DE10329205A1

DE10329205A1 - Verfahren und Vorrichtung zum berührungslosen Bestimmen der Oberflächentemperatur eines Halbleiterwafers

Info

Publication number: DE10329205A1
Application number: DE2003129205
Authority: DE
Inventors: Karsten Peukert
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Qimonda AG
Priority date: 2003-06-28
Filing date: 2003-06-28
Publication date: 2005-01-27

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Bestimmen der Oberflächentemperatur eines Halbleiterwafers 8 unterhalb von 500 DEG C. Erfindungsgemäß wird in einem ersten Verfahrensschritt 11 die Strahlungsintensität der von einer Oberfläche des Halbleiterwafers 8 emittierten Temperaturstrahlung bei einer ersten Wellenlänge lambda1 und in einem zweiten Verfahrensschritt 12 die Strahlungsintensität bei einer zweiten Wellenlänge lambda2 aufgenommen, wobei die beiden Wellenlängen lambda1, lambda2 in einem Infrarot-Spektralbereich liegen, in welchem der Halbleiterwafer 8 nicht transmittierend wirkt, und wobei die Wellenlängen lambda1, lambda2 so nahe beieinander liegen, dass der Emissionsgrad der Oberfläche des Halbleiterwafers 8 bei beiden Wellenlängen lambda1, lambda2 im Wesentlichen identisch ist. Anschließend wird in einem dritten Verfahrensschritt 13 die Oberflächentemperatur des Halbleiterwafers 8 auf der Grundlage einer Quotientenbildung der zu den beiden Wellenlängen lambda1, lambda2 aufgenommenen Strahlungsintensitäten bestimmt. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung 2 zum berührungslosen Bestimmen der Oberflächentemperatur eines Halbleiterwafers 8 in einem Temperaturbereich unterhalb von 500 DEG C, eine Prozesskammer 6 zum Durchführen des berührungslosen Bestimmens der Oberflächentemperatur eines Halbleiterwafers 8 und ein Temperaturbestimmungssystem 1 mit einer solchen Vorrichtung 2 und einer solchen Prozesskammer 6.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Bestimmen der Oberflächentemperatur eines Halbleiterwafers in einem Temperaturbereich unterhalb von 500°C. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum berührungslosen Bestimmen der Oberflächentemperatur eines Halbleiterwafers in einem Temperaturbereich unterhalb von 500°C, eine Prozesskammer zum Durchführen des berührungslosen Bestimmens der Oberflächentemperatur eines Halbleiterwafers und ein Temperaturbestimmungssystem mit einer solchen Vorrichtung und einer solchen Prozesskammer.
Die Elektronik wird heutzutage von mikroelektronischen Halbleiter-Bauelementen mit integrierten Schaltkreisen dominiert. Diese Schaltkreise bestehen aus einer komplexen Anordnung elektronischer Strukturen, die auf einem gemeinsamen als Chip bezeichneten Halbleitersubstrat miteinander verschaltet sind. Die Herstellung der Schaltkreise auf einer Halbleiterscheibe, im folgenden als Halbleiterwafer bezeichnet, ist gekennzeichnet durch eine komplizierte Aufeinanderfolge verschiedener Prozessschritte, welche in unterschiedlichen Prozessanlagen bzw. Prozesskammern durchgeführt werden.
Um optimale Prozessbedingungen zu gewährleisten, werden die einen Prozessschritt beeinflussenden Prozessparameter in der Regel kontrolliert und überwacht. Zu diesen Parametern zählt insbesondere die Oberflächentemperatur eines Halbleiterwafers, welche beispielsweise während eines Prozessschritts nicht außerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs liegen darf.

Zum Bestimmen der Oberflächentemperatur eines Halbleiterwafers können kontaktierende Temperaturerfassungselemente wie beispielsweise Thermoelemente eingesetzt werden, welche die Oberfläche des betreffenden Halbleiterwafers thermisch kon taktieren. Problematisch ist jedoch, dass ein in eine Prozesskammer eingesetzter Halbleiterwafer zum Teil schwer zugänglich ist, so dass sich die Herstellung eines thermischen Kontakts schwierig und aufwendig gestalten kann. Zudem lassen sich mit kontaktierenden Temperaturerfassungselementen keine Echtzeitmessungen durchführen, da eine Temperaturveränderung des Halbleiterwafers aufgrund der thermischen Zeitkonstante des Wärmeübergangs erst nach einer Zeitverzögerung über die Temperaturerfassungselemente messbar ist.

Weiterhin bekannt sind berührungslose Temperaturerfassungselemente wie etwa Pyrometer, bei welchen eine Bestimmung der Oberflächentemperatur eines Gegenstandes anhand der Strahlungsintensität der von der Oberfläche des Gegenstandes ausgesandten Temperaturstrahlung erfolgt.

In einem Temperaturbereich unterhalb von 500°C sind handelübliche Pyrometer in der Regel jedoch nicht auf einen Halbleiterwafer anwendbar, da die Wellenlängen der Temperaturstrahlung, mit denen diese Pyrometer arbeiten, in einem Infrarot-Spektralbereich liegen, in welchem der Halbleiterwafer transmittierend wirkt. Folglich werden mit derartigen Pyrometern lediglich die Temperaturen von unterhalb des Halbleiterwafers angeordneten Gegenständen wie beispielsweise aus Aluminium bestehenden Waferauflagen gemessen.

Es existieren zwar Pyrometer, welche in einem zum Bestimmen der Oberflächentemperatur eines Halbleiterwafers in einem Temperaturbereich unterhalb von 500°C erforderlichen Infrarot-Spektralbereich arbeiten, in welchem ein Halbleiterwafer nicht transmittierend wirkt. Grundsätzlich erfordert der Einsatz von Pyrometern zum Bestimmen von Temperaturen eines Gegenstandes jedoch eine genaue Kenntnis des Emissionsgrades der Oberfläche des betreffenden Gegenstandes. Der Emissionsgrad ist aber stark abhängig von der Wellenlänge der Temperaturstrahlung, von der Temperatur und insbesondere von der Oberflächenbeschaffenheit eines Gegenstandes. Infolgedessen ergeben sich abhängig vom Typ und vom Bearbeitungszustand eines Halbleiterwafers unterschiedliche Emissionsgrade, wodurch ein genaues Bestimmen der Oberflächentemperatur erschwert wird.

Um dieses Problem zu bewältigen, können Vergleichsmessungen zwischen einem Pyrometer und einem kontaktierenden Temperaturerfassungselement durchgeführt werden, um das berührungslose Messverfahren mit einem Pyrometer auf verschiedene Typen und Oberflächenbeschaffenheiten von Halbleiterwafern „anzulernen". Da dies für jeden Typ eines Halbleiterwafers in Abhängigkeit seines Bearbeitungszustandes wiederholt werden muss, gestaltet sich dieses Verfahren jedoch sehr zeitintensiv und aufwendig.

Bekannt sind ferner sogenannte Verhältnis- oder Quotientenpyrometer, welche aus zwei Pyrometern bestehen und bei welchen eine Messung der Strahlungsintensität der Temperaturstrahlung eines Gegenstandes bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen durchgeführt wird, wobei die Wellenlängen so nahe beieinander liegen, dass der Emissionsgrad der Oberfläche des Gegenstandes bei beiden Wellenlängen im Wesentlichen identisch ist. Anhand einer Quotientenbildung der zu den beiden Wellenlängen aufgenommenen Strahlungsintensitäten kann auf die Oberflächentemperatur des betreffenden Gegenstandes geschlossen werden. Der große Vorteil hierbei ist, dass durch die Quotientenbildung der Einfluss des Emissionsgrades praktisch vernachlässigt werden kann, wodurch die Oberflächentemperatur des betreffenden Gegenstandes im Wesentlichen unabhängig von dessen Oberflächenbeschaffenheit bestimmt wird.

Da die bekannten Quotienpyrometer allerdings nur ausgelegt sind, die Temperatur eines Gegenstandes in einem Temperaturbereich oberhalb von 500°C zu bestimmen oder mit Wellenlängen der Temperaturstrahlung arbeiten, welche in einem Spektralbereich liegen, in welchem ein Halbleiterwafer transmittierend wirkt, sind diese Quotientenpyrometer nicht zum Bestimmen der Oberflächentemperatur eines Halbleiterwafers in einem Temperaturbereich unterhalb von 500°C geeignet.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren bereitzustellen, mit dessen Hilfe die Oberflächentemperatur eines Halbleiterwafers in einem Temperaturbereich unterhalb von 500°C unkompliziert und mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1, 6, 12 und 14 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum berührungslosen Bestimmen der Oberflächentemperatur eines Halbleiterwafers in einem Temperaturbereich unterhalb von 500°C vorgeschlagen, bei welchem in einem ersten Verfahrensschritt die Strahlungsintensität der von einer Oberfläche des Halbleiterwafers emittierten Temperaturstrahlung bei einer ersten Wellenlänge und in einem zweiten Verfahrensschritt die Strahlungsintensität bei einer zweiten Wellenlänge aufgenommen wird, wobei die beiden Wellenlängen in einem Infrarot-Spektralbereich liegen, in welchem der Halbleiterwafer nicht transmittierend wirkt und wobei die Wellenlängen so nahe beieinander liegen, dass der Emissionsgrad der Oberfläche des Halbleiterwafers bei beiden Wellenlängen im Wesentlichen identisch ist. Anschließend wird in einem dritten Verfahrensschritt die Oberflächentemperatur des Halbleiterwafers auf der Grundlage einer Quotientenbildung der zu den beiden Wellenlängen aufgenommenen Strahlungsintensitäten bestimmt.

Dieses Verfahren ermöglicht das berührungslose Bestimmen der Oberflächentemperatur eines Halbleiterwafers in einem Temperaturbereich unterhalb von 500°C mit einer hohen Genauigkeit. Da die eingesetzten Wellenlängen so nahe beieinander liegen, dass der Emissionsgrad der Oberfläche des Halbleiterwafers bei beiden Wellenlängen im Wesentlichen identisch ist und so mit durch die Quotientenbildung der Einfluss des Emissionsgrades der Oberfläche des Halbleiterwafers vernachlässigt werden kann, bedarf dieses Verfahren auch keiner Vergleichsmessungen mit kontaktierenden Temperaturerfassungselementen, wodurch sich das Verfahren unkompliziert und ohne großen Zeitaufwand durchführen lässt.

Um das Verfahren auf einen aus Silizium bestehenden Halbleiterwafer anzuwenden, welcher einen Transmissionsbereich mit Wellenlängen von etwa 1μm bis 10μm aufweist, müssen die eingesetzten Wellenlängen im Nah-Infrarot-Bereich unterhalb von 1μm oder am Ende des mittleren Infrarot-Bereichs oberhalb von 10μm liegen. Da sich Wellenlängen unterhalb von 1μm lediglich zum Bestimmen von Temperaturen oberhalb von 200°C eignen, liegen bei der für die Praxis relevanten Ausführungsform die eingesetzten Wellenlängen oberhalb von 10μm, um die Oberflächentemperatur eines aus Silizium bestehenden Halbleiterwafers insbesondere auch in einem unteren Temperaturbereich unterhalb von 200°C zu bestimmen.

Der oben genannten Voraussetzung, dass die beiden eingesetzten Wellenlängen so nahe beieinander liegen müssen, dass der Emissionsgrad der Oberfläche des Halbleiterwafers bei beiden Wellenlängen im Wesentlichen identisch ist, steht die weitere Voraussetzung entgegen, dass die beiden Wellenlängen einen möglichst großen Abstand aufweisen müssen, um die Quotientenbildung mit möglichst unterschiedlichen Strahlungsintensitäten durchzuführen. Infolgedessen weisen die beiden Wellenlängen in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einen Abstand zwischen 5% und 20%, vorzugsweise 10% einer Mittelwellenlänge auf, welche aus einem Mittelwert der beiden Wellenlängen gebildet wird, um einen Kompromiss zwischen diesen gegensätzlichen Voraussetzungen einzugehen. Bei einem Abstand von 5% der Mittelwellenlänge ist zwar die Voraussetzung eines nahen Abstands zwischen den beiden Wellenlängen und damit eines im Wesentlichen identischen Emissionsgrades der Oberfläche bei beiden Wellenlängen sehr gut erfüllt, allerdings et was zum Nachteil möglichst unterschiedlicher Strahlungsintensitäten. Ein guter Kompromiss zwischen den beiden gegensätzlichen Bedingungen wird bei einem Abstand von 10% der Mittelwellenlänge erzielt, wodurch das Bestimmen der Oberflächentemperatur sehr genau wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Aufnehmen der Strahlungsintensitäten bei den beiden Wellenlängen zeitgleich durchgeführt, um die Oberflächentemperatur des Halbleiterwafers in Echtzeit zu bestimmen.

Erfindungsgemäß wird weiter eine Vorrichtung zum berührungslosen Bestimmen der Oberflächentemperatur eines Halbleiterwafers in einem Temperaturbereich unterhalb von 500°C vorgeschlagen, welche eine Pyrometereinrichtung und eine Auswerteeinrichtung aufweist, wobei die Pyrometereinrichtung ausgelegt ist, die Strahlungsintensität der von einer Oberfläche des Halbleiterwafers emittierten Temperaturstrahlung bei einer ersten Wellenlänge und bei einer zweiten Wellenlänge aufzunehmen, wobei die beiden Wellenlängen in einem Infrarot-Spektralbereich liegen, in welchem der Halbleiterwafer nicht transmittierend wirkt und wobei die Wellenlängen so nahe beieinander liegen, dass der Emissionsgrad der Oberfläche des Halbleiterwafers bei beiden Wellenlängen im Wesentlichen identisch ist, und wobei die Auswerteeinrichtung ausgelegt ist, die Oberflächentemperatur des Halbleiterwafers auf der Grundlage einer Quotientenbildung der zu den beiden Wellenlängen aufgenommenen Strahlungsintensitäten zu bestimmen.

Entsprechend ermöglicht diese Vorrichtung ein unkompliziertes Bestimmen der Oberflächentemperatur eines Halbleiterwafers in einem Temperaturbereich unterhalb von 500°C mit einer hohen Genauigkeit und ohne großen Zeitaufwand.

In der für die Praxis relevanten Ausführungsform ist die Pyrometereinrichtung ausgelegt, die Strahlungsintensität bei Wellenlängen oberhalb von 10μm aufzunehmen, um entsprechend dem oben erläuterten erfindungsgemäßen Verfahren die Oberflächentemperatur eines aus Silizium bestehenden Halbleiterwafers, insbesondere auch in einem unteren Temperaturbereich unterhalb von 200°C zu bestimmen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Pyrometereinrichtung zwei Pyrometer auf, um das Aufnehmen der Strahlungsintensitäten bei den beiden Wellenlängen zeitgleich durchzuführen, wodurch sich die Oberflächentemperatur des Halbleiterwafers in Echtzeit bestimmen lässt.

Erfindungsgemäß wird ferner eine Prozesskammer für einen Halbleiterwafer zum Durchführen des Bestimmens der Oberflächentemperatur des Halbleiterwafers gemäß dem oben erläuterten Verfahren vorgeschlagen, wobei die Prozesskammer ein für die von der Oberfläche des Halbleiterwafers emittierte Temperaturstrahlung durchlässiges Fenster aufweist. Eine derartige Prozesskammer gestattet ein Aufnehmen der Strahlungsintensität der von der Oberfläche des Halbleiterwafers emittierten Temperaturstrahlung außerhalb der Prozesskammer.

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Fenster aus Bariumfluorid. Dieses Material, welches einen Transmissionsbereich mit Wellenlängen von 0,15μm bis 15μm aufweist, ist im Gegensatz zu einem aus Quarzglas bestehenden Fenster dazu geeignet, die zum Bestimmen der Oberflächentemperatur eines aus Silizium bestehenden Halbleiterwafers erforderliche Temperaturstrahlung bei Wellenlängen oberhalb von 10μm durchzulassen.

Erfindungsgemäß wird des weiteren ein Temperaturbestimmungssystem mit einer solchen Prozesskammer und einer solchen Vorrichtung zum berührungslosen Bestimmen der Oberflächentemperatur eines Halbleiterwafers in einem Temperaturbereich unterhalb von 500°C vorgeschlagen. Mit Hilfe eines derartigen Temperaturbestimmungssystems kann die Oberflächentemperatur eines Halbleiterwafers beispielsweise während eines innerhalb der Prozesskammer durchgeführten Prozessschritts überwacht werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen der Oberflächentemperatur eines aus Silizium bestehenden Halbleiterwafers,
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Temperaturbestimmungssystems mit einem Halbleiterwafer, und
3 Ein Diagramm der Transmissions- und Arbeitsbereiche der in 2 dargestellten Komponenten des Temperaturbestimmungssystems und des Halbleiterwafers.
1 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen der Oberflächentemperatur eines aus Silizium bestehenden Halbleiterwafers in einem Temperaturbereich unterhalb von 500°C. Hierbei wird die Strahlungsintensität der von einer Oberfläche des Halbleiterwafers emittierten Temperaturstrahlung in einem ersten Verfahrensschritt 11 bei einer ersten Wellenlänge λ1 oberhalb von 10μm und in einem zweiten Verfahrensschritt 12 bei einer zweiten Wellenlänge λ2 oberhalb von 10μm aufgenommen. Vorzugsweise werden die Strahlungsintensitäten der von der Oberfläche des Halbleiterwafers senkrecht emittierten Temperaturstrahlung aufgenommen, um jeweils die höchste Strahlungsintensität zu erhalten.
Anschließend wird in einem dritten Verfahrensschritt 13 die Oberflächentemperatur des Halbleiterwafers auf der Grundlage einer Quotientenbildung der zu den beiden Wellenlängen λ1 und λ2 aufgenommenen Strahlungsintensitäten bestimmt.
Eine wichtige Voraussetzung zum Durchführen dieses Verfahrens besteht darin, dass die beiden Wellenlängen λ1, λ2 in einem Infrarot-Spektralbereich liegen, in welchem der Halbleiterwafer nicht transmittierend wirkt, um zu vermeiden, dass lediglich die Strahlungsintensität der Temperaturstrahlung von unterhalb des Halbleiterwafers angeordneten Gegenständen wie beispielsweise Waferhalterungen aufgenommen wird und infolgedessen nicht die Oberflächentemperatur des Halbleiterwafers bestimmt wird. Bei dem vorliegend aus Silizium bestehenden Halbleiterwafer erstreckt sich der Transmissionsbereich über Wellenlängen von 1μm bis 10μm. Zum Bestimmen der Oberflächentemperatur dieses Halbleiterwafers sind daher prinzipiell Wellenlängen unterhalb von 1μm oder Wellenlängen oberhalb von 10μm geeignet. Da sich der erstgenannte Wellenlängenbereich jedoch nur zum Bestimmen von Oberflächentemperaturen oberhalb von 200°C eignet, werden bei dem in 1 dargestellten Verfahren Strahlungsintensitäten bei Wellenlängen oberhalb von 10μm aufgenommen, um insbesondere auch in einem unteren Temperaturbereich unterhalb von 200°C Oberflächentemperaturen messen zu können.
Eine weitere wichtige Voraussetzung ist, dass die beiden Wellenlängen λ1, λ2 so nahe beieinander liegen, dass der Emissionsgrad der Oberfläche des Halbleiterwafers bei beiden Wellenlängen λ1, λ2 im Wesentlichen identisch ist, wodurch der Einfluss des Emissionsgrades bei der in dem dritten Verfahrensschritt 13 durchgeführten Quotientenbildung in erster Näherung vernachlässigt werden kann. Hierdurch wird das Verfahren zum Bestimmen der Oberflächentemperatur im Wesentlichen unabhängig von den Oberflächeneigenschaften des Halbleiterwafers, so dass auf aufwendige Vergleichsmessungen mithilfe von kontaktierenden Temperaturerfassungselementen verzichtet werden kann.
Der letztgenannten Voraussetzung eines nahen Abstands der beiden Wellenlängen λ1, λ2 steht allerdings die Bedingung eines möglichst großen Abstands zwischen der ersten Wellenlänge λ1 und der zweiten Wellenlänge λ2 entgegen. Hierbei wird der stark nichtlineare Zusammenhang zwischen der spektralen spezifischen Ausstrahlung, d.h. dem Teil der Strahlungsenergie, der zur Temperaturbestimmung herangezogen wird, und der Wellenlänge ausgenutzt, um die Quotientenbildung mit möglichst unterschiedlichen Strahlungsintensitäten durchzuführen und so auf die Oberflächentemperatur schließen zu können.
Es muss folglich ein Kompromiss zwischen diesen beiden gegensätzlichen Bedingungen eingegangen werden. Daher weisen die beiden Wellenlängen λ1, λ2 vorzugsweise einen Abstand zwischen 5% und 20% einer Mittelwellenlänge auf, welche aus einem Mittelwert der beiden Wellenlängen λ1, λ2 gebildet wird. Bei einem Abstand von 5% dieser Mittelwellenlänge ist die Bedingung eines nahen Abstands zwischen den beiden Wellenlängen λ1, λ2 und damit eines im Wesentlichen identischen Emissionsgrades der Oberfläche bei beiden Wellenlängen λ1, λ2 sehr gut erfüllt, allerdings etwas zu Ungunsten möglichst unterschiedlicher Strahlungsintensitäten. Bei einem Abstand von 20% der Mittelwellenlänge liegen entsprechend umgekehrte Verhältnisse vor. Ein guter Kompromiss wird bei einem Abstand von 10% der Mittelwellenlänge erzielt, wodurch die Oberflächentemperatur des Halbleiterwafers sehr genau bestimmt werden kann.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Temperaturbestimmungssystems 1, welches eine Temperaturbestimmungsvorrichtung 2 und eine Prozesskammer 6 aufweist, innerhalb derer ein aus Silizium bestehender Halbleiterwafer 8 angeordnet ist. Mit Hilfe dieses Temperaturbestimmungssystems 1 kann die Oberflächentemperatur des Halbleiterwafers 8 entsprechend dem in 1 dargestellten Verfahren berührungslos bestimmt werden, um beispielsweise einen innerhalb der Prozesskammer 6 durchgeführten Prozessschritt zu überwachen.
Die Prozesskammer 6 weist ein für die von der Oberfläche des Halbleiterwafers 8 emittierte Temperaturstrahlung transparen tes Fenster 7 auf. Für den vorliegenden Fall des aus Silizium bestehenden Halbleiterwafers 8 besteht das Fenster 7 aus Bariumfluorid (BaF₂), bei welchem sich der Transmissionsbereich über Wellenlängen von 0,15μm bis 15μm erstreckt. Folglich steht zum Bestimmen der Oberflächentemperatur des Halbleiterwafers 8 ein Wellenlängenbereich der Temperaturstrahlung von 10μm bis 15μm zur Verfügung.
Die Temperaturbestimmungsvorrichtung 2 weist eine Pyrometereinrichtung 3 auf, welche ausgelegt ist, die Strahlungsintensität der von der Oberfläche des Halbleiterwafers 8 emittierten und durch das Fenster 7 transmittierten Temperaturstrahlung bei der ersten und zweiten Wellenlänge λ1, λ2 entsprechend dem ersten und zweiten Verfahrensschritt 11, 12 des in 1 dargestellten Verfahrens zeitgleich aufzunehmen. Die Pyrometereinrichtung 3 weist hierzu ein erstes Bandstrahlungspyrometer P1 und ein zweites Bandstrahlungspyrometer P2 auf. Diese gleichartigen Bandstrahlungspyrometer P1, P2 sind auf Temperaturstrahlung in einem Wellenlängenbereich von 8μm bis 14μm sensitiv, wodurch die Pyrometereinrichtung 3 zum Aufnehmen der Strahlungsintensität der Temperaturstrahlung des Halbleiterwafers 8 auf einen Wellenlängenbereich zwischen 10μm und 14μm eingeschränkt ist.
Zur Festlegung der erforderlichen beiden Wellenlängen λ1, λ2 sind zwei als optische Bandfilter ausgebildete Filter F1, F2 vorgesehen. Über den ersten Filter F1 wird beispielsweise eine Wellenlänge von 11μm und über den zweiten Filter F2 eine Wellenlänge von 12μm eingestellt.
Wie 2 zeigt, sind die beiden Bandstrahlungspyrometer P1, P2 vorzugsweise senkrecht über der Oberfläche des Halbleiterwafers 8 angeordnet, wodurch die Strahlungsintensitäten der von der Oberfläche senkrecht emittierten Temperaturstrahlung aufgenommen werden können, um jeweils die höchste Strahlungsintensität zu erhalten. Sofern ein senkrechter Zugang zur Oberfläche des Halbleiterwafers 8 bedingt durch ungenü gende Platzverhältnisse innerhalb der Prozesskammer 6 nicht möglich ist, kann die von der Oberfläche des Halbleiterwafers 8 senkrecht emittierte Temperaturstrahlung auch mithilfe einer abbildenden Optik, beipielsweise über Lichtleiter, zu den Bandstrahlungspyrometern P1, P2 gelenkt werden.
Die Temperaturbestimmungsvorrichtung 2 weist weiter eine an die beiden Bandstrahlungspyrometer P1, P2 angeschlossene Auswerteeinrichtung 4 auf, welche ausgelegt ist, die Oberflächentemperatur des Halbleiterwafers 8 entsprechend dem dritten Verfahrensschritt 13 des in 1 dargestellten Verfahrens auf der Grundlage einer Quotientenbildung der zu den beiden Wellenlängen λ1, λ2 aufgenommenen Strahlungsintensitäten zu bestimmen. Die Auswerteeinrichtung 4 ist weiter mit einem Anzeigeelement 5 zum Anzeigen der über die Auswerteeinrichtung bestimmten Oberflächentemperatur verbunden.
Die in 2 dargestellte Auswerteeinrichtung 4 kann als Computerprogramm eines Auswertecomputers realisiert sein, welcher mit den Bandstrahlungspyrometern P1, P2 verbunden wird. Alternativ ist es möglich, die Auswerteeinrichtung 4 als eigenständiges Gerät auszubilden, bei welchem das Anzeigeelement 5 anschließbar oder als integrierter Bestandteil der Auswerteeinrichtung 4 verwirklicht ist.
Auch für das dargestellte Temperaturbestimmungssystem 1 existieren unterschiedliche Ausführungsformen. Die Temperaturbestimmungsvorrichtung 2 und die Prozesskammer 6 können sowohl zusammen in einem Gerät als auch als voneinander getrennte Bestandteile realisiert sein. Die Temperaturbestimmungsvorrichtung 2 allein könnte beispielsweise auch zum Bestimmen der Oberflächentemperatur eines auf einer Waferauflage gelagerten Halbleiterwafers herangezogen werden.
Die vorliegend aus den zwei Bandstrahlungspyrometern P1, P2 und den zwei Filtern F1, F2 bestehende Pyrometereinrichtung 3 entspricht einem Quotientenpyrometer, welches wie oben erläu tert mit Wellenlängen am Ende des mittleren Infrarot-Spektralbereichs zwischen 10μm und 14μm arbeitet, um anhand der aufgenommenen Strahlungsintensitäten die Temperatur eines aus Silizium bestehenden Halbleiterwafers zu bestimmen. Ein solches Quotientenpyrometer kann auch auf andere Art und Weise realisiert werden.
Als alternative Ausgestaltung ist vorstellbar, Bandstrahlungspyrometer P1, P2 einzusetzen, welche in anderen als dem angegebenen Wellenlängenbereich von 8μm bis 14μm oder welche jeweils in unterschiedlichen Wellenlängebereichen sensitiv sind. Möglich ist es auch, Gesamtstrahlungspyrometer einzusetzen, deren Empfindlichkeit etwa 90% der emittierten Temperaturstrahlung umfasst.
Ferner besteht die Möglichkeit, anstelle der Bandstrahlungspyrometer P1, P2 und der Filter F1, F2 zum Festlegen der beiden Wellenlängen λ1, λ2 Spektralpyrometer einzusetzen, welche jeweils in einem sehr engen Wellenlängenbereich empfindlich sind. Gegenüber Spektralpyrometern hat der Einsatz von Bandstrahlungspyrometern und Filtern jedoch den Vorteil einer höheren Variabilität, da die eingesetzten Wellenlängen mithilfe unterschiedlicher Filter variabel eingestellt werden können.
Es ist weiterhin denkbar, anstelle der zwei Bandstrahlungspyrometer P1, P2 lediglich ein Bandstrahlungspyrometer zu verwenden und das Aufnehmen der Strahlungsintensität der Temperaturstrahlung zu den zwei Wellenlängen λ1, λ2 nacheinander mit zwei unterschiedlichen Filtern durchzuführen. Hierdurch können zwar Kosten eingespart werden, jedoch hat die in 2 dargestellte Ausführungsform mit den zwei Bandstrahlungspyrometern P1, P2 den Vorteil, dass durch das zeitgleiche Aufnehmen der Strahlungsintensität bei den zwei unterschiedlichen Wellenlängen λ1, λ2 die Oberflächentemperatur des Halbleiterwafers 8 in Echtzeit bestimmt werden kann.
Eine wichtige Voraussetzung bei diesen möglichen Ausgestaltungen einer Pyrometereinrichtung besteht in der Abstimmung der Arbeitsbereiche der Pyrometer und der Filter auf den zur Verfügung stehenden Wellenlängenbereich der Temperaturstrahlung, welcher durch die Transmissionsbereiche des zu messenden Halbleiterwafers und des Fensters vorgegeben wird. Um dies zu veranschaulichen zeigt 3 ein Diagramm 9 der Transmissions- bzw. Arbeitsbereiche der in 2 dargestellten Komponenten des Temperaturbestimmungssystems 1 und des Halbleiterwafers 8 in Abhängigkeit der Wellenlänge λ der Temperaturstrahlung.
Der aus Silizium bestehende Halbleiterwafer 8 weist einen Transmissionsbereich Tr₈ mit Wellenlängen zwischen 1μm und 10μm auf. Um die Oberflächentemperatur des Halbleiterwafers 8 insbesondere auch in einem unteren Temperaturbereich unterhalb von 250°C zu bestimmen, muss die Strahlungsintensität der von der Oberfläche des Halbleiterwafers 8 emittierten Temperaturstrahlung bei Wellenlängen oberhalb von 10μm aufgenommen werden.
Das verwendete Fenster 7 aus Bariumfluorid weist einen Transmissionsbereich Tr₇ mit Wellenlängen zwischen 0,15μm und 15μm auf, wodurch der zum Aufnehmen der Strahlungsintensität zur Verfügung stehende Wellenlängenbereich auf Wellenlängen zwischen 10μm und 15μm begrenzt ist. Dieser Bereich ist durch die strichpunktierten vertikalen Linien in dem Diagramm 9 gekennzeichnet.
Mithilfe des ersten Filters F1 und des zweiten Filters F2, welche in einem ersten Transmissionsbereich Tr_F1 bei einer Wellenlänge von 11μm und in einem zweiten Transmissionsbereich Tr_F2 bei einer Wellenlänge von 12μm transparent sind, werden die erste Wellenlänge λ1 und die zweite Wellenlänge λ2 festgelegt. Diese beiden Wellenlängen λ1, λ2 sind jeweils durch die durchgezogenen vertikalen Linien in dem Diagramm 9 gekennzeichnet. Zur besseren Veranschaulichung sind die Transmissionsbereiche Tr_F1, Tr_F2 der Filter F1, F2 verbreitert dargestellt.
Mit den beiden Pyrometern P1, P2, welche jeweils einen Arbeitsbereich A_P mit Wellenlängen zwischen 8μm und 14μm aufweisen, wird die Strahlungsintensität der Temperaturstrahlung des Halbleiterwafers 8 zu den beiden Wellenlängen λ1, λ2 aufgenommen.
Das in 1 dargestellte Verfahren sowie das in 2 dargestellte Temperaturbestimmungssystem 1 eignet sich zum Bestimmen der Oberflächentemperatur eines aus Silizium bestehenden Halbleiterwafers. Grundsätzlich kann mit einem solchen Verfahren und einem solchen Temperaturbestimmungssystem auch die Oberflächentemperatur eines aus einem anderen Material bestehenden Halbleiterwafers in einem Temperaturbereich unterhalb von 500°C bestimmt werden, sofern die eingesetzten zwei Wellenlängen in einem Infrarot-Spektralbereich liegen, in welchem der Halbleiterwafer nicht transmittierend wirkt. Entsprechend müssen die Komponenten des Temperaturbestimmungssystems aufeinander abgestimmte Transmissions- bzw. Arbeitsbereiche aufweisen, um die Strahlungsintensität der Temperaturstrahlung zu diesen beiden Wellenlängen aufzunehmen.

1: Temperaturbestimmungssystem
2: Temperaturbestimmungsvorrichtung
3: Pyrometereinrichtung
4: Auswerteeinrichtung
5: Anzeigeelement
6: Prozesskammer
7: Fenster
8: Halbleiterwafer
9: Diagramm der Transmissions-/Arbeitsbereiche
11, 12, 13: Verfahrensschritt
P1: Erstes Bandstrahlungspyrometer
P2: Zweites Bandstrahlungspyrometer
F1: Erster Filter
F2: Zweiter Filter
λ: Wellenlänge
λ1: Erste Wellenlänge
λ2: Zweite Wellenlänge
Tr₇: Transmissionsbereich des Fensters
Tr₈: Transmissionsbereich des Halbleiterwafers
Tr_F1: Transmissionsbereich des ersten Filters
Tr_F2: Transmissionsbereich des zweiten Filters
A_P: Arbeitsbereich der Bandstrahlungspyrometer

Claims

Verfahren zum berührungslosen Bestimmen der Oberflächentemperatur eines Halbleiterwafers (8) in einem Temperaturbereich unterhalb von 500°C mit den Verfahrensschritten: a) Aufnehmen der Strahlungsintensität der von einer Oberfläche des Halbleiterwafers (8) emittierten Temperaturstrahlung bei einer ersten Wellenlänge (λ1); b) Aufnehmen der Strahlungsintensität der von der Oberfläche des Halbleiterwafers (8) emittierten Temperaturstrahlung bei einer zweiten Wellenlänge (λ2), wobei die beiden Wellenlängen (λ1; λ2) in einem Infrarot-Spektralbereich liegen, in welchem der Halbleiterwafer (8) nicht transmittierend wirkt und wobei die Wellenlängen (λ1; λ2) so nahe beieinander liegen, dass der Emissionsgrad der Oberfläche des Halbleiterwafers (8) bei beiden Wellenlängen (λ1; λ2) im Wesentlichen identisch ist; und c) Bestimmen der Oberflächentemperatur des Halbleiterwafers (8) auf der Grundlage einer Quotientenbildung der zu den beiden Wellenlängen (λ1; λ2) aufgenommenen Strahlungsintensitäten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die eingesetzten Wellenlängen (λ1; λ2) oberhalb von 10μm liegen, um die Oberflächentemperatur eines aus Silizium bestehenden Halbleiterwafers (8) zu bestimmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die beiden Wellenlängen (λ1; λ2) einen Abstand zwischen 5% und 20%, vorzugsweise 10% einer Mittelwellenlänge aufweisen, welche aus einem Mittelwert der beiden Wellenlängen (λ1; λ2) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die eingesetzten Wellenlängen (λ1; λ2) mit Hilfe von auf die Wellenlängen (λ1; λ2) abgestimmten Filtern (F1; F2) festgelegt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aufnehmen der Strahlungsintensitäten bei den beiden Wellenlängen (λ1; λ2) zeitgleich durchgeführt wird.
Vorrichtung zum berührungslosen Bestimmen der Oberflächentemperatur eines Halbleiterwafers (8) in einem Temperaturbereich unterhalb von 500°C, mit einer Pyrometereinrichtung (3), welche ausgelegt ist, die Strahlungsintensität der von einer Oberfläche des Halbleiterwafers (8) emittierten Temperaturstrahlung bei einer ersten Wellenlänge (λ1) und bei einer zweiten Wellenlänge (λ2) aufzunehmen, wobei die beiden Wellenlängen (λ1; λ2) in einem Infrarot-Spektralbereich liegen, in welchem der Halbleiterwafer (8) nicht transmittierend wirkt und wobei die Wellenlängen (λ1; λ2) so nahe beieinander liegen, dass der Emissionsgrad der Oberfläche des Halbleiterwafers (8) bei beiden Wellenlängen (λ1; λ2) im Wesentlichen identisch ist, und mit einer Auswerteeinrichtung (4), welche ausgelegt ist, die Oberflächentemperatur des Halbleiterwafers (8) auf der Grundlage einer Quotientenbildung der zu den beiden Wellenlängen (λ1; λ2) aufgenommenen Strahlungsintensitäten zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Pyrometereinrichtung (3) ausgelegt ist, die Strahlungsintensität bei Wellenlängen oberhalb von 10μm aufzunehmen, um die Oberflächentemperatur eines aus Silizium bestehenden Halbleiterwafers (8) zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei Filter (F1; F2) vorgesehen sind, über welche die erste und die zweite Wellenlänge (λ1; λ2) festgelegt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Pyrometereinrichtung (3) ein Bandstrahlungspyrometer (P1; P2) enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Pyrometereinrichtung (3) zwei Pyrometer (P1; P2) aufweist, um das Aufnehmen der Strahlungsintensitäten bei den beiden Wellenlängen (λ1; λ2) zeitgleich durchzuführen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei ein Anzeigeelement (5) zum Anzeigen der über die Auswerteeinrichtung (4) bestimmten Oberflächentemperatur des Halbleiterwafers (8) vorgesehen ist.
Prozesskammer für einen Halbleiterwafer (8) zum Durchführen des Bestimmens der Oberflächentemperatur des Halbleiterwafers (8) gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Prozesskammer (6) ein für die von der Oberfläche des Halbleiterwafers (8) emittierte Temperaturstrahlung durchlässiges Fenster (7) aufweist.
Prozesskammer nach Anspruch 12, wobei das Fenster (7) aus Bariumfluorid besteht.
Temperaturbestimmungssystem mit einer Vorrichtung (2) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 11 und einer Prozesskammer (6) gemäß einem der Ansprüche 12 oder 13.