TW201602534A - 探測溫度的系統和方法及設有該系統的mocvd設備 - Google Patents

Abstract

本發明公開了一種探測溫度的系統和方法及設有該系統的MOCVD設備，所述溫度探測系統包括激光發生裝置和光電探測裝置，光電探測裝置連接計算控制單元，本發明採用所述激光發生裝置發射激光，提高了入射到反應腔內基片和基片載置台表面的入射光强度，根據光的反射原理，反射進入光電探測裝置的激光强度提高，使得光電探測裝置能夠探測到足夠强的反射光强度，以實現對基片或基片載置台的反射率計算，避免了反射光强度過低或探測不到反射光强度造成無法計算基片或基片載置台反射率，進而無法計算基片和基片承載盤溫度。

Description

探測溫度的系統和方法及設有該系統的MOCVD設備

本發明涉及製造半導體器件技術領域，尤其涉及一種在諸如基片等襯底上生長外延層或進行化學氣相沉積裝置內測量溫度的技術領域。

在半導體製程中，各種製程很大程度上依賴基片的溫度。因此，對基片的溫度控制是半導體製程中非常重要的一環，而由於基片具有一定尺寸，能夠對基片的溫度進行均勻控制更是至關重要的。

基片溫度控制對於金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）反應器尤為重要。MOCVD是金屬有機化合物化學氣相沉積(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)的英文縮寫。MOCVD是在氣相外延生長(VPE)的基礎上發展起來的一種新型氣相外延生長技術。它以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有機化合物和V、Ⅵ族元素的氫化物等作為晶體生長源材料，以熱分解反應方式在襯底上進行氣相外延，生長各種Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體以及它們的多元固溶體的薄層單晶材料。

在MOCVD製程過程中需要對多個參數，例如基片溫度、壓力、氣體流速等進行監控和控制，以達到理想的晶體外延生長。其中基片溫度的控制尤其重要，基片溫度的持續穩定性和準確性直接影響著製程效果。MOCVD的基片載置臺上通常設置有多片基片，該載置台能夠快速旋轉，並與位於腔室上方的氣體噴淋頭相互配合，為批量製程提供一個均一快速的製程平台，該基片載置台下方設置加熱裝置，所述加熱裝置提供的熱量通過所述基片載置台傳遞到基片，實現對基片的溫度控制。由於基片載置台的溫度與基片的溫度之間存在緊密聯繫，因此需要同時對基片載置台的溫度與基片的溫度進行探測監控。然而現有技術在對基片和基片載置台進行溫度測量時，基片載置台通常為石墨材料，不同於基片光滑平面産生的鏡面反射，由於石墨載置台表面粗糙，當入射光投射到基片載置台表面時，會發生漫反射，反射光向各個方向發散，光電探測裝置探測的反射激光强度較弱或難以探測，造成基片載置台的發射率難以計算，最終使得基片載置台表面的溫度探測難以實現。

為解決現有技術的問題，本發明公開了一種設有溫度探測系統的MOCVD設備，包括反應腔，該反應腔內設置基片載置台，該基片載置台上承載若干基片，其中：MOCVD設備進一步包括溫度探測系統，該溫度探測系統包括激光發生裝置和光電探測裝置，該光電探測裝置連接計算控制單元，該激光發生裝置用於發射一定强度的入射激光至該反應腔內並在該基片或基片載置台表面發生發射；該光電探測裝置用於探測反射激光强度及該基片和該基片載置台的熱輻射功率，該計算控制單元用於根據反射激光强度和入射激光强度計算該基片和該基片載置台的發射率，並結合探測到的熱輻射功率計算得出基片及基片載置台的溫度。

較佳地，該反應腔包括反應腔頂部，該反應腔頂部設置觀測口，該溫度探測系統設置於該觀測口上方。

較佳地，該溫度探測系統包括準直器，該準直器位於該激光發生裝置與該觀測口之間。

較佳地，該反應腔頂部為圓盤形，觀測口為沿該圓盤形反應腔頂部的半徑方向延伸的長條狀。

較佳地，該MOCVD設備包括至少兩個溫度探測系統，該溫度探測系統設置於所述觀測口上方並沿該觀測口方向排布。

較佳地，反應腔頂部設置兩個或兩個以上觀測口，每個觀測口上方設置溫度探測系統，每個觀測口到反應腔頂部中心位置的距離不同。

較佳地，激光發生裝置為激光發生器或光纖耦合激光發生器。

較佳地，激光發生裝置輸出端連接高頻調製輸出裝置。

進一步的，本發明還公開了一種探測基片及基片載置台溫度的系統，包括激光發生裝置，準直器及光電探測裝置，該光電探測裝置連接計算控制單元，所述激光發生裝置發射的激光經所述準直器投射到所述基片或基片載置台表面並發生發射；所述光電探測裝置用於探測反射激光强度及所述基片和所述基片載置台的熱輻射功率，所述計算控制單元用於根據反射激光强度和入射激光强度計算所述基片和所述基片載置台的發射率，並計算得出基片及基片載置台的溫度。

較佳地，所述激光發生裝置為激光發生器或光纖耦合激光發生器。

較佳地，所述激光發生裝置輸出端連接一高頻調製輸出裝置。

進一步的，本發明還公開了一種探測MOCVD設備內基片及基片載置台溫度的方法，MOCVD設備包括一反應腔，所述反應腔內設置基片載置台，基片載置臺上承載複數個基片，該方法包括下列步驟：在基片載置臺上方設置溫度探測系統，溫度探測系統包括激光發生裝置，光電探測裝置，與所述光電探測裝置連接的計算控制單元，激光發生裝置發射入射激光，入射激光經一準直器耦合到該MOCVD設備內的基片和基片載置台表面，並在該基片和該基片載置台表面發生反射；該光電探測裝置探測反射激光强度及該基片和基片載置台的熱輻射功率，計算控制單元根據反射激光强度和入射激光强度計算基片和基片載置台的發射率，並根據光電探測裝置探測到的基片和基片載置台的熱輻射功率計算得出基片及基片載置台的溫度。

較佳地，激光發生裝置連接高頻調製輸出裝置，該高頻調製輸出裝置用於減小激光散斑噪音。

較佳地，基片載置台下方設置加熱系統，該計算控制單元控制該加熱系統的溫度。

本發明通過採用激光發生裝置向反應腔內發射激光，提高了入射到反應腔內基片和基片載置台表面的入射光强度，根據光的反射原理，反射進入光電探測裝置的激光强度提高，使得光電探測裝置能夠探測到足夠强的反射光强度，以實現對基片或基片載置台的反射率計算，避免了反射光强度過低或探測不到反射光强度對計算基片或基片載置台反射率的影響。

為了詳細介紹本發明公開的技術特徵，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做出詳細說明。

第1圖示出本發明所述的MOCVD設備結構示意圖，其中，MOCVD設備包括反應腔100，反應腔100內設置至少一個基片載置台120和用於支撑所述基片載置台120的轉軸125。其中，轉軸125能在其他動力裝置（未示出）的驅動下按照例如500~1000轉/分鐘的轉速高速旋轉，使得所述基片載置台120也能在該轉軸125的帶動下高速旋轉，也就是以第1圖所示的竪直虛線所示的軸p為軸旋轉。基片載置台120的上表面上放置了複數個被處理加工的基片130，其中，為放置基片130，基片載置台120的上表面上還設置有複數個用於放置被加工的基片130的槽或窪坑（未示出）。反應腔腔室100內還設置有加熱裝置140，其用於將所述基片載置台120加熱到工藝製程所需的溫度。基片130包括襯底和位於其上的一層或多層薄膜。在圖示所示的實施例中，基片130示例性地以藍寶石為基底，其在MOCVD製程中被外延生長了一層或多層薄膜而成為了襯底加薄膜結構。

在反應腔腔室100的適當位置，例如，反應腔頂部，還設置有觀測口111。觀測口111上方設置溫度探測系統150。第2圖示出本發明溫度探測系統探測基片表面發射率的光路圖，所述溫度探測系統150包括一激光發生裝置151，一光電探測裝置152，一稜鏡153以及一準直器155，本實施例所述的激光發生裝置151為激光發生器，激光發生器發射的激光經稜鏡153折射，並通過準直器155將發散的激光彙聚為入射激光束1511，入射激光束1511穿過反應腔頂部的觀測口111投射到基片130上並在基片130表面發生反射，為了準確測得基片130的反射率，本實施例採用入射激光經準直器155調整後入射激光束1511垂直投射到基片130的表面，並在基片130表面發生反射；光電探測裝置152用於探測反射激光的强度，光電探測裝置152連接一計算控制單元160，計算控制單元160根據光電探測裝置152探測到的反射激光强度以及已知的入射激光强度可以計算得出發生發射處的基片反射率 ，並且根據ε =1－R 計算得出基片發射率。本實施例採用的激光發生裝置包括開和關兩種狀態，當激光發生裝置151設置為關狀態時，此時光電探測裝置152用於探測基片熱輻射功率，當激光發生裝置設置為開狀態時，此時光電探測裝置152用於探測反射激光强度和基片熱輻射功率之和，由於反射激光强度=入射激光强度×反射率 ，可以計算得出。

由於MOCVD設備在正常工藝過程中基片載置台120保持500~1000轉/分鐘的高速旋轉，且其溫度通常被加熱到高於1000℃，因此很難用直接測量的方法計算，通常，計算基片130及基片載置台120的溫度要根據普朗克方程：其中為黑體向外熱輻射功率，c₁ 和c₂ 分別為第一和第二輻射常數，λ為輻射波長，T 為基片130的溫度。

由於無法直接測得，為了得到基片130的溫度T ，根據下列公式： 其中，為光電探測裝置探測到的基片130的熱輻射功率，ε為根據光電探測裝置探測到反射激光强度計算得出的基片130的發射率，因此通過上述公式可以計算得處基片向外熱輻射功率，進而根據普朗克方程計算得出基片130的溫度。

第3圖示出溫度探測系統150探測基片載置台表面溫度時的光路圖，基片載置台120通常為石墨材料，不同於基片130光滑平面産生的鏡面反射，由於石墨載置台表面粗糙，當入射光投射到基片載置台表面時，會發生漫反射，反射光向各個方向發散，導致只有少量的反射光能進入光電探測裝置152，如果光電探測裝置152探測不到反射光强或者探測到的反射光的强度較弱，會造成發射率計算不準確或無法計算，也就無法準確計算得到基片載置台120的溫度。因此，本發明所述的溫度探測系統通過採用激光發生裝置151可以有效解決上述問題。在本發明中，由於激光發生裝置151可以提供足夠强大的入射激光强度，因此可以保證光電探測裝置152能夠探測到較强的反射激光强度，進而計算得出基片載置台的發射率和發生反射處的基片載置台的溫度。本發明提供的激光發生裝置既可以滿足測量具有光滑平面的基片發射率，也可以測量表面粗糙的基片載置台120的發射率，基片載置台120的溫度測量原理同於第2圖所述基片130的溫度測量原理，此處，基片載置台作為向外輻射的黑體，根據公式： 其中，為光電探測裝置探測到的基片載置台120的熱輻射功率，ε為根據光電探測裝置探測到反射激光强度計算得出的基片載置台120的發射率，因此通過上述公式可以計算得處基片載置台120向外熱輻射功率，進而根據普朗克方程計算得出基片載置台120測量處的溫度。

溫度探測系統150通常設置在反應腔頂部上方，由於激光發生裝置151及光電探測裝置152體積較大，為了減小溫度探測系統150整體的體積，保證MOCVD設備結構精簡，可以將激光發生裝置151和光電探測裝置152設置在較遠的位置，如第4圖和第5圖所示，激光發生裝置151為光纖耦合激光發生器，其輸出端連接光纖156，光纖耦合激光發生器發出的入射激光通過光纖156進入稜鏡153，並經準直器155調整形成大致平行的光線投射到基片130或者基片載置台120表面，反射後的激光經光纖157進入與之連接的光電探測裝置152內，並經與所述光電探測裝置152連接的計算控制單元160計算得出基片130與基片載置台120的溫度。通過採用第4圖第5圖所述的實施例可以最大限度的減小放置在反應腔頂部溫度探測系統150的面積，由於光在光纖內傳導時損耗很小，且在本實施例中光纖的長度無需太長，因此完全不會對入射激光的强度造成影響，能夠保證溫度探測系統的準確性和有效性。

第2圖-第5圖描述的實施例皆為入射激光束垂直入射到基片或基片載置台表面，在另外的實施例中，如第6圖所示的實施例，激光發生裝置151發出的入射光經準直器155a調整後穿過觀察口111傾斜投射到基片130或基片載置台120表面，發生反射後，反射激光與基片130或基片載置台120表面也呈一定斜角，並經過準直器155b進入光電探測裝置152，採用本實施例所述的光路，可以保證光的傳輸效率較大，光電探測裝置152可以接收到更多反射激光，實現對基片或基片載置台的準確計算。

由於MOCVD反應腔內通常包括複數個基片，且基片載置台的面積較大，為了保證基片和基片載置台溫度測量的全面性和準確性，可以在反應腔頂部上方設置兩個或兩個以上的溫度探測系統150，此時，為了保證兩個及以上的激光發生裝置的入射激光能投射到反應腔內，可以在反應腔頂部設置兩個或兩個以上觀測口，每個觀測口上方設溫度探測系統，每個觀測口到反應腔頂部中心位置的距離不同，確保基片載置台旋轉時溫度探測系統可以測量不同位置的發射率；在另外的實施例中，由於通常反應腔頂部為圓盤形，也可以設置觀測口111為沿所述反應腔頂部110半徑方向延伸的長條狀，所述溫度探測系統設置於所述觀測口上方並沿反應腔頂部的半徑方向排布。

根據第1圖所示，轉軸125能在其他動力裝置（未示出）的驅動下按照例如500~1000轉/分鐘的轉速高速旋轉，使得該基片載置台120也能在該轉軸125的帶動下高速旋轉，不同區域的溫度探測系統可以通過不斷的發射入射激光至不同基片和基片載置台實現對多片基片和整個基片載置台的掃描式測溫。當反應腔上方設置兩個或兩個以上溫度探測系統時，觀測口111可以設置與溫度探測系統150對應個數，也可以設置為長條形，以滿足若干溫度探測系統的入射激光和反射激光進出。同樣地，本實施例中為了減小溫度探測系統的體積，激光發生裝置151也可以採用光纖耦合激光發生器，光纖耦合激光發生器發射的入射光和光電探測裝置152接收的反射光通過光纖進行傳輸。溫度探測系統可以直接設置在反應腔頂部，也可以設置在反應腔頂部上方一定距離，根據不同反應腔結構進行設計。

計算控制單元160連接控制基片載置台120下方的加熱裝置140，根據測得的基片130及基片載置台120的溫度調節加熱裝置140的加熱效率，滿足製程對基片溫度的要求。

在實際工作過程中，由於激光發生裝置151投射到基片和基片載置台上的激光相干長度較大，會在基片和基片載置台上産生散斑圖樣，影響對基片及基片載置台溫度的測量效果，因此，可以在激光發生裝置151的輸出端連接一高頻調製裝置158，如第7圖所示，高頻調製裝置158可以通過高頻率的調製激光發射，降低入射激光在基片或基片載置台表面産生散斑圖樣，確保基片及基片載置台的發射率測量更為準確。

本發明雖然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，都可以做出可能的變動和修改，因此本發明的保護範圍應當以本發明權利要求所界定的範圍為準。

100‧‧‧反應腔
110‧‧‧反應腔頂部
111‧‧‧觀測口
120‧‧‧基片載置台
125‧‧‧轉軸
130‧‧‧基片
140‧‧‧加熱裝置
150‧‧‧溫度探測系統
151‧‧‧激光發生裝置
152‧‧‧光電探測裝置
153‧‧‧稜鏡
155、155a、155b‧‧‧準直器
1511‧‧‧入射激光束
156、157‧‧‧光纖
158‧‧‧高頻調製裝置
160‧‧‧控制單元
p‧‧‧軸

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯，如下附圖構成了本說明書的一部分，和說明書一起列舉了不同的實施例，以解釋和闡明本發明的宗旨。以下附圖並沒有描繪出具體實施例的所有技術特徵，也沒有描繪出部件的實際大小和真實比例。

第1圖示出本發明所述的MOCVD設備結構示意圖；

第2圖示出本發明溫度探測系統探測基片表面溫度的光路圖；

第3圖示出本發明溫度探測系統探測基片載置台表面溫度的光路圖；

第4圖示出本發明另一實施例的溫度探測系統探測基片表面溫度的光路圖；

第5圖示出本發明另一實施例的溫度探測系統探測基片載置台表面溫度的光路圖；

第6圖示出本發明入射激光傾斜投射到所述基片載置台表面的光路圖；以及

第7圖示出本發明帶有高頻調製輸出的溫度探測系統探測基片載置台表面溫度的光路圖。

100‧‧‧反應腔

110‧‧‧反應腔頂部

111‧‧‧觀測口

120‧‧‧基片載置台

125‧‧‧轉軸

130‧‧‧基片

140‧‧‧加熱裝置

150‧‧‧溫度探測系統

160‧‧‧控制單元

p‧‧‧軸

Claims (14)

1. 一種設有溫度探測系統的MOCVD設備，包括一反應腔，該反應腔內設置一基片載置台，該基片載置臺上承載複數個基片，其中： 該MOCVD設備進一步包括一溫度探測系統，該溫度探測系統包括一激光發生裝置和一光電探測裝置，該光電探測裝置連接一計算控制單元，該激光發生裝置用於發射一定强度的入射激光至該反應腔內並在該基片或基片載置台表面發生發射； 該光電探測裝置用於探測反射激光强度及該基片和該基片載置台的熱輻射功率，該計算控制單元用於根據反射激光强度和入射激光强度計算該基片和該基片載置台的發射率，並結合探測到的熱輻射功率計算得出基片及基片載置台的溫度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之MOCVD設備，其中該反應腔包括一反應腔頂部，該反應腔頂部設置一觀測口，該溫度探測系統設置於該觀測口上方。
3. 如申請專利範圍第1項所述之MOCVD設備，其中該溫度探測系統包括一準直器，該準直器位於該激光發生裝置與該觀測口之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之MOCVD設備，其中該反應腔頂部為一圓盤形，該觀測口為沿該圓盤形反應腔頂部的半徑方向延伸的長條狀。
5. 如申請專利範圍第4項所述之MOCVD設備，其中該MOCVD設備包括至少兩個溫度探測系統，該溫度探測系統設置於該觀測口上方並沿該觀測口方向排布。
6. 如申請專利範圍第2項所述之MOCVD設備，其中該反應腔頂部設置兩個或兩個以上該觀測口，每個該觀測口上方設置一溫度探測系統，該每個觀測口到該反應腔頂部中心位置的距離不同。
7. 如申請專利範圍第1項至第6項任一項所述之MOCVD設備，其中該激光發生裝置為激光發生器或光纖耦合激光發生器。
8. 如申請專利範圍第7項所述之MOCVD設備，其中該激光發生裝置輸出端連接一高頻調製輸出裝置。
9. 一種探測基片及基片載置台溫度的系統，其中包括一激光發生裝置，一準直器及一光電探測裝置，該光電探測裝置連接一計算控制單元，該激光發生裝置用於發射一定强度的入射激光經該準直器至該反應腔內並在該基片或基片載置台表面發生發射；該光電探測裝置用於探測反射激光强度及該基片和該基片載置台的熱輻射功率，該計算控制單元用於根據反射激光强度和入射激光强度計算該基片和該基片載置台的發射率，並結合探測到的熱輻射功率計算得出基片及基片載置台的溫度。
10. 如申請專利範圍第9項所述之系統，其中該激光發生裝置為激光發生器或光纖耦合激光發生器。
11. 如申請專利範圍第9項所述之系統，其中該激光發生裝置輸出端連接一高頻調製輸出裝置。
12. 一種探測MOCVD設備內基片及基片載置台溫度的方法，該MOCVD設備包括一反應腔，該反應腔內設置一基片載置台，該基片載置台上承載複數個基片，其中該方法包括下列步驟：在該基片載置台上方設置一溫度探測系統，該溫度探測系統包括一激光發生裝置、一光電探測裝置、一與該光電探測裝置連接的計算控制單元，該激光發生裝置發射入射激光，該入射激光經一準直器耦合到該基片和基片載置台表面，並在該基片和該基片載置台表面發生反射；該光電探測裝置探測該反射激光强度及該基片和該基片載置台的熱輻射功率，該計算控制單元根據反射激光强度和入射激光强度計算該基片和該基片載置台的發射率，並根據該光電探測裝置探測到的該基片和該基片載置台的熱輻射功率計算得出基片及基片載置台的溫度。
13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該激光發生裝置連接一高頻調製輸出裝置，該高頻調製輸出裝置用於減小激光散斑噪音。
14. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該基片載置台下方設置一加熱系統，該計算控制單元控制該加熱系統的溫度。