CN115461850A - 热处理系统中的工件的基于发射的温度测量 - Google Patents

热处理系统中的工件的基于发射的温度测量 Download PDF

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Abstract

一种用于执行热处理的热处理系统，可以包括被配置为支撑工件的工件支撑板和被配置为加热工件的热源。热处理系统可包括具有透过区域和不透过区域的窗口，透过区域对在测量波长范围内的电磁辐射是透过的，不透过区域对在测量波长范围的一部分内的电磁辐射是不透过的。温度测量系统可包括多个红外发射器和多个红外传感器，多个红外发射器被配置为发射红外辐射，多个红外传感器被配置为测量在测量波长范围内的红外辐射，其中透过区域至少部分地在红外传感器的视场内。控制器可被配置为执行操作，操作包括：获得与工件相关联的透射测量和反射测量，并根据测量，确定工件的温度，工件的温度低于约600℃。

Description

热处理系统中的工件的基于发射的温度测量
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年2月28日提交的名称为“热处理系统中的工件的基于发射的温度测量”的第62/983,064号美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及热处理系统，例如可操作以执行工件的热处理的热处理系统。
背景技术
如本文所用的热处理腔室是指加热工件，诸如半导体工件(例如，半导体工件)的设备。这种设备可以包括用于支撑一个或多个工件的支撑板和用于加热工件的能量源，诸如加热灯、激光器或其它热源。在热处理期间，可根据加工机制在受控条件下加热工件。
许多热处理工艺需要在一定温度范围内加热工件，以便在将工件制造成设备时可以发生各种化学和物理转变。例如，在快速热处理期间，工件可以通过支撑板被灯阵列加热到约300℃至约1200℃的温度，持续时间通常不到几分钟。在这些工艺中，主要目标可以是可靠和准确地测量工件的温度。
发明内容
本公开实施例的方面和优点将在以下描述中进行部分阐述，或者可以从描述中得知，或者可以通过实施例的实践而得知。
本公开的一个示例方面涉及一种用于对半导体工件进行热处理的热处理系统。热处理系统可以包括被配置为支撑工件的工件支撑板。热处理系统可以包括被配置为加热工件的一个或多个热源。热处理系统可以包括设置在工件支撑板与一个或多个热源之间的一个或多个窗口。一个或多个窗口可以包括一个或多个透过区域和一个或多个不透过区域，一个或多个透过区域对在测量波长范围内的电磁辐射的至少一部分是透过的，一个或多个不透过区域对在测量波长范围的该部分内的电磁辐射是不透过的。
参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解各实施例的这些和其它特征、方面和优点。并入本说明书并构成本说明书一部分的附图示出了本公开的实施例，并与描述一起用于解释相关原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的实施例的详细讨论，其中：
图1描绘了根据本公开的示例方面的示例热处理系统；
图2描绘了根据本公开的示例方面的被配置为测量工件的发射率的示例热处理系统；
图3描绘了根据本公开的示例方面的被配置为测量工件的温度的示例热处理系统；
图4描绘了根据本公开的示例方面的示例温度测量系统；
图5A描绘了根据本公开的示例方面的示例不透过区域材料的透射绘图；
图5B描绘了根据本公开的示例方面的示例透过区域材料的透射绘图；
图6A描绘了根据本公开的示例方面的示例工件类型的透射绘图；
图6B描绘了根据本公开的示例方面的示例归一化工件透射的透射绘图；
图7描绘了根据本公开的示例方面的在热处理系统中用于工件的温度测量的方法；和
图8描绘了根据本公开的示例方面的在热处理系统中用于校准传感器的参考强度的方法。
具体实施方式
现在将详细地参考实施例，该实施例的一个或多个示例如附图所示。每个示例都是为了解释实施例而提供的，而非对本公开的限制。事实上，对于本领域普通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，可以对实施例进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一实施例一起使用，以产生又一实施例。因此，本公开的各个方面旨在涵盖这样的修改和变化。
本公开的示例方面涉及热处理系统，诸如，用于工件(诸如，半导体工件，例如，硅工件)的快速热处理(Rapid Thermal Processing，RTP)系统。特别地，本公开的示例方面涉及获得温度测量，该温度测量指示在热处理系统内的工件的至少一部分的温度。例如，当对工件进行热处理时，温度测量可用于监测工件的温度。
本公开的示例方面可以特别有益于在工件温度下获得温度测量，在该工件温度下，工件基本上是透过的和/或不发射显著的黑体辐射。在某些情况下，通过常规方法很难在这些温度附近测量工件的温度。特别地，一些工件，诸如非金属化工件(例如，轻掺杂硅工件)，可能难以通过常规方法测量低于约600℃的温度。例如，工件对于许多波长可以是基本透过的，这些波长通常用于在低于约600℃的温度下进行透射测量。此外，工件可能由于太冷而无法发射在常规波长的实际可测量的黑体辐射。
因此，本公开的示例方面可以允许在低温下，诸如低于约600℃，诸如从约400℃到600℃，对工件进行准确的基于透射和发射率补偿的温度测量。此外，用于获得低于约600℃的工件温度的基于透射的温度测量的传感器可以复用和/或也可以用于工件温度的基于发射的工件温度测量，在该工件温度，诸如高于约600℃，工件基本是不透过的和/或发射显著的黑体辐射。此外，可以选择测量波长和/或其它工艺方面，包括某些测量的相位锁定，以最小化热处理系统的各种功能之间的干扰。这可允许根据本公开的示例方面的系统和方法与常规系统和方法相比，测量更大范围(诸如包括低于约600℃的温度的更大范围)内的温度。此外，这可允许系统和方法从温度(在该温度下，工件不发射实际可测量的黑体辐射，例如，低于约600℃)的基于透射的温度测量平稳地过渡到温度(在该温度下，工件发射可测量辐射，例如，高于约600℃)的基于发射的温度测量，而无需附加传感器和/或重新配置传感器，是因为，例如，一旦工件不再是至少部分透过的，用于基于透射的温度测量的相同传感器可以用于基于发射的温度测量。
根据本公开的示例方面，热处理系统，诸如快速热处理系统，可以包括被配置为支撑工件的工件支撑板。例如，工件可以是热处理系统待处理的工件，诸如基底。工件可以是或包括任何合适的工件，诸如半导体工件，诸如硅工件。在一些实施例中，工件可以是或包括轻掺杂硅工件。例如，轻掺杂硅工件可以被掺杂，使得硅工件的电阻率大于约0.1Ωcm，诸如大于约1Ωcm。
工件支撑板可以是或可以包括任何合适的支撑结构，支撑结构被配置为支撑工件，例如被配置为支撑在热处理系统的热处理腔室中的工件。在一些实施例中，工件支撑板可以被配置为支撑多个工件，以通过热处理系统进行同时热处理。在一些实施例中，工件支撑板可以是或包括旋转工件支撑件，旋转工件支撑件被配置为当旋转工件支撑板支撑工件时旋转工件。在一些实施例中，工件支撑板可以是透过的，和/或除此之外，被配置为允许至少一些电磁辐射至少部分地穿过工件支撑板。例如，在一些实施例中，可以选择工件支撑板的材料以允许期望的电磁辐射穿过工件支撑板，例如由工件和/或发射器发射和/或由热处理系统中的传感器测量的电磁辐射。
在一些实施例中，工件支撑板可以是或包括石英材料。
根据本公开的示例方面，热处理系统可以包括被配置为加热工件的一个或多个热源(例如，加热灯)。例如，一个或多个加热灯可以发射电磁辐射(例如，宽带电磁辐射)以加热工件。在一些实施例中，一个或多个加热灯可以是或包括，例如，弧光灯、卤钨灯，和/或任何其它合适的加热灯，和/或它们的组合。在一些实施例中，定向元件，例如反射器(例如镜子)，可以被配置为将来自一个或多个加热灯的电磁辐射定向到工件和/或工件支撑板。
根据本公开的示例方面，热处理系统可以包括温度测量系统，温度测量系统被配置为测量在热处理系统中的工件的温度。例如，温度测量系统可以包括多个辐射传感器(例如，红外传感器)，多个辐射传感器被配置为测量在热处理系统中(例如，在热处理腔室中)的各个点的电磁辐射。附加地和/或可选地，温度测量系统可以包括多个辐射发射器(例如，红外发射器)，多个辐射发射器被配置为将电磁辐射发射到热处理系统(例如，热处理腔室)中，该电磁辐射穿过在热处理系统中的各种组件，例如工件、腔室窗口、工件支撑板，和/或其它合适的组件。基于由发射器发射和/或由传感器测量的辐射，如下面更具体地讨论的，温度测量系统可以确定(例如，估计)工件的温度。例如，作为基于透射的温度测量的一个示例，可以将确定的工件的一部分的透射与透射曲线(诸如归一化透射曲线)进行比较，以确定工件的该部分的温度。作为基于发射的温度测量的一个示例，可以基于工件发射的辐射Iwafer，根据以下等式确定工件的温度T：
Figure BDA0003856796240000051
根据本公开的示例方面，热处理系统(例如，温度测量系统)可以包括多个红外发射器。红外发射器可以被配置为发射在一个或多个红外波长(例如，从约700纳米至约1毫米的波长)的电磁辐射。例如，红外发射器可以发射至少部分地定向到工件的红外辐射。定向到工件的红外辐射的至少一部分可以透射通过工件。此外，定向到工件的红外辐射的至少一部分可以被工件反射。在一些实施例中，红外发射器可以定位在工件处理腔室的外部。例如，定位在工件处理腔室外部的红外发射器可以发射辐射，使得辐射在穿过工件之前首先穿过腔室侧壁(例如，腔室窗口)。在一些实施例中，红外发射器可以与加热元件(例如，加热灯)的阵列成直线设置。附加地和/或可选地，红外发射器可以设置得比加热灯更靠近和/或更远离工件。
根据本公开的示例方面，热处理系统可以包括多个红外传感器。红外传感器可以被配置为获得入射到红外传感器上的电磁辐射(诸如具有红外波长的电磁辐射)的测量。在一些实施例中，红外传感器可以是或包括高温计。在一些实施例中，高温计可以是或包括双头高温计，双头高温计包括被配置为测量红外辐射的第一波长的第一头和被配置为测量红外线辐射的第二波长的第二头。在一些实施例中，第一波长和/或第二波长可以在测量波长范围内。在一些实施例中，第一波长可以是约2.3微米和/或第二波长可以是约2.7微米。
根据本公开的示例方面，一个或多个窗口(例如，腔室窗口)可以设置在工件和/或工件支撑板与一个或多个加热灯之间。一个或多个腔室窗口可以被配置为选择性地阻挡由一个或多个加热灯发射的电磁辐射(例如，宽带辐射)的至少一部分进入热处理腔室的一部分(例如，阻挡入射到工件和/或工件支撑板和/或一个或多个传感器上)。例如，一个或多个腔室窗口可以包括一个或多个不透过区域和/或一个或多个透过区域。如本文所用，“不透过”指对于给定波长通常具有小于约0.4(40％)的透射，“透过”指对于给定波长通常具有大于约0.4(40％)透射。
可以定位一个或多个不透过区域和/或一个或多个透过区域，使得不透过区域阻挡来自加热灯的一些波长的杂散辐射，并且透过区域允许例如发射器和传感器，在被不透过区域阻挡的波长，自由地与在热处理腔室中的辐射相互作用。这样，窗口可以有效地屏蔽发射器和传感器免受加热灯的污染，同时仍然允许加热灯加热工件。可以大体上限定一个或多个不透过区域和一个或多个透过区域分别为对于特定波长是不透过的和透过的；即，至少对于在特定波长的电磁辐射，不透过区域是不透过的，透过区域是透过的。例如，在一些实施例中，透过区域可以对在测量波长范围内的电磁辐射的至少一部分是透过的。在一些实施例中，不透过区域可以对在测量范围内的电磁辐射的至少一部分是不透过的。测量范围可以是或包括这样的波长，热处理系统中的至少一个传感器测量该波长的电磁辐射的强度。
一个或多个腔室窗口，包括一个或多个不透过区域和/或一个或多个透过区域，可以由任何合适的材料和/或结构形成。在一些实施例中，一个或多个腔室窗口可以是或包括石英材料。此外，在一些实施例中，一个或多个不透过区域可以是或包括含羟基(hydroxyl，OH)石英，例如掺羟基石英(例如，掺杂有羟基的石英)，和/或一个或多个透过区域可以是或包括无羟基石英(例如，未掺杂羟基的石英)。掺羟基石英和无羟基石英的优点可以包括易于制造。例如，在单片石英窗口的羟基掺杂期间，可以屏蔽无羟基石英区域，以在单片窗口中产生掺羟基区域(例如，不透过区域)和无羟基区域(例如，透过区域)。此外，根据本公开，掺羟基石英可以表现出期望的波长阻挡特性。例如，掺羟基石英可以阻挡具有约2.7微米的波长的辐射，其可以与在热处理系统中的一些传感器工作的测量波长对应，而无羟基石英可以对具有约2.7微米的波长的辐射是透过的。因此，掺羟基石英区域可以屏蔽传感器免受热处理系统中的杂散辐射(例如来自加热灯)，并且无羟基石英区域可以至少部分地设置在传感器的视场(例如，传感器被配置为测量红外辐射的区域)内，以允许传感器获得在热处理系统内的测量。此外，掺羟基石英对于具有约2.3微米波长的辐射可以是部分不透过的(例如，具有约0.6或60％的透射)，这可以至少部分地减少来自在热处理系统中的(例如，来自加热灯)杂散辐射的污染。
由红外发射器发射和/或由红外传感器测量的红外辐射可以具有一个或多个相关联的波长。例如，在一些实施例中，红外发射器可以是或包括窄带红外发射器，窄带红外发射器发射辐射使得发射的辐射的波长范围在数值的容差内(例如在数值的10％内)，在这种情况下，参照上述数值使用发射器。在一些实施例中，这可以通过发射宽带光谱(例如普朗克光谱)的宽带发射器和光学滤波器(诸如光学陷波滤波器)的组合来实现，光学滤波器被配置为仅通过在宽带光谱内的窄带。类似地，红外传感器可以被配置为测量在数值处(例如，在其容差内)的红外窄带红外辐射的强度。例如，在一些实施例中，红外传感器(诸如高温计)可以包括被配置为测量(例如，选择测量)特定的窄带波长的一个或多个头。
在一些实施例中，由红外发射器发射和/或由红外传感器测量的红外辐射可以在测量波长范围内，该测量波长范围可以是或包括连续范围和/或非连续范围。可以基于工件和/或工件处理系统的特性来选择测量波长范围。例如，测量波长范围可以包括这样的波长，工件和/或在一个或多个腔室窗口中的透过区域至少在低于约600℃的温度下对于该波长是透过的。附加地和/或可选地，测量波长范围可以包括这样的波长，在一个或多个腔室窗口中的不透过区域至少在低于约600℃的温度下，对于该波长是不透过的。以这种方式，发射器可以发射辐射，该辐射基本上透射通过透过区域并且在入射到传感器上之前至少部分地被不透过区域保护，免受加热灯污染。尽管在一些实施例中可能希望消除在测量波长范围内的加热灯造成的污染，但测量波长范围仍然可以包括具有来自加热灯的污染的波长(例如，可以至少部分地穿过不透过区域的波长)。附加地和/或可选地，测量波长范围可以包括这样的波长，工件至少在高于约600℃的温度下，在该波长上发射显着的(例如，可测量的)黑体辐射。在一些实施例中，测量波长范围可以包括约2.3微米和/或约2.7微米。例如，在一些实施例中，一个或多个红外传感器可以被配置为测量在传感器的视场中的在约2.3微米处的红外辐射的强度。类似地，一个或多个红外传感器可以被配置为测量在传感器的视场中的在约2.7微米处的红外辐射的强度。
在一些实施例中，温度测量系统可以包括发射率测量系统，发射率测量系统被配置为测量(例如，估计)工件的发射率。作为测量工件的发射率的一个示例，发射率测量系统可以包括红外发射器，红外发射器被配置为发射定向到工件的红外辐射。在一些实施例中，红外发射器可以发射红外辐射，该红外辐射以斜角定向到工件的表面(例如，以与工件的表面成小于90度的角度)。以这种方式，发射的辐射的透射部分可以透射通过工件，并且发射的辐射的反射部分可以被工件的表面反射。可以基于工件的特性预测和/或知道反射部分的反射角。可以定位红外传感器以测量透射部分和/或反射部分。发射率测量系统，可以至少部分地基于第一部分和/或第二部分，确定工件的发射率。在一些实施例中，发射率测量系统，例如发射器和/或传感器，可以工作在测量波长范围的第一波长。例如，第一波长可以是这样的波长，腔室窗口的透过区域在该波长处是透过的和/或不透过区域在该波长处是不透过的。在一些实施例中，第一波长可以是或包括约2.7微米。
附加地和/或可选地，热处理系统(例如，温度测量系统)可以包括透射测量系统。透射测量系统可以被配置为获得工件的一个或多个透射测量。例如，在一些实施例中，透射测量系统可以获得工件的中心部分的中心透射测量(例如，通过中心传感器，例如中心高温计)和工件的边缘部分的边缘透射测量(例如，通过边缘传感器，例如边缘高温计)。在一些实施例中，透射测量系统可以包括一个或多个红外发射器，一个或多个红外发射器被配置为发射垂直地定向到工件的表面的红外辐射。此外，透射测量系统可以包括一个或多个红外传感器，一个或多个红外传感器与一个或多个红外发射器相对设置，并被配置为测量由一个或多个红外发射器发射并穿过工件的红外辐射的一部分。
可以基于工件的透射确定工件的温度。然而，工件的透射并不是仅与温度相关。例如，工件特性，诸如体掺杂水平、工件表面的反射特性和工件厚度都会影响透射。因此，在一些实施例中，温度测量系统可以确定与工件温度相关的归一化透射测量。例如，无论工件特性如何，归一化透射测量的范围可以从0到1。
附加地和/或可选地，用于确定工件的透射的传感器测量可能受到腔室中的其它组件(诸如，例如工件支撑板、腔室窗口和/或任何其它组件)的影响，并且尤其是必须通过发射器发射的并由传感器测量的红外辐射的组件。根据本公开的示例方面，热处理系统(例如，温度测量系统)可以为热处理系统中的一个或多个传感器中的每一个确定参考强度，在本文中表示为I0。当工件不存在于处理腔室中时，参考强度可以与由发射器发射和/或入射到传感器上的辐射对应。换言之，仅能通过在热处理系统中的工件以外的组件的贡献，从发射器发射的辐射的强度中减小参考强度。这还可以与工件100％透射的情况对应。在一些实施例中，可以在将工件插入处理腔室之前测量参考强度，例如在两个工件的热处理之间。
在一些实施例中，透射测量系统可以在与发射率测量系统工作在相同波长(例如，第一波长)。附加地和/或可选地，透射测量系统可以工作在不同于第一波长的第二波长。例如，在一些实施例中，第二波长可以是这样的波长，腔室窗口的一个或多个不透过区域，虽然对于第一波长是不透过的但对于第二波长不是不透过的，使得在第一波长的辐射被不透过区域阻挡，并且至少部分地允许在第二波长的辐射通过不透过区域。例如，不透过区域在第二波长处的透射可以大于在第一波长处的透射。在一些实施例中，第二波长可以是2.3微米。
在某些情况下，不完全被腔室窗口屏蔽的透射测量系统可能期望和/或有必要使用第二波长。例如，空间考虑、干扰考虑和/或其它因素可能导致在第一波长的热处理系统不是期望的。作为一个示例，尽管发射率测量系统可以包括用于确定发射率的透射测量，其可以与工件的温度相关，但有时可能期望获得在工件的多个区域的温度测量。例如，获得在多个区域(诸如中心部分和/或边缘部分)的温度测量，可以允许改进对工艺均匀性的监控。然而，可能需要附加传感器来获得多个区域的温度测量。此外，透射测量可能需要将发射器与附加传感器相对放置，在某些情况下，可能还需要将透过区域设置在发射器的视场内，以使透射测量在第一波长起作用。然而，在一些实施例中，这些附加传感器可以除了用于透射测量之外，还用于根据本公开的示例方面的发射测量。在某些情况下，这些透过区域可能会在附加传感器的测量中，导致来自加热灯的污染，尤其是在传感器用于发射测量的情况下。因此，尽管解决该问题的一种方法是为腔室配置额外的透过区域，也可以采用其它解决方案，包括下面更详细地讨论的发射和/或传感器测量的相位锁定。
在一些实施例中，可以相位锁定多个红外发射器和/或多个红外传感器。例如，在一些实施例中，由一个或多个发射器发射的辐射可以以脉冲频率发生脉冲。可以选择脉冲频率为或包括具有很少或不具有在热处理系统中的辐射分量的频率。例如，在一些实施例中，脉冲频率可以是大约130Hz。在一些实施例中，130Hz的脉冲频率可以是特别有利的，由于加热灯可以基本上不发射具有130Hz频率的辐射。作为使一个或多个发射器发生脉冲的一个示例，具有一个或多个狭缝的斩波轮可以在一个或多个发射器的视场中旋转，使得来自一个或多个发射器的连续的辐射流以脉冲频率被间歇地允许通过斩波轮。因此，可以通过斩波轮的旋转将连续的辐射流转换为在脉冲频率下的脉冲辐射流。
附加地和/或可选地，可以基于脉冲频率相位锁定一个或多个传感器。例如，透射测量系统可以被配置为基于脉冲频率将测量与传感器相隔离。作为一个示例，透射测量系统可以将在脉冲频率下的测量与不在脉冲频率下的测量进行比较，诸如通过减去在脉冲频率下进行的测量之前紧邻的测量，以将来自在脉冲频率的分量的信号贡献与干扰分量隔离。换言之，未被相位锁定到脉冲频率的传感器测量(例如，以与脉冲频率相同或更高的频率获得和/或通过与相位锁定测量异相获得)可以仅指示在腔室中的杂散辐射，和/或被相位锁定到脉冲频率的传感器测量，可以指示杂散辐射和来自发射器的发射辐射的总和。因此，可以通过从未被相位锁定的测量中减去已知量的杂散辐射来分离发射辐射。作为一个示例，如果脉冲频率为130Hz，则传感器可以获得在260Hz或更高的测量，使得一个或多个杂散强度测量与每个相位锁定测量相关联。这样，透射测量系统可以在传感器测量中减少来自杂散辐射(例如，杂散光)的干扰。
根据本公开的示例方面的系统和方法可以提供与工件的热处理相关的多个技术效果和益处。作为一个示例，根据本公开的示例方面的系统和方法可以提供在工件温度的精确温度测量，在该工件温度工件基本上是透过的和/或不发射显著的黑体辐射。例如，根据本公开的示例方面的系统和方法可以允许在约600℃以下进行精确的温度测量，而不管工件成分如何。
本公开的另一技术效果可以是改进温度测量范围。例如，根据本公开的示例方面的系统可以允许对低温下的(诸如低于约600℃，诸如从约400℃到600℃)工件进行精确的基于透射和发射率补偿的温度测量。此外，用于获得低于约600℃的工件温度的基于透射的温度测量的传感器，可以复用和/或也用于工件温度的工件的基于发射的温度测量，在该工件温度工件基本上是不透过的和/或发射显著的黑体辐射，诸如高于约600℃。此外，可以选择测量波长和/或其它工艺方面，包括某些测量的相位锁定，以最小化热处理系统的各种功能之间的干扰。这可允许根据本公开的示例方面的系统和方法，与常规系统和方法相比，在更大的范围内测量温度，诸如更大的范围包括低于约600℃的温度。此外，这可以允许系统和方法从温度(在该温度下，工件不发射实际可测量的黑体辐射，例如，低于约600℃)的基于透射的温度测量平稳地过渡到温度(在该温度下，工件发射可测量辐射，例如高于约600℃)的基于发射的温度测量，而无需附加传感器和/或重新配置传感器，是因为，例如，一旦工件不再是至少部分透过的，用于基于透射的温度测量的相同传感器可以用于基于发射的温度测量。
可以对本公开的这些示例实施例进行变化和修改。如在说明书中使用的单数形式“一”、“和”和“该”包括复数指代，除非上下文另有明确规定。“第一”、“第二”、“第三”等的使用被用作标识符，并不一定表示任何顺序，暗示或其它。出于说明和讨论的目的，可以参考“基底”、“工件”或“加工件”来讨论示例方面。使用本文提供的公开的本领域普通技术人员应理解，本公开的示例方面可以用于任何合适的工件。与数值结合使用的术语“约”是指在规定数值的20％以内。
现在将参考附图，详细讨论本公开的示例实施例。如图1描绘了根据本公开的示例实施例的示例快速热处理(Rapid Thermal Processing，RTP)系统100。如图所示，RTP系统100包括RTP腔室105，RTP腔室105包括顶部101和底部102，窗口106、108，工件110，工件支撑板120，热源130、140(例如加热灯)，红外发射器150、152、154，传感器165、166、167、168(例如，高温计，例如双头高温计)，控制器175，侧壁/门180和气流控制器185。
工件支撑板120将待处理工件110支撑在RTP腔室105(例如，石英RTP腔室)中。工件支撑板120可以是工件支撑件，工件支撑件可操作以在热处理期间支撑工件110。工件110可以是或包括任何合适的工件，诸如半导体工件，诸如硅工件。在一些实施例中，工件110可以是或包括轻掺杂硅工件，例如，轻掺杂硅工件可以被掺杂，使得硅工件的电阻率大于约0.1Ωcm，例如大于约1Ωcm。
工件支撑板120可以是或包括任何合适的支撑结构，该任何合适的支撑结构被配置为支撑工件110，例如，被配置为在RTP腔室105中支撑工件110。在一些实施例中，工件支撑板120可以被配置为支撑多个工件110，以通过热处理系统的同时进行热处理。在一些实施例中，工件支撑板120可以在热处理之前、期间和/或之后旋转工件110。在一些实施例中，工件支撑板120可以是透过的，以及/或除此之外，被配置为允许至少一些电磁辐射至少部分地穿过工件支撑板120。例如，在一些实施例中，可以选择工件支撑板120的材料以允许期望的电磁辐射穿过工件支撑板120，例如，由工件110和/或发射器150、152、154发射的电磁辐射。在一些实施例中，工件支撑板120可以是或包括石英材料，诸如不含羟基的石英材料。
工件支撑板120可以包括从工件支撑板120延伸的至少一个支撑销115。在一些实施例中，工件支撑板120可以与顶板116间隔开。在一些实施例中，支撑销115和/或工件支撑板120可以传递来自热源140的热量和/或吸收来自工件110的热量。在一些实施例中，支撑销115、保护环109和顶板116可以由石英制成。
保护环109可用于减少来自工件110的一个或多个边缘的辐射的边缘效应。侧壁/门180允许工件110进入，并且在关闭时使腔室105密封，从而可以对工件110进行热处理。例如，可以将工艺气体引入RTP腔室105。可操作以加热RTP腔室105中的工件110的两排热源130、140(例如，灯或其它合适的热源)显示在工件110的任一侧。如下文更具体地描述的，窗口106、108可被配置为阻挡由热源130、140发射的辐射的至少一部分。
RTP系统100可以包括热源130、140。在一些实施例中，热源130、140可以包括一个或多个加热灯。例如，包括一个或多个加热灯的热源130、140可以发射电磁辐射(例如，宽带电磁辐射)以加热工件110。在一些实施例中，例如，热源130、140可以是或包括弧光灯、卤钨灯和/或任何其它合适的加热灯和/或它们的组合。在一些实施例中，诸如定向元件(未描绘)，例如反射器(例如镜子)可以被配置为将来自热源130、140的电磁辐射定向到RTP腔室105中。
根据本公开的示例方面，窗口106、108可以设置在工件110和热源130、140之间。窗口106、108可以被配置为选择性地阻挡由热源130、140发射的电磁辐射(例如，宽带辐射)的至少一部分进入快速热处理腔室105的一部分。例如，窗口106、108可以包括不透过区域160和/或透过区域161。如本文所用，“不透过”意为对于给定波长大体上具有小于约0.4(40％)的透射，并且“透过”意为对于给定波长大体上具有大于约0.4(40％)的透射。
可以定位不透过区域160和/或透过区域161，使得不透过区域160阻挡来自热源130、140的一些波长的杂散辐射，并且透过区域161允许，例如发射器150、152，154和/或传感器165、166、167、168自由地与RTP腔室105中的辐射相互作用，该辐射所在的波长被不透过区域160阻挡。这样，窗口106、108可以有效地屏蔽RTP腔室105免受在给定波长的热源130、140的污染，同时仍然允许热源130、140加热工件110。对于特定波长，可以大体上限定不透过区域160和透过区域161分别为不透过的和透过的；也就是说，至少针对在特定波长的电磁辐射，不透过区域160是不透过的，而透过区域161是透过的。
包括不透过区域160和/或透过区域161的腔室窗口106、108可以由由任何合适的材料和/或结构形成。在一些实施例中，腔室窗口106、108可以是或包括石英材料。此外，在一些实施例中，不透过区域160可以是或包括含羟基(Hydroxyl，OH)石英，例如掺羟基石英(例如，掺杂有羟基的石英)，和/或透过区域161可以是或包含无羟基石英(例如，未掺杂羟基的石英)。掺羟基石英和无羟基石英的优点可以包括易于制造。例如，在单片石英窗口的羟基掺杂期间，可以屏蔽无羟基石英区域，以在单片窗口中产生羟基掺杂区域(例如，不透过区域)和无羟基区域(例如，透过区域)。此外，根据本公开，掺羟基石英可以表现出期望的波长阻挡特性。例如，掺羟基石英可以阻挡具有约2.7微米的波长的辐射，其可以与在热处理系统100中的一些传感器(例如，传感器165、166、167、168)工作的测量波长对应，而无羟基石英可以对具有约2.7微米的波长的辐射是透过的。因此，掺羟基石英区域可以屏蔽传感器(例如，传感器165、166、167、168)免受快速热处理腔室105中的杂散辐射(例如，来自热源130、140)，并且无羟基石英区域可以至少部分地设置在传感器的视场内，以允许传感器获得在热处理系统内的测量。此外，掺羟基石英对于具有约2.3微米波长的辐射可以是部分不透过的(例如，具有约0.6或60％的透射)，这可以至少部分地减少来自在快速热处理系统100中的(例如，来自热源130、140)杂散辐射的污染。
气体控制器185可以控制通过RTP系统100的气流，其可以包括不与工件110反应的惰性气体和/或活性气体，例如，氧或氮，活性气体与工件110(例如，半导体工件等)的材料反应以在工件110上形成层。在一些实施例中，电流可以流过RTP系统100中的大气，以产生与或者在工件110的表面反应的离子，并通过用高能离子轰击表面以向表面施加额外能量。
控制器175控制RTP腔室中的各种组件，以指导工件110的热处理。例如，控制器175可用于控制热源130和140。附加地和/或可选地，控制器175可以用于控制气流控制器185、门180和/或温度测量系统，温度测量系统包括例如发射器150、152、154和/或传感器165、166、167、168。控制器175可以被配置为测量工件的温度，这将参照下面的附图更具体地讨论。例如，图2描绘了热处理系统200，其包括热处理系统100的一个或多个组件，热处理系统100被配置为执行工件的原位发射率确定。图3描绘了至少一个热处理系统300，其包括热处理系统100的一个或多个组件，热处理系统100被配置为执行工件的基于透射和/或基于发射的温度测量。类似地，图4描绘了温度测量系统400，其包括热处理系统100的一个或多个组件，热处理系统100被配置为执行工件的基于透射和/或基于发射的温度测量。
如本文所用，控制器、控制系统或类似系统可包括一个或多个处理器和一个或多个存储器设备。一个或多个处理器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读指令以执行操作，例如用于控制本文所述的热处理系统的任何操作。
出于说明和讨论的目的，图1描绘了示例热处理系统100。使用本文提供的公开的本领域普通技术人员应理解，本公开的各个方面可以与用于工件的其它热处理系统一起使用，而不偏离本公开的范围。
出于说明和讨论的目的，图2描绘了示例热处理系统200。特别地，热处理系统包括如参照图1的热处理系统100所讨论的一个或多个组件。特别地，图2至少描绘了用于确定工件110的原位发射率测量的组件，至少包括发射器150，和传感器165和166。如图2所示，发射器150可被配置为发射以斜角定向到工件110的红外辐射。发射器150发射的发射辐射的透射部分透射通过工件110并入射到透射传感器165上。发射器150发射的发射辐射的反射部分被工件110反射并入射到反射传感器166上。可以由透射部分和发射部分确定工件的发射率。例如，工件110的透射可以由入射到透射传感器165上的辐射的强度来表示。此外，工件110的反射可以由入射到反射传感器166上的辐射的强度来表示。根据透射和反射，可以确定透射率τ和反射率ρ为透射和反射分别与参考强度I0的比值，当在热处理系统200中不存在工件时，该参考强度可以表示传感器165、166处的强度。由此，发射率ε可以计算为：
ε＝1-(ρ+γ)
根据本公开的示例方面，一个或多个透过区域161可以至少部分地设置在发射器150和/或传感器165、166的视场中。例如，发射器150和\或传感器165、166可以工作在测量波长范围，透过区域161对该测量波长范围是透过的。例如，在一些实施例中，发射器150和/或传感器165、166可以工作在2.7微米。如图2所示，可以定位透过区域161使得辐射流(通常由箭头指示)能够从发射器150流过透过区域161并流到传感器165、166，而不受窗口106、108(例如，不透过区域160)的阻碍。类似地，可以设置不透过区域160在窗口106、108上的区域内，窗口106、108在辐射流之外，以屏蔽工件110和尤其是传感器165、166免受来自热源130、140的在测量波长范围内的辐射。例如，在一些实施例中，针对工作在2.7微米波长的传感器和/或发射器，可以包括透过区域161。
在一些实施例中，可以相位锁定发射器150和/或传感器165、166。例如，在一些实施例中，可以根据相位锁定机制操作发射器150和/或传感器165、166。例如，尽管不透过区域160可以被配置为阻挡来自热源130、140的在第一波长的大部分杂散辐射，但在一些情况下，如上面讨论的，传感器165、166仍然可以感知到杂散辐射。尽管存在杂散辐射，但根据相位锁定机制操作发射器150和/或传感器165、166可以有助于提高强度测量的精度。
例如，在一些实施例中，由发射器150发射的辐射可以以脉冲频率发生脉冲。可以选择脉冲频率为或包括具有很少或不具有在热处理系统200中的辐射分量的频率。例如，在一些实施例中，脉冲频率可以是大约130Hz。在一些实施例中，由于热源130、140可以基本上不发射具有130Hz的频率的辐射，130Hz的脉冲频率可以是特别有利的。附加地和/或可选地，可以基于脉冲频率相位锁定传感器165、166。例如，热处理系统200(例如，控制器，例如图1的控制器175)可以基于脉冲频率将测量(例如，强度测量)与传感器165、166隔离。以这种方式，热处理系统200可以在传感器165、166的测量中减少来自杂散辐射的干扰。
参照绘图250、255、260讨论了示例相位锁定机制。绘图250描绘了发射器150在测量波长范围内随时间(例如，在工件110上执行的热处理的持续时间内)发射的辐射IIR的辐射强度。如绘图250所示，发射器150发射的辐射强度可以作为脉冲251发射。例如，发射器150可以通过斩波轮(未示出)发生脉冲。斩波轮可以包括一个或多个阻挡部分和/或一个或多个通过部分。斩波轮可以在发射器150的视场中旋转，使得来自发射器150的连续的辐射流以脉冲频率间歇地被阻挡部分中断和被通过部分通过。因此，斩波轮的旋转可以将发射器150发射的连续的辐射流转换成在脉冲频率的脉冲辐射流。
绘图255描绘了由透射传感器165随时间测量的透射辐射强度IT。类似地，绘图260描绘了由反射传感器166随时间测量的反射辐射强度IR。曲线255和260示出，随着时间(例如，随着工件110温度升高)，腔室中的杂散辐射(分别由杂散辐射绘图256和261示出)可以增加。这可归因于，例如，考虑到工件110的温度升高、热源130、140的强度增加和/或与工件110的热处理相关的各种其它因素，工件110的透过度降低和/或工件110的放射增加。
在发射器150不发射辐射的时间点期间，传感器165、166可以获得与杂散辐射曲线256、261分别对应的测量(例如，杂散辐射测量)。类似地，在发射器150发射辐射(例如，脉冲251)的时间点期间，传感器165、166可以获得与总辐射曲线257、262分别对应的测量(例如，总辐射测量)。因此，可以至少部分地基于时间协调(例如，后续的)总辐射测量(例如，代表曲线256)和杂散辐射测量(例如，代表曲线256)之间的差确定透射辐射强度IT(例如，归因于透射τ)。此外，可以通过透射辐射强度IT与参考强度I0的比值确定透射τ。类似地，可以至少部分地基于时间协调(例如，后续的)总辐射测量(例如，代表曲线262)和杂散辐射测量(例如，代表曲线261)之间的差确定反射辐射强度IR(例如，归因于反射ρ)。此外，可以通过反射辐射强度IR与参考强度I0的比值确定反射ρ。在一些实施例中，当在热处理系统200中不存在工件110时，可以由传感器165、166测量参考强度I0作为来自发射器150的脉冲和/或连续辐射的结果。通过透射τ和反射ρ，可通过以下公式计算发射率ε：
ε＝1-(ρ+γ)
图3描绘了根据本公开的示例方面的示例热处理系统300。热处理系统300可以被配置为在工件110上执行热处理和/或测量工件110的温度。特别地，热处理系统可以包括参照图1的热处理系统100讨论的一个或多个组件。特别地，图3至少描绘了用于确定工件110的基于透射和/或基于发射的温度测量的组件，至少包括中心发射器152和中心传感器167。在一些实施例中，边缘发射器154和/或边缘传感器168可以与中心发射器152或中心传感器154类似地工作，并工作在工件110的边缘部分上，如参照图3所讨论的，但出于说明的目的在图3中被省略。这将在下面参照图4进一步讨论。
如图3所示，中心发射器152可被配置为发射以直角定向到工件110的表面的红外辐射，如图3中的箭头所示。中心发射器152发射的辐射的透射部分透射通过工件110并入射到中心传感器167上。在一些实施例中，窗口106、108的透过区域161可设置在中心发射器152和/或传感器167的视场内。例如，中心发射器152和/或中心传感器167可以工作在测量波长范围，透过区域161对该测量波长范围是透过的。例如，在一些实施例中，中心发射器152和/或中央传感器167可以工作在2.7微米处。如图3所示，可以定位透过区域161使得辐射流(通常由箭头指示)能够从中心发射器152流过透过区域161并流到中心传感器167，而不受窗口106、108(例如，不透过区域160)的阻碍。类似地，不透过区域160可以设置在窗口106、108上的区域内，该区域在辐射流之外，以屏蔽工件110并且尤其是中心传感器167免受来自热源130、140的在测量波长范围内的辐射。例如，在一些实施例中，针对工作在2.7微米波长的传感器和/或发射器，可以包括透过区域161。
然而，在一些实施例中，包括设置在中心发射器152的视场内的窗口106中的透过区域161，会不合心意地允许热源130发射的辐射污染热处理系统300中的中心传感器167和/或其它传感器(未示出)的测量。例如，在某些实施例中，中心传感器167还可以被配置为测量由工件110发射的在测量波长范围的热辐射，透过区域161对于该测量波长范围是透过的。如果透过区域161设置在中心发射器152的视场中，则由热源130发射的辐射可能具有污染该工件发射测量的更大风险。
该问题的一个解决方案是在中心发射器152的视场中省略掉透过区域161，而是包括不透过区域160。此外，可以在测量波长范围内的第二波长操作中心发射器152和/或中心传感器167，不透过区域160对该测量波长范围是至少部分透过的。例如，在一些实施例中，第二波长可以是2.3微米。以这种方式，尽管存在不透过区域160，由中心发射器152发射的辐射可以穿过窗口106和108并由中心传感器167测量，而不需要包括潜在污染的透过区域。此外，由于包括不透过区域160，表示工件110发射的发射辐射的强度(例如，发射辐射测量)的来自中心传感器167的测量(例如，在工件110发射辐射的温度下，例如高于约600℃)不被杂散辐射污染。然而，上述讨论的解决方案可能会带来额外的问题。由于来自中心发射器152的在第二波长的辐射能够穿过不透过区域160，所以例如来自热源130、140的在第二波长的杂散辐射也可以穿过不透过区域160。
因此，在一些实施例中，可以相位锁定中心发射器152和/或中心传感器167。在一些实施例中，可以根据相位锁定机制操作中心发射器152和/或中心传感器167。例如，尽管不透过区域160可以被配置为阻挡来自热源130、140的在第一波长的大部分杂散辐射，但在一些情况下，杂散辐射尤其是在第二波长的杂散辐射仍然可以被中心传感器167感知，如上所述。尽管存在杂散辐射，但根据相位锁定机制操作中心发射器152和/或中心传感器167可以有助于提高强度测量的精度。
例如，在一些实施例中，中心发射器152发射的辐射可以以脉冲频率发生脉冲。可以选择脉冲频率为或包括在热处理系统300中具有很少或没有辐射分量的频率。例如，在一些实施例中，脉冲频率可以是大约130Hz。在一些实施例中，130Hz的脉冲频率可以是特别有利的，因为热源130、140可以基本上不发射具有130Hz频率的辐射。附加地和/或可选地，可以基于脉冲频率相位锁定中心传感器167。例如，热处理系统300(例如，控制器，例如图1的控制器175)可以基于脉冲频率将测量(例如，强度测量)与中心传感器167隔离。以这种方式，热处理系统300可以在中心传感器167的测量中减少来自杂散辐射的干扰。
参考绘图310和320讨论了示例相位锁定机制。绘图310描绘了中心发射器152在测量波长范围内随时间(例如，在工件110上执行的热处理的持续时间)发射的辐射IIR的辐射强度。绘图320描绘了中心传感器167随时间测量的透射辐射强度IT。如绘图310所示，由中心发射器152发射的辐射强度可以作为脉冲311发射。例如，中心发射器152可以通过斩波轮302产生脉冲。斩波轮302可以包括一个或多个阻挡部分305和/或一个或多个通过部分306。斩波轮302可以在中心发射器152的视场中旋转，使得来自中心发射器152的连续的辐射流以脉冲频率间歇地被阻挡部分305中断和被通过部分306通过。因此，斩波轮302的旋转可以将中心发射器152发射的连续的辐射流转换成在脉冲频率的脉冲辐射流。
在中心发射器152不发射辐射的时间点期间，中心传感器167可以获得与杂散辐射曲线312对应的测量(例如，杂散辐射测量)。类似地，在中心发射器152发射辐射(例如，脉冲311)的时间点期间，中心传感器167可以获得与总辐射曲线313对应的测量(例如，总辐射测量)。因此，可以至少部分地基于时间协调(例如，后续的)总辐射测量(例如，代表曲线313)和杂散辐射测量(例如，代表曲线312)之间的差确定透射辐射强度IT(例如，归因于透射τ)。此外，可以通过透射辐射强度IT与参考强度I0的比值确定透射τ。例如，当在热处理系统300中不存在工件110时，可以由中心传感器167测量参考强度I0作为来自中心发射器152的脉冲和/或连续辐射的结果。可以将透射τ与透射曲线(例如，图6A的分别对应于特定工件组分的工件透射曲线602、604、606，和/或图6B的归一化工件透射度曲线652)进行比较，以确定工件的温度。
绘图320说明，随着时间(例如，随着工件110的温度升高)，腔室中的杂散辐射(如杂散辐射曲线312所示)可以增加。这可归因于，例如，考虑到工件110的温度升高、热源130、140的强度增加和/或与工件110的热处理相关的各种其它因素，工件110的透过度降低和/或工件110的放射增加。例如，在绘图320中可以看出，随着时间的推移(例如，随着温度的升高)，杂散辐射曲线312和总辐射曲线313趋于收敛。这可以是，例如，工件110的透过度相对于温度升高而降低的结果。因此，在某些情况下(例如，对于硅工件)，如上所述的基于透射的温度测量在高于某一温度(例如，约600℃)时会表现为降低的可靠性。因此，根据本公开的示例方面，热处理系统(例如，热处理系统100、200、300中的任何一个)可以在温度阈值下从第一温度测量过程(例如，基于透射的温度测量过程)转变到第二温度测量过程(例如，基于发射的温度测量过程)。例如，温度阈值可以约为600℃。温度阈值可与工件温度对应，在该工件温度下工件110表现出大量的在波长处的黑体辐射，该波长可被中心传感器167检测到。附加地和/或可选地，温度阈值可与工件温度对应，在该工件温度下，工件110对中心发射器152发射的辐射是不透过的。例如，在一些实施例中，温度阈值可以与点对应，在该点处杂散辐射曲线312和总辐射曲线313已经收敛，或者换句话说，透射辐射强度IT的幅度低于幅度阈值。
例如，在一些实施例中，中心传感器167可以被配置为在测量波长范围内测量工件110发射的辐射。例如，在一些实施例中，中心传感器167可以是双头高温计，双头高温计具有被配置为测量测量波长范围的第一波长的第一头。在不透过区域160包括掺羟基石英的实施例中，第一波长可以是或包括透过区域161对其是透过的和/或不透过区域160对其是不透过的波长，例如2.7微米。第一波长可以另外与工件110发射的黑体辐射的波长对应。另外，中心传感器167可以具有被配置为测量测量波长范围的第二波长的第二头。在不透过区域160包括掺羟基石英的实施例中，第二波长可以是或包括不透过区域160对其是不透过的波长，例如2.3微米。第二波长可以另外与中心发射器152发射的波长对应。
因此，根据本公开的示例性方面，对于低于温度阈值的工件110的温度，中心传感器167可以获得与工件110的透射相关联的透射测量，并且，对于高于该温度阈值的温度，还可以获得与工件110发射的黑体辐射的强度相关联的发射测量。因此，如上所述，在低于温度阈值的温度，可以通过透射测量确定工件110的温度。附加地和/或可选地，在高于温度阈值的温度，可以通过发射测量确定工件110的温度。例如，可以基于以下等式，通过发射测量确定工件的温度：
Figure BDA0003856796240000211
图4描述了根据本公开的示例方面的示例温度测量系统400。温度测量系统400可以被配置为测量工件110的温度，工件110可以至少部分地由支撑环109支撑。温度测量系统400可以包括中心发射器152和边缘发射器154。此外，温度测量系统400可以包括中心传感器167和边缘传感器168。发射器152、154和/或传感器167、168可以如关于图3的中心发射器152和/或中心传感器168所讨论的那样工作。例如，可以设置中心发射器152与中心传感器167，使得中心发射器152发射的辐射穿过工件110的中心部分111，然后入射到中心传感器167上。类似地，可以设置边缘发射器154和边缘传感器168，使得边缘发射器154发射的辐射穿过工件110的边缘部分112并入射到边缘传感器168上。这样，中心传感器167可以被配置为获得中心部分111的温度测量，和/或边缘传感器168可被配置为获取边缘部分112的温度测量。在一些实施例中，中心部分111可以包括工件的一部分，该部分被限定为小于工件的半径r的约50％，例如，为半径r的约10％。在一些实施例中，边缘部分可以包括工件的一部分，该部分被限定为大于工件的半径r约50％，例如，为半径r的约90％。
图5A描绘了示例材料的示例透射曲线502的绘图500，该示例材料构成示例不透过区域。例如，示出了例如掺羟基石英的示例材料的透射曲线502。如图5A所示，示例不透过区域可以对某些波长是基本不透过的，而对其它波长是基本透过的。特别地，示例透射曲线502包括不透过范围504和部分不透过范围506。如本文所讨论的，测量波长范围可以有利地包括在不透过范围504和/或部分不透过范围506中的波长。例如，在不透过范围504和/或部分不透过范围506中的辐射可以至少部分地被示例性不透过区域阻挡，这可以防止由加热灯发射的辐射进入热处理腔室并污染被配置为测量不透过范围504和/或部分不透过范围506的传感器的测量。
图5B描绘了构成示例透过区域的示例材料的示例透射曲线522的绘图520。例如，示出了例如无羟基石英的示例材料的透射曲线522。如图5B所示，示例透过区域可以在某些波长上是基本透过的。尽管示例透射曲线522被描绘为在大多数波长上是基本透过的，但是示例透过区域可以另外包括不透过范围。通常，希望示例透过区域在测量范围(例如，在与图5A的不透过范围504和/或部分不透过范围506对应的波长处)是透过的。
图6A描绘了三种示例工件类型的示例透射曲线602、604、606的绘图600。例如，曲线602与具有较低反射率的工件相关联，曲线604与具有中等反射率的工件(例如，裸工件)相关联，而曲线606与具有较高反射率的工件相关联。如图6A所示，尽管曲线602、604、606中的每一个都遵循一般趋势，但是基于工件的表面特性(例如，反射率)，每个工件的透射的值可能不同。因此，图6B描绘了示例归一化或标称工件透射曲线652的绘图650。如图6B所示，归一化工件透射曲线652表示特定工件的从最大1到最小0的透射，但与工件的具体透射值无关。换句话说，归一化工件透射曲线652可以与低反射的工件、裸工件和/或高反射的工件中的每一个相似和/或相同。因此，可以将针对工件获得的归一化透射测量与归一化工件透射曲线652进行比较，使得透射可以与温度直接相关，而与工件的表面特性无关。
图7示出了用于在热处理系统(诸如，例如，图1-3的热处理系统100，200或300)中测量工件的温度的示例方法700的流程图。出于说明和讨论的目的，图7描述了以特定顺序执行的步骤。使用本文提供的公开的本领域普通技术人员应理解，可以在不偏离本公开的范围的情况下，省略、扩展、同时执行、重新排列和/或以各种方式修改本文描述的任何方法的各种步骤。此外，可以在不偏离本公开的范围的情况下，执行各种附加步骤(未示出)。
方法700可以包括：在702，一个或多个红外发射器发射定向到工件的一个或多个表面的红外辐射。例如，在一些实施例中，一个或多个红外发射器可以发射具有第一波长的辐射，并且一个或多个红外发射器可以发射具有第二波长的辐射。
方法700可以包括：在704，一个或多个窗口阻挡由一个或多个加热灯发射的宽带辐射的至少一部分入射到一个或多个红外传感器上，一个或多个加热灯被配置为加热工件。例如，在一些实施例中，一个或多个窗口可以阻挡在测量范围的至少一部分内的宽带辐射的至少一个部分。
方法700可包括：在706，一个或多个红外传感器测量红外辐射的透射部分，红外辐射的透射部分由一个或多个红外发射器中的至少一个发射并穿过工件的一个或多个表面。例如，透射部分的第一部分可以入射到第一透射传感器上，以获得第一透射度测量。第一透射部分可以与发射率测量系统的发射器和/或传感器对应。在一些实施例中，第一透射部分可以具有相关联的第一波长。附加地和/或可选地，透射部分的第二部分可以入射到至少一个第二透射传感器上，以获得至少一个第二透射测量。在一些实施例中，至少一个第二透射传感器还可以被配置为测量由工件发射的辐射。在一些实施例中，第二透射部分可以具有相关联的第二波长。在一些实施例中，第一波长可以被一个或多个窗口阻挡，和/或第二波长可以至少部分地通过该一个或多个窗口。例如，在一些实施例中，第一透射部分与测量波长范围的第一波长相关联，第二透射部分与测量波长范围的第二波长相关联。其中，一个或多个窗口阻挡在第一波长的辐射，并允许在第二波长的辐射。
方法700可包括：在708，一个或多个红外传感器测量红外辐射的反射部分，红外辐射的反射部分由一个或多个红外发射器中的至少一个发射并被工件的一个或多个表面反射。例如，反射部分可以入射到反射传感器上以获得反射测量。在一些实施例中，反射传感器可以是发射率测量系统的一部分。
在一些实施例中，一个或多个红外传感器测量由一个或多个红外发射器中的至少一个发射的红外辐射的一部分(例如，透射部分和/或反射部分)可包括：相位锁定一个或多个红外传感器和/或一个或多个红外发射器。例如，相位锁定一个或多个红外传感器和/或一个或多个红外发射器可以包括：使一个或多个红外发射器中的至少一个以脉冲频率发生脉冲。作为使一个或多个发射器发生脉冲的一个示例，具有一个或多个狭缝的斩波轮可以在一个或多个发射器的视场中旋转，使得来自一个或多个发射器的连续的辐射流以脉冲频率被间歇地允许通过斩波轮。因此，可以通过斩波轮的旋转将连续的辐射流转换为在脉冲频率的脉冲辐射流。
附加地和/或可选地，相位锁定一个或多个红外传感器和/或一个或多个红外发射器可包括：至少部分地基于脉冲频率，将至少一个测量与一个或多个红外传感器相隔离。作为一个示例，可以将来自一个或多个红外传感器的测量(例如，指示入射到一个或多个红外传感器上的辐射的强度的测量)即，在脉冲频率处和/或与脉冲频率同相的测量，与不在脉冲频率处和/或与与脉冲频率同相的测量异相的测量相比较，诸如通过减去在两倍脉冲频率的后续测量。因此，可以将来自在脉冲频率的分量(例如，发射器)的信号贡献与干扰分量(例如，杂散辐射，诸如加热灯)隔离。换句话说，未被相位锁定到脉冲频率的传感器测量(例如，以与脉冲频率相同或更高的频率获得和/或通过与相位锁定测量异相获得)可以仅指示在腔室中的杂散辐射，和/或被相位锁定到脉冲频率的传感器测量，可以指示杂散辐射和来自发射器的发射辐射的总和。因此，可以通过减去由未被相位锁定的测量指示的杂散辐射的量，来分离指示由发射器发射的发射辐射的测量。作为一个示例，如果脉冲频率为130Hz，则传感器可以获得在260Hz或更高的测量，使得一个或多个杂散强度测量与每个相位锁定测量对应。以这种方式，热处理系统可以在传感器的测量中减少来杂散辐射(例如，杂散光)的干扰。
方法700可以包括：在710，至少部分地基于透射部分和反射部分，确定工件的温度。在710中，工件的温度可低于约600℃。例如，在一些实施例中，确定工件的温度可以包括：至少部分地基于透射部分和反射部分，确定工件的发射率，以及至少部分地基于透射部分和工件的发射率，确定工件的温度。例如，在一些实施例中，可以至少部分地基于第一透射测量和反射测量，确定工件的发射率。
方法700可以包括：在712，一个或多个红外传感器测量指示工件发射的红外辐射的发射辐射测量。例如，发射辐射测量可以指示由工件发射并入射到一个或多个传感器上的红外辐射的强度。根据本公开的示例方面，一旦工件的温度足够高，使得工件不再对来自发射器的红外辐射是透过的和/或开始发射在被配置为由一个或多个红外传感器测量的波长(例如，在测量波长范围的至少一部分内)的显著的黑体辐射，可以获得发射辐射测量。
在一些实施例中，发射辐射测量可以与被一个或多个窗口阻挡的红外辐射的波长对应。例如，发射辐射测量可以与波长对应，该波长是和/或包括在测量波长范围的一部分内。例如，在一些实施例中，发射辐射测量可以与具有2.7微米的波长的红外辐射的强度对应。
方法700可以包括，在714，至少部分地基于发射辐射测量，确定工件的温度。在714中，工件的温度可以高于约600℃。例如，确定工件的温度高于约600℃可以包括：将发射辐射测量与与工件相关联的黑体辐射曲线进行比较。黑体辐射曲线可以将发射黑体辐射的强度与温度相关联，使得可以基于测量的强度(例如，发射辐射测量)确定温度。
系统实施方法700可经历更大的温度范围，可以在该更大的温度范围上测量工件的温度。例如，方法700可以包括：至少部分地基于透射部分和反射部分，根据例如步骤702-710，确定工件的温度，步骤702-710用于无法实际获得发射辐射测量的温度(例如，低于约600℃)。此外，方法700可以包括：至少部分地基于发射辐射测量，根据例如步骤712-714，确定工件的温度，步骤712-714用于实际可获得发射辐射测量的温度(例如，高于约600℃)。
图8描绘了用于校准热处理系统中的传感器参考强度的示例方法800的流程图，诸如，例如图1-3中的热处理系统100，200或300。出于说明和讨论的目的，图8描述了以特定顺序执行的步骤。使用本文提供的公开的本领域普通技术人员应理解，在不偏离本公开的范围的情况下，可以省略、扩展、同时执行、重新排列和/或以各种方式修改本文描述的任何方法的各种步骤。此外，可以在不偏离本公开的范围的情况下执行各种附加步骤(未示出)。
方法800可以包括：在802，从多个红外发射器中的相应发射器发射红外辐射的第一量。方法800可以包括：在804，确定入射到多个红外传感器中的相应传感器上的红外辐射的第二量。方法800可以包括：在806，至少部分地基于第一量和第二量之间的变化，确定与相应发射器和相应传感器相关联的参考强度。
根据本公开的示例方面，可以针对在热处理系统中的一个或多个传感器中的每一个，确定参考强度，在本文中表示为I0。当工件不存在于处理腔室中时，参考强度可以与由发射器发射和/或入射到传感器上的辐射对应。换言之，仅能通过在热处理系统中的工件以外的组件的贡献，从发射器发射的辐射的强度中减小参考强度。这还可以与工件100％透射的情况对应。在一些实施例中，可以在将工件插入处理腔室之前测量参考强度，诸如在两个工件的热处理之间。
尽管已经参考其特定示例实施例详细地描述了本主题，但是应明白，本领域普通技术人员在获得对前述内容的理解后，可以容易地产生对这些实施例的改变、变化和等效物。因此，本公开的范围是示例性的而非限制性的，并且题述公开不排除包括对于本领域普通技术人员来说是显而易见的对本主题的这些修改、变化和/或添加。

Claims (20)

1.一种用于执行半导体工件的热处理的热处理系统，所述热处理系统包括：
工件支撑板，被配置为支撑工件；
一个或多个热源，被配置为加热所述工件；
一个或多个窗口，设置在所述工件支撑板与所述一个或多个热源之间，所述一个或多个窗口包括对在测量波长范围内的电磁辐射的至少一部分是透过的一个或多个透过区域，和对在所述测量波长范围的所述一部分内的电磁辐射是不透过的一个或多个不透过区域；以及
温度测量系统，被配置为获得指示所述工件的温度的温度测量，所述温度测量系统包括：
多个红外发射器，被配置为发射红外辐射；
多个红外传感器，每个红外传感器与所述多个红外发射器中的一个对应，所述多个红外传感器中的每一个被配置为测量在所述测量波长范围内的红外辐射，并且被设置为使所述一个或多个透过区域中的至少一个至少部分地在所述多个红外传感器中的至少一个的视场内；以及
控制器，被配置为执行操作，所述操作包括：
从所述多个红外传感器，获得至少一个第一透射测量、至少一个第二透射测量，和与所述工件相关联的至少一个反射测量；
当所述工件的温度低于约600℃时，至少部分地基于所述至少一个第一透射测量、所述至少一个第二透射测量和所述至少一个反射测量，确定所述工件的温度。
2.根据权利要求1所述的热处理系统，其中所述操作进一步包括：
从所述多个红外传感器，获得一个或多个发射测量，所述一个或多个发射测量指示由所述工件发射的发射辐射的强度；以及
当所述工件的温度高于约600℃时，至少部分地基于所述一个或多个发射测量，确定所述工件的温度。
3.根据权利要求2所述的热处理系统，其中，所述一个或多个红外发射器包括能够操作以向所述工件的中心部分发射辐射的中心发射器，和能够操作以向所述工件的边缘部分发射辐射的边缘发射器，并且其中，所述一个或多个红外传感器包括与所述中心发射器对应的中心传感器和与所述边缘发射器对应的边缘传感器。
4.根据权利要求1所述的热处理系统，其中，所述一个或多个热源被配置为发射宽带辐射以加热所述工件。
5.根据权利要求4所述的热处理系统，其中，所述一个或多个不透过区域被配置为阻挡所述宽带辐射的至少一部分，所述宽带辐射由所述热源发射并且在所述测量波长范围内。
6.根据权利要求5所述的热处理系统，其中，所述一个或多个不透过区域包括掺羟基石英，并且其中，所述一个或多个透过区域包括无羟基石英。
7.根据权利要求1所述的热处理系统，其中，所述多个红外发射器中的至少一个以脉冲频率发生脉冲。
8.根据权利要求7所述的热处理系统，其中，所述至少一个第一透射测量、所述至少一个第二透射测量或所述至少一个反射测量中的至少一个至少部分地基于所述脉冲频率与所述多个红外传感器相隔离。
9.根据权利要求7所述的热处理系统，其中，所述脉冲频率为130Hz。
10.根据权利要求1所述的热处理系统，其中，所述测量波长范围包括2.3微米或2.7微米中的至少一个。
11.根据权利要求1所述的热处理系统，包括至少一个光学陷波滤波器，至少部分地设置在所述多个红外传感器中的至少一个的所述视场内，其中，所述光学陷波滤波器被配置为从所述多个红外传感器中的至少一个能够测量的波长的范围中选择所述测量波长范围的至少一部分。
12.根据权利要求1所述的热处理系统，其中，所述多个红外传感器包括一个或多个高温计。
13.根据权利要求1所述的热处理系统，其中，当所述工件的温度低于约600℃时，至少部分地基于所述至少一个第一透射测量、所述至少一个第二透射测量和所述至少一个反射测量，确定所述工件的温度，包括：
至少部分地基于所述至少一个第一透射测量和所述至少一个反射测量，确定所述工件的发射率；并且
至少部分地基于所述至少一个第二透射测量和所述工件的发射率，确定所述工件的温度。
14.根据权利要求1所述的热处理系统，其中，所述至少一个第一透射测量和所述至少一个反射测量与所述测量波长范围的第一波长相关联，并且所述至少一个第二透射测量与所述测量波长范围的第二波长相关联，其中，所述一个或多个不透过区域对于所述第一波长是不透过的并且对于所述第二波长是透过的。
15.根据权利要求1所述的热处理系统，其中，所述控制器被配置为当在所述工件处理系统中不存在工件时，通过以下操作，确定所述多个红外传感器中的至少一个的参考强度：
从所述多个红外发射器的相应发射器发射红外辐射的第一量；
确定入射到所述多个红外传感器中的相应传感器上的红外辐射的第二量；以及
至少部分地基于所述第一量和所述第二量之间的变化，确定与所述相应发射器和所述相应传感器相关联的所述参考强度。
16.一种用于在热处理系统中测量工件的温度的方法，所述方法包括：
一个或多个红外发射器发射定向到工件的一个或多个表面的红外辐射；
一个或多个窗口阻挡由一个或多个加热灯发射的宽带辐射的至少一部分入射到一个或多个红外传感器上，所述一个或多个加热灯被配置为加热工所述工件；
所述一个或多个红外传感器测量所述红外辐射的透射部分，所述红外辐射的所述透射部分由所述至少一个或多个红外发射器中的至少一个发射并穿过所述工件的所述一个或多个表面；
所述一个或多个红外传感器测量所述红外辐射的反射部分，所述红外辐射的所述反射部分由所述至少一个或多个红外发射器中的至少一个发射并被所述工件的所述一个或多个表面反射；以及
至少部分地基于所述透射部分和所述反射部分，确定指示所述工件的温度的第一温度测量，其中所述工件的温度低于约600℃。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：
所述一个或多个红外传感器测量发射辐射测量，所述发射辐射测量指示由所述工件发射的红外辐射；以及
至少部分地基于所述发射辐射测量，确定指示所述工件的温度的第二温度测量，其中所述工件的温度高于约600℃。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，至少部分地基于所述发射辐射测量，确定指示所述工件的温度的所述第二温度测量，其中，所述工件的温度高于约600℃，包括：比较所述发射辐射测量和与所述工件相关联的黑体辐射曲线。
19.根据权利要求16所述的方法，其中至少部分地基于所述透射部分和所述反射部分，确定所述工件的温度，其中所述工件的温度低于约600℃，包括：
至少部分地基于所述透射部分和所述反射部分，确定工件的发射率；以及
至少部分地基于所述透射部分和所述工件的发射率，确定所述工件的温度。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述方法进一步包括：
使所述一个或多个红外发射器中的至少一个以脉冲频率发生脉冲；以及
至少部分地基于所述脉冲频率，将至少一个测量与所述一个或多个红外传感器相隔离。
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