DE69826961T2

DE69826961T2 - Pyrometerkalibrierung unter verwendung mehrerer lichtquellen

Info

Publication number: DE69826961T2
Application number: DE69826961T
Authority: DE
Inventors: Mark Yam
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1997-05-22
Filing date: 1998-05-07
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2018-05-08
Also published as: WO1998053286A1; JP4545812B2; JP2000515638A; KR20000029481A; ATE279717T1; JP2009042248A; US6179465B1; JP4245669B2; EP0916078B1; DE69826961D1; KR100523786B1; EP0916078A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kalibrierpyrometer, die in Wärmebehandlungssystemen verwendet werden.
Bei der schnellen Wärmebehandlung (RTP) wird ein Substrat schnell auf eine hohe Temperatur, beispielsweise 1200°C erhitzt, um einen Fertigungsschritt auszuführen, beispielsweise ein Glühen, ein Reinigen, eine chemische Dampfabscheidung, eine Oxidation oder eine Nitrierung. Insbesondere muss bei den Abmessungen der gegenwärtigen Vorrichtungen im Submikronbereich zum Erreichen hoher Ausbeuten und einer Behandlungszuverlässigkeit die Temperatur des Substrats während dieser Wärmebehandlungsschritte genau gesteuert werden. Um beispielsweise eine dielektrische Schicht mit einer Dicke von 60 bis 80 Å mit einer Gleichförmigkeit von ±2 Å, was für die Anforderungen an die gegenwärtigen Vorrichtungsstrukturen typisch ist, herzustellen, können die Temperaturen in aufeinander folgenden Behandlungsabläufen nicht um mehr als wenige °C von der Targettemperatur variieren. Um dieses Niveau der Temperatursteuerung zu erreichen, wird die Temperatur des Substrats in Realzeit und in situ gemessen.
Die optische Pyrometrie ist eine Technologie, die zum Messen von Substrattemperaturen in RTP-Systemen verwendet wird. Ein optisches Pyrometer, das eine optische Sonde verwendet, erfasst die in dem Substrat emittierte Strahlungsstärke und berechnet die Temperatur des Substrats basierend auf dem spektralen Emissionsvermögen des Substrats und der Beziehung Strahlung-Temperatur des schwarzen Körpers.
Wenn das System zuerst eingestellt wird, muss die optische Sonde kalibriert werden, damit sie eine genaue Temperaturablesung erzeugt, wenn sie der Strahlung ausgesetzt wird, die von dem erhitzten Substrat kommt. Außerdem kann sich während eines wiederholten Einsatzes die von der Sonde erfasste Temperatur mit der Zeit ändern, so dass es nötig ist, die Sonde nachzukalibrieren oder wenigstens die Änderung festzustellen, die eingetreten ist, damit eine Korrekturwirkung vorgenommen werden kann. Beispielsweise kann das Lichtleitkabel, das dazu verwendet wird, die von dem Substrat bei seiner Erwärmung emittierte Strahlung zu erfassen, schmutzig oder angeschlagen werden, wodurch Verbindungen über der optischen Säule, die das erfasste Licht zum Pyrometer überträgt, verloren gehen können oder die elektronischen Bauelemente in dem Pyrometer "driften" können.
Ein üblicherweise verwendetes Verfahren zur Kalibrierung des Pyrometers besteht darin, ein spezielles Substrat oder einen Wafer in der Kammer einzusetzen. Das spezielle Substrat, das im Handel erhältlich ist, hat ein vorher gemessenes bekanntes Emissionsvermögen und weist ein "eingebettetes" Thermoelement auf, das an dem Substrat mit einem Keramikmaterial befestigt ist. Wenn das Substrat erhitzt wird, wird von dem Thermoelement die tatsächliche Temperatur angezeigt. Da das Emissionsvermögen des Substrats bekannt ist, kann die Strahlung, die tatsächlich von dem Substrat emittiert wird, leicht dadurch berechnet werden, dass die Strahlungsstärke, die von einem idealen schwarzen Körper erwartet würde, d.h. die vorgegebene Temperatur, mit dem Emissionsvermögen des Substrats multipliziert wird. Dies ist der Strahlungspegel, der von der optischen Sonde des Pyrometers erfasst wird. Das Pyrometer wird so eingestellt, dass es eine Temperaturablesung erzeugt, die der tatsächlichen Temperatur entspricht.
Unglücklicherweise hat dieses Verfahren Nachteile. Die tatsächliche Temperatur des Substrats kann sich in der Tat von der von dem Thermoelement gemessenen Temperatur unterscheiden. Das Vorhandensein des eingebetteten Thermoelements und des keramischen Materials bringt zunächst den Bereich des Thermoelements dazu, dass er eine andere Temperatur als andere Teile des Wafers hat, d.h. es stört das Temperaturprofil auf dem Substrat. Bei hohen Temperaturen (beispielsweise 1000°C, wie sie gewöhnlich bei RTP-Prozessen vorliegen) verschlechtert sich außerdem die Verbindung zwischen dem Wafer und dem Thermoelement, so dass nach vier oder fünf Einsätzen die Thermoelementablesungen unzuverlässig werden. Aufgrund dieser Nachteile kann diese Kalibrierungstechnik eine Pyrometergenauigkeit, die besser ist als 10 bis 15°C, nicht wirklich garantieren.
Zusätzlich gibt es Schwierigkeiten aufgrund der Platzierung eines mit einem Thermoelement versehenen Substrats innerhalb der Kammer und durch die Herstellung des elektrischen Anschlusses an das Thermoelement.
Somit wäre es zweckmäßig, wenn eine optische Sonde genau geeicht werden könnte, ohne einen Wafer mit einem eingebetteten Thermoelement zu verwenden.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt ist die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Kalibrieren einer Temperatursonde gerichtet. Die Vorrichtung hat eine erste Lichtquelle zum Emittieren von Licht mit einer ersten Bandbreite sowie eine zweite Lichtquelle zum Emittieren von Licht mit einer zweiten Bandbreite. Die zweite Bandbreite unterscheidet sich von der ersten Bandbreite. Ein Licht emittierender Bereich ist optisch mit der ersten und der zweiten Lichtquelle verbunden, und die relativen Stärken der ersten und der zweiten Lichtquelle werden so gewählt, dass die gesamte von dem Licht emittierenden Bereich emittierte Strahlung im Wesentlichen einen schwarzen Körper bei einer vorgegebenen Temperatur über einen vorgegebenen Wellenlängenbereich simuliert.
Zur Ausführung der Erfindung können folgende Maßnahmen gehören. Die Vorrichtung kann einen Ausrichtmechanismus, beispielsweise eine Ausrichtanordnung, für den Eingriff mit einem entsprechenden Ausrichtelement einer thermischen Behandlungskammer oder für den Eingriff mit dem Einlassende der Temperatursonde aufweisen, um den Licht emittierenden Bereich zu dem Einlassende der Temperatursonde auszurichten. Für den Empfang von Licht von der ersten und der zweiten Lichtquelle und zum Leiten des vereinigten Lichts zu dem Licht emittierenden Bereich kann ein Lichtvereiniger angeordnet werden. Die erste und die zweite Lichtquelle können jeweils Licht mit einer annähernd Gauß'schen Stärkeverteilung emittieren und Stärkespitzen bei unterschiedlichen Wellenlänge haben. Die erste und die zweite Lichtquelle können LEDs sein, und der vorgegebenen Wellenlängenbereich kann im Infraroten liegen. Der Licht emittierende Bereich kann eine Oberfläche einer Lichtleitfaser oder eine Öffnung in einem Aufbau sein, der die erste und die zweite Lichtquelle umschließt.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Erfindung auf ein Verfahren zum Kalibrieren einer Temperatursonde gerichtet sein, die die Temperatur eines Substrats misst, wobei bei dem Verfahren

(a) von einer ersten Lichtquelle Licht mit einer ersten Bandbreite erzeugt wird,
(b) von einer zweiten Lichtquelle Licht mit einer zweiten Bandbreite erzeugt wird, die sich von der ersten Bandbreite unterscheidet,
(c) das Licht aus der ersten und zweiten Lichtquelle vereinigt wird, und
(d) die relativen Stärken der ersten und der zweiten Lichtquelle so gewählt werden, dass ein Verhältnis der Stärke der ersten Wellenlänge zu der Stärke der zweiten Wellen länge im Wesentlichen gleich einem Stärkeverhältnis ist, das für einen schwarzen Körper mit einer vorgegebenen Temperatur vorausberechnet wird.

Bei dem Verfahren kann weiterhin

(e) die Stärke des vereinigten Lichts bei einer ersten Wellenlänge gemessen, und
(f) die Stärke des vereinigten Lichts bei einer zweiten Wellenlänge gemessen werden, – wobei zum Auswählen der relativen Stärken der ersten und der zweiten Lichtquelle ein solches Einstellen der relativen Stärken der ersten und zweiten Lichtquelle gehört, dass das Verhältnis der Stärke bei der ersten Wellenlänge zu der Stärke bei der zweiten Wellenlänge im Wesentlichen gleich einem Stärkeverhältnis ist, das für einen schwarzen Körper bei einer vorgegebenen Temperatur vorausberechnet wird.

Zu den Ausführungen der Erfindung gehört Folgendes. Wenn die erste Bandbreite einen Teil der zweiten Bandbreite überlappt, kann die erste Wellenlänge innerhalb des überlappenden Abschnitts liegen, während die zweite Wellenlänge sich außerhalb der ersten Bandbreite befinden kann. Wenn die erste und die zweite Bandbreite sich nicht überlappen, kann die erste Wellenlänge so gewählt werden, dass die erste und die zweite Lichtquelle in etwa gleiche normalisierte Stärken bei der ersten Wellenlänge haben.
Zu den Vorteilen der Erfindung gehören folgende. Der Spektralausgang des Kalibriergeräts simuliert einen schwarzen Körper bei einer spezifischen Temperatur sehr nahe. Die Strahlung des schwarzen Körpers kann ohne Verwendung eines Kalibrierfilters simuliert werden. Das Pyrometer kann genau (beispielsweise mit einem Fehler von weniger als 1 °C) kalibriert werden, ohne dass ein Wafer mit einem eingebetteten Thermoelement verwendet wird. Die Kalibrierung kann schneller und unter Einsatz von weniger Energie ausgeführt werden. Die Kalibrierung kann auf einen absoluten Standard geführt werden. Das Pyrometer kann kalibriert werden, ohne dass das Lichtleitkabel aus der Kammer entfernt wird. Das Kalibriergerät kann tragbar und robust sein.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, einschließlich der Zeichnungen und der Ansprüche.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Kammer für eine schnelle thermische Behandlung,
2 zeigt eine Kalibriersonde,
3 zeigt eine Temperaturmesssonde,
4 ist ein Diagramm einer Übertragung eines Pyrometerfilters und einer normalisierten Lichtstärke einer LED jeweils als Funktion der Wellenlänge,
5A zeigt einen Schnitt einer Kalibriersonde,
5B ist eine vergrößerte Ansicht von 5A,
6 ist ein Schaltbild einer Kalibriersonde,
7 ist eine Draufsicht auf ein Ausrichtgerät,
8A und 8B sind Schnittansichten des Ausrichtgeräts von 7 längs der Linien 8A-8A bzw. 8B-8B,
8C und 8D sind vergrößerte Ansichten von 8A,
9A zeigt das Ausrichtgerät von 7 mit einer daran angebrachten Kalibriersonde,
9B und 9C sind vergrößerte Ansichten von 9A,
10 zeigt den Lichtstrahl aus einer Kalibriersonde,
11 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Kalibriersonde mit einem daran befestigten Ausrichtgerät,
12 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Kalibrierinstruments,
13 ist ein Fließbild eines Kalibriervorgangs unter Verwendung des Kalibriergeräts,
14 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Kalibriersonde,
15 ist ein Diagramm der Durchlässigkeit eines Kalibrierfilters als Funktion der Wellenlänge,
16 ist ein Diagramm der Emission eines schwarzen Körpers genormt bei etwa 0,94 μm als Funktion der Wellenlänge,
17 ist ein Diagramm der Emission eines LED als Funktion der Wellenlänge,
18 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Kalibriersonde,
19 zeigt eine Kalibriersonde unter Verwendung von zwei LEDs,
20 ist ein Diagramm der Emissionskurven als Funktion der Wellenlänge der LEDs aus der Kalibriersonde von 19, und
21 ist eine auseinandergezogene Ansicht eines Bereichs 21 von 20 mit den Emissionskurven von zwei LEDs, eines schwarzen Körpers und der Kalibriersonde.
In der folgenden Beschreibung der Erfindung wird auf die gleichen Aufbauten, die in unterschiedlichen Figuren dargestellt sind, mit den gleichen Bezugszeichen Bezug genommen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en)
Bevor die Einzelheiten eines Pyrometerkalibriergeräts beschrieben werden, das dazu verwendet wird, Pyrometer innerhalb eines RTP-Systems zu kalibrieren, wird zunächst ein RTP-System beschrieben, das die Pyrometer aufweist, die zu kalibrieren sind. Insgesamt weist gemäß 1 und 2 ein RTP-System eine Behandlungskammer 60 zum Behandeln eines scheibenförmigen Siliciumsubstrats 10 mit einem Durchmesser von 8 Zoll (200 mm) auf. Das Substrat 10 wird innerhalb der Kammer 60 durch einen Substrathalteaufbau 62 gehalten und von einem Heizelement 70 erhitzt (beispielsweise einer Reihe von Wolframhalogenlampen), die direkt über dem Substrat angeordnet ist. Das Heizelement 70 erzeugt eine Strahlung, die in die Kammer 60 durch ein wassergekühltes Quarzfenster 72 eintritt, das sich etwa 1 Zoll (25 mm) über dem Substrat 10 befindet. Unter dem Substrat 10 ist eine Reflektorplatte 20 vorgesehen, die an einer Basis 65 aus rostbeständigem Stahl angebracht ist. Die Reflektorplatte 20 kann aus Aluminium hergestellt sein und eine hochreflektive Oberflächenbeschichtung 24 (beispielsweise eine Goldlegierung) aufweisen. Die Unterseite des Sub strats 10 und die Oberseite der Reflektorplatte 20 bilden einen reflektierenden Hohlraum 30, der das Substrat mehr wie einen idealen schwarzen Körper erscheinen lässt, d.h. er erzeugt für das Substrat ein erhöhtes effektives Emissionsvermögen.
Eine Leitung 35, die sich von der Rückseite der Basis 65 durch die Oberseite der Reflektorplatte 20 erstreckt, hält ein Saphir-Lichtleitkabel 40, das als Einlasssonde einer Temperatursonde 15 wirkt, die ein Pyrometer 50 aufweist. Ein Einlassende 22 des Lichtleitkabels 40 befindet sich in der Nähe (ist beispielsweise bündig zu) der Oberseite der Reflektorplatte 20 und erfasst Strahlung aus dem reflektierenden Hohlraum 30. Die erfasste Strahlung geht durch das Lichtleitkabel 40 nach unten, durch eine flexible Lichtleitfaser 45 und in das Pyrometer 50. Die gekoppelten Enden der Lichtleitfaser 45 und des Saphir-Lichtleitkabels 40 werden in engen optischen Kontakt miteinander durch ein Gewindeverbindungsstück 42 gehalten. Es gibt eine Vielzahl von Temperatursonden 15 (beispielsweise acht), die in der Reflektorplatte 20 angeordnet sind, um die Strahlung auf unterschiedlichen Radien des Substrats zu erfassen.
Bei der beschriebenen Ausführungsform kann das Saphir-Lichtleitkabel 40 einen Durchmesser von etwa 0,05 Zoll (1,25 mm) bis 0,125 Zoll (3,12 mm) [beispielsweise 0,080 Zoll (2 mm)] haben, und das Pyrometer 50 kann ein Luxtron Accufiber Modell 100 sein, das von der Luxtron Corporation, Santa Clara, Kalifornien, geliefert wird. Eine vollständigere Beschreibung eines RTP-Systems zusammen mit einer Erklärung, wie der reflektierende Hohlraum zur Erzeugung eines virtuellen schwarzen Körpers wirkt, findet sich in der US-Patentanmeldung Serial No. 08/359,302 mit dem Titel "Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Substrattemperaturen", eingereicht am 19. Dezember 1994 und auf den Zessionar der vorliegenden Anmeldung übertragen.
Innerhalb des Pyrometers 50 geht, wie in 3 gezeigt ist, die Strahlung von der Lichtleitfaser 45 zuerst durch ein optisches Pyrometerfilter 52 hindurch, bevor sie auf einen Siliciumdetektor 54 (beispielsweise eine Photodiode) auftrifft. Das Signal aus dem Detektor 54 wird in eine Steuerelektronik 56 eingegeben, die das Signal in einen Temperaturwert T_out umwandelt, der von der Leistungssteuerschaltung (nicht gezeigt) für die Lampen verwendet wird. Die Steuerelektronik 56 hat eine Verweistabelle (nicht gezeigt), die zum Umwandeln des gemessenen Stroms in eine Ausgangstemperaturanzeige T_out verwendet wird. Die Verweistabelle enthält das gemessene Ausgangssignal für die entsprechende Temperatur eines idealen schwarzen Körpers, die leicht aus dem Planck'schen Gesetz in einer für den Fachmann bekannten Weise abgeleitet werden kann. Die Steuerelektronik 56 hat auch einen Verstärkungsregelungsanschluss, durch den die Verstärkung der Steuerelektronik während der Kalibrierung so eingestellt werden kann, dass das Pyrometer eine genaue Temperaturanzeige ausgibt.
Im Normalbetrieb richtet das Heizelement 70, beispielsweise eine Lampenanordnung, Strahlung auf das Substrat 10. Ein Teil dieser Strahlung (d.h. die Strahlung 74) wird von dem Substrat 10 absorbiert, ein anderer Teil (d.h. die Strahlung 75) wird durch das Substrat in den Hohlraum 30 übertragen. Das Substrat emittiert auch Strahlung 76, deren Stärke eine Funktion der Temperatur des Substrats ist. Gewöhnlich lässt ein Siliciumwafer Strahlung mit einer Wellenlänge durch, die größer als etwa 1,0 μm ist, während der Siliciumdetektor 54 auf Strahlung anspricht, die eine Wellenlänge von bis zu 1,5 μm hat. Wenn die durchgelassene Strahlung den Siliciumdetektor 54 erreichen kann, erzeugt sie eine fehlerhafte Temperaturanzeige. Um zu verhindern, dass durchgelassene Strahlung den Detektor 54 erreicht und die Temperaturmessung stört, wird deshalb die Durchlasskurve des Pyrometerfilters 52 so gewählt, dass verhindert wird, dass durchgelassene Strahlung aus den Lampen den Detektor erreicht. Bei der beschriebenen Ausführungsform ist der Pyrometerfilter 52 mit Glas mit einer optischen Schichtung überzogen, beispielsweise mit einer Viertelwellenschichtung, die Licht in einem schmalen Bereich von Wellenlängen (beispielsweise 0,89 bis 0,93 μm) durchlässt und eine sehr starke Zurückweisung oberhalb 1,0 μm hat. Die Durchlässigkeit des Pyrometerfilters 52 als Funktion der Wellenlänge ist durch die gestrichelte Linie 52a in 4 gezeigt.
Zur Kalibrierung des Pyrometers wird ein spezielles Kalibrierinstrument verwendet (siehe 9A–9C, 11 und 12). Das Kalibrierinstrument hat eine stabile Lichtquelle, beispielsweise eine Licht emittierende Diode (LED), die Strahlung primär in dem schmalen Spektrum emittiert, das von dem Pyrometerfilter 52 bestimmt ist. Die stabile Lichtquelle simuliert einen schwarzen Körper bei einer vorgegebenen Temperatur. D.h., dass sie über einen vorgegebenen Wellenlängenbereich die gleiche Strahlungsmenge über dem interessierenden Spektrum emittiert, wie dies ein schwarzer Körper tun würde, der auf die vorgegebene Temperatur erhitzt ist. Der vorgegebene Wellenlängenbereich kann im Infraroten liegen. Das Kalibrierinstrument, von dem einige Ausführungsformen nachstehend beschrieben werden, richtet die Lichtquelle fluchtend zum Einlassende des Saphir-Lichtleitkabels so aus, dass eine bekannte und wiederholbare Strahlungsmenge in das Saphir-Lichtleitkabel während jedes Kalibriervorgangs eintritt.
Die Lichtquelle ist so gebaut und/oder so gewählt, dass sie an den Pyrometerfilter 52 "angepasst" ist. D.h., dass ihre maximale Abgabe und ihr Spektralbereich mit dem Bandpassbereich des Pyrometerfilters 52 zusammenfällt. In 4 ist die Kennlinie einer LED, die mit dem vorher beschriebenen Pyrometerfilter 52 verwendet wird, durch eine ausgezogene Linie 115a gezeigt. Die LED hat eine annähernd Gauß'sche Spektralverteilung, die etwa 0,2 μm breit ist bei einer maximalen Stärke von 0,88 bis 0,90 μm.
Gemäß 14 kann ein Kalibrierfilter 220 zwischen einer LED 115 und einer Öffnung 110 so angeordnet werden, dass das Kalibrierinstrument 100 einen schwarzen Körper simuliert. D.h., dass der Kalibrierfilter 220 das aus dem Kalibrierinstrument emittierte Licht dazu bringt, dass es die gleiche relative Stärke als Funktion der Wellenlänge wie ein schwarzer Körper mit einer vorgegebenen Temperatur hat. Der Kalibrierfilter kann innerhalb eines Mantels 222 der LED angeordnet sein, beispielsweise zwischen einer Linse 224 und einem Diodenelement 115. Alternativ kann der Kalibrierfilter 220 in einem Hohlraum 104 in dem Kalibriergerät 100 zwischen der Linse 224 und der Öffnung 110 angeordnet werden.
Die Durchlasseigenschaften des Kalibrierfilters 220 werden, wie nachstehend beschrieben, so gewählt, dass die Differenz zwischen der LED 115 und einem idealen schwarzen Körper kompensiert wird. In 15 ist die Durchlasskurve, d.h. die Durchlässigkeit als Funktion der Wellenlänge, eines Kalibrierfilters 220 durch eine ausgezogene Linie 230 gezeigt. Die Durchlasskurve 230 des Kalibrierfilters 220 ist annähernd parabolisch und hat einen minimalen Durchlass (beispielsweise etwa 0,15) bei einer Wellenlänge von etwa 0,87 μm. Die Kalibrierfilter mit spezifizierten Durchlasskurven können bei Filterherstellern bestellt werden. Wenn das Licht aus der LED 115 durch den Kalibrierfilter 220 hindurchgeht, simuliert die sich ergebende Lichtstärke einen schwarzen Körper bei einer vorher festgelegten Temperatur, beispielsweise 950°C, über dem größten Teil des spektralen Emissionsbereichs der LED, beispielsweise von 0,80 bis 0,94 μm.
Die Durchlasskurve des Kalibrierfilters 220 wird aus den Emissionskurven, d.h. der Lichtstärke als Funktion der Wellenlänge, eines schwarzen Körpers und der LED abgeleitet. Insbesondere wird die Durchlasskurve des Kalibrierfilters 220 dadurch berechnet, dass die Emissionskurve eines schwarzen Körpers durch die Emissionskurve einer LED 115 geteilt wird. Die Emissionskurve eines schwarzen Körpers bei einer vorgegebenen Temperatur kann von dem Planck'schen Gesetz abweichen. In 16 ist die Emissionskurve für einen schwarzen Körper bei einer Temperatur von 950°C durch die ausgezogene Linie 232 gezeigt, während die Emissionskurve für einen schwarzen Körper bei einer Temperatur von 1050°C durch die ausgezogene Linie 234 gezeigt ist. Die Emissionskurven 232 und 234 wurden bei etwa 0,94 μm normalisiert, d.h. die Lichtstärke bei Wellenlängen unter 0,94 μm wird als Prozentsatz der Lichtstärke bei 0,94 μm gezeigt. Die Emissionskurve der LED 115 kann durch einen Spektrographen gemessen werden. In 17 ist die Emissionskurve einer LED, insbesondere einer mit 30 W betriebenen OD88FHT, in dem Kalibrierinstrument 100 durch eine ausgezogene Linie 236 gezeigt. Damit die Transmissionskurve 230 für den Kalibrierfilter 220 in dem Kalibrierinstrument 100 erzeugt werden kann, um eine vorgegebene Temperatur von 950°C zu simulieren, wird die Emissionskurve 232 für den schwarzen Körper durch die Emissionskurve 236 für die LED geteilt.
Der Kalibrierungsfilter 220 versetzt unterschiedliche Pyrometer, insbesondere Pyrometer mit unterschiedlichen Pyrometerfiltern 52, in die Lage, mit dem gleichen Kalibrierinstrument genau kalibriert zu werden. Die Durchlasskurven der Pyrometerfilter 52 unterscheiden sich von Pyrometer zu Pyrometer. Beispielsweise kann ein Pyrometerfilter Licht mit Wellenlänge zwischen 0,92 und 0,93 μm durchlassen, während ein anderer Pyrometerfilter Licht mit Wellenlängen zwischen 0,87 und 0,88μm durchlässt. Der Kalibrierfilter 220 veranlasst das Kalibrierinstrument 100, die gleiche Temperatur bei allen interessierenden Wellenlängen zu simulieren, d.h. über den größten Teil des Emissionsbereichs der LED.
Ein Kalibrierinstrument ohne Kalibrierfilter 220 kann eine einzelne Temperatur bei allen Wellenlänge des Lichts nicht simulieren. Wie in 17 gezeigt ist, entspricht die Emissionskurve der Lichtquelle 115 nicht der eines schwarzen Körpers. Insbesondere entspricht die relative Stärke der Lichtquelle 115 bei zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen nicht der relativen Stärke eines schwarzen Körpers. Wie in 16 gezeigt ist, hat beispielsweise ein schwarzer Körper eine höhere Stärke bei einer Wellenlänge von 0,925 μm als bei einer Wellenlänge von 0,875 μm, während, wie in 17 gezeigt ist, die Lichtquelle 115 eine geringere Stärke bei einer Wellenlänge von 0,925 μm als bei einer Wellenlänge von 0,875 μm hat. Wenn die Lichtquelle 115 die genaue Strahlungsmenge erzeugt, um einen schwarzen Körper bei einer vorgegebenen Temperatur, beispielsweise 950°C, bei einem Wellenlängenbereich, beispielsweise 0,87 bis 0,88 μm, zu simulieren, kann somit die Lichtquelle einen schwarzen Körper der gleichen Temperatur bei einem anderen Wellenlängenbereich, beispielsweise von 0,92 bis 0,93 μm, nicht simulieren.
Da die Pyrometerfilter 52 unterschiedliche Durchlassbereiche haben, simuliert eine Lichtquelle, die einen schwarzen Körper bei einer vorgegebenen Temperatur für ein Pyrometer simuliert, nicht die gleiche Temperatur für ein anderes Pyrometer mit einem anderen Pyrometerfilter. Die Hinzufügung des Kalibrierfilters 220 veranlasst jedoch das Kalibrierinstrument 100, die genaue relative Stärke des Lichts zu erzeugen, um einen schwarzen Körper einer einzelnen Temperatur bei allen interessierenden Wellenlängen zu simulieren, wodurch die simulierte Temperatur unabhängig von dem Durchlassbereich des Pyrometerfilters 52 gemacht wird. Dies ermöglicht die richtige Eichung von Pyrometern mit unterschiedlichen Pyrometerfiltern mit dem gleichen Kalibrierinstrument.
Gemäß 5A und 5B hat ein Kalibrierinstrument 100, das einen schwarzen Körper bei einer bekannten Temperatur simuliert, einen insgesamt zylindrischen Körper 102 mit einem inneren Hohlraum 104. Ein Ende des zylindrischen Körpers 102 ist geschlossen mit Ausnahme eines kleinen Kanals 110, der eine Öffnung bildet, durch welche Licht aus dem Hohlraum 104 heraus hindurchgehen kann. Eine in dem Hohlraum 104 angeordnete, Licht emittierende Diode (LED) emittiert Licht, das durch den Kanal 110 herausgelangt.
Bei der beschriebenen Ausgestaltung ist der Körper 102 ein spanabhebend bearbeitetes, zylindrisches Aluminiumrohr mit einem Durchmesser von 0,3745 Zoll (9,3625 mm) und einer Länge von 2,0 Zoll (50 mm). Der sich zwischen einer Bodenfläche 130 des Körpers 102 und dem Hohlraum 104 erstreckende Kanal 110 hat einen Durchmesser von etwa 0,02 Zoll (0,5 mm) und eine Länge von etwa 0,02 Zoll (0,5 mm) und ist auf der Achse des zylindrischen Körpers 102 zentriert. An dem Ende des Körpers 102, in dem sich der Kanal 110 befindet, gibt es einen schmaleren zylindrischen Bereich 132 mit einem Durchmesser von etwa 0,30 Zoll (7,5 mm) und einer Länge von etwa 0,10 Zoll (2,5 mm). Ein kreisförmiger äußerer Rand 134 des zylindrischen Körpers 102 umgibt einen ausgesparten Ringrand 136. Der äußere Rand 134 ist mit einem Winkel von 45° abgeschrägt, um das Einführen des Kalibrierinstruments in ein Ausrichtgerät zu erleichtern, das nachstehend beschrieben wird.
Da die Lichtabgabe der LED 115 sich als Funktion der Temperatur ändert, sind auch Einrichtungen vorgesehen, um die Temperatur der LED zu stabilisieren. Insbesondere hat das Kalibrierinstrument 100 auch einen kleinen Heizwiderstand 122, beispielsweise einen Widerstand von 50 Ohm (Ω), und ein Thermoelement 124, beispielsweise ein Thermoelement vom K-Typ, das in unmittelbarer Nähe der LED 115 angeordnet ist. Der Widerstand 122 wird dazu verwendet, die LED auf etwa 80°F zu erhitzen, d.h. etwas über die erwartete Umgebungstemperatur. Alternativ kann die LED auf eine Temperatur unter der Umgebungstemperatur abgekühlt werden. Das Abkühlen ist jedoch eine schwierigere und teurere Alternative.
Alle drei Elemente (d.h. die LED 115, das Thermoelement 124 und der Widerstand 122) sind an Ort und Stelle durch eine wärmeleitende Keramik 117 festgelegt, beispielsweise durch Azemco ceramiccast 583. Die Keramik 117 gewährleistet, dass die Wärme aus der Heizeinrichtung 122 wirksam auf die LED 115 und das Thermoelement 124 übertragen wird. Die Keramik 117 hält auch die Position der LED 115 bezüglich des Kanals 110 konstant, so dass keine Änderung der Lichtstärke aufgrund eines Verschiebens oder Verdrehens der LED 115 innerhalb des Hohlraums 104 erfolgt.
Gemäß 6 speist eine Stromversorgung 120 einen konstanten Strom in die LED 115 ein. Bei der beschriebenen Ausführungsform verwendet die Leistungsversorgung 120 eine Laserdiode (nicht gezeigt) in einer dem Fachmann bekannten Art und Weise, um den Strom durch die LED 115 und dadurch deren Lichtabgabe zu stabilisieren. Alternativ kann die Abgabeleistung der LED 115 dadurch stabilisiert werden, dass eine Photodiode (nicht gezeigt) verwendet wird, die so angeordnet ist, dass sie die Lichtabgabe der LED 115 erfasst. In diesem Fall ist die Photodiode über eine Rückkoppelungsschaltung mit der Stromquelle 120 verbunden, um eine konstante Lichtabgabe aus der LED 115 zu erzeugen.
Das Thermoelement 124 und die Heizeinrichtung 122 sind mit einer Proportional-Integral-Regelung (PID) 126 zur Bildung einer Feedback-Schaltung verbunden, um die Temperatur der LED 115 zu stabilisieren. Indem sowohl die Temperatur der LED 115 und der Strom durch die LED 115 konstant gehalten werden, erzeugt die LED 115 eine Strahlung mit einer äußerst stabilen Stärke.
Wie in 14 gezeigt ist, kann alternativ die Lichtabgabe der LED 115 dadurch stabilisiert werden, dass ein Lasertreiber 240 in Verbindung mit einer Photodiode 242 und einem Thermoelement 244 verwendet wird. Die treibende Leistungsabgabe des Lasertreibers 240 ist mit dem Stromeingang der LED 115 verbunden. Die Photodiode 242 ist innerhalb des Gehäuses der LED angeordnet, um deren Lichtstärke zu erfassen und ein Stärkesignal zu erzeugen. Das Stärkesignal aus der Photodiode wird in den Lasertreiber 240 rückgekoppelt, um eine Rückkoppelungsschleife zu bilden, wodurch die Lichtabgabe des Kalibrierinstruments 100 extrem stabil wird.
Wie oben erwähnt, ändert sich die Lichtabgabe der LED als Funktion der Temperatur. Insbesondere sinkt ihre Lichtabgabe ab, wenn die Temperatur der LED 115 zunimmt. Das Ausgangssignal aus dem Thermoelement 244 kann über eine Koppelungseinrichtung 246 mit einem Modulationseingang des Lasertreibers 240 verbunden werden. Die Koppelungseinrichtung 246 wandelt ein Signal der Stärke x in ein Signal der Stärke y nach der Gleichung y = a – bx um. Die Neigung b und die Versetzung a der Koppelungseinrichtung 246 sind in für den Fachmann bekannter Weise so eingestellt, dass die Temperatur der LED abfällt, die Leistungsabgabe des Lasertreibers 240 zunimmt und die Lichtabgabe der LED konstant bleibt.
Bei einer Hauptausführung der vorliegenden Erfindung hat das Kalibrierinstrument zwei oder mehr Lichtquellen. Das Licht aus den Lichtquellen wird vereinigt, um einen schwarzen Körper bei einer vorgegebenen Temperatur über einem vorgegebenen Wellenlängenbereich zu simulieren. Der vorgegebene Wellenlängenbereich kann im Infraroten liegen. Beide Lichtquellen emittieren Strahlung mit einer annähernd Gauß'schen Spektralverteilung. Die Lichtquellen haben jedoch unterschiedliche Bandbreiten und Stärkespitzen bei verschiedenen Wellenlängen. Die gesamte spektrale Abgabe R(τ) der beiden Lichtquellen kann durch die Funktion definiert werden: R(τ) = R1(τ) + K·R2(τ),wobei R₁(τ) bzw. R₂(τ) die spektralen Empfindlichkeiten der beiden Lichtquellen, τ die Wellenlänge und K ein Stärkekoeffizient sind. Durch Wahl eines geeigneten Werts von K kann die spektrale Abgabe des Kalibrierinstruments einen schwarzen Körper bei einer spezifischen Temperatur simulieren.
Gemäß 19 ist ein Kalibrierinstrument 300, das zwei Lichtquellen verwendet, in einer den Kalibrierinstrumenten ähnlichen Weise gebaut, wie sie in 5A, 5B und 14 dargestellt sind. Das Kalibrierinstrument 300 hat ein insgesamt zylindrisches Gehäuse 302 mit einem inneren Hohlraum 304. Ein Ende des zylindrischen Gehäuses hat eine Öffnung 306, durch die Licht hindurchgehen kann.
In dem inneren Hohlraum 304 ist ein Chip 310 mit zwei auf ihm ausgebildeten Einzelschaltkreisen 312a und 312b aufgehängt. Jeder Einzelschaltkreis 312a und 312b enthält eine LED 315a bzw. 315b sowie eine Photodiode 318a bzw. 318b. In den Chip 310 ist ein Temperatursensor 320 eingebettet, beispielsweise ein "LM-34"-Sensor der National Semiconductor Corporation, Santa Clara, Kalifornien. Der Chip 310 mit den LEDs 315a und 315b sowie mit den Photodioden 318a und 318b kann so aufgebaut sein, wie es insgesamt in den US-Patenten 5,525,539 und 5,448,082 beschrieben ist. Ein solcher Chip kann von der Opto Diode Corporation, Newbury Park, Kalifornien, geordert werden. Der Chip 310 und der Temperatursensor 312 können in dem Hohlraum 304 durch Stellschrauben (nicht gezeigt) an Ort und Stelle gehalten werden.
Die LEDs 315a und 315b emittieren Licht, das durch einen Vereiniger 322 und einen Diffusor 324 hindurchgeht und durch die Öffnung 306 austritt. Der Vereiniger 322 vereinigt das von den LEDs emittierte Licht und richtet das Licht zur Öffnung. Der Vereiniger 322 kann ein Mischer sein, der das Licht von den LEDs 315a und 315b so mischt, dass die Wellenlängenverteilung des durch die Öffnung hindurchgehenden Lichts räumlich gleichförmig ist. Der Mischer kann ein verdrilltes Bündel von Quarz-Lichtleitfasern sein. Der Vereiniger kann auch ein Teilspiegel und eine Linse oder ein Strahlenteiler sein. Der Diffusor 324 streut beim Durchgang das Licht von dem Vereiniger 322. Der Diffusor 324 kann ein Streuglasfilter sein.
Gemäß 20 sind die schematischen und idealisierten Emissionskurven für die LEDs 315a und 315b durch ausgezogene Linien 330 bzw. 332 gezeigt. Die Emissionskurven 330 und 332 wurden normalisiert, d.h. die Lichtstärke als Funktion der Wellenlänge ist als Prozentsatz des Spitzenstärke gezeigt. Die LED 315a emittiert Licht mit einer glatten, insgesamt Gauß'schen Spektralverteilung mit einer maximalen Stärke bei 800 nm und einer Bandbreite (in diesem Fall definiert als diejenigen Wellenlängen, bei denen die normalisierte Stärke größer als 0,5 ist) von etwa 80 nm, die sich von etwa 840 bis 920 nm erstreckt. Die LED 315b hat ebenfalls eine glatte, insgesamt Gauß'sche Spektralverteilung, jedoch eine Maximalstärke bei 930 nm und eine Bandbreite von etwa 50 nm, die sich von etwa 905 bis 955 nm erstreckt.
In 21 ist die Emissionskurve in dem Wellenlängenbereich von etwa 0,870 bis 0,930 μm für einen schwarzen Körper bei einer Temperatur von 1000°C durch eine ausgezogene Linie 334 gezeigt. Die Emissionskurven für die LEDs 315a und 315b sind durch die strichpunktierte Linie 330 und die punktierte Linie 332 gezeigt. Die Emissionskurve des Kalibrierinstruments, wie die vereinigte Lichtabgabe der LEDs 315a und 315b, ist durch die gestrichelte Linie 336 gezeigt. Wie dargestellt ist, simuliert die Emissionskurve 336 im Wesentlichen die Kurve 334 der Strahlung des schwarzen Körpers bei dem dargestellten Wellenlängenbereich.
Gemäß 19 sind die LED 315a und die Photodiode 318a mit einem Laserdiodentreiber 340a verbunden. In gleicher Weise sind die LED 315b und die Photodiode 318b mit einem Laserdiodentreiber 340b verbunden. Jede Photodiode bildet eine Rückkoppelungsschleife, um die Lichtabgabe ihrer zugehörigen LED zu stabilisieren. Der Temperatursensor 320 kann auch über eine Koppelungseinrichtung 342 mit den Modulationseingaben der Lasertreiber 340a und 340b verbunden werden.
Zur Steuerung der relativen Stärken (d.h. des Stärkekoeffizienten K) der beiden LEDs durch Einstellen des zu den LEDs fließenden Stroms können die Laserdiodentreiber 340a und 340b verwendet werden. Durch Wahl eines geeigneten Werts für K kann eine Emissionskurve 336 erzeugt werden, die im Wesentlichen die Kurve 334 des schwarzen Körpers simuliert.
Zur Wahl des geeigneten Werts von K wird das Kalibrierinstrument mit einem Spektrometer verbunden, und es wird die relative Stärke des vereinigten Lichts der beiden Lichtquellen bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen gemessen. Eine der Wellenlängen sollte so gewählt werden, dass sie im Wesentlichen außerhalb der Bandbreite einer der LEDs liegt. Wenn sich die Bandbreiten überlappen, sollte die andere Wellenlänge so gewählt werden, dass sie in einem überlappenden Bereich der Bandbreiten der LEDs liegt. Wenn sich die Bandbreiten nicht überlappen, sollte die andere Wellenlänge dann so gewählt werden, dass die normalisierten Stärken der beiden LEDs bei dieser Wellenlänge nahezu gleich sind. Beispielsweise kann die eine Wellenlänge 870 nm und die andere Wellenlänge 910 nm sein. Die Verstärkung eines der Laserdiodentreiber wird so eingestellt, dass das Verhältnis der gemessenen Stärken bei den beiden Wellenlängen gleich dem Verhältnis ist, das für einen schwarzen Körper bei einer vorgegebenen Temperatur vorausgerechnet wird. Der Stärkekoeffizient K ist dann fest. Die sich ergebende Spektralverteilung simuliert die Strahlung aus einem schwarzen Körper.
Ein Vorteil der Verwendung von zwei Lichtquellen besteht darin, dass ein schwarzer Körper ohne die Verwendung eines Kalibrierfilters simuliert werden kann. Jedes Kalibrierfilter neigt zu einer leicht verschiedenen Durchlasskurve, die der Emissionskurve der LED nicht genau entspricht. Im Gegensatz dazu kann der Stärkekoeffizient K der Lichtquellen während des Baus des Kalibrierinstruments gewählt werden, um zu gewährleisten, dass ein schwarzer Körper simuliert wird.
Während der Kalibrierung wird ein Ausrichtgerät verwendet, um die Kalibrierinstrumente 100 oder 300 mit dem Lichtleitkabel der zu kalibrierenden Temperatursonde auszurichten. Es werden Beispiele für zwei Auslegungsarten für dieses Ausrichtgerät angegeben. Eine Ausrichtart wird in situ verwendet. D.h., sie richtet das Kalibrierinstrument 100 fluchtend zu dem Lichtleitkabel 40 aus, ohne dass das Lichtleitkabel aus dem System entfernt werden muss. Die andere Auslegeart wird verwendet, um die Kalibrierung aus der Ferne auszuführen. D.h., das Lichtleitkabel 40 wird aus der RTP-Kammer entfernt und in das Ausrichtgerät eingeführt.
Gemäß 7, 8A bis 8D und 9A bis 9C ist ein Ausrichtgerät 149 nach einer Ausführungsform, die für eine In-situ-Kalibrierung verwendet wird, für ein Passen in die RTP-Kammer über der Reflektorplatte geeignet. Wenn es in die RTP-Kammer eingeführt ist, hält das Ausrichtgerät 149 die Kalibrierinstrumente in einer festen Position bezogen auf die Lichtleitkabel. Insbesondere ist das Ausrichtgerät 149 eine Kreisscheibe 150 mit einer Anordnung von Löchern 154, in die einzelne Kalibrierinstrumente 100 eingeführt werden können. Die Anzahl der Löcher 154 fällt mit der Anzahl der thermischen Sonden zusammen, die sich in der Reflektorplatte befinden. Die Löcher 154 befinden sich auf unterschiedlichen Radien von der Mitte der Scheibe 150 aus und sind so angeordnet, dass sie mit den Positionen der Leitungen 35 in der Reflektorplatte 30 zusammenfallen und dazu ausgerichtet sind, wenn das Ausrichtgerät 149 in Position in der Kammer eingeführt ist. Wie besonders deutlich in 8D und 9C gezeigt ist, gibt es am Boden eines jeden kleinen Lochs 154 eine Ringlippe 158, die ein Loch 155 mit einem kleineren Durchmesser bildet. Das Loch 155 hat einen Durchmesser, der etwas größer ist als der Durchmesser des schmaleren zylindrischen Bereichs 132 am Boden des Kalibrierinstruments 100, und die Lippe 158 hat eine Dicke, die gleich der Länge des schmaleren zylindrischen Bereichs 132 am Kalibrierinstrument 100 ist. Wenn also das Kalibrierinstrument 100 in ein Loch 154 eingeführt ist, kommt es zum Anliegen an der Lippe 158, wobei seine Bodenfläche 130 im Wesentlichen bündig zum Boden der Scheibe 150 ist (d.h. bündig zu der Fläche der Scheibe 150, die der Reflektorplatte am nächsten liegt, wenn sie in der RTP-Kammer während einer Kalibrierung installiert ist).
Bei der beschriebenen Ausführung kann das Ausrichtgerät 149 aus Kunststoff oder Nylon, beispielsweise Delrine, hergestellt werden. Es kann etwa 1,0 Zoll (25 mm) dick sein und einen Durchmesser von 8,9 Zoll (222,5 mm) haben. Jedes der Löcher 154 hat einen Innendurchmesser von etwa 0,375 Zoll (9,3675 mm), was etwas größer ist als der Außendurchmesser des zylindrischen Gehäuses 102, so dass das Kalibrierinstrument 100 leicht in das Loch eingeführt werden kann. Die Ringlippe 158 kann etwa 0,11 Zoll (0,275 mm) dick sein und nach innen mit etwa 0,047 Zoll (1,175 mm) so vorstehen, dass der Innendurchmesser des kleineren Lochs 155, das von der Ringlippe 158 gebildet wird, etwa 0,328 Zoll (8,2 m) beträgt.
In 8A bis 8D sind drei Vorsprünge 156 auf der Unterseite der Scheibe 150 angeordnet. Diese Vorsprünge 156 haben gleichen Abstand voneinander auf einem Kreis, dessen Zentrum mit dem Zentrum der Scheibe 150 zusammenfällt, und sie sind so positioniert, dass sie zu Hubstiftlöchern 67 fluchten, die in der Reflektorplatte in der RTP-Kammer angeordnet sind, wenn das Ausrichtgerät 149 in die RTP-Kammer eingeführt ist. Die Hubstifte (nicht gezeigt) können so betätigt werden, dass sie durch die Hubstiftlöcher durchgehen, um ein Substrat auf dem Halteaufbau 62 (siehe 1) anzuheben und abzusenken.
Wie in 8C gezeigt ist, hat jeder Vorsprung 156 einen zylindrischen unteren Abschnitt 161 mit einem ersten Durchmesser und einer Bodenfläche 163. Jeder Vorsprung 156 hat auch einen zylindrischen oberen Abschnitt 165 mit einem größeren zweiten Durchmesser, um dadurch eine Ringschulter 162 an der Übergangsstelle von dem unteren Abschnitt 161 in den oberen Abschnitt 165 zu bilden. Der erste Durchmesser ist etwas größer als der Durchmesser des entsprechenden Hubstiftlochs in der Reflektorplatte, während der zweite Durchmesser größer ist als der Durchmesser des Hubstiftlochs. Die Ringschulter 162 kann etwa 0,01 Zoll (0,25 mm) bis 0,04 Zoll (1 mm) [(beispielsweise 0,03 Zoll (0,75 mm)] weg von der Bodenfläche der Scheibe 150 sein. Wenn somit das Ausrichtgerät 149 in die RTP-Kammer eingeführt ist, gleiten die unteren Abschnitte 161 in ihre entsprechenden Hubstiftlöcher in der Reflektorplatte, während die Ringschulter 162 die Bodenfläche der Scheibe 150 in einem Abstand von etwa 0,03 Zoll (0,75 mm) über der Oberfläche der Reflektorplatte hält.
Wie in 8A gezeigt ist, hat die Scheibe 150 auch drei größere Löcher 152, von denen sich jedes in einer kurzen Entfernung radial einwärts von einem entsprechenden der Vorsprünge 156 befindet. Diese Löcher 152, die einen Durchmesser von etwa 0,75 Zoll (18,75 mm) haben können, ermöglichen es dem Benutzer, die Stelle der Hubstiftlöcher in der Reflektorplatte zu sehen, wenn das Ausrichtgerät in die RTP-Kammer eingeführt ist. Auf der Oberseite der Scheibe 150 gibt es auch einen Handgriff 160, mit dem der Techniker die Scheibe heben und manipulieren kann, wenn sie in die RTP-Kammer eingeführt wird.
Wie in 9A bis 9C gezeigt ist, wird das Kalibrierinstrument 100 in das kleine Loch 154 eingeführt. Wenn das Ausrichtgerät voll in der RTP-Kammer montiert ist, sind jedes kleine Loch 154 und das Kalibrierinstrument 100, das es enthält, zu dem entsprechenden der Saphir-Lichtleitkabel 40 ausgerichtet. Durch Einführen eines Kalibrierinstruments 100 in jedes der acht Löcher 154 können acht Pyrometer 50 gleichzeitig kalibriert werden. Alternativ kann ein einzelnes Kalibrierinstrument 100 verwendet und von einem Loch zum nächsten für jede Kalibrierung bewegt werden.
Wenn das Kalibrierinstrument 100 über einer Lichtsonde durch das Ausrichtgerät positioniert ist, gibt es typischerweise einen freien Raum zwischen dem Boden 130 des Kalibrierinstruments 100 und der Oberseite des Lichtleitkabels 40 von etwa 0,03 Zoll (0,75 mm). Das Lichtleitkabel 40 ist in 10 in zwei Positionen gezeigt. In der einen Position (gestrichelt gezeigt) befindet sich seine obere Fläche 41' nahe an dem Kalibrierinstrument 100, während in der anderen Stellung sich seine obere Fläche 41" weiter von dem Kalibrierinstrument 100 weg befindet. Aus dem Kanal 110 tritt Licht in einem Strahl 140 mit einem Öffnungswinkel α von etwa 90° aus. Der genaue Winkel α hängt natürlich von der Länge und dem Durchmesser des Kanals oder der Öffnung 110 und der Lage der LED 115 innerhalb des Hohlraums 104 ab. Erwünscht ist, dass der Boden 130 des Kalibrierinstruments 100 sich nahe genug an der Oberflächenposition 41' befindet, so dass sich die Abdeckung des Strahls 140 nicht auf einen Bereich erweitert, der größer ist als die obere Fläche des Lichtleitkabels zu der Zeit, zu der er das Lichtleitkabel 40 erreicht. D.h. mit anderen Worten, dass das Kalibrierinstrument 100 sich nahe genug an dem Lichtleitkabel 40 befinden sollte, so dass das Lichtleitkabel 40 im Wesentlichen das gesamte Licht einfängt, das aus dem Kalibrierinstrument 100 kommt. Wenn diesem Zustand genügt wird, ist die Temperatursonde relativ unempfindlich gegen kleine Änderungen des Abstands und der Ausrichtung zwischen dem Kanal des Kalibrierinstruments 100 und dem Lichtleitkabel 40. Wenn im Gegensatz dazu sich das Kalibrierinstrument 100 zu weit von dem Lichtleitkabel 40 entfernt befindet [beispielsweise mehr als etwa 0,1 Zoll (2,5 mm) für die beschriebene Ausführungsform], wie es durch die Flächenposition 40'' angezeigt ist, ist dann die Überdeckung des Strahls 140 größer als der Durchmesser des Lichtleitkabels, das demzufolge einen Bruchteil des Strahls 140 einfangen kann. Der Bruchteil, den es einfängt, ist sehr empfindlich sowohl hinsichtlich Ausrichtung als auch Entfernung zwischen dem Kalibrierinstrument 100 und der Reflektorplatte.
Zur Kalibrierung des Pyrometers 50 wird die Scheibe 150 durch den Handgriff 160 angehoben und in der Kammer 60 so angeordnet, dass die Vorsprünge 156 in die Hubstiftlöcher 67 passen. Die Kalibrierinstrumente 100 werden in die kleinen Löcher 154 eingepasst, die LED 115 aktiviert und die von den Pyrometern 50 erfasste Temperatur aufgezeichnet. Die nicht geeichten Messungen werden mit den Temperaturen des schwarzen Körpers verglichen, die durch die Instrumente 100 bekanntlich simuliert werden.
Eine weitere Ausgestaltung des Ausrichtgeräts, das ebenfalls für eine In-situ-Kalibrierung verwendet wird, ist in 11 gezeigt. Das Ausrichtgerät 200 ist teilweise mit einem Kalibrierinstrument 180 integriert, das eine etwas andere Auslegung als das vorher beschriebene Kalibrierinstrument hat. In diesem Fall ist das Kalibrierinstrument 180 ein zylindrisches Rohr mit durchgehend gleichem Durchmesser (d.h. ohne den schmaleren zylindrischen Bereich 132, wie er in 5 gezeigt ist). Von einer Oberfläche 183 des Kalibrierinstruments stehen zwei Ausrichtstifte 185 weg vor. Die Stifte 185 sind in entsprechenden Löchern 187 gleitend verschiebbar, die sich in der Oberfläche der Reflektorplatte 20 auf beiden Seiten des Lichtleitkabels 40 befinden. Wenn die Stifte 185 in entsprechende Löcher 187 eingeführt sind, ist der Kanal 110 zu dem Lichtleitkabel 40 ausgerichtet. Bei dieser Ausgestaltung hat das Kalibrierinstrument 180 eine Länge von etwa 1,5 Zoll (37,5 mm) und einen Durchmesser von 0,5 Zoll (12,5 mm), und die Stifte 185 sind jeweils 0,30 Zoll (7,5 mm) lang und haben einen Durchmesser von 0,024 Zoll (0,6 mm).
Eine Ausführungsform, die zum Kalibrieren von Temperatursonden verwendet wird, die aus dem RTP-System entfernt worden sind, ist in 12 gezeigt. Bei dieser Ausgestaltung wird das Kalibrierinstrument durch ein Einbauteil 190 ausgetauscht, das einen Hohl raum 191 hat, in dem die LED 115 angeordnet ist. Das Einbauteil 190 hat auch eine Leitung 192, die längs der Achse des Hohlraums 191 ausgerichtet und so bemessen ist, dass es ein Lichtleitkabel 40 für die Kalibrierung aufnimmt. Eine Wand 195 mit einer schmalen Öffnung 197 trennt den Hohlraum 191 von der Leitung 192. Die Öffnung 197 ermöglicht wie der Kanal 110 bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen, dass Licht aus der LED 15 hindurch in die Leitung 152 geht, wo das zu kalibrierende Lichtleitkabel angeordnet ist. Der Rest des Kalibrierinstruments einschließlich der Elektronik und der Temperaturstabilisierschaltung entspricht dem vorher Beschriebenen.
Eine weitere Ausführungsform des Kalibrierinstruments ist in 18 gezeigt. Bei dieser Ausgestaltung hat das Kalibrierinstrument 250 ein Beleuchtungseinbauteil 252, ein Ausrichteinbauteil 254 und eine Lichtleitfaserführung 256, die das Beleuchtungseinbauteil mit dem Ausrichteinbauteil verbindet. Das Beleuchtungseinbauteil 252 ist ein insgesamt zylindrisches Gehäuse 260 mit einem inneren Hohlraum 262. In dem Hohlraum 262 ist eine Lichtquelle, beispielsweise eine LED 115 in einem Gehäuse 222 angeordnet. In eine Öffnung 262 in dem zylindrischen Gehäuse ist ein Einlassende der Lichtleitfaserführung 256 so eingeführt, dass die Eingabefläche 266 so angeordnet ist, dass sie Licht aus der LED empfängt. Die Lichtleitfaserführung 256 ist in dem Hohlraum durch Fixierschrauben 267 oder durch eine andere mechanische oder haftende Verbindung befestigt. Es können weitere optische Komponenten, beispielsweise ein Kalibrierfilter 220 oder eine Linse 224, zwischen der LED und der Faserlichtleitführung angeordnet werden. Zusätzlich kann ein Streuglasfilter 269, welches Licht beim Durchgang streut, zwischen die LED 115 und die Einlassfläche 266 eingesetzt werden. Die elektronische Steuerung der LED 115 entspricht der vorher unter Bezug auf 14 beschriebenen.
Von der LED 115 abgestrahltes Licht tritt in die Lichtleitfaserführung 256 durch die Eingabefläche 266 ein und geht durch die Lichtleitfaserführung zu einer Ausgabefläche 268. Die Lichtleitfaserführung 256 ist ein verdrilltes Bündel von Lichtleitfasern aus Quarz. Das gesamte verdrillte Bündel kann einen Durchmesser von etwa 3 bis 4 mm haben, und die einzelnen Lichtleitfasern aus Quarz können einen Durchmesser von etwa 50 μm haben. Im verdrillten Faserbündel sind die einzelnen Quarzfasern "durcheinander" angeordnet, d.h. sie kreuzen die Bahnen, so dass die relative Position einer Faser an der Eingabefläche 266 nicht der relativen Position der gleichen Quarzfaser an der Ausgabefläche 268 entsprechen muss. Dadurch wird das Licht, das in das Bündel durch die Eingabefläche 266 eintritt, "verwillkürlicht", d.h. an der Ausgabefläche 268 neu verteilt. Nachdem das ungleichförmig verteilte Licht aus der LED 115 durch die Lichtleitfaserführung 256 hindurchgegangen ist, ist demzufolge die Lichtstärke quer über der Ausgabefläche 268 gleichmäßig verteilt.
Das Auslassende der Lichtleitfaserführung 256 ist durch Einstellschrauben 270 in dem Ausrichteinbauteil 254 festgelegt, wobei auch andere mechanische oder haftende Verbindungsverfahren zum Einsatz kommen können. Das Ausrichteinbauteil 254 kann ein spanabhebend bearbeitetes zylindrisches Aluminiumrohr 255 mit einer Länge von etwa 2 Zoll und mit einem Durchmesser von etwa einem Drittel Zoll sein. Die beiden Enden des zylindrischen Rohres 255 sind offen, und die Lichtleittaserführung 256 erstreckt sich durch das Rohr so, dass die Abgabefläche 268 bündig zur Bodenfläche der Scheibe 150 ist. In anderer Hinsicht ist die äußere Ausgestaltung des Ausrichteinbauteils ähnlich dem unter Bezug auf 5A und 5B beschriebenen Kalibrierinstrument. Insbesondere hat das untere Ende der Außenfläche des Ausrichteinbauteils 254 einen schmaleren zylindrischen Bereich 272 und eine Ringschulter 274.
Das Ausrichteinbauteil 254 ist in ein kleines Loch 154 des Ausrichtgeräts 149 so eingesetzt, dass die Ringschulter 274 des Ausrichteinbauteils an der Lippe 158 des Ausrichtgeräts anliegt, und die Abgabefläche 268 der Lichtleitfaserführung ist im Wesentlichen bündig zu dem Boden der Scheibe 150. Bei dieser Ausgestaltung befindet sich die Austrittsfläche der Lichtleitfaserführung und ausgerichtet zu dem Saphir-Lichtleitkabel 40. Licht aus der LED 115 geht durch die Lichtleitfaserführung hindurch und wird von dem Lichtleitkabel 40 erfasst.
Die Abgabefläche 268 der Lichtleitfaserführung 256 simuliert ein Substrat in Form eines schwarzen Körpers, das vor dem Lichtleitrohr angeordnet ist. Das Substrat in Form des schwarzen Körpers hat verglichen mit der Erfassungsfläche des Lichtleitkabels 40 einen großen Oberflächenbereich, und die Oberfläche des Substrats strahlt Licht in allen Richtungen ab. In ähnlicher Weise emittiert die Abgabefläche 268 der Lichtleitfaserführung 256 Strahlung über eine relativ breite Fläche verglichen mit der Erfassungsfläche des Lichtleitkabels, wobei die aus der Abgabefläche 268 austretende Strahlung eine breite Winkelöffnung hat. Zusätzlich ist die Stärke der LED 115 so eingestellt, dass das Kalibrierinstrument 250 die gleiche Strahlungsmenge emittiert wird ein schwarzer Körper, der auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt ist. Deshalb simuliert das Kalibrierinstrument 250 ein Substrat in Form eines schwarzen Körpers bei einer vorgegebenen Temperatur.
Ein Verfahren zum Kalibrieren der Pyrometer 50 unter Verwendung der oben beschriebenen Ausführungen ist in 13 gezeigt. Zuerst wird ein Bezugspyrometer kalibriert, um Temperaturen des schwarzen Körpers genau anzuzeigen (Schritt 200). Dies kann mit Hilfe von Normorganisationen erfolgen, beispielsweise dem National Institute of Standards and Technology (NIST), welches kalibrierte Quellen zur Erzeugung eines genau bekannten Schwarzer-Körper-Strahlungsspektrums für eine gegebene Temperatur zur Verfügung hat. Das Bezugspyrometer wird kalibriert, um eine genaue Temperaturanzeige von dem Schwarzer-Körper-Bezugsstandard zu erzeugen.
Mit einem genau kalibrierten Bezugspyrometer wird dann die effektive Temperatur T_eff des schwarzen Körpers gemessen, die von einem Kalibrierinstrument erzeugt wird (Schritt 205). Zu vermerken ist, dass es wahrscheinlich ist, dass jedes Kalibrierinstrument eine etwas andere Temperatur des schwarzen Körpers aufgrund von Unterschieden in der Elektronik, der Positionierung der LED 115 in der Kammer 104 usw. simuliert. Deshalb sollte jedes Kalibrierinstrument einzeln gemessen und entsprechend der Temperatur, die es simuliert, etikettiert werden. Beispielsweise kann ein Kalibrierinstrument 100 843°C simulieren, während ein anderes Kalibrierinstrument 852°C simulieren kann.
Das Kalibrierinstrument kann auf verschiedene Weise etikettiert werden. So kann ein Etikett mit der simulierten Temperatur direkt an der Sonde befestigt werden. Alternativ kann die Sonde mit einer Teilzahl, einem Code oder einer anderen identifizierenden Markierung versehen werden. In diesem Fall können die Teilzahl, der Code oder die Identifizierungsmarkierung für die simulierte Temperatur in einer gesonderten Liste angegeben werden.
Dann werden die Kalibrierinstrumente zum Kalibrieren der unkalibrierten thermischen Sonden verwendet (Schritt 210). Insbesondere wird bei Verwendung des Ausrichtgeräts das Kalibrierinstrument zu dem Lichtleitkabel 40 ausgerichtet, die LED 115 aktiviert und eine Temperatur T_m angezeigt, die von dem Pyrometer 50 erzeugt wird.
Schließlich wird die Verstärkung des Pyrometers so eingestellt, dass eine gemessene Temperatur T_m erzeugt wird, die gleich T_eff ist, d.h. der Temperatur des schwarzen Körpers, die von dem Kalibrierinstrument simuliert wird (Schritt 215).
Zusammenfassend wird das Referenzpyrometer auf den Standard bei der NIST geeicht, werden die Kalibrierinstrumente auf die Referenzpyrometer geeicht und werden die Pyrometer auf die Kalibrierinstrumente geeicht. Dadurch kann die Kalibrierung der Pyrometer auf den Standard zurückverfolgt werden. Da der Standard eine genaue Temperaturquelle eines schwarzen Körpers ist, sind die Pyrometer-Temperaturmessungen ebenfalls genau.
Im Falle von In-situ-Kalibrierungen kann das Kalibrierinstrument auch dazu verwendet werden, zu erfassen, wenn thermische Sonden in einer Kammer aus der Kalibrierung aufgrund von Teilchenverunreinigung, einer abweichenden Elektronik oder dergleichen heraus gelaufen sind. Die gemessene Temperatur T_m von dem Kalibrierinstrument kann mit der bekannten effektiven Temperatur T_eff des Kalibrierinstruments verglichen werden. Wenn die Differenz T_eff-T_m eine vorgegebene Schwelle überschreitet, können die thermischen Sonden gereinigt, neu kalibriert oder einfach ausgetauscht werden.
Andere Ausführungsformen liegen innerhalb des Rahmens der folgenden Ansprüche. Während beispielsweise die oben beschriebene Ausführungsform eine LED als Lichtquelle verwendet, können auch andere stabile Lichtquellen, beispielsweise eine Laserdiode mit einer geeigneten Stabilisierungssteuerschaltung verwendet werden.

Claims

Vorrichtung (300) zum Kalibrieren einer Temperatursonde (50), die die Temperatur eines Substrats misst, wobei die Vorrichtung (a) eine erste Lichtquelle (315a) zum Emittieren von Licht mit einer ersten Bandbreite, (b) eine zweite Lichtquelle (315b) zum Emittieren von Licht mit einer zweiten Bandbreite, wobei die zweite Bandbreite sich von der ersten Bandbreite unterscheidet, und (c) einen Licht emittierenden Bereich (306) aufweist, der optisch mit der ersten und zweiten Lichtquelle gekoppelt ist, wobei, wenn die Vorrichtung benutzt wird, die relativen Stärken der ersten und zweiten Lichtquelle so gewählt werden, dass die gesamte von dem Licht emittierenden Bereich emittierte Strahlung im wesentlichen einen schwarzen Körper bei einer vorgegebenen Temperatur über einen vorgegebenen Wellenlängenbereich simuliert.
Vorrichtung (300) nach Anspruch 1, welche weiterhin einen Ausrichtmechanismus (149) zum Ausrichten des Licht emittierenden Bereichs (306) zu einem Einlassende der Temperatursonde (50) aufweist.
Vorrichtung (300) nach Anspruch 2, bei welcher der Ausrichtmechanismus eine Ausrichtanordnung für den Eingriff mit einem entsprechenden Ausrichtelement einer thermischen Behandlungskammer aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher der Ausrichtmechanismus (149) eine Ausrichtanordnung für den Eingriff mit dem Einlassende der Temperatursonde (50) aufweist.
Vorrichtung (300) nach Anspruch 1, welche weiterhin einen Lichtvereiniger (324) aufweist, der so angeordnet ist, dass er Licht von der ersten und zweiten Lichtquelle (315a, 315b) empfängt und das vereinigte Licht zu dem Licht emittierenden Bereich (306) lenkt.
Vorrichtung (300) nach Anspruch 1, bei welcher die erste und die zweite Lichtquelle (315a, 315b) jeweils Licht mit einer annähernd Gaußchen Stärkeverteilung emittieren.
Vorrichtung (300) nach Anspruch 1, bei welcher die erste und zweite Lichtquelle (315a, 315b) Stärkespitzen bei unterschiedlichen Wellenlängen haben.
Vorrichtung (300) nach Anspruch 1, bei welcher die erste und die zweite Lichtquelle (315a, 315b) LEDs aufweisen.
Vorrichtung (300) nach Anspruch 1, bei welcher der vorgegebene Wellenlängenbereich im Infraroten liegt.
Vorrichtung (300) nach Anspruch 1, bei welcher der Licht emittierende Bereich (306) eine Oberfläche (268) einer Lichtleitfaser (256) ist.
Vorrichtung (300) nach Anspruch 1, bei welcher der Licht emittierende Bereich (306) eine Öffnung in einem Aufbau (302) ist, der die erste und die zweite Lichtquelle (315a, 315b) umschließt.
Vorrichtung (300) nach Anspruch 1, welche weiterhin Einrichtungen (324) zum Vereinigen des Lichts aus der ersten und der zweiten Lichtquelle (315a, 315b) und zum Lenken des vereinigten Lichts zu dem Licht emittierenden Bereich (306) aufweist.
Verfahren zum Kalibrieren einer Temperatursonde (50), die die Temperatur eines Substrats (10) misst, wobei bei dem Verfahren (a) von einer ersten Lichtquelle (315a) Licht mit einer ersten Bandbreite erzeugt wird, (b) von einer zweiten Lichtquelle (315b) Licht mit einer zweiten Bandbreite erzeugt wird, die sich von der ersten Bandbreite unterscheidet, (c) das Licht aus der ersten und der zweiten Lichtquelle vereinigt wird und (d) die relativen Stärken der ersten und der zweiten Lichtquelle so gewählt werden, dass ein Verhältnis der Stärke der ersten Wellenlänge zu der Stärke der zweiten Wellenlänge im wesentlichen gleich einem Stärkeverhältnis ist, das für einen schwarzen Körper mit einer vorgegebenen Temperatur vorausberechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem weiterhin (e) die Stärke des vereinigten Lichts bei einer ersten Wellenlänge gemessen wird und (f) die Stärke des vereinigten Lichts bei einer zweiten Wellenlänge gemessen wird, – wobei zum Auswählen der relativen Stärken der ersten und der zweiten Lichtquelle (315a, 315b) ein solches Einstellen der relativen Stärken der ersten und zweiten Lichtquelle gehört, dass das Verhältnis der Stärke bei der ersten Wellenlänge zu der Stärke bei der zweiten Wellenlänge im wesentlichen gleich einem Stärkeverhältnis ist, das für einen schwarzen Körper bei einer vorgegebenen Temperatur vorausberechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die erste Bandbreite einen Teil der zweiten Bandbreite überlappt und bei welcher die erste Wellenlänge innerhalb des überlappenden Abschnitts liegt, während die zweite Wellenlänge sich außerhalb der ersten Bandbreite befindet.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die erste und die zweite Bandbreite sich nicht überlappen und bei welchem die erste Wellenlänge so gewählt wird, dass die erste und die zweite Lichtquelle (315a, 315b) in etwa gleiche normalisierte Stärken bei den ersten Wellenlängen haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei welchem weiterhin das vereinigte Licht zu einem Licht emittierenden Bereich (306) gelenkt wird.