CN102156008A - 用于校准温度测量器件的方法和用于确定晶片温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于晶片温度测量和温度测量器件校准的方法和装置，它们可基于对半导体晶片中层的吸收的确定而实现。所述吸收的确定可通过朝晶片引导光并测量从光所入射的表面下被晶片反射的光而实现。校准晶片和测量系统可布置和构造成使得以相对晶片表面预定角度反射的光被测量，而其它光不会。测量还可基于评价晶片中或晶片上的图案的像的对比度。其它测量法可采用确定晶片内光程长度以及根据反射或透射光的温度测量。

Description

用于校准温度测量器件的方法和用于确定晶片温度的方法

本申请是申请号为200780032373.5、申请日为2007年6月29日、申请人为马特森技术公司、发明名称为“用于确定晶片温度的方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于校准温度测量器件的方法和用于确定晶片温度的方法。

背景技术

这里所用的热处理室(thermal processing chamber)指的是迅速加热物体，例如半导体晶片的设备。这种设备通常包括用于保持一个或更多半导体晶片或其它物体的基板保持器，以及用于加热晶片的能源，例如加热灯和/或电阻加热器。在热处理期间，半导体晶片根据预设的温度体制在受控条件下被加热。

许多半导体加热过程要求晶片被加热到高温，使得在晶片被制造成器件时可出现各种化学和物理转换。在快速热处理期间，例如，半导体晶片被通常由灯阵列用通常少于几分钟的时间从大约300℃加热到大约1200℃的温度。在这些过程期间，一个主要目标是尽可能均匀地加热晶片。

在半导体晶片的快速热处理期间，需要监视和控制晶片温度。具体地，对于所有当前和可预见到的高温晶片处理，具有高精度、重复性和速度地确定晶片真实温度很重要。准确测量晶片温度的能力在所制造集成电路的质量和尺寸上具有直接的收益。

在晶片加热系统中一个最严重的挑战是能在加热过程中准确测量基板的温度。过去，研发了各种用于在热处理室中测量基板温度的手段和设备。这些设备包括例如高温计，与基板直接接触或与基板邻近放置的热电偶，以及采用激光干涉。

为了在热处理室中使用高温计，高温计通常需要校准。因此，目前存在各种校准程序以将高温计的温度读取与绝对和准确的温度参考对准。在热处理室中校准高温计的一个广泛采用的方法是在室内放置具有嵌入在晶片内的热电偶的半导体晶片。由热电偶获取的温度量度与从温度测量设备收到的温度读取比较，并校正掉任何差异。

尽管这种方法很适合于校准温度测量设备，例如高温计，它却要求相当多的时间校准仪器。因此，目前需要一种在热处理室中非常快速地校准高温计的方法，不会产生相当长的停机时间。具体地，需要一种不必打开热处理室的情况下在热处理室中校准高温计的方法，从而保持热处理室的完整和纯净。还需要在热处理室中校准高温计的简单方法，可作为验证光学高温计系统正确运行的常规检查而日常使用。

另外，需要一种可跨跃温度范围使用的在热处理室中测量温度和校准高温计的方法，包括准确的高温测量和/或校准。

发明内容

一种校准温度测量器件的方法可包括：将入射光线导向校准晶片的第一侧；检测包括穿过晶片内光路并在反射平面反射的至少一束光线的光能量，所述反射平面区别于所述校准晶片的第一侧；根据所检测的能量确定晶片的吸收；根据所述吸收确定晶片的温度；以及根据所确定的温度校准温度测量器件。例如，所述反射平面可包括晶片的两个层之间的界面、晶片的两个层之间的层、晶片的两个层之间的缝隙、晶片的第二侧或后侧、以及可包括图案或衍射光栅。

检测光能量可包括检测以预定角度射出校准晶片的第一侧的至少一束光线。可在被选择为使晶片表面反射率最小的入射角和偏振平面上引导所述入射光线。

所述晶片可包括吸收层和基板，所述吸收层和基板可从在入射光线的波长下具有不同折射率的材料中选择，使得所述反射平面位于所述吸收层与所述基板的界面上。或者，所述晶片可在所述吸收层和所述基板之间包括至少一个附加层，反射平面定义在所述附加层。所述吸收层和所述基板可都包括硅，所述附加层可包括二氧化硅，不过其它材料适用于任何层。

所述晶片在所述吸收层与所述基板之间的界面上可包括光栅，所述光栅定义反射平面。然后所检测的光能量可包括被所述光栅衍射的光。

所述晶片的第一侧可包括抗反射涂层，所述晶片也可包括反射增强层或涂层，所述反射增强层定义所述反射平面。

所述晶片可包括在所述吸收层与基板之间的缝隙，所述缝隙定义所述反射平面。

所述晶片可包括有纹理的前侧。

所述晶片可构造成使得所述反射平面和所述晶片的第一侧相对彼此倾斜。例如，吸收层可构造成使得所述吸收层的第一表面不平行于后表面，或吸收层可位于具有渐缩形状的另一层上。

被引导的光可用窄带光源或宽带光源发出，或可替代地包括其它电磁能量。

可构造并布置一个或多个光学元件以将从晶片反射的所选部分的光能量引导到至少一个检测器中和/或将反射光的所选部分引导出所述检测器。

所述检测器可定位成检测从所述反射平面反射的光或以某些预定角度或角度范围反射的光或，而不检测从所述第一侧或以其它预定角度或角度范围反射的光。

所述晶片可在所述反射平面上包括图案，并且确定所述晶片的吸收可包括获得所述图案的像并分析该像，例如通过评价所述图案中的对比度。通过采用构造成阻挡从所述晶片的所述第一侧反射的光的滤光器可增强被观察的图案。

一种适用于校准光学传感器的校准晶片可包括：构造成吸收选定波长的光的至少一部分的吸收层；以及基板。可选择和构造所述基板和所述吸收层使得反射选定波长的光的至少一部分的反射平面位于区别于所述吸收层外表面的位置。

所述吸收层可包括例如硅。所述晶片可进一步包括在所述吸收层和所述基板之间的至少一个附加层。所述吸收层和基板可都包括硅，所述附加层可包括二氧化硅。如上所述，所述反射平面与所述晶片的第一或外表面可相对彼此倾斜。所述晶片的所述外表面可包括抗反射涂层，或可有纹理。所述反射平面可包括例如反射增强材料层、膜或涂层，或可包括纹理表面、图案或光栅。晶片中可采用其它合适材料，例如，Si、Ge、GaAs、InP、AlAs、GaN、InN、GaP，GaSb、InSb、SiC、金刚石、AlGaAs、GaInAsP、InGaN、SiGe或SiGeC。

一种用于校准温度测量器件的系统可包括：用于接收半导体晶片的室，例如RTP室。所述晶片可包括校准晶片，并且所述室还可包括与所述室联系并构造成加热所述晶片的加热器件。所述系统可采用构造成监视所述晶片温度的温度测量器件，并包括构造成朝所述晶片发出包括至少一个选定波长的能量的校准光源。至少一个光检测器可定位成在光能量穿过光路之后，检测从所述晶片反射的选定波长的光能量的量，所述光路的至少一部分落在所述晶片的至少一部分。

所述系统还可包括与所述光检测器和所述温度测量器件联系的控制器，其构造成根据所检测的光来校准所述温度测量器件。所述控制器可包括计算机系统，并还可控制RTP室的其它元件。所述光检测器可包括光传感器或其它光学传感器。所述温度测量器件可包括高温计。

一种校准温度测量器件的方法可包括：对于第一选定温度范围，根据从校准光源透射通过物体的能量测量确定所述物体的绝对温度；对于第二选定温度范围，光穿过包括至少一次物体内部反射的光路之后，根据从所述物体反射的光确定所述物体的绝对温度。可校准至少一个温度测量器件以解释在第一和第二选定温度范围内所述绝对温度的变化。所述物体可包括校准晶片，所述测量器件可包括高温计。

所述校准工艺可构造成使得所述第一选定温度范围的上限和第二温度范围的下限近似相等，并由被透射的光信号的衰减而限定。所述第一选定温度范围的上限和第二温度范围的下限可都等于大约850℃。替代地，所述第一和第二温度范围可至少部分重叠。

一种用于确定物体温度的方法可包括：朝物体引导相干能量，使得所述物体与所述相干能量相互作用。所述相互作用可包括例如透射或反射至少一部分能量。所述方法可进一步包括朝所述物体引导非相干光，使得所述物体与所述非相干能量相互作用。与所述物体相互作用之后根据测量非相干能量可确定所述物体的绝对温度。在与所述物体的相互作用之后可进行相干能量的第一测量，随后是相干能量与物体相互作用之后的第二次测量，其中在物体的温度改变后进行第二测量。根据相干能量的第一和第二次测量，可确定物体内光程长度的变化，根据光程长度的变化则可确定温度变化。

确定所述物体的绝对温度可包括根据从所述物体反射的非相干能量的测量结果和/或透射通过所述物体的非相干能量的测量结果而确定物体中的吸收度。

所述相干能量和所述非相干能量中的至少一个可例如通过调制而随时间变化。

所述方法还可包括用温度测量器件测量所述物体的温度，并根据所确定的绝对温度和温度变化校准所述温度测量器件。所述物体可包括半导体加工晶片或校准晶片，所述温度测量器件可包括高温计。

一种用于确定半导体晶片温度的方法可包括：提供成像系统并用所述成像系统获得位于所述半导体晶片表面中或表面上的图案的像。可根据像中的对比度确定所述晶片的绝对温度。所述图案可透过所述晶片的包含光学性质随温度改变的材料的一部分而观察，该部分位于所述成像系统和所述图案之间。

所述方法可进一步包括朝所述半导体晶片引导光能量，其中通过检测被所述图案反射和/或透射通过晶片的来自光源的光可获得所述图案的像。或者，所述图案的像可基于从物体发出的光线。所确定的温度可用于校准一个或多个测量器件，例如高温计。

附图说明

针对本领域技术人员，包括实践所附权利要求的最佳实施方式在内的完整的、可实现的公开在说明书的其余部分中参照附图得以阐释，其中相似的附图标记表示类似的特征，其中：

图1示出示例的RTP室；

图2示出示例的包括第一和第二面的材料板，并示出当能量线A0入射在板表面上时在板中产生的多个反射；

图3a～3b示出在校准晶片中层布置的通常的例子；

图4示出在示例校准晶片中产生的多个反射；

图5a～5b包括绘出反射测量和模拟的反射测量；

图6示出包括可产生漫反射的纹理表面的示例材料板；

图7示出示例材料板和相关反射；

图8示出包括至少一个涂层或膜的示例材料板和相关反射；

图9示出包括缝隙的示例材料板；

图10a～10d示出示例材料板和示例表面纹理；

图11和图12a～12b示出包括相对彼此倾斜表面的示例材料板和光线；

图13示出包括纹理表面的示例材料板；

图14a～14b示出包括光栅结构的板构造的示例实施例；

图15示出可构造成从所选反射分离能量用于检测的示例光聚焦配置；

图16和17示出包括图案的示例板和使图案成像的示例系统；

图18示出适用于基于反射的测量的包括选定区域的示例校准晶片；

图19a～19c示出示例的校准晶片结构布置；

图20示出示例的照明和检测布置；

图21示出示例的照明和检测布置；以及

图22和23是包括用于确定晶片温度的方法的示例步骤的流程图。

具体实施方式

以下将详细给出本发明实施例的参考，其一个或更多例子在附图中示出，相似的附图标记大致表示相同的结构元件。每个例子以解释而非限制的方式提供。实际上，对于本领域技术人员显而易见可在不背离本说明书和权利要求的范围和精神的情况下做出各种修改和变化。例如，作为一个实施例一部分的所示或所述特征可用在其它实施例上而产生另一个实施例。这样，这里的说明书包括所述权利要求及其等效物范围内的修改和变化。

由Paul J.Timans在2002年6月24日申请并转让给本受让人的美国专利申请No.10/178,950在这里引用作为参考。美国专利申请No.10/178,950描述用于推导晶片温度的各种方法，包括进行测量透射通过晶片的光。这种测量可用于确定正在进行晶片制造工艺的晶片的温度。一个具体应用包括确定晶片温度然后采用该温度读数以校准用于测量晶片温度的高温计或其它温度传感器。为了校准，在校准工序前可采用结构和成分已知的特殊晶片，使得其光学性质及光学性质的温度依赖性是可预测的。在这种情况下，可用原位光学性质测量推导晶片温度。半导体基板的光学吸收系数α(λ，T)，经常体现出强的温度依赖性，因而α(λ，T)的测量可使得准确确定晶片温度。

光学透射率S^*取决于α(λ，T)，因此测量S^*可用于确定晶片温度。另外，反射率R^*也受到α(λ，T)影响，因而它也可用于监视温度。

对于～900℃以上的温度采用透射测量推导晶片温度会出现特殊问题。对于典型厚度(例如对于200mm直径晶片的厚度725μm，或者对于300mm直径晶片的厚度775μm)的硅晶片会出现困难，这是由于在高温下，硅的光学吸收系数非常高，因而由晶片透射的光的量会变得太小而不能准确测量。这种问题的解决方案可包括采用薄的晶片，或者包括薄区域的晶片。这些薄晶片或晶片区域也可由硅制成，但其厚度d远小于标准晶片的厚度(例如，d＜150μm)，使得在高温下有合理程度的光透射(例如＞10^-7)，并可在即使在高达1100℃的温度下进行正确的测量。这种方法的一个可能的困难是这么薄的部分或区域可能机械上易碎，因而使得这种晶片可能难造并昂贵。该方法另一个潜在的问题是因为晶片的不同区域可能机械或光学上不同。由于校准晶片的光学和热学性质可能不均匀，晶片在RTP工具中受热时可能发热不均匀，这可导致校准工艺期间更复杂的工作，可能潜在地使得结果较不准确。一个替代方案是采用透明的基板支撑薄的硅晶片，或采用具有所需厚度硅表面涂层的透明基板的晶片。但是，这种结构通常昂贵且制造复杂。另外，他们不象典型晶片，因而可能对于校准高温计用处较少。另外，硅表面层与透明基板之间热膨胀系数的不同可能导致基板中或膜中的应力。这种应力会造成损坏和/或改变硅的光学性质。

由于难以采用透射测量确定在高温下硅晶片的温度，本发明的实施例提供基于从晶片反射的光的类似类型的温度测量。该方法可用在确定晶片温度的各种方式中。具体地，该方法允许准确确定透射测量难以确定的高温。

这里所公开的各种实施例利用测量反射光以推导晶片的温度。反射光测量可在半导体加工室内进行，例如图1所示。

图1示出示例的RTP加工室10，其中晶片12由灯组14和16加热。在所示例子中，灯组都在晶片上方(14)和下方(16)。晶片被支撑在通过都在晶片上方(18)下方(20)的窗与周围隔绝的工艺环境内。

本领域的技术人员会认识到室10只是示例，而这里所公开的实施例同样可用在其它类型室和包括与图1所示不同结构的室中。例如，尽管所示灯在晶片上下，在其它室设计中这不是必须的。当然，在其它合适的室中，该灯可由其它加热源代替或补充，例如不同的灯的布置，感应元件，热板，或其它基于接触的加热方法，传导加热，对流加热，RF或微波源，扫描激光及粒子束。

但应理解，除了晶片外，室10还可适于处理光学零件、膜、纤、带和其它基板，本说明书中的术语“晶片”只是例子，不表示排除任何其它具体形状或基板。

本领域技术人员会认识到在室内可实施各种工艺，例如图1所示的一种，为此需要准确的温度测量。例如，室可构造成和用于在基板氧化期间基板的热处理或退火，或在修改、增加膜的其它过程期间的扩散处理，或涉及表面和/或基板其它部分的反应。其它工艺可包括任何合适的膜沉积工艺，例如化学汽相沉积工艺或原子层沉积工艺。其它的工艺还可包括等离子加工、离子注入、离子注入损伤退火，硅化物成形、回流、在基板上沉积材料或蚀刻基板。

窗可由石英玻璃，蓝宝石，AlON，或任何其它能将来自灯的能量透射到晶片的材料制成。灯被包含在具有壁22的室内。壁可反射灯辐射以提高灯能量到晶片的耦合。尽管能量被示出为投射透过与监视发射、反射和透射能量的各种传感器所用相同的窗，室可构造成使得能量投射通过与监视发射、反射、透射能量所通过的不同的窗户。实际上，每个这样的传感器可具有独立的窗户，任何窗户可被构造成透射或阻挡一定范围的能量，从而提高系统的测量能力。

该系统还具有可用于在加工期间监视晶片的各种传感器和光学仪器，以及其它装备(未示出)以执行晶片工艺，例如气体入口/出口，冷却系统等。

图1示出仪器和传感器的示例结构和示例的光源30。光源30是一个光源，或者是多光源的组合，可通过发射入射在晶片上的光线A0而照射晶片表面。所反射的光线RA相应于来自晶片表面的实质上镜面反射。光线RA中的反射能量由传感器32检测。反射或散射的光线RB相应于在非镜面方向上反射的光线A0的能量。这种光线可在A0遇到晶片中与产生反射光线RA的表面相对倾斜的表面的情况下出现。它还可由散射效应或衍射效应出现。光线RB中的能量可由传感器34检测。一些来自A0的能量还可通过晶片，形成透射光线T。该光线中的能量可被传感器36检测。传感器还可监视由晶片12本身发出的能量。例如，热的晶片会发出热辐射。传感器38可检测从晶片顶面发出的辐射E1。传感器40可检测从晶片底面发出的辐射E2。光线A0的入射角以及各种传感器观察晶片表面的角度可根据需要选择。另外，如需要可选择从光源30发出的辐射的波长。

光源30可为例如激光的窄带源，或例如灯、LED、超发光LED、超连续谱光源或热物体的宽带源。在一些应用中，甚至可以是例如RF源、微波源、或THz辐射源。通常，它是电磁辐射源，发出波长范围在100nm到1m之间的辐射。从光源30发出的波长范围可利用滤光器来选择或改变。当采用激光源时，选择波长可例如通过选择激光器类型，或通过采用可调激光器，或多波长激光器并通过利用非线性光学介质例如频率倍增器或混频器来控制激光波长。从光源30发出的光的偏振状态也可被控制。对于通常产生偏振光的激光源，这可涉及控制激光器取向和/或操控光束取向以获得相对光线A0在晶片表面上的入射的特定偏振状态。对于所有光源30，偏振也可通过利用偏振和/或延迟光学元件来控制。从光源30输出的能量可为连续的、脉冲的或调制的，从而随时间变化。如果需要也可调制偏振状态、入射角度和波长。尽管来自光源30的辐射被示出通过窗，它也可被其它装置，例如光管、波导或光纤引导到加工环境。在一些情况下，来自光源30的辐射可能不能通过从透射灯辐射选择的窗材料。在这种情况下，可包括由允许通过来自光源30的能量的材料制成的独立部分的窗。

在传感器32、34、36、38和40之前的光学元件中也可包括滤光和偏振元件。这种滤光器可用于确定在被晶片反射、散射、透射或发射的光线中检测到的能量的偏振状态和波长范围。

RTP室10及其部件也可链接到一个或多个控制器(未示出)用于累积和处理测量结果并控制光源，热源和实施处理过程中所用的其它部件。例如，光传感器和高温计可链接到运行算法的合适电路以执行这里所公开的各种方法并进行各种任务，例如，构造成基于用各种传感器测量的光计算晶片吸收的计算机系统，如下所述。

图2示出当能量线A0入射在第一表面52上时，在材料板50中怎样出现多反射。入射光线在第一表面52被部分反射产生光线R1，但也部分透射而产生内部光线A1。光线A1在材料板的第二表面54反射，形成内部反射光线A2。来自光线A1的部分能量被透射通过第二表面54，形成透射光线T1。来自光线A2的部分能量从第一表面52再次发出，形成反射光线R2，并且如此过程继续。由于反射光线R2、R3等的强度受板内吸收的影响，反射光强度的测量对于晶片温度敏感，因而这里所述方法可用于温度测量。但是，在使这种测量非常准确存在几个严重的挑战，这些被这里所述方法解决。这里所述概念可用于帮助提高用反射光测量推导材料板内吸收强度的任何测量方法的准确度。

具有第一表面52和第二表面54的板50可相应于具有前后表面的晶片或晶片或其它物体内的层。根据具体系统的构造，例如前表面或上表面可包括第一表面52和后表面或下表面可包括第二表面54，或相反。因此，术语第一和第二表面可用于表示本文件中所含教导可同样应用到各种取向的物体。

本领域技术人员会认识到本说明书采用各种术语，包括反射、透射、漫射和散射。所有这种术语表示能量，例如光能，与物体或物体的一部分的相互作用，使得在这种相互作用后，可根据测量该光(或其它能量)而导出有关物体的信息。

图3(a)示出可用于校准例如上述高温校准问题的校准晶片12的通常的例子。有吸收辐射的表面层42(这里也被称作“吸收层42”或“吸收板42”)，表面层42位于基板44的顶上。表面层42与基板44之间的界面使得表面层反射至少部分光。为实现这种反射，基板和表面层的光学性质优选不同。例如，表面层和基板的折射系数在被用作测量的波长上应不同。但是，如果基板和表面层相同，也可能通过在表面层与基板之间增加一层而满足这一要求。如果该额外层的光学性质不同于表面层和基板，则它可反射光，而满足该要求。

怎样实现后一概念的一个例子在图3(b)中示出，其中晶片包括层42与44之间的附加层46。在一个实施例中，晶片可包括绝缘体上硅(SOI)晶片。SOI晶片具有涂在其表面上的两层的硅基板。本例中基板44的顶上的中间层46是一层二氧化硅。顶层42是一层硅。这种晶片商业上可获得，从例如法国Bernin的SOITEC这样的公司。这种晶片可通过将两个硅晶片结合在一起而制造，其中至少一个晶片具有在其表面形成的二氧化硅层。结合后，表面硅和/或基板硅的厚度可用任何方便的方式减小，例如抛光、刻蚀或氧化等。因而基板的厚度d_sub，氧化物厚度d_ox，或硅的表面层厚度d_si可根据需要选择。如需要还可设置这些层的掺杂。例如如需要可选择通过结合过程而组合两个晶片中掺杂的性质。

通过采用SOI结构，可在标准硅晶片顶上形成相对薄的硅层。然后，可研究硅的吸收系数的温度依赖性对这一结构的反射性的影响，以获得准确的晶片温度测量。本领域技术人员会认识到其它方法可采用SOI结构测量晶片温度。但是，通常，在这些情况下，反射的温度依赖性来自硅的折射率的实数部分的温度依赖性。当折射率随温度变化时，硅表面层的光学厚度(折射率×物理厚度)也会变化。光学厚度决定在表面反射和在氧化物/硅界面反射的光之间的干涉效应的性质。当硅表面层中温度变化时，这些干涉效应导致反射在最大与最小值之间振荡。尽管这提供一种用于温度测量的方法，用这种方法存在一些困难。具体地，为了进行晶片温度的绝对测量，必须非常高精度地知道硅的折射率和SOI膜厚度。这通常使得该方法不能实现高精度地确定绝对温度。但是，这种方法可用于进行准确的温度变化测量，它们可与这里先前公开本发明的方法的实施例组合而更优化。

尽管这里后面的讨论通常示例地采用SOI晶片结构，应认识到通过这里所述方法有许多结构可用于生成校准晶片。例如，考虑到图3(a)，吸收板42中和基板44中所用材料可被选择为最适合需要被校准的领域和温度范围。类似地，图3(b)所示结构可通过改变三层42、44和46的任何或全部材料，或通过用多层材料代替层42、44和46之一或全部而修改。材料的变化可包括在所用元素或复合物的变化、合金成分的变化、晶体相位或状态的变化以及掺杂或不纯度的变化。这里可考虑几个例子，不过在阅读本说明书之后，对于本领域技术人员来说显而易见有非常广泛的可能性。

一个例子可采用如图3(a)所示的结构，其中下层44是重掺杂的晶体硅基板，而上层42是在基板上外延生长的一层轻掺杂硅。在这种情况下，掺杂上的改变会导致反射红外辐射的界面。由于这两层的热学性质非常匹配因而加热期间热应力的问题会被最小化，这种结构是吸引人的。基板中的掺杂可被选择扩散相当慢的元素，例如As、Sb或In，为了在高温校准过程期间掺杂物不过度扩散到非掺杂层中。

类似于图3(b)所示的三层结构还可由在高能下离子注入掺杂物以形成起到产生反射界面作用的埋层而形成。这种结构还可由离子注入掺杂物形成高浓度掺杂层然后在层上外延生长硅而形成。另一方法可包括在轻掺杂基板上生长重掺杂层，然后在重掺杂层上方生长轻掺杂层。在所有这些情况中，掺杂层可提供不同的折射率从而在硅表面层下方产生反射线。另一方法会是在硅基板上生长SiGe合金层然后在SiGe层上方生长硅层。如图3(b)所示，附图标记46则表示SiGe膜。另外，这里的优点是热膨胀系数上更匹配。结构还可用多晶或无定形硅生成，尽管这种材料不如晶体硅光学性质好。

这些概念同样不需要限制用硅作为吸收板42或作为基板44。为了采用该反射方法覆盖其它温度范围，选择其它材料较合适。例如，吸收板42可包含任何半导体材料，包括Si、Ge、GaAs、InP、AlAs、GaN、InN、GaP、GaSb、InSb、SiC、金刚石等。也可为半导体合金，例如AlGaAs、GaInAsP、InGaN、SiGe、SiGeC等。这些合金的成分可针对具体应用优化。吸收42甚至不需要是半导体，只要是光学性质随温度改变的材料。具体地，其在测量波长上的吸收系数应随温度改变。类似地，基板44不需要是硅。它可为上述任何材料，或者甚至可以是绝缘体或金属。

当然在任何这种例子中，本领域技术人员应认识所示厚度，例如d_ox和d_si与所用实际材料的厚度相应，其中这里所用名称“ox”和“si”只是为了示例目的。

本说明书现将讨论用示例的SOI晶片进行的本发明的各种实施例。但是，据前所述，应理解SOI晶片的讨论只是示例目的，采用其它材料实行所公开的结构、系统和方法完全在本发明的范围内。

图4示出光线A0从外部光源入射在示例SOI晶片12上的光路。一部分入射的辐射在具有反射率R_tv和透射率T_t的顶面上被反射。另外的部分经过表面并形成光线A1，光线A1到达氧化物层46与硅膜42与基板44之间的界面。在本图中，氧化物层表示为反射入射在其上的部分辐射的一个平面。实际上有光分量在氧化物层的两个界面上都反射。对于当前的讨论，这种效果可通过考虑其对硅膜的下表面的反射率R_ox的影响而包括在分析中。通常，辐射也会经过氧化物膜并在晶片的后表面反射和透射，但是对于本说明，会假定基板实际是不透明的。在氧化物层上反射的辐射可回到晶片表面52并出射，形成第二反射光线R2。对于光线A2表面反射率是R_ts。由于通常光线A0可以任何入射角θ₀和任何偏振状态入射在晶片上，光线传播的完整分析需要所有的反射率和透射率以考虑到入射和偏振的适当角度。这可由独立分析p或s偏振入射的光线而完成。一旦获得这些情况的每一种的性质，通过以适当方式组合p和s的结果可获得对于其它偏振状态的相应结果。

从图4可理解反射光线R1的强度只受晶片(WF)前表面反射率R_tv的影响，使得如果入射光线A0具有强度I，则光线R1具有强度R_tvI。透射到基板内的光线正好在其经过前表面区域到晶片体内的点上具有强度T_tI。光线A1穿过基板时，由于能量吸收而损失强度。因此，正好在其到达氧化物层的点上具有强度aT_tI。量a是硅表面膜的内部透光度，并由下式给出：

a＝exp(-α(λ，T)d_si/cosθ_i)    (公式1)

其中θ_i是传播的内部角度。该角度是光线的方向与晶片表面法线之间的角度。被在氧化物层上反射以形成光线A2的一部分辐射刚好在被反射的点上具有强度aT_tR_oxI。当被反射的光线A2到达前表面时，由于基板内的吸收它损失更多能量，而具有强度a²T_tR_oxI。在前表面上反射以形成光线A3的一部分光线A2初始具有强度a²T_tR_bsR_tsI，其中通过前表面透射回来的一部分形成光线R2，具有强度a²T_t ²R_bsI。光线A3的进一步传播会在氧化物层上产生更多反射和透射光线，这种光线传播的分析以相似的方式进行。总结一下，在晶片前表面上反射的总能量可由其反光度RWF^*估计，如下给出：

$R_{\mathrm{WF}}^{*}=R_{\mathrm{tv}}+\frac{a^2{T}_t^2{R}_{\mathrm{ox}}}{1-a^2{R}_{\mathrm{ts}}{R}_{\mathrm{ox}}}$ (公式2)

该公式可由光从材料板反射的标准公式改写，如下给出：

$R_{\mathrm{WF}}^{*}=R_{\mathrm{tv}}+\frac{a^2{T}_t^2{R}_{\mathrm{bs}}}{1-a^2{R}_{\mathrm{ts}}{R}_{\mathrm{bs}}}$ (公式3)

其中符号具有与前相同的含义，除了R_bs是板的后表面对从板内入射在其上的辐射的反射率外。在导出公式2中，R_bs由R_ox代替。因而可认识到这里所述用于通过采用基于SOI结构的校准晶片而改善测量的原理可通用到利用材料板内吸收效应进行测量的任何方法。

同时，本领域技术人员会注意公式2和3是假设各自光线R1、R2和R3等的强度可加到一起而获得的。如果对可被认为是非相干光的反射进行估计，则这种假设是合理的。如果被测量的光的波长范围Δλ与硅膜的厚度相比足够大，光优选地可被作为非相干光处理。一个标准是：

$\mathrm{\Δ\λ}>>\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{{4n}_{\mathrm{si}}{d}_{\mathrm{si}}}$ (公式4)

其中n_si是硅膜的折射率。对于50μm厚的硅膜，考虑1.55μm波长并假设n_si是～3.6，公式4表示Δλ需要远大于3nm以使光被当作非相干的。对于较厚的膜，该要求较不严格。例如，对于相同的情况，但硅膜厚到300mm直径晶片的标准值775μm，则Δλ需要远大于0.2nm。如果在检测器上收集的光的波长范围相对较小，则光源需要被当成相干的。这意味着反光度不能通过将被反射光束的强度相加而获得，而是需要将与每个光线相关的电磁场的幅值以矢量方式相加。一旦进行这种相加，被反射光的强度可由在电磁波传播分析中惯用的坡印廷(Poynting)矢量获得。对于相干光，基板内光线的传播需要根据电磁波的幅值和相位两者进行考虑。该分析可通过采用薄膜光学元件的标准方法而进行。

当基于光反射的方法用于推导吸收时，该方法对吸收的敏感性可受到图2和4中标记为R1和R2的光线的相对大小的强烈影响。反射光的常规测量，例如反光度测量，收集来自上述两个光线的能量，实际上还可收集来自更高阶反射的能量，例如图2中所示R3等。当第一反射光线(R1)的强度RtvI远大于其它光线时可能产生一个问题。在这种情况下，相对于第一反射光线对所检测光信号的贡献小于其它反射光线例如R2的情况，板内吸收对所检测光信号的影响减少。该问题通过图5所示结果示出。

图5(a)示出在1.55μm波长下775μm厚的轻掺杂硅板的反光度的温度依赖性的理论预测。由于硅的吸收系数随温度变化，所以内部透光度也随温度变化。这影响从晶片表面以射线例如图2中的R2和R3发出的辐射强度。该计算针对垂直入射在晶片上的辐射进行，并假设板的后表面具有使得反射率R_bs＝0.6的涂层。针对前表面反射率R_tv＝R_ts＝0.3(在图中170示出)或0.0(图中174示出)计算前表面的反光度。对于前表面反射率是0.3的情况，还计算了R2反射中的光的比率(fraction)(在图中172示出)。1.55μm波长的α(λ，T)由Vandenabeele和Maex在应用物理杂质第72期第5867页(1992)中给出的模型获得。为了强调这里所考虑的情况的性质上的差别，图5(a)和(b)中反光度轴以对数比例示出。

在＜400℃的相对低温下，硅中在1.55μm波长的吸收非常少，因此反射光随温度改变不大。但是，当温度提高超过500℃，内部透光度下降，反射光分量例如R2的强度下降，直到温度＞800℃，晶片实际上不透明，而R2等对反光度没有贡献。这一趋势解释了反光度从～400℃下的～0.62到～670℃下的～0.3的转变(对于170所示情况，其中R_tv＝R_ts＝0.3)。但是，显然如果前表面反射率从0.3减少到0.0，反光度出现陡峭得多的变化，从～400℃的～0.55下降到～670℃的＜0.01(如174所示)。这是因为如果前表面反射率是零，则仅有的反射光是出自后表面反射，而随着温度上升后者趋向于零。在由光线R2产生的反射分量的曲线中可看到同样的趋势(对于R_tv＝R_ts＝0.3的情况，172所示)，其从～400℃的～0.27下降到～650℃的＜0.01。

可在图5(b)所示结果中看到对温度变化的敏感度差异对温度测量中的误差的影响。该图包括三个额外的曲线(171、173和175)，表示对于图5(a)所示数量模拟测得的温度依赖性的例子。每个曲线实际上从图5(a)所示三个曲线的值的90％计算得到；引入10％的差别以模拟对测量误差的影响。然后通过与相应的理论曲线比较，可对于任何给定反光度测量值推导“测得的”温度。所示例子是600℃的温度。这里可看出，如果测量前表面反射率为0.3的晶片的反光度，反光度上10％的误差导致～50℃的非常大的温度误差ΔT₁，如曲线170和171所示。相反，测量前表面反射率为0.0的晶片的反光度，反光度上10％的误差只导致～6℃的温度误差ΔT₂，由曲线174和175所示。类似地，在对前表面反射率为0.3晶片测量反射光分量R2，10％只导致～6℃的温度误差ΔT₃，如曲线172和173所示。这些趋势表明，假设减小R1对反射所贡献的能量，并且/或者选择性测量例如R2这样的分量，则可实现准确的温度测量。

这里所述实施例可有助于确保所检测光信号受到材料板内吸收的强烈影响。将显示，通过使得第一反射光线的贡献相对较小，可获得材料板内吸收更好的测量，而这种方法可使得温度测量更准确。

如上所述，前表面反射的影响问题已在前讨论。例如，Cullen等(IEEETrans.Semiconductor Manufacturing 8，346(1995))讨论了通过在硅晶片上采用布鲁斯特角(布鲁斯特angle)入射而抑制前表面反射。Cullen还探讨了应用抗反射涂层以抑制前表面反射的可能性。这种应用是为了研究金属化晶片的温度，而对于金属化晶片，基于透射的温度测量因前表面金属化的高度不透明而受到阻碍。但是，这种方法在温度范围上受到厚晶片限制。如果晶片的后表面粗糙，它们还相对难以使用，因为这导致了光散射，可影响晶片内的吸收和布鲁斯特角入射方法对于抑制反射的有效性。

之前已经研究过的另一方法是漫反射光谱法(DRS)。DRS的原理在图6中示出。通常，DRS只可用于具有粗糙后表面的晶片。它依赖于设置光检测系统，该系统不收集在晶片50′的光滑表面52′上镜面反射的光，而是可收集经过晶片前表面52′并在晶片的粗糙后表面54′进行漫反射的光。从后表面漫散射的一部分光可通过晶片的前表面退回然后由光检测系统收集到。图6示出内部光线A1怎样在晶片的粗糙后表面散射，产生如A2a、A2b和A2c这样的光线。这些光线可离开表面形成漫反射光线，例如R2a和R2b。一部分散射光线，例如光线A2c可通过一角度散射，该角度大到使得当其到达板前方SF时，其入射角超过全反射需要的角度，因而这些光线不能离开晶片。检测器可收集例如由光线R2a或R2b表示的光线。这些光线以角度θ_o2a和θ_o2b离开晶片表面，这些角度与镜面反射光线如R1的等于入射角θ_o的角度θ_o1不同。通过测量作为入射辐射波长函数的散射光信号，可收集漫反射光谱。到达后表面然后再次反射并出射前表面的光的强度受到基板内光吸收的强烈影响。因而DRS对晶片内吸收敏感。由该方法收集的漫反射光谱可提供有关不同波长下光学吸收的相对强度的有用信息，因而可用于确定晶片温度。DRS已实现为在商业可获得的温度测量产品，例如可从美国密歇根州AnnArbor的k-Space Associates公司购买到的BandiT温度监视器。

除此之外，因为晶片厚度通常对于进行高温测量工作的DRS来说太大，所以DRS不解决本发明上下文中所述的主要问题。另外，使用DRS有些复杂，因为在后表面的光散射是依赖于表面纹理性质的复杂效应。这意味着后表面纹理的不同类型会导致不同的信号，而被散射的辐射的大小和角度分布难于预期。对这种信号的解释会非常困难，因而在一些情况下，难以用该方法实现基板内吸收的准确测量。

但是，根据这里所公开的本发明的实施例，通过测量来自板的光反射，可用多种方法提高感应材料板内吸收的准确性，同时避免例如漫反射光谱这样的方法会遇到的困难。这些方法可用采用早前所述示例SOI结构用图示出，但也如早前所述，它们也可应用到任何材料板类型。为简化起见，全SOI结构不在所有图中示出，但吸收板42通过其第一表面52和第二表面54的标签标识，其中入射光首先入射在第一表面52上，而第二表面54位于吸收板42的另一侧。如上所述，在一些实施例中，第一表面是板的前表面，第二表面是板的后表面，但该布置可根据具体实施而颠倒。在一些公开的实施例中，该板可包括其它特征，例如以下进一步讨论的表面涂层和纹理。

图7示出一示例构造，其中通过选择入射辐射的入射角度和偏振面使在有关波长上前表面的反射率(R_tv)被最小化，第一表面52的反射率被减小。例如，入射能量可为p偏振，而入射角度可接近表面材料的布鲁斯特角。对于1.55μm的波长和硅表面，适合的角度会在～75°。由于通过该方法前表面反射率减小，所以如R2这样的光线的相对贡献增加，因而反射光信号对于板50内的吸收更敏感。这一方法还具有增加前表面透射率T_t，因而R2的强度幅值进一步提高的附加好处。本领域技术人员会注意，可通过在反射光束中放置偏振片，而不是使入射光偏振而实现相同的方法。在这种情况下，偏振片可布置得使得光检测器只接收与p偏振相应的辐射。后一方法在一些情况下可具有一些优势，例如它可减少到达检测器的杂散辐射的量。杂散辐射可来自从晶片热辐射的能量或来自热灯的辐射。该方法还可与入射辐射是p偏振的情况组合。

图8示出通过增加减少前表面反射率的涂层53来减小前表面52反射率的结构。抗反射(AR)涂层减小前表面反射率R_tv，如R2这样的光线的相对贡献增大，因而被反射的光信号对板内吸收更敏感。这种方法还具有前表面透射率T_t增大，因而R2的强度幅值进一步增大的好处。AR涂层应通常是在有用波长λ上高度透明的膜。方便采用的膜可包括硅氧化物、硅氮化物、铝氧化物、钛、钽、铪或锆氧化物。通过形成一层具有折射率n_AR＝(n₀n_s)^0.5且厚度是mλ/(4n_AR)的材料，可在具有折射率n_s的材料表面上形成“四分之一波”AR涂层，以对从折射率n₀的介质内部入射的辐射产生几乎零的反射率。数量m是一个奇整数。一个例子，对于入射波长1.55μm的情况，应该采用194nm厚的硅氮化物膜。硅氮化物的折射率是～2，而该厚度的膜合理地近似于四分之一波抗反射涂层。～180nm厚的硅氮化物膜在相当宽波长范围上有效，例如，对于～1.1到2μm之间的波长。这只是AR涂层设计的一个例子。薄膜的更复杂的堆叠可用于实现类似的效果。实际上这种涂层的性能可根据入射辐射的波长范围、入射角度和偏振面优化。这种设计可在常规的薄膜涂层设计方法的帮助下实现。

图8还示出板的后表面54的反射率增大的结构的例子。这种方法是有效的因为它增加了光在材料板下表面上反射的量，因而相对于光线R1的强度提高光线R2强度。反射率可由多种方法增加。例如，如图8所示反射膜55可形成在板背面。反射膜可为具有高反射率的材料，例如金属、硅化物或其它电导体。它还可为具有与材料板的折射率差别大的折射率的材料。折射率可比板的更大或更小。在上述SOI膜的情况下，氧化物层的折射率是～1.46，而硅膜的是～3.6，因而两者之间具有大的差别。也可采用其它膜，例如硅氮化物、硅碳化物、铝氧化物、硅锗合金等。膜的堆叠也可用于提高后表面反射率。该设计可在常规的薄膜涂层设计方法辅助下优化。一个简单的例子可为通过优化SOI结构本身。在这种情况下，氧化物层的厚度可选择为使得反射率尽可能的大。折射率上大的差别还会通过在硅层与下方硅基板之间的缝隙获得，这是因为填充该缝隙的任何气态材料(或真空)具有接近1的折射率。

图9示出这种结构的示意图。在本例中，硅表面层42被通过确定缝隙57厚度d_gap的“支撑”区域56保持在基板下方并与基板分开。这种结构还起到将硅的表面层附接到基板的作用。支撑区域可由硅或其它材料制成。图9所示结构的一个优势是层中不同趋势的热膨胀的影响可被最小化。在包含不同材料膜的任何结构中，热膨胀系数的差异会导致物体加热和冷却时的热应力。这种热应力可使结构变形或改变其光学性质，是不希望的。通过采用具有缝隙的结构，如图9所示，热膨胀差异的影响可大为降低。支撑区域可形成为柱阵列，这些柱随着晶片的热膨胀而自由移动。因而热应力被最小化。这些柱甚至可由硅制成，在这种情况下，结构中的所有材料可统一膨胀，热应力可被完全消除。

图10(a)示出前表面反射率被减小的例子，但是在这种情况下，反射率是通过在前表面52上形成表面纹理58而减小的。这一纹理可以几种方式起作用。在一种情况下，表面纹理可具有与抗反射涂层相同的作用。例如，该纹理可使接近表面的区域的实际光学性质是入射介质与材料板的光学性质的混合。纹理可具有各种形式，例如伸出表面的突起58′(图10(b))或表面中的槽58″(图10(c))的阵列。槽可用另一材料填充。阵列可为本质上规则的(例如，所示具有间距L_p的重复图案)或随机的。阵列可为一维的，例如长槽或翅片的阵列，或二维的，例如凹坑或柱的阵列。减小表面的反射度也可通过确保表面区域的光学性质从入射介质到材料板相对光滑地转变而实现。这可通过使得表面纹理采用板材料的体积比率随着入射辐射随穿过表面区域进入材料板内部而逐步增加来实现。例如，图10(d)示出通过实现这一效应的通过三角翅片58″′阵列的剖面。圆锥或金字塔形突起可产生类似的效果。本领域技术人员会理解，当使用薄膜涂层方法时“渐变的折射率”也可用于减小表面反射率。为了防止从纹理表面的过度漫反射，图案的横向特征的长度尺度(例如槽或突起的宽度)可比感兴趣的波长小。图案的间距L_p也可小于测量中所用的光的波长。

图11示出板42的第一表面52和第二表面54大体不平行，而是相对彼此倾斜的例子。在所示例子中，板的后表面54和垂直于第一表面52的方向，例如N1和N2之间的角度θ_sb大于90°。在这种情况下，反射光线R1和R2的方向不再完全平行，而是对法线取不同角度。光线R1被以角度θ_o1反射，等于入射角θ_o。光线R2以不同的角度θ_o2离开基板，因为其入射在第一表面52上的内部角度已被在倾斜后表面54上的反射所改变。这使得光学系统能将光线R2的能量从R1中分离。这一分离可通过图1所示简单的方法实现，在这种情况下图1的光线RA会相应于图11的R1，而图1的光线RB会相应于图11的R2。因而检测器34会拦截来自光线R2而不是R1的能量。还有一个有用的方面是可收集镜面反射分量R1。该信号可用作提供参考信号用于校正光源特性中的任何变化。一旦光束R1和R2不完全平行，则分离光线的许多其它方法也是可能。例如，可用透镜将在前表面反射的光聚焦在与从底面反射的不同位置上，并可将检测器放置在能量主要从在第二表面54反射的位置。

图12(a)示出与图11类似的情况，除了在这种情况下第一表面52被布置为以角度θ_sf倾斜，从而不与板42的第二表面54平行。尽管图11和12(a)已示出作为板表面之一的倾斜表面，但也可通过在板下方放置倾斜的反射表面而在与R1不同的角度产生反射光束。这在一些情况下更简单，例如如果难以制造具有倾斜表面的板。例如图12(b)中，对于SOI晶片的例子，二氧化硅层46可在厚度上渐小，使其成为楔形。在所示例子中，SOI层与基板之间的界面相对于法线以角度θ_ox倾斜。存在相对板表面倾斜的反射界面意味着当透射光线TX被反射时，它产生反射光束AX。光线AX进入板42时变成内部光线AB。由于光线AB不再平行于内部光线例如A2，所以当其作为反射光线RB从晶片的前表面出现时，其方向不平行于R1或R2，并以角度θ_ob离开表面。因而它可从镜面反射分量例如R1和R2分离。由于光线RB从穿过吸收板的光线产生，所以通过监视其强度，可推导出板内吸收的强度。

尽管这里所给出的实施例示出倾斜表面是直的，这些表面也可以是弯曲的。另外，它们可起到聚焦经过板的辐射束的光学元件的作用。例如，在板后部的曲面可形成曲面反射镜或透镜结构，使得来自光线如A1的辐射被聚焦。由于只有经过板的辐射进行这种聚焦，所以从晶片表面产生的光束可与由例如R1这样的光线形成且只在SF进行镜面反射的光束区分开。实际上，板的后表面或位于其下的区域可被改变而形成改变例如A2的光线的方向并从而改变例如R2的光线的方向的多种光学元件。这种光学元件可包括透镜，曲面反射镜、透镜阵列、棱镜和回复反射器。应理解在本发明实施例中，辐射可由与板完全独立的元件反射，例如倾斜镜(或其它元件)，其定位成使得板处在入射光线与镜(或其它元件)之间的位置。

图13示出示例结构，其中从板42的第二表面54反射的光被散射到不与板的前表面52上镜面反射平行的方向。这种情况一定程度上类似于以上描述并在图6中示出的DRS方法的情况。但是，在这里所公开的本发明实施例中，确保板中材料的膜足够薄，使得即使晶片在高温下也能让在板的第二表面54反射的辐射的合理部分出射晶片的前表面。辐射由定位成能收集从板的后表面反射的光而不是从板的前表面反射的光的检测器检测。可采用图1中所示结构，其中传感器34被用作散射而不是镜面反射的光的传感器。板后部的散射可通过引入如图13所示的纹理界面62而引入。纹理可形成在板的后部中，或板下方的结构中。这种结构中的主要要求是存在使光以不等于入射的内角θ_i的角度θ_s散射的特征。这种光，如图13中光线A2所示，在与以θ_o1＝θ_o的角度离开表面的镜面反射光束R1的方向不同的方向θ_o2上从板的前表面出来。然后反射光束R1和R2如上所述通过常规方式被分离。在晶片的前表面上应用表面纹理也有好处。但是，这会导致更复杂的状况，其中入射在后表面上的光线可在前表面上被散射，然后会在通过有纹理的前表面的同时再次散射。然而，采用这种结构可得到这样的最终结果，即散射模式(即散射光线的角度分布)对于在前表面反射的光线和在后表面反射的光线来说是不同的。因此，可区分来自两种反射的能量。

图14(a)示出在板42的第二表面54上形成光栅结构64的构造。在这种情况下，光栅优选地设计成产生在与镜面反射光束不同的方向上离开板的前表面的至少一束反射辐射。这种方法具有吸引力是因为它允许预测从前表面反射分离的光线R2的方向。R2的方向可通过光栅设计，具体地，控制光栅节距而控制。例如，对于以角度θ_i入射在具有折射率n_s的介质的阵列的光束A1，光线A2从具有周期(节距)L_G的阵列被衍射的角度θ_d可由以下关系预测：

n_sL_g(sinθ_d-sinθ_i)＝pλ  (公式5)

其中p是说明衍射光束的级数的整数。可用许多类型的光栅，包括各种形状的线、翅片和槽的阵列。线的规则的、周期性阵列只是如何可形成光栅的一个例子。两维形状，例如矩形、多边形或盘形的周期性阵列也可形成光栅。这些阵列的特征可接近平面，例如由薄膜材料构图形成的图案，或可具有三维方式，例如沟、槽、柱、平行管、球、半球、椭球、圆锥或角锥阵列。光栅结构还可由同心圆阵列形成。所有这些实施例的基本特征是它可产生一束衍射辐射。产生该光束的这个特征可在板的后部，或可在板下方的位置。

在本发明的某些实施例中，图9所示支撑结构阵列可用于形成光栅结构。这里所述任何特征还可具有提高在所需方向上辐射衍射效率的方面。例如，它们可以类似于在衍射光栅中采用闪耀角的方法获得闪耀角(blaze angle)。图14(b)示出采用闪耀角的概念。在该例中，闪耀角应用到平行槽阵列的表面。对于所示情况，光束A1正交于光栅平面入射在闪耀光栅上。闪耀角θ_B设置为使光栅的衍射角θ_d的方向上的反射效率最大，θ_B通过公式5定义，即，使θ_B＝θ_d/2。这种光栅概念可与增加表面反射的方法组合。例如，光栅元件的反射率可通过采用高反射率材料或通过应用薄膜涂层而增加。采用光栅还提供机会产生多于一个衍射光束，从而在多于一个角度上收集从晶片反射的光线。实际上，可测量在几个不同方向上传播的光线。由于这些光线都会经历通过板的不同路线，可获得关于板内吸收性质的额外信息。光栅结构还可应用到晶片的前表面，以优化该方法。

另外，光栅还可用于分离包含多于一个波长的入射光中的波长。在该实施例中，通过光栅处的衍射可产生几个像R2的光束，每个光束以不同θ_o2值从晶片出射。然后可布置几个检测器(或检测器阵列)，使得它们每个接收不同波长分量，并测量其强度。因为每个波长可被引导到不同的检测器，所以在检测器前的滤光可被简化，这会大大促进多波长测量。与源波长在一系列波长上被扫描以及/或者波长选择元件调谐到允许检测器顺序在不同波长上采样强度的方法相比，这种方法可允许快速估计吸收板的吸收光谱。这对于在吸收层后部配置衍射光栅的方案特别有利。相对于不同波长的散射以基本独立于波长的方式出现的例如DRS方法这样的方案，这也显示出显著的优点。在DRS中，采样散射光的检测器通常对于除了特别被过滤的光以外的所有光暴露。为了用DRS方法获得吸收光谱，反射光必须经过波长过滤元件或波长分散元件，例如光栅、可调谐滤光器或棱镜。

图15示出通过采用光聚焦配置实现将第一表面52反射的能量与从第二表面54反射的能量分离的例子。光学系统可包括例如像所示透镜和反射镜这样的光学部件，用于分离在硅板两个界面上反射的辐射的分量。图中示出从光源S发出的两束光线A和B如何传播通过光学系统。它们由透镜L1准直，然后由透镜L2聚焦。L2的焦距和位置被设置成使得光源S的像形成在板的后表面SB上。光线A和B形成在板的前表面上反射的光线RFA和RFB。它们还形成在板的后表面上反射的光线RBA和RBB。所有这些光线经过透镜L2，被分束镜M反射然后被透镜L3收集。透镜L3使光线RBA和RBB在检测器上聚焦。因而在从晶片后表面反射之后，光源S的像形成在检测器上。相反，光线RFA和RFB不在检测器上聚焦。因而来自检测器的信号受到板的后表面中反射的强烈影响。通过测量在后表面上反射的光分量，可推导板内吸收的程度。

图16示出与以上图14(a)和15所示结构有些类似的结构的例子。但是，在这些实施例中，在板42的第二表面54中形成图案66，并用成像系统70将该图案成像到检测器72上。在这种情况下，板中的吸收度通过观察用光学成像系统70形成的图案66的像的对比度而评估。成像系统70当然会连接到其它装置(未示出)，例如计算机和/或显示器，以给操作者提供像的视图；计算机可构造成估计像中对比度，并提供其它分析功能。像中的对比度说明了在像平面内观察的光强度的变化量。随着晶片温度增加，板变得更吸收，图案的像中的对比度大小变小，直到板实际上不透明，不再能观察到图案。像中对比度的测量是有吸引力的，这是由于它自动校正照明晶片的光源特性上的变化。这种方法还可用于提高检测灵敏度。

图17示出用于提高测量像中对比度能力的一个例子。在这种情况下，用在感兴趣的波长下的辐射照明晶片，反射光用透镜68成像，从而在像平面71上形成像。如图16所示情况，该像可由成像设备72例如相机，或光电检测器阵列，或通过将其在单个光电检测器上扫描而被分析。随着温度增加，所观察的对比度减少，温度可通过量化对比度损失与晶片温度之间的关系而检测到。

用这种方法的一个实际问题可能是在晶片前表面反射的大量光也会进入光学成像系统。尽管该光不在像平面聚焦，它也会引起背景“杂散光”信号，会降低在像平面内观察的对比度因而使测量更加困难。减少这一问题的一个方法是在图案66和成像设备72之间的光路中插入空间滤波器74。例如，该滤波器可插入在成像透镜68的焦平面75上，如图17所示。在焦平面中光的分布取决于表征被成像的图案的空间频率。空间频率说明图案中各种长度尺度。例如，光栅图案的节距表示一个重要的空间频率。图案内元件和间隔的长度可引入其它的空间频率。由晶片前表面反射的光具有非常低的空间频率，这是由于那里没有图案，因而实际上其表现为“直流”背景。采用空间滤波器的方法可消除该背景信号，留下更高的空间频率。这么做的一个方式是将不透明阻挡元件76放在透镜的中心轴上并位于其焦平面中，如图17所示。如果用光栅作图案，则合适的空间滤波方法可涉及将掩模放置在透镜的焦平面中，选择性地阻挡与光栅图案节距相应的频率以外的空间频率。这些空间滤波技术的优势是它们防止大量背景光到达像平面中的检测器。背景光没有与板中吸收有关的信息，而是对所测量信号引入噪声。它还大幅度降低像中的对比度并限制可由检测系统分析的信号的范围。因而防止背景光到达检测器会非常有助于提高准确度。

用像中对比度表征晶片温度的方法可应用到各种途径。例如，可在反射光信号或透射光信号中观察对比度。还可在发射的光信号中观察对比度。后一方法具有不需要外部光源、简化装置的额外优势。然而，由于热辐射的大小非常强烈地取决于晶片温度，在某些情况下，如果采用外部光源，在所需温度下进行测量会较为容易。这种方法还用于在有图案的晶片上测量温度。

例如，在晶片前部上的图案可用朝向晶片后部的成像系统观察而透过晶片厚度看到。在这种情况下，在晶片像区域观察的对比度可用作温度指示器。由于所处理的器件本身提供必要的对比度，所以这具有不需要晶片特别构图的优势。这种方法还可应用到晶片正旋转的情况。在这种情况下，通过成像系统观察到的与图案旋转有关的波动本身可用作温度指示器。当晶片升温时，由于更少的光从在晶片器件侧反射回到成像系统，所以通过成像系统观察的波动的程度减小。通过选择在旋转频率上随时间变化的信号，可提高这种检测系统对旋转图案的影响的灵敏度。这种滤波可通过带通滤波器实现，该带通滤波器的通带以晶片旋转频率为中心。该方法可与空间滤波的光学方法组合，以区别在图案器件区域之外的表面上反射的光。

在一些实施例中，所观察的图案可在晶片的前侧，并透过晶片厚度被观察到，或可在晶片内，对比度很大程度上是位于图案和成像系统之间材料的吸收变化的函数。在替代的实施例中，形成全部或部分图案的材料可对温度变化敏感。例如，形成图案的全部或部分材料可随温度变化变得更加透明或不透明，改变折射率，改变光散射效果，改变反光度、吸收率、辐射率、透光度等。另外，例如，可设计图案以展现温度依赖变化的不同组合。

区分在板的前部与在后部反射的光的另一方法是用光脉冲照明晶片表面并检测反射的光脉冲到达检测器时的时间。传播通过板表面并在后表面反射的脉冲分量将在晶片表面上反射的脉冲分量之后有限时间到达反射光检测器。这种测量很有挑战性，因为光传播通过板的时间相当短。光在硅中的速度是c/n_si，其中c是光在真空中的速度，n_si是硅的折射率，在1.55μm波长下是～3.6，因此光在硅中的速度是～8.3×10⁷m/s。因而对于100μm厚的硅板，传播通过该厚度并回到板的前表面的时间是～200×10^-6/8.3×10⁷s＝～2.4ps。尽管这是非常短的时间，原则上采用光的短脉冲应能够测量而分辨光被反射的两个位置。

上述结构可组合使用以获得更准确的温度读数。例如，晶片可具有抗反射涂层的前表面，在板的后表面具有高反射光栅。晶片可用p偏振辐射照明，对于测量中所用的特定波长以布鲁斯特角入射在前表面上。由后表面上的光栅衍射的光可由构造成和/或定位成不收集镜面反射光的检测器收集。

对于许多领域，SOI晶片结构可适于高温校准。通常，～1.55μm的波长可用于测量，因为硅在此波长下表现出相对低的吸收，因而不太薄的硅膜可用在SOI层中。反射方法通常采用经过膜厚度两次(或更多)的被检测辐射，使得与在透射测量中应用的情况相比，它适于吸收相对低的情况，其中所述透射测量中被测量辐射只需经过板厚度一次。尽管接近1.55μm的波长对于测量尤其有用，这里所述方法可用更大范围的波长，通常0.8到4μm之间的波长。

通常优选地，起到吸收板42作用的硅(或其它材料)膜不太薄，因为对于非常薄的膜，表面性质变得更重要，这些区域会表现与硅板体不同的光学性质。在表面与会在表面区域中引入应力的其它材料接触时这尤其明显。在SOI结构中，这种情况适用于在氧化物层附近。形成晶体硅的非常薄的膜在某些环境下非常困难，因而它会难于保持始终如一的结果。采用相对厚硅膜的另一优势是它使得由板中的干涉效应引入的光学性质振荡上易于实现波长平均。采用相对厚膜的另一个优势是它允许以非常高的准确度确定膜厚，尤其是如果用光学方法测量膜厚，如下所述。另一个优势是较厚的膜可对于短波辐射很不透明，尤其是对于波长＜～1μm的波长。这会成为优点，因为加热晶片的灯热源通常在这些短波长上强烈辐射。如果硅膜非常薄，灯到晶片的能量耦合会受到硅板下方出现的在板后部反射光的界面的影响。在这种情况下，晶片的热循环会受到影响，这是不希望的，尤其是它导致晶片表面上热不均匀。硅膜的典型厚度在1μm到300μm之间。对于高温校准，硅膜会通常大于10μm厚，但小于100μm厚。典型的厚度会是～50μm。

但是，尽管如上所述在某些环境下较厚膜有优势，本领域技术人员会认识到在其它环境下较薄的膜却会更优选。

SOI结构中氧化物层通常在0.001μm到100μm之间的范围内，并会通常小于1μm厚。准确的厚度可最优化以使板的后表面的反射率尽可能地高。对于1.55μm的测量波长氧化物厚度的典型值是～0.3μm。由于在加热期间薄膜在晶片中引入不需要的热应力的能力较小，所以在采用相对薄氧化物层中这是一个优势。

基板厚度主要由机械约束确定，但对于通常应用，它应是允许基板、氧化物层和吸收板的组合厚度为200μm到2mm之间厚。通常该组合会是775μm厚，这是标准300mm直径晶片的厚度。

通常会选择硅板在表面上的掺杂，使得易于再现硅板的吸收系数的已知温度依赖。这么做的一个方式是选择轻掺杂硅板。例如，掺杂可使得硅的电阻率ρ大于～0.1Ωcm，优选地大于1Ωcm。基板中的掺杂可为了方便而选择。如果需要晶片应不仅用于高温校准(例如，在大于800℃的温度)，则可接受任何正常掺杂水平，因为基板在高温下会变得不透明，从晶片后部不会有反射影响测量。如果该方法只在低温下使用，则如果基板不透明会更简单，应使用ρ＜0.05Ωcm的重掺杂晶片。为提高红外波长范围的不透明度，理想地ρ＜0.02Ωcm。

如果采用轻掺杂晶片，这里所公开的基于反射的方法的实施例可与其它校准方案，包括例如美国专利申请No.10/178,950中所公开的基于透射的温度校准组合，以产生进一步的实施例。在这种进一步的实施例中，透射光的测量可用于确定晶片温度直到达到由透射光信号衰减所带来的限度，通常对于1.55μm波长该限度是～850℃。在该温度以上，可采用基于反射的方法。这种方法具有几个优势。首先，它减少了用于进行校准程序的晶片的数量。第二，从透射测量推导的温度可用于提高基于反射测量的准确度。这可由确保在特定温度下两种测量结果一致而实现。这种交叉检查使得基于透射的方法的高准确度延伸到在高温体制中必须使用的基于反射的测量。

用于基于反射测量方法的结构不必在晶片的整个表面上都存在。例如，图18示出晶片12的平面图，该晶片包括已改变成允许采用基于反射测量方法的三个区域80、80′、80″。这些区域可与由观测晶片温度的高温计所观察的位置相一致。该区域可由在这些区域中形成SOI结构并布置涂层、光栅、纹理表面、斜面和其它在本说明书中公开的特征而改变。多个测量子系统，每个具有一套相关光源和光检测器，例如图1所示的一套，可用于使需要校准高温计的每个位置上的测量能够进行。另外，在相同位置，或其附近位置可进行透射测量。可能存在这样的情况，即最好在基于反射的方法中所用的一些结构不存在的区域进行基于透射测量。例如这种结构可因散射光而降低基于透射的测量质量。在这种情况下，基于透射测量仍可在进行基于反射测量的点附近的位置进行，仍可进行两种方法之间的交叉校准，及相应的高温计校准。为此，最好测量位置的横向分离小于在美国专利申请No.10/178,950中阐述的热扩散长度标准。

为了这些方法能够精确，优选地在一些实施例中所用吸收层的厚度高度准确地已知。然后该厚度可作为输入进行运算，以确定与所测反射率或透射率有关的吸收程度，从而推导晶片温度。该运算可额外地或作为替代地考虑其它因素，例如阻抗。厚度、阻抗和/或其它因素可用任何已知的方法测量。

对于基于反射的测量，SOI结构表面层的厚度可在制造过程期间或之后确定。例如，在硅膜透明的情况下，可通过在红外范围内测量晶片的高解析度反射光谱来确定厚度。反射光谱会显示由硅膜中干涉效应产生的反光度上的振荡，如上所述。薄膜光学元件的方法则可与已知的硅的折射率组合而获得非常准确的硅层厚度测量。在一些上述结构中为了减少前表面反射而引入的特征也会减少干涉效应。这可能使得膜厚测量更难进行。在这种情况下，在制造过程中完成这些措施之前的一点上进行硅厚度测量会较容易。

本领域技术人员应理解基于反射测量，诸如这里所述例子的基于反射的测量可用于生成整个晶片表面上温度均匀性的图。例如，可在整个晶片表面上多个不同区域中同时或顺序进行几个反射率测量。为易于分离测量该晶片可包括指定区域，或可在其整个表面上同质。通过观察这种温度差异可提高或优化加工均匀性。

当吸收强烈到所用样本变得实质上不透明时，用基于光学吸收(α(λ，T))的温度测量方法会出现困难。例如，通常～775μm厚的300mm直径硅晶片当温度超过～900℃时在任何波长下都透射非常少的辐射。某些方法，例如早前参考的基于透射的方法包括采用非常薄的硅晶片，这可构成应对不透明问题的方式的其中一个例子。上述讨论还可提供改进，其中反射辐射测量用于提高温度校准。但是，在高温下需要极其准确温度校准的应用中，可能仍然优选进一步的改进。现将说明这样的用于在高温下提供准确校准的方法的示范实施例。

这样的实施例可与基于反射和基于透射的方法共享一些特征。但是，如下所述本发明的实施例采用光学吸收测量和对层的光学厚度敏感的测量的组合。如此，这种组合的实施例可提供非常高精度的绝对温度测量。执行该方法的一个示例方式是采用通过用近似相同波长但不同时间相干度的光束来获得晶片特性测量的方案。

与以上参考和讨论的美国专利申请No.10/178,950一样，有各种方法涉及用光学性质测量结果以推导温度，特别是半导体处理领域中。

如前所述，通常光学吸收测量结果可用于推导晶片温度。因为在给定材料中在任何给定温度下给定波长的光学吸收是唯一确定的，该方法具有提供非常准确温度测量的优点。这可通过采用例如反射或透射测量推导光学吸收而实现。但是，由于该吸收在高温下非常强烈，所以至少在采用标准厚度的晶片时，会变得难以执行。本发明早前所述例子通过采用基于反射的方法能够克服这种潜在困难。

确定温度的另一个可能方法是基于对通过样本的光程长度(也可被称为光学厚度)敏感的测量。传播通过介质的电磁波相位上的变化与介质折射率的实部n_m和传播距离d的积，即光程长度n_md有关。在折射率的实部对温度敏感的介质中，通过介质的该光程长度随温度变化而改变。另外，在具有有限热膨胀系数的任何材料中，在材料的物理尺寸随温度变化时，在介质边界之间传播的光线的光程长度也会改变。因此对经过材料的能量线的光程长度敏感的任何测量方法可用于测定材料温度。通常，该方法可通过测量材料板，例如图2所示板50的反光度R^*或透光率S^*来实现。因为干涉效应，R^*和S^*受到在板的两个边界上反射的光线之间相互作用的强烈影响。干涉现象是因为光的波本质而出现的，并取决于在板的两个表面反射的波的相对相位。因为在板的两个表面反射的波的相对相位由这些光线所通过的光程长度的差确定，所以它受到温度的强烈影响。

本领域技术人员会认识到，因为相干现象取决于在两个界面上反射的波的相位之间的关系，所以基于光程长度的方法通常需要测量中检测的光以相干方式作用。相位关系只在波以时间相干方式作用的情况下被很好地确定。实践上，这意味着对于合理厚的介质，例如～775μm厚的标准硅晶片，测量必须使用发出非常窄范围波长的相干光源例如激光进行。如果所测量的光的波长范围Δλ足够小，光可被当作是相干的。一个标准是：

$\mathrm{\&Delta;\&lambda;}<<\frac{{\mathrm{\&lambda;}}^2}{{4n}_m{d}_m}$ (公式6)

其中n_m是制成板的介质的折射率，d_m是其厚度。对于775μm厚的晶片，考虑到波长1.55μm并假设n_m与硅相应，是～3.6，则为了使光被当作相干光，公式6表示Δλ需要远小于0.2nm。对于更薄的膜，该要求较不严格。例如，对于相同条件但硅薄膜10μm厚，则Δλ只需要远小于16nm。假如光学检测系统包括只允许非常窄范围的波长对所检测信号起作用的滤光器，则基于光程长度的测量还可用发出较宽范围波长的相对不相干的辐射源进行。在这种情况下，滤波器带宽必须限制在与Δλ类似的范围。该方法对于适当薄的膜，例如上述10μm厚硅膜可用，但如果板表面之间距离大时，因为非常窄带的滤波器的需要阻止大部分能量到达检测器并导致无法实用的低信号水平，所以这会变得非常难以使用。

这里的讨论示出有关在本申请中讨论的测量中检测的辐射的光学特性的一个重要概念。这一概念是辐射的相干长度的概念。相干长度d_coh描述了在沿具有折射率n_m的介质中传播的光线的最大间隔，该最大间隔满足间隔开始处的电磁波的相位对于间隔结束处的相位保持固定的关系，如波动公式所示。对于比相干长度明显更长的沿光线的间隔，在间隔两端的波相位之间没有可预测的关系。该相干长度通常如下定义：

$d_{\mathrm{coh}}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}^2}{n_m\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}$ (公式7)

其中符号表示以上所述相同的意思。这一标准与公式6中给出的很相关。具有相对通过板的光程长度较长的相干长度的辐射可容易地用于观察在该板中的干涉效应，而基于对用相对通过板的光程长度较短的相干长度的辐射的观察的测量不会出现这种效应。在本申请中，术语相干通常用在讨论经过介质的辐射以保持明确的相位关系的方式而相互作用的情况下，而术语不相干用于这一标准不适用的情况。类似地，“相干测量”是依赖于以相干方式作用的被检测辐射的测量，而“不相干测量”是依赖于以不相干方式作用的被检测辐射的测量。

基于光程长度测量的温度测量方法的一个优势是它们会对温度非常敏感，尤其是在通过半导体晶片的物理路程长度较大时。但是，用这种方法也有几个潜在的困难。第一个问题是经常很难采用该方法确定晶片的绝对温度。这是因为反射和透射往往是温度的周期函数，因而任何具体的反光或透光值可能相应于许多不同的温度。第二个问题是反光度和透光度也对层的厚度及其折射率都极为敏感。因而，为了确定给定板的光学性质的绝对温度依赖特性，通常必须非常精确地确定所有这些量。原则上，对于任何给定材料板，可通过将该具体板的反光度和透光度表征为绝对温度函数的特性而克服这种问题，但这在实践中会是相当麻烦的方法。另外，这不会解决其它问题，例如反光度和透光度也受到辐射的入射角的强烈影响，主要是因为它直接影响通过层的光程长度。在实践中，基于改变光程长度的影响而提出的大多数温度测量方案已被用于测量温度变化。如果未准确得知晶片的初始温度，这会造成在半导体加工步骤中追踪晶片温度时的问题。最后一个以下也将说明的问题是，至少在半导体材料中，高温下光学吸收上升很快，最终经过层的光线被削弱得如此强烈，以至于反光度或透光度上不再产生明显影响。后一问题反映出前述高温下采用透射测量的困难。

本发明的方法的实施例包括其中晶片中要被确定温度的至少一个材料具有在已知波长下光学吸收随温度改变的特性的实施例，以及其中至少一个材料具有在已知波长下光学厚度随温度变化的特性的实施例。所述两个波长可相同，不过这不是必须的。这两个材料也可相同，不过这也不是必须的。该方法依赖于用吸收特性测量结果确定绝对温度值。它还依赖于用光学厚度的温度变化确定温度变化。准确测量绝对温度和准确测量温度变化的组合使得可生成覆盖宽的温度范围的准确温度量度。

在板包含一定波长下的光学吸收随温度变化及光学厚度随温度变化的材料的情况下，该方法可用于单个板，例如图19(a)所示的板。

图19(b)示出可用于进行这种校准的另一个例子的结构。该结构具有两层。其中一层可提供温度依赖的吸收，另一层可提供温度依赖的光学厚度。

其它实施例(图19未示出)包括多层结构，其中一层提供温度依赖的光学厚度，该层与其它层(或多层)的组合提供随温度变化的光学吸收，或相反。另外，可理解，例如，图19所示各种或所有层可用多层结构实现。

校准程序中所用结构也可采用更复杂的形式，例如图19(c)所示的例子。在这种情况下，包括额外的层。额外的层可用于产生反射波。该结构可用于例如表面层和基板是具有非常类似光学性质的材料，因而通常在其界面上没有强烈反射的情况。

对于怎样进行测量的例子，请再次注意图1。如上所述，图1示出示例的RTP处理室10，其中晶片12由灯组14和16加热。在所示例子中，灯组都在晶片上方和下方。室10还包括至少一个光源30，并可包括例如在32、34、36、38和40所示的各种传感器，或是其它任何合适的结构。

图20更详细地示出测量方法的示范实施例，在所示的这种情况下，晶片100采用图19(a)中的形式。应理解，尽管在图中未示出，晶片还可在其一个或两个表面上具有表面涂层或图案。图中示出来自发出非相干辐射AINC的光源110的光。通过用RINC的反射测量或用TINC的透射测量，该辐射可用于确定基板100中的吸收度。用于这种测量的合适的信号可通过检测器112(收集反射的非相干能量RINC)和114(收集透射的非相干能量TINC)收集。该装置还具有发出相干辐射ACOH的光源120。该辐射可用于确定通过晶片的光程长度的改变。例如，光程长度可影响晶片的反射或透射。用于测量这些量的合适的信号可通过检测器122(收集反射的相干能量RCOH)和124(收集透射的相干能量TCOH)来收集。在一些情况下，光源110可为与120相同的光源。在这种情况下，由检测器检测的用于反射或透射测量的波长范围可调整为适于测量相干或不相干光的状态。这种调整可通过为在检测器前的滤光器选择合适的光学带宽而实现。对于相干辐射测量，可采用窄带滤光器，而对于非相干辐射测量，可采用较宽带的滤光器。因而检测器112还可起到检测器122的作用，而检测器114也可起到检测器124的作用。

图21示出另一个示例的光学结构，其中来自两个光源110和120的能量在照射晶片之前经过共同的光路130，并在进入检测系统132和134时经过共同的光路。在这种情况下，即使光源110和120的波长范围重叠，也可用较简单的装置进行相干和不相干的测量。位于检测器132和134之前的滤光器优选地具有足够宽的带宽以允许两个波长范围都到达检测器。执行这种方法且同时允许独立进行相干和不相干测量的一个方式，是通过用两个不同信号调制两个辐射源的输出。在这种情况下，即使两束光只用一个检测器采样，也可区分来自两个光源的光的贡献。例如，光源110的输出可由来自调制器108的具有频率f_inc的周期信号调制，而光源120可由来自调制器118的具有频率f_coh的周期信号调制。可采用各种形式的调制以产生来自一个或两个光源的随时间变化的光。例如，可采用正弦波调制或方波调制。这两个信号可由将检测器的输出耦合到选择性地测量频率f_inc和f_oh的频率分量的两个锁定放大器而分离。例如，来自反射光132的检测器的输出可提供到两个锁定放大器128(AMPR：f_coh)和118(AMPR：f_inc)的输入。在这种情况下，锁定放大器AMPR：f_coh被调谐到频率f_coh，从而提取来自从晶片反射的相干光的信号。锁定放大器AMPR：f_inc被调谐到频率f_inc，从而提取来自从晶片反射的非相干光的信号。类似地，来自透射光线134的检测器的输出被提供到两个锁定放大器127(AMPT：f_coh)和117(AMPT：f_inc)。在这种情况下，锁定放大器AMPT：f_coh被调谐到频率f_coh，从而提取来自由晶片透射的相干光的信号。锁定放大器AMPT：f_inc被调谐到频率f_inc，从而提取来自由晶片透射的非相干光的信号。

图21所示的示例方案可有利地减少进行测量所需要使用的光检测器和滤光器的数量。它还是一种方便的方式，用同一套光学元件将光耦合进和耦合出室，并用于确保两种类型的光学测量(相干和不相干)在晶片表面的相同位置进行。如果在相似的波长进行测量，后一点尤其有用。这是因为多数光学器件例如透镜显示色差，这意味着其聚焦性质随波长改变。因此，当多个波长的光被通过光学系统耦合时，光的聚焦区域的大小、形状和位置可根据波长改变。这些问题可通过采用复杂的光学设计，或可通过采用反射光学元件而减少，但这些方法通常更为复杂，并且会比较昂贵。

相反，这里所述方法可用相似波长的光作进行两个类型的测量，使得可在晶片上实际上一致的位置上进行测量，具有实际上一致的探查区域大小和形状。在一个例子中，光源120可为半导体激光器，发出包含小于～1nm波长范围且中心在1550nm的波长上的光。对于高相干测量，波长范围甚至应更小，例如，＜0.5nm。这种光源可具有大于光学板厚度的相干长度，因而可有效地用于监视板的光学厚度中的改变。光源110可为发光二极管，发出包含大于2nm的波长范围且也以1550nm附近的波长为中心的光。对于高度不相干的测量，波长范围甚至应更大，例如＞5nm。这种光源可具有远小于光学板厚度的相干长度，因而可有效地用于监视板中光学吸收的变化。两个光源可通过电信号方便地调制。检测器132和134可为光电传感器，例如InGaAs光电二极管。

尽管在最后的例子中，两个光源以同一波长区域为中心，这里所述本发明的原理仍可应用于中心波长不同的情况。在一些情况下，优选地，采用晶片中的吸收层在两个波长下表现明显不同的光学吸收的两个波长。例如，为了准确测量吸收层中的吸收度，优选吸收相对高，而同时优选地在用于追踪层的光学厚度变化的波长下吸收相对较低。在这种情况下，可选择两个不同波长以满足这两个标准。例如，当应用具有例如图19(a)所示结构的方法时，例如，硅晶片是～775μm厚，在大约～100℃时，用～1050nm波长确定晶片的绝对温度是方便的，然后在加热晶片时用具有～1550nm波长的高相干光源追踪晶片温度中的变化。当采用非常不同的波长时，采用图20所示方法同时使用不同的光源和检测器会更为理想。在一些实施例中，光学元件可布置成使得在晶片上被采样的区域如有必要可彼此非常接近。为了减少温度校准中的误差，这将是有用的。

一个替代的方法是确保晶片旋转，以在晶片上相同半径上进行测量。另一方法是只用一套检测光学元件，但却在检测器前提供可调谐带通滤光器。可用的有各种这样的滤光器，例如单色器和可在一定光谱上扫描的其它器件、可变波长滤光器、开关滤光器等。检测系统还可包括与独立的滤光器或光谱分散元件例如光栅或棱镜组合的多个检测器，所述滤光器和光谱分散元件分离光中的波长分量并将其引导到不同的检测器。应理解各种实施例也可采用例如允许两个波长分量都通过同时拒绝杂散光的滤光器。

当被加热的晶片可被特别选择作为，例如温度校准标准时，可将一个波长区域用于吸收和光学厚度两者的测量，但采用复合晶片结构，其中用于光学厚度测量的层在给定波长下相对透明，而用于光学吸收测量的另一层在同样波长下相对吸收更强。这种结构可采用图19(b)和19(c)中建议的形式。在其它实施例中，用于其中一个测量的层可实际包括第二层。例如，根据图19(c)的晶片可包括这样一种结构，其中具有温度依赖的光学吸收的层是具有基板厚度d_sisub～750μm厚的硅基板，并且相对轻掺杂，例如具有电阻率＞0.5Ωcm。具有温度依赖的光学厚度的层还可为轻掺杂硅，具有相似电阻率，但更薄，具有～25μm厚的表面层厚度。两个硅层之间的分离层可为二氧化硅层，确保光从上硅层的下表面反射。二氧化硅层可为～0.3μm厚。在该结构中，硅中的光学吸收可通过进行透射测量而探查。现在，在这种情况下，由于两个硅层具有非常相似的光学性质，所以两层都具有温度依赖吸收。因而，这是具有温度依赖吸收的层可被当作包括两个硅膜的整个晶片的厚度的例子。实际上，两个硅层的光学厚度也是温度的函数。但是，在高温下(例如＞850℃)，在较厚的下硅层的后表面反射的光很少可回到晶片的上表面，因而它不能有效地影响在晶片的两个外表面上反射的光的干涉效应。在另一方面，在上硅层的后表面上(在与二氧化硅的界面上)反射的光可回到表面并与在上硅层的上表面反射的光干涉。因此，光学厚度测量可在上硅膜上方便地进行。这使得温度测量扩展到850℃以上的温度。这对于1550nm附近的波长是方便的，因为在该波长下硅中吸收较低。实际上，用这种结构，优选只用一个光源进行所有测量。这是因为用于推导晶片绝对温度的透射测量可在高到足够忽略干涉效应的温度下进行。当因为光学吸收太强，从晶片后表面反射的光很少回到晶片前表面时出现这种条件。在温度T_op下，当在透射测量所用波长λ_S下光学吸收系数α(λ_S，T_op)与硅膜的组合厚度d_sicomb＝d_sisuf+d_sisub的积大于～3时，满足该条件。在这种情况下，通过晶片厚度之后光线中剩下的能量比率是～exp(-α(λ_S，T_op)d_sicomb)＝exp(-3)＜5％。如果λ_S是～1550nm，则在800℃下α(λ_S，T_op)是100cm^-1。对于d_sicomb是～775μm厚的情况，α(λ_S，800℃)是～7.8，容易地满足了上述条件。但是，表面层仍然相当透明，因为α(λ_S，800℃)d_sisuf只有～0.25。因而，在这种情况下，透射测量和光学厚度测量都可由发出波长～1550nm的相干光源测量。尽管图示强调了该方案在所用部件的数量方面的相对简单，但它也显示如果需要所述方法可以只用相干光源实施。

原则上，即使在透射或反射测量中干涉效应明显，也可只用相干光源执行该方法。但是，在这种情况下，考虑到吸收削弱在晶片中两个界面上反射的光之间观察到的干涉程度的方式，会从更复杂的反射和透射信号分析推导光学吸收。通过推导吸收度，可使用用于确定相对绝对温度的温度变化而建立绝对温度。

图22和23是流程图，给出了如何高精确度地确定加工温度下晶片的温度的示例。

回到图22，在开始加热之前，或者在加热周期中一个相对较早的点上，至少在低于需要最严格的温度控制的处理温度的温度下，通常会在已装载到处理室中的晶片上进行第一次测量，如步骤150所示。在该例中，在步骤152，在第一温度T1下确定晶片中探查波长上的光学吸收。该光学吸收可通过透射测量或反射测量确定。该测量结果可用于通过各种方法确定光学吸收，所述方法包括但不限于本发明以上说明和讨论的方法和/或其它方法，例如，美国专利申请No.10/178,950中所讨论的方法。一旦已确定光学吸收，在步骤156，从光学吸收高精度地获得晶片的绝对温度T₁。假设T₁足够低使得可接受的量的光到达板的后表面，这种测量方法即使在相对厚的晶片，例如器件制造中所用的典型晶片上也相对容易实现。这种方法提供了晶片温度的初始测量值T₁。

接下来，在步骤158，进行受晶片的至少一些部分的光学厚度影响的测量。对晶片的光学性质的这种测量优选地用相干测量方法进行。所述光学性质会通常为晶片的反光度或透光度，但基本的要求是被测量的光学性质受到通过晶片中结构的光程长度的影响。该光程长度是晶片温度的函数，通常是由于温度对晶片的至少一些部分的折射率或物理尺寸上的影响。一旦已测量到光学性质，晶片温度在步骤160改变到第二温度T₂。在步骤162，重复相干测量，在步骤164确定光学性质上的变化。光学性质上的变化用于在步骤166推导晶片温度从T₁改变到T₂时所发生的温度变化ΔT。因为光程长度的变化强烈地影响相干测量，所以可以以很高的精度推导出温度变化。最后，通过在步骤168将ΔT加到T₁而获得T₂的准确的绝对值。

考虑到检测温度变化的方向(即，温度是升高还是降低)，光程长度的相干测量有时有问题。这是因为这种测量引起高度振荡的光学性质变化。如果晶片温度在与振荡信号中的最大或最小值相应的点上变化，则它难以说明晶片是在被加热还是冷却。已提出各种方法克服这一问题，包括采用多波长测量及在相干效应上检测晶片厚度变化的效应。但是，在本发明实施例中，该问题可通过确保从第二次测量或通过分析相干测量估算光学吸收，并推导吸收值而得以缓解。通过检测吸收的变化，可立即检查出温度变化的方向，从而解决该问题。

例如，图23的流程图示出图22的方法如何适用于在步骤166之后的步骤170中在温度T₂下进行第二次测量。步骤150-166可与图22保持一致。通过在步骤172用吸收测量结果估计T₂值，在步骤170吸收测量结果则可用于确定温度从T₁到T₂变化的方向。用温度估计结果和/或吸收测量结果，在步骤174，可确定ΔT的信号方向(即上升或下降)。例如，当用硅层进行吸收测量时，吸收上的任何增加总相应于温度上升。因此，在这种情况下，如果T₂下的吸收大于T₁，则温度上升。用该信息，在步骤176，温度T₂可通过适当地加或减ΔT而推导出。尽管可能难以进行吸收测量(例如当因为高温下吸收非常强而信号水平非常低时)，但是为了检测温度变化的方向并不需要准确的值。不必准确估算就足够可确定温度是上升还是下降。另外，用于检测吸收的辐射的波长可选择为有助于这一任务；它不需要与用于确定光程长度变化的波长相同。

用于确定温度变化的方法可重复进行，因而可在整个热循环中追踪晶片的温度。这例如可通过光学吸收测量在对绝对温度测量的初始交叉校准中进行。这也可在对基于光学吸收的测量的周期交叉检查中进行，所述交叉检查也可用于确认温度变化的指向。在许多工艺中，因为可监视施加到晶片上的加热能量(以及会影响热传递的其它因素，例如会将热传递到晶片或从晶片传递的任何气流性质)，所以可消除检测温度变化的困难，从而预测温度变化的指向。具体地，在为了校准其它温度传感器，例如高温计而进行测量的热循环中，格外灵活。例如，加热系统可编程以将连续上升的加热能量的输出分配到在低于处理环境的温度下开始的晶片。在这种情况下，晶片温度会响应加热能量而连续上升。类似地，如果加热能量被关闭，晶片会开始冷却(尽管应注意确保考虑到部件，例如加热灯的热时间常数)。在冷却曲线期间进行的测量则可基于晶片温度下降的假设。实际上，由于由晶片所发出的热辐射的信号强度随晶片温度而下降，所以也可通过其它方式确认冷却趋势，甚至通过使用高温计的未校准输出。

本领域技术人员应理解本发明不限于以上具体示出和说明的组成各种例子的范围。而是如所附权利要求所阐释的，本发明的范围包括这里所述各种特征的组合和子组合，以及对于本领域技术人员来说会想到这样的变化和修改。

Claims (28)

1.一种校准温度测量器件的方法，所述方法包括：

将光向校准晶片的第一侧引导，所述校准晶片的至少一部分具有随温度变化的在第一已知波长上的光学吸收，并具有随温度变化的在第二已知波长上的光程长度；

加热所述校准晶片；

测量所述校准晶片在所述第一已知波长上的吸收特性，以确定绝对温度值；

基于对穿过所述校准晶片的至少一部分的光程长度的对应变化敏感的测量，确定温度的变化；

基于所述对绝对温度的测量和对温度的变化的测量两者，校准温度测量器件。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述校准晶片仅包括单个材料板。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述校准晶片具有两个层。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一已知波长上的吸收特性和在所述第二已知波长上的光程长度的变化是通过检测透射穿过所述校准晶片的相应波长上的光而测量的。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述向校准晶片的第一侧引导的光中的至少一些是用非相干光源发出的。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述校准晶片包括硅。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述温度测量器件包括高温计。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二已知波长约为1.55微米。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述向校准晶片的第一侧引导的光中的至少一些是用相干光源发出的。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述向校准晶片的第一侧引导的光包括用非相干光源发出的所述第一已知波长的光和用相干光源发出的所述第二已知波长的光。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述对绝对温度的测量和对温度的变化的测量是在所述校准晶片旋转的同时进行的，并且这两项测量是在所述校准晶片上相同半径上进行的。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述对绝对温度的测量和对温度的变化的测量两者而生成温度量度，该温度量度被用于校准所述温度测量器件。

13.一种校准温度测量器件的方法，该方法包括：

在校准晶片被加热时，测量以第一波长穿过所述校准晶片的透射，以确定所述晶片的至少一个绝对温度；

在所述晶片被加热时，测量以第二波长穿过所述校准晶片的透射，以确定所述晶片的温度的至少一个变化，所述第二波长被选择使得随着所述晶片的温度上升，反射或透射在最大值和最小值之间出现振荡；并且

通过组合所述晶片的所述确定的温度的变化和所述确定的绝对温度，校准温度测量器件。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述校准晶片仅包括一个材料板。

15.如权利要求13所述的方法，其中，所述校准晶片具有两个层。

16.如权利要求13所述的方法，其中，还包括以所述第一波长和所述第二波长向所述校准晶片的第一侧引导光，其中以所述第一波长向所述校准晶片的第一侧引导的光是用非相干光源发出的，以所述第二波长向所述校准晶片的第一侧引导的光是用相干光源发出的。

17.如权利要求13所述的方法，其中，所述校准晶片包括硅。

18.如权利要求13所述的方法，其中，所述温度测量器件包括高温计。

19.如权利要求13所述的方法，其中，所述第二已知波长约为1.55微米。

20.如权利要求13所述的方法，其中，对绝对温度的测量和对温度的变化的测量是在所述校准晶片旋转的同时进行的，并且这两项测量是在所述校准晶片上相同半径上进行的。

21.如权利要求13所述的方法，其中，所述校准晶片具有在校准程序之前就已知的成分，从而所述晶片的光学特性是已知的。

22.如权利要求13所述的方法，其中，所述第二波长上的透射测量对穿过所述晶片的在所述第二波长上的光的光程长度敏感。

23.如权利要求13所述的方法，其中，在所述第一波长上确定的绝对温度是基于所述晶片在所述第一波长上的光学吸收。

24.如权利要求13所述的方法，其中，所述第一波长和第二波长是相同的。

25.如权利要求13所述的方法，其中，在所述第二波长上确定所述晶片的温度的多个变化。

26.如权利要求25所述的方法其中，通过将所述确定的绝对温度与所述确定的晶片的温度的变化相组合，为所述校准晶片生成温度量度，并且该温度量度被用于校准温度测量器件。

27.一种确定晶片温度的方法，包括：

测量所述晶片在第一波长上的吸收特性，以确定绝对温度值T₁；

将所述晶片的温度改变至第二温度T₂；

确定从第一温度T₁到第二温度T₂，所述晶片的光程长度的变化，并由所述光程长度的变化确定晶片温度的对应变化；以及

基于所述确定的温度T₁以及基于所确定的从第一温度T₁到第二温度T₂晶片温度的变化，确定所述晶片的第二温度T₂。

28.如权利要求27所述的方法，其中，所述吸收特性是通过测量以所述第一波长穿过所述晶片的透射而测量的。

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