TW523850B

TW523850B - Apparatus for measuring temperatures of plural physically separated locations on a substrate in a plasma processing system

Info

Publication number: TW523850B
Application number: TW090125256A
Authority: TW
Inventors: Shane R Johnson; Yong-Hang Zhang; Wayne L Johnson
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2001-10-12
Publication date: 2003-03-11
Also published as: US7234862B2; US20040061057A1; WO2002033369A1; AU2002218653A1

Description

523850 A7 B7 五、發明説明相關申請案之交差參考本申請案係有關於以下諸共同待審申請案，標題分別為 :,fA Method of Substrate Band-Edge Measurement Using Transmission Spectroscopy and a Process for Tuning Temperature Uniformity，"美國臨時編號第 60/174,593號， 2000年 1月 5 日申請；"Multi-Zone Resistance Heater，”美國臨時編號第60/156,595號，1999年9月29日申請；及，，A Method of Wafer Band-Edge Measurement Using Transmission Spectroscopy and a Process for Controlling the Temperature Uniformity of a Wafer，丨’美國編號第 60/18 9,043號，2000年3月14日申請。上列各申請案就其全部藉引用而併入本文。發明背景發明範圚本發明係指向一種在現場使用的方法，使用譜邊溫度測足法（BET)，而更特定言之，使用鏡面反射光譜測量（srs) ’以溫度有關的講帶間隙來量測一基材的溫度。背景討論半導體基材溫度在處理過程中的精確量測，對於半導體，材處理來說是高度需要的。尤其，大多數的處理過程二是溫度敏感的’所以’精確溫度量測是控制餘刻和⑷化學沉積最佳狀況的首要條件。而且，當蝕刻或化學沉積，在橫越一半導體基材的溫度，其空間 ”私 -4-

523850 A7 ____ B7 五、發明説明（2 ) 現在有三種幾何模式或型態的譜邊測溫法（BET)，如在圖1Α·1Γ)所示：⑴漫反射光譜測量（DRS ;見圖1A及1B)， (2)透射光譜測量（TS ;見圖iC)，及（3)鏡面反射光譜測量 (SRS ;見圖。在DRS模式中，該光源及探測器是在基材的同一侧，同時違彳木測器係擺置在一非鏡面反射位置（見Johnson等人之美國專利第5,56δ，978及5,388,9〇9號（此後分別稱為 •M978及’909專利”））。一非鏡面反射探測器只能看到透射通過晶圓的光’而且是漫反射回到該探測器的立體角中。在 DRS方法中，光的兩次通過該基材的透射是作為波長或，等同地，光子能的函數來量測。當波長遞增時，光子能則遞減而基材透明度（或，等同地，帶隙能量）的肇始，即在光子能變得小於帶隙能量時發生。在TS模式中，基材透明度的肇始是由光通過基材的透射性來決定，一如在美國專利第5,1 1 8,200號（此後稱為”，200 專利”）中所述。在這個幾何模式中，該光源和探測器系統是在晶圓的不同侧邊。這個方法的一項困難，就是它需要在基材的相反兩侧都要有光的進入處理室。可是，與Srs 模式比起來’ T S模式最後在光探測器所接收到光的強度方面，可獲得增加。在SRS模式中，該光源和探測器也是在基材的同一侧。該探測器是擺置在一反射的位置，在該處其可同時探測到從晶圓兩面來的鏡面反射的光（見美國專利第5,322,361號 (此後稱為’’ ’3 61專利”））。該未通過晶圓即反射進該探測器 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 523850 A7 ___B7 五、發明説明（3 ) 中的光，不含溫度的資訊，結果只增加一比較定常的背景 k號。遠從遠基材的相對的内表面所反射光的組成部分，回頭行過該晶圓而到該探測器上。該通過該晶圓兩次的反射部分，含有極為有用的溫度資訊。不管是使用什麼模式，都必須從該光譜抽取一溫度標記。一般來說，有三種演算法常被用來從帶邊光譜抽取基材溫度：（1)第一導數的最大值的光譜位置或反折點，（2)與一預定光爾資料庫的直接比較，及（3)光譜膝點位置（即第二導數的最大值之所在）。第一種方法在，2〇〇專利中已有所討論。該方法決定基材的溫度為在前一次校準運轉中光譜的反折點位置的函數，該次運轉中各光譜的溫度均為已知的。該方法的優點在於簡單、快速而與量測的絕對強度無關。缺點在於非常敏感於可能發生在已受處理矽（Si)晶圓的任何一面的干擾效應。在第二種方法中，該’36 1專利將一給定的光譜，和一個由多個在已知溫度下取得的光譜所組成的溫度關連的資料庫相比較。優點之一為根據報導這種方法對於以晶圓非苇有成效。缺點是敏感於干擾效應並需要一絕對的反射率量測。因此，各晶圓可能需要一個別的正常化光譜。最後，’978及，909專利披露一種DRS模式的BET，使用該光譜膝點的位置作為標記。其優點是在於該點為距離一基材的透明度肇始最接近的明確點，並因而較不敏感於干擾效應。這種方法的短處是在於它需要復雜的選配演算法1 這對於一些現行的應用，可能會顯得太慢。 -6-

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目削，有幾個可在市場購個是完全能滿足以下的準一般來說，一 BET系統包括、一擴散裝置及一光電探測器。獲的系統；可是這些系統沒有一則的：晶圓赤裸背面的 1)在石夕晶圓前侧的處理過程中對於石夕非接觸溫測。 2)使用光學方法和石英棒，耦合進出於該處理室的光 3) 二次元的晶圓溫度的快攝照片。 4) 以一 100 msec(毫秒）或以下的響應時間，在大矽晶圓上有數個點（大約1 〇個）的同時抽樣。 5) 20°C至300°C的溫度範圍。 6) 溫度量測的精確度達到2°C到5°C之内。發明概要本發明之一目的在提供一種非入侵性量測（丨）基材溫度及（2)該基材溫度的空間性變異的方法。這種量測方法可再使用在（1)調諧一處理室對於一處理過程的熱響應及（2) Π時在響應全過程中在現場執行的溫度量測，修改處理室的溫度特性。因為大多數的半導體材料的帶隙因溫度而遞減（成線性在德拜（Debye)溫度之上），半導體材料的透通性的肇始，提供一精確的、可複製的基材溫度的量測。這使得帶邊溫測（BET)成為半導體處理過程中一種可在現場無接觸量測基材溫度的理想方法。這種方法尤其有用於高溫量測已告本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公爱)

OJU

發明説明無效的低溫的應用中，y 、、器（例如熱電偶）有不乂及及處理過程對於現場溫度感測 / U个艮影塑，、對於處理過程有不良θ 3耆反之，現場溫度感測器艮衫響的各種應用中。對於本行技藝熟習人士而古，其當關聯附隨圖式東去、’在參考以下詳細說明，尤許多優點有更為完：的、"'立即對本發明及其所附隨的 H 勺〜知與瞭解；附隨圖式中：圖1A為一間略圖，一型態的裝置； . 度反射光譜測量的第一態::二；間略圖’表示一使用漫反射光譜測量的第二型圖1C為一簡略圖，姜- /+ Ή表7F —使用透射光譜測量的第一型態的裝置；圖1D為一簡略圖，表示一使用平鏡反射光譜測量的第一型態的裝置；圖2為一早先技藝的電感耦合電漿（此後稱ICP)源的圖例；圖3為一早先技藝的靜電屏蔽射頻（此後.ESRF)電漿源圖4為一簡略圖，說明一使用回饋以控制一基材溫度的晶圓溫度量測系統的第一具體實施例；圖5為一簡略圖，說明一使用回饋以控制一基材溫度的晶圓溫度量測系統的第二具體實施例；圖6為一簡略圖，說明一使用回饋以控制一基材溫度的 -8 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 523850 A7 B7 五、發明説明（6 ) 晶圓溫度量測系統的第三具體實施例；圖7為一簡略圖，說明一使用回饋以控制一基材溫度的晶圓溫度量測系統的第四具體實施例，圖8為一圖表，顯示來自一矽基材的IR輻射的正常化鏡面反射比為波長的函數，同時以溫度為參數；圖9為一簡略圖，表示一晶圓含有多數個量測位置；及圖10為一電腦的簡略說明圖。較佳具體實施例之詳細說明現就各圖式來說，其中遍及好幾個視圖用相同的數字來標示相同或相當的部件，圖1D是一簡略圖說明一使用鏡面反射光譜測量的第一型態。以下諸段描述：（1)使用鏡面反射光譜測量（SRS)所依據的基本原理；（2)用於量測溫度的具體實施例，包括光源的說明，光學的說明，及探測系統的說明；（3)用於抽取溫度資訊的方法；（4)量測速度 ;(5)量測的光譜解析度；及（6)對一基材的溫度特性的調諧。基本原理本文所述的基本理論，係根據當吸收截面在操作溫度上及光譜範圍内假定為定常不變時，對矽的譜帶邊緣的模擬。而且，帶邊附近的吸收係數假定係成正比於一含有多個拋物線譜帶的非直接帶隙材料的狀態的聯合密度。最後，該矽的模擬帶邊反射光譜，係以該SRS的量測型態為基礎〇假設吸收是正比於光學狀態的聯合密度，並假設該能帶 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)

裝町

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為拋物線形，該吸收係數為能量的二次方（對（非直接帶隙材料中）在㈣以上的能量而言）。纟這些假設條件下，對於矽的吸收邊緣，用下式描述： a g= 〇 ’ 就 hv< Eg言及 a g= Ag(hv— Eg)2，就 hv 之 Eg言，式中

Eg^ Eg(T)= Eg(〇)^_ (aT2)/(T + B) 為石夕的w隙能夏為溫度的函數（見Thurmond，1975)，T為溫度，hv為光子能量，八§為一常數。半導體典型的是在帶邊之下從不完全透明，由於自由載流子所引起的吸收作用的緣故。這個吸收作用以下式代表： a f= AfT2 » 其中Af為一常數。總吸收量由下式決定： (X 二 Qg+(2fo 最後，對於SRS的量測型態而言，該帶邊光譜用下式表不 · RT= R + (R(l-R2)e.ad)/(1 — R2e小ad)， -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 523850 A7 _ B7 五、發明説明（8 ) 式中R為晶圓任一表面的反射比而d為晶圓的厚度。使用以上反射比方程式的帶邊光譜模擬，其包括在基材兩面的反射（即Rt的值）者，就一 40 mi 1 (千分之一忖）厚的晶圓，顯示於圖8中。對於這些模擬，所用的帶隙參數為 :Eg(0) = 1.12 eV(電子伏）、a = 0.000473 eV/K、63 6K( 見Thurmond，1975)而其它所用的參數為Ag= looo cm·! eV-2，Af= 0.000004 cnT1 K-2，及 R = 〇·3 13。這些參數可以變動，端視該基材的摻雜的型式及摻雜程度而定。加之 ’總反射比Rt的值視該晶圓的厚度而定。所以，精確度可藉為每一個摻雜型式及程度及每一個晶圓厚度置備一個別的校正曲線，而予改善。然而。給定一批有一致的厚度及摻雜程度的晶圓，這個量測技術在晶圓間將會有一 1 的可複製性。顯示於圖8中的該模擬的光譜涵蓋從2〇〇c到 32(TC的溫度範圍。各光譜的溫度列示於該圖表的右邊，最低的溫度對應於最左邊的光譜。該溫度以每一光譜遞加 50°C向右邊移動，而在最右邊的光譜則對應於32〇它。該等光譜元述入射輕射從該基材反射的部分，作為波長及溫度的函數。有些入射光是未曾先通過該基材即反射；有些是通過該基材傳送，是從第二基材表面反射，然後在第一基材表面冒出。多重透射和反射必須予以考慮。有用的溫度資訊是包含在一相當範圍内的反射比（例如，在約〇.3和 0.5之間）的反射比曲線中。在這個範圍内，該入射光既是被吸收在该基材内又從該基材兩面反射。吸收為光子能或 ’相等地，入射光波長的函數。就光子能大於帶隙能量而 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公董) 523850 A7 __B7 ΐ、發明説明（9~~) " 言，該光是被吸收在基材内，到達任何從該第二基材表面反射的光都不能在第一基材表面冒出的程度。這個情況相當於圖8中所示諸光譜的反射比約為〇 3的水平部分。就光子能小於帶隙能量而言，該入射光是不被吸收的；該基材是透明的，而反射比是根本與波長無關的。這種情況相當於圖8中所示諸光譜的反射比約為〇 4和0.5之間的水平部分。反射光是由波長敏感的探測系統來分析，而由透明開始發生所在的波長的確定，可以推斷出該基材的溫度。基材溫度的確定的精確度，可透過使用另外的資訊而予改善。這種另外的資訊包括，但不限於：（丨）處理室自最近一次清潔後的使用程度，（2)晶圓表面的情況，（3 )晶圓型式（即，p-型或η-型及雜質濃度），（4)晶圓上任何表面塗層的特性，及（5)量測元件的大小與晶圓大小及晶圓上任何部分大小的比較。本發明的第一具體實施例顯示於圖4中，該實施例包括 :一輻射源，具有一至少包括如圖8中所示的有關波長範圍的發射光譜；及一波長敏感探測系統，使用一分光計内含一可调谐聲光滤波為（此後稱AOTF)及，如圖4中所示，一二次元（此後稱2-D)光-探測器陣列（例如，一2_D電荷搞合元件（CCD)陣列或一2-D電荷注入元件（CID)陣列）。一如本行一般技藝者都會認同的，該帶隙能量可從圖8作為一溫度的函數而予決定。就本文所述目的而言，一 CID陣列相較於一 ccd陣列具 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 523850 發明説明有兩個顯著的優點。第一，一 Cm陣列不易發生，，糢糊現象，，、丄个 ’這是當一像素已達飽和而光的強度滿盈到鄰接的像素中時所發生的。第二，在像素陣列中預先選定的像素，可以不必掃描全部的像素陣列，即可抽樣取出。然而，CCD 陣列典型的是要比其CID的相對物更為快速和敏感。cID 陣列可具有一最大像素詢問頻率約100 kHz(千赫）（具零增益）。當遠詢問頻率減低時，增益會增高。例如，就一約 33 kHz的詢問頻率，可達到一約5〇的增益。然而，ccd陣列可使用的頻率可高達10〇 kHz。本發明的一項優點是因為使用一 AOTF以替代機械旋轉的光柵/單探測器的方法。這樣做的話，可以達到超高的速度勝過傳統的方法，同時可獲得橫越一基材的溫度分佈的2 - D描緣。此外，使用一種利用數位濾波器以光譜的一較高階次導數為基礎的方法，可達到從帶隙光譜中以高速度抽取溫度資訊。在此所呈現的方法，可以減少溫度抽取所必需時間 ’並能減小早先技藝的溫度抽取方法中必然會有的干擾效應至最低的程度。一本發明系統的第一具體實施例顯示於圖4中。為清晰计，只有兩個量測位置顯示於圖4中，但多數個位置（鐾如 10個）也是可行。一光學系統295，可觀察到從一正受處理的基材上多數個位置所反射來的光。在圖示實施例中，在一ICP或ESRF電漿處理器中，該從多數個位置所反射來的光，係藉光纖199B傳送，通過位於處理室上表面上的纖維 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公愛)

裝訂

線 523850 A7 _ B7 五、發明説明（11 ~~Γ ~ " 光學真空饋通線195 A和195B。其它位置也是可行的，並且實際上可能會較佳。特別是，如果讓光纖最好在晶圓的平面以下進入及離開該真空室，可以減少晶圓微粒的污染的可能機率。ICP和ESRF電漿處理機包含至少一個感應線圈129，這疋建立電襞196的基礎。此外，一ES RF處理機還包括一靜電屏蔽128。理想的來說，該光學系統的軸心疋和遠基材或晶圓卡盤的軸心重合。圖4的光學系統295包括：（a)—帶通濾波器127，其允許在一選Λ範圍内（如1.00至135 μιη之間）的所有信號（最好以最小的衰減）通過，而且最好，顯著衰減在該範圍外的所有信號；及（b)—中性密度或一機械式可變光欄2〇〇，兩者都可用電來控制的，其允許均勻調整該帶通濾波器127 所許通過範圍内各波長的信號強度；及（c) 一透鏡系統 110B(例如包括多重元件）具有一涵蓋所有光纖i99C的視場’傳送從多數個量測位置來的反射光；及（d) 一 2_D探測器陣列145(例如一 CCD陣列或一 CID陣列），藉助反射來自晶圓135上眾多量測位置（如在圖9中所示）的IR輻射，該IR 傳送透鏡系統110B在該陣列上形成一晶圓135的影像。孩帶通濾波器127，藉將有關區域範圍外（譬如在丨.⑽至 1 · 3 5 μιη間區域之外）波長的輻射，對該探測器陣列145的影響，降低到可接受的程度，改進了該量測系統的信號雜訊比（此後稱S/N比）。該中性密度濾波器或機械光攔2〇〇提供用以降低具有有關區域内波長的IR輻射的能力，該IR 輻射射到2_D探測器陣列145上，以阻止入D探測器陣列145 -14- 本紙張尺度適用標準(⑽）織格(⑽χ挪公㈤ 523850 A7 —-------------_B7 五、發明説明（12 ) 各兀件的飽#。就這樣，由於該2-D探測器陣列145個別元件的飽和所引起的錯誤資料，受到改善。根據本發明的量測系統，使用SRS模式配置，概括顯示於圖1D中。圖4中顯示本發明之一具體實施例之一簡要繪圖。此實施例包括—寬譜光源⑽、_可調諧聲光遽波器^ 此後稱A〇TF)14G、前述的該波長敏感光學系統295、及一鎖定放大器150。一寬譜光源100(例如，一鎢絲鹵素光源或一认光發射二極體（此後稱LED))發射IR輻射，其由透鏡u〇A聚焦在瞄準儀111的入口孔徑上。通過瞄準器lu傳送的輻射，係由馬達155驅動的機械式截波器1〇5週期性予以切截（即，予以中斷）。通過該機械式截波器105傳送的輻射，照射在a〇tf 140的輸入孔徑上，A〇TF 14〇係由射頻驅動器i4i所驅動。來自射頻驅動器141的信號的頻率，決定了將要通過該 AOTF 140傳送的頻率的狹通帶。一個範例性的a〇tf 14〇，選擇具有約1.00 μπι到約L35 μιη範圍内波長的信號及一大約為5 psec的響應時間，但是其它的範園和響應時間也是可能的。具有選足波長之輻射離開該A〇TF 14〇時的角度，一般是視該波長而定。然而，對於所有離開人〇1^ 14〇的IR輻射來說，當其經過IR傳送真空窗12〇進入反應室125 時，最好以相同的方向行進。為達到這一目的，在該a〇tf 140和該IR傳送真空窗U0之間的光學途徑上，包含一棱鏡 184。在一個具體實施例中，該IR輻射通過汛傳送真空窗12() -15- ^紙張尺度通用宁國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 523850

傳送而照射在光束分裂器130上，分裂器130將該IR輻射分衣成多個部分（或是相等或是不同），部分的數目係由在該待測定溫度晶圓1 3 5上的量測位置的數目來決定。在另一具體實施例中，只使用單一個量測位置，該光束分裂器13〇即可省略。圖4顯示一只有兩個相等部分的劃分，這是為簡單著想，但是劃分成許多個（譬如>1〇)相等的部分，也是可行的。該IR傳送真空窗120維持著該反應室125真空原狀。部分的IR輻射傳送通過光纖199A，經過晶圓卡盤182 到該晶圓135的底下，從該晶圓135反射而傳送經過光纖 199B和光學真空饋通線195人和195]8以及光纖199c到波長敏感光學系統295。該光學真空饋通線195入和195；6圖中顯示係在該處理室的上表面上，但是其它位置也是可行，而且實際上可能會更好。特別是，讓該光纖在晶圓的平面之下通入和離開該處理室，會有利於減低晶圓的微粒污染的機率。在圖5的一第二具體實施例中，該電漿i %係建立在一 ICP或一 ESRF電漿處理機中，該IR輻射傳送通過真空窗 120 ’照射在光束分裂器13〇上，後者將該IR輻射分成至少兩個部分（例如10個部分，此處部分的數目係取決於待測足溫度晶圓135上的位置數目）。真空窗12〇維持反應室125 的真空原狀。光纖199A傳導IR輻射經過晶圓卡盤182到達待測定溫度的晶圓13 5上該至少兩個位置的每一位置的下面。部分從該晶圓135的下面反射的IR輻射，為光纖19叩所收集，並由光纖199B傳導至光學真空饋通線19从和 -16 -

523850 A7 B7 五、發明説明（14 195B、光學濾波器173B和173D、透鏡11〇3和11〇(：、及滤波器173A和173C’後者將該IR輕射聚焦在光電二極體 187A和lWB上。在另一實施例中，濾波器173八和η%被略去。但在又另一替代的實施例中，使用了濾波器丨73A 和173C，但濾波器173B和173D被略去。在又另一替代的實施例中，濾波器173A、173B、173C及173D都被略去。耦合到光電二極體187A和187B的輻射的數量，因此係受到控制以防止該探測器的飽和（或陣列，如以下要說明的）。遠遽波器傳送所有在一所需範圍内的波長（例如在1 . Q 〇 μιη和1.35 μπι之間），而且幾乎儘其可能大幅衰減所有在所需範圍外的波長。在一實施例中，其中的濾波器並不阻止探測器的飽和’在各個帶通滤波器上都包含有一適當的中性密度的濾波器（如一電控制中性密度濾波器）。本文所述的幾種型式的濾波器，都是本行一般技藝人士所熟知的。在另一替代的實施例中，中性密度濾波器可用一機械光柵替代，以限制通過該處的光量。光學真空饋通線195Α和195Β維持反應室125的真空原狀。該光學真空饋通線195Α和195Β圖中所示係在該處理室的上表面上，但是其它位置也是可行的，而且實際上可能會更好。特別是，讓該光纖在晶圓的平面之下通入和離開該處理室，會有利於減低晶圓的微粒污染的機率。在一實施例中，聚焦透鏡係包含在封裝的光電二極體中，分立的透鏡110B和110C被略去。各個光電二極體187A和187B 的輸出’係由詢問器1 90根據電腦1 60設置的協定按次序選 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公嫠) 523850 A7

裝 t 523850 發明説明（16 面。如在圖4的實施例，光纖199β將從該基材i35 _射，傳導到該光學真空债通線195#195b，J = ’並經過滤波器127和20Q，該遽波器127和扇將隹在電荷搞合元件（CCD)陣列或電荷注入元列4、、5 個二次元陣列上，後者可以是一個線性陣列、也可以是。該光學真空饋通線⑽和⑽如所示，係纟該處理室的士表面±，但在其它的位置也是可㈣，而1，在實際上返要比較好。特別是，讓該光纖在晶圓的平面之下通入和離開孩真s莖’會有利於減低晶圓的微粒污染的機率。 CCD或CID陣列145的各個元件的輸出，係由詢問器⑽根據電腦160設置的協定依序選擇，轉運到鎖定放大器15〇。該濾波器127和200應可通過在丨〇〇 μιη*丨& 之間的所有波長\而幾乎儘可能完全衰減所有在該範圍外的波長。如果茲濾波器不能阻止該CCD或CID陣列的飽和，可能必須在該帶通濾波器上包括一適當的中性密度濾波器。可用一電控制中性密度滤波器。本文所述的幾種型式的濾波器’是為本行一般技藝人士所熟知者。在圖7中颂示弟四具體實施例其適用於一電容|禹合電漿處理機。第四實施例是相同於第三實施例，除了此處要強調的例外。該電漿196係由該射頻驅動電極185激發，後者以其表面朝下鄰接電漿矽元素面板183安裝。該^輻射傳送通過真空窗120,照射在光束分裂器13〇上，分裂器將IR輻射分為至少兩個部分（例如10個部分，此處部分的數目，係取決於待測定溫度晶圓135上的位置數目）。真空 -19- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇X 297公爱） 523850 A7 B7 五、發明説明（17 ) 窗120維持反應室125真空原狀。如在圖5中的實施例，光纖1 99A將IR輕射傳導經過晶圓卡盤1 82，到該待測定溫度的晶圓1 3 5上至少兩個位置的每一個的下面。部分從該晶圓135底下反射的ir輻射，由光纖199B收集並由光纖199B 傳導至光學真空饋通線195A和195B、光學濾波器173B和 173D、透鏡Π0Β和110C、及滤波器173A和173C，後者分別將IR輻射聚焦在光電二極體187A和187B上。遽波器可以選擇性省略，一如關於圖5之討論，以阻止探測器或陣列的飽和。同樣，光學真空饋通線可如關於圖5之討論加以使用。在另一可替代的實施例中，中密度滤波器可用一機械光栅替代以限制通過該處的光量。本行一般技藝人士可以瞭解的，在此所述的本發明，也可適用於一種既可採用電感性亦可採用電容性輕合裝置來激發電漿的電漿處理機。舉例來說，一感應線圈129和一靜電屏蔽可以加入圖6和7的實施例中。而且，在此所述的本發明也適合使用於其它電漿發生裝置，諸如螺旋波、電子迴旋加速器諧振（ECR)源等等。所有在此敛述的具體實施例’也可以使用一個且有成^一體製作的纖維光學輸入和輸出柔引線的AOTF而實現。當使用的是這一型式的AOTF時，一些鄰接在圖4、5、6、或 7中所示的AOTF 14〇的光學元件，需要加以修改。舉例來說，在圖5的實施例中，纖維瞄準器/聚焦器，像是由〇z 光學有限公司製造的SMA 905或SMA 906，可以很有利地在關聯或取代瞒準器111和棱鏡184、使用在一有柔引線的 -20- 本紙張尺度適财@ S家襟準(CNS) A4規格(21GX 297公爱) "~~ - 523850

〇TFJl绝樣的修改可為本行-般技藝人士所理解，而且自然是符合本發明的精神的。濃量"、彳％序開始於當該裝備操作員藉助電腦1的輸入了了（如，鍵盤422或滑鼠424)輸入一指令之時。射頻141 =疋發送彳3號到AOTF 140，該信號是選擇該以波長的第狹通π作為牙過該晶圓13 5之通行。該2_D探測器陣列 1/5各元件的輸出，係由詢問器19〇根據電腦16〇所設定的協定，依次序或成平行加以選擇，並轉運到鎖定放大器15〇，並隨後轉運到電腦160,電腦16〇則儲存該2_D探測器陣列145各個元件的資料。（如果所使用的是一個含有充分的輸入通道數目的鎖定放大器的話，該詢問器19〇就沒有必要。）在該2-D探測器陣列145各個元件的輸出資料已儲存進該電腦160之後，該腦16〇發送一信號到該A〇TF 14〇的射頻驅動器141，而由該射頻驅動器141施加在該a〇tf 140的射頻驅動頻率，於是就改變到另一組的，或十個預選值。遠電腦1 60，在已接收到該2-D探測器陣列145所有對應於預選頻率的元件的資料之後，即計算在晶圓上各對應於該2-D探測器陣列145個別元件的位置的溫度。計算溫度之後，該電腦160調整該溫度分佈。該電腦可以指令該晶圓卡盤加熱控制器180A調整要遞送到該多元基材加熱器1 8 1A的功率，俾便引起該基材溫度多少變得均勻一些。#亥電腦160也可以指令該晶圓卡盤致冷控制器18〇B調整多元基材致冷器18 1B，俾便引起該基材溫度多少變得均句一些。要調節冷卻，在晶圓卡盤内的該多元基材致冷器 -21 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 523850

匕多個通通’經過該通道的冷卻劑流動即受到該晶員古1致冷控制崙18〇B的控制。在一替代的具體實施例中 ’有-熱電致冷器陣列鑲嵌在該卡盤巾。雖然上面的討論曾假Hm(奈米）的光譜解析度，但也可能獲得一3 nm的光譜解析度，如果量測的速度(亦即詢問或抽樣麵車彳；、，& ^ 曰、、、予以降低一個位數的數值的話。這個 mi速度的降低，可以產生2Q 丨_的系、统響應時間’視光源（及鎖定探測的調制頻率）而<。一般來說，該 S/Ν比口疋在使用SRS模式時較大，而不是使用⑽$模式時（尤八疋對矽日日圓的溫度量測而言）。可是，萬一 s/n比是低時，可藉使用鎖，定放大器15〇予錢善。該光源受調制（例如’__使用—與該電腦160相連通的機械式截波器），而終結的信$係由該鎖定放大器15〇予以放大。以這樣的方式藉觀祭發生在孩截波器丨05所決定頻率上的響應，該信號可以從該雜訊中抽取出。然而’量測的速度變成受限制於該機械式截波器1〇5(耦合到寬頻帶光源1〇〇)的頻率以及後續的鎖定放大器15〇。在一可替代具體實施例中，顯示於圖4中的該寬頻譜光源100多數個紅外線（IR) LED，因為它們能夠響應頗為較高的調制頻率。就為此一原因，它們能大幅改進量測的速度因此，任何也與一南碉制頻率相容而又具有一寬頻譜鈿出的其它的IR光源，也可以用於改善量測速度。在還是另一具體實施例中，光源1〇〇在圖4中係由一包含 1〇個雷射二極體位數的陣列所替代（例如，In(}axPi_x雷射 -22- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

裝曹 523850 A7 B7 五、發明説明（20 ) :極體具有不同的參數X的值），每一個二極體發射在一非苇狹窄的波長範圍内的IR輕射。該第n個雷射二極體所發射波長是大約由下式表示：Λ (η)= 1.00+ (0·04)η μιη，其中η為一整數，有介於0和約9之間的值，但是在該發射波長間有其它的關係是可能的。結果，該1〇個雷射二極體提供10個大約相等分隔的波長，橫跨此一應用的有關波長的範圍（大約1.00到1.35 μιη);所以A0TF 14〇、射頻驅動器 141、以及棱鏡184都不是必要的。然而，射頻驅動器141 ，在這個實施例中，是由一多輸出二極體控制器所替代，這個多輸出二極體控制器後來會引起該大約丨〇個雷射二極體中的一個（而且只有一個）發射IR輻射。最後，在基材上一多數的預置空間位置的高速度（更新時間<100 msec)的量測基材溫度，使得該處理室的熱特性能夠最佳化在該基材條件。而且，以這種快速的瞬時響應，想要在晶圓處理過程中，調整該基材溫度的空間分佈，成為可能。各個波長的光只有一部分是傳送通過該基材而從該第二基材表面反射，此部分在第二表面為分析器（例如一分光計）所接收。橫越該預選光譜範圍（譬如從大約丨.⑽到 1·35 μιη)，該AOTF 140有能力快速調諧通帶波長。對於在掃描次序内的每一波長，該反射光強度係使用圖4中所示的2-D探測器陣列145，加以記錄。在該基材丨3 5上各個量測位置的溫度，於是可以從該反射光譜獲得，使用已知技術中的任何一個去求得一預定的校準曲線。 -23- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇X 297公釐) 523850 A7 B7 五、發明説明（21 ) 一如已經說過的，該系統使用一寬頻帶光源1〇〇(例如： (1)鎢絲-鹵素穩定光源，或（2)—IR LED陣列），或（3) — 雷射二極體陣列）。由於一傳統燈絲的實體體積，耦合到 AOTF 140的效率很低。另外，如果有11個量測位置，每一個量測位置為該AOTF 140所攔截到的光只有1/n被耦合到該光纖199A。所以，通常鎖定放大器15〇是所必需。當使用一鎢絲-_素穩定燈時，使用機械式截波器1〇5將光源調制在1到2 kHz。鎖定探測器被用來移除該不連貫的信號（即雜訊），後者歸因於任何周圍背景的光可能照射在圖4 所示的2-D探測器陣列145上所致。使用鎢絲-鹵素穩定光源的一項好處是其相對低的成本，和其有能力提供一連續的橫越該有關光譜範圍（例如1〇〇到1·35 μιη)的光譜。然而 ’如如所述’鴣絲-鹵素燈在將光輕合到光纖j 9 9 Α時，效率上要比其它的光源（例如雷射二極體）為差。一鎖定放大器的重要部分是一低通濾波器，該低通濾波器以其上半功率頻率（即-3dB頻率）或以其時間常數為特徵。該時間常數為1/2ΤΓ fc，其中fc為-3dB或濾波器的截止頻率。傳統上，該鎖定放大器的低通濾波器之特徵在其時間常數（時間常數的概念在此是有關聯的，因為該鎖定放大器的輸出將是比較無關於時間的。）該時間常數反映出輸出是如何緩慢地反應輸入的改變，並因此反應出較平滑的程度。一較大的時間常數，會導致該輸出信號較少受到假|±原因的影響而因此較為可靠。因此，一項權衝取捨必須考慮’因為在輸入信號中的許多真實改變，有許多個時 -24 - 尺度_ 標準(CNS)織^^_297公董丁^ ---

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間常數反映在輸出中。這是因為—個單段的要有約5個時間常數來確定其最後的值。很明顯的，較: ::測需要較短的時間常數，而因此較高的滤波器的截止乂、率所以在一個約1 kHz截斷頻率的傳統截波器，可在各量測位置為各個波長遞增，提供一約5邮“的響應時間因此，這種基於機械式截波器的設計，是一種適合於為各選定IR波長頻帶每50 msec量測基材溫度一次。（此項結果係假設在10處位置量測，並假設資料抽取演算法每一次量測需要約0·01 msec。）所以，對1〇處量測位置及1〇個波長遞增來說，該基材的一次完全掃描需要約5〇〇。一替代的實施例係根據另外的協定獲得所有量測位置及所有波長遞增的資料。由於機械式截波器105所加諸的種種限制，該調制頻率係約束在甚低於使用LED可達致的數值。LED，在波長在於1.00到1.35 μιη之間的範圍内，典型具有一 1〇到3〇光譜頻寬。所以，必需有大約9到10個LED以橫跨有關波長。為改善S/N比，可使用鎖住探測，其中lED可調制在咼達200 MHz(對機械式截波器1〇5和該鶏絲鹵素寬頻帶光源組合的一項顯著改善）。因此，該LED可以解決許多有關速度和光轉合的問題。雖然LED具有頗為小於一典型的鎢絲-卣素光源的光功率，其功輸出在此處有關的光譜部分是可以相比的。使用LED的另外一個好處，是對於一光埠口（或通道）的一分開的LED可以用來改善S/N比。使用 L E D的壞處是其可说會降低穩定性和成本。無論如何，該 -25- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 裝訂

線 523850 A7 一 _ B7 五、發明説明（23 ) 背景光源光譜將會作為在各量測間隔和各量測位置的參考光譜予以記錄。使用一大約100 KHz的調制頻率，可以改進各個量測的響應時間在0.05 msec的位數，這個在將資料獲取時間加進時，相當於每一量測大約0·06 msec。因此，對於1〇個波長增量和10個量測位置，是有可能獲得一大約6心“的總量測的響應時間。在一替代的實施例中，使用多數個平行的處理機，來同時從各元件或探測器獲取資料，因此降低該量測速度，以大約相當於量測位置數目的一個因數計算。换取溫庹資訊的方法任何有關於帶隙測溫的技術的一個重要部分，就是從該光譜抽取溫度的方法。本發明利用到一個根據光譜的高階導數的數位濾波器。其它抽取的方法（例如，根據小波變形法）也是可行的。數位濾波器的主要好處是在它的速度。這個對於要為細粒控制的目的達致1〇到1〇〇 msec更新時間’疋很重要的。目前帶邊測溫法的更新溫度是在每秒一次的位數’這對現行的個人電腦的計算速度，不是一項問題。無論如何，本發明以至少一個丨0的因數增加該量測的頻率’並沒有接近那些電腦的計算時間。藉提供精確的量測，系統可以使用基材的溫度作為一控制迴路中的回饋。如此，本發明提供一種方法，在處理過私中用以控制在基材上的溫度分佈。在關聯共同待審專利申請案’標題為，，多區電阻加熱器（Multi_zone resistance -26- 本紙張尺度適财目國家標準ΚΝϋ規格(灿X 297公董) 523850 A7 B7 五、發明説明（24 ) heater)，美國編號第60/156,595號"（其内含藉引用併入本文）所記述之系統，該多區溫度量測系統能提供一改良的基材溫度回饋控制。在該組合中，控制信號係用於調整預先設計在該卡盤（或基材固定座）内的個別區域（或扇形區）的加熱和冷卻。由於該量測系統的速度（<100 msec)相對該熱響應之對加熱/冷卻調整（〜1 -2秒），從連續的溫度量測所獲得的資訊（例如，變化率或該溫度對時間的第一導數）可以提供設計一健全演算法的資訊。顯示於圖10中的一電腦系統1·60，監視任何組合的加熱和/或冷卻區域的溫度和信號，以增加或降低該電流的熱通量。特別是，通到各個加熱或冷卻元件和/或冷劑流率，可予調整以提供指定的熱通量，進入或是退出一個別區域。圖10的電腦160執行本發明的方法，其中該電腦殼體 402包容一含有CPU(中央處理單元）406的母板404、記憶體 408(例如：DRAM(動態隨機存取記憶體）、ROM(唯讀記憶體）、EPROM(可擦可編程唯讀記憶體）、EEPROM(電可擦可編程唯讀記憶體）、SRAM(靜態隨機存取記憶體）、 SDRAM(同步隨機存取記憶體）、及Flash RAM(快閃隨機存取記憶體）），以及其它非必要的特別用途邏輯元件（如 ASIC(電腦專用積體電路））或可構形的邏輯元件（如GAL及可重編程的FPGA(現場可編程門陣列））。該電腦160還包括多數個輸入元件（如一鍵盤422及滑鼠424)，及一顯示卡 410，用以控制監視器420。此外，該電腦系統160另包括一軟式磁碟機414 ;其它可移動媒體元件（如光碟419，磁 -27- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 523850 A7 B7 五、發明説明（25 ) 帶、及可移動磁光媒體（未圖示））；及一硬式磁碟412，或其它固定的高密度的媒體驅動器，使用適當的元件匯流（例如：一 SCSI(小型電腦系統介面）匯流、一加強IDE(整合式驅動電子介面）匯流、或一Ultra DMA(高速直接記憶體存取）匯流）連接。該電腦160可另外包括光碟讀出機418，一光碟讀窝單元（未圖示）或一光碟點唱機（未圖示），也連接在相同的匯流或另一元件匯流上。雖然光碟4 19所示是在一 CD盒子中，該光碟419可不用盒子直接插入CD-ROM( 光碟唯讀記憶體）唱機中。另外，一印表機（未圖示）也可提供該基材溫度的一覽表，以時間上的一次元或多次元表示〇如所述，該系統包括至少一個電腦可讀媒體。電腦可讀媒體的例子為光碟419、硬式磁碟412、軟式磁碟、磁帶。磁光碟，各種PROM(可編程唯讀記憶體）（EPROM、 EEPROM、Flash EPROM)、DRAM、SRAM、SDRAM、等等。儲存在任何一個或一組電腦可讀媒體上，本發明軟體用以控制該電腦160的硬體，並用以使該電腦160能與一人類使用者互動。這種軟體可包括，但不限於，元件動器、操作系統和使用者的應用程式，像是發展工具。這種電腦可讀媒體更包括該電腦程式關於本發明量測一基材的溫度的產品。該電腦關於發明的編碼元件可以是任何已詮釋或可執行代碼機構，包括、但不限於，手稿、翻譯、動態鏈結資料庫、Java程式語言、以及完整的可執行程式。就上述傳授而言，顯然，本發明是很可能有眾多的修改 -28- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 523850 A7 B7 五、發明説明（26 ) 和變異。所以要請諒解的，在不離後附的申專利範圍之下，本發明可以不按本說明書所明確描述的實施。元件符號說明 100 光源 105 機械式截波器 110A 透鏡/透鏡系統 110B 透鏡/透鏡系統 110C 透鏡/透鏡系統 110D 透鏡/透鏡系統 111 瞄準器 120 真空窗 125 反應室 127 濾波器/帶通濾波器 128 靜電屏蔽 129 感應線圈 130 光束分裂器 135 晶圓/基材 140 可調諧聲光濾波器 141 射頻驅動器 145 陣列 150 鎖定放大器 155 馬達 160 電腦 -29- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 523850 A7 B7 五、發明説明（27 ) 173A 濾波器/帶通濾波器 173B 濾波器/帶通濾波器 173C 濾波器/帶通濾波器 173D 濾波器/帶通濾波器 180A 晶圓卡盤加熱控制器 180B 晶圓卡盤致冷控制器 181A 多元基材加熱器 181B 多元基材致冷器 182 晶圓卡盤 183 碎元素面板 184 棱鏡 185 射頻驅動電極 187A 二極體/光電二極體 187B 二極體/光電二極體 190 詢問器 195A 光學真空饋通線 195B 光學真空饋通線 196 電漿 199A 光纖 199B 光纖 199C 光纖 200 光攔/濾波器 295 光學系統 402 電腦殼體

裝訂曹 -30-本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 523850 A7 B7 五、發明説明（28 ) 404 母板 406 中央處理單元 408 記憶體 410 顯示卡 412 硬式磁碟 414 軟式磁碟 418 光碟讀出機 419 光碟 420 監視器 422 鍵盤 424 滑鼠 -31 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

Claims

523850 A B c D 六、申請專利範圍 1. 一種用以在一電漿處理系統中量測一基材上多數個實體上分離位置之溫度之裝置，該裝置包括：一基材固定座，用在該電漿處理系統中，以固定一待處理的基材，該基材之第一面會被處理；一光源，用於在多數個反射點耦合複數光束到該基. 材的一第二表面；及一光收集系統，用於從該基材的第二表面，收集在多數個反射點所反射的多數個光束的一部分。 2·根據申請專利範圍第丨項之裝置，其中該光源包含一調制光源。 3.根據申請專利範圍第2項之裝置，其中該調制光源包含一電羽制光源。 4·根據申請專利範圍第2項之裝置，其中該調制光源包含一機械式調制光源。 5. 根據申請專利範圍第4項之裝置，其中該機械式調制光源包含：一寬頻帶光源；及一機械式截波器。 6. 根據申請專利範圍第3項之裝置’其中該電調制光源包含一電調制寬頻帶光源。 7·根據申請專利範圍第3項之裝置，其中該電調制光源包含多數個發光二極體。 8.根據申請專利範圍第3項之裝置，其中該電調制光源包含多數個雷射。 -32- 本紙張尺度適财@國家鱗(CNS) A4規格(2i()〉〈 2的公爱) 523850 8 8 8 8 ABCD 六、申請專利範圍 9·根據申請專利範圍第1項之裝置，尚包含一可調諧聲光滤波器插入在該光源和該基材固定座之間。 10.根據申請專利範圍第丨項之裝置，其中該光收集系統包含多個電光二極體。 11·根據申請專利範圍第丨項之裝置，其中該光收集系統包含一電荷耦合元件陣列。 12.根據申请專利範圍第1項之裝置，其中該光收集系統包含一電荷注入元件陣列。 13·根據申請專利範圍第！項之裝置，尚包含一誤差偵測電路，用於偵測一介於（1)對應於多數個反射點之一的位置之該基材的一部分的測得溫度，與（2)對應於該多數個反射點之一的位置之該基材的該部分的標的溫度之間的溫度差異。 14.根據申请專利範圍第13項之裝置，其中該基材固定座包含至少一個加熱元件和一個致冷元件，用於根據該誤差债測電路之一輸出，改變對應於該多數個反射點之一的位置之基材的該部分的溫度。 15·根據申凊專利範園第13項之裝置，其中該基材固定座包含至少一個加熱元件和一個致冷元件，用於根據該誤差债測電路之一輸出，改變不對應於該多數個反射點之一的位置之基材的一部分的溫度。 16·根據申請專利範圍第！項之裝置，其中該光收集系統包含一中央光探測器。 17.根據申請專利範圍第j項之裝置，其中該光收集系统包 33 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(2ι〇χ 297公釐) 523850 六、申請專利範圍 A BCD 含多數個分離的光彳欠集器。 18·根據申請專利範圍第1項之裝置為一電感性耦合電漿處理系統t 19·根據申請專利範圍第1項之裝置為一電容性耦合電漿處理系統· 20.根據申清專利範圍第1項之裝置既為一電容性搞合電漿處理系統又為一電感:耦ς 漿處理系統。 21·根據申請專利範圍第1項之裝置，尚包含一反射比偵測電路’用於偵測反射比，由該反射率可以確定溫其中該電漿處理系統其中該電漿處理系統其中該電漿處理系統電探度 22·根據申印專利範圍弟13項之裝置，尚包括至少一個數位濾波器，其係使用一光譜的高階導數建構成。 -34- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210x 297公釐)