FR2656690A1 - Procede et appareil de mesure de la temperature d'une pastille semi-conductrice par detection de la transmission optique. - Google Patents

Abstract

Ce procédé, pour la mesure de matériau semi-conducteurs à des températures élevées, comprend les opérations consistant à créer un premier faisceau d'énergie électromagnétique avec une longueur d'onde présélectionnée, à diriger le faisceau sur un matériau semi-conducteur (14) ayant une épaisseur connue, à mesurer l'intensité du premier faisceau après transmittance à travers le matériau semi-conducteur (14) pour créer un premier signal qui est représentatif de l'intensité du faisceau transmis, et à calculer la température du matériau semi-conducteur (14) en fonction du premier signal et de l'épaisseur du matériau. Le procédé fait usage d'un appareil de mesure de température qui, dans son principe, comprend un moyen (20) pour créer le premier faisceau d'énergie électromagnétique, un moyen (26-28) de détection de photons pour mesurer l'in tensité du faisceau et un moyen d'affichage (32) pour indiquer la température de la pastille semi-conductrice (14).

Description

PROCEDE ET APPAREIL DE MESURE DE LA TEMPERATURE D'UNE

PASTILLE SEMI-CONDUCTRICE PAR DETECTION DE LA TRANSMISSION

OPTIQUE

La présente invention porte, de façon générale, sur un procédé pour mesurer de façon précise la température interne de matériaux semiconducteurs, et, plus particulièrement, sur un procédé et un appareil pour mesurer de façon précise la température interne de pastilles semiconductrices subissant diverses formes de traitement thermique rapide, à l'aide de techniques

optiques sans pénétration.

Le domaine de la fabrication des semi-conducteurs est une technologie importante et de complexité croissante, qui est absolument vitale pour la poursuite du progrès de la technologie des dispositifs électroniques à l'état solide Les matériaux semi-conducteurs les plus courants comprennent le silicium, le germanium, l'arséniure de gallium et parmi ceux-ci, le matériau le plus fréquemment utilisé dans les dispositifs à semi-conducteurs est le silicium La large gamme de semi-conducteurs et les diverses propriétés électriques associées à chacun des matériaux semiconducteurs procurent aux dessinateurs de

circuits davantage de souplesse pour dessiner des dispo-

sitifs présentant des propriétés électriques variables Ce besoin de créer des dispositifs à semi-conducteurs utilisant divers matériaux semiconducteurs en une seule boite est devenu l'un des problèmes de principe mis en jeu

dans la fabrication des semi-conducteurs.

A l'heure actuelle, la tendance envers des géométries plus petites de dispositifs à semi-conducteurs a créé un intérêt dans le traitement à haute température, en un court laps de temps, du silicium; des exemples de ces techniques comprennent le recuit thermique rapide (RCT) et le traitement thermique rapide (TTR) de couches à implantation d'ions Ces techniques mettent en jeu l'utilisation du chauffage à rayonnement pour coupler l'énergie calorifique dans le silicium Pour tirer avantage de ces techniques, il est nécessaire de mesurer et de contrôler la température de la pastille en fonction du profil de temps d'une façon très précise A l'heure actuelle, les systèmes TTR du commerce utilisent pour la plupart, soit des thermocouples fixés à la pastille, soit des pyromètres qui sont étalonnés contre des thermocouples

pour détecter la température de traitement des semi-

conducteurs. La manière la plus directd pour mesurer la

température d'échantillons dans le traitement des semi-

conducteurs est celle utilisant un thermocouple Ce procédé fonctionne bien lorsque la pastille est entourée par un environnement se trouvant à la même température que la pastille, de sorte que le thermocouple est à la même

température que l'échantillon de pastille semi-conductrice.

Une seconde technique bien connue est la pyrométrie optique ou infrarouge Cette technique envisage l'énergie optique émise par la pastille dans une certaine région de longueurs

d'onde Cette énergie est caractéristique de la tempéra-

ture Ce procédé nécessite la connaissance de l'émittance de la pastille de la longueur d'onde de rayonnement donné, et nécessite également que toutes les fenêtres entre l'échantillon et le pyromètre soient transparentes aux

longueurs d'onde en question.

Dans le traitement thermique rapide, l'environ-

nement entourant la pastille se trouve à de nombreuses

températures différentes, et, de ce fait, si un thermo-

couple doit être utilisé pour mesurer la température de la pastille, il doit y avoir un bon contact thermique entre le thermocouple et la pastille Un problème permanent associé à l'utilisation de thermocouples est le procédé utilisé pour lier les thermocouples aux pastilles Un contact thermique médiocre et des temps de réponse lents peuvent limiter la mesure précise de la température passagère et, dans certains cas, en régime permanent, de la pastille De façon classique, des trous sont percés dans la pastille pour l'introduction du thermocouple, le thermocouple est ensuite scellé dans le trou à l'aide d'un ciment en matière céramique Ce procédé peut introduire des impuretés dans l'environnement, lesquelles peuvent affecter de façon défavorable à la fois le détecteur de température et les dispositifs fabriqués dans la pastille De plus, le contact thermique désiré n'est pas reproduit facilement à l'aide de trous à ciment, et l'intégralité du thermocouple

peut être mise en danger.

Le brevet américain N O 4 787 551, aux noms d'Hoyt et al, divulgue un procédé de soudage de thermocouples à des pastilles au silicium pour détecter la température en

TTR, évitant ainsi les problèmes mentionnés ci-dessus.

Cependant, le procédé décrit nécessite que le thermocouple soit soudé à l'aide du soudage en atmosphère inerte avec électrode de tungstène et/ou du soudage par bombardement électronique, lequel est un procédé à plusieurs étapes qui nécessite du temps et de la compétence pour être réalisé avec succès De plus, il y a le risque d'endommagement de

chaque pastille à laquelle un thermocouple est soudé.

Les pyromètres optiques sont utilisés dans des applications techniques et scientifiques depuis une période de temps relativement longue, et leur fonctionnement et utilisation sont bien connus dans les domaines mentionnés ci-dessus La pyrométrie optique offre l'avantage majeur de permettre de mesurer la température d'un corps sans avoir à toucher physiquement le corps; cependant, le procédé de pyrométrie a également certains désavantages définis associés à son utilisation, qui le rend peut pratique à utiliser La pyrométrie optique peut donner des résultats différents en fonction de l'émittance qui est utilisée, et un soin extrême doit être pris pour éviter de mesurer un rayonnement provenant des lampes chauffantes utilisées dans l'appareil RTR ou TTR La pyrométrie

optique devient même plus difficile aux basses tempéra-

tures, allant de 6000 C à 700 QC, étant donné que la mesure

de plus grandes longueurs d'onde de rayonnement, supéri-

eures à trois microns, est nécessaire, et que les plus grandes longueurs d'onde sont sérieusement atténuées par

les fenêtres utilisées pour mesurer le rayonnement émis.

Ceci présente un problème sérieux lorsqu'une chambre à parois de quartz est utilisée pour contenir une espèce de gaz réactif, comme dans les applications de croissance épitaxiale, comme décrit, à titre d'exemple, dans le brevet américain no 4 544 418 au nom de Gibbons, parce que le quartz est assez opaque aux longueurs d'onde supérieures à 3 microns De plus, les oxydes de champ et les couches de polysilicium, parmi autres choses, affecteront l'émittance et la transmission d'une pastille par suite d'effets d'interférence de film mince Ces effets peuvent affecter facilement les mesures au pyromètre optique d'une valeur allant jusqu'à 500 C. La présente invention propose un procédé de mesure sans pénétration de la température d'un matériau semi-conducteur à des températures élevées se situant dans la plage de 4000 C à 8000 C Il est particulièrement utile dans des procédés qui mettent en jeu le traitement ou le recuit thermique rapide d'un semi-conducteur Le procédé

comprend les étapes consistant à créer un faisceau mono-

chromatique d'énergie électromagnétique avec une longueur d'onde prédéterminée; à focaliser le faisceau sur la

surface d'un matériau semi-conducteur; à mesurer l'inten-

sité du faisceau, après transmittance du faisceau à travers le matériau, pour créer un signal électrique, le signal étant représentatif de l'intensité du faisceau transmis; et à calculer la température du semiconducteur en fonction

du signal électrique et de l'épaisseur du matériau semi-

conducteur.

Ce procédé de mesure de la température, par détection de transmission optique, fournit une technique optique sans pénétration en vue de la mesure précise et

rapide de la température absolue de pastilles au silicium.

Le procédé assure la détection de routine de température de la pastille au silicium dans la plage de température allant de 4000 C à 8000 C, avec une résolution de l'ordre d'un degré centigrade. Etant donné que le procédé ne dépend pas de la température de quoi que ce soit sinon de la pastille, il est particulièrement bien approprié aux environnements qui ne sont pas en équilibre thermique, tels que ceux rencontrés dans des systèmes de traitement thermique rapide (TTR) ou de recuit thermique rapide (RTR), o la pastille est habituellement chauffée par un rayonnement émis par des

lampes chauffantes Le procédé est également particulière-

ment bien approprié pour les systèmes TTR, parce que les systèmes TTR nécessitent souvent que la pastille au silicium soit enfermée dans un récipient en quartz Etant donné que le quartz est transparent aux longueurs d'onde

qui ont été trouvées être utiles dans la présente inven-

tion, la détection optique peut alors être effectuée à

partir de l'extérieur des parois du récipient en quartz.

De plus, la présente invention propose un procédé pour

compenser les revêtements des dessins qui sont habituel-

lement formés sur la surface du silicium, tel que le

dioxyde de silicium ou le polysilicium.

La présente invention a une grande diversité d'applications o un degré élevé de précision est absolument nécessaire Le procédé proposé par la présente invention peut actionner des systèmes TTR ou RTR avec une détection de température constante et avec un contrôle de la température en boucle fermée avec rétroaction Le procédé pourrait également être appliqué à n'importe quel autre environnement, mais il serait très utile là o des thermocouples ne pourraient pas être utilisés en raison de

gaz corrosifs ou en raison d'un manque de température uni-

forme entourant le semi-conducteur La présente invention est applicable à presque tous les semi-conducteurs, tels que l'arséniure de gallium, le germanium, le phosphure d'indium entre autres Les longueurs d'onde qui sont utiles dans la mise en oeuvre de la présente invention sont différentes pour différents semi-conducteurs, étant donné

que chacun a des propriétés d'absorption différentes.

L'invention propose également un dispositif de mesure de température très précis, pour mesurer des températures élevées dans la plage de 4000 C à 8000 C, avec une précision d'un degré centigrade Le dispositif de mesure de la température utilise une pastille mince au silicium positionnée entre un faisceau d'énergie électromagnétique monochromatique et un moyen de détection de photons Le moyen de détection de photons mesure l'intensité du faisceau transmis Un moyen d'affichage indique la température de la pastille au silicium, en fonction de l'épaisseur de la pastille et de l'intensité du

faisceau transmis.

La présente invention a donc d'abord pour objet

un procédé de mesure de la température de matériaux semi-

conducteurs à des températures élevées, ledit procédé étant caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à: (a) créer un premier faisceau d'énergie électromagnétique avec une longueur d'onde présélectionnée; (b) diriger le faisceau sur un matériau semi-conducteur ayant une épaisseur connue; (c) mesurer l'intensité dudit premier faisceau après transmittance à travers ledit matériau semi-conducteur pour créer un premier signal, ledit signal étant représentatif de l'intensité dudit faisceau transmis (d) calculer la température du matériau semi-conducteur en

fonction dudit signal et de ladite épaisseur connue.

Ce procédé peut comprendre en outre l'étape de normalisation dudit premier signal à une température reproductible, telle que la température ambiante, ou à une

température fixée avant l'élévation de ladite température.

La longueur d'onde prédéterminée indiquée au point (a) ci-dessus va généralement de 1,1 à 1,9 Mm pour un

semi-conducteur au silicium.

Ce procédé peut aussi comprendre les étapes consistant à: (a) créer un second faisceau d'énergie électromagnétique avec une seconde longueur d'onde prédéterminée; (b) combiner les premier et second faisceaux en un faisceau unique; (c) mesurer l'intensité des faisceaux combinés et dériver le premier signal et un second signal avec des premier

et second amplificateurs de blocage.

Conformément à d'autres caractéristiques du procédé ci-dessus, la longueur d'onde prédéterminée dudit

premier faisceau est de 1,3 gm et la longueur d'onde pré-

déterminée du second faisceau est de 1,55 Mm, ledit premier faisceau est utilisé pour calculer des températures comprises entre 400 C et 6500 C et ledit second faisceau est utilisé pour calculer des températures comprises entre 6500 C et 8000 C; et il comprend en outre l'étape de synchronisation des premier et second amplificateurs de blocage avec une paire de modulateurs utilisés pour actionner les lasers qui créent respectivement ledit

premier et ledit second faisceau.

L'invention porte également sur un appareil de mesure de la température, caractérisé par le fait qu'il comprend:

(a) un premier moyen pour créer un faisceau monochro-

matique d'énergie électromagnétique avec une longueur d'onde prédéterminée; (b) une pastille semi-conductrice positionnée à travers ledit faisceau pour être heurtée par ledit faisceau, ladite pastille ayant une épaisseur connue, (c) un moyen de détection de photons, adjacent à ladite pastille, à l'opposé dudit faisceau, pour mesurer l'intensité dudit faisceau après transmittance à travers ladite pastille; (d) un moyen d'affichage pour indiquer la température de la pastille semi- conductrice, ledit moyen étant sensible à l'intensité du faisceau transmis et à

l'épaisseur de la pastille.

Conformément à d'autres caractéristiques de cet

appareil, ledit moyen pour créer ledit faisceau monochro-

matique d'énergie électromagnétique est un laser ou une

diode électroluminescente; ladite pastille semi-

conductrice est une pastille au silicium, une pastille au germanium, une pastille à l'arséniure de gallium, ou une

pastille à l'antimoniure d'indium.

L'appareil selon l'invention peut également être caractérisé par le fait que ledit moyen de détection de photons comprend: (a) un photodétecteur qui convertit ledit faisceau après transmittance à travers ladite pastille en un signal de tension, ledit signal de tension étant directement

corrélé à la transmittance de la pastille semi-

conductrice; et (b) un moyen amplificateur pour amplifier ledit signal de tension et discriminer ledit signal de signaux d'interférence heurtant ledit photodétecteur, ledit moyen d'affichage recevant ledit signal de tension et affichant ledit signal sur un moniteur à tube cathodique, ledit moyen d'affichage pouvant en outre calculer la température de ladite pastille semi-conductrice en fonction

dudit signal de tension et de ladite épaisseur de pastille.

L'appareil selon l'invention peut comprendre en

outre un second moyen pour créer un second faisceau mono-

chromatique d'énergie électromagnétique avec une seconde

longueur d'onde prédéterminée.

Le moyen de détection de photons peut comprendre: (a) un photodétecteur qui convertit ledit faisceau après transmittance à travers ladite pastille en un signal de tension, ledit signal de tension étant directement

corrélé à la transmittance de la pastille semi-

conductrice; (b) un premier moyen amplificateur pour amplifier ledit signal de tension et discriminer un premier signal de fréquence dudit signal de tension; et (c) un second moyen amplificateur pour amplifier ledit signal de tension et discriminer un second signal de

fréquence dudit signal de tension.

Ledit moyen d'affichage peut recevoir lesdits premier et second signaux de fréquence et afficher une fonction desdits signaux sur un moniteur à tube cathodique, et il peut en outre calculer la température de ladite pastille semi-conductrice en fonction desdits premier ou second signaux de fréquence et de ladite épaisseur de

pastille.

Pour mieux illustrer l'objet de la présente invention, on va en décrire ci-après des modes de réalisation particuliers, à titre indicatif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels La Figure 1 est une représentation graphique de valeur de transmission normalisée en fonction de la température de pastilles au silicium ayant une épaisseur de 450 pm; La Figure 2 est un diagramme fonctionnel schématique de l'appareil de mesure de la température de pastille par détection de transmission optique à l'aide d'une source lumineuse à une seule longueur d'onde; La Figure 3 est un diagramme fonctionnel schématique de l'appareil de mesure de la température de pastille par détection de transmission optique à l'aide de source lumineuse à longueurs d'onde multiples; et La Figure 4 est une représentation graphique de valeurs de transmission normalisée en fonction de la température avant et après l'application de couches

épitaxiales silicium-germanium.

THEORIE GENERALE

Le procédé de mesure de la température d'une pastille au silicium par détection de transmission optique est basé sur l'observation de la transmission de lumière à une certaine longueur d'onde à travers la pastille au silicium Alors qu'une pastille au silicium est opaque vis-àvis de la lumière visible, elle est transparente à certaines longueurs d'onde infrarouges Lorsque des photons de longueurs d'onde sélectionnées sont dirigés sur la pastille au silicium, les photons ayant des énergies supérieures à l'énergie de largeur de bande interdite, Eg, sont, pour la plupart, absorbés, alors que les photons ayant des énergies inférieures à Eg sont, pour la plupart, transmis Les photons ayant une énergie supérieure à Eg sont, pour la plupart, absorbés par le semi-conducteur, parce que l'énergie des photons excite les électrons situés dans la bande de valence du semi-conducteur, et ces électrons excités "sautent" dans les états vides de la bande de conduction du semi-conducteur Les photons de moindre énergie, pour la plupart, passent à travers ou sont transmis parce que l'énergie qu'ils contiennent ne peut pas exciter les électrons Dans le silicium, la variation d'absorption au fur et à mesure que l'énergie des photons varie par rapport à Eg, n'est cependant pas très nette, parce que des phonons sont également souvent nécessaires pour ce procédé d'absorption Un phonon est une vibration de réseau En règle générale, plus l'énergie des photons

par rapport à Eg est élevée, plus l'absorption est grande.

Ceci est l'un des deux mécanismes physiques par lequel l'énergie de rayonnement est absorbée, le second mécanisme étant l'absorption par des porteurs libres Dans tous les matériaux semi-conducteurs, il y a un certain nombre de il porteurs libres, et ces porteurs libres sont capables d'absorber l'énergie sans "sauter" d'une bande dans une

autre Au fur et à mesure que la température du semi-

conducteur augmente, le nombre de porteurs libres augmente, d'o il résulte qu'il y a une absorption accrue aux

températures élevées.

Le silicium, de même que la plupart des autres semi-conducteurs, ont une Eg qui est directement dépendante de la température Au fur et à mesure que la température de la pastille au silicium est augmentée, l'énergie de largeur de bande interdite diminue et le nombre de porteurs libres augmente, et, lorsque la température du silicium est diminuée, l'énergie de largeur de bande interdite augmente et le nombre de porteurs libres diminue Par conséquent, au fur et à mesure que la température de la pastille au silicium augmente, de moins en moins de photons sont transmis à travers la pastille, parce Eg a diminué, ce qui signifie que l'énergie des photons est supérieure par rapport à Eg, et signifie également qu'il y a davantage de porteurs libres qui sont disponibles, les deux augmentant l'absorption A l'inverse, si la température de la pastille au silicium diminue, de plus en plus de photons sont transmis à travers la pastille parce que Eg a augmenté, ce qui signifie que l'énergie des photons est plus faible par rapport à Eg transmise, et ce qui signifie également qu'il y a moins de porteurs libres qui sont disponibles, les deux ayant tendance à diminuer l'absorption. Mathématiquement, la transmission optique, I, d'une pastille au silicium est donnée par: I = i 1 i 2 e(T)d ( 1) o: i, est la transmission de la surface supérieure de silicium; i 2 est la transmission de la surface inférieure de silicium;

a(T) est le coefficient d'absorption du semi-

conducteur à la température T à la longueur d'onde particulière de rayonnement utilisée; et

d est l'épaisseur de la pastille.

Il est important de signaler que des réflexions multiples à travers la pastille et des effets d'interférence sont ignorés dans la mise en oeuvre de la présente invention en raison de la dispersion provoquée par la surface rugueuse et la divergence du faisceau Fondamentalement, il et i 2

dépendent peu de la température de la pastille par compa-

raison au terme e-e(T)d; par conséquent, la transmittance sera approximativement égale à e-e(T)d Le coefficient d'absorption a(T) est fonction de la température; ainsi, au fur et à mesure que la température augmente, a(T) augmente, et au fur et à mesure que la température diminue, a(T) diminue De plus, au fur et à mesure que l'épaisseur de la pastille, d, augmente, la transmission diminue, et, au fur et à mesure que l'épaisseur diminue, la transmission augmente Par conséquent, si l'on connaît l'épaisseur d'une pastille, ce qui est facilement mesuré, on peut corréler directement la transmission optique I à la

température de la pastille au silicium.

Le signal détecté dépend de la puissance lumineuse incidente, de l'alignement optique et d'autres facteurs du système Pour supprimer la dépendance des mesures vis-à-vis de ces facteurs, un rapport ou indice de transmission normalisée est utilisé La transmission normalisée I (T,d) est définie comme le rapport de la lumière transmise à la température T à la lumière transmise à la température ambiante T 0, ou pour n'importe quelle température fixée si la température est reproductible La transmission normalisée I (T,d) ne dépendra donc pas de la réflectivité de surface qui peut être affectée par les couches de surface, telles que les oxydes de champ ou les couches de polysilicium Par conséquent, la transmission normalisée est donnée par: e-a(T)d signal transmis à la température T I (T,d) = ( 2) e-&(TO)d signal transmis à la température T O ou I (T,d) = el(To)oe(T)Jd ( Des facteurs constants, tels que la puissance de laser ou lumineuse n'entrent pas dans l'expression de I donnée dans

l'équation ( 3).

DEVELOPPEMENT

En raison du manque de bonnes données sur les propriétés optiques de semiconducteurs aux températures élevées, le procédé qui sera expliqué dans ce qui suit, est tout d'abord étalonné contre un procédé connu, tel que la mesure de la transmission en fonction de la température dans un environnement de four o un thermocouple peut être utilisé pour définir une température connue, et développer ainsi une courbe de transmission normalisée en fonction de la température Une fois que la courbe de transmission en

fonction de la température est tracée pour un semi-

conducteur spécifique, le système peut être utilisé dans d'autres environnements de fonctionnement dans lesquels la température doit être mesurée dans la plage de 400 QC à 8000 C, si le silicium est le matériau semi-conducteur à mesurer La transmission dépend effectivement de

l'épaisseur d'échantillon d; de ce fait, si des échantil-

lons sont d'épaisseurs différentes, on doit, ou bien utiliser une courbe d'étalonnage pour cette épaisseur, ou bien, à défaut, corriger l'épaisseur différente à l'aide de la relation bien connue e-e<T>d En utilisant le résultat connu dans l'équation ( 3), la relation entre la transmission normalisée I (T,d) pour deux épaisseurs dl et d 2 est donnée par: I(Td 2) = lI(T,d>) ld 2/dl ( 4) Ainsi, si une courbe d'étalonnage seulement est effectuée pour une longueur d'onde et une épaisseur données, on peut, en utilisant l'équation ( 4), calculer I pour une épaisseur différente des pastilles à l'aide du rayonnement à la même

longueur d'onde.

A titre d'exemple, si une pastille, qui a une épaisseur de 200 microns, a une transmission normalisée égale à 0,8 à une certaine température et une certaine longueur d'onde, une pastille du même matériau qui a une épaisseur de 400 microns aurait une transmission normalisée à la même température et à la même longueur d'onde, donnée par I(T,d 2) = l 0,8 l 400 î 200 ( 5) ou I(T,d 2) = 0,64 ( 6) Comme cela a été établi au préalable, cette dérivation dépend du fait que la réflexion au niveau de la surface de la pastille ne change pas de beaucoup au fur et à mesure que la température varie Avec le silicium, de la température ambiante à 7000 C, on pourrait ne s'attendre qu'à une variation de 2 pour cent de réflexion dans la plage des longueurs d'onde de 1,3 à 1,5 Am, réalisant ainsi une bonne approximation pour supposer que la réflectance ne

varie pas avec la température.

L'étalonnage du procédé a été effectué pour une pastille au silicium de 450 Nom à deux longueurs d'onde de

rayonnement différentes, à savoir, à 1,55 Am et 1,30 Mm.

L'étalonnage a été effectué à l'aide d'un thermocouple soudé à la pastille, comme décrit dans le brevet américain no 4 787 551, dans un réacteur de traitement thermique rapide Les résultats sont présentés sur la Figure 1,

lesquels peuvent être utilisés pour déterminer la tempéra-

ture de la pastille lorsque la transmittance normalisée est connue Est également représentée sur la Figure 1 la transmission normalisée d'une pastille d'une épaisseur analogue, mesurée dans un environnement de four classique o la température de la pastille a été mesurée par un thermocouple introduit dans le tube du four Comme on peut le voir sur la Figure 1, il y a un excellent accord entre

les mesures Dans la description suivante de procédé de

l'invention, est donnée une description complète de la

manière dont les valeurs de transmittance sont normalisées.

La Figure 1 illustre les valeurs de transmittance d'une pastille au silicium connue Les valeurs ont été

normalisées vis-à-vis des valeurs de transmittance à froid.

Un thermocouple soudé dans la pastille a été utilisé pour l'étalonnage Les fréquences sources avaient des longueurs d'onde de 1,55 Mm et 1,3 Mm Les photons d'énergie supérieure à 1,3 Mm ont une absorption supérieure à ceux à 1,5 Mm à une température donnée La plus grande précision

pour la mesure de température aura lieu lorsque la trans-

mission relative est fortement fonction de la température.

Par exemple, à près de 7500 C, une variation de 4 pour cent de la transmission du laser à 1,55 Mm ne correspond qu'à une variation de température d'approximativement 1 C. Cependant, à près de 600 C, pour obtenir 1 'C de précision, une variation de moins de 1 pour cent dans le signal à 1,55 Mm devrait être détectée Alors que ceci est effectué facilement avec des dispositifs électroniques assez simples, il y a unavantage fondamental à utiliser la transmission à 1,3 Mom aux températures inférieures A 600 C, une variation de 5 pour cent dans le signal transmis correspond à environ 10 C, cinq fois plus précis que le signal à 1,55 gm de cette température Ceci illustre que, pour la précision, l'énergie des photons la plus élevée o un signal transmis détectable est encore reçu, devrait être sélectionnée De plus, au-dessous de 500 C, la variation de la transmittance à 1,55 pm avec la température est assez petite, ne faisant pas de cette longueur d'onde une mesure utile de température au-dessous de ce seuil Cependant, la transmittance à 1,3 Mm est fortement fonction de la tempé- rature en descendant jusqu'à au moins 4000 C D'un point de vue pratique, il est trouvé que la combinaison de 1,3 gm et de 1,55 &m est très utile pour le fonctionnement n'importe o entre 4000 C et 8000 C, avec une précision absolue journalière si situant dans les quelques degrés Le seul paramètre ajustable est l'épaisseur de la pastille,

laquelle est naturellement très facilement mesurée.

FONCTIONNEMENT

La Figure 2 illustre l'application de la présente invention à un système TTR de base Comme représenté, un système de traitement thermique rapide à chauffage par lampes est doté de parois de quartz pour contenir un gaz,

tel que cela est utilisé dans la description du procédé

décrit dans le brevet américain no 4 544 418 Cette configuration est également connue comme système de traitement à réaction limitée L'appareil indiqué à l'intérieur des lignes pointillées est un moyen pour exécuter le procédé de mesure de température, alors que les éléments restants font partie d'un système de traitement thermique rapide classique Comme cela a été établi au préalable, les valeurs de transmission représentées sur la Figure 1 sont des valeurs de transmission normalisée Pour supprimer l'effet de la lumière ambiante et du bruit électrique, une mesure à la température ambiante ou à une température de pastille froide devra être effectuée tout d'abord, de sorte que les mesures à température élevée

puissent être normalisées.

Le système de traitement thermique rapide consiste en des premier et second réflecteurs 10 et 12, refroidis à l'eau, qui assurent le chauffage uniforme de la pastille au silicium 14, laquelle est enfermée dans un tube de quartz 16 L'énergie calorifique pour le procédé est fourni par une série de lampes chauffantes 18 A des fins

d'illustration, il est supposé que la pastille sera chauf-

fée à une température spécifique, laquelle est détectée et contrôlée de façon exacte Le moyen optique de détection de la température de la présente invention est utilisé pour détecter la température de la pastille 14 et pour contrôler la température de la pastille par ajustement de la

puissance des lampes chauffantes 18.

Le procédé commence par l'opération consistant à

diriger l'énergie lumineuse provenant d'un laser à semi-

conducteurs 20 sur la pastille au silicium 14 à travers une ouverture 21 du réflecteur 10 refroidi à l'eau Dans le mode de réalisation utilisé pour engendrer les valeurs représentées sur la Figure 1, l'énergie électromagnétique fournie est à une longueur d'onde soit de 1,55 Mm, soit de 1,30 pm, et elle peut être fournie par d'autres sources qu'un laser, telles qu'une diode électroluminescente, LED, ou une source de lumière blanche; cependant, il est important que, quelle que soit la source lumineuse qui est

utilisée, le faisceau soit monochromatique, ayant typique-

ment une largeur de bande de 0,01 Nm Quelle que soit la source de rayonnement qui est utilisée, une certaine forme de modulation doit être utilisée pour la facilité de la détection du signal de transmittance La plage typique de modulation du rayonnement est comprise entre 100 Hz et K Hz De plus, si une source de lumière blanche est

utilisée, elle doit être filtrée avec un réseau de diffrac-

tion monochromatique, ou similaire, pour se situer à l'intérieur d'une largeur de bande spécifique L'énergie lumineuse provenant du laser à semiconducteurs 20 est dirigée à travers un élément optique à fibre 22 sur une lentille 24 L'élément optique à fibre 22 n'est pas nécessaire si le laser 20 peut être directement aligné avec la pastille 14 L'élément optique à fibre 22 n'est utilisé

que pour commodité d'installation de la source lumineuse.

La lentille 24 est utilisée pour focaliser l'énergie lumineuse directement sur la pastille 14 Une fois encore, la lentille 24 n'est pas absolument nécessaire, mais assure que la quantité maximale de rayonnement heurte la

pastille 14.

En fonction de la température de la pastille 14, une certaine quantité d'énergie lumineuse sera transmise à travers la pastille L'épaisseur de la pastille est déjà connue et, de ce fait, n'est pas une variable dans le procédé Quelle que soit l'énergie lumineuse qui est transmise à travers la pastille 14, elle est recueillie par un détecteur optique 26 Le détecteur optique 26 convertit l'énergie lumineuse transmise en un signal électrique, lequel est normalement mesuré en volts Le signal de tension est proportionnel à la lumière transmise et est introduit dans un amplificateur de blocage 28 Après amplification du signal entrant, l'amplificateur de blocage 28 est utilisé pour discriminer le signal en question des signaux parasites qui surviennent en raison d'une quelconque autre interférence optique ambiante, telle que la lumière provenant des lampes chauffantes 18, heurtant le détecteur 26 Lorsque le procédé thermique

rapide est tout d'abord engagé, la sortie de l'amplifi-

cateur de blocage 28 est un premier signal représentatif de la transmission I (T,d), lorsque T est égale à T 0, ou à la température ambiante La sortie de l'amplificateur de blocage 28, lorsque le procédé est en cours, est le premier signal représentatif de la transmission I (T, d), lorsque T est égale à quelle que soit la température à laquelle la

pastille 14 a été élevée Ainsi, les valeurs à la tempéra-

ture ambiante et la température de fonctionnement sont remplacées dans l'équation ( 2), et la valeur normalisée est

lue sur l'échelle verticale de la Figure 1 et la tempéra-

ture de fonctionnement est déterminée Si l'épaisseur de

la pastille est différente de celle de la Figure 1, l'équa-

tion ( 4) peut être utilisée pour compenser la différence de transmission La sortie de signal de l'amplificateur de

blocage 28 est adressée à un affichage de sortie 32.

L'affichage de sortie 32 peut être un ordinateur qui est programmé pour réaliser de façon automatique les équations ( 3) et ( 4) ou une unité d'affichage qui affiche la valeur du premier signal sur une échelle étalonnée pour représenter la température de fonctionnement Avec un appareil de type simple voltmètre, une échelle étalonnée séparée serait nécessaire pour chaque épaisseur et chaque type de semi-conducteur Une fois que la température est connue, les lampes chauffantes peuvent être ajustées

manuellement ou ajustées automatiquement par l'inter-

médiaire d'un système de commande automatique utilisant la

présente invention dans la boucle de rétroaction.

La Figure 3 illustre la présente invention avec un système à deux lasers Comme cela a été établi auparavant, le procédé ou la méthode est le plus efficace lorsque deux longueurs d'onde de lumière différentes sont utilisées Comme indiqué sur la Figure, deux lasers 20 et 34 sont utilisés avec deux modulateurs 30 et 36 produisant deux fréquences d'entraînement séparées et distinctes, f 1 et f 2 Deux amplificateurs de blocage 28 et 38 sont également utilisés pour séparer les valeurs de f 1 et f 2 après transmittance Alors que des fréquences multiples sont avantageuses pour la sensibilité, il est également souhaitable, d'un point de vue pratique, de minimiser le matériel optique requis, y compris le nombre de trajets de faisceaux Ainsi, un coupleur optique 40 est utilisé, lequel assure l'utilisation de lasers multiples sur un trajet de faisceau commun Un unique détecteur 26 est utilisé pour détecter le signal combiné, et une paire d'amplificateurs de blocage 28, 38 est utilisée pour séparer les divers signaux transmis Les sources de laser et 34 sont modulées à différentes fréquences f 1, f 2 et

combinées sur une fibre commune 22 au moyen du coupleur 40.

Cette fibre unique 22 est utilisée pour projeter les signaux optiques à travers la pastille, et un unique détecteur 26 est utilisé pour créer des premier et second signaux combinés ou superposés Les premier et second signaux représentatifs des valeurs de transmittance aux deux longueurs d'onde différentes peuvent être séparés à l'aide d'amplificateurs de blocage 28 et 38, qui sont synchronisés sur la fréquence de modulation désirée par des

signaux de référence sur les circuits de réglage 46 et 48.

Des oxydes de champ, des couches de polysilicium, etc, affecteront l'émittance et la transmission d'une

pastille en raison d'effets d'interférence de film mince.

Ces effets peuvent affecter facilement des mesures au pyromètre optique d'une valeur de 50 C Alors que telles couches affecteront également la transmission optique, elles ne sont pas fonction de la température Par

conséquent, l'effet de ces couches peut être automatique-

ment écarté par la normalisation du signal de température de fonctionnement vis-à-vis du signal à la température ambiante. Récemment, il y a eu un grand intérêt dans les couches épitaxiales siliciumgermanium sur le silicium pour des dispositifs tels que des transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) Ces couches ont des largeurs de bande interdite plus petites que celles du silicium, et devraient être estimées affecter fortement la transmission, rendant impossible la mesure de température basée sur la transmission optique à l'aide de paramètres de substrat de silicium Cependant, des épaisseurs et des concentrations en germanium applicables pour un HBT mettront probablement en jeu approximativement 20 pour cent de germanium dans des couches de 50 mm Pour déterminer l'effet d'une telle couche sur la précision de la présente invention, une couche épitaxiale silicium-germanium a été soumise à une croissance sur une pastille au silicium, et la température de la pastille a été testée à la fois avec la présente

invention et avec un thermocouple soudé.

La Figure 4 illustre la transmission à 1,3 et à

1,55 pm à la fois avant et après la croissance silicium-

germanium Les carrés avec les points au centre représen-

tent la transmission à la longueur d'onde de 1,5 Mm, avec un thermocouple soudé dans un procédé TTR, les losanges noirs représentent une transmission à la longueur d'onde de 1,55 lm avec un étalonnage au four, et les carrés noirs pleins représentent une transmission à la longueur d'onde

de 1,3 &m avec un thermocouple soudé dans un procédé TTR.

Comme on peut le voir sur la Figure 5, les valeurs de transmission avant et après sont pratiquement identiques, et sont dans les limites de la précision de l'appareillage courant Ainsi, pour des couches technologiquement applicableeen question, la présente invention peut être utilisée avec des couches silicium-germanium sans avoir à

modifier d'une quelconque manière l'appareil ou le procédé.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1 Procédé de mesure de la température de matériaux semi-conducteurs à des températures élevées, ledit procédé étant caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à: (a) créer un premier faisceau d'énergie électromagnétique avec une longueur d'onde présélectionnée;

(b) diriger le faisceau sur un matériau semi-

conducteur ( 14) ayant une épaisseur connue; (c) mesurer l'intensité dudit premier faisceau après

transmittance à travers ledit matériau semi-

conducteur ( 14) pour créer un premier signal, ledit signal étant représentatif de l'intensité dudit faisceau transmis;

(d) calculer la température du matériau semi-

conducteur ( 14) en fonction dudit signal et de ladite

épaisseur connue.

2 Procédé de mesure de la température d'un matériau semi-conducteur, selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre l'étape de normalisation dudit premier signal à une température reproductible, telle que la température ambiante, ou à une

température fixée avant l'élévation de ladite température.

3 Procédé de mesure de la température d'un matériau semi-conducteur, selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite longueur d'onde prédéterminée va de 1,1 à 1,9 gm pour un semi-conducteur au silicium. 4 Procédé de mesure de la température d'un matériau semi- conducteur, selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre les étapes consistant à: (a) créer un second faisceau d'énergie électromagnétique avec une seconde longueur d'onde prédéterminée; (b) combiner les premier et second faisceaux en un faisceau unique; (c) mesurer l'intensité des faisceaux combinés et dériver le premier signal et un second signal avec des premier

et second amplificateurs de blocage ( 28; 38).

Procédé de mesure de la température d'un matériau semi-conducteur, selon la revendication 4,

caractérisé par le fait que la longueur d'onde prédéter-

minée dudit premier faisceau est de 1,3 pm et la longueur d'onde prédéterminée du second faisceau est de 1,55 pmet en oe que ledit premier faisceau est utilisé pour calculer des températures comprises entre 4000 C et 650 C et ledit second faisceau est utilisé pour calculer des températures

comprises entre 6500 C et 800 C.

6 Procédé de mesure de la température d'un matériau semi-conducteur, selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre l'étape de synchronisation des premier et second amplificateurs de blocage ( 28; 38) avec une paire de modulateurs ( 30; 36) utilisés pour actionner les lasers qui créent

respectivement ledit premier et ledit second faisceau.

7 Appareil de mesure de la température, caractérisé par le fait qu'il comprend: (a) un premier moyen ( 20; 34) pour créer un faisceau monochromatique d'énergie électromagnétique avec une longueur d'onde prédéterminée; (b) une pastille semi-conductrice ( 14) positionnée à travers ledit faisceau pour être heurtée par ledit faisceau, ladite pastille ( 14) ayant une épaisseur connue, (c) un moyen de détection de photons, adjacent à ladite pastille ( 14), à l'opposé dudit faisceau, pour mesurer l'intensité dudit faisceau après transmittance à travers ladite pastille ( 14); (d) un moyen d'affichage ( 32) pour indiquer la température de la pastille semi-conductrice ( 14), ledit moyen étant sensible à l'intensité du faisceau transmis et à

l'épaisseur de la pastille ( 14).

8 Appareil de mesure de température selon la revendication 7, caractérisé par le fait que ledit moyen pour créer ledit faisceau monochromatique d'énergie électromagnétique est un laser ( 20; 34) ou une diode électroluminescente. 9 Appareil de mesure de température selon la revendication 7, caractérisé par le fait que ladite pastille semiconductrice ( 14) est une pastille au silicium, une pastille au germanium, une pastille à l'arséniure de gallium, ou une pastille à l'antimoniure d'indium. Appareil de mesure de température selon la revendication 7, caractérisé par le fait que ledit moyen de détection de photons comprend: (a) un photodétecteur ( 26) qui convertit ledit faisceau après transmittance à travers ladite pastille ( 14) en un signal de tension, ledit signal de tension étant directement corrélé à la transmittance de la pastille semi-conductrice ( 14); et (b) un moyen amplificateur ( 28) pour amplifier ledit signal de tension et discriminer ledit signal de

signaux d'interférence heurtant ledit photo-

détecteur ( 26).

11 Appareil de mesure de température selon la revendication 10, caractérisé par le fait que ledit moyen d'affichage ( 32) reçoit ledit signal de tension et affiche

ledit signal sur un moniteur à tube cathodique.

12 Appareil de mesure de température selon la revendication 11, caractérisé par le fait que ledit moyen d'affichage ( 32) calcule en outre la température de ladite pastille semi-conductrice ( 14) en fonction dudit signal de

tension et de ladite épaisseur de pastille.

13 Appareil de mesure de température selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un second moyen pour créer un second faisceau monochromatique d'énergie électromagnétique avec une

seconde longueur d'onde prédéterminée.

14 Appareil de mesure de température selon la revendication 13, caractérisé par le fait ledit moyen de détection de photons comprend: (a) un photodétecteur ( 26) qui convertit ledit faisceau après transmittance à travers ladite pastille ( 14) en un signal de tension, ledit signal de tension étant directement corrélé à la transmittance de la pastille semiconductrice ( 14); (b) un premier moyen amplificateur ( 28) pour amplifier ledit signal de tension et discriminer un premier signal de fréquence dudit signal de tension; et (c) un second moyen amplificateur ( 38) pour amplifier ledit signal de tension et discriminer un second

signal de fréquence dudit signal de tension.

15 Appareil de mesure de température selon la revendication 12, caractérisé par le fait que ledit moyen d'affichage ( 32) reçoit lesdits premier et second signaux de fréquence et affiche une fonction desdits signaux sur un

moniteur à tube cathodique.

16 Appareil de mesure de température selon la revendication 15, caractérisé par le fait que ledit moyen d'affichage ( 32) calcule en outre la température de ladite pastille semi-conductrice ( 14) en fonction desdits premier ou second signaux de fréquence et de ladite épaisseur de

pastille.