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TWI890955B - 適合於在半導體處理腔室中之感測溫度的方法和校準處理腔室內之溫度量測值的方法 - Google Patents

適合於在半導體處理腔室中之感測溫度的方法和校準處理腔室內之溫度量測值的方法

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TWI890955B
TWI890955B TW111133814A TW111133814A TWI890955B TW I890955 B TWI890955 B TW I890955B TW 111133814 A TW111133814 A TW 111133814A TW 111133814 A TW111133814 A TW 111133814A TW I890955 B TWI890955 B TW I890955B
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etalon
temperature
light beam
processing chamber
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布魯斯Ｅ 亞當
山謬Ｃ 赫威爾斯
艾爾法洛 賈西亞
巴里Ｐ 克拉佛
東尼傑佛遜 格納納普拉卡薩
磊 連
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美商應用材料股份有限公司
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Abstract

本文中描述一種用於決定處理腔室內之基板的溫度之方法及設備。本文所述方法及設備利用標準具組件及外差效應來決定基板之第一溫度。在不實體地接觸基板的情況下決定基板之第一溫度。單獨的溫度感測器亦在類似位置處量測基板及/或基板支撐件之第二溫度。利用第一溫度及第二溫度來校準安置於基板支撐件內之溫度感測器中的一者、在處理腔室內執行之製程的模型，或調整在處理腔室內執行之製程的製程參數。

Description

適合於在半導體處理腔室中之感測溫度的方法和校準處理腔室內之溫度量測值的方法
本揭示案之實施例大體係關於半導體處理腔室中之溫度量測，且具體言之係關於藉由處理腔室內或與處理腔室相關聯之兩個標準具物件之間的外差相干輻射而進行無接觸溫度量測。
溫度為半導體處理之關鍵參數。在處理腔室中之各種位置處及在各種處理階段中量測選定物件之溫度可能具有挑戰性。舉例而言，半導體基板之原位溫度量測對傳統量測技術提出了重大挑戰。
電流高溫計藉由偵測熱輻射而估計溫度。然而，儘管電流高溫計可避免表面接觸風險，但高溫計可能限於高溫(例如，>380℃)。由於發射率易變性(例如，表面圖案之發射率易變性)，電流高溫計之準確度可能受限。具有複雜膜堆疊之許多新型低溫製程超出了準確且可重複之輻射高溫計的極限。
當用於包括電漿之製程(諸如，電漿蝕刻或電漿沉積)中時，高溫計進一步受限。電漿藉由引入不易自高溫計量測中濾除之雜訊及額外的光而干擾高溫計之溫度量測。在不存在來自處理腔室內之輻射源的發射率或雜訊所引起之變化的情況下，利用接觸式溫度感測器獲得更直接之溫度量測。然而，接觸式溫度感測器的回應時間及準確度受限，且時常會量測與基板相鄰之基板支撐件而非基板自身的溫度。
因此，此項技術中需要用於溫度量測之改良方法及系統。
本揭示案大體係關於用於量測製程腔室內之溫度的設備及方法。在一個實施例中，描述一種適合於用在半導體處理腔室中之感測溫度的方法。該方法包括使第一光束通過第一標準具，並使第一光束通過安置於處理腔室中之基板。該基板提供第二標準具。使反射第二光束通過第一標準具及第二標準具之後，自第一光束產生該反射第二光束及透射第二光束。自該反射第二光束或該透射第二光束中之一者的干涉圖案決定條紋間距。基於該條紋間距決定基板之溫度。
在另一實施例中，描述一種適合於用在半導體處理腔室中之感測溫度的方法。該方法包括使第一光束通過第一標準具，並使第一光束通過安置於處理腔室中之基板。該基板提供第二標準具。第一標準具或第二標準具中 之一者自第一光束產生反射第二光束及透射第二光束。第一標準具及第二標準具形成標準具組件。自該標準具組件之反射第二光束或透射第二光束中之一者內所產生的干涉圖案決定條紋間距。基於該條紋間距決定基板之溫度。在執行如下各者中的一或更多者之前將該溫度提供至處理腔室之控制器：使用該溫度校準處理腔室內之溫度感測器；將溫度偏移量施加至該溫度感測器之一或更多個量測值；調整在處理腔室中執行之製程的模型；及調整在處理腔室中執行之製程的製程參數。
在又一實施例中，描述一種校準處理腔室內之溫度量測值的方法。該方法包括在處理腔室內之參考基板上執行製程操作。在執行該製程操作的同時，使用第一標準具組件量測安置於處理腔室內之基板的第一溫度。量測基板之第一溫度包括使第一光束通過第一標準具及形成第二標準具之基板，使基板與第一光束相交，使用第一標準具或第二標準具中之一者將第一光束分裂成反射第二光束及透射第二光束，使用輻射量測裝置收集反射第二光束或透射第二光束中之一者，及分析反射第二光束或透射第二光束以決定基板之第一溫度。該方法進一步包括使用第一溫度感測器來量測該基板或在其上安置該基板之基板支撐件的第二溫度，將第一溫度及第二溫度傳輸至控制器，及使用第一溫度及第二溫度校準該控制器內之模型。
100:標準具
110:關係圖
115:條紋間距
202:標準具物件
204:標準具物件
206:光軸
210:關係圖
215:條紋間距
310:關係圖
315:條紋間距
700:第一製程腔室
702:腔室主體
704:腔室蓋
706:感應線圈
708:標準具組件
710:基板支撐件
712:基板基座
714:支撐表面
716:軸桿
718:致動器
720:電源
722:第一溫度感測器
724:第二溫度感測器
725:基板
726:電漿
728:製程體積
730:開口
731:第二光束
732:第一光束
734:製程氣體源
736:氣體入口
738:排放開口
740:排放泵
742:第二製程氣體源
744:光源
746:輻射量測裝置
748:光譜分析儀
750:波導
751:波導
752:電源
754:波導護套
756:準直器
757:第二準直器
758:組件主體
760:標準具外殼
761:溫度控制單元
762:第一參考標準具
764:第二參考標準具
766:第三參考標準具
770:控制器
772:CPU
774:記憶體
776:支援電路
800:第二製程腔室
802:第二標準具組件
804:開口
806:第二組件主體
808:第二光源
810:第二輻射量測裝置
811:波導
812:波導
813:波導
814:波導護套
816:第三準直器
818:第二標準具外殼
819:第二溫度控制單元
820:第二組件參考標準具
821:第四準直器
822:替代的第二組件參考標準具
824:第三光束
825:第四光束
850:第三製程腔室
852:分光器
854:波導
900:第四製程腔室
902:標準具組件
904:光源
906:波導
908:波導護套
910:第一光束準直器
912:第一光束
914:第二光束
925:第五製程腔室
926:開口
950:第六製程腔室
960:標準具組件
962:波導
1000:方法
1002:操作
1004:操作
1006:操作
1008:操作
1010:操作
1100:方法
1102:操作
1112:操作
1200:方法
1202:操作
1204:操作
1205:操作
1206:操作
1208:操作
1210:操作
因此，可詳細地理解本揭示案之上述特徵的方式，可藉由參考實施例來獲得以上簡要概述的本揭示案之更特定描述，實施例中之一些在附加圖式中加以繪示。然而，應注意，附加圖式僅繪示例示性實施例，且因此不應視為對其範疇的限制，可允許其他同等有效之實施例。
第1圖繪示標準具及與標準具有關之概念。
第2圖繪示標準厚度的矽半導體基板之透射率與波長的關係圖。
第3圖繪示沿光軸對準之一對標準具物件。
第4圖繪示一對標準厚度的矽半導體基板之透射率與波長的另一關係圖。
第5圖繪示一對標準厚度的矽半導體基板之透射率與波長的另一關係圖。
第6圖繪示矽半導體基板自室溫至約300℃之熱光係數與溫度的關係圖。
第7圖根據本揭示案之實施例繪示第一製程腔室的示意圖。
第8A圖根據本揭示案之實施例繪示第二製程腔室的示意圖。
第8B圖根據本揭示案之實施例繪示第三製程腔室的示意圖。
第9A圖根據本揭示案之實施例繪示第四製程腔室的示意圖。
第9B圖根據本揭示案之實施例繪示第五製程腔室的示意圖。
第9C圖根據本揭示案之實施例繪示第六製程腔室的示意圖。
第10圖根據本揭示案之實施例繪示決定基板的溫度之方法。
第11圖根據本揭示案之實施例繪示決定基板的厚度之方法。
第12圖根據本揭示案之實施例繪示校準製程腔室內的溫度之方法。
為了便於理解，在可能的情況下，已使用相同元件符號來表示諸圖中所共有之相同元件。預期一個實施例之元件及特徵可有益地併入其他實施例中而無需進一步敘述。
本發明之實施例大體係關於半導體處理腔室中之溫度量測及校準，且具體言之係關於藉由處理腔室內或與處理腔室相關聯之兩個標準具物件之間的外差輻射而進行無接觸溫度量測。在一些實施例中，該兩個標準具物件中之一者或兩者為半導體基板(例如，矽基板)。在其他實例中，基板中之一者或兩者可由其他材料製造。在一些實施例中，該兩個標準具物件包括參考基板及樣本基板。在一些實施例中，該兩個標準具物件對於具有約400nm與約2000nm之間(諸如，約1000nm至約1700nm)的波 長之輻射而言至少部分地透明。在一些實施例中，該兩個標準具物件中之每一者具有大體上均勻的實體厚度(亦即，偏差不大於約10%)。在一些實施例中，該兩個標準具物件在實體厚度、光學厚度、折射率及/或相對定向中緊密匹配(差別在約1%與約10%之間)。
本揭示案之實施例的許多潛在優勢中之一者在於，可在寬廣溫度範圍內(例如，自約-200℃至約700℃)以高解析度進行原位標準具物件(例如，諸如半導體晶圓之基板)溫度量測。另一優勢包括實現直接溫度量測，而不依賴於可能由基板鄰近方法引起之發射率或熱傳遞問題。本文所揭示之溫度量測可受背景或雜散輻射影響最小或不受其影響。另一優勢包括允許獲得用於腔室設計、測試及/或維護之更準確的溫度資料。在具有高背景輻射之系統及經配備來在其中產生電漿之系統中，更準確的測試可能尤其重要。另一優勢包括實現處理期間基板上之增大的溫度均勻性。舉例而言，本文所揭示之溫度量測可受樣本基板之發射率變化影響最小或不受其影響，以及提供迅速且準確的局部溫度反饋，該局部溫度反饋允許旋轉製程旋鈕以得到提高的溫度及製程均勻性。另一優勢包括改良的腔室匹配，及/或處理期間改良的溫度控制。本揭示案之實施例可藉此在材料處理的領域中有用，其中更嚴格之製程溫度控制使得能夠製造進階(亦即，更小節點)的元件/或實現大批量製造。
與本文所述技術有關，半導體處理中所使用之基板(諸如，晶圓)通常由矽製成。如上所述，可利用由其他材料製造之基板。基板可大體成形為扁平的碟片。碟片之兩個扁平表面(有時稱作「前」及「後」、「頂部」及「底部」，或「第一」及「第二」)可大體上平行。換言之，基板之兩個表面可形成標準具。如第1圖中所繪示，標準具100為光學元件，其中入射輻射I(例如，紅外線輻射)在兩個表面S1及S2之間來回彈跳。入射輻射I可能以入射角α遭遇第一表面S1。輻射可能作為透射輻射T及/或反射輻射R離開標準具100。由於矽半導體基板之高折射率，在兩個表面之間存在明顯反射。每次反射時，由於透射，會存在小的能量損耗。對於特定波長處之相干輻射的情形而言，透射輻射T之總透射功率及反射輻射R之總反射功率為標準具100的光學厚度(折射率與實體厚度之乘積)的敏感函數。舉例而言，對於對應於入射波長之整數倍的光學厚度而言，透射功率可能高，而對於入射波長之半整數倍而言，透射功率可能低。
應瞭解，可在具有多種標準具物件及材料之半導體處理中使用外差技術。當標準具物件為矽半導體基板時，可選定輻射源以在自約400nm至約2000nm(諸如，約1100nm至約1700nm)之寬波長光譜上產生相干輻射。可將諸如砷化鎵、鍺或藍寶石以及其他之其他材料用作半導體處理環境中之標準具物件。在此些情形下，可取決於特定物件及材料之透明度窗口來調整波長範圍。
第2圖繪示標準厚度(亦即，0.775mm)矽基板在室溫下在無吸收的情況下透射率與波長之關係圖110。可見，取決於波長及基板之光學厚度，反射與透射彼此相長干涉或相消干涉。如所繪示，0.27nm之條紋間距115(例如，相鄰干涉圖案(諸如，波峰或波谷)之間的距離)往往太窄而無法被通常整合在半導體工具中之光譜儀解析。舉例而言，一個常見光譜儀具有僅1.9nm之解析度。
第3圖繪示沿光軸206對準之一對標準具物件202及204。標準具物件202、204可為矽或其他適當基板。如所繪示，入射輻射I(例如，紅外線輻射)遭遇標準具物件202，在其兩個表面之間彈跳，並作為透射輻射t出現。透射輻射t成為第二標準具物件204之入射輻射，在其兩個表面之間彈跳，並作為透射輻射T或反射輻射r出現。若兩個標準具緊密匹配(差別在約1%與約10%之間)，則輻射在該等標準具之間產生外差(一起跳動)。藉由控制折射率、實體厚度、光學厚度、相對定向及/或入射角度中之一或更多者，使兩個標準具緊密匹配。如本文中所描述，兩個標準具相匹配，以使得兩個標準具之光學厚度彼此相差約10%以內。光學厚度TOptic係自折射率RI、實體厚度Tphysical及在標準具內之傳播角度θ的組合導出，使得TOptic=RI*Tphysical*cos(θ)。因此，折射率、實體厚度及/或傳播角度中之任一者可變化以將每一標準具之光學厚度匹配成差別在約10%以內。
第4圖繪示一對標準厚度(亦即，0.775mm)矽基板(諸如，第3圖中所示的彼些)之透射率與波長之關係圖210。在第4圖中，參考基板維持在25℃，而樣本處於100℃。該參考基板可為第3圖之第二標準具物件204。關係圖210繪示透射輻射T之外差光譜。該外差光譜具有大體寬於關係圖110的條紋間距之條紋間距。舉例而言，選定的相鄰干涉波峰(近端波長=1500nm)之間的條紋間距215為大致80nm。注意，不同於關係圖110，關係圖210中之條紋間距會隨波長變化。使用傳輸輻射T可獲得類似的外差光譜。該外差光譜可類似於波紋圖案。有外差之兩個標準具物件形成重疊的強度圖案，類似於波紋干涉儀所產生之強度圖案。類似於波紋干涉儀之強度圖案，使用標準具組件產生之強度圖案會隨著標準具組件內之標準具中的一者或兩者之一或更多個特性(諸如，折射率)變化而變化。
第5圖繪示一對標準厚度的矽基板之透射率與波長的另一關係圖310。在第5圖中，參考基板維持在25℃，而樣本處於240℃。關係圖310繪示具有大體遠寬於關係圖110之條紋間距但明顯窄於關係圖210之條紋間距的條紋間距之外差光譜。舉例而言，選定的相鄰干涉波谷(近端波長=1500nm)之間的條紋間距315為大致20nm。可類似地使用透射輻射T或反射輻射r中之一者來決定第5圖之外差光譜。
應瞭解，關於條紋間距之概念及技術可類似地適用於干涉圖案週期計數。舉例而言，在第4圖中，干涉圖案在1300nm與1500nm之間的波長範圍內表現出約3.25個週期。由於第5圖中之更窄條紋間距，因此在相同波長範圍內，干涉圖案表現出約10個週期。因此，可使週期計數取代條紋間距。週期計數在各種操作條件下(例如，高樣本溫度)可為有益的。
同樣，應瞭解，關於條紋間距之概念及技術可類似地適用於干涉圖案相位變化。舉例而言，在第4圖中，干涉圖案在約1400nm之波長處表現出約pi/2之相位。在第5圖中，在相同波長處，干涉圖案表現出約-pi/2之相位。藉由使參考基板之溫度自100℃(如第4圖中)逐漸改變至240℃(如第5圖中)，可見干涉圖案之相位在選定波長處逐步變化。因此，可使關於溫度變化之相位變化取代條紋間距。監控相位變化在各種操作條件下(例如，高的及低的樣本溫度)可為有益的。舉例而言，基板溫度可與條紋圖案之相位大體上線性相關。可經由熱光係數建立起此關係。在許多情形下，相比於條紋間距，可更準確及/或高效地量測相位變化。
在一些實施例中，可在所選波長處監控干涉圖案之相位。所選波長為對基板之材料有透射性之波長。舉例而言，針對矽基板之一個所選波長可為1400nm。所選波長處之相位變化可用以推斷溫度的變化。對於迅速變化之溫度的條件而言，監控相位變化可提高溫度量測之準確 度。除了量測條紋間距及/或相位變化以外或替代於量測條紋間距及/或相位變化，可對相位變化進行監控。
如先前所論述，當標準具緊密匹配時，會發生外差。對於具有大體上相同的實體厚度(差別小於約10%)之大體上平行的標準具而言，當標準具的折射率緊密匹配時(差別小於約10%)，會發生外差。與處理腔室相關聯之典型標準具物件(例如，矽基板)的折射率隨溫度而變化。因此，對於具有大體上相同實體厚度之大體上平行的標準具物件而言，外差的程度(如藉由條紋間距所指示)隨溫度而變化。可將標準具物件中之一者(稱作「參考」標準具物件)維持在參考溫度。另一標準具物件可稱作「樣本」標準具物件。因此，條紋間距可用以計算參考標準具物件與樣本標準具物件之間的折射率之差別。折射率可接著用以推斷樣本標準具物件之溫度。應瞭解，已將參考標準具物件與樣本標準具物件之間的相對入射角及/或實體厚度之已知變化併入樣本標準具物件之折射率及/或推斷溫度的計算中。
在一些實施例中，參考標準具可由與樣本標準具物件不同之材料製成。在一些實施例中，參考標準具物件可由具有不會隨溫度明顯變化之折射率的材料製成。在此些實施例中，可在無需特定維持參考溫度的情況下知曉及/或估計參考標準具物件之折射率。
在一些實施例中，可估計或模型化折射率與溫度之間的關係。在一些實施例中，可經由校準獲得折射率與 溫度之間的關係。在一些實施例中，熱光係數(亦即，折射率隨溫度之變化，dn/dT)之關係圖可用以估計給定溫度範圍之折射率。第6圖繪示矽半導體基板自室溫至約300℃之熱光係數與溫度的關係圖。注意，第6圖之垂直軸線上的折射率會隨著沿水平軸線之大的溫度變化而逐漸變化。對於其他溫度範圍(諸如，低溫至約600℃，諸如，自約-200℃至約600℃)，可繪製熱光係數之類似關係圖。
熱光係數亦可慮及矽半導體基板之熱膨脹。可將矽半導體基板之熱膨脹併入單個光學厚度值中，使得光學厚度值取決於熱膨脹及熱光係數。以慮及材料之折射率的變化以及由熱膨脹引起之基板厚度的變化之方式來決定與特定溫度值相關之光學厚度值。當基板/標準具之溫度改變時，基板/標準具之折射率以及實體厚度將改變。此會影響關於相關溫度之條紋間距。然而，在本文所述實施例中，相比於實體厚度的變化，如本文所述之光學厚度值的變化受折射率變化影響的程度更大。材料之折射率與基板材料之熱光係數相關。熱光係數使材料之折射率的變化與溫度的變化有關。可憑經驗針對期望的溫度範圍決定熱光係數。
第7圖繪示第一製程腔室700之示意圖。第一製程腔室700經配置以在其中處理基板，諸如，半導體基板。第一製程腔室700包括腔室主體702、安置在腔室主體702的頂部上之腔室蓋704、安置在腔室蓋704的頂部上之標準具組件708，及安置在腔室主體702內之基板支撐件710。腔室主體702及腔室蓋704在其中形成製程體積728。基板 725(諸如，半導體基板)安置在製程體積728內之基板支撐件710的頂部上，且標準具組件708經配置以量測基板725的溫度。
第一製程腔室700經配置以在安置於製程體積728內之基板725上執行電漿製程，諸如，電漿蝕刻、離子佈植、電漿沉積製程或其他電漿製程。電漿726可形成在基板支撐件710與腔室蓋704之間的製程體積728內。一或更多個感應線圈706可安置在腔室蓋704上方。該一或更多個感應線圈706可連接至電源752。電源752可為交流(alternating current；AC)電源或射頻(radio frequency；RF)電源。在一些實施例中，第一製程腔室700包括電感耦合電漿源(inductively coupled plasma source；ICP)、電容耦合電漿源(capacitive coupled plasma source；CCP)及/或一或更多個其他遠端電漿源。
一或更多個製程氣體源734藉由一或更多個氣體入口736流體耦接至製程體積728。製程氣體源734可將一或更多種製程氣體提供至製程體積728中。製程氣體可包括沉積前驅物、惰性氣體、載氣、清潔氣體、蝕刻劑氣體或其組合。可使用排放泵740移除由製程氣體源734引入之一或更多種製程氣體。排放泵740經由排放開口738與製程體積728流體連通。排放開口738形成為穿過腔室主體702的一部分。
在一個實例中，基板支撐件710包括基板基座712、軸桿716、致動器718及電源720。基板基座712包括支撐表面714。支撐表面714經配置以支撐基板725。視情況，在基板基座712內安置一或更多個溫度感測器722、724，諸如，第一溫度感測器722及第二溫度感測器724。第一溫度感測器722安置在支撐表面714之中心部分中，以量測基板725的中心部分及/或與基板725相鄰之基板支撐件710的中心部分之溫度。第二溫度感測器724在支撐表面714上自第一溫度感測器722徑向向外安置。第二溫度感測器724經配置以量測基板725之邊緣溫度及/或與基板725的邊緣相鄰之基板支撐件710的溫度。
軸桿716連接至基板基座712並延伸穿過腔室主體702。軸桿716連接至一或更多個致動器718。致動器718經配置以使基板支撐件710旋轉及/或升高/降低基板支撐件710。電源720耦接至安置在基板基座712中之一或更多個電阻式加熱器(未示出)。該等電阻式加熱器用以控制基板基座712及安置於其上之基板725的溫度。電源720亦可向支撐表面714施加電壓差。溫度感測器722、724可耦接至電源720或萬用表(未示出)。
標準具組件708包括參考標準具762、光源744、安置在光源744與參考標準具762之間的準直器756、輻射量測裝置746，及光譜分析儀748。參考標準具762及準直器756係安置在組件主體758內。組件主體758會防止外部的光及輻射進入標準具組件708且為標準具組件708之外 套。組件主體758進一步用以在標準具組件708的使用期間將參考標準具762及準直器756固持就位。
第一光束732係由光源744產生且通過一或更多個波導750。波導750可為光纖或光管。波導750經配置以在第一光束732接著透射至參考標準具762之前使第一光束732自光源744透射至準直器756。第一光束732為寬帶光束且可在大的波長範圍上產生光譜，諸如，約400nm至約2000nm之波長範圍，諸如約400nm至約1400nm，諸如約400nm至約800nm。廣譜光束為白光束且經配置以含有來自廣譜波長之光。第一光束732經配置以通過準直器756及參考標準具762。在通過參考標準具762之後，第一光束732傳遞至分光波導751中。分光波導751經配置以經由腔室蓋704或腔室主體702內之開口730將第一光束732自參考標準具762移送至製程體積728。第二準直器(諸如，第二準直器757)係安置在開口730內且可以光學耦接至分光波導751。第二準直器757經配置以在光傳遞至製程體積728中時使光準直。開口730可進一步經配置以允許製程氣體被引入製程體積728中。可藉由第二製程氣體源742將製程氣體引入標準具組件708之內部體積中。第二製程氣體源742可將一或更多種製程氣體或惰性氣體引入標準具組件708之組件主體758中。一或更多種製程氣體可接著經由開口730流至製程體積728中。
在一些實施例中，用第二準直器757覆蓋開口730之至少一部分。在一些實施例中，使用窗口或第二準 直器757完全阻擋開口730。該窗口將製程體積728與組件主體758內部之體積分離，且可輔助維持參考標準具762之恆定溫度。
使用標準具外殼760將參考標準具762固持就位。標準具外殼760經配置以將一或更多個參考標準具固持就位。在第7圖之實例中，示出參考標準具762、第二參考標準具764及第三參考標準具766。在此實施例中，參考標準具762可稱作第一參考標準具。參考標準具762、第二參考標準具764及第三參考標準具766中之每一者被安置在標準具外殼760內。標準具外殼760經配置以相對於光束來重新定位標準具，以使得參考標準具762、764、766中之選定者可移動至第一光束732之路徑中。如第7圖中所示，參考標準具762被安置在第一光束732之路徑內。在一些實施例中，第二參考標準具764及第三參考標準具766可為替代參考標準具或替代第一標準具。標準具外殼760可經配置以圍繞軸線旋轉，以切換參考標準具762、764、766中之哪一者入射有第一光束732。舉例而言，標準具外殼760可耦接至步進器或伺服馬達，其使外殼760旋轉以選擇性地使標準具中之一者移至光束路徑中。標準具外殼760可替代地包括更多或更少參考標準具，諸如，僅第一參考標準具762，或僅第一參考標準具762及第二參考標準具764，或四個或更多個參考標準具。
參考標準具762、764、766中之每一者具有不同厚度及/或不同折射率。不同厚度及/或不同折射率使得參 考標準具762、764、766能夠經選定以匹配基板725之折射率及/或厚度中的至少一者。藉由選擇參考標準具762、764、766中之具有期望厚度的一者而改變第一光束732所入射之參考標準具的厚度。在一些實施例中，選擇參考標準具762、764、766在第一光束732內之厚度以與基板725之厚度匹配至彼此差別在約10%內，諸如，小於約15μm之差別，諸如，小於約10μm之差別。使參考標準具762、764、766之厚度及/或折射率與基板725之厚度緊密匹配實現了第一光束732的外差。在一些實施例中，可藉由用具有與基板725匹配的厚度及/或折射率之另一參考標準具替換來自標準具外殼760之一個參考標準具來手動地選擇參考標準具762、764、766。
使用溫度控制單元761將參考標準具762、764、766中之每一者維持在預定溫度。溫度控制單元761耦接至標準具組件708，諸如，安置在組件主體758周圍。溫度控制單元761經配置而至少為光束所入射之標準具維持預定溫度。舉例而言，溫度控制單元761冷卻及/或加熱參考標準具。溫度控制單元761可使用一或更多個冷卻劑通道、風扇、一或更多個電阻式加熱器或其組合來控制參考標準具之溫度。維持參考標準具762、764、766之受控溫度藉由允許參考標準具762、764、766之溫度保持恆定及移除作為可能引入誤差的變數之參考標準具溫度而使標準具組件708能夠精確地量測基板725之溫度。
波導750之端部由波導護套754固持就位，該端部經配置以將第一光束732引入組件主體758中。波導護套754為剛性護套，諸如，金屬或熱塑性護套，其經配置以固持波導750之端部在與準直器756及參考標準具762相鄰處就位。波導護套754具有將波導750之彎曲外徑限於大於約15mm之剛度，諸如大於約18mm，諸如大於約20mm。已展示使用剛性波導護套754會提高標準具組件708之光學量測的一致性。
輻射量測裝置746經配置以量測一或更多個第二光束731。第二光束731可為反射的第二光束或透射的第二光束。第二光束731係在第一光束732通過基板725/自基板725反射之後由第一光束732產生。基板725充當第二標準具。在一些實施例中，基板725可稱作樣本標準具或樣本基板。當第一光束732與基板725相交時，第一光束732分裂成透射第二光束及反射第二光束。第一光束732可在與溫度感測器722、724中之一者的徑向位置類似之徑向位置處與基板725相交。如第7圖中所示，第一光束732在與第一溫度感測器722類似之徑向位置處與基板725相交。
第7圖中所描述之第二光束731為反射第二光束，且通過製程體積728返回組件主體758中。第二光束731接著被收集至分光波導751中，並被輸送至輻射量測裝置746。分光波導751包括至少三個開口。在通過參考標準具762之後，分光波導751之第一開口收集第一光束732。在返回通過第二準直器之後，分光波導751之第二開口收 集第二光束731。分光波導751之第三開口以光學方式耦接至輻射量測裝置746。分光波導751之第三開口經配置以將第一光束732及第二光束731中之一者或組合輸送至輻射量測裝置746。
量測及分析輸送至輻射量測裝置746之第二光束731，以使得決定輸送至輻射量測裝置746之光的強度及波長。輻射量測裝置746可為光譜儀或光譜儀陣列。輻射量測裝置746能夠量測輻射之外差週期。本文所述方法使得能夠利用具有較大解析度之輻射量測裝置746。使用具有較大解析度之輻射量測裝置746可減小量測如本文所述之條紋間距的成本。輻射量測裝置746可能能夠單獨地偵測、識別及/或量測來自一或更多個光學波導750之輻射。舉例而言，輻射量測裝置746可包括能夠在光學波導750之間進行選擇的一或更多個選擇裝置(例如，開關、光學切片機或多光束分光器)。輻射量測裝置746可依序選擇光學波導750中之一或更多者以用於量測。
輻射量測裝置746所收集之資料被輸送至光譜分析儀748。光譜分析儀748可能能夠自輻射量測裝置746接收資料。在一些實施例中，光譜分析儀748可能能夠單獨地識別及/或分析來自一或更多個光學波導750之光譜資料。光譜分析儀748可接收、處理、儲存及/或分析來自標準具組件708之一或更多個元件的資料，以識別光譜干涉條紋間距(諸如，第4圖中之條紋間距215及/或第5圖中之 條紋間距315)，用以計算基板725之一或更多個光學厚度，及/或推斷基板725之一或更多個溫度量測值。
應瞭解，藉由本揭示案之益處，以上配置可經重新配置以在透射模式下工作。透射模式可包括使用透射第二光束，而非反射第二光束。此實施例對於量測非反射性的或以難以接取反射輻射的方式定向之基板的溫度而言可為有利的。在第9B圖及第9C圖中提供例示性透射模式。
光束亦可以相反次序通過標準具，以使得基板725充當第一標準具且參考標準具762充當第二標準具。在此實施例中，第一光束732在通過參考標準具762之前首先通過基板725。通過基板725之透射或反射光中的任一者可透射至參考標準具762。
控制器770耦接至第一製程腔室700。控制器770經配置以促進本文所述方法之控制及自動化。控制器770可耦接至光源744、輻射量測裝置746、光譜分析儀748、製程氣體源734、742、排放泵740、電源752、720及致動器718或與之通訊。控制器770可與CPU 772(亦即，計算系統)通訊或耦接至CPU 772。CPU 772可為硬體單元或能夠執行軟體應用程式並處理資料之硬體單元的組合。在一些配置中，CPU 772包括中央處理單元(central processing unit；CPU)、數位信號處理器(digital signal processor；DSP)、特殊應用積體電路(application-specific integrated circuit；ASIC)、圖形處理單元(graphic processing unit； GPU)及/或此些單元之組合。CPU 772大體經配置以執行一或更多個軟體應用程式並處理所儲存之媒體資料。控制器770可包括記憶體774。該記憶體為用於儲存如本文所述決定基板溫度之指令的非暫時性電腦可讀媒體。CPU 772可為可用在工業環境中用於控制各種腔室及子處理器的任何形式之通用電腦處理器中的一者，諸如，可程式化邏輯控制器(programmable logic controller；PLC)。記憶體774耦接至CPU 772，且記憶體774為非暫時性的，且可為易購記憶體(諸如，隨機存取記憶體(random access memory；RAM)、唯讀記憶體(read only memory；ROM)、軟碟驅動器、硬碟，或任何其他形式的數位儲存器(本端的或遠端的))中之一或更多者。支援電路776耦接至CPU 772，用於以習知方式支援處理器。溫度量測及其他製程通常被儲存在記憶體774中，通常作為軟體常用程式。亦可藉由第二CPU(未示出)來儲存及/或執行軟體常用程式，該第二CPU位於遠離CPU 772所控制的硬體之處。
記憶體774呈電腦可讀儲存媒體之形式，其含有指令，當由CPU 772執行時，該等指令促進第一製程腔室700之操作。記憶體774中之指令呈程式產品之形式，諸如，實施本揭示案之方法的程式。程式碼可符合諸多不同程式設計語言中之任一者。在一個實例中，本揭示案可被實施為儲存在電腦可讀儲存媒體上以與電腦系統一起使用 之程式產品。程式產品之(若干)程式定義了實施例之功能(包括本文所述方法)。
在某些實施例中，(若干)程式體現出機器學習能力。各種資料特徵包括製程參數，諸如，處理時間、溫度、壓力、電壓、極性、功率、氣體物質、前驅物流動速率及其類似者。識別並定義特徵之間的關係以使得藉由機器學習演算法之分析能夠攝取資料並調適第一製程腔室700所執行之製程。機器學習演算法可採用監督學習或非監督學習技術。藉由程式體現之機器學習演算法的實例包括但不限於線性迴歸、邏輯迴歸、決策樹、狀態向量機、神經網路、樸素貝葉斯、k近鄰、k均值、隨機森林、降維演算法及梯度增強演算法以及演算法。在一個實例中，機器學習演算法用以調節基板之溫度量測值。
說明性的電腦可讀儲存媒體包括但不限於：(i)永久地儲存資訊之不可寫儲存媒體(例如，電腦內之唯讀記憶體裝置，諸如，可由CD-ROM驅動器讀取之CD-ROM磁碟、快閃記憶體、ROM晶片，或任何類型之固態非揮發性半導體記憶體)；及(ii)儲存可變更資訊之可寫儲存媒體(例如，軟碟驅動器內之軟碟或硬碟驅動器，或任何類型之固態隨機存取半導體記憶體)。當攜載指導本文所述方法之功能的電腦可讀指令時，此種電腦可讀儲存媒體為本揭示案之實施例。
儘管將標準具組件708示為機械地耦接至第一製程腔室700之頂表面，但標準具組件708亦可為遠端標準具 組件，以使得僅分光波導751及第二準直器757被安置在第一製程腔室700之頂部上及/或穿過第一製程腔室700。
第8A圖繪示第二製程腔室800之示意圖。第二製程腔室800類似於第一製程腔室700，但包括額外的第二標準具組件802。第二標準具組件802類似於標準具組件708(稱作第一標準具組件)。第二標準具組件802經配置以量測基板725之邊緣附近的溫度，而第一標準具組件708量測基板725之中心附近的溫度。
第二標準具組件802包括第二組件參考標準具820、第二光源808、安置在第二光源808與第二組件參考標準具820之間的第三準直器816、第二輻射量測裝置810，及光譜分析儀748。第二組件參考標準具820及第三準直器816係安置在第二組件主體806內。第二組件主體806會防止外部的光及輻射進入第二標準具組件802且為第二標準具組件802之外套。第二組件主體806進一步用以在第二標準具組件802的使用期間將第二組件參考標準具820及第三準直器816固持就位。
第三光束824係由第二光源808產生且通過一或更多個波導812。波導812可為光纖或光管。波導812經配置以在第三光束824接著透射至第二組件參考標準具820之前使第三光束824自第二光源808透射至第三準直器816。第三光束824類似於第一光束732。
第三光束824經配置以傳遞至分光波導813中。分光波導813類似於分光波導751且經配置以將第三光束 824自第二組件參考標準具820移送至第三準直器816。在通過第二組件參考標準具820之後，第三光束824經由腔室蓋704或腔室主體702內之開口804傳遞至製程體積728中。開口804可進一步含有第四準直器821，以使得第四準直器821經配置以在光傳遞至製程體積728中時使光準直。第四準直器821耦接至分光波導813，以使得第三光束824自第二組件參考標準具820傳遞至分光波導813中且傳遞至第四準直器821。開口804可進一步經配置以允許製程氣體被引入製程體積728中。可藉由第二製程氣體源742或第三製程氣體源(未示出)將製程氣體引入第二標準具組件802之內部體積中。在一些實施例中，第三製程氣體源與第二製程氣體源742相同。
在一些實施例中，用第四準直器821覆蓋開口804之至少一部分。在一些實施例中，使用窗口或第四準直器821完全阻擋開口804。該窗口將製程體積728與第二組件主體806內部之體積分離，且可輔助維持第二組件參考標準具820之恆定溫度。
使用第二標準具外殼818將第二組件參考標準具820固持就位。第三光束824經配置以通過第二組件參考標準具820。第二標準具外殼818經配置以將一或更多個參考標準具固持就位，諸如，第二組件參考標準具820及替代的第二組件參考標準具822。第二組件參考標準具820及替代的第二組件參考標準具中之每一者係安置在第二標準具外殼818內。第二標準具外殼818經配置以相對於第三光束 824來重新定位第二組件參考標準具820、822中之每一者，以使得第二組件參考標準具820、822中之選定者可移動至第三光束824之路徑中。如第8A圖中所示，第二組件參考標準具820被安置在第三光束824之路徑內。第二標準具外殼818可經配置以圍繞軸線旋轉，以切換第二組件參考標準具820、822中之哪一者被第三光束824入射。舉例而言，第二標準具外殼818可耦接至步進器或伺服馬達，其使第二標準具外殼818旋轉以選擇性地使第二組件參考標準具820、822中之一者移至光束路徑中。第二標準具外殼818可替代地包括更多或更少參考標準具，諸如，僅第二組件參考標準具820，或三個或更多個參考標準具。
類似於參考標準具762、764、766，第二組件參考標準具820、822中之每一者具有不同厚度及/或不同折射率。不同厚度及/或不同折射率使得第二組件參考標準具822、822能夠經選定以匹配基板725之折射率及/或厚度中的至少一者。在一些實施例中，選擇在第三光束824的路徑內之第二組件參考標準具820、822的厚度以與基板725之厚度匹配至彼此差別在約10%內，諸如，小於約15μm之差別，諸如，小於約10μm之差別。使第二組件參考標準具820、822之厚度及/或折射率與基板725之厚度緊密匹配實現了第三光束824的外差。在一些實施例中，可藉由用具有與基板725匹配的厚度及/或折射率之另一參考標準具替換來自標準具外殼818之一個參考標準具來手動地選擇第二組件參考標準具820、822。在本文所述實施 例中，第三光束824在類似於第二溫度感測器724的徑向位置之徑向位置處與基板725相交。
使用一或更多個第二溫度控制單元819將第二組件參考標準具820、822中之每一者維持在預定溫度。第二溫度控制單元819類似於溫度控制單元761，且經配置以控制第二標準具組件802之第二組件參考標準具820、822的加熱/冷卻。
波導812之端部由波導護套814固持就位，該端部經配置以將第三光束824引入第二組件主體806中。波導護套814類似於波導護套754，且經配置以固持波導812之端部在與第三準直器816相鄰處就位。
第二輻射量測裝置810經配置以量測一或更多個第四光束825。第四光束825可為反射的第四光束或透射的第四光束。第四光束825係在第三光束824通過基板725之後自第三光束824產生。基板725充當第二標準具。在一些實施例中，基板725可稱作樣本標準具。當第三光束824與基板725相交時，第三光束824分裂成透射第四光束及反射第四光束。第8A圖中所描述之第四光束825為反射第四光束，且通過製程體積728返回第二組件主體806中。第四光束825接著被收集至一或更多個波導812中，並被輸送至第二輻射量測裝置810。
量測並分析輸送至第二輻射量測裝置810之第四光束825，以使得決定輸送至第二輻射量測裝置810之光的 強度及波長。第二輻射量測裝置810類似於輻射量測裝置746。
第二輻射量測裝置810所收集之資料被輸送至光譜分析儀748。光譜分析儀748可能夠自第二輻射量測裝置810接收資料。
分光波導813包括至少三個開口。在通過參考標準具820之後，分光波導813之第一開口收集第三光束824。在返回通過第四準直器821之後，分光波導813之第二開口收集第四光束825。分光波導813之第三開口光學耦接至第二輻射量測裝置810。分光波導813之第三開口經配置以將第三光束824及第四光束825中之一者或組合輸送至第二輻射量測裝置810。
在一些實施例中，利用額外標準具組件沿基板725之半徑收集額外溫度量測值。在一些實施例中，第一標準具組件708可包括額外參考標準具，但僅包括一個光源744。在僅具有一個光源744之實施例中，第一光束732可在通過參考標準具762之前或之後分裂成多個光束。在一些實施例中，至少一個光束被導向至基板之與支撐基板的基板支撐件之溫度控制區(諸如，加熱區或冷卻區)相關聯的每一區域處。使用一或更多個加熱元件或冷卻元件個別地控制該等溫度控制區中之每一者。該一或更多個加熱元件可包括燈、電阻式加熱器或加熱導管。該一或更多個冷卻元件可包括冷卻導管。可自複數個標準具組件或單 個標準具組件導向多個光束，其中光束在進入製程體積之前分裂。
第8B圖繪示第三製程腔室850之示意圖。第三製程腔室850類似於第二製程腔室800，但存在單個光源744及單個輻射量測裝置746。在第三製程腔室850中，分光器852耦接在光源744與通向第一標準具組件708及第二標準具組件802之波導750、812中的每一者之間。分光器852包括一或更多個光學元件，且經配置以將來自光源744之初級光束分裂成第一光束732及第三光束824。初級光束沿波導854自光源744輸送至分光器852。類似地，分光波導751、811兩者耦接至輻射量測裝置746。第二光束731及第四光束825經配置而導向輻射量測裝置746。輻射量測裝置746可因此同時地分析光束731、825。
在一些實施例中，僅利用一個標準具組件，諸如，第一標準具組件708，但第一光束在進入製程體積之前分裂成第一射出光束及第二射出光束。可以不同角度導向第一射出光束及第二射出光束，以使得第一射出光束與基板中心相交，而第二射出光束與基板邊緣相交。
第9A圖繪示第四製程腔室900之示意圖。第四製程腔室900類似於第7圖之第一製程腔室700。第四製程腔室900與第一製程腔室700的不同之處在於，第一光束912經配置以在參考標準具762、764或766之前入射在基板725上。在第9A圖之實施例中，與標準具組件902分離地安置光源904。標準具組件902類似於第7圖之標準具組件 708，但不包括光源744。光源744被單獨安置之光源904替代。
光源904類似於光源744。光源904單獨連接至波導906、波導護套908及第一光束準直器910。波導906類似於波導750，波導護套908類似於波導護套754，且第一光束準直器910類似於準直器756。波導906經配置以將第一光束912自光源904移送至準直器756。藉由波導護套908將波導906之遠端固持就位，該遠端與腔室蓋704及/或腔室主體702相交。在傳遞至製程體積728中之前，第一光束912透射穿過第一光束準直器910。第一光束912透射穿過製程體積728並與基板725相交。如本文中所示，第一光束912以一定角度與基板725相交。
一旦第一光束912與基板725相交，第一光束912便變換成第二光束914。第二光束914類似於第二光束731。第二光束914為透射第二光束或反射第二光束中之一者。在第9A圖之實施例中，第二光束914為反射第二光束。在第二光束914與參考標準具762、764、766中的一者相交之前，第二光束914經由開口730向後反射且進入標準具組件902中。第二光束914接著與參考標準具(諸如，參考標準具762)產生外差。在通過參考標準具762之後，第二光束914通過準直器756並進入輻射量測裝置746中。
第9B圖繪示第五製程腔室925之示意圖。第五製程腔室925類似於第四製程腔室900，但光源904經配置以向上導向第一光束912穿過基板基座712，穿過基板725 並進入標準具組件902中。在第五製程腔室925中，第二光束914為穿過基板725之透射光。至少波導護套908及光束準直器910被安置在基板基座712及/或軸桿716下方或其內，以使得波導護套908及光束準直器910被安置在基板基座712及基板725下方。
第一光束912經配置以通過基板基座712及軸桿716內之開口926。開口926可視情況填充有光學透明材料、光纖或波導。第一溫度感測器722可定位在類似於第一光束912通過基板725的位置之徑向位置處。在第五製程腔室925中，第一光束912與基板725相交之徑向位置及第一溫度感測器722之徑向位置偏離中心。開口926可為穿過基板基座712之孔或狹縫，且使光能夠在其中通過。
第9C圖繪示第六製程腔室950之示意圖。第六製程腔室950類似於第五製程腔室925，但以標準具組件960替代標準具組件902。標準具組件960經配置以在第二光束914已通過基板基座712及/或軸桿716的至少一部分之後接收第二光束914。光源904經配置以自腔室蓋704向下朝向基板725導向第一光束912。第一光束912在通過標準具組件960之參考標準具762、764、766中的一者之前透射穿過基板725且經過基板基座712及軸桿716內之開口926。標準具組件960經由波導962光學耦接至腔室主體702之底部，而波導護套908及/或光束準直器910經安置而穿過腔室蓋704。第二準直器757被第二準直器964替代。第二準直器964耦接至波導962之距開口926最遠的遠 端，且經調整大小以允許光/輻射通過波導962以進入標準具組件960中。第六製程腔室950類似於第五製程腔室925，因為第二光束914透射穿過基板725。
第10圖繪示決定基板溫度之方法1000。可在第一製程腔室700、第二製程腔室800、第三製程腔室850、第四製程腔室900、第五製程腔室925、第六製程腔室950或需要準確溫度控制之另一處理腔室或其他位置中的任一者上利用方法1000。在一個實例中，將方法1000儲存為控制器770之記憶體中的軟體常用程式。當藉由控制器770執行方法1000時，控制器770導致得以使用本文所揭示之設備決定基板725的溫度。方法1000使用第一標準具及第二標準具來決定第二標準具中之一者的溫度。第一標準具可為參考標準具，而第二標準具為樣本標準具(亦即，基板)。第一標準具及第二標準具產生外差以形成干涉圖案。自該干涉圖案，可量測條紋間距以決定基板之溫度。
在方法1000之操作1002處，使第一光束通過第一標準具及基板，其中基板形成第二標準具。在一個實例中，第一標準具為參考標準具，且基板為樣本標準具。基板可為半導體基板，諸如，第7圖、第8A圖至第8B圖及第9A圖至第9C圖之基板725。如本文所述之基板為樣本基板，且由預定材料形成。樣本基板為輸入至製程腔室中以用於校準製程之額外基板。樣本基板經配置以擁有所需的光學特徵，諸如，光學透明。樣本基板可在約1000nm至約1800nm的波長之間為光學透明的，諸如，約1100nm 至約1700nm。如本文所述之樣本基板可為矽、氧化矽、氮化矽、碳化矽或矽鍺材料中的一者。在一些實施例中，樣本基板之折射率在約1000nm至約1800nm之波長上為約2至約6，諸如，約3至約5。
第一標準具可為第7圖、第8A圖至第8B圖及第9A圖至第9C圖之參考標準具762、764、766、820、822中的任一者。第一標準具及基板具有類似的厚度及折射率，以使得第一標準具及基板中之每一者的厚度匹配至差別在約10%以內。第一光束可類似於第7圖、第8A圖至第8B圖及第9A圖至第9C圖之光束732、824、912。第一光束為廣譜光束。第一光束可首先通過第一標準具或基板。在使用類似於第7圖、第8A圖及第8B圖之設備的實施例中，第一光束首先通過第一標準具。在使用類似於第9A圖至第9C之設備的實施例中，第一光束首先通過基板。
在其中第一光束首先與第一標準具相交之實施例中，在操作1004期間，第一光束接著傳遞至製程體積中並與基板相交以自第一光束形成反射第二光束及透射第二光束。反射第二光束為第一光束之被基板反射的部分。透射第二光束為第一光束之透射穿過基板的部分。反射第二光束及透射第二光束中之任一者或其兩者形成第二光束。在第7圖、第8A圖及第8B圖之實施例中，第二光束為反射第二光束。
在另一實施例中，第一光束在首先與基板相交之前傳遞至製程體積中。在與基板相交之後，在操作1004期 間，第一光束分裂成反射第二光束及透射第二光束。反射第二光束為第一光束之被基板反射的部分。透射第二光束為第一光束之透射穿過基板的部分。反射第二光束及透射第二光束中之任一者或其兩者形成第二光束。在第9A圖之實施例中，第二光束為反射第二光束。第二光束接著經配置以與第一標準具相交，其中第二光束被第一標準具透射或反射。在第9A圖之實施例中，第二光束之通過第一標準具的部分透射至輻射量測裝置，諸如，輻射量測裝置746。在第9A圖及第9B圖之實施例中，第二光束為透射第二光束。第二光束接著經配置以與第一標準具相交，其中類似於第9A圖中，第二光束被第一標準具透射或反射。
在操作1004期間形成第二光束之後，在操作1006期間，使用一或更多個波導(諸如，波導750、812)藉由輻射量測裝置收集第二光束。第二光束在與第一標準具及基板相交之後被輻射量測裝置收集，使得已藉由第一標準具及基板使第二光束產生外差。收集第二光束使得第二光束能夠被輻射量測裝置及光譜分析儀分析。如本文中所述，輻射量測裝置可為光譜儀或複數個光譜儀。
在操作1006期間將第二光束透射至輻射量測裝置之後，在操作1008期間，自干涉圖案決定第二光束之條紋間距。干涉圖案係由已收集之反射第二光束或透射第二光束產生，且可類似於第4圖及第5圖之干涉圖案。可使用光譜分析儀(諸如，光譜分析儀748)來決定條紋間距。光譜分析儀接收、處理、儲存並分析輻射量測裝置所提供 之資料。光譜分析儀識別光譜干涉條紋間距(諸如，第4圖之條紋間距215及/或第5圖之條紋間距315)以推斷基板之一或更多個溫度量測值。
在操作1008期間決定之條紋間距與基板之溫度相關。因此在操作1010期間基於條紋間距來決定基板之溫度。藉由使已量測之條紋間距與針對類似材料在特定溫度下預期之條紋間距匹配來決定溫度。在本文所述實施例中，光譜分析儀及/或控制器包括針對特定材料及厚度之參考表，其具有與溫度相關之條紋間距。在一些實施例中，資料與關係圖、方程式或腳本相關，使得藉由知曉條紋間距、第一標準具(參考標準具)之溫度、基板之材料及基板之實體厚度，可在第一光束與基板相交之點處決定基板之溫度。
當在方法1000之操作1010期間決定基板之溫度時，第一標準具之溫度、基板之材料及基板之實體厚度被用作常量，而條紋間距會隨著基板的溫度而變化。因此，一旦知曉第一標準具之溫度、基板之材料、基板之實體厚度及基板之條紋間距中之每一者，便可藉由光譜分析儀及/或控制器來決定溫度。可憑經驗在所需溫度範圍內決定用以使條紋間距與溫度相關之查找表、參考表或關係圖。對於特定材料，可在特定厚度及溫度範圍內獲得憑經驗導出之資料。在一些實施例中，獲得矽、氧化矽、氮化矽、碳化矽及矽鍺之經驗資料。樣本基板之折射率在約1000nm至約1800nm之波長上為約2至約6，諸如，約3至約5。 經驗資料與低溫及/或自約-200℃至約700℃，諸如，約-196℃至約700℃，諸如，約-196℃至約500℃之溫度相關。使條紋間距與溫度相關之經驗資料慮及基板之熱光係數以及當基板的溫度升高或降低時基板之任何熱膨脹。可在經驗資料中藉由執行實驗而被動地慮及熱膨脹，該等實驗決定基板在一定溫度範圍內之總光學厚度。該總光學厚度包括基板之折射率以及基板之厚度兩者。
對於第10圖之方法1000而言(其中決定了基板之一或更多個溫度量測值)，在執行方法1000之前知曉了基板之實體厚度。可使用單獨的厚度校準製程來決定基板之實體厚度。該厚度校準製程可包括使用卡尺、千分尺或數位量測工具手動地量測基板之溫度。厚度校準製程或者可包括標準具厚度校準方法，諸如，第11圖之方法1100。第11圖之方法1100可利用與第10圖之方法1000類似的原理及設備。
第11圖繪示使用標準具組件來決定基板的厚度之方法1100，諸如，第7圖、第8A圖至第8B圖、第9A圖至第9C圖之標準具組件708、802、902、960或其他適當之標準具組件。方法1100利用處在已知溫度之第一標準具及基板來決定基板的厚度。在方法1100期間，在操作1102期間，將基板及製程腔室帶至第一溫度。該第一溫度可為任何適當的製程溫度。在一些實施例中，第一溫度為約室溫。將基板及製程腔室維持在第一溫度歷時一時間週期，此使得基板及製程腔室能夠處於穩定狀態條件下。利 用一或更多個溫度感測器(諸如，溫度感測器722、724)來量測基板之溫度。當溫度感測器之溫度量測值在預定時間量內穩定時，可決定整個基板、基板支撐件及製程腔室處於穩定狀態。可將溫度感測器之溫度量測值用作基板之溫度。
當處在第一溫度時，執行第10圖之方法1000的操作1002、1004、1006、1008。方法1000之操作1002、1004、1006、1008利用標準具組件決定基板引起之條紋間距。以與第10圖之決定條紋間距的方法1000類似之方式來執行決定條紋間距。在操作1002、1004、1006及1008之後，在操作1112期間決定基板之厚度。利用已決定之條紋間距及基板/製程腔室之溫度來決定基板之厚度。
如在方法1100中所述之基板為樣本基板，且由預定材料形成。樣本基板經配置以擁有所需的光學特徵，諸如，光學透明。樣本基板可在約1000nm至約1800nm的波長之間為光學透明的，諸如，約1100nm至約1700nm。如本文所述之樣本基板可為矽、氧化矽、氮化矽、碳化矽或矽鍺材料中的一者。樣本基板之折射率在約1000nm至約1800nm之波長上為約2至約6，諸如，約3至約5。
使用與關於方法1000所論述之彼些關係類似的關係，可使用查找表及/或關係圖來決定基板之厚度，使得藉由知曉條紋間距、第一標準具(參考標準具)之溫度、基板之材料及基板之溫度，可在第一光束與基板相交之點處決定基板之厚度。當在方法1100之操作1112期間決定 基板之厚度時，第一標準具之溫度、基板之材料及基板之溫度被用作常量，而條紋間距會隨著基板的厚度而變化。因此，一旦知曉第一標準具之溫度、基板之材料、基板之溫度及基板之條紋間距中之每一者，便可藉由光譜分析儀及/或控制器來決定基板的厚度。
第12圖繪示校準製程腔室內之溫度的方法1200，製程腔室諸如，第7圖、第8A圖至第8B圖、第9A圖至第9C圖之製程腔室700、800、850、900、925、950中的一者或其他適當的製程腔室。在方法1200期間，使用一或更多個標準具組件(諸如，標準具組件708、802、902、960中之一者)來決定溫度或溫度集合。校準溫度可包括如下各者中之任一者或組合：使用已決定的溫度校準處理腔室內之溫度感測器；向溫度感測器之一或更多個量測值施加溫度偏移量；調整在處理腔室中執行之製程的模型；及/或調整在處理腔室中執行之製程的製程參數。
在方法1200期間，在操作1202期間，視情況針對製程腔室內之特定基板校準標準具組件。執行標準具組件的校準以決定安置在製程腔室內之基板的厚度，並使製程腔室內之基板的厚度與第一標準具厚度匹配以用於稍後製程操作。操作1202包括方法1100及操作1102、1002、1004、1006、1008、1112中的全部。一旦已使用方法1100決定了基板之厚度，便可調整或交換第一標準具(亦即，參考標準具)以更緊密地匹配基板之厚度。在本文所 述實施例中，基板之厚度及第一標準具之厚度差別在約10%以內。
當使用本文所述實施例時，可自第一光束之路徑中移除第一參考標準具(諸如，第一參考標準具762)，且由第二參考標準具或第三參考標準具替代，諸如，第二參考標準具764及第三參考標準具766。僅當原始參考標準具厚度相對於基板在預定百分比差別以外時(諸如，大於10%)會改變參考標準具。舉例而言，在一批次基板內或在基板批次之間的基板可具有不同厚度，且因此適當的不同參考標準具將在標準具組件中切換到位。在一些實施例中，參考標準具被改變為具有相對於基板小於8%之百分比差別的參考標準具，諸如，相對於基板小於5%。可藉由致動含有多個參考標準具之轉盤(例如，標準具外殼760)或在移除先前參考標準具之後手動地插入新的參考標準具來改變參考標準具。
在一些實施例中，在方法1200內將方法1100執行多次，以使得方法1100係第一次執行且基板之厚度被決定為相對於參考標準具具有大於預定閾值之百分比差別。將參考標準具改成第二參考標準具，且第二次重複方法1100。若基板之厚度被決定為相對於參考標準具具有小於預定閾值之百分比差別，則操作1202完成。若基板之厚度仍被決定為相對於第二標準具具有在閾值以外之百分比差別，則以第三參考標準具替代第二參考標準具，且第三次 重複方法1100。如此執行，直至基板與參考標準具之間的百分比差別低於閾值為止。
在操作1202之後，可在操作1205期間在製程腔室內及在基板上執行含電漿製程。該含電漿製程可為電漿蝕刻製程或電漿沉積製程中之任一者。電漿蝕刻包括導體及/或介電質蝕刻。沉積製程包括化學氣相沉積、濺射沉積及原子層沉積中之一或更多者。本文所述製程尤其非常適用於在製程腔室內包括電漿(諸如，電漿726)之製程。本文所述製程使得能夠準確量測製程腔室內之基板溫度，而同時在製程體積內形成電漿。
當執行操作1205時，在操作1204期間使用標準具組件決定基板之第一溫度，且在操作1206期間使用一或更多個溫度感測器(諸如，第一溫度感測器722或第二溫度感測器724)決定基板之第二溫度及/或與基板相鄰的基板支撐件之第二溫度。使用第10圖之方法1000來決定基板之第一溫度，以使得在方法1000之操作1010期間基於條紋間距所決定的溫度為第一溫度。在方法1000之操作1010期間，可輸入基板厚度，作為使用操作1202所決定之厚度。第一溫度可為單個第一溫度值或第一溫度資料集，諸如，單個溫度值之陣列。
在操作1206期間，與基板之底表面相鄰地安置一或更多個溫度感測器。該一或更多個溫度感測器量測基板之底表面的溫度，且產生單個第二溫度值或第二溫度資料集，諸如，單個溫度值之陣列。同時地進行第一溫度量測 及第二溫度量測，以使得可稍後比較第一溫度量測值及第二溫度量測值。
在操作1204及操作1206期間，在製程腔室內之基板上執行製程。在本文所述實施例中，在基板上執行之製程為半導體形成製程，且包括形成於製程體積中之電漿。在操作1205期間執行之製程類似於將在正常操作期間在製程體積內執行的製程。使用與正常操作期間類似之製程使得能夠在操作1204及1206期間藉由標準具組件及一或更多個溫度感測器所量測的溫度之間進行直接比較。能夠比較兩種方法中之製程操作使得能夠更準確地校準或校正溫度感測器、製程模型及/或製程參數中的一者。
在操作1204及1206期間決定第一溫度及第二溫度之後，在操作1208期間將第一溫度及第二溫度傳輸至控制器。在一些實施例中，已在控制器內決定了第一溫度及/或第二溫度，且在操作1204及1206期間將用以決定第一溫度及/或第二溫度之資料發送至控制器。控制器收集第一溫度量測值及第二溫度量測值以使得能夠在溫度量測值之間進行比較。
在操作1210期間，利用第一溫度及第二溫度來校準製程腔室。校準製程腔室可包括如下各者中之任一者或組合：使用已決定的溫度校準處理腔室內之溫度感測器(諸如，溫度感測器722、724)；向溫度感測器之一或更多個量測值施加溫度偏移量；調整在處理腔室中執行之製程的模型；及/或調整在處理腔室中執行之製程的製程參數。
校準溫度感測器包括調整溫度感測器以與標準具組件之第一溫度量測值對準。在一些實施例中，可將單個溫度偏移量施加至已量測之第二溫度以與第一溫度更緊密相關。在一些實施例中，調整在處理腔室中執行之製程的模型以慮及不準確或漂移的第二溫度量測值。在一些實施例中，改變在製程腔室內執行之製程的製程參數中之一或更多者，以使得製程之結果得以改良。可將製程參數調整用於重複性製程，其中在迭代之間預期類似的結果及輸入。
一旦在操作1210期間已利用第一溫度及第二溫度來校準製程腔室，便可自製程體積移除基板，且可視情況自製程腔室移除標準具組件。可隨後正常運行製程腔室以處理安置於其中之基板。本文所述之設備及方法可用以週期性地在維護程序期間重新校準系統。已展示如本文所述之利用標準具的溫度量測方法在包括電漿之製程中有用，因為藉由輻射量測裝置量測之條紋間距未明顯受電漿影響。在一些實施例中，在本文所述系統內利用額外的準直器及/或濾波器。
雖然前文針對本揭示案之實施例，但可在不脫離本揭示案之基本範疇的情況下設計本揭示案之其他及另外實施例，且本揭示案之範疇由以下申請專利範圍決定。
700:第一製程腔室 702:腔室主體 704:腔室蓋 706:感應線圈 708:標準具組件 710:基板支撐件 712:基板基座 714:支撐表面 716:軸桿 718:致動器 720:電源 722:第一溫度感測器 724:第二溫度感測器 725:基板 726:電漿 728:製程體積 730:開口 731:第二光束 732:第一光束 734:製程氣體源 736:氣體入口 738:排放開口 740:排放泵 742:第二製程氣體源 744:光源 746:輻射量測裝置 748:光譜分析儀 750:波導 751:波導 752:電源 754:波導護套 756:準直器 757:第二準直器 758:組件主體 760:標準具外殼 761:溫度控制單元 762:第一參考標準具 764:第二參考標準具 766:第三參考標準具 770:控制器 772:CPU 774:記憶體 776:支援電路

Claims (18)

  1. 一種適合於在一半導體處理腔室中之感測溫度的方法，該方法包括以下步驟： 使一第一光束通過一第一標準具； 使該第一光束通過安置於該處理腔室中之一基板，該基板提供一第二標準具； 使一反射第二光束通過該第一標準具及該第二標準具之後，自該第一光束產生該反射第二光束及一透射第二光束； 自該反射第二光束或該透射第二光束中之一者的一干涉圖案決定條紋間距； 基於該條紋間距決定該基板之一溫度；以及 使用已使用該干涉圖案之該條紋間距所決定的該溫度來校準該處理腔室之一基板溫度感測器。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該條紋間距與該第一標準具或該第二標準具中之一者的一憑經驗導出之熱光係數值相關。
  3. 如請求項1所述之方法，其中將該第一光束導向穿過安置於該處理腔室中之該第一標準具及該基板之步驟進一步包括以下步驟：將該第一光束導向該基板之遠離該處理腔室的一蓋之一表面且在朝向該蓋的一方向上導向。
  4. 如請求項1所述之方法，其中將該第一光束導向穿過安置於該處理腔室中之該第一標準具及該基板之步驟進一步包括以下步驟：將該第一光束導向該基板之面向該處理腔室的一蓋之一表面且在遠離該蓋的一方向上導向。
  5. 如請求項1所述之方法，其中將該第一光束自該第一標準具導向該基板之步驟進一步包括以下步驟：在安置於該處理腔室內之該基板上執行一電漿製程的同時導向該第一光束穿過一電漿。
  6. 如請求項1所述之方法，其中在決定該條紋間距之前，將該處理腔室及該基板帶至一穩定狀態溫度，並使用一初始基板溫度量測值來計算該基板之一厚度，且藉由將該第一標準具移出該第一光束的一路徑並將一替代第一標準具放置在該第一光束的該路徑中而將該第一標準具之一第一厚度調整至與該基板之一第二厚度相差10 μm以內。
  7. 如請求項6所述之方法，其中將該替代第一標準具放置在該第一光束的該路徑中之步驟進一步包括以下步驟： 基於該基板之該厚度自動地將該第一光束中之至少一者及複數個參考標準具中之一第一參考標準具移動至對準。
  8. 如請求項1所述之方法，進一步包括以下步驟： 將至少該第一光束及一第三光束導向至安置於該處理腔室中之該基板的不同位置。
  9. 如請求項8所述之方法，其中導向該第一光束及該第三光束之步驟進一步包括以下步驟： 將該第一光束導向該基板之一中心區域且將該第三光束導向該基板之一邊緣區域。
  10. 如請求項8所述之方法，導向之步驟進一步包括以下步驟： 將至少一個光束導向該基板之與一基板支撐件的一溫度控制區相關聯之每一區域，該基板支撐件在該處理腔室內支撐該基板。
  11. 如請求項1所述之方法，進一步包括如下步驟中之一或更多者： 使用該溫度校準該處理腔室內之一溫度感測器； 將一溫度偏移量施加至該溫度感測器之一或更多個量測值； 調整在該處理腔室中執行之一製程的一模型；以及 調整在該處理腔室中執行之該製程的一製程參數。
  12. 一種適合於在一半導體處理腔室中之感測溫度的方法，該方法包括以下步驟： 使一第一光束通過一第一標準具； 使該第一光束通過安置於該處理腔室中之一基板，該基板提供一第二標準具，其中該第一標準具及該第二標準具形成一標準具組件，且該第一標準具或該第二標準具中之一者自該第一光束產生一反射第二光束及一透射第二光束； 自該標準具組件之該反射第二光束或該透射第二光束中之一者內所產生的一干涉圖案決定條紋間距； 基於該條紋間距決定該基板之一溫度；以及 在執行如下步驟中的一或更多者之前將該溫度提供至該處理腔室之一控制器： 使用該溫度校準該處理腔室內之一溫度感測器； 將一溫度偏移量施加至該溫度感測器之一或更多個量測值； 調整在該處理腔室中執行之一製程的一模型；以及 調整在該處理腔室中執行之該製程的一製程參數。
  13. 如請求項12所述之方法，進一步包括以下步驟： 將至少該第一光束及一第三光束導向安置於該處理腔室中之該基板的不同位置。
  14. 如請求項12所述之方法，其中將該第一光束自該第一標準具導向該基板之步驟進一步包括以下步驟：在安置於該處理腔室內之該基板上執行一電漿製程的同時導向該第一光束穿過一電漿。
  15. 如請求項12所述之方法，其中在決定該溫度之前，將該處理腔室及該基板帶至一穩定狀態溫度，並使用一初始基板溫度量測值來計算該基板之一厚度，且藉由將該第一標準具移出該第一光束的一路徑並將一替代第一標準具放置在該第一光束的該路徑中而將該第一標準具之一第一厚度調整至與該基板之一第二厚度相差10 μm以內。
  16. 一種校準一處理腔室內之溫度量測值的方法，包括以下步驟： 在該處理腔室內之一參考基板上執行一製程操作； 在執行該製程操作的同時，使用一第一標準具組件量測安置於該處理腔室內之一基板的一第一溫度，該量測該基板之該第一溫度之步驟包括以下步驟： 使一第一光束通過一第一標準具及一基板； 使該基板與該第一光束相交，其中該基板形成一第二標準具； 使用該第一標準具或該第二標準具中之一者將該第一光束分裂成一反射第二光束及一透射第二光束； 使用一輻射量測裝置收集該反射第二光束或該透射第二光束中之一者；以及 分析該反射第二光束或該透射第二光束以決定該基板之該第一溫度； 使用一第一溫度感測器來量測該基板或在其上安置該基板之一基板支撐件中的一者之一第二溫度； 將該第一溫度及該第二溫度傳輸至一控制器；以及 使用該第一溫度及該第二溫度校準該控制器內之一模型。
  17. 如請求項16所述之方法，其中該製程操作為一電漿蝕刻製程。
  18. 如請求項16所述之方法，其中該基板之一折射率為約2至約6。
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