DE112019004191T5

DE112019004191T5 - Systeme und Verfahren zum thermischen Verarbeiten und zur Temperaturmessung eines Werkstücksbei niedrigen Temperaturen

Info

Publication number: DE112019004191T5
Application number: DE112019004191.6T
Authority: DE
Inventors: Rolf Bremensdorfer; Markus Lieberer; J. Timans Paul; Michael X. Yang
Original assignee: Beijing E Town Semiconductor Technology Co Ltd; Mattson Technology Inc
Current assignee: Beijing E Town Semiconductor Technology Co Ltd; Mattson Technology Inc
Priority date: 2018-08-22
Filing date: 2019-07-11
Publication date: 2021-06-10
Also published as: WO2020040902A1; US20200064198A1; KR20210034680A; CN112437975A; TW202022947A; TWI811401B; KR102527612B1

Abstract

Durch die vorliegende Erfindung werden Systeme und Verfahren zum thermischen Verarbeiten eines Werkstücks bei niedrigen Temperaturen bereitgestellt. In einer beispielhaften Ausführungsform weist eine thermische Verarbeitungsvorrichtung eine Verarbeitungskammer mit einem Werkstückträger auf. Der Werkstückträger kann dafür konfiguriert sein, ein Werkstück zu tragen. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere Wärmequellen aufweisen, die dafür konfiguriert ist/sind, elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich zu emittieren, um das Werkstück auf eine Verarbeitungstemperatur zu erwärmen. Die Verarbeitungstemperatur kann im Bereich von etwa 50°C bis 150°C liegen. Die Vorrichtung kann einen oder mehrere Sensoren aufweisen, die dafür konfiguriert sind, ein Messergebnis für die elektromagnetische Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich zu erhalten, wenn sich das Werkstück bei der Verarbeitungstemperatur befindet. Der zweite Wellenlängenbereich kann vom ersten Wellenlängenbereich verschieden sein.

Description

Prioritätsanspruch
Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Prioritätsvorteil der am 31. August 2018 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung mit der Seriennummer 62/725414 mit dem Titel „Systems and Methods for Thermal Processing and Temperature Measurement of a Workpiece at Low Temperatures‟‟, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Prioritätsvorteil der am 22. August 2018 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung mit der Seriennummer 62/720967 mit dem Titel „Systems and Methods for Thermal Processing and Temperature Measurement of a Workpiece at Low Temperatures“, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein thermische Verarbeitungssysteme für ein Werkstück, wie beispielsweise ein Halbleiterwerkstück.
Hintergrund
Eine thermische Verarbeitungskammer, wie sie hier verwendet wird, bezieht sich auf eine Vorrichtung, die ein oder mehrere Werkstücke erwärmen kann, wie beispielsweise einen Halbleiterwafer. Die Vorrichtung kann eine Trägerplatte zum Tragen des Werkstücks (der Werkstücke) und eine Energiequelle zum Erwärmen des Werkstücks (der Werkstücke), wie beispielsweise Heizlampen, Laser oder andere Wärmequellen, aufweisen. Während der Wärmebehandlung kann das Werkstück (können die Werkstücke) unter kontrollierten Bedingungen auf einen voreingestellten Temperaturbereich erwärmt werden. Beispielsweise kann das Werkstück (können die Werkstücke) durch eine Anordnung von Lampen durch die Trägerplatte auf Temperaturen von beispielsweise etwa 50°C bis etwa 150°C, wie etwa 100°C, erwärmt werden. Während der Wärmebehandlung kann ein primäres Ziel darin bestehen, eine Werkstücktemperatur so genau wie möglich zu messen.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Aspekte und Vorteile von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden teilweise in der folgenden Beschreibung dargelegt oder können anhand der Beschreibung gelernt werden oder können durch Anwenden der Ausführungsformen in der Praxis gelernt werden.
Ein beispielhafter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine thermische Verarbeitungsvorrichtung. Die Vorrichtung weist eine Verarbeitungskammer mit einem Werkstückträger auf. Der Werkstückträger kann dafür konfiguriert sein, ein Werkstück zu tragen. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere Wärmequellen aufweisen, die dafür konfiguriert sind, elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich zu emittieren, um das Werkstück auf eine Verarbeitungstemperatur zu erwärmen. Die Verarbeitungstemperatur kann im Bereich von etwa 50°C bis 150°C liegen. Die Vorrichtung kann einen oder mehrere Sensoren aufweisen, die dafür konfiguriert sind, ein Messergebnis für elektromagnetische Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich zu erhalten, wenn sich das Werkstück bei der Verarbeitungstemperatur befindet. Der zweite Wellenlängenbereich kann vom ersten Wellenlängenbereich verschieden sein.
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile verschiedener Ausführungsformen werden unter Bezug auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche verdeutlicht. Die beigefügten Zeichnungen, die in dieser Patentschrift enthalten sind und einen Teil davon bilden, zeigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die verwandten Prinzipien zu erläutern.
Figurenliste
Die Beschreibung, die auf die beigefügten Figuren Bezug nimmt, beinhaltet eine ausführliche Diskussion von Ausführungsformen, die sich an einen Durchschnittsfachmann richtet; es zeigen:

1 eine beispielhafte thermische Verarbeitungsvorrichtung gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
2 eine beispielhafte thermische Verarbeitungsvorrichtung gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
3 ein beispielhaftes Transmissionsspektrum eines beispielhaften Werkstückmaterials gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
4 eine beispielhafte Änderung des Transmissionsvermögens in Bezug auf die Temperatur eines beispielhaften Werkstückmaterials gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
5 eine beispielhafte thermische Verarbeitungsvorrichtung gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
6 ein beispielhaftes Emissionsspektrum für ein beispielhaftes Werkstück gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
7 eine beispielhafte Schwarzkörper-Strahlungskurve bei einer beispielhaften Temperatur gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
8 ein beispielhaftes Verfahren zum thermischen Verarbeiten eines Werkstücks gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
9 ein beispielhaftes Verfahren zum Bestimmen der Temperatur eines Werkstücks gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; und
10 ein beispielhaftes Verfahren zum Bestimmen der Temperatur eines Werkstücks gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Ausführliche Beschreibung
Nachstehend wird auf Ausführungsformen näher Bezug genommen, von denen ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen dargestellt sind. Jedes Beispiel wird zur Erläuterung der Ausführungsformen bereitgestellt und soll die vorliegende Erfindung nicht einschränken. Tatsächlich wird dem Fachmann klar sein, dass innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung verschiedene Modifikationen und Variationen an den Ausführungsformen vorgenommen werden können. Beispielsweise können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform dargestellt oder beschrieben sind, in einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine noch weitere Ausführungsform zu erhalten. Daher ist beabsichtigt, dass Aspekte der vorliegenden Erfindung solche Modifikationen und Variationen abdecken.
Beispielhafte Aspekte der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Verfahren zum thermischen Verarbeiten eines Werkstücks. Insbesondere sind in einigen Ausführungsformen beispielhafte Aspekte der vorliegenden Erfindung darauf gerichtet, einen thermischen Verarbeitungsprozess wie Dotieren, Abscheiden, Tempern oder einen anderen geeigneten thermischen Verarbeitungsprozess bezüglich eines Werkstücks, wie beispielsweise eines Halbleiterwerkstücks, auszuführen. In einigen Ausführungsformen kann der thermische Verarbeitungsprozess eine schnelle thermische Verarbeitung (RTP) beinhalten, wie beispielsweise eine Dotierstoffaktivierung, schnelles thermisches Tempern (RTA), einen Metall-Reflow-Prozess oder einen anderen geeigneten schnellen thermischen Prozess. Gemäß beispielhaften Aspekten der vorliegenden Erfindung kann die thermische Verarbeitung das Erwärmen eines Werkstücks auf eine relativ niedrige Temperatur, wie beispielsweise eine sehr niedrige Temperatur, wie beispielsweise eine Temperatur von weniger als etwa 200°C, wie etwa 100°C, aufweisen.
Beispielhafte Aspekte der vorliegenden Erfindung können hierin zum Zweck der Veranschaulichung und Erläuterung unter Bezug auf die Behandlung eines Werkstücks, wie beispielsweise eines Halbleitersubstrats, eines Halbleiterwafers usw., diskutiert werden. Der Durchschnittsfachmann wird unter Verwendung der hierin bereitgestellten Offenbarungen verstehen, dass innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung Aspekte der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit der Verarbeitung anderer Werkstücke verwendet werden können. Der hierin verwendete Begriff „ungefähr“ oder „etwa“ in Verbindung mit einem numerischen Wert kann sich auf einen Wert innerhalb von 20% des angegebenen numerischen Werts beziehen.
Das thermische Verarbeiten eines Werkstücks kann das Erwärmen des Werkstücks auf eine gewünschte Temperatur und/oder das Halten des Werkstücks bei der gewünschten Temperatur, bei der der Prozess ausgeführt werden soll, aufweisen. In einigen Anwendungen kann es wünschenswert sein, das Werkstück vor und/oder während der thermischen Verarbeitung auf eine relativ niedrige Temperatur zu erwärmen, wie beispielsweise auf eine Temperatur von weniger als etwa 200°C, beispielsweise im Bereich von etwa 50°C bis etwa 150°C, wie etwa 100°C.
Mit dem thermischen Verarbeiten eines Werkstücks bei relativ niedrigen Temperaturen, beispielsweise bei Temperaturen von weniger als etwa 200°C, können verschiedene Probleme verbunden sein. Beispielsweise kann es während der thermischen Verarbeitung wünschenswert sein, die Temperatur des Werkstücks genau zu messen. Verschiedene Systeme zum thermischen Verarbeiten können berührungslose Temperaturmesstechniken wie Pyrometrie zum Messen der Temperatur des Werkstücks verwenden. Solche berührungslosen Temperaturmesstechniken können das Messen elektromagnetischer Strahlung aufweisen, beispielsweise elektromagnetischer Strahlung, die durch das Werkstück emittiert wird. Die gemessene elektromagnetische Strahlung kann jedoch manchmal mit elektromagnetischer Strahlung von Wärmequellen kontaminiert sein, die zum Erwärmen des Werkstücks verwendet wird. Zusätzlich kann sich die Absorption elektromagnetischer Strahlung bei einer bestimmten Wellenlänge durch das Werkstück als Funktion der Temperatur ändern. Diese Probleme können durch Eigenschaften des Werkstücks bei niedrigen Temperaturen, wie z.B. durch ein niedriges Emissionsvermögen, das mit dem Werkstück bei niedrigen Temperaturen verbunden ist, verschlimmert werden.
Wenn das Werkstück beispielsweise ein leicht dotierter Siliziumwafer bei etwa 100°C ist, kann das Werkstück elektromagnetische Strahlung, die mit Infrarotlichtquellen verbunden ist, wie beispielsweise elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von etwa 1,1 µm bis etwa 14 µm, möglicherweise nicht absorbieren. Eine Alternative zu Infrarotlicht ist Ultraviolett- (UV) Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 10 nm bis etwa 400 nm. Einige Anwendungen sind jedoch möglicherweise nicht für UV-Lichtquellen geeignet oder verhindern auf andere Weise die Verwendung von UV-Lichtquellen, wie z.B. Breitband-UV-Lichtquellen. Hierin bezieht sich leicht dotiertes Silizium auf Silizium mit einem spezifischen Widerstand von mehr als 1 Ohm/cm.
Als ein anderes Beispiel können berührungslose Temperaturmesstechniken wie Pyrometrie verwendet werden, um die Temperatur des Werkstücks zu messen, ohne dass ein direkter Kontakt mit dem Werkstück erforderlich ist. Solche berührungslosen Messtechniken können beispielsweise die vom Werkstück emittierte Wärmestrahlung messen und die Temperatur basierend auf der emittierten Wärmestrahlung bestimmen. Bei relativ niedrigen Temperaturen, wie z.B. bei Temperaturen unter 200°C, kann die durch ein Werkstück emittierte Wärmestrahlung manchmal unzureichend sein, um ein genaues Messergebnis zu erhalten. Diese Probleme können durch Kontamination mit der elektromagnetischen Strahlung verschlimmert werden, die durch die zum Erwärmen des Werkstücks verwendeten Wärmequellen emittiert wird.
Um diese Probleme zu überwinden, kann ein System zum thermischen Verarbeiten eines Werkstücks eine Verarbeitungskammer mit einem Werkstückträger aufweisen. Der Werkstückträger kann dafür konfiguriert sein, ein Werkstück zu tragen. Das System kann eine oder mehrere Wärmequellen aufweisen, die dafür konfiguriert sind, elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich zu emittieren, um das Werkstück auf eine Verarbeitungstemperatur zu erwärmen. Die Verarbeitungstemperatur kann etwa 50°C bis etwa 150°C betragen (z.B. etwa 100°C). Das System kann einen oder mehrere Sensoren aufweisen, die dafür konfiguriert sind, ein Messergebnis für die elektromagnetische Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich zu erhalten, wenn sich das Werkstück auf der Verarbeitungstemperatur befindet. Der zweite Wellenlängenbereich kann sich vom ersten Wellenlängenbereich unterscheiden und kann keine Überlappung mit dem ersten Wellenlängenbereich aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann eine spektrale Leistungsdichte, die Strahlung von der Wärmequelle im zweiten Wellenlängenbereich zugeordnet ist, weniger als etwa 5% der spektralen Spitzenleistungsdichte betragen, die dem zweiten Wellenlängenbereich zugeordnet ist, wie beispielsweise weniger als etwa 1 % der dem zweiten Wellenlängenbereich zugeordneten spektralen Spitzenleistungsdichte. Gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann eine Temperatur des Werkstücks zumindest teilweise basierend auf dem durch den einen oder die mehreren Sensoren erhaltenen Messergebnis für elektromagnetische Strahlung bestimmt werden.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein System zum thermischen Verarbeiten eines Werkstücks eine Verarbeitungskammer aufweisen. Die Verarbeitungskammer kann eine beliebige Form, Konfiguration und/oder Konstruktion aufweisen, die zum Verarbeiten des Werkstücks geeignet sind. Außerdem kann die Verarbeitungskammer ein oder mehrere zusätzliche Elemente zum Unterstützen der thermischen Verarbeitung des Werkstücks aufweisen.
In einigen Ausführungsformen kann die Verarbeitungskammer einen Werkstückträger aufweisen, der dafür konfiguriert ist, ein Werkstück zu tragen. Der Werkstückträger kann eine beliebige geeignete Form, Konfiguration und/oder Konstruktion zum Tragen des Werkstücks aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann der Werkstückträger dafür konfiguriert sein, das Werkstück zu tragen, während er eine begrenzte Wirkung auf elektromagnetische Strahlung in der Verarbeitungskammer hat, wie beispielsweise elektromagnetische Strahlung, die das Werkstück durchläuft, oder Wärmestrahlung, die durch das Werkstück emittiert wird. Beispielsweise kann mindestens ein Teil des Werkstücks in der Nähe eines Lochs im Werkstückträger angeordnet sein, so dass elektromagnetische Strahlung von einer Seite des Werkstücks zur anderen gelangen kann, ohne dass sie durch den Werkstückträger gestört wird. In einigen Ausführungsformen kann der Werkstückträger zusätzliche geeignete Komponenten zum Unterstützen der thermischen Verarbeitung des Werkstücks aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann der Werkstückträger eine Quarzträgerplatte mit einem oder mehreren Stützstiften (z.B. Quarzstützstiften) aufweisen.
In einigen Ausführungsformen kann das Werkstück ein Halbleiterwerkstück sein, wie beispielsweise ein Werkstück, das zumindest teilweise aus Silizium (Si), Galliumarsenid (GaAs), Germanium (Ge) oder einem anderen geeigneten Halbleiter oder einer Kombination davon besteht. Das Werkstück kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine beliebige geeignete Form oder Abmessung haben. Beispielsweise kann das Werkstück ein „Wafer“ oder ein Substrat mit einer im Wesentlichen kreisförmigen oder ovalen Oberfläche sein.
In einigen Ausführungsformen kann ein System zum thermischen Verarbeiten eines Werkstücks eine oder mehrere Wärmequellen aufweisen, die dafür konfiguriert sind, elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich zu emittieren. Die eine oder die mehreren Wärmequellen können beispielsweise Lichtquellen oder andere Strahlungswärmequellen sein. Die eine oder die mehreren Wärmequellen können dafür betreibbar sein, das Werkstück ohne physischen Kontakt zwischen der Wärmequelle und dem Werkstück zu erwärmen. Beispielsweise können die eine oder die mehreren Wärmequellen Infrarotlichtquellen, Leuchtdioden (LEDs), gepulste Wärmequellen, kohärente Lichtquellen (z.B. Laser), schmalbandige Wärmequellen oder andere geeignete Wärmequellen oder eine Kombination davon aufweisen. Beispielsweise können die eine oder die mehreren Wärmequellen schmalbandige Wärmequellen wie LEDs sein, um die Kontamination elektromagnetischer Strahlung außerhalb des ersten Wellenlängenbereichs zu verringern oder zu begrenzen.
Die eine oder die mehreren Wärmequellen können dafür konfiguriert sein, elektromagnetische Strahlung im ersten Wellenlängenbereich zu emittieren, um das Werkstück zu erwärmen. Der erste Wellenlängenbereich kann so gewählt werden, dass das Werkstück ein geeignetes Absorptionsvermögen, wie beispielsweise ein geeignetes hohes Absorptionsvermögen, für elektromagnetische Strahlung im ersten Wellenlängenbereich aufweist. Beispielsweise kann der erste Wellenlängenbereich ein geeignetes hohes Absorptionsvermögen aufweisen, so dass das Werkstück in der Lage ist, Strahlung im ersten Wellenlängenbereich zu absorbieren, wie beispielsweise eine Menge der Strahlung, die dazu geeignet ist, das Werkstück auf eine effiziente Weise zu erwärmen. Beispielsweise kann der erste Wellenlängenbereich eine Wellenlänge enthalten, bei der das Werkstück ein Absorptionsvermögen von ungefähr 0,3 oder mehr aufweist, wie etwa 0,5 oder mehr, beispielsweise 0,7 oder mehr. Durch Absorption eines geeigneten Teils der durch die elektromagnetische Strahlung transportierten Energie kann das Werkstück somit erwärmt werden. Für den ersten Wellenlängenbereich kann jedoch ein beliebiger geeigneter Wellenlängenbereich verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann das Werkstück auf ungefähr 50°C bis 150°C erwärmt werden, beispielsweise auf ungefähr 100°C.
Zusätzlich und/oder alternativ kann der erste Wellenlängenbereich so ausgewählt werden, dass ein geeignetes Absorptionsvermögen basierend zumindest teilweise auf einer Temperatur des Werkstücks bereitgestellt wird. Beispielsweise kann sich das Absorptionsvermögen des Werkstücks mit der Temperatur ändern, und es kann wünschenswert sein, die erste Wellenlänge derart auszuwählen, dass ein geeignetes Absorptionsvermögen bei einer gewünschten Temperatur bereitgestellt wird. Beispielsweise kann der erste Wellenlängenbereich derart ausgewählt werden, dass ein geeignetes Absorptionsvermögen bei einer Anfangstemperatur des Werkstücks (d.h. bevor das Werkstück durch die eine oder die mehreren Wärmequellen erwärmt wird), bei einer Verarbeitungstemperatur (d.h. einer Temperatur, auf die das Werkstück während der thermischen Verarbeitung erwärmt wird und/oder bei der es gehalten wird), über einen Temperaturbereich (z.B. über einen Bereich von einer Anfangstemperatur bis zu einer Verarbeitungstemperatur) oder über eine beliebige geeignete Temperatur oder beliebige geeignete Temperaturen oder eine Kombination davon bereitgestellt wird. In einigen Ausführungsformen kann die Temperatur ungefähr 50°C bis ungefähr 150°C betragen. In einigen Ausführungsformen kann die Temperatur etwa 100°C betragen.
In einer beispielhaften Anwendung zum Erwärmen eines Werkstücks mit einem leicht dotierten Siliziumwafer auf eine Prozesstemperatur von etwa 100°C können die eine oder die mehreren Wärmequellen schmalbandige Hochleistungs-LEDs aufweisen, die dafür konfiguriert sind, elektromagnetische Strahlung bei etwa 900 nm bereitzustellen. Bei 100°C kann ein leicht dotierter Siliziumwafer ein Absorptionsvermögen von etwa 0,7 für elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 900 nm aufweisen. Die LEDs können eine schmalbandige Wärmequelle mit einer Bandbreite von weniger als ungefähr 200 nm sein, wie beispielsweise weniger als ungefähr 100 nm, beispielsweise weniger als ungefähr 50 nm, z.B. weniger als ungefähr 20 nm. LED-Bandbreite bezeichnet hierin eine Bandbreite bei halber Leistung, wo die pro Wellenlängeneinheit abgestrahlte Leistung auf 50% einer Spitzenleistung/Wellenlängeneinheit abfällt. Daher können die 900 nm LEDs eine ausreichende Fähigkeit zum Erwärmen des Werkstücks bereitstellen, begrenzte Interferenzen bei anderen Wellenlängen bereitstellen und Komplikationen vermeiden, die mit elektromagnetischer Strahlung mit kürzeren Wellenlängen, wie beispielsweise UV-Licht, verbunden sein können. Gemäß den Aspekten der vorliegenden Erfindung können jedoch beliebige geeignete Wärmequellen mit einem beliebigen geeigneten Wellenlängenbereich verwendet werden.
In einigen Ausführungsformen kann ein System zum thermischen Verarbeiten eines Werkstücks einen oder mehrere Sensoren aufweisen, die dafür konfiguriert sind, ein Messergebnis für elektromagnetische Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich zu erhalten. In einigen Ausführungsformen kann das Werkstück für den zweiten Wellenlängenbereich zumindest teilweise transparent sein. In einigen Ausführungsformen kann der zweite Wellenlängenbereich einem Wellenlängenbereich entsprechen, in dem das Werkstück eine erhebliche Menge an Wärmestrahlung emittiert. Basierend auf dem Messergebnis von dem einem oder den mehreren Sensoren kann die Temperatur des Werkstücks bestimmt werden. Der eine oder die mehreren Sensoren können beispielsweise eine Fotodiode, ein Pyrometer oder einen anderen geeigneten Sensor aufweisen.
Der zweite Wellenlängenbereich kann sich vom ersten Wellenlängenbereich unterscheiden und/oder kann den ersten Wellenlängenbereich nicht überlappen. Beispielsweise können der erste Wellenlängenbereich und der zweite Wellenlängenbereich derart ausgewählt werden, dass eine Kontamination zwischen dem ersten Wellenlängenbereich und dem zweiten Wellenlängenbereich vermindert oder begrenzt wird. Beispielsweise kann der zweite Wellenlängenbereich derart ausgewählt werden, dass er ein Wellenlängenbereich außerhalb eines Strahlungsbandes ist, das durch den einen oder die mehreren Wärmequellen emittiert wird. Beispielsweise kann der erste Wellenlängenbereich eine Wellenlänge von ungefähr 900 nm enthalten und kann der zweite Wellenlängenbereich eine Wellenlänge von ungefähr 1100 nm enthalten. Als ein weiteres Beispiel kann der zweite Wellenlängenbereich ein Wellenlängenbereich mit einer anderen Größenordnung als diejenige der ersten Wellenlänge sein. Beispielsweise kann der erste Wellenlängenbereich eine Wellenlänge mit einer Größenordnung von ungefähr 1000 nm, wie beispielsweise 900 nm, enthalten und kann der zweite Wellenlängenbereich eine Wellenlänge mit einer Größenordnung von ungefähr 10 µm, wie beispielsweise 16 µm, aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann eine spektrale Leistungsdichte, die der Strahlung von der Wärmequelle im zweiten Wellenlängenbereich zugeordnet ist, weniger als etwa 5% der spektralen Spitzenleistungsdichte betragen, die dem zweiten Wellenlängenbereich zugeordnet ist, wie beispielsweise weniger als etwa 1 % der spektralen Spitzenleistungsdichte, die dem zweiten Wellenlängenbereich zugeordnet ist.
In einigen Ausführungsformen kann der eine oder können die mehreren Sensoren ein Messergebnis für elektromagnetische Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich während einer Zeit erhalten, in der die eine oder die mehreren Wärmequellen keine Strahlung emittieren. Beispielsweise kann die eine oder können die mehreren Wärmequellen gepulst ein- und ausgeschaltet werden (z.B. mit einer hohen Frequenz) und kann der eine oder können die mehreren Sensoren Messergebnisse während der Zeiten erhalten, in denen die eine oder die mehreren Wärmequellen ausgeschaltet sind. In dieser beispielhaften Ausführungsform kann es eine gewisse Überlappung zwischen dem ersten Wellenlängenbereich und dem zweiten Wellenlängenbereich geben.
Durch Pulsieren der einen oder der mehreren Wärmequellen zusätzlich und/oder alternativ zum Erhalten eines Messergebnisses in einem zweiten Wellenlängenbereich, der sich vom ersten Wellenlängenbereich unterscheidet, kann die Kontamination von der einen oder den mehreren Wärmequellen in den durch den einen oder die mehrere Sensoren erhaltenen Messergebnissen reduziert werden, was eine genaue Messung durch den einen oder die mehreren Sensoren ermöglicht, während gleichzeitig eine effiziente Erwärmung des Werkstücks bereitgestellt wird.
In einigen Ausführungsformen kann der eine oder können die mehreren Sensoren, obgleich sie eine Messung in einem zweiten Wellenlängenbereich ausführen, der sich vom ersten Wellenlängenbereich unterscheidet, der durch die eine oder die mehreren Wärmequellen emittiert wird, dennoch gegenüber unerwünschter Strahlung empfindlich sein. Beispielsweise kann Wärmestrahlung von Komponenten, die von dem Werkstück verschieden sind, wie beispielsweise Wärmestrahlung von anderen Komponenten innerhalb der Verarbeitungskammer, das Messergebnis stören, das durch den einen oder die mehreren Sensoren erhalten wird. Beispielsweise kann Wärmestrahlung von Komponenten, insbesondere von Komponenten, die etwa die gleiche Temperatur haben wie das Werkstück, zumindest teilweise in den zweiten Wellenlängenbereich fallen oder das durch den einen oder die mehreren Sensoren erhaltene Messergebnis kontaminieren.
In einigen Ausführungsformen kann der eine oder können die mehreren Sensoren ein Sichtfeld auf mindestens einen Teil des Werkstücks durch ein oder mehrere Fenster enthalten. Das eine oder die mehreren Fenster kann/können für den zweiten Wellenlängenbereich transparent sein. In einigen Ausführungsformen kann das eine oder können die mehreren Fenster dafür konfiguriert sein, Wellenlängen, die vom zweiten Wellenlängenbereich verschieden sind, zu unterdrücken. Beispielsweise kann das eine oder können die mehreren Fenster zwischen dem Werkstück und dem einen oder den mehreren Sensoren angeordnet sein, um Interferenz elektromagnetischer Strahlung zu begrenzen, die von derjenigen verschieden ist, für deren Messung der eine oder die mehreren Sensoren konfiguriert ist/sind, oder eine Beschädigung des einen oder der mehreren Sensoren, z.B. durch Schmutz oder thermische Bedingungen in der Verarbeitungskammer, zu verhindern. Beispielsweise kann das eine oder können die mehreren Fenster derart konfiguriert sein, dass sie Wärmestrahlung von vom Werkstück verschiedenen Komponenten in der Verarbeitungskammer zumindest teilweise blockieren. In Ausführungsformen mit mehr als einem Sensor kann jeder Sensor ein separates Fenster enthalten, oder mehr als ein Sensor können derart angeordnet sein, dass sie das Werkstück durch das gleiche Fenster betrachten. In einigen Ausführungsformen kann das eine oder können die mehreren Fenster in einem Loch in einer Wand der Verarbeitungskammer ausgebildet sein. In einigen Ausführungsformen kann das eine oder können die mehreren Fenster ein geeignetes Fenstermaterial, wie beispielsweise Quarz, aufweisen.
In einigen Ausführungsformen kann das Sichtfeld des einen oder der mehreren Sensoren durch ein oder mehrere gekühlte Sichtrohre und/oder gekühlte Öffnungen eingeschränkt sein. Beispielsweise kann das eine oder können die mehreren gekühlten Sichtrohre und/oder gekühlten Öffnungen dafür konfiguriert sein, Störungen durch elektromagnetische Strahlung zu vermindern, die von derjenigen verschieden ist, für deren Messung der eine oder die mehreren Sensoren konfiguriert sind, oder Schäden an dem einen oder den mehreren Sensoren, z.B. durch Schmutz oder thermische Bedingungen in der Verarbeitungskammer, zu verhindern. Beispielsweise kann das eine oder können die mehreren gekühlten Sichtrohre und/oder gekühlten Öffnungen das Sichtfeld des einen oder der mehreren Sensoren im Wesentlichen auf das Werkstück richten, um eine Störung durch unerwünschte elektromagnetische Strahlung zu verhindern. Beispielsweise können die gekühlten Rohre und/oder gekühlten Öffnungen dafür konfiguriert sein, die Wärmestrahlung von vom Werkstück verschiedenen Komponenten in der Verarbeitungskammer zumindest teilweise zu blockieren. Als weiteres Beispiel können die gekühlten Sichtrohre und/oder gekühlten Öffnungen eine Beschädigung des einen oder der mehreren Sensoren verhindern.
In einigen Ausführungsformen kann das thermische Verarbeitungssystem eine oder mehrere zusätzliche Strahlungsquellen aufweisen, die dafür konfiguriert sind, elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich zu emittieren. Die eine oder die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen können derart angeordnet sein, dass die emittierte Strahlung im Allgemeinen senkrecht (z.B. innerhalb von etwa 10° senkrecht) zu einer Oberfläche des Werkstücks emittiert wird oder einen anderen geeigneten Winkel in Bezug auf die Oberfläche des Werkstücks hat. In einigen Ausführungsformen kann die eine oder können die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen im Wesentlichen gegenüber dem einen oder den mehreren Sensoren angeordnet sein. Beispielsweise kann jede unter der einen oder den mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen bezüglich jedem unter dem einen oder den mehreren Sensoren auf der gegenüberliegenden Seite der Verarbeitungskammer und linear ausgerichtet mit den Sensoren angeordnet sein. Erfindungsgemäß kann jede andere geeignete Ausrichtung für den einen oder die mehreren Sensoren und/oder die eine oder die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen verwendet werden. Die eine oder die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen können beispielsweise Laser (z.B. Laserdioden), Infrarotlichtquellen, Ultraviolett- (UV) Lichtquellen, Leuchtdioden (LEDs), gepulste Strahlungsquellen, kohärente Lichtquellen, schmalbandige Strahlungsquellen oder andere geeignete Strahlungsquellen oder eine Kombination davon aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die eine oder können die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen hinter einem oder mehreren Fenstern angeordnet sein.
In einigen Ausführungsformen kann das Werkstück für die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich zumindest teilweise transparent sein. Beispielsweise kann das Werkstück im zweiten Wellenlängenbereich ein Transmissionsvermögen von mehr als etwa Null aufweisen. Auf diese Weise kann die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich das Werkstück zumindest teilweise zur Seite der Verarbeitungskammer gegenüber der einen oder den mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen durchlaufen.
In einigen Ausführungsformen kann der eine oder können die mehreren Sensoren dafür konfiguriert sein, ein Messergebnis für die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich zu erhalten, nachdem sie das Werkstück durchlaufen hat. Auf diese Weise kann das Transmissionsvermögen des Werkstücks bestimmt werden durch Vergleichen der Intensität der durch die eine oder die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen emittierten elektromagnetischen Strahlung mit der Intensität der durch den einen oder die mehreren Sensoren gemessenen elektromagnetischen Strahlung.
In einigen Ausführungsformen kann sich die Intensität der durch die eine oder die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen emittierten elektromagnetischen Strahlung zeitlich ändern, wobei das durch den einen oder die mehreren Sensoren erhaltene Messergebnis für die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich weiterhin verwendet werden kann, um das Transmissionsvermögen und damit die Temperatur des Werkstücks zu bestimmen. Beispielsweise kann die Änderung der Intensität der einen oder der mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen in dem durch den einen oder die mehreren Sensoren erhaltenen Messergebnis für die elektromagnetische Strahlung kompensiert werden.
Das durch den einen oder die mehreren Sensoren erhaltene Messergebnis für die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich kann sich zusammen mit der Temperatur des Werkstücks ändern, selbst wenn die Ausgabe von der einen oder den mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen konstant ist. Auf diese Weise kann das durch den einen oder die mehreren Sensoren erhaltene Messergebnis direkt mit der Temperatur des Werkstücks (z.B. als Änderung der Temperatur zwischen der Anfangstemperatur und der Ist-Temperatur) als eine Funktion des Transmissionsvermögens des Werkstücks in Beziehung gesetzt werden.
In einigen Ausführungsformen kann die Temperatur des Werkstücks zumindest teilweise basierend auf dem Transmissionsvermögen des Werkstücks bestimmt werden. Beispielsweise kann sich das Transmissionsvermögen des Werkstücks mit der Temperatur des Werkstücks ändern. Beispielsweise kann sich das Transmissionsvermögen des Werkstücks als eine Funktion mindestens der Temperatur des Werkstücks ändern. Andere Faktoren, die mit dem Transmissionsvermögen des Werkstücks in Beziehung stehen können, wie z.B. die Form des Werkstücks, die Dicke des Werkstücks, die Zusammensetzung des Werkstücks usw., ohne darauf beschränkt zu sein, können gemessen oder auf andere Weise bekannt sein oder bestimmt werden. In einigen Ausführungsformen kann ein Referenztransmissionsspektrum bestimmt werden und kann das Transmissionsvermögen des Werkstücks während der thermischen Verarbeitung gemessen werden. Die Temperatur des Werkstücks kann zumindest teilweise basierend auf einem Vergleich zwischen dem Referenztransmissionsspektrum und dem Transmissionsvermögen des Werkstücks bestimmt werden.
In einigen Ausführungsformen kann das Referenztransmissionsspektrum eine Temperatur eines Werkstücks basierend zumindest teilweise auf dem Transmissionsvermögen des Werkstücks anzeigen. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen das Referenztransmissionsspektrum zumindest teilweise auf gemessenen Transmissionsvermögen bei einer Vielzahl von Temperaturen für ein oder mehrere Referenzwerkstücke basieren. Das eine oder die mehreren Referenzwerkstücke können eine oder mehrere Eigenschaften haben, die denen des Werkstücks gleichen. In einigen Ausführungsformen kann eines oder können mehrere unter dem einen oder den mehreren Referenzwerkstücken ein Werkstück sein, das thermisch verarbeitet werden soll. In einigen Ausführungsformen können die gemessenen Transmissionsvermögen gemäß der vorliegenden Erfindung in der Verarbeitungskammer gemessen werden. In einigen Ausführungsformen kann eine separate Vorrichtung verwendet werden, um die gemessenen Transmissionsvermögen zu erhalten.
In Ausführungsformen, in denen das Referenztransmissionsspektrum zumindest teilweise auf gemessenen Transmissionsvermögen basiert, kann das Referenztransmissionsspektrum ein Modell oder eine Gleichung, eine Lookup-Tabelle oder ein anderes geeignetes Referenztransmissionsspektrum aufweisen. Beispielsweise können die gemessenen Transmissionsvermögen verwendet werden, um ein mathematisches Modell oder eine Gleichung für das Transmissionsvermögen als Funktion zumindest der Temperatur zu extrapolieren. In einigen Ausführungsformen kann das Modell oder die Gleichung zumindest teilweise basierend auf zusätzlichen Eigenschaften kalibriert werden, wie beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, der Dicke des Werkstücks, der Zusammensetzung des Werkstücks oder anderen geeigneten Eigenschaften oder einer Kombination davon. Beispielsweise kann das Modell basierend auf einer Dicke des Werkstücks einstellbar sein, so dass mehrere im Wesentlichen ähnliche Werkstücke mit unterschiedlichen Dicken (z.B. innerhalb eines Bereichs oder eines prozentualen Dickenfehlers) dem gleichen Modell zugeordnet werden können. In einigen Ausführungsformen kann für jede Dicke ein separates Modell oder eine separate Gleichung verwendet werden, wobei die Dicke des zu verarbeitenden Werkstücks auf die nächste Dicke mit einem Referenztransmissionsspektrum gerundet werden kann. In einigen Ausführungsformen kann das Modell oder die Gleichung unabhängig von der Dicke sein.
Als ein anderes Beispiel können die gemessenen Transmissionsvermögen verwendet werden, um eine Lookup-Tabelle zu bestücken, die das Transmissionsvermögen mit der Temperatur für ein Werkstück in Korrelation setzt. Beispielsweise können verschiedene Lookup-Tabellen zumindest teilweise basierend auf verschiedenen Eigenschaften der Werkstücke, von denen die Messergebnisse erhalten werden, bestückt werden. In einigen Ausführungsformen können die Lookup-Tabellendaten basierend auf den verschiedenen Eigenschaften manipuliert werden, nachdem sie abgerufen wurden. Wenn beispielsweise ein Transmissionsvermögen eines Werkstücks, das während der thermischen Verarbeitung gemessen wird, zwischen zwei Werten in der Lookup-Tabelle liegt, können die beiden Werte durch eine gewichtete Summe gemittelt werden. Als ein anderes Beispiel kann ein Multiplikator verwendet werden, der zumindest teilweise für eine Eigenschaft eines Werkstücks repräsentativ ist, wie beispielsweise die Dicke, um die Lookup-Tabelle geringfügig anzupassen, z.B. ohne dass eine Bestückung einer völlig anderen Lookup-Tabelle basierend auf der Eigenschaft erforderlich ist.
In einigen Ausführungsformen kann das Referenztransmissionsspektrum zumindest teilweise auf ungefähren oder simulierten Daten oder anderen Daten basieren, die nicht direkt von einem Werkstück gemessen werden. Beispielsweise kann eine Gleichung oder ein Modell für das Werkstück erzeugt werden, die/das auf physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Werkstücks basiert. Beispielsweise kann das Modell auf einer Computersimulation oder auf dem Transmissionsvermögen eines oder mehrerer Materialien basieren, aus denen das Werkstück besteht, oder ein anderes ähnliches Modell sein.
In einigen Ausführungsformen kann das Referenztransmissionsspektrum kalibriert werden, um eine genaue Korrelation zwischen Transmissionsvermögen und Temperatur für ein vorgegebenes Werkstück bereitzustellen. Beispielsweise kann ein oder können mehrere Parameter, Variablen usw. eines Modells oder einer Gleichung basierend auf dem Werkstück angepasst werden. Als ein weiteres Beispiel kann ein Referenztransmissionsspektrum aus einer Vielzahl von Referenztransmissionsspektrumkandidaten für das Werkstück ausgewählt werden.
In einigen Ausführungsformen kann das Referenztransmissionsspektrum kalibriert werden, indem ein vom Werkstück gemessenes Referenztransmissionsvermögen dem Referenztransmissionsspektrum angepasst wird. Beispielsweise kann das Referenztransmissionsvermögen vom Werkstück bei einer bekannten Anfangstemperatur gemessen werden. In einer Ausführungsform kann das Referenztransmissionsvermögen mit einem Referenztransmissionsspektrumkandidaten verglichen werden, von dem bekannt ist, dass er eng mit dem Transmissionsvermögen des Werkstücks übereinstimmt, um den Referenztransmissionsspektrumkandidaten derart einzustellen, dass er dem Werkstück genauer entspricht. Als ein anderes Beispiel kann das Referenztransmissionsvermögen mit Punkten auf mehreren Referenztransmissionsspektrumkandidaten verglichen werden, um auszuwählen, welcher der mehreren Referenztransmissionsspektrumkandidaten das Werkstück am genauesten repräsentiert, wie beispielsweise Punkte, die der Temperatur zugeordnet sind, bei der das Referenztransmissionsvermögen gemessen wird. Erfindungsgemäß kann jedes andere geeignete Verfahren zum Kalibrieren eines Referenztransmissionsspektrums verwendet werden.
Durch Korrelieren des gemessenen Transmissionsvermögens mit dem Referenztransmissionsspektrum kann die Temperatur des Werkstücks bestimmt werden. Beispielsweise kann das gemessene Transmissionsvermögen eine Eingabe in ein Modell oder eine Gleichung sein, die das Transmissionsvermögen und die Temperatur in Korrelation setzt. Als ein anderes Beispiel kann das gemessene Transmissionsvermögen auf einen Punkt auf einem X-Y-Diagramm mit dem Transmissionsvermögen auf einer Achse (z.B. der Ordinate) und der Temperatur auf der anderen (z.B. der Abszisse) abgebildet werden. Als weiteres Beispiel kann das gemessene Transmissionsvermögen eine Eingabe in eine Lookup-Tabelle von Temperaturen sein. Somit kann das gemessene Transmissionsvermögen verwendet werden, um die Temperatur des Werkstücks genau und indirekt zu bestimmen.
Als ein anderes Beispiel kann eine Signaländerung an dem einen oder den mehreren Sensoren, die als Ergebnis der Änderung des Transmissionsvermögens des Werkstücks auftritt, verwendet werden, um die Temperatur des Werkstücks zu bestimmen. Beispielsweise kann/können bei einer ersten Temperatur des Werkstücks der eine oder die mehreren Sensoren eine erste Intensität elektromagnetischer Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich messen. Bei einer zweiten Temperatur des Werkstücks kann der eine oder können die mehreren Sensoren eine zweite Intensität elektromagnetischer Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich messen.
Beispielsweise kann die Temperatur des Werkstücks zumindest teilweise basierend auf der Differenz zwischen der ersten Intensität und der zweiten Intensität bestimmt werden. Beispielsweise kann die erste Temperatur bekannt sein und kann die zweite Temperatur unbekannt sein und können die erste Temperatur und die erste Intensität verwendet werden, um einen Referenzpunkt auf einem Modell, wie beispielsweise einer Gleichung, einer Kurve, einem Datensatz oder einem anderen geeigneten Modell, festzulegen, die/der/das die Intensität und die Temperatur (z.B. für ein bestimmtes Werkstück) in Korrelation setzt. Das Modell kann basierend auf simulierten oder geschätzten Daten (z.B. basierend auf einer oder mehreren Eigenschaften des Werkstücks) und/oder gemessenen Daten (die z.B. vom Werkstück und/oder von einem oder mehreren anderen Werkstücken mit ähnlichen Eigenschaften wie diejenigen des Werkstücks gemessen werden) bestimmt werden. Beispielsweise kann das Modell auf ähnliche Weise wie das oben beschriebene Referenztransmissionsspektrum bestimmt werden. Die zweite Intensität kann dann verwendet werden, um einen zweiten Punkt auf dem Modell festzulegen, und die zweite Temperatur kann somit basierend auf dem zweiten Punkt bestimmt werden. Es kann jedes andere auf dem Fachgebiet bekannte geeignete Verfahren verwendet werden, um die Temperatur des Werkstücks basierend auf dem von dem einen oder den mehreren Sensoren erhaltenen Messergebnis zu bestimmen.
Aspekte der vorliegenden Erfindung werden unter Bezug auf die Verwendung eines Transmissionsvermögens zum Bestimmen einer Temperatur des Werkstücks diskutiert. Innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung können auch andere optische Eigenschaften, wie beispielsweise das Reflexionsvermögen, verwendet werden, um die Temperatur des Werkstücks zu bestimmen. Beispielsweise kann das Reflexionsvermögen als eine Alternative zum Transmissionsvermögen in Fällen verwendet werden, in denen das Werkstück halbtransparent ist, da das Reflexionsvermögen eine Komponente enthält, die aus der inneren Reflexion von der Werkstückrückseite resultiert, wobei die Größe dieser Komponente durch Absorption im Werkstück beeinflusst wird.
In einigen Ausführungsformen kann der eine oder können die mehreren Sensoren dafür konfiguriert sein, ein Messergebnis für die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich zu erhalten, und kann der zweite Wellenlängenbereich mindestens einen Teil eines Bereichs der durch das Werkstück emittierten Wärmestrahlung enthalten. Die durch das Werkstück emittierte Wärmestrahlung kann mit der Temperatur des Werkstücks variieren. Daher kann ein Messergebnis für die durch das Werkstück im zweiten Wellenlängenbereich emittierte Wärmestrahlung erhalten und mit dem Emissionsvermögen und/oder einer erwarteten Menge der durch das Werkstück im zweiten Wellenlängenbereich über mehrere Temperaturen emittierten Wärmestrahlung verglichen werden, um die Temperatur des Werkstücks zu bestimmen.
Beispielsweise kann die Wärmestrahlung des Werkstücks eine Funktion sowohl der durch einem idealen schwarzen Körper bei der Temperatur des Werkstücks emittierten Schwarzkörperstrahlung als auch des Emissionsvermögens des Werkstücks sein. Das Emissionsvermögen des Werkstücks kann ein Verhältnis zwischen der Menge der durch das Werkstück bei einer bestimmten Wellenlänge und Temperatur emittierten Wärmestrahlung und der Menge an Wärmestrahlung sein, die durch einen idealen schwarzen Körper bei der bestimmten Wellenlänge und Temperatur emittiert wird. In einigen Fällen kann mindestens ein Teil der Schwarzkörperkurve und der Emissionskurve für ein Werkstück invers in Beziehung zueinander stehen, was zu Problemen bei der Auswahl eines zweiten Wellenlängenbereichs führt, in dem eine geeignete hohe Menge an Wärmestrahlung emittiert wird.
In einigen Ausführungsformen kann zum Messen der durch das Werkstück bei einer bestimmten Temperatur emittierten Wärmestrahlung ein Wellenlängenband für die Messung ausgewählt werden, das bei der Temperatur eine relativ große Größe in einem Schwarzkörpergraphen aufweist, während es gleichzeitig ein relativ hohes Emissionsvermögen für das Werkstück aufweist.
In einigen Ausführungsformen kann der zweite Wellenlängenbereich zumindest teilweise basierend auf einem oder mehreren lokalen Merkmalen ausgewählt werden, die mit dem Emissionsvermögen des Werkstücks in Beziehung stehen. Beispielsweise kann eine Emissionskurve des Werkstücks ein oder mehrere lokale Maxima aufweisen, die bei einer bestimmten Wellenlänge ein relativ höheres Emissionsvermögen bereitstellen als bei Wellenlängen in der Umgebung. Insbesondere können in Fällen, in denen die Schwarzkörperkurve und die Emissionskurve invers in Beziehung zueinander stehen, die lokalen Merkmale relativ wünschenswerten Wellenlängen für die Wärmestrahlungsmessung entsprechen, vorausgesetzt, dass die lokalen Merkmale Wellenlängen entsprechen, die im Hinblick auf die anderen hierin diskutierten Überlegungen wünschenswert sind. Beispielsweise kann das Werkstück bei Wellenlängen bei dem einen oder den mehreren lokalen Merkmalen eine höhere Wärmestrahlungsmenge emittieren als bei Wellenlängen in der unmittelbaren Umgebung des einen oder der mehreren lokalen Merkmale.
Beispielsweise kann in einer besonderen Ausführungsform, in der das Werkstück einen leicht dotierten Siliziumwafer bei etwa 100°C aufweist, das Werkstück ein oder mehrere lokale Merkmale aufweisen, die mit dem Emissionsvermögen bei 9 µm und/oder 16 µm verknüpft sind. Beispielsweise kann das lokale Merkmal bei 9 µm ein lokales Maximum sein, so dass das Emissionsvermögen bei 9 µm ausreichend höher ist als das Emissionsvermögen bei beispielsweise 8 µm oder 10 µm. Daher kann das Erhalten eines Messergebnisses bei 9 µm wünschenswert sein, da das Werkstück bei 9 µm eine relativ hohe Wärmestrahlungsmenge emittiert und zusätzlich eine mit der Schwarzkörperkurve bei 100°C für 9 µm verknüpfte signifikante Größe hat.
In einigen Ausführungsformen können Emissionsmerkmale für ein Werkstück in situ erhalten werden, d.h. ohne das Werkstück aus der Verarbeitungskammer zu entfernen.
In einigen Ausführungsformen kann das Emissionsvermögen eines Werkstücks gemessen werden, indem elektromagnetische Strahlung von einer oder mehreren Messstrahlungsquellen mit einer bekannten Intensität mit dem Werkstück in Wechselwirkung gebracht und die Intensität der elektromagnetischen Strahlung, die durch die eine oder die mehreren Messstrahlungsquellen emittiert wird, nach der Wechselwirkung mit dem Werkstück gemessen wird. Beispielsweise kann die eine oder können die mehreren Messstrahlungsquellen eine beliebige geeignete Strahlungsquelle sein, wie beispielsweise die eine oder die mehreren Wärmequellen, die zum Erwärmen des Werkstücks verwendet werden, die eine oder die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen oder eine andere geeignete Strahlungsquelle. In einigen Ausführungsformen kann das Werkstück für die durch die eine oder die mehreren Messstrahlungsquellen emittierte elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise transparent sein. Auf diese Weise kann ein erster Teil der durch die eine oder die mehreren Messstrahlungsquellen emittierten elektromagnetischen Strahlung durch das Werkstück zu einer Seite der Verarbeitungskammer gelangen, die der einen oder den mehreren Messstrahlungsquellen gegenüberliegt, und kann ein zweiter Teil der elektromagnetischen Strahlung von einer Oberfläche des Werkstücks reflektiert werden.
Beispielsweise kann in einer beispielhaften Ausführungsform, in der das Werkstück einen leicht dotierten Siliziumwafer bei 100°C aufweist, das Werkstück für Wellenlängen unter etwa 25 µm möglicherweise nicht vollständig opak sein. Um das Emissionsvermögen des Werkstücks zu messen, können sowohl das Transmissionsvermögen des Werkstücks als auch das Reflexionsvermögen des Werkstücks gemessen werden. Beispielsweise kann das Transmissionsvermögen als ein Verhältnis zwischen der Intensität des ersten Teils der elektromagnetischen Strahlung, die das Werkstück durchlaufen hat, und der Intensität der elektromagnetischen Strahlung bestimmt werden, die durch die eine oder die mehreren Messstrahlungsquellen emittiert wird. Das Reflexionsvermögen kann als Verhältnis zwischen der Intensität des zweiten Teils der durch das Werkstück reflektierten elektromagnetischen Strahlung und der Intensität der elektromagnetischen Strahlung bestimmt werden, die durch die eine oder die mehreren Messstrahlungsquellen emittiert wird. Jegliche elektromagnetische Strahlung, die nicht zur Summe aus Transmissionsvermögen und Reflexionsvermögen beiträgt, entspricht somit der durch das Werkstück absorbierten elektromagnetischen Strahlung. Im thermischen Gleichgewicht kann die durch das Werkstück emittierte Energiemenge so bestimmt werden, dass sie der durch das Werkstück absorbierten Energiemenge entspricht. Auf diese Weise kann das Emissionsvermögen des Werkstücks gemessen werden.
Basierend auf der gemessenen Temperatur des Werkstücks können ein oder mehrere Prozessparameter des thermischen Verarbeitungssystems gesteuert werden. Beispielsweise kann die gemessene Temperatur in einer Rückkopplungsschleife verwendet werden, und die Intensität der einen oder der mehreren Wärmequellen kann gesteuert werden, um die Temperatur des Werkstücks einzustellen und/oder aufrechtzuerhalten. Beispielsweise kann die Intensität der einen oder der mehreren Wärmequellen eingestellt werden, um das Werkstück auf eine gewünschte Verarbeitungstemperatur zu erwärmen.
Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft eine thermische Verarbeitungsvorrichtung. Die Vorrichtung kann eine Verarbeitungskammer mit einem Werkstückträger aufweisen. Der Werkstückträger kann dafür konfiguriert sein, ein Werkstück zu tragen. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere Wärmequellen aufweisen, die dafür konfiguriert sind, elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich zu emittieren, um das Werkstück auf eine Verarbeitungstemperatur zu erwärmen. Die Verarbeitungstemperatur kann etwa 50°C bis etwa 150°C betragen, beispielsweise etwa 100°C. Die Vorrichtung kann einen oder mehrere Sensoren aufweisen, die dafür konfiguriert sind, ein Messergebnis für die elektromagnetische Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich zu erhalten, wenn sich das Werkstück auf der Verarbeitungstemperatur befindet. Der zweite Wellenlängenbereich kann sich vom ersten Wellenlängenbereich unterscheiden.
In einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung einen oder mehrere Prozessoren aufweisen, die dafür konfiguriert sind, eine Temperatur des Werkstücks zumindest teilweise basierend auf dem durch den einen oder die mehreren Sensoren erhaltenen Messergebnis für die elektromagnetische Strahlung zu bestimmen.
In einigen Ausführungsformen kann die eine oder können die mehreren Wärmequellen dafür konfiguriert sein, elektromagnetische Strahlung in einem schmalbandigen Infrarotbereich zu emittieren. Der erste Wellenlängenbereich kann etwa 850 Nanometer bis etwa 950 Nanometer überdecken, beispielsweise bei etwa 900 Nanometer liegen. Der erste Wellenlängenbereich kann derart gewählt werden, dass das Werkstück im ersten Wellenlängenbereich und bei der Verarbeitungstemperatur ein Absorptionsvermögen von mehr als etwa 0,5 aufweist, beispielsweise mehr als etwa 0,7. Der zweite Wellenlängenbereich kann eine Wellenlänge enthalten, die größer ist als ungefähr 1000 Nanometer, beispielsweise größer als ungefähr 1100 nm. In einigen Ausführungsformen kann der zweite Wellenlängenbereich eine Wellenlänge von ungefähr 13 Mikrometer bis ungefähr 17 Mikrometer enthalten, beispielsweise eine Wellenlänge von etwa 16 Mikrometer. In einigen Ausführungsformen kann der zweite Wellenlängenbereich Wellenlängen von ungefähr 7 Mikrometer bis ungefähr 12 Mikrometer enthalten, beispielsweise eine Wellenlänge von etwa 9 Mikrometer. In einigen Ausführungsformen gibt es keine Überlappung zwischen dem ersten Wellenlängenbereich und dem zweiten Wellenlängenbereich.
In einigen Ausführungsformen kann der eine oder können die mehreren Sensoren ein Sichtfeld auf mindestens einen Teil des Werkstücks durch ein oder mehrere Fenster aufweisen, die für den zweiten Wellenlängenbereich transparent sind. Die Vorrichtung kann eine gekühlte Öffnung oder ein gekühltes Rohr zum Begrenzen des Sichtfelds des einen oder der mehreren Sensoren aufweisen.
In einigen Ausführungsformen ist der eine oder sind die mehreren Sensoren dafür konfiguriert, elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich während einer Zeitdauer zu messen, in dem die eine oder die mehreren Wärmequellen keine elektromagnetische Strahlung im ersten Wellenlängenbereich emittieren.
In einigen Ausführungsformen weist die eine oder weisen die mehreren Wärmequellen eine oder mehrere Leuchtdioden auf. Das Werkstück kann einen Halbleiter aufweisen. Beispielsweise kann das Werkstück Silizium und/oder leicht dotiertes Silizium aufweisen.
In einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung eine oder mehrere zusätzliche Strahlungsquellen aufweisen, die dafür konfiguriert sind, elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich zu emittieren. Das Werkstück kann für die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich zumindest teilweise transparent sein. Die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich kann das Werkstück durchlaufen, bevor es durch den einen oder die mehreren Sensoren gemessen wird.
In einigen Ausführungsformen zeigt das durch den einen oder die mehreren Sensoren erhaltene Messergebnis ein Transmissionsvermögen des Werkstücks an. Der eine oder die mehreren Prozessoren können dafür konfiguriert sein, die Temperatur des Werkstücks zumindest teilweise zu bestimmen durch Vergleichen des durch den einen oder die mehreren Sensoren erhaltenen Messergebnisses, das das Transmissionsvermögen des Werkstücks anzeigt, mit einem Referenztransmissionsspektrum für eine Probe mit einer bekannten Anfangstemperatur.
In einigen Ausführungsformen ist der eine oder sind die mehreren Prozessoren dafür konfiguriert, die Temperatur des Werkstücks zumindest teilweise basierend auf einem Emissionsvermögen des Werkstücks zu bestimmen. Das Emissionsvermögen des Werkstücks kann in-situ gemessen werden. Das Emissionsvermögen des Werkstücks kann gemessen werden durch Zuführen von elektromagnetischer Strahlung mit einer bekannten Intensität zum Werkstück und Messen der Intensität der elektromagnetischen Strahlung nach einer Wechselwirkung mit dem Werkstück. Das Emissionsvermögen des Werkstücks kann zumindest teilweise basierend auf einem Reflexionsvermögen des Werkstücks, einem Transmissionsvermögen des Werkstücks oder einer Kombination davon gemessen werden.
Durch die Erfindung wird ein Verfahren zum thermischen Verarbeiten eines Werkstücks bereitgestellt. Das Verfahren kann das Erwärmen des Werkstücks auf eine Verarbeitungstemperatur unter Verwendung einer oder mehrerer Wärmequellen aufweisen. Die eine oder die mehreren Wärmequellen können dafür konfiguriert sein, elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich zu emittieren. Das Verfahren kann das Messen elektromagnetischer Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich durch einen oder mehrere Sensoren aufweisen, während sich das Werkstück auf der Verarbeitungstemperatur befindet. Der zweite Wellenlängenbereich kann sich vom ersten Wellenlängenbereich unterscheiden. Das Verfahren kann das Bestimmen einer Temperatur des Werkstücks zumindest teilweise basierend auf der durch den einen oder die mehreren Sensoren gemessenen elektromagnetischen Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren das Steuern der einen oder der mehreren Wärmequellen basierend zumindest teilweise auf der Temperatur des Werkstücks aufweisen, um die Temperatur des Werkstücks einzustellen oder aufrechtzuerhalten.
In einigen Ausführungsformen kann das Messen der elektromagnetischen Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich durch den einen oder die mehreren Sensoren das Emittieren von elektromagnetischer Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich durch eine oder mehrere zusätzliche Strahlungsquellen und das Messen der elektromagnetischen Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich durch den einen oder die mehreren Sensoren aufweisen. Die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich kann das Werkstück durchlaufen, bevor sie an einem oder mehreren Sensoren empfangen wird.
In einigen Ausführungsformen kann das Bestimmen der Temperatur des Werkstücks zumindest teilweise basierend auf der durch den einen oder die mehreren Sensoren gemessenen elektromagnetischen Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich das Bestimmen eines dem Werkstück zugeordneten Referenztransmissionsspektrums, das Bestimmen des Transmissionsvermögens des Werkstücks zumindest teilweise basierend auf der durch den einen oder die mehreren Sensoren gemessenen elektromagnetischen Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich und das Bestimmen der Temperatur des Werkstücks zumindest teilweise basierend auf dem Referenztransmissionsspektrum und dem Transmissionsvermögen des Werkstücks aufweisen.
In einigen Ausführungsformen weist das Bestimmen der Temperatur des Werkstücks zumindest teilweise basierend auf der durch den einen oder die mehreren Sensoren gemessenen elektromagnetischen Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich das Bestimmen eines Emissionsvermögens des Werkstücks im zweiten Wellenlängenbereich bei einer oder mehreren Referenztemperaturen und das Bestimmen der Temperatur des Werkstücks basierend zumindest teilweise auf dem Emissionsvermögen des Werkstücks im zweiten Wellenlängenbereich bei der einen oder den mehreren Referenztemperaturen auf.
Eine andere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft eine thermische Verarbeitungsvorrichtung. Die Vorrichtung kann eine Verarbeitungskammer mit einem Werkstückträger aufweisen. Der Werkstückträger kann dafür konfiguriert sein, ein Werkstück zu tragen. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere Wärmequellen aufweisen, die dafür konfiguriert sind, elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich zu emittieren, um das Werkstück auf eine Verarbeitungstemperatur zu erwärmen. Die Verarbeitungstemperatur kann zwischen etwa 50°C und 150°C liegen. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere zusätzliche Strahlungsquellen aufweisen, die dafür konfiguriert sind, elektromagnetische Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich zu emittieren. Der zweite Wellenlängenbereich kann sich vom ersten Wellenlängenbereich unterscheiden. Das Werkstück kann für die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich zumindest teilweise transparent sein. Die Vorrichtung kann einen oder mehrere Sensoren aufweisen, die dafür konfiguriert sind, ein Messergebnis für die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich zu erhalten, wenn sich das Werkstück auf der Verarbeitungstemperatur befindet. Die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich kann das Werkstück durchlaufen, bevor sie durch den einen oder die mehreren Sensoren gemessen wird. Ein Transmissionsvermögen des Werkstücks kann zumindest teilweise basierend auf der Messung der durch den einen oder die mehreren Sensoren erhaltenen elektromagnetischen Strahlung bestimmt werden. Eine Temperatur des Werkstücks kann zumindest teilweise basierend auf dem Transmissionsvermögen des Werkstücks bestimmt werden.
Eine andere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft eine thermische Verarbeitungsvorrichtung. Die Vorrichtung weist eine Verarbeitungskammer mit einem Werkstückträger auf. Der Werkstückträger kann dafür konfiguriert sein, ein Werkstück zu tragen. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere Wärmequellen aufweisen, die dafür konfiguriert sind, elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich zu emittieren, um das Werkstück auf eine Verarbeitungstemperatur zu erwärmen, wobei die Verarbeitungstemperatur etwa 50°C bis 150°C beträgt. Die Vorrichtung kann einen oder mehrere Sensoren aufweisen, die dafür konfiguriert sind, ein Messergebnis für elektromagnetische Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich zu erhalten, wenn sich das Werkstück bei der Verarbeitungstemperatur befindet, wobei sich der zweite Wellenlängenbereich vom ersten Wellenlängenbereich unterscheidet. Der eine oder die mehreren Sensoren bestimmen die Temperatur des Werkstücks zumindest teilweise basierend auf einem Emissionsvermögen des Werkstücks.
Unter Bezug auf die Figuren werden nun beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich diskutiert. 1 zeigt ein beispielhaftes thermisches Verarbeitungssystem 100, das gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Wie dargestellt ist, weist das RTP-System 100 eine Verarbeitungskammer 105, ein Werkstück 110, einen Werkstückträger 120, Wärmequellenanordnungen 170A und 170B, Luftlager 145, eine Steuereinheit 175, eine Tür 180 und eine Gasdurchflusssteuereinheit 185 auf.
In einigen Ausführungsformen kann das Werkstück 110 ein Halbleiterwerkstück sein, wie beispielsweise ein Werkstück, das zumindest teilweise aus Silizium (Si), Gallium (Ga) (z.B. GaAs), Germanium (Ge) (z.B. SiGe) oder aus einem anderen geeigneten Halbleiter oder aus einer Kombination davon besteht. Das Werkstück 110 kann erfindungsgemäß eine beliebige geeignete Form oder Abmessung aufweisen. Beispielsweise kann das Werkstück 110 ein „Wafer“ oder ein Substrat mit einer im Allgemeinen kreisförmigen Oberfläche sein.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das System 100 zum thermischen Verarbeiten eines Werkstücks eine Verarbeitungskammer 105 aufweisen. Die Verarbeitungskammer kann eine beliebige Form, Konfiguration und/oder Konstruktion aufweisen, die zum Verarbeiten des Werkstücks 110 geeignet ist. Die Verarbeitungskammer kann ein oder mehrere zusätzliche Elemente (nicht dargestellt) zum Unterstützen der thermischen Verarbeitung des Werkstücks 110 aufweisen.
In einigen Ausführungsformen kann die Verarbeitungskammer 105 einen Werkstückträger 120 aufweisen. Der Werkstückträger 120 kann dafür konfiguriert sein, ein Werkstück 110 zu tragen. Gemäß beispielhaften Aspekten der vorliegenden Erfindung kann der Werkstückträger 120 eine beliebige geeignete Form, Konfiguration und/oder Konstruktion zum Tragen des Werkstücks 110 haben. In einigen Ausführungsformen kann der Werkstückträger 120 dafür konfiguriert sein, das Werkstück 110 zu tragen, während er eine begrenzte Wirkung auf elektromagnetische Strahlung in der Verarbeitungskammer hat, wie beispielsweise elektromagnetische Strahlung, die das Werkstück 110 durchläuft, oder Wärmestrahlung, die durch das Werkstück 110 emittiert wird. Beispielsweise kann mindestens ein Teil des Werkstücks 110 einem Loch im Werkstückträger 120 benachbart sein, so dass elektromagnetische Strahlung von einer Seite des Werkstücks 110 zu einer anderen das Werkstück 110 durch den Werkstückträger 120 ungestört durchlaufen kann. In einigen Ausführungsformen kann der Werkstückträger 120 zusätzliche geeignete Komponenten (nicht dargestellt) zum Unterstützen der thermischen Verarbeitung des Werkstücks 110 aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann der Werkstückträger eine Quarzträgerplatte mit einem oder mehreren Stützstiften (z.B. Quarzstützstiften) aufweisen.
Das zu verarbeitende Werkstück 110 kann in der Verarbeitungskammer 105 (z.B. in einer Quarzkammer) durch den Werkstückträger 120 getragen werden. Der Werkstückträger 120 kann das Werkstück 110 während der thermischen Verarbeitung tragen. In einigen Ausführungsformen kann der Werkstückträger 120 eine drehbare Basis 135 und/oder einen oder mehrere Stützstifte 115 (nur einer ist dargestellt) aufweisen. Die Stützstifte 115 und die drehbare Basis 135 können Wärme von den Wärmequellen 170B übertragen. Die Stützstifte 115 und die drehbare Basis 135 können aus Quarz bestehen. Die drehbare Basis 135 kann das Werkstück 110 in eine definierte Drehrichtung und mit einer definierten Drehzahl drehen. Die drehbare Basis 135 kann durch die Luftlager 145 getragen werden. Ein auf die drehbare Basis 135 auftreffender Gasstrom kann veranlassen, dass sich die drehbare Basis 135 um eine Achse 155 dreht. In einigen Ausführungsformen ist die drehbare Basis 135 möglicherweise nicht vorhanden und kann das Werkstück 110 nur durch den einen oder die mehreren Stützstifte 115 und/oder eine stationäre Stützplatte getragen werden.
Es kann ein Schutzring (nicht dargestellt) verwendet werden, um Randstrahlungseffekte von einer oder mehreren Rändern des Werkstücks 110 zu vermindern. Eine Endplatte 190 dichtet die Verarbeitungskammer 105 ab, und die Tür 180 kann den Eintritt des Werkstücks 110 ermöglichen und kann, wenn sie geschlossen ist, ermöglichen, dass die Verarbeitungskammer 105 abgedichtet ist und ein Prozessgas 125 von der Gasdurchflusssteuereinheit 185 in die Verarbeitungskammer 105 eingeleitet werden kann. Das Prozessgas 125 kann ein Inertgas enthalten, das nicht mit dem Werkstück 110 reagiert, und/oder das Prozessgas 125 kann ein reaktionsfähiges Gas enthalten, das mit dem Material des Werkstücks 110 (z.B. mit einem Halbleiterwafer usw.) reagiert, um eine Schicht auf dem Werkstück 110 auszubilden. Das Prozessgas 125 kann ein Gas sein, das eine Siliziumverbindung enthalten kann, die an einer erwärmten Oberfläche des verarbeiteten Werkstücks 110 reagiert, um eine Schicht auf der erwärmten Oberfläche auszubilden, ohne Material von der Oberfläche des Werkstücks 110 zu verbrauchen.
In einigen Ausführungsformen kann ein System zum thermischen Verarbeiten eines Werkstücks eine oder mehrere Wärmequellen 130 aufweisen, die dafür konfiguriert sind, elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich zu emittieren. Die eine oder die mehreren Wärmequellen 130 können beispielsweise Lichtquellen oder andere Strahlungswärmequellen sein. Die eine oder die mehreren Wärmequellen 130 können derart betreibbar sein, dass das Werkstück ohne physischen Kontakt zwischen der Wärmequelle 130 und dem Werkstück 110 erwärmt wird. Beispielsweise können die eine oder die mehreren Wärmequellen 130 Infrarotlichtquellen, Leuchtdioden (LEDs), gepulste Wärmequellen, kohärente Lichtquellen, schmalbandige Wärmequellen oder andere geeignete Wärmequellen oder eine Kombination davon aufweisen. Beispielsweise können die eine oder die mehreren Wärmequellen 130 schmalbandige Wärmequellen wie LEDs sein, um die Emission elektromagnetischer Strahlung außerhalb des ersten Wellenlängenbereichs zu vermindern oder zu begrenzen.
Die eine oder die mehreren Wärmequellen 130 können dafür konfiguriert sein, elektromagnetische Strahlung im ersten Wellenlängenbereich zu emittieren, um das Werkstück 110 zu erwärmen. Der erste Wellenlängenbereich kann derart ausgewählt werden, dass das Werkstück ein geeignetes Absorptionsvermögen, wie beispielsweise ein geeignetes hohes Absorptionsvermögen, für elektromagnetische Strahlung im ersten Wellenlängenbereich aufweist. Beispielsweise kann der erste Wellenlängenbereich ein geeignetes hohes Absorptionsvermögen aufweisen, so dass das Werkstück Strahlung im ersten Wellenlängenbereich absorbieren kann, wie beispielsweise eine Menge an Strahlung, die dazu geeignet ist, das Werkstück auf eine effiziente Weise zu erwärmen. Beispielsweise kann der erste Wellenlängenbereich eine Wellenlänge enthalten, bei der das Werkstück ein Absorptionsvermögen von ungefähr 0,3 oder mehr aufweist, wie beispielsweise von ungefähr 0,7 oder mehr. Durch Absorbieren eines geeigneten Teils der durch die elektromagnetische Strahlung transportierten Energie kann das Werkstück 110 daher erwärmt werden. Für den ersten Wellenlängenbereich kann jedoch ein beliebiger geeigneter Wellenlängenbereich verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann das Werkstück 110 auf ungefähr 50°C bis 150°C erwärmt werden, beispielsweise auf ungefähr 100°C.
Zusätzlich und/oder alternativ kann der erste Wellenlängenbereich derart ausgewählt werden, dass ein geeignetes Absorptionsvermögen basierend zumindest teilweise auf einer Temperatur des Werkstücks 110 bereitgestellt wird. Beispielsweise kann sich das Absorptionsvermögen des Werkstücks 110 mit der Temperatur ändern und kann es wünschenswert sein, die erste Wellenlänge derart auszuwählen, dass ein geeignetes Absorptionsvermögen bei einer gewünschten Temperatur erhalten wird. Beispielsweise kann der erste Wellenlängenbereich derart ausgewählt werden, dass ein geeignetes Absorptionsvermögen bei einer Anfangstemperatur des Werkstücks 110 (d.h. bevor das Werkstück 110 durch die eine oder die mehreren Wärmequellen 130 erwärmt wird), bei einer Verarbeitungstemperatur (d.h. bei einer Temperatur, auf die das Werkstück während der thermischen Verarbeitung erwärmt oder bei der es gehalten wird), über einen Temperaturbereich (z.B. über einen Bereich von einer Anfangstemperatur bis zu einer Verarbeitungstemperatur), oder über eine beliebige geeignete Temperatur oder beliebige geeignete Temperaturen oder eine Kombination davon bereitgestellt wird. In einigen Ausführungsformen kann die Temperatur eine Verarbeitungstemperatur im Bereich von etwa 50°C bis etwa 150°C sein. In einigen Ausführungsformen kann die Verarbeitungstemperatur etwa 100°C betragen.
In einer beispielhaften Anwendung zum Erwärmen eines Werkstücks 110, das einen leicht dotierten Siliziumwafer enthält, auf eine Prozesstemperatur von ungefähr 100°C kann die eine oder können die mehreren Wärmequellen 130 monochromatische Hochleistungs-LEDs aufweisen, die dafür konfiguriert sind, Licht bei ungefähr 900 nm bereitzustellen. Bei 100°C kann ein leicht dotierter Siliziumwafer ein Absorptionsvermögen für elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 900 nm von etwa 0,7 aufweisen. Die LEDs 130 können eine schmalbandige Wärmequelle sein und somit vernachlässigbare Strahlung in anderen Wellenlängen emittieren, die von etwa 900 nm verschieden sind. Daher können die 900-nm-LEDs 130 eine ausreichende Fähigkeit zum Erwärmen des Werkstücks 110 bereitstellen, eine begrenzte Interferenz bei anderen Wellenlängen bereitstellen und Komplikationen vermeiden, die mit elektromagnetischer Strahlung mit kürzeren Wellenlängen, wie beispielsweise UV-Licht, verbunden sein können. Gemäß den Aspekten der vorliegenden Erfindung können jedoch beliebige geeignete Wärmequellen 130 mit einem beliebigen geeigneten Wellenlängenbereich verwendet werden.
Die zwei Wärmequellenanordnungen 170A und 170B sind auf jeder Seite des Werkstücks 110 dargestellt. Jede Wärmequellenanordnung kann mehrere Wärmequellen 130 enthalten. Beispiele für eine Wärmequelle 130 können eine Lampe (z.B. eine Glühlampe oder dergleichen), eine Leuchtdiode LED, eine Laserdiode oder eine andere geeignete monochromatische Wärmequelle sein. Jede Wärmequelle kann eine runde, lineare oder eine andere Form haben. In einigen Ausführungsformen können die Wärmequellenanordnungen 170A und 170B die gleichen Konfigurationen aufweisen. In einigen Implementierungen können die Wärmequellenanordnungen 170A und 170B lineare Wärmequellen aufweisen, die parallel zueinander mit einem offenem Raum dazwischen angeordnet sein können. In einigen Implementierungen können die Wärmequellenanordnungen 170A und 170B runde Wärmequellen aufweisen, die in einer dicht gepackten Konfiguration (z.B. wabenförmig oder dergleichen) mit physischen Barrieren dazwischen angeordnet sein können. In einigen Ausführungsformen können die Wärmequellenanordnungen 170A und 170B unterschiedliche Konfigurationen haben. Die Wärmequellenanordnung 170A kann die linearen Wärmequellen aufweisen, und die Wärmequellenanordnung 170B kann die runden Wärmequellen aufweisen oder umgekehrt.
Es wird diskutiert, dass die Wärmequellenanordnungen 170A und 170B mehrere Wärmequellen aufweisen. Innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung kann jedoch auch nur eine einzige Wärmequelle verwendet werden. Darüber hinaus kann in einigen Ausführungsformen die Vorrichtung 100 nur die Wärmequellenanordnung 170A aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 100 nur die Wärmequellenanordnung 170B aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 100 beide Anordnungen 170A und 170B aufweisen.
Die Steuereinheit 175 kann dafür konfiguriert sein, einige oder alle der hierin diskutierten Verfahren auszuführen. Beispielsweise kann die Steuereinheit einen oder mehrere Prozessoren 176 aufweisen, die dafür konfiguriert sind, einige oder alle der hierin diskutierten Verfahren auszuführen. Die Steuereinheit 175 kann eine oder mehrere Speichereinrichtungen 177 aufweisen, die eine oder mehrere computerlesbare Anweisungen speichern, die, wenn sie implementiert werden (z.B. durch den einen oder die mehreren Prozessoren 176), ein beliebiges der hierin dargestellten Verfahren ausführen. Beispielsweise können die Anweisungen die Steuereinheit 175 veranlassen, Aspekte des thermischen Verarbeitungssystems 100 zu steuern, wie beispielsweise eine Ausgangsintensität einer oder mehrerer Wärmequellen 130. Als ein anderes Beispiel können die Anweisungen gemäß der vorliegenden Erfindung eine beliebige der hierin diskutierten Komponenten, wie z.B. die Steuereinheit 175 und/oder einen oder mehrere Sensoren 210 (in 2 und 5 dargestellt) veranlassen, eine Temperaturmessung des Werkstücks 110 auszuführen.
Nachstehend wird unter Bezug auf 2 eine beispielhafte thermische Verarbeitungsvorrichtung 200 in Bezug auf die vorliegende Erfindung diskutiert. Einige Komponenten, die in Bezug auf die thermische Verarbeitungsvorrichtung 100 von 1 diskutiert wurden, sind bezüglich der thermischen Verarbeitungsvorrichtung 200 von 2 weggelassen, um die Diskussion zu vereinfachen. Einige Ausführungsformen der thermischen Verarbeitungsvorrichtung 200 können jedoch einige oder alle der in Bezug auf 1 diskutierten Komponenten aufweisen.
Die thermische Verarbeitungsvorrichtung 200 kann eine Verarbeitungskammer 105, eine oder mehrere Wärmequellenanordnungen 170A, 170B mit einer oder mehreren Wärmequellen 130 und einen Werkstückträger 120 aufweisen, der dafür konfiguriert ist, ein Werkstück 110 zu tragen, wie unter Bezug auf 1 erläutert wurde.
In einigen Ausführungsformen kann das thermische Verarbeitungssystem eine oder mehrere zusätzliche Strahlungsquellen 220 aufweisen, die dafür konfiguriert sind, elektromagnetische Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich 225 zu emittieren. Die eine oder die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen 220 können derart angeordnet sein, dass die emittierte Strahlung allgemein senkrecht (z.B. innerhalb von etwa 10° senkrecht) zu einer Oberfläche des Werkstücks 110 oder unter einem anderen geeigneten Winkel in Bezug auf die Oberfläche des Werkstücks 110 emittiert wird. In einigen Ausführungsformen können die eine oder die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen 220 im Wesentlichen gegenüberliegend dem einen oder den mehreren Sensoren 210 angeordnet sein. Beispielsweise kann jede unter der einen oder den mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen 220 bezüglich des einen oder der mehreren Sensoren 210 auf der gegenüberliegenden Seite der Verarbeitungskammer 105 und in linearer Ausrichtung zu den Sensoren 210 angeordnet sein. Erfindungsgemäß kann eine beliebige andere geeignete Ausrichtung für den einen oder die mehreren Sensoren und/oder die eine oder die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen verwendet werden. Die eine oder die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen können beispielsweise Laser (z.B. Laserdioden), Infrarotlichtquellen, Ultraviolett- (UV) Lichtquellen, Leuchtdioden (LEDs), gepulste Strahlungsquellen, kohärente Lichtquellen, schmalbandige Strahlungsquellen oder andere geeignete Strahlungsquellen oder eine Kombination davon aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die eine oder können die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen 220 hinter einem oder mehreren Fenstern 215 angeordnet sein.
Der zweite Wellenlängenbereich kann vom ersten Wellenlängenbereich verschieden sein und/oder kann den ersten Wellenlängenbereich nicht überlappen. Beispielsweise können der erste Wellenlängenbereich und der zweite Wellenlängenbereich derart ausgewählt werden, dass eine Kontamination zwischen dem ersten Wellenlängenbereich und dem zweiten Wellenlängenbereich vermindert oder begrenzt wird. Beispielsweise kann der zweite Wellenlängenbereich derart ausgewählt werden, dass er ein Wellenlängenbereich außerhalb eines Strahlungsbandes ist, das durch den einen oder die mehreren Wärmequellen 130 emittiert wird. Beispielsweise kann der erste Wellenlängenbereich eine Wellenlänge von etwa 900 nm und der zweite Wellenlängenbereich eine Wellenlänge von etwa 1100 nm aufweisen. Als ein weiteres Beispiel kann der zweite Wellenlängenbereich ein Wellenlängenbereich mit einer anderen Größenordnung als diejenige der ersten Wellenlänge sein. Beispielsweise kann der erste Wellenlängenbereich eine Wellenlänge mit einer Größenordnung von etwa 1000 nm, wie beispielsweise 900 nm, aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann eine spektrale Leistungsdichte, die Strahlung von der Wärmequelle im zweiten Wellenlängenbereich zugeordnet ist, weniger als etwa 5% der spektralen Spitzenleistungsdichte betragen, die dem zweiten Wellenlängenbereich zugeordnet ist, wie beispielsweise weniger als etwa 1 % der dem zweiten Wellenlängenbereich zugeordneten spektralen Spitzenleistungsdichte.
Der zweite Wellenlängenbereich kann eine Wellenlänge mit einer Größenordnung von ungefähr 10 µm aufweisen, beispielsweise im Bereich von ungefähr 13 µm bis ungefähr 17 µm, wie etwa 16 µm. Der zweite Wellenlängenbereich kann in einigen Ausführungsformen im Bereich von ungefähr 8 µm bis ungefähr 12 µm liegen, wie beispielsweise bei ungefähr 9 µm, was dem Bereich entsprechen kann, wo Si-O-Bindungen einen Absorptions-/Emissionspeak zeigen.
Die thermische Verarbeitungsvorrichtung 200 kann ferner einen oder mehrere Sensoren 210 aufweisen, die dafür konfiguriert sind, ein Messergebnis für elektromagnetische Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich zu erhalten. In einigen Ausführungsformen kann das Werkstück 110 für elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich zumindest teilweise transparent sein. Basierend auf dem Messergebnis von dem einen oder den mehreren Sensoren 210 kann die Temperatur des Werkstücks 110 bestimmt werden. Beispielsweise kann eine Intensität der Wärmestrahlung, die durch den einen oder die mehreren Sensoren 210 gemessen wird, mit einem Plot, einem Diagramm, einer Lookup-Tabelle usw. der Temperatur als Funktion der Wärmestrahlungsintensität bei einer Wellenlänge verglichen werden, um die Temperatur des Werkstücks 110 zu bestimmen. Der eine oder die mehreren Sensoren 210 können beispielsweise eine Fotodiode, ein Pyrometer oder einen anderen geeigneten Sensor aufweisen.
In einigen Ausführungsformen kann der eine oder können die mehreren Sensoren 210 ein Messergebnis für die elektromagnetische Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich während einer Zeit erhalten, in der die eine oder die mehreren Wärmequellen 130 keine Strahlung emittieren. Beispielsweise kann die eine oder können die mehreren Wärmequellen 130 gepulst ein- und ausgeschaltet werden (z.B. mit einer hohen Frequenz) und kann der eine oder können die mehreren Sensoren 210 Messergebnisse während der Zeiten erhalten, zu denen die eine oder die mehreren Wärmequellen 130 ausgeschaltet sind. Durch Pulsieren der einen oder der mehreren Wärmequellen 130 zusätzlich zum und/oder alternativ zum Erhalten eines Messergebnisses in einem zweiten Wellenlängenbereich, der sich vom ersten Wellenlängenbereich unterscheidet, kann die Kontamination von der einen oder den mehreren Wärmequellen 130 in den durch den einen oder die mehreren Sensoren 210 erhaltenen Messergebnissen vermindert werden, wodurch eine genaue Messung durch den einen oder die mehreren Sensoren 210 ermöglicht wird, während weiterhin eine effiziente Erwärmung des Werkstücks 110 bereitgestellt wird.
In einigen Ausführungsformen kann der eine oder können die mehreren Sensoren 210 durch ein oder mehrere Sensorfenster 230 ein Sichtfeld auf mindestens einen Teil des Werkstücks 110 aufweisen. Das eine oder die mehreren Sensorfenster 230 kann/können für den zweiten Wellenlängenbereich transparent sein. In einigen Ausführungsformen kann das eine oder können die mehreren Sensorfenster 230 dafür konfiguriert sein, Wellenlängen zu begrenzen, die vom zweiten Wellenlängenbereich verschieden sind. Beispielsweise kann das eine oder können die mehreren Sensorfenster 230 zwischen dem Werkstück und dem einen oder den mehreren Sensoren 210 angeordnet sein, um eine Störung der elektromagnetischen Strahlung zu begrenzen, die von derjenigen verschieden ist, für deren Messung der eine oder die mehreren Sensoren 210 konfiguriert ist/sind, oder um eine Beschädigung des einen oder der mehreren Sensoren 210, z.B. durch Verschmutzung oder thermische Bedingungen in der Verarbeitungskammer 105, zu verhindern. Beispielsweise kann das eine oder können die mehreren Sensorfenster 230 dafür konfiguriert sein, Wärmestrahlung von vom Werkstück verschiedenen Komponenten in der Verarbeitungskammer 105 und/oder von der einen oder den mehreren zusätzlichen Wärmequellen 220 zumindest teilweise zu blockieren. Beispielsweise kann das eine oder können die mehreren Sensorfenster 230 derart konfiguriert sein, dass es/sie für elektromagnetische Strahlung, die von der einen oder den mehreren Wärmequellen 130 emittiert wird, zumindest teilweise opak ist/sind. In Ausführungsformen mit mehr als einem Sensor 210 kann jeder Sensor 210 ein separates Sensorfenster 230 aufweisen, oder es können mehr als ein Sensor 210 derart angeordnet werden, dass sie das Werkstück 110 durch das gleiche Fenster 230 betrachten. In einigen Ausführungsformen kann das eine oder können die mehreren Sensorfenster 230 in einem Loch in einer Wand der Verarbeitungskammer 105 implementiert sein.
Die thermische Verarbeitungsvorrichtung 200 kann ferner ein oder mehrere Fenster 215, wie beispielsweise Quarzfenster, aufweisen, die zwischen der einen oder den mehreren Wärmequellenanordnungen 170A, 170B und dem Werkstück 110 angeordnet sind. Die Fenster 215 können für mindestens einen Teil der elektromagnetischen Strahlung in der Verarbeitungskammer 105 zumindest teilweise transparent sein. Beispielsweise können die Fenster 215 für elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich (z.B. elektromagnetische Strahlung, die durch die eine oder die mehreren Wärmequellen 130 emittiert wird) und/oder in einem zweiten Wellenlängenbereich (z.B. elektromagnetische Strahlung, die durch eine oder mehrere zusätzliche Wärmequellen 220 und/oder durch das Werkstück 110 emittiert wird) zumindest teilweise transparent sein.
In einigen Ausführungsformen kann das Werkstück 110 für die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich 225 zumindest teilweise transparent sein. Auf diese Weise kann die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich 225 das Werkstück 110 zur Seite der Verarbeitungskammer 105 gegenüber der einen oder den mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen 220 zumindest teilweise durchlaufen.
In einigen Ausführungsformen kann der eine oder können die mehreren Sensoren dafür konfiguriert sein, ein Messergebnis für die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich zu erhalten, nachdem sie das Werkstück durchlaufen hat. Auf diese Weise kann das Transmissionsvermögen des Werkstücks durch Vergleichen der Intensität der durch die eine oder die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen emittierten elektromagnetischen Strahlung mit der Intensität der durch den einen oder die mehreren Sensoren gemessenen elektromagnetischen Strahlung bestimmt werden. Beispielsweise kann das Transmissionsvermögen zumindest teilweise basierend auf einem Verhältnis zwischen der Intensität der durch den einen oder die mehreren Sensoren 210 gemessenen elektromagnetischen Strahlung und der Intensität der durch die eine oder die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen 220 emittierten elektromagnetischen Strahlung bestimmt werden.
3 zeigt einen beispielhaften Graphen 300 des Transmissionsvermögens über einen Wellenlängenbereich für ein beispielhaftes Werkstückmaterial. Wie aus der Kurve 302 ersichtlich ist, kann das Werkstückmaterial über einen Teil des elektromagnetischen Spektrums ein Transmissionsvermögen von mehr als Null aufweisen. Gemäß einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann es wünschenswert sein, einen zweiten Wellenlängenbereich innerhalb des Bereichs von ungefähr 1 Mikrometer bis ungefähr 10 Mikrometer für ein Werkstück auszuwählen, das aus dem beispielhaften Werkstückmaterial hergestellt ist, für das das Transmissionsvermögen in 3 dargestellt ist.
In einigen Ausführungsformen kann sich die Intensität der durch die eine oder die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen 220 emittierten elektromagnetischen Strahlung bezüglich der Zeit ändern, in der das durch den einen oder die mehreren Sensoren 210 erhaltene Messergebnis für die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich 225 weiterhin verwendet werden kann, um das Transmissionsvermögen und damit die Temperatur des Werkstücks 110 zu bestimmen. Beispielsweise kann die Änderung der Intensität der einen oder der mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen 220 in dem durch den einen oder die mehreren Sensoren 210 erhaltenen Messergebnis für die elektromagnetische Strahlung kompensiert werden.
Das durch den einen oder die mehreren Sensoren 210 erhaltene Messergebnis für die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich kann sich zusammen mit der Temperatur des Werkstücks 110 ändern, auch wenn die Ausgabe des einen oder der mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen 220 konstant ist. Andere Eigenschaften des Werkstücks 110 und/oder des thermischen Verarbeitungssystems 200, wie beispielsweise die Werkstückdicke, die Zusammensetzung usw., können während der gesamten Temperaturänderung als konstant festgelegt werden. Auf diese Weise kann das durch den einen oder die mehreren Sensoren 210 erhaltene Messergebnis direkt mit der Temperatur des Werkstücks 110 (z.B. als Änderung der Temperatur zwischen der Anfangstemperatur und der Ist-Temperatur) als Funktion des Transmissionsvermögens des Werkstücks 110 in Beziehung gesetzt werden.
In einigen Ausführungsformen kann die Temperatur des Werkstücks zumindest teilweise basierend auf dem Transmissionsvermögen des Werkstücks bestimmt werden. Beispielsweise kann sich das Transmissionsvermögen des Werkstücks mit der Temperatur des Werkstücks ändern. Beispielsweise kann sich das Transmissionsvermögen des Werkstücks als eine Funktion mindestens der Temperatur des Werkstücks ändern. Andere Faktoren, die mit dem Transmissionsvermögen des Werkstücks verknüpft sein können, wie z.B. die Form des Werkstücks, die Dicke des Werkstücks, die Zusammensetzung des Werkstücks usw., können gemessen oder auf andere Weise bekannt sein oder bestimmt werden.
Beispielsweise zeigt 4 einen beispielhaften Graphen 400 der Änderung des Transmissionsvermögens als ein Ergebnis der Temperatur bei verschiedenen Wellenlängen für ein beispielhaftes Werkstückmaterial, aus dem ein Werkstück (z.B. das Werkstück 110) zumindest teilweise bestehen kann. Insbesondere entspricht jede der Kurven 402 - 414 dem Transmissionsvermögen des Werkstückmaterials bei einer eindeutigen Wellenlänge. Wie in 4 ersichtlich ist, erfährt das Transmissionsvermögen eines Werkstückmaterials bei einer bestimmten Wellenlänge eine leichte Variation, wenn sich die Temperatur des Materials ändert. Daher wird ein Sensor, der die Intensität der durch das Material transmittierten elektromagnetischen Strahlung misst, eine Änderung der Intensität infolge der Temperatur erfahren. Diese Änderung in der Intensität kann daher mit einer Änderung der Temperatur in Korrelation gesetzt und dazu verwendet werden, eine Änderung der Temperatur und/oder die Temperatur des Werkstücks zu bestimmen.
In einigen Ausführungsformen kann ein Referenztransmissionsspektrum bestimmt werden. Das Referenztransmissionsspektrum kann in einigen Ausführungsformen zumindest teilweise basierend auf Messungen bestimmt werden, die mit mehreren unterschiedlichen Wellenlängen in Beziehung stehen. Während einer thermischen Verarbeitung kann das Transmissionsvermögen des Werkstücks gemessen werden. Die Temperatur des Werkstücks kann zumindest teilweise basierend auf einem Vergleich zwischen dem Referenztransmissionsspektrum und dem gemessenen Transmissionsvermögen des Werkstücks bestimmt werden.
In einigen Ausführungsformen kann das Referenztransmissionsspektrum eine Temperatur eines Werkstücks 110 zumindest teilweise basierend auf der Transmission des Werkstücks 110 anzeigen. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen das Referenztransmissionsspektrum mindestens teilweise auf gemessenen Transmissionsvermögen bei mehreren Temperaturen für ein oder mehrere Referenzwerkstücke basieren. Das eine oder die mehreren Referenzwerkstücke kann eine oder können mehrere Eigenschaften haben, die denjenigen des Werkstücks 110 gleicht/gleichen. In einigen Ausführungsformen kann das Referenzwerkstück das Werkstück 110 sein, das thermisch verarbeitet werden soll. In einigen Ausführungsformen können die gemessenen Transmissionsvermögen erfindungsgemäß in der Verarbeitungskammer 105 gemessen werden. In einigen Ausführungsformen kann eine separate Vorrichtung verwendet werden, um die gemessenen Transmissionsvermögen zu erhalten.
In Ausführungsformen, in denen das Referenztransmissionsspektrum zumindest teilweise auf gemessenen Transmissionsvermögen basiert, kann das Referenztransmissionsspektrum ein Modell oder eine Gleichung, eine Lookup-Tabelle oder ein anderes geeignetes Referenztransmissionsspektrum enthalten. Zum Beispiel können die gemessenen Transmissionsvermögen verwendet werden, um ein mathematisches Modell oder eine Gleichung für das Transmissionsvermögen als eine Funktion mindestens der Temperatur (z.B. gemäß einer der Kurven 402 - 414) zu extrapolieren. In einigen Ausführungsformen kann das Modell oder die Gleichung zumindest teilweise basierend auf zusätzlichen Eigenschaften kalibriert werden, wie beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, der Dicke des Werkstücks 110, der Zusammensetzung des Werkstücks 110 oder anderen geeigneten Eigenschaften oder einer Kombination davon. Beispielsweise kann das Modell basierend auf einer Dicke des Werkstücks 110 einstellbar sein, so dass mehrere im Wesentlichen ähnliche Werkstücke mit unterschiedlichen Dicken (z.B. innerhalb eines Bereichs oder eines prozentualen Dickenfehlers) dem gleichen Modell zugeordnet werden können. In einigen Ausführungsformen kann für jede Dicke ein separates Modell oder eine separate Gleichung verwendet werden und kann die Dicke des zu verarbeitenden Werkstücks auf die nächste Dicke mit einem Referenztransmissionsspektrum gerundet werden. In einigen Ausführungsformen kann das Modell oder die Gleichung unabhängig von der Dicke sein.
Als ein anderes Beispiel können die gemessenen Transmissionsvermögen verwendet werden, um eine Lookup-Tabelle zu bestücken, die das Transmissionsvermögen mit der Temperatur für ein Werkstück in Korrelation setzt. Beispielsweise können verschiedene Lookup-Tabellen zumindest teilweise basierend auf verschiedenen Eigenschaften der Werkstücke, von denen die Messergebnisse erhalten werden, bestückt werden. In einigen Ausführungsformen können die Lookup-Tabellendaten basierend auf den verschiedenen Eigenschaften manipuliert werden, nachdem sie abgerufen wurden. Wenn beispielsweise ein Transmissionsvermögen eines Werkstücks 110, das während der thermischen Verarbeitung gemessen wird (z.B. durch den Sensor (die Sensoren) 210 und/oder die zusätzliche Strahlungsquelle (Strahlungsquellen) 220), in der Lookup-Tabelle zwischen zwei Werten liegt, können die beiden Werte durch eine gewichtete Summe gemittelt werden. Als ein anderes Beispiel kann ein Multiplikator verwendet werden, der zumindest teilweise für eine Eigenschaft eines Werkstücks, wie beispielsweise die Dicke, repräsentativ ist, um die Lookup-Tabelle geringfügig anzupassen, z.B. ohne dass eine Bestückung einer völlig anderen Lookup-Tabelle basierend auf der Eigenschaft erforderlich ist.
In einigen Ausführungsformen kann das Referenztransmissionsspektrum zumindest teilweise auf genäherten oder simulierten Daten oder auf anderen Daten basieren, die nicht direkt von einem Werkstück gemessen werden. Beispielsweise kann eine Gleichung oder ein Modell basierend auf physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Werkstücks für das Werkstück erzeugt werden. Beispielsweise kann das Modell auf einer Computersimulation oder auf dem Transmissionsvermögen eines oder mehrerer Materialien, aus denen das Werkstück besteht, oder auf einem anderen ähnlichen Modell basieren.
In einigen Ausführungsformen kann das Referenztransmissionsspektrum kalibriert werden, um eine genaue Korrelation zwischen Transmissionsvermögen und Temperatur für ein vorgegebenes Werkstück 110 bereitzustellen. Beispielsweise kann ein oder können mehrere Parameter, Variablen usw. eines Modells oder einer Gleichung basierend auf dem Werkstück 110 angepasst werden. Als ein anderes Beispiel kann ein Referenztransmissionsspektrum aus mehreren Referenztransmissionsspektrumkandidaten für das Werkstück 110 ausgewählt werden.
In einigen Ausführungsformen kann das Referenztransmissionsspektrum kalibriert werden, indem ein vom Werkstück 110 gemessenes Referenztransmissionsvermögen an das Referenztransmissionsspektrum angepasst wird. Beispielsweise kann das Referenztransmissionsvermögen vom Werkstück bei einer bekannten Anfangstemperatur gemessen werden. In einer Ausführungsform kann das Referenztransmissionsvermögen mit einem Referenztransmissionsspektrumkandidaten verglichen werden, von dem bekannt ist, dass er eng mit dem Transmissionsvermögen des Werkstücks 110 übereinstimmt, um den Transmissionsspektrumkandidaten derart einzustellen, dass er dem Werkstück genauer entspricht. Als ein anderes Beispiel kann das Referenztransmissionsvermögen mit Punkten auf mehreren Referenztransmissionsspektrumkandidaten verglichen werden, um auszuwählen, welcher der mehreren Referenztransmissionsspektrumkandidaten das Werkstück 110 am genauesten darstellt, wie beispielsweise Punkte, die der Temperatur zugeordnet sind, bei der das Referenztransmissionsvermögen gemessen wird. Erfindungsgemäß kann ein beliebiges geeignetes Verfahren zum Kalibrieren eines Referenztransmissionsspektrums verwendet werden.
Durch Korrelieren des gemessenen Transmissionsvermögens mit dem Referenztransmissionsspektrum kann somit die Temperatur des Werkstücks 110 bestimmt werden. Beispielsweise kann das gemessene Transmissionsvermögen eine Eingabe in ein Modell oder eine Gleichung sein, die das Transmissionsvermögen und die Temperatur in Korrelation setzt. Als ein weiteres Beispiel kann das gemessene Transmissionsvermögen auf einen Punkt in einem X-Y-Diagramm mit dem Transmissionsvermögen auf einer Achse (z.B. der vertikalen Achse) und der Temperatur auf der anderen Achse (z.B. der horizontalen Achse, wie beispielsweise gemäß einer oder mehreren der Kurven 402 - 414) abgebildet werden. In einem anderen Beispiel kann das gemessene Transmissionsvermögen eine Eingabe in eine Lookup-Tabelle von Temperaturen sein. Daher kann das gemessene Transmissionsvermögen verwendet werden, um die Temperatur des Werkstücks genau und indirekt zu bestimmen.
Als ein anderes Beispiel kann eine Signaländerung an dem einen oder den mehreren Sensoren 210, die als Ergebnis der Änderung des Transmissionsvermögens des Werkstücks 110 auftritt, verwendet werden, um die Temperatur des Werkstücks 110 zu bestimmen. Beispielsweise kann der eine oder können die mehreren Sensoren bei einer ersten Temperatur des Werkstücks eine erste Intensität der elektromagnetischen Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich 225 messen. Bei einer zweiten Temperatur des Werkstücks 110 kann der eine oder können die mehreren Sensoren eine zweite Intensität der elektromagnetischen Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich 225 messen.
Beispielsweise kann die Temperatur des Werkstücks 110 zumindest teilweise basierend auf der Differenz zwischen der ersten Intensität und der zweiten Intensität bestimmt werden. Beispielsweise kann die erste Temperatur bekannt sein und kann die zweite Temperatur unbekannt sein und können die erste Temperatur und die erste Intensität verwendet werden, um einen Referenzpunkt auf einem Modell, wie beispielsweise einer Gleichung, einer Kurve, einem Datensatz oder einem anderen geeigneten Modell festzulegen, die/der/das die Intensität und die Temperatur in Korrelation setzt (z.B. für ein vorgegebenes Werkstück). Das Modell kann basierend auf simulierten oder geschätzten Daten (z.B. basierend auf einer oder mehreren Eigenschaften des Werkstücks) und/oder gemessenen Daten (z.B. vom Werkstück 110 und/oder von einem oder mehreren anderen Werkstücken mit ähnlichen Eigenschaften wie diejenigen des Werkstücks gemessen) bestimmt werden. Beispielsweise kann das Modell auf ähnliche Weise wie bei dem vorstehend beschriebenen Referenztransmissionsspektrum bestimmt werden. Die zweite Intensität kann dann verwendet werden, um einen zweiten Punkt auf dem Modell festzulegen, und die zweite Temperatur kann daher basierend auf dem zweiten Punkt bestimmt werden. Es kann ein beliebiges anderes auf dem Fachgebiet bekanntes geeignetes Verfahren verwendet werden, um die Temperatur des Werkstücks 110 basierend auf dem durch den einen oder die mehreren Sensoren 210 erhaltenen Messergebnis zu bestimmen.
Nachstehend wird unter Bezug auf 5 eine beispielhafte thermische Verarbeitungsvorrichtung 500 in Bezug auf die vorliegende Erfindung diskutiert. Einige Komponenten, die in Verbindung mit der thermischen Verarbeitungsvorrichtung 100 von 1 und/oder der thermischen Verarbeitungsvorrichtung 200 von 2 diskutiert worden sind, sind hierin zur Vereinfachung der Diskussion in Bezug auf die thermische Verarbeitungsvorrichtung 500 von 5 weggelassen. Einige Ausführungsformen der thermischen Verarbeitungsvorrichtung 500 können jedoch einige oder alle der in Bezug auf 1 und/oder 2 diskutierten Komponenten enthalten.
5 zeigt eine thermische Verarbeitungsvorrichtung 500 mit im Wesentlichen ähnlichen Komponenten wie die thermische Verarbeitungsvorrichtung 100 von 1 und/oder die thermische Verarbeitungsvorrichtung 200 von 2. Beispielsweise kann die thermische Verarbeitungsvorrichtung 500 ein Werkstück 110, einen Werkstückträger 120, eine oder mehrere Wärmequellenanordnungen 170A, 170B mit jeweils einer oder mehreren Wärmequellen 130, einen oder mehrere Sensoren 210, ein oder mehrere Fenster 215 und/oder ein oder mehrere Sensorfenster 230 aufweisen.
In einigen Ausführungsformen kann das Sichtfeld des einen oder der mehreren Sensoren 210 durch ein oder mehrere gekühlte Sichtrohre und/oder gekühlte Öffnungen 310 begrenzt sein. Beispielsweise kann das eine oder können die mehreren gekühlten Sichtrohre und/oder gekühlten Öffnungen 310 dafür konfiguriert sein, eine Störung der elektromagnetischen Strahlung zu reduzieren, die von derjenigen verschieden ist, für deren Messung der eine oder die mehreren Sensoren 210 konfiguriert ist/sind, oder eine Beschädigung des einen oder der mehreren Sensoren 210, z.B. durch Verschmutzung oder thermische Bedingungen in der Verarbeitungskammer, zu verhindern. Beispielsweise kann das eine oder können die mehreren gekühlten Sichtrohre und/oder gekühlten Öffnungen 310 das Sichtfeld des einen oder der mehreren Sensoren 210 im Wesentlichen auf das Werkstück 110 richten, um eine Störung durch unerwünschte elektromagnetische Strahlung zu verhindern. Beispielsweise kann das eine oder können die mehreren gekühlten Rohre und/oder gekühlten Öffnungen 310 dafür konfiguriert sein, die Wärmestrahlung von vom Werkstück 110 verschiedenen Komponenten in der Verarbeitungskammer 105 zumindest teilweise zu blockieren. Als ein anderes Beispiel kann das eine oder können die mehreren gekühlten Sichtrohre und/oder gekühlten Öffnungen 310 eine Beschädigung des einen oder der mehreren Sensoren 210 verhindern.
In einigen Ausführungsformen kann ein oder können mehrere Sensorfenster 230 benachbart zu und/oder innerhalb des einen oder der mehreren gekühlten Sichtrohre und/oder gekühlten Öffnungen 310 angeordnet sein. Das eine oder die mehreren Sensorfenster 230 kann/können für den zweiten Wellenlängenbereich transparent sein. In einigen Ausführungsformen kann das eine oder können die mehreren Sensorfenster 230 dafür konfiguriert sein, Wellenlängen, die vom zweiten Wellenlängenbereich verschieden sind, zu begrenzen. Beispielsweise kann das eine oder können die mehreren Sensorfenster 230 zwischen dem Werkstück und dem einen oder den mehreren Sensoren 210 angeordnet sein, um eine Störung elektromagnetischer Strahlung zu begrenzen, die von derjenigen verschieden ist, für deren Messung der eine oder die mehreren Sensoren 210 konfiguriert ist/sind, oder eine Beschädigung des einen oder der mehreren Sensoren 210, z.B. durch Verschmutzung oder thermische Bedingungen in der Verarbeitungskammer 105, zu verhindern. Beispielsweise kann das eine oder können die mehreren Sensorfenster 230 dafür konfiguriert sein, Wärmestrahlung von vom Werkstück 110 verschiedenen Komponenten in der Verarbeitungskammer 105 und/oder von der einen oder den mehreren Wärmequellen 220 zumindest teilweise zu blockieren. Beispielsweise kann das eine oder können die mehreren Sensorfenster 230 derart konfiguriert sein, dass sie für elektromagnetische Strahlung, die durch die eine oder die mehreren Wärmequellen 130 emittiert wird, zumindest teilweise opak sind. In Ausführungsformen mit mehr als einem Sensor 210 kann jeder Sensor 210 ein separates Sensorfenster 230 aufweisen, oder mehr als ein Sensor 210 können derart angeordnet sein, dass sie das Werkstück 110 durch das gleiche Fenster 230 betrachten.
In einigen Ausführungsformen kann der eine oder können die mehreren Sensoren 210 dafür konfiguriert sein, ein Messergebnis für die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich zu erhalten, und kann der zweite Wellenlängenbereich mindestens einen Teil eines Bereichs der vom Werkstück 110 emittierten Wärmestrahlung enthalten. Die durch das Werkstück 110 emittierte Wärmestrahlung kann mit der Temperatur des Werkstücks 110 variieren. Daher kann ein Messergebnis für die durch das Werkstück 110 emittierte Wärmestrahlung im zweiten Wellenlängenbereich erhalten und mit dem Emissionsvermögen und/oder einer erwarteten Menge an Wärmestrahlung verglichen werden, die durch das Werkstück 110 im zweiten Wellenlängenbereich über mehrere Temperaturen emittiert wird, um die Temperatur des Werkstücks 110 zu bestimmen.
Beispielsweise kann die Wärmestrahlung des Werkstücks eine Funktion sowohl der durch einen idealen schwarzen Körper bei der Temperatur des Werkstücks 110 emittierten Schwarzkörperstrahlung als auch des Emissionsvermögens des Werkstücks 110 sein. Das Emissionsvermögen des Werkstücks 110 kann als ein Verhältnis zwischen der Menge an Wärmestrahlung, die durch das Werkstück 110 bei einer bestimmten Wellenlänge und Temperatur emittiert wird, und der Menge an Wärmestrahlung ausgedrückt werden, die durch einen idealen schwarzen Körper bei der bestimmten Wellenlänge und Temperatur emittiert wird. In einigen Fällen kann zumindest ein Teil der Schwarzkörperkurve und der Emissionskurve für ein Werkstück (z.B. das Werkstück 110) invers miteinander in Beziehung stehen, was zu Problemen bei der Auswahl eines zweiten Wellenlängenbereichs führt, in dem eine geeignete hohe Menge an Wärmestrahlung emittiert wird.
In einigen Ausführungsformen kann zum Messen der durch das Werkstück 110 bei einer bestimmten Temperatur emittierten Wärmestrahlung ein Wellenlängenband für eine Messung ausgewählt werden, das bei der Temperatur eine relativ hohe Größe in einem Schwarzkörpergraphen aufweist, während es gleichzeitig ein relativ hohes konstantes Emissionsvermögen für das Werkstück 110 aufweist.
In einigen Ausführungsformen kann der zweite Wellenlängenbereich zumindest teilweise basierend auf einem oder mehreren lokalen Merkmalen ausgewählt werden, die dem Emissionsvermögen des Werkstücks 110 zugeordnet sind. Beispielsweise kann eine Emissionskurve des Werkstücks 110 ein oder mehrere lokale Maxima aufweisen die bei einer bestimmten Wellenlänge ein relativ höheres Emissionsvermögen zeigen als bei Wellenlängen in der Umgebung. Insbesondere können in Fällen, in denen die Schwarzkörperkurve und die Emissionskurve invers miteinander in Beziehung stehen, die lokalen Merkmale relativ wünschenswerten Wellenlängen für die Wärmestrahlungsmessung entsprechen, vorausgesetzt, dass die lokalen Merkmale Wellenlängen entsprechen, die im Hinblick auf die anderen hierin diskutierten Überlegungen wünschenswert sind. Beispielsweise kann das Werkstück 110 bei Wellenlängen bei dem einen oder den mehreren lokalen Merkmalen eine höhere Menge an Wärmestrahlung emittieren als bei Wellenlängen in der unmittelbaren Umgebung des einen oder der mehreren lokalen Merkmale.
Ein beispielhaftes Emissionsspektrum 600 für ein beispielhaftes Werkstückmaterial, aus dem ein Werkstück (z.B. das Werkstück 110) zumindest teilweise bestehen kann, ist in 6 dargestellt. Die Kurven 602 - 608 zeigen das Emissionsvermögen bei verschiedenen Temperaturen. Beispielsweise kann die Kurve 602 ein Emissionsvermögen bei einer relativ niedrigen Temperatur (z.B. weniger als 300°C) darstellen, und die Kurve 608 kann das Emissionsvermögen bei einer relativ hohen Temperatur (z.B. mehr als 700°C) darstellen. Wie in den Kurven 602 und 604 zu sehen ist, kann das Emissionsvermögen ein oder mehrere lokale Merkmale (z.B. lokale Peaks 612 und 614) aufweisen, die einer Ungleichmäßigkeit in der Emissionskurve entsprechen. Beispielsweise stellen lokale Peaks 612 und 614 Wellenlängen dar, bei denen das Emissionsvermögen bei der Wellenlänge relativ höher ist als bei Wellenlängen in der Umgebung, was zu relativ höheren Emissionen von Wärmestrahlung bei der Wellenlänge führt.
Eine beispielhafte Schwarzkörperkurve 700 bei einer beispielhaften Temperatur, wie beispielsweise bei der Temperatur des Werkstücks 110, ist in 7 dargestellt. Wie aus der Kurve 700 ersichtlich ist, kann die Schwarzkörperstrahlung bei einer Temperatur einen Peak 702 aufweisen, der einer Wellenlänge entspricht, bei der die größte Wärmestrahlung durch einen idealen Schwarzkörper bei der beispielhaften Temperatur emittiert wird. Wie aus einem Vergleich der Kurve 700 mit einer beliebigen der in 6 dargestellten Kurven 602 bis 608 ersichtlich ist, können das Emissionsvermögen und der Schwarzkörperkoeffizient bei einer Temperatur für ein Objekt Abschnitte enthalten, die in einigen Fällen invers miteinander in Beziehung stehen können oder in anderen Fällen völlig unabhängig voneinander sein können.
In einigen Ausführungsformen können Charakteristiken des Emissionsvermögens (z.B. mindestens ein Abschnitt mindestens einer der Kurven 602 - 608) für ein Werkstück (z.B. das Werkstück 110) in situ erhalten werden, d.h. ohne das Werkstück 110 von der Verarbeitungskammer zu entfernen.
In einigen Ausführungsformen kann das Emissionsvermögen eines Werkstücks 110 gemessen werden, indem elektromagnetische Strahlung von einer oder mehreren Messstrahlungsquellen (nicht dargestellt) mit einer bekannten Intensität mit dem Werkstück 110 in Wechselwirkung gebracht wird und die Intensität der durch die eine oder die mehreren Messstrahlungsquellen emittierten elektromagnetischen Strahlung nach einer Wechselwirkung mit dem Werkstück 110 gemessen wird. Beispielsweise kann die eine oder können die mehreren Messstrahlungsquellen eine beliebige geeignete Strahlungsquelle sein, wie beispielsweise die eine oder die mehreren Wärmequellen 130, die zum Erwärmen des Werkstücks 110 verwendet werden, die eine oder die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen 220 oder irgendeine andere geeignete Strahlungsquelle. In einigen Ausführungsformen kann das Werkstück 110 für die durch die eine oder die mehreren Messstrahlungsquellen emittierte elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise transparent sein. Auf diese Weise kann ein erster Teil der durch die eine oder die mehreren Messstrahlungsquellen emittierten elektromagnetischen Strahlung das Werkstück 110 zu einer Seite der Verarbeitungskammer 105 gegenüber der einen oder den mehreren Messstrahlungsquellen durchlaufen und kann ein zweiter Teil der elektromagnetischen Strahlung von einer Oberfläche des Werkstücks 110 reflektiert werden.
Beispielsweise kann in einer beispielhaften Ausführungsform, in der das Werkstück 110 einen leicht dotierten Siliziumwafer bei 100°C aufweist, das Werkstück 110 für Wellenlängen unter etwa 25 µm möglicherweise nicht vollständig opak sein. Um das Emissionsvermögen des Werkstücks 110 zu messen, können daher das Transmissionsvermögen des Werkstücks 110 und das Reflexionsvermögen des Werkstücks 110 gemessen werden. Beispielsweise kann das Transmissionsvermögen als ein Verhältnis zwischen der Intensität des ersten Teils der elektromagnetischen Strahlung, der das Werkstück 110 durchlaufen hat, und der Intensität der elektromagnetischen Strahlung bestimmt werden, die durch die eine oder die mehreren Messstrahlungsquellen emittiert wird. Das Reflexionsvermögen kann als ein Verhältnis zwischen der Intensität des zweiten Teils der durch das Werkstück 110 reflektierten elektromagnetischen Strahlung und der Intensität der elektromagnetischen Strahlung bestimmt werden, die durch die eine oder die mehreren Messstrahlungsquellen emittiert wird. Jegliche elektromagnetische Strahlung, die nicht zur Summe aus Transmissionsvermögen und Reflexionsvermögen beiträgt, entspricht somit der durch das Werkstück absorbierten elektromagnetischen Strahlung. Im thermischen Gleichgewicht kann die durch das Werkstück 110 emittierte Energiemenge der durch das Werkstück 110 absorbierten Energiemenge gleichen. Auf diese Weise kann das Emissionsvermögen des Werkstücks 110 gemessen werden.
Basierend auf der gemessenen Temperatur des Werkstücks 110 kann ein oder können mehrere Prozessparameter des thermischen Verarbeitungssystems 100, 200, 500 gesteuert werden (z.B. durch die Steuereinheit 175, den Prozessor (die Prozessoren) 176 und/oder die Speichereinrichtung(en) 177). Beispielsweise kann die gemessene Temperatur in einer Rückkopplungsschleife verwendet werden und kann die Intensität der einen oder der mehreren Wärmequellen 130 gesteuert werden, um die Temperatur des Werkstücks 110 einzustellen und/oder aufrechtzuerhalten. Beispielsweise kann die Intensität der einen oder mehreren Wärmequellen 130 eingestellt werden, um das Werkstück 110 auf eine gewünschte Verarbeitungstemperatur zu erwärmen.
8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Prozesses (800) zum Messen der Temperatur eines Werkstücks in einer thermischen Verarbeitungskammer gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Prozess (800) kann unter Verwendung des thermischen Verarbeitungssystems 100 von 1, des thermischen Verarbeitungssystems 200 von 2 und/oder des thermischen Verarbeitungssystems 500 von 5 implementiert werden. Wie nachstehend ausführlich erörtert wird, kann der Prozess (800) gemäß beispielhaften Aspekten der vorliegenden Erfindung innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung jedoch auch unter Verwendung anderer thermischer Verarbeitungssysteme implementiert werden. 8 zeigt Schritte, die in einer bestimmten Reihenfolge ausgeführt werden, zum Zweck der Veranschaulichung und Diskussion. Der Durchschnittsfachmann wird unter Verwendung der hierin bereitgestellten Darstellungen verstehen, dass innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung verschiedene Schritte eines beliebigen der hierin beschriebenen Verfahren weggelassen, erweitert, gleichzeitig ausgeführt, neu angeordnet und/oder auf verschiedene Weise modifiziert werden können. Außerdem können innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung verschiedene zusätzliche Schritte (nicht dargestellt) ausgeführt werden.
Bei (802) kann der Prozess das Platzieren eines Werkstücks auf einem Werkstückträger in einer Verarbeitungskammer aufweisen. Beispielsweise kann das Werkstück ein gemäß der vorliegenden Beschreibung dargestelltes Werkstück sein, wie beispielsweise das Werkstück 110. Der Werkstückträger kann beispielsweise der Werkstückträger 120 sein. Die thermische Verarbeitungskammer kann beispielsweise die Verarbeitungskammer 105 sein. Das Werkstück kann eine beliebige geeignete Form, Zusammensetzung und/oder andere Eigenschaften aufweisen. Der Werkstückträger kann eine beliebige geeignete Form, Konfiguration und/oder andere Eigenschaften aufweisen. Die Verarbeitungskammer kann eine beliebige geeignete Form, Konfiguration und/oder andere Eigenschaften aufweisen.
Bei (804) kann der Prozess das Erwärmen des Werkstücks auf eine Verarbeitungstemperatur unter Verwendung einer oder mehrerer Wärmequellen aufweisen, wobei die eine oder die mehreren Wärmequellen dafür konfiguriert sind, elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich zu emittieren. Beispielsweise können die eine oder die mehreren Wärmequellen die Wärmequellen 130 sein. Die eine oder die mehreren Wärmequellen können beispielsweise Lichtquellen oder andere Strahlungswärmequellen sein. Die eine oder die mehreren Wärmequellen können dafür betreibbar sein, das Werkstück ohne physischen Kontakt zwischen der Wärmequelle und dem Werkstück zu erwärmen. Beispielsweise kann die eine oder können die mehreren Wärmequellen Infrarotlichtquellen, Leuchtdioden (LEDs), gepulste Wärmequellen, kohärente Lichtquellen, schmalbandige Wärmequellen oder andere geeignete Wärmequellen oder eine Kombination davon aufweisen. Beispielsweise kann die eine oder können die mehreren Wärmequellen schmalbandige Wärmequellen wie LEDs sein, um eine Kontamination elektromagnetischer Strahlung außerhalb des ersten Wellenlängenbereichs zu vermindern oder zu begrenzen.
Die eine oder die mehreren Wärmequellen kann/können dafür konfiguriert sein, elektromagnetische Strahlung im ersten Wellenlängenbereich zu emittieren, um das Werkstück zu erwärmen. Der erste Wellenlängenbereich kann derart ausgewählt werden, dass das Werkstück ein geeignetes Absorptionsvermögen, wie beispielsweise ein geeignetes hohes Absorptionsvermögen, für elektromagnetische Strahlung im ersten Wellenlängenbereich aufweist. Beispielsweise kann der erste Wellenlängenbereich ein geeignetes hohes Absorptionsvermögen aufweisen, so dass das Werkstück Strahlung im ersten Wellenlängenbereich absorbieren kann, wie beispielsweise eine Menge an Strahlung, die dazu geeignet ist, das Werkstück auf eine effiziente Weise zu erwärmen. Beispielsweise kann der erste Wellenlängenbereich eine Wellenlänge enthalten, bei der das Werkstück ein Absorptionsvermögen von ungefähr 0,5 oder mehr aufweist, wie beispielsweise ungefähr 0,7 oder mehr. Durch Absorption eines geeigneten Teils der durch die elektromagnetische Strahlung transportierten Energie kann das Werkstück daher erwärmt werden. Für den ersten Wellenlängenbereich kann jedoch ein beliebiger geeigneter Wellenlängenbereich verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann das Werkstück auf ungefähr 50°C bis 150°C erwärmt werden, beispielsweise auf ungefähr 100°C.
Zusätzlich und/oder alternativ kann der erste Wellenlängenbereich derart ausgewählt werden, dass ein geeignetes Absorptionsvermögen bereitgestellt wird, das zumindest teilweise auf einer Temperatur des Werkstücks basiert. Beispielsweise kann sich das Absorptionsvermögen des Werkstücks mit der Temperatur ändern, und kann es wünschenswert sein, die erste Wellenlänge derart auszuwählen, dass ein geeignetes Absorptionsvermögen bei einer gewünschten Temperatur bereitgestellt wird. Beispielsweise kann der erste Wellenlängenbereich derart ausgewählt werden, dass ein geeignetes Absorptionsvermögen bei einer Anfangstemperatur des Werkstücks (d.h. bevor das Werkstück durch die eine oder die mehreren Wärmequellen erwärmt wird), bei einer Verarbeitungstemperatur (d.h. einer Temperatur, bei der das Werkstück erwärmt wird und/oder während der thermischen Verarbeitung gehalten wird), über einen Temperaturbereich (z.B. über einen Bereich von einer Anfangstemperatur bis zu einer Verarbeitungstemperatur) oder über eine beliebige geeignete Temperatur oder Temperaturen oder eine Kombination davon bereitgestellt wird. In einigen Ausführungsformen kann die Temperatur ungefähr 50°C bis ungefähr 150°C betragen. In einigen Ausführungsformen kann die Temperatur etwa 100°C betragen.
In einer beispielhaften Anwendung zum Erwärmen eines Werkstücks, das einen leicht dotierten Siliziumwafer aufweist, auf eine Prozesstemperatur von ungefähr 100°C kann die eine oder können die mehreren Wärmequellen monochromatische Hochleistungs-LEDs enthalten, die dafür konfiguriert sind, elektromagnetische Strahlung bei ungefähr 900 nm bereitzustellen. Bei 100°C kann ein leicht dotierter Siliziumwafer ein Absorptionsvermögen von etwa 0,7 für elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 900 nm aufweisen. Die LEDs können eine schmalbandige Wärmequelle sein und daher vernachlässigbare Strahlung in von etwa 900 nm verschiedenen Wellenlängen emittieren. Daher können die 900-nm-LEDs eine geeignete Fähigkeit zum Erwärmen des Werkstücks bereitstellen, begrenzte Interferenzen bei anderen Wellenlängen bereitstellen und Komplikationen vermeiden, die mit elektromagnetischer Strahlung mit kürzeren Wellenlängen, wie beispielsweise UV-Licht, verbunden sein können. Gemäß den Aspekten der vorliegenden Erfindung können jedoch beliebige geeignete Wärmequellen mit einem beliebigen geeigneten Wellenlängenbereich verwendet werden.
Bei (806) kann der Prozess das Messen elektromagnetischer Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich durch einen oder mehrere Sensoren aufweisen, während sich das Werkstück bei der Verarbeitungstemperatur befindet, wobei sich der zweite Wellenlängenbereich vom ersten Wellenlängenbereich unterscheidet und/oder den ersten Wellenlängenbereich nicht überlappt. Beispielsweise kann der eine oder können die mehreren Sensoren der eine oder die mehreren Sensoren 210 sein. In einigen Ausführungsformen kann das Werkstück für den zweiten Wellenlängenbereich zumindest teilweise transparent sein. In einigen Ausführungsformen kann der zweite Wellenlängenbereich einem Wellenlängenbereich entsprechen, in dem das Werkstück eine wesentliche Menge an Wärmestrahlung emittiert. Basierend auf der Messung durch den einen oder die mehreren Sensoren kann die Temperatur des Werkstücks bestimmt werden. Der eine oder die mehreren Sensoren kann/können beispielsweise eine Fotodiode, ein Pyrometer oder einen anderen geeigneten Sensor aufweisen.
Der zweite Wellenlängenbereich kann sich vom ersten Wellenlängenbereich unterscheiden und/oder kann sich nicht mit dem ersten Wellenlängenbereich überlappen. Beispielsweise können der erste Wellenlängenbereich und der zweite Wellenlängenbereich derart ausgewählt werden, dass eine Kontamination zwischen dem ersten Wellenlängenbereich und dem zweiten Wellenlängenbereich vermindert oder begrenzt wird. Beispielsweise kann der zweite Wellenlängenbereich derart ausgewählt werden, dass er ein Wellenlängenbereich außerhalb eines Strahlungsbandes ist, das durch die eine oder die mehreren Wärmequellen emittiert wird. Beispielsweise kann der erste Wellenlängenbereich eine Wellenlänge von ungefähr 900 nm aufweisen und kann der zweite Wellenlängenbereich eine Wellenlänge von ungefähr 1100 nm aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann eine spektrale Leistungsdichte, die mit Strahlung von der Wärmequelle im zweiten Wellenlängenbereich in Beziehung steht, weniger als etwa 5% der spektralen Spitzenleistungsdichte betragen, die mit dem zweiten Wellenlängenbereich in Beziehung steht, wie beispielsweise weniger als etwa 1 % der spektralen Spitzenleistungsdichte, die mit dem zweiten Wellenlängenbereich in Beziehung steht.
Als ein anderes Beispiel kann der zweite Wellenlängenbereich ein Wellenlängenbereich mit einer anderen Größenordnung als die erste Wellenlänge sein. Beispielsweise kann der erste Wellenlängenbereich eine Wellenlänge mit einer Größenordnung von ungefähr 1000 nm, wie beispielsweise 900 nm, aufweisen und kann der zweite Wellenlängenbereich eine Wellenlänge mit einer Größenordnung von ungefähr 10 µm aufweisen, wie beispielsweise im Bereich von ungefähr 13 µm bis ungefähr 17 µm, z.B. ungefähr 16 µm . Der zweite Wellenlängenbereich kann in einigen Ausführungsformen im Bereich von ungefähr 8 µm bis ungefähr 12 µm liegen, wie beispielsweise ungefähr 9 µm, was einem Bereich entsprechen kann, in dem Si-O-Bindungen einen Absorptions-/Emissionspeak zeigen.
In einigen Ausführungsformen kann der eine oder können die mehreren Sensoren ein Messergebnis für die elektromagnetische Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich während einer Zeit erhalten, in der die eine oder die mehreren Wärmequellen keine Strahlung emittieren. Beispielsweise kann die eine oder können die mehreren Wärmequellen gepulst ein- und ausgeschaltet werden (z.B. mit einer hohen Frequenz) und kann der eine oder können die mehreren Sensoren Messergebnisse während der Zeiten erhalten, zu denen die eine oder die mehreren Wärmequellen ausgeschaltet sind. Durch Pulsieren der einen oder der mehreren Wärmequellen zusätzlich zu und/oder alternativ zum Erhalten eines Messergebnisses in einem zweiten Wellenlängenbereich, der sich vom ersten Wellenlängenbereich unterscheidet, kann die Kontamination von der einen oder den mehreren Wärmequellen in den durch den einen oder die mehreren Sensoren erhaltenen Messergebnissen reduziert werden, was eine genaue Messung durch den einen oder die mehreren Sensoren ermöglicht und gleichzeitig eine effiziente Erwärmung des Werkstücks ermöglicht.
In einigen Ausführungsformen kann der eine oder können die mehreren Sensoren, während sie eine Messung in einem zweiten Wellenlängenbereich ausführen, der sich vom ersten Wellenlängenbereich unterscheidet, der durch die eine oder die mehreren Wärmequellen emittiert wird, gegenüber unerwünschter Strahlung empfindlich sein. Beispielsweise kann Wärmestrahlung von vom Werkstück verschiedenen Komponenten, wie beispielsweise Wärmestrahlung von anderen Komponenten innerhalb der Verarbeitungskammer, das durch den einen oder die mehreren Sensoren erhaltene Messergebnis stören. Beispielsweise kann Wärmestrahlung von Komponenten, insbesondere Komponenten, die etwa die gleiche Temperatur wie das Werkstück haben, zumindest teilweise in den zweiten Wellenlängenbereich fallen oder auf andere Weise dazu beitragen, das durch den einen oder die mehreren Sensoren erhaltene Messergebnis zu kontaminieren.
In einigen Ausführungsformen kann der eine oder können die mehreren Sensoren ein Sichtfeld auf mindestens einen Teil des Werkstücks durch ein oder mehrere Fenster aufweisen. Das eine oder die mehreren Fenster kann/können für den zweiten Wellenlängenbereich transparent sein. In einigen Ausführungsformen kann das eine oder können die mehreren Fenster dafür konfiguriert sein, vom zweiten Wellenlängenbereich verschiedene Wellenlängen zu unterdrücken. Beispielsweise kann das eine oder können die mehreren Fenster zwischen dem Werkstück und dem einen oder den mehreren Sensoren angeordnet sein, um die Interferenz elektromagnetischer Strahlung zu begrenzen, die nicht von dem einen oder den mehreren Sensoren gemessen werden soll, oder um eine Beschädigung des einen oder der mehreren Sensoren, z.B. durch Verschmutzung oder thermische Bedingungen in der Verarbeitungskammer, zu verhindern. Beispielsweise kann das eine oder können die mehreren Fenster dafür konfiguriert sein, Wärmestrahlung von vom Werkstück verschiedenen Komponenten in der Verarbeitungskammer zumindest teilweise zu blockieren. In Ausführungsformen mit mehr als einem Sensor kann jeder Sensor ein separates Fenster aufweisen, oder es können mehr als ein Sensor derart angeordnet sein, dass sie das Werkstück durch das gleiche Fenster betrachten. In einigen Ausführungsformen kann das eine oder können die mehreren Fenster in einem Loch in einer Wand der Verarbeitungskammer ausgebildet sein.
In einigen Ausführungsformen kann das Sichtfeld des einen oder der mehreren Sensoren durch ein oder mehrere gekühlte Sichtrohre und/oder gekühlte Öffnungen eingeschränkt sein. Beispielsweise kann das eine oder können die mehreren gekühlten Sichtrohre und/oder gekühlten Öffnungen dafür konfiguriert sein, die Interferenz elektromagnetischer Strahlung zu vermindern, die nicht diejenige ist, für deren Messung der eine oder die mehreren Sensoren konfiguriert sind, oder Schäden an dem einen oder den mehreren Sensoren, z.B. durch Verschmutzung oder thermische Bedingungen in der Verarbeitungskammer, zu verhindern. Beispielsweise kann das eine oder können die mehreren gekühlten Sichtrohre und/oder gekühlten Öffnungen das Sichtfeld des einen oder der mehreren Sensoren im Wesentlichen auf das Werkstück richten, um eine Störung durch unerwünschte elektromagnetische Strahlung zu verhindern. Beispielsweise können die gekühlten Rohre und/oder gekühlten Öffnungen derart konfiguriert sein, dass sie Wärmestrahlung von vom Werkstück verschiedenen Komponenten in der Verarbeitungskammer zumindest teilweise blockieren. Als ein weiteres Beispiel können die gekühlten Sichtrohre und/oder gekühlten Öffnungen eine Beschädigung des einen oder der mehreren Sensoren verhindern.
Bei (808) kann der Prozess das Bestimmen einer Temperatur des Werkstücks zumindest teilweise basierend auf der elektromagnetischen Strahlung in dem zweiten Wellenlängenbereich aufweisen, die durch den einen oder die mehreren Sensoren gemessen wird. Beispielsweise kann die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich das Transmissionsvermögen des Werkstücks anzeigen und kann die Temperatur des Werkstücks zumindest teilweise basierend auf dem Transmissionsvermögen des Werkstücks bestimmt werden. Als ein weiteres Beispiel kann die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich die vom Werkstück emittierte Wärmestrahlung anzeigen und kann die Temperatur des Werkstücks zumindest teilweise basierend auf der durch das Werkstück emittierten Wärmestrahlung bestimmt werden.
9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Prozesses (900) zum Bestimmen der Temperatur eines Werkstücks in einer thermischen Verarbeitungskammer basierend zumindest teilweise auf einer Messung elektromagnetischer Strahlung gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Prozess (900) kann unter Verwendung des thermischen Verarbeitungssystems 100 von 1, des thermischen Verarbeitungssystems 200 von 2 und/oder des thermischen Verarbeitungssystems 500 von 5 ausgeführt werden. Wie nachstehend ausführlich erörtert wird, kann der Prozess (900) innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung gemäß beispielhaften Aspekten der vorliegenden Erfindung jedoch auch unter Verwendung anderer thermischer Verarbeitungssysteme ausgeführt werden. 9 zeigt Schritte, die in einer bestimmten Reihenfolge ausgeführt werden, zum Zweck der Veranschaulichung und Diskussion. Der Durchschnittsfachmann wird unter Verwendung der hierin dargestellten Beschreibung verstehen, dass innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung verschiedene Schritte jedes der hierin beschriebenen Verfahren weggelassen, erweitert, gleichzeitig ausgeführt, neu angeordnet und/oder auf verschiedene Weise modifiziert werden können. Außerdem können innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung verschiedene zusätzliche Schritte (nicht dargestellt) ausgeführt werden.
Bei (902) kann der Prozess das Emittieren von elektromagnetischer Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich durch eine oder mehrere zusätzliche Strahlungsquellen aufweisen. Beispielsweise kann die eine oder können die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen die eine oder die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen 220 sein. Beispielsweise kann die eine oder können die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen dafür konfiguriert sein, elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich zu emittieren. Die eine oder die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen können derart angeordnet sein, dass die emittierte Strahlung allgemein senkrecht (z.B. innerhalb von etwa 10° senkrecht) zu einer Oberfläche eines Werkstücks emittiert wird oder einen anderen geeigneten Winkel in Bezug auf die Oberfläche des Werkstücks hat. In einigen Ausführungsformen kann die eine oder können die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen im Wesentlichen gegenüber einem oder mehreren Sensoren angeordnet sein. Beispielsweise kann jede unter der einen oder den mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen auf der gegenüberliegenden Seite der Verarbeitungskammer bezüglich jedem unter dem einen oder den mehreren Sensoren und linear damit ausgerichtet angeordnet sein. Erfindungsgemäß kann jede andere geeignete Ausrichtung für den einen oder die mehreren Sensoren und/oder die eine oder die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen verwendet werden. Die eine oder die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen kann/können beispielsweise Laser (z.B. Laserdioden), Infrarotlichtquellen, Ultraviolett- (UV) Lichtquellen, Leuchtdioden (LEDs), gepulste Strahlungsquellen, kohärente Lichtquellen, schmalbandige Strahlungsquellen oder andere geeignete Strahlungsquellen oder eine Kombination davon aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die eine oder können die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen hinter einem oder mehreren Fenstern angeordnet sein.
Bei (904) kann die durch den einen oder die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen emittierte elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich ein Werkstück durchlaufen. Beispielsweise kann das Werkstück das Werkstück 110 sein. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen das Werkstück für die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich zumindest teilweise transparent sein. Beispielsweise kann das Werkstück im zweiten Wellenlängenbereich ein Transmissionsvermögen von mehr als etwa Null aufweisen. Auf diese Weise kann die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich das Werkstück zumindest teilweise zur Seite der Verarbeitungskammer gegenüber der einen oder den mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen gelangen.
Bei (906) kann der Prozess das Messen der elektromagnetischen Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich durch einen oder mehrere Sensoren aufweisen. Beispielsweise kann der eine oder können die mehreren Sensoren ein oder mehrere Sensoren 210 sein. Beispielsweise kann/können in einigen Ausführungsformen der eine oder die mehreren Sensoren dafür konfiguriert sein, eine Messung der elektromagnetischen Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich auszuführen, nachdem sie das Werkstück durchlaufen hat. Auf diese Weise kann das Transmissionsvermögen des Werkstücks bestimmt werden durch Vergleichen der Intensität der durch den einen oder die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen emittierten elektromagnetischen Strahlung mit der Intensität der durch den einen oder die mehreren Sensoren gemessenen elektromagnetischen Strahlung.
Bei (908) kann der Prozess das Bestimmen eines dem Werkstück zugeordneten Referenztransmissionsspektrums aufweisen. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen das Referenztransmissionsspektrum eine Temperatur eines Werkstücks basierend zumindest teilweise auf dem Transmissionsvermögen des Werkstücks anzeigen. In einigen Ausführungsformen kann das Referenztransmissionsspektrum kalibriert werden, um eine genaue Korrelation zwischen Transmissionsvermögen und Temperatur für ein vorgegebenes Werkstück bereitzustellen. Beispielsweise können ein oder mehrere Parameter, Variablen usw. eines Modells oder einer Gleichung basierend auf dem Werkstück angepasst werden. Als ein weiteres Beispiel kann ein Referenztransmissionsspektrum aus mehreren Referenztransmissionsspektrumkandidaten für das Werkstück ausgewählt werden.
Bei (910) kann der Prozess das Bestimmen des Transmissionsvermögens des Werkstücks zumindest teilweise basierend auf der durch den einen oder die mehreren Sensoren gemessenen elektromagnetischen Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich aufweisen. Beispielsweise kann sich das Transmissionsvermögen des Werkstücks mit der Temperatur des Werkstücks ändern. Beispielsweise kann sich das Transmissionsvermögen des Werkstücks als Funktion mindestens der Temperatur des Werkstücks ändern. Andere Faktoren, die mit dem Transmissionsvermögen des Werkstücks in Beziehung stehen können, wie z.B. die Form des Werkstücks, die Dicke des Werkstücks, die Zusammensetzung des Werkstücks usw., können gemessen oder auf andere Weise bekannt sein oder bestimmt werden. In einigen Ausführungsformen kann ein Referenztransmissionsspektrum bestimmt werden und kann das Transmissionsvermögen des Werkstücks während der thermischen Verarbeitung gemessen werden.
Bei (912) kann der Prozess das Bestimmen der Temperatur des Werkstücks zumindest teilweise basierend auf dem Referenztransmissionsspektrum und dem Transmissionsvermögen des Werkstücks aufweisen. Beispielsweise kann sich das durch den einen oder die mehreren Sensoren erhaltene Messergebnis für die elektromagnetischen Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich zusammen mit der Temperatur des Werkstücks ändern, selbst wenn die Ausgabe der einen oder der mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen konstant ist. Andere Eigenschaften des Werkstücks und/oder des thermischen Verarbeitungssystems, wie beispielsweise die Werkstückdicke, die Zusammensetzung usw., können während der gesamten Temperaturänderung als konstant betrachtet werden. Auf diese Weise kann das durch den einen oder die mehreren Sensoren erhaltene Messergebnis direkt mit der Temperatur des Werkstücks (z.B. als Änderung der Temperatur zwischen der Anfangstemperatur und der aktuellen Temperatur) als Funktion des Transmissionsvermögens des Werkstücks verknüpft werden.
10 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Prozesses (1000) zum Bestimmen der Temperatur eines Werkstücks in einer thermischen Verarbeitungskammer basierend zumindest teilweise auf einer Messung elektromagnetischer Strahlung gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Prozess (1000) kann unter Verwendung des thermischen Verarbeitungssystems 100 von 1, des thermischen Verarbeitungssystems 200 von 2 und/oder des thermischen Verarbeitungssystems 500 von 5 ausgeführt werden. Wie nachstehend ausführlich erörtert wird, kann der Prozess (1000) innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung gemäß beispielhaften Aspekten der vorliegenden Erfindung unter Verwendung anderer thermischer Verarbeitungssysteme ausgeführt werden. 10 zeigt Schritte, die in einer bestimmten Reihenfolge ausgeführt werden, zum Zweck der Veranschaulichung und Diskussion. Der Durchschnittsfachmann wird unter Verwendung der hierin dargestellten Beschreibung verstehen, dass verschiedene Schritte jedes der hierin beschriebenen Verfahren innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung weggelassen, erweitert, gleichzeitig ausgeführt, neu angeordnet und/oder auf verschiedene Weise modifiziert werden können. Außerdem können innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung verschiedene zusätzliche Schritte (nicht dargestellt) ausgeführt werden.
Bei (1002) kann der Prozess das Bestimmen eines Emissionsvermögens eines Werkstücks in einem zweiten Wellenlängenbereich bei einer oder mehreren Referenztemperaturen aufweisen. Beispielsweise kann das Werkstück ein Werkstück 110 sein. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen das Emissionsvermögen eines Werkstücks gemessen werden, indem elektromagnetische Strahlung von einer oder mehreren Messstrahlungsquellen mit einer bekannten Intensität mit dem Werkstück in Wechselwirkung gebracht wird und die Intensität der durch die eine oder die mehreren Messstrahlungsquellen emittierten elektromagnetischen Strahlung nach der Wechselwirkung mit dem Werkstück gemessen wird. Beispielsweise kann die eine oder können die mehreren Messstrahlungsquellen eine beliebige geeignete Strahlungsquelle sein, wie beispielsweise die eine oder die mehreren Wärmequellen, die zum Erwärmen des Werkstücks verwendet werden, die eine oder die mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen oder eine andere geeignete Strahlungsquelle. In einigen Ausführungsformen kann das Werkstück für die durch die eine oder die mehreren Messstrahlungsquellen emittierte elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise transparent sein. Auf diese Weise kann ein erster Teil der durch die eine oder die mehreren Messstrahlungsquellen emittierten elektromagnetischen Strahlung durch das Werkstück zu einer Seite der Verarbeitungskammer gelangen, die der einen oder den mehreren Messstrahlungsquellen gegenüberliegt, und kann ein zweiter Teil der elektromagnetischen Strahlung von einer Oberfläche des Werkstücks reflektiert werden. Der erste Teil und der zweite Teil können gemessen und verwendet werden, um das Emissionsvermögen des Werkstücks zu bestimmen. Dies kann über eine oder mehrere Referenztemperaturen wiederholt werden, um das Emissionsvermögen des Werkstücks bei der einen oder den mehreren Referenztemperaturen zu bestimmen.
Bei (1004) kann der Prozess das Vergleichen der elektromagnetischen Strahlung in dem von einem Werkstück emittierten zweiten Wellenlängenbereich mit dem Emissionsvermögen bei der einen oder den mehreren Referenztemperaturen aufweisen, um die Temperatur des Werkstücks zu bestimmen. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen der zweite Wellenlängenbereich einem Wellenlängenbereich entsprechen, in dem das Werkstück eine erhebliche Menge an Wärmestrahlung emittiert. Basierend auf der durch den einen oder die mehreren Sensoren erhaltenen Messergebnis kann die Temperatur des Werkstücks bestimmt werden. Beispielsweise kann eine Intensität der Wärmestrahlung, die durch den einen oder die mehreren Sensoren gemessen wird, mit einem Diagramm, einer Grafik, einer Lookup-Tabelle usw. der Temperatur als Funktion der Wärmestrahlungsintensität bei einer Wellenlänge verglichen werden, um die Temperatur des Werkstücks zu bestimmen.
Basierend auf der gemessenen Temperatur des Werkstücks kann ein oder können mehrere Prozessparameter des thermischen Verarbeitungssystems gesteuert werden. Beispielsweise kann die gemessene Temperatur in einer Rückkopplungsschleife verwendet werden und kann die Intensität der einen oder der mehreren Wärmequellen gesteuert werden, um die Temperatur des Werkstücks einzustellen und/oder aufrechtzuerhalten. Beispielsweise kann die Intensität der einen oder der mehreren Wärmequellen eingestellt werden, um das Werkstück auf eine gewünschte Verarbeitungstemperatur zu erwärmen.
Obwohl der Gegenstand der vorliegenden Erfindung in Bezug auf spezifische beispielhafte Ausführungsformen davon ausführlich beschrieben worden ist, versteht es sich, dass der Fachmann anhand der vorstehenden Beschreibung ohne weiteres in der Lage ist, Änderungen und Variationen solcher Ausführungsformen vorzunehmen und äquivalente Ausführungsformen zu realisieren. Daher ist der Umfang der vorliegenden Erfindung eher beispielhaft und nicht im einschränkenden Sinne zu verstehen, und die Erfindung schließt die Aufnahme solcher Modifikationen, Variationen und/oder Ergänzungen des vorliegenden Gegenstands nicht aus, wie für einen Durchschnittsfachmann ohne weiteres ersichtlich ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62/725414 [0001]
US 62/720967 [0001]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Systems and Methods for Thermal Processing and Temperature Measurement of a Workpiece at Low Temperatures‟‟, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Prioritätsvorteil der am 22. August 2018 [0001]

Claims

Thermische Verarbeitungsvorrichtung, mit: einer Verarbeitungskammer mit einem Werkstückträger, wobei der Werkstückträger dafür konfiguriert ist, ein Werkstück zu tragen; einer oder mehreren Wärmequellen, die dafür konfiguriert sind, elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich zu emittieren, um das Werkstück auf eine Verarbeitungstemperatur zu erwärmen, wobei die Verarbeitungstemperatur etwa 50°C bis etwa 150°C beträgt; und einem oder mehreren Sensoren, die dafür konfiguriert sind, ein Messergebnis für elektromagnetische Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich zu erhalten, wenn sich das Werkstück bei der Verarbeitungstemperatur befindet, wobei der zweite Wellenlängenbereich vom ersten Wellenlängenbereich verschieden ist.
Thermische Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, mit einem oder mehreren Prozessoren, die dafür konfiguriert sind, eine Temperatur des Werkstücks zumindest teilweise basierend auf dem durch den einen oder die mehreren Sensoren erhaltenen Messergebnis für die elektromagnetische Strahlung zu bestimmen.
Thermische Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die eine oder die mehreren Wärmequellen elektromagnetische Strahlung in einem schmalbandigen Infrarotbereich emittieren.
Thermische Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Wellenlängenbereich in einem Bereich von ungefähr 850 Nanometern bis ungefähr 950 Nanometern liegt.
Thermische Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Wellenlängenbereich derart ist, dass das Werkstück im ersten Wellenlängenbereich und bei der Verarbeitungstemperatur ein Absorptionsvermögen von mehr als etwa 0,5 aufweist.
Thermische Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren Sensoren durch ein oder mehrere Fenster, die für den zweiten Wellenlängenbereich transparent sind, ein Sichtfeld auf mindestens einen Teil des Werkstücks aufweisen.
Thermische Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung eine gekühlte Öffnung oder ein gekühltes Rohr zum Begrenzen eines Sichtfelds des einen oder der mehreren Sensoren aufweist.
Therm ische Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren Sensoren dafür konfiguriert sind, elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich während einer Zeitdauer zu messen, in der die eine oder die mehreren Wärmequellen keine elektromagnetische Strahlung im ersten Wellenlängenbereich emittieren.
Thermische Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die eine oder die mehreren Wärmequellen eine oder mehrere Leuchtdioden aufweisen.
Thermische Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Werkstück leicht dotiertes Silizium aufweist.
Thermische Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei zwischen dem ersten Wellenlängenbereich und dem zweiten Wellenlängenbereich keine Überlappung vorhanden ist.
Thermische Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit einer oder mehreren zusätzlichen Strahlungsquellen, die dafür konfiguriert sind, elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich zu emittieren, wobei das Werkstück für die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich zumindest teilweise transparent ist, und wobei die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich das Werkstück durchläuft, bevor sie durch den einen oder die mehreren Sensoren gemessen wird.
Thermische Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei der zweite Wellenlängenbereich eine Wellenlänge aufweist, die größer ist als etwa 1000 Nanometer.
Thermische Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das durch den einen oder die mehreren Sensoren erhaltene Messergebnis ein Transmissionsvermögen des Werkstücks anzeigt, wobei die Vorrichtung einen oder mehrere Prozessoren aufweist, die dafür konfiguriert sind, die Temperatur des Werkstücks zumindest teilweise durch Vergleichen des durch den einen oder die mehreren Sensoren erhaltenen Messergebnisses, das das Transmissionsvermögen des Werkstücks anzeigt, mit einem Referenztransmissionsspektrum für eine Probe mit einer bekannten Anfangstemperatur zu bestimmen.
Thermische Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite Wellenlängenbereich eine Wellenlänge von ungefähr 7 Mikrometer bis ungefähr 17 Mikrometer enthält.
Thermische Verarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung einen oder mehrere Prozessoren aufweist, die dafür konfiguriert sind, die Temperatur des Werkstücks zumindest teilweise basierend auf einem Emissionsvermögen des Werkstücks zu bestimmen, wobei das Emissionsvermögen des Werkstücks in situ gemessen wird.
Verfahren zum thermischen Verarbeiten eines Werkstücks, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Erwärmen des Werkstücks auf eine Verarbeitungstemperatur unter Verwendung einer oder mehrerer Wärmequellen, wobei die eine oder die mehreren Wärmequellen dafür konfiguriert sind, elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich zu emittieren; Messen elektromagnetischer Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich durch einen oder mehreren Sensoren, während sich das Werkstück auf der Verarbeitungstemperatur befindet, wobei der zweite Wellenlängenbereich vom ersten Wellenlängenbereich verschieden ist; Bestimmen einer Temperatur des Werkstücks zumindest teilweise basierend auf der durch den einen oder die mehreren Sensoren gemessenen elektromagnetischen Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich; und Steuern der einen oder der mehreren Wärmequellen zumindest teilweise basierend auf der Temperatur des Werkstücks, um die Temperatur des Werkstücks einzustellen oder aufrechtzuerhalten.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Messen der elektromagnetischen Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich durch den einen oder die mehreren Sensoren die Schritte aufweist: Emittieren der elektromagnetischen Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich durch eine oder mehrere zusätzliche Strahlungsquellen; und Messen der elektromagnetischen Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich durch den einen oder die mehreren Sensoren, wobei die elektromagnetische Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich das Werkstück durchläuft, bevor sie durch den einen oder die mehreren Sensoren empfangen wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Bestimmen der Temperatur des Werkstücks zumindest teilweise basierend auf der durch den einen oder die mehreren Sensoren gemessenen elektromagnetischen Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich aufweist: Bestimmen eines Referenztransmissionsspektrums, das mit dem Werkstück in Beziehung steht; Bestimmen des Transmissionsvermögens des Werkstücks zumindest teilweise basierend auf der durch den einen oder die mehreren Sensoren gemessenen elektromagnetischen Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich; und Bestimmen der Temperatur des Werkstücks zumindest teilweise basierend auf dem Referenztransmissionsspektrum und dem Transmissionsvermögen des Werkstücks.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Bestimmen der Temperatur des Werkstücks zumindest teilweise basierend auf der durch den einen oder die mehreren Sensoren gemessenen elektromagnetischen Strahlung im zweiten Wellenlängenbereich aufweist: Bestimmen eines Emissionsvermögens des Werkstücks im zweiten Wellenlängenbereich bei einer oder mehreren Referenztemperaturen; und Bestimmen der Temperatur des Werkstücks zumindest teilweise basierend auf dem Emissionsvermögen des Werkstücks im zweiten Wellenlängenbereich bei der einen oder den mehreren Referenztemperaturen.