TW202309357A - 原位膜生長感測器組件、設備及方法 - Google Patents

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Abstract

本文所揭示的實施例大體上係關於處理腔室中膜生長的原位監測。在一些實例中，用於處理腔室的感測器組件包括感測器管及感測器視窗，此感測器管包括碳化矽且在其中具有光路，且此感測器視窗包括結晶碳化矽且具有耦接到此感測器管之遠端的近側。此感測器視窗覆蓋此光路，且此感測器視窗遠離此近側的遠側垂直於此光路的中心軸。

Description

原位膜生長感測器組件、設備及方法
本揭示案的實施例大體上係關於處理腔室中膜生長的原位監測。更特定言之，本文揭示的實施例係關於用於磊晶腔室的感測器組件及其用於監測磊晶膜厚度生長的方法。
半導體基板被處理用於多種應用，包括積體元件及微型元件的製造。一種基板處理方法包括在處理腔室中之基板的上表面上沉積材料，如介電材料或導電金屬。例如，磊晶係一種在基板表面上生長一超純薄層（通常為矽或鍺）的沉積製程。可藉由使處理氣體平行於位於支撐件上的基板表面流動及熱分解處理氣體以將來自處理氣體的材料沉積到基板表面上而在橫向流動腔室中沉積材料。
處理過的基板的膜厚度量測可相關於處理操作使用。在進行處理操作之後（例如，離線），可在處理處理過的基板的製程腔室之外進行膜厚度量測。離線量測可涉及效率低下及處理量降低，因為不符合規格的基板可能不會被使用，且可能需要多次處理迭代才能獲得符合規格的量測。
此外，在製程腔室內及處理操作期間難以進行膜厚度量測，因為製程腔室內的處理設備可能會干擾量測設備，從而妨礙量測精度。例如，紅外燈輻射及燈發出的熱量會干擾量測設備。
因此，需要改進的用於原位量測處理腔室中之膜厚度的設備及方法。
本揭示案的實施方式大體上係關於處理腔室中膜生長的原位監測。更特定言之，本文揭示的實施例係關於用於磊晶腔室的感測器組件及其使用方法，及相關設備。
在一個實施方式中，用於處理腔室的感測器組件包括感測器管及感測器視窗，此感測器管包括碳化矽且在其中具有光路，且此感測器視窗包括結晶碳化矽且具有耦接到此感測器管之遠端的近側。此感測器視窗覆蓋此光路，且此感測器視窗遠離此近側的遠側垂直於此光路的中心軸。
在一個實施方式中，處理腔室包括腔室主體，此腔室主體具有定義處理區域的上視窗、下視窗及側壁。此處理腔室包括經由此側壁形成的處理氣體入口、設置在此處理區域中且具有基板接收頂表面的基座，及圍繞此基座的預熱環。此處理腔室包括支撐此基座的可旋轉軸及感測器組件。此感測器組件包括感測器管及感測器視窗，此感測器管包括碳化矽且在其中具有光路，且此感測器視窗包括結晶碳化矽且具有耦接到此感測器管之遠端的近側。此感測器視窗覆蓋此光路，且此感測器視窗的遠側暴露於此處理區域。
在一個實施方式中，提供了一種儲存指令的電腦可讀媒體，當由系統的處理器執行此等指令時，使此系統將膜同時沉積在基板上及設置在處理腔室內的結晶感測器視窗上；用耦接到此結晶感測器視窗的感測器管吸收紅外輻射，以至少部分地經由此感測器管加熱此結晶感測器視窗；使用光譜計量測由此感測器視窗反射或透射穿過此感測器視窗之光的強度；及基於量測的光強度測定沉積在此結晶感測器視窗上之此膜之厚度或生長速率中的至少一者。
本揭示案的實施例大體上係關於處理腔室中膜生長的原位監測。作為實例，本文揭示的實施例提供了用於在處理腔室（例如，磊晶腔室）中原位監測膜生長及量測膜厚度的裝置及方法。
本文揭示的實施例提供了定位在處理腔室中的感測器視窗，以接收在其上的磊晶膜生長，此磊晶膜生長模擬在定位在處理腔室中的基板上同時發生的磊晶膜生長。
本文揭示的實施例提供了一種感測器視窗，此感測器視窗經構造及佈置為具有與在處理腔室中正在處理的基板相似的溫度，以模擬基板的膜沉積特性。
本文揭示的實施例提供了一種感測器視窗，此感測器視窗具有一組成，此組成能夠在反射模式、透射模式，或反射模式及透射模式兩者中進行背面光譜波長量測。
本文所揭示的實施例提供了一種感測器組件，此感測器組件能夠進行光譜反射率量測，而與強光學背景輻射，及磊晶腔室的所得低訊雜比特性無關。雜訊可涉及例如由磊晶腔室中之紅外燈輻射產生的雜訊。本文所述的感測器組件實施例提供了一種感測器管，此感測器管中具有反射計光路，此反射計光路被密封以防止雜散紅外輻射。本文所述的感測器組件實施例提供了一種感測器管，此感測器管吸收紅外燈輻射且隨後將熱能自感測器管傳導到與其耦接的感測器視窗，以便提高感測器視窗的溫度，從而有利地將感測器視窗的溫度升高到正在處理的基板的溫度。本文所述的感測器組件實施例提供了與處理氣流隔離的光路。
本文揭示的實施例提供了一種調變光源，此調變光源可區分由紅外燈輻射產生的透射模式波長量測。本文揭示的實施例提供了一種具有內置能帶邊緣透射特性的感測器視窗，此特性可用於感測器視窗溫度偵測。本文揭示的實施例提供了一種感測器視窗，此感測器視窗能夠進行原位調節（預加載）以提高感測器視窗的靈敏度。
第1A圖為根據一個實施方式之處理腔室100的示意性橫截面側視圖。處理腔室100可用於處理一或更多個基板101，包括在基板101的上表面上沉積材料。例如，處理腔室100可用於在基板101上進行磊晶沉積製程，以在基板101的上表面上磊晶生長材料。在一個實例中，處理腔室100可經配置為處理300 mm的基板。
處理腔室100通常包括腔室主體102、支援系統104及控制器106。支援系統104可包括用於監控及/或執行使用處理腔室100執行之一或更多個製程（如膜沉積）的部件。控制器106（如可程式化電腦）耦接到支援系統104且經適配以控制處理腔室100及支援系統104。控制器106包括可與記憶體111（例如，非揮發性記憶體）及支援電路113一起操作的可程式化中央處理單元(central processing unit, CPU)107。支援電路113耦接到CPU 107且包括快取記憶體、時脈電路、輸入/輸出電路系統及子系統、電源等，及耦接到處理腔室100之各種部件的其組合。
在一或更多個實施例中，CPU 107為在工業環境中使用的任何形式的通用電腦處理器中的一者，如可程式化邏輯控制器(programmable logic controller, PLC)，用於控制各種監控系統部件及子處理器。耦接到CPU 107的記憶體111為非暫時的且通常為諸如隨機存取記憶體(random access memory, RAM)、動態隨機存取記憶體(dynamic random access memory, DRAM)、靜態RAM (static RAM, SRAM)及同步動態RAM (synchronous dynamic RAM, SDRAM（例如，DDR1、DDR2、DDR3、DDR3L、LPDDR3、DDR4、LPDDR4等）)、唯讀記憶體(read only memory, ROM)、軟式磁碟驅動機、硬碟、快閃驅動器或任何其他形式的數位儲存（本端或遠端）之容易獲得的記憶體中的一或更多者。
本文中，記憶體111為電腦可讀儲存媒體的形式，其含有指令（例如，非揮發性記憶體），當由CPU 107執行時，此等指令有助於處理腔室100的操作。記憶體111中的指令為程式產品的形式，如實現本揭示案之方法的程式（例如，中間件應用程式、設備軟體應用程式等）。程式代碼可符合多種不同程式化語言中的任何一者。在一個實例中，本揭示案可實現為儲存在電腦可讀儲存媒體上以供電腦系統使用的程式產品。程式產品的程式定義實施例的功能及活動（包括方法，如本文描述的方法400）。
說明性的電腦可讀儲存媒體包括但不限於：(i)不可寫儲存媒體（例如，電腦內的唯讀記憶體設備，如可由CD-ROM驅動器讀取的CD-ROM磁碟、快閃記憶體、ROM晶片或任何類型的固態非揮發性半導體記憶體），其中永久儲存了資訊；及(ii)可寫儲存媒體（例如，磁片驅動機或硬磁碟驅動機中的軟式磁碟或任何類型的固態隨機存取半導體記憶體），其中儲存了可更改資訊。此種電腦可讀儲存媒體在攜帶指導本文描述的方法之功能及活動的電腦可讀指令時為本揭示案的實施例。
腔室主體102具有定義處理區域的上視窗108（例如上圓頂）、側壁109及下視窗110（例如下圓頂）。用於支撐基板101的基座112設置在處理區域中。基座112可由碳化矽或塗有碳化矽的石墨形成。基座112具有基板接收頂表面114。基座112由支撐柱116旋轉及支撐，支撐柱116耦接到自軸120延伸的相應支撐臂118。在操作期間，設置在基座112上的基板101可藉由基板升舉臂122經由升舉銷124相對於基座112升高。
處理腔室100的內部容積被劃分為在基座112平面上方的上腔室容積134（例如，處理氣體區域）及在基座112平面下方的下腔室容積136（例如，淨化氣體區域）。
處理腔室100包括輻射熱燈126陣列，用於加熱基座112（例如，其背側115）及預熱環132等其他部件。基座112及預熱環132的加熱有助於處理氣體熱分解到基板101上以在基板101上形成一或更多層。如第1A圖所示，輻射熱燈126可設置在上視窗108的上方、下視窗110的下方或兩者兼有。上視窗108及下視窗110可由光學透明材料（如石英）形成，以促進熱輻射透過其傳輸。
輻射熱燈126可以任何期望的方式佈置在基座112周圍以獨立控制基板101之各個區域的溫度，以便促進材料沉積到基板101的上表面上。儘管本文沒有詳細討論，但沉積在基板101上的沉積材料可包括矽、矽鍺、砷化鎵、氮化鎵及/或氮化鋁鎵等材料中的一或更多者。可使用控制器106精確控制每個輻射熱燈126的熱能輸出。輻射熱燈126可經配置為將處理腔室100的內部加熱到約200℃至約1200℃範圍內的溫度。
反射器可視情況放置在上視窗108上方，以將從基板101輻射的紅外光反射回基板101上。反射器可由諸如鋁或不銹鋼的金屬製成。反射效率可藉由用諸如金的高反射塗層塗佈反射器區域來提高。反射器可耦接到冷卻源，用於向反射器提供諸如水的冷卻流體以冷卻反射器。
上襯墊128設置在上視窗108下方，且經配置為減少或防止不希望地沉積到腔室部件上，如側壁109或上視窗108的周邊部分。上襯墊128定位為與下襯墊130相鄰。下襯墊130經配置為裝配在側壁109的內圓周內。下襯墊130設置在上視窗108與下視窗110之間。下襯墊130徑向向外圍繞下腔室容積136。上襯墊128及下襯墊130可由石英形成。
預熱環132耦接到下襯墊130且自該下襯墊徑向向內延伸。預熱環132被支撐在下襯墊130的徑向向內延伸部分上。預熱環132經配置為當基座112處於如第1A圖所示的處理位置時圍繞基座112的周邊設置。在一或更多個實例中，預熱環132由碳化矽、碳化矽塗佈石墨及/或黑色石英形成。操作期間預熱環132的溫度可在約100℃至約1100℃的範圍內。加熱的預熱環132有助於活化流經上腔室容積134的處理氣體。預熱環132可在處理氣體流過基板101的上表面之前活化處理氣體。
處理氣體源138供應的處理氣體經由穿過側壁109形成的處理氣體入口140被引入上腔室容積134。處理氣體入口140至少部分地在上襯墊128與下襯墊130之間延伸。處理氣體入口140經配置為將處理氣體引導到大致徑向向內的方向，如處理氣流170所示。在膜形成期間，基座112可位於一處理位置（如第1A圖所示），此處理位置與處理氣體入口140的末端相鄰且處於與處理氣體入口140的末端大致相同的高度（例如，共面），此允許處理氣體沿著至少部分地跨過基板101的上表面定義的流動路徑以大致平面的層流狀態流動。儘管僅示出了一個處理氣體入口140，但處理氣體入口140可包括兩個或更多個入口，用於輸送具有不同組成、濃度、分壓、密度及/或速度的兩個或更多個個別處理氣流。
處理氣體經由排氣口（如處理氣體出口142）離開上腔室容積134，此排氣口穿過製程腔室102之與處理氣體入口140相對的側壁109形成。藉由流體耦接到處理氣體出口142之下游側的真空源，如真空泵144，促進處理氣體經由處理氣體出口142的排放。
淨化氣體自一或更多個淨化氣體源148a及/或148b供應到下腔室容積136。如圖所示，淨化氣體源148a及148b可為相同的源或不同的源。淨化氣體可為惰性氣體，如氬氣或氮氣。下腔室容積136中的淨化氣流有助於防止或減少處理氣體自上腔室容積134到下腔室容積136的流動（例如，對流及擴散）。淨化氣流經由形成在側壁109中或周圍的側入口150及/或形成在下視窗110中的底部入口151中的一或兩者進入下腔室容積136。側入口150設置在處理氣體入口140下方的一高度處。分配通道152徑向形成在下襯墊130與側壁109之間且垂直形成在側壁109與下視窗110之間。分配通道152與側入口150流體耦接，用於接收來自側入口150的淨化氣體。分配通道152可圍繞下襯墊130延伸360°，以便於在下腔室容積136周圍均勻地分配淨化氣體。分配通道152經由第二通道154流體耦接到下腔室容積136。所示的第二通道154形成在下襯墊130與下視窗110之間。或者，第二通道154可穿過下襯墊130的主體形成。第二通道154可形成為單個環形通道或包括多個弧形段。第二通道154設置在處理氣體入口140下方的一高度處。所示的第二通道154亦設置在分配通道152下方的一高度處。或者，第二通道154可設置在分配通道152處或上方。第二通道154經配置為將淨化氣體沿大致徑向向內的方向引導到下腔室容積136中，如淨化氣流172所示。
上腔室容積134垂直定義在基座112的平面上方（例如，在其基板接收表面114上方或設置在其上的基板101上方）及預熱環132上方，垂直定義在上視窗108下方，且徑向定義在側壁109的內側。下腔室容積136垂直定義在基座112的平面下方（例如，在其背側115下方），垂直定義在下視窗110上方，且徑向定義在下襯墊130的內側。
在基板裝載位置，基座112相對於預熱環132降低以在基座112及預熱環132的徑向重疊部分之間提供垂直間隙。基板101經配置為經由間隙且經由下襯墊130中的相應開口被裝載到腔室主體102中及自腔室主體102中卸載。在處理位置（如第1A圖所示），基座112升高，使得基座112及預熱環132設置在處理氣體入口140的末端與第二通道154的末端之間的一高度處。
底部入口151設置在軸120與下視窗110之間。底部入口151直接流體耦接到下腔室容積136。底部入口151設置在第二通道154下方的一高度處。底部入口151經配置為將淨化氣體以大體向上及徑向向外的方向引導到下腔室容積136中，如淨化氣流174所示。與單獨的淨化氣流172相比，來自底部入口151的淨化氣流174可經配置為增加到達下腔室容積136之底部部分的淨化氣流。
下腔室容積136中的淨化氣體在基座112及預熱環132的徑向重疊部分之間流向上腔室容積134。淨化氣體經由與處理氣體相同的排氣口（例如，處理氣體出口142）離開上腔室容積134。在一或更多個實例中，淨化氣體出口可穿過側壁109形成。淨化氣體出口可位於處理氣體入口140的對面或相對於處理氣體入口140沿側壁109的任何徑向位置。在此種實例中，可經由下襯墊130徑向地形成通氣孔，用於將淨化氣體直接自下腔室容積136排放到淨化氣體出口中。在此種實例中，真空泵144可流體地耦接到淨化氣體出口的下游側以促進淨化氣體經由通氣孔及淨化氣體出口排出。在此種實例中，可減少或防止淨化氣體與上腔室容積134中的處理氣體混合。
第1A圖中示出用於原位監測處理腔室中之膜生長的示例感測器組件160。在第1A圖中，預熱環132包括安裝孔133，安裝孔133沿縱向方向延伸穿過預熱環132的主體且垂直於預熱環132的平面。在第1A圖所示的實施方式中，安裝孔133位於預熱環132的氣體入口側（例如，具有與處理氣體入口140對齊的圓周位置），使得處理氣體在流過基板101之前流過感測器組件160。亦可考慮安裝孔133及感測器組件160的其他位置。安裝孔133接收穿過其中之感測器組件160的部分。在一或更多個實例中，安裝孔133用於將組件160耦接到預熱環132。儘管僅示出了一個安裝孔133，預熱環可包括多個安裝孔（例如，兩個、三個、四個、五個或更多安裝孔）。一或更多個安裝孔可位於預熱環132上的任何圓周位置，諸如在預熱環132的氣體出口側（例如，與處理氣體出口142對齊）或朝向預熱環132的中部（例如，在處理氣體入口140與處理氣體出口142之間的中途）。
感測器組件160通常包括感測器管161、耦接到感測器管161的感測器視窗162，及圍繞感測器管161的部分設置且相對於感測器管161可移動（例如，縱向）的套管163。感測器視窗162可為試件。感測器管161內具有光路164，且感測器窗162覆蓋光路164。感測器管161、感測器視窗162及套管163設置在處理腔室100的內部容積內，且因此在本文中可被稱為內部子組件。感測器管161穿過安裝孔133設置。儘管只示出了一個內部子組件，包括感測器管161、感測器視窗162及套管163，但感測器組件160可進一步包括一或更多個附加的內部子組件，每個包括感測器管、感測器視窗及套管，位於對應於一或更多個安裝孔的圓周位置。
在第1A圖中，感測器視窗162與預熱環132直接接觸。預熱環132的溫度可比感測器視窗162的溫度低約25℃至約100℃。因此，預熱環132與感測器視窗162之間的直接接觸可能導致自感測器視窗162至預熱環132的熱能損失，此可能會不合需要地將感測器視窗162的溫度降低到預熱環132的溫度。在一或更多個實例中，熱絕緣體可設置在感測器視窗162與預熱環132之間，以減少自感測器視窗162到預熱環132的熱能損失（例如，經由傳導），此可有利地將感測器視窗162保持在比預熱環132更高的溫度。感測器視窗162（例如，其面向上視窗108的遠側）暴露於處理腔室100的處理氣體區域（例如，上腔室容積134）。在第1A圖中，感測器視窗162的遠側平行於預熱環132的平面139。在一或更多個實例中，感測器視窗162的遠側可設置成相對於預熱環132的平面139成銳角或鈍角。
在可與其他實施例組合的一個實施例中，感測器管161可由碳化矽（例如，SiC）形成。在可與其他實例組合的一個實例中，感測器管161可由燒結碳化矽形成。在一或更多個實例中，感測器管161的碳化矽具有細晶粒SiC結晶結構。感測器管161可由能夠阻擋光（例如，紅外燈輻射）穿過感測器管161之壁的任何適合材料形成，以便密封光路164免受來自處理腔室100之內部容積內的光干擾。感測器管161可由能夠吸收來自輻射熱燈126的紅外輻射（例如，自下視窗110下方）且隨後將熱能自感測器管161傳導到耦接到其上的感測器視窗162的任何適合導熱材料形成，以便增加感測器視窗162的溫度，從而有利地將感測器視窗162的溫度升高到基座112及/或設置在其上的基板101的溫度。在一或更多個實例中，感測器視窗162及基座112，及/或設置在其上的基板101可在約±50℃內具有約相同的溫度。在可與其他實例組合的一個實例中，在於基板101上磊晶生長材料的處理操作期間，感測器視窗162的溫度可與基座112及/或設置在其上的基板101的溫度大致相同。
在一或更多個實例中，感測器視窗162的厚度可為約400 µm或更小，以有利地減少穿過其中的光衰減。在一或更多個實例中，感測器視窗162可具有結晶結構。有利地，結晶結構的感測器視窗162相對於相應的非晶質材料增加了光透射率及熱導率。在可與其他實施例組合的一個實施例中，感測器視窗162由碳化矽（例如，SiC）形成。其他材料被考慮用於感測器視窗162。有利地，與由矽形成的感測器視窗不能為矽基膜提供光譜傳輸信號相比，碳化矽感測器視窗162為沉積在其上的任何矽基摻雜或未摻雜膜提供光譜傳輸信號。在可與其他實施例組合的一個實施例中，感測器視窗162為結晶碳化矽。感測器視窗162的結晶結構為6H、4H、3C或其組合。在可與其他實施例組合的一個實施例中，套管163由碳化矽（例如，SiC）、石英（例如，黑色石英或不透明石英）或其組合形成。
感測器組件160包括或耦接到多個光纖電纜165 (165a-b)，此等光纖電纜設置在管道166內部。管道166可以由用於遮蔽光纖電纜165免受高溫影響的材料形成或塗佈有此材料。在可與其他實施例組合的一個實施例中，管道166包括鍍金。光纖電纜165可操作以在光路164與光學模組167之間的任一方向傳輸光。光纖電纜165設置在處理腔室100的內部容積（其包括上腔室容積134及下腔室容積136）之外，且因此在本文中可稱為外部子組件。在一或更多個實例中，光纖電纜165設置在下視窗110外部且經由下視窗110光學耦接到感測器管161的光路164。
在一或更多個實例中，至少包括光纖電纜165的外部子組件可圍繞與基座112的徑向中心對齊的軸旋轉。當處理腔室100包括在不同位置的多個內部子組件時，外部子組件可選擇性地旋轉以與每個不同的內部子組件對齊。例如，可旋轉外部子組件，使得光纖電纜165與每個相應感測器管161的光路164對齊。在此種實例中，將外部子組件循環到與每個不同的內部子組件旋轉對齊使得能夠監測沉積在每個相應感測器視窗上之膜的膜厚度及/或生長速率，此表明沉積在基板101上不同位置之膜的膜厚度及/或生長速率。
感測器組件160進一步包括或耦接到光學模組167。在第1A圖中，光學模組167設置在處理腔室100外部（例如，耦接到其上）。在一或更多個實例中，光學模組167設置在處理腔室100內及/或整合在其中。光學模組167包括光源168及光感測器169。光學模組167耦接到控制器106。在一或更多個實例中，光學模組167自控制器106接收輸入指令以操作感測器組件160。在一或更多個實例中，光學模組167將輸出資料傳送到控制器106以用於下游處理、分析、儲存、反饋控制及/或其組合。
源電纜165a與光源168光學耦接，用於產生經由光路164導向感測器視窗162的光。返回電纜165b光學耦接到光感測器169，用於感測返回光（例如，自感測器視窗162反射或透射穿過感測器視窗且經由光路164遠離感測器視窗162引導的光）。在一或更多個實例中，源電纜165a及返回電纜165b各自包括一或更多根光纖電纜。
在一或更多個實例中，光源168產生波長在約300 nm至約700 nm範圍內的光。在一或更多個實例中，光源168經配置為產生可見光、紫外光、紅外光、寬頻光及/或其組合。在可與其他實例組合的一個實例中，光源168產生波長在約500 nm至約700 nm範圍內的可見光。
光感測器169經配置為量測自光路164接收之返回光的光強度。在一或更多個實例中，光感測器169包括經配置為量測波長解析強度的光譜計（例如光譜儀）。光感測器169可包括光柵、光學透鏡、線性陣列光二極體偵測器及/或其組合。
第1B圖為根據一個實施方式之第1A圖之部分的放大示意性橫截面圖，其示出感測器組件160。如第1B圖所示，填充材料171被添加到感測器管161與感測器視窗162之間的接頭。在一或更多個實例中，填充材料171包括碳化矽（例如，SiC）或用於將感測器管161及感測器視窗162的相對表面熔合在一起的任何其他適合材料。填充材料171使用形成操作（如化學氣相沉積(chemical vapor deposition, CVD)操作）形成在安裝孔133中及感測器管161與感測器視窗162之間，以將感測器視窗162熔合到感測器管161。在一或更多個實施例中，填充材料171在製程溫度下使用CVD操作形成，且製程溫度大於1000攝氏度。
感測器管161具有近端161a及遠端161b。光路164的中心軸164c在感測器管161的近端161a與遠端161b之間延伸。在所示實施方式中，感測器管161為直的。感測器管161可為有角度的或彎曲的。感測器視窗162的近側162a耦接到感測器管161的遠端161b。感測器視窗162包圍感測器管161的遠端161b，包括完全覆蓋光路164，從而將光路164與處理氣流170隔離。隔離光路164的一個優點為感測器視窗162的近側162a保持清潔，而無需在光路164中使用淨化氣體。
感測器視窗162的遠側162b背離近側162a。遠側162b垂直於光路164的中心軸164c。遠側162b暴露於處理氣體區域（即，上腔室容積134），此區域垂直定義在基座112的平面上方（例如，在其基板接收表面114上方或設置在其上的基板101上方）及預熱環132上方，如上所述。在一或更多個實例中，沉積在感測器視窗162之遠側162b上的膜176及沉積在基板101上的膜可各自包括矽(Si)、矽鍺(SiGe)、磷化矽(SiP)、砷化矽(SiAs)、硼摻雜的矽鍺(SiGeB)、一種或多種其他III族、IV族或V族元素或其組合。
沉積在感測器視窗162上的膜176模擬了沉積在基板101上的膜。
如第1B圖所示，套管163設置在感測器管161的近端部分周圍（例如，在其近端161a周圍）。感測器管161及套管163可在平行於光路164之中心軸164c的方向上相對於彼此移動。在一或更多個實例中，感測器管161能夠相對於套管163縱向向內及向外（例如，上下）移動，以便適應分別在感測器管161的加熱及冷卻期間相對於套管163的熱膨脹及收縮。套管163的近端163a面向下視窗110，用於將套管163與下視窗110密封。在一或更多個實例中，套管163及下視窗110之間的密封實質上防止光通過。在一或更多個實例中，套管163在近端163a處耦接到下視窗110的內部。套管163用作熱障以促進相對於感測器管161的溫度降低下視窗110的溫度。
套管163具有穿過其壁形成的通氣孔173，用於平衡套管163內部及外部的壓力。在所示實施方式中，通氣孔173相對於處理腔室100的徑向方向位於套管163的外部部分（例如，背對輻射熱燈126）。此位置有利地減少及/或最小化通過通氣孔173的紅外輻射。在套管163及感測器管161的重疊部分之間（即，在套管163的內表面163i與感測器管161的外表面161o之間）形成徑向間隙175。在一或更多個實例中，間隙175的尺寸設計成實質上防止光通過。在一或更多個實例中，在徑向方向上量測的間隙175可為約0.005英寸或更小。
在基板處理期間，來自光源168的源光178被引導穿過光路164朝向感測器視窗162的近側162a。源光178的至少部分自沉積在感測器視窗162之遠側162b上的膜176反射為反射光。同樣在基板處理期間，上腔室容積134內的入射光177作為透射光依次透射穿過膜176且穿過感測器視窗162進入光路164。反射光及透射光一起被引導穿過光路164朝向返回光纖電纜165b作為返回光179。返回光179由光感測器169量測。
返回光179的量測光強度用於測定沉積在感測器視窗162上之膜176的膜厚度及/或生長速率。例如，較低的光強度可指示感測器視窗162上較大的膜厚度，而較高的光強度可指示感測器視窗162上較小的膜厚度，反之亦然。
感測器視窗162上之沉積膜176的厚度影響返回光179的光強度，使得光強度的變化可表示感測器視窗162上之沉積膜176的厚度變化。在一或更多個實例中，返回光179的量測光譜可被過濾以提供僅在選定波長范圍內指示量測的光強度的值。在一或更多個實例中，濾光器可用於阻擋落在選定波長范圍之外之返回光179的部分。在一或更多個實例中，選定波長范圍可排除紅外光以減少背景紅外燈輻射的影響。在一或更多個實例中，選定波長范圍可與由光源168產生的波長范圍（例如，在約500 nm至約700 nm範圍內之波長的可見光）對齊。在一些實例中，選定波長范圍可與作為上腔室容積134內之入射光177之特徵的波長范圍（例如，其非紅外部分）對齊。
感測器組件160可用於在處理腔室100中原位及在基板處理期間實時監測膜生長速率。在可與其他實例組合的一個實例中，返回光179的光強度在整個基板處理過程中被連續監測。本文揭示的感測器組件實施例減少了來自紅外燈輻射的干擾，此增加了光感測器169的訊雜比，以進行更準確的膜生長量測。
第1C圖為根據一個實施方式之第1A圖之處理腔室100的示意性橫截面側視圖，其示出感測器組件160的佈置。在第1C圖中，類似於感測器管161的感測器管180設置在處理腔室100的上腔室容積134內。感測器管180可由能夠阻擋光（例如，紅外燈輻射）通過感測器管180之壁的材料形成，以密封其中的光路免受來自處理腔室100之內部容積內的光干擾。在一或更多個實例中，感測器管180在其外側具有反射塗層。在可與其他實施例組合的一個實施例中，感測器管180由碳化矽（例如，SiC）形成。在可與其他實例組合的一個實例中，感測器管180為燒結碳化矽。在一或更多個實例中，感測器管180可具有非晶或多晶矽結構。感測器管180耦接到上視窗108。在一或更多個實例中，感測器管180可直接熔合到上視窗108。感測器管180位於感測器視窗162上方且在光路164的中心軸164c上與其對齊（如第1B圖所示）。
在第1C圖中，返回電纜165b及光感測器169與光源168及源電纜165a隔開定位。返回電纜165b設置在管道181內，此管道類似於上述管道166。在可與其他實例組合的一個實例中，光感測器169經佈置用於僅在透射模式下進行光強度量測。返回電纜165b與光路164對齊，用於接收經由感測器管161、經由感測器視窗162、經由設置在感測器視窗162上的膜及經由感測器管180透射的光。在一或更多個實例中，光源168為能夠產生單個波長或一系列波長的雷射器或燈源。如上所述，在光感測器169處量測的光強度用於測定沉積在感測器視窗162上之膜的膜厚度及/或生長速率。
第2A圖為根據一個實施方式之處理腔室200的示意性橫截面圖，其示出示例感測器組件260。第2B圖為根據一個實施方式之第2A圖之部分的放大示意性橫截面圖，其示出感測器組件260。為了清楚起見，本文將第2A-2B圖一起描述。除非另有說明，否則感測器組件260的特徵可與第1A-1B圖之感測器組件160的對應特徵相同。因此，自第1A-1B圖中保留了相同特徵的結構及相應標籤。
在第2A-2B圖中，預熱環232包括在平行於預熱環232之平面239的縱向方向上延伸的安裝孔233a。感測器組件260通常包括感測器管261及耦接到感測器管261的感測器視窗262。感測器管261內具有光路264，且感測器窗262覆蓋光路264。感測器管261及感測器視窗262設置在安裝孔233a中，此安裝孔穿過預熱環232的主體及穿過襯墊230的主體形成的對應孔233b而形成。在一些實例中，為了使感測器管261以第2A-2B圖所示的定向裝配在預熱環232內，感測器管261可具有約4 mm或更小的外徑。
在第2A-2B圖中，感測器視窗262相對於其內部徑向邊緣232i凹進預熱環232內。在一或更多個實例中，感測器視窗262與內部徑向邊緣232i齊平或設置在內部徑向邊緣232i之外。在一或更多個實例中，熱絕緣體可設置在感測器視窗262與預熱環232之間。在一或更多個實例中，感測器管261及感測器視窗262可耦接到處理腔室200之與預熱環232及襯墊230分離的另一部件（例如，側壁109、上襯墊128或任何其他適合的部件）。
感測器視窗262（例如，其面向處理腔室200之中心的遠側262b）暴露於處理腔室200的處理氣體區域（例如，上腔室容積134），用於在其上接收膜沉積，此膜沉積模擬在基板101上的膜沉積。在一或更多個實施方式（例如，第1A圖中所示）中，在處理期間，基座及預熱環可設置在大致相同的高度（例如，具有共面的最上表面）。然而，在第2A-2B圖中，基座112在高度上相對於預熱環232降低，以防止感測器視窗262與預熱環232之間的徑向重疊，否則會減少或防止膜沉積在感測器視窗262上。在一或更多個實例中，基座112的最上表面可相對於預熱環232的最上表面降低約1 mm或更多的距離，諸如約1 mm至約5 mm，諸如約2 mm。在第2A-2B圖中，感測器視窗262的遠側262b垂直於預熱環232的平面239。與平行於預熱環232的平面引導相比，更多的紅外燈輻射在垂直方向上引導。因此，垂直於預熱環232的平面239定向感測器視窗262減少了自處理腔室200的內部容積傳輸到光路264中的紅外輻射量。因此，由感測器管261及感測器視窗262的材料及結構導致的紅外燈輻射的阻擋藉由第2A-2B圖中所示的感測器組件260的定向而得到進一步改善。在一或更多個實例中，感測器視窗262的遠側262b可設置成與相對於預熱環232的平面239的垂線成銳角或鈍角。
感測器組件260包括或耦接到多個光纖電纜265 (265a-b)，此等光纖電纜設置在管道266內部。光纖電纜265可操作以在光路264與包括光源268及光感測器269的光學模組267之間的任一方向傳輸光。光纖電纜265至少部分地經由處理氣體入口140設置且光學耦接到感測器管261之與處理氣體入口140對齊的光路264。T型連接器280耦接到側壁109且在處理氣體源138與處理氣體入口140之間流體連通。光纖電纜265經由T型連接器280的直線路徑設置。圍繞光纖電纜265的管道266暴露於T型連接器280中的處理氣流170可有利地為光纖電纜265提供冷卻。
光纖饋通件281耦接到T型連接器280，用於將光纖電纜265自光學模組267傳遞到T型連接器280。光纖饋通件281在光纖電纜265周圍提供真空密封，以防止氣體洩漏到處理腔室中（例如，在減壓下的基板處理期間）。
第3圖為根據一個實施方式之處理腔室300的示意性橫截面側視圖，其示出示例感測器組件360。除非另有說明，否則感測器組件360的特徵可與第1A-1B圖之感測器組件160的對應特徵相同。因此，自第1A圖中保留了相同特徵的結構及相應標籤。在第3圖中，感測器組件360連接到基座312而非預熱環132，如下所述。
在第3圖中，基座312包括在垂直於基座312之平面339的縱向方向上延伸的安裝孔333。感測器組件360通常包括感測器管361、耦接到感測器管361的感測器視窗362，及圍繞感測器管361之部分設置且相對於感測器管361可移動（例如，縱向移動）的套管363。感測器管361內具有光路364，且感測器視窗362覆蓋光路364。感測器管361、感測器視窗362及套管363設置在處理腔室300的內部容積內。感測器管361穿過基座312的主體設置。感測器視窗362與基座312直接接觸。感測器視窗362及基座312之間的直接接觸有利於經由其間的傳導熱傳遞使感測器視窗362的溫度與基座312的溫度相等。將感測器組件360耦接到基座的另一優點為，在基座312低速旋轉的情況下，可在基板101周圍的整個360°上籌劃膜沉積。
感測器視窗362（例如，其面向上視窗108的遠側362b）暴露於處理腔室300的處理氣體區域（例如，上腔室容積134），用於在其上接收膜沉積，此膜沉積模擬基板101上的膜沉積。由於感測器視窗362位於基座312（其位置更靠近基板101且亦具有更接近基板101之溫度的溫度）上，與感測器視窗設置在如上所述之預熱環上的感測器組件實施例相比，感測器視窗362上的膜沉積更準確地模擬了基板101上的膜沉積。在第3圖中，感測器視窗362的遠側362b平行於基座312的平面339。在一或更多個示例中，感測器視窗362的遠側362b相對於基座312的平面339設置成銳角或鈍角。
感測器組件360包括或耦接到多個光纖電纜365 (365a-b)，此等光纖電纜設置在管道366內部。光纖電纜365可操作以在光路364與包括光源368及光感測器369的光學模組367之間的任一方向傳輸光。在第3圖中，中間光路382形成在支撐臂118的主體及軸120的主體中。因此，光纖電纜365至少部分地經由中間光路382光學耦接到感測器管361的光路364。因為軸120可相對於光纖電纜365旋轉，所以可旋轉耦接器384設置在軸120的近端，用於將光纖電纜365耦接到中間光路382。在第3圖所示的實例中，可旋轉耦接器384為光學耦接器。在一或更多個實例中，代替中間光路382，光纖電纜365延伸穿過支撐臂118及軸120以直接光學耦接到感測器管361的光路364。在一或更多個實例中，可旋轉耦接器可為可旋轉光纖饋通組件。
第4圖為說明根據一個實施方式之處理基板之方法400的示意圖。在一或更多個實例中，方法400可使用本文揭示的示例處理腔室及/或感測器組件之一來實施。在一或更多個實例中，方法400可為儲存在電腦可讀媒體（例如，記憶體111）上之指令的形式，當由系統（例如，CPU 107）的處理器執行時，此等指令使系統實施方法400。
在活動402處，將膜同時沉積在基板上及設置在處理腔室內的結晶感測器視窗上。在活動404處，紅外輻射被耦接到結晶感測器視窗的感測器管吸收以至少部分地經由感測器管加熱結晶感測器視窗。在可與其他實施例組合的一個實施例中，至少部分地經由感測器管加熱結晶感測器視窗包括將熱量自感測器管傳導到結晶感測器視窗。
在活動406處，使用光譜計量測被感測器視窗反射或透射穿過感測器視窗之光的強度。
在活動408處，基於量測的光強度測定沉積在結晶感測器視窗上之膜之厚度或生長速率中的至少一者。在可與其他實施例組合的一個實施例中，厚度及/或生長速率的測定包括在一或更多個時間間隔內量測光（其可包括透射光及/或反射光）的複數個光強度值。此等光強度值與參考資料或基於菲涅耳電磁波反射方程的物理模型相關以測定在一或更多個時間間隔內的生長速率。生長速率及/或厚度（如厚度變化）可對應於一或更多個時間間隔內的光強度變化。在一或更多個實例中，可使用特定時間間隔的生長速率來測定膜厚度。
在可與其他實施例組合的一個實施例中，結晶感測器視窗定位在基座上，此基座設置在處理腔室內且經配置為支撐其上的基板（例如，第3圖中所示的處理腔室300）。在此種實施例中，此方法可進一步包括在膜沉積期間旋轉基座及基於沉積在結晶感測器視窗上之膜之厚度及/或生長速率的相應測定來創建沉積在基板上之膜之厚度及/或生長速率中的至少一者的360°圖。在此種實施例中，此測定可基於基座之不同旋轉度數下的光強度量測。
在可與其他實施例組合的一個實施例中，基於沉積在複數個結晶感測器視窗上之膜之厚度及/或生長速率的相應測定來創建沉積在基板上之膜之厚度及/或生長速率中的至少一者的圖。結晶感測器視窗被支撐在複數個感測器組件上，該等感測器組件圍繞基板周向地彼此間隔開。感測器組件可使用複數個圍繞基板周向地彼此間隔開的安裝孔安裝到預熱環。
本揭示案設想可重複方法400的活動402-408。在可與其他實施例組合的一個實施例中，在將基板自處理腔室的內部容積中移除且將第二基板轉移到內部容積中之後，針對第二基板重複活動402-408。本揭示案設想具有相同感測器視窗的相同感測器組件可用於處理第二基板，或可用第二感測器視窗替換感測器視窗以處理第二基板。
本揭示案的益處包括原位及實時膜厚度量測操作、精確的膜生長監測、增加的訊雜比、減少的光對量測的干擾、增加的量測解析度、增加的效率及處理量、減少的機器停機時間，及降低的成本。
設想可組合本文揭示的一或更多個態樣。作為實例，處理腔室100、感測器組件160、處理腔室200、感測器組件260、處理腔室300及/或方法400的一或更多個態樣、特徵、部件及/或特性可被組合。此外，設想本文揭示的一或更多個態樣可包括上述益處中的一些或全部。
本揭示案達成了意想不到的結果，因為已經認為量測處理腔室之內部體積中的膜生長將涉及由使用上下圓頂及/或燈照射來加熱基板的光而導致的不準確性。相對於在基板被處理且自處理腔室移除之後進行基板上膜量測的操作，本揭示案達成了上述益處。
儘管前述內容係關於本揭示案的實施例，但可設計本揭示案的其他及進一步的實施例而不背離其基本範疇。本揭示案亦設想本文描述之實施例的一或更多個態樣可替代所描述之其他態樣中的一或更多者。本揭示案的範疇由所附發明申請專利範圍決定。
100:處理腔室 101:基板 102:腔室主體 104:支援系統 106:控制器 107:中央處理單元 108:上視窗 109:側壁 110:下視窗 111:記憶體 112:基座 113:支援電路 114:基板接收頂表面 115:背側 116:支撐柱 118:支撐臂 120:軸 122:基板升舉臂 124:升舉銷 126:輻射熱燈 128:上襯墊 130:下襯墊 132:預熱環 133:安裝孔 134:上腔室容積 136:下腔室容積 138:處理氣體源 139:平面 140:處理氣體入口 142:處理氣體出口 144:真空泵 148a:淨化氣體源 148b:淨化氣體源 150:側入口 151:底部入口 152:分配通道 154:第二通道 160:感測器組件 161:感測器管 161a:近端 161b:遠端 161o:外表面 162:感測器視窗 162a:近側 162b:遠側 163:套管 163a:近端 163i:內表面 164:光路 164c:中心軸 165:多個光纖電纜 165a:源電纜 165b:返回電纜 166:管道 167:光學模組 168:光源 169:光感測器 170:處理氣流 171:填充材料 172:淨化氣流 173:通氣孔 174:淨化氣流 175:徑向間隙 176:膜 177:入射光 178:源光 179:返回光 180:感測器管 181:管道 200:處理腔室 230:襯墊 232:預熱環 232i:內部徑向邊緣 233a:安裝孔 233b:孔 239:平面 260:感測器組件 261:感測器管 262:感測器視窗 262b:遠側 264:光路 265:多個光纖電纜 265a:光纖電纜 265b:光纖電纜 266:管道 267:光學模組 268:光源 269:光感測器 280:T型連接器 281:光纖饋通件 300:處理腔室 312:基座 333:安裝孔 339:平面 360:感測器組件 361:感測器管 362:感測器視窗 362b:遠側 363:套管 364:光路 365:多個光纖電纜 365a:光纖電纜 365b:光纖電纜 366:管道 367:光學模組 368:光源 369:光感測器 382:中間光路 384:可旋轉耦接器 400:方法 402:活動 404:活動 406:活動 408:活動
為了能夠詳細理解本揭示案的上述特徵，可藉由參考實施例來獲得上文簡要概括之本揭示案的更具體的描述，此等實施例中的一些在隨附圖式中示出。然而，應當注意，隨附圖式僅示出示例性實施例，且因此不應被視為限制其範疇，且可允許其他等效的實施例。
第1A圖為根據一個實施方式之處理腔室的示意性橫截面側視圖。
第1B圖為根據一個實施方式之第1A圖之部分的放大示意性橫截面圖，其示出示例感測器組件。
第1C圖為根據一個實施方式之第1A圖之處理腔室的示意性橫截面側視圖，其示出感測器組件的佈置。
第2A圖為根據一個實施方式之處理腔室的示意性橫截面側視圖，其示出示例感測器組件。
第2B圖為根據一個實施方式之第2A圖之部分的放大示意性橫截面圖，其示出示例感測器組件。
第3圖為根據一個實施方式之處理腔室的示意性橫截面側視圖，其示出示例感測器組件。
第4圖為示出根據一個實施方式之處理基板之方法的示意圖。
為了便於理解，在可能的情況下使用了相同的元件符號來指示附圖共有的相同元件。預期一個實施例的元件及特徵可有益地結合到其他實施例中而無需進一步敘述。
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
110:下視窗
112:基座
130:下襯墊
132:預熱環
133:安裝孔
160:感測器組件
161:感測器管
161a:近端
161b:遠端
161o:外表面
162:感測器視窗
162a:近側
162b:遠側
163:套管
163a:近端
163i:內表面
164:光路
164c:中心軸
165a:源電纜
165b:返回電纜
166:管道
171:填充材料
173:通氣孔
175:徑向間隙
176:膜
177:入射光
178:源光

Claims (20)

  1. 一種用於一處理腔室的感測器組件，其包含： 一感測器管，其包含碳化矽且在其中具有一光路；及 一感測器視窗，其包含結晶碳化矽且具有耦接到該感測器管之一遠端的一近側，其中該感測器視窗覆蓋該光路，且其中該感測器視窗之遠離該近側的一遠側垂直於該光路的一中心軸。
  2. 如請求項1所述之感測器組件，其中該感測器管包含燒結碳化矽。
  3. 如請求項1所述之感測器組件，其中該感測器視窗的該結晶碳化矽包含一6H、4H或3C結晶結構中的至少一者。
  4. 如請求項1所述之感測器組件，其進一步包含圍繞該感測器管的一近端設置的一套管。
  5. 如請求項4所述之感測器組件，其中該套管包含碳化矽、黑色石英或不透明石英中的至少一者。
  6. 如請求項4所述之感測器組件，其中該套管包含形成在該通氣孔之一壁中的一通氣孔。
  7. 如請求項4所述之感測器組件，其中該感測器管及該套管能夠在平行於該光路之該中心軸的一方向上相對於彼此移動。
  8. 如請求項7所述之感測器組件，其進一步包含設置在該感測器管及套管的重疊部分之間的一徑向間隙。
  9. 如請求項1所述之感測器組件，其中一接頭將該感測器視窗耦接到該感測器管，且該接頭具有一填充材料。
  10. 如請求項9所述之感測器組件，其中該填充材料包含碳化矽。
  11. 一種處理腔室，其包含： 一腔室主體，其包含： 一上視窗、一下視窗及一側壁，其定義一處理區域； 一處理氣體入口，其經由該側壁形成； 一基座，其設置在該處理區域中且具有一基板接收頂表面； 一可旋轉軸，其支撐該基座；及 一感測器組件，其包含： 一感測器管，其包含碳化矽且在其中具有一光路；及 一感測器視窗，其包含結晶碳化矽且具有耦接到該感測器管之一遠端的一近側，其中該感測器視窗覆蓋該光路，且其中該感測器視窗的一遠側暴露於該處理區域。
  12. 如請求項11所述之處理腔室，其進一步包含圍繞該感測器管的一近端設置的一套管，其中該套管的一近端耦接到該下視窗的一內部。
  13. 如請求項11所述之處理腔室，其中該感測器管經由圍繞該基座之一預熱環的一主體設置，且其中該感測器視窗的該遠側平行於該預熱環的一平面。
  14. 如請求項11所述之處理腔室，其中該感測器管經由圍繞該基座之一預熱環的一主體設置，且其中該感測器視窗的該遠側垂直於該預熱環的一平面。
  15. 如請求項11所述之處理腔室，其進一步包含一光纖電纜，該光纖電纜設置在該下視窗外部且光學耦接到該感測器管的該光路。
  16. 如請求項11所述之處理腔室，其進一步包含： 一T型連接器，其耦接到該側壁且在一處理氣體源與該處理氣體入口之間流體連通，及 一光纖電纜，其經由該T型連接器的一直線路徑設置且光學耦接到該感測器管的該光學路徑。
  17. 如請求項11所述之處理腔室，其中： 該感測器管經由該基座的一主體設置， 該感測器視窗的該遠側平行於該基座的一平面，及 該光路至少部分地延伸穿過該可旋轉軸。
  18. 一種儲存指令的電腦可讀媒體，當由一系統的一處理器執行該等指令時，其使該系統： 將一膜同時沉積在一基板上及設置在一處理腔室內的一結晶感測器視窗上； 用耦接到該結晶感測器視窗的一感測器管吸收紅外輻射，以至少部分地經由該感測器管加熱該結晶感測器視窗； 使用一光譜計量測由該感測器視窗反射或透射之光的一強度；及 基於量測的光強度測定沉積在該結晶感測器視窗上之該膜之一厚度或生長速率中的至少一者。
  19. 如請求項18所述之電腦可讀媒體，其中該至少部分地經由該感測器管加熱該結晶感測器視窗包含將熱量自該感測器管傳導到該結晶感測器視窗，且該量測光的該強度包括濾除一波長在約500 nm至約700 nm之一選定波長范圍之外的該光的一部分。
  20. 如請求項18所述之電腦可讀媒體，其中當該結晶感測器視窗位於設置在該處理腔室內且經配置為支撐其上之一基板的一基座上時，該等指令進一步使該系統： 在該膜的該沉積期間旋轉該基座；及 基於沉積在該結晶感測器視窗上之該膜之厚度或生長速率的一相應測定，創建沉積在該基板上之該膜之一厚度或生長速率中的至少一者的一360°圖，其中該測定基於在該基座之不同旋轉度數下的光強度量測。
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