CN116448249B - 一种红外测温系统、校正方法及碳化硅外延设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种红外测温系统、校正方法及碳化硅外延设备。该红外测温系统包括测温部件、光学器件以及导光部件，该测温部件包括聚光筒，其内设置有光探测器件及凸透镜，该聚光筒的一端具有开口部；该导光部件呈中空设置，其一端具有光入射口，与光入射口相对的另一端具有光出射口，该光出射口侧设置有遮光部件，且光出射口对着凸透镜；光学器件配置于凸透镜与光出射口之间；测温时被测发热体发出的光经导光部件的光入射口及光出射口后，穿过所述光学器件进入所述聚光筒内的所述凸透镜并经所述凸透镜聚焦到所述光探测器，所述光探测器基于接收的光信号转化成电信号，以得到测量温度。该红外测温系统抗干扰能力强且测量精度高。

Description

一种红外测温系统、校正方法及碳化硅外延设备

技术领域

本申请涉及测量技术领域，具体地涉及一种红外测温系统、校正方法及碳化硅外延设备。

背景技术

半导体设备中温度测量大致有两种方式，一种采用接触式测温（如通过热电偶、热电阻等方式进行测温），另一种采用非接触式测温（如：利用红外或激光等方式进行测温）。对于外延生长或晶体生长工艺而言，加热温度的精度和均匀性是最重要的参数之一，若采用热电偶的方式只能测量托盘的温度，这样测量的温度与衬底或晶体表面的实际温度会有一定的差异，且差异难以掌握。因此在外延生长或晶体生长场合采用非接触式的红外测温。

目前红外测温大多采用通用测温仪，其测温机理如图1所示，被测物体4上的理想的采样区域a1（也称理想光斑）的发出的光（入射光）后经聚光筒1内的透镜3聚焦，聚焦光线到达光敏探测器2，或者通过光纤传输到光敏探测器2，在光敏探测器2转变成电信号，以此来得到被测物体4上的测量温度。理想的采样区域a1很小，可以精确测量发热面，但实际测量时如图2所示，实际的采样区域b1往往大于理想的采样区域a1，这样被测物体4发出的光（包含入射光及杂散光）经聚光筒1内的透镜3聚焦，聚焦光线到达光敏探测器2，这样引入杂散光造成测量的温度精度低，不适合用于精度要求高的场合。

发明内容

为克服上述缺点，本申请的目的在于：提供一种红外测温系统、校正方法及碳化硅外延设备。该红外测温系统测量精度高，且抗干扰。

为了达到以上目的，本申请采用如下技术方案。

一种红外测温系统，其用于外延设备，其包括：测温部件、光学器件以及导光部件，

所述测温部件包括聚光筒，所述聚光筒内设置有光探测器件及凸透镜 ，所述聚光筒的一端具有开口部；

所述导光部件呈中空设置，其一端具有光入射口，与所述光入射口相对的另一端具有光出射口，所述光出射口侧设置有遮光部件，且所述光出射口对着所述凸透镜；

所述光学器件配置于所述凸透镜与所述光出射口之间；

测温时被测发热体发出的光经所述导光部件的光入射口及光出射口后，穿过所述光学器件进入所述聚光筒内的所述凸透镜并经所述凸透镜聚焦到所述光探测器件，所述光探测器件基于接收的光信号转化成电信号，以得到被测发热体的温度。通过这样的设计，利用遮光部件遮挡住部分杂散光，有部分杂散光进入导光部件内从光出射口射出后被光学器件折射和/或反射掉,使其无法聚焦到光探测器件的有效探测范围内，以最大化的降低杂散光的干扰，提高测量精度。

在一实施方式中，该导光部件为导光筒，所述导光筒上设置有穿孔，所述穿孔经管路连接至气源，通过所述穿孔向所述导光筒内通入保护气体。通过该穿孔向导光筒通入保护气体（如氩气），使导光筒内形成正压，这样就可以使光入射口保持干净，以维持恒定的通光面积，保证测温的精度。

在一实施方式中，该测温部件与所述导光部件同轴设置。

在一实施方式中，该光入射口的直径与所述光出射口的直径相同。光入射口与光出射口相对设置。

在一实施方式中，该光学器件倾斜设置于所述开口部侧，所述光学器件所处平面与垂直于所述聚光筒的轴线第二方向参考线的夹角介于2-8°。

在一实施方式中，该导光部件为导光筒，导光筒的内壁至少部分设置吸收层。该吸收层含有吸光材料或吸收层经喷砂成毛面得到。

在一实施方式中，该导光部件中部的直径为所述光入射口的直径的2-5倍。这样能更好地吸收和反射掉杂散光。

在一实施方式中，该遮光部件的远离所述聚光筒侧表面上设置有吸收层。

本申请实施例提出一种红外测温校准方法，其利用上述的红外测温系统，所述方法包括如下步骤：

将黑体炉温度调整至预设温度，待黑体炉温度到达所述预设温度并稳定后，

将黑体炉对准导光部件的光入射口，黑体炉发出的光经所述导光部件后穿过光学器件并经凸透镜汇聚到光探测器件，所述光探测器件基于接收的光信号经运算得到黑体炉的温度，

根据运算得到黑体炉的温度进行校准。通过该方法可提高温度识别的精度。较佳的，光探测器件基于接收的光信号并传输至处理模块经处理模块运算得到黑体炉的温度，并以温度进行校准。

本申请实施例还提出一种碳化硅外延设备，该碳化硅外延设备具有反应腔，所述反应腔的顶部具有喷淋装置，所述喷淋装置上配置有上述的红外测温系统。通过该红外测温系统测量衬底表面的温度，以提高测量精度。这样在外延生长时提高温控的精度，提高外延片的质量。

有益效果

本申请提出的红外测温系统，通过设置导光筒及遮光部件，离理想的采样区域较远的杂散光被遮光板挡住，使其不能进入聚光筒，理想的采样区域外围的杂散光即使进入导光筒内并从光出射口射出，但经光学器件折射和反射使其无法聚焦在光探测器件的有效探测范围内，以提高检测的精度。在导光筒内部设置吸光层以最大限度的避免杂散光的干扰，提高检测精度。在导光筒上设置有穿孔，该穿孔经管路连接至气源，通过该穿孔向导光筒内通入保护气体，使导光筒内形成正压，这样可以使光入射口保持干净，以维持光入射口恒定的通光面积，保证测温的精度。

附图说明

附图用来提供对本公开技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本公开的实施例一起用于解释本公开的技术方案，并不构成对本公开技术方案的限制。附图中各部件的形状和大小不反映真实比例，目的只是示意说明本申请内容。

图1为现有红外测温的理想光路示意图。

图2为图1的实际测量时的光路示意图。

图3为本申请实施例的红外测温的光路示意图。

图4为3中部分杂散光进入导光筒内并经光学器件及凸透镜的示意图。

图5为3中部分杂散光进入导光筒内被反射的光路示意图。

图6为本申请第一实施例的导光筒的结构示意图。

图7为本申请第二实施例的导光筒的结构示意图。

图8为本申请第三实施例的导光筒的结构示意图。

图9为本申请第四实施例的导光筒的结构示意图。

图10为本申请实施例的红外测温校正的光路示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本申请而不限于限制本申请的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

红外测温基于黑体辐射原理，对于同一个温度、同样大小的取样面积来说，光子的数量是一致的，能量也是一致的，据此可以计算出辐射面的温度。测温精度取决于探测面上进入光探测器件这一过程的稳定性，同时避免周围杂散光的干扰造成测温误差。

申请人针对目前的红外测温的精度不足的问题进行改进。提出一种抗干扰的红外测温系统。

该红外测温系统包括测温部件、光学器件以及导光部件。该光学器件介于测温部件与导光部件之间。该光学器件可为光学玻璃板。该测温部件包括聚光筒，其内设置有光探测器件及凸透镜 ，聚光筒的一端具有开口部。导光部件呈中空设置，其一端具有光入射口，与光入射口相对的另一端具有光出射口，光出射口侧设置有遮光部件，且光出射口对着所述凸透镜。

测温时被测发热体发出的光经导光部件的光入射口、光出射口后，穿过光学器件进入聚光筒内的凸透镜并经凸透镜聚焦到光探测器件，该光探测器件基于接收的光信号转化成电信号，以得到被测发热体的温度。优选的，转化成电信号后经信号处理器进行放大和校准处理，得到被测发热体的温度。该红外测温系统通过设置光学器件以及导光部件来最大限度的去除杂散光或使其在光探测器件的探测范围之外。该红外测温系统可用于碳化硅外延设备中，用于对衬底表面温度的测量。被测发热体发出可见光及红外光，利用光探测器件测量特定波长的红外光（如波长900纳米的红外光）来得到被测发热体的温度。光探测器件可为光敏探测器。

接下来结合附图来描述本申请提出的红外测温系统。

如图3所示为本申请实施例的红外测温系统的示意图。

该红外测温系统包括：

导光部件50，该导光部件50中空设置，导光部件50的一侧端部具有光入射口52，该光入射口52靠近发热体 40，导光部件50的与光入射口52相对的另一侧端部具有光出射口51，导光部件50的光出射口51侧设置有遮光部件60。

聚光筒10，其内具有光探测器件20及凸透镜30，聚光筒10的一侧具有开口部11，该开口部11侧设置有光学器件70，该光学器件70对着导光部件50的光出射口51。

测温时，发热体 40发出的光（入射光）穿过导光部件50的光入射口52并从光出射口51口射出，部分光线穿过光学器件70、经凸透镜30汇聚后聚焦光线到光探测器件20上，光探测器件20基于接收的光信号将其转化成电信号，经处理得到发热体40的温度（如经信号处理器进行放大和校准处理，得到精确的发热体40的温度）。本实施方式中，经凸透镜30汇聚后到光探测器件20上的这部分光为理想的采样区域a发出的光。该区域之外的光可统称为杂散光。杂散光大致分为三种，第一种杂散光离理想的采样区域较远，其都被遮光装置60挡住（参见图3）；第二种杂散光进入导光筒50，经导光筒50的内壁反射达到光出射口51并射出，但其经光学器件70及凸透镜30聚焦（也称汇聚）后，聚焦光线在光探测器件的范围之外（参见图4），这部分杂散光对测温的精度没有影响；第三种杂散光进入导光筒50内，但被导光部件的内壁多次反射后折回未达到光出射口51，同时也会被导光部件的内壁吸收部分，基本上到达不了光探测器件（参见图5），对测温的精度也没有影响。这样只有在理想的采样区域a范围的光/光线才能进入光探测器件20的有效检测范围，能真正反应出真实温度，进而提高了测温的精度。本实施方式中，光学器件70采用光学玻璃板，其有利于垂直于光学玻璃板的光通过，倾斜入射的光（倾斜入射的光与光学玻璃板所处平面的夹角较大）则会折射和反射掉，这样通过设置光学玻璃板对光路优化，需要检测的光线基本接近于（光学玻璃板的）垂直方向，倾斜光主要为杂散光，能更好地减少杂散光的干扰，提高测量精度。较佳的，光学玻璃板的倾斜角(即光学玻璃板所处平面与第二方向参考线B的夹角)介于2-8°，第二方向参考线B与第一方向参考线A垂直。该第一方向参考线A为聚光筒10的中轴线。较佳的，聚光筒10的中轴线与导光部件50的中轴线同轴。若采用目前的测温方法用于6英寸碳化硅外延测温时，理想的采样区域a1（理想光斑）的直径为6mm（参见图2），实际测量时实际的采样区域b1(也称实际聚焦的光斑)的直径为15mm（参见图2中），工艺温度为1650℃，有一个测温点靠近衬底（即发热体）的边缘，测量时发现该测温点之外的托盘（外延生长时衬底放置于托盘中）的温度变化会影响测温结果，大致的影响是温差的20%，这样测温点的温度测量精度低，严重的影响外延的生长质量。另外，现有的测温方式下杂散光的影响也较大，测温曲线毛刺较大，达到±0.3℃。而采用本申请的实施方式（通过设置光学器件以及导光部件），测温精度基本不受托盘温度的影响，同时杂散光的干扰也大幅减少，测温精度提高到±0.1℃。实测的温度漂移不超过1.5℃，精度达到1‰以内。这样的测量精度足以保证碳化硅外延生长时对温度的要求，能提高外延的质量。

接下来结合图6-图9来描述本申请提出的导光部件。导光部件为导光筒。

如图6所示为本申请第一实施例的导光筒150的结构示意图，该导光筒150的一侧端部具有光入射口152，与光入射口152相对的另一侧端部具有光出射口151，在光出射口151侧设置有遮光部件160，且遮光部件160的开口161大于光入射口152。该导光筒150具有主体154，其上设置有穿孔153，穿孔153通过管路连接至气源（图未示），通过该穿孔153向导光筒通入保护气体（如氩气），通过该保护气体维持导光筒内正压，这样就可以使光入射口保持干净以维持恒定的通光面积，保证测量精度。本实施方式中，光入射口152小于光出射口151（光入射口152侧内壁的径向尺寸小于光出射口151侧内壁的径向尺寸）。本实施方式中为了更好地吸收和反射掉杂散光，将导光筒的中间部分的内壁扩大。导光筒的主体154的中部的直径D3为光入射口的直径D2的2-5倍。在一实施方式中，光入射口的直径D2与光出射口的直径D1相同。光入射口的直径D2小于理想的采样区域a(理想光斑)的直径,这样即使实际的采样区域b大于理想的采样区域a，也只能保证发热体40上理想的采样区域a范围内的光进入导光筒内并到达光探测器件。这样该光入射口可限制发热体40上的部分光进入导光筒内。主体154呈喇叭或八字设置，主体154与导光筒150的中轴线o的夹角介于5-10°。本实施方式中理想的采样区域a有时也称测温点。

作为图6实施方式的变形如图7所示，图7为第二实施例导光筒的结构示意图，该导光筒的一侧端部具有光入射口252，与光入射口252相对的另一侧端部具有光出射口251，在光出射口251侧设置有遮光部件260，且遮光部件260的开口大于光入射口152。该导光筒的主体254上设置有穿孔253，其通过管路连接至气源（图未示），通过该穿孔253向导光筒通入保护气体，以维持导光筒内的正压，这样就可以使入射口保持干净以维持恒定的通光面积，保证测温的精度。本实施方式中，光入射口252大于光出射口251（光入射口152侧内壁的径向尺寸大于光出射口151侧内壁的径向尺寸）。本实施方式中为了更好地吸收和反射掉杂散光，将导光筒的中间部分的内壁扩大。

作为图6实施方式的变形如图8所示，图8为第三实施例导光筒的结构示意图，导光筒呈圆柱状。

该导光筒的一侧端部具有光入射口352，与光入射口352相对的另一侧端部具有光出射口351，在光出射口351侧设置有遮光部件360，且遮光部件360的开口大于光出射口351。该导光筒的主体354上设置有穿孔353，其通过管路连接至气源，通过该穿孔向导光筒通入保护气体，以维持导光筒内的正压，这样就可以使入射口保持干净以维持恒定的通光面积，保证测温的精度。本实施方式中，该导光筒的主体354的内壁设置有吸收层355，该吸收层355包含吸光材料或吸收层355由喷砂成毛面得到，通过设置吸收层355以增加光衰效应，最大化的去电杂散光。较佳的，该遮光部件360的表面设置有吸收层。

作为图8实施方式的变形如图9所示，图9为第四实施例导光筒的结构示意图。导光筒呈圆柱状。

该导光筒的一侧端部具有光入射口452，与光入射口452相对的另一侧端部具有光出射口451，在光出射口451侧设置有遮光部件460，且遮光部件460的开口大于光出射口451。该导光筒的主体454上设置有穿孔453，其通过管路连接至气源，通过该穿孔向导光筒通入保护气体，以维持导光筒内的正压，这样就可以使入射口保持干净以维持恒定的通光面积，保证测温的精度。本实施方式中，该主体454的内壁皆设置有吸收层455。该遮光部件460的表面设置有吸收层461。较佳的，该吸收层461呈锯齿状，以增加反射效果和光衰效应。

需要说明的是图6-图9的实施方式根据应用场景也可以组合使用。图6-图9的实施方式中在导光筒上设置穿孔，通过该穿孔向导光筒通入保护气体，使导光筒内形成正压，这样就可以使入射口保持干净以维持恒定的通光面积，保证测温的精度。在外延生长过程中衬底周围的物体也容易被生长薄膜，特别是光入射口处，光入射口一旦被反应物或其他灰尘遮盖，光入射口的面积就会不断地缩小，造成采样的光减少，测出的温度会低于实际温度并可能持续减小（影响测温精度）。

该红外测温系统校正时，校温采用黑体辐射炉100参见图10，利用黑体辐射炉100来模拟被测物体进行校温。黑体辐射炉的温度往往达不到测温部件的最高量程，校温时把黑体辐射炉100温度设置到预设温度（黑体辐射炉的最高温度），尽量接近使用温度。待黑体辐射炉100的温度稳定（如2分钟内温度波动在1℃以内，认为温度稳定）后，对准导光筒50的光入射口，黑体炉发出的光经导光部件50并穿过遮光装置60后，经光学器件70并经聚光筒10内的凸透镜30聚焦后聚焦光线到达光探测器件20，探测部件基于接收的光信号经运算得到测量温度。该探测部件基于接收的光信号经运算得到测量温度包括红外测温系统的信号处理器接收一个电平信号，将黑体辐射炉100此时的温度值输入信号处理器，并按校准按钮，温度即可自动得到校准。

本申请实施例提供一种碳化硅外延设备，该碳化硅外延设备具有反应腔，该反应腔的顶部具有喷淋装置，该喷淋装置上配置有上述的红外测温系统。该红外测温系统用于测量反应腔内的衬底表面的温度。该红外测温系统可提高温控的精度，进而提高生长的外延片的质量。该反应腔的底部设有托盘，该托盘用于放置衬底，该托盘与喷淋装置相对设置。该喷淋装置经管路连接至气源（如，工艺气体、载气、保护气体等）。

上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡如本申请精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种红外测温系统，其用于碳化硅外延设备，用于对衬底表面温度的测量，其特征在于，包括：

测温部件、光学器件以及导光部件，

所述测温部件包括聚光筒，所述聚光筒内设置有光探测器件及凸透镜 ，所述聚光筒的一端具有开口部；

所述导光部件呈中空设置，其一端具有光入射口，与所述光入射口相对的另一端具有光出射口，所述光入射口的直径与所述光出射口的直径相同，所述光入射口的直径小于采样区域的理想光斑的直径，所述光出射口侧设置有遮光部件，且所述光出射口对着所述凸透镜，所述遮光部件的中部具有开口，所述开口大于所述光入射口，所述导光部件为导光筒，所述导光筒上设置有穿孔，所述穿孔经管路连接至气源，通过所述穿孔向所述导光筒内通入保护气体，通过所述保护气体维持导光筒内正压；

所述光学器件为光学玻璃板，其配置于所述凸透镜与所述光出射口之间，所述光学器件倾斜设置于所述开口部侧，所述光学器件所处平面与垂直于所述聚光筒的轴线的第二方向参考线的夹角介于2-8°；

测温时被测发热体发出的光经所述导光部件的光入射口及光出射口后，穿过所述光学器件进入所述聚光筒内的所述凸透镜并经所述凸透镜聚焦到所述光探测器件，所述光探测器件基于接收的光信号转化成电信号，以得到测量温度。

2.如权利要求1所述的红外测温系统，其特征在于，

所述导光筒的内壁至少部分设置有吸收层。

3.如权利要求1所述的红外测温系统，其特征在于，

所述遮光部件的远离所述聚光筒侧表面上设置有吸收层。

4.如权利要求1-3中任一项所述的红外测温系统，其特征在于，

所述导光部件内中部的直径为所述光入射口的直径的2-5倍。

5.一种碳化硅外延设备，其特征在于，

具有反应腔，所述反应腔的顶部具有喷淋装置，所述喷淋装置上配置有如权利要求1-4中任一项所述的红外测温系统。