DE102011053498A1

DE102011053498A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Verformung eines Substrates

Info

Publication number: DE102011053498A1
Application number: DE201110053498
Authority: DE
Inventors: Bernhard Zintzen; Daniel Brien
Original assignee: Aixtron SE
Current assignee: Aixtron SE
Priority date: 2011-09-12
Filing date: 2011-09-12
Publication date: 2013-03-14
Also published as: WO2013037780A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Verformung eines auf einer beheizten Oberfläche (4') eines Substratträgers (4) aufliegenden, die Form einer flachen Scheibe aufweisenden Substrats (5), insbesondere Halbleiterwafer, mittels eines Temperatursensors (8), wobei mit dem Temperatursensor (8) an voneinander verschiedenen Stellen (20) die Oberflächentemperatur des Substrates (5) gemessen wird. Um während des Schichtwachstums mit einfachen Mitteln die Verformung des Substrates zu ermitteln wird vorgeschlagen, dass mittels eines Wärmetransportmodells, welches zumindest den Wärmetransport von der Oberfläche (4) des Substratträgers (4) durch einen Spalt (16) zwischen Substratträgeroberfläche (4') zum Substrat (5) und durch das Substrat (5) berücksichtigt, die zur gemessenen Oberflächentemperatur (T) korrespondierende Spalthöhe berechnet wird. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer in einem Gehäuse angeordneten Prozesskammer (3), deren Boden ein Substratträger (4) zugeordnet ist, auf dessen zur Prozesskammer (3) weisenden beheizten Oberfläche (4') ein Substrat (5) auflegbar ist, und mit einem Temperatursensor (8) zur Messung der Oberflächentemperatur (T) des Substrates (5).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Verformung eines auf einer beheizten Oberfläche eines Substratträgers aufliegenden, die Form einer flachen Scheibe aufweisenden Substrats, insbesondere Halbleiterwafer, mittels eines Temperatursensors, wobei mit dem Temperatursensor an voneinander verschiedenen Stellen die Oberflächentemperatur des Substrates gemessen wird.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer in einem Gehäuse angeordneten Prozesskammer, deren Boden ein Substratträger zugeordnet ist, auf dessen zur Prozesskammer weisenden beheizbaren Oberfläche ein Substrat auflegbar ist, und mit einem Temperatursensor zur Messung der Oberflächentemperatur des Substrates.
Eine in der DE 10 2006 018 514 A1 beschriebene Vorrichtung besitzt ein Gehäuse, welches eine Prozesskammer nach außen hin gasdicht umschließt. Innerhalb des Gehäuses befindet sich ein Gaseinlassorgan, mit dem Prozessgase in die Prozesskammer eingeleitet werden. Der Boden der Prozesskammer wird von einem Suszeptor ausgebildet, auf dem mehrere Substratträger angeordnet sind. Der Suszeptor besitzt eine Kreisscheibenform und ist um seine Konturachse drehangetrieben. Auf einer die Drehachse umgebenden Kreisringfläche sind eine Vielzahl von Taschen angeordnet, in denen jeweils ein Substratträger einliegt. Mit Hilfe von in die Taschen einströmendem Gas werden die Substratträger in eine Drehung versetzt. Auf der Oberfläche des Substratträgers liegt ein Substrat auf, welches in einem Beschichtungsprozess innerhalb der Prozesskammer beschichtet wird. Hierzu werden die Substrate mittels einer unterhalb des Suszeptors angeordneten Heizeinrichtung beheizt. Bei einer entsprechenden Oberflächentemperatur reagieren die Prozessgase pyrolytisch an der Oberfläche der Substrate, so dass sich dort eine Halbleiterschicht abscheidet. Insbesondere werden mit einer derartigen Vorrichtung GaN, AlGaN, InGaN-Schichten abgeschieden. Als Substratmaterial kommt im Wesentlichen Saphir oder aber auch Silizium in Betracht. Als Folge eines vertikalen Temperaturgradienten innerhalb des Substrates oder verspannter, auf der Oberfläche des Substrates abgeschiedenen Schichten kommt es zu Verformungen des Substrates. Insbesondere heben sich die Ränder des Substrates von der Oberfläche des Substratträgers ab. Als Folge dessen entsteht zwischen Unterseite des Substrates und Oberseite des Substratträgers ein Spalt mit lokal unterschiedlicher Spalthöhe. Die Oberflächentemperatur des Substrates hängt vom Wärmetransport durch den Spalt ab. Sie wird mit einem Pyrometer gemessen, welches der Decke der Prozesskammer zugeordnet ist. Die DE 10 2006 018 514 A1 beschreibt darüber hinaus Mittel, mit denen der Wärmefluss vom Substratträger zum Substrat örtlich beeinflussbar ist. Eine derartige Beeinflussung des Wärmetransportes dient dazu, beim Wachstumsprozess die Oberflächentemperatur des Substrates möglichst konstant zu halten, da der Einbau von Dotierstoff bzw. das III-III Verhältnis oder V-V Verhältnis bei ternären oder quaternären Schichten von der Wachstumstemperatur abhängt.
Im Stand der Technik gibt es darüber hinaus eine Vorrichtung zur Messung der Krümmung eines auf einem Substratträger aufliegenden Substrates. Eine derartige Vorrichtung beschreibt die DE 10 2005 023 302 B2 .
Aus der DE 100 61 168 C2 ist ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung bekannt, während des Schichtwachstums die Temperatur zu messen.
Die DE 102 58 713 B4 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung charakteristischer Schichtparameter bei hohen Temperaturen in einer Prozesskammer durch Einstrahlung von Licht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln während des Schichtwachstums die Verformung des Substrates zu ermitteln.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Spalthöhe zwischen Unterseite des Substrates und beheizter Oberseite des Substratträgers einen berechenbaren Einfluss auf die Oberflächentemperatur des Substrates hat. Im Kontaktpunkt des Substrates mit der beheizten Oberfläche des Substratträgers hat die Substratoberfläche die höchste Temperatur, da an diesem Ort der Wärmetransportwiderstand durch den Spalt praktisch verschwindet und der Wärmetransport von der beheizten Oberfläche des Substratträgers zum Substrat durch körperlichen Kontakt zwischen Substrat und Substratträger erfolgt. Da die Deckentemperatur der Prozesskammer niedriger ist, als die Bodentemperatur der Prozesskammer, bildet sich innerhalb der Prozesskammer ein Temperaturgradient aus, der zu einem stationären Wärmefluss vom Substratträger zur Prozesskammerdecke bzw. in das die Prozesskammer durchströmende Gas führt. In der Prozesskammerdecke wird der Wärmefluss bspw. durch eine aktive Kühlung der Prozesskammerdecke abgeführt. Mit einem Wärmetransportmodell, welches die Wärmeleiteigenschaften des in der Prozesskammer verwendeten Prozessgases, welches im Wesentlichen von einem Trägergas gebildet ist, des Substrates und ggf. auch des Substratträgers berücksichtigt, lässt sich der Wärmeleitprozess innerhalb der Prozesskammer berechnen. Eine Verfeinerung des Wärmetransportmodells verwendet zusätzlich den Wärmetransport über Strahlung, bspw. von der Substratträgeroberfläche zum Substrat bzw. von der Substratoberfläche zur Prozesskammerdecke. Ferner kann der konvektionelle Wärmetransport innerhalb der Gasphase berücksichtigt werden. Als Randbedingung fließen in das Wärmetransportmodell u. a. die Oberflächentemperatur des Substratträgers und die Oberflächentemperatur der Prozesskammerdecke ein. Mit einem derartigen Wärmetransportmodell lässt sich eine Beziehung zwischen lokaler Oberflächentemperatur des Substrates und die diesem Ort zugeordnete Spalthöhe ermitteln. Mit einem derart einfachen Modell oder mit einem weiter verfeinerten Modell, welches auch den horizontalen Wärmetransport innerhalb des Substrates in Richtung der Substraterstreckungsebene berücksichtigt, lässt sich ein funktioneller bzw. tabellarischer Zusammenhang zwischen Spalthöhe und Oberflächentemperatur ermitteln. Erfindungsgemäß wird dieser Zusammenhang benutzt, um aus der lokal gemessenen Oberflächentemperatur des Substrates die korrespondierende Spalthöhe zu berechnen. Aus einer Vielzahl von Messwerten an unterschiedlichen Orten können Rückschlüsse über die Geometrie des Substrates, also über dessen Verformung gezogen werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Suszeptor um eine Drehachse angetrieben. Der Suszeptor bildet den Boden der Prozesskammer. Auf einer sich um die Drehachse erstreckenden gedachten Kreisringfläche sind eine Vielzahl, bspw. fünf oder sechs oder mehr Substratträger angeordnet. Jeder Substratträger wird um eine Drehachse drehangetrieben. Dies kann dadurch erfolgen, dass der Substratträger auf einem Gaspolster aufliegt, welches von aus gerichteten Gasaustrittsdüsen ausströmendem Trägergas gebildet wird. Zufolge der gerichteten Gasströmungen wird der Substratträger drehangetrieben und dreht sich um seine Drehachse. Die Drehgeschwindigkeiten der einzelnen Substratträger können verschieden sein. Die Drehzahlen der Substratträger sind im Allgemeinen anders, bevorzugt größer als die Drehzahl des Suszeptors. Ein optischer Temperatursensor ist ortsfest dem Gehäuse und insbesondere ortsfest der Prozesskammerdecke, die von einem Gaseinlassorgan gebildet sein kann, zugeordnet. Der optische Temperatursensor ist so angeordnet, dass sein Messort in der Kreisringfläche liegt. Bevorzugt liegt der Messort im gleichen Radialabstand zur Drehachse des Suszeptors, wie die Drehachsen der Substratträger. Da sich Substratträger und Suszeptor jeweils um ihre Drehachsen drehen, wandert der Messort auf einer zykloidartigen Bahn über die Oberfläche des auf dem Substratträger aufliegenden im Wesentlichen kreisrunden Substrats. Er wandert dabei auf einer gebogenen Kurve vom Rand durch das Zentrum wieder zum Rand. Die Drehzahlen von Suszeptor und Substratträger sind derart voneinander verschieden, dass in einer Vielzahl aufeinanderfolgenden Suszeptor-Umläufen nahezu jeder Randpunkt des Substrates durch den Messort läuft. Es wird somit die gesamte Substratoberfläche vom Temperatursensor abgetastet. Die Oberflächentemperatur des Substrates ist zufolge des sich ausbildenden Spaltes nicht nur in Radialrichtung örtlich verschieden. Es gibt auch azimuthale Abweichungen. Derartige azimuthale Temperaturgradienten deuten auf eine nicht rotationssymmetrische Verformung des Substrates hin. Die vom Temperatursensor quasi kontinuierlich aufgenommenen Temperaturmesswerte werden in einem Speicher einer Recheneinrichtung abgespeichert. Die Recheneinrichtung zerteilt diese Messwerte in Messwertkurven, wobei jede Messwertkurve einer Suszeptordrehung zugeordnet ist. Diese Messwertkurven können hinsichtlich periodischer, insbesondere phasenverschobener Strukturen analysiert werden. Die Periode der Strukturen erlaubt Rückschlüsse auf die Drehzahl der einzelnen Substratträger. Eine qualitative Auswertung der gemessenen Oberflächentemperaturen unter Verwendung des Wärmetransportmodells erlaubt die Bestimmung örtlicher Spalthöhen über die gesamte Auflagefläche des Substrates und damit die Gewinnung eines räumlichen Verformungsbildes des Substrates.
Bei einer einfachen Variante des Wärmetransportmodells wird die Temperaturverteilung der Oberfläche des Substratträgers in Vorversuchen bei nicht mit Substraten beladenen Substratträgern gemessen. Diese Messwerte werden dem Wärmetransportmodell zugrundegelegt. In einer Variante dazu kann aber auch die Temperatur des Suszeptors unterhalb der Substratträger gemessen werden und der Wärmetransport vom Suszeptor durch das Gaspolster und durch den Substratträger berechnet werden. Alternativ dazu kann mit einem Pyrometer, mit einer Wellenlänge, für die das Substrat transparent ist, bspw. mit einer Wellenlänge > 450 nm die Oberflächentemperatur des Substratträgers während des Beschichtungsprozesses gemessen werden. Mit einer anderen Wellenlänge, bspw. 400 nm, kann die Oberflächentemperatur des Substrates bzw. der darauf abgeschiedenen Schicht gemessen werden. Dies erfolgt bevorzugt gleichzeitig. Da bei einer geeigneten Anordnung des Temperatursensors über mehrere Umdrehungen des Suszeptors die Temperaturverteilung auf der gesamten Substratoberfläche gemessen wird, kann auch der dabei gemessene Maximalwert der Temperatur, der dem Kontaktpunkt des Substrates mit dem Substratträger zugeordnet ist, in das Wärmetransportmodell einbezogen werden. Insbesondere wird dann auch der horizontale Wärmefluss zufolge des lateralen Temperaturgradienten durch das Substrat mit berücksichtigt. Dies erfolgt bevorzugt durch eine dreidimensionale FEM-Berechnung. In einem ersten Schritt der Berechnung liefert das Verfahren ein Abstand-Höhenprofil und daraus einen Krümmungskennwert. Eine zusätzliche Möglichkeit besteht darin, die Oberflächentemperaturmessung mit einer Messung der Rotation der Substratträger zu verbinden. Dadurch wird eine Zuordnung der Temperaturdaten zur relativen Messposition auf dem Wafer möglich. Mit dieser Information lässt sich die räumliche Verformung des Wafers beschreiben. Bei der Rotationsmessung können insbesondere die oben erwähnten periodischen Strukturen in den Temperaturmesskurven verwendet werden. Das Verfahren lässt sich darüber hinaus auch mit einer konventionellen Krümmungsmessung kombinieren, bspw. indem am Prozessende mit einer Vorrichtung gemäß DE 10 2005 023 302 B4 die Krümmung des Substrates vermessen wird.
Es wird als vorteilhaft angesehen, dass mit Mitteln des Standes der Technik, nämlich mittels eines Temperaturmesssensors und Kenntnisse über den Wärmetransport innerhalb einer Prozesskammer eine separate Krümmungsmessung des Wafers möglich ist. Es ist ferner von Vorteil, dass die Erfassung der Krümmung während des laufenden Wachstumsprozesses erfolgen kann. Die DE 10 2006 018 514 A1 beschreibt Mittel, mit denen während des Prozesses die Oberflächentemperatur des Substratträgers lokal beeinflusst werden kann. Als Folge dessen wird auch die Oberflächentemperatur des Substrates beeinflusst. Letztere beeinflusst die Schichteigenschaften, bspw. die Dotierung oder das III-III bzw. V-V Verhältnis. Temperaturinhomogenitäten an der Oberfläche können somit ausgeglichen werden. Die dabei sich lokal ändernden Substratträgeroberflächentemperaturen werden im Wärmetransportmodell berücksichtigt. Bevorzugt werden die lokalen Oberflächentemperaturen der Substratträger aber mittels eines zweiten Temperatursensors gleichzeitig mit den Oberflächentemperaturen des Substrates erfasst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine auf das Wesentliche beschränkte Schnittdarstellung durch einen Epitaxy-Reaktor durch das Zentrum einer Prozesskammer;
2 schematisch den Schnitt gemäß der Linie II-II, also den Blick auf den Suszeptor;
3 den vergrößerten Ausschnitt III in 1;
4 eine schematische Draufsicht auf ein Substrat 5; mit der Bezugsziffer 20 sind Isothermenlinien auf der Substratoberfläche bezeichnet;
5 eine graphische Darstellung von insgesamt fünf Temperaturmesskurven, die jeweils einer Suszeptordrehung entsprechen;
6 eine kompakte Darstellung einer Vielzahl von Temperaturmesskurven, wobei von unten nach oben der Drehwinkel des Suszeptors und von links nach rechts einzelne aufeinanderfolgende Drehungen dargestellt sind und die Temperaturen durch unterschiedliche Grautöne visualisiert sind;
7 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Wärmetransportmodells.
Eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Abscheiden von III–V Schichten und insbesondere von GaN bzw. AlGaN-Schichten auf Substraten, bspw. Silizium- oder Saphirsubstraten beschreibt die DE 100 56 029 A1 bzw. die DE 10 2006 018 514 A1 . Die Substrate liegen auf Substratträgern, welche die Form von Kreiszylinderscheiben haben. Diese Substratträger 4 liegen in satellitenartiger Anordnung auf dem Suszeptor 2. Der Suszeptor 2 besitzt Taschen 13, die die Substratträger 4 aufnehmen. Aus dem Boden einer als Lagerausnehmung ausgebildeten Tasche 13 tritt ein Gasstrom aus. Hierzu ist ein Gaskanal 14 vorgesehen. Mit diesem Gasstrom wird ein Gaspolster erzeugt, welches den Substratträger 4 nicht nur trägt, sondern auch in Richtung des in der 2 dargestellten Pfeiles drehantreibt. Der Suszeptor 2 besitzt im Ausführungsbeispiel insgesamt fünf Taschen 13. In jeder der Taschen 13 befindet sich ein Substratträger 4, der auf seiner nach oben weisenden Oberfläche 4' jeweils ein Substrat 5 trägt. Die Drehachsen 18 der Substratträger 4 liegen auf einer Kreisbogenlinie. Das Zentrum der Kreisbogenlinie bildet die Drehachse 6 des Suszeptors 2, um die der Suszeptor 2 während des Beschichtungsprozesses in Richtung des in 2 dargestellten Pfeiles drehangetrieben wird. Die Substrate 5 bzw. die Substratträger 4 liegen somit in einer Kreisringfläche um die Drehachse 6.
Ein nicht dargestelltes Reaktorgehäuse, welches nach außen gasdicht abgeschlossen ist, trägt nicht nur den Suszeptor 2, sondern auch eine unterhalb des Suszeptors 2 angeordnete Heizung 7. Es kann sich dabei um eine Infrarotheizung oder um eine RF-Heizung handeln. Letztere kann ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugen, welches im elektrisch leitenden Suszeptor 2 Wirbelströme induziert, die zu einem Aufheizen des Suszeptors 2 führen.
Oberhalb des Suszeptors 2 befindet sich die Prozesskammer 3, in die ein Prozessgas eingespeist wird, welches aus einer metallorganischen III-Komponente und aus einem V-Hydrid besteht. Die Decke der Prozesskammer 3 wird von einem Gaseinlassorgan 1 ausgebildet, welches im Ausführungsbeispiel als Showerhead ausgebildet ist. Die Unterseite des Gaseinlassorganes 1 bildet eine gekühlte Platte 12, die eine Vielzahl von siebartig angeordneten Gasaustrittsöffnungen 11 aufweist, durch die das Prozessgas in die Prozesskammer 3 einströmt. Oberhalb der Gasaustrittsöffnungen 11 befindet sich ein Hohlraum 10, der durch eine Gaseintrittsöffnung 19 mit dem Prozessgas gespeist wird. Das Gaseinlassorgan 1 kann auch mehrere Kammern aufweisen, wobei durch die voneinander verschiedenen Kammern unterschiedliche Prozessgase strömen.
Das ortsfest dem nicht dargestellten Gehäuse zugeordnete Gaseinlassorgan 1 trägt einen optischen Temperatursensor 8, dessen optischer Weg 9 durch eine Gasaustrittsöffnung 11 hindurchgeht. Bei einem anders gestalteten Gaseinlassorgan, wie es bspw. die DE 10 2005 056 320 A1 beschreibt, kann der optische Weg 9 aber auch lediglich durch eine Öffnung der Prozesskammerdecke hindurchgehen.
Der optische Temperatursensor 8 ist derart angeordnet, dass der optische Weg 9 mit einem Messort korrespondiert, der auf der Kreisbogenlinie liegt, auf der auch die Drehachsen 18 liegen. Der optische Sensor 8 kann mit verschiedenen Wellenlängen arbeiten. Bspw. kann der optische Sensor 8 mit einer ersten Wellenlänge arbeiten, mit der die Oberflächentemperatur des Substrates 5 gemessen werden kann. Die Wellenlänge kann bei 400 nm liegen. Mit einer größeren Wellenlänge, bspw. mit einer Wellenlänge, die > 450 nm ist, kann die Oberflächentemperatur des Substratträgers 4 bei auf dem Substratträger 4 aufliegenden Substrat gemessen werden, wenn das Substrat für diese Wellenlänge transparent ist.
Beim Wachstumsprozess drehen sich die Substratträger 4 im Allgemeinen mit voneinander verschiedenen Drehzahlen. Diese Drehzahlen können höher oder von der Drehzahl des Suszeptors verschieden sein. Das Drehzahlverhältnis von jedem Substratträger 4 zum Suszeptor 2 ist derart, dass im Laufe des Betriebes nahezu jeder Oberflächenpunkt des Substrates 5 durch den Messpunkt des optischen Temperatursensors 8 wandert. Während jeder Umdrehung wandert der Messpunkt des Temperatursensors 8 auf einer zykloidartigen Bahn über das Substrat. In der 2 sind derartige Bahnkurven mit strichpunktierten Linien dargestellt. Die Bahnkurven beginnen am Rand 5' des Substrates 5, verlaufen durch das Zentrum 18 des Substrates 5 und verlassen das Substrat 5 wieder an einem Randpunkt 5'. Aus der 4 ist ersichtlich, dass die Wege 17 der Messorte Zonen verschiedener Temperaturen auf der Substratoberfläche überlaufen. Mit der Bezugsziffer 20 sind Linien gleicher Temperatur (Isothermen) dargestellt.
Mit dem Temperatursensor 8 werden quasi kontinuierlich zeitlich dicht aufeinanderfolgend Messwerte aufgenommen, die in einer Recheneinheit abgespeichert werden. Diese Messwerte werden in Messwertkurven zerteilt, die jeweils einem vollständigen 360° Umlauf des Suszeptors 2 entsprechen. Die 5 zeigt exemplarisch vier aufeinander folgend aufgenommene Messwertkurven. Horizontal ist der Drehwinkel des Suszeptors 2 abgetragen, vertikal die vom Temperatursensor 8 gemessene Temperatur. Die dort erkennbaren Spitzen im Temperaturverlauf korrespondieren zu den Orten auf der Suszeptoroberfläche, die zwischen den einzelnen Substraten 4 liegen, wo die Oberflächentemperatur größer ist, als auf der Substratoberfläche. Durch Verwendung von Kompensationsplatten auf der Suszeptoroberfläche können diese Temperaturspitzen allerdings vermieden werden.
Mit den römischen Ziffern sind die den einzelnen, in der 2 gezeigten Substraten zugeordneten Messwertkurvenabschnitte bezeichnet. Die Buchstaben a bis d kennzeichnen die verschiedenen Wege 17, 17', entlang der die Oberflächentemperatur T gemessen worden ist, wobei der Winkelabstand der verschiedenen Wege 17, 17' von der Umlaufgeschwindigkeit des jeweiligen Substratträgers 4 abhängt.
Die in den obersten Zeilen mit a bezeichneten Abschnitte zeigen die über einen Weg 17 des Messortes ermittelten Temperaturen der Substrate I bis V. Es ist ersichtlich, dass diese Temperaturprofile geringfügig voneinander abweichen.
Zur Visualisierung dieser Abweichungen sind drei Temperaturlinien eingezeichnet.
Die mit Ib bis Vb bezeichneten Temperaturprofile entsprechen jeweils einem Weg 17' des Messortes, der gegenüber den Temperaturprofilen Ia bis Va winkelversetzt ist. Die mit Ic bis Vc bezeichneten Temperaturprofile bzw. die mit Id bis Vd bezeichneten Temperaturprofile sind jeweils weiter winkelversetzt gegenüber den vorherigen Temperaturprofilen. Es ist ersichtlich, dass die Temperaturprofile Ia, Ib, Ic und Id geringfügig voneinander abweichen. Das Substrat hat somit nicht nur einen radialen Temperaturgradienten, der sich dadurch auszeichnet, dass die Temperatur der Substratoberfläche vom Zentrum zum Rand hin abnimmt, sondern auch einen azimuthalen Temperaturgradienten. Da die Oberflächentemperatur einen funktionalen Zusammenhang mit der Spalthöhe besitzt, erlauben diese Temperaturprofile einen Rückschluss auf die Form des Substrates. Die Ränder des Substrates sind hier nach oben gewölbt und verlaufen nicht rotationssymmetrisch. Auch die Substrate II, III und V haben im Zentralbereich eine höhere Oberflächentemperatur und am Rand einen azimuthalen Temperaturgradienten. Auch diese Substrate besitzen eine nicht rotationssymmetrische Verformung. Die Temperaturprofile IVa, IVb, IVc und IVd sind im Wesentlichen identisch. Das Substrat IV hat eine leichte Randwölbung nach oben. Es besitzt aber eine rotationssymmetrische Gestalt. Bei der 5 handelt es sich um eine stark vereinfachte Darstellung lediglich zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Verformung eines Substrates. Dort wiederholen sich die Temperaturprofilverläufe nach vier Umdrehungen, um die Periodizität zu verdeutlichen. In der Realität besitzt die Periodizität einen zusätzlichen Phasenanteil bzw. eine erheblich größere Periodenzahl.
Die 6 zeigt experimentell ermittelte Daten. Die unterschiedlichen Grautöne entsprechen verschiedenen Temperaturen. Mit den Bezugsziffern I bis V sind die einzelnen Temperaturprofile der fünf verschiedenen Substrate dargestellt. Die Horizontalachse der 5 entspricht hier der Vertikalachse. In der Horizontalachse sind die Anzahlen r aufeinander folgender Umdrehungen des Suszeptors 2 dargestellt. Die schräg verlaufenden Schatten zeigen die phasenversetzt liegende Periodizität. Aus dieser Darstellung ist bereits intuitiv die azimuthale Inhomogenität des Temperaturverlaufes und damit die fehlende Rotationssymmetrie des Substrates erkennbar.
Die Höhe des Spaltes 16 zwischen der Unterseite des Substrates 5 und der Oberfläche 4 des Substratträgers 4 wird mit Hilfe eines Wärmetransportmodells aus den gewonnenen Temperaturmesswerten ermittelt.
Die Oberflächentemperatur T₁ des Substratträgers 4' kann mit Hilfe eines Temperatursensors insitu gemessen werden. Es ist aber auch möglich, die Oberflächentemperatur T₁ mit Hilfe des Wärmetransportmodells zu berechnen, indem der Wärmetransport vom Suszeptor 2, dessen Temperatur gemessen werden kann, zur Substratträgeroberfläche 4' berechnet wird. Die einzelnen Wärmeflüsse sind in der Prinzipdarstellung 7 mit Pfeilen dargestellt.
Als Randbedingung für das Wärmetransportmodell dient einerseits die Oberflächentemperatur T₁ des Substratträgers 4 und andererseits die niedrigere Deckentemperatur T₂ der gekühlten Deckenplatte 12 der Prozesskammer. Mit Hilfe des optischen Temperatursensors 8 wird zumindest die Oberflächentemperatur T des Substrates 5 gemessen. In das Wärmetransportmodell fließt der Wärmetransport durch den Spalt 16 ein. Berücksichtigt wird hier sowohl die Strahlungswärme als auch die Leitungswärme. Beim Wärmetransport von der Oberfläche des Substrates 5 zur Prozesskammerdecke 12 wird die Wärmeleitung, die Wärmestrahlung und ggf. auch die Wärmeabgabe in das Prozessgas berücksichtigt. Das Wärmetransportmodell kann ein dreidimensionales Finite-Elemente-Modell sein. Es ist aber auch möglich, experimentell ermittelte Daten zu verwenden, die in Form von Tabellen oder Funktionen in der Rechnereinheit hinterlegt werden. In jedem Falle ergibt sich ein funktioneller Zusammenhang zwischen lokaler Oberflächentemperatur T und lokaler Höhe des Spaltes 16.
Neben dem Wärmetransport in vertikaler Richtung kann auch zusätzlich der Wärmetransport in horizontaler Richtung mit berücksichtigt werden, der sich wegen des Temperaturgradienten innerhalb des Substrates einstellt.
Mit einem nicht dargestellten Triangulationssensor kann die Waferkrümmung zusätzlich unmittelbar optisch insbesondere am Schluss des Substratbehandlungsprozesses gemessen werden.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unteransprüche charakterisieren in ihrer fakultativ nebengeordneten Fassung eigenständige erfinderische Weiterbildung des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.
Bezugszeichenliste

1: Gaseinlassorgan
2: Suszeptor
3: Prozesskammer
4: Substratträger
4': Substratträgeroberfläche
5: Substrat
5': Rand
6: Drehachse
7: Heizung
8: Optischer Temperatursensor
9: Optischer Weg
10: Hohlraum
11: Gasaustrittsöffnung
12: Gekühlte Platte
13: Tasche
14: Gaseintrittskanal
15: Gaspolster
16: Spalt
17: Weg des Messortes
18: Drehachse, Zentrum
19: Gaseintrittsöffnung
20: Isotherme
21: Kontaktpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006018514 A1 [0003, 0003, 0011, 0020]
DE 102005023302 B2 [0004]
DE 10061168 C2 [0005]
DE 10258713 B4 [0006]
DE 102005023302 B4 [0010]
DE 10056029 A1 [0020]
DE 102005056320 A1 [0023]

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Verformung eines auf einer beheizten Oberfläche (4') eines Substratträgers (4) aufliegenden, die Form einer flachen Scheibe aufweisenden Substrats (5), insbesondere Halbleiterwafer, mittels eines Temperatursensors (8), wobei mit dem Temperatursensor (8) an voneinander verschiedenen Stellen (20) die Oberflächentemperatur des Substrates (5) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Wärmetransportmodells, welches zumindest den Wärmetransport von der Oberfläche (4) des Substratträgers (4) durch einen Spalt (16) zwischen Substratträgeroberfläche (4') zum Substrat (5) und durch das Substrat (5) berücksichtigt, die zur gemessenen Oberflächentemperatur (T) korrespondierende Spalthöhe berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem um eine Drehachse (6) angetriebenen Suszeptor (2), der einen Boden einer Prozesskammer (3) bildet in einer sich um die Drehachse (6) erstreckenden Kreisringfläche eine Vielzahl von jeweils um ihre Drehachse (18) drehangetriebene Substratträger (4) angeordnet sind, und dass der optische Temperatursensor (8) ortsfest dem Gehäuse zugeordnet ist und von einer Prozesskammerdecke (12) her die Temperatur (T) eines in der Kreisringfläche liegenden Messorts misst.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (8) so angeordnet ist und die Drehzahlen von Suszeptor (2) und Substratträger (4) derart verschieden voneinander sind, dass in Umfangsrichtung nah beabstandete Randpunkte jedes Substrats (5) zufolge ihrer zykloidischen Bewegung durch den Messort laufen.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransportmodell auch den Wärmetransport in der Erstreckungsrichtung des Substrates (5) berücksichtigt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransportmodell Näherungsfunktionen oder Tabellen beinhaltet, die experimentell erstellt worden sind und/oder Ergebnis aus einem Finite-Elemente-Modell sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Temperatursensor (8) quasi kontinuierlich Temperaturmesswerte aufgenommen und gespeichert werden und daraus jeweils eine Suszeptordrehung lange Messwertkurven erzeugt werden, welche hinsichtlich periodischer, insbesondere phasenverschobener Strukturen analysiert werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Temperatursensor insbesondere mit einer Wellenlänge, für die das Substrat (5) transparent ist, die Oberflächentemperatur des Substratträgers ermittelt wird.
Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Substraten (5), mit einer in einem Gehäuse angeordneten Prozesskammer (3), deren Boden ein Substratträger (4) zugeordnet ist, auf dessen zur Prozesskammer (3) weisenden beheizten Oberfläche (4') ein Substrat (5) auflegbar ist, und mit einem Temperatursensor (8) zur Messung der Oberflächentemperatur (T) des Substrates (5), gekennzeichnet durch eine Recheneinrichtung, in der ein Wärmetransportmodell implementiert ist, welches zumindest den Wärmetransport von der Oberfläche (4') des Substratträgers (4) durch einen Spalt (16) zwischen Substratträgeroberfläche (4') zum Substrat (5) und durch das Substrat (5) berücksichtigt und die zur gemessenen Oberflächentemperatur (T) korrespondierende Spalthöhe berechnet.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch einen um eine Drehachse (6) antreibbaren Suszeptor (2), der in einer sich um die Drehachse (6) erstreckenden Kreisringfläche eine Vielzahl von jeweils um ihre Drehachsen (18) drehangetriebene Substratträger (4) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 9 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Temperatursensoren (8) so ausgebildet sind, dass mit einer ersten Wellenlänge die Oberflächentemperatur des Substrates (5) und gleichzeitig mit einer zweiten Wellenlänge, für die das Substrat transparent ist, die Oberflächentemperatur des Substratträgers (4) gemessen werden kann.