CN1663039A - 在热处理室中用于校准温度测量装置的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种在热处理室中校准温度测量装置(10)如高温计的方法和系统。根据本发明，该系统包括将光能(23)发射到容纳在热处理室(14)中的衬底上的校准光源。而后，光探测器(42)探测透过该衬底的光线数量。然后，将探测的光能量用于校准在该系统中使用的温度测量装置(27)。

Description

在热处理室中用于校准温度测量装置的系统和方法

背景技术

在此使用的热处理室涉及一种快速地加热物体(如半导体晶片)的装置。这种装置通常包括支撑一个或多个半导体晶片的衬底支架，以及加热该晶片的能量源，如加热灯和/或电阻加热器。在热处理期间，半导体晶片在根据预设的温度状况受控的条件下加热。

许多半导体加热处理需要将晶片加热至高温，这样，当该晶片加工到装置中时可以发生各种化学和物理变化。例如在快速热处理期间，通常在几分钟以内，半导体晶片通常由一列灯从300℃左右加热到1200℃左右的温度。在这些处理期间，一个主要的目的是尽可能均匀地加热晶片。

在半导体晶片快速热处理期间，需要监视和控制晶片温度。特别地，对所有当前和可预见的高温晶片处理来说，重点在于高精确，高可重复性及高速地确定晶片的真实温度。精确地测量晶片的温度的能力直接决定制造的集成电路的质量和尺寸。

晶片加热系统中的最重要的挑战之一是在热处理期间能够精确地测量衬底的温度。过去，已经研发出在热处理室中测量衬底温度的各种方法和装置。这样的装置包括，例如，高温计，直接接触衬底或邻近衬底的热电偶，以及激光干涉的使用。

为了在热处理室中使用高温计，通常需要校准高温计。因此，通常存在将高温计的温度读数与绝对的和精确的温度基准(temperature reference)对准的不同的校准过程。在热处理室中校准高温计的技术的当前状态和最普遍使用的方法是将嵌入热电偶的半导体晶片设置在该热处理室中。将从热电偶得到温度测量值与从温度测量装置接收的温度读数比较，并且校准出任何差异。

虽然这种方法非常适合校准温度测量装置如高温计，但是，其需要大量的校准装置的时间。因而，当前需要一种非常快速地并且不会造成过长停机时间的在热处理室中校准高温计的方法。特别地，为了保持室的完整性和纯净度，需要一种在热处理室中校准高温计而不必打开该室的方法。还需要一种在热处理室中校准高温计的简单的方法，该方法可以常规地用以定期检查检验光学高温计系统的正确运行。

发明内容

本发明涉及在热处理室中校准温度测量装置的方法。该方法包括将校准晶片设置在热处理室中的步骤。当在热处理室内加热晶片时，将光能从校准光源发射到校准晶片上。例如，可以使用光能和/或使用电阻式加热器加热晶片。探测校准光源发射的透过校准晶片的光能量。然后，基于探测到的透射光量确定校准晶片的温度。

从这种信息中，可以校准容纳在热处理室内的温度测量装置。该温度测量装置例如可以为一个或多个高温计，一个或多个热电偶，或其它适当的温度测量装置。

在该方法中，在一个或多个特定波长探测透过校准晶片的光能。通常，该波长可以在红外范围内。例如，探测的波长可以从1微米左右到2微米左右。在一个实施例中，在几个波长同时探测透射光。然而，在可选的实施例中，第一波长用于在较低温度探测透过晶片的光线量，而第二波长用于在更高温度确定透过晶片的光线量。例如，第一波长可以短于第二波长。第二波长可以用于确定在大于700℃左右的晶片的温度。

本发明中使用的校准光源可以是相干光源或非相干光源。相干光源的例子例如是激光器。非相干光源的例子例如是钨卤素灯(tungsten halogen lamp)或发光二极管。

在本发明的方法中使用的校准晶片可以根据特定的应用而不同。在一个实施例中，校准晶片是硅晶片。为了减少干涉效应并使透过校准晶片的光线量最大化，该校准晶片可以包括涂覆于晶片的一个或两个表面的减反射覆层。为了在更高的温度测量，该校准晶片也可以包括进行透射测量和校准温度测量装置的薄区域。

当该校准晶片包括薄区域时，可以根据各种方法产生该薄区域。例如，在一个实施例中，校准晶片限定一开口。该薄区域包括设置在该开口上的薄元件。可选的，该薄区域与晶片的剩余部分成一体。

在一些实施例中，该薄区域由于热特性的差异在加热期间产生温度梯度。因此，将设计成减少该薄区域和晶片的剩余部分之间的热特性差异的覆层设置在该校准晶片上面。该覆层可以由单个或多层薄膜构成。在一个特定的实施例中，该薄区域可以用减少热质量差异的填充元件填充。该填充元件可以由石英或氧化铝如蓝宝石制成。

应当理解，该校准晶片可以由各种材料制成。例如，在一个实施例中，该校准晶片可以由大致不透光的材料构成。当在较低温度校准高温计时不透光材料是有用的。在本实施例中，该校准晶片可以其中进一步包括由透射材料如硅制成的区域。当该不透光区域与高温计对准时，可以将该硅区域用于测量透射。

附图说明

对本领域技术人员来说，更特别地，在说明书的剩余部分中参考附图陈述了本发明的包括最佳方式的全面的和能够实现的公开，其中：

图1是根据本发明的校准温度传感装置的系统的一个实施例的侧视图；

图2是表示在不同温度和波长透过硅晶片的光线量的曲线图；

图3是根据本发明的系统的一个实施例的侧视图；

图4是根据本发明的系统的可选实施例的透视图；

图5是根据本发明的系统的另一个可选实施例；

图6至21是根据本发明的校准晶片的各个实施例；

图22是表示晶片的外表面之间的光线的多次反射的截面简图。

在本说明书和附图中，参考符号的重复使用表示本发明的相同或相似的特征或元件。

具体实施方式

本领域技术人员应当理解本论述仅是对示例性实施例的描述，而不应当认为限制本发明的更宽的方面，该更宽的方面体现在示例性的结构中。

本发明涉及一种更精确地确定和控制目标(特别是在热处理期间热处理室中的半导体晶片)的温度的方法和系统。更特别地，本发明涉及一种校准容纳在热处理室中的温度测量装置的方法和系统，这样，该热处理室将更可重复性和精确地操作。例如，重要的是当半导体晶片加热时，容纳在热处理室中的温度传感装置精确地测量该半导体晶片的温度。在这一点上，应当校准该温度感应装置以保证它们精确地监控晶片的温度。

通常，本发明的校准温度传感装置(特别是辐射传感装置如高温计)的方法包括将校准晶片设置在热处理室中的步骤。设置在热处理室中的校准光源设置成将光能以已知波长发射到校准晶片上。位于晶片相反面上的光探测器探测校准光源透过晶片的光线量。然后，基于透过晶片的光线量计算晶片的温度。这种信息用于校准在正常的晶片处理期间使用的容纳在热处理室中的温度传感装置。

本发明通过在半导体晶片处理系统上执行的自动过程允许温度测量系统的自动校准。该温度校准方法基于透过半导体晶片的红外光的透射的现场测量值。晶片处理装置结合了测量从晶片透射的红外光得到的信号的装置，以及温度测量系统，如在正常处理期间温度测量和控制所用的高温计系统。将温度依赖于用于校准方法的晶片的光学属性的知识与测量的红外透射信号结合，以推断出晶片温度。该晶片温度用于校准高温计系统或其它温度测量装置。

调制在校准晶片一侧的光源的强度，在晶片的另一侧的探测器探测与透过晶片的光线量成比例的信号。该系统结合了用于选择观测的辐射的波长的方法。透射的信号依赖于晶片内的光学吸收，其为温度的函数。结果，可以从透射的光线信号中推断出晶片温度。

进行红外透射测量，以便其在晶片上的高温计或其它温度测量装置的视场(field of view)内或邻近视场(几厘米内)的位置发生。如果系统允许晶片旋转，该红外透射测量也可以在与被校准的高温计或温度测量装置的视场相同的半径或邻近相同的半径处进行。如果晶片旋转的速度足够快以至于产生方位角对称的温度分布，则红外光测量中采样的温度与在相同的特定半径由高温计采样的温度相同。在一个实施例中，如通过对信号光学分束，通向确定透过晶片的红外光量的光探测器的相同的光纤或光学器件可以通向高温计。

温度测量装置的校准通过自动过程进行，在该自动过程中，晶片自动装载，校准方法经过预定温度-时间周期加热晶片，并且通过红外光透射系统和高温计系统得到数据。该过程可以包括在晶片处于透射已知并且其对温度非常不敏感的温度进行测量的阶段。这允许对信号的校正，以便透射测量对透射测量系统或校准晶片的光学特性的变化非常不敏感。

透射信号通过考虑用于校准的晶片的属性的算法来说明温度。该算法可以接收关于晶片厚度、用于校准的光线波长以及其它有助提高从透射信号推断温度值的精确性的参数的信息。

校准温度测量装置的方法也可以包括在晶片载入热处理室之前，发生使用透射系统的测量的步骤。具有晶片的透射信号与不具有晶片的透射信号的比率提供了对晶片的透射率的评估。然后，该晶片的测量的透射率可以用于保证装载正确的晶片，以及测试晶片的降级(degradation)。当不存在晶片时，透射信号水平也是对透射测量的光学系统的状态的有用的指示。

本发明的方法和系统提供了各种优点和益处。例如，本发明提供了快速校准辐射传感装置的相对简单的方法。该校准可以通过需要时将校准晶片置于热处理室中在晶片之间自动地执行。进一步，该校准晶片可以使用与移动和运输晶片相同的机械装置载入热处理室以及从热处理室移开。

本发明根据相对简单的方法允许对在热处理室中的辐射传感装置的校准，该方法不需要对该室的操作的大致的干扰。本发明可以用于校准单个或多点高温计系统。进一步，本发明的方法和系统允许不必结合过去使用的装有热电偶的晶片的校准。

现在参考图3，其表示本发明的简图的一个实施例。如图所示，该系统包括半导体晶片14和温度测量装置27如高温计，其通常用于监视晶片的温度。为了校准温度测量装置27，该系统其中进一步包括在特定位置向晶片14上发射红外光的校准光源23。在晶片的相反侧是光探测器42，其感应透过晶片14的红外光量。

由于硅的吸收系数α(λ，T)是辐射的波长λ和温度T的函数，因而晶片的透射率的测量可以用于确定温度。下面的论述包括将透射测量与α(λ，T)相关的算法。

普通的晶片具有各种需要考虑的属性。晶片的两个表面具有不同的反射率和透射率。而且，表面的反射率对从晶片外侧或从晶片内入射到其上的辐射可能不同。当晶片是半透明的时，从晶片外侧观察，在晶片中传递的能量的不同光束的多次反射影响其表面反射率(reflectivity)R^*(λ，T)和透射率(transmissivity)S^*(λ，T)。后面(later)的数量可以通过光学测量直接地测量。在校准方法中，由于该数量对温度最敏感，可以测量S^*(λ，T)(虽然也可以将R^*(λ，T)用于温度测量)。在一些文章中，R^*(λ，T)称作反射比(reflectance)，而S^*(λ，T)称作透射比(transmittance)。

在下面的论述中，T_t是晶片上表面透射率，T_b是晶片下表面透射率，R_ts是从衬底内入射到晶片上的辐射的晶片上表面反射率，R_bs是从衬底内入射到晶片上的辐射的晶片下表面反射率。通常，如果入射的辐射不是垂直入射，则所有的属性将作为辐射的偏振面(plane of polarization)的函数。数值A是由穿过衬底的光线进行的强度的衰减，其由下式给出

A＝exp(-α(λ，T)d/cosθ)    (1)

其中，d是衬底的厚度，θ是传播的内角。后一角度是光线方向和晶片表面法线之间的角度。因而，该晶片的表面透射率由下式给出

$S^{*}(\mathrm{\λ},T)=\frac{{\mathrm{AT}}_t{T}_b}{1-A^2{R}_{\mathrm{ts}}{R}_{\mathrm{bs}}}---\left(2\right)$

在装置中的光电探测器测量的信号V(T)与该数值和从照明光源入射到晶片上的辐射的强度I₀成正比例。该关系是

V(T)＝CI₀S^*(λ，T)    (3)

其中，C是常数，其受光学器件和电子器件的影响，但是其不会随晶片温度而变化。为了推断晶片温度，应当消除未知量(包括I₀和C)的影响。这可以用许多方法完成。还应当考虑晶片表面的光学属性(如它们的反射率和透射率)。可以对这些方面使用“规范化(normalization)”方法。例如，下面是两种方法：

(a)对晶片不在系统中的情况规范化：

在这种情况下，由于不存在吸收或反射任何辐射的晶片，因而系统的透射率变成1。可测量的规范化信号V₀₀由下式给出

V₀₀＝CI₀    (4)

将“热晶片(hot wafer)”信号V(T)除以V₀₀，就可以消除C和I₀影响。然而，仍然应当考虑S^*(λ，T)中的其它量的影响。其可以通过了解使用的晶片的光学属性，包括T_t，T_b，R_bs和R_ts而完成。在这一点上，可以选择在校准方法中使用的晶片，以便这些数值可以通过基于已知的覆盖在晶片表面上的薄膜的计算确定。该计算也可以通过在控制的条件下进行的各种光学测量而扩充(augmented)。吸收系数可以通过式1中求出的A从S^*(λ，T)的测量值得到。一旦A已知，就可以对晶片的厚度(已经测量的)的影响校正，并且推断α(λ，T)。由于函数α(λ，T)已知，因而可以推断T。该方法还允许对光源波长的变化的校正。实现该方法的正确方法应当取决于应用而变化。例如，可以产生一组以晶片厚度和源波长作为参数的S^*(λ，T)的矩阵，T作为变量，然后为T确定适合S^*(λ，T)的测量值的最佳数值。

数值T_t，T_b，R_bs和R_ts本身可以具有温度和波长关系。为了精确，在分析中可以通过明确地包括晶片表面已知的状态而考虑该影响。而且，通过使用标准光学分析将作为波长和温度的函数的T_t，T_b，R_bs和R_ts进行计算而使可校正。

(b)对晶片在“凉(cool)”状态的情况规范化。

在这种情况下，在校准晶片载入系统之后收集规范化信号V₀₁。V₀₁由下式给出

V_O1＝CI₀S^*(λ，T_cool)    (5)

其中，S^*(λ，T_cool)是在“凉”温度的晶片透射率。该温度通常可以是任何可以忽略晶片中对校准波长的吸收的温度。在A～1的情况下，可以写出

$V_{01}=C{I}_0\frac{T_t{T}_b}{1-R_{\mathrm{ts}}{R}_{\mathrm{bs}}}---\left(6\right)$

现在，如果“热晶片”信号V(T)利用V₀₁规范化，则可以得到公式

$\frac{V\left(T\right)}{V_{01}}=\frac{{\mathrm{AT}}_t{T}_b}{1-A^2{R}_{\mathrm{ts}}{R}_{\mathrm{bs}}}\·\frac{1-R_{\mathrm{ts}}{R}_{\mathrm{bs}}}{T_t{T}_b}---\left(7\right)$

如果假设T_t和T_b不取决于温度，则其简化为

$\frac{V\left(T\right)}{V_{01}}=\frac{A(1-R_{\mathrm{ts}}{R}_{\mathrm{bs}})}{1-A^2{R}_{\mathrm{ts}}{R}_{\mathrm{bs}}}---\left(8\right)$

可以通过检查式8中出现的乘积A²R_tsR_bs的大小进一步的简化。由于两个原因，该项通常非常小。首先，由于高的温度灵敏度，在晶片内具有相当强的吸收，因此，A远小于1。其次，可以选择晶片表面的对透射测量波长的反射率相当小的晶片。这可以将透射的光信号最大化。另一个实际点是当用于照明的相干光源在测量中造成问题时，则观察到干涉效应。通过使R_ts或R_bs具有非常小的值，可以减少上述的问题。而且，甚至对普通(plain)硅晶片，R_ts＝R_bs＝～0.3，因此R_tsR_bs＝～0.09。这样，该项R_tsR_bs通常＜＜1。因此，与整体相比，可以近似忽略式8的分母中的该项。当对“凉”状态规范化时，这种简化使得信号的形式简单

$\frac{V\left(T\right)}{V_{01}}\≅A(1-R_{\mathrm{ts}}{R}_{\mathrm{bs}})---\left(9\right)$

假设R_tsR_bs＜＜1，则该式可以进一步简化成

$\frac{V\left(T\right)}{V_{01}}\≅A=\exp (-\mathrm{\α}(\mathrm{\λ},T)d)---\left(10\right)$

这种方法的优点在于，假设不存在T_t或T_b对温度的重大依赖，则不必已知晶片表面的光学属性。这使得对温度的解释相对于晶片上的覆层的属性以及表面的结构的变化更加稳定。

通过实践解决哪种规范化方法更好的问题。现场没有晶片的测量的情况的优点在于，不必担心在“冷”状态中具有最大影响的干涉效应。在“凉”状态进行具有晶片的测量的优点在于，对表面反射率、透射率或结构效应的任何小的波动的自动补偿。

上述分析全部基于表面反射率和透射率可以通过将从进行图22中所示的多次反射的不同光线引起的能量分布相加而计算的假设。这种假设当与那些光线关联的电场之间无相互关联时是有效的。也就是当探测的辐射覆盖“中心”波长的重要部分(例如＞0.001)的光学带宽，以及晶片是“在光学上厚(optically thick)”，这意味着其厚度相应于光学波长的很多倍(例如＞100倍)的情况。这些条件相当于认为光线是非相关的情况。

在光源是“相干”的情况下，探测的辐射通常覆盖非常窄的波长范围和/或该晶片是光学上“薄的”。在那种情况下，在晶片内传播的不同光线的电场之间具有很强的相关性。如果是这种情况，将能量分布相加不反应正确的物理性质。而为了得到正确的表面反射率和透射率，需要将与进行多次反射的光线关联的电磁波的电场和磁场矢量相加。在这些条件下，该电磁波的相位的变化的影响当其穿过衬底时变得非常重要。如果两种波成分的场相位相加到一起，由于总场放大，则该效应称为相长干涉，如果它们刚好相位不同，由于总场减少，则该效应称作相消干涉。这些干涉效应可以对光学属性产生主要的影响，而且，它们对出现的相变非常敏感，而且对晶片厚度，辐射的波长，入射的角度以及衬底的折射率非常敏感。

由于在与硅的吸收系数α(λ，T)的变化不相关的探测信号中引入了非常大的变量，因而产生了问题。当吸收增加和晶片变成不透光时，由于多次反射极大地消弱且多数透射光强度主要从直接地穿过衬底的光线产生，干涉效应具有很小的影响，因而极大地减少了该问题。下面描述减轻由干涉效应产生的问题的各种方法。

可以通过在相对高温时的晶片的透射与吸收可以忽略(参见上面公式)如在低温或当在系统中无晶片时的透射之间比率，计算更高温度的晶片的温度。例如，图2表示具有200毫米直径和大约725微米厚度的硅晶片在不同波长测量的透射率。如图所示，波长从1.064微米到1.55微米变化。同样如图所示，在光线的更长波长的透射可以用于确定更高的温度。

然而，在包括的光线波长，由于透射的光线信号变得小且难于探测，因而在大约850℃以上的温度读数变得困难。为了甚至在更高的温度得到温度读数，可以使用比用于产生图2中的结果的725微米的晶片更薄的晶片。该确定850℃以上的温度的更薄的晶片的使用将在下面更详细地论述。

当校准如图3所示的温度测量装置27时，则需要校准光源23和光探测器42尽可能地接近晶片上由温度测量装置27测量温度的位置。换句话说，校准探针应当位于在高温计的视场内或足够近以至于在校准探针的温度和在高温计视场中的温度之间的具有非常小的温度差异的位置。这可以通过热扩散长度L_d确定，其表示为：

$L_d=\sqrt{\frac{k_{\mathrm{si}}{d}_w}{4({\mathrm{\ϵ}}_f+{\mathrm{\ϵ}}_b){\mathrm{\σT}}^3}}$

其中，k_si是硅的热导率，d_w是晶片厚度，ε_f和ε_b分别是正表面和背表面的总发射率，σ是斯蒂芬-波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)常数，T是晶片温度。

对于许多应用，校准点应当在高温计的视场的～L_d之内。当温度增长，这种距离减少。例如在高温如大于1100℃时，该距离可能小到近似4毫米。无论如何，对许多应用来说，校准点和高温计视场之间的距离不应当超过3L_d左右。例如，在大多数应用中，在晶片上温度测量装置测量温度的位置和在晶片上光探测器探测透射的光线的位置之间的距离不应当大于5厘米左右。

然而，当晶片在热处理室内旋转时，可通过在晶片的与图4所示的温度测量装置27测量晶片温度相同或接近相同的半径上探测透射光而保持精确性。

参考图1，其表示包括根据本发明的校准温度传感装置的系统的热处理系统10的一个实施例。

系统10包括适于接收进行各种处理的衬底(如半导体晶片)的处理室12。室12设计成以非常快的速度和在仔细控制的条件下加热晶片。室12可由各种材料(如金属、玻璃和陶瓷)制成。如室12可由不锈钢或石英制成。

当室12由导热材料制成时，该室优选地包括冷却系统。例如，如图1所示，室12包括环绕在该室周围的冷却导管16。导管16适于循环冷却液(如水)，以用于保持室12的壁在常温。

室12也可以包括将气体引入室和/或将室保持在预定压力范围内的气体进口18和气体出口20。例如，为了与晶片反应，可以通过气体进口18将气体引入室12。一旦处理，可以利用气体出口20将气体从室排出。

可选的，为了防止该室内发生任何不必要的或不希望的副反应，可以通过气体进口18将惰性气体送入室12。在进一步的实施例中，气体进口18和气体出口20可以用于对室12加压。当需要时，也可以利用气体出口20或位于晶片高度之下的额外的更大的出口产生真空。

在一个实施例中，在处理期间，室12可以包括衬底支架15，该支架设计成利用晶片旋转机械装置21如位于晶片14上的箭头所示旋转晶片。旋转该晶片促进了晶片表面上更高的温度均匀性，并且促进了晶片和任何引入室内的气体之间的接触。然而，应当理解，除了晶片，室12也适于处理光学元件、薄膜、光纤、带以及其它具有任何特定形状的衬底。

为了在处理期间加热晶片，热源22与室12相通。在本实施例中，热源22包括多个灯或光源24如钨卤素灯。为了产生非常均匀的晶片温度，热源22可以包括仔细地将热源辐射的热能引到晶片上的一个或一组反射器。如图1所示，灯24位于该室的上面。然而，应当理解，该灯24可以设置在任何特定的位置，如单独地或与灯24组合设置在晶片的下面。

作为热源22的灯24的使用可以提供各种优点。例如，灯与其它热装置如电子元件或常规的炉相比，具有更高的加热和冷却速度。灯24产生快速的等温处理系统，该系统具有即时的能量，要求非常短且控制良好的启动周期。灯24的能量的流动也可以在任意时间突然地停止。如图所示，灯装配有可以用于增加或减少灯辐射的热能的渐进的功率控制器25。

除了使用灯24，或除了使用作为热源22的灯24以外，系统10还包括加热晶片14的加热基座26。例如，该基座26是电阻加热器或电感加热器。在图1所示的系统中，基座26位于晶片14的下面。然而，与加热灯类似，该基座26可以置于晶片14下面，可以置于晶片上面，或者该系统可以包括置于晶片上面和下面的多个基座。

多个辐射传感装置27也容纳在室12内。辐射传感装置27包括依次与多个相应的光探测器30连接的光纤或导光管28。光纤28设置成接收由室内的晶片以特定波长辐射的热能。然后，感应的辐射量传到光探测器30，该探测器产生确定晶片温度的可用的电压信号。在一个实施例中，每一个与光探测器30连接的光纤28都包括高温计。

如图所示，系统10包括将灯24与室12隔离的窗32。在所示的实施例中，窗32用于将灯24与晶片隔离，并且阻止该室的污染。

如图1所示，根据本发明，为了校准辐射传感装置27，系统其中进一步包括校准光源23和光探测器42。如上所述，校准光源23将光能特别是红外光光能发射到晶片上的特定位置处。校准光源23发射的光线透过晶片由光探测器42探测。可以从这种信息中确定晶片的温度以校准辐射传感装置。

如图1所示，校准光源23可以位于与晶片14正相对的加热灯24之间。然而，可选的，校准光源23可以位于室的外面或可选择的位置上。在本实施例中，校准光源发射的光线可以利用光导纤维传播到晶片14。

为了精确地测量透过晶片的光能量，如图1所示，光探测器42可以包括将透过的光线导入光探测器的光通道44。

本发明系统中使用的校准光源23可以是能够以所需波长发射光能的任何装置。例如，校准光源23可以是非相干光源或相干光源。非相干光源包括钨卤素灯，弧光灯，发光二极管，超级发光(super luminescent)的发光二极管等。另一方面，相干光源包括固态装置如激光二极管，超级荧光(superfluorescent)的光纤激光器，其它类型的激光器等。

当需要校准辐射传感装置时，则将校准晶片14设置在室中，并进行上面的过程。在图1中，仅表示了单个校准光源23和光探测器42。然而，应当理解，对大多数应用来说，该系统包括校准各个辐射传感装置的多个光探测器和相应的校准光源。

参考图1，系统10其中进一步包括系统控制器50，例如微处理器。控制器50接收光探测器30的电压信号，该信号表示在不同位置采样的辐射数量。基于接收到的信号，控制器50计算容纳在室中的晶片的温度。

如图1所示，系统控制器50也可以与灯功率控制器25相连。在这种设置中，控制器50可以计算晶片的温度，并且基于计算的信息控制由灯24辐射的热能量。如此，为了在仔细控制的范围内处理晶片，可以对反应器12内的条件进行即时调整。如上所述，除了灯24或替代灯24，如图1所示，系统可以其中进一步包括基座26。在本实施例中，控制器50也可以用于控制基座发射的热量大小。当存在两种加热装置时，基座可以独立于灯或者与灯一起控制(或者系统可以不包括灯，仅包括基座)。

在一个实施例中，控制器50也可以用于自动控制系统内的其它元件。例如，控制器50可以用于控制通过气体进口18进入室12的气体的流动速度。如图所示，控制器50可以进一步用于控制晶片14在室内旋转的速度。

根据本发明，系统控制器50也可以用于自动校准辐射传感装置27。例如，控制器50也可以与校准光源23和光探测器42连接。如此，控制器50可以用于控制校准光源23何时发射光线，并且发射的光线量。控制器50也可以设置成为了确定校准晶片的温度，从光探测器42接收信息，其后，基于确定的温度来校准辐射传感装置27。

现在论述本发明各个实施例。特别地，在使用相干光源的论述之后，将描述使用非相干光源的本发明的第一操作。随后，将描述校准晶片的各个实施例。最后，将描述实现本发明的方法。

〔校准光源〕

A. 非相干光源(incoherent light source)

如上所述，在一个实施例中，校准光源23可以是非相干灯如钨卤素灯，或发光二极管。例如，在一个实施例中，校准光源可以是超级发光的发光二极管。一些非相干光源的优点在于，它们可以用作在几个所需的波长的透射测量的光源。例如，一些非相干光源发射大范围的波长，而其它非相干光源如发光二极管发射相对窄范围的波长。当使用非相干灯时，光探测器42可以包括探测单个波长的单探测器，或者可以包括在几个波长同时测量透射的信号的探测器阵列。

除了如图1所示，包括单个校准光源23，应当理解，在本发明的系统中也可以存在多个校准光源。可选地，为了将光线发射到晶片14上的多个位置，可以使用与多个光导纤维连接的单个校准光源。

在一个实施例中，例如，可以通过机械断路器切断校准光源的输出，或用电子方法切断。当校准光源发射光线以及校准光源未发射光线时，不时将光线从校准光源发射到晶片上可以帮助通过测量确定背景杂散光量。

图5示出根据本发明的系统的一个实施例使用非相干光源作为校准光源23。在本实施例中，光源23发射一束光线穿过校准晶片14，该光线由光探测器42探测。光探测器42例如可以是光电探测器或其它适当的装置。

在本实施例中，灯23与将光线聚焦到晶片14的特定位置上的准直光学器件60一起使用。为了测量透过晶片14的光线以及为了消除杂散光，该系统包括一个或多个限定光探测器42的视场的孔62。为了更好地限定探测的波段，也可以包括滤光器64。虽然已经描述了有关使用非相干光源的图5所示的实施例，但是应当理解，准直光学器件的使用以及图5所示的大体结构可以使用所有不同类型的光源，无论该光源是相干的或非相干的。

B.相干光源(coherent light source)

作为使用非相干光源的替换，校准光源也可以使用相干光源，如可以在窄波长范围内提供相对高的功率的激光器。半导体激光器是相干光源的一个特例。这种光源是简单地电调制的。相干光源如激光器具有非常窄的发射光谱。虽然这可以提供一些优点，但是具有窄的发射光谱也可能造成潜在的问题。特别地，当相干光源发射的光线在晶片的两个表面之间发射时，该系统会对干涉效应更敏感。特别地，与使用非相干光源相比，最终达到光探测器42的透射的信号会对晶片厚度以及其折射率更加敏感。然而，一些测量可以抵消这种效应。

例如，在一个实施例中，可以使用具有多个波长发射光谱或一些窄发射光谱的相干光源。在另一个实施例中，校准晶片可以包括至少一个粗糙表面，尽管这会具有将光源的一些光线散射的不理想的效果。在本发明的另一个实施例中，例如，可以通过在晶片厚度上的微小变化改变校准光源发射的光线的路径长度。特别地，例如，可以通过逐渐地减少进行透射测量的区域而改变晶片的厚度。在另一个实施例中，校准晶片可以包括减反射覆层，该覆层将在下面更详细地描述。

当晶片在加热期间旋转时，为了减少晶片内的干涉效应，可以利用该旋转。一种方法是旋转该晶片并且测量透射的光信号。当晶片旋转时，由红外线光束探测的晶片厚度会轻微地改变，干涉条件也会改变，这就造成透射的光线强度的波动。通过在至少一个旋转期间收集信号，可以使干涉效应得到平衡，从而得到透射的更可靠的值。

另一种方法包括将光学元件(如毛玻璃板)放在相干光源的路径中，这样，该光束失去其空间相干性。通过改变穿过光束轮廓的电磁场振荡的相位，然后以在测量信号中组合不同的成分的方式在探测器收集部分光束，可以极大地减少晶片和光学元件中的干涉效应。多个激光源的使用也可以得到类似的结果，该多个激光源彼此靠近地设置以便它们可以结合形成一个光束。结合多个激光器元件的大面积发射源在本实施例中是有用的。

在另一个实施例中，多个相干光源的使用可以通过引入波一长范围而帮助减少光束的时间相干性。例如，一些类型的二极管激光器不具有固定控制的发射波长。装置特性中的自然散射会导致照明的更宽的有效光谱。如果需要，可以预设选择光装置提供更大范围的波长。由于在多数情况下，输出波长对装置温度敏感，因而也可以在不同温度下运行具有相同额定规格的一些光源以产生一波长范围。

在另一个实施例中，可以通过使用非相干光源和相干光源的组合减少干涉效应。在本实施例中，非相干光源可以用作较低温度的校准光源。在较低温度，透射测量不取决于各个参数(如折射率以及衬底的厚度)。相对较低的温度可以包括小于700℃左右的温度，特别地小于500℃左右。

在相对较高的温度，如大于500℃左右，特别地，大于700℃左右，校准光源可以是相干光源。在更高的温度，由于相干光源在特定波长提供更大的功率以及更好的波长定义，因而其是优选的。可以将相同的或不同的探测器用于探测校准光源的透射。在本实施例中，例如，可以使用非相干光源在较低的温度进行透射测量。这些透射测量可以与使用相干光源进行的透射测量一起用于确定在更高温度的晶片的温度。

不管是使用相干或是使用非相干光源，为了为更多的应用提供稳定的和可重复的强度，都需要设置提供于光源的功率。虽然本发明的技术是自校准，在某种意义上，当晶片是热的时的透射测量是相对于当晶片在其透射是已知的温度时得到的透射值得到的，但是当该晶片通过校准方法加热时，仍然存在一些光源强度的漂移的可能性。这种变化可以通过保证提供到光源的功率是稳定的而减少。任选地，光探测器可以用于采样校准光源发射一些光线，因此，产生监视光源或控制其强度的信号，以便该信号在测量期间是稳定的及可重复的。

〔校准波长〕

为了提供对温度较好的敏感性，应当选择透射测量的工作波长。通常，晶片应当是充分的透明，从而允许透射的红外光信号强度的精确测量。在大多数情况下，这需要在探测器波长的透射率大于10^-6。

晶片的透射应当对晶片温度敏感。例如，在特定校准温度附近，对1℃变化，需要晶片透射以大于其值的0.5％左右变化。理想地，对1℃温度变化，透射以大约大于5％变化。

在一些应用中，优点是校准晶片在高温计波长接近不透光体，而仍然以透射测试波长透射可测量数量的辐射。这种情况是需要的，以便该校准反映在所需校准温度的标准厚度的晶片的光学属性的典型的条件。实践中，该晶片在高温计波长具有小于0.01左右的透射率，而在红外光透射探测波长的透射率大于10^-6左右，这是足够的。由于硅的吸收系数在接近红外光范围内通常展示出最小值，这样，在该晶片对其它波长不透光的情况下，可以在这个波长范围内进行透射测量，因而通常满足此条件。这种概念对校准在大于800℃左右的温度时特别地有用，在该温度时，标准厚度晶片通常对光和红外波长是非常不透光的。

在其它应用中，需要已知测量的波长，精确到比发射源或光纤的额定值更精确。在这种情况下，可以测量发射源的光谱或光学过滤器的透射，以便确定正确的测量波长。此后这个数值可用于提高读数的精确性和可重复性。例如，如果在多个处理系统中使用该测量系统，为了在不同系统上得到最一致的校准，则对系统之间的测量波长中的变化的效应的校正是重要的。一种方法是使用考虑了当将透射的光信号转变成推断的温度时，波长输入和波长变化的算法。

在一个实施例中，如上所述，可以设置本发明的系统以便在一个波长范围上而不是单个波长上执行温度测量。在几个波长上测量温度可以提供各种优点。例如，透射光谱的测量允许确定晶片温度，而不必在晶片透射为已知(如当晶片冷却)时，执行测量透射的强度的规范化步骤。由于吸收光谱的形状可以确定并可用于确定晶片温度，因而可以确定温度。如此，当晶片的透射不是温度的强函数时，不必进行温度读数。

更特别地，通过测量至少两个波长的透射，可以限定在这些波长的相对透射。可以利用温度作为适当的参数收集更宽的光谱(即多波长)，并且与模型匹配。在本实施例中，存在优点和对于晶片厚度的波动或其它参数(如覆层等)的不期望的变化的更好的顺应性。

如果校准在非常低的温度如小于200℃左右操作的高温计，则这些环境也可以是有利的。在这些环境中，规范化温度通常必须非常接近室温，从而阻止透射敏感于规范化温度的精确值。这在当增加晶片，热处理环境已经变暖，因而非常难得到30℃左右以下的温度的应用中特别地有益。

在一波长范围上进行的光谱测量也有助于使温度测量对光源强度或探测器特性的漂移、光污染或噪音不敏感。光谱测量可以利用发射不同波长的光线的非相干光源进行，或利用多个光源，如多个非相干源或多个相干源完成。该测量可以同时或在不同时(如依次)地在各个波长进行。

如图1所示，校准光源23位于光探测器42的正上方。校准光源23发射的光线可以设置成直接照射到晶片上，或可选的，以入射的不垂直角度入射到晶片上。在一些应用中，为了减少晶片表面的反射，需要光线以一角度接触晶片。例如如果光线在P偏振面并且以接近临界角的角度入射，则表面反射率接近于零。通过减少反射率，不仅透过晶片的信号更强，而且减小了晶片内的干涉效应。在一个实施例中，需要使用以不垂直角度入射的偏振光。

〔减少杂散辐射的效应〕

如上所述，为了提高精确性，本发明的测量和系统应当具有区分透射的光信号和从杂散辐射源产生的信号的能力。在图1所示的实施例中，晶片14仅从一侧加热。在这种情况下，由于探测器位于与光源24相对的晶片的一侧，因而晶片本身就作为减少杂散光到达光探测器42的可能性的屏幕。然而，也存在减少杂散光和干涉不同的其它可用方式，特别是使用在晶片的两个侧面都容纳光源的系统中。

对大多数应用，应当调制校准光源23，以便光探测器42接收的光信号是交流信号或其它类似的信号，这些信号不同于从晶片，灯或其它辐射源引起的杂散光产生的信号。可以通过各种技术包括光谱过滤、信号平均以及对相位敏感的探测(例如锁定放大器)消除杂散光，从探测的信号提取出透射的光信号。上面的方法甚至在信号被大量噪声污染的情况下也可以提取非常小的交流信号。

在一个实施例中，也可以将照明光学器件设置成使到达光探测器42的透射光量最大化。例如，如图5所示，可以准直校准光源23发射的光束。另一个方法包括使用具有灯丝(filament)温度的光源，该灯丝温度远热于晶片，例如使用钨灯丝，这样，在被监视波长该光源远亮于晶片。也可以将相干光源用于这一目的。激光源的使用允许了通过晶片并进入光探测器42的相当高的光学功率的传播。

除了使用照明光学器件加强透射，也可以设置探测光学器件最小化杂散光。例如，可以使用探测光学器件仅对照射的晶片的区域探测。探测光学器件可以具有利于收集从光源而不是晶片透射的光线的角度接收特性。例如，晶片透射的黑体辐射有助于从晶片表面在所有方向上辐射。通过限制探测光学器件的角度接收特性，以便它们易于接收在由光源器件限定的方向上移动的光线，可以减少发射的辐射与透射的光线的比率。可以将类似的考虑应用于从加热灯24辐射的杂散光。加热灯24可以产生取决于灯的位置的透过晶片或者从晶片的背面反射的辐射。如果该系统包括探测光学器件，该光学器件不接收穿过晶片的灯的直射光路或相应于离开晶片的光线的镜面反射的情况的光路，则可以极大地减少灯的杂散光。

除了照射光学器件和探测光学器件，本发明的系统也可以包括光学滤波器，该光学滤波器排斥在用于透射测量的波长之外的波长范围的辐射。例如，该波长范围可以由干涉过滤器限定。

特别地，当使用非相干光源作为校准光源23，如钨卤素等时，需要过滤器对所需的通带之外具有较好的阻挡特性。特别地，非相干光源可以发射在全波长调制的光线，因而光探测器42可接收在过滤器通带以外的波长的调制产生的交流信号。例如，在大多数应用中，过滤器透射在通带之外应当在10^-3左右之下，并且当利用小于1.4微米的波长进行测量时，由于硅透射率在长波长较高，因而希望过滤器具有上述阻挡特性，特别在通带的长波长侧。

在一个实施例中，过滤器阻挡可以小于10^-6左右。这种类型的阻挡可以通过结合两个干涉过滤器而得到，使结合的阻挡达到所需值。在一些情况下，可以方便地将过滤器之一设置在灯源的输出以限制该灯发射的波长范围。

然而，如果校准光源23是相干光源，如激光器，由于调制的波长范围本身较小，则不需要过滤器。尽管如此，在一个实施例中，过滤器可以用于减少晶片和加热灯的杂散辐射量。

甚至当使用非相干光源时，也可以不需要过滤器。可选地，可以使用多带过滤器。不使用窄带过滤器或使用多带过滤器的操作可以在一些情况下提供各种优点。例如，当不使用过滤器的操作时，可以将一个探测器用于探测几个以不同波长发射辐射的不同光源的辐射，而不需要切换过滤器。

在本发明的另一实施例中，校准光源23可以发射偏振光。在本实施例中，该系统可以包括探测光学器件，该光学器件为消除杂散光选择预定偏振。为了产生偏振光，该校准光源23可以是固有偏振的激光器。可选地，该校准光源23可以包括偏振器。

〔校准晶片〕

选择本发明的系统中的校准晶片，使得穿过晶片的光透射是由光探测器42观测的波长的温度的函数。为了实现以多种方式(包括改变厚度、掺杂晶片、将表面覆层应用于晶片以及改进表面结构)校准的目的，可优化该晶片。

在一个实施例中，校准晶片可以是普通的硅晶片。该晶片可以是具有大于0.5Ωcm左右电阻率的轻微掺杂的硅晶片。在本实施例中，使用标准厚度的晶片。现在，标准晶片的厚度为，200mm晶片725微米，300mm晶片775微米。对大多数应用，晶片两侧抛光以提高校准标准的可重复性。

根据透射过晶片的光线波长和晶片厚度来计算校准晶片的温度。在这方面，已知晶片厚度应具有一定精确性。在本实施例中，需要校正在温度测量期间使用的晶片厚度的变化。例如，可以测量晶片厚度，并且将数据输入用于确定晶片温度的算法。可选地，本发明的系统具有测量晶片厚度并且自动地将该信息提供给如在温度测量期间使用的控制器50。晶片厚度装置可以在热处理室内测量晶片的厚度，或者在将晶片插入该室之前测量晶片的厚度。然而，如果制造晶片以便其厚度可以忽略，则不需要这种装置。

为了阻止校准光源23发射的光线从晶片反射，在一个实施例中，该校准晶片14可以覆盖有减反射覆层。将晶片覆盖减反射覆层不仅减少从晶片反射的光线量，而且减少发生在晶片内的干涉效应。

参考图6和图7，示出包括减反射覆层的校准晶片14的两个实施例。在图6中校准晶片14的上表面具有单个减反射覆层70。另一方面，图7中减反射覆层70设置在晶片14的上部，而第二减反射覆层72设置在晶片底部。

当减反射覆层应用于晶片时，可以较大地减少在所需红外波长的光线的反射，并且抑制干涉效应。该减反射覆层还有益于增加晶片透射的光线量，从而提高透射测量的精确性。

然而，减反射覆层会在被校准的高温计的高温计波长影响晶片的发射率。对在高温进行的校准，其中，该晶片对高温计波长是不透光的，如图6所示，需要仅覆盖晶片的一个表面。特别地，可以保持面对高温计的晶片的表面未覆盖，以便得到所需的效应，而不影响高温计波长的发射率。

在本发明的另一个实施例中，如图8所示，校准晶片14不仅包括减反射覆层70，而且包括具有特定发射率的覆层74。特别地，在许多情况下，通过在高温计波长具有不同光谱发射率的一组晶片来校准容纳在热处理室内的温度测量装置。为了校正高温计中的发射率效应，以及使温度测量装置独立于目的晶片的光谱发射率，而使用具有不同发射率的晶片。因此，在一些实施例中，根据本发明，可以使用具有特定发射率的不同的校准晶片。

通常，根据本发明，可以使用任何适当的减反射覆层。例如，这种覆层由二氧化硅、氮化硅或二者的组合构成。也可使用这种材料形成具有特定发射率的覆层。也可以使用硅膜用于此目的。硅膜具有较大的反射率，这在一些应用中是有用的。如图8所示的覆层70或74也可以由介质薄膜(dielectricfilm)构成。该介质薄膜特别地可以是多层薄膜，该薄膜设计成在所需的波长具有适当的反射率和/或发射率。这种薄膜在现有技术中是已知的，并且可以从《沉积科技》(Depositoin Sciences，Inc.of Santa Rosa，California)中得到。

采用覆层70或74可以影响校准光源23发射的红外光的透射。可以通过计算或测量考虑这些变化，并且将其结合用于计算校准晶片的温度的算法中。也可以形成不同的覆层，其在红外光透射波长作为减反射覆层，在高温计波长作为反射或减反射覆层。

根据本发明，除了可以提高温度测量的精确性，使用减反射覆层以及其它类型的覆层也可以提供其它益处。例如，通过选择在校准晶片上的光学属性，也可以探测温度测量系统的性能的各个方面，以及提供对问题的性质的诊断。例如，检查高温计光学器件或电子器件是否正确操作的试验可以使用在高温计波长是“黑”的晶片背面覆层，这样，高温计的信号不会被系统光学器件的其他方面(如晶片和室壁之间的多次反射产生的影响)所影响。如果系统使用晶片透射率的反射加强帮助发射率独立，这是特别地有用的。在这些系统中，用于反射加强的辅助反射器的反射率在系统性能中起主要作用。可以揭示是否反射板反射率下降的测试使用对高温计波长高度反射的覆层，以便包括反射板的多次反射。这种晶片也有利于检查在任何类型的系统中发射率校正系统工作。这种类型的测试可以区分各种类型的问题，而不需要将该室打开检查。

如上所述的覆层也可以帮助减少由于氧化和表面粗糙而造成的晶片光学属性上的渐进的热退化(thermal degradation)效应。因此，可以将多个加热循环应用于该校准晶片，而不会退化。例如，如厚度小于30纳米左右的氧化物薄层可以保护硅表面不受由大气中的氧气和水蒸气的低浓度形成主动(active)氧化造成的热腐蚀的影响。氮薄膜也可以实现类似的目的。该薄膜可以包括在用于如上所述的减反射覆层或改变光谱发射率的覆层堆中的顶层。进一步，通过选择小于30纳米左右厚度的氧化物薄膜，可以最小化该薄膜对晶片的反射率的影响。

除了使用硅晶片作为校准晶片，应当理解，也可以使用各种其它类型的晶片。通常，该校准晶片可以由任何适当的材料构成，该材料具有与温度有关的透射或反射光谱。例如，该校准晶片也可以由锗，碳化硅，砷化镓，砷化铝，磷化铟，磷化镓，氮化镓以及它们的合金构成。实际上，一些上述材料会有利于延伸透射的温度范围。

当使用硅作为校准晶片时，对标准厚度的晶片来说，已知硅在小于850℃具有较好的温度透射属性。然而，如上所述，在大于850℃的温度，硅开始吸收更多的光能，从而使温度测量更困难。在一个实施例中，根据本发明，为了将温度测量延伸到更高的温度，可以使用更薄的晶片。例如，对在950℃的250微米的晶片来说，在1.5微米波长的预测的内部透射是0.012，这比具有传统的725微米厚度的晶片的透射高300000倍以上。通过使用非常薄的晶片，可以将IR透射延伸到更高的温度。进一步，使用薄晶片不会影响高温计进行的温度测量，只要该晶片保持对高温计波长的辐射不透光。

然而，当使用相对薄的晶片时，也会出现各种实际问题。例如，高温时晶片自身重量会使其下垂，甚至承受塑料变形。图9至18是具有薄区域的校准晶片的各个实施例的例子，其中，该薄区域可以使这类问题最小化。

例如，参考图9，其表示了具有透射测量的薄区域的校准晶片。在本实施例中，晶片14在需校准的光探测器42和温度测量装置或高温计27的视场或接近视场的位置包括孔或通道80。在本实施例中，具有所需厚度的硅元件82设置在孔80的顶部。硅元件82的厚度例如可以小于300微米左右，特别地，小于200微米左右，更特别地，小于150微米左右。可以通过将硅元件82设置在晶片14中形成的孔80上，产生对热处理室中使用相对坚固的校准晶片，但是，根据本发明，其仍具有用于进行测量的薄部分。

硅元件82可以位于孔80上，并且使用各种方法固定。例如，在一个实施例中，可以粘接硅元件82。可以使用任何适当的粘接方法，如阳极或热粘接。

在可选的实施例中，为了保持该硅元件，可以将保持盖设置在晶片上面。该保持元件可以由硅，碳化硅，二氧化硅(石英)或蓝宝石构成。如果该保持盖是不透光的，在一些应用中，为了进行精确地透射测量，则需要使与硅元件对准的孔或通道穿过保持盖。然而，当使用透明材料如石英或蓝宝石，则不需要这种开口。

在一个实施例中，该硅元件82可以在不同的温度范围具有不同的厚度。在本实施例中，变化的厚度范围可以允许该系统使用较少的红外光透射波长以校准更宽的温度范围。进一步，如果校准多个高温计，如图13所示，校准晶片14可以在不同的位置包括多个不同的孔。可选地，可以使用一组不同的校准晶片，其每一个在选定的位置包括单个或几个孔。

如图10所示，在一个实施例中，校准晶片14可以包括凹槽84，该凹槽容纳设置薄元件82的突出部分。在本实施例中，该薄元件82在处理期间保持对准，并且易于设置在晶片的顶部。

在另一个实施例中，如图11和12所示，代替在校准晶片14中形成孔并用薄元件覆盖该孔，也可以通过在晶片中形成凹槽86在晶片上形成薄区域。如图所示，凹槽86在晶片14中形成薄部分88。凹槽86可以通过任何适当的方式如机械加工或蚀刻形成。如图14所示，在一个实施例中，该凹槽86具有形成截头圆锥体形的梯度厚度。进一步，该角也可以是弯曲的。梯度厚度和弯曲的角减少了在薄部分边缘的热梯度，从而减少了机械故障的几率，并且减少了应力。

当该校准晶片包括薄部分时，则在加热期间可存在在晶片中发展的温度梯度。为了减少该薄部分和晶片的剩余部分之间的热辐射属性的差异效应，该晶片可以包括覆层。该覆层例如可以是单个层或多层覆层。该覆层可以由材料如二氧化硅，硅，多晶硅和/或氮化硅构成。可以设计该覆层以便更好地与该薄和厚部分的发射率和吸收率匹配。在一个实施例中，该覆层可以由上述任意减反射覆层构成。

在可选实施例中，该校准晶片可以包括填充元件，该填充元件设置在接近该部分以减少热质量差异。填充元件例如可以由石英或氧化铝如蓝宝石构成。

图16，17和18表示根据本发明的校准晶片14的再一实施例。在这些实施例中，校准晶片14包括由多个通道92限定的透射区域90。这样，该透射区域90包括与厚区域相混合的薄区域，其中，该厚区域具有与晶片本身相同的厚度。如图16所示，通道92仅可以在晶片厚度的一部分延伸，或如图17和18所示，可以穿过晶片的整个厚度。在图17和18中，厚区域94附于薄元件82。进一步，在图18中，薄元件82设置在形成于晶片14中的凹槽84内。在图17和18所示的实施例中，薄元件82例如可以通过粘接附于晶片14。

在图16，17和18所示的实施例中，当校准晶片加热到相对高的温度时，主要由通道92确定光线透射。因此，厚元件94的存在不会干扰温度测量。校准晶片的这个实施例提供了几个优点。例如，通过使该薄区域保持小并且与厚区域混合，可以减少横向的温度梯度和热应力的问题。进一步，易于使高温计，校准光源或光探测器与透射区域90对准。

当结合图16至18所示的实施例时，在一些应用中，为了在测量期间对厚区域的存在校正，需要已知厚区域与薄区域之间的比率。这种比率可以通过任何适当的方式测量。例如，该比率可以通过使用物理测量或光学测量将在射束路径中具有晶片的透射通量与不具有晶片的透射通量的比较而确定。后者的测量可以在任何方便的波长执行，其中，该厚区域是实际上不透光的。也可以通过高精确的先验(priori)，例如通过利用光刻技术或其它类似的技术形成该区域。可以使用微细加工的方法产生适当的结构。例如，可以通过在适当的波长在已知的温度进行透射测量确定该薄区域的厚度。

当形成透射区域90时，应当理解，晶片可以包括如图14所示的多个区域，或者如图15所示的覆盖整个晶片的单个透射区域。

当结合如图17或18所示的校准晶片时，在一个实施例中，优选地取向该晶片以致于薄元件82颠倒地取向，以便该薄元件面向被校准的高温计。由于该高温计看到的是不透光的均匀的表面，而不是孔的排列，因而这种结构是有利的。

参考图19，表示了校准晶片14的另一个实施例。在本实施例中，校准晶片14包括设置在透明衬底102顶部的薄硅层100。例如，该透明衬底可以是氮氧化铝，尖晶石，熔融石英或蓝宝石。其结果是具有非常薄的硅材料的性能的坚固的校准晶片。

硅层100可以多种不同的方式设置在透明材料上。例如，该硅层可以粘接于透明材料，或者，可选的，该硅层可以通过在透明材料的顶部沉积形成。

参考图20，表示了校准晶片14的另一个实施例。在本实施例中，该校准晶片14包括设置在硅衬底106顶部的薄硅层100。硅层100通过绝缘层104与硅衬底106隔离。绝缘层104可以由氧化物如二氧化硅构成。如图所示，校准晶片14其中进一步包括容纳在硅衬底106中形成的容纳通道92的透射区域90。

参考图21，表示了与图20中所示的校准晶片14类似的实施例。然而，在图21中，形成了穿过氧化物层104的通道92。

在图16，17，18，20和21所示的实施例中，硅晶片作为透射区域90的支撑物。然而，该支撑衬底可以由其它材料构成，而不是由硅构成。例如，在一个实施例中，该衬底是由碳化硅构成的，其有利于强度，高导热率，化学耐久性和机械耐久性。

在本发明的另一个实施例中，该校准晶片可以包括由大致不透光的材料构成的不透光区域，以及例如由硅构成的透射区域。这种类型的校准晶片比较适于在低温校准下使用。在本实施例中，校准的高温计可以定位于感应晶片在不透光区域发射的热辐射。然而，可以在透射区域进行透射测量。

可以用于构成晶片的大致不透光的材料包括掺杂有材料(如硼，砷或磷)的硅。大致不透光的材料的其它例子包括金属薄膜如钛薄膜，钴薄膜，镍薄膜和钨薄膜，以及由金属硅化物如硅化钛，硅化钴，硅化镍和硅化钨构成的薄膜。也可以使用一些其它的构成材料如氮化钛。

如上所述，在一些应用中，需要已知透射区域90的厚区域和薄区域之间的比率。然而，在一个实施例中，只要该厚区域在低温是不透光的，该低温用于在红外光透射方法中规范化信号，则不需要这种信息。由于该方法是自校正的，因而这种结构消除了单独测量的需要。可以用几种方法测量不透光度。例如，在一个实施例中，可以在已知厚部分不透光而薄部分完全地透明的温度，规范化信号。可选的，可以将覆层应用于该厚区域，其中，该覆层对选定的探测器波长强烈地吸收或强烈地反射。另一种技术例如通过离子注入而大量地掺杂该厚区域。

在一个实施例中，该校准晶片主要由在规范化温度不透光的材料构成。类似于图19所示的晶片，该晶片可以包括硅薄覆层。在本实施例中，该支撑晶片可以由任何适当的材料如重掺杂材料构成，该材料在所需的波长是不透光的。

在本发明的另一个实施例中，可以使用由各种材料构成的各种校准晶片。使用不同的材料可以允许在更宽的温度范围进行更多的测量。其它可以使用的材料包括碳化硅，氮化铝，氮化镓或磷化镓。特别地，选定的对IR透射波长透明的结构晶片的材料对高温计波长是不透光的。

为了举例，下面是列出了在三个建议的波长和三个建议的晶片厚度的一些实际温度范围的表格。在本实施例中，标题“low T”表示在任何给定的波长/厚度组合的范围内的实际低温，标题“high T”表示相同组合的温度上限。在本实施例中，通过逐渐减少温度灵敏度设定该温度下限。特别地，该下限表示了透射光信号在每改变1℃不再以至少其值的0.1％变化(表示为sens(％/℃))的温度。另一方面，该上限设置在晶片变成非常不透光的点。在本实施例中，高温范围是该晶片不再以至少10^-8透射(100,000,000分之一)的速度透射光能的点。在该表格中，这表示为“int trans”。波长1310纳米和1550纳米由于它们方便于商业光源而选用。波长1200纳米是任选的。

晶片厚度(微米)		波长(纳米)
								1200		1310		1550
		Low T	High T	Low T	High T	Low T	High T
								725	T(℃)	125	600	360	745	415	885
int trans	0.96	9.283E-09	0.943	1.08E-08	0.95	1.29E-08
							sens(％/℃)		0.1	14	0.1	15.6	0.1	15.9
100	T(℃)	250	975	425	1060	560									1160
							int trans	0.93	1.192E-08	0.95	1.53E-08	0.93	1.37E-08
	sens(％/℃)	0.1	7.9	0.1	9.1	0.1								10.8
							60	T(℃)	300	1085	460	1165	600		1250
int trans	0.92	1.536E-0.8	0.94	1.15E-08	0.93	1.53E-08
								sens(％/℃)	0.1	7	0.1	8	0.1	9.5

校准过程

现在论述实现本发明的过程的各种方法。在一个实施例中，例如，将选定的校准晶片载入热处理室。然后运行校准方法。该方法使得经过预定的温度定时周期加热晶片，同时得到所需的数据。该数据包括高温计读数以及红外光透射数据。上述算法用晶片温度解释透射数据，以及计算用于校正高温计系统的参数，这样，从高温计系统推断的温度与从红外光透射系统推断的温度相匹配。当然，除了高温计，该系统也可以用于校准其它温度测量装置。

典型的方法包括一个加热循环或多个加热循环，其中，晶片变化至由高温计系统确定的指定温度，并且在其变化至第二温度等之前，保持固定的时间周期而得到数据。该方法覆盖了校准的温度范围。该方法可以包括在晶片的透射是已知的，并且不是温度的强函数的温度的部分。该方法的这个部分允许红外光系统得到用于规范化信号的透射信号，以便消除在红外透射测量系统中的光学器件的影响和变化。

如果使用相干光源，则该方法的这部分也可以包括缓慢的温度变化，或在通过晶片的光程长度中引入显著变化的振动。这些变化改变了从晶片顶部和底部表面反射的光束之间光学干涉的条件，因此，导致了透射信号振动。数据记录系统可以收集该透射数据，并且在时间上求平均，以便减少该振动的影响。这种方法对当晶片透射足够高以在晶片内多次反射成为因素的条件下执行该方法的阶段是有用的。

该方法的可选择类型是通过向上变化和/或向下变化的方法动态地收集数据。在这种情况下，该变化的速度必须足够慢，以在两个测量系统的输出之间具有可以忽略的时间延迟，并且适当的信号平均以减少实验噪音。在本实施例中，当使用具有薄部分的晶片时，该薄部分的热响应相对于厚部分应当相似。

在一些应用中，在该校准晶片载入该室之前，执行使用透射系统的测量也是有益的。具有晶片的信号与不具有晶片的信号之间的比率提供了对晶片透射率的估算。测量的晶片透射率例如对检查装载正确的晶片，或对测试晶片的降级是有用的。没有晶片时的透射信号的水平也是对透射测量的光学系统的状态的有用指示。

在上面方法的一个可选实施例中，可以使用一个以上的校准晶片，其每一个可以自动地载入处理系统。多个校准晶片可以用于几个目的。例如，可以将具有不同特性的不同晶片载入热处理室，从而允许在高温范围与低温范围一样的适当的性能。例如，具有薄区域的晶片可以用于更高的温度。该晶片也可以包括多种覆层以允许对高温计系统必要的校准，从而给出独立于发射率的温度测量。

在本发明的系统的一个应用中，为了快速地检验该系统正确地工作，需要仅在一个或几个选定的温度校准该高温计系统。在这种情况下，可以装载该校准晶片并执行非常简单的方法，例如变化至一测试温度，并且收集高温计和红外光透射数据。可以在使用者预定间隔常规地执行这种方法。为了追踪高温计系统的特性中的任何漂移，可以收集该方法所需的数据。一旦观察到温度测量装置和确定的透射温度之间的显著的差异，就可以重新校准该系统，或执行维护或室清洗。

在一些应用中，本发明的透射测量系统也可以在正常的晶片处理期间操作。特别地，本发明的系统可以在正常的晶片处理期间，其中，晶片衬底掺杂已知，并且晶片透射可测量的红外光辐射数量中使用。例如，运行该处理方法，并且当高温计得到温度读数时，算法相对于IR透射的读数检查高温计的读数。如果该读数之间的差异超过某指定界限，则指示需要校正动作。可以在部分或全部预定温度范围或方法时间上进行这种方法。

实际上，如果已知被处理晶片的足够信息，则当处理实际的晶片时，可以校准在处理室中的温度测量装置。例如，可以在温度循环的早期进行该校准，其中，该晶片处于对红外光透射系统适当地运行足够低的温度。在本应用中，从红外光透射推断的温度可以用于提高晶片的发射率评估，因而提高高温计的精确性。

在一个实施例中，本发明的透射测量系统可以用于监视处理的均匀性。在本实施例中，该系统优选地包括多个用于在晶片的多个位置测量光线透射的透射测量装置。在晶片的正常处理或使用特定晶片进行测试期间，该透射测量系统可以在多个位置监视晶片的温度。因而，这种信息可以用于检查和确定设计到系统中的加热循环在所有执行透射测量的位置正确地操作。更特别地，在本实施例中，该透射测量系统提供保证正确地设置加热循环的实时方法。例如，该透射测量系统可以精确的确定包括向上变化速度和向下变化速度的加热循环的温度轮廓。通过在预设的界限内在所有监视的位置保持该加热循环，提高了处理的均匀性，而无论在该室中进行的处理是退火或是在晶片上沉积材料。

原则上，可以使用从闭环模式中的本发明的红外透射测量推断的温度的反馈来控制热处理室的加热系统。这在高温计系统以前从未被校准过，结果其读数太不精确以致不能用于控制加热循环的情况下可能有用。

除了在闭环控制循环中使用，也可以将本发明的红外透射测量系统用在开环控制循环中。在开环控制循环中，没有用于控制光源的反馈信号。作为替代，该光源设计成运行特定的加热循环。

本发明的透射测量系统的使用特别地在小于800℃左右的温度有用，其中大多数晶片透射可测量的红外光量，该测量系统独立于任何其它温度测量装置确定晶片的温度。在本实施例中，可以将本发明的透射系统用于监视在低温处理的晶片的温度，同时可以将正常温度测量系统用于监视高温的晶片的温度。例如，在本实施例中，该透射测量系统特别地适用于与高温计一起使用，该高温计不如在低温时精确。

最后，可以将完全闭环的控制从室温以上贯穿整个处理循环应用，消除对开环加热块的需要，该加热块用于将晶片加热至进行高温计控制的温度。本实施例可以提高总处理控制及输出量，同时减少需要产生方法的努力。进一步，在最高处理温度小于800℃左右的应用中，可以通过本发明的透射测量系统控制整个加加热循环。

现场透射测量系统的存在也可以在晶片处理期间提供各种其它有用信息。例如，本发明的系统也设置于提供被处理的晶片在温度或所需温度是否透明的信息。该信息可以用于自动地选择最佳温度测量，并且控制算法以通过最佳方式处理，轻掺杂，重掺杂以及金属化晶片，其中，该最佳方式考虑这些晶片的完全不同的功率吸收特性。

本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以实施对本发明的这些以及其它的修改和变形，该精神和范围更特别地在所附的权利要求中陈述。此外，应当理解，可以完全或部分地将不同的实施例的方面交换。而且，本领域技术人员应当意识到上述描述仅是举例来说，而不是将要限制本发明，因而在所附的权利要求中进行进一步地描述。

Claims (71)

1.一种在热处理室中校准温度测量装置的方法，包括

提供容纳至少一个用于监视设置在所述室中的半导体晶片的温度的温度测量装置的热处理室，所述热处理室与加热容纳在所述室中的晶片的加热装置相通，所述室进一步包括一校准光源；

将一校准晶片设置在所述热处理室中；

当使用所述加热装置加热所述校准晶片时，将所述校准光源的光能发射到所述校准晶片上；

探测校准光源发射的透过校准晶片的光能量，并且基于探测的透射光量来确定校准晶片的温度；以及

基于确定的温度来校准温度测量装置。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述加热装置包括至少一个光能源。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述加热装置包括一基座板。

4.如权利要求1所述的方法，其中，在预定波长探测透过校准晶片的光能。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述预定波长包括从1微米左右到2微米左右的波长。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述校准晶片包括硅晶片。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述温度测量装置包括高温计。

8.如权利要求1所述的方法，其中，在晶片上晶片厚度小于150微米左右的位置探测透过校准晶片的光能量。

9.如权利要求1所述的方法，其中，在晶片上晶片的厚度已经减小的位置探测透过校准晶片的光能量。

10.如权利要求1所述的方法，其中，所述校准光源包括激光器或发光二极管。

11.如权利要求1所述的方法，其中，该校准光源包括超级发光的发光二极管。

12.如权利要求1所述的方法，其中，该校准光源包括超级荧光的光纤激光器或半导体激光器。

13.如权利要求4所述的方法，其中，在一个以上的波长上探测透过校准晶片的光能。

14.如权利要求1所述的方法，其中，该校准晶片包括具有至少一个薄区域的晶片，该薄区域具有小于晶片的第二厚度的第一厚度，该薄区域具有小于150微米左右的厚度。

15.如权利要求1所述的方法，其中，该薄区域具有小于100微米左右的厚度。

16.如权利要求14所述的方法，其中，该晶片包括多个薄区域。

17.如权利要求14所述的方法，其中，该校准晶片进一步包括位于晶片的至少一侧的覆层。

18.如权利要求17所述的方法，其中，该覆层的反射率在一确定的波长小于0.25左右，该确定的波长在约1微米和约2微米之间。

19.如权利要求14所述的方法，其中，该晶片包括多个组合在一起的薄区域。

20.如权利要求19所述的方法，其中，该晶片包括该多个薄区域组合在一起的多个位置。

21.如权利要求14所述的方法，其中，该薄区域具有至少1毫米的最大长度尺寸。

22.如权利要求14所述的方法，其中，校准晶片限定一开口，该薄区域包括设置在该开口上的薄元件，该校准晶片进一步包括位于晶片的一侧上保持该薄元件的保持盖。

23.如权利要求22所述的方法，其中，该保持盖包括在探测透过校准晶片的光能的预定波长大致透明的材料。

24.如权利要求14所述的方法，其中，该校准晶片进一步包括接近薄区域的填充元件，该填充元件由对在探测透射的波长的光线大致透明的材料制成，该填充元件用于减少该薄区域和晶片的剩余部分之间的热质量差异。

25.如权利要求24所述的方法，其中，该填充元件由石英或氧化铝制成。

26.如权利要求1所述的方法，其中，在多个波长上探测透过校准晶片的光能量，将在多个波长上探测的光能用于确定校准晶片的温度。

27.如权利要求1所述的方法，其中，该热处理室与第一校准光源和第二校准光源相通，该第一校准光源包括非相干光源，第二校准光源包括相干光源，第一校准光源用于在较低的温度进行透射测量，第二校准光源用于与该较低温度的透射测量一起在较高的温度确定校准晶片的温度。

28.如权利要求22所述的方法，其中，该保持盖在晶片的表面上是间断的，在晶片上的温度测量装置确定晶片的温度的位置没有该保持盖。

29.如权利要求14所述的方法，其中，该校准晶片包括覆层，该覆层减少该薄区域和晶片的剩余部分之间的差异的影响。

30.如权利要求29所述的方法，其中，该覆层包括硅，多晶硅，氮化硅或它们的混合。

31.如权利要求1所述的方法，其中，校准晶片包括由大致不透光的材料制成的晶片，该晶片进一步包括包括硅的透射区域，该透射区域位于探测透射的光能量的位置。

32.如权利要求31所述的方法，其中，该不透光的材料包括掺杂硅，金属或硅化物。

33.一种校准温度测量装置的方法，包括：

当加热晶片时，将校准光源的光能发射到由半导体材料制成的晶片上；

探测发射的透过晶片的光能量；

基于探测的透射的光能量确定晶片的温度；以及

基于从透过晶片的光能量确定的温度来校准用于测量晶片的温度的温度测量装置。

34.如权利要求33所述的方法，其中，所述发射的光能包括在预定波长的电磁辐射。

35.如权利要求34所述的方法，其中，所述预定的波长包括从1微米左右到2微米左右的波长。

36.如权利要求33所述的方法，其中，所述温度测量装置包括高温计。

37.如权利要求33所述的方法，其中，在晶片上晶片的厚度小于150微米的位置探测透过晶片的光能量。

38.如权利要求33所述的方法，其中，在晶片上在晶片的厚度相对于晶片的其余部分减少的位置探测透过晶片的光能量。

39.如权利要求33所述的方法，其中，该晶片包括硅晶片。

40.如权利要求33所述的方法，其中，该晶片包括至少一个薄区域，该薄区域具有小于晶片的第二厚度的第一厚度，该薄区域具有小于150微米左右的厚度。

41.如权利要求40所述的方法，其中，该薄区域具有小于100微米左右的厚度。

42.如权利要求33所述的方法，其中，该晶片包括在晶片的至少一个侧面上的覆层。

43.如权利要求42所述的方法，其中，该覆层在确定波长具有小于0.25左右的反射率，该确定的波长在约1微米和约2微米之间。

44.如权利要求40所述的方法，其中，该晶片包括至少两个区域。

45.如权利要求33所述的方法，其中，该校准光源包括与一光学元件工作联接的相干光源，该光学元件包括毛玻璃材料。

46.一种在热处理室中校准温度测量装置的系统，包括：

适于接收半导体晶片的室；

加热容纳在所述室中的半导体晶片的与所述室相通的加热装置；

监视容纳在所述室中的半导体晶片的温度的温度测量装置；

设置在所述室内的校准晶片；

至少以特定波长将光能发射到校准晶片上的校准光源；以及

定位于探测在所述特定波长从校准光源发射的透过校准晶片的光能量的光探测器，探测的光能量用于校准该温度测量装置。

47.如权利要求46所述的系统，其中进一步包括与所述光探测器和温度测量装置相联的控制器，所述控制器设置成从光探测器接收信息，并在之后用该信息校准温度测量装置。

48.如权利要求46所述的系统，其中，所述加热装置包括至少一个光能源。

49.如权利要求46所述的系统，其中，所述加热装置包括基座板。

50.如权利要求46所述的系统，其中，所述光探测器包括光电探测器。

51.如权利要求46所述的系统，其中，所述温度测量装置包括高温计。

52.如权利要求46所述的系统，其中，所述光探测器设置成探测所述光能，所述光能包括在1微米左右到2微米左右的波长的电磁辐射。

53.如权利要求46所述的系统，其中，所述校准光源包括激光器，发光二极管，超级发光的发光二极管，或超级荧光的光纤激光器。

54.一种用于在热处理室中校准温度测量装置的校准晶片，该校准晶片包括：

具有至少200毫米的直径的晶片，该晶片包括至少一个薄区域，该薄区域具有小于晶片的第二厚度的第一厚度，该薄区域具有小于150微米左右的厚度。

55.如权利要求54所述的校准晶片，其中，该薄区域具有小于100微米左右的厚度。

56.如权利要求54所述的校准晶片，其中，该晶片包括至少两个薄区域。

57.如权利要求54所述的校准晶片，其中，晶片的第二厚度至少为250微米。

58.如权利要求54所述的校准晶片，其中，该薄区域具有至少1毫米的最大长度尺寸。

59.如权利要求54所述的校准晶片，其中，该薄区域的电阻率至少为0.01Ωcm。

60.如权利要求54所述的校准晶片，其中，该薄区域包括硅。

61.如权利要求54所述的校准晶片，其中，该晶片由硅制成。

62.如权利要求54所述的校准晶片，其中，该晶片在晶片的至少一侧包括覆层。

63.如权利要求62所述的校准晶片，其中，在确定波长该覆层的反射率小于0.25左右，该确定波长在1微米左右到2微米左右之间。

64.如权利要求54所述的校准晶片，其中，该薄区域包括设置在由晶片限定的孔上的薄片材料。

65.如权利要求54所述的校准晶片，其中，该薄区域被壁环绕，该壁具有倾斜的表面。

66.如权利要求54所述的校准晶片，其中，该晶片包括多个组合在一起的薄区域。

67.如权利要求64所述的校准晶片，其中，该晶片包括多个该多个薄区域组合在一起的位置。

68.如权利要求54所述的校准晶片，其中，校准晶片限定一开口，该薄区域包括设置在该开口上的薄元件，该校准晶片进一步包括位于晶片的一侧的保持该薄元件的保持盖。

69.如权利要求68所述的校准晶片，其中，该保持盖包括对探测透过校准晶片的光能的确定的波长大致透明的材料。

70.如权利要求54所述的校准晶片，其中，该校准晶片进一步包括接近薄区域的填充元件，该填充元件由对探测透射的波长的光大致透明的材料制成。

71.如权利要求70所述的校准晶片，其中，该填充元件由石英或氧化铝制成。

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