DE102020114734A1

DE102020114734A1 - Verfahren und Vorrichtung zur in-situ Bestimmung der Temperatur einer Probe

Info

Publication number: DE102020114734A1
Application number: DE102020114734.1A
Authority: DE
Inventors: Jörg-Thomas Zettler; Christian Kaspari
Original assignee: Laytec AG
Current assignee: Laytec AG
Priority date: 2020-06-03
Filing date: 2020-06-03
Publication date: 2021-12-09
Anticipated expiration: 2040-06-04
Also published as: DE102020114734B4; US20210381899A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur in-situ Bestimmung der Temperatur ϑ einer Probe, insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Oberflächen-korrigierten Bestimmung der Temperatur ϑ einer Probe mittels der Bandkantenmethode.Es ist vorgesehen, dass zur in-situ Bestimmung der Temperatur ϑ einer Probe (10) beim Auftragen eines Schichtstapels (12) innerhalb einer Beschichtungsanlage eine Berechnung eines Oberflächen-korrigierten Transmissionsspektrums T'(λ) durch Bildung des Quotienten aus dem Transmissionsspektrum T(λ) und einer Korrekturfunktion K(λ) erfolgt, wobei die Korrekturfunktion K(λ) aus einem aufgenommenen Reflexionsspektrum R(λ) berechnet wird. Anschließend werden die spektrale Position der Bandkante λBKaus dem Transmissionsspektrum T'(λ) und die Temperatur ϑ aus der spektralen Position der Bandkante λBKmittels einer bekannten Abhängigkeit ϑ(λBK) bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur in-situ Bestimmung der Temperatur einer Probe, insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Oberflächen-korrigierten Bestimmung der Temperatur einer Probe mittels der Bandkantenmethode. Dabei werden Techniken wie z.B. eine zusätzliche Reflexionsmessung oder eine Temperaturmessung mittels emissivitätskorrigierter Pyrometrie benutzt, um für bestimmte Prozesse und Messaufgaben die Genauigkeit der Bandkanten-basierten Temperaturbestimmung zu verbessern.
Stand der Technik
Verfahren zum Bestimmen der Temperatur einer Probe sowie Temperatur-Messvorrichtungen mit einem Pyrometer geeigneter Wellenlänge und einer mit dem Pyrometer verbundenen Auswerteeinrichtung sind allgemein bekannt. Moderne Prozesspyrometer für Dünnschicht-Prozesse sind emissivitätskorrigiert. Das heißt, neben der Pyrometer-Detektion ist bei gleicher Wellenlänge auch eine Reflexionsmessung integriert, mit welcher die jeweils aktuelle Emissivität der Schichtstruktur erfasst und damit das Pyrometersignal korrigiert wird. Die Emissivität eines Körpers bei gegebener Wellenlänge ist dabei das Verhältnis seiner spezifischen Ausstrahlung zu der eines schwarzen Strahlers bei gleicher Temperatur.
Neben Pyrometern, welche die Wärmestrahlung einer Probe bei einer einzigen Wellenlänge erfassen, sind seit längerem auch Mehrwellenlängen- und Spektral-Pyrometer im Einsatz, welche ebenfalls regelmäßig methodische Verbesserungen erfahren. Für die in-situ Bestimmung der Temperatur einer Probe innerhalb einer Beschichtungsanlage sind Pyrometer insbesondere im Hochtemperaturbereich (>400 °C) geeignet. Für den bei der Molekularstrahl-Epitaxie (MBE, molecular beam epitaxy) für bestimmte Prozesse benötigten Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur (ca. 20 °C) und etwa 400 °C stehen keine geeigneten Pyrometer zur Verfügung.
Weiterhin treten in realen Prozessumgebungen zusätzlich verschiedene Störstrahlungseinflüsse auf, die eine genaue Messung erschweren können. In vielen Fällen können diese z.B. durch eine Optimierung des optischen Aufbaus weitgehend unterdrückt werden. Es gibt jedoch auch einige technisch relevante Prozesse, bei denen eine hinreichende Unterdrückung der auftretenden Störstrahlung nicht möglich ist. Hierzu zählen insbesondere:

• Störlicht durch die heißen Materialquellen in der Molekularstrahl-Epitaxie, welche üblicherweise um einige 100 Kelvin heißer sind als die Probe (z.B. Halbleiter- oder andere Substrate bzw. entsprechende Wafer), um das Schichtmaterial thermisch zu verdampfen und somit einen Molekularstrahl auf die Oberfläche der Probe zu richten; oder
• Störlicht in der metallorganischen Gasphasenepitaxie (engl. metal organic chemical vapor phase epitaxy, MOVPE, auch organo-metallic vapor phase epitaxy, OMVPE), welches durch thermisch träge Heizquellen oder heiße Baugruppen im Reaktor erzeugt wird.

Als Alternative zur Pyrometrie ist deshalb für derartige Anwendungsfälle die Temperaturmessung mittels der Bandkantenmethode bekannt. Diese beruht auf spektralen Durchlicht-, Reflexions- oder Streulicht-Messungen, welche jeweils die thermische Verschiebung der fundamentalen Absorptionskante des Probenmaterials detektieren (vgl. hierzu 1 a) für die Durchlichtmethode und 1 b) für die Streulichtmethode).
Beide Methoden wurden bereits in den späten 1980er und frühen 1990er Jahren entwickelt. Hellmann und Harris haben 1987 die Durchlichtmethode vorgestellt, mit der die Probentemperatur von GaAs in einer MBE-Anlage mit einer Präzision von ±2 °C bestimmt werden konnte (Hellmann and Harris, Infra-Red Transmission Spectroscopy of GaAs During Molecular Beam Epitaxy, J. Cryst. Growth Vol. 81, 38 (1987)). Bereits diese frühe Arbeit enthielt so fortschrittliche Aspekte wie eine komplett außerhalb der MBE-Kammer befindliche, faserbasierte Optik, die mittels eines x-y-Tisches die Probe abscannen konnte.
Nur wenige Jahre später wurde durch Weilmeier et. al. gezeigt, dass die Bandkantenmessung auch mit diffuser Reflexion des transmittierten Spektralanteils an der rauen Probenrückseite (Streulichtmethode) gut funktioniert (Weilmeier et al., A new optical temperature measurement technique for semiconductor substrates in molecular beam epitaxy, Can. J. Phys. Vol. 69, 422 (1991)). Für die Beleuchtung der Probe wird hier eine in ihrer Ausgangsleistung stabilisierte und durch ein Chopperrad modulierte Wolfram-Halogen-Lampe benutzt. Durch die periodische Dunkeltastung des Messlichts können Mess-Artefakte (z.B. durch heiße MBE-Quellen) eliminiert oder zumindest reduziert werden. In dieser Arbeit konnten mittels der optischen Bandkantenmessung Temperaturänderungen von 1 K detektiert werden.
Die Reflexionsmethode hat große Ähnlichkeit zur Streulichtmethode, nur dass hier der Lichteinfall und auch die Messung senkrecht zur Probenoberfläche erfolgt. Voraussetzung ist, dass die Probe doppelseitig poliert ist, so dass das in die Probe eintretende Licht an der Rückseite reflektiert wird. Dieser an der Oberfläche nicht reflektierte Lichtanteil durchläuft die Probe in der einfachsten Näherung zwei Mal, durch die Absorption von Wellenlängen unterhalb der Bandkante kommt es somit zu einer Stufe im Reflexionssignal.
Alle drei Methoden haben ihre Vor- und Nachteile, so dass je nach Voraussetzungen seitens der Wachstumsanlage, der Probe und des Prozesses entschieden werden muss, welche zum Einsatz kommt. Es existieren eine Vielzahl von Methoden für die Bestimmung der Bandkantenenergie E_BK bzw. - wellenlänge λ_BK aus dem Spektrum. Aus E_BK(ϑ) oder λ_BK(ϑ) wird letztendlich über Kalibrierkurven oder -tabellen eine Temperatur ϑ ausgerechnet. Exemplarisch seien hier nur einige solcher Bandkanten-Algorithmen aufgezählt:

• Linearer Fit des steilen Anstiegs der diffusen Reflektivität oder Transmission, und Extrapolation auf das Niveau eines Baseline-Signals. Der Schnittpunkt kennzeichnet E_BK bzw. λ_BK (Weilmeier et. al.).
• Eine Erweiterung der obigen Methode, in der die Form des „Knies“ im Spektrum mit einer asymptotischen Funktion angefittet wird. Aus deren Parametern ergibt sich dann der Schnittpunkt E_BK bzw. λ_BK zweier Asymptoten an diese Funktion (Johnson et al., In situ temperature control of molecular beam epitaxy growth using band-edge thermometry, J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 16, 1502 (1998)).
• Bestimmung der Peaklage der ersten Ableitung des Reflexionsspektrums (Shen et al., Photoreflectance of GaAs and Ga0.82Al0.18As at elevated temperatures up to 600 °C, Appl. Phys. Lett. Vol. 53, 1080 (1988)).
• Anfitten des „Knies“ im Spektrum mit einer geeigneten Funktion. Das Maximum der zweiten Ableitung bestimmt die spektrale Position des „Knies“. Alternativ Bildung der numerischen zweiten Ableitung des Spektrums und anfitten des Bereichs um das Maximum dieser zweiten Ableitung mit einem Polynom (Johnson, Optical Bandgap Thermometry in Molecular Beam Epitaxy, PhD thesis, University of British Columbia, 1995).

Für weitere Einzelheiten zur Bandkantenmethode und deren Anwendungsmöglichkeiten wird auf die entsprechende Fachliteratur verwiesen (z.B. Farrer et al., Substrate temperature measurement using a commercial band-edge detection system, J. Cryst. Growth, Vol. 301-302, 88, 2007).
Da eine Streulicht- oder eine Reflexionsmessung jeweils eine aktive optische Messmethode ist (das Beleuchtungslicht wird aktiv aus einer dazu eingerichteten Lichtquelle in die Prozesskammer der Beschichtungsanlage eingestrahlt), kann das zur Beleuchtung verwendete Licht stets moduliert und somit von der Störstrahlung getrennt werden. Es gibt jedoch auch hierbei einige technologisch wichtige Prozesse, in denen die Bandkanten-Temperaturmessung nicht oder nur mit größeren Messfehlern angewendet werden kann:

A) Bei Temperaturmessungen in Prozessen, bei denen absorbierende Schichten die Bandkantensignatur des Substrates verdecken. Dies trifft beispielsweise zu auf die Molekularstrahlepitaxie von Halbleitern mit schmaler Bandlücke (d.h. mit energetisch niedrig liegender Bandkante) auf Halbleitersubstrate mit breiterer Bandlücke (d.h. mit energetisch höher liegender Bandkante).
B) Bei Temperaturmessungen in Prozessen, bei denen transparente oder nur partiell absorbierende Schichten die Bandkantensignatur des Substrates durch Interferenz-Effekte modifizieren bzw. deformieren. Derartiges ist stets relevant für die Molekularstrahlepitaxie von Oxiden (höher-energetische Bandkante im kurzwelligen Spektralbereich) auf Halbleitersubstraten (mit energetisch niedriger liegender Bandkante).

Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Unzulänglichkeiten von auf dem Stand der Technik beruhenden Bandkantenverfahren zu überwinden oder zumindest zu verringern und eine Lösung für die nur unzureichende Genauigkeit der Temperaturbestimmung einer Probe mittels der Bandkantenmethode bei oben genannten technologisch wichtigen Prozessen zur Verfügung zu stellen.
Insbesondere sollen ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung bereitgestellt werden, welche eine genaue Bestimmung der Probentemperatur ermöglichen, auch unter den oben beschriebenen Anwendungsfällen A) und B), in welchen derzeit weder Pyrometrie noch eine Temperaturmessung nach der Bandkantenmethode technisch und wirtschaftlich sinnvoll einsetzbar sind.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur in-situ Bestimmung der Temperatur ϑ einer Probe gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils rückbezogenen Unteransprüche.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur in-situ Bestimmung der Temperatur ϑ einer Probe beim Auftragen eines Schichtstapels innerhalb einer Beschichtungsanlage, folgende Schritte umfassend: Durchstrahlen der Probe mit einer ersten optischen Strahlung, wobei die erste optische Strahlung ein erstes Intensitätsspektrum I₁(λ) aufweist, welches sich spektral zu beiden Seiten einer Bandkante der Probe erstreckt, und Messung der nach Durchstrahlen der Probe erhaltenen Strahlung zur Bestimmung eines Transmissionsspektrums T(λ); Einstrahlen einer zweiten optischen Strahlung auf eine zu beschichtende Oberfläche der Probe, wobei die zweite optische Strahlung ein zweites Intensitätsspektrum I₂(λ) aufweist und der spektrale Bereich der zweiten optischen Strahlung dem spektralen Bereich der ersten optischen Strahlung entspricht, und Messung der nach Reflexion an der Oberfläche erhaltenen Strahlung zur Bestimmung eines Reflexionsspektrums R(λ); Berechnung eines Oberflächen-korrigierten Transmissionsspektrums T'(λ) durch Bildung des Quotienten aus dem Transmissionsspektrum T(A) und einer Korrekturfunktion K(A) gemäß Formel (1) $T' (λ) = T (λ) / K (λ),$
wobei die Korrekturfunktion K(A) aus dem Reflexionsspektrum R(A) berechnet wird; Bestimmung der spektralen Position der Bandkante λ_BK aus dem Transmissionsspektrum T'(λ); und Bestimmung der Temperatur ϑ aus der spektralen Position der Bandkante λ_BK mittels einer bekannten Abhängigkeit ϑ(λ_BK).
Bei einer Probe kann es sich insbesondere um ein Substrat aus einem für die Bandkantenmethode geeigneten (oxidischen oder nicht oxidischen) Halbleitermaterial (Halbleitersubstrat) oder einen entsprechenden Wafer handeln. Die Methode ist jedoch nicht auf Substrate oder Wafer als Proben beschränkt, vielmehr kann es sich hierbei um einen beliebigen für die Bandkantenmethode geeigneten Beschichtungsträger handeln. Bei einer Beschichtungsanlage kann es sich insbesondere um eine Anlage zur physikalischen Gasphasenabscheidung (engl. physical vapor deposition, PVD), wie beispielsweise eine Anlage zur MBE oder zum Bedampfen, handeln.
Die erste optische Strahlung weist ein erstes Intensitätsspektrum I₁(λ) auf, welches sich spektral zu beiden Seiten einer Bandkante der Probe erstreckt. Die spektrale Breite und Lage des ersten Intensitätsspektrums I₁(λ) muss dabei eine Bestimmung der spektralen Position der Bandkante erlauben. Durchstrahlen der Probe bedeutet, dass die erste optische Strahlung (zumindest mit einem Teilbereich des ersten Intensitätsspektrums I₁(λ)) durch die Rückseite, das Volumen und die Vorderseite der Probe transmittiert wird, wobei die Vorderseite eine zu beschichtende Oberfläche umfasst. Die erste Strahlung kann dabei an der Rückseite der Probe einfallen und nach Durchlaufen der Probe an der Vorderseite der Probe wieder austreten. Die Probe kann allerdings auch doppelt durchlaufen werden, so dass ein Durchstrahlen der Probe auch über einen Einfall und einen Austritt der ersten Strahlung an einer Vorderseite der Probe erfolgen kann, wenn eine Reflexion oder Streuung der Strahlung an der Rückseite der Probe (z.B. an der dortigen Oberfläche) auftritt und die Strahlung somit 2-fach vollständig die Probe durchläuft.
Vorzugsweise erfolgt ein Einfall der ersten Strahlung auf die Probe derart, dass eine zu beschichtende Oberfläche der Probe senkrecht durchstrahlt wird. Ein auf diese Oberfläche der Probe aufgebrachter Schichtstapel wird dann ebenfalls senkrecht durchstrahlt. Ein Durchstrahlen der Oberfläche der Probe kann allerdings auch unter einem Winkel (Einfalls- bzw. Austrittswinkel, bezogen auf die jeweilige Seite der Oberfläche) erfolgen.
Nach einem entsprechenden Durchstrahlen der Probe weist die erste Strahlung ein verändertes Transmissionsspektrum T(A) auf, wobei durch die im ersten Intensitätsspektrum I₁(λ) enthaltene Bandkantenwellenlänge λ_BK nur der Teilbereich I₁(λ > λ_BK) des Spektrums durch die Probe transmittiert wird. Im nicht transmittierten Spektralbereich λ < λ_BK tritt durch die thermische Eigenabstrahlung (Schwarzkörperstrahlung) der Probe jedoch ein Hintergrundsignal auf, welches die Erkennbarkeit der Bandkante im Spektrum beeinflusst. Die Intensität der zum Durchstrahlen der Probe genutzten ersten optischen Strahlung muss daher hoch genug sein, um ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis (engl. signal-to-noise-ratio, SNR) bei der Bandkantenerkennung im Spektrum zu ermöglichen. Wird als Lichtquelle für das erste Intensitätsspektrum I₁(λ) ein heißer Substratträger genutzt (dessen Intensität nicht moduliert werden kann), muss der Substratträger deutlich heißer als das Substrat sein (≥ 50 K).
Erfindungsgemäß wird eine zweite optische Strahlung mit einem zweiten Intensitätsspektrum I₂(λ) auf eine zu beschichtende Oberfläche der Probe eingestrahlt. Der spektrale Bereich der zweiten optischen Strahlung umfasst dabei mindestens den spektralen Bereich der ersten optischen Strahlung. Die zweite optische Strahlung wird genutzt für die Bestimmung eines Reflexionsspektrums R(A) für den senkrechten oder nahezu senkrechten Einfall (in Abhängigkeit vom Detektionswinkel).
Durch eine Beschichtung der Oberfläche während einer Prozessierung innerhalb einer Beschichtungsanlage wird ein Schichtstapel auf einer Oberfläche der Probe aufgebracht, welcher durch Interferenzeffekte dazu führt, dass das Reflexionsspektrum R(A) modifiziert wird. Hierüber können die bei Anwendung der Bandkantenmethode im Transmissionsspektrum T(A) auftretenden Oberflächeneffekte, d.h. die durch Interferenzen am Schichtstapel erzeugten Intensitätsmodulationen im Transmissionsspektrum T(A), korrigiert werden.
Vorzugsweise erfolgt daher ein Einstrahlen der ersten und der zweiten Strahlung auf die Probe derart, dass eine zu beschichtende Oberfläche der Probe senkrecht durchstrahlt wird. Ein auf die Oberfläche der Probe aufgebrachter Schichtstapel wird dann ebenfalls senkrecht durchstrahlt. Ein Einstrahlen der zweiten Strahlung auf die zu beschichtende Oberfläche der Probe kann auch unter einem Winkel erfolgen, wobei der Winkel vorzugsweise dem Winkel zum Durchstrahlen des auf die Oberfläche der Probe aufgebrachten Schichtstapels mit der ersten Strahlung entspricht. Die beiden Winkel können auch voneinander abweichen, in diesem Fall ist es zur Erhöhung der Genauigkeit des Verfahrens jedoch bevorzugt, dass das Transmissionsspektrum T(A) und das Reflexionsspektrums R(A) hinsichtlich der spektralen Lage und Form der jeweiligen Oberflächeneffekte rechnerisch aneinander angepasst werden, d.h. der Einfluss unterschiedlicher Durchstrahlungswinkel kann bei einem oder in beiden Spektren mit berücksichtigt werden.
Zum Herausrechnen der Oberflächeneffekte im Transmissionsspektrum T(A) wird ein Oberflächen-korrigiertes Transmissionsspektrums T'(λ) durch Bildung des Quotienten aus dem Transmissionsspektrum T(A) und einer Korrekturfunktion K(A) gemäß Formel (1) $T' (λ) = T (λ) / K (λ),$
berechnet, wobei die Korrekturfunktion K(A) aus dem Reflexionsspektrum R(A) berechnet wird. Die Korrekturfunktion K(A) kann, falls erforderlich, auch eine Anpassung des Reflexionsspektrums R(A) beim Durchstrahlen der zu beschichtenden Oberfläche der Probe unter einem Winkel umfassen, der vom Winkel zum Durchstrahlen des auf die Oberfläche der Probe aufgebrachten Schichtstapels mit der ersten Strahlung abweicht. Die Korrekturfunktion K(A) beschreibt die Modifikation der Proben-Transmission aufgrund der wachsenden Schicht(en).
Die Bestimmung der spektralen Position der Bandkante λ_BK aus dem Transmissionsspektrum T'(λ) und die Bestimmung der Temperatur ϑ aus der spektralen Position der Bandkante λ_BK mittels einer bekannten Abhängigkeit ϑ(λ_BK) erfolgen dann nach den üblichen Methoden der Bandkantenthermometrie.
Vorteile der Erfindung
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur in-situ Bestimmung der Temperatur einer Probe weist einige Vorteile gegenüber einem herkömmlichen Verfahren zur Bandkantenthermometrie auf.
Der wesentliche Unterschied zum Stand der Technik liegt in der zusätzlichen Bestimmung des Reflexionsspektrums R(A) durch Einstrahlen einer zweiten optischen Strahlung. Dadurch können die bei der Durchstrahlung der Probe mit einer ersten optischen Strahlung im Transmissionsspektrum T(A) auftretenden Vorderseiten-Oberflächeneffekte mit Hilfe einer Korrekturfunktion aus dem Transmissionsspektrum T(A) entfernt werden. Dadurch wird die Genauigkeit der Bestimmung der spektralen Position der Bandkante λ_BK und somit auch die Genauigkeit der Temperaturbestimmung deutlich verbessert.
Man bedient sich somit einer zusätzlichen Reflexionsmessung bei vorzugsweise senkrechter Inzidenz auf die Probe, die sich über den gleichen Spektralbereich wie die Bandkantenmessung erstreckt oder zumindest den Spektralbereich der Bandkantenmessung mit enthält. Die Reflexionsmessung wird zur Korrektur des Transmissionsspektrums genutzt, bevor die Bandkantenanalyse gestartet wird. Die daraus bestimmte Korrekturfunktion K(A) erlaubt dabei eine umfassende Berücksichtigung der durch den wachsenden Schichtstapel erzeugten spezifischen Vorderseiten-Oberflächeneffekte. Die Komplexität der Bestimmung der Korrekturfunktion K(A) hängt dabei davon ab, ob die aufgebrachte(n) Schicht(en) im spektralen Bereich der Bandkantenmessung transparent oder teilabsorbierend sind.
Mit Hilfe der über die zusätzliche Reflexionsmessung bestimmten Korrekturfunktion K(A) kann aufgabengemäß die Bandkanten-Temperaturmessung auch auf die oben genannten Anwendungsfälle A) und B), in welchen derzeit weder Pyrometrie noch eine Temperaturmessung nach der Bandkantenmethode technisch und wirtschaftlich sinnvoll einsetzbar sind, erweitert werden. Eine zusätzliche spektrale Reflexionsmessung ermöglicht somit in Verbindung mit einer nk(ϑ)-Datenbasis für die beteiligten Schicht- und Substratmaterialien und entsprechenden Algorithmen zur Berechnung von K(A) aus R(A) die Echtzeit-Rekonstruktion der ungestörten Bandkantensignaturen (d.h. frei von Oberflächeneffekten).
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Transmissionsspektrum T(A) um ein geeignet normiertes Transmissionsspektrum T_norm(λ) und bei dem Reflexionsspektrum R(A) um ein geeignet normiertes Reflexionsspektrum R_norm(λ). Das normierte Transmissionsspektrum T_norm(λ) kann berechnet werden aus dem unmittelbaren (d.h. direkt, ohne Probe gemessenen) Intensitätsspektrum I₁ ⁰(λ) und dem ersten Intensitätsspektrum I₁(λ). Das Reflexionsspektrum R_norm(λ) kann berechnet werden aus einem an einer Kalibrierprobe mit bekannten optischen Eigenschaften gemessenen Intensitätsspektrum I₂ ⁰(λ) und dem zweiten Intensitätsspektrum I₂(λ). Eine geeignete Normierung des Transmissionsspektrums T_raw(λ) und des Reflexionsspektrums R_raw(λ) kann auch mittels anderer bekannter Algorithmen, z.B. durch Nutzung der durch eine noch unbeschichtete Probe (Substrat) transmittierten bzw. an ihr reflektierten Intensität erfolgen, wobei die optischen Eigenschaften der unbeschichteten Probe (Substrat) bekannt sein müssen. Durch eine Normierung der Spektren wird die schichten-optische Analyse der Oberflächeneffekte im Reflexionsspektrum R(A) ermöglicht und somit auch die schichten-optische Korrektur von T(A) durch K(A).
Bevorzugt wird beim Aufbringen eines Schichtstapels aus transparenten Schichten die Korrekturfunktion K(A) gemäß Formel (2) $K (λ) = \frac{1 - R (λ)}{1 - R_{0} (λ)}$
aus dem Reflexionsspektrum R(λ) berechnet. Dabei beschreibt R₀(λ) das Reflexionsspektrum der unbeschichteten Probe und R(λ) das Reflexionsspektrum der Probe mit der aktuell aufgebrachten Schicht bzw. dem aktuell aufgebrachten Schichtstapel.
Bevorzugt wird beim Aufbringen eines Schichtstapels aus teilabsorbierenden Schichten die Temperatur ϑ mittels einer Korrekturfunktion K(A) bestimmt, welche durch iterative Wiederholung der Schritte c) bis e) nach Anspruch 1 aus dem Reflexionsspektrum R(A) und einem Startwert ϑ₀ für die Temperatur ϑ als Parameter eines Modells für die bereits aufgebrachte Schichtstruktur berechnet wird, wobei eine während der Iteration in Schritt e) bestimmte Temperatur solange als neuer Temperaturparameter für das Modell eingesetzt wird, bis die Abweichung zwischen dem aktuellen Wert für die Temperatur ϑ_i und der damit in Schritt e) bestimmten Temperatur ϑ_i+1 unterhalb eines festgelegten Schwellwertes liegt (Konvergenzkriterium).
Die einfache multiplikative Korrektur im Fall transparenter Schichten muss hierbei erweitert werden, da die zunehmende Absorption der wachsenden teilabsorbierenden Schicht(en) die Form der Bandkante beeinflusst. Im Kern wird jedoch auch hier eine multiplikative Korrektur angewandt, allerdings wird die Korrekturfunktion K(λ) über eine optische Simulation der Schichtstruktur (z.B. basierend auf einer temperaturabhängigen nk(ϑ)-Datenbasis) bestimmt. Da für schwach absorbierende Schichten die Veränderung von nk(ϑ) mit der Temperatur gering ist, kann dafür in erster Näherung mit der Prozesstemperatur ϑ_P der Beschichtungsanlage gearbeitet werden. Die Vorgehensweise ist dabei bevorzugt wie folgt:

• Schritt 1: Aus R(A) wird die aktuelle Schichtdicke d_i aller Schichten berechnet.
• Schritt 2: Mit bekannten d_i und bekannten nk_i(ϑ_P) wird T_V berechnet. Dabei ist T_V der Transmissionsanteil aus dem Substrat durch das Schichtsystem auf der Vorderseite.
• Schritt 3: Bestimmung von λ_BK aus T'(λ)=T(λ) / K(λ). Die Korrekturfunktion ist hierbei $K (λ, ϑ) = \frac{T_{V} (R (λ), ϑ_{P})}{1 - R_{0} (λ)}$
• Schritt 4: Bestimmung von ϑ(λ_BK) aus λ_BK.

Vorzugsweise wird die Abhängigkeit ϑ(λ_BK) für ein Substratmaterial (Probenmaterial) und die Substratdicke d zumindest näherungsweise aus einer Referenzdatenbank entnommen. Diese Datenbank kann vorab durch entsprechende Messungen an geeigneten Referenz-Substraten gewonnen werden. Eine Messung der Abhängigkeit zwischen der Temperatur des Substrats und der spektralen Position der Bandkante kann dabei auch außerhalb einer Beschichtungsanlage in einem optischen Aufbau mit kalibrierter Temperaturregelung erfolgen. Für nähere Einzelheiten hierzu wird insbesondere auf die bereits oben genannte einschlägige Fachliteratur zur Bandkantenmethode verwiesen. Das hier beschriebene Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit von ϑ₀(T(λ)) → ϑ₁(T'(λ)) kann bei Bedarf auch iterativ angewandt werden, indem T_V(R(λ)) nochmal mit ϑ₁ berechnet wird usw.
Für neue bzw. nicht genau bekannte Proben- bzw. Substratdicken d (auch speziell für mittels Wafer-Bonding hergestellte Proben mit deutlich geringeren Dicken des relevanten Halbleitermaterials - z.B. 100 µm dickes, gebondetes GaAs im Vergleich zu GaAs-Wafern mit mehreren 100 µm Dicke) müsste jedes Mal aufwendig eine neue Kalibriertabelle erzeugt werden. Um diesen Schritt zu vereinfachen, kann eine zusätzliche Messung mit einem emissivitätskorrigierten Pyrometer genutzt werden. Dazu wird eine emissivitätskorrigierte pyrometrische Messung für eine bestimmte Anzahl von verschiedenen Temperaturen in einem Temperaturbereich durchgeführt, der von beiden Messmethoden abgedeckt wird (sog. gemeinsamer Temperaturbereich Δϑ, 7). Die bekannte Kalibrierkurve λ_BK(ϑ) kann dann geeignet skaliert werden, so dass sie mit der pyrometrischen Messung im gemeinsamen Temperaturbereich Δϑ übereinstimmt. Dies ist möglich, da der Verlauf der Abhängigkeit ϑ(λ_BK) im Allgemeinen einer glatten Funktion mit nahezu linearem Anstieg in Richtung ansteigender Wellenlängen λ entspricht. Ein entsprechender Skalierungsfaktor für ϑ(λ_BK) kann daher bereits durch pyrometrische Referenzmessung im gemeinsamen Temperaturbereich Δϑ aus dem Kurvenverlauf λ_BK ^Ref(ϑ) eines Referenzsubstrats anderer Dicke abgeleitet werden: λ_BK(ϑ) = λ_BK ^Ref(ϑ) + Δλ_BK.
Vorzugsweise wird daher eine für eine vorgegebene Probendicke d₁ bekannte Abhängigkeit ϑ_d1(λ_BK) zur Bestimmung der Abhängigkeit ϑ_d2(λ_BK) für eine davon abweichende Probendicke d₂ genutzt, indem mit einem emissivitätskorrigierten Pyrometer in einem Temperaturbereich Δϑ, der sowohl vom Pyrometer als auch vom Verfahren abgedeckt wird, die Abhängigkeit λ_BK(ϑ) ermittelt wird und aus dem Verlauf der bekannten Abhängigkeit ϑ_d1(λ_BK) die Abhängigkeit ϑ_d2(λ_BK) im Temperaturbereich außerhalb Δϑ, der nur vom erfindungsgemäßen Verfahren abgedeckt ist, entsprechend angepasst wird. Darauf basierend wird Δλ_BK bestimmt. Bei Bedarf können aus der genauen Kenntnis der Substrattemperatur im gemeinsamen Temperaturbereich Δϑ auch komplexere Korrekturen (im Vergleich zum einfachen Offset Δλ_BK) abgeleitet werden.
Das oben für unbekannte Proben- bzw. Waferdicken beschriebene Verfahren kann in gleicher Art und Weise für Proben und Wafer mit unbekannter oder abweichender Dotierung angewandt werden. Hier wird die Lage der gemessenen Bandkante durch die Dotierhöhe leicht modifiziert. Über eine Vergleichsmessung mit einem emissivitätskorrigierten Pyrometer kann auch hier die bekannte Kalibrierkurve für die Temperaturbestimmung mittels Bandkantenmethode entsprechend korrigiert werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend: eine erste Strahlungsquelle, eingerichtet zum Einstrahlen der zweiten optischen Strahlung auf die zu beschichtende Oberfläche der Probe; ein Spektrometer, eingerichtet zur Bestimmung des Reflexionsspektrums R(λ); und eine elektronische Datenverarbeitungseinrichtung, eingerichtet zur Durchführung der Verfahrensschritte c) bis e) aus Anspruch 1 unter Verwendung des Transmissionsspektrums T(A) und des Reflexionsspektrums R(A) zur Bestimmung der Temperatur µ.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet. Insofern können sämtliche in der Beschreibung zum Verfahren genannten Merkmale als entsprechendes Vorrichtungsmerkmal realisiert sein. Als wesentliche gegenständliche Vorrichtungsmerkmale werden insbesondere eine zweite Strahlungsquelle, ein Spektrometer und eine elektronische Datenverarbeitungseinrichtung angesehen. Die elektronische Datenverarbeitungseinrichtung ist dabei vorzugsweise insbesondere dazu eingerichtet, die Durchführung der Verfahrensschritte c) bis e) automatisch vorzunehmen. Dadurch wird insbesondere die Umsetzung des iterativen Verfahrens im Fall von teilabsorbierenden Schichten möglich. Im Übrigen kann die elektronische Datenverarbeitungseinrichtung auch zur automatischen Durchführung weiterer oder aller verbliebenen erfindungsgemäßen Verfahrensschritte eingerichtet sein.
Vorzugsweise umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin eine erste Strahlungsquelle, eingerichtet zum Durchstrahlen der Probe mit der ersten optischen Strahlung. Als erste Strahlungsquelle wird dabei eine zusätzliche Komponente der Vorrichtung verstanden, welche zur Emission der ersten optischen Strahlung ausgebildet ist. Die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens erforderliche erste optische Strahlung braucht jedoch nicht aus einer solchen zur Vorrichtung gehörenden ersten Strahlungsquelle zu stammen. Hierbei kann es sich auch um eine externe inner- oder außerhalb einer Beschichtungsanlage erzeugte Strahlung (z.B. von der Kammerheizung ausgehend) handeln. In diesem Fall ist die entsprechende Strahlungsquelle nicht Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 schematische Darstellungen eines Verfahrens zur Bestimmung der Temperatur einer Probe mittels der Bandkantenmethode gemäß dem Stand der Technik,
2 schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform (Heizung als Lichtquelle) eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Temperatur einer Probe mittels der Bandkantenmethode,
3 schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform (mit Zusatzlichtquelle) eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Temperatur einer Probe mittels der Bandkantenmethode,
4 eine simulierte Änderung der Bandkantensignatur in Abhängigkeit von der Dicke eines Schichtstapels,
5 eine simulierte Abhängigkeit der Korrekturfunktion K(A) in Abhängigkeit von der Dicke eines Schichtstapels,
6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Korrekturfunktion K(A) beim Aufbringen eines Schichtstapels aus teilabsorbierenden Schichten, und
7 eine Kalibriervorschrift zur Ableitung der Kalibrierkurve einer Probe unbekannter Probendicke d mittels emissivitätskorrigierter Pyrometrie.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt schematische Darstellungen eines Verfahrens zur Bestimmung der Temperatur ϑ einer Probe 10 mittels der Bandkantenmethode gemäß dem Stand der Technik. Insbesondere zeigt 1 a) ein Verfahren, bei dem die Heizung der Beschichtungsanlage als externe erste Strahlungsquelle 20 für eine erste optische Strahlung A dient. Es erfolgen ein Durchstrahlen der Probe 10 mit der ersten optischen Strahlung A, wobei die ersten optischen Strahlung A ein erstes Intensitätsspektrum I₁(λ) aufweist, welches sich spektral zu beiden Seiten einer Bandkante (BK) der Probe 10 erstreckt, und eine Messung der nach Durchstrahlen der Probe 10 erhaltenen Strahlung A' zur Bestimmung eines Transmissionsspektrums T(A). Bei der Probe 10 kann es sich insbesondere um ein Halbleitersubstrat handeln. Auf der Vorderseite 14 der Probe 10 ist ein Schichtstapel 12 aufgebracht. Diese Ausführungsform wird auch als Durchlicht-Konfiguration bezeichnet.
Das vom Spektrometer 30 gemessene Transmissionsspektrum T(A) setzt sich aus mehreren Komponenten zusammen. Diese sind ein Anteil A'₁ mit Wellenlängen λ < λ_BK, ein Anteil A'₂ mit Wellenlängen λ > λ_BK und ein zusätzlicher Störanteil C', welcher beispielsweise von einer thermischen MBE-Quelle stammt. Die Strahlung A₁ mit Wellenlängen λ < λ_BK wird beim Durchstrahlen der Probe 10 absorbiert. Die Probe 10 emittiert jedoch ebenfalls eine entsprechende thermische Strahlung, so dass dieser Wellenlängenbereich im gemessen Transmissionsspektrum T(A) als Störsignal im Hintergrund auftritt. Die Strahlung A₂ mit Wellenlängen λ > λ_BK wird beim Durchstrahlen der Probe 10 weitgehend transmittiert. Die zur Temperaturbestimmung genutzte Bandkantencharakteristik wird im Transmissionsspektrum T(A) somit im Wesentlichen als Übergangsbereich zwischen den spektralen Anteilen A'₁ und A'₂ erkennbar, wobei dem Spektrum die Hintergrundstrahlung C' überlagert ist.
1 b) zeigt ein alternatives Verfahren, bei dem eine zusätzliche erste Strahlungsquelle 20 zur Erzeugung einer ersten optischen Strahlung A genutzt wird. Das Verfahren entspricht dem zu 1 a) beschriebenen, wobei die erste Strahlung A hierbei jedoch an der Rückseite 16 der Probe 10 zunächst reflektiert bzw. gestreut wird. Vorzugsweise erfolgt eine Streuung an Oberflächenrauigkeiten, so dass die Messung der nach Durchstrahlen der Probe 10 erhaltenen Strahlung A' an einem gestreuten Anteil erfolgt, welcher die zu beschichtende Oberfläche 14 der Probe 10 senkrecht durchstrahlt hat. Diese Ausführungsform wird auch als Streulicht-Konfiguration bezeichnet.
Für beide Ausführungsformen wird bei der Bandkantenmethode aus dem Transmissionsspektrum T(A) zunächst die spektrale Position der Bandkante λ_BK bestimmt. Anschließend erfolgt daraus eine Bestimmung der Temperatur ϑ der Probe 10 mittels einer bekannten Abhängigkeit ϑ(λ_BK). Wesentlicher Nachteil im Stand der Technik ist jedoch, dass durch den Schichtstapel 12 Oberflächeneffekte im Transmissionsspektrum T'(λ) aufgeprägt werden, welche eine genaue Bestimmung der spektralen Position der Bandkante λ_BK erschweren. Die störenden Einflüsse der wachsenden Schichten werden im Stand der Technik üblicherweise ignoriert und führen zu Temperatur-Fehlern.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform (Heizung als Lichtquelle) eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Temperatur ϑ einer Probe 10 mittels der Bandkantenmethode. Diese Ausführungsform basiert auf den in 1 a) beschriebenen Zusammenhängen. Daher gelten die Bezugszeichen und deren Zuordnung entsprechend. Es erfolgen jedoch zusätzlich ein Einstrahlen einer zweiten optischen Strahlung B auf eine zu beschichtende Oberfläche 14 der Probe 10, wobei die zweite optische Strahlung B ein zweites Intensitätsspektrum I₂(λ) aufweist und der spektrale Bereich der zweiten optischen Strahlung B den spektralen Bereich der ersten optischen Strahlung A umfasst, und eine Messung der nach Reflexion an der Oberfläche erhaltenen Strahlung B' zur Bestimmung S2 eines Reflexionsspektrums R(A). Die zweite optische Strahlung B wird hierbei von einer zweiten Strahlungsquelle 22 ausgesendet, wobei der Einfall der Strahlung auf die Probe 10 vorzugsweise senkrecht zur Oberfläche an der Vorderseite 14 der Probe 10 erfolgt. Eine Bestimmung S4 der Temperatur ϑ aus der spektralen Position der Bandkante λ_BK mittels einer bekannten Abhängigkeit ϑ(λ_BK) erfolgt somit erfindungsgemäß mittels der Bestimmung S1 eines Transmissionsspektrums T(A) und der Bestimmung S2 eines Reflexionsspektrums R(A).
3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform (mit Zusatzlichtquelle) eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Temperatur ϑ einer Probe 10 mittels der Bandkantenmethode. Diese Ausführungsform basiert auf den in 1b) beschriebenen Zusammenhängen. Daher gelten die Bezugszeichen und deren Zuordnung entsprechend. Analog zur Ausführungsform nach 2 erfolgen auch hier zusätzlich ein Einstrahlen einer zweiten optischen Strahlung B auf eine zu beschichtende Oberfläche 14 der Probe 10, wobei die zweite optische Strahlung B ein zweites Intensitätsspektrum I₂(λ) aufweist und der spektrale Bereich der zweiten optischen Strahlung B den spektralen Bereich der ersten optischen Strahlung A umfasst, und eine Messung der nach Reflexion an der Oberfläche erhaltenen Strahlung B' zur Bestimmung S2 eines Reflexionsspektrums R(A). Es wird diesbezüglich auf die Beschreibung zur 2 verwiesen.
4 zeigt eine simulierte Änderung der Bandkantensignatur in Abhängigkeit von der Dicke eines Schichtstapels 12. In der Simulation wurden auf eine 100 µm dicke, doppelseitig polierte GaAs-Probe (bei ϑ = 300 K) unterschiedlich dünne Schichten Al_0.5GaAs aufgebracht, welche die Bandkantensignatur der Probe (durchgezogene Linie) sichtbar deformieren und zu einer verfälschten Temperaturmessung führen würden. Im Diagramm ist weiterhin angegeben, in welche Richtung sich die Bandkantensignatur bei steigender Temperatur ϑ verschieben würde.
5 zeigt eine simulierte Abhängigkeit der Korrekturfunktion K(A) in Abhängigkeit von der Dicke eines Schichtstapels 12. In der Simulation wurde ein Schichtsystem aus Al_0.5GaAs auf GaAs (bei ϑ = 300K) für zwei unterschiedliche Dicken der Al_0.5GaAs-Schicht gegenüber gestellt. Die Korrekturfunktion K(A) wurde dabei gemäß Formel (2) $K (λ) = \frac{1 - R (λ)}{1 - R_{0} (λ)}$
aus dem Reflexionsspektrum R(A) berechnet, wobei im Divisor das Reflexionsspektrum R_o(λ) der Probe vor der Beschichtung steht.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Korrekturfunktion K(A) beim Aufbringen eines Schichtstapels 12 aus teilabsorbierenden Schichten. Es handelt sich um ein Verfahren, bei dem durch iterative Wiederholung der Schritte c) bis e) nach Anspruch 1 die Temperatur ϑ mittels einer Korrekturfunktion K (A) aus dem Reflexionsspektrum R(A) und einem Startwert ϑ₀ für die Temperatur ϑ als Parameter eines Modells für die bereits aufgebrachte Schichtstruktur 12 berechnet wird, wobei eine während der Iteration in Schritt e) bestimmte Temperatur solange als neuer Temperaturparameter für das Modell eingesetzt wird, bis die Abweichung zwischen dem aktuellen Wert für die Temperatur ϑ_i und der damit in Schritt e) bestimmten Temperatur ϑ_i+1 unterhalb eines festgelegten Schwellwertes liegt. Im Einzelnen erfolgen zunächst eine erfindungsgemäße Bestimmung S2 eines Reflexionsspektrums R(A) sowie eine Bestimmung S30 eines Startwerts ϑ₀. Mit diesen Parametern erfolgt eine Anpassung S31 des Modells für die bereits aufgebrachte Schichtstruktur 12. Mit Hilfe des Models wird anschließend eine Berechnung S32 einer Korrekturfunktion K(λ) durchgeführt. Eine Berechnung S3 eines Oberflächen-korrigierten Transmissionsspektrums T'(λ) erfordert die Bestimmung S1 eines Transmissionsspektrums T(λ). Eine Bestimmung S4 der Temperatur ϑ_i erfolgt dann mittels der herkömmlichen Bandkantenmethode.
Für die Iteration ist weiterhin ein Vergleich S41 der Differenz |ϑ_i+1-ϑ_i| mit einem festgelegten Schwellwert vorzunehmen. Ist die Differenz größer als der Schwellwert, erfolgt eine erneute Anpassung S31 des Modells für die bereits aufgebrachte Schichtstruktur 12, wobei der aktuelle Wert für die Temperatur ϑ_i+1 als neuer Temperaturparameter für das Modell eingesetzt wird. Anschließend werden in einem weiteren Iterationsschritt die entsprechenden Schritte erneut durchlaufen, wobei innerhalb der Iterationsschleife jedoch keine erneute Bestimmung S1 des Transmissionsspektrums T(A) erfolgt. Diese wird für die Berechnung S3 eines iterativ verbesserten Oberflächen-korrigierten Transmissionsspektrums T'(λ) unverändert aus dem vorhergehenden Durchlauf übernommen. Ist schließlich beim Vergleich S41 der Differenz |ϑ_i+1-ϑ_i| die Differenz kleiner als der Schwellwert, erfolgt eine Ausgabe S42 der Temperatur ϑ_i+1 als endgültiges Ergebnis der Temperaturmessung.
7 zeigt eine Kalibriervorschrift zur Ableitung der Kalibrierkurve einer Probe 10 unbekannter Dicke d mittels emissivitätskorrigierter Pyrometrie. Die für eine vorgegebene Probendicke d₁ bekannte Abhängigkeit ϑ_d1(λ_BK) wird hierbei zur Bestimmung der Abhängigkeit ϑ_d2(λ_BK) für eine davon abweichende Probendicke d₂ genutzt, indem mit einem emissivitätskorrigierten Pyrometer in einem Temperaturbereich Δϑ, der sowohl vom Pyrometer als auch vom erfindungsgemäßen Verfahren abgedeckt wird, die Abhängigkeit λ_BK(ϑ) ermittelt wird und aus dem Verlauf der bekannten Abhängigkeit ϑ_d1(λ_BK) die Abhängigkeit ϑ_d2(λ_BK) im Temperaturbereich außerhalb Δϑ, der nur vom erfindungsgemäßen Verfahren abgedeckt ist, entsprechend angepasst wird. Aus einer bekannten Kalibrierkurve für eine bestimmte Probendicke (d₁ = 750 µm) kann darüber für eine Probe 10 gleichen Materials, aber nicht exakt bekannter Dicke d₂, eine analoge Kalibrierkurve abgeleitet werden. Dazu wird eine emissivitätskorrigierte pyrometrische Messung für einen Satz von verschiedenen Temperaturen in einem Temperaturbereich Δϑ (sog. gemeinsamer Temperaturbereich) durchgeführt, in dem sowohl eine Bandkantenmessung als auch eine pyrometrische Messung (d.h. es werden ausreichend viele thermische Photonen emittiert) möglich ist. Die Kalibrierkurve kann anschließend so modifiziert bzw. extrapoliert werden (z.B. durch Offset-Verschiebung oder andere geeignete Verfahren), dass diese mit der pyrometrischen Messung im gemeinsamen Temperaturbereich übereinstimmt.
Bezugszeichenliste

10: Probe
12: Schichtstapel
14: Vorderseite
16: Rückseite
20: erste Strahlungsquelle
22: zweite Strahlungsquelle
30: Spektrometer
S1: Bestimmung eines Transmissionsspektrums T(A)
S2: Bestimmung eines Reflexionsspektrums R(A)
S30: Bestimmung eines Startwerts ϑ₀
S31: Anpassung des Modells für die bereits aufgebrachte Schichtstruktur
S32: Berechnung einer Korrekturfunktion K(A)
S3: Berechnung eines Oberflächen-korrigierten Transmissionsspektrums T'(λ)
S4: Bestimmung der Temperatur ϑ bzw. ϑ_i (bei iterativer Berechnung)
S41: Vergleich der Differenz |ϑ_i+1-ϑ_i| mit einem festgelegten Schwellwert
S42: Ausgabe der Temperatur ϑ
A, A': erste optische Strahlung
B, B': zweite optische Strahlung
d: Probendicke
BK: Bandkante
ϑ: Temperatur der Probe
ϑP: Prozesstemperatur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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Johnson et al., In situ temperature control of molecular beam epitaxy growth using band-edge thermometry, J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 16, 1502 (1998) [0009]
Shen et al., Photoreflectance of GaAs and Ga_0.82Al_0.18As at elevated temperatures up to 600 °C, Appl. Phys. Lett. Vol. 53, 1080 (1988) [0009]
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Farrer et al., Substrate temperature measurement using a commercial band-edge detection system, J. Cryst. Growth, Vol. 301-302, 88, 2007 [0010]

Claims

Verfahren zur in-situ Bestimmung der Temperatur ϑ einer Probe (10) beim Auftragen eines Schichtstapels (12) innerhalb einer Beschichtungsanlage, folgende Schritte umfassend: a) Durchstrahlen der Probe (10) mit einer ersten optischen Strahlung (A), wobei die erste optische Strahlung (A) ein erstes Intensitätsspektrum I₁(λ) aufweist, welches sich spektral zu beiden Seiten einer Bandkante (BK) der Probe (10) erstreckt, und Messung der nach Durchstrahlen der Probe (10) erhaltenen Strahlung (A') zur Bestimmung (S1) eines Transmissionsspektrums T(λ); b) Einstrahlen einer zweiten optischen Strahlung (B) auf eine zu beschichtende Oberfläche der Probe (10), wobei die zweite optische Strahlung (B) ein zweites Intensitätsspektrum I₂(λ) aufweist und der spektrale Bereich der zweiten optischen Strahlung (B) den spektralen Bereich der ersten optischen Strahlung (A) umfasst, und Messung der nach Reflexion an der Oberfläche erhaltenen Strahlung (B') zur Bestimmung (S2) eines Reflexionsspektrums R(λ); c) Berechnung (S3) eines Oberflächen-korrigierten Transmissionsspektrums T'(λ) durch Bildung des Quotienten aus dem Transmissionsspektrum T(A) und einer Korrekturfunktion K(A) gemäß Formel (1) $T' (λ) = T (λ) / K (λ),$
wobei die Korrekturfunktion K(λ) aus dem Reflexionsspektrum R(λ) berechnet wird; d) Bestimmung der spektralen Position der Bandkante λ_BK aus dem Transmissionsspektrum T'(λ); und e) Bestimmung (S4) der Temperatur ϑ aus der spektralen Position der Bandkante λ_BK mittels einer bekannten Abhängigkeit ϑ(λ_BK).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Transmissionsspektrum T(λ) um ein normiertes Transmissionsspektrum T_norm(λ) und bei dem Reflexionsspektrum R(λ) um ein normiertes Reflexionsspektrum R_norm(λ) handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei beim Aufbringen eines Schichtstapels (12) aus transparenten Schichten die Korrekturfunktion K(A) gemäß Formel (2) $K (λ) = \frac{1 - R (λ)}{1 - R_{0} (λ)}$
aus dem Reflexionsspektrum R(λ) berechnet wird, wobei im Divisor das Reflexionsspektrum R₀(λ) der Probe (10) vor der Beschichtung steht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei beim Aufbringen eines Schichtstapels (12) aus teilabsorbierenden Schichten die Temperatur ϑ mittels einer Korrekturfunktion K(λ) bestimmt wird, welche durch iterative Wiederholung der Schritte c) bis e) aus dem Reflexionsspektrum R(λ) und einem Startwert ϑ₀ für die Temperatur ϑ als Parameter eines Modells für die bereits aufgebrachte Schichtstruktur (12) berechnet wird, wobei eine während der Iteration in Schritt e) bestimmte Temperatur solange als neuer Temperaturparameter für das Modell eingesetzt wird, bis die Abweichung zwischen dem aktuellen Wert für die Temperatur ϑ_i und der damit in Schritt e) bestimmten Temperatur ϑ_i+1 unterhalb eines festgelegten Schwellwertes liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Startwert ϑ₀ für die Temperatur ϑ die dem Reflexionsspektrum R(λ) zugehörige Prozesstemperatur ϑ_P in der Beschichtungsanlage ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abhängigkeit ϑ(λ_BK) entsprechend dem Material der Probe (10) und der Probendicke d zumindest näherungsweise aus einer Referenzdatenbank entnommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die für eine vorgegebene Probendicke d₁ bekannte Abhängigkeit ϑ_d1(λ_BK) zur Bestimmung der Abhängigkeit ϑ_d2(λ_BK) für eine davon abweichende Probendicke d₂ genutzt wird, indem mit einem emissivitätskorrigierten Pyrometer in einem Temperaturbereich Δϑ, der sowohl vom Pyrometer als auch vom Verfahren abgedeckt wird, die Abhängigkeit λ_BK(ϑ) ermittelt wird und aus dem Verlauf der bekannten Abhängigkeit ϑ_d1(λ_BK) die Abhängigkeit ϑ_d2(λ_BK) im Temperaturbereich außerhalb Δϑ, der nur vom erfindungsgemäßen Verfahren abgedeckt ist, entsprechend angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei, ausgehend von einer bekannten Abhängigkeit ϑ(λ_BK) für eine bekannte Probendotierung, eine entsprechende Abhängigkeit für eine Probe mit abweichender oder unbekannter Dotierung ermittelt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend: a) eine zweite Strahlungsquelle (22), eingerichtet zum Einstrahlen der zweiten optischen Strahlung (B) auf die zu beschichtende Oberfläche der Probe (10); b) ein Spektrometer (30), eingerichtet zur Bestimmung des Transmissionsspektrums T(λ) sowie eines Reflexionsspektrums R(λ); und c) eine elektronische Datenverarbeitungseinrichtung, eingerichtet zur Durchführung der Verfahrensschritte c) bis e) aus Anspruch 1 unter Verwendung des Transmissionsspektrums T(λ) und des Reflexionsspektrums R(A) zur Bestimmung der Temperatur ϑ.
Vorrichtung nach Anspruch 9, weiterhin umfassend eine erste Strahlungsquelle (20), eingerichtet zum Durchstrahlen der Probe (10) mit der ersten optischen Strahlung (A).