TW201343958A - 控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置及方法 - Google Patents

Abstract

一種控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置及方法，尤其適用於MOCVD反應室。裝置包括：位於腔室內的加熱器；位於腔室內加熱器附近且與加熱器相間隔開的托盤，用於承載基底；第一溫度控制單元，與承載基底的托盤表面耦接，用於測量該托盤表面溫度，基於設定溫度和托盤表面溫度輸出第一控制信號；第二溫度控制單元，與第一溫度控制單元相連，用於測量托盤和加熱器之間區域的中間溫度，還用於根據第一控制信號和中間溫度輸出第二控制信號；加熱器，與第二溫度控制單元耦接，用於根據第二控制信號進行加熱。相應地，本發明還提供一種控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的方法。本發明可以獲得穩定的基底溫度。

Description

控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置及方法

本發明涉及半導體設備領域，尤其涉及一種控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置及方法。

金屬有機化合物化學氣相沉積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)是在氣相外延生長的基礎上發展起來的一種新型氣相外延生長技術。MOVCD具有生長易於控制、可生長純度很高的材料、外延層大面積均勻性良好等的優點。

MOCVD反應器是用於製造高亮度LED晶片的主要工藝設備。參考圖1，示出了現有技術中MOCVD反應器一實施例的結構示意圖。MOCVD反應器包括：腔室10、位於所述腔室10底部的加熱器11，位於所述加熱器11上的托盤13，所述托盤13通過支撐結構12與旋轉機構關聯在一起，所述托盤13用於承載基底14，所述MOCVD反應器還包括位於腔室10頂部的供給器15。

具體地，在MOCVD反應器的工作過程中，所述供給器15用於向所述腔室10輸入含有有機金屬的原料氣體，所述加熱器11用於加熱，使原料氣體發生分解，從而在基底14表面形成薄膜。

具體地，MOCVD反應器內的工作溫度通常在500~1200℃的範圍內。現有技術的MOCVD反應器中設置有溫度控制系統，對所述加熱器11的電流進行控制，以達到MOCVD反應的工作溫度。

參考圖2，示出了現有技術MOCVD反應器的溫度控制系統 一實施例的示意圖。所述MOCVD反應器的溫度控制系統包括溫度控制器16，所述溫度控制器16包括兩個輸入端和一個輸出端。其中第一輸入端用於輸入溫度設定值，第二輸入端與腔室10內的托盤13上表面耦接，用於獲取托盤13上表面的實際溫度(本實施例中，托盤上表面承載基底14，因此托盤上表面的實際溫度接近於基底14的實際溫度)，輸出端與加熱器11的直流電源相連。所述溫度控制器16用於比較所述溫度設定值和所述實際溫度，並基於兩者的偏差計算出控制信號，所述輸出端將所述控制信號發送至加熱器11的直流電源，用於控制直流電源的電流，從而改變加熱器11的功率，進而使托盤13上表面的溫度接近所述溫度設定值。就這樣，溫度控制器16實現對托盤13上表面溫度的控制。

然而，MOCVD反應器的工作環境為真空，在真空環境中，輻射是熱量傳輸的主要方式，大容量的金屬腔體使熱量傳輸的過程較慢，從而增大了時間常數。這樣，加熱器11產生的熱量傳輸至托盤13上表面需要花費一定的時間，這使托盤13上表面的溫度有所滯後。

在MOCVD反應器的升溫過程中，滯後的托盤13上表面溫度輸入至溫度控制器16，溫度控制器16會控制加熱器11增大直流電源的電流，容易導致加熱器11過加熱而使托盤13上表面溫度超出溫度設定值。之後，溫度控制器16會控制加熱器11減小直流電源的電流，以使托盤13上表面溫度降至溫度設定值，然而滯後的托盤13上表面溫度輸入至溫度控制器16中，容易使溫度控制器16控制的加熱器11功率下降太快，這會使托盤13上表面溫度又低於溫度設定值，從而造成了腔室10內溫度振盪的現象。

對於MOCVD工藝而言，通常僅1℃的溫度變化就將導致5%以上的成品率的下降，因此如何獲得穩定的基底溫度，以提高MOCVD工藝的良率成為本領域技術人員亟待解決的技術問題之一。

更多關於MOCVD反應器溫度控制的技術方案可參考公開號為CN101906622A的中國專利申請，然而所述中國專利申請的技術方案也未能解決上述技術問題。

本發明的目的是提供一種控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置及方法，通過串級控制使靈敏度較高的溫度控制單元快速完成對溫度變化的補償，以獲得穩定的基底溫度。

為了實現上述發明目的，本發明提供一種控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置，包括：位於腔室內的加熱器；位於腔室內所述加熱器附近且與所述加熱器相間隔開的托盤，用於承載基底；第一溫度控制單元，與承載基底的托盤表面耦接，用於測量該托盤表面溫度，基於設定溫度和所述托盤表面溫度輸出第一控制信號；第二溫度控制單元，與所述第一溫度控制單元相連，用於測量托盤和加熱器之間區域的中間溫度，還用於根據所述第一控制信號和所述中間溫度輸出第二控制信號；所述加熱器，與所述第二溫度控制單元耦接，用於根據所述第二控制信號進行加熱。

可選地，所述第二溫度控制單元的時間常數小於所述第一溫度控制單元的時間常數。

可選地，所述第一溫度控制單元的時間常數與所述第二溫度控制單元的時間常數的比值在1~25的範圍內。

可選地，所述第一溫度控制單元包括第一溫度測量器、第一溫度設定器、第一溫度控制器和信號轉換器，其中，所述第一溫度測量器，與所述第一溫度控制器的第一輸入端相連，用於測量該托盤表面的第一實際溫度，並將所述第一實際溫度發送至第一溫度控制器；所述第一溫度設定器，與所述第一溫度控制器的第二輸入端相連，用於向所述第一溫度控 制器提供溫度設定值；所述第一溫度控制器，用於比較所述第一實際溫度和所述溫度設定值，基於所述第一實際溫度和所述溫度設定值的差異輸出第一控制信號；所述信號轉換器，與所述第一溫度控制器的輸出端相連，用於接收所述第一控制信號，將所述第一控制信號轉換為中間設定溫度，並將所述中間設定溫度發送至第二溫度控制單元。

可選地，所述信號轉換器設置有所述第一控制信號與所述中間設定溫度的線性關係或非線性關係，所述信號轉換器用於接收所述第一控制信號，將所述第一控制信號轉換為與其對應的中間設定溫度，並將所述中間設定溫度發送至第二溫度控制單元。

可選地，所述第二溫度控制單元包括第二溫度測量器和第二溫度控制器，其中，所述第二溫度測量器，位於所述托盤和加熱器之間且與所述第二溫度控制器相連，用於測量所述托盤和加熱器之間一測量點的第二實際溫度，並將所述第二實際溫度發送至第二溫度控制器；所述第二溫度控制器，與所述信號轉換器相連，用於比較所述第二實際溫度和所述中間設定溫度，基於所述第二實際溫度和所述中間設定溫度的差異輸出第二控制信號。

可選地，還包括與所述第二溫度控制器和所述加熱器相連的驅動電源，所述驅動電源用於接收所述第二控制信號，並基於所述第二控制信號提供加熱器電流，並將所述加熱器電流輸入至加熱器。

可選地，所述第一溫度測量器為基於多波長的光學式溫度測量儀。

可選地，所述第一溫度控制器為PI模式或PID模式的溫度控制器。

可選地，所述第二溫度測量器為熱電偶。

可選地，所述第二溫度測量器位於托盤和加熱器之間更靠近 加熱器的位置處。

可選地，所述第二溫度測量器與所述加熱器的熱輻射面在同一平面內。

可選地，所述腔室底部還設置有用於排氣的排氣口，所述第二溫度測量器位於靠近所述排氣口的位置處。

可選地，所述第二溫度控制器為P模式的溫度控制器。

相應地，本發明還提供一種控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的方法，所述化學氣相沉積腔室內設置有加熱器、位於所述加熱器附近且與所述加熱器相間隔開的用於承載基底的托盤，所述方法包括以下步驟：設置溫度設定值；測量承載基底的托盤表面的第一實際溫度；基於所述溫度設定值與所述第一實際溫度的區別，形成第一控制信號；將所述第一控制信號轉換為中間溫度設定值；測量所述托盤表面和加熱器之間區域的第二實際溫度；基於所述中間溫度設定值與所述第二實際溫度的區別，形成第二控制信號；基於所述第二控制信號控制加熱器進行加熱。

可選地，使所述第二實際溫度比所述第一實際溫度先到達穩態。

可選地，所述測量承載基底的托盤表面的第一實際溫度的步驟包括：通過基於多波長的光學式溫度測量儀測量所述托盤表面的第一實際溫度。

可選地，所述形成第一控制信號的步驟包括：計算溫度設定值與所述第一實際溫度的第一差值；基於線性關係或非線性關係，形成與所述第一差值相對應的第一控制信號。

可選地，所述將所述第一控制信號轉換為中間溫度設定值的步驟包括：基於線性關係或非線性關係，將所述第一控制信號轉換為與其對應的中間溫度設定值。

可選地，所述形成第二控制信號的步驟包括：計算所述中間溫度設定值與所述第二實際溫度的第二差值；基於線性關係或非線性關係，形成與所述第二差值相對應的第二控制信號。

可選地，所述基於第二控制信號控制加熱器進行加熱的步驟包括：將所述第二控制信號轉換為加熱器電流；向所述加熱器輸入所述加熱器電流。

與現有技術相比，本發明具有以下優點： 本發明控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置中設置了兩個相連溫度控制單元，所述兩個溫度控制單元構成串級控制溫度控制系統，可以獲得穩定的基底溫度。

可選方案中，第二溫度控制單元的時間常數小於所述第一溫度控制單元的時間常數，也就是說，第二溫度控制單元比第一溫度控制單元靈敏，這樣托盤上表面溫度變化或第二實際溫度變化時，所述靈敏度較高的第二溫度控制單元可以很快地控制加熱器的功率變化，從而補償所述溫度變化，進而使基底溫度得以維持。

可選方案中，第一溫度控制單元的時間常數與所述第二溫度控制單元的時間常數的比值在1~25的範圍內，一方面，可以避免第二溫度控制單元過於靈敏而做無謂的控制和回饋，另一方面，可以避免第二溫度控制單元不夠靈敏而不能實現溫度變化的補償。

可選方案中，所述信號轉換器設置有所述第一控制信號與所述中間設定溫度的線性關係或非線性關係，所述信號轉換器根據所述線性關係或非線性關係將所述第一控制信號轉換為與其對應的中間設定溫度，轉換方法比較簡單，可以提高信號轉換器的回應速度。

可選方案中，所述第二溫度測量器位於托盤和加熱器之間更靠近加熱器的位置處，使第二溫度測量器對加熱器的功率的變化更加靈 敏，從而可以較快地基於加熱器功率的變化進行回饋和控制。

可選方案中，所述腔室底部還設置有用於排氣的排氣口，所述第二溫度測量器位於靠近所述排氣口的位置處，所述第二溫度測量器可以及時補償排氣口處抽氣流量、抽氣速度等因素所引起的溫度變化，提高了裝置抗干擾能力。

可選方案中，所述第一溫度控制器為PI模式的溫度控制器，或者，所述第二溫度控制器為P模式的溫度控制器，可以簡化控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置的結構，降低成本。

10‧‧‧腔室

100‧‧‧腔室

101‧‧‧加熱器

1011‧‧‧內區加熱件

1012‧‧‧中區加熱件

1013‧‧‧外區加熱件

1014‧‧‧間隔區域

102‧‧‧支撐結構

103‧‧‧托盤

104‧‧‧基底

105‧‧‧反應源供給器

106‧‧‧第一溫度控制單元

107‧‧‧第二溫度控制單元107

108‧‧‧排氣口

11‧‧‧加熱器

12‧‧‧支撐結構

13‧‧‧托盤

14‧‧‧基底

15‧‧‧供給器

16‧‧‧溫度控制器

1061‧‧‧第一溫度測量器

1062‧‧‧第一溫度控制

1063‧‧‧第一溫度設定器

1064‧‧‧信號轉換器

1071‧‧‧第二溫度測量器

1072‧‧‧第二溫度控制器

圖1是現有技術MOCVD反應器一實施例的示意圖； 圖2是現有技術MOCVD反應器的溫度控制系統一實施例的示意圖； 圖3是本發明控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置一實施方式的示意圖； 圖4是本發明控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置一實施例的示意圖。

圖5是圖4所示控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置中加熱器和第二溫度測量器一實施例的示意圖； 圖6示出了本發明控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的方法一實施方式的流程圖。

為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式作詳細的說明。

在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以採用其他不同於在此描述的其他方式來實施，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。

為了解決現有技術中的問題，本發明提供一種控制化學氣相 沉積腔室內的基底加熱的裝置，參考圖3，示出了本發明控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置一實施方式的示意圖。

需要說明的是，本發明以金屬有機化合物化學氣相沉積腔室及其控制基底加熱的裝置為實施例作說明，本發明所提供的裝置可以適用於其他類型的化學氣相沉積腔室內，本發明對此不作限制。

如圖3所示，MOCVD反應器包括：腔室100；位於所述腔室100底部的加熱器101；位於所述加熱器101上的托盤103，用於承載一片或多片基底104；所述托盤103通過支撐結構102與外部旋轉機構關聯在一起，所述加熱器101和所述托盤103之間具有一定的間距，例如，所述間距為3~15mm。

位於腔室100頂部的反應源供給器105，用於輸入原料氣體。

本發明控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置包括所述加熱器101、所述托盤103，還包括第一溫度控制單元106和第二溫度控制單元107。其中，第一溫度控制單元106，與所述托盤103上表面耦接，用於測量托盤103上表面溫度，基於設定溫度和所述托盤103上表面溫度輸出第一控制信號；第二溫度控制單元107，與所述第一溫度控制單元106相連，用於測量托盤103和加熱器101之間區域的中間溫度，還用於根據所述第一控制信號和所述中間溫度輸出第二控制信號；所述加熱器101，與所述第二溫度控制單元107耦接，用於根據所述第二控制信號進行加熱。

本實施方式中，所述第二溫度控制單元107的時間常數小於 所述第一溫度控制單元106的時間常數。

此處所述時間常數指的是，在溫度控制單元控制下使溫度升至設定溫度的某一預先設定比例(例如，80%)所花費的時間。該預先設定比例通常根據工業需求和經驗，事先人為選定。時間常數越大，表示溫度控制單元的靈敏度越小；時間常數越小，表示溫度控制單元的靈敏度越大。

本發明控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置中設置了至少兩個溫度控制單元，兩個溫度控制單元實現串級控制。其中，第二溫度控制單元107比第一溫度控制單元106的時間常數小，也就是說，所述第二溫度控制單元107比第一溫度控制單元106更靈敏。

由於托盤103上表面距離加熱器101較遠，因此，加熱器101的熱量先輻射至托盤103和加熱器101之間區域，之後再輻射至托盤103上表面。相應地，與托盤103上表面的溫度相比，中間溫度能提前反映加熱器101的功率變化。

在升溫過程中，第一溫度控制單元106緩慢控制升溫，而在第二溫度控制單元107的控制下中間溫度會很快達到穩態，之後，第一溫度控制單元106繼續緩慢增大第一控制信號，而在所述第一控制信號的控制下第二溫度控制單元107再次使中間溫度很快到達穩態，就這樣持續升溫直至托盤103上表面溫度達到設定溫度。

由於第二溫度控制單元107基於第一控制信號進行溫度控制，因此第二溫度控制單元107控制下的中間溫度到達穩態時不會超過與第一控制信號所對應的溫度，從而使托盤103上表面溫度不至於形成較大振盪，從而提高了基底溫度的穩定性。

此外，在溫度維持過程中，如果受溫度干擾因素的影響使中間溫度有所變化，所述靈敏度較高的第二溫度控制單元107會很快地控制加熱器101的功率變化，進而以補償所述溫度干擾因素帶來的溫度變化， 進而使基底溫度得以維持。

由此可見，本發明控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置可以使腔室內基底溫度無論在升溫還是溫度維持過程中都比較穩定，不至於出現較大的變化，這有利於提高腔室內工藝的良率。

需要說明的是，如果第二溫度控制單元107比第一溫度控制單元106的時間常數小得過多，也就是說第二溫度控制單元107反應過於靈敏，這樣第二溫度控制單元107的控制回饋動作過快，第一控制信號的微小變化都會使第二溫度控制單元107做多次無謂的回饋和控制，反而不利於整個基底溫度的穩定性。

反之，如果第二溫度控制單元107的時間常數接近或大於第一溫度控制單元106的時間常數，這樣第二溫度控制單元107的動態調節作用降低，不能及時地克服溫度干擾因素的影響，嚴重時甚至會出現第一溫度控制單元106、第二溫度控制單元107“耦合共振”現象，導致化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置不能正常工作。

因此，所述第一溫度控制單元106的時間常數與所述第二溫度控制單元107的時間常數的比值在1~25的範圍內，優選地，所述時間常數的比值在3~10的範圍內。

下面結合具體實施例，進一步詳細地描述本發明的技術方案。

參考圖4，示出了本發明控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置一實施例的示意圖。需要說明的是，圖4中各部件僅用於示意，不對各部件的位置進行限制。

本實施例中的第一溫度控制單元106包括第一溫度測量器1061、第一溫度設定器1063、第一溫度控制器106和信號轉換器1064，所述第二溫度控制單元107包括第二溫度測量器1071和第二溫度控制器 1072，其中，第一溫度測量器1061，與第一溫度控制器1062的第一輸入端A相連，用於測量托盤103上表面(本實施例中，托盤103的上表面為承載基底104的托盤表面)的第一實際溫度，並將所述第一實際溫度發送至第一溫度控制器1062。本實施例中，所述托盤103上表面為承載基底104的托盤表面，會與基底104相接觸，因此托盤103上表面的溫度和基底104的溫度相同。

為了能快速、精確地獲取托盤103上表面的實際溫度，較佳地，所述第一溫度測量器1061為精度較高的、基於多波長的光學式溫度測量儀，具體地，所述光學式溫度測量儀為非接觸式溫度測量儀，其測量探頭位於托盤103的上方，距離所述托盤103上表面的距離為1~17釐米。

需要說明的是，上述實施例中使用的基於多波長的光學式溫度測量儀為非接觸式溫度測量儀，但是本發明對此不做限制，在其他實施例中，所述第一溫度測量器1061還可以是其他非接觸式溫度測量儀，或者是接觸式溫度測量儀，本發明對此不做限制。

第一溫度設定器1063，與第一溫度控制器1062的第二輸入端B相連，用於向第一溫度控制器1062提供溫度設定值。所述第一溫度設定器1063提供適於研發人員或工藝操作員進行溫度設定的人機界面，對於MOCVD反應器而言，通常溫度設定值在500~1200℃的範圍內。例如：溫度設定值是500℃。

需要說明的是，所述第一溫度設定器1063可以是獨立的硬體器件，也可以由集成於第一溫度控制器1062中的、具有相同功能的軟體實現，本發明對此不做限制。

第一溫度控制器1062，用於比較所述第一實際溫度和所述溫度設定值，基於所述第一實際溫度和所述溫度設定值的差異輸出第一控 制信號。

具體地，所述第一溫度控制器1062用於先計算第一實際溫度和所述溫度設定值的第一差值，再基於所述第一差值獲取與所述第一差值相對應的第一控制信號，本實施例中，所述第一控制信號與所述第一差值成線性關係，具體地，所述第一控制信號與所述第一差值成正比關係。

本實施例中，所述第一控制信號為一與中間設定溫度相對應的百分比控制信號。例如，第一溫度測量器1061的百分比控制信號範圍設置為0~100%，相對應的中間設定溫度的範圍設置為0~1200℃。在其他實施例中，所述第一控制信號還可以是電壓控制信號。

通常所述百分比控制信號與其對應的中間設定溫度成線性關係，但是本發明對此不做限制，所述百分比控制信號與其對應的中間設定溫度還可以成非線性關係。

所述第一溫度控制器1062可以是PID模式的溫度控制器，包括比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)。

對於第一溫度控制器1062而言，需要具備穩態無差的特點，而由於本發明化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置通過串級控制可以實現對托盤103上表面溫度比較穩定的溫度控制，因此第一溫度控制器1062可以不設置減小穩態誤差的積分單元(I)，較佳地，所述第一溫度控制器1062可以是PI模式的溫度控制器，也就是說，所述第一溫度控制器1062可以只包括比例單元(P)和積分單元(I)，從而可以簡化控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置的結構，降低成本。

信號轉換器1064，與所述第一溫度控制器1062的輸出端相連，用於接收所述第一控制信號，將所述第一控制信號轉換為中間設定溫度，並將所述中間設定溫度發送至第二溫度控制單元107。

具體地，所述信號轉換器1064設置有所述第一控制信號與 所述中間設定溫度的線性關係，所述信號轉換器1064基於百分比控制信號和中間設定溫度之間的線性關係，將所述第一控制信號轉換為與其對應的中間設定溫度，並將所述中間設定溫度發送至第二溫度控制單元107。

所述信號轉換器1064設置有所述第一控制信號與所述中間設定溫度的線性關係，使轉換方法較為簡單，轉換效率較高，因此，本實施例中所述信號轉換器1064具有較高的回應速度。但是本發明對所述第一控制信號和中間設定溫度的關係不做限制，所述第一控制信號和中間設定溫度還可以是非線性關係，例如：指數關係或者是映射關係等。

第二溫度測量器1071，位於托盤103和加熱器101之間，用於測量托盤103和加熱器101之間一測量點O的第二實際溫度。

托盤103和加熱器101之間的所述測量點O與托盤103上表面相比更靠近加熱器101，從而使測量點O的第二實際溫度對加熱器101功率的變化更加靈敏，可以提前反映加熱器101功率的變化，基於第二實際溫度進行控制的第二溫度控制單元107可以減小所述加熱器101功率的變化對托盤103上表面溫度的影響。

所述第二溫度測量器1071越靠近加熱器101，第二實際溫度對加熱器101功率的變化越靈敏，優選地，所述第二溫度測量器1071與所述加熱器101的熱輻射面在同一平面內。

具體地，所述第二溫度測量器1071可以是熱電偶，還可以是其他溫度測量儀器(接觸式溫度測量儀或非接觸式溫度測量儀)，本發明對此不做限制。

結合參考圖5，示出了圖4所示加熱器101和第二溫度測量器1071一實施例的示意圖。

圖5中示出了加熱器101的俯視圖。通常基底104為晶圓(wafer)，相應地，本實施例中所述加熱器101為圓形結構。

具體地，所述加熱器101為同心設置的環狀加熱元件，包括靠近圓心的內區加熱件1011、遠離圓心的外區加熱件1013和位於內區加熱件1011和外區加熱件1013之間的中區加熱件1012。

需要說明的是，為了使附圖更加簡潔，附圖5中只示意出了內區加熱件1011、中區加熱件1012和外區加熱件1013的區域，所述內區加熱件1011、中區加熱件1012和外區加熱件1013還分別包含多個環形元件。其中，所述中區加熱件1012的面積最大，所述中區加熱件1012所對應的晶圓的面積也最大，中區加熱件1012提供的熱量最多，本實施例中，所述第二溫度測量器1071位於中區加熱件1012所對應的位置處。

需要說明的是，第一溫度測量器1061可以用於測量托盤103上表面任意位置的溫度。所述第二溫度測量器1071可以測量任何一區的溫度，具體地，在其他實施例中，所述第二溫度測量器1071還可以設置于內區加熱件1011或外區加熱件1012的位置處，本發明對此不做限制。

需要說明的是，所述第二溫度測量器1071可以是熱電偶，所述熱電偶由位於腔室100底面上的支撐結構進行固定，所述支撐結構穿過圖5所示環形加熱元件的環形之間的間隔區域1014，從而使熱電偶的測量點O設置於加熱器101和托盤103之間。

繼續結合參考圖5，加熱器101位於腔室100底部的中心位置處，在所述腔室100的底部還設置有排氣口108，所述排氣口108用於排氣，因此排氣口108所在位置處由於抽氣流量、抽氣速度等因素的影響溫度變化比較大。

本實施例中，將第二溫度測量器1071放置於靠近排氣口108的中區加熱件1012上，這樣，當抽氣流量、抽氣速度的溫度干擾因素影響到溫度變化時，第二溫度控制單元107可及時補償所述溫度變化，從而減小所述溫度變化對托盤103上表面溫度的影響。

需要說明的是，所述溫度干擾因素包括抽氣流量、抽氣速度、托盤旋轉、腔體壓力或冷卻水流中的一個或多個。所述第二溫度測量器1071可以位於受溫度干擾因素影響較多的位置處，從而可以補償多個干擾因素對基底溫度的影響。

繼續參考圖4，第二溫度控制器1072與所述信號轉換器1064、第二溫度測量器1071相連，用於比較所述第二實際溫度和所述中間設定溫度，基於所述第二實際溫度和所述中間設定溫度的差異輸出第二控制信號。

具體地，所述第二溫度控制器1072用於先計算第二實際溫度和所述中間設定溫度的第二差值，再基於所述第二差值獲取與所述第二差值相對應的第二控制信號，本實施例中，所述第二控制信號與所述第二差值成線性關係，具體地，所述第二控制信號與所述第二差值成正比關係。在其他實施例中，所述第二控制信號還可以與所述第二差值成非線性關係。

本實施例中，所述第二控制信號為與所述第二差值成正比的百分比控制信號，所述的百分比控制信號範圍為0~100%。在其他實施例中，所述的第二控制信號還可以是電壓控制信號。

所述第二溫度控制器1072可以是PID模式的溫度控制器，包括比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)。

對於第二溫度控制器1072而言，需要具備靈敏度較高進而可以快速調節的特點。因此第二溫度控制器1072可以不設置減小穩態誤差的積分單元(I)或用於抑制振盪的微分單元(D)，較佳地，所述第二溫度控制器1072可以是P模式的溫度控制器，也就是說，所述第二溫度控制器1072僅包括比例單元(P)，從而可以簡化結構、降低成本。

控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置還可以包括驅動電源1073，所述驅動電源1073與所述第二溫度控制器1072的輸出端和 加熱器101均相連，用於接收所述第二控制信號，並基於所述第二控制信號提供加熱器電流，並將所述加熱器電流輸入至加熱器101。

本實施例中，所述第二控制信號為與加熱器電流成正比關係的百分比信號，所述驅動電源1073根據第二控制信號、基於所述正比關係獲得加熱器電流，並將相對應的加熱器電流發送至加熱器101，從而使加熱器101根據所述加熱器電流進行加熱。在其他實施例中，所述第二控制信號還可以與所述加熱器電流成非線性關係，本發明對此不做限制。

下面結合升溫過程對圖4所示控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置的技術方案作進一步舉例說明。

首先，通過第一溫度設定器1063設置溫度設定值為500℃，所述第一溫度測量器1061測量托盤103上表面溫度為室溫(25℃)，第一溫度控制器1062基於475℃的溫度差異(500℃與25℃的差值)輸出第一控制信號。

具體地，第一溫度控制器1062的第一控制信號在0~100%範圍內，對應於0~1200℃的溫度範圍。相應地，與475℃對應的第一控制信號為39%。

第一控制信號從0開始逐漸增加，例如，從0增加到5%，信號轉換器1064將所述5%的第一控制信號轉換為中間設定溫度，相應地，與5%對應的中間設定溫度為60℃。

此時，第二溫度測量器1071測量到的第二實際溫度為室溫25℃，第二溫度控制器1072基於第二實際溫度和中間設定溫度的差值35℃(60℃與25℃的差值)輸出第二控制信號。

具體地，由於第二溫度控制器1072的靈敏度較高，與第一溫度控制器1062相比，與同一溫度差異所對應的第二控制信號遠大於第一控制信號，本實施例中，基於所述35℃的差值，第二溫度控制器1072輸出 20%的第二控制信號。

由於對驅動電源1073而言，0~100%的第二控制信號對應於0~250A的加熱器電流，因此，基於所述20%的第二控制信號，驅動電源1073輸出50A的加熱器電流，控制加熱器101開始加熱。

經過一段時間，第一實際溫度為26℃，而由於第二溫度控制器1072靈敏度較高，其升溫較快，第二實際溫度已到達30℃。之後，當第一實際溫度為30℃時，第二實際溫度已經到達55℃，由於第二實際溫度升溫比第一實際溫度升溫快，第二實際溫度會很快達到接近中間設定溫度的穩態。由於所述中間設定溫度受所述第一實際溫度的限制，因此所述第二實際溫度不會有過大的溫度起伏變化。

之後，隨著第一控制信號的逐漸增大，第二實際溫度不斷地到達穩態，直至使托盤103上表面的第一實際溫度到達500℃的穩態時，完成升溫過程。

需要說明的是，圖4和圖5所示的實施例中，控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置只設置了一套串級控制的溫度控制系統，但是本發明對此不做限制。在其他實施例中，本發明控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置還可以包括多套串級控制的溫度控制系統，每一套溫度控制系統中的第一溫度控制器分別用於測量托盤上表面不同位置處的溫度，相應地，第二溫度控制器分別用於測量不同區(內區、中區或外區)的溫度，這樣不同的溫度控制系統可以獨立地進行溫度的測量和控制，以分別調節托盤上表面不同位置的溫度。

還需要說明的是，在上述控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置的實施例中，所述加熱器位於腔室底部，托盤位於所述加熱器的上方，托盤的上表面與基底相接觸，第一溫度控制單元與托盤上表面耦接。但是本發明對此不做限制，在其他實施例中，加熱器還可以沿豎直方向設 置，托盤位於加熱器附近且與所述加熱器相間隔開(例如托盤也沿豎直方向設置，與所述加熱器平行排布)，用於承載基底的托盤表面與基底的溫度相同，所述第一溫度控制單元需與所述承載基底的托盤表面耦接，以獲取所述托盤表面的溫度，進而實現對基底溫度的控制。

綜上，本發明提供一種控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置，設置有第一溫度控制單元和第二溫度控制單元形成的串級控制的溫度控制系統，所述第二溫度控制單元靈敏度較高，具有快速、及時的調節作用，能夠改善加熱器的動態特性，減小容量滯後對加熱過程的影響，減弱溫度振盪，從而提高了基底溫度的穩定性。

此外，化學氣相沉積腔室內會進行不同的工藝生長階段，進而會設置不同的生長環境，如腔體壓力、氣體流量、托盤轉速等參數，加上外部環境因素如冷卻水流波動等，這些變化會對溫度控制精度產生一定的擾動。串級控制的溫度控制系統的快速、及時的調節作用，對所述擾動具有很強的抑制能力，可以大大削弱所述擾動對溫度的影響。

更近一步地，化學氣相沉積腔室內內的加熱器由特殊的耐高溫導電材料製成，然而，其材料阻值隨著周圍環境溫度的升高會成非線性變化，在相同加熱器電流下，所述加熱器消耗的功率會發生變化，從而影響溫度的控制精度。由於串溫度級控制系統的第二溫度控制單元的快速、及時的調節作用，具有一定的自適應性，在一定程度上可以補償材料阻值非線性變化對基底溫度動態特性的影響。

相應地，本發明還提供了一種控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的方法，所述化學氣相沉積腔室內設置有位於腔室內的加熱器、位於所述加熱器附近且與所述加熱器相間隔的用於承載基底的托盤，用於承載基底的托盤表面的溫度與基底的溫度相同。

參考圖6，示出了本發明控制化學氣相沉積腔室內的基底加 熱的方法一實施方式的流程圖。所述方法大致包括以下步驟：步驟S1，設置溫度設定值；步驟S2，測量承載基底的托盤表面的第一實際溫度；步驟S3，基於所述溫度設定值與所述第一實際溫度的區別，形成第一控制信號；步驟S4，將所述第一控制信號轉換為中間溫度設定值；步驟S5，測量所述托盤表面和加熱器之間區域的第二實際溫度；步驟S6，基於所述中間溫度設定值與所述第二實際溫度的區別，形成第二控制信號；步驟S7，基於所述第二控制信號控制加熱器進行加熱。本發明通過串級控制的方法實現溫度控制，可以獲得穩定的基底溫度。

優選地，使所述第二實際溫度比所述第一實際溫度先到達穩態，這樣，可以通過較快到達穩態的第二實際溫度快速補償溫度變化，從而使第一實際溫度更加穩定，也就是說，可以使基底溫度更加穩定。

下面結合具體實施例對本發明的技術方案作進一步說明。

執行步驟S1，設置溫度設定值。對於MOCVD反應器而言，通常基底溫度為500℃~1200℃。例如，設置溫度設定值為500℃.

執行步驟S2，可以通過基於多波長的光學式溫度測量儀測量承載基底的托盤表面的第一實際溫度，從而獲得精確的所述托盤表面的溫度值。

執行步驟S3，基於所述溫度設定值與所述第一實際溫度的區別，形成第一控制信號。具體地，包括以下分步驟：計算溫度設定值與所述第一實際溫度的第一差值；基於線性關係，形成與所述第一差值相對應的第一控制信 號。

需要說明的是，在其他實施例中，所述第一差值還可以與所述第一控制信號成非線性關係，那麼所述形成第一控制信號的步驟包括：基於所述非線性關係，形成與所述第一差值相對應的第一控制信號。

本實施例中，所述第一控制信號與所述第一差值具有線性關係，簡化了第一控制信號的形成步驟，提高了回應速度。

執行步驟S4，將所述第一控制信號轉換為中間溫度設定值的步驟中，具體地，可以基於線性關係，將所述第一控制信號轉換為與其對應的中間溫度設定值，以簡化轉換方法，提高回應速度。

需要說明的是，在其他實施例中，所述第一控制信號還可以與所述中間溫度設定值成非線性關係，信號轉換時，基於所述非線性關係，將所述第一控制信號轉換為與其對應的中間溫度設定值。

執行步驟S5，可以通過熱電偶測量托盤表面和加熱器之間區域的第二實際溫度。

執行步驟S6，形成第二控制信號的步驟包括以下分步驟： 計算所述中間溫度設定值與所述第二實際溫度的第二差值； 基於線性關係，形成與所述第二差值相對應的第二控制信號。

本實施例中，所述第二控制信號與所述第二差值具有線性關係，可以簡化第二控制信號的形成步驟，提高回應速度。

需要說明的是，在其他實施例中，所述第二差值還可以與所述第二控制信號成非線性關係，那麼所述形成第二控制信號的步驟中，基於所述非線性關係，形成與所述第二差值相對應的第二控制信號。

執行步驟S7，本實施例中，通過控制加熱器電流來控制加熱器的功率，具體地，基於第二控制信號控制加熱器進行加熱的步驟包括 以下分步驟：將所述第二控制信號轉換為加熱器電流；向所述加熱器輸入所述加熱器電流。

需要說明的是，在步驟S7中，所述第二控制信號與所述加熱器電流也為線性關係，可以簡化轉化步驟。

本發明雖然已以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬於本發明技術方案的保護範圍。

100‧‧‧腔室

101‧‧‧加熱器

102‧‧‧支撐結構

103‧‧‧托盤

104‧‧‧基底

105‧‧‧反應源供給器

106‧‧‧第一溫度控制單元

107‧‧‧第二溫度控制單元107

Claims (21)

1. 一種控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的裝置，其特徵在於，包括：一位於腔室內的加熱器；一位於腔室內所述加熱器附近且與所述加熱器相間隔開的托盤，用於承載基底；一第一溫度控制單元，與承載基底的該托盤表面耦接，用於測量該托盤表面溫度，並基於一設定溫度和該托盤表面溫度而輸出一第一控制信號；一第二溫度控制單元，與該第一溫度控制單元相連，用於測量該托盤和該加熱器之間區域的中間溫度，並根據該第一控制信號和該中間溫度而輸出一第二控制信號；該加熱器與該第二溫度控制單元耦接，該加熱器根據該第二控制信號而進行加熱。
2. 如請求項1所述之裝置，其中該第二溫度控制單元的時間常數小於該第一溫度控制單元的時間常數。
3. 如請求項1所述之裝置，其中該第一溫度控制單元的時間常數與該第二溫度控制單元的時間常數的比值在1~25的範圍內。
4. 如請求項1或2或3所述之裝置，其中該第一溫度控制單元包括一第一溫度測量器、一第一溫度設定器、一第一溫度控制器和一信號轉換器，其中，該第一溫度測量器，與該第一溫度控制器的一第一輸入端相連，用於測量該托盤表面的一第一實際溫度，並將該第一實際溫度發送至該第一溫度控制器；該第一溫度設定器，與該第一溫度控制器的一第二輸入端相連， 用於向該第一溫度控制器提供一溫度設定值；該第一溫度控制器，用於比較該第一實際溫度和該溫度設定值，並根據該第一實際溫度和該溫度設定值的差異而輸出一第一控制信號；該信號轉換器，與該第一溫度控制器的一輸出端相連，用於接收該第一控制信號，將該第一控制信號轉換為一中間設定溫度，並將該中間設定溫度發送至該第二溫度控制單元。
5. 如請求項4之裝置，其中該信號轉換器設置有該第一控制信號與該中間設定溫度的線性關係或非線性關係，該信號轉換器用於接收該第一控制信號，將該第一控制信號轉換為與其對應的該中間設定溫度，並將該中間設定溫度發送至該第二溫度控制單元。
6. 如請求項4該之裝置，其中該第二溫度控制單元包括一第二溫度測量器和一第二溫度控制器，其中，該第二溫度測量器，位於該托盤和該加熱器之間且與該第二溫度控制器相連，以測量該托盤和該加熱器之間一測量點的一第二實際溫度，並將該第二實際溫度發送至該第二溫度控制器；該第二溫度控制器，與該信號轉換器相連，用於比較該第二實際溫度和該中間設定溫度，基於該第二實際溫度和該中間設定溫度的差異輸出一第二控制信號。
7. 如請求項6該之裝置，其中更包括與該第二溫度控制器和該加熱器相連的一驅動電源，該驅動電源用於接收該第二控制信號，並根據該第二控制信號提供一加熱器電流，並將該加熱器電流輸入至該加熱器。
8. 如請求項4該之裝置，其中該第一溫度測量器係為基於多波 長的光學式溫度測量儀。
9. 如請求項4該的裝置，其中該第一溫度控制器係為PI模式或PID模式的溫度控制器。
10. 如請求項6該的裝置，其中該第二溫度測量器係為熱電偶(THERMOCOUPLE)。
11. 如請求項6該之裝置，其中該第二溫度測量器係設置於該托盤和該加熱器之間且鄰近加熱器之位置處。
12. 如請求項6該之裝置，其中該第二溫度測量器與該加熱器的熱輻射面在同一平面內。
13. 如請求項6該之裝置，其中該腔室底部更設置有一用於排氣的排氣口，該第二溫度測量器位於靠近該排氣口的位置處。
14. 如請求項6該之裝置，其中該第二溫度控制器係為P模式的溫度控制器。
15. 一種控制化學氣相沉積腔室內的基底加熱的方法，其中該化學氣相沉積腔室內設置有一加熱器、以及位於該加熱器附近且與該加熱器相間隔開的一用於承載基底的托盤，該方法包括以下步驟：設置一溫度設定值；測量承載基底的該托盤表面的一第一實際溫度；基於該溫度設定值與該第一實際溫度的區別，形成一第一控制信號；將該第一控制信號轉換為一中間溫度設定值；測量該托盤表面和該加熱器之間區域的一第二實際溫度；基於該中間溫度設定值與該第二實際溫度的區別，形成一第二控制信號； 基於該第二控制信號控制該加熱器進行加熱。
16. 如請求項15該之方法，其中該第二實際溫度比該第一實際溫度先到達穩態。
17. 如請求項15該之方法，其中該測量承載基底的托盤表面的該第一實際溫度的步驟更包括：通過基於多波長的光學式溫度測量儀測量該托盤表面的該第一實際溫度。
18. 如請求項15該之方法，其中形成第一控制信號的步驟更包括：計算該溫度設定值與該第一實際溫度的一第一差值；基於線性關係或非線性關係，形成與該第一差值相對應的一第一控制信號。
19. 如請求項15該之方法，其中將該第一控制信號轉換為該中間溫度設定值的步驟更包括：基於線性關係或非線性關係，將該第一控制信號轉換為與其對應的該中間溫度設定值。
20. 如請求項15該之方法，其中該形成該第二控制信號的步驟更包括：計算該中間溫度設定值與該第二實際溫度的一第二差值；基於線性關係或非線性關係，形成與該第二差值相對應的該第二控制信號。
21. 如請求項15該之方法，其中基於該第二控制信號控制該加熱器進行加熱的步驟更包括：將該第二控制信號轉換為一加熱器電流；向該加熱器輸入該加熱器電流。