半导体薄膜反应腔辅助温度校准方法
【专利摘要】本发明公开了一种半导体薄膜反应腔辅助温度校准方法，属于半导体制造领域。该方法首先利用第一探测装置标定出与黑体炉靶心处温度T0相对应的黑体炉辐射光强P0，再利用第二探测装置调节光源的光强至已知的P0，可以将光源等效为一个温度为T0的热辐射源，之后将已经调节好光强的光源置于半导体薄膜反应腔的狭缝窗口底部，并将此时探测到经过半导体薄膜反应腔后的光线的最大光强P0＇等效为半导体薄膜反应腔内温度T0时温度探测装置探测到的热辐射强度，最后，在已知T0和P0＇的条件下，对半导体薄膜反应腔的温度探测装置进行校准。该光源能够模拟温度为T0时的黑体辐射P0＇，为半导体薄膜反应腔温度校准提供支持。
【专利说明】半导体薄膜反应腔辅助温度校准方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种半导体薄膜反应腔辅助温度校准方 法。
【背景技术】
[0002] 温度是半导体薄膜生长性能控制的关键参数。通过对晶圆温度的实时监控，可以 优化工艺控制，提高生长良率。通常，半导体薄膜生长在反应腔中进行，需要严格的反应条 件，如高真空、高温、化学性质活泼的环境、高速旋转等。需要采用非接触的手段测量温度。
[0003] 为了提高生产中温度测量的精度和重复性，更精确地控制晶圆对晶圆、批次对批 次、反应腔对反应腔的温度偏差，要求定期用简易的方法进行温度校准。因此，发展更高精 度且操作简便的校准方法非常重要。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述问题，本发明提供了一种操作简单并且成本低的半导体薄膜生长反 应腔辅助温度校准方法。
[0005] 本发明提供的半导体薄膜反应腔辅助温度校准方法，包括以下步骤：
[0006] 光强探测装置探测靶心处温度为?；的黑体炉的辐射光强匕；
[0007] 光源设置于所述黑体炉靶心处，调节所述光源，使得所述光强探测装置探测到的 光强为P〇 ;
[0008] 保持所述光源发光光强不变，将所述光源置于半导体薄膜反应腔的狭缝窗口底 部，通过温度探测装置探测透过所述狭缝窗口后光线的光强；
[0009] 平移所述光源，直至透过所述狭缝窗口后光线的光强达到最大值P/，将所述光 强P/等效为半导体薄膜反应腔内温度?；时，所述温度探测装置探测到的热辐射强度；
[0010] 在已知?；和匕'的条件下，对所述半导体薄膜反应腔的温度探测装置进行校准。
[0011] 本发明提供的半导体薄膜反应腔辅助温度校准方法首先利用由光强探测装置和 黑体炉组合成的第一探测装置标定出与黑体炉靶心处温度L相对应的黑体炉辐射光强匕， 再利用由光强探测装置和光源组合成的第二探测装置调节光源的光强至已知的P〇,可以将 光源等效为一个温度为?；的热辐射源，之后将已经调节好光强的光源置于半导体薄膜反应 腔的狭缝窗口底部，并将此时探测到经过半导体薄膜反应腔后的光线的最大光强P/等效 为半导体薄膜反应腔内温度?；时探测到的热辐射强度，最后，在已知?；和匕'的条件下， 对半导体薄膜反应腔的温度探测装置进行校准。由于对半导体薄膜反应腔的温度探测装置 进行校准时，半导体薄膜反应腔内温度?；和热辐射强度P/均已知，因此，该光源能够模拟 温度为?；时的黑体辐射匕'，为半导体薄膜反应腔温度校准提供支持。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1为本发明提供的半导体薄膜生长反应腔辅助温度校准方法的逻辑框图；
[0013] 图2为光强探测装置与黑体炉配合构成第一探测装置在已知温度?；条件下的热 辐射强度Ρ〇时的结构示意图；
[0014] 图3为光强探测装置与光源配合构成第二探测装置将光源的发光中心光强调节 到已知的光强匕时的结构示意图；
[0015] 图4为将已调节好的光源置于半导体薄膜生长反应腔之后的结构示意图；
[0016] 图5为光源调节电路的逻辑框图；
[0017] 图6为积分球与光强探测装置配合构成第二探测装置将光源的发光中心光强调 节到已知的光强匕时的结构示意图；
[0018] 图7为将已调节好的积分球置于半导体薄膜生长反应腔之后的结构示意图； [0019] 图8为应用校准后的薄膜生长反应腔，采用双波长测温结构测量薄膜生长反应腔 温度的结构示意图。
【具体实施方式】
[0020] 为了深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。
[0021] 参见附图1，本发明提供的半导体薄膜反应腔辅助温度校准方法包括以下步骤：
[0022] 步骤1 :如附图2所示，光强探测装置探测靶心15处温度为?；的黑体炉13的辐射 光强P(l ;
[0023] 步骤2 :光如附图3所示，光源设置于黑体炉13靶心15处，调节光源，使得光强探 测装置探测到的光强为P〇;
[0024] 步骤3 :保持光源发光光强不变，将光源置于半导体薄膜反应腔的狭缝窗口 1底 部，如附图4所示，通过温度探测装置2探测透过狭缝窗口 1后光线的光强；
[0025] 步骤4:平移光源，直至透过狭缝窗口 1后光线的光强达到最大值匕'，将光强 P/等效为半导体薄膜反应腔内温度?；时，温度探测装置2探测到的热辐射强度；
[0026] 在已知?；和匕'的条件下，对半导体薄膜反应腔的温度探测装置进行校准。
[0027] 本发明提供的半导体薄膜反应腔辅助温度校准方法首先利用由光强探测装置和 黑体炉组合成的附图2所示的第一探测装置标定出与黑体炉13靶心15处温度I相对应 的黑体炉13辐射光强匕，再利用由光强探测装置和光源组合成的附图3所示的第二探测装 置调节光源的光强至已知的P〇,可以将光源等效为一个温度为L的热辐射源，之后将已经 调节好光强的光源置于半导体薄膜反应腔的狭缝窗口 1底部，并将此时探测到经过半导体 薄膜反应腔后的光线的最大光强P/等效为半导体薄膜反应腔内温度?；时温度探测装置 2探测到的热辐射强度，最后，在已知?；和匕'的条件下，对半导体薄膜反应腔的温度探测 装置进行校准。由于对半导体薄膜反应腔的温度探测装置进行校准时，半导体薄膜反应腔 内温度?；和热辐射强度匕'均已知，因此，该光源能够模拟温度为?；时的黑体辐射P/， 为半导体薄膜反应腔温度校准提供帮助。
[0028] 参见附图2,第一探测装置还包括热电偶14,热电偶14嵌入黑体炉13靶心15,用 于测量靶心15的温度I。此时，由于热电偶14测量的黑体炉13靶心15处的温度?；与光 强探测装置探测到的光强P〇是直接对应的，因此，测量结果更准确，用其辅助半导体薄膜反 应腔温度校准时，校准结果更加准确。
[0029] 参见附图2,此时，待测点为黑体炉13的靶心15。光强探测装置包括辐射接收探 头8、光纤10、带通滤波片11和探测器12。辐射接收探头8内置的透镜9焦点处于黑体炉 13的靶心15 ;辐射接收探头8用于接收黑体炉13的热辐射；光纤10用于将黑体炉13的 热辐射传输至探测器12 ;带通滤波片11置于光强探测器12和光纤10之间，带通滤波片11 中心波长为λ，用于使波长处于（λ - Λλ，λ+Λλ)的光通过；探测器12用于探测黑体 炉13的热辐射。从而，该光强探测装置能够与黑体炉13相适应，用于探测黑体炉13靶心 15处的热辐射强度Ρρ
[0030] 参见附图3,此时，待测点为光源的发光中心。光强探测装置包括辐射接收探头8、 光纤10、带通滤波片11和探测器12。辐射接收探头8内置的透镜9焦点处于光源的发光 中心；辐射接收探头8用于接收光源的热辐射；光纤10用于将光源的热辐射传输至探测器 12 ;带通滤波片11置于光强探测器12和光纤10之间，带通滤波片11中心波长为λ，用于 使波长处于（λ - Λλ，λ+Λλ)的光通过；探测器12用于探测光源的热辐射。从而，该 光强探测装置能够与光源相适应，用于探测光源的热辐射强度匕。
[0031] 其中，还包括光强调节装置，用于对光源发出的光强进行调节。用光源模拟黑体炉 13时，需要使光源发出的光强与已知的黑体炉13靶心15的热辐射匕相同，因此，需要对光 源发出的光强进行调节，使其与已知的黑体炉13靶心15的热辐射匕相同，因此，需要引入 光强调节装置。
[0032] 参见附图5,作为光强调节装置的一种具体的实现方式，光强调节装置包括光源 驱动电路，光源驱动电路包括反馈探测器、模数转换器、处理器、数模转换器和滤波器，反馈 探测器用于探测光源的当前光强模拟信号，并将光源的当前光强模拟信号发送给模数转换 器；模数转换器用于将光源的当前光强模拟信号转换成光源的当前光强数字信号，然后将 光源的当前光强数字信号发送给处理器；处理器根据光源的当前光强数字信号进行数据调 节，得到调节后的光强数字信号，并将调节后的光强数字信号发送给数模转换器；数模转换 器将调节后的光强数字信号转换成调节后的光强控制模拟信号，光强控制模拟信号驱动光 源以调节后的光强控制信号发光；滤波器设置于光源和反馈探测器之间，本实施例中，用于 滤除测温波长范围之外的近红外或者红外的杂散光。由于滤波器的选用，能够使反馈探测 器接收到的测温波长范围之外的近红外或者红外的杂散光被滤除，近红外或者红外范围之 内的光热量大，容易被探测到也容易通过调节而得到更加准确的光强。其中，为了避免电路 各级之间阻抗不匹配及避免相互之间干扰，还可以在该光源驱动电路中设置一隔离电路。 [0033] 作为处理器根据光源的当前光强数字信号进行数据调节的具体的实现方式，处理 器根据光源的当前光强数字信号进行数据调节时，采用的算法是PID算法。它具有原理简 单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可 以证明，对于过程控制的典型对象--"一阶滞后+纯滞后"与"二阶滞后+纯滞后"的控 制对象，PID控制器是一种最优控制，该算法与本发明提供的半导体薄膜生长反应腔辅助温 度校准方法的工作原理贴合度较高。
[0034] 参见附图6和附图7,本发明提供的半导体薄膜反应腔辅助温度校准方法还包括 积分球7,积分球7上至少设置有三端口，分别为第一端口、第二端口和第三端口，光源3发 出的光经过第一端口进入积分球后，被内层涂层材料无数次反射后，向各个角度发出均匀 的光，其中一路经过第二端口 4射出，另一路经过第三端口后被反馈探测器5探测；在如图 6所示的第二探测装置中，光源3发出的光经过第二端口 4射出后被光强探测装置探测；如 图7所示，光源置于半导体薄膜反应腔的狭缝窗口 1底部时，光源发出的光经过第二端口 4 射出后射向半导体薄膜反应腔的狭缝窗口 1。应用积分球7上的优点是能够避免光源的入 射角度、空间分布及极化对由光发光中心4发出的光的强度、均匀度造成的影响，在该积分 球7的条件下，光源3发出的光经过第二端口 4和第三端口的光强是相同的，也就是说，在 此种情况下，反馈探测器5实际上能够准确地探测到经过第二端口 4射出的光强，从而，能 够为后续半导体薄膜反应腔的校准准确模拟温度为I时的黑体辐射P/提供支持。此外， 积分球7还可以为四端口设计，其中，一个端口作为光源的发光中心4,两个端口分别嵌入 光源3和第二光源，该第二光源发出的光也经由第二端口 4射出，剩下的一个端口则嵌入反 馈探测器5,此时，需要同时调节光源3和第二光源，使其集成后从光源发光中心4发出的光 的光强调节至P〇。本实施例中，光源3发出光半高宽30nm，滤波器6的带宽是10nm，该滤波 器6采用各向同性滤波，在波长小于光源3发光最小波长截止，其他波段通过，从而能够有 效地滤除杂散光干扰。
[0035] 本实施例中，反馈探测器5采用对光敏感的硅光电探测器或铟镓砷光电探测器， 其对光敏感，能将采集到的光强转化为电流直接进入控制电流。由于反馈探测器5前端加 入滤波器6,，对近红外或者红外范围之外的杂散光的滤除作用也较好。
[0036] 应用本发明提供的半导体薄膜生长反应腔辅助温度校准方法并对半导体薄膜生 长反应腔进行校准后，薄膜生长的实时测温方法包括以下步骤：
[0037] 测量不同温度下，黑体炉的响应光谱Ρ( λ, T);
[0038] 根据
【权利要求】
1. 半导体薄膜反应腔辅助温度校准方法，其特征在于，包括以下步骤： 光强探测装置探测靶心处温度为?；的黑体炉的辐射光强匕； 光源设置于所述黑体炉靶心处，调节所述光源，使得所述光强探测装置探测到的光强 为P〇 ; 保持所述光源发光光强不变，将所述光源置于半导体薄膜反应腔的狭缝窗口底部，通 过温度探测装置探测透过所述狭缝窗口后光线的光强； 平移所述光源，直至透过所述狭缝窗口后光线的光强达到最大值P/，将所述光强 P/等效为半导体薄膜反应腔内温度?；时，所述温度探测装置探测到的热辐射强度； 在已知?；和匕'的条件下，对所述半导体薄膜反应腔的温度探测装置进行校准。
2. 根据权利要求1所述的辅助温度校准方法，其特征在于，所述黑体炉上还设置有热 电偶， 所述热电偶可嵌入所述黑体炉靶心，用于测量所述靶心的温度L。
3. 根据权利要求1所述的辅助温度校准方法，其特征在于，所述光强探测装置包括辐 射接收探头、光纤、带通滤波片和探测器， 所述辐射接收探头内置的透镜焦点处于待测点； 所述辐射接收探头用于接收所述待测点的热辐射； 所述光纤用于将所述待测点的热辐射传输至所述探测器； 所述带通滤波片置于所述光强探测器和所述光纤之间，所述带通滤波片中心波长为 入，用于使波长处于（λ - Δλ，λ+Δλ)的光通过； 所述探测器用于探测所述待测点的热辐射。
4. 根据权利要求1所述的辅助温度校准方法，其特征在于，还包括光强调节装置，用于 对所述光源发出的光强进行调节。
5. 根据权利要求4所述的辅助温度校准方法，其特征在于，所述光强调节装置包括光 源驱动电路，所述光源驱动电路包括反馈探测器、模数转换器、处理器、数模转换器和滤波 器， 所述反馈探测器用于探测所述光源的当前光强模拟信号，并将所述光源的当前光强模 拟信号发送给所述模数转换器； 所述模数转换器用于将所述光源的当前光强模拟信号转换成光源的当前光强数字信 号，然后将所述光源的当前光强数字信号发送给所述处理器； 所述处理器根据所述光源的当前光强数字信号进行数据调节，得到调节后的光强数字 信号，并将所述调节后的光强数字信号发送给所述数模转换器； 所述数模转换器将所述调节后的光强数字信号转换成调节后的光强控制模拟信号，所 述光强控制模拟信号驱动所述光源以所述调节后的光强控制信号发光； 所述滤波器设置于所述光源和所述反馈探测器之间。
6. 根据权利要求5所述的辅助温度校准方法，其特征在于，所述处理器根据所述光源 的当前光强数字信号进行数据调节时，采用的算法是PID算法。
7. 根据权利要求1所述的辅助温度校准装置，其特征在于，还包括积分球，所述积分球 上设置有三端口，分别为第一端口、第二端口和第三端口，所述光源设置在第一端口，所述 光源发出的光经由所述第二端口射出，所述光强探测装置设置在所述第三端口上。
8. 根据权利要求7所述的辅助温度校准装置，其特征在于，所述积分球还包括第四端 口，所述辅助温度校准装置包括第二光源，所述第二光源设置在所述第四端口上，所述第二 光源发出的光也经由所述第二端口射出。
9. 根据权利要求5所述的辅助温度校准方法，其特征在于，所述滤波器的中心波长处 于近红外范围。
【文档编号】G01J5/54GK104089704SQ201410325923
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2014年7月9日
【发明者】李成敏, 严冬, 王林梓, 刘健鹏, 张瑭, 马小超 申请人:北京智朗芯光科技有限公司