KR20150021119A - 화학기상증착 반응기 내에서의 복사선 온도 측정 편향 오류 감소 - Google Patents
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Abstract
CVD 반응기와 같은 외장 내의 복사선 온도 측정 편향 오류를 감소시키기 위한 장치가 제공된다. 일 실시예에서, 복사 온도계는 오프-포커스 텔레센트릭 렌즈 배열체를 이용한다. 오프-포커스 텔레센트릭 배열체는 무한대로 초점형성되나, 초점을 벗어난 비교적 근접한 표적(예를 들어, 2미터 이내)으로부터 복사선을 포획하기 위해서 이용된다. 표적으로부터의 시준된 복사선의 포획은 떠돌이 복사선의 기여분을 감소시킨다. 다른 실시예에서, 주변 가열 요소의 지정된 세그먼트로부터 기원하는 산란된 복사선이, 지정된 세그먼트의 방출(예를 들어, 동작 온도) 감소, 또는 지정된 세그먼트로부터 기원하는 복사선의 일부의 포획 또는 편위를 포함하는, 몇 가지 메커니즘 중 하나에 의해서 지역적으로 감소될 수 있다. 웨이퍼 캐리어의 중심으로부터 그리고 지정된 세그먼트를 가로질러 연장하는 축에 근접하여 고정된 복사 온도계는 적은 떠돌이 복사선에 노출되고, 그에 따라 보다 신뢰가능한 온도 판독값을 제공한다.
Description
유기 금속 화학기상증착(MOCVD)은 반도체 생산과 같은 프로세스에서 결정질 층을 성장시키기 위한 화학기상증착 기술이다. MOCVD 프로세스는, 균질한 반응기 가스 유동을 반응기 챔버로 전달하는 특별하게 설계된 유동 플랜지를 가지는 반응기 챔버에서 구현된다.
MOCVD 프로세스 중의 결정질 층의 온도는, 전형적으로, 복사 온도계 또는 고온계와 같은 비-접촉 장치를 이용하여 측정된다. 그러한 결정질 성장 재료는 실리콘 탄화물(SiC), 아연 셀렌화물(zinc selenide; ZnSe), 그리고 GaN 및 AlGaN과 같은 갈륨 질화물(GaN)계 재료를 포함한다. 특정한 기판 결정질 성장 재료는, 복사선 온도 측정을 위한 동작의 파장을 제한하는 방출 특성을 가진다. 예를 들어, 사파이어 기판 상에서 성장된 GaN은 프로세스 온도에서 450 나노미터(nm) 보다 긴 파장에 대해서 50% 초과의 투과율(transmittance)을 가질 수 있다. 그에 따라, 450 nm 보다 긴 파장에서, GaN 층의 표면을 떠나는 복사선의 상당한 분율(fraction)이, 복사 온도계의 시선 내에 있는 기판 아래의 구조물(예를 들어, 웨이퍼 캐리어)로부터 기원한다. GaN 층을 통과하는 복사선은 GaN 층의 온도를 나타내지 않는다. 따라서, 450 nm 보다 짧은 파장의 복사선(대략적으로 청색, 보라색 및 자외선 파장에 상응한다)을 검출하는 복사 온도계가 개발되었다. 예를 들어, 250 nm 내지 450 nm 범위의 복사선을 검출하도록 구성된 고온계를 개시하고 있는, Zettler 등의 미국 특허출원 공개 제2011/0064114호(이하에서, "Zettler"라 한다)를 참조할 수 있을 것이다.
복사 온도계를 이용하는 것과 관련한 문제는, 원치 않는 복사선의 검출이다. 원치 않는 복사선의 하나의 공급원은, 희망하는 검출 통과 대역(band pass of detection)을 벗어나서 검출되는 필터링되지 않은 복사선이다. Zettler는, 필터링되지 않은 복사선의 기여분(contribution)을 고려한 장치 및 기술을 설명하고 있다. Zettler는, 협대역 통과 필터가 적외선 복사선을 전체적으로 차단하지 않는다는 것을 지적하였다. 차단되지 않은 적외선 복사선은 동작 온도(약 800 ℃)에서 문제가 될 수 있는데, 이는 전자기적 스펙트럼의 적외선 부분 내에서 표적(target)의 스펙트럼 흑체 방출능(spectral blackbody emissive power)이 협대역 통과 필터의 주 통과 대역(즉, 표적 온도를 추정하기 위한 희망하는 스펙트럼 통과 대역)에서 보다 약 9배 더 크기 때문이다. Zettler의 방법은, 넓은 파장 범위(자외선으로부터 적외선까지)에 걸쳐서 민감한 검출기 및 410 nm 근처에 중심이 맞춰진 협대역 통과 필터로 유입 복사선을 필터링하는 것을 포함한다. 이어서, 장파장 통과 필터(long pass filter)를 이용하여 협대역 통과 필터의 일차적인 밴드 통과를 효과적으로 차단하면서, 전자기적 스펙트럼의 적외선 및 근-적외선 부분 내의, 협대역 통과 필터에 의해서 필터링되지 않은 복사선이 통과하도록 허용한다. Zettler는, 협대역 통과 필터의 주 통과 대역을 통과한 복사선을 2개의 측정 사이의, 즉 협대역 통과 필터만으로 얻어지는 신호와 협대역 통과 필터 및 장파장 통과 필터 모두로 얻어지는 신호 사이의 차이로서 추정한다.
원치않는 복사선의 다른 공급원은 "떠돌이 방사선(stray radiation)"의 기여분이다. 떠돌이 방사선은, 상호-반사(inter-reflection)를 통해서 외장 또는 그 내부의 다른 구조물에 의해서 표적으로 재지향되고 복사 온도계의 시선(line-of-sight)으로 반사되는, 반사된 복사선이다. 예를 들어, 마이크로파 가열 프로세스에 의해서 800 ℃의 고온까지 가열된 GaN 웨이퍼를 가지는 웨이퍼 캐리어를 고려한다. 웨이퍼 캐리어 및 웨이퍼와 같이, 높은 온도에서 동작하는 구성요소는 모든 방향으로 복사선을 방출할 것이고, 그에 따라 복사선이 챔버 내에서 상호-반사하도록 유도할 것이다. 상호-반사된 복사선의 일부는 복사 온도계가 표적으로 삼는 표면 상으로 입사할 것이고 복사 온도계에 의해서 검출되는 복사선에 기여할 것이다. 800 ℃의 GaN 결정질 층의 경우에, 410 nm에서의 반사율(reflectivity)이 약 0.2가 된다. 떠돌이 복사선 기여분은, 복사 온도계에 의해서 표시되는 온도 값을 실질적으로 편향시킬 수 있다.
떠돌이 복사선은, 마이크로파 가열 시스템의 경우로서, 표적이 챔버 내의 최대 온도 또는 그에 근접한 온도를 가질 때 문제가 될 수 있다. 그러나, 가시광선 스펙트럼의 짧은 파장의 또는 그에 근접한 파장(즉, 청색, 보라색, 또는 자외선 파장)의 복사선을 측정할 때, 표적 보다 실질적으로 더 높은 온도에서 동작하는 챔버 내의 다른 공급원이 있을 때, 문제가 악화되기 시작한다. 그러한 가열 배열체는 열역학 제1 법칙에 따라서 열을 전달하고, 이는 결정질 성장 층 보다 실질적으로 더 높은 온도에서 저항 가열 요소가 동작할 것을 요구한다. 열적 복사 가열의 장점은, 온도의 균질성을 촉진하는 웨이퍼 캐리어에 걸친 프로파일을 가지도록 복사선 세기가 맞춤화(tailor)될 수 있다는 것이다.
예를 들어, 800 ℃에서 결정질 성장 층의 흑체 복사선을 고려한다. 프랭크의 법칙에 따라서, 410 nm 및 800 ℃에서의 흑체 스펙트럼 방출능은 약 2.0 X 10-4 watts/m2·㎛ 이다. 이제, 1800 ℃에서 동작하는, 복사 및 대류를 통해서 결정질 성장 층으로 열을 전달하는 저항 가열 요소와 같은 가열 공급원을 고려한다. 410 nm 및 1800 ℃에서의 흑체 스펙트럼 방출능은 약 1.4 X 103 watts/m2·㎛ 이다. 이는, 관심 파장에서의 그리고 800 ℃(CVD 동작 중의 결정질 성장 층을 위한 전형적인 동작 온도)에서의 흑체 스펙트럼 방출능 보다 약 7배 증가된 것이다(도 1). 따라서, 410 nm 파장에서의 복사선의 1 퍼센트의 분율만이 복사 온도계의 검출기로 진행하는 경우에도, 표시 온도에 대한 편향이 상당할 수 있다. 그에 따라, 저항 가열 요소를 이용하는 챔버 내에서의 떠돌이 복사선의 기여분은 Zettler가 식별한 필터링되지 않은 복사선 기여와 같은 크기가 될 수 있다.
그러나, Zettler는, 표적으로부터 방출되는 복사선을 실질적으로 압도할 수 있는, 떠돌이 복사선의 기여분에 대해서 또는 챔버 내의 복사선 공급원을 가지는 것의 효과에 대해서는 기재하고 있지 않다. 오히려, Zettler는 표적을 자유롭게 복사하는 것(즉, 반사 기여분이 없는 것)으로서 취급한다. 사실상, 결정질 성장에 필요한 온도에서 동작하는 CVD 챔버 내의 표적은 자유롭게 복사하지 않는다.
필터링되지 않은 복사선으로 인해서 뿐 아니라, 떠돌이 복사선으로 인한, 원치 않는 복사선의 영향을 감소시키도록 맞춤화된 복사 온도계가 환영받을 것이다.
개시 내용의 여러 가지 실시예는, 오프-포커스(off-focus) 방식으로, 적어도 3개의 상이한 양태에서 반사된 떠돌이 복사선의 기여를 제한하기 위해서, 소위 "텔레센트릭(telecentric)" 광학 배열체를 이용한다. 첫 번째로, 텔레센트릭 광학적 배열체에서, 표적으로부터 포획되는 주 광선(chief ray)은 광학적 축에 대해서 실질적으로 평행하고, 이는 특히 표적이 강한 거울의(specular) 반사율 구성요소를 가지는 경우에, 떠돌이 복사선 기여분을 실질적으로 제한한다. 두 번째로, 또한, 표적 상의 각각의 지점과 대응하는(subtend) 입체각(solid angle)이 매우 작도록, 텔레센트릭 광학적 배열체가 맞춤화될 수 있고, 이는 또한 떠돌이 복사선의 기여를 감소시킨다. 세 번째로, 텔레센트릭 광학적 배열체는, 표적으로부터 방출된 복사선의 시준된 비임을 포획하도록 구성될 수 있고, 이는 복사 온도계에 의해서 포획되는 복사선의 입체각을 추가적으로 감소시키는 한편, 표적의 크기(및 후속하는 신호-대-노이즈 비율)를 정방향(forward) 광학적 요소의 유효 직경까지 증가시킨다. 복사선의 시준된 비임을 포획하는데 있어서, 텔레센트릭 광학적 배열체는 "오프-포커스" 방식으로 이용되고, 다시 말해서, 표적의 표면의 고품질 이미지화를 위해서는 이용되지 않는다. 그에 따라, 텔레센트릭 광학적 배열체에서 이용되는 구성요소는 상업적으로 이용가능한 텔레센트릭 렌즈 시스템과 통상적으로 연관되는 우수한 품질을 가질 필요가 없다.
개시 내용의 여러 가지 실시예는, 적은 떠돌이 복사선이 복사 온도계의 표적으로 입사하도록, 반응기 챔버 및 부속물을 구성함으로써, 복사 온도계에 의해서 검출되는 떠돌이 복사선의 기여분을 대안적으로 또는 부가적으로 감소시킨다. 이러한 작업을 위해서 떠돌이 복사선을 분석하는데 있어서, 히터 어레이 내의 주변 가열 요소가 복사 온도계에 의해서 검출되는 떠돌이 복사선에 대한 가장 큰 기여를 한다는 것이 결정되었다. 또한, 광선 추적 모델링 및 확인 실험 모두에 의해서, 복사 온도계의 표적 지역에 가장 근접한 주변 가열 요소의 부분 내에 불연속부를 제공하는 것이 떠돌이 복사선에 의해서 유발되는 편향 오류를 상당히 감소시킨다는 것을 확인하였다.
"
오프
-
포커스
"
텔레센트릭
광학장치
고배율의 깨끗하고, 또렷한(crisp) 이미지를 제공하기 위해서, 예를 들어, 기계 비전(vision) 시스템에서, 상업적으로 이용가능한 텔레센트릭 렌즈 시스템을 이용하였다. 이러한 텔레센트릭 렌즈 시스템은, 해당 이미지 내의 지점의 위치와 관계없이, 이미지 내의 모든 지점의 균일한 확대를 제공한다. 다시 말해서, 기계 비전 시스템에서 이용된 텔레센트릭 렌즈 시스템은, 표준 이미징 시스템에 의해서 제공되는 원근적(perspective) 이미지와 대조적으로, 실질적으로 등측적인(isometric) 이미지를 제공한다. 상업적으로 이용가능한 텔레센트릭 렌즈 시스템의 하나의 장점은, 등측적인 이미지가 이미지 내의 시차(parallax)를 실질적으로 감소시킬 수 있다는 것이다.
그러나, 텔레센트릭 렌즈 시스템이 주어진 셋팅에서 등측적인 이미지를 제공할 수 있는 유효 범위는 매우 제한된다. 이러한 유효 범위는 일반적으로"텔레센트릭 깊이"(예를 들어, Petrozzo 등의, "Telecentric Lenses Simplify Non-Contact Metrology", Test & Measurement World, October 15, 2001, p.5 참조)로서 일반적으로 지칭된다. 그에 따라, 텔레센트릭 렌즈 시스템의 패러다임은, 그러한 시스템이 대물 평면(object plane) 주위로 중심설정된 좁은 범위에 걸쳐서 동작가능하다는 것이다. 기계 비전 텔레센트릭 렌즈 시스템의 광학적 구성요소는 전체 이미지에 걸쳐서 또렷하고 깨끗한 이미지를 제공할 수 있는 높은 품질의 구성요소이다. 또한, 상업적으로 이용가능한 텔레센트릭 렌즈 시스템은, 전형적으로, 대물 평면의 초점 깊이를 조정할 수 있는 능력을 제공하기 위한 고품질 장착부를 이용한다. 상업적으로 이용가능한 텔레센트릭 렌즈 시스템의 정밀한 이미지화 능력은 비용을 상승시킨다.
개시 내용의 여러 실시예에서, 기계 비전 시스템이 아닌 방식으로 텔레센트릭 개념이 이용된다. 일 실시예에서, 텔레센트릭 광학적 배열체가 무한대로 포커싱하도록 구성되는 한편, 표적으로부터 단지 몇 센티미터로 배열된다. 이러한 배열체의 장점은, 표적 상의 각각의 지점으로부터의 복사선이 광학적 시스템으로 실질적으로 동일 각도로 진입한다는 것이다. 고품질의 이미지화 및 그와 관련한 고비용의 광학 장치는 요구되지 않는데, 이는 대물 화상(imagery)이 아니라 복사선의 수집 및 검출을 목적으로 하기 때문이다. 다시 말해서, 텔레센트릭 광학적 배열체를 아웃-오브-포커스(out-of-focus) 또는 "오프-포커스" 방식으로 이용하여, 표적 표면으로부터 방출된 복사선의 시준된 비임을 효과적으로 포획한다. 그러한 배열체는 고품질의 이미지화 광학장치뿐만 아니라 이미지를 미세 조정하기 위한 정교한 장착부도 필요로 하지 않는다.
구조적으로, 개시 내용의 여러 실시예에서, 오프-포커스 텔레센트릭 광학적 배열체는 하나 이상의 광학적 구성요소의 구경 조리개(aperture stop) 및 제1 또는 "대물" 광학적 구성요소(여기에서, "대물 조립체"로서 지칭된다)를 포함한다. 구경 조리개 및 대물 조립체는 광학적 축 및 대물 조립체 내의 기준 지점에 대한 제1 초점 길이를 형성할 수 있고, 그러한 기준 지점은 광학적 축 상에 위치된다. 일 실시예에서, 구경 조리개는, 대물 조립체의 제1 초점 길이와 실질적으로 동일한 대물 조립체의 기준 지점으로부터의 거리에 위치된다. 대물 조립체의 초점 길이에 구경 조리개를 위치시키는 것에 의해서, 대물 조립체를 통한 오프-포커스 표적으로부터의 실질적으로 시준된 복사선의 전달을 위해서 그리고 오프-포커스 표적으로부터의 복사선을 구경 조리개로 포커싱하기 위해서, 대물 조립체가 무한대로 효과적으로 초점형성된다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 광학적 구성 요소의 제2 또는 "이미지" 광학적 구성요소 조립체(여기에서, "이미지 조립체"로 지칭한다)가, 상기 구경 조리개에서 볼 때, 상기 대물 조립체 반대쪽에 위치될 수 있고 광학적 축을 따라서 대물 조립체로부터 구경 조리개를 통해서 전달되는 복사선을 수신하도록 배열되며, 그러한 이미지 조립체는 이미지 조립체 내에서 제2 기준 지점에 대한 제2 초점 길이를 형성하고, 제2 기준 지점은 광학적 축 상에 위치된다.
일 실시예에서, "양쪽형(bilateral)" 텔레센트릭 광학적 배열체가 구현되고, 그러한 배열체에서 표적 및 이미지 모두의 주요 광선이 광학적 축에 대해서 평행하다. 양쪽형 배열체에서, 대물 조립체의 초점 길이는 표적 거리를 대략적으로 형성하고, 구경 조리개는 본질적으로 대물 조립체의 후방 초점 평면 및 이미지 조립체의 전방 로컬 평면(front local plane)에 위치된다. 양쪽형 텔레센트릭 배열체에서, 대물 광학적 구성요소 조립체를 통해서 수집되는 복사선이 실질적으로 시준되고, 이미지 광학적 구성요소 조립체로부터 검출기로 전달되는 복사선이 또한 실질적으로 시준된다. 이미지 광학적 구성요소 조립체와 검출기 사이에서 복사선을 시준하는 것의 장점은, 떠돌이 광의 부가적인 배제(rejection)이다.
여러 실시예에서, 오프-포커스 텔레센트릭 광학적 배열체가, 화학기상증착 시스템에서 새로운 또는 기존의 복사 온도계와 함께 실행하기 위한 키트로서 제공된다. 일 실시예에서, 표적으로부터 복사선을 수집하기 위해서 구경 조리개 및 정방향 광학적 구성요소 조립체를 포함하는 텔레센트릭 렌즈 조립체가 제공되고, 텔레센트릭 렌즈 배열체는 정방향 광학적 구성요소 조립체의 초점 길이에 구경 조리개를 배치하도록 구성된다. 사용자로 하여금 화학기상증착 챔버 내의 표적으로부터 방출되는 복사선을 가로채도록 정방향 광학적 구성요소 조립체를 배향하게 지시하는, 제조자-제공 명령(instruction)이 또한 제공된다. 일 실시예에서, 텔레센트릭 렌즈 배열체와 복사선 검출기를 커플링시키는 것 및/또는 정방향 광학적 구성요소 조립체의 초점 길이에 구경 조리개를 배치하는 것이 제조자에 의해서 실시되고; 다른 실시예에서, 정방향 광학적 구성요소 조립체의 초점 길이에 구경 조리개를 배치하는 및/또는 조리개를 배치하는 것이 제조자-제공 명령에서 제공된다.
이중 파장 고온계
여러 가지 개시된 실시예는 또한, 가시광선/자외선 또는 "가시광선/UV" 스펙트럼의 그리고 적외선 스펙트럼의 복사선을 측정하기 위해서 오프-포커스 텔레센트릭 개념을 이용하는 이중 파장 고온계를 포함한다. (이러한 개시 내용의 목적을 위해서, "광학적" 스펙트럼으로 대안적으로 지칭되는, "가시광선/UV" 스펙트럼은 300 nm 내지 700 nm 파장을 포함하고, "가시광선" 스펙트럼은 400 nm 내지 700 nm 파장을 포함하며, "적외선" 스펙트럼은 700 nm 내지 약 10,000 nm의 파장을 포함한다.) 복사선 측정으로부터 온도를 추정하기 위한 일반적인 해결책으로서 소위 "비율(ratio)" 고온계가 있다. 비율 고온계는 2개의 구분되는 파장 통과 대역에서 표적으로부터 방출된 복사선을 측정하는 것, 그리고 온도에 대한 획득 신호의 비율을 상호관련시키는 원리로 동작시키는 것을 포함한다. 회색체(gray body) 방출기(즉, 구분된 파장 통과 대역 모두를 가로질러 동일한 방출률(emissivity)을 가지는 표적)에서, 방출률의 영향이 비율의 몫(quotient)에 의해서 효과적으로 상쇄되고, 그에 따라 신호 비율 대 온도가 흑체 영점교정(calibration)에 대한 것과 같아진다. 또한, 관찰(view)되는 표적이 회색체가 아닐 때 비율 고온계의 표시된 온도를 교정하기 위한 체계(scheme)가 또한 개발되었다.
서로 근접한 파장 통과 대역이 멀리 떨어진 파장 통과 대역보다 동일한 방출률을 가질 수 있는(즉, 회색체 거동을 나타낸다) 기회가 더 크다는 일반적인 추정 하에서, 표준 비율 고온계의 구분된 파장 통과 대역은 전자기적 스펙트럼에서 서로 비교적 근접하는 경향을 가진다. 그러나, 특정 프로세스의 경우에, 프로세스를 적절하게 제어하기 위해서 파장 스펙트럼의 상이한 부분들로부터 정보를 획득하는 것이 바람직하다. 예를 들어, MOCVD 반응기 내에서 사파이어 기판 상에 GaN을 증착하는 경우에, 프로세스를 제어하기 위한 하나의 방식은 일차적인 온도 제어를 위해서 적외선 고온계를 이용하여 웨이퍼 캐리어의 온도를 추정하고, 이차적인 제어를 위해서 광학적 고온계를 이용하여 웨이퍼의 GaN 층의 온도를 추정하는 것이다. 통상적인 비율 고온계는 이러한 목적에 적합하지 않은데, 이는 양 파장 통과 대역이 전형적으로 동일한 전자기적 체제(regime) - 광학적 또는 적외선 - 에 있기 때문이다.
본 개시 내용의 이중 파장 고온계 실시예로, 복사 온도계의 쌍이 상이한 파장 통과 대역에서 표적을 동일하게 관찰하는 것으로부터 복사선을 측정한다. 통과 대역들의 중심 파장들은 전자기적 스펙트럼의 상이한 부분들 내에 위치될 수 있고, 제1 파장 통과 대역이 가시광선/UV 스펙트럼 내에 위치되고 제2 파장 통과 대역이 적외선 스펙트럼 내에 위치될 수 있다. 일 실시예에서, 적외선 및 광학적 파장 통과 대역을 위한 중앙 파장은 각각 약 900 nm 및 400 nm이다(예를 들어, 930 nm 및 405 nm 이다). 본 개시 내용의 이중 파장 고온계는 단일 패키지 내에 광학적(즉, 가시광선/UV 스펙트럼) 및 적외선 검출기를 조합하고, 그에 따라 양 측정이 공통 관찰 포트(common view port)를 통해서 이루어진다. 따라서, 광학적 및 적외선 복사선 측정 모두를 위한 준비에서 2개의 관찰 포트의 이용을 필요로 하지 않는다. 추가적인 장점은, 광학적 및 적외선 측정 모두를 위해서 포획되는 복사선이 관찰 포트 윈도우 상의 동일한 지점을 통해서 동일한 같은 표적으로부터 동시적으로 포획될 수 있고, 그에 따라 상이한 관찰 포트 윈도우를 통한 상이한 표적으로부터 얻어지는 비-동시적인 측정으로부터 발생할 수 있는 특정 불일치를 배제할 수 있다는 것이다. 오프-포커스 텔레센트릭 광학장치의 통합은 산란된 복사선의 기여분을 추가로 감소시키고, 이는 온도 측정의 편향 오류를 감소시킨다.
여기에서 개시된 이중 파장 고온계 배열체의 일부가 방출률 보상을 위한 반사계 배열체를 선택적으로 포함한다. 복사선 신호로부터 온도를 추정하는 것은 표적의 방출률에 대한 지식 또는 보상을 필요로 한다. 층이 웨이퍼 상으로 축적됨에 따라, CVD 챔버 내의 웨이퍼는 실질적인 그리고 비-단조적(non-monotonic) 방출률 변화를 겪게 되고, 그에 따라 간헐적인 상쇄 간섭이 상이한 웨이퍼 층으로부터 반사하도록 유도하고, 결과적으로 반사율 및 방출률의 주기적인 변동을 초래한다. 본 개시 내용의 특정 실시예는, 이중 파장 고온계의 복사 온도계 중 하나 또는 양자 모두를 포함하는, 복사 온도계로 통합된 반사계를 포함한다. 반사계는 표적의 방출률을 추정하도록 실행될 수 있고 표시된 온도에 대한 교정을 제공할 수 있다. 오프-포커스 텔레센트릭 광학장치의 통합은 산란된 복사선의 기여분을 추가적으로 감소시키고, 이는 방출률 결정의 편향 오류를 감소시킨다.
구조적으로, 개시된 텔레센트릭 이중 파장 고온계는 오프-포커스 표적으로부터 복사선을 전달하기 위한 하나 이상의 광학적 구성요소의 대물 조립체를 포함할 수 있고, 그러한 대물 조립체는 대물 조립체 내의 기준 지점에 대한 초점 길이를 형성한다. 이러한 실시예에서, 대물 조립체로부터 전달되는 복사선을 수신하도록 제1 구경 조리개가 배열되고, 대물 조립체 및 제1 구경 조리개는 기준 지점을 통과하는 제1 광학적 축을 형성하고, 제1 구경 조리개는 제1 구경 조리개 상으로 복사선의 제1 검출 부분을 초점형성하기 위해서 대물 조립체의 초점 길이와 실질적으로 동일한 기준 지점으로부터의 거리에 위치된다. 또한, 이러한 실시예에서, 제2 구경 조리개는 대물 조립체로부터 전달되는 복사선을 수신하도록 배열되고, 대물 조립체 및 제2 구경 조리개는 기준 지점을 통과하는 제2 광학적 축을 형성하고, 제2 구경 조리개는 제2 구경 조리개 상으로 복사선의 제2 검출 부분을 초점형성하기 위해서 대물 조립체의 초점 길이와 실질적으로 동일한 기준 지점으로부터의 거리에 위치된다. 제1 전자기적 복사선 검출기는 제1 구경 조리개를 통해서 대물 조립체로부터 전달되는 복사선의 제1 검출 부분을 검출하도록 배열될 수 있다. 유사하게, 제2 전자기적 복사선 검출기는 제2 구경 조리개를 통해서 대물 조립체로부터 전달되는 복사선의 제2 검출 부분을 검출하도록 배열될 수 있고, 제1 전자기적 복사선 검출기 및 제2 전자기적 복사선 검출기는 오프-포커스 표적의 온도를 추정하기 위한 제1 신호 및 제2 신호를 각각 생성한다.
텔레센트릭 이중 파장 고온계는 전자기적 복사선의 제1 비임의 발생을 위한 제1 복사선 공급원 및 제1 비임 스플리터(splitter)를 포함하는 제1 반사계 하위조립체를 더 포함할 수 있고, 제1 비임 스플리터는 오프-포커스 표적의 복사선에 대한 제1 광학적 축을 따른 제1 비임의 일부의 전파를 위해서 배열된다. 전자기적 복사선의 제2 비임의 발생을 위한 제2 복사선 공급원 및 제2 비임 스플리터를 포함하는 제2 반사계 하위조립체가 또한 포함될 수 있고, 제2 비임 스플리터는 오프-포커스 표적의 복사선에 대한 제2 광학적 축을 따른 제2 비임의 일부의 전파를 위해서 배열된다.
일 실시예에서, 복사선의 제1 검출 부분이 전자기적 복사선의 적외선 스펙트럼 이내이고, 복사선의 제2 검출 부분은 전자기적 복사선의 가시광선 스펙트럼 이내이다. 복사선의 제2 검출 부분은, 400 nm 이상이고 410 nm 이하인 파장에 중심설정되는 파장 통과 대역을 형성할 수 있다. 복사선의 제1 검출 부분은 930 nm 파장을 포함하는 파장 통과 대역을 형성할 수 있다. 제1 전자기적 복사선 검출기에 의해서 검출되는 복사선의 제1 검출 부분 및 제2 전자기적 복사선 검출기에 의해서 검출되는 복사선의 제2 검출 부분 중 하나를 선택적으로 감소시키기 위해서, 감소된 조리개 조립체가 또한 배열될 수 있다.
복수-채널 고온계
본 개시 내용의 실시예는, 제조 중에 웨이퍼의 온도 프로파일을 결정하기 위한 복수의 오프-포커스 텔레센트릭 복사 온도계를 제공하는 공간적 온도 분포를 추정하기 위한 "복수-채널" 고온계 시스템을 더 포함한다. 웨이퍼 수득(yield)을 증가시키기 위해서 균일한 웨이퍼 온도가 바람직하다. 웨이퍼 캐리어 및 웨이퍼의 벌크(bulk) 온도가 가열 요소에 의해서 제어되는 한편, 웨이퍼들 사이의 온도 균일성뿐만 아니라 하나의 웨이퍼 내의 온도 균일성을 개선하기 위해서, 여러 가지 이차적인 매개변수를 운영자가 이용할 수 있다. 본 개시 내용은 웨이퍼 온도의 균일성을 측정하기 위한 배열체를 포함한다. 복수의 복사 온도계는 주어진 웨이퍼 상의 상이한 위치에서 상이한 표적을 관찰하도록 배향되고, 각각의 표적으로부터의 데이터가 동시적으로 획득된다. 웨이퍼에 걸친 온도 분포를 추정하기 위해서 대상 웨이퍼의 거의 전체적인 커버리지를 제공하도록, 표적 크기가 맞춤화될 수 있다. 온도 균일성 맵(map)이 생성될 수 있고 선택된 시간 간격(예를 들어, 1분)에 걸친 동기화된 데이터의 통계적 평균을 이용하는 것에 의해서 그들의 정확성이 개선될 수 있다. 오프-포커스 텔레센트릭 광학 장치의 통합은, 웨이퍼의 표적의 위치에 따라서 실질적으로 변화될 수 있는, 챔버 내의 산란 복사선의 기여분을 추가적으로 감소시킨다. 산란된 복사선의 기여분의 감소는 개별적인 온도 측정의 편향 오류를 감소시키고 결과적으로 온도 프로파일의 편향 오류를 감소시킨다.
본 개시 내용의 또 다른 실시예에서, 복수-채널 배열체 및 이중 파장 개념(선택적인 반사율 측정 능력을 가진다) 모두가 동일한 시스템 내에서 조합된다. 이러한 배열체에 의해서, 온도 프로파일이, 이중 파장 및/또는 방출률 보상 배열체에 의해서 제공되는 향상된 정확성을 가질 수 있다.
구조적으로, 공간적인 온도 분포를 추정하기 위한 복수-채널 고온계 시스템이 개시되고, 그러한 시스템은 상응하는 복수의 인접한 오프-포커스 표적을 관찰하도록 배열된 복수의 복사 온도계를 포함하고, 복수의 복사 온도계의 각각은 제1 텔레센트릭 광학적 배열체를 포함한다. 제1 텔레센트릭 광학적 배열체는 복사선의 전달을 위한 하나 이상의 광학적 구성요소의 대물 조립체를 포함하고, 대물 조립체는 대물 조립체 내의 기준 지점에 대한 초점 길이를 형성한다. 복수의 복사 온도계의 각각은, 대물 조립체로부터 전달되는 복사선을 수신하도록 배열된 제1 구경 조리개를 포함하고, 대물 조립체 및 제1 구경 조리개는 기준 지점을 통과하는 제1 광학적 축을 형성하며, 제1 구경 조리개는, 상응하는 복수의 인접한 오프-포커스 표적 중 각각의 하나로부터 제1 구경 조리개 상으로 복사선의 제1 검출 부분을 초점형성하기 위한 대물 조립체의 초점 길이와 실질적으로 동일한, 기준 지점으로부터의 거리에 위치된다. 복수의 복사 온도계의 각각은 제1 구경 조리개를 통해서 대물 조립체로부터 전달되는 복사선의 제1 검출 부분을 검출하도록 배열된 제1 전자기적 복사선 검출기를 더 포함하고, 제1 전자기적 복사선 검출기는 제1 신호를 생성하고, 제1 신호로부터 상응하는 복수의 인접한 오프-포커스 표적 중 각각의 하나의 온도가 추정된다. 복수의 복사 온도계는 웨이퍼 캐리어 상의 웨이퍼를 관찰하도록 배열될 수 있고, 웨이퍼 캐리어는 화학기상증착 챔버 내에 배열되고, 복수의 인접한 오프-포커스 표적은 웨이퍼에 의해서 완전히 대응된다. 웨이퍼에 오프-포커스 표적이 대응하는 것은 주기적인데, 이는 웨이퍼 캐리어의 회전 때문이다.
복수의 복사 온도계 중 적어도 하나가, 제1 비임 스플리터 및 전자기적 복사선의 제1 비임의 생성을 위한 제1 복사선 공급원을 포함하는 제1 반사계 하위조립체를 포함할 수 있다. 제1 비임 스플리터는 상응하는 복수의 인접한 오프-포커스 표적 중의 각각의 하나를 조사(照射)하기 위한 제1 광학적 축을 따른 제1 비임의 부분의 전파를 위해서 배열될 수 있다. 제2 비임 스플리터 및 전자기적 복사선의 제2 비임의 생성을 위한 제2 복사선 공급원을 포함하는 제2 반사계 하위조립체가 또한 포함될 수 있고, 제2 비임 스플리터는 상응하는 복수의 인접한 오프-포커스 표적 중의 각각의 하나를 조사하기 위한 제2 광학적 축을 따른 제2 비임의 부분의 전파를 위해서 배열될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 반사계 하위조립체 또는 하위조립체들 중 하나 또는 양자 모두가 초퍼(chopper)를 이용하여 제1 비임을 변조(modulate)한다. 또한, 복수의 복사 온도계 중 적어도 하나가, 제1 전자기적 복사선 검출기에 의해서 검출된 복사선의 제1 검출 부분을 선택적으로 감소시키도록 배열된 감소된 조리개 조립체를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 고온계 시스템의 복수의 복사 온도계 중 적어도 하나가, 대물 조립체로부터 복사선을 수신하도록 배열된 제2 구경 조리개를 포함하는 제2 텔레센트릭 광학적 배열체로서, 대물 조립체 및 제2 구경 조리개는 기준 지점을 통과하는 제2 광학적 축을 형성하고, 제2 구경 조리개는, 상응하는 복수의 인접한 오프-포커스 표적 중 각각의 하나로부터 제2 구경 조리개 상으로 복사선의 제2 검출 부분을 초점형성하기 위한 대물 조립체의 초점 길이와 실질적으로 동일한, 기준 지점으로부터의 거리에 위치되는, 제2 텔레센트릭 광학적 배열체; 및 제2 구경 조리개를 통해서 대물 조립체로부터 전달되는 복사선의 제2 검출 부분을 검출하도록 배열된 제2 전자기적 복사선 검출기로서, 제2 전자기적 복사선 검출기는 제2 신호를 생성하고, 제2 신호로부터 상응하는 복수의 인접한 오프-포커스 표적 중 각각의 하나의 온도가 추정되는, 제2 전자기적 복사선 검출기를 더 포함한다. 복사선의 제1 검출 부분은 전자기적 복사선의 적외선 스펙트럼 이내일 수 있고, 복사선의 제2 검출 부분은 전자기적 복사선의 가시광선 스펙트럼 이내일 수 있다. 일 실시예에서, 콜드 미러(cold mirror)가 제1 광학적 축 및 제2 광학적 축을 따라서 배치되고, 콜드 미러는 복사선의 제1 검출 부분을 투과시키고 복사선의 제2 검출 부분을 반사시킨다. 복사선의 제2 검출 부분은 400 nm 이상 및 410 nm 이하의 파장에서 중심설정되는 파장 통과 대역을 형성할 수 있고, 복사선의 제1 검출 부분은 930 nm 파장을 포함하는 파장 통과 대역을 형성할 수 있다.
떠돌이 복사선 제어
여러 가지 실시예의 동작 원리는 복사 온도계의 표적의 인접부 내의 주변 가열 요소로부터의 복사선의 기여분을 지역적으로 감소시키는 것이다. 일 실시예에서, 복사선 기여분의 지역적인 감소는, 주변 가열 요소로부터 복사 온도계의 동작 파장으로 방출되는 복사선 열이 주변 가열 요소 또는 요소들의 다른 부분으로부터 방출되는 복사선 열 보다 실질적으로 적도록(예를 들어, 102배 초과로(more than two orders of magnitude lower) 더 적도록), 주변 가열 요소 상에서 저열 플럭스(low heat flux) 부분을 포함하는 것에 의해서 달성된다. 저열 플럭스 부분은 동작 파장(예를 들어, 가시광선/UV 스펙트럼 내의 파장)의 복사선의 방출을 배제하고, 그에 따라, 지역적으로, 그러한 주변 가열 요소는 복사 온도계의 동작 파장의 떠돌이 복사선에 기여하지 않는다. 이러한 작업에 대한 분석 및 실험으로부터, 이러한 방식으로 복사 온도계의 표적 지역에 근접하여 스펙트럼 복사선 기여분을 감소시키는 것이 떠돌이 복사선에 기인한 편향 오류를 상당히 감소시킨다는 것을 확인하였다.
다른 실시예에서, 떠돌이 복사선 기여분의 지역적 감소는 주변 가열 요소 근처에 배치된 복사선 트랩(trap)에 의해서 달성된다. 그에 의해서, 복사선 트랩에 근접한 세그먼트로부터의 주변 가열 장치에서 기원하는 복사선의 많은 부분이 포획되고 떠돌이 복사선 기여분에 기여하지 않게 된다.
다른 실시예에서, 떠돌이 복사선 기여분의 지역적인 감소는 주변 가열 요소의 세그먼트로부터 기원하는 복사선을 재지향시키는 것에 의해서 달성된다. 이러한 실시예에서, 편위(deflection) 표면이, 주변 가열 요소의 일부로부터 기원하는 복사선을 복사 온도계의 표적 지역으로부터 멀리 편위시키는 주변 가열 요소에 근접하여 배치된다. 이러한 방식에서, 떠돌이 복사선 기여분이 지역적으로 감소된다.
일 실시예에서, 복사 온도계에 의해서 수신되는 떠돌이 복사선을 제한하기 위한 시스템이 설명되고, 그러한 시스템은 화학기상증착(CVD) 챔버, 회전 축 주위의 회전을 위해서 구성된 웨이퍼 캐리어를 포함하고, 웨이퍼 캐리어는 상단부 표면, 하단부 표면, 및 외측 엣지를 포함하고, 상단부 표면은 실질적으로 평면형이고 표적 평면을 형성한다. 복수의 가열 요소가 웨이퍼 캐리어 아래에 배치되고, 복수의 가열 요소가 웨이퍼 캐리어의 하단부 표면을 조사하도록 배열된다. 복수의 가열 요소가 웨이퍼 캐리어의 외측 엣지에 근접한 주변 가열 요소를 포함할 수 있다. 주변 가열 요소는 복수의 가열 요소 중 다른 가열 요소를 실질적으로 둘러쌀 수 있고, 또는 다른 가열 요소를 둘러싸는 둘 이상의 가열 요소를 포함할 수 있다. 주변 가열 요소는 주변 가열 요소의 지정된 부분을 따라 저열 플럭스 부분을 포함할 수 있고, 저열 플럭스 부분은 주변 가열 요소의 다른 부분에 비해서 실질적으로 감소된 온도에서 동작한다. 하나의 실시예에서, 저열 플럭스 부분은, 최대 동작 온도에서 동작할 때 가열 요소의 임의의 다른 부분 보다 적어도 300 ℃ 낮은 온도에서 동작하도록 구성된다.
일 실시예에서, 복사 온도계는 "감소된 산란 복사선의 축"에 근접한 표적의 관찰을 위해서 배열되고, 감소된 산란 복사선의 축은 표적 평면과 공통 평면적이고 회전 축으로부터 그리고 가열 요소의 저열 플럭스 부분 위에서 연장한다. 주변 가열 요소의 저열 플럭스 부분이 전기적 커넥터를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 표적은 감소된 산란 복사선의 축의 부분을 포함하는 웨이퍼 평면 상의 직사각형 영역 내에 위치되고, 그러한 직사각형 영역은 스핀들로부터 웨이퍼 캐리어의 외측 엣지까지 연장하고, 직사각형 영역은 주변 가열 요소의 지정된 부분의 접선방향(tangential) 치수와 대략적으로 동일한 폭을 가진다.
시스템은 CVD 챔버 내에 배치된 실린더를 더 포함할 수 있고, 그러한 실린더는 회전 축과 실질적으로 동심적인 실린더 축을 형성하고, 실린더는 내측 표면 및 외측 표면을 가지며, 내측 표면은 내측 실린더 직경을 형성하고, 외측 표면은 외측 실린더 직경을 형성하며, 실린더는 실린더 축에 실질적으로 직교하는 상부 평면을 형성하는 상단부 엣지를 가진다. 웨이퍼 캐리어는 실린더의 내측 실린더 직경 보다 큰 캐리어 외측 직경을 형성할 수 있다. 시스템은 또한 CVD 챔버 내에 배치된 스핀들을 포함하고, 스핀들은 회전 축과 동축적이고 웨이퍼 캐리어와의 커플링을 위해서 구성된 원위(distal) 부분을 가진다. 일 실시예에서, 복사 온도계는 전자기적 스펙트럼의 가시광선/UV 부분 내의 복사선을 검출하도록 구성된다.
개시 내용의 여러 실시예에서, 주변 가열 요소의 지정된 부분으로부터 방출되는 산란 복사선을 감소시키기 위한 상이한 메커니즘이 제시된다. 일 실시예에서, 메커니즘은 주변 가열 요소의 지정된 부분에 근접하여 위치되는 복사선 트랩 및 복사선 편위기 중 하나를 포함한다.
다른 실시예에서, 화학기상증착 챔버 내에서 표적을 관찰하는 복사 온도계에 의해서 수신되는 떠돌이 복사선을 제한하기 위한 방법이 제시되고, 그러한 방법은 화학기상증착 챔버 내에서 동작하도록 구성된 웨이퍼 캐리어 및 히터 어레이를 제공하는 단계를 포함하고, 웨이퍼 캐리어는 회전 축 주위로 회전하도록 구성되고 하부 표면 및 실질적으로 평면형인 상부 표면을 가지며, 상부 표면은 표적 평면을 형성하고, 히터 어레이는 주변 가열 요소의 지정된 부분을 따라서 저열 플럭스 부분을 포함하는 주변 가열 요소를 포함한다. 유형(tangible) 매체 상의 명령이 또한 제공되고, 명령은:
· 화학기상증착 챔버 내에 히터 어레이를 배치하는 것;
· 화학기상증착 챔버 내에서 히터 어레이 위에, 그리고 상부 표면이 위쪽을 향하도록 웨이퍼 캐리어를 배치하는 것;
· 감소된 산란 복사선의 축에 근접하여 표적을 관찰하도록 복사 온도계를 정렬시키는 것으로서, 감소된 산란 복사선의 축이 표적 평면과 공통 평면적이고 회전 축으로부터 그리고 가열 요소의 저열 플럭스 부분 위에서 연장하는, 정렬시키는 것를 포함한다.
도 1은 다양한 온도에서 프랭크의 법칙에 따른 스펙트럼 흑체 방출능의 그래프이다.
도 2는 개시된 실시예에서 MOCVD 챔버에 동작적으로 커플링된 오프-포커스 텔레센트릭 복사 온도계의 단면도이다.
도 3은 개시된 실시예에서 MOCVD 챔버에 동작적으로 커플링된 오프-포커스 텔레센트릭 복사 온도계 및 광 트랩의 단면도이다.
도 4는 개시된 실시예의 오프-포커스 텔레센트릭 광학적 배열체의 도면이다.
도 5는 개시된 실시예의 유동 연장부를 이용하는 MOCVD 챔버에 동작적으로 커플링된 오프-포커스 텔레센트릭 복사 온도계의 단면도이다.
도 5a는 도 5의 유동 연장부 및 MOCVD 챔버의 확대된 부분 단면도이다.
도 6a 내지 6c는 개시된 실시예에서 웨이퍼의 공간적 온도 분포를 획득하기 위한 복수-채널 배열체를 도시한다.
도 7a는 복사 온도계를 가지는 MOCVD 챔버의 단면도이다.
도 7b는 개시된 실시예에서 복사선 산란을 모델링하기 위한 여러 가지 부속물과 함께 도 7a의 MOCVD 챔버의 3차원적인 절개도이다.
도 8은 도 7a의 주변 가열 요소의 일부로부터 방출된 복사선의 개략도이다.
도 9는 개시된 실시예에서 반응기 챔버(웨이퍼 캐리어 제거됨) 내의 가열 요소 배열체의 평면도이다.
도 10은 히터 어레이의 가열 사이클 중에 웨이퍼 캐리어를 관찰하는, 적외선 복사 온도계 및 광학적 복사 온도계의 응답을 비교한 그래프이다.
도 11은 도 9의 평면도로서, 개시된 실시예에서 떠돌이 복사선 검출 실험을 위한 히터 어레이에 대한 표적의 정렬을 도시한 평면도이다.
도 12a는 개시된 실시예에서 주변 가열 요소의 높은 열 플럭스 부분에 근접한 그리고 주변 가열 요소의 저열 플럭스 부분에 근접한 웨이퍼 캐리어의 외측 방사상 위치들을 관찰하도록 배열된 복사 온도계의 응답을 비교하는 그래프이다.
도 12b는 개시된 실시예에서 주변 가열 요소의 높은 열 플럭스 부분에 근접한 그리고 주변 가열 요소의 저열 플럭스 부분에 근접한 웨이퍼 캐리어의 중간-범위(mid-span)를 관찰하도록 배열된 복사 온도계의 응답을 비교하는 그래프이다.
도 13a는 개시된 실시예에서 지역적인 복사선 트랩을 포함하는 반응기 챔버 내의 웨이퍼 캐리어의 부분적인 평면도이다.
도 13b는 도 13a의 지역적인 복사선 트랩의 단면도이다.
도 14는 개시된 실시예에서 지역적인 복사선 편위기를 이용하는 챔버의 개략도이다.
도 15는 개시된 실시예에서 관찰 포트를 통해서 웨이퍼를 관찰하는 이중 파장 고온계의 개략도이다.
도 16a 및 16b는 개시된 실시예에서 반사계 하위조립체를 이용하는 고온계에 의해서 수신되는 복합 신호의 도면이다.
도 17은 개시된 실시예에서 웨이퍼의 공간적 온도 분포를 획득하기 위해서 이중 파장 고온계를 이용하는 복수-채널 배열체를 도시한다.
도 2는 개시된 실시예에서 MOCVD 챔버에 동작적으로 커플링된 오프-포커스 텔레센트릭 복사 온도계의 단면도이다.
도 3은 개시된 실시예에서 MOCVD 챔버에 동작적으로 커플링된 오프-포커스 텔레센트릭 복사 온도계 및 광 트랩의 단면도이다.
도 4는 개시된 실시예의 오프-포커스 텔레센트릭 광학적 배열체의 도면이다.
도 5는 개시된 실시예의 유동 연장부를 이용하는 MOCVD 챔버에 동작적으로 커플링된 오프-포커스 텔레센트릭 복사 온도계의 단면도이다.
도 5a는 도 5의 유동 연장부 및 MOCVD 챔버의 확대된 부분 단면도이다.
도 6a 내지 6c는 개시된 실시예에서 웨이퍼의 공간적 온도 분포를 획득하기 위한 복수-채널 배열체를 도시한다.
도 7a는 복사 온도계를 가지는 MOCVD 챔버의 단면도이다.
도 7b는 개시된 실시예에서 복사선 산란을 모델링하기 위한 여러 가지 부속물과 함께 도 7a의 MOCVD 챔버의 3차원적인 절개도이다.
도 8은 도 7a의 주변 가열 요소의 일부로부터 방출된 복사선의 개략도이다.
도 9는 개시된 실시예에서 반응기 챔버(웨이퍼 캐리어 제거됨) 내의 가열 요소 배열체의 평면도이다.
도 10은 히터 어레이의 가열 사이클 중에 웨이퍼 캐리어를 관찰하는, 적외선 복사 온도계 및 광학적 복사 온도계의 응답을 비교한 그래프이다.
도 11은 도 9의 평면도로서, 개시된 실시예에서 떠돌이 복사선 검출 실험을 위한 히터 어레이에 대한 표적의 정렬을 도시한 평면도이다.
도 12a는 개시된 실시예에서 주변 가열 요소의 높은 열 플럭스 부분에 근접한 그리고 주변 가열 요소의 저열 플럭스 부분에 근접한 웨이퍼 캐리어의 외측 방사상 위치들을 관찰하도록 배열된 복사 온도계의 응답을 비교하는 그래프이다.
도 12b는 개시된 실시예에서 주변 가열 요소의 높은 열 플럭스 부분에 근접한 그리고 주변 가열 요소의 저열 플럭스 부분에 근접한 웨이퍼 캐리어의 중간-범위(mid-span)를 관찰하도록 배열된 복사 온도계의 응답을 비교하는 그래프이다.
도 13a는 개시된 실시예에서 지역적인 복사선 트랩을 포함하는 반응기 챔버 내의 웨이퍼 캐리어의 부분적인 평면도이다.
도 13b는 도 13a의 지역적인 복사선 트랩의 단면도이다.
도 14는 개시된 실시예에서 지역적인 복사선 편위기를 이용하는 챔버의 개략도이다.
도 15는 개시된 실시예에서 관찰 포트를 통해서 웨이퍼를 관찰하는 이중 파장 고온계의 개략도이다.
도 16a 및 16b는 개시된 실시예에서 반사계 하위조립체를 이용하는 고온계에 의해서 수신되는 복합 신호의 도면이다.
도 17은 개시된 실시예에서 웨이퍼의 공간적 온도 분포를 획득하기 위해서 이중 파장 고온계를 이용하는 복수-채널 배열체를 도시한다.
도 1을 참조하면, 여러 온도에서 프랭크의 법칙에 따른 스펙트럼 흑체 방출능을 도시하는 곡선(10)의 군이 제시되어 있다. 대략적으로 400 nm 내지 700 nm 파장 대역에 상당하는 가시적인 스펙트럼 영역(12)이 또한 도 1에서 식별되어 있다. 410 nm에서 흑체 방출능에 미치는 온도의 영향에 관한 이전의 설명과 관련하여, 제1 및 제2 기준 지점(14 및 16)이 도 1에서 각각 1073 K 및 2073 K(각각, 800 ℃ 및 1800 ℃에 상응)로 식별되어 있다.
도 2 및 3을 참조하면, 오프-포커스 텔레센트릭 광학적 배열체(24)를 가지는 복사 온도계(22)를 이용하는 MOCVD 반응기 시스템(20)이 개시된 실시예에서 도시되어 있다. MOCVD 반응기 시스템(20)은 유동 플랜지(28)와 동작적으로 커플링되어 외장(30)을 형성하는 반응기 챔버(26)를 포함한다. 유동 플랜지(28)는 층류 유동 플레이트(31)를 포함하고, 그러한 층류 유동 플레이트를 통해서 MOCVD 프로세스를 위한 가스가 반응기 챔버(26) 내로 도입된다. 웨이퍼 포켓(35)을 형성하는 상단부 표면(34) 및 하단부 표면(36)을 갖고 회전 축(40)을 형성하는 스핀들(38)과 동작적으로 커플링되는 웨이퍼 캐리어(32)가 반응기 챔버(26) 내에 배치된다. 각각의 웨이퍼 포켓(35)이 웨이퍼(41)의 내부적 배치를 위해서 구성된다. 본체 셔터(body shutter)(42)가 반응기 챔버(26)의 내측 벽에 인접하여 제거가능하게 삽입될 수 있고 웨이퍼 캐리어(32)를 둘러싼다.
저항 가열 어레이(44)가 웨이퍼 캐리어(32) 아래에 배치되어, 웨이퍼 캐리어(32)의 하단부 표면(36)과 복사적으로 커플링된다. 저항 가열 어레이(44)는 주변 가열 요소(45)를 포함할 수 있고 실린더(46)에 의해서 둘러싸일 수 있으며 또한 반사부 플레이트(48)로 하부가 경계 지어져서 저항 가열 어레이(44)와 웨이퍼 캐리어(32) 사이의 복사적 커플링을 향상시킬 수 있다.
복사 온도계(22)는 유동 플랜지(28)의 상단에 장착되고 관찰 포트 윈도우(52)를 통해서 웨이퍼 캐리어(32)의 상단부 표면(34)을 관찰하도록 배향된다. 일 실시예에서, 관찰 포트 윈도우(52)는 리세스(54) 내에 배치되고, 리세스는 능동적으로(actively) 냉각될 수 있다.
오프-포커스 텔레센트릭 광학적 배열체(24)는 제1 또는 정방향 광학적 구성요소 조립체(62)(여기에서, "대물 조립체(62)"로서 지칭된다) 및 제2 또는 역방향(rearward) 광학적 구성요소 조립체(64)(여기에서 "이미지 조립체(64)"로 지칭된다)를 포함한다. 대물 조립체(62)는 유효 방사상 치수(65)(도 4), 즉 대물 조립체(62)가 구경 조리개(66)로 복사선을 효과적으로 전달하는 최대 반경 치수를 가지는 것으로 특징지어진다.
구경 조리개(66)는 대물 조립체(62)와 이미지 조립체(64) 사이에 배치된다. 일 실시예에서, 대물 조립체(62) 및 이미지 조립체(64) 그리고 구경 조리개(66)는 광학적 축(68)을 따라서 동심적으로 배열된다. 광학적 축(68)을 중심으로 하여, 복사 온도계(22)에 의해서 검출되는 복사선이 전파된다. 광학적 축(68)은, 여기에서 도시된 바와 같이, 직선형일 수 있고, 또는, 예를 들어, 평면형 또는 포커싱 거울이 복사선의 전달을 위해서 구현될 때 구불구불할 수 있다. 광학적 축(68)은 오프-포커스 표적(72)을 중심으로 중심설정될 수 있고, 오프-포커스 표적 지역(74)을 가지는 것을 특징으로 할 수 있다. 복사 온도계(22)는 또한 전자기적 복사선을 검출하기 위한 검출기(76)를 포함한다.
이러한 개시 내용의 목적을 위해서, "광학적 구성요소 조립체"가 복수의 광학적 구성요소(도시된 바와 같음)를 포함할 수 있거나, 단일 렌즈와 같은 단일 광학적 구성요소를 포함할 수 있다는 것을 주목하여야 한다. 여기에서 도시된 광학적 구성요소가 렌즈를 포함하지만, 포커싱 거울 및 광섬유 번들(bundle)과 같은 다른 광학적 구성요소를 또한 이용하여 복사선 전달을 달성할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
일 실시예에서, 광학적 축(68)이 웨이퍼 캐리어(32)의 상단부 표면(34)에 실질적으로 수직이 되도록 복사 온도계(22)가 배향된다(도 2). 다른 실시예에서, 광학적 축(68)이 웨이퍼 캐리어(32)의 상단부 표면(34)에 수직인 방향에 대해서 예각(78)이 되도록, 복사 온도계(22)가 배향된다(도 3). 일 실시예에서, 광 트랩(82)은 3-차원적인 공간에서 광학적 축(68)(도 3)의 거울반사형(mirrored) 각도로 배열된다. 즉, 광 트랩(82)은 웨이퍼 캐리어(32)의 상단부 표면(34)에서 가상의 거울반사형 표면으로부터의 광학적 축(68)의 반사에 대응하도록 배열된다.
도 4를 참조하면, 복사 온도계(22)의 오프-포커스 텔레센트릭 광학적 배열체(24)가 보다 구체적으로 도시되어 있다. 대물 조립체(62)는, 대물 조립체(62) 상에 또는 대물 조립체(62) 내에 있는 광학적 축 상의 기준 지점(84)으로부터 측정되는 초점 길이(F1)를 가지는 것을 특징으로 한다. "초점 길이"는, 대물 조립체(62)가 통과하는 광학적 축(68)에 평행한 광선이 초점형성되는 기준 지점(84)으로부터의 거리이다. 오프-포커스 텔레센트릭 광학적 배열체(24)의 경우에, 구경 조리개(66)가 이러한 수렴 지점에, 즉 대물 조립체의 초점 길이(F1)에 배치된다.
이미지 조립체와 구경 조리개 사이의 거리(L1) 및 이미지 조립체(64)와 검출기(76) 사이의 거리(L2)를 가지는 것으로서, 오프-포커스 텔레센트릭 광학적 배열체(24)가 추가적으로 도시되어 있다. 구경 조리개(66)는 또한 주요(major) 치수(86)를 가지는 것을 특징으로 한다. 여기에서, "주 치수"(86)는 원형 조리개의 직경 또는 비-원형 조리개의 최대 치수(예를 들어, 직사각형 조리개의 대각선)이다.
일 실시예에서, 거리(L1)는 이미지 조립체(64)의 초점 길이와 실질적으로 동일하고, 그에 따라 이미지 조립체(64)에 의해서 검출기(76)로 전달되는 복사선이 실질적으로 시준된다. 여기에서, 이러한 배열체는 "양쪽형" 텔레센트릭 광학적 배열체로서 지칭된다. 양쪽형 텔레센트릭 배열체에서, 대물 조립체(62)를 통해서 수집되는 복사선이 실질적으로 시준될 뿐만 아니라, 이미지 조립체(64)로부터 검출기(76)로 전달되는 복사선이 또한 실질적으로 시준된다(도면에 도시된 바와 같음). 이미지 조립체(64)로부터 검출기(76)로 전달되는 복사선을 시준하는 것의 장점은, 부가적인 떠돌이 복사선이 배제된다는 것이다. 그러한 산란된 복사선은 시스템 내의 여러 가지 광학적 구성요소의 표면 상에서 기원할 수 있고, 복사 온도계(22)로 진입하는 오프-축 복사선에서 기원할 수 있다. 이미지 조립체(64)와 검출기(76) 사이의 복사선의 시준은 광학적 축(68)에 평행하지 않은 각도로 이미지 조립체(64)로 진입하는 복사선 중의 많은 복사선을 배제한다.
일 실시예에서, 거리(L2)는 또한 이미지 조립체(64)의 초점 길이와 실질적으로 동일할 수 있다. 그러나, L2는 양쪽형 텔레센트릭 광학적 배열체 내의 임의의 특별한 치수로 한정되지 않는다.
광선 번들(88)은 중앙 또는 "치프(chief)" 광선(92)을 포함하는 광선의 클러스터를 특징으로 하고, 그러한 광선 모두는 표적(72) 상의 극소 지점(infinitesimal point)(94)으로부터 기원한다. 광선 번들(88)은, 치프 광선(92)을 중심으로 중심설정되는 입체각(96) 내에 있는 극소 지점(94)으로부터 기원하는 광선 모두를 포함한다. 치프 광선(92)은 평행하나 광학적 축(68)으로부터 오프셋된다. 표적 지역(74) 내의 각각의 극소 지점(94)은, 대물 조립체(62)에 의해서 수집되는 유사한 광선의 번들을 방출한다.
입체각(96)은 주 치수(86) 및 표적 거리(L3)의 함수이고, 표적 거리는 대물 조립체(62)의 최-정방향(forward-most) 표면(95)으로부터 표적(72)까지의 거리이다. 광선 번들(88)의 입체각(96)이 작아질수록, 광선 번들(88) 내의 광선이 광학적 축(68)에 대한 평행에 더 근접하게 되고, 그리고 떠돌이 광을 보다 배제하게 된다. 주어진 표적 거리(L3)에서, 주 치수(86)가 작아질수록, 입체각(96)이 더 작아진다. 또한, 구경 조리개(66)의 주어진 주 치수(86)에 대해서, 보다 먼 표적 거리(L3)는, 향상된 떠돌이 광의 배제를 위한 보다 작은 입체각(96)을 제공할 것이다. 일반적으로, 표적 거리(L3)는 특정된 치수가 아닌데, 이는 오프-포커스, 평행 광 수집 때문이다. MOCVD 챔버에 대한 표적 거리(L3)의 비-제한적인 예는 2 미터 미만이다. 일 실시예에서, 표적 거리(L3)는 실질적으로 대물 조립체(62)의 초점 길이이고, 이는, 도 4에 도시된 바와 같이, 구경 조리개(66)를 통과할 때, 주어진 광 번들(88)의 광선을 실질적으로 초점형성하는 역할을 한다. 일 실시예에서, 표적 거리(L3)는 약 200 mm 내지 300 mm (예를 들어, 250 mm)이다.
선택적으로, 복사 온도계(22)는 감소된 크기의 조리개 조립체(97) 및/또는 셔터 조립체(98)를 구비할 수 있다. 일 실시예에서, 감소된 크기의 조리개 조립체(97) 및 셔터 조립체(98) 각각이 액추에이터(100)에 장착된 플레이트(99)를 포함한다. 감소된 크기의 조리개 조립체(97)의 경우에, 플레이트(99)는, 구경 조리개(66)의 조리개에 대비하여 크기가 감소된 조리개(101)를 포함하고, 그에 따라 적어도 구경 조리개(66)의 주 치수(86)와 간섭한다. 셔터 조립체(98)의 플레이트(99)는, 한편으로, 브랭크(blank)이다.
동작 중에, 구경 조리개(66)를 통과하는 복사선으로부터 떨어져 있도록 또는 구경 조리개(66)를 통과하는 복사선을 부분적으로 또는 전체적으로 가로막도록, 플레이트(99)가 독립적으로 배치될 수 있다. 감소된 크기의 조리개 조립체(97)의 경우에, 조리개(101)가, 전개된 위치에 있을 때, 광학적 축(68)을 중심으로 중심설정될 수 있고, 그에 의해서 복사선을 부분적으로 가로막고 복사 온도계(22)의 유효 조리개를 감소시킬 수 있다. 셔터 조립체(98)의 경우에, 대기 위치로부터 전개 위치로 플레이트(99)를 배치하는 것은, 표적 복사선이 검출기(76)에 도달하는 것을 전체적으로 차단한다. 감소된 크기의 조리개 조립체(97) 및 셔터 조립체(98)가 도 4에서 전개된 위치에서 도시되어 있다. 일 실시예에서, 조리개(101)가 1 내지 12 mm 범위의 직경을 가진다.
기능적으로, 온도가 증가함에 따라 검출기의 포화를 방지하도록, 감소된 크기의 조리개 조립체(97)가 구현될 수 있다. 전술한 바와 같이, 흑체 스펙트럼 방출능은, 특히 가시광선/UV 스펙트럼에서, 몇 배로 증가될 수 있다. 감소된 크기의 조리개 조립체(97)는 검출기(76)에 도달하는 복사선의 레벨을 감소시키기 위해서 이용될 수 있고, 그에 의해서 포화를 방지할 수 있다. 유사하게, 셔터 조립체(98)를 이용하여, 극한 조건의 복사선 조건에서 검출기(76)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
도시된 액추에이터(들)(100)는, 전개 위치에서 플레이트(들)(99)를 광학적 축(68)으로 회전시키고 대기 위치에서 플레이트(들)(100)를 광학적 축으로부터 멀리 회전시키는 회전 타입이다. 이러한 배열체는 제한적인 것이 아니고, 플레이트(들)(99)를 광학적 경로 내외로 선형적으로 병진운동시키는 병진운동 배열체, 또는 조리개 크기의 능동적 제어를 위한 조절가능한 아이리스(iris) 장치를 포함하는, 많은 수의 액추에이터 배열체 중의 임의의 배열체가 구현될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
통상의 기술자는, 주어진 신호-대-노이즈 비율을 달성하는데 있어서 필요한 입체각(96)의 크기와 필요한 표적 지역(74)의 크기 사이의 상충관계가 존재한다는 것을 이해할 것이다. 즉, 주어진 표적 거리(L3)에 대해서, 작은 입체각(96)(예를 들어, 작은 주 치수(86))이 보다 큰 표적 지역(74)을 위해서 이용될 수 있고, 그에 따라 일반적으로 떠돌이 복사선의 배제를 향상시킬 수 있는 반면, 큰 입체각(96)(예를 들어, 큰 주 치수(86))은 작은 표적 지역(74)을 위해서 요구된다. 표적 크기는, 관찰 포트 윈도우(52)의 치수, 이미지 조립체(64)의 유효 방사상 치수, 및 웨이퍼 캐리어(32) 상의 표적(72)의 희망하는 시계(field of view)를 포함하는, 다른 인자에 의해서 제한된다. 그에 따라, 구경 조리개(66)의 보다 큰 주 치수(86)를 필요로 하는 작은 표적 지역(74)의 경우에, 그리고 짧은 표적 거리(L3)에서, 오프-포커스 텔레센트릭 광학적 배열체(24)의 떠돌이 광 배제가 손상될 수 있다.
특정의 비-제한적인 실시예에서, 구경 조리개(66)의 주 치수(86)가 대물 조립체(62)의 유효 방사상 치수(65)의 약 1/3 이하이다. 일 실시예에서, 구경 조리개(66)의 주 치수(86)가 1 mm 내지 20 mm 범위이다.
결정질 성장 재료의 전형적인 표적의 경우에, 표적(72)으로부터 반사된 상호-반사된 복사선이 강한 거울의(specular) 성분을 가진다. 즉, 결정질 성장 구조물의 표면 상으로 입사하는 복사선의 큰 분율이 입사각과 동일한 각도로 반사될 것이다. 따라서, 표준 복사 온도계(즉, 텔레센트릭 광학적 배열체를 가지지 않는 것)로 진입하는 떠돌이 복사선의 불균형적인 양이 광학적 축(68)과 평행하지 않은 각도로 표적(72)에서 반사된다. 따라서, 광선 번들(88)의 입체각(96)을 감소시키는 것에 의해서, 떠돌이 복사선의 기여분이 또한 실질적으로 감소된다.
도 2의 복사 온도계(22)의 배향을 고려한다. 표적(72)으로부터 그리고 복사 온도계(22) 내로 거울식으로(specularly) 반사되는 복사선은 반드시 먼저 관찰 포트 윈도우(52)로부터 방출되거나 상호-반사된다. 관찰 포트는, 예를 들어, 반사방지 코팅의 이용에 의해서 및/또는, 관찰 포트 윈도우(52)로 입사하는 복사선의 양을 제한하기 위해서, 능동적으로 냉각될 수 있는, 관찰 포트 윈도우(52)를 리세스(54) 내에 배치하는 것에 의해서, 관찰 포트로부터 반사되는 복사선의 양을 감소시키도록 구성될 수 있다.
도 3의 복사 온도계(22)의 배향을 고려한다. 대체로 설명되는 바와 같이 그리고 도 3에 도시된 바와 같이 배향되는 광 트랩(82)은, 광학적 축(68)에 대한 거울식 반사의 각도에서 표적(72) 상으로 입사할 수 있는 복사선을 포집하는 역할을 한다. 광 트랩(82)은 또한 전술한 바와 같이 - 예를 들어, 리세스(54) 내의 반사 방지 윈도우와 같이 - 구성되어, 상호-반사된 복사선이 표적(72)으로 전달되는 것을 제한할 수 있다.
오프-포커스 텔레센트릭 광학적 배열체(24)의 동작 이론을 입증하기 위해서, 도 2에서 실질적으로 도시되고 여기에서 설명된 바와 같은 외장(30)의 기하형태 및 동작 조건을, 미국 아리조나 투산에 소재하는 Breault Research Organization, Inc.가 제공하는 3-차원적인 광선 추적 프로그램인, Advanced System Analysis Program(ASAP)를 이용하여, 모델링하였다. ASAP 모델을 실행하여, 떠돌이 복사선을 식별하였고 관찰 포트 윈도우(52)로 진입하는 떠돌이 복사선을 분석하였다. 주변 가열 요소(45)를 1800 ℃의 온도에서 동작하는 복사선 공급원으로 셋팅하였다. 웨이퍼 캐리어(32)(웨이퍼 포켓(35) 내의 웨이퍼를 포함하는 것으로서 모델링되었다)는 800 ℃에서의 복사선 공급원 및 산란 매체 모두로서 모델링되었다. 웨이퍼 포켓(35)은 관심 대상의 파장에서 0.8의 방출률을 가지는 웨이퍼(41)를 반송하는 것으로 가정하였다. 복사선 공급원에 대한 흑체 방출능은 405 nm의 파장에서 프랭크의 법칙을 기초로 형성되었다. 외장(30)(본체 셔터(42), 층류 유동 플레이트(31) 및 관찰 포트 윈도우(52)를 포함)의 내측 벽이 또한 산란 매체로서 모델링되었다.
복사 온도계(22)가 2개의 상이한 수집 광학장치에 대해서: 즉 1:1 배율에서 10 mm의 표적 직경을 가지는 "표준형" 광학적 배열체; 및 표적 직경이 약 30 mm인, 여기에서 설명되고 도시된 바와 같은 오프-포커스 텔레센트릭 광학적 배열체에 대해서 모델링되었다. 각각의 광학적 배열체에 대해서, 표적(24)으로부터 방출되고 복사 온도계(22)로 직접적으로 진입하는 405 nm 복사선의 양("신호 복사선")을 외장(30) 내에서 상호-반사되고 복사 온도계(22)로 진입하는 405 nm 복사선의 양("떠돌이 복사선")과 비교하였다. 결과를 표 1에 기재하였다.
| 표준형 광학장치 | 오프-포커스 텔레센트릭 광학장치 | |
| 신호 복사선 | 30% | 61% |
| 떠돌이 복사선 | 70% | 39% |
| 405 nm 파장에서의 온도 오류 | 41 ℃ | 16 ℃ |
ASAP 모델은, 표준형 광학장치를 이용하는 복사 온도계에 대해서, 검출기 상에서 405 nm 파장의 복사선 플럭스의 약 70%가 떠돌이 복사선의 기여에 의한 것임을 추정하였다. 그러나, 오프-포커스 텔레센트릭 광학적 배열체(24)의 이용은 떠돌이 복사선 기여분을 39%로 감소시켰다. 이러한 떠돌이 광 기여분은 각각 약 41 ℃ 및 16 ℃의 온도 편향 오류를 유발한다. 즉, 오프-포커스 텔레센트릭 광학적 배열체(24)에 대한 온도 측정의 편향 오류는 표준형 렌즈 시스템에 대한 것 보다 오프-축 텔레센트릭 광학적 배열체에 대해서 거의 2/3 이 적다.
도 5 및 5a를 참조하면, 오프-포커스 텔레센트릭 광학적 배열체(24)의 성능이 또한 실험적으로 확인되었다. 이러한 실험의 경우에, MOCVD 반응기 시스템은 유동 연장부(104)를 이용하였다. 유동 연장부(104)는, 웨이퍼 캐리어(32)의 상단부 표면(34) 위에서 연장하고 커넥터(108)를 이용하여 본체 셔터(42)에 부착되는 상부 단부(106)를 포함한다. 유동 연장부는 결정질 성장 분위기의 유동 및 열적 특성을 개선하기 위해서 이용되나, 또한 웨이퍼 캐리어(32) 및 웨이퍼(41)를 관찰하는 복사 온도계에 의해서 수신되는 떠돌이 복사선 신호를 크게 증가시키는 경향이 있다. 반사부 시스템이 웨이퍼 캐리어(웨이퍼 포켓 내의 웨이퍼 상에서의 GaN 결정질 성장 재료를 포함)와 함께 긴 기간 동안 약 800 ℃에서 동작되었고, 그에 따라 외장 내의 열적 분위기는 준-안정 상태였다(즉, MOCVD 반응기 시스템이 열적으로 포화되었다). 복사 온도계를 이용한 측정은 에너지가 공급된 저항 가열 어레이를 이용하여 이루어졌다. 이어서, 저항 가열 어레이로의 전력이 중단되었고, 10초의 기간 이내에 복사 온도계를 이용하여 제2 측정이 이루어졌다. 405 nm 파장에서, 저항 가열 어레이로부터의 떠돌이 복사선이 전력 차단시에 거의 즉각적으로 사라진 반면, 표적은 전력 중단 직전과 본질적으로 동일한 방출능으로 복사선을 계속 방출하였는데, 이는 표적의 열적 커패시턴스 때문이다. 따라서, 제1 측정은 405 nm 파장의 저항 가열 어레이로부터의 떠돌이 복사선 성분을 포함하는 반면, 제2 측정은 그러하지 않은 것으로 추정되었다. 표준형 인-포커스 광학적 배열체를 이용하는 표준형 광학적 고온계, 및 오프-포커스 텔레센트릭 광학적 배열체(24)를 이용하는 복사 온도계 모두에 대해서 실험을 실시하였다. 양 복사 온도계는 공칭적으로(nominally) 405 nm 파장에서 동작되었다. 결과를 표 2에 기재하였다.
| 표준형 광학장치 | 오프-포커스 텔레센트릭 광학장치 | |
| 신호 복사선 | 36% | 69% |
| 떠돌이 복사선 | 64% | 31% |
| 405 nm 파장에서의 온도 오류 | 34 ℃ | 12 ℃ |
측정 결과는, 표준형 광학장치를 이용하는 복사 온도계의 경우에, 검출기 상에서 405 nm 파장의 복사선 플럭스의 약 64%가 떠돌이 복사선에 기인한 것임을 보여준다. 오프-포커스 텔레센트릭 광학적 배열체(24)의 이용은, 다른 한편으로, 떠돌이 복사선 기여분을 약 31%로 감소시켰다. 이러한 떠돌이 광 기여분은 각각 약 34 ℃ 및 12 ℃의 온도 편향 오류를 유발한다. 다시, 오프-포커스 텔레센트릭 광학적 배열체(24)에 대한 온도 측정의 편향 오류는 표준형 렌즈 시스템에 대한 것 보다 오프-축 텔레센트릭 광학적 배열체에 대해서 거의 2/3 이 적다.
일 실시예에서, 검출기(76)는 700 nm의 컷 오프(cut off) 파장을 가지는 광자 계수기(즉, 광전자 증배관(photomultiplier tube), 또는 PMT)를 포함하고, 그에 따라 적외선 복사선에 대해서 둔감하다. 그에 따라, PMT를 검출기로서 이용하는 것은 Zettler에서 식별된 스펙트럼의 적외선 부분의 부적절한 필터링에 대한 우려를 크게 제거한다. 필터링 장치(102)를 이용하여 PMT를 필터링할 수 있을 것이고, 그에 따라 주로 청색, 보라색, 또는 자외선 광 영역 내의 파장만이 검출된다.
PMT의 다른 장점은, 신속한 시간 응답의 제공이고, 그러한 신속한 시간 응답은 미국 뉴저지 소머셋에 소재하는 Veeco Instruments가 제조하는 TURBODISC 시스템과 같은, 웨이퍼 캐리어의 빠른 회전 속력을 이용하는 CVD 챔버를 위한 요소이다. TURBODISC 시스템은, Mitrovic 등의 "Reactor Design Optimization Based on 3D CFD Modeling of Nitrides Deposition in MOCVD Vertical Rotating Disc Reactors," June 2005(http://www.wpi.edu/academics/che/HMTL/ CFD_in_CRE_IV/Mitrovic.pdf 참조, 마지막으로 2012년 6월 16일자로 확인함)에서 대략적으로 설명되어 있다. 그러한 시스템의 빠른 회전 레이트(rate)는, PMT가 제공할 수 있는, 약 10 kHz의 복사선 검출기(76)로부터의 데이터 획득 레이트를 요구할 수 있다.
필터링 장치에 의해서 투과되는 스펙트럼의 비제한적인 예에는 380 nm 내지 420 nm 범위의 중심 파장 및 10 nm 내지 70 nm 범위의 대역 폭(절반 최대에서의 전체 폭; full width at half maximum)이 포함된다. 일 실시예에서, 필터링 장치(102)는 채색된 유리 필터와 조합된 대역 통과 필터를 더 포함한다. 필터 조합의 비제한적인 예로서, 공칭적으로 390 nm 내지 420 nm 통과 대역에서 복사선을 통과시키는 주 통과 대역을 형성하기 위해서 조합된, Newport로부터의 10BPF25-400 대역 통과 필터(400 ± 3.5 nm의 중심 파장; 25 ± 3.5 nm의 절반 최대에서의 전체 폭)과 Thorlabs 로부터의 FGB25 채색된 유리 필터(400 nm의 지역적인 컷-오프 파장)가 있다.
일 실시예에서, 오프-포커스 텔레센트릭 광학적 배열체(24)를 위한 구성요소 크기결정(sizing) 및 레이아웃의 비제한적인 예는: 구경 조리개(66)로부터 249.2 mm의 거리(F1)에 위치되는 50.8 mm 직경 및 249.2 mm의 초점 길이를 가지는 평면 볼록 렌즈(plano-convex lens)(예를 들어, Thorlabs, Inc.로부터의 LA1301-A)를 포함하는 대물 조립체(62); 구경 조리개(66)로부터의 75 mm의 거리(L1) 및 검출기로부터 75 mm의 거리(L3)에 위치되는 25.4 mm 직경 및 75.0 mm의 초점 길이를 가지는 평면 볼록 렌즈(예를 들어, Thorlabs, Inc.로부터의 LA1608-A)를 포함하는 이미지 조립체(64)를 포함한다. 다른 실시예에서, 대물 조립체(62)는, 대물 조립체의 초점 길이(F1)를 약 87 mm로 단축하기 위해서, 그리고 조립체의 전체적인 길이를 단축하기 위해서 전술한 평면 볼록 렌즈와 조합된, 50.8 mm 직경 및 100 mm의 초점 길이를 가지는 색수차 보정 접합 렌즈(achromatic doublet)(예를 들어, Thorlabs로부터의 AC508-100-A)를 더 포함한다. 이러한 후자의 배열체에서, 짧은 초점 길이(예를 들어, 30 mm)를 가지는 색수차 보정 접합 렌즈가, 예를 들어, 조리개에 보다 가까이 근접하기 위한 이미지 조립체(64)로서 이용될 수 있다(예를 들어, Thorlabs로부터의 AC254-030-A ).
전술한 예의 렌즈는, 보로실리케이트 유리, 바륨 플루오라이드, 및 융합 실리카와 같은, 전자기적 스펙트럼의 가시광선/UV 스펙트럼 내의 복사선을 투과하기에 적합한 임의 재료를 포함할 수 있다. 렌즈는 또한 반사방지 코팅으로 코팅될 수 있다.
대안적으로, 다른 필터링 장치 및 기술이, 여기에서 제시된 오프-포커스 텔레센트릭 광학적 배열체(24)와 조합되어 구현될 수 있다. 예를 들어, 검출기 및 필터링 배열체 Zettler가 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 수냉식 CCD 또는 아발란치 포토다이오드(avalanche photodiode)와 같은 솔리드 스테이트 검출기가 이용될 수 있다.
동작 중에, 웨이퍼 캐리어는, 가열 어레이(44)에 의해서 복사 가열되면서, 회전 축(40)을 중심으로 회전된다. 회전 축(40)을 중심으로 하는 웨이퍼 캐리어(32)의 회전 레이트는, 실질적으로, MOCVD 반응기 시스템(20)의 동작 매개변수 및 설계 기준에 따라서, 달라질 수 있다.
복사 온도계(22) 및 오프-포커스 텔레센트릭 광학적 배열체(24)는, 저항-유형의 히터 이외의 가열 공급원을 구현하는 시스템으로 제한되지 않는다. 개시 내용의 여러 가지 실시예가 이용될 수 있고, 예를 들어, 일부 CVD 반응기 시스템이 마이크로파 가열 공급원을 이용한다.
도 6a 및 6b를 참조하면, 웨이퍼(41) 상의 공간적 온도 변동의 검출을 위한 복수-채널 배열체(110 및 111)가 개시 내용의 실시예에서 설명된다. 설명되는 실시예에서, 웨이퍼(41)가 관찰 포트(52)를 지나서 회전할 때, 오프-포커스 텔레센트릭 광학적 배열체(24)를 각각 구현하는 복수의 복사 온도계(22a, 22b 및 22c)가 웨이퍼(41) 상의 각각의 표적(72a, 72b 및 72c)을 동시적으로 관찰하도록 위치된다. 웨이퍼 캐리어(32)가 회전 축(40) 주위의 주어진 회전 배향에 있을 때, 표적(72a, 72b 및 72c) 모두가 웨이퍼(41)에 대응하도록, 복수의 복사 온도계(22a, 22b 및 22c)가 구성되고 배열될 수 있다.
일 실시예에서, 웨이퍼(41)의 중심을 통과하고 회전 축(40)으로부터 방사상으로 외측으로 연장하는 방사상 좌표(R)를 실질적으로 따라서 연장하는 라인(112)을 따라서 표적(72a, 72b 및 72c)이 중심설정되도록, 복수의 복사 온도계(22a, 22b 및 22c)가 배열된다(도 6a). 다른 실시예에서, 방사상 좌표(r)에 실질적으로 수직하고 웨이퍼(41)의 중심을 통과하는 라인(114)을 따라서 표적(72a, 72b 및 72c)이 중심설정되도록, 복수의 복사 온도계(22a, 22b 및 22c)가 배열된다(도 6b). 또 다른 실시예는, 비-선형 패턴을 형성하거나 방사상 좌표(r)에 대한 예각을 형성하는 라인을 따라 놓이는 표적과 같은, 다른 패턴을 형성할 수 있다.
도 6c를 참조하면, 표적(72a 내지 72e)의 패턴의 측정을 위한, 복사 온도계(22a 내지 22e)의 복수-채널 클러스터(120)가 개시된 실시예에서 설명된다. 복수 채널 클러스터(120)는, 예를 들어 선(112 및 114)을 따른, 웨이퍼(41)의 온도 분포에 관한 2-차원적인 정보를 제공할 수 있다.
도 6a 내지 6c에 도시된 여러 실시예는, 예를 들어, 400 nm 내지 410 nm의 파장 범위(예를 들어, 405 nm) 내에 포함되는 파장에서 중심설정되는 "청색 광" 파장을 구현할 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 복사선 검출기(예를 들어, 도 6a의 복사선 검출기(22a 내지 22c)는 복사선 수집 렌즈, 셔터/개구, 필터 및 검출기 렌즈를 위한 단일 홀더를 이용하여, 보다 양호한 공간적 분해능을 위한 보다 콤팩트한(compact) 설계를 제공한다. 하나의 비제한적 실시예에서, 표적(72)(예를 들어, 도 6c의 표적(72a 내지 72e))의 크기가, 여전히 적절한 신호-대-노이즈 비율을 제공하면서, 11 mm x 22 mm가 될 수 있다. 표적들 사이에 1.5 mm 내지 10 mm의 공간을 허용하는 그러한 배열체는, 웨이퍼(41)의 직경의 약 1 인치마다 하나 또는 그 미만의 복사 온도계(22) 밀도의 복사 온도계(22)의 행(row)을 이용가능하게 한다(즉, 3 인치 웨이퍼에 대해서 3개의 온도계의 행, 6 인치 웨이퍼에 대해서 6개의 온도계의 행, 8 인치 웨이퍼에 대해서 8개의 온도계의 행, 등).
복사 온도계(22a, 22b 및 22c)로부터의 출력 신호가 획득될 수 있고 데이터 획득 시스템(115) 상에 저장될 수 있다. 일 실시예에서, 데이터 획득 시스템은, 복사 온도계(22a, 22b 및 22c)로부터의 신호를 컨디셔닝하고 디지털화하는 신호 처리기(116), 디지털화된 데이터를 저장하는 메모리 장치(117), 및 컴퓨터와 같은 제어기(118)를 포함한다. 각각의 복사 온도계(22a, 22b 및 22c)로부터의 시간 대 신호 데이터가 획득될 수 있고 메모리 소자(117) 내에 저장될 수 있다. 제어기(118)는 또한 신호 데이터의 온도로의 변환, 평균 및 표준 편차의 계산, 및 웨이퍼(41) 및/또는 웨이퍼 캐리어(32)의 온도 프로파일이 플롯팅(plotting)과 같은, 과제를 실시간으로 실시할 수 있다. 데이터 획득 시스템(115)이 도 6a의 구성에서 이용하기 위한 것으로 도시되어 있으나, 여기에서 설명된 복사 온도계 중의 임의의 것과 함께 이용될 수 있다. 또한, 당업자가 이용할 수 있는 여러 가지 시스템이 데이터 획득에 적합하다.
데이터 획득 시스템(115)은 또한, 주어진 웨이퍼(41)가 복사 온도계의 관점에서 적절하게 배열되었을 때 획득되는 데이터를 프로세싱하기 위해서 데이터 스트림을 동기화하도록 구성될 수 있다. 동기화는, 예를 들어, 표적(72a, 72b 및 72c)을 관찰할 때 수신되는 신호에 상응하는 데이터 스트림의 관련 부분의 추출을 가능하게 한다. 데이터 스트림의 이러한 관련 부분은 통계적인 처리를 위한 시간에 걸쳐서 평균화될 수 있다. 일 실시예에서, 동기화 및 데이터의 통계적 처리가 실시간으로 이루어진다. 동기화 루틴의 예가 Gurary 등에게 허여된 미국 특허 제6,349,270호("Gurary")에 개시되어 있다.
도 7a 및 7b를 참조하면, MOCVD 반응기 시스템(220) 내에서 표적(224)을 관찰하도록 배열된 복사 온도계(222)를 이용하는 MOCVD 반응기 시스템(220)이 도시되어 있다. MOCVD 반응기 시스템(220)은 외장(230)을 형성하기 위해서 유동 플랜지(228)와 동작적으로 커플링되는 반응기 챔버(226)를 포함한다. 유동 플랜지(228)는 층류 유동 플레이트(231)를 포함하고, 그러한 층류 유동 플레이트를 통해서 MOCVD 프로세스를 위한 가스가 반응기 챔버(226) 내로 도입된다. 복사 온도계의 표적(224)이 그 위에 실질적으로 고정되는 표적 평면(233)을 형성하는 상단부 표면(234)을 가지는 웨이퍼 캐리어(232)가 반응기 챔버(226) 내에 배치된다. 상단부 표면은 또한 기판 또는 웨이퍼(237)를 유지하기 위한 웨이퍼 포켓(235)을 형성한다. 웨이퍼 캐리어(232)는 또한 하단부 표면(236)을 포함하고 회전 축(240)을 형성하는 스핀들(238)과 동작적으로 커플링된다. 본체 셔터(242)가 반응기 챔버(226)의 내측 벽에 인접하여 제거가능하게 삽입될 수 있고 웨이퍼 캐리어(232)를 둘러싼다.
히터 어레이(244)가 웨이퍼 캐리어(232) 아래에 배치되어, 웨이퍼 캐리어(232)의 하단부 표면(236)과 복사적으로 커플링된다. 히터 어레이(244)는 실린더(246)에 의해서 둘러싸일 수 있으며 또한 필라멘트 장착 플레이트(248)로 하부가 경계 지어져서 히터 어레이(244)와 웨이퍼 캐리어(232) 사이의 복사적 커플링을 향상시킬 수 있다. 실린더(246)는 회전 축(240)과 실질적으로 동축적인 실린더 축(250)을 형성한다.
복사 온도계(222)는 유동 플랜지(228)의 상단에 장착되고 관찰 포트 윈도우(252)를 통해서 웨이퍼 캐리어(232)의 상단부 표면(234)을 관찰하도록 배향된다. 일 실시예에서, 관찰 포트 윈도우(252)는 리세스(254) 내에 배치되고, 리세스는 능동적으로 냉각될 수 있다.
히터 어레이(244)는 주변 가열 요소(264)를 포함할 수 있다. 주변 가열 요소(264)는, 히터 어레이(244)의 외측 주변부를 형성하기 때문에, 그렇게 지칭된다. 여기에서 도시된 주변 가열 요소(264)가 단일 가열 요소인 반면, 주변(즉, 최외측) 가열 요소가 둘 이상의 가열 요소로 이루어진 히터 배열체가 또한 고려된다.
균일한 가열을 촉진하기 위해서, 도시된 실시예의 주변 가열 요소(264)가 실린더(246)의 내측 표면(266)에 근접하여 위치된다. 복수의 광선(2')이 주변 가열 요소(264)로부터 방출되는 것, 외장(230) 내에서 상호-반사하는 것, 및 복사 온도계(222)로 진입하는 것으로 도시되어 있다.
도 8을 참조하면, 실린더(246)의 상단 엣지(272) 및 웨이퍼 캐리어(232)의 외측 엣지(274)에 인접한 영역이 개시된 실시예에서 도시되어 있다. 갭(276)이 외측 엣지(274)와 상단 엣지(272) 사이에 형성되어, 웨이퍼 캐리어(232)가 자유롭게 회전할 수 있게 한다. 주변 가열 요소(264)로부터 방출되는 것으로 도시된 광선(268a, 268b 및 268c)은 갭(276)을 빠져나가는 3가지 종류의 복사선을 나타내고: 광선(268a)은 반사되지 않고 갭(276)을 빠져나가는 직접적인 복사선을 나타내고, 광선(268b)은 실린더(246)의 내측 표면(266) 및 웨이퍼 캐리어(232)의 외측 엣지(274)에서 산란된 복사선을 나타내며; 광선(268c)은 필라멘트 장착 플레이트(248) 및 웨이퍼 캐리어(232)의 하단부 표면(236)에서 산란하는 복사선을 나타낸다.
동작 중에, 웨이퍼 포켓(235)으로 기판(237)(예를 들어, 사파이어)이 로딩될 수 있다. 웨이퍼 캐리어(232)는 회전 축(240)을 중심으로 회전되고, 약 1800 ℃의 온도까지 히터 어레이(244)로 에너지가 공급된다. 가스가 층류 유동 플레이트(231)를 통해서 도입되어, 웨이퍼 포켓(235) 및 그 내부에 수용된 임의 기판(237)을 포함하는 웨이퍼 캐리어(232) 상에 결정질 성장 재료(예를 들어, GaN)를 형성한다. 동작 중의 결정질 성장 재료의 온도가 약 800 ℃이다.
도 7a 및 7b에서 실질적으로 도시된 바와 같은 외장(230)의 동작 조건을 3-차원적인 광선 추적 프로그램을 이용하여, 모델링하였다. 광선 추적 모델을 실행하여, 떠돌이 복사선 경로를 식별하였고 관찰 포트 윈도우(252)로 진입하는 떠돌이 복사선을 분석하였다. 주변 가열 요소(264)는 연속적인 것으로 그리고 1800 ℃의 온도에서 동작하는 복사선 공급원으로 셋팅된 것으로 가정되었다. 웨이퍼 캐리어(232)(웨이퍼 포켓(235) 내의 웨이퍼(237)를 포함하는 것으로서 모델링되었다)는 800 ℃에서의 복사선 공급원 및 산란 매체 모두로서 모델링되었다. 복사선 공급원에 대한 흑체 방출능은 405 nm의 파장에서 프랭크의 법칙을 기초로 형성되었다. 외장(230)(본체 셔터(242), 층류 유동 플레이트(231) 및 관찰 포트(252)를 포함)의 내측 벽이 또한 산란 매체로서 모델링되었다.
복사 온도계(222)가 2개의 상이한 위치에서: 즉 최외측 웨이퍼 포켓(235)(도 7a에 도시됨)의 중심에 근접한 반경(R)에서의 "외측" 위치에서; 그리고 상기 외측 위치와 회전 축(240) 사이의 약 2/3R에서 중심설정된 "중간-범위" 위치에서 모델링되었다. 표적(224)으로부터 방출되고 복사 온도계(222)로 직접적으로 진입하는 405 nm 복사선의 양("신호 복사선")을 외장(230) 내에서 상호-반사되고 복사 온도계(222)로 진입하는 405 nm 복사선의 양("떠돌이 복사선")과 비교하였다. 결과를 표 3에 기재하였다.
| 외측 위치 | 중간 위치 | |
| 신호 복사선 | 3% | 30% |
| 떠돌이 복사선 | 97% | 70% |
| 405 nm 파장에서의 온도 오류 | 127 ℃ | 41 ℃ |
광선 추적 모델은, 연속적인 링을 형성하는 주변 가열 요소(264)에 대해서 그리고 외측 위치에 중심설정된 복사 온도계(222)에 대해서, 표준형 복사 온도계의 검출기 상의 405 nm 파장의 복사선 플럭스의 약 97%가 떠돌이 복사선에 기인하는 것으로 추정하였다. 중간 위치에서, 떠돌이 복사선은 전체 신호의 약 70%에 상당하는 것으로 예측되었다. 이러한 떠돌이 복사선 기여분은 각각 약 127 ℃ 및 41 ℃의 온도 편향 오류를 유발한다. 또한, 광선 추적 모델의 결과는, 복사 온도계의 검출기에 도달하는 떠돌이 복사선의 약 92%가 필라멘트 장착 플레이트(248) 및 웨이퍼 캐리어(232)의 하단부 표면(236)으로부터 산란된 복사선으로부터 기원한다는 것을 나타낸다(도 8에서 광선(268c)으로 표시한 바와 같다).
도 9를 참조하면, 내측 가열 요소(304) 및 주변 가열 요소(264a)를 포함하는 히터 어레이(244a)가 개시된 실시예에서 도시되어 있다. 히터 어레이(244a)의 레이아웃을 명확하게 보여주기 위해서, 유동 플랜지(228) 및 웨이퍼 캐리어(232)가 이러한 도면으로부터 제거되어 있다. 스핀들(238), 본체 셔터(242) 및 필라멘트 장착 플레이트(248)가 또한 이러한 도면으로부터 확인된다. 가열 요소(264a 및 304)는 전기적 커넥터(306 및 308)를 각각 포함한다.
단자 연결부(306)는 주변 가열 요소(264a)의 원호형 세그먼트(310)를 점유하고, 그러한 주변 가열 요소에서, 동일한 길이의 주변 가열 요소의 다른 원호형 세그먼트에 대비하여, 전기 저항이 실질적으로 감소된다. 즉, 원호형 세그먼트(310)는 주변 가열 요소(264a)의 저열 플럭스 부분(312)을 구성한다. 단자 연결부(306)는 주변 가열 요소(264a)의 큰 저항 부분으로부터 실질적으로 감소된 온도에서 동작한다. 예를 들어, 하나의 비제한적인 실시예에서, 주변 가열 요소(264a)는 공칭적으로 2000 ℃의 최대 동작 온도에서 동작한다. 이러한 동작 조건에서, 단자 연결부(306)는 약 1500 ℃에서 동작하고, 원호형 세그먼트(310)에 걸친 공칭 온도는 1700 ℃ 이하에서, 또는 주변 가열 요소(264a)의 큰 저항 부분의 동작 온도 보다 적어도 300 ℃ 낮은 온도에서 동작하는 것으로 믿어진다. 그에 따라, 동작 온도와 관련하여, 주변 가열 요소(264a)의 저열 플럭스 부분(312)(즉, 전기 커넥터(306))은 주변 가열 요소(264a)의 나머지 보다 실질적으로 낮은 온도에서 동작하며, 그에 따라 405 nm에서 저열 플럭스 부분(312)의 복사선 기여분이 주변 가열 요소(264a)의 큰 저항 부분 보다 약 2배 만큼 더 작게 된다(도 1 참조).
제1 절반-길이(314)가 제1 반원 내에 위치되고 제2 절반-길이(316)가 제2 반원 내에 위치되도록, 히터 어레이(244a)의 내측 가열 요소(304)가 배열된다. 따라서, 제1 절반-길이(314) 및 제2 절반-길이(316) 사이에 위치되는 라인의 불연속부(318)가 존재하고, 스핀들(238) 및 전기 커넥터(308) 근처의 하나의 위치에서만 가교연결(bridged)된다.
전체로서의 히터 어레이(244a)에 대비하여, 405 nm에서 떠돌이 복사선 기여분에 대한 주변 가열 요소(264a)의 상대적인 기여분을 결정하기 위해서, 실험을 실시하였다. 정상적인 결정질 성장 동작에서 이루어지는 바와 같이, 800 ℃ 근처의 정상 상태 온도에서 웨이퍼 캐리어(232)를 유지하도록 내측 가열 요소(304) 및 주변 가열 요소(264a)로 최대로(fully) 에너지 공급되었고 제어되었다. 이어서, 주변 가열 요소(264a)에 대한 전력의 상한을 정하였고(capped), 그에 따라, 시스템이 800 ℃의 또는 800 ℃ 근처의 온도로 웨이퍼 캐리어(232)를 가열하도록 여전히 제어하면서, 주변 가열 요소(264a)가 약 절반의 용량만으로 동작되었다. 이러한 방식에서, 웨이퍼 캐리어(232)가 온도에서 본질적으로 유지되고 그리고 주변 가열 요소(264a)로부터의 감소된 열 입력을 구성하기 위해서 내측 가열 요소(304)가 다소 높은 온도에서 실제로 동작되는 동안, 405 nm 파장에서 주변 가열 요소(264a)의 복사선 기여분은 무시할 수 있을 정도로 감소되었다. 이어서, 또한, 약 절반 용량에서, 내측 가열 요소(304)에 대한 전력의 상한을 정하였다. 모두 3개의 동작 조건에서 복사 온도계(222)로 측정을 하였고, 제3 조건(주변 가열 요소(264a) 및 내측 가열 요소(304) 모두가 절반 용량이다)은 내측 가열 요소(304)의 용량의 상한 적용 직후에 취해졌다. 이러한 측정을 기초로, 주변 가열 요소(264a)가 복사 온도계(222)에 의해서 수신된 떠돌이 복사선의 80% 내지 90%를 기여하였다는 것이 결정되었다. 그에 따라, 도 7a의 전체 히터 어레이(244) 대신에, 주변 가열 요소(264)로부터 기원하는 복사선만을 모델링하는 단순화가 달성되었다.
떠돌이 복사선의 그러한 큰 분율이 주변 가열 요소(264)로부터 기원하기 때문에, 주변 가열 요소의 방출을 지역적으로 제한하는 것에 의해서, 떠돌이 복사선이 지역적으로 제어될 수 있다는 이론이 발전되었다. 즉, 복사 온도계(222)의 표적(224)이, 방출되는 복사선이 크게 감소되거나, 포획되거나, 멀리 전달되는 주변 가열 요소(264)의 구역에 근접한 표적 평면(233)의 영역에 고정되는 경우에, 복사 온도계에 의해서 수신되는 떠돌이 복사선이 감소되어야 할 것이다.
이러한 이론을 확인하기 위해서 떠돌이 복사선 검출 실험을 실시하였다. 복사 온도계(222)는 공칭적으로 405 nm에서 중심설정되는 협통과 대역에 걸쳐 전자기적 복사선을 검출하도록 구성되었다. 두 번째로, 공칭적으로 900 nm에서 중심설정되는 통과 대역에 걸쳐 전자기적 복사선을 검출하도록 적외선 복사 온도계(320)(도 7a)가 구성되었다. 전술한 바와 같은, 스펙트럼 흑체 방출능의 변화가 405 nm에서 온도 변화에 극히 민감하다는 것을 다시 생각한다(도 1의 참조 번호(14 및 16)). 따라서, 공칭적으로 405 nm에서 복사선을 검출하도록 구성된 복사 온도계(222)는 주변 가열 요소(264)로부터 기원하는 떠돌이 복사선에 대해서 극히 민감하다. 그러나, 900 nm 파장에서(다시 도 1 및 프랭크의 법칙을 참조), 관심 대상의 온도 범위(공칭적으로 2100 K)에서, 스펙트럼 흑체 방출능의 변화는 900 nm에서의 온도 변화에 대해서 매우 둔감하다(도 1의 참조 번호(322) 참조). 따라서, 900 nm에서 동작하는 적외선 복사 온도계(320)는 주변 가열 요소(264)로부터 기원하는 떠돌이 복사선에 대해서 실질적으로 덜 민감하고, 그 대신에 웨이퍼 캐리어(232)의 온도의 변화(공칭적으로, 1100 K; 도 1의 참조 번호(324) 참조)에 대해서 더 민감하다.
그에 따라, 떠돌이 복사선 검출 실험은, 떠돌이 복사선에 대해서 매우 민감한 검출기(복사 온도계(222))로부터 표시된 온도와 떠돌이 복사선에 대해서 둔감한 기준 장치(적외선 복사 온도계(320))로부 표시된 온도의 비교를 기초로 한다.
도 10을 참조하면, 전형적인 떠돌이 복사선 특성(signature)(330)이 도시되어 있다. 떠돌이 복사선 특성(330)은 적외선 복사 온도계(320)에 의해서 생성된 적외선 온도 신호(332)와 공칭적으로 405 nm의 복사선을 검출하는 복사 온도계(222)에 의해서 생성된 광학적 또는 "청색 광" 온도 신호(334)의 비교를 기초로 한다. 도 10에 표시된 데이터의 경우에, 복사 온도계(222) 및 적외선 복사 온도계(320) 모두는, 유사하게 위치되는(즉, 회전 축(240)으로부터 유사한 반경에 위치되는) 표적 평면(233) 상의 표적 위치에서 관찰되었다. 또한, 초기 냉각(도 10의 제1 구역(I))에서 도시된 초기 온도들이 동일한 것을 추적하도록, 도 10의 데이터가 정규화되었다.
떠돌이 복사선 검출 실험을 위해서, 웨이퍼 캐리어가 제1 제어 온도를 가지도록 MOCVD 반응기 시스템(220)이 동작되었다. 이어서, 제어 온도가 제1 상승 온도 이하의 낮은 설정점 온도로 하향 조정되었다. 떠돌이 복사선 특성(330)의 제1 구역(I)은 웨이퍼 캐리어(232)의 냉각을 온도 신호(332 및 334)에서의 지속적인 강하(steady drop)로서 도시한다. 떠돌이 복사선 특성(330)의 제2 구역(II)은, MOCVD 시스템(220)의 온도 제어기가 낮은 설정점 온도에서 제어된 평형을 구축하는 것으로, 온도 신호(332 및 334)의 회복을 도시한다.
적외선 온도 신호(332)는 전술한 프로세스 중에 웨이퍼 캐리어의 진정한 온도 프로파일을 실질적으로 추적한다. 즉, 웨이퍼 캐리어(232)의 진정한 온도가 점진적인 변곡부(336)를 거치고 이어서 떠돌이 복사선 특성(330)의 구역(II) 부분에서의 온도의 실질적인 단조적 상승부(338)가 이어진다. 온도의 점진적인 변곡부(336) 및 단조적인 상승부(338)는 웨이퍼 캐리어(232)의 열 질량의 결과이다.
그러나, 광학적 온도 신호(334)는 날카로운 변곡부(342) 및 이어지는 실질적인 과도부(overshoot)(344), 및 제어된 평형 온도(348)에 안착되기 전의 떠돌이 복사선 특성(330)의 구역(II) 부분 내의 약간의 과소부(346, undershoot)를 특징으로 한다. 광학적 온도 신호(334)는 웨이퍼 캐리어(232)로부터의 방출 신호 및 표적 평면(233)의 표적(224) 상으로 입사하고 복사 온도계(222)로 반사된 떠돌이 복사선이 복잡하게 뒤엉킨 것이다. 과도부(344) 및 과소부(346)는, 새로운 설정점에 응답할 때 히터 어레이(244)에 의해서 경험하게 되는 비례적 이득 온도 프로파일의 특성이다. 광학적 온도 신호(334)가 히터 어레이(244)의 제어 온도 프로파일을 밀접하게 추적하는 것으로 믿어지는데, 이는, 광선 추적 모델에 의해서 예측된 바와 같이, 광학적 온도 신호(334)가 떠돌이 복사선 성분에 의해서 지배되기 때문이다.
그에 따라, 복사 온도계(222)가 수신한 복사선이 강한 산란 복사선 성분을 가지는 지의 여부를 정성적으로(qualitatively) 결정할 수 있다. 적외선 복사선 신호(332)와 유사한 프로파일(단조적인 상승을 가지는 점진적인 변곡부)을 따르는 온도 신호가 산란된 복사선에 의해서 지배되지 않는 반면, 광학적 복사선 신호(332)와 유사한 프로파일(실질적인 과도부를 가지는 날카로운 변곡부)을 따르는 온도 신호는 산란된 복사선에 의해서 지배된다.
도 11을 참조하면, 다시 405 nm 공칭 파장의 복사선을 검출하도록 구성된, 복사 온도계(222)로 표적 평면(233) 상의 몇 개의 상이한 위치에서 표적(224a, 224b, 224c 및 224d)을 관찰하는 것에 의해서, 떠돌이 복사선 검출 실험을 반복하였다. 도 11이 노출된 히터 어레이(244a)를 도시하고 있지만, 떠돌이 복사선 검출 실험 중에, 웨이퍼 캐리어(232)가 제 위치에 있었고 회전 모드로 동작되었다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 도 11은, 표적(224a 내지 224d)이 히터 어레이(244a) 위에 위치된 표적 평면(233) 상에 놓이는 관계의 히터 어레이(244a)의 배향을 도시한다.
떠돌이 복사선이 주변 가열 요소(264a)의 저열 플럭스 부분에 근접하여 감소된다는 이론을 테스트하기 위해서, 저열 플럭스 부분(312)이 표적(244a 및 244b)에 근접하도록 하는 한편, 표적(244c 및 244d)에 근접한 주변 가열 요소(264a)의 부분이 연속적인 부분(350)이 되고 큰 열 플럭스를 가지도록, 히터 어레이(244a)를 배열하였다. 표적(224a 및 224d)은, 비록 대각선 방향으로 대향되지만, 모두 회전 축(240)으로부터 약 195 mm(7.68 인치)의 방사상 거리에서 중심설정되었다. 유사하게, 표적(224b 및 224c)은, 비록 대각선 방향으로 대향되지만, 모두 회전 축(240)으로부터 약 142 mm(5.6 인치)의 방사상 거리에 중심설정되었다.
도 12a 및 12b를 참조하면, 테스트의 결과가 제시되었다. 도 12a의 광학적 온도 신호(352 및 354)가 표적(244a 및 244d)으로부터, 즉 외측 방사상 위치에서 획득되었다. 주변 가열 요소(264a)의 연속적인, 큰 열적 플럭스 부분에 근접하여 획득된, 광학적 온도 신호(354)가 큰 떠돌이 복사선 성분의 온도 프로파일 특성(강한 과도부(344a)를 가지는 날카로운 변곡부(342a))을 가진다는 것을 주목하여야 한다. 그러나, 주변 가열 요소(264a)의 저열 플럭스 부분(312)에 근접하여 획득된 광학적 온도 신호(352)는 도 10의 적외선 복사선 신호(332)와 동일한 온도 프로파일 특성(온도의 단조로운 상승부(338a)를 가지는 점진적인 변곡부(336a))을 가진다.
도 12b와 관련하여, 광학적 온도 신호(356 및 358)는 각각 표적(224b 및 224c)으로부터, 즉 중간-범위 위치에서 획득되었다. 주변 가열 요소(264a)의 연속적인, 높은 열 플럭스 부분에 근접한 중간-범위 위치에서 획득된 광학적 온도 신호(358)는 또한 큰 떠돌이 복사선 성분의 온도 프로파일 특성(강한 과도부(144b)를 가지는 날카로운 변곡부(342b))를 가진다. 그러나, 주변 가열 요소(264a)의 저열 플럭스 부분(312)에 인접하는 중간-범위 위치에서 획득된 광학적 온도 신호(356)는 도 10의 적외선 복사선 신호(332)와 동일한 온도 프로파일 특성(온도의 단조로운 상승부(338b)를 가지는 점진적인 변곡부(336b))을 가진다.
따라서, 감소된 산란 복사선의 축(362)(도 11)은 회전 축(240)으로부터 방사상으로 그리고 저열 플럭스 구역(312)의 중앙 위에서 연장하는 것으로서 표적 평면(233) 상에서 형성된다. 축(362)에 근접하는 표적 평면(233) 상의 표적(224)은 감소된 떠돌이 복사선 성분을 가지며, 그에 따라 표적 평면(233) 상의 다른 곳에서 획득된 표적에 대비하여 온도 결정에서 감소된 편향을 초래한다. 일 실시예에서, 표적(224)은 축(362)을 따라서 중심설정되거나 축과 달리 터치 또는 중첩된다. 다른 실시예에서, 표적(224)은, 회전 축(240)으로부터 웨이퍼 캐리어(232)(도 11에 미도시됨)의 외측 엣지(274)까지 연장하는 길이(366)를 가지고 원호형 세그먼트(310)의 코드(chord)에 의해서 형성되는 적절한 폭(368)을 가지는 것으로서 형성되는, 감소된 떠돌이 복사선의 직사각형 구역(364) 내에 위치된다.
도 13a 및 13b를 참조하면, 주변 가열 요소(264)의 지정된 부분(374)으로부터 방출되는 복사선의 일부를 포획하기 위한 복사선 트랩(372)이 개시된 실시예에서 도시되어 있다. 일 실시예에서, 복사선 트랩(372)은 접선방향 치수(378)를 가지는 본체 셔터(242) 내에 형성된 공동(376)을 포함한다. 일 실시예에서, 주변 가열 요소(264)의 지정된 부분(374)은, 복사선 트랩(372)에 바로 인접하고 동일한 접선방향 치수(378)를 가지는 원호형 세그먼트로서 형성된다.
동작 중에, 지정된 부분(374)으로부터 방출된 복사선(380)의 일부가, 직접적인 복사에 의해서 또는 복사선 트랩(372)에 근접한 여려 표면에서의 반사에 의해서, 공동(376) 내로 전달된다. 그에 따라, 복사선 트랩(372)은 복사선(380)을 지역적으로 포획함으로써 복사선의 전파를 제한한다. 이러한 실시예에서, 감소된 산란 복사선의 축(362)이 표적 평면(233) 상에서 형성되고 회전 축(240)으로부터 공동(376)의 접선방향 중심을 통해서 연장한다. 감소된 떠돌이 복사선의 직사각형 구역(364)의 폭(368)은 접선방향 치수(378)의 코드에 의해서 형성된다.
도 14를 참조하면, 주변 가열 요소(264)의 지정된 부분(394)으로부터 방출된 복사선의 일부를 편위시키기 위한 복사선 편위부(392)가 개시된 실시예에서 도시되어 있다. 일 실시예에서, 복사선 편위부(392)는 웨이퍼 캐리어(232)의 외측 엣지(274)에 근접하여 방사상 내측으로 돌출하는 볼록부(396)를 포함한다. 볼록부(396)는 접선방향 치수(398)를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다. 일 실시예에서, 주변 가열 요소(264)의 지정된 부분(394)이, 복사선 편위부(392)에 바로 근접하고 볼록부(396)와 동일한 접선방향 치수(398)를 가지는 원호형 세그먼트로서 형성된다.
동작 중에, 지정된 부분(374)으로부터 방출된 복사선(402)의 일부가, 직접적인 복사에 의해서 또는 복사선 편위부(392)에 근접한 여러 표면으로부터의 반사에 의해서, 볼록부(396) 내로 전달된다. 그에 따라, 복사선 편위부(392)는, 회전 축(240)에 의해서 형성되는 평면(404)으로부터 멀리 복사선(402)을 산란시키고 볼록부(396)를 통과시키는 것에 의해서, 복사선의 입사를 지역적으로 제한한다. 이러한 실시예에서, 감소된 산란 복사선(362)의 축은 표적 평면(233)과 평면(404)의 합류에 의해서 형성되고 회전 축(240)으로부터 복사선 편위부(392)를 통해서 연장한다. 감소된 떠돌이 복사선의 직사각형 구역(364)의 폭(368)은 복사선 편위부(392)의 접선방향 치수(398)의 코드에 의해서 형성된다.
하나의 개시된 실시예에서, 가열 요소는, 여기에서 제시된 떠돌이 복사선의 지역적인 감소를 위한 기술 중 적어도 하나를 구현하기 위한 하드웨어를 구비한다. 설명(instruction)의 세트가 또한 유형의 매체(예를 들어, 기록된 종이 복사본 또는 컴퓨터 접속가능한)에서 제공되고, 그러한 설명은, 여기에서 개시된 바와 같이, 감소된 떠돌이 복사선 성분을 위해서 가열 요소의 배향에 대해서 복사 온도계를 어떻게 정렬할 것인지를 기술한다. 그러한 조합은, 예를 들어, 기존 CVD 반응기 시스템을 개장(retrofitting)하기 위해서 이용될 수 있다.
도 15를 참조하면, 이중 파장 고온계(420)가 개시된 실시예에서 도시되어 있다. 이중 파장 고온계(420)는 2개의 복사 온도계(422 및 424)를 포함하고, 각각의 온도계는 상이한 중심 파장 - 예를 들어, 각각 930 nm 및 405 nm 파장 - 을 관찰하도록 구성된다. 각각의 복사 온도계(422 및 424)는 또한 오프-포커스 텔레센트릭 광학적 배열체(24)를 포함할 수 있고, 그 구성요소는 이전에 제시된 것과 동일한 참조 번호로 도 15에서 식별되어 있다.
일 실시예에서, 이중 파장 고온계(420)의 복사 온도계(422 및 424)는 공통 대물 조립체(62)를 공유한다. 콜드 미러(426)를 이용하여, 가시광선/UV 스펙트럼 복사선 비임(434)을 복사 온도계(424)로 전달(반사)하는 한편, 적외선 복사선 비임(432)을 복사 온도계(422)로 투과시킨다. 대안적으로, 비임 스플리터(미도시)를 콜드 미러(426) 대신에 이용할 수 있다.
기능적으로, 도시된 바와 같은 이중 파장 고온계(420)는 공통 표적(72)으로부터 방출된 복사선 신호의 동시적인 측정을 가능하게 한다. 콜드 미러(426)는 가시광선/UV 스펙트럼 복사선의 큰 분율이 복사 온도계(424)로 전달될 수 있게 하는 한편, 적외선 복사선의 큰 분율이 복사 온도계(422)를 통과할 수 있게 한다. 예를 들어, 가시광선 또는 가시광선/UV 스펙트럼 내의 복사선의 90% 이상을 반사하는 한편 800 nm 보다 큰 파장에 대해서 최소 83% 투과를 유지하는 콜드 미러가 이용될 수 있다. "Cold Mirrors," DichroTec Thin Films LLC (마지막으로 2013년 5월 30일에 방문한, http://www.dtthinfilms.com/cold-mirrors.html 에서 확인가능하다)를 참조할 수 있을 것이다. 양 복사 온도계(422 및 424)의 필터링된 파장이 가시광선/UV 또는 적외선 스펙트럼 내에 포함되는 실시예의 경우에, 적절한 비임 스플리터가 대안적으로 이용될 수 있다. 하나의 또는 양자 모두의 복사 온도계(422 및 424)에 대해서, 감소된 크기의 조리개 조립체(97)가 또한 전술한 바와 같이 그리고 도 15의 복사 온도계(424)에 대해서 도시한 바와 같이 이용될 수 있다.
여러 실시예에서, 복사 온도계(422 및 424) 중 하나 또는 양자 모두가 반사계 하위조립체(442)를 구비할 수 있다. 반사계 하위조립체(442)는 복사선 공급원(444)(각각, 복사 온도계(422 및 424)에 대한 복사선 공급원(444a 및 444b)으로서 표시됨), 검출기(446) 및 비임 스플리터(448)를 포함할 수 있다. 복사선 공급원(444a 및 444b)은, 각각의 복사 온도계(422 또는 424)의 각각의 필터링 장치(102a 및 102b)를 통과하는 파장 대역 내의 스펙트럼 방출을 포함하는 비임(452)을 방출하도록 맞춤화되거나 선택된다. 광학적 축(68)뿐만 아니라, 비임(452)은, 복사 온도계(422 및 424) 각각을 위한 비임(452a 및 452b) 그리고 광학적 축(68a 및 68b)으로서, 도 15에서 서로로부터 구분된다. 비임(452a 및 452b)은 이하에서 일반적으로 비임(452)으로서 그리고 집합적으로 비임(452)으로서 지칭된다. 각각의 복사 온도계(422 또는 424)의 필터링 장치(102)를 통과하고 각각의 복사선 공급원(444a 또는 444b)에 의해서 방출되는 대역 이내의 파장에 응답하도록, 검출기(446)(복사 온도계(422 및 424) 각각에 대해서 검출기(446a 및 446b)로서 표시됨)가 선택된다. 일 실시예에서, 반사계 하위조립체(442)는, 복사선 공급원(444)을 빠져나갈 때, 비임(452)을 변조하기 위한 초퍼(458)를 포함한다.
특정 실시예에서, 반사계 하위조립체(442)는 또한, 비임(452)을 초점형성하거나 시준하는 렌즈 또는 구형 거울과 같은 하나 이상의 포커싱 요소(454, 456)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 포커싱 요소(454)는, 텔레센트릭 동작을 위한 이미지 조립체(64) 또는 대물 조립체(62)에 유사한 렌즈 클러스터를 포함할 수 있다.
동작 중에, 반사계 하위조립체(442)의 복사선 공급원(444)으로부터의 비임(452)이 비임 스플리터(448)를 통과한다. 일 실시예에서, 비임(452)의 제1 부분(462a 또는 462b)은 비임 스플리터(448)를 통과하고 검출기(446)로 입사된다. 검출기(446)에 의해서 생성된 신호는 비임(452)의 세기에 대한 표시를 제공한다. 비임 스플리터(448)의 배향으로 인해서, 검출기(446)는, 표적(72)으로부터 기원하거나 표적으로부터 반사되는 복사선을 효과적으로 수신할 수 없다. 비임(452)의 제2 부분(464)(복사 온도계(422 및 424) 각각을 위한 464a 및 464b로서 지칭되고, 464로서 통칭된다)은 비임 스플리터(448)에 의해서 반사되고 그리고 콜드 미러(426)를 통해서 실질적으로 각각의 광학적 축(68a 또는 68b)을 따라서 그리고 표적(72) 상으로 전파되도록 지향된다. 이어서, 비임(452)의 제2 부분(464)의 소정 분율은, 복사 온도계(422 또는 424)의 각각의 검출기(76a, 76b)에 의한 검출을 위해서, 표적(72)으로부터, 콜드 미러(426)를 통해서 각각의 복사 온도계(422 또는 424)의 각각의 광학적 축(68a 또는 68b)을 따라서 뒤쪽으로 반사되고, 비임 스플리터(448) 및 필터링 장치(102)를 통과한다.
일 실시예에서, 대물 조립체(62)를 통한 2번의 통과 및 각각의 이미지 조립체(64a 또는 64b)를 통한 통과와 조합되어, 비임(452)의 제2 부분(464)이 각각의 검출기(76a, 76b)의 이미지 평면 상에서 초점형성되도록, 반사계 하위조립체 또는 하위조립체(442)들의 레이아웃 및 구성요소가 구체화된다. 또한, 반사계 조사가 표적(72)을 "언더필(underfill)"하도록, 반사계 하위조립체(442)가 구체화될 수 있다. 즉, 반사계 하위조립체(442)로부터의 복사선에 의해서 조사되는 표적(72)의 지역이 표적(72) 보다 작고 표적 내에 전체적으로 포함된다.
기능적으로, 표적(72)의 언더필링은, 발생할 수도 있는 오정렬에 대한, 반사율 측정 중의 공간적 공차를 제공한다. 간략히 설명하면, CVD 프로세스 중에, 웨이퍼(41)는, 웨이퍼(41) 내의 열 구배의 존재로 인해서, 변형되거나 "휘어질" 수 있다. 휘어짐은, 특히 표적이 매우 거울반사적일 때, 표적(72)으로부터 반사되고 검출기(76a 또는 76b)에 의해서 수신되는 비임(452)의 제2 부분(464)의 분율이 재지향되도록 유도할 수 있다. 이러한 반사된 분율의 재지향은 반사된 복사선이 검출기(76a 또는 76b)의 이미지 평면에서 측방향으로 이동하도록 유도한다. 표적(72)을 언더필링하는 것에 의해서, 반사된 분율이, 여전히 완전히 대응하면서, 어느 정도 측방향으로 이동할 수 있고, 그에 따라 검출기(76a 또는 76b)에 의해서 전체적으로 검출될 수 있다.
도 15의 도면이 복사 온도계(422 및 424) 모두에서의 반사계 하위조립체(442)를 도시하고 있지만, 반사계 공급원(442)이 선택적이고 그리고, 양 복사 온도계(422 및 424)에 의해서 구현되거나, 단지 하나의 복사 온도계(422 또는 424)에 의해서 구현될 수 있거나, 복사 온도계 중 어느 것에 의해서도 구현되지 않을 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 유사하게, 초퍼(458) 또는 다른 비임 변조 장치의 이용이 또한 선택적으로 고려되고, 반사계 하위조립체 또는 공급원(442)과 함께 구현될 필요는 없다.
도 16a 및 16b를 참조하면, 반사계 하위조립체(442)에 의해서 조사되는 방출된 표적(72)을 관찰하는 검출기(76a 또는 76b)에 의해서 생성된 각각의 복합 신호(472a 및 472b)가 개시된 실시예에서 도시되어 있다. 복합 신호(472a)는, 선택적인 초퍼(458) 또는 다른 변조 수단을 구현하는 반사계 하위조립체(442)에 의해서 생성된 신호의 특성이다. 복합 신호(472a)는, 기준선 신호(476) 상에 놓이는 변조된 신호(474)를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다. 기준선 신호(476)의 기준선 크기(baseline magnitude)(478)는 표적(72)의 방출능을 나타낸다. 변조된 신호(474)의 밸리-대-피크(valley-to-peak) 진폭(482)은, 표적(72)으로부터 반사된 비임(452)의 제2 부분(464)의 분율을 나타낸다.
복합 신호(472b)는, 비임(452)을 변조하지 않는 반사계 공급원(442)에 의해서 생성된 신호의 특성이다. 오히려, 복합 신호(472b)는, 기준선 신호(476)로부터 연장하는 크기(485)를 가지는 펄스형 또는 계단형 신호(484)를 포함한다. 계단형 신호(484)는 복사선 공급원(444)으로 전력을 공급하는 것에 의해서 생성될 수 있고, 그러한 경우에, 계단형 신호(484)의 지속시간 동안 계단형 신호(484)가 드리프트(drift)할 수 있을 것이다. 드리프트를 보상하기 위해서, 계단형 신호(484)가 검출기(446)로부터의 신호에 대해서 정규화될 수 있고, 이는 비임(452)의 세기를 추적하여 정규화된 신호(486)를 제공한다. 정규화된 신호(486)의 진폭은 표적(72)의 반사율을 나타낸다.
반사계 하위조립체(442)는, 예를 들어, 표적(72)의 방출률의 변화를 보상하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, CVD 프로세스에서 웨이퍼 캐리어 상의 웨이퍼 상황에서 반사율 측정으로부터 방출능을 추정하는 방법을 개시하는, Gurary 등의 미국 특허 제6,349,270호("Gurary")에 개시된 바와 같이, 표적의 방출률이 반사율 측정치로부터 추정될 수 있다. 표적 방출능의 표시를 이용하여, 온도 결정의 정확도를 개선할 수 있다.
검출기(76a 또는 76b)에 의해서 감지되는 비임(452)의 제2 부분(464)의 분율은, 도 4에 수반하는 설명에서 기술된, 표적(72)으로부터 방출된 복사선과 동일한 시준을 거치게 된다. 즉, 치프 광선(92)(도 4)에 실질적으로 평행하게 반사되는 제2 부분(464)으로부터의 반사된 복사선만이 검출기(76a 또는 76b)에 의해서 검출되고, 그에 따라 표적(72) 또는 관찰 포트(52)로부터 최초로 산란된 복사선으로 인한 기여분은, 존재하더라도, 매우 적게 될 것이다. 그에 따라, 표적(72)이 웨이퍼(41) 상에 위치하는 곳과 관계없이, 비임(452)의 제2 부분(464)으로부터 기원된 산란된 복사선의 기여분은 최소 허용 기준(de minimis)이 된다. 산란된 복사선 성분을 본질적으로 배제함으로써, 표적들 사이의 결과적으로 표시되는 반사율 특성이 보다 일정할 수 있다.
이중 파장 고온계(420)의 도시된 배열체에서, 비임(452a 및 452b)의 제2 부분(464)은, 각각의 검출기(76a, 76b)에 도달하기 전에, 비임 스플리터(448), 콜드 미러(426), 대물 조립체(62) 및 관찰 포트(52)에 의해서 두 차례 감쇄되고, 표적(72), 필터링 장치(102) 및 이미지 조립체(64)에 의해서 한 차례 감쇄된다. 따라서, 비임(452)의 제2 부분(464)이 상당한 감쇄를 겪을 수 있고, 그에 따라 검출가능한 반사율 신호를 제공하기 위해서 복사선 공급원(444)이 충분한 파워(power)를 가질 필요가 있다. 충분한 파워를 가지는 복사선 공급원의 비제한적인 예로서, 약 1 mW 내지 약 10 mW 범위에서 동작되는 발광 다이오드(LED)가 있다. 발광 다이오드는, 각각의 복사선 검출기(422 또는 424)의 필터링 장치(102)를 통과하는 좁은 스펙트럼 범위 내의 에너지를 전달하도록 맞춤화될 수 있다. 예를 들어, 약 405 nm의 중앙 파장 및 약 25 nm의 통과 대역을 가지는 필터링 장치(102)의 경우에, LED 복사선 공급원의 비제한적인 예로서, 405 nm ± 10 nm의 중심 파장 및 약 15 nm의 스펙트럼 통과 대역(절반 최대에서의 전체 폭)을 가지는, 미국 뉴저지 뉴튼에 소재하는 Thorolabs, Inc.가 제조하는 LED405E가 있다. 약 930 nm의 중앙 파장 및 약 10 nm의 통과 대역을 가지는 필터링 장치(102)의 경우에, LED 복사선 공급원의 비제한적인 예로서, 약 943 nm의 중심 파장 및 약 60 nm의 스펙트럼 통과 대역(절반 최대에서의 전체 폭)을 가지는, 미국 캘리포니아 뉴버리 파크에 소재하는 Opto Diode Corp.가 제조하는 OD-1390가 있다.
도 17을 참조하면, 조합된 복수-채널의, 이중 파장 시스템(490)이 개시된 실시예에서 도시되어 있다. 도시된 실시예에서, 복수의 이중 파장 고온계(420a, 420b 및 420c)가, 라인(114)을 따라서 표적(72a, 72b 및 72c)을 관찰하도록 배열된다. 각각의 이중 파장 고온계(420a, 420b, 420c)는 각각의 복사 온도계의 쌍(422a/424a, 422b/424b, 422c/424c)을 포함하고, 주어진 쌍의 각각의 부재는, 도 15를 참조하여 설명한 바와 같이, 선택된 파장 통과 대역을 관찰하도록 구성된다.
광학적 구성요소의 전파 축이 공통 평면(예를 들어, 도 17에서 복사 온도계(422c 및 424c)의 장축을 통과하는 것으로 도시된, 평면(492)) 상에 위치되도록, 이중 파장 고온계(420)의 복사 온도계(422 및 424)가 배열될 수 있다. 또한, 공통 평면(492)에 직교하는 폭(494)이 도 6a 및 6b의 복사 온도계(22a, 22b 및 22c)의 폭과 동일하도록, 복사 온도계(422 및 424)의 내부 구성요소가 배열될 수 있다. 그러한 배열은 복사 온도계(22)와 동일한 측방향 풋프린트(footprint)를 가지는 이중 파장 고온계(420)를 제공하고, 그에 의해서 도 6a 및 6b와 관련하여 전술한 바와 같은 그리고 도 17에 도시된 바와 같은 방식으로, 임의의 라인을 따라서 또는 다른 패턴으로 표적을 관찰하도록 이중 파장 고온계(420a, 420b 및 420c)가 배열될 수 있게 한다.
대안적인 실시예에서, 복수-채널 배열체의 고온계 중 하나 만이 이중 파장이다. 이러한 배열에서, 단일 이중 파장 고온계로부터 유래되는 온도 교정 및/또는 방출률 보상이 전체 웨이퍼에 그에 따라 모든 표적에 적용된다는 가정이 이루어진다.
따라서, 조합된 복수-채널의, 이중 파장 시스템(490)은 이중 파장의, 오프-포커스 텔레센트릭 배열체의 향상된 정확도를 전달할 수 있는 한편, 공간적 온도 균일성 정보를 제공할 수 있다.
여기에서의 설명이 주로 MOCVD 반응기 시스템에서의 적용에 초점을 맞추고 있지만, 여기에서 설명된 원리가 일반적으로 복사 온도계를 이용하는 챔버뿐만 아니라, 다른 유형의 CVD 챔버에도 적용될 수 있다는 것을 주목하여야 한다. 또한, 이러한 개시 내용의 목적을 위해서, "고온계" 및 "복사 온도계"라는 용어는 동의어이고, "검출기"는 전자기적 복사선 검출기이고, 그리고 "비임"은 전자기적 복사선의 비임이다.
상부 및 하부, 전방 및 후방, 좌측 및 우측, 등과 같은 상대적인 용어에 대한 언급은 설명의 편의를 위한 것이고 임의의 특정 배향으로 제한하기 위한 것이 아니다. 특정 실시예의 범위를 벗어나지 않고도, 도면에 도시된 모든 치수는 특정 실시예의 구현가능한 설계 및 의도된 용도에 따라서 달라질 수 있을 것이다.
여기에서 개시된 부가적인 특징 및 방법의 각각이 독립적으로 이용되거나, 다른 특징 및 방법과 조합되어 이용되어, 개선된 장치, 시스템 그리고 그 제조 및 이용 방법을 제공할 수 있을 것이다. 그에 따라, 여기에서 개시된 특징 및 방법의 조합이 가장 넓은 의미로 개시된 실시예를 실행하는데 있어서 필수적인 것이 아니며, 그 대신에, 단지 대표적인 실시예를 특별하게 설명하기 위한 것이다.
본원의 청구항을 해석하기 위한 목적으로, "~하기 위한 수단" 또는 "~하기 위한 단계"라는 특정 용어가 청구항에서 인용되지 않는 경우에, 35 U.S.C.의 제6항의 섹션 112의 형성이 적용되지 않도록 명백하게 의도된다.
Claims (57)
- 복사 온도계를 위한 텔레센트릭 광학적 배열체이며:
구경 조리개;
상기 구경 조리개로 복사선을 전달하도록 배열된 하나의 광학적 구성요소 또는 광학적 구성요소들의 대물 조립체로서, 상기 대물 조립체 및 상기 구경 조리개는 광학적 축을 형성하고, 상기 대물 조립체는 상기 대물 조립체 내의 제1 기준 지점에 대한 제1 초점 길이를 형성하고, 상기 제1 기준 지점은, 실질적으로 시준된 복사선을 오프-포커스 표적으로부터 상기 대물 조립체를 통해서 전달하기 위한 그리고 상기 복사선을 상기 오프-포커스 표적으로부터 상기 구경 조리개 상으로 초점형성하기 위한 상기 대물 조립체의 제1 초점 길이와 실질적으로 동일한 상기 구경 조리개로부터의 거리에서 상기 광학적 축 상에 위치되는, 대물 조립체; 및
상기 대물 조립체로부터 상기 구경 조리개를 통해서 전달되는 복사선의 적어도 일부를 검출하도록 배열된 전자기적 복사선 검출기로서, 상기 전자기적 복사선 검출기는 신호를 생성하고, 상기 신호로부터 상기 오프-포커스 표적의 온도가 추정되는, 전자기적 복사선 검출기를 포함하는, 텔레센트릭 광학적 배열체 - 제1항에 있어서,
상기 구경 조리개로부터 상기 대물 조립체 반대쪽에 배치되고 상기 대물 조립체로부터 상기 구경 조리개를 통해서 상기 광학적 축을 따라서 전달되는 복사선을 수신하도록 배열된 하나의 광학적 구성요소 또는 광학적 구성요소들의 이미지 조립체를 더 포함하고, 상기 이미지 조립체는 상기 이미지 조립체 내의 제2 기준 지점에 대한 제2 초점 길이를 형성하고, 상기 제2 기준 지점은 상기 광학적 축 상에 위치되는, 텔레센트릭 광학적 배열체. - 제2항에 있어서,
상기 이미지 조립체의 상기 제2 기준 지점은, 상기 구경 조리개로부터 상기 이미지 조립체를 통해서 그리고 상기 검출기 상으로 전달되는 복사선의 시준을 위해 상기 이미지 조립체의 상기 제2 초점 길이와 실질적으로 동일한 상기 구경 조리개로부터의 거리에 위치되는, 텔레센트릭 광학적 배열체. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구경 조리개는, 상기 대물 조립체의 유효 방사상 치수의 약 1/3 이하인 주 치수를 형성하는, 텔레센트릭 광학적 배열체. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전자기적 복사선 검출기는 약 700 nm의 컷오프 파장을 가지는 광자 계수기인, 텔레센트릭 광학적 배열체. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
450 nm 미만의 파장의 주 통과 대역을 가지는 필터링 장치를 더 포함하고, 상기 필터링 장치는 상기 전자기적 복사선 검출기의 감지 범위 상으로 입사하는 복사선을 필터링하도록 배열되는, 텔레센트릭 광학적 배열체. - 제6항에 있어서,
상기 필터링 장치의 상기 일차적인 통과 대역이 380 nm 내지 420 nm 범위 내의 중심 파장을 가지고 20 nm 내지 50 nm 범위 내의 대역 폭을 가지는, 텔레센트릭 광학적 배열체. - 제6항에 있어서,
상기 필터링 장치는 대역 통과 필터를 포함하는, 텔레센트릭 광학적 배열체. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 오프-포커스 표적과 상기 대물 조립체 사이의 거리가 2 미터 미만인, 텔레센트릭 광학적 배열체. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 대물 조립체가 적어도 하나의 렌즈를 포함하는, 텔레센트릭 광학적 배열체. - 화학기상증착 챔버 내에서 이용되는 복사 온도계 내의 떠돌이 복사선 편향을 감소시키기 위한 방법이며:
표적으로부터 복사선을 수집하기 위해서 구경 조리개 및 제1 광학적 구성요소 조립체를 포함하는 텔레센트릭 렌즈 배열체를 제공하는 단계로서, 상기 텔레센트릭 렌즈 배열체는 상기 표적으로부터 방출된 시준된 복사선의 포획을 위해서 상기 구경 조리개를 상기 제1 광학적 구성요소 조립체의 초점 길이에 배치하도록 구성되는, 텔레센트릭 렌즈 배열체를 제공하는 단계;
유형의 매체 상의 명령을 제공하는 단계를 포함하고;
상기 명령은:
상기 화학기상증착 챔버 내의 표적으로부터 방출되는 복사선을 가로채도록 상기 제1 광학적 구성요소 조립체를 배향하는 것을 포함하는, 방법. - 제11항에 있어서,
상기 명령을 제공하는 단계에서 제공된 명령은 상기 제1 광학적 구성요소 조립체의 초점 길이에 상기 구경 조리개를 배치하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 명령을 제공하는 단계에서 제공된 명령은 상기 텔레센트릭 렌즈 배열체를 전자기적 복사선 검출기와 동작적으로 커플링시키는 것을 더 포함하는, 방법. - 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구경 조리개를 상기 제1 광학적 구성요소 조립체의 초점 길이에 배치하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 텔레센트릭 렌즈 배열체를 전자기적 복사선 검출기와 동작적으로 커플링시키는 단계를 더 포함하는, 방법. - 화학기상증착 챔버 내에서 표적의 온도를 측정하기 위한 시스템이며:
상기 화학기상증착 챔버와 동작적으로 커플링된 복사 온도계를 포함하고, 상기 복사 온도계는 상기 화학기상증착 챔버 내부에서 오프-포커스 표적을 형성하기 위한 수단을 포함하는, 시스템. - 공간적 온도 분포를 추정하기 위한 고온계 시스템이며,
상응하는 복수의 인접한 오프-포커스 표적을 관찰하도록 배열된 복수의 복사 온도계를 포함하고,
상기 복수의 복사 온도계의 각각은 제1 텔레센트릭 광학적 배열체를 포함하고,
상기 제1 텔레센트릭 광학적 배열체는:
복사선의 전달을 위한 하나 이상의 광학적 구성요소의 대물 조립체로서, 상기 대물 조립체는 상기 대물 조립체 내의 기준 지점에 대해서 초점 길이를 형성하는, 대물 조립체;
상기 대물 조립체로부터 전달된 복사선을 수신하도록 배열된 제1 구경 조리개로서, 상기 대물 조립체 및 상기 제1 구경 조리개는 상기 기준 지점을 통과하는 제1 광학적 축을 형성하고, 상기 제1 구경 조리개는, 상기 상응하는 복수의 인접한 오프-포커스 표적 중 각각의 하나로부터의 상기 복사선의 제1 검출 부분을 상기 제1 구경 조리개 상으로 초점형성하기 위해서 상기 대물 조립체의 초점 길이와 실질적으로 동일한 상기 기준 지점으로부터의 거리에 위치되는, 제1 구경 조리개; 및
상기 대물 조립체로부터 상기 제1 구경 조리개를 통해서 전달되는 상기 복사선의 제1 검출 부분을 검출하도록 배열된 제1 전자기적 복사선 검출기로서, 상기 제1 전자기적 복사선 검출기는 제1 신호를 생성하고, 상기 제1 신호로부터 상기 상응하는 복수의 인접한 오프-포커스 표적 중 각각의 하나의 온도가 추정되는, 제1 전자기적 복사선 검출기를 포함하는, 고온계 시스템. - 제17항에 있어서,
상기 복수의 인접한 오프-포커스 표적 중 인접한 표적들은 상기 표적들 사이에 각각의 공간을 형성하는, 고온계 시스템. - 제17항에 있어서,
상기 복수의 복사 온도계가 웨이퍼 캐리어 상의 웨이퍼를 관찰하도록 배열되고, 상기 웨이퍼 캐리어는 상기 화학기상증착 챔버 내에 배열되고, 상기 복수의 인접한 오프-포커스 표적은 상기 웨이퍼에 의해서 완전히 대응되는, 고온계 시스템. - 제19항에 있어서,
상기 웨이퍼에 의한 상기 오프-포커스 표적의 대응이 주기적인, 고온계 시스템. - 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 복사 온도계 중 적어도 하나가 제1 비임 스플리터 및 전자기적 복사선의 제1 비임을 생성하기 위한 제1 복사선 공급원을 포함하는 제1 반사계 하위조립체를 포함하고, 상기 제1 비임 스플리터는 상기 상응하는 복수의 인접한 오프-포커스 표적 중 각각의 하나의 조사를 위해 상기 제1 광학적 축을 따른 상기 제1 비임의 일부의 전파를 위해서 배열되는, 고온계 시스템. - 제21항에 있어서,
상기 제1 반사계 하위조립체는 상기 제1 비임을 변조하는, 고온계 시스템. - 제22항에 있어서,
상기 제1 반사계 하위조립체는 초퍼로 상기 제1 비임을 변조하는, 고온계 시스템. - 제17항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 복사 온도계 중 적어도 하나는, 상기 제1 전자기적 복사선 검출기에 의해서 검출되는 상기 복사선의 제1 검출 부분을 선택적으로 감소시키도록 배열된 감소된 조리개 조립체를 포함하는, 고온계 시스템. - 제17항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 복사 온도계 중 적어도 하나가 제2 텔레센트릭 광학적 배열체를 포함하고,
상기 제2 텔레센트릭 광학적 배열체는:
상기 대물 조립체로부터의 복사선을 수신하도록 배열된 제2 구경 조리개로서, 상기 대물 조립체 및 상기 제2 구경 조리개는 상기 기준 지점을 통과하는 제2 광학적 축을 형성하고, 상기 제2 구경 조리개는, 상기 상응하는 복수의 인접한 오프-포커스 표적 중 각각의 하나로부터의 상기 복사선의 제2 검출 부분을 상기 제2 구경 조리개 상으로 초점형성하기 위해서 상기 대물 조립체의 초점 길이와 실질적으로 동일한 상기 기준 지점으로부터의 거리에 위치되는, 제2 구경 조리개; 및
상기 대물 조립체로부터 상기 제2 구경 조리개를 통해서 전달되는 상기 복사선의 제2 검출 부분을 검출하도록 배열된 제2 전자기적 복사선 검출기로서, 상기 제2 전자기적 복사선 검출기는 제2 신호를 생성하고, 상기 제2 신호로부터 상기 상응하는 복수의 인접한 오프-포커스 표적 중 각각의 하나의 온도가 추정되는, 제2 전자기적 복사선 검출기를 포함하는, 고온계 시스템. - 제25항에 있어서,
상기 복사선의 제1 검출 부분이 전자기적 복사선의 적외선 스펙트럼 이내이고, 상기 복사선의 제2 검출 부분이 전자기적 복사선의 가시광선 스펙트럼 이내인, 고온계 시스템. - 제25항에 있어서,
상기 제1 광학적 축 및 상기 제2 광학적 축을 따라서 배치된 콜드 미러를 더 포함하고, 상기 콜드 미러는 상기 복사선의 제1 검출 부분을 투과하고 상기 복사선의 제2 검출 부분을 반사하는, 고온계 시스템. - 제26항 또는 제27항에 있어서,
상기 복사선의 제2 검출 부분은, 400 nm 이상이고 410 nm 이하인 파장에서 중심설정되는 파장 통과 대역을 형성하는, 고온계 시스템. - 제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복사선의 제1 검출 부분은 930 nm 파장을 포함하는 파장 통과 대역을 형성하는, 고온계 시스템. - 제21항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 복사 온도계 중 적어도 하나는 제2 비임 스플리터 및 전자기적 복사선의 제2 비임을 생성하기 위한 제2 복사선 공급원을 포함하는 제2 반사계 하위조립체를 포함하고, 상기 제2 비임 스플리터는 상기 상응하는 복수의 인접한 오프-포커스 표적 중 각각의 하나의 조사를 위해 상기 제2 광학적 축을 따른 상기 제2 비임의 일부의 전파를 위해서 배열되는, 고온계 시스템. - 제30항에 있어서,
상기 제2 반사계 하위조립체가 상기 제2 비임을 변조하는, 고온계 시스템. - 제31항에 있어서,
상기 제2 반사계 하위조립체가 초퍼로 상기 제2 비임을 변조하는, 고온계 시스템. - 텔레센트릭 이중 파장 고온계이며:
오프-포커스 표적으로부터 복사선을 전달하기 위한 하나 이상의 광학적 구성요소의 대물 조립체로서, 상기 대물 조립체는 상기 대물 조립체 내의 기준 지점에 대한 초점 길이를 형성하는, 대물 조립체;
상기 대물 조립체로부터 전달된 복사선을 수신하도록 배열된 제1 구경 조리개로서, 상기 대물 조립체 및 상기 제1 구경 조리개는 상기 기준 지점을 통과하는 제1 광학적 축을 형성하고, 상기 제1 구경 조리개는, 상기 복사선의 제1 검출 부분을 상기 제1 구경 조리개 상으로 초점형성하기 위해서 상기 대물 조립체의 초점 길이와 실질적으로 동일한 상기 기준 지점으로부터의 거리에 위치되는, 제1 구경 조리개;
상기 대물 조립체로부터 전달된 복사선을 수신하도록 배열된 제2 구경 조리개로서, 상기 대물 조립체 및 상기 제2 구경 조리개는 상기 기준 지점을 통과하는 제2 광학적 축을 형성하고, 상기 제2 구경 조리개는, 상기 복사선의 제2 검출 부분을 상기 제2 구경 조리개 상으로 초점형성하기 위해서 상기 대물 조립체의 초점 길이와 실질적으로 동일한 상기 기준 지점으로부터의 거리에 위치되는, 제2 구경 조리개;
상기 대물 조립체로부터 상기 제1 구경 조리개를 통해서 전달되는 상기 복사선의 제1 검출 부분을 검출하도록 배열된 제1 전자기적 복사선 검출기; 및
상기 대물 조립체로부터 상기 제2 구경 조리개를 통해서 전달되는 상기 복사선의 제2 검출 부분을 검출하도록 배열된 제2 전자기적 복사선 검출기로서, 상기 제1 전자기적 복사선 검출기 및 상기 제2 전자기적 복사선 검출기는 상기 오프-포커스 표적의 온도를 추정하기 위한 제1 신호 및 제2 신호를 각각 생성하는, 제2 전자기적 복사선 검출기를 포함하는, 텔레센트릭 이중 파장 고온계. - 제33항에 있어서,
전자기적 복사선의 제1 비임을 생성하기 위한 제1 복사선 공급원 및 제1 비임 스플리터를 포함하는 제1 반사계 하위조립체를 더 포함하고, 상기 제1 비임 스플리터는 상기 상응하는 복수의 인접한 오프-포커스 표적 중 각각의 하나의 조사를 위해 상기 제1 광학적 축을 따른 상기 제1 비임의 일부의 전파를 위해서 배열되는, 텔레센트릭 이중 파장 고온계. - 제34항에 있어서,
전자기적 복사선의 제2 비임을 생성하기 위한 제2 복사선 공급원 및 제2 비임 스플리터를 포함하는 제2 반사계 하위조립체를 더 포함하고, 상기 제2 비임 스플리터는 상기 상응하는 복수의 인접한 오프-포커스 표적 중 각각의 하나의 조사를 위해 상기 제2 광학적 축을 따른 상기 제2 비임의 일부의 전파를 위해서 배열되는, 텔레센트릭 이중 파장 고온계. - 제33항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복사선의 제1 검출 부분은 전자기적 복사선의 적외선 스펙트럼 이내이고, 상기 복사선의 제2 검출 부분은 전자기적 복사선의 가시광선 스펙트럼 이내인, 텔레센트릭 이중 파장 고온계. - 제33항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복사선의 제2 검출 부분은, 400 nm 이상이고 410 nm 이하인 파장에서 중심설정되는 파장 통과 대역을 형성하고, 상기 복사선의 제1 검출 부분은 930 nm 파장을 포함하는 파장 통과 대역을 형성하는, 텔레센트릭 이중 파장 고온계. - 제33항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 전자기적 복사선 검출기에 의해서 검출되는 상기 복사선의 제1 검출 부분 및 상기 제2 전자기적 복사선 검출기에 의해서 검출되는 상기 복사선의 제2 검출 부분 중 하나를 선택적으로 감소시키도록 배열된 감소된 조리개 조립체를 더 포함하는, 텔레센트릭 이중 파장 고온계. - 복사 온도계에 의해서 수신되는 떠돌이 복사선을 제한하기 위한 시스템이며:
화학기상증착(CVD) 챔버;
회전 축 주위로 회전하도록 구성되고 상단부 표면, 하단부 표면 및 외측 엣지를 포함하는 웨이퍼 캐리어로서, 상기 상단부 표면은 실질적으로 평면형이고 표적 평면을 형성하는, 웨이퍼 캐리어;
상기 웨이퍼 캐리어 아래에 배치된 복수의 가열 요소로서, 상기 복수의 가열 요소는 상기 웨이퍼 캐리어의 하단부 표면을 조사하도록 배열되고, 상기 복수의 가열 요소는 상기 웨이퍼 캐리어의 외측 엣지에 근접한 주변 가열 요소를 포함하고, 상기 주변 가열 요소는 상기 주변 가열 요소의 지정된 부분을 따라 저열 플럭스 부분을 포함하고, 상기 저열 플럭스 부분은 상기 주변 가열 요소의 다른 부분에 대해 실질적으로 감소된 온도에서 동작하는, 복수의 가열 요소; 및
감소된 산란 복사선의 축에 근접한 표적의 관찰을 위해서 배열된 복사 온도계로서, 상기 감소된 산란 복사선의 축은 상기 표적 평면과 공통 평면적이고 상기 회전 축으로부터 그리고 상기 가열 요소의 저열 플럭스 부분 위에서 연장하는, 복사 온도계를 포함하는, 시스템. - 제39항에 있어서,
상기 복사 온도계는, 감소된 산란 복사선의 축의 부분을 포함하는 상기 웨이퍼 평면 상의 직사각형 영역 내에 위치되는 표적을 관찰하도록 배열되고, 상기 직사각형 영역은 상기 스핀들로부터 상기 웨이퍼 캐리어의 외측 엣지까지 연장하고, 상기 직사각형 영역은 상기 주변 가열 요소의 지정된 부분의 접선방향 치수와 대략적으로 동일한 폭을 가지는, 시스템. - 제39항 또는 제40항에 있어서,
상기 주변 가열 요소의 상기 저열 플럭스 부분은 전기 커넥터를 포함하는, 시스템. - 제39항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 CVD 챔버 내에 배치된 실린더를 더 포함하고, 상기 실린더는 상기 회전 축과 실질적으로 동심적인 실린더 축을 형성하고, 상기 실린더는 내측 표면 및 외측 표면을 가지며, 상기 내측 표면은 내측 실린더 직경을 형성하고, 상기 외측 표면은 외측 실린더 직경을 형성하며, 상기 실린더는 상기 실린더 축에 실질적으로 직교하는 상부 평면을 형성하는 상단부 엣지를 가지는, 시스템. - 제42항에 있어서,
상기 웨이퍼 캐리어는 상기 실린더의 내측 실린더 직경 보다 큰 캐리어 외측 직경을 형성하는, 시스템. - 제39항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주변 가열 요소는 상기 복수의 가열 요소 중의 다른 가열 요소를 실질적으로 둘러싸는, 시스템. - 제39항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복사 온도계는 전자기적 스펙트럼의 가시광선/UV 부분 내의 복사선을 검출하도록 구성되는, 시스템. - 제39항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 CVD 챔버 내에 배치된 스핀들을 더 포함하고, 상기 스핀들은 상기 회전 축과 동축적이고 상기 웨이퍼 캐리어와의 커플링을 위해서 구성된 원위 부분을 가지는, 시스템. - 제39항 내지 제46항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 저열 플럭스 부분은, 최대 동작 온도에서 동작할 때 상기 가열 요소의 임의의 다른 부분 보다 적어도 300 ℃ 낮은 온도에서 동작하도록 구성되는, 시스템. - 화학기상증착 챔버 내에서 표적을 관찰하는 복사 온도계에 의해서 수신되는 떠돌이 복사선을 제한하기 위한 방법이며:
상기 화학기상증착 챔버 내에서 동작하도록 구성된 웨이퍼 캐리어 및 히터 어레이를 제공하는 단계로서, 상기 웨이퍼 캐리어는 회전 축 주위로 회전하도록 구성되고 하부 표면 및 실질적으로 평면형인 상부 표면을 가지며, 상기 상부 표면은 표적 평면을 형성하고, 상기 히터 어레이는 주변 가열 요소의 지정된 부분을 따라서 저열 플럭스 부분을 포함하는 주변 가열 요소를 포함하는, 웨이퍼 캐리어 및 히터 어레이를 제공하는 단계;
유형 매체 상의 명령을 제공하는 단계로서, 상기 명령은:
상기 화학기상증착 챔버 내에 상기 히터 어레이를 배치하는 것;
상부 표면이 위쪽을 향하도록 웨이퍼 캐리어를 상기 화학기상증착 챔버 내에서 상기 히터 어레이 위에 배치하는 것;
감소된 산란 복사선의 축에 근접하여 표적을 관찰하도록 복사 온도계를 정렬시키는 단계로서, 상기 감소된 산란 복사선의 축이 표적 평면과 공통 평면적이고 상기 회전 축으로부터 그리고 상기 가열 요소의 저열 플럭스 부분 위에서 연장하는, 상기 복사 온도계를 정렬시키는 것을 포함하는, 방법. - 제48항에 있어서,
복사 온도계를 정렬시키는 단계에서 정렬된 상기 표적은, 감소된 산란 복사선의 축의 부분을 포함하는 상기 표적 평면 상의 직사각형 영역 내에 위치되고, 상기 직사각형 영역은 상기 회전 축으로부터 상기 웨이퍼 캐리어의 외측 엣지까지 연장하고, 상기 직사각형 영역은 상기 주변 가열 요소의 지정된 부분의 접선방향 치수와 대략적으로 동일한 폭을 가지는, 방법. - 제48항 또는 제49항에 있어서,
복사 온도계를 정렬시키는 단계에서 정렬된 상기 표적은 상기 축의 일부를 포함하는, 방법. - 복사 온도계에 의해서 수신되는 떠돌이 복사선을 제한하기 위한 시스템이며:
화학기상증착(CVD) 챔버;
상기 CVD 챔버 내에 배치된 실린더로서, 상기 실린더는 실린더 축을 형성하고 내측 표면 및 외측 표면을 가지고, 상기 내측 표면은 내측 실린더 직경을 형성하고, 상기 외측 표면은 외측 실린더 직경을 형성하며, 상기 실린더는 상기 실린더 축에 실질적으로 수직인 상부 평면을 형성하는 상단부 엣지를 가지는, 실린더;
상기 실린더 내에 그리고 상기 실린더의 내측 표면에 근접하여 배치되는 주변 가열 요소;
상기 실린더 내에 배치되고 주변 가열 요소를 통해서 연장하는 스핀들로서, 상기 스핀들은 상기 실린더의 상부 평면 위에서 연장하는 원위 부분을 가지는, 스핀들;
실질적으로 평면형이고 표적 평면을 형성하는 상단부 표면을 가지는 웨이퍼 캐리어로서, 상기 웨이퍼 캐리어는 상기 주변 가열 요소 위에서의 현수를 위해서 상기 스핀들의 상기 원위 부분에 연결되도록 구성되는, 웨이퍼 캐리어;
상기 주변 가열 요소의 지정된 부분으로부터 방출되는 산란 복사선을 감소시키기 위한 수단으로서, 상기 수단은 상기 주변 가열 요소에 근접하여 위치되는, 산란 복사선을 감소시키기 위한 수단; 및
감소된 산란 복사선의 축에 근접하는 상기 표적 평면 상의 표적을 관찰하도록 배열된 복사 온도계로서, 상기 감소된 산란 복사선의 축은 상기 표적 평면과 동일 평면적이고 상기 산란 복사선을 감소시키기 위한 수단의 방향으로 연장하는 상기 회전 축에서의 원점을 가지는, 시스템. - 제51항에 있어서,
상기 표적은 감소된 산란 복사선의 축의 부분을 포함하는 상기 웨이퍼 평면 상의 직사각형 영역 내에 위치되고, 상기 직사각형 영역은 상기 스핀들로부터 상기 웨이퍼 캐리어의 외측 엣지까지 연장하고, 상기 직사각형 영역은 상기 산란 복사선을 감소시키기 위한 수단의 접선방향 치수와 대략적으로 동일한 폭을 가지는, 시스템. - 제51항 또는 제52항에 있어서,
상기 산란 복사선을 감소시키기 위한 수단은 상기 주변 가열 요소의 전기 커넥터를 포함하는, 시스템. - 제51항 내지 제53항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산란 복사선을 감소시키기 위한 수단은 상기 주변 가열 요소의 지정된 부분에 근접하여 위치된 복사선 트랩 및 복사선 편위부 중 하나를 포함하는, 시스템. - 복사 온도계에 의해서 수신되는 떠돌이 복사선을 제한하기 위한 시스템이며:
화학기상증착(CVD) 챔버;
회전 축 주위로 회전하도록 구성된 웨이퍼 캐리어로서, 상기 웨이퍼 캐리어는 상단부 표면, 하단부 표면 및 주변 엣지를 포함하고, 상기 상단부 표면은 상기 회전 축에 대해서 실질적으로 직교하는 표적 평면을 형성하는, 웨이퍼 캐리어;
상기 웨이퍼 캐리어의 상기 하단부 표면에 인접하여 배치된 가열 요소로서, 상기 가열 요소는 상기 웨이퍼 캐리어의 상기 주변 엣지에 근접하고, 상기 가열 요소는 최대 동작 온도에서 동작할 때 상기 가열 요소의 임의의 다른 부분 보다 적어도 300 ℃ 낮은 온도에서 동작하도록 구성된 저열 플럭스 부분을 포함하는, 가열 요소; 및
복사 온도계를 위한 관찰 포트로서, 상기 관찰 포트는 감소된 산란 복사선의 축에 근접한 표적의 관찰을 위해서 배열되고, 상기 감소된 산란 복사선의 축은 상기 표적 평면과 공통 평면적이고 상기 회전 축으로부터 그리고 상기 가열 요소의 저열 플럭스 부분 위에서 연장하는, 관찰 포트를 포함하는, 시스템. - 제55항에 있어서,
상기 관찰 포트를 통해서 표적을 관찰하도록 배열된 복사 온도계를 더 포함하고, 상기 표적은 상기 감소된 산란 복사선의 축에 근접하는, 시스템. - 제56항에 있어서,
상기 복사 온도계는 전자기적 스펙트럼의 가시광선/UV 부분 내의 복사선을 검출하도록 구성되는, 시스템.
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