DE102006017655A1

DE102006017655A1 - Verfahren und Anordnung zur berührungslosen Temperaturmessung

Info

Publication number: DE102006017655A1
Application number: DE200610017655
Authority: DE
Inventors: Robert Michael Hartung; Uwe Keim
Original assignee: Centrotherm Thermal Solutions GmbH and Co KG
Current assignee: Centrotherm Photovoltaics AG
Priority date: 2006-04-12
Filing date: 2006-04-12
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2026-04-13
Also published as: WO2007118730A1; EP2005129A1; DE102006017655B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Temperaturmessung von Substraten in einer mit Strahlung beheizten Prozesskammer, insbesondere von Substraten aus Glas, Silizium oder Graphit in einem Temperaturbereich von 20°C-1300°C, sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur berührungslosen Temperaturmessung von Substraten in mit Strahlung beheizten Öfen zu schaffen, mit dem im Bereich von 20°C-1300°C eine berührungslose durchgängige Temperaturmessung ermöglicht wird, wobei ein Umschalten zwischen unterschiedlichen Sensoren vermieden werden soll. Erreicht wird das dadurch, dass ein Teil der vom Substrat (2) ausgehenden Emission (9) im langwelligen Infrarotbereich im Messbereich (12) außerhalb des Wellenlängenbereiches der von einer Strahlungsquelle emittierten Strahlung durch einen Filter aus der Prozesskammer ausgekoppelt und einem Temperaturmessgerät zugeleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Temperaturmessung von Substraten in einer mit Strahlung beheizten Prozesskammer, insbesondere von Substraten aus Glas, Silizium oder Graphit in einem Temperaturbereich von 20°C–1300°C, sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei RTP – Verfahren (RTP: Rapid Temperature Processing) werden die aus Glas, Silizium, Graphit oder sonstigen Materialien bestehenden Substrate, z. B. Siliziumwafer oder Solarzellen, innerhalb der Prozesskammer gezielt schnellen Temperaturänderungen ausgesetzt. Die Heizung erfolgt dabei durch leistungsfähige Infrarot-Heizstrahler oder Halogenlampen, die entweder in der Prozesskammer, z. B. beidseitig des Substrates, oder außerhalb der Prozesskammer angeordnet sind. In letzterem Fall muss die Wandung der Prozesskammer aus einem Infrarot durchlässigem Material bestehen. Geeignet hierfür ist z. B. Quarz. Dabei ist es erforderlich, die Temperatur des Objektes während des gesamten Prozesses kontinuierlich zu überwachen. Insbesondere bei RTP ist das der Fall, also bei Prozessen mit schnellen Temperaturänderungen. Üblicherweise erfolgt eine solche Temperaturmessung durch Messung der vom Objekt ausgehenden Strahlung im Infrarotbereich. Beispielsweise wird die vom Substrat ausgehende Photonenemission mit einem Infrarotdetektor bestimmt.
Substrate können beispielsweise Siliziumwafer, Solarzellen aus Silizium oder auch andere flächige Substrate aus Graphit oder Glas sein.
Bekannt ist auch eine Temperaturmessung, welche mit Hilfe eines in der Nähe oder am Substrat angeordneten Thermoelementes bis in den Bereich von 400°C erfolgt. Anschließend, also bei höheren Temperaturen, wird die aktuelle Temperatur durch ein Pyrometer gemessen.
Nachteilig hierbei ist, dass sich beim Umschalten der Sensoren in der Aufheiz- und in der Abkühlphase des Substrates ein Temperatursprung ergibt. Dadurch wird der Energieeintrag auf das Substrat verändert, was zu ungewünschten Prozessergebnissen führen kann.
Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich daraus, dass zwischen der Halogenlampenstrahlung und Emissionsstrahlung des Substrates unterschieden werden muss. In Bezug auf die Temperaturmessung muss die Halogen- oder IR-Lampenstrahlung als Störfaktor angesehen werden. Das ist umso schwieriger, wenn sich das Substrat in einem gasdicht abgeschlossenen Quarzreaktor befindet.
Aus der DE 40 12 615 C2 ist eine kombinierte berührungslose Temperaturmessmethode in der Halbleiterprozesstechnik bekannt geworden, mit der eine Unterscheidung zwischen der Halogenlampenstrahlung und der vom Substrat ausgehenden Strahlung getroffen werden kann.
Um das zu erreichen, wird der von Halogenlampen ausgehende schmale Frequenzbereich zwischen 2,7 μm und 2,8 μm Wellenlänge durch Verwendung einer Reaktorkammer aus künstlichem Doppel-OH-Band Quarz von den Reaktorwänden absorbiert. Damit kann die vom Substrat (Halbleiterwafer) ausgehende Strahlung durch eine in die Reaktorkammer eingeschmolzene Linse aus OH-freiem Quarzglas ausgekoppelt werden. Aus der Intensität dieser Strahlung kann dann die Temperatur des Substrates errechnet werden.
Bei diesem verfahren geht unterhalb einer Temperatur von ca. 300°C keine ausreichende Strahlung vom Substrat aus, so dass zwischen einem Thermoelement, das mit dem Substrat verbunden ist und einem Pyrometer für höhere Temperaturen, während der Messung umgeschaltet werden muss. Dies kann bei Heizrampen von 100° Kelvin pro Sekunde einen starken Temperatursprung in der Regelung hervorrufen. Eine Temperaturregelung von RT bis 300°C, wie bei RTP-Verfahren erforderlich ist, ist hier nicht möglich.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur berührungslosen Temperaturmessung von Substraten in mit Strahlung beheizten Öfen zu schaffen, mit dem im Bereich von 20°C–1300°C eine berührungslose durchgängige Temperaturmessung ermöglicht wird, wobei ein Umschalten zwischen unterschiedlichen Sensoren vermieden werden soll.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass ein Teil der vom Substrat ausgehenden Sekundärstrahlung im langwelligen Infrarotbereich durch einen Filter aus der Prozesskammer ausgekoppelt und einem Temperaturmessgerät zugeleitet wird.
Die Messung der vom Substrat ausgesandten Sekundärstrahlung wird in einem Wellenlängenbereich vorgenommen, der außerhalb des Wellenlängenbereiches der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung liegt. Bevorzugt erfolgt die Messung besonders im langwelligen Infrarotbereich zwischen 8–14 μm, vorzugsweise jedoch im Bereich von 8–9,5 μm, wobei die Sekundärstrahlung durch ein Fenster ausgekoppelt wird. Dieses Fenster kann bedarfsweise auch für andere Wellenlängenbereiche optimiert sein.
In Fortführung der Erfindung erfolgt die Messung der Sekundärstrahlung durch ein Fenster aus Calziumfluorid, Bariumfluorid oder auch Germanium.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine kontinuierliche Temperaturmessung im Bereich zwischen 20°C–1300°C, ohne den sonst messtechnisch bedingten Temperatursprung in der Messung aufzuweisen. Dadurch werden das Entwickeln und das Einstellen neuer Prozesse in strahlungsbeheizten Prozesskammern und Öfen ganz wesentlich erleichtert. Außerdem können die Substrate direkt gemessen werden und darüber hinaus ist die Messung im Vakuum und in der Atmosphäre gleichermaßen problemlos möglich. Ebenso entfällt die Stabilisierungszeit nach dem Umschalten der Temperatursensoren, so dass somit die Prozesszeit verkürzt wird.
Durch die Wahl einer geeigneten Wellenlänge können verschiedenste Materialien während RTP gemessen werden. Ein Einfluss der Heizstrahlung auf das Messergebnis kann vernachlässigt werden.
Anordnungsseitig wird die Aufgabe bei einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einer Prozesskammer aus Quarz mit einem in dieser Prozesskammer befindlichen Substrat, Reflektoren jeweils mindestens oberhalb und unterhalb der Prozesskammer und einer der Prozesskammer zugeordneten Strahlungsheizung, dadurch gelöst, dass zur Auskopplung der vom Substrat ausgehenden Sekundärstrahlung an der Prozesskammer ein Quarzrohr derart angeflanscht ist, dass dessen Längsachse senkrecht durch die Wandung der Prozesskammer auf eine Seite des Substrates gerichtet ist und dass am anderen Ende des Quarzrohres eine Strahlungsmesseinrichtung angeordnet ist, wobei unmittelbar vor der Strahlungsmesseinrichtung ein das Quarzrohr unterbrechendes Fenster mit einem Filter angeordnet ist.
Der Filter sollte für langwellige Infrarotstrahlung im Bereich von 8–14 μm, mindestens jedoch von 8–9,5 μm, einen Transmissionsgrad von mindestens 90 % aufweisen und vorzugsweise aus Calziumfluorid, Bariumfluorid oder Germanium bestehen.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungsfiguren zeigen:
1: eine schematische Schnittdarstellung einer Anordnung zur berührungslosen Temperaturmessung von Substraten in einer mit Strahlung beheizten Prozesskammer; und
2: ein Schaubild; welches den Verlauf des Emissionsgrades bei unterschiedlichen Wellenlängen für unterschiedliche Materialien und Materialtemperaturen aufzeigt.
1 zeigt eine Prozesskammer 1, in der sich ein Substrat 2, z. B. ein Siliziumsubstrat, befindet, welches einer Temperaturbehandlung unterzogen werden soll. Die Prozesskammer 1 kann beispielsweise eine Vakuumkammer sein und aus Quarz bestehen, damit Wärmestrahlung von außen in diese eindringen kann. Zu diesem Zweck sind außerhalb der Prozesskammer 1 Lampen 3 angeordnet, wobei wegen der besseren Übersichtlichkeit, stellvertretend für eine Vielzahl von Lampen, nur eine Lampe 3 unterhalb der Prozesskammer 1 dargestellt sind. Es versteht sich, dass weitere Lampen auch oberhalb der Prozesskammer 1 oder auch seitlich angeordnet werden können. Solche Lampen 3 können Infrarotstrahler oder Halogenlampen sein. Weiterhin sind jeweils oberhalb und unterhalb der Prozesskammer Reflektoren 4 angeordnet, die die Prozesskammer 1 alternativ auch vollständig umgeben können. Die Prozesskammer 1 kann dabei einen runden oder auch vieleckigen Querschnitt aufweisen.
Die Prozesskammer 1 ist im Ausführungsbeispiel auf der zeichnungsgemäß rechten Seite mit einem Deckel 5 aus Quarz verschlossen und auf der gegenüber liegenden Seite mit einer Be- und Entladeeinrichtung 6 für Substrate 2 versehen. Der Deckel 5 kann auch aus einem anderen geeigneten Material, wie Edelstahl, bestehen.
In 1 sind weiterhin der schematische Verlauf der von der Lampe 3 ausgehenden Lampenstrahlung 7, die einerseits an der Wandung der Prozesskammer 1, dem Substrat 2 und auch am Reflektor 4 reflektiert wird und andererseits vom Substrat 2 direkt und/oder als reflektierte Strahlung absorbiert wird. Schließlich durchdringt ein Teil der langwelligen Lampenstrahlung 7 das Substrat 2 als Transmission 8 und wird durch den Reflektor 4 zumindest teilweise wieder in die Prozesskammer 1 reflektiert.
Das Substrat 2 wird durch die Lampenstrahlung 7 und die reflektierte Strahlung auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt und erzeugt in der Folge eine eigene Emission 9, die senkrecht aus der jeweiligen Oberfläche des Substrates 2 austritt.
Diese Emission soll nun gemessen werden. Zu diesem Zweck ist an der Wandung der Prozesskammer 1 ein Quarzrohr 10 derart vakuumdicht angeflanscht, dass dessen Längsachse senkrecht durch die Wandung der Prozesskammer 1 auf eine Flachseite des Substrates 2, vorzugsweise auf dessen die Unterseite, gerichtet ist. Das Quarzrohr 10 ist vakuumdicht mit der Wandung der Prozesskammer 1 verschweißt oder anderweitig befestigt.
Am anderen Ende des Quarzrohres 10 befindet sich eine Strahlungsmesseinrichtung 11 (z. B. ein Pyrometer) zur Erfassung der vom Substrat 2 ausgehenden und durch das Quarzrohr 10 geleiteten Emission 9. Erfindungsgemäß soll die Messung der Emission in einem langwelligen Infrarotbereich erfolgen, der nicht bzw. unwesentlich durch die Lampenstrahlung 7 beeinflusst wird. Wie aus 2 ersichtlich ist, erstreckt sich der Messbereich 12 von 8–14 μm, wobei ein Bereich von 8–9,5 μm bevorzugt wird. In diesem Bereich wird von Silizium bzw. dem Substrat in allen Temperaturbereichen eine für eine zuverlässige Temperaturmessung ausreichende Strahlung ausgesendet (Absorption freier Ladungsträger).
Für die Messung der Emission 9 in diesem Infrarotbereich muss die übrige vorhandene Strahlung ausgefiltert werden. Um das zu erreichen, ist unmittelbar vor der Strahlungsmesseinrichtung 11 ein Fenster 13 aus Calziumfluorid (CaF), Bariumfluorid (BaF) oder Germanium (Ge) vakuumdicht in das Quarzrohr 10 eingefügt. Das Fenster 13 aus Calziumfluorid besitzt einen sehr hohen Transmissionsgrad von ca. 90 %–95 % in Bereich der zu messenden Wellenlängen.
Um den unterschiedlichen spektralen Emissionsgrad bei verschiedenen Wellenlängen zu berücksichtigen, wird die Kurve der Strahlung über die Temperatur von Silizium ermittelt (2) und dann als mathematische Funktion im Regler/Messwandler 14 (1) hinterlegt. Das ist auch bei Substraten 2 aus Glas oder Graphit möglich. Der Regler/Messwandler 14 ist schließlich mit einer Temperaturanzeige 15 verbunden. Mit dieser Anordnung ist es ohne Temperatursprung problemlos möglich, Substrate 2 im Temperaturbereich von 20°C–1300°C mit einem Sensor (Strahlungsmesseinrichtung 11) durchgehend zu messen und dass auch bei einer Temperaturregelung von RT bis 300°C, wie dies bei RTP-Verfahren erforderlich ist.

1: Prozesskammer
2: Substrat
3: Lampe
4: Reflektor
5: Deckel
6: Be- und Entladeeinrichtung
7: Lampenstrahlung
8: Transmission
9: Emission
10: Quarzrohr
11: Strahlungsmesseinrichtung
12: Messbereich
13: Fenster
14: Regler/Messwandler
15: Temperaturanzeige

Claims

Verfahren zur berührungslosen Temperaturmessung von Substraten in einer mit Strahlung beheizten Prozesskammern, insbesondere von Substraten aus Glas, Silizium oder Graphit in einem Temperaturbereich von 20°C–1300°C, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der vom Substrat (2) ausgehenden Sekundärstrahlung (Emission 9) im langwelligen Infrarotbereich durch einen Filter aus der Prozesskammer (1) ausgekoppelt und einem Temperaturmessgerät (11) zugeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der vom Substrat (2) ausgehenden Sekundärstrahlung in einem Infrarotbereich erfolgt, der außerhalb des Wellenlängenbereiches der von einer Strahlungsquelle emittierten Strahlung liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der vom Substrat (2) ausgesandten Sekundärstrahlung im langwelligen Infrarotbereich zwischen 8–14 μm, vorzugsweise jedoch im Bereich von 8–9,5 μm, vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärstrahlung durch ein Fenster (13) ausgekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Sekundärstrahlung durch ein Fenster (13) aus Calziumfluorid, Bariumfluorid oder Germanium erfolgt.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, bestehend aus einer Prozesskammer aus Quarz mit einem in dieser Prozesskammer befindlichen Substrat, Reflektoren jeweils mindestens oberhalb und unterhalb der Prozesskammer und einer der Prozesskammer zugeordneten Strahlungsheizung, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auskopplung der vom Substrat (2) ausgehenden Sekundärstrahlung an der Prozesskammer (1) ein Quarzrohr (10) derart angeflanscht ist, dass dessen Längsachse senkrecht durch die Wandung der Prozesskammer (1) auf eine Flachseite des Substrates (2) gerichtet ist und dass am anderen Ende des Quarzrohres (10) eine Strahlungsmesseinrichtung (11) angeordnet ist, wobei unmittelbar vor der Strahlungsmesseinrichtung (11) ein das Quarzrohr (10) unterbrechendes Fenster (13) mit einem Filter angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter für langwellige Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich von 8–14 μm, vorzugsweise jedoch im Wellenlängenbereich von 8–9,5 μm, einen Transmissionsgrad von ca. 90 %–95 % aufweist.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter aus Calziumfluorid, Bariumfluorid oder Germanium besteht.