一种调节基片表面温度的控温系统和控温方法
【专利摘要】本发明公开了一种在化学气相沉积反应器或者外延层生长反应器内调节基片表面温度的控温系统，所述控温系统包括至少两个加热部件，每个加热部件至少连接一个加热电源输出；将预先测得的反应器内的基片表面温度和其他影响温度的参数以及为了实现基片表面温度均匀，加热电源输出的温度调节参数储存在一控制器内，在反应器实际工作时，通过温度测量装置、气体流速测量装置、压力测量装置以及转速控制装置测量反应器内部相应的工艺参数，将测得的工艺参数输入所述控制器内，与预先储存在控制器内的工艺条件参数进行比对，找到相同或最相似的工艺条件下对应的加热电源输出的温度调节参数，从而控制对应加热部件的温度，实现基片表面温度的均匀分布。
【专利说明】一种调苄基片表面温度的控温系统和控温方法【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件的制造领域，尤其涉及一种对基片进行控温加热的【技术领域】。
【背景技术】 [0002]氮化镓(GaN)是一种广泛应用于制造蓝光、紫光和白光二极管、紫外线检测器和高功率微波晶体管的材料。由于GaN在制造适用于大量用途的低能耗装置(如，LED)中具有实际和潜在的用途，GaN薄膜的生长受到极大的关注。
[0003]GaN薄膜能以多种不同的方式生长，包括分子束外延(MBE)法、氢化物蒸气阶段外延(HVPE)法、金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)法等。目前，MOCVD法是用于为生产LED得到足够质量的薄膜的优选的沉积方法。
[0004]MOCVD工艺通常在一个具有温度控制、压力控制、反应气体流量控制等比较严格的环境下的反应腔内进行。通常，由包含第III族元素(例如镓(Ga))的第一前体气体和一含氮的第二前体气体(例如氨(NH3))被通入反应腔内反应以在基片上形成晶体GaN薄膜。一载流气体(carrier gas)也可以被用于协助运输前体气体至基片上方。这些前体气体在被加热的基片表面混合反应，进而形成第III族氮化物薄膜(例如GaN薄膜)而沉积在基片表面并形成晶体外延层。
[0005]在前述MOCVD工艺过程中，随着工艺的进行，MOCVD反应腔内的温度、压力、气体流速以及支撑所述基片的基片承载架转速等参数需要不断进行控制调整，并且在调整时各个参数之间会互相影响。
[0006]MOCVD反应腔内的温度是对整个反应工艺影响较大的一个参数，在MOCVD反应腔内由于所述基片承载架表面面积较大，而且受反应腔内的压力、气体流速以及基片承载架转速等参数的影响，采用单一加热部件往往会在基片表面产生不同的温度，这会造成整个基片表面的沉积均一性降低，从而使得产品的合格率降低。现有技术也会采用将加热部件分区加热，由于缺乏有效的控制方法，分区加热的加热温度很难调节均匀。
【发明内容】
[0007]为了解决上述技术问题，本发明提供一种调苄基片表面温度的控温系统，所述控温系统位于一化学气相沉积反应器或者外延层生长反应器内，所述反应器包括一基片承载架，所述基片承载架表面放置所述基片；
[0008]第一加热部件和第二加热部件，所述第一加热部件和第二加热部件位于所述基片承载架附近，在所述基片承载架支撑基片的表面区域形成第一加热区和第二加热区；
[0009]供电系统,包括第一加热电源输出和第二加热电源输出，所述的第一加热电源输出和第二加热电源输出分别和所述的第一加热部件和第二加热部件相连；温度探测装置，用于测量所述第一加热区的温度；
[0010]控制器，所述控制器内预先存储有若干组第一加热区的温度及影响所述第一加热区温度的参数，以及对应的第二加热区的温度调节参数，所述控制器和所述温度探测装置相连，所述控制器对所述温度探测装置探测到的第一加热区温度与预先储存的数据进行运算比较，得出第二加热区的温度调节参数；
[0011]所述控制器将经过比较得出的第二加热区的温度调节参数输送到供电系统，调节第二加热电源输出。
[0012]进一步的，所述控温系统还包括第三加热部件以及与第三加热部件连接的第三加热电源输出。
[0013]进一步的，所述控温系统还包括一温度调节装置，所述温度调节装置和所述控制器相连，所述温度调节装置根据所述控制器输出的第二加热区的温度调节参数调节所述供电系统的第二加热电源输出。
[0014]所述的第二加热区的温度调节参数为:所述的第二加热电源输出与所述的第一加热电源输出的比值。
[0015]所述供电系统的第一加热电源输出和第二加热电源输出为电流输出或电压输出。
[0016]所述的供电系统可以为同时具有若干输出的一个加热电源，也可以为若干个加热电源。
[0017]所述温度调节装置可以位于所述控制器内部，也可以位于所述供电系统内部，或者位于所述控制器和所述供电系统之间，控制所述供电系统的输出。 [0018]进一步的，所述控制器还连接一气体流速测量装置、一压力探测装置和一转速控制装置。
[0019]进一步的，影响所述第一加热区温度的参数包括反应器内的各种反应气体的流速、基片承载架周围的压力以及基片承载架的转速。
[0020]进一步的，本发明还公开了一种调苄基片表面温度的控温方法，包括下列步骤:
[0021]将待处理基片置于一化学气相沉积反应器或外延层生长反应器的基片承载架上，在所述基片承载架周围设置至少第一加热部件和第二加热部件，所述第一加热部件和第二加热部件分别连接第一加热电源输出和第二加热电源输出，所述第一加热部件和第二加热部件在所述基片承载架支撑基片的表面区域对应形成第一加热区和第二加热区；
[0022]在所述控制器内预先储存若干组第一加热区的温度及若干组影响所述基片表面温度的参数，以及对应的第二加热区的温度调节参数；
[0023]采用一温度探测装置对所述第一加热区的温度进行探测，将测得的温度输送到所述控制器内；所述控制器将接收到的所述第一加热区的温度与预先储存的温度进行运算比较，得出在相同或者最相近的温度下第二加热区的温度调节参数；
[0024]将所述控制器输出的第二加热区的温度调节参数输入到一与所述控制器相连的温度调节装置，所述温度调节装置根据接收到的第二加热区的温度调节参数控制所述第二加热电源的输出，用以控制所述第二加热部件的温度，从而实现第一加热区和第二加热区温度均匀或二者间具有一定差值。
[0025]所述控制器对接收到的温度探测装置测得的温度与预先储存在控制器内部的温度进行运算比较的方法为:将预先储存的温度数据与温度探测装置测得的温度进行差值运算，差值最小的该温度数据即为相同或最相近的温度参数。
[0026]所述的控制器对接收到的温度和预先储存的温度运算比较结束后，若对应的第二加热区的温度调节参数不唯一，所述控制器会进一步运算比较进入反应腔内各反应气体流速参数。
[0027]所述控制器对所述反应气体流速运算比较的方法为:在确定相同或最相近的温度参数后，将预先储存在所述控制器内的该最相近的温度参数对应的各反应气体流速分别与通过气体流速测量装置测得的各反应气体流速进行差值运算，将得到的差值平方后分别相加，将相加得到的结果进行平方根运算，结果最小的一组气体流速参数即为相同或最相近的的气体流速参数。
[0028]所述的控制器对接收到的所述第一加热区的温度和反应气体的流速与预先储存的温度和反应气体的流速运算比较结束后，若对应的第二加热区的温度调节参数不唯一，所述控制器会进一步运算比较基片承载架周围的压力以及基片承载架的转速等工艺条件参数。
[0029]所述控制器对基片承载架周围的压力运算比较方法为:在确定相同或最相近的温度参数及反应气体流速参数后，将通过压力测量装置测得的基片承载架周围的的压力与预先储存在所述控制器内所述相同或最相近的温度参数及气体流速参数对应的若干组所述基片承载架周围的的压力进行差值运算，差值最小的压力即为相同或最相近的压力参数。
[0030]所述控制器对所述基片承载架转速的运算比较方法为:在确定相同或最相近的温度参数、气体流速参数及基片承载架周围的的压力后，将通过转速控制装置测得的基片承载架的转速与预先储存在所述控制器内所述相同或最相近的温度参数、气体流速参数、基片承载架周围的压力参数对应的若干组所述基片承载架的转速进行差值运算，差值最小的基片承载架转速即为相同或相似的基片承载架转速参数。
[0031]本发明在化学气相沉积反应器或外延层生长反应器内设置一控温系统，所述控温系统包括至少两个加热部件，每个加热部件至少连接一个加热电源输出；将预先测得的反应器内的基片表面温度和其他影响温度的参数以及为了实现基片表面温度均匀或具有一定差值，第二加热区的温度调节参数储存在一控制器内，在反应器实际工作时，通过温度测量装置、气体流速测量装置、压力测量装置以及转速控制装置测量反应器内部相应的工艺参数，将测得的工艺参数输入所述控制器内，与预先储存在控制器内的工艺条件参数进行比对，找到相同或最相似的工艺条件下对应的第二加热区的温度调节参数，从而控制对应加热部件的温度，实现基片表面温度的均匀分布或二者间具有一定差值。本发明采用查表运算的方式，通过将预先测得的数据储存的控制器中，当实际工作时根据实际测得的部分参数通过运算比较找到相同或最相近工艺条件下的所述的温度调节参数，降低了控制器的运算难度，提高了工作效率，同时由于同一台反应器硬件的相对固定，查表运算的准确性得到保证。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0033]图1不出包含有本发明控温系统第一实施例的一种反应器的前视横截面不意图；
[0034]图2示出图1所述实施例控温系统在所述基片承载架上形成的加热区示意图；
[0035]图3不出包含有本发明控温系统另一实施例的一种反应器的前视横截面不意图；[0036]图4示出图3所述实施例控温系统在所述基片承载架上形成的加热区示意图。【具体实施方式】
[0037] 如图1所不，图1不出包含有本发明控温系统第一实施例的一种反应器的前视横载面示意图。所述反应器可以用于化学气相沉积或外延层生长，但应当理解，其并不限于此类应用。所述反应器包括反应腔10，反应腔10内设置至少一个基片承载架12和用于支撑所述基片承载架12的支撑装置20。反应腔10的侧壁上设置有一供基片承载架12传输进出的传输口 14。基片承载架12包括第一表面12a和一第二表面12b,其中第一表面12a上用于放置若干被处理加工的基片。
[0038]反应腔10内还设置控温系统，所述控温系统包括至少第一加热部件30a和第二加热部件30b。所述加热部件数量并非仅限于本实施例中的描述，本领域技术人员可以根据具体工艺要求和反应腔10内部的各项参数合理设定为大于或者等于两个。第一加热部件30a和第二加热部件30b彼此电绝缘，第一加热部件30a和第二加热部件30b在基片承载架12支撑基片的表面区域对应形成第一加热区30a’和第二加热区30b’，如图2所示。
[0039]第一加热部件30a和第二加热部件30b分别连接供电系统50的第一加热电源38a和第二加热电源38b，本实施例的供电系统50采用两个独立的加热电源对第一加热部件30a和第二加热部件30b进行加热，由于反应所需温度较高，可以对第一加热部件30a和第二加热部件30b分别提供若干个并联的加热电源，在另外的实施例中所述的供电系统50也可以采用能够同时输出两个或者两个以上功率的一个加热电源。
[0040]基片承载架12上方设置一温度探测装置32，用于探测第一加热区30a’或第二加热区30b’的温度，本实施例用于探测第一加热区30a’的温度；温度探测装置32和一控制器34相连，将探测到的第一加热区30a’的温度输送到控制器34内。控制器34内预先储存若干组基片反应过程中所需的工艺条件参数，例如，每一组工艺条件参数具体包括:第一加热区30a’的温度、该温度条件下可能对应的若干组反应气体流速参数、每一组反应气体流速参数下可能对应的若干组基片周围压力参数、一至多种基片承载架12所需的转速等参数，以及在上述参数的作用下，为达到第一加热区30a’和第二加热区30b’温度均匀或二者间有一定的差值，第二加热电源38b对第二加热部件30b的温度调节参数。所述的温度调节参数可以为一个比值参数，其为:为达到第一加热区30a’和第二加热区30b’温度均匀或二者间有一定的差值，第二加热电源38b的输出与第一加热电源38a输出的比值。
[0041]反应腔10外部设置有控制反应气体从反应气体源进入反应腔10的气体流速测量装置41，所述气体流速测量装置41为若干个流速测量装置的集合，能够分别测量各种反应气体分别从各自反应气体源进入反应腔10的的流速。反应腔10内部设有测量基片承载架12周围压力的压力测量装置42，转速控制装置44通过一支撑装置20连接控制所述基片承载架12旋转，转速控制装置44可以准确显示基片承载架12的转速。所述气体流速测量装置41、压力测量装置42、转速控制装置44分别和控制器34相连，将测得的气体流速、基片承载架12周围压力、以及基片承载架12的转速输送到控制器34。
[0042]控制器34接收到温度探测装置32探测到的第一加热区30a’温度后，开始将该温度与内部预先储存的数据进行运算比较，得到相同或最相近的一组温度参数，本实施例所述的运算比较方法为:将预先储存在控制器34内部的温度分别与温度探测装置32探测到的第一加热区30a’温度进行差值运算，差值最小的一组温度数据即为相同或最相近的温度参数。由于影响基片表面温度的因素较多，通过运算比较得出的相同或最相近的第一加热区30a’温度通常会对应若干组温度调节参数，为了得到一个确定的温度调节参数，需要对反应腔10内的反应气体流速进行比较。通过气体流速测量装置41测量在上述温度下的反应腔10内的每种气体的流速，将测得的各反应气体流速与预先储存在控制器34内的各反应气体流速进行运算比较；得到相同或最相近的一组气体流速参数。本实施例所述的运算比较方法为:将每一组的各气体流速与气体流速测量装置41测得的各气体流速进行对应的差值运算，将分别得到的差值平方后相加再求平方根，结果最小一组气体流速即认为是相同或最相近的气体流速参数。如果该气体流速参数对应的温度调节参数唯一，则该温度调节参数即为控制第二加热电源38b输出的比值参数。
[0043]由于基片周围的温度还受到基片周围压力的影响，同一组气体流速参数通常会对应一组以上的温度调节参数，此时，需要对基片周围压力进行进一步比较，通过压力测量装置42测量该温度和该气体流速条件下基片周围的压力，将得到的压力参数与预先储存在控制器34内的压力进行运算比较，得到相同或最相近的一组压力参数。本实施例所述的运算比较方法为:将预先储存在控制器34内部的压力分别与压力测量装置42探测到的基片承载架12周围压力进行差值运算，差值最小的一组压力数据即为相同或最相近的压力参数。如果该压力参数对应的温度调节参数唯一，则该温度调节参数即为控制第二加热电源38b输出的比值参数。
[0044]由于基片周围的温度还受到基片承载架12转速的影响，同一组压力参数下还可能会对应一组以上的温度调节参数，此时，需要对基片承载架12的转速进行进一步比较，通过转速控制装置44测量该温度、该气体流速、该压力条件下基片承载架12的转速，将得到的转速参数与预先储存在控制器34内的转速进行运算比较，得到相同或最相近的一组转速参数。本实施例所述的运算比较方法为:将预先储存在控制器34内部的转速分别与转速控制装置44探测到的基片承载架12的转速进行差值运算，差值最小的一组转速数据即为相同或最相近的转速参数。`通常情况下该转速参数会对应唯一的温度调节参数，该温度调节参数即为控制第二加热电源38b输出的比值参数。
[0045]表1为预先储存在控制器34内的若干组工艺条件参数数据，为了更清晰的描述控制器34的运算比较过程，下述可以结合表1的数据进行表述:
[0046]温度探测装置32探测到的第一加热区30a’温度为某一具体数值，例如为689°C，控制器34开始将该温度与内部预先储存的温度数据一一进行差值运算，其中预先储存的数据中700°C为差值最小的一组温度参数。由于预先储存的700°C的温度参数对应若干组温度调节参数，如1.09、1.03、0.96等，为了得到一个确定的温度调节参数，需要对反应腔10内的反应气体流速进行比较。通过气体流速测量装置41测量在上述温度下的反应腔10内的每种气体的流速，例如，测得氢气/氮气/氨气/主要金属有机气源/光学测温器净化气源的流速为10/70/40/25/20 (升/分)，将表格I中温度参数为700°C下对应的每一组的各气体流速与10/70/40/20/15进行对应的差值运算，将分别得到的差值平方后相加再求平方根，结果最小的一组气体流速即认为是相同或最相近的气体流速参数。
[0047]Δ j ?F>S[0048]
【权利要求】
1.一种调苄基片表面温度的控温系统，所述控温系统位于一化学气相沉积反应器或者外延层生长反应器内，所述反应器包括一基片承载架，所述基片承载架表面放置基片，其特征在于:所述控温系统包括: 第一加热部件和第二加热部件，所述第一加热部件和第二加热部件位于所述基片承载架附近，在所述基片承载架支撑基片的表面区域形成第一加热区和第二加热区； 供电系统，包括第一加热电源输出和第二加热电源输出，所述的第一加热电源输出和第二加热电源输出分别和所述的第一加热部件和第二加热部件相连； 温度探测装置，用于测量所述第一加热区的温度； 控制器，所述控制器内预先存储有若干组第一加热区的温度及影响所述第一加热区温度的参数，以及对应的第二加热区的温度调节参数，所述控制器和所述温度探测装置相连，所述控制器对所述温度探测装置探测到的第一加热区温度与预先储存的数据进行运算比较，得出第二加热区的温度调节参数； 所述控制器将经过比较得出的第二加热区的温度调节参数输送到供电系统，调节第二加热电源输出。
2.根据权利要求1所述的控温系统，其特征在于:所述控温系统还包括第三加热部件以及与第三加热部件连接的第三加热电源输出。
3.根据权利要求1所述的控温系统，其特征在于:所述的控温系统还包括一温度调节装置，所述温度调节装置和所述控制器相连，所述温度调节装置根据所述控制器输出的第二加热区的温度调节参数调 节所述供电系统的第二加热电源输出。
4.根据权利要求1所述的控温系统，其特征在于:所述的第二加热区的温度调节参数为:所述的第二加热电源输出与所述的第一加热电源输出的比值。
5.根据权利要求1所述的控温系统，其特征在于:所述供电系统的第一加热电源输出和第二加热电源输出为电流输出或电压输出。
6.根据权利要求1所述的控温系统，其特征在于:所述的供电系统为同时具有若干输出的一个加热电源，或为若干个具有单一输出的加热电源。
7.根据权利要求3所述的控温系统，其特征在于:所述温度调节装置位于所述控制器内部，或者位于所述供电系统内部，或者位于所述控制器和所述供电系统之间，控制所述供电系统的输出。
8.根据权利要求1所述的控温系统，其特征在于:所述控制器还连接一气体流速测量装置、一压力探测装置和一转速控制装置。
9.根据权利要求1所述的控温系统，其特征在于:所述的影响所述第一加热区温度的参数包括反应器内的各种反应气体的流速、基片承载架周围的压力以及基片承载架的转速。
10.一种调苄基片表面温度的控温方法，其特征在于:包括下列步骤: 将待处理基片置于一化学气相沉积反应器或外延层生长反应器的基片承载架上，在所述基片承载架附近设置至少第一加热部件和第二加热部件，所述第一加热部件和第二加热部件分别连接第一加热电源输出和第二加热电源输出，所述第一加热部件和第二加热部件在所述基片承载架支撑基片的表面区域对应形成第一加热区和第二加热区； 在所述控制器内预先储存若干组第一加热区的温度及若干组影响所述基片表面温度的参数，以及对应的第二加热区的温度调节参数； 采用一温度探测装置对所述第一加热区的温度进行探测，将测得的温度输送到所述控制器内；所述控制器将接收到的所述第一加热区的温度与预先储存在所述控制器内的温度参数进行运算比较，得到在相同或最相近的工艺条件下所述第二加热区的温度调节参数； 将所述控制器输出的第二加热区的温度调节参数输入到一与所述控制器相连的温度调节装置，所述温度调节装置根据接收到的第二加热区的温度调节参数控制所述第二加热电源的输出，用以控制所述第二加热部件的温度。
11.根据权利要求10所述的控温方法，其特征在于:所述的控制器对接收到的温度和预先储存的温度运算比较结束后，若对应的第二加热区的温度调节参数不唯一，所述控制器会进一步运算比较进入反应腔内各反应气体流速参数。
12.根据权利要求11所述的控温方法，其特征在于:所述的控制器对接收到的所述第一加热区的温度和反应气体的流速与预先储存的温度和反应气体的流速运算比较结束后，若对应的第二加热区的温度调节参数不唯一，所述控制器会进一步运算比较基片承载架周围的压力以及基片承载架的转速等工艺条件参数。
13.根据权利要求10所述的控温方法，其特征在于:所述控制器对接收到的温度探测装置测得的温度与预先储存在控制器内部的温度进行运算比较的方法为:将预先储存的温度数据与温度探测装置测得的温度数据进行差值运算，差值最小的该温度数据即为相同或最相近的温度参数。
14.根据权利要求11所述的控温方法，其特征在于:所述控制器对所述反应气体流速运算比较的方法为:在确定相同或最相近的温度参数后，将预先储存在所述控制器内的该最相近的温度参数对应的各反应气体流速分别与通过气体流速测量装置测得的各反应气体流速进行差值运算，将得到的差值平方后分别相加，将相加得到的结果进行平方根运算，结果最小的一组气体流速参数即为相同或最相近的的气体流速参数。
15.根据权利要求12所述的控温方法，其特征在于:所述控制器对基片承载架周围的压力运算比较方法为:在确定相同或最相近的温度参数及反应气体流速参数后，将通过压力测量装置测得的基片承载架周围的的压力与预先储存在所述控制器内所述相同或最相近的温度参数及气体流速参数对应的若干组所述基片承载架周围的的压力进行差值运算，差值最小的压力即为相同或最相近的压力参数。
16.根据权利要求12所述的控温方法，其特征在于:所述控制器对所述基片承载架转速的运算比较方法为:在确定相同或最相近的温度参数、气体流速参数及基片承载架周围的的压力后，将通过转速控制装置测得的基片承载架的转速与预先储存在所述控制器内所述相同或最相近的温度参数、气体流速参数、基片承载架周围的压力参数对应的若干组所述基片承载架的转速进行差值运算，差值最小的基片承载架转速即为相同或相似的基片承载架转速参数。
【文档编号】C23C16/52GK103628046SQ201210305989
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年8月24日 优先权日:2012年8月24日
【发明者】田保峡, 李天笑, 王红军 申请人:中微半导体设备(上海)有限公司