TWI504871B - 使用低溫測溫法進行低溫測量及控制之方法 - Google Patents
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Description
本發明實施例大體係關於在低溫與高溫處理期間測量、校正及控制基板溫度的方法和設備。特定言之，本發明實施例係關於用於低溫應用的光學測溫和非接觸式溫度測量。
如矽(Si)、矽鍺(SiGe)、碳化矽(SiC)或碳化矽鍺(SiGeC)等含矽膜的磊晶成長因先進邏輯和動態隨機存取記憶體(DRAM)裝置的新應用而變得越來越重要。這些應用的關鍵要求為低溫製程，以免在裝置製造時損害裝置特徵結構。低溫製程對期望含高Ge%之SiGe膜或純Ge膜的未來市場來說也很重要。含矽磊晶膜成長前、和磊晶膜選擇性或毯覆成長期間進行基板清潔皆需要低製程溫度。
半導體裝置的特徵結構尺寸微縮大幅增加了對精確處理的需求。精確處理的一要素為基板內和基板間的均勻度。處理期間使一基板或一批基板在均勻溫度下接觸處理環境乃至關重要。溫度均勻度通常係藉由測量批式腔室中不同位置的溫度及依據測量結果控制溫度而達成。非接觸式溫度測量法(如光學測溫)為準確、可再現又有效測量半導體處理腔室中的基板溫度的方式。
就目前高溫磊晶(Epi)毯覆製程和低溫選擇性Si與SiGe製程而言，習知光學測溫計能可靠地測量650℃至1200℃範圍的基板溫度。未來Epi技術則是趨向300℃至500℃的低溫處理。然整合到當前技術水平處理技術的測溫計無法可靠地測量低溫的基板溫度(如300℃至500℃)。第1圖顯示以不同測量方式追蹤隨處理時間變化的溫度性能軌跡。此曲線圖圖示習知輻射測溫計(標準測溫)難以測量低於420℃的溫度。此乃因在測溫計感應的波長範圍內，出自晶圓的發射強度不足以讓習知測溫計可靠地測量低溫。此外，支撐板的發射率變化和低溫下的強燈輻射干擾也會因訊號/訊雜比不佳而造成基板溫度估計誤差，導致製程劣化、不可再現及漂移。
故需提供可再現、精確且製程無關的設備和方法，以於300℃至1200℃的較寬範圍測量及控制基板溫度。
本發明實施例大體係關於在低溫與高溫處理期間測量及控制基板溫度的方法。在一實施例中，提供處理處理腔室內的基板的方法。方法大致包括在約300℃至約900℃的溫度下，磊晶形成層堆疊結構至置於支撐板上的基板上、利用設在基板上方的第一測溫計，測量基板的溫度、利用設在支撐板下方的第二測溫計，測量支撐板的溫度、依據基板的實際溫度讀值，以多個溫度點校正第一測溫計，以產生基板相關的第一組校正溫度讀值、使用該組校正溫度讀值做為參考，校正第二測溫計，以產生支撐板相關的第二組校正溫度讀值、以及依據第二組校正溫度讀值，控制供應到熱源的功率，熱源配置以加熱基板。
在另一實施例中，提供在基板處理期間控制基板溫度的方法。方法大致包括在沈積製程期間，提供對應基板實際溫度讀值的一組參考溫度讀值、在約300℃至約550℃的溫度下，形成第一層至沈積製程腔室內的基板上、利用設在基板上方的第一光學監測裝置，在波長約2至約4.8微米間，測量基板溫度、利用設在支撐板下方的第二光學監測裝置，在波長約2至約4.8微米間，測量支撐板溫度，且基板放在支撐板上、依據該組參考溫度讀值，以多個溫度點校正第一光學監測裝置，以提供第一組校正溫度讀值、依據第一組校正溫度讀值，校正第二光學監測裝置，以提供第二組校正溫度讀值、以及依據第二組校正溫度讀值，控制供應到熱源的功率，熱源配置以加熱基板。
在又一實施例中，提供處理基板的方法。方法大致包括處理基板，歷經第一時期，處理包含利用複數個燈具，加熱置於支撐板上的基板達高於約600℃，支撐板設在處理腔室的處理容積內，燈具經設置以傳送電磁能至支撐板的第一側、利用設在基板的第一表面上方的第一光學監測裝置，在波長約2至4.8微米間，測量基板溫度、
利用第二光學監測裝置，在波長約2至4.8微米間，測量支撐板溫度，第二光學監測裝置經設置以觀察支撐板的第一側，第一側在支撐板的第二側對面，第二側上放置基板的第二表面、以及控制基板溫度，同時加熱基板，歷經第一時期，其中控制溫度包含傳送第一功率量至複數個燈具、利用測量的支撐板溫度或測量的基板溫度，調整傳送至複數個燈具的第一功率量、以及處理基板，歷經第二時期，處理包含利用複數個燈具，加熱置於支撐板上的基板達低於約600℃、利用第一光學監測裝置，在波長約2至4.8微米間，測量基板溫度、利用第二光學監測裝置，在波長約2至4.8微米間，測量支撐板溫度、以及控制基板溫度，同時加熱基板，歷經第二時期，其中控制溫度包含傳送第二功率量至複數個燈具、以及利用測量的支撐板溫度或測量的基板溫度，調整傳送至複數個燈具的第二功率量。
本發明實施例大體係關於在低溫及/或高溫處理期間測量及控制基板溫度的方法。特定言之，本發明利用多項式(最小平方)曲線配適或線性曲線配適方式，以多個溫度點校正測溫計而補償基板及/或支撐板的發射率變化，以在300℃至1200℃下提供基板穩定的封閉迴路溫度控制。
在一實施例中，方法大致包括在約300℃至約900℃的溫度下，磊晶形成層堆疊結構至置於支撐板上的基板上、利用設在基板上方的第一測溫計，測量基板的溫度、利用設在支撐板下方的第二測溫計，測量支撐板的溫度、依據基板的實際溫度讀值，以多個溫度點校正第一測溫計，以產生基板相關的第一組校正溫度讀值、使用該組校正溫度讀值做為參考，校正第二測溫計，以產生支撐板相關的第二組校正溫度讀值、以及依據第二組校正溫度讀值，控制供應到熱源的功率，熱源配置以加熱基板。
在一實例中，層堆疊結構具有沈積於含Ge層上的階化Six
Ge1-x
層(其中x係0至1)。可利用多項式曲線配適或多元線性配適法，以約300℃至約900℃範圍內的多個溫度點校正第一測溫計。可使用高靈敏度光偵測器，例如砷化銦(InAs)、砷化鎵銦(InGaAs)或硫化鉛(PbS)二極體光偵測器，在波長約2至約4.8微米間，測量基板和支撐板的溫度。
本文所述實施例可由取自應用材料公司(位於美國加州聖克拉拉)的CENTURA® RP Epi腔室實行。第2圖所示的Epi腔室可做為CENTURA®整合式處理系統的零件，CENTURA®整合式處理系統係全自動化半導體製造系統，且採用單一晶圓、多個腔室、可容納200毫米(mm)或300mm晶圓的模組式設計。此設備與本發明相關的特殊特徵結構將詳述於後；然應理解包括由業界其他知名製造商提供的其他設備亦受益於所述磊晶成長膜實施例。
第2圖為用於施行本發明方法的示例沈積腔室212的截面圖。沈積腔室212大致包括上圓頂214、下圓頂216、和位於上、下圓頂214、216間的側壁218。冷卻流體(未圖示)可循環通過側壁218，以冷卻腔室部件，例如用於密封圓頂214、216與側壁218的O形環(未圖示)。上襯墊282和下襯墊284裝設抵著側壁218的內面。上、下圓頂214、216係由透明材料製成，例如高純度石英，以容許加熱光穿透到沈積腔室212內。若有需要，可使用反射器(未圖示)來協助控制燈具234提供的輻射能曝照沈積腔室212。
沈積腔室212內為平坦的圓形支撐板220，支撐板220支撐基板(未圖示)呈水平位置。支撐板220可為任何其他基板支撐結構，支撐板220從側壁218延伸橫跨腔室212而將腔室212分成支撐板220以上的上部222和支撐板220以下的下部224。支撐板220裝設於軸桿226上，軸桿226從支撐板220的底部中心垂直往下延伸。軸桿226連接至馬達(未圖示)，馬達轉動軸桿226，進而轉動支撐板220。環狀預熱環228從其外圍連接至下襯墊284的內圍，預熱環228並延伸圍繞支撐板220。預熱環228佔用幾乎與支撐板220相同的平面，且間隙隔開預熱環228的內緣和支撐板220的外緣。
入口歧管230設在沈積腔室212的側壁218中，入口歧管230適於供氣源(未圖示)的氣體進入腔室212。氣流一般係由手動閥(未圖示)和電腦(未圖示)獨立控制。出口232設在入口歧管230直徑正對面的腔室212側，出口232適於供氣體排出沈積腔室212。
複數個高強度燈具234裝設於沈積腔室212周圍，並引導光穿過上、下圓頂214、216而至支撐板220(和預熱環228)，以加熱支撐板220(和預熱環228)。支撐板220和預熱環228可由披覆高發射材料(如碳化矽)的石墨製成，石墨不會讓燈具234發射的輻射透過，故可被出自燈具234的輻射加熱。如上所述，上、下圓頂214、216由可讓燈具234發射光穿透的材料(如透明石英)製成。上、下圓頂214、216通常由石英製成，因為石英可讓可見光和紅外線(IR)頻率的光穿透；石英展現較高的結構強度，且在沈積腔室212的處理環境中具化學穩定性。雖然在此係圖示並討論以燈具234加熱沈積腔室212內的基板，但也可採用其他加熱法，例如使用電阻式加熱器和射頻(RF)感應式加熱器。在一實施例中，燈具234包括依徑向排列區控制的四個燈具。例如，可提供四個區域，其中上、下兩個熱源分別指向基板中心附近、和基板到邊緣的過渡區附近(鄰近預熱環)，且彼此可不重疊或部分重疊，以提供更適合的徑向熱分布而計及熱邊緣效應。
底部測溫計236裝設在下圓頂216下方且經由下圓頂216面向支撐板220的底表面。底部測溫計236藉由接收支撐板220發射的紅外線輻射，以監測支撐板220的溫度。支撐板220的溫度升高時，紅外線輻射趨增；支撐板220的溫度下降時，紅外線輻射趨減。底部測溫計236產生響應紅外線輻射的訊號。同樣地，上測溫計237裝設在上圓頂214上方且面向置於支撐板上的基板上表面，以測量基板溫度。上測溫計237用於接收基板或基板上的形成層發射的紅外線輻射。上測溫計237產生響應紅外線輻射的訊號。紅外線輻射強度增強時，訊號增加；紅外線輻射強度減弱時，訊號減少。雖然第2圖僅圖示兩個測溫計，但應理解任何數量的測溫計或燈具亦可用來控制及均勻提供期望的基板溫度分布。
上夾環248延伸圍繞上圓頂214的外面周圍。下夾環250延伸圍繞下圓頂216的外面周圍。上、下夾環248、250一起固定而夾住上、下圓頂214、216與側壁218。
根據本發明，一或更多製程氣體298從氣體入口歧管230送入腔室上部222。根據本發明，製程氣體定義為用以移除、處理或沈積膜至置於沈積腔室212內的基板上的氣體或混合氣體。在本發明的一實施例中，製程氣體用來沈積含矽磊晶層至置於支撐板220上的基板上。製程氣體298實質上以層流方式從入口通道260流過預熱環228、支撐板220(和基板，未圖示)、預熱環228的對側、而至排放通道290。製程氣體由預熱環228、支撐板220和待處理基板加熱達沈積或製程溫度。
製程氣體或混合氣體送入腔室上部222時，一或更多惰性淨化氣體(未圖示)可個別送入腔室下部224。惰性淨化氣體可由預熱環228和支撐板220加熱達與沈積腔室212中的製程氣體實質相同的溫度。惰性淨化氣體299可以相對腔室上部222的製程氣體壓力，在腔室下部224內產生正壓的速率送入腔室下部224。如此可防止製程氣體298經由間隙291往下滲入腔室下部224而沈積於支撐板2250的背側。
為可靠又可再現地測量約300℃至約600℃低溫範圍的溫度，在本發明的一實施例中，上述上測溫計237可裝配在波長2至4.8微米(μm)下靈敏度很高(如>0.1A/W)的光偵測器。偵測器一例為砷化銦(InAs)二極體光偵測器，InAs二極體光偵測器具有波長約1至3.8μm的偵測帶。InAs二極體光偵測器可利用只讓落在選定光譜帶內(如波長約3至3.5μm)的輻射通過的窄通濾波器濾光，使短波長雜散光輻射的影響降至最低。窄通濾波器有助於在上測溫計237測量的最高溫度下，讓波長小於基板帶隙波長的大部分輻射通過，及切斷大於此帶隙波長的大部分普朗克(Planckian)光譜。在一實例中，InAs二極體光偵測器在中心波長(CWL)3.3μm、半高寬(FWHM)200奈米(nm)下的靈敏度很高。若有需要，可將InAs二極體光偵測器的濾光平移到光偵測器容許極限的長波長，以提高低溫靈敏度。在基板溫度較高(如高於350℃)的一些實施例中，期望使用感應波長約0.9至2.8μm的砷化鎵銦(InGaAs)或硫化鉛(PbS)二極體光偵測器。
在不同實施例中，用於上、底部測溫計237、236的InAs二極體光偵測器的觀察光學器件經設計以收集來自更廣闊區域的靶材(如基板或支撐板)發射的紅外線輻射，以增加低溫時的訊號量。例如，InAs二極體光偵測器的光點尺寸直徑可從5mm變成至多約25mm，咸信如此可使InAs二極體光偵測器的低溫靈敏度提高一個數量級。在一實例中，InAs二極體光偵測器在焦距約432mm下的光點尺寸直徑為約8mm。
儘管所述InAs二極體光偵測器特別有利低溫使用，然配合多點溫度校正和溫度控制技術，InAs二極體光偵測器可在約600℃至1200℃的更大溫度範圍提供高靈敏度和高解析度，此將說明於後。InAs二極體光偵測器的靈敏度高於習知測溫計的約100至1000倍，習知測溫計使用靈敏度和響應差的熱電堆型感測器。若有需要，傾向隨周圍溫度漂移的感應中IR(mid-IR)光偵測器可經熱電冷卻，以減少雜訊及改善低溫靈敏度和漂移。為進一步改善低溫靈敏度，上、底部測溫計237、236的讀值輸出可連接至外部類比/數位(A/D)轉換器(未圖示)，A/D轉換器將溫度資訊轉換及數位化成12位元以上的數值，例如16位元或24位元，以提供解析度更高、低雜訊與干擾的低溫線性溫度數位輸出。可程式增益放大器(未圖示)亦可配設在感測器與A/D轉換器間來放大輸出，藉以使用全A/D轉換器解析度與任何實際電極輸出。
如上所述，整合到當前技術水平處理腔室的測溫計因無法準確測量低於500℃的溫度而受到基本限制。此外，基板的發射率變化和低溫下的強燈輻射干擾將造成上測溫計偵測的紅外線輻射變化，由於底部測溫計提供訊號至功率控制器以控制支撐板的實際溫度，故紅外線輻射變化也會影響底部測溫計。為使低溫到高溫過渡期間(如300℃至1200℃)有良好的配方控制，並能可靠又可再現地測量基板溫度，可利用本發明第3圖所示的方法，以多個溫度點校正上、底部測溫計。
第3圖為根據本發明一實施例，用以校正測溫計及控制沈積腔室內的基板溫度的示例方法簡化方塊圖。方法300可利用第2圖所示沈積腔室212或其他製造商製造的任何沈積腔室進行。應理解第3圖所示方塊的數量、次序和順序無意限定本發明的保護範圍，在不脫離本發明的基本範圍內，當可增添、刪除及/或重新安排一或更多方塊/步驟。
在方塊302中，將校正基板用於校正製程，以模擬或建立一組參考溫度讀值，該組參考溫度讀值對應沈積製程期間製造基板的實際溫度讀值。通常，校正基板放在處理腔室(如第2圖所示的沈積腔室212)內的支撐板上，校正基板如製造基板般經歷低溫到高溫(如300℃至1200℃)的溫度循環，但不實際進行處理。特定言之，校正製程期間獲得的該組參考溫度讀值實質對應製造基板的實際溫度讀值，好似校正基板經歷過實際沈積製程。市面販售的校正基板具有事先測量的已知發射率，且校正基板具有附接至基板上表面的「埋置」熱電耦。加熱校正基板時，熱電耦指示校正基板的實際溫度讀值。由於已知基板發射率，故使預期輻射強度與預定溫度的理想黑體相乘，再乘上基板發射率，即可輕易計算出基板實際發射的輻射。
在方塊304中，於沈積腔室內，磊晶成長一層至支撐板所支撐的製造基板上，及利用第一測溫計，測量製造基板的溫度，以建立第一組測量溫度讀值。可連續或間隔預定時間進行溫度測量。第一測溫計可在波長約2至4.8μm(如約3至3.5μm)下測量製造基板的溫度。第一測溫計可為高靈敏度光偵測器，例如上述InAs、InGaAs或PbS二極體光偵測器。第一測溫計可為設在沈積腔室212的上圓頂214上方的上測溫計237(第2圖)，且第一測溫計面向製造基板的上表面，以測量製造基板發射的紅外線輻射。
儘管本發明的製程係以沈積磊晶層為例說明，但待沈積至基板上的膜層不必然為磊晶層，沈積層例如可為單晶、多晶或非晶層。視製程和沈積層而定，製造基板經加熱達期望溫度。例如，該層可為由矽、碳化矽、氮化鎵、砷化鎵、矽鍺(Six
Ge1-x
)、矽鍺碳(Six
Gey
C1-x-y
)或其他結晶半導體材料的組合物所組成的複合層。該層可摻雜雜質，雜質例如為砷、磷和硼，但不以此為限，或者若有需要，該層可不摻雜。利用測溫計校正及溫度控制來沈積Ge/SiGe的實例將參照第4及5圖詳述於後。
在方塊306中，利用第二測溫計，測量支撐板的溫度，以建立第二組測量溫度讀值。可連續或間隔預定時間進行溫度測量。可個別或同時進行支撐板的溫度測量及基板的溫度測量。在一實施例中，第二測溫計在波長約2至4.8μm(如約3至3.5μm)下測量支撐板的溫度。第二測溫計可為高靈敏度光偵測器，例如上述InAs、InGaAs或PbS二極體光偵測器。第二測溫計可為設在下圓頂216下方的底部測溫計236，且經由下圓頂216面向支撐板220的底表面(第2圖)。第二測溫計藉由接收支撐板220發射的紅外線輻射，以監測支撐板220的溫度。
在方塊308中，依據先前在校正製程期間校正基板而得的實際基板溫度，以多個溫度點校正第一測溫計。特定言之，利用計算方法，使獲自製造基板的第一組測量溫度讀值曲線配適以多個溫度點校正基板而得的該組參考溫度讀值，以校正去掉任何因上述基板發射率變化和低溫時強燈輻射干擾引起的非線性差異。校正的第一測溫計接著產生第一組校正溫度讀值，第一組校正溫度讀值匹配或實質對應製造基板的實際溫度讀值。或者，第一測溫計的校正可持續進行、而不中斷。
用於校正的計算方法可為任何熟知的校正技術，例如多項式曲線配適、多元線性配適、最佳配適曲線或平均法，這些技術能在大溫度範圍，非線性配適或匹配第一組測量溫度讀值和該組參考溫度讀值。視沈積製程而定，第一測溫計可以期望處理溫度範圍內的多個溫度點校正。例如，進行低溫沈積時，可分別以200℃、300℃、400℃和500℃校正上測溫計而追蹤該組參考溫度讀值。應理解所述校正溫度點僅為舉例說明、而無限定意圖。例如，可分別以350℃、450℃、550℃和650℃校正上測溫計而追蹤該組參考溫度讀值。或者，可以約300℃至約1200℃溫度範圍內的多個溫度點校正上測溫計。校正溫度點可視製程方案客製化且適合任何期望時間間隔。
在方塊310中，使用第一組校正溫度讀值做為參考，校正第二測溫計。特定言之，利用計算方法，使先前獲自支撐板的第二組測量溫度讀值曲線配適校正第一測溫計而得的第一組校正溫度讀值，以校正去掉任何因上述支撐板發射率變化和低溫時強燈輻射干擾引起的非線性差異。校正的第二測溫計接著產生第二組校正溫度讀值，第二組校正溫度讀值實質對應支撐板的實際溫度讀值。一旦得知支撐板的實際溫度讀值，即可以期望溫度精確控制用於加熱基板的燈具。可持續校正第二測溫計，同時校正或間隔預定時間校正第一測溫計。若有需要，可在每次完成第一測溫計校正後，立即校正第二測溫計，即第二測溫計可以多個溫度點校正。同樣地，用於校正的計算方法可為任何熟知的校正技術，例如多項式曲線配適、多元線性配適、最佳配適曲線或平均法，這些技術能在大溫度範圍，非線性配適或匹配獲自支撐板的第二組測量溫度讀值和校正第一測溫計而得的第一組校正溫度讀值。
在方塊312中，將校正第二測溫計而得的第二組校正溫度讀值提供至功率控制器231。功率控制器231接著使用對應支撐板實際溫度讀值的第二組校正溫度讀值來控制供應到熱源(如燈具234)的功率量，熱源配置以從支撐板下方加熱基板及以期望溫度控制基板。在一些實施例中，功率控制器231反而使用基板相關的第一組校正溫度讀值來控制供應到熱源的功率量，熱源配置以期望溫度加熱基板。
為改善溫度控制再現性，在一些實施例中，功率控制器231由比例積分微分(PID)演算法控制，使提供至支撐板的功率得依據支撐板的校正溫度而勻變(ramp)達期望溫度。PID控制可最佳化成適用低溫和高溫範圍，PID增益可依據支撐板的測量溫度範圍，動態排程用於功率控制器231。藉由最佳化PID增益，可在300℃至900℃的溫度範圍，達成穩定的封閉迴路溫度控制，並且有良好的批次(run to run)基板溫度再現性。
應理解所述方法僅為說明校正測溫計的實例。其他變化例亦可用於準確校正測溫計。例如，在一些實施例中，進行方塊308後，比較先前獲自支撐板的第二組測量溫度讀值和先前以多個溫度點校正基板而得的該組參考溫度讀值。接著依據比較結果，調整提供至燈具來加熱基板及/或支撐板的功率，以控制基板溫度呈期望溫度。或者，利用計算方法，使獲自支撐板的第二組測量溫度讀值曲線配適以多個溫度點校正基板而得的該組參考溫度讀值，以校正去掉任何非線性差異。視沈積製程而定，第一與第二測溫計可和第一測溫計一起以約200℃至500℃、300℃至800℃、300℃至1200℃的範圍、或任何期望溫度範圍內的多個溫度點校正。
第4圖為用於磊晶SiGe沈積的示例製造基板的截面圖。製造基板400大致包括單晶Si基板405(如磊晶Si層或單晶Si基板表面)。薄磊晶含Ge層410沈積於單晶Si基板405上，Six
Ge1-x
層(其中x係0至1)415沈積於磊晶含Ge層410上。在一實施例中，磊晶含Ge層410具高Ge含量，例如50原子%至100原子%，尤其是含純Ge。Six
Ge1-x
層415可為階化Six
Ge1-x
層，其中x在層內向上減小。第5圖為根據本發明另一實施例，用以校正測溫計及控制沈積腔室內的製造基板400溫度的示例方法500的簡化方塊圖。在此實施例中，提供含矽基板，含矽基板上相繼沈積純Ge層和階化SiGe層。應理解第5圖所示方塊的數量、次序和順序無意限定本發明的保護範圍，在不脫離本發明的基本範圍內，當可增添、刪除及/或重新安排一或更多方塊/步驟。
此外，應注意所述Ge/SiGe成長僅為舉例說明而已，
本發明不應侷限在任何特定沈積。如前所述，在低溫與高溫處理期間測量、校正及控制基板溫度的一切所需為已知發射率的基板、和基板或支撐板用於上測溫計與底部測溫計的一組參考溫度讀值。
在方塊502中，將校正基板用於校正製程，以在如約200℃至900℃的範圍內，模擬或建立一組參考溫度讀值，該組參考溫度讀值模擬或對應沈積製程期間製造基板的實際溫度讀值。在此實施例中，校正製程期間獲得的該組參考溫度讀值對應如在SiGe沈積製程中單晶Si基板405的實際溫度讀值。
在方塊504中，把單晶Si基板405放到沈積腔室內的支撐板上，及利用裝設在沈積腔室周圍的複數個高強度燈具，加熱單晶Si基板405達低於約550℃的溫度，例如約200℃至550℃，以磊晶形成第一層(如含Ge層410)至單晶Si基板405上。
在方塊506中，利用上測溫計，測量單晶Si基板405的溫度，以建立單晶Si基板405相關的第一組測量溫度讀值。在一態樣中，可連續或間隔預定時間在約300℃至約550℃下進行溫度測量。上測溫計在波長約2至4.8μm(如約3至3.5μm)下測量單晶Si基板405的溫度。上測溫計可為高靈敏度光偵測器，例如InAs、InGaAs或PbS二極體光偵測器。上測溫計設在沈積腔室的上圓頂上方且面向單晶Si基板405的上表面，以測量單晶Si基板405發射的紅外線輻射。
在方塊508中，利用底部測溫計，測量支撐板的溫度，以建立支撐板相關的第二組測量溫度讀值。可連續或間隔預定時間進行溫度測量。可個別或同時進行支撐板的溫度測量及單晶Si基板405的溫度測量。在一實施例中，底部測溫計在波長約2至4.8μm(如約3至3.5μm)下測量支撐板的溫度。底部測溫計可為高靈敏度光偵測器，例如InAs、InGaAs或PbS二極體光偵測器。底部測溫計裝設在下圓頂下方，且經由下圓頂面向支撐板的底表面。
在方塊510中，依據先前在校正製程期間校正基板而得的該組參考溫度讀值，以多個溫度點校正上測溫計，以提供基板相關的第一組校正溫度讀值。特定言之，利用計算方法，使獲自單晶Si基板405的第一組測量溫度讀值曲線配適多個溫度點的該組參考溫度讀值，以校正去掉任何非線性差異。用於校正的計算方法可為任何熟知的校正技術，例如多項式曲線配適、多元線性配適、最佳配適曲線或平均法，這些技術能在期望溫度範圍，非線性配適或匹配第一組測量溫度讀值和該組參考溫度讀值。在一實施例中，例如分別以200℃、300℃、400℃和500℃校正上測溫計而追蹤該組參考溫度讀值。任何其他溫度範圍亦適用。校正的上測溫計接著產生第一組校正溫度讀值，第一組校正溫度讀值匹配或實質對應單晶Si基板405的實際溫度讀值。可以任何其他溫度點校正上測溫計而追蹤該組參考溫度讀值。若有需要，上測
溫計的校正可持續進行、而不中斷。
在方塊512中，使用第一組校正溫度讀值做為參考，校正底部測溫計，以提供支撐板相關的第二組校正溫度讀值。特定言之，利用計算方法，使先前獲自支撐板的第二組測量溫度讀值曲線配適校正上測溫計而得的第一組校正溫度讀值，以校正去掉任何非線性差異。校正的底部測溫計接著產生第二組校正溫度讀值，第二組校正溫度讀值實質對應支撐板的實際溫度讀值。可持續校正底部測溫計，同時校正或間隔預定時間校正上測溫計。若有需要，可在每次完成上測溫計校正後，立即校正底部測溫計，即第二測溫計亦可以多個溫度點校正。同樣地，用於校正的計算方法可為任何熟知的校正技術，例如多項式曲線配適、多元線性配適、最佳配適曲線或平均法，這些技術能在期望溫度範圍，非線性配適或匹配獲自支撐板的第二組測量溫度讀值和校正上測溫計而得的第一組校正溫度讀值。
在方塊514中，將校正底部測溫計而得的第二組校正溫度讀值提供至功率控制器231。功率控制器231接著使用對應支撐板實際溫度讀值的第二組校正溫度讀值來控制供應到熱源(如燈具)的功率量，熱源配置以從支撐板下方加熱基板、或以期望溫度控制基板，以例如進行含Ge層沈積。
在方塊516中，利用裝設在沈積腔室周圍的複數個高強度燈具，加熱單晶Si基板405達高於約550℃的溫度，
例如約550℃至1050℃，以形成第二層(如階化SiGe層415)至第一層(如含Ge層410)上。
在方塊518中，利用上測溫計，測量單晶Si基板405的溫度，以建立單晶Si基板405相關的第三組測量溫度讀值。在一態樣中，可連續或間隔預定時間在約450℃至約900℃間進行溫度測量。上測溫計在波長約1至3.8μm下測量單晶Si基板405的溫度。
在方塊520中，利用底部測溫計，測量支撐板的溫度，以建立支撐板相關的第四組測量溫度讀值。底部測溫計在波長約1至3.8μm下測量支撐板的溫度。此溫度測量方式類似上述方塊508。
在方塊522中，依據先前在校正製程期間校正基板而得的該組參考溫度讀值，以多個溫度點校正上測溫計。特定言之，利用類似上述方塊510的配適方法，使獲自單晶Si基板405的第三組測量溫度讀值曲線配適多個溫度點的該組參考溫度讀值，以校正去掉任何非線性差異。在一實施例中，例如分別以550℃、650℃、750℃和850℃校正上測溫計而追蹤該組參考溫度讀值。任何其他溫度範圍亦適用。可以任何其他期望溫度點校正上測溫計而追蹤該組參考溫度讀值。校正的上測溫計接著產生第三組校正溫度讀值，第三組校正溫度讀值匹配或實質對應單晶Si基板405的實際溫度讀值。若有需要，上測溫計的校正可持續進行、而不中斷。
在方塊524中，使用第三組校正溫度讀值做為參考，
校正底部測溫計。特定言之，利用類似上述方塊510的配適方法，使先前獲自支撐板的第四組測量溫度讀值曲線配適校正上測溫計而得的第三組校正溫度讀值，以校正去掉任何非線性差異。校正的底部測溫計接著產生第四組校正溫度讀值，第四組校正溫度讀值實質對應支撐板的實際溫度讀值。可持續校正底部測溫計，同時校正或間隔預定時間校正上測溫計。若有需要，可在每次完成上測溫計校正後，立即校正底部測溫計，即第二測溫計亦可以多個溫度點校正。
在方塊526中，將校正底部測溫計而得的第四組校正溫度讀值提供至功率控制器231。功率控制器231接著使用對應支撐板實際溫度讀值的第四組校正溫度讀值來控制供應到熱源(如燈具)的功率量，熱源配置以從支撐板下方加熱基板、或以期望溫度控制基板，以進行階化SiGe層沈積。為最佳化溫度控制再現性，在一些實施例中，功率控制器231可由比例積分微分(PID)演算法控制，使提供至支撐板的功率依據支撐板的校正溫度而勻變達期望溫度。PID控制可最佳化成適用低溫和高溫範圍，PID增益可依據支撐板的測量溫度範圍，動態排程用於功率控制器231。藉由最佳化PID增益，可在300℃至900℃的溫度範圍，達成穩定的封閉迴路溫度控制，並且有良好的批次基板溫度再現性。
本發明利用多項式(最小平方)曲線配適或線性曲線配適方式，以300℃至1200℃內的多個溫度點校正測溫
計而補償基板及/或支撐板的發射率變化，以提供低溫與高溫處理時基板穩定的封閉迴路溫度控制。第6圖為顯示以不同校正方式追蹤測定隨時間變化的溫度性能軌跡曲線圖。線602代表熱電耦(TC)基板測量的溫度。線604代表由習知輻射測溫計，利用單點校正測定的基板溫度。線606代表由InAs測溫偵測器，利用依據本發明進行的多點校正測定的基板溫度。從圖可知，多點校正提供良好的低溫與高溫範圍(300℃至780℃)參考溫度軌跡追蹤，而習知單點方式除校正點採用的400℃外，無法準確測量基板溫度。又發現多點溫度校正甚至容許在300℃至1200℃溫度範圍追蹤的參考溫度軌跡落在±4℃內。
雖然本發明的實施例已揭露如上，然在不脫離本發明的基本範圍內，當可修改而得本發明的其他和進一步實施例，因此本發明的保護範圍視後附申請專利範圍所界定者為準。
212‧‧‧沈積腔室
214、216‧‧‧圓頂
218‧‧‧側壁
220‧‧‧支撐板
222‧‧‧腔室上部
224‧‧‧腔室下部
226‧‧‧軸桿
228‧‧‧預熱環
230‧‧‧歧管
231‧‧‧功率控制器
232‧‧‧出口
234‧‧‧燈具
236、237‧‧‧測溫計
248、250‧‧‧夾環
260、290‧‧‧通道
282、284‧‧‧襯墊
291‧‧‧間隙
298‧‧‧製程氣體
299‧‧‧淨化氣體
300‧‧‧方法
302、304、306、308、310、312‧‧‧方塊
400‧‧‧製造基板
405‧‧‧單晶Si基板
410‧‧‧含Ge層
415‧‧‧階化SiGe層
500‧‧‧方法
502、504、506、508、510、512、514、516、518、520、522、524、526‧‧‧方塊
602、604、606‧‧‧線
為讓本發明的上述概要特徵更明顯易懂，可配合參考實施例說明，部分實施例乃圖示在附圖。然應注意所附圖式僅說明本發明典型實施例，故不宜視為限定本發明的精神與範圍，因為本發明可接納其他等效實施例。
第1圖為圖示以不同測量方式追蹤隨處理時間變化的
溫度性能軌跡曲線圖。
第2圖為用於施行本發明方法的半導體處理腔室的示意截面圖。
第3圖為根據本發明一實施例，用以校正測溫計及控制沈積腔室內的基板溫度的示例方法簡化方塊圖。
第4圖為用於磊晶SiGe沈積的示例製造基板的示意截面圖。
第5圖為根據本發明另一實施例，用以校正測溫計及控制沈積腔室內的製造基板溫度的示例方法簡化方塊圖。
第6圖為顯示以不同校正方式追蹤測定隨時間變化的溫度性能軌跡曲線圖。
300．．．方法
302、304、306、308、310、312．．．方塊
Claims (20)
- 一種處理一處理腔室內的一基板的方法，該方法包含以下步驟：磊晶形成一層堆疊結構至置於一支撐板上的一基板上；利用設在該基板上方的一第一測溫計，測量該基板的一溫度；利用設在該支撐板下方的一第二測溫計，測量該支撐板的一溫度；依據該基板的多個實際溫度讀值，以多個溫度點校正該第一測溫計，以產生該基板相關的一第一組校正溫度讀值；使用該組校正溫度讀值做為參考，校正該第二測溫計，以產生該支撐板相關的一第二組校正溫度讀值；以及依據該第二組校正溫度讀值，控制供應到一熱源的一功率，該熱源配置以加熱該基板。
- 如請求項1之方法，其中該第一測溫計係利用一計算方法，以約300℃至約900℃的一範圍內的多個溫度點校正。
- 如請求項1之方法，其中該基板的該溫度和該支撐板的該溫度係在一波長約2至約4.8微米間測量。
- 如請求項2之方法，其中該計算方法包含多項式曲線配適、多元線性配適、最佳曲線配適或平均曲線配適。
- 如請求項3之方法，其中該基板的該溫度和該支撐板的該溫度係使用一高靈敏度光偵測器測量，該高靈敏度光偵測器係選自由砷化銦(InAs)、砷化鎵銦(InGaAs)和硫化鉛(PbS)二極體光偵測器所組成的群組。
- 如請求項1之方法，其中該層堆疊結構包含一階化Six Ge1-x 層(其中x係0至1)，且該階化Six Ge1-x 層沈積於一含鍺(Ge)層上。
- 一種在基板處理期間控制基板溫度的方法，該方法包含以下步驟：在一沈積製程期間，提供對應一基板的多個實際溫度讀值的一組參考溫度讀值；在約300℃至約550℃的一溫度下，形成一第一層至一沈積製程腔室內的該基板上；利用設在該基板上方的一第一光學監測裝置，在一波長約2至約4.8微米間，測量該基板的一溫度；利用設在一支撐板下方的一第二光學監測裝置，在一波長約2至約4.8微米間，測量該支撐板的一溫度，且該基板放在該支撐板上；依據該組參考溫度讀值，以多個溫度點校正該第一光學 監測裝置，以提供一第一組校正溫度讀值；依據該第一組校正溫度讀值，校正該第二光學監測裝置，以提供一第二組校正溫度讀值；以及依據該第二組校正溫度讀值，控制供應到一熱源的一功率，該熱源配置以加熱該基板。
- 如請求項7之方法，其中該第一光學監測裝置和該第二光學監測裝置包含一高靈敏度光偵測器，該高靈敏度光偵測器係選自由砷化銦(InAs)、砷化鎵銦(InGaAs)和硫化鉛(PbS)二極體光偵測器所組成的群組。
- 如請求項7之方法，其中該測量該基板的該溫度及測量該支撐板的該溫度之步驟係個別或同時進行。
- 如請求項7之方法，其中該測量該基板的該溫度之步驟將產生一第一組測量溫度讀值。
- 如請求項10之方法，其中該校正該第一光學監測裝置之步驟包含以下步驟：利用一計算方法來曲線配適該第一組測量溫度讀值與該組參考溫度讀值，以校正去掉任何非線性差異。
- 如請求項11之方法，其中該計算方法包含多項式曲線配適、多元線性配適、最佳曲線配適或平均曲線配適。
- 如請求項7之方法，其中該第一光學監測裝置係以約200℃至約500℃間的多個預定溫度點校正而提供該第一組校正溫度讀值。
- 如請求項7之方法，該方法進一步包含以下步驟：在約450℃至約900℃的一溫度範圍內，形成一第二層至該第一層上，其中該第二層不同於該第一層；利用設在該基板上方的該第一光學監測裝置，在一波長約2至約4.8微米間，測量該基板的一溫度；利用設在該支撐板下方的該第二光學監測裝置，在一波長約2至約4.8微米間，測量該支撐板的一溫度，且該基板放在該支撐板上；依據該組參考溫度讀值，以多個溫度點校正該第一光學監測裝置，以提供一第三組校正溫度讀值；依據該第三組校正溫度讀值，校正該第二光學監測裝置，以提供一第四組校正溫度讀值；以及依據該第四組校正溫度讀值，控制供應到該第二光學監測裝置的一功率量。
- 如請求項14之方法，其中該第一層和該第二層係選自由矽、碳化矽、氮化鎵、砷化鎵、矽鍺(Six Ge1-x ，其中x係0至1)、矽鍺碳(Six Gey C1-x-y ，其中x係0至1)和其他結晶半導體材料所組成的群組。
- 如請求項15之方法，其中該第一層和該第二層分別係一磊晶層、一單晶層、一多晶層或一非晶層。
- 如請求項15之方法，其中該第一光學監測裝置係以約450℃至約900℃間的多個預定溫度點校正而提供該第三組校正溫度讀值。
- 一種處理一基板的方法，該方法包含以下步驟：處理一基板，歷經一第一時期，且處理該基板之步驟包含以下步驟：利用複數個燈具，加熱置於一支撐板上的該基板達高於600℃的一溫度，該支撐板設在一處理腔室的一處理容積內，該複數個燈具經設置以傳送電磁能至該支撐板的一第一側；利用設在該基板的一第一表面上方的一第一光學監測裝置，在一波長約2至4.8微米間，測量該基板的一溫度；利用一第二光學監測裝置，在一波長約2至4.8微米間，測量該支撐板的一溫度，該第二光學監測裝置經設置以觀察該支撐板的該第一側，該第一側在該支撐板的一第二側對面，該第二側上放置該基板的一第二表面；以及控制該基板的該溫度，同時加熱該基板，歷經該第 一時期，其中控制該溫度之步驟包含以下步驟：傳送一第一功率量至該複數個燈具；以及利用該支撐板的該測量溫度或該基板的該測量溫度，調整傳送至該複數個燈具的該第一功率量；以及處理一基板，歷經一第二時期，且處理該基板之步驟包含以下步驟：利用該複數個燈具，加熱置於該支撐板上的該基板達低於600℃的一溫度；利用該第一光學監測裝置，在一波長約2至4.8微米間，測量該基板的一溫度；利用該第二光學監測裝置，在一波長約2至4.8微米間，測量該支撐板的一溫度；以及控制該基板的該溫度，同時加熱該基板，歷經該第二時期，其中控制該溫度之步驟包含以下步驟：傳送一第二功率量至該複數個燈具；以及利用該支撐板的該測量溫度或該基板的該測量溫度，調整傳送至該複數個燈具的該第二功率量。
- 如請求項18之方法，其中：調整傳送至該複數個燈具的該第一功率量之步驟進一步包含以下步驟：利用至少一第一控制常數，計算該第一功率量；以及調整傳送至該複數個燈具的該第二功率量之步驟進一步 包含以下步驟：利用至少一第二控制常數，計算該第二功率量，且該第二控制常數不同於該第一控制常數。
- 如請求項18之方法，其中：歷經該第一時期處理該基板之步驟進一步包含以下步驟：輸送一定量的一第一前驅物到該處理腔室的該處理容積內，其中該第一前驅物包含鍺；以及歷經該第二時期處理該基板之步驟進一步包含以下步驟：輸送一定量的該第一前驅物和一定量的一第二前驅物到該處理腔室的該處理容積內，其中該第二前驅物包含矽。
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