DE102013114412A1

DE102013114412A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Regelung der Temperatur in einer Prozesskammer eines CVD-Reaktors unter Verwendung zweier Temperatursensoreinrichtungen

Info

Publication number: DE102013114412A1
Application number: DE102013114412.8A
Authority: DE
Inventors: Adam Boyd; Peter Sebald Lauffer; Dr. Lindner Johannes; Hugo Silva; Arne Theres
Original assignee: Aixtron SE
Current assignee: Aixtron SE
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2015-06-18
Also published as: TWI661085B; CN105934659B; KR20160100314A; CN105934659A; TW201529884A; WO2015091371A1; KR102357276B1; US20160333479A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren für eine thermische Behandlung, insbesondere eine Beschichtung eines Substrates (9), mit einer Heizeinrichtung (11), die von einer mit einer ersten Temperatursensoreinrichtung (7, 12) zusammenwirkenden Regeleinrichtung (13) geregelt wird. Um der Temperaturdrift entgegenzuwirken, wird eine zweite Temperatursensoreinrichtung (8) zum Erkennen einer Temperaturdrift der ersten Temperatursensoreinrichtung (7, 12) und Nachkalibrierung der ersten Temperatursensoreinrichtung (7, 12), vorgeschlagen. Die erste Temperatursensoreinrichtung (7, 12) bestimmt die Temperatur an einer ersten Stelle (M1, M2, M3, M4, M5, M6) eines Suszeptors (10). Die zweite Temperatursensoreinrichtung bestimmt die Temperatur an einer zweiten Stelle des Suszeptors (10). In einem Messintervall wird mit der zweiten Temperatursensoreinrichtung (8) die Oberflächentemperatur insbesondere eines Substrates (9) gemessen. Dieser Messwert wird mit einem Sollwert verglichen, wobei bei einer Abweichung des Sollwerts vom gemessenen Istwert ein Korrekturfaktor gebildet wird, mit dem der zur Regelung der Heizeinrichtung (11) verwendete Messwert der ersten Temperatursensoreinrichtung (7, 12) beaufschlagt wird, um den von der zweiten Temperatursensoreinrichtung (8) gemessenen Temperatur-Istwert dem zugehörigen Temperatur-Sollwert anzunähern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine thermische Behandlung, insbesondere eine Beschichtung eines Substrates mit einer Heizeinrichtung, die von einer mit einer ersten Temperatursensoreinrichtung zusammenwirkenden Regeleinrichtung geregelt wird.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum thermischen Behandeln mindestens eines Substrates, insbesondere zum Beschichten des mindestens einen Substrates, wobei das mindestens eine Substrat mittels einer Heizeinrichtung auf eine Behandlungstemperatur geheizt wird, welche mittels einer mit einer ersten Temperatursensoreinrichtung zusammenwirkenden Regeleinrichtung geregelt wird.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung der zuvor beschriebenen Art ist aus der DE 10 2012 101 717 A1 vorbekannt. Eine gattungsgemäße Vorrichtung besitzt ein Reaktorgehäuse und eine darin angeordnete Prozesskammer. Die Prozesskammer besitzt einen Suszeptor, der von unten mit einer Heizeinrichtung, beispielsweise einer Infrarotheizung, einer elektrischen Widerstandsheizung oder einer RF-Heizung beheizbar ist. Auf einer zu einer Prozesskammer weisenden Seite des Suszeptors liegt zumindest ein, bevorzugt aber eine Vielzahl von Substraten. Bei den Substraten handelt es sich um Halbleiter-Wafer, beispielsweise aus Saphir, Silizium oder einem III-V-Material. Mittels eines Gaseinlassorgans werden Prozessgase in die Prozesskammer eingespeist, die sich dort pyrolytisch zerlegen, wobei auf den Substratoberflächen Halbleiterschichten, insbesondere III-V-Halbleiterschichten, beispielsweise InGaN oder GaN-Schichten abgeschieden werden. Bevorzugt werden in derartigen Vorrichtungen Quantum-Well-Strukturen (QW) insbesondere Multi-Quantum-Well-Strukturen (NQW) aus InGaN/GaN abgeschieden. Zur Regelung der Temperatur der Substratoberflächen, die insbesondere beim Abscheiden der ternären Schicht einen sehr genauen Wert beibehalten muss, ist eine Regeleinrichtung vorgesehen, die mit einer Temperatursensoreinrichtung zusammenwirkt. Bei der Temperatursensoreinrichtung handelt es sich um ein Diodenmessfeld, mit dem durch Gasaustrittsöffnungen des Gaseinlassorgans hindurch die Temperatur an verschiedenen Radialpositionen des um eine Drehachse drehbaren Suszeptors gemessen werden können.
Als Temperatursensoreinrichtung wird beim Stand der Technik ein Zwei-Farben-Pyrometer verwendet. Es gewinnt einen Temperaturmesswert aus einer Intensitätsmessung bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen. Dabei wird die Emissivität und eine emissivitätskorrigierte Temperatur berechnet. Das Pyrometer arbeitet im Infrarotbereich. Sein Vorteil ist die geringe Empfindlichkeit gegenüber rauen Oberflächen.
Es ist ferner bekannt, Infrarot-Pyrometer zu verwenden, die beispielsweise mit einer Frequenz von 950 nm arbeiten. Mit IR arbeitende Pyrometer haben allerdings den Nachteil, dass Saphir-Substrate für infrarotes Licht durchsichtig sind. Derartige Pyrometer können somit nur zur Messung der Temperatur der Oberfläche des Suszeptors, welcher aus Graphit besteht, verwendet werden.
Es ist ferner bekannt, UV-Pyrometer zu verwenden, die beispielsweise mit einer Wellenlänge von 405 nm arbeiten. Mit einem derartigen Pyrometer lässt sich die Strahlungsemission einer auf einem Substrat abgeschiedenen Schicht, beispielsweise einer GaN-Schicht messen. Ab einer Schichtdicke von 1 bis 2 μm werden GaN-Schichten für 405 nm intransparent.
Wird bei einem gattungsgemäßen CVD-Reaktor nur ein IR-Zwei-Farben-Pyrometer verwendet, so lässt sich mit ihm nur die Oberflächentemperatur des Suszeptors messen, wegen des vertikalen Temperaturgradienten innerhalb der Prozesskammer zwischen dem beheiztem Suszeptor und der gekühlten Gasaustrittsfläche des Gaseinlassorgans ist die Substratoberflächentemperatur etwas geringer als die Suszeptoroberflächentemperatur.
Beim Stand der Technik erfolgt die Messung der Oberflächentemperatur des Suszeptors durch die einen Durchmesser von etwa ein bis zwei Millimeter aufweisenden Gasaustrittsöffnungen des Gaseinlassorgans hindurch. Eine im Laufe des Behandlungsverfahrens nicht vermeidbare Belegung an der Innenseite der Gasaustrittsöffnung führt zu einer Veränderung des wirksamen optischen Querschnitts bzw. der optischen Transmission. Durch die zunehmende Belegung der Gasaustrittsfläche des Gaseinlassorgans und Mehrfach-Reflektionen zwischen Suszeptor und Gasaustrittsfläche verändert sich der Betrag des Streulichts zum Messergebnis mit der Zeit. Dies führt zu einer stetigen Drift der Temperatursensoreinrichtung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen anzugeben, mit denen der Temperaturdrift entgegengewirkt werden kann.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale.
Zunächst und im Wesentlichen wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung eine zweite Temperatursensoreinrichtung aufweist, mit der die Temperaturdrift der ersten Temperatursensoreinrichtung erkannt wird und mit der eine Nachkalibrierung der ersten Temperatursensoreinrichtung und somit des Regelkreises erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass mit der zweiten Temperatursensoreinrichtung die Temperaturdrift erkannt wird und dass insbesondere während einer thermischen Substratbehandlung oder zwischen zwei thermischen Substratbehandlungsschritten eine Nachkalibrierung der ersten Temperatursensoreinrichtung und somit des Regelkreises erfolgt. Die erste Temperatursensoreinrichtung kann eine Vielzahl von Einzelsensoren aufweisen, mit denen die Oberflächentemperatur eines Suszeptors oder eines auf dem Suszeptor aufliegenden Substrates bestimmbar ist. Die zweite Temperatursensoreinrichtung ist ebenfalls in der Lage, die Oberflächentemperatur eines Suszeptors oder die Oberflächentemperatur eines auf dem Suszeptor aufliegenden Substrates zu bestimmen. Die Temperaturbestimmung mit der zweiten Temperatursensoreinrichtung erfolgt an einer zweiten Stelle. Die Temperaturbestimmung mit der ersten Temperatursensoreinrichtung erfolgt an einer ersten Stelle. Die beiden Stellen können örtlich verschieden sein. Es ist aber auch möglich, dass die beiden Stellen örtlich zusammenfallen. Die beiden Temperatursensoreinrichtungen können Pyrometer sein. Sie können von einem Infrarot-Pyrometer und/oder von einem UV-Pyrometer ausgebildet sein. Mit den Temperatursensoreinrichtungen kann die Reflektivität der Oberfläche durch die Reflektion des Lichts einer Lichtquelle, beispielsweise eines Lasers oder einer LED gemessen werden, wobei das Licht der Lichtquelle dieselbe Wellenlänge besitzt, wie die des Detektors des Pyrometers (950 nm oder 405 nm). Es kann sich um ein Zwei-Farben-Pyrometer handeln bei dem eine Intensitätsmessung bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen und eine Berechnung der Emissivität und emessivitätskorrigierten Temperaturen aus dem Signalverhältnis der Intensitäten beider Wellenlängen vorgenommen wird. Es kann sich um ein UV-Pyrometer handeln mit einer Detektion bei 405 nm, also einer Wellenlänge, für die eine GaN-Schicht ab einer Dicke von ca. 1 bis 2 μm intransparent wird. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die beiden Temperatursensoreinrichtungen von zwei voneinander verschiedenen Typen von Temperatursensoreinrichtungen ausgebildet. So kann beispielsweise eine Temperatursensoreinrichtung, beispielsweise die erste Temperatursensoreinrichtung, ein Infrarot-Pyrometer oder ein Zwei-Farben-Pyrometer sein. Die zweite Temperatursensoreinrichtung kann ein UV-Pyrometer sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt bevorzugt ein Gaseinlassorgan in Form eines Showerheads. Ein derartiges Gaseinlassorgan besitzt eine Gasverteilkammer, die von außen mit einem Prozessgas gespeist wird. Bevorzugte Ausgestaltungen eines Gaseinlassorgans besitzen mehrere voneinander getrennte Gasverteilkammern, die jeweils von außen mit einem Prozessgas gespeist werden. Das Gaseinlassorgan besitzt eine Gasaustrittsfläche, die eine Vielzahl von Gasaustrittsöffnungen aufweist. Die Gasaustrittsöffnungen können von Röhrchen ausgebildet sein, die jeweils mit einer Gasverteilkammer verbunden sind. Auf der Rückseite der Gasverteilkammer kann sich die erste und/oder die zweite Temperatursensoreinrichtung befinden. Bei der ersten Temperatursensoreinrichtung handelt es sich bevorzugt um eine derartige optische Messvorrichtung, wie sie in der DE 10 2012 101 717 A1 beschrieben ist. Die Sensoreinrichtung besitzt eine Vielzahl von Sensordioden, die jeweils am Ende einer optischen Messstrecke liegen, wobei die optische Messstrecke durch eine Gasaustrittsöffnung hindurch geht. Die zweite Temperatursensoreinrichtung sitzt bevorzugt ebenfalls auf der Rückseite eines Gaseinlassorgans und besitzt ein Sensorelement, das am Ende einer optischen Messstrecke sitzt. Auch hier geht die optische Messstrecke durch eine Öffnung des Gaseinlassorgans hindurch. Bei dieser Öffnung kann es sich um eine Gasaustrittsöffnung handeln. Es kann sich aber auch um eine vergrößerte Öffnung handeln, beispielsweise die Öffnung eines Durchgangskanals durch das gesamte Gaseinlassorgan. Diese Öffnung kann mit einem Inertgas gespült sein, um zu vermeiden, dass sich an den Innenwänden der Öffnung Belege abscheiden. Die bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besitzt einen Suszeptor, der um eine Suszeptordrehachse drehangetrieben wird. Die zweite Temperatursensoreinrichtung besitzt einen Radialabstand zum Drehzentrum, der gleich ist zum Radialabstand zumindest eines Sensorelementes der ersten Temperatursensoreinrichtung, so dass mit der ersten Temperatursensoreinrichtung und der zweiten Temperatursensoreinrichtung die Temperatur an einer Stelle auf einem identischen Umfangskreis um das Zentrum des Suszeptors gemessen werden kann. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die erste Temperatursensoreinrichtung von einem Dioden-Array ausgebildet, das an mehreren Stellen jeweils einen Temperaturmesswert des Substrates oder der Suszeptoroberfläche misst. Es handelt sich dabei um ein IR-Zwei-Farben-Pyrometer. In der besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die zweite Temperatursensoreinrichtung von einem UV-Pyrometer gebildet, welches bei 405 nm arbeitet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können InGaN-Multi-Quantum-Wells abgeschieden werden. Dabei werden mehrfach hintereinander dünne InGaN-Schichten auf dünnen GaN-Schichten abgeschieden. Die Regelung der Sustratoberflächentemperatur bzw. der Suszeptoroberflächentemperatur erfolgt bevorzugt ausschließlich unter Verwendung der Messwerte, die von der ersten Temperatursensoreinrichtung geliefert werden. Aufgrund der eingangs geschilderten Problematik, insbesondere einer Belegung der Gasaustrittsfläche bzw. der Gasaustrittsöffnungen des Gaseinlassorgans, durch die die optische Messstrecke der Sensorelemente verläuft, stellt sich im Laufe der Zeit insbesondere nach einer Mehrzahl von Beschichtungsschritten eine Verfälschung des Messergebnisses ein. Dies hat zur Folge, dass die Temperatur, auf die die Suszeporoberfläche oder die Substratoberfläche geregelt wird, nicht mehr der Soll-Temperatur entspricht. Die zweite Temperatursensoreinrichtung ist aufgrund ihrer Anordnung und/oder ihrer Wirkungsweise, die von der Wirkungsweise der ersten Temperatursensoreinrichtung verschieden sein kann, der Temperaturdrift nicht unterworfen. Diese zweite Temperatursensoreinrichtung detektiert eine sich ändernde Oberflächentemperatur. Handelt es sich bei der zweiten Temperatursensoreinrichtung beispielsweise um eine UV-Pyrometer, mit dem die Oberflächentemperatur eines Substrates gemessen wird, so wird die auf die Temperaturdrift zurückzuführende fehlerhafte Temperatur spätestens dann erkannt, wenn auf dem Substrat, beispielsweise dem Saphirsubstrat eine genügend dicke GaN-Schicht abgeschieden worden ist. Während die erste Temperatursensoreinrichtung die Oberflächentemperatur des Suszeptors misst, also die Temperatur einer Graphitoberfläche, misst die zweite Temperatursensoreinrichtung die Temperatur der Oberfläche eines Substrates, insbesondere also die Temperatur einer Beschichtung. Aufgrund des vertikalen Temperaturgradienten in der Prozesskammer ist die Temperatur der Substratoberfläche etwas geringer als die Temperatur der Suszeptoroberfläche. Dieser systematische Temperaturunterschied wird in Vorversuchen unter idealen Prozessbedingungen ermittelt und bei der späteren Nachkalibrierung berücksichtigt. In einem zeitlichen Messintervall wird die Oberflächentemperatur des Suszeptors oder des Substrates mit Hilfe der zweiten Temperatursensoreinrichtung bestimmt. Es wird ihre Abweichung von einer zuvor festgelegten, beispielsweise in einem Beschichtungsschritt unter Idealbedingungen gewonnenen Soll-Temperatur bestimmt. Abhängig von der Größe der Abweichung von der Soll-Temperatur wird die Regeleinrichtung oder die erste Temperatursensoreinrichtung mit einem Korrekturwert beaufschlagt. Durch eine derartige Nachkalibrierung ist die Regeleinrichtung dann in der Lage, die Substrattemperatur oder die Suszeptortemperatur auf den richtigen Temperaturwert zu regeln. Es ist ferner vorgesehen, dass in einem Abscheidungsprozess, der aus einer Vielzahl von einzelnen hintereinander abfolgenden Prozessteilschritten besteht, mehrfach jeweils in einem Messintervall die Abweichung der Ist-Temperatur von der Soll-Temperatur zu bestimmen. Dies erfolgt jeweils mittels der zweiten Temperatursensoreinrichtung. Der korrektive Eingriff in die Regelung zur Kompensation der Temperaturdrift kann auf ein Zeitintervall, nämlich ein Korrektionsintervall beschränkt sein. Beispielsweise kann der korrektive Eingriff nur für solche Einzelprozessschritte vorgenommen werden, bei dem die Oberflächentemperatur des Substrates besonders kritisch ist, beispielsweise bei Prozessschritten, in denen eine ternäre Verbindung, beispielsweise InGaN abgeschieden wird. Beim Abscheiden einer Quantum-Well-Sequenz kann beispielsweise die GaN-Schicht ohne korrigierenden Eingriff abgeschieden werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen CVD-Reaktor,
2 den Schnitt gemäß der Linie II-II mit Blick auf die Oberseite des Suszeptors,
3 ein erstes Zeittemperaturdiagramm zur Verdeutlichung des Verfahrens und
4 ein weiteres Zeittemperaturdiagramm zur Verdeutlichung des Verfahrens.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann den in den 1 und 2 dargestellten Aufbau besitzen. Sie besteht aus einem CVD-Reaktor 1 in Form eines gasdichten Gehäuses. Innerhalb des CVD-Reaktors 1 befindet sich ein Gaseinlassorgan 3. Bei dem Gaseinlassorgan 3 handelt es sich um einen flachen, hohlen, kreisscheibenförmigen Körper, in dem sich eine Gasverteilkammer befindet, die von außen mit einem Prozessgas gespeist wird. Das Prozessgas kann aus Gasaustrittsöffnungen 4, 5, 6 aus der Gasverteilkammer in eine Prozesskammer 2 strömen. Die Gasaustrittsfläche des Gaseinlassorgans, die die Gasaustrittsöffnungen 4, 5, 6 aufweist, kann gekühlt sein.
Der Boden der Prozesskammer 2, der der Gasaustrittsfläche gegenüberliegt, trägt eine Vielzahl von zu beschichtenden Substraten 9. Der den Boden ausbildende Suszeptor kann um eine Drehachse 15 gedreht werden. Unterhalb des Suszeptors befindet sich eine Heizeinrichtung 11, um den Suszeptor aufzuheizen.
Die Temperatur der Suszeptoroberseite bzw. die Temperatur der auf der Suszeptoroberseite liegenden Substraten 9 kann mittels einer ersten Temperatursensoreinrichtung 7 bestimmt werden. Hierzu besitzt die erste Temperatursensoreinrichtung 7 eine Vielzahl von Sensordioden 12, die mit einem unterschiedlichen Radialabstand zur Drehachse 15 angeordnet sind. Messpunkte M₁, M₂, M₃, M₄, M₅ und M₆ auf der zur Prozesskammer 2 weisenden Oberseite des Suszeptors 10 oder der daraufliegenden Substrate 9 befinden sich senkrecht unterhalb einer Gasaustrittsöffnung 5 und einer darüber an der Rückwand des Gaseinlassorgans 3 sitzenden Sensordiode 12. Es bildet sich somit ein parallel zur Drehachse verlaufender optischer Pfad aus, mittels dessen die Oberflächentemperatur der Messpunkte M₁ bis M₆ durch die erste Temperatursensoreinrichtung 7 an voneinander verschiedenen Messstellen gemessen werden kann. Dabei erfolgt die Messung jeweils durch eine Gasaustrittsöffnung 5 hindurch.
Die von der ersten Temperatursensoreinrichtung 7 gelieferten Messwerte werden einer Regeleinrichtung 13 zugeführt, die die Heizeinrichtung 11 derart regelt, dass die Oberflächentemperatur des Suszeptors 10 bzw. der darauf aufliegenden Substrate 9 auf einem Ist-Wert (Bereich: 400°C bis 1200°C) gehalten wird.
Auf der der ersten Temperatursensoreinrichtung 7 bezogen auf die Drehachse 15 gegenüberliegenden Seite befindet sich eine zweite Temperatursensoreinrichtung 8. Während die erste Temperatursensoreinrichtung 7 ein Infrarot Pyrometer, insbesondere ein Zwei-Farben-Infrarot Pyrometer ist, handelt es sich bei der zweiten Temperatursensoreinrichtung 8 um einen Temperatursensor eines anderen Typs. Es handelt sich hier um ein UV-Pyrometer. Auch hier erfolgt die Messung optisch durch eine Öffnung 6 des Gaseinlassorgans 3. In der 1 handelt es sich bei der Öffnung 6 um eine durchmessergrößere Gasaustrittsöffnung. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Sensoröffnung 6 aber nicht mit der Gasverteilkammer verbunden, so dass durch die Sensoröffnung 6 kein Prozessgas in die Prozesskammer 2 einströmt. Mit der zweiten Temperatursensoreinrichtung 8 wird an der Messstelle M₀ die Oberflächentemperatur eines Substrates 9 gemessen. Im Ausführungsbeispiel hat die Messstelle M₀ den gleichen Radialabstand zur Drehachse 15 wie die Messstelle M₅. Die Messstelle M₅ und die Messstelle M₀ liegen somit auf derselben Umfangslinie.
Die zweite Temperatursensoreinrichtung 8 liefert an der Messstelle M₀ einen Temperaturwert, der mit einem Vergleicher 14 mit dem Temperaturwert verglichen wird, den die erste Temperatursensoreinrichtung 7 zur Regelung der Heizeinrichtung 11 liefert. Anhand einer Differenz zwischen diesen beiden Temperaturen wird ein Kalibrierwert festgelegt, mit dem während eines Substratbeschichtungsvorganges und/oder zwischen zwei Substratbeschichtungsschritten eine Kalibrierung des Reglers 13 bzw. der ersten Temperatursensoreinrichtung 7 vorgenommen wird.
Diese Kalibrierung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 3 näher erläutert. In einem unter Idealbedingungen durchgeführten Beschichtungsschritt (Golden Run) werden die Temperaturmesswerte ermittelt, die an den Messpunkten M₁, M₂, M₃, M₄, M₅ und M₆ mit der ersten Temperatursensoreinrichtung 7 unter Idealbedingungen zu messen sind. Gleichzeitig wird die dazu korrelierende Temperatur an der Messstelle M₀ bestimmt, die mittels der zweiten Temperatursensoreinrichtung 8 unter Idealbedingungen zu messen ist. Im Allgemeinen wird die an der Messstelle M₀ gemessene Temperatur etwas geringer sein, als die an den übrigen Messpunkten M₁ bis M₆ gemessene Temperatur.
Bei nachfolgenden Beschichtungsschritten weichen die Bedingungen stetig von den Idealbedingungen ab, so dass der von der zweiten Sensoreinrichtung 8 an der Stelle M₀ gemessene Temperaturmesswert nicht mehr zu dem beispielsweise an der Stelle M₅ von der ersten Temperatursensoreinrichtung 7 gemessenen Wert entsprechend den Idealbedingungen korreliert.
Die 3 zeigt mit der oberen gestrichelten Linie den Verlauf einer Soll-Temperatur T₄, die an der Messstelle M₄ auf dem Suszeptor unter Idealbedingungen gemessen wird. Die untere Kurve zeigt die unter idealen Bedingungen auf der Substratoberfläche an der Messstelle M₀ gemessene Temperatur T₀. Nach einer Vielzahl von Beschichtungsschritten ist die tatsächliche, am Messpunkt M₄ gemessene Temperatur T₄ aber niedriger als die Soll-Temperatur. Dies ist eine Folge der oben erwähnten Temperaturdrift.
Zur Zeit t₁ wird in ein Messintervall die Temperaturabweichung der Ist-Temperatur an der Stelle M₀ (untere durchgezogene Linie) bestimmt und mit der Soll-Temperatur (untere gestrichelte Linie) verglichen. Aus diesem Temperaturabstand wird ein Kalibrierfaktor ermittelt. Mit diesem Kalibrierfaktor wird zur Zeit t₂ die Regeleinrichtung beaufschlagt. Dies hat zur Folge, dass die Ist-Temperatur des Suszeptors (obere durchgezogene Linie) auf den Sollwert (obere gestrichelte Linie) ansteigt. Das Intervall, in dem die Korrektur vorgenommen wird und welches von der Zeit t₂ bis t₄ reicht, ist mit K bezeichnet. Zur Zeit t₃ hat die Suszeptortemperatur den Sollwert erreicht. Am Messpunkt M₀ wird die korrelierte Soll-Temperatur gemessen.
Nach der Durchführung eines Beschichtungsschrittes wird zur Zeit t₄ das Korrekturintervall beendet. Dies hat zur Folge, dass die Suszeptortemperatur (obere durchgezogene Linie) in der Zeit bis t₅ wieder abfällt.
Die 4 zeigt eine ähnliche Darstellung wie die 3, jedoch einen Beschichtungsprozess, der aus zwei Einzelschritten A, B besteht, die im Ausführungsbeispiel dreimal hintereinander wiederholt werden. Jeweils zu einer Zeit t₁ erfolgt in einem Messintervall eine Prüfung, inwieweit die an der Stelle M₀ gemessene Temperatur von einem Sollwert T₀ abweicht. Anhand der Größe der Abweichung wird ein Korrekturfaktor ermittelt, mit dem während eines Korrekturintervalls K die Regelung beaufschlagt wird. In der jeweiligen Phase A wird beispielsweise bei einer niedrigen Temperatur eine InGaN-Schicht abgeschieden. In einem darauffolgenden Schritt wird in der Phase B bei einer höheren Temperatur eine GaN-Schicht abgeschieden. Eine Nachkalibrierung der Oberflächentemperatur des Substrates bzw. des Suszeptors erfolgt hier aber nur bei dem temperaturkritischen Wachstumsschritt in der Phase A.
Die vorstehenden Ausführungen dienen der Erläuterung der von der Anmeldung insgesamt erfassten Erfindungen, die den Stand der Technik zumindest durch die folgenden Merkmalskombinationen jeweils eigenständig weiterbilden, nämlich:
Eine Vorrichtung, gekennzeichnet durch eine zweite Temperatursensoreinrichtung 8 zum Erkennen einer Temperaturdrift der ersten Temperatursensoreinrichtung 7, 12 und Nachkalibrierung der ersten Temperatursensoreinrichtung 7, 12.
Ein Verfahren, dass dadurch gekennzeichnet ist, dass mit einer zweiten Temperatursensoreinrichtung 8 eine Temperaturdrift der ersten Temperatursensoreinrichtung 7, 12 erkannt und die erste Temperatursensoreinrichtung 7, 12 nachkalibriert wird.
Eine Vorrichtung oder ein Verfahren, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die erste Temperatursensoreinrichtung 7, 12 die Temperatur an einer ersten Stelle M₁, M₂, M₃, M₄, M₅, M₆ eines Suszeptors 10 oder eines auf dem Suszeptor 10 aufliegenden Substrates 9 bestimmt und/oder dass die zweite Temperatursensoreinrichtung die Temperatur an einer zweiten Stelle des Suszeptors 10 oder eines auf dem Suszeptor 10 aufliegenden Substrates 9 bestimmt.
Eine Vorrichtung oder ein Verfahren, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die erste und/oder zweite Temperatursensoreinrichtung 7, 8 ein Infrarot-Pyrometer oder ein UV-Pyrometer ist.
Eine Vorrichtung oder ein Verfahren, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die beiden Temperatursensoreinrichtungen 7, 8 an voneinander verschiedenen Stellen M₁, M₂, M₃, M₄, M₅, M₆, M₀ Temperaturmesswerte auf dem Suszeptor 10 oder auf einem auf dem Suszeptor 10 aufliegenden Substrat 9 ermitteln.
Eine Vorrichtung oder ein Verfahren, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der Suszeptor 9 um eine Drehachse drehbar ist bzw. gedreht wird und die beiden Temperatursensoreinrichtungen 7, 8 an voneinander verschiedenen Umfangspositionen, jedoch an den selben Radialabstand zur Drehachse eine Oberflächentemperatur des Suszeptors 10 oder eines darauf aufliegenden Substrates 9 bestimmen.
Eine Vorrichtung oder ein Verfahren, gekennzeichnet durch ein Gaseinlassorgan 3, welches einem Suszeptor 10 gegenüberliegt und welches zum Suszeptor 10 weisende Gasaustrittsöffnungen 5, 6 aufweist, durch die eine optische Sensormessstrecke der ersten Temperatursensoreinrichtung 7, 12 und/oder der zweiten Temperatursensoreinrichtung 8 verläuft.
Eine Vorrichtung oder ein Verfahren, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die erste Temperatursensoreinrichtung 7, 12 eine Vielzahl von optischen Sensorelementen 12 aufweist, die in unterschiedlichen Radialabständen zur Drehachse 15 des Suszeptors Temperaturmesswerte der Oberfläche des Suszeptors pyrometrisch im Infrarotbereich bestimmen und dass die zweite Temperatursensoreinrichtung 8 an einer anderen Umfangsposition pyrometrisch im UV-Bereich die Oberflächentemperatur eines auf dem Suszeptor 10 aufliegenden Substrates 9 bestimmt.
Eine Vorrichtung oder ein Verfahren, die dadurch gekennzeichnet sind, dass in einem Messintervall t₁ mit der zweiten Temperatursensoreinrichtung 8 die Oberflächentemperatur insbesondere eines Substrates 9 gemessen wird und dieser Messwert mit einem in Vorversuchen ermittelten Sollwert verglichen wird, wobei bei einer Abweichung des Sollwerts vom gemessenen Istwert der Oberflächentemperatur ein Korrekturfaktor gebildet wird, mit dem der zur Regelung der Heizeinrichtung 11 verwendete Messwert der ersten Temperatursensoreinrichtung 7, 12 beaufschlagt wird, um den von der zweiten Temperatursensoreinrichtung 8 gemessenen Temperatur-Istwert dem zugehörigen Temperatur-Sollwert anzunähern.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich, aber auch in Kombination untereinander) 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 mit ihren Merkmalen eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.
Bezugszeichenliste

1: CVD-Reaktor
2: Prozesskammer
3: Gaseinlassorgan
4: Gasaustrittsöffnung
5: Sensoröffnung
6: Sensoröffnung
7: erste Temperatursensoreinrichtung
8: zweite Temperatursensoreinrichtung
9: Substrat
10: Suszeptor
11: Heizung
12: Sensordiode
13: Regeleinrichtung
14: Vergleicher
15: Drehachse
A: Einzelschritt
B: Einzelschritt
K: Intervall
M₀: Messstelle
M₁: Messstelle
M₂: Messstelle
M₃: Messstelle
M₄: Messstelle
M₅: Messstelle
M₆: Messstelle
T_n: Temperatur
t_n: Zeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012101717 A1 [0003, 0011]

Claims

Vorrichtung für eine thermische Behandlung, insbesondere eine Beschichtung eines Substrates (9), mit einer Heizeinrichtung (11), die von einer mit einer ersten Temperatursensoreinrichtung (7, 12) zusammenwirkenden Regeleinrichtung (13) geregelt wird, gekennzeichnet durch eine zweite Temperatursensoreinrichtung (8) zum Erkennen einer Temperaturdrift der ersten Temperatursensoreinrichtung (7, 12) und Nachkalibrierung der ersten Temperatursensoreinrichtung (7, 12).
Verfahren zum thermischen Behandeln mindestens eines Substrates (9), insbesondere zum Beschichten des mindestens einen Substrates (9), wobei das mindestens eine Substrat (9) mittels einer Heizeinrichtung (11) auf eine Behandlungstemperatur geheizt wird, welche mittels einer mit einer ersten Temperatursensoreinrichtung (7, 12) zusammenwirkenden Regeleinrichtung (13) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer zweiten Temperatursensoreinrichtung (8) eine Temperaturdrift der ersten Temperatursensoreinrichtung (7, 12) erkannt und die erste Temperatursensoreinrichtung (7, 12) nachkalibriert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatursensoreinrichtung (7, 12) die Temperatur an einer ersten Stelle (M₁, M₂, M₃, M₄, M₅, M₆) eines Suszeptors (10) oder eines auf dem Suszeptor (10) aufliegenden Substrates (9) bestimmt und/oder dass die zweite Temperatursensoreinrichtung die Temperatur an einer zweiten Stelle des Suszeptors (10) oder eines auf dem Suszeptor (10) aufliegenden Substrates (9) bestimmt.
Vorrichtung oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Temperatursensoreinrichtung (7, 8) ein Infrarot-Pyrometer oder ein UV-Pyrometer ist.
Vorrichtung oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Temperatursensoreinrichtungen (7, 8) an voneinander verschiedenen Stellen (M₁, M₂, M₃, M₄, M₅, M₆, M₀) Temperaturmesswerte auf dem Suszeptor (10) oder auf einem auf dem Suszeptor (10) aufliegenden Substrat (9) ermitteln.
Vorrichtung oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Suszeptor (9) um eine Drehachse drehbar ist bzw. gedreht wird und die beiden Temperatursensoreinrichtungen (7, 8) an voneinander verschiedenen Umfangspositionen, jedoch an den selben Radialabstand zur Drehachse eine Oberflächentemperatur des Suszeptors (10) oder eines darauf aufliegenden Substrates (9) bestimmen.
Vorrichtung oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Gaseinlassorgan (3), welches einem Suszeptor (10) gegenüberliegt und welches zum Suszeptor (10) weisende Gasaustrittsöffnungen (5, 6) aufweist, durch die eine optische Sensormessstrecke der ersten Temperatursensoreinrichtung (7, 12) und/oder der zweiten Temperatursensoreinrichtung (8) verläuft.
Vorrichtung oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatursensoreinrichtung (7, 12) eine Vielzahl von optischen Sensorelementen (12) aufweist, die in unterschiedlichen Radialabständen zur Drehachse (15) des Suszeptors Temperaturmesswerte der Oberfläche des Suszeptors pyrometrisch im Infrarotbereich bestimmen und dass die zweite Temperatursensoreinrichtung (8) an einer anderen Umfangsposition pyrometrisch im UV-Bereich die Oberflächentemperatur eines auf dem Suszeptor (10) aufliegenden Substrates (9) bestimmt.
Vorrichtung oder Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Messintervall (t₁) mit der zweiten Temperatursensoreinrichtung (8) die Oberflächentemperatur insbesondere eines Substrates (9) gemessen wird und dieser Messwert mit einem in Vorversuchen ermittelten Sollwert verglichen wird, wobei bei einer Abweichung des Sollwerts vom gemessenen Istwert der Oberflächentemperatur ein Korrekturfaktor gebildet wird, mit dem der zur Regelung der Heizeinrichtung (11) verwendete Messwert der ersten Temperatursensoreinrichtung (7, 12) beaufschlagt wird, um den von der zweiten Temperatursensoreinrichtung (8) gemessenen Temperatur-Istwert dem zugehörigen Temperatur-Sollwert anzunähern.
Vorrichtung oder Verfahren, gekennzeichnet durch eines oder mehrere der kennzeichnenden Merkmale eines der vorhergehenden Ansprüche.