TWM572464U - 用於低溫透射測溫的偵測器 - Google Patents

用於低溫透射測溫的偵測器 Download PDF

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Abstract

一種處理基板的裝置和方法包括：偵測器歧管，該偵測器歧管用以偵測來自腔室主體中的處理區附近的輻射；輻射偵測器，該輻射偵測器光耦合至該偵測器歧管；以及光譜多陷波濾波器。處理基板的裝置和方法包括：偵測來自腔室主體中的基板的發射表面的透射輻射；將所偵測的輻射的至少一個光譜帶傳遞至光偵測器；以及分析在至少一個光譜帶中的所偵測的輻射以確定基板的推斷溫度。

Description

用於低溫透射測溫的偵測器
本文描述的實施例係關於處理基板的裝置和方法。更特定地，本文描述的裝置和方法係關於藉由輻射透射進行的溫度量測。
退火的新趨勢的特徵在於在基於燈的退火腔室中進行處理。此種處理要求在低溫下進行準確的溫度評估。由於低的訊雜比，僅利用輻射發射量測的溫度評估可能在低於約400℃的溫度下不準確。透射測溫可提供必要的準確度和精確度。
透射測溫為評估基板（例如，矽基板）的熱狀態的常見方式。熱處理腔室通常將基板暴露於強烈的、非相干或相干的輻射以提高基板（整個基板或基板的部分或表面區域）的溫度。用於加熱基板的輻射在腔室中產生強背景輻射環境。
高功率輻射用於評估基板的熱狀態，因為它能與腔室中的背景輻射區分開。通常使用雷射，因為雷射提供高功率，以及因為它們提供選擇最適於基板的特定波長的機會。雷射產生相干輻射，當該等輻射透射穿過基板時，能指示基板的熱狀態，熱狀態可被記錄為溫度。透射輻射可藉由高溫計偵測，與源輻射相比較，並且結果與推斷基板熱狀態相關。迄今為止，通常將源輻射選擇為少數量（例如，一個或兩個）的窄波長帶。同樣地，僅在少數量（例如，一個或兩個）的窄波長帶處分析透射輻射。
需要可靠的透射高溫量測。偵測器必須在高輻射噪音的環境中可操作。
本文描述的實施例係關於處理基板的裝置和方法。更特定而言，本文描述的裝置和方法係關於藉由輻射透射進行的溫度量測。
在一實施例中，一種透射測溫偵測器包括：偵測器歧管，該偵測器歧管用於偵測來自腔室主體中的處理區附近的輻射；輻射偵測器，該輻射偵測器光耦合至該偵測器歧管；以及光譜多陷波濾波器。
在一實施例中，一種方法包括：偵測來自腔室主體中的基板的發射表面的透射輻射；將所偵測的輻射的至少一個光譜帶傳遞至光偵測器；以及分析該至少一個光譜帶中的所偵測的輻射以確定該基板的推斷溫度。
透射測溫偵測器(transmission pyrometry detector;「TPD」)一般量測在波長（多於僅一個或兩個主要波長）範圍內的基板（例如，矽基板）的輻射光譜，以推斷基板的溫度。TPD可以在至少兩個光譜帶中可靠地偵測透射輻射。光譜帶一般可彼此分離（例如，在帶之間分離至少10 nm，或在中心波長之間分離至少25 nm）以提供解析每個光譜帶中的輻射強度的精確性。TPD可對在選定光譜帶中的輻射敏感，同時過濾其他波長的輻射。例如，TPD可偵測以約1030 nm為中心的寬度約10 nm-15 nm的光譜帶，並且TPD亦可偵測以約1080 nm為中心的寬度約10 nm-15 nm的光譜帶。TPD可過濾其他波長，例如，至約3.0的光密度(「OD3」)。在一些實施例中，光譜帶可在更長波長（例如，大於1080 nm）處。
圖1為先前技術快速熱處理(rapid thermal processing; RTP)腔室300的部分透視圖。腔室300一般由燈組件310、腔室主體320和基板支撐組件330組成。為清楚起見，腔室300被截開，並且僅有腔室主體320的上部在圖1中圖示。
燈組件310包括複數個燈311，每個燈被放置在反射光管312內部。燈可為白熾燈，諸如鎢鹵素燈，或其他高輸出燈，諸如放電燈。同時，反射光管312在水冷殼體314內部形成蜂窩狀陣列313。非常薄的石英窗315形成燈組件310的底表面，從而將燈組件310與通常存在於腔室300中的真空分隔。石英通常用於石英窗315，因為它對紅外光是透明的。燈組件310以真空密封方式附接至腔室主體320的上表面。
腔室主體320包括腔室300的壁和地板材以及基板口321和排氣口322。基板穿過基板口321而被輸送進腔室300中及從腔室300移除，並且真空泵（未圖示）經由排氣口322排空腔室300。當必要時，狹縫或閘閥（未圖示）可用於密封基板口321和排氣口322。
基板支撐組件330包含於腔室主體320內部並包括邊緣環331、旋轉石英柱332、反射器板材333和光探頭334（例如，光纖）陣列。邊緣環331位於旋轉石英柱332上。在基板處理期間，邊緣環331在石英窗315下方大約25 mm處支撐基板（為清楚起見未圖示）。旋轉石英柱332在基板處理期間在約50 rpm與約300 rpm之間旋轉，以藉由最小化腔室300中的熱不對稱對基板的影響來最大化在處理期間的基板溫度均勻性。反射器板材333位於基板下面約5 mm處。光探頭334在熱處理期間穿透反射器板材333並指向基板的底部。光探頭334將輻射能從基板傳輸至一個或多個光偵測器337，以用於確定在熱處理期間的基板溫度、基板正面發射率、和/或反射率。當燈311為白熾燈時，高溫計通常適於量測來自基板背面的在選定波長範圍（例如，在約200 nm至約5000 nm的波長之間）中的寬頻發射。
光偵測器337可包括可提供光譜回應的篩檢程式，該光譜回應對在約100℃與約350℃之間的基板溫度下的吸收間隙的波長敏感。光偵測器337可為針對低於約350℃的溫度的矽光偵測器，因為矽的吸收間隙隨著溫度從室溫至350℃而從約1000 nm變化至約1200nm。矽光偵測器可對具有大於約1100 nm的波長的輻射不敏感。對於高於約350℃的溫度，吸收邊緣可能超過矽光偵測器的偵測限值，所以吸收邊緣波長的任何進一步增大可不被輕易地偵測到。
透射測溫一般利用產生中紅外輻射（例如，在從約1000nm至約1500nm的波長範圍中變化）的輻射源。該源可以產生高度準直的輻射。準直的輻射可以穿過光束導向器（例如，單模光纖）傳輸到矽基板上。準直輻射的部分可以透射穿過基板。透射輻射的幅度可為基板的溫度和源輻射的波長的函數。可對準高溫計探頭（例如，光管）以接收透射輻射。例如，高溫計探頭可與光束導向器對準。高溫計探頭可將透射輻射引導至一個或多個傳輸高溫計。傳輸高溫計可包括諸如篩檢程式、衍射光柵、柱面透鏡、光偵測器和/或光譜儀之類的部件。例如，高溫計探頭可將透射輻射引導至光譜帶篩檢程式。光譜帶篩檢程式可僅允許在選定的光譜帶處的輻射傳輸。未被過濾的輻射可被引導至衍射光柵。衍射光柵可在作為波長的函數的不同方向上分離透射輻射。準直透鏡可將衍射輻射聚焦至一個或多個焦點。一個或多個光偵測器可隨後量測作為方向的函數的輻射，該輻射因此為波長的函數。例如，砷化銦鎵線性陣列可被放置在準直透鏡的後焦面處以量測作為波長的函數的功率。在選定的光譜帶中的透射輻射的功率光譜（作為波長的函數）可與源輻射的功率光譜相比。兩個功率光譜可用於計算作為波長的函數的基板的透射。隨後此可用於推斷基板的溫度。在一些實施例中，可以識別基板的多個區，並且可對每個區進行透射測溫以產生基板的溫度地圖。在一些實施例中，可以利用更長波長（例如，大於1080 nm）的源輻射。
圖2圖示作為源輻射的波長和基板的溫度的函數的透射穿過矽基板的輻射的示例性圖。十六個不同的線P(λ)圖示關於十六個不同源波長(nm)的作為溫度的函數的透射。亦圖示作為溫度的函數的黑體輻射P(bb)。應理解，所偵測的信號隨著來自黑體輻射的雜訊增加而減小。因此，可選擇源波長以提供適當的訊雜比。如在圖2中圖示，約1030 nm的源波長可在從約10℃至約275℃的溫度帶T(1030)中具有適當的訊雜比；約1080 nm的源波長可在從約125℃至約375℃的溫度帶T(1080)中具有適當的訊雜比。在圖2中可見，較長波長的源輻射可允許較高的溫度量測。
在圖3A中圖示了適於透射測溫的腔室300。如前所述，腔室300包括燈組件310、腔室主體320和基板支撐組件330。基板支撐組件330可界定處理區335，在操作期間通常靠近處理區335設置基板。如圖所示，輻射源400位於腔室300外。其他的實施例可具有在燈組件310內部、附接至燈組件310、緊挨在燈組件310外、或者被另外定位以符合操作規範的輻射源400。源400被配置成產生輻射以輸入至源歧管410。源輻射可行經源歧管410並最終到達基板的接收表面的入射區（亦即，靠近處理區335）。例如，源歧管410可包括散佈在反射光管312間的複數個光束導向器415。準直透鏡420可位於光束導向器415的端部。準直透鏡420可將源輻射引到基板的接收表面的入射區（亦即，靠近處理區335）上。來自每個光束導向器415的源輻射的部分可從基板的接收表面透射至相對的基板發射表面。例如，源輻射可在入射區處入射在基板的接收表面上，並且透射輻射可在發射區離開基板的發射表面。因此入射區可與發射區相對。
在一些實施例中，源400可被配置成使得源輻射可選擇在背景輻射上和/或不同於背景輻射。例如，源400可為明亮源使得任何背景輻射相比起來可忽略。作為另一實例，源400可週期性地關閉以對背景輻射採樣以用於校準和/或標準化。在一些實施例中，源400可為大功率輻射源，例如量子源，諸如雷射器和/或LED。在一些實施例中，源400可在被選定以匹配，或者以別的方式補充TPD的光譜特性的波長中發射。在一些實施例中，源400可為定向輻射源，例如準直的或部分準直的源，以引導輻射穿過基板以由TPD接收輻射。可選擇準直以將輻射匹配於TPD的數值孔徑，進而改良系統的源雜比。
TPD 500可偵測透射輻射。TPD 500可包括偵測器歧管530、一個或多個輻射偵測器537、和光譜多陷波濾波器536（見圖4）。如圖所示，輻射偵測器537位於腔室300外。其他實施例可具有在腔室主體320內部、附接至腔室主體320、緊挨在腔室主體320外部、或者另外被定位以符合操作規範的輻射偵測器537。偵測器歧管530可包括複數個高溫計探頭534。例如，高溫計探頭534可與光束導向器415對準以偵測透射輻射。在一些實施例中，源歧管410的每個光束導向器415可具有對準的高溫計探頭534。在其他實施例中，可存在比高溫計探頭534更多的光束導向器415。在又一其他實施例中，可存在比光束導向器415更多的高溫計探頭534。
透射輻射可行進穿過偵測器歧管530並最終到達一個或多個輻射偵測器537。在一些實施例中，單個輻射偵測器537可從所有高溫計探頭534接收透射輻射。在一些實施例中，可利用多個輻射偵測器537。在一些實施例中，偵測器歧管530將高溫計探頭534的子集與每個輻射偵測器537連接在一起。在一些實施例中，偵測器歧管530將單個高溫計探頭534與每個輻射偵測器537連接在一起。在一些實施例中，偵測器歧管530可利用分光器將透射輻射從一個高溫計探頭534傳送至多個輻射偵測器537。在一些實施例中，偵測器歧管530可利用光組合器將透射輻射從多個高溫計探頭534傳送至單個輻射偵測器537。
在一些實施例中，利用光偵測器337（圖1）和輻射偵測器537（圖3A）兩者來量測在處理期間的基板溫度，以及利用偵測組件來分離從探頭534（或334）至光偵測器337和輻射偵測器537的輻射。圖3B為根據本文揭示的實施例的偵測組件360的示意側視圖。如在圖3B中所示，偵測組件360包括反射器362、光偵測器337和輻射偵測器537。第一輻射364和第二輻射366離開探頭534（或334）。第一輻射364為從基板發出的輻射並且是不準直的。第一輻射364因此具有大的數值孔徑。第二輻射366為來自準直輻射的透射輻射並且是準直的。第二輻射366因此具有小的數值孔徑。反射器362可為可重定向輻射的任何適宜元件。在一個實施例中，反射器362為鏡子。反射器362沿第二輻射366的路徑設置，且反射器362將第二輻射366的全部或大部分反射至輻射偵測器537。因此，反射器362與探頭534和輻射偵測器537兩者對準。在一個實施例中，探頭534沿大體上垂直於輻射偵測器537的主軸的軸設置。因為第二輻射366被高度準直，所以反射器362的大小和輻射偵測器537的偵測表面可相對較小。第一輻射364被傳輸至光偵測器337。因為第一輻射364是未準直的，所以相比於輻射偵測器537的偵測表面，光偵測器337的偵測表面相對較大，如圖所示。另外，儘管反射器362沿第一輻射364的路徑設置，但反射器362並未顯著改變傳輸至光偵測器337的輻射量，因為反射器362相對較小。偵測組件360被用於基於輻射364、輻射366的數值孔徑來分離第一輻射364和第二輻射366。
示例性TPD 500在圖4中圖示。透射輻射可從偵測器歧管530進入輻射偵測器537。透射輻射可行進穿過衍射光柵531和/或柱面透鏡532而依據波長λn被分裂到不同方向。分裂的輻射可因此入射在焦平面533上。偵測器陣列535(例如，砷化銦鎵線性偵測器陣列)可被佈置成在焦平面533處接收輻射和量測作為波長P(λn)的函數的功率。
TPD 500可包括一個或多個光譜多陷波濾波器536。例如，光譜多陷波濾波器536可併入偵測器歧管530的一個或多個高溫計探頭534中。進而透射輻射可被腔室主體320內的光譜多陷波濾波器536過濾。作為另一實例，光譜多陷波濾波器536可設置在處理區335與偵測器歧管530之間(見第3A圖)。作為另一實例，光譜多陷波濾波器536可併入在偵測器歧管530與輻射偵測器537之間的光耦合中。作為另一實例，光譜多陷波濾波器536可為輻射偵測器537的一部件。光譜多陷波濾波器536可以至少約80%的效率傳遞多個(例如，兩個、三個、四個或更多個)光譜帶。光譜多陷波濾波器536可過濾、移除、或減少其他波長的輻射，例如至OD3。每個光譜帶可具有寬度約10nm-15nm的帶。每個光譜帶一般可彼此分離(例如，在帶間分離至少10nm，或在中心波長之間分離至少25nm)。例如，光譜多陷波濾波器536可傳遞以約1030nm為中心的寬度約10 nm-15 nm的光譜帶，以及光譜多陷波濾波器536亦可傳遞以約1080 nm為中心的寬度約10 nm-15 nm的光譜帶。
在一些實施例中，掃描光偵測器可與偵測器陣列535組合使用或替代偵測器陣列535。例如，掃描光偵測器可具有以已知速度沿焦平面533移動的光學窗。隨著光學窗移動，掃描光偵測器量測作為時間的函數的功率P(t n)，能基於光學窗的速度將P(t n)轉換為作為波長的函數的功率P(λ n)。
在一些實施例中，輻射偵測器537可為一個或多個光纖光譜儀。
在一些實施例中，偵測器歧管530可包括一個或多個光學開關。例如，光學開關可使用高溫計探頭534的子集辨識。當光學開關「打開」時，偵測器歧管530可將來自高溫計探頭534的子集的輻射引導至輻射偵測器537。當光學開關「關閉」時，偵測器歧管530可不允許來自高溫計探頭534的該子集的輻射到達輻射偵測器537。在一些實施例中，使用每個光學開關辨識的高溫計探頭的子集可被選擇以分離基板的多個區。進而可在每個區上進行透射測溫而不需要額外的輻射偵測器537。
圖5圖示由TPD 500生成的功率光譜600的實例。如圖所示，功率光譜600具有兩個峰帶610、620。峰帶610以約1033 nm為中心，而峰帶620以約1081 nm為中心。峰帶610的寬度為約15 nm，而峰帶620的寬度為約20 nm。每個峰帶610、620內的信號作為波長的函數而變化。功率光譜600可與源輻射的功率光譜比較以計算作為波長的函數的基板的透射。隨後此可用於推斷基板的溫度。
在一些實施例中，功率光譜600可具有多於兩個峰帶（例如，三個峰帶）。例如，源輻射可具有比1080 nm長的波長（例如，1120nm）。TPD 500可因此對具有在約1000 nm與1500 nm之間的波長的輻射敏感。
300‧‧‧腔室
310‧‧‧燈組件
311‧‧‧燈
312‧‧‧反射光管
313‧‧‧蜂窩狀陣列
314‧‧‧水冷殼體
315‧‧‧石英窗
320‧‧‧腔室主體
321‧‧‧基板口
322‧‧‧排氣口
330‧‧‧基板支撐組件
331‧‧‧邊緣環
332‧‧‧旋轉石英柱
333‧‧‧反射器板材
334‧‧‧光探頭
335‧‧‧處理區
337‧‧‧光偵測器
360‧‧‧偵測組件
362‧‧‧反射器
364‧‧‧第一輻射
366‧‧‧第二輻射
400‧‧‧輻射源
410‧‧‧源歧管
415‧‧‧光束導向器
420‧‧‧準直透鏡
500‧‧‧示例性TPD
530‧‧‧偵測器歧管
531‧‧‧衍射光柵
532‧‧‧柱面透鏡
533‧‧‧焦平面
534‧‧‧對準的高溫計探頭
535‧‧‧偵測器陣列
536‧‧‧光譜多陷波濾波器
537‧‧‧輻射偵測器
600‧‧‧功率光譜
610‧‧‧峰帶
620‧‧‧峰帶
為了能夠詳細地理解本揭示內容的上述記載的特徵，可以藉由參考實施例獲得以上簡要概述的本揭示內容的更特定的描述，該等實施例中的一些圖示於附圖中。然而，應當注意，附圖僅例示了示例性實施例，並且因此不被視為對本揭示內容的範疇的限制，因為本揭示內容可允許其他同等有效的實施例。
圖1圖示快速熱處理腔室的部分透視圖。
圖2圖示作為源輻射的波長和基板的溫度的函數的透射穿過矽基板的輻射的示例性圖。
圖3A圖示根據本文揭示的實施例的示例性處理腔室和偵測器。
圖3B圖示根據本文揭示的實施例的偵測組件。
圖4圖示根據本文揭示的實施例的示例性偵測器。
圖5圖示藉由圖4的偵測器生成的示例性功率光譜。
為了便於理解，在儘可能的情況下，使用相同的附圖標記來標示各圖中共有的相同要素。應設想到，一個實施例的要素和特徵可有利地併入其他實施例中，而不另外贅述。

Claims (14)

  1. 一種透射測溫偵測器，包括：一偵測器歧管，該偵測器歧管用以偵測來自一腔室主體中的一處理區附近的輻射；一輻射偵測器，該輻射偵測器光耦合至該偵測器歧管；以及一光譜多陷波濾波器，設置在該處理區與該偵測器歧管之間。
  2. 如請求項1所述的透射測溫偵測器，其中該偵測器歧管在該腔室主體中包括複數個高溫計探頭。
  3. 如請求項2所述的透射測溫偵測器，其中該偵測器歧管包括複數個光學開關，其中該複數個高溫計探頭的一子集合係光耦合至每個光學開關。
  4. 如請求項1所述的透射測溫偵測器，其中該輻射偵測器附接至該腔室主體。
  5. 如請求項1所述的透射測溫偵測器，其中該光譜多陷波濾波器在兩個光譜帶中傳輸輻射，每個光譜帶具有在10nm與15nm之間的一頻寬。
  6. 如請求項1所述的透射測溫偵測器，其中該輻射偵測器包括： 一衍射光柵，一柱面透鏡，以及一偵測器陣列。
  7. 如請求項6所述的透射測溫偵測器，其中該偵測器陣列包括一砷化銦鎵線性偵測器陣列。
  8. 如請求項1所述的透射測溫偵測器，其中該輻射偵測器包括一掃描光偵測器。
  9. 如請求項1所述的透射測溫偵測器，其中該輻射偵測器包括一光纖光譜儀。
  10. 如請求項1所述的透射測溫偵測器，其中該偵測器歧管具有複數個輻射入口，該等輻射入口鄰近該處理區並跨該處理區分配。
  11. 如請求項1所述的透射測溫偵測器，其中該輻射偵測器經配置以量測功率，該功率作為一透射輻射的波長的函數。
  12. 如請求項1所述的透射測溫偵測器，進一步包括複數個輻射偵測器，該等輻射偵測器光耦合至該偵測器歧管。
  13. 如請求項1所述的透射測溫偵測器，其中該偵測器歧管包括一分光器和一光組合器中的至少一個。
  14. 如請求項1所述的透射測溫偵測器，其中該偵測器歧管包括複數個高溫計探頭和一光譜儀，該光譜儀用於各該等高溫計探頭。
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