CN204944680U - 一种应用于mocvd反应室的三波长免修正在线红外监测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于MOCVD反应室的三波长免修正在线红外监测仪，包括监测仪探头盒体，在监测仪探头盒体中设有圆柱状的分光片腔，在分光片腔上方设有上光感探测器，在分光片腔两侧分别上下交错设有左光感探测器和右光感探测器，各光感探测器与监测仪探头盒体分光片腔之间均设有进出光孔，对应左光感探测器和右光感探测器的进出光孔的监测仪探头盒体分光片腔中分别设有135°二向色滤光片和45°二向色滤光片。通过该装置能够同时探测三个波长的红外辐射，结合薄膜干涉模型，建立三个方程。联立三个方程，通过比值法消掉受反应物沉积影响而变化的系数，实现外延片表面温度与外延层厚度的同时在线监测，且不需要对有效探测孔径进行修正。

Description

一种应用于MOCVD反应室的三波长免修正在线红外监测仪

技术领域

本实用新型涉及MOCVD(金属有机化合物化学气相沉积)免修正在线红外监测设备，尤其涉及一种应用于MOCVD反应室，利用三波长法在线测量反应室内外延片表面温度以及外延层厚度的红外监测仪。

背景技术

在利用MOCVD(金属有机物化学气相沉积)系统进行高质量半导体薄膜的外延生长过程中，反应室内的温度及均匀性、外延层的生长速率、衬底表面温度、各层薄膜厚度等参数都会影响生长材料的质量，以及最终器件的性能。在线监测技术可以在整个外延生长过程中，对外延片的一些性能参数进行实时的、全过程监测，可以及时了解各监测参数的变化，研究各参数对外延层生长的影响，优化工艺、避免出现废品、提高产品良率。

目前应用于MOCVD的在线红外监测市场多被国外公司占领，且价格昂贵(如：德国AIXTRON公司的EpiTT和其配套的真实温度校准修正设备，国内售价为85万左右)，修正校准复杂。从目前掌握的信息知：AIXTRON公司的Argus没有反射率校准，且探测窗口校准过程麻烦；LeyTec的红外测温仪均为单波长辐射测温，无法避免探测窗口污染对测温的影响；M680仅能用于测量石墨盘温度，不能准确测量外延片表面温度。因此，研制应用于MOCVD的、更为先进的多功能红外监测仪成为目前本领域亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种应用于MOCVD反应室的、可同时在线监测外延片表面温度与外延层厚度的三波长免修正在线红外监测仪。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种应用于MOCVD反应室的三波长免修正在线红外监测仪，包括监测仪探头盒体，在监测仪探头盒体中设有圆柱状的分光片腔，在分光片腔上方设有上光感探测器，在分光片腔两侧分别上下交错设有左光感探测器和右光感探测器，各光感探测器与监测仪探头盒体分光片腔之间均设有进出光孔，对应左光感探测器和右光感探测器的进出光孔的监测仪探头盒体分光片腔中分别设有135°二向色滤光片和45°二向色滤光片。

进一步地，所述进出光孔11为在监测仪探头盒体分光片腔上、下、左、右分别设有与二向色滤光片相通的上出光孔、下进光孔、左出光孔以及右出光孔，上出光孔和下进光孔在同一直线上，左出光孔与右出光孔相互平行，且均垂直于监测仪探头盒体。

进一步地，在各光感探测器的进出光孔处分别设有窄带滤光片。

进一步地，所述右光感探测器是中心波长为1300nm，半峰宽为10nm的光感探测器。

进一步地，所述左光感探测器是中心波长为1150nm，半峰宽为10nm的光感探测器。

进一步地，所述上光感探测器是中心波长为940nm，半峰宽为10nm的光感探测器。

本装置利用MOCVD外延生长的都是高质量晶体薄膜，有稳定的光学性质、成熟的光学模型理论以及大量可靠的光学参数。随着窄带滤光片、二向分光片、光电探测器、运算放大器、AD采集卡等原件性能的提高。在此基础上，通过同时探测MOCVD反应室内三个波长的红外辐射来监测外延片的表面温度与外延层的厚度。可有效的将红外辐射测温仪与膜厚监测仪的功能集成在一起。能够解决现有红外辐射测温仪需要复杂修正与校正的不足，而且极大地缩小了在线测量系统的体积。

本装置安装在MOCVD反应室的石英光学窗口的正上方，使得监测仪探头盒体的下进光孔对准MOCVD反应室的顶板上的石英光学窗口下的喷淋孔。通过同时探测三个波长的红外辐射，结合薄膜干涉模型，建立三个方程。联立三个方程即可得到此时外延片的表面温度与外延层的厚度，因受反应物沉积影响而变化的系数可以通过比值法消掉，因此，三波长法可实现MOCVD反应室内外延片温度及外延层的厚度的在线监测，不需要对有效探测孔径进行修正。

附图说明

图1为本监测仪安装于MOCVD反应室示意图；

图2为本监测仪探头结构图；

图3为三波长监测仪光路图；

图中：1、监测仪；2、光学窗口；3、电炉丝；4、石墨盘；5、外延片；6、喷淋板；7、喷淋孔；8、混气室；9、接头；10、监测仪探头盒体；11、进出光孔；12、45°二向色滤光片；13、右滤光片；14、右光感探测器；15、135°二向色滤光片；16、左滤光片；17、左光感探测器；18、上滤光片；19、上光感探测器。

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本实用新型进行进一步的说明。

如图1所示，三波长免修正在线红外监测仪应用于MOCVD反应室，反应室包括混气室8，及置于MOCVD混气室8下方的喷淋板6和石墨盘4，石墨盘4上表面凹坑里放置有外延片5，石墨盘4下方设有电炉丝3；MOCVD喷淋板6开设有若干个喷淋孔7；在MOCVD反应室顶板设有一光学窗口2，光学窗口2与喷淋板6开设的喷淋孔7以及其下方的外延片5垂直对应，其中，光学窗口2处设有一装有三个光感探测器的监测仪1，监测仪1通过接头9与光学窗口2相对接。

如图2所示，本实用新型监测仪1为十字形的监测仪探头盒体，设有圆柱状的分光片腔，监测仪探头盒体10分光片腔上方设上光感探测器19，监测仪探头盒体10分光片腔左侧设左光感探测器17，监测仪探头盒体10分光片腔右侧设右光感探测器14，左光感探测器17和右光感探测器14分别上下交错设在分光片腔两侧，各光感探测器与监测仪探头盒体10分光片腔体之间均设有进出光孔11，对应左光感探测器17和右光感探测器14的进出光孔11的监测仪探头盒体10分光片腔体中分别设有135°二向色滤光片15(截止波长为1000nm，反射波段为1050-1300nm，透射波段为520-960nm，反射率>95％，透射率>80％)和45°二向色滤光片12(截止波长为1200nm，反射波段为1260-1560nm，透射波段为624-1152nm，反射率>95％，透射率>80％)，在上出光孔的上方设有上滤光片18(中心波长为940nm，半峰宽为10nm)和上光感探测器19，在左出光孔的左边设有左滤光片16(中心波长为1150nm，半峰宽为10nm)和左光感探测器17，在右出光孔的右边设有右滤光片13(中心波长为1300nm，半峰宽为10nm)和右光感探测器14；三个光感探测器将所测信号由放大电路放大后转至上位机，由上位机进行采样、AD转化、数据处理，同时在线显示外延片的表面温度与外延层的厚度。

在监测仪探头盒体10内的分光片腔上、下、左、右分别设有与二向色滤光片相通的上出光孔、下进光孔、左出光孔以及右出光孔，上出光孔和下进光孔在同一直线上，左出光孔与右出光孔相互平行，且均垂直于监测仪探头盒体。监测仪探头盒体10安装在MOCVD反应室顶板石英光学窗口2的正上方，监测仪探头盒体10的下进光孔对准MOCVD反应室顶板上的石英光学窗口2下的喷淋孔7。

将监测仪1安装于MOCVD反应室上方的光学窗口2上，当MOCVD的电炉丝3通电时，热量辐射至石墨盘4，高温的石墨盘4把热量传给外延片5。此时高温的外延片5和石墨盘4(一般在700至1200℃)向外辐射能量。红外辐射穿过喷淋板6上的喷淋孔7，经过混气室8，穿过反应室顶板上面光学窗口2，进入监测仪1。

如图3所示，监测仪1安装于光学窗口2上面的接头9上。红外辐射经过光学窗口2进入监测仪探头盒体10的下进出光孔11，由45°二向色滤光片12将波长范围为1260-1560nm的红外线反射至右滤光片13，波长范围为624-1152nm的红外线透过45°二向色滤光片12至135°二向色滤光片15。反射至右滤光片13波段中的1300nm红外信号透过右滤光片13射至右光感探测器14，由右光感探测器14测得此温度下1300nm红外辐射对应的电压值。624-1152nm波段中的1050-1152nm部分被135°二向色滤光片15反射至左滤光片16，624-960nm部分透过135°二向色滤光片15至上滤光片18。反射至左滤光片16波段中的1150nm红外信号透过左滤光片16射至左光感探测器17，由左光感探测器17测得此温度下1150nm红外辐射对应的电压值。透过135°二向色滤光片15至上滤光片18波段中的940nm红外信号透过上滤光片18至上光感探测器19，由上光感探测器19测得此温度下940nm红外辐射对应的电压值。联立三个方程即可得到此时外延片的表面温度T与外延层的厚度h，C值可通过比值法消去，不需要对有效光学探测面积的修正即可实时在线监测。

工作原理：

应用于MOCVD反应室的在线红外监测仪是通过探测高温下反应室红外辐射的单色辐出度来测温的，光感探测器直接测量的结果为电压值。电压V、反射率R、单色辐出度M₀之间关系为：

V(λ,T)＝[1-R(λ)]M₀(λ,T)KC

K值与光学器件透射率、分光比、吸收系数、探测器的量子效率及运算放大器所用的反馈电阻有关。K值可以利用黑体炉校正来测量。式中C是在测温仪安装到MOCVD反应室上后，有效光学探测面积引入的参数。C值会随光学探测窗口上反应物沉积、探测孔的高温形变以及装配等而变化。单色辐出度M₀可由普朗克黑体辐射公式计算。R可由等厚薄膜干涉模型计算，结果见下式：

$R\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{n_f^2{(1-n_s)}^2{\cos }^2(2{\mathrm{\πn}}_{f}h/\mathrm{\λ})+{(n_f^2-n_s)}^2{\sin }^2(2{\mathrm{\πn}}_{f}h/\mathrm{\λ})}{n_f^2{(1+n_s)}^2{\cos }^2(2{\mathrm{\πn}}_{f}h/\mathrm{\λ})+{(n_f^2+n_s)}^2{\sin }^2(2{\mathrm{\πn}}_{f}h/\mathrm{\λ})}$

式中n_f、n_s分别为外延层及衬底折射率，在具体外延生长过程中已知。h为外延层厚度，随外延生长变化。本实用新型同时探测940nm、1150nm以及1300nm红外辐射。可得三个方程，方程组有三个未知数：外延片表面温度T、外延层厚度h、受反应物沉积影响而变化的C。联立可得外延片的表面温度与外延层的厚度。因受反应物沉积影响而变化的C值可通过比值法消去，故该监测仪可免去对有效光学探测面积的修正。

以上内容仅为本实用新型优选的具体实施方式，不能认定本实用新型的具体实施方式仅限于此，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员在本实用新型构思的技术范围内，可以做出一些简单的推演或者替换，都应当视为涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种应用于MOCVD反应室的三波长免修正在线红外监测仪，其特征在于：包括安装在MOCVD反应室上方的监测仪探头盒体，在监测仪探头盒体中设有圆柱状的分光片腔，在分光片腔上方设有上光感探测器，在分光片腔两侧分别上下交错设有左光感探测器和右光感探测器，各光感探测器与监测仪探头盒体分光片腔之间均设有进出光孔，对应左光感探测器和右光感探测器的进出光孔的监测仪探头盒体分光片腔中分别设有135°二向色滤光片和45°二向色滤光片。

2.根据权利要求1所述的应用于MOCVD反应室的三波长免修正在线红外监测仪，其特征在于：所述进出光孔为在监测仪探头盒体分光片腔上、下、左、右分别设有与二向色滤光片相通的上出光孔、下进光孔、左出光孔以及右出光孔，上出光孔和下进光孔在同一直线上，左出光孔与右出光孔相互平行，且均垂直于监测仪探头盒体。

3.根据权利要求1所述的应用于MOCVD反应室的三波长免修正在线红外监测仪，其特征在于：在各光感探测器的进出光孔处分别设有窄带滤光片。

4.根据权利要求1所述的应用于MOCVD反应室的三波长免修正在线红外监测仪，其特征在于：所述右光感探测器是中心波长为1300nm，半峰宽为10nm的光感探测器。

5.根据权利要求1所述的应用于MOCVD反应室的三波长免修正在线红外监测仪，其特征在于：所述左光感探测器是中心波长为1150nm，半峰宽为10nm的光感探测器。

6.根据权利要求1所述的应用于MOCVD反应室的三波长免修正在线红外监测仪，其特征在于：所述上光感探测器是中心波长为940nm，半峰宽为10nm的光感探测器。

7.根据权利要求2所述的应用于MOCVD反应室的三波长免修正在线红外监测仪，其特征在于：所述监测仪探头盒体安装在MOCVD反应室的石英光学窗口的正上方，监测仪探头盒体的下进光孔对准MOCVD反应室的顶板上的石英光学窗口下的喷淋孔。