CN1754087B - 用于确定速热设备中的半导体晶片的温度的方法 - Google Patents

用于确定速热设备中的半导体晶片的温度的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN1754087B
CN1754087B CN2003801099279A CN200380109927A CN1754087B CN 1754087 B CN1754087 B CN 1754087B CN 2003801099279 A CN2003801099279 A CN 2003801099279A CN 200380109927 A CN200380109927 A CN 200380109927A CN 1754087 B CN1754087 B CN 1754087B
Authority
CN
China
Prior art keywords
model
wafer
described method
radiation
semiconductor wafer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN2003801099279A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1754087A (zh
Inventor
M·豪夫
C·默克尔
C·施特里贝尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mattson Thermal Products GmbH
Original Assignee
Mattson Thermal Products GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mattson Thermal Products GmbH filed Critical Mattson Thermal Products GmbH
Priority claimed from PCT/EP2003/013387 external-priority patent/WO2004059271A1/de
Publication of CN1754087A publication Critical patent/CN1754087A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN1754087B publication Critical patent/CN1754087B/zh
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/0003—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for sensing the radiant heat transfer of samples, e.g. emittance meter
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/324—Thermal treatment for modifying the properties of semiconductor bodies, e.g. annealing, sintering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67098—Apparatus for thermal treatment
    • H01L21/67115—Apparatus for thermal treatment mainly by radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67242—Apparatus for monitoring, sorting or marking
    • H01L21/67248—Temperature monitoring

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)

Abstract

本发明涉及一种借助于至少一个在RTP系统上量取的测量信号、即与要确定的状态变量具有依赖关系的被测量从RTP系统的模型中确定至少一个状态变量的方法，和借助于该模型预测的被测量、即预测值，其中所述被测量和预测值分别包括直流部分和交流部分的分量，并且其中，为了形成被测量的交流部分和被测量的通过该模型预测的交流部分之间的第一差值，通过过滤器分别分开地确定至少每个交流部分，为了使模型特性与变化的系统参数相匹配，通过将第一差值反馈到模型中来对至少一个模型参数进行参数自适应，从被测量和预测值或者从消除了交流部分的被测量和消除了交流部分的预测值中形成第二差值，为了使模型系统的状态与真实系统的状态一致，通过将所述第二差值反馈到模型中来进行模型系统的状态的状态校正，和在模型上量取至少一个状态变量。

Description

用于确定速热设备中的半导体晶片的温度的方法
本发明涉及一种方法，用于借助于至少一个在RTP系统上量取的测量信号、即被测量从RTP系统的模型中确定至少一个状态变量，该被测量与要确定的状态变量具有依赖关系。本发明尤其是涉及用于在其中利用辐射源加热对象或衬底的速热设备中确定对象、优选地诸如半导体晶片的衬底的温度的方法。
用于对诸如半导体晶片的衬底进行热处理的速热设备在半导体制造中已众所周知。将所述速热设备用于对晶片进行热处理，所述晶片优选地由硅组成，但是该晶片也可以由化合物半导体、诸如II-VI、III-V和IV-IV半导体组成。在速热设备中对半导体晶片进行热处理时的重要特征是在进行热处理期间对晶片温度进行准确的控制或调节。对晶片温度的控制或调节再度要求在进行热处理期间准确地确定晶片温度，以便相应控制或调节速热设备。本发明特别涉及在速热设备中对半导体晶片进行热处理期间对其进行温度确定的方面。通常，本发明涉及从RTP系统的模型中确定状态变量，所述RTP系统的模型借助于模型参数描述RTP系统的状态。
已知用于确定速热设备中的半导体晶片温度的不同方法。一方面，已知将热电偶安装在半导体晶片本身上和/或在其附近，以便确定该半导体晶片的温度。可是，同时得出以下问题，即一方面，热电偶安装在半导体晶片上要求巨大的耗费，而另一方面，导致局部温度不均匀性，因为该热电偶通常必须与半导体晶片保持导热接触，并且此外至少在热电偶的附近影响速热设备中的辐射场。
例如从源自于本申请人的专利申请和专利DE-A-19852320、US6,191,392和US 6,396,363已知的一种其他的无接触方法应用无接触温度测量。在进行这种无接触温度测量时装设第一高温计，其对准晶片的一侧，以便聚集来自晶片的辐射，所述辐射既包括晶片的热辐射又包括辐射源在晶片上反射的辐射。此外，装设第二高温计，其对准辐射源本身，以便聚集配备有调制的由辐射源发出的辐射。在此，这样选择辐射源的调制，使得该调制不表现在晶片的热辐射中，而是在辐射源在晶片上反射的辐射中是可测量的。根据一定的算法，使在第一高温计上测量的晶片的热辐射与辐射源在晶片上反射的辐射分开直至一定程度。于是，从热辐射中能够确定晶片的温度。
可是，这种类型的温度确定要求两个高温计或者检测器、即所谓的晶片高温计(或者通常是用于测量由晶片发射的和在晶片上反射的或透射过晶片的辐射的检测器)和灯高温计(或用于聚集由灯或者辐射源发射的辐射的第二测量系统)，这些高温计或者检测器分别与高成本相关联。此外，所述灯高温计或第二测量系统不仅仅聚集来源于辐射源的辐射，而且也还部分地聚集来源于晶片的辐射，这使准确地确定半导体晶片的温度变得困难，并且要求用于准确确定灯辐射的附加装置，如这在源自于本申请人的专利申请DE-A-19852321中进行了描述。关于晶片的温度时间特性，在速热系统的高动态时得出另外的问题。如果例如实现超过250℃/秒的晶片的高加热率，那么热辐射器(Heizstrahler)的辐射信号也如晶片的辐射信号一样包含调制频率范围中的频率部分。这一般导致来自热辐射器发射的并由晶片高温计测量的辐射的在该频率范围中确定的幅值比例失真。由此引起的瞬态测量误差在高动态的情况下有时可能严重损害所调节系统的稳定性和性能。因此，借助于所调制的辐射源的上述无接触的温度确定优选地适于准稳定系统，即适用于准稳定的系统速热设备晶片服从的系统或温度时间过程，也就是说，与辐射源的调制频率相比在时间上只是缓慢变化。从传感器灵敏度或从关于测量准确度的要求中得出另一问题，因为能够非常准确地确定所调制的辐射的贡献，所以借助于此来完成对象(晶片)的现场发射率和/或透射率确定。
从上述现有技术出发，本发明的任务在于，规定一种用于确定其中利用辐射源加热衬底的速热设备中的半导体晶片的温度的方法，该方法能够以简单和廉价的方式良好确定半导体晶片的温度。此外，本发明的任务在于，确定RTP系统的状态变量，其中该状态变量特别可是速热设备中的半导体晶片的温度。
根据本发明，用于确定其中利用辐射源(例如热辐射器)加热对象(例如半导体晶片)的速热设备中的对象(优选地诸如半导体晶片的衬底)的温度的方法具有：记录辐射源的控制量；记录大大取决于速热设备中的对象的要确定的状态量或与诸如对象(例如半导体晶片)的温度的要确定的状态量具有充分的依赖关系的被测量；通过包括施加有辐射源的控制量的半导体晶片(对象)在内的速热设备的系统模型来确定至少一个对象的所述被测量的预测值；从所记录的被测量和该被测量的预测值之间的差值中确定针对该系统模型的状态校正(在本申请中也称作调节量)；和根据系统模型和状态校正确定半导体晶片的状态或由半导体晶片和速热设备组成的系统的状态的至少一个状态变量，其中完成至少部分根据所确定的状态变量来确定被测量的预测值。
在进行状态校正之后，模型状态与系统状态极其一致。也即，模型代表真实系统的状态，因此可直接从系统模型中量取诸如晶片温度的要确定的系统状态。
该方法能够以简单和廉价的方式确定优选地描述由半导体晶片和速热设备组成的系统的状态的状态矢量的至少一个状态变量，其中所述系统状态在时间上的发展以及其对控制量的反应通过优选地包括多个子模型的系统模型来描述，一方面速热设备的至少一个控制量、诸如辐射源的控制量而另一方面至少一个确定的状态校正进入该系统模型。通常，速热设备涉及其中具有分布式系统参数和诸如发射率和温度的系统状态的不同组件彼此间相互存在复杂的热相互作用关系的系统。因此，对真实系统的完整描述将可能引起大量系统参数和所有热学相互作用的细节的准确认知。因此，出于实时要求的原因，通常已经不可实现完整的系统描述，因此系统模型优选地涉及减少到对于具体说明感兴趣的状态变量的动态的热学系统的基本特征的模型。
如果假设，系统模型和真实系统的初始状态严格相等，系统模型严格描述真实系统的动态特性，并且没有干扰量对真实系统产生影响，那么系统模型和真实系统的状态在相同的控制量的情况下可能总是相同地变化。可是，该假设是不切合实际的，因而给系统模型补充了调节。将调节路径(真实系统)的输出变量(被测量)与系统模型(观测器)的输出变量进行比较，并且其间的差值通过调节器反作用于观测器的状态。通过该状态校正(预测值和测量值之间的差值对状态和/或观测器的参数的反作用在本申请范围内也被称作调节量或者调节参数)以这种方式使观测器的状态与真实系统的状态相匹配，即调节器使各自的输出量之间的差值最小。该差值越小，至少观测器的可观测的状态变量与调节路径(真实系统)的状态变量越一致。如果现在半导体晶片的温度是这种可观测的状态变量，那么可直接从系统模型中推断出该状态变量或从此中量取该状态变量。
或者换句话说，如果为了状态校正，将预测值和测量值之间的差值或该差值对观测器的状态或参数的反作用称作用于匹配观测器、也就是系统模型的调节量或者调节参数，那么通过算法确定调节量(或者调节参数)，所述算法将所记录的速热设备中的对象的被测量与该对象的被测量的预测值进行比较，并且旨在使这两个值之间的差值最小。该差值越小，根据该模型确定的状态变量越好地描述由半导体晶片(对象)和速热设备组成的系统的实际状态，并因此也越好地描述对象(半导体晶片)的状态，由此，除了能够确定所述状态的其他变量之外，尤其是能够确定对象或半导体晶片的温度。
一般可以通过状态方程描述系统的动态特性，其中状态矢量x由一个或者多个状态变量组成。状态矢量x(t)随时间变化，其中通常借助于该系统由差分方程描述该时间变化。通过适当变换使差分方程转换成状态方程的一般形式 x · = f ( x ( t ) , u ( t ) ) , 其中
Figure G200380109927901D00042
是时间导数，u(t)是在所调节的系统的情况下通常强烈地取决于时间的系统的输入矢量，而f是通常为矢量值的函数。这样的状态变量也描述系统模型、例如由RTP系统和对象(半导体晶片、衬底)组成的系统模型的一个或多个状态。此外，系统或系统模型通过参数来表征，其中系统参数一般不随时间变化，或针对系统参数不能给出明确的时间依赖关系。尽管如此，参数确定系统或系统模型的传递特性，也就是输入量和输出量之间的关系。参数例如是系统模型RTP-系统-半导体晶片中的半导体晶片的发射率、透射率和反射率，而例如晶片温度和辐射源温度(灯温度)是状态变量。
如上所述，通常通过包含状态变量的状态矢量描述由对象和速热设备组成的系统或对象的状态。
按照本发明，用于借助于至少一个在RTP系统上量取的测量信号、即与要确定的状态变量具有依赖关系的被测量从RTP系统的模型中确定状态变量的方法包含借助于所述模型预测的被测量(预测值)，其中被测量和预测值分别包括直流部分和交流部分的分量，并且其中通过过滤器分别分开地确定至少所述交流部分，以便形成被测量的交流部分和被测量的通过模型预测的交流部分之间的第一差值；为了使模型特性与可变系统参数相匹配，通过将第一差值反馈所述模型中而对至少一个模型参数进行参数自适应；从被测量和预测值或者从消除了交流部分的被测量和消除了交流部分的预测值中形成第二差值；为了使模型系统的状态与真实系统的状态一致，通过将该第二差值反馈所述模型中而对模型系统的状态进行状态校正；并且量取模型上的至少一个状态变量。
状态变量优选地代表半导体晶片的温度或者从中可以清楚的方式导出半导体晶片温度的另一量。
上述本发明方法的特殊优点在于，仅仅必需一个传感器、例如用于记录被测量的高温计，以便然后如此确定由对象(半导体晶片)和速热设备组成的系统的状态，以致能够关于该对象的温度和/或可能的光学特性确定该对象的状态，所述可能的光学特性是先前未知的系统参数、诸如发射率、透射率和/或反射率。换句话说，本发明方法的特殊优点在于，仅仅必需一个传感器、例如用于记录被测量的高温计，以便通过参数匹配(参数自适应)使系统模型尽可能好地与调节路径(真实系统)一致来确定诸如半导体晶片的发射率、透射率和/或反射率的先前未知的系统参数，并且能够进行使观测器与调节路径的状态一致所利用的状态校正。当半导体晶片的光学特性变化(称为变化的系统参数、诸如半导体晶片的反射率、透射率和发射率，因为这些参数依赖于温度，并且因此在半导体晶片的温度依赖于时间时也隐含地依赖于时间)时，通过光学特性的模型调整使系统模型和调节路径的状态也保持一致，由此由状态变量导出的温度也接近于调节路径中的真实温度。因此，可以取消借助于如例如在前述DE-A-198 52 320中描述的另一检测器确定灯或者辐射源强度，并且因此本发明方法描述关于测量准确度和测量技术花费的极大简化和耐用性、可靠性和偏差稳定性的极大提高。此外，本发明即使在高系统动态、也就是在晶片的高加热率和/或冷却率时和尤其是在低的晶片温度时也允许几乎无干扰的温度确定，这是可靠地调节速热设备并且因此可靠地调节半导体晶片的温度的前提，因为在本发明方法的模型的预测值中也包含有从系统动态中产生的可能的频率分量(傅立叶分量)。这意味着，在强烈的系统动态的情况下，预测值和测量值也保持一致，并且因此不必将由系统动态引起的附加的频率部分解释为干扰。由此，这些分量可从诸如灯的辐射源的实际调制频率中分离出来，由此尤其是在高加热率时，极大地提高速热设备的易受干扰性和性能。如今已在实验室中和部分地在芯片制造的大规模生产中可靠地实现了直至500℃的加热率。因此，本发明方法优选地利用用于测量晶片辐射的高温计(或者辐射检测器)，因为从模型中提供诸如辐射源强度(例如灯辐射)的信息。但是，因此可以从该模型中推断出例如具有足够准确度的辐射源强度，这需要对热辐射器充分准确地建模。如果不可能充分准确地对热辐射器进行建模，那么可以例如借助于另一辐射检测器来确定辐射源强度，例如借助于直接以足够的准确度确定辐射源强度的高温计、例如借助于应用如源自于本申请人的专利申请DE19852321中描述的适当遮光装置来确定辐射源强度。但是，也可以例如通过测量与辐射源的强度有关的量来确定辐射源强度，其中借助于适当的变换数据得出辐射源强度。代替变换数据，也可以借助于包括辐射源模型的观测器或者自适应观测器获得辐射源强度。在此，所测量的量用于辐射源状态的状态校正和/或用于辐射源模型的参数的参数自适应。图8示意性地示出用于确定辐射源强度的、输入量u(t)和所测量的量y(t)之间的关系。将输入信号u(t)在调节器200(控制器)上给出，所述调节器根据输入信号调节辐射源220、例如灯(lamp)。驱动器(driver)210位于调节器和辐射源之间，所述驱动器针对用于驱动辐射源的相应功率提供相应的输入量u(t)。于是，辐射源、例如卤素灯宽带地辐射强度IBB，其中一部分辐射到达晶片230。由此，晶片被加热，并且然后借助于晶片高温计确定用于确定晶片温度的窄带信号INB。如果不是在唯一应用输入信号u(t)的情况下借助于对热辐射器充分准确的建模来确定辐射源强度，那么如上所述，其他所测量的量y(t)、诸如灯电压V和/或灯电流I和/或灯辐射强度(宽带IBB和/或窄带INB)可用于确定辐射源强度，其中也可以应用如所提及的所测量的量y(t)来调整辐射源模型，然后从所述辐射源模型中获得辐射源强度。
在用于确定状态变量的方法中，优选地通过第一加权函数和第一调节算法实现第一差值的反馈，和/或通过第二加权函数和第二调节算法进行第二差值的反馈。加权函数同时再现针对所测量的和所预测的信号的一致性的量度。于是调节算法确定，在考虑加权函数的情况下，各自的差值如何影响模型，也就是如何改变模型的状态和/或参数，以便达到状态校正和/或参数自适应，以致预测值和测量值尽可能好地一致。为了能够更有效地补偿低频偏差，除了采用借助于反馈矩阵进行比例校正之外，经常有利地采用反馈支路中的积分器。在本申请的范围内，通常将确定差值和用于状态校正或用于参数自适应而将该差值反馈至系统模型中称作确定调节量，利用该调节量影响模型状态或模型参数。因此关于此，与表示要借助于调节器调节的系统输出量的、在调节技术中常用的概念“调节量”相比，扩展了概念调节量。
在用于借助于至少一个在RTP系统上量取的测量信号从RTP系统的模型中确定状态变量的方法的另一优选的实施方案中，所述RTP系统是利用辐射源(诸如卤素灯的热辐射器)加热对象、优选地半导体晶片的速热设备和/或所述模型包括至少一个在RTP系统中加热的对象、例如至少一个半导体晶片，并且构成系统模型。这样的RTP系统通常被称作冷壁反应器(Cold-Wall-Reactor)，因为基本上通过热辐射器的辐射能量实现加热晶片(对象)，并且在壁的温度基本上比晶片的温度低的意义上RTP系统的壁是冷的。
可是，通常RTP系统也可以是热壁反应器(Hot-Wall-Reactor)，其中RTP系统的壁或待处理的对象(例如晶片)位于其中的处理室通常比要加热的对象具有更高的温度。
优选地，该RTP系统包括分别借助于控制量进行控制的不同热辐射器，其中优选地借助于具有不同调制参数的控制量控制用于调制所辐射的辐射强度的热辐射器(或者通常为辐射源)，以便以清楚的方式自适应系统模型的多个模型参数、诸如晶片的透射率或者反射率。因为系统模型借助于模型参数优选地考虑晶片的光学特性，其中使系统模型中晶片的光学特性与速热设备中的晶片的实际光学特性相适应。在此，也可能以组的形式构成热辐射器，其中随后分别利用控制量来控制各自的组。
也可以通过连续的、不必要是周期的激励实现或描述辐射源(例如热辐射器)的所述调制，例如可以通过伪随机序列(随机激励)或者有色噪声引起所产生的激励，其中将这些序列或噪声有针对性地馈入到热辐射器的调节量上(或者通常一个或者多个辐射源上)。但是，所述非周期的激励也可以通过寄生地在系统中(也即例如通过干扰)出现的、对热辐射器的调节量起作用的激励形成。在这些情况下，也可能通过本发明实现合理的参数自适应。
按照本发明的尤其优选的实施方案，被测量包括至少一个来自半导体晶片的热辐射，该热辐射通过辐射检测器、优选地高温计来聚集。但是，也可以其他方式来确定热辐射，诸如借助于测量例如变黑的表面的由热辐射引起的温度变化的、被定义与晶片相隔的热电偶。高温计能够准确地确定辐射强度，并且无接触地工作。在此，通过高温计聚集的辐射信号包括晶片的由在半导体上的测量范围发射的热辐射、以及辐射源在晶片上反射的辐射、和依赖于晶片材料和晶片温度透射过晶片的辐射中的至少一部分。优选地，辐射源的辐射具有允许不同于晶片的直接热辐射的调制。因此，可能借助于辐射源调制的调制参数识别在晶片上反射的辐射和/或透射过晶片的辐射，如这例如在源自于本申请人的专利US 6,191,392和US 6,396,363中进行了更详细的描述，其中如已经提及的，在本方法中可以取消在测量技术上记录辐射源强度。在应用所调制的辐射源(热辐射器)时，被测量包括通过调制辐射源产生的、基本上依赖于晶片的光学特性的交流部分，从而通过算法可实现光学特性(优选地发射率和/或透射率和/或反射率)的适应，所述算法通过自适应系统模型中的晶片(对象)的光学特性使所记录的被测量中的交流部分和通过系统模型预测的被测量中的交流部分相适应。
可替换或者附加于上述实施方案，被测量包括例如无接触地借助于高温计的来自目标(Gegenstand)的辐射，和/或被测量通过直接接触、例如借助于热电偶来记录温度或者与目标的温度有关的被测量。在此，目标与对象(半导体晶片)有这样的关系，使得对象(半导体晶片)的温度变化对目标的温度变化或被测量的变化产生影响，以致可以例如借助于模型和/或函数从目标的状态(例如温度或者一个或多个与温度有关的被测量)的认知中推断出对象(晶片)的温度和/或状态。目标可以例如是第二晶片或者“盖板”，其中可将这些约与晶片相隔地安装在原来的晶片的上方和/或下方，如这在源自于本申请人的US6,051,512或者US 6,310,328中进行了描述。此外，目标可以是例如处理室的一个区域、反射至少一部分晶片辐射的位于对象或晶片侧的附近的面、布置在对象附近的石英片的一部分(例如是石英处理室的部分)或者对可能的温度变化和/或关于其被测量的晶片(对象)的温度灵敏反应的另外放入处理室中的目标。在该实施方案中，RTP系统优选地也包括至少一个加热装置，对所述加热装置关于它放出的热能来进行调制，并且其中确定对象上的被测量，所述对象基于它的热学特性(诸如热质量)和/或它与所调制的加热装置(例如辐射源)的热耦合，就其温度而言仅仅基本上不遵循加热装置的调制，也就是说，例如针对对象上的温度调制的相关参数(例如调制幅度除以总信号的幅度)小于针对加热装置的调制的相同的相关参数的大约25％、优选地小于10％或者甚至小于1％。对象优选地包括或者是半导体晶片，至少部分地包围至少一个半导体晶片的包封层(例如在源自于本申请人的专利US5,837,555、US 5,872,889和专利申请DE 101 56441中已知的石磨盒，或如她在PCT/IB99/01946中描述的盒)、RTP系统的处理室的室壁(或者一部分室壁)或者通常是半导体晶片附近的目标。优选地借助于高温计和/或热电偶来记录被测量，并且状态的所确定的状态变量是对象的温度和/或半导体晶片的温度，其中优选地确定半导体晶片上和/或半导体晶片附近的目标上的被测量。同样优选地将对象的光学特性、诸如反射率、透射率和/或发射率在模型中考虑为模型参数。
在本发明优选的实施例中，确定被测量的预测值包括确定晶片辐射的预测值，所述晶片辐射的预测值预测高温计信号上的由晶片辐射引起的部分、也就是在晶片上测量点范围内的晶片辐射部分，该测量点有助于辐射测量装置的测量信号。由于所记录的信号既包括晶片的辐射部分又包括辐射源(也就是热辐射器)的辐射部分，所以分离晶片部分和热辐射器部分有利于清楚的状态校正。在这种情况下，状态重构或者换句话说正确解释以这两个辐射部分的模型预测为依据。在此，晶片的信号部分的预测优选地包括根据所确定的状态变量和所确定的晶片的发射率来确定在高温计的测量波长范围内的晶片的热辐射的强度值。接下来，优选地在考虑事先确定的、高温计的测量波长范围内的晶片辐射的强度值和所确定的晶片发射率的情况下，根据模型确定晶片辐射的预测值。因此，能有利地预测高温计信号上的、通过晶片产生的部分。同时该模型考虑室对晶片的有效发射率的影响，因为室几何结构和室壁的反射率可明显引起发射率提高。
在本发明的优选的实施例中，确定被测量的预测值除了包括确定晶片预测值之外，此外还包括确定灯预测值(辐射源预测值)或通常确定辐射源在辐射测量设备上聚集的辐射的预测值，该辐射源优选为灯、诸如任意形式的卤素灯、闪光灯和/或任意形式的弧光灯或者激光源。通常辐射源也可是热表面，诸如加热板。灯预测值或辐射源预测值预测高温计信号或者检测器信号上的、通过辐射源引起的部分。由此，能够预测尤其是通过反射和/或透射在晶片上产生的、高温计信号上的来源于辐射源的辐射的部分，其中为此应用晶片的反射率/透射率的自适应的参数。同时，基于晶片和辐射源(灯)之间的相互作用确定灯(辐射源)预测值优选地包括在考虑晶片的发射率的情况下根据所确定的状态变量(例如晶片温度)确定晶片的热辐射的宽带强度值。为了提高模型预测的准确度，通常可以考虑辐射相互作用或其他热耦合机制、诸如在各种对象(例如在处理室之内的灯、晶片、石英元件或者处理室或者其部分)之间的热对流和/或热传导。此外，确定灯预测值优选地还包括根据灯模型或辐射源模型和辐射源的控制量确定辐射源的强度值。由于热辐射器的状态不是唯一取决于它的调节量，而是还通常经宽带的辐射相互作用彼此间相互耦合，所以有利的是，一起考虑不同热辐射器的相互作用，以便提高预测热辐射器的状态的准确度。在此，灯模型或辐射源模型优选地考虑单个辐射源彼此间和/或与晶片之间的相互作用，其中，晶片的热辐射的宽带强度值进入灯-辐射源模型的输入量中。此外，灯模型优选地还考虑单个辐射源之间、诸如由多个灯组成的灯组的灯之间的相互作用。不仅半导体晶片对一个辐射源的各自的强度值具有相互作用，而且不同辐射源彼此之间也对一个辐射源的各自的强度值具有相互作用。在此，相互作用总是延时地对一个辐射源的强度值产生影响。辐射相互作用除了产生通过调节量定义的功率项之外，还产生如调节量那样确定辐射器状态的时间变化的附加功率项。通过考虑例如灯模型或辐射源模型中的这些相互作用，能够预测单个辐射源的尤其准确的强度值。
由于应该考虑到为了调节温度而利用该方法确定的半导体晶片的温度值，所以实时地、优选地以固定的时间间隔执行所有计算。因此，为了适当地满足实时要求，有利地使必要的计算量最小化。为了简化灯或辐射源的模型，并且减小必要的计算量，因而优选地将辐射源组合成组，并且针对各自组完成强度值的确定。在此，根据至少一个、可是优选地至少两个该组的代表来完成各自组的强度值的确定，以便达到更高的准确度。在此，优选地至少在一个组内利用相同的控制量来控制辐射源。
在确定灯(热辐射器)预测值时，优选地应用预测、更确切地说根据所确定的辐射源的强度值和所确定的晶片的发射率预测落在高温计的视场中的、在晶片上反射的和必要时透射过晶片的灯辐射的部分的模型。在此，该模型根据所确定的发射率优选地确定晶片的反射率和必要时晶片的透射率，以便确定所反射的和所透输的灯辐射的部分。此外，为了也多次考虑反射，该模型优选地考虑室几何结构。
优选地，通过使晶片预测值和灯(辐射源)预测值相加而构成被测量的预测值，所述预测值应该一起预测高温计的测量信号。在此，晶片辐射的预测值基本上包含被测量的预测值的直流部分，而灯预测值基本上包含被测量的预测值的直流部分以及交流部分。被测量的预测值的交流部分基本上从辐射源的辐射的调制和在晶片上反射的、来源于辐射源的辐射的部分中产生，该调制应该能够区别两个信号。
针对确定晶片的发射率，优选地至少部分地考虑被测量的预测值。在此，为了确定被测量的基本上对应于来源于辐射源和在晶片上反射的辐射的所调制的部分的交流部分，优选地过滤该被测量的预测值。为了确定晶片的发射率，优选地采用自适应算法，该算法调整被测量的预测值的交流部分(例如＞1Hz)和来自半导体的辐射(来源半导体晶片上的至少一个测量点)的由高温计记录的交流部分。由于该自适应算法只比较交流部分，所以独立于真实系统和系统模型的状态实现自适应。因而，自适应算法和状态校正不相互影响。
针对在速热设备中使晶片温度均匀，优选地使上述晶片相对于灯或辐射源旋转，其中例如由于在晶片(对象或者衬底)表面上的非均匀性或在一起旋转的、夹住晶片并且使其在必要时进行旋转的晶片支承装置(晶片载体)上的非均匀性(光波动，也就是关于透射和/或反射的非均匀性)，所述旋转可以产生来自半导体晶片的辐射的交流部分。针对确定好的发射率值，也即为了参数匹配模型和/或在模型中为了确定晶片和/或速热设备的状态变量(例如在确定状态变量、诸如旋转速度和/或旋转相位时)考虑所述交流部分。随后，如上所述，在将所确定的发射率馈送给其他过程之前，优选地将所确定的发射率进行缩放，以便关于所应用的值规定兼容性。
在本发明优选的实施方案中，在用于确定状态变量的模型中将半导体晶片看作所谓的黑体，以致针对确定状态变量不必确定发射率，并且为了确定状态变量，所述模型仅仅需要辐射源的控制量以及所确定的状态校正。
在本发明中采用的模型可以基于物理模型，也就是说，模型尽可能准确地描述实际基于的物理效果，或者可以根据经验，也就是例如借助于系统传递函数进行描述。借助于神经网对模型进行描述同样是有利的。此外，优选地采用多个子模型，所述子模型只在其整体上并且借助于其彼此间的相互作用才形成由对象(衬底)和速热设备组成的系统的整个模型。
下面，根据优选的实施例参考附图对本发明进行更详细的描述。
在图中：
图1示出其中可采用本发明方法的速热设备的示意图；
图2示出按照图1所述的速热设备的一部分的示意图，其中说明了辐射传感器的入射角或者开角以及速热设备中不同元件对辐射传感器的所测量的信号的影响；
图3示出RTP设备中的温度调节的示意图；
图4示出说明用于确定速热设备中的晶片温度的流程图的框图；
图5示出在确定速热设备中的晶片温度时的部分方面的示意图；
图6示出在确定速热设备中的晶片温度时的另一部分方面的示意图；
图7示出在确定速热设备中的晶片温度时应用的灯模型的功能块的示意图；以及
图8示出输入量u(t)和被测量y(t)之间的关系的示意图。
图1示出针对半导体晶片2的热处理的速热设备1的示意图。
速热设备1具有由上壁6、下壁7和布置在其间的侧壁8组成的壳体4。壁6、7和8共同构成室10。两个石英片12将室10分成了上室区14、中室区15和下室区16。在上室区和下室区14、16中，分别装设了卤素灯形式的多个辐射源18。可替换地或者附加地也可以装设其他辐射源，诸如弧光灯、闪光灯或者激光器，其中所述辐射源具有高动态，以便能够快速加热晶片2。石英片12基本上对于辐射源18的辐射具有可透性。
中室区15形成其中通过适当的、没有进一步示出的保持装置夹持晶片2的处理室15。保持装置可以包括用于旋转晶片2的旋转装置，该旋转装置能够在处理室内部使半导体晶片2旋转，也就是说，使晶片相对于辐射源旋转。在处理室的范围中，侧壁8具有用于使半导体晶片2充电和放电的入口/出口20。该入口/出口20通过适当的、没有进一步示出的机构可关闭。优选地但是不是必要地相对入口/出口20在侧壁8中装设用于将气体导入中室段15、也就是处理室段的进气口22。
此外优选地在处理室15内部还装设了补偿环24，其能够补偿在进行热处理期间出现的关于晶片上的温度分布的边际效应。
优选地，在下壳体壁7中装设用于引入辐射测量装置26、尤其是高温计的开口。高温计26具有对准晶片2的视场(在图1中用虚线示出)。该视场被这样布置并且具有这样的开角，使得直接来源于辐射源的辐射没有落在高温计26的视场中，或者通过高温计只能在减小很多的程度上记录这样的辐射。可是，辐射源在晶片2上反射的辐射可以落在高温计26的视场中，如图2借助于射线C示意性所示。
图2示意性地示出速热设备1的部分区域，以及尤其是落在高温计26的视场(alpha)内的不同的辐射分量。首先，只要直接来源于晶片2的热辐射来源于高温计26的直接视场中的一个点，那么该热辐射就落在高温计的视场中(如图2中的箭头A所示)。此外，在下室壁7和晶片2本身上反射的、晶片2的热辐射落在高温计26的视场中(如虚线箭头B所示)。
此外，在晶片2上反射的来源于辐射源18的辐射也落在高温计的视场中(如箭头C所示)。当然，所示的不同反射图案是可能的，以致不仅晶片的而且辐射源的不同辐射部分均落在高温计的视场中。在图2的图示中，可以此出发，晶片2针对辐射源18的辐射基本上是不透明的。当这不是这种情况时，来源于上述辐射源18的辐射也可穿过晶片2落在高温计26的视场中。
为了能够区分晶片2的热辐射和辐射源18在晶片2上反射的辐射，辐射源18的辐射具有调制。在此，这样选择该调制，使得晶片2的热辐射不遵循该调制。为了在晶片上反射的和透射过晶片的辐射之间进行区分，布置在晶片之上和晶片之下的辐射源可具有不同调制类型、如调制频率和/或调制相位。
图3示出应用按照本发明所述的温度确定的速热设备的温度调节的示意图。
在图3中，通过块30示出也称为RTP设备(速热处理设备)的速热设备。传感器信号从块30进入块32，其中进行按照本发明所述的温度确定。该传感器信号优选地是高温计26的信号，该信号既包含交流部分又包含直流部分。在不透明的晶片的情况下，交流部分基本上唯一地来源于在晶片上反射的灯辐射，而直流部分既来源于晶片的热辐射又来源于在晶片上反射的灯辐射。在硅晶片处，不透明的晶片的温度大约超过600℃，以致例如在晶片之上的辐射源的可能透射过晶片的辐射不再相关。
在块32中，通过下面仍要进一步描述的方法完成晶片的温度确定。应尽可能代表晶片的实际温度(Tist)的所确定的温度被转交给块34中的控制单元。块34中的控制单元将实际温度(Tist)与进入的温度额定值(Tsoll)进行比较，并且根据该比较结果调节速热设备30中的灯的控制功率。为此，在单个灯上施加例如有效电压(Ueff)。块34中的控制单元可以具有任意的调节器、诸如PID调节器或者包含正向控制的基于模型的调节器。在每种情况下，块34中的控制单元的控制信号值Ueff也被转交给块32，以便用于温度确定。下面，参考图4至7进一步描述块32中的温度确定。
图4以框图的形式示出温度确定方法的目前优选的实施方案。
在框40中完成原来的温度确定。在框40中，根据静态的室模型确定晶片温度，所述静态室模型包括室的模型，包括至少室特性的模型、优选地处于室中的对象的模型、优选地例如晶片模型和可选地灯或辐射源模型。为了简化各自的模型，优选地至少部分地应用针对单个模型的理想化参数。这样将晶片模型中的晶片例如看作发射率为1的黑色辐射器或者所谓的黑体。例如从根据图3所述的控制单元34馈入块40中的、在全部灯上施加的有效电压(Ueff-灯-全部)用作确定晶片温度的输入量。此外，根据状态校正(调节量)Z匹配所确定的晶片温度。可以将状态校正理解为一种调整回路，因为从所测量的和通过模型(观测器)预测的值类似于额定值与实际值比较来确定差值或校正值，其中调节器的调节量对应于该状态校正。可替换地或者附加地，适于说明由辐射源辐射的能量的每个辐射源参数可用于在灯或辐射源上施加的有效电压。这样，例如也可以选择电流或者甚至直接测量的辐射量，通过所述电流或者甚至直接测量的辐射量可确定辐射源的辐射。
再次在块42中确定状态校正(调节量)Z，并且该状态校正与所测量的晶片高温计信号(DC+AC)Kompl.-gem.和所预测的晶片高温计信号(DC+AC)Kompl.-vorh.之间的差值成比例。块42可被设计为所谓的P调节器，其中该校正可能与误差成比例。可是，为了补偿低频剩余误差，通常添加至少一个I调节器。当然，调节器也可被实施为PID调节器。所测量的晶片高温计信号对应于按照图3从块30提供给块32的传感器信号。该晶片高温计信号包含直流部分以及交流部分。直流部分基本上由在晶片上反射的辐射构成，如图2中箭头C所示。另外，直流部分还包含晶片辐射，也就是晶片的热辐射和在晶片上和/或在处理室和/或壳体的室壁上反射的灯辐射的直流部分。
所预测的晶片高温计信号是由晶片辐射的预测值DCWafer-vorh.和灯预测值(AC+DC)Lampenrefl.-vorh.构成的信号。在此，晶片辐射的预测值基本上只包含直流部分，而灯预测值包含直流部分和交流部分。
从块40中确定的晶片温度TWafer中确定晶片辐射的预测值。首先，将所确定的晶片温度转交给块44。在块44中，确定高温计测量范围之内、例如在2.3μm处的晶片辐射的所预测的强度。根据晶片温度Twafer和所确定的晶片的发射率Ewafer-skal完成上述确定。下面，还要进一步描述发射率的确定。
随后，将所预测的晶片辐射的强度Iwafer-2.3转交给块46。在块46中，预测高温计信号中的晶片辐射的部分，其中该部分基本上是直流部分，但必要时也可能包含交流部分。在应用模型的情况下完成该预测，其中高温计测量范围内的晶片辐射的强度(Iwafer-2.3)以及所确定的发射率Ewafer-skal作为变化的量进入所述模型。在此，该模型此外还包含考虑室对晶片的明显发射率的影响、也就是通过处理室或室壁的反射特性具有明显的发射率提高的模型。高温计信号中的所预测的晶片辐射部分DCwafer-vorh.表示晶片辐射的预测值，并且被转交给块48中的加法器，在该加法器中将其与灯预测值相加，以便获得所预测的晶片高温计信号(DC+AC)Komplet-vorh.。
与晶片辐射的预测值分离地确定灯预测值。在此，首先根据在灯上施加的有效电压或者另一适当的辐射源参数利用灯(辐射源)模型确定、更确切地说在块50中确定灯辐射的强度。将在灯上施加的有效电压例如从按照图3的块34中的控制单元提供给块50。为了简化灯模型，不确定每个单个灯的强度，其中例如在速热设备中可能装设超过50个灯。而是优选地将灯分成不同的组、例如四组，其中基本上分别利用相同的灯电压控制每组灯。在所述优选的实施例中，根据所述组的至少两个代表，确定各自组的强度值。
如此建立灯模型，以致考虑各自的灯丝之间的相互作用。此外，灯模型还考虑各自的灯和晶片辐射之间的相互作用。因而，在确定灯辐射的强度时，除了灯的所施加的有效电压之外，还将晶片辐射的预测的宽带强度IWafer-vorh.输入所述灯模型中。在块52中确定，更确切地说根据块40中确定的晶片温度Twafer和必要时所确定的发射率来确定晶片辐射的预测的宽带强度。
为了清楚地说明，图7再次示出了进入所述灯模型中的分量。在此，圆54构成原来的灯模型。从灯模型中导出灯辐射，如圆56所示。
理想化的灯模型进入灯模型54中，该理想化的灯模型在自由无限空间中对灯辐射的强度进行建模。可是，来自块60的校正参数也进入灯模型54中，该校正参数考虑灯的单个灯丝之间、尤其是相邻灯之间的相互作用。在图7的右下角示出的图表中示意性地说明了该相互作用。
考虑灯丝和晶片2之间的相互作用的来自圆62的第二校正参数也进入灯模型54中。在示意图中同样说明了该相互作用。
事先根据参考传感器(如圆64所示)确定灯丝彼此之间以及灯丝和晶片之间的各自的相互作用。代替借助于参考传感器的测量，当然也可能针对各自的相互作用规定相应的数学模型。
现在，再次参考图4，并且进一步说明灯预测值的确定。现在将在块50中确定的灯辐射的强度Ilampen转交给块66。在块66中，确定高温计信号中的灯辐射的预测部分。通过将灯辐射的强度Ilampen和所确定的晶片发射率Ewafer-skal.用作为输入量的模型完成所述确定。该模型包含针对单个灯的部分的加权，因为不同灯对高温计信号具有不同影响。该模型考虑高温计测量范围内的灯辐射在晶片上反射的部分，该部分落在高温计的视场内，其中该模型考虑晶片的反射率以及室几何结构。再次从所确定的发射率Ewafer-skal.中确定晶片的反射率。只要晶片对于灯辐射是不透明的，那么基本上适用，晶片的反射率等于1减去发射率。
将高温计信号中的灯辐射的预测部分(AC+DC)lampenreflektion-vorh.作为灯预测值提供给块48中的加法器，并且在那里与晶片辐射的预测值相加。灯预测值包含直流部分以及交流部分，其中该交流部分来源于灯强度的调制、例如通过调制所施加的有效电压。
如已经提及的那样，在块48中将晶片辐射的预测值与灯预测值相加，以便产生被提供到块42中的所预测的晶片高温计信号。在块42中，确定实际测量的晶片高温计信号和所预测的晶片高温计信号之间的差值，并且从中确定状态校正(调节量)Z，该状态校正又影响块40中的所确定的晶片温度Twafer。在此，如此设计系统，以致在上述环路的连续过程中所述差值收敛为零。一旦差值为零或者在预定的公差范围之内时，那么可以此出发，所确定的晶片温度Twafer对应于实际的晶片温度。
在上述几个功能块中，已将“所确定的发射率”用作输入量。下面，参考图4将进一步描述，可以如何确定所确定的发射率。
如上已经进一步说明的那样，在根据图4的块48中，将晶片辐射的预测值与灯预测值相加，以便获得所预测的晶片高温计信号(DC+AC)Kompl.-vorh.。将既具有交流部分又具有直流部分的所预测的晶片高温计信号导入块90中的过滤掉直流部分的过滤器。因此，从块90中输出的信号仅包含基本上唯一地来源于灯辐射的调制的交流部分。该信号被称为AClampen-vorh.。将该信号作为输入量转交到块92中。所测量的晶片高温计信号的过滤过的部分作为其他输入量导入块92中。为此，所测量的晶片高温计信号(DC+AC)Kompl.-gem经过滤器被导入块94中，以便过滤掉直流部分。所得到的信号对应于所测量的晶片高温计信号的交流部分ACgem，其同样作为输入量被导入块92中。在块92中，从所测量的晶片高温计信号的交流部分和所预测的晶片高温计信号的交流部分中确定晶片的发射率值。为此，自适应算法首先如此匹配系统模型的光学特性(包括例如晶片的发射率、反射率和透射率)，以致所测量的晶片高温计信号的交流部分(＞1Hz)和所预测的晶片高温计信号的交流部分(＞1Hz)重合。由于这种自适应算法只应用和比较所测量的晶片高温计信号的交流部分和所预测的晶片高温计信号的交流部分，所以独立于真实系统的状态和系统模型、尤其是独立于晶片(对象)的温度而实现自适应。在自适应之后，可以从系统模型中推断或量取光学特性和尤其是发射率。
只要在热处理期间使晶片旋转，那么晶片旋转就可能产生对应于旋转速度的交流部分，该交流部分可以在确定发射率值时在块92中再次被考虑。例如可以过滤掉对应于旋转速度的交流部分。
现在，将在块92中确定的发射率值Ewafer转交给块94，其中针对随后的过程对该所确定的发射率值Ewafer进行缩放，并且作为Ewafer-skal.提供给随后的确定过程。
在进行上述的发射率确定时，基本上只确定所应用的辐射检测器、诸如晶片高温计26的测量范围内、例如在2.3μm处的发射率。在进行该确定时，可以此出发，即基本上通过在晶片上的反射或在室壁上的反射产生最初来源于辐射源的调制的测量以及预测的辐射信号的交流部分。因而，晶片的反射率是在上述通过自适应算法进行光学特性匹配时的重要因素。只要晶片对于热辐射是不透明的，那么当然晶片的透射率在这种情况下也起重要作用。
图5示出用于确定速热设备中的半导体晶片的温度或用于确定状态或状态变量的系统的简图。只要描述类似或者等价元件，那么在图5中应用与上述图中相同的参考符号。
图6示出用于确定发射率或用于确定模型参数的简图。如图4中所述，在本发明方法中，并行确定至少一个状态变量(例如晶片温度)和确定或匹配至少一个模型参数(例如发射率)，其中借助于图5中通过功能块76、72、82、84和86简化示出的观测器完成状态确定。借助于图6中通过功能块104、102、112、110和108示意性示出的自适应观测器完成模型参数的匹配或者自适应。
为了再次清楚地说明图4中所述的发明，下面借助于图5和6中示意性示出的观测器再次相互分开地描述状态确定和参数自适应，其中在如所提及的按照图4所述的本发明方法中，并行进行状态确定和参数自适应。通过例如确定依次不相同的被测量及其预测值，也就是说通过例如与图4所示的实施方案相反依次地确定测量信号的交流部分和直流部分以及将其用于状态或参数确定，也将同样可能连续进行状态和参数确定。
图5中示意性地示出了具有加热灯18的速热设备1。在该速热设备1中，布置半导体晶片2，以对其进行热处理。高温计26对准晶片2的一侧。
通过控制单元70来控制加热灯18。
在对晶片2进行热处理期间，在高温计26中测量来自晶片的、既包含晶片辐射也包含在晶片上反射的辐射的辐射，并且测量信号被转交给块72。在74中也示意性地示出了该测量信号。
除了实际的速热设备1之外，在虚线框76中还示出了速热设备的模型1′。模型式的速热设备的特征分别通过单引号′标出。速热设备的模型1′包括例如灯的模型18′、晶片的模型2′、室的模型4′以及高温计的模型26′。将加热灯18的控制信号输入到速热设备1的模型中，如虚线78所示。通过作为整个模型的一部分的块80，将晶片2′的温度T给作为设备的模型1′，该温度影响晶片模型的状态或其他模型的状态和/晶片的模型2′或其他模型的状态。根据控制功率和预定的晶片2′的温度，速热设备的模型1′计算预测的高温计信号(DC+AC)Kompl.-vorh.，并且将其传输给块82。来自块72的所测量的高温计信号和所预测的高温计信号82两者都被传输到块84中，其中计算这两个值之间的差值。然后，从该差值中确定状态校正(调节量)，该状态校正被传输到块80中，以便在考虑该状态校正的情况下在模型中改变在那里确定的晶片2′的温度量T(其作为一个或者多个模型的状态的状态变量得出)。温度T也从模型中被输出到圆86，并且可以在模型之外例如被用于温度调节或者温度控制。图5中所示的系统连续地或者在可预定的时间过程中(例如借助于键控频率)比较所测量的高温计信号与从模型中预测的高温计信号，并且通过选择适当的模型的状态试图将差值调节为零。当差值为零或者处于公差范围之内时，在圆86中模型化的晶片温度T对应于因此在应用单个晶片高温计26的情况下能够准确地确定的实际晶片温度。
在88处示出的模型化的辐射强度与在74处示出的实际辐射强度相对，所述模型化的辐射强度可以根据模型被分成晶片辐射和灯辐射，因为来自模型预测的各自的量值是可识别的。
图6示出用于根据本发明确定发射率的系统的可替换的图示，其中该图示在其结构上与根据图5所示的图示类似。因而，只要描述相同或者等价部分，那么在图6中就应用与图5相同的参考符号。图6再次示出具有壳体4、以及辐射源18和容纳在其中的半导体晶片2的速热设备1的示意图。此外，再次示出了高温计26。通过控制单元70再次控制加热灯18。
在100处示出了实际测量的高温计26的辐射强度，其中在图6中只示出了交流部分。该交流部分ACgem.从高温计26也被转交给块102。
在块104中再次示出速热设备的模型，其中模型元件配备有单引号′。速热设备的模型1′包括晶片的模型2′、室的模型4′、加热灯的模型18′以及高温计的模型26′。
将控制单元70的控制功率馈入该模型中，如虚线78所示。此外，在框104中给出了块106，在该块中晶片的发射率在2.3μm处被确定，该发射率进入晶片的模型2′中，并且被输出到椭圆(接口)108。在该模型内，从现在起根据施加在速热设备1上的控制功率，高温计信号的交流部分被预测为ACvorh.。该信号被传输给块110，并且从那里被传输给块112。来自块102的信号ACgem.同样被传输到块112中。在块112中，确定实际测量的高温计信号的交流部分和所预测的高温计信号的交流部分之间的差值，并且从该差值中确定提供给块106的调节参数。根据该调节参数，在块106中将发射率改变为晶片的状态变量(或更准确地为系统模型的参数)，并且不仅将其馈入到晶片的模型2′中，而且还将其输出到椭圆(接口)108。应该注意，尽管这里不详细探讨，但是发射率的变化自然也引起其他光学特性、例如模型中的发射率和/或透射率的变化。
再次如此建立该系统，以致试图将差值AC减小到零或者预定的容差范围之内的一个值，以致模型化的发射率与晶片的实际发射率一致。
可以以不同的方式建立事先应用的不同模型。在灯模型中，关于所预测的高温计信号根据校准方法可以确定灯模型的校准，和尤其是确定每个单个灯对模型的作用，以及确定每个灯的加权。在这样的校准方法中，可以分别驱动单个灯并且测量由其发出的灯辐射。这可以利用或者不用速热设备中的晶片来完成。利用速热设备中的晶片确定灯的预测的高温计信号的加权因子，而不用晶片在确定控制功率时确定纯的灯的辐射强度。
总之，关于本发明的方面能够实施：可能研制动态地很好描述RTP室中的过程参数的模型。在此，模型的基本不可靠性可能在于位于室中的晶片的光学参数。在使用由调制控制的热辐射器产生的热辐射的交流部分时，可以上述方式将模型的光学参数与真实系统的光学参数相匹配。由于该匹配只考虑室中的辐射的交流部分，所以它基本上不依赖于晶片的状态(例如温度)。在匹配之后，消除了关于晶片的光学参数的模型的不可靠性，并且模型以及真实系统具有几乎相同的传递特性(对所测量的高温计信号或所预测的高温计信号的热辐射器的控制量)。可是，真实系统的初始状态、尤其是晶片温度不必要一定与系统模型的初始状态一致。这种区别表现在所测量的高温计信号和所预测的高温计信号之间的差值中，更确切地说符号相同和针对小差值比例。因而，通过该差值可以执行状态校正。因此，在终端效应中，使模型参数与真实系统的参数相适应，并且此外模型的状态也紧紧地依据真实系统的状态。因而，状态变量、诸如晶片温度可以直接从模型中推断或在其上量取。
此外，在前述系统中，可以集成一种方法，在该方法中，在对速热设备1中的晶片进行充电之前识别出高温计对准的半导体晶片的一侧、诸如斑点的不规则性。这可以通过扫描所述表面以及绘制不规则性实现。例如可以通过多点测量确定一个堆的单个层。将该值输入到温度计算模型中，以致已知该不规则性，并且可以据此进行补偿。
因此，可以在每个单独的温度处计算晶片的发射率，并且可供相应的控制单元或模型使用。
在室温时，通过偏振光椭圆率测量仪实时地执行背侧的测量和制图，而晶片等待其热处理。另一可能性是，同样在室温时完成上侧或表面的表面反射测量和制图。
可为温度计算模型提供信息的所述方法可替换地也可以被用于确定晶片温度的传统系统中。
尽管事先根据优选的实施例对本发明进行了描述，但应该注意，本发明不限制于具体描述的实施方案，并且尤其是也包括通过组合和/或交换单个实施方案的特征得出的实施方案。

Claims (42)

1.用于借助于被测量和预测值根据RTP系统的模型确定至少一个状态变量的方法，其中所述被测量在所述RTP系统上被量取并且与要确定的状态变量具有依赖关系，而且其中所述预测值借助于所述RTP系统的模型被预测，其中所述被测量和预测值分别包括直流和交流部分的分量，
其特征在于，通过过滤器分别分开地确定至少该交流部分，以便形成被测量的交流部分和预测值的交流部分之间的第一差值，
为了使模型特性与变化的系统参数相匹配，通过将所述第一差值反馈到该模型中进行至少一个模型参数的参数自适应，
由被测量和预测值或者由消除了交流部分的被测量和消除了交流部分的预测值形成第二差值，
为了使模型系统的状态与真实系统的状态一致，通过将所述第二差值反馈到该模型中进行模型系统的状态的状态校正，以及
在该模型上量取至少一个状态变量。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，通过第一加权函数和第一调节算法进行所述第一差值的反馈，和/或通过第二加权函数和第二调节算法进行所述第二差值的反馈。
3.按照权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，所述RTP系统是其中利用辐射源加热对象的速热设备，和/或所述模型包括至少一个在RTP系统中加热的对象，并且构成系统模型，其中所述对象是半导体晶片。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，为了借助于控制量调制辐射源，利用不同的调制参数控制不同的热辐射器，以便以清楚的方式自适应多个模型参数，其中所述多个模型参数是半导体晶片的透射率和/或反射率。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，通过连续的激励产生或描述所述调制，通过伪随机序列、有色噪声或者寄生在系统中由干扰引起的、热辐射器的调节量的激励来产生或描述所述调制。
6.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，所述状态变量至少包括所述半导体晶片的温度。
7.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，所述系统模型通过模型参数考虑晶片的光学特性，并且使所述系统模型中的晶片的光学特性与速热设备中的晶片的真实光学特性相适应。
8.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，所述被测量具有通过调制辐射源产生的、基本上依赖于晶片的光学特性的交流部分，并且通过算法完成光学特性的适应，所述算法通过自适应系统模型中的晶片的光学特性来使所记录的被测量中的交流部分与所预测的被测量的交流部分相适应。
9.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，所述晶片的光学特性包括发射率和/或反射率和/或透射率。
10.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，所述被测量至少包括由高温计记录的、来自半导体晶片的辐射。
11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，所记录的辐射至少包括半导体晶片的热辐射以及辐射源在半导体晶片上反射的辐射。
12.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，确定所述被测量的预测值包括确定晶片辐射的预测值，所述晶片辐射的预测值预测高温计信号上的通过半导体晶片引起的部分。
13.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，确定所述晶片辐射的预测值包括根据所确定的状态变量和所确定的半导体晶片的发射率来确定高温计的测量波长范围内的半导体晶片的热辐射的强度值。
14.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，在考虑高温计的测量波长范围内的晶片辐射的强度值和所确定的半导体晶片的发射率的情况下，根据模型确定晶片辐射的预测值。
15.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，所述模型考虑了室对所确定的半导体晶片的发射率的影响。
16.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，确定所述被测量的预测值包括确定灯预测值，所述灯预测值预测高温计信号上的通过辐射源引起的部分。
17.按照权利要求16所述的方法，其特征在于，确定所述灯预测值包括根据所确定的状态变量和所确定的半导体晶片的发射率来确定半导体晶片的热辐射的宽带强度值。
18.按照权利要求16所述的方法，其特征在于，确定所述灯预测值包括根据灯模型和辐射源的控制量确定针对所述辐射源的强度值。
19.按照权利要求18所述的方法，其特征在于，所述灯模型考虑在半导体晶片和单个辐射源之间的相互作用。
20.按照权利要求19所述的方法，其特征在于，所述灯模型将半导体晶片的热辐射的所预测的宽带强度值用作输入量。
21.按照权利要求18所述的方法，其特征在于，所述灯模型考虑单个辐射源之间的相互作用。
22.按照权利要求18所述的方法，其特征在于，将辐射源组合为多个组，并且针对各自组确定辐射源的强度值。
23.按照权利要求22所述的方法，其特征在于，根据所述组的至少两个代表，针对各自组确定辐射源的强度值。
24.按照权利要求22所述的方法，其特征在于，至少在一个组内利用相同的控制量控制所述辐射源。
25.按照权利要求16所述的方法，其特征在于，在确定所述灯预测值时，应用一种模型，该模型根据所确定的辐射源的强度值和所确定的半导体晶片的发射率预测落在高温计的视场中的、灯辐射在半导体晶片上反射的部分。
26.按照权利要求25所述的方法，其特征在于，所述模型确定半导体晶片的反射率。
27.按照权利要求26所述的方法，其特征在于，根据所确定的发射率确定反射率。
28.按照权利要求25所述的方法，其特征在于，所述模型考虑速热设备的室几何结构。
29.按照权利要求16所述的方法，其特征在于，通过将晶片辐射的预测值和灯预测值相加形成被测量的预测值。
30.按照权利要求29所述的方法，其特征在于，晶片辐射的预测值基本上包含被测量的预测值的直流部分，而灯预测值基本上包含被测量的预测值的直流部分以及交流部分。
31.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，至少部分地由被测量的预测值确定半导体晶片的发射率。
32.按照权利要求31所述的方法，其特征在于，过滤所述被测量的预测值，以便确定其交流部分，所述交流部分基本上对应于来源于辐射源的、并在半导体晶片上反射的辐射的所调制的部分，该部分从半导体晶片上的一测量点落在高温计中。
33.按照权利要求32所述的方法，其特征在于，在应用自适应算法的情况下确定半导体晶片的发射率，该算法将被测量的预测值的交流部分和来源于半导体晶片上的至少一个测量点的辐射的、由高温计记录的交流部分进行相互比较。
34.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述速热设备中旋转所述半导体晶片，并且在用于确定衬底和/或半导体晶片的晶片载体的发射率和/或光学波动的模型中考虑旋转速度和/或相位。
35.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，在将所确定的发射率馈送到其他过程之前，缩放所确定的发射率。
36.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，将用于确定状态变量的模型中的半导体晶片看作黑体。
37.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述RTP系统包括至少一个关于其发出的热能被调制的加热装置，并且其中在对象上确定被测量，所述对象基于其热学特性和/或其与所调制的加热装置的热耦合，就其温度而言仅仅基本上不遵循该加热装置的调制。
38.按照权利要求37所述的方法，其特征在于，所述对象是半导体晶片、至少部分地包围至少一个半导体晶片的包封层、RTP系统的处理室的室壁或者半导体晶片附近的目标。
39.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助于高温计和/或热电偶确定所述被测量。
40.按照权利要求37所述的方法，其特征在于，所述状态的状态变量是所述对象的温度。
41.按照权利要求37所述的方法，其特征在于，所述状态的状态变量是半导体晶片的温度，其中确定半导体晶片上和/或在半导体晶片附近的目标上的被测量。
42.按照权利要求37所述的方法，其特征在于，所述模型参数包括对象的光学特性，其中所述对象的光学特性是反射率、透射率和/或发射率。
CN2003801099279A 2002-12-23 2003-11-28 用于确定速热设备中的半导体晶片的温度的方法 Expired - Fee Related CN1754087B (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10260673 2002-12-23
DE10260673.0 2002-12-23
DE10329107.5A DE10329107B4 (de) 2002-12-23 2003-06-27 Verfahren zum Bestimmung wenigstens einer Zustandsvariablen aus einem Modell eines RTP-Systems
DE10329107.5 2003-06-27
PCT/EP2003/013387 WO2004059271A1 (de) 2002-12-23 2003-11-28 Verfahren zum bestimmen der temperatur eines halbleiterwafers in einer schnelheizanlage

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1754087A CN1754087A (zh) 2006-03-29
CN1754087B true CN1754087B (zh) 2012-05-23

Family

ID=32404201

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2003801099279A Expired - Fee Related CN1754087B (zh) 2002-12-23 2003-11-28 用于确定速热设备中的半导体晶片的温度的方法

Country Status (3)

Country Link
CN (1) CN1754087B (zh)
DE (1) DE10329107B4 (zh)
TW (1) TWI294515B (zh)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006017892A1 (de) * 2006-04-13 2007-10-31 Bayerisches Zentrum für angewandte Energieforschung e.V. (ZAE Bayern) Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Temperaturmessung in einem thermischen Prozess
CN102607712B (zh) * 2011-01-20 2015-07-08 太阳能科技有限公司 使用于快速温度程序的温度感测系统
DE102013113048A1 (de) 2013-11-26 2015-05-28 Aixtron Se Heizvorrichtung für einen Suszeptor eines CVD-Reaktors
DE102013113046A1 (de) 2013-11-26 2015-05-28 Aixtron Se Stütz- bzw. Verbindungselemente an einem Heizorgan eines CVD-Reaktors
DE102013113045A1 (de) 2013-11-26 2015-05-28 Aixtron Se Heizvorrichtung
DE102014112645A1 (de) 2014-09-03 2016-03-03 Aixtron Se Heizeinrichtung
DE102016119703A1 (de) * 2016-10-17 2018-04-19 Kraussmaffei Technologies Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen mit einem Halbzeug
WO2019105944A1 (en) * 2017-11-28 2019-06-06 Evatec Ag Substrate processing apparatus and method of processing a substrate and a manufacturing a processed workpiece
US10580673B2 (en) * 2018-01-05 2020-03-03 Kla Corporation Semiconductor metrology and defect classification using electron microscopy
CN111948617B (zh) * 2020-08-27 2024-04-12 上海航天电子通讯设备研究所 一种反射面天线微波发射率测试方法及其测试系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5442727A (en) * 1993-04-02 1995-08-15 At&T Corp. Semiconductor processing technique, including pyrometric measurement of radiantly heated bodies
US6191392B1 (en) * 1997-12-08 2001-02-20 Steag Ast Elektronik Gmbh Method of measuring electromagnetic radiation
US20020107604A1 (en) * 2000-12-06 2002-08-08 Riley Terrence J. Run-to-run control method for proportional-integral-derivative (PID) controller tuning for rapid thermal processing (RTP)

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5583780A (en) * 1994-12-30 1996-12-10 Kee; Robert J. Method and device for predicting wavelength dependent radiation influences in thermal systems
EP0879547B1 (en) * 1996-01-31 2004-03-24 ASM America, Inc. Model-based predictive control of thermal processing
US5837555A (en) * 1996-04-12 1998-11-17 Ast Electronik Apparatus and method for rapid thermal processing
US5895596A (en) * 1997-01-27 1999-04-20 Semitool Thermal Model based temperature controller for semiconductor thermal processors
US6051512A (en) * 1997-04-11 2000-04-18 Steag Rtp Systems Apparatus and method for rapid thermal processing (RTP) of a plurality of semiconductor wafers
DE19852321C2 (de) * 1997-12-08 2000-06-21 Steag Rtp Systems Gmbh Optische Strahlungsmeß-Vorrichtung
US6310328B1 (en) * 1998-12-10 2001-10-30 Mattson Technologies, Inc. Rapid thermal processing chamber for processing multiple wafers
US6396363B1 (en) * 1998-12-18 2002-05-28 Tyco Electronics Corporation Planar transmission line to waveguide transition for a microwave signal
DE10156441A1 (de) * 2001-05-18 2002-11-21 Mattson Thermal Products Gmbh Vorrichtung zur Aufnahme von scheibenförmigen Objekten und Vorrichtung zur Handhabung von Objekten

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5442727A (en) * 1993-04-02 1995-08-15 At&T Corp. Semiconductor processing technique, including pyrometric measurement of radiantly heated bodies
US6191392B1 (en) * 1997-12-08 2001-02-20 Steag Ast Elektronik Gmbh Method of measuring electromagnetic radiation
US20020107604A1 (en) * 2000-12-06 2002-08-08 Riley Terrence J. Run-to-run control method for proportional-integral-derivative (PID) controller tuning for rapid thermal processing (RTP)

Also Published As

Publication number Publication date
TW200422598A (en) 2004-11-01
CN1754087A (zh) 2006-03-29
DE10329107B4 (de) 2015-05-28
DE10329107A1 (de) 2004-07-01
TWI294515B (en) 2008-03-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1754087B (zh) 用于确定速热设备中的半导体晶片的温度的方法
CN101495847A (zh) 快速热处理基板的适应性性控制方法
JP4545812B2 (ja) 複数の光源を用いたパイロメータの校正
JP4054526B2 (ja) 急速熱処理（ｒｔｐ）システムにおける改善された温度制御のための方法
TW201620015A (zh) 晶片及薄膜表面溫度控制方法
JP4461097B2 (ja) 高速加熱装置における半導体ウェーハの温度を決定する方法
JP2002522912A (ja) 基板温度測定システムのチューニング
US6268270B1 (en) Lot-to-lot rapid thermal processing (RTP) chamber preheat optimization
JP6114762B2 (ja) 基板の温度を測定する装置
US20230273596A1 (en) Control System For Adaptive Control Of A Thermal Processing System
US8575521B2 (en) Monitoring witness structures for temperature control in RTP systems
JP3795788B2 (ja) 基板の熱処理方法
JP2005518095A (ja) 半導体処理システムを較正および使用する方法
JP2006170616A (ja) 温度計測方法及び装置、半導体熱処理装置
JP2008218928A (ja) ウエハ加熱成膜装置、及びウエハ温度制御方法
JPH0618333A (ja) 赤外輻射スペクトルによる温度測定方法及び装置
Stuber Modeling, control, and temperature measurement in rapid thermal processing
US12078547B2 (en) Etalon thermometry for plasma environments
Breedijk Model identification and nonlinear predictive control of rapid thermal processing systems
JPH09311081A (ja) 基板温度計測方法および基板温度制御方法、ならびに、これを利用した基板処理装置
JP2001289714A (ja) 基板の温度計測方法及び計測装置、並びに基板の処理装置
JP2024534134A (ja) 基板の熱処理を補正するためのシステム、方法及び装置
Vayena Distributed parameter control in rapid thermal processing (RTP)
Smith Real-time control of polysilicon deposition in single-wafer rapid thermal chemical vapor deposition furnaces
JP2006177666A (ja) 温度測定方法及び温度測定装置

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20120523

Termination date: 20131128