用于快速热处理装置的温度测量系统的光学路径提高、焦距变化补偿、以及漫射光降低

摘要

本发明公开一种高温计系统且包括一种升降管。该升降管包括内部管和以伸缩布置方式包围内部管的并且自其顶部延伸至底部的外部管，该布置限定其间的液体通道。该升降管还包括与外部管相关的端口，以便穿过其向液体通道传送冷却气体。高温计头部联接到内部管的底部且在操作上传输和接收穿过内部管的辐射。该系统还包括联接到内部管或外部管的至少一个顶部的轴环，其在操作上支撑用以热测量的工件。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及半导体处理系统，尤其涉及一种在快速热处理(RTP)装置中使用的用于测量晶片温度的高温计系统。

背景技术

热处理炉已经被广泛了解且多年来被用以进行各种半导体制造工艺，包括退火，扩散，氧化，以及化学气相淀积。结果，这些工艺已被熟知，尤其关于在最终产品的质量和一致性上的工艺变化方面。热处理炉典型地使用水平型炉或竖直型炉。

两种传统炉型都被设计成将半导体晶片加热到希望的温度以便当保持充分小的线宽(例如，小于1微米)时促进注入杂质的扩散以达到希望的深度，或进行其他的传统工艺技术，例如向晶片施加氧化膜或向晶片淀积化学气相层。已知且很好地理解了处理期间晶片加热需求，且因此可以严密地监控。

传统的竖直型热处理炉例如管道炉设计成便于支承竖直位置上的炉内的处理管。该热炉通常还使用安装在适当的平移机构上的晶舟组件，该平移机构用于使晶舟移进或移出处理管。晶片处理组件配置成邻近于且并列于晶舟组件以自晶片盒向晶舟组件传递半导体晶片。然后将晶片提升到石英或硅加热管中。然后该管缓慢提升至希望的温度且在该温度保持某一预定的时间阶段。然后，缓慢冷却该管，且自管中移出晶片以完成该处理。该处理技术的缺点在于其在时间温度上施加晶片所受控于的抑制。

由于硅集成电路的临界尺寸持续地按比例下降至亚微米阶段，因此，对晶片温度的一致性以及晶片到晶片的温度可重复性的需求变得更加迫切。例如，在0.18微米技术中，希望晶片到晶片的温度可重复性处于大约+/-3℃的等级。

高温测量法已经成为一种在热处理炉中处理期间的硅晶片的非接触温度测量的选择方法。高温计是基于所有物体在绝对零度以上的温度下释放电磁辐射的原理，其中电磁辐射根据普朗克方程随温度变化。基于上述关系，物体的温度可以通过测量其释放的辐射自一段距离来测定。然而，必须知道被测表面的光谱发射率值以计算实际的温度。通常，硅晶片具有可以通过干涉效应彻底改变晶片的光谱发射率的背面层，其可以导致处理期间的温度测量错误。进一步地，晶片的发射率也依赖于背面表面的粗糙度和晶片温度。所有这些缺点使得测量或预测晶片发射率成为困难的任务。

使用高温测量法精确测量晶片温度所采用的一种技术包括具有晶片发射率补偿的改进的单色高温测定法。使用这种补偿的现有技术的高温测定系统的一个示例在现有技术图1中说明，且以参考数字10表示。该单色高温计10包括一个具有联接到其顶部部分16的轴环14的升降管12(未按比例示出)。该轴环14具有多条腿18(例如，3条(3))且在自管12的预定距离处夹持晶片20。该轴环14可以进一步夹持为了晶片边缘温度的统一控制而使用的边缘环(edge ring)(未示出)。

高温计头22联接到升降管12的底部24。该高温计头22含有光学系统(例如，多个透镜和光圈)，该光学系统促进了至晶片20的闪射和沿着或平行于光轴26的放射与反射光的接收。头部22与向处理器34传送信号32以测量晶片温度的辐射测定通道28和反射测定通道30一起工作。

另外，该高温测量系统包括联接到升降管12的端口36，以便例如通过供给线40向其引进冷却气体38，例如氮气。由于通常使用钟形罩(未示出)加热晶片20，因此会发生晶片的不均匀加热，引起其中心部分变得热于周围区域。该升降管12通过端口36将冷却气体38传送至晶片20的中心部分以助于其温度的一致。

在操作中，该高温测量系统10以下面的典型方式使用辐射测定通道28和反射测定通道30来测定晶片温度。该辐射测定通道28记录自晶片20释放的辐射的密度和源于自钟形罩(未示出)的漫射光以及自晶片的反射的辐射。反射测定通道30记录关于由高温计头22产生的闪射的反射密度。通道28、30向处理器34传递发射数据和反射数据，该处理器34从辐射测定信号减去漫射光获得晶片的黑体密度。该处理器34进一步通过假定发射率是晶片反射率的补数来计算晶片的发射率，且从而自反射测定信号推断出晶片发射率。然后用处理器34通过黑体密度除以晶片发射率来计算或相反测定该晶片的温度。

如在现有技术图1中看见的，高温计系统10的中心光学元件是高温计头部22。由于该头部22安装在升降管12的底部以将其中的元件与处于温度升高的工件热隔离，因此，晶片20与头部22之间的光路是相对长的，例如大约1米。晶片20与头部22之间的相对长的分离要求晶片非常细致地对准以使得晶片法线和头部22与光轴26对准。即使晶片法线关于轴26有小角度或偏移，都会在反射的和发射的信号密度上引起损耗，因此不利地影响温度计算的精确性。

例如，如现有技术图2A和2B中说明的，如果晶片20不弯曲或偏移(图2A)，则通过头部22将辐射40完全收集在管12的底部24，否则晶片的弯曲或偏移(图2B)可以引起导致信号丢失的反射光41。为了纠正上述问题，在升降管12的顶部16插入透镜42，且通过例如轴环14(未示出)将其保持在理论上与晶片相距透镜焦距(例如，约50mm)的位置上，如现有技术图2C中说明的。该透镜42再集合44另外的将不会返回到高温计头部22的任何反射光41。因此该透镜42允许或纠正由于弯曲或偏移的反射，因此，利于用抛光的或粗糙背面的晶片两者使用高温计。

尽管具有透镜42的高温计系统10提供相对好的结果，但是为了提供用于快速热处理控制的高的温度测定精确性，在本领域高温测量中存在对更高精细和改进的持续要求。

发明内容

为了提供本发明的一方面或多方面的基本理解，对本发明进行以下简化的概括。此“发明内容”不是本发明的总体综述，且不意指本发明的关键或重大的部分，也不限定其范围。本“发明内容”的首要目的是以简单的形式作为以下将更详细描述内容的前序来介绍本发明的一些构思。

依照本发明的一方面，披露一种克服了多种关于现有技术的缺点的高温计系统和感温方法。具体地说，披露了一种具有在大致伸缩配置中包括两个管的升降管的高温计。向管道之间的流动通道中引入冷却气体，以便向晶片或工件的被感测的部分提供直接冷却。分析期间在内部管中发生射向和发自晶片的辐射，并且这些辐射是基本与冷却气体隔离的，因此在内部管中的气体的任何层化与冷却气体流率的变化无关。另外，可以抽空该内部管以基本防止其中的层化且因此进一步提高高温计的光路。

依照本发明的另一方面，披露了一种包括升降管的高温计系统，该升降管具有结合到底部部分上的高温计头部和结合到其顶部部分的套管。透镜耦接到套管上且在操作上使得发自工件的辐射/光聚焦到高温计头部。该透镜具有与其离工件的距离相关的焦距，且该焦距是温度的函数。为了补偿由于温度变化引起的焦距改变，联接到透镜上的套管具有随着温度变化而改变透镜和工件之间距离的热膨胀系数。因此，连同套管的透镜在操作上以基本上无信号丢失地自工件向高温计头部传输光线，因比提高高温计系统精确性。

为了实现前述的以及有关目的，以下的描述和附图详细阐述了本发明的多个说明性的方面和实施例。这些代表了使用本发明的原理来进行实施的仅仅几个不同方法的示例。另一方面，当结合附图考虑时，由以下本发明的详细说明，本发明的优点和新颖特征将变得明显。

附图说明

图1是现有技术高温计系统的组合透视图和结构图；

图2A是图1中的部分现有技术高温计系统的简化截面图，其中自工件的光线以相对对准方式射入升降管；

图2B是图1中的部分现有技术高温计系统的简化截面图，其中自工件的光线以相对不对准方式射入升降管；

图2C是图1中的部分现有技术高温计系统的简化截面图，其中自工件的光线以相对不对准的方式接近升降管且随后使用透镜对准；

图3是对应于本发明的一个方面的高温计系统的组合透视图以及结构图；

图4是连接到本发明的另一方面的高温计系统的流体导向装置的透视图；

图5是说明本发明的又一方面的高温计系统的升降管结构的截面图；及

图6是说明升降管结构和用以支撑本发明的再一方面的工件的轴环的截面图。

具体实施方式

现在将参考附图描述本发明，其中相同的参考数字全部用于表示相同的部件。本发明描述一种提供了优于现有技术的改进的高温计系统以及相关方法。

在本发明的一方面，其间具有流体通路的两个同心设置的管代替了常规升降管。在管之间的流体通路中，但不在内部管中提供冷却气体，因此防止了在内部管中的气体层化，以基本上相对冷却气体流率中的变化而变化。进一步地，内部管可以是流体密封和抽空的以基本防止其中的层化以改善光路。在本发明的另一方面，升降管的顶部部分包括联接到透镜的套管。该套管具有在操作上使得透镜的焦距随温的度变化得到补偿的热膨胀系数，因此提高了高温计温度测量的精确度。

现在转向附图，图3是说明根据本发明一个方面的高温计系统50的组合透视图及结构图。在某些方面中，该高温计系统50类似于现有技术图1的系统10；然而，新型管结构52代替了传统升降管12。本发明的该升降管52包括自顶部56延伸到其底部58的内部管54。在一个实施例中，内部管54延伸了管52的全部长度(例如，大约1m)。如所示的，该升降管52还包括外部管60，在一个实施例中该外部管60以套管型配置同心地围住内部管54。外部管60也自顶部62延伸到底部64且如示的，可以是与内部管54同延的。

内部和外部管54、60的同心特性限定了其间的流体通路65。冷却气体端口66联接到或相反连接到外部管60以通过气体线70向通路65中传送冷却气体68。冷却气体68一般通过通路65流向内部和外部管54、60的顶部56、62以便向如半导体晶片20的工件的一个或更多个所选区域提供冷却气体。注意到图3中，冷却气体68排出同心式的管52，但是，可以使用流体导向装置(如以下将要更详细讨论的)将冷却气体导向处于被控制状态的工元件的一个或更多个部分。

该高温计系统50还包括联接到或相反连接到升降管52的顶部部分的轴环74。例如，在图3中，该轴环74联接到外部管60的顶部62；然而，其可以联接到内部管54且这样的选择是可以预见的因此落入本发明的范围。该轴环74具有多个有与其连接的垂直延伸管脚78的臂76，其中管脚78的长度80限定工件20和升降管52之间的距离82(例如，大约50mm)。

根据本发明的另一方面，图3的该高温计系统50还包括联接到或相反通过通道部92连接到内部管54的真空泵90。通过在其顶部56和底部58流体密封内部管54，可以使用该真空泵90抽空内部管54，其包括用于位于管底部的高温计头部22的光轴93。该高温计头部22依次可操作地联接到控制系统96，该控制系统96包括辐射测定通道28、反射测定通道30以及作为离散或集成元件的处理器34。

为了理解本发明的有利特征，将提供关于被本发明的发明者改善了的现有技术缺点的简短讨论。在现有技术的升降管12中，其中的冷却气体产生具有放射状和轴向性温度梯度的气体柱，其中梯度不是静态的，而是气体体积流率的函数。而温度梯度又在管12内引起动态的气体密度梯度，该气体密度梯度使得在工件20和高温计头部22之间的管中传播的光产生折射梯度的动态指数(dynamic index)。管内的这种“梯度指数透镜”分别导致辐射测定信号和反射测定信号的失真。

有些情况下，可以提供补偿以补偿管内的梯度；然而，当气体流率不是常数(例如，气体流率可以频繁变化以适应工艺条件的变化)时，管12内的该气体密度梯度变化，因此引起管内折射梯度指数也不良地变化，因此为信号失真作补偿是很困难或不可能的。

在上述问题的评价中，本发明的发明者提供具有其间有流体通路的同心多管升降管52的高温计系统50。将冷却气体68提供到流体通路65中，而内部管54的内部与其流体隔离。因此在本发明的系统50中，仍可能发生内部管54内的周围环境的层化，但是这样的层化将不会是冷却气体体积流率的变化的函数。既然由于层化引起的失真基本上保持常数，因此由于这样的层化可以提供补偿。

根据本发明的另一方面，该真空泵90与内部管54联接或以其他方式结合，该内部管54借助端口92在其顶部56和底部58是流体密封的。操作该真空泵90以抽空内部管54，因此在其中产生真空。由于内部管54中的真空，其中不存在层化，因此穿过其形成基本上高质量的光路94。由于没有与光路有关的层化，辐射测定通道28和反射测定通道30的光信号基本上没有失真，因此使得这样的测量法在无需补偿的情况下基本上更加精确。

现在转到图4，根据本发明的另一方面说明流体导向装置100。该流体导向装置100连接到升降管52的顶部，例如，联接到内部或外部管54和60的一个或多个和/或轴环74。在图4的实施例中，流体导向装置100包括一个截锥体形装置且联接到轴环74，且是可操作的以将在内部和外部管54和60之间流动的冷却气体68导向至晶片20的预定部分102以对其提供局部冷却。尽管以截去尖端的倒锥体描述在本实施例中的流体导向装置100，但是可以理解可以使用其他形状和结构以及任意可操作的将冷却气体导向晶片20的一个或多个预定部分的这样的结构都是可预料的，因此落到本发明的范围之内。

另外，在图4中透镜104(例如由石英或蓝宝石制成)位于内部管54的顶部部分56。该透镜104优选将内部管54的内部从冷却气体68流体隔离，因此防止内部管中气体的层化成为冷却气体流率变化的函数。进一步地，通过密封内部管54，可以抽空内部管54以基本上防止其中的任何层化。透镜104，除了密封内部管54之外，也如前讨论的以有效的方式提供自晶片20至高温计头部22的聚焦光线/辐射。晶片20和透镜104之间的距离106优选等于透镜的焦距，及在本实施例中，借助连接到轴环74的支架臂(spider arm)76、78来控制。

根据本发明的另一方面，升降管包括连接到其顶部部分的套管。如以下将更详细地讨论的，套管支撑透镜，且具有作为温度函数的改变透镜和晶片或工件之间的距离的热膨胀系数。如将进一步评述的，这种距离的变化用于补偿也随温度变化的透镜焦距的变化。在上述方式中，尽管温度变化，套管连同透镜仍使得以基本一致的方式使辐射自晶片向下映射至高温计头部的。

图5是根据本发明的再一方面的升降管152的截面图。例如，在图3中的高温计系统50中或在可以想象的其他型系统中，可以使用升降管152。该升降管152在某些情形类似于图3中的管52，但是在几个方面不同。图5的该升降管152包括自管的中间部分155延伸到其底部158的内部管154。在一个实施例中，该内部管154延伸了整个管152的基本长度，但是可以如希望变化。

如所述，该升降管152还包括伸缩型配置的同心地围绕内部管154的外部管160。如所示，该外部管160自顶部162延伸至底部164。内部和外部管154、160的同心特性限定了其间的流体通路165。为了通过例如气体线(未示出)向通路165内传送冷却气体168，冷却气体端口(未示出)联接到或相反连接到外部管160。

升降管152还包括连接到内部管154的中间部分155的套管170。该套管170具有啮合了将外部管160分别分成顶部部分160a和底部部分160b的环型密封174的底部部分。该套管170还包括支撑或是相反连接到透镜104的顶部部分176。

在本发明的一个实施例方面，该套管170包括诸如蓝宝石(Al2O3)或氧化铝(非晶Al2O3)的材料，该材料显示出使透镜104和晶片20之间的距离106(见例如图4)对应于温度变化而变化的热膨胀系数。更优选地，由温度变化引起距离106的变化量通常对应于由相同温度变化引起的透镜170焦距的变化。

因此如果温度变化(ΔT)引起透镜104的焦距变化(Δf)，则套管170显示出改变距离106(ΔD)的热膨胀系数，其中Δf≈ΔD。在上述方法中，通过透镜104自晶片20向高温计头部22的辐射映射在大的温度范围内是基本相同的，因此，提高了高温计系统的精确度。尽管蓝宝石和氧化铝作为套管170的示例性材料，但可以使用提供这样的热膨胀系数的任何材料且这样的材料是可预料的，因此落入本发明的范围。

在本实施例中，在自透镜104预定距离106处支撑晶片20的轴环(未示出)由具有基本小于套管170(例如，1∶10)的热膨胀系数的石英制成，以使得可以忽略考虑由于温度引起的距离变化。可选择地，尽管本实施例说明了当升降管152相对静止地夹持晶片20时，显示出基本热膨胀系数的套管170，但是本发明还可构思成，当使用显示出基本热膨胀系数的轴环支撑结构时，以相对固定的位置夹持透镜104，以补偿透镜的焦距变化。然而，由于支撑结构的任何基本移动都可能导致置于其上的工件所希望的加热的变化，因此该选择方案可能不是所希望的。

仍参考图5，环型密封174可以包括将升降管152的各部分154、、160a、160b和170耦接到一起的环状密封。尤其，在本实施例中环型密封174包括将内部管154和套管170耦接到一起的内部同心部分176，和将外部管的顶部和底部部分160a和160b各自耦接到一起的外部同心部分178。环型密封174进一步包括冷却气体168穿过其以向晶片(未示出)提供局部冷却的环状的孔180，如前所述。可选择地，关于环状密封，如可以想象的，环型密封孔180可以包括一个或多个各种形状和/或尺寸的孔。

根据本发明的又一方面，套管170对于辐射基本上是不透明的，或对射向其的辐射而言至少是漫射的。通过将套管做成基本上是不透明的或是漫射的，基本上减少或完全消除了漫射光，该漫射光例如是自钟形罩(未示出)反射的、不希望通过透镜104映射的光。例如，如果套管170是由蓝宝石构成的，该蓝宝石套管可以通过将套管浸渍在HF中或等效溶液中而“除去光泽(frosted)”。可选择地，套管170的外表面或“OD”可以研磨到预定的表面光度。可以使用任何适合的套管材料，且可以利用任何适合的消光工艺以实现上述结构且这样的选择是可预料的因此落入本发明的范围内。

图6是说明例如图3中的系统50的高温计系统的一部分的图5的升降管152另一实施例细节的另一截面图，其具有如前所述的套管170和轴环74。另外，尽管在图6中未示出，但是可以与管152一起使用流体导向结构100或类似结构用于局部冷却工件20的或一个或更多个部分。

尽管以上已就某些方面及实施方法对本发明进行了说明和描述，可以认为对于其他本领域技术人员来说在这种说明和附图的阅读和理解之上可进行等同的变更和改进。尤其考虑到通过上述元件(配置、装置、电路、系统等)执行的各种功能，除非另有说明，用于描述这种元件的术语(包括对“方式”的参考)意指相应的执行所述元件的具体功能(即，功能等价)的任何元件，即使与公开的结构在结构上不等同，其执行了在这里说明的本发明实施方式的功能。这样看来，也将公认本发明包括具有用于执行本发明各种方法的步骤的计算机可执行指令的计算机可读媒介。另外，当关于几个实施例中的仅一个的本发明的特定特征可能已经公开时，这样的特征可以如所希望的与一个或更多个其他的实施例的特征以及任何给出的或特定申请的优点结合。更进一步地，对于详细说明或权利要求中使用的术语“包括”、“包括”、“具有”、“具有”“通过”及其变形的外延，这些术语在某种意义上意指包括类似术语“包括”。