DE19855683A1 - Verfahren zum Messen elektromagnetischer Strahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen elektro­ magnetischer Strahlung, die von einer Oberfläche eines Gegenstands abgestrahlt wird, der durch elektromagneti­ sche, von wenigstens einer Strahlungsquelle abgegebenen elektromagnetischen Strahlung bestrahlt wird, wobei die von der Strahlungsquelle abgegebene Strahlung mit wenig­ stens einem ersten Detektor und die vom bestrahlten Ge­ genstand abgegebene Strahlung mit wenigstens einem zwei­ ten, die Strahlung messenden Detektor ermittelt wird.

Ein Verfahren dieser Art ist beispielsweise aus der US-5 490 728 A im Zusammenhang mit der Fertigung von Halbleitersubstraten in einer Reaktionskammer bekannt. Die von der Strahlungsquelle abgegebene elektromagneti­ sche Strahlung ist dabei naturgemäß mit einer Welligkeit überlagert, die durch Schwankungen der Netzspannung oder auf Grund von phasen-Anschnittssteuerungen ungewollt auf­ treten. Auf diese Welligkeit kann jedoch kein Einfluß ge­ nommen werden, und sie kann auch nicht bewußt gewählt werden. Sie ist daher für eine bewußte Ausnutzung als Charakteristik der von der Strahlungsquelle abgegebenen Strahlung - wenn überhaupt - nur bedingt tauglich.

Ferner sei auf die DE-A-26 27 753 verwiesen, welche eine Vorrichtung zur Dickenmessung und -steuerung optisch wirksamer Dünnschichten während ihres Aufbaus in Vakuum­ beschichtungsanlagen zeigt. Die Messung und Steuerung wird erreicht durch Erfassen des Reflexions- bzw. Trans­ missionsverhaltens von Schichtdicken zwischen Bruchteilen und einigen Vielfachen der Wellenlänge des verwendeten, im wesentlichen monochromatischen Meßlichts und durch Un­ terbrechung des Beschichtungsvorgangs bei Erreichen einer vorbestimmten Schichtdicke. Die Vorrichtung besteht aus einer Meßlichtquelle für einen fokusierten Meßlicht­ strahl, eine Zerhackervorrichtung, einen in der Achse des Meßlichtstrahls unter einem Winkel von 45° angeordneten Strahlenteiler, einem Meßlichtempfänger mit vorgeschalte­ tem Monochromator, sowie aus einer Differenziereinrich­ tung für das Meßsignal und einer Unterbrechungseinrich­ tung für den Beschichtungsvorgang. Darüber hinaus ist in der DE-A-42 24 435 ein optisches Interface für die Infra­ rotüberwachung von Klarsichtscheiben beschrieben, bei dem das Licht einer Infrarotstrahlungsquelle durch Lichtwel­ lenleiter ins Innere des Interface geleitet und dort zum Belichten der Scheibenoberfläche ausgestrahlt wird. Die an der zu überwachenden Scheibe reflektierte Strahlung wird durch den Eingang eines anderen Lichtwellenleiters aufgenommen und durch den Lichtwellenleiter über einen Tageslichtfilter auf einen Photodetektor geleitet. Wei­ terhin zeigt die US-A-5 270 222 ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine Diagnose und Prognose bei der Her­ stellung von Halbleitervorrichtungen. Die Vorrichtung weist einen Sensor für die Diagnose und Prognose auf, der unterschiedliche optische Eigenschaften eines Halbleiter­ wafers mißt. Der Sensor weist einen Sensorarm und einen optoelektronische Steuerbox auf, zum Leiten kohärenter elektromagnetischer oder optischer Energie in Richtung des Halbleiterwafers.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem die Messung elektromagnetischer Strahlung und die Ermitt­ lung der daraus abgeleiteten Parameter und Werte auf ein­ fache Weise noch genauer durchgeführt werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge­ löst, daß die von wenigstens einer Strahlungsquelle ab­ gegebene Strahlung mit wenigstens einem charakteristi­ schen Parameter aktiv moduliert wird, und daß die vom zweiten Detektor ermittelte Strahlung zur Kompensation der vom Gegenstand reflektierten Strahlung der Strah­ lungsquelle durch die vom ersten Detektor ermittelte Strahlung korrigiert wird. Die Strahlungsquelle ist vor­ zugsweise eine Heizlampe und der bestrahlte Gegenstand ist vorzugsweise ein Halbleitersubstrat, das einer ther­ mischen Behandlung unterzogen wird.

Auf Grund der bewußten, aktiven und dadurch bekannten Mo­ dulation der Strahlungsquelle mit einem charakteristi­ schen Parameter ist es möglich, die Unterscheidung zwi­ schen der vom Gegenstand selbst abgestrahlten Strahlung, die für die Ermittlung der Eigenschaften des Gegenstands erforderlich ist, noch genauer von der vom Gegenstand re­ flektierten Strahlung der Strahlungsquelle zu unter­ scheiden. Auf diese Weise ist es möglich, die Eigenschaf­ ten des Gegenstands, beispielsweise die Temperatur, die Emissivität, die Transmissivität, die Reflektivität oder die Schichtdicken oder -eigenschaften eines vom Material des Gegenstands unterschiedlichen Materials auf dem Ge­ genstand noch genauer und in Realzeit zu bestimmen.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die aktive Modulation der von der Strah­ lungsquelle abgegebenen Strahlung zu deren Charakteri­ sierung bei der Korrektur der vom zweiten Detektor ermit­ telten Strahlung herangezogen. Durch die aktive und damit bekannte Modulation der von der Strahlungsquelle abgege­ benen Strahlung ist die Charakterisierung und damit Un­ terscheidung dieser Strahlung von der eigentlich zu mes­ senden Strahlung, die vom Gegenstand abgegeben wird, be­ sonders einfach, zuverlässig und quantitativ genau.

Die von der Strahlungsquelle abgegebene Strahlung ist vorzugsweise amplituden-, frequenz- und/oder phasen-mo­ duliert. Je nach den vorhandenen Gegebenheiten und Er­ fordernissen ist die Wahl der Modulationsart wählbar, wo­ bei die Modulationsart insbesondere auch im Hinblick auf die Einfachheit und Zuverlässigkeit des Modulations­ verfahrens, aber auch des Auswerteverfahrens und des De­ tektionsverfahrens auswählbar ist. Dabei ist unter Amp­ litudenmodulation die Modulation der Modulationsamplitude zu verstehen. Bevorzugt wird jedoch mit Intensitätsmodu­ lation gearbeitet, deren Amplitude nicht moduliert wird, sondern eventuell langsam variiert.

Neben der Modulationsart ist es auch möglich, jede Signal­ form der Modulation einzusetzen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, daß bei einer Amplitudenmodulation eine Signalform mit möglichst stetigem Signalverlauf verwendet wird. Dies hat den Vorteil, daß auch bei einer Fourrier- Transformation hohe Frequenzen im wesentlichen nicht auf­ treten und daher auch die Zahl der Abtastungen pro Zeit­ einheit bei der Detektion bzw. Verarbeitung des detek­ tierten Signals gering bleiben kann, so daß mit einem einfachen Auswerteverfahren dennoch eine gute und genaue Messung durchführbar ist.

Allgemein kann die Modulation des charakteristischen Pa­ rameters mit einem periodischen oder nichtperiodischen Signal erfolgen. Eine nichtperiodische Modulation läßt sich z. B. dadurch erhalten, daß der charakteristische Parameter mit einem positiven oder negativen Inkrement, das mittels eines Zufallsmechanismuses erzeugt wird, über eine Verknüpfungsoperation (z. B. Addition, Multiplikati­ on oder einer Verknüpfung mit einer Look-up-Tabelle) ver­ knüpft wird. Dabei wird das Inkrement nach Ablauf eines Zeitintervalls jeweils neu nach einem Zufallsprinzip be­ stimmt. Das Zeitintervall selbst kann dabei konstant, nach einer vordefinierten Funktion oder wiederum nach ei­ nem Zufallsprinzip bestimmt werden. Wichtig bei der nichtperiodischen Modulation ist, daß die durch Zu­ fallsprinzipien bestimmten Parameter (Inkrement und/oder Zeitintervall) bekannt und innerhalb einer Auswertevor­ richtung oder eines Auswerteverfahrens zur Signalanalyse zu Verfügung stehen. Die durch ein Zufallsprinzip be­ stimmten Parameter (Inkrement und/oder Zeitintervall) können einer beliebig vordefinierten Verteilungsfunktion genügen. Sie können z. B. gleich-, gauß- oder poissonver­ teilt sein, wodurch die jeweiligen Erwartungswerte der Parameter ebenfalls vordefiniert sind. Der Vorteil einer nichtperiodischen Modulation liegt darin, daß dadurch pe­ riodische Störeinflüsse unterdrückt werden können.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die Strahlungsquelle aus mehreren Ein­ zel-Strahlungsquellen, beispielsweise aus mehreren Lampen besteht, die zu einer oder mehreren Lampenbänken zusam­ menfaßbar sind. Gemäß vorteilhaften Ausführungsformen im Zusammenhang mit aus mehreren Lampen bestehenden Strah­ lungsquellen ist wenigstens eine der Lampen in ihrer Strahlung moduliert. An sich kann die Modulation der Strahlung einer Lampe zur Erzielung der Vorteile des er­ findungsgemäßen Verfahrens ausreichen, obgleich die Mo­ dulation von nur einer Lampe nur unter Einschränkungen an die Universalität des Meßverfahrens überhaupt ein sinn­ volles Ergebnis liefert. Eine besonders einfache An­ steuerung der Lampen mit einem einzigen Leistungsschalter ist insbesondere auch dann gegeben, wenn wenigstens zwei Lampen oder alle Lampen hinsichtlich ihrer Strahlung in der gleichen Weise moduliert werden. Vorteilhaft ist die Modulation der Strahlung von nur einer oder einigen Lam­ pen, um unerwünschte Reflexionen zu vermeiden.

Je nach den Anwendungsfällen und Gegebenheiten ist es je­ doch auch vorteilhaft, die Strahlung der Lampen unter­ schiedlich zu modulieren, beispielsweise dann, wenn die Lampenstrahlung in Abhängigkeit von der Lage der Lampen oder von der jeweils spezifischen Lampe gegenüber der Strahlung anderer Lampen oder gegenüber anderen Lampen unterschieden werden soll.

Die Strahlenmodulation der einzelnen Lampen oder Strah­ lungsquellen ist vorzugsweise für wenigstens einige von ihnen zeitlich synchron oder in einer festen zeitlichen Zuordnung zueinander vorgesehen, obgleich in bestimmten Anwendungsfällen auch zeitlich nicht synchrone Strahlen­ modulationen vorteilhaft sein können.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung ist der Modulationsgrad und insbesondere die Mo­ dulationstiefe der von der Strahlungsquelle abgegebenen Strahlung, - gegebenenfalls auch von Strahlungsquelle zu Strahlungsquelle unterschiedlich -, von der abgestrahlten Lampenintensität unabhängig. Diese sogenannte Absolut-Mo­ dulation ist also unabhängig vom Grundpegel oder Gleich­ stromsignal, mit dem die Strahlungsquelle oder Lampe an­ gesteuert wird. Diese Ausführungsform der Erfindung weist den Vorteil auf, daß während des Anstiegs der Intensität der Strahlenquelle, der gegebenenfalls schnell vorgenom­ men werden soll, die volle Ansteuerung ausgenutzt werden kann und nicht durch eine zu große Modulation in ihrer Intensität eingeschränkt ist.

In anders gelagerten Anwendungsfällen ist jedoch die Aus­ führungsform der Erfindung vorteilhafter, bei der der Mo­ dulationsgrad bzw. die Modulationstiefe von der abge­ strahlten Intensität der Strahlungsquelle abhängig ist. Diese sogenannte Relativ-Modulation, bei der beispiels­ weise die Stärke des Wechselstrom-Ansteuersignals von der Stärke des Gleichstrom-Ansteuersignals der Strahlungs­ quelle abhängt oder ihr proportional ist, hat den Vor­ teil, daß der relative Modulationsgrad konstant ist oder sich nur in geringerem Maße ändert, wodurch die Detektion der Modulation und die Auswertung einfacher und mit we­ niger aufwendigen Geräten durchführbar ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Modulationsgrad oder die Modulationstiefe gesteuert oder auch aktiv geregelt.

Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist Lampenintensität und/oder die Modulation selbst pulsweiten-moduliert. Gemäß einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform der Erfindung wird die Strahlung der Strahlungsquelle durch Verwendung von Ta­ bellenwerten mit einem Datenverarbeitungsprogramm modu­ liert. Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht auch darin, die Strahlung durch Ändern der Zählerfrequenz von Generatoren für die Pulsweiten-Mo­ dulation zu modulieren.

Die Lampenleistung wird durch Pulsweiten-Modulation ver­ ändert. Die Strahlungsintensität ist dabei eine Funktion der Wendeltemperatur, die jedoch im stationären, einge­ schwungenen Zustand direkt mit der Lampenleistungen kor­ respondiert.

Die Strahlung der Strahlungsquelle wird vorzugsweise durch eine Modulation des Ansteuersignals bzw. der An­ steuersignale für die Strahlungsquelle bzw. die Lampen moduliert. Wie im weiteren im einzelnen noch ausgeführt werden wird, ist die Stelle, an der das Ansteuersignal innerhalb der Signalerzeugung moduliert wird, je nach den Erfordernissen und Gegebenheiten wählbar. Besonders vor­ teilhaft ist es dabei, wenn das Ansteuersignal nach des­ sen Erzeugung unmittelbar vor Zuführung zu der Strah­ lungsquelle oder den Lampen moduliert wird.

Die vorliegende Erfindung ist mit großem Vorteil zur Be­ stimmung der Temperatur, Reflektivität und/oder Emissi­ vität eines Gegenstands anwendbar, beispielsweise im Zu­ sammenhang mit einer Vorrichtung zur thermischen Behand­ lung von Substraten etwa in einem Ofen, in dem die Sub­ strate schnell und mit einem möglichst genauen, vorgege­ benen Temperaturverlauf aufgeheizt und abgekühlt werden.

Gemäß der Erfindung wird also die von wenigstens einer Strahlungsquelle, beispielsweise eine Heizlampe abgege­ bene Strahlung und die vom aufzuheizenden Gegenstand her­ rührende Strahlung ermittelt, wobei sich letztere aus der von dem Gegenstand emittierten Strahlung und der am Ge­ genstand reflektierten Strahlung zusammensetzt. Durch die beiden Messungen ist es möglich, die vom Gegenstand re­ flektierte Strahlung der Strahlungsquellen heraus zu kor­ rigieren und damit die emittierte Strahlung, also die Wärmestrahlung des Gegenstands zu bestimmen, der norma­ lerweise und auch im Falle eines Wafers kein schwarzer Strahler ist. Bei Kenntnis der Emissivität dieses Gegen­ standes kann nunmehr auf die Strahlung eines schwarzen Körpers zurückgerechnet werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Amplituden der modulierten Komponenten, die auch als Wechselstrom- bzw. Wechselspannungs(AC)-Komponenten bezeichnet werden, ins Verhältnis gesetzt, die vom für den Gegenstand vor­ gesehenen Strahlungsdetektor und vom für die Strahlungs­ quellen vorgesehenen Strahlungsdetektor gemessen werden. Die sich aus dem Amplitudenverhältnis ergebende Zahl ist in erster Näherung proportional zur Reflektivität des Ge­ genstandes, beispielsweise des Wafers. Diese Zahl wird nun zweimal für die weitere Auswertung benutzt. Erstens wird sie benutzt, um die von dem Gegenstand emittierte Strahlung, also die Wärmestrahlung des Gegenstandes von der am Gegenstand reflektierten Strahlung der Strahlungs­ quelle zu unterscheiden. Zweitens wird diese Zahl be­ nutzt, um die vom Gegenstand emittierte Strahlung, also die Wärmestrahlung auf die Strahlung eines schwarzen Kör­ pers der gleichen Temperatur zurück zu skalieren. Durch Einsetzen des dabei gewonnenen, zurückskallierten Tempe­ raturwert in die invertierte Planck'sche Strahlungsformel ergibt sich dann eindeutig eine Temperatur. Da das ge­ nannte Amplitudenverhältnis der Modulationen bei der Aus­ wertung also zweimal verwendet wird, muß dieses möglichst genau gemessen werden, um bei der Auswertung und der Er­ mittlung der Temperatur des Gegenstandes genaue Werte zu erhalten. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine wesentlich genauere Bestimmung dieses Ampli­ tudenverhältnisses, da die Modulationsparameter für jeden Heizzustand optimal vorgebbar sind und sowohl die Modu­ lation als auch deren Auswertung wesentlich vereinfacht wird.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung ist der erste Detektor ein Strahlungsdetektor, der auf einfache und zuverlässige Weise die von der Strahlungsquelle abgegebene Strahlung mißt. Dabei wird die von der Strahlungsquelle abgegebene Strahlung vor­ teilhafterweise über optische Leitungen oder Lichtkanäle zu dem Strahlungsdetektor geleitet. Um eine akkurate Mes­ sung zu gewährleisten, sind die Strahlungsquellen und die optischen Leitungen oder Lichtkanäle relativ zueinander derart angeordnet, daß der erste Strahlungsdetektor ein Signal erzeugt, das frei von Einflüssen von Filamenthal­ tevorrichtungen oder anderen, den Strahlungsfluß oder die Strahlungstemperatur der Strahlungsquelle beeinträchti­ gender Mittel ist.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der erste Detektor ein Temperatursensor, wie z. B. ein Thermoelement, sein, mit dem die Lampentemperatur und so­ mit die abgestrahlte Intensität ermittelbar ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mißt der erste Detektor einen beliebigen mit der von der Strah­ lungsquelle abgegebenen Strahlung in Beziehung stehenden Parameter. So kann z. B. die Intensität über ein Impe­ danz-Meßvorrichtung, die die Impedanz (z. B. den Ohmschen Widerstand) eines Lampenfilaments mißt, ermittelt werden. Über eine geeignete Verarbeitungseinheit kann bei Kennt­ nis der Impedanz-Intensitäts-Relation der Strahlungsquel­ le, wie z. B. einer Heizlampe, deren abgestrahlte Inten­ sität bzw. ein hierzu proportionaler Parameter ermittelt werden.

Die Erfindung wird nachstehend im Zusammenhang mit dem Beispiel einer Vorrichtung zum Aufheizen von Halbleiter­ wafern unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Schnellheizanlage zur Behandlung von Halbleiterwafern in schema­ tischer Darstellung,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der in Fig. 1 einge­ zeichneten Schnittlinie II-II,

Fig. 3a und 3b schematische Diagramme zur Erläuterung des Modulationsgrads bzw. der Modulationstiefe unab­ hängig oder in Abhängigkeit von der Basisintensi­ tät der Strahlungsquelle und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Blockschalt­ bilds zur Ansteuerung einer Strahlungsquelle bzw. einer Lampe nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform eines Schnellheizofens zur Behandlung von Halbleiterwafern 2 zeigt eine vorzugsweise aus Quarzglas bestehende Reak­ tionskammer 1 mit einem darin befindlichen Halbleiter­ wafer 2. Die Reaktionskammer 1 ist von einem Gehäuse 3 um­ geben, das jeweils oben und unten Lampen 4, 5 aufweist, deren Strahlung auf die Reaktionskammer 1 gerichtet sind.

Vorteilhafterweise besteht die Reaktionskammer 1 im we­ sentlichen aus einem für die Lampenstrahlung im wesentli­ chen transparenten Material, das auch hinsichtlich der Meßwellenlängen oder der Meßwellenlängenspektren der Py­ rometer oder der verwendeten Strahlungsdetektoren trans­ parent ist. Mit Quarzgläser und/oder Saphir, die einen über das Lampenspektrum gemittelten Absorptionskoeffi­ zienten von etwa 0.1 1/cm bis 0.001 1/cm haben, lassen sich geeignete Reaktionskammern für Schnellheizsysteme aufbauen, bei denen die Dicke der Reaktionskammerwand zwischen 1 mm und mehreren Zentimetern, beispielsweise 5 cm betragen kann. Je nach Reaktionskammerwanddicke kann die Materialauswahl hinsichtlich des Absorptionskoeffizi­ enten erfolgen.

Kammerwanddicken im Zentimeterbereich sind insbesondere dann erforderlich, wenn in der Reaktionskammer 1 ein Un­ terdruck (bis hin zum Ultra-Hochvakuum) oder ein Über­ druck erzeugt werden soll. Beträgt beispielsweise der Re­ aktionskammerdurchmesser etwa 300 mm, so erhält man mit einer Quarzglasdicke von ca. 12 mm bis 20 mm eine hinrei­ chende mechanische Stabilität der Kammer 1, so daß diese evakuiert werden kann. Die Reaktionskammerwanddicke wird entsprechend dem Wandmaterial, der Kammergröße und der Druckbelastungen dimensioniert.

Ein schematisch dargestelltes Pyrometer 6 (vgl. insbeson­ dere Fig. 2) mit einem großen Eintrittswinkel mißt die vom Halbleiterwafer 2 emittierte Strahlung sowie die am Halbleiterwafer 2 reflektierte Strahlung der Lampen 5, die im dargestellten Ausführungsbeispiel als Stablampen ausgebildet sind. Eine Anordnung dieser Art ist bekannt und beispielsweise in der DE 44 37 361 C oder der nicht vorveröffentlichten DE 197 37 802 A derselben Anmelderin beschrieben, so daß zur Vermeidung von Wiederholungen darauf Bezug genommen wird, und diese Druckschriften in­ sofern zum Inhalt der vorliegenden Beschreibung gemacht werden.

Als Stablampen werden bevorzugt Halogenlampen verwendet, deren Filament wenigstens teilweise eine Wendelstruktur aufweisen. Durch eine wenigstens teilweise Wendelstruktur läßt sich vorteilhaft ein bestimmtes vordefiniertes geo­ metrisches und spektrales Abstrahlprofil der Lampe er­ reichen. Hierbei kann das Filament der Lampe z. B. ab­ wechselnd gewendelte und ungewendelte Filamentabschnitte umfassen. Das Abstrahlprofil (sowohl das geometrische als auch das spektrale) ist in diesem Falle im wesentlichen durch den Abstand benachbarter gewendelter Filamentab­ schnitte bestimmt. Eine weitere Möglichkeit das Lampenab­ strahlprofil zu definieren besteht z. B. darin, daß die Dichte der Filamentstruktur (z. B. der Wendeldichte) ent­ lang des Filaments variiert wird.

Soll das Lampenprofil steuerbar sein, so lassen sich vor­ teilhaft Lampen, vorzugsweise Stablampen, mit mehreren einzelansteuerbaren Filamenten einsetzen. Lampen mit steuerbarem Lampenprofil sind insbesondere in Schnell­ heizanlagen zur Wärmebehandlung großflächiger Substrate, wie z. B. 300 mm-Halbleiterwafer, vorteilhaft, da sich mit diesen Lampen und einer geeigneten Lampenansteuervorrich­ tung ein sehr homogenes Temperaturprofil entlang der Sub­ stratoberfläche erzielen läßt. Durch die Superposition der Einzelabstrahlprofile der Filamente ergibt sich ein in weiten Bereichen einstellbares Gesamtabstrahlprofil der Lampe. Im einfachsten Falle umfaßt z. B. eine Halo­ genlampe zwei Filamente, z. B. jeweils mit Wendelstruktur oder wenigstens teilweise gewendelter Struktur, wobei die Wendeldichte und/oder der Abstand der gewendelten Fila­ mentabschnitte des ersten Filaments vom ersten Ende zum zweiten Ende der Lampe zunimmt, und die Wendeldichte und/oder der Abstand der gewendelten Filamentabschnitte des zweiten Filaments entsprechend umgekehrt vom ersten zum zweiten Ende der Lampe abnimmt. Das Gesamtabstrahl­ profil kann somit durch die Wahl der Stromstärke in den beiden Filamenten in weiten Bereichen variiert werden. Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit einer Lampe mit steuerbarem Abstrahlprofil besteht darin, daß das Fila­ ment der Lampe wenigstens drei elektrische Anschlüsse um­ faßt, wobei jeweils zwischen den Anschlüssen unterschied­ liche Betriebsspannungen gelegt werden. Dadurch läßt sich abschnittsweise die Filamenttemperatur, und damit die Ab­ strahlcharakteristik der Lampe, entlang des Filaments steuern.

Alternativ zu den bisher beschriebenen Lampen lassen sich auch Plasma- oder Bogenlampen einsetzen, wobei auch hier das Abstrahlprofil einstellbar ist. So läßt sich bei­ spielsweise das Lampenspektrum über die Stromdichte vom UV-Bereich bis hin zum nahen Infrarot einstellen. Die Bo­ genlampen haben hinsichtlich der aktiven Modulation den Vorteil, daß sie mit höherer Modulationsfrequenz betrie­ ben werden können. Dadurch vereinfachen sich sowohl die Signalverarbeitungselektronik als auch die Auswertever­ fahren.

Ein weiteres Pyrometer 7 erhält über optische Leitungen oder Lichtkanäle 8 das von den Lampen 5 abgestrahlte Licht direkt zugeleitet. Dabei sind die Strahlungsquellen und/oder die Lichtkanäle bevorzugt so angeordnet, daß das Lampenpyrometersignal von einem Lampen- oder Filamentab­ schnitt resultiert, der frei von Filamenthaltevorrichtun­ gen oder anderen, den Strahlungsfluß oder die Temperatur des durch die Lichtkanäle beobachteten Filament- oder Lampenabschnitts beeinträchtigenden Mitteln ist. Um Wie­ derholungen hinsichtlich des Lampenpyrometers 7 und der Anordnung zum Bestrahlen des Lampenpyrometers 7 mit dem Licht der Lampen 5 zu vermeiden, wird auf die das gleiche Anmeldedatum aufweisende DE 197 54 385 derselben Anmelde­ rin verwiesen, die insofern zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.

Die Ausgangssignale der Pyrometer 6 und 7 werden einer nicht dargestellten Auswerteschaltung zugeführt, die die vom Halbleiterwafer 2 emittierte Strahlung dadurch er­ mittelt, daß sie die auf das Pyrometer 6 fallende Strah­ lung mit der vom Pyrometer 7 ermittelten Strahlung in Be­ zug setzt und dadurch die Strahlung ermittelt, die vom Halbleiterwafer 2 emittiert wird. Dies ist deshalb mög­ lich, weil die von den Lampen 5 emittierte Strahlung ak­ tiv und in einer definierten Weise moduliert ist. Diese Modulation ist auch in der vom Wafer-Pyrometer 6 aufge­ nommenen Strahlung enthalten, so daß durch Vergleich oder in Beziehungsetzen der Modulationsgrade oder Modulations­ tiefen der von den Pyrometern 6 und 7 aufgenommenen Strahlung eine Kompensation der vom Halbleiterwafer 2 re­ flektierten Lampenstrahlung in der vom Waferpyrometer 6 aufgefangenen Strahlung möglich ist, und dadurch die vom Halbleiterwafer 2 emittierte Strahlung und damit dessen Temperatur, Reflektivität, Transmissivität und/oder Emissivität genau gemessen werden kann.

Ein weiteres, entsprechendes Lampenpyrometer, wie dies in Fig. 1 und 2 dargestellt und zuvor beschrieben ist, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform auch mit entspre­ chenden Lichtleitungen oder -schächten auf der anderen Seite des Gehäuses 3 zur Messung der Lampenstrahlung der oberen Lampen 4 vorgesehen sein. Das obere Lampenpyrome­ ter entspricht dabei in seiner Funktion dem des unteren Lampenpyrometers 7, indem das obere Lampenpyrometer die Strahlung und deren Intensität bezüglich der oberen Lam­ pen 4 mißt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Modulationsart oder der Modulationsgrad der Lampen der oberen Lampenbank unterschiedlich zum Modulationsgrad oder der Modulationsart der unteren Lampenbank ist. Durch Vergleich des vom Waferpyrometer 6 aufgenommenen Lichtes bzw. seiner Modulationsart oder seines Modulationsgrads mit der Modulationsart bzw. dem Modulationsgrad der mit dem oberen Lampen-Pyrometer ermittelten Intensität in ei­ ner nicht dargestellten Auswerteeinheit ist es darüber hinaus möglich, auch die Transmissivität des Halbleiter­ wafers 2 zu ermitteln und daraus Rückschlüsse auf die Temperatur, die Emissivität und/oder die Reflektivität des Wafers 2 zu ziehen.

In den Fig. 3a und 3b sind jeweils die Intensitäten I der Strahlungsquellen über der Zeit aufgetragen. Wie Fig. 3a zeigt, ist der Modulationsgrad bzw. die Modulationstiefe im wesentlichen konstant und unabhängig von der von der Strahlungsquelle abgegebenen Strahlungsintensität, wäh­ rend bei dem in Fig. 3b dargestellten Ausführungsbeispiel der Modulationsgrad oder die Modulationstiefe von der ab­ gestrahlten Intensität der Strahlungsquelle bzw. der Grö­ ße ihres Ansteuersignals abhängt bzw. zu ihr proportional dazu ist.

Die sogenannte Absolut-Modulation gemäß Fig. 3a weist den Vorteil auf, daß während des Hochheizens des Halbleiter­ wafers 2 bzw. der Reaktionskammer 1 die Heizleistung durch die Modulation praktisch nicht beeinträchtigt wird, und daher die gesamte Intensität für die schnelle Auf­ heizung zur Verfügung steht. Dagegen weist die sogenannte Relativ-Modulation gemäß Fig. 3b den Vorteil auf, den Mo­ dulationsgrad bzw. die Modulationstiefe um so stärker vorliegen zu haben, je höher die Abstrahlleistung der Strahlungsquellen ist. Ein Steuern oder aktives Regeln der Modulationstiefe ist ebenfalls möglich.

In Fig. 4 ist eine schematische Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Strahlungsquelle oder Lampen 11 zur Er­ zeugung einer Strahlung bzw. eines Strahlungsverlaufs für eine bestimmte Wafertemperatur bzw. eines bestimmten Tem­ peraturverlaufs dargestellt, mit der der Wafer 2 aufge­ heizt bzw. durch entsprechendes Abschalten oder Verrin­ gern der Intensität der Lampen abgekühlt werden soll.

In einem Komparator 11 wird die mit dem Waferpyrometer 6 indirekt gemessene Wafertemperatur (Anschluß 13) jeweils mit einer Soll-Temperatur 14 verglichen und das Ver­ gleichssignal einem Regler 15 zugeführt, an dessen Aus­ gang das Ansteuersignal entsprechend der Einstellelemente 16, 17 auf die beiden Lampen bzw. Lampenbänke aufgeteilt wird. Danach wird das Ansteuersignal durch Aufteiler 18, 19 auf die einzelnen Lampen 4, 5 der Lampenbänke aufge­ teilt, wobei der Übersichtlichkeit halber lediglich je­ weils ein Aufteiler 18, 19 konkret dargestellt ist, der das Ansteuersignal an die Lampe 4 bzw. 5 abgibt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Ansteuersignal un­ mittelbar vor der Lampe 4 bzw. 5 moduliert ist, da auf diese Weise Verzerrungen vermieden werden können, die durch die Lampenansteuerschaltung hervorgerufen werden könnten. In diesem Falle erfolgt die Modulation also am Schaltungspunkt 20 bzw. 21 durch nicht dargestellte Modu­ lationseinrichtungen, beispielsweise durch programmier­ bare Kurven-, Amplituden- und/oder Frequenzverläufe.

Die Modulation kann jedoch auch an anderen Stellen inner­ halb der Ansteuerschaltung gemäß Fig. 4, beispielsweise am Schaltungspunkt 22 oder am Schaltungspunkt 20 vor oder nach dem Regler 23 vorgenommen werden. In diesem Falle ist jedoch eine individuelle Modulation der Ansteuersig­ nale für jeweils eine Lampe nicht möglich, da die Modula­ tion des gemeinsamen Ausgangssignals einheitlich erfolgt.

Die Modulation ist mittels eines entsprechenden Datenver­ arbeitungsprogramms auf einfache Weise durchführbar. Durch Software-Tabellen lassen sich praktisch sämtliche Kurvenformen und Frequenzen frei programmieren, wobei die Länge der Tabelle die Frequenz bestimmt, da die Tabelle mit einer festen Zeitbasis (zum Beispiel 1 ms) abarbeit­ bar ist und nach Erreichen des Tabellenendes beliebig oft wiederholt werden kann. Die Tabelle kann zum Beispiel mit einer Basis von 2⁸ = 256 angelegt sein, wobei der Algo­ rithmus für die Modulation beispielsweise lautet:

Dabei ist C_mod der Modulationsgrad, der C_DC der Wert der nicht modulierten bzw. Grund-Intensität oder -Amplitude und T(n) sind die jeweiligen diskreten Tabellenwerte.

Auf diese Weise können beliebige Modulationsgrade oder -tiefen, Kurvenformen und Frequenzen auf einfache Weise programmiert werden.

Mit beispielsweise einer 100%igen Modulation bei 125 Hz ergeben sich die diskreten Tabellenwerte mit
256, 435, 512, 435, 256, 76, 0, 76.

Der Durchschnittswert der Tabellenwerte muß dabei dem Di­ visor entsprechen, damit die resultierende integrierte Leistung unverändert bleibt.

Bei 10%iger Modulation mit 125 Hz ergeben sich die Tabel­ lenwerte zu
256, 274, 282, 274, 256, 238, 230, 238.

Die Auflösung, d. h. die Zahl der Tabellenwerte pro Zeit­ einheit ist dadurch veränderbar, daß eine andere Basis genommen wird.

Dieses Ansteuer- bzw. Modulationsverfahren weist den Vor­ teil auf, daß nur Verschiebe- und Multiplikationsbefehle erforderlich sind, wenn der Divisor eine Zahl mit der Ba­ sis 2 ist.

Die Erfindung wurde zuvor anhand bevorzugter Ausführungs­ beispiele erläutert. Dem Fachmann sind jedoch Ausgestal­ tungen und Abwandlungen möglich, ohne daß dadurch der Er­ findungsgedanke verlassen wird. Das erfindungsgemäße Ver­ fahren ist insbesondere auch im Zusammenhang mit anderen Vorrichtungen oder Meßverfahren als dem zuvor be­ schriebenen mit Vorteil einsetzbar, um mit einfachen Mit­ teln zuverlässige, reproduzierbare Meßergebnisse zu er­ halten und daraus die Temperatur, die Transmissivität, die Emissivität und/oder die Reflektivität von Gegen­ ständen mit hoher Genauigkeit zu ermitteln. Das erfin­ dungsgemäße Verfahren ist auch mit anderen Detektoren als dem dargestellten und beschriebenen Lampenpyrometer ein­ setzbar. So kann z. B. statt des Lampenpyrometers ein Temperatursensor, wie z. B. ein Thermoelement verwendet werden, um die von den Lampen emittierte Strahlung zu er­ mitteln. Ferner ist es möglich, die von den Lampen emit­ tierte Strahlung mittels einer Impedanzmessung des Lam­ penfilaments und nachfolgende Verarbeitung des gemessenen Werts zu ermitteln. Anhand einer Impedanz-Intensitäts- Relation der Lampe kann auf die von der Lampe abgestrahl­ te Intensität zurückgeschlossen werden.

Claims (38)

1. Verfahren zum Messen elektromagnetischer Strahlung, die von einer Oberfläche eines Gegenstandes abge­ strahlt wird, der durch elektromagnetische, von we­ nigstens einer Strahlungsquelle abgegebenen elektro­ magnetischen Strahlung bestrahlt wird, wobei die von der Strahlungsquelle abgegebene Strahlung mit wenig­ stens einem ersten Detektor und die vom bestrahlten Gegenstand abgegebene Strahlung mit wenigstens einem zweiten, die Strahlung messenden Detektor ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die von wenigstens einer Strahlungsquelle abgegebene Strahlung mit wenigstens einem charakteristischen Parameter aktiv moduliert wird, und daß die vom zweiten Detektor ermittelte Strahlung zur Kom­ pensation der vom Gegenstand reflektierten Strahlung der Strahlungsquelle durch die vom ersten Detektor ermittelte Strahlung korrigiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Modulation der von der Strahlungs­ quelle abgegebenen Strahlung zu deren Charakteri­ sierung bei der Korrektur der vom zweiten Detektor ermittelten Strahlung herangezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die von wenigstens einer Strahlungs­ quelle abgegebene Strahlung amplituden-, frequenz- und/oder phasenmoduliert ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalform bei einer Amplitudenmodulation einen stetigen Signalverlauf aufweist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle aus mehreren Lampen besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampen ihre Strahlung von wenigstens einem Filament mit wenigstens teilweise gewendelter Fila­ mentstruktur emittieren.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Filamentstruktur der Lampe ein vorde­ finiertes geometrisches und spektrales Abstrahlpro­ fil erzielbar ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lampenstrahlung von Filamentab­ schnitten mit abwechselnder gewendelter und ungewen­ delter Filamentstruktur emittiert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampenstrahlung von zwei einzelansteuerbaren Filamenten emittiert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampenstrahlung von einem Filament mit wenigstens drei elektrischen Anschlüs­ sen emittiert wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der Filamentstruktur entlang des Filaments variiert.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung von einer Halogenlampe emittiert wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Strahlung von Bogenlampen emittiert wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Lampen in ihrer Strahlung moduliert ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß alle Lampen dieselbe Strahlungs­ modulation aufweisen.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampen unterschiedliche Strahlungsmodulationen aufweisen.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß die Strahlungsmodulation für wenigstens einige der Lampen zeitlich synchron erfolgt.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulationsgrad oder die Modulationstiefe der von der Strahlungsquelle abgegebenen Strahlung von der abgestrahlten Lampen­ intensität unabhängig ist.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulationsgrad oder die Modulationstiefe von der abgestrahlten Lampenin­ tensität abhängig ist.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulationsgrad oder die Modulationstiefe gesteuert wird.

21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampenintensität pulsweiten-moduliert ist.

22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung durch Ver­ wendung von Tabellenwerten mit einem Datenverar­ beitungsprogramm moduliert wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung durch Ändern der Zählerfrequenz von Generatoren für die Pulsweiten- Modulation moduliert wird.

24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Strahlungs­ quelle abgegebene Strahlung durch eine Modulation der Ansteuersignale für die Strahlungsquelle(n) mo­ duliert wird.

25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Bestimmung der Temperatur, Reflektivität, Transmissivität und/oder Emissivität eines Gegenstands.

26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung im Zusammenhang mit dem thermischen Behandeln von Halbleitersubstra­ ten.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung der Halbleitersubstra­ te innerhalb einer Reaktionskammer erfolgt, die im wesentlichen aus einem, für die elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquellen und für das Spektrum der Meßwellenlängen der Detektoren transparenten Ma­ terial besteht.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Material Quarzglas und/oder Sa­ phir umfaßt.

29. Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Material einen über das Lampen­ spektrum gemittelten Absorptionskoeffizienten zwi­ schen 0.001 1/cm und 0.1 1/cm aufweist.

30. Verfahren nach Anspruch 27 bis 29, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strahlung der Strahlungsquelle ei­ ne Wanddicke der Reaktionskammer zwischen 1 mm und 5 cm durchstahlt.

31. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Detektor ein Strahlungsdetektor ist.

32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Detektor die von der Strahlungsquelle abgegebene Strahlung über optische Leitungen oder Lichtkanäle empfängt.

33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Anordnung der Strahlungsquellen und der optischen Leitungen oder der Lichtkanäle relativ zueinander der erste Strahlungsdetektor ein Signal generiert, das frei von Einflüssen von Filamenthal­ tevorrichtungen oder anderer, den Strahlungsfluß oder die Strahlungstemperatur der Strahlungsquelle beeinträchtigender Mittel ist.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Detektor ein Tempera­ tursensor ist.

35. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Detektor einen mit der abgestrahlten Strahlung der Strahlungsquellen in Be­ ziehung stehenden Parameter mißt.

36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor die Impedanz der Strahlungsquellen mißt.

37. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der charakteristische Parameter periodisch moduliert wird.

38. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß der charakteristische Parameter nichtperiodisch moduliert wird.