DE69103207T2

DE69103207T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Temperaturstrahlung unter Verwendung von einem mit Kompensationslampen ausgerüstetem Pyrometer.

Info

Publication number: DE69103207T2
Application number: DE69103207T
Authority: DE
Inventors: Karen Irma Jozef Maex; Peter Michel Noel Vandenabeele
Original assignee: Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC
Current assignee: Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC
Priority date: 1990-05-23
Filing date: 1991-05-09
Publication date: 1994-12-08
Anticipated expiration: 2011-05-10
Also published as: EP0458388A1; JPH0629365A; DE69103207D1; NL9001200A; ES2057735T3; EP0458388B1; ATE109559T1; DK0458388T3

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Temperaturstrahlung unter Verwendung eines Pyrometers, bei der Ausgleichslampen benutzt werden.
Bei der Messung der Temperatur eines Wafers aus Halbleitermaterial unter Verwendung eines Pyrometers, mit welchem die nach dem Stefan Boltzmann-Gesetz erzeugte Strahlung gemessen wird, ist das sog. Emissionsvermögen von großer Bedeutung. Das Emissionsvermögen eines Gegenstandes hat einen Wert < 1 aufgrund Reflexion zwischen dem Inneren des Gegenstandes und der äußeren Umgebung, der sog. Reflektivität. Für den Fall von Halbleiterwafern hat die Praxis ergeben, daß das Emissionsvermögen zwischen Werten von 0,4 und 0,9 variieren kann.
Dieses Problem wird in US-A-4890245 angesprochen, wobei ein Verfahren und eine Vorrichtung gezeigt werden, um die Temperatur eines Substrats durch Messung der Intensität des Infrarotlichtes von dem Substrat zu bestimmen, wenn es mit Infrarotlicht bestrahlt, und auch wenn es nicht bestrahlt wird. Die Temperatur wird aus der Durchlässigkeit und dem Emissionsvermögen des Substrats berechnet.
Es ist ein Nachteil dieses bekannten Verfahrens und dieser Vorrichtung, daß die Temperatur des Substrats nur gemessen werden kann, wenn die Strahlung unterbrochen ist.
Die vorliegende Erfindung löst das obengenannte Problem; sie schafft ein Verfahren zur Messung der Strahlung, die von einer Seite eines Wafers aus Halbleitermaterial ausgeht, unter Verwendung eines Strahlungsthermometers oder Pyrometers, wobei der Wafer durch Heizmittel beheizt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Ausgleichsstrahlung auf die eine und/oder die andere Seite des Wafers projiziert wird, um das Reflektivität bzw. die Durchlässigkeit des Wafers auszugleichen, und wobei die Intensität der Ausgleichsstrahlung in Abhängigkeit von der durch das Pyrometer gemessenen Strahlungsmenge gesteuert wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit eine Temperaturmessung eines Wafers aus Halbleitermaterial durchgeführt, die unabhängig von dem Emissionsvermögen des Gegenstandes ist.
US-A-3916690 offenbart eine Vorrichtung zur Messung der Temperatur an der Oberfläche eines Gegenstandes durch von diesem stammende Infrarotstrahlung, mit einem veränderbar geheizten Ausgleichsstrahler und einem drehbaren Unterbrecherrad. Die Wärmezufuhr zu dem kompensierenden Strahler wird entsprechend dem Infrarotdetektorsignal in dem Sinne geändert, daß das Signal auf Null reduziert wird, wobei die Temperatur des kompensierenden Radiators dann der Temperatur des Gegenstandes gleich wird.
NL-A-8701479 beschreibt die kontinuierliche Bestimmung des Emissionskoeffizienten, wenn reflektierte Strahlung von einem Körper, z.B. von einem sich bewegenden metallischen Rand gemessen wird.
Außerdem schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Behandlung eines Wafers aus Halbleitermaterial, mit
- einer Behandlungskammer, in der der Wafer behandelt wird;
- einen in der Kammer angeordneten Heizmittel zur Beheizung des Wafers und
- einem oder mehreren Pyrometern oder Strahlungsthermometern zur Messung der vom Wafer kommenden Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß das Pyrometer in einer Wand der Behandlungskammer angeordnet ist und zur Projektion von Ausgleichsstrahlung auf den Wafer aus Halbleitermaterial eine oder mehrere Ausgleichslampen vorgesehen sind, wobei die Intensität der Ausgleichslampen in Abhängigkeit vom Meßwert des Pyrometers gesteuert wird.
Andere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten werden anhand der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, in denen zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines bevorzugten, erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht einer bevorzugten, erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Vorrichtung.
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III aus Fig. 2.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 2.
Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einer zweiten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform; und
Fig. 6 eine dritte, bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform.
Ein Pyrometer 1 ist auf einen Wafer aus Halbleitermaterial W gerichtet, um die Strahlungsmenge, die vom Wafer stammt, und seine Temperatur zu bestimmen. Der Meßausgang des Pyrometers 1 ist mit einem Steuerelement 2 verbunden, welches wiederum sowohl mit einer ersten wie auch mit einer zweiten Quelle 3, 4 für Ausgleichsstrahlung verbunden ist. Die erste Quelle 3 für Ausgleichsstrahlung projiziert Ausgleichsstrahlung mit einer für das Pyrometer 1 geeigneten Wellenlinie (λ = 0,9 - 5,0 um) auf den Bereich des Wafers W, auf welchen das Pyrometer 1 gerichtet ist. Es wurde gezeigt, daß für den Wert der Ausgleichsstrahlung Ic1 - bei dem Ic1=Ieq ist, das heißt der durch das Pyrometer gemessene Gleichgewichtswert ist - Ieq, dem ausgeglichenen Strahlungswert für einen Wafer W mit dem Emissionsvermögen 1 entspricht. Aus der Stefan Boltzmann-Gleichung kann die Temperatur des Wafers W nun aus der Messung von Ieq bestimmt werden. Eine Ausgleichsstrahlungsquelle muß genau kalibriert sein, so daß das Ausmaß der Ausgleichsstrahlung Ic exakt durch die Spannung gesteuert werden kann, die durch das Steuerelement 2 geliefert wird. Das Emissionsvermögen muß größer als 0,1-0,2 sein, so daß die gebildete Regelschleife hinreichend genau und schnell ist.
Die Strahlung Ic1 von der zweiten Ausgleichsstrahlungsquelle 4 kompensiert in entsprechender Weise die Durchlässigkeit oder Permeabilität des Wafers aus Halbleitermaterial W, wenn Ic1 = Ieq.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 11 (Fig. 2, 3, 4) betrifft eine Vorrichtung zum schnellen Heizen, (schnelles thermisches Bearbeiten (RTP)) eines Silizium-Wafers, z.B. während 30 sec bei einer Temperatur von 300 bis 1200ºC, mit von Infrarotlampen, Glühlampen, oder Graphitelementen. Ein (kreisförmiger) Wafer aus Halbleitermaterial W wird von seiner Unterseite durch Infrarotlampen 12 beheizt, während auf der Oberseite ein oder mehrere Pyrometer 13, 14, innerhalb einer reflektierenden Wand 15 zusammen mit zugeordneten Ausgleichslampen 16 und 17 aufgenommen ist. Für Einzelheiten und Vorteile der reflektierenden Wand und der Heizung auf der Unterseite des Wafers W wird Bezug auf die Patentanmeldung EP-B-0381253 derselben Anmelder genommen, die am 8.8.91 veröffentlicht wurde.
Zwei Ausgleichslampen 18 sind außerdem an der Unterseite angeordnet und mit einem Fenster 19 versehen, das zumindest auf einer Seite aufgerauht ist, um diffuses Licht auf die Unterseite des Wafers W zu projizieren. Zwischen den Ausgleichslampen 18 und den Infrarotlampen 12 sind ein wassergekühltes Fenster 25 mit durch Öffnungen 26 zuzuführdem Kühlwasser sowie zwei Platten 20, 21, die den Durchlaß von Strahlung erlauben, angeordnet. Das wassergekühlte Fenster 25 dient zum Absorbieren von Strahlung der Infrarotlampen 12 in dem Wellenlängenbereich der Pyrometer 13, 14. Es bewirkt auch, daß der Wafer aus dem Material W nicht unnötig auf der Unterseite aufgeheizt wird, und strahlt weniger Strahlung auf seine Unterseite. Die Platten 20, 21 werden ferner mit Wasser gekühlt.
Ein Fenster 22 besteht aus Quarz und ist resistent gegen die Kräfte, die aufgrund des Vakuums auftreten, welches in der Behandlungskammer 24 erzeugt werden kann. Das Quarzglas 22 kann außerdem mit Luft, zugeführt durch Öffnungen 27, gekühlt werden.
Vorzugsweise ist ein erstes Pyrometer für Messungen in einem Temperaturbereich von 500 bis 1200 ºC (λ = 1,5-1,8um) und ein zweites Pyrometer für einen Temperaturbereich von 200-800ºC (λ=3,0-3,3 um) geeignet. Die zugeordneten Ausgleichslampen für die jeweiligen Wellenlängen sind vorzugsweise als Halogen-Lampen mit relativ niedriger Leistung (100-200 Watt) ausgeführt.
Als bevorzugte Ausführungsformen (nicht gezeigt) kann ein halbdurchlässiger Spiegel zwischen den Ausgleichslampen und dem Wafer aus Halbleitermaterial angeordnet werden, wobei das Pyrometer auch Strahlung über diesen halbdurchlässigen Spiegel erhält. Das hat den Vorteil, daß für jedes Pyrometer nur eine Öffnung in der Kammer angebracht werden muß. Der halbdurchlässige Spiegel ist vorzugsweise ein Wafer aus Siliziummaterial, der wahlweise mit einer Schicht, die die Strahlung entsprechend der Wellenlänge filtert, versehen sein kann.
Wenn die Pyrometer Empfindlichkeit für Strahlung von den Infrarotlampen zeigen, werden diese Lampen vorzugsweise mit Filtern ausgestattet, um die Strahlung zu filtern.
Die Ausgleichsstrahlungsquellen sind vorzugsweise mit einem matten Glas versehen, so daß die Intensität der Strahlung über ein hinreichend großes Gebiet verteilt wird.
Die Strahlung wird vorzugsweise in einer nichtgezeigten Art, mit einem Facettenspiegel oder einer Facetten-Linse, vorzugsweise aus Aluminium und Silizium-Dioxid, welches aus Quarz sein kann, diffus gemacht.
In einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform (Fig. 5) wird die Temperatur eines Wafers aus Halbleitermaterial 31, der durch einen Halter 32 auf nicht gezeigte Art geheizt wird, unter Verwendung einer optischen Faser 33 gemessen, die durch den Halter 32 angeordnet ist und auf eine nichtgezeigte Art mit einem Strahlungsmeßgerät verbunden ist, wobei dessen Meßwert mittels einer zweiten optischen Faser 34, die in einem Blindloch in dem Halter 32 angebracht ist und mit dem Strahlungsmeßgerät in ähnlicher Art verbunden ist, um die von dem Halter 32 ausgehende Strahlung kompensiert wird.
In einer dritten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform (Fig. 6) wird ein Wafer aus Halbleitermaterial 36 durch einen Halter 37 geheizt, der in einer nicht gezeigten Art geheizt wird und mit einer Durchgangsöffnung 38 und einem Blindloch 39 versehen ist. Die von diesen Öffnungen kommende Strahlung wird über eine Linse 40 zu Detektoren 41 und 42 des schematisch angedeuteten Pyrometers 43 gelenkt. Durch die von dem Blindloch 39 stammende Strahlung wird die Temperaturstrahlung von dem Halter 37 ausgeglichen. In sowohl der zweiten als auch der dritten bevorzugten Ausführungsform dient der Halter oder die Klammer als Ausgleichsstrahlung. Eine Strahlung mit einer Wellenlänge 0,1 um wird bevorzugt verwendet, so daß in einem Temperaturbereich von 0 bis 1200ºC gemessen werden kann. Bei dieser Wellenlänge tritt keine Durchlässigkeit des Siliziumwafers in dem Temperaturbereich auf.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben ausgeführte, bevorzugte Ausführungsform für schnelles, thermisches Bearbeiten beschränkt; das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung sind in der Halbleiterindustrie in Einrichtungen für RTCVD, MBE usw. anwendbar, oder auch für andere Anwendungen, wie es aus den nachfolgenden Ansprüchen ersichtlich ist.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Strahlung, die von einer Seite eines Wafers (W) aus Halbleitermaterial ausgeht, unter Verwendung eines Strahlungsthermometers oder Pyrometers (1, 13, 14, 43), wobei der Wafer durch Heizmittel (12, 32, 37) beheizt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Ausgleichsstrahlung auf die eine und/oder die andere Seite des Wafers projiziert wird, um das Reflexionsvermögen bzw. die Durchlässigkeit des Wafers (W) auszugleichen, und wobei die Intensität der Ausgleichsstrahlung in Abhängigkeit von der durch das Pyrometer gemessenen Strahlungsmenge gesteuert wird.

2. Vorrichtung (11) zur Behandlung eines Wafers (W) aus Halbleitermaterial, mit

- einer Behandlungskammer, in der der Wafer (W) behandelt wird;

- ein in der Kammer angeordnetes Heizmittel zur Beheizung des Wafers, und

- ein oder mehrere Pyrometer oder Strahlungsthermometer zur Messung der vom Wafer kommenden Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß das Pyrometer in einer Wand der Behandlungskammer angeordnet ist und daß zur Projektion von Ausgleichsstrahlung auf den Wafer aus Halbleitermaterial eine oder mehrere Ausgleichslampen vorgesehen sind, wobei die Intensität der Ausgleichslampen in Abhängigkeit vom Meßwert des Pyrometers gesteuert wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Heizmittel Infrarotlampen umfaßt, die an einer Seite des einzusetzenden Wafers aus Halbleitermaterial angeordnet sind, und bei der das Pyrometer und die Ausgleichslampen auf der anderen Seite des Wafers aus Halbleitermaterial angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der ein mattes Glas oder ein Facettenspiegel oder eine Linse vor der Ausgleichslampe angeordnet ist, um ein diffuses Ausgleichslichtbündel zu schaffen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, bei der eine Anzahl von zweiten Ausgleichslampen auf der vom Pyrometer entfernten Seite des Wafers angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der zwischen den zweiten Ausgleichslampen und der Infrarotlampe ein wassergekühltes Fenster angeordnet ist.