷)；5-6.1×10¹⁸cm^-3(砷锡合金)以及6-1×10¹⁹cm^-3(砷)。

图2为两种多晶(多c-Si)晶圆-一个仅大体积掺杂有硼(W1)而另一个还大体积掺杂有扩散到其顶部表面中的磷层(W16)-的红外波长的可区分的反射比的曲线图。跟随着W1和W16的数字1-5标识被检验的每个晶圆上的段。曲线图上的测量值相对于纯晶体硅参考样本被标准化。该曲线图证明了，由于入射的红外波长变长，与参照样本相比，具有磷掺杂层的晶圆的对应反射比与大体积掺杂的晶圆相比明显地更强，因此表明添加的掺杂物层随着红外波长的变换而影响反射比，并且作为推论，红外反射比相对于波长的标准化斜率可以用于确定该层的掺杂程度。

此外，不同衬底上的任何化学品层或膜(不仅是磷并且不论是否扩散)的存在，均会引起折射、反射、波长移位和相的改变，这些可以被用于确定层/膜的厚度和/或边界的情况。这种吸收和反射的振幅、相、偏振和波长取决于所使用的特定的膜或掺杂物、膜或掺杂的强度和厚度以及任何潜在的衬底的性质。

通过将处于已知波长和强度水平的红外辐射发送到晶圆或衬底上，特征波长的吸收可以被测量作为在接收器处观察的反射值的函数。也可以测量相的移位、波长的改变以及偏振的改变。由于吸收的能量的量与湿膜的量和组成成比例变化，或者与发射极掺杂浓度成比例变化，根据具体情况，湿膜浓度、深度和分布或者发射极强度分别可以通过测量辐射的能量和反射的能量之间的差值来测量。

期望的是，从晶圆或衬底上的多个、具体的位置处采取测量值或样本。这不仅是因为单个样本可以显示宽的差异，并且有必要平滑这些差异，而且还因为晶圆或衬底可以具有有意区分的湿膜的沉积或掺杂物的扩散。

此外，对于每个样本，通过在样本点处使用连续差分调查(simultaneousdifferential interrogation)，本文描述的装置和方法可以忍受来自工厂环境的光、热和振动，并且补偿温度、变化的偏距以及变化的入射角度。

在图3中描述的装置10是用于多-道、运送机-馈送、光伏(“PV”)电池制造设施的。然而，应该理解的是，单-道和/或非运送机构造也是可能的，包括用于LED和其他半导体制造设施。

一个或多个发送器和接收器被安装在PV晶圆12待测量的区域上。每个接收器均包括两个或更多个传感器-目的在于捕获如上解释的不同信号数据。为了简单和清楚，将参照装置14描述用于测量掺杂硅的掺杂物含量的非接触系统，该装置包括单个发送器16和单个接收器18，单个接收器包括两个传感器20、22。这参照图4被例示出，该图以框图示意性地描绘了本公开内容的替代的实施方案。

在框图中包含设备的传感器壳体位于晶圆12表面上方大约50-150毫米处。

发送器存在至少四种可能的实施方案，每种均包括不同的红外辐射源。在第一种实施方案中，该源由安装在椭圆反射器中的一个或多个连续的宽带红外源组成。在第二种实施方案中，该源由一个或多个红外LED组成。在第三种实施方案中，该源由多波长的红外激光器组成。在第四种实施方案中，该源由两个单个波长的红外激光器组成。

在图4中，在发表的美国专利8829442的公开内容中，并且参考发送器的第一种实施方案，红外源16的椭圆反射器24将来自红外源的红外辐射的宽光谱聚焦到空间中的单个点处。斩波轮26位于椭圆的焦点处，其将红外辐射在大约1kHz下进行调制，然而辐射可以以任何合适的方法或多种方法的组合来调制，包括振幅、频率、脉冲或相移位调制。当检测器对所检测的信号中的改变作出响应时调制的使用是必须的，并且因为调制将发送的红外信号与背景红外辐射区分开且增强了信噪比。调制还可以用于通过经由在反射信号中诱导的改变测量掺杂物含量对调制的影响，来生成关于掺杂物含量的信息。

轴偏离椭圆反射器28被示出为面对红外源16，以接收经调制的辐射。椭圆反射器28以到晶圆12的大约45度的入射角将来自斩波轮26的调制的辐射聚焦到晶圆12上的测量点30上，并且将辐射的顶点对齐到接收器18(下文讨论的)的第一透镜32的中心处。然而将会意识到的是，在发送器16的第二种和第三种实施方案中反射器28不是必要的，因为激光已经处于共线的形式。

每个接收器18均存在至少两种可能的实施方案。在接收器18的第一种实施方案中，接收器18被安装在红外辐射撞击(到达)晶圆12的测量点30的上方。反射的红外辐射扩散并且由第一透镜32收集，并且被指引至第一有限带通滤波器34。第一滤波器使中心在红外光谱的选择的波长处的红外辐射的有限带通过。选择该波长使得感兴趣的接收信号特性上各向同性的纹理化的效果不明显。接收辐射的其他部分由第一滤波器34反射。

反射的辐射被指引到中心在不同的选择波长处的第二有限带通滤波器36上，使得两个带的波长并不重叠。类似地，该第二波长被选择成使得感兴趣的接收信号特性上的各向同性的纹理化的效果不明显。在优选的实施方案中，一个带通滤波器34或36具有在大约8微米处具有+/-125纳米的通带的中心带通，并且其他滤波器34或36具有在大约10.5微米处具有+/-175纳米的通带的中心带通。

在发表的美国专利8829442的公开内容中的又一优选的实施方案中，每个带通滤波器的通带均在50纳米到500纳米之间。并且在另一优选的实施方案中，用于一个滤波器的通带的中心在1微米到20微米之间。在另外的优选的实施方案中，用于第二滤波器的通带的中心波长在1微米到20微米之间，并且与第一滤波器的通带的中心波长不同。

在发表的美国专利8829442的公开内容中的另外的优选实施方案中，第一滤波器和第二滤波器的中心波长之间的差值在1微米到10微米之间。并且在另外的优选的实施方案中，第一滤波器和第二滤波器的中心波长之间的差值为2微米。

在发表的美国专利8829442的公开内容中的另一优选的实施方案中，第一滤波器的中心波长设置在8.06微米处，而第二滤波器的中心波长设置在10.5微米处，其中每个滤波器均具有在200纳米到400纳米之间的通带宽度。

通过第一滤波器34的辐射由第二透镜38聚焦到产生低压信号的第一红外检测器或第一红外传感器20上，该低压信号与到达第一检测器20的红外辐射的强度成比例。穿过第二滤波器36的辐射由第三透镜40聚焦到产生低压信号的第二红外检测器或第二红外传感器22上，该低压信号与到达第二检测器22的红外辐射的强度成比例。

每个检测器20、22的低压信号由相应的放大器42、44放大，并且然后由模拟到数字数据获取板46获取，该模拟到数字数据获取板与发送器16中的斩波频率同步并且由计算机48控制。因此，传感器20、22产生与穿过相应的第一滤波器34和第二滤波器36的两个有限带中红外能量成比例的两个电压值。

计算机48使用来自每个检测器20、22的电压来计算在每个带中接收的能量的量之间的斜率和/或比值，如上已经示出的，能量的量与由晶圆12的顶部层中的掺杂物吸收的能量成比例。基于处于不同掺杂物含量的晶圆材料的红外反射的模型，通过计算或查找表格来确定掺杂物含量，特别是(但不限于)通过如图9中示例的相关曲线的斜率。

在发表的美国专利8829442的公开内容中的接收器的第二种实施方案中，分束器被用于将第一透镜的焦点处的反射的IR能量分成相等的部分，并且将生成的相等的部分指引到检测器的阵列上，每个检测器均具有在检测器前面的不同带通滤波器。每个检测器传递与到达每个检测器的红外辐射的强度成比例的电压。因此，测量了掺杂到波长相关曲线上的多个点，从而改进了斜率测量的准确性(因为斜率可以随波长变化)，并且因此改进了半导体材料中或半导体材料上的掺杂物含量的准确性。

在装置14的又一实施方案中，代替定位在透镜32后面的带通滤波器34，分束器被定位在透镜32后面。这将来自透镜32的光束分离成两个光束，该两个光束被指引到相应的带通滤波器34、36，相应的透镜38、40，并且然后被指引到相应的传感器20、22。

主体(承受)表面，在图4中示出为单个半导体晶圆12，也可以是运送机上的多个半导体晶圆、静止晶圆或者单片表面，诸如衬底上的薄膜。表面可以具有任何尺寸。

在图3中以示意性框图的形式示出了，在发表的美国专利8829442的公开内容中的用于测量半导体材料10的掺杂物含量的非接触系统的优选的实施方案。多个传感器头50被安装在晶圆运送机(未示出)上方的垂直地对齐于运送机的行进方向的5毫米和250毫米之间。每个传感器头50包括壳体，图4的装置的部件被包括在该壳体中，该装置包括单个发送器16和单个接收器18(来自图4)。接收器18并入两个传感器20、22(图4)。此外，这些部件被构造成以上面参照图4所讨论的方式操作。特别地，在每个传感器头内为红外源16，斩波轮26，聚焦反射器28，用以收集反射的红外辐射和将红外辐射指引到带通滤波器34或分束器上的透镜32，产生与给定频率范围内的红外辐射的量成比例的电压的两个检测器20、22，放大器件42、44以及以与斩波轮26中的带隙(gap)同步的频率将该电压转换成数字信号的器件46。

每个传感器头50均通过在精确的轨道54中的轮52在垂直于运送机的行进方向上移动(ride)。轨道54由支撑梁56支撑，该支撑梁被固定在设备框架58上或者可替代地被支撑在地面上。到每个传感器头的功率由对应的功率电缆60从功率和终端机柜62传递。功率电缆60被构造成使得头50在限定的测量范围内沿着轨道54自由移动。传感器头50的阵列通过线性致动器64沿着轨道54一起在箭头66的方向上移动，该线性致动器将每个头50定位在下面的、乘坐运送机的对应的晶圆12上方。运送机和线性致动器64移动的组合允许跨过晶圆形成待测量的图案。

当使用时，线性致动器64和运送机在彼此呈直角的方向上移动。这导致测量点30的图案事实上是对角的，如图5中所描绘的。运送机沿箭头68的方向移动。然而，如果致动器64比运送机移动得快得多，则可以在跨越晶圆12的若干点处测量每个晶圆12。这由通过图5中的点示出的测量点30的图案示例，这些点中的一些被标记有附图标记30。从图5中可以看出，当线性致动器64在相反方向上移动时，则可以制作出测量点30的又一对角图案。随着晶圆12通过运送机沿箭头68的方向移动，这可以重复多次。对于恒定的运送机速度，测量点30的阵列及其跨晶圆12的位置是采样速率和线性致动器64的速度的函数。

在每个测量点30处，使用位于传感器头50中的多路模拟到数字转换板48和嵌入式计算机48，将来自每个传感器头50的接收器18的两个检测器20、22的放大电压转换成数字信号(图4)。生成的值通过可以与功率电缆60组合的现场总线或LAN电缆发送到功率和终端机柜62。在每个测量点30处的所生成的两个测量结果以及对应于线性致动器64位置的测量点的位置被发送到计算机72，并且被存储用于每个测量点30。在运送机上存在晶圆12是基于传感器20、22处的总信号等级阶梯式增加而得知的。

可以将特定晶圆12或其他衬底上的采样位点和/或采样率限定为遵循具体图案。另外，图案可以是预定的，并且可以预定多于一个的图案。在一系列样本中，可以使用一个或多个图案，或者采样位点(测量点30)和采样率可以任意变化。该可变采样技术在图5中例示出。另外，通过利用晶圆12或其他衬底在运送机上的移动，采样位点可以在“行进方向”上变化。

为了使采样位点位置可从晶圆12到晶圆12重复，该位点必须偏离在主体表面上限定的具体二维位置。在主体表面包括多个晶圆12的情况下，每个晶圆12的两个边缘均被用作用于该晶圆12上的所有采样位点的参照。通过检测当存在晶圆12时接收的信号相对于仅存在运送机时的信号中的辐射程度变化来定位这些边缘。

将传感器头50中的接收器18的每个传感器20、22的电压的比值或差值用作相关曲线中的因变量，将该比值/差值与晶圆的掺杂物含量的自变量相关联。通过使已知掺杂物含量的晶圆(使用基于实验室的接触式四点探针或其他离线测量技术(诸如电化学电容-电压分析)测量)在传感器头50下通过，并测量两个传感器20、22处生成的信号，以及执行将观察到的电压比值/差值与来自实验室测量的已知掺杂物含量相关联的最小二乘回归，来确定相关曲线。由此产生了图9所示类型的相关曲线，并将该相关曲线存储在计算机的存储器中用于参照。

如果晶圆12交错或者期望测量每个晶圆12上的不同图案，则替代的实施方案包括用于每个传感器头50的线性致动器以及在独立轨道上的每个头50。然而，在该实施方案中，整个测量系统在运送机上的晶圆12的行进方向上的尺寸增加。

在图6中示意性地示出了发表的美国专利8829442的公开内容中的用于测量半导体材料的掺杂物含量的非接触系统的替代实施方案。容纳单个红外辐射源(例如，图4的发送器或源16)的单个发送器74位于运送机(未示出)的一侧上，该运送机保持并输送晶圆12，作为诸如PV电池制造线的制造线的一部分。源可以是具有聚焦透镜的宽带光源或具有可选波长的激光。源可以是连续的宽带红外源。聚焦光束由斩波轮调制，或者通过将激光电子地调制到转向反射器上来调制，该转向反射器将辐射束指引并聚焦到晶圆上的选择点上。所有的均如先前参照图4所讨论的。

在该实施方案中，转向反射器可以围绕轴线旋转，以便以选择的间隔改变发送信号76到晶圆12表面78上的选定位置的入射角，以便连续地将光束指引并聚焦到成排的一组晶圆上。虽然图6描绘了若干发送信号76和对应的若干接收信号82，但是应当理解的是，系统连续地操作，并且不会同时地产生信号，也不会同时地接收信号。类似地，如果采用激光作为源，则转向反射器围绕轴线旋转来将光束移动以接触在运送机上移动的一组晶圆12上的选择点。

接收器80被定位在运送机的另一侧上，具有聚焦元件和反射器，该反射器被调整以看到晶圆上的由源束76照射的相同点。生成的辐射束82由聚焦元件指引到检测器上。

在发送器74和接收器80定向到特定采样位点的时候，发送器发送辐射束76，并且接收器接收如从晶圆表面78反射的这样的信号82。这种发送和接收发生在具体的时间段，称为“采样期”。(在限定的时间段内获得的样本数量称为“采样率”)。采样位点处的晶圆12表面78的观察部分的形状和大小为“采样区域”。在采样区域内，可以存在由接收器随时都可以看到的特定区域的形状和大小限定的子区域。这称为样本“场地(spot)”。

如果源是包含诸如宽带红外源的广谱红外能量的宽带源，则有必要使用作为接收器80的一部分的分束器将接收的信号分成两个相等的部分，然后将每一半聚焦到接收器80内的每个具有不同中心波长的两个窄带通滤波器。通过每个有限带通滤波器的能量被聚焦在两个检测器中的对应的一个上，被转换成电压、被放大并被转换成对应于每个带中的能量的数字信号。对于由转向反射器位置的位置限定的信号的给定位置，计算并存储两个测量值之间的斜率或比值。这以与上面参照图4所讨论的相同的方式进行。然后将光源束移动到晶圆上的新场地，并且接收器被定位成看到同一场地，并且对于下一个位置重复该过程。

如果源是具有可选波长的激光，则激光在两个或更多个波长之间交替并且使用可转向反射器聚焦在一点上。包括聚焦元件和反射器的接收器将接收的能量聚焦在单个检测器上，该单个检测器的电压被放大并且在对应于激光调制频率的频率处被采样。

在图7中示意性地示出了用于测量掺杂物含量的非接触测量系统的替代实施方案，用于在处理步骤开始时或连续的一系列处理步骤开始时测量一个或多个晶圆，然后在处理步骤结束时测量晶圆，并计算晶圆的红外反射比的变化。该变化用于确定处理对每个晶圆的确切影响。

该实施方案可以用于半导体制造过程中，无论将掺杂物或掺杂物载体(诸如磷酸)施加到晶圆表面，被干燥，或扩散到晶圆中，被植入到晶圆中，被沉积为一个或多个外延层，或从晶圆的表面蚀刻。该实施方案还可以被使用而无论晶圆是否被处理以创建表面纹理。

在这种构造中，晶圆12沿箭头88的方向在运送机86上移动。在由机器或连续的一组机器(示出为单个实体)84执行的处理或一系列处理之前和之后，由参照图6描述的系统(具有与图7中有相同的附图标记)来测量晶圆。该构造测量处理之前的基底(基础，base)晶圆90的反射比，并且然后测量处理之后晶圆92的反射比。计算机94控制测量和比较过程。参照图4描述的系统可以用在该系统中，以代替参照图6描述的系统。

在不限制前述内容的通用性的情况下，现在描述使用该实施方案用于某些PV电池制造步骤的实施例。在第一实施例中，机器(84)仅是掺杂机器，并且该实施方案用于测量晶圆上的沉积的湿法掺杂物载体。在第二实施例中，机器(84)仅为内联扩散炉，并且该实施方案用于测量炉对在晶圆的表面上的干燥的掺杂物扩散到晶圆中的影响。在第三实施例中，机器(84)是扩散炉，其后面是PSG蚀刻机，并且该实施方案用于组合地测量掺杂物扩散和蚀刻过程。

在图8中示意性地示出了已发表的美国专利8829442的公开内容中的用于测量半导体材料的掺杂物含量的非接触系统的替代实施方案。在参照图3描述的实施方案的该替代实施方案中，所有发送器74和接收器80(如图6中的)均位于单个支撑结构96中，并且支撑结构96沿箭头98的方向一起前后移动，以通过如图5所例示的图案来调查晶圆12。

申请人比较传感器20和22处的样本的方法的实施例是计算在传感器20和22处接收的信号的振幅的差值，将该差值除以与对应的传感器20和22相关联的带通滤波器34和36的每个通带的中心之间的差值。在反射比随波长变化的曲线图上，这是与对应传感器20和22相关联的带通滤波器34和36的通带的中心相交的线的斜率。为了进一步的清楚，例如，与传感器20相关联的带通滤波器34的通带的中心可以在8微米处，而与传感器22相关联的带通滤波器36的通带的中心可以在10微米处。如果传感器20处的接收的信号振幅为“x”，而传感器22处的接收的信号值为“y”，则斜率为(y-x)/2。不同的斜率表示待检测的掺杂物的不同量，并且通过使用斜率，减轻了由于本文中描述的因素引起的振幅变化的影响。

可以通过使用在传感器20和22处测量的信号振幅的比值来实现类似的减轻。在这种情况下，该比值被定义为y/x。同样地，可以使用传感器20和22处接收的信号相位或接收的信号偏振之间的差值或其比值。

图9是根据本公开内容的实施方案的用于测量半导体材料的掺杂物含量的非接触系统的示例性相关曲线的曲线图。在该实施例中，掺杂物含量被表示为方块电阻。曲线图的曲线(在这种情况下为线条)是方块电阻的离线四点探头测量值(y轴)与从两个检测器读取的两个电压之间的线的斜率的测量值(x轴)之间的相关性。通过将一系列已知且越来越多地掺杂的晶圆放置在运送机上，并且通过测量来自每个传感器20、22的生成电压，计算两点之间的线的生成斜率(或两个电压的比值)以及使用最小二乘回归拟合一线性模型，来生成该图。观察到的数据点用菱形标记示出，并且与线最佳拟合。R²值代表计算出的线拟合到观察到的测量值的程度，并且值越接近1.0，线对观察到的数据的拟合越好。在图9的实施例中，R²值为0.9486。该线用于计算对应于观察到的斜率x的方块电阻y。例如参照图9：y＝-575.65x+17.391。

如果斜率为-0.1，则方块电阻为：y＝-575.65(0.1)+17.391＝74.9欧姆/平方。

在晶圆或衬底上的采样区域上得到多个样本。这些样本的值被集体处理(例如但非排它性地，计算平均值)以提供有意义的测量。每个样本区域可以被很好地限定，并且不需要从晶圆到晶圆或从衬底到衬底在完全相同的位置重复各个样本，以便获得从晶圆到晶圆或从衬底到衬底的统计上有效且可比较的测量。

滤波器34和36的通带被选择为对反射的信号幅度不均匀地敏感。通过使用两个不同值之间的比较而不是单个绝对测量，这些测量被标准化，以消除由于以下各项中的一个或多个所引起的变化：

·由于扫描跨越多个采样位点而引起的样本到样本在入射和反射路径长度以及采样区域的变化

·由于振动或主体表面中三维位置的改变(例如由于传送带不规则性引起的“碰撞”)引起样本到样本在路径长度、衰减或采样区域的变化

·由于主体表面纹理、晶体边界或其他表面制品(诸如氧化物、磷硅酸盐玻璃、抗反射涂层或污染物)的变化引起的样品到样品在信号特性的变化

·由于主体表面温度变化引起的反射率变化

·由于大气湿度和/或空气中的颗粒引起的信号衰减、相或偏振的变化

·环境光和热量变化

·传感器内部生成的电噪声

·发送信号中的波长和/或振幅漂移(偏离)，以及接收器中的参照波长漂移

·测量环境中任何其他信号源的损害。

申请人的发明不使用建模系统。本发明仅考虑使用带通光学滤波器的反射光谱的具体窄的部分，并且使用这两个有限带中的能量之间的差值或比值来直接推断半导体材料的自由载流子的浓度。本发明不使用参照光谱，而是将能量隔离在两个离散的有限带中。本发明使用了被发现为对与掺杂层的交互敏感的光谱的具体区域。

通常，本发明通过将从半导体材料反射的红外辐射的有限带隔离并且测量与另一不同的有限带相比该带中的能量来操作。因此，申请人能够直接推断半导体材料中的掺杂物的量。申请人通过测量具有已知掺杂程度的一组样本上的每个带中的能量，而不是通过将全光谱中的能量与参照光谱中的能量进行比较，来实现本发明。申请人将能级差值或比值作为用于来自作为自变量的每个样本的给定掺杂物程度的因变量，进行线性回归，并且然后能够基于所测量的在每个有限带中的能量程度直接推导出新项的掺杂程度。

用于使用积分球测量从半导体材料反射的辐射的程度以用于测量半导体材料的掺杂物含量的系统(图10-17)

参照图10a和图10b，为了说明的目的，大体上且示意性地示出了从半导体晶圆114反射的两个辐射图案的示例。与图10b相比，图10a中的源辐射110以相同的角度冲击晶圆114。然而，在图10a和图10b的示例之间，从晶圆114反射的辐射图案112不同。

图10a和图10b中例示出的反射能量散射的变化是由于以下事实：如果这样的晶圆被粗糙化以捕获光，则半导体晶圆114上的表面粗糙度(纹理和锯齿)通常是不均匀的，所以反射的电磁能的散射图案112在晶圆114上的一个位置到另一位置可以是不同的。另外，表面粗糙度的变化还可以从晶圆到晶圆是不同的。在之前的实施方案中，因此能量的扩散量被指引到检测器光圈(aperture)内，使得仪器对晶圆表面粗糙度变化敏感。这干扰了对掺杂物含量的测量。解决方案是通过使用积分球来捕获反射能量来连续地捕获等量的能量，而不管在晶圆上的任何给定位置处的散射图案112。积分球还有助于将能量以基本上相同的方式指引到两个检测器。然而，除了通过球体本身之外，积分球紧密接近晶圆表面创建了将源能量施加到晶圆上的物理障碍。作为一个解决方案，申请人已经开发了其中源辐射穿过球体的实施方案。源辐射相对于晶圆与法线成角度。为了这个目的，可以使用准直器，其可以是延伸穿过球体的导管或光管，或者放置在源后方的透镜。可替代地，源可以固有地提供准直的辐射，诸如在使用一个或多个激光器或LED用于源的情况下。源能量的角度足以最小化来自直接反射回准直器(如果存在)的辐射，并且还足以最小化在来自半导体材料的反射之前进入球体的辐射。

图11是系统的若干部件的简化框图。IR调制器120可以在如图11中的虚线和实线轮廓所示的两个位置中的一个处。在一个版本中，IR调制器120被定位在IR辐射源122之前，而在另一个版本中，IR调制器120被定位在辐射源122之后。在辐射源122下方时，IR调制器120是具有交替的开口和实心区域并且通过电动机(图11中未示出)旋转的轮，如下文所讨论的。在其他情况中，如图11中虚线所示，当IR调制器放置在IR源122上方时，IR调制器直接调制IR源。第一红外辐射检测器124和第二红外辐射检测器126附接到积分球(图11中未示出)。从晶圆114(图10)反射的辐射进入球体，该辐射在该球体内散射。每个均由带通滤波器(未示出)滤波的辐射的一部分照在检测器124和126上。来自检测器的信号行进到与调制器120同步的用于解调的解调器128。然后解调的信号行进到信号处理器130进行处理，如上面更全面地讨论的。

图12是图10和图11的本发明的用于测量从半导体材料反射的辐射程度的系统132的立体图。系统132被安装在半导体、光伏或其他晶圆生产线(未示出)上，其中晶圆114在系统132下方通过以用于由系统132进行处理。系统132被安装到光学堆叠(stack)安装件134或被安装到邻近晶圆生产线的其他合适的装置，并由光学堆叠安装件或其他合适的装置支撑。红外辐射源136通过源安装件138被安装到安装件134。源136可以是单个红外辐射源或多个源，并且可以提供宽带或多个有限带红外波长。示例包括：

a.热发射器(宽带源)；

b.单个频移激光器；

c.多个单波长激光器；

d.单个频移LED；以及

e.多个单波长LED

调制器142被定位在源136下方以调制由源136发射的辐射。调制器142创建来自源136的脉冲红外信号。调制器142的示例包括：

a.光学斩波器，诸如旋转光圈轮或振动音叉；以及

b.源的电子脉冲控制

调制器142通过调制器安装件144连接到安装件134并由该安装件支撑。(调制器142被描述为如参照图11的调制器120)。调制器142是具有交替的开口145和实心区域147且通过电动机(未示出)旋转的轮143。调制器142创建来自源136的脉冲红外信号。示例包括光学斩波器，诸如旋转光圈轮143或振动音叉，或源136的电子脉冲控制。

源136由光学或电气器件调制，以提供对可能包含处于目标波长的能量的“背景”信号的抗扰性。存在两种类型的背景能量；恒定(或DC)和脉冲式的(或AC)。DC背景能量的示例是半导体和阳光的温度。通过检测脉冲式的(“AC”)能量，从背景中消除了恒定能量(“DC”)。环境照明是AC背景能量的一个示例，因为环境照明在50或60Hz的AC市电运行。这通过确保源136的调制频率不是AC市电的奇次谐波，并且然后将放大器同步到调制频率(通常称为锁定放大器)，来从目标信号中消除。

壳体140被定位在源136的下方，并且还附接到堆叠安装件134并且由该堆叠安装件支撑。壳体140容纳积分球146，这在图14和图15的截面中最佳地看到。包括空心球形腔体的积分球146的内表面158覆盖有漫反射涂层，该漫反射涂层对从晶圆114反射的红外辐射提供了大体上均匀的散射或漫射效应。通过多次散射反射，在球体146的内表面上的点入射的红外辐射基本上同等地分布到球体146内的所有其他点。从晶圆114反射的辐射的原始方向的影响被最小化。

积分球146包括与从源136通过调制器142发出的辐射方向对齐的上开口或第一开口148(图14和图15)。源136偏离竖直方向(即在下方的生产线行进的晶圆114的法线方向)预定量，该预定量优选地在离法线大约5-45度之间。最优选的角度是离法线约十度。从法线的角度偏移用以最小化来自直接反射回准直器(如果存在)的辐射。然而，该角度还必须足够小，以最小化来自源136入射的辐射泄露而不是从晶圆反射到球体中。

球体146还包括大体上平行于在下方的生产线行进的晶圆的下开口或第二开口156。优化下开口156直径与球体146的内径的比值，以允许捕获尽可能多的能量，同时还最大化信号强度，该信号强度可以具有小于1，优选为0.6(3比5)之间的比值的范围。球体146越大，信号就越弱，而在其周围放置部件的空间越大，且捕获能量的孔径就越大。下开口156与上开口148相比相对较大，并且通常与球体146的直径相比也较大，并且相对靠近晶圆114(约5mm)被定位，以确保尽可能多的来自晶圆114的反射辐射114(图10)进入球体146。

在源136是未准直的红外辐射源的情况下，准直器是必须的，用以将辐射指引、聚焦或瞄准到晶圆114上的具体区域，因为晶圆在系统132下通过并通过系统132起作用以测量从晶圆114反射的辐射的程度，以用于测量晶圆114的掺杂物含量。本实施方案的准直器是导管或光管150，其中光管150的入口端152延伸穿过上端148。光管150与调制器142相邻以捕获从源136发出的辐射。光管150被定位在球体146的内部，以确保将来自源136的辐射指引到晶圆114上的路径。光管150还相对于晶圆114与法线成一角度，该角度与从源136发出的辐射与法线的角度相同，即优选在约5度到45度之间的范围内，并且最优选约10度。为了增加球体146内的红外辐射的散射和扩散，光管150的外表面160可以涂覆有与球体146的内表面158相同或相似的漫反射涂层。

光管150将源136的信号保持远离检测器162和164，并且通过确保更多的源136能量被指引到晶圆114的具体区域来帮助照亮晶圆的该区域。光管的外部部分可以由反射材料制成，以辅助散射球体内的反射辐射。当球体靠近晶圆定位时，辐射不能从球体外侧充分接触晶圆。

光管150的本体的主要部分通常穿过球体146的中心区域在球体146内延伸。光管150的下端或出口端154被定位在球体内，与开口156对齐，优选地为同轴对齐。并且优选地，下开口156直径与光管150的出口端154的直径的比值为约2比1，但还可以具有大于1.5(3比2或更大)的比值，以便在晶圆上获得较小的场地尺寸，并且减少反射回光管且在晶圆上具有较高分辨率的场地样本的能量损失量。优选地，光管150的出口端154离由球体146的下开口156限定的平面约6mm。

来自源136的调制辐射110(图10)行进穿过光管150以通过出口154以及然后开口156离开，以撞击在下方的生产线上行进的晶圆114。辐射110以由源136和光管150的成角度的位置确定的角度撞击晶圆114，并且以返回角度被晶圆114反射，如在图10中的示例性方式最佳地看到的。主要是由于与法线所成的角度，大部分反射辐射112(图10)向上行进到球体中，避开光管150的出口端154，从而最小化干扰来自源136的辐射的镜面反射。

作为示例，球体146的下开口156的直径约为3cm，通过球体146的中心的内径为约5cm，并且光管150的出口端154的直径为约1.3cm。

球体146包括一对红外辐射检测器162和164，该一对红外辐射检测器被定位成测量球体146内与每个检测器162和164接触的辐射的量。(检测器162和164被描述为如参照图11描述的检测器124和126，以及参照图4描述的检测器20和22)。带通滤波器166和168被定位在相应的检测器162和164以及球体146的内部之间。

带通滤波器166或第一带通滤波器(其还可以是边缘通滤波器-未示出)被定位成接收所接收的从晶圆114或球体146中的材料反射的辐射的第一部分，并且被构造成使中心在红外辐射源136的选择的波长处的红外辐射的有限波段通过滤波器166，到检测器124。带通滤波器168或第二带通滤波器(其还可以是边缘通滤波器-未示出)被定位成接收所接收的从晶圆114或材料反射的辐射的第二部分，并且被构造成使中心在红外辐射源136的选择的波长处的红外辐射的有限波段通过滤波器168。通过滤波器166的有限波段与通过滤波器166的有限波段相比是不同的。

在优选的实施方案中，并且当采用带通滤波器166和168时，带通滤波器166和168优选地以约1.6微米和5.4微米为中心。通常地，通带被选择成使得一处或两处的反射振幅由自由载流子吸收主导。

积分球146包括被定位在球体146内的一对内挡板170和172，以防止直接反射的能量114分别接触检测器162和164。通过开口156进入球体136的所有能量112应当在击中检测器162或164之前已经尽可能多地扩散或散射在积分球146中。

球体146起作用以均衡由于球体146内的反射和散射引起的球体内的能量。来自晶圆114的反射辐射的任何原始方向性因素也均由该相同的作用被移除。结果，两个检测器162和164接收大约相同的反射能量112的平均程度(图10)。这防止了在晶圆114的各个区域处由不同表面特性引起的检测器162和164处的不均匀的辐射程度。在目标波长处从晶圆114发射的能量112的量随待由系统132检测的晶圆114的掺杂物的浓度变化。

来自检测器162和164的信号行进到与调制器120(图11)或调制器142(图12-15)同步的用于解调的解调器128(图11)处。然后解调的信号行进到信号处理器130(图11)进行处理，如上文更全面地讨论的。可以由同步到调制频率的信号放大器(通常称为锁定放大器)进行同步。

参照图16和图17来讨论替代的实施方案。该实施方案与上文参照图10至图15讨论的实施方案相同，除了系统173的源136是准直的红外辐射源，诸如红外激光器或LED，因此前述的需要诸如光管150的准直器。可代替地，透镜174被定位在准直源136与调制器142下方的上开口或第一开口148之间。

源136偏移竖直方向(即在下方的制造线上行进的晶圆114的法线方向)预定量，该预定量优选地在与法线成大约5-45度之间。最优选的角度是离法线约十度。与法线的成角度偏移用以最小化镜面反射，这对于防止来自晶圆114的反射辐射干扰来自源136的辐射是重要的。源136的辐射由透镜174聚焦，并且通过球体146行进，以与来自源136的辐射与法线的角度相同的角度离开开口156。然后辐射以所述角度冲击晶圆114的一部分，如图10中描绘的。反射的辐射通过开口156进入球体146以在球体146内被多次反射，并且然后冲击滤波器166和168中的一个滤波器，用以在冲击相关联的检测器162和164之前，基于滤波器166和168的预先确定的通带来进行滤波，所有的均如先前参照先前实施方案的滤波器166、168和检测器162、164所讨论的。

根据上述内容，将会意识到，本文已经描述了本发明的具体实施方案以用于说明的目的，但在不脱离本发明的各种实施方案的精神和范围的情况下可以进行各种修改。此外，虽然在上文本发明的某些实施方案的上下文中已经描述了与这些实施方案相关联的各种优点，但是其他实施方案也可以展示出这样的优点，并且并不是所有落入本发明的范围内的实施方案都必须表现出这样的优点。

Claims (25)

1.一种用于测量从半导体材料反射的辐射的水平以用于测量所述材料的掺杂物含量的系统，包括：

a)红外辐射源；

b)调制器，所述调制器用于调制来自所述红外辐射源的辐射；

c)积分球，所述积分球具有用于接收经调制的来自所述源的辐射的第一开口以及用于接收从所述材料反射的辐射的第二开口，所述积分球被构造成使所接收的从所述材料反射的辐射在所述球体内散射；

d)准直器，所述准直器被构造成指引来自所述红外辐射源的所述辐射穿过所述球体以离基于所述材料的法线的一角度冲击所述材料，所述角度足以最小化源于被直接反射回所述准直器的辐射并且还足以最小化在从所述材料反射之前进入所述球体的辐射，其中，所述准直器包括至少部分地在所述球体内延伸的导管，并且其中，所述导管为光管；

e)第一挡板，所述第一挡板被定位在所述球体内，以防止所接收的从所述材料反射的辐射行进至第一带通滤波器或第一边缘通滤波器而不在所述球体内进行第一散射；

f)第二挡板，所述第二挡板被定位在所述球体内，以防止所接收的从所述材料反射的辐射行进至第二带通滤波器或第二边缘通滤波器而不在所述球体内进行第一散射；

g)第一带通滤波器或第一边缘通滤波器，所述第一带通滤波器或第一边缘通滤波器被定位成接收所接收的从所述材料反射的辐射的第一部分，所述第一带通滤波器或第一边缘通滤波器被构造成使来自由所述红外辐射源发射的整个光谱内的红外辐射的有限波段穿过第一滤波器；

h)第二带通滤波器或第二边缘通滤波器，所述第二带通滤波器或第二边缘通滤波器被定位成接收所接收的从所述材料反射的辐射的第二部分，所述第二带通滤波器或第二边缘通滤波器被构造成使来自由所述红外辐射源发射的所述整个光谱内的红外辐射的有限波段穿过第二滤波器，其中，经由所述第二滤波器穿过的所述有限波段与经由所述第一滤波器穿过的所述有限波段相比是不同的；

i)第一辐射检测器，所述第一辐射检测器被定位成接收穿过所述第一滤波器的辐射并且被构造成确定第一能级；以及

j)第二辐射检测器，所述第二辐射检测器被定位成接收穿过所述第二滤波器的辐射并且被构造成确定第二能级；

其中，所述第二开口被定位在离所述材料一距离处，以无关于所述材料的表面变化而使所有的从所述材料反射的辐射都进入所述球体。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，离法线的角度为十度。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，离法线的角度在五度到四十五度之间。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，离法线的角度足够小，以最小化经调制的来自所述源的辐射在不从所述材料反射的情况下向所述球体中的泄漏。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光管纵向地通过所述球体的中心延伸所述球体的整个直径。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述准直器包括透镜，所述透镜被构造成将经调制的来自所述源的辐射聚焦为行进穿过所述球体来冲击所述材料。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，经调制的来自所述源的辐射离开所述球体，以通过所述第二开口冲击所述材料。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一挡板和第二挡板被构造成阻挡相同程度的所接收的从所述材料反射的辐射。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述球体包括内表面，所述内表面被构造成增强所接收的从所述材料反射的辐射在所述球体内的反射。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述导管包括外表面，所述外表面被构造成增强所接收的从所述材料反射的辐射在所述球体内的辐射的反射。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二开口被定位在离所述材料5mm处。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二开口和所述导管的下游开口是同轴对齐的。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述球体的所述第二开口的直径大于所述导管的下游开口的直径。

14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述调制器选自以下各项的组：

a)使用高速斩波轮的调制器；

b)使用所述源的脉冲调制的调制器；以及

c)使用所述源的频率调制的调制器。

15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述辐射源为：a)多波长红外激光器，b)每个均处于不同波长的多于一个的红外激光器，c)一个或多个红外发光二极管，或d)宽带红外辐射源。

16.根据权利要求1所述的系统，其中，用于所述第一滤波器和所述第二滤波器二者的通带长于1微米。

17.根据权利要求1所述的系统，其中，通带被选择成使得由自由载流子吸收主导一处或两处的反射的振幅。

18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光管包括外表面，所述外表面被构造成增强所接收的从所述材料反射的辐射在所述球体中的反射。

19.根据权利要求1所述的系统，其中，所述球体的所述第二开口的直径为3cm，并且所述球体的内径为5cm。

20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述导管的下游开口的直径为1.3cm。

21.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二开口的直径与所述球体的内径的比值为3比5。

22.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二开口的直径与所述光管的下游开口的直径的比值为2比1。

23.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二开口的直径与所述光管的下游开口的直径的比值等于或者大于1.5比1。

24.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光管的出口端离由所述球体的所述第二开口限定的平面6mm。

25.根据权利要求1所述的系统，还包括用于放大第一能级和第二能级的确定值的放大器，所述放大器被同步到辐射调制频率。

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