Verfahren und Vorrichtungen dieser Art sind beispielswei- se im Zusammenhang mit der Fertigunc von Halbleitersub- straten in einer Reaktionskammer bekannt. Dort werden emissivitätsunabhängige Verfahren bevorzugt, bei denen eine von einem Substrat kommende Wärmestrahlung im we- sentlichen unabhängig von der jeweiligen Emissivität ei- nes Substrats mit der tatsächlichen Temperatur des Sub- strats in Beziehung gesetzt wird. Ein derartiges Verfah- ren kompensiert Emissivitätsdifferenzen zwischen hunter- schiedlichen Substraten. Zum Erreichen eines emissivi- tätsunabhängigen Meßverfahren werden beispielsweise die sogenannte"Ripple-Technik", die beispielsweise in der US-A- 5 490 728 sowie der nicht vorveröffentlichten DE 197 54 386 A derselben Anmelderin beschrieben ist, sowie das Cavity-Prinzip verwendet, bei dem beispielsweise eine verspiegelte Kammer von einem zu messenden Gegenstand auf einer Seite abgeschlossen ist, wodurch eine Annäherung an einen Hohlraumstrahler mit Emissivität 1 erreicht wird.

Ein weiteres Verfahren, welches das Cavity-Prinzip ver- wendet, ist beispielsweise in der nicht vorveröffentlich- ten DE 197 37 802 derselben Anmelderin beschrieben, die, um Wiederholungen zu vermeiden, zum Gegenstand dieser An- meldung gemacht wird. Bei den bekannten Verfahren werden Wafer verwendet, auf deren Ober- oder Unterseite ein Thermoelement (TC-ThermoCouple) aufgeklebt ist. Die Meß- abweichung von TC zu TC ist dabei erfahrungsgemäß sehr klein, so lange die TCs aus Drahtpaaren gleicher Serie gefertigt wurden. Die Streuungen liegen dann in einem Be-

reich von circa 1 bis 2 °K. Aufgrund dieser geringen Streuungen können die Temperaturmessungen auf Emissivi- tätsunabhängigkeit eingestellt werden, da es hierbei ins- besondere auf eine geringe Streuung zwischen den TC's an- kcmt. Die Meßunsicherheit des absoluten Temperaturwertes ist jedoch bedeutend höher, wobei die Meßunsicherheiten bestenfalls in dem Bereich von 2-3K liegen, und in weni- ger guten Fällen bei über 10K-20K liegen.

Diese Meßunsicherheiten ergeben sich durch unterschied- liche Faktoren. Unter anderem hängt die Thermospannung des Thermopaares neben der Temperatur auch von der Legie- rung ab, die aber fertigungsbedingt gewissen Streu-ingen unterliegt. Ferner sind zwischen dem TC und dessen Ver- stärker mehrere elektrische Verbindungen vorgesehen, die jeweils gleichzeitig Thermopaare bilden, so daß unsymme- tr-~sche Ubergange eine zusätzliche Thermospannung erzeu- gen. Darüber hinaus besitzen die Klebestellen der TCs ei- nen anderen Absorptionsgrad als die die Klebestellen um- gebende Waferoberfläche. Die Gleichgewichtstemperatur der TCs stellt sich also nicht nur mittels Wärmeleitung zwi- schen Wafer und TC ein, was ideal wäre, vielmehr wird die Temperatur des TC zusätzlich durch die Heizstrahlung der Lampe beeinflußt, weshalb die Temperatur der TCs o=t nicht exakt der Temperatur des Substrats entspricht.

Die Meßunsicherheiten entstehen also in erster Linie durch Fehlerquellen, die sich bei allen TCs in gleicher Weise als Meßfehler niederschlagen. TCs sind daher Meß- aufnehmer, die zwar eine geringe Streuung, aber eine gro- ße absolute Meßungenauigkeit aufweisen.

Zum Erreichen einer besseren Meßgenauigkeit wurden die TCs in einem TC-Kalibrator, d. h. einem Ofen mit sehr ho- mogener Temperaturverteilung im Inneren bezüglich einer Absoluttemperaturmessung kalibriert. Mehrere unkalibrier- te TCs wurden zusammen mit einem Referenz-TC in den Ofen

eingebracht, wobei das Referenz-TC seinerseits bei einem separaten Kalibrierdienst mit Hilfe eines Transferpyrome- ters bezüglich einer Primärreferenz kalibriert wurde.

Diese mehrfachen Kalibrierungen erfordern unterschiedli- che Vorrichtungen, sie sind sehr aufwendig, und aufgrund der vielen Schritte ergeben sich zahlreiche Möglichkei- ten, daß Fehler in die Kalibrierung eingeführt werden, wodurch sich wiederum Meßunsicherheiten am Ende ergeben.

Aus der US 5, 265, 957 ist ferner eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kalibrieren eines Temperatursensors ge- zeigt, bei dem ein Wafer mit einer Vielzahl von Kalibrie- rinseln eines Referenzmaterials mit einem Schmelzpunkt in dem Bereich von 150°C bis 550°C versehen wird. Während einer Erwärmung eines derartigen Wafers wird die effekti- ve Reflektivität des Wafers durch den Temperatursensor gemessen, und eine erste sprungartige Veränderung eines Ausgangssignals des Temperatursensors wird mit einer Wa- fertemperatur gleichgesetzt, welche dem Schmelzpunkt des Referenzmaterials entspricht. Anschließend werden Tempe- ratursensor-Kalibrierparameter berechnet. Das Prinzip ist in Fig. 6 verdeutlicht. Das Signal I eines Temperatursen- sors (Pyormeters) wird dabei als Funktion der Zeit t wäh- rend der Erwärmung des Wafers aufgenommen. Damit sich die Reflektivität des Wafers am Phasenübergang des Referenz- materials ändert, muß das Referenzmaterial oberflächennah angeordnet werden, so daß dieses im Bereich der Eindring- tiefe der Meßwellenlänge ist. Am Phasenübergang des Refe- renzmaterials tritt, wie in Fig. 6 dargestellt, die er- wähnte sprunghafte Veränderung des Pyrometersignals auf.

Das in US 5, 265, 957 dargestellte Verfahren weist erhebli- che Nachteile auf. So läßt sich beispielsweise der Schmelztemperatur Tml aufgrund der sprunghaften Änderung des Pyrometersignal kein eindeutiger Pyrometerwert zuord- nen, wodurch sich ein systematischer Meßfehler AI für das Kalibrierverfahren ergibt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver- fahren und eine Vorrichtung der Eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem bzw. bei der die Kalibrierung von Temperaturmessungen auf einfache und kostengünstige Weise mit größerer Genauigkeit durchgeführt werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Ver- fahren der Eingangs genannten Art gelöst, das die folgen- den Verfahrensschritte aufweist : Erwarmen eines wenig- stens ein Referenzmaterial mit bekannter Schmelzpunkttem- peratur tragenden Referenzsubstrat auf/oder über die Schmelzpunkttemperatur ; Messen der Wärmestrahlung des Re- ferenzsubstrats während der Erwärmung und/oder einer der Erwärmung folgenden Abkühlung ; In-Beziehung-Setzen eines während des Meßvorgangs auftretenden Meßwertplateaus mit der bekannten Schmelzpunkttemperatur.

Durch Erwärmung des auf dem Referenzsubstrat befindlichen Referenzmaterial steigt die Temperatur des Referenzsub- strats sowie des Referenzmaterials an, bis sie die Schmelzpunkttemperatur des Referenzmaterials erreicht. An der Schmelzpunkttemperatur angelangt, steigt die Tempera- tur nicht weiter an, bis das Referenzmaterial komplett von der festen in die flüssige Phase übergegangen ist, bis also dem Referenzmaterial die latente Wärme zugeführt worden ist. Beim Abkühlen kehrt sich dieser Vorgang in bekannter Weise um. Da die Schmelzpunkttemperatur des Re- ferenzmaterials genau bekannt ist, kann ein während der Erwärmung und/oder einer der Erwärmung folgende Abkühlung gemessenes Meßwertplateau daher mit der bekannten Schmelzpunkttemperatur in Beziehung gesetzt werden, wo- durch eine einfache Kalibrierung einer Absoluttemperatur- messung erreicht wird.

Vorteilhafterweise wird das Meßwertplateau während der Erwärmung und/oder der Abkühlung des Referenzsubstrats ermittelt. Bevorzugt wird aber die Ermittlung des Meß-

wertplateaus während der Abkühlung vorgenommen, da das Referenzmaterial im geschmolzenen Zustand vor der voll- ständigen Erstarrung in besonders gutem Wärmeleitkcntakt zu dem Referenzsubstrat steht.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist im Vergleich zu dem oben beschriebenen Verfahren der US 5, 265, 957 erhebliche Vorteile auf. Da das Verfahren nicht von Änderungen der Emissivität des Referenzsubstrats abhängig ist, ist es möglich, das Referenzmaterial mit einer dicken Schutz- schicht zu umgeben, bzw. das Referenzmaterial im Inneren des Referenzsubstrats anzuordnen. Auf eine Anordnung in der Nähe der Oberfläche kann verzichtet werden. Dies hat den Vorteil, daß Kontaminationen der Prozeßkammer durch das Referenzmaterial vermieden werden. Dies ist jedoch die Grundvoraussetzung für eine breite Anwendung des Re- ferenzsubstrats in der Halbleitertechnologie.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem Auftreten eines Meßwertplateaus bei der bekannten Schmelztemperatur, wie dies in Fig. 7 schematisch dargestellt ist. Im Gegensatz zu dem in der US 5, 265, 957 beschriebenen Verfahren ist beim erfindungsgemäßen Verfahren aufgrund des Plateaus eine eindeutig Zuordnung eines Strahlungsdetektorsignals zu einer Schmelzpunkttemperatur möglich. Der oben erwähn- te systematische Fehler AI ist beim erfindungsgemäßen Verfahren minimiert.

Die Ausbildung eines Plateaus hat ferner den Vorteil, daß sich während der Zeit tp ein thermischer Gleichgewichts- zustand zwischen dem Referenzmaterial und dem Referez- substrat ausbildet, wodurch mögliche Temperaturunter- schiede minimiert werden. Weiterhin ist vorteilhaft, daß sich beim erfindungsgemäßen Verfahren optische Eigen- schaften der Oberfläche des Referenzsubstrats nicht än- dern. Wird beispielsweise das Referenzsubstrat (mit Aus- nahme des sich im Inneren befindlichen Referenzmaterials)

aus dem gleichen Material gewählt, wie die später zu pro- zessierenden Substrate (z. B. Si), so weist das Referenz- substrat dieselbe Emissivität auf wie diese Substrate.

Dadurch läßt sich die Kalibrierung des Strahlungsdetek- tors sogar ohne Emissivitätskompensation direkt beim Pro- zessieren von Substraten einsetzen. Lediglich wenn die Substrate z. 3. aufgrund anderer Oberflächenbeschaffen- heit eine ancre (spektrale) Emissivität aufweisen, ist eine Emissivitätskompensation oder ,.korrektur durchzufüh- ren, wie dies weiter unten dargestellt ist. Ist ein Pro- zessieren der Substrate ohne Emissivitätskompensation moglich, so =at dies ferner den Vorteil, daß nur ein Strahlungsdetektor für die Temperaturmessung erforderlich ist. Ein derartiges Temperaturmeßverfahren mit nur einem Strahlungsdetektor ist mit dem in der US 5, 265, 957 be- schriebenen Verfahren nicht möglich, da sich bei diesem verfahren die Emissivität der Oberfläche des Referenzsub- strats am Phasenübergang ändert.

Damit das Plateau meßtechnisch gut erfaßbar ist, sollte die Masse des Referenzmaterials wenigstens 1k der Gesamt- masse des Referenzsubstrats betragen. Dieses geringe Mas- senverhältnis kann gewählt werden, da die spezifische Schmelzwärme ein Vielfaches der spezifischen Wärmekapazi- tät beträgt. Damit sich die optischen Eigenschaften der Oberfläche des Referenzsubstrats nicht ändern, wird die Schutzschicht des Referenzmaterials bevorzugt wenigstens gleich der dreifachen optischen Abschwächlänge, die die Schutzschicht für die Meßwellenlänge des Strahlungsdetek- tors aufweist, gewählt.

Um eine emissivitätsunabhängigen Temperaturmessung zu er- reichen, erfolgt die Erwärmung des Referenzsubstrats ge- mäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Er- findung mit wenigstens einer Strahlungsheizquelle, deren abgegebene Strahlung mit wenigstens einem charakteristi- schem Parameter moduliert, vorteilhafterweise aktiv modu-

liert wird, wobei die von der wenigstens einen Strah- lungsheizquelle abgegebene Strahlung mit wenigstens einem zweiten Strahlungsdetektor ermittelt wird, und wobei die von dem ersten Strahlungsdetektor ermittelte Strahlung zum Kompensieren der vor : dem Referenzsubstrat reflektier- ten Strahlung der Strahlungsquelle durch die von dem zweiten Strahlungsdetektor ermittelte Strahlung korri- giert wird.

Aufgrund der charakteristischen bekannten Modulation der Strahlungsquelle ist es möglich, zwischen der von dem Ge- genstand selbst abgestrahlten Strahlung, die für die Er- mittlung der Temperatur des Referenzsubstrats erforder- lich ist, und der reflektierten Strahlung der Strahlungs- quelle zu unterscheiden. Für weitere Vorteile und Einzel- heiten bezüglich der als Ripple-Technik bekannten Modula- tion und Auswertung der Strahlung der Strahlungsquelle wird auf die US-A-5 490 728, sowie die nicht vorveröf- fentlichte DE 197 54 386 A derselben Anmelderin Bezug ge- nommen, die insofern zum Inhalt der vorliegenden Be- schreibung gemacht werden.

Auf diese Weise ist es möglich, unabhängig von der Kennt- nis der Emissivität des Referenzsubstrats eine Kalibrie- rung bezüglich der Absoluttemperatur zu erreichen. Um das Meßsystem auf eine Unabhängigkeit bezüglich der Emissivi- tät einzustellen kann es mit Hilfe von TC-Wafern vorkali- briert werden, da es hierbei primär auf eine geringe Streuung zwischen den TCs ankommt.

Vorteilhafterweise wird die Modulation zur Charakterisie- rung der von der Strahlungsquelle abgegebenen Strahlung bei der Korrektur der vom ersten Strahlungsdetektor er- mittelten Strahlung herangezogen, wodurch eine Unter- scheidung der Strahlung von der eigentlich zu messenden Strahlung, die vom Referenzsubstrat selbst abgegeben

wird, besonders einfach, zuverlässig und quantitativ ge- nau ermöglicht wird.

Die von der Strahlungsquelle abgegebene Strahlung wird vorzugsweise amplituden- frequenz- und/oder phasenmodul- iert. Je nach den vorhandenen Gegebenheiten und Erforder- nissen ist die Wahl der Modulationsart wählbar, wobei die Modulationsart insbesondere auch im Hinblick auf die Ein- fachheit und Zuverlässigkeit des Modulationsverfahrens aber auch des Auswerteverfahrens und des Detektierverfah- rens auswählbar ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung be- steht die Strahlungsheizquelle aus mehreren Lampen, wobei wenigstens die Strahlung von einer der Lampen moduliert ist, vorteilhafterweise aber die Strahlung von allen Lam- pen moduliert ist.

Vorteilhafterweise wird der Modulationsgrad oder die Mo- dulationstiefe gesteuert, wodurch er bzw. sie bekannt ist, und die Detektion und Auswertung vereinfacht wird.

Die Emissivitätsunabhängigkeit der Temperaturmessung kann vorteilhafterweise auch dadurch erreicht werden, daß die Messung der vom Substrat abgegebenen Wärmestrahlung auf einer Seite des Substrats erfolgt, die wenigstens einen Teilbereich eines Hohlraumstrahlers bildet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Er- findung sind mehrere Referenzmaterialien mit jeweils un- terschiedlichen Schmelzpunkttemperaturen auf dem Refe- renzsubstrat vorgesehen, und es werden während der Erwär- mung und/oder Abkühlung die jeweiligen Meßwertplateaus ermittelt, und jeweils mit einer der bekannten Schmelz- punkttemperaturen in Beziehung gesetzt.

Die vorliegende Erfindung ist mit großem Vorteil zur Ka- librierung einer Temperaturmessung im Zusammenhang mit einer Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Substra- ten in einem Ofen, in dem die Substrate schnell und mit einem möglichst genauen, vorgegebenen Temperaturverlauf aufgeheizt und abgekühlt werden, anwendbar.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch ei- ne Vorrichtung zum Kalibrieren von Temperaturmessungen der Eingangs genannten Art gelöst, die folgendes auf- weist : ein Referenzmaterial mit bekannter Schmelzpunkt- temperatur, das an einem Referenzsubstrat angebracht ist, eine Strahlungsquelle zum Erwärmen des Referenzsubstrats, dessen abgegebene Strahlung mittels einer Modulationsein- richtung vorzugsweise aktiv mit wenigstens einem charak- teristischen Parameter modulierbar ist, sowie wenigstens einen zweiten Strahlungsdetektor, zur Messung der von der wenigstens einen Strahlungsquelle abgegebenen Strahlung, und eine Einrichtung zum Korrigieren der vom ersten Strahlungsdetektor ermittelten Strahlung, zur Kompensati- on der vom Referenzsubstrat reflektierten Strahlung der Strahlungsquelle durch die vom zweiten Strahlungsdetektor ermittelte Strahlung.

Durch die Verwendung eines Referenzsubstrats mit einem darauf angebrachten Referenzmaterial mit bekannter Schmelzpunkttemperatur in Kombination mit der aktiven Mo- dulation ergeben sich wiederum die oben genannten Vortei- le einer emissivitätsunabhängigen einfachen Kalibrierung einer Temperaturmessung.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Vor- richtung einen Hohlraumstrahler auf, der zumindest teil- weise durch das Substrat gebildet ist.

Vorzugsweise wird der Hohlraumstrahler durch eine ver- spiegelte Kammer gebildet, deren eine Wand zumindest

teilweise durch das Substrat gebildet wird. Vorteilhaf- terweise kann der Hohlraumstrahler auch durch eine Platte gebildet werden, die parallel zu dem Substrat angeordnet ist.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist an dem Referenzsubsrat eine Abdeckung vorgesehen, die zwischen sich und dem Referenzsubstrat eine Kammer zur Aufnahme des Referenzmaterials vorsieht. Vorzugsweise ist die Kam- mer gegenüber der Umgebung abgedichtet um zu verhindern, daß das Referenzmaterial die zu kalibrierende Vorrichtung verunreinigt. Um einen gleichmäßigen Druck (Partialdruck des Referenzmaterials) in der Kammer zu gewährleisten, ist diese vc=teilhafterweise evakuiert, was auch den Vor- teil mit sich bringt, daß kein flüssiges Referenzmaterial unter dem Druck eines erhitzten Restgases durch eventuell vorhandene Mikrorisse nach außen gedrückt wird. Vorteil- hafterweise ist das ganze Referenzsubstrat verglast.

Vorteilhafterweise weist das Referenzsubstrat wenigstens eine Vertiefung zur Aufnahme des wenigstens einen Refe- renzmaterials auf, wodurch der Boden des Referenzsub- strats im Bereich des Referenzmaterials möglichst dünn ist, um eine Temperaturdifferenz zwischen der Unterseite des Referenzsubstrats und dem Referenzmaterial möglichst gering zu halten. Aus Stabilitätsgründen werden mehrere Ausnehmungen bevorzugt. Um mechanische Spannungen auf- grund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Referenzsubstrat und dem Referenzmaterial zu vermei- den sind die Wände der Ausnehmungen vorzugsweise abge- schrägt.

Vorteilhafterweise besitzt das Referenzsubstrat die glei- che Größe und/oder Form und/oder das gleiche Gewicht, wie das Substrat, dessen Temperatur nach der Kalibrierung ge- messen werden soll, um das Referenzsubstrat mit einem vorhandenen Handlingsystem für das zu messende Substrat zu handhaben. Auf diese Weise kann eine Kalibrierung oder

eine zeitweise Nachkalibrierung automatisiert werden. Der Vorteil gegenüber den herkömmlichen TC-Substraten liegt hierbei nicht nur in der Erhöhung der Genauigkeit und Re- produzierbarkeit, sondern auch darin, daß ein TC-Substrat aufgrund der Anschlußdrähte nicht automatisch gehandelt werden kann und die Drähte nach dem Einbau des TC- Substrats angeklemmt werden müssen. Dieser Umstand fällt bei dem beschriebenen Referenzsubstrat weg.

Vorteilhafterweise ist das wenigstens eine Referenzmate- rial ein Metall, da für Metalle, insbesondere hoch reine Metalle, die Schmelzpunkttemperaturen sehr genau bekannt bzw. definiert sind.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind unterschiedliche Referenzmaterialien mit unterschiedli- chen Schmelzpunkttemperaturen auf dem Referenzsubstrat vorgesehen, um eine Kalibrierung bei unterschiedlichen Temperaturen zu gewährleisten.

Vorteilhafterweise ist wenigstens ein Referenzmaterial an unterschiedlichen Stellen auf dem Referenzsubstrat ange- ordnet, wodurch sichergestellt werden kann, daß das Refe- renzmaterial das Blickfeld des ersten Strahlungsdetektors abdeckt.

Vorteilhafterweise trägt das Referenzsubstrat, das wenig- stens eine Referenzmaterial auf einer dem Bestrahlungs- detektor abgewandten Seite. Um eine hohe Emissivität des Referenzsubstrats zu erreichen, sind vorteilhafterweise auf einer dem Strahlungsdetektor zugewandten Seite des Referenzsubstrats Strukturen, wie zum Beispiel Mikrokanä- le, vorgesehen.

Um Primärreferenzen mit unterschiedlichen Emissivitäten zu erhalten ist eine Vielzahl von Referenzsubstraten mit unterschiedlichen optischen Schichten vorgesehen. Durch

vorsehen von -rimärreferenzen mit unterschiedlichen Emissivitäten ergibt sich die Möglichkeit auf eine auf- wendige Vorka--- ! -brierung mit TC-Wafern vollständig zu ver- zichten.

Aufgrund der relativ leichten Herstellung und der ther- mischen Eiger-chaften von keramischen Material ist der Referenzwafer vorzugsweise aus demselben hergestellt.

Die vorliegende Vorrichtung ist mit großem Vorteil zur Kalibrierung einer Vorrichtung zur schnellen thermischen Behandlung von Substraten mit einem Ofen, in dem die Sub- strate schnel- und mit einem möglichst genauen, vorgege- benen Temperaturverlauf aufgeheizt und abgekühlt werden, geeignet.

Die Erfindung wird nachstehend im Zusammenhang mit dem Beispiel eine= Vorrichtung zum Aufheizen von Halbleiter- wafern unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Es zeigen : Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Schnellheizanlage zur Behandlung von Halbleiterwafern in schema- tischer Darstellung, Fig. 2 einen Querschnitt entlang der in Fig. 1 einge- zeichneten Schnittlinie II-II, Fig. 3 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Refe- renzsubstrat, wobei zur Verdeutlichung eine Ab- deckung weggelassen wurde, Fig. 4 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Refe- renzsubstrats mit Abdeckung, Fig. 5 eine vergrößerte Teilschnittansicht des Refe- renzsubstrats, Fig. 6 eine Temperatur-Zeit-Kurve für ein Referenzsub- stras nach dem Stand der Technik, Fig. 7 eine Temperatur-Zeit-Kurve für das erfindungs- gemäße Referenzsubstrat ;

Fig. 8 ein mit Thermoelementen bestücktes Referenzsub- strat.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform eines Schnellheizofens zur Behandlung von Halbleiterwafern 2 zeigt eine vorzugsweise aus Quarzglas bestehende Reakti- onskammer 1 mit einem darin befindlichen Halbleiterwafer 2. Die Reaktionskammer 1 ist von einem Gehäuse 3 umgeben, daß jeweils oben und unten Lampen 4,5 aufweist, deren Strahlung auf die Reaktionskammer 1 gerichtet ist. Ein schematisch dargestelltes Pyrometer 6 (vgl. insbesondere Fig. 2) mit einem großen Eintrittswinkel mißt die vom Halbleiterwafer 2 emittierte Strahlung, sowie die am Halbleiter 2 reflektierte Strahlung der Lampen 5, die im dargestellten Ausführungsbeispiel als Stablampen ausge- bildet sind. Eine Anordnung dieser Art ist beispielsweise in der nicht vorveröffentlichten DE 197 37 802 A oder der nicht vorveröffentlichten DE 197 54 386 A derselben An- melderin beschrieben, so daß zur Vermeidung von Wiederho- lungen darauf Bezug genommen wird, und die Anmeldungen insofern zum Inhalt der vorliegenden Beschreibung gemacht werden.

Ein weiteres Pyrometer 7 erhält über optische Leitungen oder Lichtkanäle 8 das von den Lampen 5 abgestrahlte Licht direkt zugeleitet. Um Wiederholungen hinsichtlich dieses sogenannten Lampenpyrometers 7 und der Anordnung zum Bestrahlen des Lampenpyrometers 7 mit dem Licht der Lampe 5 zu vermeiden, wird auf die nicht vorveröffent- lichte DE 197 54 385 A derselben Anmelderin verwiesen, die insofern zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung ge- macht wird.

Die Figuren 3 bis 5 zeigen ein erfindungsgemäßes Refe- renzsubstrat in der Form eines Referenzwafers 10, der zur Kalibrierung des in den Figuren 1 und 2 dargestellten Py- rometers 6 verwendet wird. Der Referenzwafer 10 besitzt

eine flache, runde Form, die im wesentlichen der eines zu behandelnden Halbleiterwafers 2 entspricht. Der Referen- zwafer 10 weist einen Grundkörper 12 aus keramischem Ma- terial auf, der im Mittelbereich eine kreisförmige Erhö- hung 13 aufweist. Im Bereich der Erhöhung 13 sind kreis- förmige Ausnehmungen 15 zur Aufnahme eines Referenzmate- rials in der Form von Metallschmelzeinlagen 17 mit be- kannter Schmelzpunkttemperatur vorgesehen. Um eine besse- re Flächendeckung zu erreichen, könren die Ausnehmungen auch hexagonal (wabenförmig) ausgebildet sein und über den ganzen Querschnitt des Grundkörpers 12 angeordnet sein. Um Spannungen zwischen dem Grundkörper 12 und der Metallschmelzeinlage zu vermeiden wird vor der ersten Verwendung eine Metalltablette lose in die Ausnehmung ge- legt, die dann nach dem ersten Schmelzen immer mit maxi- mal zulässigem Durchmesser erstarrt. Beim weiteren abküh- len zieht sich dann das Metall schneller zusammen als der Grundkörper. Beim wiederholten Aufheizen schmilzt dann das Metall gerade bevor mechanische Spannungen auftreten können.

Wie in Fig. 3 zu sehen ist, sind 19 kreisförmige Ausneh- mungen 15 vorgesehen, in denen sich jeweils eine Metall- schmelzeinlage 17 mit bekannter Schmelzpunkttemperatur befindet. Die Anzahl der Ausnehmungen 15 ist jedoch für die Erfindung unerheblich und sie kann an die Stabili- tätserfordernisse des Grundkörpers 12 oder sonstige Para- meter angepaßt werden. Zum Beispiel ist es möglich, nur eine Ausnehmung zur Aufnahme der Metallschmelzeinlage 17 vorzusehen, wobei darauf geachtet werden sollte, daß die Ausnehmung im Blickfeld des Pyrometers 6 liegt. Gemäß weiterer Ausführungsformen sind innerhalb der Ausnehmun- gen statt Metallschmelzeinlagen 17 mit gleichen, bekann- ten Schmelzpunkten, unterschiedliche Metallschmelzeinla- gen mit unterschiedlichen Schmelzpunkten vorgesehen.

Über der Erhöhung 13 und den Metallschmelzeinlagen 17 be- findet sich eine Abdeckung 20, die in ihrem Randbereich 22 mit dem Grundkörper 12 in abdichtender Weise verbunden ist. Diese Verbindung kann auf bekannte Art und Weise durch Verkleben, Verschweißen oder ein sonstiges in der Technik bekanntes Verfahren erfolgen. Zwischen der Abdek- kung 20 und der Erhöhung 13 bzw. den Metallschmelzeinla- gen 17 wird eine Kammer 23 gebildet, die evakuiert ist.

Es ist auch denkbar statt eine Abdeckung vorzusehen, den ganzen Referenzwafer zu verglasen, bzw. eine Kombination dieser beiden Merkmale vorzusehen.

Obwohl das Referenzsubstrat anhand eines speziellen Aus- führungsbeispiels beschrieben wurde, sei bemerkt, daß das Referenzsubstrat eine unterschiedliche Form und Ausge- staltung aufweisen kann, ohne daß dadurch der Erfindungs- gedanke verlassen wird. Zum Beispiel könnte die Erhöhung 13 im Mittelbereich weggelassen werden, und die Ausneh- mungen 15 könnten direkt im Grundkörper 12 ausgebildet sein. Statt die Metallschmelzeinlagen 17 in Ausnehmungen in dem Grundkörper 12 vorzusehen, ist es auch möglich, sie ohne Ausnehmungen flächig auf dem Grundkörper aufzu- bringen. Auch eine Strukturierung der dem Referenzmateri- al abgewandten Oberfläche des Grundkörpers zur Erhöhung seiner Emissivität wäre denkbar.

Zur Kalibrierung des Pyrometers 6 der oben genannten Vor- richtung zur Behandlung von Halbleiterwafern wird der Re- ferenzwafer 10 mittels einer vorhandenen, nicht näher dargestellten Handlingvorrichtung in die Reaktionskammer 1 eingebracht, und zwar in die selbe Position wie der in Fig. 1 dargestellte Halbleiterwafer 2. Nachfolgend wird die Reaktionskammer verschlossen und der Referenzwafer 10 wird mittels der Lampen 4,5 erwärmt, wobei das Pyrometer 6 die von dem Referenzwafer 10 emittierte Strahlung sowie die daran reflektierte Strahlung der Lampe 5 mißt. Wäh- rend der Erwärmung steigt in gleicher Weise die Tempera-

tur der Metallschmelzeinlage an, bis sie ihren Schmelz- punkt erreicht. Ab diesem Zeitpunkt steigt die Temperatur der Metallschmelzeinlage nicht weiter an. Aufgrund der guten thermischen Leitfähigkeit und der dadurch schnellen Temperaturanpassung zwischen der Metallschmelzeinlage 17 und dem Referenzwafer 10 steigt auch die Temperatur des Referenzwafers 10 nicht weiter an, bis die Metallschmel- zeinlage 17 komplett von der festen in die flüssige Phase übergegangen ist, d. h. bis der Metallschmelzeinlage 17 die latente Wärme zugeführt wurde. Die gleichbleibende Temperatur wird als Meßwertplateau durch das Pyrometer 6 gemessen und durch eine nicht näher dargestellte Vorrich- tung mit der bekannten Schmelzpunkttemperatur in Bezie- hung gesetzt.

Nachdem die Metallschmelzeinlage 17 vollständig geschmol- zen ist und keine latente Wärme mehr aufnimmt, steigt die Temperatur des Referenzwafers 10 weiter an. Daraufhin wird die Erwärmung gestoppt und der Referenzwafer 17 wird abgekühlt bzw. kühlt er sich ab.

Beim Abkühlen kehrt sich der Vorgang um. Die Metall- schmelzeinlage 17 kühlt bis zum Erstarrungspunkt ab und deren Temperatur bleibt dann so lange im wesentlichen konstant, bis die Einlage 17 ihre laente Warme vollstan- dig abgegeben hat und wieder in fester Phase vorliegt.

Hierdurch ergibt sich wiederum ein Meßwertplateau bei der Pyrometermessung, das mit dem bekannten Schmelzpunkt der Einlage 17 in Beziehung gesetzt werden kann.

Die Ermittlung des Meßwertplateaus während der Abkühlung ist vorteilhaft, weil die Einlage 17 im geschmolzenen Zu- stand einen besseren thermischen Kontakt zu dem Referenz- substrat 10 besitzt, und daher der Temperaturausgleich zwischen Einlage 17 und Referenzsubstrat 10 schneller vonstatten geht.

Da sich die gemessene Wärmestrahlung von dem Referenz- Substrat in Abhängigkeit von der Emissivität des Sub- strats verändern kann, wird zum Erreichen einer Emissivi- tätsunabhängigkeit während des zuvor beschriebenen Vor- gangs die von den Lampen 4,5 emittierte Strahlung vor- zugsweise aktiv und in einer definierten Weise moduliert, und die von den Lampen 5 emittierte Strahlung wird direkt mit dem Lampenpyrometer 7 gemessen. Die Ausgangssignale der Pyrometer 6 und 7 werden einer nicht dargestellten Auswerteschaltung zugeführt. Sie ermittelt die vom Refe- renzwafer 10 emittierte Strahlung, indem sie die auf das Pyromter 6 fallende Strahlung, die sich aus vom Wafer 10 emittierter und reflektierter Strahlung zusammensetzt, mit der vom Pyrometer 7 ermittelten Strahlung in Bezie- hung setzt. Dies ist deshalb möglich, weil die von den Lampen 5 emittierte Strahlung in einer bekannten Weise moduliert ist. Diese Modulation ist auch in der vom Pyro- meter 6 aufgenommenen Strahlung enthalten, so daß durch Vergleich oder In-Beziehung-Setzen der Modulationsgrade und/oder der Modulationstiefen der von den Pyrometern 6 und 7 aufgenommenen Strahlung eine Kompensation der vom Referenzwafer 10 reflektierten Lampenstrahlung in der vom Waferpyrometer 6 aufgefangenen Strahlung möglich ist. Da- durch kann das Verhältnis zwischen der vom Wafer 10 emit- tierten und der reflektierten Strahlung ermittelt werden, um eine Ermittlung der Emissivität des Wafers 10 zu er- möglichen. Aufgrund der Emissivität kann nun die bekannte Schmelzpunkttemperatur der Einlage 17 mit der vom Refe- renzwafer 10 emittierten Strahlung in Beziehung gesetzt werden, um eine Kalibrierung bezüglich der Absoluttempe- ratur vorzusehen.

Eine derartige Modulation und Ermittlung der von einem Substrat emittierten Strahlung ist beispielsweise in der nicht vorveröffentlichten DE 197 54 386 A derselben An- melderin, sowie in der US-A-5 490 728 beschrieben, so daß zur Vermeidung von Wiederholungen darauf Bezug genommen

wird, und diese Druckschriften insofern zum Inhalt der vorliegenden Beschreibung gemacht werden.

Zum Erreichen einer'im wesentlichen emissivitätsunabhän- gigen Messung könnte anstelle der oben beschriebenen Ripple-Technik beispielsweise auch das sogenannte Cavity- Prinzip verwendet werden, bei dem durch Verwendung einer verspiegelten Kammer versucht wird, einen Hohlraumstrah- ler nachzuahmen.

Nachfolgend wird ein Dimensionierungsvorschlag für das Referenzsubstrat angegeben. Um ein möglichst gleichmäßi- ges Aufheizen des Referenzsubstrats zu gewährleisten, wird dieses bevorzugt so dimensioniert, daß die thermi- sche Masse pro Flächeneinheit über das Substrat konstant ist. Dies kann z. B. durch die Variation der Dicke der Referenzmaterialien erreicht werden, so daß die folgende Gleichung erfüllt ist: di - Pi - c, + d2 P2 c2 + d,-p-c,=d,-p,-c, (1) Hierbei sind d1, d2, d3 und d4 die Dicken des Referenzsub- strats an der Schmelzmetalleinlage, die Dicke des Schmelzmetalls, die Dicke der Abdeckung des Schmelzme- talls bzw. die Dicke des Referenzsubstrats in Bereichen ohne Schmelzmetalleinlage. Die zugehörigen Dichten bzw.

Wäremkapazitäten sind mit P1, P2, p3, p4 bzw. c*, c2, C3, C4 bezeichnet.

Die Leistungsdichte P (Leistung/Fläche) z. B. einer RTP- Anlage und die Aufheizgeschwindigkeit R (Ramprate) kann vereinfacht mittels der folgenden Gleichung dargestellt werden : )

Durch diese Beziehung wird bei einer vorgegebenen Auf- heizgeschwindigkeit R die erforderliche Leistungsdichte P definiert, um das Referenzsubstrat homogen (siehe Glei- chung (1)) aufzuheizen. Erreicht das Referenzmaterial seinen Schmelzpunkt, so ist zu dessen Schmelzung die (flächenbezogene) Energie EL erforderlich, die sich aus der folgenden Gleichung ergibt : EL = d2 P2 c5 wobei Cg die spezifische Schmelzwärme des Referenzmateri- als ist. Wird die Leistungsdichte P des RTP-Systems un- verändert beibehalten, so läßt sich die Plateauzeit tp (siehe Fig. 7) abschätzen anhand der folgenden Gleichung : tp = EL/P wobei EL und P aus Gleichung (2) bzw. (3) zu entnehmen sind. Dadurch läßt sich ein Plateau-Zeit-Rampratenprodukt angeben : z = tp # R = #2 # #2 # c5/ d4 # #4 # c4 (5) Dieses Produkt enthält nur die materialspezifischen Grö- ßen und die jeweiligen Schichtdicken. Damit läßt sich bei einem vorgegebenen Produkt Z mittels Gleichung (5) und Gleichung (1) bei der Wahl von z. B. d , die Dicke des Schmelzmetalls d2 und die Dicke des Referenzsubstrats d4 am Randbereich berechnen. Hier ist zur Vereinfachung d3 = 0 angenommen. Vorteilhaft kann jedoch auch d3 = dl ge- wählt werden, insbesondere bei c1 = C3. Ist z. B. dl = 1 mm (oder d, + d3 = lmm bei c1 = C3), so ergeben sich für ein Referenzsubstrat aus Silizium bei einem Plateauzeit- Rampratenprodukt von 100 K für die Schmelzmetalle Germa- nium bzw. Aluminium Schmelzmetalldicken d2 von 0, 071 mm bzw. 0, 2 mm, wobei der Außenbereich des Referenzsubstrats Dicken d4 von 1, 074 mm bzw. 1, 3 mm aufweist.

d4 p4 c4 R = P (2) Durch diese Beziehung wird bei einer vorgegebenen Auf- heizgeschwindigkeit R die erforderliche Leistungsdichte P definiert, um das Referenzsubstrat homogen (siehe Glei- chung (1)) aufzuheizen. Erreicht das Referenzmaterial seinen Schmelzpunkt, so ist zu dessen Schmelzung die (flächenbezogene) Energie EL erforderlich, die sich aus der folgenden Gleichung ergibt : EL = d2 # p2 # cs (3) wobei cs die spezifische Schmelzwärme des Referenzmateri- als ist. Wird die Leistungsdichte P des RTP-Systems un- verändert beibehalten, so läßt sich die Plateauzeit tp (siehe Fig. 7) abschätzen anhand der folgenden Gleichung : tp = EL/P (4) wobei EL und P aus Gleichung (2) bzw. (3) zu entnehmen sind. Dadurch läßt sich ein Plateau-Zeit-Rampratenprodukt angeben : P2 s/ (d9'P4 cQ) (5) Dieses Produkt enthält nur die materialspezifischen Grö- ßen und die jeweiligen Schichtdicken. Damit läßt sich bei einem vorgegebenen Produkt Z mittels Gleichung (5) und Gleichung (1) bei der Wahl von z. B. dl, die Dicke des Schmelzmetalls d2 und die Dicke des Referenzsubstrats d4 am Randbereich berechnen. Hier ist zur Vereinfachung d3 = 0 angenommen. Vorteilhaft kann jedoch auch d3 = di ge- wählt werden, insbesondere bei ci = 03. Ist z. B. di = 1