DE69930649T2

DE69930649T2 - Abstimmung eines substrattemperaturmesssystems

Info

Publication number: DE69930649T2
Application number: DE69930649T
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Cupertino ADERHOLD; J. Abhilash Salinas MAYUR; A. Peter San Carlos KNOOT
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1998-08-14
Filing date: 1999-08-13
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2019-08-14
Also published as: KR20010090716A; EP1116011B1; EP1116011A1; TW440685B; ATE321999T1; WO2000009976A9; US6164816A; KR100564788B1; JP2002522912A; DE69930649D1; WO2000009976A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf Techniken zur Herstellung verbesserter kontaktfreier Temperaturmessungen an einem Halbleiter oder an einem anderen Substrat.
Bei vielen Herstellungsprozessen von Halbleiterbauelementen können die geforderten hohen Niveaus der Elementleistung, der Ausbeute und der Prozesswiederholbarkeit nur erreichbar werden, wenn die Temperatur eines Substrats (beispielsweise ein Halbleiterwafer) während der Behandlung eng gesteuert wird. Um dieses Niveau der Steuerung zu erreichen, ist es häufig erforderlich, die Substrattemperatur in Istzeit und in situ zu messen, so dass alle unerwarteten Temperaturänderungen unmittelbar erfasst und korrigiert werden können.
So ist beispielsweise die schnelle thermische Behandlung (RTP) in Betracht zu ziehen, die für mehrere unterschiedliche Fertigungsprozesse verwendet wird, zu denen die schnelle Wärmeglühbehandlung (RTA), die schnelle thermische Reinigung (RTS), die schnelle thermische chemische Gasphasenabscheidung (RTCVD), die schnelle thermische Oxidation (RTO) und die schnelle thermische Nitrierung (RTN) gehören. Bei der speziellen Anwendung der dielektrischen Bildung eines CMOS-Gates durch RTO oder RTN sind die Dicke, die Wachstumstemperatur und die Gleichförmigkeit der Gate-Dielektrika wesentliche Parameter, die die gesamte Bauelementleistung und Fabrikationsausbeute beeinflussen. Zur Zeit werden CMOS-Bauelemente aus dielektrischen Schichten hergestellt, die nur 60 bis 80 Å dick sind und deren Dickengleichförmigkeit innerhalb ± 2 Ångström (Å) gehalten werden muss. Dieser Gleichförmigkeitspegel erfordert, dass Temperaturänderungen über dem Substrat während der Hochtemperaturbehandlung wenige Grad Celsius (°C) nicht überschreiten.
Der Wafer selbst kann häufig auch kleine Temperaturdifferenzen während der Hochtemperaturbehandlung nicht tolerieren. Wenn man zulässt, dass die Temperaturdifferenz über 1 bis 2°C/cm bei Temperaturen um 1000°C ansteigt, ist es wahrscheinlich, dass die sich einstellen de Spannung eine Gleitung in dem Siliciumkristall verursacht. Die sich ergebenden Gleitebenen stören alle Bauelemente, durch die sie hindurchgehen. Zum Erreichen dieses Grads der Temperaturgleichförmigkeit sind zuverlässige Istzeit-Mehrfachpunkt-Temperaturmessungen für die Temperaturregelung erforderlich.
Zum Messen von Temperaturen in RTP-Systemen wird in weitem Umfang die optische Pyrometrie verwendet. Die Pyrometrie nutzt eine allgemeine Eigenschaft von Gegenständen, nämlich dass Gegenstände eine Strahlung mit speziellem Spektralinhalt und Stärke emittieren, die charakteristisch für ihre Temperatur ist. Durch Messen der emittierten Strahlung kann somit die Temperatur des Gegenstands bestimmt werden. Ein Pyrometer misst die emittierte Strahlungsstärke und führt die geeignete Umwandlung durch, um die Temperatur zu erhalten.
Eine Schwierigkeit, die bei der Verwendung von Pyrometern zur Messung einer Substrattemperatur in einem RTP-System auftritt, besteht darin, dass Änderungen zwischen einzelnen Temperatursensoren und Unterschieden in ihrer Position bezogen auf ein spezielles Substrat der Kammer die Genauigkeit der Temperaturmessungen beeinflussen können. Deshalb können Substrattemperaturmessungen, die von den Sensoren erhalten werden, eine unbekannte Fehlerkomponente aufweisen, die derartigen Änderungen zuzurechnen ist. Solche Änderungen zeigen sich beispielsweise als Differenzen in der Dicke einer abgeschiedenen Schicht über der Substratoberfläche, weil die Sensoren als Teil der Temperaturregelung verwendet werden.
Ein Weg, solche Fehler anzusprechen, besteht darin, einen Temperaturausgleich an der Stelle der Temperaturabweichung zu verringern oder zu erhöhen. Wenn die Stelle der Temperaturabweichung der Position einer Temperatursonde entspricht, ist die Größe der Temperaturänderung, die erforderlich ist, um die Abweichung zu korrigieren, annähernd proportional zur Größe der Abweichung der Dicke der abgelegten Schicht. Eine solche Technik setzt jedoch eine lokalisierte Erhitzung von der Heizquelle aus voraus. Aufgrund einer Kreuzkoppelung zwischen Lampenbereichen, thermischen Diskontinuitäten an dem Substratrand und dem Sichtwinkel und der Sonden ist eine solche Voraussetzung insgesamt nicht gültig. Deshalb sind zusätzliche Techniken erforderlich, um genaue Substrattemperaturmessungen zu erhalten, damit gleichförmige Behandlungsbedingungen über der Substratoberfläche vorgesehen werden.
Das Dokument EP-A-805342 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Substrattemperaturen.
Zusammenfassung
Insgesamt schließt bei einem Aspekt ein Verfahren zur Feinabstimmung von Sensorablesungen in einer Wärmebehandlungskammer alle Schritte ein, die im Anspruch 1 wiedergegeben sind.
Bei einem weiteren Aspekt schließt ein System zur Feinabstimmung einer Vielzahl von Temperatursensoren, die Temperaturen eines Substrats messen, alle Merkmale ein, die im Anspruch 18 wiedergegeben sind.
Weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen definiert.
Der Feinabstimmungsvorgang ist einfach und erfordert gewöhnlich nur eine einmalige Ausführung für einen gegebenen Kammeraufbau. Während der Substratbehandlung können genauere Temperaturmessungen dadurch erhalten werden, dass Änderungen zwischen einzelnen Temperatursensoren und Unterschiede in ihrer Position bezüglich des speziellen Substrats ausgeglichen werden. Genauere Temperaturablesungen können dazu beitragen, gleichförmigere Schichten auf einem in der Kammer behandelten Substrat zu erhalten. Die Erfindung ermöglicht deshalb zuverlässige Temperaturmessungen mit erhöhter Wiederholbarkeit und Gleichförmigkeit.
Weitere Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden, ins Einzelne gehenden Beschreibung, den beiliegenden Zeichnungen und den Ansprüchen ersichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht eines Systems zur schnellen thermischen Behandlung (RTP).
2 zeigt eine beispielsweise Lampenkonfiguration für ein Heizelement bei dem System von 1.
3 zeigt einen Regelkreis zur Erhitzung eines Substrats in dem System von 1.
4 zeigt eine Methode zum Berechnen von Korrekturwerten für Temperaturen, die von den Temperatursensoren in dem System von 1 erhalten werden.
5 und 6 zeigen weitere Einzelheiten einer beispielsweisen Lampenkonfiguration für das Heizelement.
Detaillierte Beschreibung
Wie in 1 gezeigt ist, hat ein System zur schnellen thermischen Behandlung (RTP) eine Behandlungskammer 100 für die Behandlung eines scheibenförmigen Siliciumsubstrats 106 mit einem Durchmesser von acht Zoll (200 mm). Das Substrat 106 ist innerhalb der Kammer auf einem Substratträgeraufbau 108 angeordnet und wird durch ein Heizelement 110 erhitzt, das direkt über dem Substrat angeordnet ist. Das Heizelement 110 erzeugt eine Strahlung 112, die in die Behandlungskammer 100 durch eine wassergekühlte Quarzfensteranordnung 114 über dem Substrat eintritt. Unter dem Substrat 106 befindet sich ein Reflektor 102, der auf einer wassergekühlten Basis 116 aus nicht rostendem Stahl angeordnet ist. Der Reflektor 102 besteht aus Aluminium und hat eine hochreflektive Oberflächenbeschichtung 120. Die Unterseite des Substrats 106 und die Oberseite des Reflektors 102 bilden einen reflektierenden Hohlraum 118 zur Steigerung des effektiven Emissionsvermögens des Substrats.
Die Temperaturen an lokalisierten Bereichen 109 des Substrats 106 werden durch eine Vielzahl von Temperatursonden 126 gemessen, die mit entsprechenden Pyrometern 128 verbunden sind (von denen in 1 nur drei gezeigt sind). Die Temperatursonden 126 sind Saphirlichtleiter, die durch entsprechende Leitungen 124 hindurchgehen, die sich von der Rückseite der Basis 116 durch die Oberseite des Reflektors 102 hindurch erstrecken. Im Allgemeinen werden Saphirleiter bevorzugt, weil sie relativ geringe Streukoeffizienten und eine Tendenz zur stärkeren Unterdrückung von Querlicht haben, so dass sie eine bessere Lokalisierung der Messung bereitstellen. Die Lichtleiter können jedoch aus irgendeinem geeigneten wärmeaushaltendem und korrosionswiderstandsfähigem Material bestehen, beispielsweise Quarz, der die entnommene Strahlung zu dem Pyrometer überführt. Geeignete Quarzfaser-Lichtleiter, Saphirkristall-Lichtleiter und Lichtleiter-/Leitungskoppler können von der Luxtron Corporation-AccuFiber Division in Santa Clara, Kalifornien, erhalten werden. Alternativ kann das Strahlungsabtastsystem ein optisches System sein, das eine Objektivlinse mit einem kleinen Radius, der in dem Reflektor 102 angebracht ist, und ein System von Spiegeln und Linsen aufweist, welche die von der Linse gesammelte Strahlung zum Pyrometer übertragen. Eine solche Methode kann weniger aufwändig als Saphirlichtrohre sein, wenn geeignete optische Standardelemente gefunden werden können. Alternativ können die Lichtleiter aus einem Rohr mit einer hochpolierten reflektiven Innenfläche entstehen. Bei der beschriebenen Ausgestaltung haben die Pyrometer 128 eine schmale Bandbreite (beispielsweise etwa 40 nm), die bei etwa 950 nm angeordnet ist. Geeignete Pyrometer 128 können ebenfalls von der Luxtron Corporation-AccuFiber Division in Santa Clara, Kalifornien, erhalten werden.
Die beschriebene Ausführung hat tatsächlich acht Messsonden, die über dem Reflektor verteilt sind, der zum Messen der Temperatur an verschiedenen Radien des Substrats verwendet werden kann. Während der Wärmebehandlung wird der Trägeraufbau 108 mit etwa 90 Drehungen pro Minute (UpM) gedreht. Dadurch tastet jede Sonde tatsächlich das Temperaturprofil eines entsprechenden Ringbereichs auf dem Substrat ab. Bei einigen Ausführungen werden weniger als alle Sonden eingesetzt.
Der Trägeraufbau, der das Substrat dreht, hat einen Tragring 134, der das Substrat um den Substrataußenumfang herum berührt, wodurch die Unterseite des Substrats mit der Ausnahme eines kleinen Ringbereichs um den Außendurchmesser herum freiliegt. Um die thermischen Diskontinuitäten zu minimieren, die am Rand des Substrats 106 während der Behandlung auftreten, ist der Tragring 134 aus dem gleichen oder einem ähnlichen Material wie das Substrat hergestellt, beispielsweise aus Silicium- oder Siliciumcarbid.
Der Tragring 134 liegt auf einem drehbaren rohrförmigen Quarzzylinder 136, der mit Silicium beschichtet ist, um ihn in dem Frequenzbereich der Pyrometer lichtundurchlässig zu machen. Die Siliciumbeschichtung auf dem Quarzzylinder wirkt als eine Sperre, die Strahlung von externen Quellen aussperrt, die die Intensitätsmessungen verseuchen könnten. Die Unterseite des Quarzzylinders wird von einem oberen Laufring 141 gehalten, der auf einer Vielzahl von Kugellagern 137 liegt, die ihrerseits in einem stationären unteren Laufring 139 gehalten sind. Die Kugellager 137 bestehen aus Stahl und sind mit Siliciumnitrid beschichtet, um eine Teilchenbildung während des Betriebs zu verringern. Der obere Laufring 141 ist magnetisch mit einem Antriebselement (nicht gezeigt) gekoppelt, das den Zylinder 136, den Tragring 134 und das Substrat 106 mit etwa 90 UpM während der thermischen Behandlung dreht. Der Tragring 134 ist so ausgelegt, dass er eine lichtdichte Abdichtung mit dem Quarzzylinder 136 bildet. Den Quarzzylinder umgibt ein Reinigungsring 145, der in das Kammergehäuse eingepasst ist. Der Reinigungsring 145 hat einen inneren ringförmigen Hohlraum, der zu einem Bereich über dem oberen Laufring 141 mündet. Der innere Hohlraum ist über einen Kanal 147 mit einer Gaszuführung (nicht gezeigt) verbunden. Während der Behandlung wird ein Reinigungsgas in die Kammer durch den Reinigungsring 145 strömen gelassen.
Ein geeignetes Heizelement 110 ist in dem US-Patent 5,155,336 offenbart, das hier als Referenz eingeschlossen ist. Dieses Heizelement verwendet einhundertsiebenachtzig Lichtleiter, um hochgebündelte Strahlung von Wolfram-Halogen-Lampen zu der Behandlungskammer 100 zu führen. Jede Lampe in dem Heizelement 110 kann durch Indizes (u, v) (siehe 2) identifiziert werden. Die Lampen sind in zwölf Gruppen (eins bis zwölf) unterteilt, die radial symmetrisch angeordnet sind. Die zwölf Gruppen können so zusammengruppiert werden, dass sie sechs Steuerzonen (6) bilden, obwohl die spezielle Anordnung von der Ausgestaltung der Kammer abhängt. Somit befindet sich beispielsweise die zentrale Lampe, die durch die Indizes (–1, 0) identifiziert ist, in der Gruppe 1, die sich in der Zone Z1 befindet. Die Zonen können individuell zur Steuerung der Strahlungsbeheizung der verschiedenen Bereiche des Substrats 106 eingestellt werden.
3 zeigt eine Regelkreis zum Erhitzen des Substrats auf die gewünschte Temperatur. Er verwendet das Abtast-Ausgangssignal aus den Temperatursensoren 190 (d.h. den Pyrometern 128 und den Lichtleitern 126). Das Heizelement 110 hat einhundertsiebenundachtzig Wolfram-Halogen-Lampen, die in radialen Zonen angeordnet sind. Jede Zone von Lampen wird durch eine Mehrfachzonen-Lampenansteuerung 194 gesondert mit Strom versorgt, die ihrerseits von einer Steuerung 192 mit Mehrfacheingang- und Mehrfachausgang gesteuert wird. Da sich das Substrat mit etwa 90 UpM dreht und Temperaturmessungen an verschiedenen radialen Stellen auf der Rückseite des Substrats 106 gemacht werden, erzeugt jeder Temperatursensor eine Mitteltemperatur über einem unterschiedlichen Ringbereich des Substrats. Die Ringbereiche fallen mit den radialen Zonen der Heizlampen zusammen.
Die Steuerung 192 empfängt die Temperaturmessungen, die von den Temperatursensoren 190 erzeugt werden, korrigiert die Temperaturen basierend auf einem Temperaturkorrekturalgorithmus und stellt den Leistungsgrad der Heizlampen ein, um eine Substrattemperatur zu erhalten, wie sie durch ein vorgegebenes Temperaturzyklusprofil 196 spezifiziert ist, das der Steuerung 192 zugeführt ist. Um den Leistungsgrad der Heizlampen zu bestimmen, verwendet die Steuerung 192 eine Matrix G, welche die mathematischen Beziehungen zwischen einer gewünschten Änderung der in die Lampen in einer speziellen Zone eingespeisten Leistung und einer entsprechenden Änderung in der Temperatur beschreibt. Genauer gesagt, die Matrix G beschreibt die Beziehung zwischen einer Änderung der Lampenspannung und der entsprechenden Änderung der Temperatur, mit anderen Worten dVn × G = dTn (Gl 1)wobei dV_n die Spannungsänderung in der Lampenzone n und dT_n die Temperaturänderung an der radialen Stelle der Temperatursonde n und n ein Index für die Sensoren ist. Die spezifischen Einzelheiten der Matrix G ändern sich von einem System zum anderen und können experimentell abgeleitet werden.
Der Temperaturkorrekturalgorithmus macht bestimmte Justierungen an den Temperaturmessungen, die aus den Sensoren 190 erhalten werden. Solche Justierungen sind erforderlich, da typischerweise leichte Diskrepanzen zwischen den Temperaturen, die von den Sensoren 190 erhalten werden, und der tatsächlichen Substrattemperatur vorhanden sind. Während des ganzen Prozesszyklus justiert die Steuerung automatisch die Leistungsgrade, die den unterschiedlichen Lampenzonen zugeführt werden, so, dass alle Temperaturabweichungen von dem gewünschten Temperaturprofil korrigiert werden.
Bevor die Methode zur Berechnung der Temperaturkorrekturwerte näher im Einzelnen beschrieben wird, ist es zweckmäßig, eine Empfindlichkeit s für das thermische Behandlungssystem zu definieren. Die Empfindlichkeit s ist ein experimentell bestimmter Parameter, dessen Wert dadurch aufgestellt werden kann, dass wiederholt ein thermischer Prozess, beispielsweise ein Oxidationsprozess, bei verschiedenen Temperaturen in der Behandlungskammer 100 ausgeführt wird. Für jede Temperatur wird die mittlere Dicke der Oxiddicke gemessen. Die Neigung der mittleren Dicke über der Temperatur ist eine Anzeige der Systemempfindlichkeit s in Ångström pro Grad Celsius (Å/°C). Alternativ wird nach wiederholter Ausführung eines thermischen Prozesses in der Kammer 100 eine andere temperaturabhängige Größe, beispielsweise der spezifische Widerstand der abgeschiedenen Schicht, gemessen. Die Neigung des mittleren spezifischen Widerstands über der Temperatur gibt die Empfindlichkeit s in Ohm pro Grad Celsius.
4 zeigt eine Methode zur Berechnung eines Korrekturwerts ΔT_n für die von jedem Sensor 190 (d.h. den Pyrometern und Lichtleitern) erhaltene Temperatur. Zuerst wird, wie durch den Schritt 100 angezeigt ist, ein Rohwafer oder Substrat in der Behandlungskammer 100 angeordnet, und es wird ein temperaturabhängiger Prozess ausgeführt. Zu dem temperaturabhängigen Prozess kann beispielsweise ein Oxidationsprozess oder ein Implantierglühprozess gehören. Im Allgemeinen kann jedoch irgendein temperaturabhängiger Prozess verwendet werden, der eine bekannte Korrelation zwischen Substrattemperatur und einer anderen messbaren Größe, beispielsweise der Filmdicke oder des spezifischen Widerstands, ergibt. Vorzugsweise ist die Beziehung zwischen Temperatur und der messbaren Größe im Wesentlichen linear.
Nachdem der temperaturabhängige Prozess ausgeführt ist, wird das Substrat aus der Kammer 100 entfernt, und es werden Messungen einer temperaturbezogenen Größe M(k) über dem Radius des Substrats unter Verwendung einer Messvorrichtung 199 (Schritt 202) ausgeführt. Wenn im Schritt 200 beispielsweise ein Oxidationsprozess ausgeführt wurde, können Dickenmessungen der Oxidschicht ausgeführt werden. Zur Ausführung der Dickenmessungen kann beispielsweise ein Polarimeter verwendet werden. Wenn ein Silicidierungsprozess im Schritt 200 ausgeführt wurde, können alternativ Messungen des spezifischen Widerstands vorgenommen werden. Zur Ausführung der Messungen des spezifischen Widerstands kann eine Messvorrichtung für den spezifischen Dünnfilmwiderstand, beispielsweise eine Vierpunktsonde, verwendet werden. Um Messungen der temperaturbezogenen Größe zu erhalten, können andere Methoden und Messvorrichtungen zum Einsatz kommen.
Bei einer Ausführung werden Mehrfachmessungen der temperaturbezogenen Größe an verschiedenen Punkten k längs eines Radius des Substrats ausgeführt. Beispielsweise können Messungen der temperaturbezogenen Größe an fünfundzwanzig Punkten k von der Mitte des Substrats aus zu seinem Rand hin vorgenommen werden. Bei einer anderen Ausführung erfolgt eine Messung an der Mitte des Substrats und zwei oder mehr Messungen an jeder der anderen vierundzwanzig radialen Entfernungen zwischen der Mitte und dem Rand des Substrats. Die in einem vorgegebenen radialen Abstand von der Mitte vorgenommenen Messungen können kombiniert werden, um einen Mittelwert für jede radiale Entfernung zu erhalten. Das Profil M(k) sollte Änderungen der gemessenen Größe über der Oberfläche des Substrats anstatt absolute Messwerte wiedergeben und längs des Radius des Substrats ein eindimensionales Profil zeigen.
Die gemessenen Werte der temperaturbezogenen Größe M(k) werden in ein Temperaturprofil P(k) unter Verwendung der bekannten Beziehung zwischen der gemessenen Größe und der Temperatur umgewandelt (Schritt 204). Mit anderen Worten, die Systemempfindlichkeit s der Kammer 100 wird dazu verwendet, die gemessenen Größen M(k) (beispielsweise die Oxiddicke oder den spezifischen Widerstand) in das entsprechende Temperaturprofil P(k) entsprechend Gleichung Gl 2 umzuwandeln: P(k)0[(M(k) – MMittel)/s] + P0(MMiaei) (Gl 2)wobei
P₀(M_Mittel) ist die Temperatur, die M_Mittel entspricht, während k die Punktauflösung (beispielsweise k = [0, 1, 2,..., 24]) ist.
Um die Umwandlung automatisch auszuführen, kann ein Prozessor, beispielsweise die Steuerung 192 oder ein gesonderter Universalrechner oder Prozessor 198, konfiguriert und programmiert werden. Das Temperaturprofil P(k) ist eine Wiedergabe von Temperaturänderungen und gibt ein eindimensionales Temperaturprofil längs des Radius des Substrats.
Bei einer Ausführung wird beispielsweise das gemessene Profil M(k) in den Prozessor 198 beispielsweise unter Verwendung einer Tastatur eingegeben. Alternativ können die Daten für das Profil M(k) auf einem magnetischen, optischen oder anderen Speichermedium gespeichert und anschließend zum Prozessor 198 überführt werden. Bei weiteren anderen Ausführungen kann das gemessene Profil M(k) automatisch von dem Prozessor 198 aus der Messvorrichtung 199 erhalten oder empfangen werden.
Wenn der Prozessor 198 einmal das gemessene Profil M(k) erhält oder empfängt, werden die Korrekturwerte ΔT_n von dem Prozessor 198 wie nachstehend berechnet und dann in die Steuerung 192 eingegeben. Bei anderen Ausführungen kann die Vorrichtung zum Erhalten der Temperaturkorrekturwerte ΔT_n als Teil eines einzigen gesamten Temperaturprozessors, beispielsweise der Steuerung 192, ausgebildet sein.
Insgesamt führt der Prozessor 198 ein Programm für ein simuliertes Temperaturkonekturprofil dT(k) quer über der Ebene des Substrats aus und bestimmt einen optimalen Satz von Temperaturkorrekturwerten ΔT_n für die Sensoren 190. Das simulierte Temperaturprofil dT(k) ist ein fortlaufendes Differenzprofil, das nachstehend im Einzelnen näher erläutert wird. Die Temperaturkorrekturwerte für jeden der Sensoren 190 können sich voneinander unterscheiden und können positive oder negative Werte sein oder den Wert null haben.
Um das Differenztemperatur-Korrekturprofil dT(k) zu erhalten, wird für jeden Sensor 190 ein Anfangstemperaturkorrekturwert ΔT_n0 erstellt (Schritt 206). Der Anfangstemperatur-Korrekturwert ΔT_n0 kann auf null oder auf Werte gesetzt werden, die entwickelte Abschätzungen darstellen, die auf dem Temperaturprofil P(k) basieren, das aus den tatsächlichen Messungen erhalten wird. Beispielsweise können die Anfangskorrekturwerte ± 1 oder ± 2°C sein. Alternativ kann die folgende Methode verwendet werden, um die Anfangstemperatur-Korrekturwerte ΔT_n0 zu wählen. Für jeden Sensor 190 wird eine mittlere Temperatur unter Verwendung einer vorgegebenen Anzahl von Punkten berechnet, die um die Position des speziellen Sensors zentriert sind. Wenn beispielsweise der Sichtwinkel einer jeden Sonde in einem Bereich mit einem Durchmesser von etwa 1 Zentimeter (cm) liegt, können fünf gleich beabstandete Punkte auf dem Substrat in der Nähe einer jeden speziellen Sonde verwendet werden, um einen mittleren Temperaturwert T_n,Mittel für die Sonde zu erhalten. Mit anderen Worten gilt:
wobei k_n den Ausgang des Sichtwinkels für die Sonde n darstellt. Erforderlichenfalls kann auch eine Extrapolierung zur Bestimmung des Temperaturwerts von Punkten zum Substratrand hin verwendet werden. Der Anfangstemperaturwert ΔT_n0 für eine spezielle Sonde n wird dann dadurch berechnet, dass der Mittelwert T_n(Mittel) für die spezielle Sonde n aus dem mittleren Temperaturwert T_l(Mittel) für die Sonde abgezogen wird, die an der Substratmitte positioniert ist (d.h. n = 1): ΔTn0 = Tl(Mittel) – Tn(Mittel) (Gl 4)
Zur Umwandlung jedes Anfangstemperatur-Korrekturwerts ΔT_n0 in eine entsprechende relative Änderung der Lampenspannung dV_uv, wenn dV_uv als ein Prozentsatz ausgedrückt wird, wird die inverse Matrix G^–1 verwendet (Schritt 208). Insbesondere gilt dVn = ΔTn0 × G–1 (Gl 5)und die einzelnen Lampenspannungen dV_n,v werden basierend auf den Informationen von 5 und 6 erhalten. So ist beispielsweise dV₁ = dV_-1,0 = dV_0,0 und dV₃ = dV_2,0 = dV_0,2 = dV_0,2.
Um das fortlaufende Differenztemperaturprofil dT(k) zu simulieren (Schritt 210), wird der Temperaturbeitrag jeder Lampe in dem Heizeleqment 110 durch eine symmetrische Verteilung modelliert, die eine Spitzenamplitude hat und auf jeder Seite der Spitze nach null abnimmt. So kann beispielsweise die Temperaturverteilung jeder Lampe durch eine glockenförmige Verteilung modelliert werden, was für die Zwecke der vorliegenden Erfindung so definiert ist, dass dazu eine Pearson-Verteilung, eine Normalverteilung sowie eine Gaußsche Verteilung oder eine Gauß-ähnliche Verteilung gehören. Das gesamte Temperaturprofil kann dann bestimmt werden, indem die Summe der Temperaturprofile von jeder Lampe berechnet wird. Da die Lampenausgestaltung symmetrisch ist, müssen nur die zentrale Lampe, die sich auf (-1,0) befindet, und ein Sechstel der übrigen Lampen (siehe 2 und 5) ausdrücklich berücksichtigt werden, während andere Lampen, die sich in einer speziellen radialen Entfernung von der Mitte befinden, dadurch berücksichtigt werden, dass das Einzelprofil multipliziert mit der Anzahl solcher Lampen verwendet wird. Eine solche Methode kann die erforderliche Speichermenge verringern und die Geschwindigkeit erhöhen, mit welcher der Algorithmus ausgeführt wird.
Für die Spitzenamplitude einer vorgegebenen Lampe wird angenommen, dass sie sich an der speziellen radialen Position der Lampe befindet. Die Amplitude der Spitze hängt von der Lampenspannung ab. Das simulierte Temperaturprofil dT(k) berücksichtigt den Beitrag aus den verschiedenen Lampen. Bei einer speziellen Ausführung gilt:
wobei dT(k) in Grad Celsius (°C) ausgedrückt wird und die verschiedenen Ausdrücke in (Gl. 6) Folgendes bedeuten:

u, v: Indizes, die die Lampe identifizieren,
C: Umwandlungskonstante (°C),
r_u,v: Anzahl der Lampen pro radialer Entfernung von der Mitte, wenn r_u,v = u + v + 1 für u, v ≥ 0, und r_1,0 = 2,
dV_u,v: relative Spannungsänderung (%) für die Lampe, die durch die Indizes (u, v) identifiziert ist,
x(k): radiale Entfernung (Millimeter (mm)) eines Punktes k von der Mitte der Lampenanordnung,
L_u,v: radiale Entfernung (mm) der Lampe, die durch die Indizes (u, v) identifiziert ist, von der Mitte der Anordnung,
Δw: Breite der Gauß-Temperaturverteilung aus einer einzigen Lampe (mm), und
k: Punktauflösung (beispielsweise k = [0, 1, 2,..., 24]).

Die Werte für die Umwandlungskonstante C und für die Temperaturverteilung Δw werden experimentell erhalten. Eine Methode zur Bestimmung dieser Werte besteht darin, einen schnellen thermischen Oxidationsprozess auf einem ersten Testsubstrat in der Kammer durchzuführen und beispielsweise das Oxiddickenprofil des behandelten Substrats zu messen. Für einen der Temperatursensoren 190 wird dann ein willkürlicher Temperaturabgleich von nicht null eingeführt, und es wird ein Oxidationsprozess mit einem zweiten Testsubstrat in der Kammer durchgeführt. Der Temperaturabgleich kann beispielsweise +1°C sein. Zur Bestimmung des Oxiddickenprofils des zweiten Testsubstrats werden Messungen ausgeführt und es wird die Differenz zwischen den Oxiddickenprofilen des ersten und zweiten Substrats berechnet. Dann werden die Oxiddickendifferenzen in entsprechende Temperaturdifferenzen umgewandelt. Dann wird ein Temperaturabgleich für einen anderen der Temperatursensoren 190 eingeführt und der Prozess wiederholt. Der Prozess wird mehrere Male wiederholt, wobei ein Abgleich für einen anderen der Temperatursensoren 190 jedes Mal geändert wird, wenn der Prozess wiederholt wird. Die experimentell hergeleiteten Daten können dann in Verbindung mit den Gleichungen Gl 1 und Gl 6 zur Bestimmung geeigneter Werte für die Umwandlungs konstante C und für die Temperaturverteilung Δw Verwendung finden. Beispielsweise wurde bezogen auf RTP Centura^TM und RTP Centura XE^TM, hergestellt von Applied Materials, Inc., gefunden, dass bei Temperaturen zwischen etwa 900 bis 1100°C die Umwandlungskonstante auf 3,8 und die Breite der Verteilung Δw auf 28 mm gesetzt werden kann.
Wenn gemäß 4 das simulierte Temperaturprofil dT(k) unter Verwendung von Gleichung Gl 6 berechnet ist (Schritt 210), wird es arithmetisch mit dem gemessenen Temperaturprofil P(k) kombiniert (Schritt 212), um ein geschätztes Profil E(k) zu erhalten, wobei E(k) = dT(k) + P(k) (Gl 7)
Zur Bestimmung des Temperaturkorrekturwerts ΔT_n, der ein simuliertes Temperaturprofil dT(k) so erzeugt, dass das geschätzte Profil E(k) im Wesentlichen gleichförmig ist, wird ein Optimierungsalgorithmus ausgeführt. Insbesondere bestimmt der Optimerungsalgorithmus die Temperaturkorrekturwerte ΔT_n für die Sensoren 190 zur Minimierung des Wertes Z (Schritt 214), wobei Z = σE(k)·D(E(k)) (Gl 8),und wobei σE(k) die Standardabweichung von E(k) ist, während D(E(k)) eine Abweichung von E(k) für alle Punkte k auf dem Substrat gewichtet nach ihrer radialen Position ist. Insbesondere gilt
und
mit
wobei x(k) die radiale Entfernung (mm) eines Punkts k von der Mitte der Lampenanordnung ist und "a" so gesetzt wird, dass es gleich oder kleiner als der maximale Wert von k ist. Beispielsweise kann "a" auf 10 gesetzt werden, wenn k einen Maximalwert von gleich 24 hat.
Eine Bewertung der Abweichungen, wie sie in Gleichung Gl 10A ausgedrückt sind, berücksichtigt die Tatsache, dass für Konturkarten die Anzahl der Punkte mit der radialen Position zunimmt und dass deshalb die Abweichungen der Punkte näher am Rand des Substrats die Gleichförmigkeit stärker als Punkte in der Nähe der Mitte treffen. Insbesondere ist Gleichung Gl 10A eine Wiedergabe einer Methode zur Normalisierung der Abweichungen bei dem geschätzten Profil E(k).
Wenn der Optimierungsalgorithmus ausgeführt wird, werden Interimswerte für die Temperaturkorrekturwerte ΔT_n bestimmt, und die Schritte 208, 210 und 212 werden wiederholt ausgeführt, bis Endwerte für die Temperaturkorrekturwerte ΔT_n erhalten werden, so dass der Wert von Z, wie er erwähnt ist, in Gl 8 minimiert ist. Der Optimierungsalgorithmus kann beispielsweise ausgeführt werden, indem Microsoft Excel für Windows 95, Version 7,0, Add-In sover.xls verwendet wird, das im Handel von Microsoft, Inc. verfügbar ist. Alternativ können auch andere im Handel verfügbare Software-Pakete verwendet werden.
Wenn der Optimierungsalgorithmus die Endtemperatur-Korrekturwerte ΔT_n einmal bestimmt, werden die Temperaturkorrekturwerte ΔT_n als Ausgleich zur Justierung der Temperaturwerte verwendet, die aus den Sensoren 190 während der Behandlung von Substraten erhalten werden (Schritt 216). Speziell dann, wenn ein Substrat in der Kammer behandelt wird, subtrahiert die Steuerung 192 jeden Temperaturkorrekturwert ΔT_n von der Temperatur, die von einem entsprechenden der Temperatursensoren 190 vor der Justierung des Leistungsgrads der Heizlampen erhalten wurde. In einigen Systemen können die Korrekturwerte ΔT_n zusätzlich zu anderen berechneten Temperaturausgleichen verwendet werden.
Bei der beschriebenen Methode wird das Profil M(k) der gemessenen temperaturbezogenen Größe, beispielsweise der Oxiddicke oder des spezifischen Widerstands, in ein entsprechendes Temperaturprofil umgewandelt (Schritt 204). Bei einer alternativen Ausführung kann an stelle der Ausführung des Schritts 204 das Profil M(k) der gemessenen temperaturbezogenen Größe arithmetisch mit dem simulierten Temperaturprofil dT(k) kombiniert werden, um ein geschätztes Profil E'(k) zu erhalten, wobei E'(k) = s·dT(k) + M(k) (Gl 11).
Wie vorher wird dann ein Optimierungsalgorithmus ausgeführt, um Endtemperatur-Korrekturwerte ΔT_n zu bestimmen, die ein im Wesentlichen gleichförmiges geschätztes Profil E'(k) ergeben. Die Gleichungen Gl 8, Gl 9, Gl 10A und Gl 10B können verwendet werden, wenn E(k) durch E'(k) ausgetauscht wird.
Obwohl die vorstehende Methode in Zusammenhang mit einem speziellen thermischen Behandlungssystem beschrieben wurde, ist die Methode insgesamt auf andere thermische Behandlungssysteme anwendbar, bei denen es erforderlich oder erwünscht ist, genaue Temperaturmessungen eines Substrats während einer Behandlung zu erhalten. Darüber hinaus ist die Methode nicht auf irgendeine spezielle Anzahl von Temperatursensoren begrenzt. Gleichermaßen kann die vorstehende Technik für Substrate mit anderen Durchmessern als 200 mm verwendet werden, beispielsweise bei Substraten mit Durchmessern von 150 mm oder 300 mm. Bei verschiedenen Ausgestaltungen kann das System einen oder mehrere Temperatursensoren 190 aufweisen.

Claims

Verfahren zur Feinabstimmung von Temperatursensorablesungen in einer Wärmebehandlungskammer (100) bei welchem (a) ein Ist-Profil einer temperaturbezogenen Größe für ein Substrat (106) basierend auf Vermessungen des Substrats (106) bestimmt wird, (b) ein simuliertes Temperaturprofil für das Substrat (106) unter Verwendung eines entsprechenden Interimstemperaturkorrekturwerts für wenigstens einen Temperatursensor (126) und (128) berechnet wird, der der Kammer (100) zugeordnet ist, (c) das simulierte Temperaturprofil und das Ist-Profil zur Bildung eines geschätzten Profils arithmetisch kombiniert werden, (d) ein Endwert für jeden entsprechenden Temperaturkorrekturwert durch Wiederholen der Schritte (b) und (c) bestimmt wird, bis das geschätzte Profil über der Oberfläche des Substrats (106) im Wesentlichen gleichförmig ist, und (e) jeder Endwert als ein Ausgleich für Temperaturmessungen verwendet wird, die danach von einem entsprechenden wenigstens einen Temperatursensor (126) und (128) erhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die für das Substrat bestimmte, auf die Temperatur bezogene Größe ein Ist-Temperaturprofil des Substrats ist, das auf Vermessungen des Substrats basiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem zu dem Berechnen eines simulierten Temperaturprofils die Verwendung einer glockenförmigen Verteilung für thermische Beiträge von jeder Quelle einer Vielzahl von Strahlungsquellen in der Kammer gehört.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem zum Berechnen des simulierten Temperaturprofils das Bestimmen einer Summierung von Temperaturprofilen von jeder der Strahlungsquellen gehört.
Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem zum Berechnen des simulierten Temperaturprofils die Verwendung einer zu jeder Strahlungsquelle gehörenden Spitzenamplitude gehört, die sich an einer entsprechenden radialen Position dieser Strahlungsquelle befindet.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem zu dem Berechnen eines simulierten Temperaturprofils weiterhin die Umwandlung eines jeden Temperaturkorrekturwerts in eine entsprechende Spannungsänderung gehört.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem zum Bestimmung eines Ist-Temperaturprofils das Messen einer temperaturbezogenen Größe und die Umwandlung der temperaturbezogenen Größe in das Ist-Temperaturprofil gehören.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem zum Bestimmen eines Ist-Temperaturprofils das Messen der Dicken einer Schicht gehört, die auf dem Substrat durch einen thermischen Prozess abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem zum Bestimmen eines Ist-Temperaturprofils weiterhin das Umwandeln der Dickenmessungen in das Ist-Temperaturprofil gehört.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem zum Bestimmen eines Ist-Temperaturprofils die Ausführung von Messungen des spezifischen Widerstands einer Schicht gehört, die auf dem Substrat durch einen thermischen Prozess abgeschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem zum Bestimmen eines Ist-Temperaturprofils weiterhin die Umwandlung der Messungen des spezifischen Widerstands in das Ist-Temperaturprofil gehört.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem zu dem arithmetischen Kombinieren des simulierten Temperaturprofils und des Ist-Temperaturprofils das Berechnen der Summe des Ist-Temperaturprofils und des simulierten Temperaturprofils gehört.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem zum Bestimmen eines Endwerts für jeden entsprechenden Temperaturkorrekturwert das Minimieren eines Wertes gehört, der eine Funktion einer Standardabweichung von dem geschätzten Temperaturprofil ist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem der zu minimierende Wert eine Funktion einer Abweichung des geschätzten Temperaturprofils für Punkte auf dem Substrat gewichtet nach der radialen Position ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem zu dem Berechnen eines simulierten Temperaturprofils das Berechnen von jeweiligen Anfangstemperaturkorrekturwerten für eine Vielzahl von Sensoren gehört.
Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem zum Berechnen der jeweiligen anfänglichen Temperaturkorrekturwerte – das Berechnen einer mittleren Temperatur für jeden Sensor basierend auf den Vermessungen des in Behandlung befindlichen Substrats und – ein solches Einstellen des Anfangstemperaturkorrekturwerts für einen speziellen Sensor gehört, dass er gleich einer Differenz zwischen der mittleren Temperatur für diesen Sensor und einer Bezugstemperatur ist, – wobei die Bezugstemperatur der mittleren Temperatur für einen Sensor aus der Vielzahl der Sensoren entspricht.
Verfahren zur Feinabstimmung von Temperatursensorablesungen in einer Wärmebehandlungskammer, wobei das Verfahren die im Anspruch 1 angegebenen Schritte aufweist, und wobei die Schritte (b), (c), (d) und (e) mit einer Vielzahl von Temperatursensoren ausgeführt werden.
System zur Feinabstimmung einer Vielzahl von Temperatursensoren (126) und (128), die Temperaturen eines Substrats (106) messen, wobei das System – einen Prozessor, der zum Erhalten eines Ist-Temperaturprofils für das Substrat (106) angeordnet und so ausgestaltet ist, dass er die folgenden Funktionen ausführt: (a) Berechnen eines simulierten Temperaturprofils für das Substrat (106) basierend auf jeweiligen Interimstemperaturkorrekturwerten für die Vielzahl von Temperatursensoren (126) und (128), (b) arithmetisches Kombinieren des simulierten Temperaturprofils und des Ist-Temperaturprofils zur Bildung eines geschätzten Temperaturprofils, (c) Bestimmen eines Endwerts für jeden jeweiligen Temperaturkorrekturwert durch Wiederholen der Funktionen (a) und (b) bis das geschätzte Temperaturprofil über der Oberfläche des Substrats (106) im Wesentlichen gleichförmig ist, und (d) Verwenden jedes Endwerts als ein Ausgleich für die Temperaturmessungen, die danach von einem entsprechenden Sensor der Temperatursensoren (126) und (128) erhalten werden.
System nach Anspruch 18, welches weiterhin eine Vielzahl von Strahlungsquellen zum Erhitzen des Substrats aufweist, wobei das Verfahren weiterhin so ausgestaltet ist, dass das simulierte Temperaturprofil unter Verwendung einer glockenförmigen Verteilung der Wärmebeiträge von jeder der Vielzahl von Strahlungsquellen berechnet wird.
System nach Anspruch 19, bei welchem der Prozessor weiterhin so ausgestaltet ist, dass er eine Summierung der Temperaturprofile für jede der Strahlungsquellen bestimmt.
System nach Anspruch 20, bei welchem der Prozessor weiterhin so ausgestaltet ist, dass er das simulierte Temperaturprofil unter Verwendung einer Spitzenamplitude für jede Strahlungsquelle berechnet, die sich an einer entsprechenden radialen Position der Strahlungsquelle befindet.
System von Anspruch 18 mit einer Messvorrichtung, die Messungen einer temperaturbezogenen Größe aus dem Substrat erhält, wobei der Prozessor weiterhin so ausgestaltet ist, dass er die Messungen der temperaturbezogenen Größe empfängt und die Messungen der temperaturbezogenen Größe in das Ist-Temperaturprofil umwandelt.
System nach Anspruch 18, welches weiterhin eine Messvorrichtung aufweist, die Dickemessungen des Substrats erhält, wobei der Prozessor weiterhin so ausgestaltet ist, dass er die Dickenmessungen empfängt und die Dickenmessungen in das Ist-Temperaturprofil umwandelt.
System nach Anspruch 18, welches weiterhin eine Messvorrichtung aufweist, die Messungen des spezifischen Widerstands des Substrats erhält, wobei der Prozessor weiterhin so ausgestaltet ist, dass er die Messungen des spezifischen Widerstands empfängt und die Messungen des spezifischen Widerstands in das Ist-Temperaturprofil umwandelt.
System nach Anspruch 18, bei welchem der Prozessor so ausgestaltet ist, dass er die Summe des Ist-Temperaturprofils und des simulierten Temperaturprofils berechnet, um das geschätzte Temperaturprofil zu erhalten.
System nach Anspruch 18, bei welchem der Prozessor weiterhin so ausgestaltet ist, dass er einen Wert minimiert, der eine Funktion der Standardabweichung des geschätzten Temperaturprofils ist, um den Endwert für jeden jeweiligen Temperaturkorrekturwert zu erhalten.