CN115161623A - 用于膜沉积期间衬底温度控制的双高温计系统 - Google Patents

Abstract

一种操作反应器系统以提供多区衬底温度控制的方法。该方法包括用第一高温计感测支撑在反应器系统中的衬底的第一区的温度，以及用第二高温计感测衬底的第二区的温度。该方法还包括用控制器将第一和第二区的温度与用于第一和第二区的设定点温度进行比较，并且作为响应，产生控制信号以控制衬底的加热。该方法还包括基于控制信号控制操作成加热衬底的加热器组件的操作。

Description

用于膜沉积期间衬底温度控制的双高温计系统

技术领域

本公开总体涉及用于监测半导体处理或反应器系统中的衬底温度的方法和系统，更具体地，涉及用于双区监测的方法和设备，以及在执行包括外延的沉积或生长的半导体处理或反应器系统中的衬底温度的加热控制中的用途。

背景技术

包括化学气相沉积(CVD)的半导体处理是在包括硅晶片的晶片上形成材料薄膜的众所周知的过程。例如在CVD过程中，将待沉积材料的气态分子提供给晶片，以通过化学反应在晶片上形成该材料的薄膜。这种形成的薄膜可以是多晶的、非晶的或外延的。通常，CVD过程在高温下进行，以加速化学反应并产生高质量膜，其中这些过程中的一些比如外延硅沉积或EPI生长在极高温度下进行(例如高于900℃)。

为了达到期望的温度，使用电阻加热、感应加热或辐射加热来加热晶片。因为辐射加热是最有效的技术，所以它目前是包括CVD过程的多种沉积过程的首选方法。辐射加热包括在反应室或反应器周围或中定位红外灯，这些灯通常设置在邻近材料将沉积在的晶片的表面的灯排中。然而，使用辐射热的一个问题是沿晶片表面产生不均匀温度分布或温度变化的趋势，包括因使用局部辐射能源或灯以及随之而来的聚焦和干涉效应而产生的热光斑(spot)。

在典型的CVD过程中，一个或多个晶片放置在反应器内的室(或“反应室”)内部的晶片支撑件(或“基座”)上。晶片和基座都被加热到期望的温度。在典型的晶片处理步骤中，反应物气体通过加热的晶片，导致所需材料的薄层沉积在晶片表面上。如果沉积层与下面的硅晶片具有相同的晶体结构，则称为外延或EPI层(或单晶层，因为它只有一种晶体结构)，并且反应室可被标记为外延室。通过后续过程，这些层被制成集成电路。

为了在CVD和其他沉积过程中确保高质量层，必须仔细控制各种过程参数，其中在每个处理步骤中晶片的温度是更关键之一。例如，在CVD过程中，晶片温度决定了晶片上的材料沉积速率，因为沉积气体在特定温度下反应并沉积在晶片上。如果温度在晶片表面上变化(例如温度均匀性，比如温度差)，则可能发生膜的不均匀沉积，并且物理性质可能在晶片表面上不均匀。此外，在外延沉积中，即使轻微的温度不均匀也会导致不希望的结晶滑移。在半导体工业中，由于晶片通常被分成其上具有集成电路的单个芯片，因此在晶片上沉积厚度均匀、性质均匀的材料是很重要的。如果CVD过程或其他沉积步骤产生不均匀的沉积层，则芯片上的不同区域处的器件可能具有不一致的操作特性或可能完全失效。

更具体地，在热沉积工具或室中，比如用于外延、CVD或原子层沉积(ALD)的那些，沉积轮廓对被处理晶片的温度敏感。在包括Si、SiGe、SiP和SiAs(特别是在先进模式的多层沉积中)的沟道、NMOS(N型金属氧化物半导体)和PMOS(P型金属氧化物半导体)沉积中，要求晶片热二维(2D)轮廓的可调谐性、及时性和准确性，以提高制造产量和产量。

因此，需要一种方法来精确地测量和控制晶片温度，包括外延生长和其他沉积过程中晶片远边缘的温度。

发明内容

提供本发明内容是为了以简化的形式介绍一些概念。这些概念在以下公开内容的示例实施例的详细描述中被进一步详细描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。

发明人认识到，现有的单区温度控制在包括沟道、NMOS和PMOS应用的衬底处理中提出了许多挑战。首先，现有的中心控制可能导致中心到边缘的厚度下降。由于不同的衬底类型或芯片设计，发射率可能不同，这可能导致灯加热系统中不同的中心到边缘热分布。特别地，可能受周围热环境影响很大的图案化衬底远边缘可能在其热分布中表现出不连续性，这可能是半导体工业中最具挑战性的问题之一。现有的基于热电偶的控制不能直接测量衬底温度，还不能为实时衬底监测和加热反馈控制提供衬底边缘温度读数。

此外，发明人理解，单一温度控制不能提供对膜均匀性有用的中心到边缘温度或温差的实时可调性。例如，由于单区控制仅具有单点反馈，所以当运行大量衬底或同一衬底上的多个层时，轮廓偏移可能随着衬底数量或层数量的增加而增加。调整中心到边缘衬底轮廓的现有方法是线性灯功率比调整，以试图在加热器组件的顶部和底部灯之间实现不同的功率分配。结果，可以调节不同位置的衬底温度。然而，不同类型的衬底、芯片设计、气流和膜厚度的厚度和掺杂剂分布是不同的。例如，中心到边缘厚度显示了毯式衬底和图案化衬底之间的巨大差异。具有相同灯功率分布的不同中心到边缘温度可能是由于基座的不同表面发射率和边缘热传递。这些不确定性导致在优化灯功率比以最小化在反应器系统中处理的衬底上中心到边缘的不均匀性方面的挑战。

根据各种实施例，本文公开了一种操作反应器系统以提供多区衬底温度控制的方法。该方法包括用第一高温计感测支撑在反应器系统中的衬底的第一区的温度，以及用第二高温计感测衬底的第二区的温度。该方法还包括用控制器将第一和第二区的温度与用于第一和第二区的设定点温度进行比较，并且作为响应，产生控制信号来控制衬底的加热。该方法还包括基于控制信号来控制操作成加热衬底的加热器组件的操作。

在该方法的一些实施方式中，加热器组件包括多个热发生器(例如细长灯丝加热器元件、加热灯(例如聚光灯)等)，并且控制包括将预定电功率映射到多个热发生器中的每个。在这种情况下，控制还可以包括向分配给与加热第一区相关的第一组的多个热发生器中的每个和分配给与加热第二区相关的第二组的多个热发生器中的每个提供成比例量的预定电功率。此外，该方法可以包括重复感测第一区的温度、感测第二区的温度、比较温度以及控制加热器组件的操作，以提供对衬底加热的闭环控制，从而达到设定点温度。

在该方法的相同或其他实施方式中，第一和第二高温计各自可以是红外(IR)高温计，其感测衬底上的光斑的温度，以检测或确定第一和第二区温度。在这种情况下，第一区可以是从衬底的中心延伸到外径的衬底的中心区，第二区可以是从中心区的外径延伸到衬底边缘的衬底的边缘区。与第二高温计相关的光斑可以在衬底上位于距晶片边缘约1至约20毫米的径向偏移的位置处具有中心点。此外，从衬底边缘的径向偏移可以在约4到约10毫米的范围内，并且由第二高温计监测的光斑可以具有在约1到约15毫米范围内的外径。

此外，根据说明书的各个方面，教导了一种用于提供基于区的衬底温度控制的反应器系统。该系统包括反应室，其中提供基座用于支撑衬底。该系统还包括可操作成加热基座上的衬底的多个热发生器和温度监测组件，该温度监测组件包括读取衬底的中心区和边缘区中的温度的第一和第二高温计。反应器系统另外可以包括控制器，其基于中心区的温度控制热发生器中的第一组，并基于边缘区的温度控制热发生器中的不同于第一组的第二组。

在该系统的一些实施方式中，热发生器各自包括加热灯，并且控制器基于由第一和第二高温计感测的中心区和边缘区的温度与用于中心区和边缘区的预定温度设定点的比较而通过将第一和第二水平的电功率引导至第一和第二组的热发生器来控制热发生器的操作。在这种情况下，控制器可配置成基于来自第一和第二高温计的持续反馈而独立地向第一和第二组的热发生器提供比例-积分-微分(PID)控制。

在反应器系统的相同或其他实施方式中，第二高温计感测衬底上的外径在约1至约15毫米范围内的传感器光斑的温度。此外，传感器光斑可以具有在约4到约8毫米范围内的外径，其中心在约4到约10毫米范围内的距衬底边缘的径向偏移处。在一些实施例中，反应器系统包括反射器，并且第二高温计通过安装支架附接到反射器的上表面。反射器可以包括传输通道，并且安装支架包括用于接收第二高温计的透镜管的室，由此从衬底(和/或其上的显影膜)的上表面发射的电磁辐射通过室的上壁、通过传输通道传输，并且在第二高温计处被接收。此外，室可以包括孔，发射的电磁辐射通过该孔传输，该孔的外径限定衬底(或其上的显影薄膜)上表面处的传感器光斑的外径。

在本说明书的其他方面，提出了一种反应器系统，其配置用于提供实时衬底温度变化控制(例如中心到边缘的温差控制)。该系统包括多个加热灯，其可操作成加热支撑在基座上的衬底，以及温度监测组件，其包括中心高温计和边缘高温计，用于分别感测衬底中心区中的温度和衬底边缘区中的温度。此外，反应器系统包括控制器，其基于中心区和边缘区的温度与用于中心区和边缘区的温度设定点的比较来操作多个加热灯。在反应器系统的操作期间，控制器产生控制信号，以独立地操作加热灯中的第一组来加热衬底的中心区以及加热灯中的不同于第一组的第二组来加热衬底的边缘区。

在反应器系统的一些实施方式中，控制信号配置成成比例地设定提供给加热灯中的第一和第二组的电功率量，并且PID控制独立地应用于加热灯中的第一和第二组中的每个。在这些或其他实施例中，边缘高温计感测或监测其视场中的温度或衬底上的外径在1至15mm范围内的传感器光斑的温度，并且传感器光斑的中心在4至10mm范围内的距衬底边缘的径向偏移处。

反应器系统可以进一步包括反射器，并且边缘高温计可以用安装支架附接到反射器的上表面。反射器可以包括传输通道，安装支架可以包括用于接收边缘高温计的透镜管的室，由此由衬底上表面(或衬底上表面上的显影膜)发射的电磁辐射通过室的上壁被引导或传输到传输通道，并通过其到达高温计。此外，反射器可以包括孔，由衬底(或显影薄膜)的上表面发射的电磁辐射穿过该孔，该孔的外径限定传感器光斑的外径。

所有这些实施例都在本公开的范围内。从下面参考附图对某些实施例的详细描述中，这些和其他实施例对于本领域技术人员来说将变得显而易见，本公开不限于所讨论的任何特定实施例。

附图说明

虽然说明书以特别指出并清楚地要求保护被认为是本公开的实施例的权利要求书作为结论，但当结合附图阅读时，从本公开实施例中的某些示例的描述中可以更容易地确定本公开的实施例的优点。在所有附图中，具有相同元件编号的元件是相同的。

图1是具有用于提供双区温度控制的本说明书的温度监测组件的反应器系统的一部分的简化俯视透视图。

图2是在双区温度监测组件的操作期间图1的反应器系统中的衬底的俯视图。

图3示出了图1的反应器系统的一部分的俯视图，示出了相对于图2所示的衬底和基座的室加热(或加热器)组件。

图4示出了图3的反应器系统的一部分的仰视图，示出了将加热器分成两群或两组以控制衬底的双区加热的有用分组。

图5是反应器系统的控制示意图，包括温度监测部件以及控制器，该控制器配置成提供加热(或加热器)组件的灯的双区控制。

图6是用于本说明书的温度监测组件中监测不同光斑尺寸的中心高温计和边缘高温计的侧视图。

图7是温度监测组件的边缘高温计部分的侧视截面图，示出了安装成监测较小光斑尺寸。

图8是本说明书的反应器系统的功能框图。

图9是使用双区温度监测来控制反应器系统(例如图8的系统)的反应或处理室内的温度的方法。

具体实施方式

尽管下面公开了某些实施例和示例，但本领域技术人员将理解，本公开延伸到具体公开的实施例和/或本公开的用途及其明显的修改和等同物之外。因此，意图是本公开的范围不应被这里描述的特定实施例所限制。

本文呈现的图示并不意味着是任何特定材料、设备、结构或器件的实际视图，而仅仅是用于描述本公开实施例的表示。

如本文所用，术语“衬底”可以用于指可以使用的或者在其上可以形成器件、电路或膜的任何一种或多种底层材料。衬底可以包括晶片，例如300毫米的硅晶片。衬底可以是毯式衬底或者可以包括图案化衬底，比如用于制造半导体器件的图案化晶片。

如本文所用，术语“化学气相沉积”(CVD)可以指其中衬底暴露于一种或多种挥发性前体的任何过程，所述挥发性前体在衬底表面上反应和/或分解以产生期望的沉积。

如本文所用，术语“原子层沉积”(ALD)可以指在处理室中进行沉积循环优选多个连续沉积循环的气相沉积过程。通常，在每个循环期间，前体被化学吸附到沉积表面(例如衬底表面或先前沉积的下层表面，比如来自先前ALD循环的材料)，形成不容易与附接前体反应的单层或亚单层(即自限制反应)。此后，如果需要，反应物(例如另一种前体或反应气体)可以随后被引入到处理室中，用于将化学吸附的前体转化为沉积表面上的期望材料。通常，该反应物能够与前体进一步反应。此外，吹扫步骤也可以在每个循环期间使用，以在化学吸附的前体转化之后，从处理室移除过量的前体和/或从处理室移除过量的反应物和/或反应副产物。此外，这里使用的术语“原子层沉积”也意味着包括由相关术语指定的过程，比如“化学气相原子层沉积”、“原子层外延”(ALE)、分子束外延(MBE)、气体源MBE或有机金属MBE以及当用前体组合物、反应气体和吹扫气体(例如惰性载气)的交替脉冲执行时的化学束外延。

如下文更详细描述，本公开的各种细节和实施例可以与配置用于多种沉积过程的反应室结合使用，包括但不限于ALD、CVD、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)和物理气相沉积(PVD)。本公开的实施例还可以用于半导体处理系统中，该半导体处理系统配置为用反应性前体处理衬底，其还可以包括蚀刻过程，例如反应性离子蚀刻(RIE)、电容耦合等离子体蚀刻(CCP)和电子回旋共振蚀刻(ECR)。

发明人认识到实时感测和监测温度变化的幅度(例如衬底中心和边缘之间的温度差)以及使用衬底的实时温度控制加热组件以实现期望的温度差(或变化极限)的重要性。可以使用双区实施例来执行感测和监测，以限制(或调整)跨晶片膜厚度变化，即晶片膜厚度内的不均匀性。实时感测和监测也可以(或可替代地)用于限制硅锗/硅膜叠层中的层间平均厚度变化，例如用于制造finFET或全栅半导体器件的膜叠层。并且实时感测和监测可以进一步用于控制这种硅锗/硅膜叠层中的过渡厚度(即锗浓度变化的速率)。

实时感测和监测温度变化以及使用实时温度测量来控制加热组件可以限制某些外延沉积操作中的层内厚度变化。例如，对于使用使用本公开的设备和方法获得的实时温度测量而沉积的硅锗层，层内膜厚度不均匀性可以小于约1.4％。硅锗层的层内膜厚度平均值加3σ可以比使用间接温度感测和控制技术沉积的其他相同硅锗层的平均值加3σ小约30％至约60％(例如小约40％)。对于使用使用本公开的设备和方法获得的实时温度测量沉积的硅层，层内膜厚度不均匀性可以小于约1.1％。硅层的层内膜厚度的平均值加3σ可以比使用间接温度感测和控制技术沉积的其他相同硅层的平均值加3σ小约30％至约60％(例如小约50％)。

实时感测和监测温度变化以及使用实时温度测量来控制加热组件可以限制某些外延膜叠层沉积操作中的层间厚度变化。例如，在具有交替的硅锗层和硅层的膜叠层中，形成膜叠层的硅锗层之间的层间平均厚度不均匀性可以小于普通平均膜厚度的约0.6％。形成膜叠层的硅层之间的层间平均厚度不均匀性也可以小于普通平均膜厚度的约0.6％。鉴于本公开，本领域技术人员将理解，限制层内和层间不均匀性可以改善由这种膜叠层形成的半导体器件的电特性，例如通过由膜叠层形成的finFET和/或全栅半导体器件中有限的沟道宽度变化(以及由此优越的载流子迁移率)。

图1示出了使用简化的俯视透视图的反应器系统100，示出了可以设置在配置用于外延(EPI)生长或其他沉积过程的反应室内并与其相邻的部件的一部分。系统100设计成实现实时双区衬底温度控制(例如利用闭环控制器设计)。在系统100的反应室的内室内，提供基座110用于支撑(并且通常旋转)衬底120。根据本说明书，系统100配置为具有在衬底中心和衬底120的边缘之间提供实时温度变化(例如中心到边缘的差异)控制的能力，以便控制由于在衬底120的上表面122上沉积期间衬底中心和边缘之间的沉积期间的温度差异而导致的跨衬底膜厚度变化(例如在衬底边缘处的膜卷起或卷下)。在沉积过程中，前体、反应物等的气流如箭头130所示流过位于反应室内的衬底120。前体可以包括以下中的一种或多种：(a)含硅前体，例如硅烷；(b)含锗前驱物，例如锗烷，(c)含掺杂物前体，例如含砷或含磷掺杂物，(d)含卤化物气体，例如盐酸，以及(e)载气，例如氢气。衬底120的加热可以由加热器组件(例如在图3和8中示出)提供，该加热器组件包括设置在诸如灯排140中的反射器140下方的热发生器组或阵列(上部或顶部发生器(可以是灯))(以及下面讨论的热发生器组或阵列(下部或底部发生器(可以是灯))，其与衬底120的上表面122间隔一定距离。

提供温度监测组件150，其包括用于测量室上壁温度(或石英温度)的室高温计152，以及第一区或中心高温计154和第二区或边缘高温计156。高温计152、154和156中的每个支撑在灯排上方，例如利用附接到反射器140的安装支架160。加热器元件通过基座110辐射加热衬底120。被加热的衬底120和表面122上的显影膜发射电磁辐射。高温计154、156收集从高温计154、156的视场内的衬底(和/或显影膜)的一部分发射的电磁辐射。中心高温计154和边缘高温计156在其操作期间在衬底120的上表面122上具有视场或相应的传感器区域或光斑(或者在其视场或传感器区域/光斑中感测或监测温度),作为感测或读取温度的一部分。每个高温计具有视场。在一些示例中，中心高温计154的视场可以与边缘高温计156的视场大小相同。在一些示例中，边缘高温计156的视场可以小于中心高温计154的视场。这减少了边缘高温计获得的温度测量的误差，例如当衬底的发射率在径向向外方向上相对快速地变化时。电磁辐射通过顶部或上部灯排中的线性灯之间的间隙/空间被收集，并且在大多数情况下，在通过相应的安装支架160传输之前通过反射器140被收集。在一些情况下，发射的电磁辐射沿着在高温计和晶片上表面之间延伸的光路通过，该光路包括(a)将高温计连接到安装件(耦合器或支架)的光纤，(b)延伸穿过反射器的孔，(c)加热器元件之间的间隙，以及(d)形成反应室上壁的石英材料。

当包括支架160时，支架160位于反射器140上，使得中心和边缘高温计154和156的光斑/传感器区域(即视场)位于衬底120或其表面122的两个区中，或者位于中心区和边缘区中。这可以在图2中看到，图2是在组件150的温度监测操作(和反应室中的处理)期间衬底110的俯视图。如图所示，中心高温计衬底光斑250的中心点靠近衬底120的中心，比如在1至20毫米的径向偏移中(或在半径处)，其中1至10毫米是更优选的(并且在一实施例中使用9.78毫米以适应特定的线性灯阵列和相邻一对位于中心的灯之间的间隙)。中心光斑250可以相对较大，比如宽度(例如外径(OD))在约10到约30毫米的范围内，在一些实施例中使用20毫米的OD。

此外，如图2所示，边缘高温计衬底光斑(即视场)255的中心点靠近衬底120的边缘。它可以是在边缘的约20毫米内的径向偏移或半径中，例如在半径为150毫米的衬底120的情况下在约130至约150毫米处，并且一些实施例将径向偏移或半径放置在衬底边缘的约10毫米内，一个实施例将偏移或半径放置在衬底边缘的约4至约9毫米的范围内，比如在R150毫米衬底上的约142毫米处。边缘高温计衬底光斑(即视场)255也优选小于中心高温计衬底光斑250。特别地，光斑255可以具有在约1至约15毫米范围内的OD，或者更优选地约1至约10毫米，并且一个有用的实施例提供了具有在约4至约6毫米范围内的OD的光斑255(在图2中示出了约5毫米)。这种较小的光斑尺寸在温度读数中提供了更高的精度，同时利用现有技术提供了可接受的信噪比(然而注意，随着技术的改进，在约1到约4毫米范围内附近的较小光斑尺寸可能是有用的)。

在一些情况下，边缘高温计的视场可以相对于中心高温计的视场来描述。在这方面，(a)基座被支撑以在反应室内绕旋转轴线旋转；(b)中心高温计沿着延伸穿过反应室上壁并与基座相交的第一光轴布置；(c)中心高温计的视场在径向偏移旋转轴线约0毫米至约10毫米的位置覆盖基座；(d)边缘高温计沿着第二光轴布置，其也延伸穿过反应室上壁并在第一光轴径向向外的位置与基座相交；以及(e)边缘高温计的视场也在中心高温计的视场径向向外的位置覆盖基座，例如径向偏移旋转轴线小于约150毫米。室高温计可以具有从第一和第二高温计中的任一个(或两个)径向偏移的视场，并且还配置成使用由室的上壁发射的电磁辐射来获取反应室的上壁的温度，例如通过测量不同于由中心和边缘高温计测量的波段中的波长强度。

通过使用两个高温计154和156来测量衬底温度，衬底120(或其上表面122)可被分成两个(或更多)区或者中心区和边缘区(或第一和第二区)，并且这些区的温度通过在每个区中径向定位高温计来监测，如由传感器区域或光斑250和255所示。每个区的具体尺寸和与这些区相关的高温计的位置可以变化以实施系统100，只要光斑/传感器区域落在相关的区内。例如，衬底120可以具有150毫米的半径(可以指定为R150毫米)，并且这些区的尺寸可以如下确定：(a)从衬底中心到外圆周的中心区，半径在约130到约145毫米的范围内；以及(b)从中心区的外圆周到衬底边缘处或附近的外圆周的边缘区。

图3示出了反应器系统100的一部分的俯视图，示出了相对于图2所示的衬底120和基座110的室加热(或加热器)组件310，并且气流如箭头130所示。更具体地，为了控制衬底120的温度，系统100包括室加热组件310，其具有加热灯的底部或下部排或阵列314以及顶部或上部排或阵列318。灯可以采取多种形式和形状来实现系统100，包括可以使用发光二极管或其他技术来提供光能或信号的聚光灯和/或线性灯。如图所示，例如，底部和顶部排314、318每个包括多个线性灯，每排314、318中示出了11个，布置在基座110和衬底120下方和上方的间隔开的平面中。灯布置在每个排/阵列234、238中，彼此平行，相邻对之间具有均匀的间隔。

图4示出了反应器系统100的一部分的仰视图，示出了将加热器分成两群或两组以控制衬底的双区加热的有用分组。阵列/排318(以及图3的底部或下部阵列/排314)的灯可被划分或分配给控制区，并基于来自那些物理区中的高温计(例如在相同加热或控制区的灯内或灯之间的灯排上方的高温计，或在两个区的每个内具有视场的一个或多个高温计)的实时温度反馈作为组/单元被同时控制。

在该特定但非限制性示例中，顶部灯阵列318(同样，底部灯阵列314)被分成两个控制组或区，它们对应于衬底120的中心区和边缘区这两个区(如图2所示)，并且它们是中心组470(由中心六个灯构成)和边缘组474(由中心组470的任一侧(或相对侧)的两对灯构成)。每个控制组470、474中的灯的数量和位置可以变化，通常优选的是，基于它们在操作期间加热的衬底120的部分或区域来选择每个组中的灯(例如将加热衬底120的边缘的灯分配给边缘控制组474等)。

在图3和4的示例中，系统100适于为具有22个线性灯的现有灯排设计提供双区衬底温度控制。如图所示，线性灯被分成两组(即图4中的中心和边缘组470和474)，并且下和上排/阵列314、318的灯可以使用两个闭环比例积分微分(PID)控制或其他控制方法来操作。两个高温计154和156可用于测量衬底中心和边缘区温度，这些温度作为反馈提供给控制器以启动两组470、474的电源。

图5示出了被修改为包括或实施双区控制的反应器系统500的示意图。如图所示，使用多个灯540来加热衬底510，并且这些灯可被分成两个区或两个组来控制。中心高温计520用于监测衬底510的中心区的温度，而同时边缘高温计524用于监测衬底510的边缘区的温度。高温计520和524的温度输出(例如感测或读取的温度或对应于温度的信号)被分别馈送到控制器(例如加热或加热器组件的控制器)530的软件或人工智能(AI)模块532和534。

模块532、534可用于在特定过程(例如外延生长)期间将来自高温计520、524的感测或读取温度与用于衬底510的中心和边缘区的期望温度设定点进行比较，并且这些温度设定点可存储在控制器530可访问的存储器(图5中未示出)中，控制器530通常还包括执行代码或指令以提供AI模块532、534和PID模块533、535的功能的处理器。

这样的过程可能需要相对长的时间来完成，比如30到90分钟，并且由控制器530提供的控制优选地在整个过程中进行(在一些情况下，包括沉积/生长步骤之前和之后)。每个区的AI模块532、534的输出被提供给PID模块533和535，以通过向加热器控制单元或开关(比如硅控整流器(SCR))传送控制信号来将读取的温度带到期望的设定点温度，从而调节提供给灯540的每个区的总加热灯电功率的比例，每个区中的每个灯通常接收匹配的功率水平。

系统500配置成允许独立的双区闭环温度控制。与单区反馈控制相比，双区高温计控制通过由AI模块532、534和PID模块533、535自动调整SCR功率比来增加衬底中心和边缘热分布的独立可调性。假定高温计用作非接触式即时传感器，根据其发射的热辐射量来确定衬底温度，则可以在衬底上以非常短的过渡时间直接实现目标边缘到中心的热分布调整，而与衬底类型、芯片设计和环境影响无关。

可以如图5的系统500所示实施的本说明书的双区控制对于在膜生长期间(以及在由加热灯加热的室中的其他衬底处理期间)提供实时和稳定的中心到边缘温度控制是有用的。沉积在衬底上的膜的示例包括：(a)硅膜，(b)硅锗膜，以及(c)掺杂硅膜，例如磷掺杂和砷掺杂膜。在稳定状态下，双高温计闭环控制通过硅控整流器(SCR)功率的实时调整实现了衬底中心和衬底边缘处的稳定温度。例如，随着膜的生长，衬底(例如发射率约为0.68)和包括基座边缘(例如发射率约为0.99)和室(例如发射率约为0.53)的周围环境的发射率随着沉积而变化。

根据单次测量，单区温度控制机制均匀地控制整个晶片上的灯输出功率(以及相关的晶片加热)，因此，在膜沉积期间不考虑晶片的中心和边缘部分之间的温差，例如由于衬底上的发射率变化。因此，在将膜沉积到晶片上期间，膜厚度会随着温度的变化而变化。因此，用单区控制观察衬底中心和边缘温度偏移。相比之下，利用来自衬底中心和边缘处(或衬底中心和边缘区中)的高温计的即时和实时温度反馈，可以最小化(或至少减少)整个衬底上的热转变周期，以实现高产量和高重复性。利用这里描述的新方法，可以通过控制晶片中心部分(和显影膜)和晶片边缘部分(和显影膜)的温度之间的任何差异来控制膜厚度分布。可能存在其他益处，比如减少层内变化(当需要时)和减少缺陷(比如由于晶体滑移)，同时新方法对于提供控制整个晶片上的膜厚度分布的能力特别有用。

在一些实施例中，温度监测组件包括小光斑尺寸边缘高温计，以测量极端边缘(或边缘区)衬底温度。通过添加边缘高温计来确定衬底边缘温度，在高温计传感器选择上获得了更大的灵活性。在一些情况下，中心和边缘高温计可以是相同的，但在一些实施方式中，中心安装件和边缘安装件内的孔(或者反射器内的孔)具有不同的尺寸可能是有用的，这改变了边缘高温计和中心高温计的视场的尺寸。与可用于测量中心区衬底温度的传统高温计相比，选择用于边缘高温计的高温计被选择成使用小感测光斑来捕获和控制远边缘温度，该小感测光斑可更容易地用于读取或感测双区控制所需的边缘区温度。因为该光斑小于中心光斑，例如具有约5毫米的OD，这比常规高温计的约20毫米等的OD小得多，所以边缘高温计的位置可以设定得比以前实践更远离衬底的中心且更靠近边缘。

图6是用于本说明书的温度监测组件中以实现不同光斑尺寸的中心高温计610和边缘高温计630的侧视图。特别地，发明人认识到新的边缘高温计设计可以用于减小衬底604处的光斑尺寸，以增强远边缘温度测量。远边缘温度测量及其温度控制(基于从远边缘(或边缘区)高温计到加热器控制器的反馈)在控制整个衬底上的温度方面非常有用。

如图6所示，中心高温计610可以从其透镜管612接收能量，以基于其视场(fov)和工作距离以及反射器620和衬底604的相对位置，在衬底604上提供约15到约25毫米范围内的光斑尺寸(即视场)(在图6中作为示例示出了约20毫米)。高温计接收从晶片(和显影膜)发射的电磁辐射，并由此产生包含指示边缘高温计径向偏移处的晶片(和显影膜)温度的信息的信号。更具体地，反射器620放置成与透镜管612的出口和衬底604(或其上表面)等距，例如工作距离约为250毫米，管612的出口距反射器620约为125毫米，衬底604距反射器620约为125毫米。这为边缘高温计610(以及在一些情况下为中间高温计)提供了在约15毫米至约25毫米(例如约20毫米)范围内的视场或光斑，其可以在衬底604的中心或者从衬底边缘偏移一些以成为中心区(或中间区)。

对于边缘高温计630，具有更长长度的管632用于减小工作距离，并且具有半径在约2到约10毫米范围内的视场或光斑尺寸/传感器区域，具有约4到约6毫米宽度(例如半径)的光斑是示出的宽度为约5毫米的所示示例。图6中所示的透镜管632的长度选择成使得透镜管632的出口比中心高温计的管612更靠近反射器620。例如，该分离距离可以在约25到约35毫米的范围内，其中所示的分离距离为约30毫米，同时保持反射器到衬底的距离(例如约125毫米的距离)，并且这提供了具有约5毫米外径的视场或传感器区域/光斑。利用这种边缘高温计设计，边缘高温计可以移动(连同其传感器区域或光斑)到靠近衬底边缘的位置(例如从衬底中心径向偏移约130到约150毫米的范围，例如在某些示例中约142毫米)，用于更好的远边缘温度控制。

在其他实施例中，通过降低灯排内的高温计630来设定工作距离，以将管出口放置得更靠近反射器620和衬底604，而其他实施例可以利用光学组件来实现减小的工作距离和较小的光斑尺寸，如图6所示，其外径约为6毫米或更小。

图7是温度监测组件的边缘高温计部分的侧视截面图，示出了安装成提供更小光斑尺寸，放大图以701示出。如图所示，使用安装支架740将高温计安装到反射器720的顶面，并且高温计的透镜管730容纳在内通道或室742中，以其出口732终止于距反射器720的顶面一定距离处。其接收的能量通过反射器720中的传输通道726从衬底的顶面传输到室/通道742的底部中(图7中未示出，但可从图1的反应器系统100中理解)。

室/通道742可以具有圆形截面形状，在容纳管730的上部匹配透镜管730。外径可以逐步减小，以部分地从透镜管730获得更小光斑尺寸。在图7所示的具体实施例中，安装支架740包括孔(或室出口)744，其从透镜管730的外径/尺寸逐渐减小到所需光斑尺寸或其附近的外径(例如约2至约10毫米，更优选约4至约8毫米，在一示例性实施例中使用约6毫米)。

可以增加到传输通道726的反射器入口中的斜面728以及孔744中的螺纹745，以提供小视场(或光斑/传感器区域尺寸)高温计，从而以最小的硬件风险减少杂散光。这对于最小化或控制可能影响边缘高温计的高温计读数的杂散光或噪声可能是理想的。投射到高温计安装支架740的侧壁上的大多数不想要的噪声可被安装支架740反射回来或吸收，而不是进入高温计透镜/透镜管730。

图8是具有双区温度监测和控制的反应器系统800的功能框图。反应器系统800可以采取多种形式来利用这种监测和控制，并且以简化形式示出了具有内部空间或容积812的反应器室810，其中提供了基座或衬底支撑814，其可以通过旋转机构816旋转，如箭头R所示。衬底820可以设置在基座814上，并且膜824可以在系统800的操作期间沉积或生长。例如，系统800和室810可以配置用于多种沉积过程，包括但不限于ALD、CVD、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)和物理气相沉积(PVD)。

热发生器(例如加热灯)832的阵列830位于室810上方，并向基座814和其上的任何衬底820和膜824提供热量，这可以通过在如箭头H₁和H₂所示的双区(例如中心区或组发生器832和边缘区或组发生器832)中操作热发生器832来控制。

为了在阵列830中的发生器832操作期间监测衬底820和膜824温度，系统800包括双区温度监测组件850，其包括中心区高温计852和边缘区高温计854，它们感测衬底820和/或膜824上的区域或光斑的温度。这种监测可以通过反射能量或辐射来实现，如波浪线所示，其穿过安装有高温计852、854的反射器840中的间隙。

在系统中提供控制器870，用于产生控制信号(例如成比例的功率输出)P_中心和P_边缘，以基于沉积过程期间衬底820和/或膜824的感测温度独立地控制中心或第一区中的热发生器832。为此，温度信息或高温计温度输出T_中心和T_边缘被传送到控制器进行处理，并且作为响应，产生控制输出P_中心和P_边缘。控制器870包括处理器872，其管理控制器870的存储器874(或可由控制器870访问)，并且软件或可执行指令或代码876可由处理器执行，以提供本文所述的双区温度监测和控制功能(例如具有热发生器832的阵列830的控制输出P_中心和P_边缘的PID控制)。

控制器870还可以包括用户接口879，用于方便操作者在控制或程序模块876之间进行选择、与监测的温度数据进行交互、修改或更新沉积或处理参数等。为此，用户接口879可以包括由处理器872基于GUI生成器模块876生成的图形用户界面(GUI)，其可以显示在监视器、触摸屏等上。可以在控制器870中提供具有一个或多个输入/输出(I/O)部件的装置接口878，以便于控制器870和温度传感器852、874和/或阵列830的各个热发生器832(或它们的控制器/驱动器)之间的有线或无线通信。

图9是使用双区温度监测来控制反应器系统的反应或处理室内的温度的方法900，比如在图8的系统800中，其控制器870使用处理器872和程序模块876来执行方法900的一个或多个步骤。方法900可以开始于在具有如本文所述的双区温度监测组件的反应室中提供衬底，比如具有硅表面的衬底。然后，反应室可用于执行提供显影膜的沉积过程。

然后，在步骤910，方法900可以包括用第一或中心高温计接收电磁辐射。该辐射从衬底发射，中心高温计相对于衬底(及其支撑件)和反应室定位，以覆盖衬底的中心部分。在步骤920，方法900可以包括用第二或边缘高温计接收电磁辐射。该辐射也从衬底发射，并且第二或边缘高温计相对于衬底(及其支撑件)和反应室定位，以覆盖衬底的边缘部分。

方法900继续步骤930和940，处理中心和边缘高温计的输出，以使用中心和边缘高温计来确定衬底中心部分的温度和衬底边缘部分的温度。然后，在步骤950，方法900包括使用这两个确定的温度计算衬底的中心部分和边缘部分之间的温差。方法900然后在步骤960继续，将步骤950中计算的温差与预定温差(例如通过对反应室中当前发生的过程的测试或实验建立并存储在存储器中比如存储器874中以供处理器872访问的温差(或可接受差异的范围))进行比较。然后，在步骤970，方法900包括当温差超过预定温差时(基于步骤960中执行的比较)，相对于覆盖衬底中心部分的加热器元件或热发生器，增加或减少施加到覆盖衬底边缘部分的加热器元件或热发生器的电功率。

在某些示例中，方法900可以在膜叠层的沉积期间使用。膜叠层可以包括具有不同成分的交替层，比如硅锗膜和硅膜的交替层彼此覆盖。在某些示例中，硅锗层和硅层可以在等温和等压温度机制下沉积，即硅锗层和硅层在共同沉积温度和共同压力下沉积，上述温度控制系统和方法在硅锗层和硅层的沉积期间使用。鉴于本公开，本领域技术人员将理解，采用等温等压沉积过程减少(或消除)了对后续层的沉积之间的稳定时间的需要。

根据某些示例，方法900可用于非等温和/或非等压沉积过程。例如，在硅锗/硅膜叠层的沉积期间，可以使用约550摄氏度至700摄氏度之间的硅锗沉积温度和/或约5托至约20托之间的硅锗沉积压力来沉积硅锗层，并且可以在约650摄氏度至约780摄氏度范围内的不同温度和/或约10托至约80托之间的不同硅沉积压力来沉积硅层。有利地，与预期相反，由于采用了与采用间接温度测量的沉积方式相关的衬底实时温度测量，使用方法900几乎不需要增加(在某些示例中基本不增加)稳定时间。

这里已经针对具体实施例描述了益处、其他优点和问题的解决方案。然而，益处、优点、问题的解决方案以及可能导致任何益处、优点或解决方案出现或变得更加显著的任何元素不应被解释为本公开的关键的、必需的或必要的特征或元素。

在整个说明书中对特征、优点或类似语言的引用并不意味着本公开可以实现的所有特征和优点都应在本发明的任何单个实施例中。相反，涉及特征和优点的语言被理解为意指结合实施例描述的具体特征、优点或特性包括在本文公开的主题的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中，对特征和优点的讨论以及类似的语言可以但不一定指的是同一个实施例。

此外，本公开的所描述的特征、优点和特性可以任何合适的方式结合在一个或多个实施例中。相关领域的技术人员将认识到，本申请的主题可以在没有特定实施例的一个或多个具体特征或优点的情况下实施。在其他情况下，在某些实施例中可以认识到可能不存在于本公开的所有实施例中的附加特征和优点。此外，在一些情况下，没有详细示出或描述公知的结构、材料或操作，以避免模糊本公开主题的各方面。没有权利要求要素旨在援引35U.S.C.112(f),除非该要素使用短语“用于…的装置”明确陈述。

本公开的范围仅受所附权利要求的限制，其中除非明确声明，否则单数形式的元件并不意味着“一个且仅一个”，而是“一个或多个”。应当理解，除非特别声明，否则提及“一”、“一个”和/或“该”可以包括一个或多于一个，提及单数形式的项目也可以包括复数形式的项目。此外，术语“多个”可以定义为“至少两个”。如本文所用，当与项目列表一起使用时，短语“…中的至少一个”意味着可以使用一个或多个所列项目的不同组合，并且可能只需要列表中的一个项目。该项目可以是特定的对象、事物或类别。此外，在权利要求中使用类似于“A、B和C中的至少一个”的短语的情况下，该短语旨在被解释为是指A单独存在于一个实施例中，B单独存在于一个实施例中，C单独存在于一个实施例中，或者元素A、B和C的任何组合可以存在于单个实施例中；例如，A和B、A和C、B和C或者A、B和C。在一些情况下，“项目A、项目B和项目C中的至少一个”可以表示例如但不限于项目A两个、项目B一个和项目C十个；项目B四个，项目C七个；或者一些其他合适的组合。

本文公开的所有范围和比率极限可以组合。除非另有说明，术语“第一”、“第二”等在此仅用作标签，并不旨在对这些术语所指的项目强加顺序、位置或等级要求。此外，提及例如“第二”项目不要求或排除存在例如“第一”或更低编号的项目，和/或例如“第三”或更高编号的项目。

对附接、固定、连接等的任何提及可以包括永久、可移除、临时、部分、完全和/或任何其他可能的附接选项。此外，对无接触(或类似短语)的任何提及也可以包括减少接触或最小接触。在以上描述中，可以使用某些术语，比如“上”、“下”、“上部”、“下部”、“水平”、“竖直”、“左”、“右”等。当处理相对关系时，在适用的情况下使用这些术语来提供一些清晰的描述。但是，这些术语并不意味着绝对的关系、位置和/或定向。例如，对于一个物体，“上”表面可以简单地通过翻转该物体而变成“下”表面。尽管如此，它仍是同一个物体。

此外，本说明书中一个元件“联接”到另一个元件的实例可以包括直接和间接联接。直接联接可被定义为一个元件联接到另一个元件并且与之有些接触。间接联接可被定义为彼此不直接接触的两个元件之间的联接，但在联接的元件之间具有一个或多个附加元件。此外，如本文所用，将一个元件固定到另一个元件可以包括直接固定和间接固定。此外，如本文所用，“相邻”不一定表示接触。例如，一个元件可以与另一个元件相邻，而不与该元件接触。

尽管本文阐述了本公开的示例实施例，但应当理解，本公开不限于此。例如，尽管结合各种具体配置描述了反应器系统，但本公开不一定限于这些示例。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对本文阐述的系统和方法进行各种修改、变化和增强。

本公开的主题包括各种系统、部件和配置的所有新颖和非显而易见的组合和子组合，以及本文公开的其他特征、功能、动作和/或属性，以及其任何和所有等同物。

Claims (20)

1.一种操作反应器系统以提供多区衬底温度控制的方法，包括：

用第一高温计感测支撑在反应器系统中的衬底的第一区的温度；

用第二高温计感测衬底的第二区的温度；

用控制器将第一和第二区的温度与用于第一和第二区的设定点温度进行比较，并且作为响应，产生控制信号以控制衬底的加热；以及

基于控制信号，控制操作成加热衬底的加热器组件的操作。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述加热器组件包括多个热发生器，并且其中，所述控制包括将预定电功率映射到多个热发生器中的每个。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述控制包括向分配给与加热所述第一区相关的第一组的多个热发生器中的每个和分配给与加热所述第二区相关的第二组的多个热发生器中的每个提供成比例量的预定电功率。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括重复感测所述第一区的温度、感测所述第二区的温度、比较温度以及控制所述加热器组件的操作，以提供对衬底的加热的闭环控制，从而达到所述设定点温度。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一和第二高温计各自包括红外(IR)高温计，用于感测衬底上的光斑的温度，以感测所述第一和第二区温度。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一区是从衬底的中心延伸至外半径的衬底的中心区，所述第二区是从中心区的外半径延伸至衬底的边缘的衬底的边缘区，并且其中，与所述第二高温计相关的光斑在衬底上位于距衬底边缘1至20毫米(mm)的径向偏移的位置处具有中心点。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，距衬底边缘的径向偏移在4至10mm的范围内。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，由所述第二高温计监测的光斑具有在1至15mm的范围内的外径。

9.一种用于提供基于区的衬底温度控制的反应器系统，包括：

反应室；

在反应室中用于支撑衬底的基座；

多个热发生器，其可操作成加热基座上的衬底；

温度监测组件，其包括读取衬底的中心区和边缘区中的温度的第一和第二高温计；以及

控制器，其基于中心区的温度控制热发生器中的第一组，并且基于边缘区的温度控制热发生器中的不同于第一组的第二组。

10.根据权利要求9所述的反应器系统，其中，所述热发生器各自包括加热灯，并且其中，所述控制器基于由所述第一和第二高温计感测的所述中心区和边缘区的温度与用于中心区和边缘区的预定温度设定点的比较而通过将第一和第二水平的电功率引导至所述第一和第二组的热发生器来控制热发生器的操作。

11.根据权利要求10所述的反应器系统，其中，所述控制器配置成基于来自所述第一和第二高温计的持续反馈而独立地向所述第一和第二组的热发生器提供比例-积分-微分(PID)控制。

12.根据权利要求9所述的反应器系统，其中，所述第二高温计监测衬底上的外径在1至15mm的范围内的传感器光斑的温度。

13.根据权利要求12所述的反应器系统，其中，所述传感器光斑具有在4至8mm的范围内的外径，其中心在4至10mm的范围内的距衬底边缘的径向偏移处。

14.根据权利要求12所述的反应器系统，还包括反射器，其中，所述第二高温计通过安装支架附接到反射器的上表面，其中，反射器包括传输通道，并且其中，安装支架包括用于接收第二高温计的透镜管的室，由此由第二高温计接收的能量通过所述室和传输通道被引导到支撑在所述基座上的衬底上。

15.一种用于提供实时衬底温度变化控制的反应器系统，包括：

多个加热灯，其可操作成加热支撑在基座上的衬底；

温度监测组件，其包括中心高温计和边缘高温计，分别用于感测衬底的中心区中的温度和衬底的边缘区中的温度；以及

控制器，其基于中心区和边缘区的温度与用于中心区和边缘区的温度设定点的比较来操作多个加热灯，其中在操作期间，控制器产生控制信号以独立地操作加热灯中的第一组来加热衬底的中心区以及加热灯中的不同于第一组的第二组来加热衬底的边缘区。

16.根据权利要求15所述的反应器系统，其中，所述控制信号配置成成比例地设定提供给加热灯中的第一和第二组的电功率量。

17.根据权利要求16所述的反应器系统，其中，PID控制独立地应用于加热灯中的第一和第二组中的每个。

18.根据权利要求16所述的反应器系统，其中，所述边缘高温计监测衬底上的外径在1至15mm的范围内的传感器光斑。

19.根据权利要求18所述的反应器系统，其中，所述传感器光斑的中心在4至10mm的范围内的距衬底边缘的径向偏移处。

20.根据权利要求16所述的反应器系统，还包括反射器，其中，所述边缘高温计通过安装支架附接到反射器的上表面，其中，反射器包括传输通道，其中，安装支架包括用于接收边缘高温计的透镜管的室，由此由边缘高温计接收的能量通过所述室和传输通道被引导到支撑在所述基座上的衬底上。

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