TWI834717B

TWI834717B - 半導體處理系統、用於熱校準半導體處理腔室的方法及系統

Info

Publication number: TWI834717B
Application number: TW108132027A
Authority: TW
Inventors: 彥霖廖; 卡萊布科伊米斯金; 亨裕金
Original assignee: 荷蘭商ＡｓｍＩｐ私人控股有限公司
Priority date: 2018-09-10
Filing date: 2019-09-05
Publication date: 2024-03-11

Abstract

揭露一種半導體處理系統、一種用於熱校準半導體處理腔室的方法及系統。在各種實施例中，可使用半導體處理腔室校準第一無接觸式溫度感測器以獲得第一讀數。第一讀數可代表第一位置的第一溫度。第一無接觸式溫度感測器可用來獲得代表外部熱輻射源之第二溫度的第二讀數。可將外部熱輻射源的第二溫度調整至外部熱輻射源的第一溫度設定，使得第二讀數實質上匹配第一讀數。額外的無接觸溫度感測器可指向外部熱輻射源並可調整成使得額外無接觸式感測器的讀數可被校準並互相匹配。

Description

半導體處理系統、用於熱校準半導體處理腔室的方法及系統

本發明是有關於一種用於熱校準半導體處理腔室之系統及方法。

高溫處理腔室可用來沈積各種材料層至半導體基板上。將諸如矽晶圓之基板放置在反應器內的晶圓支座上(諸如基座)。將晶圓和支座兩者都加熱到希望的溫度。在某些晶圓處理步驟中，使反應物氣體通過被加熱的晶圓上方，在晶圓上導致反應物材料薄層的化學氣相沈積(CVD)。在整個後續沈積、摻雜、微影術、蝕刻及其他製程中，此等層被製成積體電路或其他積體裝置，從而產生取決於晶圓大小及電路複雜度之數十至數千或甚至數百萬個積體裝置。諸如原子層沈積(ALD)製程的其他製程在晶圓上重複地沈積一個物種的薄單層。

謹慎地控制各種製程參數以確保所沈積層的高品質。一個這種重要參數為晶圓溫度。在化學氣相沈積期間，例如，沈積氣體在規定溫度範圍內反應以沈積於晶圓上。溫度之改變可導致沈積速率的改變及不合需要的層厚度。類似地，諸如蝕刻的其他半導體製程可對溫度非常敏感。因此，準確地控制晶圓溫度以使晶圓在處理開始之前達到所要溫度且在整個製程中維持所要溫度係重要的。

為了準確地控制晶圓溫度，準確地測量晶圓或處理腔室的其他構件(諸如室壁、基座等等)之溫度係重要的。然而，準確且重複地校準用於處理腔室環境中的溫度感測器可能很有挑戰性。依此，仍持續需要用於熱校準半導體處理腔室的改善系統及方法。

本發明之系統及方法具有若干特徵，其等沒有單一者係單獨負責其期望的特質。在不限制由隨後申請專利範圍所表示之本發明範疇下，現將簡要地論述各種特徵。在思考本論述之後，特別是於閱讀標題為「實施方式」的部分之後，當可明瞭本文中描述之特徵如何提供優於傳統氣體遞送方法及系統的若干優點。

在一個實施例中，揭露一種用於熱校準半導體處理設備的半導體處理腔室之方法。該方法可包含用半導體處理腔室來校準第一無接觸式溫度感測器以獲得第一讀數，第一讀數代表第一溫度。該方法可進一步包括使用第一無接觸式溫度感測器來獲得代表在第一溫度設定的外部熱輻射源之第二溫度的第二讀數。該方法可包括將外部熱輻射源的第二溫度調整至外部熱輻射源的第二溫度設定，使第二讀數實質上匹配第一讀數。

在另一個實施例中，揭露一種用於熱校準半導體處理腔室之系統。該系統可包括校準成具有代表第一溫度之第一讀數的第一無接觸式溫度感測器。該系統可包括具有孔徑及含有複數個溫度設定之加熱器的黑體校準爐。第一無接觸式溫度感測器可配置成，透過孔徑，獲得代表黑體校準爐之第二溫度的第二讀數。黑體校準爐可配置成，當黑體校準爐置於該複數個溫度設定的第一溫度設定時，使第二讀數實質上匹配第一讀數。

在另一個實施例中，揭露一種半導體處理系統。該系統可包括第一半導體處理腔室。該系統可包括第一無接觸式溫度感測器，其配置成測量第一半導體處理腔室的一部分或第一半導體處理腔室內的第一晶圓之第一溫度。該系統可包括第二半導體處理腔室，其與第一半導體處理腔室為相同類型。該系統可包括第二無接觸式溫度感測器，其配置成測量第二半導體處理腔室的一部分或第二半導體處理腔室內的第二晶圓之第二溫度。可相較於一共同的外部熱輻射源校準第一及第二無接觸式溫度感測器。

10:處理設備/設備/處理腔室

11:壁

12:反應室

13:線性輻射加熱元件/長條管型加熱元件/燈

14:線性輻射加熱元件/燈

16:晶圓

17:溫度控制器

18:晶圓支座/支座

20:基座

21、21a、21b、21b’、21b”:溫度感測器/感測器

22:軸射架

24:軸

26:管

27:外部區域

28:接觸式溫度感測器

30、34:方法

31、32、33、34、35、36、37、38:區塊

40:系統

41:外部熱輻射源

42:孔徑

43:可移動台

44:黑體溫度指示器/指示器

45:溫度設定介面

46:溫度感測器

現在將參看若干實施例的圖式來描述本發明之此等及其他特徵、態樣及優點，該等實施例意欲說明而非限制本發明。

圖1為根據一實施例的半導體處理腔室之示意側剖面圖。

圖2A為顯示根據各種實施例用於校準半導體處理腔室之溫度感測器的一示範設備的影像。

圖2B為圖2A之系統的示意側視圖。

圖3為示意性繪示根據各種實施例用於校準半導體處理腔室之方法的流程圖。

圖4為示意性繪示根據各種實施例用於校準無接觸式溫度感測器之方法的流程圖。

圖5為繪示複數個期望溫度讀數之示範讀出值溫度的表。

圖6為一個表，其繪示針對一示範半導體處理配方來自指向室內晶圓並藉由本文中所述的程序校準之三個不同的光學高溫計之讀數，連同針對每一個室來自在支撐晶圓的基座下方之中央熱電偶的熱電偶讀數，其中藉由參照對應室之光學高溫計來校準熱電偶。

圖7為繪製根據各個實施例在複數個來源溫度下之無接觸式溫度感測器的讀數之圖。

本文所揭露的各種實施例有關於用於熱校準半導體處理腔室的系統及方法，諸如用於化學氣相沈積(CVD)、原子層沈積(ALD)、蝕刻、電漿沈積、微影術或任何其他適當的半導體處理技術之處理腔室。如前面所解釋，準確地控制處理腔室內的溫度很重要，以使晶圓經歷高產率且高品質的製程，例如以針對沈積製程使層均勻地沈積在晶圓上。然而，準確地校準處理腔室的溫度測量值可能會有挑戰性。

例如，在諸如可從荷蘭阿爾梅勒(Almere)購得之商標名稱為EPSILON的單晶圓水平流化學氣相沈積室之某些半導體處理腔室中，可將第一參考無接觸式溫度感測器(例如第一參考高溫計)至一參考溫度，該參考溫度係由置於第一半導體處理腔室的晶圓或其他部分附近或與其接觸之第一接觸式溫度感測器(例如熱電偶或熱電偶儀測晶圓)所測量。可將第一參考無接觸式溫度感測器移送並安裝於第二處理腔室上。可使用第一參考無接觸式溫度感測器來校準第二處理腔室的第二接觸式溫度感測器(例如熱電偶或熱電偶儀測晶圓)。可移除第一參考無接觸式溫度感測器，並安裝第二參考無接觸式溫度感測器且使用第二經校準接觸式溫度感測器來加以校準。可針對後續的處理腔室、無接觸式溫度感測器及接觸式溫度感測器重複此順序。此校準程序的額外細節可見於在2018年4月26日公開之整份美國專利公開案號2018-0114680A1，其全部內容以引用方式整體且出於所有目的含括於此。

在某些情況中，此校準技術很昂貴且費時，且易有錯誤校準。例如，室與室之間的尺度、感測器位置、材料及其他變異之微小差異會導致一連串的不準確，其減少校準的準確度。依此，本文所揭露的各種實施例藉由將與處理腔室分開且位在處理腔室外面的外部熱輻射源校準至參考無接觸式溫度感測器(例如參考高溫計)來解決這些問題。可編程或配置經校準的外部熱輻射源，諸如黑體爐，以模仿參考處理腔室的熱環境，使得額外的無接觸式溫度感測器可被校準至外部熱輻射源，而非被校準至原地(in-situ)溫度感測器。因此，本文所揭露的實施例使無接觸式溫度感測器能夠持續地被校準，無接觸式溫度感測器亦可用來持續地校準接觸式溫度感測器，導致溫度控制以針對特定處理配方產生類似(例如實質上相同)的熱環境，其可跨兩或更多個處理腔室，或跨兩或更多個處理順序產生，以改善晶圓處理結果。例如，可在集群型工具或高容量製造環境(其中多個製程工具運行相同的處理配方)中利用多個處理腔室。

圖1為根據一個實施例之半導體處理設備10的示意側剖面圖。圖1的處理設備10包含高溫化學氣相沈積(CVD)室，但應當可理解到本文所揭露的實施例可與任何適當類型的處理腔室結合使用，諸如原子層沈積(ALD)室、蝕刻處理腔室、電漿室等等。在這些環境的任何者中，採用經準確且持續校準的無接觸式溫度感測器有其益處。在圖1的設備10中，晶圓16係支撐在反應室12內的晶圓支座18上。支座18包括支撐其上安置晶圓16之基座20的軸射架(spider)22。軸射架22安裝至軸24，其向下延伸通過依附於室12下壁的管26。

處理腔室10備有加熱系統，其包含用來將晶圓16升高至處理溫度之線性輻射加熱元件13、14。每一個長條管型加熱元件13、14可包含高強度鎢絲燈。這種燈產生透射通過反應室12的石英壁而無可觀的吸收之輻射熱能。如在半導體處理技術領域中已知，可回應於溫度感測器而獨立地或以分組區方式控制各個燈13、14的功率。處理溫度可例如介於約400℃及1200℃之間。可設置溫度控制器17以依據從溫度感測器21a、21b所接收到的反饋信號及/或從燈13、14所接收到的信號來控制反應室12內的溫度。溫度控制器17可包含處理電子產品，其配置成處理溫度資料，並依據那個處理過的資料發送致動信號到燈13、14，以增加或減少反應室12的溫度。

接觸式溫度感測器28，例如熱電偶，顯示成在晶圓下方並在其附近，且設置在依附於室12下壁之管26內。接觸式溫度感測器28可接觸晶圓16或被置於其附近，以在處理設備10操作之前、期間或之後，通過基座20，測量晶圓的溫度。雖僅標示一個中央接觸式溫度感測器28，設備10可具有多個額外的接觸式溫度感測器，例如，在圍繞基座20的「滑(slip)」環內之前緣、後緣及側邊。另外，如圖1中所示，可設置第一壁無接觸式溫度感測器21a以測量處理設備10的壁11之溫度。在各種實施例中，壁11可包含石英。如所示，可將壁無接觸式溫度感測器21a放置成使得感測器21a在溫度測量期間到壁11有不被阻擋的視線(line of sight)。壁11的溫度可用來推斷或估計晶圓16或處理腔室10之其他構件的溫度。雖壁無接觸式溫度感測器21a顯示成完全設置在反應室12外面，在其他實施例中，壁無接觸式溫度感測器21a 的至少一部分可設置在反應室12內。另外，如圖1中所示，可設置第二晶圓無接觸式溫度感測器21b以直接測量晶圓16之溫度。如圖1中所示，例如，第二感測器21b可設置在晶圓16的一內部區域上方。然而，在其他實施例中，第二溫度感測器21b可替代地或額外地通過基座20測量晶圓16的溫度。例如，如圖1中所示，第二感測器21b的替代位置可定位在晶圓16周邊外面，以測量基座20的溫度，並可依據所測量的溫度來推斷或判斷晶圓16的溫度。圖1的感測器21b’可用來測量基座20的一外部區域27之溫度，其可在晶圓16設置在基座20上時在晶圓16外面側向暴露。在又其他安排中，第二溫度感測器21b”可替代地或額外地通過基座20測量晶圓16的溫度，並可設置在晶圓16及基座20下方。圖1中所示的第二感測器21b”可配置成測量基座20的底表面溫度。還有其他安排可能是合適的。依此，在各種實施例中，無接觸式感測器21a、21b、21b’、21b”可用來測量處理腔室或處理設備10之溫度(例如壁11、晶圓16及基座20之一或多者的溫度)。在一些實施例中，處理設備10可僅包含感測器21a、21b，而不包含感測器21b’或21b”。在其他實施例中，處理設備10可僅包含感測器21a或21b’，而不包含感測器21b、21b”。在其他實施例中，處理設備10可僅包含感測器21a、21b”，而不包含感測器21b、21b’。在還有其他實施例中，處理設備10可包含所有所示之無接觸式感測器，如感測器21a、21b、21b’及21b”。可設置任何適當數量的感測器。

如同壁感測器21a般，晶圓無接觸式溫度感測器21b(或21b’或21b”)可在處理設備10之操作之前、期間或之後具有至晶圓16(或基座20)的不受阻擋之視線。在所示實施例中，壁及晶圓無接觸式感測器21a、21b、21b’、21b”包含光學高溫計。然而，在其他實施例中，可使用其他類型的無接觸型感測器。此外，雖將感測器21a、21b、21b’、21b”分別敘述為測量室壁11及晶圓16(例如，直接或通過測量基座20之溫度)的溫度，在其他實施例中，一或多個無接觸式溫度感測器(例如高溫計)可用來測量處理設備10的其他構件之溫度，諸如上或下石英壁或石墨及/或碳化矽構件之溫度，像是環繞基座20之溫度補償環的溫度。

在溫度控制系統中，熱電偶有時被稱為接觸型感測器，因其時常被放置成接觸待感測其溫度之物品(例如晶圓16、基座20或壁11)。然而，有時熱電偶會被設置成與那個物品稍微隔開或在其附近。熱電偶藉由相關於待測量物品之熱轉移來測量溫度。這類感測器在此文件中將被稱為接觸型感測器，但本文中所用的那個詞意圖包括設置在待感測的物品附近但實際上並未接觸物品的熱電偶。此外，「接觸型感測器」意圖包括即使並非熱電偶但是藉由熱轉移操作之溫度感測器。相反地，光學高溫計常被稱為無接觸型感測器，因其一般與待感測物品間隔很遠，且測量晶圓或其他物品(例如室壁、基座等等)所發射的輻射。出於本文件之目的，無接觸型感測器意圖不僅包括高溫計，還包括可遠端感測溫度之感測器。光學高溫計，謹慎地設置在處理腔室中或附近，可藉由測量由晶圓或由反應室12的其他部分所發射的光輻射來直接判斷晶圓溫度。高溫計比熱電偶能更迅速地反應溫度改變，且因此不會明顯地落後晶圓溫度。當然，若來自加熱燈的直接或反射光到達高溫計的話，由晶圓發射的光輻射可能僅會是高溫計所接收到的輻射之一部分，且溫度讀數可能會有誤。

因此，無接觸式溫度感測器21a、21b、21b’、21b”及接觸式溫度感測器28可在處理設備10的操作之前、期間或之後測量晶圓16或處理設備10之其他部分的溫度。在各種實施例中，無接觸式溫度感測器21a、21b、21b’、21b”之一或兩者可配置成監測(如直接或通過基座20)室12或其內之構件(如石英壁)及/或晶圓16的溫度，而接觸式溫度感測器28可配置成在操作期間控制溫度。在這種實施例中，無接觸式溫度感測器21a、21b、21b’、21b”充當監測器以確保溫度控制如預期般運作。在其他實施例中，接觸式溫度感測器28可配置成監測室12或其之構件及/或晶圓16的溫度，而無接觸式溫度感測器21a、21b、21b’、21b”之一或更多者可配置成在操作期間控制溫度。在這種實施例中，接觸式溫度感測器28等等充當監測器以確保溫度控制如預期般運作。在又其他實施例中，接觸式溫度感測器28及無接觸式溫度感測器21a、21b、21b’、21b”之一或兩者可配置成在操作期間同時監測及控制溫度，例如，不同的感測器可操作成在不同處理階段(例如低溫階段、高溫階段、溫度繩高步驟等等)期間藉由反饋迴路來控制溫度。在又其他實施例中，可在處理期間或晶圓之間藉由參照至接觸式溫度感測器讀數來校準無接觸式溫度感測器，且反之亦然。在各種實施例中，接觸及無接觸式感測器兩者可用來在操作期間監測溫度。在某些實施例中，接觸及無接觸式感測器兩者可用來在操作期間控制溫度。

圖2A為顯示根據各種實施例用於校準半導體處理設備之一示範系統40的影像。圖2B為圖2A之系統40的示意側視圖。圖2A-2B的系統40可用來校準無接觸式溫度感測器，諸如圖1的感測器21a、21b、21b’、21b”。例如，系統40可用來校準無接觸式溫度感測器(諸如高溫計)，其配置成測量室10之壁11、晶圓16或室12或設備10內或上的其他位置(如基座20)之溫度。

如圖2A-2B中所示，系統40可包含與處理設備10分開且在其外面的一外部熱輻射源41。在所示的實施例中，外部熱輻射源41包含黑體校準爐，其中加熱器配置成在爐內產生熱，其物理模型化黑體輻射源。在最終用途應用中之待測量的目標與黑體類似的假設之下，黑體源可被高溫計製造商用來在出貨之前校準高溫計。外部熱輻射源41可包含對紅外線輻射透明之孔徑42。例如，在某些實施例中，孔徑42可包含輻射源41中的一個孔洞或開口。在其他實施例中，紅外線輻射透明板或透鏡可設置在孔徑42上方。在圖2A中，孔徑42可包含形成為穿透一黃銅蓋的孔洞。孔徑42可具有在6mm至7mm的範圍內的直徑，例如約6.5mm。

無接觸式溫度感測器21，其可與於前面圖1中所述的感測器21a、21b、21b’、21b”類似，可設置在一可移動台43上。如前面所解釋，在某些實施例中，無接觸式溫度感測器21可包含高溫計。可移動台43(其可操作地連接至馬達)可配置成在三維(如X、Y及Z座標)中對準溫度感測器21，以提供感測器21之敏感元件與和爐內部提供光學連同之孔徑42之間的不受阻礙之視線。由爐所發射的紅外線輻射可穿過孔徑42並可被無接觸式溫度感測器21之敏感元件接收。無接觸式溫度感測器21可具有將敏感元件所偵測到的紅外線輻射轉換成使用者可看或可被傳送到電腦系統或控制器的溫度讀數之電路。在各種實施例中，可藉由調整感測器因子(sensor factor，SF)來校準無接觸式溫度感測器21，感測器因子調整感測器21的敏感度，而使溫度讀出值會隨感測器因子的變化而變。在其他實施例中，可以對用於處理設備10之溫度控制器作程式調整的方式來執行無接觸式溫度感測器之校準，以調整控制器對無接觸式溫度感測器讀數的響應。

如圖2A中所示，黑體溫度指示器44可配置成提供外部輻射源41內之估計溫度的讀數。溫度感測器46(如熱電偶)可設置在外部熱輻射源41之內，以測量外部熱輻射源41的溫度。另外，如圖2A中所示，系統40可包含溫度設定介面45，其可代表提供熱能至爐的加熱器之設定溫度。使用者可調整溫度設定介面45以在複數個溫度設定的任何者改變加熱器的設定溫度。

圖3為示意性繪示根據各種實施例之用於熱校準半導體處理腔室(諸如圖1的處理設備10)之方法30。處理設備10可經受包括一或多個溫度設定點的處理配方。如前面所解釋，某些原地校準技術可能很昂貴且費時，且不精確。圖3的方法30代表一種異地(ex-situ)方法，其針對每一個特定溫度設定點，依據諸如黑體校準爐之外部熱輻射源41(與處理腔室分開且在處理腔室外部)校準無接觸式溫度感測器21。有利地，圖3之方法30能允許具有時間效率及成本效率的準確熱校準。

方法30從區塊31開始，其中用半導體處理腔室校準第一無接觸式溫度感測器21(諸如高溫計)來獲得第一讀數。第一無接觸式溫度感測器21的第一讀數可代表半導體反應室12的一部分或反應室12內的晶圓16之第一溫度。第一溫度可依此對應至反應室12內或晶圓16上的一特定位置。在各種實施例中，取決於待校準的溫度為何，第一無接觸式溫度感測器21可包含感測器21a、21b、21b’、21b”的任一者。例如，若校準將依據室壁11的溫度的話，則第一無接觸式溫度感測器21可包含配置成測量壁11的溫度之圖1的壁無接觸感測器21a，在這種情況下第一溫度會包含壁11的經測量溫度。若校準將依據晶圓16的溫度的話，則第一無接觸式溫度感測器21可包含配置成測量晶圓16的溫度之圖1的晶圓感測器21b，在這種情況下第一溫度會包含晶圓16的經測量溫度。在其他實施例中，第一溫度可對應至例如使用感測器21b’在處理設備10的其他部分所測量到的溫度，例如基座20等等的溫度。

可以任何適當方式校準第一無接觸式溫度感測器21。例如，在某些實施例中，諸如在基座下方的中央接觸式溫度感測器 28之接觸式溫度感測器可用來準確地測量基座溫度，且第一無接觸式溫度感測器(如感測器21b)可經校準而具有實質上匹配接觸式溫度感測器28之讀數的第一讀數。替代地，具有嵌入型接觸式溫度感測器(如熱電偶)的晶圓可用於校準，其可改善接觸式溫度測量值之準確度。在其他實施例中，接觸式溫度感測器(未圖示)可用來準確地測量壁11的溫度，且第一無接觸式溫度感測器(如感測器21a)可經校準而具有實質上匹配接觸式溫度感測器之讀數的第一讀數。例如，接觸式溫度感測器的一或多個讀數可與第一無接觸式溫度感測器的一或多個讀數相比。因此，在區塊31中，可將第一無接觸式溫度感測器校準至處理腔室的一部分(如室壁11、基座等等)之已知第一溫度或至晶圓16的已知第一溫度，其中「已知」可代表接觸式溫度感測器讀數。僅作為一個例子，若接觸式感測器28判斷晶圓16溫度為820℃的話，則無接觸式感測器21b(或感測器21b’或21b”)的第一讀數或讀出值也可經校準至大約820℃。雖已連同相較於接觸式溫度感測器(如熱電偶)之校準敘述區塊31，在其他實施例中，可依據其他類型的溫度感測器，包括其他無接觸式溫度感測器，校準第一無接觸式溫度感測器。此外，取決於處理配方，可在編程到溫度控制器中的不同溫度設定重複校準方法30。例如，針對不同處理配方的不同溫度設定，或針對單一處理配方內的不同溫度設定點，在反應室12或晶圓中的位置之經測量第一溫度可變化，使得針對每一個配方及溫度設定，可校準無接觸式溫度感測器21。如此校準過之無接觸式溫度感測器在下列範例中可稱為「黃金高溫計(golden pyrometer或golden pyro)」，這是有鑑於其後續被用來設定外部熱輻射源，而外部熱輻射源則轉而可用來校準多個後續的無接觸式溫度感測器。

移至區塊32，第一無接觸式溫度感測器可用來獲得代表外部熱輻射源41之第二溫度的第二讀數。外部熱輻射源41可與處理腔室10分開，並設置在處理腔室10外面，以提供異地校準源。在各種實施例中，如本文中所解釋，外部熱輻射源41可包含溫度受控爐，例如黑體校準爐，如前面結合圖2A-2B所解釋。例如，如本文中所解釋，外部熱輻射源41可包含加熱器、溫度設定介面45(如代表加熱器的一設定溫度)、配置成測量輻射源41內的第二溫度之溫度感測器46(接觸或無接觸式)及指示輻射源41內之溫度的指示器44。

繼續前面結合區塊31所提出的特定範例，在區塊32，當加熱器初始設定在820℃的溫度設定介面之第一溫度設定時，外部熱輻射源41的第二溫度之初始測量值可能導致800℃的第二讀數(藉由第一無接觸式溫度感測器)。在此範例中第一無接觸式溫度感測器21的第一讀數(如820℃)與第二讀數(如800℃)之間的差表示外部熱輻射源41的熱環境(如溫度)與處理腔室10或晶圓16的部分之熱環境(如溫度)不同。

在區塊33，方法30可調整外部熱輻射源41，使外部熱輻射源41模仿反應室12內的熱環境(例如室壁11的溫度或晶圓 16的溫度)。例如，可將外部熱輻射源41的第二溫度調整至第二溫度設定，使得第一無接觸式溫度感測器21的第二讀數實質上匹配第一讀數。例如，雖然第一無接觸式溫度感測器21是用來測量輻射源41的溫度，使用者可操作溫度設定介面45來改變加熱器的溫度設定。可例如使用反複試驗來調整加熱器的溫度設定，直到，且使得，第二讀數實質上匹配第一讀數。在上面討論的範例中，可將溫度設定調整至例如843.4℃的第一溫度設定，使得第一無接觸式溫度感測器21的第二讀數約為820℃，例如大約為與在區塊31中與接觸式溫度感測器28校準期間第一無接觸式溫度感測器21所測量到相同之溫度值。這意味著，為了模仿反應室12的環境以將無接觸式溫度感測器校準於820℃的處理溫度(在所關注的室12內之該位置)，外部熱輻射源41應設定至843.4℃。

依此，在圖3中，在區塊31，可將第一無接觸式溫度感測器21校準至處理腔室10中的一已知參考溫度。接著，在區塊32及33，經校準的第一無接觸式溫度感測器21可接著用來判動外部熱輻射源41之第一溫度設定(例如843.4℃的加熱器輸入設定)，其會致使外部熱輻射源41的第二讀數實質上匹配處理腔室10內的第一讀數(例如在第一無接觸式溫度感測器上約為820℃的讀數)。因此，當將外部熱輻射源41轉至第二溫度設定(如843.4℃)時，外部熱輻射源41可模仿處理腔室10(例如壁11、晶圓16等等)之熱環境，並可用來校準用於相同種類的其他處理設備10中相同測量位置的相同處理配方中的其他感測器(例如其他高溫計)。

如本文中所用，若第一及第二讀數代表類似的熱環境的話，則第二讀數可實質上匹配第一讀數。在某些實施例中，例如，第一及第二讀數可匹配至小數點後1位內，尤其至小數點後2位內，當以攝氏單位測量時。在各種實施例中，第一及第二讀數可匹配至約+/-0.1℃。

圖3之方法30可移至區塊34以用外部熱輻射源41校準第二無接觸式溫度感測器21(諸如與「黃金」無接觸式溫度感測器相同的類型、型號等等之另一個高溫計)。如先前在區塊33中所解釋，當外部熱輻射源41設定至第一溫度設定時，外部熱輻射源41可模仿反應室12之熱環境。可能會希望在其他處理設備10中設置額外的溫度感測器21而無須重複上述的校準步驟。依此，於區塊34中，可藉由使用在第二溫度設定(其約為反應室12的熱環境)之外部熱輻射源41的已知熱環境來異地校準(在反應室12的外面)第二無接觸式溫度感測器21(及任何額外後續的無接觸式感測器)。在各種實施例中，亦可相較於經校準的無接觸式感測器21校準接觸感測器(諸如感測器28)。

圖4為繪示於上圖3中所述之方法34的額外細節之流程圖。方法34可進至區塊35中，其中將外部熱輻射源41調整為維持在於前面區塊33中所判斷的第二溫度設定(例如在843.4℃的加熱器輸入溫度設定)。如前面所解釋，當外部熱輻射源41置於第二溫度設定時，外部熱輻射源41可模仿反應室12的熱環境(例如在關注測量位置之約820℃的溫度)。在區塊36中，第二無接觸式溫度感測器21可用來獲得代表外部熱輻射源41之第二溫度的第三讀數。若第三讀數與第一讀數(例如在上述範例中820℃)不同，則方法30移至區塊37以校準第二無接觸式溫度感測器21。在區塊37中，例如，可調整與第二無接觸式溫度感測器21關聯的感測器因子(SF)而使得第三讀數實質上匹配第一讀數(如820℃)。可以任何適當的方式調整感測器因子，諸如藉由調整第二無接觸式感測器21上的介面或按鍵或否則調整感測器21本身的編程。一旦調整好感測器因子而使第二無接觸式感測器21的讀數實質上匹配第一讀數，則第二無接觸式溫度感測器21可被校準至處理腔室10之熱環境。替代地，可藉由調整溫度控制編程以調整第二無接觸式感測器的讀數來達成第二無接觸式感測器的校準。例如，在某些實施例中，可編程或調整連接至設備10的軟體而使得設備10的讀數(例如藉由使用者介面)顯示正確的溫度讀數，即使感測器21上的讀出值並未改變。在這種實施例中，可對測量的溫度信號執行後處理，使得使用者仍可看到正確的經校準溫度讀數。

轉至區塊38，第二無接觸式溫度感測器21可安裝在處理設備10上，或在與處理設備10類似(例如相同型號)的另一個處理設備中。例如，可安裝第二無接觸式溫度感測器21以偵測反應室12的壁11、晶圓16或處理設備10的其他構件之溫度。由於第二無接觸式溫度感測器21是安裝在該處理設備或類似類型的處理設備中(例如另一個類似的化學氣相沈積反應器)，外部熱輻射源41可藉由模仿具有相同機械或熱特性的處理腔室之熱環境來校準第二感測器21。可同樣地將額外的無接觸式溫度感測器校準至處理腔室的熱環境，這可藉由當外部熱輻射源置於第二溫度設定時，調整個別的感測器因子直到來自感測器的讀出值實質上匹配第一讀出值來達成。可接著將經校準的無接觸式感測器安裝在與校準或參考處理腔室類似(例如具有與參考處理腔室類似的熱環境)的處理腔室中。如前面所解釋，已安裝的無接觸式溫度感測器21可配置成監測處理腔室10中的溫度、控制處理腔室10中的溫度、監測處理腔室10中的溫度及/或校準接觸式溫度感測器或反之亦然。

在處理腔室10的一特定施加溫度下闡述圖3-圖4的方法30。應可理解到可針對不同的施加溫度重複方法30，並可在那些不同的施加溫度類似地校準無接觸式溫度感測器21，使校準系統40可用來校準不同的處理溫度。

圖5為繪示複數個期望溫度讀數之示範讀出值溫度。例如，欄(1)顯示無接觸式溫度感測器21(感測器A)的期望讀出值溫度，其對應至針對施加至處理腔室10的複數個施加溫度，處理腔室10或晶圓16的經校準溫度設定。例如，欄(1)的期望讀出值溫度可代表依據例如接觸式溫度感測器28(或儀測晶圓，此資料實際上是藉由此所產生的)在圖3的區塊31中被校準的第一溫度讀數。欄(2)顯示將施加以獲得欄(1)中的期望讀出值之爐溫度設定。例如，欄(2)中的溫度可對應至針對施加至處理腔室10的複數個施加溫度，用於外部熱輻射源41的加熱器之第二溫度設定，如在區塊33中所獲得。

欄(3)及欄(4)顯示兩個不同的無接觸式溫度感測器21(感測器B及C)的第二讀數，其先前曾如在區塊31中般使用與感測器A相同方式校準過。當加熱器置於欄(2)中所示之感測器A的第二溫度設定時，欄(3)及欄(4)顯示感測器21的感測器B及C之第二讀數實質上匹配欄(1)中的期望讀出值。例如，如所示，在寬廣的溫度範圍中這三個感測器21的溫度讀數全都可在期望讀出值之+/-5℃，其中誤差隨溫度越高而越少，其中信號/雜訊比最大。在820℃，讀出值差可在約+/-2℃內。這展現出單一感測器21的第二溫度設定可用來準確地模仿室之熱環境，並因此用來異地校準額外的感測器21來獲得相同的原地讀數。

圖6為繪示來自曾藉由本文中所述的方法校準過且朝向室12內的晶圓16之三個不同的光學高溫計在相同處理配方期間的平均讀數之表。還顯示來自支撐晶圓的基座下方之中央熱電偶的平均熱電偶讀數，熱電偶在此情況中用於溫度控制。圖6的表繪示當無使用本文中所述的方法校準接觸式感測器21時，感測器21可準確地被校準且同時互相精確地匹配，並在運作相同處理配方時可有利地產生在彼此間+/-1℃內的讀數。

圖7為繪製根據各種實施例在複數個爐源溫度時無接觸式溫度感測器21(如高溫計)的讀數之圖。尤其，圖7的圖繪製圖5的資料，其中水平軸代表圖5的欄(2)中之資料而垂直軸代表圖5的欄(1)、欄(3)及欄(4)中之資料。在此範例中，外部熱輻射源41的設定溫度從約400℃變化至約900℃。在源41之複數個溫度設定點下繪製用來校準熱輻射源41之參考高溫計(如第一無接觸式溫度感測器)、高溫計1(第二無接觸式溫度感測器)及高溫計2(第三無接觸式溫度感測器)的所得高溫計讀出值。如圖7中所示，高溫計讀出值與設定溫度之間的關係大致上為線性。此外，如圖7中所示，校準曲線中的變化性非常小，如參考高溫計、高溫計1及高溫計2的繪圖之間的高度相關性所證明。

雖然為清楚理解起見而經由繪示及實例詳細描述前述內容，但熟悉本技術領域人士當明瞭可實施某些變化及修改。因此，不應將描述及實例詮釋為限制本發明範疇於本文中描述之特定實施例及實例，而是亦涵蓋伴隨著本發明之真實範疇及精神之所有修改及替代。此外，並非一定需要所有上文描述之特徵、態樣及優點來實施本發明。

30:方法

31、32、33、34:區塊

Claims

一種用於熱校準半導體處理腔室的方法，用於熱校準一半導體處理設備的一半導體處理腔室，包括：用該半導體處理腔室來校準一第一無接觸式溫度感測器以獲得一第一讀數，該第一讀數代表一第一溫度；使用該第一無接觸式溫度感測器來獲得代表在一第一溫度設定的一外部熱輻射源之一第二溫度的一第二讀數；以及將該外部熱輻射源的該第二溫度調整至該外部熱輻射源的一第二溫度設定，使得該第二讀數實質上匹配該第一讀數。
如申請專利範圍第1項所述的用於熱校準半導體處理腔室的方法，其中該第一無接觸式溫度感測器的該第一讀數代表該半導體處理設備的一部分或該半導體處理腔室內的一晶圓之該第一溫度。
如申請專利範圍第1項所述的用於熱校準半導體處理腔室的方法，進一步包含用在該第二溫度設定的該外部熱輻射源來校準一第二無接觸式溫度感測器。
如申請專利範圍第3項所述的用於熱校準半導體處理腔室的方法，其中校準該第二無接觸式溫度感測器包含使用該第二無接觸式溫度感測器來獲得代表該外部熱輻射源的該第二溫度之一第三讀數。
如申請專利範圍第4項所述的用於熱校準半導體處理腔室的方法，其中校準該第二無接觸式溫度感測器包含調整該第二無接觸式溫度感測器的一感測器因子而使得該第三讀數實質上匹配該第一讀數。
如申請專利範圍第3項所述的用於熱校準半導體處理腔室的方法，其中該第一無接觸式溫度感測器及該第二無接觸式溫度感測器包含光學高溫計。
如申請專利範圍第3項所述的用於熱校準半導體處理腔室的方法，進一步包含將該第二無接觸式溫度感測器安裝在該半導體處理腔室或另一個處理腔室之中或之上以在該半導體處理腔室的操作期間測量該第一溫度。
如申請專利範圍第7項所述的用於熱校準半導體處理腔室的方法，進一步包含安裝該第二無接觸式溫度感測器，使得在該半導體處理腔室的操作期間該第二無接觸式溫度感測器具有至晶圓之不被阻檔的視線，該第一讀數代表在該晶圓上的一位置之該第一溫度。
如申請專利範圍第7項所述的用於熱校準半導體處理腔室的方法，進一步包含安裝該第二無接觸式溫度感測器，使得在該半導體處理腔室的操作期間該第二無接觸式溫度感測器具有至其上安置晶圓的一基座之不被阻擋的視線，該第一讀數代表在該晶圓上的一位置之該第一溫度。
如申請專利範圍第7項所述的用於熱校準半導體處理腔室的方法，進一步包含安裝該第二無接觸式溫度感測器，使得在該半導體處理腔室的操作期間該第二無接觸式溫度感測器具有至該半導體處理腔室的一壁之不被阻擋的視線，該第一讀數代表在該半導體處理腔室的該壁上之一位置的該第一溫度。
如申請專利範圍第10項所述的用於熱校準半導體處理腔室的方法，其中該壁包含石英。
如申請專利範圍第7項所述的用於熱校準半導體處理腔室的方法，進一步包含在該半導體處理腔室的操作期間監測該第一溫度。
如申請專利範圍第7項所述的用於熱校準半導體處理腔室的方法，進一步包含依據指示該第二無接觸式溫度信號的一或多個讀數之一反饋信號至少部分控制該第一溫度。
如申請專利範圍第3項所述的用於熱校準半導體處理腔室的方法，進一步包含使用在該第二溫度設定的該外部熱輻射源來校準第三無接觸式溫度感測器、第四無接觸式溫度感測器及第五無接觸式溫度感測器。
如申請專利範圍第2項所述的用於熱校準半導體處理腔室的方法，其中校準該第一無接觸式溫度感測器包含將該第一無接觸式溫度感測器的一或多個讀數與測量該半導體處理設備的該部分或該晶圓本身之該第一溫度的一接觸式溫度感測器之一或多個讀數相比。
如申請專利範圍第15項所述的用於熱校準半導體處理腔室的方法，其中該接觸式溫度感測器包含一熱電偶。
如申請專利範圍第15項所述的用於熱校準半導體處理腔室的方法，其中該第一無接觸式溫度感測器配置成在該半導體處理腔室的操作期間監測該第一溫度，且該接觸式溫度感測器配置成在該半導體處理腔室的操作期間控制該第一溫度。
如申請專利範圍第15項所述的用於熱校準半導體處理腔室的方法，其中該接觸式溫度感測器配置成在該半導體處理腔室的操作期間監測該第一溫度，且該第一無接觸式溫度感測器配置成在該半導體處理腔室的操作期間控制該第一溫度。
如申請專利範圍第15項所述的用於熱校準半導體處理腔室的方法，其中該接觸式溫度感測器及該第一無接觸式溫度感測器配置成在該半導體處理腔室的操作期間監測該第一溫度。
如申請專利範圍第15項所述的用於熱校準半導體處理腔室的方法，其中該接觸式溫度感測器及該第一無接觸式溫度感測器配置成在該半導體處理腔室的操作期間控制該第一溫度。
如申請專利範圍第1項所述的用於熱校準半導體處理腔室的方法，進一步包含：調整該半導體處理腔室的一施加溫度；使用在該施加溫度經調整之該半導體處理腔室來校準該第一無接觸式溫度感測器以獲得一第四讀數，該第四讀數代表在該半導體處理腔室之該經調整溫度取得之該第一溫度；使用該第一無接觸式溫度感測器來獲得代表在一外部熱輻射源之該第二溫度的一第五讀數；將該外部熱輻射源的該第二溫度調整至該外部熱輻射源的一第三溫度設定，使得該第五讀數實質上匹配該第四讀數。
如申請專利範圍第1項所述的用於熱校準半導體處理腔室的方法，其中該外部熱輻射源包含一黑體校準爐。
一種用於熱校準半導體處理腔室的系統，包括：一第一無接觸式溫度感測器，其校準成具有代表一第一溫度之一第一讀數；一黑體校準爐，其具有一孔徑及具有複數個溫度設定的一加熱器，該第一無接觸式溫度感測器配置成，透過該孔徑，獲得代表該黑體校準爐之一第二溫度的一第二讀數，該黑體校準爐配置成，當該黑體校準爐置於該複數個溫度設定的一第一溫度設定時，使該第二讀數實質上匹配該第一讀數。
如申請專利範圍第23項所述的用於熱校準半導體處理腔室的系統，進一步包含一台，配置成支撐該第一無接觸式溫度感測器並使第一無接觸式溫度感測器與該孔徑對齊。
如申請專利範圍第23項所述的用於熱校準半導體處理腔室的系統，其中該第一無接觸式溫度感測器包含一高溫計。
一種半導體處理系統，包括：一第一半導體處理腔室；一第一無接觸式溫度感測器，其配置成測量該第一半導體處理腔室的一部分或該第一半導體處理腔室內的一第一晶圓之一第一溫度；一第二半導體處理腔室，其與該第一半導體處理腔室為相同類型；以及一第二無接觸式溫度感測器，其配置成測量該第二半導體處理腔室的一部分或該第二半導體處理腔室內的一第二晶圓之一第二溫度，其中相較於一外部熱輻射源校準該第一無接觸式溫度感測器及該第二無接觸式溫度感測器。
如申請專利範圍第26項所述的半導體處理系統，其中該第一半導體處理腔室及該第二半導體處理腔室包含化學氣相沈積反應器。
如申請專利範圍第26項所述的半導體處理系統，進一步包含該外部熱輻射源。
如申請專利範圍第28項所述的半導體處理系統，其中該外部熱輻射源包含一黑體爐。
如申請專利範圍第26項所述的半導體處理系統，其中該第一無接觸式溫度感測器及該第二無接觸式溫度感測器包含光學高溫計。