TWI654411B - 用於傳輸溫度測定中之雷射干擾抑制的裝置及方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭露了測量基板溫度的裝置與方法。該裝置包含指示溫度之輻射來源、用於指示溫度之輻射偵測器、和解相關器，該解相關器置放於在該指示溫度之輻射來源和該指示溫度之輻射偵測器之間的光路上。該解相關器可為寬頻放大器及/或模態攪亂器。寬頻放大器可為寬頻雷射、布雷格光柵、布雷格光纖光柵、拉曼放大器、布里恩放大器、或是該等各者之組合。該解相關器被選擇用以放射輻射，該輻射係至少部分地藉由被監控之該基板所傳輸。若該解相關器是驅動增益裝置，該來源與該解相關器相匹配，使得該來源之放射光譜便會在該解相關器中之增益頻寬範圍內。

Description

用於傳輸溫度測定中之雷射干擾抑制的裝置及方法

本文描述之實施例係與退火基板的裝置與方法相關。更特定言之，本文描述之裝置和方法與藉由輻射傳輸以測量溫度相關。

傳輸高溫測量是偵測基板熱狀態之常見模式。熱處理腔室通常會使基板暴露在激烈、非相干或相干輻射中，以提升該基板溫度，該基板升溫範圍為全部基板或為部分該基板，或為該基板的表面區域。該用來加熱基板之輻射在腔室中創造強大背景輻射環境。

因為在腔室中，高功率輻射可自背景輻射區分出來，所以使用高功率輻射以偵測基板之熱狀態。雷射係一典型使用之高功率輻射，因雷射提供高功率和雷射可挑選最適合該基板之特定波長之機會。雷射會產生相干輻射，且當輻射傳輸穿越基板時，相干輻射可以指出該基板的熱狀態，該熱狀態可被記錄為溫度。該傳輸輻射可以高溫計偵測，且該傳輸輻射可和入射輻射比較，且該傳輸和該基板之熱狀態相 關。

藉由雷射產生的輻射典型地擁有很窄的光譜寬度，且當雷射操作時，可發現輻射之精確波長會變化。雷射介質的溫度會影響由該雷射放射出的波長，但即使是溫度控制的雷射還是會顯出干擾，原因為如模態跳動。當此變動輻射影響基板時，該部分輻射在該基板的相對表面間反射，且產生了干涉效應。當該雷射光之波長改變時，雷射光和該干涉之複合作用會在傳輸光中產生大量干擾，因而減少高溫計準確偵測該基板熱狀態之能力。

合併該雷射輻射內固有之干擾為在基板上之溫度效應。當該基板溫度變化時，該基板之折射率可變化，且該基板之厚度可變化，該等變化改變了被觀察之干涉圖。因為可藉由改變干涉效應以調節傳輸輻射的強度，該等綜合干擾來源大量地減少使該傳輸輻射和熱狀態相互關連的能力。

因此，一個用於低干擾的傳輸測量之裝置和方法是有必要的。

本發明揭露了測量基板溫度的裝置與方法。該裝置包含指示溫度之輻射來源、用於指示溫度之輻射偵測器、和解相關器，該解相關器置放於一光路上，該光路在該指示溫度之輻射來源和該指示溫度之輻射偵測器之間。該解相關器可為寬頻放大器及/或模態攪亂器。寬頻放大器可為寬頻雷射、布雷格光柵、布雷格光纖光柵、拉曼放大器、布里恩放大器、或是該等各者之組合。該解相關器被選擇用以放射輻 射，該輻射至少部分地藉由被監控之該基板所傳輸。若該解相關器是驅動增益裝置，該來源與該解相關器相匹配，使得該來源之放射光譜便會在該解相關器中之增益頻寬範圍內。

熱處理腔室可有如本文描述之傳輸熱分析儀。該腔室在罩中有基板支架、鄰近該基板支架之熱來源，該熱來源目的為加熱置放於基板支架上方之基板；和傳輸組件，該傳輸組件包含相干輻射來源、解相關器、和被放置在適當位置之偵測器，使得該解相關器放射出之輻射便會經由該輻射至該偵測器的路上，通過該基板支架。該解相關器可提升輻射中模態之數量，或是該解相關器可加寬輻射之光譜以預防來自該輻射抵達偵測器時之干擾信號。

100‧‧‧裝置

102‧‧‧來源

104‧‧‧解相關器

106‧‧‧偵測器

108‧‧‧資料處理器/偵測器

110‧‧‧基板

112‧‧‧相干熱輻射

114‧‧‧解相關熱輻射

116‧‧‧傳輸輻射

200‧‧‧裝置

202‧‧‧罩

204‧‧‧基板支架

206‧‧‧基板

208‧‧‧加熱器

210‧‧‧高強度燈

212‧‧‧窗戶

214‧‧‧開口

216‧‧‧來源

218‧‧‧導管/第一光導管/光導管

220‧‧‧解相關器

222‧‧‧第二光導管

224‧‧‧偵測器

226‧‧‧光分歧器

228‧‧‧導管

為了解更多上述之本發明方法之特徵細節，簡短於上文總結之本發明之更具體描述可參考實施例獲得，該部分實施例圖示於附圖中。然而需要注意的是，該等附圖僅為本發明之典型實施例，因此本發明並不限於附圖之範圍，本發明可接受其他同樣有效之實施例。

第1圖為根據一實施例之溫度測量裝置之示意圖；第2圖為根據另一實施例之熱處理腔室之示意側視圖；第3A圖為一曲線圖，圖示先前技術裝置之傳輸信號；第3B圖為一曲線圖，圖示本發明之一實施例之傳輸信號； 第4A圖為一曲線圖，圖示在熱處理時，先前技術裝置之傳輸信號；第4B圖為一曲線圖，圖示在熱處理時，使用根據本發明之一實施例製造之裝置之傳輸信號；為使更易了解，本說明書盡可能地使用相同元件符號以指定圖中共用之相同元件。在一實施例中揭露元件後，該元件無特別複述便可應用在其他實施例中，該益處是可預期的。

根據一實施例，第1圖為裝置100之示意圖，該裝置100之功能為決定基板110之熱狀態。該裝置100包含相干熱輻射112之來源102；解相關器104，該解相關器104可將相干熱輻射112轉換成解相關熱輻射114；偵測器106，該偵測器106可偵測傳輸穿越該基板110之傳輸輻射116；和資料處理器108，如電腦，該資料處理器108將來自該偵測器106之信號改變成該基板110之熱狀態指示。

來源102可為雷射，如雷射二極體；來源102或可為另一高輝度發光來源，如發光二極體(LED)。為更準確地偵測基板之熱狀態，該來源102通常為放出輻射之窄光譜之來源，所以藉由該基板吸收之該輻射吸收可被準確地決定。在大部分實施例中，該來源102為雷射二極體。以至少約950nm，如980nm、1024nm，或其他如該類波長放出之雷射二極體通常用來偵測大部份由矽製成之基板之熱狀態。

解相關器104加寬自來源102取得之輻射光譜，及/ 或該解相關器104減少該接收輻射之相干。該加寬光譜及/或解相關輻射減少經由基板反射之光干涉，且該加寬光譜及/或解相關輻射減少傳輸輻射中的干擾。因此偵測器106可更準確地指出該基板110之熱狀態。

在一些實施例中，解相關器104可為寬頻放大器。寬頻放大器通常為輻射放大器，該輻射放大器可接受輸入輻射且放大該輸入輻射橫越相對寬之光譜。在一實施例中，此類放大器為雷射介質，該雷射介質設計為幾何形狀以支持諧振頻率之寬闊範圍。例如帶有反射內容物之晶形雷射介質可產生多諧振腔。在其他的實施例中，輻射經由光學非線性被放大而導致光譜展寬。可使用之該類寬頻放大器的實例可為包含寬頻雷射、布雷格光柵、布雷格光纖光柵、光纖雷射、雷射標準具、拉曼放大器、布里恩放大器。該解相關器亦可為模態攪亂器。

在具有驅動增益寬頻放大器之實施例中，寬頻放大器之增益頻譜典型地包含來源102之放射光譜，使得該來源102放射之輻射便可藉由該寬頻放大器加寬光譜。該寬頻放大器將典型地擁有在約50THz至約1,000THz之間的光譜帶寬或發射頻寬，如在約300THz至約700THz之間的光譜帶寬或發射頻寬，及例如約500THz的光譜帶寬或發射頻寬。若該來源102有窄頻寬，例如單頻雷射，可於該寬頻放大器之增益頻譜中挑選出該來源102之放射，或是該寬頻放大器可和該來源102相匹配。

解相關器104所放射之輻射通常被選擇為具有至少 部分該放射輻射可被基板110所傳輸之波長。假使該解相關器104在輻射上無頻譜效應，自該解相關器104浮現出之輻射基本上將與自來源102取得之輻射擁有相同波長和頻譜。假使該解相關器104如同大部分寬頻放大器一樣地改變輻射之光譜分佈，該解相關器和該來源可為匹配，使得該解相關器就有增益頻寬，且該增益頻寬包含該來源之放射光譜，同時該解相關器之放射光譜包含一或更多個藉由該基板所傳輸之波長。

藉由來源放射之輻射將典型地擁有第一主要波長(如第一模態)，同時藉由解相關器(可為寬頻放大器)所放射之輻射將典型地擁有第二主要波長(如第二模態)。在多數具體情況中，第一模態與第二模態之差異，或者是說第一主要波長與第二主要波長之差異約為5nm至約20nm之間，如約為6nm至約10nm之間，例如約為6nm。值得注意的是，該等差異是取決於來源及解相關器類型之選擇。若該來源被用來當作用於寬頻放大器之泵浦，如操作寬頻雷射，該來源有一放射光譜，該放射光譜在該寬頻放大器之增益頻譜範圍內。若該寬頻放大器為模態色散之寬頻釹：雅各(Nd：YAG)雷射，該雷射放射之波長約為1,064nm且M²大於約30，且該雷射之光譜帶寬大約為560THz，舉例而言，該來源可為單頻雷射，該雷射放射之波長約為808nm或869nm，808nm或869nm在釹：雅各(Nd：YAG)雷射之兩增益頻帶之中心附近。

偵測器106是典型高溫計，但為求方便，偵測器106亦可作為另一種類型的輻射偵測器。舉例而言，光電二極體陣列或電荷耦合元件(CCD)陣列亦可用作為輻射偵測器。在一實施例中，二極體雷射被用來當作來源，該二極體雷射係放射窄頻寬1,030nm之輻射，且該二極體雷射被耦合至布雷格光纖光柵(“FBG”)，該布雷格光纖光柵有約6-10nm的放射光譜偏移和約1.6-2.0nm的頻譜寬度。高溫計偵測來自布雷格光纖光柵(FBG)浮現出之輻射，且該高溫計亦記錄一電流，該電流被轉換成基板之熱狀態之指標，如藉由資料處理器108轉換該電流為溫度。

來源102可為隨溫度變化之放射器。舉例而言，一般來說，雷射二極體放射輻射，且該輻射之波長會隨雷射介質之溫度而變化。舉例而言，砷化鎵銦雷射二極體之放射波長典型地具有溫度依賴性約0.25nm/℃。因此在一些實施例中，該放射輻射之波長可被調整達某一程度。為使放射輻射與解相關器104之特性匹配至最好結果，調整該放射輻射可為有用。在雷射二極體實施例中，熱電冷卻器可匹配至雷射介質中以提供意欲之冷卻量。藉由監控偵測器106偵測所得之訊號內之干擾，可發現可提供最佳準確率之波長；同時調整該雷射介質之溫度，以尋得將訊號內干擾最小化之設定。

根據另一實施例，第2圖為裝置200之示意側視圖。該裝置200為帶有如上文結合第1圖所描述之傳輸熱分析裝置之熱處理腔室。熱處理腔室如VULCAN®腔室，該VULCAN®腔室可自加州聖塔克拉之應用材料公司(Applied Materials,Inc.,)取得；根據參考第1圖描述之任一實施例，該熱處理腔室可被用以帶有一熱分析儀。其他熱處理裝置，如 自其他製造商取得之快速升溫處理(RTP)腔室亦可自本文描述之實施例受益。

裝置200包含罩202，該罩202圍住基板206，該基板206可被置放於基板支架204之上。該基板206藉由第2圖中未圖示之傳輸機制，穿越開口214進入該罩202之中。該基板傳輸機制可為任何已知技術之常規機制。

加熱器208置放在罩202中，且該加熱器208鄰近基板206之處理位置，使得該基板206便可藉由加熱器208作熱處理。該加熱器208可為一排高強度燈210，該高強度燈210如放電燈，該高強度燈210可置放為陣列以提供該基板206之均勻熱輻射。窗戶212可為石英窗戶，該窗戶212遮住腔室中的處理環境以保護該加熱器208。於該腔室中典型地包含旋轉機制(未圖示)。

熱分析組件包含相干熱輻射之來源216；解相關器220，該解相關器220藉由第一光導管218光耦合至該來源216；和偵測器224，該偵測器224經配置，使得在離開解相關器220之輻射至該偵測器224之途中，離開解相關器220之輻射就會穿過基板支架204。離開解相關器220之輻射經由第二光導管222傳播，該第二光導管222配置於加熱器208之中。

來源216，解相關器220和偵測器224可以為上文結合第1圖所述之任一實施例。在一些實施例中，光導管218可為光纖。在其他實施例中，該來源216可為直接耦合，舉例而言，該來源216物理耦合或接觸至該解相關器220。在一 些具體情況中，該來源216和該解相關器220可為熔接，或該解相關器220可熔接至該導管218。該偵測器224可耦合至如第1圖所示之資料處理器。

在一些實施例中，偵測器224可為單一感應器之複數個感應器，該偵測器224可分佈於不同位置以於不同位置測量基板之熱狀態。在此類實施例中，解相關器220放射之輻射可劃分，舉例而言可藉由光分歧器226(可為光纖束)劃分，該光分歧器可藉由導管228為部份之解相關輻射指路至基板206之不同位置，以使該偵測器224之個別感應器偵測該基板206之熱狀態。

在一實施例中，藉由抗反射耦合技術，導管218和解相關器220為光耦合。抗反射耦合技術之類型為平面耦合(flat face coupling)，該平面耦合意思為：該導管218之微面和該解相關器220之相對微面分別垂直於光路，且該導管218之微面和該解相關器220之相對微面分別有抗反射鍍膜。抗反射耦合技術之另一類型為物理耦合(physical coupling)，如熔接；該物理耦合意思為：一介面介於該導管218和解相關器220之間，為了最小化反射，該介面之組成逐漸轉化至足以提供平滑指數變化。抗反射耦合技術之第三種類型為角拋光連接(angled polished connection)，該角拋光連接意思為：該光導管218之關於光路之微面和該解相關器220之關於光路之相對微面被轉換角度，使得任一反射輻射便會自光路中被驅散。

在操作中，一傳輸方法用來減少或抑制偵測基板熱 狀態時之干擾。相干輻射之來源被放置於適當位置以便照射帶有輻射之部分基板，該輻射至少部分經由該基板傳輸。偵測器接收該傳輸輻射，且該偵測器產生基於該傳輸輻射之信號。該來源放射之相干輻射易受光譜加寬及/或使用解相關器解相關影響，該解相關器可為如上文結合第1圖和第2圖所述之寬頻放大器。藉由調整該相干輻射之波長，偵測信號時之干擾可被最小化。該相干輻射之波長可例如藉由將熱電冷卻器耦合至雷射二極體在可調雷射中被調整。在一實施例中，該雷射二極體之溫度由約0℃調整至約50℃，如將該雷射二極體之溫度自約0℃調整至約40℃；舉例而言，將該雷射二極體之溫度自約0℃調整至約25℃，以減少偵測信號時之干擾。

解相關器之特性典型地匹配至輻射來源之特性，使得該輻射來源便可提供有效地藉由解相關器解相關之輻射。舉例而言，若該解相關器是寬頻放大器，該輻射來源之放射光譜典型地選自于該寬頻放大器的增益頻寬中。該寬頻放大器被挑選出來以提供至少一部分藉由基板傳輸之寬頻輻射。較佳的狀況是實質上所有藉由解相關器放射之輻射會根據一熱狀態(如溫度)，在一藉由該基板傳輸之範圍內，使得該偵測器可使傳輸輻射與熱狀態相關聯。

應注意的是，雖然第2圖描繪其中有一罩202的裝置，該罩202中有來源216、導管218、和解相關器220；但在一些實施例中，來源216、導管218、和解相關器220可被放置於該罩外。

第3A圖為一曲線圖，圖示使用先前技術裝置之傳輸信號，可顯而易見信號內之干擾。第3B圖為一曲線圖，圖示使用本文所述之裝置之傳輸信號，可看出信號內之干擾大量減少。第4A圖為一曲線圖，圖示在熱處理時，使用先前技術裝置之傳輸信號之記錄，可顯而易見信號內之干擾。第4B圖為一曲線圖，圖示在熱處理時，根據使用本文所述之裝置之傳輸信號，可看出信號內之干擾大量減少。

雖然上述內容已針對本發明之實施例，但若無背離本發明之基本範圍(本發明之基本範圍由下述之申請專利範圍決定)之情況下，可設計本發明中其他及進一步之實施例。

Claims (18)

1. 一種用於測量經由一基板傳輸之輻射之裝置，包括：一相干輻射來源；一用於該相干輻射之偵測器；以及一寬頻放大器，該寬頻放大器置放於該相干輻射來源與該偵測器之間的一光路上，使得離開該寬頻放大器的輻射在到達該偵測器前先通過該基板，其中該寬頻放大器與該相干輻射來源相匹配而具有一增益頻寬，該增益頻寬包含該相干輻射來源之放射光譜。
2. 如請求項1所述之裝置，其中該寬頻放大器係一寬頻雷射介質。
3. 如請求項2所述之裝置，其中該寬頻放大器係一布雷格光纖光柵。
4. 如請求項3所述之裝置，其中該相干輻射來源係一雷射，該雷射以一第一波長放射輻射；且該布雷格光纖光柵以一第二波長放射輻射；且該第一波長和該第二波長之一差異為約5nm至約20nm間。
5. 如請求項4所述之裝置，其中該雷射係藉由一角耦合技術光耦合至該布雷格光纖光柵。
6. 如請求項1所述之裝置，其中該相干輻射來源以一第一模態之一波長分佈放射輻射，且該寬頻放大器以一第二模態之一波長分佈放射輻射，且該第一模態與該第二模態之一波長差異為約5nm至約20nm間。
7. 如請求項6所述之裝置，其中該寬頻放大器選自由一寬頻雷射、一布雷格光纖光柵、一拉曼放大器、一布里恩放大器、一光纖雷射或一雷射標準具組成之群組。
8. 如請求項7所述之裝置，其中該相干輻射來源係一可調二極體雷射，且該寬頻放大器係一布雷格光纖光柵。
9. 如請求項1所述之裝置，其中該相干輻射來源以一第一模態之一波長分佈放射輻射，且該寬頻放大器以一第二模態之一波長分佈放射輻射，且該第一模態在該寬頻放大器之增益頻譜範圍內。
10. 一種用於熱處理一基板之裝置，包括：一罩；一置放於該罩中內部之熱來源；一鄰近該熱來源之基板支架；一相干輻射來源；一解相關器，該解相關器沿著該解相關器至該相干輻射來源之一光路光耦合至該相干輻射來源，其中該解相關器為帶有一增益頻寬的一寬頻放大器，該增益頻寬包含該相干輻射來源所放射輻射之頻率；以及一偵測器，該偵測器沿著該偵測器至該解相關器之一光路光耦合至該解相關器，且該偵測器被適當地置放，使得離開該解相關器之輻射可在抵達到該偵測器之前通過該基板支架。
11. 如請求項10所述之裝置，其中該相干輻射來源有一帶有一第一主要波長之放射光譜，該寬頻放大器有一帶有一第二主要波長之放射光譜，且該第一主要波長與該第二主要波長之一差異為約5nm至約20nm間。
12. 如請求項10所述之裝置，其中該相干輻射來源係一帶有一主要波長大於約950nm之一二極體雷射。
13. 如請求項10所述之裝置，其中該相干輻射來源與該解相關器藉由一抗反射光耦合技術互相耦合。
14. 如請求項10所述之裝置，其中該解相關器選自由一雷射、一光纖雷射、一布雷格光柵、一布雷格光纖光柵、一拉曼放大器，一布里恩放大器、和一雷射標準具組成之群組。
15. 如請求項14所述之裝置，其中該相干輻射來源係一與雷射二極體耦合之可調光纖，且該解相關器係一布雷格光纖光柵。
16. 如請求項15所述之裝置，其中該可調光纖耦合至雷射二極體，且該布雷格光纖光柵藉由一角拋光連接(angled polished connection)耦合至該可調光纖。
17. 如請求項16所述之裝置，該裝置進一步包含一光分歧器，該光分歧器在布雷格光纖光柵與熱偵測器之間。
18. 一種偵測一基板之熱狀態之方法，包括以下步驟：以一主要波長放射至少部分經由該基板傳輸之相干輻射；加寬該相干輻射之光譜而具有一增益頻寬，該增益頻寬包含該相干輻射所放射之該光譜；使該加寬相干輻射傳輸穿過該基板；偵測該傳輸輻射；以及自該偵測之傳輸輻射決定該基板之一熱狀態。