JP2011514660A - 閉ループｍｏｃｖｄにおける堆積制御 - Google Patents

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Abstract

化学気相蒸着及び／又は水素化物気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）堆積を利用したクラスタツールのための基板処理パラメータを監視及び制御するための方法及び装置が提供される。一実施形態において、有機金属化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）法を使用して処理チャンバ内の複数の基板上にＩＩＩ族窒化物膜を堆積する。閉ループ制御システムは、ＩＩＩ族窒化物膜成長速度のインシチュ監視を行い、必要に応じて膜成長パラメータを調節することによってターゲット成長速度を維持する。別の実施形態において、閉ループ制御システムは、１つ以上の膜堆積システムの複数の処理チャンバについて、膜成長パラメータのインシチュ監視を行なう。

Description

発明の背景
（発明の分野）
本発明の実施形態は、一般に、基板上での化学気相蒸着（ＣＶＤ）のプロセス監視及び制御のための方法及び装置に係り、特に有機金属化学気相蒸着及び／又は水素化物気相エピタキシ処理システムで使用するための閉ループ処理制御システムに関する。
（関連技術の説明）
ＩＩＩ−Ｖ族膜は、多種多様な半導体デバイス（短波長発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）等）及び高出力、高周波、高温トランジスタ、集積回路を含む電子デバイスの開発及び製造において重要性を増しつつある。例えば、短波長（例えば、青／緑〜紫外線）ＬＥＤは、ＩＩＩ族窒化物半導体材料である窒化ガリウム（ＧａＮ）を使用して製造される。ＧａＮを使用して製造された短波長ＬＥＤでは、非窒化物半導体材料（ＩＩ−ＶＩ族材料等）を使用して製造された短波長ＬＥＤよりはるかに高い効率及び長い動作寿命が得られる。
ＧａＮ等のＩＩＩ−Ｖ族膜の堆積に使用されている１つの方法が、有機金属化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）である。この化学気相蒸着法は一般に、温度管理された環境を有するリアクタ内で行なうことによって、ＩＩＩ族に属するガリウム（Ｇａ）等の少なくとも１種の元素を含有する第１前駆体ガスの安定性を確保している。アンモニア（ＮＨ３）等の第２前駆体ガスが、ＩＩＩ族窒化物の生成に必要な窒素を提供する。これら２種類の前駆体ガスはリアクタ内の処理ゾーンに注入され、そこで混合され、処理ゾーン内の加熱された基板に向かって移動する。キャリアガスを使用して、前駆体ガスの基板方向への移動を促す場合もある。前駆体は加熱された基板の表面で反応してＩＩＩ族窒化物層（ＧａＮ等）を基板表面上に形成する。
複数の基板を堆積リアクタ内の基板キャリア上に配置して、歩留まり及びスループットの上昇に望ましいバッチ処理にする場合もある。これらの要素は、電子デバイスの製造コスト、ひいてはデバイス製造業者の市場における競争力に直接影響することから重要である。
各基板上に堆積されるＩＩＩ−Ｖ族膜の質は多くの膜成長パラメータに左右され、このパラメータには、幾つかを挙げるとリアクタ圧力、前駆体流量、基板温度、膜応力及び膜成長速度が含まれる。成長パラメータは、先行の基板処理回中及び／又はその後に測定される膜成長速度又は追加の成長パラメータから求めることができる。異なる膜成長パラメータ（例えば、膜応力、膜成長速度等）の測定には、様々な計測ツールを使用することができる。処理結果と膜成長パラメータとを相関させて膜の質及び成長速度を最適化し、続く処理回で再現するためには、基板処理中に膜成長パラメータを測定及び監視することが望ましい。次に、膜成長パラメータを監視し、例えば人間のオペレータが必要に応じて既定値又は設定値に調節することによって、所望の膜質及び成長速度を達成することができる。
基板処理中、１つ以上の膜成長パラメータが望ましい既定値から逸脱する場合がある。逸脱が急激すぎたり緩慢すぎて、人間のオペレータがこの逸脱を検知できず、堆積された膜の質が基板のバッチ全体について悪化する場合がある。また、複数の処理リアクタを有するクラスタツールでは、大量の膜成長パラメータデータを監視し、多くの成長パラメータを制御する必要があるため、オペレータによるエラー及び不良な膜質が発生する確率が高くなる恐れがある。
ＬＥＤ、ＬＤ、トランジスタ及び集積回路への需要が増大するにつれ、高品質のＩＩＩ−Ｖ族膜を堆積する効率の重要性が増す。従って、基板処理中に膜成長パラメータを監視及び制御するための改善された装置及び方法が必要とされる。
本発明は概して、ＭＯＣＶＤ及び／又は水素化物気相エピタキシ処理システムにおいてＩＩＩ−Ｖ族構造の処理を監視及び制御するための改善された方法及び装置を提供する。
一実施形態では、ＩＩＩ−Ｖ族構造の処理を監視及び制御するための基板処理システムが提供される。この基板処理システムは一般に、ＩＩＩ−Ｖ族膜の基板上への堆積が行なわれる、基板キャリアを有するチャンバと、基板キャリア上に配置された基板の表面特性を測定するように構成された１つ以上の計測ツールと、計測ツールの測定値に従ってチャンバの処理パラメータを制御するためのシステムコントローラとを含む。
別の実施形態では、ＩＩＩ−Ｖ族構造の処理を監視及び制御するためのクラスタツールが提供される。このクラスタツールは、搬送チャンバと、１つ以上の、その少なくとも１つが基板上にＩＩＩ−Ｖ族膜を堆積するように構成された処理チャンバと、サービスチャンバと、基板の表面特性を測定するように構成された１つ以上の計測ツールと、計測ツールの測定値に従って１つ以上の処理チャンバの処理パラメータを制御するためのシステムコントローラとを含む。
更に別の実施形態において、ＩＩＩ−Ｖ族膜の基板上への堆積が行なわれる少なくとも１つのチャンバをそれぞれ有する２つ以上のクラスタツールを制御するためのシステムが提供される。このシステムは一般に、第１クラスタツールの処理パラメータを制御するための第１システムコントローラと、第２クラスタツールの処理パラメータを制御するための第２システムコントローラを含み、これらのクラスタツールの少なくとも１つは、基板の表面特性を測定するように構成された１つ以上の計測ツールを有し、１つ以上の計測ツールによる測定値に従って２つ以上のクラスタツールの処理パラメータを制御するためのシステム間コントローラを更に含む。
本発明の上記構成が詳細に理解されるように、上記で簡単に要約した本発明のより具体的な説明を実施形態を参照して行う。実施形態の一部は添付図面に図示されている。しかしながら、添付図面は本発明の典型的な実施形態しか図示しておらず、本発明はその他の同等に効果的な実施形態も含み得ることから、本発明の範囲を制限すると解釈されないことに留意すべきである。
窒化ガリウム系構造の概略図である。 本発明の一実施形態による化学気相蒸着装置の概略図である。 本発明の別の実施形態による化学気相蒸着装置の概略図である。 本発明の一実施形態による計測ツールを含む図２Ａに図示の化学気相蒸着チャンバの概略図である。 本発明の別の実施形態による計測ツールを含む図２Ａに図示の化学気相蒸着チャンバの概略図である。 基板処理用の処理チャンバ及び計測チャンバを有する処理システムの一実施形態の概略平面図である。 本発明の一実施形態による多重システム処理システムの平面図である。 図４Ａに図示の処理システムの別の実施形態の平面図である。 一実施形態による図４Ａに図示の処理システムを使用した複合窒化物半導体構造を作製するための処理シーケンスを表す図である。
理解のために、可能な限り、図面で共通する同一要素は同一参照番号を使用して表した。一実施形態の要素及び構成を、特に記載することなくその他の実施形態で便宜上利用する場合がある。
詳細な説明
本発明の実施形態は、一般に、ＭＯＣＶＤ及び／又は水素化物気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）堆積によるＩＩＩ−Ｖ族構造の作製に利用し得る方法及び装置を提供する。本発明の実践に合わせて構成し得る例示的なシステム及びチャンバは、２００８年１月３１日に「ＣＶＤ Ａｐｐａｒａｔｕｓ」の名称で出願された米国特許出願第１２／０２３５２０号、及び、２００８年１月３１日に「Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ」の名称で出願された米国特許出願第１２／０２３５７２号に記載されており、これらの文献は共に上記の参照により組み込まれる。本発明の実施に合わせて構成し得る追加の例示的なシステム及びチャンバは、２００６年４月１４日に出願された米国特許出願第１１／４０４５１６号及び２００６年５月５日に出願された米国特許出願第１１／４２９０２２号に記載されており、これらの文献は共に引用により本願に組み込まれる。
図１は窒化ガリウム系構造の概略図であり、このような構造の作製に使用し得る膜層のタイプ及び処理工程を表す。図１に図示の本実施例において、窒化ガリウム系構造はＬＥＤ（発光ダイオード）構造１０である。この構造の作製は、清浄化されたサファイア基板１１から始まり、この上に厚さ約３００オングストロームを有するＧａＮ（窒化ガリウム）バッファ層１３が堆積される。ＧａＮバッファ層１３は、ＧａＮ材料を処理温度約５５０℃で約５分間に亘って堆積するＭＯＣＶＤ法を使用して堆積することができる。
次に、ｎ−ＧａＮ層１４を、ＧａＮバッファ層１３上に堆積する。ｎ−ＧａＮ層１４は典型的には、高温、例えば１０５０℃で堆積され、厚さ約４ミクロン（μｍ）で比較的厚く、約１４０分の総堆積時間を要する。次の層はＩｎＧａＮ（インジウム−ガリウム−窒化物）層１５であり、多重量子井戸層として機能し、約７５０オングストロームの厚さに７５０℃で約４０分間に亘って堆積される。ＩｎＧａＮ層１５に続いて、ｐ−ＡｌＧａＮ（アルミニウム−ガリウム−窒化物）層１６が、ＩｎＧａＮ層１５上に約２００オングストロームの厚さに堆積され、堆積は約５分、約９５０℃で完了する。最終層はｐ−ＧａＮ層１７であり、コンタクト層として機能し、１０５０℃で約２５分間に亘って約０．４ミクロンの最終厚さに堆積される。
図２Ａは、本発明の一実施形態による化学気相蒸着装置の概略図である。図１に図示のＬＥＤ構造は、図２に図示の装置を使用して作製することができる。図２Ａに図示の装置１００は、チャンバ１０２Ａ、ガス送出システム１２５、真空システム１１２、遠隔プラズマ源１２６、システムコントローラ１６１及びオペレータインターフェース１６７を備える。チャンバ１０２Ａは、処理容積１０８を取り囲むチャンバ本体１０３を含む。シャワーヘッドアセンブリ１０４は処理容積１０８の一方に配置され、基板キャリア１１４は処理容積１０８のもう一方に配置される。下方ドーム１１９が下方容積１１０の一方に配置され、基板キャリア１１４が下方容積１１０のもう一方に配置される。基板キャリア１１４は処理位置にある状態で描かれているが、例えば基板Ｓをロード又はアンロードするためのより低い位置に移動させることもできる。排気リング１２０を基板キャリア１１４の周囲に配置して下方容積１１０内での堆積の防止に役立て、またチャンバ１０２Ａから排気ポート１０９へと排気ガスを指向させるのに役立ててもよい。下方ドーム１１９を、基板Ｓの輻射加熱のために、光を通す高純度石英等の透明材料から形成してもよい。輻射加熱は、下方ドーム１１９の下に配置された複数の内方ランプ１２１Ａ、中央ランプ１２１Ｂ及び外方ランプ１２１Ｃによって行なうことができ、またリフレクタ１６６を使用して、内方、中央及び外方ランプ１２１Ａ、１２１Ｂ、１２１Ｃによってもたらされる放射エネルギーへのチャンバ１０２Ａの曝露の制御に役立ててもよい。その他のランプ構成を使用して、基板Ｓの温度制御をより精密に行なうこともできる。
基板キャリア１１４は１つ以上の凹部１１６を含んでいてよく、処理中、その中に１枚以上の基板Ｓが配置される。基板キャリア１１４は６枚以上の基板Ｓを担持し得る。一実施形態において、基板キャリア１１４は８枚の基板Ｓを担持する。基板キャリア１１４が担持する基板Ｓの数はそれより多くても少なくてもよいことを理解されたい。典型的な基板Ｓには、サファイア、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、シリコン、窒化ガリウム（ＧａＮ）が含まれる。その他のタイプの基板、例えばガラス基板も処理し得ることを理解されたい。基板のサイズは直径５０ｍｍ〜１００ｍｍ又はそれより大きくなり得る。基板キャリア１１４のサイズは、２００ｍｍ〜７５０ｍｍとなり得る。基板キャリア１１４は多種多様な材料から形成することができ、ＳｉＣ又はＳｉＣ被覆グラファイトが含まれる。その他のサイズの基板をチャンバ１０２Ａ内で本願に記載の処理に従って処理し得ることを理解されたい。本願に記載されるようなシャワーヘッドアセンブリ１０４によって、従来のＭＯＣＶＤチャンバの場合より多数の基板及び／又は大きい基板により均一な堆積を施すことができるようになり、この結果スループットが上昇し、基板１枚あたりの処理コストが低下する。
基板キャリア１１４は処理中、軸を中心に回転してもよい。一実施形態において、基板キャリア１１４は約２ｒｐｍ〜約１００ｒｐｍで回転する。別の実施形態において、基板キャリア１１４は約３０ｒｐｍで回転する。基板キャリア１１４の回転は、基板Ｓの均一な加熱及び各基板Ｓへの処理ガスの均一な曝露を促進する。基板キャリア１１４を上下に移動させて基板の処理及びチャンバ１０２Ａ内外への搬送を行なうこともでき、基板キャリア１１４のこの上下運動及び回転は、システムコントローラ１６１によって制御されるモータ又はアクチュエータ（図示せず）によって可能となる。
複数の内方、中央及び外方ランプ１２１Ａ、１２１Ｂ、１２１Ｃは同心円又は同心円帯状に配置することができ（図示せず）、各ランプ又はランプゾーンは別々に給電することができる。一実施形態においては、高温計等の１つ以上の温度センサ（図３Ａを参照のこと）をシャワーヘッドアセンブリ１０４内に配置して基板及び基板キャリア１１４の温度を測定し、温度データはシステムコントローラ１６１に送られ、システムコントローラ１６１が別々のランプゾーンへの電力を調節することによって基板キャリア１１４全体の既定の温度プロファイルを維持する。別の実施形態においては、別々のランプゾーンへの電力を調節することによって、前駆体流れ又は前駆体濃度の不均一性を相殺する。例えば、外方ランプゾーンに近い基板キャリア１１４の領域における前駆体濃度が低い場合、外方ランプゾーンへの電力を調節することによって、この領域における前駆体の不足を補う。
内方、中央及び外方ランプ１２１Ａ、１２１Ｂ、１２１Ｃは基板Ｓを約４００℃〜約１２００℃に加熱し得る。本発明はランプ列の使用に限定されないことを理解されたい。チャンバ１０２Ａ及びその中の基板Ｓに適当な温度を十分にゆきわたらせるために、いずれの適切な加熱源を利用してもよい。例えば、別の実施形態において、加熱源は、基板キャリア１１４と熱的に接触する抵抗加熱要素（図示せず）を含む。
ガス送出システム１２５は複数のガス供給源を含んでいてよく、実行中の処理によっては一部の供給源がガスではなく液体供給源であり、この場合、ガス送出システムは液体注入システム又は液体を気化させるためのその他の手段（例えば、バブラ）を含み得る。次に、チャンバ１０２Ａへの送出に先立ってこの蒸気をキャリアガスと混合することができる。様々なガス（前駆体ガス、キャリアガス、パージガス、洗浄／エッチングガスその他等）を、ガス送出システム１２５から別々の供給ライン１３１、１３２、１３３、更にはシャワーヘッドアセンブリ１０４へと供給することができる。供給ライン１３１、１３２及び１３３は、各ラインのガス流を監視、調節又は遮断するための遮断バルブ、質量流量コントローラ又はその他タイプの流量コントローラを含んでいてもよく、これらのバルブ、流量コントローラ及びその他のガス送出システム１２５部品は、次にシステムコントローラ１６１によって制御される。
導管１２９は遠隔プラズマ源１２６から洗浄／エッチングガスを受け取る。遠隔プラズマ源１２６はガス送出システム１２５から供給ライン１２４を介してガスを受け取り、バルブ１３０は、シャワーヘッドアセンブリ１０４と遠隔プラズマ源１２６との間に配置される。バルブ１３０を開放すると、洗浄及び／又はエッチングガス又はプラズマがシャワーヘッドアセンブリ１０４内へと、プラズマ用の導管として機能するように構成し得る供給ライン１３３を介して流れ込む。別の実施形態において、装置１００は遠隔プラズマ源１２６を含まず、洗浄／エッチングガスはガス送出システム１２５から代替の供給ライン構成を使用してシャワーヘッドアセンブリ１０４へと非プラズマ洗浄及び／又はエッチングを目的として送出される。
遠隔プラズマ源１２６は、チャンバ１０２Ａの洗浄及び／又は基板エッチング用に構成された高周波又はマイクロ波プラズマ源であってもよい。洗浄及び／又はエッチングガスを遠隔プラズマ源１２６へと供給ライン１２４を介して供給してプラズマ種を発生させ、このプラズマ種を導管１２９及び供給ライン１３３を介してシャワーヘッドアセンブリ１０４に送ってチャンバ１０２Ａ内へと分散させる。洗浄用途のガスにはフッ素、塩素又はその他の反応性元素が含まれる。
別の実施形態において、ガス送出システム１２５及び遠隔プラズマ源１２６は、前駆体ガスが遠隔プラズマ源１２６に供給されてプラズマ種が発生し、このプラズマ種が供給ライン１３１、１３２を介して送られてシャワーヘッドアセンブリ１０４を通過し、ＣＶＤ層（例えば、ＩＩＩ−Ｖ族膜等）が基板Ｓ上に堆積されるように適切に構成される。洗浄及び／又は堆積処理中、遠隔プラズマ源１２６及びガス送出システム１２５は、システムコントローラ１６１によって既定の操作パラメータに従って制御される。
パージガス（例えば、窒素）はチャンバ１０２Ａ内へとシャワーヘッドアセンブリ１０４及び／又は基板キャリア１１４下方のチャンバ本体１０３の底部近くに配置された流入ポート若しくはチューブ（図示せず）から送出することができる。パージガスはチャンバ１０２Ａの下方容積１１０に進入し、基板キャリア１１４及び排気リング１２０を越えて上方に流れ、環状排気チャネル１０５の周囲に配置された複数の排気ポート１０９に流れ込む。排気導管１０６は環状排気チャネル１０５を、真空ポンプ（図示せず）を含む真空システム１１２へと接続する。チャンバ１０２Ａ圧力は、環状排気チャネル１０５から排気ガスを抜く速度を制御するバルブシステム１０７を使用して制御することができる。ガス監視ツール（例えば、残留ガス分析装置、ＩＲ）１６０を排気導管１０６に連結し、流体連通させてもよい。ガス監視ツール１６０を、チャンバ１０２Ａにおける漏出の検知又はチャンバ洗浄処理の終点の検知又はその他のガス分析若しくは監視目的に使用してもよく、ガス監視ツール１６０からのデータはシステムコントローラ１６１によって監視することができる。
システムコントローラ１６１は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）１６２、メモリ１６３及びＣＰＵ１６２用のサポート回路１６４を備え、装置１００及びその内部のチャンバ１０２Ａの操作パラメータ及び活動、ひいては堆積処理の制御を可能にする。制御信号はシステムコントローラ１６１から延びる信号線１６５によってシステムコントローラ１６１から送られ、装置１００及びチャンバ１０２Ａの様々な部品（例えば、内方、中央、外方ランプ１２１Ａ〜１２１Ｃ、真空システム１１２）の入力が制御される。オペレータインターフェース１６７は、キーボード、モニタ及び装置１００の操作及び処理パラメータを手動入力するための手段となるその他の部品を備え得る。
システムコントローラ１６１は、様々なチャンバ及びサブプロセッサを制御する際に工業環境で使用可能ないずれの形式の汎用コンピュータプロセッサの１つであってもよい。メモリ１６３又はＣＰＵ１６２のコンピュータ可読性媒体は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、フロッピーディスク、ハードディスク、その他いずれの形式のローカル又はリモートデジタルストレージ等の容易に入手可能なメモリの１種以上であってもよい。サポート回路１６４は慣用のやり方でプロセッサをサポートするためにＣＰＵ１６２に連結される。これらの回路はキャッシュ、電力供給源、クロック回路、入力／出力回路、サブシステム等を含む。本発明の方法は、通常、ソフトウェアルーチンとしてメモリ１６３に保存されるが、ＡＳＩＣの場合もある。或いは、このようなソフトウェアルーチンを、ＣＰＵ１６２によって制御されるハードウェアとは離れて位置する第２ＣＰＵ（図示せず）で保存する及び／又は実行してもよい。
図２Ａに図示のチャンバ１０２Ａ用のシャワーヘッドアセンブリ１０４は、有機金属化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）用途に合わせて構成することができる。基板処理中、処理ガス１５２はシャワーヘッドアセンブリ１０４から基板Ｓの表面に向かって流れる。処理ガス１５２は１種以上のＭＯＣＶＤ前駆体ガス及びこれらの前駆体ガスと混合し得るキャリアガス、ドーパントガスを含み得る。本発明の実践に合わせて構成し得る例示的なシャワーヘッドは、全て２００７年１０月１６日に出願された米国特許出願第１１／８７３１３２号、第１１／８７３１４１号及び第１１／８７３１７０号に記載されており、これら全ての文献は引用により全て本願に組み込まれる。
別の実施形態において、シャワーヘッドアセンブリ１０４は、水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）として知られる別の堆積技法での使用にあわせて構成される。ＨＶＰＥ法には、一部のＩＩＩ−Ｖ族膜、特にはＧａＮの成長において、高い成長率、相対的な単純性及び費用対効果等の利点がある。この技法において、ＧａＮの成長は、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）とアンモニア（ＮＨ３）との高温気相反応により進行する。このアンモニアは標準的なガス供給源から供給することができ、ＧａＣｌは、加熱した液体ガリウム供給源上にＨＣｌ等の水素化物含有ガスを通すことによって生成される。アンモニア及びＧａＣｌの２種類のガスを加熱した基板に誘導すると２種類のガスが反応して基板表面上にエピタキシャルＧａＮ膜が形成される。一般に、ＨＶＰＥ法はその他のＩＩＩ族窒化物膜の成長に使用され、水素化物含有ガス（ＨＣｌ、ＨＢｒ、ＨＩ等）をＩＩＩ族液体供給源上に流してＩＩＩ族ハロゲン化物ガスを生成し、次にこのＩＩＩ族ハロゲン化物ガスをアンモニア等の窒素含有ガスと混合してＩＩＩ族窒化物膜を形成する、
ガス送出システム１２５は、チャンバ１０２Ａ外部に加熱ソースボート（図示せず）を備えていてもよい。この加熱ソースボートは液相へと加熱される金属源（例えば、Ｇａ）を収容することができ、水素化物含有ガス（例えば、ＨＣｌ）はこの金属源上を流れてＩＩＩ族ハロゲン化物ガス、例えばＧａＣｌを生成する。ＩＩＩ族ハロゲン化物前駆体ガス及び窒素含有前駆体ガス（ＮＨ３等）を次にシャワーヘッドアセンブリ１０４へと供給ライン１３１、１３２を介して送出して処理容積１０８内に注入し、ＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物膜を基板Ｓ上に堆積する。別の実施形態においては、１本以上の供給ライン１３１、１３２を加熱して前駆体を外部ボートからチャンバ１０２Ａへと送出する。システムコントローラ１６１を使用して、ガス送出システム１２５の多種多様な部品の加熱を監視及び制御することができる。
図２Ｂは、本発明の別の実施形態による化学気相蒸着装置の概略図である。装置１００は、ＨＶＰＥ堆積用のチャンバ１０２Ｂを含むように適切に構成される。チャンバ１０２Ｂは、処理容積１０８を取り囲むチャンバ本体１０３を含む。シャワーヘッドアセンブリ１０４は、処理容積１０８の一方に配置され、基板キャリア１１４は、処理容積１０８のもう一方に配置される。複数のランプ１３０Ａ、１３０Ｂを、基板キャリア１１４の下方に配置することができる。多くの用途において、典型的なランプ配置には基板Ｓの上方（図示せず）及び下方（図示の通り）のランプ列が含まれる。１つ以上のランプ１３０Ａ、１３０Ｂは給電されると、基板Ｓ及びシャワーヘッドアセンブリ１０４内に配置されたソースボート２８０を加熱する。
ソースボート２８０はチャンバ本体１０３を取り囲んでいてもよく、金属源２２１（例えば、ガリウム、アルミニウム、インジウム等）がソースボート２８０のウェル２２０を満たす。ソースボート２８０を加熱すると金属源２２１が熱せられて液相となり、水素化物含有ガス（例えば、ＨＣｌ）がチャネル２１０内を金属源２２１上で流れるとＩＩＩ族ハロゲン化物ガス（ＧａＣｌ等）が生成され、このガスはシャワーヘッドアセンブリ１０４内に位置するガス管（図示せず）を通って処理容積１０８内に導入される。窒素含有ガス（例えば、アンモニア等）は、別のガス管セット（図示せず）を通して処理容積１０８内に導入することができる。基板処理中、ＩＩＩ族ハロゲン化物及び窒素含有前駆体ガスを含み得る処理ガス１５２はシャワーヘッドアセンブリ１０４から基板Ｓに向かって流れ、これらの前駆体ガスが基板Ｓの表面付近又は表面で反応することによって金属窒化物（例えば、ＧａＮ等）が基板表面上に堆積される。本発明の実践に合わせて構成し得るＨＶＰＥ堆積用の例示的なチャンバ及びシャワーヘッドは、２００７年６月２４日に出願された米国特許出願第１１／７６７５２０号に記載されており、この文献は引用により全て組み込まれる。
基板処理結果を改善するために、処理中又は処理後に処理を監視して、処理パラメータ設定値からの逸脱を１枚以上の基板を完全に処理する前に修正するのが望ましいことが多い。図３Ａは、本発明の一実施形態による計測ツール３００を含む図２Ａに図示の化学気相蒸着チャンバの概略図である。１つ以上のセンサ３０１及び／又は計測ツール３００をシャワーヘッドアセンブリ１０４に連結することによって、基板処理パラメータ（例えば、温度、圧力等）及び基板上に堆積される膜の各種特性（厚さ、反射率、リアルタイム膜成長速度、組成、応力、粗さ、その他の膜特性等）を測定することができる。追加のセンサ３０２をチャンバ本体１０３の側壁に沿って配置し得るが、センサ３０１、３０２はチャンバ１０２Ａのどこに位置決めしてもよい。計測ツール３００及び／又はセンサ３０１からのデータを信号線１６５に沿ってシステムコントローラ１６１に送り、システムコントローラ１６１によってデータの監視を行なうことができる。一実施形態において、システムコントローラ１６１は、計測ツール／センサのデータに応答して装置１００及びチャンバ１０２Ａに制御信号を自動的に送る（図２Ａを参照のこと）ように構成されており、閉ループ制御システムが構築される。
センサ３０１、３０２及び／又は計測ツール３００はそれぞれ導管３０３に連結され、導管３０３は、シャワーヘッドアセンブリ１０４又はチャンバ本体１０３と真空シールを形成するチューブ又は延長ハウジング又はチャネルを含み、チャンバの真空を維持しながら、各センサ３０１、３０２及び／又は計測ツール３００によるチャンバ１０２Ａの内部容積（例えば、処理容積１０８及び／又は下方容積１１０）へのアクセスを可能にしている。各導管３０３の一端は、シャワーヘッドアセンブリ１０４及び／又はチャンバ本体１０３内に配置されたポート３０５付近に位置決めされる。ポート３０５はチャンバ１０２Ａの内部容積と流体連通している。別の実施形態において、１つ以上のポート３０５は、光は通すが真空シールを形成することでチャンバ１０２Ａの内部との流体連通を防止するウィンドウを含む。
各導管３０３は、センサ／トランスデューサプローブ又はその他のデバイスを格納し及び／又は指向された放射線ビーム（レーザービーム等）の経路となる。各ポート３０５は、パージガス（不活性ガスであってもよい）を流すことによってポート３０５及び導管３０３内のデバイス上での凝縮を防止して正確なインシチュ（in-situ）測定を可能にするように構成される。パージガスは、導管３０３内又はポート３０５付近に配置されるセンサプローブ又はその他のデバイスの周囲を環状に流れ得る。
一実施形態において、センサ３０１は、基板Ｓの温度及び／又はその他の温度（シャワーヘッド面３０６の温度等）を測定するための温度センサ（例えば、高温計、熱電対等）を含む。その他の実施形態において、センサ３０２はチャンバ本体１０３の側壁の温度を測定するための温度センサを含む。シャワーヘッド面３０６及びチャンバ本体１０３は、１つ以上の熱交換器（図示せず）と流体連通している。
センサ３０１、３０２によって温度データが得られ、このデータはシステムコントローラ１６１によって監視され、システムコントローラ１６１は熱交換器を制御することによってシャワーヘッド面３０６及びチャンバ本体１０３の温度を調節することができる。別の実施形態において、１つ以上のセンサ３０１、３０２は、チャンバ１０２Ａ内部の圧力を測定する圧力センサを含む。システムコントローラ１６１を使用し、基板処理及びチャンバ操作の様々な段階において、チャンバの圧力を監視及び調節することができる。
本発明の一態様において、センサ３０１は、それぞれがランプゾーンの温度を監視できるように適切に位置決めされた高温計であり、各ランプゾーンは内方、中央及び外方ランプ１２１Ａ、１２１Ｂ及び１２１Ｃを備える。計測ツール３００は膜厚の測定に使用する反射率計を含み、この反射率計は、放射ビーム又は粒子（例えば、レーザービーム、イオンビーム）であってもよいビーム３０８が基板Ｓの表面で反射するようにシャワーヘッドアセンブリ１０４上に位置決めすることができる。図３Ａに図示されるように、ビーム３０８は、基板表面にほぼ垂直に指向させることができる。
図３Ｂは、本発明の別の実施形態による計測ツール３００を含む図２Ａに図示の化学気相蒸着チャンバの概略図である。一実施形態において、計測ツール３００は、エミッタ３０４Ａ及びレシーバ３０４Ｂを備える。エミッタ３０４Ａがビーム３０８を放出すると、ビームは基板Ｓにある角度で衝突し、一部は基板表面で反射してレシーバ３０４Ｂに戻る。次に、受け取った信号を入射又は放出信号と比較することによって基板の特性を測定する。次に測定結果をシステムコントローラ１６１に送ると、システムコントローラ１６１が処理シーケンスの１つ以上の処理パラメータを調節することによって基板処理結果を向上させることができる。一実施形態において、計測ツール３００及び導管３０３は、ビーム３０８が基板Ｓに衝突する角度を変更し得るように構成される。
別の実施形態においては、１つ以上の計測ツール３００がチャンバ本体１０３に連結される。一実施形態においては、例えば基板のたわみ及び関連する膜応力を測定するために、ビーム３０８が基板Ｓ表面に対してほぼ接線方向に指向されるように計測ツール３００を方向づけする。別の実施形態において、計測ツール３００はエミッタ３０４Ａ及びレシーバ３０４Ｂを備え、これらはチャンバ本体１０３の対向する壁又は直径に沿って位置決めされる。更に別の実施形態においては、１つ以上の計測ツール３００を基板Ｓの下方又は下方ドーム１１９に配置する。図３Ａ及び３Ｂに図示され且つ本願に記載の実施形態は、チャンバ１０２Ａ及び１０２Ｂに関して本願に記載のその他の実施形態と組み合わせて使用してもよい。
図４Ａは、基板処理用の処理チャンバ及び計測チャンバを有する処理システムの一実施形態の概略平面図である。チャンバ１０２Ａ、１０２Ｂ及び関連する装置１００は、基板を処理し且つ基板に施された処理の結果を分析するように構成されたクラスタツール４００を備えた処理システムで使用することができる。クラスタツール４００はモジュラーシステムであり、電子デバイスの形成に用いられる様々な処理工程を行なう複数のチャンバを備える。本発明の一態様において、クラスタツール４００はシステムコントローラ１６１を含み、システムコントローラ１６１は、多種多様な基板処理方法及びシーケンスを実行し且つ処理結果を分析するように構成されている。
一実施形態において、クラスタツール４００は、基板処理モジュール４０１、４０２、４０３及び４０４を含み、これらのモジュールは搬送チャンバ４３０上の位置４１０Ａ、４１０Ｂ、４１０Ｃ及び４１０Ｄにそれぞれ取り付けられる。位置４１０Ｅ及び４１０Ｆには前処理チャンバ及び後処理チャンバがあってもよく、例えば、脱ガス、方向付け、冷却、予備処理／予備洗浄、後アニールその他用に構成されたサービスチャンバ４１１Ａ及び４１１Ｂである。実施形態によっては、システムのコスト又は複雑度を軽減するために、処理チャンバ又は前処理チャンバ若しくは後処理チャンバは位置４１０Ａ〜４１０Ｆの一部しか占めない。本発明の一態様において、搬送チャンバ４３０は６面の六角形であり、処理チャンバを取り付けるための６つの位置４１０Ａ〜４１０Ｆを有する。別の態様において、搬送チャンバ４３０はその他の形状を有し、５、７、８又はそれより多い面を有し、それに対応する数の処理チャンバ取り付け位置を有する。
基板処理モジュール４０１〜４０４のそれぞれは基板処理チャンバ（チャンバ１０２Ａ、１０２Ｂ等）を含み、また例えば基板の加熱及びチャンバの冷却といった様々なチャンバ機能を支援する１つ以上の支援モジュールも含み得る。本発明の一態様において、基板処理モジュール４０１〜４０４の１つ以上は別のタイプの基板処理チャンバを含み、例えば基板をアニールするための急速熱処理（ｒａｐｉｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ：ＲＴＰ）チャンバ、エピタキシャル（ＥＰＩ）堆積チャンバ、金属、半導体又は誘電体層を堆積するように構成された化学気相蒸着（ＣＶＤ）チャンバ、エッチングチャンバ、スパッタリング（ＰＶＤ）チャンバ、その他のタイプの基板処理チャンバである。
搬送チャンバ４３０は、ロボット４２０を格納する内部容積４３１を有し、このロボットは、基板処理モジュール４０１〜４０４の処理チャンバとサービスチャンバ４１１Ａ、４１１Ｂとの間で基板Ｓの搬送を行なうように構成されている。ロボット４２０は一般にブレードアセンブリ４２１Ａ、アームアセンブリ４２１Ｂ及び駆動アセンブリ４２１Ｃを含む。一実施形態において、ブレードアセンブリ４２１Ａは、１枚以上の基板Ｓを担持する基板キャリア１１４を支持し、基板キャリア１１４は、基板処理モジュール４０１〜４０４の処理チャンバとサービスチャンバ４１１Ａ、４１１Ｂとの間で搬送を行なう。
搬送チャンバ４３０は蓋４１４（部分的に図示）を含み、内部容積４３１は真空状態に維持される。別の実施形態において、搬送チャンバ４３０の内部容積４３１は、不活性ガスを内部容積４３１に絶え間なく送出することによって、大気圧又は大気圧前後に維持される。一実施形態において、内部容積４３１には窒素ガスが充填され、約８０Ｔｏｒｒ〜約２００Ｔｏｒｒの圧力に維持される。
図４Ａを参照するが、一実施形態において、サービスチャンバ４１１Ｂは脱ガスチャンバであり、サービスチャンバ４１１Ａは、バッチロードロック（ＬＬ）チャンバである。バッチロードロック（ＬＬ）チャンバは、基板の冷却チャンバとしても機能し得る。別の実施形態において、サービスチャンバ４１１Ａ、４１１Ｂの一方は冷却専用チャンバである。任意のフロントエンド環境（ファクトリインターフェースとも称される。図示せず）を、１つ以上のサービスチャンバ４１１Ａ、４１１Ｂと選択的に連通させて位置決めしてもよい。
一実施形態において、クラスタツール４００は、システムコントローラ１６１、複数の基板処理モジュール４０１〜４０４及び１つ以上の計測チャンバ４０５を含む。計測チャンバ４０５は１つ以上の計測ツール３００を含み、これらの計測ツールは基板の様々な特性を測定するように構成されている。計測チャンバ４０５が、ロボット４２０が基板キャリア１１４を計測チャンバ４０５内外に搬送できるように基板キャリア支持表面４０６及び昇降アセンブリ（図示せず）も含む場合がある。
一実施形態において、計測チャンバ４０５は、別のチャンバ（搬送チャンバ４３０、サービスチャンバ４１１Ａ、４１１Ｂ及び／又は基板処理モジュール４０１〜４０４の処理チャンバ等）内のある領域又は区域を含む。別の実施形態において、計測チャンバ４０５は、様々な基板特性を測定することを主な目的として設計された、基板処理用ではない専用チャンバを含む。計測チャンバ４０５は、クラスタツールロボット装置（例えば、ロボット４２０等）の１つ以上によるアクセスが可能な、クラスタツール４００のいずれの便利な位置に配置してもよい。
図４Ａに図示されるように、計測チャンバ４０５は、１つ以上のサービスチャンバ４１１Ａ、４１１Ｂ及び／又は搬送チャンバ４３０内に位置決めすることができる。加えて、１つ以上の計測チャンバ４０５は搬送チャンバ４３０内のいずれの適切な位置に配置してもよい。一実施形態において、計測チャンバ４０５は、冷却チャンバ内の位置４１０Ｅ又は４１０Ｆに配置される。本発明の別の態様において、専用計測チャンバ４０５は、位置４１０Ａ〜４１０Ｆのいずれか１つに配置される。
図４Ｂは、本発明の一実施形態による多重システム処理システムの平面図である。多重システム処理システム４７５は第１クラスタツール４７１Ａ、第２クラスタツール４７１Ｂ、システム間コントローラ４７０及びオペレータインターフェース４７２を備える。第１及び第２クラスタツール４７１Ａ、４７１Ｂはそれぞれ本願に記載されるようなクラスタツール４００を含む。別の実施形態において、多重システム処理システム４７５は、３つ以上のクラスタツール４００を備える。オペレータインターフェース４７２は、キーボード、モニタ及び多重システム処理システム４７５に関する操作及び処理パラメータを手動入力するための手段となるその他の部品を備え得る。
多重システム処理システム４７５の各クラスタツール４００は、基板処理モジュール４０１〜４０４、サービスチャンバ４１１Ａ、４１１Ｂ及び計測チャンバ４０５について異なる構成を有し得る。例えば、第１クラスタツール４７１Ａは、ＨＶＰＥ堆積のためだけに構成された１つ以上の基板処理モジュール４０１〜４０４及び位置４１０Ｄに配置された専用計測チャンバ４０５を含む。第２クラスタツール４７１Ｂは、ＨＶＰＥ及びＭＯＣＶＤ堆積用に構成された２つ以上の基板処理モジュール４０１〜４０４及び１つ以上の基板処理チャンバ（チャンバ１０２Ａ及び／又は１０２Ｂ等）内に位置決めされた計測ツール３００を含み得る。システムコントローラ１６１はシステム間コントローラ４７０にリンクされているため、データが各システムコントローラ１６１とシステム間コントローラ４７０との間でフィードフォーワード及び／又はフィードバックされる。
図４Ｃは、図４Ａに図示の処理システムの別の実施形態の平面図である。クラスタツール４００は２つのＭＯＣＶＤモジュール４６０及び１つのＨＶＰＥモジュール４６１を備え、それぞれが搬送チャンバ４３０に取り付けられる。ＭＯＣＶＤモジュール４６０は、基板処理モジュール４０１、支援電気モジュールを含み得る補助モジュール４５１及びＭＯＣＶＤによる堆積を支援するように構成された化学薬品送出モジュール４５２を備える。基板処理モジュール４０１はチャンバ１０２Ａを含む。ＨＶＰＥモジュール４６１は基板処理モジュール４０３、補助モジュール４５１及びＨＶＰＥ堆積を支援するように構成された化学薬品送出モジュール４５３を備える。基板処理モジュール４０３は、ＨＶＰＥ処理用に構成されたチャンバ１０２Ａ又はチャンバ１０２Ｂのいずれかを含み得る。
図４Ｃのクラスタツール４００は、バッチロードロックチャンバを含むサービスチャンバ４１１Ａ及び脱ガスチャンバであるサービスチャンバ４１１Ｂも含む。基板キャリア１１４を備えたローディングステーション４５０は脱ガスチャンバに連結される。クラスタツール４００は様々なモジュール構成を有し得る。一実施形態において、ＨＶＰＥモジュール４６１は位置４１０Ｄに配置され、ＭＯＣＶＤモジュール４６０は位置４１０Ａに配置される。或いは、クラスタツール４００は、例えば位置４１０Ａに配置された単一のＭＯＣＶＤモジュールを備える。
本願に記載したように、計測チャンバ４０５を１つ以上のクラスタツール４００内の様々な位置に配置して様々な基板特性を測定することができる。インシチュ測定の場合、１つ以上の計測ツール３００は、１つ以上の基板処理チャンバ（例えば、チャンバ１０２Ａ、１０２Ｂ等）内に配置することができる。測定可能な基板特性には、以下に限定するものではないが、基板表面に堆積された１つ以上の層における応力又はひずみ、１つ以上の堆積層の膜組成、基板表面上の粒子数及び基板上の１つ以上の層の厚さが含まれる。次に、システムコントローラ１６１及び／又はシステム間コントローラ４７０は、計測ツール３００から収集したデータを使用して、１つ以上の処理工程における１つ以上の処理パラメータを自動調節し、１つ以上のクラスタツール４００について、続いて処理される基板の結果を望ましいものにする。
一実施形態において、１つ以上の計測ツール３００及び／又は計測チャンバ４０５は、慣用の光学的測定技法を使用して基板表面上に堆積された膜の厚さ及び／又は組成を測定するように構成されており、慣用の光学的測定技法には、偏光解析法、反射光測定、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）が含まれる。別の実施形態において、１つ以上の計測ツール３００及び／又は計測チャンバ４０５は、基板表面に堆積された膜のその他の特性を測定するように構成されており、この特性には、以下に限定されるものではないが、膜応力又はひずみ、界面又は表面粗さ、膜材料中での元素の化学及び電子状態並びに膜欠陥及び／又は汚染が含まれ得る。
一実施形態において、１つ以上の計測ツール３００及び／又は計測チャンバ４０５は１種以上の測定技法を採用するように構成され、これらの技法には、以下に限定されるものではないが、例えばガス濃度又は基板温度を測定するためのＸ線回折（ＸＲＤ）、蛍光Ｘ線分析（ＸＲＦ）、Ｘ線反射率法（ＸＲＲ）、オージェ電子分光法（ＡＥＳ）、透過電子顕微鏡法（ＴＥＭ）、原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）、ＵＶラマン分光法、質量分析法（例えば、残留ガス分析装置）、エネルギー分散分光法（ＥＤＳ／ＴＥＭ）、フォトルミネッセンス（ＰＬ）分光法、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）分光法（フラッシュＬＥＤ分光法とも称される）及び音波検出技法が含まれる。一実施形態において、フォトルミネッセンス計測ツール３００は冷却チャンバであるサービスチャンバ４１１Ａ、４１１Ｂ内に位置決めされるため、基板の冷却中にフォトルミネッセンスの測定が行なわれる。
別の実施形態において、１つ以上の計測ツール３００及び／又は計測チャンバ４０５は、バンド端温度測定法として知られる技法を使用して基板温度を測定するように構成されている。光が半導体結晶に入射すると、この半導体結晶のバンドギャップエネルギーより光子エネルギーが大きい場合、光子吸収に急激な上昇が起こる。バンドギャップエネルギーに対応する光子波長はバンド端波長として知られ、この波長は温度依存性である。半導体結晶バンドギャップエネルギーは格子定数に反比例しているため、バンドギャップエネルギーは、半導体結晶が温度の上昇に伴って膨張してバンド端波長が上昇するにつれて低下する。０℃〜１０００℃の範囲の温度について、バンドギャップエネルギーが典型的には滑らかな、ほぼ線形の温度の関数であることが判明しているため、この半導体特性は、無接触の温度測定技法の基礎を成す。上記の様々なタイプの計測ツール３００をクラスタツール４００に組み込み使用することによって、図１に図示の窒化ガリウム系ＬＥＤ構造等の複合半導体構造の作製プロセスを改善することができる。
図５は、一実施形態による図４Ａに図示の処理システムを使用した複合窒化物半導体構造を作製するための処理シーケンスを表す。処理シーケンス５００は工程５０１から始まり、１枚以上の基板Ｓがロボット４２０によって第１基板処理モジュール４０１内に搬送される。次に、基板は工程５０２で基板処理モジュール４０１の基板処理チャンバにおいて洗浄される。次に、工程５０９で、所望の膜成長パラメータ（温度、圧力その他等）を、初期エピタキシャル堆積層のための処理チャンバについて確立する。前駆体流れを工程５１３で供給してＩＩＩ１族窒化物構造を堆積させる。前駆体には窒素供給源及びガリウム（Ｇａ）等の第１のＩＩＩ族（ＩＩＩ１族）元素のための供給源が含まれる。例えば、アンモニア（ＮＨ３）を窒素供給源として使用し、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）をＧａ供給源として使用する。ＩＩＩ１族元素は、複数の異なるＩＩＩ元素（アルミニウムＡｌ、Ｇａ等）を含む場合もあり、適切なＡｌ供給源はトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）である。別の実施例において、複数の異なるＩＩＩ族元素にはインジウム（Ｉｎ）及びＧａが含まれ、適切なＩｎ前駆体はトリメチルインジウム（ＴＭＩ）である。窒素及び／又は水素等のキャリアガス流れも含まれ得る。
ＩＩＩ１族窒化物構造の工程５１７での堆積後、前駆体流れを工程５２１で終了する。形成中の特定の構造に応じて、追加の処理工程（更なる堆積及び／又はエッチング工程等）を、工程５２５で複合窒化物半導体構造上に行なってもよい。
次に基板を第１基板処理モジュール４０１から第２基板処理モジュール４０２へと工程５２９で搬送する。別の実施形態においては、第１及び第２処理モジュールが異なる処理モジュールである限り、いずれの基板処理モジュールシーケンスも使用することができる。搬送は高純度のガス環境中、高温で行なわれ、この高純度ガス環境に使用し得る幾つかのガスは窒素、水素、アンモニアである。工程５３３において、ＩＩＩ１族窒化物移行薄層がＩＩＩ１族窒化物構造上に堆積される。基板処理モジュール４０１においてＩＩＩ１族窒化物構造に使用したものと同じ前駆体を移行層に使用してもいいが、異なる前駆体を使用することもできる。
次に、工程５３７において、所望の膜成長パラメータ（温度、圧力その他等）をＩＩＩ２族窒化物層の堆積について確立する。前駆体ガス流を工程５４５のＩＩＩ２族窒化物層堆積のために工程５４１で供給し、ＩＩＩ１族窒化物及びＩＩＩ２族窒化物層は同じＩＩＩ族元素を共有し得るものの、ＩＩＩ２族元素はＩＩＩ１族元素とは異なる。例えば、ＩＩＩ１族窒化物層がＧａＮの場合、ＩＩＩ２族窒化物層はＡｌＧａＮ層又はＩｎＧａＮ層である。別の実施例において、ＩＩＩ２族窒化物層は三級組成物ではなくＡｌＩｎＧａＮ等の四級組成物を有する。ＩＩＩ１族窒化物層がＡｌＧａＮの場合、ＩＩＩ２族窒化物層はＡｌＩｎＧａＮ層上のＩｎＧａＮ層であってもよい。ＩＩＩ２族窒化物層を堆積するための適切な前駆体はＩＩＩ１族窒化物層に使用する上記の前駆体と同様であってもよい。また、同様のキャリアガスを使用することもできる。ＩＩＩ２族窒化物層の堆積後、前駆体流れを工程５４９で終了させる。
ＩＩＩ１族窒化物構造について上述したように、工程５５３において追加の処理（更なる堆積及び／又はエッチングを含み得る）を堆積済みのＩＩＩ２族窒化物構造上に行なってもよい。基板処理モジュール４０２における処理が完了したら、工程５５７において示されるように、基板を基板処理モジュール４０２から搬出する。
別の実施形態において、基板は第２モジュールから工程５５７で搬出され、次に別のモジュール（第１基板処理モジュール４０１又は更なる処理のための第三の別のモジュール等）に搬入される。異なる処理モジュール間での搬送シーケンスは特定のデバイスの製造に適した形で行なわれ、本発明では、特定の製造プロセスで使用し得る処理モジュール及び関連する処理チャンバの数にも、クラスタツール４００の個々の処理モジュールにおいて行われる処理の回数についても特に制限はない。
１つ以上の計測ツール３００及び／又は計測チャンバ４０５をクラスタツール４００と統合することは、処理シーケンス（図５に記載の処理シーケンス等）の様々な工程での基板処理の質の確保に役立つ。ただし、本発明はいずれのＩＩＩ−Ｖ族構造の作製に使用し得るが、ＩＩＩ族窒化物構造には限定されない。計測ツール３００、センサ３０１及び計測チャンバ４０５を使用することによって、基板処理の様々な段階（例えばＩＩＩ族窒化物膜の成長又はクラスタツール４００上で行われるその他のタイプの堆積及び／又はエッチ処理等）の間に、システムコントローラ１６１によって監視可能なデータが得られる。
システムコントローラ１６１に送られる測定データは次にオペレータインターフェース１６７で見ることができるため、膜成長パラメータ等の処理パラメータを手動で調節して基板処理を最適化する又は最適な処理パラメータからの逸脱を修正することができる。別の実施形態において、システムコントローラ１６１は閉ループ制御用に構成されているため、システムコントローラ１６１は、基板処理中又は基板処理前若しくは後に得られた測定データに基づいて、必要に応じて処理パラメータを自動的に調節することができる。
基板処理の様々な段階での閉ループ制御には幾つかの利点がある。システムコントローラ１６１は、人間のオペレータより効率的に既定の処理パラメータ値からの逸脱を検知し反応することができるが、これは逸脱の速度が急激すぎたり緩慢すぎて、人間のオペレータでは見逃す可能性があるからである。また、システムコントローラ１６１及び／又はシステム間コントローラ４７０は、１つ以上のクラスタツール４００又は多重システム処理システム４７５に関する大量の計測及び処理データをより容易に監視することができる。
一実施形態において、システムコントローラ１６１及び／又はシステム間コントローラ４７０、１つ以上のクラスタツール４００、計測ツール３００、センサ３０１、３０２及び計測チャンバ４０５は、閉ループ制御システムを形成する。一実施形態において、この閉ループ制御システムは、統計的プロセス制御（ＳＰＣ）の手法を使用して様々な基板処理操作を監視するように構成され、この手法を１つ以上の計測ツール３００、センサ３０１及び計測チャンバ４０５から収集されたプロセス測定データに適用することによって、既定又はターゲットである処理パラメータ値からのプロセス逸脱を検知する。次に検知されたプロセス逸脱は、温度、圧力、ガス流量その他等の様々な処理チャンバ操作パラメータを制御可能なフィードバック制御メカニズム（ＰＩＤ（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−ｉｎｔｅｇｒａｌ−ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御装置等）によって自動的に修正され、処理パラメータは所望の設定値に自動的に戻る。
一実施形態においては、閉ループ制御システムを使用することによって、ある処理回中に又はある処理回と別の処理回との間で起こる処理パラメータ設定値からの逸脱を監視し、自動的に修正する。ここで、処理回（ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｒｕｎ）とは、単一の処理チャンバ内で別の処理チャンバに搬送されることなく行われる、堆積、エッチング等のひと続きの処理シーケンス又はその他の処理シーケンスのことである。例えば、工程５３３のＩＩＩ１族窒化物堆積は、１つの処理回と定義される。工程５４５のＩＩＩ２族窒化物堆積は、第２の処理回として定義でき、これらの処理は共に基板処理モジュール４０２の同じ処理チャンバ内で行われる。閉ループ制御システムを、単一の処理回内で及びある処理回から別の処理回にかけて、同じ処理チャンバ内で及び／又はある処理チャンバから別の処理チャンバにかけて並びに多重システム処理システム４７５内のあるクラスタツール４００から別のクラスタツールにかけて、基板の処理を監視及び制御するように構成してもよい。
例えば、計測ツール３００を使用したインシチュ測定を行なうことによって、膜成長パラメータ（膜成長速度、温度、圧力、前駆体流量その他等）を基板処理モジュール４０２の処理チャンバにおける工程５３３でのＩＩＩ１族窒化物堆積処理回の間、監視する。次に、このインシチュ測定データを使用してプロセス逸脱を検知し、閉ループ制御システムは、この逸脱を修正するための必要に応じた膜成長パラメータのリアルタイム調節を行なうことができる。また、この測定データを保存し利用することによって膜成長パラメータ設定値を調節し、同じ処理チャンバ内での次のＩＩＩ１族窒化物堆積処理回の基板処理を最適化できるように閉ループ制御システムを構成することもできる。
別の実施例において、閉ループ制御システムは、ある処理チャンバから別の処理チャンバにかけての基板処理（基板処理モジュール４０１の処理チャンバにおける工程５１７のＩＩＩ１族窒化物堆積及び基板処理モジュール４０２の処理チャンバにおける工程５３３のＩＩＩ１族窒化物堆積等。基板処理モジュール４０１及び基板処理モジュール４０２は、多重システム処理システム４７５の異なるクラスタツール４００上にあってもよい）を監視及び制御するように構成される。
一実施形態において、閉ループ制御システムは、インシチュ測定のデータを使用して、高レベルの膜層特性（厚さ、ドーピングレベル、組成その他等）を処理パラメータとして割り当てるように構成される。即ち、処理パラメータ設定値が、温度、圧力、前駆体流量その他等の処理パラメータではなく層の特性となるように、適当なソフトウェア及び計測ツール３００を用いて閉ループ制御システムを適切に構成する。
インシチュのプロセス監視及び制御の上記の実施例に加え、閉ループ制御システムを、１つ以上の計測チャンバ４０５を使用して様々な基板処理工程又は処理回の前又は後に得られた測定データを保存及び利用し、このデータを使用して１つ以上の処理チャンバにおける続く処理工程又は処理回におけるプロセス逸脱を検知及び修正し及び／又はこのデータを使用して処理を最適化するための処理パラメータ設定値の較正を行なうように構成してもよい。例えば、ＧａＮ膜成長パラメータ（温度、圧力、前駆体流量その他等）を、先行する処理回で使用した膜成長パラメータから較正したＧａＮの膜成長速度から求める。先行の処理回から得られたＧａＮの膜成長速度についての情報を使用して、次の回で使用する膜成長パラメータを最適化してもよい。膜成長速度は、ある成長時間に亘って膜厚を測定することで求めることができる。
上述したように、クラスタツール４００への１つ以上の計測ツール３００の統合によって基板処理データが得られ、閉ループ制御システム又はオペレータはプロセスレシピの基板処理パラメータを調節してプロセス逸脱を修正し及び／又は処理レシピを最適化することができる。１つ以上の計測ツール３００の位置に応じて、処理測定を処理中又は基板処理の前若しくは後にインシチュで行うことができる。インシチュでの測定の１つの利点は、閉ループ制御システム又はオペレータによってプロセス逸脱が、１枚以上の基板が処理される前により早く検知、修正されることである。一実施形態において、１種類以上の測定はインシチュで行なわれ、測定データを使用することによって、１つ以上のプロセスレシピ実行中にこれらの制御を行なう。
上記は本発明の実施形態を対象としているが、本発明のその他及び更なる実施形態も本発明の基本的な範囲から逸脱することなく創作することができ、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲に基づいて定められる。

Claims (15)

  1. 基板上にＩＩＩ−Ｖ族膜が堆積されるチャンバを備えた基板処理システムであって、
    前記チャンバは、
    処理容積を形成する１つ以上の壁と、
    処理容積の上部を画成するシャワーヘッドアセンブリと、
    シャワーヘッドアセンブリの下方に位置決めされ且つ処理容積の底部を画成する、基板を保持するための複数の凹部を有する回転可能な基板キャリアとを備えており、
    前記基板処理システムは、
    基板キャリア上に配置された基板の表面特性を測定するように構成された１つ以上の計測ツールと、
    計測ツールによる測定値に従ってチャンバの処理パラメータを制御するためのシステムコントローラとを備える基板処理システム。
  2. １つ以上の計測ツールの少なくとも１つが、シャワーヘッドアセンブリに配置される請求項１記載のシステム。
  3. １つ以上の計測ツールの少なくとも１つがチャンバの１つ以上の壁に配置される請求項１記載のシステム。
  4. ＩＩＩ−Ｖ族膜が窒化ガリウムである請求項１記載のシステム。
  5. チャンバが、有機金属化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）チャンバ又は水素化物気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）チャンバである請求項１記載のシステム。
  6. １つ以上の計測ツールが、高温測定、反射光測定、偏光解析、フォトルミネッセンス分光、エレクトロルミネッセンス分光、Ｘ線回折（ＸＲＤ）又はバンド端温度測定技法を使用して基板の表面の特性を測定するように構成される請求項１記載のシステム。
  7. １つ以上の計測ツールによって測定される基板の表面の特性が、厚さ、反射率、材料組成、応力、ひずみ、フォトルミネッセンス、エレクトロルミネッセンス及び温度から成る群から選択される特性である請求項１記載のシステム。
  8. 搬送チャンバと、
    搬送チャンバ内に配置されたロボットと、
    搬送チャンバと連通した、少なくとも１つはＩＩＩ−Ｖ族膜を基板上に堆積するように構成されている１つ以上の処理チャンバと、
    搬送チャンバと連通したサービスチャンバと、
    基板の表面特性を測定するように構成された１つ以上の計測ツールと、
    計測ツールによる測定値に従って１つ以上の処理チャンバの処理パラメータを制御するためのシステムコントローラとを備えるクラスタツール。
  9. １つ以上の計測ツールの少なくとも１つがサービスチャンバ内に配置される請求項８記載のクラスタツール。
  10. １つ以上の計測ツールの少なくとも１つが搬送チャンバに連結され且つ流体連通している請求項８記載のクラスタツール。
  11. １つ以上の計測ツールの少なくとも１つが搬送チャンバ内に配置される請求項８記載のクラスタツール。
  12. １つ以上の計測ツールの少なくとも１つが少なくとも１つの処理チャンバ内に配置される請求項８記載のクラスタツール。
  13. 少なくとも１つの処理チャンバが、ＭＯＣＶＤ又はＨＶＰＥ堆積用に構成される請求項８記載のクラスタツール。
  14. １つ以上の計測ツールが、高温測定、反射光測定、偏光解析、フォトルミネッセンス分光、エレクトロルミネッセンス分光、ＸＲＤ又はバンド端温度測定技法を使用して基板の表面の特性を測定するように構成される請求項８記載のクラスタツール。
  15. ＩＩＩ−Ｖ族膜が窒化ガリウムである請求項８記載のクラスタツール。
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