DE69933494T2

DE69933494T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Temperatur in einer thermischen Reaktorkammer

Info

Publication number: DE69933494T2
Application number: DE69933494T
Authority: DE
Inventors: Robert J. Scotts Valley Champetier
Original assignee: Mattson Technology Inc
Current assignee: Mattson Technology Inc
Priority date: 1998-03-12
Filing date: 1999-03-11
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2019-03-12
Also published as: US6056434A; JPH11316159A; EP0942268A1; EP0942268B1; DE69933494D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft generell ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur eines Gegenstands, welcher erwärmt wird, wie etwa eines Halbleiterwafers, ohne den Gegenstand zu berühren. Genauer wird die Temperatur des Gegenstands durch Erfassen der Strahlung, welche durch den Gegenstand emittiert wird, und durch Erfassen des Reflexionsvermögens des Gegenstands bestimmt.
Hintergrund der Erfindung
Die genaue Messung von Oberflächentemperaturen heißer Gegenstände ist bei vielen industriellen und wissenschaftlichen Verfahren bedeutsam. Beispielsweise müssen Temperaturen bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen genau gemessen und geregelt werden. Insbesondere muss die Temperatur von Halbleiterwafern bei einer schnellen Wärmebehandlung der Wafer, bei einer schnellen thermischen Oxidation der Wafer oder bei anderen Verfahren, welche dünne chemische Filme bzw. Beschichtungen an der Oberfläche der Wafer abwandeln bzw. hinzufügen, genau überwacht werden. Für diese entscheidenden Halbleiterherstellungsverfahren ist es wesentlich, dass die Temperatur in einem Bereich, welcher sich von weniger als 400°C bis über 1.100°C erstrecken kann, auf wenige Grad genau bekannt ist.
In der Vergangenheit wurde die Temperatur heißer Gegenstände unter Verwendung von (1) Kontaktverfahren oder (2) kontaktfreien Verfahren bestimmt. Beispielsweise wird der heiße Gegenstand bei Kontaktverfahren mit einem Sensor, wie etwa einem Thermoelement, berührt, welcher wiederum mit einem Temperaturmessgerät verbunden ist, welches die Temperatur des Gegenstands anzeigt. Demgegenüber umfassen herkömmliche kontaktfreie Verfahren zum Bestimmen der Temperatur das Verwenden eines Lichtsensors, wie etwa eines optischen Pyrometers, welcher die Wärmestrahlung erfasst, welche durch den Gegenstand bei einer bestimmten Lichtwellenlänge emittiert wird. Wenn die Wärmestrahlung, welche durch den Gegenstand emittiert wird, bekannt ist, kann die Temperatur des Gegenstands geschätzt werden.
Wenn Halbleitermaterialien zur Verwendung in der Elektronik-Industrie bearbeitet werden, ist es weitaus günstiger, kontaktfreie Verfahren zu verwenden, wenn die Temperatur der Halbleiterwafer gemessen wird. Beispielsweise ist es ein Vorteil kontaktfreier Verfahren, dass der Wafer bei dem Erwärmungsverfahren langsam gedreht werden kann, was eine gleichmäßige Temperaturverteilung in dem gesamten Wafer fördert. Das Drehen des Wafers fördert ferner einen gleichmäßigeren Kontakt zwischen dem Strom von Verarbeitungsgasen und dem Wafer. Außer in der Lage zu sein, die Wafer zu drehen, ist es ein weiterer Vorteil des Verwendens kontaktfreier Verfahren, dass aufgrund der Tatsache, dass keine Temperaturmessgeräte an dem Wafer angebracht werden müssen, die Wafer sehr viel schneller bearbeitet werden können, wobei kostbare Zeit bei der Halbleiterherstellung gespart wird.
Für sämtliche der Hochtemperatur-Waferbearbeitungen von gegenwärtigem und vorhersehbarem Interesse ist es eine der wichtigeren Anforderungen, dass die tatsächliche Temperatur des Wafers mit hoher Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Geschwindigkeit bestimmt wird. Die Fähigkeit, die Temperatur eines Wafers genau zu messen, besitzt einen direkten Nutzen hinsichtlich der Güte und Größe der hergestellten Halbleitervorrichtungen. Bei spielsweise begrenzt die kleinste Strukturgröße, welche für eine gegebene Halbleitervorrichtung erforderlich ist, die Rechengeschwindigkeit des fertigen Mikrochips. Die Strukturgröße wiederum ist mit der Fähigkeit verknüpft, die Temperatur der Vorrichtung beim Bearbeiten zu messen und zu regeln. Somit besteht in der Halbleiterindustrie ein steigender Druck, genauere Systeme zur Temperaturmessung und -regelung zu entwickeln.
Im Hinblick darauf ist es der Hauptnachteil herkömmlicher kontaktfreier optischer Pyrometriesysteme zum Bestimmen der Temperatur, dass die Systeme eine scheinbare Temperatur anstatt der tatsächlichen Temperatur des Wafers messen. Insbesondere emittiert eine wirkliche Oberfläche Strahlung weniger effizient als ein idealer bzw. perfekter schwarzer Körper. Durch Theorie und Berechnung kann, wenn die emittierte Strahlung eines schwarzen Körpers bekannt ist, die Temperatur des schwarzen Körpers berechnet werden. Ein wirklicher Körper, wie etwa ein Wafer, emittiert jedoch lediglich einen Bruchteil der Strahlung, welche durch einen schwarzen Körper bei der gleichen Temperatur emittiert würde. Dieser Bruchteil ist als Emissionsvermögen des wirklichen Gegenstands definiert. Somit zeigt, wenn die Strahlung erfasst wird, welche durch einen wirklichen Körper emittiert wird, ein Pyrometer generell eine scheinbare Temperatur an, welche niedriger als die tatsächliche Temperatur des Gegenstands ist.
Somit muss, um die tatsächliche Temperatur eines wirklichen Körpers unter Verwendung eines Pyrometers zu messen, die angezeigte Temperatur korrigiert werden, um das Emissionsvermögen zu berücksichtigen. Leider ist das Emissionsvermögen eines wirklichen Körpers generell unbekannt und ist sehr schwierig genau zu messen. Ferner schwankt das Emissionsvermögen von Halbleiterwafern von Wafer zu Wafer. Das Emissionsvermögen ist eine Eigenschaft der Oberfläche und hängt von verschiedenen Parametern ab, wie etwa der chemischen Zusammensetzung des Wafers, der Dicke des Wafers, der Oberflächenrauhigkeit des Wafers und der Wellenlänge, bei welcher das Pyrometer arbeitet.
In der Vergangenheit wurde von anderer Seite versucht, eine Approximation des Emissionsvermögens eines Halbleiterwafers durchzuführen oder dessen Einfluss auf Temperaturmessungen unter Verwendung eines Pyrometers anderweitig zu minimieren. Beispielsweise ist es ein Verfahren zum näherungsweisen Bestimmen der Temperatur eines Siliziumwafers unter Verwendung eines Pyrometers, zuerst das Emissionsvermögen des Wafers bzw. eines ähnlich aufgebauten Wafers unter Verwendung eines Temperatur-Thermoelements in einem getrennten Verfahren zu bestimmen. Dieses Verfahren ist jedoch nicht effizient. Ferner wurde festgestellt, dass das Emissionsvermögen von Siliziumwafern selbst dann, wenn diese ähnlich aufgebaut sind, von Wafer zu Wafer stark variieren kann. Ferner kann die Kombination von Fehlern, welche aus der Verwendung von Thermoelementen erwachsen, das Fehlerbudget für die anspruchvollsten Waferbearbeitungen, wie etwa die, welche für die nächste Generation von Mikrochips erforderlich sein werden, überschreiten.
Außer zu versuchen, das Emissionsvermögen eines Wafers zu bestimmen, versuchen andere Verfahren, die Ungewissheit durch Verwenden von Techniken zur Steigerung des Emissionsvermögens zu minimieren. Bei diesen Techniken ist es die Aufgabe, das Emissionsvermögen des Wafers künstlich auf einen Wert zu erhöhen, welcher sehr dicht bei eins liegt, wobei dies bewirkt, dass der Wafer einen schwarzen Körper simuliert, wobei dies genauere Temperaturmesswerte ermöglicht. Beispielsweise ist es eine bekannte Technik zur Steigerung des Emissionsvermögens, eine stark reflektierende Schicht parallel zu dem Halbleiterwafer anzuordnen, wie in einer veröffentlichten europäischen Patentanmeldung mit der Anmeldungsnummer Nr. 0612862 mit dem Titel: „Measuring Wafer Temperatures" von Gronet et al. und in dem US-Patent Nr. 5,226,732 für Nakos et al. offenbart.
Durch Anordnen einer reflektierenden Schicht in unmittelbarer Nähe zu dem Wafer, wird die Strahlung, welche durch den Wafer emittiert wird, mehrfach reflektiert. Die mehrfachen Reflexionen zwischen dem Wafer und der reflektierenden Schicht bewirken, dass sich die Strahlung zwischen den zwei Oberflächen summiert und die Strahlung eines perfekten Körpers bei der Temperatur des Wafers approximiert. Dies hat die Wirkung, das Emissionsvermögen des Wafers auf einen Wert dicht bei eins zu erhöhen, was genauere Temperaturmessungen ermöglicht.
Beispielsweise ergibt sich gemäß dem Planck'schen Gesetz die Strahlung, welche durch einen schwarzen Körper bei einer bestimmten Wellenlänge (λ) und einer Temperatur (T) emittiert wird, folgendermaßen:
wobei c₁ und c₂ wohlbekannte Konstanten sind. Die Strahlung, welche durch eine wirkliche Oberfläche, wie etwa von einem Wafer, mit einem Emissionsvermögen (E) emittiert wird, ergibt sich demgegenüber folgendermaßen: Rw = ERbb (2)
Wenn eine reflektierende Schicht neben dem Wafer in einer Entfernung angeordnet wird, welche infinitesimal klein ist, wird eine unendliche Folge von Strahlen erzeugt, welche steigende Anzahlen von Reflexionen aufweisen. Ein Pyrometer, welches die mehrfachen Reflexionen erfasst, würde eine Gesamtstrahlung, welche durch den Wafer emittiert wird, folgendermaßen messen: Rw = ERbb[1 + ρrρw(ρrρw)2...] (3)wobei ρ_r das Reflexionsvermögen der reflektierenden Schicht ist und ρ_w das Reflexionsvermögen des Wafers ist.
Aufgrund der geometrischen Reihe, welche in den Klammern oben enthalten ist, vereinfacht sich dies zu 1/(1 – ρ_rρ_w), und da gemäß dem kirchhoff'schen Gesetz für einen opaken Wafer E = 1 – ρ_w gilt, kann die Strahlung, welche durch den Wafer emittiert wird, folgendermaßen angegeben werden:
Schließlich reduziert sich, wenn das Reflexionsvermögen der reflektierenden Schicht (ρ_r) beinahe 100% beträgt, nämlich 1, die obige Gleichung zu: Rw = Rbb (5)
Wenn die Entfernung zwischen dem Wafer und der reflektierenden Schicht jedoch auf einige Millimeter vergrößert wird, wie dies in einem praktischen System notwendig sein kann, so ist der Wert der erhöhten Strahlung, welche durch das Pyrometer gemäß obiger Beschreibung gemessen wird, immer noch geringfügig von dem Emissionsvermögen der Waferoberfläche und dem Reflexionsvermögen der reflektierenden Schicht abhängig. Folglich weist die Verwirklichung bekannter Techniken zur Steigerung des Emissionsvermögens gemäß obiger Beschreibung gute, aber begrenzte Nutzaspekte auf. Somit besteht gegenwärtig ein Bedarf im Hinblick auf weitere Verbesserungen kontaktfreier Temperaturmessungssysteme.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung erkennt die vorangehenden sowie weitere Nachteile von Konstruktionen und Verfahren des Stands der Technik an und betrifft diese.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes System und ein verbessertes Verfahren zum Bestimmen der Temperatur eines strahlenden Körpers ohne Berühren des Körpers zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zum Bestimmen der Temperatur eines Gegenstands durch mehrfaches Erfassen der Wärmestrahlung, welche durch den Gegenstand bei einer bestimmten Wellenlänge emittiert wird, zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zum Bestimmen der Temperatur eines Gegenstands durch Reflektieren der Wärmestrahlung, welche durch den Gegenstand emittiert wird, und sodann durch Messen der reflektierten Strahlung zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zum Bestimmen der Temperatur eines Gegenstands nicht nur durch Erfassen der Wärmestrahlung, welche durch den Gegenstand emittiert wird, sondern auch durch Messen des Reflexionsvermögens des Gegenstands zum Schätzen des tatsächlichen Emissionsvermögens des Gegenstands zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Bestimmen der Temperatur eines Gegenstands, wie etwa eines Halbleiterwafers, zu schaffen, welche eine Strahlungserfassungsvorrichtung umfasst, welche in Verbindung mit einem Reflektometer arbeitet.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zum Bearbeiten von Halbleiterwafern zu schaffen, welches die Temperatur des Wafers überwacht und auf Basis von Temperaturbestimmungen die Wärmemenge regelt, welche dem Wafer zugeführt wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zum Bestimmen der Temperatur eines Halbleiterwafers, während der Wafer Lichtenergie ausgesetzt wird, zu schaffen.
Diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch Schaffen einer Vorrichtung zum Messen der Temperatur eines Gegenstands gelöst. Die Vorrichtung umfasst eine Kammer, welche geeignet gestaltet ist, um einen Gegenstand aufzunehmen. Eine reflektierende Vorrichtung ist in der Kammer enthalten und ist derart angeordnet, dass diese neben dem Gegenstand angeordnet ist, wenn dieser in der Kammer aufgenommen ist. Die reflektierende Vorrichtung ist geeignet gestaltet, um Wärmestrahlung, welche durch den Gegenstand emittiert wird, zwischen einer Oberfläche des Gegenstands und einer Oberfläche der reflektierenden Vorrichtung zu reflektieren. Eine Strahlungserfassungsvorrichtung erfasst die Wärmestrahlung, welche zwischen der reflektierenden Vorrichtung und der Oberfläche des Gegenstands reflektiert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner ein Reflektometer, welches geeignet gestaltet ist, um einen Wert des Reflexionsvermögens für den Gegenstand zu bestimmen. Durch Kenntnis des Reflexionsvermögens des Gegenstands kann das Emissionsvermögen des Gegenstands geschätzt werden. Die Information über das Reflexionsvermögen, welche von dem Reflektometer empfangen wird, in Kombination mit der Information über die Wärmestrahlung, welche von der Strahlungserfassungsvorrichtung empfangen wird, kann sodann verwendet werden, um die Temperatur des Gegenstands mit verbesserter Genauigkeit zu bestimmen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Strahlungserfassungsvorrichtung, welche die Wärmestrahlung erfasst, welche zwischen der Oberfläche des Gegenstands und der reflektierenden Vorrichtung reflektiert wird, ein Pyrometer sein. Ferner kann die Vorrichtung bei einigen Anwendungen eine Vielzahl von Pyrometern umfassen, wie etwa 6, welche die Wärmestrahlung, welche reflektiert wird, an einer Vielzahl von Stellen messen. Die reflektierende Vorrichtung, welche verwendet wird, um Wärmestrahlung, welche durch den Gegenstand emittiert wird, zu reflektieren, kann beispielsweise eine Platte sein, welche eine stark reflektierende Oberfläche aufweist, welche neben dem Gegenstand angeordnet ist. Beispielsweise kann die reflektierende Vorrichtung aus einem Substrat hergestellt sein, welches mit einem stark reflektierenden Metall bzw. mit einem stark reflektierenden dielektrischen Film beschichtet ist. Im allgemeinen sollte die reflektierende Vorrichtung ein Reflexionsvermögen von mindestens 0,9 bei der Lichtwellenlänge aufweisen, welche für den Betrieb des Pyrometers ausgewählt wird.
Das Reflektometer, welches in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung aufgenommen ist, kann eine Lichtquelle umfassen, welche geeignet gestaltet ist, um eine vorbestimmte Lichtenergiemenge auf eine Stelle des Gegenstands zu emittieren. Eine zweite Strahlungserfassungsvorrichtung ähnlich der Vorrichtung, welche verwendet wird, um die Wärmestrahlung zu erfassen, welche durch den Gegenstand emittiert wird, ist in dem Reflektometer enthalten und ist geeignet angeordnet, um die durch die Lichtquelle emittierte Lichtenergiemenge zu erfassen, welche von dem Gegenstand reflektiert wird.
Bei Anwendungen, bei welchen die Oberfläche des Gegenstands rauh ist, kann das Reflektometer ferner einen Streukörper umfassen, welcher das Licht, welches durch die Lichtquelle emittiert wird, streut, bevor das Licht auf den Gegenstand trifft. Durch Streuen des Lichts ist eine genauere Bestimmung des Reflexionsvermögens des Gegenstands möglich. Der Zweck des Streukörpers ist es, die Lichtquelle dadurch zu verbessern, dass das Licht von der Quelle räumlich gleichmäßiger und hinsichtlich der Richtung diffuser gemacht wird.
Der Streukörper, welcher in dem Reflektometer verwendet wird, kann beispielsweise ein transparentes planares Substrat sein, welches mindestens eine rauhe Oberfläche aufweist. Beispielsweise kann das planare Substrat aus Quarz, Glas oder Saphir hergestellt sein. Alternativ kann der Streukörper aus kleinen transparenten Partikeln hergestellt sein, welche miteinander verbunden wurden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Streukörper ein planares Substrat sein, welches aus einem transparenten Material hergestellt ist, welches mikroskopische Blasen enthält, welche Licht streuen, welches durch das Material läuft. Andere Verfahren zum Verwirklichen einer geeigneten diffusen Lichtquelle sind möglich, wie etwa durch Verwenden von Anordnungen von Mikrolinsen oder optischen Fresnel-Elementen.
Um Störungen zwischen dem Reflektometer und der Strahlungserfassungsvorrichtung, welche die Wärmestrahlung erfasst, welche zwischen der reflektierenden Vorrichtung und dem Gegenstand reflektiert wird, zu verhindern, beleuchtet das Reflektometer den Gegenstand gemäß einem Ausführungsbeispiel in periodischen Intervallen mit der vorbestimmten Lichtenergiemenge. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die Strahlungserfassungsvorrichtung außer Phase mit dem Reflektometer arbeiten, so dass die Strahlungserfassungsvorrichtung lediglich die Wärmestrahlung erfasst, welche zwischen dem Gegenstand und der reflektierenden Vorrichtung reflektiert wird, wenn die Lichtenergie, welche durch das Reflektometer emittiert wird, den Gegenstand nicht beleuchtet.
Um zu ermöglichen, dass das Reflektometer bevorzugt das Licht erfasst, welches durch die Lichtquelle emittiert wird, während die Strahlung, welche durch den Gegenstand emittiert wird, welche aufgrund der reflektierenden Vorrichtung mehrfach reflektiert wird, nicht erfasst wird, wird das Licht von der Lichtquelle gemäß einem Ausführungsbeispiel moduliert bzw. periodisch unterbrochen. Die Strahlungserfassungsvorrichtung, welche mit dem Reflektometer arbeitet, erfasst lediglich das erwünschte modulierte Licht, so dass diese das unerwünschte Licht, welches durch den Gegenstand emittiert wird, nicht erfasst.
Damit die vorbestimmte Lichtenergiemenge den Gegenstand in unterbrochener Weise beleuchtet, kann das Reflektometer eine Lichtunterbrechungsvorrichtung umfassen. Die Lichtunterbrechungsvorrichtung kann periodisch blockieren, dass das Licht, welches durch die Lichtquelle emittiert wird, auf den Gegenstand fällt. Die Lichtunterbrechungsvorrichtung kann beispielsweise eine rotierende Scheibe sein, welche aus Metall oder einem beliebigen anderen geeigneten Material hergestellt ist, welche sich in die Bahn des Lichts, welches von der Lichtquelle emittiert wird, hinein und aus dieser heraus bewegt bzw. dreht. Ein Schwingzungenunterbrecher ist gleichfalls geeignet. Andere Unterbrechervorrichtungen in allgemeiner Verwendung sind gleichfalls geeignet. Außer einer Verwendung einer physikalischen Vorrichtung kann die Lichtquelle jedoch durch Verwenden geeigneter elektronischer Regelungselemente selbst geeignet gestaltet sein, um Licht lediglich in unterbrochener Weise zu emittieren.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann gemäß einem Ausführungsbeispiel verwendet werden, um die Temperatur von Halbleiterwafern zu überwachen, während die Wafer gleichzeitig erwärmt werden. Die Vorrichtung kann beispielsweise eine Wärmequelle in Verbindung mit der Kammer zum Erwärmen der Wafer, welche in der Kammer enthalten sind, umfassen. Die Wärmequelle kann beispielsweise eine Vielzahl von Lampen umfassen, welche thermische Lichtenergie emittieren. Die Lampen können durch einen Filter von der Kammer getrennt sein, welcher im wesentlichen verhindert, dass Licht einer vorher ausgewählten Wellenlänge in die Kammer eindringt. Die Strahlungserfassungsvorrichtung, welche die Wärmestrahlung erfasst, welche durch den Wafer emittiert wird, kann bei der vorher ausgewählten Wellenlänge arbeiten, um Störungen zu begrenzen.
Die Vorrichtung umfasst ferner eine Steuereinheit, wie etwa einen Mikroprozessor, welche in Verbindung mit der Strahlungserfassungsvorrichtung, dem Reflektometer und der Wärmequelle angeordnet ist. Die Steuereinheit ist geeignet gestaltet, um die Temperatur des Wafers durch Empfangen von Informationen von der Strahlungserfassungsvorrichtung und dem Reflektometer zu bestimmen. Die Steuereinheit kann ferner geeignet gestaltet sein, um die Wärmemenge, welche durch die Wärmequelle emittiert wird, auf Basis der berechneten Temperatur des Wafers zu steuern, um den Wafer gemäß vorprogrammierten Temperaturbedingungen zu erwärmen.
Diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden ferner durch Schaffen eines Verfahrens zum Messen der Temperatur eines strahlenden Körpers gelöst. Das Verfahren umfasst die Schritte des Reflektierens von Wärmestrahlung, welche durch den strahlenden Körper emittiert wird, zwischen einer Oberfläche des strahlenden Körpers und einer reflektierenden Vorrichtung. Beispielsweise kann die reflektierende Vorrichtung eine reflektierende Oberfläche umfassen, welche dem strahlenden Körper zugewandt ist. Die Wärmestrahlung, welche zwischen dem strahlenden Körper und der reflektierenden Vorrichtung reflektiert wird, wird erfasst und überwacht.
Das Verfahren umfasst ferner den Schritt des Beleuchtens einer Stelle auf dem strahlenden Körper mit einer vorbestimmten Lichtenergiemenge, welche durch eine Lichtquelle emittiert wird. Nach dem Auftreffen der Lichtenergie auf dem strahlenden Körper wird die Lichtenergiemenge, welche von dem strahlenden Körper reflektiert wird, selbst erfasst und gemessen. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Temperatur des strahlenden Körpers sodann unter Verwendung der Wärmestrahlungsmenge, welche zwischen dem strahlenden Körper und der reflektierenden Vorrichtung reflektiert wird, in Kombination mit den Daten über das Reflexionsvermögen, welche durch Messen der Lichtenergiemenge, welche von dem strahlenden Körper reflektiert wird, von dem Reflektometer erhalten werden, bestimmt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der strahlende Körper bei dem Erwärmungsvorgang durch eine Wärmequelle erwärmt werden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die Wärme, welche durch die Wärmequelle emittiert wird, in Reaktion auf die berechnete Temperatur des strahlenden Körpers geregelt werden.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend genauer erörtert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine vollständige und nachvollziehbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung, welche die beste Ausführungsweise davon umfasst, für gewöhnlich Fachkundige ist genauer im Rest der Beschreibung unter Verweis auf die beigefügten Figuren dargelegt, wobei:
1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Systems zum Messen und Regeln der Temperatur eines Halbleiterwafers gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
2 eine Seitenansicht eines Reflektometers ist, welches gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Eine wiederholte Verwendung von Bezugszeichen in der vorliegenden Beschreibung und der Zeichnung soll gleiche bzw. analoge Merkmale bzw. Elemente der Erfindung darstellen.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Für gewöhnlich Fachkundige ist zu bemerken, dass die vorliegende Erörterung lediglich eine Beschreibung beispielhafter Ausführungsbeispiele darstellt und die weiteren Aspekte der vorliegenden Erfindung nicht beschränken soll, wobei diese weiteren Aspekte in der beispielhaften Konstruktion verwirklicht sind.
Generell betrifft die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren zum Bestimmen und Regeln der Temperatur eines strahlenden Körpers. Es wird angenommen, dass das Prinzip der vorliegenden Erfindung auf eine breite Vielfalt von Verfahren in verschiedenen Gebieten anwendbar ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, wie im folgenden beschrieben wird, ist die vorliegende Erfindung besonders gut zum Bestimmen der Temperatur von Wafern geeignet, welche aus einem Halbleitermaterial hergestellt sind. Speziell kann das System bei einer Wärmebehandlung der Wafer, bei einer Oxidation der Wafer oder bei anderen Verfahren verwendet werden, welche Filme an der Oberfläche der Wafer abwandeln oder hinzufügen.
Die vorliegende Erfindung betrifft generell das Berechnen der Temperatur eines Wafers bzw. Gegenstands, ohne den Wafer bzw. den Gegenstand zu berühren. Die Temperatur des Wafers bzw. Gegenstands wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch Verwenden einer Kombination von Daten bzw. Informationen bestimmt, welche von zwei getrennten Vorrichtungen bzw. Techniken geliefert werden. Insbesondere umfasst die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung (1) ein System, welches Wärmestrahlung, welche durch den Gegenstand emittiert wird, reflektiert und misst, und (2) ein Reflektometer, welches das Reflexionsvermögen des Gegenstands misst. Der Erfinder der vorliegenden Erfindung fand heraus, dass die Informationen, welche von beiden der oben erwähnten Techniken geliefert werden, verwendet werden können, um die Temperatur des Gegenstands genauer zu bestimmen bei alleiniger Verwendung einer der Techniken.
Gemäß der ersten Technik wird, wie oben dargelegt, Wärmestrahlung, welche durch den Gegenstand emittiert wird, durch Anordnen einer reflektierenden Vorrichtung neben dem Gegenstand bzw. Wafer reflektiert. Durch mehrfaches Reflektieren der Strahlung, welche durch den Gegenstand emittiert wird, wird das Emissionsvermögen des Gegenstands künstlich erhöht bzw. gesteigert, wobei dies genauere Temperaturmessungen ermöglicht, insbesondere wenn das erhöhte Emissionsvermögen einen Wert dicht bei eins annimmt.
Wie oben beschrieben, liefert einfaches Verwenden einer reflektierenden Vorrichtung jedoch Ergebnisse, welche von dem anfänglichen Emissionsvermögen der Oberfläche des Gegenstands, von dem Reflexionsvermögen der reflektierenden Vorrichtung, von der Entfernung, in welcher die reflektierende Vorrichtung in Abstand von dem Gegenstand angeordnet ist, und von der Geometrie und den Maßen sowohl der reflektierenden Vorrichtung als auch des Gegenstands abhängig sind.
Im Hinblick auf die oben erwähnten Beschränkungen betrifft die vorliegende Erfindung ferner das Verwenden eines Reflektometers in Kombination mit der oben erwähnten Technik zur Steigerung des Emissionsvermögens. Ein Reflektometer misst das Reflexionsvermögen des Gegenstands (ρ_w). Das Reflexionsvermögen des Gegenstands steht folgendermaßen in direkter Beziehung zu dem Emissionsvermögen des Gegenstands, vorausgesetzt, dass der Gegenstand opak ist: E = 1 – ρw (6)
Somit liefert das Reflektometer eine direkte und unabhängige Bestimmung des Emissionsvermögens des Wafers bzw. Gegenstands.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden beide der oben erwähnten Techniken kombiniert, um die Temperatur des Wafers bzw. Gegenstands genau zu bestimmen. Speziell werden durch Kombinieren beider der oben erwähnten Techniken die Unsicherheitsbereiche des Emissionsvermögens und des Reflexionsvermögens verengt, welche die zwei Hauptvariablen beim Berechnen der Temperatur des Gegenstands sind.
In 1 ist ein System, generell 10, welches erfindungsgemäß hergestellt ist, zum Bestimmen und Regeln der Temperatur eines Wafers, welcher aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist, wie etwa aus Silizium, dargestellt. Das System 10 umfasst eine Behandlungskammer 12, welche geeignet gestaltet ist, um Substrate aufzunehmen, wie etwa einen Wafer 14, um verschiedene Verfahren durchzuführen. Die Kammer 12 ist geeignet gestaltet, um den Wafer 14 mit sehr hohen Geschwindigkeiten und unter sorgfältig geregelten Bedingungen zu erwärmen. Die Kammer 12 kann aus verschiedenen Materialien hergestellt sein, wobei dies bestimmte Metalle, Gläser und keramische Materialien umfasst. Beispielsweise kann die Kammer 12 aus Edelstahl oder Quarz hergestellt sein.
Wenn die Kammer 12 aus einem wärmeleitenden Material hergestellt ist, umfasst die Kammer vorzugsweise ein Kühlsystem. Beispielsweise umfasst, wie in 1 dargestellt, die Kammer 12 eine Kühlleitung 16, welche um den Umfang der Kammer gewickelt ist. Die Leitung 16 ist geeignet gestaltet, um ein Kühlfluid, wie etwa Wasser, umlaufen zu lassen, welches verwendet wird, um die Wände der Kammer 12 auf einer konstanten Temperatur zu halten.
Die Kammer 12 kann ferner einen Gaseinlass 18 und einen Gasauslass 20 zum Einleiten eines Gases in die Kammer und/oder zum Halten der Kammer innerhalb eines vorbestimmten Druckbereichs umfassen. Beispielsweise kann ein Gas zur Reaktion mit dem Wafer 14 durch den Gaseinlass 18 in die Kammer 12 eingeleitet werden. Nach erfolgter Verarbeitung kann das Gas sodann unter Verwendung des Gasauslasses 20 aus der Kammer abgepumpt werden.
Alternativ kann ein inertes Gas durch den Gaseinlass 18 in die Kammer 12 eingespeist werden, um zu verhindern, dass unerwünschte bzw. nicht wünschenswerte Nebenreaktionen in der Kammer erfolgen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können der Gaseinlass 18 und der Gasauslass 20 verwendet werden, um die Kammer 12 unter Druck zu setzen. Ferner kann unter Verwendung des Gasauslasses 20 oder eines zusätzlichen größeren Auslasses, welcher unter dem Niveau des Wafers angeordnet ist, ein Unterdruck in der Kammer 12 erzeugt werden, wenn dies erwünscht ist.
Die Kammer 12 kann gemäß einem Ausführungsbeispiel geeignet gestaltet sein, um einen Wafer 14 bei der Bearbeitung unter Verwendung einer Waferdrehvorrichtung 21 zu drehen. Das Drehen des Wafers fördert eine größere Gleichmäßigkeit der Temperatur an der gesamten Oberfläche des Wafers und fördert einen verbesserten Kontakt zwischen dem Wafer 14 und jeglichen Gasen, welche in die Kammer eingeleitet werden. Es sei jedoch bemerkt, dass die Kammer 12 gleichfalls geeignet gestaltet ist, um außer Wafern optische Elemente, Filme, Fasern, Bänder und andere Substrate mit beliebiger spezieller Gestalt zu bearbeiten.
Eine Wärmequelle, generell 22, ist in Verbindung mit der Kammer 12 aufgenommen, um den Wafer 14 beim Bearbeiten zu erwärmen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Wärmequelle 22 eine Vielzahl von Lampen 24, wie etwa Wolfram-Halogenlampen. Die Wärmequelle 22 kann einen Reflektor bzw. eine Gruppe von Reflektoren umfassen, um Wärmeenergie, welche durch die Wärmequelle emittiert wird, sorgfältig auf den Wafer 14 zu lenken, um eine sehr gleichmäßige Wafertemperatur zu erzeugen. Wie in 1 dargestellt, sind die Lampen 24 über dem Wafer 14 angeordnet. Es sei jedoch bemerkt, dass die Lampen 24 an einer beliebigen speziellen Stelle angeordnet werden können. Ferner können zusätzliche Lampen in dem System 10 aufgenommen werden, wenn dies erwünscht ist.
Die Verwendung von Lampen 24 als Wärmequelle 22 wird generell bevorzugt. Beispielsweise weisen Lampen viel höhere Erwärmungs- und Kühlgeschwindigkeiten auf als andere Erwärmungsvorrichtungen, wie etwa elektrische Elemente oder herkömmliche Öfen. Die Lampen 24 schaffen ein schnelles isothermisches Behandlungssystem, welches sofortige Energie liefert, wobei typischerweise eine sehr kurze und genau gesteuerte Anlaufperiode erforderlich ist. Der Energiefluss von den Lampen 24 kann ferner jederzeit unterbrochen werden. Wie in der Figur dargestellt, sind die Lampen 24 mit einer schrittweisen Energiesteuereinheit 25 versehen, welche verwendet werden kann, um die Wärmeenergie, welche durch die Lampen emittiert wird, zu erhöhen oder zu vermindern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Kammer 12 neben dem Wafer 14 eine reflektierende Vorrichtung 26 enthalten. Die reflektierende Vorrichtung 26 ist mit einer Vielzahl von optischen Fasern bzw. Lichtleitern 28 verbunden, welche sich wiederum in Verbindung mit einer Vielzahl entsprechender Lichtdetektoren 30 befinden. Die optischen Fasern 28 sind geeignet gestaltet, um Wärmeenergie aufzunehmen, welche durch den Wafer 14 bei einer bestimmten Wellenlänge emittiert wird. Die erfasste Strahlungsmenge wird sodann zu den Lichtdetektoren 30 geleitet, welche ein verwendbares Spannungssignal zum Bestimmen der Temperatur des Wafers erzeugen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst jede optische Faser 28 in Kombination mit einem Lichtdetektor 30 ein Pyrometer.
Generell ist die reflektierende Vorrichtung 26 geeignet gestaltet, um die Wärmestrahlung, welche durch den Wafer 14 bei der Wellenlänge emittiert wird, bei welcher die Lichtdetektoren 30 arbeiten, zu reflektieren. Die reflektierende Vorrichtung 26 bewirkt, dass die Strahlung, welche durch den Wafer 14 emittiert wird, mehrfach zwischen einer Oberfläche des Wafers 14 und einer Oberfläche der reflektierenden Vorrichtung 26 reflektiert wird. Infolgedessen erfassen die optischen Fasern 28 mehr Wärmestrahlung, als tatsächlich durch den Wafer emittiert wird.
Das System 10 sollte derart gestaltet werden, dass die optischen Fasern 28 bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung lediglich die Wärmestrahlung erfassen, welche durch den Wafer 14 emittiert wird, und nicht die Strahlung erfassen, welche durch die Lampen 24 emittiert wird. Im Hinblick darauf umfasst das System 10 einen Filter 32, welcher verhindert, dass Wärmestrahlung, welche durch die Lampen 24 bei der Wellenlänge emittiert wird, bei welcher die Lichtdetektoren 30 arbeiten, in die Kammer 12 eindringt. Der Filter 32 kann, wie in 1 dargestellt, ein Fenster sein, welches zwischen der Kammer 12 und der Wärmequelle 22 angeordnet ist. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel kann jede Lampe 24 durch einen getrennten Filter bedeckt sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Filter 32 aus Silikatglas bzw. Quarz hergestellt. Es ist bekannt, dass Silikatglas Wärmestrahlung sehr wirksam bei ausgewählten Wellenlängen absorbiert. Beispielsweise ist synthetisches Silikatglas beim Absorbieren von Licht bei einer Wellenlänge von etwa 2,7 Mikrometer bis etwa 2,8 Mikrometer sehr wirksam. Somit können gemäß einem Ausführungsbeispiel, wenn der Filter 32 aus synthetischem Silikatglas hergestellt ist, die Lichtdetektoren 30 geeignet gestaltet sein, um Wärmestrahlung zu erfassen, welche durch den Wafer 14 bei einer Wellenlänge von etwa 2,7 Mikrometer emittiert wird.
Um die reflektierende Vorrichtung bei einer Wärmebehandlung des Wafers 14 zu kühlen, kann die reflektierende Vorrichtung 26 eine Kühlvorrichtung umfassen. Beispielsweise kann die reflektierende Vorrichtung 26 einen Hohlraum umfassen, durch welchen ein Kühlfluid, wie etwa Wasser, umgewälzt werden kann. Bei einigen Anwendungen ist es notwendig, die reflektierende Vorrichtung 26 zu kühlen, um zu verhindern, dass die reflektierende Vorrichtung beschädigt wird. Beispielsweise sollte, wenn die reflektierende Vorrichtung aus dielektrischen Materialien hergestellt ist, wie nachfolgend genauer beschrieben wird, die Vorrichtung nicht auf Temperaturen erwärmt werden, welche größer als etwa 400°C sind. Bei höheren Temperaturen kann ferner die Tendenz bestehen, dass das Reflexionsvermögen der reflektierenden Oberfläche 36 vermindert wird.
Generell sollte die reflektierende Vorrichtung 26 so nahe wie möglich bei dem Wafer 14 angeordnet werden, um das Ausmaß zu erhöhen, in welchem die Wärmestrahlung, welche durch den Wafer emittiert wird, reflektiert wird. Da sich die reflektierende Vorrichtung 26 typischerweise auf einer niedrigeren Temperatur als der Wafer 14 befindet, kann ein zu nahes Anordnen der reflektierenden Vorrichtung bei dem Wafer den Erwärmungsvorgang jedoch stören bzw. verhindern, dass der Wafer mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit erwärmt wird. Die Wahl der Entfernung bzw. des Abstands zwischen dem Wafer 14 und der reflektierenden Vorrichtung 26 hängt von der Größe des Wafers 14 ab. Für Wafer, welche 200 mm im Durchmesser messen, kann die reflektierende Vorrichtung 26 generell in einem Abstand von etwa 3 mm bis etwa 15 mm von dem Wafer 14 angeordnet werden. Genauer wird die reflektierende Vorrichtung 26 für diese Wafergröße typischerweise in einem Abstand von etwa 6 mm bis etwa 8 mm angeordnet. Ein größeres Abstandsmaß kann für größere Wafer günstiger sein.
Die reflektierende Vorrichtung 26 sollte bei der Wellenlänge, bei welcher Strahlung durch die optischen Fasern 28 und die Lichtdetektoren 30 aufgenommen wird, ein sehr hohes Reflexionsvermögen aufweisen, vorzugsweise größer als 0,9. Die reflektierende Vorrichtung 26 kann aus verschiedenen Materialien hergestellt sein. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine reflektierende Oberfläche durch Beschichten eines metallischen Substrats, wie etwa Edelstahl, mit einem dielektrischen Film hergestellt. Der dielektrische Film kann ein mehrschichtiger optischer Film sein, welcher speziell gestaltet ist, um das geeignete Reflexionsvermögen bei der erwünschten Wellenlänge aufzuweisen. Derartige Filme sind in der Technik bekannt und können von Deposition Sciences, Inc., Santa Rosa, Kalifornien, bezogen werden.
Außer aus dielektrischen Filmen kann die reflektierende Oberfläche ferner aus hochpolierten Metallen hergestellt sein, welche mit einer klaren Schutzbeschichtung beschichtet sind, wie etwa einer klaren dielektrischen Beschichtung. Derartige Metalle umfassen Gold, Silber und Nickel. Für eine bestimmte erwünschte Wellenlänge sind Metalloberflächen jedoch typischerweise weniger gut reflektierend als die oben beschriebenen dielektrischen Filme. Ferner können die Metalle bei Erwärmung auf eine hohe Temperatur Verunreinigungen in der Behandlungskammer 12 verursachen.
Gemäß der oben angegebenen Gleichung vier (4), stellt der folgende Ausdruck die Strahlung dar, welche durch einen Wafer emittiert wird, wenn eine reflektierende Oberfläche neben dem Wafer angeordnet ist:
Durch das mehrfache Reflektieren der Strahlung wird das Emissionsvermögen des Wafers künstlich erhöht und verbessert. Aus der obigen Gleichung ergibt sich der Ausdruck für das effektive (bzw. verbesserte) Emissionsvermögen (E_eff) folgendermaßen:
Wie oben dargestellt, hängt das effektive Emissionsvermögen von dem tatsächlichen Emissionsvermögen E des Wafers, dem Reflexionsvermögen des Wafers und dem Reflexionsvermögen der reflektierenden Vorrichtung ab. Ferner stellt die obige Gleichung ideale Bedingungen dar. Somit können sich Schwankungen ergeben, abhängig von den Verfahrensbedingungen. Beispielsweise beeinflusst die Entfernung, in welcher die reflektierende Vorrich tung in Abstand von dem Wafer angeordnet ist, die Ergebnisse, welche erhalten werden.
Generell fällt das oben berechnete effektive Emissionsvermögen bei Verwendung einer stark reflektierenden Vorrichtung für ein sinnvolles Sortiment von Wafern mit unterschiedlichem Emissionsvermögen in einen begrenzten Bereich. Die berechnete Temperaturunsicherheit des Wafers hängt von diesem Bereich ab. Für die meisten Anwendungen ist der Temperaturunsicherheitsbereich schmal, jedoch nicht immer geeignet, um Temperaturregelungen zu genügen, welche in Wärmebehandlungskammern erforderlich sind, wie in 1 dargestellt, insbesondere für den Fall der anspruchsvollsten Verfahrensanforderungen, welche gegenwärtig für die nächsten paar Jahre geplant werden.
Somit wird das oben erwähnte System zum Reflektieren von Wärmestrahlung, welche durch den Wafer emittiert wird, gemäß der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einem Reflektometer verwendet, welches das Emissionsvermögen des Wafers durch Messen des Reflexionsvermögens davon direkt und unabhängig schätzt. Diese Information kann in Kombination mit der obigen Gleichung 8 verwendet werden, wobei dies den Unsicherheitsbereich in der Berechnung des effektiven Emissionsvermögens weiter verengt. Das Verengen des Unsicherheitsbereichs des effektiven Emissionsvermögens dient zum Verengen des Temperaturunsicherheitsbereichs des Wafers. Somit wird eine genauere Temperaturberechnung erreicht.
Generell kann jedes geeignete Reflektometer gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Beispielsweise umfassen Reflektometer, welche bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, die in dem US-Patent Nr. 4,956,538 für Moslehi und dem US-Patent Nr. 4,919,542 für Nulman et al. offenbarten. Das Reflektometer muss jedoch geeignet sein, in Verbindung mit einer Wärmebehandlungskammer 12 verwendet zu werden, da es möglich ist, dass das tatsächliche Emissionsvermögen des Wafers während der thermischen und chemischen Behandlungen, welche in der Kammer 12 erfolgen, abgewandelt wird. In den 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Reflektometers, generell 40, welches bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, dargestellt. Generell umfasst das Reflektometer 40 eine Lichtquelle 42, welche eine vorbestimmte Lichtenergiemenge emittiert. Die Lichtenergie wird durch einen Lichtkanal 44 übertragen. Der Lichtkanal 44 lenkt die Lichtenergie auf eine bestimmte Stelle auf dem Wafer 14. Ein Lichtdetektor 48, welcher einen Lichtleiter 46 umfasst, ist geeignet angeordnet, um die Lichtenergiemenge, welche von dem Wafer reflektiert wird, welche das Reflexionsvermögen des Wafers liefert, zu erfassen und zu messen.
Die Lichtquelle 42, welche in dem Reflektometer verwendet wird, kann generell jede Vorrichtung sein, welche in der Lage ist, eine bestimmbare Lichtenergiemenge zu emittieren. Beispielsweise kann die Lichtquelle 42 eine Glühbirne, eine Festkörpervorrichtung, wie etwa eine Laserdiode, eine Leuchtdiode, ein Gaslaser oder eine nichtkohärente gasförmige Quelle, wie etwa eine Bogenlampe sein, neben verschiedenen anderen Vorrichtungen. Bei dem Ausführungsbeispiel, welches in 2 dargestellt ist, stellt die Lichtquelle 42 eine Lampe dar, welche eine Glühbirne enthält. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Fokussierlinse 52 aufgenommen, um die Lichtenergie, welche durch die Lichtquelle emittiert wird, zu lenken. Die Fokussierlinse 52 lenkt das Licht, welches durch die Lichtquelle 42 emittiert wird, in den Lichtkanal 44. Der Lichtkanal 44 kann beispielsweise ein Lichtleiter sein, welcher aus Quarz, Glas oder Saphir hergestellt ist. Generell können der Lichtkanal 44 und die Fokussierlinse 52 jede Kombination von Linse bzw. Spiegeln und Lichtleitern umfassen, welche das Licht geeignet steuern und führen, um das Licht auf einen bestimmten ausgedehnten Bereich des Wafers zu lenken.
Nach Verlassen des Lichtkanals 44 trifft die Lichtenergie auf den Wafer 14, und eine anteilige Lichtenergiemenge wird reflektiert, welche durch den Lichtdetektor 48 erfasst wird. Der Lichtdetektor 48 registriert jedoch nur dann einen genauen Meßwert, wenn die Oberfläche des Wafers vollkommen glatt ist. Aufgrund der Tatsache, dass Halbleiterwafer und die meisten anderen Gegenstände rauh sind, umfasst das Reflektometer 40 ferner einen Streukörper 54, welcher die Wirkungen der Rauhigkeit der Oberfläche ausgleicht. Generell ist es die Funktion des Streukörpers, das Licht, welches durch die Lichtquelle 42 emittiert wird, zu streuen und einen gleichmäßig und diffus beleuchteten Bereich auf der Waferoberfläche zu erzeugen, welcher die Stelle umfasst, welche durch den Lichtdetektor 48 erfasst wird. Anders ausgedrückt, ermöglicht der Streukörper die Messung des tatsächlichen Reflexionsvermögens des Wafers durch Erzeugen einer annähernd gleichmäßigen isotropen Beleuchtung.
Ein idealer theoretischer Streukörper erzeugt eine gleichmäßige Quelle diffusen Lichts, welches in völlig zufälligen Richtungen läuft, mit hoher Effizienz und vollkommener Transparenz. Bei dem praktischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung braucht der Streukörper diese idealen Merkmale lediglich zu approximieren. Somit kann die seitliche Ausdehnung des Streukörpers begrenzt sein, anstatt unendlich zu sein, und dieser kann angemessen diffus anstatt vollkommen diffus sein.
Herkömmliche Reflektometer für diffuse Messproben gibt es in zwei Varianten: die, welche eine diffus reflektierende, aber opake Oberfläche aufweisen, und die, welche auf optische Spiegelelemente vertrauen, wie etwa vollständige konkave halbkugelförmige Spiegel. In beiden Fällen bildet das Reflektometer eine Kuppel bzw. eine Sphäre um die Messprobe, und das Licht wird in das Innere der Kuppel geleitet. Demgegenüber wird das Licht in dem vorliegenden Fall zu der Außenseite des Streukörpers geleitet, und der Streukörper ist flach und durchlässig anstatt kuppelförmig und opak.
Der Streukörper 54 gemäß Darstellung in 2 kann verschiedene Konstruktionsformen annehmen. Vorzugsweise ist der Streukörper 54 planar, ist im wesentlichen transparent für das Licht, welches durch die Lichtquelle 42 emittiert wird, streut jedoch das Licht in zufälligen Richtungen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Streukörper 54 eine dünne Schicht aus einem transparenten, lichtbrechenden Material sein, wie etwa Quarz, Glas oder Saphir, wobei mindestens eine Oberfläche der Schicht und vorzugsweise beide Oberflächen der Schicht aufgerauht wurden.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der Streukörper eine Schicht aus einem Material sein, welches aus kleinen transparenten und diskreten Partikeln hergestellt ist, welche Licht bei der Arbeitswellenlänge streuen. Die kleinen diskreten Partikel können beispielsweise aus Quarz, Glas, Saphir oder nichtkristallinem Aluminiumoxid hergestellt sein.
Gemäß einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel kann der Streukörper 54 eine Schicht aus einem transparenten Material sein, welches viele kleine mikroskopische Blasen umfasst, welche dazu dienen, das Licht zu streuen. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Streukörper wiederum aus Quarz, Glas oder Saphir hergestellt sein.
Alternativ kann der Streukörper 54 eine holografische Vorrichtung sein. Eine holografische Vorrichtung kann verwendet werden, um die Phase des Lichts geeignet zu steuern, um zu steuern, wohin das Licht gelenkt wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann der Streukörper 54 aus verschiedenen Schichten von Materialien hergestellt sein, wobei jede Schicht eines der oben erwähnten drei Ausführungsbeispiele darstellt. Gemäß einer weiteren alternativen Gestaltung kann das Reflektometer mehr als eine Lichtquelle, mehr als einen Streukörpertyp und mehr als einen Lichtdetektor umfassen, um die Genauigkeit der Messungen des Reflexionsvermögens möglicherweise weiter zu steigern. Außer dem Ausgleichen der Rauhigkeit der Waferoberfläche muss das Reflektometer der vorliegenden Erfindung ferner in der Lage sein, das Reflexionsvermögen des Wafers zu messen, ohne Störungen von der Wärmestrahlung aufzunehmen, welche durch den Wafer selbst bei der erwünschten Wel lenlänge emittiert wird. Um das Licht, welches durch die Lichtquelle 42 emittiert wird, von der Wärmestrahlung, welche durch den Wafer emittiert wird, zu unterscheiden, kann das Reflektometer gemäß einem Ausführungsbeispiel geeignet gestaltet sein, um in unterbrochener Weise und außer Phase mit den Lichtdetektoren 30 zu arbeiten. Beispielsweise kann die Lichtquelle 42 geeignet gestaltet sein, um in unterbrochener Weise zu blinken, um in periodischen Intervallen Licht auf den Wafer 14 zu werfen. Der Lichtdetektor 48 kann wiederum mit der Lichtquelle 42 synchronisiert sein, um lediglich dann einen Messwert zu nehmen, wenn Licht von dem Wafer reflektiert wird.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel können die Lichtdetektoren 30, welche in 1 dargestellt sind, ferner geeignet gestaltet sein, um außer Phase mit der Lichtquelle 42 zu arbeiten. Anders ausgedrückt, können die Lichtdetektoren 30 geeignet gestaltet sein, um lediglich dann Messungen vorzunehmen, wenn die Lichtquelle 42 kein Licht auf den Wafer emittiert. In dieser Weise messen die Lichtdetektoren 30 keine Störungen, welche durch Licht, welches von der Lichtquelle 42 emittiert wird, entstehen könnten. Ferner können die Strahlungsmessungen, welche durch die Lichtdetektoren 30 erfasst werden, von den Strahlungsmessungen, welche durch den Lichtdetektor 48 erfasst werden, subtrahiert werden, wodurch jegliche Strahlung, welche durch den Wafer emittiert wird, welche durch den Lichtdetektor 48 erfasst wird, beseitigt wird und ein Messwert geliefert wird, welcher lediglich dem Reflexionsvermögen des Wafers entspricht.
Wie oben erwähnt, kann die Lichtquelle 42 gemäß einem Ausführungsbeispiel mit elektronischen Regelungselementen versehen sein, um in unterbrochener Weise zu blinken. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel, wie in 2 dargestellt, kann das Reflektometer 40 jedoch eine Lichtunterbrechungsvorrichtung 56 umfassen. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Lichtquelle 42 ein kontinuierliches Signal emittieren. Die Lichtunterbrechungsvorrichtung 56 kann das Signal jedoch blockieren und eine Übertragung zu dem Wafer 14 in periodischen Intervallen ermöglichen. Die Lichtun terbrechungsvorrichtung 56 kann beispielsweise eine Platte sein, welche aus einem Metall oder einem anderen geeigneten Material hergestellt ist, welche sich in die Bahn der Lichtenergie, welche durch die Lichtquelle 42 emittiert wird, hinein und aus dieser heraus bewegt. Beispielsweise kann die Lichtunterbrechungsvorrichtung 56 ein rotierendes Rad sein, welches Löcher bzw. Öffnungen umfasst, um ein periodisches Durchlassen des Lichts zu ermöglichen. Alternative Verfahren umfassen die Verwendung von schwingenden Stimmgabelunterbrechern oder Metallplatten, welche mittels einer elektromechanischen Vorrichtung, wie etwa eines Elektromagneten, bewegt werden, oder Flüssigkristallfenster und andere Verfahren, welche in optischen Laboratorien verwendet werden.
Gemäß 1 umfasst das System 10 ferner eine Systemsteuereinheit 50, welche beispielsweise ein Mikroprozessor sein kann. Die Steuereinheit 50 empfängt Spannungssignale von den Lichtdetektoren 30, welche die Strahlungsmengen darstellen, welche an den verschiedenen Stellen aufgenommen werden. Die Steuereinheit 50 empfängt ferner Signale von dem Lichtdetektor 48 des Reflektometers 40. Die Steuereinheit 50 ist geeignet gestaltet, um auf Basis der empfangenen Signale die Temperatur des Wafers 14 auf Basis der obigen mathematischen Beziehungen zu berechnen.
Die Systemsteuereinheit 50 kann sich, wie in 1 dargestellt, ferner in Verbindung mit einem Lampenenergieregler 25 befinden. Bei dieser Anordnung kann die Steuereinheit 50 die Temperatur des Wafers 14 berechnen und auf der Basis der berechneten Information die Wärmeenergiemenge regeln, welche durch die Lampen 24 emittiert wird. In dieser Weise können sofortige Einstellungen im Hinblick auf die Bedingungen in dem Reaktor 12 vorgenommen werden, um den Wafer 14 innerhalb sorgfältig geregelter Grenzen zu behandeln.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Steuereinheit 50 ferner verwendet werden, um andere Elemente in dem System automatisch zu steuern.
Beispielsweise kann die Steuereinheit 50 verwendet werden, um die Durchflussgeschwindigkeit von Gasen zu regeln, welche durch den Gaseinlass 18 in die Kammer 12 einfließen. Wie dargestellt, kann die Steuereinheit 50 ferner verwendet werden, um die Geschwindigkeit zu regeln, mit welcher der Wafer 14 in der Kammer gedreht wird.
Diese und weitere Abwandlungen und Änderungen der vorliegenden Erfindung können durch gewöhnlich Fachkundige praktisch verwirklicht werden, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung gemäß Definition in den beigefügten Ansprüchen abzuweichen.

Claims

Vorrichtung zum Messen der Temperatur eines Gegenstands, umfassend: eine Behandlungskammer (12), welche geeignet gestaltet ist, um einen Gegenstand aufzunehmen; eine reflektierende Vorrichtung (26), welche in der Behandlungskammer (12) enthalten ist, wobei die reflektierende Vorrichtung (26) geeignet gestaltet ist, um Wärmestrahlung, welche durch den Gegenstand emittiert wird, zwischen einer Oberfläche des Gegenstands und der reflektierenden Vorrichtung (26) zu reflektieren; eine Strahlungserfassungsvorrichtung zum Erfassen der emittierten und reflektierten Wärmestrahlung zwischen dem Gegenstand und der reflektierenden Vorrichtung (26), wobei die reflektierende Vorrichtung (26) neben dem Gegenstand in einer Weise angeordnet ist, welche das Emissionsvermögen des Gegenstands künstlich erhöht; ein Reflektometer (40), welches geeignet gestaltet ist, um einen Wert des Reflexionsvermögens für den Gegenstand zu bestimmen; und eine Steuereinheit (50), welche geeignet gestaltet ist, um Informationen von der Strahlungserfassungsvorrichtung und dem Reflektometer (40) zu empfangen, um die Temperatur des Gegenstands zu bestimmen, wobei die Steuereinheit (50) geeignet gestaltet ist, um die Temperatur des Gegenstands durch Kombinieren von Informationen, welche von der Strahlungserfassungsvorrichtung und dem Reflektometer (40) empfangen werden, in einer mathematischen Beziehung zu bestimmen.
Vorrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, ferner umfassend eine Wärmequelle in Verbindung mit der Behandlungskammer (12) zum Erwärmen von Gegenständen, welche in der Behandlungskammer (12) enthalten sind, wobei die Wärmequelle mindestens eine Lampe (24) umfasst.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Filter, welcher zwischen der Wärmequelle und der Behandlungskammer (12) angeordnet ist, um im wesentlichen zu verhindern, dass Licht mit einer bestimmten Wellenlänge in die Behandlungskammer (12) eindringt, wobei die Strahlungserfassungsvorrichtung die reflektierte Wärmestrahlung in der Behandlungskammer (12) mit der vorher ausgewählten Wellenlänge erfasst.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Steuereinheit (50) in Verbindung mit der Strahlungserfassungsvorrichtung, dem Reflektometer (40) und der Wärmequelle befindet, wobei die Steuereinheit Informationen von der Wärmestrahlungserfassungsvorrichtung und dem Reflektometer (40) empfängt, um die Temperatur des Gegenstands zu bestimmen, und dass die Steuereinheit (50) geeignet gestaltet ist, um die Wärmemenge, welche durch die Wärmequelle emittiert wird, auf Basis der bestimmten Temperatur zu regeln.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungserfassungsvorrichtung ein Pyrometer umfasst.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Steuereinheit (50) in Verbindung mit der Wärmequelle befindet und dass die Steuereinheit (50) ferner geeignet gestaltet ist, um die Wärmemenge, welche durch die Wärmequelle emittiert wird, auf Basis der Temperatur, welche durch die Steuereinheit (50) bestimmt wird, zu regeln.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektometer (40) umfasst: – eine Lichtquelle, welche geeignet gestaltet ist, um eine vorbestimmte Lichtenergiemenge auf eine Stelle auf dem Gegenstand zu emittieren; – einen Streukörper (54) in Verbindung mit der Lichtenergie, welche durch die Lichtquelle emittiert wird, wobei der Streukörper (54) die Lichtenergie streut, bevor die Lichtenergie auf die Stelle auf dem Gegenstand fällt; und – eine Strahlungserfassungsvorrichtung, welche geeignet gestaltet ist, um die Lichtenergiemenge zu erfassen, welche von dem Gegenstand reflektiert wird.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektometer (40) derart gestaltet ist, dass die vorbestimmte Lichtenergiemenge, welche durch die Lichtquelle emittiert wird, die Stelle auf dem Halbleiterwafer (14) in periodischen Intervallen beleuchtet, und dass die Strahlungserfassungsvorrichtung, welche die Wärmestrahlung zwischen der reflektierenden Vorrichtung (26) und der Oberfläche des Wafers (14) erfasst, außer Phase mit dem Reflektometer (40) arbeitet, so dass die Strahlungserfassungsvorrichtung lediglich dann Wärmestrahlung erfasst, wenn die vorbestimmte Lichtenergiemenge, welche durch die Lichtquelle emittiert wird, den Halbleiterwafer (14) nicht beleuchtet.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektometer (40) ferner eine Lichtunterbrechungsvorrichtung umfasst, welche in Verbindung mit der Bahn der Lichtenergie angeordnet ist, welche durch die Lichtquelle emittiert wird, wobei die Lichtunterbrechungsvorrichtung periodisch blockiert, dass Lichtenergie den Halbleiterwafer (14) beleuchtet.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Streukörper (54) ein planares Substrat umfasst, das aus einem Material hergestellt ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Quarz, Glas und Saphir besteht, wobei das planare Substrat mindestens eine raue Oberfläche aufweist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Streukörper (54) ein planares Substrat umfasst, wobei das planare Substrat aus einer Vielzahl diskreter Partikel hergestellt ist, welche miteinander verschmolzen sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Streukörper (54) ein planares Substrat umfasst, welches aus einem transparenten Material hergestellt ist, das eine Vielzahl von Blasen enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektometer derart gestaltet ist, dass die vorbestimmte Lichtenergiemenge die Stelle auf dem Gegenstand periodisch beleuchtet.
Verfahren zum Messen der Temperatur eines strahlenden Körpers, umfassend die Schritte – Bereitstellen eines strahlenden Körpers in einer Behandlungskammer (12); – Reflektieren von Wärmestrahlung, welche durch den strahlenden Körper emittiert wird, zwischen einer Oberfläche des strahlenden Körpers und einer reflektierenden Vorrichtung (26), welche in der Behandlungskammer enthalten ist, in einer Weise, welche das Emissionsvermögen des strahlenden Körpers künstlich erhöht; – Erfassen der Wärmestrahlung, welche zwischen der Oberfläche des strahlenden Körpers und der reflektierenden Vorrichtung (26) reflektiert wird; – Beleuchten einer Stelle auf dem strahlenden Körper mit einer vorbestimmten Lichtenergiemenge, welche durch eine Lichtquelle emittiert wird; – Erfassen der Lichtenergiemenge, welche von dem strahlenden Körper reflektiert wird, um einen Wert des Reflexionsvermögens für den strahlenden Körper zu erzeugen; und – Bestimmen der Temperatur des strahlenden Körpers unter Verwendung einer Steuereinheit anhand der Wärmestrahlungsmenge, welche zwischen der Oberfläche des strahlenden Körpers und der reflektierenden Vorrichtung (26) erfasst wird, und anhand des Werts des Reflexionsvermögens, wobei die Temperatur durch Kombinieren der Wärmestrahlungsmenge und des Werts des Reflexionsvermögens in einer mathematischen Beziehung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend den Schritt des Streuens der vorbestimmten Lichtenergiemenge, bevor der strahlende Körper mit der Lichtenergie beleuchtet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Vorrichtung (26) ein Reflexionsvermögen von mindestens 0,9 aufweist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmestrahlung, welche zwischen der Oberfläche des strahlenden Körpers und der reflektierenden Vorrichtung (26) reflektiert wird, durch ein Pyrometer erfasst wird und dass der Wert des Reflexionsvermögens für den strahlenden Körper durch ein Reflektometer (40) bestimmt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend den Schritt des Erwärmens des strahlenden Körpers mit einer Wärmequelle, wobei die Temperatur des strahlenden Körpers bestimmt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmemenge, welche durch die Wärmequelle emittiert wird, auf Basis der Temperatur geregelt wird, welche für den strahlenden Körper bestimmt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelle auf dem strahlenden Körper in periodischen Intervallen mit der vorbestimmten Lichtenergiemenge beleuchtet wird und dass die Wärmestrahlung, welche zwischen der Oberfläche des strahlenden Körpers und der reflektierenden Vorrichtung (26) reflektiert wird, lediglich dann erfasst wird, wenn der strahlende Körper nicht von der vorbestimmten Lichtenergiemenge getroffen wird.