TWI812662B - 用於獲取關於以ｃｖｄ法沉積之層之資訊的裝置與方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係有關於一種獲取製程資訊之方法，製程用於在反應器(14)之製程室(15)中沉積至少一個層、特別是半導體層於基板(18)上，由數個依次實施之步驟組成，其中，將用於作動器(2、4、6、9、11、23)之控制資料(SD)、感測器(3、4、24、25)之測量值(MW)作為原始資料(RD)連同其時間參考按時間順序儲存在日誌檔案(40)中。藉由使用原始資料(SD)獲得關於已沉積之層的品質之認識。為此，藉由計算裝置透過使原始資料(RD)相互關聯(41)來從原始資料(RD)中獲取製程參數(PP)，藉由對製程參數(PP)之時間特性進行分析(42)，來識別製程步驟(P1至Pn)之開始與結束及類型，根據測量值(MW)為製程步驟(P1至Pn)中的至少一些製程步驟求得與製程步驟各自的類型相對應的表徵性製程步驟變數(PG)，並且將以此方式獲取的製程步驟變數(PG)與儲存在製程資料記憶體(44)中的、被分配給至少相似的製程步驟之比較變數(VG)進行比較(45)。

Description

用於獲取關於以CVD法沉積之層之資訊的裝置與方法
本發明係有關於一種獲取製程資訊之方法，該製程用於在反應器之製程室中沉積至少一個層、特別是半導體層於基板上，由數個依次實施之步驟組成，其中，使用原始資料，該等原始資料至少包含用於作動器之控制資料(Stell-Daten)的時間順序。
此外，本發明係有關於一種裝置，該裝置被建構為藉由電子控制裝置，特別是藉由控制電腦來實施本發明之方法。
在機械製造領域，習知做法係在製程相關部位或機械製造相關部位為機器裝備感測器，藉由該等感測器測定測量值，例如溫度測量值或振動測量值。此等測量值被儲存並且由計算裝置評估。其中，以數學方式使測量值相關聯。此點係藉由將測量值用於以數位方式再現機器之功能與設計結構的數學公式而實現。在文獻中，以此方式監測機器之工作原理時，會提及儲存於計算裝置中的「數位孿生體」。
US 2015/0039117 A1揭露一種半導體製造裝置，其中，藉由大量感測器採集測量值。在電子計算單元中處理測量值，其中，大量測量值形成若干子群。
US 2008/0275586 A1描述一種製造經塗佈的晶圓之方法，其中，對資料進行評估，以便能預測塗佈製程之結果。
US 2009/0276077 A1描述一種獲取關於CVD製程之資訊的方法，其中，藉由數位模型處理測量資料。
本發明係有關於一種測定製程資訊之方法，該製程用於特別是沉積半導體層，由數個依次實施的步驟組成，其中，該半導體層特別是層序列中的層。此外，本發明係有關於一種用於實施該方法之裝置。該裝置具有設於反應器殼體內部之製程室，反應器殼體與環境氣密隔離。反應器殼體內部設有基板座，基板座可藉由加熱裝置加熱至製程溫度。藉由基板座將至少一個基板加熱至製程溫度。一或數個基板可平放於基板座之指向製程室的寬面區上。基板座之此寬面區與製程室之頂部相對設置。製程室頂部可被加熱或冷卻。設有感測器，用以測定大量測量值，特別是用以測定製程室頂部之溫度、基板座之表面溫度及製程室內部的壓力。此外可設置光學測量設備，例如紅外線高溫計或紫外線高溫計，以便測定基板表面之特性或沉積於基板表面之層的特性。根據光學感測器之測量值可測定基板表面溫度或當前層厚，且進而測定生長率。此外設有用於在氣體混合系統中測定壓力值或質量流量值之感測器。其他感測器測定調溫浴或冷卻水循環之溫度。設有用於將一或數種製程氣體送入製程室之氣體入口構件。氣體混合系統具有大量作動器與感測器。藉由作動器可調節氣體流量，其中，藉由閥門使製程氣體在氣體混合系統中混合，並且在通入氣體入口構件的運行管線與直接通入排氣管的通風管線之間來回切換製程氣體。作動器可為可用來調節質量流量的質量流量控制器。此外，作動器亦可為加熱器或冷卻器之溫度調節器，以便使液態源或固態源保持源溫度。液態源或 固態源係為被調溫至源溫度的有機金屬起始材料源，例如三甲基鎵或三甲基銦。固態或液態的有機金屬起始材料被儲存在可供載氣通過之源容器(例如起泡器)中。載氣之質量流量由作動器(例如閥門或質量流量調節器)調節。此外設有可用來測量或調節有機金屬源中的壓力之壓力感測器或壓力控制元件。本發明之裝置進一步具有氣態源，例如氫化物源。藉由作動器及/或感測器可調節進入通風管線或運行管線之氫化物的質量流量，該氫化物可為NH3、AsH3、PH3或SiH4。在氣體混合系統中進一步設有用於稀釋及/或導偏流量的其他作動器。此等作動器可為質量流量調節器(MFC)、壓力調節器及多路閥。氣體混合系統進一步具有大量感測器，藉由該等感測器一方面可測定製程相關測量值。然而，亦設有感測器，其提供的測量值與具體製程步驟不相關。特別是設有用於測量溫度、壓力或質量流量之感測器。藉由總壓力感測器可測定製程室中的總壓力。製程係按照儲存在方案檔案中的預設方案(Rezept)而進行並且通常由大量在時間上依次實施之方案步驟組成，其中，此等步驟至少可為沖洗步驟、加熱步驟、調溫步驟、冷卻步驟及/或生長步驟。在沖洗步驟中，用惰性氣體沖洗製程室。不向製程室饋送起始材料，即，特別是不饋送III族前驅體(特別是包含第五主族元素之氣態化合物)、IV族前驅體(特別是包含第四主族元素之氣態化合物)或V族前驅體(特別是包含第五主族元素之氣態化合物)。在加熱步驟中可將製程室加熱至標稱溫度。在加熱步驟中可將IV族前驅體或V族前驅體送入製程室。設有將基板調溫至調溫溫度並且在此溫度上特別是保持一定時間的調溫步驟。在調溫步驟期間，可僅將惰性氣體或者附加性地亦將其中一前驅體送入製程室。在生長步驟中將起始 材料(前驅體)送入製程室，以便在基板表面或在此前已沉積之層的表面沉積層。前驅體可在不同的生長溫度及不同的製程室壓力下被送入製程室。通常用合適的程式設計語言編寫方案，該程式設計語言作為高級語言為人類可讀的。可如下設置：用機器指令編譯方案。方案或從中編譯出來的資料可形成原始資料池。本發明之裝置可具有通訊電腦，藉由該通訊電腦可透過介面(例如鍵盤、螢幕)或資料傳輸裝置輸入方案。將方案儲存在可被分配給通訊電腦的資料記憶體中。方案之資料經由形成通訊介面之通訊電腦被傳輸至控制電腦，控制電腦對塗佈系統之作動器進行控制，即提供預設標稱值。控制電腦同樣能夠從作動器或感測器接收實際值。控制電腦對製程進行即時控制。控制電腦可將作動器或感測器之實際值轉發至通訊電腦。本發明之裝置具有例如被分配給通訊電腦之日誌檔案，在實施製程期間，藉由該日誌檔案以定義的時間間隔(例如以一秒之間隔)將至少一些(較佳所有)感測器之資料作為測量值連同時間戳儲存下來。此外，亦將作動器的至少一些(較佳所有)控制值作為控制資料儲存在日誌檔案中。如此一來，測量值及控制資料同樣可形成原始資料池。本發明之方法或本發明之裝置利用此等來源於方案檔案及/或日誌檔案之原始資料形成壓縮表(例如僅包含相關參數與步驟之平均值)。藉此生成壓縮資料，該等壓縮資料能方便用戶理解特別是用於沉積一或數個半導體層之製程及其依次實施之步驟。為此所需的時間暫態之測定可根據方案(特別是編譯方案)或日誌檔案加以測定。原始資料不僅可包含用於作動器之控制資料。除此之外，原始資料亦可包含感測器之測量值。測量值從日誌檔案中提取。壓縮資料可例如由通訊電腦藉由評估方案而獲得，由控制電 腦藉由評估方案及/或實際值或者藉由評估日誌檔案而獲得。為了沉積層系統以製造發光二極體或HEMT，依次實施大量生長步驟，在該等生長步驟中分別堆疊沉積薄的III-V族層。每個用於製造獨特半導體器件之製程皆由定義數量的步驟組成，其中，在一個步驟中，不必使所有的表徵性控制資料，但至少使一些表徵性控制資料保持一定時間(尤指一段生長時間或調溫時間)的固定值。表徵性控制值可例如為加熱裝置欲加熱製程室頂部或加熱基板座而所需達到之標稱溫度。然而，表徵性控制值在實施步驟期間亦可發生變化；例如，當設有數個冗餘源時，可在實施步驟期間從一個源轉換至冗餘的第二源。此外，本發明之裝置亦可具有固態或液態源。此種源例如具有源容器，固態或液態起始材料儲存在該源容器中。載氣經導引而通過此容器。此點係藉由浸入固態或液態起始材料之浸沒式管而實現。固態起始材料通常為粉末。在此情況下，載氣通過起泡器(洗瓶)樣式之固態或液態起始材料。在知曉源容器中的溫度之情況下，可藉由熱力學聯繫來測定液態或固態起始材料之蒸氣壓力。藉由此蒸氣壓力可測定源的輸送率，其中，除了源溫度外，亦將源的氣體壓力以及通過源的載氣之質量流量考慮在內。可利用相關物理定律來計算源的輸送率，即來自於源的起始材料之質量流量。控制資料為方案內容。
藉由本發明之方法可在製程進行期間或者在製程結束之後，先測定步驟之順序與類型。此時並不使用用於統計資料採集的方案指令，而是僅使用原始資料，特別是僅使用控制資料。替代性地，亦可藉由某種類型的模擬或編譯來從方案中獲取步驟。此舉較佳總是自動進行，因而不必由製程工程師來定義某些用於資料 採集之製程步驟。然而，亦如下設置：使用日誌資料，且特別地，使用測量值來測定製程步驟。為此，首先從原始資料且特別是從控制資料中獲取製程參數。製程參數係為根據原始資料，特別是根據控制資料而算出的參數。為此，藉由計算裝置使原始資料相互關聯。在本發明之裝置中，可設有數個冗餘的起始材料源。在此情況下，起始材料可選擇性地從數個同類型的起始材料源中之一者被送入製程室。起始材料從源到製程室的質量流量取決於質量流量調節器之位置及大量閥門之位置。製程步驟之表徵不需要詳細知道哪些閥門開著及/或設置了怎樣的流量。確切而言，重要者乃是相關閥門或質量流量控制器之調節結果，即一或數種起始材料之進入製程室的質量流量。另一個與製程步驟之表徵相關的值可為製程室內部的溫度及/或製程室內部的壓力。此等值為製程步驟所特有。藉由數學關係對控制資料進行處理，以便根據控制資料例如測定進入製程室之氫化物或有機金屬化合物的質量流量。如此一來，製程參數例如為同時被送入製程室之前驅體的質量流量值。此外，製程參數亦為用於基板座、製程室頂部及基板表面之溫度控制值。在進一步的步驟中分析此等製程參數以測定製程步驟。在與創建方案時相似的計算中，根據液態或固態源之溫度、根據通過源的載氣之質量流量並且根據源中的氣體壓力，在使用熱力學聯繫之情況下，以及根據被分配給源的閥門之位置來測定有機金屬前驅體之質量流量。該等質量流量來自哪個物理源，在此並不重要。重要者乃是基於控制資料而產生的進入製程室之質量流量。其他製程參數可為製程室中的溫度標稱值與壓力標稱值。而後，藉由此等從原始資料中獲取的製程參數來測定製程步驟之開始與結束。為此，觀測製程參數之時間特 性。製程步驟例如可被定義為：製程參數在一定時間內不發生變化。若製程參數之特性在超出極限時間(例如5秒)的時間內不變化，則計算裝置將此識別為獨特的製程步驟。將製程步驟之持續時間及類型(例如取決於流入製程室之前驅體或者取決於壓力或溫度)儲存下來，其中，類型係由製程參數之獨特組合所定義。因此，同類型的製程步驟包含彼此相一致或者至少相似的製程參數。在類型由數個不同製程參數定義之情況下，若製程參數處於由各製程參數所形成之多維座標系統的有限超空間內，則可將兩個製程步驟之類型視為彼此相一致。在實施製程期間，除控制資料外亦處理測量值。對測量值的處理較佳發生於每個製程步驟中。然而，該處理亦可僅發生於個別製程步驟中。處理測量值時測定表徵性製程步驟變數。製程步驟變數可例如為製程室中的實際溫度、製程室中的實際壓力、基板座之實際表面溫度、基板之實際表面溫度、基板之光學特性或層之生長率，以及沉積系統被感測器測量到的對製程參數之其他回應，如調節閥位置、加熱功率或冷卻功率，等等。原則上，任何一個描述裝置之單元(特別是外圍單元)之狀態的物理變數皆在考慮範圍內。處理控制值時，例如根據控制值之子群來測定製程參數，與此相似，處理測量值時可將測量值之子群用作製程變數。處理測量值時可消除製程步驟開始時的啟動效應(Anlaufeffekt)。此點係藉由以下方式而實現：當暫態現象結束時，亦即，當測量值已經穩定時，方開始使用測量值來獲取製程步驟變數。在此情況下，以預設的、特別是依不同製程步驟而不同的時間測定測量值。根據大量按時間順序所獲取的測量值可求得平均值及與該平均值的平均偏差。儲存此等製程步驟變數及/或其他製程步驟變數。若第一次實 施具有獨特的製程步驟序列之製程，則在製程之後分析已沉積之層或層序列的品質。若層或層序列之品質符合規定，則將製程參數及從中分析出來的製程步驟以及製程步驟特有的製程變數儲存在製程資料記憶體中。藉由數學/物理模型計算製程參數，其中，模型以數位方式反映氣體混合系統及反應器之設計結構。模型包含控制資料之物理關係，以便使裝置特有的表徵性控制值相互關聯。因此，製程資料記憶體包含製程資料池，該等製程資料屬於已用於沉積符合品質規定之層或層序列的製程。根據數個同類型製程之製程步驟變數求比較變數。因此，比較變數為特別是包含平均值及離差值的歷史製程步驟變數。若在此次用於創建歷史製程步驟變數(即比較變數)之初始資料採集後實施已保存於製程資料記憶體中的製程，且若此製程以上述方式藉由識別其製程步驟而被發現，則可將在當前製程中所獲取的各製程步驟之製程變數與來自製程資料記憶體之歷史比較變數進行比較。若製程資料處於由平均值之離差範圍所定義的取值範圍，則將該製程步驟視為「品質上沒有問題(qualitativ in Ordnung)」。特別如下設置：僅在製程之所有製程步驟的製程步驟變數皆與歷史比較變數相一致，從而使得製程步驟變數處於離差範圍所規定的範圍內時，總體上將該製程視為「沒有問題」。以下為特別有利：測定製程參數時僅使用控制資料，其中，特別是僅從以下作動器之控制資料獲取製程參數：該等作動器在製程步驟期間藉由改變其調節值而能影響表徵性測量值。特別如下設置：僅從以下作動器之控制資料中獲取製程資料：該等作動器之調節值對製程室中的溫度、由載氣從包含液體或固體的源運送入製程室之有機金屬起始材料的質量流量、特別是由載氣運送入製程室之氫化物的質 量流量及/或製程室中的總壓力有影響。控制資料特別是二位二通閥、五位二通閥、四位二通閥之閥位以及壓力調節器或加熱調節器之標稱值。然而，求製程變數所使用的測量值亦可關於裝置之外圍單元的冷卻水流量參數。在此情況下，用於求製程變數的測量值可為冷卻迴路之表徵性測量值。藉由本發明之方法可在不知曉方案及其步驟之情況下，根據技術上相同或技術上相似的製程來識別製程，具體實現方式為：藉由使原始資料相關聯來從原始資料中，特別是從控制資料中獲取製程參數。此點較佳係藉由數學模型而實現，例如裝置之數位映象，特別是氣體混合系統及反應器之數位映象。數學模型特別是包含作動器之間的物理關係。處理資料時所測定的製程步驟不必與保存在方案中的步驟相同。在處理原始資料以測定製程參數時，進行第一資料壓縮。從數百兆位元組(個別情況下亦達到千兆位元組)大小的日誌檔案中提取幾千位元組大小的資料量，該資料量由製程參數代表。藉由包含對製程參數之時間特性進行觀測的資料分析，識別製程步驟之開始與結束。由於根據控制資料可進一步判斷哪種前驅體或哪種前驅體之組合進入了製程室，因此，藉由分析製程參數之時間特性，不僅可測定每個製程步驟之開始與結束。此外，亦可測定製程步驟之類型(第一III-V族層之生長步驟、第二III-V族層之生長步驟、調溫層，等等)，或者甚至可根據獨特的製程參數組合來明確識別製程步驟。製程參數組合可包含壓力值。該壓力值可關於製程室內部的總壓力。然而，該壓力值亦可關於外圍單元中的壓力。製程參數組合中的製程參數亦可為至少一個決定溫度的參數。舉例而言，基板溫度不僅取決於承載該基板之基板座的溫度。確切而言，基板溫度亦受反應器蓋之溫 度、能使基板載具發生旋轉的沖洗流及該沖洗流之類型影響。氫氣具有不同於氮氣之傳熱特性。測定製程步驟時，特別是選擇賦予製程步驟唯一指紋的製程參數。此測定可在製程結束後立即進行。然而，資料分析亦可在實施製程期間便已進行。第二資料壓縮係藉由處理測量值而實現。測量值隨時間變化而變化，因為測量值乃是由感測器所記錄之實際值。例如溫度測量值。溫度測量值不僅可為製程室內部之區域的前述溫度測量值，亦可為用於為有機金屬源之源容器調溫的浴之溫度。此外，溫度測量值亦可為冷卻水溫度。根據此等測量值測定製程步驟特有的製程步驟變數或一般的製程步驟變數。測定製程步驟變數時，針對每個感測器值，較佳每個測量步驟僅儲存一項資料。但亦可儲存兩項資料，例如平均值及離差。然而，亦可僅儲存平均值便足矣。求平均值較佳不是在製程步驟之整個長度上進行，而是如前所述，僅在有限的時間範圍內進行，即在暫態現象結束後直至例如製程步驟結束。製程步驟變數係表徵製程相關參數之實際值。藉由將製程步驟變數(例如實際溫度或實際壓力或已沉積之層的實際生長率)與歷史資料進行比較，可在製程結束後得出包含層品質預期的判斷。若製程步驟變數處於歷史比較變數之範圍內，則此表明已沉積之層或層序列完好，從而可在後續製造過程中被進一步處理，即利用經塗佈之晶圓製造半導體器件。但若至少一個製程步驟中的製程步驟變數顯著偏離某個歷史製程之同一個製程步驟的比較變數，則此可表明已沉積之層或層序列的品質對於某些應用實例而言不夠。因此，以上述方式在製程中製成的經塗佈之晶圓可被歸類為不良品或低品質。藉此，在製程結束後便能立即判斷出製程中製成的哪些晶圓可作進一步加工，或者哪些晶 圓可被視為不良品。在使用方案資料或從中編譯出來的資料之情況下，在實施製程之前便已可獲取製程參數，而後進行分析以識別製程步驟。若附加性地使用感測器之測量值，則可在實施製程期間或在製程結束之後獲取參數或分析製程參數之時間特性。表徵性製程步驟變數之求取同樣可在實施製程期間即進行或在製程結束之後進行。製程步驟變數與儲存在製程資料記憶體中的比較變數之比較同樣可在實施製程期間即進行或在製程結束之後進行。若對已沉積之層的品質評估不在MOCVD系統中自行實施，而是由外部的生產管理系統實施，則在製程步驟(藉由已測定的製程參數可被明確識別)之後被指示的製程步驟變數(已將系統中的物理關係考慮在內)成為外部資料分析「海量資料」之理想起始點。因此，若存在對已沉積之層的外部品質評估，則壓縮資料集可形成外部測定相關性之基礎。進一步設置如下：藉由分析製程，特別是藉由識別製程步驟，觸發對其他原位測量系統的更複雜的自動分析。舉例而言，藉此可基於已識別的製程步驟啟動或關斷測量設備。若在製程分析時例如發現某個製程步驟為用於沉積層的生長步驟，則可自動啟動層厚測量儀並且在製程步驟結束時再度關斷該層厚測量儀。若將反射率測量儀(例如干涉儀)用作層厚測量儀，則可例如為干涉測量值之週期計數。進一步可如下設置：向測量設備傳輸關於有待在具體製程步驟中沉積之層的化學特性及/或物理特性之資訊，以便測量設備自動地在一定程度上選擇測量範圍。
1‧‧‧氣體選擇開關
2‧‧‧雙通閥，作動器
3‧‧‧壓力感測器
4‧‧‧質量流量調節器，感測器，作動器
4'‧‧‧壓力調節器
5‧‧‧氫化物源
6‧‧‧閥門，作動器
7‧‧‧氣罐
8‧‧‧運行/通風轉換器
9‧‧‧閥門，作動器
10‧‧‧有機金屬源
11‧‧‧作動器
12‧‧‧起泡器
13‧‧‧蝕刻氣體源
14‧‧‧反應器
15‧‧‧製程室
15'‧‧‧製程室頂部
16‧‧‧氣體入口構件
16'‧‧‧饋送管線
16"‧‧‧饋送管線
17‧‧‧基板座
18‧‧‧基板
19‧‧‧氣體饋送管線
19'‧‧‧氣體饋送管線
20‧‧‧氣體排出管線
21‧‧‧氣體排出管線
22‧‧‧加熱器
23‧‧‧加熱器控制器，作動器
24‧‧‧感測器
25‧‧‧溫度感測器
26‧‧‧溫度調節器
40‧‧‧日誌檔案
41‧‧‧製程參數計算
42‧‧‧分析
43‧‧‧測量值評估
44‧‧‧製程資料記憶體
45‧‧‧資料比較
46‧‧‧資料更新
47‧‧‧氣體濃度測量儀
A‧‧‧回應信號
MW‧‧‧測量值
PG‧‧‧製程步驟變數
PP‧‧‧製程參數
PP1‧‧‧製程參數
PP2‧‧‧製程參數
PP3‧‧‧製程參數
PP4‧‧‧製程參數
P1‧‧‧製程步驟
P2‧‧‧製程步驟
P3‧‧‧製程步驟
P4‧‧‧製程步驟
P5‧‧‧製程步驟
P6‧‧‧製程步驟
P7‧‧‧製程步驟
Pi‧‧‧製程步驟
Pn‧‧‧製程步驟
RD‧‧‧原始資料
SD‧‧‧控制資料
VG‧‧‧比較變數
下面參照所附圖式闡述本發明之實施例。其中：圖1為本發明裝置之氣體混合系統的實施例示意圖； 圖2為氣體選擇開關1；圖3為氫化物源5；圖4為運行/通風轉換器8；圖5為有機金屬源10；圖6為反應器14之示意圖；圖7為本發明方法之要素的方塊示意圖。
圖6示出CVD反應器。該反應器具有可由圖中未示出的真空泵抽真空之氣密反應器殼體14。反應器殼體14中設有加熱器22，其可為紅外線加熱器或射頻加熱器，藉由該加熱器可將加熱器上方例如由石墨構成的基板座17加熱至製程溫度。對加熱器22的調節係藉由加熱器控制器23來完成。藉由溫度感測器24(例如熱電偶)測定基板座17之溫度。熱電偶24亦可作調節之用。設有壓力感測器3，藉由該壓力感測器測定反應器殼體或製程室中的總壓力。壓力調節係藉由「蝶形閥」來完成，該蝶形閥佈置在圖中未示出的抽吸管線中，並且將反應器殼體與真空泵連接起來。壓力調節器產生用於此閥門之作動變數。藉由壓力感測器3測定標稱值。在基板座17之上寬面區上平放一或數個基板18，該等基板在塗佈製程中被塗佈一或數個層。該等基板可為矽基板、III-V族基板、藍寶石基板或其他基板。在該等基板上可沉積例如用於發光二極體之III-V族層序列。
在基板座17與製程室頂部15'之間設有製程室15。製程室頂部15'可建構為氣體入口構件，例如，當該氣體入口構件為蓮蓬頭時。然而在實施例中，氣體入口構件居中定位於基板座17 上方並且具有兩個相互分離的饋送管線16、16'，該等饋送管線相互分離地通入製程室15。藉由饋送管線16'、16"可向製程室15饋送各種製程氣體。
符號25用以標示溫度感測器。此溫度感測器25可為光學溫度感測器，例如紅外線高溫計或紫外線高溫計。藉由此溫度感測器25可測量基板18之表面溫度。此外，藉由光學感測器25亦可測定層厚、基板18上的層生長率或層的組成。
被送入氣體入口構件16之饋送管線16'、16"的起始材料在如圖1至圖4所示之氣體混合系統中混合。在圖1中，氣體選擇開關1、運行/通風轉換器8、氫化物源5及有機金屬源10等元件僅被呈現為方塊。相關詳情參見圖2至圖4所示。
氣體混合系統包含兩個氣體饋送管線19、19'，藉由該等氣體饋送管線饋送N2或H2。藉由數個氣體選擇開關1可在氮氣與氫氣之間進行選擇。為此，氣體選擇開關1具有兩個分別由雙通閥2形成之作動器。氣體選擇開關1進一步具有質量流量調節器/感測器4，其同樣可具有作動器之功能。此外可設置壓力感測器，該等壓力感測器分別提供管線系統之此區段中的壓力測量值。質量流量調節器4亦可提供質量流量測量值。設有數個特別是冗餘的氫化物源5。特別是將NH3、AsH3、PH3或SiH4用作氫化物。圖3所示之氫化物源5具有三位二通閥、數個質量流量調節器4以及包含相應的氫化物之氣罐7。氣罐7僅象徵性示出。氣罐通常由集中供氣系統形成。
圖5示出有機金屬起始材料源。實施例中設有兩個分別包含同樣的有機金屬起始材料之源容器(起泡器12)。但是，亦可 設置單獨一個源容器而非兩個源容器12。源10具有數個質量流量調節器4以及四位二通閥11作為作動器。可設置濃度測量儀47作為感測器，藉由該濃度測量儀可測定氣體流量中之有機金屬化合物的濃度。可藉由兩個質量流量調節器4預設濃度。亦可設置附加的壓力調節器4'。藉由溫度調節器26將源容器12之溫度調節至標稱溫度。圖1示出兩個TMGa源及兩個TMAl源。
由氫化物源5或有機金屬源10提供的起始材料可藉由圖4所示之運行/通風轉換器8送入通風管線21，該通風管線直接通入排氣管並且被設置為用於穩定流量。運行管線或者說運行管線RUN I及RUN II與饋送管線16'、16"連接。運行/通風轉換器8具有五位二通閥。
可設置其他單元，例如用符號13標示的蝕刻氣體源。
在一個方案中設有控制值，例如閥位或者關於溫度或壓力的預設標稱值。藉由此方案實施製程，即，在一或數個設於製程室15中的基板上沉積一或數個層。一個製程包含大量步驟。該等步驟按時間順序依次實施並且具有個別特性。重要作動器(即閥門或質量流量調節器)可在一定時間內保持不變的標稱值。重要作動器係指其操作位置對製程步驟之品質有影響的作動器。
全部的閥位、溫度預設值、壓力預設值、質量流量預設值等等皆作為控制值SD在日誌檔案40中儲存為原始資料RD。此外，將感測器(即，特別是溫度感測器、壓力感測器或質量流量感測器)之所有測量值MW皆儲存在日誌檔案40中。在製程持續數小時且資料採集週期為一秒之情況下，將產生極大資料量。在第一步驟中，在不知曉方案之情況下根據此資料量識別製程步驟P1至 Pn。為此，首先從原始資料RD且特別是從用於作動器2、4、6、9、11、23的控制資料SD中獲得製程參數PP。製程參數PP乃是藉由計算裝置從原始資料RD中獲得的資料，該等資料提供製程步驟特定說明。為此，使原始資料RD，特別是僅使控制資料SD相互間產生數學聯繫，其中，藉由該數學聯繫進行製程參數計算41。如圖7中右側所示，製程參數PP1例如可從控制資料SD1與SD2之數學聯繫中獲取。第二製程參數PP2可從控制資料SD2與SD4之數學聯繫中獲取。用於根據控制資料SD來測定製程參數PP的數學聯繫可在計算裝置中藉由程式加以預設。因此，所涉及者乃是控制資料SD之預設數學聯繫，藉由該等預設數學聯繫測定製程參數PP。其中，該等數學聯繫反映控制資料SD之物理關係，例如，製程參數PP2可為有機金屬起始材料之質量流量，其中，控制值SD6為源容器12之溫度。因此，藉由該數學聯繫可根據溫度標稱值以及通過源容器12之載氣的質量流量(控制值SD5)計算來自源10的質量流量。
藉由在進行製程參數計算41時使控制資料SD相互關聯，可例如在考慮冗餘設置數個氫化物源5或數個有機金屬源10之情況下，僅根據閥位以及源容器12中的壓力、溫度來測定通過運行管線20、20'或通過通風管線21之有機金屬化合物或氫化物的流量。進行此計算時，亦將源溫度與通過有機金屬源10之源容器12的載氣之質量流量之間的物理關係考慮在內，以便測定有機金屬前驅體之質量流量，該質量流量為製程參數。
在測定41特別是儲存於製程資料記憶體44中的製程參數PP時，對原始資料RD進行第一資料壓縮。
在接下來的步驟中，在進行製程步驟測定42時，識別數個連續製程步驟P1至Pn中的每一者。在進行製程步驟測定42時被識別的製程步驟P1至Pn不必與方案之步驟相一致。製程步驟界限在此可完全不同。製程步驟界限實質上取決於對控制資料SD之數學聯繫的選擇。如圖7中右側參考製程步驟測定42所示，藉此對製程參數PP1至PP3之時間特性進行觀測。製程參數PP1至PP3在預設時間(例如至少5秒)內未發生變化時所處的範圍被識別為製程步驟Pi。以此方式可將整個製程拆分成大量製程步驟，其中，此等製程步驟可不同於方案中所提出之步驟。然而在以同一個方案所實施的製程中，製程步驟P1至Pn能夠可重複地被識別。
接著，藉由測量值MW進行測量值評估43，其中，在平均值及平均值離差方面對測量值MW且特別是對與具體製程步驟相關的測量值進行分析。為此將暫態現象考慮在內。例如，僅在具體製程步驟Pi開始後的定義時間後採集測量值MW以得出製程步驟變數PG。自此時間點起直至例如製程步驟結束，求一個測量值之平均值，或者在借助於考慮系統實況的合適數學聯繫之情況下，求數個測量值之平均值，該等平均值在進一步處理過程中用作製程步驟變數PG並且亦可被儲存在製程資料記憶體44中。亦如下設置：除了單純地求平均值外，針對已識別的生長步驟，亦對外部原位測量系統進行更複雜的分析，或者說亦觸發對外部原位測量系統的更複雜分析，分析結果用作製程步驟變數，例如藉由分析反射率信號之週期性而得出的生長率。可使用一或數個干涉儀來測量層厚，該等干涉儀在時間上週期性地提供變化著的測量值。根據週期性可測定層厚或生長率。本發明提出：藉由按照本發明方法所獲取 之資訊來觸發(即啟動或關斷)此等測量設備。舉例而言，若所測定的製程參數PP可被分配給用於沉積層之製程步驟，則可在該製程步驟開始時啟動測量設備，並且在該製程步驟結束時再度關斷測量設備。層厚測量儀(例如干涉儀)在量化生長率或層厚時需要有待在製程步驟中沉積之層的光學特性資訊。此等特性可根據製程參數PP測定。
第一次實施製程時，將製程步驟P1至Pn以及在其中所獲取的製程步驟變數PG作為比較變數VG儲存在製程資料記憶體44中。然而，此舉僅在以下情況下進行：對已沉積的一或數個層的品質分析得出該等層符合品質要求之結論。若該等層不滿足對其提出的品質要求，則拋棄計算值。在開始數個相同製程時，以此方式生成歷史資料池，該歷史資料池針對每個製程步驟P1至Pn皆具有一或數個比較變數VG，其中，每個比較變數VG皆相當於一個製程步驟變數PG，例如溫度或總壓力，在該總壓力下可期待製程步驟成功實施。
根據本發明，藉由此歷史資料池可預測後續藉由此製程處理的層序列是否符合品質要求。為此，在資料比較45中，將當前製程之製程步驟P1至Pn的製程變數PG與製程資料記憶體44中的比較變數VG進行比較。若全部製程變數PG皆處於由平均值及比較變數VG之離差範圍所定義的良好範圍(Gut-Bereich)，則將沉積於基板上的層或層序列視為「沒有問題」。資料比較45會發出回應信號A，基於該回應信號可得知該層或層序列是否值得進一步觀測。在層序列被評估為「不行(nicht in Ordnung)」之情況下，關於所涉及者為哪個子層及哪些測量值的第一依據能夠極大地簡化 故障診斷。
符號46用以標示資料更新。提供品質足夠好的層的製程之製程變數PG可作為已儲存的歷史資料之補充而被儲存在製程資料記憶體44中，以更新該處的資料庫存。藉此可攔截長期漂移效應。
前述實施方案係用於說明本申請整體所包含之發明，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個、數個或所有特徵組合亦可相互組合：一種方法，其特徵在於：藉由計算裝置透過使該等原始資料RD相互關聯41來從該等原始資料RD中獲取製程參數PP，藉由對該等製程參數PP之時間特性進行分析42，來識別製程步驟P1至Pn之開始與結束。
一種方法，其特徵在於：根據該等製程參數PP測定被找到的步驟之類型，或者說識別該步驟。
一種方法，其特徵在於：根據感測器3、4、4'、24、25、47之測量值MW，為該等製程步驟P1至Pn中的至少一些製程步驟求得與該等製程步驟各自的類型相對應的表徵性製程步驟變數PG。
一種方法，其特徵在於：針對已識別的該製程步驟，觸發對其他原位測量系統的更複雜的自動分析，特別是反射率測量，並且藉由分析結果求相應的製程步驟變數，例如生長率。
一種方法，其特徵在於：將以此方式獲取的製程步驟變數PG與儲存在製程資料記憶體44中的、被分配給至少相似的製 程步驟之比較變數VG進行比較45。
一種方法，其特徵在於：從日誌檔案40中提取該等原始資料RD，將該等控制資料SD之時間順序以及感測器3、4、4'、24、25、47之測量值MW的時間順序儲存在該日誌檔案中，並且/或者，提取系統處理流程控制器之原始資料RD，並且/或者，從方案資料中提取該等原始資料RD。
一種方法，其特徵在於：根據在先前所實施的一或數個製程中被測定之測量值MW求該等比較變數VG。
一種方法，其特徵在於：僅當該製程之所有製程步驟P1至Pn至少在順序及/或類型及/或持續時間上與該等先前所實施的製程之製程步驟P1至Pn在預設界限內相一致時，將該等製程步驟變數PG與該等比較變數VG進行比較。
一種方法，其特徵在於：該等比較變數VG分別包含根據數個先前製程之測量值MW而求得的時均平均值以及關於離差範圍的值，其中，若該製程步驟變數PG處於該比較變數VG之平均值的離差範圍內，則將該製程步驟變數PG視為「與該比較變數VG在預設界限內相一致」，若該製程步驟變數PG處於該離差範圍以外，則被視為「不與該比較變數在預設界限內相一致」。
一種方法，其特徵在於：測定該等製程步驟變數PG或該等比較變數VG時，消除啟動效應，並且/或者，根據該等測量值求平均值，並且/或者，求與該平均值的平均偏差。
一種方法，其特徵在於：在獲取該等製程參數PP時僅使用控制資料SD，其中，特別是僅從以下作動器2、4、6、9、11、23之控制資料SD獲取該等製程參數PP：該等作動器在製程 步驟Pi期間藉由改變其調節值來影響該等測量值MW。
一種方法，其特徵在於：僅從以下作動器2、4、6、9、11、23之控制資料SD中獲取該等製程參數PP：該等作動器之調節值對該製程室15中的溫度、由載氣從包含液體或固體的源12運送入該製程室15之有機金屬起始材料的質量流量、特別是由載氣運送入該製程室15之氫化物的質量流量及/或該製程室15中的總壓力有影響。
一種方法，其特徵在於：該等控制資料SD為用於閥門6、9之位置的控制值及/或用於質量流量調節器4、壓力調節器4'及/或溫度調節器23之預設標稱值，特別是關於源壓力且/或用於調節製程室壓力之預設標稱值。
一種方法，其特徵在於：該等測量值MW為溫度感測器24、25之溫度測量值、壓力感測器或光學感測器之壓力測量值，其中，特別如下設置：測量值MW為該基板18之表面溫度、該基板座17之表面溫度、該基板18之光學特性及/或沉積於該基板18上之層的層厚。
一種方法，其特徵在於：該等製程參數PP為進入該製程室15之氣態起始材料的質量流量，該等質量流量係藉由被選定之閥門6、9、質量流量調節器4、壓力調節器4'及(視情況)溫度調節器26的控制值SD而算出。
一種方法，其特徵在於：根據固態或液態源10之溫度調節器26的溫度控制值、根據通過源容器12之載氣的質量流量並且根據該源容器12中的氣體壓力，在使用其熱力學聯繫之情況下，以及根據該等被分配給該源10之閥門的位置來計算該等製程 參數PP。
一種裝置，其特徵在於：該計算裝置被程式化且被建構為：從該等原始資料RD中獲取製程參數PP，藉由對該等製程參數PP之時間特性進行分析42，來識別製程步驟P1至Pn之開始與結束及/或類型。
一種裝置，其特徵在於：根據該等測量值MW，為該等製程步驟P1至Pn中的至少一些製程步驟求得與該等製程步驟各自的類型相對應的表徵性製程步驟變數PG，並且將以此方式獲取的製程步驟變數PG與儲存在製程資料記憶體44中的、被分配給至少相似的製程步驟之比較變數VG進行比較45。
一種裝置，其特徵在於：該計算裝置係根據請求項2至16之區別特徵中的任一項被程式化。
所有已揭露特徵(作為單項特徵或特徵組合)皆為發明本質所在。故本申請之揭露內容亦包含相關/所附優先權檔案(在先申請副本)所揭露之全部內容，該等檔案所述特徵亦一併納入本申請之申請專利範圍。附屬項以其特徵對本發明針對先前技術之改良方案的特徵予以說明，其目的主要在於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。
40‧‧‧日誌檔案
41‧‧‧製程參數計算
42‧‧‧分析
43‧‧‧測量值評估
44‧‧‧製程資料記憶體
45‧‧‧資料比較
46‧‧‧資料更新
A‧‧‧回應信號
MW‧‧‧測量值
PG‧‧‧製程步驟變數
PP‧‧‧製程參數
PP1‧‧‧製程參數
PP2‧‧‧製程參數
PP3‧‧‧製程參數
P1‧‧‧製程步驟
Pi‧‧‧製程步驟
Pn‧‧‧製程步驟
RD‧‧‧原始資料
SD‧‧‧控制資料
VG‧‧‧比較變數

Claims (18)

  1. 一種獲取製程資訊之方法，該製程用於在反應器(14)之製程室(15)中沉積至少一個層、特別是半導體層於基板(18)上，由數個依次實施之步驟組成，其中，在製程結束之後使用原始資料(RD)，該等原始資料包含用於作動器(2、4、6、9、11、23)之控制資料(SD)的時間順序，其中，該等控制資料包括用於閥門(6、9)之位置的控制值或用於質量流量調節器(4)、用於調節製程室(15)之壓力的壓力調節器(4')、或溫度調節器(23)中之一或多者的預設標稱值中之一或多者、及/或來自製程結束之後之日誌檔案的資料，其特徵在於：藉由計算裝置透過使該等原始資料(RD)相互關聯(41)來從該等原始資料(RD)中獲取製程參數(PP)，藉由對該等製程參數(PP)之時間特性進行分析(42)，來識別製程步驟(P1至Pn)之開始與結束。
  2. 如請求項1之方法，其中，根據該等製程參數(PP)測定被找到的步驟之類型，或者說識別該步驟。
  3. 如請求項1或2之方法，其中，根據感測器(3、4、4'、24、25、47)之測量值(MW)，為該等製程步驟(P1至Pn)中的至少一些製程步驟求得與該等製程步驟各自的類型相對應的表徵性製程步驟變數(PG)。
  4. 如請求項3之方法，其中，針對已識別的該製程步驟，觸發對其他原位測量系統的更複雜的自動分析，特別是反射率測量，並且藉由分析結果求相應的製程步驟變數，例如生長率，並且/或者，在使用該等製程參數(PP)及/或該等已識別的製程步驟(P1至Pn)及/或該被找到的步驟之類型的情況下，啟動或關斷感測器或者對感測器施加影響。
  5. 如請求項3之方法，其中，將以此方式獲取的製程步驟變數(PG)與儲存在製程資料記憶體(44)中的、被分配給至少相似的製程步驟之比較變數(VG)進行比較(45)。
  6. 如請求項3之方法，其中，從日誌檔案(40)中提取該等原始資料(RD)，將該等控制資料(SD)之時間順序以及感測器(3、4、4'、24、25、47)之測量值(MW)的時間順序儲存在該日誌檔案中，並且/或者，提取系統處理流程控制器之原始資料(RD)，並且/或者，從方案資料中提取該等原始資料(RD)。
  7. 如請求項5之方法，其中，根據在先前所實施的一或數個製程中被測定之測量值(MW)求該等比較變數(VG)。
  8. 如請求項5之方法，其中，僅當該製程之所有製程步驟(P1至Pn)至少在順序及/或類型及/或持續時間上與該等先前所實施的製程之製程步驟(P1至Pn)在預設界限內相一致時，將該等製程步驟變數(PG)與該等比較變數(VG)進行比較。
  9. 如請求項5之方法，其中，該等比較變數(VG)分別包含根據數個先前製程之測量值(MW)而求得的時均平均值以及關於離差範圍的值，其中，若該製程步驟變數(PG)處於該比較變數(VG)之平均值的離差範圍內，則將該製程步驟變數(PG)視為「與該比較變數(VG)在預設界限內相一致」，若該製程步驟變數(PG)處於該離差範圍以外，則被視為「不與該比較變數在預設界限內相一致」。
  10. 如請求項3之方法，其中，測定該等製程步驟變數(PG)或該等比較變數(VG)時，消除啟動效應，並且/或者，根據該等測量值求平均值，並且/或者，求與該平均值的平均偏差。
  11. 如請求項1之方法，其中，在獲取該等製程參數(PP)時僅使 用控制資料(SD)，其中，特別是僅從以下作動器(2、4、6、9、11、23)之控制資料(SD)獲取該等製程參數(PP)：該等作動器在製程步驟(Pi)期間藉由改變其調節值來影響該等測量值(MW)。
  12. 如請求項1之方法，其中，僅從以下作動器(2、4、6、9、11、23)之控制資料(SD)中獲取該等製程參數(PP)：該等作動器之調節值對該製程室(15)中的溫度、由載氣從包含液體或固體的源(12)運送入該製程室(15)之有機金屬起始材料的質量流量、特別是由載氣運送入該製程室(15)之氫化物的質量流量及/或該製程室(15)中的總壓力有影響。
  13. 如請求項1之方法，其中，該等控制資料(SD)為用於閥門(6、9)之位置的控制值及/或用於質量流量調節器(4)、壓力調節器(4')及/或溫度調節器(23)之預設標稱值，特別是關於源壓力且/或用於調節製程室壓力之預設標稱值。
  14. 如請求項1之方法，其中，該等測量值(MW)為溫度感測器(24、25)之溫度測量值、壓力感測器(3)或光學感測器之壓力測量值，其中，特別如下設置：測量值(MW)為該基板(18)之表面溫度、該基板座(17)之表面溫度、該基板(18)之光學特性及/或沉積於該基板(18)上之層的層厚。
  15. 如請求項1之方法，其中，該等製程參數(PP)為進入該製程室(15)之氣態起始材料的質量流量，該等質量流量係藉由被選定之閥門(6、9)、質量流量調節器(4)、壓力調節器(4')及視情況之溫度調節器(26)的控制值(SD)而算出。
  16. 如請求項1之方法，其中，根據固態或液態源(10)之溫度調節器(26)的溫度控制值、根據通過源容器(12)之載氣的質量流量並 且根據該源容器(12)中的氣體壓力，在使用其熱力學聯繫之情況下，以及根據該等被分配給該源(10)之閥門的位置來計算該等製程參數(PP)。
  17. 一種用於實施請求項1至16中任一項之方法之裝置，包括：形成製程室(15)之反應器(14)；以及具有多路閥(2、9)、質量流量調節器(4)及壓力調節器(4')之氣體混合系統，以將源(5、10)所提供的氣態起始材料送入該製程室(15)；可程式化的計算裝置，其具有記憶體，在該記憶體中的方案檔案及/或日誌檔案(40)中按時間順序儲存有作為日誌檔案(40)中之原始資料(RD)的用於作動器(2、4、6、9、11、23)之控制資料(SD)連同其時間參考，其中該等控制資料包括用於閥門(6、9)之位置的控制值或用於質量流量調節器(4)、用於調節製程室(15)之壓力的壓力調節器(4')、或溫度調節器(23)中之一或多者的預設標稱值中之一或多者，其特徵在於：該計算裝置被程式化且被建構為：從該等原始資料(RD)及/或從製程結束之後的日誌檔案(40)中獲取製程參數(PP)，藉由對該等製程參數(PP)之時間特性進行分析(42)，來識別製程步驟(P1至Pn)之開始與結束及/或類型。
  18. 如請求項17之裝置，其中，根據該等測量值(MW)，為該等製程步驟(P1至Pn)中的至少一些製程步驟求得與該等製程步驟各自的類型相對應的表徵性製程步驟變數(PG)，並且將以此方式獲取的製程步驟變數(PG)與儲存在製程資料記憶體(44)中的、被分配給至少相似的製程步驟之比較變數(VG)進行比較(45)。
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