CN111948177A - 一种碳化硅外延设备原位监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种碳化硅外延设备原位监测系统及监测方法，所述碳化硅外延设备原位监测系统包括：光路结构、光学探测模块、转速探测模块、信号处理模块。所述碳化硅外延设备原位监测系统，可以在1000‑1500rpm的高转速下，在SiC外延生长的原位实现对晶圆表面薄膜生长状态的实时监测并向SiC外延设备提供反馈信号进行实时的外延生长控制。

Description

一种碳化硅外延设备原位监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及碳化硅外延生长技术领域，主要涉及一种碳化硅外延设备原位监测系统及监测方法。

背景技术

碳化硅（SiC）是具有高性能的新一代宽禁带半导体材料，可用于制备大功率电力电子器件，在国民经济和国防安全中有重要的运用价值。制备SiC外延材料需要用到SiC外延设备，在SiC外延生长的过程中，需要通过原位监测系统实时监测SiC外延设备反应炉中的反射率、温度、膜厚、粗糙度、翘曲度、生长速率等重要参数，并为外延生长控制提供反馈信号，确保SiC薄膜生长工艺过程具有良好重复性。但是，目前还没有针对高转速多片型SiC外延设备的原位监测系统，阻碍了SiC外延生长先进工艺研究和发展。

因此，现有技术还有待改进。

发明内容

鉴于上述现有技术，本发明的目的在于提供一种碳化硅外延设备原位监测系统及监测方法，旨在解决现有技术中没有针对高速多片型SiC外延设备的原位监测系统的问题。

本发明的技术方案如下：

一种碳化硅外延设备原位监测系统，其中，所述碳化硅外延设备原位监测系统包括：光路结构、光学探测模块、转速探测模块、信号处理模块；

所述光路结构包括观察窗开孔和保护玻璃，所述观察窗开孔设置在SiC外延炉腔体顶部，保护玻璃覆盖在观察窗开孔上使SiC外延炉腔体保持密封；

所述光学探测模块用于发出探测光线，并接收被SiC外延片和石墨盘反射的反射光线，并将光信号转化为电信号传递至信号处理模块；

所述转速探测模块用于检测石墨盘的转速并将转速传递至信号处理模块；

信号处理模块用于对光学探测模块及转速探测模块获得的监测信息进行实时运算、校正及网络通信；

光学探测模块探测光线穿过观察窗开孔和保护玻璃打在SiC外延片和石墨盘上，被SiC外延片和石墨盘反射的反射光线穿过保护玻璃和观察窗开孔，被光学探测模块接收并将光信号转化为电信号传递至信号处理模块；转速探测模块检测石墨盘的转速并将转速传递至信号处理模块；信号处理模块接收光学探测模块及转速探测模块传送的监测信号，进行信号二次放大及滤波处理，再经过高频采样、模数转换、算法处理，最后向上位机SiC外延设备传输经过运算和校正的实时监测数据。

所述的碳化硅外延设备原位监测系统，其中，所述光学探测模块包括光学探测镜头、反射光线接收机构、探测光源、驱动电路、光纤；驱动电路与探测光源电连接，探测光源与光学探测镜头通过光纤连接；所述光学探测镜头垂直于所述观察窗开孔设置并与保护玻璃紧密贴合；反射光线接收机构与信号处理模块通讯连接；驱动电路驱动探测光源发出光线，探测光源发出的光线通过光纤传导经光学探测镜头穿过观察窗开孔和保护玻璃并垂直打在SiC外延片或石墨盘之上，被SiC外延片或石墨盘反射的反射光线穿过保护玻璃和观察窗开孔被反射光线接收机构捕获，反射光线接收机构将信号传递至信号处理模块。

所述的碳化硅外延设备原位监测系统，其中，所述转速探测模块包括磁铁和磁性开关；所述磁铁嵌入设置在石墨盘的侧面，所述磁性接近开关设置在SiC外延炉的内壁，并与所述磁铁位于同一水平面上；所述转速探测模块与信号处理模块通讯连接。

所述的碳化硅外延设备原位监测系统，其中，所述信号处理模块包括信号调理电路、模数转换电路、信号处理电路、通信接口电路；信号调理电路用于对传送过来的电信号进行滤波和二次放大；模数转换电路用于将经过信号调理的模拟电信号转换成数字信号；信号处理电路用于对转换成的数字信号进行算法处理；通信接口用于将经过处理的数字信号传输给SiC外延设备控制系统。

所述的碳化硅外延设备原位监测系统，其中，所述碳化硅外延设备原位监测系统还包括软件集成与显示模块；所述软件集成与显示模块和信号处理模块连接，用于对信号处理模块运算所得的监测数据进行显示、绘图和异常情况报警。

所述的碳化硅外延设备原位监测系统，其中，所述探测光源采用633nm、950nm两个波段光线。

所述的碳化硅外延设备原位监测系统，其中，所述观察窗开孔为直径在1mm以内的微孔。

所述的碳化硅外延设备原位监测系统，其中，反射光线接收机构与光学探测镜头相邻设置，反射光线接收机构封装于光学探测镜头内。

一种基于上所述的碳化硅外延设备原位监测系统的碳化硅外延设备原位监测方法，其中，包括以下步骤：

光学探测模块发出探测光线，探测光线穿过观察窗开孔和保护玻璃打在SiC外延片和石墨盘上，被SiC外延片和石墨盘反射的反射光线穿过保护玻璃和观察窗开孔，被光学探测模块接收并将光信号转化为电信号传递至信号处理模块；

转速探测模块检测石墨盘的转速并将转速传递至信号处理模块，并通过初始脉冲为初始位来确定石墨盘上外延片的编号；

信号处理模块接收光学探测模块及转速探测模块传送的监测信号，进行信号二次放大、滤波处理、模数转换、算法处理，最后向上位机SiC外延设备传输经过运算和校正的实时监测数据。

所述的碳化硅外延设备原位监测方法，其中，还包括以下步骤：

软件集成与显示模块基于信号处理模块运算所得的监测数据进行显示、绘图和异常情况报警。

有益效果：本发明能够满足高转速多片型SiC外延设备原位监测需求，并具有如下优点：本发明在SiC外延设备的外延炉腔体之上设计的光路结构，既能满足原位监测系统的探测需求，又不影响外延炉腔体内流场和温场的均匀分布；本发明具有633nm、950nm两个波段光线探测功能，能够更加准确地探测SiC外延生长的实时信息；在SiC外延炉内的石墨盘上装有磁铁，用于标记石墨盘初始位置，并通过磁性接近开关通断产生的脉冲信号实现高转速下外延片转速的精准测定，进而可精确定位每一个外延片；本发明能够实现对多片型SiC外延设备中每一个外延片的反射率、温度、膜厚、粗糙度、翘曲度、生长速率等重要参数进行实时监控，并绘制出相应曲线；本发明能够与SiC外延设备控制系统兼容，并为SiC外延生长实时控制提供反馈信号和异常情况报警。

附图说明

图1为本发明的碳化硅外延设备原位监测系统的功能框图。

图2为本发明的碳化硅外延设备原位监测系统的结构示意图。

图3为本发明的碳化硅外延炉的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种碳化硅外延设备原位监测系统及监测方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

本发明提供一种碳化硅外延设备原位监测系统，可以在1000-1500rpm的高转速下，在SiC外延生长的原位实现对晶圆表面薄膜生长状态的实时监测并向SiC外延设备提供反馈信号进行实时的外延生长控制。

具体地，结合图1和图2所示，所述碳化硅外延设备原位监测系统，包括：光路结构、光学探测模块、转速探测模块、信号处理模块、软件集成与显示模块。本发明的工作原理是通过收集SiC外延片生长过程中反射的探测光线信息，测算出SiC外延炉1中每一个外延片的实时反射率、温度、膜厚、粗糙度、翘曲度、生长速率等重要参数，并通过软件绘制出实时曲线，同时向外延设备提供控制反馈信号。

光路结构设置在SiC外延炉1腔体之上，既能满足原位监测系统的探测需求，又不影响SiC外延炉1腔体内流场和温场的均匀分布。所述光路结构包括观察窗开孔4和保护玻璃，所述观察窗开孔4设置在SiC外延炉1腔体顶部，保护玻璃覆盖在观察窗开孔4上使SiC外延炉1腔体保持密封。进一步地，所述观察窗开孔4为直径在1mm以内的微孔，不影响外延炉腔体内流场和温场的均匀分布。

所述光学探测模块包括光学探测镜头5、反射光线接收机构、探测光源7、驱动电路、光纤6；驱动电路与探测光源7电连接，探测光源7与光学探测镜头5通过光纤6连接，反射光线接收机构与光学探测镜头5相邻设置；所述光学探测镜头5垂直于所述观察窗开孔4设置并与保护玻璃紧密贴合；反射光线接收机构与信号处理模块9通讯连接；驱动电路驱动探测光源7发出光线，探测光源7发出的光线通过光纤6传导经光学探测镜头5穿过观察窗开孔4和保护玻璃并垂直打在SiC外延片3或石墨盘2之上，被SiC外延片3或石墨盘2反射的反射光线穿过保护玻璃和观察窗开孔4进入光学探测镜头5并被反射光线接收机构捕获，反射光线接收机构将信号传递至信号处理模块9。

光学探测模块的主要功能是发射探测光线及收集反射光线。驱动电路的作用是驱动探测光源7（即LED光源）发出光线，驱动电路与探测光源7可封装在一起。光纤6的作用是传导探测光源发出的光线。光学探测镜头5的作用是对探测光源7发出的光线进行准直以及汇聚SiC外延片3或石墨盘2反射的光线；反射光线接收机构的作用是接收反射光线，完成光信号向电信号转换并完成电信号一次放大；光学探测镜头5与反射光线接收机构可封装在一起。反射光线接收机构与信号处理模块9之间可通过电缆8连接。

进一步地，所述探测光源采用633nm、950nm两个波段光线。633nm红光在中温去探测比较敏感，950nm红外光线在高温区探测比较敏感，同时双波长进行比色法探测得到的温度数据更加准确。

所述转速探测模块包括磁铁12和磁性开关，如图3所示；所述磁铁12嵌入设置在石墨盘的侧面，所述磁性接近开关设置在SiC外延炉1的内壁，并与所述磁铁12位于同一水平面上；所述转速探测模块与信号处理模块通讯连接。每当石墨盘内嵌的磁铁12经过磁性接近开关13时，磁性接近开关13导通便会产生一个脉冲，一旦磁铁12过了接近开关，开关断开脉冲消失。测得脉冲的间隔，即可获得石磨盘的旋转速度，并以此脉冲为初始位来确定石墨盘2上SiC外延片3的编号。转速探测模块基于SiC外延炉1中石墨盘2侧面装有磁铁12，用于标记石墨盘2初始位置，并通过磁性接近开关13传感器通断产生的脉冲信号准确测算石墨盘2实际转速，并将转速反馈给信号处理模块作为信号处理的参考信息。

信号处理模块9主要对光学探测模块及转速探测模块获得的监测信息进行实时运算、校正及网络通信。光学探测模块及转速探测模块获得的监测信息经过信号处理模块9的算法处理和校正后，就能够得到每一个SiC外延片3的反射率、温度、膜厚、粗糙度、翘曲度、生长速率等参数。信号处理模块9包括信号调理电路、模数转换电路、信号处理电路、通信接口电路；信号调理电路用于对传送过来的电信号进行滤波和二次放大；模数转换电路用于将经过信号调理的模拟电信号转换成数字信号；信号处理电路用于对转换成的数字信号进行算法处理；通信接口用于将经过处理的数字信号传输给SiC外延设备控制系统11，使SiC外延设备控制系统11可以对这些参数进行监测数据显示、报警和反馈控制。

软件集成与显示模块主要实现对信号处理模块9获得的实时监测数据进行显示、绘图和异常情况报警。所述软件集成与显示模块基于片上系统数据并行处理构建，并与SiC外延设备控制系统11兼容。绘图和异常情况报警可根据信号处理模块9获得的监测数据，在片上系统（SOC芯片）完成数据处理，并通过信息接口传输到上位机SiC外延设备或上位机电脑10内，通过软件显示成图像或触发报警装置。

本发明碳化硅外延设备原位监测系统，其工作过程如下：

光路结构安装在SiC外延设备的SiC外延炉1腔体之上；转速探测模块安装在SiC外延设备的SiC外延炉1腔体之内；

光学探测模块中的LED探测光源发出探测光线，穿过光路结构打在SiC外延炉1腔体中的SiC外延片3及石墨盘2之上，反射光线穿过光路结构后被光学探测模块中的光线接收机构所接收，完成光电信号转换与信号放大；

石墨盘2转动时，石墨盘2侧面内嵌的磁铁12不断经过和离开磁性接近开关13，磁铁12经过磁性接近开关13便会导通产生一个脉冲，磁铁12离开磁性接近开关13，脉冲消失，通过检测脉冲的时间间隔，已知石墨盘的圆周长，即可获得石磨盘的旋转速度，并还可以此脉冲为初始位来确定石墨盘上外延片的编号；

信号处理模块9接收光学探测模块及转速探测模块传送的监测信号，进行信号二次放大及滤波处理，再经过高频采样、模数转换、算法处理，最后向上位机SiC外延设备传输经过运算和校正的实时监测数据；

基于信号处理模块9运算所得的监测数据，软件集成与显示模块完成每一个外延片的监测数据显示、绘图和异常情况报警。

本发明中还提供基于所述的碳化硅外延设备原位监测系统的碳化硅外延设备原位监测方法，包括以下步骤：

光学探测模块发出探测光线，探测光线穿过观察窗开孔和保护玻璃打在SiC外延片和石墨盘上，被SiC外延片和石墨盘反射的反射光线穿过保护玻璃和观察窗开孔，被光学探测模块接收并将光信号转化为电信号传递至信号处理模块；

转速探测模块检测石墨盘的转速并将转速传递至信号处理模块；

信号处理模块接收光学探测模块及转速探测模块传送的监测信号，进行信号二次放大及滤波处理，再经过高频采样、模数转换、算法处理，最后向上位机SiC外延设备传输经过运算和校正的实时监测数据；

软件集成与显示模块基于信号处理模块运算所得的监测数据进行显示、绘图和异常情况报警。

以下通过具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例

如图2所示，4吋3片机的SiC外延炉1，其石墨盘2之上可容纳3片4吋的SiC外延片3，相邻SiC外延片3之间有间隙。在SiC外延炉1之上开1mm以内的观察窗开孔4并用保护玻璃密封，将本发明的光学探测镜头5垂直正对紧密贴合在观察窗开孔4之上。光学探测模块中探测光源7发出的光线经过光线传输并光学探测镜头5准直后垂直穿过观察窗开孔4和保护玻璃，打在SiC外延片3或石墨盘2之上，由于入射角非常小（几乎为0°），所以经SiC外延片3或石墨盘2反射的光线的反射角也非常小（几乎为0°），反射光线能够穿过观察窗开孔4和保护玻璃，再经光学探测镜头5汇聚并被反射光线接收机构接收，转化为电信号，并传递至信号处理模块9。

由于石墨盘在以1000-1500rpm的高速度旋转，即石墨盘2之上的SiC外延片3也在以1000-1500rpm的高速度旋转，所以反射光线接收机构不同时刻接收到的反射光线周期性地来自于每一个SiC外延片3的反射，转化为的电信号表现出周期性。又由于SiC外延炉1内温度在不断变化，SiC外延片3的薄膜厚度随着生长时间增长不断增厚，所以探测光线的反射率、反射光线的辐射强度不断变化，转化为的电信号也不断变化。电信号经信号处理模块9进行滤波、放大、计算处理可得到反射率、温度、膜厚、粗糙度、翘曲度、生长速率等参数，并通过软件集成与显示模块处理进行绘图和显示，通过上位机电脑10显示成图像。参数反馈给SiC外延设备控制系统11，可以辅助外延设备进行外延生长实时控制。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种碳化硅外延设备原位监测系统，其特征在于，所述碳化硅外延设备原位监测系统包括：光路结构、光学探测模块、转速探测模块、信号处理模块；

所述光路结构包括观察窗开孔和保护玻璃，所述观察窗开孔设置在SiC外延炉腔体顶部，保护玻璃覆盖在观察窗开孔上使SiC外延炉腔体保持密封；

所述光学探测模块用于发出探测光线，并接收被SiC外延片和石墨盘反射的反射光线，并将光信号转化为电信号传递至信号处理模块；

所述转速探测模块用于检测石墨盘的转速并将转速传递至信号处理模块；

信号处理模块用于对光学探测模块及转速探测模块获得的监测信息进行实时运算、校正及网络通信；

光学探测模块探测光线穿过观察窗开孔和保护玻璃打在SiC外延片和石墨盘上，被SiC外延片和石墨盘反射的反射光线穿过保护玻璃和观察窗开孔，被光学探测模块接收并将光信号转化为电信号传递至信号处理模块；转速探测模块检测石墨盘的转速并将转速传递至信号处理模块；信号处理模块接收光学探测模块及转速探测模块传送的监测信号，进行信号二次放大及滤波处理，再经过高频采样、模数转换、算法处理，最后向上位机SiC外延设备传输经过运算和校正的实时监测数据。

2.根据权利要求1所述的碳化硅外延设备原位监测系统，其特征在于，所述光学探测模块包括光学探测镜头、反射光线接收机构、探测光源、驱动电路、光纤；驱动电路与探测光源电连接，探测光源与光学探测镜头通过光纤连接；所述光学探测镜头垂直于所述观察窗开孔设置并与保护玻璃紧密贴合；反射光线接收机构与信号处理模块通讯连接；驱动电路驱动探测光源发出光线，探测光源发出的光线通过光纤传导经光学探测镜头穿过观察窗开孔和保护玻璃并垂直打在SiC外延片或石墨盘之上，被SiC外延片或石墨盘反射的反射光线穿过保护玻璃和观察窗开孔被反射光线接收机构捕获，反射光线接收机构将信号传递至信号处理模块。

3.根据权利要求1所述的碳化硅外延设备原位监测系统，其特征在于，所述转速探测模块包括磁铁和磁性开关；所述磁铁嵌入设置在石墨盘的侧面，所述磁性接近开关设置在SiC外延炉的内壁，并与所述磁铁位于同一水平面上；所述转速探测模块与信号处理模块通讯连接。

4.根据权利要求1所述的碳化硅外延设备原位监测系统，其特征在于，所述信号处理模块包括信号调理电路、模数转换电路、信号处理电路、通信接口电路；信号调理电路用于对传送过来的电信号进行滤波和二次放大；模数转换电路用于将经过信号调理的模拟电信号转换成数字信号；信号处理电路用于对转换成的数字信号进行算法处理；通信接口用于将经过处理的数字信号传输给SiC外延设备控制系统。

5.根据权利要求1所述的碳化硅外延设备原位监测系统，其特征在于，所述碳化硅外延设备原位监测系统还包括软件集成与显示模块；所述软件集成与显示模块和信号处理模块连接，用于对信号处理模块运算所得的监测数据进行显示、绘图和异常情况报警。

6.根据权利要求1所述的碳化硅外延设备原位监测系统，其特征在于，所述探测光源采用633nm、950nm两个波段光线。

7.根据权利要求1所述的碳化硅外延设备原位监测系统，其特征在于，所述观察窗开孔为直径在1mm以内的微孔。

8.根据权利要求1所述的碳化硅外延设备原位监测系统，其特征在于，反射光线接收机构与光学探测镜头相邻设置，反射光线接收机构封装于光学探测镜头内。

9.一种基于权利要求1~7任一所述的碳化硅外延设备原位监测系统的碳化硅外延设备原位监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

光学探测模块发出探测光线，探测光线穿过观察窗开孔和保护玻璃打在SiC外延片和石墨盘上，被SiC外延片和石墨盘反射的反射光线穿过保护玻璃和观察窗开孔，被光学探测模块接收并将光信号转化为电信号传递至信号处理模块；

转速探测模块检测石墨盘的转速并将转速传递至信号处理模块，并通过初始脉冲为初始位来确定石墨盘上外延片的编号；

信号处理模块接收光学探测模块及转速探测模块传送的监测信号，进行信号二次放大、滤波处理、模数转换、算法处理，最后向上位机SiC外延设备传输经过运算和校正的实时监测数据。

10.根据权利要求9所述的碳化硅外延设备原位监测方法，其特征在于，还包括以下步骤：

软件集成与显示模块基于信号处理模块运算所得的监测数据进行显示、绘图和异常情况报警。

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