DE102018125531A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Regelung der Temperatur in einem CVD-Reaktor - Google Patents

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.

Description

• Gebiet der Technik
• 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.
• Stand der Technik
• 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 US 8,888,360 B2 ; 9,200,965 B2 oder US 6,398,406 B1 vorbekannt.
• Die Bildung von Soll-Werten aus verschiedenen Temperaturen wird auch in der DE 10 2015 100 640 A1 beschrieben.
• Zusammenfassung der Erfindung
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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: $$R_c=\frac{M_1}{M_2}$$

  
• Dabei hängt der erste Wert M₁ bevorzugt ausschließlich von ersten in einem zurückliegenden Zeitintervall gemessenen Werten, also insbesondere von den Substrattemperaturen ab. Bevorzugt hängt der zweite Wert M₂ ausschließlich von in einem zurückliegenden Zeitintervall gemessenen zweiten Werten, also bevorzugt den Suszeptortemperaturen oder Substrathaltertemperaturen ab. In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Zeitintervall bzw. als reziproke Zeit die Grenzfrequenz eines Tiefpassfilters länger als 10 Sekunden andauert, es kann beispielsweise mindestens 15 Sekunden, mindestens 20 Sekunden, mindestens 40 Sekunden, mindestens 60 Sekunden, mindestens 80 Sekunden, mindestens 100 Sekunden oder mindestens 120 Sekunden lang sein. Je länger das Zeitintervall ist, desto träger reagiert die Regelung auf Änderungen der mit der ersten Temperaturmesseinrichtung gelieferten Messwerte. Es ist vorgesehen, dass in etwa jeder Sekunde ein Messwert gewonnen wird. Es ist ferner vorgesehen, dass jeder Mittelwert aus zumindest zehn Messwerten, bevorzugt mindestens 20 oder mehr als 30 Messwerten gebildet wird.
• 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 III. Hauptgruppe handeln, zerlegen. Das Temperaturprofil innerhalb der Prozesskammer beeinflusst das Schichtwachstum von Zerlegungsprodukten der gasförmigen Ausgangsstoffe, beispielweise GaN oder AlN. Bei den Substraten kann es sich um Saphirsubstrate oder Siliciumsubstrate handeln. Oberhalb der Prozesskammerdecke befinden sich zwei Pyrometer, von denen eines an einer ersten Messstelle auf einem Substrat den ersten Messwert und ein zweites Pyrometer an einer zweiten Messstelle außerhalb des Substrates, beispielsweise auf der Suszeptoroberfläche oder auf dem Boden einer Tasche in der ein Substrathalter gelagert ist, einen zweiten Messwert liefern. Gemäß einer Variante der Erfindung ist der erste Wert ein Mittelwert M₁ , der wie folgt berechnet wird, $$M_1=\frac{1}{\tau }{\displaystyle {\int }_{t-\tau }^t{T}_{1}dt}$$

  

  wobei τ ein Zeitintervall angibt, das zwischen 10 Sekunden und 120 Sekunden liegen kann oder auch länger andauern kann. Mit T₁ ist der Messwert der ersten Temperatur bezeichnet, der beispielsweise in Sekundenabständen gemessen wird. In einer Variante der Erfindung ist der zweite Wert ein Mittelwert M₂ , der wie folgt gebildet wird: $$M_2=\frac{1}{\tau }{\displaystyle {\int }_{t-\tau }^t{T}_{2}dt}$$

  

  wobei τ auch hier eine Zeit von größer 10 Sekunden ist, die insbesondere im Bereich zwischen 15 Sekunden und 120 Sekunden liegen kann. Mit T₂ ist ein Messwert der zweiten Temperatur bezeichnet der in Sekundenabständen gewonnen werden kann.
• Zur Mittelwertbildung der Mittelwerte M₁ , M₂ können nicht nur die Temperaturmesswerte T₁ , T₂ verwendet werden. Es ist auch vorgesehen, zunächst aus den gemessenen Temperaturen T₁ , T₂ tiefpassgefilterte Temperaturen T₁' und/oder T₂' zu bilden, um aus diesen dynamisch gefilterten Temperaturen T₁', T₂' Mittelwerte zu bilden.
• Gemäß der ersten Variante wird aus dem ersten Mittelwert M₁ ein Rekalibrierungsfaktor Rc und daraus und einem zweiten Messwert T₂ wie folgt $$T_R\left(t\right)=Rc\ast T_2\left(t\right)$$

  

  ein Ist-Wert einer Temperatur berechnet, welcher Ist-Wert die Temperatur ist, die eine Regeleinrichtung gegen einen Soll-Wert regelt.
• Gemäß einer zweiten, bevorzugten Variante der Erfindung wird die Ist-Temperatur wie folgt berechnet $$T_R\left(t\right)=\frac{1}{M_2}\ast M_1\ast T_2\left(t\right)$$

  

  Bei den Werten M₁ und M₂ handelt es sich gewissermaßen um geglättete, in der Vergangenheit zurückliegende erste und zweite Temperaturen. Je kleiner das Zeitintervall ist, innerhalb dessen die Glättung stattfindet, desto mehr verhält sich die Temperatur T_R im kurzfristigem Regime wie die Substrattemperatur T₁ , je größer die Zeit ist desto mehr verhält sich T_R wie die Suszeptortemperatur T₂ ; Mittelfristig konvergiert sie immer gegen die Substrattemperatur T₁ .
• Figurenliste
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Es zeigt:
• 1 einen Querschnitt durch einen CVD-Reaktor,
• 2 eine Darstellung gemäß 1 eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
• 3 eine Darstellung gemäß 1 eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
• 4a schematisch den Temperaturverlauf T₁ 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.
• Beschreibung der Ausführungsformen
• Der in den 1 bis 3 dargestellte CVD-Reaktor 1 besteht aus einem gasdichten, insbesondere aus Edelstahl gefertigten Gehäuse, in dem sich ein um eine Drehachse 16 drehangetriebener Suszeptor 6 aus Graphit oder beschichtetem Graphit befindet. Unterhalb des Suszeptors 6 befindet sich eine Heizeinrichtung 5, mit der der Suszeptor 6 beheizt werden kann.
• Auf der Oberseite des Suszeptors 6 befinden sich Taschen 13, in denen jeweils Substrathalter 7 angeordnet sind. Die Substrathalter 7 können auf einem Gaskissen ruhen und um Drehachsen 16 angetrieben werden. Jeder Substrathalter 7 trägt zumindest ein zu beschichtendes Substrat 8. Der Suszeptor 6 hat eine Kreisscheibenform. Die Substrathalter 7 sind ringförmig um die Drehachse 16 angeordnet.
• Beim Ausführungsbeispiel besitzt der CVD-Reaktor ein zentrales Gaseinlassorgan 12, durch welches die eingangs genannten Prozessgase in die Prozesskammer einströmen können, die nach unten durch den Suszeptor 6 und nach oben durch eine Prozesskammerdecke 9 begrenzt ist.
• Die Prozesskammerdecke 9 besitzt Öffnungen 10, 11. Oberhalb der Öffnungen 10, 11 befinden sich zwei Temperaturmesseinrichtungen 2, 3, bei denen es sich um Pyrometer handeln kann, die Messsignale liefern, die einer Regeleinrichtung 4 zugeleitet werden. Die Regeleinrichtung 4 verwendet die von den Temperaturmesseinrichtungen 2, 3 gewonnenen ersten und zweiten Temperaturmesswerte, um die Heizeinrichtung 5 zu regeln.
• Die erste Temperaturmesseinrichtung 2 misst entlang eines ersten optischen Weges 14 durch die Öffnung 11 hindurch an einer ersten Messstelle 17 eine Oberflächentemperatur des Substrates 8. Die zweite Temperaturmesseinrichtung 3 misst entlang eines zweiten optischen Weges 15 durch die Öffnung 10 hindurch an einer zweiten Messstelle 18 eine Temperatur des Suszeptors 6. Die zweite Temperaturmesseinrichtung 3 misst entlang eines zweiten optischen Weges 15 durch die Öffnung 10 hindurch an einer zweiten Messstelle 18 eine Temperatur, die bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel und bei dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel die Temperatur des Suszeptors 6 und bei dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die Temperatur des Substrathalters 7 ist.
• Bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel liegt die zweite Messstelle 18 am Boden einer Tasche 13, so dass der optische Weg 15 durch einen Ringspalt zwischen Substrathalter 7 und die Taschenwand hindurchläuft.
• Bei dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel läuft der optische Weg 15 durch das auf dem Substrathalter 7 aufliegenden Substrat 8 hindurch. Die Temperaturmesseinrichtung 3 ist ein IR-Pyrometer. Das Substrat 8 ist für infrarotes Licht transparent, so dass mit dem IR-Pyrometer die Oberflächentemperatur des Substrathalters 7 bestimmt werden kann. Alternativ dazu kann die Messstelle 18 aber auch neben dem Substrat 8 auf der Oberseite des Substrathalters 7 liegen.
• Bei dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird mit der zweiten Temperaturmesseinrichtung 3 die Oberflächentemperatur des Suszeptors 6 gemessen. Die Messstelle 18 liegt hier unmittelbar neben dem Substrathalter. Die Messstelle 18 kann sowohl radial innerhalb als auch radial außerhalb des Substrathalters 7 liegen. Sie kann aber auch an einem Ort der Suszeptoroberfläche liegen, der zwischen zwei benachbarten Substrathaltern 7 angeordnet ist. Es ist ferner vorgesehen, dass die Messstelle 18 zur Messung der Suszeptortemperatur auch auf der Unterseite des Suszeptors 6 angeordnet sein kann. Zur Messung der Suszeptortemperatur können Pyrometer oder Thermoelemente oder dergleichen verwendet werden.
• Bei der zweiten Temperaturmesseinrichtung 2 kann es sich um ein UV-Pyrometer handeln, mit dem die Oberflächentemperatur des Substrates 8 gemessen wird.
• Auf dem Suszeptor 6 können auch Abdeckplatten aufliegen. Die zweite Messstelle kann auch auf einer der Abdeckplatten angeordnet sein.
• Die Regeleinrichtung 4 ist derart ausgebildet, dass sie innerhalb von vorgegebenen Zeitintervallen, die mindestens 10 Sekunden, betragen erste Temperaturmesswerte T₁ mathematisch miteinander verknüpft, um einen algebraischen Mittelwert M₁ der ersten Temperatur T₁ über das Intervall zu bilden. Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Regeleinrichtung derart eingerichtet ist, dass sie aus einer Vielzahl von Messwerten der zweiten Temperatur T₂ über ein Intervall, das mindestens 10 Sekunden lang ist, einen zweiten algebraischen Mittelwert M₂ der zweiten Temperatur T₂ bildet.
• Die Regeleinrichtung 4 ist ferner so eingerichtet, dass sie aus dem ersten Mittelwert M₁ und dem aktuell gemessenen zweiten Messwert T₂ der zweiten Temperatur an der zweiten Messstelle 18 einen Ist-Wert T_R bildet, der zur Regelung der Heizeinrichtung 5 verwendet wird, wobei die modifizierte Ist-Temperatur T_R zumindest aus einem Produkt des ersten Mittelwertes M₁ und des aktuellen zweiten Messwertes T₂ besteht.
• In einer Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der modifizierte Ist-Wert T_R nicht nur das Produkt aus erstem Mittelwert M₁ und dem aktuellen zweiten Messwert T₂ besteht, sondern zusätzlich noch durch einen zweiten Mittelwert M₂ der zweiten Temperatur dividiert worden ist.
• Zur Bestimmung eines Mittelwertes werden bevorzugt mindestens zehn Messwerte entweder der ersten Temperatur T₁ oder der zweiten Temperatur T₂ verwendet.
• Die 4a zeigt die Reaktion der Temperatur T₁ des Substrates 8, wenn die Heizleistung zur Verminderung der Temperatur zum Zeitpunkt t₁ vermindert wird. Während einer Abkühlzeit von ca. 20 bis 30 Sekunden erreicht die Substrattemperatur T₁ zu einem Zeitpunkt t₃ ihr Minimum um anschließend nach einem durch die Regelung bedingten Überschwinger einen geringeren Wert einzunehmen.
• Die 4b zeigt den zeitlichen Verlauf der Temperatur T₂ des Suszeptors 6 oder des Substrathalters 7 nach einer Verminderung der Sollwert-Temperatur. Die Temperatur T₂ erreicht zu einem früheren Zeitpunkt, nämlich zum Zeitpunkt t₂ ihr Minimum, um anschließend nach einem vom Regelalgorithmus bedingten Überschwinger einen im Wesentlichen konstanten Wert einzunehmen. Aus den 4a und 4b ist ersichtlich, dass das Minimum der Substrattemperatur T₁ zu einer späteren Zeit t₃ erreicht wird, als das Minimum der Suszeptortemperatur T₂ , welches bereits bei einer Zeit t₂ erreicht wird. Die zeitliche Differenz der beiden Zeiten t₂ und t₃ liegt im Bereich von 10 bis 20 Sekunden.
• Die 4a und 4b zeigen, dass die Temperatur T₁ geringfügig zeitlich verzögert nach dem Vermindern der Heizleistung zum Zeitpunkt t₁ gegenüber der Temperatur T₂ absinkt. Lässt man in der Betrachtung den zeitlich nach der Zeit t₃ beobachteten Überschwinger außer Betracht, so ist ersichtlich, dass das System eine generische Zeit in Form der Zeitdifferenz t₃ minus t₂ besitzt, also der Zeit, innerhalb der nach einer Temperaturveränderung die beiden Temperaturen T₁ , T₂ wieder ihre stationären Zustände erreichen.
• Die 4d zeigt einen mit der aktuellen Temperatur T₂ des Suszeptors zu multiplizierenden Rekalibrierungsfaktor Rc, der die Trägheit des Verlaufs der Substrattemperatur T₁ berücksichtigt. Beim Ausführungsbeispiel wird der Rekalibrierungsfaktor Rc durch den Quotienten zweier Mittelwerte gebildet, wobei im Zähler der Mittelwert der ersten Temperaturen T₁ und im Nenner der Mittelwert der zweiten Temperaturen T₂ steht.
• Die 4c zeigt die so berechnete, zur Regelung verwendete Ist-Temperatur T_R , die wie folgt berechnet wird: $$T_R\left(t\right)=\frac{1}{M_2}\ast M_1\ast T_2\left(t\right)$$

  

  Die Integrationszeiten zur Bildung der Mittelwerte M₁ , M₂ beträgt hier zumindest die Zeit, die der Suszeptor für einen Umlauf um seine Drehachse benötigt. Anstelle der Mittelwerte M₁ , M₂ können aber auch tiefpassgefilterte Temperaturverläufe verwendet werden. Die Grenzfrequenz des dabei verwendeten, insbesondere digitalen Tiefpassfilters ist maximal der Kehrwert der Umlaufzeit des Suszeptors.
• Die Integrationszeit zur Bildung der Mittelwerte M₁ , M₂ kann aber auch zumindest die Zeitdifferenz t₃ minus t₂ sein. Bei der Verwendung eines Tiefpassfilters ist die maximale Grenzfrequenz gleich dem Kehrwert dieser Zeitdifferenz, wobei die Zeitdifferenz die Zeit ist, um die die erste Temperatur T₁ der zweiten Temperatur T₂ nachläuft.
• In Abhängigkeit von der Ausführung des CVD-Reaktors reagiert die Temperatur an den Messstellen T₁ bzw. T₂ zeitlich unterschiedlich auf eine Änderung der zugeführten Heizleistung. Dies führt zu eine Über- bzw. Unterschätzung des Rekalibrierungsfaktors in dynamischen Situationen. Mittels geeigneter Filterung der Signale T₁ und T₂ lässt sich die zeitliche Antwort der gefilterten Größen T₁' und T₂' auf eine Heizleistungsänderung ausgleichen. Eine geeignete Filterung kann hierbei ein Tiefpassfilter sein. In einigen Ausführungsvarianten des Rekalibrierungs-Verfahrens genügt die Kombination der Temperatursignale T₁ und T₂' bzw. T₁' und T₂ um den Rekalibrierungsfaktor in ausreichender Qualität zu gewinnen.
• 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.
• 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:
• 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 erste Messwerte T₁ einer Temperatur und mit einer zweiten Temperaturmesseinrichtung 3 an einer zweiten Messstelle 18 außerhalb oder unterhalb des Substrates 8 zweite Messwerte T₂ einer Temperatur gemessen werden, wobei zur Bestimmung eines gegen einen Soll-Wert geregelten Ist-Wertes T_R zumindest aus zeitlich zurückliegenden ersten Messwerten T₁ ein Rekalibrierungsfaktor Rc gewonnen wird, der mit dem aktuellen zweiten Messwert T₂ multipliziert wird.
• Ein CVD-Reaktor 1 mit einer ersten Temperaturmesseinrichtung 2, die so eingerichtet ist, dass sie an einer ersten Messstelle 17, die auf einem Substrat 8 angeordnet ist, erste Messwerte T₁ einer Temperatur liefert und mit einer zweiten Temperaturmesseinrichtung 3, die so eingerichtet ist, dass sie an einer zweiten Messstelle 18 außerhalb oder unterhalb des Substrates 8 gemessene zweite Messwerte T₂ einer Temperatur liefert, mit einer Regeleinrichtung 4 zur Temperaturregelung, wobei die Regeleinrichtung 4 so eingerichtet ist, dass zur Bestimmung eines gegen einen Soll-Wert geregelten Ist-Wertes T_R zumindest aus zeitlich zurückliegenden ersten Messwerten T₁ ein Rekalibrierungsfaktor Rc gewonnen wird, der mit dem aktuellen zweiten Messwert T₂ multipliziert wird.
• Ein Verfahren oder ein CVD-Reaktor 1, welches oder welcher, dadurch gekennzeichnet ist, dass der Rekalibrierungsfaktor Rc ein Quotient eines aus zeitlich zurückliegenden ersten Messwerten T₁ gebildeten ersten Wertes M₁ und eines aus zurückliegenden zweiten Messwerten T₂ gebildeten zweiten Wertes M₂ ist.
• Ein Verfahren oder ein CVD-Reaktor 1, welches oder welcher, dadurch gekennzeichnet ist, dass eine charakteristische Zeit, um die der mindestens eine erste Messwert T₁ oder mindestens eine zweite Messwert T₂ gegenüber dem Zeitpunkt der Bestimmung des Ist-Wertes zurückliegt, die Zeit einer Umdrehung des Suszeptors um seine Drehachse ist oder eine Zeitdifferenz t₃ minus t₂ , um die sich der erste Messwert T₁ zeitverzögert gegenüber dem zweiten Messwert T₂ ändert und insbesondere nach einer Heizleistungsänderung wieder einen stationären Zustand einnimmt oder mindestens 10 Sekunden, mindestens 15 Sekunden, mindestens 20 Sekunden, mindestens 40 Sekunden, mindestens 60 Sekunden, mindestens 80 Sekunden, mindestens 100 Sekunden oder mindestens 120 Sekunden beträgt.
• Ein Verfahren oder ein CVD-Reaktor 1, welches oder welcher, dadurch gekennzeichnet ist, dass die Mittelwerte M₁ , M₂ über die charakteristische Zeit gebildet werden.
• Ein Verfahren oder ein CVD-Reaktor 1, welches oder welcher, dadurch gekennzeichnet ist, dass zur Bestimmung des Ist-Wertes T_R mit einem tiefpassgefilterte erste Messwerte T₁ und/oder zweite Messwerte T₂ verwendet werden, wobei die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters die reziproke charakteristische Zeit ist.
• Ein Verfahren oder ein CVD-Reaktor 1, welches oder welcher, dadurch gekennzeichnet ist, dass die Mittelwerte M₁ , M₂ aus tiefpassgefilterten ersten bzw. zweiten Messwerten T₁ , T₂ gebildet sind.
• Ein Verfahren oder ein CVD-Reaktor 1, welches oder welcher, dadurch gekennzeichnet ist, dass zur Bildung des Rekalibrierungsfaktors Rc ein zeitlich rückversetzter Mittelwert M₂ der zweiten Temperatur T₂ verwendet wird und insbesondere zusätzlich ein zeitlich rückversetzter Mittelwert M₁ der ersten Temperatur T₁ verwendet wird.
• Ein Verfahren oder ein CVD-Reaktor 1, welches oder welcher, dadurch gekennzeichnet ist, dass der CVD-Reaktor 1 einen von seiner Unterseite mit einer Heizeinrichtung 5 beheizbaren Suszeptor aufweist, wobei die zweite Messstelle 18 einer Oberseite des Suszeptors 6, einer Unterseite des Suszeptors 6, dem Boden einer Tasche 13 im Suszeptor 6, in der ein Substrathalter 7 drehbar angeordnet ist, der zumindest ein Substrat 8 trägt, ein Punkt auf der Oberseite des Substrathalters 7 neben dem Substrat 8 oder einem unterhalb des Substrates 8 liegenden Ort auf dem Substrathalter 7 zugeordnet ist.
• Ein Verfahren oder ein CVD-Reaktor 1, welches oder welcher, dadurch gekennzeichnet ist, dass die ersten und zweiten Temperaturmesseinrichtungen 2, 3 Pyrometer sind, deren optische Wege 14, 15 durch Öffnungen 10, 11 einer Prozesskammerdecke 9 hindurchtreten und/oder dass die erste Messeinrichtung 2 zur Messung des ersten Messwertes T₁ , der einer Substrattemperatur entspricht, ein UV-Pyrometer ist und dass die zweite Temperaturmesseinrichtung 3, die einen Messwert der Temperatur des Substrathalters 7 oder des Suszeptors 6 liefert, ein IR-Pyrometer ist und/oder dass zur Messung der zweiten Temperatur T₂ ein Thermoelement insbesondere an der Unterseite des Suszeptor 6 verwendet wird.
• Bezugszeichenliste

1

CVD-Reaktor

2

Temperaturmesseinrichtung

3

Temperaturmesseinrichtung

4

Regeleinrichtung

5

Heizeinrichtung

6

Suszeptor

7

Substrathalter

8

Substrat

9

Prozesskammerdecke

10

Öffnung

11

Öffnung

12

Gaseinlassorgan

13

Tasche

14

optischer Weg

15

optischer Weg

16

Drehachse

17

erste Messstelle

18

zweite Messstelle

M₁

erster Mittelwert

M₂

zweiter Mittelwert

T₁

erster Messwert

T₂

zweiter Messwert

T₁'

tiefpassgefilterte Temperatur

T₂'

tiefpassgefilterte Temperatur

t₁

Zeitpunkt

t₂

Zeitpunkt

t₃

Zeitpunkt

T_R

Temperatur-Ist-Wert

Rc

Rekalibrierungsfaktor

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 8888360 B2 [0002]
• US 9200965 B2 [0002]
• US 6398406 B1 [0002]
• DE 102015100640 A1 [0003]

Claims (11)

1. Verfahren zur Temperaturregelung in einem CVD-Reaktor (1), bei dem mit einer ersten Temperaturmesseinrichtung (2) an einer ersten Messstelle (17) auf einem Substrat (8) erste Messwerte (T₁) einer Temperatur und mit einer zweiten Temperaturmesseinrichtung (3) an einer zweiten Messstelle (18) außerhalb oder unterhalb des Substrates (8) zweite Messwerte (T₂) einer Temperatur gemessen werden, wobei zur Bestimmung eines gegen einen Soll-Wert geregelten Ist-Wertes (T_R) zumindest aus zeitlich zurückliegenden ersten Messwerten (T₁) ein Rekalibrierungsfaktor (Rc) gewonnen wird, der mit dem aktuellen zweiten Messwert (T₂) multipliziert wird.
2. CVD-Reaktor (1) mit einer ersten Temperaturmesseinrichtung (2), die so eingerichtet ist, dass sie an einer ersten Messstelle (17), die auf einem Substrat (8) angeordnet ist, erste Messwerte (T₁) einer Temperatur liefert und mit einer zweiten Temperaturmesseinrichtung (3), die so eingerichtet ist, dass sie an einer zweiten Messstelle (18) außerhalb oder unterhalb des Substrates (8) gemessene zweite Messwerte (T₂) einer Temperatur liefert, mit einer Regeleinrichtung (4) zur Temperaturregelung, wobei die Regeleinrichtung (4) so eingerichtet ist, dass zur Bestimmung eines gegen einen Soll-Wert geregelten Ist-Wertes (T_R) zumindest aus zeitlich zurückliegenden ersten Messwerten (T₁) ein Rekalibrierungsfaktor (Rc) gewonnen wird, der mit dem aktuellen zweiten Messwert (T₂) multipliziert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder CVD-Reaktor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekalibrierungsfaktor (Rc) ein Quotient eines aus zeitlich zurückliegenden ersten Messwerten (T₁) gebildeten ersten Wertes (M₁) und eines aus zurückliegenden zweiten Messwerten (T₂) gebildeten zweiten Wertes (M₂) ist.
4. Verfahren oder CVD-Reaktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine charakteristische Zeit, um die der mindestens eine erste Messwert (T₁) oder mindestens eine zweite Messwert (T₂) gegenüber dem Zeitpunkt der Bestimmung des Ist-Wertes zurückliegt, die Zeit einer Umdrehung des Suszeptors um seine Drehachse ist oder eine Zeitdifferenz (t₃) minus (t₂), um die sich der erste Messwert (T₁) zeitverzögert gegenüber dem zweiten Messwert (T₂) ändert und insbesondere nach einer Heizleistungsänderung wieder einen stationären Zustand einnimmt oder mindestens 10 Sekunden, mindestens 15 Sekunden, mindestens 20 Sekunden, mindestens 40 Sekunden, mindestens 60 Sekunden, mindestens 80 Sekunden, mindestens 100 Sekunden oder mindestens 120 Sekunden beträgt.
5. Verfahren oder CVD-Reaktor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelwerte (M₁, M₂) über die charakteristische Zeit gebildet werden.
6. Verfahren oder CVD-Reaktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Ist-Wertes (T_R) mit einem tiefpassgefilterte erste Messwerte (T₁) und/oder zweite Messwerte (T₂) verwendet werden, wobei die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters die reziproke charakteristische Zeit ist.
7. Verfahren oder CVD-Reaktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelwerte (M₁, M₂) aus tiefpassgefilterten ersten bzw. zweiten Messwerten (T₁, T₂) gebildet sind.
8. Verfahren oder CVD-Reaktor (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des Rekalibrierungsfaktors (Rc) ein zeitlich rückversetzter Mittelwert (M₂) der zweiten Temperatur (T₂) verwendet wird und insbesondere zusätzlich ein zeitlich rückversetzter Mittelwert (M₁) der ersten Temperatur (T₁) verwendet wird.
9. Verfahren oder CVD-Reaktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der CVD-Reaktor (1) einen von seiner Unterseite mit einer Heizeinrichtung (5) beheizbaren Suszeptor aufweist, wobei die zweite Messstelle (18) einer Oberseite des Suszeptors (6), einer Unterseite des Suszeptors (6), dem Boden einer Tasche (13) im Suszeptor (6), in der ein Substrathalter (7) drehbar angeordnet ist, der zumindest ein Substrat (8) trägt, ein Punkt auf der Oberseite des Substrathalters (7) neben dem Substrat (8) oder einem unterhalb des Substrates (8) liegenden Ort auf dem Substrathalter (7) zugeordnet ist.
10. Verfahren oder CVD-Reaktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Temperaturmesseinrichtungen (2, 3) Pyrometer sind, deren optische Wege (14, 15) durch Öffnungen (10, 11) einer Prozesskammerdecke (9) hindurchtreten und/oder dass die erste Messeinrichtung (2) zur Messung des ersten Messwertes (T₁), der einer Substrattemperatur entspricht, ein UV-Pyrometer ist und dass die zweite Temperaturmesseinrichtung (3), die einen Messwert der Temperatur des Substrathalters (7) oder des Suszeptors (6) liefert, ein IR-Pyrometer ist und/oder dass zur Messung der zweiten Temperatur (T₂) ein Thermoelement insbesondere an der Unterseite des Suszeptor (6) verwendet wird.
11. CVD-Reaktor (1) oder Verfahren zur Temperaturregelung in einem CVD-Reaktor (1), gekennzeichnet durch eines oder mehrere der kennzeichnenden Merkmale eines der vorhergehenden Ansprüche.

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