JPWO2010073358A1 - 半導体成膜時の温度測定方法および温度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体層を蒸着して成膜する際に、半導体層の温度を直接に高精度に知ることができる温度測定方法および温度測定方法を提供する。【解決手段】 成膜中または成膜後の半導体層が温度Ｔｓに至ったときに光の透過率が急激に変化する波長λｓのレーザ光を使用し、このレーザ光の半導体層に対する透過量を光検出装置によってモニターする。半導体層に与える熱を変化させると、時刻ＡまたはＢあるいはＣにおいて半導体層の温度がＴｓに至ったときに前記光検出装置でモニターされるレーザ光の受光量が急激に変化する。そのため、時刻ＡまたはＢあるいはＣにおいて半導体層の温度がＴｓに至ったことを正確に知ることができ、例えば温度変化測定装置で観測された温度情報の誤差の較正などが可能になる。【選択図】図４

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を高精度に知ることができる半導体成膜時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、真空状態など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、基板表面の熱により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。
特開２００１−２８９７１４号公報 特開２００２−３６７９０７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成膜時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。

本発明は、チャンバ内で基板を加熱しながら前記チャンバ内へ原料分子を供給して前記基板上に半導体層を成膜し、成膜中または成膜後に前記半導体層の温度を測定する測定方法において、
前記半導体層に光を与えながら前記半導体層の温度を上昇させる過程で、前記半導体層を透過する光の透過率が低下するときの、前記半導体層の温度Ｔｓと透過率が低下する光の波長λｓとの関係を予め求めておき、
成膜中または成膜後の前記半導体層に前記波長λｓの光を照射し、前記基板の温度を下降させて、前記半導体層に対する前記波長λｓの光の透過率が上昇したときに、前記半導体層が前記温度Ｔｓに至ったと判断し、または、前記基板の温度を上昇させて、前記半導体層に対する前記波長λｓの光の透過率が低下したときに、前記半導体層が前記温度Ｔｓに至ったと判断することを特徴とするものである。

本発明は、前記基板の温度を継続的に測定する温度変化測定装置を使用し、前記半導体層が前記温度Ｔｓに至ったと判断した時刻に前記温度変化測定装置で測定された温度Ｔｄを、前記温度Ｔｓと比較し、その差に基づいて、前記温度変化測定装置の測定誤差を較正することができる。

例えば、前記基板の温度を前記温度Ｔｓよりも高い温度に設定して前記半導体層の成膜を開始し、その後に前記基板の温度を下降させて、成膜中の前記半導体層に対する前記波長λｓの光の透過率が上昇した時刻に、前記半導体層が前記温度Ｔｓに至ったと判断し、前記時刻に前記温度変化測定装置で測定された温度Ｔｄと前記温度Ｔｓとから、前記温度変化測定装置の測定誤差を較正することができる。

または、前記基板の温度を前記温度Ｔｓよりも高い温度に設定して前記半導体層の成膜を開始し、その後に前記基板の温度を下降させて、成膜中の前記半導体層に対する前記波長λｓの光の透過率が上昇した第１の時刻に、前記半導体層が前記温度Ｔｓに至ったと判断し、その後に前記基板の温度を上昇させて、前記半導体層に対する前記波長λｓの光の透過率が低下した第２の時刻に、前記半導体層が前記温度Ｔｓに至ったと判断し、前記第１時刻と前記第２の時刻に前記温度変化測定装置で２回測定された温度の測定値と前記温度Ｔｓとから前記温度変化測定装置の測定誤差を較正することも可能である。

また、本発明は、前記半導体層の成膜が完了した後に、前記基板の温度を下降させて、成膜後の前記半導体層に対する前記波長λｓの光の透過率が上昇した時刻に、前記半導体層が前記温度Ｔｓに至ったと判断し、前記時刻に前記温度変化測定装置で測定された温度Ｔｄと前記温度Ｔｓとから、前記温度変化測定装置の測定誤差を較正することが可能である。

さらに、本発明は、チャンバ内で基板を加熱しながら前記チャンバ内へ原料分子を供給して前記基板上に半導体層を成膜する成膜装置に設けられて、成膜中または成膜後の前記半導体層の温度を測定する温度測定装置において、
所定の波長λｓの光を成膜中または成膜後の前記半導体層に与える発光装置と、前記半導体層を透過した前記波長λｓの光の光量を検出する光検出装置と、前記光検出装置からの測定値が与えられるとともに前記基板を加熱する加熱装置を制御する制御部とが設けられており、
前記半導体に前記波長λｓの光を与えながら前記半導体層の温度を上昇させる過程で、前記半導体層を透過する前記光の透過率が低下するときの、前記半導体層の温度Ｔｓと前記波長λｓとの関係の情報が、前記制御部に保持されており、
前記制御部は、成膜中または成膜後の前記半導体層に前記波長λｓの光を照射し且つ前記加熱装置を制御して前記基板の温度を下降させて、前記光検出装置で検出される前記波長λｓの光の光量が上昇したときに、前記半導体層が前記温度Ｔｓに至ったと判断し、または前記基板の温度を上昇させて、前記光検出装置で検出される前記波長λｓの光の光量が低下したときに、前記半導体層が前記温度Ｔｓに至ったと判断することを特徴とするものである。

また本発明の温度測定装置は、前記基板が加熱されたときの温度を継続的に測定する温度変化測定装置が設けられており、
前記制御部では、前記半導体層が前記温度Ｔｓに至ったと判断した時刻に前記温度変化測定装置で測定された温度Ｔｄを、前記温度Ｔｓと比較し、その差に基づいて、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。

本発明の温度測定方法および温度測定装置は、成膜中または成膜後の半導体層に対する所定の波長λｓの光の透過率の変化を検知することで、半導体層そのものの温度を測定することができる。所定の波長λｓの光が半導体層を透過するときの透過量を検出するだけあり、光量などの大小で温度を測定する方法ではないため、誤動作が生じにくく、測定する温度の誤差も生じにくい。

前記波長λｓの光を使用して半導体層の温度Ｔｓを求めた時刻を基準とし、その時刻に温度変化測定装置から得られた測定値の誤差を較正することで、パイロメータなどの温度変化測定装置の測定誤差を高精度に較正できる。

また、温度変化測定装置の測定誤差の較正は、半導体層を成膜している途中で行うことができ、または半導体層の成膜後にも行うことができるため、常に正確な温度情報に基づいて温度の測定誤差の較正ができるようになる。

図１は成膜装置および温度測定装置を示す説明図であり、図２は前記成膜装置の内部の基板および成膜中の半導体層を拡大して示す拡大説明図である。

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１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とは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。すなわち、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直線Ｌｖ上に位置しており、受光部１１は垂直線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が加熱されて基板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はほぼ単一波長のレーザ光を発すするものであり、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。発光装置２１から発せられるレーザ光は経路Ｌｄに沿う指向性を有して基板６の表面に与えられる。前記経路Ｌｄは、前記垂線Ｌｖに対して所定の角度θで傾いている。前記角度θは０度と９０度を除く角度であればどのような角度であってもよい。経路Ｌｄを前記角度θで傾かせることにより、半導体層７の光の透過率が低下し、前記レーザ光が半導体層７の表面で反射したときに、その反射レーザ光が垂線Ｌｖ以外の方向へ反射し、半導体層７の表面で反射したレーザ光が受光部１１に直接に入射するのを防止できるようにしている。

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２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、さらに基板６を透過して前記底面６ａで乱反射される。乱反射したレーザ光の各方向の成分は、基板６および半導体層７を透過するが、前記成分のうちの前記垂線Ｌｖに沿う成分が前記受光部１１で受光される。

前記受光部１１は、パイロメータ１０において赤外線を受光するために使用されるとともに、底面６ａで乱反射したレーザ光を受光する光検出装置としても使用されている。受光部１１において、基板６の加熱により発せられる赤外線の受光検出と、発光装置２０から発せられたレーザ光の受光検出とが、異なる時刻に交互に行なわれるようにし、赤外線の検出と反射レーザ光の検出とが干渉しないように構成されている。または、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を設け、受光部１１と光検出装置を、第１の窓８の外に並べて配置してもよい。

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２０は中央制御部３０によって制御される。中央制御部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は前記中央制御部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、前記中央制御部３０からの指令を受けて発光装置２０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部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が受光部１１で受光されるが、その受光光量に関する検出出力が温度検出装置３３に与えられ、その情報が中央制御部３０に通知される。

次に、前記温度測定装置２０を用いた温度測定方法を説明する。
発光装置２１からは所定の波長λｓのレーザ光が発せられる。レーザ光の波長と成膜中のまたは成膜後のと半導体層７の光透過率および温度との関係は図３（Ａ）（Ｂ）に示されている。

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。これら半導体層は、光の透過率に関して周波数特性を有している。

図３（Ａ）に示すように、半導体層は照射される光の波長λｘがバンドエッジの波長を越えて長くなると光の透過率が高くなり、光の波長λｘがバンドエッジの波長よりも短くなると光の透過率が低下する。前記バンドエッジで光の透過率が急激に変化する。このバンドエッジの波長は、同じ半導体層であってもその温度に応じて変化する。図３（Ａ）では、半導体層の温度をＴ１ないしＴ６で示しており、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３＜Ｔ４＜Ｔ５＜Ｔ６である。同じ半導体層であってもその温度が高くなるほど、光の透過率が急激に変化するバンドエッジの波長が長波長帯に向けて移動していく。

図３（Ｂ）は、前記バンドエッジの波長と半導体層の温度との関係を示している。図３（Ａ）（Ｂ）に示す例では、半導体層の温度がＴ１のときに、バンドエッジの波長λｘが４５０ｎｍである。よって温度がＴ１の半導体層に与えられる光の波長が４５０ｎｍよりも短いと光の透過率が低下し、光の波長が４５０ｎｍよりも長くなった時点で、光の透過率が急激に高くなる。また、半導体層の温度がＴ２のときは、バンドエッジの波長が４８０ｎｍである。よって温度がＴ２の半導体層に与えられる光の波長が４８０ｎｍよりも短いと光の透過率が低下し、光の波長が４８０ｎｍよりも長くなった時点で、光の透過率が急激に高くなる。

図３（Ａ）（Ｂ）は、半導体層の温度とバンドエッジの波長との関係を典型的な一例として示したものであり、実際の、ＡｌＮ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＰ、Ｓｉ，ＳｉＣ、またはその他の半導体層は、それぞれが個有の温度とバンドエッジの波長との関係を有している。個々の半導体層に関する温度とバンドエッジの波長との関係は、既に知られているが、図３（Ａ）（Ｂ）に示すデータを得るための実験を行って、成膜しようとする半導体層の温度とバンドエッジの波長との関係を実際に測定して求めることが好ましい。

図４では、成膜中または成膜直後の半導体層７の温度の変化をグラフ（ａ）で示している。不純物の無い半導体層を再現性があるように一定の成膜速度で成膜できるようにするには、成膜中の半導体層７の温度管理がきわめて重要である。図４に示すグラフ（ａ）では、半導体層７を成膜するときの適正な温度を９００℃と設定している。

図３（Ａ）（Ｂ）に示したように、成膜する半導体層７は、それぞれが固有の温度とバンドエッジの波長との関係を有している。図３（Ａ）（Ｂ）に示す半導体の例では、半導体層の温度Ｔｓが８００℃のときのバンドエッジの波長λｓが４８０ｎｍである。図４は、図３に示す固有の特性を有する半導体層を成膜する工程を説明するものであり、この成膜工程では、発光装置２１から発せられるレーザ光の波長をλｓ（４８０ｎｍ）に設定している。波長λｓ（４８０ｎｍ）がバンドエッジとなるときの半導体層の温度Ｔｓは８００℃であるが、この温度Ｔｓは、図４のグラフ（ａ）で示される成膜時の適正な温度である９００℃よりも低い値に設定する必要がある。すなわち、成膜時の最大温度よりも低い温度Ｔｓのときにバンドエッジとなる波長λｓのレーザ光を発光装置２１から発光させることが必要である。

図２に示すように、経路Ｌｄに沿って入射する波長λｓのレーザ光は、半導体層７および基板６を透過し、基板６の底面６ａの乱反射面で反射される。乱反射されたレーザ光が基板６と半導体層７を透過し、その一部の光成分が、垂線Ｌｖに沿って受光部１１で受光される。図４では、受光部１１で受光される波長λｓのレーザ光の光量をグラフ（ｂ）で示している。このグラフ（ｂ）は縦軸方向の変化量が光量変化である。また、図４では、基板６の表面に成膜されていく半導体層７の膜厚の変化をグラフ（ｃ）で示している。このグラフ（ｃ）の縦軸方向の変化量は膜厚の寸法変化である。

図４に示す成膜工程では、（ｉ）の期間が初期状態であり、テーブル３が加熱されておらず、原料ガス５も導入されていない。中央制御部３０で加熱制御装置３１を制御してヒータ３ａでテーブル３を加熱すると、（ｉｉ）の期間でテーブル３および基板６が加熱され、（ｉｉｉ）の期間で基板６の温度がほぼ９００℃に上昇する。このとき、加熱されている基板６の表面から出る赤外線がパイロメータ１０の受光部１１で検知されて温度検出装置３３から中央制御部３０に温度情報が与えられる。この時点で、中央制御部３０はパイロメータ１０で測定された温度情報に基づいて加熱制御装置３１を制御し、基板６を９００℃に近い温度に保つ。

グラフ（ｂ）から明らかなように、期間（ｉ）と期間（ｉｉ）では、基板６の表面に半導体層７が成膜されていないため、発光装置２１から発せられて、基板６の底面６ａで乱反射された波長λｓのレーザ光が受光部１１で受光されて、受光部１１で受光されるレーザ光の光量が多くなっている。

グラフ（ｃ）に示すように、基板６の表面温度が９００℃になったと予測できる期間（ｉｉｉ）となった後に、チャンバ２内に原料ガス５を供給する。その結果、グラフ（ｃ）において（ｘ）で示すように、基板６の表面に半導体層７が成膜され始める。半導体層７が薄く成膜された時点では、半導体層７の温度が９００℃付近であり、少なくとも図３（Ｂ）に示す温度Ｔｓよりも高いため、半導体層７は、波長λｓの光に対して光透過率が低い状態である。そのため、グラフ（ｂ）において（ｘｉ）で示すように、受光部１１で受光される波長λｓのレーザ光の光量が低下する。

期間（ｉｉｉ）に続く期間（ｉｖ）で、加熱制御装置３１を制御してヒータ３ａへの通電を停止し、テーブル３の温度を低下させる。図４のグラフ（ａ）で示すように、期間（ｉｖ）では、テーブル３の温度の低下に伴って基板６および半導体層７の温度も低下していく。期間（ｉｖ）において半導体層７の温度が温度Ｔｓを通過する時刻Ａに、半導体層７のバンドエッジの波長が、発光装置２１から与えられているレーザ光の波長λｓと一致する。よって時刻Ａに、成膜中の半導体層７の波長λｓの光に対する透過率が急激に上昇し、グラフ（ｂ）の（Ｘｉｉ）に示すように、受光部１１での波長λｓの光の受光量が急激に上昇する。

受光部１１の受光出力の変化は温度検出装置３３から中央制御部３０に与えられる。中央制御部３０は、波長λｓのレーザ光の受光量が急激に増大したことを知った時刻Ａにおいて、半導体層７の温度がＴｓ（８００℃）となったと判断する。

次の期間（ｖ）では、加熱制御装置３１を制御しヒータ３ａに通電してテーブル３の加熱を再開する。これに伴って基板６および半導体層７の温度が上昇する。そして時刻Ｂに至ると、半導体層７の温度が前記温度Ｔｓを超え、このときに成膜中の半導体層７に対する波長λｓの光の透過率が急激に低下する。グラフ（ｂ）の（Ｘｉｉｉ）に示すように、時刻Ｂに受光部１１での波長λｓの光の受光量が急激に低下する。中央制御部３０は、波長λｓのレーザ光の受光量が急激に低下したことを知った時刻Ｂにおいて、半導体層７の温度がＴｓ（８００℃）となったと判断する。

時刻Ａと時刻Ｂにおいて、成膜中の半導体層７の温度がＴｓ（８００℃）となったことを、半導体層７の温度そのものから知ることができるため、中央制御部３０ではこの情報を利用して、その後の半導体層７の温度管理を正確に行うことができる。

本実施の形態では、図１に示すように、基板６および半導体層７の表面から発せられる赤外線を検出するパイロメータ１０が設けられ、パイロメータ１０が基板６および半導体層７の加熱温度を継続的に観察する温度変化測定装置として使用されている。なお、ここで言う継続的とは、受光部１１において赤外線を受光する時間と、受光部１１で波長λｓのレーザ光の光量を検出する時間とが交互に繰り返される状態を含む概念であり、すなわち、パイロメータ１０で間欠的に赤外線を受光して温度情報を得る場合を含んでいる。

そのため、中央制御部３０において、時刻Ａにおいてパイロメータ１０で検出された温度Ｔｄの情報と温度Ｔｓ（８００℃）とを比較することで、パイロメータ１０で赤外線を受光することで検出された温度情報の誤差を知ることができ、中央制御部３０では、温度検出装置３３から送られてくるパイロメータ１０の検出温度情報を実際の半導体層７の温度に近い情報に較正することが可能である。この較正は、時刻Ａの情報と時刻Ｂの情報のいずれか一方を使用してもよいが、時刻Ａと時刻Ｂの双方の情報を使用することで、パイロメータ１０から得られる温度情報の較正をさらに高い精度で実現できる。

図４に示すグラフ（ａ）に示すように期間（ｖ）に続く期間（ｖｉ）では、半導体層７の温度を成膜に適する一定の温度（９００℃）に維持することが必要である。この期間（ｖｉ）では、パイロメータ１０で検出される温度情報が、時刻Ａと時刻Ｂで得られた温度Ｔｓの情報によって較正されて使用される。そのため、期間（ｖｉ）において、パイロメータ１０からの温度情報を元に加熱制御装置３１を制御することによって、成膜中の半導体層７の温度が常に９００℃または９００℃にきわめて近い温度となるように高精度に温度制御することが可能である。

よって、図４のグラフ（ｃ）の（Ｘｉｖ）に示すように、期間（ｖｉ）では、半導体層７を一定の成膜速度で成膜することができる。

図４に示すように、半導体層７の成膜を開始した後の期間（ｉｖ）と期間（ｖ）において、ヒータ３ａによる加熱温度を一度下げてからまた上げる制御を行うことで、成膜中の半導体層７の温度がＴｓ（８００℃）に至った時刻を高精度に知ることができ、その情報でパイロメータ１０で測定される温度Ｔｄの情報を較正できる。よって、期間（ｉｖ）と期間（ｖ）の加熱変化を一度行ってパイロメータ１０の情報の較正を行ってしまえば、その後は、期間（ｉｖ）と期間（ｖ）のような加熱変化を与えなくても、パイロメータ１０からの温度情報にしたがってヒータ３ａの加熱状態を制御することによって、常に再現性のある成膜速度で半導体層７を成膜することができる。

すなわち、期間（ｉｖ）と期間（ｖ）の加熱変化を必要なときにのみ行うことで、パイロメータ１０の温度情報の較正が可能になる。

また、期間（ｉｖ）と期間（ｖ）において加熱温度の変化を与えなくても、半導体層７の成膜後に、半導体層７の温度がＴｓ（８００℃）に至った情報を得ることができる。

図４に示すように、期間（ｖｉ）に半導体層７の膜厚が所定の値になったと予測できた時点で成膜動作を終了し、その後の期間（ｖｉｉ）では、ヒータ３ａによる加熱を終了する。このとき基板６と成膜後の半導体層７の温度が低下していくが、その温度がＴｓ（８００℃）を下回った時刻Ｃにおいて、半導体層７の光の透過率が急激に上昇し、グラフ（ｂ）の（ｘｖ）で示すように、受光部１１での波長λｓの光の受光量が急激に多くなる。これによって、時刻Ｃにおいて半導体層７の温度がＴｓ（８００℃）になったことを知ることができる。

例えば、時刻Ｃにおいて、パイロメータ１０から得られた温度Ｔｄの情報とＴｓ（８００℃）との差を知ることで、パイロメータ１０で得られる温度情報を適正な情報に較正できる。

すなわち、成膜中に期間（ｉｖ）（ｖ）のような加熱温度の変化を生じさせなくても、一度、半導体層７を成膜すると、その直後の時刻Ｃに温度Ｔｓ（８００℃）の正確な情報が得られる。この情報に基づいてパイロメータ１０の温度情報を較正すれば、その後は、パイロメータ１０からの温度情報を利用して基板６や半導体層７の温度管理を正確に行うことが可能になる。

なお、図４のグラフ（ｂ）の（ｘｉ）のように、半導体層７の波長λｓの光の透過率が大きく低下すると、レーザ光が半導体層７の表面で反射されやすくなる。しかし、図２に示すように、発光装置２１から発せられる波長λｓのレーザ光が垂線Ｌｖに対して角度θだけ傾いた経路Ｌｄで半導体層７に与えられるために、半導体層７の表面で反射された光が、受光部１１に向かうことがない。よって、受光部１１で検出されるレーザ光の受光量の変化に、半導体層７の表面で反射したレーザ光によるノイズが重畳しにくい。

また、前記実施の形態では、波長λｓのレーザ光を半導体層７の斜め上方から照射しているが、これに代えて、波長λｓのレーザ光を、基板６の下から与え、基板６および半導体層７を透過したレーザ光を受光部１１で受光できるようにしてもよい。

成膜装置および温度測定装置の構造の概略を示す説明図、 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、 半導体層の成膜工程および温度測定方法の一例を示す線図、

符号の説明

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
２０ 温度測定装置
２１ 発光装置

Claims (7)

1. チャンバ内で基板を加熱しながら前記チャンバ内へ原料分子を供給して前記基板上に半導体層を成膜し、成膜中または成膜後に前記半導体層の温度を測定する測定方法において、
   前記半導体層に光を与えながら前記半導体層の温度を上昇させる過程で、前記半導体層を透過する光の透過率が低下するときの、前記半導体層の温度Ｔｓと透過率が低下する光の波長λｓとの関係を予め求めておき、
   成膜中または成膜後の前記半導体層に前記波長λｓの光を照射し、前記基板の温度を下降させて、前記半導体層に対する前記波長λｓの光の透過率が上昇したときに、前記半導体層が前記温度Ｔｓに至ったと判断し、または、前記基板の温度を上昇させて、前記半導体層に対する前記波長λｓの光の透過率が低下したときに、前記半導体層が前記温度Ｔｓに至ったと判断することを特徴とする温度測定方法。
2. 前記基板の温度を継続的に測定する温度変化測定装置を使用し、前記半導体層が前記温度Ｔｓに至ったと判断した時刻に前記温度変化測定装置で測定された温度Ｔｄを、前記温度Ｔｓと比較し、その差に基づいて、前記温度変化測定装置の測定誤差を較正する請求項１記載の温度測定方法。
3. 前記基板の温度を前記温度Ｔｓよりも高い温度に設定して前記半導体層の成膜を開始し、その後に前記基板の温度を下降させて、成膜中の前記半導体層に対する前記波長λｓの光の透過率が上昇した時刻に、前記半導体層が前記温度Ｔｓに至ったと判断し、前記時刻に前記温度変化測定装置で測定された温度Ｔｄと前記温度Ｔｓとから、前記温度変化測定装置の測定誤差を較正する請求項２記載の温度測定方法。
4. 前記基板の温度を前記温度Ｔｓよりも高い温度に設定して前記半導体層の成膜を開始し、その後に前記基板の温度を下降させて、成膜中の前記半導体層に対する前記波長λｓの光の透過率が上昇した第１の時刻に、前記半導体層が前記温度Ｔｓに至ったと判断し、その後に前記基板の温度を上昇させて、前記半導体層に対する前記波長λｓの光の透過率が低下した第２の時刻に、前記半導体層が前記温度Ｔｓに至ったと判断し、前記第１時刻と前記第２の時刻に前記温度変化測定装置で２回測定された温度の測定値と前記温度Ｔｓとから前記温度変化測定装置の測定誤差を較正する請求項２記載の温度測定方法。
5. 前記半導体層の成膜が完了した後に、前記基板の温度を下降させて、成膜後の前記半導体層に対する前記波長λｓの光の透過率が上昇した時刻に、前記半導体層が前記温度Ｔｓに至ったと判断し、前記時刻に前記温度変化測定装置で測定された温度Ｔｄと前記温度Ｔｓとから、前記温度変化測定装置の測定誤差を較正する請求項２記載の温度測定方法。
6. チャンバ内で基板を加熱しながら前記チャンバ内へ原料分子を供給して前記基板上に半導体層を成膜する成膜装置に設けられて、成膜中または成膜後の前記半導体層の温度を測定する温度測定装置において、
   所定の波長λｓの光を成膜中または成膜後の前記半導体層に与える発光装置と、前記半導体層を透過した前記波長λｓの光の光量を検出する光検出装置と、前記光検出装置からの測定値が与えられるとともに前記基板を加熱する加熱装置を制御する制御部とが設けられており、
   前記半導体に前記波長λｓの光を与えながら前記半導体層の温度を上昇させる過程で、前記半導体層を透過する前記光の透過率が低下するときの、前記半導体層の温度Ｔｓと前記波長λｓとの関係の情報が、前記制御部に保持されており、
   前記制御部は、成膜中または成膜後の前記半導体層に前記波長λｓの光を照射し且つ前記加熱装置を制御して前記基板の温度を下降させて、前記光検出装置で検出される前記波長λｓの光の光量が上昇したときに、前記半導体層が前記温度Ｔｓに至ったと判断し、または前記基板の温度を上昇させて、前記光検出装置で検出される前記波長λｓの光の光量が低下したときに、前記半導体層が前記温度Ｔｓに至ったと判断することを特徴とする温度測定装置。
7. 前記基板が加熱されたときの温度を継続的に測定する温度変化測定装置が設けられており、
   前記制御部では、前記半導体層が前記温度Ｔｓに至ったと判断した時刻に前記温度変化測定装置で測定された温度Ｔｄを、前記温度Ｔｓと比較し、その差に基づいて、前記温度変化測定装置の測定誤差を較正する請求項６記載の温度測定装置。

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