DE4414391A1 - Verfahren und Vorrichtung für wellenvektorselektive Pyrometrie in Schnellheizsystemen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung für wellenvektorselektive Pyrometrie in SchnellheizsystemenInfo
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Description
Das Ziel dieser Erfindung ist die Einführung einer neuen optischen
Temperaturmeßmethode in Schnellheizsystemen, wenn Interferenzeffekte die
konventionellen optischen Meßmethoden (Pyrometrie) stören. Damit ist die Anwendung
dieser Methode insbesondere bei rückseitenbeschichteten Scheiben und bei RT-CVD
Verfahren (Rapid Thermal Chemical Vapour Deposition) vorteilhaft. Es ist bekannt, daß
die Bestimmung der Scheibentemperatur mit optischen Verfahren in Schnellheizsystemen
deshalb eine besonders komplizierte Aufgabe ist, weil die Emission der Scheibe von der
weitaus intensiveren Hintergrundstrahlung der Heizanlage herausgefiltert werden muß. Die
Genauigkeit der Temperaturmessung wird grundsätzlich durch die Selektivität dieses
Filters bestimmt. Die Hintergrundstrahlung der Lampen der Heizanlage kann entweder
durch Reflexion an der Scheibenoberfläche oder durch Transmission durch die Scheibe als
Störsignal das Pyrometer beeinflussen.
Die optische Temperaturmessung mittels Pyrometer in Schnellheizsystemen
erfordert die Auswahl einer geeigneten Wellenlänge. Die Auswahl der Meßwellenlänge
oder der Meßbandbreite des Pyrometers wird aufgrund verschiedener
Materialeigenschaften der Reflektorkammer, des Prozeßrohres und der verwendeten
Strahlerquellen des Schnellheizsystems getroffen. Beispiele sind hier U.S.-Pat. 5.188.458
und DE 40 12 615 C2.
Eine Besonderheit stellt dabei die sogenannte "Ripple-Technik" (U.S.-Pat.
507.605) dar. Hierbei wird die Lampenleistung mit einer Frequenz von 5-120 Hz
moduliert, mit einer von zwei Lichtfasern das Lampensignal direkt und mit der zweiten das
Emissionssignal der Scheibe gemessen. Der Reflexionsfaktor wird dann durch das
Verhältnis der Wechselanteile dieser Signale bestimmt. Nachteil dieser Technik ist die
thermische Empfindlichkeit und die aufwendige mechanische Justierung der Lichtfasern.
Die Verwendung von optischen Wellenleitern (Lightpipe) oder die direkte
Messung mit einem Pyrometer ändert nichts an den o.g. Meßprinzipien.
Der beste Signalrauschabstand, der mit monochromatischer oder Schmalband-
Pyrometrie erreicht werden kann, ist etwa 10³ (DE 40 12 615 C2). Dies bedeutet eine 1000-
fache Reduzierung der Hintergrundstrahlung im Pyrometersignal, womit eine gute Repro
duzierbarkeit bei der Messung der Scheibentemperatur erreicht werden kann.
Monochromatische oder Schmalband-Pyrometrie kann durch Interferenzeffekte sehr stark
beeinflußt werden. Sie ist praktisch unbrauchbar, wenn auf der gemessenen Scheiben
oberfläche optische dünne Schichten mit variablen Schichtdicken vorkommen. In solchen
Fällen kann eine Pyrometrie nur bei einer entsprechend großen Bandbreite funktionieren.
Die Bandbreite muß dabei so groß sein, daß sich konstruktive und destruktive Interferenz
effekte innerhalb dieser Bandbreite des Pyrometers kompensieren. Die Bandbreite kann
vorteilhaft auch dadurch vergrößert werden, indem man zwei oder mehrere Pyrometer
oder optische Sensoren einsetzt, die ihre Empfindlichkeitsmaxima bei verschiedenen
Wellenlängen haben.
Ein Breitbandfilter der Hintergrundstrahlung ist aus energiebilanztechnischen
Gründen nicht vorstellbar.
Wir haben erkannt, daß in optischen Schnellheizsystemen die Möglichkeit besteht,
Photonen der Heizquelle und Photonen der gemessenen Scheibe aufgrund ihrer Ausbrei
tungsrichtung (Wellenvektor) zu unterscheiden. Wir haben die Winkelverteilung der von
der Scheibe absorbierten Lampenstrahlung durch ein statistisches Verfahren für den Fall
rechteckiger und zylindrischer Reflektorkammern ermittelt. Die Ergebnisse für eine
rechteckige Reflektorkammer mit 27 Stablampen und mit einer 150 mm Si-Scheibe
werden in Fig. 1 dargestellt. Die Verteilungen in Fig. 1a, b und c zeigen die
Winkelverteilung der von der Scheibe absorbierten Lampenphotonen im Falle der
Kammerreflektivitäten (gerichtete Reflexion) von R=0.98, R=0.88 und R=0.5. Es ist
wichtig zu erwähnen, daß die Ergebnisse nur sehr wenig von der Kammerreflexion und
auch nur wenig von der Scheibengröße abhängig sind. Im Falle einer zylindrischen
Kammer sind die Ergebnisse ähnlich.
Wichtig dabei ist, daß die Oberfläche der Reflektoren ideal eben ist und keine
Makrowelligkeit oder mechanischen Inhomogenitäten aufweist. Somit gibt es nur eine
geringe Anzahl von Photonen, die senkrecht (oder parallel) die Scheibenoberfläche treffen.
Die Winkelverteilung der Lampenstrahlung läßt sich mit verschiedenen Reflektorformen
ändern oder richten.
Die Reflexion an den Seitenwänden der Kammer sollte ideal retroreflektiv,
ersatzweise aber geometrisch mit einem möglichst kleinen diffusen Anteil erfolgen.
Außerhalb der unmittelbaren Nähe des Strahlungsdurchgangs ist eine
Spiegelreflexion nicht unbedingt erforderlich.
Die erwärmte Scheibe emittiert die Strahlung näherungsweise wie ein
LAMBERT′scher Strahler. Mißt man also die Scheibenemission vorwiegend aus einer
Richtung, in die kaum Lampenphotonen reflektiert werden, also z. B. senkrecht zur Ober
fläche, so hat man die Möglichkeit einer Selektion der Hintergrundstrahlung im gesamten
oder zumindest einem sehr breiten Wellenlängenbereich der Scheibenemission.
Selbstverständlich darf dabei der optische Sensor (Pyrometer) nicht direkt unter
oder über einer Lampe messen.
Eine stärkere diffuse Reflexion der Scheibenoberfläche macht die Messung
ungenau. Vorteilhafterweise wächst Jahr für Jahr die Zahl der in der in der Halbleiter
produktion verwendeten Scheiben, die eine polierte, halbpolierte oder feingeätzte
Rückseite haben.
Durch die kleinere spezifische Oberfläche der feinen Scheibenstrukturen kann die
Menge der Verunreinigungen, die während der Produktion an der Rückseite adsorbiert
werden können, reduziert werden. Die Fronseite der Scheiben ist immer poliert, Mikro
strukturen auf der Oberfläche können u. U. mehr oder weniger dies reflektieren. Auf dem
nicht strukturierten Scheibenrand ist die Oberfläche immer fein poliert. Teststrukturen
haben oft größere homogene ebene Oberflächenteile. An solchen Stellen kann die
Temperaturmessung auch ausgeführt werden, wenn andere Teile der Oberfläche stärker
diffus reflektieren.
Das Problem der optischen Temperaturmessung von Halbleiterscheiben bei
niedrigen Temperaturen ist bekannt. Die wenig dotierten Si-Scheiben mit einer
herkömmlichen Dicke von 0.5- 0.8 mm sind im infraroten Bereich von über 1.1 µm bis
etwa 600°C semitransparent, die Gallium-Arsenid Scheiben sogar bis 800°C und 900°C.
Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, daß bei niedrigen Temperaturen ein Teil der
Hintergrundstrahlung nicht nur durch Reflexion, sondern auch durch Transmission das
Pyrometersignal stören kann.
Die Selektivität der wellenvektorselektiven Pyrometrie kann verbessert werden,
wenn die Emission des ausgewählten Oberflächenteils der Scheibe sowohl an der
Frontseite, als auch an der Rückseite gemessen wird. Es ist dabei wieder wichtig, daß im
Sehfeld vom Pyrometer kein Lampenfaden vorhanden ist. Eine mögliche Anordnung ist die
Messung mit einer kleinen Apertur und in einem breiten (z. B. infraroten)
Wellenlängenbereich.
Wenn die Scheibenrückseite nur eine schwach diffuse Reflexion aufweist und die
Reflektorkammer poliert ist, so wird mit einer kleinen Apertur nur eine kleine Störung des
Pyrometersignals durch diffuse Reflexionen der Lampenstrahlung erfolgen.
Der Sehwinkel des Pyrometers kann zusätzlich mit einem konischen Absorber
ummantelt werden. So wird ein Rohr mit einem konischen Loch zwischen dem Pyrometer
und dem Quarzreaktor der Schnellheizkammer eingesetzt. Dieses Rohr kann z. B. aus mit
SiC beschichtetem Graphit bestehen und hat die Aufgabe, alle Photonen zu absorbieren,
die sich nicht senkrecht von der Scheibenoberfläche fortpflanzen.
Die Genauigkeit der Niedertemperaturmessung wird erhöht, indem (im Sehfeld des
unteren Pyrometers) in den oberen Teil der Reflektorkammer ein zusätzliches Loch einge
arbeitet wird. Der Durchmesser dieses Loches wird durch die Apertur des unteren
Pyrometers und durch die Höhe der Reflektorkammer bestimmt. Es ist wichtig, daß das
untere Pyrometer in seinem Sehwinkel oben nur ein schwarzes Loch und keine Teile der
Reflektorkammer sieht. So kann auch bei semitransparenten Scheiben vom oberen
Reflektorteil keine Strahlung ins untere Pyrometer gelangen.
Durch das obere Loch läßt sich die Temperaturmessung mit einem zusätzlichen
Pyrometer ergänzen. Dieses Pyrometer mißt die Emission an der Frontseite der Scheibe,
vorteilhaft bei kleineren Wellenlängenbereichen, in denen die gemessene Scheibe opaque
ist.
Die Signale der beiden Pyrometer können je nach Temperaturbereich wahlweise
oder gleichzeitig für die Ermittlung der Scheibentemperatur verwendet werden. Welche
der vorgeschlagenen Meßwellenlängen im oberen und welche im unteren Pyrometer
eingesetzt wird hängt von der Scheibenbeschaffenheit ab. Anstatt eines zweiten
Pyrometers kann das vorgesehene Loch optionell mit einer schwarzen Lagerschraube
verschlossen werden. So ist sichergestellt, daß bei transmittierenden Scheiben keine
Lampensignale vom gegenüberliegenden Reflektor ins verbleibende Pyrometer gelangen.
Die Lagerschraube kann am Kopf mit einer hochreflektierenden Goldschicht überzogen
werden, damit durch die Höheneinstellung dieser Schraube die lokale Reflexion justierbar
wird. Die Temperaturhomogenität der Scheibe läßt sich dadurch besser optimieren.
Eine herkömmliche Kalibration ist auch in der durch diese Erfindung bekannt
gemachten Wellenvektor selektiven Pyrometrie notwendig. Vorteil ist, daß auf Grund der
Breitband-Pyrometrie Interferenzeffekte automatisch kompensiert werden und das inte
grierte Pyrometer Signal wesentlich größer ist als in der monochromatischen Pyrometrie.
Die Wellenvektorselektive Pyrometrie läßt sich auch bei Intensitätsmodulation der Heiz
lampen einsetzen, also auch bei der bekannten "Ripple-Technik". Eine breitbandige
Messung ist natürlich auch in diesem Fall vorteilhaft.
Die mehrfache gerichtete Reflexion in der Reflektorkammer führt je nach
Reflektorkonstruktion zu einer gewissen Polarisation der Lampenstrahlung. Die
Verwendung eines drehbaren Polarfilters vor dem Pyrometer führt zur weiteren Reduktion
der reflektierten Lampensignale.
Wenn die diffuse Reflexion an der gemessenen Oberfläche der Scheibe so groß ist,
daß sie die Temperaturmessung stört, so kann man die reflektierte Strahlungsenregie
abhängig von der Lampenleistung kalibrieren. Diese Möglichkeit bietet sich, weil die
thermische Trägheit der Lampen wesentlich kleiner ist als die der Halbleiterscheiben.
Auch wenn innerhalb 1-2 Sekunden auf die maximale Lampenleistung gerampt wird, kann
das Pyrometersignal in Abhängigkeit der Lampenleistung gespeichert werden. Bei dieser
Art von Kalibration läßt sich die Emission der Scheibe im Vergleich zur Hintergrund
strahlung vernachlässigen. Später wird das hier gespeicherte Pyrometersignal von dem
aktuellen Pyrometersignal in Abhängigkeit zur aktuellen Leistung subtrahiert.
In Fig. 1 ist ein Beispiel für eine Spiegelkammer mit Wellenvektor selektiver
Pyrometrie in einem Schnellheizsystem dargestellt.
In der Schellheizkammer "A" sind die inneren Oberflächen "B" als Reflektoren aus
gebaut. Die Kammer selbst kann z. B. aus Messing hergestellt werden, wobei die
Reflektoroberflächen feinpoliert und vergoldet sind. Als Heizquellen dienen Wolfram-
Halogen-Stablampen angeordnet in zwei Bänken, unten "C" und oben "D". Die zu
messende Halbleiterscheibe "E" liegt genau waagrecht auf in Kelchen eingesetzten Quarz
stiften. Die wichtige planparallele Positionierung der Halbleiterscheibe läßt sich durch die
Längenabstimmung dieser Quarzstifte erreichen. Schnellheizprozesse werden im Quarz
reaktor "G" durchgeführt. Das Pyrometer "H" mißt die Scheibenemission durch das
schwarze Loch "I" in der senkrechten Richtung. Durch die Scheibe durchgehende
reflektierte Lampenstrahlen werden durch das Loch "J" reduziert. Hier bietet sich die
Möglichkeit eine Lagerschraube "K" einzusetzen oder mit einem zusätzlichen Pyrometer
vorteilhaft bei einer anderen Wellenlänge zu messen. Die Lagerschraube kann unten eine
schwarze Fläche haben, sie kann aber auch mit einer geeigneten Oberflächenform und
Reflektivität ausgestattet sein. Durch Höheneinstellung dieser Lagerschraube läßt sich die
lokale Reflexion im Sehfeld des unteren Pyrometers justieren.
Die Erfindung ermöglicht die genauere Temperaturmessung von Selektivstrahlern
in Schnellheizsystemen.
Im Vergleich zu den herkömmlichen Wellenlängenselektiven oder Intensitätsmodu
lationsselektiven Verfahren selektriert die wellenvektorselektive Pyrometrie die Hinter
grundstrahlung in einem wesentlich größeren Energiebereich. Die Winkelverteilung der
gesamten Lampenstrahlung wird mit verschiedenen Reflektorformen charakteristisch
gerichtet und die Temperaturmessung erfolgt von einer Richtung, in der die Hintergrund
strahlung ihr Minimum hat. Vorteil dieser Methode ist, daß Interferenzeffekte diese
Messung kaum beeinflussen.
Claims (14)
1. Verfahren für die optische Temperaturerfassung in Schnellheizsystemen durch
Wellenvektor selektive Trennung der Hintergrundstrahlung dadurch
gekennzeichnet, daß die gesamte Strahlung in der Heizkammer durch mehrfache
Spiegelreflexionen charakteristisch gerichtet wird und die Scheibenemission
abweichend von der dominanten Strahlungsrichtung gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibenemission in
großer Bandbreite gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite
der Messung der Scheibenemission durch Verwendung von zwei verschiedenen
optischen Sensoren erhöht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Sehfeld des
einen Pyrometers die lokale Reflexion der Spiegelkammer reduziert wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen der gemessenen Scheibe und dem optischen Sensor ein Polarisationsfilter
eingesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die störenden Lampensignale im Pyrometersignal mit einem schnellen Ramping der
Heizleistung kalibriert werden.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Heizleistung der Lampen moduliert wird.
8. Vorrichtung für die optische Temperaturerfassung in Schnellheizsystemen durch
Wellenvektor selektive Trennung der Hintergrundstrahlung dadurch
gekennzeichnet, daß die gesamte Strahlung in der Heizkammer durch mehrfache
Spiegelreflexionen charakteristisch gerichtet wird und die Scheibenemission
abweichend von der dominanten Strahlungsrichtung gemessen wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibenemission
in großer Bandbreite gemessen wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite
der Messung der Scheibenemission durch Verwendung von zwei verschiedenen
optischen Sensoren erhöht wird.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Sehfeld des
einen Pyrometers die lokale Reflexion der Spiegelkammer reduziert wird.
12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der gemessenen Scheibe und dem optischen Sensor ein Polarisations
filter eingesetzt wird.
13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die störenden Lampensignale im Pyrometersignal mit einem schnellen Ramping
der Heizleistung kalibriert werden.
14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Heizleistung der Lampen moduliert wird.
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