JP5725584B2 - 半導体層の温度測定方法および温度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオードやその他の半導体素子の半導体層を蒸着法により成膜する際に、成膜中または成膜後の半導体層の温度や半導体層の表面粗さなどを測定することができる半導体層の温度測定方法および温度測定装置に関する。

ＡｌＮ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＰ、Ｓｉ、ＳｉＣなどの半導体は、蒸着法で形成される。蒸着法としては、化学気相成長法（ＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などが使用されている。これら蒸着法では、真空状態に設定されたチャンバ内に基板が設置され、この基板上に原料ガスなどの状態で原料分子が供給されて基板の表面に結晶層が堆積されて成膜される。

この種の蒸着法において、不純物の無い半導体の結晶層を一定の堆積速度で緻密に且つ再現性を有して成膜するには、チャンバ内の基板の温度を正確に制御することが必要である。そのために、基板を加熱するヒータが設けられるとともに、チャンバ内の基板の温度を測定するモニターが設けられ、このモニターで測定された温度に基づいて前記ヒータの加熱温度を制御できるようにしている。

以下の特許文献１および特許文献２に記載されているように、従来は、前記モニターとして、基板表面が加熱されて発生する赤外線を監視するパイロメータが使用されている。パイロメータは、チャンバに設けられた窓の外側に設置され、基板の表面や成膜中の半導体層の表面から発せられる赤外線がガラス窓を透過してパイロメータで検出される。しかし、パイロメータによる温度測定には次のような課題がある。

加熱されている基板表面から発せられる赤外線が成膜途中の半導体層の内部を通過するときに、半導体層を通過する光と半導体層の内部で反射される光とが干渉して、パイロメータの検出出力が細かく変動し、しかもこの干渉の度合いは成膜される半導体層の膜厚の変動に追従して変化する。この問題点に関しては、従来は、チャンバの外に発光装置を配置し、チャンバのガラス窓を通じて成膜中の半導体層にレーザ光を当て、半導体層を透過したレーザ光をモニターすることで解決している。半導体層を通過するレーザ光と半導体層の内部で反射されるレーザ光も赤外線と同様に干渉するため、レーザ光をモニターしたときの干渉による出力変動を用いて、パイロメータで検出される赤外線の干渉を相殺しまたは低減する較正が可能である。

しかし、パイロメータで検出される赤外線の干渉が較正されたとしても、パイロメータによる温度測定は、基板の表面から離れた場所で行われ、一般的にはチャンバのガラス窓の外側で行われる。実際に発熱している基板の表面と測定箇所との間に長い空間が介在し、さらにはガラス窓が介在しているために、パイロメータによって測定される温度と、基板表面の実際の温度との間に誤差が生じるのを避けることができない。

また、基板の表面において成長中の半導体層が透明な場合には、パイロメータが透明な半導体層を透して基板の表面の温度を測定することになってしまう。このようにパイロメータを使用した測定方法によって、成膜中の半導体層そのものの温度を直接に正確に知ることは難しい。

また、以下の特許文献１には、基板の裏側の温度を測定する熱電対モニターを使用することが記載されている。しかし、熱電対モニターは基板の裏側に置かれるために、実際の基板表面の温度を正確に測定することはできない。また熱電対モニターは熱容量が大きいために、チャンバ内の温度変化への追従性が悪く、基板温度を正確に知ることはできない。

さらに、以下の特許文献３には、ハロゲンランプからの光を被測定体のウエハに照射し、光の透過率と光の反射率および光の波長から、ウエハの表面温度を算出する技術が開示されている。

しかし、光の透過率と反射率は、ウエハの表面の粗さなどの種々の要因によって大きく変化するため、単一の光の透過率と反射率のみによって、被測定物の温度を高精度に測定するのは困難である。

特開２００１−２８９７１４号公報 特開２００２−３６７９０７号公報 特開２００２−１２２４８０号公報

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、基板表面で成膜されている途中の半導体層の温度、または成膜後の半導体層の温度を高精度に検出でき、高品質の半導体層を成膜することができる半導体層の温度測定方法および温度測定装置を提供することを目的としている。

また本発明は、半導体層の光の透過量の変化を測定して、半導体層の温度変化を即時に求めることが可能な半導体層の温度測定方法および温度測定装置を提供することを目的としている。

さらに本発明は、異なる波長の光を半導体層に与えたときの検知光量の変化に基づいて、検知光量の変動が半導体層の温度変化によるものであるかそれ以外の要因によるものであるかを判定することができる半導体層の温度測定方法および温度測定装置を提供することを目的としている。

第１の本発明は、チャンバ内で成膜されている半導体層の温度を測定する温度測定方法において、
半導体層の温度が上昇して第１の範囲の温度になると前記半導体層に対する透過率が減衰する第１の波長の光と、前記半導体層の温度が前記第１の範囲よりも高い第２の範囲になると前記半導体層に対する光の透過率が減衰する第２の波長の光とを使用し、
第１の波長の光と第２の波長を同じ経路に沿って前記半導体層に与えるとともに、前記半導体に対向する光検出装置で前記第１の波長の光と前記第２の波長の光量を検知し、
前記半導体層の温度が前記第１の範囲を超えて上昇して第１の波長の光の検知光量が減衰した後で、さらに第２の波長の光の検知光量が減衰し始めた後の測定時に、その測定時の第２の波長の検知光量と、第１の波長の光の検知光量の減衰幅とから、半導体層の前記第２の範囲内での温度を算出することを特徴とするものである。

本発明の温度測定方法では、前記半導体層の前記測定時の温度を、（第２の範囲の極大値の温度）＋（第２の範囲の温度差）×｛（第２の波長の光の検知光量の減衰始点から測定時までの減衰量）／（第１の波長の光の検知光量の減衰幅）｝から算出することができる。

また、本発明の温度測定方法によって、前記基板上に半導体層が成膜されている途中の前記測定時に得られた第２の波長の光の検知光量と、第１の波長の光の検知光量の減衰幅とから、成膜途中の半導体層の温度を算出して、その温度が前記第２の範囲内の所定値となるように前記基板の加熱温度を制御することが可能である。

本発明の温度測定方法は、前記チャンバ内に設けられた透明基板を加熱しながら原料分子を供給して前記基板上に半導体層を成膜し、
前記半導体層の表面に第１の波長の光と第２の波長の光を与え、前記半導体層の表面に対向する前記光検出装置で、前記半導体層の内部を通過する乱反射光と前記半導体層の表面で反射される乱反射光とを検知するものである。

本発明の温度測定方法は、半導体層から発せられる赤外線を測定して半導体層の温度を測定する温度変化測定装置を使用し、前記測定時に算出された前記第２の範囲内の温度で、前記温度変化測定装置の測定誤差を較正することもできる。

第２の本発明は、チャンバ内で成膜されている半導体層の温度を測定する温度測定方法において、
半導体層の温度が上昇して第１の範囲の温度になると前記半導体層に対する透過率が減衰する第１の波長の光と、前記半導体層の温度が前記第１の範囲よりも高い第２の範囲になると前記半導体層に対する光の透過率が減衰する第２の波長の光とを使用し、
第１の波長の光と第２の波長を同じ経路に沿って前記半導体層に与えるとともに、前記半導体に対向する光検出装置で前記第１の波長の光と前記第２の波長の光量を検知し、
前記半導体層の温度が前記第１の範囲を超えて上昇して第１の波長の光の検知光量が減衰した後に、第２の波長の光の検知光量を監視し、第２の波長の光の検知光量が変化したら、そのときの第１の波長の光の検知光量の変化を参照して、第２の波長の光の検知光量の変化が、半導体層の温度変化によるものかそれ以外の要因によるものであるかを判定することを特徴とするものである。

本発明の温度測定方法は、第２の波長の光の検知光量が変化したときに、第１の波長の光検知光量も変化したら、第２の波長の光の検知光量の変化が、半導体層の温度変化以外の要因によるものであると判定する。

この場合に、第１の波長の光の検知光量の変化と第２の波長の光の検知光量の変化との少なくとも一方から、半導体層の表面粗さを求めることも可能である。

そして、本発明の温度測定方法は、第２の波長の光の検知光量が変化しているときに、第１の波長の光の検知光量が変化しないときは、第２の波長の光の検知光量の変化が、半導体層の温度変化によるものであると判定する。

本発明の温度測定方法は、前記チャンバ内に設けられた透明基板を加熱しながら原料分子を供給して前記基板上に半導体層を成膜し、
前記半導体層の表面に第１の波長の光と第２の波長の光を与え、前記半導体層の表面に対向する前記光検出装置で、前記半導体層の内部を通過する乱反射光と前記半導体層の表面で反射される乱反射光とを検知するものである。

第３の本発明は、チャンバ内で成膜されている半導体層の温度を測定する温度測定装置において、
半導体層の温度が上昇して第１の範囲の温度になると前記半導体層に対する透過率が減衰する第１の波長の光と、前記半導体層の温度が前記第１の範囲よりも高い第２の範囲になると前記半導体層に対する光の透過率が減衰する第２の波長の光とを与える発光装置と、
第１の波長の光と第２の波長の光を検知する光検出装置とが設けられ、
前記発光装置と前記光検出装置が半導体の表面に対向して、第１の波長の光と第２の波長の光が同じ経路に沿って前記表面に与えられ、前記半導体層の内部を通過する乱反射光と前記表面からの乱反射光とが前記光検出装置で検知され、
前記光検出装置で検知された第１の波長の光の検知光量と第２の波長の光の検知光量とから、前記半導体層の温度を算出する制御装置が設けられていることを特徴とするものである。

例えば、本発明の温度測定装置における前記制御装置では、前記半導体層の温度が前記第１の範囲を超えて上昇して第１の波長の光の検知光量が減衰した後で、さらに第２の波長の光の検知光量が減衰し始めた後の測定時に、その測定時の第２の波長の検知光量と、第１の波長の光の検知光量の減衰幅とから、半導体層の前記第２の範囲内での温度が算出される。

または、前記制御装置では、前記半導体層の温度が前記第１の範囲を超えて上昇して第１の波長の光の検知光量が減衰した後に、第２の波長の光の検知光量を監視し、第２の波長の光の検知光量が変化したら、そのときの第１の波長の光の検知光量の変化を参照して、第２の波長の光の検知光量の変化が、半導体層の温度変化によるものかそれ以外の要因によるものであるが判定される。

また、前記制御部では、第２の波長の光の検知光量と第１の波長の光の検知光量が共に変化したときに、
第１の波長の光の検知光量の変化と第２の波長の光の検知光量の少なくとも一方から、半導体層の表面粗さが算出される。

本発明の温度測定方法および温度測定装置では、成膜中または成膜後の半導体層に異なる波長の光を与えることで、半導体層の温度を即時に測定することが可能になる。

また、異なる波長の光を半導体層に与えたときの検知光量の変化に基づいて、検知光量の変動が半導体層の温度変化によるものであるかそれ以外の要因によるものであるかを判定することが可能である。その結果として、成膜中の半導体層の表面粗さが変化しているか否かを測定したり、さらには表面粗さの大きさを測定することも可能である。

成膜装置および本発明の第１の実施の形態の温度測定装置の構造の概略を示す説明図、 温度測定装置を構成する発光装置の詳細を示す説明図、 温度測定装置を構成する光検出装置の詳細を示す説明図、 成膜装置の内部の基板および成膜中または成膜後の半導体層を示す拡大説明図、 半導体層に与える光の波長と光の透過率と半導体層の温度との関係を示す線図、 半導体層に与える光の透過量と半導体層の温度との関係を示す線図、 半導体層に与える２つの波長の光の透過量と半導体層の温度との関係を示す線図、 半導体層の温度制御を行う際の２つの波長の光の透過率の変化を示す線図、 半導体層の透過率が、温度変化以外の要因で変化した状態を示す線図、 半導体層の温度変化に起因して透過率が変化した状態を示す線図、

図１は成膜装置１および本発明の第１の実施の形態である温度測定装置２０を示す説明図であり、図２は発光装置の詳細を示し、図３は光検出装置の詳細を示している。

図１には、化学気相成長法（ＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）で半導体層を成膜する成膜装置１が模式図として示されている。

成膜装置１はチャンバ２を有しており、成膜中は内部空間が真空状態に設定される。チャンバ２内にテーブル３が設けられており、このテーブル３に加熱装置であるヒータ３ａが内蔵されている。チャンバ２には導入路４が接続されており、半導体層７を成膜するための元素（原料分子）を含む原料ガス５が前記導入路４からテーブル３の表面に与えられ、テーブル３の上に設置された基板６の表面に半導体層７が成膜される。

チャンバ２には第１の窓８と第２の窓９が設けられている。第１の窓８と第２の窓９にはガラス板などの透明板が嵌められており、この透明板を通して内部を観察できるが、チャンバ２の内部空間と外部空間が透明板で遮蔽されている。

前記第１の窓８の外側には、温度変化測定装置の一例としてパイロメータ１０が設けられている。パイロメータ１０は、受光部１１と受光部１１で受光された受光出力を処理する処理回路部１２とを有している。パイロメータ１０の受光部１１は、第１の窓８の外に設置され、第１の窓８に装着された透明板を介して前記基板６の真上に対向している。受光部１１の中心は、基板６の表面の中心から垂直に延びる垂線Ｌｖ上に位置しており、受光部１１に設けられた受光素子の受光光軸が垂線Ｌｖに沿って前記基板６の表面に向けられている。

ヒータ３ａによってテーブル３と基板６が加熱されると、テーブル３の表面の熱により発生する赤外線が、透明な基板６および成膜中の半導体層７を透過し、第１の窓８を透過して受光部１１に受光される。受光部１１で受光された受光出力は処理回路部１２に与えられ、受光した赤外線の波長などから基板６の表面温度、正確にはテーブル３の表面温度が測定される。

チャンバ２の外には、本発明の実施の形態である温度測定装置２０を構成する発光装置２１が設けられている。発光装置２１は、チャンバ２に設けられた第２の窓９の外側から前記基板６の表面に対向している。

図２に示すように、発光装置２１に、第１の波長のレーザ光Ｌ１を発する第１のレーザ光源２２と、第２の波長のレーザ光Ｌ２を発する第２のレーザ光源２３が設けられている。第１のレーザ光源２２から発せられるレーザ光Ｌ１は、コリメートレンズ２２ａによってコリメート光に変換されてハーフミラー２５を透過する。第２の光源２３から発せられるレーザ光Ｌ２は、コリメートレンズ２３ａによってコリメート光に変換され、ミラー２４で反射されてハーフミラー２５に与えられる。

発光装置２１では、第１のレーザ光源２２と第２のレーザ光源２３とが交互に点灯し、第１の波長のレーザ光Ｌ１と第２の波長のレーザ光Ｌ２が、同じ経路Ｌｄに沿って基板６および半導体層７に交互に与えられる。

前記基板６はサファイアウエハなどの透明な材料で形成されている。ここでの透明とは全光線透過率が８０％以上の光学特性を意味しており、好ましくは全光線透過率が９５％以上である。図４に示すように、基板６の底面６ａは細かな凹凸が形成された乱反射面となっている。半導体層７が光の透過率が高い状態のときは、経路Ｌｄに沿って照射されるレーザ光が半導体層７を透過し、基板６を透過して前記底面６ａで乱反射される。底面６ａで乱反射した乱反射光Ｒ１は、基板６および半導体層７を透過するが、乱反射光Ｒ１のうちの垂線Ｌｖに向く成分が前記受光部１１で受光される。

経路Ｌｄに沿うレーザ光は、半導体層７の表面７ａに対して入射角θで入射するため、表面７ａから反射角θで正反射された光は受光部１１で受光されることがない。ただし、レーザ光が半導体層７の表面７ａで乱反射されると、その乱反射光Ｒ２のうちの垂線Ｌｖに向く成分が受光部１１で受光される。

前記経路Ｌｄと前記垂線Ｌｖとの成す角度θは０度を超え９０度未満である。
前記受光部１１は、パイロメータ１０として赤外線を受光するために使用されるとともに、底面６ａと表面７ａで乱反射したレーザ光を受光する光検出装置としても機能している。受光部１１では、加熱された基板６や半導体層７から発せられる赤外線と、基板６や半導体層７で反射されたレーザ光の乱反射光Ｒ１，Ｒ２とが、異なる時刻に交互に検出される。さらに、２つのレーザ光源２２，２３の点灯のタイミングに合わせて、受光部１１での受光信号が時分割されて、第１の波長のレーザ光Ｌ１と第２の波長のレーザ光Ｌ２が異なるタイミングで検知される。したがって、受光部１１では、赤外線および第１の波長のレーザ光Ｌ１と第２の波長のレーザ光Ｌ２とが互いに干渉することなく区別して検知される。

また、赤外線を受光するパイロメータ１０の受光部１１とは別に、レーザ光を受光する光検出装置１６を設け、受光部１１と光検出装置１６を、第１の窓８の外に並べて配置してもよい。

この場合の光検出装置１６は、図３に示すように、第１の受光素子１３および第１の受光素子１３に反射光を集光する集光レンズ１３ａと、第２の受光素子１４および第２の受光素子１４に反射光を集光する集光レンズ１４ａ、ならびに波長フィルタ１５を有するものとして構成できる。この光検出装置１６では、垂線Ｌｖに沿って入射した乱反射光Ｒ１，Ｒ２が波長フィルタ１５により分離され、第１の波長のレーザ光Ｌ１の乱反射光が第１の受光素子１３で受光され、第２の波長のレーザ光の乱反射光が第２の受光素子１４で受光される。

図３に示す光検出装置１６が使用されているときは、図２に示す発光装置２１において、第１のレーザ光源２２と第２のレーザ光源２３とを同時に連続発光させて使用しても、第１の波長のレーザ光Ｌ１の乱反射光と第２の波長のレーザ光Ｌ２の乱反射光とを波長フィルタ１５で分離できるため、第１の受光素子１３と第２の受光素子１４とでそれぞれの波長のレーザ光を区別して受光することができる。

図１に示すように、成膜装置１およびパイロメータ１０ならびに発光装置２１は中央制御装置３０によって制御される。中央制御装置３０はマイクロコンピュータとメモリなどから構成されている。加熱制御装置３１は前記中央制御装置３０からの指令を受けてヒータ３ａへの通電を制御して、テーブル３の加熱温度をコントロールする。レーザ発光制御装置３２は、前記中央制御装置３０からの指令を受けて発光装置２１をコントロールする。

パイロメータ１０の検出出力は温度検出装置３３に与えられる。テーブル３から発せられる赤外線の検知出力は温度検出装置３３で検出されて、赤外線の波長などからテーブル３の表面温度が測定され、その温度情報が中央制御装置３０に与えられる。また、基板６の底面６ａで乱反射されるレーザ光の乱反射光Ｒ１および半導体層７の表面７ａで乱反射されるレーザ光の乱反射光Ｒ２は、受光部１１または図３に示す光検出装置１６で受光されるが、その検知光量に関する検出出力も温度検出装置３３に与えられ、その情報が中央制御装置３０に通知される。

次に、前記測定装置２０を使用した半導体層の温度測定方法の原理を説明する。

図１に示す成膜装置１では、ヒータ３ａでテーブル３および基板６が加熱された状態で、チャンバ２内に原料ガス５が導入されて、図４に示すように、透明な基板６の表面に半導体層７が成長して行く。

基板６の表面に成膜される半導体層７は、発光ダイオードやその他の半導体素子の分子層を形成するためのものであり、例えば、ＡｌＮ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＰ、Ｓｉ，ＳｉＣである。

これら半導体層における光の透過率は、光の波長と半導体層の温度に依存して変化する。図５は、横軸が半導体層に与える光の波長λｘを示し、縦軸が半導体層における光の透過率を示している。図５では、同じ半導体層の温度をＴ１からＴ６まで段階的に変化させている（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３＜Ｔ４＜Ｔ５＜Ｔ６）。図５に示すように、半導体層は、同じ波長λｘの光が与えられているときに、温度が高くなるとその光の透過率が減衰する。また、半導体層の温度を上昇させたときに、どの温度で透過率が減衰するかは、半導体層に与える光の波長λｘに依存する。

図６は、本発明の実施の形態の温度測定方法と比較するための比較例として、成膜装置１の基板６の表面に半導体層７が成膜されている過程で、経路Ｌｄに沿って所定の波長λ１の単一のレーザ光を与える温度測定方法を示している。図６は、横軸が、半導体層７の温度を示し、縦軸が、基板６の底面６ａと半導体層７の表面７ａで乱反射されたレーザ光が受光部１１で受光されるときの検知光量の変化を示している。

図６に示す変化線（ｉ）は、半導体層７の表面７ａの乱反射光Ｒ２などが発生しないほぼ理想的な条件を仮定したときの、半導体層７の温度変化と受光部１１での検知光量との関係を示している。

変化線（ｉ）で示すように、半導体層７の温度が低いときは、半導体層７の光の透過率が高いために、図４に示す基板６の底面６ａで乱反射された乱反射光Ｒ１が半導体層７を高い率で透過する。そのため、受光部１１で受光されるレーザ光の乱反射光の光量が大きく、検知光量がＤ２となる。半導体層７の温度が上昇してＴ１に至ると、半導体層７の光の透過率が低下し始めるため、受光部１１で受光される乱反射光の光量がＤ２から減衰し始める。半導体層７の温度がＴ２まで上昇すると、半導体層７の光の透過率が最小となり、受光部１１で受光される乱反射光の検知光量がＤ１まで低下する。

本明細書では、半導体層７の温度が上昇していくときに、受光部１１での乱反射光の検知光量が減少し始める点（ａ）を減衰始点と呼び、減衰始点（ａ）における検知光量Ｄ２を極大値の検知光量と呼ぶ。また、受光部１１での乱反射光の検知光量の減衰が終了したときの点（ｂ）を減衰終点と呼び、減衰終点（ｂ）における検知光量Ｄ１を極小値の検知光量と呼ぶ。

実際の半導体層７の成膜工程では、基板６および半導体層７の光学特性が温度条件などで変化しやすく、また半導体層７の表面７ａの面の向きや面粗度も変化しやすい。さらにチャンバ２内に基板６を設置するときに、基板６の表面６ａと垂線Ｌｖとの対向角度にも誤差が生じやすい。これらの種々の条件によって、レーザ光の乱反射特性が変動すると、同じ波長λ１のレーザ光を使用して同じ半導体層７の光の透過率を観測したときであっても、受光部１１で検知する検知光量の変化が、図６に示す理想的な変化線（ｉ）に沿うことができずに、変動量δ１，δ２が発生して破線の変化線（ｉｉ）のような変化を示すことになる。

ただし、基板６や半導体層７からのレーザ光の乱反射条件などが変化しても、図５に示すように、光の波長と透過率との関係およびそのときの温度との関係は、同じ材料の半導体層に同じ波長のレーザ光を照射している限り同じである。したがって、変化線（ｉ）が減衰始点（ａ）のときと、変化線（ｉｉ）が減衰始点（ｃ）のときとで、半導体層７の温度は共にＴ１であり、変化線（ｉ）が減衰終点（ｂ）のときと、変化線（ｉｉ）が減衰終点（ｄ）のときとで、半導体層７の温度は共にＴ２である。

すなわち、半導体層７の光の透過率は、温度と波長が同じであれば、変化することがないが、光の透過率以外の要素である乱反射条件などの種々の光学的条件が変化すると、受光部１１でのレーザ光の乱反射光の検知光量が変動することになる。

図６に示すように、波長λ１の単一のレーザ光を使用した温度測定方法において、成膜されている半導体層７の温度を減衰終点の温度Ｔ２よりも高い値まで一気に上昇させて、図６に示す変化線を得ることができれば、その後は、検知光量Ｄａをモニターすることで、半導体層７のＴ１とＴ２との間の温度を算出することができる。例えば、半導体層７の温度をＴ２を超えるまで上昇させて、変化線（ｉ）における極大値Ｄ２と極小値Ｄ１と温度Ｔ２，Ｔ１との関係が取得された後であれば、検知光量のモニター値Ｄａから、そのときの半導体層７の温度Ｔｘを次の式で算出できる。
Ｔｘ＝Ｔ１＋（Ｔ２−Ｔ１）×｛（Ｄ２−Ｄａ）／（Ｄ２−Ｄ１）｝

しかし、温度をＴ２まで上昇させず、（Ｔ２−Ｔ１）と（Ｄ２−Ｄ１）の関係が解かっていない状態では、成膜中の温度のモニター値から、Ｔ２とＴ１との間の温度Ｔｘを算出することができず、半導体層７の温度を前記温度Ｔｘに維持させる制御はできない。

しかし、本発明の実施の形態の測定装置２０を用いた半導体層の温度測定方法では、波長が相違する少なくとも２種類のレーザ光を使用することで、半導体層７の温度をＴ２を超える値まで上昇させなくても、受光部１１におけるレーザ光の検知光量のモニター値から、Ｔ２とＴ１との間の温度Ｔｘを即座に算出することができる。

図１に示す成膜装置１では、図２に示す発光装置２１の第１のレーザ光源２２から第１の波長のレーザ光Ｌ１が発せられ、第２の光源２３から第２の波長のレーザ光Ｌ２が発せられて、それぞれのレーザ光Ｌ１，Ｌ２が同じ経路Ｌｄを通過して半導体層７に与えられる。

図７の変化線（ｉｉｉ）は、第１の波長のレーザ光Ｌ１が基板６上の半導体層７に与えられて、乱反射光Ｒ１，Ｒ２が受光部１１で受光されたときの、検知光量と半導体層７の温度との関係を示し、変化線（ｉｖ）は、第２の波長のレーザ光Ｌ２が基板６上の半導体層７に与えられて、乱反射光Ｒ１，Ｒ２が受光部１１で受光されたときの、検知光量と半導体層７の温度との関係を示している。

第１の波長のレーザ光Ｌ１は、減衰始点（ｅ）のときの導体層７の温度がＴ３であり、減衰終点（ｆ）のときの温度がＴ４となるように、その波長が選択される。第２の波長のレーザ光Ｌ２は、減衰始点（ｇ）での温度がＴ５であり、減衰終点（ｈ）での温度がＴ６となるように、その波長が選択される。温度Ｔ３からＴ４の間が、第１の波長のレーザ光Ｌ１の光の透過量が減衰する第１の温度範囲であり、Ｔ５からＴ６の間が、第２の波長のレーザ光Ｌ２の光の透過量が減衰する第２の温度範囲である。第２の温度範囲は第１の温度範囲よりも、温度が高い領域となっている。

図５に示すように、半導体層７はその材料の種類ごとに、温度に対する透過率と波長との関係が決まっているため、半導体層７の材料に応じて第１の波長のレーザ光Ｌ１の波長を選択することで第１の温度範囲を設定でき、材料に応じて第２の波長のレーザ光Ｌ２の波長を選択することで第２の温度範囲を設定できる。

第１の波長のレーザ光Ｌ１と第２の波長のレーザ光Ｌ２は、同じ経路Ｌｄから半導体層７に与えられるため、基板６の底面６ａの乱反射面の影響や、半導体層７の表面７ａの面粗さの影響、さらには垂線Ｌｖに対する半導体層７の表面７ａの対向角度の誤差などの、光の透過や反射に関する影響を、第１の波長のレーザ光Ｌ１と第２の波長のレーザ光Ｌ２とで同等に受けることになる。すなわち、図６に示す変動量δ１，δ２が検知光量に占める比率は、第１の波長のレーザ光Ｌ１と第２の波長のレーザ光Ｌ２とで同じである。

したがって、発光装置２１における第１の波長のレーザ光Ｌ１の発光強度と第２の波長のレーザ光Ｌ２の発光強度とが等しく、受光部１１での第１の波長のレーザ光Ｌ１の受光感度と第２の波長のレーザ光Ｌ２の受光感度とが等しければ、図７に示すように、第１の波長のレーザ光Ｌ１の極大値の検知光量と、第２の波長のレーザ光Ｌ２の極大値の検知光量とが共に同じＤ４になり、第１の波長のレーザ光Ｌ１の減衰量と第２の波長のレーザ光Ｌ２の減衰量が共に同じ（Ｄ４−Ｄ３）となるはずである。

ただし、実際には、２つのレーザ光に発光強度のばらつきがあり、それぞれのレーザ光の受光感度にもばらつきが生じるため、成膜装置１を始動するときにイニシャライズ操作を行うことが必要となる。

イニシャライズ操作の一例としては、予めサンプル用の半導体層が成膜された基板６をチャンバ２内のテーブル３上に設置し、パイロメータ１０で温度をモニターしながら、基板６と半導体層７の温度を徐々に上昇させ、第１の波長のレーザ光Ｌ１と第２の波長のレーザ光Ｌ２をサンプル用の半導体層に与える。温度が第１の温度範囲（Ｔ３−Ｔ４）を超えたときの、第１の波長のレーザ光Ｌ１の検知光量の変化と、温度が第２の温度範囲（Ｔ５−Ｔ６）を超えたときの、第２の波長のレーザ光Ｌ２の検知光量の変化を測定する。この測定値に基づいて、第１の温度範囲での第１の波長のレーザ光Ｌ１の検知光量の減衰幅と、第２の温度範囲での第２の波長のレーザ光の検知光量の減衰幅とが同じとなるように、回路上の調整を行い、またはソフトウエア上で較正が行われる。

他のイニシャライズ操作として、チャンバ２内の透明な基板６に半導体層７が成膜されていない状態で、図２に示す第１のレーザ光源２２を点灯させて、基板６の底面６ａや基板６の表面から乱反射された第１の波長のレーザ光Ｌ１を受光部１１で検知する。次に、第２のレーザ光源２３を点灯して、基板６の底面６ａや基板６の表面から乱反射された第２の波長のレーザ光Ｌ２を受光部１１で検知する。そして、第１のレーザ光源２２を点灯したときの検知光量と、第２のレーザ光源２３を点灯したときの検知光量とが同じレベルとなるように、回路路上またはソフトウエア上で較正してもよい。

前記イニシャライズ操作を行った成膜装置１では、半導体層７の温度を図７に示すＴ６よりも高い温度に一度も上昇させることなく、受光部１１でのレーザ光の検知光量のモニター値から、第２の温度範囲である温度Ｔ５と温度Ｔ６の間の温度Ｔｙを即時に算出することが可能である。

図７に示すように、半導体層７の温度を上昇させて行くと、変化線（ｉｉｉ）で示すように、第１の波長のレーザ光Ｌ１の検知光量が減衰始点（ｅ）を超えて減衰終点（ｆ）に至る。この時点では、変化線（ｉｖ）で示すように、第２の波長のレーザ光Ｌ２の検知光量は減衰していない。第１の波長のレーザ光Ｌ１の検知光量が減衰終点（ｆ）を超えたときに、第１の波長のレーザ光Ｌ１の検知光量の減衰量（Ｄ４−Ｄ３）が、受光部１１に備えられた処理回路部１２で検出され、温度検出装置３３を介して中央制御装置３０に送られて保持される。

その後、半導体層７の温度を上げて行くと、第２の波長のレーザ光Ｌ２の検知光量が減衰始点（ｇ）に至り、その後は、検知光量が減衰していく。このとき、第１の波長のレーザ光Ｌ１の検知光量の減衰幅（Ｄ４−Ｄ３）が知られているため、中央制御装置３０では、第２の波長のレーザ光Ｌ２の検知光量が減衰始点（ｇ）を超えた後で且つ減衰終点（ｈ）に至る前のモニター値Ｄｂと、第１の波長のレーザ光Ｌ１の減衰幅（Ｄ４−Ｄ３）とから、半導体層７の温度Ｔｙを以下の式で算出することができる。
Ｔｙ＝Ｔ５＋（Ｔ６−Ｔ５）×｛（Ｄ４−Ｄｂ）／（Ｄ４−Ｄ３）｝

すなわち、半導体層７の測定時の温度を、（第２の範囲の極大値の温度）＋（第２の範囲の温度差）×｛（第２の波長の光の透過量の減衰始点から測定時までの減衰量）／（第１の波長の光に関する検知光量の減衰幅）｝から算出することができる。

したがって、半導体層７の温度が上昇しているときに、第２の波長のレーザ光Ｌ２が減衰始点（ｇ）を超えたのちの温度をモニターすることで、半導体層７の温度をＴ５から温度Ｔ６の間の温度Ｔｙに制御することが可能である。

第２の波長のレーザ光Ｌ２を半導体層７に照射したときの、光の透過率とそのときの温度との関係は、半導体材料とレーザ光Ｌ２の波長との関係で設定できる。例えば、半導体層７がＧａＮ（窒化ガリウム）の場合であって、第２の波長のレーザ光Ｌ２の波長として４４５ｎｍを選択すると、減衰始点（ｇ）での温度Ｔ５を約８００℃で減衰終点（ｈ）での温度Ｔ６を約９００℃に設定できる。このケースでは、半導体層７の成膜温度を、８００℃から９００℃の間の所定の温度となるように常に制御することができる。

なお、第１の波長のレーザ光Ｌ１の波長は、減衰終点（ｆ）の温度Ｔ４が、第２の波長のレーザ光Ｌ２の減衰始点（ｇ）の温度Ｔ５よりも低い限りにおいて、比較的広い選択幅の中から決めることができる。

図１に示す成膜装置１は、温度変化測定装置の一例としてパイロメータ１０によって基板６および半導体層７の表面から発せられる赤外線が検出され、赤外線の検知出力が温度検出装置３３に送られて、半導体層７の温度が間接的に測定されている。この赤外線の検知による得られた温度情報と、第１の波長のレーザ光Ｌ１と第２の波長のレーザ光Ｌ２を用いて算出した温度と比較して、赤外線の検知で得られたパイロメータ１０の温度情報を較正することができる。または、第１の波長のレーザ光Ｌ１と第２の波長のレーザ光Ｌ２を用いて算出した温度と、赤外線の検知で得られた温度情報の双方を使用することで、さらに精度の高い温度制御を行うことが可能になる。

図８は、成膜装置１で半導体層７を成膜している途中で、半導体層７の温度を第２の温度範囲（Ｔ６−Ｔ５）内の所定の温度Ｔｙとなるように制御する温度制御方法を示している。

図８では、基板６の上に成膜されている半導体層７の温度変化が破線Ｔで示されている。第１の波長のレーザ光Ｌ１が受光部１１で検知される検知光量の変化が変化線（ｖ）で示され、第２の波長のレーザ光Ｌ２が受光部１１で検知される検知光量の変化が変化線（ｖｉ）で示されている。

チャンバ２内に材料ガス５が導入されて半導体層７が成膜されているときに、ヒータ３ａを調整すると、半導体層７の温度Ｔが上昇していく。時刻τａで第１の波長のレーザ光Ｌ１の検知光量が減衰始点（ｋ）に至り、その後に、減衰終点（ｍ）となって、半導体層７の温度が第１の温度範囲を超えたときの第１の波長のレーザ光Ｌ１の減衰幅（Ｄ６−Ｄ５）が求められる。

さらに、基板６および半導体層７の温度が上昇して、第２の波長のレーザ光Ｌ２の検知光量が減衰始点（ｎ）を越えたら、その後は、受光部１１で随時検知されている第２の波長のレーザ光Ｌ２の受光量のモニター値と、既に測定された第１の波長のレーザ光Ｌ１の減衰幅（Ｄ６−Ｄ５）とから、半導体層７の実際の温度を即座に算出することができる。したがって、時刻τｂにおいて、第２の波長のレーザ光Ｌ２の検知光量がＤ６とＤ５の中間のＤｃとなった後に、加熱制御装置３１でヒータ３ａを制御して、検知光量のモニター値がＤｃを維持させれば、半導体層７の温度を成膜に最適となる第２の温度範囲（Ｔ５−Ｔ６）内の温度Ｔｙに設定し続けることが可能である。

図８に示すように、第１の波長のレーザ光Ｌ１の検知光量の減衰幅（Ｄ６−Ｄ５）が測定された後は、第２の波長のレーザ光Ｌ２の検知光量をモニターすることで、半導体層７の温度を第２の温度範囲を超えるまで高くしなくても、半導体層７の温度を成膜に最適となる温度Ｔｙに設定することができる。

図９と図１０は、時刻τｂの後で、半導体層７の温度が最適値Ｔｙとなるように制御されている途中で、受光素子１１で検知された検知光量に変化が生じたケースを示している。

図９に示すケースでは、時刻τｂの後の温度制御動作中に、第２の波長のレーザ光Ｌ２の検知光量がＤｃで安定せずにαで示すように変動している。このとき、第１の波長のレーザ光Ｌ１の検知光量も極小値Ｄ５で安定しておらず、前記αと同様の変動βが発生している。このように、第１の波長のレーザ光Ｌ１の検知光量と、第２の波長のレーザ光Ｌ２の検知光量とが同じように変動したときは、半導体層７の表面７ａの面粗さが変化して乱反射光Ｒ２が変化するなどして、半導体層７へのレーザ光の入射条件や反射条件が変化していると判定できる。

これに対し、図１０に示すように、第２の波長のレーザ光Ｌ２の検知光量に変動αが発生したときに、第１の波長のレーザ光Ｌ１の検知光量が減衰終点（ｍ）を超えた後に大きな変化を示していなければ、２つの波長のレーザ光に対する光の透過条件や反射条件に変化があったのではなく、半導体層７の温度に変化Ｔｚが発生した結果であると判定できる。

すなわち、第１の波長のレーザ光Ｌ１の検知光量が減衰終点（ｍ）を超えた後は、第１の波長のレーザ光Ｌ１の検知光量と、第２の波長のレーザ光Ｌ２の検知光量の双方を監視することで、半導体層７の温度が変化したのか、半導体層７に光学的な変化が生じたのかを判別することができる。

例えば、半導体層７が成膜していく途中で、表面７ａの一部が蒸発して、面が粗くなり、表面７ａでの乱反射光Ｒ２が増大することがあるが、前記監視によりこのような現象を知ることができ、原料ガス５の導入量や加熱温度を制御することで、表面７ａの面粗れが生じるのを抑制することができる。あるいは、半導体層７の表面７ａに故意に面粗れを生じさせる制御も可能になる。

さらに、第１の波長のレーザ光Ｌ１の検知光量の変化αと第２の波長のレーザ光Ｌ２の検知光量の変化βの少なくとも一方と、半導体層７の表面７ａの面粗度の大きさや面粗度の許容量などとの関係を予め定量的に把握し、その関数を中央制御装置３０に保持させておくことで、図９に示すような検知光量の変化α，βが現れたときに、半導体層７の表面７ａの面粗さを求めることができる。例えば、検知光量の極大値Ｄ６と変化α，βの大きさとの比率、または検知光量の変動幅（Ｄ６−Ｄ５）と変化α，βの大きさとの比率などから、半導体層７の表面７ａの面粗さの大きさを求めることができる。これにより、実際の面粗さの大きさを数値として推定することもできるし、または面粗さが許容値内であるか否かの比較的おおまかな判定に使用することもできる。

なお、本発明の温度測定装置および温度測定方法として、図１と同様に光検出装置１０を基板６の表面側に対向させ、ただし、２つの波長のレーザ光Ｌ１，Ｌ２を発する発光装置２１を基板６の裏面に対向させる構造とすることが可能である。この場合は、第１の波長のレーザ光Ｌ１と第２の波長のレーザ光Ｌ２が、基板６の底面６ａに入射して基板６を透過しさらに半導体層７を透過して受光部１１で受光される。

この場合も、第１の実施の形態と同様に、２つの波長のレーザ光Ｌ１，Ｌ２を使用することで、半導体層７の表面の面粗さなど、半導体層の光の透過率の変化以外の光学的な変化をキャンセルして、半導体層７の温度を随時測定することができる。

１ 成膜装置
２ チャンバ
３ テーブル
６ 基板
７ 半導体層
８ 第１の窓
９ 第２の窓
１０ パイロメータ
１１ 受光部
１３ 第１の受光素子
１４ 第２の受光素子
１５ 波長フィルタ
１６ 光検出装置
２０ 温度測定装置
２１ 発光装置
２２ 第１のレーザ光源
２３ 第２のレーザ光源
Ｌ１ 第１の波長のレーザ光
Ｌ２ 第２の波長のレーザ光
Ｔ３−Ｔ４ 第１の温度範囲
Ｔ５−Ｔ６ 第２の温度範囲
（ｅ）（ｇ） 減衰始点
（ｆ）（ｈ） 減衰終点

Claims (13)

1. チャンバ内で成膜されている半導体層の温度を測定する温度測定方法において、
   半導体層の温度が上昇して第１の範囲の温度になると前記半導体層に対する透過率が減衰する第１の波長の光と、前記半導体層の温度が前記第１の範囲よりも高い第２の範囲になると前記半導体層に対する光の透過率が減衰する第２の波長の光とを使用し、
   第１の波長の光と第２の波長を同じ経路に沿って前記半導体層に与えるとともに、前記半導体に対向する光検出装置で前記第１の波長の光と前記第２の波長の光量を検知し、
   前記半導体層の温度が前記第１の範囲を超えて上昇して第１の波長の光の検知光量が減衰した後で、さらに第２の波長の光の検知光量が減衰し始めた後の測定時に、その測定時の第２の波長の検知光量と、第１の波長の光の検知光量の減衰幅とから、半導体層の前記第２の範囲内での温度を算出することを特徴とする半導体層の温度測定方法。
2. 前記半導体層の前記測定時の温度を、（第２の範囲の極大値の温度）＋（第２の範囲の温度差）×｛（第２の波長の光の検知光量の減衰始点から測定時までの減衰量）／（第１の波長の光の検知光量の減衰幅）｝から算出する請求項１記載の半導体層の温度測定方法。
3. 前記基板上に半導体層が成膜されている途中の前記測定時に得られた第２の波長の光の検知光量と、第１の波長の光の検知光量の減衰幅とから、成膜途中の半導体層の温度を算出して、その温度が前記第２の範囲内の所定値となるように前記基板の加熱温度を制御する請求項１または２記載の半導体層の温度測定方法。
4. 前記チャンバ内に設けられた透明基板を加熱しながら原料分子を供給して前記基板上に半導体層を成膜し、
   前記半導体層の表面に第１の波長の光と第２の波長の光を与え、前記半導体層の表面に対向する前記光検出装置で、前記半導体層の内部を通過する乱反射光と前記半導体層の表面で反射される乱反射光とを検知する請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体層の温度測定方法。
5. 半導体層から発せられる赤外線を測定して半導体層の温度を測定する温度変化測定装置を使用し、前記測定時に算出された前記第２の範囲内の温度で、前記温度変化測定装置の測定誤差を較正する請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体層の温度測定方法。
6. チャンバ内で成膜されている半導体層の温度を測定する温度測定方法において、
   半導体層の温度が上昇して第１の範囲の温度になると前記半導体層に対する透過率が減衰する第１の波長の光と、前記半導体層の温度が前記第１の範囲よりも高い第２の範囲になると前記半導体層に対する光の透過率が減衰する第２の波長の光とを使用し、
   第１の波長の光と第２の波長を同じ経路に沿って前記半導体層に与えるとともに、前記半導体に対向する光検出装置で前記第１の波長の光と前記第２の波長の光量を検知し、
   前記半導体層の温度が前記第１の範囲を超えて上昇して第１の波長の光の検知光量が減衰した後に、第２の波長の光の検知光量を監視し、第２の波長の光の検知光量が変化したら、そのときの第１の波長の光の検知光量の変化を参照して、第２の波長の光の検知光量の変化が、半導体層の温度変化によるものかそれ以外の要因によるものであるかを判定することを特徴とする半導体層の温度測定方法。
7. 第２の波長の光の検知光量が変化したときに、第１の波長の光検知光量も変化したら、第２の波長の光の検知光量の変化が、半導体層の温度変化以外の要因によるものであると判定する請求項６記載の半導体層の温度測定方法。
8. 第１の波長の光の検知光量の変化と第２の波長の光の検知光量の変化との少なくとも一方から、半導体層の表面粗さを求める請求項７記載の半導体層の温度測定方法。
9. 第２の波長の光の検知光量が変化しているときに、第１の波長の光の検知光量が変化しないときは、第２の波長の光の検知光量の変化が、半導体層の温度変化によるものであると判定する請求項６記載の半導体層の温度測定方法。
10. 前記チャンバ内に設けられた透明基板を加熱しながら原料分子を供給して前記基板上に半導体層を成膜し、
    前記半導体層の表面に第１の波長の光と第２の波長の光を与え、前記半導体層の表面に対向する前記光検出装置で、前記半導体層の内部を通過する乱反射光と前記半導体層の表面で反射される乱反射光とを検知する請求項６ないし９のいずれかに記載の半導体層の温度測定方法。
11. チャンバ内で成膜されている半導体層の温度を測定する温度測定装置において、
    半導体層の温度が上昇して第１の範囲の温度になると前記半導体層に対する透過率が減衰する第１の波長の光と、前記半導体層の温度が前記第１の範囲よりも高い第２の範囲になると前記半導体層に対する光の透過率が減衰する第２の波長の光とを与える発光装置と、
    第１の波長の光と第２の波長の光を検知する光検出装置とが設けられ、
    前記発光装置と前記光検出装置が半導体の表面に対向して、第１の波長の光と第２の波長の光が同じ経路に沿って前記表面に与えられ、前記半導体層の内部を通過する乱反射光と前記表面からの乱反射光とが前記光検出装置で検知され、
    前記光検出装置で検知された第１の波長の光の検知光量と第２の波長の光の検知光量とから、前記半導体層の温度を算出する制御装置が設けられており、
    前記制御装置では、前記半導体層の温度が前記第１の範囲を超えて上昇して第１の波長の光の検知光量が減衰した後で、さらに第２の波長の光の検知光量が減衰し始めた後の測定時に、その測定時の第２の波長の検知光量と、第１の波長の光の検知光量の減衰幅とから、半導体層の前記第２の範囲内での温度が算出されていることを特徴とする半導体層の温度測定装置。
12. 前記制御装置では、前記半導体層の温度が前記第１の範囲を超えて上昇して第１の波長の光の検知光量が減衰した後に、第２の波長の光の検知光量を監視し、第２の波長の光の検知光量が変化したら、そのときの第１の波長の光の検知光量の変化を参照して、第２の波長の光の検知光量の変化が、半導体層の温度変化によるものかそれ以外の要因によるものであるが判定される請求項１１記載の半導体層の温度測定装置。
13. 前記制御部では、第２の波長の光の検知光量と第１の波長の光の検知光量が共に変化したときに、
    第１の波長の光の検知光量の変化と第２の波長の光の検知光量の少なくとも一方から、半導体層の表面粗さが算出される請求項１３記載の半導体層の温度測定装置。

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