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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur von
Substraten, insbesondere von Halbleitersubstraten oder -wafern,
mit mindestens einem Strahlungsdetektor zur Messung der vom Substrat
emittierten Strahlung und einem das Sichtfeld des Strahlungsdetektors
einschränkenden
Element, das zwischen dem Substrat und dem Strahlungsdetektor angeordnet
ist. Die Erfindung wird -angewandt in einer Vorrichtung zur Messung
einer Objekttemperatur eines Objekts, mit aus wenigstens einer wenigstens
einem Heizelement umfassenden Heizvorrichtung zur Erwärmung des
Objekts mittels elektromagnetischer Strahlung, mit wenigstens einem
ersten Strahlungsdetektor der innerhalb eines ersten Gesichtsfeldes
die vom Objekt kommende Strahlung erfaßt.
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Die
im folgenden näher
beschriebene Erfindung findet, vorteilhafterweise in sogenannten RTP-Anlagen
(Rapid Thermal Processor) Anwendung, in denen Wafer thermisch behandelt
werden. RTP-Anlagen sowie die in diesen Anlagen eingesetzten Schnellheizverfahren
sind aus den Druckschriften
DE
4 437 361 C2 ,
DE
4 012 615 C2 ,
DE
4 223 133 C2 oder der
DE 44 14 391 A1 sowie aus den US-Patentschriften 5
226 732 A, 5 359 693 A und 5 628 564 A bekannt. Weitere Schnellheizverfahren und
Vorrichtungen sind in den Veröffentlichungen
James S. Nackos: 1st International Rapid Thermal Processing Conference,
RTP'93, September
8-10, 1993, Page 421–428,
Editors: Richard B Fair and Bohumil Lojek – The Phoenician Scottsdale,
Arizona (ISBN 0-9638251-1-9), T.J. Riley; A. K. Nanda, S. Hossian-Pas
and G. Miner in 4
th International Conference on
Advanced Thermal Processing of Semiconductors RTP'96, September 11–13, 1996,
Page 246 ff, Editors: R.B. Faier, M.L. Green, B. Lojek, R.P.S. Thakur – Red Lion
Riverside, Boise, ID sowie aus der Veröffentlichung R. Bremsensdorfer,
S. Marcus and Z. Nenyei: "Patterns
Related Nonuniformities During Rapid Thermal Processing", Presentation at
the Rapid Thermal and Integrated Processing Conference MRS Spring
Meeting '96, San
Francisco CA und der nachveröffentlichten
Druckschrift Z. Nenyei, G. Wein, W. Lerch, C. Grunwald, J. Gelpey
and S. Wallmüller: "RTP Development Requirements", presented at RTP '97 Conference Sept.
3–5, 1997
New Orleans beschrieben. Bei sämtlichen
dieser Verfahren ist es notwendig, die Temperatur wenigstens in
einem Punkt bzw. einem Flächenausschnitt
des Objekts, Substrats oder Wafers oder der gesamten Substratfläche während des
thermischen Behandlungsprozesses zu messen. Zur Temperaturmessung
ist im allgemeinen wenigstens ein Strahlungsdetektor, z.B. ein Waferpyrometer
vorgesehen, der bzw. das die vom Wafer kommende elektromagnetische
Strahlung innerhalb eines Gesichtsfeldes mißt, welches durch eine Optik,
z.B. durch eine Feldstoppblende, die im allgemeinen eine Lochblende
ist, definiert wird. Das Aufheizen des Wafers erfolgt durch die
elektromagnetische Strahlung (im wesentlichen Wärme- oder Infrarotstrahlung)
von Heizquellen, insbesondere von Stablampen, die langgestreckte
virtuelle Bilder auf dem Wafer erzeugen. Beispielsweise wirkt ein
Wafer aus Silizium bei Wafertempe raturen über etwa 600°C wie ein
Spiegel mit einer Reflektivität
von etwa 30%, so daß durch
die spiegelnde Eigenschaft des Wafers virtuelle Bilder der Stablampen
bzw. der Heizvorrichtung erzeugt werden. Im folgenden wird vereinfacht von
virtuellen Bildern auf dem Wafer bzw. auf dem Substrat oder dem
Objekt gesprochen.
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Bei
der Temperaturmessung wird im wesentlichen zwischen einseitig und
zweiseitig beheizten Systemen unterschieden. Einseitig beheizte
Systeme heizen den Wafer im wesentlichen nur von einer Seite auf.
Die andere Seite hingegen ist der Temperaturmessung, z.B. mittels
eines Waferpyrometers, vorbehalten. Dadurch wird eine von der Lampenstrahlung
weitgehend ungestörte,
vom Wafer oder einem Substrat emittierte Strahlung ermittelt, mittels der
die Substrattemperatur bestimmt wird.
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In 10 ist schematisch ein einseitig
beheiztes System dargestellt. Das Substrat 6 wird von einer
auf einer Seite des Substrats 6 angeordneten Lampenbank
L erhitzt. Durch ein Waferpyrometer 8, das auf der der
Lampenbank gegenüberliegenden Seite
angeordnet ist, wird die vom Objekt emittierte Strahlung gemessen.
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Nachteilig
bei den einseitigen Heiz-Systemen ist, daß die Geschwindigkeit der Substraterwärmung aufgrund
der einseitigen Heizung begrenzt ist, wobei im allgemeinen zusätzliche
unerwünschte, durch
Strukturen an der Substratoberfläche
bedingte Temperaturgradienten innerhalb des Substrats auftreten,
insbesondere wenn die Strukturen auf der der Heizquelle zugewandten
Seite des Substrats gebildet werden oder vorhanden sind. Ferner
wird für
die Sy steme mit einseitiger Beheizung in der Regel eine hoch reflektierende
Kammer benutzt, innerhalb der das Substrat prozessiert wird. Diese
hoch reflektierende Kammer begrenzt die Abkühlrate des Substrats, was bei
manchen Prozessen nachteilig ist. Ein weiterer Nachteil besteht
darin, daß es
bei hoch reflektierenden Kammerwänden
zu Ablagerungen wie z.B. Kondensation kommen kann, wodurch deren Reflektivität geändert wird,
was einen Temperaturdrift bewirkt.
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Die
oben genannten Nachteile lassen sich bei einem zweiseitig Heiz-System,
wie es z.B. in
DE 44
37 361 C2 beschrieben ist, erheblich verringern und zum
Teil ganz vermeiden, da bei zweiseitigen Heiz-Systemen das Substrat
von oben und von unten beheizt wird und deshalb im allgemeinen auf
eine hochreflektierende Kammer verzichtet werden kann. Ferner kann
aufgrund der beidseitigen Heizung eine größere Heizgeschwindigkeit erreicht
werden. Da das Substrat auch von der Rückseite her beheizt wird, die
im allgemeinen keine Strukturen aufweist, lassen sich die oben genannten
strukturbedingten Temperaturinhomogenitäten auf der Substratoberfläche erheblich
verringern. Im Gegensatz zum einseitigen Heiz-System ist bei zweiseitiger
Heizung die durch das Waferpyrometer gemessenen Strahlung aufgrund
der reflektiven Eigenschaften des Substrats allerdings noch mit
einer von den Lampen kommenden Störstrahlung überlagert. Das am Substrat
reflektierte, von den Lampen kommende Licht und die daraus resultierenden
virtuellen Lampenbilder, erscheinen für das Waferpyrometer je nach
der Rauigkeit der Substratoberfläche
mehr oder weniger diffus.
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In 11 ist schematisch ein zweiseitiges Heiz-System
dargestellt, welches auf beiden Seiten des Substrats 6 Lampenbänke L1 und
L2 umfaßt.
Zusätzlich
sind die durch Reflexion am Substrat 6 entstehenden virtuellen
Bilder V1 der Lampenbank L1 dargestellt. Die Lampenbänke L1,
L2 können
so angeordnet werden, daß deren
virtuelle Bilder mit der jeweiligen anderen Lampenbank zur Deckung
kommen. Wie aus 11 ersichtlich
ist, mißt
das Waferpyrometer innerhalb eines Gesichtsfeldes sowohl die vom
Wafer emittierte Strahlung Iw als auch einen durch
die reflektierenden Eigenschaften des Substrats bedingten Teil der
Lampenstrahlung Ii ri,
wobei Ii die Lampenintensität der i-ten
Lampe der Lampenbank L1 und ri ein zur Lampe
i gehöriger
effektiver Reflexionskoeffizient des Substrats ist.
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Ist
das Substrat aus Silizium, so tritt bei Temperaturen unter 600 C
die Überlagerung
mit Störstrahlung
sowohl bei einseitigen als auch bei zweiseitigen Heiz-Systemen auf,
da Silizium in diesen Temperaturbereich für Infrarotstrahlung transparent
ist, und das Waferpyrometer somit auch eine durch das Substrat transmittierte
Lampenstrahlung erfaßt.
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Das
Waferpyrometer erfaßt
also eine von den Lampen kommende, durch den Wafer transmittierte,
und am Wafer reflektierte, sowie eine vom Wafer emittierte Strahlung,
wobei der Anteil der einzelnen Komponenten von der Beschichtung
des Substrats, der Substratdicke und/oder von der Substrattemperatur
abhängt.
Damit die transmittierte und die reflektierte Intensität der Lampen
und ihrer virtuellen Bilder das Meßergebnis des Pyrometers nicht
verfälschen,
kann ein Teil der Wärmestrahlung
der Lampen über
mehrere Kanäle
fächerartig
einem Lampenpyrometer zugeführt
werden. Die so gemessene Intensität kann zur Korrektur der vom
Waferpyrometer gemessenen Intensität herangezogen werden. Dem Lampenpyrometer
ist eine Abbildungsoptik, vorzugsweise eine Zylinderlinse, vorgeschaltet,
die das Sichtfeld des Lampenpyrometers im wesentlichen rechteckförmig einschränkt. Durch
die während
des thermischen Behandlungsprozesses auftretenden Vibrationen, und
thermisch bedingten Deformationen und Verkippungen des Wafers bewegen
sich die virtuellen Bilder der Lampen relativ zu den Begrenzungen
des Gesichtfeldes des Waferpyrometers, so daß Änderungen in der vom Waferpyrometer
gemessenen Intensität
der Wärmestrahlung
auftreten. Dabei wird insbesondere der Beitrag der Lampenstrahlung durch
Reflexion verfälscht,
wodurch ein Fehler in der Temperaturmessung resultiert. Wird z.
B. bei der Messung der Wärmestrahlung
mit dem Waferpyrometer zwischen dem Wafer und dem Waferpyrometer gesichtsfeldbegrenzende
Lochblende verwendet, so treten Intensitätsschwankungen aufgrund des
runden, kontinuierlichen Randes des eingeschränkten Sichtfeldes des Waferpyrometers
auf. Dadurch werden die Meßwerte
für die
Temperatur der Waferfläche verfälscht.
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Bei
den oben genannten RTP-Anlagen umfaßt die Heizvorrichtung meist
mehrere Heizelemente, z.B. in Form von Stablampen, so daß mittels
einer geeigneten Steuervorrichtung die elektromagnetische Strahlung
jedes Heizele ments individuell einstellbar ist. Durch die Möglichkeit
der Steuerung können
sich neben den vielfältigen
Vorteilen bezüglich der
Temperaturhomogenität über die
Waferoberfläche
und der flexiblen Gestaltung des Heizprozesses auch Nachteile für die Temperaturbestimmung
des Substrats oder Wafers ergeben, insbesondere dann, wenn herkömmliche
Wafer- und Lampenpyrometer verwendet werden. So können, wie
oben beschrieben, gesichtsfeldbegrenzende Elemente der Pyrometer,
oder allgemeiner der Temperatursensoren, die Meßgenauigkeit der Temperatur
nachteilig beeinflussen, insbesondere dann, wenn zur Temperaturbestimmung
die Intensitäten
von Wafer- und Lampenpyrometer verglichen werden, um z.B. den Einfluß der Reflexion
der Lampenstrahlung an der Substratoberfläche zu korrigieren. Beispielsweise
können
sich z.B. die oben genannte Vibrationen des Substrats, aber auch
mögliche
Intensitätsänderungen
einzelner Heizelemente der Heizvorrichtung störend auf das Meßergebnis
auswirken, insbesondere wenn die Heizvorrichtung räumlich inhomogen
abstrahlt.
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Aus
der
DE 41 14 367 A1 ist
ein Pyrometer zur berührungslosen
Temperaturmessung von laufenden Meßobjekten bekannt, bei dem
eine Zylinderlinse zum Bündeln
der vom Meßobjekt
kommenden Strahlung vorgesehen ist.
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Die
Druckschriften
JP 5-187922
(A) in Patent Abstract of Japan, Sect. P, Vol. 17 (1993),
No. 609 (P-1640) sowie
DE-OS
21 50 963 zeigen und beschreiben die berührungsfreie
Messung von Temperaturen eines Objekts, wobei zwischen einer Optik und
einem die Strahlung empfangenden Element eine Rechteckblende vorgesehen
ist.
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Die
US-Patentschrift 5 061 084 A zeigt und beschreibt eine RTP-Anlage,
bei der zwei Pyrometer vorgesehen sind, die die von dem zu messenden
Objekt und der Umgebung abgegebene Strahlung bzw. nur die von der
Umgebung abgegebene Strahlung mißt.
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Die
WO 94/00744 A1 zeigt und beschreibt eine RTP-Anlage, bei der ein
Strahlungsmesser die vom Wafer abgestrahlte Strahlung zu dessen
Temperaturbestimmung mißt,
wobei ein weiterer Strahlungsmesser vorgesehen ist, der die von
den Lampen abgestrahlte Strahlung mißt.
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In
der US-Patentschrift 5 841 110 A ist eine RTP-Anlage beschrieben,
bei der ebenfalls zwei Pyrometer zur Messung der Wafertemperatur
und der Umgebungs- bzw. Lampentemperatur vorgesehen ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen
der Temperatur von Substraten anzugeben bzw. zu schaffen, mit dem bzw.
mit der eine korrekte Bestimmung der Substrattemperatur auch bei
Vibrationen bzw. Verkippungen des Substrats auf einfache Weise möglich ist.
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Ausgehend
von einer aus der
DE
41 14 367 A1 bekannten Vorrichtung zum Messen der Temperatur
von Substraten, insbesondere von Halbleiterwafern, mit mindestens
einem Strahlungsdetektor zur Messung der vom Substrat emittierten
Strahlung und einer das Sichtfeld des Strahlungsdetektors einschränkenden
Elements, das zwischen dem Sub strat und dem Strahlungsdetektor angeordnet
ist, wobei die Ränder
des Elements im wesentlichen geradlinig sind, wird die gestellte
Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß die
Blende eine Polygonblende ist.
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Die
auf diese Weise erreichte Einschränkung des Sichtfeldes des Strahlungsdetektors
zur Messung der vom Substrat emittierten Strahlung, beispielsweise
eines Pyrometers, bietet gegenüber
der bisher bekannten kreisförmigen
Einschränkung
des Sichtfeldes durch eine Lochblende den Vorteil, daß das Sichtfeld
durch eine Polygonblende begrenzt wird, so daß das Pyrometer, nachfolgend
auch Waferpyrometer genannt, trotz etwaiger Vibrationen oder Verkippungen
des Substrats, beispielsweise eines Wafers, eine konstante Intensität der vom
Wafer reflektierten Wärmestrahlung
mißt,
sofern die durch die Vibrationen oder Verkippungen hervorgerufene Wanderung
der virtuellen Lampenbilder nicht größer als die zu den Lampenbildern
senkrechten Begrenzungslinien einer Polygonstufe ist.
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Durch
die Polygonblende wird ein polygonartig begrenztes, mehrfach gestuftes
Sichtfeld des Waferpyrometers erzeugt. Im Falle der Rechteckblende wird
dagegen ein rechteckiges Sichtfeld und im Falle der Zylinderlinse
ein im wesentlichen rechteckiges Sichtfeld erzeugt.
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Vorzugsweise
wird der Wafer durch Heizquellen, wie zum Beispiel Lampen, erwärmt. Dabei sind
die Heizquellen vorteilhafterweise langgestreckte Heizelemente.
Diese Heizelemente werden virtuell durch den Wafer abgebildet, so daß, wie bei
einem Spiegel, langgestreckte virtuelle Bilder der Heizelemente
durch den Wafer erzeugt werden.
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Die
Einschränkung
des Sichtfeldes des Waferpyrometers sollte allgemein so erfolgen,
daß Begrenzungslinien
des Sichtfeldes des Waferpyrometers senkrecht von den Lampenbildern
geschnitten werden. Aufgrund der geradlinigen Begrenzung des Sichtfeldes ändert sich
die auf das Waferpyrometer fallende Strahlung nicht, wenn der Wafer
vibriert oder verkippt wird. Bei herkömmlichen runden Blenden würde bei
einer Kippung oder Vibration des Wafers eine Änderung der auf das Waferpyrometer
auffallenden Lichtintensität
auftreten.
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Um
den Beitrag der Lampenstrahlung in der von dem Waferpyrometer ermittelten
Intensität
zu eliminieren, wird die Wärmestrahlung
der Lampen, beispielsweise fächerartig über mehrere
Kanäle
einem weiteren Strahlungsdetektor, vorzugsweise einem Pyrometer,
zugeführt
und die so gemessene Intensität
zur Korrektur der vom Waferpyrometer gemessenen Intensität herangezogen.
Dieser Strahlungsdetektor wird nachfolgend als Lampenpyrometer bezeichnet.
Dem Lampenpyrometer kann eine Abbildungsoptik, vorzugsweise eine
Zylinderlinse, vorgeschaltet sein, die das Sichtfeld des Lampenpyrometers
im wesentlichen rechteckförmig
einschränkt.
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Es
ist auch möglich,
mehrere Waferpyrometer vorzusehen, die ebenfalls die von der Lampenstrahlung überlagerte
Waferstrahlung messen. Ebenso können
mehrere Lampenpyrometer vorgesehen sein.
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Zur
Bestimmung der Substrat- oder Objekttemperatur wird die gemessene
Intensität
des Waferpyrometers mit der gemessenen Intensität des Lampenpyrometers in Relation
gesetzt. Dies ist bei einer kreisförmigen Begrenzung des Sichtfeldes
des Waferpyrometers mit einer Lochblende, insbesondere beim Auftreten
von Wafervibrationen, nicht möglich, da,
bedingt durch die Lochblende, die vom Waferpyrometer gemessene Intensität dann ebenfalls
fluktuiert.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung befindet sich ein
optisches Abbildungssystem, z. B. ein Linsensystem zwischen dem
Wafer und dem Waferpyrometer, welches die durch das Element begrenzte
Waferfläche
optisch auf das Waferpyrometer abbildet. Die Blende befindet sich
dabei vorzugsweise in der Zwischenbildebene dieses Linsensystems.
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Vorzugsweise
ist für
die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine Einrichtung zum Drehen des Wafers vorgesehen, um die Waferfläche gleichmäßig zu erwärmen.
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Außerdem kann
die erfindungsgemäße Vorrichtung
nicht nur einen, sondern mehrere Waferpyrometer aufweisen. Hierbei
liegen die rechteckigen Sichtfelder dieser Waferpyrometer vorteilhafterweise parallel,
so daß bei
einer Waferdrehung immer entsprechende Umfangsabschnitte der Waferfläche auf die
Waferpyrometer abgebildet werden. Dabei werden wieder Begrenzungslinien
der rechteckigen Sichtfelder senkrecht von den Lampenbildern senkrecht
geschnitten. Da der Wafer gedreht wird, ist die parallele Anordnung
der rechteckförmigen
Sichtfelder nur auf einer Halbebene des Wafers notwendig. Der Fächer des
Lampenpyrometers wird in entsprechender Weise angeordnet, so daß wiederum
eine eindeutige Zuordnung der Intensität der Lampen zur Intensität der jeweiligen
rechteckig begrenzten Waferfläche
erfolgen kann. Bei dieser Anordnung ist ein einziges Lampenpyrometer
ausreichend, welches dem Sichtfeld wenigstens eines der Waferpyrometer zugeordnet
ist, sofern die Intensität über die
Länge der
Wendel innerhalb einer Lampe etwa konstant ist.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung wird der Wafer durch mindestens eine vom Wafer beabstandete
Heizquelle erwärmt.
Da die von der Heizquelle auf den Wafer fallende Strahlung bei Vibration
oder Verkippung des Wafers in einer anderen Richtung gespiegelt
wird, ergibt sich bei geradliniger Sichtfeldbegrenzung wiederum
keine Strahlungsintensitäts-Änderung
für die
auf das Waferpyrometer fallende Strahlung.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel,
bei dem ein zwischen dem Wafer und dem Waferpyrometer befindliches
optisches Abbildungssystem, z. B. ein Linsenystem die durch das
Element begrenzte Waferfläche
optisch auf das Waferpyrometer abbildet, wird die vom Wafer auf
das Waferpyrometer fallende Strahlung durch die Elementabbildung
geradlinig begrenzt, wodurch wiederum die bereits zuvor genannten
Vorteile erzielt werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
des Vorrichtung, wird der Wafer während des Bestrahlungsvor gangs
durch eine Rotationsvorrichtung gedreht, um eine möglichst
gleichmäßige Temperaturänderung
des Wafers und eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung über die
Waferoberfläche
hinweg zu erreichen. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn mehrere
Waferpyrometer und zugeordnete, das Sichtfeld der Waferpyrometer
mit linearer Abgrenzung beschränkende
Elemente vorgesehen sind, die ihrerseits parallel zueinander liegen können.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die 1 bis 12 erläutert. Es zeigen:
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1 einen Querschnitt durch
eine Einrichtung zum thermischen Behandeln von Wafern zur Erläuterung
der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach der ersten
Ausführungsform der
Erfindung,
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2 einen Querschnitt entlang
der in 1 eingezeichneten
Schnittlinie II-II,
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3 eine schematische Darstellung
eines Linsensystems, das in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
einsetzbar ist,
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4 ein Ausführungsbeispiel
für ein
das Sichtfeld des Waferpyrometers begrenzenden Elements in Form
einer Polygonblende,
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5 eine schematische Darstellung
zur Erläuterung
der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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6 eine weitere Ausführungsform
eines das Sichtfeld des Waferpyrometers begrenzenden Elements,
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7 eine schematische Darstellung
einer Ausführungsform
mit mehreren Waferpyrometern,
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8 eine schematische Darstellung
einer Heizvorrichtung mit stabförmigen,
parallel zueinander angeordneten Lampen, und die durch die Spiegelwirkung
des Objekts entstehende virtuellen Heizquelle mit den virtuellen
Lampenbildern,
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9 eine Draufsicht einer
schematischen Darstellung mit mehreren Waferpyrometern, deren Gesichtsfeld
im wesentlichen durch koaxial zu den stabförmigen Lampen der Heizvorrichtung
angeordneten Zylinderlinsen bestimmt ist,
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10 eine schematische Darstellung
eines RTP-Systems mit einseitiger Heizung, gemäß dem Stand der Technik,
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11 eine schematische Darstellung
eines RTP-Systems mit zweiseitiger Beheizung, gemäß dem Stand
der Technik, und
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12 eine schematische Darstellung
eines zweiseitig beheizten RTP-Systems mit Wafer- und Lampenpyrometer.
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Der
in 1 und 2 dargestellte Schnellheizofen weist
ein Gehäuse 1 auf,
an dessen oberer und unterer Innenwand jeweils eine aus mehreren
Einzellampen oder Einzellampenröhren 2, 3 bestehende Lampenbank 4, 5 angebracht
ist, die einen Halbleiterwafer 6 aufheizen, der in einer
Reaktionskammer 7 zwischen den Lampenbänken 4, 5 im
Gehäuse 1 angeordnet
ist.
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Vorteilhafterweise
besteht die Reaktionskammer 7 im wesentlichen aus einem
für die
Lampenstrahlung im wesentlichen transparenten Material, das auch
hinsichtlich der Meßwellenlängen oder der
Meßwellenlängenspektren
der Pyrometer oder der verwendeten Strahlungsdetektoren transparent ist.
Mit Quarzgläser
und/oder Saphir, die einen über das
Lampenspektrum gemittelten Absorptionskoeffizienten von etwa 0.1
l/cm bis 0.001 l/cm haben, lassen sich geeignete Reaktionskammern
für Schnellheizsysteme
aufbauen, bei denen die Dicke der Reaktionskammerwand zwischen 1
mm und mehreren Zentimetern betragen kann. Je nach Reaktionskammerwanddicke
kann die Materialauswahl hinsichtlich des Absorptionskoeffizienten
erfolgen.
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Kammerwanddicken
im Zentimeterbereich sind insbesondere dann erforderlich, wenn in
der Reaktionskammer 7 ein Unterdruck, gegebenenfalls bis hin
zum Ultra-Hochvakuum, oder ein Überdruck
erzeugt werden soll. Beträgt
beispielsweise der Reaktionskammer-Durchmesser etwa 300 mm, so erhält man mit
einer Quarzglasdicke von ca. 12 mm bis 20 mm eine hinreichende mechanische
Stabilität
der Kammer 7, so daß sie
evakuierbar ist. Die Reaktionskammer-Wanddicke wird entsprechend dem Wandmaterial,
der Kammergröße und der
Druckbelastungen dimensioniert.
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Als
Lampen werden bevorzugt Halogenlampen verwendet, deren Filament
wenigstens teilweise eine Wendelstruktur aufweisen. Durch eine wenigstens
teilweise Wendelstruktur läßt sich
vorteilhaft ein bestimmtes vordefiniertes geometrisches und spektrales
Abstrahlprofil der Lampe erreichen. Hierbei kann das Filament der
Lampe z.B. abwechselnd gewendelte und ungewendelte Filamentabschnitte
umfassen. Sowohl das geometrische als auch das spektrale Abstrahlprofil
ist in diesem Falle im wesentlichen durch den Abstand benachbarter
gewendelter Filamentabschnitte bestimmt. Eine weitere Möglichkeit, das
Lampenabstrahlprofil zu definieren, besteht z.B. darin, daß die Dichte
der Filamentstruktur, die Wendeldichte entlang des Filaments variiert
wird.
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Soll
das Lampenprofil steuerbar sein, so lassen sich vorteilhaft Lampen,
vorzugsweise Stablampen, mit mehreren einzelansteuerbaren Filamenten einsetzen.
Lampen mit steuerbarem Lampenprofil sind insbesondere in Schnellheizanlagen
zur Wärmebehandlung
großflächiger Substrate,
wie z.B. 300mm-Halbleiterwafer, vorteilhaft, da sich mit diesen
Lampen und einer geeigneten Lampenansteuervorrichtung ein sehr homogenes
Temperaturprofil entlang der Substratoberfläche 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 Halogenlampe zwei Filamente, z.B. jeweils mit Wendelstruktur
oder wenigstens teilweise gewendelter Struktur, wobei die Wendeldichte
und/oder der Abstand der gewendelten Filamentabschnitte 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 Gesamtabstrahlprofil 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 Filament
der Lampe wenigstens drei elektrische Anschlüsse umfaßt, wobei jeweils zwischen
den Anschlüssen
unterschiedliche Betriebsspannungen gelegt werden. Dadurch läßt sich
abschnittsweise die Filamenttemperatur, und damit die Abstrahlcharakteristik
der Lampe entlang des Filaments steuern.
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Alternativ
zu den bisher beschriebenen Lampen lassen sich auch Plasma- oder
Bogenlampen einsetzen, wobei auch hier das Abstrahlprofil einstellbar
ist. So läßt sich
beispielsweise das Lampenspektrum über die Stromdichte vom UV-Bereich
bis hin zum nahen Infrarot einstellen.
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Aus 1 ist ersichtlich, daß ein Waferpyrometer 8,
das auf der Unterseite des Gehäuses 1 angeordnet
ist, über
eine kleine Öffnung 9,
die vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, im Zentrum des
zu behandelnden Wafers 6 in einer Gehäusewandung ausgebildet ist,
elektromagnetische Strahlung mißt,
die vom Wafer 6 emittiert und reflektiert wird. Zusätzlich wird
bei Siliziumwafern bei Temperaturen unter 600°C auch transmittiertes Licht
gemessen. Es ist jedoch auch möglich,
mehrere, parallel zur Waferfläche
angeordnete Pyrometer zu verwenden, wie dies in den 7 und 9 dargestellt
ist und nachfolgend beschrieben wird.
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Vorrichtungen
der zuvor beschriebenen Art sind beispielsweise in den nicht vorveröffentlichten
DE 197 37 802 A ,
DE 197 54 385 A und
DE 197 54 386 A derselben
Anmelderin beschrieben, auf die zur Vermeidung von Wiederholungen
Bezug genommen und die insofern zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung
gemacht werden.
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Auf
der Unterseite des Schnellheizofens ist eine optische Strahlungsmeßvorrichtung
angeordnet, die ein Pyrometer 10 und – wie in 2 gezeigt – einen Kanalkörper 11 umfaßt, in dem
Strahlungskanäle 12 fächerartig
ausgebildet oder eingefräßt sind. Dieses
Pyrometer 10 dient der Messung der Intensität der elektromagnetischen
Strahlung, die von den Lampen auf den Wafer emittiert wird. An der
der Lampenbank abgewandten Seite des Kanalkörpers 11 ist eine
Linsenoptik 14, vorzugsweise eine Zylinderlinse, so angeordnet,
daß deren
Brennlinie sich an oder in der Nähe
einer Stelle befindet, an der sich die Achsen der Strahlungskanäle 13 schneiden,
so daß die auf
die Linsenoptik 14 fallende Strahlung in das Pyrometer 10 gelangt.
Wie am besten aus 2 zu
ersehen ist, sind die Strahlungskanäle 12 im Kanalkörper 11 so
ausgebildet oder ausgerichtet, daß die jeweilige Wendel 15 der
einzelnen Lampen 3 auf der verlängerten Längsachse 16 der jeweiligen
Strahlungskanäle 12 liegen.
Die Strahlungsquellen und/oder die Strahlungskanäle sind bevorzugt so angeordnet,
daß das
Lampenpyrometersignal von einem Lampen- oder Filamentabschnitt resultiert,
der frei von Filamenthaltevorrichtungen oder anderen, den Strahlungsfluß oder die
Temperatur des durch die Strahlungskanäle beobachtenden Filament- oder Lampenabschnitts
beeinträchtigenden
Mitteln ist. Das Pyrometer 10 bzw. dessen Linsenoptik 14 "sieht" daher genau auf
die jeweilige Lampenwendel 15, wodurch Hintergrundstrahlung,
die nicht von der Lampenwendel 15 kommt, – wenn überhaupt – nur einen
vernachlässigbar
geringen Anteil am gesamten auf das Pyrometer 10, nachfolgend
auch Lampenpyrometer genannt, fallenden Lichtes ausmacht. Durch
das Anbringen zusätzlicher
Blenden oder Abdeckungen in der Nähe der Lampenwendel und der
jeweiligen Strahlungskanäle
kann die Hintergrundstrahlung geziehlt ausgeblendet werden.
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In 3 ist ein zwischen dem Wafer 6 und dem
Waferpyrometer 8 befindliches Linsensystem 17 gezeigt,
das die durch eine Blende 18 begrenzte Waferfläche auf
das Waferpyrometer 8 abbildet. Die Blende 18 befindet
sich dabei vorzugsweise in der Zwischenbildebene des Linsensystems 17.
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Als
Blende wird dabei eine in 4 dargestellte
Polygonblende 19 bzw. eine Rechteckblende verwendet. Die
Länge der
geradlinigen Begrenzung einer Polygonstufe 20 sollte dabei
mindestens so groß sein
wie die Strecke der durch Vibrationen oder Verkippungen des Wafers 6 erzeugten
Wanderungen von Lampenbildern 21. Die Wanderung der Lampenbilder 21 von
der Position 22 vor einer Verkippung oder Vibration zu
der Position 22' nach
dieser Verkippung oder Vibration ist durch den Pfeil 23 beispielhaft verdeutlicht.
Aufgrund der Maßnahme,
die Ränder der
Blende im wesentlichen geradlinig zur Bewegungsrichtung des Spiegelbildes
auszurichten, entstehen durch die Verkippung für das Waferpyrometer keinerlei
Intensitätsänderungen
im Gegensatz zu Blenden mit gekrümmten
Rändern,
beispielsweise Lochblenden oder elliptisch geformten Blenden, bei denen
die auf das Waferpyrometer fallende Intensität von der Lageverschiebung
oder Vibration abhängt.
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Die
Größe der Polygonblende 19 bezüglich der
bisher verwendeten Lochblende 24 ist in 5 gezeigt. Dieser Figur ist zu entnehmen,
daß die
Fläche
der Polygonblende 19, über
die bei der Strahlungsmessung durch das Waferpyrometer 8 integriert wird,
vorzugsweise genauso groß ist
wie die entsprechende Integrationsfläche der bisher verwendeten Lochblende 24.
Dies gilt auch für
eine ellipsenförmige "Lochblende" sowie entsprechend
für die
Rechteckblende.
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Eine
weitere Ausführungsform
einer polygonartig begrenzten Blende ist in 6 angegeben. In diesem Beispiel wird
als Blende ein Kreisviertel verwendet, dessen normalerweise geradlinige
Begrenzungslinien polygonstufenartig ausgeprägt sind.
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Eine
im wesentlichen rechteckige Begrenzung des Sichtfeldes des Waferpyrometers 8 wird auch
dadurch erreicht, daß man
anstatt der im Zwischenbild des Linsensystems 17 befindlichen
Rechteckblende 18 eine Zylinderlinse 14 vor das
Waferpyrometer 8 positioniert.
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Alle
Ausführungsformen
des das Sichtfeld des Waferpyrometers 8 beschränkenden
Elements sind so gestaltet, daß die Begrenzungslinien
des Sichtfeldes geradlinig bzw. im Falle der Zylinderlinse im wesentlichen
geradlinig sind, wobei Begrenzungslinien des Sichtfeldes vorzugsweise
im wesentlichen senkrecht von den Lampenbildern 21 geschnitten werden,
um die oben genannten Vorteile der Erfindung zu erzielen.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung besteht darin, daß in
der Vorrichtung mehrere Waferpyrometer 8 mit parallel zueinanderliegenden
Sichtfeldern verwendet werden. Dieser Fall ist in 7 gezeigt. Wiederum schneiden die Lampenbilder 21 Begrenzungslinien
der Sichtfeldes der in diesem Fall mehreren Waferpyrometer 8 senkrecht.
Außerdem
kann der Wafer 6 während
der thermischen Behandlung und der Temperaturmessung gedreht werden,
wie durch den Pfeil 25 in 7 verdeutlicht
wird. Durch die Drehung des Wafers reicht es aus, die parallel liegenden
Sichtfelder nur auf einer Halbebene vorzusehen. Bei dieser Anordnung
ist ein einziges Lampenpyrometer 10 ausreichend, welches
dem Sichtfeld eines der Waferpyrometer zugeordnet ist, sofern die
Intensität über die
Länge der Wendel
innerhalb einer Lampe konstant ist.
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In 8 ist schematisch eine aus
einer Lampenbank bestehende Heizvorrichtung 4 mit jeweils parallel
zueinander angeordneten stabförmigen
Lampen L1 bis L10 dargestellt. In einem Abstand zur Lampenbank 4 ist
ein Wafer oder ein Objekt 6 angebracht, welches die von
der Lampenbank abgegebene elektromagnetische Strahlung teilweise
reflektiert, und welches von dieser aufgeheizt wird.
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Ebenfalls
dargestellt ist ein Waferpyrometer oder auch ein erster Strahlungsdetektor 8,
das bzw. der die vom Objekt kommende Strahlung erfaßt. Diese
Strahlung setzt sich im wesentlichen aus der durch das Objekt emittierten
Strahlung und durch einen Reflexionsanteil der Lampenstrahlung zusammen.
In der Praxis beträgt
dieser Reflexionsanteil für Temperaturen über 600°C bei einem
Siliziumwafer etwa 30%. Die virtuellen Spiegelbilder der Lampen L1
bis L10 sind mit V1 bis V10 ebenfalls dargestellt und bilden die
virtuelle Lampenbank 4'.
Das Waferpyrometer 8 hat ein durch einen Winkel β vorgegebenes Gesichtsfeld
(erstes Gesichtsfeld) und empfängt elektromagnetische
Strahlung, die innerhalb dieses Gesichtsfeldes liegt.
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In 8 ist ein weiteres Pyrometer,
oder ein zweiter Strahlungsdetektor 10 dargestellt, das
bzw. der die direkt von den Lampen L1 bis L10 der Heizvorrichtung 4 emittierten
Strahlung mißt.
Die Strahlung gelangt vorzugsweise mittels des in 2 dargestellten Kanalkörpers 11 zum
Detektor 10. Auch das Pyrometer 10 hat ein durch
einen Winkel α vorgegebenes
Gesichtsfeld (zweites Gesichtsfeld), welches die Anzahl der beobachteten
Lampen definiert.
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Um
die Temperatur des Objekts möglichst genau
zu bestimmen, werden entsprechend der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung das erste und das zweite Gesichtsfeld
des Lampenpyrometers 10 und des Waferpyrometers 8 so
gewählt,
daß sie
unter der Annahme eines für
die elektromagnetische Strahlung spiegelnden Objekts 6 in wenigstens
einer räumlichen
Dimension gleich sind. Bei dem in 8 dargestellten
Beispiel bedeutet dies, daß vom
Waferpyrometer 8 im wesentlichen derselbe Ausschnitt des
virtuellen Spiegelbildes 4' der
Lampenbank 4 erfaßt
wird, der dem durch das Lampenpyrometer 10 erfaßten Ausschnitts
der Heizvorrichtung 4 entspricht. Handelt es sich wie bei 8 um stabförmige Lampen,
die in axialer Richtung im wesentlichen homogen emittieren, so ist
es ausreichend, wenn die durch die Lampen- und Waferpyrometer 10, 8 erfaßten Bildausschnitte
in Richtung senkrecht zu den Lampenachsen etwa gleich sind. Dies
läßt sich
bei entsprechender Pyrometeranordnung z.B. durch gleiche Winkel α und β erreichen.
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Vorteilhafterweise
werden im gezeigten Beispiel die Gesichtsfelder der Pyrometer 8, 10 im
wesentlichen über
Zylinderlinsen festgelegt, deren Brennlinie parallel zu den stabförmigen Lampen
L1 bis L10 verlaufen. Durch die Zylinderlinse oder einer anderen
geeigneten Abbildungsoptik oder durch Hinzufügen von Blenden lassen sich
die Öffnungswinkel α und β festlegen.
Ist die Strahlungsintensität
der Lampen entlang der Lampenachse etwa konstant (was im allgemeinen
für einen
Filamentabschnitt zutrifft), so können Zylinderlinsen unterschiedlicher Brennlinienlänge für die Pyrometer 8, 10 verwendet werden,
da, wie oben beschrieben, es ausreichend ist, wenn die Gesichtsfelder
der Pyrometer 8 und 10 in Richtung senkrecht zur
Lampenachse in wenigstens einer räumlichen Dimension etwa gleich
sind. Damit ist sichergestellt, daß sowohl räumliche als auch zeitliche Änderungen
der Intensitäten
der Lampen und der virtuellen Lampenbilder sowohl durch das Wafer-
als auch durch das Lampenpyrometer bis auf einen Proportionalitätsfaktor
synchron erfaßt
werden.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung können
z. B. neben den oben genannten Winkeln α und β, die eine Ebene senkrecht zur
Richtung der Lampenachse aufspannen, alternativ oder zusätzlich auch
die Öffnungswinkel
der Wafer- und Lampenpyrometer
in Richtung der Lampenachse, d.h. z. B. in Richtung Achse der Zylinderlinsen,
etwa gleich gewählt
werden. Dies hängt
im Wesentlichen von der Kostanz der Lampenintensität entlang
der Lampenachse und der geforderten Meßgenauigkeit der Objekttemperatur
ab.
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In 9 ist schematisch eine Draufsicht
auf einen Wafer 6 und auf eine Lampenbank 4 mit
stabförmigen,
jeweils parallel zueinander angeordneten Lampen L1 bis L7 dargestellt.
Durch eine Rotationsvorrichtung läßt sich der Wafer um die Achse
A drehen. Die 9 zeigt
die Anwendung mehrerer mit jeweils Zylinderlinsen Z1 bis Z7 versehenen
Waferpyrometer. Dabei sind die Achsen der Zylinderlinsen parallel
zu den Lampenachsen ausgerichtet, wodurch sich die Wafertemperatur, ähnlich wie
in 7 dargestellt, radial
erfassen läßt.
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Im
Gegensatz zu 7 sind
die Waferpyrometer gemäß 9 entlang des Durchmessers
des Wafers angeordnet, wobei sich bei einer bezüglich der Rotationsachse asymmetrischen
Anordnung der Vorteil ergibt, daß selbst bei Wafern mit kleinen Durchmessern
das radiale Temperaturprofil an ausreichend vielen Stellen gemessen
werden kann, ohne die axialen Ausdehnung der Zylinderlinsen zu klein
zu machen.
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Mittels
des radialen Temperaturprofils läßt sich
mit einer Regelvorrichtung die Lampenbank steuern, wobei vorteilhaft
jede einzelne Lampe individuell steuerbar ist. Damit läßt sich
eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung über den
Wafer erzielen. Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß insbesondere
bei einer Einzellampenansteuerung die Gleichheit der Gesichtsfelder
(genauer die Gleichheit bis auf eine intensitätsabhängige Funktion oder einen Proportionalitätsfaktor)
von Wafer und Lampenpyrometer eine notwendige Voraussetzung für eine hohe
Meßgenauigkeit
der Wafertemperatur ist, da nur dann die durch den Wafer reflektierte
Intensität
richtig korrigierbar ist.
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Unter
Gleichheit der Gesichtsfelder ist gemäß der zweiten Ausführungsform
der Erfindung zu verstehen, daß die
Gesichtsfelder von Wafer- und Lampenpyrometer in Richtung inhomogener
Intensitätsverteilungen
der Heizvorrichtung bis auf einen Proportionalitätsfaktor (der auch 1 sein kann)
oder im allgemeinen Falle bis auf eine bekannte intensitätsabhängige Funktion
nahezu gleich sind. Im allgemeinen Falle werden vorteilhaft die
Gesichtsfelder der Symmetrie der Abstrahlcharakteristik der Heizvorrichtung
angepaßt.
Dies kann z.B. durch die Wahl einer geeigneten Gesichtsfeldblende
oder Abbildungsoptik, wie z.B. einer Polygonblende entsprechend
der ersten Ausführungsform
der Erfindung oder z.B. einer Zylinderlinse, erfolgen. Dadurch läßt sich
z.B. erreichen, daß bei
einer geringfügigen
Verschiebung der Gesichtsfelder und der Heizelemente relativ zueinander
die durch die Strahlungsdetektoren be stimmte Intensität im wesentlichen
nicht beeinflußt wird.
Dabei umfaßt
der Begriff Heizelemente auch die etwaigen virtuellen Bilder der
Heizvorrichtung, die durch eine teilweise Reflexion am Objekt entstehen.
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Wie
mit Hilfe von 12 verdeutlicht,
kann im allgemeinen gemäß der zweiten
Ausführungsform der
Erfindung der zweite Strahlungsdetektor (das Lampenpyrometer) durch
eine Meßvorrichtung
M ersetzt werden, die die von Heizelementen L1i der Heizquelle
L1, vorzugsweise die von jedem Heizelement L1i,
in das erste Gesichtsfeld des ersten Strahlungsdetektors 8 gelangende
elektromagnetischen Strahlung I1i bis auf
einen Proportionalitätsfaktor oder
eine bekannte intensitätsabhängige Funktion erfaßt. Durch
die reflektierenden Eigenschaften des Objekts (z.B. Wafers) 6 mißt der Strahlungsdetektor 8 neben
der vom Objekt 6 in das erste Gesichtsfeld emittierten
Strahlung Iem auch eine von jedem Heizelement
L1i der Lampenbank L1 reflektierte Strahlung I1i·ri, welche scheinbar von dessen virtuellen
Bildern V1i emittiert wird. Dabei ist ri ein effektiver, auf das Heizelement L1i bezogener Reflexionskoeffizient.
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Der
Strahlungsdetektor 8 mißt also insgesamt die Intensität Itotal = Iem + ΣI1i·ri. Dabei ist vereinfacht angenommen, daß das Objekt 6 für die Strahlung
der oberen Lampenbank L2 (deren virtuelles Bild nicht dargestellt
ist) opak ist.
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Zur
Ermittlung der vom Wafer emittierten Intensität Iem ist
also ein reflektiver Anteil ΣI1i·ri zu korrigieren. Die Meßvorrichtung M mißt im allgemeinen die
Intensität IM = ci·I1i für
ein Heizelement L1i, wobei ci eine durch
die. Meßvorrichtung
vorgegebenen Konstante oder bekannte intensitätsabhängige Funktion ist, die z.B.
durch eine Kalibration ermittelbar ist.
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Die
Meßvorrichtung
M kann z.B. eine Impedanzmessung der Heizelemente, vorzugsweise
der Lampenfilamente, umfassen, oder es kann z.B. die Filamenttemperatur
der Lampen durch geeignet angebrachte Thermoelemente ermittelt werden,
wobei die Funktionen oder Konstanten ci dann
z.B. über
Impedanz-Intensitäts-
bzw. Temperatur-Intensitäts-Relationen bestimmt
werden.
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Es
gilt ci·I1i =
ki·I1i·ri, wobei ki eine
zum Heizelement L1i gehörige intensitätsabhängige Funktion oder
ein Proportionalitätsfaktor
ist. Vorzugsweise wird die Meßvorrichtung
so gewählt,
daß die
ki für
alle Heizelemente L1i etwa (bis auf Meßfehler)
gleich sind, was insbesondere das Kalibrationsverfahren erheblich
vereinfacht. Dies läßt sich
z.B. mit der in 8 dargestellten
Ausführungsform
mit α = β erreichen.
Damit kann mit Hilfe der Meßvorrichtung
bei Kenntnis von ci/ki oder
ci und ki der Reflexionsanteil der
durch den Strahlungsdetektor 8 erfaßten Intensität korrigiert
werden, und mittels der vom Wafer emittierten Intensität Iem ist dann die Temperatur des Objekts bestimmbar.
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Um
die Genauigkeit der Objekttemperatur weiter zu steigern, können vorteilhaft
die erste und die zweite Ausführungsform
der Erfindung miteinander kombiniert werden.
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Die
Erfindung wurde zuvor anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben.
Dem Fachmann sind jedoch zahlreiche Abwandlungen und Ausgestaltungen
möglich,
ohne daß dadurch
der Erfindungsgedanke verlassen wird.