JP5667382B2 - 半導体基材の状態測定方法及び状態測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基材の結晶状態を測定する方法及び装置に関する。

従来から、半導体基材の結晶状態を測定する技術として、走査型電子顕微鏡によるカソードルミネッセンス法が用いられている。カソードルミネッセンス法では、電子銃により発生させた高エネルギー電子を高真空環境下に置かれた半導体基材に衝突させて基材の発光状態を検出することにより、基材表面の結晶状態を観測するようにしている。

また、非特許文献１には、高真空環境下で電子銃により発生させた高エネルギー電子を半導体基材に衝突させ、これにより基材から生じる光の波長と発光強度との関係に基づいて、半導体基材の結晶欠陥の量を把握できることが開示されている。この文献では、半導体基材として、窒化ガリウム上に窒化ガリウムインジウムの薄膜を形成した窒化物半導体が用いている。そして、この半導体基材に高エネルギー電子を衝突させた場合に、結晶欠陥が少ない領域では、基材のバンドギャップに対応する波長での発光強度が他の波長での発光強度よりも高くなることが開示されている。また、結晶欠陥の多い領域では、結晶欠陥が少ない領域に比して、バンドギャップに対応する波長での発光強度が低くなるとともに、この波長よりも長い波長における発光強度が高くなることが開示されている。

スン・ナム・リー（Ｓｕｎｇ−Ｎａｍ Ｌｅｅ）、外５名，「マスクレス格子エピタキシャル過成長ａ面窒化ガリウム上に成長したａ面インジウム窒化ガリウムマルチ量子壁の特性（Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ−ｐｌａｎｅ ＩｎＧａＮ ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌｓ ｏｎ ｍａｓｋｌｅｓｓ ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ ｏｖｅｒｇｒｏｗｎ ａ−ｐｌａｎｅ ＧａＮ）」，応用物理レター（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ），（米国），アメリカ物理学会（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ），２００８年３月１９日，第９２巻，第１１号，ｐ．１１１１０６−１１１１０８

ところで、半導体基材をプラズマ環境下において処理する場合がある。しかしながら、従来の方法では、高真空環境下でしか半導体基材の結晶欠陥を測定することはできないため、半導体基材のプラズマ処理後に結晶欠陥を測定することはできても、半導体基材のプラズマ処理中に基材の結晶欠陥を測定することができない。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、プラズマ環境下で半導体基材の結晶状態を測定することができる方法及び装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、半導体基材の状態測定方法であって、プラズマ発生手段によってチャンバ内にプラズマを発生させ、前記チャンバ内に配置された陰極に負電圧を印加し、前記チャンバ内に配置された基材ホルダー電極により保持された半導体基材における前記陰極から発生する電子の衝突による発光態様に基づいて前記半導体基材における電子のエネルギー分布状態を測定し、前記半導体基材の発光態様に応じて、前記半導体基材の結晶欠陥の相対量を検出する。

上記構成によれば、プラズマが発生するチャンバ内に陰極を配置し、その陰極に負電圧を印加することにより、プラズマ中で高エネルギー電子を発生させる。高エネルギー電子が半導体基材に衝突すると、半導体基材はその基材の結晶欠陥の状態に応じて発光する。したがって、この発光態様を測定することにより、半導体基材の結晶欠陥の状態を測定することができる。

ここうでいう相対量とは、半導体基材に占める結晶欠陥の相対的な量、すなわち、結晶欠陥の発生割合を意味する。また、発光態様に応じて検出する方法としては、例えば、所定波長における発光強度や所定の波長範囲における発光強度に基づいて結晶状態を検出する方法等が挙げられる。

半導体基材に高エネルギー電子を衝突させた場合、基材表面の結晶欠陥が少ない領域では、バンドギャップに対応した波長における発光強度が高くなる。また、結晶欠陥が多い領域では、結晶欠陥が少ない領域に比して、バンドギャップに対応する波長での発光強度が低くなるとともに、この波長よりも長い波長における発光強度が高くなる。

したがって、請求項２に記載の発明によるように、前記半導体基材のバンドギャップに対応した波長、及び前記半導体基材のバンドギャップに対応した波長よりも長い波長の少なくとも一方に応じて、前記結晶欠陥の相対量を検出するといった態様を採用することができる。

請求項３に記載の発明では、前記陰極に印加する負電圧の大きさを制御することにより、前記半導体基材の結晶欠陥の検出深さを制御する。
陰極への負電圧を変化させることで、高エネルギー電子のエネルギー状態を定量的に制御することができる。従って、高エネルギー電子が半導体基材に侵入する深さを制御でき、結晶欠陥の深さ方向分布を測定することができる。

請求項４に記載の発明は、半導体基材の状態測定装置であって、チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、前記チャンバ内で半導体基材を保持する基材ホルダー電極と、前記チャンバ内において前記基材ホルダー電極に対応して配置される陰極と、前記陰極に負電圧を印加する電源と、前記陰極から発生する電子の衝突による前記半導体基材の発光態様に基づいて、前記半導体基材における電子のエネルギー分布状態を測定する測定手段と、前記半導体基材の発光態様に応じて、前記半導体基材の結晶欠陥の相対量を検出する検出部とを備える。

上記構成によれば、陰極に負電圧を印加することにより、プラズマ中で高エネルギー電子を発生させ、この高エネルギーが半導体基材に衝突による半導体基材の発光態様に基づいて、半導体基材における電子のエネルギー分布状態を測定し、半導体基材の発光態様に応じて、半導体基材の結晶欠陥の相対量を検出することにより、半導体基材の結晶状態を測定することができる。

本発明によれば、プラズマ環境下で半導体基材の結晶状態を測定することができる。

実施形態に係るプラズマエッチング装置を示す模式図。 プラズマ中で半導体基材の発光状態を測定する検証装置を示す模式図。 半導体基材の発光状態の測定において、陰極に対する電圧の印加態様を示すタイミングチャート。 半導体基材の発光状態の測定において、半導体基材から発光する光の波長と発光強度との関係を示すグラフ。 半導体基材の発光状態の測定において、陰極に印加する電圧と半導体基材の発光強度との関係を示すグラフ。

以下、本発明に係る半導体基材の状態測定装置を誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ）方式のプラズマエッチング装置に適用した一実施形態を図１〜図５を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係るプラズマエッチング装置１０を示す模式図であり、チャンバ１１についてはその断面構造を示している。このプラズマエッチング装置１０では、窒化ガリウムからなる半導体基材Ａのエッチングが行われるとともに、この基材Ａのエッチング処理中に基材表面の結晶欠陥の測定が行われる。

図１に示すように、プラズマエッチング装置１０は、円筒形のチャンバ１１を備えている。チャンバ１１の側面は石英管１２で構成され、石英管１２の両端は金属製の上端蓋１３及び下端蓋１４により閉塞されている。石英管１２には、高周波コイル１５がその外周に沿って配置されている。高周波コイル１５は、配線１５ａを介して高周波電源１６に接続されている。また、図示を省略するが、上端蓋１３には、エッチングガスを導入するガス導入ポートが形成され、下端蓋１４には真空ポンプに連なる排気ポートが形成されている。本実施形態では、高周波コイル１５、高周波電源１６及びガス導入ポート、排気ポート等によりプラズマ発生手段が構成されている。

プラズマエッチング装置１０のチャンバ１１内には、基材ホルダー電極２０と陰極２１とが対向して配置されている。基材ホルダー電極２０と陰極２１とは例えばアルミニウムからなる。基材ホルダー電極２０は、上端蓋１３を貫通する金属製の支持棒２０ａと配線２０ｂを介して高周波バイアス電源２０ｃに接続されている。また、基材ホルダー電極２０は、プラズマエッチング装置１０によりエッチング処理が施される半導体基材Ａを、図示しない係止部によって保持している。陰極２１は、下端蓋１４を貫通する金属製の支持棒２１ａと配線２１ｂを介して高圧パルス電源２２に接続されている。なお、上端蓋１３及び支持棒２０ａと、下端蓋１４及び支持棒２１ａとは、間に絶縁体からなるリング等（図示略）を介在させることにより、絶縁されている。

プラズマエッチング装置１０は、半導体基材Ａの基材表面の発光強度を測定するための測定手段として分光計２３を備えている。分光計２３にはファイバ２４が接続されている。ファイバ２４の先端は、石英管１２の外周近傍に設けられており、半導体基材Ａが発光すると、その光がファイバ２４を通じて、分光計２３の図示しない受光素子によって受光される。分光計２３は受光素子が受光した光の波長毎の発光強度を測定する。

プラズマエッチング装置１０は、分光計２３と高周波バイアス電源２０ｃと高圧パルス電源２２の制御を行う制御部２５を備えている。制御部２５は、高周波バイアス電源２０ｃと高圧パルス電源２２を制御して、基材ホルダー電極２０と陰極２１に印加する電圧及び周期を制御するとともに、分光計２３の動作開始及び停止を制御する。また、制御部２５は検出部２６と表示部２７とを備えている。上記分光計２３は、発光強度の測定結果に対応した信号を検出部２６に出力する。検出部２６は、入力される測定結果に応じて半導体基材Ａの結晶欠陥の状態を検出する。表示部２７は、検出部２６の検出結果を表示する。

上記のように構成されたプラズマエッチング装置１０は、以下のように動作する。
まず、半導体基材Ａのエッチング処理を説明する。プラズマエッチング装置１０では、チャンバ１１内に、ガス導入ポートを通じて、プラズマを発生させるためのアルゴン等の希ガスがエッチングガスとして導入される。この状態で、高周波電源１６によって、高周波コイル１５に１３．５６ＭＨｚの高周波の電圧が印加されると、チャンバ１１内にプラズマが発生する。図１において、破線で囲まれる領域Ｒには、プラズマが発生しており、以下では、この破線Ｒで囲まれる領域をプラズマ発生領域Ｒという。このようにして、プラズマが発生することにより、半導体基材Ａにエッチング処理が施される。また、図示しない真空ポンプにより、プラズマ中の分子、エッチング生成物等が排気される。

次に、上記エッチング処理中における半導体基材Ａの表面の結晶欠陥状態の測定について説明する。エッチング処理が開始されると、制御部２５の制御により、高周波バイアス電源２０ｃ、高圧パルス電源２２及び分光計２３が動作を開始する。高周波バイアス電源２０ｃは、基材ホルダー電極２０に所定周波の電圧を印加する。高圧パルス電源２２は、陰極２１に所定周期で間欠的に負の高電圧（例えば−１０［ｋＶ］）を印加する。これにより、プラズマ発生領域Ｒの陽イオンｉが陰極２１に引き寄せられ、陰極２１から電子（二次電子）ｅ１が放出される。電子ｅ１は、陰極２１とプラズマ発生領域Ｒとの間の領域であるシースＳ間の電位差により加速され、高エネルギー電子ｅ２となる。高エネルギー電子ｅ２は、基材ホルダー電極２０に保持された半導体基材Ａに衝突する。

エッチング処理中の半導体基材Ａは、直接遷移型の半導体である窒化ガリウムからなるため、高エネルギー電子ｅ２の衝突により光を放出する。すなわち、半導体基材Ａに高エネルギー電子ｅ２が衝突することにより、価電子帯の電子が励起されて伝導帯に遷移し、その後伝導帯の電子が価電子帯のホールと再結合する際に、再結合のエネルギーが光子となって放出される。

ここで、半導体基材Ａにおいて結晶欠陥が存在している部位では、電子が価電子帯よりも高エネルギー準位の欠陥準位に位置している。そのため、結晶欠陥が存在している部位では、高エネルギー電子ｅ２の衝突により、伝導帯と欠陥準位とのエネルギー差に応じた光が放出される。したがって、図１に示すように、半導体基材Ａは、表面に結晶欠陥が存在しない部位では、この基材Ａのバンドギャップに応じたエネルギーｈνの光を放出し、このエネルギーｈν（バンドギャップ）に対応した波長の光を放出する。一方、半導体基材Ａは、表面に結晶欠陥が存在する部位では、このバンドギャップよりも小さいエネルギーｈν’の光を放出し、このエネルギーｈν’に対応した波長（バンドギャップに対応した波長よりも長い波長）の光を放出する。

すなわち、半導体基材Ａの結晶欠陥が少ないほど、バンドギャップに対応した波長での発光強度が高くなり、半導体基材Ａの結晶欠陥が多いほど、バンドギャップに対応した波長よりも長い波長での発光強度が高くなる。したがって、これらの少なくとも一方の波長の発光強度を測定することにより、半導体基材Ａにおける電子のエネルギー分布状態（バンドギャップ電子状態）、換言すれば半導体基材Ａの結晶状態を測定することができる。

そこで、本実施形態では、分光計２３の受光素子が半導体基材Ａから放出される光を受光し、分光計２３は、半導体基材Ａから放出される光の波長毎の発光強度を測定し、この測定結果に応じた信号を制御部２５の検出部２６に出力する。検出部２６は、上記の結晶欠陥と波長との関係に基づいて、分光計２３の測定結果において半導体基材Ａのバンドギャップに対応した波長の発光強度が高い場合には、結晶欠陥の相対量が少ない旨を検出し、半導体基材Ａのバンドギャップに対応した波長の発光強度が低い場合には、結晶欠陥の相対量が多い旨を検出する。なお、分光計２３には、半導体基材Ａ表面全体の光が受光されるため、検出部２６は、結晶欠陥の相対量として、基材表面における欠陥の平均的な発生状況を検出することとなる。制御部２５の表示部２７は、検出部２６で検出した半導体基材Ａの結晶欠陥の相対量を表示する。

これにより、例えばプラズマエッチング装置１０では、表示部２７の表示に基づいて半導体基材Ａのエッチング終了時期等を設定することができる。すなわち、半導体基材Ａのエッチングの進行に伴って半導体基材Ａの表面の結晶欠陥が多くなる場合には、この結晶欠陥の相対量が半導体基材Ａがデバイス材料として許容される結晶欠陥の相対量を超える前に、エッチングを終了するといった対策をとることができる。これにより、デバイス材料としての品質を満たした半導体基材Ａの歩留まりを向上させることができる。

（プラズマ環境下での半導体基材の発光態様の測定）
次に、上記プラズマエッチング装置１０の開発にあたって、本発明者らが行った検証について図２〜５を参照して説明する。本検証では、プラズマ環境下で高エネルギー電子の衝突による半導体基材の発光態様が実際に測定できるか否かを検証した。また、半導体基材の発光態様を測定するのに適した陰極２１への印加電圧値を検証した。

図２に検証装置３０を示す。検証装置３０は、上記プラズマエッチング装置１０の構成と概ね同じであるため、同じ構成については、同じ符号を用い、その説明を適宜省略する。本検証では、チャンバ１１内の基材ホルダー電極３１に検証用の半導体基材Ｂを保持させ、基材Ｂとして、厚さ２μｍの窒化ガリウムが形成されているサファイア基板を用いた。検証装置３０では、基材ホルダー電極３１をチャンバ１１の外周（石英管１２）側に向かってに傾斜させることにより、分光計２３に接続されるファイバ３２により半導体基材Ｂで発生する光を取り込みやすくした。

また、検証装置３０には、ラングミュアプローブ３３を設けた。ラングミュアプローブ３３では、金属探針３４がプローブ電源装置３５に接続されている。金属探針３４は石英管１２を貫通して、その先端がプラズマ発生領域Ｒ内に位置している。ラングミュアプローブ３３は、プローブ電源装置３５によって金属探針３４に電圧を印加して得られる電圧電流特性から電子密度等のプラズマ特性を検出する。なお、本検証では、上記実施形態と同様に、高周波電源１６による高周波コイル１５の印加電圧を１３．５６ＭＨｚとした。

図３は、高圧パルス電源２２による陰極２１への電圧の印加態様を示す。図３に示すように、本検証では、２〔ｍｓ〕毎に７５〔μｓ〕間、負の高電圧−Ｅ〔ｋＶ〕を印加した。具体的には、印加電圧の大きさとしては、−３．０〔ｋＶ〕，−５．５〔ｋＶ〕，−７．５〔ｋＶ〕及び−１０〔ｋＶ〕の４つの値を採用した。また、プラズマを発生させるための高周波電源１６も、この高圧パルス電源２２による電圧の印加態様に基づいて、高周波コイル１５に周期的に電圧を印加するようにした。

図４は、分光計２３で測定された半導体基材Ｂの発光態様を示している。図４において、実線Ａ、破線Ｂ、一点鎖線Ｃ及び二点鎖線Ｄは、それぞれ、陰極２１の印加電圧を−３．０〔ｋＶ〕，−５．５〔ｋＶ〕，−７．５〔ｋＶ〕及び−１０〔ｋＶ〕とした場合に、分光計２３が測定した半導体基材Ｂの光の波長と発光強度との関係を示している。本検証では、図４に示すように、陰極２１に印加する負電圧の絶対値を大きくするほど、半導体基材Ｂの発光強度が高くなることが確認された。また、半導体基材Ｂの窒化ガリウムのバンドギャップに対応した波長（３７５ｎｍ）付近での波長の発光強度と、それ以外の波長領域での発光強度との差異が、陰極２１に印加する負電圧の絶対値を大きくするほど顕著になることが確認された。

図５は、図４に示した半導体基材Ｂの発光態様の測定結果において、印加電圧に対する所定の波長範囲（３７５±２ｎｍ）の発光強度を示しており、−３．０〔ｋＶ〕における発光強度を基準値「０」としている。本検証では、図５に示すように、陰極２１に印加する負電圧の絶対値が大きいほど、すなわち、高エネルギー電子ｅ２が有するエネルギーが高くなるほど、発光強度が高くなることが確認された。また、陰極２１に印加する負電圧の絶対値が所定の閾値（−７〔ｋＶ〕程度）を超えると、半導体基材Ｂの発光強度が急激に高くなり、半導体基材Ｂの発光強度は、陰極２１に印加する電圧に対して非線形的に高くなることが確認された。

以上のようにして、本検証では、プラズマ環境下で高エネルギー電子ｅ２の衝突による半導体基材の発光態様が実際に測定できることを確認することができた。また、陰極２１に印加すべき負電圧の絶対値が所定の閾値を超えると基材の発光強度が急激に高くなり、基材のバンドギャップに対応した波長も顕著に観測されることを確認することができた。したがって、本検証により、上記実施形態のプラズマエッチング装置１０においても、プラズマ処理中の高エネルギー電子ｅ２の衝突により半導体基材Ａの発光態様を測定することにより基材Ａの表面の結晶状態を検出することができることを実証することができた。また、実際の装置１０において、半導体基材Ａを測定する場合には、陰極２１に印加する負電圧として、バンドギャップに対応する波長と他の波長との発光強度の差異が顕著となる所定の閾値以上の電圧を印加することで、半導体基材Ａの結晶状態の測定がより適切に行えることが確認された。

（他技術との比較）
次に、半導体基材の結晶状態を測定する他の技術と、本実施形態のプラズマエッチング装置１０との比較を行う。半導体基材の状態を測定する装置としては、従来技術に例示した走査型電子顕微鏡を用いた方法の他に、ＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、エリプソメータを用いた方法、ＤＬＴＳ（ＤｅｅｐＬｅｖｅｌ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）及びＤＬＯＳ（Ｄｅｅｐ Ｌｅｖｅｌ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）等が挙げられる。

まず、走査型電子顕微鏡を用いた方法では、上記した通り、プラズマ処理中の基材の結晶状態を測定することができない。
また、ＸＰＳは、試料にＸ線を照射することによって生じる光エネルギーを測定することにより、試料を構成する原子の内殻電子の状態を測定するものであり、半導体基材の結晶欠陥の測定には適用しにくい。また、ＸＰＳは、高真空環境でないと試料の測定を行うことができない。したがって、ＸＰＳでは、半導体基材の結晶状態を測定することが難しいとともに、プラズマ環境下で試料の状態を測定することができない。

エリプソメータを用いた方法では、半導体基材に光を入射させ、反射光の偏光状態の変化に基づいて、基材の屈折率や膜厚を求めることができるが、基材表面の結晶欠陥を測定することは難しい。また、プラズマ環境下でこの方法を適用しようとすると、装置構成が複雑となる可能性があり、プラズマ処理装置への実現化が難しい。

ＤＬＴＳは、半導体基材に熱的なエネルギーを与えることにより得られる電気的な信号の変化を測定することにより、半導体基材の結晶状態を把握するものであり、ＤＬＯＳは半導体基材に光のエネルギーを与えることにより得られる電気的な信号の変化を測定することにより、半導体基材の結晶状態を把握する方法である。これらの方法は、電気的な信号を測定するにあたりプラズマがノイズとなるため、プラズマ環境下での半導体基材の状態の測定には適用することができない。

以上のように、半導体基材の状態を測定するための他の技術では、プラズマ環境下で半導体基材の状態を測定することができない。したがって、これらの技術をプラズマエッチング中の半導体基材の状態を測定する装置に適用することは難しい。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の作用効果を奏することができる。
（１）本実施形態のプラズマエッチング装置１０では、プラズマが発生するチャンバ１１内に、基材ホルダー電極２０と陰極２１とが配置される。そして、基材ホルダー電極２０には、半導体基材Ａを保持させるとともに、陰極２１には高圧パルス電源２２によって負の高電圧を印加して、高エネルギー電子ｅ２を発生させる。これにより、高エネルギー電子ｅ２の衝突により半導体基材Ｂの発光態様を分光計２３によって測定することにより、半導体基材Ｂの結晶状態を測定することができる。

（２）本実施形態のプラズマエッチング装置１０では、半導体基材Ａとして窒化ガリウムをエッチングするようにしている。窒化ガリウムは、直接遷移型の半導体であるため、高エネルギー電子が衝突により光を放出する。したがって、分光計２３による発光態様の測定を適切に行うことができる。

（３）本実施形態では、検出部２６が、半導体基材Ａの表面の結晶欠陥の相対量を検出するようにしている。具体的には、検出部２６は、半導体基材Ａのバンドギャップに対応した波長における発光強度が低いほど、基材表面の結晶欠陥の相対量が多いと検出するようにしている。したがって、プラズマエッチング装置１０の使用者等が、分光計２３による測定結果を分析することなく、半導体基材Ａの表面の結晶欠陥の相対量を検出することができる。

（４）本実施形態では、制御部２５の表示部２７が、検出部２６の検出結果を表示するようにしている。したがって、表示部２７の表示に基づいて、半導体基材Ａの表面の結晶欠陥がデバイスに要求される許容量を超える前に、基材Ａのエッチング処理の終了時期を設定する等の対策をとることができる。したがって、デバイス材料としての品質を満たした半導体基材Ａの歩留まりを向上させることができる。

（その他の実施形態）
上記実施形態は、以下のように適宜変形してもよい。
・上記実施形態のプラズマエッチング装置１０は、検出部２６によって検出した半導体基材Ａの結晶欠陥の相対量を表示部２７により表示するようにしている。しかしながら、プラズマエッチング装置は、表示部を備えない構成であってもよい。この場合、検出部が検出した基材表面の結晶欠陥の結晶状態に応じて、高周波電源１６による高周波コイル１５の電圧の印加の継続及び停止を制御することで、半導体基材の表面の結晶欠陥の相対量を所望の許容値に抑えるようにしてもよい。

・上記実施形態のプラズマエッチング装置１０では、検出部２６が、半導体基材Ａのバンドギャップに対応した波長における発光強度が低いほど、結晶欠陥の量が多いと検出するようにしている。しかしながら、検出部は、半導体基材のバンドギャップに対応した波長よりも長い波長における発光強度が高いほど、結晶欠陥の相対量が多いと検出するようにしてもよい。また、検出部は、半導体基材のバンドギャップに対応した波長と、この波長よりも長い波長での双方の発光強度に基づいて、結晶欠陥の量を検出するようにしてもよい。また、所定波長（単一波長）での発光強度に基づいて結晶欠陥の相対量を検出してもよいし、所定の波長領域での発光強度に基づいて結晶欠陥の相対量を検出するようにしてもよい。

・上記実施形態のプラズマエッチング装置１０は、検出部２６を備え、分光計２３の測定結果に基づいて半導体基材の結晶状態を検出するようにしている。しかしながら、プラズマエッチング装置は、検出部を備えない構成であってもよい。この場合には、分光計の測定結果が表示され、エッチング装置の使用者等がこの測定結果に基づいて半導体基材の結晶状態を判断するようにしてもよいし、分光計の測定結果に基づいて高周波電源による電圧の印加が制御されるようにしてもよい。

・上記実施形態のプラズマエッチング装置１０では、窒化ガリウムからなる半導体基材Ａをエッチング処理している。しかしながら、半導体基材は、窒化ガリウム以外の半導体材料からなるものであってもよい。特に、半導体基材の発光態様を測定するといった観点からは、半導体基材は直接遷移型の半導体が好ましく、例えば、酸化亜鉛等が例示される。また、間接遷移型の半導体基材であってもよい。

・上記実施形態では、半導体基材の結晶欠陥の相対量を測定するようにしている。しかしながら、結晶欠陥の相対量の検出に代わって、またはこれに加えて、半導体基材の発光態様に基づいて、結晶欠陥の深さ方向の分布状況を測定するようにしてもよい。具体的には、陰極に印加する負電圧の大きさを制御することにより、高エネルギー電子のエネルギー状態を定量的に制御することができるため、半導体基材の結晶状態の検出深さを制御することができる。したがって、検出深さを制御することで、結晶欠陥の深さ方向の分布状況を測定することができる。

・上記実施形態のプラズマエッチング装置１０は、基材の発光態様を測定する測定手段として分光計２３を用いている。しかしながら、測定手段としては、分光計以外のものを用いるようにしてもよい。例えば、バンドギャップに応じた波長の光又はその波長よりも長波長の光のみを選択的に透過させるバンドパスフィルターと受光素子とを用いて、これらの波長の発光強度を測定するようにしてもよい。また、バンドギャップに応じた波長の光又はその波長よりも長波長の光のみを選択的に受光する受光素子を用いてこれらの波長の発光強度を測定するようにしてもよい。この場合でも、半導体基材の状態を測定することができる。

・プラズマエッチング装置１０の構成は、上記した構成に限定されず、各部材の形状、材質及び配置態様等を適宜変更するようにしてもよい。また、本発明の半導体基材の状態測定方法及び装置を、プラズマエッチング装置１０以外の装置に適用してもよく、例えばプラズマによって基材に成膜を行う装置に適用してもよい。なお、成膜を行う装置に適用した場合には、例えば成膜の進行に伴って基材表面の結晶欠陥が低減する場合がある。したがって、この装置では、半導体基材の発光態様の測定に基づいて基材表面の欠陥が許容値まで低減されたか否かを判定し、この判定に基づき成膜処理を終了するようにしてもよい。さらに、これらの処理以外を行うプラズマ発生装置において、本発明の方法及び装置を適用するようにしてもよいし、単にプラズマ中で半導体基材の結晶状態を測定する装置に適用してもよい。

１０：プラズマエッチング装置、１１：チャンバ、１２：石英管、１５：高周波コイル、１６：高周波電源、２０，３１：基材ホルダー電極、２１：陰極、２２：高圧パルス電源、２３：分光計、２５：制御部、２６：検出部、２７：表示部、３０：検証装置、３３：ラングミュアプローブ。

Claims (4)

1. プラズマ発生手段によってチャンバ内にプラズマを発生させ、
   前記チャンバ内に配置された陰極に負電圧を印加し、
   前記チャンバ内に配置された基材ホルダー電極により保持された半導体基材における前記陰極から発生する電子の衝突による発光態様に基づいて、前記半導体基材における電子のエネルギー分布状態を測定し、
   前記半導体基材の発光態様に応じて、前記半導体基材の結晶欠陥の相対量を検出する
   ことを特徴とする半導体基材の状態測定方法。
2. 前記半導体基材のバンドギャップに対応した波長、及び前記半導体基材のバンドギャップに対応した波長よりも長い波長の少なくとも一方に応じて、前記結晶欠陥の相対量を検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体基材の状態測定方法。
3. 前記陰極に印加する負電圧の大きさを制御することにより、前記半導体基材の結晶欠陥の検出深さを制御する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体基材の状態測定方法。
4. チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
   前記チャンバ内で半導体基材を保持する基材ホルダー電極と、
   前記チャンバ内において前記基材ホルダー電極に対応して配置される陰極と、
   前記陰極に負電圧を印加する電源と、
   前記陰極から発生する電子の衝突による前記半導体基材の発光態様に基づいて、前記半導体基材における電子のエネルギー分布状態を測定する測定手段と、
   前記半導体基材の発光態様に応じて、前記半導体基材の結晶欠陥の相対量を検出する検出部とを備える
   ことを特徴とする半導体基材の状態測定装置。

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