CN101217843B

CN101217843B - 灯故障检测器

Info

Publication number: CN101217843B
Application number: CN2008100000754A
Authority: CN
Inventors: 欧勒格·V·塞雷布里安诺夫; 亚历山大·戈尔丁; 约瑟夫·迈克尔·拉尼什
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2007-01-04
Filing date: 2008-01-04
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2028-01-04
Also published as: US8106591B2; JP2008270164A; KR100945954B1; US7923933B2; TW200838359A; EP1942707A1; US20110133742A1; CN101217843A; TWI442829B; US20080164822A1; KR20080064731A

Abstract

本发明公开了一种用于为快速热处理系统中使用的灯组检测灯故障的装置和方法。该灯故障检测系统使能识别多个灯中的失效灯，并还提供故障类型的识别。该装置对经过每个灯测得的电压降值应用灯故障检测方法来确定灯是否处于故障状态。在一个实施方式中，场可编程门阵列用于对灯电压值应用故障检测方法。

Description

灯故障检测器

技术领域

本发明的实施方式主要涉及在诸如硅晶圆的衬底上薄膜的热处理。更具体地，本发明的实施方式涉及用于为所述热处理产生辐射的灯组检测灯故障应用的方法和装置。

背景技术

快速热处理(RTP)是一种允许快速加热和冷却诸如硅晶圆的衬底的热处理技术。典型的最高处理温度可从约450℃到约1100℃范围变化并在晶圆冷却开始之前应用约15到120秒。采用的特定最高温度和加热时间取决于晶圆处理的类型。RTP晶圆处理应用包括退火、掺杂剂活化、快速热氧化和硅化等等。表现RTP的快速加热至相对高温度之后快速冷却提供更精确的晶圆处理控制。例如，掺杂剂的离子注入后RTP退火允许晶体损伤修复同时使由于较短加热时间而导致掺杂原子的扩散最小化。晶体损伤可在注入的原子从原子的原始位置移动之前得到修复。采用更长加热和冷却循环的其他热处理技术不能实现退化过程中的可比的掺杂扩散控制。

在MOS栅极中使用的氧化物越来越薄的趋势导致了一些器件应用需要小于100埃的氧化物厚度。所述薄氧化物需要在氧气气氛中较快加热和冷却晶圆表面来生长所述薄氧化物层。RTP系统可提供该控制级别，并用于快速热氧化处理。RTP技术使用允许快速加热和冷却的辐射加热原理。典型地，该辐射通过定位在晶圆表面上方的成阵列放置的诸多灯提供。来自诸多灯的辐射加热晶圆表面并在几秒内使所述晶圆表面达到处理温度。由于灯是供电的，因此它们可被快速开启和断开。短的加热时间允许晶圆表面的加热而基本上不加热RTP腔室。当灯的电源断开时，这允许晶圆表面的快速冷却。快速的加热和冷却循环还降低工艺需要的热预算。减少的循环次数还可用于降低总处理时间并增加晶圆产量。RTP中采用的短的加热循环的结果是在整个晶圆表面上存在的温度梯度可能不利地影响晶圆处理。因此，在RTP中，在处理期间监控整个晶圆表面的温度并保证晶圆表面中和之上的温度均匀性很重要。因此，灯放置和单独灯的控制和监控很重要从而可控制辐射输出以有助于保证在整个晶圆表面上的温度均匀性。

图1示出RTP系统10的局部剖面正交视图。硅碳化物晶圆支撑环24支撑在旋转石英圆筒22上。晶圆支撑环具有袋(pocket)32，晶圆(未示出)可被放置在袋32中。灯头14面向晶圆支撑环。灯头包括形成面向晶圆的灯组的几百个钨卤素灯。用于所述灯的通常额定值是500W到650W的范围，并且钨卤素灯发射较强的红外光。灯26的灯泡部分42在图3中示出。管状灯泡通常由石英组成，填充有含卤素气体，并然后围绕两个外部灯丝引线50和52密封。在密封后保持端头46。包含在密封的灯泡内是螺旋绕线的钨灯丝44，一端连接至灯丝引线52并且另一端连接至侧臂支架48。最常见形式的灯故障是数个匝数的螺旋灯丝短路。参见图1，每个灯容纳在密封在晶圆冷却不锈钢罩18内的不锈钢套16中。灯泡延伸过套16和罩18并到前板30中，该前板具有与灯组匹配的一排通孔。反射器20嵌入在每个通孔中。薄石英窗口28放置在反射器20的开口端和晶圆上方的腔室空间12之间。

图2是前板30的另一视图，更清楚示出灯如何排列。在该例子中，灯26是六边形排列。中心灯26A放置在晶圆旋转轴34上。将晶圆旋转使得晶圆可实现更均匀辐射分布。灯组图形和晶圆旋转是在整个晶圆表面上产生辐射和温度更均匀分布的一种方法。然而，该方法单独通常不能产生所需的温度均匀性，并因此通常控制同心排列区中的灯，例如，15个区，从而可调整每个区的灯功率来补偿晶圆中心和边缘的热效应以产生更均匀的径向温度分布。

由于灯故障或较差性能导致的灯强度的变化可显著折衷预期的温度分布控制并导致不适宜的工艺结果。因此，在晶圆处理之前可检测灯故障或不适宜的灯性能的监控系统对于RTP系统是有益的部件。图4是现有技术用于RTP系统的灯故障检测系统的示意图。灯通过硅控整流器(SCR)驱动器60供电。灯头包括几百个钨卤素灯，几百个钨卤素灯分为多个径向对称区，并且每个区单独通过SCR驱动器供电以便可调整对于每个区的灯功率。每个区包含多个灯，并且所述灯可分为诸多对，且每一对灯连接至SCR驱动器。每对的两个灯串联连接。在本发明的实施例中，所述一对灯由灯L1和L2表示，灯L1和L2包含在功率分配板64中。功率分配板包含灯头中的所有灯，但由于相同的灯故障检测电路应用于每一对灯，因此仅示出单独一对灯。包含灯L1和L2的功率分配板连接至灯故障检测(LFD)板62。LFD板包括电流变压器传感器66，所述电流变压器传感器66磁性耦合至导线68从而可以测量通过灯L1和L2的电流。导线68可以是印刷电路板线迹。传感器连接至比较仪74，所述比较仪74可将测到的电流与预设阈值相比较来确定是否存在故障情况。在该实施例中，如果测得的电流小于阈值，则可检测到故障情况。该信息随后发送到操作者显示屏，所述操作者显示屏识别处于故障状态的特定的一对灯。例如，如果灯L2灯丝断裂，则所述张开的灯丝情况将产生开路电路并导致无电流经过灯L1和L2。电流传感器将随后检测灯故障状态。

如图4所示的灯故障检测系统具有数个限制。如果其中一个灯丝断裂，则该系统不能检测灯L1或L2中的哪个具有开路的灯丝，原因在于，该故障检测方法测量串联连接的两个灯的电流。因此，如果该一对灯指示为故障状态，则需要检测两个灯的故障。另外，给定对的灯通常在灯头内以一定距离分开放置以使在晶圆处理期间如果其中一个灯失效对辐射均匀性的影响最小。如果仅失效的灯放置在灯组内，可节省大量时间，致使减少RTP系统的停机时间。

现有系统的另一局限在于不能检测不同类型的灯故障。由于测到的电流值是两个灯的组合电阻的结果，因此应用电流测量来检测两个串联灯的故障具有固有局限。如果其中一个灯丝开路，由于当前电流低于阈值，则无电流将触发故障信号。还可能的情况是灯可能部分短路，所述部分短路将降低灯电阻并增加通过传感器测得的电流。由于电流将保持高于阈值，这将不会触发故障信号。部分短路的灯将趋于具有与正常灯的输出不同的辐射输出。辐射输出的变化可不利地影响晶圆处理。在诸如钨卤素灯的白炽灯源的情形中，由于螺旋灯丝的数个匝数的短路可发生局部短路，所述局部短路通常将改变灯辐射输出并缩短灯寿命。

现有系统的额外局限通过在正常灯工作条件下所示的传感器输入的电流波形70和传感器输出的电流波形72看出。电流变压器66具有电流变化率的最小阈值。如果输入信号波形具有低于该阈值的变化率，则电流传感器将不工作。这表明电压和电流波形必须满足特定要求以使用用于检测电流的电流变压器66。该输入波形70确实满足所述要求；低频正弦波形，例如，可能不满足。另外，由于电流传感器66磁性耦合至导线68，因此传感器易受由靠近RTP系统的杂散磁场产生的任何噪声影响。所述噪声可降低电流测量的精确性，并因此降低灯故障检测系统的精确性。

因此，需要一种用于灯故障检测的改善的装置和方法。具有独立于电压和电流波形的灯故障检测系统并可在存在杂散磁场下精确并可靠工作是有益的。另外，具有可识别哪个灯已经失效，并识别故障的类型，诸如局部短路的故障检测系统是有益的。更具体地，具有可检测灯的正常工作特性的任何偏离的故障检测系统是有益的。所述信息可用于在晶圆处理期间减少系统停机时间，并有助于防止灯故障。

发明内容

本发明的方案提供一种灯故障检测装置，用于检测用于半导体衬底热处理的灯组中的灯故障。该装置包括：数据采集(DAQ)模块，用于在沿由一组串联连接的灯组形成的电路的不同采样位置处采样电压信号；以及控制器，适于基于经过至少两个灯的电压降，如由采样的电压信号确定的，来检测一个或多个灯故障。

本发明的另一方案提供一种灯故障检测系统，用于检测用于半导体衬底热处理的灯组中的灯故障。该系统包括：多路复用器，用于接受从沿由一组串联连接的灯组形成的电路的不同位置处所采样的多个模拟电压信号；模拟数字(A/D)转换器，用于提供对应由多路复用器输出的一个或多个模拟电压信号的数字值；以及控制逻辑器，适于控制多路复用器来选择哪个模拟电压信号由多路复用器输出以及，对于多组串联连接的灯组，基于经过至少两个灯的电压降，如由采样的电压信号所确定的，来检测所述组的一个或多个灯中的故障。

在本发明的另一方案，提供一种用于检测用于半导体衬底热处理的灯组中的灯故障的方法。该方法包括：在沿由一组串联连接的灯组形成的电路的不同采样位置处，采用电压信号；基于所采样的电压信号来计算经过至少两个灯的电压降；以及基于所述电压降之间的关系来确定是否存在故障。

附图说明

图1是热处理腔室的切面正交视图；

图2是灯头的仰视图；

图3说明灯头中的示例性灯泡；

图4是现有技术灯故障检测系统的示意视图；

图5是灯故障检测器的一个实施方式的方框图；

图6A-6F是描述灯操作的示意视图；

图7是灯故障检测器的另一实施方式的方框图；

图8A-8E是描述灯操作的示意视图；

图9是灯故障检测装置的一个实施方式的示意图；

图10A是现有技术灯故障检测装置的示意视图；

图10B是灯故障检测装置的另一实施方式的示意视图；

图11是灯故障检测器板的实施方式的示意图；

图12描述了灯故障检测系统的另一实施方式；

图13中，示出快速热处理(RTP)系统的典型的时间与温度的曲线图。

具体实施方式

以下将描述灯故障检测系统和相应方法的数个实施方式。该方法使用电压测量，并具有允许识别哪个灯已经失效，以及失效类型的优点。使用该方法的系统比现有技术系统更简单、更可靠并更精确。

如图5示出灯故障检测系统的一个实施方式。灯头典型包含数百个钨卤素灯，数百个钨卤素灯划分为多个径向对称区，并且每个区由SCR驱动器单独供电从而可调整每个区的灯功率。每个区内存在多个灯，并且所述灯一般分为诸多对，每一对灯连接至SCR驱动器。每对的两个灯串联连接。

图5示出单独一对灯。虽然仅示出一对灯，多对灯可与同一电源并联连接，并且相同的故障检测系统和方法可用于每一对灯，只要使用的电路允许测量经过每一对灯中每个灯的电压降。返回参照图5，两个灯L1和L2与电源100串联连接。在该实施例中，电源是AC，但也可以是DC源。在本发明的实施例中，源是AC并可包括任意适合的电路，诸如硅控整流器(SCR)驱动器。

数据采集器(DAQ)108用于在点A、B和C处进行电压测量。数据采集器108可包括任意适合的电路诸如多路复用器(MUX)和模拟到数字转换器(ADC)。ADC将模拟电压输入V’_A、V’_B和V_c’转换为数字值V_A、V_B和V_c，该数字值发送给确定经过每个灯的电压降的控制器110。在该实施例中，经过灯L1的电压降是V_A-V_c＝V_L，并且经过每个灯L2的电压降是V_c-V_B＝V_L2。控制器将电压降值V_L1和V_L2应用于一组条件以确定是否任一灯处于故障状态。可对区中的每一对灯和灯组中的每个区重复该过程。

控制器110可包括任意适合的组件，诸如中央处理器(CPU)104、存储器105、和辅助电路(I/O)106。CPU 104可以是可控制和/或监控灯操作的任意形式的计算机处理器。存储器105可以是任意类型以便软件指令和数据可编码并存储在存储器105内，用于通过CPU 104执行。辅助电路106可包括，例如，电源、输入/输出电路，模拟到数字转换器等等。

图6A-6F示出经过每个灯的电压降如何用于确定灯是否处于故障状态，以及故障状态的类型。V₁和V₂分别表示灯L1和L2的测得的数字电压降值。在由图6A-6F表示的每个电路中，AC电压V’施加于灯对，并且相应的数字电压是V。相位

和

表示电源是三相AC，以及灯对连接经过这两相的线到线电压。

图6A-6F所示的灯故障检测方法中，假设灯处于三个状态中的一种：开路状态；闭路状态或正常状态；或局部短路状态。开路状态表示内部灯电路开路并且没有电流流经灯。在白炽灯的情形下，断裂的灯丝将导致开路灯状态。闭路状态意指内部电路闭合并且电流可在正常灯操作的情形下流经灯。对于局部短路的灯，灯电阻低于正常值，并且这将导致经过灯的电压降降低，但电压降将保持非零。完全短路的灯表示灯电阻降到零，并且经过灯的电压降也为零的极限情形。然而，完全短路的灯的状态不包含在该方法的本发明实施方式中，有两个原因。第一，最常见的灯故障模式是开路或局部短路状态，而不可能是完全短路的灯。通常，短路的灯具有产生非零和可测电压降的足够电阻。第二，如果灯完全短路，两个串联的灯的电阻总减小通常将导致对其余正常灯过载并使其余正常灯处于开路状态的电流幅度。因此，对于本发明实施方式，经过灯的零电压降表明没有电流流经该灯，而不是灯完全短路。

图6A示出灯L1和L2都处于正常工作状态的情形。经过L1的电压具有非零值V₁，以及经过L2的电压具有非零值V₂。两个灯的正常工作的条件可表示为如下：如果V_L1≠0和V_L2≠0并且|V_L1-V_L2|≤α，则L1和L2正常。这里，α表示用于限定正常灯工作状态的差分电压阈值。该阈值一般基于使用的灯的类型和可允许的变化来进行选择。在快速热处理(RTP)的情形下，可允许的阈值可以小于经过每个灯的平均电压的5％。可选地，如果V_L1≠0和V_L2≠0以及|V_L1-V_L2|＞α，则L1和L2不在正常工作状态，并且可确定该一对灯的故障状态。

在图6B中，灯L1在开路状态并且L2在闭路状态和正常状态。该条件将产生所示的电压测量。由于不再存在允许电流流经灯的完整电路，因此经过L2的电压将为零。但由于L2是开路，因此经过L1测得的电压现在将具有值V，值V是正常施加给一对灯的电压。该条件可表示为：如果V_L1≠0和V_L2＝0，则L1开路并且L2闭路。灯L1处于故障状态，并且信号可发送到显示屏幕以识别一对灯L1和L2中的哪个灯已经失效。注意V_L1＝V可用于代替如上如果-则语句中的V_L1≠0，但V_L1≠0简化该语句而不改变L1是开路的结果。另外，如果-则语句可进一步简化为：如果V_L2＝0，则L1是开路。该语句不表示L2的状态，但当L1是开路时总是成立。

图6C示出灯L2是开路状态且灯L1是闭路状态的情形，这种情形与以上所述的情形类似。该条件可表达为：如果V_L1＝0且V_L2≠0，则L2是开路并且L1是闭路。另外，该如果-则语句可进一步简化为：如果V_L1＝0，则L2是开路。

在图6D中，灯L1和L2都处于开路状态。在部分实施方式中，诸如图6D所示，灯故障检测系统可设计为在开路状态的情形以提供零电压读数。在该情形下，当两个灯都开路时，所示的经过每个灯L1和L2的电压是零。开路状态的两个灯的条件可表达为：如果V_L1＝0且V_L2＝0，则L1和L2是开路。在其他实施方式中，灯故障检测系统可设计为指示当两个灯都是开路时开路电路已经检测，并且不提供零电压读数。

灯对的其他故障状态是可能的。在图6E中，灯L1具有局部内部短路，且灯L2是正常。在该情形下，任一灯L1或L2都不在开路状态，并且每个灯将具有非零电压降。可以理解灯L1中的局部短路将降低灯电阻低于正常值，并且这将导致经过灯L1的电压降的减小。所述观察表明一个灯中的局部内部短路将增加每个灯的电压降之间的差，使所述差超过正常灯操作期望的值。这种状态可由电压V_L2和V_L1的差与差分电压阈值相比较的条件来表示。如果该差超过阈值，则识别灯L1的不适宜的局部短路条件并且存在故障状态。该条件可表达为：如果V_L1≠0和V_L2≠0，且(V_L2-V_L1)＞Δ，则灯L1具有局部短路。差分电压阈值Δ的选择将取决于灯强度的允许变化，但可以小于经过应用于RTP的每个灯的平均电压的8％。另外，如果-则语句可进一步简化为：如果(V_L2-V_L1)＞Δ，则灯L1局部短路。如果或者V_L1＝0或者V_L2＝0，则灯是开路并且将检测故障状态。

图6F示出灯L2局部短路和灯L1正常的情形。这里适应如前述故障状态的类似推理。条件可表达为：如果V_L1≠0，V_L2≠0并且(V_L1-V_L2)＞Δ，则灯L2局部短路。此处适应以上情形中使用的相同阈值Δ，并且如果-则可进一步简化为：如果(V_L1-V_L2)＞Δ，则灯L2局部短路。

图7是当存在三个串联灯时灯故障检测系统的另一实施方式。然而，可以理解本发明实施方式可与三个以上灯使用，只要存在操作系统的灯的足够电压源。灯头包含数百个钨卤素灯，所述数百个钨卤素灯被划分为几个径向对称区，并且每个区分别通过SCR驱动器供电以便可调整每个区的灯功率。每个区内存在多个灯，并且所述灯分为三个灯的组(在该实施例中)，每个灯组连接至SCR驱动器。每组的三个灯串联连接。

图7示出一个灯组。灯L1、L2和L3与电源154串联连接。如前述相同，电源是AC，但还可以是DC源。在该实施例中，电源是AC并表示硅控整流器(SCR)驱动器。数据采集器(DAQ)150连接至所示的电路来进行点A、B、C和D处的电压测量。ADC将所有串联的灯的模拟电压输入V_A’、V_B’、V_c’和V_D’转换为数字值V_A、V_B、V_c和V_D。这些值发送到确定经过每个灯的电压降的控制器152。在该实施例中，经过灯L1的电压降是V_A-V_c＝V_L1，经过灯L2的电压降是V_c-V_D＝V_L2，并且经过灯L3的电压降是V_D-V_B＝V_L3。

控制器152将电压降值V_L1、V_L2和V_L3应用于一组条件来确定灯是否处于故障状态。对区中的每个灯组和灯组的每个区重复该过程。

图8A-8E示出经过每个灯的电压降如何用于确定灯是否处于故障状态，以及故障状态的类型。V₁、V₂和V₃分别表示灯L1、L2和L3的测得的数字电压降。在由图8A-8E表示的每个电路中，AC电压V’施加于灯组，并且相应的数字电压是V。相位

和

表示电源是三相AC，以及灯对连接经过这两相的线到线电压。如之前对两个灯情形的描述，并因为同样原因，经过灯的零电压降表示没有电流流经灯，而不是表示灯完全短路。

图8A示出所有灯处于正常工作状态的情形。经过L1的电压具有非零电压V₁，经过L2的电压具有非零值V₂，以及经过L3的电压具有非零值V₃。所有灯的正常工作的条件可表达为如下：如果串联的每个灯具有非零电压值，以及相邻灯对之间的电压差的值小于或等于特定阈值，则所有灯正常。例如，如果|V_L1-V_L2|≤α和|V_L2-V_L3|≤α，则灯L1、L2和L3正常。在其他实施方式中，故障检测方法还可包括不相邻的灯对之间的电压差的值。例如，如果|V_L1-V_L3|≤α，则灯L1和L3正常。如在两个灯的情形，α表示用于限定正常灯工作状态的差动分电压阈值。该阈值通常基于采用的灯的类型和允许变化来进行选择。在RTP的情形中，允许阈值可以小于经过每个灯的平均电压的5％。如果两个串联的相邻灯具有非零电压值，并且该灯对的电压差的值大于该阈值，则所述灯不在正常工作状态，并可确定该灯对的故障状态。例如，如果|V_L1-V_L2|＞α，则灯L1和L2不在正常工作状态并且可确定该灯对的故障状态。

图8B中，灯L2在开路状态并且其他灯在闭路状态。开路状态指示内部灯电路是开路并且没有电流流经灯。由于不再存在完整电路允许电流流经灯，因此经过L1和L3的电压是零。但由于除L2外所有灯闭路，测得经过L2的电压现在将具有施加给三灯串联的电压值V。该条件可推广至三个或更多串联的灯，并表达为：如果除具有非零电压的一个灯外的所有灯电压是零，则具有非零电压的灯是开路，具有电压降V，并且所有其他串联的灯闭路。开路灯存在故障状态，并且信号可发送至显示屏幕以识别串联的哪个灯已经失效。

图8C中，所有灯在开路状态。如之前所述，对于部分实施方式，DAQ可设计为在开路电路的情形下以提供零电压读数，如图8C和8D所示。在该情形下，当所有灯都是开路时经过每个灯的电压都是零，以及只有如果对经过串联的灯进行测量电压，才可获得非零电压值，在该情形下电压值是V。在其他实施方式中，灯故障检测系统可设计为指示当所有灯是开路时已经检测开路电路，并不提供零电压读数。在图8D中，仅两个灯L1和L2是开路。当由三个或更多灯组成串联时，并且多与一个灯是开路时，仅应用经过单独灯的电压降来确定哪个灯是开路以及哪个灯不是开路存在不充分信息。在该情形下条件变为：对于串联的三个或更多灯，如果经过串联的每个灯的电压降是零，则两个或三个灯在开路状态。

灯串联可能有其他故障状态。图8E示出灯L2局部内部短路的情形，并且其他灯正常。在没有一个灯是开路的该情形下，每个灯将具有非零电压降。可以理解灯L2中的局部短路将使灯电阻减少为低于灯电阻的正常值，并且这将导致经过灯L2的电压降产生降低。所述现象表明一个灯中的局部内部短路将增加每个灯的电压降之差，使所述差超过灯正常工作预期的值。该状态可由电压V_L1和V_L2的差与阈值比较的条件表示。如果该差大于阈值，则识别灯L2的不适宜局部短路条件并存在故障状态。该条件可表达为：如果所有灯电压是非零，并且(V_L1-V_L2)＞Δ，则灯L2局部短路。注意在三个或更多灯的情形下，如果灯L2短路则其他相邻灯可用于测试。特别地，如果(V_L3-V_L2)＞Δ，则灯L2也将识别为短路。同样的测量方法可应用于串联的任意灯来测试该灯是否短路。另外地，如果-则语句可进一步简化为：如果(V_L1-V_L2)＞Δ，则灯L2局部短路。在其他实施方式中，故障检测方法还可包括不相邻的灯对之间的电压差的值。例如，如果(V_L1-V_L3)＞Δ，则灯L3局部短路。如之前所述，阈值Δ的选择将取决于灯光强的可允许变化，但可能小于经过应用于RTP的每个灯的平均电压的8％。

图9是用于检测串联连接的两个灯的灯故障的电子元件的示意图。SCR驱动器连接至包含灯头中的所有灯的功率分配板。在该实施例中，仅示出单独一对。灯头中的所有灯分为径向对称区，并且每个区连接至单独的SCR驱动器以便可对每个区调整功率。每个区分为数对灯对，并且每对灯连接至故障检测系统。这里示出一个所述灯对L1和L2。

功率分配板具有连接至每个灯的任一侧上的点的导线以便可在灯的任一侧上的点处进行电压测量。V₁’、V₂’和V₃’分别表示点160、162和164的模拟电压，以及V₁、V₂和V₃表示对应的数字值。每条导线具有约1M欧姆的镇流电阻器。虽然本发明示出约1M欧姆的镇流电阻器，但可使用其他的电阻值。在该实施方式中，镇流电阻器包含在功率分配板中，但在其他实施方式中可包含在灯故障检测(LFD)板中。

灯故障检测(LFD)板包括DAQ模块和控制器模块。控制器使用数字电压值V₁、V₂和V₃来计算经过每个灯的电压降。经过L1的电压降是V_L1＝V₁-V₃，经过L2的电压降是V_L2＝V₂-V₃。然后控制器应用在图中所示的条件来确定灯是否处于故障状态。如果灯是开路或具有内部短路，则控制器向用户接口装置发送信号，该用户接口装置将允许检测检测故障状态并且识别故障灯。在本发明实施方式中，如图9所示，灯故障检测系统设计为在开电路的情形下来提供零电压读数。在其他实施方式中，该系统可仅指示已经检测了开电路，在该情形如图9所示的所有灯开路的条件可能不再相关。

图10A是现有技术灯故障检测装置的示意图，以及图10B是本发明的实施方式的视图。比较两幅图示出LFD板和功率分配板之间的连接方法的差异。示出了十五个区，并且每个区包含SCR驱动器。虽然在图10B示出15个区，在本发明的其他实施方式中可使用不同数量的区。在现有技术的例子中，每个区和关联的驱动器连接至灯故障检测(LFD)板170，并且LFD板连接至功率分配(PD)板172。LFD板170到PD板172的连接需要许多不同连接器的对准，这是耗时工艺。另外，该结构需要在任意功率可输送到PD板172和此处的灯之前LFD板170存在。参照图10B，本发明实施方式示出不同的连接结构。每个区中的SCR驱动器直接连接至PD板174以便PD板174和此处的灯可在无LFD板176下工作。单个连接器178将允许PD板174和LFD板176连接在一起，极大地简化了两个板的连接。另外，由于约1M欧姆的镇流电阻器，使得通过LFD板176接收的电压信号将是约5V和约0.1mA。滤波电路180可限制电压信号到最大值约5V，5V可通过LFD板可视。

在图11中，更详细示出本发明的LFD板的实施方式的结构。多引脚连接器将允许LFD板连接至功率分配板。来自每个灯区的每对灯的电压信号将输入至多路复用器(MUX)，所述多路复用器将通过处理器210采样如经由通信信道196指令的这些信号。ADC将模拟信号转换为将发送给处理器210的数字值。在本发明中，场可编程门阵列(FPGA)用作处理器，但可使用其他处理器。FPGA可计算经过每对灯的各灯的电压降。FPGA将用灯故障条件预编程，并将应用这些条件来确定灯是否在开路状态或具有内部短路。DC/DC转换器198描述为LFD板的零件。24V DC功率输入200将通过DC到DC转换器步进以向LFD组件提供功率。输入/输出电路190将允许与FPGA通信连接，如由数据输入D_IN194和数据输出D_OUT192表示。

在本发明的前述实施方式中，考虑了两个或更多串联的灯。在一些应用中，可期望或必需经过电源仅连接一个灯。例如，如果灯头中的灯的总数是奇数，但是灯对可用作每个故障检测电路的基本串联单元，则单独灯将不成对。使用经过每个灯的电压降的故障检测方法不能用于单独灯的情形，除非稍微修改检测电路，或者使用替代方法。以下的灯故障检测方法处理该单独灯情形。

图12示出灯故障检测方法如何用于灯不能与一个或多个额外灯串联放置的情形。两个灯L1和L2并联连接至电源，诸如所示的SCR驱动器，两个灯L1和L2可表示灯头的多个径向对称区的一个区。每个灯单独连接经过电源。霍尔效应电流传感器于邻近功率分配板内的每个灯放置。电流输出信号I_L1和I_L2发送到LFD板和复用器(MUX)，所述复用器可采样信号并将它们发送给ADC以将模拟信号转换为数字。数字信号可随后发送给处理器310，诸如场编程栅阵列(FPGA)，所述处理器310可将如果-则语句应用于电流信号来确定灯L1或L2是否处于故障状态。如果-则语句可以只是与每个灯的电流信号相比较的阈值电流值β。例如，如果I_L1＜β，则灯L1可能存在故障状态。由于电流输出信号可能非常弱，所以一个或多个放大器300可包含在LFD板内来增强该信号，并且灯故障如果-则语句可应用于该放大的信号。

本发明的前述实施方式描述了灯故障检测方法和相关的装置。该故障检测方法将一般在晶圆的快速热处理(RTP)之前应用来有助于确保在开路或短路状态的任意灯将在晶圆处理前得到检测以避免不期望的工艺结果。然而，为避免减少RTP系统产量并最小化系统停机时间，在系统工作期间可在不同时间和以不同方式应用故障检测方法。在一个所述实施方式中，故障检测装置可正好在每个RTP腔室的RTP循环开始之前只检查开路灯。仅检查开路灯将比既检查开路又检查短路灯花费更少的时间，而开路灯将一般比仅局部短路的灯对辐射均匀性具有更大的影响。通常可在以最大功率的低百分比例如，诸如最大功率的10-20％处与致能的灯一起执行对开路灯的灯故障检测方法。该低灯功率的周期还可与晶圆装载到RTP腔室一致，或在晶圆装置后不久。

图13示出典型的RTP时间与温度的曲线图。温度平稳段410表述被致能但在极低功率设置下的灯，正好在RTP循环开始之前。RTP循环的开始通过温度上升段420表示。对开路灯的检测方法可应用于所述温度平稳段410，或者在甚低温度上升期间。灯故障检测装置可在充分短的时间间隔内检查开路状态的灯头的每个灯以允许正好在每个RTP腔室的RTP循环开始之前应用检测方法。可能短路的灯的故障检测可以在较小的频率间隔下执行，可能每天一次或两次，以及在对腔室产量不会有影响的时候。在其他实施方式中，灯故障检测方法可在RTP系统的定期维护期间执行。

灯故障检测方法还可基于灯故障信息来用于调整衬底处理的热处理参数。在一个实施方式中，对短路或开路灯状态的检测方法可在衬底处理期间对受灯强度的变化最敏感的那些灯区执行，并且应用灯故障信号来进行相应的灯功率调整以补偿失效灯的影响。在其他实施方式中，不同灯区的功率可以变化，或者不同工艺参数可在衬底处理之前、过程中或之后改变以补偿失效灯。

Claims

1.一种用于检测用于半导体衬底的热处理的灯组中的灯故障的灯故障检测装置，包括：

数据采集模块，用于在沿通过一组串联连接的灯组形成的电路路径的不同采样位置处采样电压信号；以及

控制器，适于基于经过至少两个灯的电压降来检测一个或多个所述灯中的故障，其中所述电压降是根据采样的电压信号来计算的。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一组串联连接的灯包括超过两个灯。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制器适于基于经过第二个灯的零电压降来检测第一个灯的开路条件。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，如果经过所述第一个灯的电压降比起经过所述第二个灯的电压降来的小，而两者的差距会大于阈值时，则所述控制器适于检测所述第一个灯局部短路。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制器适于基于经过一个或多个灯的每一个的零电压降来检测多个灯的开路条件。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据采集模块为控制器提供所采样的电压信号的数字值。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述采样的电压信号是交流电压信号。

8.一种用于检测用于半导体衬底的热处理的灯组中的灯故障的灯故障检测系统，包括：

多路复用器，用于接收从沿由多组串联连接的灯组形成的电路的不同位置所采样的多个模拟电压信号；

模拟到数字转换器，用于提供对应由所述多路复用器输出的所述多个模拟电压信号的每个的数字值；以及

控制逻辑器，适于控制所述多路复用器以选择哪个模拟电压信号由所述多路复用器输出，以及对于多组串联连接的灯组，基于经过至少两个灯的电压降，来检测所述组的一个或多个灯中的故障，其中所述电压降是根据采样的电压信号来计算的。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述控制逻辑器实施为场可编程门阵列。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述控制逻辑器实施为微控制器。

11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括通信接口，允许外部装置与所述控制逻辑器通信以接收灯故障检测数据。

12.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述控制逻辑器适于控制所述多路复用器以顺序选择公共区中多组串联连接的灯。

13.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述多组串联连接的灯包括两个或更多个灯。

14.根据权利要求8的所述的装置，其特征在于，所述控制器适于基于经过第二个灯的零电压降来检测第一个灯的开路条件。

15.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，如果经过所述第一灯的电压降比起经过第二灯的电压降来的小，而两者的差距会大于阈值时，则所述控制器适于检测第一灯局部短路。

16.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述灯是钨卤素灯。

17.一种用于检测用于半导体衬底的热处理的灯组中的灯故障的方法，包括：

在沿由一组串联连接的灯组形成的电路的不同采样位置处，采样电压信号；

基于所采样的电压信号来计算经过至少两个灯的电压降；以及

基于所述电压降之间的关系来确定是否存在故障，其中基于所述电压降之间的关系来确定是否存在故障至少包括：

基于经过第二灯的零电压降来确定存在第一灯的开路条件；以及

如果经过所述第一灯的电压降比起经过第二灯的电压降来的小，而两者的差距会大于阈值时，则确定存在第一灯的局部短路。