DE102023200595A1

DE102023200595A1 - Method and pyrometer for measuring the temperature of a semiconductor substrate

Info

Publication number: DE102023200595A1
Application number: DE102023200595.6A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Niess
Original assignee: HQ Dielectrics GmbH
Current assignee: HQ Dielectrics GmbH
Priority date: 2023-01-25
Filing date: 2023-01-25
Publication date: 2024-07-25
Also published as: WO2024156784A1

Abstract

Es ist Verfahren und ein Pyrometer zum Messen der Temperatur eines Halbleitersubstrats während einer lampenbasierten thermischen Behandlung desselben beschrieben. Bei dem Verfahren sind folgende Schritten vorgesehen: Leiten von vom Halbleitersubstrat ausgehender Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 6 bis 20 µm auf einen Sensor, Erfassen von Strahlung am Sensor, die einen ersten Strahlungsanteil aufweist, der vom zu messenden Halbeitersubstrat stammt, sowie einen zweiten Strahlungsanteil, der von Bauteilen stammt, die im Sichtfeld des Sensor liegen, Ermitteln des zweiten Strahlungsanteils unter Berücksichtigung einer Temperatur der Bauteile, Ausgeben einer Temperatur des Halbleitersubstrats anhand der erfassten Strahlung. Das Pyrometer hat einen optischen Sensor, Mittel zum Leiten von Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 6 bis 20 µm auf den Sensor, wenigstens ein erstes Gehäuse, das den Sensor umgibt, und Mittel zum Bestimmen der Temperatur des Sensors und/oder von Bauteilen des Pyrometers, die Im Sichtfeld des Sensors liegen.A method and a pyrometer for measuring the temperature of a semiconductor substrate during a lamp-based thermal treatment of the same are described. The method provides the following steps: directing radiation emanating from the semiconductor substrate in a wavelength range of 6 to 20 µm to a sensor, detecting radiation at the sensor which has a first radiation component which comes from the semiconductor substrate to be measured and a second radiation component which comes from components which are in the field of view of the sensor, determining the second radiation component taking into account a temperature of the components, outputting a temperature of the semiconductor substrate based on the detected radiation. The pyrometer has an optical sensor, means for directing radiation in a wavelength range of 6 to 20 µm to the sensor, at least one first housing which surrounds the sensor, and means for determining the temperature of the sensor and/or components of the pyrometer which are in the field of view of the sensor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Pyrometer zum Messen der Temperatur eines Halbleitersubstrats, insbesondere eines Halbleitersubstrats mit großer Bandlücke (Bandlücke > 1,2 eV) während einer lampenbasierten thermischen Behandlung desselben. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln eines Halbleitersubstrats, welche das oben genannte Pyrometer aufweist.The present invention relates to a method and a pyrometer for measuring the temperature of a semiconductor substrate, in particular a semiconductor substrate with a large band gap (band gap > 1.2 eV) during a lamp-based thermal treatment thereof. The invention also relates to a device for thermally treating a semiconductor substrate, which has the above-mentioned pyrometer.

In der Halbleitertechnik ist es bekannt, dass die Halbleitersubstrate während der Herstellung mehrfach thermisch behandelt werden, wobei die Temperaturen während der thermischen Behandlung sehr genau geregelt werden müssen, um die gewünschten Prozessergebnisse zu erzielen. Während der thermischen Behandlung werden die Halbleitersubstrate einer bestimmten Gasatmosphäre ausgesetzt, die üblicherweise auch während der thermischen Behandlung intermittierend und/oder kontinuierlich ausgetauscht und/oder verändert wird.In semiconductor technology, it is known that semiconductor substrates are thermally treated several times during production, whereby the temperatures during the thermal treatment must be controlled very precisely in order to achieve the desired process results. During the thermal treatment, the semiconductor substrates are exposed to a certain gas atmosphere, which is usually also exchanged and/or changed intermittently and/or continuously during the thermal treatment.

Für die thermische Behandlung werden häufig lampenbasierte Heizsysteme verwendet, insbesondere auf der Basis von Halogenlampen, die üblicherweise durch Quarzelemente von einer die Halbleitersubstrate aufnehmenden Prozesskammer und der Gasatmosphäre getrennt sind. Dabei besitzt die Lampenstrahlung jedoch gerade bei niedrigen Substrattemperaturen eine umso geringere Einkopplung in das Substrat je größer die Bandlücke desselben ist. Gleichzeitig ist auch die Emission aufgrund von Bandübergängen im tiefen Temperaturbereich und bei Substraten mit großer Bandlücke stark reduziert, so dass hier häufig über eine Leistungssteuerung ohne Rückkopplung (Power-Controlled, Open-loop Heating) geheizt wurde bis ein Emissivitätssignal im Pyrometer gemessen wurde. Andererseits wurden in der Vergangenheit auch häufig Zwischenelemente aus Graphit oder Siliziumkarbid zwischen die Heizlampen und das Halbleitersubstrat mit großer Bandlücke, auch Wide-Bandgap Substrat genannt, eingeführt. Diese Zwischenelemente absorbieren die Lampenstrahlung besser, werden erwärmt und geben dann selbst Wärmestrahlung mit einer anderen Wellenlänge ab, die besser in die Halbleitersubstrate einkoppelt. Auch ist es bekannt die Halbleitersubstrate in einer Box bestehend aus einem Boden und einem Deckel aufzunehmen, um eine entsprechende indirekte Erwärmung (konvektive Heizung) der Halbleitersubstrate mit Lampenstrahlung zu erreichen. Dabei ist das Material der Boxen üblicherweise Graphit oder pyrolytisch beschichtetes Graphit oder SiC beschichtetes Graphit oder aus SiC. Die Boxen können mit oder ohne Zugangsöffnungen für eine Gasspülung und gegebenenfalls Löcher zum unabhängigen Heben von Wafer und Deckel ausgestattet sein. Die Zugangsöffnungen ermöglichen es zum Beispiel eine spezielle Gasatmosphäre für die Prozessierung einzustellen, so dass Ausgasungen des Substrates vermieden werden (z.B. im Falle von GaAs Substraten).Lamp-based heating systems are often used for thermal treatment, particularly those based on halogen lamps, which are usually separated from a process chamber containing the semiconductor substrates and the gas atmosphere by quartz elements. However, the larger the band gap is, the less the lamp radiation couples into the substrate, especially at low substrate temperatures. At the same time, the emission is also greatly reduced due to band transitions in the low temperature range and with substrates with a large band gap, so that heating is often carried out using power control without feedback (power-controlled, open-loop heating) until an emissivity signal is measured in the pyrometer. On the other hand, in the past, intermediate elements made of graphite or silicon carbide were often inserted between the heating lamps and the semiconductor substrate with a large band gap, also known as a wide-bandgap substrate. These intermediate elements absorb the lamp radiation better, are heated and then emit thermal radiation themselves at a different wavelength that couples better into the semiconductor substrates. It is also known to accommodate the semiconductor substrates in a box consisting of a base and a lid in order to achieve a corresponding indirect heating (convective heating) of the semiconductor substrates with lamp radiation. The material of the boxes is usually graphite or pyrolytically coated graphite or SiC coated graphite or made of SiC. The boxes can be equipped with or without access openings for gas purging and, if necessary, holes for independently lifting the wafer and lid. The access openings make it possible, for example, to set a special gas atmosphere for processing so that outgassing of the substrate is avoided (e.g. in the case of GaAs substrates).

Solche Elemente, die beispielsweise als Platten oder als Box zur Aufnahme der Halbleitersubstrate vorgesehen werden, können jedoch die Temperaturregelung für die darin befindlichen Halbleitersubstrate beeinträchtigen und insbesondere verlangsamen. Zudem kann die Temperatur des Halbleitersubtrates bei einem solchen Aufbau nicht direkt gemessen werden und ist somit nur näherungsweise bekannt. Darüber hinaus können solche Elemente auch einen Gasaustausch auf der Oberfläche des Substrats, sprich innerhalb der Box, welcher für die Prozessergebnisse wichtig ist, beeinträchtigen.However, such elements, which are provided as plates or as a box for holding the semiconductor substrates, for example, can impair and in particular slow down the temperature control for the semiconductor substrates contained therein. In addition, the temperature of the semiconductor substrate cannot be measured directly in such a structure and is therefore only known approximately. In addition, such elements can also impair gas exchange on the surface of the substrate, i.e. within the box, which is important for the process results.

Für die Temperaturmessung und -regelung sowohl bei direkter Messung des Halbleitersubstrates aber auch bei der indirekten Messung über eine Box oder eine Platte werden in der Regel kontaktlose Messverfahren eingesetzt. Insbesondere werden häufig Pyrometer mit einem Messwellenlängenbereich von 2,3 oder 2,7 µm eingesetzt. Dabei wird der Messwellenlängenbereich üblicherweise durch ein Filterelement des Pyrometers, das im Wesentlichen nur die Messwellenlänge oder einen Messwellenlängenbereich durchlässt, bestimmt. Hierbei ist eine direkte Messung der Substrattemperatur im niedrigeren Temperaturbereich (< 600 °C) nicht möglich, da die Emissivität in diesem Messwellenbereich sehr stark vom Halbleitersubstrat selbst, aber auch von der Beschichtung des Halbleitersubstrats abhängig ist. Insbesondere besitzen unbeschichtete Halbleitersubstrate in diesem Messwellenlängenbereich eine geringe Emissivität, sodass sie praktisch fast durchsichtig sind. Die Emissivität steigt zwar mit ansteigender Temperatur, aber selbst bei hohen Temperaturen kann die Emissivität noch eher gering sein. Aufgrund der großen Bandlücke bei Wide-Bandgap Halbleitersubstraten ist die Eigenleitung bzw. Elektronenanregung im gesamten Temperaturbereich der üblichen Anwendungen sehr gering, und es stehen somit keine freien Elektronen zur Absorptionen oder Emission zur Verfügung. Somit verstärkt sich dieses Problem für Halbleitersubstrate mit großer Bandlücke (Wide-Bandgap). Daher ist bei einer Temperaturmessung in diesem Messwellenlängenbereich ein hoher Aufwand und häufig mehr als ein Pyrometer notwendig, um aus den gemessenen Pyrometersignalen eine Substrattemperatur zu ermitteln.Contactless measuring methods are generally used for temperature measurement and control, both for direct measurement of the semiconductor substrate and for indirect measurement via a box or plate. In particular, pyrometers with a measuring wavelength range of 2.3 or 2.7 µm are often used. The measuring wavelength range is usually determined by a filter element of the pyrometer, which essentially only allows the measuring wavelength or a measuring wavelength range to pass through. Direct measurement of the substrate temperature in the lower temperature range (< 600 °C) is not possible here, since the emissivity in this measuring wavelength range depends very strongly on the semiconductor substrate itself, but also on the coating of the semiconductor substrate. In particular, uncoated semiconductor substrates have a low emissivity in this measuring wavelength range, so that they are practically almost transparent. The emissivity increases with increasing temperature, but even at high temperatures the emissivity can still be rather low. Due to the large band gap in wide-bandgap semiconductor substrates, the intrinsic conduction or electron excitation is very low over the entire temperature range of common applications, and there are therefore no free electrons available for absorption or emission. This problem is therefore exacerbated for semiconductor substrates with a large band gap (wide bandgap). Therefore, a temperature measurement in this measuring wavelength range requires a lot of effort and often more than one pyrometer is necessary to determine a substrate temperature from the measured pyrometer signals.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte kontaktlose, direkte Temperaturmessung von Halbleitersubstraten, insbesondere Halbleitersubstraten mit großer Bandlücke und ebenso bei Element Halbleitersubstraten, bei der thermischen Behandlung, mit einem lampenbasierten Heizsystem, insbesondere ab nahezu Raumtemperatur vorzusehen.The invention is therefore based on the object of providing a simplified contactless, direct temperature measurement of semiconductor substrates, in particular semiconductor substrates with a large band gap and also for element semiconductor substrates, during thermal treatment, with a lamp-based heating system, especially from almost room temperature.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren und ein Pyrometer nach Anspruch 1 bzw. Anspruch 9 vorgesehen. Es ist auch eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln nach Anspruch 23 vorgesehen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich unter anderem aus den Unteransprüchen.According to the invention, a method and a pyrometer according to claim 1 and claim 9 are provided. A device for thermal treatment according to claim 23 is also provided. Further embodiments of the invention emerge, inter alia, from the subclaims.

Insbesondere ist Verfahren zum Messen der Temperatur eines Halbleitersubstrats während einer lampenbasierten thermischen Behandlung desselben mit folgenden Schritten vorgesehen: Leiten von vom Halbleitersubstrat ausgehender Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 6 bis 20 µm auf einen Sensor, Erfassen von Strahlung am Sensor, die einen ersten Strahlungsanteil aufweist, der vom zu messenden Halbeitersubstrat stammt, sowie einen zweiten Strahlungsanteil, der von Bauteilen stammt, die im Sichtfeld des Sensor liegen, Ermitteln des zweiten Strahlungsanteils unter Berücksichtigung einer Temperatur der Bauteile, Ausgeben einer Temperatur des Halbleitersubstrats anhand der erfassten Strahlung.In particular, a method is provided for measuring the temperature of a semiconductor substrate during a lamp-based thermal treatment thereof, comprising the following steps: directing radiation emanating from the semiconductor substrate in a wavelength range of 6 to 20 µm to a sensor, detecting radiation at the sensor which has a first radiation component which originates from the semiconductor substrate to be measured, and a second radiation component which originates from components which are in the field of view of the sensor, determining the second radiation component taking into account a temperature of the components, outputting a temperature of the semiconductor substrate based on the detected radiation.

Ein solches Verfahren ist insbesondere für eine kontaktlose, direkte Temperaturmessung von Halbleitersubstraten mit großer Bandlücke (>1,2 eV) geeignet. In dem angegebenen Wellenlängenbereich besitzen die Halbleitersubstrate, insbesondere Halbleitersubstrate mit großer Bandlücke schon bei geringen Temperaturen eine relativ hohe Emissivität. So können zum Beispiel Siliziumkarbid Halbleitersubstrate bereits bei Raumtemperatur eine Emissivität von ca. 0,7 erreichen. Dies ergibt sich unter anderem wohl daraus, dass die Emissivität hier nicht auf freien Elektronen sondern auf Phononenabsorption bzw. -emission basiert. Der vom Sensor erfasste zweite Strahlungsanteil, der von Bauteilen stammt, die im Sichtfeld des Sensors liegen, lässt sich unter Berücksichtigung einer Temperatur der Bauteile leicht ermitteln und vom Gesamtsignal des Sensors abziehen um direkt eine Temperatur des Halbleitersubstrats anhand der erfassten Strahlung ausgeben zu können. Obwohl auch ein breiterer Bereich von Wellenlängen, insbesondere in Richtung längerer Wellenlängen, möglich ist, wird der angegebenen Bereich für die meisten Anwendungen als ausreichend angesehen. Der angegebene Bereich soll daher so interpretiert werden, dass wenigstens Wellenlängen aus dem Bereich in dem Verfahren verwendet werden.Such a method is particularly suitable for contactless, direct temperature measurement of semiconductor substrates with a large band gap (>1.2 eV). In the specified wavelength range, semiconductor substrates, especially semiconductor substrates with a large band gap, have a relatively high emissivity even at low temperatures. For example, silicon carbide semiconductor substrates can achieve an emissivity of approx. 0.7 even at room temperature. This is probably due, among other things, to the fact that the emissivity here is not based on free electrons but on phonon absorption or emission. The second radiation component detected by the sensor, which comes from components that are in the sensor's field of view, can be easily determined by taking into account the temperature of the components and subtracted from the sensor's total signal in order to be able to output a temperature of the semiconductor substrate directly based on the detected radiation. Although a wider range of wavelengths, especially towards longer wavelengths, is also possible, the specified range is considered sufficient for most applications. The specified range should therefore be interpreted in such a way that at least wavelengths from the range are used in the method.

Bevorzugt wird Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 7 bis 15 µm, insbesondere von 8 bis 14 µm auf den Sensor geleitet, da hier üblicherweise eine erhöhte Emissivität des Halbleitersubstrats vorliegt. Um eine verbesserte Unabhängigkeit gegenüber Beschichtungen des Halbleitersubstrats, welche die Emissivität bei einzelnen Wellenlängen stark beeinflussen können, zu erreichen, sollte der Wellenlängenbereich bevorzugt eine Breite von wenigstens 4 µm aufweisen.Preferably, radiation in a wavelength range of 7 to 15 µm, in particular 8 to 14 µm, is directed to the sensor, since the semiconductor substrate usually has increased emissivity here. In order to achieve improved independence from coatings on the semiconductor substrate, which can have a strong influence on the emissivity at individual wavelengths, the wavelength range should preferably have a width of at least 4 µm.

Für eine gute Trennung der ersten und zweiten Strahlungsanteile wird die Strahlung vom Halbleitersubstrat vorteilhafterweise über einen langgestreckten Sichtkanal auf den Sensor geleitet wird. Der langgestreckte Sichtkanal begrenzt ein Sichtfeld des Sensors, derart, dass im Wesentlichen nur Licht aus der direkten Umgebung des Sensors (von einem den Sensor umgebenden Gehäuse und/oder dem Sichtkanal) und von dem zu messenden Halbleitersubstrat auf den Sensor fällt. Dabei ist die direkte Umgebung des Sensors bekannt und gleichbleibend, sodass anhand der Temperatur der zweite Strahlungsanteil leicht ermittelt werden kann.To ensure good separation of the first and second radiation components, the radiation from the semiconductor substrate is advantageously guided to the sensor via an elongated viewing channel. The elongated viewing channel limits the field of view of the sensor in such a way that essentially only light from the immediate surroundings of the sensor (from a housing surrounding the sensor and/or the viewing channel) and from the semiconductor substrate to be measured falls on the sensor. The immediate surroundings of the sensor are known and constant, so that the second radiation component can be easily determined based on the temperature.

Vorzugsweise weist das Verfahren das Temperieren des Sensors, von Bauteilen, die im Sichtfeld des Sensors liegen, insbesondere von Bauteilen die den Sensor umgeben, und/oder eines Körpers, der den Sichtkanal definiert auf eine vorbestimmte Temperatur. Durch die Temperierung der Umgebung des Sensors befindet sich dieser quasi in einem isothermalen Umfeld, was bewirkt, dass der zweite Strahlungsanteil innerhalb eines Schwankungsbereichs (bedingt durch Schwankungen in der Temperierungstemperatur) bleibt und leicht kompensiert werden kann. Dabei ist zu beachten, dass ein entsprechender Sensor eben nicht nur Strahlung von einem zu messenden Halbleitersubstrat, sondern auch Strahlung aus der direkten Umgebung empfängt und ein entsprechendes Signal ausgibt. Insbesondere bei niedrigen Temperaturen des Halbleitersubstrats können daher geringe Schwankungen in der Temperatur des Sensorumfelds zu entsprechenden Messungenauigkeiten führen. Die Mittel zum Temperieren des Sensors und dessen direkter Umgebung könne dem entsprechend entgegenwirken. Der eingesetzte Sensor ist bevorzugt ein Thermopile-basierter Sensor, der aus dem kompletten umgebenden Raum des Sensors Strahlung einsammelt. Ein solcher Sensor hat den Vorteil, dass er breitbandig wenigstens über den gesamten genannten Wellenlängenbereich messen kann. Bevorzugt wird die vorbestimmte Temperatur beim Temperieren mit einer Genauigkeit von ± 0,5°C, bevorzugt ± 0,1 °C geregelt oder gesteuert, da insbesondere bei niedrigen Temperaturen des Halbleitersubstrats geringe Schwankungen in der Temperatur des Sensorumfelds zu entsprechenden Messungenauigkeiten führen könnten.The method preferably comprises tempering the sensor, components that are in the field of view of the sensor, in particular components that surround the sensor, and/or a body that defines the viewing channel to a predetermined temperature. By tempering the environment of the sensor, it is in an isothermal environment, so to speak, which means that the second radiation component remains within a fluctuation range (due to fluctuations in the tempering temperature) and can be easily compensated. It should be noted that a corresponding sensor not only receives radiation from a semiconductor substrate to be measured, but also radiation from the immediate environment and outputs a corresponding signal. In particular at low temperatures of the semiconductor substrate, small fluctuations in the temperature of the sensor environment can therefore lead to corresponding measurement inaccuracies. The means for tempering the sensor and its immediate environment can counteract this accordingly. The sensor used is preferably a thermopile-based sensor that collects radiation from the entire space surrounding the sensor. Such a sensor has the advantage that it can measure broadband at least over the entire wavelength range mentioned. The predetermined temperature during tempering is preferably regulated or controlled with an accuracy of ± 0.5°C, preferably ± 0.1°C, since small fluctuations in the temperature of the sensor environment could lead to corresponding measurement inaccuracies, particularly at low temperatures of the semiconductor substrate.

Alternativ oder zusätzlich weist das Verfahren bevorzugt das Abfühlen der Temperatur des Sensors, von Bauteilen, die den Sensor umgeben, und/oder eines Körpers, der den Sichtkanal definiert auf, wobei die abgefühlte Temperatur für die Bestimmung des zweiten Strahlungsanteils berücksichtigt wird. Insbesondere in Kombination mit der Temperierung lässt sich hierdurch die Genauigkeit hinsichtlich der Temperaturanzeige für das Halbleitersubstrat erhöhen.Alternatively or additionally, the method preferably comprises sensing the temperature of the sensor, of components surrounding the sensor, and/or of a body defining the viewing channel, wherein the sensed temperature is used for determining of the second radiation component is taken into account. In particular, in combination with the temperature control, this can increase the accuracy of the temperature display for the semiconductor substrate.

Das Verfahren ist insbesondere zum Messen der Temperatur eines Halbleitersubstrats mit einer Bandlücke von ≥ 1,2 eV geeignet, aber auch für Halbleiter, insbesondere Element-Halbleiter mit einer geringeren Bandlücke.The method is particularly suitable for measuring the temperature of a semiconductor substrate with a band gap of ≥ 1.2 eV, but also for semiconductors, in particular element semiconductors with a smaller band gap.

Das Pyrometer zum Messen der Temperatur eines Halbleitersubstrats weist insbesondere einen optischen Sensor, Mittel zum Leiten von Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 6 bis 20 µm auf den Sensor, wenigstens ein erstes Gehäuse, das den Sensor umgibt, und Mittel zum Bestimmen der Temperatur des Sensors und/oder von Bauteilen des Pyrometers, die Im Sichtfeld des Sensors liegen, auf. Ein solches Pyrometer ermöglicht eine Umgebung und das Vorsehen von Signalen, die die Durchführung des oben genannten Verfahrens mit den entsprechenden Vorteilen ermöglicht.The pyrometer for measuring the temperature of a semiconductor substrate has in particular an optical sensor, means for directing radiation in a wavelength range of 6 to 20 µm onto the sensor, at least one first housing that surrounds the sensor, and means for determining the temperature of the sensor and/or components of the pyrometer that are in the field of view of the sensor. Such a pyrometer enables an environment and the provision of signals that enable the above-mentioned method to be carried out with the corresponding advantages.

Insbesondere können die Mittel zum Leiten von Strahlung konfiguriert sein Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 7 bis 15 µm, insbesondere von 8 bis 14 µm, und bevorzugt mit einer Breite des Wellenlängenbereichs von wenigstens 4 µm, auf den Sensor zu leiten. Bevorzugt weisen die Mittel zum Leiten von Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich ein Band-Passfilter im Strahlengang des Pyrometers (zwischen zu messendem Objekt und Sensor) auf.In particular, the means for guiding radiation can be configured to guide radiation in a wavelength range of 7 to 15 µm, in particular from 8 to 14 µm, and preferably with a width of the wavelength range of at least 4 µm, to the sensor. The means for guiding radiation in a specific wavelength range preferably have a band-pass filter in the beam path of the pyrometer (between the object to be measured and the sensor).

Bevorzugt weisen die Mittel zum Bestimmen der Temperatur Mittel zum Temperieren des Sensors und/oder von Bauteilen des Pyrometers, die Im Sichtfeld des Sensors liegen, auf eine vorbestimmte Temperatur auf. Hierbei sollten die Mittel zum Temperieren bevorzugt geeignet sein die entsprechenden Bauteile mit einer Genauigkeit von ± 0,5°C, bevorzugt ± 0,1 °C zu temperieren.The means for determining the temperature preferably comprise means for tempering the sensor and/or components of the pyrometer that are in the field of view of the sensor to a predetermined temperature. The means for tempering should preferably be suitable for tempering the corresponding components with an accuracy of ± 0.5°C, preferably ± 0.1°C.

Bei einer Ausführungsform weist das Pyrometer ferner einen langgestreckten Sichtkanal, der ein Sichtfeld des Sensors in Richtung des Halbleitersubstrats begrenzt, auf. Hierdurch kann einerseits ein bestimmter Messfleck auf dem Halbleitersubstrat und andererseits die Umgebung des Sensors, aus der Strahlung aufgenommen wird, definiert werden. Insbesondere in Kombination mit einer Linseneinheit lässt sich der Messfleck (bzw. dessen Größe) im Wesentlichen unabhängig von einer Entfernung zum Halbleitersubstrat gestalten, sodass dieses zum Beispiel ohne das Messergebnis zu beeinträchtigen innerhalbeiner Prozesskammer auf das Pyrometer zu und von diesem weg bewegt werden kann.In one embodiment, the pyrometer further comprises an elongated viewing channel that limits a field of view of the sensor in the direction of the semiconductor substrate. This makes it possible to define a specific measuring spot on the semiconductor substrate and the environment of the sensor from which radiation is recorded. In particular, in combination with a lens unit, the measuring spot (or its size) can be designed to be essentially independent of the distance to the semiconductor substrate, so that it can be moved towards and away from the pyrometer within a process chamber, for example, without affecting the measurement result.

Um die Genauigkeit des Pyrometers zu erhöhen, weisen die Mittel zum Bestimmen der Temperatur zusätzlich oder alternativ zu den Mitteln zum Temperieren einen Temperatursensor zum Messen einer Temperatur des Sensors und/oder von Bauteilen des Pyrometers, die im Sichtfeld des Sensors liegen, insbesondere des ersten Gehäuses und/oder eines den Sichtkanal bildenden Körpers, auf. Bevorzugt weist das Pyrometer noch eine Kompensationseinheit, welche Einflüsse auf das Signal des Sensors durch die Temperatur des Sensors, des Gehäuses und/oder eines den Sichtkanal bildenden Körpers kompensiert, auf.In order to increase the accuracy of the pyrometer, the means for determining the temperature, in addition to or as an alternative to the means for tempering, have a temperature sensor for measuring a temperature of the sensor and/or of components of the pyrometer that are in the field of view of the sensor, in particular the first housing and/or a body forming the viewing channel. The pyrometer preferably also has a compensation unit that compensates for influences on the sensor signal due to the temperature of the sensor, the housing and/or a body forming the viewing channel.

Bei einer Ausführungsform wird das erste Gehäuse durch ein eine Aufnahme aufweisendes Gehäuseteil und eine Blende mit einer Strahlungsöffnung gebildet, um einerseits eine bekannte Umgebung zu definieren und anderseits einen entsprechenden Strahlengang in Richtung Halbleitersubstrat vorzusehen. Um den Strahlengang weiter zu definieren und zu begrenzen, ist bevorzugt ein langgestreckter Sichtkanal vorgesehen, der sich in einer Sichtrichtung des Sensors hinter der Strahlungsöffnung der Blende erstreckt.In one embodiment, the first housing is formed by a housing part having a receptacle and a diaphragm with a radiation opening in order to define a known environment on the one hand and to provide a corresponding beam path in the direction of the semiconductor substrate on the other. In order to further define and limit the beam path, an elongated viewing channel is preferably provided which extends in a viewing direction of the sensor behind the radiation opening of the diaphragm.

Um zu verhindern, dass Strahlung von außerhalb des Pyrometers (mit Ausnahme von direkter Strahlung eines zu messenden Halbleitersubstrats) auf den Sensor fällt, weisen Innenwände des ersten Gehäuses und/oder des Sichtkanals eine Oberfläche auf, welche eine interne Reflexion von an der StrahlungsÖffnung und/oder am freien Ende des Sichtkanals eintretenden Lichts in Richtung des Sensors im Wesentlichen unterdrücken. Hierzu kann die Oberfläche wenigstens teilweise eine schwarze Beschichtung aufweisen, die wenigstens 90%, insbesondere wenigstens 95% und bevorzugt wenigstens 99% Licht absorbiert. Es können auch die Innenwände des Sichtkanals wenigstens teilweise strukturiert sein und bevorzugt eine Gewindestruktur, insbesondere eine Feingewindestruktur bzw. eine Struktur bei der die inneren Kanten des Gewindes (zum Strahlengang hin) nicht abgeflacht sind, aufweisen.In order to prevent radiation from outside the pyrometer (with the exception of direct radiation from a semiconductor substrate to be measured) from falling on the sensor, the inner walls of the first housing and/or the viewing channel have a surface which essentially suppresses internal reflection of light entering at the radiation opening and/or at the free end of the viewing channel in the direction of the sensor. For this purpose, the surface can at least partially have a black coating which absorbs at least 90%, in particular at least 95% and preferably at least 99% of light. The inner walls of the viewing channel can also be at least partially structured and preferably have a thread structure, in particular a fine thread structure or a structure in which the inner edges of the thread (towards the beam path) are not flattened.

Bevorzugt weist das Pyrometer ein zweites Gehäuse auf, das das erste Gehäuse mit darin aufgenommenem Sensor und soweit vorhanden den den Sichtkanal bildenden Körper aufnimmt, wobei das zweite Gehäuse wenigstens einen Strömungskanal für ein Fluid aufweist, der mit einer Quelle für temperiertes Fluid verbindbar ist. Das Pyrometer kann die Quelle für temperiertes Fluid aufweisen, wobei die Quelle für temperiertes Fluid bevorzugt konfiguriert ist Fluid mit einer vorbestimmten Temperatur mit einer Genauigkeit von ± 0,5°C bevorzugt ± 0,1 °C oder kleiner vorzusehen.The pyrometer preferably has a second housing which accommodates the first housing with the sensor accommodated therein and, if present, the body forming the viewing channel, wherein the second housing has at least one flow channel for a fluid which can be connected to a source for tempered fluid. The pyrometer can have the source for tempered fluid, wherein the source for tempered fluid is preferably configured to provide fluid with a predetermined temperature with an accuracy of ± 0.5°C, preferably ± 0.1°C or less.

Die Vorrichtung zum thermischen Behandeln eines Halbleitersubstrats weist eine Prozesskammer mit einem Aufnahmebereich für ein Halbleitersubstrat, wenigstens eine Heizeinheit die geeignet ist ein im Aufnahmebereich aufgenommenes Halbleitersubstrat aufzuheizen und ein Pyrometer des oben beschriebenen Typs auf, wobei das Pyrometer so ausgerichtet ist, dass neben Bauteilen des Pyrometers selbst ausschließlich eine Oberfläche eines im Aufnahmebereich aufgenommenen Halleitersubstrats im Sichtfeld des Sensors liegt. Dabei ist das Pyrometer bevorzugt im Wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche eines im Aufnahmebereich aufgenommenen Halleitersubstrats gerichtet ist.The device for thermally treating a semiconductor substrate has a process chamber with a receiving area for a semiconductor substrate, at least one heating unit that is suitable for heating a semiconductor substrate received in the receiving area, and a pyrometer of the type described above, wherein the pyrometer is aligned such that, in addition to components of the pyrometer itself, only a surface of a semiconductor substrate received in the receiving area is in the field of view of the sensor. The pyrometer is preferably directed essentially perpendicularly to the surface of a semiconductor substrate received in the receiving area.

Die wenigstens eine Heizeinheit weist bei einer Ausführungsform wenigstens eine Lampe, insbesondere eine Halogenlampe mit einem Quarzmantel auf. Dabei wirkt der Quarzmantel als ein erstes Filter für Strahlung der Halogenlampen oberhalb ungefähr 5 µm. Bevorzugt liegt die wenigstens eine Lampe auf einer zum Pyrometer weisenden Seite des Aufnahmebereichs und auf der anderen Seite des Aufnahmebereichs ist wenigstens eine weitere Lampe oder wenigstens eine Plasmaquelle vorgesehen.In one embodiment, the at least one heating unit has at least one lamp, in particular a halogen lamp with a quartz casing. The quartz casing acts as a first filter for radiation from the halogen lamps above approximately 5 µm. Preferably, the at least one lamp is located on a side of the receiving area facing the pyrometer and at least one further lamp or at least one plasma source is provided on the other side of the receiving area.

Die Erfindung wird nunmehr nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

1 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten mit einem Pyrometer;
2 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Pyrometers;
3 eine vergrößerte Detailansicht eines Teils des Pyrometers gemäß 2;
4 ein Graph, der Emissivitätsvariationen für Siliziumsubstrate mit unterschiedlichen Beschichtungen für unterschiedliche Wellenlängen und Temperaturen zeigt;
5 ein Graph, der ein Beispiel einer Temperatursteuerung für einen blanken Siliziumkarbidwafer in einem Direktheizmodus zeigt; und
6 ein Graph, der ein Ausgangssignal eines Pyrometersensors mit und ohne Kompensation zeigt.

The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing. In the drawing:

1 a schematic sectional view of a device for thermally treating substrates with a pyrometer;
2 a schematic sectional view of a pyrometer according to the invention;
3 an enlarged detailed view of a part of the pyrometer according to 2 ;
4 a graph showing emissivity variations for silicon substrates with different coatings for different wavelengths and temperatures;
5 a graph showing an example of temperature control for a bare silicon carbide wafer in a direct heating mode; and
6 a graph showing an output signal of a pyrometer sensor with and without compensation.

In der nachfolgenden Beschreibung verwendete Ortsbegriffe wie oben, unten etc. beziehen sich auf die Darstellung in den Figuren und sind nicht einschränkend zu sehen, sofern explizit ausgeführt. Sie können jedoch eine bevorzugte Ausrichtung kennzeichnen. Der Begriff im Wesentlichen soll Abweichungen von ± 10%, bevorzugt ± 5% bezüglich eines angegebenen Wertes umfassen. Bei Winkelangaben sollen durch die Formulierung im Wesentlichen ± 10°, bevorzugt ± 5° mit umfasst sein.Location terms such as above, below, etc. used in the following description refer to the representation in the figures and are not to be seen as restrictive, provided they are explicitly stated. However, they can indicate a preferred orientation. The term essentially should include deviations of ± 10%, preferably ± 5% with respect to a specified value. When specifying angles, the wording essentially should include ± 10°, preferably ± 5°.

1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum thermischen Behandeln von Substraten 2, insbesondere Halbleitersubstraten, und hier bevorzugt Halbleitersubstraten mit breiter Bandlücke, d.h. einer Bandlücke ≥ 1,2 eV. 1 shows a device 1 for thermally treating substrates 2, in particular semiconductor substrates, and here preferably semiconductor substrates with a wide band gap, ie a band gap ≥ 1.2 eV.

Die Vorrichtung 1 weist eine Prozesskammer 4, Heizeinheiten 6, 7, eine Substrathalteeinheit 9, sowie ein Pyrometer 10 auf. Die Prozesskammer 4 wird durch ein Prozesskammergehäuse 12 gebildet, das in einer Seitenwand eine Be-/Entladeöffnung 14 aufweist, die durch ein Türelement 15 verschließbar ist.The device 1 has a process chamber 4, heating units 6, 7, a substrate holding unit 9, and a pyrometer 10. The process chamber 4 is formed by a process chamber housing 12, which has a loading/unloading opening 14 in a side wall, which can be closed by a door element 15.

Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann in diesem Bereich eine Schleuseneinheit vorgesehen sein. Auf der der Be-/Entladeöffnung 14 gegenüberliegenden Seite des Prozesskammergehäuses 12 ist ein Gaseinlass 17 und im Boden des Prozesskammergehäuses 12 ist eine Absaugung 18 vorgesehen. Der Gaseinlass 17 und die Absaugung 18 sind nur schematisch dargestellt, und sie können ohne weiteres anders ausgeführt sein.Although not shown, a lock unit can be provided in this area. A gas inlet 17 is provided on the side of the process chamber housing 12 opposite the loading/unloading opening 14, and an exhaust 18 is provided in the bottom of the process chamber housing 12. The gas inlet 17 and the exhaust 18 are only shown schematically and can easily be designed differently.

Die Heizeinheit 6 ist innerhalb der Prozesskammer 4 angeordnet und zwar benachbart zu einem Boden desselben. Die Heizeinheit 6 besteht im Wesentlichen aus einer Vielzahl von stabförmigen Lampen, beispielsweise Halogenlampen, 20, die jeweils von einem Quarzrohr 21 umgeben sind. Die Lampen 20 erstrecken sich senkrecht zur Blattebene gemäß 1 durch die Prozesskammer 4 hindurch, wie es in der Technik bekannt ist. Statt Halogenlampen können auch andere Lampen eingesetzt werden. Auch können die Lampen durch eine Quarzplatte statt individuelle Quarzrohre von einem eigentlichen Prozessbereich der Prozesskammer 4 getrennt sein.The heating unit 6 is arranged within the process chamber 4, adjacent to a bottom thereof. The heating unit 6 essentially consists of a plurality of rod-shaped lamps, for example halogen lamps, 20, each of which is surrounded by a quartz tube 21. The lamps 20 extend perpendicular to the plane of the sheet according to 1 through the process chamber 4, as is known in the art. Instead of halogen lamps, other lamps can also be used. The lamps can also be separated from an actual process area of the process chamber 4 by a quartz plate instead of individual quartz tubes.

Die Lampen 20 sind bezüglich einer Mittelebene der Prozesskammer 4 symmetrisch angeordnet. Eine symmetrische Anordnung ist aber nicht zwingend notwendig.The lamps 20 are arranged symmetrically with respect to a central plane of the process chamber 4. However, a symmetrical arrangement is not absolutely necessary.

Die Heizeinheit 7 ist im Wesentlichen gleich aufgebaut wie die Heizeinheit 6, mit Lampen 20, die jeweils von einem Quarzrohr 21 umgeben sind. Die Heizeinheit 7 ist ebenfalls innerhalb der Prozesskammer 4 angeordnet, jedoch benachbart zu einer Oberseite derselben. Darüber hinaus sind die Lampen 20 der oberen Heizeinheit 7 um 90° bezüglich der Lampen 20 der unteren Heizeinheit 6 gedreht angeordnet. Sowohl die Anzahl der Lampen als auch die verdrehte Anordnung derselben ist nur beispielhaft, und eine tatsächliche Anordnung in einer Prozesskammer kann anders aufgebaut sein. Die jeweiligen Lampen können so angeordnet sein, dass die Lampen in den Feldern als Einzel- oder als Doppelfilament-Lampen parallel aber auch senkrecht zueinander angeordnet sind.The heating unit 7 is constructed essentially the same as the heating unit 6, with lamps 20, each surrounded by a quartz tube 21. The heating unit 7 is also arranged within the process chamber 4, but adjacent to an upper side thereof. In addition, the lamps 20 of the upper heating unit 7 are arranged rotated by 90° with respect to the lamps 20 of the lower heating unit 6. Both the number of lamps and the rotated arrangement thereof are only exemplary, and an actual arrangement in a process chamber can be constructed differently. The respective lamps can be arranged in such a way that that the lamps in the fields are arranged as single or double filament lamps parallel but also perpendicular to each other.

Darüber hinaus kann je nach Anwendungsgebiet auch auf die obere Heizeinheit 7 verzichtet werden, und diese kann beispielsweise durch eine Plasmaeinheit ersetzt werden. Eine solche Plasmaeinheit kann beispielsweise durch langgestreckte Plasmastäbe, die in Quarzrohren aufgenommen sind, aufgebaut sein, wie beispielsweise aus der EP 2311066 A1 bekannt ist.In addition, depending on the application, the upper heating unit 7 can be dispensed with and replaced, for example, by a plasma unit. Such a plasma unit can be constructed, for example, by elongated plasma rods accommodated in quartz tubes, as is known, for example, from the EP 2311066 A1 is known.

Die Quarzrohre 21 sind für die Strahlung der Lampen 20 im Wesentlichen durchlässig, absorbieren jedoch Strahlung oberhalb von 5 µm Wellenlänge oder können auch Wasserabsorptionsbanden (OH-Banden) enthalten und daher, Strahlung um 2,7 µm zusätzlich herauszufiltern.The quartz tubes 21 are essentially transparent to the radiation from the lamps 20, but absorb radiation above 5 µm wavelength or may also contain water absorption bands (OH bands) and therefore additionally filter out radiation of 2.7 µm.

Die Substrathalteeinheit 9 besteht im Wesentlichen aus einem sich senkrecht durch den Boden des Prozesskammergehäuses 12 erstreckenden Schaft 24, sich senkrecht hierzu erstreckende Ausleger 25, sowie sich senkrecht zu den Auslegern 25 erstreckende Auflagen 26. Der Schaft kann über einen entsprechenden Antrieb (nicht dargestellt) um seine eigene Achse gedreht werden sowie optional hoch und runter bewegt werden. Bevorzugt sind drei Ausleger 25 mit jeweils einer entsprechenden Auflage 26 vorgesehen. Der Schaft 24, der Ausleger 25 und die Auflagen 26 sind vorzugsweise aus Quarzglas hergestellt und somit für die Strahlung der Lampen 20 im Wesentlichen durchlässig. Die Substrathalteeinheit 9 kann aber auch anders aufgebaut sein, wie es in der Technik bekannt ist.The substrate holding unit 9 essentially consists of a shaft 24 extending vertically through the bottom of the process chamber housing 12, cantilevers 25 extending vertically thereto, and supports 26 extending vertically to the cantilevers 25. The shaft can be rotated about its own axis via a corresponding drive (not shown) and optionally moved up and down. Preferably, three cantilevers 25, each with a corresponding support 26, are provided. The shaft 24, the cantilever 25 and the supports 26 are preferably made of quartz glass and are thus essentially permeable to the radiation from the lamps 20. However, the substrate holding unit 9 can also be constructed differently, as is known in the art.

Die Substrathalteeinheit 9 definiert eine Substrat-Aufnahmeebene, die durch die jeweiligen Oberseiten der Auflagen 26 aufgespannt wird. Diese ist bevorzugt so ausgerichtet, dass sie sich im Wesentlichen parallel zum Boden des Prozesskammergehäuses 12 erstreckt. Mithin ist bevorzugt eine horizontale Ausrichtung vorgegeben, wenn ein Substrat 2 auf den Auflagen 26 abgelegt ist. Dabei wird davon ausgegangen, dass das Substrat eine im Wesentlichen flache Form aufweist.The substrate holding unit 9 defines a substrate receiving plane which is spanned by the respective upper sides of the supports 26. This is preferably aligned such that it extends essentially parallel to the bottom of the process chamber housing 12. A horizontal alignment is therefore preferably specified when a substrate 2 is placed on the supports 26. It is assumed that the substrate has an essentially flat shape.

Das Pyrometer 10 ist hier unterhalb des Prozesskammergehäuses 12 angeordnet, kann aber ebenso oberhalb angeordnet sein, und zwar derart, dass es über ein Sichtfenster 28 in die Prozesskammer 4 hineinschaut. Dabei ist das Pyrometer 10 mit dem Sichtfenster 28 derart vorgesehen, dass es bevorzugt mittig zwischen zwei benachbarten Lampen 20 der unteren Heizeinheit 6 hindurch auf eine Unterseite eines Substrats 2 schaut, wenn dieses auf den Auflagen 26 abgelegt ist. Das Sichtfenster 28 kann gekühlt oder auch nicht gekühlt sein und ist derart ausgeführt, dass die Strahlung hindurchtritt und nicht absorbiert wird. Insbesondere sieht das Pyrometer 10 im Wesentlichen senkrecht auf eine Unterseite des Substrats 2. Wenn das Pyrometer oben angebracht ist ändern sich die Richtungsangaben entsprechend.The pyrometer 10 is arranged below the process chamber housing 12, but can also be arranged above it, in such a way that it looks into the process chamber 4 through a viewing window 28. The pyrometer 10 with the viewing window 28 is provided in such a way that it looks through the middle between two adjacent lamps 20 of the lower heating unit 6 onto an underside of a substrate 2 when the substrate is placed on the supports 26. The viewing window 28 can be cooled or not cooled and is designed in such a way that the radiation passes through and is not absorbed. In particular, the pyrometer 10 looks essentially perpendicularly onto an underside of the substrate 2. If the pyrometer is attached at the top, the directional information changes accordingly.

Das Pyrometer 10 ist in größerer Einzelheit in den 2 und 3 dargestellt, wobei 2 eine schematische Schnittansicht des Pyrometers 10 und 3 eine vergrößerte Detailansicht einer Messeinheit 30 des Pyrometers 10 zeigt.The pyrometer 10 is shown in more detail in the 2 and 3 shown, where 2 a schematic sectional view of the pyrometer 10 and 3 shows an enlarged detailed view of a measuring unit 30 of the pyrometer 10.

Das Pyrometer 10 weist die Messeinheit 30 ein erstes Gehäuse 32 zur Aufnahme der Messeinheit 30 und ein zweites Gehäuse 34 zur Aufnahme einer Steuerelektronik für die Messeinheit 30 auf.The pyrometer 10 has the measuring unit 30, a first housing 32 for receiving the measuring unit 30 and a second housing 34 for receiving control electronics for the measuring unit 30.

Die Messeinheit 30 ist vergrößert in der 3 dargestellt. Sie weist ein Gehäuseteil 36, das gemeinsam mit einer Blende 37, einen im Wesentlichen geschlossenen Aufnahmeraum für einen Sensor 38 bildet, sowie ein Körperteil 39, das einen Sichtkanal 40 bildet, auf.The measuring unit 30 is enlarged in the 3 It has a housing part 36, which together with a cover 37 forms a substantially closed receiving space for a sensor 38, and a body part 39, which forms a viewing channel 40.

Das Gehäuseteil 36 besitzt eine runde Stabform, die am Außenumfang mehrfach stufenweise verjüngt ist, um Schultern 42, 43 und 44 zu bilden. Zwischen den Schultern 43 und 44 weist der Außenumfang ein Außengewinde auf. An einem Ende, dem Ende mit dem geringsten Außenumfang, ist eine zentrierte Aufnahme 46 ausgebildet, die, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, zur Aufnahme des Sensors 38 dient.The housing part 36 has a round rod shape which is tapered several times in stages on the outer circumference to form shoulders 42, 43 and 44. Between the shoulders 43 and 44, the outer circumference has an external thread. At one end, the end with the smallest outer circumference, a centered receptacle 46 is formed which, as will be explained in more detail below, serves to accommodate the sensor 38.

Von der Aufnahme 46 erstreckt sich ferner eine Durchgangsöffnung 48 zum anderen Ende des Gehäuseteils 36, die, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, für das Durchführen von Leitungen vorgesehen ist.A through-opening 48 also extends from the receptacle 46 to the other end of the housing part 36, which through-opening, as will be explained in more detail below, is provided for the passage of cables.

Die Schulter 42 des Gehäuseteils 36 dient als Befestigungsanschlag für die Messeinheit 30 im ersten Gehäuse 32, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. Die zweite Schulter 43 dient als Anschlag für das den Sichtkanal bildende Körperteil 39.The shoulder 42 of the housing part 36 serves as a fastening stop for the measuring unit 30 in the first housing 32, as will be explained in more detail below. The second shoulder 43 serves as a stop for the body part 39 forming the viewing channel.

Wie zuvor erwähnt, wird der Sensor 38 in der Aufnahme 46 des Gehäuseteils 36 aufgenommen. Die Blende 37 wird ebenfalls wenigstens teilweise gemeinsam mit dem Sensor 38 in der Aufnahme 46 des Körperteils 39 aufgenommen. Die Blende 37 weist ebenso wie das Gehäuseteil 36 eine im Wesentlichen runde Form auf. Von einem ersten Ende ausgehend besitzt die Blende 37 in einem ersten Abschnitt 50 zunächst einen gleichmäßigen Außenumfang. Der Außenumfang erweitert sich dann an einer Stufe auf einem Außenumfang, der ungefähr dem Außenumfang des Gehäuseteils 36 an seiner schmalsten Stelle entspricht. Hierdurch wird eine Anlageschulter 51 an der Blende 37 ausgebildet. Von da aus verjüngt sich der Außenumfang der Blende 37 über einen zweiten Abschnitt 52 und einen dritten Abschnitt 53 in Richtung einer Längsmittelebene der Blende 37. Dabei ist ein Verjüngungswinkel des zweiten Abschnitts 52 bezüglich der Längsmittelachse der Blende 37 kleiner als ein Verjüngungswinkel des Abschnitts 53. In beiden Abschnitten 52 und 53 ist die Verjüngung im Wesentlichen linear.As previously mentioned, the sensor 38 is received in the receptacle 46 of the housing part 36. The cover 37 is also received at least partially together with the sensor 38 in the receptacle 46 of the body part 39. The cover 37, like the housing part 36, has a substantially round shape. Starting from a first end, the cover 37 initially has a uniform outer circumference in a first section 50. The outer circumference then widens at a step on an outer circumference that approximately corresponds to the outer circumference of the housing part 36 at its narrowest point. This forms a bearing shoulder 51 on the cover 37. From there, the outer circumference of the aperture 37 tapers over a second section 52 and a third section 53 in the direction of a longitudinal center plane of the aperture 37. A taper angle of the second section 52 with respect to the longitudinal center axis of the aperture 37 is smaller than a taper angle of the section 53. In both sections 52 and 53, the taper is essentially linear.

Der Außenumfang der Blende 37 im ersten Abschnitt 50 entspricht im Wesentlichen dem Innenumfang der Aufnahme 46 des Gehäuseteils 36 derart, dass die Blende 37 engpassend darin aufgenommen werden kann. Die Länge des ersten Abschnitts 50 der Blende 37 entspricht im Wesentlichen der Tiefe der Aufnahme 46, sodass, wenn der erste Abschnitt 50 der Blende 37 in die Aufnahme 46 eingeführt wird, die Anlageschulter 51 mit einem Ende des Gehäuseteils 36 in Eingriff kommt.The outer circumference of the bezel 37 in the first section 50 substantially corresponds to the inner circumference of the receptacle 46 of the housing part 36 such that the bezel 37 can be snugly received therein. The length of the first section 50 of the bezel 37 substantially corresponds to the depth of the receptacle 46 such that when the first section 50 of the bezel 37 is inserted into the receptacle 46, the abutment shoulder 51 engages one end of the housing part 36.

Die Blende 37 besitzt eine zentrierte Aufnahme 55 mit einem runden Querschnitt. Die Aufnahme 55 erstreckt sich vom ersten Ende aus, also dem Ende, das in die Aufnahme 46 des Gehäuseteils 36 eingeführt werden soll in Richtung des zweiten Endes. Am ersten Ende besitzt der Innenumfang der Aufnahme 55 eine sich erweiternde Schulter 57. Am zweiten Ende der Blende 37 verjüngt sich die Aufnahme 55 entsprechend der Verjüngung des Außenumfangs im dritten Abschnitt 53. Im zweiten Ende ist ferner eine zentrale Durchgangsöffnung 58 ausgebildet. Die Innenoberfläche der Blende ist bevorzugt derart ausgebildet, dass sie durch die Durchgangsöffnung eintretende Strahlung nicht reflektiert und weist hierzu bevorzugt eine schwarze Beschichtung auf, die in einem Wellenlängenbereich von 6 µm bis 20 µm Strahlung zu wenigstens 95%, bevorzugt zu wenigstens 99% absorbiert.The aperture 37 has a centered receptacle 55 with a round cross-section. The receptacle 55 extends from the first end, i.e. the end that is to be inserted into the receptacle 46 of the housing part 36, in the direction of the second end. At the first end, the inner circumference of the receptacle 55 has a widening shoulder 57. At the second end of the aperture 37, the receptacle 55 tapers in accordance with the taper of the outer circumference in the third section 53. A central through-opening 58 is also formed in the second end. The inner surface of the aperture is preferably designed such that it does not reflect radiation entering through the through-opening and for this purpose preferably has a black coating that absorbs at least 95%, preferably at least 99%, of radiation in a wavelength range from 6 µm to 20 µm.

Der Sensor 38 besitzt ein eigenes Sensorgehäuse 60, in dem eine Halterung 62 für ein Sensorelement 64 und eine Linse 66 vorgesehen sind. Das Sensorgehäuse 60 ist im Wesentlichen rohrförmig und besitzt einen Außenumfang, der im Wesentlichen dem Innenumfang der Aufnahme 55 der Blende 37 - in dem sich nicht verjüngenden Teil - entspricht. Somit kann das Sensorgehäuse 60 engpassend in die Aufnahme 55 der Blende 37 eingeführt werden. An einem Ende, einer Rückseite, weist das Sensorgehäuse 60 einen Flansch 68 auf, der so bemessen ist, dass er mit der Schulter 57 der Blende zusammenwirkt, um die Einführtiefe des Sensors 38 in die Aufnahme 55 zu begrenzen.The sensor 38 has its own sensor housing 60 in which a holder 62 for a sensor element 64 and a lens 66 are provided. The sensor housing 60 is essentially tubular and has an outer circumference which corresponds essentially to the inner circumference of the receptacle 55 of the aperture 37 - in the non-tapering part. Thus, the sensor housing 60 can be inserted into the receptacle 55 of the aperture 37 in a tight fit. At one end, a rear side, the sensor housing 60 has a flange 68 which is dimensioned to cooperate with the shoulder 57 of the aperture to limit the depth of insertion of the sensor 38 into the receptacle 55.

Die Halterung 62 ist engpassend in das Sensorgehäuse 60 eingeführt, und beispielsweise fest mit diesem verklebt. Die Halterung 62 nimmt das eigentliche Sensorelement 64 zentriert derart auf, dass eine aktive Fläche des Sensorelements in Richtung der Linse 66 weist. Die Linse 66 befindet sich vor dem Sensorelement, und dient dazu im eingebauten Zustand des Sensors 38 gemäß 3 Licht, das durch die Durchgangsöffnung 58 der Blende 37 fällt, auf die aktive Fläche des Sensorelements 64 zu richten.The holder 62 is inserted tightly into the sensor housing 60 and is, for example, firmly glued to it. The holder 62 holds the actual sensor element 64 in a centered manner such that an active surface of the sensor element points in the direction of the lens 66. The lens 66 is located in front of the sensor element and serves to 3 To direct light falling through the through opening 58 of the aperture 37 onto the active surface of the sensor element 64.

Das Sensorelement 64 weist Signalleitungen 69 auf, die über die Durchgangsöffnung 48 im Gehäuseteil 36 aus der Aufnahme 46 herausgeführt werden können. In oder an der Halterung 62 ist ferner ein Temperatursensor (nicht näher dargestellt) vorgesehen, der so positioniert ist, dass er eine Temperatur der Halterung bzw. des Sensorelements messen kann. Eine entsprechende Signalleitung des Temperatursensors kann ebenfalls über die Durchgangsöffnung 48 aus der Aufnahme 46 des Gehäuseteils 36 herausgeführt werden.The sensor element 64 has signal lines 69 that can be led out of the receptacle 46 via the through-opening 48 in the housing part 36. A temperature sensor (not shown in detail) is also provided in or on the holder 62, which is positioned such that it can measure a temperature of the holder or the sensor element. A corresponding signal line of the temperature sensor can also be led out of the receptacle 46 of the housing part 36 via the through-opening 48.

Das Körperteil 39 der Messeinheit 30 besitzt wiederum im Wesentlichen eine Rohrform mit einem Außenumfang, der in einem ersten Abschnitt 70 im Wesentlichen gleichbleibend ist, der sich in einem zweiten Abschnitt 71 mit einem ersten Winkel verjüngt, sich in einem dritten Abschnitt 72 mit einem zweiten Winkel, der kleiner ist als der erste Winkel des Abschnitts 71 weiter verjüngt, und sich in einem vierten Abschnitt mit einem Winkel, der größer ist als der des zweiten Abschnitts in Richtung einer Durchgangsöffnung 75 weiter verjüngt. Die Durchgangsöffnung 75 ist zentrisch vorgesehen. Die Durchgangsöffnung 75 definiert ein vorderes Ende des Körperteils 39.The body part 39 of the measuring unit 30 in turn has a substantially tubular shape with an outer circumference that is substantially constant in a first section 70, which tapers in a second section 71 at a first angle, tapers further in a third section 72 at a second angle that is smaller than the first angle of the section 71, and tapers further in a fourth section at an angle that is larger than that of the second section in the direction of a through opening 75. The through opening 75 is provided centrally. The through opening 75 defines a front end of the body part 39.

Ausgehend vom gegenüberliegenden hinteren Ende besitzt das Körperteil 39 einen Innenumfang, der zunächst ein Innengewindeabschnitt bildet, in das das Außengewinde am Gehäuseteil eingeschraubt werden kann, bis das hintere Ende des Körperteils mit dem Anschlag 43 in Eingriff kommt. Am Ende des Gewindeabschnitts ist der Innenumfang im Wesentlichen zunächst gleichbleibend bis zum Ende des ersten Abschnitts 70. Im zweiten Abschnitt 71 verjüngt sich der Innenumfang entsprechend dem Außenumfang in diesem Abschnitt. Im dritten Abschnitt 72 bleibt der Innenumfang einen im Wesentlichen gleichmäßig, und im vierten Abschnitt 74 verjüngt sich der Innenumfang entsprechend der Verjüngung des Außenumfangs in Richtung der Durchgangsöffnung 75 verjüngt. Das Körperteil 39 bildet in den Abschnitten 72, 73 den Sichtkanal 40, wobei die vordere Verjüngung im vierten Abschnitt 73 in Kombination mit der Durchgangsöffnung 75 eine Blende bildet. Die Innenwände des Körperteils 39, sind wenigstens im Bereich des dritten und vierten Abschnitts, das heißt im Bereich des Sichtkanals, so ausgebildet, dass eine interne Reflexion von durch die Durchgangsöffnung 75 eintretende Strahlung in Richtung der Blende 37 insbesondere der Durchgangsöffnung 58 der Blende 37 im Wesentlichen unterdrückt wird. Insbesondere kann auch hier die Oberfläche schwarz sein und im Bereich des dritten Abschnitts 72 eine Struktur, insbesondere eine Gewindestruktur und bevorzugt eine Feingewindestruktur aufweisen, die dafür sorgt, dass eine interne Reflexion nicht in Richtung der Blende 37 und somit in Richtung des Sensors 38 erfolgt.Starting from the opposite rear end, the body part 39 has an inner circumference which initially forms an internal threaded section into which the external thread on the housing part can be screwed until the rear end of the body part engages the stop 43. At the end of the threaded section, the inner circumference is initially essentially constant up to the end of the first section 70. In the second section 71, the inner circumference tapers according to the outer circumference in this section. In the third section 72, the inner circumference remains essentially uniform, and in the fourth section 74, the inner circumference tapers according to the taper of the outer circumference in the direction of the through opening 75. The body part 39 forms the viewing channel 40 in the sections 72, 73, the front taper in the fourth section 73 in combination with the through opening 75 forming a screen. The inner walls of the body part 39 are designed at least in the region of the third and fourth sections, i.e. in the region of the viewing channel, such that an internal reflection of radiation entering through the through opening 75 in the direction of the aperture 37, in particular the through opening 58 of the aperture 37, is essentially chen is suppressed. In particular, the surface can also be black here and have a structure in the area of the third section 72, in particular a thread structure and preferably a fine thread structure, which ensures that an internal reflection does not occur in the direction of the aperture 37 and thus in the direction of the sensor 38.

Das Körperteil 39 ist so bemessen, dass es das Gehäuseteil 36 mit darin aufgenommener Blende und Sensor, wie in 3 dargestellt ist, wenigstens teilweise aufnimmt. Insbesondere ist das Körperteil 39 so bemessen, dass das der Durchgangsöffnung 75 gegenüberliegende Ende sich an der Schulter 43 des Gehäuseteils 36 abstützen kann, wenn das Außengewinde am Gehäuseteil 36 in das Innengewinde am Gehäuseteil 39 geschraubt ist. Dabei ist das Gehäuseteil 36 so bemessen, dass es das Körperteil 39 bevorzugt nur im Gewindebereich kontaktiert. Die Verjüngung des Körperteils 39 im zweiten Abschnitt 71 ist im zusammengebauten Zustand im Wesentlichen an derselben Höhe wie die Verjüngung im Abschnitt 52 der Blende 37.The body part 39 is dimensioned such that it surrounds the housing part 36 with the aperture and sensor accommodated therein, as shown in 3 is shown, at least partially. In particular, the body part 39 is dimensioned such that the end opposite the through opening 75 can be supported on the shoulder 43 of the housing part 36 when the external thread on the housing part 36 is screwed into the internal thread on the housing part 39. The housing part 36 is dimensioned such that it preferably only contacts the body part 39 in the thread area. The taper of the body part 39 in the second section 71 is, in the assembled state, essentially at the same height as the taper in section 52 of the cover 37.

Der Aufbau der Messeinheit 30 ist insgesamt so, dass als externe Strahlung nur im Wesentlichen parallel zu einer Längsmittelachse des Sensorelements eintretende Strahlung auf die aktive Fläche des Sensorelements 64 fallen kann. Bei einer entsprechenden Ausrichtung der Messeinheit 30 bzw. des Pyrometers 10 kann somit sichergestellt werden, dass als externe Strahlung im Wesentlichen nur Strahlung des zu messenden Halbleitersubstrats auf das Sensorelement 64 fällt. Darüber hinaus fällt jedoch auch noch durch die Eigentemperatur der Bauteile der Messeinheit 30 erzeugte Strahlung, insbesondere aus dem Bereich der Blende 37 bzw. des Sichtkanals 40 im Körperteil 39 auf das Sensorelement.The overall structure of the measuring unit 30 is such that only radiation entering essentially parallel to a longitudinal center axis of the sensor element can fall on the active surface of the sensor element 64 as external radiation. With a corresponding alignment of the measuring unit 30 or the pyrometer 10, it can thus be ensured that essentially only radiation from the semiconductor substrate to be measured falls on the sensor element 64 as external radiation. In addition, however, radiation generated by the inherent temperature of the components of the measuring unit 30, in particular from the area of the aperture 37 or the viewing channel 40 in the body part 39, also falls on the sensor element.

Die Messeinheit 30 ist in dem ersten Gehäuse 32 des Pyrometers 10 aufgenommen. Das Gehäuse 32 besitzt einen im Wesentlichen quaderförmigen Körper 82 mit Endflächen 83, 84, die respektive eine Vorderseite und eine Rückseite des Gehäuses bilden. Zwischen der Vorderseite 83 und der Rückseite 84 erstreckt sich eine Durchgangsöffnung 86 durch das erste Gehäuse 32 hindurch.The measuring unit 30 is accommodated in the first housing 32 of the pyrometer 10. The housing 32 has a substantially cuboid-shaped body 82 with end surfaces 83, 84, which form a front and a rear side of the housing respectively. Between the front side 83 and the rear side 84, a through opening 86 extends through the first housing 32.

Die Durchgangsöffnung 86 besitzt einen im Wesentlichen runden Querschnitt. Ausgehend von der Rückseite 84 besitzt die Durchgangsöffnung 86 einen ersten Innendurchmesser, der sich dann stufenförmig verjüngt, um eine Anlageschulter 88 zu bilden, die als Anlage für die Anlageschulter 42 des Gehäuseteils 36 der Messeinheit 30 bzw. einen nicht dargestellten Zentrierring dient, wie in 2 zu erkennen ist. Im weiteren Verlauf besitzt die Durchgangsöffnung 86 eine lineare Verjüngung, die der Verjüngung in Abschnitt 71 des Körperteils 39 entspricht. Dieser Verjüngung schließt sich wiederum ein gerader Abschnitt an, und benachbart zum vorderen Ende 83 weist die Durchgangsöffnung 86 dann eine stufenförmige Erweiterung auf, sodass eine zur Vorderseite 83 weisende Anlageschulter 89 gebildet wird. Die Messeinheit 30 kann von der Rückseite 84 her in die Durchgangsöffnung 86 eingeführt werden, wobei nicht näher dargestellte Mittel zum Zentrieren der Messeinheit 30 vorgesehen sein können. Dabei ist die Messeinheit 30 derart in der Durchgangsöffnung 86 aufgenommen, das eine thermische Kopplung zwischen den beiden nicht wesentlich ist.The through-opening 86 has a substantially round cross-section. Starting from the rear side 84, the through-opening 86 has a first inner diameter, which then tapers in a step-like manner to form a bearing shoulder 88, which serves as a bearing for the bearing shoulder 42 of the housing part 36 of the measuring unit 30 or a centering ring (not shown), as in 2 can be seen. In the further course, the through opening 86 has a linear taper that corresponds to the taper in section 71 of the body part 39. This taper is in turn followed by a straight section, and adjacent to the front end 83, the through opening 86 then has a step-like widening so that a bearing shoulder 89 pointing towards the front 83 is formed. The measuring unit 30 can be introduced into the through opening 86 from the rear 84, wherein means (not shown in more detail) for centering the measuring unit 30 can be provided. The measuring unit 30 is accommodated in the through opening 86 in such a way that a thermal coupling between the two is not essential.

In dem erweiterten Abschnitt der Durchgangsöffnung 86 benachbart zur Vorderseite 83 ist ein Linsenpaket 90 vorgesehen, das eine oder mehrere Linsen und Filter aufweist. Das Linsenpaket 90 ist so bemessen, dass es engpassend in den erweiterten Abschnitt der Durchgangsöffnung 86 passt bzw. in diesen Eingeschraubt ist und an der Anlageschulter 89 anliegt, wie in 2 dargestellt ist. Das Linsenpaket ist so ausgeführt, dass die Linsen und insbesondere Filter mit einem Spülgas umströmt werden können, um absorbierte Wärmeenergie abzuführen. Das Linsenpaket 90 erzeugt einen konfokalen Strahlengang, um unabhängig von einer Bewegungen des Halbleitersubstrates in der Kammer (und somit variierendem Abstand zwischen Sensor und Halbleitersubstrat) immer die gleiche Strahlungsintensität zu messen. Das bzw. Die Filter im Linsenpaket ist/sind so Bandpass-Filter ausgeführt, die bevorzugt nur Strahlung im Wellenlängenbereich von 6 µm bis 20 µm, bevorzugt von 7 µm bis 15 µm und insbesondere von 8 µm bis 14 µm durchlassen. Das Filter definiert somit die eigentliche Messwellenlänge des Pyrometers, da der eigentliche Sensor, wie beispielsweise ein Thermopile-Sensor wesentlich breitbandiger messen könnte.A lens package 90 comprising one or more lenses and filters is provided in the enlarged portion of the through-opening 86 adjacent to the front side 83. The lens package 90 is sized to fit snugly into the enlarged portion of the through-opening 86 or to be screwed into it and to rest against the abutment shoulder 89, as shown in 2 The lens package is designed in such a way that the lenses and in particular filters can be surrounded by a purge gas in order to remove absorbed heat energy. The lens package 90 generates a confocal beam path in order to always measure the same radiation intensity regardless of movements of the semiconductor substrate in the chamber (and thus varying distance between sensor and semiconductor substrate). The filter(s) in the lens package is/are designed as bandpass filters which preferably only allow radiation in the wavelength range from 6 µm to 20 µm, preferably from 7 µm to 15 µm and in particular from 8 µm to 14 µm to pass through. The filter thus defines the actual measuring wavelength of the pyrometer, since the actual sensor, such as a thermopile sensor, could measure over a much broader band.

In dem erweiterten Abschnitt benachbart zur Rückseite 84 kann in die Durchgangsöffnung 86 ferner ein Kühlkörper 91 eingesetzt sein, um die Durchgangsöffnung von dieser Seite her zu schließen und eine Kühlung/Temperierung vorzusehen.In the extended section adjacent to the rear side 84, a heat sink 91 can also be inserted into the through-opening 86 in order to close the through-opening from this side and to provide cooling/temperature control.

Der Körper 82 des ersten Gehäuses 32 weist ferner interne Leitungen 94 für ein Temperierfluid auf. Die internen Leitungen 94 sind über Anschlüsse 95 mit einer Quelle eines Temperierfluids verbindbar. Die Leitungen 94 erstrecken sich zumindest teilweise parallel zur Längsachse der Durchgangsöffnung 86, wobei auch Querverbindungen vorgesehen sind, um eine Zirkulation eines Temperierfluids durch die Leitungen 94 hindurch zu erlauben. Über das Temperierfluid kann der Körper 82 und somit die darin aufgenommenen Elemente im Wesentlichen auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten werden. Insbesondere ist es möglich, die Bauteile der Messeinheit 30 auf einer vorbestimmten Temperatur zu halten, wobei über die Temperiereinheit bevorzugt eine vorgegebene Temperatur zum Beispiel 25°C als Raumtemperatur mit einer Genauigkeit von ± 0,5° C, bevorzugt ± 0,1 ° C eingestellt werden kann.The body 82 of the first housing 32 also has internal lines 94 for a tempering fluid. The internal lines 94 can be connected to a source of a tempering fluid via connections 95. The lines 94 extend at least partially parallel to the longitudinal axis of the through-opening 86, with cross connections also being provided to allow circulation of a tempering fluid through the lines 94. The body 82 and thus the elements accommodated therein can be kept essentially at a predetermined temperature via the tempering fluid. In particular, it is possible to keep the components of the measuring unit 30 at a predetermined temperature, wherein a predetermined temperature, for example 25°C as room temperature, can preferably be set via the temperature control unit with an accuracy of ± 0.5°C, preferably ± 0.1°C.

In dem Körper 82 ist ferner eine Ausnehmung bzw. Bohrung 97 vorgesehen, die zur Aufnahme eines Temperatursensors 98 dient. Die Ausnehmung 97 erstreckt sich seitlich in den Körper 82 hinein, und zwar derart, dass ein Messkopf des Temperatursensors 98 in der Nähe der Durchgangsöffnung 86 liegt, und zwar ungefähr auf der Höhe des den Sichtkanal 40 bildenden Körperteils 39 .Furthermore, a recess or bore 97 is provided in the body 82, which serves to accommodate a temperature sensor 98. The recess 97 extends laterally into the body 82 in such a way that a measuring head of the temperature sensor 98 is located near the through-opening 86, approximately at the height of the body part 39 forming the viewing channel 40.

Der Körper 82 weist ferner eine Durchgangsöffnung 99 auf, welche die Durchgangsöffnung 86 benachbart zur Rückseite 84 mit einer Seite des Körpers 82 verbindet. Dabei geht die Durchgangsöffnung 99 von der Seite des Körpers 82 aus, in der auch die Ausnehmung für den Temperatursensor 98 vorgesehen ist.The body 82 further has a through-opening 99 which connects the through-opening 86 adjacent to the rear side 84 with a side of the body 82. The through-opening 99 extends from the side of the body 82 in which the recess for the temperature sensor 98 is also provided.

Das zweite Gehäuse 34 ist an der Seite des Körpers 82 befestigt, zu der sich die Durchgangsöffnung 99 erstreckt. Das zweite Gehäuse 34 ist im Wesentlichen hohl und dient als Aufnahme für ein elektrisches Bauteil 100, das für den Empfang und ggf. die Verarbeitung von Signalen der Messeinheit 30 sowie des Temperatursensors 98 dient. Diese Signale können über die Durchgangsöffnung 99 zum Bauteil 100 geleitet werden. Der Temperatursensor 98 ist auch teilweise in dem zweiten Gehäuse 34 aufgenommen und erstreckt sich durch eine Öffnung darin in die Ausnehmung 97 im Körper 82 hinein. Das Bauteil 100 ist über entsprechende Leitungen mit dem Temperatursensor 98 sowie dem Sensorelement 64 der Messeinheit 30 sowie dem Temperatursensor benachbart zum Sensorelement 64 der Messeinheit 30 verbunden. Das Bauteil 100 kann über einen Anschluss mit einer externen Steuereinheit verbunden werden.The second housing 34 is attached to the side of the body 82 to which the through opening 99 extends. The second housing 34 is essentially hollow and serves as a receptacle for an electrical component 100 which serves to receive and, if necessary, process signals from the measuring unit 30 and the temperature sensor 98. These signals can be conducted to the component 100 via the through opening 99. The temperature sensor 98 is also partially accommodated in the second housing 34 and extends through an opening therein into the recess 97 in the body 82. The component 100 is connected via corresponding lines to the temperature sensor 98 and the sensor element 64 of the measuring unit 30 as well as the temperature sensor adjacent to the sensor element 64 of the measuring unit 30. The component 100 can be connected to an external control unit via a connection.

Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, ist das Sensorelement 64 der Messeinheit 30 im in einer isothermalen Umgebung eingebettet, die im Wesentlichen den Sichtwinkel des Sensorelements umfasst. Es gibt nur eine sehr kleine Eintrittsöffnung für externe Strahlung im vorderen Bereich der Blende 37 sowie die vordere Öffnung im Körperteil 39. Mögliche Umgebungsauswirkungen auf die Strahlungsmessung sind durch diese isothermale Umgebung konstruktiv kompensiert. Als externe Strahlung kommt nur direkte Strahlung des Halbleitersubstrats auf den Sensor, was unter anderem durch den Sichtkanal 40 im Körperteil 39 erreicht wird. Durch die Strukturierung und die schwarze Farbe des Sichtkanals wird verhindert, dass Streustrahlung zum Sensor gelangen kann.As can be seen from the above description, the sensor element 64 of the measuring unit 30 is embedded in an isothermal environment that essentially covers the viewing angle of the sensor element. There is only a very small entry opening for external radiation in the front area of the aperture 37 and the front opening in the body part 39. Possible environmental effects on the radiation measurement are structurally compensated by this isothermal environment. The only external radiation that reaches the sensor is direct radiation from the semiconductor substrate, which is achieved, among other things, by the viewing channel 40 in the body part 39. The structuring and the black color of the viewing channel prevent scattered radiation from reaching the sensor.

Das Sensorelement erzeugt durch die Strahlung aus der isothermalen Umgebung, sowie der vom Halbleitersubstrat stammenden Strahlung ein Ausgangssignal. Da die Temperatur der isothermalen Umgebung bekannt ist, kann der entsprechende Anteil der Strahlung an dem Signal herausgenommen werden, sodass das Ausgangssignal des Sensorelements für eine direkte Temperaturmessung des Halbleitersubstrats verwendet werden kann. Um gegebenenfalls kleine Temperaturschwankungen in der direkten Umgebung des Sensorelements zu erkennen, sind der Temperatursensor am Sensorelement 64 und der Temperatursensor 98 in dem Körper 82 des ersten Gehäuses vorgesehen. Sollten diese Temperatursensoren Abweichungen bezüglich einer vorgegebenen Temperatur anzeigen, ist es möglich, solche Abweichungen, welche zu entsprechenden Abweichungen im Signal des Sensorelements führen, elektronisch zu kompensieren. Kurze Schwankungen können zum Beispiel über einen Tiefpassfilter korrigiert werden. Eine solche Kompensation über einen Tiefpassfilter ist zum Beispiel in 6 dargestellt, wobei die X-Achse die Signalamplitude eines Sensorsignals und die Y-Achse eine Zeitachse darstellt. Dabei zeigt die Kurve A ein kompensiertes Signal und die Kurve B ein unkompensiertes Signal des Sensors zeigt.The sensor element generates an output signal from the radiation from the isothermal environment and the radiation from the semiconductor substrate. Since the temperature of the isothermal environment is known, the corresponding portion of the radiation can be removed from the signal so that the output signal of the sensor element can be used for a direct temperature measurement of the semiconductor substrate. In order to detect small temperature fluctuations in the immediate vicinity of the sensor element, the temperature sensor on the sensor element 64 and the temperature sensor 98 in the body 82 of the first housing are provided. If these temperature sensors indicate deviations with respect to a predetermined temperature, it is possible to electronically compensate for such deviations, which lead to corresponding deviations in the signal of the sensor element. Short fluctuations can be corrected, for example, using a low-pass filter. Such compensation using a low-pass filter is, for example, possible in 6 where the X-axis represents the signal amplitude of a sensor signal and the Y-axis represents a time axis. Curve A shows a compensated signal and curve B shows an uncompensated signal from the sensor.

Im Nachfolgenden wird nunmehr eine thermische Behandlung eines Substrats 2 der Figuren näher erläutert.In the following, a thermal treatment of a substrate 2 of the figures is explained in more detail.

Nachdem ein Substrat 2 in die Prozesskammer 4 geladen ist, kann eine gewünschte Prozessgasatmosphäre (reaktiv, inert, oxidierend, reduzierend etc.) in der Prozesskammer 4 eingestellt werden. Anschließend werden die Lampen der unteren und/oder der oberen Heizeinheit 6, 7 angesteuert, um das Substrat zu erwärmen. Hierbei wird üblicherweise ein bestimmtes Temperaturprofil für das Halbleitersubstrat vorgegeben, das erreicht werden soll. Ein solches Temperaturprofil ist beispielsweise in 5 dargestellt, wobei die durchgezogene Linie einen Temperatur-Sollwert, d.h. eine Zieltemperatur während des Prozesses für das Substrat vorgibt. In 5 ist ferner eine gepunktete Linie dargestellt, welche eine durch das Pyrometer 10 erfasste Temperatur darstellt. Die gestrichelte Linie zeigt die Heizleistung der Lampen der unteren und oberen Heizeinheit 6, 7 an, welche anhand des Pyrometersignals geregelt wird.After a substrate 2 is loaded into the process chamber 4, a desired process gas atmosphere (reactive, inert, oxidizing, reducing, etc.) can be set in the process chamber 4. The lamps of the lower and/or upper heating unit 6, 7 are then controlled to heat the substrate. In this case, a certain temperature profile for the semiconductor substrate is usually specified, which is to be achieved. Such a temperature profile is, for example, in 5 where the solid line indicates a temperature setpoint, ie a target temperature for the substrate during the process. In 5 A dotted line is also shown, which represents a temperature detected by the pyrometer 10. The dashed line shows the heating power of the lamps of the lower and upper heating units 6, 7, which is controlled based on the pyrometer signal.

Für Halbleitersubstrate, insbesondere solche mit großer Bandlücke, wie beispielsweise Siliziumkarbid (SiC), Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN), Indiumphosphid (InP) und anderen oder auch Silizium (Si), Germanium (Ge), ist bekannt, dass sichtbares und infrarotes Licht der Halogenlampen insbesondere bei niedrigen Temperaturen im Wesentlichen durch das Substrat hindurchgeht. Nur kurzwelliges Lampenlicht wird ausreichend absorbiert, um eine Aufheizung zu erreichen. Bei entsprechender Heizleistung reicht dieser Anteil kurzwelligen Lichts plus der durch Phononen absorbierte langwellige Anteil jedoch aus, um Halbleitersubstrate mit großer Bandlücke ausreichend rasch aufzuheizen. Dabei können hohe Rampraten erreicht werden, da der Halbleiterwafer direkt, d.h. ohne Zwischenelemente wie beispielsweise Platten oder Boxen aus Graphit oder SiC aufgeheizt werden. Darüber hinaus wird über die direkte Temperaturmessung (Emissivitätsmessung) eine gute Kontrolle der Ramprate als auch der Halbleitersubstrattemperatur erreicht. Da auf Zusatzelemente in der Kammer verzichtet werden kann, ist neben der minimierten aufzuheizenden und wieder abzukühlenden thermischen Masse auch eine verbesserte Kontrolle der Prozessgasatmosphäre möglich. Ein Zusatzelement das neben dem Halbleitersubstrat noch vorgesehen sein könnten ist einen Ring aus gleichem oder ähnlichem Halbleitermaterial, der einteilig oder aus mehreren Segmenten gebildet ist und das zu prozessierende Substrat in der Ebene umgibt, um Randeffekte beim aufheizen/abkühlen zu kompensieren.For semiconductor substrates, especially those with a large band gap, such as silicon carbide (SiC), gallium arsenide (GaAs), gallium nitride (GaN), indium phosphide (InP) and others or silicon (Si), germanium (Ge), it is known that visible and infrared light from halogen lamps essentially passes through the substrate, especially at low temperatures. Only short-wave lamp light is sufficiently absorbed to achieve heating. With appropriate heating power, however, this portion of short-wave light plus the long-wave portion absorbed by phonons is sufficient to heat semiconductor substrates with a large band gap sufficiently quickly. High ramp rates can be achieved because the semiconductor wafer is heated directly, i.e. without intermediate elements such as plates or boxes made of graphite or SiC. In addition, good control of the ramp rate and the semiconductor substrate temperature is achieved via direct temperature measurement (emissivity measurement). Since additional elements in the chamber can be dispensed with, in addition to the minimized thermal mass to be heated and cooled again, improved control of the process gas atmosphere is possible. An additional element that could be provided in addition to the semiconductor substrate is a ring made of the same or a similar semiconductor material, which is formed in one piece or from several segments and surrounds the substrate to be processed in the plane in order to compensate for edge effects during heating/cooling.

Wie zuvor erwähnt, absorbiert Quarz im Wesentlichen Wellenlängen der Strahlung der Halogenlampen über 5 µm, sodass bei der Messwellenlänge von 6 bis 20 µm, insbesondere von 7 bis 15 µm und bevorzugt von 8 bis 14 µm die direkte Lampenstrahlung keine Störung in die Messung einbringen kann. Dies führt zu einer stark verringerten Hintergrundstrahlung im Vergleich zu anderen Messwellenlängen.As previously mentioned, quartz essentially absorbs wavelengths of halogen lamp radiation above 5 µm, so that at the measuring wavelength of 6 to 20 µm, especially 7 to 15 µm and preferably 8 to 14 µm, the direct lamp radiation cannot interfere with the measurement. This leads to a greatly reduced background radiation compared to other measuring wavelengths.

Die in der Halbleitertechnologie verwendeten dünnen Beschichtungen an der Oberfläche der Halbleitersubstrate beeinflussen die Emissivität der Substrate, einerseits durch die Dicke der dielektrischen Schichten, andererseits durch unterschiedliche Dotierkonzentrationen bzw. elektrischen Leitfähigkeiten. Aufgrund des breiten Wellenlängenbereichs auch bezüglich des bevorzugten Wellenlängenbereichs von 8-14 µm für die Messung haben die ohnehin meist deutlich dünneren Schichten im verwendeten Messbereich einen deutlich reduzierten Einfluss auf die Emissivität wie bei schmalbandigerer und kurzwelligerer Messung. Da zudem bei der verwendeten Messwellenlänge Phononenwechselwirkungen wesentlich sind, haben auch die unterschiedlichen Dotierkonzentrationen von leitenden Schichten, welche ja im Wesentlichen die freie Elektronenabsorption beeinflussen einen wesentlich geringeren Anteil an der Emissivität im Vergleich zu kürzeren Messwellenlängen. Daher sollte die Breite des Wellenlängenbereichs für die Messung (auch Messwellenlänge genannt) wenigstens 4 µm oder mehr betragen.The thin coatings used in semiconductor technology on the surface of semiconductor substrates influence the emissivity of the substrates, on the one hand through the thickness of the dielectric layers, and on the other hand through different doping concentrations or electrical conductivities. Due to the wide wavelength range, including the preferred wavelength range of 8-14 µm for the measurement, the usually much thinner layers in the measurement range used have a significantly reduced influence on the emissivity than with narrower-band and shorter-wave measurements. Since phonon interactions are also important at the measurement wavelength used, the different doping concentrations of conductive layers, which essentially influence the free electron absorption, also have a much smaller share in the emissivity compared to shorter measurement wavelengths. Therefore, the width of the wavelength range for the measurement (also called measurement wavelength) should be at least 4 µm or more.

Hierzu zeigt 4 ein Beispiel einer Emissivitätsvariation, die bei unterschiedlichen Wafern und unterschiedlichen Beschichtungen auf den Wafern bei unterschiedlichen Temperaturen für unterschiedliche Messwellenlängen auftreten kann. Dabei wurden Si Wafer mit einer SiO₂ Schicht und unterschiedlichen Schichtdicken einer Si₃N₄-Schicht zugrunde gelegt. Die Figur zeigt, dass sich beispielsweise bei einer Temperatur von 400° C die Emissivität des Wafers - im Bereich einer Messwellenlänge von 2,3 µm - in Abhängigkeit von der Beschichtung zwischen 0,1 und ca. 0,95 verändern kann. Bei einer Messwellenlänge von 8 bis 14 µm ist eine entsprechende Veränderung nur zwischen 0,7 und 0,95 gegeben. Mithin besteht bei einer Messwellenlänge von 8 bis 14 µm eine wesentliche geringere Emissivitätsabhängigkeit. Die Variationsbreite wird bei höheren Temperaturen geringer, wobei hier auch deutlich zu sehen ist, dass eine Messwellenlänge von 8 bis 14 µm zu geringeren Variationen führt.This is shown by 4 an example of an emissivity variation that can occur with different wafers and different coatings on the wafers at different temperatures for different measurement wavelengths. Si wafers with a SiO ₂ layer and different layer thicknesses of a Si ₃ N ₄ layer were used as a basis. The figure shows that, for example, at a temperature of 400° C, the emissivity of the wafer - in the range of a measurement wavelength of 2.3 µm - can change between 0.1 and approx. 0.95 depending on the coating. With a measurement wavelength of 8 to 14 µm, a corresponding change only occurs between 0.7 and 0.95. Therefore, with a measurement wavelength of 8 to 14 µm, the emissivity dependence is significantly lower. The range of variation becomes smaller at higher temperatures, although it is also clearly visible here that a measurement wavelength of 8 to 14 µm leads to smaller variations.

Darüber hinaus hat die Verwendung einer Messwellenlänge von 8 bis 14 µm den Vorteil, dass die eigentliche Wafertemperatur erfasst wird, während bei den üblichen Messwellenlängen die Temperatur der Schichten erfasst werden.In addition, the use of a measuring wavelength of 8 to 14 µm has the advantage that the actual wafer temperature is recorded, whereas the usual measuring wavelengths record the temperature of the layers.

Die Verwendung eines Pyrometers wie oben beschrieben ermöglicht eine direkte Heizung mittels Lampenstrahlung bei direkter Temperaturmessung, insbesondere für Halbleitersubstrate mit großer Bandlücke. Auf Zwischenelemente (Platte/Box) kann somit verzichtet werden, was eine Bewegung des Halbleitersubstrats in der Prozesskammer (hoch/runter/drehen) vereinfacht. Auch die Einstellung eines Prozessgas-Ambients wird erleichtert und verbessert. Die direkte Temperaturmessung erlaubt eine rasche direkte Regelung der Lampenleistung. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform mit untenliegender Heizeinheit und Temperaturmessung von unten, kann ferner die obere Heizeinheit durch eine Plasmaeinheit ausgetauscht werden. Dies ermöglicht eine Plasmaprozessierung der Vorderseite für z.B. Side-Wall-Smoothing, Oxidation, Nitridation oder andere Prozesse. Die Substrattemperatur kann gezielt variiert werden, um die Plasmaprozesse auf der Vorderseite effektiver zu machen.The use of a pyrometer as described above enables direct heating by means of lamp radiation with direct temperature measurement, especially for semiconductor substrates with a large band gap. Intermediate elements (plate/box) can thus be dispensed with, which simplifies movement of the semiconductor substrate in the process chamber (up/down/turn). The setting of a process gas ambient is also made easier and improved. The direct temperature measurement allows rapid direct control of the lamp power. 1 In the embodiment shown with a heating unit underneath and temperature measurement from below, the upper heating unit can also be replaced by a plasma unit. This enables plasma processing of the front side for example for side-wall smoothing, oxidation, nitridation or other processes. The substrate temperature can be varied in a targeted manner to make the plasma processes on the front side more effective.

Die Erfindung wurde anhand der Figuren näher erläutert ohne auf die genaue Ausführungsform beschränkt zu sein.The invention has been explained in more detail with reference to the figures without being limited to the exact embodiment.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2311066 A1 [0033]

Claims

Method for measuring the temperature of a semiconductor substrate during a lamp-based thermal treatment thereof, the method comprising: Directing radiation emanating from the semiconductor substrate in a wavelength range of 6 to 20 µm to a sensor; Detecting radiation at the sensor which has a first radiation component which originates from the semiconductor substrate to be measured and a second radiation component which originates from components which are in the field of view of the sensor; Determining the second radiation component taking into account a temperature of the components; Outputting a temperature of the semiconductor substrate based on the detected radiation.

Method for measuring the temperature of a semiconductor substrate according to Claim 1 , wherein the guiding of radiation emanating from the semiconductor substrate to a sensor comprises the guiding of radiation in a wavelength range of 7 to 15 µm, in particular of 8 to 14 µm.

Method for measuring the temperature of a semiconductor substrate according to Claim 1 or 2 , wherein the wavelength range has a width of at least 4 µm.

A method for measuring the temperature of a semiconductor substrate according to any one of the preceding claims, wherein the radiation is directed from the semiconductor substrate to the sensor via an elongated viewing channel.

Method for measuring the temperature of a semiconductor substrate according to one of the preceding claims, further comprising tempering the sensor, components that lie in the field of view of the sensor, in particular components that surround the sensor, and/or a body that defines the viewing channel to a predetermined temperature.

Method for measuring the temperature of a semiconductor substrate according to Claim 5 , wherein the predetermined temperature during tempering is controlled with an accuracy of ± 0.5 °C, preferably ± 0.1 °C.

A method for measuring the temperature of a semiconductor substrate according to any one of the preceding claims, further comprising sensing the temperature of the sensor, components surrounding the sensor, and/or a body defining the viewing channel, wherein the sensed temperature is taken into account for determining the second radiation component.

A method for measuring the temperature of a semiconductor substrate according to any one of the preceding claims, wherein the semiconductor substrate is a semiconductor having a band gap of ≥ 1.2 eV.

Pyrometer for measuring the temperature of a semiconductor substrate, in particular during a lamp-based thermal treatment thereof, comprising: an optical sensor; means for directing radiation in a wavelength range of 6 to 20 µm onto the sensor; at least one first housing that surrounds the sensor; and means for determining the temperature of the sensor and/or components of the pyrometer that are in the field of view of the sensor.

Pyrometer according to Claim 9 , wherein the means for guiding radiation are configured to guide radiation in a wavelength range from 7 to 15 µm, in particular from 8 to 14 µm, to the sensor.

Pyrometer according to Claim 9 or 10 , wherein the means for guiding radiation comprises a band-pass filter in the beam path of the pyrometer.

Pyrometer according to one of the Claims 9 until 11 , wherein the means for determining the temperature comprise means for tempering the sensor and/or components of the pyrometer which are in the field of view of the sensor to a predetermined temperature.

Pyrometer according to one of the Claims 9 until 12 further comprising an elongated viewing channel which defines a field of view of the sensor.

Pyrometer according to one of the Claims 9 until 13 further comprising at least one temperature sensor for measuring a temperature of the sensor and/or components of the pyrometer which are in the field of view of the sensor, in particular the housing and/or a body forming the viewing channel.

Pyrometer according to one of the Claims 9 until 14 further comprising a compensation unit which compensates influences on the signal of the sensor by the temperature of the sensor, the housing and/or a body forming the viewing channel.

Pyrometer according to one of the Claims 9 until 15 , wherein the first housing surrounding the sensor is formed by a housing part having a receptacle and an aperture with a radiation opening.

Pyrometer according to Claim 13 and 16 , wherein the elongated viewing channel extends in a viewing direction of the sensor behind the radiation opening of the aperture.

Pyrometer according to one of the Claims 9 until 17 , wherein inner walls of the first housing and/or the viewing channel have a surface which substantially suppresses internal reflection of light entering at the radiation opening and/or at the free end of the viewing channel in the direction of the sensor.

Pyrometer according to Claim 18 , wherein the surface has at least partially a black coating.

Pyrometer according to Claim 18 or wherein the inner walls of the viewing channel are at least partially structured and preferably have a thread structure, in particular a fine thread structure.

Pyrometer according to one of the Claims 9 until 20 , comprising a second housing that accommodates the first housing with the sensor accommodated therein and, if present, the body forming the viewing channel, wherein the second housing has at least one flow channel for a fluid that can be connected to a source of tempered fluid.

Pyrometer according to Claim 21 , comprising the source of tempered fluid, wherein the source of tempered fluid is suitable for providing fluid at a predetermined temperature with an accuracy of ± 0.5 °C, preferably ± 0.1 °C or less.

Device for thermally treating a semiconductor substrate, comprising: a process chamber with a receiving area for a semiconductor substrate; at least one heating unit which is suitable for heating a semiconductor substrate received in the receiving area; a pyrometer according to one of the Claims 9 until 22 , whereby the pyrometer is aligned in such a way that, in addition to components of the pyrometer itself, only a surface of a semiconductor substrate accommodated in the recording area is in the field of view of the sensor.

Device according to Claim 23 , wherein the pyrometer is directed substantially perpendicularly to the surface of a semiconductor substrate received in the receiving region.

Device according to Claim 23 or 24 , wherein the at least one heating unit has at least one lamp, in particular a halogen lamp with a quartz jacket.

Device according to one of the Claims 23 until 25 , wherein the at least one heating lamp is located on a side of the receiving area facing the pyrometer and at least one further heating lamp or at least one plasma source is provided on the other side of the receiving area.