CN108352341A - 热处理系统中的基板破损检测 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于热处理系统中的基板破损检测的设备、系统和方法。在一个示例实施方式中，该方法可以包括：访问表示用于基板的多个温度测量值的数据，该多个测量值在热处理的冷却时期获得；至少部分地基于表示多个温度测量值的数据来估计与冷却模型相关联的一个或多个度量；以及至少部分地基于与冷却模型相关联的一个或多个度量来确定破损检测信号。破损检测信号表示在热处理过程中基板是否破损。

Description

热处理系统中的基板破损检测
相关联申请的交叉引用
本申请要求于2015年12月30日提交的发明名称为“在毫秒退火系统中的晶片破损检测”的美国临时申请序列号62/272,826的优先权权益，其通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及热处理室，并且更具体地涉及用于处理基板，例如半导体基板的毫秒退火热处理室。
背景技术
毫秒退火系统可以用于半导体处理，用于例如硅晶片的基板的超快速热处理。在半导体加工中，快速热处理可以用作退火步骤来修复注入损伤、改善沉积层的质量、改善层界面的质量、激活掺杂剂并实现其他目的，同时控制掺杂物质的扩散。
半导体基板的毫秒或超快速温度处理可以使用强烈且短暂的曝光来以可以超过每秒104℃的速率加热基板的整个顶部表面来实现。只有基板的一个表面的快速加热可以在基板的厚度上产生大的温度梯度，而基板的主体保持曝光之前的温度。因此基板的主体用作散热器，导致顶部表面的快速冷却速率。
发明内容
本公开的实施方式的各方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，或者可以从该描述中了解，或者可以通过实施方式的实践而了解。
本公开的一个示例方面涉及一种用于热处理系统中的破损检测的方法。该方法可以包括：访问表示用于基板的多个温度测量值的数据，该多个测量值在热处理的冷却时期获得；至少部分地基于表示所述多个温度测量值的数据来估计与冷却模型相关联的一个或多个度量；以及至少部分地基于与冷却模型相关联的一个或多个度量来确定破损检测信号。破损检测信号表示在热处理过程中基板是否破损。
可以对本公开的示例方面做出变化和修改。本公开的其他示例方面涉及用于毫秒退火系统中的破损检测的系统、方法、装置和过程。
参照以下描述和所附权利要求，各种实施方式的这些特征和其他特征、方面和优点将变得更好理解。并入本说明书并构成本说明书的一部分地的附图示出了本公开的实施方式，并且与说明书一起用于解释相关联原理。
附图说明
参考附图在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的实施方式的详细讨论，其中：
图1描绘了根据本公开的示例实施方式的示例毫秒退火加热分布图；
图2描绘了根据本公开的示例实施方式的示例毫秒退火系统的一部分地的示例立体图；
图3描绘了根据本公开的示例实施方式的示例毫秒退火系统的分解图；
图4描绘了根据本公开的示例实施方式的示例毫秒退火系统的横截面图；
图5描绘了在根据本公开的示例实施方式的毫秒退火系统中使用的示例灯的立体图；
图6描绘了在根据本公开的示例实施方式的毫秒退火系统的晶片平面板中使用的示例边缘反射器；
图7描绘了可以在根据本公开的示例实施方式的毫秒退火系统中使用的示例反射器；
图8描绘了可以用于根据本公开的示例实施方式的毫秒退火系统的示例弧光灯；
图9-图10描绘了根据本公开的示例实施方式的示例弧光灯的操作；
图11描绘了根据本公开的示例实施方式的示例电极的横截面图；
图12描绘了用于将水和气体(例如氩气)供应到根据本公开的示例实施方式的毫秒退火系统中使用的示例弧光灯的示例闭环系统；
图13描绘了用于根据本公开的示例实施方式的毫秒退火系统的示例温度测量系统；
图14描绘了用于根据本公开的示例实施方式的晶片破损检测的示例过程的流程图；以及
图15描绘了用于根据本公开的示例实施方式的晶片破损检测的示例过程的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考实施方式，附图中示出了实施方式一个或多个示例。通过解释实施方式来提供每个示例，而不是限制本公开。实际上，对于本领域技术人员而言显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下可以对实施方式进行各种修改和变化。例如，作为一个实施方式的一部分地示出或描述的特征可以与另一个实施方式一起使用以产生又一个实施方式。因此，本公开的各方面意图覆盖这些修改和变化。
概述
本公开的示例方面涉及在热处理期间检测基板破损(例如，晶片破损)。出于说明和讨论的目的，参考“晶片”或半导体晶片来讨论本公开的各方面。使用本文提供的公开内容的本领域普通技术人员将理解，本公开的示例方面可以与任何半导体基板或其他合适的基板结合使用。另外，术语“约”与数值一起使用旨在指所述数值的10％以内。
另外，出于说明和讨论的目的，参照毫秒退火系统讨论本公开的各方面。使用本文提供的公开内容的本领域普通技术人员将理解，本公开的示例方面可以与其他合适的热处理系统一起使用。
本公开的某些示例方面针对毫秒退火系统中晶片破损的实时或接近实时检测。半导体晶片的毫秒或超快速退火可以通过使用强烈且短暂的曝光来以可以超过每秒104度的速率加热晶片的整个顶部表面来实现。晶片表面的快速加热在晶片厚度上产生大的温度梯度，导致明显的热应力。这些应力会开始在晶片上诱发应变，使晶片发生弯曲或变形。在某些情况下，应变会导致使晶片断裂或破损的应力。
在其他情况下，在施加表面加热之后，应变可以继续良好地使晶片变形。这种持续的应变可以是由于下述的事实引起：晶片的表面被加热的时间间隔通常比晶片达到热应变可以被潜在地缓解的热平衡所需的时间间隔短得多。随后，如果不存在限制或制约晶片运动的机构，持续应变可以引起作为冲击力的应力，该冲击力导致晶片振动。这些随后的晶片振动会增加晶片断裂或破损的风险。例如，晶片振动会增加晶片撞击用于支撑晶片或限制晶片运动的结构的可能性。振动可以使晶片发生应变以便对抗由晶片中剩余的热梯度引起的应变，从而使应力增加超过单独由热应力导致的应力。
当发生晶片破损时，处理室可能被多片破损晶片污染。如果未检测到晶片破损，则随后的未处理的单个晶片或多个晶片将暴露于污染物中，导致未处理的晶片报废。
本公开的示例方面可以在施加毫秒退火加热脉冲之后开始并且在下一个晶片进入处理室之前(例如，在晶片冷却时期)结束的时间间隔中检测晶片的破损。随后在该时间间隔期间，可以向过程控制系统提供信号以防止其他的晶片进入处理室而被来自破损晶片的碎片污染和/或启动其他校正控制动作。
更具体地，可以通过检测估计的冷却模型参数和/或模型拟合误差度量的值的预定偏差来实现对损坏的晶片的检测，以及随后向过程控制系统发送信号以防止其他晶片进入处理室或其他校正控制动作。冷却模型参数和/或模型拟合误差度量的值是在晶片冷却时期从晶片的温度测量数据获得的。在一些实施方式中，晶片温度测量数据可以基于从晶片发射的热辐射的非接触测量获得。
本公开的一个示例实施方式涉及用于热处理系统(例如，毫秒退火系统)中的破损检测的过程。该过程包括访问表示用于基板的多个温度测量值的数据。在热处理期间在基板的冷却时期(例如，在施加毫秒退火脉冲之后冷却)获得多个测量值。该过程可以包括：至少部分地基于表示多个温度测量值的数据来估计与冷却模型相关联的一个或多个度量；以及至少部分地基于与冷却模型相关联的一个或多个度量来确定破损检测信号。破损检测信号可以表示在热处理期间基板是否已经破损。
在一些实施方式中，当破损检测信号表示未破损的基板时，该过程可以包括在热处理系统中处理下一个基板。在一些实施方式中，当破损检测信号表示破损的基板时，该过程可以包括在热处理系统中处理下一个基板之前执行校正动作。校正动作可以包括例如：将用于热处理的下一个基板移回到盒；打开热处理室的门；并从处理室中取出一块或多块破损基板。
在一些实施方式中，多个温度测量值可以包括与基板的顶部表面相关联的一个或多个温度测量值和/或与基板的底部表面相关联的一个或多个温度测量值。
在一些实施方式中，一个或多个度量可以包括冷却模型参数。在一些实施方式中，一个或多个度量可以包括模型拟合误差(例如，均方根误差)。在一些实施方式中，冷却模型可以基于牛顿冷却定律。在一些实施方式中，冷却模型参数可以包括牛顿冷却定律中的指数冷却常数。
在一些实施方式中，至少部分地基于与冷却模型相关联的一个或多个度量来确定破损检测信号可以包括：将一个或多个度量与预定的度量范围进行比较；以及至少部分地基于所述一个或多个度量是否落入所述预定的度量范围内来确定所述损坏检测信号。在一些实施方式中，度量的预定范围可以包括与未破损的基板相关联的度量范围。在一些实施方式中，度量的预定范围可以包括与破损的基板相关联的度量范围。
在一些实施方式中，至少部分地基于与冷却模型相关联的一个或多个度量来确定破损检测信号可以包括：将表示多个温度测量值的数据分成多个集合，每个集合与预定的时间间隔相关联；确定与每个集合的冷却模型相关联的一个或多个度量；确定与针对每个集合确定的一个或多个度量相关联的至少一个值；将该值与预定数值范围进行比较；以及至少部分地基于该至少一个值是否落入该预定数值范围内来确定所述破损检测信号。在一些实施方式中，该值至少部分地基于针对每个集合确定的一个或多个度量的平均偏差或标准偏差来确定。
本公开的另一示例实施方式涉及一种温度测量系统。温度测量系统可以包括第一温度传感器，该第一温度传感器被配置成获得与毫秒退火系统中的半导体基板的顶部表面相关联的温度测量值。该系统可以包括第二温度传感器，该第二温度传感器被配置为获得与毫秒退火系统中的半导体基板的底部表面相关联的温度测量值。该系统可以包括被配置为执行操作的至少一个处理电路。该操作可以包括：访问表示在向半导体基板施加毫秒退火脉冲之后的冷却时期从第一温度传感器和第二温度传感器获得的温度测量值的数据；至少部分地基于表示所述多个温度测量值的数据来估计与冷却模型相关联的一个或多个度量；以及至少部分地基于与冷却模型相关联的一个或多个度量来确定破损检测信号。破损检测信号可以表示在热处理期间半导体基板是否已经破损。
在一些实施方式中，第一温度传感器和第二温度传感器可以被配置成通过测量来自半导体基板的辐射来测量温度。在一些实施方式中，一个或多个度量可以包括冷却模型参数(例如，牛顿冷却定律中的指数冷却常数)或模型拟合误差。
本公开的另一个示例实施方式涉及毫秒退火系统。该系统可以包括处理室。该系统可以包括配置成支撑半导体基板的晶片平面板。晶片平面板将处理室分成顶部室和底部室。该系统可以包括被配置为向半导体基板的顶部表面提供毫秒退火脉冲的一个或多个热源。该系统可以包括第一温度传感器，该第一温度传感器被配置为获得与半导体基板的顶部表面相关联的温度测量值。该系统可以包括第二温度传感器，该第二温度传感器被配置为获得与半导体基板的底部表面相关联的温度测量值。该系统可以包括被配置为执行操作的至少一个处理电路。操作可以包括：访问表示在向半导体基板施加毫秒退火脉冲之后的冷却时期期间从第一温度传感器和第二温度传感器获得的温度测量值的数据；至少部分地基于表示所述多个温度测量值的数据来估计与冷却模型相关联的一个或多个度量；以及至少部分地基于与冷却模型相关联的一个或多个度量来确定破损检测信号。破损检测信号表示在热处理期间半导体基板是否已经破损。
示例毫秒退火系统
示例毫秒退火系统可以被配置为提供强烈且短暂的曝光以便以例如大约104℃/s的速率加热晶片的顶部表面。图1描绘了使用毫秒退火系统实现的半导体基板的示例温度分布100。如图1所示，半导体基板(例如硅晶片)的主体在斜坡阶段102期间被加热到中间温度Ti。中间温度可以在大约450℃到大约900℃的范围内。当达到中间温度Ti时，半导体基板的顶侧可以暴露于非常短而强烈的闪光，导致加热速率高达约104℃/秒。窗口110示出了在短而强烈的闪光期间半导体基板的温度分布。曲线112表示在闪光曝光期间半导体基板的顶部表面的快速加热。曲线116描绘了在闪光曝光期间半导体基板的其余部分或主体的温度。曲线114表示通过用作散热器的半导体基板的主体对半导体基板的顶部表面进行传导冷却的快速冷却。半导体基板的主体充当散热器，为基板产生高的顶侧冷却速率。曲线104表示通过热辐射和对流使半导体基板的主体缓慢冷却，其中工艺气体作为冷却剂。
示例毫秒退火系统可以包括多个弧光灯(例如四个氩弧灯)，该弧光灯作为用于半导体基板的顶部表面的强毫秒时长曝光的光源-所谓的“闪光”。可以当基板已经被加热到中间温度(例如，大约450℃到大约900℃)时将闪光施加到半导体基板。可以使用多个连续模式弧光灯(例如两个氩弧灯)来将半导体基板加热到中间温度。在一些实施方式中，半导体基板到中间温度的加热通过半导体基板的底部表面以加热晶片的整个主体的斜坡速率完成。
图2到图5描绘了根据本公开的示例实施方式的示例毫秒退火系统80的各个方面。如图2-4所示，毫秒退火系统80可以包括处理室200。处理室200可以被晶片平面板210分成顶部室202和底部室204。半导体基板60(例如，硅晶片)可以由安装到晶片支撑板214(例如，插入晶片平面板210中的石英玻璃板)的支撑销212(例如石英支撑销)支撑。
如图2和图4所示，毫秒退火系统80可以包括布置在顶部室202附近的多个弧光灯220(例如四个氩弧灯)，该弧光灯220作为用于半导体基板60的顶部表面的强毫秒时长曝光的光源-所谓的“闪光”。当基板已经被加热到中间温度(例如，约450℃到约900℃)时，可以将闪光施加到半导体基板。
位于底部室204附近的多个连续模式弧光灯240(例如，两个氩弧灯)可以用于将半导体基板60加热到中间温度。在一些实施方式中，将半导体基板60加热到中间温度是从底部室204通过半导体基板的底部表面以加热半导体基板60的整个主体的斜坡速率完成的。
如图3所示，从底部弧光灯240(例如，用于将半导体基板加热到中间温度)和从顶部弧光灯220(例如，用于通过闪光提供毫秒加热)加热半导体基板60的光，可以通过水窗260(例如水冷石英玻璃窗)进入处理室200。在一些实施方式中，水窗260可以包括两个石英玻璃板的夹层，在玻璃板之间循环约4mm厚的水层以冷却石英板，并且为例如高于约1400纳米的波长提供光学滤波器。
如在图3中进一步所示，处理室壁250可以包括用于反射加热光的反射镜270。反射镜270可以是例如水冷抛光铝面板。在一些实施方式中，毫秒退火系统中使用的弧光灯的主体可以包括用于灯辐射的反射器。例如，图5描绘了可以在毫秒退火系统200中使用的顶部灯阵列220和底部灯阵列240的立体图。如图所示，每个灯阵列220和灯阵列240的主体可以包括用于反射加热光的反射器262。这些反射器262可以形成毫秒退火系统80的处理室200的反射表面的一部分。
可以通过操纵落入半导体基板的不同区域的光密度来控制半导体基板的温度均匀性。在一些实施方式中，均匀性调谐可以通过改变小尺寸反射器到主反射器的反射等级和/或通过使用安装在晶片周围的晶片支撑平面上的边缘反射器来实现。
例如，边缘反射器可以用于将来自底部灯240的光重定向到半导体基板60的边缘。作为一个示例，图6描绘了形成晶片平面板210的一部分的示例边缘反射器264，该边缘反射器264可以用于将来自底部灯240的光引导到半导体基板60的边缘。边缘反射器264可以被安装到晶片平面板210并且可以围绕或至少部分地围绕半导体基板60。
在一些实施方式中，附加的反射器也可以安装在晶片平面板210附近的腔室壁上。图7描绘了可以安装到处理室壁的示例反射器，该示例反射器可以充当加热灯的反射镜。更具体地说，图7示出了安装到下腔室壁254的示例楔形反射器272。图7还示出了安装到上腔室壁252的反射器270上的反射元件274。半导体基板60的处理的均匀性可以通过在处理室200中改变楔反射器272和/或其他反射元件(例如，反射元件274)的反射等级来调谐。
图8-图11描绘了可以用作用于半导体基板60的顶部表面的强毫秒时长曝光(例如，“闪光”)的示例上弧光灯220的方面。例如，图8描绘了示例弧光灯220的横截面图。弧光灯220可以是例如敞流式弧光灯，其中加压氩气(或其他合适的气体)在电弧放电期间被转换成高压力等离子体。电弧放电发生在带负电的阴极222和间隔开的带正电的阳极230(例如，间隔大约300mm)之间的石英管225中。一旦阴极222和阳极230之间的电压达到氩的击穿电压(例如，约30kV)或其他合适的气体的击穿电压，就形成稳定的低电感等离子体，其发射在电磁频谱的可见光区和UV区中的光。如图9所示，灯可以包括灯反射器262，灯反射器262可以用于反射由灯提供的用于处理半导体基板60的光。
图10和图11描绘了根据本公开的示例实施方式的毫秒退火系统80中的弧光灯220的示例操作的各方面。更具体地说，等离子体226容纳在石英管225内，石英管225从内部通过水壁228进行水冷却。水壁228以高流速注入灯200的阴极端，并从阳极端排出。氩气229也是如此，氩气229也在阴极端进入灯220并从阳极端排出。形成水壁228的水垂直于灯轴线注入，使得离心作用产生水涡流。因此，沿着灯的中心线形成用于氩气229的通道。氩气柱229沿与水壁228相同的方向旋转。一旦等离子体226形成，水壁228就保护石英管225并将等离子体226限制在中心轴线上。只有水壁228和电极(阴极230和阳极222)与高能等离子体226直接接触。
图11描绘了与根据本公开的示例实施方式的弧光灯结合使用的示例电极(例如，阴极230)的横截面图。图11描绘了阴极230。然而，类似的构造可以用于阳极222。
在一些实施方式中，当电极经历高热负荷时，电极中的一个或多个电极可以各自包括尖端232。尖端可以由钨制成。尖端可以联接到水冷的铜散热器234和/或融合到水冷的铜散热器234。铜散热器234可以包括电极的内部冷却系统(例如，一个或多个水冷通道236)的至少一部分。电极还可以包括具有水冷通道236的黄铜基座235，以提供水或其他流体的循环以及电极的冷却。
在根据本公开的方面的示例毫秒退火系统中使用的弧光灯可以是用于水和氩气的敞流式系统。然而，出于保存的原因，在一些实施方式中，两种介质都可以在闭环系统中循环。
图12描绘了用于供应根据本公开的示例实施方式的毫秒退火系统中使用的敞流式氩弧灯操作所需的水和氩气的示例闭环系统300。
更特别地，高纯度水302和氩气304被供给到灯220。高纯度水302用于水壁和电极的冷却。气体/水混合物306离开灯。该水/气体混合物306在被重新供给到灯220的入口之前被分离器310分离成无气体水302和干燥的氩气304。为了产生所需的通过灯220的压降，气体/水混合物306通过水动喷射泵320泵送。
大功率电动泵330提供水压力以驱动灯220中的水壁、灯电极的冷却水和喷射泵320的动力流。喷射泵320下游的分离器310可以用来从混合物(氩气)中提取液体和气相物。氩气在再次进入灯220之前在凝聚过滤器340中进一步干燥。如果需要，可以从氩气源350供应额外的氩气。
水通过一个或多个颗粒过滤器350以去除由电弧溅射到水中的颗粒。离子污染物被离子交换树脂清除。一部分水流过混合床离子交换过滤器370。通向离子交换旁路370的入口阀372可以通过水电阻率来控制。如果水电阻率下降到下限值以下，则阀372打开，当水电阻率达到上限值时，阀372关闭。系统可以包含活性炭过滤器旁路回路380，其中可以额外过滤一部分水以去除有机污染物。为了保持水温，水可以通过热交换器390。
根据本公开的示例实施方式的毫秒退火系统可以包括独立测量半导体基板的两个表面(例如，顶部表面和底部表面)的温度的能力。图13描绘了用于毫秒退火系统200的示例温度测量系统150。
毫秒退火系统200的简化表示在图13中示出。可以通过诸如温度传感器152和温度传感器154的温度传感器独立地测量半导体基板60的两侧的温度。温度传感器152可以测量半导体基板60的顶部表面的温度。温度传感器154可以测量半导体基板60的底部表面。在一些实施方式中，可以使用具有约1400nm的测量波长的窄带高温测量传感器作为温度传感器152和/或154来测量例如半导体基板60的中心区域的温度。在一些实施方式中，温度传感器152和154可以是超快辐射计(UFR)，其具有足够高的采样率来解决由闪光加热引起的毫秒温度尖峰。
温度传感器152和154的读数可以是发射率补偿的。如图13所示，辐射率补偿方案可以包括诊断闪光灯156，参考温度传感器158以及配置成测量半导体晶片的顶部和底部表面的温度传感器152和154。诊断加热和测量可以与诊断闪光灯156一起使用(例如，测试闪光)。来自参考温度传感器158的测量可以用于温度传感器152和154的发射率补偿
在一些实施方式中，毫秒退火系统200可以包括水窗。水窗可以提供抑制温度传感器152和154的测量带中的灯辐射的光学滤波器，使得温度传感器152和154仅测量来自半导体基板的辐射。
可以将温度传感器152和154的读数提供给处理器电路160。处理器电路10可以位于毫秒退火系统200的外壳内，但是替代地，处理器电路160可以位于远离毫秒退火系统200。如果需要，本文所述的各种功能可以由单个处理器电路执行，或者通过本地和/或远程处理器电路的其他组合来执行。
在一些实施方式中，处理器电路160可以被配置为执行存储在一个或多个存储器设备中的计算机可以读指令以执行本文描述的控制例程，例如在图14和图15中示出的用于确定晶片或半导体基板破损的任何控制例程。在一些实施方式中，根据本公开的示例方面的晶片破损检测过程可以使用美国专利号7,616,872中描述的温度测量和控制系统来实现，该专利通过引用结合于此。
晶片破损检测示例
根据本公开的示例方面，可以通过检测估计的冷却模型参数的值和/或模型拟合误差度量的预定偏差来实现晶片破损检测，所述估计的冷却模型参数和/或模型拟合误差度量的值是从晶片冷却时期(例如，对应于图1的曲线104的时间段)期间的晶片温度测量数据获得的。在一些实施方式中，晶片温度测量数据可以基于从晶片发出的热辐射的非接触式测量(例如，由图13的传感器152和154获得的非接触式测量)。
在一些实施方式中，晶片破损检测过程可以通过使用在晶片冷却时期从晶片发出的热辐射来测量晶片的顶部和/或底部的温度开始(例如，对应于图1的曲线104的时间段)。晶片冷却时间段可以在施加毫秒退火加热脉冲结束之后立即开始。一旦获得，冷却温度测量数据就可以拟合到定义的冷却模型。例如，冷却模型可以基于例如牛顿冷却定律。该拟合可以包括估计模型的一个或多个参数，其提供测量的温度数据与冷却模型的最佳拟合。至少一个参数可以是例如牛顿冷却定律模型中的指数冷却常数参数(也称为传热系数)。在一些实施方式中，可以在最小平方误差方面来定义最佳拟合(例如，使用任何合适的回归分析)。
一旦建立，表示模型参数和/或模型拟合误差的数据可以用作用于检测晶片或其他半导体基板何时破损的度量。更具体地，可以使用该模型预先确定破损晶片的度量值的范围(例如，模型参数和/或模型拟合误差)。度量值的这个范围可以明显不同于与未破损的晶片相关联的度量值的范围(例如，模型参数和/或模型拟合误差)。
可以基于测量的温度数据通过确定基于测量的温度数据确定的所选择的度量的值是否落入与未破损晶片相关联的值的预定范围内来实时或近实时地检测破损的晶片。最后，在检测到损坏的晶片之后，可以向例如过程控制系统提供信号以防止更多的晶片进入处理室而被来自损坏的晶片的碎片污染或者启动其他校正控制动作。
使用来自冷却模式的度量值(例如，模型参数和/或模型拟合误差)来检测破损的晶片的优点在于，特定模型参数的值将不会对应用于晶片的热通量分布的变化非常敏感，因为该模型是基于在晶片和周围环境两者的特定且相对恒定的物理配置和整体特性下发生的物理冷却过程。
例如，牛顿冷却定律基于许多假设，例如晶片中的热传导率远大于晶片传导或对流导致的热损失率。另一个假设可以是晶片“薄型散热”，使得物体的温度在其整个体积内大致相等。另一个假设是，热损失率不取决于例如晶片和周围环境之间的温差。这些假设不取决于应用于晶片的施加热通量分布，而仅取决于晶片和环境的物理配置和整体性质。因此，对于任何特定的模型，充分满足假设的条件将允许模型提供准确的预测。特别是当晶片没有破损时，除了在冷却间隔中与周围环境气体的绝对温度不太相关的进入环境气体的热传递速率，例如前面针对牛顿冷却定律所述的这些假设可以获得充分满足。
由于破损的晶片不能满足所有这些假设，假定冷却模型可以取决于在晶片和周围环境两者的特定且相对恒定的物理配置和/或整体性质下发生的冷却的物理过程，检测晶片破损可能更可靠。例如，当晶片破损时，或者分成许多小块或者分成两块大块时，与未破损晶片的物理构型相比，晶片将处于不同的物理构型。因此，例如，破损晶片的牛顿冷却定律中的指数冷却常数将不同于未破损晶片的指数冷却常数。
另外，就破损的晶片碎片的数量、破损的晶片碎片的数的移动和/或晶片碎片停留在其最终位置的时间间隔而言，晶片破损事件可以是随机事件。试图将冷却模型拟合到晶片破损时获得的温度数据违反了模型的所有假设，导致模型拟合不精确地遵循测量的温度数据。使用各种误差测量来评估模型遵循数据的准确度，例如均方误差的根。当来自未破损的晶片的温度数据包括整个冷却间隔时，该误差度量可以小于大约三度，包括整个冷却间隔。这种残留误差是由于传热系数对晶片周围气体温度的弱依赖性。
在晶片破损的情况下，误差测量通常远大于三度，特别是如果破损晶片碎片的运动继续超过用于获得在模型拟合中使用的温度数据的测量间隔的大部分，例如10％或更多。例如，在小于用于获得模型拟合的温度数据的测量间隔的1％的间隔中，破损基板的运动非常突然地停止的情况下，误差测量也可以小于约三度。但是，模型参数的值，例如牛顿冷却定律中的指数冷却常数参数，将与晶片未破损时获得的值显着不同。因此，使用所选择的模型参数的值例如牛顿冷却定律中的指数冷却常数和拟合误差度量，增加了正确检测破损的晶片的可以靠性。
图14描绘了根据本公开的示例实施方式的用于毫秒退火系统中的晶片破损检测的一个示例过程(400)的流程图。例如，可以使用本文所述的毫秒退火系统200和温度测量系统150来实施过程(400)。图14示出了出于说明和讨论的目的以特定顺序执行的步骤。使用本文提供的公开内容的本领域的普通技术人员将理解，在不偏离本公开的范围的情况下，可以以各种方式对本文公开的任何方法的各个步骤进行调整、修改、扩展、省略和/或重新排列。
如图所示，过程(400)可以包括在(402)处将第一晶片装载到处理室中。例如，半导体基板60可以被装载到毫秒退火系统200中。在(402)，该方法可以包括将热通量分布应用于晶片(例如，闪光)和/或开始获得顶部表面的温度测量值TT(tn)并且获得晶片的底部表面的温度测量值TB(tn)，其中测量值的n个离散时间点由tn表示。
如(406)所示，过程(400)然后可以在过程控制系统表示完成了热通量分布的应用之后的预定时间(例如，50毫秒)开始存储温度测量数据。如(408)所示，当过程控制系统表示晶片温度TT(tn)和晶片温度TB(tn)低于晶片可以被移除的温度时，该过程可以停止存储温度测量数据。
过程(400)然后可以包括使用存储的温度数据来估计冷却模型参数值和/或模型拟合误差度量(例如，均方根误差)的两个集合(410)。一个集合可以基于顶部表面的温度测量值TT(tn)。另一个集合可以基于底部表面的温度测量值TB(tn)。冷却模型参数值可以包括例如牛顿冷却定律中的指数冷却常数。
过程(400)然后可以确定所选择的估计模型参数是否在与未破损的晶片(412)相关联的可接受范围内。如果是，则控制系统可以提供表示晶片未破损的信号(414)。如果估计的模型参数不在可以接受的范围内，则控制系统可以提供表示晶片破损的信号(416)。该过程然后可以包括执行校正动作(418)，诸如向过程控制系统发送信号以防止下一个晶片被装载到腔室中，直到从腔室中移除一片或多片破损晶片。
如图14所示，该过程(400)可以继续，直到在(420)确定最后的晶片被处理，在该点该过程结束。如果最后的晶片尚未被处理，则过程(400)可以包括处理下一个晶片(422)。
图15描绘了用于根据本公开的示例实施方式的毫秒退火系统中的晶片破损检测的一个示例过程(500)的流程图。过程(500)可以例如使用本文描述的毫秒退火系统200和温度测量系统150来实现。图15示出了出于说明和讨论的目的以特定顺序执行的步骤。使用本文提供的公开内容的本领域的普通技术人员将理解，在不偏离本公开的范围的情况下，可以以各种方式对本文公开的任何方法的各个步骤进行调整、修改、扩展、省略和/或重新排列。
如图所示，过程(500)可以包括在(502)处将第一晶片加载到处理室中。例如，半导体基板60可以被加载到毫秒退火系统200中。在(502)，该方法可以包括将热通量分布应用于晶片和/或开始获得晶片的顶部表面的温度测量值TT(tn)并且获得晶片的底部表面的温度测量值TB(tn)。
过程(500)然后可以在过程控制系统表示完成了热热通量分布图的应用之后的预定时间(例如，50毫秒)开始存储温度测量数据，如(506)所示。如(508)所示，当过程控制系统表示晶片温度TT(tn)和晶片温度TB(tn)低于晶片可以被移除的温度时，该过程可以停止存储温度测量数据。
过程(500)可以包括将测量数据分成跨越N个预定时间间隔的集合。对于每个时间间隔，估计(510)冷却模型参数值和/或模型拟合误差度量(例如，均方根误差)的两个集合。一个集合可以基于顶部表面的温度测量值TT(tn)。另一个集合可以基于底部表面的温度测量值TB(tn)。冷却模型参数值可以包括例如牛顿冷却定律中的指数冷却常数。
过程(500)然后可以确定跨越时间间隔的所有选择的估计模型参数的平均偏差值和/或标准偏差值是否在与未破损的晶片相关联的可接受范围内(512)。如果是这样，则控制系统可以提供表示晶片未破损的信号(514)。如果估计的模型参数不在可接受范围内，则控制系统可以提供表示晶片破损的信号(516)。该过程然后可以包括执行校正动作(518)，诸如向过程控制系统发送信号以防止下一个晶片被装载到腔室中并且从腔室中修补破损的晶片。
如图15所示，该过程(500)可以继续，直到在(420)确定最后的晶片被处理，在该点过程结束。如果最后的晶片尚未被处理，则过程(500)可以包括处理下一个晶片(522)。
用于根据本公开的示例实施方式的晶片破损检测的示例过程的优点在于其可以使用在毫秒退火系统中提供的温度测量和控制系统来实现，而无需额外的硬件或硬件修改。例如，根据本公开的示例方面的晶片破损检测过程可以使用基于从晶片的中心区域发出的热辐射的晶片的顶部和底部的现有测量值。可以使用对软件实现的控制算法的添加和/或修改来处理测量值。
尽管已经关于本发明的具体示例实施方式详细描述了本主题，但是应该理解，本领域技术人员在获得对前述内容的理解的基础上可以容易地提出对这样的实施方式的替换、改变和等同物。因此，本公开的范围仅作为示例而非限制，并且本主题公开不排除包含对本主题的这些修改、变化和/或添加，这对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。

Claims (20)

1.一种用于热处理系统中的破损检测的方法，包括：
访问表示用于基板的多个温度测量值的数据，在热处理期间在对于所述基板的冷却时期期间获得所述多个测量值；
至少部分地基于表示所述多个温度测量值的数据来估计与冷却模型相关联的一个或多个度量；以及
至少部分地基于与所述冷却模型相关联的所述一个或多个度量来确定破损检测信号，所述破损检测信号表示所述基板在热处理期间是否已经破损。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述破损检测信号表示未破损的基板时，所述方法包括处理所述热处理系统中的下一个基板。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述破损检测信号表示破损的基板时，所述方法包括在所述热处理系统中处理下一个基板之前执行校正动作。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述校正动作包括：
将用于热处理的下一个基板移回到盒；
打开热处理室的门；以及
从所述处理室中取出一块或多块破损基板。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个温度测量值包括与所述基板的顶部表面相关联的一个或多个温度测量值和与所述基板的底部表面相关联的一个或多个温度测量值。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个度量包括冷却模型参数。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个度量包括模型拟合误差。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述冷却模型至少部分地基于牛顿冷却定律。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述一个或多个度量包括冷却模型参数，所述冷却模型参数包括牛顿冷却定律中的指数冷却常数。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述模型拟合误差包括均方根误差。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，至少部分地基于与所述冷却模型相关联的所述一个或多个度量来确定破损检测信号包括：
将所述一个或多个度量与预定的度量范围进行比较；
至少部分地基于所述一个或多个度量是否落入所述预定的度量范围内来确定所述破损检测信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述预定的度量范围包括与未破损的基板相关联的度量范围。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述预定的度量范围包括与破损的基板相关联的度量范围。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，至少部分地基于与所述冷却模型相关联的所述一个或多个度量来确定破损检测信号包括：
将表示多个温度测量值的数据分成多个集合，每个集合与预定时间间隔相关联；
确定与用于每个集合的所述冷却模型相关联的一个或多个度量；
确定与针对每个集合确定的所述一个或多个度量相关联的至少一个值；
将所述值与预定数值范围进行比较；
至少部分地基于所述至少一个值是否落入所述预定数值范围内来确定所述破损检测信号。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，至少部分地基于针对每个集合确定的所述一个或多个度量的平均偏差或标准偏差来确定所述值。
16.一种用于毫秒退火系统的温度测量系统，所述温度测量系统包括：
第一温度传感器，所述第一温度传感器被配置为获得与毫秒退火系统中的半导体基板的顶部表面相关联的温度测量值；
第二温度传感器，所述第二温度传感器被配置为获得与毫秒退火系统中的半导体基板的底部表面相关联的温度测量值；
至少一个处理电路，被配置为执行操作，所述操作包括：
访问表示在向所述半导体基板施加毫秒退火脉冲之后的冷却时期期间从所述第一温度传感器和所述第二温度传感器获得的温度测量值的数据；
至少部分地基于表示所述多个温度测量值的数据来估计与冷却模型相关联的一个或多个度量；以及
至少部分地基于与所述冷却模型相关联的所述一个或多个度量来确定破损检测信号，所述破损检测信号表示所述半导体基板在热处理期间是否已经破损。
17.根据权利要求16所述的温度测量系统，其中，所述第一温度传感器和所述第二温度传感器被配置成通过测量来自所述半导体基板的辐射来测量温度。
18.根据权利要求16所述的温度测量系统，其中，所述一个或多个度量包括冷却模型参数或模型拟合误差。
19.根据权利要求18所述的温度测量系统，其中，所述冷却模型参数包括牛顿冷却定律中的指数冷却常数。
20.一种毫秒退火系统，包括：
处理室；
晶片平面板，所述晶片平面板被配置为支撑半导体基板，所述晶片平面板将所述处理室分为顶部室和底部室；
一个或多个热源，所述一个或多个热源被配置为向所述半导体基板的顶部表面提供毫秒退火脉冲；
第一温度传感器，所述第一温度传感器被配置为获得与所述半导体基板的所述顶部表面相关联的温度测量值；
第二温度传感器，所述第二温度传感器被配置为获得与所述半导体基板的所述底部表面相关联的温度测量值；
至少一个处理电路，被配置为执行操作，所述操作包括：
在施加所述毫秒退火脉冲到所述半导体基板之后的冷却时期期间访问表示从所述第一温度传感器和所述第二温度传感器获得的温度测量值的数据；
至少部分地基于表示所述多个温度测量值的数据来估计与冷却模型相关联的一个或多个度量；以及
至少部分地基于与所述冷却模型相关联的所述一个或多个度量来确定破损检测信号，所述破损检测信号表示所述半导体基板在热处理期间是否已经破损。
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