傳輸溫度測定中的雷射噪聲消除的製作方法

2023-12-01 20:00:46

傳輸溫度測定中的雷射噪聲消除的製作方法
【專利摘要】揭露了用於測量基板的溫度的裝置與方法。所述裝置包含：指示溫度的輻射的源；關於指示溫度的輻射的檢測器；以及解相關器，所述解相關器設置於在所述指示溫度的輻射的源與所述關於指示溫度的輻射的檢測器之間的光路中。所述解相關器可以是寬帶放大器和/或攪模器。寬帶放大器可以是寬帶雷射器、布拉格光柵、光纖布拉格光柵、拉曼放大器、布裡淵放大器或這些裝置的組合。所述解相關器被選擇以發出輻射，所述輻射至少部分地通過正被監測的基板傳輸。若所述解相關器是增益驅動裝置，則所述源與所述解相關器被匹配，以使得所述源的發射光譜在所述解相關器的增益帶寬內。
【專利說明】傳輸溫度測定中的雷射噪聲消除

【技術領域】
[0001]本文描述的實施方式涉及退火基板的裝置與方法。更特定而言，本文描述的裝置和方法涉及利用輻射傳輸的溫度測量。

【背景技術】
[0002]傳輸高溫測量(transmiss1n pyrometry)是檢測基板的熱狀態的常見方式。熱處理腔室通常會使基板暴露至激烈、非相干或相干輻射以提升所述基板的溫度，所述基板的升溫範圍是整個基板或者是所述基板的表面區域或者部分。用來加熱基板的輻射在腔室中產生強的背景輻射環境。
[0003]因為高功率輻射能從腔室中的背景輻射被區分出來，所以使用高功率輻射來檢測基板的熱狀態。通常使用雷射器，因為雷射器提供高功率，並且因為雷射器提供選擇最適合基板的特定波長的機會。雷射器會產生相干輻射，且當相干輻射傳輸穿過基板時，相干輻射能指示所述基板的熱狀態，所述熱狀態可被記錄為溫度。傳輸的輻射可被高溫計檢測，且所述傳輸的輻射可與入射輻射比較，所述傳輸與所述基板熱狀態相關。
[0004]由雷射器產生的輻射通常具有很窄的光譜寬度，且當雷射器操作時，輻射的精確波長能檢測地變化。發射雷射的(Iasing)介質的溫度會影響由雷射器發出的波長，但即使是溫度受控的雷射器也會因為例如模態跳動(mode-hopping)而顯出噪聲。當此變動的輻射撞到(impact)基板時，所述輻射的一些輻射在所述基板的相對表面之間反射，而產生幹涉效應。當雷射的波長改變時，雷射和所述幹涉的複合作用會在傳輸的光中產生大量噪聲，所述噪聲降低高溫計準確檢測所述基板的熱狀態的能力。
[0005]與雷射輻射內固有的噪聲結合的是在基板上的溫度效應。當所述基板溫度變化時，所述基板的折射率可變化，且所述基板的厚度可變化，這些變化改變了被觀察的幹涉圖案。因為根據改變的幹涉效應來調節傳輸的輻射的強度，所以這些結合的噪聲源大大地降低使所述傳輸的輻射和熱狀態相互關聯的能力。
[0006]因此，有對低噪聲的傳輸測量的裝置和方法的需要。


【發明內容】

[0007]揭露了用於測量基板的溫度的裝置與方法。所述裝置包含指示溫度的輻射的源、關於指示溫度的輻射的檢測器以及解相關器，所述解相關器設置於光路中，所述光路在所述指示溫度的輻射的源與所述關於指示溫度的輻射的檢測器之間。所述解相關器可以是寬帶放大器和/或攪模器(mode scrambler)。寬帶放大器可以是寬帶雷射器、布拉格光柵、光纖布拉格光柵、拉曼放大器、布裡淵放大器或這些裝置的組合。所述解相關器被選擇以發出輻射，所述輻射至少部分地通過正被監測的基板傳輸。若所述解相關器是增益驅動裝置(gain-driven device)，則使所述源與所述解相關器相匹配，以使得所述源的發射光譜在所述解相關器的增益帶寬內。
[0008]熱處理腔室可有如本文描述的傳輸熱分析儀。所述腔室具有:在外殼中的基板支撐件；鄰近所述基板支撐件的熱源，所述熱源用於加熱設置於基板支撐件上的基板；和傳輸組件，所述傳輸組件包含相干輻射源、解相關器和檢測器，所述檢測器被放置以使得由所述解相關器發出的輻射經過所述基板支撐件行進至所述檢測器。所述解相關器可增加輻射中模態的數量，或所述解相關器可加寬輻射的光譜以防止噪聲信號到達檢測器。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]為了能夠詳細了解上述的本發明的特徵，可通過參考實施方式獲得上文簡要概述的本發明的更具體的描述，所述實施方式的一些實施方式圖示於附圖中。然而需要注意的是，這些附圖僅圖示本發明的典型實施方式，因此不應視為本發明的範圍的限制，因為本發明可允許其他等同有效的實施方式。
[0010]圖1為根據一個實施方式的溫度測量裝置的示意圖；
[0011]圖2為根據另一實施方式的熱處理腔室的示意側視圖；
[0012]圖3A為曲線圖，圖示關於現有技術裝置的傳輸信號；
[0013]圖3B為曲線圖，圖示本發明的實施方式的傳輸信號；
[0014]圖4A為曲線圖，圖示在熱處理期間關於現有技術裝置的傳輸信號；
[0015]圖4B為曲線圖，圖示關於使用根據本發明的實施方式的裝置的熱處理的傳輸信號;
[0016]為了幫助理解，已儘可能地使用相同標記數字以表示各圖中共有的相同元件。應了解的是，在一個實施方式中揭露的元件可有利地應用於其他實施方式而無需特定詳述。

【具體實施方式】
[0017]圖1為根據一個實施方式的裝置100的示意圖，裝置100用於確定基板110的熱狀態。裝置100包含:相干熱輻射112的源102 ;解相關器104，解相關器104將相干熱輻射112轉換成解相關的熱福射114 ;檢測器106,檢測器106檢測已傳輸穿過基板110的傳輸輻射116 ;和數據處理器108，比如計算機，數據處理器108用於將來自檢測器106的信號轉換成基板110的熱狀態的指示。
[0018]源102可以是雷射器，比如雷射二極體，或者源102可以是另一超發光源(super luminescent source),比如發光二極體(LED)。為準確地檢測基板的熱狀態,源102通常為發出窄輻射光譜的源，以致所述輻射被所述基板的吸收能被準確地確定。在大部分實施方式中，源102是雷射二極體。以至少約950nm，例如980nm、1024nm或其他此類波長發光的雷射二極體經常用來檢測主要由矽製成的基板的熱狀態。
[0019]解相關器104加寬從源102接收的輻射光譜，和/或減少所接收的輻射的相干。加寬的光譜和/或解相關的輻射減少經由基板反射的光的幹涉，減少了傳輸的輻射中的噪聲。因此檢測器106更準確地指示基板110的熱狀態。
[0020]在一些實施方式中，解相關器104可以是寬帶放大器。寬帶放大器通常是輻射放大器，所述輻射放大器接受輸入輻射並且橫跨相對寬的光譜放大所述輸入輻射。在一個實施方式中，此類放大器是發射雷射的介質，所述發射雷射的介質被設計為具有幾何形狀以支持寬的諧振頻率範圍。帶有反射內容物的產生多諧振腔的晶體發射雷射的介質是一個實例。在其他實施方式中，輻射經由光學非線性被放大而導致光譜展寬。可使用的寬帶放大器的實例包含寬帶雷射器、布拉格光柵、光纖布拉格光柵、光纖雷射器、標準具(etalon)、拉曼放大器以及布裡淵放大器。所述解相關器亦可為攪模器。
[0021]在以增益驅動寬帶放大器為特徵的實施方式中，寬帶放大器的增益光譜通常包含源102的發射光譜，以使得由源102發出的輻射被所述寬帶放大器光譜加寬。所述寬帶放大器會通常具有在約50THz與約1，OOOTHz之間的光譜帶寬或發射帶寬，所述光譜帶寬或發射帶寬比如在約300THz與約700THz之間，例如約500THz。若源102具有窄的帶寬，例如單頻雷射器，則源102的發射可被選擇在所述寬帶放大器的增益光譜中，或者所述寬帶放大器可與源102相匹配。
[0022]由解相關器104發出的輻射通常被選擇為具有至少部分通過基板110傳輸的波長。在解相關器104對輻射無光譜效應的情況中，從解相關器104出現的輻射與從源102接收的輻射將基本上具有實質上相同的波長和光譜。在解相關器104如同大部分寬帶放大器一樣改變輻射的光譜分布的情況中，所述解相關器和所述源可被匹配，以使得所述解相關器具有增益帶寬，所述增益帶寬覆蓋所述源的發射光譜，同時所述解相關器發射光譜包含一或更多個通過所述基板傳輸的波長。
[0023]由源發出的輻射將通常具有第一主要波長(比如第一模態)，而由解相關器(可以是寬帶放大器)發出的輻射將通常具有第二主要波長(比如第二模態)。在多數情況中，第一模態與第二模態之間的差，或者是說第一主要波長與第二主要波長之間的差在約5nm與約20nm之間，比如約6nm與約1nm之間,例如約6nm。值得注意的是,所述差取決於源及解相關器類型的選擇。若所述源被用來當作用於寬帶放大器的泵，例如操作為寬帶雷射器，則所述源有發射光譜，所述發射光譜在所述寬帶放大器的增益光譜內。若所述寬帶放大器是模態分散(mode-dispersed)的寬帶Nd:YAG雷射器,舉例而言,所述寬帶Nd:YAG雷射器以大約1，064nm發射，其中M2大於約30且光譜帶寬大約在560THz左右，則所述源可以是單頻雷射器，所述單頻雷射器在808nm或869nm發射，808nm或869nm在Nd = YAG雷射器的兩增益帶的中心附近。
[0024]檢測器106通常是高溫計，但方便時檢測器106可以是另一類型的輻射檢測器。舉例而言，亦可使用光電二極體陣列或CCD陣列。在一個實施方式中，二極體雷射器被用來當作源，所述二極體雷射器發出窄帶寬l，030nm的輻射，且所述二極體雷射器被耦合至光纖布拉格光柵(「FBG」)，所述光纖布拉格光柵有約6nm-10nm的發射光譜偏移和約
1.6nm-2.0nm的光譜寬度。高溫計檢測從FBG出現的福射,且所述高溫計記錄電流，所述電流被數據處理器108轉換成基板的熱狀態的指標，所述指標比如是溫度。
[0025]源102可以是隨溫度變化的發射器。舉例而言，雷射二極體通常發出具有取決於發射雷射的介質的溫度的波長的輻射。舉例而言，銦鎵砷(InGaAs)雷射二極體的發射波長通常具有約0.25nm/°C的溫度依賴關係(cbpendence)。因此在一些實施方式中，所發射的輻射的波長可被調整到一程度。為了最好結果，調整所述發射的輻射可有助於使所述發射的輻射與解相關器104的特性相匹配。在雷射二極體實施方式中，熱電冷卻器可耦接至發射雷射的介質以提供所需的冷卻。通過監測被檢測器108檢測的信號內的噪聲，同時調整發射雷射的介質的溫度以找到將信號中的噪聲最小化的設定能夠發現提供最佳準確性的波長。
[0026]圖2為根據另一實施方式的設備200的示意側視圖。設備200是具有如上文結合圖1描述的傳輸熱分析裝置的熱處理腔室。熱處理腔室比如VULCAN?腔室，所述VULCAN?腔室可從加州聖克拉拉市的應用材料公司(Applied Materials, Inc.，)獲得，所述熱處理腔室可與根據參考圖1描述的任一實施方式的熱分析儀一起使用。其他熱處理裝置，例如從其他製造商獲得的RTP腔室亦可從本文描述的實施方式受益。
[0027]設備200包含外殼202，外殼202圍住基板支撐件204，基板206可被設置於基板支撐件204上。基板206通過圖2中未圖示的輸送機構經由開口 214進入外殼202。所述基板輸送機構可為本領域已知的任何常規機構。
[0028]加熱器208設置在外殼202中，且加熱器208鄰近基板206的處理位置，以使得基板206可通過加熱器208被熱處理。加熱器208可以是一排高強度燈210，所述高強度燈210比如是放電燈，高強度燈210可排列成陣列以向基板206提供均勻熱輻射。窗212可以是石英窗，窗212保護加熱器208不受腔室的處理環境的影響。所述腔室中通常包含旋轉機構(未圖示)。
[0029]熱分析組件包含:相干熱輻射的源216 ;解相關器220，解相關器220通過第一光導管218光學耦合至源216 ;和檢測器224，檢測器224被設置以使得離開解相關器220的輻射穿過基板支撐件204行進至檢測器224。離開解相關器220的輻射通過第二光導管222傳播，第二光導管222被設置成穿過加熱器208。
[0030]源216、解相關器220和檢測器224可以是上文結合圖1描述的任一實施方式。在一些實施方式中，光導管218可以是光纖。在其他實施方式中，源216可直接稱合解相關器220，舉例而言，源216物理耦合或接觸至解相關器220。在一些情況中，源216和解相關器220可被焊接，或解相關器220可被焊接至導管218。檢測器224可耦接至如圖1所示的數據處理器。
[0031 ] 在一些實施方式中，檢測器224可以是多個單獨的傳感器，檢測器224可分布於不同位置以在不同位置處測量基板的熱狀態。在此類實施方式中，解相關器220發出的輻射可被例如分光器226 (所述分光器226可以是光纖束)分開，分光器226通過導管228將解相關的輻射的各部分引向基板206的不同位置，以使檢測器224的這些單獨的傳感器進行檢測。
[0032]在一個實施方式中，導管218與解相關器220通過抗反射稱合而被光學地f禹合。抗反射I禹合的一種類型是平面稱合(flat face coupling),其中導管218的小面(facet)和解相關器220的相對小面分別垂直於光路，且導管218的小面和解相關器220的相對小面分別有抗反射塗層。抗反射稱合技術的另一類型是物理稱合(physical coupling),比如焊接，其中介於導管218與解相關器220之間的界面的組成逐漸轉化以提供平滑的指數變化，以最小化反射。抗反射稱合的第三種類型是成角拋光連接(angled polishedconnect1n)，其中導管218的小面和解相關器220的相對小面相對光路是成角的，以使得被反射的任何輻射被驅散離開光路。
[0033]在操作中，傳輸方法被用來減少或消除檢測基板熱狀態時的噪聲。相干輻射的源被放置以便用至少部分穿過基板傳輸的輻射照射基板的一部分。檢測器接收傳輸的輻射並基於所述傳輸的輻射產生信號。利用解相關器使由所述源發出的相干輻射經受光譜展寬和/或解相關，所述解相關器可以是如上文結合圖1和圖2所述的寬帶放大器。可通過調整所述相干輻射的波長來最小化被檢測的信號中的噪聲。所述相干輻射的波長可例如通過將熱電冷卻器耦合至雷射二極體而在能調的雷射器中被調整。在一個實施方式中，所述雷射二極體的溫度從約0°c調整至約50°C，比如將所述雷射二極體的溫度從約0°C調整至約40°C，舉例而言，將所述雷射二極體的溫度從約0°C調整至約25°C，以減少被檢測的信號中的噪聲。
[0034]解相關器的特性通常與輻射源的特性相匹配，以使得所述輻射源提供被解相關器有效地解相關的輻射。舉例而言，若所述解相關器是寬帶放大器，則所述輻射源的發射光譜通常被選擇在所述寬帶放大器的增益帶寬中。所述寬帶放大器被選擇以提供至少一部分通過基板傳輸的寬帶輻射。較佳的是從解相關器發出的實質上全部輻射在通過所述基板傳輸的範圍內，所述通過所述基板傳輸的範圍作為熱狀態(例如溫度)的函數，以使得所述檢測器可使傳輸的輻射與熱狀態相關聯。
[0035]應注意的是，雖然圖2描繪其中源216、導管218以及解相關器220在外殼202的內部的設備，但在一些實施方式中，源216、導管218以及解相關器220可被放置於所述外殼外部。
[0036]圖3A為曲線圖，圖示使用現有技術的裝置的傳輸信號，噪聲在信號內是容易看見的。圖3B為曲線圖，圖示使用本文描述的裝置的傳輸信號，其中噪聲大量減小。圖4A圖示使用現有技術裝置的熱處理期間記錄的傳輸信號，其中噪聲是容易看見的。圖4B為曲線圖，圖示使用本文描述的裝置的熱處理期間的傳輸信號，其中噪聲大量減小。
[0037]雖然上述內容針對本發明的實施方式，但在不背離本發明的基本範圍的情況下，可設計本發明的其他及進一步的實施方式。本發明的範圍由下面的要求保護的範圍確定。
【權利要求】
1.一種用於測量輻射穿過基板的傳輸的裝置，包括: 相干輻射源； 用於所述相干輻射的檢測器； 基板支撐件，所述基板支撐件在所述相干輻射源與所述檢測器之間；以及 寬帶放大器，所述寬帶放大器設置在所述相干輻射源與所述檢測器之間的光路中。
2.如權利要求1所述的裝置，其中所述寬帶放大器是寬帶發射雷射的介質。
3.如權利要求2所述的裝置，其中所述寬帶放大器是光纖布拉格光柵。
4.如權利要求3所述的裝置，其中所述相干輻射源是雷射器，所述雷射器以第一波長發出福射；且所述光纖布拉格光柵以第二波長發出福射；且所述第一波長與所述第二波長之間的差在約5nm與約20nm之間。
5.如權利要求4所述的裝置，其中所述雷射器通過成角耦合光學地耦合至所述光纖布拉格光柵。
6.如權利要求1所述的裝置，其中所述相干輻射源以處於第一模態的波長分布發出輻射，且所述寬帶放大器以處於第二模態的波長分布發出輻射，且所述第一模態與所述第二模態之間的波長差在約5nm與約20nm之間。
7.如權利要求1所述的裝置，其中所述相干輻射源以處於第一模態的波長分布發出輻射，且所述寬帶放大器以處於第二模態的波長分布發出輻射，且所述第一模態在所述寬帶放大器的增益光譜內。
8.一種用於熱處理基板的裝置，包括: 夕卜殼; 設置在所述外殼內的熱源； 鄰近所述熱源的基板支撐件； 相干輻射源； 解相關器，所述解相關器沿著所述解相關器與所述相干輻射源之間的光路光學地耦合至所述相干輻射源；以及 檢測器，所述檢測器沿著所述檢測器與所述解相關器之間的光路光學地耦合至所述解相關器，且所述檢測器被放置以使得離開所述解相關器的輻射在到達所述檢測器之前經過所述基板支撐件。
9.如權利要求8所述的裝置，其中所述解相關器是寬帶放大器。
10.如權利要求8所述的裝置，其中所述解相關器是具有增益光譜的寬帶放大器，所述增益光譜包含由所述相干輻射源發出的輻射的頻率。
11.如權利要求9所述的裝置，其中所述相干輻射源有具有第一主要波長的發射光譜，所述寬帶放大器有具有第二主要波長的發射光譜，且所述第一主要波長與所述第二主要波長之間的差在約5nm與約20nm之間。
12.如權利要求8至11的任一項權利要求所述的裝置，其中所述相干輻射源是具有大於約950nm的主要波長的二極體雷射器。
13.如權利要求8所述的裝置，其中所述相干輻射源與所述解相關器通過抗反射光學奉禹合奉禹合在一起。
14.如權利要求1或9所述的裝置，其中所述寬帶放大器選自由雷射器、光纖雷射器、布拉格光柵、光纖布拉格光柵、拉曼放大器、布裡淵放大器以及標準具組成的群組。
15.如權利要求6或14所述的裝置，其中所述相干輻射源是能調的光纖耦合雷射二極體，且所述寬帶放大器是光纖布拉格光柵，且使用成角拋光連接耦合所述能調的光纖耦合雷射二極體與所述光纖布拉格光柵。
16.如權利要求15所述的裝置，所述裝置進一步包含分光器，所述分光器在所述光纖布拉格光柵與所述熱檢測器之間。
【文檔編號】H01L21/324GK104185778SQ201380014791
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2013年3月8日 優先權日:2012年3月30日
【發明者】季平·李, 阿倫·繆爾·亨特, 託馬斯·霍 申請人:應用材料公司