(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱処理システムにおける破損検出のための方法において、
熱処理の間の基板のための冷却期間中に取得された、前記基板の上面の複数の温度測定値ＴT（ｔn）および前記基板の下面の複数の温度測定値ＴB（ｔn）を表すデータにアクセスするステップと、
前記データに少なくとも部分的に基づいて、前記基板が熱処理中に破損したか否かを表す破損検出信号を求めるステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記破損検出信号が、基板は破損していないことを表した場合、前記方法は、前記熱処理システムにおいて次の基板を処理するステップを含む、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記破損検出信号が、基板は破損していることを表した場合、前記方法は、前記熱処理システムにおける次の基板の処理に先行して修正動作を実行するステップを含む、
請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記データに少なくとも部分的に基づいて破損検出信号を求めるステップは、
前記上面の前記複数の温度測定値ＴT（ｔn）および前記下面の前記複数の温度測定値ＴB（ｔn）を所定の温度範囲と比較するステップと、
前記比較に少なくとも部分的に基づいて前記破損検出信号を求めるステップと、
を含む、
請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記所定の温度範囲は、破損していない基板に関連付けられた温度範囲を含む、
請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記所定の温度範囲は、破損した基板に関連付けられた温度範囲を含む、
請求項４記載の方法。
【請求項７】
前記データに少なくとも部分的に基づいて破損検出信号を求めるステップは、
前記データを、それぞれが所定の期間に関連付けられている複数のセットに分割するステップと、
各セットの値を、所定の温度範囲と比較するステップと、
前記比較に少なくとも部分的に基づいて、前記破損検出信号を求めるステップと、
を含む、
請求項４記載の方法。
【請求項８】
前記値を、平均偏差または標準偏差に少なくとも部分的に基づいて求める、
請求項７記載の方法。
【請求項９】
ミリ秒アニールシステムのための温度測定システムにおいて、前記温度測定システムは、
ミリ秒アニールシステムにおいて半導体基板の上面の複数の温度測定値ＴT（ｔn）を取得するように構成されている第１の温度センサと、
ミリ秒アニールシステムにおいて半導体基板の下面の複数の温度測定値ＴB（ｔn）を取得するように構成されている第２の温度センサと、
種々の動作を実行するように構成されている少なくとも１つの処理回路と、
を含み、
前記動作は、
ミリ秒アニールパルスの前記半導体基板への適用に続く冷却期間中に、前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサから取得した複数の温度測定値を表すデータにアクセスするステップと、
前記データに少なくとも部分的に基づいて、前記半導体基板が熱処理中に破損したか否かを表す破損検出信号を求めるステップと、
を含む温度測定システム。
【請求項１０】
前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサは、前記半導体基板からの放射を測定することによって温度を測定するように構成されている、
請求項９記載の温度測定システム。
【請求項１１】
ミリ秒アニールシステムにおいて、前記ミリ秒アニールシステムは、
プロセスチャンバと、
半導体基板を支持するように構成されており、かつ、前記プロセスチャンバを上部チャンバおよび下部チャンバに分割する、ウェハ面プレートと、
前記半導体基板の上面にミリ秒アニールパルスを供給するように構成されている１つまたは複数の熱源と、
前記半導体基板の上面の複数の温度測定値ＴT（ｔn）を取得するように構成されている第１の温度センサと、
前記半導体基板の下面の複数の温度測定値ＴB（ｔn）を取得するように構成されている第２の温度センサと、
種々の動作を実行するように構成されている少なくとも１つの処理回路と、
を含み、
前記動作は、
前記ミリ秒アニールパルスの前記半導体基板への適用に続く冷却期間中に、前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサから取得した複数の温度測定値を表すデータにアクセスするステップと、
前記データに少なくとも部分的に基づいて、前記半導体基板が熱処理中に破損したか否かを表す破損検出信号を求めるステップと、
を含むミリ秒アニールシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張
本願は、２０１５年１２月３０日に出願された、米国仮特許出願第６２／２７２，８２６号、発明の名称「Ｗａｆｅｒ  Ｂｒｅａｋａｇｅ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｉｎ  ａ  Ｍｉｌｌｉｓｅｃｏｎｄ  Ａｎｎｅａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ」の優先権の利益を主張するものであり、この文献は参照によって本願に組み込まれる。
【０００２】
分野
本発明は、一般的に、基板、例えば半導体基板を処理するために使用される熱プロセスチャンバに関し、より詳細にはミリ秒アニール熱プロセスチャンバに関する。
【背景技術】
【０００３】
ミリ秒アニールシステムは、基板、例えばシリコンウェハを超高速に熱処理するための半導体プロセスに使用することができる。半導体プロセスにおいては、ドーパント種の拡散を制御しつつ、それと同時に、注入ダメージを回復させるため、堆積された層の品質を向上させるため、層界面の品質を向上させるため、ドーパントを活性化させるため、また他の目的を達成するために、高速な熱処理をアニールステップとして使用することができる。
【０００４】
毎秒１０4℃を上回ることができる割合で基板の上面全体を加熱するために、集中的で短時間の露光を使用することによって、半導体基板のミリ秒の、または超高速の温度処理を達成することができる。基板の一方の表面のみを高速に加熱することによって、基板の厚さにわたり大きい温度勾配を生じさせることができ、その一方で、基板のバルクは、露光の前の温度を維持する。したがって、基板のバルクはヒートシンクとして機能し、その結果、上面の高速な冷却速度が生じる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施の形態の態様および利点は、下記の明細書において部分的に明らかになるか、明細書から理解されるか、または実施の形態の実践によって理解される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの例示的な態様は、熱処理システムにおける破損検出のためのプロセスに関する。プロセスは、熱処理の冷却期間中に取得された、基板に関する複数の温度測定値を表すデータにアクセスすること、複数の温度測定値を表すデータに少なくとも部分的に基づいて、冷却モデルに関連付けられた１つまたは複数のメトリックを推定すること、冷却モデルに関連付けられた１つまたは複数のメトリックに少なくとも部分的に基づいて破損検出信号を求めること、を含むことができる。破損検出信号は、基板が熱処理中に破損したか否かを表す。
【０００７】
本発明の例示的な態様に対して変更および修正を行うことができる。本発明の他の例示的な態様は、ミリ秒アニールシステムにおける破損検出のための、システム、方法、装置およびプロセスに関する。
【０００８】
種々の実施の形態のそれらの特徴、態様および利点ならびに他の特徴、態様および利点は、下記の明細書および添付の特許請求の範囲を参照することにより一層理解されるであろう。本願に組み込まれ、また本願の一部を成す添付の図面は、本発明の実施の形態を示しており、また明細書と共に、関連する原理を説明するために用いられる。
【０００９】
当業者に対する実施の形態の詳細な説明を、添付の図面を参照しながら下記に記す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例による、例示的なミリ秒アニール加熱プロフィールを示す。
【図２】本発明の実施例による、例示的なミリ秒アニールシステムの一部の例示的な斜視図を示す。
【図３】本発明の実施例による、例示的なミリ秒アニールシステムの分解図を示す。
【図４】本発明の実施例による、例示的なミリ秒アニールシステムの断面図を示す。
【図５】本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムにおいて使用される例示的なランプの斜視図を示す。
【図６】本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムのウェハ面プレートにおいて使用される例示的なエッジ反射器を示す。
【図７】本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムにおいて使用することができる例示的な反射器を示す。
【図８】本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムにおいて使用することができる例示的なアークランプを示す。
【図９】本発明の実施例による、例示的なアークランプの動作を示す。
【図１０】本発明の実施例による、例示的なアークランプの動作を示す。
【図１１】本発明の実施例による、例示的な電極の断面図を示す。
【図１２】本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムにおいて使用される例示的なランプに水およびガス（例えばアルゴンガス）を供給するための例示的な閉ループシステムを示す。
【図１３】本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムのための例示的な温度測定システムを示す。
【図１４】本発明の実施例による、ウェハ破損検出のための例示的なプロセスのフローチャートを示す。
【図１５】本発明の実施例による、ウェハ破損検出のための例示的なプロセスのフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下では、複数の実施の形態をより詳細に説明し、またそれらの実施の形態のうちの１つまたは複数の例は、図面に図示されている。各実施例は、実施の形態の説明を目的として表されており、本発明の限定を目的として表されたものではない。実際には、当業者であれば、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、種々の修正および変更を実施の形態に対して行えることが分かるであろう。例えば、１つの実施の形態の一部として図示または説明された特徴を別の実施の形態と共に用いて、さらに別の実施の形態を創作することができる。したがって、本発明の態様がそのような修正および変更をカバーすることが意図されている。
【００１２】
概観
本発明の例示的な態様は、熱処理中の基板破損（例えばウェハ破損）の検出に関する。説明および考察を目的として、本発明の態様を、「ウェハ」または半導体ウェハを参照しながら考察する。当業者であれば、本明細書における開示内容によって、本発明の例示的な態様を、任意の半導体基板または他の適切な基板に関連させて使用できることを理解するであろう。さらに、数値と関連させた「約」という語の使用は、記載された数値の１０％以内を表すことが意図されている。
【００１３】
さらに、説明および考察を目的として、本発明の態様を、ミリ秒アニールシステムを参照しながら考察する。当業者であれば、本明細書における開示内容によって、本発明の例示的な態様を、他の適切な熱処理システムと共に使用できることを理解するであろう。
【００１４】
本発明の特定の例示的な態様は、ミリ秒アニールシステムにおけるウェハ破損のリアルタイムまたはほぼリアルタイムの検出に関する。毎秒１０4℃を上回ることができる割合でウェハの上面全体を加熱するために、集中的で短時間の露光を使用することによって、半導体ウェハのミリ秒の、または超高速のアニールを達成することができる。ウェハ表面の高速な加熱は、ウェハの厚さにわたり大きい温度勾配を生じさせ、この大きい温度勾配によって、顕著な熱応力がもたらされる。それらの応力は、ウェハを湾曲または変形させる歪みをウェハに惹起し始める可能性がある。幾つかのケースにおいては、歪みがウェハを破断または破損させる応力をもたらす虞がある。
【００１５】
別のケースでは、この歪みは、表面を加熱してからかなりの時間が経過した後においても、歪みがウェハの変形を継続させる虞がある。この継続する歪みは、場合によっては熱歪みを軽減することができる熱平衡に達するためにウェハが必要とする期間よりも一般的には遙かに短い期間にわたりウェハの表面が加熱されるということに起因していると考えられる。
続いて、継続する歪みは、衝撃力として作用する応力を惹起する虞があり、ウェハの運動を制限または限定するために配置されている機構が存在しなければ、この応力によって、ウェハに振動がもたらされる。結果として生じるそれらのウェハの振動によって、ウェハが破断または破損する危険が高まると考えられる。例えば、ウェハの振動によって、ウェハがそのウェハを支持することが意図されている構造に衝撃を与えることになるか、またはウェハの運動を制限する可能性が高まると考えられる。振動は、ウェハに残存している熱勾配によって惹起される歪みに対抗するようにウェハを歪ませるので、それによって応力が高まり、熱応力のみから生じた応力を上回る応力が生じる。
【００１６】
ウェハの破損が生じると、プロセスチャンバは、破損したウェハの破片によって汚染されると考えられる。ウェハの破損が検出されなければ、後続の未処理の１つまたは複数のウェハが汚染されることになり、その結果、それら未処理のウェハが廃棄される。
【００１７】
本発明の例示的な態様は、ミリ秒アニール加熱パルスの適用後に開始し、次のウェハがプロセスチャンバに入る前に終了する期間（例えば、ウェハ冷却中）に、ウェハの破損を検出することができる。続けて、この期間中に、後続のウェハがプロセスチャンバに入り、破損したウェハに由来する破片によって汚染されることを阻止するために、かつ／または他の修正制御動作を開始するために、信号をプロセス制御システムに供給することができる。
【００１８】
より詳細には、破損したウェハの検出、またそれに続く、後続のウェハがプロセスチャンバに入ることを阻止するための、または他の修正制御動作を開始するための、プロセス制御システムへの信号の供給を、推定された冷却モデルパラメータの値の所定の偏差の検出によって、かつ／またはウェハ冷却期間中にウェハの温度測定データから取得された値を有しているモデルフィッティング誤差メトリックによって、達成することができる。幾つかの実施の形態においては、ウェハ温度測定データが、ウェハから熱的に放出された放射の非接触式の測定値に基づくものであってよい。
【００１９】
本発明の１つの実施例は、熱処理システム（例えば、ミリ秒アニールシステム）における破損検出のためのプロセスに関する。このプロセスは、基板に関する複数の温度測定値を表すデータにアクセスすることを含んでいる。複数の温度測定値は、熱処理中の基板に関する冷却期間（例えば、ミリ秒アニールパルスの適用に続く冷却期間）中に取得される。プロセスは、複数の温度測定値を表すデータに少なくとも部分的に基づいて、冷却モデルに関連付けられた１つまたは複数のメトリックを推定すること、冷却モデルに関連付けられた１つまたは複数のメトリックに少なくとも部分的に基づいて破損検出信号を求めること、を含むことができる。破損検出信号は、基板が熱処理中に破損したか否かを表すことができる。
【００２０】
幾つかの実施の形態においては、破損検出信号が、基板は破損していないことを表した場合、プロセスは、熱処理システムにおいて次の基板を処理することを含むことができる。幾つかの実施の形態においては、破損検出信号が、基板は破損していることを表した場合、プロセスは、熱処理システムにおける次の基板の処理に先行して修正動作を実行することを含むことができる。修正動作は、例えば、熱処理のための次の基板を再びカセットに戻すこと、熱プロセスチャンバのドアを開放すること、プロセスチャンバから破損した基板の１つまたは複数の破片を除去することを含むことができる。
【００２１】
幾つかの実施の形態においては、複数の温度測定値が、基板の上面に関連付けられた１つまたは複数の温度測定値、および／または基板の下面に関連付けられた１つまたは複数の温度測定値を含むことができる。
【００２２】
幾つかの実施の形態においては、１つまたは複数のメトリックが、冷却モデルパラメータを含むことができる。幾つかの実施の形態においては、１つまたは複数のメトリックが、モデルフィッティング誤差（例えば、平均平方二乗誤差）を含むことができる。幾つかの実施の形態においては、冷却モデルが、ニュートンの冷却の法則を基礎とすることができる。幾つかの実施の形態においては、冷却モデルパラメータが、ニュートンの冷却の法則における指数関数的な冷却定数を含むことができる。
【００２３】
幾つかの実施の形態においては、冷却モデルに関連付けられた１つまたは複数のメトリックに少なくとも部分的に基づいて破損検出信号を求めることが、１つまたは複数のメトリックをメトリックの所定の範囲と比較すること、１つまたは複数のメトリックがメトリックの所定の範囲に属するか否かに少なくとも部分的に基づいて破損検出信号を求めること、を含むことができる。幾つかの実施の形態においては、メトリックの所定の範囲が、破損していない基板に関連付けられたメトリックの範囲を含むことができる。幾つかの実施の形態においては、メトリックの所定の範囲が、破損した基板に関連付けられたメトリックの範囲を含むことができる。
【００２４】
幾つかの実施の形態においては、冷却モデルに関連付けられた１つまたは複数のメトリックに少なくとも部分的に基づいて破損検出信号を求めることが、複数の温度測定値を表すデータを、それぞれが所定の期間に関連付けられている複数のセットに分割すること、各セットに関して冷却モデルに関連付けられた１つまたは複数のメトリックを求めること、各セットに関して求められた１つまたは複数のメトリックに関連付けられた少なくとも１つの値を求めること、値を、値の所定の範囲と比較すること、少なくとも１つの値が、値の所定の範囲に属するか否かに少なくとも部分的に基づいて破損検出信号を求めること、を含むことができる。幾つかの実施の形態においては、値が、各セットに関して求められた１つまたは複数のメトリックの平均偏差または標準偏差に少なくとも部分的に基づいて求められる。
【００２５】
本発明の別の実施例は、温度測定システムに関する。温度測定システムは、ミリ秒アニールシステムにおいて半導体基板の上面に関連付けられた温度測定値を取得するように構成されている第１の温度センサを含むことができる。システムは、ミリ秒アニールシステムにおいて半導体基板の下面に関連付けられた温度測定値を取得するように構成されている第２の温度センサを含むことができる。システムは、種々の動作を実行するように構成されている少なくとも１つの処理回路を含むことができる。それらの動作は、ミリ秒アニールパルスの半導体基板への適用に続く冷却期間中に、第１の温度センサおよび第２の温度センサから取得した温度測定値を表すデータにアクセスすること、複数の温度測定値を表すデータに少なくとも部分的に基づいて、冷却モデルに関連付けられた１つまたは複数のメトリックを推定すること、冷却モデルに関連付けられた１つまたは複数のメトリックに少なくとも部分的に基づいて、破損検出信号を求めること、を含むことができる。破損検出信号は、半導体基板が熱処理中に破損したか否かを表すことができる。幾つかの実施の形態においては、半導体基板からの放射を測定することによって温度を測定するように、第１の温度センサおよび第２の温度センサを構成することができる。幾つかの実施の形態においては、１つまたは複数のメトリックが、冷却モデルパラメータ（例えば、ニュートンの冷却の法則における指数関数的な冷却定数）またはモデルフィッティング誤差を含むことができる。
【００２６】
本発明の別の実施例は、ミリ秒アニールシステムに関する。システムは、プロセスチャンバを含むことができる。システムは、半導体基板を支持するように構成されているウェハ面プレートを含むことができる。ウェハ面プレートは、プロセスチャンバを、上部チャンバおよび下部チャンバに分割する。システムは、半導体基板の上面にミリ秒アニールパルスを供給するように構成されている１つまたは複数の熱源を含むことができる。システムは、半導体基板の上面に関連付けられた温度測定値を取得するように構成されている第１の温度センサを含むことができる。システムは、半導体基板の下面に関連付けられた温度測定値を取得するように構成されている第２の温度センサを含むことができる。システムは、種々の動作を実行するように構成されている少なくとも１つの処理回路を含むことができる。それらの動作は、ミリ秒アニールパルスの半導体基板への適用に続く冷却期間中に、第１の温度センサおよび第２の温度センサから取得した温度測定値を表すデータにアクセスすること、複数の温度測定値を表すデータに少なくとも部分的に基づいて、冷却モデルに関連付けられた１つまたは複数のメトリックを推定すること、冷却モデルに関連付けられた１つまたは複数のメトリックに少なくとも部分的に基づいて、破損検出信号を求めること、を含むことができる。破損検出信号は、半導体基板が熱処理中に破損したか否かを表す。
【００２７】
例示的なミリ秒アニールシステム
例示的なミリ秒アニールシステムは、集中的で短時間の露光を提供して、例えば約１０4℃／ｓを上回ることができる割合で、ウェハの上面を加熱するように構成することができる。図１には、ミリ秒アニールシステムを使用して達成される、半導体基板の例示的な温度プロフィール１００が示されている。図１に図示されているように、半導体基板（例えば、シリコンウェハ）のバルクが、傾斜フェーズ１０２中に中間温度ＴIに加熱される。中間温度ＴIは、約４５０℃〜約９００℃の範囲であってよい。中間温度ＴIに達すると、半導体基板の上面を、非常に短い集中的な閃光に晒すことができ、その結果、約１０4℃／ｓまでの加熱の割合が得られる。窓１１０は、短い集中的な閃光中の、半導体基板の温度プロフィールを示す。曲線１１２は、閃光による露光中の、半導体基板の上面の急速な加熱を示す。曲線１１６は、閃光による露光中の、半導体基板のその他の部分またはバルクの温度を表す。曲線１１４は、ヒートシンクとして機能する半導体基板のバルクを介する、半導体基板の上面の伝導冷却による急速な冷却を示す。半導体基板のバルクは、基板に関する高速な上面冷却速度を生じさせるヒートシンクとして機能する。曲線１０４は、冷却剤としてのプロセスガスを用いる、熱放射および熱対流による半導体基板のバルクの緩慢な冷却を示す。
【００２８】
例示的なミリ秒アニールシステムは、例えば半導体基板の上面をミリ秒の長さで露光するための、つまり、いわゆる「閃光」を生じさせるための光源として、複数のアークランプ（例えば、４つのアルゴンアークランプ）を含むことができる。基板が中間温度（例えば、約４５０℃〜約９００℃）に加熱されると、閃光を半導体基板に供給することができる。複数の連続モードアークランプ（例えば、２つのアルゴンアークランプ）を使用して、半導体基板を中間温度に加熱することができる。幾つかの実施の形態においては、中間温度への半導体基板の加熱が、ウェハのバルク全体を加熱する傾斜割合で、半導体基板の底部表面を介して達成される。
【００２９】
図２から図５には、本発明の実施例による、例示的なミリ秒アニールシステム８０の種々の態様が図示されている。図２から図４に図示されているように、ミリ秒アニールシステム８０は、プロセスチャンバ２００を含むことができる。プロセスチャンバ２００を、ウェハ面プレート２１０によって、上部チャンバ２０２および下部チャンバ２０４に分割することができる。半導体基板（例えばシリコンウェハ）６０を、ウェハ支持プレート２１４（例えば、ウェハ面プレート２１０に挿入された石英ガラスプレート）に取り付けられている支持ピン（例えば、石英支持ピン）２１２によって支持することができる。
【００３０】
図２および図４に図示されているように、ミリ秒アニールシステム８０は、例えば半導体基板６０の上面をミリ秒の長さで露光するための、つまり、いわゆる「閃光」を生じさせるための光源として、上部チャンバ２０２の近傍に配置されている、複数のアークランプ２２０（例えば、４つのアルゴンアークランプ）を含むことができる。基板が中間温度（例えば、約４５０℃〜約９００℃）に加熱されると、閃光を半導体基板に供給することができる。
【００３１】
下部チャンバ２０４の近傍に設けられている、複数の連続モードアークランプ２４０（例えば、２つのアルゴンアークランプ）を使用して、半導体基板６０を中間温度に加熱することができる。幾つかの実施の形態においては、中間温度への半導体基板６０の加熱が、下部チャンバ２０４から、半導体基板６０のバルク全体を加熱する傾斜割合で、半導体基板の底部表面を介して達成される。
【００３２】
図３に図示されているように、半導体基板６０を加熱するための、（例えば、中間温度への半導体基板の加熱に使用するための）下部アークランプ２４０からの光、および（例えば、閃光によるミリ秒の加熱の提供に使用するための）上部アークランプ２２０からの光を、水の窓２６０（例えば、水冷式の石英ガラス窓）を介して、プロセスチャンバ２００に入射させることができる。幾つかの実施の形態においては、水の窓２６０は、２つの石英ガラス板から成るサンドイッチ構造を含むことができ、それら２つの石英ガラス板の間において、約４ｍｍの厚さの水の層が石英板を冷却するために循環しており、また例えば約１，４００ｎｍを上回る波長に対する光学的なフィルタを提供することができる。
【００３３】
さらに図３に図示されているように、プロセスチャンバ壁２５０は、加熱光を反射するための反射性のミラー２７０を含むことができる。反射性のミラー２７０は、例えば、水冷式の研磨されたアルミニウムパネルであってよい。幾つかの実施の形態においては、ミリ秒アニールシステムにおいて使用されるアークランプのメインボディは、ランプ放射に関する反射器を含むことができる。例えば、図５には、ミリ秒アニールシステム８０において使用することができる、上部ランプアレイ２２０および下部ランプアレイ２４０の両方の斜視図が示されている。図示されているように、各ランプアレイ２２０および２４０のメインボディは、加熱光を反射するための反射器２６２を含むことができる。それらの反射器２６２は、ミリ秒アニールシステム８０のプロセスチャンバ２００の反射表面の一部を形成することができる。
【００３４】
半導体基板の温度均一性を、半導体基板の異なる領域に入射する光の密度を操作することによって制御することができる。幾つかの実施の形態においては、メイン反射器に対して小型の反射器の反射等級を変更することによって、かつ／またはウェハを包囲するウェハ支持面に取り付けられたエッジ反射器の使用によって、均一性の調整を達成することができる。
【００３５】
例えば、下部ランプ２４０からの光を半導体基板６０の縁部に再方向付けるために、エッジ反射器を使用することができる。一例として、図６には、例示的なエッジ反射器２６４が図示されており、このエッジ反射器２６４は、下部ランプ２４０からの光を半導体基板６０の縁部に方向付けるために使用することができるウェハ面プレート２１０の一部を形成している。エッジ反射器２６４を、ウェハ面プレート２１０に取り付けることができ、またこのエッジ反射器２６４は、半導体基板６０を取り囲むことができるか、または少なくとも部分的に取り囲むことができる。
【００３６】
幾つかの実施の形態においては、ウェハ面プレート２１０の近傍のチャンバ壁に、付加的な反射器を取り付けることもできる。例えば、図７には、加熱光のための反射器ミラーとして機能することができ、またプロセスチャンバ壁に取り付けることができる、例示的な反射器が図示されている。より詳細には、図７には、下部チャンバ壁２５４に取り付けられている、例示的なくさび形反射器２７２が示されている。また図７には、上部チャンバ壁２５２の反射器２７０に取り付けられている反射性の素子２７４も示されている。半導体基板６０の処理の均一性を、プロセスチャンバ２００における、くさび形反射器２７２および／または他の反射性の素子（例えば反射性の素子２７４）の反射等級を変更することによって調整することができる。
【００３７】
図８から図１１には、半導体基板６０の上面をミリ秒の長さで集中的に露光するための（例えば「閃光」を生じさせるための）光源として使用することができる、例示的な上部アークランプ２２０の種々の態様が図示されている。例えば、図８には、例示的なアークランプ２２０の横断面図が示されている。アークランプ２２０は、例えば、オープンフローのアークランプであってよく、このアークランプでは、加圧されたアルゴンガス（または他の適切なガス）がアーク放電中に高圧プラズマに変換される。アーク放電は、負に帯電されたカソード２２２と、そこから距離を置いて設けられている（例えば、約３００ｍｍ離隔されている）、正に帯電されたアノード２３０と、の間の石英管２２５において行われる。カソード２２２とアノード２３０との間の電圧が、アルゴンの降伏電圧（例えば、約３０ｋＶ）または他の適切なガスの降伏電圧に達すると、安定した低誘導性のプラズマが即座に形成され、このプラズマが電磁スペクトルの可視範囲およびＵＶ範囲の光を放射する。図９に図示されているように、ランプは、半導体基板６０の処理のためにランプによって提供された光を反射するために使用することができるランプ反射器２６２を含むことができる。
【００３８】
図１０および図１１には、本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステム８０におけるアークランプ２２０の例示的な動作の異なる態様が図示されている。より詳細には、プラズマ２２６が、水壁２２８によって内側から水冷される石英管２２５内に包含されている。水壁２２８は、高い流速でランプ２２０のカソード端部に注入され、またアノード端部において排出される。同一のことが、アルゴンガス２２９についても当てはまり、このアルゴンガス２２９もまた、カソード端部においてランプ２２０に供給され、アノード端部から排出される。水壁２２８を形成する水は、遠心作用が水の渦を生じさせるように、ランプの軸線に対して垂直に注入される。したがって、ランプの中心線に沿って、アルゴンガス２２９のためのチャネルが形成される。アルゴンガス柱２２９は、水壁２２８と同一方向に回転する。プラズマ２２６が形成されると、水壁２２８は石英管２２５を保護し、かつプラズマ２２６を中心軸線に向かって閉じ込める。水壁２２８および電極（カソード２３０およびアノード２２２）のみが、高エネルギのプラズマ２２６と直接的に接触する。
【００３９】
図１１には、本発明の実施例による、アークランプと共に使用される例示的な電極（例えば、カソード２３０）の断面図が示されている。図１１には、カソード２３０が図示されている。しかしながら、類似の構成をアノード２２２に対して使用することができる。
【００４０】
幾つかの実施の形態においては、電極が高い熱負荷に晒されるので、電極のうちの一方または両方がそれぞれ先端部２３２を含むことができる。この先端部をタングステンから作製することができる。またこの先端部を水冷式の銅製ヒートシンク２３４に接合かつ／または融着させることができる。銅製ヒートシンク２３４は、電極の内部冷却システムの少なくとも一部（例えば、１つまたは複数の水冷チャネル２３６）を含むことができる。電極はさらに、水または他の液体の循環および電極の冷却を提供するための水冷チャネル２３６を備えている真鍮製ベース部２３５を含むことができる。
【００４１】
本発明の態様による例示的なミリ秒アニールシステムにおいて使用されるアークランプは、水およびアルゴンガスのための、オープンフローのシステムであってよい。しかしながら幾つかの実施の形態においては、保存上の理由から、両媒体を閉ループ系において循環させることができる。
【００４２】
図１２には、本発明の実施例によるミリ秒アニールシステムにおいて使用される、オープンフローのアルゴンアークランプを動作させるために必要とされる水およびアルゴンガスを供給するための、例示的な閉ループ系３００が図示されている。
【００４３】
より詳細には、高純度水３０２およびアルゴン３０４がランプ２２０に供給される。高純度水３０２は、水壁および電極の冷却のために使用される。ランプから送り出されるものは、ガス／水混合物３０６である。この水／ガス混合物３０６は、ランプ２２０の入口に再び供給できるようになる前に、セパレータ３１０によって、ガスを含まない水３０２および乾性のアルゴン３０４に分離される。ランプ２２０を介する所要圧力降下を生じさせるために、ガス／水混合物３０６が、水駆動式のジェットポンプ３２０を用いてポンピングされる。
【００４４】
高出力電気ポンプ３３０は、ランプ２２０における水壁を駆動させるための水圧、ランプ電極のための冷却水、およびジェットポンプ３２０のための駆動流を供給する。ジェットポンプ３２０の下流側に設けられているセパレータ３１０を、混合物（アルゴン）から液相および気相を抽出するために使用することができる。アルゴンはさらに、ランプ２２０に再び流入する前に、コアレッシングフィルタ３４０において乾燥される。必要に応じて、付加的なアルゴンをアルゴン源３５０から供給することができる。
【００４５】
アークによって水中に放出された粒子を除去するために、水は１つまたは複数の粒子フィルタ３５０を通過する。イオン性汚染は、イオン交換樹脂によって除去される。水の一部は、混床イオン交換フィルタ３７０を通過する。イオン交換バイパス３７０への入口弁３７２を、水の抵抗率によって制御することができる。水の抵抗率が下側の値よりも低下すると弁３７２が開かれ、水の抵抗率が上側の値に達すると、弁３７２が閉じられる。システムは、活性炭フィルタバイパスループ３８０を含むことができ、そこでは水の一部を付加的に濾過して、有機汚染を除去することができる。水温を維持するために、水は熱交換器３９０を通過することができる。
【００４６】
本発明の実施例によるミリ秒アニールシステムは、半導体基板の両表面（例えば、上面および下面）の温度を独立して測定するための能力を有することができる。図１３には、ミリ秒アニールシステム８０のための例示的な温度測定システム１５０が図示されている。
【００４７】
ミリ秒アニールシステム８０の簡略化された図が図１３に示されている。半導体基板６０の両面の温度を、複数の温度センサによって、例えば温度センサ１５２および温度センサ１５４によって独立して測定することができる。温度センサ１５２は、半導体基板６０の上面の温度を測定することができる。温度センサ１５４は、半導体基板６０の下面を測定することができる。幾つかの実施の形態においては、約１，４００ｎｍの測定波長を有している、狭帯域高温測定センサを、例えば半導体基板６０の中心領域の温度を測定するための温度センサ１５２および／または温度センサ１５４として使用することができる。幾つかの実施の形態においては、温度センサ１５２および１５４が、閃光による加熱によって生じるミリ秒温度スパイクを分解するには十分な高さであるサンプリングレートを有している、超高速放射計（ＵＦＲ：ｕｌｔｒａ−ｆａｓｔｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ）であってよい。
【００４８】
温度センサ１５２および１５４の読取り値は、補償された放射率であってよい。図１３に図示されているように、放射率補償スキームは、診断用フラッシュ１５６と、基準温度センサ１５８と、半導体ウェハの上面および下面を測定するように構成されている温度センサ１５２および１５４と、を含むことができる。診断用加熱および測定値を、診断用フラッシュ１５６（例えば、試験用フラッシュ）と共に使用することができる。基準温度センサ１５８からの測定値を、温度センサ１５２および１５４の放射率補償のために使用することができる。
【００４９】
幾つかの実施の形態においては、ミリ秒アニールシステム８０が、水の窓を含むことができる。水の窓は、温度センサ１５２および１５４の測定帯域にあるランプ放射を抑制する光学フィルタを提供することができ、それによって温度センサ１５２および１５４は、半導体基板に由来する放射のみを測定する。
【００５０】
温度センサ１５２および１５４の読取り値を、プロセッサ回路１６０に供給することができる。プロセッサ回路１６０を、ミリ秒アニールシステム８０のケーシング内に配置することができるが、代替的には、プロセッサ回路１６０を、ミリ秒アニールシステム８０から離れた場所に配置することができる。本明細書に記載する種々の機能を、所望される場合には、単一のプロセッサ回路によって実行することができるか、または局所的なプロセッサ回路および／または遠隔のプロセッサ回路の他の組合せによって実行することができる。
【００５１】
幾つかの実施の形態においては、本明細書に記載する制御ルーチン、例えば図１４および図１５に記載したウェハまたは半導体基板の破損を特定するための制御ルーチンのうちのいずれかを実行するために１つまたは複数のメモリデバイスに記憶されているコンピュータ可読命令を実行するように、プロセッサ回路１６０を構成することができる。幾つかの実施の形態においては、本発明の例示的な態様によるウェハ破損検出プロセスを、参照により本願に組み込まれる米国特許第７，６１６，８７２号に記載されている温度測定システムおよび制御システムを使用することによって実施することができる。
【００５２】
例示的なウェハ破損検出
本発明の例示的な態様によれば、推定された冷却モデルパラメータの値の所定の偏差の検出によって、かつ／またはウェハ冷却期間（例えば、図１の曲線１０４に対応する期間）中にウェハの温度測定データから取得された値を有しているモデルフィッティング誤差メトリックによって、ウェハ破損検出を達成することができる。幾つかの実施の形態においては、ウェハ温度測定データが、ウェハから熱的に放出された放射の非接触式の測定値（例えば、図１３のセンサ１５２および１５４によって取得された非接触式の測定値）に基づくものであってよい。
【００５３】
幾つかの実施の形態においては、ウェハ冷却期間（例えば図１の曲線１０４に対応する期間）中にウェハから熱的に放出された放射を使用して、ウェハの上面および／または下面の温度を測定することによって、ウェハ破損検出プロセスを開始することができる。ミリ秒アニール加熱パルスの適用の終了直後に、ウェハ冷却期間は開始すると考えられる。一度取得されれば、冷却温度測定データを、定義済みの冷却モデルにフィットさせることができる。例えば、冷却モデルは、例えば、ニュートンの冷却の法則に基づくものであってよい。このフィッティングは、測定された温度データの冷却モデルへのベストフィットを提供する、モデルの１つまたは複数のパラメータを推定することを含むことができる。パラメータのうちの少なくとも１つは、例えば、ニュートンの冷却の法則のモデルにおける指数関数的な冷却定数パラメータ（熱伝達率とも称する）であってよい。幾つかの実施の形態においては、最小二乗誤差の意味において（例えば、適切な回帰分析を使用することによって）、ベストフィットを定義することができる。
【００５４】
一度確立されれば、モデルパラメータおよび／またはモデルフィッティング誤差を表すデータを、ウェハまたは他の半導体基板がいつ破損したかを検出するために使用されるメトリックとして供することができる。より詳細には、破損したウェハに関するメトリック（例えば、モデルパラメータおよび／またはモデルフィッティング誤差）の値の範囲を、モデルを使用することによって事前に求めることができる。メトリックの値のこの範囲は、破損していないウェハに関連付けられたメトリック（例えば、モデルパラメータおよび／またはモデルフィッティング誤差）の値の範囲とは明確に異なると考えられる。
【００５５】
測定された温度データに基づいて求められた、選択されたメトリックの値が、破損したウェハに関連付けられた値の事前に規定された範囲に属するか否かを求めることによって、破損したウェハの検出を、測定された温度データに基づいて、リアルタイムまたはほぼリアルタイムで行うことができる。最終的に、破損したウェハの検出後に、後続のウェハがプロセスチャンバに入って、破損したウェハに由来する破片によって汚染されることを阻止するために、または他の修正制御動作を開始するために、信号を例えばプロセス制御システムに供給することができる。
【００５６】
破損したウェハを検出するために、冷却モデルに由来するメトリック（例えば、モデルパラメータおよび／またはモデルフィッティング誤差）の値を使用することの利点は、モデルが、特定の比較的一定の物理的コンフィギュレーションと、ウェハおよび周囲環境の両方のバルク特性のもとで生じる冷却の物理的なプロセスを基礎としていることから、特定のモデルパラメータの値が、ウェハに適用される熱流束プロフィールの変化に対して非常に敏感ではなくなる、ということである。
【００５７】
例えば、ニュートンの冷却の法則は、複数の仮定条件に基づく。仮定条件として、例えばウェハにおける熱伝導率は、ウェハの熱伝導または熱対流による熱損失率よりも遙かに大きい、ということが挙げられる。別の仮定条件として、ウェハは「熱的に薄く」、それによって物体の温度はその体積全体にわたりほぼ等しくなる、ということが考えられる。また別の仮定条件として、熱損失率は、例えばウェハと周囲環境との間の温度差に依存しない、ということが考えられる。これらの仮定条件は、ウェハに適用される熱流束プロフィールには依存せずに、物理的コンフィギュレーションならびにウェハおよび周囲のバルク特性にのみ依存する。その結果、任意の特定のモデルに関しては、仮定条件が十分に満たされる状態によって、モデルは正確な予測を提供することになる。特に、ウェハが破損しない場合、これらの仮定条件は、冷却期間における周囲ガスの絶対温度に弱く依存する周囲ガスへの熱伝達率を除き、例えば上記においてニュートンの冷却の法則について述べたように、十分に満たされると考えられる。
【００５８】
冷却モデルは、特定の比較的一定の物理的コンフィギュレーション、および／またはウェハおよび周囲環境の両方のバルク特性のもとで生じる冷却の物理的なプロセスに依存するものであってよいと仮定すれば、破損したウェハがそれらすべての仮定条件を満たさないであろうという理由で、ウェハの破損の検出はより信頼性の高いものになる。例えば、ウェハが多数の小さい破片または２つの大きい破片に割れた場合、ウェハの物理的コンフィギュレーションは、破損していないウェハの物理的コンフィギュレーションとは異なるものになる。その結果、例えば、破損したウェハに関するニュートンの冷却の法則における指数関数的な冷却定数は、破損していないウェハのそれとは異なるものになる。
【００５９】
さらに、ウェハ破損イベントは、破断したウェハ片の数、それらのウェハ片の運動、および／またはウェハ片がその最終的な位置に停止するまでの期間に関してランダムイベントであると考えられる。ウェハが破損している間に取得された温度データに冷却モデルをフィットさせるという試みは、モデルのすべての仮定条件を破綻させることになり、その結果、フィットされたモデルは、測定された温度データに正確には従わないことになる。どれ程正確にモデルがデータに従うかの評価を、種々の誤差測度、例えば平均平方二乗誤差を使用することによって行うことができる。この誤差メトリックは、破損しないウェハに由来する温度データが全体の冷却期間を含む場合には、約３度未満であってよい。この残余誤差は、ウェハを包囲する周囲ガスの温度への熱伝達率の弱い依存性に起因する。
【００６０】
破損したウェハの場合、特に、破損したウェハ片の運動がモデルフィットにおいて使用される温度データを取得するために使用される測定期間の大きな割合にわたり、例えば１０％以上にわたり続く場合には、誤差測度は、一般的には３度より遙かに大きくなる。破損したウェハ片の運動が極めて急に停止した場合、例えばモデルフィットのための温度データを取得するために使用される測定期間の１％未満の期間内で停止した場合には、誤差測度は、やはり約３度未満になると考えられる。しかしながら、モデルパラメータの値、例えばニュートンの冷却の法則における指数関数的な冷却定数パラメータは、ウェハが破損しない場合に取得された値とは大きく異なることになる。したがって、選択されたモデルパラメータの値、例えばニュートンの冷却の法則における指数関数的な冷却定数およびフィッティング誤差メトリックを使用することによって、破損したウェハの正確な検出に関する信頼性が高まる。
【００６１】
図１４には、本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムにおけるウェハ破損検出のための１つの例示的なプロセス（４００）のフローチャートが示されている。例えば、本明細書に記載するミリ秒アニールシステム８０および温度測定システム１５０を使用することによって、プロセス（４００）を実施することができる。図１４には、説明および考察を目的として、特定の順序で実行される複数のステップが示されている。当業者であれば、本明細書における開示によって、本明細書に開示する方法のうちのいずれかの種々のステップを、本発明の範囲から逸脱することなく、種々のやり方で適合、修正、拡張、省略、かつ／または整理できることを理解するであろう。
【００６２】
図示されているように、プロセス（４００）は、（４０２）において、最初のウェハをプロセスチャンバに搬入することを含むことができる。例えば、半導体基板６０を、ミリ秒アニールシステム８０に搬入することができる。（４０４）において示されているように、方法は、熱流束プロフィール（例えば、閃光）をウェハに適用すること、かつ／またはウェハの上面の温度測定値ＴT（ｔn）の取得およびウェハの下面の温度測定値ＴB（ｔn）の取得を開始することを含むことができる。ここで、測定のｎ個の離散的な時点がｔnによって表されている。
【００６３】
続いてプロセス（４００）は、（４０６）において示されているように、プロセス制御システムが熱流束プロフィールの適用の終了を示した後の、所定時間（例えば、５０ミリ秒）後に、温度測定データの記憶を開始することができる。プロセスは、（４０８）において示されているように、プロセス制御システムがウェハ温度ＴT（ｔn）およびＴB（ｔn）はウェハを取り除くことができる温度を下回っていることを示すと、温度測定データの記憶を停止することができる。
【００６４】
続いてプロセス（４００）は、（４１０）において示されているように、冷却モデルパラメータ値の２つのセットおよび／またはモデルフィッティング誤差メトリック（例えば、平均平方二乗誤差）を推定するために、記憶された温度データを使用することを含むことができる。一方のセットは、上面の温度測定値ＴT（ｔn）を基礎とすることができる。他方のセットは、下面の温度測定値ＴB（ｔn）を基礎とすることができる。冷却モデルパラメータ値は、例えば、ニュートンの冷却の法則における指数関数的な冷却定数を含むことができる。
【００６５】
続けてプロセス（４００）は、（４１２）において示されているように、選択された推定モデルパラメータが破損していないウェハに関連付けられた許容範囲内にあるか否かを求めることができる。許容範囲内にある場合、（４１４）において示されているように、制御システムは、ウェハが破損していないことを表す信号を供給することができる。推定モデルパラメータが許容範囲内にない場合、（４１６）において示されているように、制御システムは、ウェハが破損していることを表す信号を供給することができる。続けてプロセスは、例えば、破損したウェハの１つまたは複数の破片がチャンバから取り除かれるまで、チャンバに次のウェハが搬入されることを阻止するために、プロセス制御システムに信号を送信するといった、修正動作を実行すること（４１８）を含むことができる。
【００６６】
図１４に示されているように、（４２０）において最後のウェハが処理されるまで、このプロセス（４００）を継続することができ、最後のウェハが処理された時点でプロセスは終了する。最後のウェハが処理されていない場合、プロセス（４００）は、（４２２）において示されているように、次のウェハを処理することを含むことができる。
【００６７】
図１５には、本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムにおけるウェハ破損検出のための１つの例示的なプロセス（５００）のフローチャートが示されている。例えば、本明細書に記載するミリ秒アニールシステム８０および温度測定システム１５０を使用することによって、プロセス（５００）を実施することができる。図１５には、説明および考察を目的として、特定の順序で実行される複数のステップが示されている。当業者であれば、本明細書における開示によって、本明細書に開示する方法のうちのいずれかの種々のステップを、本発明の範囲から逸脱することなく、種々のやり方で適合、修正、拡張、省略、かつ／または整理できることを理解するであろう。
【００６８】
図示されているように、プロセス（５００）は、（５０２）において、最初のウェハをプロセスチャンバに搬入することを含むことができる。例えば、半導体基板６０を、ミリ秒アニールシステム８０に搬入することができる。（５０４）において示されているように、方法は、熱流束プロフィールをウェハに適用すること、かつ／またはウェハの上面の温度測定値ＴT（ｔn）の取得およびウェハの下面の温度測定値ＴB（ｔn）の取得を開始することを含むことができる。
【００６９】
続いてプロセス（５００）は、（５０６）において示されているように、プロセス制御システムが熱流束プロフィールの適用の終了を示した後の、所定時間（例えば、５０ミリ秒）後に、温度測定データの記憶を開始することができる。プロセスは、（５０８）において示されているように、プロセス制御システムがウェハ温度ＴT（ｔn）およびＴB（ｔn）はウェハを取り除くことができる温度を下回っていることを示すと、温度測定データの記憶を停止することができる。
【００７０】
プロセス（５００）は、測定データを、Ｎ個の所定の期間にわたり複数のセットに分割することを含むことができる。（５１０）において示されているように、各期間に関して、冷却モデルパラメータ値の２つのセットおよび／またはモデルフィッティング誤差メトリック（例えば、平均平方二乗誤差）が推定される。一方のセットは、上面の温度測定値ＴT（ｔn）を基礎とすることができる。他方のセットは、下面の温度測定値ＴB（ｔn）を基礎とすることができる。冷却モデルパラメータ値は、例えば、ニュートンの冷却の法則における指数関数的な冷却定数を含むことができる。
【００７１】
続けてプロセス（５００）は、（５１２）において示されているように、選択されたすべての推定モデルパラメータの、前述の複数の期間にわたる平均偏差値および／または標準偏差値が、破損していないウェハに関連付けられた許容範囲内にあるか否かを求めることができる。許容範囲内にある場合、（５１４）において示されているように、制御システムは、ウェハが破損していないことを表す信号を供給することができる。推定モデルパラメータが許容範囲内にない場合、（５１６）において示されているように、制御システムは、ウェハが破損していることを表す信号を供給することができる。続けてプロセスは、例えば、次のウェハがチャンバに搬入されることを阻止するために信号をプロセス制御システムに送信する、破損したウェハをチャンバから除去する、といった、修正動作を実行すること（５１８）を含むことができる。
【００７２】
図１５に示されているように、（５２０）において最後のウェハが処理されるまで、このプロセス（５００）を継続することができ、最後のウェハが処理された時点でプロセスは終了する。最後のウェハが処理されていない場合、プロセス（５００）は、（５２２）において示されているように、次のウェハを処理することを含むことができる。
【００７３】
本発明の実施例によるウェハ破損検出のための例示的なプロセスの利点は、付加的なハードウェアを要することなく、またはハードウェアの修正を要することなく、ミリ秒アニールシステムに設けられている温度測定システムおよび制御システムを使用することによって、プロセスを実施できることである。例えば、本発明の例示的な態様によるウェハ破損検出プロセスは、ウェハの中心領域から熱的に放出された放射を基礎とする、ウェハの上面および下面の既存の測定値を使用することができる。ソフトウェアで実施される制御アルゴリズムへの追加および／またはソフトウェアで実施される制御アルゴリズムに対する修正によって、測定値を処理することができる。
【００７４】
本発明の対象を、本発明の特定の実施例を参照しながら詳細に説明したが、当業者であれば、上記の記載を理解することによって、そのような実施の形態の代替形態、変形形態および等価形態を容易に創作できることは明らかである。したがって、本明細書の範囲は、限定的なものではなく、むしろ例示的なものであり、また本発明の対象は、当業者には容易に明らかになるであろう、本発明の対象に対するそのような修正、変更および／または追加が含まれることを排除するものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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