TW460685B - Device and method for measuring the temperature of substrates - Google Patents

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4 60 68 5 A7 B7 五、發明說明（ 本發明係關於一種測量基板溫度之方法及裝置，尤其 是測量半導體基板或半導體晶圓之溫度，其具至少一輻射 债測器，以測量從基板放射出之輕射，及一限制福射偵測 器視野之元件，此元件係設置在基板與輻射偵測器之間。 此外本發明係關於一種測量一目標物之物體溫度之裝置， 其具至少一加熱裝置，用於將目標物以電磁輻射加熱，此 加熱裝置具至少一加熱元件，此裝置另具至少一第一輻射 偵測器，其在第一視野内量取從目標物來之輻射。 以下更進一步說明之發明，最適合應用在所謂的快速 熱處理器(Rapid Thermal Processor ’ RTP)設備中，在此設 備中晶圓受到熱處理。RIP設備及此設備所使用之快速加 熱方法可參見文獻 DE 4 437 361 C、DE 4 012 615 C、DE 4 223 133 C 或 DE 4 414 391 A 及美國專利 5 226 732、5 359 693及5 628 564。其他快速加熱方法及裝置可參見文獻j. Nackos ： 2nd International Rapid Thermal Conference } RTP，94。Monterey CA，Proc. p. 421-428(1994)，Arun K.

Nanda, Terrence J. Riley > G. Miner et al · “Evaluation, of Applied Materials Rapid Thermal Processor Using SEMA-TECH Metrologies for 0.25 μιη Technology Thermal Applications” Part II，出版於快速熱及整合製程研討會 MRS ’ 96 年春季’舊金山，加州，及 Terrence F. Riley，Arun K，Nandam G. Miner et. al..: “Evaluation of Applied Materials Rapid Thermal Processor Using SEMATECH Methodologies for 0.25μιη Technology Thermal Applications” Part I，及論文 私紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公餐） -4« (請先閱讀背面之}i意事項再填寫本頁) •v_k' 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 460685 A7 B7 經濟部智«-財產局員工消費合作社印數 五_、發明說明（.2. j R. Bremsensdorfer，S. Marcus 及 Z. Nenyei: “Patterns Related Nonuniformities During Rapid Thermal Processing”，出版快 速熱及整合製程研討會MRS，96年春季，舊金山，加州， 及隨後發表之刊物，N. Nenyei，G. Wein，W. Lerch，C. Grunwald，J. Gelpey 及 S. Wallmtiller : “RTP Development Roguinemeuts”在 RPT’97 Conference Sept 3-5，1997 New Orleans中宜讀。在以上之方法中，均需要在熱處理製程中 測量目標物、基板或晶圓一點或一局部面，或整面之溫度。 為測量溫度，通常至少要有一輻射偵測器，例如晶圓高溫 計，其可測量在一視野内從晶圓來之電磁輻射，此视野是 由光學元件，例如通常是孔光圈之視野阻隔光谓決定。晶 圓之加熱是靠熱源，尤其是棒燈之電磁輻射(主要是熱或紅 外線輻射）’此熱源在晶圓上產生長向延伸之虛像。例如， 在晶圓是由梦組成時，當晶圓溫度超過約600oC時，晶圓 成為一反射率約為30%之鏡，由於此晶圓之鏡面特性，輻 射燈或加熱裝置會產生虛像。以下簡稱為晶圓或基板或目 標物上之虚像。 溫度測量主要分為單面及雙面加熱系統。單面加熱系 統主要只將晶圓之一面加熱,。另一面則預留作溫度測量， 例如藉晶圓高溫計。如此，量出不受燈輻射干擾之、由晶 圓或基板放射之輻射，再以此輻射大小決定基板溫度。在 圖十中示意顯示一單面加熱系統。基板6係由置於基板6 一侧之排燈L加熱。藉設置在與排燈L另一侧之晶圓高溫 計8測量由目標物放射之輻射。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) iilitri-------線· -ϋ n -I* 1 ϋ n n n n aa_i n n 460685 A7 B7 五、發明說明（3. 此單面加熱錢之触是，由於只可單面加熱 ，基板 加熱的速度會受到_ ’因此通常會在基㈣_额外不 希望之、由基板表面結構決定之溫度差，尤其是當結構是 ，計在基板與熱源同側诗。此外，單面加熱系統通常使用 高反射之室處理基板。此高反射之室限制了基板之冷卻速 率’這對某些製程是不利的。另__個缺點是，高反射之室 之壁面，可能形成析出，例如冷凝，因此壁面之反射率會 改變而造成溫度漂移。 上述之缺點可由例如在DE 44 37 361中所描述之雙面 加熱系統大大的降低，有些甚至可完全避免，因為在雙面 加熱系統，基板被從上及從下加熱，因而通常可捨棄高反 射之室。此外，由於是雙面加熱，可得到較大之加熱速度β 因基板通常不具結構之背面也被加熱，因而上述由結構決 定之基板表面溫度不均勻性可大大的降低。與單面加熱系 統相比，在雙面加熱時，由晶圓高溫計所量得之輻射，由 於基板之反射特性，與從燈來之干擾輻射相疊加。從基板 反射之、由燈來之光、及由之形成之虚燈像，對晶圓高溫 計而言’或多或少會造成迷惑，此迷惑大小依基板表面之 粗糙度而定。 在圖十一中示意顯示一雙面加熱系統，其在基板6之 兩侧有排燈L1及L2。另外，也可顯示出因反射而在基板 6上形成之排燈L1之虛像VI。此排燈LI、L2可如此之設 置，使各自之虛像與另一個排燈重疊。從圖十一可以看出， 晶圓高溫計所量得視野内之輻射，包括從晶圓放射出之輻 ‘紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） - -------------'WV---- (請先sa讀背面Μ涑意事瑣存瑱寫本買) . 經濟部智慧財產局員工消f.合作社印製 4 6 0 6 8 5 B7 五、發明說明（4·) 射‘，及由基板反射特性所決定之燈輕射1i ri，其中是排 燈L1第i隻燈之燈強度’而1V是基板屬於燈i之有效之反 射係數。 若基板是由矽組成，在溫度低於6〇〇°C時，在單面及 雙面加熱系統均會有疊加之干擾輻射，因為矽在此溫度範 圍對紅外線是可穿透的，因而晶圓高溫計也量到了穿過基 板之燈福射。 此晶圓高溫計量得從燈來之、穿it晶圓之、且從晶圓 反射之，及從晶圓放射之輻射，其中各成份之大小依基板 之塗層，基板之厚度及/或基板之溫度而定。為使燈之穿透 及反射強度及燈之虛像不致擾亂高溫計之測量結果，可將 燈熱輕射之一部份經由多個管道以面的方式引導至一燈高 溫計。如此量得之強度’可用以修正由晶圓高溫計所量得 之強度。燈高溫計之前置有一成像光學元件，最好是一圓 柱透鏡’其將燈南溫計之視野限制:或主要是矩形狀。由务 在熱處理過程出現之振動’及由熱所造成晶谢.之變形及彎 曲，燈之虛像相對晶圓高溫計视野邊界線運動，因而由晶 圓高溫計所量得之熱輻射強度發生變化。此時尤其是燈輕 射值會被反射干擾，因此造成溫度測量誤差。若在以晶圓 高溫計測量熱輻射時，在晶圓及晶圓高溫計之間使用限制 視野之孔光圈，由於晶圓高溫計限制視野之 連續 邊緣，強度會出現變動。因此，晶围表 被扭曲。 在上輯述之RTP設射，加熱裝置包括了多個例如 本紙張尺度適用中國國家標準(ϋ規格⑽x 297公gy -7 請 先 閱 % 背 注 意 事 項 再. 填 寫 本 頁 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 460685 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（5 ·) 有棒燈形狀之加熱元件，因此可藉一適當之控制裝置來控 制各個加熱元件之電磁輻射。藉此控制之可能性，除了在 晶圓表面可有較佳之溫度均勻性，及可彈性安排加熱過程 等多項優點外’在決定基板或晶圓之溫度時則有缺點，尤 其是在使用傳統之晶圓高溫計及燈高溫計時。如上所述， 高溫計或一般而言溫度感測器限制視野之元件對溫度測量 之準確性有負面影響’尤其是在決定溫度時，為例如修正 燈輻射在基板表面反射之影響，比較晶圓高溫計及燈高溫 計之強度。例如’上述之基板振動，或加熱裝置内各加熱 元件可能之強度變化，均可能干擾測量結果，尤其是當加 熱裝置在空間裡不均勻的放射出輻射。 從DE 41 14 367 Α1中可知一高溫計以無接觸方式來測 量運動中目標物之溫度’其中，設有一將從測量目標物來 之輻射聚光之圓柱透鏡… 在日本專利摘要 Sect. P, Vol. 17 (1993)，No. 609 (Ρ-1640) 之文獻IP 5-187922 (A)以及D彩-OS :21 50 963中公体及描 述一以非接觸方式測量一目標物之溫度，其中，在一光學 鏡組及接收輻射之元件間設有一矩形光圈。 美國專利5 061 084公佈及描述一 RTP設備，其中設 有二高溫計，其係用來測量從要加以測量之目標物及環境 放射出之輻射’或只測量從環境放射出之輻射。 WO 94/00744 A1公佈及描述一 RTP設備，其中有一 輻射測量器”其測量從晶圓放射出之輻射以決定晶圓溫度， 且設有另一輻射測量器，其係測量從燈放射出之輻射。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公麓） I I J I ! I I ϋ n I n I ! I I Γ I I I - i —^,/ivw^ l I — J I MM i · (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 460685 A7 五'發明說明(6·) 在美國專利5 841 110中描述一 RTP設備，其也有二 高溫計’用以測量晶圓溫度及環境或燈溫度。 本發明之任務是，提出或創造一方法及裝置，用以測 量基板之溫度’以此方法或裝置，即使基板有振動或傾斜， 也可以簡單的方式正確決定基板之溫度。 已知之DE-OS 41 14 367測量基板’尤其是半導體晶 圓溫度之裝置，其具至少一輻射偵測器，以測量從基板放 射出之輻射，及一限制輻射偵測器視野之、設在基板與輻 射偵測器間之光圈，此光圈之邊緣主要是直線形，以此裝 置為基礎’此提出之任務根據本發明是以下述方法加以解 決：此光圈係為一多邊形光圈。 以此方式所獲得之輻射偵測器，例如高溫計之視野限 制’矣測量從基板放射出之輻射時，與目前已知之、圓形 之、由孔光圈造成之視野限制相比，有如下之優點：:視野 袜多邊形光圈限制後’高溫計，以下也稱為晶圓高溫計， 即使基板，例如晶圓有些微之振動或傾斜，只要由此振動 或傾斜所造成之虛燈像移動不大於與燈像垂直之多邊形階 梯之邊界線，就可量出等強度之、從晶圓反射之熱輕射。 藉此多邊形光圈可產生一以多邊形方式限制之、具多 個階梯之晶圓高溫計視野。在矩形光圈之情形，則會產生 矩形之視野，而在圓柱透鏡之情形，則會產生主要是矩形 之光圏。 晶圓最好藉由熱源，例如燈進行加熱，此時，此熱滹 取好疋長向延伸之加熱元件。這些加熱元件會經晶圓形成 本紙張尺度適甩中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚) -9 - i! |丨 ί — _丨- (請先閱讀背面之.注意事項再填寫本頁} 軻· ;線" 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 輸β85 Α7 ------ Β7 _____ 五、發明說明（7·) 虛像’使得如同鏡面一樣，由晶圓產生加熱元件在長向延 伸之虛像。 晶圓高溫計之視野限制，一般而言以下述方式加以安 排：晶圓高溫計視野之邊界綠與燈像垂直相切。由於視野 直線形成之邊界’落在晶圓高溫計上之輻射，即使在晶圓 振動或傾斜時也不會改變。在傳統之圓形光圈，當晶圓傾 斜或振動時，落在晶圓高溫計上之光強度會改變。 為消除晶圓高溫計所量得強度中之燈輻射成份，將燈 熱輻射例如以平面方式，經多個管道導引至另一輻射偵測 器’最好是高溫計，並將如此量得之強度用於修正由晶圓 南溫計所量得強度。此輻射偵測器以下稱之為燈高溫計。 在燈高溫計之前，可使甩一成像光學元件，最好是圓柱透 鏡’以將燈高溫計之視野限制成主要是矩形。 也可以使用多個晶圓高溫計，其也可量得與燈輻射疊 加之晶圓輻射。同樣也可使用多個燈高溫計。 為確定基板或目標物之溫度，由晶圓高溫計所量得之 強度與由燈高溫計所量得之強度建立一定之關係。此舉在 使用孔光圈造成圓形視野限制之晶圓高溫計，尤其是在晶 圓出現振動時’是不可能的，因為，由於孔光圈之故，晶 圓高溫計所量得之強度也會變動。 在一極有利之發明設計中，在晶圓及晶圓高溫計之間， 設有一光學成像系統，例如一透鏡系統，此系統將由元件 限制之晶圓表面以光學方式成像在晶圓高溫計上。光圈最 好k在此透鏡系統中間像平面内。. 本紙張尺度適用,中國國家標準（CNS)A4.規格（210 X 297公釐） -10- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) Γ I I I I---tr---I!線 .經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 160685 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明(8·) 本發明裝置最好設置一用以轉動晶圓之裝置，使晶圓 表面能均勻加熱。 此外，本發明之裝置可不只是有一個，而是可有多個 晶圓高溫計。此時’晶圓高溫計之矩形視野最好相互平行， 使晶圓轉動時’晶圓表面上相應之圓周範圍會成像在晶圓 高溫計上。此時，矩形視野之邊界線與燈像垂直相交。因 晶圓被轉動’平行設置之矩形视野只需在晶圓之半平面上 即可。燈高溫計之眼以相應之方式設置，使燈強度與各矩 形限制之晶圓表面之強度有'明確關係 '在此設置方法中， 使用一個燈高溫計即足夠，此燈高溫計搭配至少一晶圓高 溫計之視野，只要在一個燈内之螺旋線長度範圍之強度約 是固定的。 此提出之任務也可藉一方法加以解決。在此方法中， 晶圓高溫計之視野，藉由在晶圓及晶圓高溫計間之元件以 直線限制。 由於视野受到直線限制，當晶圓振動或傾斜時落在晶 圓高溫計上之輻射不會改變。在傳統之圓形光圈，當晶圓 傾斜或振動時，落在晶圓高溫計上之光強度會出現變化。 根據一有利之發明實施形式’晶圓係由至少一與晶圓 有一定距離之熱源加熱。因為從熱源落在晶圓上之輻射， 在晶圓振動或傾斜時’會被反射到另一方向，.在以直線限 制之視野，落在晶圓高溫計上之輻射不發生輻射強度變化。 在一實施例中’一在晶圓及晶圓高溫計間之光學成像 系統’例如一透鏡系統’將被元件限制之晶圓表面以光學 — I! — — — — — ί I----訂i- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} -I!線 -11 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ^80685 A7 B7 五、發明說明（9·) 方式成像在晶圓高溫計上，從晶圓落在晶圓高溫計上之輻 射被元件之成像作直線限制，由此得到前面所述之優點。 在另一有利之方法實施形式中，晶圓在受輻射照射之 過程中，藉一轉動装置轉動，以得到儘可能均勻之晶圓溫 度變化，及使晶圓表面儘可能有均句之溫度分佈。在此例 中，最好設有多個晶圓高溫計，及配屬之、以線性邊界限 制晶圓高溫計視野之元件’各元件可相互平行置放。 本發明之另一任務是，提出一裝置，甩以測量基板， 以下也稱作目標物之溫度，此裝置決定之溫度，基本上與 加熱裝置及/或其虚像之強度變化無關，或者是在第二發明 實施形式中’為得到正確之溫度，由一測量裝置量出由至 少一加熱元件進入第一視野電磁輻射，直到一依強度而 定之函數。 . . , . 此任務以一甩以测量目標物溫度之裝置加以解決，此 裝置具一由至少一加熱元件組成之加熱裝置，以電磁輻射 加熱目標物’具至少一第一輻射偵測器，其在第一视野内 測量從目標物來之輻射，為得出一測量裝置之補正參數’ 量出由至少一加熱元件進入第一視野之電磁輻射，直到一 依強度而定之函數。此解決方法以下稱為第二發明實施形 式。 根據第二發明實施形式可得之優點是，加熱裝置及域 其虚像(例如由晶圓之振動生成)之強度變化(空間及時間)不 會作甩在目標物之溫度測量上。這是來自下述理由：因為 測量之、從加熱裝置及其虛像來之強度，均有相同之相鍮 L紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -12- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· 線： 460685 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（ΙΌ.) 變化，而此變化同步由第一輻射偵測器及測量裝置量出。 如此’可例如藉強度值之比例關係，將強度變化對溫度測 量之影響(空間及時間)加以補正。此時，最好^_個加熱元 件因強度而定之函數約為相同，此函數也包括與強度無關 之比例因子在内。 此測量裝置可包括加熱元件之阻抗測量，藉阻抗與強 度之關係’決定由加熱元件所得出之強度。另外或是额外 可用熱元件進行加熱元件之溫度測量，藉溫度及強度之關 係，決定加熱元件之放射強度。 此外’此測量裝置也可包括一第二輻射偵測器，此第 二輕射偵測器最好在第二，共同決定因強度而定之函數或 比例因予之視野内，測量從加熱元件放射之輻射，此時之 假設是’對電磁輻射有鏡反射作用之目標物，第一及第二 視野’在至少一空間維度内幾乎是相同的。一般而言，第 一及第二輻射偵測器(或各個輻射偵測器)之视野重合方 式’可與熱源或熱源之加熱元件之幾何形狀栢配合。 此外，以多個輻射偵測器(第二輻射偵器)測量從目檫 物來之輻射也極為有利，此時，各視野被限制在目標物表 面不同之表面範爾，且各個視野在至少一空間維度内，輿 第二輻射偵測器之視野相同。以類似方式，也可設計多個 輻射偵測器(第一輻射偵測器)，以測量從加熱裝置，例如 各個加熱元件放射出之輻射α 若目標物可藉一轉動裝置轉動，以多個輻射偵測器測 量從目標物來之輻射會特別的有利。然後可藉相對於轉動 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公爱） -13- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

4 6 0 685 A7 B7 五、發明說明(11. ) 裝置之轉動軸設置第二輻射偵測器，而測量到目標物於不 同裡向距離之表面範圍，因而可測量出徑向之溫度輪廓。 首先要能區域式決定目標物之溫度，才可藉控制加熱裝置， 例如棒形燈，尤其是虑素燈或電弧燈之加熱元件，於晶圓 上設定在極大範圍内可控制之、徑向之溫度輪廓。此時最 好能由一控制裝置個別設定每個加熱元件放出之電磁輻 射。 因為在例如300mm之晶圓，+均晶圓溫度為l〇〇〇〇c 時’與溫度設定值之誤差須小於例如2°C，故輻射偵測器 之電磁輻射測量必須非常的準確。此可由上述兩種發明實 施形式非常可靠的做到。 此外’輻射偵測器之视野最好配合加熱元件之對稱性》 在例如是捧形加熱元件時，可藉適當之措施，例如光圈及/ 或由透鏡’夫奈斯爾(Fressnel)透鏡及/或變焦板組成之成像 系統定義例如是矩形之視野。若加熱裝置是由相互平行設 置之、棒形之加熱元件組咸，則輻射偵測器之視野最好主 要是由與加熱元件同軸設置之圓柱透鏡決定。這樣的好處 是’開啟一與圓柱透鏡軸垂直之視野，如此可決定經一較 大角度所整合之目標物反射性。此外以此類之視野測定強 度’對目標物(晶圓)之振動較不敏感。一般而言，可以如 此之設計視野邊界，假設目標物對加熱裝置電磁輻射有 鏡面反射，視野及加熱元件間量之相對移動，幾乎不會 影響由輻射偾測器決定之強度。此設計方式一般而言依加 熱裝置或加熱元件之幾何形狀而定。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格<210 X 297公釐） -14- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

,5J --線,.| 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（12.) 以下藉較偏好之實施例，以圖一至圖十二，說明本發 明。各圖所顯示之内容如下： 圖一顯示一用於熱處理晶圓裝置之剖面圖，用以說明根 據本發明之第一實施形式裝置之功能原理， 圖二顯示圖一中沿剖面線Π- I[之剖面圖’ 圖三顯示一透鏡系統之示意圖，可應用於本發明之裝置 内， 圖四顯示一限制晶圓高溫計之視野之元件實施例，有多 邊形光圈形式， 圖五顯示用以說明本發明裝置功能原理之示意圖， 圖六顯示限制晶圓高溫計之視野之元件之另一實施例， 圖七顯示一具多個晶圓高溫計之實施形式之示意圖， 圖八顯示一加熱裝置之示意圖，其具棒形之、相互平行 設置之燈，及由目標物之鏡面作用而產生之、具虛 燈像之虛加熱源， 圖九顯示一多個晶圓高溫計示意上视圖，其视野主要 是由與加熱裝置之棒形燈同軸設置之圓柱透鏡決 定， 圖十顯示一單面加熱RTP系統之示意圖，根據今日之技 術現況， 圖十一顯示一雙面加熱RTP系統之示意圖，根據今曰之 技術現況，及 圖十二雙面加熱rtp系統之示意圖，其具晶圓高溫計及 燈高溫計。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐) -15- 請 先 閲 讀 背

意I 孝Ί 項I 再 L· :填Γ % w 本， 頁I 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 460685 A7 B7 五、發明說明（13.) 在圖一及圖二中所示之具外殼1之快速加熱爐，在其 上及其下内壁，裝有由多個獨立燈或獨立燈管2、3組成之 排燈4、5 ’以加熱半導體晶圓6，此半導體晶圓是設置在 外殼1内排燈4、5間之反應室7内。 反應室7最妤主要是由可被燈輻射穿透之材料组成， 此材料也可被高溫計或所使甩輻射偵測器之測量波長或測 量波長頻譜穿透《以在燈頻譜範圍平均吸收係數約為αι Ι/cm至0.001 i/cm之石英玻璃及/或藍寶石，可建造壞於快 速加熱系統用之反應室,此反應室之壁厚可在1皿η至幾咖 之間。根據反應室之壁厚，可依吸收係數選擇材料。 若在反應室7内有真空，甚至有時是超真空；或者有 高壓’則有反應室之壁厚可能要在公分範園/例如，若反 應室直徑約為3〇Omm，則當石英破璘厚度約為12mm至 20mm時’可得一有足夠機械性質穩定性之室7，即使將内 部抽真空也無妨。反應室之壁厚，依壁材料、反應室大小 及所受壓力負荷而定。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 最好使用#素燈作為加熱燈’其之燈絲至少部份具螺 旋結構。藉由至少部份具螺旋結構，易於得到一定之，預 先定義之燈幾何及頻譜輻射待徵。此時，燈之燈絲可例如 由螺旋及非螺旋燈絲片段交互構成。此例中，幾何及頻譜 輕射特徵主要是由相鄰螺旋燈絲片段間之距離決定。另外 一個定義燈輻射特徵之可能方法是’變化燈絲結構之密度， 亦即延燈絲方向變化螺旋密度。 若要使燈特徵是可控制的，則所使甩之燈最好是具有 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐j ------- -16- 460685 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明(14.) 多個可個別控制之燈絲之棒燈。尤其是在大面積基板，例 如300mm半導體晶圓熱處理快速加熱設備中，使用具可控 制燈特徵之燈非常有利，因為以這些燈及一適當之燈控& 裝置，可在基板表面得到非常均勻之溫度輪廓。藉燈絲個 別輻射特徵之疊加，產生在極廣大範圍可設定之燈總輻射 特徵。在戚簡早之情況下，一齒素燈包括例如二燈絲，各 燈絲均具螺旋結構，或至少部份燈絲有螺旋結構，其中第 一燈絲之螺旋密度及/或螺旋燈絲片段間之距離，從燈的第 一端至第二端逐漸增加’而第二燈絲之螺旋密度及/或螺旋 燈絲片段間之距離，則從燈的第一端至第二端逐漸減小。 總輻射特徵可因而藉選擇二燈綵之電流強度，在極大之範 圍内加以變化。另一個具可控制輻射特徵燈之設計可能性 是，燈之燈絲包含至少三電接點，在每個接點間可施加不 同之操作電壓。如此’可控制局部之燈絲溫度，因而可控 制燈延燈絲之輻射特性。 附了上述之燈外，也可使用電漿或電弧燈，此時，輻 射特徵也都是可控制的。例如燈之頻譜可藉電流密度調整 在紫外線範園至近乎是紅外線之間。 從圖一可看出，設置在外殼1底部之晶圓高溫計8， 經由一設計在外殼壁面内，面向受處理晶圓6中央之開口 9 ’測量由晶圓6放射及反射之電磁輻射。當然，此開口不 是一定要設計在上述位置。若是溫度低於600°C之硬晶圓， 會額外量出發射之光。不過’也可以使用多個，與晶圓表 面平行設置之高溫計，如圖七及圖九所示，以下會加以描 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ------------------ - ----------- 訂——— I! 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（210 X 297公釐） -17- 460685

五、發明說明ΉI 述。 類之裝置，在例如未公開之DE_繼、 由古k 385 ^DE 197 54 386 A羼同一申請人之專利 中有加描述，為避免重複，此虚 本中請案之内容。 處僅指出出處，並將之用為 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在快速加熱爐之底部設有一光學輕射測量裝置，包括 馬溫計10及一如圖二所示之一管道體η，輻射管道12是 以整面対料，或加工纽奴_。顧輯用於測 量從燈放概頭上之f磁梅錢。在u與排燈 相對之侧-絲透鏡14，最好是透舰如此之設置， 使其焦線彳ϋ在躺奴13各她蚊處或眺，使得落在 光學透鏡14上之輻射可到達高溫計1〇。從圖二可清楚的 看出’在管道體11内之輻射管道12可如此之設計或校正， 使各個燈3之螺旋線15位在各轉射管道丨2之延伸軸16上。 輻射源及/或輻射管道最好如此之設置，使燈高溫計之信號 僅由一燈或燈綵片段造成’不受燈絲固定裝置或其他破墩 輕射流’或是由輻射管道所觀測之燈絲或燈片段溫度的影 響。高溫計10或其光學透鏡14因而只準確看到各燈螺旋 線15，不是從燈螺旋線15來之背景輻射，如果if有的話， 在整偭落在高溫計10之光中因而只有可忽略極小之成份， 此高溫計以下也稱為燈高溫計、藉在燈螺旋線及各輻射管 遒附近加裝額外之光圈或遮蓋，可將背景輻射確實的消除。 圖三顯示一在晶圓6及晶圓高溫計8間之透鏡系統 17 ’由光圈18所限制之晶圓面成像在晶圓高溫計8上，此 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -18- 460685 A7 B7 五、發明説明（16.) 光圈18最好位於透鏡系統17之中間像平面内。 此處所使用之光圈是圖四中所顯示之多邊形光圈19 是矩形細。乡_轉2G絲邊界之長度，結須與由 晶圓6之振動或傾斜部份所產生之燈像21變化同大。'磕像 21因傾斜或振動，從位置22變化至位置22，，圖中是以箭 頭23明顯的表示出。根據本發明措施，將光圈之邊緣主^ 是直線垂直雜之運動麵，如此，晶圓之傾斜不會在晶 圓高溫計產生強度變化’相反的，使甩具曲線邊緣之光圈， 例如孔光圈或橢圓形光圈，落晶圓高溫計上之強度會受 到晶圓位置移動或振動的影響。 多邊形光圈19相對於目前使用之孔光圈24之大小可 參見圖五。從此圖可以看出，多邊形光圈19之面積，最好 與目前使用之孔光圈24之積分面積同大，在橢圓形之孔光 圈及相應之矩形光圈也是如此。在測量輻射時，.整面被晶 圓高溫計8積分。 圖六顯示另一個以多邊形方式限制之光圈實施形式。 在此例中’使用一四分之一圓光圈’其原先直線之邊界線 被設計成多邊形階梯形式。 晶圓高溫計8之、主要是矩形之視野邊界也可以下述 方式做到：不使用在透鏡系統17中間像内之矩形光圈，而 用定位在晶圓高溫計8前之圓柱透鏡14。 所有晶圓高溫計8視野限制元件之實施形式均是如此 之設計’使視野之邊界線是直線，或是在圓柱透鏡之例中 主要是直線，此時，视野之邊界線最好主要是與燈像21垂 ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（210 X 297公釐.）. -19 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁).. 訂------線r 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 60685 ., . ... . ： A7 . . . . .... . — _ B7 " . ' 五、發明說明（17·) ' .... . . . . . 直相交’以得到上述之發明優點。 另-有利之發明實施形式是，在本發明之裝置内，使 用多個具相互平行视野之歸高溫計8。圖七顯示此例、 燈像2丨麟也是與赠晶圓高科8之视野邊界線垂直相 交。此夕卜’晶® 6在受熱處理及溫翻量雜轉動，如圖 七中箭頭25所示。藉此晶圓之轉動，各個平行之視野只需 設在-半平面上即可。在此配置中，—個搭配給晶圓高溫 計視野之燈高溫計1G即已足夠，只要錢祕綱旋線長 度之強度為固定值。 圖八中示意顯示出由排燈組成之加熱裝置4,棒形之 燈L1至L10是相互平設置。與此排燈4 一定距離處， 置放一晶圓或一目標物6，其將排燈放出之電磁輻射部份 反射回去’並被排燈加熱。另外也顯示了一晶圓高溫計或 一第二輻射债測器8，其測量由目標物來之輻射。此輻射 主要是由從目標物放射出之輻射’及由部份反射回來之燈 輻射組成。實際上，此反射部份，在矽晶圓溫度在600% 以上時約為30%。燈L1至L10之虛鏡像是以VI至V10 標示出’並形成虛排燈4,。晶圓高溫計8有預定之视野角 度召(第一视野)，並接收在此視野内之電磁輻射。 在圖八中顯示了另一高溫計，或是第二輻射韻測器 . .· 10 ’以測量直接從加熱裝置4之燈L1至L10放射出之輻 射。此輻射最好藉圖二中所示之管道體11到達偵測器1〇。 高溫計1〇也有由角度α預設之視野，（第二視野)，其決定 了ϋ觀測燈之數量。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） -20- (請先时讀背面之注意事項再填寫本頁)

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五、發明說明（18.) 濟 部 智 慧· 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 為僅可能準確的測定目標物之溫度，根據本發明之第 一實施形式’燈高溫計10及晶®高溫計8之第-及第二視 野係如此之奴：假設目獅6解雜射鏡反射，使 第一及第二视野至少在一空間維度(Dimensi〇n)内是相同 的。在圖八所示之例中，意思是，主要是與排燈4相同區 ^絲像4¾¾目冑溫計量&，此隨與紐高溫計1〇 f得<、加熱裝置4之區段相對應。若如圖八所示為棒形 燈’其在軸向方向幾乎有均勻之放射’則當由燈高溫計10 及晶圓高溫計8量得之像區段，在垂直於燈軸方向大約相 同即可。此可藉相應之高溫計安排例如使α角及沒角祖同 即可達到。 、在所示之例中，高溫計8、1〇之視野最好主要是藉圓 f透鏡確定，此圓柱透鏡之焦綠與棒形燈L1至L10平行。 藉此圓柱透鏡，或其他適宜之成像光學元件 ，.或藉加入光: 圈’可以確定開口角度α及尽。若燈延燈軸之輻射強度大 約疋不變的(通常在一燈絲片段是如此)，則可為高溫計8、 10使用不同焦線長度之圓拄透鏡，因為如上所述，當高溫 计8及10之視野在垂直於燈袖方向，至少在一空間維度約 是相同即可。如此可以保證，燈及虛燈像強度在空間及對 時間之變化’可由晶圓高溫計及燈高溫計以一比例關係同 步量出。 根據本發明，可除了上述之角度α及石外，另外或額 外也可選擇約是相同之晶圓高溫計及燈高溫計在燈軸方 向’也就是説，在圓柱透鏡軸方向之開口角度，這主要是 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ϋ-a n w 0 n amme ϋ I 言 矣

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國豕ί示準（CNSXA4規格（21〇 ： 4 6 0 6 85 A7 B7 五、發明說明（19 ·) 依燈軸上之燈強度及所需目標物溫之測量準確度而定。 在圖九中示意顯示了在晶圓6上及在排燈4上平行設 置之、棒形燈L1至L7之上視圖。藉一轉動裝置，晶圓可 對軸A轉動。圖九顯示使用多個分別具圓柱透鏡Z1至Z7 之晶圓高溫計。圓柱透鏡之軸與燈軸平行，如此，晶圓之 溫度可類似圖七所示，於徑向加以測量。 與圖七相比’圖九中之晶ΒΓ南溫.计是延晶圓之直徑設 置，此時’對轉動軸不對稱之設置有以下之優點：即使是 小直徑之晶圓，徑向之溫度輪廓也可在足夠多之位置測量 出，而不必將圓柱透鏡之軸向長度做的很小。 藉此徑向之溫度輪廓’可以一控制裝置控制排燈，此 時，最好各個燈均可個別加以控制。如此，晶圓可有最均 勻之溫度分佈。此處再要指出的是，尤其是在個別控制燈 時，晶圓-及燈高溫計有相同之视野(較準確的說法是：直 到一依強度而定之函數或比例因子為相同)是高準確度晶圓 溫度測量之必要條件’因為只有如此，由晶圓反射回之強 度才可進行正確的補正。 所謂視野相同’根據本發明之第二實施形式，指的是 晶圓高溫計及燈高溫計之视野，在加熱裝置不均勻強度分 佈之方向，直到一比例因子(也可是1)，或一般而言直到一 已知之、依強度而定之函數均幾乎是相同的。通常，視野 最好配合加熱裝置輻射特性之對稱性。此可藉例如選擇適 當之視野光圈或成像光學元件，例如根據本發明第一實施 形式之多邊形光圈’或例如圓柱透鏡而達到。如此，當例 297公釐〉 •22 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) I ----I l· -------1111 ---ilfw^ ΊΓ-ιι — — —^·· — —--II!線· 4 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 6 0 685 A7 B7五、發明說明（2。·) ' . .. . ... 如視野及加熱元件間有些微之相對移動時，由輻偵測器 測定之強度不會受到影響。此處所稱之加熱元件也包括加 熱裝置之虛像，其由部份反射而形成在目標物上。 如圖十二所示，一般而言根據本發明第二實施形式之 第二輕射偵測器(燈高溫計），可由一測量裝置M取代，此 裝置Μ測量從加熱源L1之加熱元件1^，最好是從每一加 熱元件Lli ’進入第一輻射偵測器8第一视野之、直到一比 例因子或一已知之、依強度而定之函數之電磁輻射从。由 . . .. .. .. . . 於目標物(例如晶圓)6之反射特性，輻射偵蝌器8除了測量 到從目標物6放射進入第一視野之輕射u，也測量到從排 燈L1之各加熱元件1^反射之輻射11；^，此輻射好似從虛 像Vli放射出。其中，4是有效之、相對於加熱元件Lli之 反射係數。 輻射偵測器8量到之總強度為jtotai = Iem+2：Ili*ri。其中 假5又目.標物.6對上排燈L2(其虛像在圖.中未示出)之輕射是· 不透明的。 要得出從晶圓放射出之強度iem，須修正反射部分Σ Ili A。測量裝置Μ —般而言量出加熱元件]之強度 Ιμ=0^ ’其中q是測量裝置預設之常數，或已知之、依強 度而定之函數，其可藉例如校正得之。 測量裝置Μ可包拾例如加熱元件，最好是燈之燈絲之 阻抗測量，或可例如藉裝設熱元件得出燈之燈絲溫度，其 中函數或常數q可例如藉由阻抗一強度或溫度之強度關係 得出0 (請先閱讀背面之注意事項再填窝本頁) -i fa if 1 ----—————Irk •-----^訂 ------- — l·!線· -n n I - X 297公釐） -23- 460685 A7 五、發明說明（21.) 根據本發明，下式成互：<11丨=，其中kj是屬於 加熱元件L;之’依強度而定之函數，或是一比例因予。，最 #如此之選擇測量裝置，使所有加熱元件Ui之&均(在一 定剛量誤差範園)約是相同的，如此可極度簡化校正過程。 此可藉例如在圖八所示實施形式中，令^泠而獲致。如 此可藉測量裝置之助，在已知、义或^及h倩形下，將輻 射偵測器8所量得強度中之反射部份加以修正，再從晶圓 放射出之強度Iem，即可決定目標物之溫度i 為更進一步增加目標物溫度之準確度，最好可將第一 及第二發明實施形式組合。 以上藉偏好之實施例說明了本發明，專業人士傲 更㈣健及設計，但精離轉 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 適 度 尺 張 紙 公 97 2 X 10 (2 格 f規 )A4 S) N (C 準 家 24 9— .- 條主

46068$ 本物矽fl mfL 五、發明說明（22.) A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 元件符號說明 1 外殼 2、3 獨立燈管 4、5 排燈 6 半導體晶圓 7 反應室 8 晶圓_南溫計 9 小開口 10 ifj溫計 11 管道體 12 輻射管道 13 輻射管道 14 光學透鏡 15 燈螺旋線 16 延伸t轴 17 透鏡系統 18 光圈 19 多邊形光圈 20 多邊形階梯 21 燈像 22 位置 23 箭頭 24 孔光圈 25 箭頭 -----—--- --------flit--------- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -24-1 -

Claims (1)

1. .1· 一種測量基板’尤其是半導體晶圓溫度之裝置，其具至 少一輻射偵測器’以測量從基板放射出之輻射，及;2限 制輻射偵測器視野之光圈’其被董於基板及輻射偵測器 間，光圈之邊緣主要是直線，其特徵為，此光圈是一多 邊形光圈。 2. 根據申請專利範圍第1項所述之裝置，其特徵為，在基 板及_射偵測器間有一成像光學元件9 3. 根據申請專利範圍第2項所述之裝置，其特徵為，光圈 是在成像光學元件之中間像平面内。 4. 根據申請專利範圍第1項所述之裝置，其特徵為，為測 量從基板放射出之輻射’設有多個輻射偵測器，且各個 測量從基板放射出之輻射之輻射偵測器之視野相互平 行。 5. 根據申請專利範圍第1項所述之裝置，其特徵為，有一 裝置用以轉動基板。 、 6. 根據申請專利範圍第1項所述之裝置，其特徵為，至少 設有另一輻射债測器，以測量從至少一熱源來之熱輻 射。 ： 7. 根據申請專利範圍第1項所述之裝置，其特徵為，用以 測量從基板放射出之輻射之輻射偵測器之、由元件限制 乏視野係附屬於用以測量熱源熱輻射之輻射偵辦器之視 野。 8. 根據申請專利範圍第1項所述之裝置，其特徵為，在基 板上之熱源鏡像與視野之邊界線垂直相交，此鏡像是由 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(21〇 X 297公·釐) -25- ί — — — — — — — — — — Lr.v · — I (請先卧讀背面之注意事項再填寫本I·') -SJ· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8S88D8 4 BO685 六、申請專利範圍 輻射偵測器之元件在基板表:面上形成。 9·根據申請專利範圍第1項所述之裝置，其特徵為，輻射 偵測器是高溫計。 . .. .昏. .' .. ίο.—種甩以測量目標物溫度之裝置，其具一包括至少一加 熱元件之加熱裝置’以電磁輻射加熱目標物，另具至少 一第一輻射偵測器’其測量從目標物來之、在第一視野 内之輻射’其特徵為，為得到測量裝置之補正參數，量 出從至少一加熱元件進入第一視野之電磁輻射，直到一 依強度而定之函數.。 11.報據申請專利範圍第10項所述之裝置，其特徵為，各 加熱元件依強度而定之函數約為相同。 1Z根據申請專利範圍第1〇項所述之裝置，其特徵為，測 量裝置包括加熱元件之阻抗測量1 根據申請專利範圍第1〇項所逑之裝置，其特徵為，測 量裝置包括一熱元件，以測量加熱元件之溫度。 K根據申請專利範圍第1〇項所述之裝置，其特徵為，測 量裝置包拾一第二輻射偵測器α 八 以根據申請專利範圍第Μ項所述之裝置，其特徵為，第. 二絲細制量在帛二、健度破之練共同決定 又视野Θ ’由加熱元件放射出之德射，並假設目標物對 電磁輻射錢讀侧，第―及第二视野至少在—空間 維度幾乎是相同的。 ： 仏根據申請專利第1〇項所述之裝置，其特徵為，從 目標物來之電磁韓射由多個輕射偵測器量出，其之第一 _張尺奴財關家鮮（CNS)A4規格（210: 297公釐） -26· ---- —— _1 —— 一 l·,、裝i! —丨訂. (請先閲讀背面之注意事項#填寫本頁) 綵卜！--------: 460 egg

   經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工. 消 費 合 作 社 印 製 申請專利範圍 · .... · .... . . 視野，就目標物表面而言是限制在目標物不同之表面範 圍:上：:' 17.根據申請專利範圍第16項所述之襞置，其特徵為，第 「视野至少在-空間維度，約與第二輕射偵測器之第二 视野相同》 队根據申請專利範圍第10項所述之裝置，其特徵為，目 標物藉一轉動裝置，以可對一軸轉動方式固定。 改根據申請專利範爵第18項所述之裝置，其特徵為，量 取従目標物來之輻射之輕射積測器，測量相對轉動裝置 之轉動軸在不同徑向距離之目標物表面範圍。 2〇·根據申請專利範圍第10項所述之裝置，其特徵為，由 加熱裝置之加熱元件放出之電磁轉射，可對每一加熱元 件以控制裝置加以控制。 21. 根據申請專利範圍第1〇有所述之裝置，其特徵為，加 熱元件是棒形燈。 22. 根據申請專利範圍第，1〇項所述之裝置，其特徵為，輻 射偵測器之视野與加熱元件之對稱性相配合。 23. 根據申請專利範圍第I5項所述之裝置，其特被為，輻 射偵測器至少有一視野是由一與棒形燈同軸設置之圓柱 透鏡共同決定。 24. 根據申請專利範圍第is讀所述之裝置，其特徵為，假 設目標物對電磁輻射有鏡像作甩，第1二視野之邊緣是如 此之設計’當視野與加熱元件間有微小相對移動時，幾 乎不影響由輻射偵測器所決定之強度。 本紙張尺度適用中國國家標準.(CNS)A4規格（210 χ.297·公楚）: -27- (請先閲讀背面之注意事項再填窝本頁) 裝 訂-------丨！線-k— -------III — — — 460685 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 25. 根據申請專利範圍第1項所述之裝置，其特徵為，基板 或目標物被一反應室所包圍，該反應室主要是由可被輻 射源之電磁輻射及輻射偵測器之測量波長頻譜穿透之材 .料组成。 26. 根申請專利範圍第25項所述之裝置，其特徵為，可 穿透之材料是石英玻璃及/或藍寶石。 27. 根據申請專利範圍第25項所述之裝置，其特徵為，材 料在燈頻譜範圍之平均吸收係數介於0.001 Ι/cm及0.1 Ι/cm 間。. 28. 根據申請專利範圍第25項所述之裝置，其特徵為，反 應室之壁厚在lmm及5cm間。 29. 根申請專利範圍第10項所述之裝置，其特徵為，加 熱裝置或熱源包括至少一具至少部份是螺旋燈絲結構之 燈絲。 30. 根據申請專利範圍第29項所述之裝置，其特徵為，藉 由燈之燈絲結構，獲得預先定義之、幾何及頻譜輻射特 徵。 、 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 31. 根據申請專利範圍第30項所述之裝置，其特徵為，輻 射源之燈絲有交互為螺旋及非螺旋之燈絲結構。 32. 根據申請專利範圍第29項所述之裝置，其特徵為，輻 射源有二可獨立控制之燈絲。 33. 根據申請專利範圍第29項所述之裝置，其特徵為，至 少一燈絲有至少3個電接點。 34. 根據申請專利範圍第10項所述之裝置，其特徵為，加 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -28- 460685 C8 D8 六'申請專利範圍 熱裝置或熱源包括至少一卣素燈。 35. 根據申請專利範圍第29項所述之裝置，其特徵為，至 少一燈絲結構之密度係延燈絲方向變化。 36. 根據申請專利範圍第10項所述之裝置，其特徵為，加 熱裝置或熱源包括至少一電弧燈。 37. 根據申請專利範圍第10項所述之裝置，其特徵為，藉 設置加熱裝置或熱源，及相互相對之管道體，輻射偵測 器產生之信號不受燈絲固定裝置或其他破壞輻射源輻射 溫度之物影響。 請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -29-