CN104089703A - 半导体薄膜反应腔辅助温度校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体薄膜反应腔辅助温度校准装置，属于半导体制造领域。该装置能够将光源的光强调节到P₀，由于P₀对应的黑体炉靶心的温度为T₀，因此，可以将光源等效为一个温度为T₀的热辐射源，此时，由温度探测装置探测到的光源透过狭缝窗口后光线的光强的最大值P₀＇等效为半导体薄膜反应腔内温度T₀时的热辐射强度。应用该半导体薄膜反应腔辅助温度校准装置时，相当于在已知T₀和P₀＇的条件下，对半导体薄膜反应腔的测温装置进行校准。因此，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。

Description

半导体薄膜反应腔辅助温度校准装置

技术领域

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装置。

背景技术

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。

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、批次对批次和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

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装置。

本发明提供的半导体薄膜反应腔辅助温度校准装置包括光强探测装置，光强调节装置和光源，

所述光强探测装置用于探测黑体炉在靶心温度T₀下所述黑体炉靶心的热辐射P₀，以及所述光源的光强，

所述光强调节装置用于对所述光源发出的光强进行调节，使得所述光源处于所述黑体炉靶心时，光强探测装置探测到的光强为P₀，

所述光源的光强调节完成后，所述辅助温度校准装置需要移至半导体薄膜反应腔的狭缝窗口底部并进行平移，由半导体薄膜反应腔的温度测量装置测量所述光源的最大光强P₀＇。

本发明提供的半导体薄膜反应腔辅助温度校准装置能够将光源的光强调节到P₀，由于P₀对应的黑体炉靶心的温度为T₀，因此可以将光源等效为一个温度为T₀的热辐射源，此时，由温度探测装置探测到的光源透过狭缝窗口后光线的光强的最大值P₀＇等效为半导体薄膜反应腔内温度T₀时的热辐射强度。应用该半导体薄膜反应腔辅助温度校准装置时，相当于在已知T₀和P₀＇的条件下，对半导体薄膜反应腔的测温装置进行校准。由于对半导体薄膜反应腔的测温装置进行校准时，半导体薄膜反应腔内温度T₀和热辐射强度P₀＇均已知，因此，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。

附图说明

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装置在应用时的示意图；

图2为光强探测装置探测光源的光强时的示意图；

图3为应用光强探测装置探测靶心处的温度为T₀、热辐射为P₀的黑体炉的结构示意图；

图4为光源调节电路的逻辑框图；

图5为将图1中的光源用积分球替代后的示意图；

图6为将图2中的光源用积分球替代后的示意图；

图7为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

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。

参见附图1～3，本发明提供的半导体薄膜反应腔辅助温度校准装置包括光强探测装置，光强调节装置和光源，光强探测装置用于探测黑体炉13在靶心温度T₀下黑体炉13靶心15的热辐射P₀，以及光源的光强，光强调节装置用于对光源发出的光强进行调节，使得光源处于黑体炉13靶心15时，光强探测装置探测到的光强为P₀，光源的光强调节完成后，辅助温度校准装置需要移至半导体薄膜反应腔的狭缝窗口1底部并进行平移，由半导体薄膜反应腔的温度测量装置2测量光源的最大光强P₀＇。

本发明提供的半导体薄膜反应腔辅助温度校准装置能够将光源的光强调节到P₀，由于P₀对应的黑体炉靶心的温度为T₀，可以将光源等效为一个温度为T₀的热辐射源，此时，由温度探测装置探测到的光源透过狭缝窗口1后光线的光强的最大值P₀＇等效为半导体薄膜反应腔内温度T₀时的热辐射强度。应用该半导体薄膜反应腔辅助温度校准装置时，相当于在已知T₀和P₀＇的条件下，对半导体薄膜反应腔的测温装置进行校准。由于对半导体薄膜反应腔的测温装置进行校准时，半导体薄膜反应腔内温度T₀和热辐射强度P₀＇均已知，因此，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。

参见附图2，作为光强探测装置的一种具体的实现方式，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－Δλ，λ+Δλ)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P₀。

其中，P₀及其对应的黑体炉靶心的温度T₀通过附图3所示的装置获得，该装置包括光强探测装置、黑体炉13和热电偶14，光强探测装置用于探测黑体炉13靶心15的热辐射P₀，热电偶14嵌入黑体炉13靶心15，用于测量黑体炉13靶心15的温度T₀。

在该装置中，作为光强探测装置的一种具体的实现方式，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－Δλ，λ+Δλ)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P₀。

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P₀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P₀相同，因此，需要引入光强调节装置。

参见附图4，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。

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。

参见附图5和附图6，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，光源设置在第一端口，光源发出的光经由第二端口射出，光强探测装置设置在第三端口上。在如图6所示的第二探测装置中，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；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T₀时的黑体辐射P₀＇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4，两个端口嵌入光源3，剩下的一个端口则嵌入反馈探测器5，此时，需要同时调节两个光源3，此时，该辅助温度校准装置包括第二光源，第二光源设置在第四端口上，第二光源发出的光也经由第二端口射出，使其与光源3集成后从光源发光中心4发出的光的光强调节至P₀。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。

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，不仅能将采集到的光强转化为电流直接进入控制电流，由于其对光敏感，对近红外或者红外范围之外的杂散光的滤除作用也较好。

应用本发明提供的半导体薄膜生长反应腔辅助温度校准装置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：

不同温度下，系统接收特定波段黑体辐射强度可用P(λ,T)表示；

$P_0({\mathrm{\λ}}_1,T)={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_1+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}{f}_1\left(\mathrm{\λ}\right)g_1\left(\mathrm{\λ}\right)P(\mathrm{\λ},T)/\mathrm{\τ}\left(T\right)\mathrm{d\λ}$

$P_0({\mathrm{\λ}}_2,T)={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_2-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}^{{\mathrm{\λ}}_2+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}{f}_2\left(\mathrm{\λ}\right)g_2\left(\mathrm{\λ}\right)P(\mathrm{\λ},T)/\mathrm{\τ}\left(T\right)\mathrm{d\λ}$

其中，

P₀(λ₁,T)，第一种波长λ₁对应的热辐射功率，

λ₁，第一种波长，

Δλ₁，第一种波长λ₁对应的带宽，

f₁(λ)，光学探测器在第一种波长λ₁下的响应函数，

g₁(λ)，第一种波长λ₁对应的辐射光在光学器件的透过率，

P(λ,T)，黑体炉的响应光谱，

τ(T)，光谱传输曲线的表达式，P₀(λ₂,T)，第二种波长λ₂对应的热辐射功率，

λ₂，第二种波长，

Δλ₂，第二种波长λ₂对应的带宽，

f₂(λ)，光学探测器在第二种波长λ₂下的响应函数，

g₂(λ)，第二种波长λ₂对应的辐射光在光学器件的透过率，

T，温度，

测量不同温度下，第一种波长λ₁对应的实际热辐射功率L(λ₁,T)，第二种波长λ₂对应的实际热辐射功率L(λ₂,T)，并得到实际热辐射比值；

将点对应的温度T的值代入

$L({\mathrm{\λ}}_1,T)=m_1\×{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_1+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}{f}_1\left(\mathrm{\λ}\right)g_1\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\λ}\right)\×\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2/{\mathrm{\λ}}^5}{\exp \left(\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{kT\λ}}\right)-1}\mathrm{d\λ}$

$L({\mathrm{\λ}}_2,T)=m_2\×{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_2-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}^{{\mathrm{\λ}}_2+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}{f}_2\left(\mathrm{\λ}\right)g_2\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\λ}\right)\×\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2/{\mathrm{\λ}}^5}{\exp \left(\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{kT\λ}}\right)-1}\mathrm{d\λ}$

分别得到m₁和m₂；

其中，

L(λ₁,T)，第一种波长λ₁对应的实际热辐射功率，

L(λ₂,T)，第二种波长λ₂对应的实际热辐射功率，

m₁，第一种波长λ₁对应的校准系数，

m₂，第二种波长λ₂对应的校准系数，

f₁(λ)，光学探测器在第一种波长λ₁下的响应函数，

g₁(λ)，第一种波长λ₁对应的辐射光在光学器件的透过率，

f₂(λ)，光学探测器在第二种波长λ₂下的响应函数，

g₂(λ)，第二种波长λ₂对应的辐射光在光学器件的透过率，

ε(λ)，外延片表面的发射率，

T，温度；

λ₁，第一种波长，

Δλ₁，第一种波长λ₁对应的带宽，

λ₂，第二种波长，

Δλ₂，第二种波长λ₂对应的带宽，

k，玻尔兹曼常数，k＝1.3806×10^-23J/K，

h为普照朗克常数，h＝6.626×10^-34J·s，

c，光在真空中传播速度，c＝3×10⁸m/s；

测温范围为(T_min,T_max)为(400℃，1500℃)，第一种波长λ₁对应高温度区间(T_down,T_max)，第二种波长λ₂对应低温度区间(T_min,T_up)，温度过渡区间为(T_up，T_down)。其中，T_min＜T_down＜T_up＜T_max；

当薄膜生长反应腔处于低温温度区间时，测量第一种波长λ₁对应的实际热辐射功率L(λ₁,T)，根据 $L({\mathrm{\λ}}_1,T)=m_1\×{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_1+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}{f}_1\left(\mathrm{\λ}\right)g_1\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\λ}\right)\×\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2/{\mathrm{\λ}}^5}{\exp \left(\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{kT\λ}}\right)-1}\mathrm{d\λ}$ 计算MOCVD反应腔的温度；

当薄膜生长反应腔处于高温温度区间时，测量第一种波长λ₂对应的实际热辐射功率L(λ₂,T)，根据 $L({\mathrm{\λ}}_2,T)=m_2\×{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_2-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}^{{\mathrm{\λ}}_2+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}{f}_2\left(\mathrm{\λ}\right)g_2\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\λ}\right)\×\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2/{\mathrm{\λ}}^5}{\exp \left(\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{kT\λ}}\right)-1}\mathrm{d\λ}$ 计算薄膜生长反应腔的温度；

当薄膜生长反应腔处于温度过渡区间时，测量第一种波长λ₁对应的实际热辐射功率L(λ₁,T₁)，根据 $L({\mathrm{\λ}}_1,T)=m_1\×{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_1+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}{f}_1\left(\mathrm{\λ}\right)g_1\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\λ}\right)\×\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2/{\mathrm{\λ}}^5}{\exp \left(\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{kT\λ}}\right)-1}\mathrm{d\λ}$ 计算MOCVD反应腔的温度；测量第二种波长λ₂对应的实际热辐射功率L(λ₂,T₂)，根据 $L({\mathrm{\λ}}_2,T)=m_2\×{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_2-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}^{{\mathrm{\λ}}_2+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2}{f}_2\left(\mathrm{\λ}\right)g_2\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\λ}\right)\×\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2/{\mathrm{\λ}}^5}{\exp \left(\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{kT\λ}}\right)-1}\mathrm{d\λ}$ 计算薄膜生长反应腔的温度；最终，过渡区间温度若T₁＝T₂，测T＝T₁＝T₂。

其中，

L(λ₁,T)，第一种波长λ₁对应的实际热辐射功率，

L(λ₂,T)，第二种波长λ₂对应的实际热辐射功率，

m₁，第一种波长λ₁对应的校准系数，

m₂，第二种波长λ₂对应的校准系数，

f₁(λ)，光学探测器在第一种波长λ₁下的响应函数，

g₁(λ)，第一种波长λ₁对应的辐射光在光学器件的透过率，

f₂(λ)，光学探测器在第二种波长λ₂下的响应函数，

g₂(λ)，第二种波长λ₂对应的辐射光在光学器件的透过率，

ε(λ)，外延片表面的发射率，

T，温度；

λ₁，第一种波长，

Δλ₁，第一种波长λ₁对应的带宽，

λ₂，第二种波长，

Δλ₂，第二种波长λ₂对应的带宽，

T_min，温度测量范围下限，

T_max，温度测量范围上限，

T_down，温度过渡区间下限，

T_up，温度过渡区间上限，

k，玻尔兹曼常数，k＝1.3806×10^-23J/K，

h为普照朗克常数，h＝6.626×10^-34J·s,

c，光在真空中传播速度，c＝3×10⁸m/s。

参见附图7，用于实现该薄膜生长实时测温方法的自校准的一种装置包括薄膜生长反应腔及光学探测器2，薄膜生长反应腔包括外延片18、加热室16和石墨基座17，石墨基座17用于承载外延片18，加热室16用于对石墨基座17进行加热，进而对外延片18进行加热；薄膜生长反应腔的顶部设有狭缝窗口1，光学探测器2通过狭缝窗口1向外延片18发出波长分别为λ₁和λ₂的探测光束，光束外延片18反射后形成的反射光束由光学探测部分探测。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.半导体薄膜反应腔辅助温度校准装置，其特征在于，包括光强探测装置，光强调节装置和光源，

所述光强探测装置用于探测黑体炉在靶心温度T₀下所述黑体炉靶心的热辐射P₀，以及所述光源的光强，

所述光强调节装置用于对所述光源发出的光强进行调节，使得所述光源处于所述黑体炉靶心时，光强探测装置探测到的光强为P₀，

所述光源的光强调节完成后，所述辅助温度校准装置需要移至半导体薄膜反应腔的狭缝窗口底部并进行平移，由半导体薄膜反应腔的温度测量装置测量所述光源的最大光强P₀＇。

2.根据权利要求1所述的辅助温度校准装置，其特征在于，所述黑体炉靶心的温度T₀通过热电偶获得，所述热电偶嵌入所述黑体炉靶心，用于测量所述黑体炉靶心的温度T₀。

3.根据权利要求1或2所述的辅助温度校准装置，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λ，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装置，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模数转换器、处理器、数模转换器和滤波器，

所述光强探测装置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。

5.根据权利要求4所述的辅助温度校准装置，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。

6.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。

7.根据权利要求6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。

8.根据权利要求5所述的辅助温度校准装置，其特征在于，所述滤波器的中心波长处于近红外范围。