JP5308970B2 - 半導体成長装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体成長装置に関し、特に、温度測定装置を備えた半導体成長装置に関する。

一般的に、半導体製造において半導体成長装置内の基板などの温度測定方法には、対象物に直接接触させて測定する方法がよく知られている。直接接触式の温度測定では、熱電対、白金素子、サーミスタ等のプローブが接触している部分の温度を測定するので、接触により基板温度分布が変化したり、エピタキシャル成長膜に影響を与える。

そこで、非接触方式の温度測定法も半導体製造において採用されている（例えば、特許文献１、２を参照）。

特許文献１及び特許文献２に開示される非接触方式温度測定法として赤外波長の電磁波の放射を検出して温度を計測している。特許文献１においては例として１．３μｍ程度の赤外波長が、また特許文献２においては例として０．９５μｍ程度の赤外波長が用いられている。

特許文献３に示される装置では熱電対による接触方式と赤外線温度計による非接触方式とが併用されている。

特開平１１−０６７６７２ 特開２００１−０７７１６７ 特開平０５−２９５５４３

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に開示される非接触方式温度測定法では、波長１μｍ程度の赤外波長帯域を使用しており、熱放射線の干渉の影響を避けるため測定する部位の基板表面を粗面化したり凹凸をつけて熱放射線の干渉を防いでいた。その結果、成長膜は均一な平面として成長せず、成長膜の品質に問題を生じていた。

基板サイズが大型化している状況では、成長中に温度を変化させた時に基板が反り易く、サセプタから基板の一部が浮き、接触しない部位も発現する。よって、特許文献１及び特許文献３に開示される方法では、基板の一部分の温度検出では基板の浮いた状態で確実な温度状態を検出することは不可能である。また、特許文献２開示の方法でも、赤外波長帯域の電磁波にて全面をスキャンして温度測定を行うには成長基板全面を粗面化する必要があり、成長膜の品質に問題が発生する。従来方法で広域の基板全面内の平均温度測定は困難である。

そこで、本発明は、基板サイズが大型化している状態で基板の一部分だけで基板温度検出する問題に鑑み、赤外波長帯域よりも長波長側のマイクロ波帯の電磁波を用いた温度測定装置を備えた半導体成長装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、基板からのマイクロ波帯の熱雑音を受信するホーンアンテナなどのビームアンテナ（すなわち指向性アンテナ）のメインローブを用い、メインローブ内の基板平均温度を測定する方法を用いることで実現したものである。

すなわち、本発明の半導体成長装置は、内部に基板が載置される反応チャンバと、反応チャンバに接続されかつ基板に向けて対向する開口を有しかつ基板から輻射される赤外光領域より長い波長領域の熱雑音を受信するホーンアンテナと、ホーンアンテナに導波管を介して接続された温度測定装置と、前記導波管に結合孔を介して接続された副導波管と、を備え、前記副導波管から前記導波管を経由して前記反応チャンバへ供給される副ガスの反応チャンバへの供給口としてホーンアンテナが兼用されることを特徴とする。これにより、従来は困難であった広域の基板全面内の平均温度測定を実現することができる。

また、上記半導体成長装置において、ホーンアンテナのビーム幅を基板面内に有ることとすることができる。これにより、正確に基板全面内の平均温度測定を実現することができる。

また、上記半導体成長装置において、ホーンアンテナの半値角と基板上面からホーンアンテナの開口面までの高さとの関係は、ホーンアンテナの半値角をθと、基板上面からホーンアンテナの開口面までの高さをＨと、ホーンアンテナの開口の最大長辺の長さをＡと、基板直径をＢと、するとき、Ｈ・ｔａｎθ／２＋Ａ／２≦Ｂ／２を満たすこととすることができる。これにより、正確に基板全面内の平均温度測定を実現することができる。

また、上記半導体成長装置において、ホーンアンテナから温度測定装置へ熱雑音が導波管を伝搬するとき、副ガスの供給は、副導波管の熱雑音が伝搬しない側（上記ホーンアンテナ側から見たアイソレーション側）から実行され、かつ、副導波管の熱雑音が伝搬する側（上記ホーンアンテナ側から見た結合側）に伝搬終端器が設けられていることとすることができる。これにより、熱雑音の副ガスの供給への影響を軽減することができる。

本発明によれば、成長基板面の平均温度の測定を行い基板の反りによる温度変化を捉えることを可能とした温度検出方法であるので、従来用いられてきた、温度測定をするために基板表面を粗面化する必要が無く成長面に影響を与えること無く、基板表面の温度測定が可能となる。副ガスを反応チャンバへ供給できるようにし、副ガスを押さえガスとして用いることができるので、反応ガスの流れを乱すことなく温度測定が可能となる。

本発明による実施形態の半導体成長装置の一部を示す概略構成図である。 本発明による実施形態の半導体成長装置の温度測定装置の概略ブロック図である。 本発明による実施形態の半導体成長装置におけるホーンアンテナと基板の配置関係を説明する概略断面図である。 本発明による実施形態の半導体成長装置におけるホーンアンテナ側から見た基板を示す正面図である。 本発明による実施形態の半導体成長装置を示す概略構成図である。 本発明による他の実施形態の半導体成長装置を示す概略構成図である。 本発明による他の実施形態の半導体成長装置におけるホーンアンテナ側から見た基板を示す正面図である。

１ 基板
２ 反応ガス供給口
３ 反応チャンバ
４ サセプタ
５ ヒータ
６ ホーンアンテナ
７ 導波管
８ 排気口
１１ 周波数変換器
１２ 局部発信器
１３ 帯域制限フィルタ
１４ 増幅器
１５ 二乗検波器
２０ 結合孔
２１ 副導波管
２２ 方向性結合部
２３ 伝搬終端器
２４ 気密膜
２５ ラッチングサーキュレータ
２６ メイン導波管

以下に、本発明による一実施形態、サファイア基板にＧａＮ系半導体を成長させる半導体成長装置について、図面を用いて説明する。以下に示す実施形態の成長装置は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ等のＧａＮ系半導体の混晶のエピタキシャル膜を、ＭＯＣＶＤ法で成長させる装置であるが、本発明を具体化する例の１つであって、本発明は下記実施形態に限定されない。

図１はかかる半導体成長装置の一部を示す概略構成図である。

図に示すように、半導体成長装置は、基板１表面へ反応ガスを表面に沿って供給する反応ガス供給管に接続された供給口２が設けられた反応チャンバ３を備えている。

基板１は反応チャンバ内に配設されたサセプタ４に水平に載置される。反応チャンバ３は、ステンレスでもって、外気から遮断できる閉鎖された形状に作られている。もちろん、反応チャンバ３にはサファイアの基板１を出し入れする出入口（図示せず）が設けられている。反応ガス供給口２は、水素と、アンモニアガスと、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスを選択的に混合した反応ガスを、基板１の表面に向かって供給し、基板１と平行方向に流す。

サセプタ４は、下面に接近するが接触しないように配設されたヒータ５によって１０００℃以上に加熱される。ヒータ５は温度制御されて、サセプタ４を設定温度に加熱する。サセプタ４は水平面内で回転が自在にできるように例えば半径が３０〜１００ｍｍの円盤状で下面の中心に垂直に固定されたシャフト（図示せず）で回転自在とすることもできる。

また、反応チャンバ内の基板１上部にホーンアンテナ６が配設されている。ホーンアンテナ６は、反応チャンバ３の上面を気密に貫通して固定されている。ホーンアンテナ６は導波管７に接続され、導波管７は温度測定装置（図示せず）に接続されている。ホーンアンテナ６は、下方に向かって開口面積が大きくなるテーパー状をしている。ホーンアンテナ構造は、例えば断面が方形の導波管であれば、開口端の開口面積が徐々に広くなるよう、底面が開放された角錐台の形状のホーンを取り付けたものである。同様に、導波管７断面が円形の導波管においては、開口端に円錐台の形状のホーンが取り付けられた構造である。ホーンの長さは長ければ長いほど指向性は鋭くなる。ホーンアンテナ６は、後述するが、そのビームパターンのビーム幅が基板面１内にあるように設計されている。

さらに、反応チャンバ３には、内部のガスを排気する排気口８が開口されている。排気口８は、排気ポンプ（図示せず）に連結されておって、排気ポンプでガスが強制的に排気される構造となっている。

図２は、マイクロ波帯の熱雑音を受信する受信部としてのホーンアンテナ６が導波管７を介して接続された温度測定装置の概略ブロック図である。

温度測定装置は、導波管７に接続されたマイクロ波域の熱雑音を中間周波数帯域に変換する周波数変換器１１と、周波数変換器１１に接続された周波数変換を行うための局部発信器１２と、周波数変換器１１に接続された所定の周波数帯域のマイクロ波帯熱雑音を取り出す帯域制限フィルタ１３と、帯域制限フィルタ１３に接続されたマイクロ波帯熱雑音を増幅する増幅器１４と、増幅器１４に接続された熱雑音電力を電圧に変換する二乗検波器１５とで構成されている。

周波数変換器１１は局部発振器１２の周波数と混合し和と差の信号を取り出すために用いる。ここでは局部発振器１２の信号を１００ＧＨｚとしており後段の帯域制限フィルタ１３の中心周波数を１０ＧＨｚとすることで差の信号を取り出している（雑音指数：ＮＦ＝１０ｄＢ、変換損失＝１０ｄＢ）。帯域制限フィルタ１３は入力されたマイクロ波の帯域を所定帯域（帯域幅１００ＭＨｚ）に制限するので、熱雑音の特徴的な変化を確実に捉えることができる。

マイクロ波増幅器１４は、ゲイン調整を目的とする増幅器であって、増幅後のマイクロ波を二乗検波器１５へ送出する。不必要な信号をカットするとともに雑音帯域を決定する帯域制限フィルタ１３の特性は、中心周波数が１０ＧＨｚ、通過帯域幅が１００ＭＨｚ、通過損失が３ｄＢである。低いレべルの信号を必要なレべルの信号まで増幅する増幅器１４の特性は後段の二乗検波器１５の入力レべル範囲が−３０ｄＢｍ〜−１０ｄＢｍの範囲に入るように増幅するよう利得を決定している（ＮＦ＝６ｄＢ、利得＝１０７．１ｄＢ）。

二乗検波器１５は、例えば、ショットキーダイオードにより構成され、入力値であるマイクロ波（電力値）を、その二乗に比例した直流電圧値に変換する特性を有する。二乗検波器１５は入力電力が１０ｄＢ増加すれば出力電圧（検出電圧）が１０倍増加する特性をもつ。

図３は、基板１とこれからマイクロ波帯の熱雑音を受信する導波管７に接続されたホーンアンテナ６を示す概略断面図である。

一般的に使用される成長基板１のサイズは直径２インチ、３インチ、または４インチ基板が使用されている。基板内の温度を正確に測定するには、指向性のあるホーンアンテナのビーム幅が基板面内に入っている必要がある。これはビーム幅が広いと基板１外のサセプタ４からの熱雑音も拾ってしまい基板面内の温度が大きくずれてしまうからである。本願においては、図４に示すように、基板１面上のホーンアンテナ６のビーム幅内の有効に受信強度が得られる部分をビーム幅領域９と称する。図４は、ホーンアンテナ側から見た基板１の表面を示す。図４に示すホーンアンテナのビーム幅領域９が基板１の表面内に存在するように、図１に示すホーンアンテナ６は反応チャンバ３内壁に配置されている。

アンテナの指向性は、電波の放射方向と放射強度との関係であり、一般に、放射角と放射強度の関係をレーダーチャートにした図で表される。指向性は高周波電流を電波に変換する場合（送信）とも、電波を高周波電流に変換する場合（受信）でも同じ特性となる。受信アンテナのかわりに送信アンテナとして電波を放射した場合、電波の放射強度（受信強度）の角度依存性はビーム状になる。これをアンテナのビームパターンまたはパワーパターンと呼ばれる。ビームパターンにおいて半値角とは、電波が最強となる点を中心にして、強度（電力）が半分（−３ｄＢ）になる点がつくる角度をいい、指向性の鋭さを示し、小さいほど感度（動作利得）が高くなる。ビーム幅は放射（感度）の強い電力範囲の半値全幅（ＦＷＨＭ）として半値角で表したものである。

また、ホーンアンテナのサイドローブもあまり大きいとサイドローブからの熱雑音が加わり測定誤差が大きくなる。そこでサイドローブはメインローブに対して２０ｄＢ以上（電力で１／１００）以上抑圧されている必要がある。従って、使用する基板の最小サイズが２インチであれば２インチ基板の面内にメインローブのビーム幅が入っていることが必須である。実際、図３に示すホーンアンテナ６の半値角と基板１上面からホーンアンテナの開口面までの高さとの関係は、ホーンアンテナの半値角をθと、基板上面からホーンアンテナの開口面までの高さをＨと、ホーンアンテナの開口の最大長辺の長さをＡと、基板直径をＢと、するとき、Ｈ・ｔａｎθ／２＋Ａ／２≦Ｂ／２の式を満たすことが必須である。

反応チャンバのサイズにより基板上面からホーンアンテナまでの高さが異なるがアンテナ利得を高くして半値角を小さくしたり、周波数を高くしてホーンアンテナの開口寸法Ａを小さくすることが可能である。

図５は本発明による半導体成長装置の実施形態の一例を示す概略構成図である。なお、この実施形態について、上記図１に示すものと同一の構成要素についてはこれと同一の参照符号を用いて説明を省略し、変更点を主に説明する。図示するように、この半導体成長装置は、図１に示す導波管７に結合孔２０を介して接続された副導波管２１を備えた方向性結合器を備えている。本願においては、導波管７と副導波管２１と両者を接続する結合孔２０の接続部と合わせたものを方向性結合部２２と称する。方向性結合部２２においては、一般的に、伝搬波の方向性の高い結合器とするため、主な導波管７と副導波管２１を互いに連通する少なくとも２つの結合孔２０の間隔を、所定帯域マイクロ波帯管内波長λｇの１／４程度とすることが有効である。

ＭＯＣＶＤ装置等の反応チャンバ内に突出するホーンアンテナ６を設置し温度計測を行うとガスの流れを乱し、成膜成長に問題を起こすおそれがある。そこで、反応チャンバ３内にて反応ガスの供給口と押さえガス（副ガス）の供給口を兼用する。ホーンアンテナ６の供給口はサセプタ上の基板１上に配管されているので、兼用のホーンアンテナ６を利用する事で温度計測が成膜成長に影響を与えず可能となる。

ホーンアンテナ６から温度測定装置へ熱雑音が導波管７を伝搬するとき、副ガスの供給は、方向性結合部２２の副導波管２１の熱雑音が伝搬しない側（上記ホーンアンテナ６側から見たアイソレーション側）から実行され、かつ、副導波管２１の熱雑音が伝搬する側（上記ホーンアンテナ６側から見た結合側）に熱雑音を減衰させる伝搬終端器２３が設けられている。このホーンアンテナ６から基板１上面の熱雑音を受信し、方向性結合部２２を経て導波管７を介してのみ図２の周波数変換部１１へ供給される。周波数変換部１１へ導波管７の途中には石英等のマイクロ波帯で透明な気密膜２４を封止して押さえガスの流入を阻止する。このように、押さえガスが方向性結合部２２のアイソレーション側から供給されるので、アイソレーション側副導波管２１から供給される押さえガスは、熱雑音の伝送に影響を与えず、反応チャンバ３内にて反応ガスを基板１へ押さえる事が可能となる。

押さえガスの反応チャンバ３内への供給部に当たるホーンアンテナ６の開口は図３中の導波管結合部から開口までのホーン長Ｌを長く取ればアンテナ利得が大きくなり指向性も絞られ狭ビームとすることも可能である。ホーン長Ｌの長さやホーンアンテナのビーム幅が基板内に入る事が前提であり、押さえガスの効果を出すためにホーン長Ｌや半値角θを決定する。押さえガスの供給口をホーンアンテナ６の開口と兼用して利用することによって、反応ガスの流れを乱すことなく温度測定が可能となる。

さらに、この半導体成長装置では、図１及び図５に示すように、ホーンアンテナ６の開口端部を反応チャンバ３内へ突出させないようにすることで、反応ガスの流れを乱すことなく温度測定を可能とする効果を奏する。

図６は本発明による半導体成長装置の他の実施形態の一例を示す概略構成図である。なお、この実施形態についても、上記図５に示すものと同一の構成要素についてはこれと同一の参照符号を用いて説明を省略し、変更点を主に説明する。図示するように、この半導体成長装置では、それぞれが方向性結合部２２に接続されたホーンアンテナ６の複数が反応チャンバ３内壁に互いに近接するよう設けられている。

反応チャンバ３内の基板１が大型化してくると基板１の面内温度分布が歩留まりに影響する。そこで、この実施形態は、複数のホーンアンテナ６により基板１の表面内の複数の地点で温度分布を独立して計測するように構成されている。

図６において、基板１上方に４個のホーンアンテナ６（但し、図では２個のホーンアンテナのみ示す）を配置し、各々のホーンアンテナ６の後段に方向性結合部２２を設け、さらに、方向性結合部２２の後段に接続されたラッチングサーキュレータ（導波管切り替え器）２５を設けてある。ラッチングサーキュレータ２５の後段はメイン導波管２６を介して温度測定装置へ接続されている。ラッチングサーキュレータ２５は、入力されたアンテナ切り替え信号に応じて、基板１の表面内の地点の温度を見るホーンアンテナ６を選択して、選択されたホーンアンテナ６の導波管７をメイン導波管２６へ接続する。

この半導体成長装置においては、図７のホーンアンテナ側から見た基板１の表面に示すように、４個のホーンアンテナ６の略同一面積のビーム幅領域９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄが基板１の表面内に升目状に存在するように、図６に示すホーンアンテナ６は反応チャンバ３内壁に互いに近接するように配置されている。何れかの選択されたホーンアンテナ６で受信した基板１表面の一部からの熱雑音は、その方向性結合部２２とラッチングサーキュレータ２５を経てメイン導波管２６を介して図２の温度測定装置の周波数変換部１１へ供給される。選択されたホーンアンテナ６からの熱雑音信号は温度測定装置に送られ信号処理をされ、これにより基板１の表面内の各地点における温度計測が可能となる。

各々のホーンアンテナ６に設けられた方向性結合部２２のアイソレーション側から副ガスが送り込まれる。副ガスを送り込む副導波管ポートが４箇所あるため各々の副ガス圧力を制御し成長の面内分布の調整にも使用できる。

なお、ホーンアンテナ６を４個升目状に配置する以外、基板面の複数地点で温度分布を独立して計測するように多数のホーンアンテナ６を配置できることは云うまでもない。また、この半導体成長装置においては、前記の単体ホーンアンテナ６を用いた場合と比べてラッチングサーキュレータ２５の挿入損失が発生するためホーンアンテナ６から周波数変換器までの挿入損失に考慮する必要がある。

ホーンアンテナの一例として、３インチ（直径７６．２ｍｍ）基板にＷ帯（７５〜１１０ＧＨｚ）開口ホーンアンテナを使用した場合は、
開口径Ａ：５５ｍｍ、
半値角θ：３．５度、
アンテナ基板間距離Ｈ：４０ｍｍ、
アンテナ利得：３２ｄＢ（計算上周波数変換部までの損失も含む）、
所定帯域周波数：１１０ＧＨｚ（波長：約２．７ｍｍ）、となる。

上記条件を基に上記式を計算すると、４０・ｔａｎ３．５／２＋５５／２≦７６．２／２となり、結果、２８．７≦３８．１を満たすため基板面内の熱雑音を測定することが可能となる。

一例として、図２の温度測定装置における、基板温度７００度の時の二乗検波器の検出電圧を求める。

まず、基板より発生する熱雑音電力Ｐは、ｋ＝ボルツマン定数（１．３８×１０^−２３）Ｊ／Ｋ、Ｔ＝絶対温度（Ｋ）、及びＢ＝熱雑音電力帯域（ＭＨｚ）とすると、プランク熱放射則により、Ｐ＝ｋ・Ｔ・Ｂのように絶対温度及び周波数の関数として表される。

ここで、Ｔ＝９７３．５Ｋ（＝７００度）及びＢ＝１００ＭＨｚ（帯域制限フィルタの帯域幅）を用いれば、Ｐ＝１．３４×１０^−１２Ｗ＝−８８．７ｄＢｍとなる。

つぎに、ホーンアンテナまで自由空間損失Ｌ（ｄＢ）を、Ｈ＝基板からホーンアンテナまでの距離（ｍ）及びλ＝所定帯域波長（ｍ）として、Ｌ≒１７．６５＋２０・ｌｏｇＨ／λの式より、近似的に求める。

その結果、上記基板からホーンアンテナまでの自由空間損失Ｌ＝４１．１ｄＢとなる。

これらの結果により、温度測定装置における上記各部の機能による検出レべルを説明する。

基板温度が７００度の時に発生する熱雑音電力は−８８．７ｄＢｍである。

ホーンアンテナに到達するまでの自由空間損失は４１．１ｄＢとなりホーンアンテナに入力される電力は−１２９．８ｄＢｍとなる。この電力レべルはアンテナ利得により−９７．８ｄＢｍとなる。ここで後段の検出が行いやすいように周波数変換器により周波数が１０ＧＨｚに変換されるが、ここで１０ｄＢの雑音付加及び変換損失１０ｄＢが発生するため周波数変換後の電力は−９７．８ｄＢｍである。次に雑音帯域幅を決定する帯域通過フィルタに入力される。ここでの損失は３ｄＢあるため帯域制限フィルタの出力は−１００．８ｄＢｍとなる。その後、増幅器で増幅される。この時、利得が７５．１ｄＢで増幅されるとともに６ｄＢの雑音付加がされるため増幅器出力では−１９．７ｄＢｍとなるこの電力を二乗検波器に入力すると０．２６７５Ｖの電圧が検出される。また入力電力が１０ｄＢ変化すると出力電圧は１０倍となる関係より入力熱雑音が変化すれば変化に応じて二乗検波出力（検出電圧）が変化することにより温度検出が可能となる。

二乗検波出力以降は、一般的に使用されている回路構成を採用して温度表示することが可能となる。例として二乗検波出力をＡ／Ｄ変換器でデジタル信号化した後ＣＰＵに入力し表示器に温度表示させることが可能となる。

なお、本実施例においては、ミリ波帯の熱雑音を受信するものを例示したが、本発明の半導体成長装置は、マイクロ波帯（波長１００μｍ〜１ｍ）の熱雑音を受信するように構成してもよい。

Claims (4)

1. 内部に基板が載置される反応チャンバと、前記反応チャンバに接続されかつ前記基板に向けて対向する開口を有しかつ前記基板から輻射される赤外光領域より長い波長領域の熱雑音を受信するホーンアンテナと、前記ホーンアンテナに導波管を介して接続された温度測定装置と、前記導波管に結合孔を介して接続された副導波管と、を備え、前記副導波管から前記導波管を経由して前記反応チャンバへ供給される副ガスの前記反応チャンバへの供給口として前記ホーンアンテナが兼用されることを特徴とする半導体成長装置。
2. 前記ホーンアンテナのビーム幅は前記基板面内に有ることを特徴とする請求項１に記載の半導体成長装置。
3. 前記ホーンアンテナの半値角と前記基板上面から前記ホーンアンテナの開口面までの高さとの関係は、前記ホーンアンテナの半値角をθと、前記基板上面から前記ホーンアンテナの開口面までの高さをＨと、前記ホーンアンテナの開口の最大長辺の長さをＡと、前記基板直径をＢと、するとき、Ｈ・ｔａｎθ／２＋Ａ／２≦Ｂ／２を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体成長装置。
4. 前記ホーンアンテナから前記温度測定装置へ前記熱雑音が前記導波管を伝搬するとき、前記副ガスの供給は、前記副導波管の前記熱雑音が伝搬しない側から実行され、かつ、前記副導波管の前記熱雑音が伝搬する側に伝搬終端器が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の半導体成長装置。

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