JP2006189261A - Apparatus for measuring temperature of semiconductor substrate and its utilization - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体基板の温度測定装置に関するものであり、特に、半導体デバイス製造装置に好適に用いられる温度測定装置に関するものである。 The present invention relates to a temperature measurement device for a semiconductor substrate, and more particularly to a temperature measurement device suitably used for a semiconductor device manufacturing apparatus.
現在、半導体レーザーに代表される化合物半導体デバイスの製造における半導体薄膜(薄膜)の形成方法として、エピタキシャル成長法(エピタキシー)が広く用いられている。エピタキシャル成長法は、半導体基板上に、薄膜材料を結晶化させることにより薄膜を成長させる方法である。その中でも、分子線エピタキシャル成長(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、及び、有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法は、極めて薄い結晶膜及び複雑な多層構造膜を形成することができるため、将来有望な技術として注目されている。 Currently, an epitaxial growth method (epitaxy) is widely used as a method for forming a semiconductor thin film (thin film) in the production of a compound semiconductor device typified by a semiconductor laser. The epitaxial growth method is a method for growing a thin film by crystallizing a thin film material on a semiconductor substrate. Among them, the molecular beam epitaxy (MBE) method and the metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method can form an extremely thin crystal film and a complex multilayer structure film. Therefore, it is attracting attention as a promising technology in the future.
これらエピタキシャル成長法において、基板の表面温度は、薄膜材料原子の吸着及び結晶化に大きな影響を与える。つまり、基板温度は、薄膜のエピタキシャル成長における重要な条件因子である。従って、正確にかつ再現性よく基板温度を測定及び制御することが、薄膜成長技術には不可欠な技術である。 In these epitaxial growth methods, the surface temperature of the substrate greatly affects the adsorption and crystallization of thin film material atoms. That is, the substrate temperature is an important condition factor in the epitaxial growth of a thin film. Therefore, measuring and controlling the substrate temperature accurately and with high reproducibility is an indispensable technique for the thin film growth technique.
基板の温度を正確に測定するために、これまでに、いくつかの方法が提案されている。主な基板温度測定法として、熱電対を用いる方法(熱電対法)、赤外線を用いる方法(赤外線法)、及び基板に光を照射して、その鏡面反射光を利用する方法等がある。 Several methods have been proposed so far to accurately measure the temperature of the substrate. As main substrate temperature measuring methods, there are a method using a thermocouple (thermocouple method), a method using infrared rays (infrared method), a method of irradiating a substrate with light, and utilizing the specular reflection light, and the like.
以下に、これら従来の基板温度測定法について説明する。 Hereinafter, these conventional substrate temperature measuring methods will be described.
まず、熱電対法及び赤外線法について、図7に基づいて説明する。図7は、従来の熱電対法及び赤外線法を用いた分子線エピタキシャル成長装置(MBE装置)100の概略図である。 First, the thermocouple method and the infrared method will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a schematic diagram of a molecular beam epitaxial growth apparatus (MBE apparatus) 100 using a conventional thermocouple method and infrared method.
図7に示すように、MBE装置100は、マニピュレータ72に保持された基板(半導体基板)71上に薄膜を成長させるものである。また、マニピュレータ72には、基板71の温度を調節するヒータ73が設置されている。さらに、ヒータ73と基板71との間の空間には、熱電対74が設置されている。この熱電対74で測定された温度は、温度調節器75に伝えられる。温度調節器75は、この測定された温度が予め設定された温度になるように、ヒータ電源76からヒータ73に供給される電流量を調節する。しかし、この熱電対法は、実際の基板表面の温度を測定するものではないので、誤差が大きいという問題がある。
As shown in FIG. 7, the
そこで、実際の基板表面の温度を把握するために、MBE装置100では、別の測定器を用いて確認する必要がある。そのために一般によく用いられる温度測定器は、放射温度計57である。MBE装置101は、真空チャンバー78におけるマニピュレータ72の直下(法線方向)の位置にビューポート79を備え、ビューポート79の外側に放射温度計77を備えている。放射温度計77は、基板71からの赤外線放射量を真空チャンバー78外においてビューポート79を介して測定する。このようにして測定された赤外線放射量を温度に換算することにより、基板71の温度を測定する。
Therefore, in order to grasp the actual temperature of the substrate surface, the
一方、鏡面反射光を利用する方法として、特許文献1には、バンドギャップの温度依存性による温度測定方法が記載されている。すなわち、基板(半導体基板)表面に白色光又は変調光を照射し、その反射光(鏡面反射光)を測定して反射スペクトル・データを求め、この反射スペクトル・データと、基板材料のバンドギャップの温度依存性の既知のデータとを照合して、基板表面の温度を測定することが記載されている。
On the other hand, as a method of using specular reflection light,
また、鏡面反射光を利用する他の方法として、特許文献2では、シリコン基板(半導体基板)に平行偏光された光(レーザー光)を照射し、シリコン基板の表面のダングリングボンドに起因する吸収波長を利用して基板温度を測定することが記載されている。
Further, as another method using specular reflection light, in
また、薄膜形成においては、温度の調節と同じく、温度分布の調節も重要である。 In addition, in the thin film formation, it is important to adjust the temperature distribution as well as the temperature.
基板(半導体基板)に薄膜を結晶成長させて半導体デバイスを製造する半導体デバイス製造装置では、1回の結晶成長でできるだけ多数の素子(デバイス)を作製するため、基板を大口径化する、あるいは多数枚の基板に同時に薄膜を形成する成長させる場合がある。 In a semiconductor device manufacturing apparatus for manufacturing a semiconductor device by crystallizing a thin film on a substrate (semiconductor substrate), a large number of elements (devices) are produced by one crystal growth, so that the substrate has a large diameter or many In some cases, a thin film is formed simultaneously on a single substrate.
この場合、基板の基板内、及び各基板間で温度の差が大きくなると、結晶品質のバラツキが発生し、素子特性のバラツキが歩留の低下につながることがある。そのため、基板の温度分布を良くするため、つまり1つの基板内、及び複数の基板間で生じる温度の差を小さくするために、基板をマニピュレータにより回転させることにより、あるいは複数個のヒータを設置して該ヒータ出力を個々に制御することにより、基板温度の均一化を図られることは、一般的に行われている。 In this case, when the temperature difference is large within the substrate and between the substrates, variations in crystal quality occur, and variations in element characteristics may lead to a decrease in yield. Therefore, in order to improve the temperature distribution of the substrate, that is, to reduce the difference in temperature generated within one substrate and between a plurality of substrates, the substrate is rotated by a manipulator or a plurality of heaters are installed. In general, the substrate temperature can be made uniform by individually controlling the heater outputs.
また、上述したように温度分布を調節するためには、基板の温度分布を正確に測定することが、重要な技術となる。 As described above, in order to adjust the temperature distribution, it is an important technique to accurately measure the temperature distribution of the substrate.
そこで、特許文献2には、照射部(光照射手段)からのレーザー光を回転ミラーによってシリコン基板の任意の位置に照射すると共に、反射光(鏡面反射光)を複数の回転ミラーによって受光部(光検出手段)に入光させることで、基板表面における温度分布を測定することが記載されている。
上述の赤外線法では、基板からの赤外線の量(強度)を温度に換算している。そのため、ビューポートの観測窓が成膜時に曇る、又は、チャンバー内の余剰材料の堆積物若しくはフレークが飛来し一部視界が遮られる、といったことが原因で、検出される赤外線の強度が低下し、誤測定してしまうことがあった。 In the above infrared method, the amount (intensity) of infrared rays from the substrate is converted into temperature. As a result, the intensity of the detected infrared light decreases because the observation window of the viewport becomes cloudy during film formation, or deposits or flakes of surplus material in the chamber come in and partially block the field of view. , There was a case of mismeasurement.
また、MBE装置にこの方法を適用した場合、成長室内には薄膜材料を供給する分子線セルが複数個装着されているので、この分子線セルからの輻射が外乱光となり、それらが反射等により放射温度計まで到達すると、本来測定すべき基板からの放射量に加算されるため、誤測定してしまうという問題もあった。 In addition, when this method is applied to the MBE apparatus, since a plurality of molecular beam cells for supplying a thin film material are mounted in the growth chamber, radiation from the molecular beam cell becomes disturbance light, which is reflected by reflection or the like. When the radiation thermometer is reached, it is added to the amount of radiation from the substrate that should be measured, so that there is a problem of erroneous measurement.
特許文献2に記載の方法の場合、鏡面反射光を利用しているため、温度を正確に測定するには、受光部が反射光の光路上に正確に位置していなければならない。この場合、光照射部、光検出器、及び回転ミラーの位置を高精度に制御しなければならないという問題があった。
In the case of the method described in
さらに、鏡面反射光を用いて基板表面の温度分布を測定する場合、上述したように光照射部と光検出器との位置関係を制御するために、光照射部及び光検出器を、同調させて動かす必要があった。例えば特許文献2のようにミラーを用いる方法では、照射光側の回転ミラーと反射光側の回転ミラーとを高精度に同時制御しなければならない。従って、制御系が非常に複雑になり、何らかのトラブルでこれら回転ミラー同調させることができなくなった場合、温度分布測定機構が不能になってしまうことがあった。
Furthermore, when measuring the temperature distribution on the substrate surface using specular reflection light, the light irradiation unit and the light detector are tuned in order to control the positional relationship between the light irradiation unit and the light detector as described above. Needed to move. For example, in the method using a mirror as in
また、赤外線法と同様、ビューポートの観測窓が成膜時に曇る、又は、チャンバー内の余剰材料の堆積物若しくはフレークが飛来し一部視界が遮られる、といったことが原因で、検出される反射光(鏡面反射光)の強度が低下し、誤測定してしまうことがあった。 Similarly to the infrared method, the reflection detected by the observation port is cloudy during film formation, or deposits or flakes of surplus material in the chamber fly in and partially block the field of view. In some cases, the intensity of light (specular reflection light) is reduced, resulting in erroneous measurement.
上述した特許文献1に記載の方法のように、バンドギャップを利用した方法の場合、光の量ではなく、光をスペクトル分析した結果を温度に換算しているため、観測窓の曇り等による光量の変化に影響されない。また、この方法では基板材料の波長の吸収端を検出するため、外乱光の影響を受けることもない。
In the case of a method using a band gap, such as the method described in
しかしながら、特許文献1に記載の構成は、基板上の1点を測定する構成であるため、例えば大口径の基板、あるいは基板ホルダ上に複数枚の基板を搭載した場合には、その大口径基板上の温度分布、あるいは複数枚の各基板の温度分布を測定できないという課題があった。
However, since the configuration described in
仮に、特許文献1に記載の結晶成長装置で基板の温度分布を測定しようとした場合、所望とする測定位置における測定を行うために、温度測定装置に対して基板を動かす、あるいは基板に対して温度測定装置を動かすことが考えられる。
If the temperature distribution of the substrate is to be measured with the crystal growth apparatus described in
しかしながら、特許文献1に記載の温度測定装置の構成では、基板の温度情報を含んだ反射光(鏡面反射光)を利用して測定を行うために、光検出器(光検出手段)が反射光を正確に受光する必要がある。そのため、光源(光照射手段)、光検出器、及び集光レンズ等の光学系は、厳密に位置を設定されていなければならない。従って、上記のように温度測定装置に対して基板を動かす、あるいは基板に対して温度測定装置を動かそうとすると、光源を始めとするこれらの部材をすべて動かす必要がある。その結果、結晶成長のために用いられる基板表面上の空間を温度測定装置が横切ることになり、装置構成が複雑になるとともに、結晶成長を行いながらの温度測定が困難になる。
However, in the configuration of the temperature measuring device described in
本発明は、上記従来の問題に鑑みたものであり、その目的は、基板温度及び基板の温度分布の精度よい測定を、より単純な構成の温度測定装置によって実現すると共に、この温度測定装置を用いることで良質な半導体デバイスを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to realize accurate measurement of the substrate temperature and the temperature distribution of the substrate with a temperature measuring device having a simpler configuration, and to provide the temperature measuring device. It is to provide a high-quality semiconductor device by using it.
本発明に係る温度測定装置は、上記課題を解決するために、半導体基板の温度を測定する温度測定装置において、上記半導体基板に対して光を照射する光照射手段と、上記半導体基板に照射された後の光を検出する光検出手段と、上記光検出手段により検出された光のスペクトルを分析するスペクトル分析手段と、上記スペクトル分析手段による分析結果、及び上記半導体基板におけるバンドギャップに起因する吸収波長の温度特性に基づくことにより、上記半導体基板における光の照射位置の温度を算出する温度算出手段と、上記半導体基板に対して照射される光を移動させることにより上記照射位置を移動させる光移動手段とを備え、上記照射位置において散乱された光を上記光検出手段によって検出することにより上記照射位置の温度を測定することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a temperature measuring apparatus according to the present invention is a temperature measuring apparatus for measuring the temperature of a semiconductor substrate, wherein the semiconductor substrate is irradiated with light irradiating means, and the semiconductor substrate is irradiated with light. A light detection means for detecting the light after the detection, a spectrum analysis means for analyzing the spectrum of the light detected by the light detection means, an analysis result by the spectrum analysis means, and an absorption caused by a band gap in the semiconductor substrate Temperature calculation means for calculating the temperature of the light irradiation position on the semiconductor substrate based on the temperature characteristics of the wavelength, and light movement for moving the irradiation position by moving the light irradiated to the semiconductor substrate A temperature at the irradiation position by detecting light scattered at the irradiation position by the light detection means. And measuring.
上記構成によると、上記光照射手段によって半導体基板に照射された光(照射光)のうち、一部は半導体基板の表面、つまり上記半導体基板の上記光照射手段側を向いた面で鏡面反射されて、光の照射位置における半導体基板の法線と照射光の光路とを含む平面に含まれ、かつ、上記法線に関して照射光の進行方向と線対称な関係にある方向に進行する。 According to the above configuration, a part of the light (irradiation light) irradiated to the semiconductor substrate by the light irradiation unit is specularly reflected by the surface of the semiconductor substrate, that is, the surface of the semiconductor substrate facing the light irradiation unit side. Thus, the light travels in a direction that is included in a plane including the normal line of the semiconductor substrate at the light irradiation position and the optical path of the irradiation light, and that is in a line-symmetric relationship with the traveling direction of the irradiation light with respect to the normal line.
また照射光の他の一部は、上記半導体基板内に進行し、上記半導体基板の内部で散乱された後、様々な方向に進行する。 Further, another part of the irradiated light travels in the semiconductor substrate, travels in various directions after being scattered inside the semiconductor substrate.
上記温度測定装置では、この散乱された光(散乱光)を光検出手段によって検出し、さらにそのスペクトルをスペクトル分析手段によって分析することにより、上記半導体基板の半導体材料のバンドギャップに相当する吸収端(吸収波長)を測定することができる。半導体材料のバンドギャップの大きさは、上記半導体材料の温度に依存するので、半導体基板の温度によって、吸収波長が変化する。従って、この吸収波長と温度との相関をあらかじめ確認しておくことで、得られた吸収波長値から半導体基板の温度を上記算出手段によって算出することができる。 In the temperature measuring device, the scattered light (scattered light) is detected by the light detecting means, and the spectrum is analyzed by the spectrum analyzing means, thereby obtaining an absorption edge corresponding to the band gap of the semiconductor material of the semiconductor substrate. (Absorption wavelength) can be measured. Since the size of the band gap of the semiconductor material depends on the temperature of the semiconductor material, the absorption wavelength varies depending on the temperature of the semiconductor substrate. Accordingly, by confirming the correlation between the absorption wavelength and the temperature in advance, the temperature of the semiconductor substrate can be calculated from the obtained absorption wavelength value by the calculation means.
このように、本発明に係る温度検出手段は、従来の反射光を用いた温度測定装置とは異なり、上記光照射手段と上記光検出手段との位置関係を、鏡面反射の関係に設定する必要はないので、上記光照射手段と上記光検出手段との配置の自由度が増すとともに、上記光照射手段と上記光検出手段との高精度な位置合わせも必要としない。なお、「鏡面反射の関係」とは、上記光検出手段が、上記光照射手段から半導体基板へ照射した光の鏡面反射光の光路上にある位置関係のことを意味する。 Thus, unlike the conventional temperature measuring apparatus using reflected light, the temperature detecting means according to the present invention needs to set the positional relationship between the light irradiating means and the light detecting means to a specular reflection relationship. Therefore, the degree of freedom of arrangement of the light irradiation means and the light detection means is increased, and highly accurate alignment between the light irradiation means and the light detection means is not required. The “specular relationship” means a positional relationship in which the light detection unit is on the optical path of the specular reflection light of the light irradiated from the light irradiation unit to the semiconductor substrate.
さらに、上記温度測定装置は、上記光移動手段を備えるので、上記半導体基板上の1点の温度のみでなく、半導体基板おける任意の位置の温度を測定することができる。 Furthermore, since the temperature measuring device includes the light moving means, it is possible to measure not only the temperature at one point on the semiconductor substrate but also the temperature at an arbitrary position on the semiconductor substrate.
また、上述したように散乱された光を利用することから、上記光移動手段によって半導体基板における光の照射位置が変化しても、その変化に追従するように光検出手段を動かす必要はない。従って、光検出手段側には光検出手段を移動させる移動手段等の部材を設ける必要はなく、また、これら移動手段の動作と光移動手段の動作とを高精度に同調させる必要もない。 Further, since the scattered light is used as described above, even if the light irradiation position on the semiconductor substrate is changed by the light moving means, it is not necessary to move the light detecting means so as to follow the change. Therefore, it is not necessary to provide a member such as a moving means for moving the light detecting means on the light detecting means side, and it is not necessary to synchronize the operations of the moving means and the light moving means with high accuracy.
その結果、温度測定装置の構造を簡素化しつつ、半導体基板における任意の位置の温度を測定することができるようになる。 As a result, it becomes possible to measure the temperature at an arbitrary position on the semiconductor substrate while simplifying the structure of the temperature measuring device.
また、上記光移動手段は、上記半導体基板に向かう光の照射角度を変更することにより、上記照射位置を移動させることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the said light moving means moves the said irradiation position by changing the irradiation angle of the light which goes to the said semiconductor substrate.
上記構成によると、上記光照射手段を設置された位置から移動させることなく、上記光の照射位置を変更することができる。従って、上記光照射手段を移動させるための空間を上記温度測定装置内に設ける必要がなく、上記温度測定装置を小型化及び簡素化できる。 According to the said structure, the irradiation position of the said light can be changed, without moving the said light irradiation means from the installed position. Therefore, it is not necessary to provide a space for moving the light irradiation means in the temperature measuring device, and the temperature measuring device can be reduced in size and simplified.
また、上記光照射手段と上記光検出手段との位置関係は、上記半導体基板に対して鏡面反射の関係から外れた関係になるように設定されていることが好ましい。 The positional relationship between the light irradiating means and the light detecting means is preferably set so as to deviate from the specular reflection relationship with respect to the semiconductor substrate.
上記構成によると、上記光照射手段照射され、上記半導体基板表面で鏡面反射された光は、上記光検出手段に入りにくくなる。上記鏡面反射光には、上記半導体基板の温度情報を含まない光も含まれているので、上記構成によると、S/N比が大きくなり、温度の測定精度を向上させることができる。 According to the said structure, the light irradiated by the said light irradiation means and specularly reflected by the said semiconductor substrate surface becomes difficult to enter into the said light detection means. Since the specular reflection light includes light that does not include the temperature information of the semiconductor substrate, according to the above configuration, the S / N ratio is increased and the temperature measurement accuracy can be improved.
また、上記温度測定装置は、上記照射位置に基づくことにより、上記半導体基板における温度の測定位置を特定する測定位置特定手段をさらに備えることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the said temperature measurement apparatus is further provided with the measurement position specific | specification means which specifies the measurement position of the temperature in the said semiconductor substrate based on the said irradiation position.
上記構成によると、上記温度測定装置は上記測定位置特定手段をさらに備えるので、上記照射位置及び上記半導体基板の温度から、上記半導体基板の温度分布を知ることができる。 According to the above configuration, since the temperature measuring device further includes the measurement position specifying means, the temperature distribution of the semiconductor substrate can be known from the irradiation position and the temperature of the semiconductor substrate.
また、上記温度測定装置は、上記半導体基板を上記照射位置に対して移動させる基板移動手段と、上記照射位置、及び上記基板移動手段により決定される上記半導体基板の位置に基づくことにより、上記半導体基板における温度の測定位置を特定する測定位置特定手段とを備えることが好ましい。 Further, the temperature measuring device is based on a substrate moving means for moving the semiconductor substrate with respect to the irradiation position, the irradiation position, and the position of the semiconductor substrate determined by the substrate moving means. It is preferable to include measurement position specifying means for specifying a temperature measurement position on the substrate.
上記構成によると、上記光の照射位置の変更と上記半導体基板の移動とを組み合わせているので、上記光移動手段及び上記基板移動手段に複雑な動作を要求することなく、上記半導体基板の温度を広範囲に渡って測定することができる。 According to the above configuration, since the change of the irradiation position of the light and the movement of the semiconductor substrate are combined, the temperature of the semiconductor substrate can be adjusted without requiring complicated operations for the light moving means and the substrate moving means. It can be measured over a wide range.
また、本発明に係る半導体デバイス製造装置は、半導体基板の表面に薄膜を形成することによって半導体デバイスを製造する半導体デバイス製造装置であって、上記温度測定装置によって、上記基板の温度を測定することを特徴とする。 The semiconductor device manufacturing apparatus according to the present invention is a semiconductor device manufacturing apparatus for manufacturing a semiconductor device by forming a thin film on the surface of a semiconductor substrate, and the temperature of the substrate is measured by the temperature measuring apparatus. It is characterized by.
上記構成によると、上記半導体デバイス製造装置では、上記温度測定装置によって、上記半導体基板の温度分布を正確に測定することができる。 According to the above configuration, in the semiconductor device manufacturing apparatus, the temperature distribution of the semiconductor substrate can be accurately measured by the temperature measuring apparatus.
また、本発明に係る半導体デバイス製造装置は、上記温度測定装置と、上記半導体基板の温度を調節する温度調節手段とを備え、上記半導体基板の表面に薄膜を形成することによって半導体デバイスを製造する半導体デバイス製造装置であって、上記温度測定装置によって得られた上記半導体基板の温度の情報に基づいて上記温度調節手段を制御する制御手段を備えることを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device manufacturing apparatus including the temperature measuring device and temperature adjusting means for adjusting the temperature of the semiconductor substrate, and manufacturing a semiconductor device by forming a thin film on the surface of the semiconductor substrate. A semiconductor device manufacturing apparatus, comprising: control means for controlling the temperature adjusting means based on the temperature information of the semiconductor substrate obtained by the temperature measuring apparatus.
上記構成によると、上記半導体デバイス製造装置は、上記温度測定装置によって得られた温度の情報に基づいて上記半導体基板の温度を調節することができる。従って、上記半導体基板を薄膜形成に好適な温度に、しかも均一な温度分布になるように、調節することができる。これによって、半導体デバイス製造における歩留を向上させると共に、良質なデバイスを製造することができる。例えば、上記半導体デバイスが半導体レーザー等の光学素子である場合、各素子の発光波長のバラツキが小さくなるという効果を奏する。 According to the said structure, the said semiconductor device manufacturing apparatus can adjust the temperature of the said semiconductor substrate based on the information of the temperature obtained by the said temperature measurement apparatus. Therefore, the semiconductor substrate can be adjusted to a temperature suitable for thin film formation and a uniform temperature distribution. As a result, it is possible to improve the yield in manufacturing semiconductor devices and to manufacture high-quality devices. For example, when the semiconductor device is an optical element such as a semiconductor laser, there is an effect that variation in emission wavelength of each element is reduced.
また、上記温度測定装置の光照射手段及び光検出手段の配置は、既に述べたように、従来よりも自由に設定できる。従って、これらの配置を薄膜形成の障害にならないように設定することができる。例えば、上記半導体デバイス製造装置がMBE装置である場合、薄膜形成中に発生させる分子線を妨げないような位置に、これらの位置を設定することができる。これによって、半導体基板に薄膜を形成中に、上記半導体基板の温度を測定することが可能となる。 Moreover, the arrangement of the light irradiation means and the light detection means of the temperature measuring device can be set more freely than before, as described above. Therefore, these arrangements can be set so as not to obstruct thin film formation. For example, when the semiconductor device manufacturing apparatus is an MBE apparatus, these positions can be set at positions that do not interfere with molecular beams generated during thin film formation. This makes it possible to measure the temperature of the semiconductor substrate while forming a thin film on the semiconductor substrate.
本発明に係る温度測定方法は、半導体基板の温度を測定する温度測定方法において、上記半導体基板に対して光を照射する光照射ステップと、上記半導体基板に照射された後の光を検出する光検出ステップと、上記光検出ステップにより検出された光のスペクトルを分析するスペクトル分析ステップと、上記スペクトル分析ステップによる分析結果、及び上記半導体基板におけるバンドギャップに起因する吸収波長の温度特性に基づくことにより、上記半導体基板における光の照射位置の温度を算出する温度算出ステップと、上記半導体基板に対して照射される光を移動させることにより上記照射位置を移動させる光移動ステップとを含み、上記照射位置において散乱された光を上記光検出ステップによって検出することにより上記照射位置の温度を測定することを特徴とする。 The temperature measurement method according to the present invention is a temperature measurement method for measuring the temperature of a semiconductor substrate, a light irradiation step for irradiating the semiconductor substrate with light, and light for detecting light after being irradiated on the semiconductor substrate. Based on a detection step, a spectrum analysis step for analyzing a spectrum of light detected by the light detection step, an analysis result by the spectrum analysis step, and a temperature characteristic of an absorption wavelength caused by a band gap in the semiconductor substrate A temperature calculating step for calculating the temperature of the light irradiation position on the semiconductor substrate; and a light moving step for moving the irradiation position by moving the light irradiated on the semiconductor substrate. The irradiation position by detecting the light scattered in the light detection step And measuring the temperature.
上記構成によると、上記光の照射位置を変化させることによって、上記半導体基板の一点における温度でなく、上記半導体基板における温度分布を測定することができる。 According to the above configuration, the temperature distribution in the semiconductor substrate can be measured by changing the irradiation position of the light, not the temperature at one point of the semiconductor substrate.
また、本発明に係る半導体デバイス製造装置は、半導体基板の表面に薄膜を形成することによって半導体デバイスを製造する半導体デバイス製造方法であって、上記温度測定方法によって上記半導体基板の温度を測定する温度測定工程と、上記温度に基づいて上記半導体基板の温度を調節する温度調節工程と、上記温度調節工程によって温度を調節された上記半導体基板に薄膜を形成する薄膜形成工程とを含むことを特徴とする。 The semiconductor device manufacturing apparatus according to the present invention is a semiconductor device manufacturing method for manufacturing a semiconductor device by forming a thin film on the surface of the semiconductor substrate, and the temperature for measuring the temperature of the semiconductor substrate by the temperature measuring method. Including a measuring step, a temperature adjusting step for adjusting the temperature of the semiconductor substrate based on the temperature, and a thin film forming step for forming a thin film on the semiconductor substrate whose temperature is adjusted by the temperature adjusting step. To do.
上記構成によると、上記温度測定方法で得られた基板の温度に基づいて当該半導体基板の温度を調節し、薄膜を形成する。これによって、薄膜の成長に適切な温度で、上記半導体に薄膜を形成することができる。さらに、上記半導体基板内、及び基板間の温度分布を良好に調節することができる。従って、半導体デバイス製造における歩留が向上し、半導体デバイスの品質が向上するという効果を奏する。 According to the said structure, based on the temperature of the board | substrate obtained with the said temperature measurement method, the temperature of the said semiconductor substrate is adjusted and a thin film is formed. Thereby, the thin film can be formed on the semiconductor at a temperature suitable for the growth of the thin film. Furthermore, the temperature distribution in the semiconductor substrate and between the substrates can be adjusted well. Therefore, the yield in semiconductor device manufacturing is improved, and the quality of the semiconductor device is improved.
本発明に係る温度測定装置は、半導体基板の温度を測定する温度測定装置において、上記半導体基板に対して光を照射する光照射手段と、上記半導体基板に照射された後の光を検出する光検出手段と、上記光検出手段により検出された光のスペクトルを分析するスペクトル分析手段と、上記スペクトル分析手段による分析結果、及び上記半導体基板におけるバンドギャップに起因する吸収波長の温度特性に基づくことにより、上記半導体基板における光の照射位置の温度を算出する温度算出手段と、上記半導体基板に対して照射される光を移動させることにより上記照射位置を移動させる光移動手段とを備え、上記照射位置において散乱された光を上記光検出手段によって検出することにより上記照射位置の温度を測定することを特徴とする。
The temperature measuring device according to the present invention is a temperature measuring device for measuring a temperature of a semiconductor substrate, a light irradiating means for irradiating the semiconductor substrate with light, and light for detecting light after being irradiated on the semiconductor substrate. A detection means, a spectrum analysis means for analyzing a spectrum of light detected by the light detection means, an analysis result by the spectrum analysis means, and a temperature characteristic of an absorption wavelength caused by a band gap in the semiconductor substrate. A temperature calculating means for calculating the temperature of the light irradiation position on the semiconductor substrate; and a light moving means for moving the irradiation position by moving the light irradiated on the semiconductor substrate. The temperature of the irradiation position is measured by detecting the light scattered in
上記構成によると、上記温度測定装置は、上記した散乱された光を利用することから上記光照射手段と上記光検出手段との位置関係を、鏡面反射の関係に設定する必要がなく、上記光照射手段と上記光検出手段との配置の自由度が増す。また、上記光照射手段と上記光検出手段との高精度な位置合わせも必要としない。 According to the above configuration, since the temperature measuring device uses the scattered light, it is not necessary to set the positional relationship between the light irradiating unit and the light detecting unit as a specular reflection relationship. The degree of freedom of arrangement of the irradiation means and the light detection means increases. Further, high-precision alignment between the light irradiation means and the light detection means is not required.
さらに、上記温度測定装置は、上記光移動手段を備えるので、上記半導体基板上の1点の温度のみでなく、半導体基板おける任意の位置の温度を測定することができる。 Furthermore, since the temperature measuring device includes the light moving means, it is possible to measure not only the temperature at one point on the semiconductor substrate but also the temperature at an arbitrary position on the semiconductor substrate.
また、上述したように散乱された光を利用することから、上記照射位置の変化に追従するように光検出手段を動かす必要はない。その結果、温度測定装置の構造を簡素化しつつ、半導体基板における任意の位置の温度を測定することができる。 Further, since the scattered light is used as described above, it is not necessary to move the light detection means so as to follow the change in the irradiation position. As a result, the temperature at an arbitrary position on the semiconductor substrate can be measured while simplifying the structure of the temperature measuring device.
また、本発明に係る半導体デバイス製造装置は、上記温度測定装置と、上記半導体基板の温度を調節する温度調節手段とを備え、上記半導体基板の表面に薄膜を形成することによって半導体デバイスを製造する半導体デバイス製造装置であって、上記温度測定装置によって得られた上記半導体基板の温度の情報に基づいて上記温度調節手段を制御する制御手段を備えることを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device manufacturing apparatus including the temperature measuring device and temperature adjusting means for adjusting the temperature of the semiconductor substrate, and manufacturing a semiconductor device by forming a thin film on the surface of the semiconductor substrate. A semiconductor device manufacturing apparatus, comprising: control means for controlling the temperature adjusting means based on the temperature information of the semiconductor substrate obtained by the temperature measuring apparatus.
上記構成によると、上記半導体基板を薄膜形成に好適な温度に、しかも均一な温度分布になるように、調節することができる。これによって、半導体デバイス製造における歩留を向上させると共に、良質なデバイスを製造することができる。例えば、上記半導体デバイスが半導体レーザー等の光学素子である場合、各素子の発光波長のバラツキが小さくなるという効果を奏する。 According to the above configuration, the semiconductor substrate can be adjusted to have a temperature suitable for thin film formation and a uniform temperature distribution. As a result, it is possible to improve the yield in manufacturing semiconductor devices and to manufacture high-quality devices. For example, when the semiconductor device is an optical element such as a semiconductor laser, there is an effect that variation in emission wavelength of each element is reduced.
また、本発明に係る温度測定方法は、半導体基板の温度を測定する温度測定方法において、上記半導体基板に対して光を照射する光照射ステップと、上記半導体基板に照射された後の光を検出する光検出ステップと、上記光検出ステップにより検出された光のスペクトルを分析するスペクトル分析ステップと、上記スペクトル分析ステップによる分析結果、及び上記半導体基板におけるバンドギャップに起因する吸収波長の温度特性に基づくことにより、上記半導体基板における光の照射位置の温度を算出する温度算出ステップと、上記半導体基板に対して照射される光を移動させることにより上記照射位置を移動させる光移動ステップとを含み、上記照射位置において散乱された光を上記光検出ステップによって検出することにより上記照射位置の温度を測定することを特徴とする。 The temperature measurement method according to the present invention is a temperature measurement method for measuring the temperature of a semiconductor substrate, wherein a light irradiation step of irradiating the semiconductor substrate with light and detecting light after being irradiated on the semiconductor substrate are detected. Based on the temperature characteristics of the absorption wavelength caused by the band gap in the semiconductor substrate, the spectrum analysis step for analyzing the spectrum of the light detected by the light detection step, the analysis result by the spectrum analysis step, A temperature calculating step for calculating the temperature of the light irradiation position on the semiconductor substrate, and a light moving step for moving the irradiation position by moving the light irradiated on the semiconductor substrate, By detecting the light scattered at the irradiation position by the light detection step, the illumination is performed. And measuring the temperature of the position.
上記構成によると、上記光の照射位置を変化させることによって、上記半導体基板の一点における温度でなく、上記半導体基板における温度分布を測定することができる。 According to the above configuration, the temperature distribution in the semiconductor substrate can be measured by changing the irradiation position of the light, not the temperature at one point of the semiconductor substrate.
また、本発明に係る半導体デバイス製造装置は、半導体基板の表面に薄膜を形成することによって半導体デバイスを製造する半導体デバイス製造方法であって、上記温度測定方法によって上記半導体基板の温度を測定する温度測定工程と、上記温度に基づいて上記半導体基板の温度を調節する温度調節工程と、上記温度調節工程によって温度を調節された上記半導体基板に薄膜を形成する薄膜形成工程とを含むことを特徴とする。 The semiconductor device manufacturing apparatus according to the present invention is a semiconductor device manufacturing method for manufacturing a semiconductor device by forming a thin film on the surface of the semiconductor substrate, and the temperature for measuring the temperature of the semiconductor substrate by the temperature measuring method. Including a measuring step, a temperature adjusting step for adjusting the temperature of the semiconductor substrate based on the temperature, and a thin film forming step for forming a thin film on the semiconductor substrate whose temperature is adjusted by the temperature adjusting step. To do.
上記構成によると、薄膜の成長に適切な温度で、上記半導体に薄膜を形成することができる。さらに、上記半導体基板内、及び基板間の温度分布を良好に調節することができる。従って、半導体デバイス製造における歩留が向上し、半導体デバイスの品質が向上するという効果を奏する。 According to the said structure, a thin film can be formed in the said semiconductor at the temperature suitable for the growth of a thin film. Furthermore, the temperature distribution in the semiconductor substrate and between the substrates can be adjusted well. Therefore, the yield in semiconductor device manufacturing is improved, and the quality of the semiconductor device is improved.
本発明の実施の一形態について、図1〜6に基づいて説明すれば以下の通りである。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
図1に、本実施の形態に係るMBE装置1(半導体デバイス製造装置)の構成を示す。なお、MBE装置1は、半導体基板2の表面に半導体薄膜材料の結晶をエピタキシャル成長させるものであり、図1に示す部材の他にも、エピタキシャル成長に必要な部材、つまり、分子線セル、セルシャッター、真空計等の部材を備えているものであるが、これらについては説明の便宜上図示していない。
FIG. 1 shows the configuration of an MBE apparatus 1 (semiconductor device manufacturing apparatus) according to the present embodiment. The
図1に示すように、MBE装置1は、チャンバー10を備えており、チャンバー10内には略円形のマニピュレータ11を備えている。マニピュレータ11の下端面には、複数の半導体基板2を保持するための基板ホルダ12が搭載されるようになっている。本実施の形態では、基板ホルダ12には、中心に1枚、そしてその周囲を囲むように6枚、合計7枚の半導体基板2が配置されるものとする。
As shown in FIG. 1, the
MBE装置1は、既に述べたように、基板ホルダ12に保持された半導体基板2の表面に、半導体薄膜をエピタキシャル成長させて、半導体デバイスを製造する装置である。なお、本実施形態において半導体基板2の「表面」は、図1では下端面側であり、「裏面」はその逆側の面となる。また、以下では、図1及び図2に示すように、半導体基板2の「表面」側を「下側」、その逆側を「上側」と称する。
As described above, the
マニピュレータ11の、基板ホルダを搭載する面とは逆側の面(上側の面)には、その中心に回転軸13が設けられている。回転軸13は、マニピュレータ11とは逆側の端部がチャンバー10の外に出ており、このチャンバー10の外に出た端部は回転装置16に接続されている。この回転装置16(基板移動手段)によって回転軸13が回転されることによって、マニピュレータ11はその周方向に、回転軸13を中心として回転するようになっている。このようにマニピュレータ11が回転することによって、半導体基板2の温度分布の均一化を図ることができる。また、後述するように、半導体基板2の温度分布を測定するためにもこのマニピュレータ11の回転は利用される。なお、回転軸13におけるチャンバー10と回転装置16との間の部分には、フラグ14が設けられている。フラグ14の機能については後で詳しく述べる。
A rotating
さらに、MBE装置1は、半導体基板2の温度を薄膜成長に好適な温度に保つために、基板温度測定装置及び温度調節装置を備えている。
Further, the
基板温度測定装置は、半導体基板2及び基板ホルダ12に向けて光を出射する光源21(光照射手段)、光源21を動かすことによって上記照射光の半導体基板2及び基板ホルダ12での照射位置を変化させる光源移動装置23(光移動手段)、上記照射光が半導体基板2によって散乱されて生じた散乱光を検出する光検出器22(光検出手段)、光検出器22によって検出された散乱光のスペクトル分析を行うスペクトル分析器24(スペクトル分析手段)、及びこのスペクトル分析の結果から半導体基板2の温度を算出する温度演算部25a(温度算出手段)を備えている。
The substrate temperature measuring apparatus is configured to change the irradiation position of the irradiation light on the
また、温度調節装置は、半導体基板2の温度を調節するためにマニピュレータ11に搭載されているヒータ60(温度調節手段)、ヒータに電流を供給するヒータ電源61、及びヒータ電源61からヒータ60への電流量を調節する温度制御部25b(制御手段)を備えている。温度制御部25bは、上記温度演算部25aによって算出された温度の情報に基づいて図示しない温調部を制御し、当該温調部はこの制御に基づいてヒータ電源61の出力を調節するものである。
In addition, the temperature adjusting device includes a heater 60 (temperature adjusting means) mounted on the
なお、上記温度演算部25a及び温度制御部25bは、ハードウェアによって実現してもよいし、コンピュータ25上で所定のプログラムを実行することによってソフトウェアによって実現されてもよい。本実施の形態では、温度制御部25bはハードウェアによって実現されるものとする。
The
光源21は、半導体基板2の表面に向けて照射光を照射できる位置、つまり、基板ホルダ12の半導体基板2を搭載した面よりも下側の位置に設けられていればよい。また、光検出器22は、光源21から半導体基板2に対して照射された照射光が半導体基板2によって散乱された散乱光を受光できる位置、つまり、基板ホルダ12の半導体基板2を搭載した面よりも下側で、光源21とは異なる位置に設けられていればよい。好ましくは、光検出器22は、光源21に対して鏡面反射の関係から外れるように設置される。
The
光源21から基板2に光が照射されると、この照射光の一部は基板2の表面で鏡面反射されて鏡面反射光となる。また、照射光の他の一部は、後述するように散乱光となり、様々な方向に進行する。この散乱された光(散乱光)は、基板2の温度情報を有しているが、鏡面反射光は基板2の温度情報を有していない。
When light is irradiated onto the
そこで、光検出器22が光源21に対して鏡面反射の関係から外れるように設置されると、鏡面反射光を受光しない位置となるので、S/N値が向上し、温度測定精度が向上する。
Therefore, when the
本実施の形態では、光源21は、基板ホルダ12の法線方向に対して傾いた方向から半導体基板2に対して照射光を照射できるようにチャンバー10の外側に設けられている。なお、チャンバー10の壁にはビューポート30が設けられ、光源21から出射された光がビューポート30を介してチャンバー10内に入るようになっている。
In the present embodiment, the
また、本実施の形態では、光検出器22は、基板ホルダ12の法線方向におけるチャンバー10の外側に設けられている。なお、チャンバー10の壁にはビューポート31が設けられ、散乱光が、ビューポート31を介してチャンバー10外の光検出器22に入るようになっている。
In the present embodiment, the
なお、ビューポート30・31は、成膜時のビューガラスの曇りを避けるため、その観測窓部を高温に昇温できるようになっていることが好ましい。
The
なお、上述した光源21と光検出器22との位置関係は一例に過ぎず、光源21と光検出器22とが半導体基板2に対して鏡面反射の位置関係になければ、本質的には同義となる。例えば、半導体基板2表面の法線方向に光源21を配置し、上記法線方向から傾いた方向に光検出器22を配置してもよいし、光源21と光検出器22とが共に上記法線方向から傾いた方向で互いに鏡面反射の関係にない位置に配置してもよい。
Note that the positional relationship between the
半導体基板2の温度測定時には、光源21から半導体基板2及び基板ホルダ12に向けて照射光が照射される。この照射光には白色光を用いることができ、光源21を出た後、ビューポート30を通ってチャンバー10内に入り、半導体基板2及び基板ホルダ12に照射される。また、この照射光は、半導体基板2及び基板ホルダ12上において所定の大きさのスポットを形成するように、光源21の備える光学系により集光されている。スポットの大きさは、半導体基板2の温度測定における位置分解能に影響を及ぼすので、できるだけ小さいことが好ましい。
When measuring the temperature of the
半導体基板2に照射された照射光のうち、鏡面反射されなかった光の一部は、上記半導体基板内に進行し、上記半導体基板の基板内部側で散乱された後、上記半導体基板表面を再び通過し、様々な方向に進行する。半導体基板の裏面とは、上記半導体基板表面の逆の面であり、その基板内部側は、半導体基板内で最も面粗度が大きく散乱確率が大きい。
A part of the light that has not been specularly reflected among the irradiated light irradiated on the
こうして半導体基板2内を通過する間に、当該半導体基板2を構成する半導体のバンドギャップに相当する波長以下の光はこの半導体内に吸収され、吸収されなかった波長成分の光のみが、上述のように、散乱光として半導体基板2の表面を通過し進行する。
Thus, while passing through the
この散乱光の一部は、ビューポート31を通り、光検出器22で検出される。この散乱光を、スペクトル分析器24によって分析することにより、波長スペクトルを得ることができる。この波長スペクトルから、半導体基板2によって吸収された光の波長(吸収波長)に関する情報を得ることができ、その情報に基づいて半導体基板2を構成する半導体材料のバンドギャップの大きさを算出することができる。半導体材料のバンドギャップの大きさは当該半導体材料の温度に依存するので、当該半導体材料の温度により吸収波長が変化する。従って、吸収波長と温度との相関を予めコンピュータ25内に記録しておき、この相関及び得られた吸収波長の値から、基板温度を算出することができる。
A part of this scattered light passes through the
なお、上記吸収波長と温度との相関は、予め予備実験を行っておくことにより確認しておけばよい。上記予備実験では、半導体基板2の表面に熱電対を設置することにより半導体基板2の実際の温度を測定すればよい。
Note that the correlation between the absorption wavelength and the temperature may be confirmed by conducting a preliminary experiment in advance. In the preliminary experiment, the actual temperature of the
温度演算部25aは、このような演算を行うとともに、演算により得られた基板温度データをコンピュータ25内の記憶部25cに保存する。なお、記憶部25cにおいて、上記基板温度データは、当該温度が測定された半導体基板2上の位置を示す基板位置データと対応付けて記憶されている。基板位置データに関しては後述する。
The
上述したように、MBE装置1の基板温度測定装置は半導体基板2からの散乱光を利用し、半導体基板2のバンドギャップの大きさを求め、このバンドギャップの大きさから半導体基板2の温度を算出するものである。つまり、半導体基板2からの光の量に依存した測定方法ではない。従って、薄膜形成時の分子線セルからの輻射の影響を受けにくい。
As described above, the substrate temperature measuring device of the
また、コンピュータ25上でソフトウェアによって黒体輻射を算出することによって、他光源の影響を減算することができる。これによって、光源21からの照射光として、変調させることなく白色光を用いることができる。
In addition, the influence of other light sources can be subtracted by calculating black body radiation by software on the
また、記憶部25cには、薄膜成長に最適な基板温度に関するデータ(目標データ)が記憶されており、温度制御部25bは、以上のようにして測定された基板温度データが目標データに近づくように、上述したヒータ電源61からヒータ60への電流量を調節することにより温度の調節を行う。このようにしてヒータ60の温度が調節され、半導体基板2の温度が最適に保たれる。
The
また、本実施の形態のMBE装置1は、上述したように、光源移動装置23を備えている。光源移動装置23は、半導体基板2に対する光源の向きを変えることによって、光の出射角度を変え、半導体基板2上の光の照射位置を移動させることができる。これによって、半導体基板2上の一点のみでなく、半導体基板2における任意の位置に対して光を照射することができる。
Moreover, the
ここで、本基板温度測定装置では、光検出器22により半導体基板2からの散乱光を検出して温度を算出するため、光源移動装置23によって半導体基板2上の光の照射位置を変化させても、その変化に合わせて光検出器22を移動させなくてもよい。なぜなら、本基板温度測定装置では、半導体基板2からの光の強度に基づくのではなく、半導体基板2による吸収波長に基づいて基板温度を算出するので、光検出器22を移動させることによって検出される光の強度に変化が生じても、原理上、測定結果にはほとんど影響を及ぼさないからである。つまり、本基板温度測定装置では、光源21を移動させ、かつ、光検出器22を固定したままで、半導体基板2の温度分布を測定することができる。そのため、光検出器22用の移動装置を設ける必要がなく、装置構成を簡素化できる。
Here, in this substrate temperature measuring device, the
またMBE装置1は、マニピュレータ11を回転させることによって半導体基板2の温度分布をより広範に測定することができる。このときの温度分布測定法について、図1及び図2に基づいて説明すると以下の通りである。図2は、マニピュレータを回転させることによって半導体基板2における温度分布を測定する方法を示すフローチャートである。
Further, the
マニピュレータ11は、既に述べたように、回転軸13を中心に回転するようになっている。そして、回転軸13にはフラグ14が取り付けられており、このフラグ14は切り欠き15を備えている。図1に示すように、マニピュレータ11の回転時にこの切り欠き15が通過する位置には、位置センサー18が設けられており、切り欠き15が通過したことを認識できるようになっている。これにより、例えばこの切り欠き15が位置センサー18を通過する位置を回転位置の原点と定義した場合、原点位置を通過したという位置情報は位置センサー18からコンピュータ25の照射位置同定部25d(測定位置特定手段)に逐次送られ認識されるようになっている。
As already described, the
また、上記照射位置同定部25dには、マニピュレータの回転速度を示す情報が回転装置16から送られ、光源21の振り角度を示す情報が光源移動装置23から送られる。
Further, information indicating the rotation speed of the manipulator is sent from the
以上の構成より、照射位置同定部25dは、マニピュレータが原点位置を通過したという情報、マニピュレータの回転速度を示す情報、光源の振り角度を示す情報、及び基板ホルダ12上での半導体基板2の配置から、光源21からの照射光の照射位置がどの半導体基板2のどの位置にあるかを同定することが可能となる。そして、照射位置同定部25dによって同定された照射位置は、基板位置データとして上述した基板温度データと対応付けて記憶部25cに記憶される。
With the above configuration, the irradiation
なお、以上に述べた回転情報の検出方法は一例に過ぎず、例えば回転装置16にロータリーエンコーダを備えておき、このロータリーエンコーダによって回転情報の検出を行ってもよい。
The rotation information detection method described above is merely an example. For example, the
図2のフローチャートに基づいて半導体基板2の温度を測定する際の処理の流れについて説明する。まず、光源移動装置23によって、光源21からのを照射光の照射位置を半導体基板2上の基準点に移動させ、その位置で光源21を固定する(ステップS1)。本実施の形態の場合、基板ホルダ12の外周側に配置された半導体基板2の外周部を上記基準点とするが、これに限らず、基板ホルダ12上の任意の位置を基準点とすることができる。
The flow of processing when measuring the temperature of the
次に、基板温度測定動作を行う(ステップS2〜S6)。まず、マニピュレータ11を回転させ、切り欠き15が位置センサー18を通過した時点で温度測定を開始する(ステップS2、S3)。この温度測定は、光源21を固定し、かつマニピュレータ11を回転させた状態で続行される。そして、切り欠き15が再び位置センサー18で認識されると、温度測定が停止される(ステップS4、S5)。これにより、基板ホルダ12の円周方向に沿って、半導体基板2の温度を測定したことになる。
Next, a substrate temperature measurement operation is performed (steps S2 to S6). First, the
このようにして、基板ホルダ12上の、回転軸13を中心とした円周部分の温度が測定される。この測定により温度演算部25aによって算出された基板温度データは、照射位置同定部25dによって同定された対応する基板位置データとともにコンピュータ25の記憶部25cに保存される(ステップS6)。なお、保存される基板温度データは、必ずしも基板温度そのものを示すデータである必要はなく、基板温度に換算可能な値であればよい。例えば、スペクトル分析器24からの出力電圧値を示すデータであってもよい。
In this way, the temperature of the circumferential portion around the rotating
このようにマニピュレータ11を回転させつつ温度測定を行うと、半導体基板2が存在しない部分では、基板ホルダ12に照射光が照射される。この部分、つまり、半導体基板2間の間隙は、温度演算部25aでは基板温度データが算出されず、基板温度データの欠落として記録される。これは、本温度測定装置が、半導体基板2を構成する半導体材料のバンドギャップを利用して温度測定を行っているためである。基板ホルダ12の材質は、通常モリブデン等の金属材料であって、半導体材料ではない。従って、本温度測定装置では温度を測定することができず、基板温度データの欠落となる。言い換えると、本温度測定装置は、このようにして半導体基板2間の間隙を認識することができるので、基板ホルダ12上の各半導体基板2を識別できることになる。
When the temperature is measured while rotating the
以上のようにステップS2〜S6に示す基板温度測定動作を終えると、最終照射位置における測定が終了したか否かが判別され(ステップS7)、未だ終了していない場合には、次に光源21の光源移動装置23によって、照射光の照射位置が移動される(ステップS9)。このとき、照射光の照射位置は、基板ホルダの径方向に、予め設定された距離だけ移動される。本実施の形態では、測定開始点が基板ホルダ12上の外側に設定されているので、照射光の照射位置は基板ホルダ12の中心側に、一定の距離だけ移動される。こうして照射位置を決定したら、その位置から再び上記ステップS1からの動作を行う。
As described above, when the substrate temperature measurement operation shown in steps S2 to S6 is completed, it is determined whether or not the measurement at the final irradiation position is completed (step S7). The light
このように、ステップS2〜S6の動作を繰り返し、基板ホルダ12上の回転軸13を中心とした同心円について温度測定を行い、基板ホルダ12上の半導体基板2全面の温度測定を行う。
As described above, the operations in steps S2 to S6 are repeated, the temperature is measured for the concentric circles around the
このようにして基板ホルダ12上の半導体基板2の全面について温度を測定し終えたら(ステップS7、Yes)、コンピュータ25は、円周毎の測定結果を同心円上の温度分布として整理することにより各半導体基板2での温度分布を算出し、図示しない表示装置に温度分布を視覚的に表示する(ステップS8)。視覚的な表示としては、例えば図5に示すような表示を行えばよい。
When the temperature of the entire surface of the
また、照射光の照射位置を移動させるには、図1に基づいて説明したように、光源21の向きを変える他に、図3に示すように、光源21とビューポート30との間に回転ミラー40を設けておき、この回転ミラー40の角度をミラー回転装置41により変更することによって半導体基板2に照射される照射光の位置を変化させてもよい。なお、図3では、図1に示した部材と同様の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。この構成では、回転ミラー40によって、光源21から出射された光を反射し、その反射光を半導体基板2に照射するようになっている。この回転ミラー40を回転させることによって、反射光の半導体基板2上での照射位置を移動させることができる。
Further, in order to move the irradiation position of the irradiation light, as described with reference to FIG. 1, in addition to changing the direction of the
本実施の形態では、光の照射位置は、基板ホルダ12の外周側から中心に向けて移動させるものとしたが、これに限ったものではなく、基板ホルダ12の中心側から外周側に向けて移動させてもよい。また、本実施の形態では温度測定中は光の照射位置を固定し、マニピュレータ11のみを回転させるものとしたが、これに限らず、照射位置を移動させながら同時にマニピュレータ11を回転させ、基板ホルダ12の中心から外側に広がる渦巻状に測定してもよい。
In the present embodiment, the light irradiation position is moved from the outer peripheral side of the
また、半導体基板2の温度を調節するヒータ60としては、図4に示すような分割ヒータで構成されたヒータ60を用いることが好ましい。図4は、上記マニピュレータ11に設けられたヒータ60の構造の概略を示す平面図である。
In addition, as the
図4に示すように、ヒータ60は、マニピュレータ11の半導体基板2が搭載される面において、同心円状の分割ヒータ60a〜60gがマニピュレータ11の中心から外側に向けて順に配置されることによって構成されている。
As shown in FIG. 4, the
分割ヒータ60a〜60gは、別々にその温度を調節することが可能になっている。従って、上述の温度測定装置によって測定された半導体基板2の温度分布の結果から、設定温度よりも低い部分があった場合、その部分に該当する分割ヒータのみの温度を上げて、その部分の温度を調節することが可能である。また、温度が高過ぎる部分がある場合には、逆に、その部分の分割ヒータの温度を下げることによって、最適な温度を保つことができる。
The temperature of the divided
なお、ヒータ60は、図4に示した構成の他に、同心円の分割に加えて、更に径方向に分割されていてもよい。
In addition to the configuration shown in FIG. 4, the
また、基板温度分布の測定結果により、基板過熱用のヒータの形状を改造し、より均一な基板温度分布を得ることも可能である。 Further, it is possible to obtain a more uniform substrate temperature distribution by modifying the shape of the heater for heating the substrate based on the measurement result of the substrate temperature distribution.
例えば、基板ホルダの基板を搭載する面を内側から順に、中心部、中間部、及び周辺部の3つの領域に大きく分けたとき、基板温度分布の測定結果から、中心部と周辺部の温度が低く、中間部の温度が高くなっていたとする。その場合、基板加熱用のヒータは、図4に示すような同心円状の分割ヒータ60a〜gを備えるヒータ60を用いればよい。そして、分割ヒータa・b・f・gの温度を上昇させ、分割ヒータc〜eの温度を下げれば、温度分布をより均一に調節することができる。
For example, when the surface of the substrate holder on which the substrate is mounted is roughly divided into three regions, the center portion, the intermediate portion, and the peripheral portion in order from the inside, the temperature of the central portion and the peripheral portion is determined from the measurement result of the substrate temperature distribution. Suppose that the temperature in the middle part is low and the temperature is high. In that case, the
また、基板間で温度の差がある場合は、マニピュレータ上の基板の搭載位置(図4に点線で示す)に沿った形状の分割ヒータを設け、これら分割ヒータを別々に温度調節すればよい。 If there is a temperature difference between the substrates, a divided heater having a shape along the mounting position of the substrate on the manipulator (shown by a dotted line in FIG. 4) may be provided, and the temperature of these divided heaters may be adjusted separately.
本実施の形態では、上述したように、温度制御部25b(図1参照)によってヒータ60に供給する電流量を調節することにより半導体基板2の温度を調節する。このとき、測定された温度分布に比例するようにして上記電流量を調節してもよく、温度分布に対して補正を施した値に比例するようにして上記電流量を調節してもよい。補正を施す場合には、温度分布と電流量との相関を示すデータベースをコンピュータ25内に備えておき、これを利用するようにすればよい。
In the present embodiment, as described above, the temperature of the
本実施の形態のMBE装置1を用いて実際に半導体基板2の温度を測定した結果を図5に示す。
FIG. 5 shows the result of actually measuring the temperature of the
実際の測定では、半導体基板2として直径3インチのガリウム砒素基板を用い、マニピュレータ11の回転速度は結晶成長条件である30rpm(1分間に30回転)とし、設定基板温度は454℃とした。
In actual measurement, a gallium arsenide substrate having a diameter of 3 inches was used as the
図5に示すように、基板の温度分布を、すべてのピクセル(測定領域)で453.1〜455.0℃の範囲にすることができた。また、その内、周辺部に位置する2ピクセルのみが453.1〜454.0℃の範囲であった。このように、本実施の形態の温度測定装置及びMBE装置を用いることで、非常に均一な温度分布とすることができた。その結果、全ての半導体基板2において全ての素子特性のバラツキが極めて減少した。
As shown in FIG. 5, the temperature distribution of the substrate could be in the range of 453.1 to 455.0 ° C. in all pixels (measurement region). Of these, only 2 pixels located in the peripheral area were in the range of 453.1 to 454.0 ° C. As described above, by using the temperature measuring device and the MBE device of the present embodiment, it was possible to obtain a very uniform temperature distribution. As a result, the variation in all element characteristics in all the
次に、図1に示すMBE装置1を用いた半導体デバイスの製造方法の一例を図6に基づいて説明する。図6は、MBE装置1を用いた半導体デバイスの製造方法を示すフローチャートである。この製造方法では、半導体基板2の表面に半導体薄膜材料の結晶をエピタキシャル成長させる。MBE装置1のコンピュータ25には、予め、薄膜形成に最適な半導体基板2の温度(目標温度)、及び目標温度に対して許容できる温度分布の範囲(許容範囲)が設定されているものとする。
Next, an example of a semiconductor device manufacturing method using the
まず、半導体基板2を搭載した基板ホルダ12をマニピュレータ11にセットし、ヒータ60によって半導体基板2を熱する(ステップS11)。半導体基板2の温度が目標温度に上昇するのに必要とされる所定の時間が経過した後、上述したように、半導体基板2の温度分布を測定する(ステップS12)。
First, the
ここで、半導体基板2の温度分布が目標温度に対する許容範囲に入っておれば(ステップS13、Yes)、ステップS15の薄膜成長工程に進む。すなわち、図示しないセルシャッター又は基板シャッターを開放することにより、半導体基板2上への薄膜成長を開始する(ステップS15)。
If the temperature distribution of the
一方、半導体基板2の温度分布が目標温度に対する許容範囲から外れておれば(ステップS13、No)、上述したようにヒータ60への出力電流を制御することにより、半導体基板2の温度分布が上記許容範囲に入るように調節する(ステップS14、)。そして再びステップS12からの処理を繰り返すことにより、最終的に半導体基板2の温度分布が上記許容範囲に入るように設定する。
On the other hand, if the temperature distribution of the
ステップS15の薄膜成長工程中、又は薄膜成長工程を終えた後、再び基板の温度を測定する(ステップS16)。その結果、半導体基板2の温度分布が目標温度に対する許容範囲に入っており(ステップS17、Yes)、さらに薄膜を成長させる必要がなければ(ステップS18、No)、薄膜成長を終了し、製造された半導体デバイスをチャンバー10内から搬出する。一方、更に薄膜を成長させる場合は(ステップS19、Yes)、ステップS15の薄膜成長工程を続行する、又は次の薄膜層を成長させる工程を行う。
The substrate temperature is measured again during or after the thin film growth step in step S15 (step S16). As a result, if the temperature distribution of the
また、ステップS17において半導体基板2の温度分布が目標温度に対する許容範囲から外れている場合は、S14と同様にヒータ60への出力電流を制御することにより、半導体基板2の温度分布が上記許容範囲に入るように調節し(ステップS18)、成膜成長工程中は絶えず許容範囲の基板温度にすることができる。
If the temperature distribution of the
本発明に係る半導体デバイスの作成方法としては、図6に示したものに限らず、薄膜成長工程中に温度測定を行い、ヒータ温度を調節するものであってもよい。 The method for producing a semiconductor device according to the present invention is not limited to the method shown in FIG. 6, and the temperature may be measured during the thin film growth process to adjust the heater temperature.
本発明の温度測定装置は、チャンバー10内に照射光及び散乱光を導くために光ファイバー等の光路体を用いる必要がない、すなわち、チャンバー10内に分子線を遮る部材を設ける必要がないため、薄膜形成中に半導体基板2の温度を測定することが可能である。
The temperature measuring device of the present invention does not need to use an optical path body such as an optical fiber to guide irradiation light and scattered light into the
また、MBE装置1では、薄膜を形成する前の半導体基板2に加え、薄膜を形成中の半導体基板2、及び薄膜形成後の半導体基板2についても、その温度を測定することができる。
In addition, in the
これは、薄膜を形成中、又は薄膜を形成後の半導体基板2に照射された光の一部が、薄膜を通過して半導体基板内部に進行し、上述したように半導体基板2裏面で散乱されるので、その散乱光を上記光検出器22で検出することによって、上述したように半導体基板の温度を測定することができるからである。
This is because part of the light irradiated to the
本発明の温度測定装置は、光照射手段と光検出手段との複雑な位置合わせなしに、基板の温度分布を測定でき、しかも、分子線セル等の輻射の影響を受け難いために、結晶成長中であっても正確な温度測定も可能であるという格別の効果を有するものである。従って、半導体デバイス製造装置の基板温度測定装置として好適に用いることができる。また、この温度測定装置を備えた半導体デバイス製造装置は、良質で、かつ品質のバラツキの小さい半導体デバイスを製造することができるため、非常に有用である。 The temperature measuring device of the present invention can measure the temperature distribution of the substrate without complicated alignment between the light irradiation means and the light detection means, and is not easily affected by radiation of a molecular beam cell, etc. Even in the middle, it has a special effect that accurate temperature measurement is possible. Therefore, it can be suitably used as a substrate temperature measuring device for a semiconductor device manufacturing apparatus. Moreover, the semiconductor device manufacturing apparatus provided with this temperature measuring apparatus is very useful because it can manufacture a semiconductor device with high quality and small variations in quality.
1 MBE装置(半導体デバイス製造装置)
2 半導体基板
10 チャンバー
11 マニピュレータ
12 基板ホルダ
13 回転軸
14 フラグ
16 回転装置(基板移動手段)
18 位置センサー
21 光源(光照射手段)
22 光検出器(光検出手段)
23 光源移動装置(光移動手段)
24 スペクトル分析器(スペクトル分析手段)
25 コンピュータ
25a 温度演算部(温度算出手段)
25b 温度制御部(制御手段)
25c 記憶部
25d 照射位置同定部(測定位置特定手段)
40 回転ミラー(光移動手段)
41 ミラー回転装置
60 ヒータ(温度調節手段)
1 MBE equipment (semiconductor device manufacturing equipment)
18
22 Photodetector (light detection means)
23 Light source moving device (light moving means)
24 Spectrum analyzer (spectrum analysis means)
25
25b Temperature controller (control means)
40 Rotating mirror (light moving means)
41
Claims (9)
上記半導体基板に対して光を照射する光照射手段と、
上記半導体基板に照射された後の光を検出する光検出手段と、
上記光検出手段により検出された光のスペクトルを分析するスペクトル分析手段と、
上記スペクトル分析手段による分析結果、及び上記半導体基板におけるバンドギャップに起因する吸収波長の温度特性に基づくことにより、上記半導体基板における光の照射位置の温度を算出する温度算出手段と、
上記半導体基板に対して照射される光を移動させることにより上記照射位置を移動させる光移動手段とを備え、
上記照射位置において散乱された光を上記光検出手段によって検出することにより上記照射位置の温度を測定することを特徴とする温度測定装置。 In a temperature measuring device that measures the temperature of a semiconductor substrate,
A light irradiation means for irradiating the semiconductor substrate with light;
A light detecting means for detecting light after being irradiated on the semiconductor substrate;
Spectrum analyzing means for analyzing the spectrum of light detected by the light detecting means;
Based on the analysis result by the spectrum analysis means and the temperature characteristics of the absorption wavelength due to the band gap in the semiconductor substrate, a temperature calculation means for calculating the temperature of the light irradiation position in the semiconductor substrate;
A light moving means for moving the irradiation position by moving the light irradiated to the semiconductor substrate;
A temperature measuring apparatus for measuring the temperature of the irradiation position by detecting light scattered at the irradiation position by the light detection means.
上記照射位置と、上記基板移動手段により決定される上記半導体基板の位置とに基づくことにより、上記半導体基板における温度の測定位置を特定する測定位置特定手段とをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の温度測定装置。 Substrate moving means for moving the semiconductor substrate relative to the irradiation position;
The measurement position specifying means for specifying the measurement position of the temperature in the semiconductor substrate based on the irradiation position and the position of the semiconductor substrate determined by the substrate moving means is further provided. The temperature measuring apparatus according to 1.
上記半導体基板の温度を調節する温度調節手段とを備え、
上記半導体基板の表面に薄膜を形成することによって半導体デバイスを製造する半導体デバイス製造装置であって、
上記温度測定装置によって得られた上記半導体基板の温度の情報に基づいて上記温度調節手段を制御する制御手段を備えることを特徴とする半導体デバイス製造装置。 The temperature measuring device according to any one of claims 1 to 5,
Temperature adjusting means for adjusting the temperature of the semiconductor substrate,
A semiconductor device manufacturing apparatus for manufacturing a semiconductor device by forming a thin film on the surface of the semiconductor substrate,
A semiconductor device manufacturing apparatus, comprising: control means for controlling the temperature adjusting means based on temperature information of the semiconductor substrate obtained by the temperature measuring apparatus.
上記半導体基板に対して光を照射する光照射ステップと、
上記半導体基板に照射された後の光を検出する光検出ステップと、
上記光検出ステップにより検出された光のスペクトルを分析するスペクトル分析ステップと、
上記スペクトル分析ステップによる分析結果、及び上記半導体基板におけるバンドギャップに起因する吸収波長の温度特性に基づくことにより、上記半導体基板における光の照射位置の温度を算出する温度算出ステップと、
上記半導体基板に対して照射される光を移動させることにより上記照射位置を移動させる光移動ステップとを含み、
上記照射位置において散乱された光を上記光検出ステップによって検出することにより上記照射位置の温度を測定することを特徴とする温度測定方法。 In a temperature measurement method for measuring the temperature of a semiconductor substrate,
A light irradiation step of irradiating the semiconductor substrate with light;
A light detecting step for detecting light after being irradiated on the semiconductor substrate;
A spectral analysis step for analyzing the spectrum of the light detected by the light detection step;
A temperature calculation step of calculating the temperature of the light irradiation position in the semiconductor substrate based on the analysis result of the spectrum analysis step and the temperature characteristics of the absorption wavelength caused by the band gap in the semiconductor substrate;
A light moving step of moving the irradiation position by moving the light irradiated to the semiconductor substrate,
A temperature measurement method, wherein the temperature at the irradiation position is measured by detecting light scattered at the irradiation position by the light detection step.
請求項8に記載の温度測定方法によって上記半導体基板の温度を測定する温度測定工程と、
上記温度に基づいて上記半導体基板の温度を調節する温度調節工程と、
上記温度調節工程によって温度を調節された上記半導体基板に薄膜を形成する薄膜形成工程とを含むことを特徴とする半導体デバイス製造方法。 A semiconductor device manufacturing method for manufacturing a semiconductor device by forming a thin film on a surface of a semiconductor substrate,
A temperature measuring step of measuring the temperature of the semiconductor substrate by the temperature measuring method according to claim 8;
A temperature adjusting step of adjusting the temperature of the semiconductor substrate based on the temperature;
And a thin film forming step of forming a thin film on the semiconductor substrate, the temperature of which is adjusted by the temperature adjusting step.
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