TWI469240B - 用於基材製程之高溫測定 - Google Patents
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Description
本申請案大體而言係關於半導體處理設備，且特定言之，係關於在相對低溫下用光學技術量測底座(pedestal)及基座(susceptor)之溫度。
半導體處理設備用於薄膜及塗層之沉積、圖案化及處理中。習知基材處理腔室提供底座或支撐基材(以供處理)之某一等效方式。可藉由用電阻性構件加熱底座或藉由使用加熱燈以加熱底座及基材，而將熱提供至基材。燈通常位於處理腔室之外部。允許光穿過由高光學透射性材料(諸如石英)製成之視埠(viewport)或圓頂。石英亦歸因於低熱膨脹係數及高熔融溫度而具有吸引力。
高溫製程經常使用石英圓頂及外部燈以將基材之溫度快速升高至處理溫度。使用此等架構之製程及相關聯處理腔室的說明性實例為磊晶膜成長(經常稱作EPI)及快速熱處理(RTP)。底座在使用燈用於加熱之製程中經常稱作基座。在此等製程以及其他製程中經處理之膜特性(例如，膜厚度、密度、摻質密度等)可對基材溫度敏感。
確定溫度之傳統方法涉及安裝於處理腔室內部之各位置中的熱電偶。使用熱電偶之困難包括部分地歸因於熱電偶接點之劣化或位置變化而產生的溫度量測之漂移。可藉由經由頂部石英圓頂而將高溫計瞄準基材(通常自上方)來監視基材溫度。量測基材溫度之另一方法包括經由形成處理腔室之下側的底部石英圓頂而將高溫計瞄準基座之下側處。可在查找表中或使用相關因數(correlation factor)或其他計算使基材之溫度與基座之溫度相關。
傳統高溫製程涉及在650℃至1150℃之範圍中的基材溫度。涉及在300℃至650℃之範圍中之基材溫度的一些製程被使用且正在開發中。一種此沉積製程涉及在矽基材上形成碳化矽層。歸因於自基材或基座發出之極少量的光，在此等較低溫度下使用高溫計係困難的。來自腔室之其他區域的背景光或甚至源自於加熱燈之反射光可產生不良基材溫度判讀。
因此，需要一種用於甚至在低溫下亦可靠且快速地量測基材溫度之系統及方法。
所揭示之實施例係關於一種用於藉由光學高溫測定而精確且可再現地量測基材及底座(例如，基座)溫度之系統及方法。藉由此等系統及方法使低溫量測變得可能。
一種基材處理系統包括：一處理腔室；一基材，其位於該處理腔室內(可能位於一底座或基座上)；及一光學高溫測定組件，其耦接至該處理腔室以量測一實質上源自於該基材之一部分(諸如頂部或邊緣)或底座之一部分(諸如底部或邊緣)的發射光。該光學高溫測定組件更包括一光接收器及一光學偵測器。該光接收器可位於該處理腔室內。該光學高溫測定組件接收該發射光之一部分，且該基座、底座或基材之一溫度係由該發射光之該部分在至少一個波長附近之一強度而確定。一種在製程期間量測一基材之一溫度的方法包括：在一基材或一支撐該基材之底座附近安置一光管；使該光管之末端屏蔽雜散光，以使得該光管之該末端主要接收來自該底座之邊緣的光；用氣體淨化該光管之該末端，以減少該光管之該末端的污染；偵測自該基材或底座發射且由該光管接收之光的一部分；及該基材之一溫度係根據來自該基材或底座之該發射光的該部分在至少一個波長附近的強度而確定。如本文中所使用，雜散光意謂源自於除了基材或底座以外之來源的光。應注意，例如光可來自，但並非源自於底座。此情形可在源自於加熱燈之光反射出底座之情況下發生。
本發明之可應用性的其他領域將自下文所提供之詳細描述變得顯而易見。應瞭解，在指示各種實施例時，詳細描述及特定實例意欲僅達成說明之目的且並不意欲必然地限制本發明之範疇。
可藉由參考下文呈現之說明書及圖式之其餘部分來實現對本發明之性質及優勢的進一步理解。將諸圖併入本發明之詳細描述部分中。
本文中所揭示之實施例之態樣用以藉由改良基材處理系統中之基材溫度之確定的精確度及可重複性來改良基材處理系統之效能。在本文中藉由使用光學高溫測定(pyrometry)來確定基材溫度。所揭示實施例藉由減少擊中光學偵測器之雜散光(stray light)且管理光所源自於之材料的發射率來改良基材之溫度判讀。
在本文中經常描述特別與高溫基材處理系統相關的所揭示實施例之性質，該等高溫基材處理系統傳統上已歸因於在高溫下來自基材及底座之大量發射光而大量使用高溫測定。然而，現使用中之其他處理設備及尚未開發之彼等處理設備亦可受益於所揭示實施例之態樣。彼等態樣使得能夠在比傳統系統中低之溫度下使用高溫測定。
將示範性製程及相關聯處理腔室用作揭示本文中實施例之手段。示範性製程為磊晶膜成長(亦稱作EPI)且EPI處理腔室通常使用完全位於處理腔室外部之高溫計。高溫計經常位於基材上方且有時位於基材下方(朝基座向上看)。兩個位置皆依賴於在光已通過石英(經常以石英圓頂之形式)之後自基材及/或基座接收光之高溫計。
高溫測定之精確量測通常需要瞭解物件(基材、基座等)在未知溫度下之發射率。遺憾地，發射率通常取決於溫度、表面條件、摻質密度及許多其他變數。在虛擬黑體及灰體之外部，發射率亦隨波長而變化。隨溫度而改變之發射率變化最令人煩擾，因為溫度係未知的。較佳在發射率相對於溫度發生較小變化之情況下對物件執行高溫測定。較高發射率表面亦使能夠獲得高溫測定之更為精確的量測。
視表面條件及摻質類型及含量而定，矽基材可在低基材溫度下具有低發射率且具有發射率對波長之強依賴性。對於超過約250℃之溫度而言，矽之發射率在942nm處係均一地高，然而，在250℃至600℃下，發射率可在1.55μm及3.3μm處變化一量值級(order of magnitude)，此使在兩個較長波長處之精確判讀變得困難。自基材進行高溫測定之量測的替代方法為對基座(或通常稱為底座)執行高溫測定。
在EPI及其他製程中，在低於1μm之波長處自矽進行高溫測定之量測可避免歸因於隨基材溫度之發射率變化產生的問題，而可替換涉及對源自於加熱燈之背景光信號增加的敏感性的問題。燈歸因於其顯著較高的溫度，而產生比基材更多的照度(illumination)。900℃之基材可由燈在2100℃下加熱，且400℃之基材對應於1800℃下之加熱燈。對於942nm輻射，由燈在2100℃下發射之強度比由基材在900℃下發射之強度高約兩個量值級。然而，由燈在1800℃下發射之強度比由基材在400℃下發射之強度高約六個量值級。在較長波長處，此效應減小。對於3.3μm輻射，由燈在2100℃下發射之強度比由黑體在900℃下發射之強度高約一個量值級，而由燈在1800℃下發射之強度比由黑體在900℃下發射之強度高約兩個量值級。
尤其對於較短波長，來自燈之背景輻射可顯著地影響高溫測定之量測。所揭示實施例使光學高溫測定能夠用於燈輻射與基材輻射之高強度比率。此等所揭示實施例對於低基材溫度及較短波長尤其有益。
第1圖為根據所揭示實施例之光學高溫測定的組件之橫截面圖。在第1圖中所示為支撐於自鞘支撐體110延伸之鞘105內部之光管100。套圈(ferrule)115可對光管100進行實體密封。光管100可在處理腔室外部延伸(至圖中左側)。或者，光管100可如圖所示端接於套圈115附近，且光可在離開光管100後得以偵測。亦顯示可用以促進連接高溫計感測器之耦接器120。鞘105可由耐受處理溫度之材料製成。鞘可由耐火及/或光學吸收材料(諸如碳化矽、塗佈碳化矽之石墨、氮化矽及氮化鋁)製成。在所揭示實施例中，光管可為藍寶石棒(sapphire rod)、塗佈有反射材料之藍寶石棒或具有纖芯及整合包層之纖維光纜。
為了保護延伸至處理區域中(至圖中右側)之光管100之末端不受製程條件影響，淨化氣體(purge gas)可流過淨化連接件125。淨化氣體可含有對處理腔室中之製程具有很小或無影響的一種或多種氣體。在實施例中，該氣體可含有氫氣、氮氣及/或氬氣。淨化氣體之流動速率係足夠高以抑制光管之接收端的沉積或蝕刻，但足夠低以避免需要過度之抽氣速度，且可處於約200標準立方公分/分鐘(sccm)與8標準公升/分鐘(slm)之間。在不同所揭示實施例中，鞘可為諸如碳化矽、氮化矽之光學吸收性陶瓷材料或諸如氧化鋁之其他陶瓷。由較不易脆之材料(諸如不銹鋼)製成之第二鞘可圍繞光學吸收性鞘，以提供支撐且保護而不受損壞或破裂。該第二鞘可沿鞘之長度部分地延伸以維持該第二鞘與處理腔室之處理區域之間的距離。維持此距離在金屬第二鞘之狀況下係有益的，因為部分製程會受到金屬污染不利地影響。
第2圖為安裝於基材處理系統200上之光學高溫測定之組件的立體視圖。連同鞘支撐體205而一同示出基材處理系統200。鞘支撐體205支撐光學吸收性鞘215，該光學吸收性鞘215延伸穿過在預熱環220中製得之孔或槽。光管未示於第2圖中，但其位於光學吸收性鞘215之內部。舉例而言，在一實施例中，光管100可設置於光學吸收性鞘215之內部。在此視圖中，所示之該光學高溫測定的組件係瞄準基座225之邊緣，但其亦可瞄準基材(未圖示)。該組件亦可瞄準基材之頂部、底座之底部或基材或底座之任何其他可到達部分。
第3A圖至第3E圖為更詳細顯示之高溫計組件的橫截面圖。第3A圖顯示位於鞘305內部之光管310。在實施例中，鞘305可僅在用於高溫測定之量測的光學波長附近為部分地吸收。鞘305由鞘支撐體300支撐。在此實施例中，光接收器320-1為光管之朝基材315延伸之末端。藉由在基材315附近定位光接收器320-1，光管310自除了基材315以外之來源(例如，加熱燈)接收之光的量減少。在第3B圖至第3E圖中顯示之所揭示實施例的其餘者中達成進一步減少。第3B圖顯示相對於鞘305收縮以使得光接收器320-2定位於鞘305之內部的光管310。可使鞘305光學地吸收以使得來自除了基材315以外之來源的光較不可能進入光管310。鞘305之末端與基材315之間的間距及光接收器320與基材315之間的間距可變化以調整來自基材315之光的收集效率且促使對來自其他來源之光的拒斥。
第3C圖顯示光學高溫測定的組件之另一實施例。在此所揭示實施例中，透鏡325用以對於源自基材315之邊緣區域的光而增加光管310之收集效率。該透鏡亦可減少進入光管310之雜散光(來自除了基材315以外之來源)的量。在此狀況下，光接收器為透鏡320-3之前界面而非光管310之表面。透鏡325可藉由對鞘305進行之實體連接而得以支撐，但透鏡325可替代地或組合地藉由至光管310之實體連接得以支撐。對於可影響光管310或透鏡325之收集效率的製程，淨化氣體可在光管310及透鏡325周圍流動，以保護表面免於化學反應或沉積。在實施例中，透鏡325可如圖所示小於鞘305之內徑，或可製得較大甚至觸及鞘305之內徑。對於較大透鏡325，可在透鏡中製作孔洞或凹口以允許淨化氣體流動。
第3D圖顯示光學高溫測定的組件之另一實施例。在此所揭示實施例中，電饋通(electrical feed-through)經過電連接335進入處理腔室中而至光學感測器330。電連接335可包括電源供應器及用於輸出偵測光之強度之指示的信號線。光學感測器330可包括用以選擇一或多個波長或波長範圍以用於計算基材315之溫度的一或多個濾波器。透鏡325係顯示於基材315與光學感測器330之間的路徑中。透鏡325可用以增加光學感測器330之收集效率。再次，光接收器為透鏡320-4之前界面且並非光學感測器330之表面。光學感測器330及透鏡325可經製造而具有比鞘305之內徑小的外徑。在另一所揭示實施例中，光學感測器330及透鏡325可具有與鞘305之內徑類似的外徑。當任一光學元件之外徑類似於鞘之內徑時，凹口或孔洞可形成於該元件中，以允許淨化氣體自圖中左側流動至右側。第3E圖顯示不具有透鏡之相關實施例。雜散光仍可由鞘305抑制，在鞘305由光學吸收性材料製成時尤其如此。在此狀況下，光接收器為光學感測器330之前表面320-5。
歸因於發射率之溫度依賴性及發射率比1(unity)小得多之可能性，故在比大約1μm高之波長處的矽基材高溫測定係有問題的。發射率之溫度依賴性會對由輕微摻雜之矽所得之量測造成影響，從而使EPI腔室中共同基材之高溫測定的量測不可靠及/或不可再現。自基材進行量測之替代方法為使高溫測定組件瞄準在支撐矽基材之基座側。所揭示之高溫測定組件可用以量測基座溫度以及其他基材底座之溫度。基座經常由具有較有利光學性質之材料製成。碳化矽及塗佈碳化矽之石墨經常用以製造基座。碳化矽之發射率比矽更接近於1且較少受溫度影響。事實上，對於在0.8μm至6μm之範圍中的光學波長，碳化矽相當接近於灰體。使高溫計瞄準在碳化矽樣品處使得能夠使用較高波長用於高溫測定。
參考第3圖論述在較高波長處執行高溫測定之益處。該益處為源自於加熱燈之光強度與在顯著較低溫度下源自於熱監視樣品之光強度之比率的減小。其他益處係由將光接收器定位於處理腔室內部之所揭示實施例而可獲得。加熱燈定位於由石英圓頂與腔室體積隔離之頂部及底部上。石英圓頂幾乎對超過約4.5μm之光不透明，且因此可在光接收器位於處理腔室內部時用作在此等長波長處進行之高溫測定之量測的濾波器。第4圖為不同類型之石英之透射率的曲線圖。熔融石英係較為普遍地用於EPI處理腔室中，且顯示熔融石英之透射率曲線410。水平軸405為以微米(μm)為單位之光學波長，且垂直軸400為透射光穿過10mm材料之百分比。監視大於3.0μm或大於4.0μm之波長使光自加熱燈至處理腔室中之透射分別減少至少約10%或約50%。在例如4.5μm處執行光學高溫測定提供甚至更大之益處，因為在4.5μm附近之雜散燈輻射可被抑制約10倍，且可視為石英圓頂所選擇之厚度而在超過4.8μm處幾乎被消除。亦顯示在較長波長之外保持透明之合成石英的透射率曲線415。可在高於5.0μm之波長處執行光學高溫測定，以提供使用合成石英之類似益處。
可藉由對於提供在光接收器附近之雜散光具有最小屏蔽或不屏蔽的情況下，偵測來自基座或基材自身之光，而可確定基材之溫度。直接自基材執行高溫測定之一情況為在基材由除了基座以外之構件支撐時。對於在約650℃與1300℃之間的溫度，可使用具有大於3μm之波長的發射光學輻射對基座或基材執行高溫測定。對於此等量測，光接收器可位於基材處理腔室之內部或外部。對於甚至更大之波長(例如，大於4μm或4.5μm)，光接收器可置放於基材處理腔室之內部，且足夠的屏蔽可由石英圓頂或視埠之光學吸收而提供。對於所有波長，光接收器之數值孔徑(numerical aperture)可經減小以提供對不是由基材或基座而熱產生的光之屏蔽。該數值孔徑在不同實施例中可小於0.1、0.05或0.025。可組合或替代由石英提供之吸收性屏蔽及由鞘提供之任何屏蔽來使用低數值孔徑。
對於在約300℃與650℃之間的溫度，低波長(在實施例中小於約1μm或1.2μm)可在自矽基材執行高溫測定時為期望的，以維持足夠高的發射率。在此等條件下，由於來自加熱燈之大量光及石英對光之低吸收，屏蔽提供較大值。屏蔽可由延伸超出光接收器之範圍的鞘提供。單獨或與鞘組合，光接收器之數值孔徑亦可經減小以提供屏蔽。該數值孔徑在不同實施例中可小於0.1、0.05或0.025。在約2μm至4μm之範圍中的波長可用於在基材處理腔室之內部或外部的高溫測定，其中光屏蔽比以具有接近1μm之波長之光學輻射使用的光屏蔽小。
儘管碳化矽之發射率比矽基材對溫度及波長更加不敏感，但有動力堅持解決剩餘的依賴性。不管用以形成基座之材料而控制發射率之一方式為在執行光學高溫測定所在之區域中製造高內表面區域幾何特徵結構。第5圖為高溫計組件500及沿邊緣具有幾何特徵結構510之基座505的示意圖。執行由小於1發射率之材料形成之幾何特徵結構的高溫測定之量測的光學高溫計比由相同材料製成之無特徵結構物件而能偵測更多光。隨著特徵結構之總內部區域相對於跨越光學入口之區域增加，所察覺到之發射率朝1增加而不管用以形成幾何特徵結構之材料。
對於製造出具有比孔洞之半徑大之內部半徑的形狀係造成挑戰且增加成本。在基座中製造具有高的總內部區域但具有跨越光學入口之相對小區域之幾何特徵結構之一方式為在基座中鑽深孔。在由塗佈碳化矽之石墨、碳化矽、氮化矽、氮化鋁及其他高發射性、光學吸收性陶瓷材料製成之基座中形成深孔會產生具有由石墨之發射率表徵之內表面的圓柱體。對於在0.8μm與6μm之間的波長，石墨之發射率非常接近於1，所以黑體特徵結構甚至對於相對淺的孔亦具有高發射率。因為光學高溫測定組件自較高發射率之區域收集光，所以來自基座之邊緣的光學信號呈現具有較高強度之區域。在峰值(或其統計表示)處或附近之信號可用作基座之溫度的指示。
或者，可在基座之圓周的周圍機械加工出溝槽，在此狀況下，來自高溫計之信號更一貫地指示基座之溫度。溝槽將允許較高速度或更精確監視基座之溫度，因為有用資料不受限於使孔與高溫計光接收器對準之旋轉位置。溝槽經常較容易整合至基座製造處理流程中，從而進一步減小成本。
為了更佳地理解及瞭解所揭示實施例，現參考第6圖，其為在階梯形(step-like)升溫期間獲取之基座之不同溫度量測的曲線圖。在光收集路徑中用具有透鏡(NA 0.05)之光管獲取四個資料序列中之三者。光接收器(透鏡之基座側)距基座之邊緣0.1英吋。鞘延伸更接近於基座；間隔為0.075英吋。該鞘由具有0.050英吋之內徑及0.118英吋之外徑的碳化矽製成。光管具有0.032英吋之外徑。用安裝於觸及基座之邊緣之預熱環內部的熱電偶量計(gauge)來獲取四個資料序列中之一者。
表示用熱電偶量計進行溫度量測之曲線用虛線610予以表示且可能並非為基座(或基材)溫度之理想指示。然而，熱電偶量測可用以獲悉在不同波長處操作高溫測定組件之適用性。水平軸605為以秒為單位之時間，且垂直軸600為各種方法之以攝氏度為單位之溫度讀數。將表示用在0.942μm處操作之高溫計進行溫度量測的曲線顯示為長虛線615。在單獨獲取中，於兩個其他波長處搜集資料。將表示用在1.550μm處操作之高溫計進行溫度量測的曲線顯示為短虛線620。將表示用在2.300μm處操作之高溫計進行溫度量測的另一曲線顯示為實線625。在220秒處，關閉加熱燈。來自0.942μm高溫計之讀數615比其他讀數反應更為快速，且此快速性與具有同基座之質量類似之質量的物件之冷卻不一致。在此特定組態中，在0.942μm處操作之高溫計看似偵測來自燈之光。一貫地，在460秒、580秒、730秒、880秒及1040秒處加熱燈輻射之間斷增加情形係引起0.942μm高溫計信號之相同快速增加。此係證實了在高溫計感測器上加熱燈照明之偵測。
與0.942μm處高溫計量測相比，在1.550μm處之高溫計量測620並不展現急劇下降(接近220秒)或上升(包括1040秒及880秒之若干位置)。然而，在1.550μm處之高溫計量測620與熱電偶量測610(應注意，460秒與780秒之間的區域)顯著不同。此時間區域與400℃與650℃之間的基座溫度相關。1.550μm高溫計量測620與熱電偶量測610之顯著偏差指出在400℃與650℃之間來自加熱燈之光強度與來自基座之強度的比率仍過高，從而使由鞘提供之保護不充分。該比率變得更有助於較高波長之高溫測定。在2.300μm處之高溫計量測625貫穿400℃與650℃之間的溫度範圍緊密地追蹤熱電偶量測610。熱電偶量計可能歸因於熱負載及量計之位置(稍微遠離基座)而低估基座之溫度。此等區別可闡釋在2.300μm處之高溫計量測625與熱電偶量測610之間存在的差異。
在本文中，術語「光」、「光學」及「光學器件」之使用並不意味所涉及之電磁輻射必須來自光譜之可見部分。該光可具有任何波長。
第7圖至第8圖顯示根據本發明之實施例之基材處理系統的實例。在第7圖中所顯示之處理裝置710為沉積反應器且包括具有上部圓頂714、下部圓頂716及位於上部圓頂714與下部圓頂716之間的側壁718之沉積腔室712。冷卻流體(未圖示)可循環通過側壁718，以冷卻用以對側壁718而密封圓頂714及716之O形環。上部襯墊782及下部襯墊784經安裝抵靠側壁718之內表面。上部圓頂714及下部圓頂716由透明材料製成以允許加熱光通過而進入沉積腔室712中。
在腔室712內為用於在水平位置中支撐晶圓之平坦的圓形底座720。底座720可為基座或其他晶圓支撐結構且橫向延伸跨越側壁718處之腔室712以將腔室712區分成底座720上方之上部部分722及底座720下方之下部部分724。底座720安裝於自底座720之底部中心向下垂直延伸之軸桿726上。軸桿726連接至使軸桿726旋轉且藉此使底座720旋轉之馬達(未圖示)。環形預熱環728在其外周邊處連接至下部襯墊784之內周邊，且在底座720周圍延伸。預熱環728佔用幾乎與底座720相同之平面，其中預熱環728之內部邊緣與底座720之外部邊緣隔開一間隙。
入口歧管730定位於腔室712之側壁718中，且適以自氣體源(諸如貯槽741a-741c)導入氣體至腔室712中。來自貯槽741a-741c之氣體的流動較佳藉由手控閥及電腦控制流量控制器742a-742c獨立控制。出口埠732定位於腔室712之一側，而該側與入口歧管730直徑上為對置的，且出口埠732係適以自沉積腔室712排出氣體。
複數個高強度燈734安裝於腔室712周圍，且指引其光穿過上部圓頂714及下部圓頂716而至底座720(及預熱環728)上，以加熱底座720(及預熱環728)。底座720及預熱環728由諸如對自燈734發射之輻射不透明的塗佈有碳化矽之石墨的材料製成，以使得其可由來自燈734之輻射加熱。上部圓頂714及下部圓頂716由對來自燈734之光為透明的材料(諸如透明石英；clear quartz)製成。上部圓頂714及下部圓頂716通常由石英製成，因為石英對可見頻率與IR頻率之光為透明。石英展現相對高的結構強度，且在沉積腔室712之製程環境中保持化學穩定。儘管燈為用於加熱沉積腔室712中之晶圓之較佳工具，但可使用其他方法，諸如電阻加熱器及RF電感性加熱器。紅外線溫度感測器736(諸如高溫計)安裝於下部圓頂716下方，且經由下部圓頂716而面向底座720之底表面。溫度感測器736用以藉由接收自底座720發射之紅外線輻射而監視底座720之溫度。用於量測晶圓之溫度的溫度感測器737亦可存在於一些所揭示實施例中。
上部夾環748在上部圓頂714之外表面之周邊周圍延伸。下部夾環750在下部圓頂716之外表面之周邊周圍延伸。將上部夾環748與下部夾環750緊固在一起以將上部圓頂714及下部圓頂716夾持至側壁718。
反應器710包括用於將處理氣體饋送至腔室712中之氣體入口歧管730。氣體入口歧管730包括連接器蓋738、隔板774、定位於側壁718內之插入板779及形成於上部襯墊782與下部襯墊784之間的通道760。通道760連接至腔室712之上部部分722。來自氣體蓋738之處理氣體通過隔板774、插入板779及通道760且進入腔室712之上部部分722中。
反應器710亦包括用於將惰性淨化氣體(例如但不限於為氫氣(H2
)及氮氣(N2
))饋送至沉積腔室712之下部部分724中的獨立惰性氣體入口761。如第7圖中所示，若較佳，則可將惰性淨化氣體入口761整合至氣體入口歧管730中，只要為惰性氣體提供穿過隔板774、插入板779及下部襯墊784之實體上分離且相異的通道761，以使得惰性淨化氣體可獨立於處理氣體加以控制及導引即可。惰性淨化氣體入口761無需必要地與氣體入口歧管730整合或與之定位於一起，且可例如以與沉積氣體入口歧管730成90°之角度定位於反應器710上。
反應器710亦包括氣體出口732。氣體出口732包括自上部腔室部分722延伸至側壁718之外徑的排氣通道790。排氣通道790包括形成於上部襯墊782與下部襯墊784之間且在上部腔室部分722與側壁718之內徑之間延伸的上部通道792。另外，排氣通道790包括形成於定位在側壁718內部之插入板779內的排氣溝道794。用於自腔室712移除材料之真空源(例如：幫浦，圖中未示)藉由出口管733於側壁718之外部上耦接至排氣溝道794。因此，饋送至上部腔室部分722中之處理氣體經由上部通道792、經由排氣溝道794得以排出且進入出口管733中。
第7圖中所示之單晶圓反應器為「冷壁」反應器。亦即，在處理期間，側壁718以及上部與下部襯墊782、784分別比預熱環728及底座720(及置放於其上之晶圓)處於實質上較低之溫度。舉例而言，在將磊晶矽膜沉積於晶圓上之製程中，將底座及晶圓加熱至550-1200℃之間的溫度，而側壁(及襯墊)處於約400-600℃之溫度。因為側壁及襯墊歸因於反射體735而不接收來自燈734之直接照射，且因為冷卻流體循環穿過側壁718，所以側壁及襯墊處於較冷溫度。
氣體出口732亦包括經由下部襯墊784而自下部腔室部分724延伸至排氣通道790之通風口(vent)796。通風口796較佳與排氣通道790之上部通道792相交(如第7圖中所示)。惰性淨化氣體經由通風口796、經由上部腔室通道792之一部分、經由排氣溝道794而自下部腔室部分724排出且進入出口管733中。通風口796允許將淨化氣體自下部腔室部分直接排出至排氣通道790。
根據本發明，將處理氣體798自氣體入口歧管730饋送至上部腔室部分722中。根據本發明，將處理氣體定義為用以移除、處理或沉積置放於腔室712中之晶圓或基材上的膜之氣體或氣體混合物。根據本發明，包含HCl及惰性氣體(諸如H2
)之處理氣體用以藉由移除及使矽表面平滑來處理矽表面。在本發明之實施例中，處理氣體用以在已處理矽表面之後，在置放於底座720上之晶圓之矽表面上沉積矽磊晶層。處理氣體798通常包括矽源，諸如(但不限於)單矽烷、三氯矽烷、二氯矽烷，及四氯矽烷、甲基矽烷；及摻質氣源，諸如(但不限於)膦、二硼烷、鍺烷及胂及其他，以及其他處理氣體(諸如氧氣、甲烷、氨等)。載氣(諸如H2
)通常包括在沉積氣流中。對於具有約5公升之體積的處理腔室，通常將在35-75slm之間的沉積處理氣流(包括載氣)饋送至上部腔室部分722中，以在晶圓上沉積矽層。處理氣體798之流動基本上為自入口通道760越過預熱環728，越過底座720(及晶圓)，越過預熱環728之相對側且穿出排氣通道790之層流(laminar flow)。處理氣體藉由預熱環728、底座720及經處理之晶圓而加熱至沉積或處理溫度。在將磊晶矽層沉積於晶圓上之製程中，將底座720及預熱環728加熱至800℃-1200℃之間的溫度。可在低至550℃之溫度下藉由使用減小之沉積壓力而使用矽烷形成矽磊晶膜。
另外，當將處理氣體饋送至上部腔室部分中時，將惰性淨化氣體799獨立地饋送至下部腔室部分724中。將惰性淨化氣體定義為在處理溫度下實質上不起反應之氣體，其中將腔室特徵結構及晶圓置放於沉積腔室712中。當在腔室712中時，該惰性淨化氣體由預熱環728及底座720加熱至與處理氣體基本上相同之溫度。在相對於上部腔室部分722中之處理氣體壓力而在下部腔室部分724內形成正壓力之速率下，將惰性淨化氣體799饋送至下部腔室部分724中。因此，可防止處理氣體798向下滲出且進入下部腔室部分724中，及在底座720之背側上沉積。
第8圖顯示將氣體供應至處理腔室之上部區域之氣體入口歧管730的一部分。將第8圖之插入板779顯示為由內部區域828及外部區域830構成。根據本發明之此實施例，流入內部區域828中之處理氣體之組成可獨立於流入外部區域830中之氣體之組成加以控制。另外，可彼此獨立地進一步控制氣體至內部區域828之(兩個)半(halves)內部區域828a、828b中之任一者的流動速率。此舉為達成控制在半導體晶圓之不同區域上混合之處理氣體之組成的目的而提供氣流之兩個控制程度。
第7圖中所示之處理裝置710包括控制裝置710之各種操作(諸如控制氣體流動、基材溫度及腔室壓力)的系統控制器762。在本發明之實施例中，系統控制器762包括硬碟機(記憶體764)、軟碟機及處理器766。該處理器含有單板電腦(SBC)、類比及數位輸入/輸出板、介面板及步進馬達控制器板。處理裝置710之各種部件可符合用於界定板、卡片機架及連接器尺寸及類型之Versa Modular Europeans(VME)標準。VME標準亦界定具有16位元資料匯流排及24位元位址匯流排之匯流排結構。
系統控制器762控制裝置710之活動。該系統控制器執行系統控制軟體，該系統控制軟體為儲存於電腦可讀媒體(諸如記憶體764)中之電腦程式。記憶體764可為硬碟機，但記憶體764亦可為其他種類之記憶體。記憶體764亦可為此等種類之記憶體中之一或多者的組合。該電腦程式包括指示時序、氣體混合物、腔室壓力、腔室溫度、燈功率位準、底座位置及特定製程之其他參數的指令集。當然，其他電腦程式(諸如儲存於另一記憶體器件(包括例如為軟碟機或另一適合驅動器)上之電腦程式)亦可用以操作系統控制器762。輸入/輸出(I/O)器件768(諸如LCD監視器及鍵盤)可用以在使用者、儀器與系統控制器762之間作為介面。
可使用儲存於記憶體764中且由處理器766執行之電腦程式產品來實施根據本發明之用於量測及調整基材溫度之製程。可採用任何電腦可讀程式設計語言(諸如組合語言、C、C++、Pascal、Fortran或其他語言)撰寫電腦程式碼。使用程式編輯器將適合程式碼鍵入單一檔案或多個檔案中，且將其儲存或實施於電腦可用媒體(諸如電腦之記憶體系統)中。當經編輯碼處於高階語言時，可編譯該程式碼，且接著使所得編譯碼與預編譯庫存常式之目標碼相鏈接。為了執行鏈接的經編譯之目標碼，系統使用者調用目標碼，從而引起電腦系統將該碼載入記憶體中，CPU自該記憶體讀取及執行該碼以執行在程式中識別之任務。製程參數，諸如根據本發明進行量測及調整所必需之處理氣體流動速率(例如，H2
及HCl流動速率)、處理溫度及製程壓力，亦儲存於記憶體764中。
第9A圖至第9B圖為顯示根據所揭示實施例之可用以確定基材處理系統中之基材的溫度之示範性方法的流程圖。在第9A圖中，在可旋轉之底座附近定位一光管(步驟905)。使光管之末端屏蔽雜散光(步驟910)以改良底座及駐留於底座上之基材之溫度確定的精確度及/或精度。在步驟915中，使惰性氣體在光管之末端附近流動以減少可能影響溫度確定之污染。偵測來自底座之具有長波長(例如，>4.5μm)之光(步驟920)，且使用該光來確定底座溫度(步驟925)。該底座溫度可接著用以在步驟930中確定基材之溫度。
在第9B圖中，在可旋轉之基材附近定位光管(步驟955)。使光管之末端屏蔽雜散光(步驟960)以改良基材之溫度確定的精確度及/或精度。在步驟965中，使惰性氣體在光管之末端附近流動以減少可能影響溫度確定之污染。偵測來自基材之具有短波長(例如，<1.2μm)之光(步驟970)，且使用該光來確定基材溫度(步驟975)。
在一實施例中，一基材處理系統包括：一處理腔室；一底座，其用於支撐設置於處理腔室內之基材；及一光學高溫測定組件，其耦接至處理腔室以量測實質上源自於底座之邊緣的發射光。該光學高溫測定組件進一步包括光接收器及光學偵測器。該光接收器可位於處理腔室內。該光學高溫測定組件接收發射光之一部分，且底座之溫度係根據發射光的該部分在至少一個波長附近的強度來確定。
在另一實施例中，處理腔室之一部分係透明的，以允許來自加熱燈的光之一部分進入處理腔室。
在又一實施例中，該至少一個波長中之一或多者大於3μm，以減少來自處理腔室外部之雜散光對溫度量測的影響。
在又一實施例中，該至少一個波長中之一或多者大於4.5μm，以減少來自處理腔室外部之雜散光對溫度量測的影響。
在又一實施例中，經接收之發射光之部分包括在第一波長處具有第一強度之光及在第二波長處具有第二強度之光。根據第一強度與第二強度之比率而確定底座之溫度。
在又一實施例中，光接收器之數值孔徑小於約0.1、0.5或0.025。
在又一實施例中，該光學高溫測定組件進一步包括鞘，其中該鞘延伸超出光接收器至少0.005英吋以減少進入光接收器之雜散光的量。
在又一實施例中，光接收器在底座之邊緣之0.200英吋內。
在又一實施例中，一基材處理系統包括：一處理腔室；及一光學高溫測定組件，其耦接至該處理腔室以量測實質上源自於基材之一部分的發射光。該光學高溫測定組件包括光接收器及光學偵測器。該光接收器位於處理腔室內。該光學高溫測定組件接收發射光之一部分，且基材之溫度係根據發射光的該部分在至少一個波長附近的強度而確定。
在又一實施例中，該基材之溫度小於約攝氏650度。
在又一實施例中，該至少一個波長中之一或多者小於約1.2μm。
在又一實施例中，該至少一個波長中之一或多者小於約1.0μm。
在又一實施例中，光接收器之數值孔徑小於約0.1、0.5或0.025。
在又一實施例中，處理腔室之一部分係透明的，以允許光之一部分自加熱燈進入處理腔室。
在又一實施例中，該至少一個波長中之一或多者大於3μm，以減少來自處理腔室外部之雜散光對溫度量測的影響。
在又一實施例中，該至少一個波長中之一或多者大於4.5μm，以減少來自處理腔室外部之雜散光對溫度量測的影響。
在又一實施例中，經接收之發射光之部分包括在第一波長處具有第一強度之光及在第二波長處具有第二強度之光。根據第一強度與第二強度之比率來確定基材之溫度。
在又一實施例中，光接收器在底座或基材之邊緣之0.200英吋內。
在又一實施例中，該基材處理系統進一步包括鞘，該鞘延伸超出光接收器至少0.005英吋以減少進入光接收器之雜散光的量。
在又一實施例中，其中該基材之部分包括基材之邊緣。
在又一實施例中，一基材處理系統包括：一處理腔室；一底座，其用於支撐設置於處理腔室內之基材，其中該底座在底座之一部分上具有一或多個特徵結構，以增加該一或多個特徵結構之鄰近處在至少一個波長附近的光學發射率；及一光學高溫測定組件，其耦接至該處理腔室以量測實質上源自於底座之部分的發射光。該光學高溫測定組件進一步包括耦接至光管之第一末端的光接收器。該光學高溫測定組件亦包括耦接至光接收器之用於偵測發射光之一部分的光學偵測器。底座之溫度係由發射光的該部分在至少一個波長附近的強度而確定。
在又一實施例中，光接收器與底座之部分實質上對準且接收自一或多個特徵結構發出之光。
在又一實施例中，該光學高溫測定組件進一步包括鞘，該鞘設置於光接收器之末端附近以減少進入光管之雜散光。
在又一實施例中，該鞘延伸越過光管之末端，但並不阻止光在底座之部分與光接收器之間行進。
在又一實施例中，該鞘延伸越過光管之末端，但不覆蓋光管之末端處的開口。
在又一實施例中，該底座之部分包含底座之邊緣。
在又一實施例中，該光學高溫測定組件進一步包括設置於光管之第二末端附近的氣體入口。該氣體入口耦接至光管內之溝道，其中供應至氣體入口之氣體流過該溝道至光管之第一末端且進入腔室中，從而用氣體淨化光管之第一末端。
在又一實施例中，該氣體包含氫氣、氮氣及氬氣中之至少一者。
在又一實施例中，氣體之流動速率在約200標準立方公分/分鐘(sccm)與8標準公升/分鐘(slm)之間。
在又一實施例中，在底座之邊緣上的一或多個特徵結構包括在底座之邊緣周圍的溝槽。
在又一實施例中，在底座之邊緣上的一或多個特徵結構包括鑽設於底座中之孔，其中該等孔中之至少一者具有為跨越孔之開口之區域至少兩倍的總內部區域。
在又一實施例中，一種用於在製程期間量測基材之溫度的方法，包括：將光管設置於底座或基材之一部分附近；使光管之末端屏蔽雜散光，以使得光管之末端接收來自底座或基材之一部分的光；用氣體淨化光管之末端，以減少光管之末端的污染；偵測自底座或基材發射且由光管接收之光的一部分；及根據來自底座或基材之發射光之該部分在至少一個波長附近的強度而確定基材之溫度。
在又一實施例中，該方法進一步包括在量測溫度之同時，使底座及/或基材旋轉。
在又一實施例中，該方法進一步包括使用包含氫氣、氮氣及氬氣中之至少一者之氣體來淨化光管之末端。
在又一實施例中，該方法進一步包括使氣體在約200標準立方公分/分鐘(sccm)與8標準公升/分鐘(slm)之間流動，以淨化光管之末端。
在又一實施例中，該底座在底座之邊緣上具有一或多個特徵結構，以增加一或多個特徵結構之鄰近處在至少一個波長附近的表觀(apparent)光學發射率，且偵測自底座發射之光之一部分的步驟進一步包括偵測來自該等特徵結構之發射光。
在又一實施例中，該至少一個波長中之一或多者大於3μm，以減少雜散光對溫度量測之影響。
在又一實施例中，該至少一個波長中之一或多者大於4.5μm，以減少雜散光對溫度量測之影響。
熟習此項技術者亦將認識到，儘管上文已根據較佳實施例來描述本發明，但本發明不限於此。可個別地或聯合地使用上文所描述之本發明的各種特徵及態樣。此外，儘管已在實施於特定環境中之情形下且對於特定應用描述本發明，但熟習此項技術者亦將認識到其可用性不限於此，且可以任何數目之環境及實施來利用本發明。
100．．．光管
105．．．鞘
110．．．鞘支撐體
115．．．套圈
120．．．耦接器
125．．．淨化連接件
200．．．基材處理系統
205．．．鞘支撐體
215．．．光學吸收性鞘
220．．．預熱環
225．．．基座
300．．．鞘支撐體
305．．．鞘
310．．．光管
315．．．基材
320-1．．．光接收器
320-2．．．光接收器
320-3．．．透鏡
320-4．．．透鏡
320-5．．．前表面
325．．．透鏡
330．．．光學感測器
335．．．電連接
400．．．垂直軸
405．．．水平軸
410．．．透射率曲線
415．．．透射率曲線
500．．．高溫計組件
505．．．基座
510．．．幾何特徵結構
600．．．垂直軸
605．．．水平軸
610．．．熱電偶量測/虛線
615．．．讀數/長虛線
620．．．1.550μm高溫計量測/短虛線
625．．．在2.300μm處之高溫計量測/實線
710．．．處理裝置/反應器
712．．．沉積腔室
714．．．上部圓頂
716．．．下部圓頂
718．．．側壁
720．．．底座
722．．．上部(腔室)部分
724．．．下部(腔室)部分
726．．．軸桿
728．．．預熱環
730．．．入口歧管
732．．．出口埠/氣體出口
733．．．出口管
734．．．燈
735．．．反射體
736．．．溫度感測器
737．．．溫度感測器
738．．．連接器蓋/氣體蓋
741a．．．貯槽
741b．．．貯槽
741c．．．貯槽
742a．．．電腦控制流量控制器
742b．．．電腦控制流量控制器
742c．．．電腦控制流量控制器
748．．．上部夾環
750．．．下部夾環
760．．．通道
761．．．氣體入口
762．．．系統控制器
764．．．記憶體
766．．．處理器
768．．．輸入/輸出(I/O)器件
774．．．隔板
779．．．插入板
782．．．上部襯墊
784．．．下部襯墊
790．．．排氣通道
792．．．上部(腔室)通道
794．．．排氣溝道
796．．．通風口
798．．．處理氣體
799．．．惰性淨化氣體
828．．．內部區域
828a．．．半內部區域
828b．．．半內部區域
830．．．外部區域
第1圖為根據所揭示實施例之光學高溫測定組件之橫截面圖；
第2圖為根據所揭示實施例之安裝於基材處理系統上之光學高溫測定組件的立體視圖；
第3A圖至第3E圖為根據所揭示實施例之高溫計組件的橫截面圖；
第4圖為兩種不同類型之石英之吸收的曲線圖；
第5圖為根據所揭示實施例之高溫計組件及具有幾何特徵結構之基座的示意圖；
第6圖為根據所揭示實施例之不同溫度量測之曲線圖，部分之該等溫度量測係用高溫測定組件獲取；
第7圖為根據本發明之實施例之基材處理系統的橫截面圖；
第8圖為根據本發明之實施例之基材處理系統之一部分的俯視圖；及
第9A圖至第9B圖為顯示根據所揭示實施例之可用以確定基材處理系統中之基材之溫度之示範性方法的流程圖。
在附圖中，類似組件及/或特徵結構可具有相同元件符號。此外，可藉由在元件符號之後繼之以短劃線及區分類似組件之第二標號來區別相同類型之各種組件。只要第一元件符號用於說明書中，則描述可應用於具有相同第一元件符號之類似組件中的任一者而無關於第二元件符號。
200．．．基材處理系統
205．．．鞘支撐體
215．．．光學吸收性鞘
220．．．預熱環
225．．．基座
Claims (25)
- 一種基材處理系統，其包含：一處理腔室；一底座，其用以支撐一設置於該處理腔室內之一基材；一光學高溫測定(pyrometry)組件，其用以量測一實質上源自於該底座之一邊緣的發射光，該光學高溫測定組件包含：一光接收器；及一光學偵測器；其中該光學高溫測定組件接收該發射光之一部分；且其中該底座之一溫度係由該發射光的該部分在至少一個波長附近之一強度而確定。
- 如申請專利範圍第1項所述之基材處理系統，其中該光接收器係設置於該處理腔室內。
- 如申請專利範圍第1項所述之基材處理系統，其中該處理腔室之一部分為透明的，以允許來自加熱燈的光之一部分進入該處理腔室。
- 如申請專利範圍第3項所述之基材處理系統，其中該至少一個波長中之一或多者大於3μm。
- 如申請專利範圍第3項所述之基材處理系統，其中該至少一個波長中之一或多者大於4.5μm。
- 如申請專利範圍第1項所述之基材處理系統，其中該光接收器之一數值孔徑(numerical aperture)小於約0.1。
- 如申請專利範圍第1項所述之基材處理系統，其中該光接收器之一數值孔徑小於約0.05。
- 如申請專利範圍第1項所述之基材處理系統，其中該光接收器之一數值孔徑小於約0.025。
- 如申請專利範圍第1項所述之基材處理系統，其中經接收之該發射光之該部分包含在一第一波長處具有一第一強度之光及在一第二波長處具有一第二強度之光，且其中該底座之該溫度係由該第一強度與該第二強度之一比率而確定。
- 如申請專利範圍第1項所述之基材處理系統，更包含一鞘(sheath)，其中該鞘延伸超出該光接收器至少0.005英吋。
- 如申請專利範圍第1項所述之基材處理系統，其中該 光接收器在該底座之該邊緣之0.200英吋內。
- 如申請專利範圍第1項所述之基材處理系統，其中該底座具有一或多個特徵結構(feature)位於該底座之該邊緣上，以增加在該一或多個特徵結構之鄰近處於至少一個波長附近的一表觀(apparent)光學發射率。
- 一種基材處理系統，其包含：一處理腔室；一光學高溫測定組件，其用以量測一實質上源自於一基材之一部分的發射光，該光學高溫測定組件包含：一光接收器；及一光學偵測器；其中該光學高溫測定組件接收該發射光之一部分；其中該光接收器係設置於該處理腔室之內；且其中該基材之一溫度係由該發射光之該部分在至少一個波長附近的一強度而確定。
- 如申請專利範圍第13項所述之基材處理系統，其中該基材之該溫度小於約攝氏650度。
- 如申請專利範圍第13項所述之基材處理系統，其中該至少一個波長中之一或多者小於約1.2μm。
- 如申請專利範圍第13項所述之基材處理系統，其中該至少一個波長中之一或多者小於約1.0μm。
- 如申請專利範圍第13項所述之基材處理系統，其中該光接收器之一數值孔徑小於約0.1。
- 如申請專利範圍第13項所述之基材處理系統，其中該光接收器之一數值孔徑小於約0.05。
- 如申請專利範圍第13項所述之基材處理系統，其中該光接收器之一數值孔徑小於約0.025。
- 如申請專利範圍第13項所述之基材處理系統，其中該處理腔室之一部分為透明的，以允許來自加熱燈的光之一部分進入該處理腔室。
- 如申請專利範圍第20項所述之基材處理系統，其中該至少一個波長中之一或多者大於3μm。
- 如申請專利範圍第20項所述之基材處理系統，其中該至少一個波長中之一或多者大於4.5μm。
- 如申請專利範圍第13項所述之基材處理系統，更包含一鞘，其中該鞘延伸超出該光接收器至少0.005英吋。
- 如申請專利範圍第13項所述之基材處理系統，其中該基材之該部分包含該基材之一邊緣。
- 如申請專利範圍第24項所述之基材處理系統，其中該光接收器在該基材之該邊緣之0.200英吋內。
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