EP1436444A1 - Method and device for monitoring a cvd process - Google Patents

Method and device for monitoring a cvd process

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Publication number
EP1436444A1
EP1436444A1 EP02801305A EP02801305A EP1436444A1 EP 1436444 A1 EP1436444 A1 EP 1436444A1 EP 02801305 A EP02801305 A EP 02801305A EP 02801305 A EP02801305 A EP 02801305A EP 1436444 A1 EP1436444 A1 EP 1436444A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
values
substrate
temperature
coating cycle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02801305A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Michael Heuken
Matthias Bode
Michael Pfeil
Jürgen Schmitt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aixtron SE
Original Assignee
Aixtron SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aixtron SE filed Critical Aixtron SE
Publication of EP1436444A1 publication Critical patent/EP1436444A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L22/00—Testing or measuring during manufacture or treatment; Reliability measurements, i.e. testing of parts without further processing to modify the parts as such; Structural arrangements therefor
    • H01L22/20—Sequence of activities consisting of a plurality of measurements, corrections, marking or sorting steps
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/52—Controlling or regulating the coating process
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the invention relates to a method for coating a substrate with one or more layers in a process chamber.
  • the process chamber can in particular belong to a CVD system.
  • Starting materials in particular in the form of organometallic reaction gases, are introduced into this process chamber.
  • the reaction gases usually originate from a liquid source through which a carrier gas flows, which saturates with the vaporous organometallic compound.
  • the mass flow of the carrier gas through the source and thus into the process chamber is regulated by means of a mass flow controller.
  • the mass of the reaction gas introduced into the process chamber depends on the vapor pressure of the liquid source.
  • the process chamber contains a substrate holder. In a MOCVD process, this substrate holder is kept at a temperature by means of a heater.
  • the temperature is regulated according to a predetermined setpoint.
  • One or more substrates lie on the substrate holder, whereupon the starting materials or reaction products of the starting materials, for example pyrolytic decomposition products, are deposited.
  • the substrate holder can also be cooled in other CVD processes.
  • Each coating cycle takes place according to a predetermined recipe, which is stored in an electronic control device.
  • the recipe contains the target values of the process parameters such as the mass flows of the starting materials and the temperature of the substrate holder.
  • the electronic control device By switching valves in a gas supply system, the electronic control device is able to guide the reaction gases into the process chamber, bring the substrate holder or the process chamber to the process temperature, regulate the total pressure in the process chamber to a target value and the entire process to Taxes.
  • the process which generally begins with the loading of the process chamber with one or more substrates and which ends with the removal of the substrates from the process chamber is referred to below as the coating cycle.
  • Each coating cycle can consist of a large number of sections in which different gas compositions are introduced into the process chamber.
  • the temperature of the substrate holder can assume different values during the individual sections. In particular, it can be provided that temperature ramps are driven during a cycle section. A large number of coating cycles are carried out with one and the same recipe to produce a large number of layers or layer systems of the same structure. Statistical or systematic deviations of the actual values of the process parameters from the target values can occur. These actual values are determined in time intervals during each coating cycle. The masses of the reaction gases actually flowing into the process chamber and the temperatures actually reached are measured and stored in a storage device. In processes in which several substrates are on a substrate holder, the temperatures of the individual substrates are determined separately. The individual temperatures are saved individually for each substrate.
  • measurements are carried out on the layer or on the layer system to determine characteristic layer properties such as layer thickness, layer composition or electronic properties of the layers.
  • These layer properties which can also be determined during the coating cycle, are also stored in the memory device in a substrate-individualized manner.
  • Statistical investigations can be carried out from the actual values obtained and the determined layer properties of a large number of layers deposited with the same recipe. For this purpose, the actual values obtained are correlated with the determined layer properties.
  • the correlation values generated in the process are displayed or processed further by an analysis device in order to determine systematic or statistical deviations.
  • All available process parameters are preferably stored in a substrate-individualized manner and correlated by the analysis device with the properties of the layers or the components produced therefrom.
  • This type of analysis enables specific, systematic deviations of the layer properties from statistical mean values or from target values to be achieved to be directly correlated to specific process parameters. This makes it possible to determine the causes of deviations in the layer properties for certain substrates.
  • mean values are formed from the large number of individual target values obtained for each coating cycle. These mean values are correlated with the values of the layer properties. It is then investigated, for example, which of the target values has a similar course over the plurality of coating cycles as a layer property. In this way, the process parameter can be determined that is responsible for a deviation of a layer property in a specific substrate.
  • All available, in particular time-changing data come into consideration as process parameters, in particular the mass flows of all process gases introduced into the process chamber, the temperatures which are measured within the process chamber and in particular the temperatures of the individual substrates. Environmental parameters such as temperature, humidity and the purity of the ambient air are also considered.
  • the valve positions of the gas supply system are also included.
  • the surface temperature of the substrates and the rotational speed of substrates rotatingly arranged on a rotating substrate holder can be determined.
  • the growth rate of the layer during the coating process can also be determined individually using suitable methods.
  • the layer properties during growth can also be determined by means of optical examinations. All data are stored specific to the substrate in the storage device.
  • a wide variety of measurement variables can be recorded for each wafer in a spatially and time-resolved manner as the layer grows.
  • the measurement variables for each wafer are recorded and stored several times at a series of different points on the wafer surface in each growth step.
  • one or more quality figures are determined for each wafer during the growth process (e.g. variation of the layer thickness over the wafer). These figures of merit are correlation values from the raw data of the measured variables determined.
  • the quality figures can be used to determine the further process steps for each wafer individually and automatically.
  • the measurement on the individual substrates is preferably carried out at at least three different locations, so that deviations in the layer thickness or the deposition temperature during growth on a layer, i.e. its homogeneity can be determined.
  • the analysis device is able to graphically represent the generated correlation values. This can be done, for example, as a diagram. For example, it is envisaged to plot the temperature profiles in the form of a temperature / time diagram and to indicate in the same diagram the temporal profile of the growth rate or another layer property.
  • the characteristic layer properties which are correlated with the actual values obtained can also be obtained in particular during the coating cycle. Then the direct influence of a process parameter on a layer property can be determined and displayed graphically.
  • the quality-relevant properties of the layers are correlated with the process parameters. If the layer system is to be suitable, for example, for the production of quantum well lasers, the substrate temperature will be linked as process parameters to the electronic properties or the growth rate of the layers determining the quantum well.
  • the characteristic V-III ratio will be correlated to the gas temperature in the process chamber or to the mass flows of the V component and the III component (arsine, phosphine or TMG, TMI).
  • Correction values for individual process parameters can be determined from the generated correlation values using a correction value calculator. These correction values take into account the temporal drift of layer properties, which arises, for example, from the fact that starting materials in storage containers change over time or that the turnover in the organometallic sources changes due to consumption. The consumption and running times of the individual components are also added up. This makes it possible to indicate on the right side that the sources have been supplemented.
  • the method according to the invention it is possible to recognize trends and drifts in the process at an early stage and to keep the process result within the desired tolerance range by means of automatic countermeasures. The trends and drifts are evaluated from coating cycle to coating cycle. The automatically initiated countermeasures can compensate for trends and drifts from coating cycle to coating cycle.
  • Such a correction value formation can also take place during a process cycle.
  • the current layer growth is determined during a process cycle. It is then possible to react to changing growth rates by shortening or lengthening a process step.
  • the respective V-III ratio is to be measured and to react to time deviations from the target value during a process step, for example by the V component or the III component in the gas phase is reduced or increased that the associated gas flow is changed. Exemplary embodiments of the method and the device are explained below with reference to the attached drawings. Show it:
  • Fig. 1 shows a rough schematic of the process chamber of a CVD system and the associated gas mixing system
  • Fig. 2 roughly a process computer with control unit and memory unit and associated display device.
  • FIG. 3 is a rough schematic representation of the hardware of a control device according to the invention.
  • Fig. 4 shows the individual components of the associated software
  • Fig. 5 is a block diagram of the program flow.
  • a substrate holder 2 which has a circular disk shape and is driven in rotation about its axis.
  • a plurality of substrates 4 are arranged in a planetary manner on the upper side of the substrate holder 2 around the center of the substrate holder 2. These substrates 4 are also driven in rotation. For this purpose, they can be arranged on corresponding rotating sections of the substrate holder 2.
  • a heater 3 is located below the substrate holder 2, for example in the form of a high-frequency source.
  • the temperature of the substrate holder 2 is measured by means of a thermocouple 10.
  • the rotation of the substrate holder 2 or the rotation of the substrates 4 is measured with a rotation speed meter 12.
  • an optical temperature measuring device 11 the temperature of the substrate surface can be measured.
  • the temperature measured by the temperature measurement sensor 11 can be individually assigned to each individual substrate 4. These measured values are determined at predetermined time intervals and stored in an actual / target value memory 18 of a memory device 16 of the process computer 14.
  • the process gases are provided by a gas mixing system 6.
  • the structure of such a gas mixing system 6 is shown roughly schematically in FIG.
  • the individual reaction gases such as arsine, phosphine or the like and also carrier gases such as noble gases or hydrogen or nitrogen are switched by means of valves 9.
  • the gases which are introduced into the gas inlet 5 of the process chamber 1 through the feed line 13 are regulated by means of the mass flow controller 7.
  • the organometallic components originate from evaporation sources 8, through which a carrier gas is passed, which is also switched by valves 9 and whose flow is regulated by mass flow controllers 7.
  • the control device 15 delivers target values to the mass flow controllers 7.
  • the target values and the actual values are stored substrate-specifically in the actual / target value memory 18.
  • the process is controlled by the control device 15 according to a recipe which is stored in a recipe memory 17.
  • the process parameters are stored there in the form of target values that are set at certain times.
  • characteristic layer properties 21 determined. These are then stored in a corresponding memory 21. However, it is also provided that the characteristic layer properties such as layer thickness, V-III ratio or electronic properties of the layer are measured later. These data are also stored in the memory 21 in relation to the substrate.
  • Correlation values 19 are then formed with these data, that is to say with the actual / target values 18 of the process parameters and the layer properties 21. This is done, for example, by contrasting the historical course of the actual values 18 with the historical course of the layer properties 21. The individual curves or functions formed in this way are compared with one another in order to find characteristic deviations or matches.
  • a layer property of a substrate that has been coated with a layer in a very specific coating cycle can have a specific deviation from the mean value. This can be shown graphically as shown in the figures. The actual value curves can then be examined to determine whether there is a deviation from the mean value for the corresponding coating cycle. In this way the cause of a quality deviation can be determined.
  • the process computer 14 is also able to simulate a coating cycle. This is done using virtual actuators such as valves, mass flow controllers or heaters.
  • the actuators are set according to the recipe and return virtual actual values.
  • a plausibility check is carried out according to predefined rules that are stored in the process computer. These rules say, for example, that a certain valve must not be opened before another valve or that a valve can only be opened then may open if there is a certain total pressure or a certain temperature in the process chamber.
  • the ambient air can be checked for the presence of reaction gases. If there is a reaction gas in the ambient air, this indicates a leak in the CVD system or a defective gas disposal.
  • the method according to the invention is able to react to short-term and long-term deviations of the actual parameters from the target parameters.
  • the method is also able to detect trends or drifts in the layer properties both during a coating cycle and over the history of a large number of coating cycles. It is able to use the deviations of the actual values of the layer properties from the target values and the correlation values obtained to determine correction values with which the process parameters can be varied in order to detect the trends and drifts in the Compensate for the process at an early stage.
  • the influencing does not take place within the recipe, but rather to the set values that are fed to the mass flow controllers or temperature controllers.
  • a layer with a certain composition and a certain layer thickness should be deposited within a certain process step.
  • the layer growth is observed in situ using optical sensors. The growth rate or the current layer thickness is measured. If the layer thickness reaches its target value, the coating step is ended and the next step is continued. This method can also prevent trends and drifts.
  • FIGS. 1-10 The software components and the hardware components of the device according to the invention are shown roughly schematically in FIGS.
  • the 3 indicates a control and storage device 14 in which the editing of the recipe, the checking of the plausibility of the recipe and the translation of the recipe in a compiler into process control signals. These process control signals are fed to the coating unit 22 via a data line.
  • This coating unit can be spatially separated from the control and storage device 14.
  • the coating unit 22 can be a MOCVD system, a device for separating oxides or a device for separating organic substances.
  • the control and storage device 14 can also cooperate with several, in particular different, coating units 22. For example, it is provided that the control and storage device 14 cooperate with a plurality of coating units 22 which are connected to a common transfer chamber.
  • the process control signals are further processed in the coating unit 22 by a process control device 23.
  • the individual mass flow controllers of the gas supply system 6 or the heater 3 are controlled with these signals.
  • a total pressure control 24 is also supplied with control data by the process control device 23.
  • the mass flow controllers of the gas supply system 6 or the heating of the substrate 3 and the total pressure controller 24 return actual values to the process control device 23. These actual values are fed to the control and storage device 14 via the data line.
  • the coating unit 22 also has a safety logic 25.
  • the safety logic processes a large number of input data.
  • the input data can be the valve positions, the mass flows, the temperatures, i.e. any process parameters.
  • input data of the safety logic are also data that are determined by sensors 11 of the coating unit, that is to say, for example, prints, outside temperatures or the like.
  • Data determined by external sensors 26 are also fed to the safety logic, for example data relating to whether the supply air or the extract air is functioning properly.
  • the safety logic is able to automatically bring the coating unit into a safe operating state if errors are determined by the sensors 11, 26.
  • the relevant logic is hard-wired and thus protected against programming errors.
  • the control and storage device shown in FIG. 4 has a module which has a recipe editor. With this module the layer sequence to be deposited can be selected. This takes place, for example, using a menu from which a combination can be selected from a large number of standard recipes in order to separate the desired layer sequence. In the recipe editor you can also use a special Syntax the layer sequence can be edited. There is also provision for direct access to the individual mass flow controllers or valves with the recipe editor.
  • the control and storage device 14 also has a module with which statistical process control is possible. This module is in particular able to evaluate the target values adopted by the coating unit via an interface. The data supplied to the interface is distributed via a central unit. The analysis unit that is assigned to the statistical process control is also able to determine the correction values mentioned above.
  • correction unit downstream of the analysis unit. All actual and target values are saved in a log unit.
  • the values determined by the correction unit are sent to the module of the recipe editor.
  • the correction values are either sent directly to the compiler or to the recipe editor, where they can be taken into account when editing the process steps.
  • the compiler calculates the process parameters using the simulator. Correction data can also be used if necessary. Safety-relevant variables are also taken into account when calculating the process parameters.

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Abstract

The invention relates to a method for coating at least one substrate (4) with one or more layers in a process chamber (1), in particular of a CVD installation. According to said method, starting materials, in particular in the form of organometallic reaction gases are introduced into the process chamber (1) and their mass flow is controlled. In said chamber, the starting materials or reaction products thereof are deposited in layers on the substrate (4) that is held by a temperature-controlled substrate holder (2). During a coating cycle, which begins with the charging of the process chamber with (1) the substrate or substrates and ends with the removal of the same according to a predetermined formula, the desired values of the process parameters (18), such as mass flows of the starting materials and temperature of the substrate holder, are set and the actual values for each substrate that correspond with the desired values of the process parameters are individually determined at intervals and are stored in a memory. During said coating cycle, or after each coating cycle, or after one or more subsequent processing steps carried out on the layer or on a layer system consisting of several layers, identifying layer characteristics (21), such as layer thickness and layer composition are determined and are stored by being allocated to the individualised data of the corresponding substrate. The actual values that have been obtained and the layer characteristics that have been determined for a plurality of layers deposited with the same formula are then correlated and correlation values are generated.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ÜBERWACHUNG EINES CVD- PROZESSES METHOD AND DEVICE FOR MONITORING A CVD PROCESS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrates mit ein oder mehreren Schichten in einer Prozesskammer. Die Prozesskammer kann insbesondere einer CVD-Anlage zugehörig sein. In diese Prozesskammer werden Ausgangsstoffe insbesondere in Form von metallorganischen Reaktionsgasen eingeleitet. Die Reaktionsgase entstammen üblicherweise einer flüssigen Quelle, welche von einem Trägergas durchströmt wird, welches sich mit der dampfförmigen metallorganischen Verbindung sättigt. Mittels eines Massen- flussreglers wird der Massenstrom des Trägergases durch die Quelle und somit in die Prozesskammer geregelt. Die Masse des in die Prozesskammer eingeleiteten Reaktionsgases ist abhängig vom Dampfdruck der flüssigen Quelle. Die Prozesskammer beinhaltet einen Substrathalter. Bei einem MOCVD-Prozess wird dieser Substrathalter mittels einer Heizung auf einer Temperatur gehalten. Die Temperatur wird entsprechend einem vorgegebenen Sollwert geregelt. Auf dem Substrathalter liegen ein oder mehrere Substrate, worauf die Ausgangsstoffe oder Reaktionsprodukte der Ausgangsstoffe, bspw. pyrolytische Zerlegungsprodukte abgeschieden werden. Bei anderen CVD-Prozesse kann der Substrathalter auch gekühlt werden.The invention relates to a method for coating a substrate with one or more layers in a process chamber. The process chamber can in particular belong to a CVD system. Starting materials, in particular in the form of organometallic reaction gases, are introduced into this process chamber. The reaction gases usually originate from a liquid source through which a carrier gas flows, which saturates with the vaporous organometallic compound. The mass flow of the carrier gas through the source and thus into the process chamber is regulated by means of a mass flow controller. The mass of the reaction gas introduced into the process chamber depends on the vapor pressure of the liquid source. The process chamber contains a substrate holder. In a MOCVD process, this substrate holder is kept at a temperature by means of a heater. The temperature is regulated according to a predetermined setpoint. One or more substrates lie on the substrate holder, whereupon the starting materials or reaction products of the starting materials, for example pyrolytic decomposition products, are deposited. The substrate holder can also be cooled in other CVD processes.
Jeder Beschichtungszyklus erfolgt nach einer vorgegebenen Rezeptur, welche in einer elektronischen Steuereinrichtung hinterlegt ist. Die Rezeptur beinhaltet die Soll-Werte der Prozessparameter wie die Massenflüsse der Ausgangsstoffe und die Temperatur des Substrathalters. Die elektronische Steuereinrichtung ist in der Lage, durch Schalten von Ventilen in einem Gasversorgungssystem die Reaktionsgase in die Prozesskammer zu leiten, den Substrathalter bzw. die Prozesskammer auf die Prozesstemperatur zu bringen, den Totaldruck in der Prozesskammer auf einen Soll-Wert einzuregeln und den gesamten Prozess zu steuern. Der Prozess, der in der Regel mit dem Beladen der Prozesskammer mit ein oder mehreren Substraten beginnt und der mit der Herausnahme der Substrate aus der Prozesskammer endet wird im Folgenden als Beschichtungs- zyklus bezeichnet. Jeder Beschichtungszyklus kann aus einer Vielzahl von Ab- schnitten bestehen, in denen unterschiedliche Gaszusammensetzungen in die Prozesskammer eingeleitet werden. Während der einzelnen Abschnitte kann die Temperatur des Substrathalters unterschiedliche Werte annehmen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass während eines Zyklusabschnittes Temperaturrampen gefahren werden. Zur Herstellung einer Vielzahl von gleich aufge- bauten Schichten oder Schichtsystemen werden eine Vielzahl von Beschich- tungszyklen mit ein und derselben Rezeptur durchgeführt. Dabei können statistische oder systematische Abweichungen der Ist-Werte der Prozessparameter von den Soll- Werten auftreten. Diese Ist-Werte werden während jedes Beschichtungszyklusses in zeitlichen Intervallen ermittelt. Es werden also die tat- sächlich in die Prozesskammer hineinfließenden Massen der Reaktionsgase bzw. die tatsächlich erreichten Temperaturen gemessen und in einer Speichereinrichtung abgespeichert. In Prozessen, bei denen mehrere Substrate auf einem Substrathalter liegen werden die Temperaturen der einzelnen Substrate separat ermittelt. Die einzelnen Temperaturen werden substrat-individualisiert abgespeichert. Nach Beendigung des Beschichtungszyklusses oder nach ein oder mehreren darauffolgenden Bearbeitungsschritten, in welchen das Substrat zerteilt und/ oder Bauelemente aus den beschichteten Substraten gefertigt werden, werden an der Schicht oder an dem Schichtsystem Messungen durchgeführt um charakteristische Schichteigenschaften wie bspw. Schichtdicke, Schichtzusammensetzung oder elektronische Eigenschaften der Schichten zu ermitteln. Diese Schichteigenschaften, die auch während des Beschichtungszyklusses ermittelt werden können, werden ebenfalls substrat-individualisiert in der Speichereinrichtung gespeichert. Aus den gewonnenen Ist-Werten und den ermittelten Schichteigenschaften einer Vielzahl von mit der gleichen Rezeptur abgeschiedener Schichten können statistische Untersuchungen durchgeführt werden. Hierzu werden die gewonnenen Ist-Werte mit den ermittelten Schichteigenschaften in Korrelation ge- bracht. Die dabei erzeugten Korrelations- Werte werden angezeigt oder von einer Analyseeinrichtung weiterverarbeitet um systematische oder statistische Abweichungen zu ermitteln. Bevorzugt werden alle verfügbaren Prozessparameter substrat-individualisiert abgespeichert und von der Analyseeinrichtung mit den Eigenschaften der Schichten bzw. der daraus hergestellten Bauelemente korreliert. Diese Art der Analyse ermöglicht es, bestimmte, systematische Abweichungen der Schichteigenschaften von statistischen Mittel- Werten oder von zu erzielenden Soll- Werten in unmittelbare Korrelation zu bringen zu bestimmten Prozessparametern. Hierdurch ist es möglich, die Ursachen von Abweichungen der Schichteigenschaften bei bestimmten Substraten zu ermitteln. Hierzu werden von der Vielzahl der zu jedem Beschichtungszyklus gewonnenen individuellen Soll- Werte bspw. Mittel- Werte gebildet. Diese Mittel-Werte werden in Korrelation gebracht zu den Werten der Schichteigenschaften. Es wird dann bspw. untersucht, welcher der Soll- Werte einen ähnlichen Verlauf über die Vielzahl der Beschichtungszyklen besitzt, wie eine Schichteigenschaft. Auf diese Weise kann derjenige Prozessparameter ermittelt werden, der für eine Abweichung einer Schichteigenschaft bei einem bestimmten Substrat verantwortlich ist. Als Prozessparameter kommen alle zur Verfügung stehenden, insbesondere sich zeitlich ändernden Daten in Betracht, also insbesondere die Massenflüsse aller in die Prozesskammer eingeleiteten Prozessgase, die Tempe- raturen die innerhalb der Prozesskammer gemessen werden und insbesondere die Temperaturen der einzelnen Substrate. Ferner kommen Umgebungsparameter in Betracht, wie die Temperatur, die Feuchtigkeit und die Reinheit der Umgebungsluft. Auch die Ventilstellungen des Gasversorgungssystemes werden mit umfasst. Mittels in der Prozesskammer während der Beschichtung er- folgenden Messungen kann die Oberflächentemperatur der Substrate, die Rotationsgeschwindigkeit von auf einem rotierenden Substrathalter rotierend angeordneter Substrate ermittelt werden. Auch kann mittels geeigneter Methoden substrat-individuell die Wachstumsrate der Schicht während des Beschich- tungsprozesses ermittelt werden. Mittels optischer Untersuchungen können auch die Schichteigenschaften während des Wachstums ermittelt werden. Alle Daten werden substrat-spezifisch in der Speichereinrichtung abgespeichert.Each coating cycle takes place according to a predetermined recipe, which is stored in an electronic control device. The recipe contains the target values of the process parameters such as the mass flows of the starting materials and the temperature of the substrate holder. By switching valves in a gas supply system, the electronic control device is able to guide the reaction gases into the process chamber, bring the substrate holder or the process chamber to the process temperature, regulate the total pressure in the process chamber to a target value and the entire process to Taxes. The process which generally begins with the loading of the process chamber with one or more substrates and which ends with the removal of the substrates from the process chamber is referred to below as the coating cycle. Each coating cycle can consist of a large number of sections in which different gas compositions are introduced into the process chamber. The temperature of the substrate holder can assume different values during the individual sections. In particular, it can be provided that temperature ramps are driven during a cycle section. A large number of coating cycles are carried out with one and the same recipe to produce a large number of layers or layer systems of the same structure. Statistical or systematic deviations of the actual values of the process parameters from the target values can occur. These actual values are determined in time intervals during each coating cycle. The masses of the reaction gases actually flowing into the process chamber and the temperatures actually reached are measured and stored in a storage device. In processes in which several substrates are on a substrate holder, the temperatures of the individual substrates are determined separately. The individual temperatures are saved individually for each substrate. After the end of the coating cycle or after one or more subsequent processing steps in which the substrate is divided and / or components are made from the coated substrates, measurements are carried out on the layer or on the layer system to determine characteristic layer properties such as layer thickness, layer composition or electronic properties of the layers. These layer properties, which can also be determined during the coating cycle, are also stored in the memory device in a substrate-individualized manner. Statistical investigations can be carried out from the actual values obtained and the determined layer properties of a large number of layers deposited with the same recipe. For this purpose, the actual values obtained are correlated with the determined layer properties. The correlation values generated in the process are displayed or processed further by an analysis device in order to determine systematic or statistical deviations. All available process parameters are preferably stored in a substrate-individualized manner and correlated by the analysis device with the properties of the layers or the components produced therefrom. This type of analysis enables specific, systematic deviations of the layer properties from statistical mean values or from target values to be achieved to be directly correlated to specific process parameters. This makes it possible to determine the causes of deviations in the layer properties for certain substrates. For this purpose, mean values are formed from the large number of individual target values obtained for each coating cycle. These mean values are correlated with the values of the layer properties. It is then investigated, for example, which of the target values has a similar course over the plurality of coating cycles as a layer property. In this way, the process parameter can be determined that is responsible for a deviation of a layer property in a specific substrate. All available, in particular time-changing data come into consideration as process parameters, in particular the mass flows of all process gases introduced into the process chamber, the temperatures which are measured within the process chamber and in particular the temperatures of the individual substrates. Environmental parameters such as temperature, humidity and the purity of the ambient air are also considered. The valve positions of the gas supply system are also included. In the process chamber during coating following measurements, the surface temperature of the substrates and the rotational speed of substrates rotatingly arranged on a rotating substrate holder can be determined. The growth rate of the layer during the coating process can also be determined individually using suitable methods. The layer properties during growth can also be determined by means of optical examinations. All data are stored specific to the substrate in the storage device.
Insbesondere können unterschiedlichste Meßgrößen (z.B. Wachstumsraten, Temperatur, Reflektivität usw.) während des Schichtwachstums orts- und zeitaufgelöst für jeden Wafer aufgezeichnet werden. D.h., die Meßgrößen werden für jeden Wafer in jedem Wachstumsschritt mehrmals an einer Serie verschiedener Punkte der Waferoberfläche aufgenommen und gespeichert. Daraus werden für jeden Wafer eine oder mehrere Gütezahlen noch während des Wachstumsprozesses ermittelt (z.B. Variation der Schichtdicke über den Wafer). Diese Gütezahlen sind Korrelationswerte aus den ermittelten Rohdaten der Meßgrößen. Die Gütezahlen können dafür herangezogen werden die weiteren Prozess-Schritte für jeden Wafer individuell und automatisch zu bestimmen. Sie können unter Einbeziehung bereits zu diesem Prozess verfügbarer statistischer Daten automatisch die Prozessparameter (Temperaturen, Druck, Gaszusammensetzung, usw.) des folgenden, gleichen Beschichtungsprozesses parametrie- ren, mit dem Ziel die Gütezahl zu verbessern. Sie können aber auch dazu verwendet werden während des Beschichtungszyklusses die Anpassung noch abzuarbeitender Wachstumsschritte auslösen, um die Güte der gerade im Wachs- tumsprozess befindlichen Wafer zu sichern und zu verbessern.In particular, a wide variety of measurement variables (e.g. growth rates, temperature, reflectivity, etc.) can be recorded for each wafer in a spatially and time-resolved manner as the layer grows. In other words, the measurement variables for each wafer are recorded and stored several times at a series of different points on the wafer surface in each growth step. From this, one or more quality figures are determined for each wafer during the growth process (e.g. variation of the layer thickness over the wafer). These figures of merit are correlation values from the raw data of the measured variables determined. The quality figures can be used to determine the further process steps for each wafer individually and automatically. Using statistical data already available for this process, you can automatically parameterize the process parameters (temperatures, pressure, gas composition, etc.) of the following, same coating process with the aim of improving the figure of merit. However, they can also be used during the coating cycle to trigger the adjustment of growth steps still to be carried out in order to ensure and improve the quality of the wafers currently in the growth process.
Die Messung auf den einzelnen Substraten erfolgt bevorzugt an mindestens drei verschiedenen Stellen, so dass auch Abweichungen der Schichtdicke bzw. der Depositionstemperatur während des Wachstums auf einer Schicht, dass heißt deren Homogenität ermittelbar sind.The measurement on the individual substrates is preferably carried out at at least three different locations, so that deviations in the layer thickness or the deposition temperature during growth on a layer, i.e. its homogeneity can be determined.
Die Analyseeinrichtung ist in der Lage, die erzeugten Korrelations- Werte gra- fisch darzustellen. Dies kann bspw. als Diagramm erfolgen. So ist bspw. vorgesehen, die Temperaturverläufe in Form eines Temperatur/ Zeit-Diagrammes aufzutragen und in dasselbe Diagramm den zeitlichen Verlauf der Wachstumsrate oder eine andere Schichteigenschaft anzugeben.The analysis device is able to graphically represent the generated correlation values. This can be done, for example, as a diagram. For example, it is envisaged to plot the temperature profiles in the form of a temperature / time diagram and to indicate in the same diagram the temporal profile of the growth rate or another layer property.
Die charakteristischen Schichteigenschaften, die mit den gewonnenen Ist- Werten in Korrelation gebracht werden können insbesondere auch während des Beschichtungszyklusses gewonnen werden. Dann kann der unmittelbare Einfluss eines Prozessparameters auf eine Schichteigenschaft ermittelt und grafisch angezeigt werden.The characteristic layer properties which are correlated with the actual values obtained can also be obtained in particular during the coating cycle. Then the direct influence of a process parameter on a layer property can be determined and displayed graphically.
Insbesondere werden die qualitäts-relevanten Eigenschaften der Schichten in Korrelation zu den Prozessparametern gebracht. Soll das Schichtsystem bspw. zur Herstellung von Quantenwell-Lasern geeignet sein, so wird man die Substrattemperatur als Prozessparameter in Verknüpfung bringen zu den elek- tronischen Eigenschaften oder der Wachstumsrate der den Quantenwell bestimmenden Schichten.In particular, the quality-relevant properties of the layers are correlated with the process parameters. If the layer system is to be suitable, for example, for the production of quantum well lasers, the substrate temperature will be linked as process parameters to the electronic properties or the growth rate of the layers determining the quantum well.
Bei einer PIN-Diode wird man als charakteristische Schichteigenschaft das V- III- Verhältnis in Korrelation setzen zu der Gastemperatur in der Prozesskam- mer bzw. zu den Massenflüssen der V-Komponente und der III-Kompo- nente (Arsin, Phosphin oder TMG, TMI).In the case of a PIN diode, the characteristic V-III ratio will be correlated to the gas temperature in the process chamber or to the mass flows of the V component and the III component (arsine, phosphine or TMG, TMI).
Aus den erzeugten Korrelations-Werten können mittels eines Korrekturwertrechners Korrektur-Werte für einzelne Prozessparameter ermittelt werden. Diese Korrektur- Werte berücksichtigen die zeitliche Drift von Schichteigenschaften, die bspw. dadurch zustande kommt, dass sich Ausgangsstoffe in Vorratsbehältern mit der Zeit verändern oder dass sich der Umsatz in den metallorganischen Quellen zufolge des Verbrauchs ändert. Es werden auch die Ver- brauche und die Laufzeiten der einzelnen Komponenten auf addiert. Hierdurch ist es möglich, rechtsseitig auf eine Ergänzung der Quellen hinzuweisen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, Trends und Drifts im Pro- zess frühzeitig zu erkennen und durch automatische Gegenmaßnahme das Prozessergebnis im gewünschten Toleranzbereich zu halten. Die Trends und Drifts werden von Beschichtungszyklus zu Beschichtungszyklus ausgewertet. Die automatisch eingeleiteten Gegenmaßnahmen können die Trends und Drifts von Beschichtungszyklus zu Beschichtungszyklus kompensieren. Dies erfolgt durch die Bildung von Korrektur- Werten, mit denen die Ist-Werte der Rezeptur beaufschlagt werden. Die Rezeptur braucht nicht geändert zu werden. Die von der Rezeptur vorgesehenen Ist-Werte werden lediglich korrigiert und die korrigierten Werte werden von den Massenflussreglern bzw. den Temperaturreglern eingestellt. Auf diese Weise können auch Belegungen der Prozesskammerwände hingenommen werden. Die Einflüsse der Belegung auf das Prozessergebnis werden automatisch berücksichtigt.Correction values for individual process parameters can be determined from the generated correlation values using a correction value calculator. These correction values take into account the temporal drift of layer properties, which arises, for example, from the fact that starting materials in storage containers change over time or that the turnover in the organometallic sources changes due to consumption. The consumption and running times of the individual components are also added up. This makes it possible to indicate on the right side that the sources have been supplemented. With the method according to the invention it is possible to recognize trends and drifts in the process at an early stage and to keep the process result within the desired tolerance range by means of automatic countermeasures. The trends and drifts are evaluated from coating cycle to coating cycle. The automatically initiated countermeasures can compensate for trends and drifts from coating cycle to coating cycle. This is done by creating correction values with which the actual values of the recipe are applied. There is no need to change the recipe. The actual values provided by the recipe are only corrected and the corrected values are set by the mass flow controllers or the temperature controllers. In this way, assignments to the process chamber walls can also be accepted. The influences of the assignment on the process result are automatically taken into account.
Eine derartige Korrekturwertbildung kann auch während eines Prozesszyklus- ses erfolgen. Beispielsweise wird während eines Prozesszyklusses das momentane Schichtwachstum ermittelt. Auf sich ändernde Wachstumsgeschwindigkeiten kann dann durch eine Verkürzung oder durch eine Verlängerung eines Prozess-Schrittes reagiert werden. Bei einem MOCVD-Prozess ist auch vorgesehen, dass jeweilige V-III- Verhältnis zu messen und auf zeitliche Abweichungen vom Soll- Wert während eines Prozess-Schrittes zu reagieren, indem bspw. die V-Komponente oder die III-Komponente in der Gasphase dadurch reduziert oder erhöht wird, dass der zugehörige Gasfluss geändert wird. Ausführungsbeispiele des Verfahrens bzw. der Vorrichtung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:Such a correction value formation can also take place during a process cycle. For example, the current layer growth is determined during a process cycle. It is then possible to react to changing growth rates by shortening or lengthening a process step. In a MOCVD process, it is also provided that the respective V-III ratio is to be measured and to react to time deviations from the target value during a process step, for example by the V component or the III component in the gas phase is reduced or increased that the associated gas flow is changed. Exemplary embodiments of the method and the device are explained below with reference to the attached drawings. Show it:
Fig. 1 in grobschematisierter Darstellung die Prozesskammer einer CVD- Anlage und das zugehörige Gasmischsystem undFig. 1 shows a rough schematic of the process chamber of a CVD system and the associated gas mixing system and
Fig. 2 grobschematisch einen Prozessrechner mit Steuereinheit und Speichereinheit und zugehöriger Anzeigevorrichtung.Fig. 2 roughly a process computer with control unit and memory unit and associated display device.
Fig. 3 in grobschematischer Darstellung die Hardware einer erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung,3 is a rough schematic representation of the hardware of a control device according to the invention,
Fig. 4 die einzelnen Komponenten der zugehörigen Software undFig. 4 shows the individual components of the associated software and
Fig. 5 eine Blockdarstellung des Programmablaufs.Fig. 5 is a block diagram of the program flow.
In einer Prozesskammer 1 befindet sich ein Substrathalter 2, welcher eine Kreis- scheibenform besitzt und um seine Achse drehangetrieben wird. Planetenartig sind auf der Oberseite des Substrathalters 2 eine Vielzahl von Substraten 4 um das Zentrum des Substrathalters 2 angeordnet. Diese Substrate 4 sind ebenfalls drehangetrieben. Sie können hierzu auf entsprechenden sich drehenden Abschnitten des Substrathalters 2 angeordnet sein. Unterhalb des Substrathalters 2 befindet sich eine Heizung 3 bspw. in Form einer Hochfrequenz-Quelle. Die Temperatur des Substrathalters 2 wird mittels eines Thermoelementes 10 gemessen. Die Rotation des Substrathalters 2 bzw. die Rotation der Substrate 4 wird mit einem Rotationsgeschwindigkeitsmesser 12 gemessen. Mittels einer optischen Temperaturmess- Vorrichtung 11 kann die Temperatur der Substrato- berfläche gemessen werden. Durch in Korrelation setzen der vom Temperatur- mess-Sensor 11 gelieferten Werte und der von einem mit dargestelltem zusätzlichen Drehgeber gelieferten Daten kann die von dem Temperaturmess-Sensor 11 gemessene Temperatur jedem einzelnen Substrat 4 individuell zugeordnet werden. Diese Messwerte werden in vorgegebenen Zeitintervallen ermittelt und in einen Ist/ Soll- Wertspeicher 18 einer Speichereinrichtung 16 des Prozessrechners 14 gespeichert.In a process chamber 1 there is a substrate holder 2, which has a circular disk shape and is driven in rotation about its axis. A plurality of substrates 4 are arranged in a planetary manner on the upper side of the substrate holder 2 around the center of the substrate holder 2. These substrates 4 are also driven in rotation. For this purpose, they can be arranged on corresponding rotating sections of the substrate holder 2. A heater 3 is located below the substrate holder 2, for example in the form of a high-frequency source. The temperature of the substrate holder 2 is measured by means of a thermocouple 10. The rotation of the substrate holder 2 or the rotation of the substrates 4 is measured with a rotation speed meter 12. By means of an optical temperature measuring device 11, the temperature of the substrate surface can be measured. By correlating the values supplied by the temperature measurement sensor 11 and the data supplied by an additional rotary encoder shown, the temperature measured by the temperature measurement sensor 11 can be individually assigned to each individual substrate 4. These measured values are determined at predetermined time intervals and stored in an actual / target value memory 18 of a memory device 16 of the process computer 14.
Die Prozessgase werden von einem Gasmischsystem 6 bereitgestellt. Grob- schematisch ist in der Figur 1 der Aufbau eines solchen Gasmischsystemes 6 dargestellt. Die einzelnen Reaktionsgase wie bspw. Arsin, Phosphin oder dergleichen und auch Trägergase wie Edelgase oder Wasserstoff oder Stickstoff werden mittels Ventilen 9 geschaltet. Die Gase, die durch die Zuleitung 13 in den Gaseinlass 5 der Prozesskammer 1 eingeleitet werden, werden mittels Mas- senflussregler 7 geregelt. Die metallorganischen Komponenten entstammen Verdampfungs-Quellen 8, durch welche ein Trägergas geleitet wird, welches ebenfalls von Ventilen 9 geschaltet und dessen Fluss über Massenflussregler 7 geregelt wird. An die Massenflussregler 7 werden von der Steuereinrichtung 15 Soll-Werte geliefert. Die Massenflussregler 7 geben ebenso wie die bereits zuvor beschriebenen Sensoren 10 bis 12 Ist-Werte zurück. Die Soll- Werte und die Ist- Werte werden substratspezifisch gespeichert in dem Ist/ Soll- Wertspeicher 18.The process gases are provided by a gas mixing system 6. The structure of such a gas mixing system 6 is shown roughly schematically in FIG. The individual reaction gases such as arsine, phosphine or the like and also carrier gases such as noble gases or hydrogen or nitrogen are switched by means of valves 9. The gases which are introduced into the gas inlet 5 of the process chamber 1 through the feed line 13 are regulated by means of the mass flow controller 7. The organometallic components originate from evaporation sources 8, through which a carrier gas is passed, which is also switched by valves 9 and whose flow is regulated by mass flow controllers 7. The control device 15 delivers target values to the mass flow controllers 7. The mass flow controllers 7, like the sensors 10 to 12 already described, return actual values. The target values and the actual values are stored substrate-specifically in the actual / target value memory 18.
Die Steuerung des Prozesses erfolgt von der Steuereinrichtung 15 nach einer Rezeptur, die in einem Rezepturspeicher 17 abgelegt ist. Dort sind die Prozess- parameter in Form von Soll- Werten abgelegt, die zu bestimmten Zeiten eingestellt werden.The process is controlled by the control device 15 according to a recipe which is stored in a recipe memory 17. The process parameters are stored there in the form of target values that are set at certain times.
An der abgeschiedenen Schicht werden bspw. mit in der Zeichnung nicht dargestellten optischen oder anderweitigen Sensoren während des Beschichtungs- prozesses charakteristische Schichteigenschaften 21 ermittelt. Diese werden dann in einem entsprechenden Speicher 21 gespeichert. Es ist aber auch vorgesehen, dass die charakteristischen Schichteigenschaften wie Schichtdicke, V-III- Verhältnis oder elektronische Eigenschaften der Schicht später gemessen wer- den. Auch diese Daten werden substratbezogen in den Speicher 21 abgelegt.At the deposited layer, for example with optical or other sensors not shown in the drawing, during the coating process characteristic layer properties 21 determined. These are then stored in a corresponding memory 21. However, it is also provided that the characteristic layer properties such as layer thickness, V-III ratio or electronic properties of the layer are measured later. These data are also stored in the memory 21 in relation to the substrate.
Mit diesen Daten, also mit den Ist/ Soll- Werten 18 der Prozessparameter und den Schichteigenschaften 21 werden dann Korrelations-Werte 19 gebildet. Dies erfolgt bspw. dadurch, dass der historische Verlauf der Ist-Werte 18 dem histo- rischen Verlauf der Schichteigenschaften 21 gegenübergestellt wird. Die einzelnen so gebildeten Kurven bzw. Funktionen werden miteinander verglichen um charakteristische Abweichungen bzw. Übereinstimmungen aufzufinden.Correlation values 19 are then formed with these data, that is to say with the actual / target values 18 of the process parameters and the layer properties 21. This is done, for example, by contrasting the historical course of the actual values 18 with the historical course of the layer properties 21. The individual curves or functions formed in this way are compared with one another in order to find characteristic deviations or matches.
Beispielsweise kann eine Schichteigenschaft eines Substrates, welches in einem ganz bestimmten Beschichtungszyklus mit einer Schicht beschichtet worden ist eine bestimmte Abweichung vom Mittelwert aufweisen. Dies kann wie in den Figuren dargestellt ist grafisch dargestellt werden. Es können dann die Ist- Wertverläufe daraufhin untersucht werden, ob zu dem entsprechenden Beschichtungszyklus eine Abweichung vom Mittel- Wert vorliegt. Hierdurch kann die Ursache einer Qualitätsabweichung ermittelt werden.For example, a layer property of a substrate that has been coated with a layer in a very specific coating cycle can have a specific deviation from the mean value. This can be shown graphically as shown in the figures. The actual value curves can then be examined to determine whether there is a deviation from the mean value for the corresponding coating cycle. In this way the cause of a quality deviation can be determined.
Der Prozessrechner 14 ist auch in der Lage, einen Beschichtungszyklus zu simulieren. Dies erfolgt mittels virtueller Stellglieder wie Ventile, Massenflussregler oder Heizungen. Die Stellglieder werden entsprechend der Rezeptur ge- stellt und geben virtuelle Ist-Werte zurück. Es wird dabei eine Plausibilitätsprü- fung durchgeführt nach vorgegebenen Regeln, die in dem Prozessrechner abgespeichert sind. Diese Regeln besagen bspw., dass ein bestimmtes Ventil nicht vor einem anderen Ventil geöffnet werden darf oder dass ein Ventil erst dann öffnen darf, wenn in der Prozesskammer ein bestimmter Totaldruck oder eine bestimmte Temperatur herrscht.The process computer 14 is also able to simulate a coating cycle. This is done using virtual actuators such as valves, mass flow controllers or heaters. The actuators are set according to the recipe and return virtual actual values. A plausibility check is carried out according to predefined rules that are stored in the process computer. These rules say, for example, that a certain valve must not be opened before another valve or that a valve can only be opened then may open if there is a certain total pressure or a certain temperature in the process chamber.
In die Plausibilitätsprüfung können auch andere sicherheits-relevante Daten der Umgebung der CVD- Anlage mit einbezogen werden. Beispielsweise kann die Umgebungsluft auf Anwesenheit von Reaktionsgasen überprüft werden. Befindet sich in der Umgebungsluft ein Reaktionsgas, so deutet dies auf ein Leck in der CVD- Anlage oder auf eine defekte Gasentsorgung hin.Other safety-relevant data of the environment of the CVD system can also be included in the plausibility check. For example, the ambient air can be checked for the presence of reaction gases. If there is a reaction gas in the ambient air, this indicates a leak in the CVD system or a defective gas disposal.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, durch eine nachträgliche Analyse anhand am Substrat entweder nach dem Beschichtungszyklus oder während des Beschichtungszyklusses ermittelter charakteristischer Schichteigenschaften und während des Beschichtungszyklusses abgespeicherter Prozessparameter Qualitätsfehler zu er- mittein oder Voraussagen darüber zu treffen, wie sich bei einer Änderung eines oder mehrerer Prozessparameter bestimmte Schichteigenschaften ändern.With the method according to the invention or the device according to the invention, it is possible, by means of a subsequent analysis, to determine quality errors or to make predictions as to how quality errors are determined on the substrate either after the coating cycle or during the coating cycle of characteristic layer properties and process parameters stored during the coating cycle change certain layer properties when changing one or more process parameters.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Lage, auf kurzfristige und langfristige Abweichungen der Ist-Parameter von den Soll-Parametern zu reagieren. Das Verfahren ist aber auch in der Lage, Trends oder Drifts in den Schichteigenschaften sowohl während eines Beschichtungszyklusses als auch über die Historie einer Vielzahl von Beschichtungszyklen zu erkennen. Es ist in der Lage, aus den Abweichungen der Ist-Werte der Schichteigenschaften von den Soll- Werten und über die gewonnenen Korrelations- Werte Korrektur- Werte zu er- mittein, mit welchen die Prozessparameter variiert werden können, um die erkannten Trends und Drifts im Prozess frühzeitig zu kompensieren. Die Beeinflussung erfolgt dabei nicht innerhalb der Rezeptur, sondern auf die Soll- Werte, die den Massenflussreglern oder Temperaturreglern zugeleitet werden. Von eigenständiger Bedeutung ist dabei die Möglichkeit, innerhalb der Rezeptur nicht die Zeiten einzelner Prozess-Schritte vorzugeben, sondern deren Ergebnis auf eine Schichteigenschaft wie bspw. die Schichtdicke. Rezepturgemäß soll innerhalb eines bestimmten Prozess-Schrittes eine Schicht mit einer be- stimmten Zusammensetzung und einer bestimmten Schichtdicke abgeschieden werden. Während des Prozesses wird in situ mittels optischer Sensoren das Schichtwachstum beobachtet. Dabei wird die Wachstumsrate oder die momentane Schichtdicke gemessen. Erreicht die Schichtdicke ihren Soll- Wert, so wird der Beschichtungsschritt beendet und mit dem nächsten fortgefahren. Auch durch diese Methode können Trends und Drifts verhindert werden.The method according to the invention is able to react to short-term and long-term deviations of the actual parameters from the target parameters. However, the method is also able to detect trends or drifts in the layer properties both during a coating cycle and over the history of a large number of coating cycles. It is able to use the deviations of the actual values of the layer properties from the target values and the correlation values obtained to determine correction values with which the process parameters can be varied in order to detect the trends and drifts in the Compensate for the process at an early stage. The influencing does not take place within the recipe, but rather to the set values that are fed to the mass flow controllers or temperature controllers. Of particular importance here is the possibility of not specifying the times of individual process steps within the recipe, but rather their result based on a layer property such as the layer thickness. According to the recipe, a layer with a certain composition and a certain layer thickness should be deposited within a certain process step. During the process, the layer growth is observed in situ using optical sensors. The growth rate or the current layer thickness is measured. If the layer thickness reaches its target value, the coating step is ended and the next step is continued. This method can also prevent trends and drifts.
In den Figuren 3 bis 5 sind grobschematisch die Software-Komponenten und die Hardware-Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.The software components and the hardware components of the device according to the invention are shown roughly schematically in FIGS.
Die Fig. 3 deutet eine Steuer- und Speichereinrichtung 14 an, in welcher die Editierung der Rezeptur, die Überprüfung der Plausibilität der Rezeptur und die Übersetzung der Rezeptur in einem Compiler in Prozess-Steuersignale. Diese Prozess-Steuersignale werden über eine Datenleitung der Beschichtungseinheit 22 zugeführt. Diese Beschichtungseinheit kann räumlich getrennt zur Steuer- und Speichereinrichtung 14 sein. Bei der Beschichtungseinheit 22 kann es sich um eine MOCVD- Anlage, um eine Vorrichtung zum Abscheiden von Oxyden oder um eine Vorrichtung zum Abscheiden organischer Substanzen handeln. Die Steuer- und Speichereinrichtung 14 kann auch mit mehreren, insbesondere verschiedenen Beschichtungseinheiten 22 zusammenwirken. Beispielsweise ist vorgesehen, dass die Steuer- und Speichereinrichtung 14 mit einer Mehrzahl von Beschichtungseinheiten 22 zusammenwirken, die an eine gemeinsame Transferkammer angeschlossen sind. Die Prozess-Steuersignale werden in der Beschichtungseinheit 22 von einer Prozess-Steuerungseinrichtung 23 weiterverarbeitet. Mit diesen Signalen werden die einzelnen Massenflussregler des Gasversorgungssystems 6 bzw. die Heizung 3 angesteuert. Ebenfalls wird eine Totaldruckregelung 24 von der Prozess-Steuerungseinrichtung 23 mit Steuerungsdaten versorgt. Die Massenflussregler des Gasversorgungssystems 6 bzw. die Heizung des Substrates 3 und der Totaldruckregler 24 geben Ist-Werte an die Prozess-Steuerungeinrichtung 23 zurück. Über die Datenleitung werden diese Ist-Werte der Steuer- und Speichereinrichtung 14 zugeleitet.3 indicates a control and storage device 14 in which the editing of the recipe, the checking of the plausibility of the recipe and the translation of the recipe in a compiler into process control signals. These process control signals are fed to the coating unit 22 via a data line. This coating unit can be spatially separated from the control and storage device 14. The coating unit 22 can be a MOCVD system, a device for separating oxides or a device for separating organic substances. The control and storage device 14 can also cooperate with several, in particular different, coating units 22. For example, it is provided that the control and storage device 14 cooperate with a plurality of coating units 22 which are connected to a common transfer chamber. The process control signals are further processed in the coating unit 22 by a process control device 23. The individual mass flow controllers of the gas supply system 6 or the heater 3 are controlled with these signals. A total pressure control 24 is also supplied with control data by the process control device 23. The mass flow controllers of the gas supply system 6 or the heating of the substrate 3 and the total pressure controller 24 return actual values to the process control device 23. These actual values are fed to the control and storage device 14 via the data line.
Die Beschichtungseinheit 22 weist weiterhin eine Sicherheitslogik 25 auf. Die Sicherheitslogik verarbeitet eine Vielzahl von Eingangsdaten. Die Eingangsdaten können die Ventilstände, die Massenflüsse, die Temperaturen, also jegliche Prozessparameter sein. Eingangsdaten der Sicherheitslogik sind aber auch Da- ten, die von Sensoren 11 der Beschichtungseinheit ermittelt werden, also bspw. Drucke, Außentemperaturen oder dergleichen. Der Sicherheitslogik werden auch von externen Sensoren 26 ermittelte Daten zugeleitet, bspw. Daten darüber, ob die Zuluft oder die Abluft ordnungsgemäß funktioniert. Die Sicherheitslogik ist in der Lage selbsttätig die Beschichtungseinheit in einen sicheren Betriebszustand zu überführen, falls von den Sensoren 11, 26 Fehler ermittelt werden. Die diesbezügliche Logik ist fest verdrahtet und damit gegen Programmierfehler gesichert.The coating unit 22 also has a safety logic 25. The safety logic processes a large number of input data. The input data can be the valve positions, the mass flows, the temperatures, i.e. any process parameters. However, input data of the safety logic are also data that are determined by sensors 11 of the coating unit, that is to say, for example, prints, outside temperatures or the like. Data determined by external sensors 26 are also fed to the safety logic, for example data relating to whether the supply air or the extract air is functioning properly. The safety logic is able to automatically bring the coating unit into a safe operating state if errors are determined by the sensors 11, 26. The relevant logic is hard-wired and thus protected against programming errors.
Die in Fig. 4 dargestellte Steuer- und Speichereinrichtung besitzt ein Modul, welches einen Rezeptur-Editor aufweist. Mit diesem Modul kann die abzuscheidende Schichtenfolge vorgewählt werden. Dies erfolgt mittels bspw. mittels eines Menüs, aus welchem aus einer Vielzahl von Standard-Rezepturen eine Kombination ausgewählt werden kann, um die gewünschte Schichtenfolge abzuscheiden. In dem Rezeptur-Editor kann aber auch mittels einer speziellen Syntax die Schichtenfolge editiert werden. Es ist auch vorgesehen, mit dem Rezeptur-Editor unmittelbar auf die einzelnen Massenflussregler bzw. Ventile zuzugreifen. Die Steuer- und Speichereinrichtung 14 weist darüber hinaus noch ein Modul auf, mit welchem eine statistische Prozesskontrolle möglich ist. Die- ses Modul ist insbesondere in der Lage, die über eine Schnittstelle von der Beschichtungseinheit übernommenen Soll- Werte auszuwerten. Die Verteilung der an die Schnittstelle gelieferten Daten erfolgt über eine Zentraleinheit. Die Analyseeinheit, die der statistischen Prozesskontrolle zugeordnet ist, ist darüber hinaus in der Lage, die oben erwähnten Korrekturwerte zu ermitteln. Dies er- folgt in einer der Analyseeinheit nachgeschalteten Korrektureinheit. In einer Protokolleinheit werden alle Ist- und Soll- Werte abgespeichert. Die von der Korrektureinheit ermittelten Werte werden dem Modul des Rezeptur-Editors zugeleitet. Die Korrekturwerte werden entweder direkt dem Compiler zugeleitet oder in den Rezeptur-Editor, wo sie bei der Editierung der Prozess-Schritte berücksichtigt werden können.The control and storage device shown in FIG. 4 has a module which has a recipe editor. With this module the layer sequence to be deposited can be selected. This takes place, for example, using a menu from which a combination can be selected from a large number of standard recipes in order to separate the desired layer sequence. In the recipe editor you can also use a special Syntax the layer sequence can be edited. There is also provision for direct access to the individual mass flow controllers or valves with the recipe editor. The control and storage device 14 also has a module with which statistical process control is possible. This module is in particular able to evaluate the target values adopted by the coating unit via an interface. The data supplied to the interface is distributed via a central unit. The analysis unit that is assigned to the statistical process control is also able to determine the correction values mentioned above. This takes place in a correction unit downstream of the analysis unit. All actual and target values are saved in a log unit. The values determined by the correction unit are sent to the module of the recipe editor. The correction values are either sent directly to the compiler or to the recipe editor, where they can be taken into account when editing the process steps.
Die Fig. 5 zeigt grobschematisch den Ablauf eines Beschichtungszyklusses. Nach der Rezepturvorgabe bzw. der Auswahl des abzuscheidenden Schichtensystems berechnet der Compiler unter Benutzung des Simulators die Prozess- parameter. Dabei können gegebenenfalls auch Korrekturdaten verwendet werden. Bei der Berechnung der Prozessparameter werden ebenfalls sicherheitsrelevante Größen mit berücksichtigt.5 shows a rough schematic of the course of a coating cycle. After the recipe specification or the selection of the layer system to be deposited, the compiler calculates the process parameters using the simulator. Correction data can also be used if necessary. Safety-relevant variables are also taken into account when calculating the process parameters.
Während der Steuerung und Regelung des Prozesses werden Ist-Werte ermit- telt, die zusammen mit den zugehörigen Soll- Werten abgespeichert werden.During the control and regulation of the process, actual values are determined, which are saved together with the associated target values.
Mittels der statistischen Prozesskontrolle der wesentlichen Prozessparameter können im Falle eines Abdriftens bestimmter Schichteigenschaften von den Soll- Werten sofort Gegenmaßnahmen erzielt werden. Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollin- haltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. With the statistical process control of the essential process parameters, countermeasures can be achieved immediately if certain layer properties drift away from the target values. All of the features disclosed are (in themselves) essential to the invention. The disclosure content of the associated / attached priority documents (copy of the prior application) is hereby also included in full in the disclosure of the application, also for the purpose of including features of these documents in claims of the present application.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zum Beschichten mindestens eines Substrates (4) mit ein oder mehreren Schichten in einer Prozesskammer (1) insbesondere einer CVD- Anlage, wobei Ausgangsstoffe insbesondere in Form von metallorganischen Reaktionsgasen massenflussgeregelt in die Prozesskammer (1) eingeleitet werden, wo die Ausgangsstoffe oder Reaktionsprodukte derselben auf dem von einem temperaturgeregelten Substrathalter (2) getragenen Substrat (4) schichtbildend abgeschieden werden, wo während eines Beschichtungszyklusses, der mit dem Beladen der Prozesskammer (1) mit den ein oder mehreren Substraten beginnt und mit der Entnahme derselben endet, entsprechend einer vorgegebenen Rezeptur, die Soll-Werte der Prozessparameter (18) wie Massenflüsse der Ausgangsstoffe und Temperatur des Substrathalters eingestellt werden, wobei während des Beschich- tungszyklusses in Intervallen die zu den Soll-Werten der Prozessparameter zugehörigen Ist-Werte zu jedem Substrat individualisiert ermittelt und in einem Speicher abgelegt werden, wobei während des Beschichtungszyklusses oder nach jedem Beschichtungszyklus oder nach ein oder mehreren darauffolgenden Bearbeitungsschritten an der Schicht oder an einem aus mehreren Schichten bestehenden Schichtsystem charakteristische1. A method for coating at least one substrate (4) with one or more layers in a process chamber (1), in particular a CVD system, starting materials, in particular in the form of organometallic reaction gases, being introduced into the process chamber (1) where the starting materials or Reaction products of the same are deposited in a layer-forming manner on the substrate (4) carried by a temperature-controlled substrate holder (2), where during a coating cycle which begins with the loading of the process chamber (1) with the one or more substrates and ends with the removal thereof, one correspondingly predefined recipe, the target values of the process parameters (18) such as mass flows of the starting materials and temperature of the substrate holder are set, the actual values associated with the target values of the process parameters for each substrate being individually determined and in intervals during the coating cycle a memory be deposited here, characteristic during the coating cycle or after each coating cycle or after one or more subsequent processing steps on the layer or on a layer system consisting of several layers
Schichteigenschaften (21) wie Schichtdicke, Schichtzusammensetzung ermittelt werden und den individualisierten Daten des zugehörigen Substrates zugeordnet abgespeichert werden, wobei die gewonnen Ist-Werte und die ermittelten Schichteigenschaften einer Vielzahl von mit der gleichen Rezeptur abgeschiedener Schichten in Korrelation gebracht und Korrelations-Werte erzeugt werden.Layer properties (21) such as layer thickness, layer composition are determined and assigned to the individualized data of the associated substrate, the actual values obtained and the determined layer properties of a plurality of layers deposited with the same recipe being correlated and correlation values being generated.
2. Vorrichtung zum Beschichten mindestens eines Substrates mit ein oder mehreren Schichten in einer Prozesskammer insbesondere einer CVD- Anlage, mit Zuleitungen (13) für Ausgangsstoffe insbesondere in Form von metallorganischen Reaktionsgasen, welche massenflussgeregelt (7) in die Prozesskammer (1) eingeleitet werden, wo die Ausgangsstoffe oder Reaktionsprodukte derselben auf dem von einem temperaturgeregelten Substrathalter (2) getragenen Substrat (4) schichtbildend abgeschieden werden, und mit einer Steuer- und Speichereinrichtung (14), wobei in einem Beschichtungszyklus, der mit dem Beladen der Prozesskammer (1) mit den ein oder mehreren Substraten beginnt und mit der Entnahme derselben endet, von der Steuereinrichtung (15) entsprechend einer vorgege- benen, in der Speichereinrichtung (16) gespeicherten Rezeptur, welche die2. Device for coating at least one substrate with one or more layers in a process chamber, in particular a CVD Plant, with feed lines (13) for starting materials, in particular in the form of organometallic reaction gases, which are introduced into the process chamber (1) in a manner controlled by mass flow (7), where the starting materials or reaction products thereof are carried on the substrate (4) carried by a temperature-controlled substrate holder (2) are deposited in a layer-forming manner, and with a control and storage device (14), the control device (15) correspondingly correspondingly in a coating cycle which begins with the loading of the process chamber (1) with the one or more substrates and ends with the removal thereof a predetermined recipe stored in the memory device (16), which contains the
Soll-Werte der Prozessparameter wie Massenflüsse der Ausgangsstoffe und Temperatur des Substrathalters umfasst, letztere eingestellt werden, wobei während des Beschichtungszyklusses in Intervallen die zu den Sollwerten der Prozessparameter (18) zugehörigen Ist-Werte zu jedem Substrat individualisiert ermittelt und in einem Speicher der Speichereinrichtung abgelegt werden, wobei während oder nach jedem Beschichtungszyklus oder nach ein oder mehreren darauffolgenden Bearbeitungsschritten an der Schicht oder an einem aus mehreren Schichten bestehenden Schichtsystem ermittelbare charakteristische Schichteigenschaften (21) wie Schichtdicke, Schichtzusammensetzung individualisiert dem zugehörigen Substrat zugeordnet in einem Schichteigenschaftsspeicher der Speichereinrichtung abspeicherbar sind, mit einer Analyseeinrichtung zur Verknüpfung der gewonnenen Ist-Werte und der ermittelten Schichteigenschaften (21) einer Vielzahl von mit der gleichen Rezeptur abgeschie- dener Schichten zur Erzeugung von Korrelations- Werten und mit einerTarget values of the process parameters such as mass flows of the starting materials and temperature of the substrate holder are included, the latter being set, the actual values associated with the target values of the process parameters (18) being individually determined for each substrate during the coating cycle and stored in a memory of the memory device , whereby during or after each coating cycle or after one or more subsequent processing steps on the layer or on a layer system consisting of several layers, ascertainable layer properties (21), such as layer thickness, layer composition, can be individually stored in a layer property memory of the storage device, assigned to the associated substrate an analysis device for linking the obtained actual values and the determined layer properties (21) of a multiplicity of layers deposited with the same recipe for the E generation of correlation values and with a
Anzeigeeinrichtung zur Anzeige der Korrelations- Werte (19).Display device for displaying the correlation values (19).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder insbesondere danach oder Vorrichtung nach Anspruch 2 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Korrelations- Werte (19) systematische oder statistische Abweichungen der Soll- Werte von einem mittleren Soll- Wert oder den zugehörigen Ist-Werten gebildet werden.3. The method according to claim 1 or in particular according thereto or the device according to claim 2 or in particular according thereto, characterized in that that systematic or statistical deviations of the target values from an average target value or the associated actual values are formed to generate the correlation values (19).
4. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Korrelations-Werte (19) von den Ist-Werten (18) jedes Beschichtungszyklusses Mittel-Werte und Abweichungen von den Mittel- Werten erzeugt werden.4. The method or device according to one or more of the preceding claims or in particular according thereto, characterized in that in order to generate the correlation values (19) from the actual values (18) of each coating cycle, average values and deviations from the average values are generated become.
5. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Korrelations- Werten Korrektur- Werte ermittelt werden, mit welchen die Ist-Werte der Rezeptur beaufschlagt werden.5. The method or device according to one or more of the preceding claims or in particular according thereto, characterized in that correction values are determined from the correlation values, with which the actual values of the recipe are applied.
6. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezeptur Vorgaben über bestimmte Schichteigenschaften, bspw. Schichtdicke enthält und während eines Prozess-Schrittes diese Schichtei- genschaft in situ gemessen wird und bei Erreichen eines in der Rezeptur für diese Schichteigenschaft vorgesehenen Soll- Wert der Schritt beendet wird.6. The method or device according to one or more of the preceding claims or in particular according thereto, characterized in that the recipe contains specifications for certain layer properties, for example layer thickness, and during a process step this layer property is measured in situ and when an in the step is terminated in the recipe for this target property.
7. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen- den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugten Korrelations-Werte grafische Darstellungen (20) der zeitlichen Verläufe der Ist-Werte (18) sind, welche in Beziehung gesetzt werden mit den charakteristischen Schichteigenschaften (21). 7. The method or device according to one or more of the preceding claims or in particular according thereto, characterized in that the correlation values generated are graphic representations (20) of the time profiles of the actual values (18), which are related to the characteristic layer properties (21).
8. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll- Werte der Prozessparameter von einer elektronischen Steuereinrichtung an dezentrale Regler wie Massenflussregler (7) oder Temperatur- regier (10) gegeben werden und die Ist-Werte von den Reglern zugeordneten Ist-Wertgebern an die elektronische Steuereinrichtung (15) zurückgegeben werden.8. The method or device according to one or more of the preceding claims or in particular according thereto, characterized in that the desired values of the process parameters are given by an electronic control device to decentralized controllers such as mass flow controllers (7) or temperature controllers (10) and the actual - Values from the actual value transmitters assigned to the controllers are returned to the electronic control device (15).
9. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen- den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessparameter auch die Ventilstellungen der Ventile (9) eines Gasversorgungssystems (6), die Temperatur von flüssigen metallorganischen Quellen (8), die Rotationsgeschwindigkeit und die Temperatur eines mehrere Substrate (4) tragenden Substrathalters (2) und jede Substrate indivi- duell zuordenbare Substrattemperaturen sind.9. The method or device according to one or more of the preceding claims or in particular according thereto, characterized in that the process parameters also the valve positions of the valves (9) of a gas supply system (6), the temperature of liquid organometallic sources (8), the speed of rotation and the temperature of a substrate holder (2) carrying several substrates (4) and each substrate are individually assignable substrate temperatures.
10. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass neben den Ist-Werten der Prozessparameter auch während des Beschich- tungszyklusses in Intervallen ermittelte Prozesseigenschaften wie10. The method or device according to one or more of the preceding claims or in particular according thereto, characterized in that in addition to the actual values of the process parameters, process properties such as determined during the coating cycle, such as
Substrattemperatur, Rotationsgeschwindigkeit des Substrates, Wachstumsrate der Schicht und/ oder Oberflächeneigenschaften der Schicht abgespeichert werden und mit den Schichteigenschaften in Korrelation gebracht werden.Substrate temperature, rotation speed of the substrate, growth rate of the layer and / or surface properties of the layer are stored and correlated with the layer properties.
11. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Rezeptur (17) abgespeicherte Abfolge der Soll- Werte vor einem Beschichtungszyklus auf Plausibilität geprüft werden. 11. The method or device according to one or more of the preceding claims or in particular according thereto, characterized in that the sequence of the target values stored in the recipe (17) is checked for plausibility before a coating cycle.
12. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Plausibilitäts-Prüfung als in der Steuereinrichtung simulierter Be- schichtungszyklus durchgeführt wird, während dessen die Sollwerte an virtuelle Regel- und Stellorgane gegeben werden, welche virtuell erzeugte Ist-Werte zurückgeben.12. The method or device according to one or more of the preceding claims or in particular according thereto, characterized in that the plausibility check is carried out as a coating cycle simulated in the control device, during which the setpoints are given to virtual regulating and actuating elements, which are virtual Return generated actual values.
13. Verfahren oder Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen- den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass individualisiert zu jedem Substrat umgebungsbezogene Eigenschaften wie Umgebungsluft-Feuchte, Umgebungsluft-Temperatur und Umgebungsluft-Reinheit in Intervallen abgespeichert werden und in Korrelation gebracht werden mit den Schichteigenschaften. 13. The method or device according to one or more of the preceding claims or in particular according thereto, characterized in that environment-related properties, such as ambient air humidity, ambient air temperature and ambient air purity, are stored in intervals for each substrate and are brought into correlation with the layer properties.
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