DE69718551T2

DE69718551T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Substrattemperaturen

Info

Publication number: DE69718551T2
Application number: DE69718551T
Authority: DE
Inventors: Gary E. Miner; Bruce W. Peuse; Mark Yam
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1996-05-01
Filing date: 1997-04-28
Publication date: 2003-11-20
Anticipated expiration: 2017-04-29
Also published as: EP0805342B1; DE69718551D1; EP0805342A1; JPH1098084A; US5755511A; KR100330139B1; JP3887452B2; KR970077431A

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Durchführen von verbesserten kontaktlosen Temperaturmessungen eines Halbleitersubstrats durch Korrigieren der Messungen der Substrattemperatur und durch Kompensieren der Emissionsvermögens-Empfindlichkeitsschwankungen über die Oberfläche des Substrats.
In vielen Halbleiterbauelement-Fertigungsprozessen können die erforderlichen hohen Niveaus der Bauelementleistung, Ausbeute und Prozessreproduzierbarkeit nur erreicht werden, wenn die Temperatur eines Substrats (z. B. eines Halbleiterwafers) während der Bearbeitung eng geregelt wird. Um dieses Regelungsniveau zu erzielen, ist es häufig erforderlich, die Substrattemperatur in Echtzeit und an Ort und Stelle zu messen, so dass irgendwelche unerwarteten Temperaturänderungen sofort erkannt und korrigiert werden können.
Man betrachte beispielsweise eine schnelle thermische Bearbeitung (RTP), die für mehrere unterschiedliche Fertigungsprozesse verwendet wird, einschließlich schneller thermischer Ausheilung (RTA), schneller thermischer Reinigung (RTC), schneller thermischer chemischer Gasphasenabscheidung (RTCVD), schneller thermischer Oxidation (RTO) und schneller thermischer Nitridierung (RTN). Bei der speziellen Anwendung der CMOS- Gatedielektrikum-Ausbildung durch RTO oder RTN sind die Dicke, die Wachstumstemperatur und die Gleichmäßigkeit der Gatedielektrika kritische Parameter, die die Gesamtbauelementleistung und die Fertigungsausbeute beeinflussen. Derzeit werden CMOS-Bauelemente mit dielektrischen Schichten hergestellt, die nur 60-80 Å dick sind und für die die Dickengleichmäßigkeit innerhalb ±2 Å gehalten werden muss. Dieses Niveau an Gleichmäßigkeit erfordert, dass Temperaturschwankungen über das Substrat während der Hochtemperaturbearbeitung einige ºC nicht übersteigen dürfen.
Der Wafer selbst kann häufig selbst kleine Temperaturdifferentiale während der Hochtemperaturbearbeitung nicht tolerieren. Wenn die Temperaturdifferenz über 1-2ºC/cm bei 1200ºC ansteigen kann, verursacht die resultierende Beanspruchung wahrscheinlich eine Gleitung im Siliziumkristall. Die resultierenden Gleitebenen zerstören jegliche Bauelemente, durch die sie verlaufen. Um dieses Niveau an Temperaturungleichmäßigkeit zu erzielen, sind zuverlässige Mehrpunkt-Temperaturmessungen in Echtzeit für eine Rückführungs-Temperaturregelung erforderlich.
Die optische Pyrometrie wird zum Messen von Temperaturen in RTP-Systemen umfangreich verwendet, wie beispielsweise in EP-A-0612862 beschrieben. Die Pyrometrie nutzt eine allgemeine Eigenschaft von Gegenständen aus, nämlich, dass Gegenstände Strahlung mit einem speziellen Spektralgehalt und einer speziellen Spektralintensität emittieren, die für ihre Temperatur charakteristisch ist. Somit kann durch Messen der emittierten Strahlung die Gegenstandstemperatur ermittelt werden. Ein Pyrometer misst die Intensität der emittierten Strahlung und führt die entsprechende Umwandlung durch, um die Temperatur (T) zu erhalten. Die Beziehung zwischen der emittierten Spektralintensität und der Temperatur hängt vom spektralen Emissionsvermögen des Substrats und von der Strahlungs-Temperatur-Beziehung eines idealen schwarzen Körpers ab, die durch das Plancksche Gesetz gegeben ist:
wobei C&sub1; und C&sub2; bekannte Konstanten sind, λ die interessierende Strahlungswellenlänge ist und T die Substrattemperatur, gemessen in ºK, ist. Gemäß einer als Wiensches Strahlungsgesetz bekannten Näherung kann dieser Ausdruck folgendermaßen umgeschrieben werden:
wobei K(λ) = 2C&sub1;/λ&sup5;. Dies ist eine gute Näherung für Temperaturen unterhalb etwa 2700ºC.
Das spektrale Emissionsvermögen &epsi;(λ, T) eines Gegenstandes ist das Verhältnis seiner emittierten Spektralintensität I(λ, T) zu jener eines schwarzen Körpers bei derselben Temperatur Ib(λ, T). Das heißt
Da C&sub1; und C&sub2; bekannte Konstanten sind, kann die Temperatur des Wafers unter idealen Bedingungen genau ermittelt werden, wenn &epsi;(λ, T) bekannt ist.
Wie vorher beschrieben wurde, können Schwankungen der Temperatur über die Oberfläche eines Substrats von mehr als ein Grad oder zwei zu einer Beschädigung des Substrats und unerwünschten Prozessschwankungen führen. Ein Verfahren zum Überwachen der Temperatur in verschiedenen lokalisierten Bereichen des Substrats umfasst die Verwendung einer Vielzahl von Temperaturfühlern (Pyrometern oder dergleichen). In diesen Systemen mit mehreren Fühlern können Temperaturmesswerte von den verschiedenen Fühlern für eine Echtzeitregelung des Heizelements bei der RTP von Substraten verwendet werden.
Trotz ihrer weitverbreiteten Verwendung in der Halbleiterindustrie, leidet jedoch die optische Pyrometrie dennoch unter Begrenzungen aufgrund einer Unfähigkeit, das Emissionsvermögen des Substrats genau zu messen. Selbst wenn das Emissionsvermögen des Substrats bei einer gegebenen Temperatur bekannt ist, kann es sich überdies mit der Temperatur ändern. Die Änderungen sind gewöhnlich nicht genau messbar und somit führen sie einen unbekannten Fehler in die Temperaturmessungen ein. Fehler in der Größenordnung von 10ºC oder mehr sind nicht unüblich.
Das spektrale Emissionsvermögen eines Substrats hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich der Eigenschaften des Wafers selbst (z. B. Temperatur, Oberflächenrauheit, Dotierungsniveau von verschiedenen Störatomen, Materialzusammensetzung und Dicke der Oberflächenschichten) und der Prozessgeschichte des Wafers. Ein weiterer verwandter Begriff ist das effektive Emissionsvermögen eines Gegenstandes. Das effektive Emissionsvermögen ist das Verhältnis der gemessenen Spektralintensität, die von dem Gegenstand emittiert wird, zu jener eines schwarzen Körpers bei der gleichen Temperatur. Das effektive Emissionsvermögen eines Gegenstandes unterscheidet sich insofern vom spektralen Emissionsvermögen für denselben Gegenstand, als das effektive Emissionsvermögen die Umgebung berücksichtigt, in der sich der Gegenstand befindet. Das effektive Emissionsvermögen eines Substrats kann durch die Eigenschaften der Prozesskammer, in der das Substrat angeordnet ist, beeinflusst werden. Daher kann eine Abschätzung des Substratemissionsvermögens im voraus keine universelle Pyrometer-Temperaturmessfähigkeit bereitstellen.
Außerdem ist die Umgebung an jedem Fühler in einem System mit mehreren Fühlern einzigartig. Ein Pyrometerfühler, der in einer dieser einzigartigen Umgebungen angeordnet ist, kann eine Empfindlichkeit gegen Substrate mit speziellen Emissionsvermögenseigenschaften aufweisen, was eine Fehlerkomponente in den Temperaturmesswert einführt. Über die Oberfläche des Substrats können einer oder mehrere der Fühler unterschiedliche Empfindlichkeiten gegen das Emissionsvermögen des Substrats aufweisen (nachstehend als Emissionsvermögensempfindlichkeit über die Oberfläche des Substrats bezeichnet). Substrate mit einem im Allgemeinen niedrigen Emissionsvermögenspegel können große Schwankungen der Emissionsvermögensempfindlichkeit über die Oberfläche des Substrats aufweisen. Folglich kann ein Temperaturmesssystem mit mehreren Fühlern, das die Schwankungen in der Emissionsvermögensempfindlichkeit über die Oberfläche des Substrats nicht berücksichtigt, schlechtere als optimale Ergebnisse erzeugen.
Systeme, die nur danach streben, die Emissionsvermögensfehler durch eine singuläre Näherung des Emissionsvermögens für das gesamte Substrat zu kompensieren, führen zu annehmbaren Ergebnissen; es existiert jedoch Raum für eine Verbesserung.

Zusammenfassung

Im Allgemeinen ist ein Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Korrigieren eines Temperaturfühler-Messwerts in einer Wärmebearbeitungskammer zum Erhitzen eines Substrats, wie in Anspruch 1 definiert. Das Verfahren umfasst das Erhitzen des Substrats auf eine Prozesstemperatur; das Verwenden eines ersten Fühlers, eines zweiten Fühlers und mindestens eines dritten Fühlers, um die Temperatur des Substrats zu messen; aus der ersten und der zweiten Temperaturangabe, die vom ersten bzw. zweiten Fühler erzeugt werden, das Ableiten eines korrigierten Temperaturmesswerts für den ersten Fühler, welcher eine genauere Angabe einer tatsächlichen Temperatur des Substrats in der Umgebung des ersten Fühlers ist als unkorrigierte Messwerte, die durch sowohl den ersten als auch den zweiten Fühler erzeugt werden; wobei der korrigierte Temperaturmesswert die Summe einer Eichtemperatur und der gemessenen Temperatur vom ersten Fühler ist; und aus der Eichtemperatur, die für den ersten Fühler abgeleitet wird, und der dritten Temperaturangabe Ableiten eines korrigierten Temperaturmesswerts für den dritten Fühler, wobei der korrigierte Temperaturmesswert für den dritten Fühler eine genauere Angabe einer tatsächlichen Temperatur des Substrats in der Umgebung des dritten Fühlers ist als unkorrigierte Messwerte, die vom dritten Fühler erzeugt werden.
Die Erfindung umfasst auch die Verwendung eines kontaktlosen Fühlers für den ersten, den zweiten und den dritten Fühler, z. B. optische Pyrometer. Die Temperaturmessungen, die unter Verwendung des ersten, des zweiten und des dritten Fühlers durchgeführt werden, werden zeitlich dicht, z. B. gleichzeitig, durchgeführt. Das erste effektive Reflexionsvermögen ist größer als das zweite effektive Reflexionsvermögen. Der korrigierte Temperaturmesswert für den dritten Fühler ist die Summe des Produkts der Eichtemperatur, multipliziert mit einem Empfindlichkeitsfaktor, und der dritten Temperaturangabe. Der Ableitungsschritt für den dritten Fühler umfasst das Berechnen eines Empfindlichkeitsfaktors für den Ort des dritten Fühlers, und wobei das Produkt des Empfindlichkeitsfaktors für den dritten Fühler und der Eichtemperatur, die für den ersten Fühler abgeleitet wird, mit der dritten Temperaturangabe summiert wird, um den korrigierten Temperaturmesswert für den dritten Fühler zu ergeben. Der Empfindlichkeitsfaktor wird durch Ermitteln der Temperaturabweichung von einer mittleren Temperatur berechnet, die für eine Vielzahl von Kalibrierungssubstraten mit vorbestimmten Emissionsvermögenspegeln angewendet wird, wobei z. B. mindestens ein Substrat einen hohen Emissionsvermögenspegel aufweist, mindestens eines einen niedrigen Emissionsvermögenspegel aufweist und mindestens eines einen Emissionsvermögenspegel zwischen dem hohen und dem niedrigen Pegel aufweist. Der Empfindlichkeitsfaktor für den dritten Fühler wird durch eine Näherung einer Empfindlichkeitskurve mit gerader Linie, die den korrigierten Temperaturdaten zugeordnet ist, die für den ersten Fühler und die lokalisierte Temperaturabweichung von der mittleren Temperatur abgeleitet werden, welche für die Kalibrierungssubstrate angewendet wird, ermittelt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur eines Substrats in einer Wärmebearbeitungs-Heizkammer, wie in Anspruch 11 definiert. Die Vorrichtung umfasst eine Reflexionsplatte, die neben einer Oberfläche des Substrats angeordnet ist, um einen Reflexionshohlraum zwischen diesen zu bilden. Ein erster Fühler ist zum Empfangen von Energie vom Reflexionshohlraum und zum Erzeugen eines ersten Temperaturmesswerts angeordnet. Ein zweiter Fühler ist zum Empfangen von Energie vom Reflexionshohlraum und zum Erzeugen eines zweiten Temperaturmesswerts angeordnet. Dem ersten Fühler ist ein anderes effektives Reflexionsvermögen für den Hohlraum zugeordnet als dem zweiten Fühler. Mindestens ein dritter Fühler ist zum Empfangen von Energie vom Reflexionshohlraum und zum Erzeugen eines dritten Temperaturmesswerts angeordnet. Dem dritten Fühler ist ungefähr dasselbe effektive Reflexionsvermögen für den Hohlraum zugeordnet wie dem ersten Fühler. Ein Temperaturmessmodul empfängt eine erste, eine zweite und eine dritte Temperaturangabe vom ersten, vom zweiten bzw. vom dritten Fühler. Das Modul ist programmiert, um einen korrigierten Temperaturmesswert für den ersten Fühler aus der ersten und der zweiten Temperaturangabe abzuleiten. Der korrigierte Temperaturmesswert für den ersten Fühler ist die Summe der ersten Temperaturangabe und einer berechneten Eichtemperatur. Der korrigierte Temperaturmesswert ist eine genauere Angabe der tatsächlichen Temperatur des Substrats in dem Bereich, der dem ersten Fühler zugeordnet ist, als unkorrigierte Messwerte des ersten und des zweiten Fühlers.
Die Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen die folgenden Merkmale. Der erste, der zweite und der dritte Fühler umfassen Lichtleiter. Der erste, der zweite und der dritte Fühler sind in einem ersten, einem zweiten bzw. einem dritten Loch angeordnet. Das erste, das zweite und das dritte Loch sind in der Reflexionsplatte ausgebildet. Das zweite. Loch ist größer als das erste und das dritte Loch. Das Temperaturmessmodul berechnet einen Empfindlichkeitsfaktor für den Ort des dritten Fühlers. Das Produkt des Empfindlichkeitsfaktors für den dritten Fühler und der Eichtemperatur, die für den ersten Fühler abgeleitet wird, wird mit der dritten Temperaturangabe summiert, um den korrigierten Temperaturmesswert für den dritten Fühler zu ergeben. Der Empfindlichkeitsfaktor wird durch Ermitteln der Temperaturabweichung von einer mittleren Temperatur, die für eine Vielzahl von Kalibrierungssubstraten mit vorbestimmten Emissionsvermögenspegeln angewendet wird, berechnet. Die Vielzahl von Kalibrierungssubstraten umfassen mindestens ein Substrat mit einem hohen Emissionsvermögenspegel, mindestens eines mit einem niedrigen Emissionsvermögenspegel und mindestens eines mit einem Emissionsvermögenspegel zwischen dem hohen und dem niedrigen Pegel. Der Empfindlichkeitsfaktor für den dritten Fühler wird durch eine Näherung einer Empfindlichkeitskurve mit gerader Linie, die den korrigierten Temperaturdaten zugeordnet ist, die für den ersten Fühler und die lokalisierte Temperaturabweichung von der mittleren Temperatur abgeleitet werden, welche für die Kalibrierungssubstrate angewendet wird, ermittelt.
Unter den Vorteilen der Erfindung befinden sich die folgenden. Die Erfindung stellt eine Echtzeit- Temperaturkompensation an Ort und Stelle bereit, die Änderungen der Emissionsvermögensempfindlichkeit (über die Oberfläche des Substrats) als Funktion der Temperatur gerecht wird. Die Kalibrierungsprozedur ist einfach und muss typischerweise nur einmal für eine gegebene Kammerstruktur implementiert werden. Die erfindungsgemäße Temperaturmessung ermöglicht die Verwendung von stabilen, reproduzierbaren Halbleiterdetektoren. Die Erfindung ermöglicht zuverlässige Temperaturmessungen mit verbesserter Reproduzierbarkeit und Gleichmäßigkeit.
Weitere Merkmale und Vorteile sind aus der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen ersichtlich.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsseitenansicht eines Substrattemperatur-Messschemas, bei dem ein Reflektor nahe einem Substrat angeordnet ist;
Fig. 2 ist ein Kurvenbild des effektiven Emissionsvermögens als Funktion des tatsächlichen Emissionsvermögens, das für verschiedene Werte des effektiven Reflexionsvermögens aufgetragen ist;
Fig. 3A ist eine Querschnittsseitenansicht eines RTP- Systems;
Fig. 3B zeigt Einzelheiten des Trägerrings;
Fig. 3C ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 3C- 3C von Fig. 3A, welche den Reflektor darstellt;
Fig. 4A-4D sind Querschnittsseitenansichten von verschiedenen die Messung verbessernden Oberflächenmerkmalen, die in den Reflektor integriert sind;
Fig. 5A-5B sind Ablaufdiagramme eines Schemas zum Kalibrieren einer RTP-Kammer für eine Temperaturkorrektur an Ort und Stelle;
Fig. 5C ist ein Diagramm, das von der Nachverarbeitungsanalyse eines Substrats durch ein Ellipsometer abgeleitet ist;
Fig. 5D ist ein Diagramm der mittleren Dicke einer Oxidschicht, die auf der Oberfläche eines Kalibrierungssubstrats während eines Kalibrierungsprozesses gemäß der vorliegenden Erfindung abgeschieden wird;
Fig. 5E ist ein Diagramm einer Empfindlichkeitskurve für einen Temperaturfühler zur Verwendung bei der Ermittlung des Empfindlichkeitsfaktors (SF);
Fig. 5F ist ein vereinfachtes Ablaufdiagramm des Prozesses zum Ermitteln einer verfeinerten Temperatur für Echtzeitvorgänge des RTP-Werkzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ist ein Ablaufdiagramm eines Schemas zum Messen des Emissionsvermögens an Ort und Stelle, um die Genauigkeit einer Temperaturmessung zu verbessern;
Fig. 7 ist ein Ablaufplan eines alternativen Verfahrens zum Kalibrieren der Temperaturmessfühler in einer RTP-Kammer;
Fig. 8 zeigt Diagramme des scheinbaren Emissionsvermögens eines Fühlers in einem kleinen Loch und eines Fühlers in einem großen Loch, beide als Funktion des tatsächlichen Waferemissionsvermögens;
Fig. 9 zeigt Diagramme von Fehlern für die unkorrigierten Temperaturmessungen und für die korrigierten Temperaturmessungen, beide als Funktion des tatsächlichen Waferemissionsvermögens;
Fig. 10 zeigt experimentelle Werte und berechnete Werte für die Differenz der Temperaturen, die durch den Fühler im kleinen Loch und den Fühler im großen Loch gemessen werden;
Fig. 11 zeigt die Schritte des Berechnens einer korrigierten Temperatur von einem Temperaturmessfühler; und
Fig. 12 ist ein schematisches Diagramm eines Temperaturregelsystems.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Der Hohlraum eines virtuellen schwarzen Körpers

In der folgenden Beschreibung nehmen wir auf die Messung der Temperatur eines Substrats Bezug. Wir beabsichtigen, dass der Begriff "Substrat" allgemein einen beliebigen Gegenstand erfasst, der in einer Wärmebearbeitungskammer bearbeitet wird und dessen Temperatur während der Bearbeitung gemessen wird. Der Begriff "Substrat" umfasst beispielsweise Halbleiterwafer, Flachbildschirme, Glasplatten oder -scheiben und Kunststoffwerkstücke.
Um die vorliegende Erfindung zu verstehen, ist es nützlich, zuerst das vorstehend angeführte Verfahren zur Verbesserung des Emissionsvermögens zu untersuchen.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist ein Wärmereflektor 22 nahe dem Substrat 10 angeordnet, um einen Hohlraum 24 eines virtuellen schwarzen Körpers zwischen dem Reflektor und dem Substrat zu erzeugen. Wenn die Substratrückseite diffus ist, wird die Strahlung von dieser in einem willkürlichen Muster emittiert und somit wird die emittierte Strahlung durch den gesamten Hohlraum in einem gleichermaßen willkürlichen (isotropen) Muster reflektiert. Die an irgendeinem Ort auf der Oberfläche des Reflektors 22 ankommende Strahlung besteht aus vielen Komponenten: eine Komponente besteht aus der Strahlung, die direkt vom Substrat kommt und keine Reflexionen erfahren hat; eine zweite Komponente hat nur eine Reflexion am Reflektor 22 und an der Rückseite des Substrats 10 erfahren; eine dritte Komponente hat zwei Reflexionen am Reflektor 22 und an der Rückseite des Substrats 10 erfahren; usw. Die Gesamtintensität, die an einem Punkt auf der Reflektorplatte erhältlich ist, kann durch Summieren über eine unendliche Reihe von Komponenten der auftreffenden Strahlung wie folgt aufgefunden werden:
IT = &epsi;·σ·T&sup4; Rn·(1 - &epsi;)n (5A)
wobei das Reflexionsvermögen der kalten Reflektorplatte durch R, das Emissionsvermögen des Wafers durch &epsi; gegeben ist, und wobei σ die Stefan-Boltzmann-Konstante ist und T die Temperatur des Substrats ist.
Unter der Annahme, dass das Reflexionsvermögen des Reflektors gleich Eins ist (R = 1), dann reduziert sich Gl. 5B zu:
IT = σT&sup4; (5C)
in der die Strahlung IT vom Emissionsvermögen der Rückseite des Substrats unabhängig ist. Anders ausgedrückt, der Reflektor erzeugt einen Hohlraum eines virtuellen schwarzen Körpers, für den das "effektive Emissionsvermögen" des Substrats gleich 1 ist.
Man beachte, dass diese das Emissionsvermögen verstärkende Wirkung nicht erfordert, dass die Rückseite des Wafers diffus ist. Sie funktioniert für Substrate mit Rückseiten, die perfekte Spiegelreflektoren sind, sowie für Substrate mit Rückseiten, die stark diffus sind. Wie vorstehend bemerkt, sind Halbleiterwafer-Rückseiten eine gewisse Kombination aus diffus und spiegelnd.
Ein Lichtleiter 28 wird verwendet, um die Strahlung im Hohlraum durch eine Öffnung 27 im Reflektor abzutasten. Die abgetastete Intensität wird über eine optische Faser 30 zu einem Pyrometer 33 geleitet, wo sie unter Verwendung der obigen Gl. 5 in eine Temperatur umgewandelt wird. Aufgrund des Effekts des Hohlraums des virtuellen schwarzen Körpers ist die gemessene Temperatur von Änderungen des Emissionsvermögens des Substrats unabhängig.
In der Realität ist jedoch das Reflexionsvermögen des Reflektors, obwohl es nahe bei 1 liegt, nicht gleich 1. Erst einmal ist die Beschichtung auf dem Reflektor nicht perfekt reflektierend. Gold, das eines der besser reflektierenden Beschichtungsmaterialien ist, weist beispielsweise ein Reflexionsvermögen von nur etwa 0,975 bei einer Wellenlänge von 950 nm (Nanometern) auf. Außerdem wurde es ersichtlich, dass die Gegenwart der einen oder mehreren Öffnungen im Reflektor zum Abtasten der Strahlung sowie die Gesamtgeometrie des Hohlraums (d. h. Abmessungen und Form) auch gewöhnlich die Leistung des Hohlraums des virtuellen schwarzen Körpers, den wir hier zu erzeugen versuchen, verringert. Diese geometrischen Effekte zusammen mit dem tatsächlichen Reflexionsvermögen können zu einem Term Reff des "effektiven Reflexionsvermögens" zusammengelegt werden. Obwohl es möglich ist, die Auswirkung, die Änderungen des Substratemissionsvermögens auf die abgetastete Intensität haben, wesentlich zu verringern, sind die Messungen trotzdem vom Emissionsvermögen des Substrats nicht vollständig unabhängig.
Unter der Annahme, dass der Reflektor 22 undurchlässig, kalt und statt reflektierend (d. h. R 1) ist, können wir die Effekte der vom Reflektor emittierten Strahlung ignorieren und das effektive Emissionsvermögen &epsi;eff des Substrats kann durch:
angenähert werden, wobei Reff das effektive Reflexionsvermögen des Reflexionshohlraums ist. Man beachte, dass, wenn Reff gleich 1 ist, dann &epsi;eff auch gleich 1 ist, wie es sollte. Wenn andererseits Reff geringer als 1 ist, ist &epsi;eff auch geringer als 1 und die gemessene Temperatur ist eine Funktion des Emissionsvermögens.
In Fig. 2 ist das effektive Emissionsvermögen &epsi;eff als Funktion des tatsächlichen Emissionsvermögens &epsi; für verschiedene Werte von Reff aufgetragen. Wie angegeben, nähert sich das effektive Emissionsvermögen des Substrats 1, wenn sich das effektive Reflexionsvermögen des Reflexionshohlraums 1 nähert. Wenn Reff → 1 gilt, wird das effektive Emissionsvermögen des Substrats auch weniger empfindlich gegen Änderungen des tatsächlichen Emissionsvermögens des Substrats, insbesondere für hohe Werte des tatsächlichen Emissionsvermögens. Diese Empfindlichkeit kann folgendermaßen quantifiziert werden:
das durch Bilden der Ableitung von Gl. 6 nach &epsi; erhalten wird.
Der resultierende Fehler bei der Temperaturmessung steht mit Veränderungen im effektiven Emissionsvermögen wie folgt in Beziehung:
Unter Verwendung von Gl. 6 und 7 erhalten wir:
Man beachte, dass wenn sich Reff Eins nähert, der Zähler und somit die Empfindlichkeit der gemessenen Temperatur gegen Änderungen des Substratemissionsvermögens verschwindend klein wird. Wenn im Gegenteil das effektive Reflexionsvermögen des Hohlraums nicht ausreichend hoch ist (d. h. nahe Eins), können die Änderungen der Temperaturmessung, die an Änderungen des Substratemissionsvermögens liegen, unannehmbar groß bleiben.
Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 1 führt die Anwesenheit der Öffnung 27 eine lokalisierte Störung in den Hohlraum 24 des virtuellen schwarzen Körpers, der zwischen dem Reflektor und dem Substrat erzeugt ist, ein. Inzwischen haben wir festgestellt, dass solche Störungen auch die das Emissionsvermögen verstärkende Wirkung verringern, die durch den Reflektor erzeugt wird. Überdies nimmt die Größe der Störung gewöhnlich mit zunehmender Öffnungsgröße (D) zu. Somit könnte eine Methode zum Minimieren der Auswirkung der Öffnung auf die Emissionsvermögensverstärkung darin bestehen, die Größe der Öffnung zu verringern. Da jedoch die Menge an Licht, das vom Lichtleiter gesammelt wird, zur Fläche der Öffnung proportional ist, verringert dies die Menge an Licht, die vom Lichtleiter gesammelt wird, was wiederum den Rauschabstand des Erfassungssystems verringert. Da die Strahlungsintensität schnell abfällt, wenn die Substrattemperatur abnimmt, kann die Verwendung einer kleineren Öffnung die Temperatur signifikant erhöhen, unter welcher der Detektor nicht mehr brauchbar ist.
Wir haben jedoch entdeckt, dass durch Modifizieren des Basisreflektors in einem RTP-System so, dass ein die Messung verbesserndes Oberflächenmerkmal am Ende des Lichtfühlers aufgenommen wird, wir den Effekt des virtuellen schwarzen Körpers des Reflexionshohlraums weiter steigern können, während auch ein verbesserter Rauschabstand im abgetasteten Signal erhalten wird.

Ein RTP-System, das die Erfindung beinhaltet

Überblick über das RTP-System

Ein RTP-System, das gemäß der Erfindung modifiziert wurde, ist in Fig. 3A dargestellt. Das RTP-System umfasst eine Bearbeitungskammer 100 zum Bearbeiten eines scheibenförmigen Siliziumsubstrats 106 mit einem Durchmesser von acht Inch (200 mm). Das Substrat 106 ist innerhalb der Kammer auf einer Substratträgerstruktur 108 befestigt und wird durch ein Heizelement 110, das sich direkt über dem Substrat befindet, erhitzt. Das Heizelement 110 erzeugt eine Strahlung 112, die über eine wassergekühlte Quarzfensteranordnung 114, die sich ungefähr ein Inch (2,5 cm) über dem Substrat befindet, in die Bearbeitungskammer 100 eintritt. Unterhalb des Substrats 106 befindet sich ein Reflektor 102, der auf einem wassergekühlten Sockel 116 aus rostfreiem Stahl montiert ist. Der Reflektor 102 besteht aus Aluminium und weist eine stark reflektierende Oberflächenbeschichtung 120 auf. Die Unterseite des Substrats 106 und die Oberseite des Reflektors 102 bilden einen Reflexionshohlraums 118 zum Verstärken des effektiven Emissionsvermögens des Substrats.
Der Abstand zwischen dem Substrat und dem Reflektor beträgt ungefähr 0,3 Inch (7,6 mm), wobei somit ein Hohlraum ausgebildet wird, der ein Breiten-Höhen-Verhältnis von etwa 27 aufweist. In Bearbeitungssystemen, die für Siliziumwafer von acht Inch ausgelegt sind, liegt der Abstand zwischen dem Substrat 106 und dem Reflektor 102 zwischen 3 mm und 9 mm und vorzugsweise zwischen 5 mm und 8 mm, und das Breiten-Höhen-Verhältnis des Hohlraums 118 sollte größer sein als etwa 20 : 1. Wenn der Abstand zu groß gemacht wird, nimmt der Emissionsvermögensverstärkungseffekt, der dem Hohlraum des virtuellen schwarzen Körpers, der ausgebildet ist, zuzuschreiben ist, ab. Wenn andererseits der Abstand zu klein ist, z. B. geringer als etwa 3 mm, dann nimmt die Wärmeleitung vom Substrat zum gekühlten Reflektor zu, wodurch dem erhitzen Substrat eine unannehmbar große thermische Belastung auferlegt wird. Da der Hauptmechanismus für den Wärmeverlust an die Reflexionsplatte die Leitung durch das Gas ist, hängt die thermische Belastung natürlich von der Art des Gases und dem Kammerdruck während der Bearbeitung ab.
Die Temperaturen in lokalisierten Bereichen 109 des Substrats 106 werden durch eine Vielzahl von Temperaturfühlern 126 (von denen in Fig. 3A nur zwei dargestellt sind) gemessen. Die Temperaturfühler sind Saphir-Lichtleiter, die durch einen Kanal 124 verlaufen, der sich von der Rückseite des Sockels 116 bis zur Oberseite des Reflektors 102 erstreckt. Die Saphir- Lichtleiter 126 weisen einen Durchmesser von etwa 0,125 Inch auf und die Kanäle 124 sind geringfügig größer, um zu ermöglichen, dass sie leicht in die Kanäle eingefügt werden.

Die das Emissionsvermögen verstärkenden Oberflächenmerkmale

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein kleiner Reflexionshohlraum 42 (d. h. ein Mikrohohlraum) in der oberen Oberfläche des Reflektors 102 ausgebildet, wo der Kanal zur Oberseite des Reflektors hindurchtritt (in Fig. 4A deutlicher dargestellt). Der Kanal tritt in den kleinen Hohlraum ein, wobei eine Öffnung 129 am Boden des kleinen Hohlraums ausgebildet wird. Ein Saphir-Lichtleiter 126 ist innerhalb des Kanals 124 so angeordnet, dass sein oberstes Ende mit dem Boden des Mikrohohlraums 42 bündig ist oder leicht unter diesem liegt. Das andere Ende des Lichtleiters 126 koppelt mit einer biegsamen optischen Faser 125, die abgetastetes Licht vom Hohlraum zu einem Pyrometer 128 überträgt.
Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Oberflächenmikrohohlraum zylindrisch geformt, weist einen Radius (R) von etwa 0,100 Inch und eine Tiefe (L) von etwa 0,300 Inch auf. Die Öffnung 129 am Boden des Mikrohohlraums 42 und der Kanal 124 sind geringfügig größer als etwa 0,125 Inch, was, wie vorstehend angemerkt, der Durchmesser des Saphir-Lichtleiters ist. Der Oberflächenmikrohohlraum 42 wirkt zum Verstärken des Effekts des virtuellen schwarzen Körpers des Reflexionshohlraums 118, der zwischen der Rückseite des Substrats 106 und der Oberseite des Reflektors 102 vorliegt, wodurch das effektive Emissionsvermögen des Substrats auf einen Wert erhöht wird, der noch näher bei Eins liegt. Der zylindrische Mikrohohlraum steigert sowohl den Rauschabstand des abgetasteten Signals, das vom Lichtleiter erfasst wird, als er auch zum Erhöhen des effektiven Emissionsvermögens des Substrats (oder äquivalent des effektiven Reflexionsvermögens des Reflexionshohlraums) wirkt. Wir merken ferner an, dass der Verstärkungseffekt nicht stark davon abzuhängen scheint, ob das Fühlerende mit dem Boden des Oberflächenmikrohohlraums 42 bündig ist oder es unter diesem Punkt, innerhalb den Kanal 124 versenkt, angeordnet ist. Somit wird der Vorgang des Einfügens des Fühlers in den Kanal während der Montage des Reflektors leichter gemacht, indem keine engen kritischen Toleranzen hinsichtlich der Anordnung des Fühlerendes erfüllt werden müssen. Das Fühlerende sollte jedoch nicht in den Oberflächenmikrohohlraum ragen, da dies den Verstärkungseffekt zu verschlechtern scheint.
Unter der Annahme von perfekt reflektierenden Seitenwänden in dem zylindrischen Mikrohohlraum nimmt der durch den zylindrischen Mikrohohlraum verursachte Verstärkungseffekt zu, wenn das L/R-Verhältnis des Mikrohohlraums zunimmt. Da jedoch die Seitenwände nicht perfekt reflektieren, gilt, je mehr Male die gesammelte Strahlung innerhalb des Hohlraums hin- und herreflektiert, desto mehr wird ihre Signalstärke durch die Verluste, die bei jeder Reflexion auftreten, vermindert. Daher besteht praktisch eine Grenze dessen, wie groß man das L/R-Seitenverhältnis des zylindrischen Mikrohohlraums machen und dennoch Leistungsverbesserungen erhalten kann.
Der Oberflächenmikrohohlraum 42, der um das Ende des Fühlers ausgebildet ist, scheint durch Erhöhen des Niveaus an Eigenbestrahlung eines lokalisierten Bereichs der Substratrückseite, durch Erhöhen der Sammelwirksamkeit des Fühlers oder durch eine Kombination beider Mechanismen zu funktionieren. Mit anderen Worten, die Oberflächenhohlräume erhöhen relativ zu einem planaren Reflektor die Menge an Licht, das vom Reflektor am lokalisierten Bereich 109 auf dem Substrat, an welchem Punkt die Temperatur gemessen werden soll, zurückreflektiert, und steigern dadurch auch die Sammlung von Strahlung des Fühlers.
Um das hohe Reflexionsvermögen zu erreichen, das für den Reflektor erwünscht ist, ist eine stark reflektierende mehrlagige Beschichtung 120 auf dem Reflektor ausgebildet. Die untere Schicht der Beschichtung ist eine dünne Goldschicht, die auf der Oberfläche des Reflektorkörpers abgeschieden wird. Gold ist bevorzugt, da es ein Reflexionsvermögen von etwa 0,975 im interessierenden infraroten Wellenlängenbereich (d. h. etwa 950 nm) aufweist. Um das Reflexionsvermögen der Goldschicht weiter zu verstärken, wird ein Viertelwellenstapel auf der Goldschicht ausgebildet. Der Viertelwellenstapel besteht aus abwechselnden dielektrischen Schichten, die unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen und eine Dicke gleich ¹/&sub4; der Wellenlänge, für die das Pyrometer am empfindlichsten ist (z. B. ¹/&sub4; von 950 nm), aufweisen. In einem Ausführungsbeispiel wurde der Viertelwellenstapel von OCLI (Optical Coating Laboratory, Inc.) in Santa Rosa, Kalifornien, aufgebracht, obwohl andere annehmbare kommerzielle Quellen auch zum Aufbringen solcher Beschichtungen zur Verfügung stehen.
Die obere Schicht der mehrlagigen Struktur ist eine Passivierungsschicht, die verhindert, dass das Gold der Reflexionsschicht möglicherweise die RTP-Kammer verunreinigt. Die Passivierungsschicht kann aus Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid oder irgendeinem anderen annehmbaren Material bestehen, das die Reflexionsschicht passiviert, ohne ihre Reflexionseigenschaften bei der interessierenden Wellenlänge zu verschlechtern.
Das Reflexionsvermögen dieser mehrlagigen Struktur beträgt etwa 0,995 bei 950 nm, was signifikant höher ist als das natürliche Reflexionsvermögen von 0,975 für eine einzelne dünne Goldschicht.
Wenn Gold für die Reflexion ein unannehmbares Material ist, können natürlich andere reflektierende Materialien verwendet werden. Beispielsweise ist Nickel inerter als Gold und weist ein gutes Reflexionsvermögen auf, obwohl es nicht so hoch wie bei Gold ist.
Viele andere alternative Geometrien sind für den Oberflächenmikrohohlraum möglich. Ein halbkugelförmiger Mikrohohlraum 42', wie z. B. in Fig. 4B dargestellt ist, kann beispielsweise verwendet werden. Der Mikrohohlraum weist eine Kugelform auf, wobei sich sein Zentrum in der Ebene der Reflektoroberfläche befindet. Für das vorstehend beschriebene RTP-Ausführungsbeispiel beträgt der Radius der Kugel etwa 6-8 Millimeter, d. h. er ist vergleichbar zum Abstand zwischen dem Reflektor und der Rückseite des Substrats. Ein Saphirfühler 126 weist einen Durchmesser von 0,080 Inch auf, obwohl es erwünscht sein kann, eine kleinere Größe (z. B. 0,050 Inch) zu verwenden, um die Störung zu minimieren, die der Fühler für die Substrattemperatur im lokalisierten Bereich 109 verursachen könnte.
Andere Mikrohohlraumgeometrien sind in Fig. 4C-D gezeigt. Fig. 4C zeigt einen kegelförmigen Mikrohohlraum, wobei sich der Lichtleiter am Scheitel des Kegels befindet. Fig. 4D zeigt einen kugelförmigen Mikrohohlraum, wobei sich der Lichtleiter entgegengesetzt zu einer kreisförmigen Öffnung 161 in der Oberfläche des Reflektors befindet. Diese sind nur einige der vielen alternativen Geometrien, die verwendet werden könnten. Die spezielle Mikrohohlraumgeometrie, die für eine gegebene Anwendung am geeignetsten ist, kann empirisch ermittelt werden. Außerdem könnte der Mikrohohlraum auch ein erhabener Mikrohohlraum sein, der in einem Material ausgebildet ist, das von der Oberfläche der Reflexionsplatte hervorragt.

Hinsichtlich des Emissionsvermögens korrigierte Temperaturmessungen

Selbst wenn die Verwendung eines Mikrohohlraums in der Oberfläche des Reflektors um das Ende des Fühlers einen Reflexionshohlraum erzeugt, der einen virtuellen schwarzen Körper genauer annähert, ist das effektive Emissionsvermögen dennoch nicht identisch Eins. Mit anderen Worten, die gemessenen Temperaturen weisen eine unbekannte Fehlerkomponente auf, die Schwankungen des Emissionsvermögens von einem Substrat zum nächsten zuzuschreiben ist. Außerdem variiert die unbekannte Fehlerkomponente über die Oberfläche des Substrats, wenn die Emissionsvermögensempfindlichkeit variiert oder wenn das "effektive Emissionsvermögen" variiert. Somit kann es erwünscht sein, die Genauigkeit jeder Temperaturmessung durch Messen und Korrigieren von Veränderungen des effektiven Emissionsvermögens, das einem lokalisierten Bereich des Substrats zugeordnet ist, weiter zu verbessern. Die Genauigkeit einer Echtzeit-Temperaturmessung an Ort und Stelle kann durch Messen der Temperatur in einem speziellen lokalisierten Bereich eines Substrats unter Verwendung von zwei Temperaturfühleranordnungen, die durch unterschiedliche effektive Emissionsvermögen (oder äquivalent unterschiedliche effektive Reflexionsvermögen) gekennzeichnet sind, verbessert werden. Die durch diese Fühler gemessenen Temperaturen können dann verwendet werden, um eine anfängliche Korrektur für lokalisierte Temperaturmessungen zu erhalten. Eine verfeinerte Temperaturkorrektur für jeden lokalisierten Temperaturmesswert kann dann durch Einstellen der anfänglichen Korrektur durch einen Emissionsvermögens- Empfindlichkeitsfaktor, der für jeden lokalisierten Temperaturbereich abgeleitet wird, erhalten werden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3A und 3C werden zwei Strahlungsfühler 150, 152 mit unterschiedlichen effektiven Emissionsvermögen &epsi;&sub1;, &epsi;&sub2; verwendet, um die vorstehend angeführte anfängliche Temperaturkorrektur abzuleiten. Ein erster Fühler 150 befindet sich innerhalb eines zylindrischen Oberflächenmikrohohlraums 42, wie vorher beschrieben und wie in Fig. 4A-4D deutlicher dargestellt. Ein zweiter Fühler 152 ist in einem zylindrischen Mikrohohlraum 43 angeordnet, dessen Boden mit einem nicht- reflektierenden Material bedeckt ist. Der zweite Fühler 152 kann durch einen Siliziumring (nicht dargestellt) an der Stelle gehalten werden. Das effektive Emissionsvermögen des ersten Fühlers &epsi;&sub1; ist höher als jenes des zweiten Fühlers In einem Ausführungsbeispiel weist der Mikrohohlraum 42 für den ersten Fühler 150 ungefähr denselben Durchmesser auf wie der erste Fühler 150, während der Durchmesser des Mikrohohlraums 43, der dem zweiten Fühler 152 zugeordnet ist, überdimensioniert, viel größer als der Durchmesser des zweiten Fühlers 152 ist. Der überdimensionierte Mikrohohlraum hilft, den zweiten Fühler 152 vom Reflektor 102 zu isolieren, was ein geringeres effektives Emissionsvermögen für den zweiten Fühler 152 vorsieht. In einem Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser des Mikrohohlraums 43 zweimal der Durchmesser des Mikrohohlraums 42.
Bei der gerade beschriebenen Anordnung ist das effektive Emissionsvermögen für den ersten Fühler (d. h. den Fühler 150) größer als das effektive Emissionsvermögen für den zweiten Fühler (d. h. den Fühler 152). Als Alternative zum Anordnen des Fühlers 152 in einem Mikrohohlraum mit einer nichtreflektierenden Beschichtung kann er auf innerhalb etwa 3-4 Millimeter von der Rückseite des Substrats 106 über der Reflektoroberfläche angeordnet werden. Der zweite Fühler (d. h. der Fühler 152) sollte jedoch nicht zu nahe an der Rückseite des Substrats (und von der gekühlten Reflexionsplatte entfernt) angeordnet werden, um zu vermeiden, dass er durch die Strahlung vom heißen Substrat während der Bearbeitung aufgeheizt wird. Wenn man den Fühler zu heiß werden läßt, kann dies den Fühler beschädigen und/oder Material kann sich auf dem Fühler abscheiden, wodurch seine Leistung verschlechtert wird. Wenn sich der Fühler zu nahe an der Rückseite des Substrats befindet, kann sich dies außerdem auf die Temperatur des Substrats auswirken. Andere Kombinationen von Geometrien sind auch möglich, solange die zwei Fühler unterschiedliche effektive Emissionsvermögen ergeben. Wie später ersichtlich wird, ist es bevorzugt, dass, die zwei ausgewählten Fühlergeometrien eine Differenz der zugehörigen effektiven Emissionsvermögen erzeugen, die maximiert ist.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Fühler 150, 152 um einen ausreichenden Abstand voneinander entfernt, so dass das Loch, der Mikrohohlraum 43, das/der das niedrigere effektive Emissionsvermögen erzeugt, das effektive Reflexionsvermögen des anderen Fühlers nicht stört oder verschlechtert. Die zwei Fühler sollten jedoch nicht so weit voneinander beabstandet sein, dass sie nicht die Temperatur von ungefähr demselben Bereich des Substrats messen. Für das beschriebene Ausführungsbeispiel liegt ein typischer Abstand, der diese Anforderungen zu erfüllen scheint, zwischen 1 und 3 cm. Wenn sich das Substrat dreht, bedeutet dies, dass die Radien, in denen die zwei Fühler angeordnet sind, sich um nicht mehr als dieses Ausmaß unterscheiden sollten.
Zusätzlich zu den zwei Strahlungsfühlern 150, 152 befinden sich eine Vielzahl von anderen Temperaturfühlern (von denen der Deutlichkeit halber nur einer in Fig. 3a dargestellt ist) (d. h. Fühler 151a-151f, wie in Fig. 3c gezeigt) innerhalb einer Vielzahl von zylindrischen Oberflächenmikrohohlräumen 42a-42f der beschriebenen und in Fig. 4A-4D gezeigten Art. In einem Ausführungsbeispiel können ein oder mehrere Mikrohohlräume (z. B. der Mikrohohlraum 42g) im Reflektor 102 enthalten sein, um Veränderungen in der Anordnung von einem oder mehreren der Fühler 151a-151f in Abhängigkeit von den Prozessanforderungen zu gestatten. Das effektive Emissionsvermögen für jeden der anderen Fühler (d. h. Fühler 151a-151f) ist größer als das effektive Emissionsvermögen für den zweiten Fühler (d. h. den Fühler 152) und ungefähr gleich dem Emissionsvermögen des ersten Fühlers (d. h. des Fühlers 150).
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel können die Fühler 151, 152 um einen ausreichenden Abstand voneinander entfernt sein, so dass das Loch, der Mikrohohlraum 43, zum Erzeugen des niedrigeren effektiven Emissionsvermögens für den Fühler 152 das effektive Reflexionsvermögen von irgendeinem der anderen Fühler 151a-151f nicht stört oder verschlechtert. Außerdem kann jeder der anderen Fühler (d. h. der Fühler 151a-151f) um den Reflektor 102 beabstandet sein, wobei jeder eine lokalisierte Temperatur misst. In einem Ausführungsbeispiel sind insgesamt sechs weitere Temperaturfühler (d. h. Fühler 151a-151f) um den Reflektor 102 beabstandet, wie in Fig. 3C dargestellt ist. Andere Verteilungsmuster für die Fühler 150, 151a-151f und 152 können in Abhängigkeit von den Prozessanforderungen verwendet werden.

Kalibrierung

Um die Temperaturkorrektur für jeden lokalisierten Temperaturfühler durchzuführen, müssen zuerst alle Fühler kalibriert werden. Das heißt, das effektive Reflexionsvermögen für jeden Fühler muss zuerst ermittelt werden. Dies wird mit Hilfe einer Reihe von speziellen Kalibrierungssubstraten und unter Verwendung der in Fig. 5A und 5B umrissenen Prozeduren durchgeführt.
Ein erstes Kalibrierungssubstrat ist ein Standardsubstrat mit einem bekannten, vorher gemessenen Emissionsvermögen &epsi;kal-1 und mit einem in dieses eingebetteten Thermoelement. Das Emissionsvermögen des ersten Kalibrierungssubstrats ist vorzugsweise niedrig, etwa 0,3. Die tatsächliche Substrattemperatur kann mit dem Thermoelement genau gemessen werden und dann mit den von den Pyrometern angegebenen Temperaturen verglichen werden. Solche Substrate sind von verschiedenen Firmen, einschließlich beispielsweise SensArray in Santa Clara, Kalifornien, USA, kommerziell erhältlich. Vorzugsweise wird das erste Kalibrierungssubstrat so ausgewählt, dass es im Wesentlichen dieselben thermischen Eigenschaften aufweist wie die Art von Substraten, die in der RTP-Kammer bearbeitet werden sollen. Das Kalibrierungssubstrat sollte beispielsweise zumindest aus demselben Material bestehen wie die Prozesssubstrate (z. B. Silizium) und es sollte dieselbe Art Rückseite aufweisen wie die Prozesssubstrate (z. B. eine diffuse, geläppte Oberfläche).
Eine Ermittlung der effektiven Reflexionsvermögen für die Fühler 150 und 152 wird durchgeführt und danach wird die spezielle Empfindlichkeit gegen das Emissionsvermögen für jeden der Orte der anderen Fühler für den gegebenen Prozess ermittelt. Um das effektive Reflexionsvermögen, das zu jedem der Fühler 150, 152 gehört (Re1, Re2), zu ermitteln, wird das erste Kalibrierungssubstrat in die Prozesskammer gelegt (Schritt 160) und die Temperatur der Prozesskammer wird auf eine vorbestimmte Einstellung erhöht (Schritt 162). Wenn die gewünschte Temperatur erreicht wurde, wird die Temperatur des Substrats unter Verwendung des eingebetteten Thermoelements und von jedem der zwei Fühler 150, 152 gemessen (Schritt 164), wodurch drei separate Temperaturmesswerte erzeugt werden, Treal (die tatsächliche Temperatur des Substrats), T&sub1; (die vom ersten Fühler gemessene Temperatur), und T&sub2; (die vom zweiten Fühler gemessene Temperatur).
Diese Temperaturen werden in Intensitäten Ikal, I&sub1; und I&sub2; umgewandelt (Schritt 166). Ikal ist die Intensität, die ein Fühler empfangen würde, wenn der Hohlraum tatsächlich ein Hohlraum eines idealen schwarzen Körpers wäre. Sie wird unter Verwendung von Gl. 1 aus der durch das Thermoelement gemessenen Temperatur Treal wie folgt berechnet:
Die Temperaturen, die durch Pyrometer aufgezeichnet werden, T&sub1; und T&sub2;, werden in die entsprechenden Intensitäten (I&sub1;, I&sub2;) in ähnlicher Weise zurückverwandelt:
Die effektiven Emissionsvermögen für die Fühler 150, 152 sind gleich:
&epsi;1,2 = I1,2/Ikal (11)
Wenn die Intensitäten Ikal, I&sub1; und I&sub2; bekannt sind, dann können die effektiven Reflexionsvermögen für jeden der ersten zwei Fühler berechnet werden. Aus Gl. 6 kann das effektive Reflexionsvermögen als Funktion des tatsächlichen Emissionsvermögens und des effektiven Emissionsvermögens wie folgt geschrieben werden:
Da die effektiven Emissionsvermögen hinsichtlich der gemessenen Intensitäten (siehe Gl. 11) ausgedrückt werden können, kann diese Gleichung umgeschrieben werden als:
Unter Verwendung dieses Ausdrucks werden die Werte für die effektiven Reflexionsvermögen, R&sub1; und R&sub2;, berechnet (Schritt 168).
Diese Werte des effektiven Reflexionsvermögens werden später während der Bearbeitung von eigentlichen Substraten verwendet, um die Temperaturkorrektur an Ort und Stelle, wie nachstehend beschrieben, zu ermitteln. Es sollte jedoch selbstverständlich sein, dass die berechneten effektiven Reflexionsvermögen nur für das spezielle Bearbeitungssystem, für das die Kalibrierungen durchgeführt wurden, gelten. Wenn beispielsweise die Fühlergeometrien verändert werden oder die Systemgeometrie verändert wird, ist es erforderlich, das System in der gerade beschriebenen Weise neu zu kalibrieren, um neue Werte für die effektiven Reflexionsvermögen zu ermitteln.
Mit Bezug auf Fig. 5B ist ein Verfahren zum Ableiten von Emissionsvermögensempfindlichkeitsdaten für verschiedene lokalisierte Bereiche eines Substrats für einen gegebenen Prozess gezeigt. Insbesondere werden eine Reihe von Kalibrierungssubstraten bearbeitet, um die relative Empfindlichkeit gegen das Emissionsvermögen für jeden der restlichen Fühler (d. h. Fühler 151a-151f) indem Temperaturmesssystem zu charakterisieren. In einem Ausführungsbeispiel werden drei Standardsubstrate mit einem bekannten, vorher gemessenen Emissionsvermögen &epsi;kalH, &epsi;kalM und &epsi;kalL, wobei eines einen hohen Emissionsvermögenspegel (d. h. etwa 0,9) aufweist, ein zweites einen mittleren Emissionsvermögenspegel (d. h. etwa 0,7) aufweist und ein drittes einen niedrigen Emissionsvermögenspegel (d. h. etwa 0,3) aufweist, bearbeitet. Solche Substrate können mit standardisierten Halbleiterfertigungsverfahren gefertigt werden.
Vorzugsweise werden das zweite, das dritte und das vierte Kalibrierungssubstrat so ausgewählt, dass sie im Wesentlichen dieselben thermischen Eigenschaften aufweisen wie die Art Substrate, die in der RTP-Kammer bearbeitet werden sollen. Die Kalibrierungssubstrate sollten beispielsweise zumindest aus demselben Material wie die Prozesssubstrate (z. B. Silizium) bestehen und sollten dieselbe Art Rückseite aufweisen wie die Prozesssubstrate (z. B. eine diffuse, geläppte Oberfläche).
Wie vorstehend angegeben wurde, kann der durch das RTP- Werkzeug implementierte Prozess eine Auswirkung auf das effektive Emissionsvermögen der darin bearbeiteten Substrate aufweisen. Um die Auswirkung von Prozessschwankungen auf das effektive Emissionsvermögen, das das Substrat aufweist, zu verringern, kann der für diesen Teil der Kalibrierungsprozedur ausgewählte Prozess derselbe Prozess sein, der vom RTP-Werkzeug bei der anschließenden Bearbeitung von Substraten verwendet werden soll. Ein Beispiel eines Prozesses ist ein Oxidationsprozess für Siliziumsubstrate. Für die Zwecke der Deutlichkeit wird hierin ein einzelner Prozess beschrieben. Andere Prozesse wie z. B. Ausheilung und Nitridierung können jedoch verwendet werden.
Bei dem Oxidationsprozess wird das Substrat in einer sauerstoffreichen Umgebung erhitzt, was zur Bildung einer Schicht aus Siliziumdioxid auf der Oberfläche des Substrats führt. Bei einem typischen Vorgang wird das Substrat auf 1050ºC für ungefähr 60 Sekunden erhitzt. Das Substrat wird einer Umgebung mit 100% Sauerstoff ausgesetzt, was zur Bildung einer ungefähr 75 Å dicken Schicht aus Siliziumdioxid auf der Oberfläche des Substrats führt. Im Allgemeinen weist der Oxidationsprozess eine Temperaturempfindlichkeit von ungefähr 0,8 Å pro ºC bei oder nahe 1050ºC auf. Mit Temperaturempfindlichkeit meinen wir, wenn sich die Temperatur für einen gegebenen lokalisierten Bereich von der idealen Temperatur von 1050ºC unterscheidet, wird die Dicke der Oxidationsschicht an dieser Stelle durch den zugehörigen Temperaturempfindlichkeitsfaktor für jedes Grad Differenz (was ungefähr 0,8 Å pro ºC für diesen Prozess ist) verringert (oder erhöht, falls die Temperatur höher ist).
Für den Oxidationsprozess kann ein Siliziumsubstrat mit einer blanken oberen Oberfläche und einer Rückseite (nahe dem Reflektor 102), die mit einer ungefähr 1280 Å dicken Nitridschicht überzogen ist, für das Substrat verwendet werden, das einen hohen Emissionsvermögenspegel (ungefähr 0,9) aufweist. Für das Substrat, das einen mittleren Emissionsvermögenspegel (ungefähr 0,7) aufweist, kann ein Siliziumsubstrat mit einer blanken oberen Oberfläche und einer blanken Rückseite (nahe dem Reflektor 102) verwendet werden. Für das Substrat, das einen niedrigen Emissionsvermögenspegel (ungefähr 0,3) aufweist, kann ein Siliziumsubstrat mit einer blanken oberen Oberfläche und einer Rückseite (nahe dem Reflektor 102), die mit einer ungefähr 570 Å dicken Polysiliziumschicht über einer ungefähr 1700 Å dicken Oxidschicht überzogen ist, verwendet werden.
Das zweite Kalibrierungssubstrat mit einem Emissionsvermögen von &epsi;kalH wird in die Prozesskammer gelegt (Schritt 180) und die Temperatur der Prozesskammer wird mit ungefähr 50ºC pro Sekunde erhöht, um die gewünschte Temperatur von ungefähr 1050ºC zu erreichen (Schritt 182). Das Substrat wird einer Umgebung von ungefähr 100% Sauerstoff bei der gewünschten Temperatur für ungefähr 60 Sekunden ausgesetzt, was zum Wachstum einer Siliziumdioxidschicht auf der Oberfläche des Substrats führt (Schritt 184). Wenn die gewünschte Temperatur erreicht wurde, wird eine Temperaturmessung des Substrats unter Verwendung von jedem der Fühler 150 und 152 durchgeführt, wodurch drei oder mehr separate Temperaturmesswerte erzeugt werden: T&sub1; (die vom ersten Fühler gemessene Temperatur) und T&sub2; (die von einem zweiten Fühler gemessene Temperatur).
Eine Feststellung der effektiven Reflexionsvermögen für die Fühler 150 und 152 (Re1, Re2) wird für jedes der Kalibrierungssubstrate wie vorher beschrieben durchgeführt (Schritt 186). Diese effektiven Reflexionsvermögen werden bei der Berechnung einer korrigierten Temperatur für das Kalibrierungssubstrat verwendet.
Nachdem der Oxidationsprozess des Kalibrierungssubstrats beendet ist, wird eine Analyse der tatsächlichen Temperatur, die auf das Substrat aufgebracht wird, an jedem der lokalisierten Bereiche, die einem Temperaturfühler (d. h. den Fühlern 151a-151f) zugeordnet sind, ermittelt (Schritt 188). In einem Ausführungsbeispiel kann dies durch Ermitteln der Dicke der Oxidationsschicht (Siliziumdioxid) in jedem der lokalisierten Bereiche, die den Temperaturfühlern 151a-151f zugeordnet sind, durchgeführt werden.
Vorrichtungen zum Ermitteln der Dicke eines Oxidationsniveaus auf einem Substrat sind auf dem Fachgebiet bekannt. Ein Beispiel einer Vorrichtung zum Durchführen einer solchen Aufgabe ist ein Ellipsometer, Modell Nummer FEIII, das von Rudolph in Flanders, New Jersey, hergestellt wird. Das FEIII weist eine Genauigkeit auf etwa 0,1 Å auf.
Die Dicke der Siliziumdioxidschicht in jedem einem Temperaturfühler (d. h. Fühler 151a-151h) zugeordneten Bereich wird ermittelt. Die tatsächliche Temperatur, die auf einen gegebenen lokalisierten Bereich aufgebracht wird, kann auf der Basis der Dicke der Siliziumdioxidschicht und der Temperaturempfindlichkeit für den gegebenen Prozess ermittelt werden.
In einem Ausführungsbeispiel führt das Ellipsometer eine Abtastung mit 49 Punkten über den Durchmesser des Substrats durch, die 49 Datenpunkte ergibt, die der Dicke der Siliziumdioxidschicht zugeordnet sind, die auf der Oberfläche des zweiten Kalibrierungssubstrats abgeschieden ist. Für ein Substrat mit einem Durchmesser von 200 mm ergibt die Abtastung mit 49 Punkten einen Abstand zwischen den Messungen von ungefähr 4 mm, unter der Annahme eines Ausschlussbereichs von 3 mm am Umfang des Substrats. Bei einer Abtastung mit 49 Punkten werden 24 Messungen in einer geradlinigen Weise durchgeführt, ausgehend an einer Kante des Substrats mit Bewegung in Richtung der Mitte des Substrats, wobei ungefähr alle 4 mm eine Messung durchgeführt wird, wobei die 25. Messung ungefähr in der Mitte des Substrats stattfindet. Die restlichen 24 Messungen werden in einer geradlinigen Weise mit einer Bewegung von der Mitte des Substrats weg alle 4 mm durchgeführt, bis die letzte Messung beendet ist. Eine Kurve der Dicke der Oxidschicht als Funktion der Position auf dem Substrat, wie durch das Ellipsometer erzeugt, ist in Fig. 5C gezeigt. Folglich werden zwei Messungen für jede radiale Position aufgezeichnet. Der Mittelwert der zwei Messwerte für jede radiale Position wird ermittelt und dann auf einer Kurve aufgetragen, wie in Fig. 5D gezeigt.
Die 24 mittleren Dickendatenpunkte werden auf einer Kurve (Fig. 5D) aufgetragen, wobei die x-Komponente gleich der radialen Position der jeweiligen Messung ist und die y- Komponente gleich der in dieser radialen Position gemessenen Dicke ist. Die Dicke (W) der Siliziumdioxidschicht an jedem lokalisierten Temperaturfühler (d. h. Fühler 151a-151f) wird durch Auffinden des Radius des Temperaturfühlers relativ zur Mitte des Substrats auf der Kurve ermittelt (d. h. Wa-f, wobei sich der untere Index auf einen zugehörigen Temperaturfühler 151a-151f bezieht). Die mittlere Dicke (Wavg) über das gesamte Substrat wird ermittelt und anschließend wird eine Delta-Dicke (WΔa-f, wobei sich der untere Index auf einen zugehörigen Temperaturfühler 151a- 151f bezieht) zwischen der mittleren Dicke und der gemessenen Dicke an jedem Fühler ermittelt.
Die Delta-Dickendaten für jeden Fühlerort (WΔa-f) werden in eine Delta-Temperatur (TΔa-f, wobei sich der untere Index auf einen zugehörigen Temperaturfühler 151a-151f bezieht) unter Verwendung der Temperaturempfindlichkeit für den Prozess (z. B. 0,8 Å pro ºC) umgewandelt. Insbesondere wird die Delta-Temperatur (TΔa-f) durch Dividieren der Delta- Dicke (WΔa-f) durch die Empfindlichkeit für den Prozess berechnet. Wenn beispielsweise die Delta-Dicke (WΔa) am Fühler 151a 8 Å war, dann wäre die dem Fühler zugeordnete Delta-Temperatur (TΔa) ungefähr 10ºC.
Die Delta-Temperaturdaten (TΔa-f) an jedem Fühlerort (d. h. Fühler 151a-151f) können in ähnlicher Weise berechnet werden, was zu Delta-Temperaturdaten für jeden Fühlerort für das zweite Kalibrierungssubstrat führt.
Jedes der restlichen Kalibrierungssubstrate wird in ähnlicher Weise bearbeitet, um Delta-Temperaturdaten für jeden Fühlerort abzuleiten (Schritte 190 und 192). Die resultierenden Delta-Temperaturdaten werden auf den Empfindlichkeitsdiagrammen aufgetragen.
Ein Empfindlichkeitsdiagramm (d. h. ein individuelles Diagramm, das jeweils jedem der Fühler 151a-151f zugeordnet ist) wird für jeden Temperaturfühlerort erstellt, von welchem ein Beispiel in Fig. 5E dargestellt ist. Für jedes Empfindlichkeitsdiagramm werden die Delta-Temperaturdaten (TΔa-f) für einen entsprechenden Temperaturfühler auf der y- Achse gegen die Eichtemperatur (Tadj), die dem jeweiligen Kalibrierungssubstrat zugeordnet ist, auf der x-Achse aufgetragen, wie in Fig. 5E dargestellt (Schritt 190). Die Ermittlung der Eichtemperatur (Tadj) wird nachstehend in Zusammenhang mit dem Temperaturmessprozess an Ort und Stelle und mit den nachstehenden Gl. 18b und 18c genauer beschrieben. Ein einzelner Datenpunkt, der im Allgemeinen mit 500a angegeben ist, wird auf dem jeweiligen Empfindlichkeitsdiagramm für jeden Fühler für jedes bearbeitete Kalibrierungssubstrat aufgetragen. In einem Ausführungsbeispiel, in dem drei Kalibrierungssubstrate mit veränderlichen Emissionsvermögen verwendet werden, werden drei Datenpunkte (im Allgemeinen mit 500a, 500b und 500c in Fig. 5E angegeben) auf dem Empfindlichkeitsdiagramm eingetragen. Eine den Datenpunkten auf jedem Empfindlichkeitsdiagramm zugeordnete Empfindlichkeitskurve wird dann definiert.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Empfindlichkeitskurve in einer Näherung mit gerader Linie als mit einer Steigung Sa-f gekennzeichnet (wobei der untere Index den Empfindlichkeitsfaktor des zugehörigen Fühlers 151a-151f angibt), die die Empfindlichkeit des Fühlers an diesem speziellen Ort gegen Veränderungen im Emissionsvermögen angibt (wie durch die Delta-Temperaturdaten angegeben) (Schritt 196). Alternativ können andere Näherungsschemen mit komplexeren Polynomfunktionen verwendet werden.
Die Effekte, die den Fehler in den Temperaturmessungen berücksichtigen, sind mit der Energie in Zusammenhang stehende Effekte, die einen Exponentialterm einführen. Somit sind die tatsächlichen Fehler nicht-linear. Trotzdem funktioniert die lineare Näherung an den Fehler beim Kompensieren dieser nicht-linearen Effekte sehr gut.
Natürlich kann eine weitere Optimierung des Empfindlichkeitsfaktors erhalten werden, indem die nicht- lineare Art und Weise berücksichtigt wird, in der sich das Temperatur-Delta als Funktion der eingestellten Temperatur in den Kalibrierungssubstraten ändert. In vielen Anwendungen macht jedoch das beträchtliche Niveau an Verbesserung, das aus der einfachen linearen Näherung erhalten wird, eine weitere Verfeinerung der Empfindlichkeitsmessung unnötig.
In dem Näherungsausführungsbeispiel mit gerader Linie wird die Steigung der Empfindlichkeitskurve um Eins inkrementiert, was zu einem Empfindlichkeitsfaktor (SFa-f, wobei sich der untere Index a-f auf den speziellen Fühler 151a-151f bezieht) für den gegebenen Fühlerort führt (Schritt 198). Die Empfindlichkeitsfaktoren für alle Fühlerorte (d. h. Fühler 151a-151f) können als Vektor für die Verwendung bei der Ermittlung der verfeinerten Temperaturkorrektur (Tref) für jede lokalisierte Temperaturmessung als Teil des Temperaturmessprozesses an Ort und Stelle gespeichert werden.
Man beachte, dass diese Kalibrierungsprozedur eine Kurve für &epsi;eff (&epsi;, Reff) (siehe Fig. 2) erstellt hat, welche den ersten Messfühler in dem System charakterisiert. Aus den Temperaturmessungen an Ort und Stelle, die während der Bearbeitung eines Substrats erhalten werden, ist es möglich, das tatsächliche Emissionsvermögen für dieses Substrat zu ermitteln. Indem man das tatsächliche Emissionsvermögen, die Kurve für &epsi;eff (&epsi;, Reff) kennt, kann man dann das effektive Emissionsvermögen für das Substrat und aus diesem eine korrigierte Temperatur Tkorr150 (die dem Fühler 150 zugeordnete korrigierte Temperatur, wie nachstehend in Verbindung mit Gl. 18a beschrieben) für ein gegebenes Substrat berechnen. Unter Verwendung des Empfindlichkeitsfaktors SFa-f, der als Teil der Kalibrierungsprozedur für jeden Fühlerort abgeleitet wird, kann anschließend eine verfeinerte Temperaturkorrektur für einen gegebenen lokalisierten Bereich des Substrats ermittelt werden. Die Einzelheiten der Prozedur zum Erlangen der korrigierten Temperatur sind wie folgt:

Temperaturkorrektur an Ort und Stelle

Gewöhnlich wird der Fühler mit dem höchsten effektiven Reflexionsvermögen, z. B. der erste Fühler 150, ausgewählt, um die Temperaturmessungen durchzuführen; der zweite Fühler (152) dient als Korrekturfühler.
Vor dem Beschreiben der Prozedur zum Korrigieren der Temperaturmesswerte des ersten Messfühlers, wird ein Ausdruck für das tatsächliche Emissionsvermögen des Substrats hergeleitet. Man erinnere sich, dass die effektiven Emissionsvermögen für jeden Fühler zu den entsprechenden Strahlungsintensitäten I&sub1; und I&sub2; proportional sind, wie in G1. 11 angegeben. Somit ist das Verhältnis der effektiven Emissionsvermögen gleich dem Verhältnis der entsprechenden Strahlungsintensitäten, d. h.:
&epsi;&sub1;/&epsi;&sub2; = I&sub1;/I&sub2;
Für jeden Fühler kann das effektive Emissionsvermögen als Funktion des tatsächlichen Emissionsvermögens und des entsprechenden effektiven Reflexionsvermögens (aus Gl. 6) ausgedrückt werden, d. h.:
Durch Einsetzen der Ausdrücke für die effektiven Emissionsvermögen in die obige Gleichung kann das tatsächliche Emissionsvermögen hinsichtlich der effektiven Reflexionsvermögen und der gemessenen Intensitäten wie folgt ausgedrückt werden:
Wenn dieser Ausdruck hergeleitet wurde, sind wir nun bereit, die Prozedur zum Korrigieren der Temperaturmessungen zu beschreiben.
Mit Bezug auf Fig. 6 wird am Beginn eines RTP-Durchlaufs ein Substrat in die Bearbeitungskammer eingelegt (Schritt 170) und die Temperatur lässt man eine vorbestimmte Temperatursequenz durchlaufen (welches ein Kalibrierungssubstrat oder ein anderes Nachkalibrierungssubstrat sein kann, dessen Bearbeitung erwünscht ist). Während man das Substrat die Temperatursequenz durchlaufen lässt, tasten die Fühler 150, 152 die Strahlung nahe einem lokalisierten Bereich des Substrats mit einer vorbestimmten Abtastrate (z. B. 20 Hz) ab (Schritt 172). Aus den gemessenen Temperaturen für jeden Fühler werden die entsprechenden Fühlerstrahlungsintensitäten I&sub1; und I&sub2; mit Hilfe von Gl. (10) berechnet. Dann wird das tatsächliche Substratemissionsvermögen &epsi; aus Gl. 16 unter Verwendung der vorher berechneten Werte für das effektive Reflexionsvermögen für jeden Fühler berechnet (Schritt 174). Wenn das tatsächliche Substratemissionsvermögen einmal bekannt ist, wird das effektive Emissionsvermögen &epsi;&sub1; für den Basisfühler 150 aus Gl. 15 wie folgt berechnet:
Schließlich wird eine korrigierte Temperatur (Tkorr150) aus der durch den Fühler 150 gemessenen Temperatur unter Verwendung der aus Gl. 2 und 3 abgeleiteten folgenden Gleichung berechnet (Schritt 176):
Die korrigierten Temperaturdaten Tkorr150 Sind die Summe der gemessenen Temperatur Tmess150 (gemessene Temperatur am Fühler 150) und einer Eichtemperatur (Tadj) wie folgt:
Tkorr150 = Tadj + Tmess150 (18b)
Die Eichtemperatur (Tadj) wird in drei Weisen verwendet, eine für die Kalibrierung und zwei für die Echtzeitbearbeitung von Substraten. Während des Kalibrierungsprozesses werden Eichtemperaturen für jedes des zweiten, des dritten und des vierten Kalibrierungssubstrats berechnet. Die Eichtemperaturen werden gegen die Delta-Temperaturen aufgetragen, die für jeden Temperatutfühlerort (d. h. Fühler 151a-151f) abgeleitet wurden, um den Empfindlichkeitsfaktor SFa-f für jeden Fühlerort zu ermitteln.
Während der Echtzeitbearbeitung von Substraten wird die Eichtemperatur, die dem Substrat zugeordnet ist, das bearbeitet wird, verwendet, um die Temperaturmessung des ersten Fühlers 150 gemäß Gleichung 18b zu korrigieren. Außerdem wird die Eichtemperatur durch den Empfindlichkeitsfaktor für einen speziellen Fühlerort verfeinert, um die verfeinerte korrigierte Temperatur Trefa-f (wobei der untere Index einen speziellen Fühler 151a-151f bedeutet), die einem speziellen Ort zugeordnet ist, während der Echtzeitbearbeitung eines Substrats zu ermitteln. Die Verwendung der verfeinerten korrigierten Temperaturdaten und der korrigierten Temperaturdaten wird nachstehend in Verbindung mit Fig. 12 genauer beschrieben.
In Echtzeit wird die Eichtemperatur Tadj für jeden Temperaturfühler durch Kompensieren des Empfindlichkeitsfaktors SFa-f verfeinert. Die verfeinerte Temperaturkorrektur ist als Temperatur an einem speziellen Fühlerort definiert, die eine Korrektur auf der Basis der Emissionsvermögensempfindlichkeit umfasst, die dem speziellen Fühlerort zugeordnet ist. Die verfeinerte Temperaturkorrektur Trefa-f wird für jeden Temperaturfühlerort wie folgt berechnet:
wobei Tmessa-f die gemessene Temperatur in Echtzeit ist, die den Fühlern 151a-151f zugeordnet ist.
Dieser Algorithmus wird vorzugsweise in der Software im Regler 192 (Fig. 12) implementiert, so dass die Temperaturmessungen der Fühler automatisch korrigiert werden, bevor irgendwelche Regelentscheidungen getroffen werden.
Fig. 5F ist ein vereinfachtes Ablaufdiagramm des Prozesses zum Ermitteln der verfeinerten Temperatur für irgendeinen der Fühler 151a-151f. Die korrigierten Temperaturdaten werden verwendet, um die Heizelemente zu regeln, wie nachstehend in Verbindung mit Fig. 12 genauer beschrieben wird. Die Rohtemperaturdaten werden vom Regler 192 empfangen (Schritt 240). Die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Fühler (d. h. dem Fühler 150) und dem zweiten Fühler (d. h. dem Fühler 152) wird ermittelt (Schritt 242). Das tatsächliche Waferemissionsvermögen wird wie vorstehend in Verbindung mit Gl. 16 beschrieben berechnet (Schritt 244). Das effektive Emissionsvermögen wird dann wie vorstehend in Verbindung mit Gl. 17 beschrieben ermittelt (Schritt 246). Die korrigierte Temperatur und die Eichtemperatur werden dann berechnet (Schritt 248). Schließlich wird die Eichtemperatur mit dem Empfindlichkeitsfaktor für einen gegebenen Fühler multipliziert und zur gemessenen Fühlertemperatur addiert, um die verfeinerte Temperaturmessung zu ergeben (Schritt 250).

Ein alternatives Emissionsvermögen-Korrekturverfahren

Ein alternatives und etwas einfacheres Verfahren existiert zum Kalibrieren des Systems ohne den Bedarf, einen Kalibrierungswafer zu verwenden, in den ein Thermoelement eingebettet ist. Das alternative Verfahren erfordert zwei Wafer, für die das Emissionsvermögen der Rückseite genau bekannt ist. Ein Wafer weist ein Emissionsvermögen &epsi;hi auf, das nahe Eins liegt, und der andere Wafer weist ein niedrigeres Emissionsvermögen &epsi;low auf. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Wafer mit hohem Emissionsvermögen ein Nitridwafer mit einem Emissionsvermögen von 0,94 und der Wafer mit niedrigem Emissionsvermögen ist ein Polysiliziumwafer mit einer Oxidschicht mit einem Emissionsvermögen von 0,32 auf der Rückseite des Wafers, d. h. der den Temperaturfühlern zugewandten Seite.
Wie vorher werden zwei benachbarte Temperaturfühler verwendet. Ein Fühler, der nachstehend als Fühler im kleinen Loch bezeichnet, wird, ergibt ein hohes effektives Reflexionsvermögen. Der Fühler im kleinen Loch erzeugt einen Temperaturmesswert T&sub1; und er wird verwendet, um die Temperatur des Wafers während der Bearbeitung zu messen. Eben diese Temperatur, die von diesem Fühler erzeugt wird (d. h. T&sub1;), wird korrigiert, um das Emissionsvermögen der Rückseite des Wafers zu berücksichtigen. Der andere Fühler, der nachstehend als Fühler im großen Loch bezeichnet wird, ergibt ein niedrigeres effektives Reflexionsvermögen. Der Fühler im großen Loch erzeugt einen Temperaturmesswert T&sub2; und er wird verwendet, um die Korrektur zu erzeugen, die auf die Temperatur angewendet wird, die vom Fühler im kleinen Loch gemessen wird.
Es ist erwünscht, dass die zwei Fühler nahe genug beieinander liegen, so dass sie denselben Bereich des Wafers zu etwa derselben Zeit abtasten. Wenn andererseits die Fühler zu eng liegen, wirkt sich der Fühler im großen Loch auf die Temperaturmessung des Fühlers im kleinen Loch für Wafer mit niedrigem Emissionsvermögen aus. Dies kann zu einer Temperaturungleichmäßigkeit an den Wafern mit niedrigem Emissionsvermögen führen.
Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel befinden sich die zwei Fühler in demselben Radius von der Wafermitte und sind um etwa 0,85 Inch getrennt. Der Fühler im kleinen Loch weist eine Gestalt auf, die für alle der anderen Messfühler in der Reflexionsplatte verwendet wird. Für die Zwecke des folgenden Beispiels verwendet der Fühler im kleinen Loch einen Lichtleiter, der einen Durchmesser von etwa 0,080 Inch aufweist, der in einem Loch mit einem Durchmesser von 0,085 Inch in der Reflexionsplatte angeordnet ist, und dessen oberstes Ende mit der Oberfläche der Reflexionsplatte bündig ist. Der Fühler im großen Loch verwendet auch einen Lichtleiter mit einem Durchmesser von 0,080 Inch, dessen oberstes Ende mit der Oberfläche der Reflexionsplatte bündig ist, der jedoch innerhalb eines größeren Lochs (d. h. 0,37 Inch) in der Reflexionsplatte angeordnet ist. Der Zweck des größeren Lochs besteht darin, ein niedrigeres effektives Fühleremissionsvermögen (oder äquivalent ein niedrigeres effektives Reflexionsvermögen für den Reflexionshohlraum) für den Fühler im großen Loch im Vergleich zum Fühler im kleinen Loch zu erzeugen. Somit ergeben die zwei Fühler messbar unterschiedliche Temperaturen. Die Differenz der gemessenen Temperatur unter Verwendung dieser zwei Fühler beträgt beispielsweise etwa 40-50ºC für einen Wafer mit einem Rückseitenemissionsvermögen von 0,34 und einer tatsächlichen Temperatur von 1000ºC.
Wie vorher angegeben, ist es erwünscht, einen großen Unterschied in den effektiven Reflexionsvermögen des Reflexionshohlraums für die zwei Fühler zu erzeugen, um den Rauschabstand der Differenztemperaturmessungen zu erhöhen. Somit sollte beachtet werden, dass die spezielle Weise, in der dies beim beschriebenen Ausführungsbeispiel bewerkstelligt wird, nur als Erläuterung für eine der vielen verschiedenen Weisen zum Erreichen dieses Ziels gemeint ist.
Wie vorher bemerkt, steht die Energie I, die von einem schwarzen Körper emittiert wird, mit der Temperatur T durch das Plancksche Gesetz in Beziehung:
Da T in ºC gemessen wird, wird in diesem Fall 273 zur Temperatur addiert, um die äquivalente Kelvin-Temperatur, wie in Gl. 19 erforderlich, zu erzeugen. Durch Umstellen der Variablen kann eine Gleichung für die Temperatur als Funktion der gemessenen Energie IE hergeleitet werden:
Mit anderen Worten, mit dieser Gleichung kann die Temperatur eines schwarzen Körpers berechnet werden, indem die Menge an Energie, die von dem Gegenstand emittiert wird, bekannt ist.

Kalibrierung zum Ableiten von Tkorr

Das Verfahren zum Erzeugen eines Korrekturfaktors für den Temperaturmesswert des Fühlers im kleinen Loch ist in Fig. 7 dargestellt. Das Verfahren wird nun im einzelnen mit Bezug auf die in Fig. 7 gezeigten Schritte beschrieben.
Anfänglich wird der Wafer mit hohem Emissionsvermögen in der Kammer auf TProzess erhitzt, die unter Verwendung des Fühlers im kleinen Loch gemessen wird, und die zwei Fühler werden kalibriert, um denselben Temperaturmesswert zu erzeugen (Schritt 210). Obwohl sich die tatsächlichen Temperaturmesswerte der zwei Fühler vor der Kalibrierung unterscheiden, ist das Ausmaß, um das sie sich unterscheiden, klein, wenn die Wafer mit hohem Emissionsvermögen verwendet werden.
Um zwei Messungen festzulegen, die für die Kalibrierung des Fühlers im kleinen Loch erforderlich sind, wird der Wafer mit niedrigem Emissionsvermögen dann auf die Temperatur TProzess erhitzt. Um die Prozesstemperatur des Substrats zu ermitteln, wird wieder angenommen, dass der Fühler im kleinen Loch die Wafertemperatur des Wafers mit niedrigem Emissionsvermögen genau misst. Man beachte, dass dies eine Annahme ist, die sich als annehmbar erweist, wie nachstehend ersichtlich wird. Während sich der Wafer auf TProzess befindet, wird seine Temperatur unter Verwendung sowohl des Fühlers im großen Loch als auch des Fühlers im kleinen Loch gemessen (Schritt 212). Der Fühler im großen Loch erzeugt eine gemessene Temperatur T&sub2; = Tgroß und der Fühler im kleinen Loch erzeugt eine gemessene Temperatur T&sub1; = Tklein. Eine Delta-Temperatur δT(&epsi;low, Tprozess) wird als Differenz zwischen diesen zwei Messwerten definiert, d. h.
δT(&epsi;low, TProzess) = T&sub1; - T&sub2;.
Als nächstes wird die tatsächliche Empfindlichkeit des Fühlers im kleinen Loch gegen Unterschiede des Waferemissionsvermögens durch Durchführen einer Implantationsausheilung an jedem der Wafer (d. h. dem Wafer mit niedrigem Emissionsvermögen und dem Wafer mit hohem Emissionsvermögen) unter Verwendung der gemessenen Temperaturmesswerte, die vom Fühler im kleinen Loch erzeugt werden, als tatsächliche Temperatur ermittelt. Mit anderen Worten, die vom Fühler im kleinen Loch erzeugten Temperaturmesswerte werden als korrekte Temperaturmesswerte angenommen, trotz der Tatsache, dass sie geringfügig falsch sind. Wie gut bekannt ist, hängt jedoch der spezifische Schichtwiderstand der implantierten Schicht entscheidend von der Zeit und der tatsächlichen Temperatur der Implantationsausheilung ab. Ferner ist diese Abhängigkeit genau bekannt. Durch Messen der spezifischen Widerstände der Schicht auf jedem der zwei Wafer, von denen jeder bei einer anderen Prozesstemperatur für dieselbe Menge an Zeit ausgeheilt wurde, ist es somit möglich, genau zu ermitteln, welche die tatsächliche Differenz zwischen den zwei Prozesstemperaturen war.
Wenn der Fühler im kleinen Loch Temperaturmesswerte erzeugt, die für sowohl den Wafer mit niedrigem Emissionsvermögen als auch den Wafer mit hohem Emissionsvermögen gleich sind, ist die tatsächliche Temperatur des Wafers mit niedrigem Emissionsvermögen in der Realität geringfügig höher als die tatsächliche Temperatur des Wafers mit hohem Emissionsvermögen. Dies liegt daran, dass bei einer gegebenen tatsächlichen Wafertemperatur der Wafer mit niedrigem Emissionsvermögen bei der gleichen Temperatur weniger Energie emittiert als der Wafer mit hohem Emissionsvermögen. Um zu bewirken, dass die vom Wafer mit niedrigem Emissionsvermögen emittierte Energie gleich der vom Wafer mit hohem Emissionsvermögen emittierten Energie ist, muss folglich seine tatsächliche Temperatur geringfügig höher sein als die tatsächliche Temperatur des Wafers mit hohem Emissionsvermögen.
Um die Differenz zwischen den zwei tatsächlichen Waferprozesstemperaturen zu ermitteln, wird eine Implantationsausheilung an dem Wafer mit hohem Emissionsvermögen unter Verwendung des Fühlers im kleinen Loch zum Überwachen der Prozesstemperatur durchgeführt. Eine zweite Implantationsausheilung wird an dem Wafer mit niedrigem Emissionsvermögen wieder unter Verwendung des Fühlers im kleinen Loch zum Überwachen der Prozesstemperatur durchgeführt. Dann werden die spezifischen Schichtwiderstände von jedem der Wafer gemessen und unter Verwendung von gut bekannten Umwandlungstabellen für die spezielle Ausheilung, die durchgeführt wurde, kann die Differenz der tatsächlichen Prozesstemperaturen der zwei Wafer genau ermittelt werden. Das Ergebnis wird als Terrlow bezeichnet (Schritt 214).
Alternativ zur Durchführung einer Implantationsausheilung kann eine Oxidschicht auf den zwei Wafern gezüchtet werden und dann kann die Differenz der Oxiddicke ermittelt werden. Die Differenz der Oxiddicken kann dann unter Verwendung von gut bekannten Tabellen in ein genaues Maß für die Differenz der tatsächlichen Prozesstemperaturen, die die zwei Oxiddicken erzeugt haben, umgewandelt werden.
Durch schematische Darstellung des tatsächlichen Temperaturfehlers Terrorlow des Fühlers im kleinen Loch als lineare Funktion von δT(&epsi;, T) wird dann ein Korrekturfaktor Kkorr wie folgt berechnet (Schritt 216)
Für das vorliegende Beispiel ist Kkorr gleich 1,246.

Temperaturkorrektur an Ort und Stelle

Eine korrigierte Temperatur Tkorr wird aus den Temperaturmessungen des Fühlers im kleinen Loch und des Fühlers im großen Loch, wie in dem Ablaufplan von Fig. 11 gezeigt, erzeugt. Die Wafertemperatur wird unter Verwendung von sowohl dem Fühler im kleinen Loch (Schritt 230) als auch dem Fühler im großen Loch (Schritt 232) gemessen, um T&sub1; bzw. T&sub2; zu erhalten. Die Differenz der gemessenen Temperaturen (d. h. T&sub1; - T&sub2;) wird berechnet (Schritt 234) und mit Kkorr multipliziert (Schritt 236), um den Korrekturterm zu erlangen, der dann zu T&sub1; addiert wird, um die korrigierte Temperatur zu erlangen (Schritt 238). Mit anderen Worten
Tkorr = T&sub1; + Kkorr·δT(&epsi;, T) (22)
Die Prinzipien hinter diesem Verfahren und die resultierende Verbesserung der Genauigkeit der Temperaturmessung wird nun beschrieben.
Im Wesentlichen legt die Messung der Empfindlichkeit des Fühlers im kleinen Loch fest, welche Kurve des effektiven Emissionsvermögens (siehe Gl. 15) den Fühler im kleinen Loch beschreibt bzw. für diesen gilt. Dies kann wie folgt gesehen werden. Bei der Durchführung der Implantationsausheilung am Wafer mit niedrigem Emissionsvermögen, während der Fühler im kleinen Loch als Überwachungsvorrichtung für die Prozesstemperatur verwendet wird, wird angenommen, dass das Emissionsvermögen des Wafers Eins ist. Mit dieser Annahme ist die vom Wafer emittierte Energie gleich der Energie, die von einem idealen schwarzen Körper bei Tprozess emittiert wird, d. h. I(TProzess, λ). Die vorherige Ermittlung von Terrlow gibt jedoch an, dass die tatsächliche Temperatur des Wafers höher ist, nämlich TProzess + Terrlow. Somit kann die Energie, die von Wafer emittiert wird, auch als gleich dem effektiven Emissionsvermögen für den Wafer mit niedrigem Emissionsvermögen (d. h. &epsi;eff,low) mal der Energie, die von einem schwarzen Körper bei dieser höheren Temperatur emittiert werden würde (d. h. I(TProzess + Terrlow, λ)), ausgedrückt werden. Mit anderen Worten
&epsi;eff,low·I(TProzess + Terror, λ) = I(Tprozess, λ) (23)
Dies kann folgendermaßen umgeschrieben werden, um eine Gleichung zum Berechnen von &epsi;eff,low zu erhalten:
Für das beschriebene Ausführungsbeispiel wird &epsi;eff,low als 0,855 berechnet. Dann wird unter Verwendung von Gl. 17 das effektive Reflexionsvermögen für den Fühler im kleinen Loch, Reffklein, aus dem effektiven und dem tatsächlichen Emissionsvermögen des Wafers mit niedrigem Emissionsvermögen wie folgt berechnet:
In diesem Beispiel ist Reffklein gleich 0,92.
Indem Reffklein bekannt ist, und unter Verwendung von Gl. 15 können wir das scheinbare Emissionsvermögen für den Fühler im kleinen Loch als Funktion des tatsächlichen Waferemissionsvermögens auftragen. Dieses Diagramm ist als obere Kurve in Fig. 8 dargestellt.
Die zwei Temperaturmessungen, die für den Wafer mit hohem Emissionsvermögen erhalten wurden, nämlich Tgroß und Tklein, ermöglichen uns, die Kurve des effektiven Emissionsvermögens des Fühlers im großen Loch in ähnlicher Weise zu ermitteln. Für den Fühler im großen Loch ist bekannt, dass die gemessene emittierte Energie I(Tgroß, λ) gleich der von einem schwarzen Körper bei einer gewissen höheren Temperatur Ttatsächlich emittierten Energie mal dem effektiven Emissionsvermögen des Fühlers im großen Loch, &epsi;effgroß, ist. Ebenso ist für den Fühler im kleinen Loch bekannt, dass die gemessene emittierte Energie I(Tklein, λ) gleich der von einem schwarzen Körper bei der höheren Temperatur Ttatsächlich emittierten Energie mal dem effektiven Emissionsvermögen des Fühlers im kleinen Loch, &epsi;effklein, ist. Somit kann der folgende Ausdruck geschrieben werden:
Dies kann wiederum als:
umgeschrieben und verallgemeinert werden. Da das effektive Reflexionsvermögen des Fühlers im kleinen Loch nicht bekannt ist (siehe vorstehend), kann &epsi;effklein aus der folgenden Beziehung berechnet werden:
wobei &epsi;a das scheinbare Emissionsvermögen ist und Reff das effektive Reflexionsvermögen ist. Unter Verwendung des vorher berechneten Werts für Reffklein und des tatsächlichen Emissionsvermögens für den Wafer mit hohem Emissionsvermögen (d. h. 0,94) kann ein Wert für &epsi;effklein berechnet werden:
Das Einsetzen des Werts für &epsi;effklein in Gl. 27 ergibt einen Wert für &epsi;effgroß. Im vorliegenden Beispiel beträgt der berechnete Wert 0,749.
Unter Verwendung von Gl. 17 kann auch ein Wert für das effektive Reflexionsvermögen für den Fühler im großen Loch, d. h. Reffgroß, berechnet werden. Im vorliegenden Beispiel ist Reffgroß gleich 0,842.
Dass Reffgroß bekannt ist, ermöglicht uns, das scheinbare Emissionsvermögen für den Fühler im großen Loch aufzutragen. Dieses Diagramm ist die untere Kurve in Fig. 8. Man beachte, dass es für Zwecke des Kalibrierungsschemas erwünscht ist, dass die zwei Kurven (d. h. die Kurven des scheinbaren Emissionsvermögens für den Fühler im kleinen Loch und den Fühler im großen Loch) um ein großes Ausmaß getrennt sind, um den Rauschabstand der Kalibrierung zu erhöhen.
Wenn keine Korrektur an der vom Fühler im kleinen Loch während eines Prozessdurchlaufs gemessenen Temperatur vorgenommen wird, ist der Temperaturfehler Terrnocorr gleich:
Terrnocorr = T - Tc(IE) (30)
wobei
IE = &epsi;a(&epsi;, Reffklein)·I(T, λ) (31)
Das Einsetzen dieses Ausdrucks in Gl. 28 ergibt:
Terrnocorr = T - TC(&epsi;a(&epsi;, Reffklein)·I(T, λ)) (32)
Ein Diagramm dieser Funktion ist in Fig. 9 dargestellt (siehe obere, durchgezogene Kurve), welches den Fehler zeigt, der in die unkorrigierte Temperaturmessung unter Verwendung des Fühlers im kleinen Loch eingeführt wird, welcher mit abnehmendem Substratemissionsvermögen signifikant zunimmt.
Unter Verwendung von Gl. 20 kann die Differenz der Temperaturen, die durch den Fühler im großen Loch und den Fühler im kleinen Loch gemessen werden, d. h. δT(&epsi;, T), wie folgt berechnet werden:
δT(&epsi;, T) = Tc(&epsi;a(&epsi;, Reffklein)·I(T, λ)) - Tc(&epsi;a(&epsi;, Reffgroß)·I(T, λ) (33)
Die untere punktierte Kurve in Fig. 9 stellt die verbesserte Genauigkeit der korrigierten Temperaturmessung als Funktion des Waferrückseiten-Emissionsvermögens dar. Man beachte, dass über einen Bereich von Emissionsvermögen von 0,3 bis 1,0 der Fehler geringer als etwa 1ºC ist. Mit anderen Worten, der korrigierte Temperaturmesswert aus der Verwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens wird wesentlich verbessert und die Empfindlichkeit des korrigierten Temperaturmesswerts gegen Schwankungen des Emissionsvermögens von einem Wafer zum nächsten wird im Vergleich zum unkorrigierten Temperaturmesswert stark verringert.
Es ist aus Fig. 9 ersichtlich, dass die lineare Näherung einen Korrekturfaktor erzeugt hat, der den tatsächlichen Messfehler leicht überkompensiert hat. Eine Möglichkeit zum weiteren Optimieren des Korrekturfaktors besteht darin, einfach einen kleineren Faktor, z. B. 0,9 Kkorr, zu verwenden. Wenn der Korrekturfaktor in dieser Weise skaliert wird, nähert sich die resultierende Kurve enger einem Fehler von Null über einen größeren Teil des Emissionsvermögensbereichs (siehe gestrichelte Kurve in Fig. 9).
Die Effekte, die den Fehler bei der Temperaturmessung mit dem Fühler im kleinen Loch berücksichtigen, sind mit der Energie in Zusammenhang stehende Effekte, die einen Exponentialterm einführen. Somit sind die tatsächlichen Fehler nicht-linear. Trotzdem funktioniert die lineare Näherung an den Fehler bei der Kompensation dieser nicht- linearen Effekte sehr gut.
Natürlich kann eine weitere Optimierung des Korrekturfaktors durch Berücksichtigen der nicht-linearen Weise, in der sich der Korrekturfaktor als Funktion der Temperaturdifferenz zwischen den zwei Fühlern ändert, erhalten werden. In vielen Anwendungen macht jedoch das beträchtliche Niveau an Verbesserung, das aus der einfachen linearen Näherung erhalten wird, eine weitere Verfeinerung der korrigierten Temperaturmessung unnötig.
Um die Genauigkeit der Gleichung für δT(&epsi;, T) (d. h. Gl. 33) zu bewerten, wurden die berechneten Werte mit tatsächlichen experimentellen Daten für die Temperaturdifferenz zwischen den zwei Fühlern verglichen. Dieser Vergleich ist in Fig. 10 dargestellt. Die obere Kurve gilt für einen Wafer mit einem Emissionsvermögen von 0,32, die mittlere Kurve gilt für einen Wafer mit einem Emissionsvermögen von 0,67 und die untere Kurve gilt für einen Wafer mit einem Emissionsvermögen von 0,82. Die experimentellen Daten sind als "x" und "+" in dem Kurvenbild dargestellt. Um die experimentellen Daten zu erhalten, wurde ein Wafer in die Kammer gelegt und die Temperatur wurde linear auf bis zu 1000ºC erhöht. Bei jedem Schritt von 100ºC nach 500ºC lässt man die Temperatur sich für etwa 10 Sekunden stabilisieren, und dann wurde ein Temperaturmesswert für jeden der Fühler aufgezeichnet. Die Differenz zwischen diesen zwei Messwerten entspricht δT(&epsi;, T). Die Streuung der Daten, die bei jeder Temperatur erfasst wurden, liegt am Rauschen in den Messungen. Fig. 10 zeigt, dass die experimentellen Daten die Genauigkeit des Modells bestätigen.
Es sollte selbstverständlich sein, dass andere Verfahren verwendet werden können, um das effektive Reflexionsvermögen, das dem zweiten Fühler zugeordnet ist, zu verringern. Die zwei vorstehend beschriebenen Verfahren beinhalteten das Anheben des Fühlers über die Oberfläche der Reflexionsplatte oder das Vergrößern des Lochs um den Fühler. Andere Verfahren umfassen beispielsweise: (1) Verringern des Reflexionsvermögens der Reflexionsplatte um den Fühler durch Ausbilden eines Absorptionsrings um den Fühler (z. B. eines Bereichs, der mit Siliziumnitrid bedeckt ist); (2) Verringern des Reflexionsvermögens der Reflexionsplatte über die Bandbreite des optischen Pyrometers um den Fühler; oder (3) Verringern des Blickwinkels des Fühlers durch Einschließen einer Blende am Faserausgang.
Wenn ein verringerter Blickwinkel für den zweiten Fühler verwendet wird, kann die Größe des Lochs verringert werden, während dennoch eine Differenz der unter Verwendung der zwei Fühler gemessenen Temperaturen von etwa 40ºC erzielt wird. Somit können wir unter Verwendung dieser Methode die Auswirkung, die der zweite Fühler auf die Temperaturmessung des ersten Fühlers erzeugt, minimieren und dies ermöglicht uns, die Fühler näher zusammen zu bewegen.
Es sollte beachtet werden, dass eine Alternative zur Durchführung der vorstehend beschriebenen Korrekturverfahren das Umkonstruieren der Kammer ist, um die obere Linie in Fig. 8 höher, d. h. näher zu Eins zu bringen. Aber dies ist eine viel schwierigere Aufgabe als einfach das Korrigieren des Fehlers, wie vorstehend beschrieben.

Zusätzliche Einzelheiten über das RTP-System

Wie vorstehend angegeben, kann das beschriebene Ausführungsbeispiel acht Messfühler (d. h. Fühler 150, 151a- 151f und 152), die über den Reflektor verteilt sind, verwenden, um die Temperatur an verschiedenen Radien des Substrats zu messen, wie in Fig. 3C gezeigt. Während der Wärmebearbeitung wird die Trägerstruktur 108 mit etwa 90 U/min gedreht. Somit tastet jeder Fühler eigentlich das Temperaturprofil einer entsprechenden Ringfläche auf dem Substrat ab. Die jedem Fühler 151a-151f zugeordneten Temperaturangaben werden gemäß der individuellen Empfindlichkeit gegen Schwankungen im Emissionsvermögen, das dem Fühlerort zugeordnet ist, korrigiert, wie vorstehend in Verbindung mit dem Messverfahren an Ort und Stelle beschrieben.
Die Trägerstruktur, die das Substrat dreht, umfasst einen Trägerring 134, der das Substrat um den äußeren Umfang des Substrats berührt, wodurch die gesamte Unterseite des Substrats freigelassen wird, abgesehen von einem kleinen ringförmigen Bereich um den äußeren Umfang. Der Trägerring 134 weist eine radiale Breite von ungefähr einem Inch (2,5 cm) auf. Um die thermischen Unstetigkeiten, die an der Kante des Substrats 106 während der Bearbeitung auftreten, zu minimieren, besteht der Trägerring 134 aus demselben oder einem ähnlichen Material wie das Substrat, z. B. Silizium oder Siliziumcarbid.
Der Trägerring 134 liegt auf einem drehbaren röhrenförmigen Quarzzylinder 136, der mit Silizium beschichtet ist, um ihn im Frequenzbereich der Pyrometer undurchlässig zu machen. Die Siliziumbeschichtung auf dem Quarzzylinder wirkt als Leitwand, um Strahlung von externen Quellen, die die Intensitätsmessungen verunreinigen könnte, zu sperren. Die Unterseite des Quarzzylinders wird von einem ringförmigen oberen Lagerlaufring 141 gehalten, der auf einer Vielzahl von Kugellagern 137 liegt, die wiederum innerhalb eines stationären, ringförmigen, unteren Lagerlaufrings 139 gehalten werden. Die Kugellager 137 bestehen aus Stahl und sind mit Siliziumnitrid beschichtet, um eine Teilchenbildung während des Betriebs zu verringern. Der obere Lagerlaufring 141 ist mit einem Stellglied (nicht dargestellt), das den Zylinder 136, den Schutzring 134 und das Substrat 106 mit etwa 90 U/min während der Wärmebearbeitung dreht, magnetisch gekoppelt.
Mit Bezug auf Fig. 3B ist der Trägerring 134 dazu ausgelegt, eine lichtdichte Abdichtung mit dem Quarzzylinder 136 zu erzeugen. Von der unteren Oberfläche des Trägerrings 134 erstreckt sich ein zylindrisch geformter Rand 134a, der einen Außendurchmesser aufweist, der geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des Quarzzylinders, so dass er in den Zylinder passt, wie gezeigt, und eine Lichtabdichtung bildet. Im inneren Bereich des Trägerrings befindet sich ein Sims 134b zum Abstützen des Substrats 106. Der Sims 134b ist ein Bereich um den inneren Umfang des Trägerrings, der niedriger ist als der Rest des Trägerrings.
Ein Spülring 145, der in den Kammerkörper eingefügt ist, umgibt den Quarzzylinder. Der Spülring 145 weist einen inneren ringförmigen Hohlraum 147 auf, der sich zu einem Bereich über dem oberen Lagerlaufring 141 aufweitet. Der innere Hohlraum 147 ist über einen Durchgang 147 mit einer Gasversorgung (nicht dargestellt) verbunden. Während der Bearbeitung lässt man ein Spülgas über den Spülring 145 in die Kammer strömen.
Der Trägerring 134 weist einen äußeren Radius auf, der größer ist als der Radius des Quarzzylinders, so dass er sich über den Quarzzylinder hinauserstreckt. Die ringförmige Ausdehnung des Trägerrings über den Zylinder 136 hinaus in Zusammenwirkung mit dem Spülring 145, der sich unter diesem befindet, wirkt als Leitwand, die verhindert, dass Streulicht in den Reflexionshohlraum an der Rückseite des Substrats eintritt. Um die Möglichkeit der Streulichtreflexion in den Reflexionshohlraum weiter zu verringern, können der Trägerring 134 und der Spülring 145 auch mit einem Material beschichtet sein, das die vom Heizelement 110 erzeugte Strahlung absorbiert (z. B. ein schwarzes oder graues Material).
Wie vorstehend angegeben, bestehen die Lichtleiter 126 aus Saphir. Saphir-Lichtleiter sind im Allgemeinen bevorzugt, da sie relativ kleine Streukoeffizienten aufweisen und sie gewöhnlich eine größere Querlichtunterdrückung aufweisen, somit stellen sie eine größere Messlokalisierung bereit. Die Lichtleiter können jedoch aus einem beliebigen geeigneten wärmebeständigen und korrosionsbeständigen Material, z. B. Quarz, bestehen, welches die abgetastete Strahlung zum Pyrometer übertragen kann. Geeignete Quarzfaser-Lichtleiter, Saphirkristall-Lichtleiter und Lichtleiter/Kanal-Koppler können von der Luxtron Corporation-Accufiber Division, 2775 Northwestern Parkway, Santa Clara, CA 95051-0903, erhalten werden. Alternativ könnte das Strahlungsabtastsystem ein optisches System sein, das eine Objektivlinse mit kleinem Radius, die im Reflektor 102 montiert ist, und ein System von Spiegeln und Linsen, das von der Linse gesammelte Strahlung zum Pyrometer überträgt, umfasst. Ein solches Schema kann weniger teuer sein als Saphir-Lichtleiter, wenn geeignete optische Standardelemente gefunden werden können.
Alternativ können die Lichtleiter auch aus einer Röhre mit einer hochpolierten inneren Reflexionsfläche bestehen.
Ein geeignetes Heizelement 110 ist im US-Patent Nr. 5 155 336 offenbart, das durch den Hinweis hierin aufgenommen wird. Dieses Heizelement verwendet 187 Lichtleiter zum Liefern von stark kollimierter Strahlung von Wolframhalogenlampen zur Bearbeitungskammer 100. Die Lampen sind in zwölf Zonen unterteilt, die in radialsymmetrischer Weise angeordnet sind. Die Zonen können einzeln eingestellt werden, um zu ermöglichen, dass die Strahlungsheizung von verschiedenen Bereichen des Substrats 106 geregelt wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3A umfasst der Sockel 116 einen Zirkulationskreislauf 146, durch den ein Kühlmittel zirkuliert, durch das der Reflektor und die Reflexionsfläche gekühlt werden. Wasser, das sich typischerweise auf etwa 23ºC befindet, lässt man durch den Sockel 116 zirkulieren, um die Temperatur des Reflektors gut unterhalb jener des erhitzen Substrats zu halten (z. B. 100ºC oder weniger). Es ist wichtig, den Reflektor während der RTP zu kühlen, um jegliche mögliche chemische Aktivität, die auf seiner Oberfläche 120 auftreten könnte, zu verhindern. Wenn man den Reflektor sich aufheizen läßt, erhöht dies gewöhnlich die Oberflächenoxidation, die das Reflexionsvermögen der Reflexionsschicht ernsthaft verschlechtern könnte. Das Erreichen einer Verstärkung des effektiven Emissionsvermögens hängt davon ab, dass eine stark reflektierende Oberfläche vorhanden ist und aufrechterhalten wird. Wenn sich die Reflektoranordnung aufheizt, wird sie außerdem zu einer Strahlungsquelle, die das abgetastete Signal verunreinigt.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel weist das Pyrometer 128 eine schmale Bandbreite (z. B. etwa 40 nm) auf, die sich bei etwa 950 nm befindet. Es kann auch erwünscht sein, die Rückseite des Quarzfensters 114 mit einem inerten Material zu beschichten, das für Wärmestrahlung in allen außer diesem schmalen Band von Wellenlängen durchlässig ist, wodurch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass die Wärmequelle Streustrahlung in den Reflexionshohlraum einführt.
Im Allgemeinen ist es in einem System zum Bearbeiten von Siliziumsubstraten erwünscht, ein Pyrometer zu verwenden, das lange Strahlungswellenlängen erfasst (z. B. Wellenlängen, die größer sind als etwa 3,5 bis 4 um). Diese Methode eignet sich jedoch am besten für Temperaturen oberhalb 700ºC. Bei Raumtemperatur ist ein Siliziumwafer für Lichtwellenlängen, die länger sind als 1,0 um, durchlässig. Wenn die Temperatur des Substrats zunimmt, wird das Substrat für die längeren Wellenlängen undurchlässig, bis bei etwa 700ºC das Substrat für alle interessierenden Wellenlängen undurchlässig wird. Bei Temperaturen unterhalb 700ºC erfasst folglich ein gegen lange Wellenlängen empfindliches Pyrometer leichter auch Licht, das direkt von der Wärmequelle stammt. Kurz gesagt, sollte die vom Pyrometer abgetastete Wellenlänge die Prozesstemperatur berücksichtigen. Wenn die Prozesstemperatur wesentlich unterhalb 700ºC liegt, dann sollte das Pyrometer Wellenlängen abtasten, die kürzer sind als 1,1 um. Wenn höhere Prozesstemperaturen verwendet werden, dann können längere Wellenlängen abgetastet werden.
Es sollte auch beachtet werden, dass bei sehr niedrigen Prozesstemperaturen (z. B. 600ºK (327ºC)) nur eine kleine Menge der spektralen Strahlung des schwarzen Körpers bei Wellenlängen erzeugt wird, die kürzer sind als 1,1 um.
Folglich wird es bei Temperaturen unterhalb 600ºK ziemlich schwierig, einen zufriedenstellenden Rauschabstand zu erhalten.
Bei einer Konstruktion, die für Prozesstemperaturen zwischen 900ºC und 1350ºC besonders geeignet ist, wird ein Halbleiterpyrometer verwendet, das für Strahlung bei Wellenlängen zwischen 0,9 um und 1,0 um empfindlich ist (z. B. ein 900-LP-6.35C Sensor, kombiniert mit einem 100- S8MS-B-8CV Elektronikkasten, die beide von Luxtron Corporation-Accufiber Division erhältlich sind). In diesem Temperaturbereich wird eine wesentliche Menge an Strahlung im Wellenlängenbereich von 0,9-1,0 um erzeugt, was hohe Signalstärken und hohe Rauschabstände bereitstellt.
Fig. 12 zeigt eine Regelschleife zum Erhitzen des Substrats auf die gewünschte Temperatur. Sie verwendet das abgetastete Ausgangssignal von einer Vielzahl von Temperaturfühlern 190 (d. h. Pyrometern und Lichtleitern). Das Heizelement 110 umfasst 187 Wolframhalogenlampen, die in radialen Zonen angeordnet sind. Jede Zone von Lampen wird separat von einem Mehrzonen-Lampentreiber 194 gespeist, der wiederum durch einen Regler 192 mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen geregelt wird. Da sich das Substrat mit etwa 90 U/min dreht und Temperaturmessungen an verschiedenen radialen Stellen auf der Rückseite des Substrats 106 durchgeführt werden, erzeugt jeder Temperaturfühler eine mittlere Temperatur über einen anderen ringförmigen Bereich des Substrats. Die ringförmigen Bereiche stimmen mit den radialen Zonen der Heizlampe überein. Der Regler 192 empfängt die Temperaturmessungen, die von den Temperaturfühlern 190 erzeugt werden, korrigiert die Temperaturen (Trefx) auf der Basis des vorstehend beschriebenen verfeinerten Temperaturkorrekturalgorithmus und stellt den Leistungspegel der Heizlampen ein, um eine Substrattemperatur zu erreichen, wie durch ein vordefiniertes Temperaturzyklusprofil 196, das zum Regler 192 geliefert wird, festgelegt. Während des gesamten Prozesszyklus stellt der Regler automatisch die Leistungspegel ein, die zu den verschiedenen Lampenzonen geliefert werden, so dass jegliche Temperaturabweichungen vom gewünschten Temperaturprofil korrigiert werden.
Weitere Ausführungsbeispiele liegen innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche.

Claims

1. Verfahren zum Korrigieren eines Temperaturfühler- Messwerts in einer Wärmebearbeitungskammer zum Erhitzen eines Substrats (106), wobei das Verfahren umfasst:

Ausbilden eines Reflexionshohlraums (24) auf einer Seite des Substrats;

Erhitzen des Substrats auf eine Prozesstemperatur;

Verwenden eines ersten Fühlers (150), eines zweiten Fühlers (152) und zumindest eines dritten Fühlers (151a) zum Abtasten der Energie vom Reflexionshohlraum, wobei dem ersten und dem dritten Fühler ein erstes effektives Reflexionsvermögen zugeordnet ist und dem zweiten Fühler ein zweites effektives Reflexionsvermögen zugeordnet ist, wobei die abgetastete Energie vom ersten Fühler(150) eine erste Temperaturangabe erzeugt, die abgetastete Energie vom zweiten Fühler (152) eine zweite Temperaturangabe erzeugt und die abgetastete Energie vom dritten Fühler (151a) eine dritte Temperaturangabe erzeugt, und wobei das erste und das zweite effektive Reflexionsvermögen unterschiedlich sind;

Ableiten eines korrigierten Temperaturmesswerts für den ersten Fühler aus der ersten und der zweiten Temperaturangabe, wobei der korrigierte Temperaturmesswert die Summe der ersten Temperaturangabe und einer Eichtemperatur ist, wobei die Eichtemperatur von einer Differenz zwischen der ersten und der zweiten Temperaturangabe abgeleitet wird, wobei der korrigierte Temperaturmesswert für den ersten Fühler (150) eine genauere Angabe einer tatsächlichen Temperatur des Substrats in der Umgebung des ersten Fühlers ist als unkorrigierte Messwerte, die vom ersten und vom zweiten Fühler erzeugt werden; und

Ableiten eines korrigierten Temperaturmesswerts für den dritten Fühler aus der Eichtemperatur und der dritten Temperaturangabe, wobei der korrigierte Temperaturmesswert für den dritten Fühler (151a) eine genauere Angabe einer tatsächlichen Temperatur des Substrats in der Umgebung des dritten Fühlers ist als unkorrigierte Messwerte, die vom dritten Fühler erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner die Verwendung eines ersten kontaktlosen Fühlers für den ersten Fühler (150), die Verwendung eines zweiten kontaktlosen Fühlers für den zweiten Fühler (152) und die Verwendung eines dritten kontaktlosen Fühlers für den dritten Fühler (151a) umfasst.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Temperaturmessungen, die unter Verwendung des ersten, des zweiten und des dritten Fühlers (150, 152, 151a) durchgeführt werden, zeitlich dicht durchgeführt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Temperaturmessungen, die unter Verwendung des ersten, des zweiten und des dritten Fühlers (150, 152, 151a) durdhgeführt werden, gleichzeitig durchgeführt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der korrigierte Temperaturmesswert für den dritten Fühler (151a) die Summe des Produkts der Eichtemperatur, multipliziert mit einem Empfindlichkeitsfaktor für den dritten Fühler, und der dritten Temperaturangabe ist.

6. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Ableitungsschritt für den dritten Fühler (151a) die Berechnung eines Empfindlichkeitsfaktors für den Ort des dritten Fühlers umfasst und wobei das Produkt des Empfindlichkeitsfaktors und der Eichtemperatur, die für den ersten Fühler abgeleitet wird, mit der dritten Temperaturangabe summiert wird, um den korrigierten Temperaturmesswert für den dritten Fühler zu ergeben.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Empfindlichkeitsfaktor durch Ermitteln der Temperaturabweichung von einer mittleren Temperatur, die für eine Vielzahl von Kalibrierungssubstraten mit vorbestimmten Emissionsvermögenspegeln angewendet wird, berechnet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Vielzahl von Kalibrierungssubstraten zumindest ein Substrat mit einem hohen Emissionsvermögenspegel, zumindest eines mit einem niedrigen Emissionsvermögenspegel und zumindest eines mit einem Emissionsvermögenspegel zwischen dem hohen und dem niedrigen Pegel umfasst.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Empfindlichkeitsfaktor für den dritten Fühler (151a) durch eine Näherung einer Empfindlichkeitskurve mit gerader Linie, die den korrigierten Temperaturdaten zugeordnet ist, die für den ersten Fühler und die lokalisierte Temperaturabweichung von der mittleren Temperatur abgeleitet werden, welche für die Kalibrierungssubstrate angewendet wird, ermittelt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner die Verwendung von optischen Pyrometern (128) für den ersten, den zweiten und den dritten Fühler umfasst.

11. Vorrichtung zum Messen der Temperatur eines Substrats (106) in einer Wärmebearbeitungs-Heizkammer, wobei die Vorrichtung umfasst:

eine Reflexionsplatte (102), die neben einer Oberfläche des Substrats angeordnet ist, um einen Reflexionshohlraum (24) dazwischen auszubilden;

einen ersten Fühler (150), der zum Empfangen von Energie vom Reflexionshohlraum und zum Erzeugen eines ersten Temperaturmesswerts angeordnet ist;

einen zweiten Fühler (152), der zum Empfangen von Energie vom Reflexionshohlraum und zum Erzeugen eines zweiten Temperaturmesswerts angeordnet ist, wobei dem ersten Fühler (150) ein anderes effektives Reflexionsvermögen für den Hohlraum zugeordnet ist als dem zweiten Fühler (152);

zumindest einen dritten Fühler (151a), der zum Empfangen von Energie vom Reflexionshohlraum und zum Erzeugen eines dritten Temperaturmesswerts angeordnet ist, wobei dem dritten Fühler (151a) ungefähr dasselbe effektive Reflexionsvermögen für den Hohlraum zugeordnet ist wie dem ersten Fühler (150); und

ein Temperaturmessmodul (192), das während der Verarbeitung eine erste, eine zweite und eine dritte Temperaturangabe vom ersten, vom zweiten bzw. vom dritten Fühler empfängt, wobei das Modul programmiert ist, um einen korrigierten Temperaturmesswert für den ersten Fühler von der ersten und der zweiten Temperaturangabe abzuleiten, der korrigierte Temperaturmesswert für den ersten Fühler die Summe der ersten Temperaturangabe und einer berechneten Eichtemperatur ist, die Eichtemperatur aus einer Differenz zwischen der ersten und der zweiten Temperaturangabe berechnet wird, der korrigierte Temperaturmesswert eine genauere Angabe der tatsächlichen Temperatur des Substrats in dem Bereich, der dem ersten Fühler (150) zugeordnet ist, als unkorrigierte Messwerte des ersten und des zweiten Fühlers (150, 152) ist, das Temperaturmessmodul programmiert ist, um einen korrigierten Temperaturmesswert für den dritten Fühler (151a) aus der Eichtemperatur und dem dritten Temperaturmesswert abzuleiten, wobei der korrigierte Temperaturmesswert für den dritten Fühler (151a) eine genauere Angabe einer tatsächlichen Temperatur des Substrats in der Umgebung des dritten Fühlers ist als unkorrigierte Messwerte, die vom dritten Fühler (151a) erzeugt werden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der erste, der zweite und der dritte Fühler (150, 152, 151a) Lichtleiter (126) umfassen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der erste, der zweite und der dritte Fühler in einem ersten, einem zweiten bzw. einem dritten Loch (42, 43, 42a) angeordnet sind, wobei das erste, das zweite und das dritte Loch in der Reflexionsplatte ausgebildet sind und wobei das zweite Loch (43) größer ist als das erste und das dritte Loch (42, 42a).

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Temperaturmessmodul (192) einen Empfindlichkeitsfaktor für den dritten Fühler berechnet und wobei das Produkt des Empfindlichkeitsfaktors für den dritten Fühler (151a) und der Eichtemperatur mit der dritten Temperaturangabe summiert wird, um den korrigierten Temperaturmesswert für den dritten Fühler zu ergeben.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Empfindlichkeitsfaktor für den dritten Fühler (151a) durch Ermitteln der Temperaturabweichung von einer mittleren Temperatur, die für eine Vielzahl von Kalibrierungssubstraten mit vorbestimmten Emissionsvermögenspegeln angewendet wird, berechnet wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Vielzahl von Kalibrierungssubstraten zumindest ein Substrat mit einem hohen Emissionsvermögenspegel, zumindest eines mit einem niedrigen Emissionsvermögenspegel und zumindest eines mit einem Emissionsvermögenspegel zwischen dem hohen und dem niedrigen Pegel umfasst.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei der Empfindlichkeitsfaktor für den dritten Fühler (151a) durch eine Näherung einer Empfindlichkeitskurve mit gerader Linie, die den korrigierten Temperaturdaten zugeordnet ist, die für den ersten Fühler (150) und die lokalisierte Temperaturabweichung von der mittleren Temperatur abgeleitet werden, welche für die Kalibrierungssubstrate angewendet wird, ermittelt wird.