CN116124292A - 热处理系统及温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种热处理系统和温度测量方法。该热处理系统包括用于测量工件在热处理的过程中的温度的测量系统，该测量系统包括向工件的第一表面发射具有第一波长的脉冲光线的发射器，以及第一探测器，该第一探测器可根据接收的第一表面反射的脉冲光线来测量工件的反射率，并且可根据第一表面辐射的具有第一波长的连续光线来分别测量工件的辐射强度。此外，该系统还包括处理单元，处理单元可根据反射率和第一表面的辐射强度确定第一表面的温度。根据本公开的热处理系统所包括的测量系统能够提高处于热处理工艺中的工件的表面温度的测量精度。

Description

热处理系统及温度测量方法

技术领域

本公开涉及半导体处理领域，尤其涉及用于例如半导体工件的热处理系统及温度测量方法。

背景技术

热处理工艺用于工件(例如，半导体工件)的加热处理。如本文所使用的热处理系统是指用于执行热处理工艺来加热工件(例如，半导体晶片)的装置。这种装置通常可包括用于加热工件的热源，例如加热灯、激光器或其它热源。许多热处理工艺需要在一定温度范围内加热工件，使得工件发生各种化学和物理转变。例如，在快速热处理过程中，工件可以在通常少于数分钟的持续时间内被加热到约200℃至约1200℃的温度。在这些过程中，准确地测量工件的温度显得尤为重要。

发明内容

本公开的实施例的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可以从描述中得知，或者可以通过实施例的实践得知。

本公开的一个示例性方面涉及一种热处理系统，包括用于测量工件在热处理的过程中的温度的测量系统，该温度测量系统包括：发射器，该发射器可配置为在热处理过程中向工件的第一表面发射具有第一波长的脉冲光线。该温度测量系统还包括第一探测器，该第一探测器配置为根据接收的第一表面反射的脉冲光线测量工件的反射率，该第一探测器还配置为根据接收的第一表面辐射的具有该第一波长的连续光线测量第一表面的辐射强度，其中，该脉冲光线的频率与该连续光线的频率不同。此外，该温度测量系统还包括处理单元，配置为至少根据反射率和该第一表面的辐射强度确定第一表面的温度。根据本公开的热处理系统能够提高处于热处理工艺中的工件的第一表面的温度的测量精度。

本公开的其他示例性方面还涉及用于测量工件在热处理的过程中的温度的方法。该方法包括：响应于该工件的第一表面接收了经由发射器发出的具有第一波长的脉冲光线，根据第一表面反射的该脉冲光线测量工件的反射率：根据第一表面辐射的具有第一波长的连续光线测量第一表面的辐射强度，其中，该脉冲光线的频率与该连续光线的频率不同；以及至少根据反射率和第一表面的辐射强度确定第一表面的温度。根据本公开的温度测量方法能够提高处于热处理工艺中的工件的第一表面的温度的测量精度。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

附图用于更好地理解本方案，不构成对本公开的限定。其中：

图1是根据本公开实施例的热处理系统的示意图；

图2是根据本公开实施例的热处理系统的局部结构的俯视示意图；

图3是沿图2所示的A-A线的剖视图；

图4是沿图2所示的B-B线的剖视示意图；

图5是采用本公开实施例的温度测量系统进行温度测量的原理示意图；以及

图6是根据本公开实施例的温度测量方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的示范性实施例做出说明，其中包括本公开实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本公开的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可与另一实施例一起使用，以产生又一实施例。因此，本公开的各方面旨在覆盖这样的修改和变化。

可以对本公开的这些示例实施例进行变化和修改。如在说明书中所使用的，单数形式“一”、“和”以及“该(所述)”包括复数指示物，除非上下文另外清楚地指明。“第一”、“第二”、“第三”等的使用被用作标识符，并且不一定指示任何顺序、暗示的或其它。为了说明和讨论的目的，可以参照“衬底”或“工件”来讨论示例方面。使用本文提供的公开内容，本领域普通技术人员将理解，本公开的示例性方面可与任何合适的工件一起使用。术语“约”与数值结合使用是指在该数值的20％内。

还应理解的是，在本文中描述具体实施例时，为便于说明，已稍微调整了部件的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。另外，表示系统结构的剖示图只是作为描述本申请的一些步骤和部件以及各部件之间的关系的示意性结构图，其在此不应限制本公开保护的范围。

工件的热处理工艺(例如，快速热退火)例如可采用辐射热源加热工件的至少一个表面。在加热工件期间，需要对工件的表面温度(例如，朝向辐射热源的至少一个表面)进行实时地测量以便及时调整工艺参数(例如，辐射热源所辐射的能量)。在测量工件的表面温度的过程中，工件的发射率是反映工件的温度及温度变化的重要参数，然而，可能难以获得工件的表面的发射率和温度的精确的测量值。

因此，本公开的各方面提供了许多技术效果和益处。例如，本文提供了一种热处理系统及其包括的用于测量温度的测量系统以及温度测量方法。该温度测量系统或温度测量方法能够在较大的热处理温度范围内实现工件的温度的精确测量。下面参考图1至图6详细描述本申请的各实施方式。

图1示出了可以执行本公开的示例性方法的示例性热处理系统100的示意图。参考图1，热处理系统100可包括热处理装置101。该热处理装置101例如可用于容纳工件(例如，图2所示的工件7)，以对工件执行热处理工艺。工件7可以是任何合适的工件或包括任何合适的工件，例如半导体工件，例如硅晶片。在一些实施例中，工件7可以是掺杂硅晶片或包括掺杂硅晶片。例如，可掺杂硅晶片，使得硅晶片的电阻率大于约0.1Ω·cm，例如大于约1Ω·cm。

在一些示例中，热处理系统100还可包括测量系统110，该测量系统110例如可用于测量处于热处装置101中的工件7在热处理的过程中的温度。该测量系统110例如可包括发射器6和第一探测器2。在一些情况下，发射器6可用于在对工件7执行热处理工艺的过程中，向工件7发射第一波长(例如，窄带波段)的脉冲光线。在一些实施例中，发射器6可以包括发射辐射的窄带发射器，使得所发射的辐射的波长范围在数值的公差内，诸如在数值的10％内，在这种情况下，发射器由数值来指代。在一些实施例中，发射器6还可通过发射宽带光谱(例如，普朗克光谱)的宽带发射器和配置为仅使宽带光谱内的窄带通过的诸如光学陷波滤波器的组合来实现脉冲光线的发射。

第一探测器2可用于接收经由工件7反射的具有上述第一波长的脉冲光线。该第一探测器2例如还可接收工件7在热处理工艺中辐射的连续光线。在一些示例中，上述脉冲光线的频率与连续光线的频率可不相同，使得第一探测器2能够将工件7反射的脉冲光线和辐射的连续光线所携带的光信号进行分离后转化为指示反射率的电信号和指示辐射光线强度的电信号。类似地，第一探测器2可以配置为测量窄带波段(例如，在其公差内)的窄带辐射的强度。

此外，测量系统110还可包括处理单元102，该处理单元102(例如，处理器)可与第一探测器2电连接以接收来自第一探测器2的处理信号(例如，电信号)。处理单元102例如可基于上述电信号来获取与工件的温度有关的参数。

热处理系统100还可包括控制器103，该控制器103可对热处理装置101的热源(例如，下文中的辐射热源3和13中的至少一个)供电，以对执行热处理工艺中的温度进行控制。

图2示出了本公开的示例性热处理系统100的局部结构的俯视示意图。图3示出了可以执行本公开的示例性方法的示例性热处理系统100沿图2所示的A-A线的剖视图。图4示出了可以执行本公开的示例性方法的示例性热处理系统100沿图2所示的B-B线的剖视图。

参考图2至图4，在一些示例中，热处理装置101包括盖板1和盖板2以及在盖板1和盖板2之间的处理室5。盖板1和盖板2可分别限定热处理装置101的顶面和底面。处理室5可为具有腔体的结构，待热处理的工件7例如可置于处理室5的腔体中。

在一些示例中，热处理装置101还包括工件支撑体9，工件7在处理室5中由工件支撑体9支撑。工件支撑体9(例如，工件支撑板)可被操作以在热处理期间支撑工件7。在一些实施例中，工件支撑体9可配置为支撑多个工件7，以便同时进行处理。

在一些实施例中，工件支撑体9可以在热处理之前、期间和/或之后旋转工件7。在一些实施例中，工件支撑体9可以是透明的和/或以其它方式配置为允许来自周围环境的辐射至少部分地穿过工件支撑体9。在一些示例中，上述来自周围环境的辐射包括从辐射热源13到工件7的辐射、从工件7到例如下文中的第二探测器10(图3和图4)的辐射以及经由反射器6发射至工件7并穿过工件7的辐射。例如，在一些实施例中，可以选择工件支撑体9的材料以允许期望的辐射穿过工件支撑体9。上述期望的辐射诸如包括由工件7发射的辐射。在一些实施例中，工件支撑体9包括石英材料。作为一个选择，工件支撑体9例如为不含羟基的石英材料。

在一些实施例中，工件支撑体9可包括一个或多个从工件支撑体9延伸的支撑销8。该支撑销8可具有小于工件支撑体9的表面积，从而在其与工件7接触时，能够尽可能使得工件支撑体9与工件7的接触面积小。在一些实施例中，支撑销8和工件支撑体9中的至少一个能够从辐射热源13传递热量和/或从工件7吸收热量。在一些实施例中，支撑销8可由石英制成。

在一些实施例中，热处理装置101还可包括与工件支撑体9连接的旋转轴16。旋转轴16配置为在处理室5中支撑工件支撑体9。具体地，该旋转轴16的一端可与工件支撑体9的背离支撑销8的表面连接，另一端可穿过盖板2并连接至能够使旋转轴16旋转360°的旋转装置(图中未示出)。以工件7的热处理工艺为应用场景，旋转装置可控制旋转轴16连续旋转，并带动工件7进行相应的旋转，使得由辐射热源3和13中的至少一个产生的热量可以均匀地加热工件7。在一些实施例中，工件7的旋转使得辐射热源3和13能够均匀地向工件7提供辐射热量，使得工件7的表面温度更为均匀。

参考图3和图4，热处理系统100可包括靠近盖板1设置的辐射热源3。在一些实施例中，辐射热源3可包括一个或多个加热灯管31。上述加热灯管31可朝向工件7的第一表面71辐射热量以加热工件7。

在一些示例中，热处理系统100还可包括靠近盖板2设置的辐射热源13。在一些实施例中，辐射热源13可包括一个或多个加热灯管131。上述加热灯管131可朝向工件7的第二表面72辐射热量以加热工件7。

发明人研究发现，在热处理工艺(例如，快速热退火)中，作为工件7的半导体晶圆通常预先沉积有例如硅、二氧化硅和氮化硅等不同吸光系数的材料，使得在采用单面辐射法(例如，设置辐射热源3)对半导体晶圆的正面(例如，工件7的第一表面71)进行加热时容易会产生图形效应(Pattern Effect)，从而带来加热不均问题。因此在一些改进的方案中可采用双面加热的方式(例如，同时设置辐射热源3和13)来减少图形效应引起的加热不均问题。此时，需要对工件7的第一表面71和第二表面72的温度同时进行监测，以便及时调整热处理的工艺参数(例如，辐射热源3和13的辐射强度)。

在一些实施例中，辐射热源3和13中的至少一个可以是宽带辐射源(例如，能够以特定波长进行辐射，该特定波长处于预设波长范围内)。该宽带辐射源包括弧光灯、白炽灯、卤素灯、任何其它合适的加热灯或其组合。该辐射源例如包括发光碘化物、激光碘化物、任何其它合适的加热灯或其组合。

在热处理系统100包括例如发射器6的示例中，发射器6发射至工件7的脉冲光线在经过反射和透射之后可分别在靠近第一表面71和第二表面72的一侧形成反射光线和透射光线。本领域技术人员应当理解的是，上述发射至工件7的脉冲光线在经过反射和透射之后形成的光线，其波长保持不变。发明人研究发现，对上述反射光线和透射光线进行测量来获取工件7的表面特性(例如，与温度有关的参数)的过程中，上述辐射热源3和13中的至少一个的宽带辐射中与对应的反射光线或透射光线具有相同波长的光线将可能干扰测量的精确度。

特别地，在800℃甚至更低(例如，700℃以下或600℃以下)温度的热处理温度范围内，诸如硅基工件7的发射率(例如，小于0.3％)和自身的辐射强度通常较低，给精确测量工件7的表面温度带来困难。另外，在采用双面加热法(例如，同时设置辐射热源3和13)的一些示例中，来自辐射热源3和13的宽带辐射中的干扰辐射将可能进一步降低测量工件7的表面温度的测量精度。

根据本公开的示例方面，可在辐射热源3与工件7的第一表面71之间设置至少一个电介质窗口4。电介质窗口4可配置为选择性地阻挡由辐射热源3(例如，加热灯管31)发射的辐射(例如，宽带辐射)的至少一部分进入处理室5。电介质窗口4例如可包括不透明区域和透明区域。如本文所使用的，“不透明”是指对于给定波长通常具有小于约0.1(10％)的透射率，“透明”是指对于给定波长通常具有大于或等于约0.8(80％)的透射率。换句话说，不透明区域通常可以被定义为对给定波长不透明，透明区域通常可以被定义为对给定波长透明。

根据本公开的示例方面，还可在辐射热源13与工件支撑体9之间设置至少一个电介质窗口14。电介质窗口14可配置为选择性地阻挡由辐射热源13(例如，加热灯管131)发射的辐射(例如，宽带辐射)的至少一部分进入处理室5。类似地，电介质窗口14与电介质窗口4可具有相同的透明区域和不透明区域。电介质窗口14和电介质窗口4的不透明区域例如可阻挡来自对应的辐射热源13和辐射热源3的辐射带宽中的杂散辐射。

在一些示例中，透明区域可以至少部分地设置在发射器6、第一探测器2、第二探测器(例如，图3所示的第二探测器11)中的至少一个的视场内。透明区域可对应地允许来自发射器6的发射光线、经由工件7反射的光线或透射的光线中的至少一个通过而尽可能减少上述光线被不透明区域吸收。上述透过透明区域的光线可在合适的时机下经由导光元件(例如，未示出的反射器)反射至处理室5内，以便于被第一探测器2或第二探测器11中的至少一个探测到来获得与为温度有关的参数。

在一些示例中，电介质窗口4和14中的至少一个所包括的不透明区域可包括石英材料。在不透明区域包括石英的示例中，石英例如掺杂了吸收基团，该吸收基团可用于吸收上述宽带辐射中的给定波长的杂散辐射。在一些示例中，该吸收基团例如包括羟基(OH)。根据本公开，羟基掺杂的石英能够吸收给定波长的辐射，从而表现出较佳的波长阻挡性质。例如，羟基掺杂的石英能够阻挡具有约2.7μm波长的辐射，其可以对应于发射器6在工作条件(例如，用于测量处于热处理工艺中的工件的温度的工作条件)下的发射波长(也可称为“温度测量波长”)，而不含羟基的石英可以对具有约2.7μm波长的辐射是透明的。因此，羟基掺杂的石英区域能够保护例如第一探测器2、第二探测器11和温度传感器10中的至少一个免受处理室5中(例如，辐射热源3和13中的至少一个)的杂散辐射(例如，约2.7μm的窄带波段)的干扰。

在一些示例中，不含羟基的石英区域可以至少部分地设置在发射器6、第一探测器2和第二探测器11中的至少一个的视场内。以发射器6在工作条件下向工件7发射具有约2.7μm波长的发射光线为示例，不含羟基的石英区域可对应地允许来自发射器6的发射光线、该发射光线经由工件7反射的光线或透射出工件7的光线中的至少一个穿过。上述穿过不含羟基的石英区域的光线可在合适的时机下经由导光元件(例如，未示出的反射器)反射至处理室5内，以便于被第一探测器2或第二探测器11中的至少一个探测到来获得工件7的表面特性。

在热处理系统100不包括电介质窗口4和电介质窗口14的示例中，为了减少辐射光源3和13中的任一个的辐射干扰，发射器6发射的脉冲光线的波长可在辐射光源3和13中的任一个发出的光线所具有的预设波长范围之外。在辐射光源3和13中的任一个为宽带辐射的示例中，发射器6发射的光线的波长(例如，窄带波段)可在该宽带辐射的范围之外。

在一些示例中，热处理系统100还包括隔离门15，在打开隔离门15时可允许工件7进入处理室5，并且在关闭时使得处理室5密封，使得可以在处理室5中维持真空压力，从而可以对工件7执行热处理。

下面将参考图3和图4详细地说明热处理系统100和测量系统110所包括的各个部件以及在测量工件7的表面温度过程中各部件所起到的作用。在实施例中，发射器6和第一探测器2可设置于靠近工件7的第一表面71的一侧。在具体示例中，发射器6可设置于处理室5的一个侧壁，并配置为发射以第一预设倾斜角(例如，与处理室5的上述一个侧壁的夹角)指向工件7的辐射光线(例如，激光束)。发射器6的一端可延伸至处理室5的腔体内，用于向处理室5内的工件7发射光线(例如，激光束)。

上述第一预设倾斜角可根据处理室5的尺寸(例如，长度、宽度和高度)来合理设置，以使得发射器6发射的辐射光线能够尽可能地投射至第一表面71的靠近中心的位置。在一些示例中，上述第一预设倾斜角例如可为30度-60度。在另一些示例中，上述第一预设倾斜角例如可为45度。

发射器6的另一端可暴露在处理室5的外部，用于与控制端(例如，控制器103)连接来控制激光束的发射波长。发射器6例如可配置为发射红外激光束。

在一些示例中，发射器6可配置为在例如200℃～1200℃的热处理的温度范围内，向工件7的第一表面71发射具有第一波长(例如，约2.7μm)的脉冲光线。可以理解的是，发射器6发射的第一波长例如为特定的窄带波段，使得辐射波长范围在例如2.7μm的公差内，该公差诸如在数值的10％内。

在一些示例中，第一探测器2可设置于处理室5的另一个侧壁，设置有发射器6的侧壁与设置有第一探测器2的侧壁可相邻接。在具体示例中，第一探测器2可配置为在例如200℃～1200℃的热处理的温度范围内，接收第一表面71反射的具有第一波长(例如，约2.7μm)的脉冲光线。在具体示例中，第一探测器2可以第二预设倾斜角(例如，与处理室5的上述另一侧壁的夹角)指向工件7，使得第一探测器2和发射器6沿垂直于工件7的法线对称地设置。

在第一探测器2和发射器6沿垂直于工件7的法线对称设置的一些示例中，第二预设倾斜角与第一倾斜角度之和例如为90度。在一些示例中，上述第二预设倾斜角例如可为30度-60度。在另一些示例中，上述第二预设倾斜角例如可为45度。

第一探测器2的一端可延伸至处理室5的腔体内，至少用于接收工件7反射的具有第一波长(例如，约2.7μm)的脉冲光线(例如，激光束)。第一探测器2的另一端可暴露在处理室5的外部，用于与处理单元102连接来实现信号传输。

通常情况下，物体的发射率、反射率和透射率之间满足如下关系式：

ε(λ)+ρ(λ)+τ(λ)＝1   (1)

在式(1)中，ε表示入射至物体的光线的波长为λ(例如，第一波长)时的发射率，ρ表示入射至物体的光线的波长为λ时的反射率，τ表示入射至物体的光线的波长为λ时的透射率。

对于不透明物体(例如，不透明的工件7)或处于600℃～1200℃甚至更高温度范围(例如，800℃～1200℃)的热处理工艺中的工件7(例如，硅基工件)，其透射率τ通常可忽略不计。参考式(1)，工件7在该些情况下的发射率ε可随后由其反射率ρ来计算。而工件7的反射率可以由入射到第一探测器2上的具有第一波长(例如，约2.7μm)的入射光线经由工件7反射之后形成的反射光线的辐射强度与发射器6发出的具有第一波长(例如，约2.7μm)的发射光线的辐射强度的比值来确定。在发射器6发射的光线的辐射强度确定的情况下，第一探测器2可生成指示反射率的电信号，该电信号可向例如处理单元102传输。

另外，关于物体的温度，根据黑体辐射理论，物体的温度与发射率和物体的辐射(例如，辐射强度)之间满足如下关系式：

在式(2)中，T表示物体的温度，h表示普朗克常数，c表示光速，k表示玻尔兹曼常数，λ表示物体发射的辐射光线的波长(例如，第一波长)，Δλ表示物体发射的窄带波段的带宽，ε表示物体的发射率，I_wafer表示物体发射的辐射强度。

处理单元102可基于由工件7的第一表面71发射的具有第一波长(例如，约2.7μm)的辐射(例如，辐射强度)结合工件7的发射率来计算工件7的第一表面71的温度。在一些示例中，第一表面71辐射的具有第一波长的连续光线也可以由第一探测器2测量。应当理解的是，发射器6发出的具有第一波长的脉冲光线的频率与工件7的第一表面71发射的具有第一波长的辐射光线的频率可不相同。具体地，发射器6中配置的例如光学陷波滤波器可将其发射的具有第一波长的脉冲光线的频率进行调制，以使得其频率与工件7的第一表面71辐射的具有第一波长的连续光线的频率不同，从而能够被第一探测器2区分。

在一些实施例中，发射器6和第一探测器2可以是锁相的。例如，发射器6和第一探测器2可以根据锁相机制来操作。例如，尽管电介质窗口4和14中的至少之一所包括的不透明区域可配置为阻挡来自对应的辐射热源在预设波长处范围中的大部分杂散辐射，但在一些情况下，杂散辐射仍然可被第一探测器2感知到。根据锁相机制操作发射器6和第一探测器2可在存在杂散辐射的情况下提高具有第一波长的脉冲光线和连续光线的辐射强度的测量精度。

在一些示例中，可以调制由发射器6发射的辐射强度和辐射强度中的至少一个。例如，发射器6可以在辐射强度调制的情况下向工件7的第一表面71发射脉冲光束。在一些其它实施例中，发射器6的恒定辐射可由旋转斩波轮(图中未示出)周期性地阻挡。斩波轮可包括一个或多个阻挡部和/或一个或多个通过部。斩波轮可以在发射器6的视场内转动，使得来自发射器6的恒定辐射流被斩波轮的阻挡部间歇地中断，并利用斩波轮的通过部通过。因此，由发射器6发射的恒定辐射流可以被调制为具有与斩波轮旋转相对应的脉冲频率的脉冲。脉冲频率可以被选择为或包括与热处理系统100中的其它部件的操作几乎没有重叠或没有重叠的频率。例如，在一些实施例中，脉冲频率可以是约130Hz。在一些实施例中，130Hz的脉冲频率能够是特别有利的，因为辐射热源可配置为基本上不发射具有130Hz频率的辐射。另外和/或可替代地，可以基于脉冲频率而使第一探测器2锁相。例如，热处理系统100中的控制器103可基于发射器6的以脉冲频率调制且从工件7反射的具有第一波长的光线而使测量(例如，工件7的反射率测量)脱离第一探测器2。这样，热处理系统100能够在来自第一探测器2的测量(例如，工件7自身的辐射强度)值上减少来自杂散辐射的干扰。

在发射器6不发射辐射的时间点期间，第一探测器2可以获得对应于杂散辐射的测量值。类似地，在发射器6发射脉冲的时间点期间，第一探测器2可以获得对应于总辐射的测量值。然后，可以基于指示杂散辐射的测量值来校正上述示例中的反射率。

参考图3和图4，热处理系统100例如还可包括温度传感器10，温度传感器10可配置为在600℃～1200℃的热处理的温度下，根据接收的第二表面72辐射的具有第二波长(例如，与第一波长不同)的光线(例如特定窄带波段的辐射强度)指示第二表面72的温度。可选地，温度传感器10例如可包括用于显示第二表面72的温度的显示屏，并在接收到上述具有第二波长的光线之后显示第二表面72的温度。

在包括一个温度传感器10的示例中，该温度传感器10例如可设置在工件支撑体9的中心线上或中心线附近，使得当工件7设置在工件支撑体9上时，温度传感器10可以获得对应于工件7的第二表面72的中心的温度。在另一些示例中，另一温度传感器10可设置在工件支撑体9中心线的外部位置，使得温度传感器10可测量工件7的第二表面72沿工件7外周的温度。因此，热处理系统100包括能够在工件7上的不同位置处测量工件7的第二表面72的温度的一个或多个温度传感器10。

应当理解的是，由于处于600℃～1200℃的热处理的温度范围内的工件7的透射率几乎忽略不计，而且在此温度范围内的工件7的发射率(例如，大于等于0.3)和从工件7的表面(例如，第一表面71)发射的具有第一波长的辐射光线的强度均较高，有利于第一探测器2精确探测该辐射的强度，也保证了工件7的第一表面71的温度的测量精度。

然而，发明人研究发现，对于800℃以下的热处理温度(例如，200℃～800℃的温度范围)，经由发射器6发射至例如硅基工件7的第一表面71的光线将穿过工件7的第二表面72形成透射光线，从而具有一定的透射率。参考式(1)可知，此情况下，若需要精确测量发射率和工件7的表面温度，还需考虑透射率的影响，因此需要对透射率进行测量。另外，在例如300℃～800℃的热处理范围内，硅基工件7中的硅(例如，多晶硅)将发生明显的相变，可能导致硅基7的发射率突变，因此需要对发射率的变化快速且精确响应的温度测量系统来提高温度测量的精度和稳定性。

根据本公开的示例性方面的温度测量系统110还可包括第二探测器11，第二探测器位于靠近第二表面72的一侧，并设置于发射器6发出的光线的延长线上。

在一些示例中，第二探测器11可配置为在例如200℃～800℃的热处理的温度下，根据接收的第二表面72透射的具有第一波长(例如，约2.7μm)的脉冲光线测量第二表面72的透射率。在一些示例中，第二探测器11与第一探测器2设置在处理室5的同一侧壁。在具体示例中，第二探测器11可以第三预设倾斜角(例如，与上述同一侧壁的夹角)指向工件7，该第三预设倾斜角与第二预设倾斜角可相同，从而使得第二探测器11和第一探测器2在工件7的两侧对称地设置。

参考图5，发射器6与垂直于工件7的第一表面71和第二表面72的法线的夹角α、第一探测器2发出与法线的夹角β以及第二探测器11与法线的夹角γ可相等，从而使得发射器6发出的光线的反射部分能够最大程度地被第一探测器2接收，并使得透射的光线能够最大程度地被第二探测器11接收。第二探测器11的一端可延伸至处理室5的腔体内，至少用于接收工件7透射的具有第一波长(例如，约2.7μm)的脉冲光线(例如，激光束)。第二探测器11的另一端可暴露在处理室5的外部，用于与处理单元102连接来实现信号传输。

具体地，参考式(1)，工件7的透射率可以由入射到第二探测器11上的具有第一波长(例如，约2.7μm)的透射光线的辐射强度与发射器6发出的具有第一波长(例如，约2.7μm)的发射光线的辐射强度的比值来确定。在发射器6发射的光线的辐射强度确定的情况下，第二探测器11可生成指示透射率的电信号，该电信号可向例如处理单元102传输。然后，处理单元102可基于以上示例中的反射率和透射率计算工件7的发射率。

在一些示例中，处理单元102可根据式(2)，结合第一探测器2测量的第一表面71的反射率和第一表面71辐射的具有第一波长(例如，窄带波段)的光线的强度、第二探测器11测量的透射率来计算第一表面71的温度。

具体地，第二表面72发射的具有第一波长(例如，窄带波段)的辐射也可以由第二探测器11测量。具体地，第二探测器11可探测得到第二表面72透射的具有第一波长的透射光线以及辐射的具有第一波长的连续光线。结合前文，应当理解的是，第二表面72透射的具有第一波长的透射光线(例如，发射器6发出的脉冲光)的频率与工件7的第一表面72辐射的具有第一波长的连续光线的频率可不相同。具体地，发射器6中配置的例如光学陷波滤波器可将其发射的具有第一波长的脉冲光线的频率进行调制，以使得其频率与工件7的第一表面72透射的具有第一波长的辐射光线的频率不同，从而能够被第二探测器11区分。

处理单元102可根据式(2)，结合第一探测器2测量的第一表面71的反射率、第二探测器11测量的透射率以及第二表面72辐射的具有第一波长(例如，窄带波段)的光线的强度来计算第二表面72的温度。根据本公开的一些示例的温度控制系统100可在例如200℃～1200℃的热处理温度范围内，精确地测量工件7的两个朝向辐射热源的表面的温度，有利于对该两个表面的温度进行控制。对于300℃～800℃的热处理范围内，工件7的发射率容易产生突变的一些情况，根据本公开的一些示例性温度控制系统100可快速和精确地响应该突变，提高了温度测量的精度和稳定性。

类似地，在一些实施例中，发射器6和第二探测器11也可以是锁相的。例如，发射器6和第二探测器11可以根据锁相机制来操作。发射器6和第一探测器2的锁相机制可全部或至少部分地应用于在此描述的发射器6和第二探测器11的锁相机制，因此，与此相同或相似的内容在此不做赘述。

在某些实施例中，控制器103可用于控制对辐射热源3和13中的至少一个供电，以便调节工件7的表面温度。在一些实施例中，控制器103可配置为独立于由温度测量系统100获得的工件7的表面温度而改变对辐射热源3和13中的至少一个的供电。然而，在其它实施例中，控制器103可配置为至少部分地基于温度测量系统100获得的工件7的表面温度(例如，第一表面71和第二表面72中的至少一个)来改变对辐射热源3和13中的至少一个的供电。可以应用闭环反馈控制来调节对辐射热源3和13中的至少一个供电，使得辐射热源3和13中的至少一个施加到工件7的能量将工件7加热到不高于期望温度。因此，工件7的表面温度可通过辐射热源3和13中的至少一个的闭环反馈控制来保持，例如通过控制辐射热源3和13中的至少一个的辐射强度来保持。

在一些示例中，控制器103还可用于控制例如发射器6、第一探测器11、第二探测器12和温度传感器10中的至少一个。控制器20也可以执行一个或多个工艺参数，例如改变处理室5的条件，以便在工件7的处理期间保持处理室5中的真空压力或使得处理室5保持0～50托的合适压力。具体地，控制器20可以在工件7的处理期间保持处理室5使得处理室5保持约1托、约10托、约20托、约30、约40托以及约50托中的任一合适压力。控制器20可包括例如一个或多个处理器和一个或多个存储器装置。一个或多个存储器装置可以存储计算机可读指令，当由一个或多个处理器执行时，这些计算机可读指令使得一个或多个处理器执行操作，诸如本文描述的控制操作中的任何一个。

图6示出了根据本公开的示例方面的一个示例方法200的流程图。将参照图1至图5的温度测量系统100通过示例的方式讨论方法200。可以在任何合适的温度测量系统100中实施方法200。图6为了说明和讨论的目的示出了以特定顺序执行的步骤。使用本文提供的公开内容，本领域普通技术人员将理解，在不脱离本公开范围的情况下，本文描述的任何方法的各步骤可以省略、扩展、同时执行、重排和/或以各种方式修改。另外，在不偏离本公开范围的情况下，可以执行各种步骤(未示出)。

方法200用于测量工件7在热处理过程中的温度(例如，第一表面71和第二表面72中的至少一个的温度)。参考图6，方法200包括步骤S210，响应于第一表面接收了例如经由发射器发出的具有第一波长的脉冲光线，根据第一表面反射的脉冲光线测量工件的反射率。参考图3和图4，工件7的第一表面71和第二表面72在热处理过程中，可接收经由辐射热源(例如，辐射热源3和13)发出的具有预设波长范围的的辐射光线以加热工件7。在具体示例中，辐射热源3和13可分别从靠近第一表面71的一侧和靠近第二表面72加热工件7。

第一表面71可接收激光器6发射的具有第一波长(例如，约2.7μm的窄带波段)的光线，并将该具有第一波长的光线进行反射。在例如200℃～1200℃的热处理的温度范围内，该反射的光线可被第一探测器2接收并探测。

对于不透明物体(例如，不透明的工件7)或处于600℃～1200℃甚至更高温度范围(例如，800℃～1200℃)的热处理工艺中的工件7(例如，硅基工件)，由于其透射率τ通常可忽略不计，参考式(1)，工件7在该些情况下的发射率ε可随后由其反射率ρ来计算。而工件7的反射率可以第一表面71反射的具有第一波长(例如，约2.7μm)的入射光线(例如，脉冲光线)经由工件7反射之后形成的反射光线的辐射强度与发射器6发出的具有第一波长(例如，约2.7μm)的发射光线的辐射强度的比值来确定。在一些示例中，第一表面71反射的具有第一波长(例如，约2.7μm的窄带波段)的光线的辐射强度可由探测器探测到，在发射器6发射的光线的辐射强度确定的情况下，第一探测器2可生成指示反射率的电信号，该电信号可向例如处理单元102传输。

方法200继续至步骤S220，根据第一表面辐射的具有第一波长的连续光线测量第一表面的辐射强度。第一表面71辐射的具有第一波长(例如，窄带波段)的连续光线也可以由第一探测器2测量。

应当理解的是，发射器6发出的具有第一波长的脉冲光线的频率与工件7的第一表面71辐射的具有第一波长的连续光线的频率可不相同。具体地，发射器6中配置的例如光学陷波滤波器可将其发射的具有第一波长的脉冲光线的频率进行调制，以使得其频率与工件7的第一表面71辐射的具有第一波长的连续光线的频率不同，从而能够被第一探测器2区分。

对于800℃以下的热处理温度(例如，200℃～800℃的温度范围)，经由发射器6发射至例如硅基工件7的第一表面71的光线将穿过工件7的第二表面72形成透射光线，从而具有一定的透射率。参考式(1)可知，此情况下，若需要精确测量发射率和工件7的表面温度，还需考虑透射率的影响，因此需要对透射率进行测量。

在一些示例中，第二探测器11可接收第二表面72在例如200℃～800℃的热处理的温度下透射的具有第一波长(例如，约2.7μm)的脉冲光线测量第二表面72的透射率。具体地，参考式(1)，工件7的透射率可以由入射到第二探测器11上的具有第一波长(例如，约2.7μm)的透射光线的辐射强度与发射器6发出的具有第一波长(例如，约2.7μm)的发射光线的辐射强度的比值来确定。在发射器6发射的光线的辐射强度确定的情况下，第二探测器11可生成指示透射率的电信号，该电信号可向例如处理单元102传输。

在另一些示例中，第二表面72发射的具有第一波长(例如，窄带波段)的辐射也可以由第二探测器11测量。具体地，第二探测器11可探测得到第二表面72透射的具有第一波长的透射光线以及发射的具有第一波长的辐射光线。结合前文，应当理解的是，第二表面72透射的具有第一波长的透射光线(例如，发射器6发出的脉冲光)的频率与工件7的第一表面72发射的具有第一波长的辐射光线的频率可不相同。具体地，发射器6中配置的例如光学陷波滤波器可将其发射的具有第一波长的脉冲光线的频率进行调制，以使得其频率与工件7的第一表面72透射的具有第一波长的辐射光线的频率不同，从而能够被第二探测器11区分。

方法200继续至步骤230，至少根据反射率和第一表面的辐射强度确定第一表面的温度。对处于600℃～1200℃甚至更高温度范围(例如，800℃～1200℃)的热处理工艺中的工件7来说，处理单元102可基于由工件7的第一表面71辐射的具有第一波长的连续光线，结合工件7的第一表面71的反射率来计算工件7的第一表面的温度。

在温度测量系统100包括温度传感器10的一些示例中，温度传感器10可配置为在600℃～1200℃的热处理的温度下，根据接收的第二表面72辐射的具有第二波长(例如，与第一波长不同)的光线(例如特定窄带波段的辐射强度)指示第二表面72的温度。

在一些示例中，处理单元102可根据式(2)，结合第一探测器2测量的第一表面71的反射率和第一表面71辐射的具有第一波长(例如，窄带波段)的光线的强度、第二探测器11测量的透射率来计算第一表面71的温度。

在另一些示例中，处理单元102可根据式(2)，结合第一探测器2测量的第一表面71的反射率、第二探测器11测量的透射率以及第二表面72辐射的具有第一波长(例如，窄带波段)的连续光线的强度来计算第二表面72的温度。

根据本公开的一些示例的方法可在例如200℃～1200℃的热处理温度范围内，精确地测量工件7的两个朝向辐射热源的表面的温度，有利于对该两个表面的温度进行控制。对于300℃～800℃的热处理范围内，工件7的发射率容易产生突变的一些情况，根据本公开的一些示例性方法200可快速和精确地响应该突变，提高了温度测量的精度和稳定性。

可以理解的是，在描述热处理系统100中所涉及的部件及其构造、方法以及功能可全部或至少部分地适用于在此描述的方法200中所涉及的相同或相似的部件及其构造、方法，因此，相同或相似的内容在此不做赘述。另外，热处理系统100及其部件所能够解决的问题或能够实现的效果可全部或至少部分地被方法200所实现，因此，关于方法200所能够解决的问题或能够实现的效果的详细说明在此不做赘述。

上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。

Claims (17)

1.一种热处理系统，包括用于测量工件在热处理的过程中的温度的测量系统，所述测量系统包括：

发射器，配置为向所述工件的第一表面发射具有第一波长的脉冲光线；

第一探测器，配置为根据接收的所述第一表面反射的所述脉冲光线测量所述工件的反射率，并配置为根据接收的所述第一表面辐射的具有所述第一波长的连续光线测量所述第一表面的辐射强度，其中，所述脉冲光线的频率与所述连续光线的频率不同；以及

处理单元，配置为至少根据所述反射率和所述第一表面的辐射强度确定所述第一表面的温度。

2.根据权利要求1所述的热处理系统，还包括：

第二探测器，配置为根据接收的第二表面透射的所述脉冲光线测量所述第二表面的透射率，所述第二表面为所述工件中与所述第一表面相对的表面；

其中，所述处理单元配置为根据所述反射率、所述透射率和所述第一表面的辐射强度确定所述第一表面的温度。

3.根据权利要求2所述的热处理系统，其中，所述第二探测器配置为在所述热处理的温度为200℃～800℃的情况下，根据接收的所述第二表面透射的具有所述第一波长的脉冲光线测量所述第二表面的透射率。

4.根据权利要求1所述的热处理系统，其中，所述处理单元配置为在所述热处理的温度为600℃～1200℃的情况下，根据所述反射率和所述第一表面的辐射强度确定所述第一表面的温度。

5.根据权利要求2所述的热处理系统，其中，

所述第二探测器还配置为根据接收的所述第二表面辐射的所述连续光线测量所述第二表面的辐射强度；以及

所述处理单元还配置为根据所述反射率、所述透射率和所述第二表面的辐射强度确定所述第二表面的温度。

6.根据权利要求1所述的热处理系统，还包括：

温度传感器，配置为在热处理的温度为600℃～1200℃的情况下，根据接收的所述工件的与所述第一表面相对的第二表面辐射的具有所述第二波长的光线指示所述第二表面的温度，其中，所述第二波长与所述第一波长不同。

7.根据权利要求1所述的热处理系统，还包括：

辐射热源，配置为在所述热处理的过程中，从靠近所述第一表面的一侧和第二表面的一侧，向所述工件发射波长处于预设波长范围内的光线，其中，所述第二表面为所述工件中与所述第一表面相对的表面；以及

电介质窗口，设置于所述辐射热源和所述工件之间。

8.根据权利要求7所述的热处理系统，其中，用于所述电介质窗口的材料包括石英，所述石英掺杂吸收基团，所述吸收基团用于吸收所述预设波长范围内的具有所述第一波长的光线。

9.根据权利要求1所述的热处理系统，其中，所述发射器和所述第一探测器均位于靠近所述第一表面的一侧，并沿垂直于所述工件的法线对称设置。

10.根据权利要求2所述的热处理系统，其中，所述第二探测器位于靠近所述第二表面的一侧，并设置于所述发射器发出的所述光线的延长线上。

11.根据权利要求7或8所述的热处理系统，还包括：

控制器，配置为至少部分基于所述第一表面的温度控制所述辐射热源的辐射。

12.一种温度测量方法，用于测量工件在热处理的过程中的温度，所述方法包括：

响应于所述工件的第一表面接收了第一波长的脉冲光线，根据所述第一表面反射的所述脉冲光线测量所述工件的反射率；

根据所述第一表面辐射的具有第一波长的连续光线测量所述第一表面的辐射强度，其中，所述脉冲光线的频率与所述连续光线的频率不同；以及

至少根据所述反射率和所述第一表面的辐射强度确定所述第一表面的温度。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

根据第二表面透射的所述脉冲光线测量所述第二表面的透射率，所述第二表面为所述工件中与所述第一表面相对的表面，其中，至少根据所述反射率和所述第一表面的辐射强度确定所述第一表面的温度还包括：

根据所述反射率、所述透射率和所述第一表面的辐射强度确定所述第一表面的温度。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，根据所述第二表面透射的所述脉冲光线测量所述第二表面的透射率包括：

根据所述第二表面在所述热处理的温度为200℃～800℃的情况下透射的所述脉冲光线测量所述第二表面的透射率。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，至少根据所述反射率和所述第一表面的辐射强度确定所述第一表面的温度还包括：

根据所述第一表面在所述热处理的温度为600℃～1200℃的下的反射率和辐射强度确定所述第一表面的温度。

16.根据权利要求13所述的方法，还包括：

根据所述第二表面辐射的所述连续光线测量所述第二表面的辐射强度；以及

根据所述反射率、所述透射率和所述第二表面的辐射强度确定所述第二表面的温度。

17.根据权利要求12所述的方法，还包括：

根据所述工件的与所述第一表面相对的第二表面在所述热处理的温度为600℃～1200℃的情况下辐射的具有所述第二波长的光线指示所述第二表面的温度，其中，所述第二波长与所述第一波长不同。

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