CN107421642A - 经由激光衍射测量3d半导体结构的温度的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例大致上涉及用以测量及监控基板的温度的设备及方法，所述基板上具有三维(3D)特征结构。设备包含光源、聚焦透镜及发射率计，所述光源用以照射基板，所述基板上具有3D特征结构，所述聚焦透镜用以聚集且聚焦反射光，所述发射率计用以检测聚焦的所述反射光的发射率。设备亦包含光束分光器及成像装置。成像装置提供反射光的衍射图案的放大图像。方法包含以光照射基板，所述基板上具有3D特征结构，且以聚焦透镜聚焦反射光。然后聚焦光导向传感器且测量基板的发射率。反射光亦可入射成像装置，以产生反射光的衍射图案的放大图像。

Description

经由激光衍射测量3D半导体结构的温度的设备及方法

本申请是申请日为2012年11月8日、申请号为201280051151.9、发明名称为“经由激光衍射测量3D半导体结构的温度的设备及方法”的发明专利申请的分案申请。

发明背景

发明领域

本发明的实施例大致上涉及用于测量基板的温度的设备及方法，所述基板上具有三维(3D)特征结构。

相关技术的描述

半导体装置的持续微缩驱动了半导体装置的新架构的结果，所述新架构包含3D特征结构。3D特征结构的一个后果为，由于检测器收集的光减少、由于镜面反射的损失(例如，当照射光源的入射角等于反射角)，而减少非接触式测量的准确性。可使用非接触式测量，例如高温测定，通过测量从物体发射的热发射，以确定基板温度。基板的热发射可被表示为：

其中T为温度；θ及ψ为极角及方位角；λ为光波长；R_Ω为示波器的阻抗；A为由检测器所感测的面积；ε'_λ(λ,θ,φ,T)为定向光谱发射率；τ(λ)为光学路径中透镜及滤片的光谱透射率；G(λ)为于不同波长下检测器的响应度，且e_λ,b为基板的发射率。如方程式1中所示，基板的热发射为基板的发射率与温度两者的函数。为了简化上述方程式，大部分的高温计设定为单一发射率值而不顾所测量的物体。然而，并非全部的物体皆具有相同的发射率，且因此，高温计量得的温度经常不准确。

对于某些平坦结构，可经由实验确定物体的发射率，允许将修正因子应用至高温计，此举促使更准确确定物体温度。与平坦基板相较，当处理3D结构时，非接触式测量特别不准确。由于确定物体发射率的困难，3D结构的测量更不准确。照射3D结构造成来自基板的反射光的散射与干涉，使得当采用传统发射率测量技术时，发射率的确定并不准确。

因此，需要用以测量及监控基板的温度的方法及设备，所述基板上具有3D特征结构。

发明内容

本发明的实施例大致上涉及用以测量及监控基板的温度的设备及方法，所述基板上具有3D特征结构。所述设备包含光源、聚焦透镜及发射率计，所述光源用以照射基板，所述基板上具有3D特征结构，所述聚焦透镜用以聚集且聚焦从基板反射的光，所述发射率计用以检测所述聚焦反射光的发射率。所述设备亦包含光束分光器，所述光束分光器将从基板反射的光分光朝向发射率计及成像装置。成像装置提供反射光的衍射图案的放大图像。所述方法包含以来自光源的光照射基板，所述基板上具有3D特征结构，所述基板将光反射，且以聚焦透镜聚焦反射光。然后聚焦光导向传感器且测量基板的发射率。反射光亦入射成像装置，以产生反射光的衍射图案的放大图像。

在一个实施例中，设备包括腔室主体，所述腔室主体具有基板支撑件放置于所述腔室主体中。反射测量系统放置于腔室主体内且包含光源及聚焦透镜，所述光源经放置以将光导向基板支撑件的基板支撑表面，所述聚焦透镜经放置以收集从放置于所述基板支撑表面上的基板的表面所反射的光。反射测量系统亦包含光束分光器，所述光束分光器经放置以将由聚焦透镜所收集的光的第一部分导向发射率计，所述发射率计确定基板的发射率，且所述光束分光器经放置以将由所述聚焦透镜所收集的光的第二部分导向成像装置。设备亦包含处理单元，所述处理单元用以根据基板的发射率来确定所述基板的温度。

在另一实施例中，确定基板的温度的方法包括将基板放置于腔室主体内的基板支撑件上，所述基板上具有3D特征结构。将来自光源的光导向基板的表面且从所述基板的表面反射。以聚焦透镜收集反射光，且将所述反射光导向发射率计。确定基板的发射率，且然后根据所述基板的发射率确定所述基板的温度。

在另一实施例中，确定基板的温度的方法包括将基板放置于腔室主体内的基板支撑件上，所述基板上具有3D特征结构。将来自光源的光导向基板的表面且从所述基板的表面反射。以聚焦透镜收集反射光，且将所述反射光导向光束分光器。光束分光器将反射光分光成第一路径及第二路径。第一路径导向发射率计且第二路径导向成像装置。确定基板的发射率，且然后根据所述基板的发射率确定所述基板的温度。

附图简要说明

简要总结如上的本发明的更特定描述可参考实施例而得到，使得以此方式可详细理解本发明的以上所述特征结构，所述实施例的一些实施例图示于附图中。然而，应注意到，附图仅图示本发明的典型实施例，由于本发明可承认其它同等有效的实施例，因此所述典型实施例并非视为限制本发明的范围。

图1示出根据本发明的一个实施例的处理腔室。

图2示出根据本发明的一个实施例的确定基板温度的方法的流程图。

图3示出使用本发明的实施例摄取的示例性衍射图案。

图4A和图4B示出使用本发明的实施例摄取的衍射图案。

为了促进理解，尽可能使用相同的元件符号来指称图中共享的相同元件。考虑到公开于一个实施例中的元件，在没有特定描述下可受益于利用在其它的实施例上。

具体描述

本发明的实施例大致上涉及用以测量及监控基板的温度的设备及方法，所述基板上具有3D特征结构。设备包含光源、聚焦透镜及发射率计，所述光源用以照射基板，所述基板上具有3D特征结构，所述聚焦透镜用以聚集且聚焦从基板反射的光，所述发射率计用以检测所述聚焦反射光的发射率。设备亦包含光束分光器，所述光束分光器将从基板反射的光分光朝向发射率计及成像装置。成像装置提供反射光的衍射图案的放大图像。方法包含以来自光源的光照射基板，所述基板上具有3D特征结构，所述基板将光反射，且以聚焦透镜聚焦反射光。然后聚焦光导向传感器且测量基板的发射率。反射光亦入射成像装置，以产生反射光的衍射图案的放大图像。

图1示出根据本发明的一个实施例的处理腔室100。处理腔室100包含腔室主体102、基板支撑件104及反射测量系统106。激光108设置于腔室主体102的外侧而位于基板支撑件104上方且适于将光110导向基板112的表面，所述基板112放置于所述基板支撑件104上。激光108将光110传送至基板112，以促进基板112的热处理，例如热退火、掺杂活化或再结晶。高温计111放置于邻近激光108处且指向于基板112，以测量自基板112所发射的热辐射。

反射测量系统106放置于腔室主体102内于固定的位置中。反射测量系统106促使于基板112的热处理之前、基板112的热处理期间或基板112的热处理之后，基板112的温度测量。反射测量系统106允许通过测量自基板112所反射的光量来确定基板112的发射率。反射测量系统106适于将来自光源114的光118导向基板112的表面，且经由传感器116(例如发射率计)测量基板112的表面所反射的反射光120的光量。光源114通常为单色光源，光源114产生光118，且相对于基板以已知的角度放置光源114，举例而言，所述角度约零度至约60度。由于光118为单波长光，可忽略光118的干涉，且反射光120的任何干涉可归因于位于基板112的表面上的3D结构122。此外，光源114适于产生具有不同于激光108的波长的光，使得传感器116可分辨可能从基板112反射的光118与光110。大致上，大部分的光110或全部的光110被基板吸收，然而，在某些光110从基板112反射的情况下，对于光110及光118采用不同波长的光，促进准确的发射率确定。

反射测量系统106亦包含聚焦透镜124，聚焦透镜124放置于腔室主体102内的固定位置处。聚焦透镜124的中心放置于近似镜面反射角处，以收集且聚焦反射光120。聚焦透镜124可放置于距离基板112约10毫米至约20毫米处。聚焦透镜124由玻璃所形成，然而，本文涵盖聚焦透镜124亦可由适合于处理腔室100内对抗热退火环境的塑料所形成。聚焦透镜促进反射光的收集，否则所述反射光将落在传感器116的感测区域的外部(例如，高次反射或偏离镜面反射的反射)。光束分光器126放置于基板112的相对侧上邻近聚焦透镜124处。光束分光器126为放置于聚焦透镜124的后焦平面处或靠近聚焦透镜124的后焦平面的光学装置，且光束分光器126适于将聚焦反射光120分光成两个方向。如图1中所示出，反射光120分光成两个垂直方向。可由两个三角形玻璃棱镜通过树脂彼此附着而形成四边形来形成光束分光器126。可选择树脂组成与厚度以将进入反射光120的预定部分转移至传感器116，同时允许第二部分例如进入反射光120的剩余部分传送到成像装置128，例如，CCD照相机。成像装置128放置于邻近光束分光器126处且与聚焦透镜124及光束分光器126共享共同轴。成像装置128放置于第一焦平面处，且成像装置128适于接收进入光且产生反射光120的衍射图案的放大图像。衍射图案对应于基板表面上的3D结构122的周期性，且因此提供有关于3D结构122的尺寸、形状及间隔的信息(与有关于3D结构122的尺寸、形状及间隔的改变的信息)。

基板支撑件104放置于腔室底部130上。相对于反射测量系统106沿着腔室底部130，基板支撑件104可于X-Y方向中移动，用以定位基板112的未经处理的部分，以接收自激光108的光110。基板支撑件104可移动至没有反射测量系统106的位置，以允许经由机械手(未图示)经过狭缝阀132使基板112放置于基板支撑件104上或自基板支撑件104移除基板112。升降杆(未图示)可经设置通过基板支撑件104以促使基板112自基板支撑件104移除。处理单元134例如计算机耦接至处理腔室100且适于控制处理腔室100中的处理过程，所述处理过程包含将基板112曝露于光110或118、装载及卸载基板及确定基板温度。

于处理腔室100的操作期间，例如于热退火工艺期间，光源114于预定的波长下以光118的已知的光量(例如，每单位面积已知的能量)照射基板112。某些光118被基板112吸收而同时剩余部分被基板112反射(且散射)而作为反射光120。然后反射光120由聚焦透镜124收集且聚焦。即使反射光120经历了散射，聚焦透镜124促进反射光的大多数或全部的收集。由于收集了大部分或全部的反射光，可达成基板发射率的更准确的测量。

聚焦透镜124将反射光120聚焦于光束分光器126上，光束分光器126将反射光120的已知部分导向传感器116。与处理单元134通讯连接的传感器116测量反射光120的光量。因为由于用以形成光束分光器126的树脂的已知性质而已知由光束分光器126转向的光的部分，可准确确定反射光120的光量。从量得的反射率，传感器116确定基板112的发射率为近似一减所述反射率。一旦确定基板112的发射率后，然后通过处理单元134使用方程式1及普朗克分布方程式(方程式2)可准确确定基板112的温度。

当由高温计111确定从基板112发射的热辐射，方程式2允许修正基板的发射率。方程式2可代入方程式1，以于测量从基板发射的热辐射期间产生准确温度测量。在方程式2中，e_λ,b为由发射率计及处理单元134所确定的基板的发射率；C₁为定值，等于3.74x 10^-16Wm^-2；C₂为定值，等于1.44x 10^-2m K；λ为从光源114所发射的光的波长；且T为基板的温度。因此，准确确定基板发射率促使通过高温计经由发射率修正的高温计来准确确定基板温度。

虽然处理腔室100适于基板112的热处理，本文涵盖反射测量系统106可用于其它处理腔室中，例如原子层沉积(ALD)腔室或其它处理腔室。当反射测量系统106放置于ALD腔室内，本文希望将反射测量系统106放置于减轻材料沉积于聚焦透镜124上的位置。可采用处理气体，例如惰性气体，以于ALD处理期间引导沉积材料或前驱物气体远离聚焦透镜124。

图2示出根据本发明的一个实施例确定基板温度的方法的流程图250。流程图250始于操作251，其中基板上具有3D结构，所述基板曝露于来自激光的光，以热处理基板。于操作252中，当继续热处理基板，来自第二光源的单色光导向基板的热处理区域且从基板的热处理区域反射。于操作253中，收集来自单色光源、从基板表面反射的光且由聚焦透镜聚焦。制作聚焦透镜的足够尺寸且放置所述聚焦透镜足够接近基板，以收集反射光的所需光量，举例而言，从基板反射的光的至少约90％或约100％。

于操作254中，反射光由聚焦透镜导向光束分光器。光束分光器将聚焦光分光成两个路径。于操作255中，第一路径导向传感器，所述传感器根据从基板反射的光量来确定基板的发射率。于操作256中，光束分光器的第二路径将反射光导向CCD照相机，所述CCD照相机收集反射光，以产生反射光的衍射图案的放大图像。衍射图案的放大图像允许3D特征结构的周期性得以确定，且亦提供有关于散射光量及反射光的镜面角的信息。可采用衍射图案以于处理期间监控3D特征结构的尺寸及间隔，且亦可用以指示并未符合预定质量规格的故障装置或故障基板。

于操作257中，一旦于操作255中确定了发射率，则可确定基板的温度。使用发射率修正的高温计可确定基板的温度，所述发射率修正的高温计测量自基板发射的热辐射。于操作258中，可重复操作251至操作257。重复操作251至操作257允许基板的温度于所需时间期间受到监控。监控基板温度允许于热处理期间的端点识别，以及基板的时间相关热映像，例如得到监控基板的温度历史。基板的温度历史允许于基板的给定处理期间准确确定温度，且允许准确确定于处理期间传递至基板的热能的总量。对于生长过程，可使用温度历史，以确定相关于基板上的3D特征结构的尺寸改变的基板温度。

流程图250示出确定基板温度的一个实施例，然而，本文亦可涵盖其它实施例。在另一实施例中，本文涵盖操作251可于操作252之前发生，或操作251可于操作252之后发生，而非操作251与操作252同时发生。在另一实施例中，本文涵盖操作251可被原子层沉积工艺取代；举例而言，外延生长工艺。在这种实施例中，可采用于操作256中的反射光的放大图像，以监控且确定基板上的3D特征结构的形成速率。亦可采用放大图像来形成用于形成3D结构的温度对于时间对于特征结构尺寸的3D表示，可采用所述3D表示以促进原位工艺控制。在又另一实施例中，本文涵盖聚焦透镜并不够大而足以捕捉全部的反射光的情况，处理单元通过应用修正因子可补偿光线的未收集部分。由处理单元应用的修正因子可为预定值(例如，3％、5％或10％)，或可根据反射光的干涉的放大图像的特征来计算修正因子，特征例如收集的各模式的强度分布。

图3示出使用本发明的实施例摄取的示例性衍射图案370。衍射图案370是使用类似于图1所示的处理腔室而摄取。衍射数据从基板收集，所述基板的表面上具有多个0.16微米宽的沟槽，所述沟槽彼此间隔约2微米。衍射图案包括零次反射(例如，镜面反射)、由基板上的沟槽造成的两个一次反射和由基板的沟槽造成的两个二次反射。随着反射次数的增加，偏离镜面反射的角度同样增加。需注意如果一次、二次或更高次反射未被例如，使用图1所示的设备摄取用于测量目的，那么由于反射数据的不完全收集，使用反射数据推得的诸如发射率测量这样的测量是不准确的。例如，衍射图案370的一次反射代表收集反射的相当大的部分。在数据收集期间忽略一次反射会导致依赖于反射测量的计算中的重大误差。因此，期望收集大于零次的高次反射。然而，如图3所示，更高次反射代表比前次反射更小的强度(例如，随着反射峰的次数增加，峰的相对强度减小)。因此，预期在某种情况下，可将更高次反射(例如，三次或高于三次)从收集排除，而不会造成测量确定中的重大误差。

图4A和图4B示出使用本发明的实施例摄取的衍射图案。衍射图案470A是从硅基板产生的，所述硅基板具有形成在硅基板中的多个沟槽。沟槽以2微米分隔开，并且沟槽具有0.2微米宽和200纳米深。沟槽以二氧化硅填充，并且具有约30纳米厚的非晶硅层沉积在所述沟槽上。上面沉积有非晶硅层的基板暴露于激光退火工艺。激光退火工艺采用激光，所述激光具有0.94微米的波长和约0.4毫焦每平方厘米的能量密度(fluence)。反射测量系统，类似于图1所示的测量系统，被用来收集衍射图案470A。由于非晶硅的实质二维或平坦表面，衍射图案实质上仅包括零次峰。

衍射图案470B从关于图4A描述的类似基板产生。基板包括在基板上的非晶硅层，所述非晶硅层暴露于采用激光的退火工艺，所述激光具有0.94微米的波长和0.5毫焦每平方厘米的能量密度。在约0.5毫焦每平方厘米的能量密度下，激光具有足够的能量以诱发非晶硅的结晶。非晶硅的结晶部分允许一些光穿过。因此，当反射测量系统收集来自基板的反射数据时，除了零次峰，还记录一次和二次峰。由于光穿透结晶硅的透明部分后从所述透明部分反射，一次和二次峰由下面的沟槽产生。因此，需注意，甚至在处理上面具有二维表面的基板时，用于测量目的的更高次衍射峰的收集可以是理想的。而且，应注意来自基板表面的光反射可随着基板处理而改变，因而，虽然更高次峰可能开始并不存在，但更高次峰可以随着处理进行而产生。

本发明的优点包含对于基板温度的准确非接触式测量，准确测量基板发射率。设备及方法采用聚焦透镜，以收集从基板反射、由于基板表面上的3D结构的存在而已被散射的光。聚焦透镜使收集的反射光量最大化，以确保准确确定基板发射率，由此提供更准确的温度确定。聚焦透镜特别有用于表面上具有3D特征结构的基板。3D特征结构导致增加的反射光的散射及干涉，因此减小或消除与平坦基板共同有关的光的镜面反射。增加的散射可导致上达80％的反射光为非镜面。然而，本文描述的聚焦透镜允许散射光被收集且提供至传感器，以促进准确测量基板发射率。因此，使用本文描述的实施例可极大地增加反射光的测量准确度。

虽然前述是针对本发明的实施例，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可设计本发明的其它及进一步实施例，且本发明的范围由权利要求书所确定。

Claims (15)

1.一种用以确定基板的温度的设备，包括：

激光，所述激光用以热处理；

反射测量系统，所述反射测量系统包含：

发射率计；

成像装置；

光源，所述光源经放置以将光导向基板支撑表面，所述光源以不同于所述激光的波长产生光；

聚焦透镜，所述聚焦透镜经放置以收集从所述光源发射的反射光，所述聚焦透镜放置于相对于所述光源的镜面反射角处；和

光束分光器，所述光束分光器经放置以将由所述聚焦透镜所收集的光的第一部分导向所述发射率计，且所述光束分光器经放置以将由所述聚焦透镜所收集的光的第二部分导向所述成像装置，所述成像装置用于产生所述反射光的衍射图案的放大图像；以及

处理单元，所述处理单元用以根据导向所述发射率计的光来确定温度。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述光源为单色光光源。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述成像装置为CCD照相机。

4.如权利要求1所述的设备，其中所述激光及所述光源适于同时将光导向所述基板支撑表面的相同区域。

5.如权利要求1所述的设备，其中所述反射测量系统位于固定位置。

6.如权利要求5所述的设备，其中基板支撑件相对于所述反射测量系统能于X-Y方向中移动。

7.如权利要求1所述的设备，其中所述成像装置与所述聚焦透镜及所述分束分光器共享共用轴。

8.如权利要求1所述的设备，其中所述分束分光器经放置于所述聚焦透镜的后焦平面处或靠近所述聚焦透镜的后焦平面。

9.如权利要求1所述的设备，其中所述分束分光器包括通过树脂彼此附着而形成四边形的两个三角形棱镜。

10.一种确定基板的温度的方法，所述方法包括以下步骤：

将基板放置于腔室主体内的基板支撑件上，所述基板上具有三维特征结构；

将来自光源的光导向所述基板的表面，同时移动所述基板支撑件及放置于所述基板支撑件上的基板；

反射来自所述基板的所述表面的光；

以聚焦透镜收集反射光；

将来自所述聚焦透镜的所述反射光导向光束分光器；

将所述反射光分光成第一路径及第二路径，所述第一路径导向发射率计且所述第二路径导向成像装置；

确定所述基板的发射率；

根据所述基板的所述发射率来确定所述基板的温度；

以激光在所述基板上执行热处理同时确定所述基板的温度；以及

推得所述基板的温度历史。

11.如权利要求10所述的方法，所述方法进一步包括与确定所述基板的温度同时执行原子层沉积工艺。

12.如权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括于所述原子层沉积工艺期间监控所述基板上的所述三维特征结构的尺寸的改变，其中监控所述三维特征结构的尺寸的所述改变包括产生所述反射光的衍射图案的放大图像。

13.如权利要求10所述的方法，其中导向所述基板的所述表面的光为单色光，并且其中所述聚焦透镜放置于距离所述基板的所述表面约10毫米至约20毫米。

14.如权利要求10所述的方法，其中所述热处理为热退火、掺杂活化、或再结晶中的一个或多个。

15.如权利要求10所述的方法，其中相对于所述基板的所述表面以约零度至约60度的角度放置所述光源。