用於mocvd系統中控制外延片溫度及均勻性的裝置與方法

2023-08-12 14:34:56

專利名稱：用於mocvd系統中控制外延片溫度及均勻性的裝置與方法
技術領域：
本發明涉及一種用於生產化合物半導體光電器件的MOCVD(金屬有機化學氣相沉 澱)系統及其控制方法，特別涉及其中用於控制外延片溫度及均勻性的裝置與方法。
背景技術：
金屬有機化學氣相沉澱(以下簡稱M0CVD)，是在外延片上通過沉積一層或持續 沉積多層外延晶格結構薄膜，以形成如發光二極體(LED)等半導體器件的過程。所述器件 如波長(顏色)、亮度和前置電壓的正態分布的性能和良品率，直接由外延片(或稱襯底 基片)上各層外延薄膜的質量、厚度與材料組成的均勻性決定；而該外延薄膜的均勻性，又 由外延片的溫度均勻性和外延片表面上反應氣體的均勻混和與分布直接關聯。例如，在外 延關鍵的發光晶格薄膜時，如外延片的溫差大於3°C，該器件的良品率就可能降低15% 20%。另外，為提高系統的產能，降低基片外延的生產成本，在MOCVD反應腔內同時進行 外延生長的外延片數量在不斷增加，其中不乏大尺寸的外延片。因此，在外延晶格薄膜時， 如何控制外延片之間，以及單個大尺寸外延片上溫度的均勻性，對於獲得高質量的外延薄 膜和提高器件良品率至關重要。控制外延片在金屬有機化學氣相沉積外延晶格薄膜時的溫度及均勻性，首先，需 要其加熱器直接或通過放置外延片的託盤，在同一外延工藝溫度或在不同的外延工藝溫度 下，都能對外延片進行均勻的加熱。這一要求對外延如發光二級管(LED)的晶格薄膜時尤為重要，其多層薄膜均在同 一反應腔內持續完成，而且其關鍵的幾層薄膜對溫度的均勻性要求很高，而不同的外延工 藝之間溫度又相差很大。例如，發光層薄膜的外延工藝溫度為700°C 900°C，P-結薄膜為 900°C 1050°C，N-結薄膜為 1020°C 1050°C。由於在不同的外延工藝溫度條件下，外延反應腔內的熱平衡條件不同，每個外延 片，尤其是放置在託盤不同徑向位置上的外延片，其接收的熱量與流失的熱量會有很大差 異，因此，外延片加熱器必須具有很大的均勻加熱的可調節性。在外延工藝過程中，需要測量外延片的溫度，單個外延片溫度的均勻性，及外延片 之間的溫度均勻性，該溫度的測量方法不僅需精確、快速，而且所測得的數據能通過溫度控 制裝置有效、及時地控制外延片的溫度及均勻性，尤其是外延片與外延片之間的溫度均勻 性。所述溫度控制裝置，一般根據外延片溫度測量的反饋數據、外延工藝規定的溫度、 和外延片加熱器所設計的功能，控制加熱器各區域的功率，以實現對外延片的溫度及均勻 性的控制。而控制外延片的溫度及均勻性有兩個關鍵的性能指標，精確性和穩定性。其中，精 確性是指所控的實際溫度與規定溫度的精確程度；穩定性是指所控的實際溫度達到規定溫 度範圍的時間及在整個控制過程中實際溫度的變化程度。因此，外延片溫度及均勻性控制的精確性和穩定性，由外延片加熱器的功能、溫度的測量方法、及溫度的控制方法決定。
現有一種外延片溫度均勻性控制的裝置與方法，如圖1和圖2所示，在MOCVD系統 的反應腔中，多個外延片400沿徑向、均勻放置在託盤100上表面101對應開設的若干凹盤 中。託盤100下方沿徑向，獨立設置有三個環形分布的電阻式加熱元件301、302、303，分別 對應加熱託盤100的內環區域、中環區域及外環區域。其中，加熱元件302面積較大，是對 放置在託盤100中環區域上的若干外延片400進行加熱的主要器件；所述託盤100的內環 及外環區域上不放置外延片400。所述託盤100沿其中心軸由旋轉機構600帶動旋轉，以進 一部改善外延片400與外延片400之間的溫度均勻性。 在託盤100上方分別設置若干組非接觸-發光補償的光學溫度計(Pyrometer)，其 中，非接觸光學溫度計501設置在託盤100中環區域上方，對應測量徑向上每一圈若干外延 片溫度204，並反饋至溫度控制器503，控制功率輸出裝置504改變加熱元件302的功率，實 現對外延片400的溫度控制。由於外延片400溫度的均勻性間接由外延片400之間的託盤溫度202與託盤內環 溫度201、託盤外環溫度202決定。因此還設置一組非接觸光學溫度計502，分別檢測並將 託盤內環溫度201或託盤外環溫度203與外延片400之間的託盤溫度202組合後反饋，通 過獨立設置的兩個溫度控制器503，分別控制功率輸出裝置504改變內環和外環區域下加 熱元件301、303的功率，實現對外延片400溫度均勻性的控制。然而，該裝置及溫度控制的方法存在以下幾個問題。首先，非接觸光學溫度計501 一般安裝在反應腔頂部，直接測量外延片400表面的溫度，這正是外延反應需要控制的溫 度。但是非接觸光學溫度計501與外延片400之間充滿了反應氣體，容易在固體的表面發 生反應氣體沉積，長期使用中，非接觸光學溫度計501的光路上的鏡片會因為鍍膜氣體沉 積的影響，導致溫度測量上的偏移，改變溫度測量準確性。其次，中環區域下的加熱元件302，在相鄰外延工藝的不同工作溫度下，特別是高 溫而且溫差相差較大的不同外延工藝下，不能有效地調節單個外延片400及外延片400之 間的溫度均勻性。儘管該溫度均勻性能通過內環區域和外環區域的加熱元件301、303在一 定程度上改善，但由於中環區域的加熱元件302，覆蓋的區域很大，調節該加熱元件302的 功率不能均勻平衡託盤100和外延片400沿徑向的熱量流失。在外延片400的數量增加和 尺寸增大的情況下，該問題將更為嚴重。因此，上述加熱器存在可調節性問題，使對單個外 延片400以及若干外延片400之間，精確和穩定的溫度均勻性控制較難實現。另外，由於外延片400的熱量流失以及其與託盤100接觸位置的不同導致的溫差， 尤其在直徑4英寸等大尺寸外延片400上，即使根據所測的外延片400之間的託盤溫度202 與託盤內環溫度201、託盤外環溫度203，控制了託盤100的溫度均勻性，也無法保證外延片 400的溫度均勻性。而且，由於託盤100和外延片400的熱容量相差較大，而且兩者的溫度 相差至少20°C以上，最大可超過50°C。因此，即使託盤100溫度均勻性獲得穩定的控制，外 延片400溫度均勻性的穩定性也難以保證。最後，上述託盤100的相關溫度201、202、203反饋，與外延片溫度204的反饋相獨 立，分別進行功率調節的若干加熱元件301、302、303，對外延片400的溫度會相互影響，也 導致其溫度及均勻性控制的不穩定。

發明內容
本發明的目的是提供一種在金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)外延晶格薄膜時， 控制外延片溫度及均勻性的裝置與方法，能夠在持續外延不同晶格薄膜時，在很大溫度範 圍內有效地控制單一外延片的溫度及均勻性，而且能有效地控制外延片之間的溫度及均勻 性。為了達到上述目的，本發明的技術方案是提供一種用於MOCVD系統中控制外延片 溫度及均勻性的裝置，包含通過上表面設置的若干凹盤對應放置有若干外延片的託盤、設 置在所述託盤上方的一組非接觸、發光補償的光學溫度計，以及設置在託盤下方的加熱器。所述託盤沿徑向設置有若干同圓心但半徑遞增的環狀區域，所述若干外延片分布 排列在該若干環狀區域內；所述一組非接觸光學溫度計沿徑向排列在所述託盤上方，每個或相鄰若干個非接 觸光學溫度計，對應檢測所述託盤上同一環狀區域內的若干外延片的溫度；所述加熱器包含同圓心設置的一組環狀排列、可獨立功率輸入的加熱元件，使每 個或相鄰若干個所述環狀的加熱元件通過加熱託盤，主要對應加熱託盤上排列在同一環狀 區域上的若干外延片。所述用於MOCVD系統中控制外延片溫度及均勻性的裝置，還包含與所述若干非接 觸光學溫度計連接的溫度控制器；所述若干非接觸光學溫度計分別將測得的外延片溫度數 據反饋至所述溫度控制器。所述用於MOCVD系統中控制外延片溫度及均勻性的裝置，還包含與所述溫度控制 器連接並受其控制的若干功率輸出裝置；所述若干功率輸出裝置還與若干個所述加熱元件 對應連接，並獨立調節每個加熱元件的功率，實現對託盤和外延片的溫度控制。所述託盤上放置3英寸或以下的若干外延片時，同一環狀區域內若干外延片，上 方由至少一個所述非接觸光學溫度計檢測溫度，下方由至少一個獨立控制的所述加熱元件 加熱。所述託盤上放置4英寸或以上的若干外延片時，同一環狀區域內若干外延片，上 方由至少兩個所述非接觸光學溫度計檢測溫度，下方由至少兩個獨立控制的所述加熱元件 加熱。所述託盤下方的加熱器上設置有至少一個接觸式熱電偶溫度計，將其直接測量獲 得的所述加熱器的溫度，作為加熱器工作狀態的監測點及外延片溫度控制的參照點。所述用於MOCVD系統中控制外延片溫度及均勻性的裝置，其特徵在於，還包含旋 轉裝置；所述託盤底部設置有中心軸，其向下穿過所述加熱器，與所述旋轉裝置配合連接， 由旋轉裝置帶動託盤旋轉。一種用於MOCVD系統中控制外延片溫度及均勻性的方法，其特徵在於，包含以下 步驟步驟1、由徑向設置的一組非接觸光學溫度計中的一個或相鄰若干個，對應測量託 盤上同一環狀區域中多個外延片的溫度，並反饋至溫度控制器進行統計處理；步驟2、由溫度控制器根據設定的外延工藝溫度和實際測量的溫度，驅動功率輸出 裝置獨立改變每個加熱元件的功率；步驟3、每個或相鄰若干個可獨立控制的加熱元件通過加熱託盤，使對應放置在上
6方環狀區域內的外延片達到所設定的溫度，並獲得所要求的溫度均勻性。所述溫度控制器中標定建立的初始數據，包含所述託盤和外延片熱量流失的溫 度參數；對應每個環狀區域的所述加熱元件的輸出功率的溫度參數，及其功率調節對其它 環狀區域外延片溫度的影響參數；以及所述接觸式熱電偶溫度計測得的加熱器溫度，與所述非接觸光學溫度計測得 的外延片溫度的關係參數。所述溫度控制器將所述非接觸光學溫度計分別測得的，同一個外延片或多個外延 片的溫度反饋數據，處理和計算得到統計平均值；之後，所述溫度控制器將所述統計平均值分別與外延工藝規定的溫度相比較，根 據獲得的每個環狀區域上若干外延片的溫度差異；以所述溫度差異最小為目標，溫度控制器驅動功率輸出裝置改變每個加熱元件的 輸出功率，實現對託盤上單個外延片和相鄰外延片之間的溫度及均勻性的控制。與現有技術相比，本發明的優點在於本發明通過徑向設置的一組非接觸、發光補 償光學溫度計，直接測量外延片的溫度作為相應區域加熱元件的功率改變的反饋信號。還 通過接觸式熱電耦溫度計直接測量的加熱器溫度，以監測加熱器是否正常工作和作為外延 工藝規定溫度的參照點，保證溫度測量的準確性。針對大尺寸的外延片，還可使託盤同一環 狀區域內的一組多個外延片的不同徑向位置，分別對應相鄰的多個非接觸光學溫度計，來 保證每一個外延片測量的準確。本發明的溫度控制器以各個區域所測外延片溫度的統計平均值與外延工藝規定 溫度的差異最小為目標，根據不同外延工藝規定的溫度，在溫度控制的方法上，至少設有託 盤和外延片熱量流失的溫度參數，或各區域加熱元件輸出功率的溫度參數，和各區域加熱 元件的功率調節對其它區域外延片溫度的影響參數，按外延片溫度及均勻性的控制精度及 穩定性的要求，確定各區域加熱元件的功率輸出。本發明還通過每個或每幾個相鄰的加熱元件，主要對應加熱其上方，託盤同一環 狀區域內的一組多個外延片。由於每個環狀的加熱元件徑向覆蓋的面積不大，在不同溫度 的工藝條件下，獨立控制各加熱元件的功率能有效平衡外延片及託盤在徑向的熱量流失， 可實現對外延片均勻加熱的可調性與可控性，能有效地實現對單個外延片和相鄰外延片之 間溫度及均勻性的精確與穩定的控制。


圖1是外延片在託盤上沿徑向排列的示意圖；圖2是現有一種外延片溫度均勻性控制的裝置的結構示意圖；圖3是本發明在實施例1針對2英寸外延片進行溫度及均勻性控制的裝置中託盤 的結構示意圖；圖4是本發明在實施例1所述外延片溫度及均勻性控制的裝置中多個2英寸外延 片在託盤上沿徑向環狀排列的俯視示意圖；圖5是本發明在實施例1針對2英寸外延片進行溫度及均勻性控制的裝置中同心 環狀設置的加熱元件的結構俯視示意圖6是本發明在實施例1針對2英寸外延片進行溫度及均勻性控制的裝置的總體 結構側視示意圖；圖7是本發明中相鄰加熱元件對外延片進行加熱的原理示意圖；圖8是本發明在實施例2針對4英寸外延片進行溫度及均勻性控制的裝置中託盤 的結構示意圖；圖9是本發明在實施例2所述外延片溫度及均勻性控制的裝置中多個4英寸外延 片在託盤上沿徑向環狀排列的俯視示意圖；圖10是本發明在實施例2針對4英寸外延片進行溫度及均勻性控制的裝置中同 心環狀設置的加熱元件的結構俯視示意圖；圖11是本發明在實施例2針對4英寸外延片進行溫度及均勻性控制的裝置的總 體結構側視示意圖。
具體實施例方式以下分別結合附圖，說明本發明的具體實施結構。實施例1本實施例中所述控制外延片40溫度及均勻性的裝置，尤其適用於直徑3英寸或以 下的較小尺寸外延片40。以2英寸為例，配合參見圖3、圖4所示，本裝置包含一上表面開 設有若干凹盤11的圓形託盤10 (圖3)，在該若干凹盤11中對應放置2英寸的外延片40， 使其在託盤10上表面同圓心但半徑遞增的4個環狀區域內分布排列(圖4)，因而可對一個 託盤10上同時放置的54個外延片40進行多層外延晶格結構薄膜的MOCVD鍍膜處理。配合參見圖4至圖6所示，該託盤10下方設置有加熱器30，包含同圓心設置的4 個環狀的電阻式加熱元件31 (圖5)，每個環狀加熱元件31通過加熱託盤10，對應加熱託盤 10上排列在同一環狀區域上的多個外延片40(圖6)。一組4個非接觸_發光補償的光學溫度測量計(以下簡稱非接觸光學溫度計21)， 沿徑向設置在託盤10上方，分別檢測上述同一環狀區域中多個外延片40的光輻射，並將對 應測量到的外延片40溫度數據，共同反饋至一溫度控制器51。該溫度控制器51還通過與4個獨立設置的功率輸出裝置52連接，根據設定的外 延工藝溫度和實際測量的溫度，分別控制上述4個電阻式的加熱元件31的功率，進而獨立 控制託盤10上4個環狀區域內的外延片40溫度。為了避免反應氣體在非接觸光學溫度計21上沉積造成的溫度測量偏差，還在託 盤10下方的加熱器30上設置有至少一個接觸式熱電偶溫度計22，直接測量加熱器30的溫 度，作為一個溫度控制的參照點。所述託盤10底部設置有中心軸12，其向下穿過所述加熱器30，與旋轉裝置60配 合連接，由旋轉裝置60帶動託盤10旋轉，進一步改善加熱的均勻性。參見圖6所示，上述裝置對於外延片40溫度及均勻性控制的方法，包含步驟1、由徑向設置的一組非接觸光學溫度計21，對應測量託盤10上同一環狀區 域中多個外延片40的溫度，並反饋至溫度控制器51進行統計處理；步驟2、由溫度控制器51根據設定的外延工藝溫度和實際測量的溫度，驅動功率 輸出裝置52獨立改變輸入到每個加熱元件31的功率；
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步驟3、每個獨立控制的加熱元件31通過加熱託盤10，使對應放置在上方環狀區 域內的外延片40達到所設定的溫度，並獲得所要求的溫度均勻性。其中，溫度測量時還需要考慮各種因素託盤10旋轉時，上方非接觸光學溫度計 21得到在同一個排列半徑上的外延片40的溫度，當溫度採樣頻率相同時，靠近託盤10圓 心的環狀區域上每個外延片40的採樣點多，遠離圓心的環狀區域上每個外延片40的採樣 點少，這個差別會達到好幾倍。另外，託盤10旋轉時的溫度採樣，測得的溫度可能是外延片 40上的，可能是託盤10上的，亦可能是託盤10與外延片40交界處的。溫度採樣頻率需要 與託盤10的轉速匹配，採樣頻率隨託盤10轉速變得很高時，溫度控制器51需要有足夠的 數據處理能力，提供實時的溫度反饋控制。初始時，在溫度控制器51中通過標定建立了至少一個接觸式熱電偶溫度計22直 接測量的加熱器30溫度，與非接觸光學溫度計21測量得到的外延片40溫度的關係。在運 行中，當光學溫度測量發生偏移時可以用這個實測溫度進行糾正，保證溫度測量的準確性。 此外，這個接觸式熱電偶溫度計22可以直接監測加熱器30是否正常工作，更快探測到設備 在運行中出現的問題。溫度控制器51將上述託盤10每個環狀區域上對應測得的多個外延片40的溫度 反饋數據，經過一定數據處理算法得到統計平均值。在計算外延片40表面溫度的統計平均 時，要把上述測量有關的因素考慮進去，通過合適的數據處理程序，得到真實可靠的外延片 40溫度。之後，溫度控制器51將統計平均值分別與外延工藝規定的溫度相比較，並根據獲 得的每個環狀區域外延片40的溫度差異，以該溫度差異最小為目標，確定每個加熱元件31 所需的輸出功率，實現對單個外延片40和相鄰外延片40之間的溫度及均勻性的控制。由於託盤10上各處的溫度始終是一個動態熱平衡的結果，一方面由下方的加熱 元件31加熱，一方面是表面的熱量流失。熱量流失與周圍環境(即反應腔的內部結構)有 關；還在託盤10的不同徑向位置上有差別，需要的溫度補償的功率就是一個關於徑向位置 的函數；熱量流失在不同的溫度下也是不一樣的，需要的溫度補償的功率就是一個關於溫 度的函數，這些關係可以通過初始的標定找出，放入溫度控制器51的資料庫，用於實時溫 度控制的參數設定。另外，由於熱量傳導是在託盤10各個方向上同時發生的，外延片40的溫度主要由 其直接下方的加熱元件31決定，同時受相鄰下方的加熱元件31的影響(見圖7)。因此， 若改變一個加熱元件31的功率，不僅其上方的外延片40溫度會相應改變，與其相鄰的外延 片40溫度也會有隨之變化。相鄰加熱元件31之間影響的大小與許多因素有關，如加熱元 件31的形狀，加熱元件31到託盤10的距離，託盤10的厚度，託盤10的材料等。實際應用 中可以通過初始的標定，找出規律，放入資料庫中，在進行實時溫度反饋控制時，由溫度控 制器51通過計算得到需要的溫度控制參數。因此，除了上述每個區域內加熱元件31輸出功率的溫度參數，在溫度控制器51中 至少還需要設定有託盤10和外延片40熱量流失的溫度參數，以及每個區域內加熱元件31 的功率調節對其它區域外延片40溫度的影響參數。實施例2本實施例中所述控制外延片40溫度及均勻性的裝置，尤其適用於直徑4英寸或以上的較大尺寸外延片40。配合參見圖8、圖9所示，與上述實施例相類似，本裝置包含一上表 面開設有若干凹盤11的圓形託盤10 (圖8)，在該若干凹盤11中對應放置多個直徑4英寸 的外延片40，使其在託盤10上表面同圓心但半徑遞增的2個環狀區域內分布排列(圖9)， 因而可對一個託盤10上同時放置的15個外延片40進行多層外延晶格結構薄膜的MOCVD 沉積處理。配合參見圖9至圖11所示，託盤10下方設置有加熱器30，並與至少一個接觸式熱 電偶溫度計22連接，直接測量加熱器30溫度。該加熱器30包含同圓心設置的4個環狀的 電阻式加熱元件31 (圖10)。託盤10上方沿徑向設置有4個非接觸光學溫度計21，用於檢 測外延片40的溫度，並將溫度反饋發送至同一個溫度控制器51。由溫度控制器51控制與 每個加熱元件31對應連接的功率輸出裝置52，通過改變功率，來控制加熱元件31對其上方 託盤10上的外延片40的加熱溫度。所述託盤10通過與旋轉裝置60的配合連接，繞其中 心軸12旋轉，來進一步改善加熱的均勻性。與上述實施例中不同，如圖11所示，由於外延片40尺寸增大，託盤10上排列在同 一環狀區域上的多個外延片40中，每個外延片40沿託盤10徑向，跨設在其下方、相鄰兩個 環狀加熱元件31上，由該兩個獨立控制的加熱元件31 —起加熱。而且，同一環狀區域上的 多個外延片40，還由上方相鄰兩個非接觸光學溫度計21 —起檢測光輻射，來獲得外延片40 溫度的反饋。因此，不但可以調節相鄰外延片40之間的溫度均勻性，還可以調節單一外延 片40內的溫度均勻性，這對於大尺寸外延片40的加熱尤為重要。如圖11所示，針對本實施例所述裝置對於外延片40溫度及均勻性控制的方法，包 含步驟1、由徑向設置的一組非接觸光學溫度計21，每兩個對應測量託盤10上同一 環狀區域中多個外延片40的溫度，並反饋至溫度控制器51進行統計處理；步驟2、由溫度控制器51根據設定的外延工藝溫度和實際測量的溫度，驅動功率 輸出裝置52獨立改變輸入到每個加熱元件31的功率；步驟3、獨立控制的每兩個加熱元件31通過加熱託盤10，使對應放置在上方環狀 區域內的一組外延片40達到所設定的溫度，並獲得所要求的溫度均勻性。其中，與上述實施例中最大區別在於，由於外延片40的尺寸增大，託盤10上同一 環狀區域內的多個外延片40的溫度，由上方徑向排列的兩個相鄰非接觸光學溫度計21測 量，可獲得同一個外延片40上徑向位置不同的兩個溫度反饋數據。由一組非接觸光學溫度 計21，獲得每個外延片40和多個外延片40溫度反饋，輸送至溫度控制器51計算得到統計 平均值；並以外延片40的實際溫度與要求溫度的差異最小為目標，確定每個加熱元件31所 需的輸出功率；由獨立控制的每兩個加熱元件31對應加熱託盤10上方同一環狀區域的一 組外延片40，實現對單個外延片40和相鄰外延片40之間的溫度及均勻性的控制。本實施例中，溫度控制原理、溫度測量中要解決的問題、接觸式熱電偶溫度計22 的糾偏功能等，與上述實施例中基本一致，僅需將溫度控制器51裡面初始標定的資料庫、 溫度控制的算法等做相應變化，以適應直徑4英寸或以上的大尺寸外延片40的情況。本實施例中，所述針對同一環狀區域排列的一組外延片40，進行溫度檢測的非接 觸光學溫度計21、用於溫度調節的加熱元件31，不限於上述2個，可根據託盤10及外延片 40的尺寸等因素具體考慮，分別設置若干數量。
綜合實施例1、2所述，本發明通過徑向設置的一組非接觸光學溫度計21，直接測 量外延片40的溫度作為相應區域加熱元件31的功率改變的反饋信號。還通過接觸式熱電 偶溫度計22直接測量加熱器30溫度，以監測加熱器30是否正常工作和作為外延工藝規定 溫度的參照點，保證溫度測量的準確性。針對大尺寸的外延片40，還可使託盤10同一環狀 區域內的一組多個外延片40的不同徑向位置，分別對應相鄰的多個非接觸光學溫度計21， 來保證每一個外延片40測量的準確。本發明的溫度控制器51以各個區域所測外延片40溫度的統計平均值與外延工藝 規定溫度的差異最小為目標，根據不同外延工藝規定的溫度，在溫度控制的方法上，至少設 有託盤10和外延片40熱量流失的溫度參數，或各區域加熱元件31輸出功率的溫度參數， 和各區域加熱元件31的功率調節對其它區域外延片40溫度的影響參數，按外延片40溫度 及均勻性的控制精度及穩定性的要求，確定各區域加熱元件31的功率輸出。本發明還通過每個或每幾個相鄰的加熱元件31，對應加熱其上方，託盤10同一環 狀區域內的一組多個外延片40。由於每個環狀的加熱元件31徑向覆蓋的面積不大，在不同 溫度的工藝條件下，獨立控制各加熱元件31的功率能有效平衡外延片40及託盤10在徑向 的熱量流失，可實現對外延片40均勻加熱的可調性與可控性，能有效地實現對單個外延片 40和相鄰外延片40之間溫度及均勻性的精確與穩定的控制。儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的 描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的 多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的權利要求來限定。
1權利要求
一種用於MOCVD系統中控制外延片溫度及均勻性的裝置，包含通過上表面設置的若干凹盤(11)對應放置有若干外延片(40)的託盤(10)、設置在所述託盤(10)上方的一組非接觸、發光補償的光學溫度計(21)，以及設置在託盤(10)下方的加熱器(30)，其特徵在於，所述託盤(10)沿徑向設置有若干同圓心但半徑遞增的環狀區域，所述若干外延片(40)分布排列在該若干環狀區域內；所述一組非接觸光學溫度計(21)沿徑向排列在所述託盤(10)上方，每個或相鄰若干個非接觸光學溫度計(21)，對應檢測所述託盤(10)上同一環狀區域內的至少一個或多個外延片(40)的溫度；所述加熱器(30)包含同圓心設置的一組環狀排列、獨立功率輸入的加熱元件(31)，每個或相鄰若干個所述加熱元件(31)通過加熱託盤(10)，主要對應加熱託盤(10)上排列在同一環狀區域上的若干外延片(40)。
2.如權利要求1所述用於MOCVD系統中控制外延片溫度及均勻性的裝置，其特徵在於， 還包含與所述若干非接觸光學溫度計(21)連接的溫度控制器(51)；所述若干非接觸光學 溫度計(21)分別將測得的外延片(40)溫度數據反饋至所述溫度控制器(51)。
3.如權利要求2所述用於MOCVD系統中控制外延片溫度及均勻性的裝置，其特徵在於， 還包含與所述溫度控制器(51)連接並受其控制的若干功率輸出裝置(52)；所述若干功率 輸出裝置(52)分別與所述若干個所述加熱元件(31)對應連接，通過獨立調節每個加熱元 件(31)的功率，實現外延片(40)的溫度控制。
4.如權利要求3所述用於MOCVD系統中控制外延片溫度及均勻性的裝置，其特徵在 於，所述託盤(10)上放置3英寸或以下的若干外延片(40)時，同一環狀區域內若干外延片 (40)，上方由至少一個所述非接觸光學溫度計(21)檢測溫度，下方主要由至少一個獨立控 制的所述加熱元件(31)加熱。
5.如權利要求3所述用於MOCVD系統中控制外延片溫度及均勻性的裝置，其特徵在 於，所述託盤(10)上放置4英寸或以上的若干外延片(40)時，同一環狀區域內若干外延片 (40)，上方由至少兩個所述非接觸光學溫度計(21)檢測溫度，下方主要由至少兩個獨立控 制的所述加熱元件(31)加熱。
6.如權利要求1所述用於MOCVD系統中控制外延片溫度及均勻性的裝置，其特徵在於， 所述託盤(10)下方的加熱器(30)上設置有至少一個接觸式熱電偶溫度計(22)，將其直接 測量獲得的所述加熱器(30)的溫度，作為加熱器(30)工作狀態的監測點及外延片(40)溫 度控制的參照點。
7.如權利要求1所述用於MOCVD系統中控制外延片溫度及均勻性的裝置，其特徵在 於，還包含旋轉裝置(60)；所述託盤(10)底部設置有中心軸(12)，其向下穿過所述加熱器 (30)，與所述旋轉裝置(60)配合連接，由旋轉裝置(60)帶動託盤(10)旋轉。
8.一種用於MOCVD系統中控制外延片溫度及均勻性的方法，其特徵在於，包含以下步驟步驟1、由徑向設置的一組非接觸光學溫度計(21)中的一個或相鄰若干個，對應測量 託盤(10)上同一環狀區域中多個外延片(40)的溫度，並反饋至溫度控制器(51)進行統計 處理；步驟2、由溫度控制器(51)根據設定的外延工藝溫度和實際測量的溫度，驅動功率輸出裝置(52)獨立改變每個加熱元件(31)的功率；步驟3、每個或相鄰若干個可獨立控制的加熱元件(31)通過加熱託盤(10)，使對應放 置在上方環狀區域內的外延片(40)達到所設定的溫度，並獲得所要求的溫度均勻性。
9.如權利要求8所述用於MOCVD系統中控制外延片溫度及均勻性的裝置，其特徵在於， 所述溫度控制器(51)中標定建立的初始數據，包含所述託盤(10)和外延片(40)熱量流 失的溫度參數；對應每個環狀區域的所述加熱元件(31)的輸出功率的溫度參數，及其功率調節對其 它環狀區域外延片(40)溫度的影響參數；以及所述接觸式熱電偶溫度計(22)測得的加熱器(30)溫度，與所述非接觸光學溫度 計(21)測得的外延片(40)溫度的關係參數。
10.如權利要求9所述用於MOCVD系統中控制外延片溫度及均勻性的裝置，其特徵在 於，所述溫度控制器(51)將所述非接觸光學溫度計(21)分別測得的，同一個外延片(40) 或多個外延片(40)的溫度反饋數據，計算得到統計平均值；之後，所述溫度控制器(51)將所述統計平均值分別與外延工藝規定的溫度相比較，根 據獲得的每個環狀區域上若干外延片(40)的溫度差異；以所述溫度差異最小為目標，溫度 控制器(51)驅動功率輸出裝置(52)改變每個加熱元件(31)的輸出功率，實現對託盤(10) 上單個外延片(40)和相鄰外延片(40)之間的溫度及均勻性的控制。
全文摘要
一種用於MOCVD系統中控制外延片溫度及均勻性的裝置，託盤上方沿徑向設置一組非接觸、發光補償的光學溫度計，反饋託盤上多個環狀區域內單個或多個外延片的溫度。溫度控制器以外延片溫度的統計平均值與外延工藝規定溫度的差異最小為目標，獨立控制託盤下方的若干加熱元件的功率輸出。每個環狀區域內的多個外延片，由下方一個或相鄰多個環狀排列、徑向覆蓋面積較小的加熱元件來對應加熱，在不同溫度的工藝條件下，能有效平衡外延片及託盤在徑向的熱量流失，實現對單個外延片和相鄰外延片之間溫度及均勻性的精確與穩定的控制。本發明還通過設置接觸式熱電耦溫度計來測量加熱器溫度，作為外延工藝規定溫度的參照點，同時監測加熱器是否正常工作。
文檔編號C23C16/52GK101906622SQ20101026335
公開日2010年12月8日 申請日期2010年8月20日 優先權日2010年8月20日
發明者金小亮, 陳愛華 申請人:華晟光電設備(香港)有限公司