DE4414391A1 - Verfahren und Vorrichtung für wellenvektorselektive Pyrometrie in Schnellheizsystemen - Google Patents

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.

Beispiel

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.