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Hintergrund
der Erfindung
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1. Gebiet der
Erfindung
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Die hier beschriebene Erfindung betrifft
das Gebiet der Verarbeitung von Halbleitern und insbesondere eine
Vorrichtung und ein Verfahren zum Kalibrieren eines optischen Pyrometers
auf einen externen Schwarzkörper-Referenzpunkt.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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US-A-5 343 040 beschreibt eine thermische Referenztechnik
für voraus
schauende Infrarot- (FLIR) Sensoren. Diese Technik umfasst die Verwendung
eines Abtastspiegels, der eine externe Szenerie betrachtet, wobei
die Infrarotenergie von dem Abtastspiegel an einem optischen Pfad
entlang zu einem Festkörper-Detektor
geführt
wird. Ein Spiegel mit drei Positionen ist in dem optischen Pfad
vorgesehen und der FLIR Sensor enthält zwei thermische Referenzquellen,
welche auf beiden Seiten des optischen Pfads angeordnet sind und
von dem Spiegel mit drei Positionen einsehbar sind. Wenn er sich
in der ersten Position befindet, reflektiert der Spiegel mit drei
Positionen die Infrarotenergie von der externen Szenerie auf den
Detektor. Wenn der Spiegel mit drei Positionen in die anderen Positionen
bewegt wird, reflektiert er die thermische Energie der thermischen
Referenzquelle auf den Detektor, um zwei Referenz-Beleuchtungspegel
für den
FLIR Sensor zur Verfügung
zu stellen.
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Precision Measurement and Calibration,
Selected NVS Papers on Radiometry and Photometry; November 1971;
Washington DC, USA, mit dem Titel „An Approach to Thermal Emittance
Standards" von Richmond
et al offenbart relevanten Stand der Technik für die vorliegende Erfindung.
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Die Temperatur ist eine kritische
Variable bei vielen Prozessschritten der Verarbeitung von Halbleitern.
Thermisches Entspannen von Wafern ist ein Beispiel für einen
Prozessschritt mit hoher Temperatur bei der Verarbeitung von Halbleitern,
für den
präzise
Messungen der Temperatur wichtig sind. Ein thermischer Entspannungsschritt
ist nach einer Innenimplantation notwendig, um die implantierten
Elektronen zu verteilen und zu aktivieren und mögliche Implantierungsschäden an der
Kristallstruktur des Halbleitersubstrats zu reparieren. Eine Entspannung kann
in einem Schmelzofen stattfinden oder in einer moderneren schnellen
thermischen Entspannungs- („RTA") Kammer. Ein typischer
RTA Prozess wird bei 420–1200°C durchgeführt und
dauert irgendwo zwischen wenigen Sekunden und wenigen Minuten.
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Eines der größten Probleme mit RTAs ist
die Schwierigkeit, die Temperatur der RTA und insbesondere die Temperatur
an der Oberfläche
der Wafer einzustellen. Eine akkurate Messung der Temperatur ist der
wichtigste und limitierendste Faktor bei derzeitigen RTA Systemen.
Um eine Verunreinigung von Wafern, welche innerhalb der RTA-Kammer
bearbeitet werden, zu vermeiden, werden bevorzugte Temperaturmessungen
gemacht, ohne die Wafer oder die Verarbeitungsumgebung innerhalb
der RTA physikalisch zu kontaktieren.
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Strahlungspyrometer sind eine allgemeine Klasse
von Temperaturmessvorrichtungen, die den Vorteil haben, dass sie
das zu messende Material nicht berühren. Die meisten Pyrometer
arbeiten, indem sie Strahlung von dem Objekt messen, dessen Temperatur
gemessen werden soll. Optische Pyrometer, welche oft zusammen mit
RTAs verwendet werden, messen die Temperatur von glühenden Körpern, wie
zum Beispiel erhitzten Wafern, indem sie mit einem kalibrierten
Glühfaden,
der in der Temperatur geregelt werden kann, visuell verglichen werden. Durch
das Durchlaufen eines Stroms durch einen Glühfaden in dem optischen Pyrometer
fängt der Glühfaden an,
Licht zu emittieren, das heißt
er wird glühend.
Das von dem Glühfaden
emittierte Licht ist kennzeichnend für die Temperatur des Glühfadens. Ein
optischer Durchlass, der in die Wand der RTA-Kammer eingebaut ist,
erlaubt es Licht von dem erhitzten Wafer von dem optischen Pyrometer
empfangen zu werden und visuell mit der Farbe des kalibrierten Glühfadens
verglichen zu werden. Die Temperatur des erhitzten Wafers wird erreicht,
wenn der Glühfaden
gegenüber
dem Hintergrundlicht des glühenden
Wafers verschwindet.
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Eines der Probleme bei der Verwendung
von optischen Pyrometern für
die Messung der Temperaturen von Wafern in RTA-Kammern ist die Unzuverlässigkeit
von optischen Pyrometern über
lange Zeiträume.
Mit der zunehmenden Anzahl von Messungen nimmt die Genauigkeit der
optischen Pyrometer ab. Abweichungen in der Größenordnung von 10 Grad Celsius
sind bei normalen RTA Verfahren möglich.
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Ein übliches Verfahren zur Kalibrierung
von optischen Pyrometern, welche für RTA Prozesse verwendet werden,
umfasst die Platzierung eines Testwafers in der RTA-Kammer. Ein
geeigneter Testwafer wird in den meisten Fällen ein Wafer mit einem daran befestigten
Thermoelement sein. Der mit dem optischen Pyrometer gemessene Temperaturwert
wird mit dem von dem Thermoelement gemessenen Temperaturwert verglichen.
Zuverlässige
Thermoelemente sind bereits im Markt verfügbar und Dienste wie zum Beispiel
das National Institute of Standards and Technology und das National
Bureau of Standards bieten eine Kalibrierung von Thermoelementen
an. Daher stellen Thermoelemente im Allgemeinen zuverlässige Referenztemperaturen
zur Verfügung.
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Jedoch sind in dem Fall von RTA Prozessen eine
Anzahl von Problemen mit dieser Methode der Kalibrierung verbunden.
Erstens schafft die Platzierung des Thermoelements in der RTA-Kammer
eine potentielle Quelle von Verunreinigung, was zu einer ungenauen
Ablesung der Temperatur führen
kann. Ein zweites Problem ist ein Anstieg der Herstellungskosten,
der sich aus der Ausfallzeit der RTA ergibt, wenn der Testwafer
eingelegt wird und der Testprozess ausgeführt wird. Im Hinblick auf das
erste Problem entsteht eine mögliche Quelle
von Verunreinigung, weil das Thermoelement elektrisch an eine Signalverarbeitungsvorrichtung
außerhalb
der RTA-Kammer angeschlossen sein muss. Eine weitere Quelle von
Verunreinigung ist das Lot, das zur Befestigung des Thermoelements
an dem Wafer verwendet wird. Zumindest eine Erfindung hat ein Verfahren
zum Kalibrieren eines optischen Pyrometers betrachtet, das die potentiellen
Probleme der Verunreinigung umgeht, welche die Verwendung eines
auf einem Wafer befestigten Thermoelements mit sich bringt.
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In Dilhac et al. (U.S. 5,553,939)
wird ein Testwafer mit einem Referenzbereich verwendet, der eine
Diskontinuität
in der Reflektion einer elektromagnetischen Welle bei einer bekannten
Temperatur hat. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass der Bereich
der Diskontinuität
für die
Reflektion keine potentielle Quelle von Verunreinigungen ist. Des
weiteren kann der Bereich der Diskontinuität für die Reflektion auf der Oberfläche des
Wafers untergebracht sein, die der gegenüber liegt, wohin das optische
Pyrometer ausgerichtet wird. Auf diese Weise wird das von dem Referenzbereich
reflektierte Licht nicht das Auslesen des Pyrometers beeinflussen.
Während
Dilhac et al. einen Weg präsentieren,
um das Problem der Verunreinigung zu überwinden, löst es nicht
das zweite Problem der höheren
Kosten aufgrund der Ausfallzeit der RTA.
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Ein weiteres konventionelles Verfahren
zum Kalibrieren eines optischen Pyrometers ist die Verwendung von
Schwarzkörper-Kalibrierungsöfen. Technisch
ist ein schwarzer Körper
eine Oberfläche, die
soviel Strahlung absorbiert wie sie emittiert, und die emittiert
Strahlung kann die Temperatur auf der Oberfläche vollständig charakterisieren. Alle
schwarzen Körper
haben die gleiche Beziehung zwischen der Intensität oder der
spektralen Helligkeit (was das optische Pyrometer misst) und der
Wellenlänge
des von dem schwarzen Körper
emittierten Lichts. Weil die emittierte Strahlung nicht von der
Größe des schwarzen
Körpers
abhängt,
sind relativ kleine aber wirkungsvolle schwarze Körper verfügbar. Der
begrenzende Faktor für
die Größe sind
die Abmessun gen der Heizkammer, welche benötigt wird, um die Temperatur
an der Oberfläche
des schwarzen Körpers
zu halten. Während
schwarze Körper
als Referenz üblich
sind, muss entweder das optische Pyrometer oder die Schwarzkörper-Referenz
physisch bewegt werden, um eine Kalibrierung zu erlauben. In dem
Fall, dass ein optisches Pyrometer an einer RTA-Kammer befestigt
ist, sind diese Optionen nicht verfügbar. Daher würde es,
zusätzlich
zur Vermeidung einer Änderung
des RTA Verfahrens, von Vorteil sein, ein Mittel zur Kalibrierung
eines optischen Pyrometers zu schaffen, das keine physische Bewegung
entweder des Pyrometers oder der Referenz erfordert.
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Zusammenfassender Überblick über die
Erfindung
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Die oben identifizierten Probleme
werden zum großen
Teil von der vorliegenden Erfindung angesprochen.
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In Übereinstimmung mit einer ersten
Ausführungsform
stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung für die Kalibrierung
eines optische Pyrometers wie im begleitenden Anspruch 1 definiert
zur Verfügung.
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Die Vorrichtung wird für die Kalibrierung
des optischen Pyrometers auf einen externen Referenzpunkt verwendet,
der die Schwarzkörper-Referenz enthält. Der
Spiegel wird verwendet, um die Lichtquelle, welche von dem in einer
Halbleiterverarbeitungsoperation verwendeten optischen Pyrometer empfangen
wird, zu ändern.
Durch die Änderung
des Fokus des optischen Pyrometers ohne das Pyrometer physikalisch
zu bewegen, kann die Kalibrierung des optischen Pyrometers erreicht
werden ohne dass die Halbleiteroperation geändert wird. Daher kann in einem
RTA Prozess eine mit Kosten behaftete Ausfallzeit eliminiert werden.
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Entsprechend betrachtet die vorliegende
Erfindung eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines optischen Pyrometers.
Eine derartige Vorrichtung umfasst eine erste optische Quelle in
einer Heizkammer mit einem optischen Durchlass, ein optisches Pyrometer,
einen Spiegel und eine zweite optische Quelle. Diese Komponenten
sind wie folgt angeordnet: Das optische Pyrometer ist positioniert,
um Lichtstrahlen von einer ersten optischen Quelle zu empfangen,
welche einen in der Heizkammer befindlichen ersten Wafer umfasst.
Die zweite optische Quelle ist außerhalb der Heizkammer angeordnet und
ist die Schwarzkörper-Referenz,
welche zumindest eine Schwarzkörper-Kammer
mit einem Schwarzkörper-Ziel
umfasst, die einen darin befindlichen zweiten Wafer aufweist. Die
zweite optische Quelle dient als ein externer Referenzpunkt. Der
externe Standort der zweiten optischen Quelle erlaubt eine Kalibrierung
des optischen Pyrometers, ohne dass die Heizkammer oder die in der
Heizkammer befindliche erste optische Quelle geändert werden muss. Der Spiegel
ist zwischen der Heizkammer und dem optischen Pyrometer angeordnet.
Der Spiegel ist derart gelegen, dass es dem optischen Pyrometer erlaubt
wird, Lichtstrahlen von der zweiten optischen Quelle zu empfangen.
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Vorzugsweise ist die Heizkammer eine RTA-Kammer
und der erste Wafer wird in der RTA-Kammer bearbeitet. Für die zweite
optische Quelle kann vorteilhafterweise mehr als eine Schwarzkörper-Kammer
und ein darin befindliches Schwarzkörper-Ziel verwendet werden,
um den Betriebstemperaturumfang der RTA-Kammer zu umfassen. Idealerweise
ist die Zusammensetzung des optischen Durchlasses in der Schwarzkörper-Kammer identisch
mit der Zusammensetzung des optischen Durchlasses in der Heizkammer.
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In Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel
ist die Schwarzkörper-Kammer ein Ofen mit einem
optischen Durchlass und der das Schwarzkörper-Ziel bildende zweite Wafer hat ein befestigtes Thermoelement.
Das Thermoelement erlaubt es dem Schwarzkörper-Ziel periodisch kalibriert
zu werden, wobei der Zeitraum zwischen den Kalibrierungen größer ist
als der Zeitraum zwischen den Kalibrierungen, der erforderlich ist,
um die Genauigkeit eines optischen Pyrometers sicher zu stellen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel
hat der zweite Wafer einen Referenzbereich auf einer Oberfläche, der
eine Diskontinuität
in der Reflektion einer elektromagnetischen Welle bei einer bekannten
Temperatur hat.
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In Übereinstimmung mit einer zweiten
Ausführungsform
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kalibrieren eines
optischen Pyrometers wie im begleitenden Anspruch 6 definiert zur
Verfügung.
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Entsprechend betrachtet die vorliegende
Erfindung des weiteren ein Verfahren zum Kalibrieren eines optischen
Pyrometers. Bei gegebener Heizkammer wird ein optisches Pyrometer
verwendet, um die Temperatur einer ersten optischen Quelle zu messen,
welche einen in der Heizkammer eingeschlossenen ersten Wafer aufweist.
Die Messung der Temperatur der ersten optischen Quelle wird durch die
Positionierung des optischen Pyrometers erreicht, um Lichtstrahlen
durch einen in die Heizkammer eingebauten optischen Durchlass von
der ersten optischen Quelle zu empfangen, die sich innerhalb der
Heizkammer befindet. Um eine korrekte Messung der Temperatur sicherzustellen,
muss das optische Pyrometer kalibriert werden. Um das optische Pyrometer
zu kalibrieren ohne die Umgebung der ersten optischen Quelle zu ändern oder
zu modifizieren, wird ein Spiegel zwischen dem optischen Pyrometer
und der Heizkammer angeordnet. Die Position des Spiegels kann dann
angepasst werden, so dass das optische Pyrometer Lichtstrahlen von
einer zweiten optischen Quelle empfängt, die außerhalb der Heizkammer angeordnet
ist. Durch das Umschalten des Ziels des optischen Pyrometers mit
einem Spiegel kann das optische Pyrometer auf eine externe optische
Quelle kalibriert werden, das heißt die zweite optische Quelle
aufweisend eine Schwarzkörper-Referenz,
die ein Schwarzkörper-Ziel
enthält,
das einen zweiten Wafer aufweist.
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Die Kalibrierung des optischen Pyrometers auf
die zweite optische Quelle erfordert das Ansteigen der zweiten optischen
Quelle auf eine erste Temperatur. Eine zweite Temperatur der zweiten
optischen Quelle wird mit dem optischen Pyrometer unter Benutzung
der Lichtstrahlen von der zweiten optischen Quelle gemessen und
aufgezeichnet. Das optische Pyrometer wird dann dadurch justiert
oder kalibriert, dass die zweite Temperatur in Übereinstimmung mit der ersten
gebracht wird.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
die Heizkammer eine RTA-Kammer und das optische Pyrometer ist an
der RTA-Kammer montiert. Die erste optische Quelle ist ein erster
Halbleiterwafer, der einem oder, mehreren Verarbeitungsschritten
innerhalb der RTA-Kammer unterzogen wird. Die Position des montierten
optischen Pyrometers ist außerhalb
eines optischen Durchlasses fixiert, der in die RTA-Kammer eingebaut
ist. Die Anordnung des optischen Pyrometers gegenüber dem
optischen Durchlass der RTA-Kammer erlaubt dem Pyrometer Licht zu
empfangen, das von dem in der RTA-Kammer bearbeiteten Wafer ausgeht.
Die Anordnung des Spiegels zwischen dem optischen Pyrometer und
dem optischen Durchlass erlaubt dem optischen Pyrometer auf eine
zweite optische Quelle referenziert zu werden. Die zweite optische
Quelle ist eine Schwarzkörper-Referenz,
die zumindest eine Schwarzkörper-Kammer
aufweist, welche ein Schwarzkörper-Ziel
einschließt.
Die Schwarzkörper-Kammer umfasst
einen Ofen mit einem optischen Durchlass und das Schwarzkörper-Ziel
umfasst einen zweiten Wafer mit einem befestigten Thermoelement.
Für Zwecke
des Kalibrierens des optischen Pyrometers ist es vorteilhaft, dass
die Zusammensetzung des optischen Durchlasses in der Schwarzkörper-Kammer ähnlich oder
identisch mit der Zusammensetzung des optischen Durchlasses in der
RTA-Kammer ist. In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die zweite
optische Quelle einen zweiten Wafer mit einem Referenzbereich auf
einer Oberfläche,
der eine Diskontinuität
in der Reflektion einer elektromagnetischen Welle bei einer bekannten
Temperatur hat. Durch den Bezug des optischen Pyrometers auf eine externe
Quelle kann eine Modifizierung der Verarbeitungsumgebung innerhalb
der RTA-Kammer verhindert werden.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Weitere Aufgaben und Vorteile der
Erfindung werden nach der Lektüre
der folgenden detaillierten Beschreibung und nach der Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen besser verständlich. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Wafers, der einem Halbleiter Prozess
in einer Heizkammer unterzogen wird, und eines optischen Pyrometers
im Querschnitt, das zum Messen der Temperatur des Prozesses verwendet
wird; und
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2 einen
Spiegel, welcher benutzt wird, um ein optisches Pyrometer auf eine
externe Referenzquelle zu beziehen.
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Während
die Erfindung verschiedenen Abänderungen
und alternativen Ausbildungen unterworfen werden kann, sind bestimmte
Ausführungsbeispiele
davon beispielhaft in den Zeichnungen dargestellt und werden weiter
unten detailliert beschrieben werden. Es sollte jedoch verstanden
werden, dass die Zeichnungen und die dazu gehörige detaillierte Beschreibung
nicht beabsichtigen, die Erfindung auf die bestimmte offenbarte
Form einzuschränken,
sondern dass vielmehr Abänderungen, Äquivalente
und Alternativen in den Bereich der vorliegenden Erfindung, wie
sie von den beigefügten
Ansprüchen
definiert ist, fallen können.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Die 1 und 2 werden verwendet, um die Erfindung zu
beschreiben. 1 zeigt
eine Darstellung der Heizkammer 100 im Querschnitt. Die
Heizkammer 100 stellt im allgemeinen jeden Ofen dar, der ein
optisches Pyrometer für
Messungen der Temperatur verwendet. Jedoch ist die Heizkammer 100 vorzugsweise
eine schnelle thermische Entspannungs- („RTA") Kammer.
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Eine RTA-Kammer kann verwendet werden, um
einen thermischen Entspannungsschritt in einer Halbleiter-Verarbeitungsoperation
auszuführen.
Ein thermischer Entspannungsschritt ist nach einer Innenimplantation
erforderlich, um die implantierten Elektronen zu verteilen und zu
aktivieren und mögliche Schäden in der
Kristallstruktur des Halbleitersubstrats zu reparieren. Ein typischer
RTA Prozess wird bei 420–1200°C durchgeführt und
dauert irgendwo zwischen wenigen Sekunden und wenigen Minuten. Inkohärente Energiequellen
mit großer
Fläche
wurden entwickelt, um eine gleichmäßige Erhitzung der Wafer sicherzustellen
und Spannungen zu verweiden. Bei einer RTA emittieren diese Quellen
Strahlungslicht, was ein sehr schnelles und gleichmäßiges Erhitzen
und Kühlen
ermöglicht.
Ein Array von Heizelementen 110 ist in 1 dargestellt. Für den Fall einer RTA-Kammer
können
die Heizelemente 110 Bogenlampen, Wolfram-Halogen Lampen
und per Widerstand geheizte, geschlitzte Graphitblätter umfassen.
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Ein Wafer 120, der einem
thermischen Prozess, vorzugsweise einem RTA Prozess, unterzogen wird,
ist in der Heizkammer 100 gezeigt. Während eines RTA Prozesses sind
die Wafer thermisch isoliert, so dass strahlende (nicht direkte)
Erwärmung
und Kühlung
vorherrschend ist. Die meiste Erwärmung wird in einer inerten
Atmosphäre
(Argon oder Stickstoff) oder in einem Vakuum durch geführt, obwohl Sauerstoff
oder Ammoniak zum Wachsen von Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid
in die RTA-Kammer eingeführt
werden können.
Wenn der Wafer 120 auf hohe Temperaturen erhitzt ist, wird
er Strahlung im optischen Spektrum emittieren. Einige der von dem Wafer 120 emittierten
Lichtstrahlen werden durch den optischen Durchlass 130 übertragen
werden.
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Wie in 1 gezeigt
ist, ist das optische Pyrometer 140 positioniert, um von
dem Wafer 120 emittierte Lichtstrahlen, die durch den optischen Durchlass 130 übertragen
werden, zu empfangen. Das optische Pyrometer 140 ist mit
einem Abstimmen 150 ausgerüstet, der verwendet werden
kann, um den gemessenen Wert der Temperatur anzupassen. In einer
typischen RTA-Kammer ist das optische Pyrometer fest mit der RTA-Kammer
verbunden. Mit dem an der RTA-Kammer befestigten optischen Pyrometer
bringen konventionelle Kalibrierungsverfahren die Platzierung von
an Wafern angebrachten Thermoelementen in der RTA-Kammer mit sich. Während die
Kalibrierung des optischen Pyrometers 140 auf diese Weise
ausgeführt
werden kann, erfordert das konventionelle Verfahren eine Änderung
des RTA Prozesses. Eine Änderung
des RTA Prozesses kann sowohl zu einem Anstieg der Produktionskosten
als auch zu einer potentiellen inakkuraten Kalibrierung des optischen
Pyrometers führen.
Eine Fehlkalibrierung des optischen Pyrometers kann wiederum eine
geringere Ausbeute von qualitativ hochwertigen Wafern zur Folge
haben.
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Es wird nun auf 2 Bezug
genommen, wo eine Vorrichtung dargestellt ist, welche versucht,
das optische Pyrometer auf eine externe optische Quelle zu referenzieren,
welche vorzugsweise ein Schwarzkörper-Referenzpunkt.
ist. Durch die Kalibrierung des optischen Pyrometers auf eine Referenz
außerhalb der
RTA-Kammer kann eine Veränderung
oder eine Unterbrechung der in der RTA-Kammer ablaufenden Prozesse
vollständig
vermieden werden. Dies erhöht die
Effizienz der RTA-Kammer auf zwei Arten. Erstens kann die RTA betrieben
werden, ohne dass sie still gelegt werden muss, um einen Testwafer
mit einem Thermoelement einzuführen.
Wegen der Verzögerungen
bei den RTA Operationen, die von konventionellen Kalibrierungstechniken
herrühren,
wird eine Kalibrierung des Pyrometers lediglich etwa einmal pro
Monat durch geführt.
Zweitens sind RTA Prozesse höchst
empfindlich in der Temperatur, was bedeutet, dass relativ kleine
Schwankungen in der Temperatur zu mit Fehlern behafteten Wafern
führen
können.
Optische Pyrometer sind ohne Wartung über ausgedehnte Zeiträume nicht
vertrauenswürdig.
Daher kann das Abwarten von bis zu einem Monat zwischen Kalibrierungen
zu der Herstellung von Wafern mit niedriger Qualität führen.
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Eine geeignete Schwarzkörper-Referenz weist
ein Schwarzkörper-Ziel
innerhalb einer Schwarzkörper-Kammer
auf. Die Schwarzkörper-Kammer 160,
welche ein Schwarzkörper-Ziel 170 enthält, ist
gezeigt, wie sie außerhalb
der Heizkammer 100 angeordnet ist. Ein Rückblick
auf die Physik der schwarzen Körper
wird hilfreich sein, um diesen Bereich der Erfindung zu verstehen.
Alle materiellen Objekte absorbieren und emittieren Strahlung, wenn
sie erhitzt werden. Ein idealer schwarzer Körper ist eine Oberfläche, die
sämtliche
auf sie einfallende elektromagnetische Strahlung absorbiert und
nichts reflektiert. Des weiteren emittiert und absorbiert ein idealer
schwarzer Körper
Strahlung mit dem gleichen Verhältnis.
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Während
eine ideale Schwarzkörperoberfläche nicht
erlangt werden kann, können
Modelle gefunden werden, die schwarze Körper dicht annähern. Das
beste Beispiel, und eines das schon seit langem zur experimentellen
Simulation von schwarzen Körpern
verwendet worden ist, ist der Schwarzkörper-Hohlraum. Ein Schwarzkörper-Hohlraum
ist ein undurchsichtiger Hohlraum umgeben von einem Wärmespeicher.
Der Hohlraum ist in thermischem Gleichgewicht mit der Schwarzkörper-Kammer,
mit dem Ergebnis, dass der Hohlraum mit Schwarzkörper-Strahlung gefüllt ist,
die charakteristisch ist für
die Temperatur der Wände
des Hohlraums. Wenn eine kleine Öffnung
in der Wand gebildet wird, nähert
die aus der Öffnung
austretende Strahlung die Strahlung eines idealen schwarzen Körpers sehr
genau an, weil die spektrale Strahlung der Öffnung gleich ist zu der der
inneren Wand des Schwarzkörper-Hohlraums, die der Öffnung direkt
gegenüber
liegt. Zusätzlich hängt die
spektrale Strahlung von der Temperatur des Hohlraums und der Wellenlänge des
Lichts ab, aber ist unabhängig
von der Größe des Schwarzkörper-Hohlraums.
Diese Eigenschaften machen Schwarzkörper-Hohlräume zu exzellenten Temperaturreferenzen.
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Daher ist, in Übereinstimmung mit einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel,
die Schwarzkörper-Kammer 160 ein
Wärmespeicher
und das Schwarzkörper-Ziel 170 ist
ein Schwarzkörper-Hohlraum
mit einer kleinen Öffnung
in einer Wand, die dem optischen Durchlass 180 zugewandt
ist. Ein geeigneter Schwarzkörper-Hohlraum
kann gefunden werden, der für
den Bereich der Betriebstemperaturen der RTA empfohlen wird. Die
Temperatur des Schwarz körper-Hohlraums
kann unter Verwendung eines Thermoelements 190 gewählt und
gemessen werden.
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Während
Schwarzkörper-Hohlräume ideale Schwarzkörper gut
annähern,
existieren weitere Kandidaten für
schwarze Körper.
Alle Materialien emittieren thermische Strahlung, obwohl weniger
als ein Schwarzkörper
bei gleicher Temperatur. Undurchsichtige Materialien in thermischem
Gleichgewicht mit ihrer Umgebung können betrachtet werden als
ob sie mit Schwarzkörper-Strahlung gefüllt wären, die kontinuierlich
absorbiert und wieder emittiert wird. Zum Beispiel nähert eine
nicht reflektierende Oberfläche
einen schwarzen Körper
an. Daher kann das Schwarzkörper-Ziel 170 ein
festes Material sein. In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung ist das Schwarzkörper-Ziel 170 ein
Halbleiterwafer. Obwohl weiter entfernt von einem idealen Schwarzkörper-Ziel,
bietet ein zweiter Wafer mit derselben Zusammensetzung wie der in
der RTA-Kammer 100 bearbeitete Wafer bestimmte Vorteile.
Die Verfügbarkeit von
geeigneten zweiten Wafern ist ein Faktor. Auch kann ein Wafer, der
zuvor für
einen konventionellen Kalibrierungsprozess benutzt worden ist, mit
dem vorliegenden Verfahren verwendet werden. Des weiteren stellt,
mit einem als ein Schwarzkörper-Ziel
verwendeten Wafer, die Schwarzkörper-Referenz
tatsächlich
ein Modell des überwachten
Prozesses dar. In diesem Fall wird es wichtig, dass die Zusammensetzung
des optischen Durchlasses 180 der Zusammensetzung des optischen
Durchlasses 130, der in die Heizkammer eingebaut ist, entspricht.
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Mehr als eine Schwarzkörper-Kammer
und eine enthaltenes Schwarzkörper-Ziel können vorteilhafterweise
verwendet werden, um den Betriebstemperaturbereich der RTA-Kammer
zu umfassen. Eine Mehrzahl von Schwarzkörper-Referenzen kann erforderlich sein, wenn
die Temperaturspanne eines Prozesses die Grenzen einer einzelnen
Schwarzkörper-Quelle überschreitet.
In einem derartigen Fall kann eine einzige, feste Stelle für die Referenz
zugewiesen werden und die einzelnen Schwarzkörper-Quellen können ausgewechselt
werden. Eine weitere Möglichkeit
ist es, die Mehrzahl von Schwarzkörper- Referenzen um das optische Pyrometer
anzuordnen und den Spiegel 200 zu benutzen, um auf die geeignete
Schwarzkörper-Referenz
für einen
bestimmten Temperaturbereich zu zielen.
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Schwarzkörper-Referenzen stellen nicht
die einzige Klasse von externen Referenzen zum Kalibrieren des optischen
Pyrometers 140 dar, obwohl sie die bevorzugten Referenzen
sind. Ein Beispiel einer Referenz, die in der vorliegenden Erfindung
verwendet werden kann, ist ein Testwafer mit einem Referenzbereich,
der eine Diskontinuität
in der Reflektion einer elektromagnetischen Welle bei einer bekannten Temperatur
hat. Dies ist die Erfindung, die bei Dilhac et al. (U.S. 5,553,939)
betrachtet wird.
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Mit einer geeigneten externen Schwarzkörper-Referenz
an der Stelle kann der Spiegel 200 zwischen der RTA-Kammer 100 und
dem optischen Pyrometer 140 angeordnet werden. Der Spiegel 200 stellt
die Mittel zum Zielen auf die externe Referenzquelle zur Verfügung. Durch
die Anordnung des Spiegels 200 zwischen der RTA-Kammer 100 und
dem optischen Pyrometer 140 wird verhindert, dass Lichtstrahlen
von dem Wafer 120 das optische Pyrometer 140 erreichen.
Eine nach folgende Justierung des Spiegels 200 kann die
externe Referenzquelle in das Blickfeld des optischen Pyrometer 140 bringen.
Der Spiegel 200 ist vorzugsweise vollständig reflektierend, jedoch
ist auch ein teilweise reflektierender und teilweise durchlässiger Spiegel
möglich.
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Die geeignete Positionierung des
Spiegels 200 zwischen der RTA-Kammer 100 und dem
optischen Pyrometer 140 kann auf eine Vielzahl von Arten
erzielt werden. Zum Beispiel kann der Spiegel 200 manuell
in die Position bewegt werden. Das manuelle Positionieren kann die
Herstellung eines permanenten oder temporären Rahmens mit sich bringen,
um den Spiegel in Position zu halten. Obwohl die manuelle Positionierung
eine Möglichkeit
ist, wird eine automatische Positionierung bevorzugt. Eine automatische
Aktivierung des Spiegels 200 kann mittels gut bekannter
Mittel erreicht werden. Zum Beispiel kann der Spiegel 200 auf
einem Rahmen mit einem angebrachten Motor mon tiert sein, der den
Spiegel 200 in die oder aus der Position drehen kann, wenn
eine Kalibrierung erforderlich ist. Egal ob manuelle oder automatische
Mittel für
die erste Positionierung des Spiegels 200 verwendet werden,
der wichtige Punkt ist, dass der Spiegel 200 in Position ist,
wenn eine Kalibrierung erwünscht
ist, und aus der Position ist, wenn das optische Pyrometer mit Messungen
der Temperatur von in der RTA-Kammer 100 stattfindenden
Prozessen befasst ist.
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Sobald der Spiegel 200 zwischen
der RTA-Kammer 100 und dem optischen Pyrometer 140 angeordnet
ist, ist eine weitere Einstellung des Spiegels 200 notwendig,
um es Lichtstrahlen, die das Schwarzkörper-Ziel 170 verlassen
und durch den optischen Durchlass 180 austreten, zu erlauben,
das optische Pyrometer 140 zu erreichen. Eine saubere Ausrichtung
des Schwarzkörper-Ziels 170 und
des optischen Pyrometers 140 kann durch die Verwendung
einer Laserlichtquelle erreicht werden. In 2 ist
die Position der Schwarzkörper-Kammer 160 derart
gezeigt, dass der Pfad der Lichtstrahlen, die das Schwarzkörper-Ziel 170 verlassen,
und der Pfad der Lichtstrahlen, die den Wafer 120 verlassen,
sich in einem rechten Winkel schneiden. Jedoch wird in einem wirklichen
Entwurf die Positionierung der externen Referenz durch die Geometrie
der RTA und ihrer physikalischen Umgebung vorgegeben werden.
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Um das optische Pyrometer 140 auf
die externe Referenzquelle zu referenzieren, sind zwei Temperaturwerte
erforderlich. Wenn die externe Referenzquelle eine Schwarzkörper-Referenz
ist, die zuvor kalibriert worden ist, kann der erste Temperaturwert
dadurch erhalten werden, dass einfach eine Kontrollanzeige für die Temperatur
auf die Schwarzkörper-Kammer 160 gesetzt
wird. Falls nötig
kann die Kalibrierung des Schwarzkörper-Ziels 170 durch
die Messung der Temperatur des Thermoelements 190 und die
Bezugnahme auf einen bekannten physikalischen Temperaturstandard
erreicht werden. Für Temperaturen über 1000°C kann die
Temperatur des schwarzen Körpers
mit Verwendung eines Platin/Platin-Rhodium (13 Prozent) Thermoelements
und einer Referenz für
den Gefrierpunkt gemessen werden. Für Kalibrierungen eines schwarzen
Körpers
bei höheren
Temperaturen kann der Schmelzpunkt eines Metalls wie zum Beispiel
Gold als physikalischer Standard verwendet werden. Auf jeden Fall
ist der Punkt bei einer Kalibrierung der Schwarzkörper-Referenz
das Vertrauen, dass die tatsächliche
Temperatur des Schwarzkörper-Ziels 170 zu
der gewählten Temperatur
ansteigt.
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Für
den Fall, dass die Schwarzkörper-Referenz
nicht vor der Benutzung in dem optischen Pyrometer 140 eingestellt
worden ist, muss der erste Temperaturwert gleichzeitig mit einer
nachfolgenden Messung der Temperatur, die mit dem optischen Pyrometer
gemacht wird, gemessen werden. In einem Ausführungsbeispiel ist das Schwarzkörper-Ziel 170 ein
Halbleiterwafer und die erste Temperatur des in der Schwarzkörper-Kammer 160 befindlichen
Halbleiterwafers wird mit dem Thermoelement 190 gemacht.
Ein Schlüssel
zu diesem Verfahren ist das Verständnis, dass das Thermoelement
in großer Nähe auf dem
geeigneten Schwarzkörper-Ziel
angebracht ist, wohin das optische Pyrometer schauen wird. Auf diese
Weise ist das Delta der Temperatur zwischen dem Befestigungspunkt
des Thermoelements und dem Punkt, auf den das Pyrometer schaut,
klein. Daher kann die Kalibrierung in einer kleinen Fehlergrenze
gehalten werden im Vergleich zu der Abweichung von den 5 bis 10
Grad Celsius, welche zur Zeit erfahren wird.
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Nachdem eine erste Messung der Temperatur
des Schwarzkörper-Ziels 170 gemacht
worden ist und unabhängig
von dem optischen Pyrometer 140 aufgezeichnet wurde, wird
eine zweite Messung der Temperatur des Schwarzkörper-Ziels unter Benutzung
des optischen Pyrometers 140 durchgeführt. Das optische Pyrometer 140 misst
die zweite Temperatur des Schwarzkörper-Ziels 170 unter
Benutzung der von dem Schwarzkörper-Ziel 170 emittierten Lichtstrahlen,
welche durch den optischen Durchlass 180 durchtreten und
von dem Spiegel 200 reflektiert werden. Nachdem beide Temperaturwerte
erhalten wurden, wird der erste Temperaturwert mit dem zweiten Temperaturwert
verglichen. Die Temperaturwerte können entweder manuell oder
unter Benutzung von Computermitteln verglichen werden. Falls der
zweite Temperatur wert nicht mit dem ersten übereinstimmt, kann der Abstimmer 150 verwendet
werden, um die zweite Temperatur in Überdeckung mit der ersten zu bringen.
Das Ergebnis ist ein kalibriertes optisches Pyrometer, das auf den
RTA Prozess in der Kammer 100 durch das Bewegen des Spiegels 200 aus
dem Weg umgeschult werden kann.