校准CVD或PVD反应器的高温计装置的方法与流程
用于沉积半导体层如iii-iv族半导体层的装置，具有：反应器壳体；布置在该反应器壳体中的基座，例如由石墨或经涂覆的石墨构成；布置在该基座下方的加热装置，例如红外线加热装置、射频加热装置或灯管加热装置；进气机构，其布置在所述基座上方并且用该进气机构将工艺气体导入处理腔室；以及一个或多个温敏传感器，以确定搁置在基座上的基板的表面温度，并将该表面温度提供给调节装置，用所述调节装置可这样来调节所述加热装置，使得所述表面温度保持为预定值。这类装置例如描述于de102012101717a1中。结合多个传感器和多区加热装置，所述调节装置可对基座以及由此对基板上的温度分布和从基板到基板的温度分布进行调节。
de102004007984a1描述了一种cvd反应器，其具有布置在反应器壳体中的处理腔室。该处理腔室的底部由基座形成，该基座承载待处理(特别地待涂覆)的基板。处理腔室顶部由进气机构形成，该进气机构具有进气口，工艺气体可通过该进气口进入处理腔室。基座下方设有加热装置，以将基座加热至处理温度。借助于多个测温传感器测量基座的表面温度。此外，us6492625b1、ep1481117b1、de102007023970a1也属于现有技术。
通常用高温计测量基板表面的温度。高温计在用作测温仪前必须校准。ep2251658b1和ep2365307b1描述了一种使用模拟“普朗克辐射器”的光源来校准高温计的方法。光源在校准时用经调节的参照(基准)辐射流量照射高温计，该参照辐射流量在相对有限的光谱波长范围内与黑体辐射等效，且对应于高温计中的经预先校准的参照(基准)温度。
这种具有多个光源的装置描述于us2013/0294476a1中。
前述文献分别描述了窄带高温计的校准方法。这种高温计例如对950nm的波长是灵敏的，其中带宽<10nm。用这种窄带高温计所测量的强度与温度t大致如下相关：i＝a*exp(-b/t)，其中a和b为在校准方法中待测定的常数。基本上，测定参数a，其与从测量点到传感器的光路的品质相关，即，特别地与窗口的透射率或临界孔径的大小相关。若高温计经基本校准，则参数b通常在制造时被设定。这在使用黑体辐射器的情况下来实现。特别地对于窄带高温计而言，参数b由如下的波长来确定，在该波长下高温计是敏感的，并且常常通过选择确定传感器中的波长和波长带宽的滤波器来设立。
此外，以下有关于高温计的校准的文献也属于现有技术：us6,398，406、ep0490290bl、us6,151,446、us8,296,091、us6,963,816、wo2004/00184、us6,379,038、wo0054017、us2002/066859、wo99/13304、wo98/04892、ep0801292、wo97/11340、wo98/53286、us5,249,142、us4,979,134、us4,979,133、ep0317653、us4,708,474和us4,222,663。
用窄带高温计测量基板表面温度，如在现有技术中常见的那样，缺点在于，由此无法对加热装置进行可靠调节。例如在层生长过程中，温度测量值受法布理-珀罗效应(fabry-perot-effekt)影响。由于强度低，窄带高温计的测量值遭受较大的信噪比。为避免传感器温度变化引起传感器漂移，对窄带高温计使用滤波器。当光路所穿过的窗口被覆盖或涂覆(belegung)时，也会影响测量结果。
除窄带高温计(带宽<20nm，优选地<10nm)外，还使用宽带高温计(带宽>100nm，优选地>200nm)。这种高温计因其较大的带宽而能从待测量的表面接收到强度显著更大的光信号。其对温度漂移是较不灵敏的。高温计的带宽越大，温度测量值对薄膜干涉效应(法布理-珀罗效应)的灵敏度越低，以及在结构化基板的情况下对波长相关的散射的灵敏度越低。然而，在此，其因缺少滤波器而出现显著的温度漂移。
出于多方面原因，上述的校准窄带高温计的方法无法应用于宽带高温计。一方面，上述的参照辐射源具有限定的辐射流量，该辐射流量对应于经校准的辐射温度，并且具有黑体辐射器的光谱特性，实际上不适用于较大的带宽(例如>10nm)。另一方面，关系式i＝a*exp(-b/t)不适用于较大的光谱范围，因为所用的光检测器的灵敏度与波长相关。针对光谱辐射强度的关系式，即普朗克方程式为：
已知多种方法能足够精确地描述或近似针对测量方法的关系式，例如通过在log(i)相对1/t所绘的曲线中的非线性曲线的高阶拟合函数或通过分段线性化，使得关系式i＝a*exp(-b/t)适用于特定的温度段1，2，3，…，其具有校准参数a1，a2，a3，...，bl，b2，b3，...，或二者的结合，即分段高阶近似(逼近)。出发点分别为沿高温计的以log(i)相对1/t所绘的曲线的数量足够多的参考点(采样点，stützstellen)的可用性。
到达高温计的光量可与其它几何效应相关，例如与窗口覆盖层相关。若针对不同的波长窗口覆盖层对窗口的透射率有不同程度影响，则可使用多个对不同波长灵敏的高温计。为确定表面温度，不仅使用绝对强度值，而且还使用两个强度值的比。
到达高温计的光量可与几何效应相关，但也可与高温测量对象的未知发射率相关，尤其可与在加工中经涂覆的基板的未知发射率相关。未知的或有错误地己知的发射率会在通过高温计测定温度时造成误差，其中通过普朗克辐射方程使到达传感器的辐射量与发射辐射的对象的温度相关联。有以下几种已知的技术方案可用来处理该技术问题：a)在测量温度的过程中，通过测量光信号在使高温计的检测器灵敏的波长下的反射率来测定发射率，b)在高温计装置中使用两个或多个在不同波长下具有灵敏性的检测器，并且通过两个或多个强度值的比值来测定对象的表面温度，即所谓的商数高温计(quotientenpyrometer)。技术方案a)存在诸多不足之处，例如，反射信号在结构化的基板上或在粗糙的基座的非基板表面的表面上的散射会造成反射率被低估，而发射率(e＝l-r)被高估，对于部分透明的基板如蓝宝石，e＝l-r不再适合，并且反射信号的光谱分布必须与检测器的灵敏度的光谱分布相匹配，在实践中，这仅对相对窄的带宽(<50nm，往往仅<20nm)是可实现的，在此情况下，上述的宽带测量的优点无法与这种类型的发射率校正相结合。技术方案b)规避了解决方案a)的这种局限，因为其不必测量反射率，并由此能以简单的方式使用从测量对象(基板、基座)发射的辐射的宽带检测。藉由解决方案b)，即宽带商数高温计，可将对薄膜干涉效应(法布理-珀罗效应)的不灵敏性与在粗糙表面或结构化地基板上的使用相结合，并且与在低的信号强度下的使用相结合，使得信噪比优于窄带检测器的情况下的信噪比。通过求不同波长下的强度比来精确地测定温度的限制性条件为，在可实现的温度测量精度范围内，测量对象在两个波长下的发射率近似于恒定。在此情况下，求商时消去发射率。在有关测量的波长范围内，蓝宝石和gan以及基座材料石墨相当好地满足所述条件(仍是在该方法的可实现的精度范围内)。发射率所受到的与波长强烈相关的影响如法布理-珀罗效应被所述检测的宽带性能充分地削弱。使用商数高温计的另一优点在于，沿光程发生的几何变化或例如由于光学窗的雾度或覆盖层而沿光路发生的透光率变化以与测量对象的发射率相类似的方式在求商时被消去，只要这种变化针对不同波长均匀地作用于检测器的位置处的强度，在宽带检测器的情况下在整个相关的光谱范围内皆均匀地作用于检测器的位置处的强度。
但解决方案b)会产生特定的技术问题：在从测量对象到检测器的光径上的光学窗的覆盖层或雾度可以波长相关的方式改变辐射传输。由此造成温度测量结果存在误差，测得的温度相对于测量对象的实际温度发生漂移。因此，在长期使用高温计装置的情况下，例如在半导体制造中要求在常规的维护周期的范围内对检测器进行再校准。已知的校准方法基于在整个相关的光谱范围内使用具有空腔辐射的炉产生的黑体辐射。然而，这种炉由于其尺寸和长的温度稳定时间，实际不适合用于被安装在处理腔室上或处理腔室中的高温计的再校准。
因此，整体上，对于使用宽带高温计以在半导体处理设备中的所描述的应用中测量温度而言，目的在于找到如下的校准方法，该校准方法不具有已知的校准方法的缺点，并且不限于带宽足够窄的高温计。
本发明的目的在于提供校准宽带高温计的方法。
该目的通过在权利要求中所定义的本发明来实现。
为实现上述校准，使用如下的高温计装置，其由第一窄带高温计和至少一个第二宽带高温计组成，所述第一窄带高温计在特定的光谱范围内具灵敏性，所述第二宽带高温计具有不同于所述第一高温计的光谱范围，该光谱范围大于所述第一高温计的光谱范围。两个高温计优选地对准同一测量位置。其可具有同一光路，但备选地，也可具有不同光路。备选地，在旋转式基座的情况下，两个高温计也可位于同一半径上的不同位置处。所述第二高温计也可由商数高温计构成，其中使用两个或两个以上的宽带高温计或检测器由强度比来测定温度。使用宽带高温计实现实际的温度测量，窄带高温计具有用于校准一个或多个宽带高温计的辅助功能。在设备制造期间进行温度测量时，窄带高温计完全不用于温度调节。
本发明的校准方法例如基本上以下列预备步骤开始：
-提供高温计装置，其高温计单独地经历过利用黑体炉的出厂校准，从而通过下述步骤，能够在安装时适应处理腔室中的实际的几何条件，或适应由长期操作、窗口不透明、检测器或电子设备的老化造成的校准错误。
-提供cvd或pvd反应器，其具有用于容纳基板的基座，
-提供第一高温计，其在第一光谱范围内、特别地窄带的第一光谱范围内对第一波长是灵敏的，
-提供第二高温计，其在第二光谱范围内、特别地宽带的第二光谱范围内对第二波长是灵敏的。
首先，在第一步骤中校准第一高温计。这使用前述文献中所描述的校准工具来实现，即，例如使用被加热至不同温度的参照物体。由于第一高温计为窄带高温计，原则上经提高的温度足以测定在以log(i)相对1/t所绘的图中呈直线的特性曲线的位置。还可使用如下的校准工具进行校准，该校准工具实质上为光源，该光源模拟经加热的参照物体在实际相当窄的特定波长范围内的光发射，并且其中通过出厂校准使该光发射的辐射功率对应一个固定温度。在随后的步骤中，使基座或使代替基板被搁置在基座上的校准体达到一个校准温度或多个不同的校准温度。这特别地通过加热基座(该基座可为校准体)或搁置在基座上的校准体来实现。用已校准过的第一高温计测量校准温度。通过已校准的窄带高温计测量温度获得的测量值被用作第二高温计的特性曲线的参考点。高温计的特性曲线是指温度与信号强度的对应关系，其往往以log(i)对1/t的形式来绘制。从该特性曲线可获得用于对应的高温计的校准参数，该校准参数被储存在高温计的控制单元上，并且在接下来用于对温度未知和/或发射率未知的测量对象进行测量时，基于到达该高温计的光谱辐射功率，使待测定的测量温度对应于相应的测得信号强度。该测量值还可被用来为宽带高温计测定用于实现分段线性逼近或分段高阶逼近或整个温度范围内的高阶逼近的校准参数。第二宽带高温计的特性曲线在阿利纽斯(arrhenius)作图法中一般不为直线，而是曲线，其走向取决于传感器的灵敏度谱与参照物体的发射光谱的差异性。本发明提出，两个高温计测量同一测量点所发射的光(红外光)的强度。从测量点到高温计的光路优选地穿过进气机构的排气口并且穿过布置在进气机构背面的窗口。该高温计装置可位于反应器壳体的内部。但其也可位于反应器壳体的外部。然后，光路穿过另外的窗口。可设置分光器，用该分光器将光路分成至少两个子光路，其中每个子光路均被引导至两个高温计中的一个。窄带高温计可对950nm的波长具有灵敏性。带宽优选地低于50nm，优选地在20nm、10nm或低于10nm的范围内。该宽带高温计可对同一波长具有灵敏性。带宽优选地大于100nm。其可大于200nm。对于窄带高温计的校准通常一个测量点就足够了，而对于宽带高温计的校准则在200℃和1300℃之间的温度范围内优选地测定至少三个测量点。由此产生两个温度范围，其定义一条由两个参考点构成的基本特性曲线。在以log(i)相对l/t绘制的图中，该基本特性曲线可由两条直线或一条经过参考点的平滑曲线形成。对于三个以上的不同温度，优选地记录三个以上的参考点。可使用陶瓷体作为该校准体。特别地，使用石墨体、涂有sic的石墨体、硅基板、sic体或涂有sio2或si3n4的基板作为校准体。该校准体可为光学灰体。该校准体的发射率必须对温度与信号强度的对应关系是已知的。若该校准体具有非恒定的发射率(即，非灰体)，则发射率与温度和波长的相关性必须是己知的。在本发明的进一步方案中，高温计装置具有第三宽带高温计，其任务基本上与第二宽带高温计相同，即，在cvd或pvd装置正常工作时，在特定位置上测量基座或基板的表面温度。所述两个宽带高温计在不同的光谱范围内是灵敏的，例如，其中一个宽带高温计可由sipin二极管形成。这种高温计在400nm至1200nm的光谱范围内是灵敏的。第二宽带高温计可为ingaas检测器。该高温计在1100nm和1700nm之间的范围内是灵敏的。在使用两个宽带高温计的测量值的情况下，在pvd或cvd装置的正常工作中进行温度测定，其中不仅使用各绝对测量值，而且还使用两个测量值的比(即商数)。第三高温计(即第二宽带高温计)的校准以类似于第一宽带高温计的校准的方式，即在第二校准步骤中进行。两个宽带高温计的校准在相同的校准温度下且在使用同样的校准元件的情况下同时进行，所述校准元件可为校准体或专用基座。窄带高温计对第一波长λ1是灵敏的。第二高温计对第二波长λ2是灵敏的。第三高温计对波长λ3是灵敏的。第一波长λ1、第二波长λ2和第三波长λ3可位于与宽带高温计中的一个的带宽相当的频带内。波长λ1、λ2、λ3可为相同的波长，其也可彼此不同。两个宽带高温计的带宽可彼此不同。该带宽也可彼此相同。所述带宽可偏移一定的量，其中所述带宽可重叠或不重叠。所述宽带高温计优选地为商数高温计，其具有硅检测器，该硅检测器基本上在450nm和1100nm之间的光谱范围内是灵敏的；以及ingaas检测器，该ingaas检测器基本上在1000nm和1700nm之间的特定范围内是灵敏的。由这些高温计所提供的测量值为两个检测器的测量值之商。从其构造看，第一高温计为宽带高温计。但其上游连接窄带滤波器，使得该高温计仅接收由所述滤波器指定的波长范围的光。使用其中具有已知的发射率温度变化的物体作为校准元件。
以下结合所附图式来阐述本发明的实施例。附图示出了：
图1为cvd反应器的处理腔室的主要细节的剖面示意图，该cvd反应器具有第一实施例的高温计装置10、11、12、12'，
图2为窄带的第一高温计11的校准期间的根据图1的视图，
图3为两个宽带高温计12、12'的校准期间的根据图1的视图，
图4为第二实施例的根据图1的视图，
图5为窄带高温计11的特性曲线的以log(i)相对1/t所绘制的图；以及
图6为宽带高温计的特性曲线的以log(i)相对1/t所绘制的图，该特性曲线穿过四个在温度tl、t2、t3、t4下测定的参考点s1、s2、s3、s4。
图1和图4示出cvd反应器l的内部。反应器壳体未示出。具有排气面的喷淋头状进气机构2位于反应器壳体内部，该排气面具有多个均匀分布在圆盘形面上的排气口3、3'。处理腔室8位于进气机构2的排气面的下方，其底部由基座6形成，该基座由经涂布的石墨构成。待涂布的基板9搁置在基座6的面对处理腔室8的顶侧。为清楚起见，图1中仅示出一个基板9。加热装置7位于基座6的下方。该加热装置可为红外线热源。
进气机构的背面(即背离排气面的那一面)具有窗口5、5'。窗口5、5'位于排气口3的上方。从基板9上的测量点15出发的光路13被分光器14分成两个光路13'、13"。第一高温计11通过光路13、13'接收测量点15根据普朗克辐射定律所发射的光。第二高温计12通过光路13、13"从测量点15接收红外线范围内的热辐射。
设有电子控制装置10，其与两个高温计11、12配合作用并且能对加热装置7进行调节。
第一高温计11为窄带高温计，其对950+/-5nm的波长是灵敏的。该高温计可为硅光电二极管，其上游连接窄带滤波器18，该窄带滤波器仅供上述950nm的波长透过。
第二高温计12具有硅光电二极管。该硅光电二极管上游未连接带通滤波器(bandpassfilter)。第二高温计12为由两个高温计12、12'组成的高温计装置的组成部分。其由硅光电二极管形成。该高温计为在硅光电二极管的整个光谱范围内工作的宽带高温计。此高温计装置可包含第三高温计12'，该高温计由ingaas二极管形成。此宽带高温计12'在ingaas二极管的相应较宽的光谱范围内具有灵敏性。窄带高温计11和两个宽带高温计12、12'通过同一个排气口3和同一个窗口5从同一个测量点15接收红外光。代替两个宽带高温计12、12'，也可仅使用一个宽带高温计12。
在图4所示的实施例中，设有两个具有相同构造的高温计装置。两个宽带高温计12、12'彼此分离且分别通过分光器14'获得对应的光。两个传感器装置测量基座6的表面上的两个不同测量点处的光发射。两个测量点15、15'之间的区别主要在于其到中心轴a的径向距离r1、r2。基座6可绕此中心轴a旋转。由此，使用所述传感器装置可测量不同径向距离上的温度。
在cvd反应器工作期间，工艺气体由供应管线4导入进气机构2，经排气口3、3'进人处理腔室8并于该处在基板9的表面热解以形成层，用第二高温计12、12'测量测量点15、15'处的温度。此温度被提供给调节装置10，该调节装置能这样来控制加热装置7，使得在测量点15处测得的温度保持为恒定的值。
在使用分别具有两个宽带高温计12、12'的高温计装置时，为调节温度或确定温度测量值，不仅需要评估两个宽带高温计12、12'的绝对值。此外还需要求两个绝对测量值的商数并评估该商数。通过该测量值的评估，可将从测量点发射的光所穿过的窗口的覆盖层考虑在内。
在未图示的变化方案中，设有另外的高温计装置11、12、12'，其分别接收穿过不同排气口3'的红外光，以在不同的测量点处测定基座表面的温度。所述高温计装置布置在其它径向位置上。
对宽带高温计12或两个宽带高温计12、12'的校准包括以下步骤：
首先使用如前述ep2365307b1和ep2251658b1中所描述的校准工具16。该校准工具16模拟发热的灰体或黑体且位于排气口3的下方。校准工具16所发出的光线射中窄带高温计的传感器的表面。其可为具有定义光谱范围的滤波器的硅pin二极管。窄带高温计11经出厂预校准，使得以1og(i)相对1/t所绘的图中的特性曲线的斜率无需被改变。通过校准，基本上仅确定特性曲线的垂直位置。使用校准工具16测定图4中所示的特性曲线，尤其是其高度(由双向箭头和平行虚线标示)。
然而，备选地，也可将处理腔室内部的校准元件加热至预设温度。然后，用所述经加热的校准元件的光校准第一窄带高温计11。
随后，从处理腔室取出校准工具16或校准元件。在处理腔室8中使用校准体17。该校准体可为硅基板或蓝宝石基板或经涂布的硅基板或经涂布的蓝宝石基板。其也可为设有gan或其它iii-v族层的硅基板或蓝宝石基板。其可与校准第一高温计时所用的校准元件为同一物体。其可为陶瓷板、石墨板或由金属构成的板。借助加热装置7将基座6先加热至>200℃的校准温度。在校准体17上的表面温度稳定后，用已经过校准的窄带高温计11测量第一温度tl。将第二高温计12在该温度tl下测得的强度作为参考点s1绘于图(图5)中。在同一温度tl下以相同方式校准第三高温计12'。
接着，将温度提高至例如400℃。用第一高温计11测量该温度t2。将在该温度t2下使用第二高温计12所测得的强度作为参考点s2绘于图5所示的图中。在更高温度，例如800℃的温度t3和1200℃的温度t4下进行相应的测量。将对应强度作为参考点s3和s4绘于图5所示的图中。也可以相同方式校准第三高温计12'。
随后，分别为第二高温计12和/或第三高温计12'制作特性曲线。为此，穿过参考点绘制一条折线(图5中的虚线)或者划一条平滑的样条线(spline)。
结果分别为一条基本特性曲线，使用该特性曲线，宽带高温计12或12'能通过校准体的光学特性测定基板的温度。由该基本特性曲线可为具有其它己知光学特性的基板推导出另外的特性曲线。
前述实施方案用于说明本申请整体所包括的发明，其至少通过以下特征组合分别独立构成相对于现有技术的进一步方案：
一种方法，其特征在于，在第一步骤中校准第一高温计11，以及在第二步骤中将基座6或校准元件17调温至校准温度或依次调温至多个彼此不同的校准温度tl、t2、t3、t4，用第一高温计11测量所述校准温度，并将其用作参考点s1、s2、s3、s4以测定第二高温计12的特性曲线。
一种方法，其特征在于，第一高温计11的带宽小于10nm，并且第二高温计的带宽为宽带，特别地具有大于100nm、优选地大于200nm的带宽。
一种方法，其特征在于在第三宽带光谱范围内具有灵敏性的第三高温计12'，该第三高温计在第二步骤中与第二高温计12一起被校准，并且与第二高温计12形成具有不同光谱范围的商数高温计。
一种方法，其特征在于，用布置在cvd或pvd反应器内部的基座6或校准元件17校准第一高温计11。
一种方法，其特征在于，借助具有已知的发射率温度相关性的发光校准工具16，例如经调温的参照物体或光源，进行第一高温计11的校准。
一种方法，其特征在于，两个或三个高温计11、12、12'在校准时评估同一测量点15发射的光的强度。
一种方法，其特征在于，两个高温计11、12接收从同一位置发射的光，并且特别地至少在部分距离上(übereineteilstrecke)使用同一光路。
一种方法，其特征在于，从测量点15到第一高温计11以及到第二高温计12或第三高温计12'的光路13穿过进气机构2的布置在该进气机构2的正面上的排气口3并且穿过该进气机构2的背面上的窗口5。
一种方法，其特征在于，分别在另外的温度tl、t2、t3、t4下测定三个或更多个的参考点s1、s2、s4，特别地在200℃和1300℃之间的温度范围内。
一种方法，其特征在于，参照物体或校准元件17为仅用于校准的基座，由陶瓷材料、石墨或半导体材料构成的板，所述板代替基板布置在基座6上。
一种方法，其特征在于，在对基座6或校准元件17进行调温时，校准另外的高温计装置的第二或第三高温计12、12'，所述另外的高温计装置分别评估从彼此不同的测量位置发射的光的强度。
一种方法，其特征在于，校准元件17由属于以下材料的组的材料构成：sic、涂覆有sic的硅、石墨、涂覆有sic的石墨、硅、具有sio2或si3n4涂层的硅。
所有公开的特征(单独地或彼此组合地)均为本发明必不可少的。由此，还将相关/所附的优先权文件(在先申请副本)的全部内容并入本申请的公开内容中，为此目的，该文件的特征也一并纳入本申请的权利要求中。从属权利要求以其特征对本发明相对现有技术的改进方案予以说明，特别地目的在于在权利要求的基础上进行分案申请。
附图标记
1cvd反应器
2处理腔室
3排气口
4供应管线
5窗口
5'窗口
6基座
7加热装置
8处理腔室
9基板
10控制装置/高温计装置
11高温计/高温计装置
12高温计/高温计装置
12'高温计/高温计装置
13光路/光径
13'光路/光径
13"光路/光径
14分光器
14'分光器
15测量点
16校准工具
17校准元件
18窄带滤波器
a中心轴
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！