专利名称：控制化学气相沉积腔室内的基底加热的装置及方法
技术领域：
本发明涉及半导体设备领域，尤其涉及一种控制化学气相沉积腔室内的基底加热的装置及方法。
背景技术：
金属有机化合物化学气相沉积(MetalOrganic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)是在气相外延生长的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。MOVCD具有生长易于控制、可生长纯度很高的材料、外延层大面积均勻性良好等的优点。MOCVD反应器是用于制造高亮度LED芯片的主要工艺设备。参考图1，示出了现有技术中MOCVD反应器一实施例的结构示意图。MOCVD反应器包括腔室10、位于所述腔室10 底部的加热器11，位于所述加热器11上的托盘13，所述托盘13通过支撑结构12与旋转机构关联在一起，所述托盘13用于承载基底14，所述MOCVD反应器还包括位于腔室10顶部的供给器15。具体地，在MOCVD反应器的工作过程中，所述供给器15用于向所述腔室10输入含有有机金属的原料气体，所述加热器11用于加热，使原料气体发生分解，从而在基底14表面形成薄膜。具体地，MOCVD反应器内的工作温度通常在500 1200°C的范围内。现有技术的 MOCVD反应器中设置有温度控制系统，对所述加热器11的电流进行控制，以达到MOCVD反应
的工作温度。参考图2，示出了现有技术MOCVD反应器的温度控制系统一实施例的示意图。所述MOCVD反应器的温度控制系统包括温度控制器16，所述温度控制器16包括两个输入端和一个输出端。其中第一输入端用于输入温度设定值，第二输入端与腔室10内的托盘13上表面耦接，用于获取托盘13上表面的实际温度(本实施例中，托盘上表面承载基底14，因此托盘上表面的实际温度接近于基底14的实际温度)，输出端与加热器11的直流电源相连。所述温度控制器16用于比较所述温度设定值和所述实际温度，并基于两者的偏差计算出控制信号，所述输出端将所述控制信号发送至加热器11的直流电源，用于控制直流电源的电流，从而改变加热器11的功率，进而使托盘13上表面的温度接近所述温度设定值。就这样，温度控制器16实现对托盘13上表面温度的控制。然而，MOCVD反应器的工作环境为真空，在真空环境中，辐射是热量传输的主要方式，大容量的金属腔体使热量传输的过程较慢，从而增大了时间常数。这样，加热器11产生的热量传输至托盘13上表面需要花费一定的时间，这使托盘13上表面的温度有所滞后。在MOCVD反应器的升温过程中，滞后的托盘13上表面温度输入至温度控制器16， 温度控制器16会控制加热器11增大直流电源的电流，容易导致加热器11过加热而使托盘 13上表面温度超出温度设定值。之后，温度控制器16会控制加热器11减小直流电源的电流，以使托盘13上表面温度降至温度设定值，然而滞后的托盘13上表面温度输入至温度控制器16中，容易使温度控制器16控制的加热器11功率下降太快，这会使托盘13上表面温度又低于温度设定值，从而造成了腔室10内温度振荡的现象。对于MOCVD工艺而言，通常仅1°C的温度变化就将导致5%以上的成品率的下降， 因此如何获得稳定的基底温度，以提高MOCVD工艺的良率成为本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。更多关于MOCVD反应器温度控制的技术方案可参考公开号为CN101906622A的中国专利申请，然而所述中国专利申请的技术方案也未能解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种控制化学气相沉积腔室内的基底加热的装置及方法，通过串级控制使灵敏度较高的温度控制单元快速完成对温度变化的补偿，以获得稳定的基底温度。为了实现上述发明目的，本发明提供一种控制化学气相沉积腔室内的基底加热的装置，包括位于腔室内的加热器；位于腔室内所述加热器附近且与所述加热器相间隔开的托盘，用于承载基底；第一温度控制单元，与承载基底的托盘表面耦接，用于测量该托盘表面温度，基于设定温度和所述托盘表面温度输出第一控制信号；第二温度控制单元，与所述第一温度控制单元相连，用于测量托盘和加热器之间区域的中间温度，还用于根据所述第一控制信号和所述中间温度输出第二控制信号；所述加热器，与所述第二温度控制单元耦接，用于根据所述第二控制信号进行加热。可选地，所述第二温度控制单元的时间常数小于所述第一温度控制单元的时间常数。可选地，所述第一温度控制单元的时间常数与所述第二温度控制单元的时间常数的比值在1 25的范围内。可选地，所述第一温度控制单元包括第一温度测量器、第一温度设定器、第一温度控制器和信号转换器，其中，所述第一温度测量器，与所述第一温度控制器的第一输入端相连，用于测量该托盘表面的第一实际温度，并将所述第一实际温度发送至第一温度控制器； 所述第一温度设定器，与所述第一温度控制器的第二输入端相连，用于向所述第一温度控制器提供温度设定值；所述第一温度控制器，用于比较所述第一实际温度和所述温度设定值，基于所述第一实际温度和所述温度设定值的差异输出第一控制信号；所述信号转换器， 与所述第一温度控制器的输出端相连，用于接收所述第一控制信号，将所述第一控制信号转换为中间设定温度，并将所述中间设定温度发送至第二温度控制单元。可选地，所述信号转换器设置有所述第一控制信号与所述中间设定温度的线性关系或非线性关系，所述信号转换器用于接收所述第一控制信号，将所述第一控制信号转换为与其对应的中间设定温度，并将所述中间设定温度发送至第二温度控制单元。可选地，所述第二温度控制单元包括第二温度测量器和第二温度控制器，其中，所述第二温度测量器，位于所述托盘和加热器之间且与所述第二温度控制器相连，用于测量所述托盘和加热器之间一测量点的第二实际温度，并将所述第二实际温度发送至第二温度控制器；所述第二温度控制器，与所述信号转换器相连，用于比较所述第二实际温度和所述中间设定温度，基于所述第二实际温度和所述中间设定温度的差异输出第二控制信号。可选地，还包括与所述第二温度控制器和所述加热器相连的驱动电源，所述驱动电源用于接收所述第二控制信号，并基于所述第二控制信号提供加热器电流，并将所述加热器电流输入至加热器。可选地，所述第一温度测量器为基于多波长的光学式温度测量仪。可选地，所述第一温度控制器为PI模式或PID模式的温度控制器。
可选地，所述第二温度测量器为热电偶。可选地，所述第二温度测量器位于托盘和加热器之间更靠近加热器的位置处。可选地，所述第二温度测量器与所述加热器的热辐射面在同一平面内。可选地，所述腔室底部还设置有用于排气的排气口，所述第二温度测量器位于靠近所述排气口的位置处。可选地，所述第二温度控制器为P模式的温度控制器。相应地，本发明还提供一种控制化学气相沉积腔室内的基底加热的方法，所述化学气相沉积腔室内设置有加热器、位于所述加热器附近且与所述加热器相间隔开的用于承载基底的托盘，所述方法包括以下步骤设置温度设定值；测量承载基底的托盘表面的第一实际温度；基于所述温度设定值与所述第一实际温度的区别，形成第一控制信号；将所述第一控制信号转换为中间温度设定值；测量所述托盘表面和加热器之间区域的第二实际温度；基于所述中间温度设定值与所述第二实际温度的区别，形成第二控制信号；基于所述第二控制信号控制加热器进行加热。可选地，使所述第二实际温度比所述第一实际温度先到达稳态。可选地，所述测量承载基底的托盘表面的第一实际温度的步骤包括通过基于多波长的光学式温度测量仪测量所述托盘表面的第一实际温度。可选地，所述形成第一控制信号的步骤包括计算温度设定值与所述第一实际温度的第一差值；基于线性关系或非线性关系，形成与所述第一差值相对应的第一控制信号。可选地，所述将所述第一控制信号转换为中间温度设定值的步骤包括基于线性关系或非线性关系，将所述第一控制信号转换为与其对应的中间温度设定值。可选地，所述形成第二控制信号的步骤包括计算所述中间温度设定值与所述第二实际温度的第二差值；基于线性关系或非线性关系，形成与所述第二差值相对应的第二控制信号。可选地，所述基于第二控制信号控制加热器进行加热的步骤包括将所述第二控制信号转换为加热器电流；向所述加热器输入所述加热器电流。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明控制化学气相沉积腔室内的基底加热的装置中设置了两个相连温度控制单元，所述两个温度控制单元构成串级控制温度控制系统，可以获得稳定的基底温度。可选方案中，第二温度控制单元的时间常数小于所述第一温度控制单元的时间常数，也就是说，第二温度控制单元比第一温度控制单元灵敏，这样托盘上表面温度变化或第二实际温度变化时，所述灵敏度较高的第二温度控制单元可以很快地控制加热器的功率变化，从而补偿所述温度变化，进而使基底温度得以维持。可选方案中，第一温度控制单元的时间常数与所述第二温度控制单元的时间常数的比值在1 25的范围内，一方面，可以避免第二温度控制单元过于灵敏而做无谓的控制和反馈，另一方面，可以避免第二温度控制单元不够灵敏而不能实现温度变化的补偿。
可选方案中，所述信号转换器设置有所述第一控制信号与所述中间设定温度的线性关系或非线性关系，所述信号转换器根据所述线性关系或非线性关系将所述第一控制信号转换为与其对应的中间设定温度，转换方法比较简单，可以提高信号转换器的响应速度。可选方案中，所述第二温度测量器位于托盘和加热器之间更靠近加热器的位置处，使第二温度测量器对加热器的功率的变化更加灵敏，从而可以较快地基于加热器功率的变化进行反馈和控制。可选方案中，所述腔室底部还设置有用于排气的排气口，所述第二温度测量器位于靠近所述排气口的位置处，所述第二温度测量器可以及时补偿排气口处抽气流量、抽气速度等因素所引起的温度变化，提高了装置抗干扰能力。可选方案中，所述第一温度控制器为PI模式的温度控制器，或者，所述第二温度控制器为P模式的温度控制器，可以简化控制化学气相沉积腔室内的基底加热的装置的结构，降低成本。
图1是现有技术MOCVD反应器一实施例的示意图；图2是现有技术MOCVD反应器的温度控制系统一实施例的示意图；图3是本发明控制化学气相沉积腔室内的基底加热的装置一实施方式的示意图；图4是本发明控制化学气相沉积腔室内的基底加热的装置一实施例的示意图。图5是图4所示控制化学气相沉积腔室内的基底加热的装置中加热器和第二温度测量器一实施例的示意图；图6示出了本发明控制化学气相沉积腔室内的基底加热的方法一实施方式的流程图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
作详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种控制化学气相沉积腔室内的基底加热的装置，参考图3，示出了本发明控制化学气相沉积腔室内的基底加热的装置一实施方式的示意图。需要说明的是，本发明以金属有机化合物化学气相沉积腔室及其控制基底加热的装置为实施例作说明，本发明所提供的装置可以适用于其他类型的化学气相沉积腔室内， 本发明对此不作限制。 如图3所示，MOCVD反应器包括腔室100 ；位于所述腔室100底部的加热器101 ；位于所述加热器101上的托盘103，用于承载一片或多片基底104 ；所述托盘103通过支撑结构102与外部旋转机构关联在一起，所述加热器101和所述托盘103之间具有一定的间距，例如，所述间距为3 15mm。位于腔室100顶部的反应源供给器105，用于输入原料气体。本发明控制化学气相沉积腔室内的基底加热的装置包括所述加热器101、所述托盘103，还包括第一温度控制单元106和第二温度控制单元107。其中，第一温度控制单元106，与所述托盘103上表面耦接，用于测量托盘103上表面温度，基于设定温度和所述托盘103上表面温度输出第一控制信号；第二温度控制单元107，与所述第一温度控制单元106相连，用于测量托盘103和加热器101之间区域的中间温度，还用于根据所述第一控制信号和所述中间温度输出第二控制信号；所述加热器101，与所述第二温度控制单元107耦接，用于根据所述第二控制信号进行加热。本实施方式中，所述第二温度控制单元107的时间常数小于所述第一温度控制单元106的时间常数。此处所述时间常数指的是，在温度控制单元控制下使温度升至设定温度的某一预先设定比例(例如，80%)所花费的时间。该预先设定比例通常根据工业需求和经验，事先人为选定。时间常数越大，表示温度控制单元的灵敏度越小；时间常数越小，表示温度控制单元的灵敏度越大。本发明控制化学气相沉积腔室内的基底加热的装置中设置了至少两个温度控制单元，两个温度控制单元实现串级控制。其中，第二温度控制单元107比第一温度控制单元 106的时间常数小，也就是说，所述第二温度控制单元107比第一温度控制单元106更灵敏。由于托盘103上表面距离加热器101较远，因此，加热器101的热量先辐射至托盘 103和加热器101之间区域，之后再辐射至托盘103上表面。相应地，与托盘103上表面的温度相比，中间温度能提前反映加热器101的功率变化。在升温过程中，第一温度控制单元106缓慢控制升温，而在第二温度控制单元107 的控制下中间温度会很快达到稳态，之后，第一温度控制单元106继续缓慢增大第一控制信号，而在所述第一控制信号的控制下第二温度控制单元107再次使中间温度很快到达稳态，就这样持续升温直至托盘103上表面温度达到设定温度。由于第二温度控制单元107基于第一控制信号进行温度控制，因此第二温度控制单元107控制下的中间温度到达稳态时不会超过与第一控制信号所对应的温度，从而使托盘103上表面温度不至于形成较大振荡，从而提高了基底温度的稳定性。此外，在温度维持过程中，如果受温度干扰因素的影响使中间温度有所变化，所述灵敏度较高的第二温度控制单元107会很快地控制加热器101的功率变化，进而以补偿所述温度干扰因素带来的温度变化，进而使基底温度得以维持。由此可见，本发明控制化学气相沉积腔室内的基底加热的装置可以使腔室内基底温度无论在升温还是温度维持过程中都比较稳定，不至于出现较大的变化，这有利于提高腔室内工艺的良率。需要说明的是，如果第二温度控制单元107比第一温度控制单元106的时间常数小得过多，也就是说第二温度控制单元107反应过于灵敏，这样第二温度控制单元107的控制反馈动作过快，第一控制信号的微小变化都会使第二温度控制单元107做多次无谓的反馈和控制，反而不利于整个基底温度的稳定性。反之，如果第二温度控制单元107的时间常数接近或大于第一温度控制单元106 的时间常数，这样第二温度控制单元107的动态调节作用降低，不能及时地克服温度干扰因素的影响，严重时甚至会出现第一温度控制单元106、第二温度控制单元107 “耦合共振” 现象，导致化学气相沉积腔室内的基底加热的装置不能正常工作。因此，所述第一温度控制单元106的时间常数与所述第二温度控制单元107的时间常数的比值在1 25的范围内，优选地，所述时间常数的比值在3 10的范围内。下面结合具体实施例，进一步详细地描述本发明的技术方案。参考图4，示出了本发明控制化学气相沉积腔室内的基底加热的装置一实施例的示意图。需要说明的是，图4中各部件仅用于示意，不对各部件的位置进行限制。本实施例中的第一温度控制单元106包括第一温度测量器1061、第一温度设定器 1063、第一温度控制器106和信号转换器1064，所述第二温度控制单元107包括第二温度测量器1071和第二温度控制器1072，其中，第一温度测量器1061，与第一温度控制器1062的第一输入端A相连，用于测量托盘103上表面(本实施例中，托盘103的上表面为承载基底104的托盘表面)的第一实际温度，并将所述第一实际温度发送至第一温度控制器1062。本实施例中，所述托盘103上表面为承载基底104的托盘表面，会与基底104相接触，因此托盘103上表面的温度和基底 104的温度相同。为了能快速、精确地获取托盘103上表面的实际温度，较佳地，所述第一温度测量器1061为精度较高的、基于多波长的光学式温度测量仪，具体地，所述光学式温度测量仪为非接触式温度测量仪，其测量探头位于托盘103的上方，距离所述托盘103上表面的距离为1 17厘米。需要说明的是，上述实施例中使用的基于多波长的光学式温度测量仪为非接触式温度测量仪，但是本发明对此不做限制，在其他实施例中，所述第一温度测量器1061还可以是其他非接触式温度测量仪，或者是接触式温度测量仪，本发明对此不做限制。第一温度设定器1063，与第一温度控制器1062的第二输入端B相连，用于向第一温度控制器1062提供温度设定值。所述第一温度设定器1063提供适于研发人员或工艺操作员进行温度设定的人机界面，对于MOCVD反应器而言，通常温度设定值在500 1200°C的范围内。例如温度设定值是500°C。需要说明的是，所述第一温度设定器1063可以是独立的硬件器件，也可以由集成于第一温度控制器1062中的、具有相同功能的软件实现，本发明对此不做限制。第一温度控制器1062，用于比较所述第一实际温度和所述温度设定值，基于所述第一实际温度和所述温度设定值的差异输出第一控制信号。具体地，所述第一温度控制器1062用于先计算第一实际温度和所述温度设定值的第一差值，再基于所述第一差值获取与所述第一差值相对应的第一控制信号，本实施例中，所述第一控制信号与所述第一差值成线性关系，具体地，所述第一控制信号与所述第一差值成正比关系。本实施例中，所述第一控制信号为一与中间设定温度相对应的百分比控制信号。CN 102534567 A例如，第一温度测量器1061的百分比控制信号范围设置为0 100%，相对应的中间设定温度的范围设置为0 1200°C。在其他实施例中，所述第一控制信号还可以是电压控制信号。通常所述百分比控制信号与其对应的中间设定温度成线性关系，但是本发明对此不做限制，所述百分比控制信号与其对应的中间设定温度还可以成非线性关系。所述第一温度控制器1062可以是PID模式的温度控制器，包括比例单元(P)、积分单元⑴和微分单元⑶。对于第一温度控制器1062而言，需要具备稳态无差的特点，而由于本发明化学气相沉积腔室内的基底加热的装置通过串级控制可以实现对托盘103上表面温度比较稳定的温度控制，因此第一温度控制器1062可以不设置减小稳态误差的积分单元(I)，较佳地， 所述第一温度控制器1062可以是PI模式的温度控制器，也就是说，所述第一温度控制器 1062可以只包括比例单元(P)和积分单元(I)，从而可以简化控制化学气相沉积腔室内的基底加热的装置的结构，降低成本。信号转换器1064，与所述第一温度控制器1062的输出端相连，用于接收所述第一控制信号，将所述第一控制信号转换为中间设定温度，并将所述中间设定温度发送至第二温度控制单元107。具体地，所述信号转换器1064设置有所述第一控制信号与所述中间设定温度的线性关系，所述信号转换器1064基于百分比控制信号和中间设定温度之间的线性关系，将所述第一控制信号转换为与其对应的中间设定温度，并将所述中间设定温度发送至第二温度控制单元107。所述信号转换器1064设置有所述第一控制信号与所述中间设定温度的线性关系，使转换方法较为简单，转换效率较高，因此，本实施例中所述信号转换器1064具有较高的响应速度。但是本发明对所述第一控制信号和中间设定温度的关系不做限制，所述第一控制信号和中间设定温度还可以是非线性关系，例如指数关系或者是映射关系等。第二温度测量器1071，位于托盘103和加热器101之间，用于测量托盘103和加热器101之间一测量点0的第二实际温度。托盘103和加热器101之间的所述测量点0与托盘103上表面相比更靠近加热器 101，从而使测量点0的第二实际温度对加热器101功率的变化更加灵敏，可以提前反映加热器101功率的变化，基于第二实际温度进行控制的第二温度控制单元107可以减小所述加热器101功率的变化对托盘103上表面温度的影响。所述第二温度测量器1071越靠近加热器101，第二实际温度对加热器101功率的变化越灵敏，优选地，所述第二温度测量器1071与所述加热器101的热辐射面在同一平面内。具体地，所述第二温度测量器1071可以是热电偶，还可以是其他温度测量仪器 (接触式温度测量仪或非接触式温度测量仪)，本发明对此不做限制。结合参考图5，示出了图4所示加热器101和第二温度测量器1071 —实施例的示意图。图5中示出了加热器101的俯视图。通常基底104为晶圆(wafer)，相应地，本实施例中所述加热器101为圆形结构。
具体地，所述加热器101为同心设置的环状加热元件，包括靠近圆心的内区加热件1011、远离圆心的外区加热件1013和位于内区加热件1011和外区加热件1013之间的中区加热件1012。需要说明的是，为了使附图更加简洁，附图5中只示意出了内区加热件1011、中区加热件1012和外区加热件1013的区域，所述内区加热件1011、中区加热件1012和外区加热件1013还分别包含多个环形元件。其中，所述中区加热件1012的面积最大，所述中区加热件1012所对应的晶圆的面积也最大，中区加热件1012提供的热量最多，本实施例中，所述第二温度测量器1071位于中区加热件1012所对应的位置处。需要说明的是，第一温度测量器1061可以用于测量托盘103上表面任意位置的温度。所述第二温度测量器1071可以测量任何一区的温度，具体地，在其他实施例中，所述第二温度测量器1071还可以设置于内区加热件1011或外区加热件1012的位置处，本发明对此不做限制。需要说明的是，所述第二温度测量器1071可以是热电偶，所述热电偶由位于腔室 100底面上的支撑结构进行固定，所述支撑结构穿过图5所示环形加热元件的环形之间的间隔区域1014，从而使热电偶的测量点0设置于加热器101和托盘103之间。继续结合参考图5，加热器101位于腔室100底部的中心位置处，在所述腔室100 的底部还设置有排气口 108，所述排气口 108用于排气，因此排气口 108所在位置处由于抽气流量、抽气速度等因素的影响温度变化比较大。本实施例中，将第二温度测量器1071放置于靠近排气口 108的中区加热件1012 上，这样，当抽气流量、抽气速度的温度干扰因素影响到温度变化时，第二温度控制单元107 可及时补偿所述温度变化，从而减小所述温度变化对托盘103上表面温度的影响。需要说明的是，所述温度干扰因素包括抽气流量、抽气速度、托盘旋转、腔体压力或冷却水流中的一个或多个。所述第二温度测量器1071可以位于受温度干扰因素影响较多的位置处，从而可以补偿多个干扰因素对基底温度的影响。继续参考图4，第二温度控制器1072与所述信号转换器1064、第二温度测量器 1071相连，用于比较所述第二实际温度和所述中间设定温度，基于所述第二实际温度和所述中间设定温度的差异输出第二控制信号。具体地，所述第二温度控制器1072用于先计算第二实际温度和所述中间设定温度的第二差值，再基于所述第二差值获取与所述第二差值相对应的第二控制信号，本实施例中，所述第二控制信号与所述第二差值成线性关系，具体地，所述第二控制信号与所述第二差值成正比关系。在其他实施例中，所述第二控制信号还可以与所述第二差值成非线性关系。本实施例中，所述第二控制信号为与所述第二差值成正比的百分比控制信号，所述的百分比控制信号范围为0 100%。在其他实施例中，所述的第二控制信号还可以是电压控制信号。所述第二温度控制器1072可以是PID模式的温度控制器，包括比例单元(P)、积分单元⑴和微分单元⑶。对于第二温度控制器1072而言，需要具备灵敏度较高进而可以快速调节的特点。 因此第二温度控制器1072可以不设置减小稳态误差的积分单元(I)或用于抑制振荡的微分单元(D)，较佳地，所述第二温度控制器1072可以是P模式的温度控制器，也就是说，所述第二温度控制器1072仅包括比例单元(P)，从而可以简化结构、降低成本。控制化学气相沉积腔室内的基底加热的装置还可以包括驱动电源1073，所述驱动电源1073与所述第二温度控制器1072的输出端和加热器101均相连，用于接收所述第二控制信号，并基于所述第二控制信号提供加热器电流，并将所述加热器电流输入至加热器 101。本实施例中，所述第二控制信号为与加热器电流成正比关系的百分比信号，所述驱动电源1073根据第二控制信号、基于所述正比关系获得加热器电流，并将相对应的加热器电流发送至加热器101，从而使加热器101根据所述加热器电流进行加热。在其他实施例中，所述第二控制信号还可以与所述加热器电流成非线性关系，本发明对此不做限制。下面结合升温过程对图4所示控制化学气相沉积腔室内的基底加热的装置的技术方案作进一步举例说明。首先，通过第一温度设定器1063设置温度设定值为500°C，所述第一温度测量器 1061测量托盘103上表面温度为室温(25°C )，第一温度控制器1062基于475°C的温度差异(500°C与25°C的差值)输出第一控制信号。具体地，第一温度控制器1062的第一控制信号在0 100 %范围内，对应于0 1200°C的温度范围。相应地，与475°C对应的第一控制信号为39%。第一控制信号从0开始逐渐增加，例如，从0增加到5 %，信号转换器1064将所述 5%的第一控制信号转换为中间设定温度，相应地，与5%对应的中间设定温度为60°C。此时，第二温度测量器1071测量到的第二实际温度为室温25°C，第二温度控制器 1072基于第二实际温度和中间设定温度的差值35°C (60°C与25°C的差值)输出第二控制信号。具体地，由于第二温度控制器1072的灵敏度较高，与第一温度控制器1062相比， 与同一温度差异所对应的第二控制信号远大于第一控制信号，本实施例中，基于所述35°C 的差值，第二温度控制器1072输出20%的第二控制信号。由于对驱动电源1073而言，0 100%的第二控制信号对应于0 250A的加热器电流，因此，基于所述20%的第二控制信号，驱动电源1073输出50A的加热器电流，控制加热器101开始加热。经过一段时间，第一实际温度为^TC,而由于第二温度控制器1072灵敏度较高， 其升温较快，第二实际温度已到达30°C。之后，当第一实际温度为30°C时，第二实际温度已经到达55°C，由于第二实际温度升温比第一实际温度升温快，第二实际温度会很快达到接近中间设定温度的稳态。由于所述中间设定温度受所述第一实际温度的限制，因此所述第二实际温度不会有过大的温度起伏变化。之后，随着第一控制信号的逐渐增大，第二实际温度不断地到达稳态，直至使托盘 103上表面的第一实际温度到达500°C的稳态时，完成升温过程。需要说明的是，图4和图5所示的实施例中，控制化学气相沉积腔室内的基底加热的装置只设置了一套串级控制的温度控制系统，但是本发明对此不做限制。在其他实施例中，本发明控制化学气相沉积腔室内的基底加热的装置还可以包括多套串级控制的温度控制系统，每一套温度控制系统中的第一温度控制器分别用于测量托盘上表面不同位置处的温度，相应地，第二温度控制器分别用于测量不同区(内区、中区或外区)的温度，这样不同的温度控制系统可以独立地进行温度的测量和控制，以分别调节托盘上表面不同位置的温度。还需要说明的是，在上述控制化学气相沉积腔室内的基底加热的装置的实施例中，所述加热器位于腔室底部，托盘位于所述加热器的上方，托盘的上表面与基底相接触， 第一温度控制单元与托盘上表面耦接。但是本发明对此不做限制，在其他实施例中，加热器还可以沿竖直方向设置，托盘位于加热器附近且与所述加热器相间隔开(例如托盘也沿竖直方向设置，与所述加热器平行排布)，用于承载基底的托盘表面与基底的温度相同，所述第一温度控制单元需与所述承载基底的托盘表面耦接，以获取所述托盘表面的温度，进而实现对基底温度的控制。综上，本发明提供一种控制化学气相沉积腔室内的基底加热的装置，设置有第一温度控制单元和第二温度控制单元形成的串级控制的温度控制系统，所述第二温度控制单元灵敏度较高，具有快速、及时的调节作用，能够改善加热器的动态特性，减小容量滞后对加热过程的影响，减弱温度振荡，从而提高了基底温度的稳定性。此外，化学气相沉积腔室内会进行不同的工艺生长阶段，进而会设置不同的生长环境，如腔体压力、气体流量、托盘转速等参数，加上外部环境因素如冷却水流波动等，这些变化会对温度控制精度产生一定的扰动。串级控制的温度控制系统的快速、及时的调节作用，对所述扰动具有很强的抑制能力，可以大大削弱所述扰动对温度的影响。更近一步地，化学气相沉积腔室内内的加热器由特殊的耐高温导电材料制成，然而，其材料阻值随着周围环境温度的升高会成非线性变化，在相同加热器电流下，所述加热器消耗的功率会发生变化，从而影响温度的控制精度。由于串温度级控制系统的第二温度控制单元的快速、及时的调节作用，具有一定的自适应性，在一定程度上可以补偿材料阻值非线性变化对基底温度动态特性的影响。相应地，本发明还提供了一种控制化学气相沉积腔室内的基底加热的方法，所述化学气相沉积腔室内设置有位于腔室内的加热器、位于所述加热器附近且与所述加热器相间隔的用于承载基底的托盘，用于承载基底的托盘表面的温度与基底的温度相同。参考图6，示出了本发明控制化学气相沉积腔室内的基底加热的方法一实施方式的流程图。所述方法大致包括以下步骤步骤Sl，设置温度设定值；步骤S2，测量承载基底的托盘表面的第一实际温度；步骤S3，基于所述温度设定值与所述第一实际温度的区别，形成第一控制信号；步骤S4，将所述第一控制信号转换为中间温度设定值；步骤S5，测量所述托盘表面和加热器之间区域的第二实际温度；步骤S6，基于所述中间温度设定值与所述第二实际温度的区别，形成第二控制信号；步骤S7，基于所述第二控制信号控制加热器进行加热。本发明通过串级控制的方法实现温度控制，可以获得稳定的基底温度。优选地，使所述第二实际温度比所述第一实际温度先到达稳态，这样，可以通过较快到达稳态的第二实际温度快速补偿温度变化，从而使第一实际温度更加稳定，也就是说，可以使基底温度更加稳定。下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。执行步骤Si，设置温度设定值。对于MOCVD反应器而言，通常基底温度为500°C 1200°C。例如，设置温度设定值为500°C .执行步骤S2，可以通过基于多波长的光学式温度测量仪测量承载基底的托盘表面的第一实际温度，从而获得精确的所述托盘表面的温度值。执行步骤S3，基于所述温度设定值与所述第一实际温度的区别，形成第一控制信号。具体地，包括以下分步骤计算温度设定值与所述第一实际温度的第一差值；基于线性关系，形成与所述第一差值相对应的第一控制信号。需要说明的是，在其他实施例中，所述第一差值还可以与所述第一控制信号成非线性关系，那么所述形成第一控制信号的步骤包括基于所述非线性关系，形成与所述第一差值相对应的第一控制信号。本实施例中，所述第一控制信号与所述第一差值具有线性关系，简化了第一控制信号的形成步骤，提高了响应速度。执行步骤S4，将所述第一控制信号转换为中间温度设定值的步骤中，具体地，可以基于线性关系，将所述第一控制信号转换为与其对应的中间温度设定值，以简化转换方法， 提高响应速度。需要说明的是，在其他实施例中，所述第一控制信号还可以与所述中间温度设定值成非线性关系，信号转换时，基于所述非线性关系，将所述第一控制信号转换为与其对应的中间温度设定值。执行步骤S5，可以通过热电偶测量托盘表面和加热器之间区域的第二实际温度。执行步骤S6，形成第二控制信号的步骤包括以下分步骤计算所述中间温度设定值与所述第二实际温度的第二差值；基于线性关系，形成与所述第二差值相对应的第二控制信号。本实施例中，所述第二控制信号与所述第二差值具有线性关系，可以简化第二控制信号的形成步骤，提高响应速度。需要说明的是，在其他实施例中，所述第二差值还可以与所述第二控制信号成非线性关系，那么所述形成第二控制信号的步骤中，基于所述非线性关系，形成与所述第二差值相对应的第二控制信号。执行步骤S7,本实施例中，通过控制加热器电流来控制加热器的功率，具体地，基于第二控制信号控制加热器进行加热的步骤包括以下分步骤将所述第二控制信号转换为加热器电流；向所述加热器输入所述加热器电流。需要说明的是，在步骤S7中，所述第二控制信号与所述加热器电流也为线性关系，可以简化转化步骤。本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
权利要求
1.一种控制化学气相沉积腔室内的基底加热的装置，其特征在于，包括 位于腔室内的加热器；位于腔室内所述加热器附近且与所述加热器相间隔开的托盘，用于承载基底； 第一温度控制单元，与承载基底的托盘表面耦接，用于测量该托盘表面温度，基于设定温度和所述托盘表面温度输出第一控制信号；第二温度控制单元，与所述第一温度控制单元相连，用于测量托盘和加热器之间区域的中间温度，还用于根据所述第一控制信号和所述中间温度输出第二控制信号；所述加热器，与所述第二温度控制单元耦接，用于根据所述第二控制信号进行加热。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二温度控制单元的时间常数小于所述第一温度控制单元的时间常数。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一温度控制单元的时间常数与所述第二温度控制单元的时间常数的比值在1 25的范围内。
4.如权利要求1或2或3所述的装置，其特征在于，所述第一温度控制单元包括第一温度测量器、第一温度设定器、第一温度控制器和信号转换器，其中，所述第一温度测量器，与所述第一温度控制器的第一输入端相连，用于测量该托盘表面的第一实际温度，并将所述第一实际温度发送至第一温度控制器；所述第一温度设定器，与所述第一温度控制器的第二输入端相连，用于向所述第一温度控制器提供温度设定值；所述第一温度控制器，用于比较所述第一实际温度和所述温度设定值，基于所述第一实际温度和所述温度设定值的差异输出第一控制信号；所述信号转换器，与所述第一温度控制器的输出端相连，用于接收所述第一控制信号， 将所述第一控制信号转换为中间设定温度，并将所述中间设定温度发送至第二温度控制单兀。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述信号转换器设置有所述第一控制信号与所述中间设定温度的线性关系或非线性关系，所述信号转换器用于接收所述第一控制信号，将所述第一控制信号转换为与其对应的中间设定温度，并将所述中间设定温度发送至第二温度控制单元。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第二温度控制单元包括第二温度测量器和第二温度控制器，其中， 所述第二温度测量器，位于所述托盘和加热器之间且与所述第二温度控制器相连，用于测量所述托盘和加热器之间一测量点的第二实际温度，并将所述第二实际温度发送至第二温度控制器；所述第二温度控制器，与所述信号转换器相连，用于比较所述第二实际温度和所述中间设定温度，基于所述第二实际温度和所述中间设定温度的差异输出第二控制信号。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括与所述第二温度控制器和所述加热器相连的驱动电源，所述驱动电源用于接收所述第二控制信号，并基于所述第二控制信号提供加热器电流，并将所述加热器电流输入至加热器。
8.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一温度测量器为基于多波长的光学式温度测量仪。
9.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一温度控制器为PI模式或PID模式的温度控制器。
10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二温度测量器为热电偶。
11.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二温度测量器位于托盘和加热器之间更靠近加热器的位置处。
12.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二温度测量器与所述加热器的热辐射面在同一平面内。
13.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述腔室底部还设置有用于排气的排气口，所述第二温度测量器位于靠近所述排气口的位置处。
14.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二温度控制器为P模式的温度控制ο
15.一种控制化学气相沉积腔室内的基底加热的方法，其特征在于，所述化学气相沉积腔室内设置有加热器、位于所述加热器附近且与所述加热器相间隔开的用于承载基底的托盘，所述方法包括以下步骤设置温度设定值；测量承载基底的托盘表面的第一实际温度；基于所述温度设定值与所述第一实际温度的区别，形成第一控制信号；将所述第一控制信号转换为中间温度设定值；测量所述托盘表面和加热器之间区域的第二实际温度；基于所述中间温度设定值与所述第二实际温度的区别，形成第二控制信号；基于所述第二控制信号控制加热器进行加热。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，使所述第二实际温度比所述第一实际温度先到达稳态。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述测量承载基底的托盘表面的第一实际温度的步骤包括通过基于多波长的光学式温度测量仪测量所述托盘表面的第一实际温度。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述形成第一控制信号的步骤包括计算温度设定值与所述第一实际温度的第一差值；基于线性关系或非线性关系，形成与所述第一差值相对应的第一控制信号。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述将所述第一控制信号转换为中间温度设定值的步骤包括基于线性关系或非线性关系，将所述第一控制信号转换为与其对应的中间温度设定值。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述形成第二控制信号的步骤包括计算所述中间温度设定值与所述第二实际温度的第二差值；基于线性关系或非线性关系，形成与所述第二差值相对应的第二控制信号。
21.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述基于第二控制信号控制加热器进行加热的步骤包括将所述第二控制信号转换为加热器电流；CN 102534567 A向所述加热器输入所述加热器电流。
全文摘要
一种控制化学气相沉积腔室内的基底加热的装置及方法，尤其适用于MOCVD反应室。装置包括位于腔室内的加热器；位于腔室内加热器附近且与加热器相间隔开的托盘，用于承载基底；第一温度控制单元，与承载基底的托盘表面耦接，用于测量该托盘表面温度，基于设定温度和托盘表面温度输出第一控制信号；第二温度控制单元，与第一温度控制单元相连，用于测量托盘和加热器之间区域的中间温度，还用于根据第一控制信号和中间温度输出第二控制信号；加热器，与第二温度控制单元耦接，用于根据第二控制信号进行加热。相应地，本发明还提供一种控制化学气相沉积腔室内的基底加热的方法。本发明可以获得稳定的基底温度。
文档编号C23C16/46GK102534567SQ201210077039
公开日2012年7月4日 申请日期2012年3月21日 优先权日2012年3月21日
发明者刘英斌, 李天笑, 田保峡, 郭泉泳 申请人:中微半导体设备(上海)有限公司