DE1948711A1 - Elektrische Temperaturmessanordnung - Google Patents

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH

Böblingen, 25. September 1969 lo-rz

Anmelderin: International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 10 Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: Docket FI 968 017 Elektrische Temperaturmeßanordnune

Die vorliegende Erfindung betrifft die Anordnung eines elektrischen Temperaturfühlers vorzugsweise zur Messung der Temperatur in einer Reaktionskammer zur Herstellung dünner Halbleiterschichten.

Die Herstellung beispielsweise von dünnen Haibleiterschichten mit gleicher Kristallorientierung, also als Einkristallschichten, auf einer Einkristall-Halbleiterunterlage» d.h. von sogenannten Epitaxialschichten, erfolgt in einer geschlossenen Reaktionskammer, der die erforderlichen gasförmigen Reaktionsstoffe unter niedrige» Druck zugeführt werden· Die Stoffabscheidung aus der Gasphase geht nur bei relativ hohen Temperaturen vor sich, die mit Rücksicht auf die gewünschte Qualität und Einheitlichkeit der Schichten in jeder Fabrikationsphase aller aufeinanderfolgenden Beschickungen der Reaktionskammer mit je einer Charge aus zahlreichen Halbleiterunterlagen genau eingehalten und

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konstant gehalten werden müssen. Für die Erzeugung dieser hohen Temperaturen hat sich das Prinzip des Induktionsofens bewährt, d.h. die Erwärmung durch große Wirbelströme, die in einem strom- und wärmeleitenden Teil im Innern der Reaktionskammer, nämlich in einer Trägerplatte z.B. aus Graphit (auf der die Halbleiterunterlagen gut wärmeleitend befestigt sind), induktiv mittels einer die Rekationskammer umgebenden, von Hochfrequenz- f strom durchflossenen Heizspule erzeugt werden. Durch Steuerung dieses Hochfrequenzstromes ist die Temperatur der Trägerplatte und somit des Kammerinneren leicht regelbar.

Eine Regelung der Temperatur in der Reaktionskammer setzt aber eine .genaue Temperaturmessung vorzugsweise an der Oberfläche der genannten Trägerplatte voraus, auf der auch die zu beschichtenden Halbleiterunterlagen angeordnet bzw. befestigt werden. Für die genaue Messung hoher Temperaturen werden nun seit langem Thermoelemente mit Erfolg verwendet. Verschiedene Thermoelemente sind genormt hinsichtlich Material, Abmessungen und Isolierungen der Thermodrähte, der Thermospannungen und ihrer Toleranzen, der metallenen oder keramischen Schutzrohre sowie der zugehörigen Armaturen und Anschlußleitungen. Für den Einbau der Thermoelemente am Meßort bestehen amtliche Richtlinien, um die Meßfehler genügend klein zu halten. So ist bei Temperaturmessungen in bzw. an der Oberfläche von festen Körpern eine Mindest-Einbaulänge des Thermoelements längs einer Isotherme einzuhalten, die v<m der Wärmeleitfähigkeit der Thermodrähte und des Körpers :t uüd beim Aufkleben des Thermoelements auf die Ober-

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fläche wesentlich größer sein muß als bei seiner Einbettung (mit Einkleben) in eine entsprechende Nut in der Oberfläche.

Das Aufkleben des Thermoelements auf die Oberfläche der Trägerplatte in der Reaktionskammer beansprucht aber kostbaren Platz, der für die Aufnahme einer ganzen Anzahl von zu beschichtenden Halbleiterunterlagen verlorengeht. Dasselbe gilt auch für das Einbetten des Thermoelements in eine Nut in der Oberfläche der Trägerplatte, da im Bereich dieser Nut der Wärmeübergang in etwa darüber befestigte Halbleiterunterlagen gestört wäre und deren Temperatur unzulässig herabsetzen würde.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil des störenden Platzbedarfs auf der Arbeitsfläche der Trägerplatte durch die direkte Temperaturmessung mittels eines Thermoelements zu vermeiden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und Anordnung zur Messung der Temperatur einer solchen Trägerplatte wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Temperaturmessung indirekt erfolgt an einem Vergleichskörper vorzugsweise aus dem gleichen Material, z.B,, Graphit, wie die Trägerplatte, der sich außerhalb der Reaktionskammer in einem Hochfrequenzmagnetfeld von solcher Stärke befindet, die derjenigen des von der Heizspule in der Reaktionskammer erzeugten Magnetfeldes proportional ist, und zwar vorzugsweise mittels eines Thermoelements, dessen Temperaturanzeige zuvor durch gleichzeitige Temperaturmessung Docket FI 968 017 ■ nnQflK/imn

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auf der Oberfläche der Trägerplatte mittels eines zweiten geeichten Thermoelements mit den Temperaturwerten der Trägerplatte geeicht wurde.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen genauer beschrieben. Von letzteren sind

Fig. 1 ein Schnittbild der Reaktionskammer und der sie umgebenden Heizspule sowie des zwischen beiden angeordneten Vergleichskörpers mit Thermoelement und Gehäuse;

Fig. 2 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, des Vergleichskörpers mit Thermoelement und Gehäuse*

Fig. 1 zeigt eine Reaktionskammer 10, die aus einer Grundplatte 11 und einer Glocke 12 gebildet wird» die aus einem geeigneten Material, z.B. Quarz, bestehen. Eine Trägerplatte 1.4, auf deren Oberseite mehrere Halbleiterunterlagen (sogenannte Substrate) 15 liegen, ist auf der Grundplatte TT in der Kammer 10 ange~ bracht. Auf den Halbleiterunterlagen 15 werden dünne Epitaxialschichten erzeugt durch Abscheidung der gewünschten Stoffe aus geeigneten Gasen, die meist unter niedrigem Druck mittels Eingangsleitungen 16 in die Kammer 10 eingeführt werden. Die bei der chemischen Reaktion entstehenden Abgase entweichen durch die Ausgangs leitung 17.

Eine vorzugsweise aus einem wassergekühlten Kupferrohr bestehende und von Höchfrequenzstrom durchflossene Heizspule 18 umgibt

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die Reaktionskammer 10 und erwärmt induktiv die Trägerplatte 14, die aus einem für die Aufnahme elektromagnetischer Energie von der Heizspule 18 geeigneten elektrisch leitenden und gegenüber den in der Kammer 10 ablaufenden chemischen Reaktionen weitgehend neutralen Material, z.B. Kohlenstoff oder Graphit, besteht.

Durch Wärmeübertragung von dieser Trägerplatte 14 werden die auf ihr befindlichen Halbleiterunterlagen 15 auf die für deren Beschichtung erforderliche Temperatur erwärmt.

Erfindungsgemäß wird die Temperatur der Trägerplatte 14 und der Halbleiterunterlagen 15 indirekt gemessen an einem Vergleichskörper 19, der vorzugsweise aus dem gleichen Material hergestellt ist wie die Trägerplatte 14. Nach Fig. 1 ist der Vergleichskörper 19 zwischen der Außenwand der Reaktionskammer 10 und der Heizspule 18 in ihrem inneren magnetischen Randfeld angeordnet. Es genügt jedoch auch, wenn der Vergleichskörper 19 außerhalb der Heizspule 18, aber noch in einem genügend starken Teil ihres äußeren Magnetfeldes oder in einer zweiten räumlich getrennten, vorzugsweise kleineren Heizspule angeordnet ist, die von demselben Hochfrequenzstrom wie die Heizspule 18 oder von einem demselben proportionalen Teilstrom durchflossen wird. Voraussetzung ist nur, daß der Vergleichskörper 19 sich in einem hochfrequenten Magnetfeld befindet, das demjenigen, dem die Trägerplatte 14 in der Reaktionskammer 10 ausgesetzt ist, stets proportional ist und somit eine der Trägerplatte 14 proportionale Erwärmung dts Docket FI 968 017 009836/1070

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Vergleichskörpers 19 bewirkt. Durch die zweite Heizspule wird eine von der Reaktionskammer 10 räumlich völlig getrennte Anordnung des Vergleichskörpers 19 möglich, falls dies z.B. bei einer schwer zugänglichen Reaktionskammer wünschenswert ist.

Nach Fig. 2 befindet sich der Vergleichskörper 19 in einem vorzugsweise aus Quarz bestehenden Schutzgehäuse 20, das jedoch auch aus einem anderen geeigneten Material bestehen kann, das vom hochfrequenten Magnetfeld nicht beeinflußt und von hohen Temperaturen nicht, beschädigt wird.

Der Vergleichskörper 19 würde nämlich bei den hohen Temperaturen in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre durch den letzteren schnell zerstört werden. Deshalb wird er im Gehäuse 20 von einem chemisch neutralen Schutzgas, z.B. Stickstoff, umgeben, das über einen Einlaß 21 und einen Auslaß 22 erneuert werden kann.

Statt mittels eines Schutzgases kann der Vergleichskörper 19 auch durch ein Vakuum im Gehäuse 20 vor chemischen Veränderungen geschützt werden.

Durch beide Maßnahmen wird die durch chemische Veränderungen des Vergleichskörpers 19 gefährdete Konstanz seiner Temperaturverhältnisse für eine genügend lange Zeit aufrechterhalten. Bei Verwendung eines anderen geeigneten Materials für den Vergleirhskörper 19, das nicht oder nur wenig sauerstoffempfindlich ist,, od®r bei Inkaufnahme einer kürzeren Lebensdauer Docket FI 968 017 ''nnQfl Ifi / 1 Π7 Π

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des Vergleichskörpers kann gegebenenfalls auf das Schutzgehäuse 20 verzichtet werden.

Im Gehäuse 20 befindet sich nach Fig. 2 ein an seinem unteren Ende 24 geschlossenes Rohr 23, vorzugsweise aus Quarz, das in eine Bohrung 25 des Vergleichskörpers 19 hineinragt* Im Inneren des Rohres 23 befindet sich ein Thermoelement 26, dessen temperaturempfindliche Lötstelle das untere Ende 24 des Rohres 23 berührt und dessen beide Thermodrähte aus dem oberen offenen Ende des Rohres 23 herausgeführt sind zur Verbindung mit einem entsprechenden, nicht gezeichneten Temperatur-Anzeigegerät. Mit dem Rohr 23 ist eine Verschlußkappe 27 fest verbunden, die das Gehäuse 20 an der Einführungsstelle für das Rohr 23 abdichtet.

Das Gehäuse 20 ist auf geeignete Weise an der glockenförmigen Wand 12 der Reale ti ons kammer 10 innerhalb des Magnetfeldes der Heizspule 18 befestigt.

Wenn demnach durch das Thermoelement 26 die Temperatur des Vergleichskörpers 19 abgefühlt wird, so ist diese proportional der Temperatur der Trägerplatte 14 und der Halbleiterunterlagen 15., Bei einem Ansteigen der Temperatur im Vergleichskörper 19 muß also der an die Spule 18 gelieferte Strom verringert werden, um die in der Trägerplatte 14 in der Reaktionskammer 10 durch Induktion erzeugte Wärme herabzusetzen. Bei einem Absinken der Temperatur muß umgekehrt zwecks Erhöhung derselben der Stromfluß zur Heizspule 18 vergrößert werden. Docket FI 968 017 - --Q 0 9 8 3 6 / 1 0 7 0 ORIGINAL INSPECTSD

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Um aber von der Temperatur des Vergleichskörpers 19 auf die tatsächliche Temperatur der Trägerplatte 14 schließen zu können, muß zuvor das genaue Temperaturverhältnis durch eine Eichung festgestellt werden. Zu diesem Zweck werden unter den jeweiligen Betriebsbedingungen, d.h. bei der .betriebsmäßig verwendeten Lage des Vergleichskörpers 19 innerhalb oder außerhalb der Heizspule 18 oder innerhalb einer räumlich getrennt angeordneten zweiten Heizspule und bei dem für den Vergleichskörper 19 verwendeten, gegebenenfalls von der Trägerplatte 14 abitfeichenden Material, die zu den Temperaturanzeigen des Thermoelements 26 im Vergleichskörper 19 gehörenden wirklichen Temperaturen der Trägerplatte 14 mittels eines auf deren Oberfläche befestigten geeichten zweiten Thermoelements gemessen und in einer Eichtabelle oder einem Eichdiagramm oder noch besser durch direkte Eichung des Anzeigeinstruments für das Thermoelement 26 in Temperaturen der Trägerplatte 14 festgelegt.

Die indirekte Messung der Temperatur der Trägerplatte 14 mittels des Vergleichskörpers 19 ist besonders vorteilhaft bei einer Ausführungsform der Reaktionskammer 10, in der die Halbleiterunterlagen 15 während ihrer Beschichtung mittels der gegebenenfalls mehrteiligen Trägerplatte 14 ständig bewegt werden. In diesem Falle wäre eine direkte Temperaturmessung mittels eines auf der Oberfläche der Trägerplatte anzubringenden Thermoelements wegen der zwecks ruhender Herausführung der Thermodrähte in diese einzufügenden bewegten Kontaktvorrichtungen unmöglich.

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Claims (7)

1943711 PATENTANSPRÜCHE

1.) Verfahren und Anordnung zur Messung der Temperatür einer elektrisch leitenden Trägerplatte für in einer Reaktionskammer zu beschichtende Werkstücke, die durch eine die Reaktionskammer umgebende hochfrequnzgespeiste Heizspule erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmessung indirekt erfolgt an einem Vergleichskörper (19) vorzugsweise aus dem gleichen Material, z.B. Graphit, wie die Trägerplatte (14), der sich außerhalb der Reaktionskammer (10) in einem Hochfrequenzmagnetfeld von solcher Stärke befindet, die derjenigen des von der Heizspule 18 in der Reaktionskammer (10) erzeugten Magnetfeldes proportional ist, und zwar vorzugsweise mittels eines Thermoelements (26), dessen Temperaturanzeige zuvor durch gleichzeitige , Temperaturmessung auf der Oberfläche der Trägerplatte (14) mittels eines zweiten geeichten Thermoelements mit den Temperaturwerten der Trägerplatte (14) geeicht wurde.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichskörper (19) mit Thermoelement (26) zwischen der Reaktionskammer (10) und der Heizspule (18) in deren innerem mangetischen Randfeld angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichskörper (19) außerhalb der Heizspule (18), aber noch innerhalb ihres äußeren Magnetfeldes angeordnet ist.

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4. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichskörper (19) entfernt von Reaktionskammer (10) und Heizspule (18) innerhalb einer zweiten, vorzugsweise kleineren Heizspule angeordnet ist, die vom Strom der Hauptspule (18) oder einem proportionalen Teil desselben durchflossen wird.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichskörper (19) mit seinem Thermoelement (26) sich in einem gasdichten Gehäuse (20) in einer neutralen Gasatmosphäre, z.B. Stickstoff, befindet.

6. -Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Vergleichskörper (19) und Thermoelement (26) in einem evakuierten Gehäuse (20) eingeschlossen sind.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichskörper (19) aus einem von der Trägerplatte (14) abweichenden Material besteht und von keiner Schutzatmosphäre umgeben ist.

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