CN101802574A - 基板温度测量装置及基板温度测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基板温度测量装置及基板温度测量方法。该基板温度测量装置具有加热基板的加热源、使不能透过基板的波长区域的红外线透过的透射窗、和温度测量器；该温度测量器的灵敏度范围包含不能透过基板的波长区域，对从被加热源加热了的基板放射出且透过透射窗的红外线进行分析来测量基板的基板温度。

Description

基板温度测量装置及基板温度测量方法
技术领域
本发明涉及基板温度的测量技术，特别涉及利用从基板放射出的红外线的基板温度测量装置和基板温度测量方法。
背景技术
氧化锌(ZnO)系半导体的激子结合能大，室温下也能够稳定存在，并且能够释放出单色性优良的光子，因此，正在逐渐应用于作为照明、背光等的光源而使用的发光二极管(LED)、高速电子设备、或表面弹性波设备等。此处，“ZnO系”是指以ZnO为基体的混晶材料，包括以IIA族元素或IIB族元素置换部分Zn(锌)的材料、以VIB族元素置换部分O(氧)的材料、或是这双方组合而成的材料。
以前，在将ZnO系半导体用作p型半导体时，存在难以向ZnO系半导体进行受体掺杂，从而难以获得p型ZnO系半导体的问题。技术的进步使得能够获得p型ZnO系半导体，也确认了其发光性能(例如参照非专利文献1，2)。
通常，在半导体设备中，通过层积掺杂杂质的种类不同或掺杂量不同的薄膜或层积组分不同的多种薄膜等，来实现所希望的性能。在这种情况下，经常是薄膜的平坦性出现问题。这是由于如果薄膜的平坦性不好，载流子在薄膜中移动时的阻力变大，在薄膜的层积结构中，越是后面形成的薄膜其表面的粗糙(凹凸)也变得越严重。一旦表面凹凸大，就会出现不能保证薄膜蚀刻深度的均一性、表面的凹凸造成的各向异性的结晶面的生长等问题。其结果是，出现半导体设备无法实现所希望性能的问题。为此，希望薄膜的表面是平坦的。
另外，以前ZnO膜大多在蓝宝石基板上生长而成，但近年来ZnO结晶基板在市场上就能买到，在这样的ZnO基板上使ZnO系半导体膜生长的所谓同质生长(ホモ成長)成为可能。
非专利文献1：ツカザキ(A.Tsukazaki)、他著、「ジヤパニ一ズ·ジヤ一ナル·オブ·アプライド·フイジクス、第44巻(Japanese Journal ofApplied Physics vol.44)」，2005年，p.643
非专利文献2：ツカザキ(A.Tsukazaki)、他著、「ネイチヤ一·マテリアル、4号(Nature Material 4)」，2005年，p.42
为了在基板上使半导体膜表面平坦性良好地进行结晶生长，基板温度十分重要。通常，在被加热源加热到所希望温度的基板上生长ZnO系半导体膜时，利用红外线温度计等放射温度计测量从基板放射出的红外线，来确认基板温度是否为所希望的温度。
但是，在使用ZnO系基板、蓝宝石基板或氮化镓(GaN)基板等宽禁带材料基板的情况下，由于这些宽禁带材料在较宽的波长范围内是透明的，因此存在无法精度良好地测量基板温度的问题。在此，“透明”是指红外线等电磁波透过基板。即、在使用宽禁带材料基板的情况下，从加热基板的加热源或保持基板的固定器放射出的红外线透过基板而到达放射温度计，出现了无法精度良好地测量基板温度的问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明以提供能够高精度地测量基板温度的基板温度测量装置及基板温度测量方法为目的。
根据本发明的一个实施方式，提供一种基板温度测量装置，其具有：(a)加热基板的加热源；(b)使不能透过基板的波长区域内的红外线透过的透射窗；(c)灵敏度范围包括波长区域，分析从被加热源加热了的基板放射出且透过透射窗的红外线从而测量基板的基板温度的温度测量器。
根据本发明的另一实施方式，提供一种基板温度的测量方法，包括：(a)利用加热源加热基板，使从该基板放射出且不能透过基板的波长区域内的红外线通过透射窗入射到灵敏度范围包括波长区域的温度测量器的步骤；(b)利用温度测量器分析从基板放射出的红外线从而测量基板的基板温度的步骤。
根据本发明，能够提供可以高精度地测量基板温度的基板温度测量装置及基板温度测量方法。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的基板温度测量装置的结构示意图；
图2是表示利用本发明的实施方式的基板温度测量装置来测量基板温度的半导体装置一例的示意图；
图3是表示图2所示的半导体装置的表面状态一例的图；
图4是表示图2所示的半导体装置表面的算数平均粗糙度与基板温度之间关系一例的曲线图；
图5是用于说明粗糙度曲线的示意图；
图6是表示图2所示的半导体装置表面的均方根粗糙度与基板温度之间关系一例的曲线图；
图7是表示层积了半导体层的半导体装置的最上层的表面状态一例的图；
图8是表示半导体装置特性一例的曲线图，图8(a)为表示氮浓度的曲线图，图8(b)是表示基板温度与氮浓度之间关系的曲线图；
图9是表示半导体装置的氮浓度与生长温度之间关系一例的曲线图；
图10是表示加热源的加热器输入电压与基板温度之间关系一例的曲线图；
图11是表示红外线的波长与各种材料的透过率之间关系一例的曲线图；
图12是表示红外线的波长与各种材料的透过率之间关系的其他例的曲线图。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施方式。在以下的附图的记载中，对相同或类似的部分使用相同或类似的附图标记。以下所示的实施方式是用于具体体现本发明的技术思想的装置、方法的示例，本发明的技术思想并非将结构部件的材质、形状、结构、配置等限定为以下所述的内容。本发明的技术思想在权利要求的基础上能够加以各种变更。
本发明实施方式的基板温度测量装置，如图1所示，具有加热基板100的加热源10、使不能透过基板100的波长区域内的红外线透过的透射窗30、以及温度测量器40，该温度测量器40的灵敏度范围包括不能透过基板100的波长区域，对从被加热源10加热了的基板100放射出并透过透射窗30的红外线进行分析从而测量基板100的基板温度。金属膜110是用于高效地吸收加热源的放射红外线的部件，特别在希望成为高温的时候是有效的。在不需要使基板100成为高温时，也可以省略金属膜。本发明的实施方式的基板温度测量装置与具有腔室1的结晶生长装置组合使用。根据测量出的温度准确地进行温度控制，能够实现所希望的结晶生长。
图1所示的基板温度测量装置，在基板100的背面101上配置有金属膜110，还具有以使该背面101面对加热源10的方式安装该基板100的固定器20。固定器20能够采用例如不锈钢(SUS钢)、铬镍铁合金(インコネル)等。加热源10以及固定器20配置在腔室1内，从基板100放射出的红外线透过透射窗30入射到配置在腔室1的外部的温度测量器40。
加热源10能够采用红外线灯或在其放射光谱中包含波长700nm以上的光的红外线激光等。例如能够采用涂覆有碳化硅(SiC)的石墨加热器等。由于钨(W)等形成的金属系加热器在使ZnO系半导体等氧化物在基板100上结晶生长时会被氧化，因此不能用作加热源10，但是在使氧化物以外的膜生长时能够用作加热源10。
透射窗30具有将难以透过基板100的波长的红外线向制造装置外取出的功能。例如在基板100为ZnO系基板时，作为透射窗30可以采用透过波长8μm以上的红外线的材料。这是由于如后所述，ZnO系基板对于波长8μm以上的红外线的透过率低。具体地说，作为透射窗30的材料，能够采用例如氟化钡(BaF2)晶体等。
温度测量器40的能够测量的红外线的灵敏度范围被设定为包含不能透过基板100且能够透过透射窗30的红外线的波长区域。在此，“灵敏度范围”是指温度测量器40能够接收并进行分析的红外线的波长区域。例如当基板100为ZnO系基板时，使波长8μm以上、例如8μm～14μm的波长区域作为灵敏度范围。通过设定为测定长波长的电磁波，如下所示，温度测量器40直到低温都能够测量基板100的基板温度。即、根据普朗克黑体辐射定律，辐射的峰值波长λp与温度Ts之间的关系如下所示：
(a)Ts＝30℃时，λp＝9.56μm
(b)Ts＝100℃时，λp＝7.77μm
(c)Ts＝500℃时，λp＝3.75μm
(d)Ts＝1000℃时，λp＝2.27μm
即、温度越低辐射的峰值波长越短。因此，温度测量器40的灵敏度范围包含在低基板温度下从基板100放射出的辐射的峰值波长。另一方面，由于成为高温则脱离灵敏度范围，所以通常在基板温度超过500℃的情况下，安装例如遮蔽短波长侧红外线的滤波器等来校正温度，从而测量基板温度。
温度测量器40例如能够采用热成像仪。正如众所周知的那样，热成像仪是分析从物体放射出的红外线，并将热分布以图的方式表示而能够实现可视化的装置。当温度测量器40采用热成像仪时，温度测量器40分析从基板100放射出的红外线，测量由加热源10加热的基板100的热分布。
当作为温度测量器40而采用热成像仪时，优选为具有辐射热测定器型红外线检测器的热成像仪。这是由于，与具有使用需要冷却的量子型红外线检测器的红外线阵列传感器的情况相比，使用辐射热测定器型或热电型等热型红外线检测器的非冷却型红外线热成像仪能够实现小型、轻量化以及低价化。
在以下说明中，作为基板100，以例如ZnO、或镁(Mg)的混晶MgxZn1-xO(O≤x＜1)等ZnO系材料形成的ZnO系基板为例进行说明。基板100背面101上配置的金属膜110能够采用具有钛(Ti)和白金(Pt)的层积结构的金属膜等。
目前，为了高纯度地形成ZnO系半导体膜，通常采用分子束外延法(MBE)。由于MBE法使用元素材料作为原料，与使用化合物材料的有机金属气相生长法(MOCVD)相比，在原料阶段就能够提高纯度。
如图1所示，腔室1还具有单元11和单元12，它们提供在基板100上结晶生长的薄膜的原料。即、图1所示的基板温度测量装置一边高精度地测量基板100的基板温度，一边作为使薄膜结晶生长的装置来起作用。在图1所示的例中，从单元11供给锌(Zn)，单元12为自由基发生器(ラジカル発生器)，在利用MBE法来进行ZnO膜等含有气体元素的化合物的结晶生长时被使用。自由基发生器通常为在PBN(pyrolytic boron nitride：热解氮化硼)、石英形成的放电管121的外侧周围卷绕有高频线圈122而成的结构，高频线圈122连接在高频电源(未图示)上。在图1所示的例中，利用高频线圈122对供给到单元12内部的氧(O)施加高频电压(电场)，产生等离子，等离子粒子(O*)从单元12被供给。
下面说明，对于使由ZnO系半导体形成的薄膜表面平坦性良好地进行结晶生长，基板温度是重要的因素。下面，如图2所示，以在背面101上配置有金属膜110的ZnO系基板作为基板100，在该基板100的表面使由ZnO系半导体形成的半导体层200结晶生长，以这种情况为例进行说明。图2表示了在基板100上形成的半导体层200为一层的情况，当在基板100上层积多层ZnO系半导体时，需要使各个半导体层的表面平坦性良好地进行结晶生长。另外，半导体层200的主面201被用作在其上生长其它半导体层的面等。
图3表示在图1所示的基板100上利用MBE法使由ZnO系半导体形成的半导体层200进行外延生长的情况下，半导体层200的主面201的状态。具体而言，是在由MgxZn1-xO形成的基板100上，改变基板温度而使由ZnO形成的半导体层200生长时主面201的状态的一例。图3(a)～图3(e)是将基板温度分别为810℃、760℃、735℃、720℃、685℃时主面201的状态利用原子间力显微镜(AFM)以20μm的分解能进行扫描而获得的图像。
如图3(c)、图3(d)以及图3(e)所示，当基板温度为735℃以下时，很明显在主面201上散布着凹凸。而如图3(a)以及图3(b)所示，当基板温度为760℃以上时，主面201处于凹凸很少的平整的状态，形成主面201的平坦性良好的半导体层200。
不仅仅在图3所示的温度下，而是更精细地改变基板温度并将在各基板温度下由ZnO形成的半导体层200的主面201的平坦性作为数值来表示，将其曲线化的结果表示在图4中。图4的纵轴是半导体层200的主面201的算数平均粗糙度Ra。“算数平均粗糙度”Ra是利用图5所示的粗糙度曲线获得的。
粗糙度曲线是例如在规定的取样点测定半导体层200的主面201上的凹凸，并将凹凸的大小与这些凹凸的平均值同时表示的曲线。算数平均粗糙度Ra是从粗糙度曲线中在其平均线方向上截取基准长度m，将从该截取部分的平均线至测定曲线的偏差的绝对值进行加和并平均而获得的值。总之、算数平均粗糙度Ra通过下式(1)来求得：
Ra＝(1/m)×∫|f(x)|dx    ......(1)
式(1)中的积分区间为0～m。
通过求得算数平均粗糙度Ra，可以得到使得例如一个伤痕对于整体造成的影响非常小的、可靠性高的粗糙度评价值。另外，算数平均粗糙度Ra等表面粗糙度参数是JIS标准所规定的参数，在本发明的实施方式中使用这些参数进行说明。
图4是以如上所述计算出的算数平均粗糙度Ra作为纵轴，以基板温度作为横轴来表示主面201的平坦性的曲线图。图4中的黑三角标记表示基板温度不足750℃的数据，黑圆点标记表示基板温度为750℃以上的数据。从图4可以看出，以750℃为分界，如果基板温度变高，则半导体层200的主面201的平坦性急剧上升。另外，当从图4设定算数平均粗糙度Ra的有关平坦性是否良好的分界值时，对于算数平均粗糙度Ra，当宽松地取值时为1.5nm，当严格地取值时为1.0nm左右。
图6是利用与图4相同的测定数据求出主面201的均方根粗糙度RMS并进行曲线化表示的图。均方根粗糙度RMS是将从如图5所示的测定出的粗糙度曲线的平均线至测定曲线的偏差的平方进行加和，并表示为平均值的平方根。利用计算算数平均粗糙度Ra时的基准长度m，通过以下的式(2)求出均方根粗糙度RMS：
RMS＝{(1/m)×∫(f(x))2dx}1/2    ......(2)
式(2)中的积分区间为0～m。
图6的纵轴表示均方根粗糙度RMS，横轴为基板温度。在图6中，黑三角标记表示基板温度不足750℃的数据，黑圆点标记表示基板温度为750℃以上的数据。与图4相同，可以看出，以750℃为分界，如果基板温度变高，则主面201的平坦性急剧上升。对于均方根粗糙度RMS，作为平坦性是否良好的分界值，当宽松地取值时为2.0nm，当严格地取值时为1.5nm左右。
因此，在ZnO系基板上或ZnO系半导体层上生长ZnO系半导体时，通过使基板温度为750℃以上来进行结晶生长，能形成表面平坦性良好的ZnO系半导体。从表面粗糙度的角度来说，如果以使算数平均粗糙度Ra为1.5nm以下并且均方根粗糙度RMS为2nm以下的方式来使半导体层的生长表面(主面)进行结晶生长，那么随后层积的ZnO系半导体也能够保持表面的平坦性。更优选以使算数平均粗糙度Ra为1nm以下并且均方根粗糙度RMS为1.5nm以下的方式来使ZnO系半导体层进行结晶生长。
在以上所述的条件下层积多层ZnO系半导体层时，最上层的主面(表面)的状态的一例表示在图7中。与图3相同，图7是利用AFM以20μm的分解能对最上层的主面的状态进行扫描而获得的图像。具体而言是，作为ZnO系基板使用Mg0.2Zn0.8O，在该基板上，作为ZnO系半导体的层积体，将Mg0.1Zn0.9O层和ZnO层交错层积十个周期的情况下最上层的主面的状态的一例。基板温度为770℃。在层积如上所述的混晶组成的薄膜时，通过将基板温度设定为750℃以上而将各半导体层的主面的平坦性保持为一定，也能够获得如图7所示的、层积结构最上层的表面平坦性良好的ZnO系半导体。
如以上所说明的那样，为了使ZnO系半导体表面平坦性良好地进行结晶生长，基板温度十分重要。这样，就需要准确地测量该基板温度并进行控制。在此，ZnO系半导体具有被称为纤锌矿型(ウルツアイト)的六方晶体结构。在图2所示的基板100中，在六方晶系的+c面上结晶生长半导体层200，-c面用作背面101，在-c面上配置金属膜110。
图8表示ZnO系半导体的+c面的特性。图8(a)是表示蓝宝石基板上层积了氮化镓(GaN)膜及ZnO膜的试样的氮(N)浓度的曲线图，其中，纵轴为氮浓度，横轴为以ZnO膜的表面为基准点的深度方向的距离。图8(a)表示基板温度为500℃、600℃、700℃时+c面(Zn极性面)中的氮浓度，以及基板温度为600℃时-c面(O极性面)中的氮浓度。图8(b)的纵轴为氮浓度，横轴为基板温度，为表示+c面和-c面中的氮浓度与基板温度之间关系的曲线。图8(b)中，中空的白圆圈标记表示+c面的氮浓度，带阴影的圆圈标记表示-c面的氮浓度。对于图8所示的状态，+c面中的氮浓度对基板温度的依赖性小，即使基板温度的测定精度少许低下，从+c面的氮浓度的角度来看没有问题。但是从实现ZnO系半导体的+c面的平坦性的角度来看，如已经说明的那样，基板温度的测定精度是很重要的。
图9表示分别利用高温计和热成像仪来测量基板温度，并在基板100上结晶生长半导体层200时生长温度(基板温度)与氮浓度之间关系的一例。图9中的纵轴表示氮浓度，横轴表示生长温度，图9中的中空的三角形标记表示利用高温计测量生长温度时的数据，黑圆形标记表示利用热成像仪测量生长温度时的数据。
如图9所示，当基板温度为650℃以上时，即使在+c面也发现了氮浓度对生长温度(基板温度)的依赖性。其中，与利用高温计进行测量的情况相比，利用热成像仪测量基板温度时，氮浓度与生长温度之间的关系为直线关系，更清楚地显示出了氮浓度的基板温度依赖性，更利于控制。
图10是表示向作为加热源10的加热器输入的输入电力供给与分别利用高温计和热成像仪测量出的基板温度之间关系的曲线图。图10中中空的三角形标记表示用高温计测量基板温度时的数据，黑圆点标记表示用热成像仪测量基板温度时的数据。如图10所示，与利用高温计进行测量的情况相比，利用热成像仪测量基板温度时，向加热器输入的输入电力供给与基板温度之间的关系为直线关系，更清楚地显示出了基板温度对加热器输入电力供给的依赖性。
从图9和图10可以说，在基板温度的测定中，与使用高温计的情况相比，使用热成像仪能够精度更高地测量基板温度。
当基板100对于例如波长为1～2μm左右的红外线的透过率为80％以上时，则视为基板100在该波长为1～2μm左右的红外区域中为透明的。此时，对于测量1～2μm附近的高温计来说，将从加热源10、固定器20放射出的红外线视为透过基板100的红外线，从而不能精度良好地测量基板温度。如图2所示，通过将金属膜110以面对加热源10的方式配置在基板100的背面101上，从加热源10、固定器20放射出的红外线被金属膜110反射，能够防止其透过基板100。但是，有时在基板100和金属膜110之间的接合面上形成的氧化物不能均匀形成，不能高精度地测量基板温度。
但是，如图1所示的基板温度测量装置，由于利用不能透过基板100的波长区域的红外线来测量基板温度，因此即使出现上述的基板100和金属膜110之间的接合面不均匀的问题，也能够高精度地测量基板温度。
图11表示ZnO和BaF2的红外线波长与透过率之间的关系。在图11中表示了可以用作温度测量器40的热成像仪对于测量可能的波长区域的灵敏度范围，在作为热成像仪灵敏度范围下限的8μm以上的波长区域中，ZnO中的透过率急剧降低。而对于BaF2来说，在包含在灵敏度范围内的8～12μm的区域中，红外线的透过率为80％以上。
图12表示ZnO、Al2O3、LiGaO3、ScAlMgO4、和ZnO/ScAlMgO4的红外线波长与透过率之间的关系。如图12所示，在使可以用作温度测量器40的热成像仪的测量可能的波长区域的灵敏度范围为8μm～14μm的情况下，波长包含在热成像仪的灵敏度范围内的红外线基本上不能透过ZnO系基板或蓝宝石基板。另外，图12中，ZnO与ZnO/ScAlMgO4之间在透过率的波长依赖性方面存在差异，这是由于ZnO的载流子浓度比ZnO/ScAlMgO4高出大约一个数量级。
因此，例如基板100为ZnO系基板时，从加热源10放射出的波长为8μm以上的红外线不能透过基板100而到达温度测量器40。另外，即使在基板100的整个背面101配置有固定器20的情况下，从固定器20放射出的波长为8μm以上的红外线也不能透过基板100而到达温度测量器40。即、仅是从ZnO发射出的8μm以上的红外线被检测。
因此，根据图1所示的基板温度测量装置，作为透射窗30的材料采用BaF2，作为温度测量器40采用灵敏度范围为波长8μm以上的热成像仪，由此，仅仅是从作为ZnO系基板的基板100放射出的红外线透过透射窗30，通过分析该透过来的红外线，温度测量器40能够高精度地测量基板温度。即、在具有图1所示的基板温度测量装置的结晶生长装置中，能够一边高精度地测量基板100的基板温度，一边在基板100上使ZnO系半导体层结晶生长。由此，在不同的结晶生长装置之间，能够进行结晶生长条件的更准确的比较。
在具有图1所示的基板温度测量装置的结晶生长装置中，例如能够根据所生长的层来切换结晶生长温度。即、能够实现基于基板温度测量装置所测量的基板温度来进行温度切换的结晶生长方法。
下面说明利用图1所示的基板温度测量装置使ZnO系半导体层结晶生长的方法。当然，下面所述的ZnO系半导体层的生长方法仅为一例，能够通过包含其变形例在内的、除此以外的各种生长方法来实现。
(a)首先，在以+c面为主面的为ZnO系基板的基板100的背面(-c面)101上，利用电子束(EB)蒸镀法等，形成金属膜110，该金属膜110具有由例如膜厚为10nm左右的Ti和膜厚为100nm的Pt层积而成的结构。
(b)接着，将背面101上配置有金属膜110的基板100以背面101面对加热源10的方式安装在固定器20上。这样，如图1所示，将安装在固定器20上的基板100从装载口(ロ一ドロツク)装入腔室1。
(c)例如在1×10-7Pa左右的真空中，利用加热源10加热基板100，直到基板100达到规定的设定基板温度。设定基板温度被设定为750℃以上。此时，从被加热源10加热的基板100放射出且透过透射窗30的红外线入射到温度测量器40。温度测量器40对从基板100放射出的红外线进行分析，从而测量基板100的基板温度。
(d)利用温度测量器40确认基板温度达到了规定的设定基板温度，同时，向单元12供给NO气体、O2气体等而产生等离子，打开单元11和单元12的闸门，将Zn和氧源供给到腔室1内，其中，为了获得所希望的成分而预先调整了Zn的量，氧源的反应活性被提高而处于氧自由基状态；在基板100的+c面上使ZnO形成的半导体层200生长。
根据以上说明的、利用图1所示的基板温度测量装置进行结晶生长的方法，由于能够高精度地测量基板温度，因此能够在基板100上使半导体层200表面平坦性良好地进行结晶生长。
如以上说明的那样，在本发明的实施方式的基板温度测量装置中，具有使不能透过基板100的波长区域的红外线透过的透射窗30，和以该波长区域作为灵敏度范围的温度测量器40，由此，从加热源10或固定器20放射出的红外线被排除，从而能够高精度地测量基板温度。例如，图1所示的基板温度测量装置具有对波长为8μm以上的红外线的透过率为80％以上的透射窗30、以及测定可能的红外线的灵敏度范围为8μm以上的温度测量器40，根据该基板温度测量装置，即使是对例如波长1～2μm左右的红外线的透过率为80％以上的基板，也能够精度良好地测量其基板温度。其结果是，在例如ZnO系基板上，能够使ZnO系半导体表面平坦性良好地结晶生长。
另外，即使透过透射窗30并由温度测量器40分析的红外线在基板100中的透过率并非0％，但只要是该透过率使基板100在热成像仪中被观测为黑色的程度，就可以使用本发明实施方式的基板温度测量装置。例如，在基板100为ZnO系基板时，对于波长为8μm的红外线，基板100的透过率为几％，但是此时在利用热成像仪的观测中基板100看起来较黑。即、从温度测量器40看，位于基板100背后的物体放射出的红外线被基板100遮蔽，利用温度测量器40，基于从基板100放射出的红外线能够高精度地测量基板温度。另外，能够实现基于高精度地测量出的基板温度而进行温度控制的结晶生长方法。
(其他实施方式)
如上所述，通过实施方式记载了本发明，但不应理解为作为该公开的一部分的论述以及附图是对本发明的限定。本领域技术人员从该公开内容能够了解各种代替的实施方式、实施例以及运用技术。
在已经说明的实施方式的说明中，表示了在ZnO系基板上使半导体层结晶生长的例子，但是作为基板，除了ZnO系基板，也可以是蓝宝石基板、GaN基板等宽禁带材料的基板。
另外，除了在基板上通过结晶生长形成薄膜的工艺，对于其他的基板温度的控制至关重要的工艺中，例如用于使掺杂的杂质活化的退火处理等中，也可以应用本发明来进行基板温度的测量。
即、本发明包括在此没有记载的各种实施方式等。因此，本发明的技术范围仅由通过上述说明适当确定的权利要求中的技术特征来限定。
工业实用性
本发明的基板温度测量装置和基板温度测量方法，包括制造在基板上形成有半导体层的半导体装置的制造业在内，可以应用于半导体产业、电子设备产业。

Claims (17)

1.一种基板温度测量装置，其特征在于，具有：
加热基板的加热源；
使不能透过所述基板的波长区域的红外线透过的透射窗；
温度测量器，该温度测量器的灵敏度范围包含所述波长区域，对从被所述加热源加热了的所述基板放射出、透过所述透射窗的红外线进行分析来测量所述基板的基板温度。
2.如权利要求1所述的基板温度测量装置，其特征在于，所述透射窗对于所述波长区域中至少一部分红外线的透过率为80％以上。
3.如权利要求1所述的基板温度测量装置，其特征在于，所述透射窗对于波长为8μm的红外线的透过率为80％以上。
4.如权利要求3所述的基板温度测量装置，其特征在于，所述透射窗由氟化钡形成。
5.如权利要求3所述的基板温度测量装置，其特征在于，所述温度测量器的波长灵敏度范围为8μm以上。
6.如权利要求1所述的基板温度测量装置，其特征在于，所述温度测量器为热成像仪。
7.如权利要求6所述的基板温度测量装置，其特征在于，所述热成像仪具有辐射热测定器型红外线检测器。
8.如权利要求1所述的基板温度测量装置，其特征在于，所述加热源为红外线灯或红外线激光。
9.一种基板温度测量方法，其特征在于，包括：
利用加热源加热基板，使从该基板放射出的、不能透过所述基板的波长区域的红外线通过透射窗入射到温度测量器的步骤，其中该温度测量器的灵敏度范围包含所述波长区域；
利用所述温度测量器分析从所述基板放射出的红外线从而测量所述基板的基板温度的步骤。
10.如权利要求9所述的基板温度测量方法，其特征在于，一边在所述基板上使半导体层结晶生长，一边测量所述基板温度。
11.如权利要求9所述的基板温度测量方法，其特征在于，所述透射窗对于所述波长区域中至少一部分红外线的透过率为80％以上。
12.如权利要求9所述的基板温度测量方法，其特征在于，所述透射窗对于波长为8μm的红外线的透过率为80％以上。
13.如权利要求12所述的基板温度测量方法，其特征在于，所述透射窗由氟化钡形成。
14.如权利要求12所述的基板温度测量方法，其特征在于，所述温度测量器的波长灵敏度范围为8μm以上。
15.如权利要求9所述的基板温度测量方法，其特征在于，所述温度测量器为热成像仪。
16.如权利要求15所述的基板温度测量方法，其特征在于，所述热成像仪具有辐射热测定器型红外线检测器。
17.如权利要求9所述的基板温度测量方法，其特征在于，所述加热源为红外线灯或红外线激光。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101904552A (zh) * 2010-09-09 2010-12-08 中国烟草总公司郑州烟草研究院 测定加工过程中滚筒类设备内烟草物料温度的装置及方法
CN103389170A (zh) * 2012-05-07 2013-11-13 中微半导体设备(上海)有限公司 一种真空处理装置的基片温度测量方法和装置
CN104272057A (zh) * 2012-02-13 2015-01-07 第一太阳能有限公司 使用红外探测的用于处理系统的原位基板探测

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI481836B (zh) * 2009-08-21 2015-04-21 First Solar Inc 用於監測基材之方法以及位置敏感性高溫計
JP5338569B2 (ja) * 2009-08-26 2013-11-13 豊田合成株式会社 化合物半導体の製造方法および積層半導体ウェーハの製造方法
JP5456711B2 (ja) * 2011-03-03 2014-04-02 住友重機械工業株式会社 成膜装置
WO2013061503A1 (ja) 2011-10-27 2013-05-02 タイコエレクトロニクスジャパン合同会社 検出センサの製造方法、検出センサ、トランスミッション
TWI563542B (en) * 2014-11-21 2016-12-21 Hermes Epitek Corp Approach of controlling the wafer and the thin film surface temperature
WO2018131362A1 (ja) * 2017-01-13 2018-07-19 三菱電機株式会社 基板処理装置および基板の製造方法
US11363709B2 (en) 2017-02-24 2022-06-14 BWXT Isotope Technology Group, Inc. Irradiation targets for the production of radioisotopes
JP6907951B2 (ja) * 2018-01-11 2021-07-21 トヨタ自動車株式会社 ヒートシンクの検査方法、検査装置及び生産方法、生産システム
US11926925B2 (en) * 2019-11-12 2024-03-12 The Johns Hopkins University Molecular-beam epitaxy system comprising an infrared radiation emitting heater and a thermally conductive backing plate including an infrared-absorbing coating thereon

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0815180B2 (ja) * 1987-05-20 1996-02-14 富士通株式会社 気相成長膜表面の評価方法
US5188458A (en) * 1988-04-27 1993-02-23 A G Processing Technologies, Inc. Pyrometer apparatus and method
JP2923008B2 (ja) * 1989-12-11 1999-07-26 株式会社日立製作所 成膜方法及び成膜装置
JP2804849B2 (ja) * 1989-12-26 1998-09-30 株式会社日立製作所 赤外線温度画像測定装置及びそれを備えた成膜装置
US5118200A (en) * 1990-06-13 1992-06-02 Varian Associates, Inc. Method and apparatus for temperature measurements
US5208643A (en) * 1990-10-05 1993-05-04 Varian Associates, Inc. Method of and apparatus for non-contact temperature measurement
JP2964786B2 (ja) * 1992-07-01 1999-10-18 住友電気工業株式会社 透光性フッ化バリウム焼結体の製造方法
US5738440A (en) * 1994-12-23 1998-04-14 International Business Machines Corp. Combined emissivity and radiance measurement for the determination of the temperature of a radiant object
US6349270B1 (en) * 1999-05-27 2002-02-19 Emcore Corporation Method and apparatus for measuring the temperature of objects on a fast moving holder
JP2001324390A (ja) * 2000-05-17 2001-11-22 Denso Corp 熱型赤外線イメージセンサ
JP2002164299A (ja) * 2000-11-24 2002-06-07 Ebara Corp 基板加熱装置及び基板処理装置
JP2002357481A (ja) * 2001-06-01 2002-12-13 Tokyo Electron Ltd 温度測定方法及び装置、熱処理装置及び熱処理方法
WO2004097389A2 (en) * 2003-04-25 2004-11-11 Land Instruments International Limited Thermal imaging system and method
JP2006321696A (ja) * 2005-05-20 2006-11-30 Hitachi Cable Ltd 炭化珪素単結晶の製造方法
US7758238B2 (en) * 2008-06-30 2010-07-20 Intel Corporation Temperature measurement with reduced extraneous infrared in a processing chamber

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101904552A (zh) * 2010-09-09 2010-12-08 中国烟草总公司郑州烟草研究院 测定加工过程中滚筒类设备内烟草物料温度的装置及方法
CN101904552B (zh) * 2010-09-09 2012-10-10 中国烟草总公司郑州烟草研究院 带有测定烟草物料温度的滚筒类设备及其测定方法
CN104272057A (zh) * 2012-02-13 2015-01-07 第一太阳能有限公司 使用红外探测的用于处理系统的原位基板探测
CN103389170A (zh) * 2012-05-07 2013-11-13 中微半导体设备(上海)有限公司 一种真空处理装置的基片温度测量方法和装置
CN103389170B (zh) * 2012-05-07 2015-08-19 中微半导体设备(上海)有限公司 一种真空处理装置的基片温度测量方法和装置
US9443715B2 (en) 2012-05-07 2016-09-13 Advanced Micro-Fabrication Equipment Inc, Shanghai Method and device for measuring temperature of substrate in vacuum processing apparatus

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