DE10297622T5

DE10297622T5 - Temperaturmessung sowie Methoden und Systeme zur Wärmebehandlung

Info

Publication number: DE10297622T5
Application number: DE10297622T
Authority: DE
Inventors: David Malcolm Vancouver Camm; Shawna Vancouver Kervin; Marcel Edmond Dartmouth Lefrancois; Greg Burnaby Stuart
Original assignee: Vortek Industries Ltd
Current assignee: Beijing E Town Semiconductor Co Ltd Cn; Mattson Technology Inc
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2002-12-23
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2022-12-24
Also published as: CN101324470B; KR101067901B1; DE10297622B4; CN1608199A; JP2009092676A; JP2011117979A; AU2002350358A1; KR101067902B1; JP5133278B2; KR20040066930A; KR20100039455A; WO2003060447A1; US7616872B2; CN101324470A; JP5166562B2; US7445382B2; WO2003060447A8; JP2005515425A; US20050063453A1; CN100416243C

Abstract

Eine Methode zur Temperaturmessung, die Folgendes umfasst:
a) Messen einer aktuellen Intensität von Strahlung, die von einer ersten Oberfläche eines Werkstücks thermisch emittiert wird; und
b) Ermittlung einer aktuellen Temperatur der ersten Oberfläche anhand der aktuellen Intensität und mindestens einer früheren thermischen Eigenschaft der ersten Oberfläche zu einem entsprechenden früheren Zeitpunkt.

Description

VERWEIS AUF ÄHNLICHE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Prioritätsvorteile der US-Patentanmeldung Nr. 60/342,115 vom 26. Dezember 2001, auf die hierin Bezug genommen wird.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich einesteils auf Methoden und Systeme zur Temperaturmessung und anderenteils auf Methoden und Systeme zur Wärmebehandlung eines Werkstücks.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei manchen Anwendungen ist es nötig, die Temperatur eines Werkstücks zu bestimmen, dessen Temperatur man schwer direkt messen kann. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn es sich bei dem Werkstück um einen Halbleiterwafer handelt. Die Temperatur einer Substratseite des Wafers kann zwar oft direkt gemessen werden, aber es ist nicht möglich, auf der Schaltkreisseite des Wafers eine genaue und direkte Temperaturmessung durchzuführen, da es durch das ungleichmäßige Schaltkreismuster auf der Schaltkreisseite von Stelle zu Stelle zu erheblichen Abweichungen sowohl bei der Streuung als auch bei der Emissivität kommt, was zu schwerwiegenden Messfehlern führt.
In der Vergangenheit stellte dies kein großes Problem dar, da bei vielen RTP-Zyklen (Rapid Thermal Processing: schnelles thermisches Prozessieren) die Substratseite des Wafers mit Aufheizraten oder Rampensteigungen erhitzt wurde, die im Vergleich zu einer Wärmeleitzeit durch den Wafer (typischerweise 10–15 Millisekunden) gering waren, so dass man annehmen konnte, dass die Temperatur an einer gegebenen Stelle auf der Schaltkreisseite gleich der Temperatur an der entsprechenden gegenüberliegenden Stelle auf der Substratseite war. Für die damaligen Leistungsanforderungen (die mittlerweile überholt sind) waren die Fehler, die aus einer derartigen Annahme resultierten, unkritisch.
Diese herkömmlichen Techniken können jedoch keine Übergänge schaffen, die flach genug sind, um den aktuellen und zukünftigen Anforderungen gerecht zu werden. In den anhängigen PCT-Anmeldungen (Patent Cooperation Treaty: Vertrag über die internationale Zusammenarbeit auf dem Gebiet des Patentwesens) WO 02147143 und WO 02147123 (auf die hierin Bezug genommen wird) wird eine neue Technik offenbart, die diese Problematik beseitigen soll. Dabei wird der gesamte Wafer auf eine Zwischentemperatur vorgeheizt, indem man die Substratseite mit einer Rampensteigung bestrahlt, die niedriger ist als die Wärmeleitrate durch den Wafer, und dann die Schaltkreisseite des Wafers durch Bestrahlung mit einer Rampensteigung aufheizt, die weitaus höher ist als die Wärmeleitrate. Als beliebiges Beispiel könnte man den Wafer auf eine Zwischentemperatur von 800 °C vorheizen, indem man die Substratseite mit einer Bogenlampe bestrahlt, um den gesamten Wafer mit einer Rampensteigung von beispielsweise 400 °C/Sekunde aufzuheizen. Danach kann die Schaltkreisseite einem Hochleistungsblitz aus einer Blitzlampe ausgesetzt werden, zum Beispiel einem Ein-Millisekunden-Blitz, um die Schaltkreisseite auf eine Glühtemperatur von beispielsweise 1300 °C aufzuheizen. Aufgrund der hohen Aufheizrate der Schaltkreisseite während des Blitzes (in der Größenordnung von 10⁵ °C/s) behält der Bulk des Wafers die Zwischentemperatur und wirkt als Wärmesenke, die die Schaltkreisseite nach dem Blitz abkühlt.
Um Leistungsabweichungen zwischen den jeweiligen Wafern zu minimieren, ist es wichtig sicherzustellen, dass jeder Wafer ein durchweg wiederholbares thermisches Verfahren durchläuft, das einem für alle Wafer identischen Verfahren so ähnlich wie möglich ist. Dazu ist es wünschenswert, dass die Temperatur der Schaltkreisseite des Wafers während des Blitzes genau gemessen wird und diese Temperaturmessungen zur Regelung der Intensität des Blitzes verwendet werden. Wie bereits erwähnt sind herkömmliche Verfahren jedoch ungeeignet, um für diesen Zweck die Temperatur der Schaltkreisseite genau messen zu können.
Es besteht folglich ein Bedarf für eine bessere Möglichkeit zur Temperaturmessung eines Werkstücks und für eine bessere Möglichkeit zur Wärmebehandlung des Werkstücks.
ZUSAMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung versucht den oben genannten Bedarf zu befriedigen, indem sie gemäß eines ersten Teilaspekts der Erfindung eine Methode zur Temperaturmessung vorsieht. Diese Methode beinhaltet das Messen einer aktuellen Intensität einer Strahlung, die von einer ersten Oberfläche eines Werkstücks thermisch emittiert wird. Des Werteren beinhaltet die Methode die Ermittlung einer aktuellen Temperatur der ersten Oberfläche anhand der aktuellen Intensität und mindestens einer früheren thermischen Eigenschaft der ersten Oberfläche zu einem entsprechenden früheren Zeitpunkt.
Das Werkstück kann einen Halbleiterwafer beinhalten. In diesem Fall kann die erste Oberfläche eine Schaltkreisseite des Wafers beinhalten, und die zweite Oberfläche kann eine Substratseite des Wafers beinhalten. In solch einem Ausführungsbeispiel kann die Ermittlung die Ermittlung der aktuellen Temperatur der Schaltkreisseite beinhalten, die diese aufweist, während sie bestrahlt wird, oder genauer gesagt, während die Schaltkreisseite einem Blitzstrahl mit einer geringeren Dauer als die Wärmeleitzeit durch den Wafer ausgesetzt ist. Der Blitzstrahl kann eine Dauer von weniger als 10 Millisekunden haben, beispielsweise eine Dauer in der Größenordnung von einer Millisekunde.
Die Methode kann die Ermittlung von mindestens einer früheren thermischen Eigenschaft der ersten Oberfläche zu dem früheren Zeitpunkt beinhalten. Die mindestens eine frühere thermische Eigenschaft kann eine frühere Temperatur der ersten Oberfläche beinhalten, zum Beispiel eine frühere Temperatur der Schaltkreisseite des Wafers unmittelbar vor Beginn des Blitzstrahls. Die mindestens eine frühere thermische Eigenschaft kann außerdem eine frühere Intensität der von der Schaltkreisseite unmittelbar vor Beginn des Blitzstrahls thermisch emittierten Strahlung beinhalten.
Die Ermittlung kann also die Ermittlung der aktuellen Temperatur der ersten Oberfläche anhand der aktuellen Intensität, einer früheren Temperatur der ersten Oberfläche und einer früheren Intensität der thermisch von der ersten Oberfläche zu dem früheren Zeitpunkt emittierten Strahlung beinhalten.
Die frühere Temperatur der ersten Oberfläche kann anhand einer früheren Temperatur einer zweiten Oberfläche des Werkstücks ermittelt werden, die ungleich der früheren Temperatur der ersten Oberfläche ist. In diesem Fall kann die Temperatur der ersten Oberfläche anhand der früheren Temperatur der zweiten Oberfläche und einer Temperaturhistorie des Werkstücks ermittelt werden. Die frühere Temperatur der zweiten Oberfläche und die Temperaturhistorie können beispielsweise verwendet werden, um einen Tabelleneintrag zu konsultieren.
Des Weiteren kann die Methode die Ermittlung, zu dem früheren Zeitpunkt, der früheren Temperatur der zweiten Oberfläche beinhalten. Die frühere Temperatur der zweiten Oberfläche kann beispielsweise anhand einer hemisphärischen Reflexion der zweiten Oberfläche ermittelt werden.
Des Weiteren kann die Methode das Messen der hemisphärischen Reflexion beinhalten. Dies kann den Empfang einer von der zweiten Oberfläche reflektierten Strahlung an einem Detektor beinhalten, der weit genug von der zweiten Oberfläche positioniert ist, um zu vermeiden, dass anderen Geräten eines Systems, in dem sich das Werkstück bindet, das Sichtfeld auf die zweite Oberfläche versperrt wird. Ähnlich kann dies den Empfang einer von der zweiten Oberfläche reflektierten Strahlung an einem Detektor beinhalten, der in einem Abstand von einem Zentrum der zweiten Oberfläche positioniert ist, der mindestens so groß ist wie die Hälfte der größten Abmessung des Werkstücks.
Das Messen der hemisphärischen Reflexion der zweiten Oberfläche kann das Messen einer gerichteten Reflexion der zweiten Oberfläche beinhalten, an das sich eine Streukorrektur der gerichteten Reflexion anschließt, um so die hemisphärische Reflexion zu erhalten. Die Methode kann außerdem die Ausarbeitung der Streukorrektur beinhalten.
Die frühere Temperatur der zweiten Oberfläche kann anhand der hemisphärischen Reflexion der zweiten Oberfläche und der von der zweiten Oberfläche thermisch emittierten Strahlung ermittelt werden.
Die Methode kann die wiederholte Ermittlung und das Speichern aufeinander folgender Werte der früheren Temperatur der zweiten Oberfläche zu entsprechenden aufeinander folgenden Zeitpunkten beinhalten, um so die Zeithistorie des Werkstücks zu erstellen.
Außerdem kann die Methode die wiederholte Ermittlung aufeinander folgender Werte der aktuellen Temperatur der ersten Oberfläche anhand entsprechender aufeinander folgender Werte der aktuellen Intensität der von der ersten Oberfläche thermisch emittierten Strahlung beinhalten. Diese Werte können wiederholt ermittelt werden, während die erste Oberfläche bestrahlt wird, oder genauer gesagt, während die erste Oberfläche einem Blitzstrahl mit einer Dauer ausgesetzt ist, die geringer ist als die Wärmeleitzeit durch das Werkstück.
Das Messen der aktuellen Intensität der von der ersten Oberfläche thermisch emittierten Strahlung kann das Messen in einem Wellenlängenband beinhalten, in dem ein auf die erste Oberfläche einfallendes Strahlungsspektrum eine geringe Intensität aufweist. Die Methode kann das Entfernen des Wellenlängenbandes aus dem auf die erste Oberfläche einfallenden Strahlungsspektrum beinhalten.
Ähnlich kann das Messen der gerichteten Reflexion der zweiten Oberfläche das Messen der reflektierten Intensität in einem Licht-Wellenlängenband beinhalten, in dem ein auf die zweite Oberfläche einfallendes Heiz-Strahlungsspektrum eine geringe Intensität aufweist. Die Methode kann außerdem das Entfernen des Licht-Wellenlängenbandes aus dem Heiz-Strahlungsspektrum beinhalten.
Ein anderer Teilaspekt der Erfindung sieht eine Methode zur Wärmebehandlung eines Werkstücks vor. Die Methode beinhaltet eine Methode zur Temperaturmessung wie sie beispielsweise im Zusammenhang mit dem vorherigen Teilaspekt der Erfindung beschrieben wurde. Des Weiteren beinhaltet die Methode das Steuern einer Leistung eines auf die erste Oberfläche des Werkstücks einfallenden Strahlungsspektrums anhand der aktuellen Temperatur der ersten Oberfläche. Dies kann das Steuern von Leistung beinhalten, die an mindestens eine Bestrahlungsquelle geliefert wird, die dazu fähig ist, den Blitzstrahl zu erzeugen. Das Steuern von Leistung kann beinhalten, dass nur dann eine aus einer Vielzahl von Bestrahlungsquellen aktiviert wird, wenn die aktuelle Temperatur der ersten Oberfläche geringer ist als ein zuvor festgelegter Grenzwert.
Ein anderer Teilaspekt der Erfindung sieht ein Temperaturmesssystem vor. Dieses System beinhaltet ein Messgerät, das dazu ausgebildet ist, eine aktuelle Intensität der von einer ersten Oberfläche eines Werkstücks thermisch emittierten Strahlung zu messen. Außerdem beinhaltet das System mindestens eine Prozessorschaltung, die mit dem Messgerät kommuniziert, wobei die mindestens eine Prozessorschaltung dazu ausgebildet ist, anhand der aktuellen Intensität und mindestens einer früheren thermischen Eigenschaft der ersten Oberfläche eine aktuelle Temperatur der ersten Oberfläche zu ermitteln.
Das System kann verschiedene Messgeräte beinhalten, beispielsweise Bildwiedergabegeräte und Strahlungsmesser, die im Folgenden genauer beschrieben werden. Solche Geräte können zum Beispiel Hochgeschwindigkeits-InGaAs-Photodioden und/oder Photodiodenarrays beinhalten. Die mindestens eine Prozessorschaltung kann dazu ausgebildet sein, mit den verschiedenen Geräten des Systems zu kooperieren, um die hierin beschriebenen Methoden auszuführen.
Ein anderer Teilaspekt der Erfindung sieht ein System zur Wärmebehandlung eines Werkstücks vor. Dieses System beinhaltet ein Temperaturmesssystem wie vorstehend beschrieben sowie ein Bestrahlungssystem, das dazu fähig ist, die erste Oberfläche des Werkstücks dem Einfall eines Blitzstrahls auszusetzen. Die mindestens eine Prozessorschaltung ist dazu ausgebildet, anhand der aktuellen Temperatur der ersten Oberfläche eine Leistung des Blitzstrahls zu steuern.
Ein anderer Teilaspekt der Erfindung sieht ein Temperaturmesssystem vor. Dieses System beinhaltet Mittel zum Messen einer aktuellen Intensität der von einer ersten Oberfläche eines Werkstücks thermisch emittierten Strahlung. Außerdem beinhaltet das System Mittel zur Ermittlung einer aktuellen Temperatur der ersten Oberfläche anhand der aktuellen Intensität und mindestens einer früheren thermischen Eigenschaft der ersten Oberfläche zu einem entsprechenden früheren Zeitpunkt.
Des Weiteren kann das System Mittel beinhalten, um verschiedene zugehörige Funktionen auszuführen, die nachfolgend dargelegt werden.
Ein anderer Teilaspekt der Erfindung sieht ein System zur Wärmebehandlung eines Werkstücks vor. Dieses System beinhaltet Mittel der vorstehend beschriebenen Art sowie Mittel zum Steuern eines auf die erste Oberfläche des Werkstücks einfallenden Strahlungsblitzes anhand der aktuellen Temperatur der ersten Oberfläche.
Einige besondere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können Möglichkeiten vorsehen, um genaue Temperaturmessungen der Schaltkreisseite des Wafers während des Blitzes zu erhalten. Diese genauen Temperaturmessungen können dann, falls gewünscht, zur Regelung der Leistung des Blitzes verwendet werden, um die Übereinstimmung des Blitzes und des anschließenden Ausheilverfahrens der einzelnen Wafer sicherzustellen. Auch wenn diese Temperaturmessungen nicht zur Regelung verwendet werden, so können sie alternativ hilfreich sein, um „Systemdrift" oder Inkonsistenzen festzustellen, die sich zwischen aufeinander folgenden Ausführungen thermischer Verfahren entwickeln, die eigentlich identisch sein sollen. Ein frühzeitiges Erkennen solcher Inkonsistenzen ermöglicht es den Benutzern des Systems, die Inkonsistenzen bereits während ihrer Entstehung zu korrigieren, anstatt eine große Anzahl an Wafern zu bearbeiten, nur um dann feststellen zu müssen, dass eine schlechte Kontrolle der Wiederholbarkeit des Wärmebehandlungszyklus zu abträglichen Leistungsunterschieden zwischen den einzelnen Wafern geführt hat.
Andere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den gewöhnlichen Fachmann aus der folgenden Beschreibung besonderer Ausführungsbeispiele der Erfindung im Zusammenhang mit den begleitenden Figuren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen, die Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulichen, ist:
1 eine perspektivische Ansicht eines Systems zur Temperaturmessung und zur Wärmebehandlung eines Werkstücks gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei zwei vertikale Vorderseiten nicht dargestellt sind;
2 ein Blockdiagramm eines Rapid Thermal Processing System Computers (RSC), einer Diagnostik-Beleuchtungsquelle, eines Bildwiedergabegeräts und eines Synchronisierungsmoduls des in 1 gezeigten Systems;
3 ein Blockdiagramm eines schnellen Radiometers des in 1 gezeigten Systems;
4 ein Blockdiagramm eines ultraschnellen Radiometers des in 1 gezeigten Systems;
5 ein Ablaufplan eines Programms für das Verhältnis des Standardbauteils, das von einer Prozessorschaltung des in 2 gezeigten RSC ausgeführt wird;
6 ein Ablaufplan eines Programms zur Temperaturüberwachung und -steuerung, das von der Prozessorschaltung des in 2 gezeigten RSC ausgeführt wird;
7 ein Ablaufplan eines Programms für die hemisphärische Reflexion, das von der in 2 gezeigten Prozessorschaltung ausgeführt wird;
8 ein Ablaufplan eines Programms für die Substrattemperatur, das von einer Prozessorschaltung des in 3 gezeigten schnellen Radiometers ausgeführt wird;
9 ein Ablaufplan eines Programms für die Echtzeittemperatur der Schaltkreisseite, das von einer Prozessorschaltung des in 4 gezeigten ultraschnellen Radiometers ausgeführt wird;
10 ein Schaltplan eines Steuerkreises für die Leistung der Blitzlampe, der von der in 4 gezeigten Prozessorschaltung überwacht wird;
11 ein Schaltplan eines Steuerkreises für die Leistung der Blitzlampe, der von der in 4 gezeigten Prozessorschaltung überwacht wird, gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
12 ein Schaltplan eines Steuerkreises für die Leistung der Blitzlampe, der von der in 4 gezeigten Prozessorschaltung gesteuert wird, gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
13 eine perspektivische Ansicht eines Systems zur Temperaturmessung und zur Wärmebehandlung eines Werkstücks gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei zwei vertikale Vorderseiten nicht dargestellt sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In 1 ist mit 100 allgemein ein Temperaturmesssystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung bezeichnet. In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet das System 100 ein Messgerät 102, das dazu ausgebildet ist, eine aktuelle Intensität einer von der ersten Oberfläche 104 eines Werkstücks 106 thermisch emittierten Strahlung zu messen. Außerdem beinhaltet das System 100 mindestens eine Prozessorschaltung, die mit dem Messgerät 102 kommuniziert. Die mindestens eine Prozessorschaltung ist dazu ausgebildet, anhand der aktuellen Intensität und mindestens einer früheren thermischen Eigenschaft der ersten Oberfläche zu einem entsprechenden früheren Zeitpunkt eine aktuelle Temperatur der ersten Oberfläche 104 zu ermitteln.
In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet die mindestens eine Prozessorschaltung eine Prozessorschaltung 108. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel befindet sich die Prozessorschaltung 108 in einem Gehäuse des Messgeräts 102. Alternativ kann sie sich jedoch auch vom Messgerät entfernt befinden, falls dies gewünscht wird. In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet die mindestens eine Prozessorschaltung auch eine Prozessorschaltung 110, die sich in einem Rapid Thermal Processing System Computer (RSC) 112 befindet, und eine Prozessorschaltung 114, die sich in einem Gehäuse eines weiteren Messgeräts 116 befindet. Alternativ können die verschiedenen hierin beschriebenen Funktionen von einer einzigen Prozessorschaltung ausgeführt werden, falls dies gewünscht wird, oder von anderen Kombinationen aus Prozessorschaltungen, die sich in direkter Nähe und/oder entfernt befinden.
Wie hierin detaillierter erläutert, ist die mindestens eine Prozessorschaltung im vorliegenden Ausführungsbeispiel dazu ausgebildet, zu dem früheren Zeitpunkt die mindestens eine frühere thermische Eigenschaft der ersten Oberfläche 104 zu ermitteln. Genauer gesagt beinhaltet die mindestens eine frühere thermische Eigenschaft in diesem Ausführungsbeispiel eine frühere Temperatur der ersten Oberfläche. Dazu ist die mindestens eine Prozessorschaltung in diesem Ausführungsbeispiel dazu ausgebildet, anhand einer früheren Temperatur einer zweiten Oberfläche 118 des Werkstücks 106, die ungleich der früheren Temperatur der ersten Oberfläche 104 ist (auch wenn alternativ in anderen Ausführungsbeispielen die frühere Temperatur der zweiten Oberfläche ungefähr genauso groß wie die Temperatur der ersten Oberfläche sein kann, beispielsweise wenn das Werkstück mit einer niedrigeren Rate vorgeheizt wird), die frühere Temperatur der ersten Oberfläche 104 zu ermitteln. Genauer gesagt ist die mindestens, eine Prozessorschaltung in diesem Ausführungsbeispiel dazu ausgebildet, anhand der früheren Temperatur der zweiten Oberfläche 118 und einer Temperaturhistorie des Werkstücks 106 die frühere Temperatur der ersten Oberfläche 104 zu ermitteln. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die mindestens eine Prozessorschaltung außerdem dazu ausgebildet, zu dem früheren Zeitpunkt anhand einer hemisphärischen Reflexion der zweiten Oberfläche die frühere Temperatur der zweiten Oberfläche 118 zu ermitteln.
RTP (Rapid Thermal Processinal-Kammer
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das System 100 auch zur Wärmebehandlung des Werkstücks 106 verwendet. In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Werkstück 106 einen Halbleiterwafer 120. Genauer gesagt ist der Wafer 120 in diesem Ausführungsbeispiel ein Silikon-Halbleiterwafer mit einem Durchmesser von 300 mm, wie er bei der Herstellung von Halbleiterchips, zum Bespiel Mikroprozessoren, verwendet wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beinhaltet die erste Oberfläche 104 des Werkstücks 106 eine Oberseite oder Schaltkreisseite 122 des Wafers 120. Ähnlich beinhaltet in diesem Ausführungsbeispiel die zweite Oberfläche 118 des Werkstücks eine Rückseite oder Substratseite 124 des Wafers 120.
Zur Durchführung solch einer Wärmebehandlung des Wafers 120 wird er in diesem Ausführungsbeispiel in einer RTP-Kammer 130 gelagert, die tatsächlich als selektiv absorbierende Kammer arbeitet. In diesem Ausführungsbeispiel ähnelt die Kammer 130 ein bisschen der im gemeinsamen US-Patent 6,303,411 offenbarten Kammer (auf die hierin Bezug genommen wird), beinhaltet jedoch sowohl über als auch unter dem Werkstück Strahlungsabsorbierende Bereiche anstatt einer Kombination aus einem absorbierenden und einem reflektierenden Bereich. Die selektiv Strahlungsabsorbierende Kammer 130 beinhaltet selektiv Strahlungsabsorbierende Decken- und Bodenwände 132 und 134 sowie Seitenwände, von denen zwei unter 136 und 138 gezeigt werden und die beiden anderen zur besseren Darstellung nicht abgebildet sind. In diesem Ausführungsbeispiel beinhalten die Seitenwände 136 und 138 (sowie die anderen nicht gezeigten Seitenwände) spiegelnd reflektierende diamantgedrehte Aluminiumflächen, aber sie kooperieren mit den Decken- und Bodenwänden 132 und 134, die selektiv absorbierende wassergekühlte Fenster beinhalten (nachstehend detaillierter erläutert), um tatsächlich als strahlungsabsorbierende Bereiche mit bestimmten Wellenlängen zu dienen.
In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet die Kamme 130 außerdem eine Innenwand 140 mit entsprechenden Vertiefungen, in denen das Werkstück 106 und ein Referenzstück 142 lagern. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Werkstück durch eine Vielzahl von (nicht dargestellten) Quarzstiften in seiner Vertiefung gehalten. Falls gewünscht, kann zusammen mit den Quarzstiften auch ein Tragesystem vorgesehen werden (nicht dargestellt, nicht Teil dieser Erfindung), um das Werkstück so zu lagern wie die Werkstücke, die in einer ungefähr gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung im Namen der Erfinder Camm, Sempere, Kaludjercic, Stuart, Bumbulovic und Rudolph eingereichten Anmeldung für ein vorläufiges gemeinsames US-Patent beschrieben werden, die den Titel trägt „Methods and Systems for Supporting a Workpiece and for Heat-Treating the Workpiece" (Methoden und Systeme zur Lagerung eines Werkstücks und zur Wärmebehandlung des Werkstücks).
Die Innenwand 140 kann je nach Anwendungsfall entweder Strahlungsabsorbierend oder reflektierend sein, wobei die reflektierende Oberfläche einen höheren energetischen Wirkungsgrad hat, die Strahlungsabsorbierende Oberfläche jedoch zu einer gleichmäßigeren Erwärmung führt. Alternativ kann man einen Kompromiss zwischen diesen beiden Extremen vorsehen, zum Beispiel eine teilweise reflektierende, teilweise absorbierende Oberfläche, wie etwa eloxiertes Aluminium. Ähnlich können die verschiedenen reflektierenden Oberflächen der Kammer 130, falls gewünscht, durch vollständig oder teilweise Strahlungsabsorbierende Oberflächen ersetzt werden. Alle Oberflächen der Kammer werden vorzugsweise mit einem Kühlsystem 144 gekühlt, das in diesem Ausführungsbeispiel ein Kühlsystem mit Wasserzirkulation beinhaltet.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Referenzstück 142 ein kleiner, diamantgedrehter, spiegelnd reflektierender Aluminiumspiegel. Alternativ kann das Referenzstück aus einem Silikon-Halbleitermaterial gefertigt sein, das dem Material des Wafers 120 ähnelt. In diesem Fall wäre das Referenzstück 142 jedoch vorzugsweise relativ homogen und hätte keine Schaltkreisseite. Alternativ kann man stattdessen andere Typen von Referenzstücken verwenden.
In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet das System 100 außerdem ein Vorheizgerät 150, um den Wafer 120 vorzuheizen. In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Vorheizgerät 150 eine Hochintensitäts-Bogenlampe 152 und ein Reflektorsystem 154, die unter der Bodenwand 134 der Kammer 130 angeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet die Bodenwand 134 tatsächlich ein Filter, durch das die Bogenlampe 152 und das Reflektorsystem 154 des Vorheizgeräts 150 elektromagnetische Strahlung projizieren können, um den Wafer 120 zu erhitzen. Genauer gesagt beinhaltet die Bodenwand 134 in diesem Ausführungsbeispiel ein wassergekühltes Fenster 156. Noch genauer gesagt beinhaltet das wassergekühlte Fenster 156 in diesem Ausführungsbeispiel zwei parallele, voneinander beabstandete Quarzscheiben, die zwischen sich einen Kühlkanal definieren, durch den das Kühlsystem 144 Wasser pumpt.
Da Wasser dazu neigt, Infrarotstrahlung der Wellenlänge 1450 nm zu absorbieren und auch Quarz dazu neigt, Infrarotstrahlung mit größeren Wellenlängen zu absorbieren, dient das wassergekühlte Fenster 156 zwei Hauptzwecken. Erstens wirkt es als Filter, das aus einem vom Vorheizgerät erzeugten Strahlungsspektrum jegliche Strahlung einer Diagnostik-Wellenlänge entfernt, die in diesem Ausführungsbeispiel 1450 nm beträgt. Anders ausgedrückt, das wassergekühlte Fenster macht tatsächlich das vom Vorheizgerät erzeugte Strahlungsspektrum (oder alle Reflexionen dieser Strahlung durch das Werkstück) für alle Messgeräte im System 100, die Strahlung mit der Diagnostik-Wellenlänge entdecken, unsichtbar. Zweitens absorbiert es, wenn es heiß wird, vom Wafer 120 thermisch emittierte Infrarotstrahlung und verhindert dadurch, dass diese Strahlung zum Wafer 120 zurück reflektiert wird und eine unerwünschte (und ungleichmäßige) Erhitzung des Wafers 120 zu ungünstigen Zeitpunkten verursacht, zum Beispiel während einer Kühlphase. (Die Praxis hat gezeigt, dass ein kleiner Anteil (z. B. 3 %) der vom Wafer 1 20 thermisch emittierten Strahlung mit einer Diagnostik-Wellenlänge von 1450 nm von der oberen Quarzscheibe des Fensters unbeabsichtigterweise zum Wafer zurück reflektiert werden kann, anstatt durch die obere Scheibe zu dringen und vom Wasserkühlkanal aufgenommen zu werden, der zwischen den Quarzscheiben definiert ist. Dieser zuletzt genannte Effekt wird als „Chamber Return" (Kammerrückkehr) bezeichnet und kann, falls gewünscht, bei der Kalibrierung der verschiedenen Messgeräte, die im System 100 verwendet werden, berücksichtigt werden.)
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beinhaltet das System 100 außerdem eine Vielzahl von weiteren Messgeräten, einschließlich einer Diagnostik-Beleuchtungsquelle 160 und Strahlungsdetektoren. Genauer gesagt beinhalten die Strahlungsdetektoren in diesem Ausführungsbeispiel das zweite Messgerät 116, das in diesem Ausführungsbeispiel ein schnelles Radiometer 164 beinhaltet. Ähnlich beinhalten die Strahlungsdetektoren außerdem ein weiteres Messgerät 117, das in diesem Ausführungsbeispiel ein Bildwiedergabegerät 162 beinhaltet. Im Allgemeinen verwendet man in diesem Ausführungsbeispiel die Diagnostik-Beleuchtungsquelle 160 und das Bildwiedergabegerät 162 dazu, Bilder der zweiten Oberfläche 118 des Werkstücks 106 und des Referenzstücks 142 zu erfassen, um die hemisphärische Reflexion des Werkstücks zu bestimmen, und das schnelle Radiometer 164 verwendet man dazu, die thermische Emission des Werkstücks zu messen. Die Messungen der thermischen Emission und der hemisphärischen Reflexion können kombiniert werden, um die Temperatur der zweiten Oberfläche 118 des Werkstücks zu erhalten, was nachstehend genauer erläutert wird.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Referenzstück 142 im Bezug zur Ebene des Werkstücks 106 leicht geneigt, und die Diagnostik-Beleuchtungsquelle 160 und das Bildwiedergabegerät 162 sind abgewinkelt, so dass sowohl das Referenzstück als auch das Werkstück Strahlung, die von der Diagnostik-Beleuchtungsquelle in Richtung Bildwiedergabegerät 162 einfällt, in einem Winkel mit maximaler Reflexionsintensität reflektieren. Falls gewünscht, können die Diagnostik-Beleuchtungsquelle 160, das Bildwiedergabegerät 162 und das Radiometer 164 in gleich großen Winkeln relativ zu einem zentralen Bereich 170 des Wafers 120 angeordnet werden. Durch eine derartige Konfiguration kann man in Ausführungsbeispielen wie dem vorliegenden, wo die zweite Oberfläche 118 des Werkstücks 106 nicht isotrop diffus ist (Lambertsche Oberfläche), Messfehler reduzieren. Alternativ können die Geräte 160, 162 und 164 jedoch in unterschiedlichen Winkeln angeordnet werden, wobei man allerdings in allen Ausführungsbeispielen, in denen das Werkstück nicht radialsymmetrisch bezüglich seiner Normalen im Mittelpunkt steht, häufigere Messfehler in Kauf nehmen muss. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Geräte 160, 162 und 164 alle so positioniert, dass sie das wassergekühlte Fenster 156 umgehen, so dass das wassergekühlte Fenster 156 weder die Lichtstrahlung, die von der Diagnostik-Beleuchtungsquelle 160 erzeugt wird, noch die Strahlung, die vom Bildwiedergabegerät 162 oder vom schnellen Radiometer 164 empfangen wird, filtert.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beinhaltet das System 100 außerdem ein Bestrahlungssystem 180, das dazu fähig ist, die erste Oberfläche 104 des Werkstücks 106 dem Einfall eines Blitzstrahls auszusetzen. Genauer gesagt beinhaltet das Bestrahlungssystem 180 in diesem Ausführungsbeispiel eine Blitzlampe 182 und ein Reflektorsystem 184, die unmittelbar über der oberen Wand 132 der Kammer 130 positioniert sind. Alternativ kann man, wenn gewünscht, eine Vielzahl von Blitzlampen einsetzen oder anstatt der Blitzlampe andere geeignete Typen von Bestrahlungsgeräten verwenden. In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet die obere Wand 132 ein wassergekühltes Fenster 186, ähnlich dem vorstehend beschriebenen wassergekühlten Fenster 156, das als Filter wirkt, um Strahlung mit der Diagnostik-Wellenlänge 1450 nm aus dem von der Blitzlampe 182 erzeugten Strahlenspektrum zu entfernen, und um thermisch emittierte Strahlung des Wafers mit dieser Wellenlänge zu absorbieren. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beinhaltet das Bestrahlungssystem 180 außerdem ein Leistungssteuersystem 188, um die Blitzlampe 182 mit elektrischer Leistung für die Erzeugung des Blitzstrahls zu versorgen.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Schaltkreisseite 122 des Wafers vor der Einbringung des Wafers 120 in die Kammer 130 einem Ionenimplantationsprozess unterzogen, bei dem Fremdatome oder Dotierstoffe in einen Oberflächenbereich der Schaltkreisseite des Wafers eingebracht werden. Durch den Ionenimplantationsprozess wird die Kristallgitterstruktur des Oberflächenbereichs des Wafers zerstört und die implantierten Dotieratome verbleiben an interstitiellen Stellen, wo sie elektrisch inaktiv sind. Um die Dotieratome an Ersatzstellen im Kristallgitter zu bringen und sie elektrisch zu aktivieren sowie die Schäden an der Kristallgitterstruktur zu reparieren, die während der Ionenimplantation entstehen, muss der Oberflächenbereich der Schaltkreisseite des Wafers ausgeheilt werden, indem man ihn auf eine hohe Temperatur erhitzt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein derartiges Ausheilen gemäß Methoden ausgeführt, wie sie in den vorstehend genannten gemeinsamen PCT-Anmeldungen mit den Veröffentlichungsnummern WO 02147143 und WO 02147123 offenbart werden. Eine erste Phase der Ausheilmethode kann zum Beispiel das Vorheizen des Wafers auf eine Zwischentemperatur beinhalten, mit einer Rate, die niedriger ist als eine Wärmeleitzeit durch den Wafer, so dass der gesamte Wafer relativ gleichmäßig auf die Zwischentemperatur erhitzt wird. In diesem Ausführungsbeispiel führt man die Vorheizphase aus, indem man die Rückseite oder Substratseite 124 des Wafers mit der Bogenlampe 152 bestrahlt, um den Wafer mit einer Rampensteigung von beispielsweise 100 °C/Sekunde bis 400 °C/Sekunde auf eine Zwischentemperatur von beispielsweise 500 °C bis 1110 °C zu erhitzen. Nach der Vorheizphase wird die Oberseite oder Schaltkreisseite 122 des Wafers rasch mit einer Rate, die viel höher ist als die Wärmeleitzeit durch den Wafer, auf eine wesentlich höhere Ausheiltemperatur erhitzt, so dass nur der Oberflächenbereich der Oberseite des Wafers auf die End-Ausheiltemperatur erhitzt wird, während der Bulk des Wafers nahe der relativ kälteren Zwischentemperatur bleibt. In diesem Ausführungsbeispiel wird diese zweite Phase ausgeführt, indem man die Oberfläche der Oberseite für eine relativ kurze Zeit, beispielsweise in der Größenordnung von einer Millisekunde, einem Hochleistungsblitz vom Bestrahlungssystem 180 aussetzt. Der kältere Bulk des Wafers wirkt dann als Wärmesenke, um das Abkühlen der Oberfläche der Oberseite zu beschleunigen.
Um eine adäquate Wärmebehandlung solcher Wafer zu gewährleisten und eine konsistente Wärmebehandlung ähnlicher Wafer, die nacheinander in der Kammer 130 prozessiert werden, zu erreichen, ist es wünschenswert, in der zweiten Phase, d. h. während des schnellen Blitzstrahls, die Echtzeittemperatur der Schaltkreisseite zu überwachen, wie hierin detaillierter erläutert. In manchen Fällen, wenn physikalische Parameter des Bestrahlungssystems 180 dazu neigen, sich mit der Zeit zu verändern, kann man die Konsistenz der Wärmebehandlung verbessern, indem man solche Echtzeittemperaturwerte der Schaltkreisseite verwendet, um die Leistung des Blitzstrahls während seines Aufleuchtens zu steuern. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist daher die mindestens eine Prozessorschaltung dazu ausgebildet, anhand der aktuellen Temperatur der ersten Oberfläche 104 des Werkstücks 106 eine Leistung des Blitzstrahls zu steuern, wie nachstehend detaillierter erläutert.
Vorheizgerät für die Substratseite
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Bogenlampe 152 eine 500 kW Bogenlampe der Firma Vortek Industries Ltd. in Vancouver, British Columbia, Canada, die nach dem Doppelwasserwand-Argonplasma-Prinzip funktioniert. Ein Beispiel einer solchen Bogenlampe ist in der gemeinsamen PCT-Anmeldung mit der Veröffentlichungsnummer WO 01154166 offenbart, auf die hierin Bezug genommen wird. Solche Bogenlampen bieten im Vergleich zu Lichtquellen mit Wolfram-Glühfaden zahlreiche Vorteile für das Ausheilen von Halbleitern, wie in der oben genannten PCT-Veröffentlichung beschrieben. Bei größeren Temperaturzunahmen können anstatt der einzelnen Bogenlampe 152 mehrere Bogenlampen verwendet werden. Alternativ können jedoch stattdessen andere Typen von Vorheizgeräten eingesetzt werden, einschließlich beispielsweise Blitzlampen und sogar Lichtquellen mit Wolfram-Glühfaden oder Arrays solcher Lichtquellen.
Diagnostik-Lichtquelle
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Diagnostik-Lichtquelle 160 dazu fähig, einen Diagnostik-Blitz der Wellenlänge 1450 nm zur Beleuchtung des Wafers 120 und des Referenzstücks 142 zu erzeugen. Dazu beinhaltet die Diagnostik-Lichtquelle 160 eine Xenon-Kurzbogenlampe 190 mit einem (nicht dargestellten) Netzteil für gepulste Entladung, das die Bogenlampe 190 zur Blitzlampe umfunktioniert, und einem ungeordneten optischen Faserbündel 192, das das wassergekühlte Fenster 156 der unteren Wand 134 der Kammer 130 umgeht. Die von der Bogenlampe 198 kommende Strahlung wird durch das ungeordnete optische Faserbündel 192 geleitet, wobei es das wassergekühlte Filterfenster 156 umgeht und es der Strahlung mit diagnostischer Wellenlänge dadurch ermöglicht, die Substratseite 124 des Wafers 120 und des Referenzstücks 142 mit einem Diagnostik-Blitz mit diagnostischer Wellenlänge zu beleuchten, wann immer es für Messzwecke erforderlich ist. Alternativ kann jedoch stattdessen jegliche andere geeignete Konfiguration verwendet werden, um solch einen Diagnostik-Blitz zu erzeugen. Man kann beispielsweise eine konstante Beleuchtungsquelle verwenden, wie etwa eine oder mehrere Wolfram-Glühfaden-Lampen, zusammen mit einem (nicht dargestellten) mechanischen Verschluss, der sich schnell öffnen und schließen lässt, um den Wafer und das Referenzstück zu beleuchten. In diesem Fall ist der Verschluss vorzugsweise Strahlungsabsorbierend und gekühlt. Als weiteres Veranschaulichungsbeispiel kann man anstatt der Bogenlampe 190 eine oder mehrere Photodioden oder Laserdioden verwenden, die Strahlung mit der diagnostischen Wellenlänge 1450 nm emittieren.
Bildwiedergabegerät
Im Allgemeinen kommuniziert in diesem Ausführungsbeispiel das Messgerät 117, oder genauer gesagt das Bildwiedergabegerät 162, mit der mindestens einen Prozessorschaltung, die dazu ausgebildet ist, mit dem Bildwiedergabegerät zu kooperieren, um die hemisphärische Reflexion der zweiten Oberfläche 118 des Werkstücks 106 zu messen. Genauer gesagt wirkt das Bildwiedergabegerät 162 in diesem Ausführungsbeispiel als Strahlungsdetektor, der dazu ausgebildet ist, Strahlung zu empfangen, die von der zweiten Oberfläche 118 reflektiert wird, wobei der Detektor in ausreichender Entfernung von der zweiten Oberfläche positioniert ist, um zu verhindern, dass anderen Geräten des Systems, beispielsweise dem schnellen Radiometer 164 und der Diagnostik-Beleuchtungsquelle 160, das Sichtfeld auf die zweite Oberfläche versperrt wird. Dazu ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Bildwiedergabegerät in einem Abstand zu einem Zentrum der zweiten Oberfläche 118 positioniert, der mindestens so groß ist wie die Hälfte der größten Abmessung des Werkstücks 106. Das Bildwiedergabegerät ist dazu ausgebildet, eine gerichtete Reflexion der zweiten Oberfläche zu messen, und die mindestens eine Prozessorschaltung ist dazu ausgebildet, eine Streukorrektur auf die gerichtete Reflexion anzuwenden, um die hemisphärische Reflexion zu erhalten, was nachstehend detaillierter erläutert wird. Das Bildwiedergabegerät 162 bietet daher einige Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Geräten zur Messung der hemisphärischen Reflexion, die typischerweise sehr nahe am gemessenen Objekt platziert werden müssen, beispielsweise Hemisphärenintegrierende Geräte.
In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Bildwiedergabegerät 162 eine Infrarotkamera, die dazu fähig ist, sowohl Bilder vom Werkstück 106 als auch vom Referenzstück 142 zu erzeugen, die sich beide im Sichtfeld des Bildwiedergabegeräts 162 befinden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beinhaltet die Infrarotkamera ein Diodenarray, oder genauer gesagt ein Photodiodenarray in der Brennebene. Noch genauer gesagt beinhaltet die Infrarotkamera in diesem Ausführungsbeispiel ein 320 × 256 Pixel Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs)-Photodiodenarray mit einer 12-Bit-Empfindlichkeit. Außerdem beinhaltet die Kamera eine (nicht dargestellte) Fokussierungsoptik und darüber hinaus ein Schmalbandfilter, das auf 1450 nm eingestellt ist, so dass die Kamera nur für diagnostische Wellenlängen von 1450 nm und eine sehr schmale Bandweite (z. B. ± 15 nm) über und unter diesem Wert empfindlich ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Bildwiedergabegerät 162 daher dazu ausgebildet, die gerichtete Reflexion der zweiten Oberfläche 118 des Werkstücks in einem Licht-Wellenlängenband zu messen, in dem ein auf die zweite Oberfläche einfallendes Heizstrahlenspektrum eine vernachlässigbare Intensität aufweist. In diesem Zusammenhang wird nochmals darauf hingewiesen, dass das System 100 tatsächlich eine Filtervorrichtung beinhaltet, die dazu ausgebildet ist, das Licht-Wellenlängenband aus dem Heizstrahlenspektrum zu entfernen. (Genauer gesagt beinhaltet in diesem Ausführungsbeispiel die Filtervorrichtung das wassergekühlte Fenster 156, das zwischen der zweiten Oberfläche 118 und der Quelle des Heizstrahlenspektrums, d. h. der Bogenlampe 152 angeordnet ist, da das wassergekühlte Fenster das gesamte diagnostische Wellenlängenband von 1450 ± 15 nm blockiert, für das das Bildwiedergabegerät 162 empfindlich ist.) Alternativ kann man stattdessen andere Bildwiedergabegeräte verwenden, beispielsweise andere zwei- oder eindimensionale Diodenarrays oder ladungsgekoppelte Elemente (CCDs).
In dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 kommuniziert das Bildwiedergabegerät 162 mit einer digitalen Bilderfassungskarte 220 des RTP System Computers (RSC) 112, um digitale Daten, die Bilder des Werkstücks 106 und des Referenzstücks 142 darstellen, an die Prozessorschaltung 100 des RSC 112 zu übertragen. Alternativ kann das Bildwiedergabegerät, falls gewünscht, in Kommunikation mit einer separaten Prozessorschaltung gesetzt werden, die sich vom RSC 112 entfernt befindet und mit diesem kommuniziert.
Zusätzlich zur Verwendung solcher digitaler Bilddaten für die Bestimmung der hemisphärischen Reflexion des Werkstücks 106, um seine Temperatur zu messen, können solche Bilddaten, falls gewünscht, auch zur Erstellung von zweidimensionalen Echtzeit-Temperaturkarten der zweiten Oberfläche 118 des Werkstücks 106 verwendet werden. Diese Temperaturkarten helfen dabei, während des gesamten thermischen Verfahrens die Gleichmäßigkeit zu ermitteln, mit der das Werkstück erhitzt wird. Räumlich unterteilte Temperaturkarten werden beispielsweise im vorstehend genannten gemeinsamen US-Patent 6,303,411 detaillierter behandelt.
In diesem Ausführungsbeispiel kommunizieren das Bildwiedergabegerät 162 und die Diagnostik-Beleuchtungsquelle 160 auch mit einem Synchronisationsmodul 202.
Svnchronisationsmodul
In dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 wird das Synchronisationsmodul 202 dazu verwendet, das Bildwiedergabegerät 162 mit der Diagnostik-Beleuchtungsquelle 160 zu synchronisieren, um es dem Bildwiedergabegerät 162 zu ermöglichen, Bilder des Werkstücks 106 und des Referenzstücks 142 zu erzeugen, wenn diese vom Diagnostik-Blitz beleuchtet werden (sowie vor und/oder nach dem Diagnostik-Blitz, falls gewünscht).
Dazu empfängt das Synchronisationsmodul 202 vom Bildwiedergabegerät 162 ein Videoframe-Snyc-Signal, woraufhin es ein Impulssignal mit einer einstellbaren Verzögerung erzeugt, um die Diagnostik-Beleuchtungsquelle 160 zu einem wählbaren Zeitpunkt zu aktivieren. Falls gewünscht, können verschiedene Typen von Videoframe-Sync-Signalen gewählt werden, beispielsweise Composite Analog Video, Standard TTL Video und LVDS Differential-Digital-Video.
Um das Impulssignal mit einstellbarer Verzögerung zu erzeugen, das die Diagnostik-Beleuchtungsquelle 160 anhand des Videoframe-Sync Signals vom Bildwiedergabegerät 162 aktiviert, beinhaltet das Synchronisationsmodul 202 eine interne Uhr 204, die in diesem Ausführungsbeispiel eine 48 MHz-Uhr ist, und die dazu fähig ist, "EIN"- und „AUS"-Verzögerungssignale zu erzeugen, wobei die wählbaren Verzögerungszeiten im Bereich von 0 bis 99.999 Mikrosekunden mit einer Auflösung von 1 Mikrosekunde liegen und die Verzögerungsgenauigkeit besser als 40 Nanosekunden ist. In diesem Ausführungsbeispiel erzeugt das Synchronisationsmodul 202 ein "EIN"-Impulssignal, um die Diagnostik-Beleuchtungsquelle 160 unmittelbar vor Beginn der Integrationsperiode des Bildwiedergabegeräts 162 zu aktivieren, um sicherzustellen, dass das Bildwiedergabegerät 162 reflektierte Strahlung vom Werkstück und vom Referenzstück dann erfasst, wenn die Diagnostik-Beleuchtungsquelle das Werkstück und das Referenzstück mit höchster Intensität beleuchtet, wobei das Signal-Rausch-Verhältnis der dabei entstehenden digitalen Reflexionsbilder maximiert wird.
RTP System Computer (RSC)
Mit Verweis auf die 1 und 2 wird der RTP System Computer (RSC) unter 112 in 2 detaillierter dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet der RSC die Prozessorschaltung 110, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Mikroprozessor 210 beinhaltet. Allgemeiner soll jedoch in dieser Spezifikation der Begriff "Prozessorschaltung" weit gefasst sein und jeglichen Typ von Gerät oder Kombination aus Geräten bezeichnen, der dazu fähig ist, die hier beschriebenen Funktionen auszuführen, einschließlich zum Beispiel (ohne Einschränkung) sonstiger Typen von Mikroprozessoren, Mikrocontroller, sonstiger integrierter Schaltkreise, sonstiger Typen von Schaltkreisen oder Kombinationen von Schaltkreisen, logischer Gatter bzw. Gatter-Arrays oder programmierbarer Geräte jeglicher Art, entweder allein oder in Kombination mit anderen derartigen Geräten, die sich beispielsweise am gleichen Ort oder voneinander entfernt befinden. Zusätzliche Typen von Prozessorschaltungen werden für den gewöhnlichen Fachmann aus dieser Spezifikation ersichtlich, und das Austauschen einer beliebigen dieser Prozessorschaltungen ändert nichts am Umfang der vorliegenden Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert wird.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kommuniziert der Mikroprozessor 210 mit einem Speichergerät 220, das in diesem Ausführungsbeispiel ein Festplattenlaufwerk beinhaltet. Das Speichergerät 220 wird verwendet, um eine Vielzahl von Programmen zu speichern, die den Mikroprozessor 210 so konfigurieren oder programmieren, dass er verschiedene hier beschriebene Funktionen ausführt, einschließlich eines Programms für das Verhältnis des Standardbauteils 222, eines Programms für hemisphärische Reflexion 224, eines Programms zur Temperaturüberwachung und -steuerung 226 und eines Netzwerksynchronisationsalgorithmus 228. Im Allgemeinen wird der Netzwerksynchronisationsalgorithmus 228 von der Prozessorschaltung 110 zur Regelung der Netzwerkkommunikationen zwischen dem RSC 112 und verschiedenen anderen Geräten des Systems 100 zu regeln, um sicherzustellen, dass die nichtdeterministische Latenzzeit kleiner ist als 50 μs. Auf die übrigen Programme wird nachstehend detaillierter eingegangen.
In diesem Ausführungsbeispiel wird das Speichergerät 220 auch dazu verwendet, die verschiedenen Arten von Daten zu speichern, die vom Mikroprozessor 210 empfangen oder verwendet werden. Genauer gesagt beinhaltet im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Speichergerät 220 einen Image Frame-Speicher 242 zur Speicherung digitaler Daten, die Bilder des Werkstücks 106 und des Referenzstücks 142 darstellen, die vom Bildwiedergabegerät 162 empfangen werden, einen Speicher für die Temperaturhistorie 244 zur Speicherung der Temperaturwerte des Werkstücks, die vom schnellen Radiometer 164 empfangen werden, und einen Speicher für die Nachschlagetabelle 246 zur Speicherung einer Nachschlagetabelle, die vom Mikroprozessor 210 verwendet wird, um anhand einer Temperatur der zweiten Oberfläche 118, die ungleich der Temperatur der ersten Oberfläche ist, eine Temperatur der ersten Oberfläche 104 des Werkstücks 106 und die Temperaturhistorie des Werkstücks zu ermitteln.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kommuniziert der Mikroprozessor 210 auch mit einer Speichervorrichtung 260, die in diesem Ausführungsbeispiel ein Random Acess Memory (RAM) beinhaltet. Die Speichervorrichtung 260 wird vom Mikroprozessor 210 zur Speicherung der Werte verwendet, die die verschiedenen physikalischen Eigenschaften darstellen, die vom Mikroprozessor während der Ausführung der verschiedenen in der Speichervorrichtung 220 gespeicherten Programme ermittelt oder verwendet werden. Genauer gesagt veranlassen in diesem Ausführungsbeispiel solche Programme den Mikroprozessor 210, im RAM eine Vielzahl von Verzeichnissen zu definieren, einschließlich eines Verzeichnisses für die Reflexion des Standardbauteils 264, eines Verzeichnisses für das Verhältnis des Standardbauteils 266, eines Verzeichnisses für das Verhältnis des Werkstücks 270, eines Verzeichnisses für die gerichtete Reflexion 272, eines Verzeichnisses für die Streuwerte 274, eines Verzeichnisses für die Streukorrektur 276, eines Verzeichnisses für die hemisphärische Reflexion 278, eines Verzeichnisses für die Substrattemperatur 280, eines Verzeichnisses für die Rampensteigung 282 und eines Verzeichnisses für die Temperatur der Schaltkreisseite 284, worauf nachstehend detaillierter eingegangen wird.
In diesem Ausführungsbeispiel kommuniziert der Mikroprozessor 210 mit der digitalen Bilderfassungskarte 200, um digitale Daten zu empfangen, die Infrarotbilder des Werkstücks 106 und des Referenzstücks 142 darstellen, die vom Bildwiedergabegerät 162 erzeugt werden.
Außerdem steht der Mikroprozessor 210 des vorliegenden Ausführungsbeispiels mit einer Eingangs-(Ausgangsschnittstelle (I/O) 290 in Kommunikation, um mit verschiedenen Geräten des in 1 gezeigten Systems 100 zu kommunizieren, einschließlich des schnellen Radiometers 164, des Messgeräts 102, des Bestrahlungssystems 180, des Vorheizgeräts 150, eines (nicht dargestellten) Anwendereingabegeräts wie zum Beispiel eine Tastatur und/oder eine Maus, und des Synchronisationsmoduls 202 zur Steuerung der Diagnostik-Beleuchtungsquelle 160 und des Bildwiedergabegeräts 162. In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet die I/O-Schnittstelle 290 einen optisch-elektrischen Wandler, um mit mindestens einem dieser Geräte (beispielsweise mit dem schnellen Radiometer 164 und dem Messgerät 102) mittels eines Glasfasernetzwerks 292 zu kommunizieren. In diesem Zusammenhang ist es günstig, dass solche optischen Kommunikationen durch elektromagnetische Interferenzen und elektrische Störgeräusche bedingte Schwierigkeiten vermeiden, die infolge von großen elektrischen Strömen und plötzlichen elektrischen Entladungen entstehen, die für das Vorheizgerät 150 und das Bestrahlungssystem 180 erforderlich sind.
Schnelles Radiometer
Mit Verweis auf die 1 und 3 ist das Messgerät 116, oder genauer gesagt das schnelle Radiometer, in 3 unter 164 allgemein dargestellt. Im Allgemeinen empfängt das schnelle Radiometer 164 in diesem Ausführungsbeispiel von der zweiten Oberfläche 118 des Werkstücks 106 thermisch emittierte elektromagnetische Strahlung mit der diagnostischen Wellenlänge 1450 nm und erzeugt entsprechende Emissivitätskompensierte Temperaturwerte, die die Temperatur der zweiten Oberfläche des Werkstücks darstellen.
Dazu beinhaltet das schnelle Radiometer 164 in diesem Ausführungsbeispiel ein Schmalbandfilter 302, das auf die diagnostische Wellenlänge von 1450 nm eingestellt ist, so dass alle Wellenlängen außer der diagnostischen Wellenlänge blockiert werden.
Außerdem beinhaltet das schnelle Radiometer einen optischen Schacht 304, um die vom zentralen Bereich 170 der zweiten Oberfläche 118 des Werkstücks emittierte elektromagnetische Strahlung auf ein aktives Element einer Photodiode 306 zu fokussieren, das in diesem Ausführungsbeispiel eine rauscharme Hochgeschwindigkeits-InGaAs-PIN-Photodiode beinhaltet. In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet der zentrale Bereich 170 eine Zone mit einem Durchmesser von ungefähr 2 cm im Zentrum der Substratseite 124 des Wafers 120.
Die Photodiode 306 kommuniziert mit einem Verstärker 308, der in diesem Ausführungsbeispiel einen Differential-Transimpedanzverstärker mit einer 3 dB elektrischen Bandweite von ungefähr 2,5 kHz beinhaltet. Der Verstärker 308 bereitet das Ausgangssignal von der Photodiode auf, verstärkt es und leitet das verstärkte Signal an einen Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) 310. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erzeugt der A/D-Wandler 310 20-Bit-Abtastungen des verstärkten Photodiodensignals mit einer Überabtastungsrate von 25 kHz.
Der A/D-Wandler 310 kommuniziert mit der Prozessorschaltung 114 des schnellen Radiometers 164. Die Prozessorschaltung 114 kommuniziert mit ersten und zweiten Speichergeräten, die in diesem Ausführungsbeispiel einen Programmspeicher 314 und einen Arbeitsspeicher 316 beinhalten. Der Programmspeicher speichert Befehlscodes oder Programme, die die Prozessorschaltung 114 so konfigurieren, dass sie verschiedene Funktionen ausführt, einschließlich eines Programms für die Substrattemperatur 318, das die Prozessorschaltung dazu veranlasst, die Temperatur der Substratseite 124 des Wafers 120 zu ermitteln, worauf nachstehend genauer eingegangen wird. Das Programm für die Substrattemperatur 318 veranlasst die Prozessorschaltung 114, im Arbeitspeicher 316 eine Vielzahl von Verzeichnissen zu definieren, einschließlich eines Verzeichnisses für die hemisphärische Reflexion 320 und eines Verzeichnisses für die Substrattemperatur 322. Der Programmspeicher 314 kann jeglichen geeigneten Typ von Speichervorrichtung beinhalten. Vorzugsweise ist diese jedoch ein Permanentspeicher, beispielsweise ein ROM-, ein EPROM-, ein EEPROM- oder ein FLASH-Speicher. Ähnlich kann der Arbeitsspeicher 316 jeglichen geeigneten Typ von Speichervorrichtung beinhalten, beispielsweise ein RAM.
Die Prozessorschaltung 114 steht in Kommunikation mit einer Eingangs-/Ausgangs-Schnittstelle (I/O-Schnittstelle) 330, um mit der in 1 gezeigten Prozessorschaltung 110 des RSC 112 zu kommunizieren. In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet die I/O-Schnittstelle 330 einen optisch-elektrischen Wandler, um mittels des Fiberglasnetzwerks 292 mit dem RSC zu kommunizieren. Wie nachstehend erläutert, misst das schnelle Radiometer 164 in diesem Ausführungsbeispiel tatsächlich jede Millisekunde die Temperatur der Substratseite 124 des Wafers 120 und liefert die aktualisierten Werte der Substrattemperatur mit einer Rate von 1 kHz- an den RSC. Außerdem empfängt das schnelle Radiometer 164 regelmäßig aktualisierte Werte für die hemisphärische Reflexion vom RSC, die es mit den Werten für die Intensität der thermischen Emission der Substratseite kombiniert, um die Werte der Substrattemperatur zu erzeugen.
Bestrahlungssystem der Schaltkreisseite
Mit Verweis auf 1 ist das Bestrahlungssystem 180 im Allgemeinen dazu fähig, die Schaltkreisseite 122 des Wafers 120 zu bestrahlen. Das Messgerät 102 und die mindestens eine Prozessorschaltung sind dazu ausgebildet, die aktuelle Intensität zu messen und die aktuelle Temperatur der Schaltkreisseite 122 zu ermitteln, während die Schaltkreisseite vom Bestrahlungssystem 180 bestrahlt wird.
In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Bestrahlungssystem 180 die Blitzlampe 182 (oder, falls gewünscht, eine Vielzahl solcher Blitzlampen) und das in 1 gezeigte Reflektorsystem 184. Genauer gesagt beinhaltet die Blitzlampe 182 in diesem Ausführungsbeispiel eine Hochintensitäts-Bogenlampe, ähnlich wie diejenige, die in der vorstehend genannten gemeinsamen PCT-Anmeldung mit der Veröffentlichungsnummer WO 01154166 offenbart wird.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Bestrahlungssystem 180 dazu fähig, die Schaltkreisseite 122 einem Blitzstrahl mit einer geringeren Dauer als die Wärmeleitzeit des Wafers 120 auszusetzen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt die Wärmeleitzeit des Wafers in der Größenordnung von 10 bis 15 ms. Entsprechend ist das Bestrahlungssystem 180 im vorliegenden Ausführungsbeispiel dazu fähig, einen Blitzstrahl mit einer Dauer in der Größenordnung von 10 Millisekunden oder weniger zu erzeugen. Genauer gesagt ist das Bestrahlungssystem im vorliegenden Ausführungsbeispiel dazu fähig, einen Blitzstrahl mit einer Dauer in der Größenordnung von 1 Millisekunde zu erzeugen.
Dazu beinhaltet das Bestrahlungssystem 180 im vorliegenden Ausführungsbeispiel außerdem ein in 1 gezeigtes Leistungssteuersystem 188. Genauer gesagt wirkt das Leistungssteuersystem 188 in diesem Ausführungsbeispiel als Stromversorgungssystem und beinhaltet ein Element für gepulste Entladung, das im Voraus geladen und dann abrupt entladen werden kann, um eine Spitzeneingangsleistung an die Blitzlampe 182 zu liefern, damit diese den gewünschten Blitzstrahl erzeugt. Noch genauer gesagt beinhaltet das Element für gepulste Entladung in diesem Ausführungsbeispiel eine Stromversorgungseinheit mit gepulster Entladung Modell Nr. VT-20 des Herstellers Rapp OptoElecironic in Hamburg (Deutschland), die dazu fähig ist, innerhalb von Entladungszeiten im Bereich von ungefähr 0,5 bis 5 ms, beispielsweise in einer Entladungszeit von einer Millisekunde, Impulse von bis zu 60 kJ zu erzeugen. Nach einer solchen Entladung ist die Blitzlampe 182 dazu fähig, einen Heiz-Blitz mit elektromagnetischer Strahlung mit einer Ausgangsleistung von 4–6 MW bei einer Dauer im Bereich von 0,5–5 ms zu erzeugen. Alternativ können stattdessen viel größere Stromversorgungsgeräte verwendet werden, die dazu fähig sind, beispielsweise 300 kJ zu entladen. Allgemeiner gesagt kann man, falls gewünscht, statt des Bestrahlungssystems 180 andere Heizgeräte verwenden.
In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Leistungssteuersystem 188 einen Leistungssteuerkreis, der zwischen dem Element für gepulste Entladung und der Blitzlampe 182 angeordnet ist und der Regelung der gepulsten Entladung dient, wie nachstehend erläutert.
Ultraschnelles Radiometer
Mit Verweis auf die 1 und 4 ist das Messgerät in 4 allgemein unter 102 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Messgerät 102 ein ultraschnelles Radiometer 400. Im Allgemeinen funktioniert das ultraschnelle Radiometer als ein Messgerät, das dazu ausgebildet ist, eine aktuelle Intensität der von der ersten Oberfläche 104 des Werkstücks 106 thermisch emittierten Strahlung zu messen. Das ultraschnelle Radiometer beinhaltet außerdem eine Prozessorschaltung, die mit dem Messgerät kommuniziert und dazu ausgebildet ist, anhand der aktuellen Intensität und mindestens einer früheren thermischen Eigenschaft der ersten Oberfläche 104 eine aktuelle Temperatur der ersten Oberfläche 104 zu ermitteln, wie hierin detailliert erläutert wird. Genauer gesagt ist das ultraschnelle Radiometer 400 in diesem Ausführungsbeispiel dazu ausgebildet, mit der mindestens einen Prozessorschaltung zu kooperieren, um während des schnellen Blitzstrahls, der vom Bestrahlungssystem 180 erzeugt wird, die Temperatur der Schaltkreisseite 122 des Wafers 120 zu ermitteln. Solch ein Blitz kann eine Dauer in der Größenordnung von beispielsweise einer Millisekunde haben und die Temperatur der Schaltkreisseite zum Beispiel um Hunderte von Grad Celsius ansteigen lassen. Entsprechend ist das ultraschnelle Radiometer 400 so ausgebildet, dass es einen großen dynamischen Bereich und ultraschnelle Reaktionszeiten hat.
Mit Verweis auf die 1, 3 und 4 ist das ultraschnelle Radiometer 400 in diesem Ausführungsbeispiel in mancher (jedoch nicht in jeder) Hinsicht ähnlich wie das in 3 gezeigte schnelle Radiometer 164. So beinhaltet das ultraschnelle Radiometer 400 ein 1450 nm Schmalbandfilter 402, einen optischen Schacht 404 und eine Hochgeschwindigkeits-InGaAs-PIN-Photodiode 406, die in diesem Ausführungsbeispiel ähnlich sind wie die entsprechenden Bauteile 302, 304 und 306 des schnellen Radiometers. In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet die Photodiode 406 jedoch einen integrierten thermoelektrischen Kühler 408 zur Steuerung der Temperatur der Photodiode 406 auf innerhalb 20 Millikelvin.
Das Ausgangssignal von der Photodiode 406 wird an einen Verstärker 410 geliefert. In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet der Verstärker 410 einen sehr rauscharmen Hochgeschwindigkeits-Transimpedanzverstärker mit einer 3 dB elektrischen Bandweite von 500 kHz. Der Verstärker 410 bereitet das Ausgangssignal von der Photodiode auf, verstärkt es und leitet das verstärkte Signal an einen Analog-Digital-Wandler (AID-Wandler) 412. Der A/D-Wandler 412 erzeugt 16-Bit-Abtastungen des verstärkten Photodiodensignals mit einer Abtastrate von 1 MHz.
Der A/D-Wandler 412 kommuniziert mit der Prozessorschaltung 108 des ultraschnellen Radiometers 400. Die Prozessorschaltung 108 kommuniziert mit ersten und zweiten Speichergeräten, die in diesem Ausführungsbeispiel einen Programmspeicher 416 und einen Arbeitsspeicher 418 beinhalten. Der Programmspeicher 416 speichert Programme, die die Prozessorschaltung 108 so konfigurieren, dass sie verschiedene Funktionen ausführt, einschließlich eines Programms für die Echtzeit-Temperatur der Schaltkreisseite 420 und eines Programms für die dynamische Kalibrierung 422. Das Programm für die Echtzeit-Temperatur der Schaltkreisseite 420 veranlasst die Prozessorschaltung 108, in der Speichervorrichtung 418 eine Vielzahl von Verzeichnissen und/oder Speichern zu definieren, einschließlich eines Speichers für die Intensität der thermischen Emission der Schaltkreisseite 430, eines Verzeichnisses für die Anfangstemperatur der Schaltkreisseite 432, eines Verzeichnisses für die anfängliche thermische Intensität der Schaltkreisseite 434, eines Verzeichnisses für die Temperatur der Schaltkreisseite 436 und eines Speicher für die Temperaturwerte der Schaltkreisseite 438.
In diesem Ausführungsbeispiel kommuniziert die Prozessorschaltung 108 mit einem internen Referenzgerät 450. In diesem Ausführungsbeispiel wird das interne Referenzgerät thermisch gesteuert, ist hochstabil und wird verwendet, um Kalibrierungs- und Referenzsignale zu erzeugen. Das Programm für dynamische Kalibrierung 422 veranlasst die Prozessorschaltung 108, anhand der vom internen Referenzgerät 450 empfangenen Kalibrierungs- und Referenzsignale die vom A/D-Wandler 412 empfangenen 16-Bit Abtastungen anzupassen, um jegliche unvorhersehbaren Abweichungen dynamisch auszugleichen, die in den verschiedenen elektronischen Bauteilen des ultraschnellen Radiometers auftreten können.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel steht die Prozessorschaltung 108 außerdem in Kommunikation mit einer Eingangs-/Ausgangsschnittstelle (I/O-Schnittstelle) 460, um mit der Prozessorschaltung 110 des RSC 112 und mit anderen Bauteilen des in 1 gezeigten Systems 110 zu kommunizieren. Insbesondere kommuniziert die Prozessorschaltung 108 in diesem Ausführungsbeispiel direkt mit dem Leistungssteuersystem 188 des Bestrahlungssystems 180, um es der Prozessorschaffung 108 zu ermöglichen, die Leistung des Blitzstrahls, der vom Bestrahlungssystem erzeugt wird, anhand der Echtzeit-Temperaturwerte der Schaltkreisseite, die von der Prozessorschaltung 108 während des Blitzes empfangen werden, zu steuern. In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet die I/O-Schnittstelle 460 einen optisch-elektrischen Wandler, um zu ermöglichen, dass solche Kommunikationssignale über ein Fiberglasnetzwerk 292 übertragen und empfangen werden, wobei schädliche Auswirkungen von elektromagnetischen Interferenzen und elektrischen Störgeräuschen vermieden werden, was in zeitlicher Nähe zum Blitz entscheidend sein kann.
In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet das ultraschnelle Radiometer 400 außerdem eine Abschirmung 470, um die Einwirkungen solcher Interferenzen auf die verschiedenen internen Bauteile des ultraschnellen Radiometers zu reduzieren.
Mit Rückverweis auf 1 ist die Messvorrichtung 102, oder genauer gesagt das ultraschnelle Radiometer 400, in diesem Ausführungsbeispiel dazu ausgebildet, die aktuelle Intensität der von der ersten Oberfläche 104 des Werkstücks 106 thermisch emittierten Strahlung in einem Wellenlängenband zu messen, in dem ein auf die erste Oberfläche einfallendes Strahlenspektrum eine vernachlässigbare Intensität aufweist. Dazu beinhaltet das System 100 in diesem Ausführungsbeispiel tatsächlich eine Filtervorrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Wellenlängenband aus dem auf die erste Oberfläche einfallenden Strahlenspektrum zu entfernen. Genauer gesagt beinhaltet die Filtervorrichtung in diesem Ausführungsbeispiel das wassergekühlte Fenster 186, das zwischen der ersten Oberfläche 104 und einer Quelle des Strahlenspektrums angeordnet ist, das in diesem Ausführungsbeispiel das Strahlenspektrum 180 ist. In diesem Zusammenhang wird nochmals darauf hingewiesen, dass das wassergekühlte Fenster 186 dazu dient, den Hauptanteil der Strahlung, die von der Blitzlampe 182 erzeugt wird, an die Schaltkreisseite 122 des Wafers 120 zu übertragen, um die Schaltkreisseite aufzuheizen, während es gleichzeitig Strahlung der diagnostischen Wellenlänge von 1450 nm absorbiert.
Umgekehrt reagiert das ultraschnelle Radiometer aufgrund der Auswirkungen des 1450 nm Schmalbandfilters 402 nur auf Strahlung in der unmittelbaren Nähe von 1450 nm. Daher entdeckt das ultraschnelle Radiometer nur thermische Emissionen von der Schaltkreisseite 122 und keine Strahlung, die vom Bestrahlungssystem erzeugt und von der Schaltkreisseite reflektiert wird. Das wassergekühlte Fenster 186 dient auch dazu, den Großteil der Strahlung mit Wellenlängen, die von der Schaltkreisseite 122 thermisch emittiert werden, zu absorbieren (typischerweise 1400 nm und länger) und somit zu verhindern, dass solche Wellenlängen zum Wafer zurück reflektiert werden, was leicht unerwünschtes und ungleichmäßiges Aufheizen der Schaltkreisseite zu ungünstigen Zeitpunkten, wenn Kühlung gewünscht wird, bewirken könnte. (Das ultraschnelle Radiometer kann jedoch einen kleinen Anteil an „Chamber Return" entdecken, d. h. ein kleiner Prozentsatz der von der Schaltkreisseite thermisch emittierten Strahlung mit diagnostischer Wellenlänge kann von der unteren Quarzscheibe des Fensters 186 zur Schaltkreisseite zurück reflektiert werden, die dann ihrerseits wieder einen kleinen Anteil dieser reflektierten thermischen Emissionen an das Radiometer zurück reflektieren kann. Chamber Return kann, falls gewünscht, bei der Ausführung des Programms für dynamische Kalibrierung 422 berücksichtigt werden.)
Betrieb Programm für das Verhältnis des Standardbauteils
Mit Verweis auf die 1, 2 und 5 ist das Programm für das Verhältnis des Standardbauteils in 5 unter 222 dargestellt. Im Allgemeinen konfiguriert das Programm für das Verhältnis des Standardbauteils 222 die Prozessorschaltung 110 des RSC 112 so, dass er einen Wert RATIO_STD berechnet, der daraufhin von der Prozessorschaltung 110 im Laufe des Programms für hemisphärische Reflexion 224 dazu verwendet wird, die hemisphärische Reflexion der Substratseite 124 des Wafers 120 zu ermitteln.
Vor der Ausführung des Programms für das Verhältnis des Standardbauteils wird der Wafer 120 aus der Kammer 130 entfernt und durch ein Standardbauteil mit einer bekannten Reflexion R_STD ersetzt. Bei dieser ersten Messung beinhaltet das Werkstück 106 also keinen Halbleiterwafer, sondern ein Standardbauteil. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Standardbauteil ein Aluminiumwafer, aber es kann stattdessen ein beliebiges anderes geeignetes Standardbauteil mit einer bekannten Reflexion verwendet werden. Sobald das Standardbauteil in die Kammer 130 eingesetzt wurde, kann das Programm für das Verhältnis des Standardbauteils ausgeführt werden.
Das Programm für das Verhältnis des Standardbauteils 222 beinhaltet verschiedene Blöcke mit Befehlcodes, die die Prozessorschaltung 110 so konfigurieren, dass sie den gewünschten Wert RATIO_STD ermittelt und speichert. Das Programm für das Verhältnis des Standardbauteils 222 beginnt mit einem ersten Codeblock 500, der die Prozessorschaltung 110 dazu veranlasst, tatsächlich ein beleuchtetes Bild des Standardbauteils und des Referenzstücks 142 zu erhalten. Dazu veranlasst der Block 500 die Prozessorschaltung 110, ein Signal an das in 2 gezeigte Synchronisationsmodul 202 zu schicken, woraufhin das Synchronisationsmodul vom Bildwiedergabegerät 162 wie oben beschrieben das Video-Sync-Signal empfängt. Das Synchronisationsmodul erzeugt ein elektrisches Impulssignal, um die Diagnostik-Beleuchtungsquelle 160 unmittelbar vor Beginn der Integrationsperiode des Bildwiedergabegeräts 162 zu aktivieren, so dass das Bildwiedergäbegerät ein Bild des Werkstücks 106 (in diesem Fall das Standardbauteil) und des Referenzstücks 142 erfasst, während diese vom Diagnostik-Beleuchtungsblitz mit maximaler Intensität beleuchtet werden. Das Bildwiedergabegerät 162 überträgt Signale, die das erfasste Bild des Standardbauteils und des Referenzstücks darstellen, an die digitale Bilderfassungskarte 200. Die Prozessorschaltung 110 empfängt Daten von der Bilderfassungskarte, die das erfasste Bild darstellen, und speichert die empfangenen Daten im Image Frame-Speicher 242 im Speichergerät 220.
Block 510 veranlasst dann die Prozessorschaltung 110, den Wert RATIO_STD zu berechnen. In diesem Zusammenhang ist es günstig, dass die Intensität des auf das Werkstück 106 einfallenden Diagnostik-Blitzes, wenn die Intensität des auf das Referenzstück einfallenden Diagnostik-Blitzes I₀ ist, αI₀ ist, wobei α eine Konstante ist, die durch die Geometrie des Systems 100 bestimmt wird. Das Referenzstück 142 reflektiert also den Diagnostik Blitz mit einer Intensität I₀R_RE _F, wobei R_RE _F die Reflexion des Referenzstücks ist, und gleichermaßen reflektiert das Werkstück 106, das in diesem Fall das Standardbauteil ist, den Diagnostik-Blitz mit der Intensität αI₀R_STD. Die Datenwerte, die im Image Frame-Speicher 242 im vorstehend genannten Block 500 gespeichert wurden und vom Bildwiedergabegerät 162, oder genauer gesagt von einzelnen Photodioden des InGaAs-Photodiodenarrays, die zum zentralen Bereich 170 des Werkstücks 106 gehören sowie von Photodioden, die zum Referenzstück 142 gehören (oder aternativ von entsprechenden Pixels, wenn statt des Photodiodenarrays ein CCD verwendet wird), erzeugt wurden, werden verwendet, um ein Verhältnis zwischen der Intensität, die vom Werkstück (in diesem Fall das Standardbauteil) reflektiert wird, und der Intensität, die vom Referenzstück reflektiert wird, zu berechnen und zu speichern, nämlich RATIO_STD = αI₀R_STD/I₀R_RE _F= αR_STD/R_RE _F Block 510 veranlasst dann die Prozessorschaltung 110, den so erhaltenen Wert RATIO_STD im Verzeichnis für das Verhältnis des Standardbauteils 266 der Speichervorrichtung 260 zu speichern. Das Programm für das Verhältnis des Standardbauteils ist damit beendet.
Die vorstehend genannte Berechnung von RATIO_STD wird einmal ausgeführt und muss typischerweise für ein gegebenes Set an thermischen Zyklen, die auf ähnliche Wafer angewendet werden, nicht wiederholt werden, wenn sich ein physikalischer Parameter des Systems 100 ändert (z. B. Schmutz auf einer Beleuchtungsquelle). Um zu bestimmen, ob der Wert RATIO_STD neu berechnet werden muss, kann man periodisch einen "Kalibrierwafer" oder „Diagnostik-Wafer" (zum Beispiel ein Halbleiterwafer ohne Schaltkreise und mit einheitlicher Dotierstoffkonzentration) einem thermischen Zyklus im System 100 unterziehen und die daraus resultierende Dotierstoffaktivierung messen (zum Beispiel durch Messen des Flächenwiderstands des Wafers). Alternativ können auch andere Faktoren zu einer Neuberechnung von RATIO_STD Anlass geben, zum Beispiel eine Bewegung des Bilds des Wafers oder drastische Änderungen bei Temperaturmessungen in einem Zyklus im Vergleich zu vorigen Zyklen.
Programm zur Temperaturüberwachung und -steuerung
Die übrigen Programme verwenden zumindest einige der Informationen, die direkt oder indirekt aus den Messungen der Reflexion des Wafers stammen. Da der Wafer 120 für solche Reflexionsmessungen gegenüber den 1450 nm diagnostischen Wellenlängen bei Temperaturen unter ungefähr 700 °C nicht undurchlässig genug ist, um die für viele Zwecke notwendige zuverlässige Genauigkeit zu bieten, werden die übrigen Programme nur im Zusammenhang mit einem laufenden thermischen Zyklus beschrieben, in dem der Wafer eine Grenztemperatur erreicht oder überschritten hat, bei der er undurchlässig genug ist, um bei solchen Messungen mit diagnostischer Wellenlänge genaue Ergebnisse zu liefern. Alternativ können, falls gewünscht, Messungen der Reflexion des Wafers auch mit kürzeren Wellenlängen ausgeführt werden oder, falls gewünscht, zum Zwecke von Niedertemperaturmessungen vorhergesagt werden.
Mit Verweis auf die 1, 2 und 6 ist das Programm für Temperaturüberwachung und -steuerung in 6 unter 226 dargestellt. Im Allgemeinen konfiguriert das Programm für Temperaturüberwachung und -steuerung 226 die Prozessorschaltung 110 des RSC 112 so, dass es das Vorheizgerät 150 ansteuert, damit dieses die Substratseite 124 des Wafers 120 bestrahlt, um den Wafer auf eine gewünschte Zwischentemperatur vorzuheizen bei einer im Vergleich zu einer Wärmeleitzeit des Wafers geringen Rampensteigung (als willkürlich gewähltes und nur zur Veranschaulichung dienendes Beispiel könnte solch ein Rampenzyklus den Wafer bei einer Rampensteigung von 250 °C/Sekunde von Raumtemperatur auf eine Zwischentemperatur von 800 °C aufheizen). Nach Erreichen der Zwischentemperatur veranlasst das Programm für Temperaturüberwachung und -steuerung die Prozessorschaltung, das Bestrahlungssystem 180 so anzusteuern, dass es einen Blitzzyklus auslöst, um die Schaltkreisseite 122 des Wafers 120 auf eine gewünschte Glühtemperatur aufzuheizen, mit einer Rampensteigung, die viel größer ist als die Wärmeleitzeit des Wafers (als ein weiteres willkürlich gewähltes und nur zur Veranschaulichung dienendes Beispiel könnte die Schaltkreisseite einem Einmillisekunden-Blitz ausgesetzt werden, um die Schaltkreisseite auf eine Temperatur von 1300 °C aufzuheizen, während der Bulk des Wafers nahe der Zwischentemperatur bleibt). Nachdem der Blitzzyklus eingeleitet wurde, wird der restliche Blitzzyklus direkt vom ultraschnellen Radiometer 400 unter der Leitung des Programms 420 für die Echtzeittemperatur der Schaltkreisseite gesteuert.
Das Programm für Temperaturüberwachung und -steuerung 226 beginnt mit einem ersten Befehlscodeblock 600, der die Prozessorschaltung 110 veranlasst, das Vorheizgerät 150, oder genauer gesagt die Bogenlampe 152, anzusteuern, um den Vorheizprozess des Werkstücks 106 mit einer gewünschten Rampensteigung zu starten. Typischerweise liegt die gewünschte Rampensteigung bei einem Silikon-Halbleiterwafer im Bereich von 100 °C/Sekunde bis 400 °C/Sekunde. Falls gewünscht, können jedoch stattdessen auch andere Rampensteigungen außerhalb dieses Bereichs gewählt werden. Da Silikon bei einer Temperatur von unter 700 °C durchlässig für 1450 nm Strahlung ist, wird der Aufheizzyklus in diesem Ausführungsbeispiel zunächst als Open-Loop-Temperaturzyklus begonnen, auf der Basis der vorhergesagten Wafertemperaturen, die als Ergebnis der an die Bogenlampe 152 gelieferten, im Voraus festgelegten Energiemengen erwartet werden.
Block 602 veranlasst dann die Prozessorschaltung 110, zu ermitteln, ob die vorhergesagte Temperatur des Werkstücks 106 eine im Voraus definierte Grenztemperatur erreicht hat. In diesem Ausführungsbeispiel, in der das Werkstück der Halbleiterwafer 120 ist, beträgt die im Voraus definierte Temperatur ungefähr 600 °C. Wird diese Temperatur überschritten, wird der Wafer zwar nicht vollständig undurchlässig gegenüber 1450 nm Wellenlängen, aber undurchlässig genug, um geeignete Signale zu liefern, die vom Programm für die Temperaturüberwachung und -steuerung verwendet werden. (Wenn die Wafertemperatur 700 °C überschreitet, wird er vollständig undurchlässig gegenüber der diagnostischen Wellenlänge und verbessert dadurch die Genauigkeit des Systems.)
Wenn im Block 602 vorhergesagt wird, dass die Grenztemperatur erreicht wurde, veranlasst Block 604 die Prozessorschaltung 110, mit der Ausführung des Programms für die hemisphärische Reflexion 224 (wird nachstehend, im Zusammenhang mit 7, detaillierter behandelt) zu beginnen, um periodisch die hemisphärische Reflexion des Wafers zu ermitteln, die wiederum vom schnellen Radiometer 164 verwendet werden kann, um emissivitätskompensierte Temperaturmessungen des Wafers auszuführen.
Block 606 veranlasst dann die Prozessorschaltung 110, kontinuierlich Temperaturwerte vom schnellen Radiometer 164 zu empfangen und zu speichern, die aufeinander folgende Temperaturwerte der zweiten Oberfläche 118 des Werkstücks 106 (in diesem Ausführungsbeispiel die Substratseite 124 des Wafers 120) zu entsprechenden aufeinander folgenden Zeitpunkten darstellen. Alle derartigen Temperaturwerte werden von der Prozessorschaltung 114 des schnellen Radiometers 164 erzeugt, was nachstehend, im Zusammenhang mit 8, genauer behandelt wird. Block 606 veranlasst die Prozessorschaltung 110, alle derartigen Temperaturwerte des Substrats, die sie empfängt, zusammen mit der aktuellen Zeit als Datenpaar (T_SUBSTRATE, t) in der Temperaturhistorie 244 zu speichern, um tatsächlich einen Eintrag in der Temperaturhistorie des Wafers zu erstellen. Obwohl Block 606 in 6 zur einfacheren Darstellung als ein einzelner Befehlscode-Block dargestellt ist, veranlasst Block 606 in diesem Ausführungsbeispiel die Prozessorschaltung weiterhin, während des gesamten Vorheizzyklus, des darauf folgenden Blitzzyklus und der anschließenden Strahlungskühlphase solche Temperaturwerte des Substrats zu empfangen und zu speichern.
Block 608 veranlasst dann die Prozessorschaltung 110, auf einen Closed-Loop-Vorheizzyklus umzuschalten. Genauer gesagt veranlasst Block 608 die Prozessorschaltung 110, die vom schnellen Radiometer empfangenen Temperaturwerte des Substrats mit den vorhergesagten oder gewünschten Temperaturen für jeden entsprechenden Zeitpunkt im thermischen Zyklus zu vergleichen und die an die Bogenlampe 152 gelieferte Leistung zu erhöhen oder zu reduzieren, um eventuelle Abweichungen der tatsächlichen (gemessenen) Substrattemperatur von der gewünschten oder vorhergesagten Temperatur zu minimieren oder zu beseitigen. Falls gewünscht, kann der Closed-Loop-Vorheizzyklus eine Steuerung mit räumlich unterteilter Bestrahlung beinhalten, wie zum Beispiel irgendeine der im vorstehend genannten gemeinsamen U.S. Patent Nr. 6,303,411 offenbarten Methoden.
Während die Blöcke 606 und 608 weiterhin die Befehle abarbeiten, veranlasst Block 610 die Prozessorschaltung 110, den zuletzt empfangenen Temperaturwert des Substrats mit einer zuvor definierten Zwischentemperatur, bei der der Blitzzyklus beginnen soll, zu vergleichen.
Wenn in Block 610 festgestellt wird, dass die Zwischentemperatur erreicht wurde, veranlasst Block 612 die Prozessorschaltung 110, den zuletzt empfangenen Temperaturwert des Substrats T_DEVICE(t₀) im Verzeichnis für die Substrattemperatur 280 zu speichern (falls gewünscht, kann auch der entsprechende Zeitwert (t₀) gespeichert werden). Block 612 veranlasst dann die Prozessorschaltung 110, eine thermische Eigenschaft der ersten Oberfläche 104 des Werkstücks 106 zu ermitteln, oder genauer gesagt eine Temperatur der Schaltkreisseite 122 des Wafers 120 unmittelbar vor Beginn des Blitzstrahls. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Temperatur der ersten Oberfläche 104 anhand einer Temperatur der zweiten Oberfläche 118 des Werkstücks ermittelt, die ungleich der Temperatur der ersten Oberfläche 104 ist. Genauer gesagt wird die Temperatur der ersten Oberfläche 104 anhand der Temperatur der zweiten Oberfläche 118 und der Temperaturhistorie des Werkstücks 106 ermittelt. Noch genauer gesagt veranlasst Block 612 die Prozessorschaltung 110, die Temperatur der zweiten Oberfläche 118 und die Temperaturhistorie dazu zu verwenden, im Speicher für die Nachschlagetabelle 246 nach Einträgen in der Nachschlagetabelle zu suchen, um die Temperatur der ersten Oberfläche 104 zu ermitteln.
In diesem Ausführungsbeispiel wurde die im Speicher für die Nachschlagetabelle 246 gespeicherte Nachschlagetabelle im Voraus berechnet und gespeichert, wobei ein (nicht dargestelltes) Programm für thermische Modellierung verwendet wurde, das in diesem Ausführungsbeispiel TAS Thermal Analysis System-Software des Herstellers Harvard Thermal, Inc. in Harvard, Massachusetts, USA beinhaltet. Zur Erstellung der Nachschlagetabelle wird das Programm TAS mit Eingabedaten versehen, die in diesem Ausführungsbeispiel thermische Eigenschaften (z. B. Wärmeleitfähigkeit, Wärmeleistung, Emissivität) und physikalische Eigenschaften (z. B. Dicke) des Werkstücks 106 beinhalten. Außerdem ist das Programm TAS mit einem exemplarischen Set an Werten der Temperaturhistorie T_History versehen, wobei Letzteres, wie vorstehend erläutert, ein Set aus Temperatur und zeitlichen Messpunkten [T_Substrate (t), t] ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der anfänglich an das Programm TAS gelieferte Emissivitätswert zunächst ein empirischer Wert, den man erhält, indem man das Werkstück aufheizt, dann abkühlen lässt und beim Abkühlen die Temperatur des Werkstücks misst. Die Abkühlrate wird mit dem Programm TAS analysiert, und es wird eine parametrische Anpassung ausgeführt (wobei einer der Parameter die Emissivität ist), um den Verlust an Strahlungsenergie als Funktion der Temperatur zu ermitteln, aus der man die Emissivität des Werkstücks erhält. Alternativ kann man die Emissivität des Werkstücks auf andere Art und Weise erhalten oder vorhersagen, oder sie kann bereits im Voraus bekannt sein. Nach Erhalt der Emissivität des Werkstücks wird die Emissivität zusammen mit den anderen Eingabewerten (den thermischen Eigenschaften und der Dicke des Werkstücks sowie den vorstehend genannten exemplarischen Werten der Temperaturhistorie) an das Programm TAS geliefert.
Anhand solcher Eingabewerte erhält man bei der Ausführung des Programms TAS einen Wert, der die End-Augenblickstemperatur der Schaltkreisseite T_Device zum gleichen Zeitpunkt darstellt, zu dem die Endtemperatur der Substratseite gemessen wurde. Die entsprechende Augenblickstemperatur der Substratseite T_Substrate wird von der zeitgleichen Temperatur der Schaltkreisseite T_Device abgezogen, um eine Temperaturkorrektur ΔT zu bestimmen, die typischerweise negativ ist und typischerweise in der Größenordnung von Bruchteilen eines Grads bis zu mehreren Grad Celsius liegt (zum Beispiel würde der Wert ΔT, wenn ein typischer Wafer mit einer Rampensteigung von 150 °C/Sekunde durch ausschließliche Bestrahlung der Substratseite des Wafers auf eine Zwischentemperatur von 800 °C aufgeheizt wird, ungefähr –4,7° betragen, was bedeutet, dass die Schaltkreisseite zu dem Zeitpunkt, zu dem die Substratseite die Zwischentemperatur erreicht, fast 5° kälter wäre als die Substratseite).
Dieser Prozess wird dann für eine beträchtliche Anzahl an verschiedenen Permutationen von exemplarischen Eingabedaten der Temperaturhistorie, die zu den jeweiligen unterschiedlichen Beispielen für thermische Zyklen gehören, wiederholt, um die entsprechenden unterschiedlichen ΔT-Werte zu bilden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden zum Beispiel Permutationen von Eingabedaten mit Rampensteigungen (die den Rampensteigungen von T_Substrate(t) in den gespeicherten Werten der Temperaturhistorie entsprechen) im Bereich von 50 °C/Sekunde bis 400 °C/Sekunde, End-Augenblickstemperaturen der Substratseite T_Substrate im Bereich von 600 °C bis 1450 °C und Waferdicken im Bereich von 0,5 bis 1,0 mm verwendet, um die Nachschlagetabelle zu erstellen, so dass man für alle Permutationen der Werte in solchen Bereichen schnell eine entsprechende Temperaturkorrektur ΔT erhält. Alternativ können stattdessen andere Eingabedatenbereiche verwendet werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel hat die im Speicher für die Nachschlagetabelle 246 gespeicherte Nachschlagetabelle also vier (nicht dargestellte) Säulen: eine erste Säule für die durchschnittliche Rampensteigung, eine zweite Säule für die End-Augenblickstemperatur der Substratseite T_Substrate(t₀) unmittelbar vor dem Heiz-Blitz, eine dritte Säule für die Dicke des Werkstücks und eine vierte Säule für die Temperaturkorrektur ΔT der Schaltkreisseite, die zur End-Augenblickstemperatur der Substratseite T_Substrate(t₀) addiert werden muss, um die entsprechende zeitgleiche Temperatur der Schaltkreisseite T_DEVICE(t₀) zu erhalten. (Falls gewünscht, kann anstelle einer Temperaturkorrektur, die zur Temperatur der Substratseite addiert werden muss, um die Temperatur der Schaltkreisseite zu erhalten, alternativ eine Säule für die entsprechende zeitgleiche Temperatur der Schaltkreisseite selbst vorgesehen werden.)
Um die im Voraus berechnete Nachschlagetabelle im Betrieb verwenden zu können, veranlasst Block 612 daher die Prozessorschaltung 110, die Substrattemperatur und die Zeitwertpaare [T_Substrate(t), t], die in der Temperaturhistorie 244 gespeichert sind, zu analysieren und eine durchschnittliche Rampensteigung zu berechnen (zum Beispiel indem man die durchschnittliche Rampensteigung gleich der Steilheit einer linearen Ausgleichskurve in einer graphischen Darstellung von T_Substrate(t) versus t auf der y-Achse bzw. der x-Achse setzt), die die durchschnittliche Geschwindigkeit darstellt, mit der die Substratseite 124 des Wafers auf eine Zwischentemperatur gebracht wurde. Block 612 veranlasst die Prozessorschaltung, die durchschnittliche Rampensteigung vorübergehend im Verzeichnis für die Rampensteigung 282 zu speichern. Danach veranlasst Block 612 die Prozessorschaltung, die im Verzeichnis für die Rampensteigung 282 gespeicherte durchschnittliche Rampensteigung, den im Verzeichnis für die Substrattemperatur 280 gespeicherten Wert der Substrattemperatur T_Substrate(t₀) und die Dicke des Werkstücks zu verwenden, um die Nachschlagetabelle zu konsultieren und in den ersten drei Säulen nach einem entsprechenden Eintrag oder Datensatz mit passenden Werten zu suchen. (Die Dicke des Werkstücks kann ein spezifizierter Parameter aus dem Programm für Temperaturüberwachung und -steuerung 226 sein oder er kann alternativ, falls gewünscht, von einem Benutzer des Systems 100 spezifiziert und in einem separaten, nicht dargestellten Verzeichnis in der Speichervorrichtung 260 gespeichert werden.) Wenn solch ein passender Wert gefunden wurde, veranlasst Block 612 die Prozessorschaltung 110, den entsprechenden Wert ΔT für die Temperaturkorrektur aus der vierten Säule des gefundenen Datensatzes auszulesen. Block 612 veranlasst die Prozessorschaltung, den gefundenen ΔT-Wert (der in diesem Ausführungsbeispiel typischerweise negativ ist), zu der im Verzeichnis für die Substrattemperatur 280 gespeicherten Endtemperatur der Substratseite T_Substrate(t₀) zu addieren, um so die entsprechende zeitgleiche Augenblickstemperatur der Schaltkreisseite T_DEVICE(t₀) zu erhalten. Die Prozessorschaltung wird dazu veranlasst, diesen Wert im Verzeichnis 284 für die Temperatur der Schaltkreisseite zu speichern.
Block 614 veranlasst dann die Prozessorschaltung 110, die Augenblickstemperatur der Schaltkreisseite T_DEVICE(t₀) an das ultraschnelle Radiometer 400 zu übertragen. Außerdem veranlasst Block 614 die Prozessorschaltung 110, die Bogenlampe 152 auszuschalten, um den Vorheizzyklus zu beenden, und gleichzeitig dem Bestrahlungssystem 180 zu signalisieren, mit der Erzeugung eines Blitzstrahls zu beginnen, um die Schaltkreisseite 122 des Wafers 120 rasch auf die gewünschte Glühtemperatur aufzuheizen.
(Als Alternative hierzu kann die Prozessorschaltung, falls gewünscht, dazu veranlasst werden¹, das Bestrahlungssystem 180 anzusteuern, damit dieses einen Bruchteil einer Sekunde vor Erreichen der Zwischentemperatur damit beginnt, einen Niederstrom an die Blitzlampe 182 zu liefern, um die Blitzlampe für den Blitz vorzubereiten. Bei einer solchen Lösung verringert sich jedoch oft die Größe der in der Nachschlagetabelle gespeicherten ΔT-Werte im Vergleich zu Vorheizverfahren, in denen eine Seite bestrahlt wird. Dementsprechend sollten die Werte der Nachschlagetabelle an diese Alternativlösung angepasst werden.)
Das Programm für die Temperaturüberwachung und -steuerung 226 ist damit tatsächlich zu Ende, wobei die nachfolgende Temperaturüberwachung der Schaltkreisseite und die Blitzintensität wie nachstehend erläutert vom ultraschnellen Radiometer 400 unter der Leitung des Programms für die Echtzeittemperatur der Schaltkreisseite 420 gesteuert wird. In diesem Ausführungsbeispiel werden jedoch der kontinuierliche Empfang und das Speichern der Temperaturwerte des Substrats seitens der Prozessorschaltung 110 für einen im Voraus definierten Folgezeitraum unter der Leitung von oben genanntem Block 606 fortgeführt, um fortlaufende Temperaturwerte des Substrats während und nach dem Blitzzyklus, wenn der Wafer abkühlt, zu erzeugen und zu speichern.
Programm für hemisphärische Reflexion
Mit Verweis auf die 1, 2 und 7 ist das Programm für die hemisphärische Reflexion in 7 unter 224 dargestellt. Im Allgemeinen konfiguriert das Programm für die hemisphärische Reflexion 224 die Prozessorschaltung 110 des RSC 112 so, dass diese mit dem Messgerät 117, oder genauer gesagt mit der Diagnostik-Befeuchtungsquelle 160 kooperiert, um die hemisphärische Reflexion der zweiten Oberfläche 118 des Werkstücks 106 zu messen. Solche Werte der hemisphärischen Reflexion werden dann tatsächlich an das schnelle Radiometer 164 übertragen, das diese Werte zur Erzeugung Emissivitätskompensierter Temperaturmessungen der Substratseite 124 des Wafers 120 verwendet.
Die Anfangsschritte des Programms für hemisphärische Reflexion ähneln etwas denjenigen, die vorstehend, im Zusammenhang mit dem in 5 gezeigten Programm für das Verhältnis des Standardbauteils 222, erläutert wurden. Vor der Ausführung des Programms für hemisphärische Reflexion wird jedoch das Standardbauteil, das vorstehend im Zusammenhang mit den Programm für das Verhältnis des Standardbauteils behandelt wurde, aus der Kammer 130 entfernt und durch den Halbleiterwafer 120 ersetzt. Nach Anbringung des Wafers wird das in 6 dargestellte Programm zur Temperaturüberwachung und -steuerung 226 ausgeführt und anschließend das Programm für hemisphärische Reflexion, das mit vorstehend genanntem Block 604 beginnt, sobald der Wafer eine ausreichend hohe Temperatur erreicht hat, um gegenüber Strahlungen mit 1450 nm diagnostischer Wellenlänge undurchlässig zu sein.
In diesem Ausführungsbeispiel beginnt das Programm für hemisphärische Reflexion 224 mit einem ersten Befehlscodeblock 700, der die Prozessorschaltung 110 dazu veranlasst, tatsächlich ein Bild der Substratseite 124 des Wafers 120 und des Referenzstücks 142 zu erhalten, während der Wafer und das Referenzstück mit der Diagnostik-Beleuchtungsquelle 160 beleuchtet werden, in einer Art und Weise, die ähnlich ist wie diejenige, die vorstehend im Zusammenhang mit Block 500 des Programms für das Verhältnis des Standardbauteils erläutert wurde. Da der Wafer nun heiß ist und mehr als 700 °C aufweist, beinhaltet das Bild, das vom Bildwiedergabegerät 162 während des Diagnostik-Beleuchtungsblitzes erfasst wird, nicht nur reflektierte Strahlung, die von der Diagnostik-Beleuchtungsquelle erzeugt wird, sondern auch vom Wafer und vom Referenzstück thermisch emittierte Strahlung. Dementsprechend ist es beim Messen der hemisphärischen Reflexion des Werkstücks wünschenswert, wenn man die Auswirkungen solcher thermischen Emissionen vernachlässigen kann. Dies kann man auf unterschiedliche Art und Weise erreichen. Zum Beispiel kann die Diagnostik-Beleuchtungsquelle einen Diagnostik-Blitz erzeugen, der stark genug ist, dass die thermischen Emissionen vom Werkstück im Vergleich zum reflektierten Blitz vernachlässigbar sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel veranlasst Block 700 die Prozessorschaltung jedoch, dem Synchronisationsmodul 202 zu signalisieren, dass es tatsächlich ein Set mit drei Bildern des Werkstücks und des Referenzstücks erhält. Das erste Bild wird unmittelbar vor Beginn des Diagnostik-Beleuchtungsblitzes aufgenommen, das zweite Bild wird aufgenommen, während der Diagnostik-Beleuchtungsblitz den Wafer 120 und das Referenzstück 142 mit maximaler Intensität beleuchtet, und das dritte Bild wird unmittelbar nach Ende des Diagnostik Beleuchtungsblitzes aufgenommen. Das erste Bild und das dritte Bild sind also tatsächlich Bilder der thermischen Emissionsintensität, und das zweite Bild stellt die thermische Emissionsintensität zuzüglich der Intensität des reflektierten Diagnostik-Beleuchtungsblitzes dar. Nachdem die Prozessorschaffung 110 ein Set aus drei solchen Bildern mittels der digitalen Bilderfassungskarte 200 erhalten hat, wird die Prozessorschaltung dazu veranlasst, für jede Photodiode im Photodiodenarray des Bildwiedergabegeräts einen Durchschnitt der Datenwerte dieser Photodiode im ersten und dritten Bild, die bei ausgeschalteter Diagnostik-Beleuchtungsquelle aufgenommen wurden, zu berechnen. Dieser Durchschnittswert stellt die ungefähre Intensität der thermischen Strahlung dar, die die entsprechende Stelle des Wafers (oder gegebenenfalls des Referenzstücks) zu dem Zeitpunkt thermisch emittierte, als das zweite Bild aufgenommen wurde. Dieser Durchschnittswert wird daher vom Intensitätswert dieser Photodiode im zweiten Bild abgezogen, um ein korrigiertes Bild der Reflexion des Wafers 120 und des Referenzstücks 142 zu erhalten, das nur die reflektierte Intensität des Diagnostik-Beleuchtungsblitzes darstellt und keine Komponenten thermischer Emission. Das korrigierte Bild der Reflexion wird dann im Image Frame-Speicher 242 gespeichert.
Block 710 veranlasst dann die Prozessorschaltung 110, ein Verhältnis zu berechnen, in einer Art und Weise, die ähnlich ist wie diejenige, die in Verbindung mit Block 510 des Programms für das Verhältnis des Standardbauteils behandelt wurde. In diesem Zusammenhang wird nochmals darauf hingewiesen, dass die Intensität des auf das Referenzstück einfallenden Diagnostik-Blitzes I₀ ist, und daher die Intensität des auf das Werkstück 106 einfallenden Diagnostik-Blitzes αI₀ ist, wobei α die gleiche Konstante ist, wie diejenige, auf die im Zusammenhang mit Block 510 verwiesen wurde und die durch die Geometrie des Systems 100 bestimmt ist. Das Referenzstück 142 reflektiert also den Diagnostik-Blitz mit einer Intensität I₀R_RE _F, wobei R_REF die Reflexion des Referenzstücks ist, und gleichermaßen reflektiert das Werkstück 106, das in diesem Fall der Wafer 120 ist, den Diagnostik-Blitz mit einer Intensität αI₀R_WAF. Die Datenwerte des korrigierten Bildes der Reflexion, das vom Bildwiedergabegerät 162 hergestellt wird, oder genauer gesagt von einzelnen Photodioden des InGaAs-Photodiodenarrays, die zum zentralen Bereich 170 des Werkstücks 106 gehören, und von Photodioden, die zum Referenzstück 142 gehören, werden verwendet, um ein Verhältnis der vom Werkstück (in diesem Fall der Wafer) reflektierten Intensität und der vom Referenzstück reflektierten Intensität zu berechnen, nämlich RATIO_WAF = αI₀R_WAF/I₀R_RE _F= αR_WAF/R_RE _F Der so erhaltene Wert für das Verhältnis wird dann im Verzeichnis für das Verhältnis des Werkstücks 270 gespeichert.
Block 710 veranlasst dann die Prozessorschaltung, die gerichtete Reflexion R_WAF des Wafers 120 zu ermitteln. Da RATIO_WAF/RATIO_STD = R_WAF/R_STD, ist die gerichtete Reflexion R_WAF des Wafers in diesem Zusammenhang von den gespeicherten Verhältnissen (d. h.
den Inhalten RATIO_STD und RATIO_WAF des Verzeichnisses für das Verhältnis des Standardbauteils 266 beziehungsweise des Verzeichnisses für das Verhältnis des Werkstücks 270) und der bekannten Reflexion des Standardbauteils (d. h. den Inhalten des Speichers für die Reflexion des Standardbauteils 264), nämlich R_WAF = Ratio_WAF/R_STD/Ratio_STD gelöst. Block 710 veranlasst die Prozessorschaltung 110, die gerichtete Reflexion R_WAF des Werkstücks im Verzeichnis für gerichtete Reflexion 272 zu speichern.
Block 720 veranlasst dann die Prozessorschaltung 110, eine Streukorektur zu erzeugen und die Streukorrektur auf die gerichtete Reflexion R_WAF anzuwenden, um die hemisphärische Reflexion der Substratseite 124 des Wafers 120 zu erhalten.
In diesem Zusammenhang kann die Streukorrektur durch die Geometrie des Systems 100 und die Beschaffenheit der Substratseite 124 des Wafers 120 bestimmt oder vorbestimmt werden. Aufgrund der Tatsache, dass die Substratseite 124 typischerweise kein perfekt spiegelnder Reflektor ist, wird die auf die Substratseite in einem Winkel 8 einfallende Strahlung nicht perfekt im Winkel 8 reflektiert, sondern vielmehr über einen Winkel θ±Δθ, wobei Δθ die Differenz zwischen spiegelnder Reflexion und tatsächlicher Reflexion ist.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der interessanteste Bereich der Substratseite 124 der zentrale Bereich 170, der auf einem Set T aus Dioden des Bildwiedergabegeräts 162 abgebildet wird. Aufgrund der Streuung wird der vom zentralen Bereich 170 reflektierte Diagnostik-Blitz jedoch typischerweise auf einem etwas größeren Diodenset Π abgebildet, das einem größeren zentralen Umgebungsbereich 172 des Wafers 120 entspricht. Für jede dieser Dioden Π, die zu diesem größeren zentralen Umgebungsbereich 172 gehört, wird aus der bekannten Geometrie des Systems 100 ein einziger Δθ berechnet, einschließlich der relativen Winkel der Diagnostik-Beleuchtungsquelle 160 und des Bildwiedergabegeräts 162. Solche Δθ Werte für jede dieser Dioden kann man durch Anwendung der Standard-Streuungstheorien erhalten.
Wenn man zum Beispiel durch Verwendung der Diagnostik-Beleuchtungsquelle 160 und des Bildwiedergabegeräts 162 ein beleuchtetes Bild der Substratseite 124 des Wafers 120 erhält (wie zum Beispiel das Bild der korrigierten Reflexion, wie im Zusammenhang mit dem vorstehend genannten Block 700 beschrieben), kann der Δθ Wert für die i^e der Dioden Π wie folgt berechnet werden:
wobei d_i die Distanz von der hellsten Diode im Bild zur i^ten Diode ist, gemessen in "Wafer-Einheiten" (d. h. den Abmessungen des realen Wafers 120), und r die Distanz vom Wafer zum tatsächlichen Zentrum des Bildwiedergabegeräts 162 ist. Um d_i richtig zu berechnen, müssen die Bildabmessungen auf die korrekten x- und y-Größen des abgebildeten Bereichs kalibriert werden. Dementsprechend können, falls gewünscht, solche Δθ Werte im Voraus berechnet und gespeichert werden, oder sie können alternativ von der Prozessorschaltung 110 unter der Leitung des Blocks 720 des Programms für hemisphärische Reflexion erzeugt werden. In beiden Fällen werden in diesem Ausführungsbeispiel die Δθ Werte vorübergehend im Verzeichnis für Streuwerte 274 gespeichert.
Block 720 veranlasst die Prozessorschaltung 110, anhand der Δθ Werte und des korrigierten Reflexionsbildes, das man vorstehend in Block 700 erhalten hat, eine Streukorrektur zu erzeugen. Genauer gesagt, wo der korrigierte Datenwert der reflektierten Intensität, der zur i^ten Diode gehört, mit I_i; bezeichnet wird, veranlasst Block 720 die Prozessorschaltung 110, wie folgt eine Streukorrektur S zu berechnen:
Die vorstehend genannte Streukorrektur ist ein empirischer Zusammenhang für schwache Streuung. Alternativ können stattdessen andere Typen von Streukorrekturen angewendet werden. Solche Alternativen können insbesondere dann wünschenswert sein, wenn anstelle des Wafers 120 andere Typen von Wafern oder Werkstücken verwendet werden.
Die Streukorrektur S wird dann im Verzeichnis für Streukorrekturen 276 gespeichert. Weiterhin veranlasst Block 720 die Prozessorschaltung 110, die Streukorrektur auf die gerichtete Reflexion R_WAF anzuwenden, um die hemisphärische Reflexion R_H der Substratseite 124 des Wafers 120 zu erhalten, da R_H = SR_WAF. Block 720 veranlasst die Prozessorschaltung 110, die hemisphärische Reflexion R_H im Verzeichnis 278 für hemisphärische Reflexion R_H zu speichern.
Block 730 veranlasst dann die Prozessorschaltung 110, den Wert der hemisphärischen Reflexion R_H an das schnelle Radiometer 164 zu übertragen, um Emissivitätskompensierte Temperaturmessungen der Substratseite 124 des Wafers 120 zu erstellen, wie nachstehend im Zusammenhang mit dem Programm für die Substrattemperatur 318 erläutert wird. Trotz der relativ schnellen Abtastgeschwindigkeit des schnellen Radiometers 164, das jede Millisekunde einen neuen Wert für die Substrattemperatur erzeugt, ist es für das Programm für die hemisphärische Reflexion 224 nicht nötig, die Prozessorschaltung 110 dazu zu veranlassen, den Wert der hemisphärischen Reflexion mit solch einer hohen Geschwindigkeit zu aktualisieren. In diesem Zusammenhang ist es günstig, dass die Emissivität (und damit die Reflexion) sich je nach Temperatur leicht ändert. Dementsprechend kann es je nach der für die jeweilige Anwendung erforderlichen Genauigkeit ausreichen, wenn das Intervall zwischen aufeinander folgenden Werten der hemisphärischen Reflexion das. Intervall zwischen aufeinander folgenden, vom schnellen Radiometer erzeugten Temperaturwerten erheblich überschreitet. Bei manchen Anwendungen kann es somit genügen, den Wert der hemisphärischen Reflexion mit einer Geschwindigkeit von beispielsweise 10 Hz oder sogar 1 Hz zu aktualisieren.
Wenn Block 730 abgearbeitet ist, veranlasst also Block 740 die Prozessorschaltung 110, zu bestimmen, ob der thermische Zyklus beendet ist. Wenn nicht, wird die Prozessorschaltung 110 dazu veranlasst, ein angemessenes Wiederholungsintervall abzuwarten, beispielsweise 100 ms oder 1 s, und wird dann zu den Blöcken 700 und 730 zurückgeführt, um in der oben beschriebenen Weise einen neuen Wert für die hemisphärische Reflexion zu erzeugen. Dieser Ablauf wird fortgesetzt, bis der thermische Zyklus beendet ist und sich der Wafer auf einen Wert unterhalb des Grenzwerts (in diesem Ausführungsbeispiel ungefähr 700 °C) abgekühlt hat und somit nicht mehr gegenüber diagnostischen Wellenlängen von 1450 nm undurchlässig ist.
Programm für die Substrattemperatur
Mit Verweis auf die 1, 3 und 8 ist das Programm für die Substrattemperatur in 8 unter 318 dargestellt. Im Allgemeinen konfiguriert das Programm für die Substrattemperatur 318 die Prozessorschaltung 114 des schnellen Radiometers 164 so, dass es die Temperatur der zweiten Oberfläche 118 des Werkstücks 106 ermittelt. Genauer gesagt ist die Prozessorschaltung 114 so konfiguriert, dass sie anhand der hemisphärischen Reflexion der zweiten Oberfläche und der von der zweiten Oberfläche thermisch emittierten Strahlung die Temperatur der zweiten Oberfläche 118 ermittelt.
Das Programm für die Substrattemperatur beginnt mit einem erstem Befehlscodeblock 800, der die Prozessorschaltung 114 dazu veranlasst, den Empfang eines Wertes R_H für die anfängliche hemisphärische Reflexion von der Prozessorschaltung 110 abzuwarten, wie es vorstehend im Zusammenhang mit dem Programm für hemisphärische Reflexion erläutert wurde.
Nach dem Empfang dieses Werts für die anfängliche hemisphärische Reflexion veranlasst Block 802 die Prozessorschaffung 114, den empfangenen Wert R_H im Verzeichnis für die hemisphärische Reflexion 320 zu speichern.
Block 804 veranlasst dann die Prozessorschaltung 114, eine Intensität der von der Substratseite 124 des Wafers 120 thermisch emittierten Strahlung zu messen. Genauer gesagt veranlasst Block 804 die Prozessorschaltung 114, eine Intensität I_THERMAL(t) der vom zentralen Bereich 170 der Substratseite 124 thermisch emittierten Strahlung mit der diagnostischen Wellenlänge 1450 nm zu messen. Im Gegensatz zu dem vorstehend genannten, für Streuungszwecke erzeugten Bild, wird diese Messung so synchronisiert, dass sie zu einem Zeitpunkt ausgeführt wird, wenn die Substratseite 124 nicht von einem Diagnostik-Blitz erleuchtet wird und somit nur vom heißen Wafer 120 thermisch emittierte Strahlung vom Radiometer 164 entdeckt werden kann. (Es wird nochmals darauf hingewiesen, dass aufgrund des eingesetzten wassergekühlten Fensters 156 die vom Vorheizgerät 150 erzeugte Strahlung keine Wellenlängen mit diagnostischer Wellenlänge beinhaltet. Selbst wenn das Vorheizgerät 150 den Wafer 120 aktiv bestrahlt, kann das Radiometer 164 daher keine Reflexionen dieser Bestrahlungsstärke entdecken.) Zu diesem Zweck wird die Prozessorschaltung 114 dazu veranlasst, vom A/D-Wandler 310 empfangene Signale zu überwachen, die 20-Bit Abtastungen des verstärkten Ausgangs der Photodiode 306 darstellen, wenn kein Synchronisationssignal vom Netzwerk 292 empfangen wird, das anzeigt, dass die Diagnostik-Beleuchtungsquelle 160 aktiv ist und blinkt, woraufhin die Messung solcher thermisch emittierten Strahlung aufgeschoben wird, bis die Diagnostik-Beleuchtungsquelle ausgeschaltet wird.
Block 806 veranlasst dann die Prozessorschaltung 114, anhand des Werts der Intensität der thermischen Emission, die in Block 804 gemessen wurde, und des Werts der hemisphärischen Reflexion, der von der Prozessorschaltung 110 empfangen wurde, die Temperatur der Substratseite 124 des Wafers 120 zu ermitteln. Genauer gesagt wird der gemessene Wert I_THERMAL(t) der Intensität der thermischen Emission verwendet, um die Augenblickstemperatur des zentralen Bereichs 170 der Substratseite 124 des Wafers 120 wie folgt zu berechnen:
wobei:
T_SUBSTRATE(t) = Augenblickstemperatur der Substratseite 124 im zentralen Bereich 170 zur Zeit t;
I_THERMAL(t) = gemessene Intensität der von der Substratseite 124 im zentralen Bereich 170 zur Zeit t thermisch emittierten Strahlung;
ε_H = Emissivität der Substratseite 124 in Richtung des Diagnostik-Blitzes, gleich κ(1 – R_H), wobei gilt:
R_H ist die hemisphärische Reflexion der Substratseite wie vorstehend erläutert. (Es wird nochmals darauf hingewiesen, dass der Wafer bei allen Temperaturen, bei denen dieses Programm ausgeführt wird, gegenüber diagnostischen Wellenlängen undurchlässig ist. Das Durchlassvermögen ist somit null und kann vernachlässigt werden, wenn man den Wert der hemisphärischen Reflexion erhalten will.) Und:
κ ist eine Systemkonstante, die die Differenzen in der Chamber Return zwischen dem schnellen Radiometer und dem Bildwiedergabegerät berücksichtigt. Bei einem idealen System ist κ = 1, obwohl im vorliegenden Ausführungsbeispiel, in dem das Werkstück einen polierten Silikonwafer mit einem Durchmesser von 300 mm beinhaltet und die Messgeräte die hier beschriebenen sind, k ≅ 0,9.
λ = diagnostische Wellenlänge, bei der I_THERMAL(t) gemessen wurde (in diesem Ausführungsbeispiel gilt λ = 1450 nm);
Δ_λ = Bandpass des schnellen Radiometers 164 (in diesem Ausführungsbeispiel ± 15 nm); und
c, h, k, e = Lichtgeschwindigkeit, Plancksche Konstante, Boltzmannkonstante beziehungsweise Eulerzahl.
Danach veranlasst Block 806 die Prozessorschaltung 114, den Temperaturwert der Substratseite T_SUBSTRATE(t₀) an die Prozessorschaltung 110 des RSC 112 zu übertragen, wo er, wie vorstehend erläutert, im Speicher 244 für die Temperaturhistorie gespeichert wird.
Anschließend veranlasst Block 806 die Prozessorschaltung 114, zu bestimmen, ob mittels des Netzwerks 292 ein neuer Wert für die hemisphärische Reflexion von der Prozessorschaltung 110 empfangen worden ist. Wenn ja, wird die Prozessorschaltung zurück zu Block 802 geführt, um den neuen Reflexionswert im Verzeichnis für die hemisphärische Reflexion 320 zu speichern und unter Verwendung des neu empfangenen Reflexionswertes weiterhin Werte für die Substrattemperatur zu erhalten. Wurde kein neuer Reflexionswert empfangen, veranlasst Block 810 die Prozessorschaltung 114, zu bestimmen, ob der thermische Zyklus beendet ist. Wenn nicht, wird die Prozessorschaltung 114 zurück zu Block 804 geführt, um unter Verwendung des zuvor empfangenen und gespeicherten Wertes der hemisphärischen Reflexion weiterhin Werte für die Substrattemperatur zu erhalten. Unabhängig davon, ob in Block 808 ein neuer Wert für die hemisphärische Reflexion empfangen wurde, wird in diesem Ausführungsbeispiel Block 806 einmal pro Millisekunde von der Prozessorschaltung 114 neu ausgeführt, um einen neuen Wert für die Substrattemperatur zu erhalten und zu übertragen. Die Prozessorschaltung 114 ist also so konfiguriert, dass sie wiederholt aufeinander folgende Werte der Temperatur der zweiten Oberfläche 118 des Werkstücks 106 zu entsprechenden aufeinander folgenden Zeitpunkten ermittelt und solche Werte an die Prozessorschaltung 110 überträgt, die diese Werte speichert, um die Temperaturhistorie des Werkstücks zu erzeugen. Diese Messung der Substrattemperatur wird fortgeführt, bis der Wärmebehandlungsprozess (einschließlich des Vorheizzyklus, des Blitzzyklus und der anschließenden Kühlphase) beendet ist und sich der Wafer auf eine Temperatur abgekühlt hat, die niedrig genug ist, dass er nicht mehr undurchlässig gegenüber diagnostischen 1450 nm Wellenlängen ist.
Programm für die Überwachung und Steuerung der Echtzeittemperatur der Schaltkreisseite
Mit Verweis auf die 1, 4 und 9 ist das Programm für die Echtzeittemperatur der Schaltkreisseite in 9 unter 420 dargestellt. Im Allgemeinen konfiguriert dieses Programm die Prozessorschaltung 108 des ultraschnellen Radiometers so, dass es anhand der aktuellen Intensität der von der ersten Oberfläche 104 thermisch emittierten Strahlung und mindestens einer früheren thermischen Eigenschaft der ersten Oberfläche zu einem entsprechenden früheren Zeitpunkt eine aktuelle Temperatur (in diesem Ausführungsbeispiel T_DEVICE(t)) der ersten Oberfläche 104 des Werkstücks 106 ermittelt. Genauer gesagt beinhaltet in diesem Ausführungsbeispiel die mindestens eine frühere thermische Eigenschaft eine frühere Temperatur der ersten Oberfläche 104 und eine frühere Intensität der von der ersten Oberfläche thermisch emittierten Strahlung zu dem Zeitpunkt, zu dem die erste Oberfläche die frühere Temperatur hatte. Noch genauer gesagt beinhaltet in diesem Ausführungsbeispiel die mindestens eine frühere thermische Eigenschaft die frühere Temperatur T_DEVICE(t₀) der Schaltkreisseite 122 des Wafers 120 unmittelbar vor dem Beginn des Blitzstrahls und die entsprechende frühere Intensität T_DEVICE(t₀) der thermischen Emission von der Schaltkreisseite unmittelbar vor dem Beginn des Blitzstrahls.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Prozessorschaltung 108 dazu veranlasst, solche aktuellen Temperaturwerte T_DEVICE(t₀) während des Blitzstrahls mit einer im Vergleich zur Dauer des Blitzes hohen Geschwindigkeit zu ermitteln. Da der AID-Wandler 412 das von der Photodiode 406 kommende verstärkte Signal mit einer Rate von 1 MHz abtastet, können also im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Laufe eines 1-Millisekunden-Blitzes beispielsweise bis zu 1000 aufeinander folgende Temperaturwerte produziert werden, wobei jeder nachfolgende Temperaturwert jeweils die Temperatur der Schaltkreisseite zum nächsten 1-Millisekunden-Intervall während des Blitzes darstellt. Solche Echtzeittemperaturwerte können, falls gewünscht, für die Regelung des Blitzes selbst verwendet werden. Auch wenn diese Echtzeittemperaturwerte nicht für die Regelung des Blitzes verwendet werden, können sie bei der Analyse nach Ende des Blitzes hilfreich sein, indem sie es dem Benutzer des Systems ermöglichen, bedeutsame Inkonsistenzen in der Waferbearbeitung zu entdecken.
Das Programm 420 für die Echtzeittemperatur der Schaltkreisseite beginnt mit einem ersten Befehlscodeblock 900, der die Prozessorschaltung 108 dazu veranlasst, kontinuierlich die Werte der thermischen Intensität I_DEVICE(t) zu messen und zu speichern, die die Intensität der vom zentralen Bereich 170 der Schaltkreisseite 122 des Wafers 120 thermisch emittierten Strahlung zu aufeinander folgenden Zeitpunkten darstellen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel können wieder, da der A/D-Wandler das von der Photodiode 406 kommende verstärkte Signal mit 1 MHz abtastet, jede Sekunde bis zu 1 Million solcher Werte gespeichert werden, falls dies gewünscht wird. Die Prozessorschaltung 108 wird dazu veranlasst, solche Werte der thermischen Intensität und ihre entsprechenden Zeiten im Speicher für die Intensität der thermischen Emission 430 der Schaltkreisseite zu speichern.
Block 910 veranlasst die Prozessorschaltung 108, von der Prozessorschaltung 110 des RSC 112 einen Anfangswert der Temperatur der Schaltkreisseite T_DEVICE(t₀) zu empfangen und diesen Wert im Verzeichnis 432 für die Anfangstemperatur der Schaltkreisseite zu speichern. Mit Rückbezug auf 6 wird nochmals darauf hingewiesen, dass dieser Wert T_DEVICE(t₀) die Temperatur der Schaltkreisseite unmittelbar vor Beginn des Heiz-Blitzes darstellt, der vom Bestrahlungssystem erzeugt wird, und dass er etwa zeitgleich mit dem Beginn des Blitzzyklus an die Prozessorschaltung 108 übertragen wird. Nach dem Empfang und Speichern des Anfangswertes der Temperatur der Schaltkreisseite T_DEVICE(t₀) veranlasst Block 910 die Prozessorschaltung 108 auch, einen entsprechenden zeitgleichen Wert der Intensität der thermischen Emission I_DEVICE(t₀) im Verzeichnis 434 für die anfängliche thermische Intensität der Schaltkreisseite zu speichern.
Etwa zeitgleich mit dem Speichern dieser anfänglichen Temperatur- und Intensitätswerte seitens der Prozessorschaltung 108 startet das Bestrahlungssystem den Blitzzyklus, indem es die Schaltkreisseite 122 des Wafers 120 einem Hochleistungsblitz mit einer Dauer in der Größenordnung von einer Millisekunde aussetzt und die Schaltkreisseite 122 des Wafers dabei mit einer viel größeren Geschwindigkeit aufheizt als die Geschwindigkeit der Wärmeleitung im Wafer, so dass nur eine flache Schicht in der Nähe der Schaltkreisseite 122 auf die endgültige Glühtemperatur aufgeheizt wird, während der Bulk des Wafers 120 nahe der Zwischentemperatur bleibt.
Danach veranlassen die Blöcke 920 und 930 die Prozessorschaltung 108, die Temperatur der Schaltkreisseite 124 zum nächstfolgenden Zeitpunkt (in diesem Ausführungsbeispiel das nächstfolgende 1-Mikrosekunden-Intervall) während des Blitzzyklus zu messen.
Dazu veranlasst Block 920 die Prozessorschaltung 108, einen Echtzeitwert der Intensität I_DEVICE(t₀) zu messen und zu speichern, der die Intensität der vom zentralen Bereich 170 der Schaltkreisseite 122 des Wafers 120 thermisch emittierten Strahlung darstellt. Dazu empfängt die Prozessorschaltung 108 vom A/D-Wandler 412 eine 16-Bit-Abtastung des verstärkten Signals von der Photodiode 406 und speichert es wie vorstehend beschrieben im Speicher 430 für die Intensität der thermischen Emission der Schaltkreisseite. (Gegebenenfalls kann das gleichzeitig laufende Programm für die dynamische Kalibrierung 422 die Prozessorschaltung 108 dazu veranlassen, den empfangenen Abtastwert vor dem Speichern auf der Basis der vom internen Referenzgerät 450 empfangenen Signale anzupassen).
Danach veranlasst Block 930 die Prozessorschaltung 108, anhand der früheren thermischen Eigenschaften der Schaltkreisseite 122 die aktuelle Echtzeittemperatur des zentralen Bereichs 170 der Schaltkreisseite 122 zu ermitteln. Genauer gesagt veranlasst Block 930 die Prozessorschaltung 108, die aktuelle Echtzeittemperatur der Schaltkreisseite wie folgt zu berechnen:
wobei:

T_DEVICE(t) = Echtzeittemperatur der Schaltkreisseite 122 im zentralen Bereich 170 des Werkstücks;
I_DEVICE(t) = Echtzeitmesswert, der vom ultraschnellen Radiometer 400 aus der Intensität der thermischen Emission von der Schaltkreisseite 122 im zentralen Bereich 170 des Werkstücks erzeugt wird;
T_DEVICE(t₀) = Augenblickstemperatur der Schaltkreisseite 122 im zentralen Bereich 170 unmittelbar vor Beginn des Heiz-Blitzes, der vom Bestrahlungssystem 180 erzeugt wird;
I_DEVICE(t₀) = Augenblicksintensität der thermischen Emission von der Schaltkreisseite 122 im zentralen Bereich 170 unmittelbar vor Beginn des Heiz-Blitzes; und

In der vorstehenden Berechnung in Block 930 wird davon ausgegangen, dass die Emissivität der Schaltkreisseite 122 während des gesamten Blitzzyklus konstant bleibt. Obwohl diese Annahme nicht ganz richtig ist, wird sich die Emissivität ähnlicher Wafer in ähnlicher Weise ändern, wenn sie ähnlichen Wärmezyklen ausgesetzt werden. Auch wenn also die Annahme einer konstanten Emissivität zu einem kleinen Messfehler bei den Temperaturmessungen der Schaltkreisseite in der Nähe der höchsten Glühtemperatur führt, werden solche Fehler bei ähnlichen Wafern in ähnlichen Zyklen immer wieder produziert. Kein derartiger Fehler wird daher die Wiederholbarkeit des resultierenden thermischen Zyklus beeinträchtigen.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Abarbeitung der Blöcke 920 und 930 im Laufe des Blitzstrahls, der vom Bestrahlungssystem 180 erzeugt wird, etliche Male wiederholt. Genauer gesagt hat der Blitzstrahl in diesem Ausführungsbeispiel eine Dauer in der Größenordnung von einer Millisekunde, und die Blöcke 920 und 930 werden ein Mal pro Mikrosekunde wiederholt, wobei im Laufe des 1-Millisekunden-Zuklus 1000 aufeinander folgende Werte der Echtzeittemperatur der Schaltkreisseite erzeugt werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel konfiguriert das Programm für die Echtzeittemperatur der Schaltkreisseite die Prozessorschaltung 108 also so, dass sie wiederholt anhand aufeinander folgender Werte der aktuellen Intensität der von der ersten Oberfläche thermisch emittierten Strahlung aufeinander folgende Werte der aktuellen Temperatur der ersten Oberfläche 104 ermittelt, während die erste Oberfläche bestrahlt wird, oder genauer gesagt während die erste Oberfläche einem Blitzstrahl von geringerer Dauer als die Wärmeleitzeit des Werkstücks ausgesetzt ist.
Falls gewünscht, kann das Programm für die Echtzeittemperatur der Schaltkreisseite 420 Befehlscodes beinhalten, die die Prozessorschaltung 108 des ultraschnellen Radiometers 400 dazu veranlassen, die Leistung des vom Bestrahlungssystem erzeugten Blitzstrahls anhand der Werte der Echtzeittemperatur zu steuern.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beinhaltet das Programm 420 für die Echtzeittemperatur der Schaltkreisseite beispielsweise einen weiteren Befehlscodeblock 940, der die Prozessorschaltung 108 dazu veranlasst, die an das Bestrahlungssystem 180 gelieferte Leistung zu steuern, um die Leistung des Blitzstrahls zu steuern. Genauer gesagt veranlasst Block 940 die Prozessorschaltung 108 in diesem Ausführungsbeispiel, zu bestimmen, ob mindestens eine zuvor definierte Bedingung erfüllt ist. Noch genauer gesagt veranlasst Block 940 die Prozessorschaltung 108, zu bestimmen, ob der zuletzt erhaltene Wert der Echtzeittemperatur der Schaltkreisseite T_DEVICE(t) größer oder gleich einer zuvor definierten maximalen gewünschten Temperatur der Schaltkreisseite 122 im Laufe des Blitzes ist. Wenn ja, veranlasst Block 940 die Prozessorschaltung 108, dem Leistungssteuersystem 188 des Bestrahlungssystems 180 zu signalisieren, unverzüglich die gepulste Entladung der elektrischen Leistung vom Leistungssteuersystem zur Blitzlampe 182 abzubrechen.
In 10 ist zum Beispiel ein Leistungssteuerkreis des Leistungssteuersystems 188 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter 960 allgemein dargestellt. Die gespeicherte Ladung, die an die Blitzlampe 182 geliefert werden muss, um den Blitzstrahl zu erzeugen, wird in einem großen Kondensatorenblock gespeichert, der zur einfacheren Darstellung in 10 symbolisch mit einem einzigen Kondensator 962 dargestellt wird. Ein Schalter 964 und ein Induktor 966 sind in Serie zwischen einer Platte des Kondensators und einer Elektrode der Blitzlampe 182 angeordnet, und die andere Elektrode der Blitzlampe ist mit der anderen Platte des Kondensators verbunden. In Ausführungsbeispielen, in denen keine Closed-Loop-Regelung des Blitzes erforderlich ist, muss der Schalter 964 nicht leicht von seinem Durchlasszustand in seinen offenen oder nicht-leitenden Zustand zurückführbar sein. In solchen Ausführungsbeispielen kann daher ein gesteuerter Silikon-Gleichrichter mit einem Haltestrom, der niedriger ist als die erwartete Stromentladung während des Blitzes, als Schalter 964 verwendet werden. Alternativ beinhaltet der Schalter 964 jedoch vorzugsweise, wenn bei einem solchen Kreis eine Regelung erwünscht ist, einen Schaltertyp, der leicht von seinem Durchlasszustand in einen nicht-leitenden Zustand geführt werden kann, während er gerade die große erwartete Stromentladung vom Kondensator 962 leitet. In solch einem Ausführungsbeispiel, wenn die Prozessorschaltung 108 in Block 940 bestimmt, dass die Temperatur der Schaltkreisseite T_DEVICE(t) größer oder gleich der zuvor definierten maximalen gewünschten Temperatur ist, wird die Prozessorschaltung 108 dazu veranlasst, den Schalter 964 zu öffnen, um die Stromentladung vom Kondensator 962 zu unterbrechen.
Ähnlich kann, falls gewünscht, Block 940 die Prozessorschaffung 108 dazu veranlassen, periodisch einen Wert der Echtzeittemperatur der Schaltkreisseite T_DEVICE(t) mit einer erwarteten oder vorhergesagten Temperatur der Schaltkreisseite für die selbe Zeit t im Laufe des Blitzzyklus zu vergleichen und kann die vom Leistungssteuersystem 188 an die Blitzlampe 182 gelieferte Leistung erhöhen oder reduzieren, um eventuelle Diskrepanzen zwischen der aktuellen und der erwarteten Temperatur der Schaltkreisseite zu minimieren.
In 11 ist zum Beispiel ein Leistungssteuerkreis des Leistungssteuersystems 188 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung unter 970 allgemein dargestellt. Der Kondensatorenblock, der entladen werden soll, um den Blitzstrahl zu erzeugen, wird wieder zur einfacheren Darstellung symbolisch als einzelner Kondensator 962 dargestellt. Entlang einer ersten elektrischen Leitung 972, die eine Platte des Kondensators 962 mit einer Elektrode der Blitzlampe verbindet, sind ein Schalter 972 und ein Induktor 976 in Serie zwischengeschaltet. Eine zweite elektrische Leitung 978 verbindet die andere Platte des Kondensators mit der anderen Elektrode der Blitzlampe. Ein Widerstand 980 und ein zweiter Schalter 982 in Serie sind zwischen der ersten elektrischen Leitung 972 und der zweiten elektrischen Leitung 978 angeschlossen, wobei der Widerstand an einem Punkt 984 zwischen dem ersten Schalter 974 und dem Induktor 976 an die erste elektrische Leitung 972 angeschlossen ist und der zweite Schalter 982 an einem Punkt 986 an die zweite elektrische Leitung 978 angeschlossen ist. Der zweite Schalter 982 kann einen über den Gatteranschluss gesteuerten Schalter beinhalten, zum Beispiel einen gesteuerten Silikon-Gleichrichter. Allgemeiner ausgedrückt können als Schalter 974 und 982 alle geeigneten Schaltertypen verwendet werden. Wenn der erste Schalter 974 anfangs von der Prozessorschaltung 110 des RSC 112 geschlossen wird, um den Blitz auszulösen, bleibt der zweite Schalter 982 geöffnet. Wenn im Block 940 die Prozessorschaltung 108 des ultraschnellen Radiometers 400 bestimmt, dass die Temperatur der Schaltkreisseite T_DEVICE(t) zu einem gegebenen Zeitpunkt während des Blitzes höher ist als eine gewünschte Temperatur, veranlasst Block 940 die Prozessorschaltung 108, ein Gattersignal auf das Gatter des zweiten Schalters 982 anzuwenden, um den zweiten Schalter zu schließen und eine gewisse Menge des elektrischen Stroms, der vom Kondensator 962 entladen wird, durch den Widerstand 980 fließen zu lassen, wobei sich der Strom, den der Kondensator 962 an die Blitzlampe 182 liefert, reduziert.
Ähnlich ist in 12 ein Leistungssteuerkreis des Leistungssteuersystems 188 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung unter 990 allgemein dargestellt. Der Kondensatorenblock, der entladen werden soll, um den Blitzstrahl zu erzeugen, wird wieder zur einfacheren Darstellung symbolisch als einzelner Kondensator 962 dargestellt. Entlang einer ersten elektrischen Leitung 991, die eine erste Platte des Kondensators 962 mit einer ersten Elektrode der Blitzlampe 182 verbindet, sind ein erster Schalter 992, ein erster Induktor 993 und ein zweiter Induktor 994, der parallel mit einem zweiten Schalter 995 ist, in Serie zwischengeschaltet. In dieser Anordnung ist der zweite Schalter 995 entlang einer elektrischen Nebenleitung 996 der ersten elektrischen Leitung 991 zwischengeschaltet. Ein Ende der elektrischen Nebenleitung 996 ist an einen Punkt 997 angeschlossen, der sich zwischen dem ersten Induktor 993 und dem zweiten Induktor 994 befindet. Das andere Ende der elektrischen Nebenleitung 996 ist an einen Punkt 998 angeschlossen, der sich zwischen dem zweiten Induktor 994 und der ersten Elektrode der Blitzlampe 182 befindet. Der zweite Schalter 995 kann einen über den Gatteranschluss gesteuerten Schalter beinhalten, zum Beispiel einen gesteuerten Silikon-Gleichrichter. Allgemeiner ausgedrückt können als Schalter 992 und 995 alle geeigneten Schaltertypen verwendet werden. Eine zweite elektrische Leitung 999 verbindet die zweite Platte des Kondensators 962 mit der zweiten Elektrode der Blitzlampe 182. Wenn der erste Schalter 992 anfangs von der Prozessorschaltung 110 des RSC 112 geschlossen wird, um den Blitz auszulösen, bleibt der zweite Schalter 995 geöffnet. Wenn im Block 940 die Prozessorschaltung 108 des ultraschnellen Radiometers 400 bestimmt, dass die Temperatur der Schaltkreisseite T_DEVICE(t) zu einem gegebenen Zeitpunkt während des Blitzes niedriger ist als eine gewünschte Temperatur, veranlasst Block 940 die Prozessorschaltung 108, ein Gattersignal auf das Gatter des zweiten Schalters 995 anzuwenden, um den zweiten Schalter zu schließen, wobei sich die Strommenge, die der Kondensator 962 an die Blitzlampe 182 liefert, erhöht.
Unabhängig davon, ob ein Block 940 für die Regelung vorgesehen ist, veranlasst Block 950 die Prozessorschaltung in diesem Ausführungsbeispiel dazu, zu bestimmen, ob der thermische Zyklus (einschließlich des Vorheizzyklus, des Blitzzyklus und der anschließenden Abkühlphase) beendet ist und sich der Wafer auf eine Temperatur abgekühlt hat, die niedrig genug ist, um ihn gegenüber 1450 nm diagnostischen Wellenlängen durchlässig werden zu lassen. Wenn der thermische Zyklus noch nicht beendet ist, wird die Prozessorschaffung dazu veranlasst, zu den Blöcken 920 und 930 zurückzukehren, die von der Prozessorschaltung 108 immer wieder neu ausgeführt werden, um weiterhin wiederholt, in Intervallen von 1 μs, die Echtzeittemperatur der Schaltkreisseite während des Blitzstrahls und der anschließenden Abkühlphase zu ermitteln.
Wertere exemplarische Alternativen
Mit Verweis auf die 1, 4, 6, 9 und 13 wird in 13 ein System zur Temperaturmessung und zur Wärmebehandlung eines Werkstücks gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung unter 1000 allgemein dargestellt. Das System 1000 ist im Allgemeinen ähnlich wie das in 1 dargestellte System 100, außer dass das Bestrahlungssystem 180 durch ein alternatives Bestrahlungssystem 1010 ersetzt wurde.
In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Bestrahlungssystem 1010 eine Vielzahl an Bestrahlungsquellen, die generell unter 1020 dargestellt sind, oder genauer gesagt eine Vielzahl an Bogenlampen, die ähnlich sind wie die in 1 dargestellte Bogenlampe 182. Die mindestens eine Prozessorschaltung (oder genauer gesagt die Prozessorschaltung 108 des ultraschnellen Radiometers 400) ist so ausgebildet, dass sie nur dann eine aus der Vielzahl an Bestrahlungsquellen aktiviert, wenn die aktuelle Temperatur der ersten Oberfläche kleiner ist als ein zuvor definierter Grenzwert.
Genauer gesagt beinhaltet das Bestrahlungssystem 1010 mindestens zwei unabhängige Leistungssteuersysteme 1030 und 1040, die beide ähnlich sind wie das Netzteil für gepulste Entladung des in 1 dargestellten Leistungssteuersystems 188. Das erste Leistungssteuersystem 1030 speist eine erste, zweite und dritte Bogenlampe 1032, 1034 und 1036, während das zweite Leistungssteuersystem 1040 eine vierte Bogenlampe 1042 speist. In diesem Ausführungsbeispiel wird das erste Leistungssteuersystem 1030 unter der Leitung der Prozessorschaltung 110 des RSC 112 aktiviert, wie vorstehend im Zusammenhang mit dem in 6 dargestellten Block 616 des Programms für Temperaturüberwachung und -steuerung erläutert.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das zweite Leistungssteuersystem 1040 jedoch nicht vom RSC 112 gesteuert. In diesem Ausführungsbeispiel wird das zweite Leistungssteuersystem 1040 stattdessen von der Prozessorschaltung 108 des ultraschnellen Radiometers 400 unter der Leitung von dem in 9 dargestellten Block 940 des Programms für die Echtzeittemperatur der Schaltkreisseite aktiviert. Genauer gesagt veranlasst Block 940 die Prozessorschaltung 108 in diesem Ausführungsbeispiel, das zweite Leistungssteuersystem 1040 nur dann zu aktivieren, wenn nach einem zuvor definierten Zeitabstand nach Beginn des Blitzzyklus die aktuelle Temperatur der Schaltkreisseite T_DEVICE(t) niedriger ist als eine zuvor definierte angestrebte Temperatur. In diesem Ausführungsbeispiel kann man also die an die vierte Bogenlampe entladene Energie so anpassen, dass die Schaltkreisseite 122 des Wafers die angestrebte Temperatur erreicht.
Alternativ kann man, falls gewünscht, die Anzahl der Blitzlampen oder anderer geeigneter Bestrahlungsquellen, die von der Prozessorschaltung 108 gesteuert werden, variieren.
Allgemeiner ausgedrückt dienen die hier beschriebenen und dargestellten speziellen Ausführungsbeispiele nur dem besseren Verständnis der Erfindung und schränken die Erfindung, die gemäß der begleitenden Ansprüche auszulegen ist, keineswegs ein.
Zusammenfassung
Methoden und Systeme zur Temperaturmessung und Wärmebehandlung. Eine Methode beinhaltet das Messen einer aktuellen Intensität einer von einer ersten Oberfläche eines Werkstücks thermisch emittierten Strahlung und die Ermittlung einer aktuellen Temperatur der ersten Oberfläche anhand der aktuellen Intensität und mindestens einer früheren thermischen Eigenschaft der ersten Oberfläche. Vorzugsweise beinhaltet das Werkstück einen Halbleiterwafer, und die erste und zweite Oberfläche beinhalten eine Schaltkreis- bzw. Substratseite dieses Halbleiterwafers. Die aktuelle Temperatur der Schaltkreisseite wird vorzugsweise ermittelt, während die Schaltkreisseite bestrahlt wird, z. B. durch einen Blitzstrahl mit einer geringeren Dauer als die Wärmeleitzeit des Wafers. Die schaltkreisseitige Temperatur kann anhand einer früheren Temperatur der Schaltkreisseite ermittelt werden, die wiederum anhand einer früheren Temperatur der Substratseite, die ungleich der früheren Temperatur der Schaltkreisseite ist, und einer Temperaturhistorie des Wafers ermittelt werden kann.

Claims

Eine Methode zur Temperaturmessung, die Folgendes umfasst: a) Messen einer aktuellen Intensität von Strahlung, die von einer ersten Oberfläche eines Werkstücks thermisch emittiert wird; und b) Ermittlung einer aktuellen Temperatur der ersten Oberfläche anhand der aktuellen Intensität und mindestens einer früheren thermischen Eigenschaft der ersten Oberfläche zu einem entsprechenden früheren Zeitpunkt.
Methode nach Anspruch 1, wobei das Werkstück einen Halbleiterwafer umfasst und die erste Oberfläche eine Schaltkreisseite des Wafers umfasst.
Methode nach Anspruch 2, wobei die Ermittlung die Ermittlung der aktuellen Temperatur der Schaltkreisseite umfasst, während die Schaltkreisseite bestrahlt wird.
Methode nach Anspruch 2, wobei die Ermittlung die Ermittlung der aktuellen Temperatur der Schaltkreisseite umfasst, während die Schaltkreisseite einem Blitzstrahl mit einer kürzeren Dauer als die Wärmeleitzeit des Wafers ausgesetzt ist.
Methode nach Anspruch 4, wobei der Blitzstrahl eine Dauer von weniger als 10 Millisekunden hat.
Methode nach Anspruch 4, die außerdem die Ermittlung, zu dem früheren Zeitpunkt, der mindestens einen früheren thermischen Eigenschaft der ersten Oberfläche umfasst, wobei die mindestens eine frühere thermische Eigenschaft eine frühere Temperatur der Schaltkreisseite des Wafers unmittelbar vor Beginn des Blitzstrahls umfasst.
Methode nach Anspruch 6, wobei die mindestens eine frühere thermische Eigenschaft außerdem eine frühere Intensität der von der Schaltkreisseite unmittelbar vor Beginn des Blitzstrahls thermisch emittierten Strahlung umfasst.
Methode nach Anspruch 1, wobei die Ermittlung die Ermittlung der aktuellen Temperatur der ersten Oberfläche anhand der aktuellen Intensität, einer früheren Temperatur der ersten Oberfläche und einer früheren Intensität einer von der ersten Oberfläche zu dem früheren Zeitpunkt thermisch emittierten Strahlung umfasst.
Methode nach Anspruch 1, die außerdem die Ermittlung, zu dem früheren Zeitpunkt, der mindestens einen früheren thermischen Eigenschaft der ersten Oberfläche umfasst, wobei die mindestens eine frühere thermische Eigenschaft eine frühere Temperatur der ersten Oberfläche umfasst.
Methode nach Anspruch 9, wobei die Ermittlung der früheren Temperatur der ersten Oberfläche die Ermittlung der früheren Temperatur anhand einer früheren Temperatur einer zweiten Oberfläche des Werkstücks umfasst, die ungleich der früheren Temperatur der ersten Oberfläche ist.
Methode nach Anspruch 10, wobei die Ermittlung der früheren Temperatur der ersten Oberfläche die Ermittlung der früheren Temperatur der ersten Oberfläche anhand der früheren Temperatur der zweiten Oberfläche und einer Temperaturhistorie des Werkstücks umfasst.
Methode nach Anspruch 11, wobei das Werkstück einen Halbleiterwafer umfasst, die erste Oberfläche eine Schaltkreisseite des Wafers umfasst und die zweite Oberfläche eine Substratseite des Wafers umfasst.
Methode nach Anspruch 11, wobei die Ermittlung der früheren Temperatur der ersten Oberfläche die Verwendung der früheren Temperatur der zweiten Oberfläche und der Temperaturhistorie umfasst, um Einträge in einer Nachschlagetabelle zu konsultieren. 14, Methode nach Anspruch 11, die außerdem die Ermittlung, zu dem früheren Zeitpunkt, der früheren Temperatur der zweiten Oberfläche umfasst.
Methode nach Anspruch 14, wobei die Ermittlung der früheren Temperatur der zweiten Oberfläche die Ermittlung der früheren Temperatur der zweiten Oberfläche anhand einer hemisphärischen Reflexion der zweiten Oberfläche umfasst.
Methode nach Anspruch 15, die außerdem das Messen der hemisphärischen Reflexion umfasst.
Methode nach Anspruch 16, wobei das Messen der hemisphärischen Reflexion den Empfang von Strahlung, die von der zweiten Oberfläche reflektiert wird, an einem Detektor umfasst, wobei der Detektor wert genug von der zweiten Oberfläche positioniert ist, um zu vermeiden, dass anderen Geräten eines Systems, in dem sich das Werkstück befindet, das Sichtfeld auf die zweite Oberfläche versperrt wird.
Methode nach Anspruch 16, wobei das Messen der hemisphärischen Reflexion den Empfang von Strahlung, die von der zweiten Oberfläche reflektiert wird, an einem Detektor umfasst, der von einem Zentrum der zweiten Oberfläche beabstandet positioniert ist, wobei der Abstand mindestens so groß ist wie die Hälfte der größten Abmessung des Werkstücks.
Methode nach Anspruch 16, wobei das Messen der hemisphärischen Reflexion das Messen einer gerichteten Reflexion der zweiten Oberfläche umfasst.
Methode nach Anspruch 19, wobei das Messen der hemisphärischen Reflexion außerdem die Anwendung einer Streukorrektur auf die gerichtete Reflexion umfasst, um die hemisphärische Reflexion zu erhalten.
Methode nach Anspruch 16, wobei die Ermittlung der früheren Temperatur der zweiten Oberfläche die Ermittlung der früheren Temperatur der zweiten Oberfläche anhand der hemisphärischen Reflexion der zweiten Oberfläche und der von der zweiten Oberfläche thermisch emittierten Strahlung umfasst.
Methode nach Anspruch 20, die außerdem die Entwicklung einer Streukorrektur umfasst.
Methode nach Anspruch 14, die außerdem das wiederholte Ermitteln und Speichern aufeinander folgender Werte der früheren Temperatur der zweiten Oberfläche zu entsprechenden aufeinander folgenden Zeiten umfasst, um die Temperaturhistorie des Werkstücks zu erstellen.
Methode nach Anspruch 1, die außerdem das wiederholte Ermitteln aufeinander folgender Werte der aktuellen Temperatur der ersten Oberfläche anhand entsprechender aufeinander folgender Werte der aktuellen Intensität der von der ersten Oberfläche thermisch emittierten Strahlung umfasst.
Methode nach Anspruch 24, wobei das wiederholte Ermitteln das wiederholte Ermitteln aufeinander folgender Werte der aktuellen Temperatur der ersten Oberfläche umfasst, während die erste Oberfläche bestrahlt wird.
Methode nach Anspruch 24, wobei das wiederholte Ermitteln das wiederholte Ermitteln aufeinander folgender Werte der aktuellen Temperatur der ersten Oberfläche umfasst, während die erste Oberfläche einem Blitzstrahl mit einer geringeren Dauer als die Wärmeleitzeit des Werkstücks ausgesetzt ist.
Methode nach Anspruch 1, wobei das Messen das Messen der aktuellen Intensität in einem Wellenlängenband beinhaltet, in dem ein auf die erste Oberfläche einfallendes Strahlenspektrum eine vernachlässigbare Intensität aufweist.
Methode nach Anspruch 27, die außerdem das Entfernen des Wellenlängenbandes aus dem auf die erste Oberfläche einfallenden Strahlenspektrum umfasst.
Methode nach Anspruch 19, wobei das Messen der gerichteten Reflexion das Messen der reflektierten Intensität in einem Lichtwellenlängenband umfasst, in dem ein auf die zweite Oberfläche einfallendes Heizstrahlenspektrum eine vernachlässigbare Intensität aufweist.
Methode nach Anspruch 29, die außerdem das Entfernen des Lichtwellenlängenbandes aus dem Heizstrahlenspektrum umfasst.
Eine Methode zur Wärmebehandlung eines Werkstücks, wobei die Methode die Methode nach Anspruch 1 umfasst sowie das Steuern einer Leistung eines auf die erste Oberfläche des Werkstücks einfallenden Blitzstrahls anhand der aktuellen Temperatur der ersten Oberfläche.
Methode nach Anspruch 31, wobei das Steuern das Steuern von Leistung umfasst, die an mindestens eine Bestrahlungsquelle geliefert wird, die dazu fähig ist, den Blitzstrahl zu erzeugen.
Methode nach Anspruch 31, wobei das Steuern die Aktivierung von ausschließlich einer von einer Vielzahl an Bestrahlungsquellen umfasst, im Falle dass die aktuelle Temperatur der ersten Oberfläche geringer ist als ein zuvor definierter Grenzwert.
Methode nach einem der Ansprüche 1, 8 bis 11 und 13 bis 33, wobei das Werkstück einen Halbleiterwafer umfasst und die erste Oberfläche eine Schaltkreisseite des Wafers umfasst.
Ein System zur Temperaturmessung mit: a) einem Messgerät, das so ausgebildet ist, dass es eine aktuelle Intensität der von einer ersten Oberfläche eines Werkstücks thermisch emittierten Strahlung misst; und b) mindestens einer Prozessorschaltung, die mit dem Messgerät kommuniziert, wobei die mindestens eine Prozessorschaltung so ausgebildet ist, dass sie anhand der aktuellen Intensität und mindestens einer früheren thermischen Eigenschaft der ersten Oberfläche zu einem entsprechenden früheren Zeitpunkt eine aktuelle Temperatur der ersten Oberfläche ermittelt.
System nach Anspruch 35, wobei das Werkstück einen Halbleiterwafer umfasst und die erste Oberfläche eine Schaltkreisseite des Wafers umfasst.
System nach Anspruch 36, das außerdem ein Bestrahlungssystem umfasst, das dazu fähig ist, die Schaltkreisseite des Wafers zu bestrahlen, und wobei das Messgerät und die mindestens eine Prozessorschaltung so ausgebildet sind, dass sie die aktuelle Intensität messen und die aktuelle Temperatur der Schaltkreisseite ermitteln, während die Schaltkreisseite vom Bestrahlungssystem bestrahlt wird.
System nach Anspruch 37, wobei das Bestrahlungssystem dazu fähig ist, die Schaltkreisseite einem Blitzstrahl mit einer geringeren Dauer als die Wärmeleitzeit des Wafers auszusetzen, und wobei das Messgerät und die mindestens eine Prozessorschaltung so ausgebildet sind, dass sie während des Blitzstrahls die aktuelle Intensität messen und die aktuelle Temperatur ermitteln.
System nach Anspruch 38, wobei das Bestrahlungssystem dazu fähig ist, einen Blitzstrahl zu erzeugen, der eine Dauer in der Größenordnung von 10 Millisekunden oder weniger hat.
System nach Anspruch 38, wobei das Bestrahlungssystem dazu fähig ist, einen Blitzstrahl zu erzeugen, der eine Dauer in der Größenordnung von 1 Millisekunde hat.
System nach Anspruch 38, wobei die mindestens eine Prozessorschaltung so ausgebildet ist, dass sie, zu dem früheren Zeitpunkt, die mindestens eine frühere thermische Eigenschaft der ersten Oberfläche ermittelt, wobei die mindestens eine frühere thermische Eigenschaft eine frühere Temperatur der Schaltkreisseite des Wafers unmittelbar vor Beginn des Blitzstrahls umfasst.
System nach Anspruch 41, wobei die mindestens eine frühere thermische Eigenschaft außerdem eine frühere Intensität der von der Schaltkreisseite unmittelbar vor Beginn des Blitzstrahls thermisch emittierten Strahlung umfasst.
System nach Anspruch 35, wobei die mindestens eine Prozessorschaltung so ausgebildet ist, dass sie, zu dem früheren Zeitpunkt, die aktuelle Temperatur der ersten Oberfläche ermittelt anhand der aktuellen Intensität, einer früheren Temperatur der ersten Oberfläche und einer früheren Intensität der von der ersten Oberfläche zu dem Zeitpunkt, zu dem die erste Oberfläche die frühere Temperatur hatte, thermisch emittierten Strahlung.
System nach Anspruch 35, wobei die mindestens eine Prozessorschaltung so ausgebildet ist, dass sie, zu dem früheren Zeitpunkt, die mindestens eine frühere thermische Eigenschaft der ersten Oberfläche ermittelt, wobei die mindestens eine frühere thermische Eigenschaft eine frühere Temperatur der ersten Oberfläche umfasst.
System nach Anspruch 44, wobei die mindestens eine Prozessorschaltung so ausgebildet ist, dass sie die frühere Temperatur der ersten Oberfläche anhand einer früheren Temperatur einer zweiten Oberfläche des Werkstücks ermittelt, die ungleich der früheren Temperatur der ersten Oberfläche ist.
System nach Anspruch 45, wobei die mindestens eine Prozessorschaltung so ausgebildet ist, dass sie die frühere Temperatur der ersten Oberfläche anhand der früheren Temperatur der zweiten Oberfläche und einer Temperaturhistorie des Werkstücks ermittelt.
System nach Anspruch 46, wobei das Werkstück einen Halbleiterwafer umfasst, die erste Oberfläche eine Schaltkreisseite des Wafers umfasst und die zweite Oberfläche eine Substratseite des Wafers umfasst.
System nach Anspruch 46, wobei die mindestens eine Prozessorschaltung so ausgebildet ist, dass sie die frühere Temperatur der zweiten Oberfläche und die Temperaturhistorie dazu verwendet, Einträge in der Nachschlagetabelle zu konsultieren, um die frühere Temperatur der ersten Oberfläche zu ermitteln.
System nach Anspruch 46, wobei die mindestens eine Prozessorschaltung so ausgebildet ist, dass sie, zu dem früheren Zeitpunkt, die frühere Temperatur der zweiten Oberfläche ermittelt.
System nach Anspruch 49, wobei die mindestens eine Prozessorschaltung so ausgebildet ist, dass sie die frühere Temperatur der zweiten Oberfläche anhand einer hemisphärischen Reflexion der zweiten Oberfläche ermittelt.
System nach Anspruch 50, das außerdem ein zweites Messgerät umfasst, das mit der mindestens einen Prozessorschaltung kommuniziert, wobei die mindestens eine Prozessorschaltung so ausgebildet ist, dass sie mit dem zweiten Messgerät kooperiert, um die hemisphärische Reflexion der zweiten Oberfläche zu messen.
System nach Anspruch 51, wobei das zweite Messgerät einen Strahlungsdetektor umfasst, der so ausgebildet ist, dass er Strahlung empfängt, die von der zweiten Oberfläche reflektiert wird, wobei der Detektor weit genug von der zweite Oberfläche positioniert ist, um zu vermeiden, dass anderen Geräten des Systems das Sichtfeld auf die zweite Oberfläche versperrt wird.
System nach Anspruch 51, wobei das zweite Messgerät einen Strahlungsdetektor umfasst, der so ausgebildet ist, dass er Strahlung empfängt, die von der zweiten Oberfläche reflektiert wird, wobei der Detektor in einem Abstand von einem Zentrum der zweiten Oberfläche positioniert ist, der mindestens so groß ist wie die Hälfte der Längsten Abmessung des Werkstücks.
System nach Anspruch 51, wobei das zweite Messgerät einen Detektor umfasst, der so ausgebildet ist, dass er eine gerichtete Reflexion der zweiten Oberfläche misst.
System nach Anspruch 54, wobei die mindestens eine Prozessorschaffung so ausgebildet ist, dass sie eine Streukorrektur auf die gerichtete Reflexion anwendet, um die hemisphärische Reflexion zu erhalten.
System nach Anspruch 51, wobei die mindestens eine Prozessorschaltung so ausgebildet ist, dass sie die frühere Temperatur der zweiten Oberfläche anhand der hemisphärischen Reflexion der zweiten Oberfläche und der von der zweiten Oberfläche thermisch emittierten Strahlung ermittelt.
System nach Anspruch 55, wobei die mindestens eine Prozessorschaltung so ausgebildet ist, dass sie die Streukorrektur entwickelt.
System nach Anspruch 49, wobei die mindestens eine Prozessorschaltung so ausgebildet ist, dass sie wiederholt aufeinander folgende Werte der früheren Temperatur der zweiten Oberfläche zu entsprechenden aufeinander folgenden Zeitpunkten ermittelt und speichert, um die Temperaturhistorie des Werkstücks zu erstellen.
System nach Anspruch 35, wobei die mindestens eine Prozessorschaltung so ausgebildet ist, dass sie wiederholt aufeinander folgende Werte der aktuellen Temperatur der ersten Oberfläche anhand entsprechender aufeinander folgender Werte der aktuellen Intensität der von der ersten Oberfläche thermisch emittierten Strahlung ermittelt.
System nach Anspruch 59, wobei die mindestens eine Prozessorschaffung so ausgebildet ist, dass sie wiederholt die aufeinander folgenden Werte der aktuellen Temperatur der ersten Oberfläche ermittelt, während die erste Oberfläche bestrahlt wird.
System nach Anspruch 59, wobei die mindestens eine Prozessorschaltung so ausgebildet ist, dass sie wiederholt die aufeinander folgenden Werte der aktuellen Temperatur der ersten Oberfläche ermittelt, während die erste Oberfläche einem Blitzstrahl mit einer geringeren Dauer als die Wärmeleitzeit des Werkstücks ausgesetzt ist.
System nach Anspruch 35, wobei das Messgerät so ausgebildet ist, dass es die aktuelle Intensität in einem Wellenlängenband misst, in dem ein auf die erste Oberfläche einfallendes Strahlungsspektrum eine vernachlässigbare Intensität aufweist.
System nach Anspruch 62, das außerdem eine Filtervorrichtung umfasst, die so ausgebildet ist, dass sie das Wellenlängenband aus dem auf die erste Oberfläche einfallenden Strahlungsspektrum entfernt.
System nach Anspruch 63, wobei die Filtervorrichtung ein wassergekühltes Fenster umfasst, das zwischen der ersten Oberfläche und einer Quelle des Strahlungsspektrums angeordnet ist.
System nach Anspruch 54, wobei das Messgerät so ausgebildet ist, dass es die gerichtete Reflexion in einem Lichtwellenlängenband misst, in dem ein auf die zweite Oberfläche einfallendes Heiz-Strahlungsspektrum eine vernachlässigbare Intensität aufweist.
System nach Anspruch 65, das außerdem eine Filtervorrichtung umfasst, die so ausgebildet ist, dass sie das Lichtwellenlängenband aus dem Heiz-Strahlungsspektrum entfernt.
System nach Anspruch 66, wobei die Filtervorrichtung ein wassergekühltes Fenster umfasst, das zwischen der zweiten Oberfläche und einer Quelle des Heiz-Strahlungsspektrums angeordnet ist.
Ein System zur Wärmebehandlung eines Werkstücks, wobei das System das System nach Anspruch 35 und außerdem ein Bestrahlungssystem umfasst, das dazu fähig ist, die erste Oberfläche des Werkstücks dem Einfall eines Blitzstrahls auszusetzen, wobei die mindestens eine Prozessorschaltung so ausgebildet ist, dass sie eine Leistung des Blitzstrahls anhand der aktuellen Temperatur der ersten Oberfläche steuert.
System nach Anspruch 68, wobei die mindestens eine Prozessorschaltung so ausgebildet ist, dass sie Leistung steuert, die an das Bestrahlungssystem geliefert wird, um die Leistung des Blitzstrahls zu steuern.
System nach Anspruch 68, wobei das Bestrahlungssystem eine Vielzahl von Bestrahlungsquellen umfasst, und wobei die mindestens eine Prozessorschaltung so ausgebildet ist, dass sie nur dann eine aus der Vielzahl von Bestrahlungsquellen aktiviert, wenn die aktuelle Temperatur der ersten Oberfläche geringer ist als ein zuvor definierter Grenzwert.
System nach einem der Ansprüche 35, 43 bis 46 und 48 bis 70, wobei das Werkstück einen Halbleiterwafer umfasst und die erste Oberfläche eine Schaltkreisseite des Wafers umfasst.
System nach einem der Ansprüche 35 bis 70, wobei das Messgerät ein Radiometer umfasst.
System nach Anspruch 72, wobei das Radiometer eine Hochgeschwindigkeits-InGaAs-Photodiode umfasst.
System nach einem der Ansprüche 51 bis 57 und 65 bis 67, wobei das zweite Messgerät ein Bildwiedergabegerät umfasst.
System nach Anspruch 74, wobei das Bildwiedergabegerät ein InGaAs-Photodiodenarray umfasst.
Ein System zur Temperaturmessung mit: a) Mitteln zum Messen einer aktuellen Intensität von Strahlung, die von einer ersten Oberfläche eines Werkstücks thermisch emittiert wird; und b) Mittel zum Ermitteln einer aktuellen Temperatur der ersten Oberfläche, anhand der aktuellen Intensität und mindestens einer früheren thermischen Eigenschaft der ersten Oberfläche zu einem entsprechenden früheren Zeitpunkt.
System nach Anspruch 76, das außerdem Mittel zum Ermitteln, zu dem früheren Zeitpunkt, der mindestens einen früheren thermischen Eigenschaft der ersten Oberfläche umfasst, wobei die mindestens eine frühere thermische Eigenschaft eine frühere Temperatur der ersten Oberfläche umfasst.
System nach Anspruch 77, wobei die Mittel zur Ermittlung der früheren Temperatur Mittel zur Ermittlung der früheren Temperatur der ersten Oberfläche anhand einer früheren Temperatur einer zweiten Oberfläche des Werkstücks umfassen, die ungleich der früheren Temperatur der ersten Oberfläche ist.
System nach Anspruch 78, wobei die Mittel zur Ermittlung der früheren Temperatur der ersten Oberfläche Mittel zur Ermittlung der früheren Temperatur der ersten Oberfläche anhand der früheren Temperatur der zweiten Oberfläche und einer Temperaturhistorie der zweiten Oberfläche umfassen.
System nach Anspruch 79, das außerdem Mittel zur Ermittlung, zu dem früheren Zeitpunkt, der früheren Temperatur der zweiten Oberfläche umfasst.
System nach Anspruch 80, wobei die Mittel zur Ermittlung der früheren Temperatur der zweiten Oberfläche Mittel zur Ermittlung der früheren Temperatur der zweiten Oberfläche anhand einer hemisphärischen Reflexion der zweiten Oberfläche umfassen.
System nach Anspruch 81, das außerdem Mittel zum Messen der hemisphärischen Reflexion umfasst.
System nach einem der Ansprüche 76 bis 82, wobei das Werkstück einen Halbleiterwafer umfasst und die erste Oberfläche eine Schaltkreisseite des Wafers umfasst.
Ein System zur Wärmebehandlung eines Werkstücks, wobei dieses System das System nach Anspruch 76 umfasst und außerdem Mittel umfasst zum Steuern einer Leistung eines auf die erste Oberfläche des Werkstücks einfallenden Blitzstrahls anhand der aktuellen Temperatur der ersten Oberfläche.