一種調節基片表面溫度的控溫系統和控溫方法
【專利摘要】本發明公開了一種在化學氣相沉積反應器或者外延層生長反應器內調節基片表面溫度的控溫系統，所述控溫系統包括至少兩個加熱部件，每個加熱部件至少連接一個加熱電源輸出；將預先測得的反應器內的基片表面溫度和其他影響溫度的參數以及為了實現基片表面溫度均勻，加熱電源輸出的溫度調節參數儲存在一控制器內，在反應器實際工作時，通過溫度測量裝置、氣體流速測量裝置、壓力測量裝置以及轉速控制裝置測量反應器內部相應的工藝參數，將測得的工藝參數輸入所述控制器內，與預先儲存在控制器內的工藝條件參數進行比對，找到相同或最相似的工藝條件下對應的加熱電源輸出的溫度調節參數，從而控制對應加熱部件的溫度，實現基片表面溫度的均勻分布。
【專利說明】一種調芐基片表面溫度的控溫系統和控溫方法【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體器件的制造領域，尤其涉及一種對基片進行控溫加熱的【技術領域】。
【背景技術】 [0002]氮化鎵(GaN)是一種廣泛應用于制造藍光、紫光和白光二極管、紫外線檢測器和高功率微波晶體管的材料。由于GaN在制造適用于大量用途的低能耗裝置(如，LED)中具有實際和潛在的用途，GaN薄膜的生長受到極大的關注。
[0003]GaN薄膜能以多種不同的方式生長，包括分子束外延(MBE)法、氫化物蒸氣階段外延(HVPE)法、金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)法等。目前，MOCVD法是用于為生產LED得到足夠質量的薄膜的優選的沉積方法。
[0004]MOCVD工藝通常在一個具有溫度控制、壓力控制、反應氣體流量控制等比較嚴格的環境下的反應腔內進行。通常，由包含第III族元素(例如鎵(Ga))的第一前體氣體和一含氮的第二前體氣體(例如氨(NH3))被通入反應腔內反應以在基片上形成晶體GaN薄膜。一載流氣體(carrier gas)也可以被用于協助運輸前體氣體至基片上方。這些前體氣體在被加熱的基片表面混合反應，進而形成第III族氮化物薄膜(例如GaN薄膜)而沉積在基片表面并形成晶體外延層。
[0005]在前述MOCVD工藝過程中，隨著工藝的進行，MOCVD反應腔內的溫度、壓力、氣體流速以及支撐所述基片的基片承載架轉速等參數需要不斷進行控制調整，并且在調整時各個參數之間會互相影響。
[0006]MOCVD反應腔內的溫度是對整個反應工藝影響較大的一個參數，在MOCVD反應腔內由于所述基片承載架表面面積較大，而且受反應腔內的壓力、氣體流速以及基片承載架轉速等參數的影響，采用單一加熱部件往往會在基片表面產生不同的溫度，這會造成整個基片表面的沉積均一性降低，從而使得產品的合格率降低。現有技術也會采用將加熱部件分區加熱，由于缺乏有效的控制方法，分區加熱的加熱溫度很難調節均勻。

【發明內容】

[0007]為了解決上述技術問題，本發明提供一種調芐基片表面溫度的控溫系統，所述控溫系統位于一化學氣相沉積反應器或者外延層生長反應器內，所述反應器包括一基片承載架，所述基片承載架表面放置所述基片；
[0008]第一加熱部件和第二加熱部件，所述第一加熱部件和第二加熱部件位于所述基片承載架附近，在所述基片承載架支撐基片的表面區域形成第一加熱區和第二加熱區；
[0009]供電系統,包括第一加熱電源輸出和第二加熱電源輸出，所述的第一加熱電源輸出和第二加熱電源輸出分別和所述的第一加熱部件和第二加熱部件相連；溫度探測裝置，用于測量所述第一加熱區的溫度；
[0010]控制器，所述控制器內預先存儲有若干組第一加熱區的溫度及影響所述第一加熱區溫度的參數，以及對應的第二加熱區的溫度調節參數，所述控制器和所述溫度探測裝置相連，所述控制器對所述溫度探測裝置探測到的第一加熱區溫度與預先儲存的數據進行運算比較，得出第二加熱區的溫度調節參數；
[0011]所述控制器將經過比較得出的第二加熱區的溫度調節參數輸送到供電系統，調節第二加熱電源輸出。
[0012]進一步的，所述控溫系統還包括第三加熱部件以及與第三加熱部件連接的第三加熱電源輸出。
[0013]進一步的，所述控溫系統還包括一溫度調節裝置，所述溫度調節裝置和所述控制器相連，所述溫度調節裝置根據所述控制器輸出的第二加熱區的溫度調節參數調節所述供電系統的第二加熱電源輸出。
[0014]所述的第二加熱區的溫度調節參數為:所述的第二加熱電源輸出與所述的第一加熱電源輸出的比值。
[0015]所述供電系統的第一加熱電源輸出和第二加熱電源輸出為電流輸出或電壓輸出。
[0016]所述的供電系統可以為同時具有若干輸出的一個加熱電源，也可以為若干個加熱電源。
[0017]所述溫度調節裝置可以位于所述控制器內部，也可以位于所述供電系統內部，或者位于所述控制器和所述供電系統之間，控制所述供電系統的輸出。 [0018]進一步的，所述控制器還連接一氣體流速測量裝置、一壓力探測裝置和一轉速控制裝置。
[0019]進一步的，影響所述第一加熱區溫度的參數包括反應器內的各種反應氣體的流速、基片承載架周圍的壓力以及基片承載架的轉速。
[0020]進一步的，本發明還公開了一種調芐基片表面溫度的控溫方法，包括下列步驟:
[0021]將待處理基片置于一化學氣相沉積反應器或外延層生長反應器的基片承載架上，在所述基片承載架周圍設置至少第一加熱部件和第二加熱部件，所述第一加熱部件和第二加熱部件分別連接第一加熱電源輸出和第二加熱電源輸出，所述第一加熱部件和第二加熱部件在所述基片承載架支撐基片的表面區域對應形成第一加熱區和第二加熱區；
[0022]在所述控制器內預先儲存若干組第一加熱區的溫度及若干組影響所述基片表面溫度的參數，以及對應的第二加熱區的溫度調節參數；
[0023]采用一溫度探測裝置對所述第一加熱區的溫度進行探測，將測得的溫度輸送到所述控制器內；所述控制器將接收到的所述第一加熱區的溫度與預先儲存的溫度進行運算比較，得出在相同或者最相近的溫度下第二加熱區的溫度調節參數；
[0024]將所述控制器輸出的第二加熱區的溫度調節參數輸入到一與所述控制器相連的溫度調節裝置，所述溫度調節裝置根據接收到的第二加熱區的溫度調節參數控制所述第二加熱電源的輸出，用以控制所述第二加熱部件的溫度，從而實現第一加熱區和第二加熱區溫度均勻或二者間具有一定差值。
[0025]所述控制器對接收到的溫度探測裝置測得的溫度與預先儲存在控制器內部的溫度進行運算比較的方法為:將預先儲存的溫度數據與溫度探測裝置測得的溫度進行差值運算，差值最小的該溫度數據即為相同或最相近的溫度參數。
[0026]所述的控制器對接收到的溫度和預先儲存的溫度運算比較結束后，若對應的第二加熱區的溫度調節參數不唯一，所述控制器會進一步運算比較進入反應腔內各反應氣體流速參數。
[0027]所述控制器對所述反應氣體流速運算比較的方法為:在確定相同或最相近的溫度參數后，將預先儲存在所述控制器內的該最相近的溫度參數對應的各反應氣體流速分別與通過氣體流速測量裝置測得的各反應氣體流速進行差值運算，將得到的差值平方后分別相加，將相加得到的結果進行平方根運算，結果最小的一組氣體流速參數即為相同或最相近的的氣體流速參數。
[0028]所述的控制器對接收到的所述第一加熱區的溫度和反應氣體的流速與預先儲存的溫度和反應氣體的流速運算比較結束后，若對應的第二加熱區的溫度調節參數不唯一，所述控制器會進一步運算比較基片承載架周圍的壓力以及基片承載架的轉速等工藝條件參數。
[0029]所述控制器對基片承載架周圍的壓力運算比較方法為:在確定相同或最相近的溫度參數及反應氣體流速參數后，將通過壓力測量裝置測得的基片承載架周圍的的壓力與預先儲存在所述控制器內所述相同或最相近的溫度參數及氣體流速參數對應的若干組所述基片承載架周圍的的壓力進行差值運算，差值最小的壓力即為相同或最相近的壓力參數。
[0030]所述控制器對所述基片承載架轉速的運算比較方法為:在確定相同或最相近的溫度參數、氣體流速參數及基片承載架周圍的的壓力后，將通過轉速控制裝置測得的基片承載架的轉速與預先儲存在所述控制器內所述相同或最相近的溫度參數、氣體流速參數、基片承載架周圍的壓力參數對應的若干組所述基片承載架的轉速進行差值運算，差值最小的基片承載架轉速即為相同或相似的基片承載架轉速參數。
[0031]本發明在化學氣相沉積反應器或外延層生長反應器內設置一控溫系統，所述控溫系統包括至少兩個加熱部件，每個加熱部件至少連接一個加熱電源輸出；將預先測得的反應器內的基片表面溫度和其他影響溫度的參數以及為了實現基片表面溫度均勻或具有一定差值，第二加熱區的溫度調節參數儲存在一控制器內，在反應器實際工作時，通過溫度測量裝置、氣體流速測量裝置、壓力測量裝置以及轉速控制裝置測量反應器內部相應的工藝參數，將測得的工藝參數輸入所述控制器內，與預先儲存在控制器內的工藝條件參數進行比對，找到相同或最相似的工藝條件下對應的第二加熱區的溫度調節參數，從而控制對應加熱部件的溫度，實現基片表面溫度的均勻分布或二者間具有一定差值。本發明采用查表運算的方式，通過將預先測得的數據儲存的控制器中，當實際工作時根據實際測得的部分參數通過運算比較找到相同或最相近工藝條件下的所述的溫度調節參數，降低了控制器的運算難度，提高了工作效率，同時由于同一臺反應器硬件的相對固定，查表運算的準確性得到保證。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]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，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯:
[0033]圖1不出包含有本發明控溫系統第一實施例的一種反應器的前視橫截面不意圖；
[0034]圖2示出圖1所述實施例控溫系統在所述基片承載架上形成的加熱區示意圖；
[0035]圖3不出包含有本發明控溫系統另一實施例的一種反應器的前視橫截面不意圖；[0036]圖4示出圖3所述實施例控溫系統在所述基片承載架上形成的加熱區示意圖。【具體實施方式】
[0037] 如圖1所不，圖1不出包含有本發明控溫系統第一實施例的一種反應器的前視橫載面示意圖。所述反應器可以用于化學氣相沉積或外延層生長，但應當理解，其并不限于此類應用。所述反應器包括反應腔10，反應腔10內設置至少一個基片承載架12和用于支撐所述基片承載架12的支撐裝置20。反應腔10的側壁上設置有一供基片承載架12傳輸進出的傳輸口 14。基片承載架12包括第一表面12a和一第二表面12b,其中第一表面12a上用于放置若干被處理加工的基片。
[0038]反應腔10內還設置控溫系統，所述控溫系統包括至少第一加熱部件30a和第二加熱部件30b。所述加熱部件數量并非僅限于本實施例中的描述，本領域技術人員可以根據具體工藝要求和反應腔10內部的各項參數合理設定為大于或者等于兩個。第一加熱部件30a和第二加熱部件30b彼此電絕緣，第一加熱部件30a和第二加熱部件30b在基片承載架12支撐基片的表面區域對應形成第一加熱區30a’和第二加熱區30b’，如圖2所示。
[0039]第一加熱部件30a和第二加熱部件30b分別連接供電系統50的第一加熱電源38a和第二加熱電源38b，本實施例的供電系統50采用兩個獨立的加熱電源對第一加熱部件30a和第二加熱部件30b進行加熱，由于反應所需溫度較高，可以對第一加熱部件30a和第二加熱部件30b分別提供若干個并聯的加熱電源，在另外的實施例中所述的供電系統50也可以采用能夠同時輸出兩個或者兩個以上功率的一個加熱電源。
[0040]基片承載架12上方設置一溫度探測裝置32，用于探測第一加熱區30a’或第二加熱區30b’的溫度，本實施例用于探測第一加熱區30a’的溫度；溫度探測裝置32和一控制器34相連，將探測到的第一加熱區30a’的溫度輸送到控制器34內。控制器34內預先儲存若干組基片反應過程中所需的工藝條件參數，例如，每一組工藝條件參數具體包括:第一加熱區30a’的溫度、該溫度條件下可能對應的若干組反應氣體流速參數、每一組反應氣體流速參數下可能對應的若干組基片周圍壓力參數、一至多種基片承載架12所需的轉速等參數，以及在上述參數的作用下，為達到第一加熱區30a’和第二加熱區30b’溫度均勻或二者間有一定的差值，第二加熱電源38b對第二加熱部件30b的溫度調節參數。所述的溫度調節參數可以為一個比值參數，其為:為達到第一加熱區30a’和第二加熱區30b’溫度均勻或二者間有一定的差值，第二加熱電源38b的輸出與第一加熱電源38a輸出的比值。
[0041]反應腔10外部設置有控制反應氣體從反應氣體源進入反應腔10的氣體流速測量裝置41，所述氣體流速測量裝置41為若干個流速測量裝置的集合，能夠分別測量各種反應氣體分別從各自反應氣體源進入反應腔10的的流速。反應腔10內部設有測量基片承載架12周圍壓力的壓力測量裝置42，轉速控制裝置44通過一支撐裝置20連接控制所述基片承載架12旋轉，轉速控制裝置44可以準確顯示基片承載架12的轉速。所述氣體流速測量裝置41、壓力測量裝置42、轉速控制裝置44分別和控制器34相連，將測得的氣體流速、基片承載架12周圍壓力、以及基片承載架12的轉速輸送到控制器34。
[0042]控制器34接收到溫度探測裝置32探測到的第一加熱區30a’溫度后，開始將該溫度與內部預先儲存的數據進行運算比較，得到相同或最相近的一組溫度參數，本實施例所述的運算比較方法為:將預先儲存在控制器34內部的溫度分別與溫度探測裝置32探測到的第一加熱區30a’溫度進行差值運算，差值最小的一組溫度數據即為相同或最相近的溫度參數。由于影響基片表面溫度的因素較多，通過運算比較得出的相同或最相近的第一加熱區30a’溫度通常會對應若干組溫度調節參數，為了得到一個確定的溫度調節參數，需要對反應腔10內的反應氣體流速進行比較。通過氣體流速測量裝置41測量在上述溫度下的反應腔10內的每種氣體的流速，將測得的各反應氣體流速與預先儲存在控制器34內的各反應氣體流速進行運算比較；得到相同或最相近的一組氣體流速參數。本實施例所述的運算比較方法為:將每一組的各氣體流速與氣體流速測量裝置41測得的各氣體流速進行對應的差值運算，將分別得到的差值平方后相加再求平方根，結果最小一組氣體流速即認為是相同或最相近的氣體流速參數。如果該氣體流速參數對應的溫度調節參數唯一，則該溫度調節參數即為控制第二加熱電源38b輸出的比值參數。
[0043]由于基片周圍的溫度還受到基片周圍壓力的影響，同一組氣體流速參數通常會對應一組以上的溫度調節參數，此時，需要對基片周圍壓力進行進一步比較，通過壓力測量裝置42測量該溫度和該氣體流速條件下基片周圍的壓力，將得到的壓力參數與預先儲存在控制器34內的壓力進行運算比較，得到相同或最相近的一組壓力參數。本實施例所述的運算比較方法為:將預先儲存在控制器34內部的壓力分別與壓力測量裝置42探測到的基片承載架12周圍壓力進行差值運算，差值最小的一組壓力數據即為相同或最相近的壓力參數。如果該壓力參數對應的溫度調節參數唯一，則該溫度調節參數即為控制第二加熱電源38b輸出的比值參數。
[0044]由于基片周圍的溫度還受到基片承載架12轉速的影響，同一組壓力參數下還可能會對應一組以上的溫度調節參數，此時，需要對基片承載架12的轉速進行進一步比較，通過轉速控制裝置44測量該溫度、該氣體流速、該壓力條件下基片承載架12的轉速，將得到的轉速參數與預先儲存在控制器34內的轉速進行運算比較，得到相同或最相近的一組轉速參數。本實施例所述的運算比較方法為:將預先儲存在控制器34內部的轉速分別與轉速控制裝置44探測到的基片承載架12的轉速進行差值運算，差值最小的一組轉速數據即為相同或最相近的轉速參數。`通常情況下該轉速參數會對應唯一的溫度調節參數，該溫度調節參數即為控制第二加熱電源38b輸出的比值參數。
[0045]表1為預先儲存在控制器34內的若干組工藝條件參數數據，為了更清晰的描述控制器34的運算比較過程，下述可以結合表1的數據進行表述:
[0046]溫度探測裝置32探測到的第一加熱區30a’溫度為某一具體數值，例如為689°C，控制器34開始將該溫度與內部預先儲存的溫度數據一一進行差值運算，其中預先儲存的數據中700°C為差值最小的一組溫度參數。由于預先儲存的700°C的溫度參數對應若干組溫度調節參數，如1.09、1.03、0.96等，為了得到一個確定的溫度調節參數，需要對反應腔10內的反應氣體流速進行比較。通過氣體流速測量裝置41測量在上述溫度下的反應腔10內的每種氣體的流速，例如，測得氫氣/氮氣/氨氣/主要金屬有機氣源/光學測溫器凈化氣源的流速為10/70/40/25/20 (升/分)，將表格I中溫度參數為700°C下對應的每一組的各氣體流速與10/70/40/20/15進行對應的差值運算，將分別得到的差值平方后相加再求平方根，結果最小的一組氣體流速即認為是相同或最相近的氣體流速參數。
[0047]Δ j ?F>S[0048]
【權利要求】
1.一種調芐基片表面溫度的控溫系統，所述控溫系統位于一化學氣相沉積反應器或者外延層生長反應器內，所述反應器包括一基片承載架，所述基片承載架表面放置基片，其特征在于:所述控溫系統包括: 第一加熱部件和第二加熱部件，所述第一加熱部件和第二加熱部件位于所述基片承載架附近，在所述基片承載架支撐基片的表面區域形成第一加熱區和第二加熱區； 供電系統，包括第一加熱電源輸出和第二加熱電源輸出，所述的第一加熱電源輸出和第二加熱電源輸出分別和所述的第一加熱部件和第二加熱部件相連； 溫度探測裝置，用于測量所述第一加熱區的溫度； 控制器，所述控制器內預先存儲有若干組第一加熱區的溫度及影響所述第一加熱區溫度的參數，以及對應的第二加熱區的溫度調節參數，所述控制器和所述溫度探測裝置相連，所述控制器對所述溫度探測裝置探測到的第一加熱區溫度與預先儲存的數據進行運算比較，得出第二加熱區的溫度調節參數； 所述控制器將經過比較得出的第二加熱區的溫度調節參數輸送到供電系統，調節第二加熱電源輸出。
2.根據權利要求1所述的控溫系統，其特征在于:所述控溫系統還包括第三加熱部件以及與第三加熱部件連接的第三加熱電源輸出。
3.根據權利要求1所述的控溫系統，其特征在于:所述的控溫系統還包括一溫度調節裝置，所述溫度調節裝置和所述控制器相連，所述溫度調節裝置根據所述控制器輸出的第二加熱區的溫度調節參數調 節所述供電系統的第二加熱電源輸出。
4.根據權利要求1所述的控溫系統，其特征在于:所述的第二加熱區的溫度調節參數為:所述的第二加熱電源輸出與所述的第一加熱電源輸出的比值。
5.根據權利要求1所述的控溫系統，其特征在于:所述供電系統的第一加熱電源輸出和第二加熱電源輸出為電流輸出或電壓輸出。
6.根據權利要求1所述的控溫系統，其特征在于:所述的供電系統為同時具有若干輸出的一個加熱電源，或為若干個具有單一輸出的加熱電源。
7.根據權利要求3所述的控溫系統，其特征在于:所述溫度調節裝置位于所述控制器內部，或者位于所述供電系統內部，或者位于所述控制器和所述供電系統之間，控制所述供電系統的輸出。
8.根據權利要求1所述的控溫系統，其特征在于:所述控制器還連接一氣體流速測量裝置、一壓力探測裝置和一轉速控制裝置。
9.根據權利要求1所述的控溫系統，其特征在于:所述的影響所述第一加熱區溫度的參數包括反應器內的各種反應氣體的流速、基片承載架周圍的壓力以及基片承載架的轉速。
10.一種調芐基片表面溫度的控溫方法，其特征在于:包括下列步驟: 將待處理基片置于一化學氣相沉積反應器或外延層生長反應器的基片承載架上，在所述基片承載架附近設置至少第一加熱部件和第二加熱部件，所述第一加熱部件和第二加熱部件分別連接第一加熱電源輸出和第二加熱電源輸出，所述第一加熱部件和第二加熱部件在所述基片承載架支撐基片的表面區域對應形成第一加熱區和第二加熱區； 在所述控制器內預先儲存若干組第一加熱區的溫度及若干組影響所述基片表面溫度的參數，以及對應的第二加熱區的溫度調節參數； 采用一溫度探測裝置對所述第一加熱區的溫度進行探測，將測得的溫度輸送到所述控制器內；所述控制器將接收到的所述第一加熱區的溫度與預先儲存在所述控制器內的溫度參數進行運算比較，得到在相同或最相近的工藝條件下所述第二加熱區的溫度調節參數； 將所述控制器輸出的第二加熱區的溫度調節參數輸入到一與所述控制器相連的溫度調節裝置，所述溫度調節裝置根據接收到的第二加熱區的溫度調節參數控制所述第二加熱電源的輸出，用以控制所述第二加熱部件的溫度。
11.根據權利要求10所述的控溫方法，其特征在于:所述的控制器對接收到的溫度和預先儲存的溫度運算比較結束后，若對應的第二加熱區的溫度調節參數不唯一，所述控制器會進一步運算比較進入反應腔內各反應氣體流速參數。
12.根據權利要求11所述的控溫方法，其特征在于:所述的控制器對接收到的所述第一加熱區的溫度和反應氣體的流速與預先儲存的溫度和反應氣體的流速運算比較結束后，若對應的第二加熱區的溫度調節參數不唯一，所述控制器會進一步運算比較基片承載架周圍的壓力以及基片承載架的轉速等工藝條件參數。
13.根據權利要求10所述的控溫方法，其特征在于:所述控制器對接收到的溫度探測裝置測得的溫度與預先儲存在控制器內部的溫度進行運算比較的方法為:將預先儲存的溫度數據與溫度探測裝置測得的溫度數據進行差值運算，差值最小的該溫度數據即為相同或最相近的溫度參數。
14.根據權利要求11所述的控溫方法，其特征在于:所述控制器對所述反應氣體流速運算比較的方法為:在確定相同或最相近的溫度參數后，將預先儲存在所述控制器內的該最相近的溫度參數對應的各反應氣體流速分別與通過氣體流速測量裝置測得的各反應氣體流速進行差值運算，將得到的差值平方后分別相加，將相加得到的結果進行平方根運算，結果最小的一組氣體流速參數即為相同或最相近的的氣體流速參數。
15.根據權利要求12所述的控溫方法，其特征在于:所述控制器對基片承載架周圍的壓力運算比較方法為:在確定相同或最相近的溫度參數及反應氣體流速參數后，將通過壓力測量裝置測得的基片承載架周圍的的壓力與預先儲存在所述控制器內所述相同或最相近的溫度參數及氣體流速參數對應的若干組所述基片承載架周圍的的壓力進行差值運算，差值最小的壓力即為相同或最相近的壓力參數。
16.根據權利要求12所述的控溫方法，其特征在于:所述控制器對所述基片承載架轉速的運算比較方法為:在確定相同或最相近的溫度參數、氣體流速參數及基片承載架周圍的的壓力后，將通過轉速控制裝置測得的基片承載架的轉速與預先儲存在所述控制器內所述相同或最相近的溫度參數、氣體流速參數、基片承載架周圍的壓力參數對應的若干組所述基片承載架的轉速進行差值運算，差值最小的基片承載架轉速即為相同或相似的基片承載架轉速參數。
【文檔編號】C23C16/52GK103628046SQ201210305989
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年8月24日 優先權日:2012年8月24日
【發明者】田保峽, 李天笑, 王紅軍 申請人:中微半導體設備(上海)有限公司