CN104697645B - 一种在线实时检测外延片温度的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在线实时检测外延片温度的装置及方法，属于半导体检测技术领域。该装置包括MOCVD反应腔、光源、分束器、参考光探测器、反射光探测器和数据采集单元。该方法以该装置为基础，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和反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子。该装置及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
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装置及方法。
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计数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装置及方法。
本发明提供的一种在线实时检测外延片温度的装置包括MOCVD反应腔、光源、分束器、参考光探测器、反射光探测器和数据采集单元，其中，
所述MOCVD反应腔内设有石墨基座，所述石墨基座能够旋转，所述石墨基座用于承载外延片，所述MOCVD反应腔顶部设有反应腔窗口，所述反应腔窗口用于使光通过；
所述光源用于产生光束；
所述分束器将从所述光源处接收到的光束分为两束，其中一束进入所述参考光探测器后形成第一路电信号；另一束通过所述反应腔窗口后射向外延片，被所述外延片反射后形成反射光束，所述反射光束经过所述反射光探测器后形成第二路电信号
所述数据采集单元用于采集所述第一路电信号和第二路电信号。
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：根据所述光源打开时，所述反射光探测器探测到的第二路电信号和所述光源关闭时，所述反射光探测器探测到的第二路电信号，分别得到所述外延片的反射光强度和所述外延片的热辐射强度，
I反=I开-I关，
L（λ，T）=I关，
其中，
I开，所述光源打开时，所述反射光探测器探测到的第二路电信号，
I关，所述光源关闭时，所述反射光探测器探测到的第二路电信号，
I反，外延片的反射光强度，
L（λ，T），外延片的热辐射强度；
步骤2：根据所述外延片的反射光强度和所述参考光强度，得到所述外延片的反射率，
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参，参考光强度；
步骤3：根据所述外延片的反射率和所述外延片的理想反射率，得到所述反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子，
其中，
ΔTR，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；
步骤4：根据所述反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子，得到所述反应腔窗口镀膜引起的热辐射衰减因子，
其中，
ΔTT，反应腔窗口镀膜引起的热辐射衰减因子，
ΔTR，反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子；
步骤5：根据所述外延片的热辐射强度L（λ，T），所述外延片的反射率R，所述反应腔窗口镀膜引起的热辐射衰减因子ΔTT和所述反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子ΔTR，计算所述外延片的黑体热辐射值Pb（λ，T），
其中，
Pb（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，
ΔTT，反应腔窗口镀膜引起的热辐射衰减因子，
ΔTR，反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子，
ε(R/ΔTR)，外延片的热发射率，
步骤6：根据所述黑体辐射值Pb（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，
其中，
Pb（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装置及方法，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ΔTT和反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子ΔTR，将这两个衰减因子ΔTT和ΔTR应用到外延片的黑体热辐射值的计算过程中，并利用计算所得的外延片的黑体热辐射值与外延片的温度之间的关系，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为本发明实施例一提供的在线实时检测外延片温度的装置结构示意图；
图2为本发明实施例二提供的在线实时检测外延片温度的装置结构示意图；
图3为本发明实施例三提供的在线实时检测外延片温度的装置结构示意图；
图4为本发明实施例四提供的在线实时检测外延片温度的装置结构示意图；
图5为本发明实施例五提供的在线实时检测外延片温度的装置结构示意图；
图6为本发明实施例一～五提供的在线实时检测外延片温度的装置中MOCVD反应腔部分的局部放大示意图；
图7为本发明实施例一～五提供的在线实时检测外延片温度的装置中外延片及石墨基座的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的在线实时检测外延片温度的方法的流程图。
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和附图6，本发明提供的在线实时检测外延片温度的装置包括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:
参见附图7，MOCVD反应腔1内设有石墨基座3，石墨基3座能够旋转，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，第一路电信号是参考光强度；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用于采集外延片4的身份信息、第一路电信号和第二路电信号。
参见附图2～4及附图6，本发明实施例二～四提供的在线实时检测外延片温度的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采集到的信号进行处理，从而，实现智能化控制光源6的开与关和/或对数据采集单元10采集到的信号进行智能化处理。
参见附图5和附图6，本发明实施例五提供的在线实时检测外延片温度还包括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采集到的信号进行处理，从而使本发明实施例二～四提供的在线实时检测外延片温度的装置的结构更加紧凑。
其中，当光源6打开时，第一路电信号是外延片4的反射光强度与外延片4的热辐射强度之和；当光源6关闭时，第二路电信号是外延片4的热辐射强度。
参见附图8，本发明提供在线实时检测外延片温度的方法包括以下步骤：
步骤1：根据光源6打开时，反射光探测器9探测到的第二路电信号和光源6关闭时，反射光探测器9探测到的第二路电信号，分别得到外延片4的反射光强度和外延片4的热辐射强度，
I反=I开-I关，
L（λ，T）=I关，
其中，
I开，光源6打开时，反射光探测器9探测到的第二路电信号，
I关，光源6关闭时，反射光探测器9探测到的第二路电信号，
I反，外延片4的反射光强度，
L（λ，T），外延片4的热辐射强度；
步骤2：根据外延片4的反射光强度和参考光强度，得到外延片4的反射率，
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参，参考光强度；
步骤3：根据外延片4的反射率和外延片4的理想反射率，得到反应腔窗口5镀膜引起的反射率衰减因子，
其中，
ΔTR，反应腔窗口5镀膜引起的反射率衰减因子，
R，外延片4的反射率，
R0，外延片4的理想反射率；
步骤4：根据反应腔窗口5镀膜引起的反射率衰减因子，得到反应腔窗口5镀膜引起的热辐射衰减因子，
其中，
ΔTT，反应腔窗口5镀膜引起的热辐射衰减因子，
ΔTR，反应腔窗口5镀膜引起的反射率衰减因子；
步骤5：根据外延片4的热辐射强度L（λ，T），外延片的反射率R，反应腔窗口5镀膜引起的热辐射衰减因子ΔTT和反应腔窗口5镀膜引起的反射率衰减因子ΔTR，计算外延片4的黑体热辐射值Pb（λ，T），
其中，
Pb（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，
ΔTT，反应腔窗口5镀膜引起的热辐射衰减因子，
ΔTR，反应腔窗口5镀膜引起的反射率衰减因子，
ε(R/ΔTR)，外延片4的热发射率，
步骤6：根据黑体辐射值Pb（λ，T）与外延片4温度T的对应关系，得到外延片4的温度T，
其中，
Pb（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，作为得到外延片4的热发射率ε(R/ΔTR)的具体步骤，本发明提供的在线实时检测外延片温度的方法还可以包括选择用于得到外延片4的热发射率ε(R/ΔTR)的步骤，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/ΔTR)=1-R/ΔTR
其中，
R，外延片的反射率，
ΔTR，反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子，
ε(R/ΔTR)，外延片的热发射率。
当反应腔窗口5镀膜为透明、单面衬底抛光时，
ε(R/ΔTR)＝εcarr(1-R/ΔTR)(1-Rdiff){1+R/ΔTR*Rdiff+(1-εcarr)[(Rdiff+R/ΔTR(1-Rdiff)2)]}
其中，
ε(R/ΔTR)，外延片4的热发射率，
R，外延片4的反射率，
Rdiff，不平滑衬底的散射率，
εcarr，石墨基座的热发射率，
ΔTR，反应腔窗口5镀膜引起的反射率衰减因子。
其中，作为得到参考光与入射光的光强比率m的具体步骤，本发明提供的在线实时检测外延片温度的方法还可以包括得到参考光与入射光的光强比率m的步骤，光强比率m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4的反射光强度，
I参，参考光强度。
本发明提供的在线实时检测外延片温度的装置及方法，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ΔTT和反应腔窗口5镀膜引起的反射率衰减因子ΔTR，将这两个衰减因子ΔTT和ΔTR应用到外延片4的黑体热辐射值的计算过程中，并利用计算所得的外延片4的黑体热辐射值与外延片4的温度之间的关系，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 (6)
1.一种在线实时检测外延片温度的方法，基于在线实时检测外延片温度的装置而实现，
所述在线实时检测外延片温度的装置，包括MOCVD反应腔、光源、分束器、参考光探测器、反射光探测器和数据采集单元，其中，
所述MOCVD反应腔内设有石墨基座，所述石墨基座能够旋转，所述石墨基座用于承载外延片，所述MOCVD反应腔顶部设有反应腔窗口，所述反应腔窗口用于使光通过；
所述光源用于产生光束；
所述分束器将从所述光源处接收到的光束分为两束，其中一束进入所述参考光探测器后形成第一路电信号；另一束通过所述反应腔窗口后射向外延片，被所述外延片反射后形成反射光束，所述反射光束经过所述反射光探测器后形成第二路电信号
所述数据采集单元用于采集所述第一路电信号和第二路电信号；
所述第一路电信号是参考光强度；
其特征在于，所述在线实时检测外延片温度的方法包括以下步骤：
步骤1：根据所述光源打开时，所述反射光探测器探测到的第二路电信号和所述光源关闭时，所述反射光探测器探测到的第二路电信号，分别得到所述外延片的反射光强度和所述外延片的热辐射强度，
I反＝I开-I关，
L(λ，T)＝I关，
其中，
I开，所述光源打开时，所述反射光探测器探测到的第二路电信号，
I关，所述光源关闭时，所述反射光探测器探测到的第二路电信号，
I反，外延片的反射光强度，
L(λ，T)，外延片的热辐射强度；
步骤2：根据所述外延片的反射光强度和所述参考光强度，得到所述外延片的反射率，
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参，参考光强度；
步骤3：根据所述外延片的反射率和所述外延片的理想反射率，得到所述反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子，
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其中，
ΔTR，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；
步骤4：根据所述反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子，得到所述反应腔窗口镀膜引起的热辐射衰减因子，
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其中，
ΔTT，反应腔窗口镀膜引起的热辐射衰减因子，
ΔTR，反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子；
步骤5：根据所述外延片的热辐射强度L(λ，T)，所述外延片的反射率R，所述反应腔窗口镀膜引起的热辐射衰减因子ΔTT和所述反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子ΔTR，计算所述外延片的黑体热辐射值Pb(λ，T)，
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其中，
Pb(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，
ΔTT，反应腔窗口镀膜引起的热辐射衰减因子，
ΔTR，反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子，
ε(R/ΔTR)，外延片的热发射率，
步骤6：根据所述黑体辐射值Pb(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，
<mrow>
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其中，
Pb(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，所述在线实时检测外延片温度的装置还包括光源开关控制电路和/或数据处理单元，所述光源开关控制电路用于控制所述光源的开与关，所述数据处理单元用于对所述数据采集单元采集到的信号进行处理。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在线实时检测外延片温度的装置还包括CPU，所述CPU用于控制开关控制电路从而控制所述光源的开与关，并且，所述CPU还用于对所述数据采集单元采集到的信号进行处理。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括选择用于得到外延片的热发射率ε(R/ΔTR)的步骤，当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/ΔTR)＝1-R/ΔTR
其中，
R，外延片的反射率，
ΔTR，反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子，
ε(R/ΔTR)，外延片的热发射率。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括选择用于得到外延片的热发射率ε(R/ΔTR)的步骤，当反应腔窗口镀膜为透明、单面衬底抛光时，
所述
ε(R/ΔTR)＝εcarr(1-R/ΔTR)(1-Rdiff){1+R/ΔTR*Rdiff+(1-εcarr)[(Rdiff+R/ΔTR(1-Rdiff)2)]}
其中，
ε(R/ΔTR)，外延片的热发射率，
R，外延片的反射率，
Rdiff，不平滑衬底的散射率，
εcarr，石墨基座的热发射率，
ΔTR，反应腔窗口镀膜引起的反射率衰减因子。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括得到参考光与入射光的光强比率m的步骤，所述光强比率m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参，参考光强度。
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