CN102263044A - 热处理腔、温度测量装置与方法 - Google Patents

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吴启明
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Abstract

本发明提供热处理腔、温度测量装置与方法，其中该温度测量装置，适用于非接触性测量待测元件的温度。辐射源发射入射辐射至待测元件以在既定时间加热待测元件至既定温度范围，入射辐射具有第一既定辐射范围。辐射检测器于待测元件被加热的时候接收来自待测元件的反射辐射，而辐射检测器适用于检测第二既定辐射范围。处理器耦接于辐射检测器，根据第二既定辐射范围产生对应于待测元件的校准温度信号。本发明能以非接触的方式直接测量待测元件的温度。

Description

热处理腔、温度测量装置与方法
技术领域
本发明涉及半导体工艺，尤其涉及一种测量晶片的裸片间(intra-die)温度的方法及装置。
背景技术
众所周知的，任何温度在绝对零度(-273.15℃)以上的物体都会发射电磁波。此定律可由图1来说明。图1描述一个理想黑体的辐射强度光谱，其中横座标代表波长(μm)，纵座标代表光谱的辐射强度(Wλ(Wcm-2μm-1)。由图1可知，物体的绝对温度(K)越低，其辐射强度越弱，且主要的辐射光谱分布于较长波长；反之，物体的绝对温度越高，其辐射强度越强，主要的辐射光谱分布于较短波长。
由维因定律(Wien’s Law)可知，物体的辐射和温度有关，故借由测量物体辐射强度，可不经接触而测量物体的温度。辐射可由红外线检测器来测量而得。图2说明操作在液态氮温度以上的范围下，不同红外线检测器的敏感度曲线，其横座标代表波长(μm)，纵座标代表光谱的敏感度
Figure BSA00000351846100011
由图2可知，砷化铟(InAs)、硫化铅(PbS)以及硒化铅(PbSe)检测器，对于波长范围为4μm以下的光具有较高的敏感度，而MTC(HgCdTe)检测器对于波长范围为5μm以上的光具有较高敏感度。
在半导体装置的制作上，关于晶片在经历于热处理腔(thermal processchamber)中的热工艺后，其特性以及温度变异的测量，对于电路效能和可生产性的判别相当重要。热导入裸片间装置(thermally-introduced intra-die device)的变异来自于工艺的变异，如：不一致的温度下，可能会影响装置性能并导致低合格率以及/或装置失效。此负面影响，在裸片间装置尺寸大小超过0.5mm或晶片尺寸超过200mm的时候显得更为明显。现今的热处理腔(thermalprocess chamber)，例如快速热处理腔(rapid thermal processor chamber，RTP)，在晶片背面下的多个位置使用二个或更多的高温计，以测量不同位置的晶片温度变化。高温计以不接触物体的方式，经由测量由物体发射的电磁辐射(红外线或不可见光)的温度来判断物体表面温度。虽然高温计可以测量整个晶片的温度，或是测量不同裸片间的温度变化，目前还没有方法或装置可以测量整个裸片的温度，或是在瞬间退火(spike anneal)事件的快速反应期间内测量温度的变化。
由于以上的原因，以及经阅读以下详细的说明后可变地明显的其他原因，需要发明一种方法或设置，可以测量晶片的裸片间或裸片级温度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种温度测量装置，适用于非接触性测量一待测元件的温度，包括：一辐射源，发射一入射辐射至上述待测元件以在一既定时间加热上述待测元件至一既定温度范围，上述入射辐射具有一第一既定辐射范围；一辐射检测器，当上述待测元件被加热的时候接收来自上述待测元件的反射辐射，其中上述辐射检测器用以检测一第二既定辐射范围；以及一处理器，耦接于上述辐射检测器，根据上述第二既定辐射范围，产生对应于上述待测元件的一校准温度信号。
本发明提供一种热处理腔，适用于在一快速反应时间内测量一晶片的一裸片间温度，包括：一辐射源，发射一入射辐射至一晶片以在一既定时间加热上述晶片至一既定温度范围，上述入射辐射具有一第一既定辐射范围；一辐射检测器，当上述晶片被加热的时候接收来自一裸片区的反射辐射，其中上述辐射检测器用以检测一第二既定辐射范围；以及一处理器，耦接于上述辐射检测器，根据上述第二既定辐射范围，产生对应于上述裸片区的一校准温度信号。
本发明提供一种温度测量方法，适用于在一快速反应时间内测量一晶片的一裸片间温度，包括：提供一晶片置于一热处理腔中；辐射照射上述晶片以在一既定时间加热上述晶片至一既定温度范围，上述辐射照射范围在一第一既定辐射范围之中；当上述晶片被加热时接收来自一裸片区的反射辐射，并检测具有一第二既定辐射范围的反射辐射；以及经由一处理器根据接收上述具有第二既定辐射范围的上述反射辐射，决定上述裸片区的一温度。
本发明能以非接触的方式直接测量待测元件(DUT，device under test)的温度，如热工艺中的晶片。本发明的方法及装置包括将一或多个红外线检测器放进热工艺炉中。这一或多个红外线检测器借由在一辐射范围内感测晶片的红外线辐射，以在热工艺中直接测量裸片或裸片中一个区域的温度。
附图说明
图1为显示理想黑体在不同温度下的光谱辐射强度的分布。
图2为显示不同种类检测器在一温度范围内的敏感度曲线。
图3为显示根据本说明书一实施例所述的快速热处理腔的架构图。
上述附图中的附图标记说明如下：
10～热处理腔；
20～晶片；
30～裸片；
40～辐射源；
50～透射板；
60～入射辐射；
70～反射辐射；
75～观察视窗；
80～辐射检测器。
具体实施方式
在接下来的叙述里，提供大量的具体细节以全盘的说明对本说明书的实施例。然而，所属技术领域中普通技术人员，可以理解本说明书的实施例可在不具这些具体细节下实作。在一些示例中，众所熟知的架构将不会被细述，以避免不必要的混淆。
遍及说明书中所提到的“一实施例”或“实施例”所提到的特定的特征、结构或性质，可包括在本说明书的至少一实施例中。因此，在不同地方出现的语句“在一个实施例中”，可能不是都指同一个实施例。另外，此特定的特征、结构或性质，也可以任何适合的方式与一个或一个以上的实施例结合。再者，必须说明的是，以下所附的例图仅是为了帮助说明，并未依照实际比例示出。
本说明书的内容具体化于一种方法及装置，以非接触的方式直接测量待测元件(DUT，device under test)的温度，如热工艺中的晶片。此方法及装置包括将一或多个红外线检测器放进热工艺炉中。这一或多个红外线检测器借由在一辐射范围内感测晶片的红外线辐射，以在热工艺中直接测量裸片或裸片中一个区域的温度。
图3为说明热处理腔10的架构图，根据本说明书的一实施例，热处理腔10具有辐射源40，透射(transmissive)板50，晶片20，和红外线检测器或辐射检测器80。根据本说明书的一实施例，加热腔或热处理腔10包括一个快速热处理腔(rapid thermal processor chamber)。快速热处理腔通常一次处理一片晶片，以一辐射加热源和一冷却源，在极短的时间内把晶片退火，例如在目标温度(通常是1010℃)下，在约0.5到10秒内完成。虽然本说明书的一实施例内含快速热处理腔，但本说明书所教示的内容可结合任何种类用在热工艺的电子装置或封装的腔。在本说明中的词汇“腔”(chamber)，可以指任何外壳，在其中有光或热能施加于晶片、半导体装置、电子封装、或是任何电子封装的元件，以加热、辐射照射、干燥或固化晶片、半导体装置、电子封装或任何电子封装的元件。
热处理腔10中的辐射源40导引热能或是红外线入射辐射60至待测元件并加热之。待测元件可以是半导体晶片、半导体晶片、多个半导体晶片、电路板或是其他任何元件。在一个实施例中，待测元件是晶片20，如图3所示。根据本说明书的一实施例，钨丝卤素灯可以作为辐射源40。所属技术领域中普通技术人员，可以明白其他种的辐射源亦可以使用于此。根据一些实施例，钨丝卤素灯是由多个灯源，灯源数从20个到大于409个，以组成2到15个区带。钨丝卤素灯发射短波长红外线，对应从约0.35μm到3μm的波长。辐射线透过透射板50传到待测元件，透射板50是一个用来保护辐射源40的保护性红外线窗口(protective IR window)，可以用石英或是其他可供红外线通过的材质。
辐射检测器80借由检测由透射板20所发射或反射辐射70，可不经直接接触待测元件而读出正确的温度。辐射检测器80可为一检测二极管，通常使用可产生电能(例如电流)的光伏打材料所制成，当它暴露于光线下(例如红外线)即产生电能。在一实施例中，电能可以转换成温度测量值。
辐射检测器80可为光电导性，且可包括硫化铅(PbS)和硒化铅(PbSe)检测器，硫化铅(PbS)和硒化铅(PbSe)检测器可操作于约1μm到6μm波长的范围。硫化铅和硒化铅检测器可为于化学沉积物、薄膜、光电导性的红外线检测器，它们需要偏压以测量红外线暴露下的电阻下降值。辐射检测器80可以是二维的阵列。事实上，几乎所有的红外线检测器都会随着温度而变异。在本说明书的一个实施例中，辐射检测器80操作在约600℃到1300℃的温度范围下，空间解析度少于500μm，反应光谱从约3μm到6μm。所属技术领域中普通技术人员，可以知道辐射检测器有不同的最小光点大小以配合裸片的大小。另外，所属技术领域中普通技术人员，也可以明白检测器的选择是要对反应的波长有高敏感度(若必要需加上功率放大器以产生信号)。一个适合本实施例且有在市面贩售的光电导性红外线检测器是IEEMAP-2DVTM，它可以在Wilmington Infrared Technologies，Inc购得。
辐射检测器80可以加设在热处理腔10的内部或上方，设在靠近或略上于晶片20或是待测元件的地方。辐射检测器放在热处理腔的这些位置，可以接收从晶片20或是待测元件的反射辐射70。在一个实施例中，幅射检测器80设置在快速热处理腔10的观察视窗(viewport window)75外面。可以理解的是，辐射检测器80可以放在很多个其他地方，例如快速热处理腔的机器上(onboard)或是附近以检测热能。
实际操作时，根据一个实施例，晶片20的加热借由选择性的吸收由钨丝卤素灯40所发射的入射辐射60，其产生的短波长辐射约介于0.35μm到3μm之间的范围。用这种方法，热处理腔10在辐射源40和晶片20之间传递能量，经由石英窗口或是透射板50来传送。接着是初始加热，晶片20瞬间退火并在很短的时间加热到目标温度约1010℃。在一实施例中，晶片20在约0.5到4秒之间，从约650℃加热到1010℃。在另一实施例中，晶片20在约5到10秒之间，从约650℃加热到1010℃。在瞬间退火的过程中，晶片20会依照它加热的温度，辐射出整个红外线光谱的波长。红外线检测器80聚焦于裸片30的特定区域，且接收特定的波长。在一实施例中，辐射波长范围约从3μm到6μm。在其他实施例中，辐射波长范围约从2μm到5μm。红外线检测器80从晶片20接收热能或反射辐射70，并且转化成电子信号。此电子信号接着由信号处理器(未图示)，对应于红外线检测器80的特性，转化成温度测量结果。
短波长区对应的波长从0.35μm到3μm，中波长区对应的波长从3μm到6μm，长波长区对应的波长从8μm到12μm，这些都是红外线检测器80的入射辐射频段。然而，如果将红外线检测器80集中在裸片30的特定区域，并操作在检测对应于从3μm到6μm范围的中波长区，从辐射源40所发射的短波长辐射(例如从约0.35μm到约3μm)将不会被检测到。如此可以测量到裸片区域的温度，而不是在热处理腔10中的其他元件(例如辐射源40)的温度。为了要增加辐射检测的效率，红外线检测器80应该要在加热温度上升时保持冷却。
在以上详细的描述中，本说明书以特定的实施例作范例陈述。然而很明显，各种的修正、结构、工艺和改变可能出现，但都不脱离本说明书广义的精神。本说明书和图示应被视为说明性质而非限制性质。应了解的是，本说明书中的实施例可以使用其他变化的组合、环境，亦可在本文的创新范围内进行修正和改变。例如：即使本说明书特别提出检测中波长频段，对应的是波长从3μm到6μm，它的精神也适用于检测其他波长的辐射线，如长波红外线(LWIR)和短波红外线(SWIR)。

Claims (10)

1.一种温度测量装置，适用于非接触性测量一待测元件的温度，包括：
一辐射源，发射一入射辐射至上述待测元件以在一既定时间加热上述待测元件至一既定温度范围，上述入射辐射具有一第一既定辐射范围；
一辐射检测器，当上述待测元件被加热的时候接收来自上述待测元件的反射辐射，其中上述辐射检测器用以检测一第二既定辐射范围；以及
一处理器，耦接于上述辐射检测器，根据上述第二既定辐射范围，产生对应于上述待测元件的一校准温度信号。
2.如权利要求1所述的温度测量装置，其中上述待测元件包括至少一半导体晶片或一半导体裸片，而上述辐射源是一钨丝卤素灯加热源。
3.如权利要求1所述的温度测量装置，其中上述第一既定辐射范围介于约0.35μm和3μm之间，上述第二既定辐射范围介于约3μm和6μm之间，上述辐射检测器具有二维阵列的一红外线感测器，上述既定温度范围介于约650℃到1010℃，而上述既定时间范围介于约0.5秒到4秒。
4.一种热处理腔，适用于在一快速反应时间内测量一晶片的一裸片间温度，包括：
一辐射源，发射一入射辐射至一晶片以在一既定时间加热上述晶片至一既定温度范围，上述入射辐射具有一第一既定辐射范围；
一辐射检测器，当上述晶片被加热的时候接收来自一裸片区的反射辐射，其中上述辐射检测器用以检测一第二既定辐射范围；以及
一处理器，耦接于上述辐射检测器，根据上述第二既定辐射范围，产生对应于上述裸片区的一校准温度信号。
5.如权利要求4所述的热处理腔，其中上述热处理腔是一快速热处理腔，而上述辐射检测器位于上述快速热处理腔的一观察视窗之外。
6.如权利要求4所述的热处理腔，其中上述红外线检测器是一二维阵列的红外线感测器，上述辐射源是一钨丝卤素灯加热源。
7.如权利要求4所述的热处理腔，还包括一透射板，设置于上述辐射源前方，用以选择性的通过上述入射辐射。
8.如权利要求4所述的热处理腔，其中上述第一既定辐射范围介于约0.35μm和3μm之间，上述第二既定辐射范围介于约3μm和6μm之间，上述既定温度范围介于约650℃到1010℃，而上述既定时间范围介于约0.5秒到4秒。
9.一种温度测量方法，适用于在一快速反应时间内测量一晶片的一裸片间温度，包括：
提供一晶片置于一热处理腔中；
辐射照射上述晶片以在一既定时间加热上述晶片至一既定温度范围，上述辐射照射范围在一第一既定辐射范围之中；
当上述晶片被加热时接收来自一裸片区的反射辐射，并检测具有一第二既定辐射范围的反射辐射；以及
经由一处理器根据接收上述具有第二既定辐射范围的上述反射辐射，决定上述裸片区的一温度。
10.如权利要求9所述的温度测量方法，其中上述第一既定辐射范围介于约0.35μm和3μm之间，上述第二既定辐射范围介于约3μm和6μm之间，而上述既定温度范围介于约650℃到1010℃，而上述既定时间范围介于约0.5秒到4秒。
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