TWI442829B - 用來偵測燈是否失效的偵測器 - Google Patents

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Description

用來偵測燈是否失效的偵測器
本發明的實施方式主要關於在諸如矽晶圓的基材上薄膜的熱處理。更具體地，本發明的實施方式關於用於爲所述熱處理產生輻射的燈陣列偵測燈失效所使用的方法和裝置。
快速熱處理(RTP)是一種允許快速加熱和冷卻諸如矽晶圓的基材的熱處理技術。典型的最高處理溫度可從約450℃到約1100℃範圍變化並在晶圓冷卻開始之前應用約15到120秒。採用的特定最高溫度和加熱時間取決於晶圓處理的類型。RTP晶圓處理應用包括退火、摻雜劑活化、快速熱氧化和矽化等等。表現RTP的快速加熱至相對高溫度之後快速冷卻提供更精確的晶圓處理控制。例如，摻雜劑的離子植入後RTP退火允許晶體損傷修復同時使由於較短加熱時間而導致摻雜原子的擴散最小化。晶體損傷可在植入原子從其原始位置移動之前得到修復。採用更長加熱和冷卻迴圈的其他熱處理技術不能實現退化過程中的可比的摻雜擴散控制。
在MOS閘極中使用的氧化物越來越薄的趨勢導致了一些元件應用需要小於100埃的氧化物厚度。所述薄氧化物需要在氧氣氣氛中較快加熱和冷卻晶圓表面來生長所述薄氧化物層。RTP系統可提供該控制級別，並用於快速熱 氧化處理。RTP技術使用允許快速加熱和冷卻的輻射加熱原理。典型地，該輻射通過定位在晶圓表面上方的成陣列放置的諸多燈提供。來自諸多燈的輻射加熱晶圓表面並在幾秒內使其達到處理溫度。由於燈是供電的，因此它們可被快速開啟和斷開。短的加熱時間允許晶圓表面的加熱而基本上不加熱RTP腔室。當燈的電源斷開時，這允許晶圓表面的快速冷卻。快速的加熱和冷卻迴圈還降低製程需要的熱預算。減少的迴圈次數還可用於降低總處理時間並增加晶圓產量。RTP中採用的短的加熱迴圈的結果是在整個晶圓表面上存在的溫度梯度可能不利地影響晶圓處理。因此，在RTP中，在處理期間監控整個晶圓表面的溫度並保證晶圓表面中和之上的溫度均勻性很重要。因此，燈放置和單獨燈的控制和監控很重要從而可控制輻射輸出以有助於保證在整個晶圓表面上的溫度均勻性。
第1圖示出RTP系統10的局部剖面正交視圖。矽碳化物晶圓支撐環24支撐在旋轉石英圓筒22上。晶圓支撐環具有可將晶圓(未示出)放置在其中的袋(pocket)32。燈頭14面向晶圓支撐環。燈頭包括形成面向晶圓的燈陣列的幾百個鎢鹵素燈。用於所述燈的通常額定值是500W到650W的範圍，並且鎢鹵素燈發射較強的紅外光。燈26的燈泡部分42在第3圖中示出。管狀燈泡通常由石英組成，填充有含鹵素氣體，並然後圍繞兩個外部燈絲引線50和52密封。在密封後保持端頭46。包含在密封的燈泡內是螺旋繞線的鎢燈絲44，一端連接至燈絲引線52並且另一端 連接至側臂支架48。最常見形式的燈失效是數個匝數的螺旋燈絲短路。參見第1圖，每個燈容納在密封在晶圓冷卻不銹鋼罩18內的不銹鋼套16中。燈泡延伸過套16和罩18並到前板30中，該前板具有與燈陣列匹配的一排通孔。反射器20嵌入在每個通孔中。薄石英窗口28放置在反射器20的開口端和晶圓上方的腔室空間12之間。
第2圖是前板30的另一視圖，其更清楚示出燈如何排列。在該例子中，燈26是六邊形排列。中心燈26A放置在晶圓旋轉軸34上。將晶圓旋轉使得其可實現更均勻輻射分佈。燈陣列圖形和晶圓旋轉是在整個晶圓表面上產生輻射和溫度更均勻分佈的一種方法。然而，該方法單獨通常不能產生所需的溫度均勻性，並因此通常控制同心排列區中的燈，例如，15個區，從而可調整每個區的燈功率來補償晶圓中心和邊緣的熱效應以產生更均勻的徑向溫度分佈。
由於燈失效或較差性能導致的燈強度的變化可顯著折衷預期的溫度分佈控制並導致不適宜的製程結果。因此，在晶圓處理之前可偵測燈失效或不適宜的燈性能的監控系統對於RTP系統是有益的部件。第4圖是習知技術用於RTP系統的燈失效偵測系統的示意圖。燈通過矽控整流器(silicon controlled rectifier, SCR)驅動器60供電。燈頭包括幾百個鎢鹵素燈，其分爲多個徑向對稱區，並且每個區單獨通過SCR驅動器供電以便可調整對於每個區的燈功率。每個區包含多個燈，並且所述燈可分爲諸多對，且 每一對燈連接至SCR驅動器。每對的兩個燈串聯連接。在本發明的實施例中，所述一對燈由燈L1和L2表示，其包含在功率分配板64中。功率分配板包含燈頭中的所有燈，但由於相同的燈失效偵測電路應用於每一對燈，因此僅示出單獨一對燈。包含燈L1和L2的功率分配板連接至燈失效偵測(LFD)板62。LFD板包括電流變壓器感測器66，其磁性耦合至導線68從而可以測量通過燈L1和L2的電流。導線68可以是印刷電路板線述。感測器連接至比較儀74，其可將測到的電流與預設閥值相比較來確定是否存在失效情況。在該實施例中，如果測得的電流小於閥值，則可偵測到失效情況。該資訊隨後發送到操作者顯示幕，其識別處於失效狀態的特定的一對燈。例如，如果燈L2燈絲斷裂，則所述張開的燈絲情況將產生開路電路並導致無電流經過燈L1和L2。電流感測器將隨後偵測燈失效狀態。
如第4圖所示的燈失效偵測系統具有數個限制。如果其中一個燈絲斷裂，則該系統不能偵測燈L1或L2中的哪個具有開路的燈絲，原因在於，該失效偵測方法測量串聯連接的兩個燈的電流。因此，如果該一對燈指示為失效狀態，則需要偵測兩個燈的失效。另外，給定對的燈通常在燈頭內以一定距離分開放置以使在晶圓處理期間如果其中一個燈失效對輻射均勻性的影響最小。如果僅失效的燈放置在燈陣列內，可節省大量時間，致使減少RTP系統的停機時間。
習知系統的另一局限在於其不能偵測不同類型的燈失 效。由於測到的電流值是兩個燈的組合電阻的結果，因此應用電流測量來偵測兩個串聯燈的失效具有固有局限。如果其中一個燈絲開路，由於當前電流低於閥值，則無電流將觸發失效信號。還可能的情況是燈可能部分短路，其將降低燈電阻並增加通過感測器測得的電流。由於電流將保持高於閥值，這將不會觸發失效信號。部分短路的燈將趨於具有與正常燈的輸出不同的輻射輸出。輻射輸出的變化可不利地影響晶圓處理。在諸如鎢鹵素燈的白熾燈源的情形中，由於螺旋燈絲的數個匝數的短路可發生局部短路，其通常將改變燈輻射輸出並縮短燈壽命。
習知系統的額外局限通過在正常燈工作條件下所示的感測器輸入的電流波形70和感測器輸出的電流波形72看出。電流變壓器66具有電流變化率的最小閥值。如果輸入信號波形具有低於該閥值的變化率，則電流感測器將不工作。這表明電壓和電流波形必須滿足特定要求以使用用於偵測電流的電流變壓器66。該輸入波形70確實滿足所述要求；低頻正弦波形，例如，可能不滿足。另外，由於電流感測器66磁性耦合至導線68，因此感測器易受由靠近RTP系統的雜散磁場產生的任何雜訊影響。所述雜訊可降低電流測量的精確性，並因此降低燈失效偵測系統的精確性。
因此，需要一種用於燈失效偵測的改善的裝置和方法。具有獨立於電壓和電流波形的燈失效偵測系統並可在存在雜散磁場下精確並可靠工作是有益的。另外，具有可 識別哪個燈已經失效，並識別失效的類型，諸如局部短路的失效偵測系統是有益的。更具體地，具有可偵測燈的正常工作特性的任何偏離的失效偵測系統是有益的。所述資訊可用於在晶圓處理期間減少系統停機時間，並有助於防止燈失效。
本發明的方案提供一種燈失效偵測裝置，其用於偵測一燈陣列中的燈失效，該燈陣列用於半導體基材熱處理。該裝置包括：資料獲取(DAQ)模組，其用於在沿由該陣列中一串聯連接的燈組形成的電路的不同採樣位置處採樣電壓信號；以及控制器，其適於基於經過至少兩個燈的電壓降，如由採樣的電壓信號確定的，來偵測一個或多個燈失效。
本發明的另一方案提供一種燈失效偵測系統，其用於偵測一燈陣列中的燈失效，該燈陣列用於半導體基材熱處理。該系統包括：多工器，其用於接受多個類比電壓信號，該些類比電壓信號從沿由該陣列中多組串聯連接的燈組形成的電路的不同位置處所採樣；類比數位(A/D)轉換器，其用於提供對應由多工器輸出的一個或多個類比電壓信號的數位值；以及控制邏輯器，其適於控制多工器來選擇哪個類比電壓信號由多工器輸出以及，對於該陣列中多組串聯連接的燈組，基於經過至少兩個燈的電壓降，如由採樣的電壓信號所確定的，來偵測所述燈組的一個或多個燈中 的失效。
在本發明的另一方案，提供一種用於偵測一燈陣列中的燈失效的方法，該燈陣列用於半導體基材熱處理。該方法包括：在沿由該陣列中一串聯連接的燈組形成的電路的不同採樣位置處，採樣電壓信號；基於所採樣的電壓信號來計算經過至少兩個燈的電壓降；以及基於所述電壓降之間的關係來確定是否存在失效。
以下將描述燈失效偵測系統和相應方法的數個實施方式。該方法使用電壓測量，並具有允許識別哪個燈已經失效，以及失效類型的優點。使用該方法的系統比習知技術系統更簡單、更可靠並更精確。
如第5圖示出燈失效偵測系統的一個實施方式。燈頭典型包含數百個鎢鹵素燈，其劃分爲多個徑向對稱區，並且每個區由SCR驅動器單獨供電從而可調整每個區的燈功率。每個區記憶體在多個燈，並且所述燈一般分為諸多對，每一對燈連接至SCR驅動器。每對的兩個燈串聯連接。
第5圖示出單獨一對燈。雖然僅示出一對燈，多對燈可與同一電源並聯連接，並且相同的失效偵測系統和方法可用於每一對燈，只要使用的電路允許測量經過每一對燈中每個燈的電壓降。返回參照第5圖，兩個燈L1和L2與電源100串聯連接。在該實施例中，電源是AC，但也可以是DC源。在本發明的實施例中，源是AC並可包括任 意適合的電路，諸如矽控整流器(SCR)驅動器。
資料獲取器(data acquisition device, DAQ)108用於在點A、B和C處進行電壓測量。資料獲取器108可包括任意適合的電路諸如多工器(multiplexer, MUX)和類比到數位轉換器(analog-to-digital converter, ADC)。ADC將類比電壓輸入V'A 、V'B 和Vc '轉換爲數位值VA 、VB 和Vc ，該數位值發送給確定經過每個燈的電壓降的控制器110。在該實施例中，經過燈L1的電壓降是VA -Vc =VL ，並且經過每個燈L2的電壓降是Vc -VB =VL2 。控制器將電壓降值VL1 和VL2 應用於一組條件以確定是否任一燈處於失效狀態。可對區中的每一對燈和燈陣列中的每個區重復該過程。
控制器110可包括任意適合的元件，諸如中央處理器(CPU)104、記憶體105、和輔助電路(I/O)106。CPU 104可以是可控制和/或監控燈操作的任意形式的電腦處理器。記憶體105可以是任意類型以便軟體指令和資料可編碼並儲存在記憶體105內，用於通過CPU 104執行。輔助電路106可包括，例如，電源、輸入/輸出電路，類比到數位轉換器等等。
第6A-6F圖示出經過每個燈的電壓降如何用於確定燈是否處於失效狀態，以及失效狀態的類型。V1 和V2 分別表示燈L1和L2的測得的數位電壓降值。在由第6A-6F圖表示的每個電路中，AC電壓V'施加於燈對，並且相應的數位電壓是V。相位A和B表示電源是三相AC，以及 燈對連接經過這兩相的線到線電壓。
第6A-6F圖所示的燈失效偵測方法中，假設燈處於三個狀態中的一種：開路狀態；閉路狀態或正常狀態；或局部短路狀態。開路狀態表示內部燈電路開路並且沒有電流流經燈。在白熾燈的情形下，斷裂的燈絲將導致開路燈狀態。閉路狀態意指內部電路閉合並且電流可在正常燈操作的情形下流經燈。對於局部短路的燈，燈電阻低於其正常值，並且這將導致經過燈的電壓降降低，但電壓降將保持非零。完全短路的燈表示燈電阻降到零，並且經過燈的電壓降也為零的極限情形。然而，完全短路的燈的狀態不包含在該方法的本發明實施方式中，有兩個原因。第一，最常見的燈失效模式是開路或局部短路狀態，而不可能是完全短路的燈。通常，短路的燈具有產生非零和可測電壓降的足夠電阻。第二，如果燈完全短路，兩個串聯的燈的電阻總減小通常將導致對其餘正常燈過載並使其處於開路狀態的電流幅度。因此，對於本發明實施方式，經過燈的零電壓降表明沒有電流流經該燈，而不是燈完全短路。
第6A圖示出燈L1和L2都處於正常工作狀態的情形。經過L1的電壓具有非零值V1 ，以及經過L2的電壓具有非零值V2 。兩個燈的正常工作的條件可表示爲如下：如果VL1 ≠0和VL2 ≠0並且∣VL1 -VL2 ∣α，則L1和L2正常。這裏，α表示用於限定正常燈工作狀態的差分電壓閥值。該閥值一般基於使用的燈的類型和可允許的變化來進行選擇。在快速熱處理(RTP)的情形下，可允許的閥值 可以小於經過每個燈的平均電壓的5%。可選地，如果VL1 ≠0和VL2 ≠0以及∣VL1 -VL2 ∣>α，則L1和L2不在正常工作狀態，並且可確定該一對燈的失效狀態。
在第6B圖中，燈L1在開路狀態並且L2在閉路狀態和正常狀態。該條件將產生所示的電壓測量。由於不再存在允許電流流經燈的完整電路，因此經過L2的電壓將爲零。但由於L2是開路，因此經過L1測得的電壓現在將具有值V，其是正常施加給一對燈的電壓。該條件可表示爲：如果VL1 ≠0和VL2 =0,則L1開路並且L2閉路。燈L1處於失效狀態，並且信號可發送到顯示幕幕以識別g對燈L1和L2中的哪個燈已經失效。注意VL1 =V可用於代替如上如果-則語句中的VL1 ≠0，但VL1 ≠0簡化該語句而不改變L1是開路的結果。另外，如果-則語句可進一步簡化爲：如果VL2 =0，則L1是開路。該語句不表示L2的狀態，但當L1是開路時總是成立。
第6C圖示出燈L2是開路狀態且燈L1是閉路狀態的情形，其與以上所述的情形類似。該條件可表達爲：如果VL1 =0且VL2 ≠0，則L2是開路並且L1是閉路。另外，該如果-則語句可進一步簡化爲：如果VL1 =0，則L2是開路。
在第6D圖中，燈L1和L2都處於開路狀態。在部分實施方式中，諸如第6D圖所示，燈失效偵測系統可設計爲在開路狀態的情形以提供零電壓讀數。在該情形下，當兩個燈都開路時，所示的經過每個燈L1和L2的電壓是零。開路狀態的兩個燈的條件可表達爲：如果VL1 =0且 VL2 =0，則L1和L2是開路。在其他實施方式中，燈失效偵測系統可設計爲指示當兩個燈都是開路時開路電路已經偵測，並且不提供零電壓讀數。
燈對的其他失效狀態是可能的。在第6E圖中，燈L1具有局部內部短路，且燈L2是正常。在該情形下，任一燈L1或L2都不在開路狀態，並且每個燈將具有非零電壓降。可以理解燈L1中的局部短路將降低燈電阻低於正常值，並且這將導致經過燈L1的電壓降的減小。所述觀察表明一個燈中的局部內部短路將增加每個燈的電壓降之間的差，使其超過正常燈操作期望的值。這種狀態可由電壓VL2 和VL1 的差與差分電壓閥值相比較的條件來表示。如果該差超過閥值，則識別燈L1的不適宜的局部短路條件並且存在失效狀態。該條件可表達爲：如果VL1 ≠0和VL2 ≠0,且(VL2 -VL1 )>Δ，則燈L1具有局部短路。差分電壓閥值Δ的選擇將取決於燈強度的允許變化，但可以小於經過應用於RTP的每個燈的平均電壓的8%。另外，如果-則語句可進一步簡化爲：如果(VL2 -VL1 )>Δ，則燈L1局部短路。如果或者VL1 =0或者VL2 =0，則燈是開路並且將偵測失效狀態。
第6F圖示出燈L2局部短路和燈L1正常的情形。這裹適應如前述失效狀態的類似推理。條件可表達爲：如果VL1 ≠0，VL2 ≠0並且(VL1 -VL2 )>Δ，則燈L2局部短路。此處適應以上情形中使用的相同閥值Δ，並且如果-則可進一步簡化爲：如果(VL1 -VL2 )>Δ，則燈L2局部短路。
第7圖是當存在三個串聯燈時燈失效偵測系統的另一實施方式。然而，可以理解本發明實施方式可與三個以上燈使用，只要存在作業系統的燈的足夠電壓源。燈頭包含數百個鎢鹵素燈，其劃分爲幾個徑向對稱區，並且每個區分別通過SCR驅動器供電以便可調整每個區的燈功率。每個區記憶體在多個燈，並且所述燈分爲三個燈的組(在該實施例中)，每個燈組連接至SCR驅動器。每組的三個燈串聯連接。
第7圖示出一個燈組。燈L1、L2和L3與電源154串聯連接。如前述相同，電源是AC，但還可以是DC源。在該實施例中，電源是AC並表示矽控整流器(SCR)驅動器。資料獲取器(DAQ)150連接至所示的電路來進行點A、B、C和D處的電壓測量。ADC將所有串聯的燈的類比電壓輸入VA '、VB '、Vc '和VD '轉換爲數位值VA 、VB 、Vc 和VD 。這些值發送到確定經過每個燈的電壓降的控制器152。在該實施例中，經過燈L1的電壓降是VA -Vc =VL1 ，經過燈L2的電壓降是Vc -VD =VL2 ，並且經過燈L3的電壓降是VD -VB =VL3 。
控制器152將電壓降值VL1 、VL2 和VL3 應用於一組條件來確定燈是否處於失效狀態。對區中的每個燈組和燈陣列的每個區重復該過程。
第8A-8E圖示出經過每個燈的電壓降如何用於確定燈是否處於失效狀態，以及失效狀態的類型。V1 、V2 和V3 分別表示燈L1、L2和L3的測得的數位電壓降。在由第 8A-8E圖表示的每個電路中，AC電壓V'施加於燈組，並且相應的數位電壓是V。相位A和B表示電源是三相AC，以及燈對連接經過這兩相的線到線電壓。如之前對兩個燈情形的描述，並因爲同樣原因，經過燈的零電壓降表示沒有電流流經燈，而不是表示燈完全短路。
第8A圖示出所有燈處於正常工作狀態的情形。經過L1的電壓具有非零電壓V1 ，經過L2的電壓具有非零值V2 ，以及經過L3的電壓具有非零值V3 。所有燈的正常工作的條件可表達爲如下：如果串聯的每個燈具有非零電壓值，以及相鄰燈對之間的電壓差的值小於或等於特定閥值，則所有燈正常。例如，如果∣VL1 -VL2 ∣α和∣VL2 -VL3 ∣α，則燈L1、L2和L3正常。在其他實施方式中，失效偵測方法還可包括不相鄰的燈對之間的電壓差的值。例如，如果∣VL1 -VL3 ∣α，則燈L1和L3正常。如在兩個燈的情形，α表示用於限定正常燈工作狀態的差動分電壓閥值。該閥值通常基於採用的燈的類型和允許變化來進行選擇。在RTP的情形中，允許閥值可以小於經過每個燈的平均電壓的5%。如果兩個串聯的相鄰燈具有非零電壓值，並且該燈對的電壓差的值大於該閥值，則所述燈不在正常工作狀態，並可確定該燈對的失效狀態。例如，如果∣VL1 -VL2 ∣>α，則燈L1和L2不在正常工作狀態並且可確定該燈對的失效狀態。
第8B圖中，燈L2在開路狀態並且其他燈在閉路狀態。開路狀態指示內部燈電路是開路並且沒有電流流經 燈。由於不再存在完整電路允許電流流經燈，因此經過L1和L3的電壓是零。但由於除L2外所有燈閉路，測得經過L2的電壓現在將具有施加給三燈串聯的電壓值V。該條件可推廣至三個或更多串聯的燈，並表達為：如果除具有非零電壓的一個燈外的所有燈電壓是零，則具有非零電壓的燈是開路，具有電壓降V，並且所有其他串聯的燈閉路。開路燈存在失效狀態，並且信號可發送至顯示幕幕以識別串聯的哪個燈已經失效。
第8C圖中，所有燈在開路狀態。如之前所述，對於部分實施方式，DAQ可設計為在開路電路的情形下以提供零電壓讀數，如第8C和8D圖所示。在該情形下，當所有燈都是開路時經過每個燈的電壓都是零，以及只有如果對經過串聯的燈進行測量電壓，才可獲得非零電壓值，在該情形下電壓值是V。在其他實施方式中，燈失效偵測系統可設計爲指示當所有燈是開路時已經偵測開路電路，並不提供零電壓讀數。在第8D圖中，僅兩個燈L1和L2是開路。當由三個或更多燈組成串聯時，並且多與一個燈是開路時，僅應用經過單獨燈的電壓降來確定哪個燈是開路以及哪個燈不是開路存在不充分資訊。在該情形下條件變爲：對於串聯的三個或更多燈，如果經過串聯的每個燈的電壓降是零，則兩個或三個燈在開路狀態。
燈串聯可能有其他失效狀態。第8E圖示出燈L2局部內部短路的情形，並且其他燈正常。在沒有一個燈是開路的該情形下，每個燈將具有非零電壓降。可以理解燈L2 中的局部短路將使燈電阻減少低於其正常值，並且這將導致經過燈L2的電壓降產生降低。所述現象表明一個燈中的局部內部短路將增加每個燈的電壓降之差，使其超過燈正常工作預期的值。該狀態可由電壓VL1 和VL2 的差與閥值比較的條件表示。如果該差大於閥值，則識別燈L2的不適宜局部短路條件並存在失效狀態。該條件可表達爲：如果所有燈電壓是非零，並且(VL1 -VL2 )>Δ，則燈L2局部短路。注意在三個或更多燈的情形下，如果燈L2短路則其他相鄰燈可用於測試。特別地，如果(VL3 -VL2 )>Δ，則燈L2也將識別爲短路。同樣的測量方法可應用於串聯的任意燈來測試該燈是否短路。另外地，如果-則語句可進一步簡化爲：如果(VL1 -VL2 )>Δ，則燈L2局部短路。在其他實施方式中，失效偵測方法還可包括不相鄰的燈對之間的電壓差的值。例如，如果(VL1 -VL3 )>Δ，則燈L3局部短路。如之前所述，閥值Δ的選擇將取決於燈光強的可允許變化，但可能小於經過應用於RTP的每個燈的平均電壓的8%。
第9圖是用於偵測串聯連接的兩個燈的燈失效的電子元件的示意圖。SCR驅動器連接至包含燈頭中的所有燈的功率分配板。在該實施例中，僅示出單獨一對。燈頭中的所有燈分爲徑向對稱區，並且每個區連接至單獨的SCR驅動器以便可對每個區調整功率。每個區分爲數對燈對，並且每對燈連接至失效偵測系統。這裏示出一個所述燈對L1和L2。
功率分配板具有連接至每個燈的任一側上的點的導線以便可在燈的任一側上的點處進行電壓測量。V1 '、V2 '和V3 '分別表示點160、162和164的類比電壓，以及V1 、V2 和V3 表示對應的數位值。每條導線具有約1M歐姆的鎮流電阻器(ballast resistor)。雖然本發明示出約1M歐姆的鎮流電阻器，但可使用其他的電阻值。在該實施方式中，鎮流電阻器包含在功率分配板中，但在其他實施方式中可包含在燈失效偵測(LFD)板中。
燈失效偵測(lamp failure detection, LFD)板包括DAQ模組和控制器模組。控制器使用數位電壓值V1 、V2 和V3 來計算經過每個燈的電壓降。經過L1的電壓降是VL1 =V1 -V3 ，經過L2的電壓降是VL2 =V2 -V3 。然後控制器應用在圖中所示的條件來確定燈是否處於失效狀態。如果燈是開路或具有內部短路，則控制器向用戶介面裝置發送信號，該用戶介面裝置將允許偵測偵測失效狀態並且識別失效燈。在本發明實施方式中，如第9圖所示，燈失效偵測系統設計爲在開電路的情形下來提供零電壓讀數。在其他實施方式中，該系統可僅指示已經偵測了開電路，在該情形如第9圖所示的所有燈開路的條件可能不再相關。
第10A圖是習知技術燈失效偵測裝置的示意圖，以及第10B圖是本發明的實施方式的視圖。比較兩幅圖示出LFD板和功率分配板之間的連接方法的差異。示出了十五個區，並且每個區包含SCR驅動器。雖然在第10B圖示出15個區，在本發明的其他實施方式中可使用不同數量的 區。在習知技術的例子中，每個區和關聯的驅動器連接至燈失效偵測(LFD)板170，並且LFD板連接至功率分配(power distribution, PD)板172。LFD板170到PD板172的連接需要許多不同連接器的對準，這是耗時製程。另外，該結構需要在任意功率可輸送到PD板172和此處的燈之前LFD板170存在。參照第10B圖，本發明實施方式示出不同的連接結構。每個區中的SCR驅動器直接連接至PD板174以便PD板174和此處的燈可在無LFD板176下工作。單個連接器178將允許PD板174和LFD板176連接在一起，極大地簡化了兩個板的連接。另外，由於約1M歐姆的鎮流電阻器，使得通過LFD板176接收的電壓信號將是約5V和約0.1mA。濾波電路180可限制電壓信號到最大值約5V，其可通過LFD板可視。
在第11圖中，更詳細示出本發明的LFD板的實施方式的結構。多引腳連接器將允許LFD板連接至功率分配板。來自每個燈區的每對燈的電壓信號將輸入至多工器(MUX)，其將通過處理器210採樣如經由通信通道196指令的這些信號。ADC將類比信號轉換為將發送給處理器210的數位值。在本發明中，場可編程閘陣列(field programmable gate array, FPGA)用作處理器，但可使用其他處理器。FPGA可計算經過每對燈的各燈的電壓降。FPGA將用燈失效條件預編程，並將應用這些條件來確定燈是否在開路狀態或具有內部短路。DC/DC轉換器198描述為LFD板的零件。24V DC功率輸入200將通過DC到DC轉 換器步進以向LFD元件提供功率。輸入/輸出電路190將允許與FPGA通信連接，如由資料輸入DIN 194和資料輸出DOUT 192表示。
在本發明的前述實施方式中，考慮了兩個或更多串聯的燈。在一些應用中，可期望或必需經過電源僅連接一個燈。例如，如果燈頭中的燈的總數是奇數，但是燈對可用作每個失效偵測電路的基本串聯單元，則單獨燈將不成對。使用經過每個燈的電壓降的失效偵測方法不能用於單獨燈的情形，除非稍微修改偵測電路，或者使用替代方法。以下的燈失效偵測方法處理該單獨燈情形。
第12圖示出燈失效偵測方法如何用於燈不能與一個或多個額外燈串聯放置的情形。兩個燈L1和L2並聯連接至電源，諸如所示的SCR驅動器，其可表示燈頭的多個徑向對稱區的一個區。每個燈單獨連接經過電源。霍爾效應電流感測器於鄰近功率分配板內的每個燈放置。電流輸出信號IL1 和IL2 發送到LFD板和複用器(MUX)，其可採樣信號並將它們發送給ADC以將類比信號轉換爲數位。數位信號可隨後發送給處理器310，諸如場編程柵陣列(FPGA)，其可將如果-則語句應用於電流信號來確定燈L1或L2是否處於失效狀態。如果-則語句可以只是與每個燈的電流信號相比較的閥值電流值β。例如，如果IL1 <β，則燈L1可能存在失效狀態。由於電流輸出信號可能非常弱，所以一個或多個放大器300可包含在LFD板內來增強該信號，並且燈失效如果-則語句可應用於該放大的信號。
本發明的前述實施方式描述了燈失效偵測方法和相關的裝置。該失效偵測方法將一般在晶圓的快速熱處理(RTP)之前應用來有助於確保在開路或短路狀態的任意燈將在晶圓處理前得到偵測以避免不期望的製程結果。然而，爲避免減少RTP系統產量並最小化系統停機時間，在系統工作期間可在不同時間和以不同方式應用失效偵測方法。在一個所述實施方式中，失效偵測裝置可正好在每個RTP腔室的RTP迴圈開始之前只檢查開路燈。僅檢查開路燈將比既檢查開路又檢查短路燈花費更少的時間，而開路燈將一般比僅局部短路的燈對輻射均勻性具有更大的影響。通常可在以最大功率的低百分比例如，諸如最大功率的10-20%處與致能的燈一起執行對開路燈的燈失效偵測方法。該低燈功率的周期還可與晶圓裝載到RTP腔室一致，或在晶圓裝置後不久。
第13圖示出典型的RTP時間與溫度的曲線圖。溫度平穩段410表述被致能但在極低功率設置下的燈，正好在RTP迴圈開始之前。RTP迴圈的開始通過溫度上升段420表示。對開路燈的偵測方法可應用於所述溫度平穩段410，或者在甚低溫度上升期間。燈失效偵測裝置可在充分短的時間間隔內檢查開路狀態的燈頭的每個燈以允許正好在每個RTP腔室的RTP迴圈開始之前應用偵測方法。可能短路的燈的失效偵測可以在較小的頻率間隔下執行，可能每天一次或兩次，以及在對腔室產量不會有影響的時候。在其他實施方式中，燈失效偵測方法可在RTP系統的定期 維護期間執行。
燈失效偵測方法還可基於燈失效資訊來用於調整基材處理的熱處理參數。在一個實施方式中，對短路或開路燈狀態的偵測方法可在基材處理期間對受燈強度的變化最敏感的那些燈區執行，並且應用燈失效信號來進行相應的燈功率調整以補償失效燈的影響。在其他實施方式中，不同燈區的功率可以變化，或者不同製程參數可在基材處理之前、過程中或之後改變以補償失效燈。
L1、L2、L3‧‧‧燈
A、B、C、D‧‧‧點
VA 、VB 、VC 、VD ‧‧‧電壓輸入
10‧‧‧RTP系統
12‧‧‧腔室空間
14‧‧‧燈頭
16‧‧‧不銹鋼套
18‧‧‧不銹鋼罩
20‧‧‧反射器
22‧‧‧旋轉石英圓筒
24‧‧‧晶圓支撐環
26‧‧‧燈
26A‧‧‧中心燈
28‧‧‧薄石英窗口
30‧‧‧前板
32‧‧‧袋(pocket)
34‧‧‧晶圓旋轉軸
42‧‧‧燈泡部分
44‧‧‧燈絲
46‧‧‧端頭
48‧‧‧側臂支架
50‧‧‧燈絲引線
52‧‧‧燈絲引線
60‧‧‧驅動器
62‧‧‧板
64‧‧‧功率分配板
66‧‧‧變壓器感測器
68‧‧‧導線
70‧‧‧感測器輸入
72‧‧‧感測器輸出
74‧‧‧比較儀
100‧‧‧電源
104‧‧‧中央處理器(CPU)
105‧‧‧記憶體
106‧‧‧輔助電路(I/O)
108‧‧‧資料獲取器
110‧‧‧控制器
150‧‧‧資料獲取器
152‧‧‧控制器
154‧‧‧電源
160、162、164‧‧‧點
170、172、174、176‧‧‧板
178‧‧‧單個連接器
180‧‧‧濾波電路
190‧‧‧輸入/輸出電路
192‧‧‧資料輸出
194‧‧‧資料輸入
196‧‧‧通信通道
198‧‧‧DC/DC轉換器
200‧‧‧功率輸入
210‧‧‧處理器
300‧‧‧放大器
310‧‧‧處理器
410‧‧‧溫度平穩段
420‧‧‧溫度上升段
第1圖是熱處理腔室的切面正交視圖；第2圖是燈頭的仰視圖；第3圖說明燈頭中的示例性燈泡；第4圖是習知技術燈失效偵測系統的示意視圖；第5圖是燈失效偵測器的一個實施方式的方框圖；第6A-6F圖是描述燈操作的示意視圖；第6圖是燈失效偵測器的另一實施方式的方框圖；第8A-8E圖是描述燈操作的示意視圖；第9圖是燈失效偵測裝置的一個實施方式的示意圖；第10A圖是習知技術燈失效偵測裝置的示意視圖；第10B圖是燈失效偵測裝置的另一實施方式的示意視圖；第11圖是燈失效偵測器板的實施方式的示意圖；第12圖描述了燈失效偵測系統的另一實施方式；第13圖中，示出快速熱處理(RTP)系統的典型的時間與溫度的曲線圖。
100‧‧‧電源
104‧‧‧中央處理器(CPU)
105‧‧‧記憶體
106‧‧‧輔助電路(I/O)
108‧‧‧資料獲取器
110‧‧‧控制器

Claims (24)

  1. 一種用於偵測一燈陣列中的燈失效的燈失效偵測裝置，該燈陣列用於半導體基材的熱處理，該燈失效偵測裝置包含：一資料獲取(DAQ)模組，該資料獲取模組用於在沿由該陣列中一串聯連接的燈組形成的電路路徑的不同採樣位置處採樣橫跨該等燈之每一者的電壓降；以及一控制器，該控制器適於藉由計算所採樣之至少兩個橫跨該等燈之每一者的電壓降，如由所採樣的電壓信號確定的，來偵測一個或多個所述燈中的失效。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中所述串聯連接的燈組包括兩個以上的燈。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中所述控制器適於基於經過第二個燈的零電壓降來偵測第一個燈的開路條件。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中如果經過所述第一個燈的電壓降小於經過所述第二個燈的電壓降超過一閥值，則所述控制器適於偵測所述第一個燈局部短路。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中所述控制器 適於基於經過一個或多個燈的每一個的零電壓降來偵測多個燈的開路條件。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中所述資料獲取模組為控制器提供所採樣的電壓信號的數位值。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中所述採樣的電壓信號是交流電壓信號。
  8. 一種用於偵測一燈陣列中的燈失效的燈失效偵測系統，該燈陣列用於半導體基材的熱處理，該燈失效偵測系統包含：一多工器，其用於接受多個類比電壓信號，該些類比電壓信號係從沿由該陣列中多組串聯連接的燈組形成的電路的不同位置所採樣；一類比到數位(A/D)轉換器，其用於提供對應由所述多工器輸出的一個或多個類比電壓信號的數位值；以及一控制邏輯器，其適於控制所述多工器以選擇哪個類比電壓信號由所述多工器輸出以及，對於該陣列中多組串聯連接的燈組，基於經過至少兩個燈的電壓降，如由採樣的電壓信號所確定的，來偵測所述燈組的一個或多個燈中的失效。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的系統，其中，所述控制邏輯器實施為一場可編程閘陣列(FPGA)。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的系統，其中，所述控制邏輯器實施為一微控制器。
  11. 如申請專利範圍第8項所述的系統，其中，進一步包括一通信介面，其允許一外部裝置與所述控制邏輯器通信以接收燈失效偵測資料。
  12. 如申請專利範圍第8項所述的系統，其中，所述控制邏輯器適於控制所述多工器，以順序選擇一公共區中多組串聯連接的燈組。
  13. 如申請專利範圍第8項所述的系統，其中，所述多組串聯連接的燈組包括兩個以上的燈。
  14. 如申請專利範圍第8項所述的系統，其中，所述控制器適於基於經過第二個燈的零電壓降來偵測第一個燈的開路條件。
  15. 如申請專利範圍第8項所述的系統，其中，如果經過所述第一燈的電壓降小於經過第二燈的電壓降超過一閥值，則所述控制器適於偵測第一燈局部短路。
  16. 如申請專利範圍第8項所述的系統，其中，所述燈是鎢鹵素燈。
  17. 一種用於偵測一燈陣列中的燈失效的方法，該燈陣列用於半導體基材的熱處理，該方法包含：在沿由該陣列中一串聯連接的燈組形成的電路的不同採樣位置處，採樣橫跨該等燈之每一者的電壓降；計算所採樣之至少兩個橫跨該等燈之每一者的電壓降；以及基於所述電壓降之間的關係來確定是否存在失效。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的方法，其中，所述串聯連接的燈組包括兩個以上的燈。
  19. 如申請專利範圍第17項所述的方法，其中，基於所述電壓降之間的關係來確定是否存在失效的步驟至少包含：基於經過第二燈的零電壓降來確定存在第一燈的開路條件；以及如果經過所述第一燈的電壓降小於經過第二燈的電壓降超過一閥值，則確定存在第一燈的局部短路。
  20. 如申請專利範圍第17項所述的方法，其中，多組串 聯連接的燈組中，電壓降值用於識別哪個燈組具有燈失效。
  21. 如申請專利範圍第17項所述的方法，其中，所述串聯連接的燈組的電壓降之間的關係用於識別該組的一個或多個燈中哪個發生了失效。
  22. 如申請專利範圍第17項所述的方法，其中，包括在半導體基材熱處理系統的定期維護期間執行採樣、計算和確定。
  23. 如申請專利範圍第17項所述的方法，其中，包括在半導體基材熱處理系統之前或期間執行採樣、計算和確定。
  24. 如申請專利範圍第23項所述的方法，其中，進一步包括基於燈失效資訊來調整處理參數。
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