TW202346816A - 發射率校正高溫測量法 - Google Patents

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Abstract

本發明係有關於一種為基板(22)塗佈至少一個層(23至31)的方法，其中，在層(23至31)之沉積期間，藉由至少一個光學測量裝置(10、11)在層(23至31)上反覆相繼測定諸多測量值對({U E,n, U R,n})，其分別包含一個與在光波長下測得之輻射功率對應的發射率值(U E)以及一個亦在光波長下測得之反射度值(U R)，其中，根據該等測量值對({U E,n, U R,n})以及預先確定的校正值(γ)，計算出基板溫度之實際值(T C)，藉此將用於基板(22)之調溫的調溫裝置(5、6')調節至標稱值(s)。為了改善校正係數之測定，提出：在數個(k)測量間隔(t i)內之測量期間，分別測量至少兩個測量值對({U E,n, U R,n})，以及，針對該等測量間隔(t i)中之每一者皆測定一溫度相關的係數(C i(T i))，用於計算校正值(γ)。

Description

發射率校正高溫測量法
本發明係有關於一種為基板塗佈至少一個層的方法，其中，在層之沉積期間，藉由至少一光學測量裝置，在該層上反覆相繼測量分別包含發射率值及反射度值的諸多測量值對，其中，根據該等測量值對以及預先確定之校正值，計算出基板溫度之溫度值。可將此等溫度值用作實際值，用以將用於基板調溫的調溫裝置調節至標稱值。
此外，本發明亦有關於一種包含計算裝置的裝置，其計算裝置係可程式化，且係以計算出校正值的方式程式化。
US 6,398,406 B1構成本發明之技術背景。此案所描述之發射率校正高溫測量法亦被稱為反射率或反射度校正或發射率補償，而在薄層沉積期間，在被測物體之光學特性未知或不斷變化的情況下，實現非接觸式光學測溫。在用於非接觸式測溫之高溫測量法中，利用熱的被測物體所發射之熱輻射與物體之溫度之間的關係，此關係由眾所周知的普朗克輻射方程式描述，且在實踐中透過相應的事先校準(除了物體之發射率以外)明確測定。被測物體可為製程室中與溫度監控或調節相關且光可及的任意表面。對此該發明而言，被測物體特別是沉積製程期間製程室中之基板之表面，在此沉積製程中產生半導體層結構，此半導體層結構具有由III族(Al、Ga、In)元素及氮構成之不同的近似化學計量化合物。
以下出版物同樣為先前技術： W. G. Breiland, Technical Report SAND2003-1868, June 2003，例如對外公佈於： https://www.osti.gov/biblio/820889 或 https://prod-ng.sandia.gov/techlib-noauth/access-con- trol.cgi/2003/031868.pdf 下文稱Breiland 2003。
先前技術還包括DE 10 2018 106 481 A1，其描述一種同類型裝置。
DE 44 19 476 C2描述過一種方法，用以在層沉積期間測量基板所發射以及反射之輻射。
DE 10 2020 111 293 A1描述過用於將殘餘振盪最小化的發射率校正高溫測量法。
習知的發射率校正法係基於：透過測量被測物體之表面之反射度，測定所缺少的未知發射率。針對不透明基板，藉由克希何夫定律ε=1-ρ以測定發射率。選擇高溫計之偵測波長，使得所選基板(在此為矽)在常規工作溫度(T=600-1200℃)下對此波長呈不透明，即，落在800nm至1000nm範圍內之值。在波長與熱發射之波長完全相同的情況下測量反射度，因此，此方法足夠精確。所需的光可由雷射器提供。在實踐中，高溫計不具有確切的測量波長，而是具有一波長區間(約±10nm，但亦可能更窄或更寬)。此區間寬度須儘可能與發射率及反射度測量之有效波長一致。透過以下方式測量反射度：在感測器之位置處發出具有定義波長之光，光在垂直入射的情況下在晶圓表面上被反射，並且儘可能在與高溫計測量相同的位置上被反射。藉由先前的校準由所測得的反射光之訊號強度測定反射度。在實踐中，通常並非同時地，而是時間上交替間隔地測量物體之熱發射率及反射度，因此，反射度測量不會干擾熱發射率之測量。對此，另見在DE 44 19 476 C2中述及之鎖定(Lock-In)技術。
溫度之精確測量需要兩個不同的校準步驟；藉由實施校準測定校準參數，在用測量訊號計算溫度時將校準參數納入考量。其中，涉及利用黑體輻射源(黑體爐、特殊參考源)對發射率測量進行校準，此黑體輻射源在強度訊號與測量溫度之間建立關聯。在測量中，藉由使用以上述方式測定的校準參數，便能測定出尚未就未知發射率之效果進行過校正的所謂原始溫度。獨立於此的一校準步驟用於測定校準參數，使得每個測得的反射度訊號皆對應於區間0-1中的一個反射度。在層沉積開始之前，緊隨解吸(天然氧化物去除)製程步驟，在習知溫度下以及在未污染的表面上，在反射度(或在採用不透明基板的情況下即為發射率)已知的基板上，例如在矽上，實施此校準步驟。
在以恆定生長速度進行的薄層沉積中，在不採用習知發射率校正法的情況下，觀察到正弦振盪的測溫，此測溫與透明薄層中之干涉效應相關(法布里-伯羅振盪)。在GaN或AlGaN在950至1100℃範圍內的溫度下被MOCVD沉積在矽上的具體情形下，振盪至高為±30℃。此方法之目標為將溫度振盪減小至±2℃以下，較佳地減小至±1℃以下。
在如前所述實施先前技術中之測溫法時，會出現一系列誤差，下文將就此進行描述。此等誤差源皆導致發射率校正不完全或被人為加大。有誤差的發射率校正係體現為振幅大於期望誤差程度的剩餘的溫度振盪(殘餘振盪)。
實踐表明，矽上的GaN(AlGaN)材料體系特別容易受所描述的誤差源影響，因為，基於層及晶圓材料之折射率值以及由於透光層與不透明基板相互接觸，測得的反射度值R在近似零與0.5之值之間振盪。
觀察到的誤差源可能為以下亦在實踐中出現之誤差： - 反射度校準中校準對象之反射度的精確值未知，使得校準中所使用的反射度與物理反射度不一致，且用於發射率校正之反射度值有誤差； - 調節及設置光學測量系統時之誤差； - 測量反射度時，半導體層結構中層邊界上發生散射，使得實際被反射之光的一部分未被檢測到； - 製程室之熱表面之散射輻射，此散射輻射透過在製程室壁部上及晶圓表面上的多次反射到達測量頭。
在製造電子元器件，例如用於功率轉換或高頻增強之電路的晶體管時，在本發明所基於之習知方法的實施方式中，沉積製程之控制及重複精度以及每個晶圓中可應用的元器件之產率皆受到嚴重影響，因為，測得的晶圓溫度被用於閉環控制迴路中之溫度調節。其溫度調節係調節了加熱裝置，使得測得的溫度恆定地等於特定的標稱值；在此情形下，物理溫度相應地以未完全校正的溫度振盪之剩餘振幅發生振盪，此等溫度振盪為測量假影。其元器件具有沉積至基板上的多層結構，此多層結構具有第一區段及第二區段。在第一區段中，沉積出過渡層、尤其AlGaN以及特別是由GaN構成的緩衝層。將AlGaN障壁層地沉積至由GaN構成之緩衝層上，使得，在介於GaN層與AlGaN障壁層之間的層邊界之區域內形成二維電子氣。對可重複性之不利影響特別是與以下情形相關：元器件結構通常是由功能塊之序列組成，而此序列係由位於Si基板上之薄AlN晶種層、過渡層序列、厚GaN緩衝層序列、以及由AlGaN或AlInN構成之相對較薄但溫敏的障蔽層所形成。在緩衝層末端，視剩餘測量溫度振盪之隨機相位而定，物理溫度與標稱值之偏差在批次間或晶圓間具有不同的值，此等值例如係轉化為對元器件功能而言至關重要的障壁層組成的不同值。
為了補償上述誤差源，在先前技術中提出了對測量方法的理論校正，其出發點為可數學推導之事實：透過另一校正值γ能夠高效地對一系列誤差源的作用進行補償，藉此，理論上能夠將剩餘振盪減小至零。
DE 10 2020 126 597 A1描述過一種類似的方法。
本發明之出發點為：在高溫計中偵測的基於晶圓表面之熱發射的測量訊號與晶圓表面之溫度之間的關係，其中，將晶圓表面之因在層生長期間變化的物理及光學屬性引起的非單一發射率考慮在內。
此關係透過普朗克輻射定律在維恩近似(Wien approximation)中描述，且在此如下表示： (1) 其中 (1a)。 其中，符號表示以下量： U E：來自晶圓表面之熱發射率的測量訊號， U R：晶圓表面之反射度之測量訊號， ε：發射率， A,B：校準參數，其中，B ＜ 0， α：反射度歸一化之校準參數，其係在測量訊號U R與物理反射率R之間建立關係，其中0 ≤ R ≤ 1， γ：散射光校正之校準參數，其亦能夠對用於確定反射度的校準參數α中的誤差進行補償(乃至α=1的情形)。
以時間上及位置上儘可能臨近的方式，檢測出針對熱發射率的測量訊號U E以及針對晶圓表面之反射度的測量訊號U R。該對應於熱發射率的訊號為輻射強度，其係在位於高溫計中之偵測器上測得，並且透過例如藉由在調試前實施的黑體校準測定之校準參數A及B被轉換成溫度值。該反射度訊號係透過測量光訊號之強度產生，在理想情形下，該光訊號具有與測量熱發射率時相同的波長、自測量儀器發出、並且在偵測器中在具反射性的晶圓表面上被反射。基於光學薄層效應(法布里-伯羅效應)，在薄層之沉積期間，晶圓表面之反射度具有隨時間推移近似呈正弦形的波動。就GaN-on-Si製程中之0.5至5μm/h的典型生長速率而言，在測量中使用950nm波長的情況下，振盪週期至高為10分鐘。針對在散射光校準參數γ之連續測定中的進一步操作，以適當的方式將方程(1)變形： (2)， (3) 其中 (4)。
在此方法之針對包含數個單獨晶圓的行星式反應器的特定實施方案中，高溫計係在製程室之頂側上固定地安設在與一位於基板載體表面上之位置有視線連接的光學窗口上。為了實現熱平均，在塗佈過程中使基板緩慢地圍繞反應器中心旋轉。典型的旋轉週期為約12秒，對應於每分鐘五轉。但旋轉速率亦可較大或較小。因此，在測量所關注的位於晶圓上之特定位置上，每12秒檢測一測量訊號對U E及U R。圖1及圖2示出使用的配置。測量之位置13亦可為一測量區，在該測量區之範圍內進行數個測量。測量訊號對U E與U R係對應於此區之範圍內的平均值。位置13或測量區可位於任何晶圓7上，並且可位於晶圓中心處、晶圓邊緣處或二者之間。此方法之使用前提條件為：對於特定的相對較小數目之旋轉週期(即，12秒之倍數)而言，且至少對於一轉(在使用的實施方案中為12秒)而言，溫度係足夠恆定，或至少溫度變化足夠小。下文以t i表示此相對較短的時間間隔。基於整個系統之熱慣性，若不考慮例如在各層之間切換時的加熱斜坡及冷卻斜坡，則在層沉積過程中符合此前提條件。溫度變化特別是不得在頻率及相位方面精確對應(待補償的測量假影之)溫度訊號中之殘餘振盪，或精確地將其補償。此點很重要，因為真實的溫度變化不會因變化的發射率而自動被錯誤地校正。事實表明，為了可靠且精確地測定校準係數γ，與晶圓溫度需要在窄公差帶內恆定的時間間隔相比，需要在長得多的時間跨度範圍內檢測原始訊號。下文以t k表示此較之於t i為更長的時間間隔。原因在於：為了測定γ，至少需要經過薄層振盪之四分之一週期，為了實現所需精度，則需要一或數個完整的振盪週期。在採用GaN製程中之典型生長速率以及高溫計之偵測波長的情況下，薄層振盪之典型週期長度落在數分鐘的範圍內。其振盪為在層生長過程中，在沉積的薄層中之高溫計訊號或反射度訊號之交替的建設性及破壞性干涉的結果。
本發明之目的在於：就校正值之測定精度改進前述方法。
該目的係透過申請專利範圍所給出之發明而達成，其中，附屬項不僅為獨立項所給出之發明的有利改良方案，亦為該目的之獨創解決方案。
首先並且實質上提出：在一定數目之可在時間上居於先後的測量間隔(其可在時間上直接相繼、可有一定的時間間隔及/或亦可部分重疊)中，分別測量至少兩個測量值對，其中，每個測量值對皆包含一個藉由光學測量裝置測得的發射率值及一個藉由同一或另一光學測量裝置測得的反射度值。較佳地，在一測量間隔內測量多個、至少兩個或三個測量值對，從而能夠透過依據反射率值描繪的發射率值之點雲繪製一回歸直線。此外還提出：針對諸測量間隔中之每一者，皆計算一溫度相關的係數。可採用以下方案：在跨越其一定數目之測量間隔之持續時間的整個測量時間期間，基板之無法藉由前述措施測量的「真實溫度」發生變化。變化可達20℃或更高。該等時間間隔之數目可如此選擇：使得在一測量間隔期間，基板之「真實溫度」僅略微變化，例如最大變化2℃，故可將每個時間間隔內之溫度視作近似恆定。這導致針對每個測量間隔計算出的係數互不相同。就具有圍繞旋轉軸旋轉的基板座、且基板以圍繞旋轉軸的方式設置在該基板座上的CVD反應器而言，特定的基板以5至20秒的時間間隔在一測點下經過，在該測點上測量其測量值對。一測量間隔之持續時間至少係大至使得基板在測點下經過兩次。較佳地，在該測量間隔中，基板在測點下經過的次數為多於兩次。沉積在基板上的層具有以下屬性：在沉積期間，因層內之反射，發射率值及反射度值呈週期性變化。週期時間長度較佳地遠大於其測量間隔。該測量間隔可小於週期長度之四分之一或十分之一。總測量時間，即，測量間隔之時間之和，較佳係大於其週期長度之四分之一。尤佳地，該總測量時間係大於一週期長度。測量時間亦可大於數個週期長度。在此情形下，總測量時間可為所有測量間隔之時間之和。
在此方法中，針對所述及的一或數轉的相對較短的測量間隔(時間間隔t i)，實施經發射率校正的晶圓溫度T i之第一計算。可在數個相繼的測量間隔t i、t i+1、t i+2等中重複實施此計算。在此，該等測量間隔亦可交疊。使用測得的訊號U E及U R以及方程(3)來進行計算。對於每個測量間隔i而言，此第一計算之結果為歸一化係數C i(T i)、經發射率校正的晶圓溫度T i、以及針對短測量間隔i中之每一者的散射光校準參數γ i的估算值，其中，C i(T i)及γ i可根據測量訊號U E與U R之函數關係如在方程(3)中般透過簡單的線性回歸(直線擬合)或透過另一適當的例如回歸方法或最佳化方法測定。依據方程(4)自C i(T i)得出晶圓溫度T i。
基於此等數值，能夠在下一步驟中，在所有測量間隔i之範圍內測定為實現儘可能精確的散射光補償所需的校準參數γ k之值。在溫度被視作足夠恆定、但資料點之數目過少的測量間隔i中測定γ i時的較高不精確性，如下述般被補償：在第二計算步驟中藉由資料在長得多的時間間隔t k＞ t i的範圍內計算γ k，其中，t k至少對應振盪之四分之一週期，但較佳係對應數個完整的週期。此用於測定散射光補償參數γ k的第二計算步驟可具有以下實施方式：
根據本發明之第一變體方案，將諸多溫度相關的係數用作為歸一化係數。在此情形下，針對相對較短的、具有假定為恆定的晶圓溫度的時間間隔t i中之每一者，藉由歸一化係數C i(T i)以將U E值歸一化，從而在較長的時間間隔t k內獲得溫度相關的值U' E。藉此，針對溫度相關的值U' E，自方程(3)得出： (5) 針對其較長的時間間隔t k，根據U' E與U R的關係曲線，透過簡單的線性回歸或透過另一適當的回歸方法或最佳化方法(例如Breiland在上文描述的那般)測定γ k 。
針對其許多測量間隔i中之每一者，分別在測量時間t i的範圍內，測量一定數目之分別針對反射度值U R及發射率值U E的測量值對。以上述方式為測量間隔i中之每一者確定係數C i(T i)。將其代入方程5會產生一方程組，其方程數目等同於測量間隔i中之測量之數目。該方程組具有二個校準係數α及γ，其中γ係未知，並且藉此能夠測定回歸。
根據本發明之第二變體方案，自C i(T i)之值計算出溫度T i，並且在此溫度特性曲線上實施擬合。一直調整γ k，直至產生的溫度測量值儘可能精確地等同於該自C i(T i)得出之溫度特性曲線。
首先，以前述方式為每個測量間隔i確定係數C i(T i)。隨後，可自該等係數C i(T i)確定一溫度值。如此便為每個測量間隔i確定了一溫度。自方程2能夠為每個測量點測定溫度T'。溫度T'有別於溫度T i。透過改變數值γ以將此偏差最小化，便能測定校正值γ。
根據本發明之第三變體方案，在該較長之間隔t k的範圍內，對針對相對較短的間隔t i的估算值γ i進行求平均。
本發明之方法特別是在層之沉積期間實現對校正值的連續式校正或調整。特別是提出：隨每個新的測量值對，對該校正值進行調整。測量持續時間或是為確定校正值而使用的測量間隔的數目可保持恆定，或是在預定之極限內變化。故而，產生隨時間遷移的間隔，在其間隔期間，測定了為確定校正值而需要的測量值對。間隔之持續時間，即，測量持續時間，可為一恆定值。前述方法之結果為一個計算出的溫度。可將此溫度用作為實際值，用以透過調節迴路及調溫裝置(例如，加熱裝置)將基板溫度調節至標稱值。
此外，本發明亦有關於一種用於測定測量值對的光學測量裝置，其具有計算裝置，該計算裝置係用於計算出其校正值。
此外，本發明亦有關於一種用於實施此方法的裝置，例如一種具有設於反應器殼體中之氣體入口構件的CVD反應器，該氣體入口構件係用於將可由第III主族之氫化物與第IV主族之有機金屬化合物構成的製程氣體饋入製程室。該氣體入口構件可為一個供基板座圍繞其旋轉的中央氣體入口構件。但，該氣體入口構件亦可建構成蓮蓬頭。構成製程室之底部的基板座可被一加熱裝置加熱。藉此，將該基板座送至製程溫度。該基板座可具有多個腔體，在該等腔體中各支承有一基板架，而該基板架係支承在氣墊上。藉由產生氣墊的氣流，能夠使基板架進入旋轉。該氣墊之高度可用於改變自基板座起至基板架為止的熱流。加熱裝置與諸多用於改變介於基板座與基板架之間的間隙高度的構件構成一調溫裝置，其可被一(可包括一調節裝置的)計算裝置調節，以便將基板溫度調節至標稱值。為了確定基板溫度之實際值，可設有一或數個光學測量裝置，其係用於測量發射率值及反射度值。根據本發明，計算裝置係程式化成為確定一校正值，該校正值則用於按前述方法自測量值對計算出基板溫度之實際值。
校正值較佳係產生自經定義的數目之測量值對。若將一新測量值接收至測量值對之集合中，則最舊的測量值對便被丟棄，致使其校正值較佳地僅用最新的測量值對計算得出。
下面結合附圖對本案方法之實施例進行詳細說明。圖1及圖2所示CVD反應器具有反應器殼體1、設置在該反應器殼體中之加熱裝置5、設置在加熱裝置5上方之基板座4、以及用於導入例如TMGa、TMAl、NH 3、AsH 3、PH 3及H 2之氣體入口構件2。藉由旋轉驅動裝置14圍繞豎直的旋轉軸A對基板座4進行旋轉驅動。為此，驅動軸體9於一側與旋轉驅動裝置14連接，於另一側與基板座5之底側連接。
基板7放置在基板座4之背離於加熱裝置5的水平表面上。設有放置基板7之基板架6。基板7放置在旋轉軸A之徑向外部，並且由基板容置部保持就位。
可設有兩個測量裝置。發射率測量裝置12可由高溫計構成。反射度測量裝置11亦可由高溫計構成。可設有分束器10，用於將輸入光束劃分至該二測量裝置12、11上。光路在測點13處觸及基板7。如圖2示出，在基板座4旋轉期間，測點13在整個基板7之範圍內遷移。
圖3示出多層結構21，在塗佈製程之數個相繼的塗佈步驟中依次沉積出該多層結構。首先，將由AlN或InN構成之成核層23沉積至矽基板22上。隨後，將第一AlGaN層24沉積至成核層23上，之後再沉積第二AlGaN層25及第三AlGaN層26。三個AlGaN層24至26形成了過渡層。諸過渡層之鋁含量可逐步地遞減。
隨後，將由GaN構成之第一緩衝層27沉積至過渡層24至26上。該層可經過C摻雜。隨後，將同樣由GaN構成之第二緩衝層28沉積至第一緩衝層27上，該第二緩衝層可未經摻雜。
在將層23至31中之一者沉積在基板22上之過程中，藉由反射度值測量裝置11及發射率值測量裝置12，在基板7之面向製程室8的頂側上分別在一測點13上測量出測量值對{U E,n, U R,n}。將此等測量值對存儲在計算裝置15之存儲裝置中。該二測量裝置11及12可設置在一共同的測量頭中，以及，如此建構的光學測量裝置亦可具有計算裝置15。計算裝置15可安設在一個設於反應器殼體外部的殼體中。在該處亦可設有光源，藉由導光體將該光源之光導引至測量頭。此外，該測量頭可具有另一導光線路，藉由該導光線路以將光導引至設有光學測量裝置的外殼處，該光學測量裝置既實現反射度值測量裝置之功能，亦實現發射率值測量裝置之功能。
基板7之當前的溫度T C可依據普朗克輻射定律測定。為簡單起見， 下面為此使用維恩近似： (1) 其中 。
圖4示意性示出發射率值U E及反射度值U R之時間特性曲線。由於沉積的層內之反射，測量訊號隨層厚的增大、即隨時間t的推移而振盪。
為了對因散射光效應或類似原因造成之殘餘振盪進行補償，插入上述校準參數γ，從而產生以下關係： (2)， (3) 其中，在下文中，以下係數係與本發明相關： (4)。
在本發明之方法中，在如圖3所示之諸多層中之一者之沉積期間，特別是在層23至28中之一者之沉積期間，在時間t k期間獲得若干測量值對。圖5例示性示出基板之「真實溫度」之隨時間推移呈不恆定的特性曲線，該溫度略微上升或在之後之時間點上略微下降。將用以實施測量的總時間t k劃分成數個具有測量時間t i的測量間隔i，在本實施例中劃分成t 1、t 2、t 3、t 4及t 5。在每個測量間隔i期間，或在測量時間t 1、t 2、t 3、t 4及t 5期間，分別獲得三個測量值對{U E,i, U R,i}，其中，每個測量值對皆包含一個發射率值U E及一個反射度值U R。
在圖6中，在U R與U E分別充當橫與縱座標的座標系中，將測量間隔t i中之一者之測量值對{U E, U R}作為測量點示出。自方程2可看出，校正值γ體現了對直線斜率的未知貢獻。自方程3可看出，係數C(T)係可透過回歸直線與座標系之縱座標的交點測定。
因此，透過線性回歸，能夠針對每個測量間隔i找到與該測量間隔i對應的校正值γ i及係數C i。基於係數C i又可依據方程4獲得每個測量間隔i之溫度T i(參閱圖9及圖10)。
若如圖7所示將所有測量間隔i之所有測量點展示在一圖表中，則形成具有不同斜率以及與縱座標的不同交點的回歸直線。如圖7所示，針對測量間隔i中之每一者，因如圖5所示之溫度特性曲線而產生個別的校正值γ i及係數C i。
為了在一個共同的圖示中對發射率值U E與反射度值U R的關係進行評估，根據本發明之第一實施例，對發射率值U E進行歸一化，具體方式為：將測得的發射率值U E除以相應的測量間隔i之係數C i。在圖8中示出所有測量值對之如此獲得的歸一化發射率值U' E,i。歸一化發射率值U' E、統一的校正值γ、反射度值U R,n連同發射率值U E,n之間的關係如下： (5a)。
因此，透過如圖8所示之點雲能夠展示根據方程5a產生之線性關係。可根據回歸直線之斜率測定校正值γ，依據圖4，該校正值係自在至少一週期長度範圍內記錄的測量值獲得，而該週期長度係劃分成數個測量間隔。
使用此校正值γ，基於依據方程2或方程3之關係計算溫度T，該溫度在調節中用作為基板溫度之實際值，例如用以沉積如圖3所示之諸多層中之一者，其中，U R與U E分別為發射率值及反射度值之當前值。
結合圖9及圖10闡釋本發明之第二實施例。
圖9為類似於圖5的圖示，但其中未繪示技術上難以測量之「真實溫度」，而是採用自針對圖6闡釋之方法步驟計算出的溫度T i。直接根據係數C i如下確定溫度T i： (6)。
隨後，透過此等溫度T i，以大致穿過測量間隔i之時間中心點的方式繪製一回歸曲線。在圖10中，以位於諸測量間隔i之中心點之間的虛線的形式示出此回歸曲線。可以看出，諸測量間隔i之藉由C i(T i)計算出的平均溫度T i係有別於個別地按以下方程計算出的溫度T' n。 (7)
透過例如如下的最佳化計算： (8) 可為校正值γ計算出一個值，具體方式為：在方程7中一直改變校正值γ，直至產生的溫度測量值T' i儘可能精確地對應於根據C i(T i)之溫度特性曲線。
在如圖10所示之實施例中，亦可透過計算出的溫度T i繪製一充當回歸曲線的多項式曲線。在其他實施例中，可採用指數曲線、正弦曲線或此類曲線之組合。
根據本發明之第三實施例，首先，如上文結合圖6描述的那般，針對每個測量間隔i計算出個別的校正值γ i。隨後，自此等校正值γ i計算出一平均值。
與第一、第二或第三實施例之前述方法相關的其他實施方式可具有以下屬性：
除了基於一個時間間隔t i為特定資料點U Ei(U R i)計算C i(T i)及T i以外，亦可基於處於特定測量值對前後之兩個或兩個以上時間間隔t i，t i+1等來確定C i(T i)及T i。在此情形下，有效的C i(T i)及T i值即為在數個時間間隔範圍內進行的計算之平均值。
在本發明或諸實施例之一個較佳的變體方案中，測量間隔之數目或測量持續時間係保持恆定。在此變體方案中，在計算校正值γ時僅使用最近的一對測量值。若為測量值對之集合增添一個新的測量值對，則最舊的測量值對便自該集合移除。藉由此方法實現隨時間遷移的測量窗口，在此期間測定校正值所需之測量值。每次測量皆會使校正值γ更新。
此外，可透過所有C i(T i)進行滑動擬合(視情況對最新測量資料進行加權)，從而儘可能精確地測定用於計算U' E的數值。視預期之溫度變化類型而定，此擬合可為線性、多項式型、指數型、正弦型或上述之組合。視訊號形狀而定，亦可自動地選擇匹配的功能。
為了減小來自在時間間隔t i範圍內的計算的資料雜訊，特別是可將有缺陷的資料剔除。 在此，既可將T i亦可將γ i用作品質因數。 i.可將T i與時間間隔t x中之平均溫度進行比較，其中t i＞ t x＞ t k(可能以錯誤的γ值測量)。若差異過大，例如大於10℃，則將對應的資料點剔除並且不將其用於進一步計算。亦可與在時間間隔t x中測得的最大溫度進行溫度比較，此溫度通常較之於平均值更加接近真實溫度。 ii.對於特定設備以及特定製程而言，依據經驗，γ k所落在的範圍通常係已知。例如可能為0.95至0.98。可將γ i處於此範圍以外的數值對剔除。若不存在經驗值，則在將以經典方式計算出的不考慮溫度變化的γ k,klass與如在此描述般計算出的γ k進行比較時，能夠得出γ i的允許的最大偏移 |γ k.klass.-γ k| 。允許的偏移亦可為 |γ k.klass. -γ k| 的倍數。
在其較長的時間間隔t k之範圍內實施擬合時，可將具有極大偏差的數值剔除。此舉在第一、第二及第三實施例中皆可行。
可將具有最小及最大反射率(或最大及最小發射率訊號)的資料點的資料自計算中排除。由於反射度及發射率的變化小，此等資料點極易受雜訊影響。
另一改善雜訊的方案為：使用數個測量位置或測量區(圖2)。一般而言，需要選擇足夠小的測量區，因為，溫度訊號之殘餘振盪因晶圓範圍內之不同層厚而被平均化，產生的訊號卻有缺陷。但，可透過數個測量區或位置以同時地計算γ k。此等測量區可位於同一晶圓上，或位於數個晶圓上。有利之處亦在於：較之於每轉一次，能夠以較高頻度進行重新計算。在層生長足夠均勻的情況下，預計γ k係對於所有測量區及位置而言為恆定，因此，可將不同測量區之γ k之平均值作為有效值。
如前所述，γ k可在製程範圍內變化。藉由在此提出之方法，能夠持續地調整γ k。但，γ k不應發生躍變。因此，可藉由適當的濾波方法(例如，低通濾波器)，對γ k之持續變化進行平滑。
在第三實施例之方法中，亦可使用連續擬合來預測γ k之變化，而非簡單的求平均值。視預期之變化而定，此擬合可為線性、多項式型、指數型、正弦型或上述之組合。視訊號形狀而定，亦可自動地選擇匹配的功能。
此操作亦可應用在第一實施例及第二實施例之方法中。在此情形下，將γ k替換成與實施相關的函數γ k(t)。 i.在製程中有溫度級或存在生長暫停的情況下，在時間函數γ k(t)中需要考慮到此等情況；例如，透過刪除不使用的值以及移動時間軸，使得資料中不再存在暫停。
根據第一實施例之方法，在理想情況下，資料U' E(U R)之線性擬合之y軸區段等於1。在偏差大於待定義的數值的情況下，可針對γ k將特定的數值聲明為無效。在此情形下，為γ k繼續使用先前使用的數值。
在製程之開端，在尚無足夠資料存在的情況下，可設定γ k。其例如可源自經驗值或先前之製程結果。在此情形下，此數值為資料剔除之基礎，用作為濾波器的基礎，或用作為擬合的起始點。
在溫度大幅變化的情況下(例如在兩個層之間)，無法使用資料U E(U R)。這可透過資料點之剔除自動實現，或者，透過配方控制或透過檢知溫度設定點之變化以手動方式實現。在將此等資料以及溫度變化前後之資料排除在外後，方可進行γ k之連續計算。
亦可同時按照所有三個方法計算γ k。可按照前文描述之方法選擇有效的γ k。在有數個有效的值的情況下，可求平均值，或者，該等方法之預先確定的優先權定義其數值。
γ i與T i(以及C(T i))皆可能隨時間而變化，因此，亦可將疊代函數應用在第二實施例之方法中，用以測定γ i與T i之最佳的(時間)特性曲線。隨即能夠根據此時間特性曲線測定γ k。 a.疊代操作可如下進行：在每個γ k或γ k(t)計算後，在考慮γ k或γ k(t)的情況下重新計算T i。 b.可使用依據第二實施例之方法得出的C(T i)特性曲線，以便按照第一或第三實施例之方法實施經最佳化之計算。在此情形下，在線性擬合中將C(T i)特性曲線一併納入考量。
時間間隔t k之長度可自動確定，從而對應正好一個振盪週期或其倍數。
視U E或U R係(在整個振盪週期範圍內)上升還是下降而定，能夠根據差異以確定因溫度變化而引起的斜率誤差。如此便能對每個t i間隔中的計算進行校正。
根據T i與T i+1之間的差異，可估算出溫度變化。在溫度變化恆定的情況下，若不是正好在U E與U R之逆轉點中進行計算，則T i與T i+1沿相同的方向移動。這可疊代地用於T i與T i+1之計算中的校正。
前述實施方案係用於說明本申請案整體所包含之發明，該等發明至少透過以下特徵組合分別獨立構成相對於先前技術之改良方案，其中，此等特徵組合中的兩項、數項或其全部亦可相互組合，即：
一種方法，其特徵在於：在一定數目k之測量間隔t i內的測量持續時間期間，分別測量至少兩個測量值對{U E,n, U R,n}，以及，針對該等測量間隔t i中之每一者測定一溫度相關的係數C i(T i)，而該係數係用於計算校正值γ。
一種方法，其特徵在於：係數C i(T i)為第一校準參數A，連同第二校準參數B與溫度T之商之指數函數之值的積。
一種方法，其特徵在於：係數C i(T i)係透過依據反射度值U R描繪的發射率值U E之回歸或透過最佳化方法獲得。
一種方法，其特徵在於：透過將在諸測量間隔中之至少若干個中記錄的發射率值U E除以相應係數C i(T i)以求出歸一化的發射率值U' E，以及，透過依據反射度值U R描繪的歸一化的發射率值U' E之回歸，或透過最佳化方法，計算出校正值γ。
一種方法，其特徵在於：該校正值γ係用透過該等歸一化的發射率值U' E得出的回歸直線之斜率以求得。
一種方法，其特徵在於：透過根據自相應的測量值對{U E,n, U R,n}計算出的溫度值T' i調整自係數C i(T i)獲得的溫度值T i，獲得校正值γ。
一種方法，其特徵在於：針對諸測量間隔t i中之每一者分別測定一校正值γ i，以及，求出此等校正值γ i在測量持續時間範圍內的平均值。
一種方法，其特徵在於，在層23至31之沉積期間，或在由數個層23至31構成的多層結構21之沉積期間，發射率值U E及反射度值U R係以一週期長度週期性變化，其中，一測量間隔t i之持續時間係小於該週期長度之四分之一或十分之一，以及，所有測量間隔t i之總持續時間係大於該週期長度之四分之一或週期長度之數倍。
一種方法，其特徵在於：將測量持續時間或為確定校正值γ而使用的測量間隔t i之數目保持恆定，以及/或者，校正值γ係隨時間變化。
一種方法，其特徵在於：在將一或數個層沉積在基板上期間，連續地將校正值γ最佳化，以及/或者，每當有新測定的測量值對{U E,n, U R, n}時皆將校正值γ更新，以及/或者，使用數目不變或數目在預定範圍內變化的測量值對來計算校正值γ。
一種方法，其特徵在於：溫度值T C為實際值，藉此將用於基板22之調溫的調溫裝置5、6'調節至標稱值s。
一種測量裝置，其特徵在於：計算裝置15係以按照請求項1至11中任一項之方法確定校正值γ的方式程式化。
一種裝置，其特徵在於：測量裝置係根據請求項11建構。
所有已揭露特徵(作為單項特徵或特徵組合)皆為創作本質所在。故，本申請案之揭露內容亦包含相關/所附優先權檔案(先前申請案副本)所揭露之全部內容，該等檔案所述特徵亦一併納入本申請案之申請專利範圍。附屬項以其特徵對本創作針對先前技術之改良方案的特徵予以說明(即使不含相關請求項之特徵)，其目的主要在於可在該等請求項基礎上進行分案申請。每個請求項中所給出的發明可進一步具有前述說明中給出的、特別是以符號標示且/或在符號說明中給出的特徵中之一或數項。本發明亦有關於如下設計形式：前述說明中所述及之個別特徵不實現，特別是對於具體用途而言為非必需的或者可被技術上具有相同功效的其他構件所替代之特徵。
1:反應器殼體 2:氣體入口構件 3:氣體輸送管線 4:基板座 5:加熱裝置；調溫裝置 6:基板架；調溫裝置 6' :氣墊 7:基板 8:製程室 9:驅動軸體 10:分束器；光學測量裝置 11:反射度(值)測量裝置；光學測量裝置 12:發射率(值)測量裝置 13:測點；(測量)位置 14:旋轉驅動裝置 15:計算裝置 21:多層結構 22:(矽)基板 23:(成核)層 24:(過渡)層；(第一)(AlGaN)層 25:(過渡)層；(第二)(AlGaN)層 26:(過渡)層；(第三)(AlGaN)層 27:(第一)(緩衝)層 28:(第二)(緩衝)層 29:(邊界)層；二維電子氣 30:(障壁)層 31:(覆蓋)層 γ:校正值 γ i:(測量間隔)校正值 λ:波長 α:校準參數 A:旋轉軸 α:校準參數 A:校準參數 B:校準參數 U E:發射率值 U E':(歸一化)發射率值 U R:反射度值 U E,n:發射率測量值 U R,n:反射度測量值 T C:(經校正的)溫度值；(溫度)實際值 T M:測量溫度 T S:溫度標稱值 t i:時間間隔 i:測量間隔 n:測量值對 k:(測量間隔)數目 t k:總測量時間 s:標稱值
圖1為用於實施此方法的裝置之示意圖。 圖2為依據圖1中之線II-II得出的在基板座4上的剖視圖，在該基板座上設有多個基板7及多個測點13，該等測點係用於藉由反射度測量裝置11及發射率測量裝置12以測量發射率值U E及反射度值U R。 圖3為示出位於矽基板22上之多層結構21的示意性結構圖。 圖4為發射率之測量值U E及反射度之測量值U R隨時間t變化的時間特性曲線圖，其中，t k表示總測量時間，在此期間以持續時間為t i的數個測量間隔i測量分別由一發射率值U E及一反射度值U R構成的測量值對。 圖5為以虛線例示性地示出「真實溫度」在總測量時間範圍t k內的時間特性曲線圖，該總測量時間t k係對應於五個測量間隔t 1至t 5的總持續時間。 圖6為示意性示出本案方法的座標圖，其中，根據一測量間隔i之至少兩個(在本實施例中為三個)測量值對{U E, U R}，透過依據反射度值U R描繪發射率值U E並且透過測量點繪製一回歸直線，獲得一溫度相關的係數C i(T i)，為此，測定該回歸直線在橫座標零點處與縱座標的交點，參數α及γ產生自在該圖中以陰影示出之斜率三角形，由於α係已知且C i(T i)由γ軸距得出，能夠計算出γ。 圖7為示意性示出依據圖6之內容以對第一實施例進行闡釋的座標圖，其中，所有測量間隔i之所有測量值皆在一圖表中示出，用以闡釋：不同測量間隔i之測量點導致具有不同斜率及與縱座標的不同交點的回歸直線，參數α係產生自在該圖中以陰影示出之斜率三角形。 圖8為示出依據圖6內容的座標圖，其中，所有測量間隔之所有測量值皆在一圖表中示出，但其中使用歸一化的發射率值U' E來替代發射率值U E，該歸一化的發射率值透過用測得的發射率值U E除以歸一化的係數C i(T i)計算出，以及，透過如此獲得的點雲繪製一回歸直線，該回歸直線在值1處與縱座標相交，且其斜率為校準參數α與校正值γ的積。 圖9為示出依據圖5內容以闡釋第二實施例的線圖，其中並非示出基板之「真實溫度」之特性曲線，而是示出依據圖6根據係數C i(T i)為每個測量間隔i計算出的溫度T i。 圖10為示出依據圖9內容的線圖，其中，在每個時間間隔之中心處皆示出計算出的溫度T i，並且透過計算出的溫度T i示出一連接曲線，其亦可由多項式構成，並且示出在每個測量點n上計算出的溫度T' n與測量間隔i之計算出的溫度T i的距離，需要在最佳化方法中將此距離最小化。 圖11為本案方法之流程圖。
γ:校正值
α:校準參數
UE:發射率值
UE':(歸一化)發射率值
UR:反射度值

Claims (13)

  1. 一種為基板塗佈至少一個層的方法，其中，在該層(23至31)之沉積期間，藉由至少一個光學測量裝置(10、11)在層(23至31)上反覆相繼測定諸多測量值對({U E,n, U R,n})，其分別包含一個與在光波長下測得之輻射功率對應的發射率值(U E)以及一個亦在光波長下測得之反射度值(U R)，其中，根據該等測量值對({U E,n, U R,n})以及預先確定的一校正值(γ)，計算出基板溫度之溫度值(T C)，其特徵在於： 在數個(k)測量間隔(t i)內之測量持續時間期間，分別測量至少兩個測量值對({U E,n, U R,n})，以及，針對該等測量間隔(t i)中之每一者皆測定一溫度相關的係數(C i(T i))，而該係數係用於計算該校正值(γ)。
  2. 如請求項1之方法，其中，該係數(C i(T i))為以下二者之積：第一校準參數(A)，連同第二校準參數(B)與溫度(T)之商之指數函數之值。
  3. 如請求項1之方法，其中，該係數(C i(T i))係透過該等依據反射度值(U R)描繪的發射率值(U E)之回歸或透過最佳化方法獲得。
  4. 如請求項1之方法，其中，透過將在該等測量間隔中之至少若干個中記錄的發射率值(U E)除以相應係數(C i(T i))以求出歸一化的發射率值(U' E)，以及，透過該等依據反射度值(U R)描繪的歸一化的發射率值(U' E)之回歸，或透過最佳化方法，計算出該校正值(γ)。
  5. 如請求項4之方法，其中，用透過該等歸一化的發射率值(U' E)得出的回歸直線之斜率，求得該校正值(γ)。
  6. 如請求項1之方法，其中，透過根據自相應的測量值對({U E,n, U R,n})計算出的溫度值(T' i)調整自該等係數(C i(T i))獲得的溫度值(T i)，獲得該校正值(γ)。
  7. 如請求項1之方法，其中，針對該等測量間隔(t i)中之每一者分別測定一校正值(γ i)，以及，求出此等校正值(γ i)在測量持續時間範圍內的平均值。
  8. 如請求項1之方法，其中，在該層(23至31)之沉積期間，或在由數個層(23至31)構成的多層結構(21)之沉積期間，該發射率值(U E)及該反射度值(U R)係以一週期長度週期性變化，而其中，一測量間隔(t i)之持續時間係小於該週期長度之四分之一或十分之一，以及，所有測量間隔(t i)之總持續時間係大於該週期長度之四分之一或週期長度之數倍。
  9. 如請求項1之方法，其中，將該測量持續時間或將為確定校正值(γ)而使用的測量間隔(t i)之數目保持恆定，以及/或者，該校正值(γ)係隨時間變化。
  10. 如請求項1之方法，其中，在將一或數個層沉積在基板上期間，連續地將該校正值(γ)最佳化，以及/或者，每當有新測定的測量值對({U E,n, U R,n})時皆將校正值(γ)更新，以及/或者，使用數目不變或數目在預定範圍內變化的測量值對來計算校正值(γ)。
  11. 如請求項1之方法，其中，該溫度值(T C)為一實際值，藉此將用於基板(22)之調溫的一調溫裝置(5、6')調節至一標稱值(s)。
  12. 一種測量裝置，包含一或數個光學測量裝置(10、11)，其係配置成在用於沉積層的裝置中反覆相繼測定分別包含一發射率值(U E)及一反射度值(U R)的測量值對({U E,n, U R,n})，並且包含一計算裝置(15)，其能夠利用一校正值(γ)計算出層之表面之溫度之實際值(T C)，其特徵在於： 該計算裝置(15)係以按照請求項1之方法確定該校正值(γ)的方式程式化。
  13. 一種用於將多層沉積在基板上的裝置，包含：一氣體入口構件(2)，設置在一反應器殼體(1)中，透過該氣體入口構件以將製程氣體饋入一製程室(8)；一基板座(4)，具有朝向該製程室(8)之面，該基板座可由一加熱裝置(5)加熱，且在該基板座之朝向該製程室(8)之面上可設有多個基板(22)；一或多個光學測量裝置(10、11)，用於測量該基板(22)之朝向該製程室(8)之寬側的發射率值(U E)及反射度值(U R)；以及，一調節裝置，用於利用該至少一個光學測量裝置(10、11)所測得的發射率值(U E)及反射度值(U R)來調節該基板(22)之溫度，其中，一計算裝置(15)確定一校正值(γ)，並且能夠利用該校正值(γ)計算出其溫度之實際值(T C)，其特徵在於： 其測量裝置係根據請求項11建構。
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