專利名稱：用于減少襯底處理室中的雜散光的設備和方法
背景技術：
熱處理室是指一種利用諸如輻射能量的能量加熱諸如半導體晶片的對象的裝置。此類裝置典型地包括用于支撐半導體晶片的襯底座(substrateholder)和發射加熱晶片所用的光能的光源。為了在熱處理期間監視半導體晶片的溫度，熱處理室典型地還包括輻射探測裝置，例如高溫計，它們探測由半導體晶片在選定波長處發射的輻射。通過探測晶片所發射的熱輻射，可以以適當的準確度計算晶片的溫度。
不過，在設計具有光學測溫系統的快速熱處理室時一個重要的問題在于，防止加熱燈發出的無用光被高溫計檢測設備檢測到的能力。如果不是由半導體晶片發出的無用光被高溫計檢測出來，則計算出的晶片溫度可能會不合理地偏離晶片的實際或真實溫度。
過去，已經使用過多種方法來防止無用的熱輻射被高溫計檢測出來。例如，以前曾經使用物理障礙隔離加熱燈發出的光，防止其影響到高溫計。物理障礙尤其用在快速熱處理室中，在快速熱處理室中加熱燈放在半導體晶片的一側，而高溫計則放在晶片的相對側。
不過，物理障礙可能會限制系統的設計。例如，物理障礙可能會限制如何支撐晶片。在一個實施例中，在晶片下方利用大直徑的連續支撐環制作不透光的盒子，以在晶片的邊緣支撐晶片。在存在支撐環的時候，在支撐環和晶片邊緣之間可能會有交迭，這可能會在加熱循環期間導致晶片溫度的不均勻。如果支撐環或晶片即使稍稍翹曲一點，還可能出現另一個問題。當發生這個問題時，光可能通過縫隙彌散到設想的不透光區域。雜散光可能會造成高溫計讀數的誤差。
除了物理障礙之外，還曾利用光譜過濾器限制高溫計所檢測到的光干涉的量。例如，光譜過濾器可以通過消除加熱燈在高溫計工作波長處發出的光而工作。優選地，光譜過濾器吸收無用的熱輻射，同時對于加熱燈所發出的加熱半導體晶片所需的熱輻射則是透明的。
過去曾經用過的一種類型的光譜過濾器是由熔融石英，例如摻雜了羥基(OH)離子的二氧化硅制造的窗口。熔融石英玻璃對于大部分光能是透明的，但是如公知的，其具有幾個很強的吸收區，在約2.7微米、4.5微米波長處以及在波長大于等于5微米的區域吸收達到了最大。
由于某些摻OH的石英玻璃在2.7、4.5和大于5微米波長處能夠有效地吸收光，而在很多其他更短光波長處是基本透明的，當熱處理室中包含的高溫計經配置以探測上述波長之一的熱輻射時，石英玻璃就成為有效的光譜過濾器。
不過，不幸的是，在包括那些在更短波長處，例如小于約1微米的波長處探測熱輻射的高溫計的測溫系統中，石英玻璃不太適于用作光譜過濾器。特別地，在有些應用中，在較短波長處使用高溫計是更為有利和有益的。尤其是，利用工作在更短波長的高溫計，可以將晶片熱輻射系數的變化的影響降到最低程度，從而能更精確地確定溫度。具體地說，在更短波長處，硅晶片更不透明，且晶片的熱輻射系數不受溫度的顯著影響。在利用高溫計測定晶片溫度時，晶片的熱輻射系數是必須要知道的一個變量。
除了更精確地判決晶片溫度之外，工作在較短波長的高溫計與配置得工作在更長波長的高溫計一般成本更低且較不復雜。此外，在更短波長探測熱輻射的高溫計一般工作很有效，且能夠生成低噪聲測量。
不過，由于在更短波長處在熱處理室中能夠檢測到大量的雜散光，過去在熱處理室中一直是有選擇地使用工作在較短波長的高溫計。如此，目前需要這樣一種光譜過濾器，其能夠高效地吸收更短波長，諸如小于約2微米的波長的光能。
發明內容
本發明總體上涉及一種用于加熱半導體器件的設備和方法。該設備包括適于容納半導體晶片的熱處理室。包括至少一個燈的輻射能量源用于發出射入處理室的光能。至少一個輻射探測裝置位于熱處理室之內，且經配置以探測被熱處理的半導體晶片發出的預先選定的波長處的熱輻射。
根據本發明，該設備進一步包括光譜過濾器，該光譜過濾器經配置，用以吸收光源在預先選定的輻射探測裝置的工作波長處發出的熱輻射。該光譜過濾器包括光吸收劑。該光吸收劑可以是，例如稀土元素、光吸收染料、金屬或半導體材料。例如，在一個實施例中，該光譜過濾器包括摻有稀土元素的基質材料。稀土元素可以是鐿、釹、銩、鉺、鈥、鏑、鋱、釓、銪、釤、鐠、或其混合物。
在一個可選實施例中，光譜過濾器包括摻有金屬，諸如過渡金屬的基質材料。可以使用特定的金屬，包括，例如鐵和銅。
基質材料可以是液體、玻璃、晶體、塑料或陶瓷。關于特殊的益處，當光譜過濾器包含稀土元素時，可以配置光譜過濾器以吸收小于約2微米的波長的光能，例如從約0.5微米到約1.5微米，且特別是從約0.6微米到約1.1微米。例如，在一個實施例中，該光譜過濾器可以是玻璃材料中所含的鐿，其含量至少為0.5％重量比，特別地，至少占20％的重量比。在該實施例中，可以配置光譜過濾器，以吸收波長在約900nm到約1010nm的光。
如上所述，基質材料中所存在的光吸收劑的量可以按照重量百分比的單位計算。例如，對許多應用來說，基質材料可以包含從約0.5％到約50％重量比的光吸收劑。不過，在某些應用中，使用原子組成而不是重量百分比作為濃度的度量可能更為合適。例如，基質材料中所含的光吸收劑的原子組成濃度(摩爾百分比)可以從約0.5％到約50％。可以根據特定的基質材料和選定的特定光吸收劑對原子組成濃度進行變化。
在一個可選實施例中，稀土元素可以是稀土元素化合物的形態，例如氧化物。該稀土元素化合物可以包含在陶瓷材料中，并用作根據本發明的光譜過濾器。
如上所述，在另一實施例中，光吸收劑可以是光吸收染料。該染料可以是，例如，有機鹽染料、鎳絡合物染料、諸如鉑絡合物染料或鈀染料的貴金屬染料、酞菁染料、或蒽醌或其混合物。此類染料還非常適于吸收小于2微米的波長的光。
除了稀土元素和光吸收染料之外，該光譜過濾器還可以由半導體材料制作。該半導體材料可以是，例如砷化鎵、砷化鋁、鍺、硅、磷化銦或這些材料的合金，例如Si/Ge、AlAs/GaAs/InP。
根據本發明制作的光譜過濾器在相關波長處可以具有至少為5的衰減因子。例如，在所關心的波長處，光譜過濾器可以具有至少為103的衰減因子，特別地，可以具有至少為105的衰減因子。此外，可以通過較薄的材料獲得上述衰減因子。例如，該光譜過濾器可以具有小于約1英寸的厚度，特別地，小于約100mm的厚度。
該光譜過濾器可以與本發明的設備中的光源結合放置在不同位置上。例如，在一個實施例中，光譜過濾器可以放置在熱處理室和光源之間。不過，在一可選實施例中，光譜過濾器可用于包圍燈或輻射能量燈絲。在又一可選實施例中，該光譜過濾器可以結合到反射器中，該反射器放置在光源后面。
下文將更詳細地討論本發明的其他特征和方面。
在本說明書的其余部分中，針對本領域的普通技術人員，參照附圖更具體地描述了本發明完全和允許的公開，包括其最佳方式，在附圖中圖1是根據本發明用于熱處理半導體器件的設備的一個實施例的橫截面圖；圖2是根據本發明用于熱處理半導體器件的設備的可選實施例的橫截面圖；圖3A是根據本發明的由光譜過濾器包圍的燈的一個實施例的橫截面圖；圖3B是根據本發明的由光譜過濾器包圍的燈的另一個可選實施例的橫截面圖；圖4是多個燈的透視圖，根據本發明制造的光譜過濾器的一個實施例布置這些燈；以及圖5是根據本發明的含鐿光譜過濾器的光透射與波長關系的曲線圖。
在本說明書和附圖中重復使用的參考標號意在表示本發明相同或相似的功能部件或要素。
具體實施例方式
本領域的普通技術人員應當理解，現在的討論僅是對示范性實施例的描述，并不是為了限制本發明更寬的各方面，這些更寬的方面在示范性構造中體現。
概括地說，本發明針對一種加熱半導體晶片同時還精確監視晶片溫度的設備和方法。該設備包括一與光源相通的熱處理室，該光源用于加熱熱處理室中所含的半導體晶片。諸如高溫計的輻射探測裝置與熱處理室相通，經放置以探測半導體晶片在特定波長發射的熱輻射。通過探測晶片在特定波長發射的熱輻射，可利用高溫計在熱處理室工作期間計算晶片的溫度。
根據本發明，該設備還包括與光源關聯設置的光譜過濾器。光譜過濾器吸收光源在輻射探測裝置的工作波長處發射的光能，以便防止被吸收的光被輻射探測裝置檢測到并干擾正在進行的任何溫度測量。不過，對于光源所發的加熱處理室內的半導體晶片所需的光能來說，該光譜過濾器基本是透明的。
根據本發明，可以使用多種材料制作光譜過濾器。例如，在一個實施例中，光譜過濾器可以包括含有光吸收劑的基質材料。光吸收劑可以是，例如稀土元素或光吸收染料。可以用在本發明中的稀土元素的例子包括鐿、釹、銩、鉺、鈥、鏑、鋱、釓、銪、釤、鐠及其混合物。
可以根據本發明使用的光吸收染料包括，有機鹽染料、鎳絡合物染料、諸如鉑絡合物染料和鈀絡合物染料的貴金屬染料、酞菁染料、蒽醌染料及其混合物。
在可選實施例中，可以由包含稀土元素(例如氧化物)或半導體材料的化合物制作光譜過濾器。該稀土元素化合物可以是上述任何稀土元素的化合物。能用作光譜過濾器的半導體材料的例子包括砷化鎵、砷化鋁、磷化銦、硅、鍺、或這些材料的合金。當利用半導體材料作為光譜過濾器時，在加熱熱處理室中的半導體晶片期間，必須根據光譜過濾器的位置冷卻光譜過濾器。
本發明提供了在加熱工藝期間判決晶片溫度的各種益處和優點。特別地，光譜過濾器可以吸收并消除無用輻射，使之不被輻射探測裝置檢測到，以便更精確地判決晶片的溫度。為了特定的益處，在一個實施例中，可以如此選擇根據本發明制作的光譜過濾器，該光譜過濾器在較短波長處吸收光非常有效，例如小于約2微米的波長，特別地是在小于約1微米的波長處。不過，在其他實施例中，根據本發明制作的光譜過濾器可以用來吸收波長比2微米長的光，在有些應用中可能是需要的。
參考圖1，示出了總體標為10的設備，其根據本發明的一個實施例制造，用于處理半導體器件，例如硅晶片。設備10包括用于安放諸如半導體晶片14的襯底的處理室12，用于進行各種處理。設計處理室12用于以快速率且在仔細控制的條件下加熱晶片14。處理室12可以由多種材料，包括金屬和陶瓷制成。例如，在一個實施例中，處理室12可以由不銹鋼制作。
當處理室12由導熱材料制作時，該處理室可以包括冷卻系統。例如，如圖1所示，處理室12包括纏繞在處理室周圍的冷卻管16。冷卻管16適合于流通冷卻液，例如水，該冷卻液用于保持處理室12的壁處于恒溫。
處理室12還可以包括進氣口18和出氣口20，用于將氣體引入處理室和/或保持處理室處于預定的壓力范圍之內。例如，可以通過進氣口18將氣體引入處理室12，用于和晶片14反應。一旦處理完畢，可以利用出氣口20從處理室排出氣體。
可選地，可以通過進氣口18向處理室12供給惰性氣體，以防止在處理室中發生任何無用的或不需要的副反應。在另外一個實施例中，進氣口18和出氣口20可用于為處理室12增壓。需要的時候，還可以利用出氣口20或晶片水平面下方的附加的更大出口在處理室12中生成真空。
在處理期間，在一個實施例中，處理室12可以適于旋轉晶片14。旋轉晶片促進在晶片的整個表面上形成更大的溫度均勻性并促進增強了在晶片和任何引入處理室的氣體之間的接觸。不過應當理解，除了晶片之外，處理室12還適于處理光學部件、薄膜、光纖、帶(ribbon)和其他具有任何特殊形狀的襯底。
包括與處理室12相通的光源，其總的被標注為22，用于在處理期間發出光能并加熱晶片14。在該實施例中，光源22包括多個燈24。燈24可以是白熾燈，例如鎢鹵素燈、弧光燈等等。光源22可以包括反射器或一組反射器，用于將燈24發射的光能仔細而均勻地引導到晶片14上。如圖1所示，燈24放置在晶片14之上。不過，應當理解，可以將燈24放置在任何特定位置。此外，根據需要，設備10中可以包括更多或更少的燈。
在有些熱處理設備中，優選用燈24作為熱源。例如，燈比其他加熱裝置具有高得多的加熱和冷卻速率。燈24生成了提供瞬時能量的快速熱處理系統，一般地需要非常短和受控良好的啟動期間。還可以在任何時候突然停止來自燈24的能量流。可以為燈配備漸進的功率控制，還可以將其連接到控制器，該控制器根據晶片的溫度測量值自動調節燈發出的光能的量。
不過，除了燈24之外，設備10還可以包括襯托器(susceptor)，其放在熱處理室12之內鄰近晶片14的位置。該襯托器可以包括諸如電阻加熱器或感應加熱器的加熱元件，用于在燈之外加熱晶片。
半導體晶片14在熱處理室12內由襯底座26支撐。在該實施例中，襯底座26還支撐著多根光纖或光導管28，它們又與諸如高溫計的輻射探測裝置30相連。對于圖1所示的實施例來說可選的是，如果需要，可以將每根光纖28連接到不同的輻射探測裝置上。
在另一個實施例中，為了將輻射能傳遞到高溫計，可以不必使用光纖。例如，可以使用單透鏡系統而不是光纖。此外，在其他實施例中，可以將高溫計放在與所處理襯底處于直線視線上。本發明的設備中測溫裝置的具體布置取決于配置和具體的應用。
配置光纖28以接收晶片14在特定波長發射的熱輻射。然后將探測到的輻射量傳送給輻射探測裝置30，輻射探測裝置30生成可用的電壓信號，用于判決晶片的溫度。
在該實施例中，如此設計設備10，使得光纖28僅探測晶片發射的熱輻射，而不探測由燈24發出的大量輻射。從這個角度考慮，設備10包括置于光源22和輻射探測裝置30之間的光譜過濾器32。光譜過濾器基本上防止了燈24在輻射探測裝置30的工作波長處發射的熱輻射進入處理室12。
按照本發明的一個實施例，光譜過濾器32包括基質材料中包含的光吸收劑。通常，一方面，光譜過濾器32防止了燈24在輻射探測裝置30的工作波長發出的熱輻射進入處理室12，而另一方面允許透過其量足以加熱晶片14的其他波長的輻射。一般說來，可以根據本發明設計光譜過濾器32，以過濾許多不同的波長和波長范圍。
在一個具體實施例中，設計光譜過濾器32以過濾較短的波長。例如，就半導體材料來說，使用在半導體吸收邊沿以下的波長的輻射探測裝置可以更加方便，這些波長對應著比半導體帶隙更高的光子能量。在這些波長處，樣品在測量波長處一般是不透明的。因此，樣品的透射就不會隨著溫度和晶片摻雜有很大變化，對于超過吸收邊沿的波長來說通常就是這樣。
在較短波長處，用于計算溫度的普朗克定律(Plank’s Law)出現很強的溫度依賴性。因此，在較短波長處，可能會體驗到，隨著溫度的降低，信號強度會降低很多。如此，在熱處理室中能可靠測量到的最低溫度通常將受到探測系統中的噪聲或者不能與晶片信號區分開的雜散光的限制。結果，隨著檢測波長的增加，晶片輻射和雜散光之比往往會提高。因此，在有些實施例中，當測溫裝置工作在約0.5微米到約1.5微米，尤其是約0.8微米到約1.1微米的波長時，獲得了相對精確的結果。可以設計根據本發明制造的光譜過濾器，以過濾上述范圍內的波長。
如上所述，在一個實施例中，光譜過濾器32包括基質材料中包含的光吸收劑。根據本發明，該光吸收劑可以是，例如稀土元素或光吸收染料。用于光吸收劑的基質材料可以是，例如玻璃、陶瓷、晶體等。
一旦制作完畢，該光譜過濾器應該能有效地過濾所關心波長處的熱輻射，該波長是輻射探測裝置工作的波長。從這方面考慮，光譜過濾器的吸收系數必須要足夠高，以在相關波長處提供所需的輻射衰減。例如，對于大部分應用來說，該光譜過濾器應具有至少為5的衰減因子，特別地，至少為100，更特別地，至少為1000。例如，在一個實施例中，該衰減因子可以大于約109。如此處所用的，衰減因子如下計算衰減因子＝exp(-αd)，其中α為吸收系數(1/cm)，d為光譜過濾器的厚度(cm)。
只要衰減因子處于相關波長的有效范圍之內，光譜過濾器的吸收系數和厚度就可以變化。不過，對于大部分應用來說，該材料應該具有大于約5cm-1的吸收系數，特別是大于約10cm-1，更特別的是大于約50cm-1。通常，光譜過濾器應當盡量的薄。例如，光譜過濾器應具有不到約100mm的厚度，特別是不到25mm，在一個實施例中可以具有不到約5mm的厚度。不過應當理解，為了提供所需的衰減因子，光譜過濾器的厚度可以增加到超過上述范圍。
現在將更詳細地描述可以用在本發明中的各種光吸收劑和基質材料。例如，如上所述，在一個實施例中，光吸收劑包括稀土元素。可以用在本發明中的稀土元素包括鐿、釹、銩、鉺、鈥、鏑、鋱、釓、銪、釤、鐠等。
例如，已經發現，在約900nm到約1010nm之間，特別是在約950nm和985nm之間，鐿具有強吸收峰。不過，鐿吸收的波長可能受到基質材料輕微的影響。人們還發現，在小于約1.5微米和大于約0.6微米的波長處，鉺和釹具有強吸收峰。
不過，如上所述，根據本發明制造的光譜過濾器還可以用來吸收大于約1.5微米的波長。例如，已經發現鈥、銪和鋱對于約1.7微米到約2.4微米的波長具有良好的吸收特性。更確切地說，鈥在1.49微米有一吸收峰，銪在約2.09微米處具有吸收峰，而鋱在約1.85微米和約2.1微米之間具有吸收峰。
為了說明稀土元素的吸收特性，如圖5所示的是摻鐿玻璃的光透射與波長的關系曲線圖。該玻璃從Schott Company獲得，是以Schott S-8050玻璃的標識銷售的。這種玻璃具有約14mm的厚度，包含約30％重量比的鐿。如圖所示，在該實施例中，所述摻鐿玻璃非常適于吸收從約900nm到約980nm波長范圍內的光，特別適于吸收波長從約940nm到約980nm的光。
如上所述，除了玻璃之外，用于稀土元素的基質材料還可以是陶瓷或晶體或塑料材料。通常，可以使用任何適合的基質材料，包括液體材料。對于大部分應用來說，優選地，光吸收劑在基質材料中有著高溶解度。此外，優選地，基質材料的成本低，且能夠容易地形成所需的形狀。此外，優選地，當直接暴露在處理室中時，該基質材料還對化學侵蝕有抵抗力。
加入基質材料中的光吸收劑的量將取決于具體的應用和所需的結果。不過對于大部分應用來說，基質材料應該至少含有0.5％重量比的光吸收劑，特別地至少10％的重量比，更特別地，至少20％的重量比。例如在一個實施例中，基質材料可以包含從約0.5％到約50％重量比的光吸收劑。如上所述，在某些應用中，基質材料中光吸收劑的量還可以用原子組成濃度表示。
以下是能用做根據本發明的基質材料中的各種材料。不過應當理解，以下列表僅僅是示范性的，并未窮舉所有。
玻璃材料二氧化硅，SiO2氧化鍺GeO2二氧化鈦TiO2硅酸鹽玻璃(Li-硅酸鹽，Na-硅酸鹽)硅酸鹽玻璃(Nb2O5-ZrO2-SiO2)硅酸鹽玻璃Schott LG-680(激光玻璃)硅酸鹽玻璃Kigre Q-246鋁硅玻璃(aluminosilicate glass)鋁鍺硅酸鹽(aluminogermanosilicate)玻璃硼硅玻璃(borosilicate glass)鍺硅酸鹽(germanosilicate)玻璃磷酸鹽玻璃磷酸鹽玻璃(BaO-K2O-P2O5)磷酸鹽玻璃Schott LG-700、LG-750、LG-760(激光玻璃)QX(Kigre)、ADY、LY、PN、PNK磷酸鹽玻璃NASICON磷酸鹽玻璃Na4AlZnP3O12氟磷酸鹽玻璃氟化物磷酸鹽玻璃氟化物硫酸鹽玻璃氟鋁酸鹽玻璃鍺酸鹽玻璃(K-鍺酸鹽)硫族化物(chalcogenide)玻璃硫化鎵鑭玻璃－硫族化物鹵化物玻璃重金屬氟化物玻璃ZB、ZBLA、ZBLAN&ZBLANP(ZBLANP＝ZrF4-BaF2-LaF3-AlFs-NaF-PbF2)-重金屬氟化物玻璃氟鋯酸鹽玻璃BIGaZYT氟硼酸鹽玻璃鉛氟硼酸鹽玻璃(PbO-PbF2-B2O3)鉛氟氧化物玻璃(PbO-PbF2)硼酸鉛玻璃(PbO-B2O3)鉛氟硼酸鹽玻璃(PbO-PbF2-B2O3)亞碲酸鹽玻璃(YTG)亞碲酸鹽玻璃(TeO2-ZnQ-Na2O)碲化物玻璃晶體材料釔鋁石榴石(YAG＝Y3Al5O12)藍寶石Al2O3Y2O3、Sc2O3、Lu2O3(倍半氧化物)半導體晶體(AlAs、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、CdTe、CdS、CdSe、ZnS、ZnSe、ZnTe、SiC、Si)LaBr3、LaCl3、LaF3、LiYF4、YAlO3、YVO4Sr3Y(BO3)3(BOYS)Ca4Gd(BO3)3O(GdCOB)Ca4Y(BO3)3O(YCOB)KGd(WO4)2KY(WO4)2Sr5(PO4)3F(S-FAP)-磷灰石結構Ca5(PO4)3F(C-FAP)-磷灰石結構Ba5(PO4)3FLiNbO3CasLa2(PO4)6O2(CLYPA)-氧基磷灰石(oxoapatite)陶瓷材料氧化鋁(Al2O3)氮氧化鋁(有時稱為AlON)陶瓷形態的YAG碳化硅氮化硅尖晶石(spinel)在一個實施例中，光吸收劑不是稀土元素，而是一種金屬，例如過渡金屬。例如，在特定的實施例中，可以將鐵或銅加入基質材料中。通常，加入到基質材料中的這些材料的量可以與上述針對稀土元素給出的量相同。
除了含有稀土元素或金屬的基質材料之外，如上所述，光吸收劑還可以是光吸收染料。可以單獨使用光吸收染料，或者可以與稀土元素和/或上述金屬一起使用。這里所述的光吸收染料可以加入各種基質材料中。不過，有些光吸收染料可能對溫度敏感。如此，在有些實施例中，與上面描述的的一些其他基質材料相反，這些染料可能更適合于加入塑料或溶劑中。
根據所需的結果，可以在本發明中使用許多不同類型的光吸收染料。例如，該光吸收染料可以是有機鹽染料(Epolin 100 & 2000系列)、鎳絡合物染料(Epolin 3000系列；H.W.Sands Corp.的SDA 6370，845nm)、諸如鉑絡合物染料和鈀絡合物染料的貴金屬染料(Epolin 4000系列是鉑和鈀染料；Sands Corp.的SDA 5484，886nm是鈀染料)、酞菁染料(Epolin 6000系列)或蒽醌(anthraquinone)染料(Epolin 9000系列)。光吸收染料可以單獨使用或者與其他染料一起使用。以上所列的染料在配方之前可以通過計算機仿真優化。此外，光吸收染料還可以與稀土元素一起使用。
本發明的光吸收染料在加入基質材料之前或期間還可以與多種制劑和穩定劑組合。例如，可以將熱穩定劑和光穩定劑加入染料中。例如，包括EPOLIGHT 4029在內的Epoline“V類染料”具有很高的熱穩定性和抗紫外線穩定性。可以加入到染料中的紫外線穩定劑包括，例如二氧化鈰。
其他市場上可買到的可用在本發明中的光吸收染料包括以下產品光吸收供應商名稱產品名稱吸收峰Epolin，Inc.Epolight 2057 990nm(有機鹽染料)Epolin，Inc.Epolight 4129 886nm(鉑或鈀染料)Epolin，Inc.Epolight 6089 684nm(酞菁染料)Gentex Corp.Filtron A187840nmGentex Corp.Filtron A103700nmH.W.Sands Corp. Dye SDA3598 738nm(貴金屬染料)H.W.Sands Corp. Dye SDA3805 798nmH.VI.Sands Corp.Dye SDA7973 845nmH.VI.Sands Corp.Dye SDA909 909nmH.W.Sands Corp. Dye SDA9510 951nm(貴金屬染料)H.W.SandsCorp. Dye SDA1168 1046nm除了摻有稀土元素或包含光吸收染料的基質材料之外，可以用多種其他材料制作根據本發明的光譜過濾器。例如，在一個實施例中，可以用稀土元素的氧化物制作光譜過濾器。例如，可以使用氧化鐿(Yb2O3)。這些氧化物能夠以晶體形態、玻璃形態或陶瓷形態使用。此外，可以將這些氧化物混合到一起或者與其他成分混合，以形成多組分陶瓷或玻璃，以便在本發明中使用。
在另一實施例中，可以由半導體材料制作光譜過濾器。該半導體材料可以是，例如砷化鎵、砷化鋁、磷化銦、硅、鍺或這些材料的合金。例如，砷化鎵非常適于吸收波長小于約0.9微米的光。不過，在使用半導體材料時，在處理室工作期間可能必須要冷卻光譜過濾器。舉例來說，可以在整個過濾材料中或者鄰接過濾材料循環冷卻液冷卻光譜過濾器。例如，冷卻液可以是空氣或水。當然，為了這一目的可以使用任何適合的冷卻裝置。
由于有些材料往往具有高的折射率，因此易于反射大量的光，還可以在半導體材料上涂布抗反射涂層。舉例來說，可以由二氧化硅或氮化硅薄膜制作抗反射涂層。還可以設計并使用多層涂層以實現寬帶涂層，該涂層在寬光譜區中都有效。涂層可以單獨使用或者與各種吸收元件一起使用。在一個實施例中，可以使用抗反射涂層，該抗反射涂層在高溫計工作波長處具有高的反射率。
參考圖2，其示出了根據本發明制作的熱處理設備設備的另一實施例，其總的標識為10。圖中包括類似的附圖標記以表示相似的元件。如圖所示，在該實施例中，利用兩組光源24從兩側加熱晶片14。如此，在該實施例中，該設備包括第一光譜過濾器32和第二光譜過濾器132，用于將晶片與燈隔離。
在該實施例中，光譜過濾器32和132包括用于輻射探測裝置30的光纖28的開口。開口允許晶片發射的輻射傳播到輻射探測裝置。如圖所示，光譜過濾器32和132對燈24所發的光能過濾，使其進入處理室12。根據本發明，光譜過濾器32和132可以由上述任何材料制作。
在本發明的另一實施例中，光譜過濾器32可用于形成燈箱本身。特別地，可以將光譜過濾器與產生輻射能的燈絲直接結合放置。
在又一實施例中，本發明的光譜過濾器可以用作燈殼的涂層。
在可選實施例中，除了在光譜過濾器32和132中形成開口之外，光纖28或高溫計本身可以容納在基質材料未摻雜光吸收劑的區域中。通過這種方式，高溫計具有一通過這些區域的視口，以從晶片進行測量。在一個實施例中，可以將未摻雜的玻璃片熔化加入形成有開口的摻雜玻璃板，從而形成這些區域。
不過，除了將光纖28放在光譜過濾器之內以外，光纖也可以放在其他位置。例如，光纖還可以完全通過過濾器或者通過處理室側壁延伸。
除了采取窗口的形式隔離熱處理室和燈之外，本發明的光譜過濾器還可以其他布置構建。例如，如圖3A和3B所示，光譜過濾器32可以是外殼的形態，放置在單個燈或若干組燈周圍。如圖3A所示，燈24可以垂直取向或，如圖3B所示，可以水平取向。在這種布置下，光譜過濾器32可以單獨使用，或者與其他用于隔離處理室12的窗口結合使用。
在本發明的另一實施例中，如圖1和2所示的光纖28可以放置于熱處理室12的外部在燈24的同一鄰近區域中。在這種布置中，燈發出的光在被光纖檢測到之前兩次通過光譜過濾器。不過，晶片發出的光在被光纖檢測到之前只通過光譜過濾器一次。因此，雜散光和信號之比將得到改善，用于獲得精確的溫度測量。
在本發明的另一實施例中，設備10可以包括并行的一對窗口，其具有鄰近燈的第一窗口和鄰近處理室的第二窗口。通過這種方式，可以在兩個窗口之間流通諸如空氣或水的冷卻流體。窗口的一個或兩個可以是根據本發明的光譜過濾器。當窗口之一沒用作光譜過濾器時，窗口可以由，例如石英或藍寶石制作。
參考圖4，在本發明的另一實施例中，光譜過濾器可以是反射器40的形式，其與多個燈24關聯放置。例如，反射器40可以包括第一層42和第二層44。第一層42由諸如金屬的高反射材料制作。第二層44可以包含根據本發明的光吸收劑。通過這種方式，第二層44用于過濾從燈反射的光，使之進入熱處理室。這樣，雖然燈在所關心的波長處發射的直射光可能到達處理室，但是在所關心的波長處反射的光量減少了。根據具體的應用，反射器40可以減少輻射探測裝置工作波長處的光量，其減少的量足以進行相對精確的溫度測量。
本領域的普通技術人員可以對本發明進行這些及其他的修改和變化，這沒有背離本發明的精神和范圍，本發明的精神和范圍在所附的權利要求中進行了更為具體的闡述。此外，應當理解，可以全部或部分地交換各種實施例的諸方面。此外，本領域的普通技術人員要理解，以上描述僅是舉例，并非意在限制在所附權利要求中所進一步描述的本發明。
權利要求
1.一種用于熱處理襯底的設備，包括熱處理室，用于容納襯底；輻射能量源，其與所述熱處理室相通，所述輻射能量源向所述熱處理室中發射輻射能量；至少一個輻射探測裝置，其與所述熱處理室相通，配置所述輻射探測裝置以探測預先選定的波長處的輻射；以及光譜過濾器，與所述輻射能量源相通設置，配置所述光譜過濾器以吸收所述輻射能量源在所述預先選定的波長處發射的輻射，所述光譜過濾器包括含有稀土元素的材料。
2.如權利要求1所述的設備，其中所述稀土元素為從由鐿、釹、銩、鉺、鈥、鏑、鋱、釓、銪、釤、鐠及其混合物構成的組中選擇的一種材料。
3.如權利要求2所述的設備，其中所述稀土元素包含在基質材料中，所述基質材料包括玻璃、液體、晶體、塑料或陶瓷。
4.如權利要求1所述的設備，其中所述稀土元素為鐿。
5.如權利要求4所述的設備，其中所述鐿包含在玻璃材料中，其含量至少為0.5％重量比。
6.如權利要求5所述的設備，其中所述鐿包含在玻璃材料中，其含量至少為20％重量比。
7.如權利要求4所述的設備，其中所述預先選定的波長在約900nm到約1010nm之間。
8.如權利要求1所述的設備，其中所述光譜過濾器包括稀土元素的氧化物。
9.如權利要求8所述的設備，其中所述稀土元素為鐿。
10.如權利要求1所述的設備，其中所述光譜過濾器具有小于約100mm的厚度。
11.如權利要求1所述的設備，其中所述光譜過濾器位于熱處理室中容納的所述輻射能量源和襯底座之間。
12.如權利要求1所述的設備，其中所述光譜過濾器具有至少為5的衰減因子。
13.如權利要求1所述的設備，其中所述光譜過濾器具有至少為103的衰減因子。
14.如權利要求1所述的設備，其中所述稀土元素為鈥、銪或鋱，且所述預先選定的波長從約1.7微米到約2.4微米。
15.如權利要求1所述的設備，其中所述輻射能量源包括至少一個燈。
16.一種用于熱處理襯底的設備，包括熱處理室，用于容納襯底；輻射能量源，其與所述熱處理室相通，用于向所述熱處理室中發射輻射能量；至少一個輻射探測裝置，其與所述熱處理室相通，配置所述輻射探測裝置以探測預先選定的波長處的輻射；以及光譜過濾器，其與所述輻射能量源相通設置，配置所述光譜過濾器以吸收所述輻射能量源在所述預先選定的波長處發射的輻射，所述光譜過濾器包括光吸收劑，所述光吸收劑包括從由稀土元素、染料和半導體材料構成的組中選擇的一種材料。
17.如權利要求16所述的設備，其中所述光吸收劑包括半導體材料，所述半導體材料包括砷化鎵、砷化鋁、硅、鍺、磷化銦或其合金。
18.如權利要求16所述的設備，其中所述光吸收劑包括染料，所述染料包括有機鹽染料、鎳絡合物染料、貴金屬染料、酞菁染料、或蒽醌，或其混合物。
19.如權利要求16所述的設備，其中所述光譜過濾器包括摻有所述光吸收劑的基質材料，所述光吸收劑包括稀土元素，所述稀土元素為從由鐿、釹、銩、鉺、鈥、鏑、鋱、釓、銪、釤、鐠及其混合物構成的組選擇的一種材料。
20.如權利要求16所述的設備，其中所述預定波長小于約1.5微米。
21.如權利要求19所述的設備，其中所述稀土元素包括鐿。
22.如權利要求21所述的設備，其中所述預先選定的波長在約900nm到約1010nm之間。
23.如權利要求16所述的設備，其中所述光譜過濾器置于所述輻射能量源和所述襯底之間。
24.如權利要求16所述的設備，其中所述光譜過濾器具有至少為5的衰減因子。
25如權利要求16所述的設備，其中所述光譜過濾器具有至少為103的衰減因子。
26.如權利要求16所述的設備，其中所述輻射能量源包括一個或多個燈。
27.如權利要求16所述的設備，其中所述輻射探測裝置包括高溫計。
28.一種用于在處理室中利用輻射能量加熱襯底的方法，包括如下步驟在熱處理室中放置襯底；利用與所述熱處理室相通放置的輻射能量源加熱所述襯底；在加熱所述襯底的同時探測所述襯底在預先選定的波長處發射的輻射，所述輻射由至少一個輻射探測裝置探測；以及吸收所述輻射能量源在所述預先選定的波長發射的雜散光，所述雜散光被光譜過濾器吸收，所述光譜濾光器包括稀土元素或染料。
29.如權利要求28所述的方法，其中所述光譜過濾器包括含有染料的基質材料，所述染料包括從由有機鹽染料，鎳染料、貴金屬染料、酞菁染料、蒽醌染料或其混合物構成的組選擇的一種材料。
30.如權利要求28所述的方法，其中所述光譜過濾器包括含有稀土元素的基質材料，所述稀土元素包括從由鐿、釹、銩、鉺、鈥、鏑、鋱、釓、銪、釤、鐠及其混合物構成的組中選擇的一種材料。
31.如權利要求30所述的方法，其中所述稀土元素包括鐿。
32.如權利要求31所述的方法，其中所述預先選定的波長從約900nm到約1010nm。
33.如權利要求28所述的方法，其中所述預定波長小于約1.5微米。
34.如權利要求28所述的方法，其中所述光譜過濾器具有至少為5的衰減因子。
35.如權利要求28所述的方法，其中所述光譜過濾器具有至少為103的衰減因子。
36.如權利要求28所述的方法，其中所述光譜過濾器具有至少為105的衰減因子。
37.如權利要求30所述的方法，其中所述稀土元素包括釹。
38.如權利要求30所述的方法，其中所述稀土元素包括鉺。
39.如權利要求30所述的方法，其中所述基質材料包括玻璃、晶體或陶瓷。
40.如權利要求29所述的方法，其中所述基質材料包括塑料或液體。
41.一種用于熱處理襯底的設備，包括熱處理室，用于容納襯底；輻射能量源，其與所述熱處理室相通，所述輻射能量源向所述熱處理室中發射輻射能量；至少一個輻射探測裝置，其與所述熱處理室相通，配置所述輻射探測裝置以探測預先選定的波長處的輻射；以及光譜過濾器，與所述輻射能量源相通設置，配置所述光譜過濾器以吸收所述輻射能量源在所述預先選定的波長處發射的輻射，所述光譜過濾器包括含有金屬的材料。
42.如權利要求41所述的設備，其中所述金屬包括過渡金屬。
43.如權利要求41所述的設備，其中所述金屬包括鐵。
44.如權利要求41所述的設備，其中所述金屬包括銅。
45.如權利要求41所述的設備，其中所述金屬包含在基質材料中，所述基質材料包括玻璃、液體、晶體、塑料或陶瓷。
46.如權利要求45所述的設備，其中所述金屬以從約0.5％到約50％重量比的量包含在所述基質材料中。
47.如權利要求41所述的設備，其中所述光譜過濾器位于熱處理室中容納的所述輻射能量源和襯底座之間。
全文摘要
公開了一種用于在熱處理室中加熱半導體晶片的方法和設備。該設備包括非接觸測溫系統，該非接觸測溫系統利用諸如高溫計的輻射探測裝置在處理期間判決晶片的溫度。該輻射探測裝置通過監視晶片在特定波長處發射的輻射量判決晶片的溫度。根據本發明，該設備中包括光譜過濾器，用于過濾燈在輻射探測裝置的工作波長處發射的光，該燈用于加熱晶片。該光譜過濾器包括光吸收劑，例如稀土元素、稀土元素的氧化物、光吸收染料、金屬或半導體材料。
文檔編號H01L21/00GK1695229SQ03824898
公開日2005年11月9日 申請日期2003年7月22日 優先權日2002年11月5日
發明者保羅·J·蒂曼斯 申請人:馬特森技術公司