DE102018125531A1 - Device and method for controlling the temperature in a CVD reactor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperaturregelung in einem CVD-Reaktor (1), bei dem mit einer ersten Temperaturmesseinrichtung (2) an einer ersten Messstelle (17) auf einem Substrat (8) ein erster Messwert (T) einer Temperatur und mit einer zweiten Temperaturmesseinrichtung (3) an einer zweiten Messstelle (18) außerhalb des Substrates (8) ein zweiter Messwert (T) einer Temperatur gemessen wird. Zur Regelung einer Heizung wird die Temperatur (T) mit einem Rekalibrierungsfaktor beaufschlagt, wobei der Rekalibrierungsfaktor ein Quotient aus einer Vielzahl von in einer zurückliegenden Zeit gemessenen ersten Messwerten (T) und zweiten Messwerten (T) gebildet wird. Es handelt sich insbesondere um den Quotienten zweier Mittelwerte.The invention relates to a device and a method for temperature control in a CVD reactor (1), in which a first temperature (.) And a temperature (.) Are measured with a first temperature measuring device (2) at a first measuring point (17) on a substrate (8) with a second temperature measuring device (3) at a second measuring point (18) outside the substrate (8) a second measured value (T) of a temperature is measured. To regulate a heater, a recalibration factor is applied to the temperature (T), the recalibration factor being a quotient of a large number of first measured values (T) and second measured values (T) measured in the past. In particular, it is the quotient of two mean values.
Description
Gebiet der TechnikTechnical field
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturregelung in einem CVD-Reaktor und einen CVD-Reaktor, bei dem mit einer ersten Temperaturmesseinrichtung an einer ersten Messstelle eine Substrattemperatur und an einer zweiten Messstelle die Temperatur eines Suszeptors oder eines Substrathalters gemessen wird. Der CVD-Reaktor besitzt eine Regeleinrichtung zur Regelung der Substrattemperatur.The invention relates to a method for temperature control in a CVD reactor and a CVD reactor, in which a substrate temperature is measured with a first temperature measuring device at a first measuring point and the temperature of a susceptor or a substrate holder is measured at a second measuring point. The CVD reactor has a control device for controlling the substrate temperature.
Stand der TechnikState of the art
Verfahren zur Messung der Temperatur von Substratoberflächen oder von Suszeptoroberflächen, bei denen mittels zwei Pyrometern an verschiedenen Stellen auf dem Suszeptor Temperaturen gemessen werden, sind beispielsweise aus der
Die Bildung von Soll-Werten aus verschiedenen Temperaturen wird auch in der
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Beim Abscheiden von Schichten auf Substraten in einem CVD-Reaktor werden an ersten Messstellen erste Messwerte einer Substrattemperatur und an zweiten Messstellen außerhalb des Substrates zweite Messwerte einer Suszeptortemperatur gemessen. Die Messung erfolgt üblicherweise mit zwei voneinander verschiedenen Temperaturmesseinrichtungen, wobei diese Temperaturmesseinrichtungen Pyrometer sein können. Die Temperaturmesseinrichtungen können qualitativ voneinander verschiedene Messwerte liefern, wobei sich die Messwerte qualitativ dadurch unterscheiden, dass beispielsweise nur der zweite Messwert technisch für eine Regelung geeignet ist und der erste Messwert technisch nicht für eine Regelung geeignet ist. Beispielsweise kann der erste Messwert deshalb technisch nicht für eine Regelung verwendet werden, weil er ein nachlaufender Messwert ist, der nur zeitverzögert zur Verfügung steht, und weil der erste Messwert Schwankungen unterliegt oder aufgrund von Oberflächeneigenschaften, Emissionseigenschaften oder Reflexionseigenschaften des Substrates technisch schwer zu ermitteln ist. Die technologisch relevante Temperatur ist aber nicht die mit dem zweiten Messwert gemessene Temperatur, sondern die Oberflächentemperatur des Substrates, da an dieser Oberfläche chemische oder physikalische Reaktionen stattfinden. Beispielsweise wird in einem erfindungsgemäßen CVD-Reaktor eine aus mehreren Komponenten bestehende Halbleiterschicht abgeschieden. Der CVD-Reaktor kann beispielsweise dazu verwendet werden GaN-Schichten oder AlN-Schichten abzuscheiden. Das Abscheiden dieser Schichten kann auf Siliciumsubstraten aber auch auf Saphirsubstraten stattfinden. Das Material der Schichten bzw. des Substrates kann für infrarotes Licht transparent sein, so dass erste Messwerte nicht mit einem IR-Pyrometer ermittelbar sind.When layers are deposited on substrates in a CVD reactor, first measured values of a substrate temperature are measured at first measuring points and second measured values of a susceptor temperature are measured at second measuring points outside the substrate. The measurement is usually carried out using two different temperature measuring devices, which temperature measuring devices can be pyrometers. The temperature measuring devices can deliver qualitatively different measured values, the measured values differing qualitatively in that, for example, only the second measured value is technically suitable for regulation and the first measured value is not technically suitable for regulation. For example, the first measured value cannot be used technically for a control because it is a lagging measured value that is only available with a time delay and because the first measured value is subject to fluctuations or is technically difficult to determine due to surface properties, emission properties or reflection properties of the substrate . However, the technologically relevant temperature is not the temperature measured with the second measured value, but the surface temperature of the substrate, since chemical or physical reactions take place on this surface. For example, a semiconductor layer consisting of several components is deposited in a CVD reactor according to the invention. The CVD reactor can be used, for example, to deposit GaN layers or AlN layers. These layers can be deposited on silicon substrates but also on sapphire substrates. The material of the layers or of the substrate can be transparent to infrared light, so that the first measured values cannot be determined with an IR pyrometer.
Aus dem oben genannten Stand der Technik wurden bereits Vorschläge gemacht, wie man mit Hilfe mathematischer Funktionen, deren Argumente mehrere zu verschiedenen Zeiten gemessene Messwerte sind, einen Temperatur-Ist-Wert erzeugen kann, der weitestgehend der Substrattemperatur entspricht und der zur Regelung einer Heizeinrichtung verwendet werden kann, mit dem der Suszeptor und das vom Suszeptor getragene Substrat beheizt wird.Proposals have already been made from the above-mentioned prior art on how to use mathematical functions, the arguments of which are several measured values measured at different times, to generate an actual temperature value which largely corresponds to the substrate temperature and which is used to control a heating device can be used to heat the susceptor and the substrate carried by the susceptor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren zur Erzeugung einer Ist-Temperatur weiter zu verbessern und einen hierzu verwendbaren CVD-Reaktor anzugeben.The object of the invention is to further improve the above-mentioned method for generating an actual temperature and to provide a CVD reactor which can be used for this purpose.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung, wobei die Unteransprüche nicht nur vorteilhafte Weiterbildungen der in den nebengeordneten Ansprüchen angegebenen Lösung sind, sondern auch eigenständige Lösungen der Aufgabe darstellen.The object is achieved by the invention specified in the claims, the subclaims not only being advantageous developments of the solution specified in the independent claims, but also representing independent solutions to the object.
Zunächst und im Wesentlichen wird vorgeschlagen, dass zur Bestimmung eines gegen einen Soll-Wert geregelten Ist-Wertes, insbesondere einer Ist-Temperatur ein Rekalibrierungsfaktor verwendet wird. Der Rekalibrierungsfaktor wird zumindest aus mehreren ersten Messwerten gewonnen, die in einem Zeitintervall von mindestens 10 Sekunden zeitlich zurückliegend gewonnen werden können. Mit dem Rekalibrierungsfaktor wird der aktuelle zweite Messwert multipliziert. In einer ersten Variante wird der Rekalibrierungsfaktor aus einem Mittelwert von in einem Zeitintervall gemessenen ersten Messwerten gebildet. Das Zeitintervall kann Messwerte enthalten, die zu einer Zeit gemessen werden, die um einen Zeitversatz gegenüber dem aktuellen zweiten Messwert zurückliegen. Der zeitliche Verlauf der Substrattemperatur, also des ersten Messwertes, kann gegenüber dem zeitlichen Verlauf der Suszeptortemperatur, also des zweiten Messwertes, zeitlich verzögert sein. Die zeitliche Verzögerung liegt etwa in der Größenordnung von 10 bis 30 Sekunden. Die zeitliche Verzögerung ist auf verschiedene Faktoren zurückzuführen, beispielsweise auf die Trägheit des Systems, die unterschiedlichen Wärmeflusswege, die Signalverarbeitungszeiten und auf eine Drehung des Suszeptors um eine Drehachse. Typischerweise dreht sich der Suszeptor mit 5 U/min. Die zur Bildung des Mittelwertes verwendeten Messwerte enthalten insbesondere Messwerte, die gegenüber dem Zeitpunkt der Messung des aktuellen zweiten Messwertes um eine Zeit zurückliegen, die beispielsweise einem Drittel, der Hälfte oder einem Ganzen der Zeit entspricht, um die der zeitliche Verlauf des ersten Messwertes gegenüber dem zeitlichen Verlauf des zweiten Messwertes verzögert ist. Es ist insbesondere vorgesehen, dass zur Gewinnung des Rekalibrierungsfaktors erste Messwerte verwendet werden, die um eine Zeit zurückliegen, die mindestens der Zeit einer Umdrehung des Suszeptors entspricht. Diese Zeiten liegen typischerweise oberhalb von 4 Sekunden oder oberhalb von 12 Sekunden. In einer bevorzugten Variante enthält der Rekalibrierungsfaktor einen Quotienten aus dem ersten Wert, insbesondere dem oben erörterten Mittelwert und einem zweiten Wert, wobei der zweite Wert aus zeitlich zurückliegenden zweiten Messwerten gebildet wird. Der zweite Wert kann ebenso wie der erste Wert ein Mittelwert aus einer Mehrzahl in einem Zeitintervall gemessenen ersten Messwerten sein. Das Zeitintervall beträgt auch hier bevorzugt zumindest die Umdrehungszeit des Suszeptors oder eine Verzögerungszeit, um die sich die beiden Messwerte zeitlich verzögert ändern und insbesondere nach einer Temperaturänderung zeitverzögert einen stationären Zustand einnehmen, oder mindestens 10 Sekunden. Zur Bildung des Mittelwertes können unmittelbar die ersten Temperaturwerte oder die zweiten Temperaturwerte verwendet werden. Es ist aber auch vorgesehen, zuvor den zeitlichen Verlauf der Temperaturmesswerte mit einem Tiefpassfilter zu filtern. Alternativ zur Mittelwertbildung kann der erste Wert zur Erzeugung des Rekalibrierungsfaktors und/oder der zweite Wert zur Erzeugung des Rekalibrierungsfaktors auch jeweils über einen tiefpassgefilterten zeitlichen Temperaturverlauf gewonnen werden. Die Grenzfrequenz des hierbei verwendeten, insbesondere digitalen Tiefpassfilters kann hierbei der oben genannten Zeit, also beispielsweise der Umlaufzeit des Suszeptors oder 10 Sekunden oder mehr entsprechen. Die Grenzfrequenz des Tiefpasspassfilters kann darüber hinaus auch die reziproke Zeit sein, um die die Zeitpunkte auseinanderliegen, an denen nach einer Temperaturänderung die beiden Messwerte wieder einen stationären Zustand erreichen. Die Grenzfrequenz beträgt insbesondere maximal 0,1 Hz. Zur Regelung wird also nicht die außerhalb des Substrates am Suszeptor gemessene zweite Temperatur verwendet, sondern eine Mischtemperatur die aus einem Produkt eines ersten Mittelwertes und dem zweiten Messwert berechnet wird. Zur Bildung des ersten Mittelwertes wird eine Vielzahl von ersten Messwerten innerhalb eines Integrationsintervalls von mindestens 10 Sekunden aufintegriert. Der erste Mittelwert bildet somit einen zeitlichen Mittelwert der ersten Temperatur für eine gewisse zurückliegende Zeit. Bevorzugt berechnet sich der Rekalibrierungsfaktor wie folgt:
Dabei hängt der erste Wert
Bei dem verwendeten CVD-Reaktor kann es sich um einen CVD-Reaktor handeln, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der CVD-Reaktor besitzt ein gasdichtes, evakuierbares Gehäuse, in dem sich eine Prozesskammer befindet. Der Boden der Prozesskammer wird von einem Suszeptor ausgebildet. Bei dem Suszeptor kann es sich um eine gegebenenfalls beschichtete Graphitscheibe handeln, die von unten mit einer Heizeinrichtung, beispielsweise einer RF- oder IR-Heizeinrichtung beheizbar ist. Auf der zur Prozesskammer weisenden Breitseitenfläche des Suszeptors können ein oder mehrere Substrate angeordnet sein. Zwischen den Substraten können Abdeckplatten vorgesehen sein, die die Suszeptoroberfläche abdecken. Die ein oder mehreren Substrate können auf Substrathaltern angeordnet sein, die in Taschen des Suszeptors einliegen. Der Suszeptor kann um seine Figurenachse gedreht werden. Die Substrathalter liegen drehbar in den Taschen ein und können auf einem Gaspolster aufliegen, das die Substrathalter in eine Drehung um ihre Achse versetzen kann. Der Prozesskammerdecke kann ein Gaseinlassorgan zugeordnet sein. Es kann sich um ein im Zentrum der Prozesskammer angeordnetes zentrales Gaseinlassorgan handeln. Es ist aber auch vorgesehen, dass das Gaseinlassorgan von einem Showerhead ausgebildet ist, der sich im Wesentlichen über die gesamte Breitseitenfläche des Suszeptor erstreckt und eine Vielzahl von Gasaustrittsöffnungen aufweist. Durch das Gaseinlassorgan werden gasförmige Ausgangsstoffe zusammen mit einem Trägergas in die Prozesskammer eingeleitet, wo sich die Ausgangsstoffe, bei denen es sich um Hydride von Elementen der V. Hauptgruppe und metallorganischen Verbindungen der
Zur Mittelwertbildung der Mittelwerte
Gemäß der ersten Variante wird aus dem ersten Mittelwert
Gemäß einer zweiten, bevorzugten Variante der Erfindung wird die Ist-Temperatur wie folgt berechnet
FigurenlisteFigure list
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Es zeigt:
-
1 einen Querschnitt durch einen CVD-Reaktor, -
2 eine Darstellung gemäß1 eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, -
3 eine Darstellung gemäß1 eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung, -
4a schematisch den TemperaturverlaufT1 der Substrattemperatur bei einer Verminderung der Heizleistung, -
4b schematisch den Verlauf der Suszeptortemperatur bzw. Substrathaltertemperatur nach dem Absenken der Heizleistung, -
4c den zeitlichen Verlauf der unter Verwendung eines Rekalibrierungsfaktors gebildeten Ist-Wert, der zur Temperaturregelung verwendet wird und -
4d schematisch den zeitlichen Verlauf des Rekalibrierungsfaktors, der beim Ausführungsbeispiel ein Quotient aus einem ersten Mittelwert von in einem Zeitintervall gemessenen Substrattemperaturen und einem zweiten Mittelwert aus in einem Zeitintervall gemessenen Suszeptor- oder Substrathaltertemperaturen ist.
-
1 a cross section through a CVD reactor, -
2nd a representation according to1 a second embodiment of the invention, -
3rd a representation according to1 a third embodiment of the invention, -
4a schematically the temperature curveT 1 the substrate temperature when the heating power is reduced, -
4b schematically the course of the susceptor temperature or substrate holder temperature after the heating power has been reduced, -
4c the time profile of the actual value formed using a recalibration factor, which is used for temperature control, and -
4d schematically the time course of the recalibration factor, which in the exemplary embodiment is a quotient of a first mean value of substrate temperatures measured in a time interval and a second mean value of susceptor or substrate holder temperatures measured in a time interval.
Beschreibung der AusführungsformenDescription of the embodiments
Der in den
Auf der Oberseite des Suszeptors
Beim Ausführungsbeispiel besitzt der CVD-Reaktor ein zentrales Gaseinlassorgan
Die Prozesskammerdecke
Die erste Temperaturmesseinrichtung
Bei dem in der
Bei dem in der
Bei dem in der
Bei der zweiten Temperaturmesseinrichtung
Auf dem Suszeptor
Die Regeleinrichtung
Die Regeleinrichtung
In einer Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der modifizierte Ist-Wert
Zur Bestimmung eines Mittelwertes werden bevorzugt mindestens zehn Messwerte entweder der ersten Temperatur
Die
Die
Die
Die
Die
Die Integrationszeit zur Bildung der Mittelwerte
In Abhängigkeit von der Ausführung des CVD-Reaktors reagiert die Temperatur an den Messstellen
Es ist somit auch vorgesehen, dass eine wie oben beschrieben durchgeführte Mittelwertbildung nicht mit den unmittelbar gemessenen Temperaturen, sondern mit zuvor gefilterten Temperaturen durchgeführt wird.It is therefore also provided that averaging, as described above, is not carried out with the directly measured temperatures, but with previously filtered temperatures.
Die vorstehenden Ausführungen dienen der Erläuterung der von der Anmeldung insgesamt erfassten Erfindungen, die den Stand der Technik zumindest durch die folgenden Merkmalskombinationen jeweils auch eigenständig weiterbilden, wobei zwei, mehrere oder alle dieser Merkmalskombinationen auch kombiniert sein können, nämlich:The above statements serve to explain the inventions covered by the application as a whole, which also independently further develop the prior art at least through the following combinations of features, it being possible for two, more or all of these combinations of features to also be combined, namely:
Ein Verfahren zur Temperaturregelung in einem CVD-Reaktor
Ein CVD-Reaktor
Ein Verfahren oder ein CVD-Reaktor
Ein Verfahren oder ein CVD-Reaktor
Ein Verfahren oder ein CVD-Reaktor
Ein Verfahren oder ein CVD-Reaktor
Ein Verfahren oder ein CVD-Reaktor
Ein Verfahren oder ein CVD-Reaktor
Ein Verfahren oder ein CVD-Reaktor
Ein Verfahren oder ein CVD-Reaktor
BezugszeichenlisteReference list
- 11
- CVD-ReaktorCVD reactor
- 22nd
- TemperaturmesseinrichtungTemperature measuring device
- 33rd
- TemperaturmesseinrichtungTemperature measuring device
- 44th
- RegeleinrichtungControl device
- 55
- HeizeinrichtungHeating device
- 66
- SuszeptorSusceptor
- 77
- SubstrathalterSubstrate holder
- 88th
- SubstratSubstrate
- 99
- ProzesskammerdeckeProcess chamber ceiling
- 1010th
- Öffnungopening
- 1111
- Öffnungopening
- 1212th
- GaseinlassorganGas inlet member
- 1313
- Taschebag
- 1414
- optischer Wegoptical path
- 1515
- optischer Wegoptical path
- 1616
- DrehachseAxis of rotation
- 1717th
- erste Messstellefirst measuring point
- 1818th
- zweite Messstelle second measuring point
- M1 M 1
- erster Mittelwertfirst mean
- M2 M 2
- zweiter Mittelwertsecond mean
- T1 T 1
- erster Messwertfirst reading
- T2 T 2
- zweiter Messwertsecond reading
- T1'T 1 '
- tiefpassgefilterte Temperaturlow pass filtered temperature
- T2'T 2 '
- tiefpassgefilterte Temperaturlow pass filtered temperature
- t1 t 1
- Zeitpunkttime
- t2 t 2
- Zeitpunkttime
- t3 t 3
- Zeitpunkttime
- TR T R
- Temperatur-Ist-WertActual temperature value
- RcRc
- RekalibrierungsfaktorRecalibration factor
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- US 6398406 B1 [0002]US 6398406 B1 [0002]
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- 2019-10-11 WO PCT/EP2019/077648 patent/WO2020078860A1/en active Application Filing
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