CN202705470U - 化学气相沉积设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种CVD设备。所述CVD设备包括腔体、设置在所述腔体内的顶板和衬底支撑座,所述顶板与所述衬底支撑座相对设置,所述衬底支撑座具有面向所述顶板的衬底支撑面,待处理衬底设置于所述衬底支撑面,所述顶板具有面向所述衬底支撑座的第一表面和背离所述衬底支撑座的第二表面;所述化学气相沉积设备进一步包括至少一探测孔和至少一温度探测器;所述探测孔从所述腔体的外侧向所述腔体内延伸,并从所述顶板第二表面一侧延伸至所述顶板,但不穿透所述顶板;所述温度探测器通过所述探测孔探测所述顶板的温度,以获得所述顶板第一表面的温度。本实用新型的CVD设备能够有效检测所述顶板面向所述衬底支撑座的第一表面的温度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种半导体处理设备,特别是一种化学气相沉积(CVD)设备。
背景技术
现阶段化学气相沉积(CVD)设备,如:等离子增强化学气相沉积(PECVD)设备、低压化学气相沉积(LPCVD)设备、金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备已经广泛应用于半导体器件制造领域。以下以有机金属化学气相沉积(MOCVD)设备为例对现有技术的化学气相沉积设备进行简单说明。
请参阅图1,图1为现有技术MOCVD设备的结构示意图。所述MOCVD设备1包括腔体11设置在所述腔体11内的喷淋头12和衬底支撑座13。所述喷淋头12设置在所述腔体11的顶部。所述衬底支撑座13设置在所述腔体11的底部,并且与所述进气装置12相对设置;其中,所述衬底支撑座13可以绕一转轴14转动。
在进行化学气相沉积的过程中,衬底被放置在所述衬底支撑座13面向所述喷淋头12的表面。所述衬底支撑座13同时加热所述衬底,使得所述衬底达到一定的温度;反应气体从所述喷淋头12进入所述腔体11中并在所述衬底支撑座13的表面发生反应,在所述衬底上沉积一层薄膜。
在上述化学气相沉积的过程中,所述喷淋头12面向所述衬底支撑座13的表面由于吸收所述衬底支撑13发出的热量,因此温度也会升高;所述喷淋头12的所述表面温度的变化,使得所述喷淋头12与所述衬底支撑座13之间的温度梯度发生变化,从而会影响所述反应气体在所述喷淋头12与所述衬底支撑座13之间区域的气流分布;同时,由于所述喷淋头12与所述衬底支撑座13之间也会发生热交换,所述喷淋头12的所述表面的温度的变化也会影响所述衬底支撑座13面向所述喷淋头12的表面的温度分布,使得所述表面的温度较难达到均匀。因此,有必要检测所述MOCVD设备在进行化学气相沉积过程中,所述喷淋头12面向所述衬底支撑座13表面的温度。
然而,现有技术中,还没有给出有效检测所述面向所述衬底支撑座13的表面的温度的装置或方法。现有技术中,其他的CVD设备,如:LPCVD设备、PECVD设备均具有与上述MOCVD相似的结构,因此也存在基本相同的问题。
实用新型内容
化学气相沉积设备具有面对所述衬底支撑座设置的表面,现有技术化学气相沉积设备存在不能有效检测所述表面温度的问题,本实用新型提供一种能解决上述问题的化学气相沉积设备。
一种化学气相沉积设备,其包括腔体、设置在腔体内的顶板和衬底支撑座,所述顶板与所述衬底支撑座相对设置,所述衬底支撑座具有面向所述顶板的衬底支撑面,待处理衬底设置于所述衬底支撑面,所述顶板具有面向所述衬底支撑座的第一表面和背离所述衬底支撑座的第二表面;所述化学气相沉积设备进一步包括至少一探测孔和至少一温度探测器;所述探测孔从所述腔体的外侧向所述腔体内延伸,并从所述顶板第二表面一侧延伸至所述顶板,但不穿透所述顶板;所述温度探测器通过所述探测孔探测所述顶板的温度,以获得所述顶板第一表面的温度。
本实用新型的化学气相沉积设备中,所述探测孔从所述腔体外延伸到所述顶板,温度探测器通过所述探测孔直接检测所述顶板位于所述探测孔部分的温度,进而得到所述顶板第一表面的温度,从而,所述化学气相沉积设备能够有效检测所述顶板面向所述衬底支撑座的第一表面的温度,同时,所述探测孔从所述顶板背离所述衬底支撑座的一侧延伸到所述顶板,而不是设置在所述衬底支撑座,因此,在进行化0学气相沉积处理过程中,衬底支撑座上的衬底不会阻挡温度探测器,也不会因所述衬底支撑座的转动而使得所述温度检测器的连接安装结构复杂。
附图说明
图1为现有技术MOCVD设备的结构示意图。
图2是本实用新型化学气相沉积设备第一实施方式的剖面结构示意图。
图3是本实用新型化学气相沉积设备第二实施方式的剖面结构示意图。
图4是本实用新型化学气相沉积设备第三实施方式的剖面结构示意图。
图5是本实用新型化学气相沉积设备第三实施方式的剖面结构示意图。
具体实施方式
现有技术的化学气相沉积设备具有与衬底支撑座相对设置的表面,所述表面的温度会影响所述表面与所述衬底支撑座之间的反应气流分布以及衬底支撑面的温度分布,然而,现有技术的化学气相沉积设备存在着不能有效检测与衬底支撑座相对设置的表面温度的问题。为解决现有技术化学气相沉积设备存在的问题,本实用新型提供一种化学气相沉积设备;所述化学气相沉积设备包括腔体、设置在腔体内的顶板和衬底支撑座,所述顶板与所述衬底支撑座相对设置,所述衬底支撑座具有面向所述顶板的衬底支撑面,待处理衬底设置于所述衬底支撑面,所述顶板具有面向所述衬底支撑座的第一表面和与背离所述衬底支撑座的第二表面;所述化学气相沉积设备进一步包括至少一探测孔和至少一温度探测器;所述探测孔从所述腔体的外侧向所述腔体内延伸,并从所述顶板第二表面一侧延伸至所述顶板,但不穿透所述顶板;所述温度探测器通过所述探测孔探测所述顶板的温度,以获得所述顶板第一表面的温度。
本实用新型的化学气相沉积设备中,所述探测孔从所述腔体外延伸到所述顶板,温度探测器通过所述探测孔直接检测所述顶板位于所述探测孔部分的温度,进而得到所述顶板第一表面的温度,从而,所述化学气相沉积设备能够有效检测所述顶板面向所述衬底支撑座的第一表面的温度,同时,所述探测孔从所述顶板背离所述衬底支撑座的一侧延伸到所述顶板,而不是设置在所述衬底支撑座,因此,在进行化学气相沉积处理过程中,衬底支撑座上的衬底不会阻挡温度探测器,也不会因所述衬底支撑座的转动而使得所述温度检测器的连接安装结构复杂。
请参阅图2,图2是本实用新型化学气相沉积设备第一实施方式的剖面结构示意图。所述化学气相沉积设备2可以是LPCVD设备、PECVD设备或MOCVD;所述化学气相沉积设备2包括腔体21,设置于所述腔体21内的喷淋头结构22及衬底支撑座23;所述喷淋头机构22设置于所述腔体21的顶部区域,所述衬底支撑座23设置于所述腔体21的底部区域。所述喷淋头结构22与所述衬底支撑座23相对设置。所述喷淋头结构22与所述衬底支撑座23之间形成反应区域。反应气体从所述喷淋头结构22引入到所述反应区域。
所述衬底支撑座23包括一面向所述喷淋头结构22的衬底支撑面231,所述衬底支撑面231用于支撑待处理衬底24。在进行化学气相沉积的过程中,一个或多个衬底24被设置在所述衬底支撑面231;进一步的,特别是在MOCVD设备中,所述衬底支撑座23支撑于一转轴27上,所述转轴27使得所述衬底支撑座23绕一垂直所述衬底支撑面231的轴线旋转。
所述喷淋头结构22设置于所述腔体21顶部区域,并临近所述腔体21的顶壁211。所述喷淋头结构22包括气体扩散腔221和临近所述衬底支撑座23的一侧的气体分配板222;所述气体扩散腔221位于所述腔体21的顶壁211与所述气体分配板222之间,所述气体分配板222设置在所述气体扩散腔221与所述反应区域之间;所述反应区域同时也是所述气体分配板222与所述衬底支撑座23之间的区域。反应气体先在所述气体扩散腔221进行扩散,再通过所述气体分配板222进入所述反应区域。所述气体分配板222具有面向所述衬底支撑座23的第一表面223,和背离所述衬底支撑座23且与所述第一表面223相对的第二表面224。所述气体分配板222为与所述衬底支撑座23相对设置的顶板,所述气体分配板222的第一表面223,为顶板面向衬底支撑座23的第一表面,所述气体分配板222的第一表面223温度将影响所述反应区的反应气流分布以及所述衬底支撑面231的温度分布。
为检测所述第一表面的温度,所述化学气相沉积设备2还包括一个或多个探测孔25和与所述一个或多个探测孔25对应的一个或多个温度探测器26;在本实施方式中,所述探测孔25和所述温度探测器26的数量均为一个。所述探测孔25为一盲孔,所述探测孔25从所述腔体21的外表面往腔体21的内部延伸。所述探测孔25一直延伸,依次穿过所述顶壁211、所述气体扩散腔221,并从所述气体分配板222的第二表面224一侧到达所述气体分配板222,优选的,所述探测孔25延伸进入到所述气体分配板222中,但不穿出所述第一表面223。所述温度探测器26通过所述探测孔25探测所述气体分配板222的温度,从而获得所述气体分配板222的所述第一表面223上的温度;其中,所述第一表面223上的温度是所述探测孔25与所述气体分配板222第一表面223对应区域的温度,如所第一表面的温度被认为是均匀时,所述第一表面223上整个第一表面223上的温度。优选的,所述温度探测器26探测所述探测孔25底面的温度值。进一步优选的,所述探测孔25底面到所述第一表面223的距离应该大于或等于1mm;因为,在所述探测孔25处,所述气体分配板222的厚度较小,其吸收的热量较难散失,从而使得所述探测孔25底面的温度升高,所述探测孔25处的所述气体分配板222的厚度越少,所述探测孔25底面的温度升高愈多;因此,使得所述探测孔25底面到所述第一表面223的距离大于或等于1mm,可以减少所述底面温度升高造成温度检测偏差。又优选的,所述探测孔25在所述气体分配板22处的孔径应该小于或等于10mm,进一步优选的,所述探测孔25在所述气体分配板22处的孔径应该小于或等于4mm,最优的为小于或等于2mm,从而使得所述探测孔25具有较少的孔径,如此,可以减少所述探测孔25处,所述气体分配板222上的热量积聚,减少因所述底面温度升高造成温度检测偏差。
所述温度探测器26可以是一热电偶,所述热电偶伸入到所述探测孔25,用于探测所述气体分配板222的温度,其中,所述热电偶一直伸入到所述探测孔25的底面,并与所述探测孔25的底面接触。所述热电偶探测所述探测孔25的底面的温度值。所述温度探测器26还可以是一辐射高温计;所述辐射高温计设置在所述腔体21顶壁211的外侧,对应所述探测孔25处;所述辐射高温计探测所述探测孔25底面辐射,从而获得所述探测孔25的底面的温度值;与使用热电偶作为所述温度探测器26相比较,辐射高温计使用无接触式的温度探测方式,可以避免因热电偶与探测孔25底面接触不良引起的温度检测不准确的问题。所述温度探测器26还可以是包括一辐射发生单元或一辐射接受单元的温度探测器;所述温度探测器26设置在所述腔体21顶壁211的外侧,对应所述探测孔25处;所述辐射发生单元产生一束辐射能量射向所述探测孔25的底面并被所述探测孔25的底面反射所述辐射能量,所述辐射接受单元接收所述被反射的辐照能量从而获得所述探测孔25的底面的温度值;与使用辐射高温计作为所述温度探测器26相比较,所述温度探测器26通过接收自己发出的辐照能量来探测温度,可以减少所述探测孔25孔壁发出的辐射对温度探测的干扰,从而提高温度探测的准确度。
当构成所述气体分配板222的材料是热的良好导体材料时,所述气体分配板222的温度,特别是,所述温度探测器26探测的是所述探测孔25底面的温度时,所述探测到的温度将与所述气体分配板222第一表面223的温度基本相同,因此,所述温度探测器26探测到的温度可以被视作为所述气体分配板222第一表面223的温度;当构成所述气体分配板222的材料是热阻较大的材料时,所述温度探测器26探测到的温度与所述第一表面223的温度存在一定的差值;但发明人发现,所述第一表面223的温度与所述温度探测器26探测到的温度值之间存在相关性,因此可以通过对所述温度探测器26探测到的温度进行校正从而获得所述气体分配板222第一表面223的温度。是否需要通过校正所述温度探测器26探测到的温度来获得所述气体分配板222第一表面223的温度,取决于包括:对所述第一表面223的温度的探测要求达到的精度、构成所述气体分配板222的材料的热阻大小,气体分配板222的厚度以及探测孔25与所述第一表面223之间的距离等因素。
为对所述温度探测器26探测到的温度进行校正从而获得所述气体分配板222第一表面223的温度。本实施方式的化学气相沉积设备2还可以进一步包括一温度校正单元261;所述温度校正单元261从所述温度探测器26获取其探测到的所述气体分配板222的温度,并根据所述温度进行运算,从而对所述温度进行校正,获得所述气体分配板222第一表面223的温度。
上述温度校正单元261对所述温度探测器26探测到的温度进行校正中,所述温度校正单元261的运算过程可以是:使得所述温度探测器探26测到的温度值加上一温度差而获得一校正温度值,所述温度校正单元261输出所述校正温度值作为所述顶板222第一表面223的温度;上述温度校正单元261的运算过程优选的适合于所述顶板222第一表面223的温度变化范围较少的情况,如:所述第一表面223的温度的变化范围在10℃以内,由于所述第一表面223的温度变化范围较少,所述第一表面223的温度与所述温度探测器26探测到的温度之间的差值基本不变化,从而上述温度校正单元261的运算过程可以获得较准确的第一表面223的温度;同时,上述的温度校正单元261的运算过程,使得所述温度校正单元261比较简答,成本较低。优选的,所述校正单元261还可以是包括一查找表(LUT),在所述查找表中,所述温度探测器26探测到的温度被分为多个温度区间,每个温度区间对应一温度差值,所述温度校正单元261确定所述温度探测器探测到的温度值所在的温度区域,并根据所述查找表获得对应的温度差值,所述温度校正单元使得所述温度探测器探测到的温度值加上所述温度差值而得到所述顶板第一表面的温度。其中所述每个温度区域的温度范围应该较小,如每个温度区域的温度范围为10℃,或更小;另,所述各温度区域温度范围的大小还可以不相同。通过把所述温度探测器26探测到的温度分为多个温度区域,每个温度区域对应一温度差值,从而可以在第一表面223的温度较大的温度变化范围内,较准确地获得所述第一表面223的温度。可选的,所述校正单元261还可以是包括一查找表(LUT),所述查找表记载了所述温度探测器探26测到的温度值与所述顶板222第一表面223的温度之间的一一对应关系或是对应每一个所述温度探测器探26测到的温度值对应的所述顶板222第一表面223的温度,所述温度校正单元261根据所述温度探测26器探测到的温度值查找所述查找表,从而获得所述顶板222第一表面223的温度;由于所述查找表(LUT),记载了所述温度探测器探26测到的温度值与所述顶板222第一表面223的温度之间的相互对应关系,因此可以精确获得所述第一表面223的温度。
请参阅图3,图3是本实用新型化学气相沉积设备第二实施方式的剖面结构示意图。所述第二实施方式化学气相沉积设备3与所述第一实施方式化学气相沉积设备2基本相同,其区别在于:所述喷淋头结构32进一步包括一冷却腔325;所述冷却腔325设置于气体分配板322背离衬底支撑座33的一侧,即所述冷却腔325设置于临近所述气体分配板322第二表面324的一侧;所述冷却腔325用于冷却所述气体分配板322;所述探测孔35穿过所述冷却腔325而到达所述气体分配板322。其中,所述冷却腔325贴近所述气体分配板322的第二表面324设置。优选的,所述冷却腔325的一侧面为所述气体分配板322的第二表面324,使得所述冷却腔325对所述气体分配板322板的冷却效果最好。
进一步的,在所述第二实施方式的化学气相沉积设备3中,由于所述冷却腔325中通常流通着温度基本固定的冷却液体,如:冷却水;当所述探测孔35的底面与所述第二表面324之间的距离太小时,所述探测孔35的底面温度将主要受到所述冷却腔325中冷却液体的温度影响,从而使的对所述探测孔35的底面的温度探测不能很好反映所述气体分配板322的第一表面323的温度。因此,在本实施方式中,所述探测孔35的底面与所述第二表面324之间的距离应较大,如:所述探测孔35的底面与所述第二表面324之间的距离应大于或等于1mm。
请参阅图4,图4是本实用新型化学气相沉积设备第三实施方式的剖面结构示意图。所述第三实施方式化学气相沉积设备4与所述第一实施方式化学气相沉积设备2基本相同,其区别在于:所述学气相沉积设备4不具有喷淋头结构,如:所述化学气相沉积设备4为行星盘式金属有机化学气相沉积设备;所述学气相沉积设备4具有与衬底支撑座43相对设置的顶板422;所述顶板422与所述衬底支撑基座43之间形成反应区域。在进行化学气相沉积处理过程中,衬底44被设置在所述彻底支撑基座43面向所述顶板422的衬底支撑面431上;在本实施方式中,反应气体以几乎平行所述衬底支撑面431的方式流过所述反应区域。所述顶板422对所述反应区域中反应气流分布以及对所述衬底支撑面431的温度分布的影响效果与所述第一实施方式的化学气相沉积设备2的气体分配板222相同。所述顶板422具有面向所述衬底支撑座43的第一表面423和与背离所述衬底支撑座43的第二表面424,所述第一表面423的温度将影响所述反应区域中反应气体的气流分布以及所述衬底支撑面431的温度分布。探测孔45从所述腔体41的外表面往腔体41的内部延伸,并从所述顶板422的第二表面424一侧到达所述顶板422;所述探测孔45延伸进入到所述顶板422中,但不穿出所述第一表面423。所述温度探测器46通过所述探测孔45探测所述顶板422的温度,从而获得所述顶板422的所述第一表面423上的温度。
优选的,在所述第三实施方式的化学气相沉积设备4,进一步包括一冷却装置47,所述冷却装置47设置在所述顶板422临近所述第二表面424一侧;所述探测孔45穿过所述冷却装置47到达所述顶板422。优选的,所述冷却装置47紧贴所述第二表面424设置。进一步优选的,所述冷却装置47为以所述顶板422与所述腔体41的顶壁411为侧壁的冷却腔。
请参阅图5,图5是本实用新型化学气相沉积设备第四实施方式的剖面结构示意图。所述第四实施方式化学气相沉积设备5与所述第三实施方式化学气相沉积设备4基本相同,其区别在于:所述化学气相沉积设备5以所述腔体51的顶壁511作为与所述衬底支撑座53相对的顶板,所述顶壁511与所述衬底支撑座53相对设置,其两者之间的限定一反应区域。所述温度探测器56探测所述述腔体51的顶壁511的温度,冷却单元57设置在所述顶壁511的外表面。本实施方式中,使用腔体51的顶壁511作为与所述衬底支撑座53相对的顶板,不需要使用专门的顶板,从而可以减少所述化学气相沉积设备5的成本,同时可以减小所述化学气相沉积设备5的体积。
上述各个实施方式的化学气相沉积设备2/3/4/5中,所述温度校正单元进行温度校正运算中,需要一个用于温度校正的所述温度差值或所述查找表;为获得所述温度差值或建立所述查找表,发明人提供了以下获得所述温度差值或建立所述查找表的方法。由于使用各实施方式的化学气相沉积设备2/3/4/5获取所述温度差值或建立所述查找表的方法是基本相同的,因此,以下以使用所述第一实施方式的化学气相沉积设备2为例,说明所述获得所述温度差值或建立所述查找表的方法;所述方法包括:
提供一如上所述第一实施方式的化学气相沉积设备2;
在所述衬底支撑座23或在所述气体分配板(顶板)222第一表面223上安装温度检测器,用于直接检测所述气体分配板(顶板)222第一表面223的温度,其中,在所述衬底支撑座23上安装的温度检测装置可以是辐射高温计,所述辐射高温计被安装在所述衬底支撑座23的衬底支撑面231,所述辐射高温计探测所述气体分配板(顶板)222第一表面223的辐射,从而获得所述气体分配板(顶板)222第一表面223的温度值;在所述衬底支撑座23上安装的温度检测装置还可以是包括一辐射发生单元或一辐射接受单元的温度检测器,所述温度检测装置被安装在所述衬底支撑座23的衬底支撑面231,所述辐射发生单元产生一束辐射能量射向所述气体分配板(顶板)222的第一表面223并被所述气体分配板(顶板)222第一表面223反射所述辐射能量,所述辐射接受单元接收所述被反射的辐照能量从而获得所述气体分配板(顶板)222第一表面223的温度值;在所述气体分配板(顶板)222第一表面223安装的的温度检测装置优选的为热电偶,所述热电偶与所述第一表面直接接触以直接检测所述气体分配板(顶板)222第一表面223的温度;
使得所述化学气相沉积设备2处于工作状态,优选的,所述衬底支撑座上23没有设置衬底,以防止安装在所述衬底支撑座23上的温度检测器被衬底阻挡;优选的,所述衬底支撑座23不旋转。
所述温度探测器26探测所述气体分配板(顶板)222的温度,所述安装在所述衬底支撑座23或所述气体分配板(顶板)222第一表面223上的温度检测器直接检测所述气体分配板(顶板)222第一表面223的温度,从而获取所述温度探测器26和所述温度检测器在所述气体分配板(顶板)222第一表面223不同温度下的温度检测值;根据所述温度检测值的对应关系获得所述温度差值或建立所述查找表。
虽然本实用新型已以较佳实施例披露如上,但本实用新型并非限定于此。任何本领域技术人员,在不脱离本实用新型的精神和范围内,均可作各种更动与修改,因此本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种化学气相沉积设备,其包括腔体、设置在腔体内的顶板和衬底支撑座,所述顶板与所述衬底支撑座相对设置,所述衬底支撑座具有面向所述顶板的衬底支撑面,待处理衬底设置于所述衬底支撑面,所述顶板具有面向所述衬底支撑座的第一表面和背离所述衬底支撑座的第二表面,其特征在于,所述化学气相沉积设备进一步包括至少一探测孔和至少一温度探测器;所述探测孔从所述腔体的外侧向所述腔体内延伸,并从所述顶板第二表面一侧延伸至所述顶板,但不穿透所述顶板;所述温度探测器通过所述探测孔探测所述顶板的温度,以获得所述顶板第一表面的温度。
2.如权利要求1所述的化学气相沉积设备,其特征在于:所述温度探测器探测所述探测孔底面的温度值。
3.如权利要求2所述的化学气相沉积设备,其特征在于:所述探测孔底面到所述第一表面之间的距离大于或等于1mm。
4.如权利要求2所述的化学气相沉积设备,其特征在于:所述化学气相沉积设备进一步包括设置在所述顶板第二表面一侧的冷却装置,所述冷却装置用于冷却所述顶板,所述探测孔底面到所述第二表面之间的距离大于或等于1mm。
5.如权利要求4所述的化学气相沉积设备,其特征在于:所述冷却装置为以所述第二表面为其一侧面的冷却腔。
6.如权利要求1所述的化学气相沉积设备,其特征在于:所述化学气相沉积设备还包括温度校正单元,所述获得所述顶板第一表面的温度是通过所述温度校正单元获取所述温度探测器探测到的温度值并对所述温度值进行校正而获得。
7.如权利要求6所述的化学气相沉积设备,其特征在于:所述温度校正单元包括一个查找表(LUT),所述查找表存储所述温度探测器探测的所述顶板的温度值与所述顶板第一表面的温度值之间的对应关系。
8.如权利要求1所述的化学气相沉积设备,其特征在于:所述探测孔在所述顶板处的直径少于或等于10mm。
9.如权利要求1所述的化学气相沉积设备,其特征在于:所述化学气相沉积设备包括一喷淋头结构,所述顶板为所述喷淋头结构临近所述衬底支撑座一侧的气体分配板。
10.如权利要求1所述的化学气相沉积设备,其特征在于:所述温度探测器为热电偶,辐射高温计,或所述温度探测器通过向所述探测孔的底面发射一簇辐射能量,并接收所述底面反射的辐照能量检测所述探测孔的底面的温度。
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