TWI387007B - 用以快速熱處理基材的適度控制法 - Google Patents

用以快速熱處理基材的適度控制法 Download PDF

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Description

用以快速熱處理基材的適度控制法
本發明之實施例大體上是關於熱處理材料(如半導體基材)的方法。
許多涉及熱處理半導體與其他材料的應用中需要精確測量和控制材料溫度。例如，處理半導體基材需要精確測量和控制大範圍的溫度。處理方式的例子之一為用於許多製程的快速熱處理(RTP)，包括快速熱退火(RTA)、快速熱清洗(RTC)、快速熱化學氣相沉積(RTCVD)、快速熱氧化(RTO)、及快速熱氮化(RTN)。在以RTO或RTN形成互補式金氧半導體(CMOS)閘介電層的特殊應用中，閘介電層的厚度、成長溫度與均勻度皆為影響整體元件性能與產率的因素。部分製程要求整面基材的溫度差異小於攝氏幾度。
一般希望能在熱處理基材的過程中使基材的溫度均勻。溫度的均勻性可於溫度活化步驟(如膜層沉積、氧化物成長與蝕刻)時基材上提供一致的製程變數(如層厚、電阻率、蝕刻深度等)。此外，基材上的溫度需均勻以免熱應力造成基材破壞，如彎曲、產生缺陷與滑移。例如，在1150℃時，4英吋晶圓的中央與邊緣溫度差異約為5℃，此會引起差排(dislocation formation)與滑移(slip)。
其他因素也可能產生溫度梯度。例如，因基材表面積或體積的空間改變(spatial modification)，使得基材可能具 有不均勻的發射率(emissivity)。此等改變可包括已由光微影圖案化的膜層或局部摻雜的區域，如雙極電晶體的埋藏層。另外，形成基材溫度梯度的因素可包括與處理室設計相關的局部氣體冷卻或加熱作用、及處理時基材表面上不均勻的吸熱或放熱反應。
除了在快速熱處理過程中減少基材所有區域間的溫度不均外，使基材實際的時間與溫度關係曲線和預定的時間與溫度關係曲線之差異(尤其是與最大溫度的差值)盡可能小也很重要。時間與溫度的關係曲線及最大溫度將參照第1圖說明於下。
第1圖繪示一快速熱處理範例之時間與溫度關係的理想曲線，以下是指目標時間與溫度關係曲線100，快速熱處理在此為尖峰退火處理(spike anneal process)。橫座標代表時間，縱座標代表基材溫度，而目標時間與溫度關係曲線100代表基材於尖峰退火處理時的預定溫度。在時間120時，開始熱處理實質上為室溫之溫度130的基材。基材溫度於初次升溫201時提高成溫度132，其將參照第2圖說明於下。基材溫度的提高是使用高強度照燈，其將參照第3圖說明於下且為一範例RTP室的一部分。自時間122起，基材溫度於穩定期間202保持為溫度132。基材溫度於時間123時快速增加以達時間124時的最大溫度133，緊接著降至時間125時的溫度134。若基材在RTP過程中未達最大溫度133，則可能無法完成重要的基材處理步驟，如植入後退火。若在RTP過程中超過最大溫度133， 則可能會對處理步驟造成不良影響，例如植入原子不當擴散到基材中或超過形成於基材上之元件的熱預算(thermal budget)。
第2圖為典型之快速熱處理程序200(如上述第1圖的尖峰退火處理)的流程圖。此過程一般起始於基材的初次升溫201。初次升溫201的第一階段為進行開放迴路加熱，直到基材達到約300℃至約400℃。再參照第1圖，開放迴路加熱乃在時間120與時間121之間進行。在開放迴路加熱的過程中，基材溫度回饋並未併入控制處理步驟中，反之是以預定數值的照燈功率施加至基材達一預定時間，以加熱基材至一溫度分布，此時基材實質上不傳導大部分施加其上的照燈能量。小於約300℃時，典型的RTP基材(如矽晶圓)大半可供典型加熱照燈之輻射能量穿透。此時，穿過基材的輻射能量接著由測量基材背面溫度的高溫計偵測，因而產生不正確的基材溫度測量。就封閉迴路加熱控制演算法而言，不正確的基材溫度測量可能會在初次升溫201的過程中造成嚴重的控制問題，例如不穩定及/或獵尋(hunting)。開放迴路加熱通常用於RTP之初以避免此問題產生。開放迴路加熱的設定點一般則憑經驗決定。
加熱基材達約300℃至約400℃後，通常利用封閉迴路加熱控制演算法來完成初次升溫201，使基材達到約500℃至約700℃的穩定溫度。封閉迴路控制結合熱處理之特定時段(time step)中一或多個高溫區的基材溫度測量與控制演算法，以微調後續時段中加熱照燈的輸出功率。各時段 可間隔很短，如0.1秒或0.01秒。時段的最小時距(time interval)一般受限於控制加熱過程之溫度感測器的取樣速率。使用封閉迴路控制可減少預定基材溫度與實際基材溫度的誤差。
由於精確控溫對RTP而言很重要，因此在熱處理時，數個以模型為主(model-based)的控制演算法有時會取代傳統PID控制演算法來做為封閉迴路溫度控制的一部分。相較於標準PID控制迴路，以模型為主之控制演算法(亦稱為以模型為主之控制器)更可減少處理時實際基材溫度與目標基材溫度的誤差。不同於藉由改變與測量誤差成比例的輸入(本實施例為照燈功率)來回應測量誤差，以模型為主之控制演算法應用各時段中基材與處理室的能量轉移模型，以預測基材於下一時段的熱行為。類似模擬程式，以模型為主之控制器將所有相關系統的一切納入熱傳模型，包括基材與室壁的光學性質、照燈的輸出功率與位置等。控制器考慮所有因子後，接著依據基材的目前溫度、預定溫度和整個系統的模型回應來控制各照燈或照燈群組的輸出功率。此預測法可使溫度於熱處理時較不偏離目標溫度，特別是當目標溫度隨時間快速變化時，而助其用於尖峰退火與其他相關快速熱處理。
以模型為主之控制器顯著的缺點之一在於，其精確控制基材溫度使其符合預定之時間與溫度關係曲線的能力受限於模型之基礎假設的正確性。以模型為主之控制器需精確考量的最重要因素為處理室方面(如處理室尺寸與形 狀、照燈功率等)、和基材的光學特性(包括基材發射率、吸收率、反射率與穿透率)，在此是指材料於約0.2微米至約5微米之光波長下的特性。以模型為主之控制器可透過測試修正以更精確表現特定RTP室於熱處理時的行為；經驗因子(亦稱為”捏造因子(fudge factor)”)通常內含於以模型為主之控制演算法且可透過反覆試驗決定來微調控制器的正確性。然因控制器的計算是依據特定的基材類型與固定的光學特性，故以模型為主之演算法本質上只能準確控制單一類型的基材，而非全部。此乃因不同基材的光學特性深深取決於基材在RTP前的處理方式。例如，高反射基材(如金屬基材)和吸光基材(如密集圖案化之基材)可利用同樣的控制演算法而在同一RTP室中處理。除非不同的控制器已發展用於每一種待處理之基材，否則將導致次理想的溫度控制，多個控制器可程式化用於單一RTP室，但各控制器需依據反覆實驗加以微調。在某些情況下，例如在半導體製造廠中，一特定RTP室中有數百種基材，而每一種基材又具有獨特的光學特性。因此最佳化一特定控制器供各種待處理之基材使用是行不通的。
再參照第2圖，一旦基材於初次升溫201末期達到穩定溫度，隨後通常為穩定期間202。穩定期間202的目的在於使基材在開始尖峰退火203(熱處理的溫度敏感(temperature-sensitive)階段)前達到平衡，以消除初次升溫201時已形成於基材上的熱梯度。在處理過程中，尖峰退火203之初所呈現的不均勻基材溫度不太可能修正。穩定 期間202歷時約5秒至約30秒，一般為約10秒至約20秒。如第1圖所示，基材溫度控制保持為穩定溫度132，其可介於約500℃至約700℃之間，端視特定熱處理而定。
完成穩定期間202後，開始尖峰退火203。在此實施例中，尖峰退火203為實際熱處理基材的階段。尖峰退火處理的一較佳應用是在摻雜硼之後退火處理基材。在此情況下，尖峰退火203重新安置任意排列晶體內的植入硼，以電氣活化矽晶格中的基點(site)，並減少基材接觸熱。如第1圖所示，尖峰退火203乃在時間123與時間124之間進行，接著進行降溫204。尖峰退火203的基材升溫速率一般為約150℃/秒至約300℃/秒，最大溫度(peak temperature)133為約1000℃至約1200℃/秒，即尖峰退火203通常只持續數秒。故控制演算法在熱處理的最溫度敏感階段中只有很少的時間來修正基材溫度與目標時間與溫度關係曲線100的差異。任何在此快速熱處理階段發生的基材溫度與目標時間與溫度關係曲線100之差異(如過高(overshoot)、過低(undershoot)或偏離尖端(widespike))將降低各基材最大溫度的再現性。再次參照第2圖，尖峰退火203後為進行降溫204，以結束快速熱處理基材。
如上所述，在熱處理基材的過程中盡可能保持溫度不變是很重要的。實際上，RTP室周圍對基材邊緣區域的影響大於對基材其他區域的影響，以致邊緣區域的溫度長期不均。標準的控制演算法是用來回應所測得之不均勻放射狀分布的溫度。就非常短暫的製程而言(如尖峰退火處 理)，控制演算法可能無法快速補償，導致基材邊緣附近的溫度不均勻。另外，目前的RTP室設計為適應圓形基材上放射狀的溫度均勻度，故此溫度控制法不能修正非放射狀的溫度均勻度，例如未對稱基材中央的“冷點(cold spot)”。
因此仍需控制快速熱處理基材的方法及設備，其可用於各種基材、只需稍微調整、增進最大溫度的再現性、使封閉迴路控制於低溫使用、及減少基材上溫度的不均勻度。
本發明大體上是關於快速熱處理(RTP)基材的方法及設備。本發明之實施例包括利用即時適應控制演算法或利用選自用於各種基材類型之固定控制演算法系列的控制演算法來控制熱處理製程。並且依據基材於熱處理時的光學特性來選擇控制演算法。在一實施例中，使用組合之控制演算法，其中大部分的照燈群組受控於固定的控制演算法，而實質上較小量的照燈區域受控於適應控制演算法。
本發明大體上是關於快速熱處理基材的方法及設備。實施例使用可改善最大溫度之再現性的控制演算法，包括即時適應控制演算法、依據基材特性選擇固定控制演算法的方法、和組合方法，其中僅少數區域利用適應控制演算法，其餘部分則利用較不需密集計算的演算法來控制。
第3圖為結合本發明實施例之一RTP室範例的局部透 視圖。為清楚說明，例示之RTP室(以下指稱處理室300)已用截面表示。處理室300一般包括照燈組件310、處理室主體320、和基材支撐組件330。為清楚說明，第3圖僅繪示處理室主體320上半部。
照燈組件310包括複數個各自置於反射燈管312內的照燈311。照燈可為如鎢-鹵素照燈的白熱燈、或其他如放電照燈的高輸出功率照燈。每個照燈的照燈輸出功率的變化通常高達約500瓦(W)。反射燈管312一起在冷卻水殼蓋314中構成蜂巢陣列313。反射燈管312的蜂巢陣列313將配合第5圖說明於下。非常薄的石英窗315構成照燈組件310底面，並隔開照燈組件310與處理室300內的真空。因紅外線可穿透石英，故石英窗315通常採用石英。照燈組件310真空密接處理室主體320的頂面。
處理室主體320包括處理室300的壁面與底面、及基材開口321與排氣口322。基材經由基材開口321進出處理室300，而真空幫浦(未繪示)透過排氣口322排空處理室300。狹長閥或閘閥(未繪示)可依需求來密封基材開口321與排氣口322。
基材支撐組件330位於處理室主體320內且包括邊環331、旋轉石英圓柱332、反射板333、和光纖探針334的陣列。邊環331安置於旋轉石英圓柱332上，且在處理基材時支撐基材(為清楚說明而未繪示)於石英窗315下方約25毫米。邊環331一般由具低熱膨脹係數之硬質材料組成，例如碳化矽，以免熱處理時過度膨脹與收縮。旋轉石 英圓柱332在處理基材時的轉速為約50rpm至約300rpm，藉以降低處理室300中熱不對稱性對基材的影響，而增進基材溫度的均勻度。反射板333位於基材下方約5毫米。光纖探針334(亦稱為高溫探針)穿過反射板333並於熱處理時指向基材底部。光纖探針334傳送輻射能量至高溫計(未繪示)，以決定熱處理時的基材溫度，且在一些實施例中，決定基材正面發射率與反射率。若照燈311為白熱燈，則高溫計通常用來測量基材背面波長介在約0.2微米(μm)至約5微米之間的寬頻發射率。此光譜範圍內的輻射能量大部分為施加到基材。
為更適當控制橫越基材的溫度均勻度，基材將分成多個區域，即已知的高溫區。各高溫區為當基材於熱處理旋轉時，由一特定高溫計所測量的基材區域。除了基材中央可能為圓形的區域外，高溫區一般為環形區域。第4圖為分成多個高溫區401-406之基材400的平面圖。供參考用，繪示之高溫位置411-416是關於基材400於RTP室中處理時的高溫區。各高溫位置乃放射狀偏離基材中心的獨特位置。此高溫區配置方式是用於直徑為300毫米之基材400。此配置方式也可用於其他大小的基材。相反地，不同的高溫區配置方式亦可用於直徑為300毫米之基材；例如可採用比本實施例多或少的高溫區。再者，各高溫區的徑向尺寸可不相同。
為進一步改善溫度的均勻度，照燈組件310的照燈311是以群組控制，即已知的照燈區。第5圖為用於處理室300 之照燈311以蜂巢陣列313配置500的平面圖。供參考用，繪示之處理室300的內徑501、邊環331的外徑502、和基材的外徑503是關於蜂巢陣列313。第5圖還包括對應配合此特殊照燈配置使用的高溫位置521-526。蜂巢陣列313中的照燈311分組出照燈群組531-538。一照燈群組可由實質同心的照燈群組(如照燈群組531-535)、對稱但不同心的照燈群組(如照燈群組538)、或二種群組之組合(如照燈群組536、537)構成。在一態樣中，蜂巢陣列313中一或多個照燈群組可由不同心、非對稱之照燈群組構成，其將配合第15圖說明於下。照燈群組中各照燈的功率輸出通常皆相同。
處理室300的各種操作包括收集高溫資料、控制照燈、及啟動閥門與基材搬運機械裝置等，是由電腦或程式化邏輯控制器(一般稱為系統控制器(未繪示))安排和控制。在一些情況下，系統控制器只用於操作一特定的RTP室；在其他情況下，其可用於操作與協調完整基材處理系統中所有的處理室、感測器和基材傳輸機械裝置。
為了更好地控制基材於RTP過程中的時間與溫度關係曲線，熱處理可以連續時間增量(increment)控制，在此是指時段(time step)。為減少基材與目標時間與溫度關係曲線的誤差，較佳地，該些時段的時間很短，例如約0.1秒至約0.01秒或更短。
就熱處理中的指定時段而言，基材的各高溫區被加熱到預定溫度。一般在RTP的過程中，整個基材的每個高溫 區目標溫度是相同的。如第1圖所示，各時段的預定溫度一同構成基材的時間與溫度關係曲線100。
一般在一指定時段中，各高溫計測量基材各高溫區的溫度。此資訊傳遞至系統控制器，其接著利用控制演算法來決定各照燈群組於下一時段的輸出功率，以於下一時段將基材加熱到預定溫度。加熱指定高溫區的輻射能量主要源自最接近此特定高溫區的照燈群組。例如參照第5圖，高溫位置521測量的高溫區主要受照燈群組531的影響。因此，一或多個照燈群組可“對應(map)”於一特定高溫區，即主要依據此高溫區測量的溫度來控制。然因尚有其他加熱特定高溫區的能量源，如近側照燈群組，故控制演算法須考量其他的能量源以精確控制基材溫度，特別是如尖峰退火的短暫、快速變化製程。各時段的輸入功率預測不精確，可能導致基材溫度大幅偏離熱處理中預定的時間與溫度關係曲線。
影響高溫區之輸入功率預測精確度的因素包括基材的光學特性(如發射率、穿透率與反射率)、室壁的輻射熱、照燈回應時間，且就對應基材邊緣區域的高溫區而言，還包括邊環的熱傳等。另一惱人因素為各照燈群組對較遠之高溫區的影響。此是指影響矩陣(influence matrix)不僅為處理室形狀的函數、亦是基材正面反射率的函數。就反射任何入射輻射能量的基材(即基材反射率大於0)而言，控制演算法不應假設照燈群組的輻射能量只影響照燈群組正下方的高溫區。相當大量的入射輻射能量可能被基材反射 而加熱其他高溫區。例如再參照第5圖，當處理高反射基材時，照燈群組531之能量的5%可能加熱高溫位置524所測量的高溫區。
上述因素可合併至先前技術的控制演算法，例如上述之以模型為主之控制演算法。然因許多構成應用熱傳模型的要素均與特定基材的光學特性有關，故以模型為主之控制器的預測精確度會隨基材類型改變。若基材的正面發射率不同於建立以模型為主之控制演算法所用之發射率，則將面臨控制溫度精確度的困境。本發明之態樣包括不依據如假設之正面發射率或反射率等基材特性來控制快速熱處理基材的方法，藉以更精確預測各照燈群組所需的功率。
基材溫度的封閉迴路控制法
本發明提出數個涉及控制演算法的方法，以改善最大溫度的再現性。在一態樣中，即時適應控制演算法是用來控制基材的加熱，其中各時段的即時加熱基材速率乃決定以計算出處理時下一時段中預定的輸入功率。在另一態樣中，方法為選自合適之固定控制演算法系列的適應控制演算法。固定控制演算法的選擇是依據測得的基材特性，例如穿透率或正面發射率。在又一態樣中，為採用組合之方法，其中僅少數照燈群組利用適應控制演算法，其餘部分則受控於較不需密集計算的固定控制演算法，例如放入(binned)演算法。
適應控制法
在一態樣中，適應控制演算法是用來控制熱處理基材時的照燈功率。不像先前技術，在此揭露之控制演算法並不依據假設的基材光學特性。演算法反而是使用當下測量的基材溫度與前一時段所施加之功率來判斷目前時段的即時加熱基材速率。即時加熱速率基本上為基材光學特性的函數，包括正面發射率、穿透率與正面反射率。由於這些基材特性明顯隨基材溫度變化，故以基材特性為基礎的演算法(如以模型為主之控制演算法)將因基材的實際光學特性偏離模型的假設值而變得不精確。既然每一時段的基材行為未經正確計算，此不精確度將限制控制演算法的預測精確度。如此會造成不良的製程再現性與控制穩定性。反之，在此揭露之演算法是依據基材於前一時段的實際行為、而非依據假設的基材光學特性，來計算出即時加熱速率。
就各高溫區而言，高溫區達到目標溫度所需的總功率以方程式(1)表示：Ptotal =Pramp +Psteady state (1)其中：Ptotal =高溫區於下一時段中達到預定溫度所需的總功率；Pramp =高溫區於下一時段中從目前測量溫度加熱到預定溫度所需的功率；以及Psteady state =於此時段中取消高溫區之熱損失所需的功率，進而維持高溫區的溫度不變。
在第2圖所示的穩定期間202，Pramp =0。在此熱處理基材階段，精確控溫並不緊要，但期基材溫度均勻。如上述，穩定步驟可使基材上的溫度梯度從初次升溫201達到平衡，以確保基材的所有區域從同一”熱起始點”開始進行感溫尖峰退火203，並促進基材的所有區域經歷相同的熱處理。
在尖峰退火203的過程中，計算Pramp 或Psteady state 的不正確性將大大地影響熱處理的結果。(Pramp 與Psteady state )二者皆與基材光學特性息息相關。在典型的尖峰退火處理溫度下(即大於約700℃)，因一般基材在此溫度下的穿透率實質上為零，故基材正面反射率和發射率為最重要的特性。這些特性隨基材溫度改變，因而任一以模型為主之控制器將增加不精確度，除非模型依據的基材特性隨著完全與待處理之基材相同的溫度改變。雖然一特定RTP室可能處理多種基材，但通常並非如此。基材類型包羅萬象，包括高反射的金屬基材，乃至非常黑且密集圖案化的基材。不依據模擬模型來測量溫度誤差及試圖預測基材於下一時段的熱回應以減少誤差，本發明提出的方法為計算基材於最近之時段的實際熱行為，即基材的即時加熱速率，接著利用此資訊以更精確預測基材各高溫區所需的即時輸入功率。
在RTP的過程中，基材的加熱速率(即基材於特定輸入功率下的升溫速率)並非定值。此乃因Pramp 與Psteady state 二者皆為基材光學特性的函數，故亦隨基材溫度改變。例 如，基材於較高溫度下的Psteady state 遠大於較低溫度下的Psteady state 。此顯示於第6圖。根據一實施例，第6圖繪示基材之一高溫區於RTP時的時間與溫度關係曲線601，其中輸入功率(即Ptotal )在整個過程為固定不變。橫座標代表時間，縱座標代表高溫區的溫度。第一時距t1發生在時間602與時間603之間，第二時距t2發生在時間604與時間605之間。時距t1和時距t2為等長。在時距t1期間，高溫區溫度從溫度606提高成溫度607。基材各高溫區於每一時段的升溫速率在此定義為高溫區於一時段內(即時距t1或時距t2)的溫度增加速率。時距t1的升溫速率(RR1)繪示成時間與溫度關係曲線601於時距t1期間的平均斜率，且數學上定義為：RR1=T(607-606) /t1 (2)其中：T(607-606) =溫度606與溫度607的差異；以及t1 =時距t1的期間。同樣地，時距t2的升溫速率(RR2)可定義為：RR2=T(609-608) /t2 (3)其中：T(609-608) =溫度609與溫度608的差異；以及t2 =時距t2的期間。 如第6圖所示，當Ptotal 於熱處理過程為固定不變時，RR2小於RR1。此乃因時距t2期間較高溫之基材的熱損失增加。較多的熱損失表示Psteady state 亦較大。Ptotal 在本實施 例為固定不變，故較少的功率供作Pramp ，因此即使施加同樣的輸入功率至高溫區，RR2仍遠小於RR1。
第6圖顯示基材的實際熱損失交錯相關於基材溫度、正面發射率、吸收率、和反射率，如此將難以精確預測熱處理之每一時段的基材熱行為。這就是以模型為主之控制器於計算各高溫區所需之輸入功率時試圖完成的事。反之，在此揭露之適應控制法假設基材一高溫區的即時加熱速率或加熱速率函數為施加至高溫區之輸入功率的簡單線性函數。在此之”即時加熱速率”是定義成說明基材各高溫區於一時段之加熱速率的函數。任一時段之即時加熱速率為依據前一時段的高溫區熱行為而重新計算。若時段很短暫，例如約0.01秒，則此假設可非常準確。
如上述，基材一高溫區的即時加熱速率假設為輸入功率的線性函數，且數學上可定義為：。
RR=(m×Pp )+C (4)其中：RR=高溫區於一時段的升溫速率；m=加熱速率函數的斜率(注意：此須與第6圖之時間與溫度關係曲線的斜率區分清楚，其為升溫速率)；Pp =於時段施加至高溫區的功率；以及C=常數，亦為如方程式(4)之線性方程式的截距。當已知高溫區的即時加熱速率時，即已判定方程式(4)的斜率m與截距C，可依據高溫區於下一時段的升溫速率來決定高溫區所需的功率。如方程式(2)與(3)所示，高溫區於 特定時段的升溫速率為高溫區之目前溫度、高溫區之目標溫度、和時距長度的函數。高溫區於各時段的目標溫度可依據預定之時間與溫度關係曲線從查表取得。時段的期間長短亦為已知。因此一旦於目前時段之初測得目前溫度，方程式(4)中一時段的預定升溫速率RR為已知大小。如此可計算出時段中產生高溫區之預定升溫速率RR所需的功率Pp 。
由於高溫區的熱行為和即時加熱速率在整個熱處理過程不斷改變，因此熱處理的每一時段均需解出方程式(4)的斜率m與截距C。其完成方法是假設加熱速率函數在相當短的時間內(如二連續時段期間)不會大幅改變，接著依據最後二時段的基材行為來解出斜率m與截距C。例如，在第一時段中，施加已知功率Pp1 至高溫區並使此區域升溫而形成已知的升溫速率RR1。在第二時段中，不同的已知功率Pp2 施加至高溫區並再次使此區域升溫而形成已知的升溫速率RR2。在一實施例中，已知功率Pp2 與已知功率Pp1 的差異至少為已知功率Pp1 的10%。假設斜率m與截距C在包括二或三個時段的短暫時距內實質上仍維持不變，則此二未知值可由以下二方程式解得：RR1=(m×Pp1 )+C (4a)
RR2=(m×Pp2 )+C (4b)
此程序將反覆用於熱處理之各時段中基材的各高溫區。因基材的即時加熱速率於熱處理之各時段皆會更新，故基材的實際時間與溫度關係曲線比以模型為主之控制演 算法還接近預定的時間與溫度關係曲線。特別是當以模型為主之控制器是依據一基材類型，其實質上具有不同於待處理之基材的光學特性。
須注意的是，已知功率Pp2 值與已知功率Pp1 值的準確度對精確控制熱處理是很重要的。因此當用於RTP室的照燈為白熱燈時，即時照燈功率(即照燈或照燈群組於任一時間點產生的輻射功率)不能只由施加至照燈或照燈群組的電壓決定。因照燈功率無論是增加或減少，白熱燈絲為暫態回應(transient reponse)，故施加之電壓不能代表白熱燈的功率，除非照燈於此功率下已達熱平衡。然一般並非如此，因照燈功率在短暫時距內仍常常改變。用於RTP室之白熱燈的即時功率反而可藉由計算下式之即時照燈阻抗Rlamp 來精確判斷：V=iInst ×Rlamp (5)其中：V=施加至照燈或照燈群組的電壓；以及iInst =即時照燈電流。 就一特定白熱燈而言，對應一絕對功率的即時照燈阻抗為已知。
第7圖為可用於本發明態樣之一適應控制法700的流程圖。再參照第1圖，此控制法最適合用於封閉迴路控制演算法，以控制RTP過程的基材溫度，包括穩定期間202、尖峰退火203、及初次升溫201的較高溫階段。
適應控制法700的第一步驟為進行高溫區溫度測量步 驟701。
接著，進行基材各高溫區之即時加熱速率決定步驟702。如上述方程式(4)、(4a)與(4b)所示，藉由使用前一時段已知的RR1、RR2、已知功率Pp2 與已知功率Pp1 來解出聯立方程式(4a)與(4b)，可得到方程式(4)的斜率m與截距C。在一態樣中，目前時段之即時加熱速率的斜率m與截距C是直接解方程式(4a)與(4b)而得。在另一態樣中，目前時段之斜率m與截距C的更新值為方程式(4)解答和一或多個斜率m與截距C前值的加權平均。在一實施例中，斜率m與截距C之更新值的加權平均計算為指數型加權平均，其中最新的斜率m值與截距C值促成更新之斜率m值與截距C值的權重遠大於舊的斜率m值與截距C值。在此態樣中，連續時段間的斜率m值及/或截距C值若突然劇烈改變可避免方程式(4)的數學不穩定性。在此態樣的另一實施例中，斜率m與截距C的加權方式並不相同。
適應控制法700的下一步驟為計算升溫速率步驟703，其中各高溫區的升溫速率RR是利用下式計算而得：RR=△T/t (2a)其中：△T=高溫區目前測量之溫度和時段終了所需之溫度的差異，其如依據基材之時間與溫度關係曲線的查表所示；以及t=目前時段的期間。 在一態樣中，降低整個基材所需的溫度至時間與溫度關係 曲線查表指定值以下可減緩基材的整體升溫速率。藉此使部分高溫區無法順著特定的時間與溫度關係曲線變化以與其他高溫區達到平衡狀態，因而限制了高溫區之間的溫度均勻度。每當即使採用相關對應此高溫區之照燈群組的最大照燈輸出功率仍不夠快速加熱高溫區時，此法可用來防止溫度嚴重不均。在一實施例中，每當基材之一或多個高溫區於二個以上之連續時段內低於目標溫度約3℃時，基材的整體升溫速率會降低。在另一實施例中，每當基材之一或多個高溫區於二個以上之連續時段內低於目標溫度約5℃時，基材的整體升溫速率會降低。
計算高溫區功率步驟704為適應控制法700的下一步驟。各高溫區於目前時段的高溫區功率Pp 是依據步驟703所決定的升溫速率來直接計算方程式(4)而得。
接著進行計算照燈群組功率步驟705。一特定照燈群組的照燈群組功率P1p 一般不等於該照燈群組搭配之高溫區的高溫區功率Pp 。此乃因一照燈群組不只影響其對應的高溫區。此影響作用(即影響矩陣)已配合第5圖說明於上。就特定的RTP室而言，通常已知影響矩陣，即所有照燈群組的全部功率如何局部輻照特定的高溫區。此資訊一般可透過經驗測試而得，其中各高溫區上之各照燈群組產生的輻射為定量供給RTP室。此測試為描繪RTP室的典型要素且為此技藝所熟知。提供影響矩陣和由適應控制法700之前一步驟計算得到的各高溫區之高溫區功率Pp ，可藉由轉換影響矩陣而直接算出RTP室中各照燈群組的照燈 群組功率P1p 。本發明之態樣還包含決定各基材於“作業中(on the fly)”(即RTP早期的非關鍵性階段)的影響矩陣。這些態樣將描述於以下”決定基材光學特性”段落。
在一態樣中，照燈群組功率為修正來預估如白熱燈等照燈類型固有的暫態回應。因白熱燈的回應時間可能和一般RTP時段一樣，故照燈群組在時段結束前可能未提供如計算照燈群組功率步驟705求得之照燈群組功率P1p 大小的功率。由於方程式(4)的RR假設施加一定的高溫區功率Pp ，任何照燈暫態回應將造成照燈群組產生的實際功率小於特定照燈群組的預定照燈群組功率P1p 。其繪示於下述第8a圖。照燈群組之實際功率與預定照燈群組功率P1p 間的差異可能導致不正確的功率輸入基材，使得基材溫度未順著預定的時間與溫度關係曲線變化。
第8a圖為白熱燈之輸出功率的曲線圖，其為時間的函數800。橫座標代表時間，縱座標代表白熱燈產生的即時功率(PINSTANT )。時間801標示RTP時段811開始，時間802標示RTP時段811終了。RTP時段811可為期0.01秒，此亦為一般尖峰退火處理的時間。在時間801時，照燈產生之功率等於初始照燈功率803。就RTP時段811而言，照燈預定的輸出功率等於目標照燈功率804。實際照燈功率繪製成函數800。當施加電壓至白熱燈絲時，因燈絲阻抗會隨溫度變化，故照燈的輸出功率會隨燈絲溫度增加而改變。一旦燈絲達熱平衡，照燈的輸出功率仍保持不變。其繪示於第8a圖。照燈輸出功率僅於接近RTP時段811 終了時才等於目標照燈功率804，因而施加到基材的總能量小於計算照燈群組功率步驟705所定出的能量。不足的能量以面積區域805表示。斜線區域805表示的不足能量將因照燈回應時間加長、時段縮短、和目標照燈功率804與初始照燈功率803的差異變大而增加。施加對應過高功率806(參見第8b圖)的電壓至白熱燈可改善此問題。過高功率806經計算來補償上述第8a圖之照燈暫態行為所造成的不足能量。
第8b圖為白熱燈之輸出功率的曲線圖，且為時間的函數820，其中照燈輸出功率設定成高於目標照燈功率804的過高功率806。函數820表示照燈於RTP時段811期間的實際輸出功率。區域807代表函數820表示之實際照燈功率和時間801與時間809間之目標照燈功率804所產生的照燈能量差異；在此例為能量不足。區域808代表實際照燈功率(函數820)和時間809與時間802間之目標照燈功率804所產生的照燈能量差異；在此例為能量過剩。過高功率806為選擇使區域807的面積等於區域808的面積。此意謂照燈於RTP時段811期間產生的總能量等於具固定目標照燈功率804輸出之照燈(即無暫態回應的照燈)產生的總能量。各照燈群組於各時段的過高功率806可利用數學判斷，例如重複積分計算區域807與區域808的面積。或者，過高功率806可從查表選出，其中特定照燈類型必需的過高功率、時段期間長短、和照燈功率變化已先從照燈的經驗測試編譯而得。
適應控制法700的下一步驟為加熱基材步驟706，其中各照燈群組產生前一步驟計算出的照燈群組功率P1p ，並加熱基材。如上所述，接著在熱處理之後續各時段中重覆上述程序步驟，直到基材獲得預定的時間與溫度關係曲線。
在一實施例中，適應控制法700是用於RTP製程之尖峰退火階段的照燈封閉迴路控制，如第1圖尖峰退火203。在另一實施例中，適應控制法700是用於RTP製程之尖峰退火203與穩定期間202的照燈封閉迴路控制。在又一實施例中，適應控制法700是用於尖峰退火203、穩定期間202與初次升溫201之較高溫階段的照燈封閉迴路控制。
在此所述之適應控制法的優點之一為，其可使用單一控制器來重覆進行同樣的熱處理製程於不同類型且具多樣正面發射率的基材上，而不需重新調整或修正。另一優點在於，相較於傳統以模型為主之控制器，適應控制法較不需密集計算。第三個優點為，除了可處理多種基材外，適應控制法可提供製程變異較小的RTP製程，尤其是非常短暫的感溫製程，如尖峰退火處理。
放入(binned)控制法
在另一態樣中，RTP時的照燈功率是使用依據基材的一或多種光學特性選用於處理基材的固定控制演算法控制，光學特性可在處理基材時同步(in-situ)測量。此是指使用一”放入”控制器，其中一些不同的控制演算法已依各種基材特性最佳化，並根據基材特性儲存或放入系統控制 器。例如，表1顯示可放入的10個控制演算法，其分別依不同的基材正面發射率最佳化。
表1提及的正面發射率較佳為基材於穩定期間202終了或接近穩定期間202終了(第1圖)的正面發射率。由於基材發射率通常在550℃(即典型的穩定溫度)至1100℃(即典型的尖峰退火溫度)間不會劇烈變化，因此穩定期間202終了或附近的基材正面發射率實質上可代表熱處理之尖峰退火203階段的正面發射率。表1例示的控制器，例如Emis1、Emis2等，可依據純理論模擬開發，如合併先前以模型為主之控制器的光學模型技術。或者，控制器可依據許多不同類型之基材的系統經驗測試、或依據理論模擬和經驗測試的組合。
此方法優於先前以模型為主之控制器的理由在於，用於特定基材的控制演算法可依基材特定的加熱特性最佳化，故可更精確預測基材於熱處理之各時段的熱行為。此外，採用的“放入”控制器比起需大量計算熱處理之各時段的方法(如上述第7圖的適應控制法700)較不需密集計算。再者，此方法可依據一或多種定量標準自動選擇控制器，因而可精確控制與重複相同的熱處理製程來處理各種 基材，進而減少製程設備操作員的輸入作業量及相關的人為疏失。
可當作用於基材之最佳控制演算法選擇標準的基材光學特性包括正面發射率、吸收率、和反射率。直接測量或推斷這些光學特性以選擇處理特定基材之最佳控制器的方法將描述於以下“決定基材光學特性”段落。相較於其他基材光學特性，發射率最適合做為選擇標準，因其對基材熱行為(即加熱特性)的影響最大。在另一實施例中，基材吸收率及/或正面反射率也可納入選擇標準。
在放入控制法之一實施例中，為執行一連串的經驗測試，其中上述第7圖的適應控制法700是做為熱處理各種具不同正面發射率之基材的控制器。就各正面發射率而言，每一基材溫度中即時加熱速率的斜率m與截距C(參見方程式(4))可加以記錄並列成查表。其次，基材可使用第9圖的簡化適應控制法900處理，其中斜率m與截距C不依據前一時段的基材加熱特性計算。各時段的斜率m與截距C反而是從上述透過經驗測試建立的查表取得。第9圖為可用於一放入控制法實施例之簡化適應控制法900的流程圖。除了決定即時加熱速率步驟902外，簡化適應控制法900的其他步驟實質上皆與上述第7圖之適應控制法700的對應步驟相同。在決定即時加熱速率步驟902中，方程式(4)的斜率m與截距C為依據基材溫度與正面發射率從查表取得。
在放入控制法之另一實施例中，為發展與放入多種版 本的先前技術控制器，如以模型為主之控制器，其分別用於特定基材光學特性，如正面發射率。例如，以模型為主之控制器可微調以控制特定的基材熱處理，其中基材的正面發射率落在如0.30-0.39之間的特定範圍。此可藉由微調通常內含於大部分模擬模型程式的經驗因子達成。其最佳值可由經驗測試決定。藉由微調用於特定基材正面發射率範圍的控制器，當處理基材的正面發射率落在特定範圍內時，可改善控制器的性能。反之，若基材的正面發射率落在特定範圍外，則會大大降低控制器的性能。因此當如藉由使用以下”決定基材光學特性”段落所述的方法得知基材的正面發射率時，可依據表1所列的基材正面發射率採用適當的放入控制器。
組合控制法
在又一態樣中，揭露一組合方法來控制熱處理基材時的照燈功率。在此態樣中，RTP室中大部分的照燈群組受控於較不需密集計算的控制演算法，例如由預設照燈群組功率組成的控制器。較佳是由少數照燈群組構成的其餘照燈群組採用較複雜的控制演算法，例如適應控制演算法或放入控制演算法。此方法包括適應控制法的優點，即具有較佳的控溫精確度和處理各類基材的能力，且不像所有照燈群組皆由適應控制法控制般需要密集計算。控制演算法於各時段需要最少的計算數量有助於避免過度使用系統控制器。因系統控制器常負責同時監控基材處理系統各處大 量的元件與感測器，故需密集計算的演算法可能無法及時進行所有必要的操作，導致處理錯誤及/或延遲。
在此態樣中，大部分輸入到基材的輻射能量(例如約90%)乃由需相當少量計算資源的方法控制，且可視為”粗調”基材溫度。其餘少數輸入到基材的輻射能量(例如約10%)乃受控於更精確、但需較密集計算的控制演算法。此可視為“微調”基材溫度，並且即使大部分的照燈群組受控於預設照燈功率，其仍可確保基材經歷的時間與溫度關係曲線精確順著預定的時間與溫度關係曲線變化。
第10圖繪示照燈群組的一配置方式1000，其可用於組合之控制法，其中至少一粗調照燈群組和至少一微調照燈群組施加功率至一高溫區。供參考用，繪示出與配置方式1000相關RTP室的內徑501、邊環的外徑502、和基材的外徑503。照燈群組1031-1038利用熱處理之各時段的預設輸出功率控制。照燈群組1041-1043由上述適應控制法、放入控制器、或傳統以模型為主之控制器控制。
在此所述之組合控制法的另一優點為增進照燈群組的訊雜比(signal-to-noise ratio)，因而只需些微調整基材溫度。一般而言，若由相當大量照燈組成的照燈群組所加熱的高溫區採用只需些微調整基材溫度的控制演算法，則通常難以精確控制。此乃因高溫區所需的增溫變化只需些微改變每一照燈的輸出功率即可達成，而輸出功率變化量可能為照燈輸出功率控制的精確度。以10個照燈組成的照燈群組為例，每一照燈所需的輸出功率變化為1瓦。若照燈 輸出功率控制的精確度亦為1瓦，則因多數照燈群組無法正確回應如此微小的變化，而不能實現所需的基材溫度變化。若單一照燈構成的照燈群組所需的總輸出功率相同，則每一照燈的輸出功率變化為10瓦。此為照燈輸出功率控制之最小精確度的10倍。
決定基材光學特性
如上述，在熱處理過程中，知曉如正面發射率、正面反射率、吸收率或寬頻穿透率等基材光學特性隨熱處理變化的當前值是有益的。特別是使用一非以模型為基礎的控溫法，例如上述適應控制法、放入控制法、或組合控制法。本發明之態樣預計熱擾(thermally perturbing)基材及測量基材後續的增溫情形，以推斷基材的一或多種光學特性。在其他態樣中，光學特性不需熱擾即可直接判斷。
基材的正面發射率
就某些熱處理製程而言，知曉基材於熱處理時的正面發射率是有益的。例如再參照第1圖，在尖峰退火處理的初次升溫201時，精確決定基材正面發射率與穿透率可使基材溫度的封閉迴路控制早於時間121開始。此可減少初次升溫201時基材上不當的熱梯度，因而在尖峰退火203前只需較短的穩定期間202。在另一實施例中，緊接著在短暫的處理製程(如尖峰退火203)前來精確測量基材正面發射率有助於溫度控制。此乃因控制器預測基材未來溫度 和維持基材正確順應時間與溫度關係曲線的能力與基材的光學特性息息相關。上述放入控制法即為此例。由於如白熱燈等標準照燈的回應時間可能比一時段還長(參見第8a及8b圖)，因此指望回應先前溫度誤差的方法對如此短期的製程而言可能太慢。反而需要預測基材未來溫度的精確方法。在第三實施例中，藉由在熱處分之最感溫階段前決定基材的正面發射率，可自動選擇用於任一基材的最佳控制演算法。
在一態樣中，基材的正面發射率是在如第1圖之尖峰退火203的熱處理感溫階段前，藉由施加功率至一或多個基材區域及測量溫度變化而推斷出來。在此態樣中，基材至少應為約500℃。就如上述第3圖之處理室300的標準RTP室而言，此方法不需額外的度量衡學，其只需已經說明於此的高溫計和光纖探針334。正面發射率可由本方法決定，只要基材實質上在高溫計測量波長下為不透光，即穿透率等於0。如上述，以使用白熱燈的處理室為例，波長介於約0.2微米至約5微米。一般當尖峰退火203前之穩定期間202的溫度例如為約500℃至約700℃時，基材實質上在這些光波長下為不透光。
任何前一時段的輸入功率為已知。基材的吸收率已知會隨著基材溫度變化、輸入功率與輸入功率持續期間改變。當基材處於熱平衡時，發射率定義為等於其吸收率。另外，此技藝假設即使在加熱與冷卻的條件下，基材的發射率實質上等於其吸收率。故基材的正面發射率可直接從 基材溫度變化判斷，只要基材實質上為不透光、和基材正面發射率實質上等於其吸收率的假設正確。當基材十分接近熱平衡，即當基材的升溫與降溫相當緩慢時，後一假設幾乎是正確的。在此態樣中，輸入功率較佳為於基材達熱平衡時(例如穩定期間202)施加至基材的一或多個區域。並且較佳地，施加至一或多個高溫區的輸入功率持續期間比基材的回應時間長。例如，若特定強度的增強輸入功率P1大於維持基材目前溫度所需的輸入功率，則使基材精確升溫所需的時間可為0.1秒。當輸出功率的強度大概等於P1時，施加至基材的增強輸入功率持續期間較佳可為0.2秒或以上。如此可確保可測量的基材溫度回應，藉以計算出吸收率和發射率。在一實施例中，增強輸入功率P1的持續期間是可變的；增強輸入功率P1為施加至基材的一或多個高溫區，直到高溫區溫度增加到預定值。
若有需求，在此態樣中亦可決定出基材於熱處理之任一時段的正面反射率。因基材的穿透率可假設為實質等於0，故基材的正面反射率可藉由簡化方程式(5).與方程式(5a)來決定：A+τ+R=1.0 (5)
R=1.0-A (5a)其中：A=高溫區在0.2微米至5微米之輻射波長下於一時段內的吸收率；τ=高溫區在0.2微米至5微米之輻射波長下於一時段內 的穿透率；以及R=高溫區在0.2微米至5微米之輻射波長下於一時段內的正面反射率。
此方法可用於基材溫度十分穩定的期間(例如穩定期間202)來決定正面發射率與反射率，及/或其可用於基材溫度快速改變時(例如尖峰退火203)來當作即時的發射率/反射率計算。就後者用途而言，其需較快的感測器取樣速率(例如達kHz程度)及較高的照燈控制頻率。由於白熱燈的控制頻率為約100Hz，因此需使用另一種照燈。當額外計算各時段的發射率時，其還需要一具適當計算資源的控制器來控制熱處理之最敏感的階段。基於這些理由，同步測量正面發射率最有益恰於尖峰退火處理前的階段(例如穩定期間202)，而非尖峰退火處理期間。因發射率一般不會隨著實質為約500℃至約1000℃的基材改變，故可依據穩定期間202測得的正面發射率與正面反射率來精確控制尖峰退火處理。
在另一態樣中，基材的正面發射率是在基材相當低溫時，藉由施加波形輸入功率(即震盪函數)至一或多個基材區域而推斷出來。波形輸入功率可測量出基材目前的穿透率，進而計算出基材的實際溫度。基材的吸收率和正面發射率可從基材升溫多寡決定。若有需求，正面反射率接著可依上述方程式(5a)計算而得。
若基材的溫度為約500℃或以上，高溫計可藉由測量基材背面發射的光線來決定基材的溫度。如上述第1圖所 示，常用照燈的輻射光波長實質上可穿透低於約300℃至約400℃的基材。因此在較低溫度下，傳統高溫計除了偵測基材背面發射的光線外，還將偵測穿透基材的任一照燈發射光線，以致基材的溫度測量非常不準確。故無納入基材溫度回饋以控制熱處理的開放迴路控制通常最好用於熱處理，直到基材的溫度夠高且不會透過照燈輻射光。此態樣可藉由在如約250℃的低溫下決定基材的穿透率與正面發射率，而提早於製程中使用封閉迴路控制。例如，在尖峰退火處理的初次升溫201(第1圖)時，精確決定基材正面發射率與穿透率可使基材溫度的封閉迴路控制早於時間121開始。此可減少初次升溫201時基材上不當的熱梯度，因而在尖峰退火203前只需較短的穩定期間202。
第11圖為本發明用於此態樣之程序1100的流程圖。由於基材的正面發射率、尤其是穿透率明顯隨溫度變化，因此使用這些光學特性來控制基材溫度時，需時常更新光學特性數值。在一實施例中，程序1100持續於熱處理基材的整個過程進行。在另一實施例中，程序1100於熱處理基材期間周期性進行，例如每秒一次，並藉以更新穿透率與正面發射率。再者，此態樣可用於整個熱處理過程、或只用於熱處理的特定階段，例如第1圖的初次升溫201和穩定期間202。因基材穿透率在高於700℃時一般為等於0且正面發射率在高於700℃時只些微隨溫度變化，故此態樣最有益於初次升溫201和穩定期間202。
再參照第11圖，第一步驟為施加功率步驟1101，其 中施加至基材的功率為震盪函數或波形。震盪函數可為正弦函數、方波、鋸齒波、或其他已知強度與頻率的波形。較佳地，震盪函數的頻率和強度為固定不變。另較佳地，震盪函數的頻率實質上大於基材的熱回應時間、但不大於高溫計的取樣速率。例如施加特定強度的輸入功率P2時，基材升溫所需的時間可為0.1秒。監測基材溫度之高溫計的取樣速率可為0.001秒。若輸入功率的強度大概等於P2，則震盪輸入功率的較佳頻率可為0.01秒。如此，穿透基材的輻射功率比例(即穿透率)可藉由比較照燈之輸入功率波形的強度與高溫計偵測之穿透功率波形的強度決定。穿透功率波形的強度正好與基材的穿透率成比例。
在一實施例中，進行施加功率步驟1101時，輸入功率波形為施加到基材的每一高溫區，且各高溫區的穿透率直接由上述方式決定。在另一實施例中，若欲於每一時段執行較少的計算，則不會決定所有高溫區的穿透率。基材各處於一時段內的溫差通常很小，而不會造成顯著的穿透率差異，故基材各處的穿透率於任一特定時段內可假設為一致。因此穿透率僅就基材的單一高溫區決定，且假設一高溫區的穿透率實質上可代表整個基材。在又一實施例中，透過上述施加功率步驟1101可決定出間隔之高溫區的穿透率，且其間之高溫區的穿透率可由已測量之高溫區內插而得。
下一步驟為計算穿透率步驟1102，控制演算法計算出高溫區於此熱處理時段的穿透率。本計算是依據施加功率 步驟1101提供的資訊。
下一步驟為計算溫度步驟1103，控制演算法藉由納入此時段的基材穿透率與照燈之輸入功率強度而計算出基材中所有高溫區於此時段的實際溫度。
下一步驟為計算溫度變化步驟1104，控制演算法計算出基材之所有高溫區在熱處理中此時段與前一時段間的溫度變化。
下一步驟為計算發射率步驟1105，基材各高溫區的正面發射率假設實質上為等於基材吸收率。吸收率已知會隨著基材溫度變化、輸入功率與時段期間長短改變，其如同以上決定較高溫之基材的正面發射率所述。
或者，下一步驟為計算反射率步驟1106，正面反射率可依上述方程式(5)與(5a)決定。
此態樣可使基材溫度的封閉迴路控制在較低溫執行，因而提早於熱處理製程中使用。其亦只需較短的穩定期間且形成更均勻的基材溫度。本方法還可熱處理輻射能量不完全穿透的基材，並在整個熱處理過程中維持較佳的溫度均勻度。傳統高溫計設備可用來控制本方法。
在另一態樣中，處理時的基材正面發射率可依據控制器於熱處理前的回應方式而推斷出來，以補償基材之發射率與邊環(如第3圖的邊環331)之發射率間的差異。因本方法仰賴控制演算法長期的平均行為(例如5秒至10秒或更久)，故本方法最適合緊接在尖峰退火處理或其他感溫製程前來決定基材的正面發射率。藉由改變周圍照燈群組的 輸出功率，此態樣可搭配能回應“邊環作用”(其將配合第3圖與第12A-12C圖說明)的任一封閉迴路控制法使用。可用於此態樣之封閉迴路控制法的例子包括在此所述的適應控制法和放入控制法。
再參照第3圖，邊環331於處理室300進行RTP時支撐基材。邊環331通常很薄，以降低其傳導熱量進出基材接觸邊環331之區域的能力。但邊環331對基材溫度的影響不侷限於熱的傳導。每當邊環331的發射率不同於基材的正面發射率時，邊環331可經由熱的傳導及/或輻射而做為基材邊緣區域的有效熱源或散熱器。以高反射基材為例，即基材的發射率與吸收率比邊環小，因邊環吸收輻射的速率比基材快，故邊環將當作基材的熱源。若高吸收、高發射基材在同一處理室300處理，則情況將相反且邊環當作散熱器。此作用以下稱為“邊環作用(edge ring effect)”，其直接相關於邊環之發射率和待處理基材之發射率的差異。
通常當照燈群組的輸出功率彼此不相互牽制，即照燈群組為獨立個別控制時，照燈群組在特定基材正面發射率下將一貫地顯示類似的功率量變輪廓(profile)，即已知的照燈曲線。在此之功率量變輪廓定義成繪示平均照燈功率(即RTP室之各照燈群組中單一照燈的輸出功率)的曲線。邊環發射率與基材正面發射率的差異驅使類似的功率量變輪廓重複顯示。例如當基材發射率幾乎等於邊環發射率時，控制演算法所需的單一照燈功率在各照燈群組間非常 一致。此乃因邊環於RTP時不做為有效熱源或散熱器。當基材發射率實質上小於邊環發射率時，因邊環當作基材邊緣的熱源，故外部照燈群組的照燈功率會低於內部照燈群組的照燈功率。反之，當基材發射率實質上大於邊環發射率時，因邊環當作基材邊緣的散熱器，故外部照燈群組的照燈功率會高於內部照燈群組的照燈功率。這三種情況分別繪示於第12A-12C圖。
第12A-12C圖為含有8個照燈群組之RTP室(例如處理室300)的功率輪廓(power profile)。由於照燈群組一般不會處理同樣大小的基材面積，因此各照燈功率是用來比較不同的照燈群組，而非各照燈群組的總功率。各照燈群組的照燈功率可為整個RTP製程的平均值、或為RTP製程中某一感溫階段(如尖峰退火階段)的平均值。
第12A圖繪示一RTP室的功率輪廓1200A，其中RTP室處理之基材的正面發射率幾乎等於邊環的發射率。功率輪廓1200A包括照燈功率1211A-1218A，其在RTP製程的尖峰退火階段(如尖峰退火203)用於全體8個照燈群組531-538。各照燈功率1211A-1218A代表尖峰退火203期間的平均輸出功率。在一些情況下，因氣流與壁面反射的影響，照燈功率1211A-1218A實際上可能彼此不完全相等(如第12A圖所示的功率)，但仍將表現出實質上無“邊環作用”的已知且可再現的輪廓。在任一情況下，因邊環不做為有效熱源或散熱器，故基材邊緣附近之各照燈群組的照燈功率將如第12A圖所示非常一致。
第12B圖繪示一RTP室的功率輪廓1200B，其中RTP室處理之基材的正面發射率小於邊環的發射率。功率輪廓1200B包括照燈功率1211B-1218B，其用於全體8個照燈群組531-538且分別為RTP製程之尖峰退火階段的平均。因邊環當作一有效熱源，故基材邊緣附近的照燈功率將降低。此為RTP室之控制演算法如何補償邊環作用的經驗指標(empirical indicator)。
第12C圖繪示一RTP室的功率輪廓1200C，其中RTP室處理之基材的正面發射率大於邊環的發射率。功率輪廓1200C包括照燈功率1211C-1218C，其用於全體8個照燈群組531-538且分別為RTP製程之尖峰退火階段的平均。因邊環當作一有效散熱器，故基材邊緣附近的照燈功率高於中央照燈群組的照燈功率。如同第12B圖，此為RTP室之控制演算法如何補償邊環作用的經驗指標。
由於功率輪廓的行為是可預測且可重複的基材正面發射率函數，故此資訊可用於熱處理時同步憑經驗推斷基材的正面發射率。本發明預計在熱處理的早期階段(如第1圖中尖峰退火處理的初次升溫201)來推斷基材的正面發射率。正面發射率的選擇是藉由比較測得之基材功率輪廓與一連串經驗判定之對應不同基材正面發射率的“放入”功率輪廓。在本態樣之一實施例中，若測得之功率輪廓實質上落在二放入功率輪廓之間，則正面發射率可由內插求得。
本態樣可依據經驗資訊選擇熱處理的最佳控制器。即控制演算法的行為紀錄(功率輪廓)可依據特定處理室之經 驗測試資料的修正結果而指出基材的正面發射率。因功率輪廓是依據特定處理室中特定基材的熱行為，故不需額外的模型或修正因子即可精確決定正面發射率。並且於熱處理各時段不需大量額外的計算來決定正面發射率；功率輪廓可直接從紀錄資料取得，且可恰在熱處理之感溫步驟前依對應發射率修正。
基材的穿透率
如上述，一般瞭解基材於熱處理時的穿透率是有益的。特別是在低於400℃的較低溫時，基材穿透率實質上會隨溫度變化。本發明提出用來計算基材穿透率的方法之一已配合第11圖說明於上。其他兩種方法將說明於此，其中基材穿透率是在400℃以下決定。
在一態樣中，基材各高溫區的穿透率和其他光學特性是利用2-通道高溫法(2-channel pyrometry)決定。再參照第3圖，各光纖探針334的光線分裂成2個光學路徑，其中一路徑指向第一高溫計，其測量基材背面垂直發射之光線頻率，即波長小於矽基材的能隙，例如波長小於約1微米。此高溫計可為標準RTP高溫計的均等物。第二光學路徑的光線指向第二高溫計，其測量較長波長之光線且光能量實質上小於典型基材的能隙。
如含有完美矽結晶之典型RTP基材的半導體能隙定義為價電帶頂部與導電帶底部的能量差。為使入射光如熱能般被半導體吸收，以具足夠能量提升價電殼層(shell)的電 子到導電殼層，入射光的能量必須大於半導體的能隙。若小於能隙，則入射光具有夠短的波長與夠大的能量，因此所有的光線將完全被半導體反射或吸收，而無光線穿透。然任何材料的能隙皆會隨溫度變化，即隨著材料溫度增加，半導體材料將以熱能形式吸收較低能量(波長較長)的光線。此外，較高溫度時將有更多的電子吸收無最小能隙要求的入射光能量，因此可吸收更大頻率的光能量。基於這兩種能量吸收機制，典型的RTP基材可於RTP製程之初100%穿透入射照燈輻射而於RTP製程後段穿透率為0%。
用於RTP應用的標準高溫計測量波長在RTP過程中最關鍵的處理溫度下(即高於約500℃)被完全吸收的光線。波長範圍介於約0.2微米至約3微米之間。在如20℃的較低溫度下，光波長大於矽結晶的能隙，因此幾乎完全穿透基材。上述第二高溫計可經過濾以偵測波長比第一高溫計略長的光線，尤其是在基材溫度下接近矽能隙或略大於矽能隙的光線。如此當基材溫度增加時，可決定約0.2微米至約3微米範圍下的穿透率。如上述第11圖和方程式(5)與(5a)的說明，若已知基材的穿透率、一時段內的輸入功率、和該時段內的溫度增加情形，則接著可計算及/或推斷基材的其他光學特性，包括吸收率、正面發射率與正面反射率。
在另一態樣中，基材穿透率可採用依據溫度與基材材料能隙之相依性的方法決定，其使用光譜儀或穿透式高溫計。
在一實施例中，光譜儀可用來分析基材在低於約400℃ 之熱處理時的光譜發射。如砷化銦鎵(InGaAs)二極體光偵測器的近紅外線光譜儀可用於本方法。再參照第3圖，光譜儀337可於熱處理時光學地附加至一或多個位於基材背面的光纖探針334。就特定頻帶路徑(bandpath)，即波長介於二選擇波長之間的光譜而言，於約100℃以下之低溫穿透基材的能量光譜圖可由光譜儀測量與記錄。當基材溫度增加且其穿透率改變時，選定頻帶路徑內之基材發射的第二光譜圖可由光譜儀測量。藉由分析二光譜圖的差異，可依據基材吸收的總能量來決定出基材於目前溫度的穿透率。光譜分析用的頻帶路徑可包括約1.0微米至約1.5微米範圍的波長、或約900奈米至約2.2微米範圍的波長。在一些情況下，光譜分析用的頻帶路徑包括約0.2微米至約3.0微米範圍的波長。如上述第11圖和方程式(5)與(5a)的說明，若已知基材的穿透率、一時段內的輸入功率、和該時段內的溫度增加情形，則接著可計算及/或推斷基材的其他光學特性。當基材低於約400℃時利用可靠方法來測量基材溫度，封閉迴路控制可提早用於熱處理製程以控制基材加熱。此可減少開放迴路控制在基材上造成的熱梯度，因而縮短尖峰退火前所需的熱穩定時間，並於封閉迴路控制前防止基材明顯變形。
在一情況下，基材發射的光譜分析和穿透率的判定是在低於約500℃之熱處理的各時段中用於基材各高溫區。在另一情況下，光譜分析和穿透率判定僅用於單一高溫區，而假設其餘區域皆具有幾乎相同的穿透率。在又一情 況下，光譜分析用於間隔的高溫區，且其餘高溫區的穿透率由相鄰高溫區內插而得。
在較低溫度下決定穿透率的另一實施例中，可使用熟知的近乎室溫高溫法(almost room temperature；ART)，其中基材溫度可依據溫度與基材材料能隙的相依性推斷。
ART使用一或多個穿透高溫計，以依據基材的穿透率來推斷基材於500℃以下之低溫處理時的溫度。穿透高溫計偵測輻射加熱照燈經矽基材過濾時的光學輻射。部分波段的矽吸收率(矽穿透率)與基材溫度息息相關。基材之穿透高溫計的訊號輸出在不同溫度與照燈輸出功率下的修正量可依據基材處理前的經驗測試推斷。一旦定量此修正量，即可從高溫計輸出訊號、或光電流、與照燈輸出功率推斷出低溫處理之任一時間的基材溫度。
若已知輻射加熱照燈之輻射功率或其他電性、基材溫度與穿透高溫計之光電流間的大體關係，則可採用穿透高溫計。在編譯光電流、基材溫度與照燈輸出功率間之特性關係的方法中，二維表可透過經驗測試而填入未正常化(即未校正)的光電流，其為基材與照燈溫度的函數。列表資料可建立基線條件(baseline condition)下穿透高溫計之光電流與照燈電流和基材溫度的相依性。建立所需照燈與基材特性的方式有許多種。現已可能去測量用於大量照燈電流組合的高溫計光電流和基材溫度、及可測量基材厚度，並利用這些實驗值聯繫光電流和基材溫度。一般而言，將定比因子(scaling factor)(熟知為正常化(normalizing)因子) 應用到各處理基材的列表實驗資料較佳，以描述基材光學特性變化及改變處理室條件，如不同的照燈等。定比因子或正常化因子在校正步驟中決定，其將配合第12E圖說明於下。其後當處理基材時，開始測量已知基材溫度下的光電流可使列表資料以用於特定待處理基材的適當正常化因子進行縮放。開始測量基材可於熱處理之初且於加熱基材前進行。在後續熱處理基材的過程中，當高溫計光電流是在已知照燈溫度或阻抗下測量時，可查閱經正常化的列表以得到對應的基材溫度。
穿透高溫計的過濾器和光偵測器一同提供，在200℃至450℃或100℃至250℃的基材溫度下對於吸收波段敏感的光譜回應。因矽在從室溫到350℃之溫度下的吸收波段介於約1微米至約1.2微米之間，故在此所用之特定光偵測器可為約350℃以下使用的矽光偵測器；矽光偵測器對於波長大於約1.1微米的輻射較不靈敏。當溫度高於約350℃時，吸收邊緣超過矽光偵測器的偵測極限，以致無法立即偵測吸收邊緣波長的增加量。以較高基材溫度操作時，預期使用對較長波長敏感的光偵測器。此類偵測器的一範例為InGaAs二極體光偵測器，其偵測頻帶為約0.9微米至約1.7微米。
操作ART的溫度分布方式將參照第12D圖說明。線條1226表示在一照燈電流設定下穿透高溫計的總光電流隨基材溫度的變化情形。溫度較低時，總光電流主要是由加熱照燈之光子通量引起且流過基材的光電流1228。然如線 條1230所示，仍有如雜散輻射(stray radiation)和暖處理室零件等固定的背景輻射。溫度較高時，如線條1232所示，基材本身的黑體輻射會增強。照燈與基材的黑體輻射影響在約400℃相交，此溫度接近輻射高溫計開始作用的較低範圍。
用於控制加熱基材的基本演算法繪示於第12E圖的流程圖。在步驟1236中，將已知溫度的基材插入RTP室；在步驟1238中，將照燈打開至設定的低電流，例如約為最大照燈電流的20%。在步驟1240中，於照燈輻射有效加熱基材前，測量穿透高溫計的光電流。完成此測量的方法是利用已知的照燈電流與基材溫度，並使用適合的定比因子來適當正常化/修正已知的特性。在步驟1242中，使用校正步驟決定的定比因子來正常化已知、但未正常化之光電流相對照燈與基材的特性。在步驟1244中，照燈電流至少上升至初始預熱值。在步驟1246中，測量用於同一基材和上升照燈電流之穿透高溫計的光電流。在步驟1248中，基材溫度可藉由比較測量之光電流和照燈功率、與適當正常化之隨基材與照燈溫度變化的光電流列表資料決定。重複步驟1246及步驟1248，直到步驟1250判定已達最終預熱基材溫度。
可用於本發明部分結構之ART方法和設備的更詳細說明可參見美國專利申請號10/974,003[9376]、名稱「用於熱處理矽晶圓之低溫高溫法的方法及設備(Method and Apparatus for Low Temperature Pyrometry Useful for Thermally Processing Silicon Wafers)」、申請日為西元2004年10月26日的申請案，其一併附上供作參考。
本發明之態樣可採用相同的控制演算法將控制良好之熱處理製程應用到各種基材。雖然不同的基材類型於低溫時可能具有不同的能隙與穿透率，但本態樣透過提早引用封閉迴路控制而不需客制化不同的控制器供經相同熱處理的各種基材使用。並且因各基材類型是在不同的溫度下從部分透明轉變成完全不透明，故開放迴路控制的使用需要更長的穩定時間。在熱處理過程中提早使用封閉迴路控制，可改善溫度的均勻度及減少熱處理的總體時間。在一實施例中，前述適應控制法或放入控制法可用於本態樣。再者，本態樣可在如低於400℃的較低溫度下可靠且重複熱處理基材。
除可決定400℃以下的基材溫度和在此溫度下的封閉迴路控制外，本發明在相當低溫下決定基材穿透率的態樣還可用於基材處理時來定量照燈群組的影響矩陣。此可發生在熱處理過程中相當早的階段，例如上述第1及2圖的初次升溫201階段。基材溫度在此熱處理階段並非持續升溫，其部分時段反而可在短時間內專注於相繼循環各照燈群組。由於已知基材各高溫區的實際溫度且亦已知輸入功率的強度與持續時間，因此可於熱處理早期定量各照燈群組對所有高溫區的影響比例。精確定量的影響矩陣有益於本發明之其他態樣，例如配合第7圖說明於上的適應控制法。
基材的正面反射率
在一些情況下，知曉基材於熱處理時的正面反射率是有益的。例如取代假設基材的吸收率幾乎等於正面發射率，且已知正面反射率時，基材的吸收率可直接從方程式(5a)解得。因基材的正面反射率和吸收率大大地影響基材於熱處理時的熱行為，故這些光學特性的準確值可做為先前最佳化之控制演算法或上述表1之演算法的選擇標準。本發明用於計算基材正面反射率的某些方法已配合第11圖及方程式(5a)說明於上。
在此揭露之另一方法是藉由測量自基材正面反射且已知強度的訊號來計算基材的正面反射率。藉由測量反射訊號的強度及比較此強度與照燈輸入訊號的強度，可決定出正面反射率。較佳地，輸入訊號為固定頻率的震盪函數，例如正弦函數、方波、鋸齒波、或其他波形。在一實施例中，波形可採用現有的A/C漣波信號，其通常伴隨白熱燈出現。在任一情況下，本方法概念上非常類似上述第11圖之推斷正面發射率的方法。
自基材正面反射的輻射能量為利用設於處理室300之照燈組件310中的感測器350同步測量(參見第3圖)。在一實施例中，感測器350為標準高溫計。在另一實施例中，多個高溫計裝設於處理室300的照燈組件310，以從多處基材區域(如各高溫區)測量輻射能量。
在一實施例中，本方法可用於熱處理基材的整個過 程，以更新正面反射率。在另一實施例中，本方法可於熱處理基材期間周期性進行，例如每秒一次，並藉以更新吸收率。在又一實施例中，本方法可只用於熱處理的特定階段，例如第1圖的初次升溫201和穩定期間202。
在另一態樣中，基材的正面反射率可利用設於處理室300之照燈組件310中的感測器350直接且同步測量(參見第3圖)。在此態樣中，感測器350為反射計。無論是在熱處理前或整個熱處理過程，直接測量基材反射率之方法所需的計算量比非直接測量方法少，其中正面反射率是由數學推斷。此資訊可用於修改照燈輸出功率，使基材溫度精確順著預定的時間與溫度關係曲線變化。
基材溫度的均勻度
本發明尚提出改善先前技術中RTP溫度不均勻的方法及設備。如上述，在熱處理過程中，基材所有區域的溫度分布均勻是很重要的。在一實施例中，以基材正面發射率為基礎之預定方式(如由上述方法之一同步決定的方式)來定比所有照燈群組的輸出功率，可於RTP時均勻加熱基材。在另一實施例中，透過直接控制邊環溫度來降低邊環作用，可改善基材溫度的均勻度。在又一實施例中，照燈群組為重新配置成與基材正面發射率有關。在再一實施例中，至少一照燈群組是由放射狀、非對稱之照燈構成，以處理RTP時基材上非放射狀溫度的不均勻度。
在一實施例中，以基材正面發射率為基礎之預定方式 來定比所有照燈群組彼此相對的輸出功率，可改善邊環作用對溫度均勻度的影響。如上述第12A-12C圖的說明，RTP室於特定製程的功率輪廓是可預測且可重複的基材正面發射率函數。若已知基材的發射率，則處理室各照燈群組的照燈功率可定比以相配已知的功率輪廓，進而減少預定基材和製程的溫度不均勻度。以處理正面發射率比邊環正面發射率小的基材為例，如第12B圖所示，基材邊緣附近之照燈群組的照燈功率將較低。
各照燈群組之照燈功率的相對定比可純粹為經驗函數、或可為理想的功率輪廓，其中照燈群組的功率輪廓依數學式變化，如線性、拋物線或指數函數。
第13圖為利用照燈功率定比法於RTP時來改善基材溫度均勻度之程序1300的流程圖。程序1300將各照燈群組之照燈功率的相對定比限定於已知的功率輪廓，以減少溫度的不均勻度。
首先，進行初次決定發射率步驟1320，其中基材的正面發射率是同步使用“決定基材光學特性”段落所述之方法來決定。或者，基材的正面發射率可於RTP處理室外決定。較佳地，初次決定發射率步驟1320為同步進行；且更佳地，步驟1320是在相當接近RTP製程之感溫階段的起始溫度下進行。因發射率為基材溫度的函數，故在感溫階段前測量發射率是最精確的。以尖峰退火處理為例，當基材加熱至1200℃時，較佳是在穩定步驟期間決定正面發射率，此時基材維持在約500℃至約700℃之間。室溫預估基 材發射率將不十分精確。精確測量正面發射率可選出最適合熱處理製程的照燈功率輪廓。
決定發射率步驟1320完成後為選擇適合之照燈功率輪廓步驟1325，其中選擇方式是依據測量或推斷的基材正面發射率。
接著為測量各高溫區之溫度步驟1301。此步驟將於快速熱處理的每一時段進行。
其次進行決定功率步驟1302，其中控制演算法計算出各高溫區達到或維持下一時段之溫度所需的功率。在此步驟中，多個演算法可執行此計算，包括如內含在傳統以模型為主之控制器的基材能量傳遞模型。在一較佳實施例中，適應控制演算法部分的即時加熱速率可用來決定各高溫區所需的功率。
然後為決定功率步驟1303，其中控制演算法計算出整個基材所需的總功率，即所有高溫區所需功率的總和。
下一步驟為決定照燈群組功率步驟1304，其中控制演算法計算出下一時段中各照燈群組的適當輸出功率。此計算是依據選擇的照燈功率輪廓和決定功率步驟1303計算得到之整個基材所需的總功率。
接著於下一時段進行加熱基材步驟1305。
在一態樣中，本方法接著於下一時段返回測量各高溫區之溫度步驟1301，並重複上述步驟直到完成熱處理基材。或者在另一態樣中，基材正面發射率可於各時段終了重新計算。此發生在決定發射率步驟1330期間。在此態樣 中，在選擇適合之照燈功率輪廓步驟1325期間，新的功率輪廓為選用於各時段。因基材發射率為基材溫度的函數，故當基材發射率於RTP過程改變時，本態樣可更新每一時段的發射率及選擇最佳的照燈功率輪廓。
本方法的優點之一在於，其比純以模型為主之控制演算法需要更少的密集計算，特別是其不需轉換用於決定各照燈群組於特定時段之相對輸出功率的影響矩陣。非但不計算每一照燈群組對各高溫區的影響，反而是依據經驗決定之照燈功率曲線來定比各照燈群組的相對照燈功率，以維持基材溫度的均勻度。
另外，本方法不回應熱處理過程測得之基材上的溫度不均勻度。反而定比各照燈群組間的照燈功率，以於發生溫度不均前補償邊環作用，進而改善整體基材溫度的均勻度。
在另一實施例中，透過直接控制邊環於RTP時的溫度來降低邊環對基材的影響，可改善基材溫度的均勻度。再參照第3及4圖，其顯示在處理室300進行熱處理的過程中，所有光纖探針334為指向基材底部不同的放射位置。藉此可測量及控制基材同心區域的溫度。因已知邊環對基材溫度的均勻度有顯著的影響，故此影響可藉由使邊環溫度更接近基材最外側的高溫區溫度而減少。若增設指向邊環331底部的光纖探針334a，則邊環實質上可如同一附加的高溫區般加以處理。藉由控制此外部高溫區(即邊環)的溫度，可大幅降低邊環對基材的熱影響，即使是邊環的發 射率實質上不同於基材的正面發射率。在一態樣中，當一或多個外部照燈群組對應於光纖探針334a相關的高溫計時，照燈群組可當作邊環專用的加熱源。
在又一實施例中，照燈群組為重新配置成與基材正面發射率有關，以最適當地獨立控制邊環的溫度。若例如由上述方法得知基材的正面發射率，則對應於高溫計的照燈群組可重新配置，以提供邊環相對於基材最外側高溫區的最佳輸入功率。例如參照第4及5圖，就較黑之高發射基材而言，可安排照燈群組，使照燈群組535對應於高溫區405，而照燈群組536-538對應於高溫區406。因邊環作用之故，就高反射基材而言，較佳為重新配置外部照燈群組，使照燈群組535、536對應於高溫區405，而照燈群組537、538對應於高溫區406。
在再一實施例中，至少一照燈群組是由放射狀、非對稱之照燈構成，以處理RTP時基材上非放射狀溫度的不均勻度。基材上最大的溫度不均勻度通常呈放射狀，例如基材邊緣附近可能比基材其他區域冷的環形區域。第14圖為基材1500的平面圖，具有環形區1501、中心點1502與非放射對稱於中心點1502的區域1503。在此實施例中，環形區1501對應基材1500的區域一般比基材1500的其他區域熱或冷。藉由提高或降低此區域相對基材其他區域的輸入功率可有效消除環形區1501的溫度不均勻度。因此，RTP室的照燈群組可排列成如第5及10圖所示的實質同心區域。如此藉由提高或降低對應此照燈群組之區域的輸入 功率，可直接修正如環形區1501之基材環形區域的溫度。
但同心照燈群組不能補償本質非放射狀的溫度不均勻度，例如基材1500之區域1503的溫度不均勻度。反之，一或多個照燈群組可以非同心方式配置，如第15圖所示的照燈蜂巢陣列1600。在一態樣中，非同心的照燈群組可由如放射線狀之照燈群組1601構成。在另一態樣中，非同心的照燈群組可由二或多個分散且一起形成放射線的照燈群組構成，如照燈群組1602與照燈群組1603的組合。在又一態樣中，可採用如照燈群組1604之楔形照燈群組，以對各同心高溫區產生等量的作用。在再一態樣中，非同心的照燈群組可包括照燈群組1605的組合物，其中一或多個照燈群組為如照燈群組1605a構成的放射線狀群組、且一或多個照燈群組為如照燈群組1605b構成的楔形群組。非同心照燈群組的其他配置方式也可採用。
配合上述第15圖之照燈群組配置方式後，當基材1500旋轉時，區域1503可依需求接收比基材1500之其他區域多或少的功率，使區域1503達到基材1500之其他區域的熱平衡狀態。
除了如照燈群組1602與1603的非同心照燈群組外，控制演算法需有效緩和基材上邊對邊(side to side)的溫度不均勻度。控制演算法一般應一致化分配至各照燈群組相應基材旋轉的功率。在一態樣中，上述適應控制演算法可設定如高溫區之基材環形區域的功率。第二”旋轉演算法”接著可用來不對稱劃分基材旋轉過程所需的平均功率，以 減少高溫區中邊對邊的溫度不均勻度。
雖然包含本發明之教示內容的數個較佳實施例已詳細揭露如上，然任何熟習此技藝者做出包含本發明教示內容的多種其他不同實施例。
儘管本發明已以實施例揭露如上，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可獲得其他與進一步的實施例，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧關係曲線
120、121、122、123、124、125‧‧‧時間
130、132、133、134‧‧‧溫度
200‧‧‧程序
201‧‧‧升溫
202‧‧‧穩定期間
203‧‧‧尖峰退火
204‧‧‧降溫
300‧‧‧處理室
310‧‧‧照燈組件
311‧‧‧照燈
312‧‧‧燈管
313‧‧‧蜂巢陣列
314‧‧‧殼蓋
315‧‧‧石英窗
320‧‧‧主體
321‧‧‧開口
322‧‧‧排氣口
330‧‧‧支撐組件
331‧‧‧邊環
332‧‧‧旋轉石英圓柱
333‧‧‧反射板
334、334a‧‧‧探針
337‧‧‧光譜儀
350‧‧‧感測器
400‧‧‧基材
401-406‧‧‧高溫區
411-416‧‧‧高溫位置
500‧‧‧配置
501‧‧‧內徑
502、503‧‧‧外徑
521-526‧‧‧高溫位置
531-538‧‧‧照燈群組
601‧‧‧關係曲線
602、603、604、605‧‧‧時間
606、607、608、609‧‧‧溫度
700‧‧‧適應控制法
701、702、703、704、705、706‧‧‧步驟
800、820‧‧‧函數
801、802、809‧‧‧時間
803、804、806‧‧‧功率
805、807、808‧‧‧區域
811‧‧‧時段
900‧‧‧適應控制法
902‧‧‧步驟
1000‧‧‧配置方式
1031-1038、1041-1043‧‧‧照燈群組
1101、1102、1103、1104、1105、1106‧‧‧步驟
1100‧‧‧程序
1200A、1200B、1200C‧‧‧功率輪廓
1211A-1218A、1211B-1218B、1211C-1218C‧‧‧照燈功率
1226、1230、1232‧‧‧線條
1228‧‧‧光電流
1236、1238、1240、1242、1244、1246、1248、1250‧‧‧步驟
1300‧‧‧程序
1301、1302、1303、1304、1305、1320、1325、1330‧‧‧步驟
1500‧‧‧基材
1501‧‧‧環形區
1502‧‧‧中心點
1503‧‧‧區域
1600‧‧‧蜂巢陣列
1601、1602、1603、1604、1605、1605a、1605b‧‧‧照燈群組
為讓本發明之上述特徵更明顯易懂，可配合參考實施例說明，其部分乃繪示如附圖式。須注意的是，雖然所附圖式揭露本發明特定實施例，但其並非用以限定本發明之精神與範圍，任何熟習此技藝者，當可作各種之更動與潤飾而得等效實施例。
第1圖(先前技術)繪示一快速熱處理範例之時間與溫度關係的理想曲線。
第2圖(先前技術)為典型之快速熱處理程序的流程圖。
第3圖為結合本發明實施例之一RTP室範例的局部透視圖。
第4圖為分成多個高溫區之基材的平面圖。
第5圖為一用於RTP室之照燈以蜂巢陣列配置的平面圖。
第6圖繪示基材之一高溫區於RTP時的時間與溫度關 係曲線，其中輸入功率在整個過程為固定不變。
第7圖為可用於本發明態樣之一適應控制法的流程圖。
第8a圖為白熱燈之輸出功率隨時間變化的曲線圖。
第8b圖為白熱燈之輸出功率隨時間變化的曲線圖，其中照燈輸出功率設定高於目標照燈功率。
第9圖為可用於放入控制法之一簡化適應控制法的流程圖。
第10圖繪示照燈群組的一配置方式，其可用於組合之控制法。
第11圖為本發明之一態樣的流程圖。
第12A-12C圖為含有8個照燈群組之RTP室的功率輪廓。
第12D圖繪示操作ART的溫度分布方式。
第12E圖為利用ART來控制加熱基材的流程圖。
第13圖為利用照燈功率定比法於RTP時來改善基材溫度均勻度的流程圖。
第14圖為具有環形區、中心點與非放射對稱區之基材的平面圖。
第15圖為用於RTP室之照燈群組以非同心配置的平面圖。
為清楚說明，各圖中相同的符號表示相同的元件。
700‧‧‧適應控制法
701‧‧‧測量高溫區溫度
702‧‧‧決定即時加熱速率
703‧‧‧計算升溫速率
704‧‧‧計算高溫區功率
705‧‧‧計算照燈群組功率
706‧‧‧加熱基材

Claims (33)

  1. 一種在一時距(time interval)期間控制位於一處理室中之一基材之溫度的方法，其中該基材包括至少一區域，該方法包含：在該時距前，測量該基材之各區域的溫度；依據各區域於至少一先前時距中的熱行為來計算各區域於該時距的一即時加熱速率；依據該即時加熱速率來決定各區域的一輸入功率，使各區域於該時距終了時達到一預定溫度；以及將用於各區域的該輸入功率施加至各對應的區域。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該基材之溫度低於500℃，且測量各區域之溫度的步驟包含：決定該基材的穿透率；以及利用一高溫計藉由列出穿透該基材的能量來測量各區域之溫度。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中決定該基材之該穿透率的步驟包含使用一光譜儀來決定該基材之至少一區域的穿透率。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中決定該基材之該穿透率的步驟包含： 擷取自至少一區域之背面發射的光線；將由各區域所擷取的光線分裂成一第一光學路徑與一第二光學路徑；引導該第一光學路徑的光線至一第一高溫計，其中該第一高溫計經過濾以偵測一第一頻帶路徑的光線；引導該第二光學路徑的光線至一第二高溫計，其中該第二高溫計經過濾以偵測一第二頻帶路徑的光線，且其中該第二頻帶路徑包括頻率比該第一頻帶路徑大的光線；以及比較該第一高溫計與該第二高溫計所偵測的總能量。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中決定該基材之該穿透率的步驟包含：施加一功率輸入波形到至少一區域，其中該功率輸入波形具有一第一強度；測量一功率波形，該功率波形對應於穿透該至少一區域之能量與從該至少一區域之背面發射之能量的總合，且該功率波形具有一第二強度；以及比較該第一強度與該第二強度。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該基材之溫度低於500℃，且測量各區域之溫度的步驟包含使用近乎室溫高溫法。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中計算各區域之該即時加熱速率的步驟更包含：計算在一第一時距期間由一第一輸入功率所致之該區域的一第一升溫速率；計算在一第二時距期間由一第二輸入功率所致之該區域的一第二升溫速率；假設該區域之該即時加熱速率為一時間的線性函數且與一輸入功率成比例，其中該線性函數包括一固定斜率與一固定截距；以及利用該第一升溫速率、該第二升溫速率、該第一輸入功率和該第二輸入功率來解出一新斜率值與一新截距值。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，更包含：利用一斜率值，該斜率值為該新斜率值與先前斜率值的一加權平均；以及利用一截距值，該截距值為該新截距值與一先前截距值的一加權平均。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該加權平均為一指數的時間加權平均。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該至少一區域包括多個實質同心的區域，各區域實質上由產生一輸出 功率的一對應加熱源來加熱。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，更包含依據各區域之該輸入功率與一影響矩陣(influence matrix)來計算各加熱源之該輸出功率。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該影響矩陣是在該處理室中測定。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中各加熱源為一照燈群組，且其中計算各加熱源之該輸出功率的步驟更包含將一過高功率納入各照燈群組的該輸出功率，以補償照燈暫態回應(transient response)。
  14. 一種於熱處理期間處理一基材的方法，該方法包含：決定該基材於該熱處理期間的一光學特性值；依據該光學特性值選擇一放入控制演算法(binned control algorithm)；以及利用該放入控制演算法控制該基材於該熱處理之一第一階段的溫度。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該光學特性選自由正面發射率、正面反射率、和吸收率所構成之群組。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中決定該光學特性的步驟更包含：測量該基材之一區域的溫度；在一時間增量中，施加一輸入功率至該區域的正面；在該時間增量之後，再次測量該區域的溫度；以及依據該時間增量期間的溫度增加量來推斷該基材之該正面發射率。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之方法，更包含依據該正面發射率來推斷該正面反射率。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之方法，更包含在測量該基材之該區域的溫度之前，維持該基材實質上處於熱平衡狀態。
  19. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中決定該光學特性的步驟更包含：決定該基材的穿透率；利用一高溫計並藉由列出穿透該基材的能量來測量該基材的溫度；以及依據該基材的溫度增加量來推斷該基材之該正面發射率。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之方法，更包含依據該正面發射率來推斷該正面反射率。
  21. 如申請專利範圍第19項所述之方法，其中決定該基材之該穿透率的步驟包含使用一光譜儀來決定該基材之至少一區域的穿透率。
  22. 如申請專利範圍第19項所述之方法，其中決定該基材之該穿透率的步驟包含使用近乎室溫高溫法。
  23. 如申請專利範圍第19項所述之方法，其中決定該基材之該穿透率的步驟包含：擷取自該基材之背面發射的光線；將所擷取之光線分裂成一第一光學路徑與一第二光學路徑；引導該第一光學路徑的光線至一第一高溫計，其中該第一高溫計經過濾以偵測一第一頻帶路徑的光線；引導該第二光學路徑的光線至一第二高溫計，其中該第二高溫計經過濾以偵測一第二頻帶路徑的光線，且其中該第二頻帶路徑包括頻率比該第一頻帶路徑大的光線；以及比較該第一高溫計與該第二高溫計所偵測的總能量。
  24. 如申請專利範圍第19項所述之方法，其中決定該基材之該穿透率的步驟包含：施加一功率輸入波形到該基材，其中該功率輸入波形具有一第一強度；測量一功率波形，該功率波形對應於穿透該基材之能量與從該基材之背面發射之能量的總合，且該功率波形具有一第二強度；以及比較該第一強度與該第二強度。
  25. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該光學特性包含一正面發射率，且決定該光學特性值的步驟包含：利用一封閉迴路控制演算法於該熱處理的一較早階段控制該基材的溫度；以及依據該熱處理之該較早階段期間所展現的功率輪廓來推斷該正面發射率。
  26. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該基材包括至少一區域，且其中該方法更包含：利用一方法於該熱處理之一第二階段控制該基材的溫度，且該方法包含：在一時距前，測量該基材之各區域的溫度，其中該時距發生在該熱處理之該第二階段期間；依據各區域於至少一先前時距時的一熱行為來計算 各區域於該時距時的一即時加熱速率；依據該即時加熱速率來決定各區域的一輸入功率，使各區域於該時距終了時達到一預定溫度；以及施加各區域的該輸入功率至各對應的區域。
  27. 如申請專利範圍第26項所述之方法，其中：該熱處理之該第二階段早於該熱處理之該第一階段；以及決定該基材於該熱處理期間的該光學特性值是在該熱處理之該第二階段期間進行。
  28. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該基材包括至少一區域，且其中該放入控制演算法包含：在一時距之前，測量該基材之各區域的溫度，其中該時距發生在該熱處理期間；依據各區域於至少一先前時距中的一熱行為來計算各區域於該時距的一即時加熱速率；依據該即時加熱速率來決定各區域的一輸入功率，使各區域於該時距終了時達到一預定溫度；以及將用於各區域的該輸入功率施加至各對應的區域。
  29. 如申請專利範圍第28項所述之方法，其中計算各區域之該即時加熱速率的步驟更包含： 計算在一第一時距期間由一第一輸入功率所致之該區域的一第一升溫速率；計算在一第二時距期間由一第二輸入功率所致之該區域的一第二升溫速率；假設該區域之該即時加熱速率為一時間的線性函數且與一輸入功率成比例，其中該線性函數包括一固定斜率與一固定截距；以及利用該第一升溫速率、該第二升溫速率、該第一輸入功率和該第二輸入功率來解出一新斜率值與一新截距值；利用一斜率值，該斜率值為該新斜率值與一第一數量之先前斜率值的一加權平均；以及利用一截距值，該截距值為該新截距值與一第二數量之先前截距值的一加權平均。
  30. 如申請專利範圍第29項所述之方法，其中該第一數量與該第二數量是根據該光學特性值所決定。
  31. 一種在熱處理期間處理位於一處理室內之一基材的方法，其中該處理室包含一第一照燈群組與至少一附加照燈群組，該方法包含：決定該基材於該熱處理期間的一光學特性值；依據該光學特性值選擇一放入控制演算法；以及控制該基材於該熱處理之一階段的溫度，其中控制溫度 的步驟包含：使用開放迴路控制來控制該第一照燈群組的輸出功率；以及使用該放入控制演算法控制該至少一附加照燈群組的輸出功率。
  32. 如申請專利範圍第31項所述之方法，其中該第一照燈群組包含該處理室中所有照燈數量的一半以上。
  33. 如申請專利範圍第31項所述之方法，其中該光學特性選自由正面發射率、正面反射率、和吸收率所構成之群組。
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