CN207095731U - 透射测温探测器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开一种透射测温探测器。所述透射测温探测器包括：探测器歧管，所述探测器歧管用以探测来自腔室主体中的处理区附近的辐射；辐射探测器，所述辐射探测器光耦合至所述探测器歧管；和光谱多陷波滤波器。

Description

透射测温探测器
技术领域
本文描述的实施方式涉及处理基板的装置和方法。更具体地，本文描述的装置和方法涉及通过辐射透射进行的温度测量。
背景技术
退火的新趋势的特征在于在基于灯的退火腔室中进行处理。这种处理要求在低温下进行准确的温度评估。由于低的信噪比，仅利用辐射发射测量的温度评估可能在低于约400℃的温度下不准确。透射测温可提供必要的准确度和精确度。
透射测温为评估基板(例如，硅基板)的热状态的常见方式。热处理腔室通常将基板暴露于强烈的、非相干或相干的辐射以提高基板(整个基板或基板的部分或表面区域)的温度。用于加热基板的辐射在腔室中产生强背景辐射环境。
高功率辐射用于评估基板的热状态，因为它能与腔室中的背景辐射区分开。通常使用激光，因为激光提供高功率，以及因为它们提供选择最适于基板的特定波长的机会。激光产生相干辐射，当所述辐射透射穿过基板时，能指示基板的热状态，热状态可被记录为温度。透射辐射可通过高温计探测，与源辐射相比较，并且结果与推断基板热状态相关。迄今为止，通常将源辐射选择为少数量(例如，一个或两个)的窄波长带。同样地，仅在少数量(例如，一个或两个)的窄波长带处分析透射辐射。
需要可靠的透射高温测量。探测器必须在高辐射噪音的环境中可操作。
实用新型内容
本文描述的实施方式涉及处理基板的装置和方法。更具体来说，本文描述的装置和方法涉及通过辐射透射进行的温度测量。
在一实施方式中，一种透射测温探测器包括：探测器歧管，所述探测器歧管用于探测来自腔室主体中的处理区附近的辐射；辐射探测器，所述辐射探测器光耦合至所述探测器歧管；和光谱多陷波滤波器。
在一实施方式中，一种方法包括：探测来自腔室主体中的基板的发射表面的透射辐射；将所探测的辐射的至少一个光谱带传递至光探测器；以及分析所述至少一个光谱带中的所探测的辐射以确定所述基板的推断温度。
附图说明
为了能够详细地理解本公开内容的上述记载的特征，可以通过参考实施方式获得以上简要概述的本公开内容的更特定的描述，所述实施方式中的一些示出于附图中。然而，应当注意，附图仅例示了示例性实施方式，并且因此不被视为对本公开内容的范围的限制，因为本公开内容可允许其他同等有效的实施方式。
图1示出快速热处理腔室的部分透视图。
图2示出作为源辐射的波长和基板的温度的函数的透射通过硅基板的辐射的示例性图。
图3A示出根据本文公开的实施方式的示例性处理腔室和探测器。
图3B示出根据本文公开的实施方式的探测组件。
图4示出根据本文公开的实施方式的示例性探测器。
图5示出通过图4的探测器生成的示例性功率光谱。
为了便于理解，在尽可能的情况下，使用相同的附图标记来标示各图中共有的相同元素。应设想到，一个实施方式的元素和特征可有利地并入其他实施方式中，而不另外赘述。
具体实施方式
透射测温探测器(transmission pyrometry detector；“TPD”)一般测量在波长(多于仅一个或两个主要波长)范围内的基板(例如，硅基板)的辐射光谱，以推断基板的温度。TPD可以在至少两个光谱带中可靠地探测透射辐射。光谱带一般可彼此分离(例如，在带之间分离至少10nm，或在中心波长之间分离至少25nm)以提供解析每个光谱带中的辐射强度的精确性。TPD可对在选定光谱带中的辐射敏感，同时过滤其他波长的辐射。例如，TPD可探测以约1030nm为中心的宽度约10nm-15nm的光谱带，并且TPD也可探测以约1080nm为中心的宽度约10nm-15nm的光谱带。TPD可过滤其他波长，例如，至约3.0的光密度(“OD3”)。在一些实施方式中，光谱带可在更长波长(例如，大于1080nm)处。
图1为现有技术快速热处理(rapid thermal processing；RTP)腔室300的部分透视图。腔室300一般包括灯组件310、腔室主体320和基板支撑组件330。为清楚起见，腔室300被截开，并且仅有腔室主体320的上部在图1中图示。
灯组件310包括多个灯311，每个灯被放置在反射光管312内部。灯可为白炽灯，比如钨卤素灯，或其他高输出灯，比如放电灯。同时，反射光管312在水冷壳体314内部形成蜂窝状阵列313。非常薄的石英窗315形成灯组件310的底表面，从而将灯组件310与通常存在于腔室300中的真空分隔。石英通常用于石英窗315，因为它对红外光是透明的。灯组件310以真空密封方式附接至腔室主体320的上表面。
腔室主体320包括腔室300的壁和地板以及基板口321和排气口322。基板穿过基板口321而被输送进腔室300中及从腔室300移除，真空泵(未示出)通过排气口322排空腔室300。当必要时，狭缝或闸阀(未示出)可用于密封基板口321和排气口322。
基板支撑组件330包含于腔室主体320内部并包括边缘环331、旋转石英柱332、反射器板333和光探头334(例如，光纤)阵列。边缘环331位于旋转石英柱332上。在基板处理期间，边缘环331在石英窗315下方大约25mm处支撑基板(为清楚起见未示出)。旋转石英柱332在基板处理期间在约50rpm与约300rpm之间旋转，以通过最小化腔室300中的热不对称对基板的影响来最大化在处理期间的基板温度均匀性。反射器板333位于基板下面约5mm处。光探头334在热处理期间穿透反射器板333并指向基板的底部。光探头334将辐射能从基板传输至一个或多个光探测器337，以用于确定在热处理期间的基板温度、基板正面发射率、和/或反射率。当灯311为白炽灯时，高温计通常适于测量来自基板背面的在选定波长范围(例如，在约200nm至约5000nm的波长之间)中的宽带发射。
光探测器337可包括可提供光谱响应的过滤器，所述光谱响应对在约100℃与约350℃之间的基板温度下的吸收间隙的波长敏感。光探测器337可为针对低于约350℃的温度的硅光探测器，因为硅的吸收间隙随着温度从室温至350℃而从约1000nm变化至约1200nm。硅光探测器可对具有大于约1100nm的波长的辐射不敏感。对于高于约350℃的温度，吸收边缘可能超过硅光探测器的探测范围，所以吸收边缘波长的任何进一步增大可不被轻易地探测到。
透射测温一般利用产生中红外辐射(例如，在从约1000nm至约1500nm的波长范围中变化)的辐射源。所述源可以产生高度准直的辐射。准直的辐射可以穿过光束导向器(例如，单模光纤)传输到硅基板上。准直辐射的部分可以透射穿过基板。透射辐射的幅度可为基板的温度和源辐射的波长的函数。可对准高温计探头(例如，光管)以接收透射辐射。例如，高温计探头可与光束导向器对准。高温计探头可将透射辐射引导至一个或多个传输高温计。传输高温计可包括诸如过滤器、衍射光栅、柱面透镜、光探测器和/或光谱仪之类的部件。例如，高温计探头可将透射辐射引导至光谱带过滤器。光谱带过滤器可仅允许在选定的光谱带处的辐射传输。未被过滤的辐射可被引导至衍射光栅。衍射光栅可在作为波长的函数的不同方向上分离透射辐射。准直透镜可将衍射辐射聚焦至一个或多个焦点。一个或多个光探测器可随后测量作为方向的函数的辐射，所述辐射因此为波长的函数。例如，砷化铟镓线性阵列可被放置在准直透镜的后焦面处以测量作为波长的函数的功率。在选定的光谱带中的透射辐射的功率光谱(作为波长的函数)可与源辐射的功率光谱相比。两个功率光谱可用于计算作为波长的函数的基板的透射。然后这可用于推断基板的温度。在一些实施方式中，可以识别基板的多个区，并且可对每个区进行透射测温以产生基板的温度地图。在一些实施方式中，可以利用更长波长(例如，大于1080nm)的源辐射。
图2示出作为源辐射的波长和基板的温度的函数的透射通过硅基板的辐射的示例性图。十六个不同的线P(λ)示出关于十六个不同源波长(nm)的作为温度的函数的透射。也示出作为温度的函数的黑体辐射P(bb)。应理解，所探测的信号随着来自黑体辐射的噪音增加而减小。因此，可选择源波长以提供适当的信噪比。如在图2中示出，约1030nm的源波长可在从约10℃至约275℃的温度带T(1030)中具有适当的信噪比；约1080nm的源波长可在从约125℃至约375℃的温度带T(1080)中具有适当的信噪比。在图2中可见，较长波长的源辐射可允许较高的温度测量。
在图3A中图示了适于透射测温的腔室300。如前所述，腔室300包括灯组件310、腔室主体320和基板支撑组件330。基板支撑组件330可界定处理区335，在操作期间通常靠近处理区335设置基板。如图所示，辐射源400位于腔室300外。其他的实施方式可具有在灯组件310内部、附接至灯组件310、紧挨在灯组件310外、或者被另外定位以符合操作规范的辐射源400。源400被配置成产生辐射以输入至源歧管410。源辐射可行经源歧管410并最终到达基板的接收表面的入射区(即，靠近处理区335)。例如，源歧管410可包括散布在反射光管312间的多个光束导向器415。准直透镜420可位于光束导向器415的端部。准直透镜420可将源辐射引到基板的接收表面的入射区(即，靠近处理区335)上。来自每个光束导向器415的源辐射的部分可从基板的接收表面透射至相对的基板发射表面。例如，源辐射可在入射区处入射在基板的接收表面上，并且透射辐射可在发射区离开基板的发射表面。因此入射区可与发射区相对。
在一些实施方式中，源400可被配置成使得源辐射可选择在背景辐射上和/或不同于背景辐射。例如，源400可为明亮源使得任何背景辐射相比起来可忽略。作为另一示例，源400可周期性地关闭以对背景辐射采样以用于校准和/或标准化。在一些实施方式中，源400可为大功率辐射源，例如量子源，比如激光器和/或LED。在一些实施方式中，源400可在被选定以匹配，或者以别的方式补充TPD的光谱特性的波长中发射。在一些实施方式中，源400可为定向辐射源，例如准直的或部分准直的源，以引导辐射穿过基板以由TPD接收辐射。可选择准直以将辐射匹配于TPD的数值孔径，进而改良系统的源噪比。
TPD 500可探测透射辐射。TPD 500可包括探测器歧管530、一个或多个辐射探测器537、和光谱多陷波滤波器536(见图4)。如图所示，辐射探测器537位于腔室300外。其他实施方式可具有在腔室主体320内部、附接至腔室主体320、紧挨在腔室主体320外部、或者另外被定位以符合操作规范的辐射探测器537。探测器歧管530可包括多个高温计探头534。例如，高温计探头534可与光束导向器415对准以探测透射辐射。在一些实施方式中，源歧管410的每个光束导向器415可具有对准的高温计探头534。在其他实施方式中，可存在比高温计探头534多的光束导向器415。在又一其他实施方式中，可存在比光束导向器415多的高温计探头534。
透射辐射可行进穿过探测器歧管530并最终到达一个或多个辐射探测器537。在一些实施方式中，单个辐射探测器537可从所有高温计探头534接收透射辐射。在一些实施方式中，可利用多个辐射探测器537。在一些实施方式中，探测器歧管530将高温计探头534的子集与每个辐射探测器537连接在一起。在一些实施方式中，探测器歧管530将单个高温计探头534与每个辐射探测器537连接在一起。在一些实施方式中，探测器歧管530可利用分光器将透射辐射从一个高温计探头534传送至多个辐射探测器537。在一些实施方式中，探测器歧管530可利用光组合器将透射辐射从多个高温计探头534传送至单个辐射探测器537。
在一些实施方式中，利用光探测器337(图1)和辐射探测器537(图3A)两者来测量在处理期间的基板温度，以及利用探测组件来分离从探头534(或334)至光探测器337和辐射探测器537的辐射。图3B为根据本文公开的实施方式的探测组件360的示意侧视图。如在图3B中所示，探测组件360包括反射器362、光探测器337和辐射探测器537。第一辐射364和第二辐射366离开探头534(或334)。第一辐射364为从基板发出的辐射并且是不准直的。第一辐射364因此具有大的数值孔径。第二辐射366为来自准直辐射的透射辐射并且是准直的。第二辐射366因此具有小的数值孔径。反射器362可为可重定向辐射的任何适宜元件。在一个实施方式中，反射器362为镜子。反射器362沿第二辐射366的路径设置，且反射器362将第二辐射366的全部或大部分反射至辐射探测器537。因此，反射器362与探头534和辐射探测器537两者对准。在一个实施方式中，探头534沿大体上垂直于辐射探测器537的主轴的轴设置。因为第二辐射366被高度准直，所以反射器362的大小和辐射探测器537的探测表面可相对较小。第一辐射364被传输至光探测器337。因为第一辐射364是未准直的，所以相比于辐射探测器537的探测表面，光探测器337的探测表面相对较大，如图所示。另外，尽管反射器362沿第一辐射364的路径设置，但反射器362并未显著改变传输至光探测器337的辐射量，因为反射器362相对较小。探测组件360被用于基于辐射364、辐射366的数值孔径来分离第一辐射364和第二辐射366。
示例性TPD 500在图4中示出。透射辐射可从探测器歧管530进入辐射探测器537。透射辐射可行进穿过衍射光栅531和/或柱面透镜532而依据波长λn被分裂到不同方向。分裂的辐射可因此入射在焦平面533上。探测器阵列535(例如，砷化铟镓线性探测器阵列)可被布置成在焦平面533处接收辐射和测量作为波长P(λn)的函数的功率。
TPD 500可包括一个或多个光谱多陷波滤波器536。例如，光谱多陷波滤波器536可并入探测器歧管530的一个或多个高温计探头534中。进而透射辐射可被腔室主体320内的光谱多陷波滤波器536过滤。作为另一示例，光谱多陷波滤波器536可并入在探测器歧管530与辐射探测器537之间的光耦合中。作为另一示例，光谱多陷波滤波器536可为辐射探测器537的一部件。光谱多陷波滤波器536可以至少约80％的效率传递多个(例如，两个、三个、四个或更多个)光谱带。光谱多陷波滤波器536可过滤、移除、或减少其他波长的辐射，例如至OD3。每个光谱带可具有宽度约10nm-15nm的带。每个光谱带一般可彼此分离(例如，在带间分离至少10nm，或在中心波长之间分离至少25nm)。例如，光谱多陷波滤波器536可传递以约1030nm为中心的宽度约10nm-15nm的光谱带，以及光谱多陷波滤波器536也可传递以约1080nm为中心的宽度约10nm-15nm的光谱带。
在一些实施方式中，扫描光探测器可与探测器阵列535组合使用或替代探测器阵列535。例如，扫描光探测器可具有以已知速度沿焦平面533移动的光学窗。随着光学窗移动，扫描光探测器测量作为时间的函数的功率P(tn)，能基于光学窗的速度将P(tn)转换为作为波长的函数的功率P(λn)。
在一些实施方式中，辐射探测器537可为一个或多个光纤光谱仪。
在一些实施方式中，探测器歧管530可包括一个或多个光学开关。例如，光学开关可与高温计探头534的子集有关。当光学开关“打开”时，探测器歧管530可将来自高温计探头534的子集的辐射引导至辐射探测器537。当光学开关“关闭”时，探测器歧管530可不允许来自高温计探头534的该子集的辐射到达辐射探测器537。在一些实施方式中，与每个光学开关有关的高温计探头的子集可被选择以分离基板的多个区。进而可在每个区上进行透射测温而不需要额外的辐射探测器537。
图5示出由TPD 500生成的功率光谱600的示例。如图所示，功率光谱600具有两个峰带610、620。峰带610以约1033nm为中心，而峰带620以约1081nm为中心。峰带610的宽度为约15nm，而峰带620的宽度为约20nm。每个峰带610、620内的信号作为波长的函数而变化。功率光谱600可与源辐射的功率光谱比较以计算作为波长的函数的基板的透射。随后这可用于推断基板的温度。
在一些实施方式中，功率光谱600可具有多于两个峰带(例如，三个峰带)。例如，源辐射可具有比1080nm长的波长(例如，1120nm)。TPD 500可因此对具有在约1000nm与1500nm之间的波长的辐射敏感。

Claims (15)

1.一种透射测温探测器，其特征在于包括：
探测器歧管，所述探测器歧管用以探测来自腔室主体中的处理区附近的辐射；
辐射探测器，所述辐射探测器光耦合至所述探测器歧管；以及
光谱多陷波滤波器。
2.根据权利要求1所述的透射测温探测器，其特征在于所述探测器歧管在所述腔室主体中包括多个高温计探头。
3.根据权利要求2所述的透射测温探测器，其特征在于所述探测器歧管包括多个光学开关，其中所述多个高温计探头的子集光耦合至每个光学开关。
4.根据权利要求1所述的透射测温探测器，其特征在于所述辐射探测器附接至所述腔室主体。
5.根据权利要求1所述的透射测温探测器，其特征在于所述光谱多陷波滤波器在两个光谱带中传输辐射，每个光谱带具有在10nm与15nm之间的带宽。
6.根据权利要求1所述的透射测温探测器，其特征在于所述辐射探测器包括：
衍射光栅，
柱面透镜，以及
探测器阵列。
7.根据权利要求6所述的透射测温探测器，其特征在于所述探测器阵列包括砷化铟镓线性探测器阵列。
8.根据权利要求1所述的透射测温探测器，其特征在于所述辐射探测器包括扫描光探测器。
9.根据权利要求1所述的透射测温探测器，其特征在于所述辐射探测器包括光纤光谱仪。
10.根据权利要求1所述的透射测温探测器，其特征在于所述探测器歧管具有邻近所述处理区并跨所述处理区分配的多个辐射入口。
11.根据权利要求1所述的透射测温探测器，其特征在于所述辐射探测器被配置成测量作为所述透射辐射的波长的函数的功率。
12.根据权利要求1所述的透射测温探测器，其特征在于进一步包括光耦合至所述探测器歧管的多个辐射探测器。
13.根据权利要求12所述的透射测温探测器，其特征在于所述光谱多陷波滤波器在所述处理区与所述探测器歧管之间。
14.根据权利要求1所述的透射测温探测器，其特征在于所述探测器歧管包括分光器和光组合器的至少一个。
15.根据权利要求1所述的透射测温探测器，其特征在于所述探测器歧管包括多个高温计探头和用于每个高温计探头的光谱仪。
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