DE102012101717A1 - Method and device for controlling the surface temperature of a susceptor of a substrate coating device - Google Patents
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-
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- H01L21/67242—Apparatus for monitoring, sorting or marking
- H01L21/67248—Temperature monitoring
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln mindestens eines Substrates (105, 106, 107) in einer Prozesskammer (101) eines Reaktorgehäuses, wobei das Substrat (105, 106, 107) auf einem mit Heizelementen (109, 110, 111) beheizbaren Suszeptor (108) aufgelegt wird, wobei mit den Heizelementen (109, 110, 111) räumlich zugeordnete Zonen des Suszeptors (108) beheizt werden, denen jeweils Oberflächenzonen (112, 113, 114) der zur Prozesskammer (101) weisenden Seite des Suszeptors (108) zugeordnet sind, wobei an Messpunkten mittels optischer Messsensoren (1 bis 35) Temperaturen der Oberflächenzonen (112, 113, 114) gemessen werden, und die mit den Sensoren (1 bis 35) ermittelten Messwerte einer Regeleinrichtung (115, 116, 117) zugeführt werden, mit der die Heizleistung der Heizelemente (109, 110, 111) geregelt wird. Zur Optimierung der Temperaturregelung wird vorgeschlagen, dass abhängig von ein oder mehreren ausgewählten Betriebsparametern (P) aus: den Solltemperaturen der Oberflächenzonen (112, 113, 114), dem Totalgasdruck in der Prozesskammer (101), der chemischen Zusammensetzung der Gasphase in der Prozesskammer (101), dem Material des Suszeptors (108), der Art des Substrates (105, 106, 107), der Bestückung des Suszeptors (108) mit Substraten (105, 106, 107) und/oder dem Alterungszustand des Suszeptors (108) eine den jeweils ausgewählten ein oder mehreren Betriebsparametern (P) zugeordnete Kombination von Messwerten zur Regelung verwendet wird.The invention relates to a method for treating at least one substrate (105, 106, 107) in a process chamber (101) of a reactor housing, wherein the substrate (105, 106, 107) can be heated on a susceptor (29, 110, 111) that can be heated. 108), with the heating elements (109, 110, 111) spatially associated zones of the susceptor (108) are heated, each of which surface zones (112, 113, 114) of the process chamber (101) facing side of the susceptor (108) Temperatures of the surface zones (112, 113, 114) are measured at measuring points by means of optical measuring sensors (1 to 35), and the measured values determined with the sensors (1 to 35) are fed to a control device (115, 116, 117) , with which the heating power of the heating elements (109, 110, 111) is regulated. For optimizing the temperature control, it is proposed that, depending on one or more selected operating parameters (P), the setpoint temperatures of the surface zones (112, 113, 114), the total gas pressure in the process chamber (101), the chemical composition of the gas phase in the process chamber ( 101), the material of the susceptor (108), the type of substrate (105, 106, 107), the mounting of the susceptor (108) with substrates (105, 106, 107) and / or the aging state of the susceptor (108) the respectively selected one or more operating parameters (P) associated combination of measured values is used for control.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln mindestens eines Substrates in einer Prozesskammer eines Reaktorgehäuses, wobei das ein oder mehrere Substrat auf einem von unten mit Heizelementen beheizbaren Suszeptor aufgelegt wird, wobei mit den Heizelementen räumlich zugeordnete Zonen des Suszeptors beheizt werden, denen jeweils Oberflächenzonen der zur Prozesskammer weisenden Seite des Suszeptors zugeordnet sind, wobei an einer Mehrzahl von Messpunkten mittels optischer Messsensoren Temperaturen der Oberflächenzonen oder des dort angeordneten mindestens einen Substrates gemessen werden, und die mit den Sensoren ermittelten Messwerte einer Regeleinrichtung zugeführt werden, mit der die Heizleistung der Heizelemente geregelt wird.The invention relates to a method for treating at least one substrate in a process chamber of a reactor housing, wherein the one or more substrate is placed on a susceptor heated from below with heating elements, wherein spatially associated with the heating elements zones of the susceptor are heated, each of which surface zones of the Temperatures of the surface zones or of the at least one substrate arranged there are measured at a plurality of measuring points by means of optical measuring sensors, and the measured values determined with the sensors are fed to a control device with which the heating power of the heating elements is regulated ,
Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Vorrichtung zum Behandeln mindestens eines Substrates mit einem Reaktorgehäuse und einer darin angeordneten Prozesskammer, die einen Suszeptor aufweist, zur Aufnahme des mindestens einen Substrates, einer Mehrzahl unterhalb des Suszeptors angeordneten Heizelementen und einer Mehrzahl von Temperatursensoren, die jeweils an einem Messpunkt einen Temperaturmesswert der Oberfläche des Suszeptors oder eines dort angeordneten Substrates liefern, mit einer Regeleinrichtung, der die Messwerte zugeführt werden und die mit den an dem jeweiligen Heizelement funktionell zugeordneten Messpunkten gemessenen Messwerten die Heizelemente regelt.The invention further relates to an apparatus for treating at least one substrate having a reactor housing and a process chamber arranged therein, which has a susceptor, for receiving the at least one substrate, a plurality of heating elements arranged below the susceptor and a plurality of temperature sensors, each at one Measuring point to provide a temperature reading of the surface of the susceptor or a substrate arranged there, with a control device to which the measured values are supplied and which controls the heating elements measured with the measurement points functionally associated with the respective heating element.
Die
Die
Aus der
Die
Das Temperaturprofil des Suszeptors hängt nicht nur mit dem Bestückungsgrad des Suszeptors mit Substraten, sondern auch von anderen Prozessparametern wie Totalgasdruck in der Prozesskammer, die chemische Zusammensetzung der Gase, die zur Behandlung der Substrate in die Prozesskammer eingeleitet werden, dem Material des Suszeptors, der Art des Substrates und dem Alterungszustand des Suszeptors, insbesondere dessen Beschichtung, ab.The temperature profile of the susceptor depends not only on the degree of loading of the susceptor with substrates, but also on other process parameters such as total gas pressure in the process chamber, the chemical composition of the gases that are introduced into the process chamber for treating the substrates, the material of the susceptor, the type of the substrate and the aging state of the susceptor, in particular its coating, from.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren bzw. die gattungsgemäße Vorrichtung hinsichtlich der Temperaturregelung weiter zu optimieren.The invention has for its object to further optimize the generic method and the generic device in terms of temperature control.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung.The object is achieved by the invention specified in the claims.
Zunächst und im Wesentlichen ist vorgesehen, dass die Regelung mit variierenden Kombinationen von Messwerten erfolgt. Während beim Stand der Technik jede Regeleinrichtung funktionell fest mit ihnen zugeordneten Ist-Wertgebern in Form von Temperatursensoren verbunden ist, verfolgt die Erfindung das Konzept, diese funktionelle Verknüpfung variabel zu gestalten. Es brauchen jeweils nicht alle zur Verfügung stehenden Messwerte bzw. Temperaturmesssensoren für die Regelung verwendet zu werden, sondern nur eine individuelle Auswahl davon. Bei der Auswahl handelt es sich um eine Kombination von Messwerten, die von den Betriebsparametern abhängt. Zu den Betriebsparametern, die die Qualität der Kombination beeinflussen, gehören die Soll-Temperaturen der Oberflächenzonen, der Totalgasdruck in der Prozesskammer, die chemische Zusammensetzung der Gasphase in der Prozesskammer, das Material des Suszeptors, die Art der zu beschichtenden Substrate, die Bestückung des Suszeptors mit den Substraten und/oder der Alterungszustand des Suszeptors. Die zur Durchführung des Verfahrens verwendete Vorrichtung besitzt einen Suszeptor, der bevorzugt die Form einer Kreisscheibe aufweist und der um seine Symmetrieachse drehangetrieben werden kann. Das oberhalb des Suszeptors angeordnete Gaseinlassorgan kann die Form eines Duschkopfes aufweisen. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, können die Öffnungen des Duschkopfes als optischer Kanal genutzt werden, durch den die oberhalb der Öffnungen angeordneten Temperaturmesssensoren optische (pyrometrische) Informationen über die Oberfläche des Suszeptors erhalten. Es ist eine Vielzahl von radial angeordneten Sensoren vorgesehen, wobei die einzelnen Temperatursensoren einen gleichen Abstand voneinander aufweisen können. Jeder Temperatursensor ermittelt optisch/pyrometrisch die Oberflächentemperatur des Suszeptors an einer unter ihm angeordneten Stelle. Diese Messpunkte wandern beim Drehen des Suszeptors auf kreisförmigen Bahnen über den Suszeptor und überstreichen dabei auch die Substratoberflächen. In das Gaseinlassorgan wird in bekannter Weise eine Gasmischung eingespeist. Das Gaseinlassorgan kann mehrere Kammern beinhalten, so dass verschiedenartige Gasmischungen getrennt voneinander in die Prozesskammer eingeleitet werden. Bei einem Beschichtungsverfahren, bspw. bei einem MOCVD-Verfahren werden metallorganische Verbindungen der II. oder III. Hauptgruppe in die Prozesskammer eingeleitet. Eine Komponente der V. oder VI. Hauptgruppe wird in Form eines Hydrides in die Prozesskammer eingeleitet. Die Prozessgase zerlegen sich pyrolytisch derart, dass auf den Substraten Schichten abgeschieden werden. Die Schichten hängen im Wesentlichen von der Gaszusammensetzung ab. Die Schichtzusammensetzung hängt aber auch stark von der Oberflächentemperatur des Substrates ab. Die Oberflächentemperatur des Substrates hängt dabei nicht nur von den Heizleistungen der unterhalb des Suszeptors angeordneten Heizelemente ab. Die Oberflächentemperatur hängt darüber hinaus auch von anderen Wachstumsparametern ab, die insbesondere die Wärmeabfuhr von der Substratoberfläche beeinflussen. Es handelt sich dabei um die zuvor genannten Prozessparameter. Ist die Höhe der Prozesskammer variierbar, so hängt der Wärmefluss und damit die Temperaturverteilung auf der Oberfläche des Suszeptors auch von der Höhe der Prozesskammer ab. Den einzelnen Heizzonen sind zwar lokal Oberflächenzonen des Suszeptors zugeordnet, deren Oberflächentemperatur von den insbesondere darunter liegenden Heizelementen maßgeblich beeinflusst werden. Es hat sich aber gezeigt, dass auch benachbarte Oberflächenzonen in erheblichem Maße temperaturbeeinflusst werden. Dieser Einfluss ist von den Betriebsparametern abhängig. Es ist also von Vorteil, wenn die erfindungsgemäß zur Regelung verwendeten Temperaturmesssensoren je nach eingestelltem Betriebsparametersatz an verschiedenen Stellen die Oberflächentemperatur des Suszeptors erfassen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die zur Regelung verwendeten Messpunkte örtlich zu variieren, ohne dass in den konstruktiven Aufbau des Sensorfeldes eingegriffen werden muss. Von einer Vielzahl von zur Verfügung stehenden Temperatursensoren, die jeweils nur die Temperatur an einem Messpunkt messen, wird eine Auswahl, die sich ggf. nur auf einen einzigen Temperatursensor beschränken kann, verwendet. Im einfachsten Fall wird bei einer Änderung der Betriebsparameter auch der zur Regelung verwendete Temperatursensor gewechselt. Bevorzugt handelt es sich aber jeweils um qualitativ und quantitativ voneinander verschiedene Kombinationen von Temperatursensoren, die verwendet werden. Die Kombinationen der zur Regelung verwendeten Messwerte können sich einerseits durch die Anzahl der verwendeten bzw. nicht verwendeten Messpunkte der jeweiligen Oberfläche, andererseits aber auch durch deren Wichtung bezogen auf die jeweilige Oberflächenzone unterscheiden. So ist es bspw. möglich, zur Temperaturregelung einer von mehreren radialen Oberflächenzonen nur die am Rande der Zone angeordneten Messsensoren zu verwenden oder alternativ dazu nur die in Zonenmitte angeordneten Temperatursensoren zu verwenden. Des Weiteren ist es erfindungsgemäß möglich, zur Regelung des Heizelementes einer Heizzone Temperatursensoren mit zu verwenden, die örtlich einer benachbarten Heizzone zugeordnet sind. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Heizzonen rotationssymmetrisch um das Drehzentrum angeordnet, wobei die Heizzonen in Radialrichtung nebeneinander liegen. Sie sind somit konzentrisch zueinander angeordnet. Es ist ferner möglich, dass der Messwert einzelner Temperatursensoren von mehreren Regeleinrichtungen verwendet wird. Es ist ferner möglich, den Beitrag eines einzelnen Temperatursensors an der Regelung zu wichten. Die Wichtung kann dabei zwischen Null und Eins liegen. Welche Sensoren bei bestimmten Betriebsparametern verwendet werden und welche Sensoren zur Regelung außer Betracht gelassen werden, ist Ergebnis von Vorversuchen oder von computerunterstützten Simulationsrechnungen. Wesentlich ist, dass voneinander verschiedenen Betriebsparametern jeweils eine unterschiedliche Kombination der bei der Regelung verwendeten Messwerten zugeordnet sind.First and foremost, it is provided that the control takes place with varying combinations of measured values. While in the prior art each control device is functionally firmly connected to their associated actual value sensors in the form of temperature sensors, the invention pursues the concept of making this functional linkage variable. Not all available measured values or temperature measuring sensors need to be used for the control, but only an individual selection thereof. The selection is one Combination of measured values, which depends on the operating parameters. Operating parameters affecting the quality of the combination include the target surface zone temperatures, the total gas pressure in the process chamber, the chemical composition of the gas phase in the process chamber, the susceptor material, the type of substrates to be coated, and the susceptor population with the substrates and / or the aging state of the susceptor. The device used to carry out the method has a susceptor, which preferably has the shape of a circular disk and which can be driven in rotation about its axis of symmetry. The gas inlet member disposed above the susceptor may be in the form of a shower head. As is known from the prior art, the openings of the shower head can be used as an optical channel, through which the temperature measuring sensors arranged above the openings receive optical (pyrometric) information about the surface of the susceptor. It is provided a plurality of radially arranged sensors, wherein the individual temperature sensors may have an equal distance from each other. Each temperature sensor determines optically / pyrometrically the surface temperature of the susceptor at a location below it. As the susceptor is rotated, these measuring points travel on circular paths over the susceptor and also cover the substrate surfaces. In the gas inlet member, a gas mixture is fed in a known manner. The gas inlet member may include a plurality of chambers so that various gas mixtures are introduced into the process chamber separately from one another. In a coating process, for example. In a MOCVD process organometallic compounds of II. Or III. Main group initiated in the process chamber. A component of the V. or VI. Main group is introduced in the form of a hydride in the process chamber. The process gases decompose pyrolytically such that layers are deposited on the substrates. The layers depend essentially on the gas composition. The layer composition also depends strongly on the surface temperature of the substrate. The surface temperature of the substrate depends not only on the heating powers of the arranged below the susceptor heating elements. The surface temperature also depends on other growth parameters, which in particular affect the heat dissipation from the substrate surface. These are the aforementioned process parameters. If the height of the process chamber can be varied, then the heat flow and thus the temperature distribution on the surface of the susceptor also depends on the height of the process chamber. Although the individual heating zones are locally assigned surface zones of the susceptor whose surface temperature is significantly influenced by the particular underlying heating elements. However, it has been shown that adjacent surface zones are also influenced to a considerable extent by temperature. This influence depends on the operating parameters. It is thus of advantage if the temperature measuring sensors used according to the invention for controlling control the surface temperature of the susceptor at different locations, depending on the set of operating parameter set. With the method according to the invention, it is possible to locally vary the measuring points used for the control, without having to intervene in the structural design of the sensor field. Of a variety of available temperature sensors, each measuring only the temperature at a measuring point, a selection that may be limited to a single temperature sensor may be used. In the simplest case, when changing the operating parameters and the temperature sensor used for control is changed. Preferably, however, each are qualitatively and quantitatively different combinations of temperature sensors, which are used. The combinations of the measured values used for control can differ on the one hand by the number of used or not used measuring points of the respective surface, on the other hand also by their weighting with respect to the respective surface zone. Thus, for example, it is possible to use only the measuring sensors arranged at the edge of the zone for temperature control of one of a plurality of radial surface zones, or alternatively to use only the temperature sensors arranged in the middle of the zone. Furthermore, it is possible according to the invention to use for controlling the heating element of a heating zone with temperature sensors, which are spatially associated with an adjacent heating zone. In a preferred embodiment, the heating zones are rotationally symmetrical about the center of rotation, wherein the heating zones are adjacent to each other in the radial direction. They are thus arranged concentrically with each other. It is also possible that the measured value of individual temperature sensors is used by a plurality of control devices. It is also possible to weight the contribution of a single temperature sensor to the control. The weighting can be between zero and one. Which sensors are used for certain operating parameters and which sensors are disregarded for control is the result of preliminary tests or computer-aided simulation calculations. It is essential that mutually different operating parameters are each assigned a different combination of the measured values used in the control.
Die Betriebsparameter, die als Eingangsgröße in die Auswahleinrichtung eingegeben werden, können auch unmittelbar auf die Regeleinrichtungen einwirken. Beispielsweise können als zusätzliche Eingangsgrößen die Regelkennwerte eingegeben werden, also bspw. für Proportional-Integral-Diffe-rentialregler der Proportionalanteil, der Integralanteil und/oder der Differentialanteil. Andererseits ist es aber auch möglich, dass die Auswahleinrichtung anhand der Prozessparameter diese charakteristischen Werte ermittelt, bspw. aus einer in der Auswahleinrichtung hinterlegten Tabelle.The operating parameters that are input to the selector as an input can also act directly on the control devices. For example, the control characteristic values can be input as additional input variables, that is to say, for example, for proportional integral differential regulators, the proportional component, the integral component and / or the differential component. On the other hand, it is also possible for the selection device to determine these characteristic values on the basis of the process parameters, for example from a table stored in the selection device.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erörtert. Es zeigen:Embodiments of the invention will be discussed below with reference to accompanying drawings. Show it:
Die
Die
Die parallel zur Erstreckungsrichtung des Suszeptors
Oberhalb der Gasaustrittsöffnungen
Über eine Datenleitung
Die Auswahlelektronik
Abhängig von diesen Betriebsparametern P legt die Auswahlelektronik
Bei dem in der
Die in den
Die
Der quantitative Verlauf der Kurven A, B, C hängt von den oben genannten Prozessparametern ab. Durch die voneinander verschiedenen Kombinationen von Messwerten werden bei der Regelung die quantitativen Unterschiede berücksichtigt.The quantitative course of the curves A, B, C depends on the process parameters mentioned above. Due to the different combinations of measured values, the regulation takes into account the quantitative differences.
In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen werden die Messwerte einzelner Sensoren entweder berücksichtigt oder nicht berücksichtigt. Es ist aber auch möglich, die Messwerte einzelner Temperaturmesssensoren zur Regelung voneinander verschiedener Heizelemente
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unteransprüche charakterisieren in ihrer fakultativ nebengeordneten Fassung eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.All disclosed features are essential to the invention. The disclosure of the associated / attached priority documents (copy of the prior application) is hereby also incorporated in full in the disclosure of the application, also for the purpose of including features of these documents in claims of the present application. The subclaims characterize in their optionally sibling version independent inventive developments of the prior art, in particular to make on the basis of these claims divisional applications.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 101101
- Prozesskammerprocess chamber
- 102102
- Sensoranordnungsensor arrangement
- 103103
- ShowerheadShowerhead
- 104104
- GasaustrittsöffnungGas outlet
- 105105
- Substratsubstratum
- 106106
- Substratsubstratum
- 107107
- Substratsubstratum
- 108108
- Suszeptorsusceptor
- 109109
- Heizelementheating element
- 110110
- Heizelementheating element
- 111111
- Heizelementheating element
- 112112
- Oberflächenzonesurface zone
- 113113
- Oberflächenzonesurface zone
- 114114
- Oberflächenzonesurface zone
- 115115
- Regeleinrichtungcontrol device
- 116116
- Regeleinrichtungcontrol device
- 117117
- Regeleinrichtungcontrol device
- 118118
- Auswahlelektronikselection electronics
- 119119
- Aufnahmetaschenreceiving pockets
- 120120
- Drehachseaxis of rotation
- 121121
- Datenleitungdata line
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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