用于基材處理的高溫測定的制作方法

專利名稱：用于基材處理的高溫測定的制作方法
技術領域：
本申請大體關于半導體處理設備，且具體地說，是關于在相對低溫下用光學技術量測底座(pedestal)及基座(susc印tor)的溫度。
背景技術：
半導體處理設備用于薄膜及涂層的沉積、圖案化及處理中。已知基材處理腔室提供底座或支撐基材(以供處理)的某一等效方式。可通過用電阻性構件加熱底座或通過使用加熱燈以加熱底座及基材，而將熱提供至基材。燈通常位于處理腔室的外部。允許光穿過由高光學透射性材料(諸如石英)制成的視窗(viewport)或圓頂。石英也由于低熱膨脹系數及高熔融溫度而具有吸引力。高溫處理經常使用石英圓頂及外部燈以將基材的溫度快速升高至處理溫度。使用這些架構的處理及相關聯處理腔室的說明性實例為磊晶膜成長(經常稱作EPI)及快速熱處理(RTP)。底座在使用燈用于加熱的處理中經常稱作基座。在這些處理以及其它處理中經處理的膜特性(例如，膜厚度、密度、摻質密度等)可對基材溫度敏感。確定溫度的傳統方法涉及安裝于處理腔室內部的各位置中的熱電偶。使用熱電偶的困難包括部分地歸因于熱電偶接點的劣化或位置變化而產生的溫度量測的漂移。可通過經由頂部石英圓頂而將高溫計瞄準基材(通常從上方)來監視基材溫度。量測基材溫度的另一方法包括經由形成處理腔室的下側的底部石英圓頂而將高溫計瞄準基座的下側處。可在查找表中或使用相關因子(correlation factor)或其它計算使基材的溫度與基座的溫度相關。傳統高溫處理涉及在650°C至1150°C的范圍中的基材溫度。涉及在300°C至650V 的范圍中的基材溫度的一些處理被使用且正在開發中。一種此沉積處理涉及在硅基材上形成碳化硅層。由于自基材或基座發出極少量的光，在這些較低溫度下使用高溫計是困難的。 來自腔室的其它區域的背景光或甚至源自加熱燈的反射光可產生不良基材溫度判讀。因此，需要一種用于甚至在低溫下也可靠且快速地量測基材溫度的系統及方法。

發明內容
所揭示的實施例是關于一種用于通過光學高溫測定而精確且可再現地量測基材及底座(例如，基座)溫度的系統及方法。通過這些系統及方法使低溫量測變得可能。一種基材處理系統包括處理腔室；基材，其位于該處理腔室內(可能位于底座或基座上)；及光學高溫測定組件，其耦接至該處理腔室以量測實質上源自該基材的一部分 (諸如頂部或邊緣)或底座的一部分(諸如底部或邊緣)的發射光。該光學高溫測定組件還包括光接收器及光學偵測器。該光接收器可位于該處理腔室內。該光學高溫測定組件接收該發射光的一部分，且該基座、底座或基材的溫度由該發射光的該部分在至少一個波長附近的強度而確定。一種在處理期間量測基材的溫度的方法包括在基材或支撐該基材的底座附近安置光管；使該光管的末端屏蔽雜散光，以使得該光管的該末端主要接收來自該底座的邊緣的光；用氣體凈化該光管的該末端，以減少該光管的該末端的污染；偵測自該基材或底座發射且由該光管接收的光的一部分；及根據來自該基材或底座的該發射光的該部分在至少一個波長附近的強度而確定該基材的溫度。如本文中所使用，雜散光意謂源自于除基材或底座以外的來源的光。應注意，例如光可來自底座，但并非源自于底座。此情形可在源自于加熱燈的光反射出底座的情況下發生。本發明的可應用性的其它方面將自下文所提供的詳細描述變得顯而易見。應了解，在表示各種實施例時，詳細描述及特定實例意欲達成說明的目的且并不意欲必然地限制本發明的范疇。


可通過參考說明書的其余部分及下面的附圖來實現對本發明的性質及優勢的進一步理解。將諸圖并入本發明的詳細描述部分中。圖1為根據所揭示實施例的光學高溫測定組件的橫截面圖；圖2為根據所揭示實施例的安裝于基材處理系統上的光學高溫測定組件的透視圖；圖3A至圖3E為根據所揭示實施例的高溫計組件的橫截面圖；圖4為兩種不同類型的石英的吸收曲線圖；圖5為根據所揭示實施例的高溫計組件及具有幾何特征結構的基座的示意圖；圖6為根據所揭示實施例的不同溫度量測的曲線圖，部分的溫度量測是用高溫測定組件獲取；圖7為根據本發明的實施例的基材處理系統的橫截面圖；圖8為根據本發明的實施例的基材處理系統的一部分的頂視圖；及圖9A至圖9B為顯示根據所揭示實施例的可用以確定基材處理系統中的基材溫度的示范性方法的流程圖。在附圖中，類似組件及/或特征結構可具有相同組件符號。此外，可通過在組件符號之后繼以短劃線及區分類似組件的第二標號來區別相同類型的各種組件。只要第一組件符號在說明書中使用，則該描述可應用于具有相同第一組件符號的類似組件中的任一個而不考慮第二組件符號。
具體實施例方式本文中所揭示的實施例的方面用以通過改良基材處理系統中的基材溫度的確定的精確度及可重復性來改良基材處理系統的效能。在本文中通過使用光學高溫測定 (pyrometry)來確定基材溫度。所揭示實施例通過減少到達光學偵測器的雜散光(stray light)且管理發光材料的發射率來改良基材的溫度判讀。在本文中經常描述尤其與高溫基材處理系統相關的所揭示實施例的性質，這些高溫基材處理系統傳統上由于在高溫下大量發射光來自基材及底座而大量使用高溫測定。然而，現在正使用中的其它處理設備及尚未開發的那些處理設備也可受益于所揭示實施例的方式。這些方式使得能夠在比傳統系統中低的溫度下使用高溫測定。將示范性處理及相關聯的處理腔室用作揭示本文中實施例的手段。示范性處理為外延膜生長(也稱作EPI)且EPI處理腔室通常使用完全位于處理腔室外部的高溫計。高溫計經常位于基材上方且有時位于基材下方(朝基座向上看)。兩個位置都依賴于在光已通過石英(經常以石英圓頂的形式)之后自基材及/或基座接收光的高溫計。高溫測定的精確量測通常需要了解對象(基材、基座等)在未知溫度下的發射率。 遺憾地是，發射率通常取決于溫度、表面條件、摻質密度及許多其它變量。在虛擬黑體及灰體的外部，發射率也隨波長而變化。隨溫度而改變的發射率變化最令人煩擾，因為溫度是未知的。最好是在發射率相對于溫度發生較小變化的對象上執行高溫測定。較高發射率表面也使能夠獲得高溫測定的更為精確的量測。取決于表面條件及摻質類型及含量，硅基材可在低基材溫度下具有低發射率且具有發射率對波長的強依賴性。對于超過約250°C的溫度而言，硅的發射率在942nm處是均勻地高，然而，在250°C至600°C下，發射率可在1. 55 μ m及3. 3 μ m處變化一數量級(order of magnitude)，這使在兩個較長波長處的精確判讀變得困難。自基材進行高溫測定的量測的替代方法是對基座(或通常稱為底座)執行高溫測定。在EPI及其它處理中，在低于Ιμπι的波長處自硅進行高溫測定的量測可避免由于隨基材溫度的發射率變化產生的問題，然而替換地涉及對源自加熱燈的背景光信號增加的敏感性的問題。燈由于其顯著較高的溫度，而產生比基材更多的照度(illumination)。 900°C的基材可由燈在2100°C下加熱，且400°C的基材對應于1800°C下的加熱燈。對于 942nm輻射，由燈在2100°C下發射的強度比由基材在900°C下發射的強度高約兩個數量級。 然而，由燈在1800°C下發射的強度比由基材在400°C下發射的強度高約六個數量級。在較長波長處，此效應減小。對于3. 3 μ m輻射，由燈在2100°C下發射的強度比由黑體在900°C 下發射的強度高約一個數量級，而由燈在1800°C下發射的強度比由黑體在900°C下發射的強度高約兩個數量級。尤其對于較短波長，來自燈的背景輻射可顯著地影響高溫測定的量測。所揭示實施例使光學高溫測定能夠用于燈輻射與基材輻射的高強度比率。這些所揭示實施例對于低基材溫度及較短波長尤其有益。圖1為根據所揭示實施例的光學高溫測定的組件的橫截面圖。圖1中所示的是支撐在自鞘支撐體110延伸的鞘105內部的光管100。套圈(ferrule) 115可對光管100進行實體密封。光管100可在處理腔室外部延伸(至圖中左側)。作為選擇，光管100可如圖所示端接于套圈115附近，且光可在離開光管100后得以偵測。也顯示可用以便于連接高溫計傳感器的耦接器120。鞘105可由耐受處理溫度的材料制成。鞘可由耐火的材料及/或光學吸收材料(諸如碳化硅、涂布碳化硅的石墨、氮化硅及氮化鋁)制成。在所揭示實施例中，光管可為藍寶石棒(sapphire rod)、涂布有反射材料的藍寶石棒或具有纖芯及整合包層的纖維光纜。為了保護延伸至處理區域中(至圖中右側)的光管100的末端不受處理條件影響，凈化氣體(purge gas)可流過凈化連接件125。凈化氣體可含有對處理腔室中的處理具有很小或無影響的一種或多種氣體。在實施例中，該氣體可含有氫氣、氮氣及/或氬氣。凈化氣體的流動速率足夠高以抑制光管的接收端的沉積或蝕刻，但足夠低以避免需要過度的泵氣速度，而可處于約200標準立方厘米/分鐘(sccm)與8標準升/分鐘(slm)之間。在不同所揭示實施例中，鞘可為諸如碳化硅、氮化硅的光學吸收性陶瓷材料或諸如氧化鋁的其它陶瓷。由較不易碎的材料(諸如不銹鋼)制成的第二鞘可圍繞光學吸收性鞘，以提供支撐和保護而不受損壞或破裂。該第二鞘可在所述鞘的長度以下部分地延伸以維持該第二鞘與處理腔室的處理區域之間的距離。在金屬的第二鞘的狀況下，維持此距離是有益的，因為部分處理會受到金屬污染的不利影響。圖2為安裝于基材處理系統200上的光學高溫測定組件的透視圖。連同鞘支撐體 205而一同示出基材處理系統200。鞘支撐體205支撐光學吸收性鞘215，該光學吸收性鞘 215延伸穿過在預熱環220中制得的孔或槽。光管未示出在圖2中，但其將位于光學吸收性鞘215的內部。舉例而言，在一實施例中，光管100可設置于光學吸收性鞘215的內部。在此視圖中，所示的該光學高溫測定組件瞄準基座225的邊緣，但其也可瞄準基材(未圖示)。 該組件也可瞄準基材的頂部，底座的底部，或基材(或底座)的任何其它可到達部分。圖3A至圖3E為更詳細顯示的高溫計組件的橫截面圖。圖3A顯示位于鞘305內部的光管310。在實施例中，鞘305可僅在用于高溫測量的光學波長附近部分地吸收。鞘 305由鞘支撐體300支撐。在此實施例中，光接收器320-1為光管的朝基材315延伸的末端。通過在基材315附近定位光接收器320-1，減少光管310自除了基材315以外的來源 (例如加熱燈)接收的光的量。在圖:3B至圖3E中顯示的所揭示實施例的其余例子中實現進一步減少。圖3B顯示光管310相對于鞘305收縮以使得光接收器320-2定位于鞘305 的內部。可使鞘305光學地吸收以使得來自除了基材315以外的來源的光較小可能進入光管310。鞘305的末端與基材315之間的間距及光接收器320與基材315之間的間距可變化以調整來自基材315的光的收集效率且促使對來自其它來源的光的拒斥。圖3C顯示光學高溫測定的組件的另一實施例。在此所揭示實施例中，透鏡325用以增加光管310對源自基材315的邊緣區域的光的收集效率。該透鏡也可減少進入光管 310的雜散光(來自除了基材315以外的來源)的量。在此狀況下，光接收器為透鏡320-3 的前界面而不是光管310的表面。透鏡325可通過與鞘305進行的實體連接而得以支撐， 但可替代地或組合地，透鏡325可通過與光管310的實體連接得以支撐。對于可影響光管 310或透鏡325的收集效率的處理，凈化氣體可在光管310及透鏡325周圍流動，以保護表面免于化學反應或沉積。在實施例中，透鏡325可如圖所示小于鞘305的內徑，或可制得較大甚至觸及鞘305的內徑。對于較大透鏡325，可在透鏡中制作孔洞或凹口以允許凈化氣體流動。圖3D顯示光學高溫測定的組件的另一實施例。在此所揭示實施例中，電饋通 (electrical feed-through)經過電連接3；35進入處理腔室中而至光學傳感器330。電連接335可包括電源供應器及用于輸出指示偵測光的強度的信號線。光學傳感器330可包括用以選擇一或多個波長或波長范圍以用于計算基材315的溫度的一或多個濾波器。顯示的透鏡325是在基材315與光學傳感器330之間的路徑中。透鏡325可用以增加光學傳感器 330的收集效率。再次，光接收器為透鏡320-4的前界面且并非光學傳感器330的表面。光學傳感器330及透鏡325可經制造而具有比鞘305的內徑小的外徑。在另一所揭示實施例中，光學傳感器330及透鏡325可具有與鞘305的內徑類似的外徑。當任一光學組件的外徑近似于鞘的內徑時，凹口或孔洞可形成于該組件中，以允許凈化氣體自圖中左側流動至右側。圖3E顯示不具有透鏡的相關實施例。雜散光仍可由鞘305抑制，尤其是在鞘305由光學吸收性材料制成時。在此狀況下，光接收器為光學傳感器330的前表面320-5。
7
由于發射率的溫度依賴性及發射率比1 (unity)小得多的可能性，所以在比大約 Iym長的波長處的硅基材高溫測定是有問題的。發射率的溫度依賴性會對由輕微摻雜的硅所得的量測造成影響，從而使EPI腔室中共同基材的高溫測定的量測不可靠及/或不可再現。從基材進行量測的替代方法是使高溫測定組件瞄準支撐硅基材的基座側。所揭示的高溫測定組件可用以量測基座溫度以及其它基材底座的溫度。基座經常由具有較有利光學性質的材料制成。碳化硅及涂布碳化硅的石墨經常用以制造基座。碳化硅的發射率比硅更接近于1且較少受溫度影響。事實上，對于在0. 8 μ m至6 μ m的范圍中的光學波長，碳化硅相當接近于灰體。使高溫計瞄準在碳化硅樣品處使得能夠使用較長波長用于高溫測定。參考圖3論述在較高波長處執行高溫測定的益處。該益處是減小源自于加熱燈的光強度與在顯著較低溫度下源自于熱監視樣品的光強度的比率。其它益處是由將光接收器定位于處理腔室內部的所揭示實施例而可獲得。加熱燈定位于通過石英圓頂從腔室體積隔離開的頂部及底部上。石英圓頂幾乎對超過約4. 5 μ m的光不透明，因此可在光接收器位于處理腔室內部時用作在這些長波長處進行的高溫測定的量測的濾波器。圖4為不同類型的石英的透射率的曲線圖。熔融石英較為普遍地用于EPI處理腔室中，且顯示了熔融石英的透射率曲線410。橫軸405為以微米(μπι)為單位的光學波長，且縱軸400為透射光穿過 IOmm材料的百分比。監視大于3. 0 μ m或大于4. 0 μ m的波長使光自加熱燈至處理腔室中的透射分別減少至少約10%或約50%。在例如4. 5 μ m處執行光學高溫測定甚至提供更大的益處，因為在4. 5 μ m附近的雜散燈輻射可被抑制約10倍，且取決于石英圓頂所選擇的厚度而雜散燈輻射在超過4. 8 μ m處幾乎被消除。也顯示在較長波長之外保持透明的合成石英的透射率曲線415。可在高于5. 0 μ m的波長處執行光學高溫測定，以提供使用合成石英的類似益處。可通過對于提供在光接收器附近的雜散光具有最小屏蔽或不屏蔽的情況下，偵測來自基座或基材自身的光，而可確定基材的溫度。直接自基材執行高溫測定的情況是基材由除了基座以外的構件支撐。對于在約650°C與1300°C之間的溫度，可使用具有大于3μπι 的波長的發射光學輻射對基座或基材執行高溫測定。對于這些量測，光接收器可位于基材處理腔室的內部或外部。對于甚至更大的波長(例如，大于4 μ m或4. 5 μ m)，光接收器可置放于基材處理腔室的內部，且可由石英圓頂或視端口的光學吸收提供足夠的屏蔽。對于所有波長，光接收器的數值孔徑(numerical aperture)可減小以提供對不是由基材或基座熱產生的光的屏蔽。該數值孔徑在不同實施例中可小于0. 1,0. 05或0. 025。可組合或替代由石英提供的吸收性屏蔽及由鞘提供的任何屏蔽來使用低數值孔徑。對于在約300°C與650°C之間的溫度，在自硅基材執行高溫測定時低波長(在實施例中小于約Iym或1.2 μπι)可能是期望的，以維持足夠高的發射率。在這些條件下，由于來自加熱燈的大量光及石英對光的低吸收，屏蔽提供較大值。屏蔽可由延伸超出光接收器的范圍的鞘提供。單獨或與鞘組合，光接收器的數值孔徑也可經過減小以提供屏蔽。該數值孔徑在不同實施例中可小于0. 1、0. 05或0. 025。在約2 μ m至4 μ m的范圍中的波長可用于在基材處理腔室的內部或外部的高溫測定，其中光屏蔽小于對具有接近1 μ m的波長的光學輻射使用的光屏蔽。盡管碳化硅的發射率比硅基材對溫度及波長更加不敏感，但有理由堅持解決剩余的依賴性。不管用以形成基座的材料如何而控制發射率的一個方式是在執行光學高溫測定所在的區域中制造高內表面區域幾何特征結構。圖5為高溫計組件500及沿邊緣具有幾何特征結構510的基座505的示意圖。執行從小于1發射率的材料形成的幾何特征結構的高溫測量的光學高溫計比從由相同材料制成的無特征結構對象能偵測更多光。隨著特征結構的總內部區域相對于跨越光學入口的區域增加，所察覺到的發射率朝1增加而不管用以形成幾何特征結構的材料如何。制造出具有比孔洞的半徑大的內部半徑的形狀具有挑戰性且增加成本。在基座中制造具有高的總內部區域但具有跨越光學入口的相對小區域的幾何特征結構的一種方式是在基座中鉆深孔。在由涂布碳化硅的石墨、碳化硅、氮化硅、氮化鋁及其它高發射性、光學吸收性陶瓷材料制成的基座中形成深孔會產生具有由石墨的發射率表征的內表面的圓柱體。對于在0. 8 μ m與6 μ m之間的波長，石墨的發射率非常接近于1，所以黑體特征結構甚至對于相對淺的孔也具有高發射率。因為光學高溫測定組件自較高發射率的區域收集光， 所以來自基座的邊緣的光學信號呈現出具有較高強度的區域。在峰值(或其統計表示)處或附近的信號可用作基座的溫度的指示。或者，可在基座的圓周的周圍機械加工出溝槽，在此狀況下，來自高溫計的信號更一致地指示基座的溫度。溝槽將允許較高速度或更精確監視基座的溫度，因為有用數據不受限于使孔與高溫計光接收器對準的旋轉位置。溝槽經常較容易整合至基座制造處理流程中，從而進一步減小成本。為了更佳地理解及了解所揭示實施例，現參考圖6，其為在階梯形(st印-like)升溫期間獲取的基座的不同溫度量測的曲線圖。在光收集路徑中用具有透鏡(NA 0. 05)的光管獲取四個數據序列中的三個。光接收器(透鏡的基座側)距基座的邊緣0. 1英寸(inch)。 鞘延伸更接近于基座；間隔為0. 075英寸。該鞘由具有0. 050英寸的內徑及0. 118英寸的外徑的碳化硅制成。光管具有0.032英寸的外徑。用安裝于觸及基座的邊緣的預熱環內部的熱電偶量計(gauge)來獲取四個數據序列中的一個。表示用熱電偶量計進行溫度量測的曲線用虛線610予以表示且可能并非為基座 (或基材)溫度的理想指示。然而，熱電偶量測可用以獲悉在不同波長處操作高溫測定組件的適用性。橫軸605為以秒為單位的時間，且縱軸600為各種方法的以攝氏度為單位的溫度讀數。將表示用在0. 942 μ m處操作的高溫計進行溫度量測的曲線顯示為長虛線615。在單獨獲取中，在兩個其它波長處搜集數據。將表示用在1. 550 μ m處操作的高溫計進行溫度量測的曲線顯示為短虛線620。將表示用在2. 300 μ m處操作的高溫計進行溫度量測的另一曲線顯示為實線625。在220秒處，關閉加熱燈。來自0.942 μ m高溫計的讀數615比其它讀數反應更為快速，且此快速性與具有同基座的質量類似的質量的對象的冷卻不一致。在此特定配置中，在0. 942 μ m處操作的高溫計看似偵測來自燈的光。一致地，在460秒、580 秒、730秒、880秒及1040秒處加熱燈輻射的間斷增加情形引起0. 942 μ m高溫計信號的相同快速增加。這證實了在高溫計傳感器上進行加熱燈照明的偵測。與0. 942 μ m處高溫計量測相比，在1. 550 μ m處的高溫計量測620并不展現急劇下降(接近220秒)或上升(包括1040秒及880秒的若干位置)。然而，在1.550μπι處的高溫計量測620與熱電偶量測610(應注意，460秒與780秒之間的區域)顯著不同。此時間區域與400°C與650°C之間的基座溫度相關。1. 550 μ m高溫計量測620與熱電偶量測610的顯著偏差表示在400°C與650°C之間來自加熱燈的光強度與來自基座的強度的比
9率仍過高，從而使由鞘提供的保護不充分。該比率變得更有助于較高波長的高溫測定。在 2. 300 μ m處的高溫計量測625貫穿400°C與650°C之間的溫度范圍緊密地追蹤熱電偶量測 610。熱電偶量計可能由于熱負載及量計的位置(稍微遠離基座)而低估基座的溫度。這些區別可闡釋在2. 300 μ m處的高溫計量測625與熱電偶量測610之間存在的差異。在本文中，術語“光”、“光學”及“光學器件”的使用并不意味所涉及的電磁輻射必須來自光譜的可見部分。該光可具有任何波長。示范件系統圖7至圖8顯示根據本發明的實施例的基材處理系統的實例。在圖7中所顯示的處理裝置710為沉積反應器且包括具有上部圓頂714、下部圓頂716及位于上部圓頂714與下部圓頂716之間的側壁718的沉積腔室712。冷卻流體(未圖示)可循環通過側壁718， 以冷卻用以通過側壁718而密封圓頂714及716的0形環。上部襯墊782及下部襯墊784 被安裝抵靠側壁718的內表面。上部圓頂714及下部圓頂716由透明材料制成以允許加熱光通過而進入沉積腔室712中。在腔室712內為用于在水平位置中支撐晶片的平坦的圓形底座720。底座720可為基座或其它晶片支撐結構且橫向延伸跨越側壁718處的腔室712以將腔室712區分成底座720上方的上部部分722及底座720下方的下部部分724。底座720安裝于自底座720 的底部中心向下垂直延伸的軸桿7 上。軸桿7 連接至使軸桿7 旋轉且藉此使底座 720旋轉的馬達(未圖示)。環形預熱環7 在其外周邊處連接至下部襯墊784的內周邊， 且在底座720周圍延伸。預熱環728占用幾乎與底座720相同的平面，其中預熱環728的內部邊緣與底座720的外部邊緣隔開一間隙。入口歧管730定位于腔室712的側壁718中，且適以自氣體源(諸如貯槽 741a-741c)導入氣體至腔室712中。來自貯槽741a_741c的氣體的流動較佳通過手控閥及計算機控制流量控制器742a-742c獨立控制。出口 732定位于腔室712的一側，而該側與入口歧管730直徑上是對置的，且出口 732適以自沉積腔室712排出氣體。多個高強度燈734安裝于腔室712周圍，且指引其光穿過上部圓頂714及下部圓頂716而至底座720 (及預熱環728)上，以加熱底座720 (及預熱環728)。底座720及預熱環728由諸如對從燈734發射的輻射不透明的涂布有碳化硅的石墨的材料制成，以使得其可由來自燈734的輻射加熱。上部圓頂714及下部圓頂716由對來自燈734的光為透明的材料(諸如透明石英；clear quartz)制成。上部圓頂714及下部圓頂716通常由石英制成，因為石英對可見頻率與頂頻率的光為透明。石英展現相對高的結構強度，且在沉積腔室712的處理環境中保持化學穩定。盡管燈是用于加熱沉積腔室712中的晶片的較佳工具，但可使用其它方法，諸如電阻加熱器及RF電感性加熱器。紅外線溫度傳感器736(諸如高溫計)安裝于下部圓頂716下方，且經由下部圓頂716而面向底座720的底表面。溫度傳感器736用以通過接收從底座720發射的紅外線輻射而監視底座720的溫度。用于量測晶片的溫度的溫度傳感器737也可存在于一些所揭示實施例中。上部夾環748在上部圓頂714的外表面的周邊周圍延伸。下部夾環750在下部圓頂716的外表面的周邊周圍延伸。將上部夾環748與下部夾環750緊固在一起以將上部圓頂714及下部圓頂716夾持至側壁718。反應器710包括用于將處理氣體饋送至腔室712中的氣體入口歧管730。氣體入
10口歧管730包括連接器蓋738、隔板774、定位于側壁718內的插入板779，及形成于上部襯墊782與下部襯墊784之間的通道760。通道760連接至腔室712的上部部分722。來自氣體蓋738的處理氣體通過隔板774、插入板779及通道760且進入腔室712的上部部分 722 中。反應器710也包括用于將惰性凈化氣體(例如但不限于氫氣(H2)及氮氣(N2))饋送至沉積腔室712的下部部分7 中的獨立惰性氣體入口 761。如圖7中所示，若較佳，則可將惰性凈化氣體入口 761整合至氣體入口歧管730中，只要為惰性氣體提供穿過隔板774、 插入板779及下部襯墊784的實體上分離且不同的通道761，以使得惰性凈化氣體可獨立于處理氣體加以控制及導引即可。惰性凈化氣體入口 761無需必要地與氣體入口歧管730 整合或與之定位于一起，而可例如以與沉積氣體入口歧管730成90°的角度定位于反應器 710 上。反應器710也包括氣體出口 732。氣體出口 732包括從上部腔室部分722延伸至側壁718的外徑的排氣通道790。排氣通道790包括形成于上部襯墊782與下部襯墊784 之間且在上部腔室部分722與側壁718的內徑之間延伸的上部通道792。另外，排氣通道 790包括形成于定位在側壁718內部的插入板779內的排氣溝道794。用于從腔室712移除材料的真空源(例如泵，圖中未示)通過出口管733在側壁718的外部上耦接至排氣溝道794。因此，饋送至上部腔室部分722中的處理氣體經由上部通道792、經由排氣溝道794 得以排出且進入出口管733中。圖7中所示的單晶片反應器為“冷壁”反應器。也即，在處理期間，側壁718以及上部與下部襯墊782、784分別比預熱環7 及底座720 (及置放于其上的晶片)處于實質上較低的溫度。舉例而言，在將外延硅膜沉積于晶片上的處理中，將底座及晶片加熱至 550-1200°C之間的溫度，而側壁(及襯墊)處于約400-600°C的溫度。因為側壁及襯墊歸因于反射體735而不接收來自燈734的直接照射，且因為冷卻流體循環穿過側壁718，所以側壁及襯墊處于較冷溫度。氣體出口 732也包括經由下部襯墊784而自下部腔室部分724延伸至排氣通道 790的通風口(vent)796。通風口 796較佳與排氣通道790的上部通道792相交(如圖7 中所示)。惰性凈化氣體經由通風口 796、經由上部腔室通道792的一部分、經由排氣溝道 794而自下部腔室部分7M排出且進入出口管733中。通風口 796允許將凈化氣體自下部腔室部分直接排出至排氣通道790。根據本發明，將處理氣體798自氣體入口歧管730饋送至上部腔室部分722中。 根據本發明，將處理氣體定義為用以移除、處理或沉積置放于腔室712中的晶片或基材上的膜的氣體或氣體混合物。根據本發明，包含HCl及惰性氣體(諸如H2)的處理氣體用以通過移除及使硅表面平滑來處理硅表面。在本發明的實施例中，處理氣體用以在已處理硅表面之后，在置放于底座720上的晶片的硅表面上沉積硅外延層。處理氣體798通常包括硅源，諸如(但不限于)單硅烷、三氯硅烷、二氯硅烷，及四氯硅烷、甲基硅烷；及摻質氣源， 諸如(但不限于)膦、二硼烷、鍺烷及胂及其它，以及其它處理氣體(諸如氧氣、甲烷、氨等)。載氣(諸如H2)通常包括在沉積氣流中。對于具有約5升的體積的處理腔室，通常將在35-7klm之間的沉積處理氣流(包括載氣)饋送至上部腔室部分722中，以在晶片上沉積硅層。處理氣體798的流動基本上為自入口通道760越過預熱環728，越過底座720 (及晶片)，越過預熱環728的相對側且穿出排氣通道790的層流(laminar flow)。處理氣體通過預熱環728、底座720及經處理的晶片而加熱至沉積或處理溫度。在將外延硅層沉積于晶片上的處理中，將底座720及預熱環7 加熱至800°C -1200°C之間的溫度。可在低至 550°C的溫度下通過使用減小的沉積壓力而使用硅烷形成硅外延膜。另外，當將處理氣體饋送至上部腔室部分中時，將惰性凈化氣體799獨立地饋送至下部腔室部分724中。將惰性凈化氣體定義為在處理溫度下實質上不起反應的氣體，其中將腔室特征結構及晶片置放于沉積腔室712中。當在腔室712中時，該惰性凈化氣體由預熱環7 及底座720加熱至與處理氣體基本上相同的溫度。在相對于上部腔室部分722 中的處理氣體壓力而在下部腔室部分724內形成正壓力的速率下，將惰性凈化氣體799饋送至下部腔室部分724中。因此，可防止處理氣體798向下滲出且進入下部腔室部分7 中，及在底座720的背側上沉積。圖8顯示將氣體供應至處理腔室的上部區域的氣體入口歧管730的一部分。將圖8的插入板779顯示為由內部區域828及外部區域830構成。根據本發明的此實施例， 流入內部區域擬8中的處理氣體的組成可獨立于流入外部區域830中的氣體的組成加以控制。另外，可彼此獨立地進一步控制氣體到內部區域828的(兩個)半(halves)內部區域 828a,828b中的任一個的流動速率。這樣做是為實現控制在半導體晶片的不同區域上混合的處理氣體的組成的目的而提供氣流的兩個控制程度。圖7中所示的處理裝置710包括控制裝置710的各種操作(諸如控制氣體流動、 基材溫度及腔室壓力)的系統控制器762。在本發明的實施例中，系統控制器762包括硬盤機(內存764)、軟盤機及處理器766。該處理器含有單板計算機(SBC)、模擬及數字輸入/ 輸出板、接口板及步進馬達控制器板。處理裝置710的各種部件可符合用于界定板、卡片機架及連接器尺寸及類型的Versa Modular Europeans (Viffi)標準。VME標準也界定具有16 位數據總線及M位地址總線的總線結構。系統控制器762控制裝置710的活動。該系統控制器執行系統控制軟件，該系統控制軟件為儲存于計算機可讀媒體(諸如內存764)中的計算機程序。內存764可為硬盤機，但內存764也可為其它種類的內存。內存764也可為這些種類的內存中的一或多個的組合。該計算機程序包括指示時序、氣體混合物、腔室壓力、腔室溫度、燈功率水平、底座位置及特定處理的其它參數的指令集。當然，其它計算機程序(諸如儲存于另一內存器件(包括例如為軟盤機或另一適合驅動器)上的計算機程序)也可用以操作系統控制器762。輸入 /輸出(I/O)器件768(諸如LCD監視器及鍵盤)可用以在使用者、儀器與系統控制器762 之間作為接口。可使用儲存于內存764中且由處理器766執行的計算機程序產品來實施根據本發明的用于量測及調整基材溫度的過程。可采用任何計算機可讀程序設計語言(諸如匯編語言、C、C++、Pascal Jortran或其它語言)撰寫計算機程序碼。使用程序編輯器將適合程序代碼鍵入單一文件或多個文件中，且將其儲存或實施于計算機可用媒體(諸如計算機的內存系統)中。當經編輯的代碼處于高級語言時，可編譯該程序代碼，且接著使所得編譯碼與預編譯庫存例程的目標碼相鏈接。為了執行鏈接的經編譯的目標碼，系統使用者調用目標碼，從而使計算機系統將該碼加載到內存中，CPU自該內存讀取及執行該碼以執行在程序中識別的任務。處理參數，諸如根據本發明進行量測及調整所必需的處理氣體流動速率(例
12如，H2及HCl流動速率)、處理溫度及處理壓力，也儲存于內存764中。圖9A至圖9B為顯示根據所揭示實施例的可用以確定基材處理系統中的基材的溫度的示范性方法的流程圖。在圖9A中，在可旋轉的底座附近定位光管(步驟90 。使光管的末端屏蔽雜散光(步驟910)以改良底座及駐留于底座上的基材的溫度確定的準確度及/或精度。在步驟915中，使惰性氣體在光管的末端附近流動以減少可能影響溫度確定的污染。偵測來自底座的具有長波長(例如，>4.5 μ m)的光(步驟920)，且使用該光來確定底座溫度(步驟92幻。該底座溫度可接著用以在步驟930中確定基材的溫度。在圖9B中，在可旋轉的基材附近定位光管(步驟95 。使光管的末端屏蔽雜散光 (步驟960)以改良基材的溫度確定的準確度及/或精度。在步驟965中，使惰性氣體在光管的末端附近流動以減少可能影響溫度確定的污染。偵測來自基材的具有短波長(例如， < 1. 2 μ m)的光(步驟970)，且使用該光來確定基材溫度(步驟975)。在一實施例中，基材處理系統包括處理腔室；底座，其用于支撐設置于處理腔室內的基材；及光學高溫測定組件，其耦接至處理腔室以量測實質上源自于底座的邊緣的發射光。該光學高溫測定組件進一步包括光接收器及光學偵測器。該光接收器可位于處理腔室內。該光學高溫測定組件接收所述發射光的一部分，且底座的溫度是根據發射光的該部分在至少一個波長附近的強度來確定。在另一實施例中，處理腔室的一部分是透明的，以允許來自加熱燈的光的一部分進入處理腔室。在又一實施例中，該至少一個波長中的一或多個大于3 μ m，以減少來自處理腔室外部的雜散光對溫度量測的影響。在又一實施例中，該至少一個波長中的一或多個大于4. 5 μ m，以減少來自處理腔室外部的雜散光對溫度量測的影響。在又一實施例中，經接收的發射光的所述部分包括在第一波長處具有第一強度的光及在第二波長處具有第二強度的光。根據第一強度與第二強度的比率而確定底座的溫度。在又一實施例中，光接收器的數值孔徑小于約0. 1,0. 5或0. 025。在又一實施例中，該光學高溫測定組件進一步包括鞘，其中該鞘延伸超出光接收器至少0. 005英寸以減少進入光接收器的雜散光的量。在又一實施例中，光接收器在底座的邊緣的0. 200英寸內。在又一實施例中，基材處理系統包括處理腔室；及光學高溫測定組件，其耦接至該處理腔室以量測實質上源自于基材的一部分的發射光。該光學高溫測定組件包括光接收器及光學偵測器。該光接收器位于處理腔室內。該光學高溫測定組件接收所述發射光的一部分，且基材的溫度是根據發射光的該部分在至少一個波長附近的強度而確定。在又一實施例中，該基材的溫度小于約攝氏650度。在又一實施例中，該至少一個波長中的一或多個小于約1. 2μπι。在又一實施例中，該至少一個波長中的一或多個小于約Ι.Ομπι。在又一實施例中，光接收器的數值孔徑小于約0. 1,0. 5或0. 025。在又一實施例中，處理腔室的一部分是透明的，以允許來自加熱燈的光的一部分進入處理腔室。
在又一實施例中，該至少一個波長中的一或多個大于3 μ m，以減少來自處理腔室外部的雜散光對溫度量測的影響。在又一實施例中，該至少一個波長中的一或多個大于4. 5 μ m，以減少來自處理腔室外部的雜散光對溫度量測的影響。在又一實施例中，經接收的發射光的所述部分包括在第一波長處具有第一強度的光及在第二波長處具有第二強度的光。根據第一強度與第二強度的比率來確定基材的溫度。在又一實施例中，光接收器在底座或基材的邊緣的0. 200英寸內。在又一實施例中，該基材處理系統進一步包括鞘，該鞘延伸超出光接收器至少 0. 005英寸以減少進入光接收器的雜散光的量。在又一實施例中，其中該基材的所述部分包括基材的邊緣。在又一實施例中，基材處理系統包括處理腔室；底座，其用于支撐設置于處理腔室內的基材，其中該底座在底座的一部分上具有一或多個特征結構，以增加鄰近該一或多個特征結構處在至少一個波長附近的光學發射率；及光學高溫測定組件，其耦接至該處理腔室以量測實質上源自于底座的所述部分的發射光。該光學高溫測定組件進一步包括耦接至光管的第一末端的光接收器。該光學高溫測定組件也包括耦接至光接收器的用于偵測發射光的一部分的光學偵測器。底座的溫度是由發射光的該部分在至少一個波長附近的強度而確定。在又一實施例中，光接收器與底座的所述部分實質上對準且接收自一或多個特征結構發出的光。在又一實施例中，該光學高溫測定組件進一步包括鞘，該鞘設置于光接收器的末端附近以減少進入光管的雜散光。在又一實施例中，該鞘延伸越過光管的末端，但并不阻止光在底座的所述部分與光接收器之間行進。在又一實施例中，該鞘延伸越過光管的末端，但不覆蓋光管的末端處的開口。在又一實施例中，該底座的所述部分包含底座的邊緣。在又一實施例中，該光學高溫測定組件進一步包括設置于光管的第二末端附近的氣體入口。該氣體入口耦接至光管內的溝道，其中供應至氣體入口的氣體流過該溝道到光管的第一末端且進入腔室中，從而用氣體凈化光管的第一末端。 在又一實施例中，該氣體包含氫氣、氮氣及氬氣中的至少一種。在又一實施例中，氣體的流動速率在約200標準立方厘米/分鐘(sccm)與8標準升/分鐘(slm)之間。在又一實施例中，在底座的邊緣上的一或多個特征結構包括在底座的邊緣周圍的溝槽。在又一實施例中，在底座的邊緣上的一或多個特征結構包括鉆設于底座中的孔， 其中這些孔中的至少一個具有是跨越孔的開口的區域至少兩倍的總內部區域。在又一實施例中，一種用于在處理期間量測基材的溫度的方法，包括將光管設置于底座或基材的一部分附近；使光管的末端屏蔽雜散光，以使得光管的末端接收來自底座或基材的一部分的光；用氣體凈化光管的末端，以減少光管的末端的污染；偵測自底座或
14基材發射且由光管接收的光的一部分；及根據來自底座或基材的發射光的該部分在至少一個波長附近的強度而確定基材的溫度。在又一實施例中，該方法進一步包括在量測溫度的同時，使底座及/或基材旋轉。在又一實施例中，該方法進一步包括使用包含氫氣、氮氣及氬氣中的至少一種的氣體來凈化光管的末端。在又一實施例中，該方法進一步包括使氣體在約200標準立方厘米/分鐘(sccm) 與8標準升/分鐘(slm)之間流動，以凈化光管的末端。在又一實施例中，該底座在底座的邊緣上具有一或多個特征結構，以增加在一或多個特征結構的鄰近處在至少一個波長附近的表觀(apparent)光學發射率，且偵測自底座發射的光的一部分的步驟進一步包括偵測來自這些特征結構的發射光。在又一實施例中，該至少一個波長中的一或多個大于3μπι，以減少雜散光對溫度量測的影響。在又一實施例中，該至少一個波長中的一或多個大于4.5 μ m，以減少雜散光對溫度量測的影響。熟悉本領域技術的人員也將認識到，盡管上文已根據較佳實施例來描述本發明， 但本發明不限于此。可個別地或聯合地使用上文所描述的本發明的各種特征及方式。此外， 盡管已在實施于特定環境中的情形下且對于特定應用描述本發明，但本領域技術人員也將認識到其用途不限于此，且可以任何數目的環境及實施來利用本發明。
權利要求
1.一種基材處理系統，包含 處理腔室；底座，用以支撐設置于所述處理腔室內的基材；光學高溫測定組件，用以量測實質上源自所述底座的邊緣的發射光，所述光學高溫測定組件包含 光接收器；及光學偵測器；其中所述光學高溫測定組件接收所述發射光的一部分；且其中所述底座的溫度是由所述發射光的所述部分在至少一個波長附近的強度而確定。
2.如權利要求1所述的基材處理系統，其中所述光接收器設置于所述處理腔室內。
3.如權利要求1所述的基材處理系統，其中所述處理腔室的一部分為透明的，以允許來自加熱燈的光的一部分進入所述處理腔室。
4.如權利要求3所述的基材處理系統，其中所述至少一個波長中的一或多個大于 3 μ m0
5.如權利要求1所述的基材處理系統，其中經接收的所述發射光的所述部分包含在第一波長處具有第一強度的光及在第二波長處具有第二強度的光，且其中所述底座的溫度是由所述第一強度與所述第二強度的比率而確定。
6.如權利要求1所述的基材處理系統，還包含鞘，其中所述鞘延伸超出所述光接收器至少0. 005英寸。
7.如權利要求1所述的基材處理系統，其中所述光接收器在所述底座的邊緣的0.200 英寸內。
8.如權利要求1所述的基材處理系統，其中所述底座具有一或多個特征結構位于所述底座的邊緣上，以增加鄰近所述一或多個特征結構的處于至少一個波長附近的表觀光學發射率。
9.一種基材處理系統，包含 處理腔室；光學高溫測定組件，用以量測實質上源自基材的一部分的發射光，所述光學高溫測定組件包含光接收器；及光學偵測器；其中所述光學高溫測定組件接收所述發射光的一部分； 其中所述光接收器設置于所述處理腔室之內；且其中所述基材的溫度是由所述發射光的所述部分在至少一個波長附近的強度而確定。
10.如權利要求9所述的基材處理系統，其中所述基材的溫度小于約攝氏650度。
11.如權利要求9所述的基材處理系統，其中所述至少一個波長中的一或多個小于約 1. 2 μ m。
12.如權利要求9所述的基材處理系統，其中所述光接收器的數值孔徑小于約0.1。
13.如權利要求9所述的基材處理系統，其中所述處理腔室的一部分為透明的，以允許來自加熱燈的光的一部分進入所述處理腔室。
14.如權利要求9所述的基材處理系統，還包含鞘，其中所述鞘延伸超出所述光接收器至少0. 005英寸。
15.如權利要求9所述的基材處理系統，其中所述光接收器在所述基材的邊緣的0.200 英寸內。
全文摘要
一種基材處理系統，包括處理腔室；底座，用以支撐設置于所述處理腔室內的基材；及光學高溫測定組件，耦接至所述處理腔室以量測實質上源自所述底座或基材的一部分的發射光。所述光學高溫測定組件還包括光接收器及光學偵測器。所述光學高溫測定組件接收所述發射光的一部分，且所述基材的溫度是根據所述發射光的所述部分在至少一個波長附近的強度而確定。一種在處理期間量測基材的溫度的方法包括在支撐所述基材的底座的一部分或底座附近設置光管；使所述光管的末端屏蔽雜散光，以使得所述光管的所述末端接收來自所述底座或基材的所述部分的光；用氣體凈化所述光管的所述末端，以減少所述光管的所述末端的污染；偵測自所述底座發射且由所述光管接收的光的一部分；及根據來自所述底座或所述基材的所述發射光的所述部分在至少一個波長附近的強度而確定所述基材的溫度。
文檔編號H01L21/00GK102217033SQ200980146289
公開日2011年10月12日 申請日期2009年10月7日 優先權日2008年11月19日
發明者凱拉什·基蘭·帕塔雷, 布魯斯·E·亞當斯, 阿倫·繆爾·亨特 申請人:應用材料股份有限公司