CN104697637B - 一种薄膜生长的实时测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜生长的实时测温方法，属于半导体制造技术领域。该方法包括获得双波长测温结构的薄膜生长反应腔的校准系数；测量实际热辐射功率，将校准系数和实际热辐射功率代入公式，计算得到薄膜生长反应腔内薄膜的温度。该方法由于双波长测温结构所依附的薄膜生长反应腔经过校准，计算得到的薄膜的温度值更接近真值。

Description

一种薄膜生长的实时测温方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别是涉及一种薄膜生长的实时测温方法。

背景技术

外延片生长温度是薄膜生长反应腔生产性能控制的关键参数。由于薄膜生长反应腔的反应条件严格，需要高真空、高温、化学性质活泼的生长环境，高速旋转的衬底，以及严格的设备空间布置，采用热电偶等直接测温的技术几乎是不可能的，因此，必须依赖于非接触测温法对外延片生长温度进行测量。现有技术中应用的非接触测温法是采用经过热辐射系数修正的高温测量方法，通过测量一定波段的辐射光和相应外延片片表面的发射率计算外延片片表面的温度。然而，在外延片片生长过程中，测温系统的安装及外界环境会影响其测温的稳定性，影响因素主要包括：a）反应腔窗口上的淀积的影响；b）测温系统安装位置对探测距离变化、光学探测器立体角变化的影响；c）外延片片生长环境如通气气压、石墨盘旋转变换的影响。这些影响会改变测温系统检测到的信号，引起系统性的温度偏离，导致外延片生长温度测量无法保证一致而又精确。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种对双波长测温结构的薄膜生长反应腔校准后对薄膜生长反应腔进行测温的薄膜生长的实时测温方法。

本发明提供的薄膜生长的实时测温方法包括以下步骤：

获得双波长测温结构的薄膜生长反应腔的校准系数m₁和m₂；

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)，根据计算所述薄膜 生长反应腔的温度；

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)，根据计算所述薄膜 生长反应腔的温度；

所述测温范围为（T_min,T_max）为（400℃，1500℃），所述第一种波长λ₁对应高温度区间（T_up,T_max），所述第二种波长λ₂对应低温度区间（T_min,T_down）；

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。

本发明提供的薄膜生长实时测温方法在获得校准系数m₁和m₂后通过测量实际热辐射功率，计算得到薄膜的温度，由于双波长测温结构的薄膜生长反应腔经过校准，计算得到的薄膜的温度值更接近真值。

附图说明

图1为本发明实施例提供的薄膜生长的实时测温方法的双波长测温结构的薄膜生长设备示意图；

图2为图1中光学探测器的组成结构示意图；

图3本发明实施例提供的薄膜生长的实时测温方法中理论热辐射比值-温度曲线图。

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。

本发明提供的薄膜生长的测温方法包括以下步骤：

获得双波长测温结构的薄膜生长反应腔的校准系数m₁和m₂；

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)，根据计算薄膜生长 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)，根据计算薄膜生长 反应腔的温度；

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_up,T_max），第二种波长λ₂对应低温度区间（T_min,T_down）；

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。

更具体地，

其中，（T_min,T_max）为（450℃，1200℃），T_up=750℃，T_down=800℃，λ₁=940nm，λ₂=1050nm。

此外，当T_min＜T_up＜T_down＜T_max时，就存在过渡区间，在过渡区间，可以分别根据第 一种波长λ₁的条件下和第二种波长λ₂的条件下，均可以测得薄膜生长反应腔的温度。采用本 发明提供的薄膜生长实时测温方法在过渡温度区间进行测量时，可以采取平滑算法得到温 度的实际值。在过渡温度区间，在第一种波长λ₁的条件下可以测得低温温度区间时，薄膜生 长反应腔的温度T_low，在第二种波长λ₂的条件下可以测得高温温度区间时，薄膜生长反应腔 的温度T_high，由于T_low不同于T_high，此时，可以采用平滑算法计算出薄膜生长反应腔的实际温 度。比如采用一次平滑算法计算出薄 膜生长反应腔的实际温度。从而使本发明提供的薄膜生长实时测温方法的温度适用范围更 宽。

其中，校准系数m₁和m₂的获得方法包括以下步骤：

根据实际热辐射比值，在附图3所示的理论热辐射比值-温度曲线上描出与实际热辐射比值对应的点；

将点对应的温度T的值代入

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。

其中，附图3所示的理论热辐射比值-温度曲线的生成方法包括以下步骤：

测量不同温度下，黑体炉的响应光谱P(λ,T)；

根据

计算第一种波长λ₁和第二种波长λ₂分别对应的理论热辐射功率比值r₀(T)；

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，

r₀(T)，第一种波长λ₁和第二种波长λ₂分别对应的理论热辐射功率比值；

根据温度和对应的理论热辐射功率比值r₀(T)，进行最小二乘拟合，得到附图3所示的理论热辐射比值-温度曲线。

其中，通过最小二乘法得到热辐射比值-温度曲线时，参与拟合的热辐射比值以及对应的温度T数据为多个，分别是反应腔温度稳定在T₁，T₂，…，T_n时获得。

其中，T₁，T₂，…，T_n分别由黑体炉加热系统加热获得。

其中，实际热辐射比值r(T)的计算方法如下：

其中，

L(λ₁,T)，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，

λ₁，第一种波长，

λ₂，第二种波长，

ε₁，第一种波长λ₁对应的外延片表面的发射率，

ε₂，第二种波长λ₂对应的外延片表面的发射率

T，温度。

其中，

当外延片为理想不透明、光滑、平整的表面时，

ε=1-R/ΔT_R

其中，

ε，外延片表面的发射率，

R，外延片的反射率，

ΔT_R，反射率衰减因子，

当透明、单面衬底抛光的蓝宝石衬底的外延片，

ε＝ε_carr(1-R/ΔT_R)(1-R_diff){1+R/ΔT_R*R_diff+(1-ε_carr)[(R_diff+R/ΔT_R(1-R_diff)²)]}

其中，

ε，外延片表面的发射率，

R_diff，不平滑衬底的散射率，

ε_carr，石墨基座的热发射率，

ΔT_R，反射率衰减因子。

其中，薄膜生长反应腔可以为MOCVD、MBE（分子束外延）、PECVD（等离子体增强化学汽相沉积（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition））等设备。从而增强本发明提供的薄膜生长实时测温方法的适用性。

参见附图1和2，用于实现本发明提供的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1及光学探测器6，薄膜生长反应腔1包括外延片4、加热室2和石墨基座3，石墨基座3用于承载外延片4，加热室2用于对石墨基座3进行加热，进而对外延片4进行加热；薄膜生长反应腔1的顶部设有探测窗口5，光学探测器6通过探测窗口5向外延片4发出波长分别为λ₁和λ₂的探测光束，光束外延片4反射后形成的反射光束由光学探测部分探测。光学探测器6包括第一光源、第二光源、分束器、第一二向色镜10、第一滤波片11、第一探测器、第二二向色镜8、第二滤波片9、第二探测器、参考光探测器和数据采集单元（本实施例中，数据采集单元是数据采集卡）。第一光源发出波长为λ₁的光束，第二光源发出波长为λ₂的光束，波长为λ₁的光束和波长为λ₂的光束经过分束器后被分成两部分，其中一部分为参考光，另一部分为波长为λ₁的探测光束和波长为λ₂的探测光束，参考光进入参考光探测器，形成电信号I_参。波长为λ₁的探测光束、波长为λ₂的探测光束经过外延片4反射后形成的反射光经过分束器12后，被第一二相色镜和第二二向色镜分隔呈两部分，其中一部分的波长为λ₁，经过第一滤波片后进入第一探测器，形成电信号I_反1，另一部分的波长为λ₂，经过第二滤波片后进入第二探测器，形成电信号I_反2。电信号I_参、I_反1和I_反2分别被数据采集单元采集。

其中，第一光源和第二光源发出的光的频率可调制，由于λ·f=c，其中，λ，波长，f，频率，c，光速，对频率进行控制能够实现对第一光源和第二光源发出的光的波长进行控制。

其中，光学探测器6还包括光源控制电路，光源控制电路用于对第一光源和第二光源的开关进行控制。第一光源和第二光源打开时，检测到外延片4的反射光强度和热辐射强度之和；第一光源和第二光源关闭时，可检测到外延片4的热辐射强度。通过分离算法，分别得到反射光强度和热辐射强度，由此计算外延片4表面的反射率和温度。

其中，光学探测器6还包括处理单元，处理单元用于对光源控制电路和数据采集单元进行处理，本实施例中，处理单元是CPU，还可以用单片机、PLC等进行替代。

以上所述的具体实施方式，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，以上所述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 (5)

1.一种薄膜生长的实时测温方法，其特征在于，包括以下步骤：

测量不同温度下，黑体炉的响应光谱P(λ,T)；

根据

计算第一种波长λ₁和第二种波长λ₂分别对应的理论热辐射功率比值r₀(T)；

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，

r₀(T)，第一种波长λ₁和第二种波长λ₂分别对应的理论热辐射功率比值；

根据所述温度和对应的理论热辐射功率比值r₀(T)，进行最小二乘拟合，得到理论热辐射比值-温度曲线；

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

根据实际热辐射比值，在理论热辐射比值-温度曲线上描出与所述实际热辐射比值对应的点；

将所述点对应的温度T的值代入

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；

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)，根据计算所述薄膜生长反应腔的温度；

当薄膜生长反应腔处于高温温度区间时，测量第二种波长λ₂对应的实际热辐射功率L(λ₂,T)，根据计算所述薄膜生长反应腔的温度；

所述薄膜生长反应腔的温度范围为(T_min,T_max)为(400℃，1500℃)，所述第一种波长λ₁对应高温度区间(T_up,T_max)，所述第二种波长λ₂对应低温度区间(T_min,T_down)，其中，T_min＜T_down＜T_up＜T_max；

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。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(T_min,T_max)为(450℃，1200℃)，T_up＝750℃，T_down＝800℃，λ₁＝940nm，λ₂＝1050nm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述实际热辐射比值r(T)的计算方法如下：

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，

λ₁，第一种波长，

λ₂，第二种波长，

ε₁，第一种波长λ₁对应的外延片表面的发射率，

ε₂，第二种波长λ₂对应的外延片表面的发射率

T，温度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

当外延片为理想不透明、光滑、平整的表面时，

ε＝1-R/ΔT_R

其中，

ε，外延片表面的发射率，

R，外延片的反射率，

ΔT_R，反射率衰减因子，

当为透明、单面衬底抛光的蓝宝石衬底的外延片时，

ε＝ε_carr(1-R/ΔT_R)(1-R_diff){1+R/ΔT_R*R_diff+(1-ε_carr)[(R_diff+R/ΔT_R(1-R_diff)²)]}

其中，

ε，外延片表面的发射率，

R_diff，不平滑衬底的散射率，

ε_carr，石墨基座的热发射率，

ΔT_R，反射率衰减因子。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述薄膜生长反应腔用于MOCVD、MBE或者PECVD。