JPH11106289A - 基板の温度分布測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板上に薄膜を気相成長させるための反応炉
内において、回転する基板の温度分布を正確に測定する
ことのできる温度分布測定方法を提供する。 【解決手段】 薄膜を気相成長させるための反応炉内に
設けられる回転式サセプタ上に載置される基板の温度分
布測定方法であって、所定位置に設けられた温度測定手
段（熱放射温度計７）によって、回転するサセプタ１Ｂ
上に載置される基板（ａ〜ｄ）の表面温度を連続的に測
定し、サセプタの回転数に関する情報に基づいて、サセ
プタの回転に伴って変移する基板の測定点の軌跡を解析
し、その解析結果に基づいて、前記温度測定手段によっ
て測定された温度データを各測定点に対応付けすること
により基板表面の温度分布を算定するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜を気相成長さ
せるための反応炉内に設けられる回転式サセプタに載置
される基板の温度分布測定方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】基板上に薄膜を形成させるエピタキシャ
ル成長法の一種である気相成長において、膜厚分布，比
抵抗値分布等が均一な高品質の結晶を成長させるため
に、基板上の成長温度は重要なパラメータの一つであ
る。

【０００３】気相成長法には、原料ガスの濃度や流れが
複数の基板表面で均一となるように、反応炉内に回転機
構を有する回転式サセプタを設け、このサセプタ上に複
数の基板を載置して、回転させながら均質な薄膜結晶を
成長させる方法がある。

【０００４】かかる気相成長法においても、成長温度を
如何に制御するかが、成長結晶の品質に重大な影響を与
えるため、サセプタ上の基板の温度分布状態をできるだ
け正確に知りたいという要望がある。

【０００５】また、回転式サセプタには、円周に沿って
内歯ギアを有し、電動モータ等の駆動源に接続して回転
可能に成された円盤状の公転サセプタと、この公転サセ
プタの内歯ギアと係合する外歯ギアを円周に沿って有
し、基板を載置し得る円盤状に形成され、前記公転サセ
プタの内歯ギアに沿って自転するように成された所定数
の自転サセプタとから構成されている所謂自公転式サセ
プタが開発されている。

【０００６】この自公転式サセプタによれば、自転サセ
プタ上に載置された基板は、公転サセプタの回転に伴っ
て所定速度で公転せられると共に、自転サセプタ自体の
回転に伴って所定速度の自転も導入されるため、各基板
はヒータによって加熱される反応炉内を偏りなく巡回さ
せることができ、基板を均一に加熱し易いなどの利点が
ある。

【０００７】従来、上記のような自公転式サセプタを用
いた気相成長装置において基板表面の温度を測定する方
法としては、熱放射温度計による測定方法があった。

【０００８】この熱放射温度計による温度測定方法とし
ては、熱放射温度計の位置を固定し、サセプタの回転に
より刻々と位置が変わる基板表面温度を固定位置で連続
的に計測する所謂連続モードにより測定するのが一般的
であった。

【０００９】そして例えば、各自転サセプタの中心部が
熱放射温度計を通過するようにした場合には、自転サセ
プタ上と公転サセプタ上とでは温度差が大きいため、温
度測定結果は図１のようになる。

【００１０】即ち、横軸に時間、縦軸に温度をとったグ
ラフにおいて、温度は公転サセプタ部に比して自転サセ
プタ部が高温となるパターンを示すが、少なくとも自転
サセプタに載置される基板の中心部の温度を測定するこ
とは可能であった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
連続モードによる温度測定法では、自転サセプタに載置
される基板の中心部における温度測定を行うことはでき
ても、基板全体の温度分布を測定することはできなかっ
た。

【００１２】即ち、自公転式サセプタにおいて自転サセ
プタが自転した場合に、自転サセプタ上の基板の各部位
は時間の経過に伴い、自転回転数に応じた所定の軌跡
（トロコイド曲線）上を変移するため、反応炉の所定位
置に設けられる熱放射温度計によって各部位の温度を把
握して、基板表面全域の温度分布を測定することは困難
であった。

【００１３】本発明は、上述のような従来技術の問題点
を解決すべく案出されたものであり、基板上に薄膜を気
相成長させるための反応炉内において、回転する基板の
温度分布を正確に測定することのできる温度分布測定方
法を提供することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、薄膜を気相成長させるための反応炉内に
設けられる回転式サセプタ上に載置される基板の温度分
布測定方法であって、所定位置に設けられた温度測定手
段によって、回転するサセプタ上に載置される基板の表
面温度を連続的に測定し、サセプタの回転数に関する情
報に基づいて、サセプタの回転に伴って変移する基板の
測定点の軌跡を解析し、その解析結果に基づいて、前記
温度測定手段によって測定された温度データを各測定点
に対応付けすることにより基板表面の温度分布を算定す
るようにした。

【００１５】また、上記基板の温度分布測定方法におい
て、前記回転式サセプタは、円周に沿って内歯ギアを有
し、駆動源に接続して回転可能に成された円盤状の公転
サセプタと、当該公転サセプタの内歯ギアと係合する外
歯ギアを円周に沿って有し、基板を載置し得る円盤状に
形成され、前記公転サセプタの内歯ギアに沿って自転す
るように成された所定数の自転サセプタとから構成さ
れ、前記温度測定手段は、前記各自転サセプタ上の基板
が通過する所定位置に対向して設けるようにしてもよ
い。

【００１６】さらに、前記測定点の軌跡の解析を、公転
サセプタの中心から自転サセプタの中心までの距離を
Ｒ、自転サセプタの半径をｒ、公転サセプタの角速度を
Ｗ、自転サセプタの角速度：ｗとし、自転サセプタの中
心を原点に取ったｒ-θ座標上で測定点を表すこととし
た場合に、自転サセプタ上の基板の中心と前記温度測定
手段の位置とが一致した時点を始点（０秒時）として、
ｔ秒後に（ｒ(ｔ)，θ(ｔ)）の位置を測定するとした場
合に、その位置を、 ｒ(ｔ)＝２Ｒsin（ｗｔ／２） θ(ｔ)＝（ｗ−Ｗ／２）ｔ の二式によって算出して行われるようにすることもでき
る。

【００１７】また、上記温度分布測定方法において、前
記温度測定手段を、前記自転サセプタ上の基板の中心が
通過する位置に対向して設けるようにしてもよい。

【００１８】本発明によれば、基板上に薄膜を気相成長
させるための反応炉内において、基板の温度分布を測定
することができるようになるため、結晶の成長温度を適
切に制御して、膜厚分布，比抵抗値分布等が均一なより
高品質の薄膜を気相成長させることに貢献できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】ここで、本発明の実施形態の一例
を図面を参照して説明する。

【００２０】図２，図３は、本発明に係る基板の温度分
布測定方法を有機金属気相成長方法（Metal Organic Ch
emical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ法）によるエピ
タキシャル成長に適用した場合の概略説明図である。

【００２１】サセプタ１上に置かれたＧａＡｓなどの化
合物半導体基板ａ，ｂ，ｃ，ｄを図示しない加熱手段で
所定温度に加熱し、基板表面に原料の有機金属や水素化
物のガスを供給し、化学反応させて所望のＩｎＧａＡｓ
などの化合物半導体単結晶薄膜を成長させる。

【００２２】サセプタ１は、図３に示すように、公転サ
セプタ１Ａと４つの自転サセプタ１Ｂとから構成されて
いる。

【００２３】公転サセプタ１Ａの周囲には、その公転サ
セプタ１Ａの円周に沿って内歯ギアとしての自転導入用
固定ギア２が固設されている。

【００２４】また、各自転サセプタ１Ｂには、上記自転
導入用固定ギア５に係合する外歯ギアが設けられてい
る。

【００２５】なお、図上は現れないが、各自転サセプタ
１Ｂの上面には、前記基板ａ，ｂ，ｃ，ｄを載置する皿
状のカーボントレーを載せられるようになっている。

【００２６】また、本実施形態においては、サセプタ１
の回転軸にサセプタ１と平行に取り付けた円盤３に位置
検出用の穴４が設けられ、発光素子５と受光素子６とか
らなる位置検出手段が設けられている。

【００２７】自転サセプタ１Ｂ上の自転中心軌跡上の一
点あるいはその近傍（例えば、自転中心軌跡上の一点か
ら基板の半径以内）に相当する位置には、放射温度計７
が固設されている。

【００２８】放射温度計７による測定結果は、例えば図
示しない制御装置等に送信されて温度データとして記憶
装置に格納されたり、ディスプレイに表示出力された
り、或いはプリンタにより印字出力されたりするように
構成することもできる。

【００２９】以上が本発明に係る基板の温度分布測定方
法を適用した反応炉の概略構成であり、次にこの反応炉
における温度測定の手順を簡単に説明する。

【００３０】まず、各自転サセプタ１Ｂ上にカーボント
レーを介して基板ａ〜ｄを載置する。

【００３１】次いで、公転サセプタ１Ａを所定の回転速
度（例えば、３ｒｐｍ）で回転させる（なお、同時に自
転サセプタ１Ｂも自転導入用固定ギア２に案内されて所
定速度で自転を開始する）と共に、加熱手段による加熱
や原料ガスの供給を開始する。

【００３２】また同時に、放射温度計７による基板表面
温度の連続的な測定を開始する。

【００３３】放射温度計７により測定された温度データ
は、制御装置に送信され、自転サセプタ１Ｂの回転数に
応じて所定のデータ処理を施すことにより各基板ａ〜ｄ
上の温度分布を得ることができる。

【００３４】ここで、温度データから基板の温度分布を
得る手法を簡単に説明する。

【００３５】まず、公転サセプタ１Ａと自転サセプタ１
Ｂの位置関係を図示すると図４のようになる。

【００３６】図４上、Ｒは公転サセプタの中心Ｏ1から
自転サセプタの中心Ｏ2までの距離，ｒは自転サセプタ
の半径，Ｗは公転サセプタの角速度，ｗは自転サセプタ
の角速度を表している。

【００３７】ここで、放射温度計７による自転サセプタ
１Ｂ上の測定点の軌跡を解析するために、測定点を自転
サセプタ１Ｂの中心を原点（０，０）に取ったｒ-θ座
標に表すこととして、自転サセプタ１Ｂの中心と放射温
度計７の位置が一致した時点を温度測定の始点（０秒
時）とする。

【００３８】そして、ｔ秒後の（ｒ(ｔ)，θ(ｔ)）の位
置を特定する場合に、その位置は次の式１，式２によっ
て求めることができる。

【００３９】 ｒ(ｔ)＝２Ｒsin（ｗｔ／２） ・・・式１ θ(ｔ)＝（ｗ−Ｗ／２）ｔ ・・・式２ その算出値を上記のｒ-θ座標に逐次プロットすること
によって、自転サセプタの回転速度と所定の相関関係を
有する自転サセプタ上の測定点の軌跡を経過時間毎に正
確に知ることができる。

【００４０】従って、測定点の軌跡について、放射温度
計７によって連続的に測定された温度データを経過時間
毎に対応させることにより、少なくとも測定点の軌跡上
の温度変化を知得することができる。よって、この測定
点の軌跡上の温度変化に基づいて、基板の表面全体の温
度分布を類推して測定することが可能となる。

【００４１】特に、図６，図７に示すように、自転サセ
プタ１Ｂを回転させる回数を増やすことにより、測定点
の軌跡は基板表面の各部を通過するようになるため、温
度分布を正確に測定することができるようになる。

【００４２】ここで、図５〜図７を参照して測定点の軌
跡について説明する。

【００４３】図５は、測定点の軌跡が自転回転数依存性
を有すること、即ち自転サセプタの回転数によって測定
点の軌跡が変化する様子を示す説明図である。

【００４４】図５の場合において、温度測定条件は、Ｒ
＝１３ｃｍ，ｒ＝６ｃｍ，公転サセプタの回転数：Ｋは
３ｒｐｍで、自転サセプタの回転数：ｋは１０ｒｐｍ，
３０ｒｐｍ，１００ｒｐｍ，３００ｒｐｍと４段階に変
化させた。

【００４５】この場合に、公転サセプタの角速度：Ｗ
は、 Ｗ＝３６０＊３／６０／２＊π （rad/sec） の計算
式により与えられ、自転サセプタの角速度：ｗは、 ｗ＝３６０＊ｋ／６０／２＊π （rad/sec）（ｋ＝１
０，３０，１００，３００） の計算式により与えられ
る。

【００４６】そして、上記各パラメータを前出の式１，
２に代入することにより、ｔ秒後の測定点の位置（ｒ
(ｔ)，θ(ｔ)）を求めることができる。

【００４７】よって、所定時間（ｔ秒後）の測定点の位
置（ｒ(ｔ)，θ(ｔ)）を逐次プロットすることにより、
自転サセプタの回転数１０ｒｐｍの場合には軌跡Ｌ１，
３０ｒｐｍの場合には軌跡Ｌ２，１００ｒｐｍの場合に
は軌跡Ｌ３，３００ｒｐｍの場合には軌跡Ｌ４として、
自転サセプタの各自転回転数に応じた基板の測定点の軌
跡を正確に解析することができる。

【００４８】図６は、上記の測定条件において、自転サ
セプタの回転数を１０ｒｐｍとしたの場合の１回目〜４
回目の回転について、上述の手法によって得られる各軌
跡Ｌ１１〜Ｌ１４を示したものである。

【００４９】従って、測定点の各軌跡Ｌ１１〜Ｌ１４に
ついて、放射温度計７によって連続的に測定された温度
データを経過時間毎に対応させることにより、基板の表
面全体の温度分布を類推して測定することが可能とな
る。

【００５０】また、図７は、上記の測定条件において、
自転サセプタの回転数を３０ｒｐｍとした場合の１回目
〜４回目の回転について、上述の手法によって得られる
各軌跡Ｌ２１〜Ｌ２４を示したものである。

【００５１】この場合においても、測定点の各軌跡Ｌ２
１〜Ｌ２４について、放射温度計７によって連続的に測
定された温度データを経過時間毎に対応させることによ
り、基板の表面全体の温度分布を類推して測定すること
が可能となる。

【００５２】なお、図示は省略したが、自転サセプタの
回転数を１００ｒｐｍ，３００ｒｐｍにした場合につい
ても、同様に各回転回数の軌跡を解析して自転サセプタ
の表面全体の温度分布を測定することが可能である。

【００５３】また、自転サセプタのより多くの回転回数
について上述のような測定点の軌跡の解析を行い、基板
の表面上の各部を略万遍なく通過する測定点の多数の軌
跡について温度データを経過時間毎に対応させることに
より、基板の温度分布の測定精度を一層高めることがで
きる。

【００５４】また、上記のようにして得た測定点の軌跡
に関するデータや、基板の温度分布の測定結果は、制御
装置等の制御により、ハードディスク等の記憶装置に格
納したり、ＣＲＴ等のディスプレイに表示出力したり、
或いはプリンタにより印字出力するようにしてもよい。

【００５５】そして、このようにして測定された基板の
温度分布に基づいて、反応炉内の温度分布等を把握する
ことも可能となり、それらの温度に関する分析結果を反
応炉の結晶成長温度の制御等にフィードバックすること
により、膜厚分布，比抵抗値分布等が均一なより高品質
の結晶を気相成長により得ることが期待できる。

【００５６】なお、上記実施形態は本発明に係る方法を
適用した装置の具体的な例示の一つに過ぎず、本発明は
それにより何等の制限を受けるものではないことは勿論
である。

【００５７】即ち、公転サセプタおよび自転サセプタの
直径等や、回転速度等は、本実施形態に掲げたものに限
らず、任意に設定可能である。

【００５８】また、サセプタに載置される基板の枚数や
配置パターンも上記実施形態のように４枚を９０度毎に
配置するものに限られるものではなく、任意の枚数を所
定のパターンで配置する場合であってもよい。

【００５９】また、本実施形態では、化合物半導体基板
上に化合物半導体単結晶薄膜を成長させる例について説
明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、
Ｓｉ基板，ガラス基板，セラミック基板などに化合物半
導体以外の半導体や、半導体以外の酸化物や金属などの
薄膜を成長させる場合にも適用可能である。

【００６０】また、気相成長方法としてＭＯＣＶＤ法を
例にとったが、これに限定されるものではなく、クロラ
イドＣＶＤ，ハライドＣＶＤ，蒸着，分子線エピタキシ
ー（ＭＢＥ）などの気相成長方法にも適用可能である。

【００６１】また、位置検出手段は、上記のような光透
過型に限定されず他の方式も適用可能であるが、非接触
方式のものが望ましい。

【００６２】

【発明の効果】本発明によれば、薄膜を気相成長させる
ための反応炉内に設けられる回転式サセプタ上に載置さ
れる基板の温度分布測定方法であって、所定位置に設け
られた温度測定手段によって、回転するサセプタ上に載
置される基板の表面温度を連続的に測定し、サセプタの
回転数に関する情報に基づいて、サセプタの回転に伴っ
て変移する基板の測定点の軌跡を解析し、その解析結果
に基づいて、前記温度測定手段によって測定された温度
データを各測定点に対応付けすることにより基板表面の
温度分布を算定するようにしたので、反応炉内におい
て、基板の温度分布を測定することができるようにな
り、結晶の成長温度を適切に制御して、膜厚分布，比抵
抗値分布等が均一なより高品質の結晶を気相成長させる
ことに貢献することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来における温度測定方式による測定結果を示
すグラフである。

【図２】本発明に係る基板の温度分布測定方法をＭＯＣ
ＶＤ法によるエピタキシャル成長に適用した場合の概略
説明図である。

【図３】回転式サセプタの概略構成を示す上面図であ
る。

【図４】公転サセプタと自転サセプタの位置関係を示す
説明図である。

【図５】自転サセプタにおける測定点の軌跡と自転回転
数との関係を示す説明図である。

【図６】自転サセプタ（１０ｒｐｍ）における測定点の
軌跡を示す図である。

【図７】自転サセプタ（３０ｒｐｍ）における測定点の
軌跡を示す図である。

【符号の説明】

Ｌ１〜Ｌ４，Ｌ１１〜Ｌ１４，Ｌ２１〜Ｌ２４ 基板上
の測定点の軌跡 a,b,c,d 基板 １ 回転式サセプタ １Ａ 公転サセプタ １Ｂ 自転サセプタ ２ 自転導入用固定ギア ３ 位置検出用円盤 ４ 位置検出用穴 ５ 発光素子 ６ 受光素子 ７ 熱放射温度計

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】薄膜を気相成長させるための反応炉内に設
   けられる回転式サセプタ上に載置される基板の温度分布
   測定方法であって、 所定位置に設けられた温度測定手段によって、回転する
   サセプタ上に載置される基板の表面温度を連続的に測定
   し、 サセプタの回転数に関する情報に基づいて、サセプタの
   回転に伴って変移する基板の測定点の軌跡を解析し、 その解析結果に基づいて、前記温度測定手段によって測
   定された温度データを各測定点に対応付けすることによ
   り基板表面の温度分布を算定することを特徴とする基板
   の温度分布測定方法。
2. 【請求項２】前記回転式サセプタは、 円周に沿って内歯ギアを有し、駆動源に接続して回転可
   能に成された円盤状の公転サセプタと、 当該公転サセプタの内歯ギアと係合する外歯ギアを円周
   に沿って有し、基板を載置し得る円盤状に形成され、前
   記公転サセプタの内歯ギアに沿って自転するように成さ
   れた所定数の自転サセプタと、 から構成され、 前記温度測定手段は、前記各自転サセプタ上の基板が通
   過する所定位置に対向して設けられていることを特徴と
   する請求項１記載の基板の温度分布測定方法。
3. 【請求項３】前記基板の測定点の軌跡の解析は、 公転サセプタの中心から自転サセプタの中心までの距離
   をＲ、 自転サセプタの半径をｒ、 公転サセプタの角速度をＷ、 自転サセプタの角速度をｗとし、自転サセプタの中心を
   原点に取ったｒ-θ座標上で測定点を表すこととした場
   合に、自転サセプタ上の基板の中心と前記温度測定手段
   の位置とが一致した時点を始点（０秒時）として、ｔ秒
   後に（ｒ(ｔ)，θ(ｔ)）の位置を測定するとした場合
   に、その位置を、式１，式２ ｒ(ｔ)＝２Ｒsin（ｗｔ／２） ・・・式１ θ(ｔ)＝（ｗ−Ｗ／２）ｔ ・・・式２ によって算出して行われることを特徴とする請求項２記
   載の基板の温度分布測定方法。
4. 【請求項４】前記温度測定手段は、前記自転サセプタ上
   の基板の中心が通過する位置に対向して設けられること
   を特徴とする請求項２または請求項３に記載の基板の温
   度分布測定方法。