DE68916447T2 - Vorrichtung für die Determination der Temperatur von Wafern oder Dünnschichten. - Google Patents

Description

• EP-O 329 447
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Temperaturerfassung und das Durchführen von Prozeßsteuerungsverfahren. Insbesondere ist die Erfindung für eine genaue Messung so wie für eine Regelung der Temperatur eines Halbleiterkristalls anwendbar und ist insbesondere in Verfahrensschritten nützlich, bei denen ein Kontakt mit der kristallinen Oberfläche vermieden werden muß. Ein Anwendungsbeispiel der Erfindung enthält die Behandlung von dünnen GaAs- Schichten oder -Scheiben, vor dem Aufwachsen von Epitaxieschichten, wobei die Temperatur genau bekannt sein und/oder gesteuert werden muß und kein physischer Kontakt mit der Scheibenoberfläche toleriert werden kann.
• Bei der Verarbeitung von Halbleitern wie GaAs gibt es Schwierigkeiten beim Messen der Temperatur von Scheiben oder dünnen Schichten, insbesondere in Anwendungen, bei denen die Temperatur genau bekannt sein muß und keine physischen Kontakte mit der Scheibe (oder der dünnen Schicht) erlaubt sind. Zwei Beispiele für Verfahren, bei denen diese Probleme vorkommen, sind "Heißreinigen" von Scheiben vor dem Aufwachsen nachfolgender Schichten auf ihnen durch Molekularstrahlepitaxie und Voraktivierungs-"Heißreinigen" von Photokathoden. Das letztere stellt eine besondere Anwendung der Erfindung dar.
• Eine Vorrichtung, die in einem Versuch, diese Schwierigkeiten zu überwinden, verwendet wurde, ist das Pyrometer, das die Strahlung des schwarzen Körpers (oder "grauen Körpers") der Probe nutzt, um ihre Temperatur zu messen. Dieses Verfahren ist jedoch nur dann zulässig, wenn die Wellenlänge der verwendeten Strahlung so ist, daß ihr kennzeichnender Absorptionskoeffizient sehr groß im Vergleich zum Kehrwert der Dicke der Scheibe oder der dünnen Schicht ist. Das ist bei Scheiben oder dünnen Schichten aus Halbleitern wie GaAs selten der Fall, weil das langwellige Licht (λ > 1000 nm), das in der Pyrometrie verwendet wird, kaum (wenn überhaupt) durch den Halbleiter, dessen Bandabstandsenergie über die Energie des Lichtes hinausgeht, absorbiert wird. Nur bei dicken Scheiben, die eine Temperatur weit über der Raumtemperatur aufweisen, kann das pyrometrische Verfahren angewendet werden, wobei in diesen Fällen Wellenlängen von ungefähr 900 Nm verwendet werden.
• Wenn deshalb Pyrometer in Applikationen für GaAs oder für Halbleiter mit vergleichbaren Bandabständen verwendet werden, überwachen sie an stelle der tatsächlichen Temperatur des Halbleitermaterials fast immer die Temperatur des Körpers, auf dem die Halbleiterscheibe liegt. Im Falle der Photokathode, die mit einer Planscheibe aus Glas verbunden ist, absorbiert das Pyrometer (unter Verwendung einer Strahlung über 900 Nm) die Strahlung, die durch die Planscheibe aus Glas emittiert wird. Die Kathode selbst, die für eine solche Strahlung vollkommen transparent ist, wird vom Pyrometer überhaupt nicht "gesehen", und darüber hinaus bringt die Kathodenschicht durch ihr Wirken als ein Dünnfilminterferenzfilter eine zusätzliche Komplikation hinein. Diese letztere Wirkung verursacht eine fehlerhafte pyrometrische Temperaturmessung der Planscheibe aus Glas selbst, abhängig von den Dicken der Kathodenschichten. Je dünner die Kathodenschicht ist, um so empfindlicher wirkt die Pyrometermessung auf kleine Variationen in der Schichtdicke.
• Für den Zweck der Temperaturerfassung eines Körpers oder Mediums ist aus der Europäischen Patentanmeldung EP-A-0248 111 bereits bekannt, einen optischen Temperaturmeßfühler bereitzustellen, der einen Halbleiterkörper enthält, der eine Bandabstandsenergie aufweist, die wegen der Absorptionskante des Halbleiters als Funktion der Temperatur variiert. Der Halbleiterkörper wird so angeordnet, daß er einer Strahlungsenergie einer Strahlungsenergiequelle ausgesetzt wird, wobei das Wellenlängenspektrum der Strahlungsenergieabgabe von dem Körper spektroskopisch erfaßt wird, um die Temperatur des Halbleiterkörpers zu bestimmen. Der Halbleiterkörper bildet jedoch einen permanenten integralen Bestandteil des Temperaturmeßfühlers zur Messung der Temperaturen externer Körper oder Medien, und die Strahlungsenergie wird von und zum Körper durch optische Lichtleiter (z.B. optische Fasern) übertragen, die in physisch berührendem Kontakt mit dem Halbleiterkörper sind. Solch ein Temperaturmeßfühler ist jedoch zum Gebrauch in Prozeßsteuerungsverfahren für die vorher erwähnten Halbleiter ungeeignet, in welchen ein physischer Kontakt mit der kristallinen Oberfläche oder den Scheiben oder den Schichten des Halbleiters zu vermeiden ist, um eine Kontamination von ihnen zu verhindern.
• Die vorliegende Erfindung basiert auf der monotonen Anderung im optischen Absorptionskoeffizienten als Funktion der Temperatur. Die Verengung des Bandabstandes der Halbleiter (das ist der direkte optische Bandabstand im Falle des GaAs) mit zunehmender Temperatur ist das steuernde Phänomen in einem besonderen Beispiel, auf das die hier beschriebene Erfindung angewendet wird. Da der Absorptionskoeffizient für Licht eines engen Spektralbereichs, dessen Photonenenergie ein wenig höher als die Bandabstandsenergie ist, von dem Abstand zwischen diesen beiden Energien abhängt (z.B. die Photonenenergie und die Bandabstandsenergie: siehe Gleichung 2), folgt daraus, daß der Absorptionskoeffizient von der Temperatur der GaAs-Scheibe oder der dünnen Schicht abhängen wird. Die Energie des engen Spektralbereichs, der in dieser Art und Weise angewandt wird, muß so sein, daß sie für alle interessierenden Temperaturen oberhalb der Bandkante bleibt (wenn bei irgendeiner Temperatur der Bandabstand größer ist als die spektrale Energie, dann wird das Licht unabsorbiert transmittiert und wird folglich aufhören, ein Maß für die Temperatur zu sein).
• Natürlich ist diese Erfindung auf alle Materialien anwendbar, deren optischer Absorptionskoeffizient eine monotone Funktion der Temperatur ist. Sie ist insbesondere anwendbar auf alle Halbleiter und wird durch die Auswahl enger optischer Spektralbereiche, die sehr nahe den jeweiligen Bandabständen sind, verstärkt. Der zugrundeliegende Mechanismus ist der gleiche wie im einzelnen in dieser Beschreibung der Erfindung - angewandt auf GaAs - geschildert; die Absorption optischer Strahlung nahe dem Bandabstand (und das Überschreiten der Energie des letzteren um einen kleinen Betrag) ist eine Funktion des Bandabstandes. Da in allen Halbleitern der Bandabstand eine Funktion der Temperatur ist, ist die Erfindung auf alle Halbleiter anwendbar. Weiterhin ist sie auf Halbleiter anwendbar, bei denen der Bandabstand entweder direkt oder indirekt ist.
• Die vorliegende Erfindung versucht, die genaue Temperatur der dünnen Halbleiterschicht oder der -scheibe, ohne sie physisch zu kontaktieren, zu bestimmen.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Temperaturerfassung bereitgestellt, die ein Materialstück, das eine Bandabstandsenergie, die sich als eine Funktion der Temperatur ändert, umfaßt, und die weiterhin eine Quelle optischer Energie zum Erzeugen optischer Energie zum Hindurchschicken durch das Stück und eine Detektionseinrichtung für das Messen der von dem Stück emittierten Energie umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß beim Gebrauch der Vorrichtung das Materialstück, das eine Bandabstandsenergie aufweist, ein Werkstück bildet, dessen Temperatur zu bestimmen ist, daß die Quelle der optischen Energie eine erste spektrale Komponente mit einer Photonenenergie aufweist, die ein wenig größer ist als die Bandabstandsenergie bei einer gegebenen Werkstücktemperatur, daß eine Einrichtung zur Auswahl eines schmalbandigen Spektral-bereichs vorgesehen ist, der die erste spektrale Komponente umfasst, daß die Detektionseinrichtung zum Messen der ersten spektralen Komponente der optischen Energie der Quelle dient, daß die Vorrichtung zum Positionieren des Werkstücks zwischen der Quelle und der Detektionseinrichtung geeignet ist, wodurch optische Energie durch das Werkstück gelangt, bevor die Messung der ersten spektralen Komponente der optischen Energie mittels der Detektionseinrichtung erfolgt, ohne daß ein physischer Kontakt mit irgendeiner die optische Energie transmittierenden Festkörpereinrichtung hergestellt wird, und daß eine Verarbeitungseinrichtung vorgesehen ist für das Empfangen eines Signals von der Detektionseinrichtung und für die Erzeugung eines Ausgangssignals, das die Temperatur des Werkstücks als eine Funktion des Energieniveaus der optischen Energie, die durch das Werkstück absorbiert wird, anzeigt, wenn die Vorrichtung in Gebrauch ist.
• Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Vorrichtung zur Temperaturerfassung zur Verfügung, die ein Stück eines Materials, das eine Bandabstandsenergie aufweist, die als eine Funktion der Temperatur variiert, umfaßt und die weiterhin eine Quelle optischer Energie zum Erzeugen optischer Energie zum Hindurchschicken durch das Stück und eine Detektionseinrichtung für das Messen der von dem Stück emittierten Energie umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Bandabstandsmaterial des Stücks eine erste Bandabstandsenergie bei einer interessierenden Temperatur aufweist, daß das Stück ein Werkstück der Vorrichtung, während sie in Gebrauch ist, bildet, daß die Quelle der optischen Energie eine erste spektrale Komponente einschließt, die eine Photonenenergie ein wenig größer als die erste Bandabstandsenergie aufweist, daß eine Einrichtung zur Auswahl eines schmalbandigen Spektralbereichs vorgesehen ist, der die erste spektrale Komponente umfaßt, daß die Detektionseinrichtung einen optischen Probendetektor für das Messen der Amplitude der ersten spektralen Komponente der optischen Energie und für das Erzeugen eines ersten für die gemessene Amplitude der ersten spektralen Komponente repräsentativen Signals umfaßt, daß die Vorrichtung zum Positionieren des Werkstücks aus Bandabstandsmaterial zwischen der Quelle der optischen Energie und dem optischen Probendetektor geeignet ist, ohne daß ein physischer Kontakt zwischen dem Werkstück und einem optischen Übertragungselement hergestellt wird, um die erste spektrale Komponente der optischen Energie durch das Werkstück aus Bandabstandsmaterial hindurchschicken und zum optischen Probendetektor übertragen zu lassen, daß eine Einrichtung zum Heizen des Bandabstandsmaterials vorgesehen ist, daß ein optischer Referenzdetektor für das Messen der ersten spektralen Komponente der optischen Energie und für das Erzeugen eines zweiten für die gemessene Amplitude der ersten spektralen Komponente repräsentativen Signals vorgesehen ist und daß eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des ersten und des zweiten für die gemessene Amplitude der ersten spektralen Komponente repräsentativen Signals und zur Erzeugung eines für die Temperatur des Werkstücks aus Bandabstandsmaterial repräsentativen Signals, das auf dem Vergleich basiert, vorgesehen ist.
• Die Erfindung basiert auf der Messung der optischen Transmission unter Verwendung einer geeignet ausgewählten schmalbandigen Spektralkomponente, welche einer mäßig schwachen Absorption unterliegt, wenn sie durch den Halbleiter hindurch-gelangt. Diese optische Transmission hängt von dem Bandabstand des Halbleitermaterials ab. Der Bandabstand ist seinerseits eine Funktion der Temperatur der Halbleiterschicht, innerhalb der die Absorption stattfindet. Folglich hängt die optische Transmission von der Temperatur der Schicht auf der Scheibe ab.
• Die vorliegende Erfindung stellt nicht nur eine Vorrichtung zur genauen Bestimmung der Temperatur zur Verfügung, sondern kann eine elektrische Rückkopplungsanordnung einschließen, um die Temperatur durch Anpassen der Leistung der Heizeinrichtung zu steuern. Im allgemeinen kann eine unabhängige und konstante Lichtquelle, deren Absorption in der Scheibe oder in der Schicht verwendet wird, um die Temperatur der letzteren zu überwachen, vorgesehen ist, und unter Verwendung eines geschlossenen Regelkreises zum Regeln der getrennten Heizeinrichtung wird die obige Temperatur auf irgendeinem gewünschten Wert oder irgendwelchen gewünschten Werten gehalten.
• In der besonderen Anwendung der Erfindung beim "Heißreinigen" einer Scheibe kann die Heizeinrichtung eine weißglühende Projektionslampe sein, die weißes Licht, das die Scheibe aufheizt, indem es teilweise in ihr absorbiert wird, emittiert. Die Vorrichtung dieser Erfindung selektiert dann einen sehr engen Spektralbereich des weißen Lichtes von der Projektionslampe und mißt dessen Absorption durch die Scheibe. Mit anderen Worten, das Aufheizen der Scheibe und das Licht, dessen Absorption zum Erfassen der Temperatur gemessen wird, werden beide von der gleiche Quelle (der Lampe) geliefert.
• Da sich die Intensität der Lampe während des "Heißreinigungs"-Prozesses ändert, enthält die Anwendung der Erfindung einen kontinuierlichen Vergleich der Intensitäten der Lichtkomponente, die durch die Scheibe transmittiert wird, mit der, die durch die Lampe emittiert wird. Dieses "Normierungs"-Verfahren ermöglicht, solche Änderungen in der Transmission durch die Scheibe, welche eine Folge der Temperaturänderung der letztem sind, von Änderungen, die eine Folge der Variationen der Intensität des von der Lampe emittierten Lichtes sind, zu trennen.
• Mittels der vorliegenden Erfindung werden die vorerwähnten Nachteile der existierenden pyrometrischen Verfahren, durch Bereitstellen einer optischen Strahlungsquelle, die eine gewünschte spektrale Komponente aufweist und durch Ausrichten dieser optischen Strahlung auf eine Schicht aus Material, das einen Bandabstand aufweist, der als eine Funktion der Temperatur variiert, vermieden. Die optische Strahlung, die durch eine Schicht aus Halbleitermaterial transmittiert wird, wird gemessen und analysiert, um die optische Absorption, die eingetreten ist, zu bestimmen. Infolge der Beziehung zwischen direktem Bandabstand und optischer Absorption erzeugt die Analyse der transmittierten optischen Strahlung eine Anzeige des direkten Bandabstandes des Materials, welcher seinerseits ein Maß der Materialtemperatur ist.
• Eine Temperaturbestimmung an Ort und Stelle für eine Halbleiterscheibe oder -schicht kann erreicht werden, während sich die Scheibe in einer Heizkammer befindet, obgleich die Vorrichtung zur Temperaturerfassung außerhalb der Heizkammer gehalten wird. Natürlich kann sich die Vorrichtung zur Temperaturerfassung genauso gut vollständig oder teilweise innerhalb der Kammer befinden, wenn sie widerstandstähig gegenüber den Verfahrenstemperaturen ist. Eine Lichtquelle kann vorgesehen werden, die gleichzeitig als eine Heizquelle dienen kann und die Licht emittiert, das Licht innerhalb eines Spektralbereichs enthält, der eine Photonenenergie aufweist, die etwas höher ist als die Bandabstandsenergie des Halbleiters. Da der Absorptionskoeffizient für diesen Spektralbereich von dem Abstand zwischen der Photonenenergie und der Bandabstandsenergie abhängt, ist es möglich, durch Prüfen der Absorption durch die GaAs-Scheibe in dem interessierenden Spektralbereich Information abzuleiten, die den Bandabstand betrifft. Zusätzlich wird der direkte Bandabstand des GaAs enger, wenn die Temperatur steigt. Infolgedessen kann eine Information, die die Temperatur der GaAs-Scheibe betrifft, von der Absorption des identifizierten Spektralbereichs abgeleitet werden.
• Um die Erflndung und ihre unterschiedlichen anderen bevorzugten Merkmale leichter verständlich zu machen, wird nun lediglich als Beispiel eine Ausführungsform der Erflndung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
• Fig. 1 eine Stützstruktur darstellt, die eine Schicht aus GaAs, die zur Temperaturerfassung gemäß der Erfindung geeignet ist, aufweist,
• Fig. 2 eine Skizze ist, die den direkten Bandabstand und die optische Transmission von GaAs als Funktion der Temperatur zeigt,
• Fig. 3 eine Kalibrierungseinrichtung für die Erfindung darstellt,
• Fig. 4 eine Skizze ist, die eine normierte optische Transmission während der Kalibrierung zeigt,
• Fig.5 eine Einrichtung zur Erfassung der Probentemperatur beim Durchführen der Erfindung darstellt,
• Fig. 6 eine Skizze ist, die eine normierte optische Transmission gemäß der Erfindung und die Temperatur der GaAs-Schicht während eines "typischen" Heißreinigungslaufs zeigt,
• Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Prototyps der Erfindung ist,
• Fig. 8 eine schematische Darstellung einer anderen Art der Praktizierung der Erfindung ist,
• Fig. 9 eine Skizze ist, die die optische Transmission mehrerer Wellenlängen als Funktion der Temperatur einer GaAs-Schicht zeigt (wobei die Messungen wie in Fig. 3 durchgeführt sind).
• Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer Schicht 101 aus GaAs, deren Temperatur gemäß der Erfindung direkt bestimmt werden kann. Die GaAs-Schicht 101 befindet sich auf der Oberfläche einer GaA1As-Schicht 103, die über eine dünne dielektrische Beschichtung 105 mit einer Planscheibe aus Glas 107 verbunden ist. Zu beachten ist, daß die "Fenster"-Schicht 103 aus GaAlAs mit einem viel breiteren Bandabstand als die aktive GaAs-Schicht 101 ausgestattet ist. Die Materialeigenschaft, auf der diese Erfindung basiert, ist die Abhängigkeit des Bandabstandes von der Temperatur und die Abhängigkeit des optischen Absorptionskoeffizienten des Lichts einer gegebenen Energie von der Differenz der letzteren und der Bandabstandsenergie (welche kleiner sein muß, als die Lichtenergie). Diese Eigenschaft wird beispielsweise in GaAs, anderen III-V Verbindungen und anderen Halbleitermaterialien wie Silizium, CdS oder HgCdTe gefünden. Es ist sowohl für direkte als auch für indirekte Bandabstände anwendbar, obgleich es leichter mit den ersteren auszuwerten ist. Die obigen Beziehungen können in folgender Weise ausgedrückt werden:
• 1.Eg = Eg(T)
• 2. α(h) = α(hν-Eg), wobei hν ≥ Eg ist,
• folglich ist 3.α = α(T).
• Beziehung Nr. 1 drückt aus, daß die Bandabstandsenergie Eg des Halbleiters eine Funktion der Temperatur T ist. Beziehung Nr. 2 drückt aus, daß der Absorptionskoeffizient α für Licht der Energie hν (wobei h das Planck'sche Wirkungsquantum und ν die Frequenz ist) eine Funktion der Differenz zwischen dieser Energie und der Bandabstandsenergie Eg ist. Beziehung Nr. 3 drückt aus, daß als Ergebnis des Obigen der Absorptionskoeffizient eine Funktion der Temperatur ist.
• Eine bildhafte Erläuterung des Obigen ist in Fig. 2 zu sehen. Der obere Teil der Fig. 2 zeigt die Änderung im direkten Bandabstand eines Halbleiters als eine Funktion der Temperatur (das Beispiel ist ein Halbleiter wie GaAs, dessen direkter Bandabstand abnimmt, wenn die Temperatur zunimmt). Es ist bemerkenswert, daß die Bandabstände aller Halbleiter, gleichgültig ob solche Bandabstände direkt oder indirekt sind, Funktionen der Temperatur sind. In den meisten Halbleitern verengen sich die Bandabstände bei zunehmender Temperatur, wobei die Werte von dEg/dT von -14x10&supmin;&sup4; eV/ºC in Selen bis -0,3x10&supmin;&sup4; eV/ºC in Tellur reichen und sich die Werte der III-V-Verbindungshalbleiter zwischen -3x10&supmin;&sup4; eV/ºC und -4x10&supmin;&sup4; eV/ºC zusammenballen. In einigen wenigen Halbleitern, bemerkenswerterweise in IV-VI-Verbindungen, erweitern sich die Bandabstände mit zunehmender Temperatur mit Werten nahe +4x10&supmin;&sup4; eV/ºC. Ein Beispiel einer völlig unterschiedlichen Materialklasse, auf die diese Erfindung anwendbar ist, ist eine kolloidale Suspension aus kleinen Teilchen in einer Matrix eines anderen Materials, um so mehr, wenn diese Matrix amorph, gelartig oder eine Flüssigkeit ist ("Christiansen Filter"). In solchen Fällen ist die Absorption in einem ausgewählten Spektralbereich eine strenge Funktion der Temperatur, was die vorliegende Erfindung als Mittel sowohl zum Messen als auch zum Steuern der Temperatur besonders anwendbar macht. Der untere Teil der Figur zeigt die zugehörige Verschiebung in der optischen Transmissionskurve.
• Der Gegenstand der Erfindung mißt die optische Transmission bei einer gewählten Wellenlänge durch die Probe, deren Temperatur zu bestimmen ist, und basiert auf der Temperaturabhängigkeit des optischen Absorptionskoeffizienten.
• Die optische Transmission einer ausgewählten Wellenlänge durch eine gegebene Probe hängt nicht nur von ihrem Absorptionskoeffizienten und der Dicke der Probe ab, sondern auch von deren Reflexionseigenschaften an den unterschiedlichen Übergangsflächen, von dem Dotierungsniveau und von möglichen Spannungen. Die Wirkungen dieser anderen Faktoren auf die optische Transmission durch eine Probe sind fast unabhängig von der Temperatur.
• Die Art der Kalibrierung der Transmissionsmeßeinrichtung wird in Fig. 3 demonstriert. Eine parallel ausgerichtete Lichtquelle von einer Lampe 301 wird von einem Zerhacker 303 zerhackt und dann von einem Strahlteiler 305 aufgeteilt in einen "Referenz"-Kanal 311 und einen "Signal"- Kanal 313, welcher durch eine Musterprobe 307 in einem Quarzrohr 315 hindurchgeht. Zwei Filter 302a, 302b in jedem Kanal sind schmalbandige Bandpaßfilter, welche die Zwei Filter 302a, 302b in jedem Kanal sind schmalbandige Bandpaßfilter, welche die Betriebslichtenergie (Wellenlänge) auswählen. Ein synchronisierter Verstärker 3 04b überwacht das Probensignal über den Probendetektor 308b, und ein synchronisierter Verstärker 304a liest das Referenzsignal, das vom Referenzdetektor 308a empfangen wird. Das Signal S durch die Kathode und das Signal R durch die Referenz werden ständig miteinander verglichen. Die Transmission ist dann einfach das Verhältnis von S zu R. Die Ofentemperatur wird über das Thermoelement 306 überwacht. Die Probe liegt auf einer Temperatur in der Ofenhülle 317, die durch das Thermoelement angezeigt wird. Eine typische Kalibrierungskurve wird in Fig. 4 gezeigt, wobei die Transmission bei Raumtemperatur auf 1 gesetzt wurde. Das Schema, das in Fig. 3 gezeigt wird, enthält eine allgemeine Näherung, um die Probentemperatur mittels des Transmissionsverfahrens zu messen, was die Kurve der Fig. 4 ergibt.
• Wie vorher erwähnt, ist eine besondere Anwendung dieser Vorrichtung, die Temperatur einer GaAs-Schicht auf einer Photokathode während der "Heißreinigung" oder die Temperatur einer Scheibe (wie aus GaAs) während der "Heißreinigung" vor dem Aufwachsen einer Epitaxieschicht auf GaAs, beispielsweise durch das Molekularstrahlepitaxieverfahren, zu überwachen. In beiden Fällen kann vorzugsweise die Lichtquelle zum Messen der Transmission durch die Probe die gleiche sein, wie die, die für das Aufheizen der Probe verwendet wird. Folglich ist die sorgfältige Überwachung der Lichtquellenintensität, die sich während des "Heißreinigungs"-Zyklus ändert, wichtig.
• Der Gebrauch der Erfindung beim "Heißreinigen" einer Photokathodenprobe 503 wird in Fig. 5 gezeigt. Eine Lampe 504 und die Kathode 503 werden in einer Vakuumkammer 500 gezeigt. Mit der Kathode 503 außerhalb der Teststrecke in Position 501, werden ein Probenkanal 505 und der Referenzkanal 506 für Normierungszwecke verglichen. Jeder Kanal hat eine Fokuslinse 510, 511, ein schmalbandiges Durchlaßfilter 512, 513 von 0,05 um, einen Breitband- Silizium-PIN-Detektor 514, 515 und ein Strommeßgerät 516, 517. Der Referenzkanal 506 weist ein Neutraldichtefilter 518 vor seiner Fokuslinse 511 auf Die Kathode 503 wird dann in den Lichtpfad auf Position 502 bewegt, und ein "Raumtemperatur-Referenzsignal" wird gemessen, wobei die Heizlampe auf einer ausreichend niedrigen Intensität ist, so daß die Kathode während dieses Schrittes nicht aufgeheizt wird. Ms nächstes folgt der "Heißreinigungs"-Zyklus, während die Intensität der Lampe vergrößert wird.
• Die Signale der zwei Kanäle werden durch einen nicht gezeigten Computer über zwei Eingänge eines nicht gezeigten A/D-Wandlers bewertet, und sie werden ständig verglichen, um ein (auf konstanten optischen Fluß) normiertes Transmissionsprofil, das in ein Temperaturprofil gemäß der Kalibrierung nach Fig. 4 umgewandelt wird, bereitzustellen. Ein typischer "Heißreinigungs"-Prozeß, der in Übereinstimmung mit der Erfindung überwacht wird, wird in Fig. 6 gezeigt.
• Die Transmission nimmt wegen der Zunahme der Temperatur der aktiven Kathodenschicht mit fortschreitender Zeit ab. Die zugehörige Temperatur kann aus Fig. 4 abgeleitet und in die Software einbezogen werden, die verwendet wird, um die Kurven ähnlich denen, die in Fig. 6 gezeigt werden, zu liefern. Bei dieser Durchführung kann ein zeitabhängiges Temperaturprofil in die Software eingebracht werden, und die Transmission wird wie ein Thermometer wirken, welches die Temperatur in Realzeit liest und sie (in häufigen Intervallen) mit der obigen "eingegebenen" Temperatur vergleicht. In Fig. 6 sind als ein Beispiel zwei Zeitkurven zu sehen: die nominelle Temperatur der Planscheibe, die durch das IRCON gelesen wird, und die Kathodentemperatur, die durch die Transmission durch die Kathode angezeigt wird (in Fig.6 wurden die Transmissionswerte nicht in die Kathodentemperatur umgewandelt; dies würde durch Verwendung der Daten in Fig. 4 erfolgen).
• Es folgt eine Beschreibung des Computerprogramms zum Überwachen und zur Regelung der Temperatur der Heißreinigung.
• Die Software zum Steuern des Heißreinigungsprozesses ist in einer BASIC-Version, die für Messungs- und Steuerungszwecke entworfen worden ist, geschrieben. Das Programm verwendet die Multi-Task-Fähigkeit dieser Sprache zum Messen und Steuern des Prozesses und zum Herstellen einer Bildschirmwiedergabe, einer Datenspeicherung und eines Datenausdrucks.
• Mit der Kathode in der Position der Heißreinigung arbeitet die Lampe der Heißreinigung kurzzeitig bei niedriger Leistung. Während dieser Zeit werden Probenmessungen in einem engen Wellenlängenband des Lichtflusses durch die Kathode und des Lichtflusses von der Lampe durchgeführt. Von diesen Messungen bei "Raumtemperatur" wird das Normierungsverhältnis berechnet. Die folgenden Messungen der Transmission durch die Kathode werden durch diesen Zahlenwert geteilt, um die Transmission auf Raumtemperaturwert zu normieren.
• Nachdem das Normierungsverhältnis berechnet wurde, beginnt der Heißreinigungsprozeß. Der Computer tastet periodisch den Lichtfluß von der Lampe und durch die Kathode ab und berechnet die Transmission relativ zur Transmission bei Raumtemperatur. Dieser Wert wird verglichen mit einem Sollwert, der von einem festgesetzten Verlauf der Transmission über die Zeit bestimmt wird. Das Programm ist so strukturiert, daß es ohne weiteres Änderungen in der gewünschten Form und Komplexität dieser Kurve anpaßt. Unter Verwendung eines PID- (Proportional-Integral-Differential-) Algorithmus wird eine Korrektur der Lampenleistung berechnet, und eine entsprechende Steuerungsspannung wird an die Leistungsversorgung, die die Lampe steuert, gesendet. Diese Folge wird periodisch wiederholt bis der Heißreinigungsprozeß beendet ist. Ein Weg der Durchführung der Erfindung wird in Fig. 7 gezeigt, welche eine Anordnung gebraucht, bei der eine Spiegelreflexkamera, die eine Linse 711 aufweist, verwendet wird, um einen Lampendraht 713, der durch ein Kathode 715 in einer Vakuumkammer gesehen fokussieren.
• Eine vergrößerte Version der Erfindung wird in Fig. 8 dargestellt. Hier wird die Temperatur der Probe 91 durch das Messen der optischen Transmissionseigenschaften einer Gruppe von Wellenlängen (die alle optischen Energien ein wenig über dem Bandabstand entsprechen) überwacht. Die Quelle der optischen Strahlung ist eine Heißreinigungs-Glühlampe 90, die auf eine Mehrzahl von Schlitzen 92a, 92b ausgerichtet ist, die angeordnet sind, um das Licht im wesentlichen parallel auszurichten. Die Probe 91, die eine Schicht 901 eines Materials umfaßt, das einen direkten Bandabstand, der als Funktion der Temperatur variiert -in diesem Beispiel GaAs - aufweist, wird so plaziert, daß sie das Licht zwischen der Glühlampe 90 und den Schlitzen 92 schneidet. Deshalb hat das Licht, das durch die Schlitze 92 strahlt, bereits die Schicht 901 aus GaAs durchkreuzt. Ein Beugungsgitter 93, in diesem Beispiel ein holographisch gezeichnetes Gitter, wird in einem Winkel zu dem parallel ausgerichteten Lichtstrahl, der aus den Schlitzen 92 austritt, so angeordnet, daß das Licht als zerstreutes Strahlenbündel 94 auf einen optischen Detektor 95 gestreut wird, der in diesem Beispiel eine lineare Detektorzeile ist. Der niederfrequente Abschnitt 96 wird durch den optischen Detektor gemessen, dadurch wird eine Temperaturerfassung gemäß den Verfahren, die in Verbindung mit den vorhergehenden Beispielen beschrieben wurden, ermöglicht. Zusätzlich können Vorteile durch die Verwendung eines Detektors, der in der Lage ist, eine Mehrzahl von diskreten Wellenlängen optischer Energie zu isolieren, erhalten werden. Da die fünktionelle Abhängigkeit von α(hν - Eg) (siehe Gleichung 2) von der Größe (hν - Eg) abhängt (sie nähert sich asymptotisch der Form α = Konstante x (hν - Eg)1/2), optimiert eine derartige Anordnung die Empfindlichkeit des Verfahrens für unterschiedliche Temperaturbereiche und erhöht die Genauigkeit (welche von der Normierung bei Raumtemperatur abhängt).
• Einen Kalibrierungsverlauf bei vier Wellenlängen nahe der Bandkante zeigt Fig. 9.
• Dieses Verfahren und die Vorrichtung sind für die Temperaturmessung jeder Halbleiterscheibe oder dünnen Schicht anwendbar,bei welcher Bandabstand und folglich die Transmission temperaturabhängig sind.
• In einer mehrschichtigen Struktur ist dieses Verfahren gewöhnlich auf die Schicht mit dem kleinsten Bandabstand begrenzt.
• Das Verfahren erfordert eine Lichtquelle, die eine optische Komponente emittiert, welche nur teilweise in der Probe absorbiert wird. Das Verfahren ist insbesondere zum Überwachen der Temperatur, in der aufgezeigten Weise, in den Prozessen, in denen die optische Quelle als Wärmequelle wirkt, anwendbar.
• Das Verfahren überwacht und steuert nicht nur die Temperatur während des Teils der Aufheizung und der "Hochtemperatur-Durchwärmung" (bei einer vorgegebenen Temperatur) des Aufheizung und der "Hochtemperatur-Durchwärmung" (bei einer vorgegebenen Temperatur) des Zyklus (siehe Fig. 6), sondern es überwacht auch die Abkuhlungsrate der Probe und bestimmt auch, wann die Probe auf eine vorgegebene Temperatur abgekühlt ist.
• Es ist für jede und alle Anwendungen geeignet, wo physische Kontakte mit der Probe unerwünscht sind, außerdem kann es genauso gut in Situationen, in denen die Heizvorrichtung nicht optisch ist, angewandt werden.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Temperaturerfassung, die ein Materialstück umfaßt, das eine Bandabstandsenergie hat, die als eine Funktion der Temperatur variiert, und die weiterhin eine Quelle optischer Energie zum Erzeugen optischer Energie zum Hindurchschicken durch das Stück und eine Detektionseinrichtung für das Messen der von dem Stück emittierten Energie umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß beim Gebrauch der Vorrichtung das Materialstück, das eine Bandabstandsenergie aufweist, ein Werkstück (307, 503, 901) bildet, dessen Temperatur zu bestimmmen ist, daß die Quelle der optischen Energie (301, 504, 90) eine erste spektrale Komponente mit einer Photonenenergie aufweist, die ein wenig größer als die Bandabstandsenergie bei einer gegebenen Werkstücktemperatur ist, daß eine Einrichtung (302 b) zur Auswahl eines schmalbandigen Spektralbereichs vorgesehen ist, der die erste spektrale Komponente enthält, daß die Detektionseinrichtung (308b, 515, 95) zum Messen der ersten spektralen Komponente der optischen Energie der Quelle dient, daß die Vorrichtung zum Positionieren des Werkstücks zwischen der Quelle und der Detektionseinrichtung geeignet ist, wodurch optische Energie durch das Werkstück gelangt, bevor die Messung der ersten spektralen Komponente der optischen Energie mittels der Detektionseinrichtung erfolgt, ohne daß ein physischer Kontakt mit irgendeiner die optische Energie transmittierenden Festkörpereinrichtung hergestellt wird, und daß eine Verarbeitungseinrichtung für das Empfangen eines Signals von der Detektionseinrichtung und für das Herstellen eines Ausgangssignals vorgesehen ist, welche die Temperatur des Werkstücks, wenn die Vorrichtung in Gebrauch ist, als eine Funktion des Energiewertes der optischen Energie, die durch das Werkstück absorbiert wird, anzeigt.

2. Vorrichtung zur Temperaturerfassung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine zweite optische Detektionseinrichtung (308a) aufweist, die optische Energie von der Quelle mißt und zum Empfangen optischer Energie, die nicht durch das Werkstück gelangt ist, angeordnet ist, wobei die zweite optische Detektionseinrichtung (308a) ein Referenzsignal für die Verarbeitungseinrichtung erzeugt.

3. Vorrichtung zur Temperaturerfassung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein Werkstück enthält, das eine Schicht (101) aus GaAs umfaßt.

4. Vorrichtung zur Temperaturerfassung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schicht aus GaAs auf einem Substrat (107) befindet.

5. Vorrichtung zur Temperaturerfassung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine Glasschicht umfaßt.

6. Vorrichtung zur Temperaturerfassung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasschicht eine Planscheibe aus Glas ist.

7. Vorrichtung zur Temperaturerfassung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Schicht (103) aus GaAlAs zwischen der Schicht (1010) aus GaAs und der Planscheibe aus Glas (107) befindet.

8. Vorrichtung zur Temperaturerfassung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (101) aus GaAs sich direkt auf der Schicht (103) aus GaAlAs befindet und die GaAlAs- Schicht auf der Planscheibe (107) aus Glas angeordnet ist.

9. Vorrichtung zur Temperaturerfassung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle optischer Energie (504) eine Wärmequelle ist, die thermisch mit dem Werkstück gekopppelt ist.

10. Vorrichtung zur Temperaturerfassung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle (301, 504) eine weißglühende Lampe ist, die "weißes Licht" emittiert.

11. Vorrichtung zur Temperaturerfassung, die ein Materialstück umfaßt, das eine Bandabstandsenergie aufweist, die als eine Funktion der Temperatur variiert, und die weiterhin eine Quelle optischer Energie zum Erzeugen optischer Energie zum Hindurchschicken durch das Stück und eine Detektionseinrichtung für das Messen der von dem Stück emittierten Energie umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Bandabstandsmaterial des Stücks eine erste Bandabstandsenergie bei einer interessierenden Temperatur aufweist, daß das Stück ein Werkstück (307) der Vorrichtung, während sie in Gebrauch ist, bildet, daß die Quelle der optischen Energie (301) eine erste spektrale Komponente einschließt, die eine Photonenenergie ein wenig größer als die erste Bandabstandsenergie aufweist, daß eine Einrichtung (302b) zur Auswahl eines schmalbandigen Spektralbereichs vorgesehen ist, der die erste spektrale Komponente enthält, daß die Detektionseinrichtung einen optischen Probendetektor (308b) für das Messen der Amplitude der ersten spektralen Komponente der optischen Energie und für das Erzeugen eines ersten für die gemessene Amplitude der ersten spektralen Komponente repräsentativen Signals umfaßt, daß die Vorrichtung zum Positionieren des Bandabstandsmaterials des Werkstücks zwischen der Quelle der optischen Energie (301) und dem optischen Probendetektor (308b) geeignet ist, ohne daß ein physischer Kontakt zwischen dem Werkstück und einem optischen Übertragungselement hergestellt wird, um die erste spektrale Komponente der optischen Energie durch das Bandabstandsmaterial des Werkstücks hindurchschicken und zum optischen Probendetektor (308b) übertragen zu lassen, daß eine Einrichtung (301) zum Heizen des Bandabstandsmaterials vorgesehen ist, daß ein optischer Referenzdetektor (308a) für das Messen der ersten spektralen Komponente der optischen Energie und für das Erzeugen eines zweiten für die gemessene Amplitude der ersten spektralen Komponente repräsentativen Signals vorgesehen ist und daß eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des ersten und des zweiten für die gemessene Amplitude der ersten spektralen Komponente repräsentativen Signals und zur Erzeugung eines für die Temperatur des Bandabstandsmaterials des Werkstücks repräsentativen Signals, das auf dem Vergleich basiert, vorgesehen ist.

12. Vorrichtung zur Temperaturerfassung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Temperatur des Bandabstandsmaterials repräsentative Signal, das auf dem Vergleich basiert, als ein Rückkopplungseingangssignal für die Einrichtung (301) zum Heizen des Bandabstandsmaterials vorgesehen ist.

13. Vorrichtung zur Temperaturerfassung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Heizen des Bandabstandsmaterials die Quelle für die optische Energie (301) umfaßt.

14. Vorrichtung zur Temperaturerfassung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle der optischen Energie eine weißglühende Lampe (301) ist.