DE69916256T2

DE69916256T2 - Verfahren und vorrichtung zum messen von substrattemperaturen

Info

Publication number: DE69916256T2
Application number: DE69916256T
Authority: DE
Inventors: W. Bruce PEUSE; E. Gary MINER; Mark Yam; Aaron Hunter; Peter Knoot; Jason Mershon
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1998-03-18
Filing date: 1999-02-23
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2019-02-24
Also published as: EP1064527B1; JP4511724B2; KR100396423B1; KR20010042000A; JP2002506988A; DE69916256D1; EP1064527A1; US6179466B1; TW455676B; WO1999047901A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Techniken für das Durchführen von verbesserten kontaktlosen Temperaturmessungen eines Halbleitersubstrats durch das Krrigieren von Messungen der Substrattemperatur und durch das Kompensieren der Variationen der Emissionsvermögens-Empfindlichkeit über der Oberfläche des Substrats.
Bei vielen Verfahren für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung können die geforderten hohen Niveaus der Leistung der Vorrichtung, der Ausbeute und der Wiederholbarkeit des Verfahrens nur erzielt werden, wenn die Temperatur eines Substrats (beispielsweise eines Halbleiterwafers) während der Behandlung in engen Grenzen gesteuert wird. Um dieses Niveau der Steuerung zu erzielen, ist es oft notwendig, die Substrattemperatur in Echtzeit und an Ort und Stelle zu messen, so dass unerwrartete Temperaturänderungen sofort detektiert und korrigiert werden können.
Man betrachte beispielsweise die schnelle thermische Behandlung (rapid thermal processing, RTP), die für verschiedene Herstellungsverfahren verwendet wird, die das schnelle thermische Glühen (rapid thermal annealing, RTA), das schnelle thermische Reinigen (rapid thermal cleaning, RTC), die schnelle thermische chemische Gasphasenabscheidung (rapid thermal chemical vapor deposition, RTCVD), die schnelle thermische Oxidation (rapid thermal oxidation, RTO) und das schnelle thermische Nitrieren (rapid thermal nitridation, RTN) einschließen. In der speziellen Anwendung auf die Formierung eines CMOS-Gate-Dielektrikums durch RTO oder RTN sind die Dicke, die Wachstumstemperatur und die Gleichförmigkeit der Gate-Dielektrika kritische Parameter, die die gesamte Leistung der Vorrichtung und die Ausbeute der Herstellung beeinflussen. Aktuell werden CMOS-Vorrichtungen mit dielektrischen Lagen hergestellt, die nur 60 bis 80 Å dick sind, und bei denen die Gleichförmigkeit der Dicke innerhalb von ±2 Å gehalten werden muss. Dieses Niveau der Gleichförmigkeit erfordert, dass Temperaturänderungen über dem Substrat während der Hochtemperaturbehandlung einige wenige Grad Celsius nicht übersteigen dürfen.
Der Wafer selbst kann selbst kleine Temperaturdifferenzen während der Hochtemperaturbehandlung nicht tolerieren. Wenn es gestattet wird, dass der Tem peraturunterschied über 1 bis 2°C/cm bei 1200°C ansteigt, ist es wahrscheinlich, dass die sich ergebende Belastung einen Sprung im Siliziumkristall verursacht. Die sich ergebenden Sprungebenen werden jede Vorrichtung, durch die sie hindurchgehen, zerstören. Um dieses Niveau der Gleichförmigkeit der Temperatur zu erzielen, sind zuverlässige Mehrpunkttemperaturmessungen in Echtzeit für eine Temperaturregelung notwendig.
Die optische Pyrometrie wird für die Messung von Temperaturen in RTP-Systemen weit verbreitet verwendet. Die Pyrometrie nutzt eine allgemeine Eigenschaft von Objekten, nämlich die, dass Objekte eine Strahlung mit einem speziellen Spektralgehalt und einer speziellen Intensität, die ein Charakteristikum ihrer Temperatur darstellen, aussenden. Durch das Messen der ausgesandten Strahlungen kann somit die Temperatur des Objekts bestimmt werden. Ein Pyrometer misst die Intensität der ausgesandten Strahlung und führt die passende Umwandlung durch, um die Temperatur (T) zu erhalten. Die Beziehung zwischen der spektral ausgesandten Intensität und Temperatur hängt vom spektralen Emissionsvermögen des Substrats und der Strahlungs-Temperatur-Beziehung eines idealen schwarzen Körpers, die durch das Plancksche Strahlungsgesetz gegeben ist:
ab, wobei C₁ und C₂ bekannte Konstanten sind, λ die interessierende Strahlungswellenlänge ist, und T die Substrattemperatur, gemessen in °K, ist. Gemäß einer Näherung, die als Wiensches Strahlungsgesetz bekannt ist, kann dieser Ausdruck folgendermaßen umgeschrieben werden:
wobei K(λ) = 2C₁/λ ist. Dies stellt eine gute Näherung für Temperaturen unter ungefähr 2700°C dar.
Das spektrale Emissionsvermögen ε(λ, T) eines Objekts ist das Verhältnis seiner abgegeben spektralen Intensität I(λ, T) zu der eines schwarzen Körpers derselben Temperatur I_b(λ, T). Das heißt
Da C₁ und C₂ bekannte Konstanten sind, so kann unter idealen Bedingungen die Temperatur des Wafers genau bestimmt werden, wenn ε(λ, T) bekannt ist.
Wie vorher schon beschrieben wurde, so können Unterschiede in der Temperatur über der Oberfläche eines Substrats von mehr als ein oder zwei Grad zu einer Beschädigung des Substrats und zu unerwünschten Verfahrensvariationen führen. Ein Verfahren zur Überwachung der Temperatur an verschiedenen örtlich festgelegten Bereichen des Substrats umfasst die Verwendung einer Vielzahl von Temperatursonden (Pyrometer oder dergleichen). Bei diesen Mehrsondensystemen können die Temperaturanzeigen von verschiedenen Sonden für eine Regelung des Heizelements in Echtzeit in der RTB der Substrate verwendet werden.
Trotz seiner weit verbreiteten Anwendung in der Halbleiterindustrie leidet die optische Pyrometrie durch ihre Unfähigkeit, das Emissionsvermögen des Substrats genau zu messen, dennoch an Einschränkungen. Darüber kann, sogar wenn das Emissionsvermögen des Substrats bei einer vorgegebenen Temperatur bekannt ist, dieses sich mit der Temperatur ändern. Die Änderungen sind gewöhnlicherweise nicht genau messbar und somit führen sie einen unbekannten Fehler in die Temperaturmessungen ein. Fehler in der Größenordnung von 10°C und mehr sind nicht ungewöhnlich.
Das spektrale Emissionsvermögen des Substrats hängt von vielen Faktoren, die die Eigenschaften des Wafers selbst (beispielsweise die Temperatur, die Rauhigkeit der Oberfläche, das Dotierungsniveau der verschiedenen Verunreinigungen, die Materialzusammensetzung und die Dicke der Oberflächenlagen) und den Behandlungsverlauf des Wafers einschließen, ab. Ein anderer damit in Bezug stehender Ausdruck ist das effektive Emissionsvermögen eines Objekts. Das effektive Emissionsvermögen ist das Verhältnis der gemessenen spektralen Intensität, die durch das Objekt ausgesandt wird, zu der eines schwarzen Körpers bei derselben Temperatur. Das effektive Emissionsvermögen eines Objekts unterscheidet sich vom spektralen Emissionsvermögen für dasselbe Objekt dadurch dass das effektive Emissionsvermögen die Umgebung, in der sich das Objekt befindet, berücksichtigt. Das effektive Emissionsvermögen eines Substrats kann durch die Eigenschaften der Behandlungskammer, in der das Substrat positioniert ist, beeinflusst werden. Somit kann eine Schätzung des Emissionsvermögens a priori nicht eine allgemeine Möglichkeit für eine pyrometrische Temperaturmessung liefern.
Zusätzlich ist die Umgebung an jeder Sonde in einem Mehrsondensystem einzigartig. Eine pyrometrische Sonde, die in einer dieser einzigartigen Umgebungen positioniert ist, kann eine Empfindlichkeit gegenüber Substraten, die spezielle Eigenschaften des Emissionsvermögens aufweisen, zeigen, was eine Fehlerkomponente in die Temperaturanzeige einführt. Über der Oberfläche des Substrats können eine oder mehrere der Sonden unterschiedliche Empfindlichkeiten gegenüber dem Emissionsvermögen des Substrats zeigen (hier nachfolgend als Emissionsvermögens-Empfindlichkeit über der Oberfläche des Substrats bezeichnet). Substrate, die einen im allgemeinen geringen Emissionsvermögenspegel haben, können große Variationen in der Emissionsvermögens-Empfindlichkeit über der Oberfläche des Substrats zeigen. Somit kann ein Mehrsondentemperaturmesssystem, das diese Variationen der Emissionsvermögens-Empfindlichkeit über der Oberfläche des Substrats nicht berücksichtigt, keine optimalen Ergebnisse erzeugen.
Systeme, die nur versuchen, die Emissionsvermögens-Fehler durch eine singuläre Näherung des Emissionsvermögens für das gesamte Substrat zu kompensieren, werden zu akzeptablen Ergebnissen führen; wobei jedoch Raum für Verbesserungen existiert.
Die EP-A-0805342 offenbart ein Verfahren zur Korrektur einer Temperatursondenanzeige in einer Wärmebehandlungskammer für das Erwärmen eines Substrats, das die Schritte des Erwärmens des Substrats auf eine Behandlungstemperatur, des Verwendens einer ersten, einer zweiten und einer dritten Sonde, um die Temperatur des Substrats zu messen, wobei die ersten und dritten Sonden ein erstes effektives Reflexionsvermögen aufweisen, und die zweite Sonde ein zweites effektives Reflexionsvermögen hat, wobei die erste Sonde eine erste Temperaturanzeige erzeugt, die zweite Sonde eine zweite Temperaturanzeige erzeugt, und die dritte Sonde eine dritte Temperaturanzeige erzeugt, und wobei die ersten und zweiten effektiven Reflexionsvermögen unterschiedlich sind, und des Ableitens einer korrigierten Temperaturanzeige für die erste Sonde aus den ersten und zweiten Temperaturanzeigen, die ein genauerer Indikator einer tatsächlichen Temperatur des Substrats als eine nicht korrigierte Anzeige, die durch die ersten und zweiten Sonden erzeugt wird, ist, umfasst. Danach erfolgt das Ableiten einer korrigierten Temperaturanzeige für die dritte Sonde durch das Einstellen der Temperaturkorrektur, die für die erste Sonde berechnet wurde, gemäß der gemessenen Emissionsvermögens-Empfindlichkeit, die mit der Umgebung der dritten Sonde verbunden ist, um eine korrigierte Temperaturanzeige zu liefern, die einen genaueren Indikator der tatsächlichen Temperatur des Substrats in der Umgebung der dritten Sonde darstellt.
In der EP-A-0805342 werden verbesserte Temperaturanzeigen eines Substrats während der Wärmebehandlung unter Verwendung von Temperatursonden, die ein variierendes effektives Reflexionsvermögen haben, abgeleitet. Die Anzeigen werden verwendet, um ein effektives Emissionsvermögen für das Substrat zusammen mit einer korrigierten Temperaturanzeige abzuleiten. Obwohl das effektive Reflexionsvermögen variiert wird, können genauere Temperaturmessungen erhalten werden, wenn mindestens eine der Sonden ein effektive Reflexionsvermögen, das sich "eins" nähert, aufweist. Um dies zu erzielen, lehrt die EP-A-0805342 die Verwendung von Mikrohohlräumen im Reflektor. Die Mikrohohlräume umfassen zylindrische Mikrohohlräume, konisch geformte Mikrohohlräume und sphärische Mikrohohlräume.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Korrektur von Temperatursondenanzeigen in einer Wärmebehandlungskammer, in der ein Substrat auf eine Behandlungstemperatur erwärmt wird, vorgesehen, wobei das Verfahren folgendes umfasst: Ausbilden eines reflektierenden Hohlraums auf einer Seite des Substrats; Verwenden einer ersten Sonde, einer zweiten Sonde und mindestens einer dritten Sonde, um Energie von diesem reflektierenden Hohlraum aufzunehmen, wobei die aufgenommene Energie von den ersten zweiten und dritten Sonden erste, zweite beziehungsweise dritte Temperaturanzeigen erzeugt; Variieren des effektiven Reflexionsvermögens der ersten und/oder zweiten Sonde; Kalibrieren der Wärmebehandlungskammer, um einen Emissionsvermögens-Empfindlichkeitsfaktor für die dritte Sonde abzuleiten; Ableiten eines effektiven Emissionsvermögens für das Substrat aus den effektiven Reflexionsvermögen für die ersten und zweiten Sonden; Ableiten einer Einstelltemperatur für die erste Sonde aus den ersten und zweiten Temperaturanzeigen und des effektiven Emissionsvermögens für das Substrat; Ableiten einer emissionsvermögensempfindlichen Einstelltemperatur für die dritte Sonde aus dem Emissionsvermögens-Empfindlichkeitsfaktor für die dritte Sonde und der Einstelltemperatur; aus der emissionsvermögensempfindlichen Einstelltemperatur für die dritte Sonde und aus der dritten Temperaturanzeige Ableiten einer korrigierten Temperaturanzeige für die dritte Sonde, wobei die korrigierte Temperaturanzeige für die dritte Sonde einen genaueren Indikator einer tatsächlichen Temperatur des Substrats in der Umgebung der dritten Sonde ist als dies nicht korrigierte Anzeigen sind, die durch die dritte Sonde erzeugt werden; und es dadurch gekennzeichnet ist, dass das effektive Reflexionsvermögen der ersten und/oder zweiten Sonde durch das Einstellen einer numerischen Apertur, die der ersten oder der zweiten Sonde zugeordnet ist, variiert wird.
Gemäß der Erfindung sind Mikrohohlräume für die Sonden nicht länger erforderlich. Stattdessen führt die vorliegende Erfindung das Konzept des Einstellens der numerischen Apertur, die mit der ersten oder zweiten Sonde verbunden ist, ein, was es ermöglicht, die Apertur auf einen engen Modus zu setzen, was zur Wirkung eines "virtuellen Mikrohohlraums" führt.
Aspekte der Erfindung umfassen mehrere Merkmale. Eine korrigierte Temperaturanzeige für die dritte Sonde kann die Summe des Produkts der Einstelltemperatur multipliziert mit einem Empfindlichkeitsfaktor für die dritte Sonde und die dritte Temperaturanzeige sein. Der Empfindlichkeitsfaktor kann unter Bestimmung einer Temperaturänderung aus einer Mitteltemperatur, die an ein Kalibriersubstrat für eine Vielzahl von Kalibriersubstraten, die vorbestimmte Emissionsvermögenspegel aufweisen, angelegt wird, berechnet werden. Die Vielzahl der Kalibriersubstrate kann mindestens eines einschließen, das einen hohen Emissionsvermögenspegel aufweist, mindestens ein Substrat, das einen niedrigen Emissionsvermögenspegel aufweist, und mindestens ein Substrat, das einen Emissionsvermögenspegel aufweist, der zwischen dem hohen und dem niedrigen Pegel liegt.
Der Empfindlichkeitsfaktor für die dritte Sonde kann durch eine geradlinige Annäherung einer Empfindlichkeitskurve, die der korrigierte Temperatur, die für die erste Sonde abgeleitet ist, und der Temperaturänderung, die von den Kalibriersubstraten abgeleitet ist, zugeordnet ist, bestimmt werden.
Jede Sonde kann eine Lichtleitfaser für das Transportieren der Strahlung, die am Reflektor gesammelt wurde, zu einem Pyrometer einschließen, wobei der Sichtwinkel durch das Einschließen einer Blende am Faserausgang reduziert wird. Jede Sonde kann Strahlung durch eine Leitung, die im Reflektor gegenüber dem Substrat in der Wärmebehandlungskammer angeordnet ist, sammeln, wobei das effektive Reflexionsvermögen einer Sonde durch das Variieren einer numerischen Apertur für die Sonde variiert wird. Die ersten und zweiten Sonden können die Strahlung durch dieselbe Leitung messen. Die ersten und zweiten Sonden können die Strahlung durch dieselbe Leitung durch das Verbinden von zwei Lichtleitfasern mit derselben Leitung messen, wobei jede Lichtleitfaser mit einem Pyrometer verbunden ist. Jede Lichtleitfaser kann mit unterschiedlichen Kanälen des einen Pyrometers verbunden sein, wobei die numerische Apertur für die unterschiedlichen Kanäle vom Benutzer wählbar ist, um somit das Setzen verschiedener effektiver Reflexionsvermögen für die erste und zweite Sonde zu ermöglichen.
In einem anderen Aspekt liefert die Erfindung eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur eines Substrats in einer Wärmebehandlungskammer und umfasst eine reflektierende Platte, die einer Oberfläche des Substrats am nächsten platziert ist, um dazwischen einen reflektierenden Hohlraum auszubilden, eine erste, zweite und dritte Sonde, die angeordnet sind, um Energie vom reflektierenden Hohlraum zu empfangen und erste, zweite beziehungsweise dritte Temperaturanzeigen zu erzeugen. Die erste Sonde kann ein zugeordnetes anderes Reflexionsvermögen für den Hohlraum als die zweite Sonde aufweisen. Die Vorrichtung umfasst ein Temperaturmessmodul, das die ersten, zweiten und dritten Temperaturanzeigen und einen mit der dritten Sonde verbundenen Emissionsvermögens-Empfindlichkeitsfaktor empfängt und eine korrigierte Temperaturanzeige für die dritte Sonde ableitet.
Aspekte der Erfindung umfassen viele Merkmale. Die ersten, zweiten und dritten Sonden können Lichtleiter umfassen. Die ersten und zweiten Sonden können einen Lichtleiter gemeinsam verwenden. Das Temperaturmessmodul kann den Emissionsvermögens-Empfindlichkeitsfaktor für die dritte Sonde berechnen. Das Produkt des Empfindlichkeitsfaktors für die dritte Sonde und die Einstelltemperatur, die für die erste Sonde abgeleitet wurde, können mit der dritten Temperaturanzeige summiert werden, um die korrigierte Temperaturanzeige für die dritte Sonde zu ergeben.
Unter den Vorteilen der Erfindung sind die Folgenden. Die Erfindung liefert eine Temperaturkompensation in Echtzeit an Ort und Stelle, die Variationen der Emissionsvermögens-Empfindlichkeit (über der Oberfläche des Substrats) als eine Funktion der Temperatur berücksichtigt. Das Kalibrierverfahren ist einfach und muss typischerweise nur einmal für eine vorgegebene Kammerstruktur implementiert werden. Die Temperaturmessung gemäß der Erfindung erlaubt die Verwendung eines stabilen wiederholbaren Halbleiterdetektors. Die Erfindung ermöglicht zuverlässige Temperaturmessungen mit einer verbesserten Wiederholbarkeit und Gleichförmigkeit.
Andere Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen deutlich.
1 ist eine schematisch Seitenschnittansicht eines Substrattemperaturmessschemas, in welchem ein Reflektor nahe einem Substrat angeordnet ist;
2 ist ein Schaubild des effektiven Emissionsvermögens als einer Funktion des tatsächlichen Emissionsvermögens, das für verschiedene Werte des effektiven Reflexionsvermögens aufgezeichnet ist;
3A ist eine Schnittseitenansicht eines RTP-Systems;
3B zeigt Details des Trägerrings;
3C ist eine Schnittansicht entlang der Linie 3C-3C der 3A, die den Reflektor zeigt;
4A–4F sind Schnittansichten verschiedener, die Messung verbessernder Oberflächenmerkmale, die in den Reflektor eingefügt sind;
5A–5B sind Flussdiagramme eines Schemas für das Kalibrieren einer RTP-Kammer für eine Temperaturkorrektur an Ort und Stelle;
5C ist ein Schaubild, das aus einer Nachbehandlungsanalyse eines Substrats durch ein Ellipsometer gewonnen wurde;
5D ist ein Schaubild der mittleren Dicke einer Oxidlage, die auf der Oberfläche eines Kalibriersubstrats während eines Kalibrierverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung abgeschieden wurde;
5E ist ein Schaubild der Empfindlichkeitskurve für eine Temperatursonde für eine Verwendung bei der Bestimmung des Empfindlichkeitsfaktors (SF);
5F ist ein vereinfachtes Flussdiagramm des Verfahrens für die Bestimmung einer verbesserten Temperaturanzeige für Echtzeitoperationen der RTP-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein Flussdiagramm eines Schemas für das Messen des Emissionsvermögens an Ort und Stelle, um die Genauigkeit einer Temperaturmessung zu verbessern;
7 ist ein Flussdiagramm einer alternativen Technik für das Kalibrieren der Temperaturmesssonden in einer RTP-Kammer;
8 zeigt die Kurven des scheinbaren Emissionsvermögens einer Sonde mit kleiner Öffnung und einer Sonde mit großer Öffnung, beide als eine Funktion des tatsächlichen Emissionsvermögens des Wafers;
9 zeigt die Kurven der Fehler für die nicht korrigierten Temperaturmessungen und für die korrigierten Temperaturmessungen, beide als eine Funktion des tatsächlichen Emissionsvermögens des Wafers;
10 zeigt die experimentellen Werte und die berechneten Werte für die Unterschiede in den Temperaturen, die durch die Sonde mit der kleinen Öffnung und die Sonde mit der großen Öffnung gemessen werden;
11 zeigt die Schritte der Berechnung einer korrigierten Temperatur von einer Temperaturmesssonde; und
12 ist ein schematisches Diagramm eines Temperaturregelsystems.
Virtueller Schwarzkörper-Hohlraum
In der folgenden Beschreibung beziehen wir uns auf die Messung der Temperatur eines Substrats. Wir beabsichtigen, dass der Ausdruck "Substrat" in breiter Weise jedes Objekt abdecken soll, das in einer Wärmebehandlungskammer behandelt wird und dessen Temperatur während der Behandlung gemessen wird. Der Ausdruck "Substrat" umfasst beispielsweise Halbleiterwafer, Flachbildschirme, Glasplatten oder -scheiben und Kunststoffwerkstücke.
Um die vorliegende Erfindung zu verstehen, wird es nützlich sein, zuerst die Technik zur Verbesserung des Emissionsvermögens, auf die oben Bezug genommen wurde, zu betrachten.
Wie in 1 gezeigt ist, so ist ein thermischer Reflektor 22 nahe dem Substrat 10 angeordnet, um einen virtuellen Schwarzkörperhohlraum 24 zwischen dem Reflektor und dem Substrat zu schaffen. Wenn die Substratrückseite diffus ist, so wird die Strahlung von ihr in einem zufälligen Muster ausgesandt, und somit wird die ausgesandte Strahlung im ganzen Hohlraum in einem gleichmäßig zufälligen (isotropen) Muster reflektiert. Die Strahlung, die an irgend einem Ort auf der Oberfläche des Reflektors 22 ankommt, 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 vom Reflektor 22 weg und von der Rückseite des Substrats 10 erfahren; eine dritte Komponente hat zwei Reflexionen weg vom Reflektor 22 und der Rückseite des Substrats 10 erfahren; etc. Die gesamte Intensität, die am Punkt der Reflektorplatte verfügbar ist, kann man durch das Summieren über eine unendliche Serie von Komponenten der auftreffenden Strahlung folgendermaßen erhalten: IT = ε·σ·T4Σ nRn·(1 – e)n (5A)
wobei das Reflexionsvermögen der kalten Reflektorplatte durch R gegeben ist, das Emissionsvermögen des Wafers durch e, und wobei σ die Stefan-Boltzman-Konstante und T die Temperatur des Substrats ist.
Wenn man annimmt, dass das Reflexionsvermögen des Reflektors gleich eins ist (R = 1), dann reduziert sich die Gleichung 5B zu: IT = σT4 (5C)in welcher die Strahlung I_T unabhängig vom Emissionsvermögen der Rückseite des Substrats ist. Anders ausgedrückt, der Reflektor erzeugt einen virtuellen Schwarzkörperhohlraum, für den das "effektive Emissionsvermögen" des Substrats gleich 1 ist.
Man beachte, dass die Wirkung der Verbesserung des Emissionsvermögens nicht erfordert, dass die Rückseite des Wafers diffus ist. Es wird auch bei Substraten funktionieren, die Rückseiten haben, die perfekte Spiegelreflektoren darstellen, als auch bei Substraten, die Rückseiten haben, die stark diffus sind. Wie oben angegeben wurde, sind die Rückseiten eines Halbleiterwafers eine Kombination aus diffus und spiegelnd.
Ein Lichtleiter 28 wird verwendet, um die Strahlung im Hohlraum durch eine Öffnung 27 im Reflektor zu sammeln. Die gesammelte Intensität wird durch eine Lichtleitfaser 30 zu einem Pyrometer 33 geführt, wo sie unter Verwendung der obigen Gleichung 5 in eine Temperatur umgewandelt wird. Durch die Wirkung des virtuellen Schwarzkörperhohlraums wird die gemessene Temperatur unabhängig von Änderungen im Emissionsvermögen des Substrats sein.
In Wirklichkeit wird jedoch das Reflexionsvermögen des Reflektors, obwohl es dicht bei 1 liegt, nicht gleich 1 sein. Beispielsweise wird die Beschichtung des Reflektors nicht perfekt spiegelnd sein. Beispielsweise weist Gold, das eines der besseren reflektierenden Beschichtungsmaterialien darstellt, ein Reflexionsvermögen von nur ungefähr 0,975 bei einer Wellenlänge von 950 nm (Nanometern) auf. Zusätzlich ist es deutlich geworden, dass das Vorhandensein von einer oder mehreren Öffnungen im Reflektor für das Sammeln der Strahlung als auch die gesamte Geometrie des Hohlraums (das sind die Abmessungen und die Form) ebenfalls dazu neigen, die Leistung des virtuellen Schwarzkörperhohlraums, den wir hier zu schaffen versucht haben, zu verringern. Diese geometrischen Wirkungen zusammen mit dem tatsächlichen Reflexionsvermögen können im Ausdruck des "effektiven Reflexionsvermögens" R_eff konzentriert werden. Obwohl es möglich ist, die Wirkung, die Änderungen im Emissionsvermögen auf die gesammelte Intensität haben, zu reduzieren, so werden die Messungen nichtsdestotrotz nicht vollständig unabhängig vom Emissionsvermögen des Substrats sein.
Wenn man annimmt, dass der Reflektor 22 undurchsichtig, kalt und hoch reflektierend (das heißt R → 1) ist, können wir die Wirkungen der Strahlung, die durch den Reflektor abgegeben wird, ignorieren, und das effektive Emissionsvermögen ε_eff des Substrats kann angenähert werden durch:
wobei R_eff das effektive Reflexionsvermögen des reflektierenden Hohlraums ist. Man beachte, dass wenn R_eff gleich 1 ist, ε_eff auch gleich 1 ist, wie es sein sollte. Wenn andererseits R_eff kleiner als 1 ist, so wird ε_eff auch gleich kleiner als 1 sein, und die gemessene Temperatur wird eine Funktion des Emissionsvermögens sein.
In 2 ist das effektive Emissionsvermögen ε_eff als eine Funktion des tatsächlichen Emissionsvermögens ε für verschiedene Werte von R_eff aufgezeichnet. Wie gezeigt ist, so nähert sich das effektive Emissionsvermögen des Substrats 1, wenn das effektive Reflexionsvermögen des reflektierenden Hohlraums sich 1 nähert. Wenn auch R_eff → 1, so wird das effektive Emissionsvermögen des Substrats gegenüber Änderungen beim tatsächlichen Emissionsvermögen des Substrats insbesondere bei hohen Werten des tatsächlichen Emissionsvermögens weniger empfindlich. Diese Empfindlichkeit kann folgendermaßen quantifiziert werden:
was man erhält, wenn man die Ableitung der Gleichung 6 nach ε durchführt.
Der sich ergebende Fehler bei der Temperaturmessung steht zu Variationen im effektiven Emissionsvermögen in folgender Weise in Bezug:
Unter Verwendung der Gleichungen 6 und 7 erhalten wir:
Man beachte, dass wenn sich R_eff eins nähert, der Zähler und somit die Empfindlichkeit der gemessenen Temperatur gegenüber Änderungen im Emissionsvermögen des Substrats verschwindend gering wird. Im Gegensatz dazu können, wenn das effektive Reflexionsvermögen des Hohlraums nicht ausreichend hoch ist (das heißt dicht an eins liegt), die Variationen in der Temperaturmessung, die sich durch Variationen im Emissionsvermögen des Substrats ergeben, unakzeptabel hoch werden.
Betrachtet man wiederum die 1, so führt das Vorhandensein der Öffnung 27 eine lokale Störung in den virtuellen Schwarzkörperhohlraum 24, der zwischen dem Reflektor und dem Substrat geschaffen wird, ein. Wir haben erkannt, dass solche Störungen auch die Wirkung der Vergrößerung des Emissionsvermögens, die durch den Reflektor erzeugt wird, reduziert. Darüber hinaus neigt die Größe der Störung dazu, sich mit einer zunehmenden Öffnungsgröße (D) zu erhöhen. Somit kann eine Lösung, um die Wirkung der Öffnung auf die Verbesserung des Emissionsvermögens zu minimieren, darin bestehen, die Größe der Öffnung zu reduzieren. Da die Menge des Lichts, die durch den Lichtleiter gesammelt wird, jedoch proportionale der Fläche der Öffnung ist, reduziert dies die Menge des Lichts, die vom Lichtleiter gesammelt wird, was wiederum das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Detektionssystems reduziert. Da die Strahlungsintensität rasch abfällt, wenn die Temperatur des Substrats abnimmt, so kann die Verwendung einer kleineren Öffnung die Temperatur, unterhalb derer der Detektor nicht länger verwendet werden kann, signifikant erhöhen.
Wir haben jedoch herausgefunden, dass wir durch das Modifizieren des Basisreflektors in einem RTP-System, um ein Merkmal der Vergrößerung der Messoberfläche am Ende der Lichtsonde einzuschließen, die virtuelle Schwarzkörperwirkung des reflektierenden Hohlraums weiter erhöhen können, während auch ein verbessertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis im abgetasteten Signal erhalten werden kann.
RTP-System das die Erfindung einschließt
Überblick über das RTP-System
Ein RTP-System, das gemäß der Erfindung modifiziert wurde, ist in 3A gezeigt. Das RTP-System umfasst eine Behandlungskammer 100 für das Behandeln eines scheibenförmigen Siliziumsubstrats 106 mit einem Durchmesser von acht Inch (200 mm). Das Substrat 106 wird innerhalb der Kammer auf einer Substratträgerstruktur 108 montiert und durch ein Heizelement 110, das direkt über dem Substrat angeordnet ist, erwärmt. Das Heizelement 110 erzeugt eine Strahlung 112, die in die Behandlungskammer 100 durch einen wassergekühlten Quarzfensteraufbau 114, der sich ungefähr ein Inch (2,5 cm) über dem Substrat befindet, eintritt. Unter dem Substrat 106 ist ein Reflektor 102 angeordnet, der auf einer wassergekühlten Basis 116 aus rostfreiem Stahl montiert ist. Der Reflektor 102 ist aus Aluminium hergestellt und weist eine stark reflektierende Oberflächenbeschichtung 120 auf. Die Unterseite des Substrats 106 und das Obere des Reflektors 102 bilden einen reflektierenden Hohlraum 118 für das Verbessern des effektiven Emissionsvermögens des Substrats.
Die Trennung zwischen dem Substrat und dem Reflektor beträgt ungefähr 0,3 Inch (7,6 mm), um somit einen Hohlraum zu bilden, der ein Verhältnis der Breite zur Höhe von ungefähr 27 aufweist. In Behandlungssystemen, die für Siliziumwafer mit 8 Inch gestaltet sind, liegt die Distanz zwischen dem Substrat 106 und dem Reflektor 102 zwischen 3 mm und 9 mm, und vorzugsweise zwischen 5 mm und 8 mm, und das Verhältnis der Breite zur Höhe des Hohlraums 118 sollte größer als ungefähr 20 : 1 sein. Wenn die Trennung zu groß gemacht wird, so wird die Wirkung der Verbesserung des Emissionsvermögens, die dem virtuellen ausgebildeten Schwarzkörperhohlraum zuschreibbar ist, abnehmen. Wenn andererseits die Trennung zu klein ist, beispielsweise kleiner als ungefähr 3 mm, so wird die Wärmeleitung vom Substrat zum gekühlten Reflektor zunehmen, um somit eine unakzeptabel große thermische Belastung auf das erwärmte Substrat auszuüben. Da der Hauptmechanismus für den Wärmeverlust zur reflektierenden Platte eine Leitung durch das Gas sein wird, wird die thermische Belastung natürlich vom Typ des Gases und vom Kammerdruck während der Behandlung abhängen.
Die Temperaturen an örtlich festgelegten Bereichen 109 des Substrats 106 werden durch eine Vielzahl von Temperatursonden 126 (nur zwei davon sind in 3A gezeigt) gemessen. Die Temperatursonden sind Saphirlichtleiter, die durch eine Leitung 124, die sich von der Rückseite der Basis 116 durch den oberen Teil des Reflektors 102 erstreckt, hindurch gehen. Saphirlichtleiter 126 weisen einen Durchmesser von ungefähr 0,125 Inch auf, und die Leitungen 124 sind etwas größer, so dass die Lichtleiter leicht in die Leitungen eingeschoben werden können.
Merkmale zur Verbesserung des Emissionsvermögens der Oberfläche
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein kleiner reflektierender Hohlraum 42 (das ist ein Mikrohohlraum) in der oberen Oberfläche des Reflektors 102 ausgebildet, dort wo die Leitung bis zur Oberseite des Reflektors hindurch geht (besser in 4A gezeigt). Die Leitung tritt in den kleinen Hohlraum ein und bildet eine Öffnung 129 am Boden des kleinen Hohlraums. Der Saphirlichtleiter 126 ist in der Leitung 124 so angeordnet, dass sein oberstes Ende mit dem Boden des Mikrohohlraums 42 fluchtet oder etwas darunter liegt. Das andere Ende des Lichtleiters 126 stellt eine Verbindung zu einer flexiblen Lichtleitfaser 125 her, die gesammeltes Licht vom Hohlraum zu einem Pyrometer 128 überträgt.
In der beschriebenen Ausführungsform ist der Mikrohohlraum der Oberfläche zylindrisch ausgebildet, weist einen Radius (R) von ungefähr 0,100 Inch und eine Tiefe (L) von ungefähr 0,300 Inch auf. Die Öffnung 129 am Boden des Mikrohohlraums 42 und die Leitung 124 sind etwas größer als ungefähr 0,125 Inch, was, wie oben angegeben wurde, den Durchmesser des Saphirlichtleiters darstellt. Der Mikrohohlraum 42 der Oberfläche hat die Funktion, die virtuelle Schwarzkörperwirkung des reflektierenden Hohlraums 118, der sich zwischen der Rückseite des Substrats 106 und dem oberen Teil des Reflektors 102 befindet, zu verbessern, um somit das effektive Emissionsvermögen des Substrats auf einen Wert zu erhöhen, der sogar noch näher an eins liegt. Der zylindrische Mikrohohlraum erhöht das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des abgetasteten Signals, das durch den Lichtleiter detektiert wurde, und er hat die Funktion, das effektive Emissionsvermögen des Substrats (oder in äquivalenter Weise das effektive Reflektionsvermögen des reflektierenden Hohlraums) zu erhöhen. Wir bemerken weiter, dass die Verbesserungswirkung nicht stark abhängig davon erscheint, ob das Sondenende mit dem Boden des Mikrohohlraums 42 der Oberfläche fluchtet oder unterhalb dieses Punktes, vertieft in der Leitung 124, platziert ist. Somit wird der Vorgang des Einschiebens der Sonde in die Leitung während dem Zusammenbau des Reflektors leichter gemacht, da keine engen, kritischen Toleranzen im Hinblick auf die Platzierung des Sondenendes eingehalten werden müssen. Das Sondenende sollte jedoch nicht in den Mikrohohlraum der Oberfläche vorstehen, da es scheint, dass dies die Verbesserungswirkung beeinträchtigt.
Wenn man annimmt, das perfekt reflektierende Seitenwände im zylindrischen Mikrohohlraum vorhanden sind, so nimmt die Verbesserungswirkung, die durch den zylindrischen Hohlraum verursacht wird, zu, wenn das L/R-Verhältnis des Mikrohohlraums zunimmt. Da die Seitenwände jedoch nicht perfekt reflektierend sind, wird, je öfter die gesammelte Strahlung im Hohlraum vor und zurück reflektiert wird, die Signalstärke durch die Verluste, die bei jeder Reflektion auftreten, desto mehr vermindert. Somit besteht als praktische Maßnahme eine Grenze dafür, wie groß man das L/R-Seitenverhältnis des zylindrischen Hohlraums machen und dennoch Verbesserungen bei der Leistung erhalten kann.
Der Mikrohohlraum 42 der Oberfläche, der um das Ende der Sonde herum ausgebildet ist, scheint zu wirken, indem er den Pegel der Selbststrahlung eines örtlich festgelegten Bereichs der Rückseite des Substrats erhöht, indem er den Sammlungswirkungsgrad der Sonde erhöht, oder durch eine Kombination beider Mechanismen. Mit anderen Worten, die Hohlräume der Oberfläche erhöhen relativ zu einem ebenen Reflektor die Menge des Lichts, die vom Reflektor am örtlich festgelegten Bereich 109 auf das Substrat zurück reflektiert wird, wobei an diesem Punkt die Temperatur gemessen werden soll, und sie erhöhen somit auch das Sammeln der Strahlung durch die Sonde.
Um das hohe Reflexionsvermögen, das für den Reflektor gewünscht wird, zu erzielen, wird eine stark reflektierende mehrlagige Beschichtung 120 auf der Oberseite des Reflektors ausgebildet. Die untere Lage der Beschichtung ist eine dünne Lage aus Gold, die auf der Oberfläche des Reflektorkörpers abgeschieden wird. Gold wird bevorzugt, da es ein Reflexionsvermögen von ungefähr 0,975 im interessierenden Infrarot-Wellenlängenbereich (das sind ungefähr 950 nm) besitzt. Um das Reflexionsvermögen der Goldlage weiter zu verbessern, wird ein Viertelwellen-Stapel oben auf der Goldlage ausgebildet. Der Viertelwellen-Stapel ist aus wechselnden dielektrischen Lagen, die verschiedene Brechungsindizes aufweisen, und die eine Dicke gleich ¼ der Wellenlänge, für die das Pyrometer am empfindlichsten ist (beispielsweise ¼ von 950 nm), aufweisen aufgebaut. In einer Ausführungsform wurde der Viertelwellen-Stapel durch OCLI (Optical Coating Laboratory, Inc.) aus Santa Rosa, Kalifornien, aufgebracht, obwohl andere akzeptable kommerzielle Quellen für das Aufbringen solcher Beschichtungen auch verfügbar sind.
Die obere Lage der mehrlagigen Struktur ist eine Passivierungslage, die verhindert, dass das Gold der reflektierenden Lage möglicherweise die RTP-Kammer verunreinigt. Die Passivierungslage kann auch aus Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid oder irgend einem anderen akzeptablen Material, das die reflektierende Lage passivieren wird, ohne ihre reflektierenden Eigenschaften bei der interessierenden Wellenlänge zu verschlechtern, hergestellt werden.
Das Reflexionsvermögen dieser mehrlagigen Struktur beträgt ungefähr 0,995 bei 950 nm, was signifikant höher ist als das natürliche Reflexionsvermögen von 0,975 für einen einzelnen dünnen Goldfilm.
Wenn Gold ein nicht akzeptables Material für das Reflektieren darstellt, können natürlich andere reflektierende Materialien verwendet werden. Beispielsweise ist Nickel inerter als Gold und weist ein gutes Reflexionsvermögen, wenn auch nicht so hoch wie bei Gold, auf.
Viele andere alternativen Geometrien sind für den Mikrohohlraum der Oberfläche möglich. Beispielsweise kann ein halbkugelförmiger Mikrohohlraum 42', wie er in 4B gezeigt ist, verwendet werden. Der Mikrohohlraum weist eine kugelförmige Form auf, wobei sein Zentrum in der Ebene der Reflektoroberfläche angeordnet ist. Für die oben beschriebene RTP-Ausführungsform beträgt der Radius der Kugel ungefähr 6 bis 8 Millimeter, das heißt, er ist vergleichbar mit der Trennung zwischen dem Reflektor und der Rückseite des Substrats. Die Saphirsonde 126 weist einen Durchmesser von 0,080 Inch auf, obwohl es wünschenswert sein kann, eine kleinere Größe (beispielsweise 0,050 Inch) zu verwenden, um die Störung zu minimieren, die die Sonde für die Substrattemperatur im örtlich festgelegten Bereich 109 verursachen kann.
Andere geometrische Formen des Mikrohohlraums sind in den 4C bis 4D gezeigt. 4C zeigt einen konisch geformten Mikrohohlraum, wobei der Lichtleiter am Scheitelpunkt des Kegels angeordnet ist. 4D zeigt einen kugelförmigen Mikrohohlraum, wobei der Lichtleiter gegenüber einer kreisförmigen Öffnung 161 in der Oberfläche des Reflektors angeordnet ist. Dies sind nur einige der vielen alternativen geometrischen Formen, die verwendet werden könnten. Die spezielle geometrische Form des Mikrohohlraums, die für eine gegebene Anwendung am passendsten ist, kann empirisch bestimmt werden. Zusätzlich könnte der Mikrohohlraum auch ein angehobener Mikrohohlraum sein, der in einem Material ausgebildet ist, das von der Oberfläche der reflektierenden Platte vorsteht.
Wenn man nun die 4E bis 4F betrachtet, so kann ein virtueller Mikrohohlraum durch die Verwendung numerischer Aperturen am Pyrometer verwirklicht werden. 4E zeigt ein Paar Lichtleiter 126-1 und 126-2, die in Leitungen 124 im Reflektor 102 montiert sind, wobei jeder durch eine flexible Lichtleitfaser 125 mit dem Pyrometer 128 verbunden ist. Der Pyrometer 128 kann eine Mehrkanalvorrichtung sein, die fähig ist, mehrere Kanäle der Temperaturdaten zu verarbeiten. Zusätzlich kann der Pyrometer 128 eine von einem Benutzer wählbare numerische Apertursetzung einschließen, wobei diese für jeden Kanal eingestellt werden kann. Die numerische Apertur für einen gegebenen Kanal kann auf einen normalen Modus (breite numerische Apertur) oder einen schmalen Modus (enge numerische Apertur) eingestellt werden. Im normalen Modus wird ein Hauptteil des Lichts, das von der flexiblen Lichtleitfaser empfangen wird, verarbeitet, wohingegen im schmalen Modus ein Teil der Lichtenergie, die von der Lichtleitfaser empfangen wird, vor dem Verarbeiten ausgefiltert wird. Im schmalen Modus wird die Wirkung eines virtuellen Mikrohohlraums am Lichtleiter verwirklicht, ohne einen physikalischen Mikrohohlraum zu liefern. In diesem Beispiel sind die zwei Sonden (Temperaturmessvorrichtungen, die Lichtleiter, Lichtleitfasern und einen Pyrometer einschließen) durch unterschiedliche effektive Emissionsvermögen durch das Variieren der numerischen Apertur, die durch die jeweiligen Kanäle des Pyrometers 128 verwendet wird, gekennzeichnet.
4F zeigt einen einzigen Lichtleiter 126, der in einer Leitung 124 in einem Reflektor 102 montiert ist. Mit dem Lichtleiter 126 sind ein Paar flexibler Lichtleitfasern 125, von denen jede mit einem anderen Kanal des Pyrometers 128 verbunden ist, verbunden. Wieder können die numerischen Aperturen für die zwei Kanäle eingestellt werden, um die Wirkung eines virtuellen Mikrohohlraums zu erzielen.
Nach dem Emissionsvermögen korrigierte Temperaturmessungen
Sogar obwohl die Verwendung eines Mikrohohlraums in der Oberfläche des Reflektors um das Ende der Sonde herum einen reflektierenden Hohlraum erzeugt, der einen virtuellen Schwarzkörper dichter annähert, wird das effektive Emissionsvermögen dennoch nicht identisch zu eins sein. Mit anderen Worten, die gemessenen Temperaturen werden eine unbekannte Fehlerkomponente aufweisen, die Variationen im Emissionsvermögen von einem Substrat zum nächsten zuschreibbar ist. Zusätzlich wird die unbekannte Fehlerkomponente über der Oberfläche des Substrats variieren, wenn die Emissionsvermögens-Empfindlichkeit oder das "effektive Emissionsvermögen" variiert. Somit kann es wünschenswert sein, die Genauigkeit jeder Temperaturmessung durch das Messen und Korrigieren der Variationen im effektiven Emissionsvermögen, das mit einem örtlich festgelegten Gebiet des Substrats verbunden ist, zu verbessern. Die Genauigkeit von Temperaturmessungen in Echtzeit an Ort und Stelle kann durch das Messen der Temperatur an einem speziellen, örtlich festgelegten Bereich eines Substrats unter Verwendung von zwei Temperatursondenaufbauten (oder einer einzigen Temperatursonde, die bei zwei unterschiedlichen numerischen Aperturen Werte sammelt), die durch unterschiedliche effektive Emissionsvermögen (oder äquivalent unterschiedliche effektive Reflexionsvermögen) gekennzeichnet sind, verbessert werden. Die Temperaturen, die durch diese Sonde(n) gemessen werden, können dann verwendet werden, um eine anfängliche Korrektur für örtlich festgelegte Temperaturmessungen zu erhalten. Eine verfeinerte Temperaturkorrektur für jede örtlich festgelegte Temperaturanzeige kann dann durch das Einstellen der anfänglichen Korrektur durch einen Emissionsvermögens-Empfindlichkeitsfaktor, der für jeden örtlichen festgelegten Temperaturbereich abgeleitet wird, erhalten werden.
Betrachtet man die 3A und 3C, so werden zwei Strahlungssonden 150, 152, die unterschiedliche effektive Emissionsvermögen ε₁, ε₂ aufweisen, verwendet, um die anfängliche, oben angegebene Temperaturkorrektur abzuleiten. Eine erste Sonde 150 ist innerhalb eines Mikrohohlraums 42 mit zylindrischer Oberfläche angeordnet, wie das vorher beschrieben und klarer in den 4A bis 4D gezeigt ist. Eine zweite Sonde 152 ist in einem zylindrischen Mikrohohlraum 43, dessen Boden mit einem nicht reflektierenden Material bedeckt ist, angeordnet. Die zweite Sonde 152 kann durch einen (nicht gezeigten) Siliziumring an ihrem Platz gehalten werden. Das effektive Emissionsvermögen für die erste Sonde ε₁ ist höher als das der zweiten Sonde ε₂. In einer Ausführungsform weist der Mikrohohlraum 42 für die erste Sonde 150 ungefähr denselben Durchmesser wie die erste Sonde 150 auf, während der Durchmesser des Mikrohohlraums 43, der der zweiten Sonde 152 zugeordnet ist, übermäßig groß ist, viel größer als der Durchmesser der zweiten Sonde 152. Der übermäßig große Mikrohohlraum hilft, die zweite Sonde 152 vom Reflektor 102 zu isolieren, wodurch eine niedrigeres effektives Emissionsvermögen für die zweite Sonde 152 geliefert wird. In einer Ausführungsform beträgt der Durchmesser des Mikrohohlraums 43 das Zweifache des Durchmessers des Mikrohohlraums 42.
In der gerade beschriebenen Konfiguration wird das effektive Emissionsvermögen für die erste Sonde (das ist die Sonde 150) größer als das effektive Emissionsvermögen für die zweite Sonde (das ist die Sonde 152) sein. Als Alternative zur Platzierung der Sonde 152 in einem Mikrohohlraum, der eine nicht reflektierende Beschichtung aufweist, kann sie über der Reflektoroberfläche innerhalb ungefähr 3 bis 4 Millimeters der Rückseite des Substrats 106 platziert werden. Die zweite Sonde (das ist die Sonde 152) sollte jedoch nicht zu dicht an der Rückseite des Substrats (und entfernt von der gekühlten reflektierenden Platte) platziert werden, um zu vermeiden, dass sie durch Strahlung vom heißen Substrat während der Behandlung aufgeheizt wird. Wenn es der Sonde gestattet wird, zu heiß zu werden, so kann das die Sonde beschädigen, und/oder es kann sein, dass sich Material auf der Sonde abscheidet, um somit ihre Leistung zu verschlechtern. Zusätzlich kann ein zu dichtes Anordnen der Sonde zur Rückseite des Substrats die Temperatur des Substrats beeinflussen. Als eine andere Alternative zur Platzierung der Sonde 152 in einem Mikrohohlraum kann eine einzige Sonde, die konfiguriert ist, um eine virtuelle Mikrohohlraumwirkung zu produzieren (die zwei Lichtleitfasern für das Führen der Strahlung, so dass sie durch getrennte Kanäle eines Pyrometers, die auf unterschiedliche numerische Aperturen eingestellt werden, verarbeitet werden kann, verwendet werden, wie dies oben beschrieben ist. Andere Kombinationen von geometrischen Gestaltungen sind auch möglich, so lang wie die zwei Sonden (oder Messungen) unterschiedliche effektive Emissionsvermögen ergeben. Wie später deutlich werden wird, ist es vorteilhaft, wenn die zwei ausgewählten geometrischen Gestaltungen der Sonden einen Unterschied in den zugeordneten effektiven Emissionsvermögen, der maximiert wird, erzeugen.
In der beschriebenen Ausführungsform sind die Sonden 150, 152 in einer ausreichenden Distanz zueinander angeordnet, so dass die Öffnung, der Mikrohohlraum 43, der das niedrigere effektive Emissionsvermögen erzeugt, das effektive Reflexionsvermögen der anderen Sonde nicht stört oder verschlechtert. Die Sonden sollten aber nicht so weit voneinander entfernt angeordnet werden, dass sie nicht die Temperatur des ungefähr gleichen Bereichs des Substrats messen. Für die beschriebene Ausführungsform wird ein typischer Abstand, der diese Anforderungen zu erfüllen scheint, zwischen 1 bis 3 cm liegen. Wenn sich das Substrat dreht, so bedeutet dies, dass die Radien, an denen die beiden Sonden angeordnet sind, sich um nicht mehr als diesen Betrag unterscheiden sollten.
Zusätzlich zu den zwei Strahlungssonden 150, 152 sind eine Vielzahl anderer Temperatursonden (von denen aus Gründen der Klarheit nur eine in 3a gezeigt ist) (das sind die Sonden 151a bis 151f, wie das in 3c gezeigt ist) innerhalb einer Vielzahl von Mikrohohlräumen 42a bis 42f mit zylindrischen Oberflächen des Typs, der in den 4A bis 4D gezeigt und beschrieben wurde, angeordnet. In einer Ausführungsform können ein oder mehrere Mikrohohlräume (beispielsweise Mikrohohlraum 42g) im Reflektor eingeschlossen sein, um Variationen bei der Platzierung der einen oder mehreren Sonden 151a bis 151f in Abhängigkeit von den Erfordernissen des Verfahrens zu ermöglichen. Das effektive Emissionsvermögen für jede der anderen Sonden (das sind die Sonden 151a bis 151f) wird größer als das effektive Emissionsvermögen für die zweite Sonde (das ist die Sonde 152) und ungefähr gleich dem Emissionsvermögen der ersten Sonde (das ist Sonde 150) sein. Jeder Sondenort ist jedoch einzigartig, und somit ist eine Kompensation der Emissionsvermögens-Empfindlichkeit für jeden Ort wünschenswert.
In der beschriebenen Ausführungsform können die Sonden 151, 152 in einem ausreichenden Abstand voneinander angeordnet sein, so dass die Öffnung, der Mikrohohlraum 43, für das Schaffen des niedrigeren effektiven Emissionsvermögens für die Sonde 152 nicht das effektive Reflexionsvermögen irgend einer der anderen Sonden 151a bis 151f stört oder verschlechtert. Zusätzlich kann jede der anderen Sonden (das sind die Sonden 151a bis 151f) um den Reflektor 102 beabstandet sein, wobei jede eine örtlich festgelegte Temperatur misst. In einer Ausführungsform sind sechs andere Temperatursonden (das sind die Sonden 151a bis 151f) um den Reflektor 102 herum beabstandet, wie das in 3C gezeigt ist. Andere Verteilungsmuster für die Sonden 150, 151a bis 151f und 152 können in Abhängigkeit von den Anforderungen des Verfahrens verwendet werden.
Kalibrierung
Um die Temperaturkorrektur für jede örtlich festgelegte Temperatursonde durchzuführen, müssen zuerst alle Sonden kalibriert werden. Das heißt, das effektive Reflexionsvermögen für jede Sonde muss zuerst bestimmt werden. Dies erfolgt mit Hilfe einer Serie von speziellen Kalibriersubstraten und durch die Verwendung der Verfahren, die in den 5A und 5B ausgeführt sind.
Ein erstes Kalibriersubstrat ist ein Standardsubstrat, das ein bekanntes, im Vorhinein gemessenes Emissionsvermögen ε_cal–1 aufweist, und das ein in es eingebettetes Thermoelement aufweist. Das Emissionsvermögen des ersten Kalibriersubstrats ist vorzugsweise niedrig, es liegt ungefähr bei 0,3. Die tatsächliche Substrattemperatur kann mit dem Thermoelement genau gemessen und dann mit den Temperaturen, die durch die Pyrometer mitgeteilt werden, verglichen werden. Solche Substrate sind kommerziell von verschiedenen Finnen erhältlich, beispielsweise von SensArray aus Santa Clara, Kalifornien, USA. Vorzugsweise wird das erste Kalibriersubstrat so ausgewählt, dass es im wesentlichen dieselben thermische Eigenschaften wie der Typ der Substrate, die in der RTP-Kammer behandelt werden sollen, aufweist. Beispielsweise sollte das Kalibriersubstrat mindestens aus demselben Material wie die Verfahrenssubstrate (beispielsweise Silizium) hergestellt sein, und es sollte denselben Typ der Rückseite aufweisen, wie dies die Verfahrenssubstrate tun (beispielsweise eine diffuse, überlappende Oberfläche).
Eine Bestimmung der effektiven Reflexionsvermögen für die Sonde 150 und 152 wird vorgenommen, und danach wird die spezielle Empfindlichkeit für das Emissionsvermögen für jeden der anderen Sondenorte für das gegebene Verfahren bestimmt. Um das effektive Reflexionsvermögen, das mit jeder der Sonden 150, 152 (R_e1, R_e2) verbunden ist, zu bestimmen, wird das erste Kalibriersubstrat in die Behandlungskammer eingebracht (Schritt 160), und die Temperatur der Behandlungskammer 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 jeder der zwei Sonden 150, 152 gemessen (Schritt 164), um somit drei getrennte Temperaturmessungen zu erzeugen, T_real (die tatsächliche Temperatur des Substrats), T₁ (die Temperatur, wie sie durch die erste Sonde gemessen wird), und T₂ (die Temperatur, wie sie durch die zweite Sonde gemessen wird).
Diese Temperaturen werden in Intensitäten I_cal, I₁ und I₂ umgewandelt (Schritt 166). I_cal ist die Intensität, die eine Sonde empfangen würde, wenn der Hohlraum tatsächlich ein Schwarzkörperhohlraum wäre. Sie wird unter Verwendung von Gleichung 1 aus der Temperatur, die durch das Thermoelement gemessen wird, T_real, folgendermaßen berechnet:
Die Temperaturen, die durch die Pyrometer aufgezeichnet werden, T₁ und T₂ werden in die entsprechenden Intensitäten (I₁, I₂) in ähnlicher Weise zurück verwandelt:
Die wirksamen Emissionsvermögen für die Sonden 150, 152 sind gleich:
Wenn die Intensitäten I_cal, I₁ und I₂ bekannt sind, so können die effektiven Reflexionsvermögen für jede der ersten zwei Sonden berechnet werden. Aus Gleichung 6 kann das effektive Reflexionsvermögen als eine Funktion des tatsächlichen Emissionsvermögen und des effektiven Emissionsvermögens folgendermaßen dargestellt werden:
Da die effektiven Emissionsvermögen in Ausdrücken der gemessenen Intensitäten ausgedrückt werden können (siehe Gleichung 11), kann diese Gleichung umgeschrieben werden zu:
Unter Verwendung dieses Ausdrucks werden die Werte für die effektiven Reflexionsvermögen R₁ und R₂ berechnet (Schritt 168).
Diese Werte für die effektiven Reflexionsvermögen werden später während der Behandlung der tatsächlichen Substrate verwendet, um die Temperaturkorrektur an Ort und Stelle zu bestimmen, wie dies unten beschrieben wird. Es sollte jedoch verständlich sein, das die berechneten effektiven Reflexionsvermögen nur für das spezielle Behandlungssystem, für das die Kalibrierungen durchgeführt wurden, gültig sind. Wenn beispielsweise die geometrische Gestaltung der Sonden oder die Geometrie des Systems geändert wird, wird es notwendig, das System in der gerade beschriebenen Weise neu zu kalibrieren, um neue Werte für die effektiven Reflexionsvermögen zu bestimmen.
Wenn man nun die 5B betrachtet, so ist dort ein Verfahren für das Ableiten von Emissionsvermögens-Empfindlichkeitsdaten für verschiedene örtlich festgelegte Bereiche eines Substrats für eine gegebene Behandlung gezeigt. Insbesondere werden eine Reihe von Kalibriersubstraten behandelt, um die relative Empfindlichkeit gegenüber dem Emissionsvermögen für jede der verbleibenden Sonden (das sind die Sonden 151a bis 152f) im Temperaturmesssystem zu charakterisieren. In einer Ausführungsform werden drei Standardsubstrate, die ein bekanntes, vorher gemessenes Emissionsvermögen ε_calH, ε_calH und ε_calL aufweisen, wobei eines einen hohen Pegel des Emissionsvermögens (das sind ungefähr 0,9) zeigt, ein zweites einen mittleren Pegel des Emissionsvermögens (das sind ungefähr 0,7) zeigt, und ein drittes einen niedrigen Pegel des Emissionsvermögens (das sind ungefähr 0,3) zeigt, behandelt. Solche Substrate können mit standardisierten Halbleiterherstellungstechniken hergestellt werden.
Vorzugsweise werden die Kalibriersubstrate so ausgewählt, dass sie im wesentlichen dieselben thermischen Eigenschaften wie der Typ von Substraten, die in der RTP-Kammer behandelt werden sollen, aufweisen. Beispielsweise sollten die Kalibriersubstrate mindestens aus demselben Material (beispielsweise Silizium) wie die zu behandelnden Substrate hergestellt sein, und sie sollten denselben Typ der Rückseite (beispielsweise eine diffuse, gelappte Oberfläche) wie die zu behandelnden Substrate aufweisen.
Wie oben gezeigt wurde, so kann die Behandlung, die durch das RTP-Gerät implementiert ist, einen Einfluss auf das effektive Emissionsvermögen der dann behandelten Substrate haben. Um den Einfluss der Behandlungsvariationen auf das effektive Emissionsvermögen, das vom Substrat gezeigt wird, zu reduzieren, kann die Behandlung, die für diesen Teil des Kalibrierverfahrens ausgewählt wird, dieselbe Behandlung sein, die vom RTP-Gerät bei der nachfolgenden Behandlung der Substrate zu verwenden ist. Ein Beispiel einer Behandlung ist eine Oxidationsbehandlung für Siliziumsubstrate. Aus Gründen der Klarheit wird hier eine einzelne Behandlung beschrieben. Es können jedoch andere Behandlungen, wie ein Ausglühen und eine Nitrierung, verwendet werden.
In der Oxidationsbehandlung wird das Substrat in einer sauerstoffreichen Umgebung erwärmt, was zur Ausbildung einer Lage Siliziumdioxid auf der Oberfläche des Substrats führt. In einem typischen Betrieb wird das Substrat auf 1050°C für ungefähr 60 Sekunden erwärmt. Das Substrat wird einer Umgebung mit 100% Sauerstoff ausgesetzt, was zur Ausbildung einer ungefähr 75 Å dicken Lage Siliziumdioxid auf der Oberfläche des Substrats führt. Im allgemeinen weist die Oxidationsbehandlung eine Temperaturempfindlichkeit von ungefähr 0,8 Å pro °C bei oder nahe 1050°C auf. Mit der Temperaturempfindlichkeit meinen wir, dass wenn die Temperatur für einen gegebenen örtlich festgelegten Bereich sich von der Idealtemperatur von 1050°C unterscheidet, die Dicke der Oxidationslage an diesem Ort um den zugeordneten Temperaturempfindlichkeitsfaktor für jedes Grad der Differenz (der bei dieser Behandlung ungefähr 0,8 Å pro °C beträgt) erniedrigt wird (oder erhöht wird, wenn die Temperatur höher ist).
Für die Oxidationsbehandlung kann ein Siliziumsubstrat, das eine blanke obere Oberfläche und eine Rückseite (in der Nähe des Reflektors 102), die mit einer ungefähr 1280 Å dicken Lage Nitrid beschichtet ist, für das Substrat, das einen hohen Pegel des Emissionsvermögens (ungefähr 0,9) zeigt, verwendet werden. Für das Substrat, das einen mittleren Pegel des Emissionsvermögens zeigt (ungefähr 0,7), kann ein Siliziumsubstrat, das eine blanke obere Oberfläche und eine blanke Rückseite (nahe dem Reflektor 102) aufweist, verwendet werden. Für das Substrat, das einen niedrigen Pegel des Emissionsvermögens (ungefähr 0,3) zeigt, kann ein Siliziumsubstrat, das eine blanke obere Oberfläche und eine Rückseite (nahe dem Reflektor 102), die mit einer ungefähr 570 Å dicken Lage Polysiliziums über einer ungefähr 1700 Å dicken Oxidlage beschichtet ist, verwendet werden.
Ein zweites Kalibriersubstrat, das ein Emissionsvermögen ε_calH aufweist, wird in die Behandlungskammer eingeführt (Schritt 180), und die Temperatur der Behandlungskammer wird mit ungefähr 50°C pro Sekunde erhöht, um die gewünschte Temperatur von ungefähr 1050°C zu erreichen (Schritt 182). Das Substrat wird einer Umgebung mit angenähert 100% Sauerstoff bei der gewünschten Temperatur für ungefähr 60 Sekunden ausgesetzt, was zum Wachstum einer Siliziumdioxidlage auf der Oberfläche des Substrats führt (Schritt 184). Wenn die gewünschte Temperatur erreicht wurde, so wird eine Temperaturmessung des Substrats unter Verwendung jeder der Sonden 150 und 152 durchgeführt, um somit drei oder mehr getrennte Temperaturmessungen zu erzeugen: T₁ (die Temperatur wie sie durch die erste Sonde gemessen wird) und T₂ (die Temperatur, wie sie durch eine zweite Sonde gemessen wird).
Eine Bestimmung der effektiven Reflexionsvermögen für die Sonden 150 und 152 (R_ε1, R_ε2) wird für jedes der Kalibriersubstrate durchgeführt, wie das vorher beschrieben wurde (Schritt 186). Die effektiven Reflexionsvermögen werden bei der Berechnung einer korrigierten Temperatur für das das Kalibriersubstrat verwendet.
Nachdem die Oxidationsbehandlung des Kalibriersubstrats vollendet ist, wird eine Analyse der tatsächlichen Temperatur, die auf das Substrat ausgeübt wurde, an jedem der örtlich festgelegten Bereiche, die einer Temperatursonde (das heißt den Sonden 151a bis 151f) zugeordnet sind, durchgeführt (Schritt 188). In einer Ausführungsform kann dies durch die Bestimmung der Dicke der Oxidationslage (Siliziumdioxid) an jedem der örtlich festgelegten Bereiche, die einer der Temperatursonden 151a bis 151f zugeordnet sind, erfolgen.
Vorrichtungen für das Bestimmen der Dicke eines Oxidationsniveaus auf einem Substrat sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ein Beispiel einer solchen Vorrichtung für das Durchführen einer solchen Aufgabe ist ein Ellipsometer mit der Modellnummer FEIII, das von Rudolph in Flanders, New Jersey hergestellt wird. Das FEIII weist eine Genauigkeit von ungefähr 0,1 Å auf.
Die Dicke der Siliziumdioxidschicht in jedem Bereich, der einer Temperatursonde (das sind die Sonden 151a bis 151h) zugeordnet ist, wird bestimmt. Die tatsächliche Temperatur, die an einen gegebenen, örtlich festgelegten Bereich angelegt wird, kann auf der Basis der Dicke der Siliziumdioxidlage und der Temperaturempfindlichkeit für die gegebenen Behandlung bestimmt werden.
In einer Ausführungsform führt das Ellipsometer eine Abtastung mit 49 Punkten über den Durchmesser des Substrats durch, was zu 49 Datenpunkten führt, die der Dicke der Siliziumdioxidlage, die auf der Oberfläche des zweiten Kalibriersubstrats abgeschieden wurde, zugeordnet ist. Für ein Substrat mit einem Durchmesser von 200 mm wird die Abtastung mit 49 Punkten zu einem Abstand von ungefähr 4 mm zwischen den Messungen führen, wenn man einen Ausschlussbereich von 3 mm am Umfang des Substrats annimmt. Bei einer Abtastung mit 49 Punkten werden 24 Messungen in einer linearen Weise, beginnend an einer Kante des Substrats in Bewegung zum Zentrum des Substrats vorgenommen, wobei eine Messung ungefähr alle 4 mm durchgeführt wird, wobei die 25. Messung ungefähr im Zentrum des Substrats liegt. Die restlichen 24 Messungen werden in linearer Weise in einer Bewegung weg vom Zentrum des Substrats alle 4 mm vorgenommen, bis die letzte Messung durchgeführt wurde. Eine Kurve der Dicke der Oxidlage über der Position auf dem Substrat, wie sie vom Ellipsometer erzeugt wird, ist in 5C gezeigt. Somit werden zwei Messungen für jede Radialposition aufgezeichnet. Der Mittelwert der zwei Anzeigen für jede Radialposition wird bestimmt und dann als eine Kurve gezeichnet, wie das in 5D gezeigt ist.
Die 24 Datenpunkte mittlerer Dicke werden in einem Schaubild aufgezeichnet (5D), wobei die x-Komponente gleich der radialen Position der jeweiligen Messung ist, und wobei die y-Komponente gleich der Dicke ist, die an der Radialposition gemessen wird. Die Dicke (W) der Siliziumdioxidlage an jeder örtlich festgelegten Temperatursonde (das sind die Sonden 151a bis 151f) wird durch das Lokalisieren des Radius der Temperatursonde relativ zum Zentrum des Substrats auf dem Schaubild bestimmt (das heißt W_a–f, wobei der untere Index sich auf eine zugeordnete Temperatursonde 151a bis 151f bezieht). Die mittlere Dicke (W_avg) über dem gesamten Substrat wird bestimmt, und danach wird eine Deltadicke (W_Δa–f, wobei der untere Index sich auf eine zugeordnete Temperatursonde 151a bis 151f bezieht) zwischen der mittleren Dicke und der gemessenen Dicke an jeder Sonde bestimmt.
Die Deltadickedaten für jeden Sondenort (W_Δa–f) werden in eine Deltatemperatur (T_Δa–f, wobei der untere Index sich auf eine zugeordnete Temperatursonde 151a bis 151f bezieht) unter Verwendung der Temperaturempfindlichkeit für die Behandlung (beispielsweise 0,8 Å pro °C) umgewandelt. Insbesondere wird die Deltatemperatur (T_Δa–f) durch das Teilen der Deltadicke (W_Δa–f) durch die Empfindlichkeit für die Behandlung berechnet. Wenn beispielsweise die Deltadicke (W_Δa) an der Sonde 151 8 Å war, dann würde die Deltatemperatur (T_Δa), die der Sonde zugeordnet ist, ungefähr 10°C betragen.
Die Deltatemperaturdaten (T_Δa–f) an jedem Sondenort (das sind die Sonden 151a bis 151f) können in ähnlicher Weise berechnet werden, was zu Deltatemperaturdaten für jede Sondenort für das Kalibriersubstrat führt.
Jedes der restlichen Kalibriersubstrate wird in ähnliche Weise behandelt, um Deltatemperaturdaten für jeden Sondenort abzuleiten (Schritte 190 und 192). Die sich ergebende Deltatemperaturdaten werden in Empfindlichkeitsschaubildern graphisch dargestellt.
Ein Empfindlichkeitsschaubild (das heißt ein einzelnes Schaubild, das jeder der Sonden 151a bis 151f zugeordnet ist) wird für jeden Ort einer Temperatursonde hergestellt, wobei ein Beispiel in 5E gezeigt ist. Für jedes Empfindlichkeitsschaubild werden die Deltatemperaturdaten (T_Δa–f) für eine jeweilige Temperatursonde auf der y-Achse über der Einstelltemperatur (T_adj), die dem jeweiligen Kalibriersubstrat zugeordnet ist, auf der x-Achse dargestellt, wie das in 5E gezeigt ist (Schnitt 190). Die Bestimmung der Einstelltemperatur (T_adj) wird detaillierter weiter unten in Verbindung mit dem an Ort und Stelle durchgeführten Temperaturmessverfahren und den unten stehenden Gleichungen 18b und 18c beschrieben. Ein einzelner Datenpunkt, der allgemein bei 500a gezeigt ist, wird auf dem jeweiligen Empfindlichkeitsschaubild für jede Sonde für jedes behandelte Kalibriersubstrat dargestellt. In einer Ausführungsform, bei der drei Kalibriersubstrate mit variierenden Emissionsvermögen verwendet werden, werden drei Datenpunkte (die allgemein mit 500a, 500b und 500c in 5E bezeichnet sind) in das Empfindlichkeitsschaubild eingegeben. Eine Empfindlichkeitskurve, die mit den Datenpunkten auf jedem Empfindlichkeitsschaubild verbunden ist, wird dann definiert.
In einer Ausführungsform ist die Empfindlichkeitskurve durch eine geradlinige Annäherung, die eine Neigung S_a–f aufweist (wobei der untere Index den Empfindlichkeitsfaktor der zugehörigen Sonde 151a bis 151f anzeigt), die die Empfindlichkeit der Sonde an diesem speziellen Ort gegenüber Variationen im Emissionsvermögen (wie das durch die Deltatemperaturdaten angezeigt wird) darstellt, gekennzeichnet (Schritt 196). Alternativ können andere Nähenrungsschemata, die komplexere polynomische Funktionen einschließen, verwendet werden.
Die Wirkungen, die die Fehler in den Temperaturmessungen erklären, sind mit der Energie zusammenhängende Wirkungen, die einen exponentiellen Ausdruck einführen. Somit sind die tatsächlichen Fehler nichtlinear. Nichtsdestotrotz funktioniert die lineare Annäherung an die Fehler bei der Kompensation dieser nicht linearen Wirkungen gut.
Natürlich kann eine weitere Optimierung des Empfindlichkeitsfaktors durch das Berücksichtigen der nichtlinearen Art, in der das Temperaturdelta als eine Funktion der eingestellten Temperatur in den Kalibriersubstraten variiert, erzielt werden. Bei vielen Anwendungen macht das substantielle Niveau der Verbesserung, das aus der einfachen linearen Näherung erhalten wird, eine weitere Verfeinerung der Empfindlichkeitsmessung unnötig.
In der Ausführungsform der geradlinigen Annäherung wird die Neigung der Empfindlichkeitskurve um eins inkrementiert, was zu einem Empfindlichkeitsfaktor (SF_a–f, wobei der untere Index a–f sich auf die spezielle Sonde 151a bis 151f bezieht) für den gegebenen Sondenort führt (Schritt 198). Die Empfindlichkeitsfaktoren aller Sondenorte (das sind die Sonden 151a bis 151f) können als ein Vektor für eine Verwendung bei der Bestimmung der verfeinerten Temperaturkorrektur (T_ref) für jede örtlich festgelegte Temperaturmessung als Teil des an Ort und Stelle durchgeführten Temperaturmessverfahrens gespeichert werden.
Man beachte, dass dieses Kalibrierverfahren eine Kurve ε_eff (ε, R_eff) errichtet hat (siehe 2), die die erste Messsonde im System kennzeichnet. Aus den Temperaturmessungen an Ort und Stelle, die während der Behandlung eines Substrats erhalten werden, wird es möglich, das tatsächliche Emissionsvermögen für das Substrat zu bestimmen. Durch das Kennen des tatsächlichen Emissionsvermögens, der Kurve ε_eff (ε, R_eff), kann man dann das effektive Emissionsvermögen für das Substrat berechnen, und aus diesem eine korrigierte Temperatur T_corr
150 (die der Sonde 150 zugeordnete korrigierte Temperatur, wie das unten in Verbindung mit Gleichung 18 beschrieben wird) für ein gegebenes Substrat. Danach kann unter Verwendung des Empfindlichkeitsfaktors SF_a–f, der als Teil des Kalibrierverfahrens für jeden Sondenort abgeleitet wurde, eine verfeinerte Temperaturkorrektur für einen gegebenen, örtlich festgelegten Bereich des Substrats bestimmt werden. Die Details des Verfahrens für das Erlangen der korrigierten Temperatur sind wie folgt:
Temperaturkorrektur an Ort und Stelle
Gewöhnlicherweise wird die Sonde mit dem höchsten effektiven Reflexionsvermögen, beispielsweise die erste Sonde 150, ausgewählt, um die Temperaturmessungen auszuführen; die zweite Sonde 152 dient als Korrektursonde.
Vor dem Beschreiben des Verfahrens für die Korrektur der Temperaturanzeigen der ersten Messsonde, wird ein Ausdruck für das tatsächliche Emissionsvermögens des Substrats abgeleitet. Man erinnere sich, dass die effektiven Emissionsvermögen für jede Sonde proportional den entsprechenden Strahlungsintensitäten I₁ und I₂ sind, wie das in Gleichung 11 gezeigt ist. Somit ist das Verhältnis der effektiven Emissionsvermögen gleich dem Verhältnis der entsprechenden Strahlungsintensitäten, das heißt:
Für jede Sonde kann das effektive Emissionsvermögen als eine Funktion des tatsächlichen Emissionsvermögens und des entsprechenden effektiven Reflexionsvermögens (aus der Gleichung 6) ausgedrückt werden, das heißt:
Durch das Einsetzen der Ausdrücke für die effektiven Emissionsvermögen in die obige Gleichung kann das tatsächliche Emissionsvermögen in Ausdrücken der effektiven Reflexionsvermögen und der gemessenen Intensitäten folgendermaßen ausgedrückt werden:
Nachdem wir nun diesen Ausdruck abgeleitet haben, sind wir nun bereit, das Verfahren für die Korrektur der Temperaturmessungen zu beschreiben.
Betrachtet man die 6, so wird zu Beginn eines RTP-Laufs ein Substrat in die Behandlungskammer eingeführt (Schritt 170), und die Temperatur wird über eine vorbestimmte Temperatursequenz zyklisch hindurch gefahren (wobei es sich um ein Kalibriersubstrat oder ein anderes Nachkalibriersubstrat, das behandelt werden soll, handeln kann). Während das Substrat durch eine Temperatursequenz sequentiell hindurchgeführt wird, sammeln die Sonden 150, 152 die Strahlung nahe einem örtlich festgesetzten Bereich des Substrats mit einer vorbestimmten Abtastrate (beispielsweise 20 Hz) (Schritt 172). Aus den gemessenen Temperaturen für jede Sonde werden die entsprechenden Sondenstrahlungsintensitäten I₁ und I₂ mit Hilfe von Gleichung (10) berechnet. Dann wird das tatsächliche Emissionsvermögen ε des Substrats aus der Gleichung 16 unter Verwendung der vorher berechneten Werte für das effektive Reflexionsvermögen für jede Sonde berechnet (Schritt 174). Wenn das tatsächliche Emissionsvermögen des Substrats bekannt ist, so wird das effektive Emissionsvermögen ε₁ für die Basissonde 150 aus Gleichung 15 folgendermaßen berechnet:
Schließlich wird eine korrigierte Temperatur (T_{corr 150}) aus der Temperatur, die von der Sonde 150 gemessen wurden, unter Verwendung der folgenden Gleichung, die aus den Gleichungen 2 und 3 abgeleitet wurde, berechnet (Schritt 176):
Die korrigierten Temperaturdaten T_{corr 150} sind die Summe der gemessenen Temperatur T_{meas 150} (gemessene Temperatur bei der Sonde 150) und einer Einstelltemperatur (T_adj) in folgender Weise: Tcorr 150 = Tadj + Tmeas 150 (18b)
Die Einstelltemperatur (T_adj) wird auf drei Arten verwendet, eine für die Kalibrierung und zwei für die Echtzeitbehandlung der Substrate. Während des Kalibrierverfahrens werden Einstelltemperaturen für das zweite, dritte und vierte Kalibriersubstrat berechnet. Die Einstelltemperaturen werden über den Deltatemperaturen, die für jeden Ort einer Temperatursonde (das sind die Sonden 151a bis 151f) abgeleitet wurden, aufgezeichnet, um den Empfindlichkeitsfaktor SF_a–f für jeden Sondenort zu bestimmen.
Während der Echtzeitbehandlung der Substrate, wird die Einstelltemperatur, die dem Substrat, das behandelt wird, zugeordnet ist, verwendet, um die Temperaturmessung der ersten Sonde 150 gemäß der Gleichung 18b zu korrigieren. Zusätzlich wird die Einstelltemperatur durch den Empfindlichkeitsfaktor für einen speziellen Sondenort verfeinert, um die verfeinerte, korrigierte Temperatur T_{ref a–f} (wobei der untere Index eine spezielle Sonde 151a bis 151f bezeichnet), die einem speziellen Ort zugewiesen ist, während der Echtzeitbehandlung eines Substrats zu bestimmen. Die Verwendung der verfeinert korrigierten Temperaturdaten und der korrigierten Temperaturdaten werden weiter unten im Detail in Verbindung mit 12 beschrieben.
In Echtzeit wird die Temperaturkorrektur T_adj für jede Temperatursonde durch eine Ersetzung des Empfindlichkeitsfaktors SF_a–f verfeinert. Die verfeinerte Temperaturkorrektur ist definiert als die Temperatur am Ort einer speziellen Sonde, die eine Korrektur einschließt, die auf der Emissionsvermögens-Empfindlichkeit, die dem speziellen Sondenort zugeordnet ist, basiert. Die verfeinerte Temperaturkorrektur T_{ref a–f} wird für jeden Ort eines Temperatursensors folgendermaßen berechnet:
wobei T_{meas_a–f} die gemessene Temperatur in Echtzeit, die den Sonden 151a bis 151f zugeordnet ist, ist.
Dieser Algorithmus wird vorzugsweise in Software in einer Steuerung 192 implementiert (12), so dass die Temperaturmessungen der Sonden automatisch korrigiert werden, bevor irgendwelche Steuerentscheidungen vorgenommen werden.
5F ist ein vereinfachtes Flussdiagramm des Verfahrens für das Bestimmen der verfeinerten Temperatur für jede der Sonden 151a bis 151f. Die korrigierten Temperaturdaten werden verwendet, um die Heizelemente zu steuern, wie das detaillierter weiter unten in Verbindung mit 12 beschrieben wird. Die Rohtemperaturdaten werden durch die Steuerung 192 empfangen (Schritt 240). Die Temperaturdifferenz zwischen der ersten Sonde (das ist Sonde 150) und der zweiten Sonde (das ist Sonde 152) wird bestimmt (Schritt 242). Das tatsächliche Emissionsvermögen des Wafers wird berechnet, wie das oben in Verbindung mit Gleichung 16 beschrieben wurde (Schritt 244). Das effektive Emissionsvermögen wird dann bestimmt, wie das oben in Verbindung mit Gleichung 17 beschrieben wurde (Schritt 246). Die korrigierte Temperatur und die Einstelltemperatur werden dann berechnet (Schritt 248). Schließlich wird die Einstelltemperatur mit dem Empfindlichkeitsfaktor für eine gegebene Sonde multipliziert und der gemessenen Sondentemperatur hinzugefügt, um die verfeinerte Temperaturmessung zu erzielen (Schritt 250).
Alternative Korrekturtechnik für das Emissionsvermögen
Es existiert eine alternative und etwas einfachere Technik für das Kalibrieren des Systems, ohne dass ein Kalibrierwafer, der ein eingebettetes Thermoelement aufweist, verwendet werden muss. Die alternative Technik erfordert zwei Wafer, bei denen das Emissionsvermögen der Rückseite genau bekannt ist. Ein Wafer hat ein Emissionsvermögen ε_hi, das dicht bei eins liegt, und der andere Wafer weist ein niedrigeres Emissionsvermögen ε_low auf. In der beschriebenen Ausführungsform ist der Wafer mit dem hohen Emissionsvermögen ein Nitridwafer, der ein Emissionsvermögen von 0,94 aufweist, und der Wafer mit dem niedrigen Emissionsvermögen ist ein Polysiliziumwafer mit einer Oxidlage, die ein Emissionsvermögen von 0,32 aufweist, auf der Rückseite des Wafers, das ist der Seite, die zu den Temperatursonden zeigt.
Wie zuvor werden zwei benachbarte Temperatursonden verwendet. Eine Sonde, die hier nachfolgend als Sonde mit einer kleinen Öffnung bezeichnet wird, erzielt ein hohes effektives Reflexionsvermögen. Die Sonde mit der kleinen Öffnung erzeugt eine Temperaturanzeige T₁ und wird verwendet, um die Temperatur des Wafers während der Behandlung zu messen. Es ist die Temperatur, die von dieser Sonde erzeugt wird (das ist T₁), die korrigiert wird, um das Emissionsvermögen der Rückseite des Wafers zu berücksichtigen. Die andere Sonde, die hier nachfolgend als Sonde mit großer Öffnung bezeichnet wird, erzielt eine niedrigeres effektives Reflexionsvermögen. Die Sonde mit der großen Öffnung produziert eine Temperaturanzeige von T₂ und wird verwendet, um die Korrektur zu erzeugen, die an die Temperatur angelegt wird, die durch die Sonde mit der kleinen Öffnung gemessen wird.
Es ist wünschenswert, dass die zwei Sonden dicht genug beieinander liegen, so dass sie denselben Bereich des Wafers zu ungefähr derselben Zeit abtasten. Andererseits wird, wenn die Sonden sich zu dicht beieinander befinden, die Sonde mit der großen Öffnung die Temperaturmessung der Sonde mit der kleinen Öffnung bei Wafern mit einem niedrigen Emissionsvermögen beeinflussen. Dies kann zu einer Ungleichförmigkeit der Temperatur bei Wafern mit niedrigem Emissionsvermögen führen.
In der beschriebenen Ausführungsform sind die zwei Sonden auf demselben Radius vom Zentrum des Wafers entfernt angeordnet und befinden sich in einem Abstand von ungefähr 0,85 Inch voneinander. Die Sonde mit der kleinen Öffnung weist eine Konfiguration auf, die für alle andere Messsonden in der reflektierenden Platte verwendet wird. Für die Zwecke des folgenden Beispiels verwendet die Sonde mit der kleinen Öffnung einen Lichtleiter, der einen Durchmesser von ungefähr 0,080 Inch aufweist, wobei er in einer Öffnung mit einem Durchmesser von 0,085 Inch in der reflektierenden Platte angeordnet ist, und wobei das oberste Ende mit der Oberfläche der reflektierenden Platte fluchtet. Die Sonde mit der großen Öffnung verwendet auch einen Lichtleiter mit einem Durchmesser von 0,080 Inch, dessen oberstes Ende mit der Oberfläche der reflektierenden Platte fluchtet, aber der in einer größeren Öffnung (das sind 0,37 Inch) in der reflektierenden Platte angeordnet ist. Der Zweck der größeren Öffnung besteht dann, ein geringeres effektives Emissionsvermögen der Sonde (oder in äquivalenter Weise ein niedrigeres effektives Reflexionsvermögen für den reflektierenden Hohlraum) für die Sonde mit der großen Öffnung im Vergleich zur Sonde mit der kleinen Öffnung zu liefern. Somit werden die zwei Sonden messbar unterschiedliche Temperaturen erzielen. Beispielsweise wird die Differenz in der gemessenen Temperatur unter Verwendung dieser zwei Sonden bei ungefähr 40 bis 50°C für einen Wafer, der ein Emissionsvermögen der Rückseite von 0,34 und eine tatsächliche Temperatur von 1000°C aufweist, liegen.
Wie vorher ausgeführt wurde, ist es wünschenswert, eine große Differenz bei den effektiven Reflexionsvermögen des reflektierenden Hohlraums für die zwei Sonden zu erzeugen, um somit das Signal-zu-Rausch-Verhältnis der unterschiedlichen Temperaturmessungen zu erhöhen. Somit sollte beachtet werden, dass die spezielle Art, in der dies in der beschriebenen Ausführungsform erzielt wird, nur illustrativ für einen der vielen unterschiedlichen Möglichkeiten, diese Aufgabe zu lösen, ist.
Wie früher angemerkt wurde, steht die Energie I, die von einem schwarzen Körper ausgestrahlt wird, in Bezug zur Temperatur T nach dem Planckschen Strahlungsgesetz:
In diesem Fall wird, da T in °C gemessen wird, 273 zur Temperatur hinzu gefügt, um die äquivalente Kelvin-Temperatur, wie sie in Gleichung 19 gefordert wird, zu erzeugen. Durch das Umordnen der Variablen kann eine Gleichung für die Temperatur als einer Funktion der gemessenen Energie I_ε abgeleitet werden:
Mit anderen Worten, mit dieser Gleichung kann die Temperatur eines schwarzen Körpers berechnet werden, wenn man den Betrag der Energie, die vom Objekt abgestrahlt wird, kennt.
Kalibrierung für das Ableiten von T_corr
Das Verfahren für das Erzeugen eines Korrekturfaktors für die Temperaturanzeige der Sonde mit der kleinen Öffnung ist in 7 gezeigt. Das Verfahren wird nun im Detail unter Bezug auf die Schritte, die in 7 gezeigt sind, beschrieben.
Zu Beginn wird der Wafer mit dem hohem Emissionsvermögen in der Kammer auf die Temperatur T_process, wie sie unter Verwendung der Sonde mit der kleinen Öffnung gemessen wird, erwärmt, und die zwei Sonden werden kalibriert, um dieselbe Temperaturanzeige zu produzieren (Schritt 210). Obwohl die tatsächlichen Temperaturanzeigen der zwei Sonden vor der Kalibrierung sich unterscheiden, wird die Größe, um die sich unterscheiden, klein sein, wenn die Wafer mit dem hohem Emissionsvermögen verwendet werden.
Um die zwei Messungen, die für das Kalibrieren der Sonde mit der kleinen Öffnung notwendig sind, zu errichten, wird der Wafer mit dem niedrigen Emissionsvermögen dann auf die Temperatur T_process erwärmt. Um die Behandlungstemperatur des Substrats zu bestimmen, wird wieder angenommen, dass die Sonde mit der kleinen Öffnung die Wafertemperatur des Wafers mit dem niedrigen Emissionsvermögen genau misst. Man beachte, dass diese eine Annahme ist, die sich als akzeptabel erweisen wird, wie das weiter unten deutlich wenden wird. Während sich der Wafer auf der Temperatur T_process befindet, wird seine Temperatur unter Verwendung der Sonde mit der großen Öffnung und der Sonde mit der kleinen Öffnung gemessen (Schritt 212). Die Sonde mit der großen Öffnung erzeugt eine gemessene Temperatur von T₂ = T_big, und die Sonde mit der kleinen Öffnung produziert eine gemessene Temperatur von T₁ = T_small. Eine Deltatemperatur δT(ε_low, T_process) ist definiert als die Differenz zwischen diesen beiden Anzeigen, das heißt δT(ε_low, T_process) = T₁ – T₂.
Als nächstes wird die tatsächliche Empfindlichkeit der Sonde mit der kleinen Öffnung auf Unterschiede im Emissionsvermögen des Wafers durch das Durchführen einer Implantationstemperung (implantation anneal) auf jedem der Wafer (das sind der Wafer mit dem niedrigen Emissionsvermögen und der Wafer mit dem hohen Emissionsvermögen) unter Verwendung der Anzeigen der gemessenen Temperatur, die von der Sonde mit der kleinen Öffnung produziert wird, als die tatsächliche Temperatur bestimmt. Mit anderen Worten, es wird angenommen, dass die Temperaturanzeigen, die von der Sonde mit der kleinen Öffnung erzeugt werden, korrekte Temperaturanzeigen sind, trotz der Tatsache, dass sie leicht unkorrekt sind. Der spezifische Widerstand der implantierten Lage wird jedoch, wie das wohl bekannt ist, kritisch von der Zeit und der tatsächlichen Temperatur der Implantiertemperung abhängen. Weiterhin ist diese Abhängigkeit genau bekannt. Somit wird es durch das Messen der spezifischen Widerstandswerte der Lage auf jeder der zwei Wafer, von denen jeder bei einer unterschiedlichen Behandlungstemperatur während derselben Zeitdauer getempert wurde, möglich, genau zu bestimmen, was die tatsächliche Differenz zwischen den zwei Behandlungstemperaturen war.
Wenn die Sonde mit der kleinen Öffnung Temperaturanzeigen produziert, die für den Wafer mit dem niedrigen Emissionsvermögen und den Wafer mit dem hohen Emissionsvermögen gleich sind, so wird die tatsächliche Temperatur des Wafers mit dem niedrigen Emissionsvermögen in Wirklichkeit leicht höher als die tatsächliche Temperatur des Wafers mit dem hohem Emissionsvermögen sein. Das ergibt sich daraus, dass bei einer gegebenen tatsächlichen Wafertemperatur der Wafer mit dem niedrigen Emissionsvermögen weniger Energie aussendet, als dies der Wafer mit dem hohem Emissionsvermögen bei derselben Temperatur tut. Um somit die Energie, die vom Wafer mit dem niedrigen Emissionsvermögen ausgestrahlt wird, gleich der Energie, die vom Wafer mit dem hohen Emissionsvermögen ausgestrahlt wird, zu machen, muss seine tatsächliche Temperatur leicht höher als die tatsächliche Temperatur des Wafers mit dem hohen Emissionsvermögen sein.
Um die Differenz zwischen den zwei tatsächlichen Waferbehandlungstemperaturen zu bestimmen wird ein Implantationstempern auf dem Wafer mit dem hohen Emissionsvermögen unter Verwendung der Sonde mit der kleinen Öffnung, um die Behandlungstemperatur zu überwachen, durchgeführt. Eine zweite Implantationstemperung wird auf dem Wafer mit dem niedrigen Emissionsvermögen durchgeführt, wobei wieder die Sonde mit der kleinen Öffnung verwendet wird, um die Behandlungstemperatur zu überwachen. Dann werden die spezifischen Filmwiderstande jeder der Wafer gemessen, und unter Verwendung wohl bekannter Umwandlungsverzeichnisse für das spezielle Tempern, das durchgeführt wurde, kann die Differenz in den tatsächlichen Behandlungstemperaturen der zwei Wafer genau bestimmt werden. Das Ergebnis wird als T_errlow bezeichnet (Schritt 214).
Alternativ zur Durchführung einer Implantationstemperung kann eine Oxidlage auf den zwei Wafern wachsen gelassen werden, und es kann die Differenz in der Oxiddicke bestimmt werden. Die Differenz in der Oxiddicke kann dann unter Verwendung wohl bekannter Tabellen umgewandelt werden in ein genaues Maß der Differenz bei den tatsächlichen Behandlungstemperaturen, die die zwei Oxiddickenwerte erzeugt haben.
Durch das Modellieren des tatsächlichen Temperaturfehlers T_errorlow der Sonde mit der kleinen Öffnung als eine lineare Funktion von δT(ε_I, T) wird dann ein Korrekturfaktor K_corr folgendermaßen berechnet (Schritt 216):
Für das vorliegende Beispiel ist K_corr gleich 1,246.
Temperaturkorrektur an Ort und Stelle
Eine korrigierte Temperatur T_corr wird aus den Messungen der Sonde mit der kleinen Öffnung und der Sonde mit der großen Öffnung so erzeugt, wie das im Flussdiagramm der 11 gezeigt ist. Die Wafertemperatur wird unter Verwendung der Sonde mit der kleinen Öffnung (Schritt 230) und der Sonde mit der großen Öffnung (Schritt 232) gemessen, um T₁ beziehungsweise T₂ zu erhalten. Die Differenz bei den gemessenen Temperaturen (das heißt T₁ ~ T₂) wird berechnet (Schritt 234) und mit K_corr multipliziert (Schritt 236), um zum Korrekturterm zu gelangen, der dann zu T₁ addiert wird, um an der korrigierten Temperatur anzukommen (Schritt 238). Mit anderen Worten: Tcorr = T1 + Kcorr·δT(ε, T) (22)
Die Prinzipien hinter dieser Technik und die sich ergebende Verbesserung bei der Genauigkeit der Temperaturmessung werden nun beschrieben.
Im wesentlichen bestimmt die Messung der Empfindlichkeit der Sonde mit der kleinen Öffnung, welche Kurve des effektiven Emissionsvermögens (siehe Gleichung 15) auf die Sonde mit der kleinen Öffnung angewandt wird. Dies ergibt sich folgendermaßen. Beim Durchführen der Implantiertemperung auf dem Wafer mit dem niedrigen Emissionsvermögen, während die Sonde mit der kleinen Öffnung für eine Überwachung der Behandlungstemperatur verwendet wird, wird angenommen, dass das Emissionsvermögen des Wafers eins ist. Mit dieser Annahme ist die Energie, die vom Wafer ausgestrahlt wird, gleich der Energie, die von einem idealen schwarzen Körper bei T_process ausgestrahlt wird, das heißt I(T_process, λ). Die vorhergehende Bestimmung von T_errorlow zeigt jedoch, dass die tatsächliche Temperatur des Wafers höher ist, nämlich T_process + T_errorlow. Somit kann die Energie, die durch den Wafer ausgesandt wird, auch so ausgedrückt werden, dass sie gleich dem effektiven Emissionsvermögen des Wafers mit dem niedrigen Emissionsvermögen (das ist ε_eff,low) mal der Energie, die von einem schwarzen Körper bei dieser höheren Temperatur (das ist I(T_process + T_errorlow, λ) ausgesandt wird, ist. In anderen Worten εeff,lowI(Tprocess + Terror, λ) = I(Tprocess, λ) (23)
Dies kann umgeschrieben werden, um eine Gleichung für das Berechnen von ε_eff,low zu erhalten:
Für die beschriebene Ausführungsform wird ε_eff,low als 0,855 berechnet. Dann wird unter Verwendung von Gleichung 17 das effektive Reflexionsvermögen für die Sonde mit der kleinen Öffnung R_effsmall aus den effektiven und tatsächlichen Emissionsvermögen des Wafers mit dem niedrigen Emissionsvermögen folgendermaßen berechnet:
In diesem Beispiel ist R_effsmall gleich 0,92.
Wenn R_effsmall bekannt ist, und wenn man Gleichung 15 verwendet, so kann das scheinbare Emissionsvermögen für die Sonde mit der kleinen Öffnung als eine Funktion des tatsächlichen Emissionsvermögens des Wafers aufgezeichnet werden. Diese Aufzeichnung ist als obere Kurve in 8 gezeigt.
Die zwei Temperaturmessungen, die vom Wafer mit dem hohen Emissionsvermögen erhalten werden, nämlich T_big und T_small, ermöglichen es einem, die Kurve des effektiven Emissionsvermögens der Sonde mit der großen Öffnung in ähnlicher Weise zu bestimmen. Für die Sonde mit der großen Öffnung ist bekannt, dass die gemessene ausgesandte Energie I(T_big, λ) gleich der Energie, die von einem schwarzen Körper bei einer etwas höheren Temperatur T_actual ausgesandt wird, mal dem effektiven Emissionsvermögen der Sonde mit der großen Öffnung ε_effbig ist. In ähnlicher Weise ist für die Sonde mit der kleinen Öffnung bekannt, dass die gemessene ausgesandte Energie I(T_small, λ) gleich der Energie, die von einem schwarzen Körper bei der höheren Temperatur T_actual, ausgesandt wird, mal dem effektiven Emissionsvermögen der Sonde mit der kleinen Öffnung ε_effsmall ist. Somit kann man den folgenden Ausdruck schreiben:
Dies kann wiederum umgeschrieben und verallgemeinert werden als:
Da das effektive Reflexionsvermögen der Sonde mit der kleinen Öffnung bekannt ist (siehe oben), kann ε_effsmall aus der folgenden Beziehung berechnet werden:
wobei ε_a das scheinbare Emissionsvermögen ist, und wobei R_eff das effektive Reflexionsvermögen ist. Durch das Verwenden des vorher berechneten Werts für R_effsmall und dem tatsächlichen Emissionsvermögen für den Wafer mit dem hohen Emissionsvermögen (das ist 0,94) kann ein Wert für ε_effsmall berechnet werden:
Das Einsetzen des Wertes für ε_effsmall in Gleichung 27 führt zu einem Wert für ε_effbig. Im vorliegenden Beispiel beträgt der berechnete Wert 0,749.
Unter Verwendung von Gleichung 17 kann auch ein Wert für das effektive Reflexionsvermögen der Sonde mit der großen Öffnung, das ist R_effbig, berechnet werden. Im vorliegenden Beispiel ist R_effbig gleich 0,842.
Das Bekanntsein von R_effbig ermöglicht uns das scheinbare Emissionsvermögen für die Sonde mit der großen Öffnung aufzuzeichnen. Diese Aufzeichnung ist die untere Kurve in 8. Man beachte, dass für die Zwecke des Kalibrierschemas es wünschenswert ist, zwei Kurven (das sind die Kurven des scheinbaren Emissionsvermögens für die Sonde mit der kleinen Öffnung und die Sonde mit der großen Öffnung), die durch einen großen Betrag getrennt sind, zu haben, um so das Signal-zu-Rausch-Verhältnis der Kalibrierung zu erhöhen.
Wenn keine Korrektur bei der Temperatur, die von der Sonde mit der kleinen Öffnung während des Behandlungslaufs gemessen wird, vorgenommen wird, wird der Temperaturfehler T_errnocorr zu: Terrnocorr = T – Tc(Iε) (30)wobei Iε = εa(ε, Reffsmall)·I(T, λ) (31)
Das Einsetzen dieses Ausdrucks in Gleichung 28 führt zu: Terrnocorr = T – Tc(εa(ε, Reffsmall)·I(T, λ) (32)
Eine Aufzeichnung dieser Funktion ist in 9 gezeigt (siehe obere durchgezogene Kurve), wobei sie zeigt, dass der Fehler, der in die unkorrigierte Temperaturmessung unter Verwendung der Sonde mit der kleinen Öffnung eingeführt wird, mit einem Abnehmen des Emissionsvermögens des Substrats signifikant zunimmt.
Unter Verwendung von Gleichung 20 kann der Unterschied in den Temperaturen, die durch die Sonde mit der großen Öffnung und durch die Sonde mit der kleinen Öffnung gemessen werden, das heißt δT(ε, T) folgendermaßen berechnet werden: δT(ε, T) = Tc((εa(ε, Reffsmall)·Tc(εa(ε, Reffbig)·I(T, λ)) (33)
Die untere gestrichelte Kurve in 9 zeigt die verbesserte Genauigkeit der korrigierten Temperaturmessung als eine Funktion des Emissionsvermögens der Rückseite des Wafers. Man beachte, dass über einen Bereich der Emissionsvermögen von 0,3 bis 1,0 der Fehler kleiner als ungefähr 1°C ist. Mit anderen Worten, die korrigierte Temperaturanzeige, die man unter Verwendung der oben beschriebenen Technik erhält, ist wesentlich verbessert und die Empfindlichkeit der korrigierten Temperaturanzeige gegenüber Variationen im Emissionsvermögen von einem Wafer zum nächsten wird im Verhältnis zu der nicht korrigierten Temperaturanzeige stark reduziert.
Aus Gleichung 9 wird deutlich, dass die lineare Annäherung einen Korrekturfaktor erzeugt hat, der für den tatsächlichen Messfehler leicht überkompensiert ist. Ein Weg, um den Korrekturfaktor werter zu optimieren, besteht einfach darin, einen kleineren Faktor zu verwenden, beispielsweise 0,9K_corr. Wenn der Korrekturfaktor in dieser Weise skaliert wird, so nähert sich die ergebende Kurve dichter null Fehler über einem größeren Teil des Bereichs des Emissionsvermögens (siehe gestrichelte Kurve in 9).
Die Wirkungen, die der Grund für den Fehler bei der Temperaturmessung der Sonde mit der kleinen Öffnung sind, sind mit der Energie zusammenhängende Effekte, die einen exponentiellen Term einführen. Somit sind die tatsächlichen Fehler nicht linear. Nichtsdestotrotz funktioniert die lineare Annäherung an den Fehler bei der Kompensation dieser nicht linearen Effekte gut.
Natürlich kann eine weitere Optimierung des Korrekturfaktors erhalten werden, indem man die nicht lineare Art, in welcher der Korrekturfaktor als eine Funktion der Temperaturdifferenz zwischen den zwei Sonden variiert, berücksichtigt. In vielen Anwendungen macht das substantielle Niveau der Verbesserung, das man durch die einfache lineare Näherung erreicht, eine weitere Verfeinerung der korrigierten Temperaturmessung unnötig.
Um die Genauigkeit der Gleichung für δT(ε, T) (das ist Gleichung 33) auszuwerten, wurden die berechneten Werte mit tatsächlichen experimentelle Daten für die Temperaturdifferenz zwischen den zwei Sonden verglichen. Dieser Vergleich ist in 10 gezeigt. Die obere Kurve gilt für einen Wafer, der ein Emissionsvermögen von 0,32 aufweist, die mittlere Kurve gilt für einen Wafer, der ein Emissionsvermögen von 0,67 aufweist, und die untere Kurve gilt für einen Wafer, der ein Emissionsvermögen von 0,82 aufweist. Die experimentellen Daten werden als "x's" und "+'s" im Schaubild präsentiert. Um die experimentellen Daten zu erhalten, wurde ein Wafer in der Kammer platziert, und die Temperatur wurde rampenförmig bis auf 1000°C erhöht. Nach einer Temperatur von 500°C konnte sich die Temperatur alle weitere 100°C für ungefähr 10 Sekunden stabilisieren, und es wurde dann eine Temperaturablesung für jede Sonde aufgezeichnet. Der Unterschied zwischen diesen beiden Anzeigen entspricht δT(ε, T). Die Streuung in den Daten, die bei jeder Temperatur aufgenommen wurden, ergibt sich durch ein Rauschen bei den Messungen. 10 zeigt, dass die experimentellen Daten die Genauigkeit des Modells bestätigen.
Es sollte verständlich sein, dass andere Techniken verwendet werden können, um das effektive Reflexionsvermögen, das der zweiten Sonde zugeordnet ist, zu reduzieren. Die oben beschriebenen Techniken umfassten das Erheben der Sonde über die Oberfläche der reflektierenden Platte, das Vergrößern der Öffnung um die Sonde oder das Variieren der numerischen Apertur für die Sonde. Andere Techniken umfassen beispielsweise: (1) das Reduzieren des Reflexionsvermögens der reflektierenden Platte um die Sonde durch das Ausbilden eines absorbierenden Rings um die Sonde (beispielsweise ein Bereich, der mit Siliziumnitrid bedeckt ist); (2) das Reduzieren des Sichtwinkels der Sonde durch das Einschließen einer Blende am Faserausgang.
Wenn ein reduzierter Sichtwinkel (Winkel der Annahme der Strahlung, die in einen Lichtleiter eintritt) für die zweite Sonde verwendet wird, so kann die Größe der Öffnung erniedrigt werden, während dennoch eine Differenz in den gemessenen Temperaturen unter Verwendung der zwei Sonden von ungefähr 40°C erhalten wird. Unter Verwendung dieser Lösung können wir den Einfluss, den die zweite Sonde auf die Temperaturmessung der ersten Sonden ausübt, minimieren, und das ermöglicht uns, die Sonden enger aufeinander zu zu bewegen.
Es sollte angemerkt werden, dass eine Alternative gegenüber einer Durchführung der oben beschriebenen Korrekturtechniken das Neugestalten der Kammer ist, um so die obere Linie in 8 höher, das heißt dichter an eins, zu schieben. Aber das ist eine weit schwierigere Aufgabe als das einfache Korrigieren des Fehlers, wie es oben beschrieben wurde.
Zusätzliche Details des RTP-Systems
Wie oben angegeben wurde, kann die beschriebene Ausführungsform acht Messsonden (das sind die Sonden 150, 151a bis 151f und 152), die über dem Reflektor verteilt sind, verwenden, um die Temperatur an unterschiedlichen Radien des Substrats zu messen, wie dies in 3C gezeigt ist. Während der Wärmebehandlung wird die Trägerstruktur 108 mit ungefähr 90 U/min gedreht. Somit tastet jede Sonde tatsächlich das Temperaturprofil des entsprechenden ringförmigen Gebiets auf dem Substrat ab. Die Temperaturanzeigen, die jeder Sonde 151a bis 151f zugeordnet sind, werden gemäß der individuellen Empfindlichkeit gegenüber Variationen im Emissionsvermögen, die mit dem Sondenort verbunden sind, korrigiert, wie das oben in Verbindung mit der an Ort und Stelle durchgeführten Messtechnik beschrieben wurde.
Die Trägerstruktur, die das Substrat dreht, umfasst einen Trägerring 134, der das Substrat um den äußeren Umfang des Substrats herum berührt, um somit die gesamte Unterseite mit Ausnahme einem kleinen ringförmigen Bereich um den äußeren Umfang frei zu lassen. Der Trägerring 134 weist eine radiale Breite von ungefähr einem Inch (2,5 cm) auf. Um die thermischen Diskontinuitäten, die am Rand des Substrats 106 während der Behandlung auftreten werden, zu minimieren, ist der Trägerring 134 aus demselben oder einem ähnlichen Material wie das Substrat, beispielsweise Silizium oder Siliziumcarbid, hergestellt.
Der Trägerring 134 ruht auf einem drehbaren röhrenförmigen Quarzzylinder 136, der mit Silizium bedeckt ist, um ihn im Frequenzbereich der Pyrometer undurchsichtig zu halten. Die Siliziumbeschichtung auf dem Quarzzylinder wirkt als eine Prallfläche, um die Strahlung von externen Quellen, die die Messungen der Intensität verfälschen könnten, zu blockieren. Der Boden des Quarzzylinders wird durch einen ringförmigen oberen Lagerlaufring 141, der auf einer Vielzahl von Kugellagern 137 ruht, die wiederum innerhalb eines stationären, ringförmigen unteren Lagerlaufrings 139 gehalten werden, gehalten. Die Kugellager 137 sind aus Stahl hergestellt und mit Siliziumnitrid beschichtet, um die Partikelausbildung während des Betriebs zu reduzieren. Der obere Lagerlaufring 141 ist magnetisch mit einem (nicht gezeigten) Antriebselement verbunden, das den Zylinder 136, den Führungsring 134 und das Substrat 106 mit ungefähr 90 U/min während der Wärmebehandlung dreht.
Betrachtet man die 3B, so ist der Trägerring 134 so gestaltet, dass er eine enge Lichtdichtung mit dem Quarzzylinder 136 ausbildet. Von der Bodenfläche des Trägerrings 134 erstreckt sich eine zylindrisch geformte Lippe 134a, die einen Außendurchmesser aufweist, der leicht kleiner als der Innendurchmesser des Quarzzylinders ist, so dass sie in den Zylinder passt, wie das gezeigt ist, und eine Lichtdichtung bildet. Auf dem Innenseitenbereich des Trägerrings ist eine Auflage 134b für das Tragen des Substrats 106 angeordnet. Die Auflage 134b ist ein Bereich um den inneren Umfang des Trägerrings herum, der niedriger als der Rest des Trägerrings ist.
Ein Spülring, der im Kammerboden befestigt ist, umgibt den Quarzzylinder. Der Spülring 145 weist einen inneren ringförmigen Hohlraum 147, der sich in einem Bereich oberhalb des oberen Lagerlaufrings 141 öffnet, auf. Der innere Hohlraum 147 ist mit einer (nicht gezeigten) Gaszuführung durch einen Durchgang 147 verbunden. Während der Behandlung wird Spülgas in die Kammer durch den Spülring 145 eingeleitet.
Der Trägerring 134 weist einen äußeren Radius auf, der größer als der Radius des Quarzzylinders ist, so das er sich nach außen über den Quarzzylinder erstreckt. Die ringförmige Erweiterung des Trägerrings über den Zylinder 136 hinaus funktioniert im Zusammenwirken mit dem darunter angeordneten Spülring 145 als eine Prallwand, die verhindert, dass Streulicht in den reflektierenden Hohlraum an der Rückseite des Substrats eintritt. Um die Möglichkeit dafür, dass Streulicht in den reflektierenden Hohlraum hinein spiegelt, weiter zu reduzieren, können der Trägerring 134 und der Spülring 145 auch mit einem Material bedeckt sein, das die Strahlung, die durch das Heizelement 110 erzeugt wird, absorbiert (beispielsweise ein schwarzes oder graues Material).
Wie oben angegeben ist, so sind die Lichtleiter 126 aus Saphir hergestellt. Saphirlichtleiter werden allgemein bevorzugt, da sie relativ kleine Streuungskoeffizienten aufweisen und sie dazu neigen, eine größere Querlichtunterdrückung aufzuweisen, so dass sie eine genauere Messungslokalisierung ermöglichen. Die Lichtleiter können jedoch aus jedem passenden wärmetoleranten und korrosionsbeständigen Material, beispielsweise Quarz, das die gesammelte Strahlung zum Pyrometer überführen kann, hergestellt werden. Geeignete Quarzfaserlichtleiter, Saphirkristalllichtleiter und Lichtleiter/Leitungs-Koppler können von der Luxtron Corporation-Accufiber Division, 2775 Northwestern Parkway, Santa Clara, CA 95051-0903 erhalten werden. Alternativ könnte das Strahlungssammelsystem ein optisches System sein, das eine Objektivlinse mit kleinem Radius, die in einem Reflektor 102 montiert ist, und ein System von Spiegeln und Linsen, die Strahlung, die durch die Linse gesammelt wurde, an das Pyromenter weiterleiten, einschließt. Ein solches System mag weniger teuer als Saphirlichtleiter sein, wenn passende optische Standardelemente gefunden werden können. Alternativ können Lichtleiter auch aus einem Rohr mit einer stark polierten, reflektierenden inneren Oberfläche hergestellt werden.
Ein geeignetes Heizelement 110 ist im US-Patent 5,155,336, das hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen wird, offenbart. Dieses Heizelement verwendet 187 Lichtleiter, um eine stark parallel gerichtete Strahlung von Wolfram-Halogenlampen zur Behandlungskammer 100 zu liefern. Die Lampen sind in zwölf Zonen aufgeteilt, die in einer radial symmetrischen Weise angeordnet sind. Die Zonen können einzeln eingestellt werden, um es zu ermöglichen, dass die Strahlungserwärmung der verschiedenen Gebiete des Substrats 106 gesteuert wenden kann.
In der Ausführungsform der 3A umfasst eine Basis 116 einen Zirkulationskreislauf 146, durch den ein Kühlmittel zirkuliert, um somit den Reflektor und die reflektierende Oberfläche zu kühlen. Wasser, das typischerweise eine Temperatur von ungefähr 23°C aufweist, wird durch die Basis 116 zirkulierend geführt, um die Temperatur des Reflektors gut unterhalb der des erwärmten Substrats (beispielsweise 100°C oder weniger) zu halten. Es ist wichtig, den Reflektor während der RTP zu kühlen, um jede mögliche chemische Aktivität zu verhindern, die auf seiner Oberfläche 120 auftreten kann. Wenn es dem Reflektor ermöglicht wird, sich aufzuheizen, wird dies dazu führen, eine Oberflächenoxidation zu erhöhen, was das Reflexionsvermögen der reflektierenden Lage schwer beeinträchtigen kann. Das Erzielen einer Verbesserung des effektiven Emissionsvermögens hängt davon ab, eine stark reflektierende Oberfläche zu haben und aufrecht zu halten. Zusätzlich wird der Reflektoraufbau, wenn er sich aufheizt, eine Strahlungsquelle, die das abgetastete Signal beeinträchtigen wird.
In der beschriebenen Ausführungsform weist das Pyrometer 128 eine enge Bandbreite (beispielsweise ungefähr 40 mm), die um ungefähr 950 nm herum angeordnet ist, auf. Es kann auch wünschenswert sein, die Rückseite des Quarzfensters 114 mit einem inerten Material, das gegenüber thermischer Strahlung für alle Wellenlängen bis auf dieses schmale Band transparent ist, zu bedecken, um somit die Wahrscheinlichkeit, dass die Wärmequelle eine Streustrahlung in den reflektierenden Hohlraum einführt, zu reduzieren.
Im allgemeinen ist es in einem System für die Behandlung von Siliziumsubstraten wünschenswert, ein Pyrometer zu verwenden, das Strahlung mit großen Wellenlängen (beispielsweise Wellenlängen von mehr als ungefähr 3,5 bis 4 μm) detektiert. Diese Lösung ist jedoch am besten für Temperaturen über 700°C geeignet. Bei Raumtemperatur ist ein Siliziumwafer für Wellenlängen von Licht länger als 1,0 μm transparent. Wenn die Temperatur des Substrats zunimmt, wird das Substrat gegenüber den längeren Wellenlängen undurchsichtig, bis bei ungefähr 700°C das Substrat für alle interessierenden Wellenlängen undurchsichtig wird. Somit wird bei Temperaturen unter 700°C ein Pyrometer, das für lange Wellenlängen empfindlich ist, passender sein, um auch das Licht, das direkt von der Wärmequelle kommt, zu detektieren. Kurz gesagt, die Wellenlänge, die vom Pyrometer aufgenommen wird, sollte auch die Behandlungstemperatur berücksichtigen. Wenn die Behandlungstemperatur wesentlich unter 700°C liegt, sollte das Pyrometer Wellenlängen, die kürzer als 1,1 μm sind, aufnehmen. Wenn höhere Behandlungstemperaturen verwendet werden, so können die längeren Wellenlängen aufgenommen werden.
Es sollte auch beachtet werden, dass bei sehr niedrigen Behandlungstemperaturen (beispielsweise 600°K (327°C)) nur eine kleine Menge der spektralen Strahlung des schwarzen Körpers bei Wellenlängen, die kürzer als 1,1 μm sind, erzeugt wird. Somit wird es bei Temperaturen unterhalb 600°K ziemlich schwierig, ein zufriedenstellendes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erhalten.
In einer Gestaltung, die speziell für Behandlungstemperaturen zwischen 900°C und 1350°C geeignet ist, wird ein Halbleiterpyrometer verwendet, das gegenüber einer Strahlung mit Wellenlängen zwischen 0,9 μm und 1,0 μm empfindlich ist (beispielsweise ein Sensor 900-LP-6.35C, der mit einer Elektronik 100-S8MS-B-8CV kombiniert wird, wobei beide von Luxtron Corporation-Accufiber Division erhältlich sind). In diesem Temperaturbereich gibt es eine substantielle Menge von Strahlung, die im Wellenlängenbereich von 0,9 bis 1,0 μm erzeugt wird, was hohe Signalstärken und hohe Signal-zu-Rausch-Verhältnisse liefert.
12 zeigt eine Regelschleife für das Erwärmen des Substrats auf die gewünschte Temperatur. Sie verwendet das abgetastete Ausgangssignal von einer Vielzahl von Temperatursensoren 190 (das sind Pyrometer und Lichtleiter). Das Heizelement 110 umfasst 187 Wolfram-Halogenlampen, die in radialen Zonen angeordnet sind. Jede Zone der Lampen wird getrennt durch eine Mehrzonenlampenansteuerung 194 mit Leistung versorgt, wobei diese wiederum durch eine Steuerung 192 mit Vielfacheingang und Vielfachausgang gesteuert wird. Da das Substrat mit ungefähr 90 U/min rotiert, und die Temperaturmessungen an verschiedenen radialen Orten auf der Rückseite des Substrats 106 vorgenommen werden, erzeugt jede Temperatursonde eine mittlere Temperatur über einem anderen ringförmigen Bereich des Substrats. Die ringförmigen Bereiche fallen mit den radialen Zonen der Wärmelampe zusammen. Die Steuerung 192 empfängt die Temperaturmessungen, die durch die Temperatursensoren 190 erzeugt werden, korrigiert die Temperaturen (T_refx) auf der Basis des oben beschriebenen verfeinerten Temperaturkorrekturalgorithmus und stellt den Leistungspegel der Wärmelampen ein, um eine Substrattemperatur zu erzielen, wie sie durch ein vorbestimmte Temperaturzyklusprofil 196, das an die Steuerung 192 geliefert wird, spezifiziert wird. Während des Behandlungszyklus stellt die Steuerung die Leistungspegel, die an die verschiedenen Lampenzonen geliefert werden, automatisch ein, so dass alle Temperaturabweichungen vom gewünschten Temperaturprofil korrigiert werden können.
Andere Ausführungsformen liegen im Umfang der folgenden Ansprüche.

Claims

Verfahren zum Korrigieren der Anzeigen einer Temperatursonde (126) in einer Wärmebehandlungskammer (100), in der ein Substrat (106) auf eine Behandlungstemperatur erhitzt wird, wobei – auf einer Seite des Substrats (106) ein reflektierender Hohlraum (118) ausgebildet wird, – eine erste Sonde (150), eine zweite Sonde (152) und wenigstens eine dritte Sonde (151) zur Aufnahme von Energie aus dem reflektierenden Hohlraum (118) verwendet werden, und die aufgenommene Energie aus der ersten, zweiten und dritten Sonde eine erste, zweite beziehungsweise dritte Temperaturanzeige ergibt, – das effektive Reflexionsvermögen der ersten und/oder zweiten Sonde geändert wird, – die Wärmbehandlungskammer (100) kalibriert wird, um einen Emissionsvermögens-Empfindlichkeitsfaktor für die dritte Sonde (151) abzuleiten, – ein effektives Emissionsvermögen für das Substrat (106) aus den effektiven Reflexionsvermögen für die erste und zweite Sonde abgeleitet wird, – eine Einstelltemperatur für die erste Sonde (150) aus der ersten und zweiten Temperaturanzeige und dem effektiven Emissionsvermögen für das Substrat (106) abgeleitet wird, – eine emissionsvermögensempfindliche Einstelltemperatur für die dritte Sonde (151) von dem Emissionsvermögens-Empfindlichkeitsfaktor für die dritte Sonde (151) und die Einstelltemperatur abgeleitet wird, – eine korrigierte Temperaturanzeige für die dritte Sonde (151) von der emissionsvermögensempfindlichen Einstelltemperatur für die dritte Sonde (151) und aus der dritten Temperaturanzeige abgeleitet wird, so dass die korrigierte Temperaturanzeige für die dritte Sonde (151) ein Indikator für die tatsächliche Temperatur des Substrats (106) in der Umgebung der dritten Sonde (151) ist, der genauer ist als die nichtkorrigierten Anzeigen, die von der dritten Sonde (151) erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, – dass das effektive Reflexionsvermögen der ersten und/oder zweiten Sonde dadurch geändert wird, dass eine numerische Apertur, die der ersten oder zweiten Sonde zugeordnet ist, eingestellt wird, damit die effektiven Emissionsvermögen der Sonden geändert werden können.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem jede Sonde zum Sammeln von Strahlung durch wenigstens eine Leitung (124) verwendet wird, die sich in einem Reflektor (102) befindet, der gegenüber dem Substrat (106) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem Strahlung durch eine Leitung (124) für die erste und zweite Sonde gesammelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem zu dem Schritt des Sammelns der Strahlung durch die Leitung (124) hindurch die Verbindung von zwei Lichtleitfasern (125) mit der Leitung (124) gehört, wobei die beiden Lichtleitfasern (125) mit einem Pyrometer (128) verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem zu dem Schritt der Verbindung von zwei Lichtleitfasern (125) die Verbindung jeder Lichtleitfaser (125) mit unterschiedlichen Kanälen des Pyrometers (128) gehört, wobei die numerische Apertur der unterschiedlichen Kanäle vom Benutzer so wählbar ist, dass eine Einstellung von unterschiedlichen effektiven Reflexionsvermögen für die erste Sonde (150) und die zweite Sonde (152) möglich ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der zu dem Schritt des Ableitens einer emissionsvermögensempfindlichen Einstelltemperatur für die dritte Sonde (151) ein Vervielfachen der Einstelltemperatur für die dritte Sonde (151) ein Vervielfachen der Einstelltemperatur mit dem Emissionsvermögens-Empfindlichkeitsfaktor für die dritte Sonde (151) gehört.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem zu dem Kalibrierschritt die Bestimmung einer Temperaturänderung von einer Mitteltemperatur aus gehört, die an ein Kalibriersubstrat für eine Vielzahl von Kalibriersubstraten angelegt wird, die vorgegebene Emissionsvermögenspegel haben.
Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem zu dem Kalibrierschritt die Bestimmung des Emissionsvermögens-Empfindlichkeitsfaktors für die dritte Sonde (151) durch eine geradlinige Annäherung einer Empfindlichkeitskurve gehört, die der von der ersten Sonde (150) abgeleiteten korrigierten Temperatur der Temperaturänderung zugeordnet ist, die von den Kalibriersubstraten abgeleitet wird.
Vorrichtung zum Messen der Temperatur eines Substrats (106) in einer Wärmebehandlungskammer (100) – mit einer reflektierenden Platte (102), die in der Wärmebehandlungskammer (100) angeordnet ist und einen reflektierenden Hohlraum (118) bildet, wenn ein Substrat (106) in der Kammer angeordnet ist, – mit einer ersten Sonde (150), die für den Empfang von Energie aus dem reflektierenden Hohlraum (118) und zur Erzeugung von einer ersten Temperaturanzeige angeordnet ist, – mit einer zweiten Sonde (152), die für den Empfang von Energie aus dem reflektierenden Hohlraum (115) und zur Erzeugung einer zweiten Temperaturanzeige angeordnet ist, wobei der ersten Sonde (150) ein anderes effektives Reflexionsvermögen für den Hohlraum als der zweiten Sonde (152) zugeordnet ist, – mit einer dritten Sonde (151), die für den Empfang von Energie aus dem reflektierenden Hohlraum (118) und zum Erzeugen einer dritten Temperaturanzeige angeordnet ist, und – mit einem Temperaturmessmodul, das die erste, zweite und dritte Temperaturanzeige aus der ersten Sonde (150), der zweiten Sonde (152) beziehungsweise der dritten Sonde (151) und einen der dritten Sonde (151) zugeordneten Emissionsvermögens-Empfindlichkeitsfaktor empfängt, wobei – das Temperaturmessmodul so programmiert es, dass es ein effektives Emissionsvermögen für das Substrat (106) basierend auf dem effektive Reflexionsvermögen für die erste und zweite Sonde sowie eine korrigierte Temperaturanzeige für die erste Sonde (150) ableitet, – die korrigierte Temperaturanzeige für die erste Sonde (150) die Summe der ersten Temperaturanzeige und einer berechneten Einstelltemperatur ist, – die korrigierte Temperaturanzeige ein Indikator für die tatsächliche Temperatur des Substrats (106) in dem der ersten Sonde (150) zugeordneten Bereich ist, der genauer ist als eine nichtkorrigierte Anzeige der ersten Sonde (150), – das Temperaturmessmodul so programmiert ist, dass es eine korrigierte Temperaturanzeige für die dritte Sonde (151) aus der Einstelltemperatur, dem Emissionsvermögens-Empfindlichkeitsfaktor und der dritten Temperaturanzeige ableitet und – die korrigierte Temperaturanzeige für die dritte Sonde (151) ein Indikator für die tatsächliche Temperatur des Substrats (106) in dem Bereich der dritten Sonde (151) ist, der genauer ist als nichtkorrigierte Anzeigen, die von der dritten Sonde (151) erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, – dass die Vorrichtung weiterhin Einrichtungen zum Einstellen einer der ersten Sonde zugeordneten ersten numerischen Apertursetzung aufweist, so dass das effektive Reflexionsvermögen der ersten Sonde (150) geändert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher die erste Sonde (150), die zweite Sonde (152) und die dritte Sonde (151) Lichtleiter (126) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher die erste Sonde (150) und die zweite Sonde (151) sich durch eine einzige Leitung (124) in der reflektierenden Platte (102) erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher das Temperaturmessmodul den Emissionsvermögens-Empfindlichkeitsfaktor für die dritte Sonde (151) errechnet, wobei das Produkt des Empfindlichkeitsfaktors für die dritte Sonde (151) und der Einstelltemperatur mit der dritten Temperaturanzeige summiert wird, um die korrigierte Temperaturanzeige für die dritte Sonde (151) zu liefern.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei welcher der Emissionsvermögens-Empfindlichkeitsfaktor für die dritte Sonde (151) dadurch berechnet wird, dass eine Temperaturänderung aus einer Mitteltemperatur bestimmt wird, die an ein Kalibriersubstrat für eine Vielzahl von Kalibriersubstraten angelegt wird, die vorgegebene Emissionsvermögenspegel haben.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei welcher der Emissionsvermögens-Empfindlichkeitsfaktor für die dritte Sonde (151) durch eine geradlinige Annäherung einer Empfindlichkeitskurve bestimmt wird, die der für die erste Sonde (150) abgeleiteten korrigierten Temperatur und der von den Kalibriersubstraten abgeleiteten Temperaturänderung zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher jeder Sonde eine Leitung (124) zugeordnet ist, die sich in der reflektierenden Platte (102) befindet und gegenüber dem Substrat (106) für das Sammeln von Strahlung angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher die erste Sonde (150) und die zweite Sonde (152) jeweils eine Lichtleitfaser (125) haben, die mit einer einzigen (der gleichen) Leitung verbunden ist, und jede Lichtleitfaser (125) mit einem Pyrometer (128) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, bei welcher jede Lichtleitfaser (125) mit verschiedenen Kanälen des Pyrometers (128) verbunden ist und die numerische Apertur für jeden der verschiedenen Kanäle vom Benutzer selektierbar ist, so dass das Setzen von unterschiedlichen Reflexionsvermögen für die erste Sonde (150) und/oder die zweite Sonde (152) möglich ist.