CN120226133A - 用于原位反射测量的双色镜及短通滤光片 - Google Patents

Abstract

本公开的实施方式大体涉及用于原位膜生长速率监测的装置及系统，且包括用于监测基板上的膜生长的系统，此系统包括光源、准直仪、双色镜，及滤光片，所有这些均沿着传播路径且沿着此传播路径进行光通信。此传播路径在此双色镜处分裂为第一子路径及第二子路径。将此第一子路径引导到高温计，且将此第二子路径引导到光谱仪。

Description

用于原位反射测量的双色镜及短通滤光片

技术领域

本公开的实施方式大体涉及一种用于实时工艺监控的整合有原位反射测量的磊晶腔室。

背景技术

已处理基板的膜厚度测量可与处理操作相关地使用。大体上，在进行处理操作之后，在处理腔室之外进行膜厚度测量，在此处理腔室中对被处理基板进行处理。这种测量确定可能低效及产量降低，因为可能不使用不符合规范的基板，且可能需要进行多次处理迭代才能获得符合规范的测量。

此外，很难在处理腔室内及处理操作期间进行膜厚度测量，因为处理腔室内的处理设备可能会干扰测量设备，从而阻碍测量准确度。例如，加热灯发射的热量可能会干扰测量设备。作为另一实例，在处理期间，处理腔室中的窗口可能在其上积聚材料，干扰测量准确度。

因此，需要改进装置、系统及方法，以便于原位及实时测量操作。

发明内容

本公开的实施方式大体涉及用于半导体处理的实时原位反射测量监测的装置、系统及方法，在将膜沉积在基板上的基板处理操作期间监测基板上的膜的厚度。在进行基板处理操作的同时监测厚度。

在一个实施方式中，一种监测基板上的膜生长的系统，其适用于半导体处理，此系统包含光源，其用于沿着传播路径引导光；准直仪，其沿着此传播路径与此光源光通信；双色镜，其沿着此准直仪与光管之间的此传播路径设置；高温计，其沿着此双色镜下游的第一传播子路径与此双色镜光通信；光谱仪，其沿着此双色镜下游的第二传播子路径与此双色镜光通信；及滤光片，其沿着此光源与此光谱仪之间的此传播路径设置。

在另一实施方式中，一种监测基板上的膜生长的系统，其适用于半导体处理，此系统包含：光源，其设置在传播路径的第一端处；光管，其沿着此传播路径设置且与准直仪光通信；双色镜，其与此光源光通信；高温计，其沿着此双色镜下游的此传播路径的第一传播子路径与此双色镜光通信；光谱仪，其沿着此双色镜下游的此传播路径的第二传播子路径与此双色镜光通信；及滤光片，其沿着此光源与此光谱仪之间的此传播路径设置。

在另一实施方式中，一种监测基板上的膜生长的系统，其适用于半导体处理，此系统包含：处理腔室，此处理腔室包括：基座；预热环，其围绕此基座；及上部窗口；及下部窗口；及原位反射测量系统，其定位在此上部窗口附近，此原位反射测量系统包含：光源，其用于沿着传播路径引导光；准直仪，其沿着此传播路径与此光源光通信；双色镜，其沿着此准直仪与光管之间的此传播路径设置；高温计，其沿着此双色镜下游的第一传播子路径与此双色镜光通信；光谱仪，其沿着此双色镜下游的第二传播子路径与此双色镜光通信；及滤光片，其沿着此光源与此光谱仪之间的此传播路径设置。

附图说明

为了详细理解本公开的上述特征，可参考实施方式对上文简要概述的本公开进行更具体的描述，此些实施方式中的一些在附图中示出。然而，应当注意，附图仅示出了例示性实施方式，且因此不应被认为是对范畴的限制，因为本公开可允许其他同样有效的实施方式。

图1为根据一个实施方式的具有用于处理基板的原位反射测量系统的系统的示意性横截面图。

图2A为根据一个实施方式的图1中所示系统的原位反射测量(In-SituReflectometry,ISR)系统的局部示意性横截面图。

图2B为根据一些实施方式的图1中所示系统的原位反射测量(ISR)系统的局部示意性横截面图。

图3为根据一个实施方式的图1中所示原位反射测量系统的局部横截面图。

图4为根据一个实施方式的短通滤光片接装板的横截面图。

图5为根据一个实施方式的校准原位反射测量基座的方法的示意性框图。

为了便于理解，在可能的情况下，使用相同的附图标记来指示附图中共用的相同元件。可设想，一个实施方式的元件及特征可有利地结合在其他实施方式中而无需进一步阐述。

具体实施方式

本公开的实施方式大体涉及整合原位反射测量的磊晶腔室，用于在诸如磊晶腔室的工艺腔室中使用的实时工艺监测。具体而言，与化学气相沉积(chemicalvapordeposition,CVD)不同，由于在磊晶沉积期间基板表面上的定向交错流所产生的问题，计量学不常用于磊晶腔室中。CVD工艺均匀地垂直于基板的主平面沉积材料，与基于计量的传感器一致，而磊晶沉积使材料垂直于传感器，且在历史上导致实时膜厚度分析的问题。在处理期间，当材料沉积在基板上时，对来自基板的光进行监测。由光谱仪、计算装置及/或其他光测量装置收集及分析光，以便于确定基板性质，诸如薄膜厚度、薄膜沉积速率、薄膜光学性质及/或膜内Ge浓度。可使用一或多个测量装置同时进行多次测量，例如薄膜厚度、薄膜沉积速率及/或基板温度。

图1为根据一个实施方式的用于处理基板的系统101的示意性横截面图。系统101包括工艺腔室100。工艺腔室100可为磊晶沉积腔室，且可用作群集工具的一部分。工艺腔室100用于在诸如基板150的基板上生长磊晶膜。基板具有基板表面，材料在磊晶工艺期间生长或沉积在基板表面上。工艺腔室100在处理期间在基板150的顶表面上产生前体(例如，工艺气体)的交错流。系统101使用被配置为在基板150上进行磊晶沉积操作的工艺腔室100。本公开的各方面及优点可用于其他基板处理操作，诸如在化学气相沉积(CVD)腔室、原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)腔室、物理气相沉积(physicalvapor deposition,PVD)腔室、蚀刻腔室、离子植入腔室、氧化腔室，及/或其他处理腔室中。

工艺腔室100包括上部壳体模块102、下部壳体模块104、腔室主体组件106、基座组件124、下部窗口120，及上部窗口122。上部壳体模块102亦可为盖或处理腔室盖102的一部分。基座组件124设置在基座组件124与下部壳体模块104之间。下部窗口120设置在基座组件124与下部壳体模块104之间。上部窗口122设置在基座组件124与上部壳体模块102之间。

上部壳体模块102设置在基座组件124上方，且被配置为加热设置在基座组件124上的基板，诸如基板150。上部壳体模块102包括上部模块主体126及多个灯孔128，此些灯孔设置成穿过上部模块主体126。此些灯孔128中的每一者包括设置在其中的上部灯130。上部灯130中的每一者均耦合到灯座129。每个灯座129支撑一个上部灯130，且将每个上部灯130电耦合到电源(未示出)。每个灯129以大致垂直定向固定在孔128内。如本文所述，上部灯130的大致垂直定向大致垂直于基座组件124的基板支撑表面。然而，亦考虑其他定向。上部灯130的垂直定向可不必垂直于基板支撑表面，且可相对于基座组件124的基板支撑表面153成约30°至约150°的角度。相对于基板支撑表面153的角度可为约45°至约135°，诸如相对于基板支撑面153的角度为约70°至约110°。

上部壳体模块102包括高温计通道131(例如，光管)。高温计通道131可为位于上部壳体模块102内的中央。上部壳体模块102亦可至少包括预热环(preheat ring,PHR)161、PHR传感器221及PHR传感器通道219(如图2A及图2B所示)，以测量PHR 161上预选试片151(例如由SiC形成)上的膜厚度，此试片可提供关于基板150上的工艺的参考信息。类似的传感器可与用于圆顶应用的高温计结合使用，或者不使用高温计(未示出)来实现以测量基板边缘处的参数。PHR传感器221允许在没有旋转或摆动干扰的情况下使用来自PHR试片151的反射信号，因为PHR 161是静态的。通过提供已知值的参考，基板及已知PHR试片151厚度之间建立的相关性可用于在包括未知图案化基板的多个基板上的制造生产工艺控制。

高温计通道131通过上部模块主体126，自上部模块主体的第一(例如，下部)表面114延伸到上部模块主体126的第二(例如，上部)表面。高温计通道131被配置为允许光在基板150的表面与原位反射测量(ISR)系统185之间行进。PHR传感器通道(如图2A及图2B所示)219穿过上部模块主体126，自上部模块主体的第一表面114延伸到上部模块主体126的第二表面。PHR传感器通道219被配置为允许光229在试片151的表面或基板150的表面与ISR系统185之间行进。来自PHR试片151的反射信号亦可基于硬件整合的适合性以直角或其他可适应的角度定向被引导及收集。ISR系统185包括外壳103，此外壳中容纳一或多个光学元件以便于处理光学信号。

在上部模块主体126的底表面与上部窗口122之间界定上部气室180。将被加热气体供应到上部气室180。被加热气体排气通道142亦设置为穿过上部模块主体126。被加热气体排气通道142耦合到被加热排气泵140。被加热排气泵140自上部气室180中移除气体。

下部壳体模块104设置在基座组件124下方，且被配置为加热设置在基座组件124上的基板150的底侧。下部壳体模块104包括下部模块主体182及多个灯孔186，此些灯孔186设置成穿过下部模块主体182。此些灯孔186中的每一者均包括设置在其中的下部灯188。下部灯188中的每一者均设置在大致垂直定向上，且耦合到灯座184。每个灯座184支撑一个下部灯188，且将每个下部灯188电耦合到电源。如本文所述，下部灯188的大致垂直定向是相对于基座组件124的基板支撑表面153来描述的。可设想，灯定向可不为大致垂直的，诸如相对于基板支撑表面153成约30°至约150°的角度。相对于基板支撑表面153的角度可为约45°至约135°，诸如相对于基板支撑面153的角度为约70°至约110°。

在基板处理操作期间，上部灯130被通电以产生辐射能(例如热)，且将辐射能导向基板150及基座157。在基板处理操作期间，下部灯188被供电以产生向上朝向基板150及基座157的辐射能。

下部灯模块104包括基座轴通道195及高温计通道192。基座组件124的支撑轴155穿过基座轴通道195设置。基座轴通道195设置成居中穿过下部模块主体182。基座轴通道195允许基座组件124的支撑轴155及下部窗口120的部分穿过下部模块主体182。

高温计通道192穿过下部模块主体182设置在基座轴通道195的外侧，以使下部高温计190(诸如扫描高温计)能够测量基板150的底表面或基座组件124的基座157的底表面的温度。下部高温计190设置在下部模块主体182的下方，与高温计通道192相邻。高温计通道192自下部模块主体182的底表面延伸到下部模块主体182的顶表面。

上部腔室空间111为工艺空间110的部分，在此工艺空间中处理基板150且注入一或多种工艺气体。下部腔室空间113为工艺空间110的基板150被装载到基座组件124上(或自基座组件124移除)的部分。上部腔室空间111亦可理解为当基座组件124处于处理位置时位于基座157上方的空间。基座组件124示出在图1中的较低位置(例如，基板150的装载位置)。下部腔室空间113被理解为当基座组件124处于处理位置时位于基座组件124的基座157下方的空间。处理位置为此类位置，其中基板150被设置为与水平面125齐平或在水平面125上方。

上部冷却环118及下部冷却环112设置在腔室主体组件106的相对两侧。上部冷却环118设置在注入环116的顶部上，且被配置为冷却注入环116。下部冷却环112设置在注入环116的下方。上部冷却环118包括设置成穿过其中的冷却剂通道146。通过冷却剂通道146循环的冷却剂可包括水、油或其他流体。下部冷却环112包括设置成穿过其中的冷却剂通道148。通过冷却剂通道148循环的冷却剂类似于通过上部冷却环118的冷却剂通道146循环的冷却剂。上部冷却环118及下部冷却环112可帮助将注入环116固定就位。上部冷却环118可部分地支撑上部灯模块102，而下部冷却环112可部分地支撑下部灯模块104。

使用上部冷却环118及下部冷却环112可降低注入环116的温度，而不需要通过注入环116设置额外的冷却通道。使用上部冷却环118及下部冷却环112降低注入环116的生产成本，此注入环可以比上部冷却环118及下冷却圈112更频繁地更换。本公开考虑到注入环116可包括在其中形成的一或多个附加冷却通道。

一或多个气体注入器108通过喷射环116内的一或多个开口设置，以向工艺空间110提供气体，诸如工艺气体。本公开考虑可通过注入环116设置多个气体注射器。气体注射器可与基板150的X-Y平面成大于约5°的角度定位，诸如与X-Y平面形成大于约10°的角度。每个喷射器流体地耦合到一或多个工艺气体供应源，诸如第一工艺气体供应源及/或第二工艺气体供应源。在一些实施方式中，仅使用第一工艺气体供应源。在其中使用第一工艺气体供应源及第二工艺气体供应源的一些实施方式中，在每个气体注入器内可存在两个气体出口。根据可与其他实施方式相组合的一些实施方式，第一工艺气体供应源为工艺气体，而第二工艺气体供应源为清洗气体。清洗气体可用于清洗工艺空间110中的ISR系统185的特征及/或工艺空间110内的反射计系统的特征。

上部窗口122设置在注入环116与上部壳体模块102之间。上部窗口122为光学透明的窗口，使得由上部灯模块102产生的辐射能可自其中穿过。上部窗口122由石英或玻璃材料形成。上部窗口122为圆顶形状且可被称为上部圆顶，但亦考虑平面窗口。上部窗口122的外边缘形成一或多个周边支撑件172。周边支撑件172比上部窗口122的中心部分厚。周边支撑件172设置在注入环116的顶部上。周边支撑件172连接到上部窗口122的中心部分。周边支撑件172为光学不透明的，且可由不透明石英形成。

下部窗口120设置在基座组件124与下部壳体模块104之间。下部窗口120为光学透明的窗口，使得由下部灯模块104产生的辐射能可自其中穿过。下部窗口120由石英或玻璃材料形成。下部窗口120可为圆顶形状且可被称为下部圆顶，然而亦预期平面下部窗口120。下部窗口120的外边缘形成周边支撑件170。周边支撑件170比下部窗口120的中心部分厚。周边支撑件170连接到下部窗口120的中心部分。

各种衬垫及加热器设置在腔室主体组件106内部及工艺空间110内。如图1所示，有上部衬垫156及下部衬垫154设置在腔室主体组件106内。上部衬垫156设置在下部衬垫154上方且在注入环116的内部。上部衬垫156及下部衬垫154被配置为耦合在一起及/或上部衬垫156被支撑在下部衬垫154上。上部衬垫156及下部衬垫154被配置为将注入环116的内表面与工艺空间110内的工艺气体遮蔽开。上部衬垫156及下部衬垫154进一步用于减少自工艺空间110到注入环116的热损失。减少的热损失提高了基板150的加热均匀性，且能够在处理操作(例如，磊晶沉积操作)期间在基板150上进行更均匀的沉积。预热环(PHR)161被支撑在下部衬垫154的凸部160上。PHR 161及基板的边缘位于工艺空间110的径向向外区域内。

上部加热器158及下部加热器152亦设置在腔室主体组件106及工艺空间110内。如图1所示，上部加热器158设置在上部衬垫156与注入环116之间，而下部加热器152设置在下部衬垫154之间。上部加热器158及下部加热器152两者均设置在腔室主体组件106的内部，以在基板150位于工艺腔室100内时能够更均匀地加热基板150。上部加热器158及下部加热器152减少腔室主体组件106的壁的热损失，且在工艺空间110周围产生更均匀的温度分布。上部加热器158及下部加热器152两者均可被配置为具有流过其中的被加热流体，或可为电阻加热器。上部加热器158及下部加热器152进一步成形为适应穿过注入环116的开口，诸如基板装载埠。

基座组件124设置在工艺空间110内，且被配置为在处理期间支撑基板150。控制器196被配置为在基板处理操作期间旋转基座组件124及基板150。基座组件124包括用于支撑基板150的平面基板支撑表面153及延伸穿过下部窗口120的部分及下部灯模块104的轴155。基座组件124耦合到移动组件194。移动组件194包括例如一或多个电动机或致动器。移动组件194耦合到控制器196，用于至少引起围绕中心轴线A的旋转(步进或连续)、基座组件124的垂直移动、基座组件的角度倾斜或其他移动。控制器196可向光谱仪报告基座组件124的特性，且可至少指示光源244闪光。根据一些实施方式，旋转组件控制器196可接收且存储数据。

图2A为根据一些实施方式的图1中所示系统101的ISR系统185的局部示意性横截面图。ISR系统185还包括光源244、准直仪215、传感器245、高温计207、一或多个预热环传感器221(示出了两个)，及耦合到上部壳体模块102或设置在上部壳体模块102上方的双色镜205。ISR系统185便于测量基板150(及/或设置在其上的薄膜)的一或多个性质。实例性质包括温度、薄膜生长速率、薄膜厚度、薄膜光学性质及/或膜内Ge浓度。

光源244被配置为产生光241。例如，光源244可为能够产生全光谱或部分光谱光的闪光灯。在一个实例中，所产生的光谱的波长在约200nm至约4微米之间，诸如200nm至约800nm及/或3微米至4微米。全光谱光允许大范围的光信号用于分析，然而在其他实施方式中，光源可被限制为特定波长的光或特定范围的光波长以完成分析。光源244可由控制器196控制。光源244与准直仪215光通信，且基于控制器196的指令将光241引导到准直仪215。光通信包括由光纤电缆连接，但亦考虑其他光传输模式。来自光源244的光的行进路径可被称为传播路径。准直光243离开准直仪215，且行进通过高温计通道131。高温计通道131可由能够透射预定波长的光的任何材料制成，例如，蓝宝石。高温计通道131将准直光243引导到基板150(或其上的薄膜)的表面，以便于测量基板150(或其上的薄膜)的一或多个性质。除了基板150的测量之外，或作为基板150的替代，考虑可测量基座表面、PHR 161上的试片表面(或其他表面)。例如，可测量基板、基座表面或试片表面，以建立用于摆动校准度量的初始数据集。如本文所使用的，薄膜及基板或试片可互换使用，除非说明书明确排除一者或另一者。

准直光243自目标测量表面(诸如基板150)反射，且作为反射光227反射回来。反射光227通过高温计通道131返回。反射光227离开高温计通道131且沿着反射光227的行进路径行进到与高温计通路131对准的双色镜205。根据一些实施方式，双色镜205为具有电介质涂层的透明材料。电介质涂层可包括但不限于氟化镁、五氧化二钽及二氧化钛。双色镜205将某些波长的光反射出去，但允许其他特定选择的波长通过。引导至传感器245的波长范围可在约100nm与约1000nm之间，诸如在200nm与800nm的范围内、诸如在200nm与400nm的范围内，及诸如在400nm与800nm的范围内。双色镜205通过将第一期望范围的光引导到一个传感器而使得能够利用多个基于光的传感器，而剩余的光波长被发送到至少另一个传感器。因此，ISR系统185提供了紧凑的测量系统，允许在更小的占地面积中包括更多的传感器。双色镜205被布置或定向为入射角A1在约30°与约60°之间，诸如在35°与55°的范围内，平面接近垂直于高温计通道131的纵轴。然而，亦考虑其他入射角。

根据图2A，自双色镜205反射的光沿着光路211传输到高温计207。根据一些实施方式，只有在约1.0μm与约6.0μm之间，诸如在约3.0μm与约4.0μm之间的光波长沿着光路211行进到高温计207。如上所述，双色镜205的性质被选择为透射或反射指定波长范围内的光。允许经过双色镜205的光247由准直仪215准直。准直光213被引导到传感器245。例如，传感器245可为光谱仪，即被配置为测量波长解析强度的光谱仪。传感器245可另外包括光栅、光学透镜、滤光片421及/或线性阵列光电二极管检测器。滤光片421可为用于限制来自灯128的噪声的短通滤光片，或为介电滤光片。介电滤光片包括能够防止特定波长的光通过的任何基于薄膜的滤光片。虽然滤光片421被描述为传感器245的部分，但设想滤光片可位于其他位置。例如，滤光片421可为双色镜205的部分。滤光片421被配置为仅允许特定波长的光通过。在一个实例中，滤光片421仅允许波长低于550nm的光通过，以减轻来自处理腔室的灯的光信号噪声，从而提高测量准确度。可设想，可将滤光片421放置在任何光路中，此光路包括自基板150反射的光(例如，反射光227，反射到传感器245)(例如，来自双色镜205的反射光247)(例如，准直光243)。在一个实例中，滤光片421为传感器245的整体部件，但在其他实例中，滤光片421为传感器245的独立部件。根据一些实施方式，滤光片421不包括在路径中，从而降低了ISR系统185的成本、复杂性及占地面积。应当注意，虽然本文描述的实施方式可包括滤光片421及/或双色镜205，但滤光片421及镜205两者均为可选的，且可自本文描述的任何实施方式或实施方式中排除，因为在没有其的情况下可获得益处。

高温计207、一或多个PHR传感器221及传感器245可连接到控制器196，以便于其控制及/或操作。控制器196可存储信息、数据、算法或其他控制参数，用于执行本文所述的动作。控制器196包括中央处理单元(central processing unit,CPU)、含有指令的内存，及用于CPU的支持电路。控制器196直接或通过其他计算机及/或控制器来控制各种项目。在一或多个实施方式中，控制器196通信地耦合到专用控制器，且控制器196用作中央控制器。

控制器196包括用于控制各种基板处理腔室及设备的计算机处理器(例如，CPU)，以及其上或其中的子处理器。内存或非暂时性计算机可读介质为随机存取内存(randomaccess memory,RAM)、动态随机存取内存(dynamic random access memory,DRAM)、静态RAM(static RAM,SRAM)，及同步动态RAM(synchronous dynamic RAM,SDRAM(例如，DDR1、DDR2、DDR3、DDR3L、LPDDR3、DDR4、LPDDR4，及其类似者)、只读内存(read only memory,ROM)、软盘、硬盘、快闪驱动器，或任何其他形式的局部或远程数字存储器中的一或多者。控制器196的支持电路被耦合到用于支持CPU的CPU。支持电路包括高速缓冲存储器、电源、频率电路、输入/输出电路系统及子系统，及其类似者。操作参数及指令作为软件例程存储在内存中，此软件例程被执行或调用以将控制器196变成专用控制器以控制本文描述的系统101的操作。控制器196被配置为进行本文所述的任何操作。存储在内存上的指令在被执行时使得进行本文所述的一或多个操作。

ISR系统185可视情况包括一或多个PHR传感器221，其被定位以接收指示系统101的预热环性质的数据。每个PHR传感器221被配置为与PHR传感器通道219成直线(例如，垂直地及/或光学地对准)。PHR传感器221为光谱仪或多通道光谱仪的通道，其被配置为测量预热环(PHR)的性质，诸如PHR 161(如图1所示)。在一个实例中，每个PHR传感器221被配置为读取PHR 161内或上的参考材料，以用作膜厚度参考。例如，参考材料可为具有已知性质的结晶试片。每个PHR传感器通道219在上部模块主体126的底表面与上表面之间延伸。在此类实例中，PHR传感器通道垂直对准(及/或指向)PHR 161(如图1所示)。PHR传感器通道219在其上端及下端可由能够透射光229的材料(诸如石英或蓝宝石)密封。在另一实施方式中，每个PHR传感器通道219包括设置在其上的光纤电缆。可设想，类似于PHR传感器221的传感器可在系统101上单独或结合高温计来分析基板边缘，以测量薄膜厚度及基板边缘的其他性质以及表面的温度。

此外，由于基板150的周边接近预热环161，预热环传感器221允许估计基板150周边的膜厚度。因此，当在处理期间在预热环161上发生沉积时，预热环传感器221可确定预热环传感器上的膜的厚度。此厚度是对基板150边缘处的沉积膜厚度的估计。因此，使用通过高温计通道131的测量，可确定基板150中心处的膜厚度，同时使用来自环形传感器221的测量，可确定基板150边缘处的膜厚度。因此，可确定沉积膜的中心到边缘的均匀性，且若需要，可原位校正。可设想，可通过在沉积工艺期间改变一或多个处理参数来校正中心到边缘的均匀性。若在系统101上使用类似于PHR传感器221的传感器来观察基板边缘位置，则亦可直接测量基板150的边缘膜厚度。

在处理期间，来自光源244的光用于确定膜厚度及/或膜厚度沉积速率。光自光源244(例如由光纤电缆)被引导到准直仪215。准直仪215将光导向待测量的表面(例如，基板150)。光作为反射光自此表面反射。来自基板150的测量表面的反射光有助于测量膜厚度(膜厚度生长速率及/或膜成分浓度，诸如Ge)。被反射信号行进返回双色镜且被分裂成多个路径(例如，传播子路径)。第一传播子路径引导反射光到高温计207，而第二传播子路径将反射光引导到准直仪215，且接着引导到传感器245。分析由传感器245收集的光强度的真实反射率，将其与膜模型进行比较，例如使用非线性拟合方程式或其他经验推导的方程式(菲涅耳方程式)来确定膜厚度。

在一个实例中，通过获得多个膜厚度的各种膜的预定波长的光的吸收/反射数据，根据经验推导出膜厚度模型。数据可在工艺条件下收集，此等工艺条件近似于用于处理未来基板的预定工艺配方的彼等工艺条件，诸如将使用模型的工艺配方。接着将数据拟合到方程式，诸如非线性方程式。分析传感器245接收的光的强度(例如，自测量试样反射的光的真实反射率)，且拟合经验推导的方程式以确定膜厚度。换言之，自基板150表面反射的光量随着基板150表面上的膜的厚度的改变而改变。此数据及/或方程式亦可考虑膜的其他光学性质，诸如折射率及消光系数，以提高测量准确度。在一个实例中，膜厚度模型是自美国专利第10,281,261号中使用的装置及/或方法中导出的，此专利通过引用并入本文。

图2B为根据一些实施方式的图1中所示系统的局部示意性横截面图。图2B与图2A相似，然而，高温计207接收穿过双色镜205的光211，且准直仪215接收自双色镜205反射的光247。准直仪215接着可使来自双色镜205的光247准直。传感器245接着可接收准直光213。根据可与其他实施方式组合的一些实施方式，准直仪215可在双色镜205之前接收且准直来自基板的反射光227。在此类实施方式中，双色镜205接收准直光。如图2B所示，高温计207位于镜外壳103的上方，且反射光227具有到高温计207的较短路径。

准直光213的测量光强度用于确定沉积在基板150表面上的膜的膜厚度及/或生长速率。例如，取决于被测量的特定材料的组成及光学性质，较低的光强度可指示较大的膜厚度(因为吸收了更多的光)，而较高的光强度可指示较小的膜厚度(因为反射了更多的光)，或反之亦然。

基板150表面上的沉积膜的厚度影响传感器245接收的准直光213的光强度，使得光强度的变化可表示基板150表面的沉积膜的厚度的变化。在一或多个实例中，可对返回准直光213的测量光谱进行滤光，以提供指示仅在选定波长范围内的测量光强度的值。此波长范围是有益的，因为来自灯(例如上部灯130)的辐射被滤掉以提高传感器245处的测量准确度。光学滤光片421可用于阻挡反射光227的部分，此反射光的部分包括波长在所选波长范围之外的光。例如，当来自上部灯130(或其他灯)的光被引导到高温计通道131中时，诸如通过自一或多个内部腔室表面反射而发生这种情况。无意的光可能以其他方式影响传感器245处的测量结果，且因此，滤光无意的波长提高了测量准确度。在一或多个实例中，所选择的波长范围可排除红外光，以便减少背景红外线灯辐射的影响。在一个非限制性实例中，由光源244产生的波长范围为在约200nm至约780nm的范围内的波长的光，诸如约200nm至约500nm，或200nm至约400nm，或约500nm至约700nm。上部灯130(或腔室内的其他灯)，但可为红外线灯。在此类实例中，滤光片421滤光(限制通过)红外波长范围(IR-A、IR-B及/或IR-C)中的光，诸如具有780nm至1.3微米波长的光。因此，传感器245仅接收自光源244产生的光，从而提高了自基板150的表面反射的光的测量准确度。在另一实例中，滤光片421滤光500nm或更大的光，诸如550nm或更大的光，因为在高温(例如，200摄氏度及以上，诸如600摄氏度及以下)下的信号劣化开始在500nm至550nm的范围内发生，且劣化在其以上的波长处发生。本文公开的实施方式减少了来自红外线灯辐射的干扰，这增加了光传感器245的信噪比以用于更精确的膜生长测量。

传感器245用于在工艺腔室100中原位监测膜生长速率，且在基板处理期间实时监测。与习知方法相比，原位监测提高了产量，因为不需要自工艺腔室中移除基板即可进行厚度测量。在可与其他实例组合的一个实例中，在整个基板处理过程中连续地或在整个基板处理过程中以预定间隔监测返回准直光213的光强度。一旦达到所需的膜厚度，就停止沉积工艺。接着可将基板150自工艺腔室100移除，或可根据工艺配方在工艺腔室100内进行进一步处理。

图3为根据一种实施方式的图1中所示ISR系统185的局部横截面图。镜壳体103包括耦合到侧壁396的顶板395。顶板395包括邻近准直仪215的孔397，而侧壁396包括在其中邻近高温计207的孔398。高温计207及准直仪215耦合到镜壳体103。镜壳体103由诸如含铝合金或钢的金属合金制成，且在其中容纳双色镜205。镜壳体103耦合到冷却板375。冷却板375被设计成将镜壳体103保持在预定温度，以提高镜壳体103及其部件的寿命。另外或可替换地，在双色镜205在不同温度下具有不同光学性质的情况下，冷却板375将双色镜205保持在预定光学性质的温度范围内。冷却板375包括形成在其中的一或多个冷却剂通道399，此等冷却剂通道耦合到冷却系统。冷却板375亦由金属合金制成，诸如含铝合金或钢。冷却板375包括在其中邻近高温计通道131形成的孔363。冷却板375位于镜壳体103与上部壳体模块102之间，以减少自上部壳体模块102到镜壳体103的热传递。镜壳体103可包括设置在其中用于支撑双色镜205的镜接装板379。镜接装板379将双色镜205保持在预定定向及位置，诸如入射角A1(如图2A所示)。在一个实例中，镜接装板379耦合到镜壳体103，但亦考虑其他支撑配置。镜接装板379有利于双色镜205的正确定位，而不会阻碍光的传播路径。此外，镜接装板379便于容易地移除双色镜205以进行更换或清洗。

图4为根据一个实施方式的镜接装板379的横截面图。镜接装板379由金属、陶瓷或聚合物材料形成，包括邻近孔401形成在其中的凹部403。双色镜205设置在凹部403中，且由粘合剂、机械配合或诸如凸片的机械紧固件固定。凹部403可以与镜接装板379的第一表面405成角度A2倾斜。角度A2可用于双色镜205的精细调节。角度A2可相对于第一表面405为约0°至约10°，诸如相对于第一表面405约0.1°至约5°的角度。

可设想，类似于接装板379的接装板亦可用于在光源244产生的光的传播路径内支撑滤光片421。在此类实例中，滤光片可为圆形光学元件，其被配置为对选定波长的光进行滤光(移除)。类似地，用于滤光片的接装板有助于改进滤光片421的定位，以及改进滤光片421的移除，用于更换或清洗。

图5为校准基座组件124旋转的方法500的示意性框图。基座组件124包括基座157。图1及图2A描述了方法500，以便于解释，但可设想，方法500可与图1的系统101以外的系统一起使用。被进一步考虑，控制器196可指示或以其他方式控制方法500的一或多个方面。方法500在使用原位反射测量的同时考虑到基座157的摆动。例如，在处理期间，基座组件124(如图1所示)及因此其上的基板150在处理期间旋转，以便于均匀沉积。然而，由于机械容限或其他因素，基座组件124围绕支撑轴155的纵向(例如，中心)轴线摆动。在旋转期间，支撑轴155的摆动引起基座157及其上基板150的平面内摆动。平面内摆动无意中改变了系统内的传感器(例如，传感器245、高温计207及预热环传感器221)与被测试样(例如，基板150及预热环161及/或其上的试片)之间的传播路径的距离。传播路径的距离的变化可能影响测量准确度，且因此影响膜厚度测量准确度。然而，方法500减轻了由于基座组件124的摆动而降低的测量准确度。

方法500利用参考基板来确定及解释摆动。方法500开始于操作502，其中旋转基座组件124及其上参考基板。参考基板为具有已知物理性质的基板，诸如表面反射率及光学性质，例如折射率及消光系数。控制器196使基座组件124以连续或逐步的方式旋转。

在操作504中，光源244沿着传播路径将光引导到参考基板的表面。来自光源244的光以已知的强度及波长(或波长范围)提供，诸如由传感器245测量的范围或波长。来自光源244的光以基座组件124的规定角位置提供。操作504亦包括记录在从光源244提供光时基座组件124的角位置。因此，基座组件124的角位置与用于测量参考基板的光之间的关联可稍后导出，如下所述。可设想，来自光源244的光可由控制器指令触发，或响应于实体触发器(例如，接触开关)触发。

基座组件124的角位置可通过使用已知角位置的致动器(例如，使用步进编码器)旋转基座组件124来确定。另外或替代地，基座组件124的角位置可使用光学信号来确定。在此类实例中，基座组件124的轴155可包括在其部分上的反射器。当轴155旋转时，可由传感器向反射器提供光信号且自反射器接收光信号，以确定轴155的角位置。可设想，可使用确定角位置的其他方法，例如使用具有已知角距离的步长的步进电动机。在另一实例中，基座组件124可以恒定的指定速率旋转，同时阶段式编码器向控制器196提供与基座组件124的角位置相关的数据。控制器196使得来自光源244的光以预定间隔被引导到基板，且控制器196将由传感器245收集的每个数据光谱与基座组件124的已知角位置相关联。在此类实例中，可省略用于启动来自光源244的光的传播的触发器，从而简化硬件且降低成本。

操作506包括收集来自参考基板的反射光227。诸如光谱仪的传感器245接收反射光227。传感器将接收到的光转换为光谱数据。在操作508中，传感器245将光谱数据发送到控制器196。在操作510中，控制器196将接收到的光谱数据与基座组件124的角位置相关联。因为参考基板的厚度是已知的，所以不一致的光谱数据(例如，显示出偏离参考基板的已知值的厚度变化)可归因于基座组件124的摆动。控制器196可确定用于基座组件124的每个角位置的校正因子，以考虑摆动。因此，当传感器245在非参考基板的处理期间接收数据时，校正因子被应用于接收到的测量，以考虑由旋转构件引起的基板摆动及变化，从而提高膜厚度测量的准确度。

在操作512中，角位置与光谱数据的组合用于创建数据集，作为原位反射测量的参考。此数据集被存储在控制器196中。可设想，可以预定间隔更新数据集，诸如在系统101中执行预防性维护。在某些方面，可应用机器学习或人工智能来改进数据集的收集及应用，以达成改进薄膜测量。

本公开设想方法500的操作502-512可重复一或多次，以改进数据的收集及应用，此数据将基座组件124的角位置与接收到的光信号相关联。根据可与其他实施方式相组合的一些实施方式，对第二基板(诸如不同的参考基板)重复操作502-512，以确认及/或进一步细化先前确定的校正因子。

在基板处理期间，传感器245的每次测量均会根据上述方法进行校正。另外或可替换地，在基板处理期间可采用其他方法来考虑基座组件的摆动。在一个实例中，在相同的指定角位置进行测量，且仅在此角位置进行，从而提高一致性。在又一实例中，可对测量值进行平均，或在又一实施方式中，可绘制测量值，且可应用趋势线或其他函数，以考虑由于摆动引起的偏差。在摆动产生正弦曲线的情况下，对于光谱中的每个波长，可将余弦函数拟合到数据中，其中：

A＝振幅、f＝频率(Hz)、R_ave＝平均信号水平。

在其他实例中，考虑自基板的处理中省略方法500。在此类实例中，可不应用对摆动的校正。在其他实例中，测量可被归一化，以减少可归因于至少由旋转、机械加工容限、制造限制、材料性质、系统磨损及其他可能的误差源引起的移动的问题的误差。

500的操作亦可由算法来完成，利用时间来确定基座组件124的角位置。在一些实施方式中，可修整现有工艺腔室的操作，其中两个控制器用于操作传感器245以测量基座157的角位置。基座157的角位置可由位置传感器或由使用变量(例如时间)的计算机算法来确定。

本公开的益处包括原位及实时膜生长测量操作、精确的膜生长监测、增加的信噪比、使用减少的光波长、增加的测量分辨率、增加的效率及产量、减少的机器停机时间，及降低的成本。确定膜厚度或生长速率包括在一或多个时间间隔上测量反射光的多个光强度值。此些光强度值与基于菲涅耳电磁波反射方程式的参考数据或实体模型相关联，以确定一或多个时间间隔上的生长速率。生长速率可对应于跨越一或多个时间间隔的光强度的变化。可使用一定时间间隔的生长速率来确定膜厚度。膜厚度数据可用于改进处理。例如，若生长速率过高或过低，则可调整一或多个工艺参数以将生长速率校正为目标生长速率。一或多个工艺参数可包括：工艺气体的流动速率、供应到上部灯及/或下部灯的功率、基板的处理温度、进行基板处理操作的操作时间，及/或工艺空间110中的处理压力。

可设想，可组合本文公开的一或多个方面。例如，可组合系统101、工艺腔室100及ISR系统185的一或多个方面、特征、部件及/或性质。此外，可设想，本文公开的一或多个方面可包括上述益处中的一些或全部。

除了监测膜生长速率、膜厚度、膜成分浓度及温度外，还考虑本公开的各方面可用于监测膜成分。例如，在SiGe膜内，折射率及消光系数随着锗浓度的变化而变化。因此，由传感器245测量的消光系数的折射率的变化可指示在SiGe形成期间膜组成的变化。一旦确定，可调整工艺条件以促进所需的膜成分。虽然此具体实施方式涉及SiGe膜描述的，但可设想，本公开的各方面亦可应用于其他成分的其他膜。

本公开获得了意想不到的结果，因为我们认为，在处理腔室的工艺空间110中的处理期间测量膜生长将涉及由于使用上部圆顶及下圆顶及/或自灯照射的光来加热基板而导致的不准确性。本公开实现了与在基板被处理且自工艺腔室移除之后进行基板上膜测量的操作相比的上述益处。

本公开考虑诸如“耦合(coupling/couple/coupled)”的术语可包括但不限于焊接、过盈配合及/或紧固，诸如通过使用螺栓、螺纹连接、销及/或螺钉。本公开考虑诸如“耦合(couples/coupling/couple/coupled)”的术语可包括但不限于一体形成。本公开考虑诸如“耦合(couples/coupling/couple/coupled)”的术语可包括但不限于直接耦合及/或间接耦合。本公开考虑诸如“耦合(couples/coupling/couple/coupled)”的术语可包括诸如电耦合及/或流体耦合的可操作耦合。

本公开考虑诸如“发送(send/sending)”、“传输”、“引导”及“反射”光的术语可包括但不限于入射光、准直光、光缆中的光、光纤中的光、全光谱光，及/或具有滤波波长的光。本公开考虑诸如“透明”及/或“不透明”的术语可包括但不限于允许光完全及/或部分穿过的材料的特性。

虽然上述内容涉及本公开的实施方式，但在不脱离其基本范畴的情况下，可设计本公开的其他及进一步实施方式。本公开亦考虑本文所描述的实施方式的一或多个方面可替代所描述的其他方面中的一或多者。本公开的范畴由以下发明权利要求书来确定。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种基板处理系统，包含：

处理腔室，所述处理腔室包含基座组件以支撑基板；

高温计；

传感器；及

双色镜，所述双色镜用于接收来自所述基板的光并将所述光分裂成到所述高温计的第一子路径和到所述传感器的第二子路径。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述传感器是光谱仪。

3.如权利要求1所述的系统，所述系统还包含：

光源，所述光源用于产生被引导至所述基板并被反射为反射光的光，并且其中由所述双色镜接收的所述光包括所述反射光。

4.如权利要求3所述的系统，所述系统还包含：

反射计系统，所述反射计系统包含所述光源、高温计、传感器和双色镜，并且

其中所述处理腔室包含具有多个灯的上部模块，并且所述反射计系统耦合至所述上部模块。

5.如权利要求3所述的系统，所述系统还包含与所述光源光通信的准直仪。

6.如权利要求3所述的系统，其中由所述光源产生的所述光包含在200nm至800nm之间的波长。

7.如权利要求1所述的系统，所述系统还包含滤光片，所述滤光片包含防止大于约500nm的波长的透射的介电材料，其中

所述双色镜被配置为朝向所述传感器引导在约200nm与约800nm之间的光波长，并且

所述双色镜被配置为朝向所述高温计引导在约1.0μm与约6.0μm之间的光波长。

8.一种用于监测基板的一或多个性质的系统，所述系统适用于半导体处理，所述系统包含：

光源，所述光源设置在传播路径的第一端处；

光管，所述光管沿着所述传播路径设置；

双色镜，所述双色镜与所述光源光通信；及

传感器，所述传感器沿着所述双色镜下游的所述传播路径的第一传播子路径与所述双色镜光通信。

9.如权利要求8所述的系统，所述系统还包含高温计，所述高温计沿着所述双色镜下游的所述传播路径的第二传播子路径与所述双色镜光通信，其中所述第二传播子路径为自所述双色镜反射到所述高温计的光路，且所述第一传播子路径为穿过所述双色镜到达所述传感器的光路。

10.如权利要求8所述的系统，其中所述光源为闪光灯，且所述双色镜被配置为沿着所述第一传播子路径引导在约200nm与约800nm之间的光波长。

11.如权利要求8所述的系统，其中所述双色镜沿着所述传播路径以约40°与约50°之间的入射角设置。

12.如权利要求9所述的系统，其中所述双色镜被配置为沿着所述第二传播子路径引导在约3.0μm与约4.0μm之间的光波长。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述双色镜被配置为沿着所述第一传播子路径引导在约200nm与约800nm之间的波长。

14.如权利要求8所述的系统，所述系统还包含支撑所述双色镜的接装板，其中所述接装板将所述双色镜沿着所述传播路径以约40°与约50°之间的入射角设置。

15.如权利要求8所述的系统，所述系统还包含：

镜壳体，其中所述镜壳体耦合到冷却板。

16.一种在半导体制造操作期间监测基板的一或多个性质的方法，所述方法包含：

在处理腔室中处理所述基板；

在双色镜处接收来自所述基板的光；及

由所述双色镜将所述光分裂成沿着第一子路径到高温计和沿着第二子路径到传感器。

17.如权利要求16所述的引导光的方法，其中从所述双色镜到所述传感器的所述光的波长在约200nm与约800nm之间，且从所述双色镜到所述高温计的所述光的波长为从约3.0μm至约4.0μm。

18.如权利要求16所述的引导光的方法，所述方法还包含滤光大于约550nm的所述光的波长。

19.如权利要求16所述的引导光的方法，其中所述光通过设置在所述处理腔室的盖中的光管进入所述处理腔室且所述光通过所述光管离开所述处理腔室。

20.如权利要求16所述的引导光的方法，所述方法还包含使从所述双色镜接收的所述光准直。

Claims (20)

1.一种用于监测基板上的膜生长的系统，所述系统适用于半导体处理，所述系统包含：

光源，所述光源用于沿着传播路径引导光；

准直仪，所述准直仪沿着所述传播路径与所述光源光通信；

双色镜，所述双色镜沿着所述准直仪与光管之间的所述传播路径设置；

高温计，所述高温计沿着所述双色镜下游的第一传播子路径与所述双色镜光通信；

光谱仪，所述光谱仪沿着所述双色镜下游的第二传播子路径与所述双色镜光通信；及

滤光片，所述滤光片用于滤光预定范围内的光的波长，所述滤光片沿着所述光源与所述光谱仪之间的所述传播路径设置。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述滤光片沿着所述双色镜与所述光谱仪之间的所述传播路径设置。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述滤光片包含被选择以防止大于约500nm的波长的透射的介电材料。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述准直仪沿着所述光源与所述双色镜之间的所述传播路径设置。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述准直仪沿着所述双色镜与所述光谱仪之间的所述传播路径设置。

6.一种用于监测基板上的膜生长的系统，所述系统适用于半导体处理，所述系统包含：

光源，所述光源设置在传播路径的第一端处；

光管，所述光管沿着所述传播路径设置且与准直仪光通信；

双色镜，所述双色镜与所述光源光通信；

高温计，所述高温计沿着所述双色镜下游的所述传播路径的第一传播子路径与所述双色镜光通信；

光谱仪，所述光谱仪沿着所述双色镜下游的所述传播路径的第二传播子路径与所述双色镜光通信；及

滤光片，所述滤光片沿着所述光源与所述光谱仪之间的所述传播路径设置。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述光源为闪光灯。

8.如权利要求6所述的系统，其中所述第一传播子路径为自所述双色镜反射到所述高温计的光路，且所述第二传播子路径为穿过所述双色镜到达所述光谱仪的光路。

9.如权利要求6所述的系统，其中所述双色镜被配置为沿着所述第二传播子路径引导在约200nm与约800nm之间的光波长。

10.如权利要求6所述的系统，其中所述双色镜沿着所述传播路径以约40°与约50°之间的入射角设置。

11.如权利要求6所述的系统，其中所述双色镜被配置为沿着所述第一传播子路径引导在约3.0μm与约4.0μm之间的光波长。

12.如权利要求11所述的系统，其中所述双色镜被配置为沿着所述第二传播子路径引导约200nm与约800nm之间的波长。

13.如权利要求6所述的系统，其中所述滤光片包含仅允许波长低于550nm的光通过的介电涂层。

14.如权利要求6所述的系统，所述系统还包含：

镜壳体，其中所述镜壳体耦合到冷却板。

15.一种用于监测基板上的膜生长的系统，所述系统适用于半导体处理，所述系统包含：

处理腔室，所述处理腔室包括：

基座；

预热环，所述预热环围绕所述基座；及

上部窗口；及

下部窗口；及

原位反射测量系统，所述原位反射测量系统定位在所述上部窗口附近，所述原位反射测量系统包含：

光源，所述光源用于沿着传播路径引导光；

准直仪，所述准直仪沿着所述传播路径与所述光源光通信；

双色镜，所述双色镜沿着所述准直仪与光管之间的所述传播路径设置；

高温计，所述高温计沿着所述双色镜下游的第一传播子路径与所述双色镜光通信；

光谱仪，所述光谱仪沿着所述双色镜下游的第二传播子路径与所述双色镜光通信；及

滤光片，所述滤光片沿着所述光源与所述光谱仪之间的所述传播路径设置。

16.如权利要求15所述的系统，所述系统还包含支撑所述双色镜的接装板，其中所述接装板将所述双色镜沿着所述传播路径以约40°与约50°之间的入射角设置。

17.如权利要求15所述的系统，其中所述第一传播子路径用于由所述双色镜反射到所述高温计的光，且所述第二传播子路径用于穿过所述双色镜到达所述光谱仪的光。

18.如权利要求15所述的系统，其中所述滤光片防止大于约550nm的波长的透射。

19.如权利要求15所述的系统，其中所述双色镜被配置为沿着所述第一传播子路径引导约3.0μm与约4.0μm之间的波长。

20.如权利要求19所述的系统，其中所述双色镜被配置为沿着所述第二传播子路径引导约200nm与约800nm之间的波长。