一種mocvd設(shè)備實(shí)時(shí)測溫系統(tǒng)自校準(zhǔn)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種M0CVD設(shè)備實(shí)時(shí)測溫系統(tǒng)自校 準(zhǔn)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 外延片生長溫度是M0CVD生產(chǎn)性能控制的關(guān)鍵參數(shù)。由于M0CVD的反應(yīng)條件嚴(yán) 格，需要高真空、高溫、化學(xué)性質(zhì)活潑的生長環(huán)境，高速旋轉(zhuǎn)的襯底，以及嚴(yán)格的設(shè)備空間布 置，采用熱電偶等直接測溫的技術(shù)幾乎是不可能的，因此，必須依賴于非接觸測溫法對外延 片生長溫度進(jìn)行測量?，F(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)用的非接觸測溫法是采用經(jīng)過熱輻射系數(shù)修正的高溫 測量方法，通過測量一定波段的輻射光和相應(yīng)外延片片表面的發(fā)射率計(jì)算外延片片表面的 溫度。然而，在外延片片生長過程中，測溫系統(tǒng)的安裝及外界環(huán)境會影響其測溫的穩(wěn)定性， 影響因素主要包括：a)反應(yīng)腔窗口上的淀積的影響；b)測溫系統(tǒng)安裝位置對探測距離變 化、光學(xué)探測器立體角變化的影響；c)外延片片生長環(huán)境如通氣氣壓、石墨盤旋轉(zhuǎn)變換的影 響。這些影響會改變測溫系統(tǒng)檢測到的信號，引起系統(tǒng)性的溫度偏離，導(dǎo)致外延片生長溫度 測量無法保證一致而又精確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種采用雙波長測溫結(jié)構(gòu)的M0CVD設(shè)備實(shí)時(shí)測 溫系統(tǒng)自校準(zhǔn)裝置及方法。
[0004] 本發(fā)明提供的M0CVD設(shè)備實(shí)時(shí)測溫系統(tǒng)自校準(zhǔn)裝置包括M0CVD反應(yīng)腔及光學(xué)探測 器，所述M0CVD反應(yīng)腔包括外延片，所述M0CVD反應(yīng)腔的頂部設(shè)有探測窗口，所述光學(xué)探測 器通過所述探測窗口向所述外延片發(fā)出波長分別為A :和A 2的探測光束，所述光束所述外 延片反射后形成的反射光束由所述光學(xué)探測部分探測。
[0005] 本發(fā)明提供的基于所述的M0CVD設(shè)備實(shí)時(shí)測溫系統(tǒng)自校準(zhǔn)裝置的自校準(zhǔn)方法包 括以下步驟：
[0006]測量不同溫度下，黑體爐的響應(yīng)光譜P(入，T);
[0007] 根據(jù)
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種MOCVD設(shè)備實(shí)時(shí)測溫系統(tǒng)自校準(zhǔn)裝置，其特征在于，包括MOCVD反應(yīng)腔（1)及光 學(xué)探測器（6 )，所述M0CVD反應(yīng)腔（1)包括外延片（4 )，所述M0CVD反應(yīng)腔（1)的頂部設(shè)有探 測窗口（5)，所述光學(xué)探測器（6)通過所述探測窗口（5)向所述外延片（4)發(fā)出波長分別為 入i和A2的探測光束，所述光束所述外延片（4)反射后形成的反射光束由所述光學(xué)探測部 分探測。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述MOCVD反應(yīng)腔（1)還包括加熱室（2) 和石墨基座（3 )，所述石墨基座（3 )用于承載所述外延片（4 )，所述加熱室（2 )用于對所述石 墨基座（3 )進(jìn)行加熱，進(jìn)而對所述外延片（4 )進(jìn)行加熱。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光學(xué)探測器（6)包括第一光源、第二 光源、分束器、第一二向色鏡（10)、第一濾波片（11)、第一探測器、第二二向色鏡（8)、第二 濾波片（9)、第二探測器、參考光探測器和數(shù)據(jù)采集單元； 所述第一光源發(fā)出波長為的光束，所述第二光源發(fā)出波長為A2的光束，所述波長 為的光束和波長為X^的光束經(jīng)過所述分束器后被分成兩部分，其中一部分為參考光， 另一部分為波長為Ai的探測光束和波長為A2的探測光束，所述參考光進(jìn)入所述參考光探 測器，形成電信號1#; 所述波長為Ai的探測光束、波長為A2的探測光束經(jīng)過所述外延片（4)反射后形成的 反射光經(jīng)過所述分束器（12)后，被所述第一二相色鏡和第二二向色鏡分隔呈兩部分，其中 一部分的波長為Ai，經(jīng)過所述第一濾波片后進(jìn)入第一探測器，形成電信號1&1，另一部分的 波長為A2，經(jīng)過所述第二濾波片后進(jìn)入第二探測器，形成電信號1&2 ; 所述電信號I#、I&i和I& 2分別被所述數(shù)據(jù)采集單元采集。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述第一光源和第二光源發(fā)出的光的頻 率可調(diào)制。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，還包括光源控制電路，所述光源控制電路 用于對所述第一光源和第二光源發(fā)出的光進(jìn)行控制。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3~5中任一所述的裝置，其特征在于，還包括處理單元，所述處理單 元用于對所述光源控制電路和數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行處理。
7. 一種基于權(quán)利要求1~6中任一所述的MOCVD設(shè)備實(shí)時(shí)測溫系統(tǒng)自校準(zhǔn)裝置的自校 準(zhǔn)方法，其特征在于，包括以下步驟： 測量不同溫度下，黑體爐的響應(yīng)光譜P(A，T); 根據(jù)
計(jì)算第一種波長Ai和第二種波長A2分別對應(yīng)的理論熱輻射功率比值r(l(T); 其中，
PjXpT)，第一種波長Ai對應(yīng)的熱福射功率， 入i，第一種波長， A入1，第一種波長Xi對應(yīng)的帶寬， (X)，光學(xué)探測器（6)在第一種波長Ai下的響應(yīng)函數(shù)，gl (入），第一種波長Ai對應(yīng)的輻射光在光學(xué)器件的透過率， P(入，T)，黑體爐的響應(yīng)光譜，t(T)，光譜傳輸曲線的表達(dá)式， 卩"^"^第二種波長^對應(yīng)的熱福射功率， 入第二種波長， A入2,第二種波長對應(yīng)的帶寬， f2U)，光學(xué)探測器（6)在第二種波長A2下的響應(yīng)函數(shù)， g2U)，第二種波長A2對應(yīng)的輻射光在光學(xué)器件的透過率， T，溫度； A(T)，第一種波長Ai和第二種波長A2分別對應(yīng)的理論熱輻射功率比值； 根據(jù)所述溫度和對應(yīng)的理論熱輻射功率比值A(chǔ)(T)，進(jìn)行最小二乘擬合，得到理論熱輻 射比值-溫度曲線； 測量不同溫度下，第一種波長A:對應(yīng)的實(shí)際熱輻射功率，第二種波長A2對應(yīng)的實(shí)際 熱輻射功率，并得到實(shí)際熱輻射比值； 根據(jù)實(shí)際熱輻射比值，在理論熱輻射比值_溫度曲線上描出與所述實(shí)際熱輻射比值對 應(yīng)的點(diǎn)； 將所述點(diǎn)對應(yīng)的溫度T的值代入
分別得到叫和m2 ; 其中， L(XT)，第一種波長Ai對應(yīng)的實(shí)際熱輻射功率， L(入2,T)，第二種波長A2對應(yīng)的實(shí)際熱輻射功率， 11^，第一種波長Ai對應(yīng)的校準(zhǔn)系數(shù)，m2，第二種波長A2對應(yīng)的校準(zhǔn)系數(shù)， (X)，光學(xué)探測器（6)在第一種波長Ai下的響應(yīng)函數(shù)， gl (入），第一種波長Ai對應(yīng)的輻射光在光學(xué)器件的透過率，f2U)，光學(xué)探測器（6)在第二種波長A2下的響應(yīng)函數(shù)， g2U)，第二種波長A2對應(yīng)的輻射光在光學(xué)器件的透過率， e(X)，外延片（4)表面的發(fā)射率， T，溫度， 入i，第一種波長， 八入1，第一種波長Xi對應(yīng)的帶寬， 入第二種波長， A入2,第二種波長對應(yīng)的帶寬，k，玻爾茲曼常數(shù)，k=l. 3806X10_23J/K， h為普照朗克常數(shù)，h=6. 626X10_34J?s， c，光在真空中傳播速度，c=3X108m/s。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，通過最小二乘法得到所述熱輻射比值-溫 度曲線時(shí)，參與擬合的熱輻射比值以及對應(yīng)的溫度T數(shù)據(jù)為多個(gè)，分別是反應(yīng)腔溫度穩(wěn)定 在I\，T2，...，1；時(shí)獲得。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述1\，T2, ...，Tn分別由黑體爐加熱系 統(tǒng)加熱獲得。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述測溫范圍為為 (400°C，150(TC)，所述第一種波長^對應(yīng)高溫度區(qū)間（TUP，T_)，所述第二種波長入2對應(yīng) 低溫度區(qū)間（Tmin,Td_)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，（Tmin，Tmax)為（450 °C，1200°C)， Tup=750°C，Td_=800°C，X2=1050nm。
12. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述實(shí)際熱輻射比值r(T)的計(jì)算方法如 下：
其中， L(XT)，第一種波長Ai對應(yīng)的實(shí)際熱輻射功率， L(入2,T)，第二種波長A2對應(yīng)的實(shí)際熱輻射功率， 入i，第一種波長， 入第二種波長， ei，第一種波長Xi對應(yīng)的外延片（4)表面的發(fā)射率，e2，第二種波長對應(yīng)的外延片（4)表面的發(fā)射率， T，溫度。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于， 當(dāng)外延片（4)為理想不透明、光滑、平整的表面時(shí)，e =1-R/A Te 其中， e，外延片（4)表面的發(fā)射率， R，外延片（4)的反射率， ATK，反射率衰減因子， 當(dāng)外延片（4)為透明、單面襯底拋光的藍(lán)寶石襯底時(shí)， e=ecarr (1-R/ATE) (1-Rdiff) {1+R/ATE*Rdiff+ (1-ecarr) [ (Rdiff+R/ATE(1-Rdiff)2) ]} 其中， e，外延片（4)表面的發(fā)射率， Rdiff，不平滑襯底的散射率，e，石墨基座（3)的熱發(fā)射率， ATK，反射率衰減因子。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，計(jì)算所述實(shí)際熱輻射比值時(shí)，溫度T由MOCVD反應(yīng)腔（1)加熱獲得。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種MOCVD設(shè)備實(shí)時(shí)測溫系統(tǒng)自校準(zhǔn)裝置及方法，屬于半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括MOCVD反應(yīng)腔及光學(xué)探測器，MOCVD反應(yīng)腔包括外延片，MOCVD反應(yīng)腔的頂部設(shè)有探測窗口，光學(xué)探測器通過探測窗口向外延片發(fā)出波長分別為λ1和λ2的探測光束，光束外延片反射后形成的反射光束由光學(xué)探測部分探測。該方法根據(jù)實(shí)際熱輻射比值，在理論熱輻射比值-溫度曲線上描出與實(shí)際熱輻射比值對應(yīng)的點(diǎn)；將點(diǎn)對應(yīng)的溫度T的值代入公式，分別得到校準(zhǔn)系數(shù)m1和m2。該方法及裝置實(shí)現(xiàn)了MOCVD設(shè)備實(shí)時(shí)測溫系統(tǒng)自校準(zhǔn)，能夠保證外延片生長溫度測量一致而又精確。
【IPC分類】G01J5-00
【公開號】CN104697639
【申請?zhí)枴緾N201310655598
【發(fā)明人】李成敏, 嚴(yán)冬, 王林梓, 劉健鵬, 焦宏達(dá), 張?zhí)? 馬小超
【申請人】北京智朗芯光科技有限公司
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2013年12月6日
【公告號】WO2015081727A1