一种用于液相外延工艺中的母液测温装置及测温方法与流程

1.本发明主要涉及半导体设备技术领域，具体涉及一种液相外延工艺中的母液测温装置及测温方法。


背景技术：

2.液相外延设备是一种通过使溶液中析出固相物质并沉积在衬底上生成单晶薄层的半导体工艺设备，其中垂直式的液相外延能提供大批量和大面积相同性能材料。液相外延生长工艺最关键的影响因素便是温度，尤其是基片开始外延时的碲镉汞母液温度，这一温度的准确性直接影响了母液过冷度的估计，过冷度直接决定了外延生长速率和外延材料质量。而在实际的外延生长系统中，外延生长发生时的母液过冷度往往无法准确估计，其原因在于：
3.如图1所示，现有热偶装在石墨舟内舟上方的支撑管内，随内舟同步升降，外延之前内舟整个都在母液上方，热偶距母液较远，无法测量母液温度。外延开始后，内舟下降，热偶虽接近母液，但仍在母液上方接近母液的地方，且中间隔着舟体材料，测到的仍不是母液的真实温度，而是石墨舟内舟的温度。而且测温热偶依托于石墨舟支撑管中，因此在生长工艺进行过程中不能保持静止，测温点随着内舟移动会不可避免的引起温度的漂移。
4.因此，已有的垂直式液相外延设备无法实时、准确的测量碲镉汞母液的温度，从而对垂直液相外延生长工艺带来非常不利的影响。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种结构简单、测温精准且测温灵活的用于液相外延工艺中的母液测温装置及测温方法。
6.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
7.一种用于液相外延工艺中的母液测温装置，包括测温机构、升降机构、固定机构和密封机构，所述测温机构通过所述固定机构固定于所述升降机构上，所述升降机构位于外舟上；所述密封机构密封套设于所述测温机构上，并与内舟的支撑管密封对接，以实现内舟内部腔体的密封。
8.作为上述技术方案的进一步改进：
9.所述测温机构包括测温热电偶和测温套管，所述测温热电偶吊设于所述测温套管内。
10.所述密封机构包括内套管、外套管和固定件，所述固定件紧固于内舟的支撑管上，所述内套管套设于所述测温套管上，所述内套管的一端设有与所述测温套管相适配的第一轴孔，所述内套管的另一端设有与所述第一轴孔相连通的第二轴孔，所述第二轴孔的孔径大于所述第一轴孔的孔径，所述第二轴孔内设置有第一密封组件，所述内套管于第二轴孔一侧的端部设有压紧螺母，所述压紧螺母与所述第二轴孔螺纹连接来压紧第一密封组件，以实现内套管与测温套管之间的密封；
11.所述内套管的一端与内舟的支撑管之间设置有第二密封组件，所述外套管套设于所述内套管的外侧，且内套管的外侧设置有台阶，所述外套管的一端与台阶相抵，且外套管和固定件相连来压紧第二密封组件，以实现内套管与支撑管之间的密封。
12.所述第一密封组件包括多个第一密封圈和密封环，多个第一密封圈与多个密封环依次交错布置；所述第二密封组件包括第二密封圈和密封垫，所述密封垫位于所述内套管与支撑管端部之间，所述第二密封圈套设于所述支撑管上且与内套管的端部相抵。
13.所述内套管与外套管上均设置有相互对接的加压孔，用于向所述内套管与测温套管之间充入预设压力的气体进行正压保持。
14.所述内套管与外套管之间设置有一条或多条凹槽以形成压力腔体，各所述凹槽的两侧均设置有第三密封圈。
15.所述固定机构包括固定卡环、导向座和固定螺帽，所述导向座与所述升降机构相连，所述测温套管通过固定卡环固定在导向座内，所述测温热电偶则通过固定螺帽吊设于所述测温套管内。
16.所述升降机构包括直线电机模组。
17.本发明还公开了一种基于如上所述的用于液相外延工艺中的母液测温装置的测温方法，包括步骤：
18.将整个石墨舟降至反应室恒温区，使舟体温度同步至设定恒温值，并持续一段时间，达到工艺进行前的温度要求；
19.保持内舟和外舟位置不变，通过升降机构驱动测温机构缓慢下降，同时对测温机构测得温度信息进行记录；当测温点到达母液液面时，温度发生符合特征的变化，则判定为液面测温点，并以此作为液面原点；
20.待温度稳定后，测温机构继续匀速缓慢的下降，测量液面下方的温度分布情况；当超过原点距离满足基片尺寸后，即可停止测温机构下降并缓慢上升，回到液面测温点进行持续的实时温度记录；
21.从下降过程测得液面下方的温度分布情况来进行数据分析，判断当前母液的温度环境是否满足工艺条件；若满足则继续执行后续步骤，若不满足则重新调整工艺环境。
22.作为上述技术方案的进一步改进：
23.在母液的温度环境满足工艺条件后，测温机构则固定于刚好浸入液面的位置，并通过升降机构保持静止，持续记录外延生长点的实时温度；
24.工艺开始，内舟下降，使内舟上装载的基片缓慢浸入母液；测温机构所测得温度，即基片刚接触液面开始外延的温度，也正是需要控制的实际温度。
25.与现有技术相比，本发明的优点在于：
26.(1)本发明的用于液相外延工艺中的母液测温装置，在保证不影响工艺环境的情况下，通过升降机构将测温点从固定式转变为可移动式，从而达到实时动态测温的效果；同时通过密封机构解决了运动与密封的矛盾问题，避免了测温点移动的干扰，所测温度值更加贴近实际温度，相对传统方式，具有更佳的使用效果。
27.(2)本发明以测温套管为依托来装载测温热电偶，通过小型直线电机模组完成升降动作，将小型直线电机模组定位于外舟运动模块上。在石墨舟整体升降时，直线电机模组无需动作，可以跟随外舟运动模块进行运动；而在工艺开始前需要对母液进行动态测温时，
可通过单独运行直线电机模组来完成；在外延工艺开始时，该直线电机模组完全锁死，与外舟位置保持一致，避免了工艺进行过程中热偶测温点随内舟运动产生位置变化所产生的的影响，有效的提高测温数据的准确性。
28.(3)本发明通过内套管与内舟支撑管之间的密封组件实现内套管与测温套管、以及内套管与内舟支撑管之间的密封，从而实现内舟内部腔体的密封性；另外向内套管与测温套管之间充入预设压力的气体进行正压保持，从而可以实现与可能泄漏的正压进行抵消，以完成动密封。再进一步地，内套筒与外套筒之间设置有一条或多条凹槽以形成压力腔体，通过一定体积的压力腔体，从而保证正压效果，进一步保证密封效果。
附图说明
29.图1为传统的垂直式外延生长工艺环境示意图。
30.图2为传统测温形式与本发明测温形式对比图，其中(a)为传统测温形式，(b)为本发明的测温形式。
31.图3为本发明的测温装置在具体实施例的结构示意图。
32.图4为本发明中的固定结构在具体实施例的剖面图。
33.图5为本发明中的密封结构在具体实施例的剖面图。
34.图6为本发明的动态测温方法在实施例的流程图。
35.图7为本发明的定点测量方法在实施例的流程图。
36.图例说明：1、测温机构；101、热电偶；102、测温套管；2、升降机构；3、固定机构；301、固定卡环；302、导向座；303、固定螺帽；4、密封机构；41、内套管；42、外套管；43、固定件；431、固定螺钉；44、第一密封组件；441、第一密封圈；442、密封环；45、第二密封组件；451、第二密封圈；452、密封垫；46、第三密封组件；461、第三密封圈；47、加压孔；471、凹槽；48、压紧螺母；5、内舟；501、支撑管。
具体实施方式
37.以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
38.为了测得更贴近实际的母液温度，有必要将测温点浸入母液中，因此测温热偶应当具有独立的升降功能和独立的固定结构。由于测温热偶不可以直接与母液接触，因此需要通过可浸入母液的结构(如测温套管102)对测温热偶进行固定隔离，同时将原本封闭的内舟5留出中心孔用于测温热偶的通过，而开孔导致内舟5腔体不再密封，因此在测温套管102上需要增加密封设计以维持内舟5反应腔体内的洁净。
39.根据上述设计思路，该发明创新设计了可独立升降的热偶机构来完成对母液温度的测量，通过图2中新设计与传统方式的对比，可看出该发明下的测温装置具备升降运动功能的同时，必然会产生密封问题，因此需要解决独立升降和动态密封之间的矛盾问题。
40.如图4所示，本发明实施例的用于液相外延工艺中的母液测温装置，包括测温机构1、升降机构2、固定机构3和密封机构4，测温机构1通过固定机构3固定于升降机构2上，升降机构2位于外舟上，升降机构2的升降带动测温机构1的升降；密封机构4密封套设于测温机构1上，并与内舟5的支撑管501密封对接，以实现内舟5内部腔体的密封。
41.本发明的用于液相外延工艺中的母液测温装置，在保证不影响工艺环境的情况
下，通过升降机构2实现测温机构1的升降，从而可以将测温机构1的测温点从固定式转变为可移动式，达到实时动态测温的效果；在此基础上，再通过密封机构4来解决运动与密封的矛盾问题，避免了测温点移动的干扰，所测温度值更加贴近实际温度，相对传统方式，具有更佳的使用效果。
42.本发明中的测温点可以独立运动，可以完成各种不同需求下的测温形式，既可以固定于某位置进行定点测温，也可以一定间距逐点测温区，同样可以根据需要进行范围内的实时动态测温。
43.如图4所示，在一具体实施例中，测温机构1包括测温热电偶101和测温套管102，测温热电偶101吊设于测温套管102内。其中升降机构2包括直线电机模组，其中热电偶101的独立升降通过直线电机模组来完成，考虑其需要在内舟5(装载基片)浸入母液之前完成对母液温度的测量，因此其相对于内舟5的运动是独立运动的。在基片浸入母液进行外延的工艺过程中，热电偶101应当始终保持在某一位置来记录温度的稳定性，因此将直线电机模组固定在外舟的运动模块上。
44.本发明以测温套管102为依托来装载测温热电偶101，通过小型直线电机模组完成升降动作，将小型直线电机模组定位于外舟运动模块上。在石墨舟整体升降时，直线电机模组无需动作，可以跟随外舟运动模块进行运动；而在工艺开始前需要对母液进行动态测温时，可通过单独运行直线电机模组来完成；在外延工艺开始时，该直线电机模组完全锁死，与外舟位置保持一致，避免了工艺进行过程中热偶测温点随内舟5运动产生位置变化所产生的的影响，有效的提高测温数据的准确性。
45.在一具体实施例中，如图5所示，密封机构4包括内套管41、外套管42和固定件43，固定件43紧固于内舟5的支撑管501上，内套管41套设于测温套管102上，内套管41的一端设有与测温套管102相适配的第一轴孔，内套管41的另一端设有与第一轴孔相连通的第二轴孔，第二轴孔的孔径大于第一轴孔的孔径，第一轴孔与第二轴孔之间形成台阶，第二轴孔内设置有第一密封组件44，内套管41于第二轴孔一侧的端部设有压紧螺母48，压紧螺母48与第二轴孔螺纹连接来压紧第一密封组件44，使得第一密封组件44变形，从而实现内套管41与测温套管102之间的密封；其中第一密封组件44包括多个第一密封圈441和密封环442，多个第一密封圈441与多个密封环442依次交错布置，提高密封性能；
46.其中内套管41的一端与内舟5支撑管501之间设置有第二密封组件45，外套管42套设于内套管41的外侧，且内套管41的外侧设置有台阶，外套管42的一端与台阶相抵，且外套管42和固定件43通过固定螺钉431相连来压紧第二密封组件45，以实现内套管41与内舟5的支撑管501之间的密封。其中第二密封组件45包括第二密封圈451和密封垫452，密封垫452位于内套管41与支撑管501端部之间，第二密封圈451套设于支撑管501上且与内套管41的端部相抵，通过上述第二密封圈451与密封垫452的配合，保证密封效果。上述密封结构简单且密封效果好。
47.进一步地，密封性不仅要在测温套管102静止不动时保证，还需要在其运动时也需要保证。外套管42与内套管41上均设置有相互对接的加压孔47，用于向内套管41与测温套管102之间充入预设压力的气体进行正压保持，从而可以实现与可能泄漏的正压进行抵消，以完成动密封。再进一步地，内套管41与外套管42之间设置有一条或多条环形凹槽471以形成压力腔体，通过一定体积的压力腔体，从而保证正压效果；另外各凹槽471的两侧均设置
有第三密封组件46，使得压力不会从内套管41与外套管42之间的间隙泄露，实现压力腔体内正压的保持。其中第三密封组件46为第三密封圈461等。
48.如图4所示，在一具体实施例中，固定机构3包括固定卡环301、导向座302和固定螺帽303，导向座302与升降机构2相连，测温套管102通过固定卡环301固定在导向座302内，热电偶101则通过固定螺帽303吊设于测温套管102内。其中热电偶101直接放置在测温套管102内，热电偶101随重力沉下去并长期在热环境中会产生变形，故采用上述固定螺帽303将热电偶101悬吊在测温套管102内，保证热电偶101不会变形，提高其工作可靠性。
49.如图6所示，本发明实施例还公开了一种基于如上所述的用于液相外延工艺中的母液测温装置的测温方法，包括步骤：
50.在工艺进行前，需要对母液液面上方至液面下方完全浸入基片的这段行程进行测量；首先将整个石墨舟降至反应室恒温区，使舟体温度同步至设定恒温值，并持续一段时间，达到工艺进行前的温度要求；
51.保持内舟5和外舟位置不变，通过升降机构2驱动测温机构1缓慢下降，同时对测温机构1测得温度信息进行记录；当测温点到达母液液面时，温度发生符合特征的变化，则判定为液面测温点，并以此作为液面原点；
52.待温度稳定后，测温机构1继续匀速缓慢的下降，测量液面下方的温度分布情况；当超过原点距离满足基片尺寸后，即可停止下降并缓慢上升，回到液面测温点进行持续的实时温度记录；
53.从下降过程测得液面下方的温度分布情况来进行数据分析(根据外延工艺对温度的精度与均匀度要求)，判断当前母液的温度环境是否满足工艺条件；若满足则继续执行后续步骤，若不满足则重新调整工艺环境。
54.如图7所示，在母液的温度环境满足工艺条件后，测温机构1则固定于刚好浸入液面的位置，并通过升降机构2的刹车功能保持静止，持续记录外延生长点的实时温度(定点)；
55.工艺开始，内舟5下降，使内舟5上装载的基片缓慢浸入母液；测温机构1所测得温度，即基片刚接触液面开始外延的温度，也正是需要控制的实际温度。由于测温热电偶101采用独立的升降机构2，并装载于外舟的承载板上，因此内舟5的升降运动不会对测温热电偶101产生影响。
56.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。