TW201732985A - 透過雷射繞射測量3d半導體結構之溫度的設備及方法 - Google Patents

Abstract

本發明之實施例大致上關於用以測量及監控基板之溫度之設備及方法，該基板上具有三維(3D)特徵結構。設備包含光源、聚焦透鏡及輻射率計，該光源用以照射基板，該基板上具有3D特徵結構，該聚焦透鏡用以聚集且聚焦反射光，該輻射率計用以偵測該聚焦反射光之輻射率。設備亦包含光束分光器及成像裝置。成像裝置提供反射光之繞射圖案之放大影像。方法包含以光照射基板，該基板上具有3D特徵結構，且以聚焦透鏡聚焦反射光。然後聚焦光導向感測器且測量基板之輻射率。反射光亦入射成像裝置，以產生反射光之繞射圖案之放大影像。

Description

透過雷射繞射測量3D半導體結構之溫度的設備及方法

本發明之實施例大致上關於用於測量基板之溫度的設備及方法，該等基板上具有三維(3D)結構特徵。

半導體裝置之持續微縮驅動了半導體裝置之新架構之結果，該等新架構包含3D特徵結構。3D特徵結構之一後果為，由於藉由檢測器收集的光減少、由於鏡面反射的損失（例如，當照射光源的入射角等於反射角），而減少非接觸式測量的準確性。可使用非接觸式測量，例如高溫測定，藉由測量從物體發射的熱輻射，以決定基板溫度。基板之熱輻射可被表示為：(方程式1) 其中T為溫度；θ及ψ為極角及方位角；λ為光波長；R_Ω 為示波器的阻抗；A為由檢測器所感測的面積；為定向光譜輻射率；為光學路徑中透鏡及濾片之光譜透射率；為於不同波長下檢測器之響應度，且為基板之輻射率。如方程式1中所示，基板之熱輻射為基板之輻射率與溫度兩者之函數。為了簡化上述方程式，大部份的高溫計設定為單一輻射率值而不顧所測量的物體。然而，並非全部的物體皆具有相同的輻射率，且因此，高溫計量得的溫度經常不準確。

對於某些平坦結構，可經由實驗決定物體之輻射率，允許將修正因子應用至高溫計，此舉促使更準確決定物體溫度。與平坦基板相較，當處理3D結構時，非接觸式測量特別不準確。由於決定物體輻射率之困難，3D結構之測量更不準確。照射3D結構造成來自基板的反射光之散射與干涉，使得當採用習知輻射率測量技術時，輻射率之決定並不準確。

因此，需要用以測量及監控基板之溫度之方法及設備，該基板上具有3D特徵結構。

本發明之實施例大致上關於用以測量及監控基板之溫度之設備及方法，該基板上具有3D特徵結構。設備包含光源、聚焦透鏡及輻射率計，該光源用以照射基板，該基板上具有3D特徵結構，該聚焦透鏡用以聚集且聚焦從基板反射的光，該輻射率計用以偵測該聚焦反射光之輻射率。設備亦包含光束分光器，該光束分光器將從基板反射的光分光朝向輻射率計及成像裝置。成像裝置提供反射光之繞射圖案之放大影像。方法包含以來自光源的光照射基板，該基板上具有3D特徵結構，該基板將光反射，且以聚焦透鏡聚焦反射光。然後聚焦光導向感測器且測量基板之輻射率。反射光亦入射成像裝置，以產生反射光之繞射圖案之放大影像。

在一實施例中，設備包括腔室主體，該腔室主體具有基板支撐件放置於該腔室主體中。反射測量系統係放置於腔室主體內且包含光源及聚焦透鏡，該光源係經放置以將光導向基板支撐件之基板支撐表面，該聚焦透鏡係經放置以收集從放置於該基板支撐表面之基板之表面所反射的光。反射測量系統亦包含光束分光器，該光束分光器係經放置以將由聚焦透鏡所收集的光之第一部份導向輻射率計，該輻射率計決定基板之輻射率，且該光束分光器係經放置以將由該聚焦透鏡所收集的光之第二部份導向成像裝置。設備亦包含處理單元，該處理單元用以根據基板之輻射率來決定該基板之溫度。

在另一實施例中，用以決定基板之溫度之方法包括將基板放置於腔室主體內的基板支撐件上，該基板上具有3D特徵結構。將來自光源的光導向基板之表面且從該基板之表面反射。以聚焦透鏡收集反射光，且將該反射光導向輻射率計。決定基板之輻射率，且然後根據該基板之輻射率決定該基板之溫度。

在另一實施例中，決定基板之溫度之方法包括將基板放置於腔室主體內的基板支撐件上，該基板上具有3D特徵結構。將來自光源的光導向基板之表面且從該基板之表面反射。以聚焦透鏡收集反射光，且將該反射光導向光束分光器。光束分光器將反射光分光成第一路徑及第二路徑。第一路徑導向輻射率計且第二路徑導向成像裝置。決定基板之輻射率，且然後根據該基板之輻射率決定該基板之溫度。

本發明之實施例大致上關於用以測量及監控基板之溫度之設備及方法，該基板上具有3D特徵結構。設備包含光源、聚焦透鏡及輻射率計，該光源用以照射基板，該基板上具有3D特徵結構，該聚焦透鏡用以聚集且聚焦從基板反射的光，該輻射率計用以偵測該聚焦反射光之輻射率。設備亦包含光束分光器，該光束分光器將從基板反射的光分光朝向輻射率計及成像裝置。成像裝置提供反射光之繞射圖案之放大影像。方法包含以來自光源的光照射基板，該基板上具有3D特徵結構，該基板將光反射，且以聚焦透鏡聚焦反射光。然後聚焦光導向感測器且測量基板之輻射率。反射光亦入射成像裝置，以產生反射光之繞射圖案之放大影像。

第1圖繪示根據本發明之一實施例之處理腔室100。處理腔室100包含腔室主體102、基板支撐件104及反射測量系統106。雷射108設置於腔室主體102之外側而位於基板支撐件104上方且適於將光110導向基板112之表面，該基板112係放置於該基板支撐件104上。雷射108將光110傳送至基板112，以促進基板112之熱處理，例如熱退火、摻雜活化或再結晶。高溫計111係放置於鄰近雷射108處且指向於基板112，以測量自基板112所發射的熱輻射。

反射測量系統106係放置於腔室主體102內於固定的位置中。反射測量系統106促使於基板112之熱處理之前、基板112之熱處理期間或基板112之熱處理之後，基板112之溫度測量。反射測量系統106允許藉由測量自基板112所反射的光量來決定基板112之輻射率。反射測量系統106適於將來自光源114的光118導向基板112之表面，且經由感測器116(例如輻射率計)測量基板112之表面所反射的反射光120之光量。光源114通常為單色光源，光源114產生光118，且相對於基板以已知的角度放置光源114，舉例而言，約零度至約60度。由於光118為單波長光，可忽略光118之干涉，且反射光120之任何干涉可歸因於位於基板112之表面上的3D結構122。此外，光源114適於產生具有不同於雷射108的波長之光，使得感測器116可分辨可能從基板112反射的光118與光110。大致上，大部份的光110或全部的光110係被基板吸收，然而，在某些光110從基板112反射的情況下，對於光110及光118採用不同波長的光，促進準確的輻射率決定。

反射測量系統106亦包含聚焦透鏡124，聚焦透鏡124係放置於腔室主體102內的固定位置處。聚焦透鏡124之中心係放置於近似鏡面反射角處，以收集且聚焦反射光120。聚焦透鏡124可放置於從基板112約10毫米至約20毫米處。聚焦透鏡124由玻璃所形成，然而，本文涵蓋聚焦透鏡124亦可由適合於處理腔室100內對抗熱退火環境之塑膠所形成。光束分光器126係放置於基板112之相反側上鄰近聚焦透鏡124處。光束分光器126為放置於聚焦透鏡124之後焦平面處或靠近聚焦透鏡124之後焦平面的光學裝置，且光束分光器126適於將聚焦反射光120分光成兩個方向。如第1圖中所繪示，反射光120分光成兩個垂直方向。可由兩個三角形玻璃稜鏡藉由樹脂彼此附著而形成四邊形來形成光束分光器126。可選擇樹脂組成與厚度以將進入反射光120之預定部份轉移至感測器116，同時允許第二部份例如進入反射光120之剩餘部份傳送到成像裝置128，例如，CCD照相機。成像裝置128係放置於鄰近光束分光器126處且與聚焦透鏡124及光束分光器126共享共同軸。成像裝置128係放置於第一焦平面處，且成像裝置128適於接收進入光且產生反射光120之繞射圖案之放大影像。繞射圖案對應於基板表面上的3D結構122之週期性，且因此提供有關於3D結構122之尺寸、形狀及間隔之資訊與有關於3D結構122之尺寸、形狀及間隔之改變之資訊。

基板支撐件104係放置於腔室底部130上。相對於反射測量系統106沿著腔室底部130，基板支撐件104可於X-Y方向中移動，用以定位基板112之未經處理的部份，以接收自雷射108的光110。基板支撐件104可移動至沒有反射測量系統106之位置，以允許藉由機器人(未圖示)經過狹縫閥132使基板112放置於基板支撐件104上或自基板支撐件104移除基板112。升降銷(未圖示)可經設置通過基板支撐件104以促使基板112自基板支撐件104移除。處理單元134例如電腦係耦接至處理腔室100且適於控制處理腔室100中的處理過程，該等處理過程包含將基板112曝露於光110或118、裝載及卸載基板及決定基板溫度。

於處理腔室100之操作期間，例如於熱退火處理期間，光源114於預定的波長下以光118之已知的光量(例如，每單位面積已知的能量)照射基板112。某些光118被基板112吸收而同時剩餘部份被基板112反射(且散射)而作為反射光120。然後反射光120藉由聚焦透鏡124收集且聚焦。即使反射光120經歷了散射，聚焦透鏡124促進反射光之大多數或全部的收集。由於收集了大部份或全部的反射光，可達成基板輻射率之更準確的測量。

聚焦透鏡124將反射光120聚焦於光束分光器126上，光束分光器126將反射光120之已知部份導向感測器116。與處理單元134通訊連接的感測器116測量反射光120之光量。因為由於用以形成光束分光器126的樹脂之已知性質而已知由光束分光器126轉向的光之部份，可準確決定反射光120之光量。從量得的反射率，感測器116決定基板112之輻射率為近似一減該反射率。一旦決定基板112之輻射率後，然後藉由使用方程式1及普朗克分佈方程式(方程式2)的處理單元134，可準確決定基板112之溫度。(方程式2)

當藉由高溫計111決定從基板112發射的熱輻射，方程式2允許修正基板之輻射率。方程式2可代入方程式1，以於測量從基板發射的熱輻射期間產生準確溫度測量。在方程式2中，為由輻射率計及處理單元134所決定的基板之輻射率；為定值，等於3.74 x 10^-16 W m^-2 ；為定值，等於1.44 x 10^-2 mK；λ為從光源114所發射的光之波長；且T為基板之溫度。因此，準確決定基板輻射率促使藉由高溫計經由輻射率修正之高溫計來準確決定基板溫度。

雖然處理腔室100適於基板112之熱處理，本文涵蓋反射測量系統106可用於其他處理腔室中，例如原子層沉積(ALD)腔室或其他處理腔室。當反射測量系統106係放置於ALD腔室內，本文希望將反射測量系統106放置於減輕材料沉積於聚焦透鏡124上的位置。可採用處理氣體，例如惰性氣體，以於ALD處理期間導引沉積材料或前驅物氣體遠離聚焦透鏡124。

第2圖繪示根據本發明之一實施例決定基板溫度之方法之流程圖250。流程圖250始於操作251，其中基板上具有3D結構，該基板曝露於來自雷射的光，以熱處理基板。於操作252中，當繼續熱處理基板，來自第二光源的單色光導向基板之熱處理區域且從基板之熱處理區域反射。於操作253中，收集來自單色光源、從基板表面反射的光且藉由聚焦透鏡聚焦。製作聚焦透鏡之足夠尺寸且放置該聚焦透鏡足夠接近基板，以收集反射光之所需光量，舉例而言，從基板反射的光之至少約90%或約100%。

於操作254中，反射光藉由聚焦透鏡導向光束分光器。光束分光器將聚焦光分光成兩個路徑。於操作255中，第一路徑導向感測器，該感測器根據從基板反射的光量來決定基板之輻射率。於操作256中，光束分光器之第二路徑將反射光導向CCD照相機，該CCD照相機收集反射光，以產生反射光之繞射圖案之放大影像。繞射圖案之放大影像允許待決定之3D特徵結構之週期性，且亦提供有關於散射光量及反射光之鏡面角的資訊。可採用繞射圖案以於處理期間監控3D特徵結構之尺寸及間隔，且亦可用以指示並未符合預定品質規格之故障裝置或故障基板。

於操作257中，一旦於操作255中決定了輻射率，則可決定基板之溫度。使用輻射率修正之高溫計可決定基板之溫度，該輻射率修正之高溫計測量自基板發射的熱輻射。於操作258中，可重複操作251至操作257。重複操作251至操作257允許基板之溫度於所需時間期間受到監控。監控基板溫度允許於熱處理期間之端點識別，以及基板之時間相依熱映射，例如得到監控基板之溫度歷史。基板之溫度歷史允許於基板之給定處理期間準確決定溫度，且允許準確決定於處理期間傳遞至基板的熱能之整體量。對於生長過程，可使用溫度歷史，以決定相關於基板上的3D特徵結構之尺寸改變之基板溫度。

流程圖250繪示決定基板溫度之一實施例，然而，本文亦可涵蓋其他實施例。在另一實施例中，本文涵蓋操作251可於操作252之前發生，或操作251可於操作252之後發生，而非操作251與操作252同時發生。在另一實施例中，本文涵蓋操作251可被原子層沉積過程取代；舉例而言，磊晶生長過程。在該實施例中，可採用於操作256中的反射光之放大影像，以監控且決定基板上的3D特徵結構之形成速率。亦可採用放大影像來形成用於形成3D結構之溫度對於時間對於特徵結構尺寸之3D表示，可採用該3D表示以促進原位處理控制。在又另一實施例中，本文涵蓋聚焦透鏡並不夠大而足以捕捉全部的反射光之情況，處理單元藉由應用修正因子可補償光線之未收集部份。由處理單元應用的修正因子可為預定值(例如，3%、5%或10%)，或可根據反射光之干涉之放大影像之特徵來計算修正因子，特徵例如收集的各模式之強度分佈。

本發明之優點包含對於基板溫度之準確非接觸式測量，準確測量基板輻射率。設備及方法採用聚焦透鏡，以收集從基板反射、由於基板表面上的3D結構之存在而已被散射的光。聚焦透鏡使收集的反射光量最大化，以確保準確決定基板輻射率，藉此提供更準確的溫度決定。聚焦透鏡特別有用於表面具有3D特徵結構的基板。3D特徵結構導致增加的反射光之散射及干涉，因此減小或消除與平坦基板共同有關的光之鏡面反射。然而，聚焦透鏡允許散射光被收集且提供至感測器，以促進準確測量基板輻射率。

雖然前述是針對本發明之實施例，在不脫離本發明之基本範疇的情況下，可設計本發明之其他及進一步實施例，且本發明之範疇由申請專利範圍所決定。

100‧‧‧處理腔室
102‧‧‧腔室主體
104‧‧‧基板支撐件
106‧‧‧反射測量系統
108‧‧‧雷射
110‧‧‧光
111‧‧‧高溫計
112‧‧‧基板
114‧‧‧光源
116‧‧‧感測器
118‧‧‧光
120‧‧‧反射光
122‧‧‧3D結構
124‧‧‧聚焦透鏡
126‧‧‧分光器
128‧‧‧成像裝置
130‧‧‧腔室底部
132‧‧‧狹縫閥
134‧‧‧處理單元
250‧‧‧流程圖
251‧‧‧操作
252‧‧‧操作
253‧‧‧操作
254‧‧‧操作
255‧‧‧操作
256‧‧‧操作
257‧‧‧操作
258‧‧‧操作

簡要總結如上的本發明之更特定描述可參考實施例而得到，使得以此方式可詳細瞭解本發明之以上所述特徵結構，該等實施例之一些實施例圖示於附圖中。然而，應注意到，附圖僅圖示本發明之典型實施例，由於本發明可承認其他同等有效的實施例，因此該等典型實施例並非視為限制本發明之範疇。

第1圖繪示根據本發明之一實施例之處理腔室。

第2圖繪示根據本發明之一實施例之決定基板溫度之方法之流程圖。

為了促進瞭解，儘可能使用相同的元件符號來指稱圖式中共用的相同元件。考量到揭示於一實施例中的元件，在沒有特定描述下可受益於利用在其他的實施例上。

國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

250‧‧‧操作

251‧‧‧操作

252‧‧‧操作

253‧‧‧操作

254‧‧‧操作

255‧‧‧操作

256‧‧‧操作

257‧‧‧操作

258‧‧‧操作

Claims (15)

1. 一種用於決定一基板之溫度的設備，包括： 一雷射，該雷射用於熱處理；一反射測量系統，該反射測量系統包含：     一輻射率計；     一成像裝置；     一光源，該光源係經放置以將光導向一基板支撐表面，該光源產生相較於該雷射之一不同波長的光；     一聚焦透鏡，該聚焦透鏡係經放置以收集從該光源所發出的反射光，該聚焦透鏡係相對於該光源而經放置在一鏡面反射角處；及     一光束分光器，該光束分光器係經放置以將由該聚焦透鏡所收集的該光之一第一部份導向至該輻射率計及將由該聚焦透鏡所收集的該光之一第二部份導向至該成像裝置，該成像裝置係用於產生該反射光之一繞射圖案之一放大影像；及一處理單元，該處理單元用以根據經導向該輻射率計之該光來決定一溫度。
2. 如請求項1所述之設備，其中該光源為一單色光光源。
3. 如請求項1所述之設備，其中該成像裝置為一CCD照相機。
4. 如請求項1所述之設備，其中該雷射及該光源經調適以同時將光導向至該基板支撐表面的相同區域。
5. 如請求項1所述之設備，其中該反射測量系統位於一固定位置中。
6. 如請求項5所述之設備，其中基板支撐件相對於該反射測量系統可於X-Y方向中移動。
7. 如請求項1所述之設備，其中該成像裝置與該聚焦透鏡及該光束分光器共享一共同軸。
8. 如請求項1所述之設備，該光束分光器係放置於該聚焦透鏡之後焦平面處或靠近該聚焦透鏡之後焦平面處。
9. 如請求項1所述之設備，其中該光束分光器包含兩個三角形稜鏡，該兩個三角形稜鏡藉由一樹脂彼此附著以形成一四邊形。
10. 一種決定一基板之溫度的方法，包含以下步驟： 將其上具有一3D特徵的一基板放置於一腔室主體內的一基板支撐件上； 將來自一光源的光導向該基板之一表面，同時移動該基板支撐件及經放置於該基板支撐件上之該基板； 反射來自該基板之該表面的該光； 以一聚焦透鏡收集該反射光； 將來自該聚焦透鏡的該反射光導向至一光束分光器； 將該反射光分光成第一路徑及第二路徑，該第一路徑導向至一輻射率計及該第二路徑導向至一成像裝置； 決定該基板之一輻射率； 根據該基板之該輻射率來決定該基板之一溫度； 以一雷射來執行該基板上的一熱處理，同時決定該基板之該溫度；及 推得該基板之一溫度歷史。
11. 如請求項10所述之方法，進一步包括以下步驟：與決定該基板之該溫度之該步驟同時地執行一原子層沉積過程。
12. 如請求項11所述之方法，進一步包括以下步驟：在該原子層沉積過程期間監控該基板上之該3D特徵之尺寸之一變化，其中監控該3D特徵之尺寸之該變化之步驟包括以下步驟：產生該反射光之一繞射圖案之一放大影像。
13. 如請求項10所述之方法，其中經導向至該基板支撐件之該表面的該光為單色光，及其中該聚焦透鏡放置於從該基板之該表面約10毫米至約20毫米處。
14. 如請求項10所述之方法，其中該熱處理為熱退火、摻雜活化或再結晶之一或多者。
15. 如請求項10所述之方法，其中相對於該基板之該表面以約零度至約60度的一角度來放置該光源。