DE102019111696A1

DE102019111696A1 - Verfahren zur Temperaturmessung und Temperaturmessvorrichtung

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Publication number: DE102019111696A1
Application number: DE102019111696.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-05-06
Filing date: 2019-05-06
Publication date: 2020-11-12

Abstract

Verfahren zur Temperaturmessung, bei welchem ein kalibrierter Temperaturwert eines zu vermessenden Objekts (14) mittels eines kalibrierten Temperatursensors (18a; 18b) und eines kalibrierten Messgeräts (20) an einer Messposition (30a; 30b) bestimmt wird; mittels einer Infrarotkamera (12) eine Infrarotaufnahme (29) wenigstens eines Abschnitts des zu vermessenden Objekts (14) erstellt wird, welche die Messposition (30a; 30b) des kalibrierten Temperatursensors (18a; 18b) erfasst; an von der Messposition (30a; 30b) beabstandeten und von der Infrarotaufnahme (29) erfassten Stellen (32) des zu vermessenden Objekts (14) anhand der Infrarotaufnahme (29) Temperaturunterschiede zu einer an der Messposition (30a; 30b) vorliegenden Temperatur ermittelt werden; anhand der ermittelten Temperaturunterschiede für die genannten von der Messposition beabstandeten Stellen (32) ein jeweiliger Korrekturwert ermittelt wird; und an den genannten von der Messposition beabstandeten Stellen (32) vorliegende Temperaturen bestimmt werden, indem jeweils der an der Messposition (30a; 30b) bestimmte kalibrierte Temperaturwert um den zu der jeweiligen von der Messposition beabstandeten Stelle (32) gehörigen Korrekturwert geändert wird; sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturmessung sowie eine Temperaturmessvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen, gegenständlichen Anspruchs.
In vielen Technologiebereichen wird eine genaue Messung einer Temperatur, insbesondere einer Oberflächentemperatur, benötigt. Dies ist unter anderem in der Halbleiterindustrie der Fall, beispielsweise bei der Charakterisierung von Halbleiterscheiben, sogenannten Wafern, teilprozessierten Halbleiterscheiben oder fertigen Halbleiterbauelementen. Insbesondere bei der Charakterisierung und dem Testen von Halbleitersensoren, welche integrierte Schaltkreise aufweisen, ist eine genaue Temperaturmessung von Bedeutung. Zudem kann eine genaue Temperaturmessung bei der Prozesskontrolle von Fertigungsprozessen erforderlich sein, beispielsweise wenn eine Gleichmä-ßigkeit der Temperatur über eine ausgedehnte Fläche hinweg überprüft oder sichergestellt werden soll.
Bislang wurden Temperaturen ausgedehnter Objekte mittels eines einzelnen oder mehrerer auf dem Objekt verteilter Temperatursensoren gemessen. So ist beispielsweise aus der Druckschrift US 5,746,513 ein aus einem Thermoelement gebildeter Temperatursensor bekannt, welcher in einem Substrat angeordnet ist. Derartige Messvorrichtungen und Messverfahren liefern in vielen Anwendungsfällen jedoch ein ungenügendes Bild von Temperaturvariationen innerhalb des zu vermessenden Objekts. Werden mehrere Temperatursensoren eingesetzt, um die an verschiedenen Stellen vorliegenden Temperaturen zu ermitteln, so kann in vielen Fällen die gewünschte Ortsauflösung nicht oder allenfalls mit sehr hohem apparativem Aufwand erreicht werden. Weiterhin sind Infrarotkameras und mit ihnen erstellte Infrarotaufnahmen bekannt, welche einen Eindruck von Temperaturvariationen in einem zu vermessenden Objekt vermitteln können. Allerdings sind mit Infrarotkameras bestimmte absolute Temperaturwerte für viele Anwendungsfälle zu ungenau.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels welchem eine Temperatur eines Objekts aufwandsgünstig sowohl mit hoher Genauigkeit als auch mit guter Ortsauflösung gemessen werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Temperaturmessvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Temperaturmessvorrichtung mit den Merkmalen des nebengeordneten gegenständlichen Anspruchs.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand abhängiger Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Temperaturmessung sieht vor, dass mittels eines kalibrierten Temperatursensors und eines kalibrierten Messgeräts an einer Messposition ein kalibrierter Temperaturwert eines zu vermessenden Objekts bestimmt wird. Der kalibrierte Temperatursensor und das kalibrierte Messgerät sind dabei zu diesem Zweck zumindest zeitweise in an sich bekannter Weise miteinander verbunden. Insbesondere kann diese Verbindung eine Funkverbindung sein. Mittels einer Infrarotkamera wird eine Infrarotaufnahme wenigstens eines Abschnitts des zu vermessenden Objekts erstellt, welche die Messposition des kalibrierten Temperatursensors erfasst. An von der Messposition beabstandeten und von der Infrarotaufnahme erfassten Stellen des zu vermessenden Objekts werden anhand der Infrarotaufnahme Temperaturunterschiede zu einer an der Messposition vorliegenden Temperatur ermittelt. Grundsätzlich können diese Temperaturunterschiede für eine beliebige Anzahl an von der Messposition beabstandeten und von der Infrarotaufnahme erfassten Stellen ermittelt werden. Die Zahl und Lage kann auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden.
Im Weiteren wird anhand der ermittelten Temperaturunterschiede für die genannten von der Messposition beabstandeten Stellen ein jeweiliger Korrekturwert ermittelt. An den genannten von der Messposition beabstandeten Stellen vorliegende Temperaturen werden bestimmt, indem jeweils der an der Messposition bestimmte kalibrierte Temperaturwert um den zu der jeweiligen von der Messposition beabstandeten Stelle gehörigen Korrekturwert geändert wird.
Die ortsaufgelöste relative Temperaturmessung der Infrarotkamera kann so auf das Messergebnis des kalibrierten und mit dem kalibrierten Messgerät ausgelesenen Temperatursensors normalisiert werden. Anhand der Infrarotaufnahme können die relativen Temperaturunterschiede der verschiedenen, von der Messposition beabstandeten Stellen zu einer an der Messposition laut der Infrarotaufnahme vorliegenden Temperatur vergleichsweise genau bestimmt werden. Durch den Einsatz des kalibrierten Temperatursensors in Verbindung mit dem kalibrierten Messgerät kann an der Messposition der kalibrierte Temperaturwert sehr genau bestimmt werden. Die erfindungsgemäße Verknüpfung der anhand der Infrarotaufnahme ermittelten Temperaturunterschiede mit dem an der Messposition bestimmten, kalibrierten Temperaturwert ermöglicht es, die Temperatur des zu vermessenden Objekts aufwandsgünstig sowohl mit hoher Genauigkeit als auch mit guter Ortsauflösung zu bestimmen.
Vorteilhafterweise werden ein rückführbar kalibrierter Temperatursensor und ein rückführbar kalibriertes Messgerät verwendet. Dies ermöglicht eine Rückführbarkeit der Temperaturmessung an jeder Stelle der Infrarotaufnahme, beispielsweise eine Rückführbarkeit auf den internationalen Temperaturstandard ITS-90.
Grundsätzlich kann der jeweilige Korrekturwert in beliebiger, für den jeweiligen Anwendungsfall geeigneter Weise anhand der ermittelten Temperaturunterschiede für die jeweiligen von der Messposition beabstandeten Stellen ermittelt werden. Bei einer Ausführungsvariante wird der für die jeweilige von der Messposition beabstandete und von der Infrarotaufnahme erfasste Stelle ermittelte Temperaturunterschied als der zu dieser Stelle gehörige Korrekturwert verwendet. Bei dieser Ausführungsvariante stellt also der jeweils ermittelte Temperaturunterschied bereits den zu dieser Stelle gehörigen Korrekturwert dar.
Die Messgenauigkeit lässt sich mittels weiterer kalibrierter Temperatursensoren weiter verbessern. Eine Weiterbildung sieht daher vor, dass mittels mehrerer kalibrierter Temperatursensoren kalibrierte Temperaturwerte an mehreren Messpositionen bestimmt werden. Dies erfolgt vorzugsweise gleichzeitig. Ferner wird mittels der Infrarotkamera eine Infrarotaufnahme wenigstens eines Abschnitts des zu vermessenden Objekts erstellt, welche die Messpositionen von wenigstens zwei der mehreren Temperatursensoren erfasst. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden von der Infrarotaufnahme alle der mehreren Messpositionen erfasst.
Ferner werden an von den Messpositionen beabstandeten und von der Infrarotaufnahme erfassten Stellen des zu vermessenden Objekts anhand der Infrarotaufnahme Temperaturunterschiede zu Temperaturen ermittelt, die an einer oder mehreren der Messpositionen der wenigstens zwei Temperatursensoren vorliegen. Dies bedeutet, dass für eine der genannten, von den Messpositionen beabstandeten Stellen der Temperaturunterschied zu einer Temperatur ermittelt wird, welche an der Messposition eines Temperatursensors der wenigstens zwei Temperatursensoren vorliegt. Darüber hinaus können für diese Stelle weitere Temperaturunterschiede zu denjenigen Temperaturwerten ermittelt werden, welche an den Messpositionen von weiteren der wenigstens zwei Temperatursensoren vorliegen.
Im Weiteren wird anhand der ermittelten Temperaturunterschiede für die von den Messpositionen beabstandeten Stellen ein jeweiliger Korrekturwert ermittelt. Dies kann wiederum in für den jeweiligen Anwendungsfall geeigneter Weise erfolgen.
Ferner werden an den von den Messpositionen beabstandeten Stellen vorliegende Temperaturen jeweils bestimmt, indem der an der Messposition eines Temperatursensors der wenigstens zwei Temperatursensoren bestimmte kalibrierte Temperaturwert um den zu der jeweiligen von den Messpositionen beabstandeten Stelle gehörigen Korrekturwert geändert wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante wird an den von den Messpositionen beabstandeten und von der Infrarotaufnahme erfassten Stellen des zu vermessenden Objekts anhand der Infrarotaufnahme jeweils der Temperaturunterschied zu der Temperatur ermittelt, welche an der Messposition desjenigen Temperatursensors der wenigstens zwei Temperatursensoren vorliegt, welcher den geringsten Abstand zu der jeweiligen Stelle des zu vermessenden Objekts aufweist. Der in dieser Weise für die jeweilige Stelle des zu vermessenden Objekts ermittelte Temperaturunterschied wird sodann als der zu dieser Stelle des zu vermessenden Objekts gehörige Korrekturwert verwendet. Diese Vorgehensweise hat sich bei einigen Anwendungsfällen bewährt.
Bei einer bewährten Ausführungsvariante wird als zu vermessendes Objekt ein Substrat, vorzugsweise ein Halbleitersubstrat und besonders bevorzugt eine Halbleiterscheibe verwendet. Insbesondere kann es sich hierbei um eine Siliziumscheibe handeln. Aufgrund ihrer Homogenität werden vorzugsweise monokristalline Halbleiterscheiben eingesetzt. Andere Ausführungsvarianten können als zu vermessendes Objekt insbesondere Kunststoffmaterialien, wie zum Beispiel Polyetheretherketon, keramische Materialien oder Metalloxidisolatoren vorsehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, aufwandsgünstig ein Kalibrierobjekt zu kalibrieren. Zu diesem Zweck wird ein Substrat als zu vermessendes Objekt verwendet und dieses vor Messbeginn derart mit dem Kalibrierobjekt in Kontakt gebracht, dass eine Angleichung der Temperatur des Substrats an eine Oberflächentemperatur des Kalibrierobjekts erfolgen kann. Im Weiteren wird das Kalibrierobjekt und/oder dessen Temperaturmess-, Temperatursteuer- oder Temperaturregeleinrichtung mittels der an den von den Messpositionen beabstandeten Stellen bestimmten Temperaturen kalibriert.
Als Kalibrierobjekt können Aufnahme- oder Haltevorrichtungen, welche im englischen Sprachraum häufig als chuck bezeichnet werden, vorgesehen werden. Insbesondere können Aufnahmevorrichtungen für Halbleiterscheiben solch ein Kalibrierobjekt darstellen. Die verwendeten Aufnahmevorrichtungen können unter anderem für prozessierte oder teilprozessierte Halbleiterscheiben ausgelegt sein, welche insbesondere integrierte Schaltkreise oder andere Halbleiterbauteile enthalten können. Die Temperatursteuer- oder -regeleinrichtung kann in an sich bekannter Weise eine Wärmequelle oder Wärmesenke steuern oder regeln, wie es oftmals bei Probentischen oder Messtischen der Fall ist, insbesondere bei temperaturstabilisierten Proben- oder Messtischen. Somit ermöglicht die beschriebene Verfahrensvariante eine Kalibrierung und/oder Charakterisierung solch eines temperaturgesteuerten oder temperaturgeregelten Proben- oder Messtisches.
Zum Teil weisen Aufnahmevorrichtungen in ihrem Innern Kontrollsensoren auf, die dazu eingerichtet sind, an ihrer jeweiligen Position eine Temperatur der Aufnahmevorrichtung zu messen. Wird eine derartige Aufnahmevorrichtung als Kalibrierobjekt vorgesehen, so werden die kalibrierten Temperatursensoren vorzugsweise derart angeordnet und das Substrat derart mit der Aufnahmevorrichtung in Kontakt gebracht, dass jedem Kontrollsensor ein kalibrierter Temperatursensor zugeordnet ist, der von dem zugehörigen Kontrollsensor weniger als 20 mm, vorzugsweise weniger als 10 mm und besonders bevorzugt weniger als 5 mm beabstandet ist. Auf diese kann die Aufnahmevorrichtung mit noch größerer Genauigkeit kalibriert oder charakterisiert werden. Bei einer genügend großen Anzahl von Kontrollsensoren kann je nach Anforderungen des Einzelfalls in diesen Fällen eine Kalibrierung oder Charakterisierung auch erfolgen, ohne dass hierfür auf die anhand der Infrarotaufnahme ermittelten Temperaturunterschiede zurückgegriffen wird. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsvariante werden die Aufnahmevorrichtung und das Substrat derart ausgerichtet, dass deren miteinander in Kontakt gebrachte Oberflächen jeweils im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene verlaufen.
Die kalibrierten Temperatursensoren werden dabei derart angeordnet und das Substrat derart mit der Aufnahmevorrichtung in Kontakt gebracht, dass der dem jeweiligen Kontrollsensor zugeordnete kalibrierte Temperatursensor gegenüber dem ihm zugeordneten Kontrollsensor in vertikaler Richtung versetzt angeordnet ist. Er befindet sich also in vertikaler Richtung versetzt über oder unter ihm.
Bei einer vorteilhaften Verfahrensvariante wird das Verfahren mehrfach in zeitlichen Abständen durchgeführt und dem zu vermessenden Objekt zwischen den Verfahrensdurchläufen Wärme zu- oder abgeführt. Anhand zeitlicher Verläufe der bestimmten kalibrierten Temperaturwerte und anhand zeitlicher Verläufe der ermittelten Korrekturwerte wird sodann eine Empfindlichkeit der Infrarotkamera kalibriert. Auf diese Weise kann die Empfindlichkeit, welche im englischen Sprachraum üblicherweise als sensitivity bezeichnet wird, der Infrarotkamera aufwandsgünstig kalibriert werden.
Bei einer anderen Verfahrensvariante wird das Verfahren wiederum mehrfach in zeitlichen Abständen durchlaufen und dem zu vermessenden Objekt zwischen den Verfahrensdurchläufen Wärme zu- oder abgeführt. Anhand zeitlicher Verläufe der bestimmten kalibrierten Temperaturwerte und anhand zeitlicher Verläufe der ermittelten Korrekturwerte wird eine Auflösung der Infrarotkamera kalibriert. Unter der Auflösung der Infrarotkamera ist dabei die kleinste mittels der Infrarotkamera wahrnehmbare Veränderung der Temperatur zu verstehen. Somit ermöglicht diese Verfahrensvariante eine aufwandsgünstige Kalibrierung der Auflösung der Infrarotkamera.
Die erfindungsgemäße Temperaturmessvorrichtung weist ein Substrat auf. Ferner ist wenigstens ein kalibrierter Temperatursensor vorgesehen, welcher in dem Substrat oder an einer Oberfläche des Substrats angeordnet ist. Des Weiteren ist ein kalibriertes Messgerät vorgesehen, welches dazu eingerichtet ist, eine mit dem wenigstens einen kalibrierten Temperatursensor erfasste Temperatur zu messen. Des Weiteren weist die Temperaturmessvorrichtung eine Infrarotkamera auf, mittels welcher Infrarotaufnahmen des Substrats erstellbar sind.
Mittels der beschriebenen Temperaturmessvorrichtung kann das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden.
Als Substrat ist vorzugsweise ein Halbleitersubstrat und besonders bevorzugt eine Halbleiterscheibe vorgesehen. Insbesondere kann es sich hierbei um eine Siliziumscheibe handeln. Aufgrund ihrer Homogenität werden vorzugsweise monokristalline Halbleiterscheiben eingesetzt. In anderen Ausführungsvarianten kann das Substrat insbesondere aus einem Kunststoffmaterial, wie zum Beispiel Polyetheretherketon, einem keramischen Materialien oder einem Metalloxidisolator gebildet sein.
Vorteilhafterweise sind der kalibrierte Temperatursensor und das kalibrierte Messgerät rückführbar kalibriert. Dies ermöglicht, wie oben erläutert, eine rückführbare Temperaturmessung. Beispielsweise kann die Temperaturmessung auf den Temperaturstandard ITS-90 zurückgeführt werden.
Vorzugsweise weist die Temperaturmessvorrichtung eine Auswerteeinrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, anhand einer von der Infrarotkamera erstellten Infrarotaufnahme Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Stellen der Infrarotaufnahme zu ermitteln. Dies ermöglicht eine schnelle und teilautomatisierte oder vollautomatisierte Ermittlung der Temperaturunterschiede.
Vorzugsweise ist das genannte, kalibrierte Messgerät mit der Auswerteeinrichtung derart verbindbar, dass Messwerte von dem Messgerät an die Auswerteeinrichtung übertragbar sind. Die Verbindung kann dabei in jeder an sich bekannter Weise realisiert werden, beispielsweise mittels einer Kabelverbindung oder mittels einer Funkverbindung. Auf diese Weise können mittels des Messgeräts bestimmte Temperaturwerte schnell und komfortabel der Auswerteeinrichtung zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt werden.
Vorteilhafterweise ist die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, aus den ermittelten Temperaturunterschieden zwischen den verschiedenen Stellen der Infrarotaufnahme und von dem Messgerät an die Auswerteeinrichtung übertragenen Messwerten für Messpunkte der Infrarotaufnahme Temperaturen zu ermitteln. Dies kann besonders vorteilhaft erfolgen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante weist die Temperaturmessvorrichtung eine Datenschnittstelle auf, mittels welcher Daten aus der Temperaturmessvorrichtung exportierbar und/oder Daten in die Auswerteeinrichtung importierbar sind. Auf diese Weise können von der Auswerteeinrichtung ermittelte Daten komfortabel zur Weiterbearbeitung oder externen Nutzung exportiert werden. Ferner können über die Datenschnittstelle Referenzdaten eines Kalibrierobjekts, beispielsweise einer temperaturstabilisierten Halbleitersubstrataufnahme, importiert und diese Referenzdaten mit Isothermenverläufen der ermittelten Temperaturen verglichen werden.
Vorzugsweise weist die Temperaturmessvorrichtung eine Anzeigevorrichtung auf, mittels welcher von der Auswerteeinrichtung ermittelte Daten und/oder importierte Daten anzeigbar sind. Dies ermöglicht es, ermittelte Temperaturen komfortabel in Falschfarbendarstellung oder anderweitig anzuzeigen. Zudem können Isothermenverläufe ohne einen vorherigen Datenexport angezeigt werden.
Bei dem wenigsten einen kalibrierten Temperatursensor kann es sich grundsätzlich um jede geeignete Art eines Temperatursensors handeln. Beispielsweise können ein oder mehrere Thermoelemente vorgesehen sein. Alternativ oder ergänzend können ein oder mehrere Thermistoren oder ein oder mehrere Widerstandsthermometer vorgesehen sein. Bei den vorzugsweise eingesetzten Widerstandsthermometern kann es sich um Heißleiter, also Widerstände mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, oder Kaltleiter, also Widerstände mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, handeln. Besonders bevorzugt werden die Typen PT1000 und PT100 verwendet.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Soweit zweckdienlich sind hierin gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt - auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Die bisherige Beschreibung wie auch die nachfolgende Figurenbeschreibung enthalten zahlreiche Merkmale, die in den abhängigen Unteransprüchen teilweise zu mehreren zusammengefasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale wie auch alle übrigen oben und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung offenbarten Merkmale wird der Fachmann jedoch auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfügen. Insbesondere sind alle genannten Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination mit dem Verfahren oder der Temperaturmessvorrichtung der unabhängigen Ansprüche kombinierbar. Es zeigen:

1 Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
2 Aufsicht auf die Siliziumscheibe aus 1
3 Prinzipdarstellung einer Infrarotaufnahme
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens

1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Temperaturmessvorrichtung und illustriert gemeinsam mit den 2 und 3 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. 1 zeigt eine Temperaturmessvorrichtung 10, welche eine Infrarotkamera 12 sowie eine Siliziumscheibe 14 aufweist. Im Inneren der Siliziumscheibe 14 sind Hohlräume 16a, 16b vorgesehen, in welchen Temperatursensoren 18a, 18b angeordnet sind. In der Darstellung der 1 sind die Infrarotkamera 12, die Siliziumscheibe 14 sowie die Hohlräume 16a, 16b und die Temperatursensoren 18a, 18b als Vertikalschnitt gezeigt, um die Anordnung der Hohlräume 16a, 16b und der Temperatursensoren 18a, 18b in der Siliziumscheibe 14 zu verdeutlichen. Die übrigen dargestellten Bestandteile der Temperaturmessvorrichtung 10 sind hingegen schematisch dargestellt.
Die Hohlräume 16a, 16b können in jeder geeigneten Art ausgebildet werden, beispielsweise durch Ätzen oder Fräsen. Die in den Hohlräumen 16a, 16b angeordneten kalibrierten Temperatursensoren sind mittels Messleitungen 22a, 22b mit einem kalibrierten Messgerät 20 verbunden. Um eine bessere thermische Ankopplung der kalibrierten Temperatursensoren 18a, 18b an die sie umgebende Siliziumscheibe 14 zu realisieren, können die Hohlräume bei Bedarf mit wärmeleitfähigem Material, beispielsweise einer geeigneten Keramik oder metallhaltigen Verbindungen, verfüllt sein. Die kalibrierten Temperatursensoren 18a, 18b können in anderen Ausführungsvarianten an einer Oberfläche 15 der Siliziumscheibe anstatt in deren Inneren angeordnet sein. Das kalibrierte Messgerät 20 ist dazu eingerichtet, mit den kalibrierten Temperatursensoren 18a, 18b erfasste Temperaturen zu messen.
Die Infrarotkamera 12 weist einen Erfassungsbereich 13 auf, welcher in der 1 durch gestrichelte Linien schematisch wiedergegeben ist. Der Erfassungsbereich 13 erstreckt sich über die gesamte Siliziumscheibe hinweg, sodass mittels der Infrarotkamera 12 Infrarotaufnahmen des gesamten Substrats 14 erstellbar sind.
Die Temperaturmessvorrichtung 10 weist weiter eine Auswerteeinrichtung 24 auf. Diese ist dazu eingerichtet, anhand von mit der Infrarotkamera 12 erstellten Infrarotaufnahmen Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Stellen der Infrarotaufnahme zu ermitteln. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die Auswerteeinrichtung 24, wie durch Linien angedeutet, mit dem Messgerät 20 wie auch der Infrarotkamera 12 verbunden. Infolgedessen sind Messwerte von dem Messgerät 20 an die Auswerteeinrichtung 24 übertragbar. Ferner können Bilddaten von der Infrarotkamera 12 an die Auswerteeinrichtung 24 übertragen werden.
Weiterhin ist eine Datenschnittstelle 26 vorgesehen, sodass Daten aus der Temperaturmessvorrichtung exportiert und Daten in die Auswerteeinrichtung importiert werden können. Ferner weist die Temperaturmessvorrichtung 10 eine mit der Auswerteeinrichtung 24 verbundene Anzeigevorrichtung 28 auf, mittels welcher von der Auswerteeinrichtung 24 ermittelte Daten und/oder importierte Daten anzeigbar sind. Beispielsweise können ermittelte Temperaturen in Falschfarbendarstellungen angezeigt werden oder ermittelte Isothermenverläufe mittels der Anzeigevorrichtung 28 visualisiert werden.
Die in 1 dargestellte Temperaturmessvorrichtung 10 ist dazu geeignet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Ein Ausführungsbeispiel dieses Verfahrens wird im Folgenden anhand der 1 bis 3 erläutert. Bei diesem Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden mittels der kalibrierten Temperatursensoren 18a, 18b an einer ersten Messposition 30a und einer zweiten Messposition 30b kalibrierte Temperaturwerte bestimmt. Dies erfolgt vorzugsweise gleichzeitig. 2 zeigt eine Aufsicht auf die Siliziumscheibe 14 aus 1. Hierin sind die Temperatursensoren 18a, 18b gestrichelt angedeutet. Sie befinden sich an der ersten 30a und zweiten 30b Messposition.
Mittels der Infrarotkamera 12 wird eine Infrarotaufnahme der Siliziumscheibe 14 erstellt. Da sich der Erfassungsbereich 13, wie oben dargelegt, über die gesamte Siliziumscheibe erstreckt, erfasst diese Infrarotaufnahme die erste Messposition 30a wie auch die zweite Messposition 30b.
3 zeigt eine Prinzipdarstellung solch einer Infrarotaufnahme 29. Hierin sind schematisch als Quadrate dargestellte Messpunkte 33 der Infrarotaufnahme 29 erkennbar. Gefüllte Messpunkte, das heißt Quadrate in der 3, geben relative Temperaturwerte der Siliziumscheibe 14 wieder. Abseits der Siliziumscheibe 14 gelegene Messpunkte zeigen andere Temperaturwerte und sind zum Zwecke der Illustration als leere Quadrate dargestellt.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens werden an von den Messpositionen 30a, 30b beabstandeten und von der Infrarotaufnahme 29 erfassten Stellen der Siliziumscheibe 14 anhand der Infrarotaufnahme 29 Temperaturunterschiede ermittelt zu Temperaturen, die an der ersten Messposition 30a oder der zweiten Messposition 30b vorliegen. 3 illustriert dies beispielhaft anhand einer von den Messpositionen 30a, 30b beabstandeten Stelle 32. Im Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 wird stets der Temperaturunterschied zu derjenigen Temperatur ermittelt, welche an der nächstgelegenen Messposition vorliegt. Die zweite Messposition 30b liegt näher an der von den Messpositionen 30a, 30b beabstandeten Stelle 32 und wird daher herangezogen. An der von den Messpositionen 30a, 30b beabstandeten Stelle 32 liefert die Infrarotaufnahme 29 einen Temperaturwert Tx. An der zweiten Messposition 30b ergibt sich aus der Infrarotaufnahme 29 ein Temperaturwert T2. An der von den Messpositionen 30a, 30b beabstandeten Stelle 32 wird der Temperaturunterschied somit ermittelt zu D=Tx-T2.
In dieser Weise werden an weiteren von den Messpositionen 30a, 30b beabstandeten Stellen, vorzugsweise an allen solchen Stellen der Siliziumscheibe 14, in entsprechender Weise die jeweiligen Temperaturunterschiede ermittelt. Anhand dieser ermittelten Temperaturunterschiede wird im Weiteren für die von den Messpositionen beabstandeten Stellen ein jeweiliger Korrekturwert ermittelt. Auf welche Art, beziehungsweise mit welchem Algorithmus, dieser Korrekturwert ermittelt wird, kann auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der ermittelte Temperaturunterschied als zu der jeweiligen Stelle gehöriger Korrekturwert verwendet. Für die von den Messpositionen 30a, 30b beabstandete Stelle 32 ergibt sich somit ein Korrekturwert von K=D=Tx-T2.
Im Weiteren werden an den von den Messpositionen beabstandeten Stellen die dort vorliegenden Temperaturen genau bestimmt. Hierzu wird der an der ersten 30a oder der an der zweiten 30b Messposition mittels des zugehörigen Temperatursensors 18a beziehungsweise 18b und des Messgeräts 20 bestimmte, kalibrierte Temperaturwert um den zu der jeweiligen von der Messposition beabstandeten Stelle gehörigen Korrekturwert geändert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird hierzu jeweils der kalibrierte Temperaturwert der nächstgelegenen Messposition herangezogen. Für die von den Messpositionen 30a, 30b beabstandete Stelle 32 bedeutet dies, dass der kalibrierte Temperaturwert an der zweiten Messposition 30b herangezogen wird. Somit ergibt sich die an der von den Messpositionen 30a, 30b beabstandeten Stelle 32 vorliegende Temperatur durch Addition des Korrekturwerts K zu dem an der zweiten Messposition 30b mittels Temperatursensor 18b und Messgerät 20 bestimmten kalibrierten Temperaturwert.
Auf diese Weise kann aufwandsgünstig die Temperatur der Siliziumscheibe sowohl mit hoher Genauigkeit als auch mit guter Ortsauflösung bestimmt werden.
4 illustriert ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens und zeigt die bereits aus 1 bekannte Temperaturmessvorrichtung. Deren Siliziumscheibe 14 ist vor Messbeginn mit einem Kalibrierobjekt in Kontakt gebracht worden, sodass eine Angleichung der Temperatur der Siliziumscheibe an eine Oberflächentemperatur des Kalibrierobjekts erfolgen konnte. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Aufnahmevorrichtung 34 für Halbleiterscheiben als Kalibriervorrichtung vorgesehen. Diese Aufnahmevorrichtung 34 ist temperaturstabilisiert und zu diesem Zweck mit einer schematisch dargestellten Temperiervorrichtung 38 ausgestattet, welche eine Temperaturregeleinrichtung 36 aufweist. Der weitere Verfahrensverlauf entspricht dem des Ausführungsbeispiels der 1 bis 3. Da die Siliziumscheibe vor Messbeginn mit der Aufnahmevorrichtung 34 in Kontakt gebracht wurde und eine Temperaturangleichung erfolgen konnte, wird auf diese Weise ortsaufgelöst und mit hoher Genauigkeit die Oberflächentemperatur der Aufnahmevorrichtung 34 gemessen. Anhand der derart mit guter Ortsauflösung und hoher Genauigkeit bestimmten Temperaturen werden sodann die Aufnahmevorrichtung und/oder die Temperaturregeleinrichtung 36 kalibriert. Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Aufnahmevorrichtung 43 und die Siliziumscheibe 14 derart ausgerichtet, dass deren miteinander in Kontakt gebrachte Oberflächen jeweils im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene verlaufen.
Sind bei dem schematisch in 4 dargestellten apparativen Aufbau die Aufnahmevorrichtung und deren Temperaturregeleinrichtung kalibriert, so kann dieser Aufbau zur Durchführung weiterer Verfahrensvarianten verwendet werden. So wird bei einer Verfahrensvariante die Temperatur der Siliziumscheibe 14 ortsaufgelöst in zeitlichen Abständen mehrfach wie oben beschrieben bestimmt. Zwischen den einzelnen Verfahrensdurchläufen wird der Siliziumscheibe 14 mittels der Aufnahmevorrichtung 34, der Temperaturregeleinrichtung 36 und der Temperiervorrichtung 38 jedoch Wärme zu- oder abgeführt. Anhand der zeitlichen Verläufe der bestimmten kalibrierten Temperaturwerte und anhand der zeitlichen Verläufe der ermittelten Korrekturwerte können sodann eine Empfindlichkeit und/oder eine Auflösung der Infrarotkamera kalibriert werden.
Bezugszeichenliste

10: Temperaturmessvorrichtung
12: Infrarotkamera
13: Erfassungsbereich
14: Siliziumscheibe
15: Oberfläche
16a, 16b: Hohlraum
18a, 18b: Temperatursensor
20: Messgerät
22a, 22b: Messleitung
24: Auswerteeinrichtung
26: Datenschnittstelle
28: Anzeigevorrichtung
29: Infrarotaufnahme
30a: erste Messposition
30b: zweite Messposition
32: von Messpositionen beabstandete Stelle
33: Messpunkt der Infrarotaufnahme
34: Aufnahmevorrichtung
36: Temperaturregeleinrichtung
38: Temperiervorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5746513 [0003]

Claims

Verfahren zur Temperaturmessung, bei welchem - ein kalibrierter Temperaturwert eines zu vermessenden Objekts (14) mittels eines kalibrierten Temperatursensors (18a; 18b) und eines kalibrierten Messgeräts (20) an einer Messposition (30a; 30b) bestimmt wird; - mittels einer Infrarotkamera (12) eine Infrarotaufnahme (29) wenigstens eines Abschnitts des zu vermessenden Objekts (14) erstellt wird, welche die Messposition (30a; 30b) des kalibrierten Temperatursensors (18a; 18b) erfasst; - an von der Messposition (30a; 30b) beabstandeten und von der Infrarotaufnahme (29) erfassten Stellen (32) des zu vermessenden Objekts (14) anhand der Infrarotaufnahme (29) Temperaturunterschiede zu einer an der Messposition (30a; 30b) vorliegenden Temperatur ermittelt werden; - anhand der ermittelten Temperaturunterschiede für die genannten von der Messposition beabstandeten Stellen (32) ein jeweiliger Korrekturwert ermittelt wird; - an den genannten von der Messposition beabstandeten Stellen (32) vorliegende Temperaturen bestimmt werden, indem jeweils der an der Messposition (30a; 30b) bestimmte kalibrierte Temperaturwert um den zu der jeweiligen von der Messposition beabstandeten Stelle (32) gehörigen Korrekturwert geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der für die jeweilige von der Messposition beabstandete (32) und von der Infrarotaufnahme (29) erfasste Stelle ermittelte Temperaturunterschied als der zu dieser Stelle (32) gehörige Korrekturwert verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - mittels mehrerer kalibrierter Temperatursensoren (18a, 18b) kalibrierte Temperaturwerte an mehreren Messpositionen (30a, 30b), vorzugsweise gleichzeitig, bestimmt werden; - mittels der Infrarotkamera (12) eine Infrarotaufnahme (29) wenigstens eines Abschnitts des zu vermessenden Objekts (14) erstellt wird, welche die Messpositionen (30a, 30b) von wenigstens zwei der mehreren Temperatursensoren (18a, 18b) erfasst; - an von den Messpositionen (30a, 30b) beabstandeten und von der Infrarotaufnahme (29) erfassten Stellen (32) des zu vermessenden Objekts (14) anhand der Infrarotaufnahme (29) Temperaturunterschiede ermittelt werden zu Temperaturen, die an einer oder mehreren der Messpositionen (30a, 30b) der wenigstens zwei Temperatursensoren (18a, 18b) vorliegen; - anhand der ermittelten Temperaturunterschiede für die von den Messpositionen beabstandeten Stellen (32) ein jeweiliger Korrekturwert ermittelt wird; - an den von den Messpositionen (30a, 30b) beabstandeten Stellen (32) vorliegende Temperaturen jeweils bestimmt werden, indem der an der Messposition (30a; 30b) eines Temperatursensors (18a; 18b) der wenigstens zwei Temperatursensoren (18a, 18b) bestimmte kalibrierte Temperaturwert um den zu der jeweiligen von den Messpositionen beabstandeten Stelle (32) gehörigen Korrekturwert geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass - an den von den Messpositionen (30a, 30b) beabstandeten und von der Infrarotaufnahme (29) erfassten Stellen (32) des zu vermessenden Objekts (14) anhand der Infrarotaufnahme (29) jeweils der Temperaturunterschied zu der Temperatur ermittelt wird, welche an der Messposition (30a; 30b) desjenigen Temperatursensors (18a; 18b) der wenigstens zwei Temperatursensoren (18a, 18b) vorliegt, welcher den geringsten Abstand zu der jeweiligen Stelle (32) des zu vermessenden Objekts (14) aufweist; und - der in dieser Weise für die jeweilige Stelle (32) des zu vermessenden Objekts (14) ermittelte Temperaturunterschied als der zu dieser Stelle (32) des zu vermessenden Objekts (14) gehörige Korrekturwert verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zu vermessendes Objekt (14) ein Substrat (14), vorzugsweise ein Halbleitersubstrat (14) und besonders bevorzugt eine Halbleiterscheibe (14) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass - das Substrat (14) vor Messbeginn derart mit einem Kalibrierobjekt (34) in Kontakt gebracht wird, dass eine Angleichung der Temperatur des Substrats (14) an eine Oberflächentemperatur des Kalibrierobjekts (34) erfolgen kann; - das Kalibrierobjekt (34) und/oder dessen Temperaturmess-, Temperatursteuer- oder Temperaturregeleinrichtung (36) mittels der an den von den Messpositionen (30a, 30b) beabstandeten Stellen (32) bestimmten Temperaturen kalibriert wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das Verfahren mehrfach in zeitlichen Abständen durchgeführt wird und dem zu vermessenden Objekt (14) zwischenzeitlich Wärme zu- oder abgeführt wird; - anhand zeitlicher Verläufe der bestimmten kalibrierten Temperaturwerte und anhand zeitlicher Verläufe der ermittelten Korrekturwerte eine Empfindlichkeit der Infrarotkamera (12) kalibriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass - das Verfahren mehrfach in zeitlichen Abständen durchgeführt wird und dem zu vermessenden Objekt (14) zwischenzeitlich Wärme zu- oder abgeführt wird; - anhand zeitlicher Verläufe der bestimmten kalibrierten Temperaturwerte und anhand zeitlicher Verläufe der ermittelten Korrekturwerte eine Auflösung der Infrarotkamera (12) kalibriert wird.
Temperaturmessvorrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche aufweisend - ein Substrat (14); - wenigstens einen kalibrierten Temperatursensor (18a, 18b), welcher in dem Substrat (14) oder an einer Oberfläche (15) des Substrats (14) angeordnet ist; - ein kalibriertes Messgerät (20), welches dazu eingerichtet ist, eine mit dem wenigstens einen kalibrierten Temperatursensor (18a, 18b) erfasste Temperatur zu messen; gekennzeichnet durch eine Infrarotkamera (12), mittels welcher Infrarotaufnahmen (29) des Substrats (14) erstellbar sind.
Temperaturmessvorrichtung (10) nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinrichtung (24), welche dazu eingerichtet ist, anhand einer von der Infrarotkamera (12) erstellten Infrarotaufnahme (29) Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Stellen (30a, 30b, 32) der Infrarotaufnahme (29) zu ermitteln.
Temperaturmessvorrichtung (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerät (20) mit der Auswerteeinrichtung (24) derart verbindbar ist, dass Messwerte von dem Messgerät (20) an die Auswerteeinrichtung (24) übertragbar sind.
Temperaturmessvorrichtung (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (24) dazu eingerichtet ist, aus den ermittelten Temperaturunterschieden zwischen den verschiedenen Stellen (30a, 30b, 32) der Infrarotaufnahme (29) und von dem Messgerät (20) an die Auswerteeinrichtung (24) übertragenen Messwerten für Messpunkte (33) der Infrarotaufnahme (29) Temperaturen zu ermitteln.