DE69911927T2

DE69911927T2 - Verfahren und vorrichtung zum messen der substrattemperatur

Info

Publication number: DE69911927T2
Application number: DE69911927T
Authority: DE
Inventors: Mark Yam; M. Aaron HUNTER
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1999-02-11
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2019-02-12
Also published as: DE69911927D1; US6007241A; EP1060370A1; WO1999042797A1; EP1060370B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Temperatursensoren, die zum Messen einer Substrattemperatur während einer Wärmbehandlung verwendet werden.
Bei einer schnellen Wärmebehandlung (RTP) wird ein Substrat schnell und gleichförmig auf eine hohe Temperatur, beispielsweise 400°C oder mehr erhitzt, um einem Fertigungsschritt, wie eine Glühbehandlung, Reinigung, chemische Gasphasenabscheidung, Oxidation oder Nitrierung auszuführen. Beispielsweise kann ein Wärmebehandlungssystem, wie das RTP-Gerät, geliefert von Applied Materials, Inc. unter dem Handelsnamen "Centura^R", zur Durchführung einer Metallglühbehandlung bei Temperaturen von 400°C bis 500°C, zur Titansilicidbildung bei Temperaturen um 650°C oder zur Oxidation oder zum Implantierglühen bei Temperaturen um 1000°C verwendet werden.
Während dieser Wärmebehandlungsschritte muss die Temperatur des Substrats genau gesteuert werden, um hohe Ausbeuten und eine Behandlungssicherheit zu erreichen, insbesondere für die Submikronabmessung von gegenwärtigen Halbleitervorrichtungen. Beispielsweise darf bei der Herstellung einer dielektrischen Schicht von 60 bis 80 Ångström (Å) Dicke bei einer Gleichförmigkeit von +/–2 Å, was eine typische Anforderung bei den gegenwärtigen Vorrichtungsformen ist, die Temperatur in den darauf folgenden Behandlungsabläufen sich nicht um mehr als wenige °C von der Zieltemperatur aus verändern. Um dieses Niveau der Temperatursteuerung zu erhalten, wird die Temperatur des Substrats in Realzeit und in situ gemessen.
Eine Technologie, die zum Messen von Substrattemperaturen in RTP-Systemen verwendet wird, ist die optische Pyrometrie. Die Pyrometrie nutzt eine allgemeine Eigenschaft von Gegenständen, nämlich dass die Gegenstände Strahlung mit einem speziellen Spektralgehalt und einer speziellen Stärke emittieren, die für ihre Temperatur charakteristisch sind. Deshalb kann durch Messen der emittierten Strahlung die Temperatur des Gegenstands bestimmt werden. Ein Pyrometer misst die emittierte Strahlungsstärke und führt die geeignete Umwandlung aus, um die Substrattemperatur zu erhalten. Die Beziehung zwischen der Spektralstärke und der Temperatur hängt von dem spektralen Emissionsvermögen des Substrats und der idealen Intensitätstemperaturbeziehung des schwarzen Körpers ab, die durch das Plancksche Gesetz ausgedrückt wird:
wobei C₁ und C₂ bekannte Konstanten, λ die interessierende Strahlungswellenlänge und T die Substrattemperatur gemessen in °K sind. Das spektrale Emissionsvermögen ε(λ, T) eines Gegenstands ist das Verhältnis seiner emittierten spektralen Intensität I(λ, T) zu der eines schwarzen Körpers bei der gleichen Temperatur I_B(λ, T). Das bedeutet,
Da C₁ und C₂ bekannte Konstanten sind, kann unter idealen Bedingungen die Temperatur des Substrats genau bestimmt werden, wenn ε(λ, T) bekannt ist.
Das Emissionsvermögen eines Substrats hängt von vielen Faktoren einschließlich der Eigenschaften des Wafers selbst (beispielsweise der Temperatur, der Oberflächenrauigkeit, des Dotierpegels für verschiedene Verunreinigungen, der Materialzusammensetzung und der Dicke der Oberflächenschicht), von den Eigenschaften der Behandlungskammer und von der Prozesshistorie des Wafers ab. Deshalb kann eine Abschätzung des Emissionsvermögens des Substrats a priori eine pyrometrische Temperaturmessfähigkeit für einen allgemeinen Zweck nicht bereitstellen. Demzufolge ist es erforderlich, das Emissionsvermögen des Substrats in situ zu messen. Unglücklicherweise ist es schwierig, das thermische Abstrahlungsvermögen des Substrats genau zu messen. Die Unsicherheit bei dem gemessenen Emissionsvermögen führt in die Temperaturmessung eine Unsicherheit ein.
Zur Reduzierung dieser Unsicherheit hat man verschiedene Techniken entwickelt, um den Effekt des Emissionsvermögens des Substrats bei der Temperaturmessung zu verringern. Zu einer solchen Technik gehört das Anordnen einer Reflektorplatte unter der Rückseite eines Targetsubstrats zur Bildung eines reflektierenden Hohlraums. Wenn die Reflektorplatte ein idealer Reflektor wäre, kann gezeigt werden, dass, weil die gesamte von dem Substrat emittierte Strahlung zum Substrat zurückreflektiert würde, der reflektierende Hohlraum als idealer schwarzer Körper wirken würde. D. h., dass die Strahlungsstärke in dem reflektierenden Hohlraum keine Funktion des Emissionsvermögens der Oberfläche des Substrats wäre. Deshalb erhöht im Idealfall der reflektierende Hohlraum das effektive Emissionsvermögen des Substrats auf einen Wert von gleich eins.
Da die Reflektorplatte jedoch kein idealer Reflektor ist, ist das effektive Emissionsvermögen des Substrats kleiner als eins, obwohl es höher ist als das tatsächliche Emissionsvermögen des Substrats. Deshalb hängt die von einem Temperatursensor gemessene Strahlungsstärke noch von dem Emissionsvermögen des Substrats ab. Obwohl Änderungen des tatsächlichen Emissionsvermögens des Substrats weniger Einfluss auf die gemessene Temperatur haben, besteht demzufolge eine Unsicherheit bei der Temperaturmessung.
Die Wärmebehandlungsschritte können auch dazu führen, dass die Reflektorplatte schmutzig wird oder korrodiert und deshalb mit der Zeit weniger reflektiv ist. Wenn das Reflexionsvermögen der Reflektorplatte abnimmt, nimmt auch das effektive Emissionsvermögen des Substrats ab. Diese Änderung des effektiven Emissionsvermögens des Substrats ändert die Stärke der Strahlung, die von dem Temperatursensor abgetastet wird, und kann einen Fehler in der gemessenen Temperatur erzeugen.
Zusätzlich gibt es viele Wärmebehandlungsschritte, die mit einer hochreflektiven Reflektorplatte nicht kompatibel sind. Beispielsweise kann die für einen Wärmebehandlungsschritt erforderliche Umgebung für eine solche Reflektorplatte korrosiv oder destruktiv sein.
Die EP-A-0,718,610 offenbart eine Vorrichtung, die diejenigen Merkmale aufweist, die im Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche angegeben sind. Um die Probleme eines nicht idealen Reflexionsvermögens zu überwinden, verwendet die in diesem Dokument offenbarte Anordnung einen Mikrohohlraum in einer Öffnung, wo die Sonde angeordnet ist.
Im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen besteht ein Bedürfnis für einen verbesserten Temperatursensor, bei dem das tatsächliche Emissionsvermögen des Substrats einen geringeren Einfluss auf die gemessene Temperatur hat.
Zusammenfassung
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur eines Substrats in eine Wärmebehandlungskammer bereitgestellt, die einen Reflektor, der zur Bildung eines reflektierenden Hohlraums mit dem Substrat angeordnet ist, wenn das Substrat in der Kammer positioniert ist, und einen Temperatursensor aufweist, der einen Fühler und einen Detektor hat, wobei der Fühler ein Eingangsende, das zur Aufnahme einer Strahlung aus dem reflektierenden Hohlraum angeordnet ist, und ein Ausgangsende aufweist, das optisch mit dem Detektor gekoppelt ist, um eine Temperaturanzeige zu erzeugen, und sich die Vorrichtung dadurch auszeichnet, dass der Temperatursensor so ausgebildet ist, dass die Auswirkung auf die Temperaturanzeige reduziert wird, die durch eine direkte Strahlung bewirkt wird, welche auf das Eingangsende des Fühlers innerhalb eines zentralen Winkels auftrifft, wobei der zentrale Winkel um eine Normale zu dem Reflektor gemessen wird. Der Winkel kann zwischen etwa 3 und 10 Grad, beispielsweise etwa 5 Grad betragen. Der Detektor kann ein Photodetektor mit einer Reihe von Photodioden oder einer ringförmigen Photodiode sein, und die Strahlung innerhalb des Winkels kann auf einen zentralen Bereich des Photodetektors treffen. Der Detektor kann einen Schaltkreis aufweisen, der so ausgebildet ist, dass er zur Bestimmung der Temperaturablesung nur Signale von einem Teil der Photodioden verwendet, die sich in einem äußeren Bereich befinden, der den zentralen Bereich umgibt, oder der zentrale Bereich kann innerhalb eines inneren Durchmessers der ringförmigen Photodiode liegen. In einem optischen Weg zwischen dem Eingangsende der Sonde und dem Photodetektor kann in dem Detektor ein undurchsichtiges optisches Element, beispielsweise ein reflektives oder absorptives Element, angeordnet werden, um zu verhindern, dass eine Strahlung innerhalb des Winkels auf den Photodetektor auftrifft. Ein zentraler Bereich des optischen Weges kann einen höheren Strahlungsanteil innerhalb des Winkels enthalten, und das optische Element kann in dem zentralen Bereich des optischen Weges angeordnet werden. Das optische Element kann auf der Oberfläche des Photodetektors (einem Filter in dem Detektor) auf einer Linse in dem Detektor, an einer optischen Faser, die die Sonde optisch mit dem Detektor koppelt, oder an dem Auslassende der Sonde angeordnet sein. Der Temperatursensor kann so ausgebildet sein, dass er verhindert, dass eine Strahlung innerhalb des Winkels durch die Sonde hindurchgeht. Beispielsweise kann das Eingangsende der Sonde so gestaltet sein, beispielsweise mit einer konischen oder kugeligen Spitze, um so zu verhindern, dass Strahlung innerhalb des Winkels durch die Sonde hindurchgeht. Ein Teil des Reflektors kann sich über dem Eingangsende der Sonde erstrecken, um zu verhindern, dass Strahlung in dem Winkel in die Lichtleitung eintritt. Mit dem Ausgangsende der Sonde kann eine geteilte Faseroptikführung optisch gekoppelt werden, wobei Strahlung innerhalb des Winkels in einen zentralen Abschnitt der Faseroptikführung eintritt. Die Faseroptikführung kann einen ersten Zweig mit optischen Fasern von einem zentralen Abschnitt der Faseroptikführung aus und einen zweiten Zweig der optischen Fasern von einem ringförmigen Abschnitt der Faseroptikführung aus aufweisen, der den Zentralabschnitt umgibt. Der zweite Zweig kann optisch mit dem Detektor gekoppelt sein.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmebehandlungssystem bereitgestellt, das eine Behandlungskammer mit einem Reflektor, der zur Bildung eines reflektierenden Hohlraums mit einem Substrat angeordnet ist, wenn das Substrat in der Kammer positioniert ist, einen Fühler mit einem Eingangsende und einem Ausgangsende, wobei das Eingangsende zur Aufnahme von Strahlung aus dem reflektierenden Hohlraum positioniert ist, und einen Detektor aufweist, der optisch mit dem Ausgangsende des Fühlers gekoppelt ist, um eine Temperaturanzeige zu schaffen, wobei sich das System dadurch auszeichnet, dass das wenigstens eine Element der von dem Reflektor, der Sonde und dem Detektor gebildeten Elemente so ausgebildet ist, dass die Auswirkung auf die Temperaturanzeige reduziert wird, die durch direkte Strahlung bewirkt wird, die auf das Eingangsende des Fühlers innerhalb eines zentralen Winkels auftrifft, wobei der zentrale Winkel um eine Normale zu dem Reflektor gemessen wird.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Messen der Temperatur eines Substrats in eine Wärmebehandlungskammer bereitgestellt, bei welchem das Substrat in der Wärmbehandlungskammer so positioniert wird, dass es mit einem in der Kammer angeordneten Reflektor einen reflektierenden Hohlraum bildet, die Strahlung aus dem Hohlraum mit einem Temperaturfühler abgetastet wird und die abgetastete Strahlung längs eines optischen Weges zu einem Detektor zur Erzeugung einer Temperaturanzeige geleitet wird, wobei sich das Verfahren dadurch auszeichnet, dass die Auswirkung auf die Temperaturanzeige reduziert wird, die durch eine direkte Strahlung bewirkt wird, die innerhalb eines zentralen Winkels auf den Temperaturfühler auftrifft, wobei der zentrale Winkel um eine Normale zu dem Reflektor gemessen wird.
Ausgestaltungen der Erfindung können Folgendes aufweisen. Der Reduzierschritt kann eine solche Ausgestaltung des Detektors umfassen, dass wenigstens ein Teil der Strahlung von innerhalb des Winkels aus ignoriert wird, die auf einem Photodetektor in dem Detektor trifft, wobei ein Photodetektor in dem Detektor angeordnet wird, um einen Teil der abgetasteten Strahlung zu empfangen, die einen niedrigeren Anteil der Strahlung von innerhalb des Winkels enthält, wodurch verhindert wird, dass Strahlung innerhalb des Winkels in den Fühler eintritt, wenigstens ein Teil der Strahlung von innerhalb des Winkels reflektiert oder wenigstens ein Teil der Strahlung von innerhalb des Winkels absorbiert wird.
Zu den Vorteilen der Erfindung gehören die folgenden: Das tatsächliche Emissionsvermögen des Substrats hat eine geringere Auswirkung auf die Temperatur, die von dem Temperatursensor gemessen wird. Eine besonders reflektive (beispielsweise mit einem so geringen Reflexionsvermögen wie 50%) Reflektorplatte kann verwendet werden, um einen Hohlraum als virtueller schwarzer Körper zu schaffen. Dies ermöglicht die Herstellung der Reflektorplatte aus billigeren Materialien. Es ermöglicht auch, dass die Reflektorplatte aus Materialien gefertigt wird, die mit stärker destruktiven oder korrosiven thermischen Prozessen besser verträglich sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einschließlich der Zeichnungen und Ansprüche.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Schnittansicht eines schnellen Wärmbehandlungssystems.
2 ist eine schematische Schnittansicht eines Temperatursensors nach der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische Darstellung eines Hohlraums als virtueller schwarzer Körper und zeigt Strahlenspuren der Lichtstrahlen, die in die Sonde des Temperatursensors eintreten.
4A ist eine schematische Seitenansicht der inneren Bauelemente einer Pyrometerbox mit einem Photodetektor mit einer Reihe von Photodioden.
4B ist eine Ansicht längs der Linie 4B-4B von 4A.
5A ist eine schematische Schnittansicht eines Photodetektors mit inneren und äußeren Detektorelementen.
5B ist eine Ansicht längs der Linie 5B-5B von 5A.
6A ist eine schematische Schnittansicht eines Photodetektors, der obere und untere Detektorelemente aufweist.
6B ist eine Ansicht längs der Linie 6B-6B von 6A.
7A bis 7E sind schematische Seitenansichten des Lichtleiters, der Faseroptikführung, der Linse, des Filters bzw. des Photodetektors mit einem reflektierenden Element.
8A und 8B sind schematische Schnittansichten eines Lichtleiters mit einem konischen bzw. kugelförmigen Einlassende.
9A ist eine schematische Schnittansicht eine Reflektors mit einem lichtblockierenden Element.
9B ist eine Ansicht längs der Linie 9B-9B von 9A.
10 ist eine schematische Ansicht eines Temperaturfühlers, der eine geteilte optische Faser verwendet.
Ins Einzelne gehende Beschreibung
In der folgenden Beschreibung deckt der Ausdruck "Substrat" breit jedes Objekt ab, das in einer Wärmebehandlungskammer behandelt wird und dessen Temperatur während der Behandlung gemessen wird. Der Ausdruck "Substrat" umfasst beispielsweise Halbleiterwafer, Flachbildschirme, Glasplatten oder Glasscheiben und Kunststoffwerkstücke.
Gemäß 1 hat ein RTP-System 10 eine Behandlungskammer 12 für eine Behandlung von beispielsweise einem scheibenförmigen Substrat 14 mit einem Durchmesser von acht Zoll (200 mm) oder zwölf Zoll (300 mm). Eine Beschreibung eines solchen RTP-Systems findet sich in der US-A-5,660,472.
Das Substrat 14 wird schnell und gleichmäßig in der Kammer 12 auf eine erhöhte Temperatur (beispielsweise etwa 1000°C) erhitzt und kann verschiedenen Behandlungsschritten ausgesetzt werden, beispielsweise einer Glühbehandlung, einer Reinigung, einer chemischen Dampfabscheidung, einer Ätzung, einer Oxidation oder einer Nitrierung. Das Substrat 14 ist von einem drehenden Trägerring 16 über einem Reflektor 20 gehalten. Der Reflektor 20 kann einen Aluminiumkörper 22 aufweisen, der mit einer teilweise reflektiven oder hochreflektiven Schicht 24 beschichtet ist. Der Reflektor 20 ist an einer Basis 26 angebracht. Die Basis kann aus rostfreiem Stahl hergestellt sein. Durch Kanäle 28 in der Basis 26 zirkuliert Kühlflüssigkeit, um die Temperatur der Basis und des Reflektors zu steuern.
Das Substrat 14 wird von einem Heizelement 30 (beispielsweise einer wassergekühlten Reihe von Wolfram-Halogenlampen) erhitzt. Die Strahlungsenergie aus dem Heizelement 30 geht durch ein Fenster 32, das direkt über dem Substrat angeordnet ist, um das Substrat schnell und gleichförmige auf eine erhöhte Temperatur aufzuheizen. Das Heizelement und das Fenster können, wie in dem US-Patent 5,155,336 beschrieben, gebaut sein. Die Unterseite des Substrats 14 und die Oberseite des Reflektors 20 bilden einen reflektierenden Hohlraum 34, der das Substrat ähnlich wie ein idealer schwarzer Körper erscheinen lässt. D. h., der Reflektor steigert das effektive Emissionsvermögen des Substrats.
Zur Messung der Substrattemperatur sind an verschiedenen Substratradien während des Behandlungsvorgangs eine Vielzahl von Temperatursensoren oder Pyrometer 40 angeordnet (beispielsweise acht, obwohl in 1 nur drei gezeigt sind). Jeder Temperatursensor 40 hat einen Fühler für die Strahlungsabtastung aus dem Hohlraum und eine Detektorvorrichtung zum Messen der Stärke der abgetasteten Strahlung und zur Umwandlung der gemessenen Intensität in eine Temperaturmessung. Wie im Einzelnen nachstehend beschrieben wird, ist jeder Temperatursensor 40 so ausgelegt, dass er das Sammeln der direkten, von dem Substrat emittierten Strahlung verringert und das Sammeln der reflektierten Strahlung steigert. Insbesondere ist jeder Temperatursensor 40 so ausgelegt, dass er Strahlung im Wesentlichen ausschließt oder ignoriert, die in den Fühler aus Winkeln eintritt, die nahe zu normal zu dem Reflektor sind.
Gemäß 2 kann der Fühler ein Lichtleiter 42 sein, der sich durch eine Leitung 44 von der Rückseite der Basis 26 aus in eine Öffnung in dem Reflektor 20 erstreckt. Der Lichtleiter kann ein Saphir- oder Quarzrohr mit einem Durchmesser von etwa 1,3 bis 3,2 mm (0,05 bis 0,125 Zoll) sein. Ein Ende des Lichtleiters 42 befindet sich nahe an (beispielsweise bündig zu) der Oberseite des Reflektors 20, um Strahlung aus dem reflektierenden Hohlraum 34 abzutasten. Das andere Ende des Lichtleiters ist optisch mit einer flexiblen Faseroptikführung 46 gekoppelt (beispielsweise in engem Kontakt damit gehalten). Die Faseroptikführung 46 und der Lichtleiter 42 können durch eine Gewindeverbindung 48 gekoppelt sein.
Die abgetastete Strahlung geht durch den Lichtleiter 42 nach unten, durch die Faseroptikführung 46 und in eine Detektorvorrichtung, beispielsweise eine Pyrometerbox 50 (beispielsweise ein Luxtron AccuFiber Modell 100 von Luxtron Corporation, Santa Clara, CA). Die Pyrometerbox berechnet die Temperatur des Substrats 14 aus der Stärke der Strahlung, die von dem Lichtleiter 42 abgetastet wird. Die Pyrometerbox 50 kann eine schmale Bandbreite haben, beispielsweise etwa 40 Nanometer (nm), die sich bei etwa 950 nm befindet.
Innerhalb der Pyrometerbox 50 geht Strahlung aus der Faseroptikführung 46 durch eine Sammellinse 52 zur Bildung eines Lichtstrahls 53. Der Lichtstrahl 53 geht durch ein optisches Pyrometertilter 54, bevor er auf einen Photodetektor 56 (beispielsweise eine Photodiode) trifft. Das Signal aus dem Photodetektor 56 ist das Eingangssignal zur Steuerung der Elektronik 58, die das Signal in eine Temperaturanzeige umwandelt. Die Temperaturanzeige aus der Steuerelektronik 58 kann von einer Steuereinrichtung (nicht gezeigt) dazu verwendet werden, die Leistung für das Heizelement 30 dynamisch zu steuern, um alle Abweichungen von einem vorgegebenen Temperaturzyklus zu korrigieren.
Gemäß 3 ist der Reflektor 20 unter dem Substrat 14 angeordnet, um einen reflektierenden Hohlraum 34 in Form eines virtuellen schwarzen Körpers zu schaffen. Insgesamt besteht die in den Lichtleiter 42 eintretende Strahlung aus vielen Komponenten, zu denen die Komponenten gehören, die direkt aus dem Substrat emittiert werden, sowie reflektierte Komponenten. Beispielsweise gehören zu der Strahlung, wie durch den Strahl R gekennzeichnet ist, eine Komponente, die direkt von dem Substrat (vom Punkt A) emittiert wird und keine Reflexion erfahren hat, eine zweite Komponente (vom Punkt B und reflektiert am Punkt A), die nur eine Reflexion weg vom Reflektor 20 und der Rückseite des Substrats 12 erfahren hat, eine dritte Komponente (vom Punkt C und reflektiert an den Punkten A und B), die zwei Reflexionen weg vom Reflektor 20 und der Rückseite des Substrats 12 erfahren hat, usw.. Somit kann die Gesamtstärke I_T der von dem Lichtleiter 42 abgetasteten Strahlung durch Summieren über einer unendlichen Reihe von Komponenten auftreffender Strahlung wie folgt gefunden werden: IT = ε·σT4·ΣRn·(1 – ε)n (3)die sich reduzieren lässt auf
wobei R das Reflexionsvermögen des Reflektors, ε das Emissionsvermögen des Substrats, σ die Stefan-Boltzman-Konstante und T die Temperatur des Substrats sind. Nimmt man an, dass das Reflexionsvermögen des Reflektors gleich eins (R = 1) ist, lässt sich die Gleichung 4 reduzieren auf IT = σT4 (5)in der die Strahlungsstärke I_T unabhängig von dem Emissionsvermögen der Rückseite des Substrats ist. Somit kann in einem idealen System die abgetastete Strahlungsstärke I_T durch die Pyrometerbox in eine gemessene Temperatur unter Verwendung von Gleichung 5 umgewandelt werden.
Unglücklicherweise führt das Vorhandensein jedes Lichtleiters 42 eine lokalisierte Störung in den Effekt des virtuellen schwarzen Körpers im Reflektorhohlraum 34 ein. Die Größe der Störung tendiert zu einem Anwachsen mit zunehmender Größe D der Öffnung in dem Reflektor, die den Lichtleiter aufnimmt. Diese Störung wirkt dem das Emissionsvermögen verstärkenden Effekt entgegen, der von dem Reflektor erzeugt wird. Somit verringert diese lokale Störung in dem Hohlraum des virtuellen schwarzen Körpers das effektive Emissionsvermögen des Substrats 12 in einem Bereich direkt über dem Lichtleiter. Im Gegensatz dazu bleibt das effektive Emissionsvermögen des restlichen Substrats von der Störung im Wesentlichen unbeeinflusst.
Ohne eine Begrenzung auf irgendeine spezielle Theorie ist eine mögliche Ursache der Störung, dass die Lichtleiteröffnung als Energiesenke wirkt. Der Effekt kann erklärt werden, wenn man annimmt, dass das Substrat perfekt spiegelnd ist und man die Strahlung in Betracht zieht, die in den Lichtleiter an einer speziellen Stelle (beispielsweise dem Punkt P) eintritt. Der Anteil dieser Strahlung, der in den Lichtleiter innerhalb eines Winkels φ eintritt, besteht gänzlich aus Strahlung, die direkt von dem Substrat emittiert wird (beispielsweise vom Punkt A' aus). Dieser Teil enthält keine reflektierten Komponenten. Der Grund dafür besteht darin, dass die Strahlung, die ansonsten eine der reflektierten Komponenten (beispielsweise Strahlung vom Punkt B' aus) ist, in den Lichtleiter 42 eintritt anstatt vom Reflektor 20 weg reflektiert zu werden. Da die Strahlung innerhalb des Winkels φ vollständig aus Strahlung besteht, die direkt von dem Substrat ohne irgendwelche Reflexionen emittiert wird, besteht kein das Emissionsvermögen erhöhender Effekt im Bereich des Substrats direkt über dem Lichtleiter. Kurz gesagt, der Fühler selbst erzeugt einen Bereich, wo keine Strahlung reflektiert wird, wodurch das effektive Emissionsvermögen des Substrats abgesenkt wird. Obwohl sich die lokale Störung besonders einfach für ein Spiegeln des Substrats erläutern lässt, tritt der Effekt auch bei diffusen Substraten auf.
Da das verringerte effektive Emissionsvermögen direkt über dem Lichtleiter auftritt, kann das effektive Emissionsvermögen des Substrats durch Sammeln von weniger Strahlung aus dem Bereich des Substrats direkt über dem Lichtleiter 42 gesteigert werden. Entweder durch Verhindern, dass Strahlung in einem zentralen Winkel α (gewöhnlich gemessen als Winkel zwischen der Ausbreitungsachse der Strahlung und einer Achse senkrecht zum Reflektor) von der Detektorvorrichtung eintritt, oder durch Nicht-Verarbeitung dieser Strahlung verwendet der Temperatursensor mehr reflektierte Strahlung. Das Substrat hat somit ein höheres effektives Emissionsvermögen für den Temperatursensor 40 aufgrund des Hohlraumeftekts des virtuellen schwarzen Körpers. Der zentrale Winkel α kann etwa der gleiche sein wie der Winkel φ. Der zentrale Winkel α kann zwischen etwa 3° und 10°, beispielsweise in etwa 5° betragen. Nimmt man an, dass der zentrale Winkel α ziemlich klein ist, beispielsweise weniger als 10°, so kann diese Strahlung als im Wesentlichen senkrecht zu der Reflektoroberfläche angesehen werden.
Wie vorher erörtert, geht gemäß 4A die von der Faseroptikführung 46 übertragene Strahlung durch die Linse 52 hindurch, ehe sie den Photodetektor 56 erreicht. Da die Faseroptikführung und der Lichtleiter durch innere Totalreflexion wirksam sind, ist die Verteilung der Eingangswinkel vom Eintrittsende des Lichtleiters an seinem Austrittsende erhalten. Deshalb tritt die Strahlung, die in den Lichtleiter 42 mit dem Winkel α eingetreten ist, aus der Faseroptikführung 46 mit dem gleichen Winkel α aus. Diese Strahlung wird durch die Linse 52 zur Bildung eines zentralen Teils 60 des Strahls 53 kollimiert. Die in den Lichtleiter 42 mit dem Winkel zwischen einem Akzeptanzwinkel θ (gebildet von der numerischen Apertur der Linse 52) und dem zentralen Winkel α eintretende Strahlung bildet einen äußeren Teil 64 des Strahls 53. Der zentrale Teil 60 des Strahls 53 trifft auf einen zentralen Bereich 62 des Photodetektors 56, während der äußere Teil 64 des Strahls 53 auf einen äußeren Bereich 66 des Photodetektors trifft.
In einer Ausgestaltung ist der Photodetektor 56 ein Ladungsspeicherbaustein (CCD) oder ein ähnlicher Multi-Element-Detektor. Gemäß 4B hat der Photodetektor 56 einige Detektorelemente 68a, beispielsweise Photodioden, die dem zentralen Bereich 62 zugeordnet sind, und einige Detektorelemente 68b, möglicherweise ebenfalls Photodioden, die dem äußeren Bereich 66 zugeordnet sind. Eine Steuerelektronik 58 kann so ausgeführt sein (beispielsweise durch Softwaresteuerung), dass die Ausgangssignale aus den Detektorelementen 68a ignoriert werden, wenn die von dem Photodetektor 56 gemessene Gesamtintensität berechnet wird. Somit verwendet der Temperatursensor 40 tatsächlich nur Strahlung von außerhalb des zentralen Bereichs α beim Berechnen der Substrattemperatur. Deshalb wird weniger direkte Strahlung und mehr reflektierte Strahlung zur Ausführung dieser Berechnung verwendet. Als Folge nimmt das effektive Emissionsvermögen des Substrats zu.
Die reflektive Schicht 24 kann von einem hochreflektiven Material, wie Gold, gebildet werden. Gold hat ein Reflexionsvermögen von etwa 0,975 im interessierenden Infrarot-Wellenlängenbereich, d. h. von etwa 900 bis 1000 nm. Um das Reflexionsvermögen des Reflektors weiter zu steigern, kann auf der Goldschicht eine Viertelwellenschichtung gebildet werden. Aufgrund des gesteigerten effektiven Emissionsvermögens des Substrats bei der Ausführungsform von 4A, 4B und bei den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen kann jedoch ein teilweise reflektiver Reflektor verwendet werden. Beispielsweise kann das Reflexionsvermögen des Reflektors 20 in dem interessierenden Wellenlängenbereich im Bereich von 0,5 bis 0,95 liegen. Dies ermöglicht die Verwendung anderer Materialien, wie Nickel, Aluminium oder Rhodium, als reflektive Schicht 24. Tatsächlich kann die reflektive Schicht 24 gänzlich ausgeschlossen werden, so dass der Körper 22 als der Reflektor wirkt. Dies reduziert die Kosten des Reflektors 20 und ermöglicht den Einsatz des RTP-Systems in einer breiteren Vielfalt von Fertigungsprozessen.
Bei einer anderen Ausführungsform wird gemäß 5A und 5B der Photodetektor 56' von einem einzigen zentralen inneren Detektor 70 und einem ringförmigen äußeren Detektor 72 gebildet. Der zentrale Teil 60 des Strahls 53 trifft auf den inneren Detektor 70, während der äußere Teil 64 des Strahls auf den äußeren Detektor 72 trifft. Die Steuerelektronik kann nur mit dem äußeren Detektor 72 oder sowohl mit dem Detektor 70 als auch mit dem Detektor 72 verbunden sein, muss jedoch so gestaltet sein, dass die von dem inneren Detektor 70 erzeugten Signale ausgeschlossen werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann der Photodetektor 56'' gemäß 6A und 6B von einem oberen Detektor 80 mit einer Öffnung 82 und einem unteren Detektor 84 gebildet werden. Der äußere Teil 64 des Strahls 53 trifft auf den oberen Detektor 80, während der zentrale Teil 60 des Lichtstrahls durch die Öffnung 82 hindurchgeht und auf den unteren Detektor 84 trifft. Die Steuerelektronik kann nur mit dem oberen Detektor 80 oder mit beiden Detektoren 80 und 84, jedoch in einer Ausgestaltung verbunden sein, die die von dem unteren Detektor 84 erzeugten Signale von der Gesamtstrahlungsstärkenmessung ausschließt.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann gemäß 7A bis 7E ein absorptives oder reflektives optisches Element 90 in dem optischen Weg der Strahlung von dem Lichtleiter 42 zum Photodetektor 56 angeordnet werden, um Strahlen innerhalb des zentralen Bereichs α zu absorbieren oder zu reflektieren. Vorzugsweise ist das optische Element 90 ein reflektiver Mehrschichtfilm, der auf einer der optischen Komponenten des Temperatursensors 40 ausgebildet ist. Das optische Element 90 kann auf dem Austrittsende des Lichtleiters 42 (siehe 7A), am Ende der Faseroptikführung 46 (siehe 7B), auf jeder Seite der Linse 52 (siehe 7C), auf jeder Seite des Filters 54 (siehe 7D) oder direkt auf dem Photodetektor 56 (siehe 7E) angeordnet werden. Das optische Element könnte direkt auf der optischen Komponente angeordnet oder mit einem Klebstoff befestigt werden. Es können multiple absorptive oder reflektive Elemente an mehreren der oben erwähnten Stellen angeordnet werden. Da die lichtundurchlässigen Elemente die Strahlung von innerhalb des Winkels α blockieren, wird das effektive Emissionsvermögen des Substrats gesteigert.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann gemäß 8A der Lichtleiter 42' einen zylindrischen Körper 100' und ein konisches Einlassende 102' aufweisen. Der Konuswinkel γ des Einlassendes 102' ist so gewählt, dass die in den Lichtleiter von innerhalb des zentralen Winkels α (d. h. Lichtstrahl 104) eintretende Strahlung gebrochen wird und, wie gezeigt, den Lichtleiter verlässt. Im Gegensatz dazu wird die in den Lichtleiter von außerhalb des zentralen Winkels α (beispielsweise der Lichtstrahl 106) eintretende Strahlung in den Lichtleiter nach unten zur Detektorvorrichtung geführt. Da Licht von innerhalb des zentralen Winkels α die Pyrometerbox nicht erreicht, wird das effektive Emissionsvermögen des Substrats gesteigert.
Der Lichtleiter 42'' kann gemäß 8B einen zylindrischen Körper 100'' mit einem halbkugelförmigen Einlassende 102'' haben. Einiges von der nahezu senkrechten Strahlung, die in den Lichtleiter eintritt, wird gebrochen und verlässt den Lichtleiter. Der Lichtleiter 42'' ist etwas weniger effektiv als der Lichtleiter 42', jedoch leichter herzustellen.
Bei einer weiteren Ausführungsform gemäß 9A und 9B ist der Reflektor 20' so gestaltet, dass er im Wesentlichen senkrechte Strahlung physikalisch blockiert, die von dem Substrat 12 in dem Bereich direkt über dem Lichtleiter emittiert wird. Der Reflektor 20' hat einen konischen Block 110 mit einer reflektiven oberen Fläche, die über dem Lichtleiter 42 durch eine oder mehrere Trägerstreben oder Rippenelemente 112 aufgehängt ist. Der offene Raum zwischen dem konischen Block 110 und dem Rest der reflektiven Platte 20 bildet eine Öffnung 114. Strahlung aus den Bereichen des Substrats, die sich nicht direkt über dem Lichtleiter befinden, geht durch die Öffnung 114 hindurch und tritt in den Lichtleiter ein. Strahlung von oberhalb des Lichtleiters 42 innerhalb des Winkels α wird jedoch daran gehindert, in den Lichtleiter 42 einzutreten, so dass das effektive Emissionsvermögen des Substrats gesteigert ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform gemäß 10 kann die Faseroptikführung 46' ein geteiltes Lichtleitbündel mit einem ersten Zweig 124 und einem zweiten Zweig 126 sein. Der Teil der Faseroptikführung 46' angrenzend an das Ende des Lichtleiters 42 schließt einen zentralen Teil 120 und einen äußeren Teil 122 ein. Der erste Zweig 124 weist die Lichtleitfasern aus dem zentralen Teil 120 auf, während der zweite Zweig 126 die Lichtleitfasern aus dem äußeren Teil 122 hat. Der zweite Zweig 126 ist auf die Detektorvorrichtung 50 gerichtet, während der erste Zweig 124 auf einen Reflektor oder einen anderen Detektor 128 gerichtet ist. Deshalb tritt Strahlung innerhalb des Winkels α in den ersten Zweig ein, während Strahlung außerhalb des Winkels α in den zweiten Zweig eintritt. Als Folge erreicht Strahlung innerhalb des Winkels α den Detektor nicht, so dass das wirksame Emissionsvermögen des Substrats erhöht wird.
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Stattdessen wird der Rahmen der Erfindung von den beiliegenden Ansprüchen gebildet.

Claims

Vorrichtung (10) zur Messung der Temperatur eines Substrates (14) in einer Wärmebehandlungskammer (12) mit – einem Reflektor (20), der zur Bildung eines reflektierenden Hohlraums (34) mit dem Substrat (14) angeordnet ist, wenn das Substrat (14) in der Kammer (12) positioniert ist, und – einem Temperatursensor (40), der einen Fühler (42) und einen Detektor (50) aufweist, wobei der Fühler (42) ein Eingangsende aufweist, das zur Aufnahme einer Strahlung aus dem reflektierenden Hohlraum (34) angeordnet ist, und ein Ausgangsende aufweist, das optisch mit dem Detektor (50) gekoppelt ist, um eine Temperaturanzeige zu schaffen, dadurch gekennzeichnet, dass – der Temperatursensor (40) so ausgebildet ist, dass die Auswirkung auf die Temperaturanzeige reduziert wird, die durch eine direkte Strahlung bewirkt wird, die auf das Eingangsende des Fühlers (42) innerhalb eines zentralen Winkels auftrifft, wobei der zentrale Winkel um eine Normale zu dem Reflektor (20) gemessen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Winkel zwischen ungefähr 3 und 10 Grad liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Winkel ungefähr 5 Grad beträgt.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der der Temperatursensor (40) bei der Bestimmung der Substrattemperatur keine Strahlung innerhalb des Winkels verwendet.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der der Detektor (50) ein Photodetektor mit einer Anordnung von Photodioden (56) ist, die in einem Zentralbereich (62) und einem äußeren Bereich (66) angeordnet sind, wobei der äußere Bereich (66) den Zentralbereich (62) umgibt, eine Strahlung innerhalb des Winkels auf den Zentralbereich (62) des Photodetektors (50) auftrifft, und wobei der Detektor (50) einen Schaltkreis aufweist, der so ausgebildet ist, dass er zur Bestimmung der Tem peraturanzeige nur Signale von den Photodioden (68b) verwendet, die in dem äußeren Bereich (66) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Detektor (50) ein Photodetektor (56) mit einer ringförmigen Photodiode ist, und eine Strahlung innerhalb des Winkels auf einen Bereich innerhalb eines Innendurchmessers der ringförmigen Photodiode gerichtet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Detektor (50) ein Photodetektor ist und ein undurchsichtiges optisches Element (90) in einem optischen Weg zwischen dem Eingangsende des Fühlers (62) und dem Photodetektor angeordnet ist, um zu verhindern, dass eine Strahlung innerhalb des Winkels auf den Photodetektor auftrifft.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der der optische Weg einen Zentralbereich einschließt, der einen höheren Strahlungsanteil innerhalb des Winkels enthält, und das optische Element (90) in dem Zentralbereich des optischen Weges angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der das optische Element (90) reflektierend ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der das optische Element (90) absorbierend ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der das optische Element (90) auf einer Oberfläche des Photodetektors angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der sich ein Filter (54) in dem optischen Weg befindet, und das optische Element (90) an dem Filter (54) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der eine Linse (52) in dem optischen Weg angeordnet ist, und das optische Element (90) an der Linse (52) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der eine optische Faser (46) den Fühler optisch mit dem Detektor koppelt, und das optische Element (90) an einem Ende der optischen Faser (46) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der das optische Element (90) an dem Ausgangsende des Fühlers angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Fühler (42) so ausgebildet ist, dass er verhindert, dass eine Strahlung innerhalb des Winkels durch das Ausgangsende des Fühlers (42) hindurchtritt.
Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der das Eingangsende des Fühlers so ausgebildet ist, dass verhindert wird, dass eine Strahlung innerhalb des Winkels durch das Ausgangsende des Fühlers (42) hindurchtritt.
Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der das Eingangsende des Fühlers (42) eine konische Spitze (102') aufweist, die so geformt ist, dass eine Strahlung innerhalb des Winkels gebrochen wird und das Eingangsende des Fühlers (42) verlässt.
Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der das Eingangsende des Fühlers (42) eine sphärische Spitze (102'') aufweist, so dass eine Strahlung innerhalb des Winkels gebrochen wird und das Eingangsende des Fühlers (42) verlässt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Temperatursensor (40) außerdem einen konischen Block (110) mit einer reflektierenden oberen Oberfläche aufweist, wobei der Block (110) über dem Eingangsende des Fühlers (42) positioniert ist, um zu verhindern, dass eine Strahlung innerhalb des Winkels durch das Eingangsende hindurchtritt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Temperatursensor (40) eine geteilte Faseroptikführung aufweist, die optisch mit dem Ausgangsende des Fühlers (42) gekoppelt ist, wobei eine Strahlung innerhalb des Winkels in einen zentralen Abschnitt (120) der Faseroptikführung eintritt, wobei die Faseroptikführung einen ersten Zweig (124) mit optischen Fasern von einem Zentralabschnitt (120) der Faseroptikführung und einen zweiten Zweig (126) mit optischen Fasern von einem ringförmigen Abschnitt (122) der Faseroptikführung aufweist, der den Zentralabschnitt (120) umgibt, und wobei der zweite Zweig (126) optisch mit dem Detektor gekoppelt ist, wobei eine Strahlung innerhalb des zentralen Abschnittes (120) der Faseroptikführung durch den ersten Zweig (124) hindurchtritt.
Wärmebehandlungssystem mit – einer Behandlungskammer (12), die einen Reflektor (20) aufweist, der zur Bildung eines reflektierenden Hohlraums (34) mit einem Substrat (14) angeordnet ist, wenn das Substrat (14) in der Kammer (12) positioniert ist, – einem Fühler (42) mit einem Eingangsende und einem Ausgangsende, wobei das Eingangsende zur Aufnahme von Strahlung aus dem reflektierenden Hohlraum (34) positioniert ist, und – einem Detektor (50), der optisch mit dem Ausgangsende des Fühlers gekoppelt ist, um eine Temperaturanzeige zu schaffen, dadurch gekennzeichnet, dass – der Reflektor (20), der Fühler (42) und/oder der Detektor (50) so ausgebildet ist, dass die Auswirkung auf die Temperaturanzeige reduziert wird, die durch direkte Strahlung bewirkt wird, die auf das Eingangsende des Fühlers innerhalb eines zentralen Winkels auftrifft, wobei der zentrale Winkel um eine Normale zu dem Reflektor (20) gemessen wird.
Verfahren zur Messung der Temperatur eines Substrates (14) in einer Wärmebehandlungskammer (12), bei dem – das Substrat (14) in der Wärmebehandlungskammer (12) so positioniert wird, dass es mit einem in der Kammer (12) angeordneten Reflektor (20) einen reflektierenden Hohlraum (34) bildet, – die Strahlung aus dem Hohlraum (12) mit einem Temperaturfühler (42) abgetastet wird, und – die abgetastete Strahlung entlang eines optischen Weges zu einem Detektor (50) gerichtet wird, um eine Temperaturanzeige zu schaffen, dadurch gekennzeichnet, dass – die Auswirkung auf die Temperaturanzeige reduziert wird, die durch eine direkte Strahlung bewirkt wird, die innerhalb eines zentralen Winkels auf den Temperaturfühler (42) auftrifft, wobei der zentrale Winkel um eine Normale zu dem Reflektor (20) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem der Reduzierungsschritt die Konfigurierung des Detektors (50) zur Ignorierung wenigstens eines Teils der Strahlung innerhalb des Winkels umfasst, die auf einen Photodetektor (56) in dem Detektor (50) auftrifft.
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem der Reduzierungsschritt die Verhinderung eines Eintretens einer Strahlung innerhalb des zentralen Winkels in den Fühler (42) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem der Reduzierungsschritt die Verhinderung eines Austritts einer Strahlung innerhalb des zentralen Winkels aus einem Ausgangsende des Fühlers (42) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem der Reduzierungsschritt eine Absorbierung oder Reflektierung wenigstens eines Teils der Strahlung innerhalb des zentralen Winkels umfasst.