TWI686598B - 一種用測量半導體材料輻射反射值測量半導體材料掺雜量的系統 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示一種半導體材料之掺雜量的測量系統與方法，其藉由將自半導體材料反射的紅外線輻射導引進入一積分球體，並散射所接收的輻射及將部分輻射通過不同波長區間的通帶過濾器，再比對通過每個過濾器的能量值，並參照由已知摻雜量之晶圓所建立的一相關曲線，以計算取得該測量系統中之半導體材料的摻雜量。
Description
本發明係關於一種半導體裝置的一或多層中的摻雜量的測量，亦關於一種掺雜量的非接觸式測量系統及方法，其可應用在與半導體裝置相關之商業生產線，例如光伏(photovoltaic,PV)太陽能電池、發光二極體(LEDs)及以擴散、植入或外延沉積方式形成摻雜層的其他半導體裝置。
本發明更關於一種藉由測量半導體材料之輻射反射值以測量前述之摻雜量的方法及系統，其藉由將紅外線輻射源之輻射以適當的角度導引至半導體材料，以及以積分球體收集反射輻射。測量系統的部分內容揭露於美國第8829442號專利案，而本發明係關於紅外線輻射源的替代具體
實施例，其為提供一準直器(可以為導管或光導管)，藉此將紅外線輻射源之輻射導引至適當的角度。
關於先前技術，我們將描述矽晶(c-Si)太陽能電池及半導體發光二極體的製造過程。
為了製造晶體矽晶太陽能電池，矽晶圓於電池生產線上會經歷一系列的加工步驟。每個引入的晶圓被原子輕微地內部摻雜(bulk-doped)(例如經由擴散步驟)，進而產生「自由載體(free carriers，為半導體用語)」，其可以為施體(產生n-型晶圓)或是受體(產生p-型晶圓)。首先(於進料檢驗以排除不合格的晶圓或將晶圓分類之後)，將晶圓通過濕式化學蝕刻程序以移除鋸痕及其他表面缺陷及汙染。接著，每個晶圓進行均向性織構程序(isotropically textured，即另一濕式蝕刻程序)以將晶圓表面極細微地弄糙，藉此增強其捕捉入射光子的能力。於織構程序之後，於晶圓表面的薄層中摻雜一化學試劑，其可產生與內部摻雜相反電位能的自由載體。目前的實作中，前述摻雜可發生在下列方法的其中一種：線上連續(in-line)法、或是批次(batch)法。線上連續法是於晶圓的頂部表面以化學摻雜劑沉積，且其載體通常為液態的形式承載。(以含磷摻雜劑為例，載體大部分為磷酸溶液。)
接著，乾燥沉積的摻雜劑載體，其產物擴散(利用高溫爐)至各晶圓中，使晶圓於曝光時可形成具有電性的一半導體接面。在線上連續法中，晶圓於加工設備中被連續性地運送以進行對應的步驟，主要加工設備及步驟如下：第一，以「摻雜(doper)機器」噴塗液態的載體；第二，以「乾燥(dryer)機器」乾燥載體，並將化學摻雜劑留於表面；第三，以「連續擴散爐(in-line diffusion furnace)」將摻雜劑擴散至晶圓內。在批次法中，晶圓被裝載至容置盒(通常是由石英製程，並於半導體領域中被稱為「晶舟(boat)」，而容置盒***「管(tube)」擴散爐中，然後密封，晶圓暴露至氣態形式的摻雜劑載體(常使用的為氯化磷醯)並同時加熱已將摻雜劑擴散至晶圓內。晶圓接著自烘爐中移除，並自晶舟卸載後移動至產線的下一部分。在兩種方法中，第二摻雜劑的穿透深度及濃度亦取決前述引入之摻雜劑的量、擴散程序所歷經的時間及溫度。同樣的，第二摻雜劑自然是藉由擴散程序引入及擴散至晶圓的所有表面中。需注意的是，除非特別說明，於此至前所提到的摻雜劑，是指引入到內部摻雜晶圓的表面上的第二摻雜劑。接著，每個晶圓再以濕式蝕刻以移除矽酸磷(或氯)玻璃(亦稱為PSG或BSG，其為摻雜擴散步驟的副產物)，並可同時以蝕刻形成圖案，或移除後側的全部或部分的摻雜劑以避免分流的情形。接著，將塗料(常使用氯化矽)塗覆至晶元的頂部表面以減少反射及鈍化表面。該塗料通常以電漿輔助化學氣相沉積設備進行塗覆。在這
之後，晶圓的頂部及底部的表面轉印有金屬接觸物質，其中頂部的接觸點圖案被設計為光曝至矽材料時具有最小的干擾，同時形成最小電阻路徑以供電流流出晶圓。這些金屬接觸物質(以金屬漿的形式轉印)被乾燥後再以烘爐擴散至晶圓內部。在這之後，若晶圓後側的摻雜劑有部分未被完全或部分移除，利用雷射或機械設備於晶圓的外週緣切割形成環繞晶圓的溝槽以防止分流的情形。最後，晶圓(現為已完成的太陽能電池)可被測試及分級。
摻雜劑濃度，具有取得晶圓的體積內分布的功能，其在測定太陽能電池成品的量子效率及其他電性時扮演著核心的角色。因此，太陽能電池生產過程中，與擴散至晶圓的摻雜劑質量與分布相關的步驟便極為重要。特別地，該些步驟為：(a)初始之裸晶圓的「基極(base)」摻雜，其由晶圓製造商所提供應(目前大部分的裸晶圓係使用硼正摻雜)；以及(b)後續之晶圓外部區域的摻雜(目前大部分係使用磷負摻雜)。第二摻雜步驟形成「射極(emitter)」，其為本技術領域所悉知之用語。於本發明說明書中，基極係指裸晶圓摻雜，而射極係指由第二摻雜步驟所產生的半導體元件生成。
為了確認射極的製程符合規格需求，部分測量法可提供裸晶圓之基極及射極的摻雜濃度。實務上，光伏晶圓常係以手動檢測或是利用單點目測檢測裝備，其係於光伏電池生產過程中，在不同時間間隔點使用可見光譜工業相機進行檢測。除了原料驗收階段(生產線的開端)及最終的檢測
與分級(生產線的終端)以外，直接於晶圓生產線上測量常受限於覆蓋範圍，反之，可見光譜工業相機的特性可應用在以取樣的方式於生產線外進行檢測。當以取樣的方式檢測時，取樣的時間間隔中，會有數百個晶圓經過各種不同的步驟而無法即時被檢測。這種情況常見於可能會影響光伏晶圓內的摻雜劑濃度及分布的步驟中，而難以控制該些步驟，亦限制了光伏電池製造工廠的驗收合格產品的產量。為了提高產量，本領域之製造業者正尋求一種可直接於生產線上進行檢測，理想為可檢測所有的晶圓，以有效的控制可能影響光伏晶圓內的摻雜劑濃度及分布的步驟。
半導體發光二極體(於後簡稱為LED)執行與光伏電池相反的功能，其非藉由吸收光子以產生電，而是利用電產生光子(該現象被稱為電致發光)。製造LED的晶圓係由中性基板所組成，例如藍寶石基板。與製造光伏電池相較，晶圓是被拋光而非織構化(textured)，每個晶圓包含多個LED，且摻雜劑是以沉積的方式形成晶磊層，並位於晶圓表面，不同於製造光伏電池的擴散的程序。雖然存在前述的結構及製造過程的差異，但這些摻雜劑層皆可藉由本發明所揭露的測量方法進行檢測。為了說明書的簡潔，本說明書雖以光伏電池為例說明，但並不限制本發明之測量方法及系統應用在其他半導體機構的摻雜層。
在光伏電池的製造過程中，已有不少創新的技術是用於生產線上測量射極的摻雜情況，但皆有嚴重的侷限性。為了測量擴散的摻雜劑，以表面光電位(Surface Photovoltage,SPV)測量擴散長度、以渦流測量薄層電阻、以及以太陽能研究機構，德國Fraunhofer機構，所開發出紅外線法測量薄層電阻(J.Isenberg,D.Biro and W.Warta,“Fast,Contactless and Spatially Resolved Measurement of Sheet Resistance by an Infrared Method”,Prog.Photovolt：Res.Appl.2004；12：539-552)。然而，目前仍未有用於量測濕式摻雜載體膜(wet dopant carrier film)的方法。
表面光電位(SPV)測量法已在實驗室中使用，用於測量擴散長度(於達到平衡載體濃度前，半導體裝置中過量載體平均行進的距離)，其可參閱D.K.Schroder,“Surface voltage and surface photovoltage：history,theory and applications”,Meas.Sci.Technol.12 R16-R31,2001。表面光電位(SPV)測量法主要是藉由將晶圓置放於接地電極(雖然不具有後感測器板的非接觸式方法是可能的)以及距樣品一小段距離上放置電容式探針。因電容式的測量法，其測量的範圍相當有限，最大的隔離距離(stand-off)相當小，對於晶圓弓形或垂直移動僅具有一點點的容差。同樣的，於輸送帶製造作業中，因受限於前述之隔離距離，若發生晶圓卡在一起(非常見的情形)、或有晶圓破裂而碎片落至輸送帶上(同樣非常見的情形)、或有任何異物無意中被引入
至輸送帶、或輸送帶本身發生了輕微的垂直震動，以致超出感測器的隔離距離等情況，則有相當大的機會於輸送帶上發生撞擊(crashes)以致卡住的情況。最終，由於晶圓輸送的特定需求及對於表面光電位(SPV)測量法僅容許相當小的隔離距離，若要將這種技術引入到現有的生產線，則可能需要大幅的調整生產線，所費不貲且不實用。
Eddy電流測量法具有很多與表面光電位(SPV)測量法相同的侷限性，且先前已顯示其不適合用於測量生產線上的射極摻雜情形(將薄層電阻測量作為指標)。(Rueland,E.；Fath,P.；Pavelka,T.；Pap,A.；Peter,K.；Mizsei,J,“Comparative study on emitter sheet resistivity measurements for inline quality control”,Photovoltaic Energy Conversion,2003.Proceedings of 3rd World Conference on Volume 2,Issue,12-16 May 2003 Page(s)：1085-1087 Vol.2.)
Fraunhofer法雖適用於實驗室，但其具有許多需求以致不適合用於生產線，最明顯的是，對於幾乎不容許有假象熱及光(特別難)且於產線實施的成本高昂。
因此，需要一種彈性化、可組配、耐用、且符合成本效益的方法及裝置，其可達到直接於生產線上測量裸晶圓之摻雜劑、測量濕式摻雜薄膜的摻雜量及分布、以及生產過程中的各個擴散步驟中之射極的摻雜量的目的。
對於每個晶圓還需要限定特定且可重複的取樣點，進而可映射內部晶圓的射極變化。據推論，同樣需要可改變掃瞄強度(沿橫向機器方向，於特定時間周期內，每一單位長度的樣本數量)的方法與裝置，進而允許操作者執行規律或不規律的深度測量，若有此需求的話。
亦需要一種可持續接收自晶圓表面反射之輻射的系統，即便晶圓各區域的表面粗糙度及蝕刻圖案皆有所不同。還需指示兩個偵測器之間的輻射實質上相同。還需指示自輻射源入射至晶圓上的入射輻射，其已將鏡面反射的影響降至最低。
在本發明之一實施例中，提供一種半導體材料之掺雜量的測量系統，其藉由測量自一半導體材料反射的輻射量，以取得該半導體材料的掺雜量。測量系統包括：一紅外線輻射源；一調變器，用以調變來自紅外線輻射源之輻射；一積分球體，具有一第一開口及一第二開口，第一開口用於接收已調變之輻射，第二開口用於接收自該半導體材料反射之輻射，該積分球體用以散射積分球體內部的半導體材料反射之輻射；一準直器，用以導引紅外線輻射源所發散之輻射通過積分球體衝擊至半導體材料，且係以自半導體材料的法線偏移一角度衝擊至半導體材料，角度足以減少輻
射直接反射至準直器及減少未經半導體材料反射之輻射進入積分球體；一第一擋板，位於積分球體內，防止所接收之自半導體材料反射之輻射未經積分球體內部的散射便行進至第一帶通濾波器；一第二擋板，位於積分球體內，防止所接收之自半導體材料反射之輻射未經積分球體內部的散射便行進至第二帶通濾波器；一第一帶通或邊通濾波器，用以接收自半導體材料反射之輻射的一第一部分，第一帶通或邊通濾波器用以通過紅外線輻射的一有限波長帶，其為紅外線輻射源之輻射通過第一濾波器所發射之總頻譜；一第二帶通或邊通濾波器，用以接收自半導體材料反射之輻射的一第二部分，第二帶通或邊通濾波器用以通過另一有限波長帶，其為紅外線輻射源之輻射通過第二濾波器所發射之總頻譜，其中通過第二濾波器的另一有限波長帶係與前述通過第一濾波器之有限波長帶不相同；一第一輻射偵測器，用以接收自第一濾波器所通過的輻射，並取得一第一能量值；以及一第二輻射偵測器，用以接收自第二濾波器所通過的輻射，並取得一第二能量值。
在一替代的實施例中，自半導體材料的法線偏移的該角度實質上為10度。在另一實施例中，準直器包含一導管，其至少部分延伸至積分球體內。在又一實施例中，導管係為光導管。在另一實施例中，光導管縱向穿過積分球體的中心點，且實質上為積分球體的直徑。在另一實施例中，
準直器包含一透鏡，用以聚焦已調變之輻射，其自紅外線輻射源穿過積分球體並衝擊至半導體反射材料。在又一實施例中，已調變之輻射自紅外線輻射源穿過積分球體並經由第二開口衝擊至半導體反射材料。
在另一實施例中，第一檔板及第二檔板用以阻擋實質上為相同角度的所接收之半導體材料反射之輻射。於紅外線輻射源輻射衝擊至半導體材料之前，準直器可準直該輻射。
積分球體可包含一內表面，用以增強積分球體所接收之半導體材料反射之輻射的內部反射。導管包含一外表面，用以增強該積分球體所接收之半導體材料反射之輻射的內部反射。
在多個實施例中：第二開口與半導體材料間隔一預定距離設置，使實質上全部的自半導體材料反射之輻射進入積分球體，不受限於半導體材料的表面差異。預定距離實質上為5公釐。第二開口及導管的出口端為共軸對準。積分球體之第二開口的直徑大於導管的出口端。調變器選自下列群組：一使用高速截斷滑輪之調變器；一對紅外線輻射源使用脈衝調變之調變器；以及一對紅外線輻射源使用頻率調變之調變器。紅外線輻射源為一多波長紅外線雷射、於不同波長具有至少一紅外線雷射、一或多紅外線發光二極體、或一寬帶紅外線輻射源。第一及第二濾波器的通帶皆大於1微米，且第一濾波器的通帶與第二濾波器的通帶不相同。光導管包含一外
表面，用以增強積分球體所接收之半導體材料反射之輻射的內部反射。積分球體的第二開口的直徑實質上為3公分，積分球體的內徑實質上為5公分。導管的出口端的直徑實質上為1.3公分。
第二開口的直徑之於積分球體的內徑的比值實質上介於3至5之間。第二開口的直徑之於光導管的直徑的比值實質上介於1至2之間。測量系統更包括一放大器，用以放大所取得的第一能量值及第二能量值，且放大器同步於已調變之輻射的頻率。
在又一實施例中，提供一種半導體材料之掺雜量的測量系統，其藉由測量自一半導體材料反射的輻射量，以取得半導體材料的掺雜量，測量系統包括：一準直的紅外線輻射源；一調變器，用以調變來自紅外線輻射源之輻射；一積分球體，具有一第一開口及一第二開口，第一開口用於接收已調變之輻射，第二開口用於接收自半導體材料反射之輻射，積分球體用以散射積分球體內部的半導體材料反射之輻射；一第一擋板，位於積分球體內，防止所接收之自半導體材料反射之輻射未經積分球體內部的散射便行進至第一帶通濾波器；一第二擋板，位於積分球體內，防止所接收之自半導體材料反射之輻射未經積分球體內部的散射便行進至第二帶通濾波器；一第一帶通或邊通濾波器，用以接收自半導體材料反射之輻射的一第一部分，第一濾波器用以通過紅外線輻射的一有限波長帶，其為紅外
線輻射源之輻射通過第一濾波器所發射之總頻譜；一第二帶通或邊通濾波器，用以接收自半導體材料反射之輻射的一第二部分，第二帶通濾波器用以通過另一有限波長帶，其為紅外線輻射源之輻射通過第二濾波器所發射之總頻譜，其中通過第二濾波器的另一有限波長帶係與前述通過第一濾波器之有限波長帶不相同；一第一輻射偵測器，用以接收自第一帶通濾波器所通過的輻射，並取得一第一能量值；以及一第二輻射偵測器，用以接收自第二濾波器所通過的輻射，並取得一第二能量值；其中，準直的紅外線輻射源用以導引其所發散之輻射通過積分球體衝擊至半導體材料，且係以自半導體材料的法線偏移一角度衝擊至半導體材料，角度足以減少輻射直接反射至準直器及減少未經半導體材料反射之輻射進入積分球體。
總的來說，相較於申請人先前於核准公告之美國第8,829,442號專利案中所揭露的系統，申請人於此更開發了一種改良的系統(於此有時被稱為先前的實施例)，其目的為改進先前的實施例對於晶圓表面的特性之於測量摻雜量的敏感度較低的問題。
10:半導體材料
12:晶圓
14:裝置
16:紅外線輻射源、發射器
18:接收器
20:第一偵測器、偵測器
22:第二偵測器、偵測器
24:橢圓形反射器
26:斬波器
28:橢圓反射器
30:測量點
32:第一稜鏡
34:第一帶通濾波器、第一濾波器、帶通濾波器
36:第二帶通濾波器、第二有限帶通濾波器、第二濾波器、帶通濾波器
38:第二稜鏡、稜鏡
40:第三稜鏡、稜鏡
42、44:放大器
46:類比數位轉換數據計算器
48:電腦、多工類比數位轉換電路板
50:感測頭
52:輪
54:軌道
56:支撐樑
58:裝置框架
60:電源線
62:電力終端箱
64:線性致動器
66、68:箭頭
72:電腦
74:發射器
76:發射訊號
78:表面
80:接收器
82:接收訊號
86:輸送裝置
88:箭頭
90:基底晶圓
92:晶圓
94:電腦
96:支撐結構
98:箭頭
110:調變後的輻射、輻射源
112:反射輻射、能量、圖樣
114:晶圓
120:紅外線調變器
122:紅外線輻射源
124:第一紅外線輻射偵測器
126:第二紅外線輻射偵測器
128:解調器
130:訊號處理器
132:系統
134:連接座
136:輻射源
138:輻射源座
140:殼體
142:調變器
143:輪盤
144:調變器座
145:開口
146:積分球體
147:實心區域
148:上部開口、第一開口
150:光導管
152:入口端
154:出口端
156:下部開口、第二開口
158:內表面
160:外表面
162、164:偵測器
166、168:帶通濾波器
170、172:內擋板
173:系統
174:稜鏡
圖1為在不同的摻雜劑量下自由載體吸收與波長(n-Si)的圖式。
圖2為未摻雜(W1)及摻雜(W16)的c-Si晶圓的不同反射的圖式。
圖3為根據本發明所揭露之用於測量半導體材料摻雜量的非接觸式系統之一實施例的方塊示意圖。
圖4為美國核准第8,829,442號專利案所揭露之用於測量半導體材料摻雜量的非接觸式系統的方塊示意圖，該非接觸式系統由一單發射器及一單接收器所組成，該單接收器由二個偵測器所組成。
圖5為根據本發明所揭露之方法的一實施例，於晶圓之不同取樣位置及取樣圖案的俯視圖。
圖6為根據本發明所揭露之用於測量半導體材料摻雜量的非接觸式系統之替代實施例的方塊示意圖。
圖7為根據本發明所揭露之用於測量半導體材料摻雜量的非接觸式系統之替代實施例的方塊示意圖，其為圖6所示之一對系統於摻雜室的任一側上使用。
圖8為根據本發明所揭露之用於測量半導體材料摻雜量的非接觸式系統之替代實施例的方塊示意圖，其為多個發射器及多個接收器被設置於半導體材料之一連串的晶圓上。
圖9顯示依據本發明所揭露之非接觸式系統檢測半導體材料之摻雜量與片電阻之相關性的示例性圖表，其係以四點探測器測量。
圖10a及圖10b顯示晶圓之織構化的差異反映至能量主波的不同。
圖11為本發明之用於測量半導體材料之輻射反射值的系統的多個組件的簡單方塊示意圖。
圖12為圖10及圖11所示之用於測量半導體材料之輻射反射值的系統的外觀示意圖。
圖13為圖12所示之系統的前視圖。
圖14為圖12所示之系統的剖側視圖。
圖15為圖12所示之系統的剖後視圖。
圖16為圖12所示之系統的替代實施態樣的前視圖，其以準直紅外線輻射源取代導管或光導管。
圖17為圖16所示系統的剖側視圖。
與本發明相關的基本的知識與技術與先前的實施例相同，即圖1至圖9。申請人進一步開發改良的系統，其係關於如何傳遞能量至晶圓及由偵測器收集反射之輻射，於後續圖10至圖17所示之較佳實施例進一步說明。
通用的項目：使用相同類型的紅外線輻射源；使用相同類型的調變器；本實施例係使用準直器傳遞紅外線能量，而無任何拋物面形式的反射器或透鏡。在一實施中，光導管(可以為鍍金材質)被用於傳遞經調變後的紅外線能量至晶圓表面；非使用稜鏡收集來自晶圓的反射能量；一積分球體被用於收集自晶圓反射的反射能量。該積分球體設置於鄰近(約5微米)晶圓的位置，由先前的實施例可知，使用積分球體更能持續的收集更多百分比的反射能量，且相較於稜鏡，使用積分球體具有更大的隔離距離；二個偵測器，於該二偵測器前分別具有不同的紅外線濾波器(可以為帶通濾波器或邊通濾波器)，用於接收部分的輻射。該些偵測器於此直接安裝於積分球體；設置於積分球內部的擋板，以防止自晶圓至任一偵測器的直接光徑；光導管用於傳遞能量至晶圓，於一實施例中，係以共軸的方式安裝於積分球體，以及光導管從一正常角度偏移至晶圓，以使單向反射回至光導管的情形減至最小；
自帶通或邊通濾波器反射的能量並無減少，且未使用分束器；偵測訊號的處理與先前的實施例相同。然而，除了利用兩個偵測器的差分及輸出比值計算摻雜含量以外，更將兩個訊號(不論是透過分析或實驗取得的數值)的任意組合以公式或差分檢測進行計算。
摻雜矽(或任何的半導體裝置)晶圓具有一特性吸收(characteristic absorption)，紅外線輻射的反射振幅及反射相位/偏相與摻雜之帶電自由載體的空間濃度相關。特別是，n型摻雜矽顯示在不同摻雜量下，紅外線光譜的自由載體吸收(或反射率)具有顯著的不同，如圖1及圖2所示。
圖1為在不同摻雜劑量下擴散的負摻雜之自由載體吸收與波長(n-Si)的圖式，並於300°K形成負摻雜矽基板(n-Si)。參照圖1所示的數據，摻雜劑濃度(每立方公釐的原子數量)為：1~1.4x1016cm-3(砷摻雜)；2~8x1016cm-3(銻)；3~1.7x1017cm-3(銻)；4~3.2x1017cm-3(磷)；5~6.1x1018cm-3(砷堤姆合金，tim alloy)；以及6~1x1019cm-3(砷)。
圖2為二個多晶(poly c-Si)晶圓，其一為僅內部摻雜硼(W1)，另一還具有擴散至頂部表面的摻雜磷層(W16)的不同反射的紅外線波長的圖式。接在W1及W16後方的數字1~5表示每個晶圓被檢測的部分。圖表上所顯示者為以一純晶性矽參考樣本進行標準化的測量結果。圖2顯示當
入射紅外線波長加長，具有摻雜磷層的晶圓所對應的反射率，明顯強於內部摻雜晶片，因此，顯示添加摻雜劑層會影響反射率，推論其可作為紅外線波長的函數，亦即，紅外線反射率與波長的標準化斜率可被用於測定該層的摻雜劑量。
另外，不同的基板上有任何化學層或膜的存在，不僅是磷，亦不論擴散與否，都會造成折射、反射、波長位移及相變，故可用於測定該層或膜的厚度、或邊界處的狀況。這種吸收和反射的量、相位、極性及波長取決於所使用的特定膜或摻雜劑，如該膜或摻雜的密度及厚度，以及基板本身的特性。
藉由傳送已知波長及強度的紅外線輻射於晶圓或基板，特性波長的吸收可被測量，其可作為接收端之反射值的函數。相變、波長改變、及極性改變亦皆可被測量。由於吸收能量的變化量與濕膜的量及組成、或射極的摻雜濃度係成比例，舉例而言，可分別藉由測量紅外線能量與反射後能量之間的差值，進而取得濕膜的濃度、深度及分布情形、或射極的密度等數據。
期望晶圓或基板上具有多個特定的位置可進行測量或取樣。這是因為單一樣本可能展現極大的差異且需要校平該些差異，以及因為晶圓或基板可能區分濕膜的沉積或摻雜劑的擴散。
同樣的，針對每個樣本，藉由於取樣處使用聯立微分詢問(simultaneous differential interrogation)，於此所述之裝置及方法能容許工廠環境的光、熱及震動，並補償溫度、改變隔離距離、及改變入射角度。
圖3所示之裝置10可用於多通道、輸送裝置、光伏電池製造設備。應該被理解的是，亦可能用於單通道及/或非輸送裝置的構造，包含發光二極體或其他半導體製造設備。
一或多個發射器及接收器被安裝於光伏晶圓12的待測量區域上。每個接收器由二或多個偵測器所組成，目的為捕捉如前解釋之不同的信號資料。為簡單明瞭地說明，用於測量摻雜矽之摻雜量的非接觸系統，將由單個發射器16及單個接收器18所組成之裝置14進一步描述，其中，單個接收器18係由二個偵測器20、22所組成。如圖4所示，圖4以方塊圖概要地描述本發明之一替代實施例。
包含於方塊圖中之設備的一偵測器殼體位於晶圓表面上約50~150公釐處。
發射器具有至少四種可能的實施例，每個包含不同的紅外線輻射源。於第一實施例中，紅外線輻射源是由安裝在橢圓形反射器的一或多個連續的寬帶紅外線源所組成。在第二實施例中，紅外線輻射源是由一或多個紅外線發光二極體所組成。在第三實施例中，紅外線輻射源是由多波
長紅外線雷射裝置所組成。在第四實施例中，紅外線輻射源是由二個單波長紅外線雷射裝置所組成。
關於發射器的第一實施例，已於核准公告之美國第8,829,442號專利案中揭露，如圖4所示，紅外線輻射源16的橢圓形反射器24將紅外線輻射的寬光譜從紅外線源聚焦到空間中的單點。一斬波器26位於橢圓的聚焦點以調變該紅外線輻射至約1kHz，雖然輻射的調變可藉由例如振幅、頻率、脈衝或相位位移的調變等合適的方法，或前述任意組合的方法。當偵測器回應感測到的訊號改變時，調變器的使用是必須的。因為調變器能將發射的紅外線訊號從背景紅外線輻射中區分出來，並將該訊號增強至雜訊比(noise ratio)。調變器亦可用於產生與摻雜量相關的資訊，其係藉由測量該調變對於反射訊號變化的影響。
離軸的橢圓反射器28顯示為面向紅外線輻射源16以接收已調變的輻射。橢圓反射器28自斬波器26接收已調變的輻射並聚焦至晶圓12上的測量點30，且射至晶圓12的入射角約為45度，並將輻射的峰與接收器18之第一稜鏡32的中心對齊(於後描述)。可以理解的是，橢圓反射器28於第三及第四實施例中是不必要的，因第三及第四實施例的紅外線輻射源16為雷射裝置，其已為準直的形式。
每個接收器18具有至少兩個可能的實施例。在接收器18的第一實施例中，接收器18被安裝於紅外線輻射射至晶圓12的測量點30上。反射的紅外線輻射擴散，由第一稜鏡32收集並導引至第一帶通濾波器34。第一濾波器通過紅外線輻射中心在一選定紅外線光譜的一有限波長帶。波長選擇的考量為使均向性織構化影響接收的信號特性不顯著。已接收之輻射的其他部分經由第一帶通濾波器34反射。
反射的輻射被導引至一第二有限帶通濾波器36、並導引至不同選定波長的中心，進而使認兩個寬帶的波長不重疊。相似的，此第二波長的選擇，其考量亦為使均向性織構化影響接收的信號特性不顯著。於較佳實施例中，帶通濾波器34及36的其中之一具有包含+/-125奈米通帶之約8微米的中心通帶，第一帶通濾波器34及第二帶通濾波器36的其中另一具有包含+/-175奈米通帶之約10.5微米的中心通帶。
於核准公告之美國第8,829,442號專利案中揭露一更佳的實施例中，每個帶通濾波器的通帶係介於50奈米至500奈米之間。另一較佳實施例為，一濾波器的中心通帶係介於1微米至20微米之間。另一較佳實施例，第二濾波器之通帶的中心波長係介於1微米至20微米之間，且其與第一濾波器之通帶的中心波長不相同。
於核准公告之美國第8,829,442號專利案中所揭露之一較佳的實施例，第一及第二濾波器之通帶的中心波長的差值係介於1微米至10微米之間。更佳的，第一及第二濾波器之通帶的中心波長的差值係為2微米。
於核准公告之美國第8,829,442號專利案中所揭露之一較佳的實施例，第一濾波器的中心波長設定在8.06微米及第二濾波器的中心波長設定在10.5微米，每個濾波器具有介於200奈米至400奈米的通帶。
通過第一濾波器34的輻射被第二稜鏡38聚焦至第一紅外線偵測器或偵測器20，其產生與接觸到第一偵測器20之紅外線強度成比例的一低電壓訊號。通過第二濾波器36的輻射被第三稜鏡40聚焦至第二紅外線偵測器或偵測器22，其產生與接觸到第二偵測器22之紅外線強度成比例的一低電壓訊號。
第一偵測器20及第二偵測器22的低電壓訊號被相應的放大器42、44放大，並由電腦48控制的類比數位轉換數據計算器46取得後，並與發射器16的斬波頻率同步。因此，第一偵測器20及第二偵測器22產生兩個電壓值，其與通過第一及第二濾波器34、36的兩個有限波長帶成比例關係。
電腦48利用來自於各個第一偵測器20及第二偵測器22的電壓，計算每個頻帶(如前所述)所接收之能量含量之間的斜率及/或比值，其與晶
圓12頂層的摻雜劑吸收的能量成比例關係。基於晶圓材料於不同摻雜量的紅外線反射模型，特別是(但不限於)如圖9所示的相關曲線斜率，並藉由計算或查表的方式取得摻雜量。
關於接收器的第二實施例，已於核准公告之美國第8,829,442號專利案中揭露，分束鏡被用於分開在第一稜鏡的聚焦點處將反射的紅外線能量分成二個相等部分，並將該二個相等部分導引至陣列偵測器，每個偵測器前具有不同的帶通濾波器。每個偵測器傳送的電壓與接觸到偵測器的紅外線輻射的強度成比例關係。因此，摻雜的多個點與波長的相關曲線即可被測量出來，進而改進斜率測量的準確性(因斜率可因波長的不同而改變)，及改進半導體內或表面之摻雜量的準確性。
在裝置14的另一實施例中，將帶通濾波器34定位於第一稜鏡32後取代為將分束器定位於第一稜鏡32後。藉此將自第一稜鏡32送出的光束分為二個光束，且二個光束分別被導引至各個帶通濾波器34、36、各個稜鏡38、40，然後至各個偵測器20、22。
於圖4所示之單個半導體晶圓12的承受表面，亦可以為產線輸送裝置上的多個半導體晶圓、靜相晶圓、或如基板上薄膜的單層表面。該表面可以為任何尺寸。
於核准公告之美國第8,829,442號專利案中揭露，用於測量半導體材料10之摻雜量的非接觸系統的一較佳實施例，如圖3以簡易方塊圖例示。多個感測頭50安裝於晶圓輸送裝置上方5公釐至250公釐之間，且與輸送裝置的行進方向垂直。每個感測頭50具有包含如圖4所示之元件的殼體，包括單個發射器(紅外線輻射源16)及單個接收器18(參照圖4)。接收器18合併二個偵測器20及22，參照圖4。而該些元件的配置及操作可參照上述之圖4的描述。特別是，每個感測頭50內為紅外線輻射源16、斬波器26、橢圓反射器28、第一稜鏡32收集被反射的紅外線輻射，並導引該紅外線輻射至帶通濾波器34或分束鏡。二個偵測器20及22產生與於定頻率範圍內之紅外線輻射量成比例關係的電壓。放大器42、44及轉換器(類比數位轉換數據計算器46)將該電壓轉換為與斬波器26的間隙同步頻率的數位訊號。
每個感測頭50跨設在輪52上，且位在垂直於輸送裝置行進方向的精確軌道54內。軌道54由固定在裝置框架58的支撐樑56所支撐，或可替代的由底板支撐。每個感測頭50的電力是由對應的電源線60並自電力終端箱62所傳遞。電源線60的配置使感測頭50可在軌道54中的一預定的測量範圍內自由移動。線性致動器64驅動感測頭50的陣列一起沿著箭頭66方向移動，線性致動器64將每個感測頭50定位至對應於
輸送裝置上的晶圓12。輸送裝置及線性致動器64的組合運動，進而可測量晶圓上的圖案。
當使用中，線性致動器64及輸送裝置以彼此呈直角的方向移動。使測量點30的圖案自然形成如圖5所示的對角線。輸送裝置沿著箭頭68方向移動。然而，如線性致動器64移動的速度大幅快於輸送裝置，則可能測量每個晶圓12及各個晶圓12上的數個測量點。如圖5所所顯示圓點，部分標示為標號30，即表示為測量點30。從圖5亦可看出，當線性致動器64沿反方向移動，可產生多個測量點30形成另一對角線的圖案。當晶圓12被輸送裝置沿著箭頭68方向移動時而可重複多次。測量點30的陣列及其於輸送裝置定速時所對應之晶圓12上的位置可作為取樣速率及線性致動器64之速度的函數。
於每個測量點30，利用多工類比數位轉換電路板48及內嵌於感測頭50的電腦48(如圖4)，將每個感測頭50之接收器18的二個偵測器20、22所放大的電壓轉換為數位訊號。將結果值經由現場總線或LAN電纜線，其可結合於電源線60，傳送至電力終端箱62。每個測量點30的二個測量結果，以及測量點對應於線性致動器64的位置，被傳送至電腦72並儲存每個測量點30。輸送裝置上晶圓12的存在可基於第一偵測器20及第二偵測器22之整體信號水平增加的步驟而得知。
在特定晶圓12或其他基板的取樣點或取樣速度可被定義為遵循一特定圖案。另外，圖案可預先被定義，及超過一個圖案可預先被定義。在連續地樣本中，可使用一或多個圖案，或可任意改變取樣點(測量點30)及取樣速度。可變的取樣技術如圖5所示。另外，可以利用調整晶圓12或其他基板在輸送裝置上的行進方向(direction of travel)來改變取樣點。
為了使取樣點的位置於晶圓12至另一晶圓12皆可重複，取樣點的位置必須偏離承受表面所定一地一特定二維位置。承受表面由多個晶圓12組成時，每二個晶圓12的邊緣作為所有取樣點的參考位置。偵測當晶圓12存在時的訊號及當僅有輸送裝置時的訊號，並利用鳩收前述訊號的輻射值改變以定位晶圓12的邊界。
感測頭50內的接收器18的第一偵測器20及第二偵測器22分別所接收之電壓的比值或差值可作為相關曲線的因變數，該相關曲線係關於前述比值/差值與晶圓的摻雜量(為自變數)之間的相關性。將已知摻雜量的晶圓(基於實驗室的接觸式四點探針或其他非產線的測量技術，如電化學電容-電壓測試進行測量)置於感測頭50下方通過，並測量二偵測器20及22的結果訊號，並將觀察到的電壓之比值/差值與由實驗室測量法所測得已知的摻雜劑濃度執行最小平方迴歸法後，進而取得相關曲線。這種類型的相關曲線如圖9所示，其被產生並儲存在電腦的記憶單元作為參考。
若晶圓12被錯列或欲測量晶圓12上的不同圖案，一替代實施例為包含用於每個感測頭50的線性致動器及每個感測頭50設置於獨立的軌道。然而，在此實施例中，由於晶圓12的於輸送裝置上行進方向而增加整個測量系統的體積。
於核准公告之美國第8,829,442號專利案中已揭露，用於測量半導體材料摻雜量的非接觸式系統的替代實施例示例性的顯示於圖6。容納單個紅外線輻射源(如圖4所示之發射器或紅外線輻射源16)的單發射器74被定位在輸送裝置(圖未示)的一側，輸送裝置承載並傳送晶圓12並作為生產線的一部分，如光伏電池生產線。紅外線輻射源可以為具有聚焦稜鏡的寬帶源或是具有可選波長的雷射裝置。紅外線輻射源可以為連續的寬帶紅外線源。聚焦的光束可由斬波器調變、或藉由電子調變雷射至轉向反射器並導引及聚焦輻射光束至晶圓上的選定點。其與前述參照圖4部分的說明相同。
在本實施例中，轉向反射器可繞軸旋轉以改變發射訊號76的入射角至一選定區間之晶圓12表面78上的一選定位置，以便連續地將光束導引及聚焦至連續排列的一組晶圓上。雖圖6描繪多個發射訊號76及相對應的多個接收訊號82，應可理解的是，系統是連續性的操作，該些訊號不會同時產生，亦不會同時被接收。類似的，若以雷射作為輻射源，轉
向反射器可繞軸旋轉以移動光束至與選定位置接觸，其為在輸送裝置上移動的一組晶圓的選定位置。
接收器80位於輸送裝置上的另一側，並具有一聚焦元件及一反射器，其被調整至可看到發射訊號76照射至晶圓上的相同點。輻射的合成光束(接收訊號82)由偵測器上的聚焦元件所導引。
當發射器74及接收器80被定向至取樣點時，發射器發射輻射束(發射訊號76)，及接收器接收自晶圓表面78反射的訊號(接收訊號82)。此發送及接收在特定期間發生，稱為「取樣期間」(在定義的期間內的取樣數量稱為「取樣速率」)。在取樣點，晶圓12表面78觀察區的形狀及尺寸稱為「取樣區域」。在取樣區域內，可能有另一子區域被定義，其為於任何時間點都能被接收器所看到之特別區域的形狀及尺寸。這被稱為樣本「點(spot)」。
若輻射源為如寬帶紅外線源之包含寬光譜紅外線能量的寬帶輻射源，則需要使用作為接收器80其中一部分的分束器將接收訊號分為二個相等的部分，再分別聚焦至二個窄帶通濾波器，該二窄帶通濾波器具有不同的中心波長，且置於接收器80內。通過各個窄帶通濾波器的能量被聚焦在各自對應的偵測器，每個帶的能量分別轉換成電壓、放大並轉換至與能量相對應的數位訊號。計算並儲存二個測量之間斜率或比值，該訊號的製
圖起點(given position)係由轉向反射器位置所定義。且執行的方式與前述圖4之說明相同。輻射源束接著移動至晶圓上之新的點(spot)，而接收器定位至可看見相同的點(spot)，且該些過程於下個位置被重複執行。
若輻射源為具有可選波長的雷射裝置，則雷射可在二或多個波長之間變換，並利用轉向反射器聚焦於一點。接收器由一聚焦元件及一反測器所組成，以將接收的能量聚焦至單偵測器上，偵測器的電壓可被放大且在對應於雷射調變頻率的頻率處取樣。
用於測量半導體材料摻雜量的非接觸式系統的替代實施例示例性的顯示於圖7，其用於測量加工製程起始步驟或連續產線多個步驟的一或多個晶圓，接著測量加工製程最終步驟的晶圓，並計算自晶圓反射之紅外線輻射的改變。該改變用於確定加工過程對於每個晶圓的影響。
本實施例可應用於半導體裝置的生產製程中，無論摻雜劑或摻雜載體(例如磷酸)是被噴塗至晶圓表面、乾燥、或擴散至晶圓內部、植入至晶圓內部、沉積形成一或多晶膜層、或自晶圓表面蝕刻。且無論晶圓是否有經過織構化處理而產生表面紋理。
在這種構造中，晶圓12沿著箭頭88方向跨設在輸送裝置86。晶圓於加工製程前及後、或連續地加工步驟中皆可被系統所測量，系統可參照前述圖6之說明(具有與圖7相同的標號說明)，且其可以由一台機器
或多台機器組成的逐次取樣組所執行。該構造於加工製程前測量基底晶圓90的反射率，並於加工製程後測量晶圓92的反射率。電腦94控制測量及比對程序。圖4所描述的系統可被用於本系統，而非圖6所描述的系統。
在不限制前述內容的一般性前提下，以下係將本實施例應用在某些光伏電池的製造步驟中為例說明。在第一實例中，機器(84)僅為摻雜機，該實施例則為用於測量於晶圓沉積的濕式摻雜載體。在第二實例中，機器(84)僅為產線擴散爐，該實施例則為用於測量烘爐對於擴散至晶圓內的烘爐效應，其中乾燥的摻雜劑在晶圓的表面。在第三實例中，機器(84)為於PSG蝕刻機後再使用擴散烘爐，該實施例則用於測量摻雜劑擴散及蝕刻加工的組合。
於核准公告之美國第8,829,442號專利案中所揭露，用於測量半導體材料摻雜量的非接觸式系統的替代實施例示例性的顯示於圖8。本實施例為參照圖3描述的替代實施例，所有發射器74及接收器80(如圖6所示)定位在單個支撐結構96，且支撐結構96沿著箭頭98方向前後一併移動，以檢測多個晶圓12並形成如圖5示例的圖樣。
申請人提出在偵測器20及22比對樣本的方法為計算偵測器20及22所接收的訊號振幅的差值，並除以與偵測器20及22所對應之帶通濾波器34及36的中心寬帶的差值。在以反射係數作為波長的函數的圖
表上，這是帶通濾波器34及36之中心通帶與偵測器20及22相關之線相交的斜率。為了更清楚的說明，舉例而言，偵測器20之帶通濾波器34的中心通帶可為8微米，及偵測器22之帶通濾波器36的中心通帶可為10微米。若在偵測器20所接收的訊號振幅為x，及在偵測器22所接收的訊號值為y，則斜率為(y-x)/2。不同的斜率表示檢測到不同的摻雜量，以及藉由利用該斜率，因前述因子所可能造成振幅變化的效應可被減輕。
利用偵測器20及22量測訊號振幅的比值亦可達到類似的減輕效果。在此情況下，該比值被定義為y/x。同樣的，亦可利用偵測器20及22所接收的訊號相位或訊號極性之間的差值或其比值。
圖9為根據本發明所揭露之用於測量半導體材料摻雜量的非接觸式系統的測量相關曲線之例示圖表。在本實例中，摻雜量表示片電阻。圖表所示的曲線(於本實例為直線)為片電阻的非產線四點探針測量法(y軸)與自二個偵測器取得電壓讀值的斜率的測量法(x軸)之間的相關性。藉由將已知且摻雜量連續漸增的多數晶圓置放於輸送裝置，並由各個偵測器20及22測量其電壓，計算兩點之間的斜率(或是二電壓的比值)及以最小平方迴歸法取得最適的線性模型。以菱形標記觀測的數據點及以直線標示最適的線性。R2值表示觀測的數據點與直線的接近程度，當其越接近1.0，表示該些數據點的連線越接近直線。圖9示之實例，其R2值為0.9486。該直
線可用於計算對應於觀測斜率x的片電阻y。例如，參照圖9：y=-575.65x+17.391
若斜率為-0.1，薄層電阻為：y=-575.65(-0.1)+17.391=74.9歐姆每平方方塊電阻(ohms per square)。
在晶圓或基板上的取樣區採取多個樣本。該些樣本的值被共同處理(例如但不限於，計算平均值)以提供有意義的測量。有效的限定每個取樣區域，且各個樣本從晶圓至晶圓、或從基板到基板重複的程序中，其取樣的位置無須完全相同，以便取得統計效度(statistically valid)以及從晶圓至晶圓或從基板到基板之間的比較測量(comparable measurements)。
帶通濾波器34及36的選擇是為了對於反射訊號振幅具有不相等的敏感度。藉由比較二個不相同的值優於單一絕對測量方式，測量數值被標準化後能消除由下列一或多個原因所造成的差異：●因掃瞄多個取樣點而使樣本與樣本之間的入射及反射路徑長度及取樣區域改變；●因震動或在承受表面的三維位置的改變(如因輸送裝置不平整而產生的撞擊)而使樣本與樣本之間的光徑長度、衰減、或取樣區域的變異；●因承受表面紋理的差異、晶界(crystal boundaries)、或其他表面的人工因素(如氧化物、矽酸磷玻璃、抗反射塗層或汙染物)而使訊號特性的改變；
●因承受表面溫度差異而使反射率不同；●因大氣濕度及/或空氣中懸浮微粒而使訊號衰減、相位、或極性改變；●環境光及熱不同；●偵測器內產生的電子雜訊；●發射訊號的波長及/或振幅的偏移，及接收器的參考波長的偏移；●測量環境中任何訊號源的損傷。
申請人的發明並未利用模擬系統。本發明利用帶通光學濾波器取得特定且狹窄的反射光譜段，以及利用此二個限定通帶之間的能量差值或比值，其可直接推導出半導體材料的自由載子的濃度。本發明並未使用基準光譜而是利用二個不連續的有限寬帶隔離能量。本發明利用光譜的特定區域，其被發現與參雜層之間的相互作用是敏感的。
總的來說，本發明利用自半導體材料反射的紅外線輻射隔離出一有限通帶，以及測量通帶的能量並相互比對。從而能夠直接推論出本導體材料的摻雜劑的含量。利用測量一組已知摻雜劑量之樣本的各個通帶的能量，而非將能量與反射光譜的全光譜比對。能量值的差值或比值作為因變數，而已知摻雜劑量的樣本作為自變數，執行線性迴歸法便可直接推導出新項目(樣本)的摻雜量，新項目為各個有限通帶的所測得的能量值。
用於測量半導體材料之輻射反射值的系統，利用一積分球體測量摻雜量的用途(圖10至圖17)
圖10a及圖10b，係為自半導體的晶圓114反射的二個輻射圖樣的實例，並以一般示意性的簡潔描述。圖10a及圖10b所示之輻射源110是以相同的角度衝擊至晶圓114。然而，圖10a及圖10b所示之自晶圓114反射之輻射的圖樣112卻彼此不相同。
圖10a及圖10b所示之反射能量散射的差異起因於半導體晶圓114表面的粗糙度(紋理及切割痕跡)，且晶圓表面的粗糙度使捕捉的光線通常並非一致的，故反射電磁能量的散射圖樣112可因晶圓114表面位置的不同而有所差異。此外，表面粗糙度的變異亦可以因晶圓的不同而有所差異。於先前的實施例中，不同量的能量被導引至偵測器的縫孔內，使儀器可對於晶圓表面粗糙度的差異性具有敏感度。這影響到摻雜量的測量。解決方案為一致地捕捉等量的能量，藉由使用積分球體捕捉反射的能量可不論散射圖樣112是位於晶圓的任何位置。積分球體亦便於以實質上相等的方式將能量導引至二偵測器。而積分球體接近晶圓表面至約產生一物理障礙，使能量(輻射)源除了通過球體本身亦施加至晶圓上。本發明更提供關於輻射源通過積分球體傳遞的實施例。輻射源之於晶圓形成一角度。準直器可以為導管或光導管通過積分球體延伸，或是置放於輻射源後的稜鏡，
可作為相同的用途。替代地，輻射源本身可提供準直的輻射，於此例如利用一或多個雷射或發光二極體作為輻射源。輻射源能量的角度足以減少直接反射至準直器(若存在的話)的輻射，及同樣可減少進入積分球體前即自半導體材料反射的輻射。
圖11為本發明之系統的多個組件的簡單方塊示意圖。紅外線調變器120可以在如圖11所示之實線及虛線的兩個不同位置的其中之一。其中一版本的紅外線調變器120係位於紅外線輻射源122之前，而另一版本的紅外線調變器120係位於紅外線輻射源122之後。當紅外線調變器120位於紅外線輻射源122下方，其為有多個開口及多個實心區域相間設置的輪盤，及藉由馬達驅動旋轉(圖11未顯示)，於後進一步討論。在其他例子中，如圖11虛線所示，當紅外線調變器120設置於紅外線輻射源122上方時，紅外線調變器120直接調變紅外線輻射源。第一及第二紅外線輻射偵測器124及126附著於積分球體(圖11未顯示)。自晶圓114(如圖10)反射之輻射進入積分球體，並被該球體散射。部分的反射，分別由帶通濾波器所過濾(圖未顯示)後，衝擊至偵測器124及126。訊號自偵測器傳送至解調器128，其與調變器120同步並用於解調變。解調變的訊號接著傳送至訊號處理器130進行處理，其已於前進一步討論。
圖12為圖10及圖11所示之用於測量半導體材料之輻射反射值的系統132的外觀示意圖。系統132被安裝於半導體裝置、光伏電池或其他晶圓的製造生產線(圖未顯示)，其中，晶圓114通過系統132並由系統132進一步處理。系統132安裝於光學堆疊的連接座134或其他適合連接於晶圓生產線的裝置，並由其所支撐。紅外線的輻射源136藉由輻射源座138安裝於連接座134。輻射源136可以為紅外線輻射源的單一輻射源或是由寬帶(broadband)或多有限通帶紅外線波長(multiple limited band infrared wavelengths)所提供的多個輻射源。舉例如下：a.熱發射器(寬帶輻射源)；b.單一頻率頻移雷射(Single frequency shifting laser)；c.多個單一波長雷射；d.單一、頻移發二光極體；以及e.多個、單一波長發光二極體。
一調變器142被設置於輻射源136的下方，以調變自輻射源136發射的輻射。調變器142自輻射源136產生脈衝的紅外線訊號。調變器142舉例如下：a.一光學斬波器，例如旋轉光圈輪盤或震動音叉；以及
b.輻射源的電子脈衝控制器。
調變器142藉由調變器座144連接於連接座134，並由其所支撐(調變器142可參照如圖11所描述的調變器120)。本實施例之調變器142為開口145與實心區域147相間設置的輪盤143，並由馬達驅動旋轉(圖未顯示)。調變器142自輻射源136產生一脈衝的紅外線訊號。調變器142例如為光學斬波器，如旋轉光圈輪盤143、或震動音叉、或輻射源136的電子脈衝控制器。
輻射源136被安裝用以光學或電子的方式提供對於背景訊號的抗擾性，其可能包含目標波長的能量。背景能量有二種類型，一為恆定電流(或流電)及脈衝電流(或交流電)。以直流電的背景能量為例，其為半導體裝置及日照的溫度。藉由偵測脈衝(交流電)能量，將恆定電流(直流電)自背景值中消除。當操控交流電主要在50Hz或60Hz時，環境光為交流電背景能量的例子之一。這是藉由確認輻射源136的調變頻率非交流電主要的奇(數)諧波，並從目標訊號中消除，接著將放大器與調變頻率同步(通常稱為鎖定放大器)。
殼體140位於輻射源136下方及其同樣連接於堆疊式的連接座134，並由連接座134所支撐。殼體140覆蓋積分球體146，其最佳的視角為圖14及圖15所示之剖面圖。積分球體146由一中空球狀空腔所組
成，其內表面158由一擴散反射塗層所覆蓋，且擴散反射塗層提供自晶圓114反射的通用一致散射(generally uniform scattering)或擴散效應(diffusing effect)的紅外線輻射。紅外線輻射入射至積分球體146內表面的一點，藉由多點擴散反射，其實質上均等的分布至積分球體146的所有其他點。自晶圓114反射之原始方向輻射的影響可被減至最低。
積分球體146包含一上部或第一開口148(圖14及圖15)，其對準於輻射源136所發出的輻射方向並通過調變器142。輻射源136自一法線(例如垂直於生產線下方行進之晶圓114)偏移一預定量，其較佳係自法線偏移約5至45度之間。更佳為自法線偏移約10度。自法線偏移角度可減少直接反射回準直器的輻射(若有的話)。無論如何，該角度須低至足以減少入射輻射的洩漏，該入射輻射為未從晶圓反射而直從輻射源110入射至積分球體的輻射。
積分球體146同樣包含一下部或第二開口156，其大致與生產線下方行進的晶圓平行。下部開口156的直徑與積分球體146的內徑的比例經最佳化，以捕捉足夠的能量同時使訊號強度最大化，該比例小於1，較佳為0.6(3之於5)。積分球體146越大，訊號越弱，但有越多的空間可置放元件並有較大的孔洞可供捕捉能量。下部開口156相較於上部開口148相對較大，以及相較於積分球體146的直徑，下部開口156相對靠近
晶圓114(約5mm)，以確保自晶圓114反射的輻射(圖10)可進入積分球體146。
輻射源136為非準直的紅外線輻射源時，必須藉由準直器導引、聚焦或準直該幅設至晶圓114上的一特定區域，使其通過系統132下方並於系統132中作用，進而測量從晶圓114反射的輻射量並藉1此達到測量晶圓114的摻雜量的用途。本實施例之準直器為一導管或光導管150，且光導管150的入口端152穿過上部開口148。光導管150與調變器142相鄰設置以捕捉自輻射源136發射的輻射。光導管150設置於積分球體146的內部，以確保輻射自輻射源136至晶圓114的直接路徑。光導管150同樣自垂直於晶圓114的法線偏移，且偏移的角度與自輻射源136射出之輻射與法線偏移的角度相同，較佳介於5度至45度之間，更佳約為10度。為了增加積分球體146內部的紅外線輻射的散射及擴散，光導管150的外表面160可塗覆與積分球體146之內表面158相同或相似的擴散反射塗層。
光導管150使輻射源136的訊號遠離偵測器162及164，及確保更多的輻射源136能量被導引至一特定區域，有助於照亮晶圓114的該特定區域。光導管的外部可由反射材料所組成，有助於積分球體內部反
射輻射的散射。如積分球體位於靠近晶圓處，自積分球體外的輻射無法適當的接觸晶圓。
光導管150的實質部分於積分球體146內延伸，一般穿過積分球體146的中心區域。下端或出口端154位於積分球體內並與下部開口156對準，較佳為共軸對準。又較佳的，下部開口156的直徑與光導管150之出口端154的直經的比值介於1至2之間，但該比值可大於1.5(3之於2，或更多)，以取得於晶圓上較小尺寸的取樣點，及減少反射回光導管之能量的損失，晶圓上的取樣點同時具有較高解析度。較佳的，光導管150的出口端154與積分球體146的下部開口156所定義的平面相距約為6mm。
源自輻射源136之調變後的輻射110(圖10)行經光導管150並依序至出口端154及下部開口156穿出後，撞擊於下方生產線行進的晶圓114。藉由輻射源136和光導管150的位置使輻射110以一預定角度撞擊至晶圓114，且自晶圓以一反射角度反射，如圖10所示。主要是由於自法線偏移該角度後的大部分的反射輻射112(圖10)可向上行進進入積分球體內部，以避免其進入光導管150的出口端154，因此可最大限度的減少來自於輻射源136之輻射的鏡像反射的干擾。
舉例而言，積分球體146之下部開口156的直徑約為3cm，穿過積分球體146中心部分的內徑約為5cm，以及光導管150之出口端154的直徑約為1.3cm。
積分球體146包含一對紅外線輻射的偵測器162及164，定位於可測量積分球體146內與偵測器162及164接觸的輻射量(偵測器162及164可參照如圖11所描述之偵測器124及126、及如圖4所描述之偵測器20及22)。帶通濾波器166及168分別對應於偵測器162及164，並位於偵測器162、164與積分球體146內部之間。
帶通濾波器166，或第一帶通濾波器(同樣可以為邊通濾波器，未顯示)，用以接收積分球體146所接收之自晶圓114或半導體材料反射之輻射的第一部分，及用以通過一有限波長帶至偵測器124，該有限波長帶由紅外線輻射源之輻射通過濾波器166後所發射之頻譜，且其中心波長位在一選定波長。帶通濾波器168，或第二帶通濾波器(同樣可以為邊通濾波器，未顯示)，用以接收積分球體146所接收之自晶圓114或半導體材料反射之輻射的第二部分，及用以通過一有限波長帶至偵測器124，該有限波長帶由紅外線輻射源之輻射通過帶通濾波器168後所發射之頻譜，且其中心波長位在一選定波長。通過濾波器168的有限波長帶相較於通過濾波器166的有限波長帶係不相同。
於前述實施例中，當帶通濾波器166及168被使用，帶通濾波器166及168的中心波長約為1.6微米及5.4微米。一般而言，通帶的選擇是由反射輻射的振幅所決定，其取決於該二濾波器的其中之一或二的自由載體之吸收。
積分球體146包含一對內擋板170及172，位於積分球體146的內部，以避免從晶圓114直接反射的能量分別與偵測器162及164接觸。所有的能量112經由下部開口156進入積分球體146，且能量112在撞擊偵測器162及164之前應已被積分球體146所擴散或散射。
積分球體146的作用為均衡球體內部由積分球體146所反射及散射的能量。自晶圓114反射之輻射的任何原方向因子以相同的作用而被移除。進而使得偵測器162及164接收平均位準大致相同的反射能量112(如圖10所示)。這可避免於偵測器162及164處的輻射有不平均位準的情形，其係因晶圓114上各個區域的表面特性不同所致。自晶圓114發散的能量112中，於特定波長的量可作為系統132測量晶圓114的摻雜量的功能。
訊號從偵測器162及164傳送至解調器128(如圖11)並與調變器120(如圖11)或調變器142(如圖12至圖15)同步而用以解調變。被解調變的訊號接著傳送至訊號處理器130(如圖11)進行處理，如前所述。該同步可以藉由一信號放大器同步至調變頻率(通常被稱為鎖入放大器)。
圖16及圖17為一替代的實施例，本實施例可參照前述圖10至圖15所討論之內容，除了系統173的輻射源136來自於準直的紅外線輻射，例如紅外線雷射或發光二極體，故前述實施例需要準直器，如光導管150。本實施例係以稜鏡174取代光導管150，且稜鏡174位在準直的輻射源136和上部或第一開口148之間，並未於調變器142下方。
輻射源136自一法線(例如垂直於生產線下方行進之晶圓114)偏移一預定量，較佳為自法線偏移5度至45度之間。更佳為自法線偏移約10度。自法線偏移角度的作為可減少鏡面反射，其對於避免自晶圓114反射的輻射被來自於輻射源136的輻射所干擾是相當重要的。輻射源136的輻射由稜鏡174所聚焦並傳送至積分球體146，且以與輻射源136自法線偏移相同的角度從下部開口156射出。輻射接著以前述的角度衝擊至晶圓114的一部分，如圖10所示。被反射的輻射再經由下部開口156進入積分球體146，並於積分球體146內部被多次反射後再撞擊至濾波器166及168的其中之一，使得輻射在衝擊至對應的偵測器162及164之前，先被帶通濾波器166及168的預定通帶所過濾，其皆可參考前述實施例對於濾波器166、168及偵測器162、164的內容。
綜上所述，可以理解在此為了例示之目的已描述本發明的特定實施例，但在不偏離本發明各個實施例的精神及範圍的情況下可以做出各
種修改。另外，雖然與本發明某些實施例相關的優點已於前述實施例的內容中描述，但其他實施立亦可展現這些優點，並非所有的實施例必須展現此優點才算落入本發明的保護範圍內。因此，上述諸多實施例僅為了便於說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
120:紅外線調變器
122:紅外線輻射源
124:第一紅外線輻射偵測器
126:第二紅外線輻射偵測器
128:解調器
130:訊號處理器
Claims (24)
- 一種半導體材料掺雜量的測量系統，其藉由測量一半導體材料之輻射反射值，以取得該半導體材料的掺雜量，該半導體材料摻雜量的系統包括：一紅外線輻射源；一調變器，用以調變來自該紅外線輻射源之輻射；一積分球體，具有一第一開口及一第二開口，該第一開口用於接收已調變之輻射，該第二開口用於接收自該半導體材料反射之輻射，該積分球體用以散射該積分球體內部的該半導體材料反射之輻射；一光導管，其係自該第一開口延伸進入該積分球體並朝向該第二開口，該光導管用以導引該紅外線輻射源所發散之輻射通過該積分球體衝擊至該半導體材料，且係以自該半導體材料的法線偏移5度至45度衝擊至該半導體材料，該角度足以將直接反射至該光導管之該輻射降至最低及將未經該半導體材料反射進入該積分球體之輻射降至最低；一第一擋板，位於該積分球體內，防止所接收之自該半導體材料反射之輻射未經該積分球體內部的散射便行進至該第一帶通濾波器；一第二擋板，位於該積分球體內，防止所接收之自該半導體材料反射之輻射未經該積分球體內部的散射便行進至該第二帶通濾波器；一第一帶通或邊通濾波器，用以接收自該半導體材料反射之輻射的一第一部分，該第一帶通或邊通濾波器用以通過紅外線輻射的一有限波長帶，其為該紅外線輻射源之輻射通過該第一濾波器所發射之總頻譜； 一第二帶通或邊通濾波器，用以接收自該半導體材料反射之輻射的一第二部分，該第二帶通或邊通濾波器用以通過另一有限波長帶，其為該紅外線輻射源之輻射通過該第二濾波器所發射之總頻譜，其中通過該第二濾波器的該另一有限波長帶係與前述通過該第一濾波器之該有限波長帶不相同；一第一輻射偵測器，用以接收自該第一濾波器所通過的輻射，並取得一第一能量值；以及一第二輻射偵測器，用以接收自該第二濾波器所通過的輻射，並取得一第二能量值。
- 如申請專利範圍第1項所述之測量系統，其中自該半導體材料的法線偏移的該角度實質上為10度。
- 如申請專利範圍第1項所述之量系統，其中自該半導體材料的法線偏移的該角度足夠低以減少該已調變之輻射的漏失，其係指該已調變之輻射未經該半導體材料的反射便進入該積分球體的輻射。
- 如申請專利範圍第1項之測量系統，其中該光導管包含一入口端及一出口端，其中該入口端接收該紅外線輻射源之輻射，該出口端發射位於或鄰近該第二開口部之輻射。
- 如申請專利範圍第1項之測量系統，其中該光導管縱向穿過該積分球體的中心點，且實質上為該積分球體的直徑。
- 如申請專利範圍第1項之測量系統，其中該已調變之輻射自該紅外線輻射源穿過該積分球體並經由該第二開口衝擊至該半導體反射材料。
- 如申請專利範圍第1項之測量系統，其中該第一檔板及該第二檔板用以阻擋實質上為相同角度的所接收之該半導體材料反射之該輻射。
- 如申請專利範圍第1項之測量系統，其中該積分球體包含一內表面，用以增強該積分球體所接收之該半導體材料反射之輻射的內部反射。
- 如申請專利範圍第4項之測量系統，其中該導管包含一外表面，用以增強該積分球體所接收之該半導體材料反射之輻射的內部反射。
- 如申請專利範圍第4項之測量系統，其中該第二開口與該半導體材料間隔一預定距離設置，使實質上全部的自該半導體材料反射之輻射進入該積分球體，不受限於該半導體材料的表面差異。
- 如申請專利範圍第10項之測量系統，其中該第二開口與該半導體材料間隔的該預定距離實質上為5公釐。
- 如申請專利範圍第4項之測量系統，其中該第二開口及該導管的出口端為共軸對準。
- 如申請專利範圍第4項之測量系統，其中該積分球體之該第二開口的直徑大於該導管的出口端。
- 如申請專利範圍第4項之測量系統，其中該調變器選自下列群組：一使用高速截斷滑輪之調變器；一對該紅外線輻射源使用脈衝調變之調變器；以及一對該紅外線輻射源使用頻率調變之調變器。
- 如申請專利範圍第1項之測量系統，其中該紅外線輻射源為一多波長紅外線雷射、於不同波長具有至少一紅外線雷射、一或多紅外線發光二極體、或一寬帶紅外線輻射源。
- 如申請專利範圍第1項之測量系統，其中該第一濾波器及該第二濾波器的通帶皆大於1微米。
- 如申請專利範圍第1項之測量系統，其中通帶的選擇是由反射輻射的振幅所決定，其取決於該二濾波器的其中之一或二的自由載體之吸收。
- 如申請專利範圍第4項之測量系統，其中該積分球體的該第二開口的直徑實質上為3公分，該積分球體的內徑實質上為5公分。
- 如申請專利範圍第18項之測量系統，其中該導管的出口端的直徑實質上為1.3公分。
- 如申請專利範圍第1項之測量系統，其中該第二開口的直徑之於該積分球體的內徑的比值實質上介於3至5之間。
- 如申請專利範圍第4項之測量系統，其中該第二開口的直徑之於該光導管的直徑的比值實質上介於1至2之間。
- 如申請專利範圍第4項之測量系統，其中該第二開口的直徑之於該光導管的出口端的直徑的比值等於或大於1至1.5之間的任一數值。
- 如申請專利範圍第4項之測量系統，其中該光導管的出口端距離該積分球體之該第二開口外的一預定平面實質上為6公釐。
- 如申請專利範圍第1項之測量系統，更包括：一放大器，放大所取得的該第一能量值及該第二能量值，且該放大器同步於該已調變之輻射的頻率。
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