CN104697643A - 一种在线实时检测外延片温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线实时检测外延片温度的方法，属于半导体检测技术领域。该方法通过引入镀膜窗口的反射率衰减因子和热辐射衰减因子，可以准确测量得到外延片的温度T。该方法能够消除反应腔窗口镀膜对在线实时温度检测值造成的影响、提高在线实时温度检测值准确度。

Description

一种在线实时检测外延片温度的方法

技术领域

本发明涉及半导体检测技术领域，特别涉及一种在线实时检测外延片温度的方法。

背景技术

温度是化学气相淀积（CVD）、分子束外延（MBE）等外延片工艺过程中的一个关键检测因素。对于严格的反应条件，如高真空、高温、化学性质活泼的环境、高速旋转的衬底等，对外延片的温度进行直接检测技术几乎是不可能的。因此，为了提高产品性能、减少生产成本、优化工艺控制，现有技术通常是采用一种光学在线检测系统，采用基于热辐射的光学测温技术，实时检测外延片生长过程中的外延片温度。

但是，应用这种光学在线检测系统时，在外延片长膜的同时，反应腔窗口会镀上一层或多层附加膜，而基于热辐射的光学测温技术受窗口镀膜的影响较大，致使外延片温度实际值与检测值之间的偏差可达到10℃。对窗口进行清理或更换可以减小外延片温度实际值与检测值之间的偏差，但是，对窗口进行清理或更换会给工艺线带来巨大的时间成本及物资成本。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种为基于热辐射的在线实时测温技术中引入反射率衰减因子和热辐射衰减因子，从而消除反应腔窗口镀膜对在线实时温度检测值造成的影响、提高在线实时温度检测值准确度的在线实时检测外延片温度的方法。

本发明提供的在线实时检测外延片温度的方法包括以下步骤：

步骤1：根据外延片的热辐射强度L（λ，T），外延片的反射率R，反应腔窗口镀膜引起的热辐射衰减因子ΔT_T和所述反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子ΔT_R，计算黑体辐射值P_b（λ，T），

$P_b(\mathrm{\λ},T)=\frac{L(\mathrm{\λ},T)/{\mathrm{\ΔT}}_T}{\mathrm{\ϵ}(R/{\mathrm{\ΔT}}_R)}---\left(4\right)$

其中，

P_b（λ，T），黑体辐射值，

L（λ，T），外延片的热辐射强度，

R，外延片的反射率，

ΔT_T，反应腔窗口镀膜引起的热辐射衰减因子，

ΔT_R，反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子，

ε(R/ΔT_R)

，外延片的热发射率，

R，外延片的反射率，

ΔT_R，反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子；

步骤2：根据所述黑体辐射值P_b（λ，T）与所述外延片温度T的对应关系，得到所述外延片的温度T，

$P_b(\mathrm{\λ},T)=\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}\·\frac{1}{e^{\mathrm{hc}/\mathrm{kT\λ}}-1}---\left(5\right)$

其中，

P_b（λ，T），理想黑体辐射值，

h，普朗克常数，

k，玻尔兹曼常数，

c，光速，

λ，波长，

T，温度。

本发明提供的在线实时检测外延片温度的方法，能够得到针对外延片的反应腔窗口镀膜引起的热辐射衰减因子ΔT_T和反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子ΔT_R，将这两个衰减因子ΔT_T和ΔT_R应用到黑体辐射值的计算过程中，并利用黑体辐射值与外延片的温度之间的关系计算温度，即可消除反应腔窗口镀膜对在线实时温度检测值造成的影响、提高在线实时温度检测值准确度。

附图说明

图1为本发明提供的在线实时检测外延片温度的方法的流程图；

图2为本发明提供的基于本发明实施例提供的在线实时检测外延片温度的装置而实现在线实时检测外延片温度的方法的流程图；

图3为用于实现本发明实施例提供的在线实时检测外延片温度的方法的第一种装置结构示意图；

图4为用于实现本发明实施例提供的在线实时检测外延片温度的方法的第二种装置结构示意图；

图5为用于实现本发明实施例提供的在线实时检测外延片温度的方法的第三种装置结构示意图；

图6为用于实现本发明实施例提供的在线实时检测外延片温度的方法的第四种装置结构示意图；

图7为用于实现本发明实施例提供的在线实时检测外延片温度的方法的第五种装置结构示意图；

图8为用于实现本发明实施例提供的在线实时检测外延片温度的方法的第一～五种装置中MOCVD反应腔部分的局部放大示意图。

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，本发明提供的在线实时检测外延片温度的方法包括以下步骤：

步骤1：根据外延片4的热辐射强度L（λ，T），外延片4的反射率R，反应腔窗口5镀膜引起的热辐射衰减因子ΔT_T和所述反应腔窗口5镀膜引起的反射率衰减因子ΔT_R，计算黑体辐射值P_b（λ，T），

$P_b(\mathrm{\λ},T)=\frac{L(\mathrm{\λ},T)/{\mathrm{\ΔT}}_T}{\mathrm{\ϵ}(R/{\mathrm{\ΔT}}_R)}---\left(4\right)$

其中，

P_b（λ，T），黑体辐射值，

L（λ，T），外延片4的热辐射强度，

R，外延片4的反射率，

ΔT_T，反应腔窗口5镀膜引起的热辐射衰减因子，

ΔT_R，反应腔窗口5镀膜引起的反射率衰减因子，

ε(R/ΔT_R)

，外延片4的热发射率，

R，外延片4的反射率，

ΔT_R，反应腔窗口5镀膜引起的反射率衰减因子；

步骤2：根据所述黑体辐射值P_b（λ，T）与所述外延片4温度T的对应关系，得到所述外延片4的温度T，

$P_b(\mathrm{\λ},T)=\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}\·\frac{1}{e^{\mathrm{hc}/\mathrm{kT\λ}}-1}---\left(5\right)$

其中，

P_b（λ，T），理想黑体辐射值，

h，普朗克常数，

k，玻尔兹曼常数，

c，光速，

λ，波长，

T，温度。

其中，当反应腔窗口5镀膜为理想不透明、光滑、平整的表面时，

ε(R/ΔT_R)=1-R/ΔT_R

其中，

R，外延片4的反射率，

ΔT_R，反应腔窗口5镀膜引起的反射率衰减因子，

ε(R/ΔT_R)

，外延片4的热发射率。

当反应腔窗口5镀膜为透明、单面衬底抛光时，

ε(R/ΔT_R)＝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(R/ΔT_R)

，外延片的热发射率，

R，外延片的反射率，

ΔT_R，反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子，

R_diff，不平滑衬底的散射率，

ε_carr，石墨基座的热发射率，

ΔT_R，反应腔窗口5镀膜引起的反射率衰减因子。

其中，参见附图3～8，用于实现方法的装置包括MOCVD反应腔1、光源6、分束器7、参考光探测器8、反射光探测器9和数据采集单元10，其中，

MOCVD反应腔1内设有石墨基座3，石墨基座3用于承载外延片4，MOCVD反应腔1顶部设有反应腔窗口5，反应腔窗口5用于使光通过；

光源6用于产生光束；

分束器7将从光源6处接收到的光束分为两束，其中一束进入参考光探测器8后形成第一路电信号I_参；另一束通过反应腔窗口5后射向外延片4，被外延片4反射形成反射光束，反射光束经过反射光探测器9后形成第二路电信号。

数据采集单元10用于采集I_参和第二路电信号。

其中，当光源6打开时，第二路电信号是外延片4的反射光强度I_反与外延片的热辐射强度L（λ，T）之和I_反+L（λ，T）；当光源6关闭时，第二路电信号是外延片4的热辐射强度L（λ，T）。

其中，外延片4的反射率R的计算方法如下：

其中，

R，外延片4的反射率，

m，参考光与入射光的光强比率，

m由一个具有标准反射率R_标准的外延片校准确定，检测得到校准反射率外延片的反射光强度和参考光强度，由公式计算m的值；

其中，

I_反，外延片4的反射光强度，

I_参，外延片4的参考光强度。

其中，反应腔窗口5镀膜引起的反射率衰减因子ΔT_R的计算方法如下：

${\mathrm{\ΔT}}_R=\frac{R}{R_0}---\left(2\right)$

其中，

ΔT_R，反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子，

R，外延片的反射率，

R₀，外延片的理想反射率。

其中，反应腔窗口5镀膜引起的热辐射衰减因子ΔT_T的计算方法如下：

$\mathrm{\Δ}{T}_T=\sqrt{{\mathrm{\ΔT}}_R}---\left(3\right)$

其中，

ΔT_T，反应腔窗口5镀膜引起的热辐射衰减因子，

ΔT_R，反应腔窗口5镀膜引起的反射率衰减因子。

其中，参见附图4～6及附图8，装置还包括光源开关控制电路11和/或数据处理单元12，光源开关控制电路11用于控制光源6的开与关，数据处理单元12用于对数据采集单元10采集到的信号根据公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）进行处理，得到外延片4的温度T。

其中，参见附图7及幅图8，装置还包括CPU13，CPU13用于控制开关控制电路11从而控制光源6的开与关，并且，CPU13还用于对数据采集单元10采集到的信号根据公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）进行处理，得到外延片4的温度T。

本发明提供的在线实时检测外延片温度的方法，能够得到针对外延片4的反应腔窗口5镀膜引起的热辐射衰减因子ΔT_T和反应腔窗口5镀膜引起的反射率衰减因子ΔT_R，将这两个衰减因子ΔT_T和ΔT_R应用到的黑体辐射值的计算过程中，并利用黑体辐射值与外延片4的温度之间的关系计算温度，即可消除反应腔窗口5镀膜对在线实时温度检测值造成的影响、提高在线实时温度检测值准确度。

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 (7)

1.一种在线实时检测外延片温度的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据外延片的热辐射强度L（λ，T），外延片的反射率R，反应腔窗口镀膜引起的热辐射衰减因子ΔT_T和所述反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子ΔT_R，计算黑体辐射值P_b（λ，T），

$P_b(\mathrm{\λ},T)=\frac{L(\mathrm{\λ},T)/{\mathrm{\ΔT}}_T}{\mathrm{\ϵ}(R/{\mathrm{\ΔT}}_R)}---\left(4\right)$

其中，

P_b（λ，T），黑体辐射值，

L（λ，T），外延片的热辐射强度，

R，外延片的反射率，

ΔT_T，反应腔窗口镀膜引起的热辐射衰减因子，

ΔT_R，反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子，

ε(R/ΔT_R)

，外延片的热发射率，

R，外延片的反射率，

ΔT_R，反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子；

步骤2：根据所述黑体辐射值P_b（λ，T）与所述外延片温度T的对应关系，得到所述外延片的温度T，

$P_b(\mathrm{\λ},T)=\frac{2\mathrm{\πh}{c}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}\·\frac{1}{e^{\mathrm{hc}/\mathrm{kT\λ}}-1}---\left(5\right)$

其中，

P_b（λ，T），理想黑体辐射值，

h，普朗克常数，

k，玻尔兹曼常数，

c，光速，

λ，波长，

T，温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述反应腔窗口镀膜为理想不透明、光滑、平整的表面时，

所述ε(R/ΔT_R)=1-R/ΔT_R

其中，

R，外延片的反射率，

ΔT_R，反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子，

ε(R/ΔT_R)

，外延片的热发射率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述反应腔窗口镀膜为透明、单面衬底抛光，

所述

ε(R/ΔT_R)＝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(R/ΔT_R)

，外延片的热发射率，

R，外延片的反射率，

ΔT_R，反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子，

R_diff，不平滑衬底的散射率，

ε_carr，石墨基座的热发射率，

ΔT_R，反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外延片的反射率R的计算方法如下：

其中，

R，外延片的反射率，

m，参考光与入射光的光强比率，

I_反，外延片的反射光强度，

I_参，外延片的参考光强度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述m的值根据得到，

其中，

R_标准，具有标准反射率的外延片的反射率，

m，参考光与入射光的光强比率，

I_反，外延片的反射光强度，

I_参，外延片的参考光强度。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子ΔT_R的计算方法如下：

${\mathrm{\ΔT}}_R=\frac{R}{R_0}---\left(2\right)$

其中，

ΔT_R，反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子，

R，外延片的反射率，

R₀，外延片的理想反射率。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述反应腔窗口镀膜引起的热辐射衰减因子ΔT_T的计算方法如下：

$\mathrm{\Δ}{T}_T=\sqrt{{\mathrm{\ΔT}}_R}---\left(3\right)$

其中，

ΔT_T，反应腔窗口镀膜引起的热辐射衰减因子，

ΔT_R，反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子。