KR20180113460A

KR20180113460A - 성장 속도 측정 장치 및 성장 속도 검출 방법

Info

Publication number: KR20180113460A
Application number: KR1020180038538A
Authority: KR
Inventors: 야스시 이에치카
Original assignee: 가부시키가이샤 뉴플레어 테크놀로지
Priority date: 2017-04-06
Filing date: 2018-04-03
Publication date: 2018-10-16
Also published as: US10488334B2; JP2018181965A; KR102283184B1; TWI667447B; US20180292315A1; TW201839352A; JP6800800B2; DE102018205188A1

Abstract

본 발명의 실시 형태는, 성장 속도 측정 장치 및 성장 속도 검출 방법에 관한 것이다.
실시 형태의 성장 속도 측정 장치는, 각각 상이한 복수의 파장의 광을 기판의 표면에 조사하여, 기판의 표면의 반사율을 각각 계측하는 반사율계와, 미리 구해진 반사율의 모델 함수를, 기판 위에 순차 적층되는 박막 중 적어도 1층에 대하여, 굴절률과, 성장 속도의 적어도 한쪽을 피팅 파라미터로 하여, 반사율의 계측값에 피팅하는 피팅부와, 복수의 파장의 각각에 대하여, 반사율의 모델 함수와 반사율의 계측값의 오차가 극소가 될 때의 피팅 파라미터를 추출하는 파라미터 추출부와, 복수의 파장의 각각에 대하여 추출된 피팅 파라미터 중에서 피팅 파라미터의 최적값을 선정하는 파라미터 선정부를 구비한다.

Description

성장 속도 측정 장치 및 성장 속도 검출 방법{APPARATUS FOR MEASURING GROWTH RATE AND METHOD FOR DETECTING GROWTH RATE}

본 발명의 실시 형태는, 성장 속도 측정 장치 및 성장 속도 검출 방법에 관한 것이다.

박막을 재현성 좋고, 넓은 면적에 걸쳐 균일하게 형성하는 방법으로서는 유기 금속 화학 기상 성장법(MOCVD), 분자선 에피택시법(MBE), 스퍼터링법 등, 기상 중에서 제막하는 방법(기상 성장법)이 잘 알려져 있고, 이들은 공업적인 박막 형성 방법으로서 중요하다. 이들 기상 성장법으로 형성되는 박막의 광학 상수나 성장 속도를 그 자리에서 관찰하는 방법으로서, 광의 반사율의 경시 변화를 모니터하는 방법이 알려져 있다. 이 방법에서는, 박막의 형성 장치의 벽면에 형성한 광학창을 통하여 박막이 형성되어 있는 측정 대상에 광을 조사하여, 어느 특정한 파장의 광의 반사율을 성막 프로세스 중에 계측한다. 박막을 형성하는 기판의 표면이 경면인 경우, 이 박막에 조사되는 광은, 형성되는 박막의 표면에서의 반사광과, 기판과 박막의 계면에서의 반사광의 간섭 효과에 의해, 관측되는 반사율이 박막의 막 두께에 대하여 주기적으로 변화한다. 막 두께에 대한 반사율의 변화의 주기, 반사율의 최솟값, 최댓값 등의 값으로부터, 형성되는 박막의 광학 상수나 막 두께를 계산할 수 있고, 또한 박막의 성막 시간으로부터 성장 속도를 계산할 수 있다.

일반적인 상기한 계산의 수순을 이하에 설명한다. 먼저, 박막의 반사율은, 반사율계로 계측할 수 있다. 한편, 형성되는 박막의 성장 속도, 굴절률 등의 파라미터를 사용한 계산에 의해 반사율의 시간 변화(이하, 반사율의 모델 함수라고 칭하는 경우가 있다)를 시뮬레이션할 수 있다. 그래서 상기한 파라미터를 사용한 시뮬레이션의 결과를, 반사율계에 의한 반사율의 시간 변화의 실측값과 비교한 경우의 오차가 극소가 되도록 결정(피팅)함으로써, 반사율의 모델 함수에 있어서의 피팅 파라미터를 선정할 수 있다. 그런데, 반사율의 모델 함수를 반사율의 실측값에 피팅시켰을 때의 오차의 극소점이 복수 개소에 나타나는 경우가 있어, 어느 극소점이 정확한 해인지를 용이하게는 판별할 수 없는 경우가 있을 수 있다.

본 발명의 실시 형태는, 비교적 단시간에, 피팅 파라미터를 선정 가능한 성장 속도 측정 장치 및 성장 속도 검출 방법을 제공한다.

본 실시 형태의 일 형태에서는, 각각 상이한 복수의 파장의 광을 기판의 표면에 조사하여, 상기 기판의 표면의 반사율을 각각 계측하는 반사율계와,

미리 구해진 상기 반사율의 모델 함수를, 상기 기판 위에 순차 적층되는 박막 중 적어도 1층에 대하여, 굴절률과, 성장 속도의 적어도 한쪽을 피팅 파라미터로 하여, 상기 반사율의 계측값에 피팅하는 피팅부와,

상기 복수의 파장의 각각에 대하여, 상기 반사율의 모델 함수와 상기 반사율의 계측값의 오차가 극소가 될 때의 상기 피팅 파라미터를 추출하는 파라미터 추출부와,

상기 복수의 파장의 각각에 대하여 추출된 상기 피팅 파라미터 중에서 상기 피팅 파라미터의 최적값을 선정하는 파라미터 선정부를 구비하는, 성장 속도 측정 장치가 제공된다.

도 1은 일 실시 형태에 의한 기상 성장 장치의 개략 구성을 도시하는 도면.
도 2는 방사 온도계의 내부 구성을 도시하는 도면.
도 3은 간섭광의 반사율이 시간에 따라 변화하는 모습을 나타내는 파형도.
도 4는 본 실시 형태에 의한 성장 속도 측정 장치가 행하는 처리의 개요를 설명하는 도면.
도 5는 오차의 극소값을 설명하는 도면.
도 6a는 AlN층과 SLS를 적층할 때의 반사율의 시간 변화를 나타내는 그래프.
도 6b는 AlN층을 적층하는 부분의 반사율의 시간 변화를 확대한 그래프.
도 6c는 SLS를 적층하는 부분의 반사율의 시간 변화를 확대한 그래프.
도 7은 파장 λ1의 광을 사용한 경우의 오차와 굴절률의 성장 속도의 관계를 도시하는 도면.
도 8은 파장 λ2의 광을 사용한 경우의 오차와 굴절률의 성장 속도의 관계를 도시하는 도면.
도 9는 파장 λ2의 광을 사용한 경우의 오차 성장 속도와 굴절률의 관계를 삼차원 화상으로 표현한 도면.
도 10은 파장 λ3의 광을 사용한 경우의 오차와 굴절률의 성장 속도의 관계를 도시하는 도면.
도 11은 파장 λ1, λ2, λ3의 광을 사용한 경우의 오차와 굴절률의 성장 속도의 관계를 중첩하여 도시하는 도면.
도 12는 2개의 파장 λ1과 λ2의 광을 각각 사용한 경우의 오차 곡선을 도시하는 도면.
도 13은 오차 곡선 상의 극소점 중에서 정확한 해인 극소점을 특정하는 처리 수순을 설명하는 도면.
도 14는 성장 속도 측정 장치의 내부 구성을 도시하는 블록도.
도 15a는 피팅부의 처리 동작을 나타내는 흐름도.
도 15b는 도 15a의 처리로부터 호출되는 서브루틴의 처리를 나타내는 흐름도.
도 16은 도 13의 처리 수순에 기초하는 파라미터 추출부와 파라미터 선정부의 처리 동작의 일례를 나타내는 흐름도.
도 17은 도 12의 처리 수순에 기초하는 파라미터 추출부와 파라미터 선정부의 처리 동작의 일례를 나타내는 흐름도.

이하, 도면을 참조하여 본 개시의 일 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 본건 명세서에 첨부하는 도면에 있어서는, 도시와 이해의 용이함의 편의상, 적절히 축척 및 종횡의 치수비 등을, 실물의 그것들로부터 변경하고 과장하였다.

또한, 본 명세서에 있어서 사용하는, 형상이나 기하학적 조건 및 그것들의 정도를 특정하는, 예를 들어 「평행」, 「직교」, 「동일」 등의 용어나 길이나 각도의 값 등에 대해서는, 엄밀한 의미에 얽매이지 않고, 마찬가지의 기능을 기대할 수 있을 정도의 범위를 포함하여 해석하기로 한다.

도 1은 일 실시 형태에 의한 기상 성장 장치(1)의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 본 실시 형태에서는, 성막 처리를 행하는 기판으로서 실리콘 기판, 구체적으로는 실리콘 웨이퍼(이하, 간단히 웨이퍼라고 칭한다) W를 사용하고, 이 웨이퍼 W 위에 단일의 막을, 혹은 복수의 박막을 적층하여, 성막하는 예를 설명한다. 이하에서는, 기상 성장 방법으로서 MOCVD를 예로 하여, 구체적으로 설명한다. 또한, 본 실시 형태는, 실리콘 기판 이외의 기판에도 적용 가능하지만, 기판의 표면은 경면일 필요가 있다. 또한, 기판의 표면에 복수의 박막을 적층하는 제법은, MOCVD 이외의 제법이어도 된다.

도 1의 기상 성장 장치(1)는, 웨이퍼 W에 성막을 행하는 챔버(2)와, 이 챔버(2) 내의 웨이퍼 W에 원료 가스를 공급하는 가스 공급부(3)와, 챔버(2)의 상부에 위치하는 원료 방출부(4)와, 챔버(2) 내에서 웨이퍼 W를 지지하는 서셉터(5)와, 이 서셉터(5)를 보유 지지하여 회전하는 회전부(6)와, 웨이퍼 W를 가열하는 히터(7)와, 챔버(2) 내의 가스를 배출하는 가스 배출부(8)와, 이 가스 배출부(8)로부터 가스를 배기하는 배기 기구(9)와, 웨이퍼 W의 온도를 측정하는 방사 온도계(10)와, 각 부를 제어하는 제어부(11)를 구비하고 있다.

챔버(2)는 성막 대상인 웨이퍼 W를 수납 가능한 형상(예를 들어, 원통 형상)이며, 챔버(2)의 내부에, 서셉터(5), 히터(7), 회전부(6)의 일부 등이 수용되어 있다.

가스 공급부(3)는, 복수의 가스를 개별로 저류하는 복수의 가스 저류부(3a)와, 이들 가스 저류부(3a)와 원료 방출부(4)를 접속하는 복수의 가스관(3b)과, 이들 가스관(3b)을 흐르는 가스의 유량을 조정하는 복수의 가스 밸브(3c)를 갖는다. 각 가스 밸브(3c)는, 대응하는 가스관(3b)에 접속되어 있다. 복수의 가스 밸브(3c)는, 제어부(11)에 의해 제어된다. 실제의 배관은, 복수의 가스관을 결합하거나, 1개의 가스관을 복수의 가스관으로 분기하거나, 가스관의 분기나 결합을 조합하는 등의 복수의 구성을 취할 수 있다.

가스 공급부(3)로부터 공급되는 원료 가스는, 원료 방출부(4)를 통하여, 챔버(2) 내로 방출된다. 챔버(2) 내로 방출된 원료 가스(프로세스 가스)는 웨이퍼 W 위에 공급되고, 이에 의해, 웨이퍼 W 위에 원하는 막이 형성되게 된다. 또한, 사용하는 원료 가스의 종류는, 특별히 한정되지 않는다.

원료 방출부(4)의 저면측에는 샤워 플레이트(4a)가 설치되어 있다. 이 샤워 플레이트(4a)는, 스테인리스강이나 알루미늄 합금 등의 금속 재료를 사용하여 구성될 수 있다. 복수의 가스관(3b)으로부터의 가스는, 원료 방출부(4) 내에서 혼합되어, 샤워 플레이트(4a)의 가스 분출구(4b)를 통하여 챔버(2) 내로 공급된다. 또한, 샤워 플레이트(4a)에 가스 유로를 복수 형성하고, 복수 종류의 가스를 분리한 채 챔버(2) 내의 웨이퍼 W에 공급해도 된다.

원료 방출부(4)의 구조는, 성막된 막의 균일성, 원료 효율, 재현성, 제작 비용 등을 감안하여 선정되어야 하지만, 이들 요구를 만족시키는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니며, 공지된 구조의 것을 적절히 사용할 수도 있다.

서셉터(5)는 회전부(6)의 상부에 설치되어 있고, 서셉터(5)의 내주측에 설치된 스폿 페이싱 내에 웨이퍼 W를 적재하여 지지하는 구조로 되어 있다. 또한, 도 1의 예에서는, 서셉터(5)는 그 중앙에 개구부를 갖는 환상 형상이지만, 개구부가 없는 대략 평판 형상이어도 된다.

히터(7)는 서셉터(5) 및/또는 웨이퍼 W를 가열하는 가열부이다. 가열 대상을 원하는 온도 및 온도 분포로 가열하는 능력, 내구성 등의 요구를 만족시키는 것이면, 특별히 한정되지 않는다. 구체적으로는, 저항 가열, 램프 가열, 유도 가열 등을 들 수 있다.

배기 기구(9)는 가스 배출부(8)를 통하여 챔버(2)의 내부로부터 반응 후의 원료 가스를 배기하고, 배기 밸브(9b)와 진공 펌프(9c)의 작용에 의해, 챔버(2) 내를 원하는 압력으로 제어한다.

방사 온도계(10)는 원료 방출부(4)의 상면에 설치되어 있다. 방사 온도계(10)는 광원으로부터의 광을 웨이퍼 W에 조사하여, 웨이퍼 W로부터의 반사광을 수광하여, 웨이퍼 W의 반사광 강도를 측정한다. 이와 같이, 방사 온도계(10)는 막 성장면의 반사율을 측정하는 반사율계로서 기능한다. 또한, 방사 온도계(10)는 웨이퍼 W의 막 성장면 Wa로부터의 열 복사광을 수광하여, 열 복사광 강도를 측정한다. 방사 온도계(10)는 그 내부에 데이터 연산부를 갖는다. 이 데이터 연산부는, 열 복사광 강도와 반사율로부터 웨이퍼 W의 온도를 구한다. 데이터 연산부는, 예를 들어 범용의 컴퓨터에 의해 구성 가능하다.

원료 방출부(4)의 상면에는 광 투과창(2a)이 형성되어 있어, 방사 온도계(10)의 광원으로부터의 광과, 웨이퍼 W로부터의 반사광 및 열 복사광은, 이 광 투과창(2a)을 통과한다. 광 투과창(2a)은, 슬릿 형상이나 직사각 형상, 원 형상 등의 임의의 형상을 취할 수 있다. 창에는, 방사 온도계(10)로 계측할 광의 파장 범위에서 투명한 부재를 사용한다. 실온 내지 1500℃ 정도의 온도를 측정하는 경우에는, 가시 영역으로부터 근적외 영역의 광 파장을 계측하는 것이 바람직하고, 그 경우에는 창의 부재로서는 석영 유리 등이 적합하게 사용된다.

제어부(11)는 기상 성장 장치(1) 내의 각 부를 집중적으로 제어하는 컴퓨터와, 성막 처리에 관한 성막 처리 정보나 각종 프로그램 등을 기억하는 기억부를 구비하고 있다. 제어부(11)는 성막 처리 정보나 각종 프로그램에 기초하여, 가스 공급부(3)나 회전부(6)의 회전 기구, 배기 기구(9) 등을 제어하고, 히터(7)에 의한 웨이퍼 W의 가열 등을 제어한다. 이밖에, 제어부(11)는 본 실시 형태에 의한 성장 속도 측정 장치(21)의 기능을 갖는다. 또한, 도 1의 기상 성장 장치(1) 내에, 제어부(11)와는 별개로 성장 속도 측정 장치(21)를 설치해도 된다. 이 경우, 성장 속도 측정 장치(21)는 제어부(11)에 접속되게 된다. 성장 속도 측정 장치(21)의 내부 구성 및 동작은 후술한다.

도 2는 방사 온도계(10)의 내부 구성을 도시하는 도면이다. 방사 온도계(10)는 광원(10a)과, 하프 미러(10b)와, 초점 조정용 렌즈(10c)와, 파장 선택 필터(10d)와, 조리개(10e)와, 수광부(10f)와, 온도계 제어부(10g)를 갖는다.

광원(10a)은 웨이퍼 W에 조사하기 위한 조명광 L1을 발광한다. 하프 미러(10b)는, 조명광 L1을 반사시켜 웨이퍼 W를 향함과 함께, 웨이퍼 W로부터의 광을 투과시킨다. 초점 조정용 렌즈(10c)는, 하프 미러(10b)를 투과한 조명광 L1을 웨이퍼 W 위에 결상시킨다. 또한, 초점 조정용 렌즈(10c)는, 웨이퍼 W로부터의 반사광 L1a와 열 복사광 L2를 수광부(10f)의 수광면 M1 위에 결상시킨다. 파장 선택 필터(10d)는 하프 미러(10b)를 투과한 광 중 소정의 파장 범위의 반사광 L1a와 열 복사광 L2를 투과시킨다. 조리개(10e)는 웨이퍼 W 상의 측정에 필요한 부분으로부터의 광만을 투과시킨다. 수광부(10f)는, 조리개(10e)를 투과한 반사광 L1a와 열 복사광 L2를 수광한다. 온도계 제어부(10g)는, 수광부(10f)에서 수광된 반사광 L1a의 강도(반사광 강도)와 열 복사광 L2의 강도(열 복사광 강도)에 기초하여, 웨이퍼 W의 온도를 구한다.

방사 온도계(10)는 비교적 넓은 파장 범위의 광을 측정 대상에 조사하여, 반사된 광 중 특정한 파장의 것을 파장 선택 필터에 의해 관측하는 것이다. 이것은 열 복사광 강도도 특정한 파장 범위에서 측정할 필요가 있기 때문이다. 한편, 반사율만을 구하는 경우에는, 미리 특정한 파장의 광을 측정 대상에 조사하여 그 반사광 강도를 측정하는 방법을 사용할 수도 있다. 상기한 특정한 파장의 광은, 비교적 넓은 파장 범위의 광을 파장 선택 필터에 통과시켜, 특정한 파장의 광만을 투과시킴으로써 얻어진다. 혹은 레이저 광선과 같은 단색성이 좋은 광원으로부터의 광을 사용해도 된다.

방사 온도계(10)로 측정된 반사율은 본 실시 형태의 반사율의 실측 데이터로서 사용할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 사용하기 위한 전용 반사율 측정 장치를 기상 성장 장치에 구비시켜도 된다. 기타, 기판의 휨을 관측하는 장치에서는, 기판에 레이저 광과 같은 지향성이 강한 광을 조사하는 것이 일반적이며, 이러한 휨 측정 장치로는 휨을 관측하면서 반사광 강도를 측정할 수 있다. 이러한 휨 측정 장치 등에 의해 측정된 반사율의 데이터도, 본 실시 형태의 반사율의 실측 데이터로서 사용할 수 있다.

본 실시 형태에 의한 기상 성장 장치(1)는, 웨이퍼 W 상으로의 다양한 막의 성막에 이용할 수 있지만, 이하에서는, 일례로서, 실리콘 웨이퍼 W 위에 AlN층과, AlGaN 박막과 AlN 박막을 교대로 적층한 SLS 구조(Strained Layer Superlattice(변형 초격자) 구조, 이하, SLS라고 칭하는 경우가 있다)를 형성하는 경우의 성장 속도 측정에 대하여 설명한다.

(본 실시 형태의 기본 원리)

이하, 본 실시 형태의 기본 원리를 설명한다. 표면이 경면인 기판의 표면 위에, 1층 또는 복수의 박막을 형성하는 과정에서, 임의의 파장의 광을 박막의 표면에 조사하면, 박막 표면으로부터의 반사광과 기판의 표면으로부터의 반사광이 간섭을 일으켜, 간섭광의 반사율은 시간에 따라 변화한다. 반사율이 변화하는 주기는, 박막에 조사시킨 광의 파장에 따라 상이하다. 보다 구체적으로는, 간섭광의 주기는 2nd/λ로 표현된다. n은 박막의 굴절률, d는 박막의 막 두께, λ는 조사하는 광의 파장이다.

도 3은 간섭광의 반사율이 시간에 따라 변화하는 모습을 나타내는 파형도이다. 도 3의 횡축은 시간, 종축은 반사율이다. 도 3에는 박막 표면에 조사되는 3개의 파장의 광에 대응하는 3개의 반사율 파형 w1 내지 w3이 도시되어 있다. w1보다 w2가 파장이 더 짧고, w2보다 w3이 파장이 더 짧은 예를 나타내고 있다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 파장이 길수록, 반사율의 시간 변화는 완만해진다.

도 4는 본 실시 형태에 의한 성장 속도 측정 장치(21)가 행하는 처리의 개요를 설명하는 도면이다. 도 4의 파형 w4는 반사율계로 계측된 반사율의 시간 변화, 파형 w5는 시뮬레이션에 의해 구해지는 반사율의 시간 변화(반사율의 모델 함수)이다. 도 4의 횡축은 시간, 종축은 반사율이다. 본 실시 형태에서는, 반사율의 모델 함수의 파라미터(이하, 피팅 파라미터라고 칭한다)를 조정함으로써, 파형 w5를 파형 w4에 일치(이하, 피팅이라고 칭한다)시키는 처리를 행한다. 파형 w6은 파형 w5를 파형 w4에 피팅시킨 예를 나타내고 있다.

이 결과, 도 5에 도시하는 바와 같이, 반사율의 모델 함수와 반사율계로 계측된 반사율의 오차는, 피팅이 가장 좋을 때에 극소가 되고, 이 점을 최적값이라고 칭한다. 또한, 도 5에서는 간편함을 위하여 상기한 피팅에 사용하는 파라미터가 하나인 경우에 대하여 도시하고 있지만, 실제로는 피팅에는 많은 파라미터가 사용되어, 상기한 오차는 이 파라미터들의 다차원 함수가 된다.

도 6a는 실리콘 기판 위에, 버퍼층으로서 기능하는 AlN층을 성장시킨 후, SLS라고 불리는 AlN 박막과 AlGaN 박막을 교대로 적층시킨 적층막을 성장시킬 때의, AlN층과 SLS의 실제로 측정된 반사율의 시간 변화를 나타내는 그래프이다. 도 6a의 그래프 w7 내지 w9는, 반사율계로 계측한 반사율의 시간 변화를 나타내고 있다. 그래프 w7 내지 w9는 각각 파장 λ1 내지 λ3의 광을 조사한 경우를 나타내고 있다.

도 6b는 버퍼층인 AlN층의 적층 시의 반사율의 시간 변화를 확대한 그래프를 나타내고, 도 6c는 SLS의 적층 시의 반사율의 시간 변화를 확대한 그래프를 나타내고 있다.

도 7은 도 6b에 도시하는 파장 λ1에서의 AlN층에 관한 반사율의 측정값에 대하여, 반사율의 모델 함수를 피팅시킨 경우의 오차와 피팅에 의해 얻어진 굴절률의 성장 속도에 대한 관계(각각 곡선 w10 및 곡선 w11)를 나타내고 있다.

오차 곡선 w10의 횡축은 AlN층의 성장 속도(㎚/sec), 종축은 오차량이다. 굴절률 곡선 w11의 횡축은 AlN층의 성장 속도(㎚/sec), 종축은 굴절률 n이다.

여기서 도 7에 도시한 오차와 굴절률의 계산 방법에 대하여 이하에 설명한다. 도 6b에 도시한 AlN층을 성장시키는 경우에, 반사율의 시간 변화는 AlN층을 성장시킬 기판의 복소 굴절률의 실수부와 허수부, AlN의 굴절률, AlN의 성장 속도의 4개의 파라미터로 표현된다. 통상은 이 4개의 파라미터에 대하여 동시에 피팅을 행하지만, 여기에서는 피팅의 오차와 피팅으로부터 구해지는 굴절률의 성장 속도에 관한 관계를 명확히 하기 위하여, 4개의 피팅 파라미터 중 성장 속도를 어느 값으로 고정하고 다른 3개의 파라미터를 피팅한다. 이렇게 하여, 어느 성장 속도의 경우에 오차가 어디까지 감소되는지와, 그 경우의 굴절률의 값이 구해진다. 도 7은 상기한 수순을 상이한 다수의 성장 속도의 값에 대하여 행하고, 전술한 수순으로 구해진 오차와 굴절률을 성장 속도에 대하여 플롯한 것이다. 도 7의 오차 곡선 w10에서의 극소값 p1, p2는 4개의 파라미터를 동시에 피팅한 경우의 극소값과 동등한 결과를 부여해야 하는 것이다.

또한, 상기한 기판의 복소 굴절률은 가상적인 것이다. 즉, 단층 혹은 다층의 막 위에 박막이 더 형성되는 경우의 반사율 변화는, 형성되는 박막보다 아래의 층을 가상적인 복소 굴절률을 갖는 단일의 층으로 한 것과 동등하다는 것이 알려져 있다. 이와 같이, 그 위에 박막이 형성되는 층을 가상적인 복소 굴절률을 가진 단일의 층으로 하여 반사율을 계산하는 방법은 가상 계면법 등이라고 불리고 있다.

그런데 오차 곡선 w10의 오차에는, 2개소의 극소점 p1, p2가 존재한다. 이들 극소점 p1, p2는, 반사율의 모델 함수로 계산된 반사율과, 반사율계로 계측된 반사율의 피팅이 가장 좋은 경우의 성장 속도를 나타내고 있다. p1과 p2의 극소점 중 어느 쪽인가가 실제의 성장 속도에 대응할 것이라고 생각할 수 있지만, 반사율의 측정에 포함되는 오차 등을 감안하면, p1과 p2 중 어느 쪽이 정확한 해인지는 도 7의 결과만으로는 원리적으로는 판정할 수 없다.

한편, 이들 2개의 극소점 p1, p2에 있어서의 AlN의 굴절률은 상이하고, 성장 속도가 보다 큰 극소점 p2의 굴절률은 2.0 미만이고, 실제의 AlN층의 굴절률보다도 작다. 따라서, 극소점 p2는, AlN층의 성장 속도를 추측하기 위한 정확한 해가 아님을 알 수 있어, 극소점 p1에 있어서의 성장 속도가 정확한 해라고 추측할 수 있다.

도 8은 도 7과는 상이한 파장 λ2의 광을 사용하여 피팅을 행한 경우의 오차의 오차 곡선 w12와, 피팅에 의해 얻어진 굴절률 곡선 w13을 나타내고 있다. 도 8에 있어서도, 오차 곡선 w12에는 2개의 극소점 p3, p4가 존재한다. 그런데, 극소점 p3, p4에 있어서의 굴절률은 모두 2.0을 초과하고 있어, 극소점 p3, p4의 어느 쪽이 정확한 해인지, 도 8만으로는 판별할 수 없다.

또한, 도 9는 파장 λ2의 광을 사용하여 피팅을 행한 경우의 오차량을 삼차원 화상으로 표현한 도면이다. 여기에서는 피팅에 사용되는 4개의 파라미터 중 성장 속도와 굴절률을 어느 값으로 고정하여 피팅을 행하고 있다. 많은 성장 속도와 굴절률의 조합에 대하여 피팅하여 얻어진 오차의, 성장 속도와 굴절률의 관계를 나타낸 것이다. 도 9의 x축은 성장 속도, y축은 굴절률, z축은 (1/오차량)의 대수이다. z축의 값이 클수록 오차량이 작음을 나타내고 있다. z축을 취하는 방법이 상이한 것을 제외하면, 원리적으로 도 9의 등줄기 부분의 성장 속도축 방향에 대한 투영이 도 8이 된다. 도 9의 삼차원 화상의 피크 위치가 도 8의 극소점이다. 실제의 4개의 파라미터 피팅은, 도 9에 있어서의 어느 출발점(파라미터의 초기값)으로부터 오차가 극소가 되는 파라미터를 찾을 수 있다. 도 9의 출발점으로부터, 찾아가게 되는 오차의 피크 위치는, 피팅에 사용되는 초기 파라미터에 따라 바뀜을 알 수 있다.

도 10은 도 7이나 도 8과는 상이한 λ3의 광을 사용하여 피팅을 행한 경우의 오차 곡선 w14와, 피팅에 의해 얻어진 굴절률 곡선 w15를 나타내고 있다. 도 10에도, 2개소의 극소점 p5, p6이 있지만, 극소점 p5에서의 굴절률은 측정 오차를 고려한 AlN의 굴절률의 상한 2.5를 훨씬 크게 초과하고 있어, 정확한 해가 아니다. 따라서, 극소점 p6에 있어서의 성장 속도가 정확한 해라고 추측할 수 있다.

이상과 같이, 반사율의 모델 함수를, 반사율계로 계측되는 반사율에 피팅시켰을 때에, 오차가 극소가 되는 개소(피팅 파라미터)가 복수 존재하는 경우가 있다. 이 경우, 이들 복수의 피팅 파라미터 중 어느 피팅 파라미터가 정확한 해인지 여부를 용이하게는 판단하지 못할 가능성이 있다. 이러한 경우에, 상술한 바와 같이 굴절률의 정보가 기지이면, 정확하지 않은 해를 제외하고 정확한 피팅 파라미터를 선정할 수 있을 가능성이 있다. 또한, X선 회절이나 엘립소미터 등의 다른 계측 기기를 사용한 계측 결과와 비교함으로써, 정확한 피팅 파라미터를 선정하는 것도 생각할 수 있지만, 상기 조합하여 사용하는 분석 방법의 적응 범위가 한정되어 있거나, 몇개나 되는 측정을 행해야 되어 번거롭다는 문제가 있다.

그래서, 본 실시 형태에서는, 복수의 파장의 광을 각각 사용하여, 반사율의 모델 함수를 반사율계로 계측되는 반사율에 피팅시키는 처리를 행하여, 각 파장마다 오차의 극소점을 추출하고, 각 파장마다의 극소점의 위치를 비교함으로써, 피팅 파라미터의 선정을 행한다. 이에 의해, 굴절률 등의 정보를 사용하지 않거나, 혹은 다른 계측 기기 등을 사용하지 않고, 예를 들어 소프트웨어 처리로, 피팅 파라미터를 선정할 수 있다.

도 11은 3개의 파장 λ1, λ2, λ3에 있어서의 오차 곡선과, 대응하는 굴절률 곡선을 중첩시킨 도면이다. 도 11의 횡축은 성장 속도(㎚/sec), 종축은 오차량 또는 굴절률값이다. 각 파장마다, 오차가 극소가 되는 성장 속도가 상이하지만, 도 11에 화살표로 나타낸 극소점은, 3개의 오차 곡선에 있어서 공통이다. 따라서, 이 극소점 위치의 성장 속도가 정확한 해임을 알 수 있다. 상기한 정확한 해를 구하는 수순에서는 성막되는 재료(AlN)의 굴절률에 관한 지식을 필요로 하지 않는다.

이와 같이, 복수의 파장을 각각 사용하여 오차의 극소점을 추출하여, 각 파장마다의 오차의 극소점의 위치가 일치하는 개소가 발견되면, 그 개소에 있어서의 피팅 파라미터를 정확한 해로서 선정할 수 있다.

상기한 수순을 바꾸어 말하면, 박막을 적층 중의 기판의 반사율의 시간 변화를 복수의 상이한 파장으로 측정하고, 반사율의 모델 함수의 피팅에 의해 각 파장마다 극소점을 추출하고, 추출된 극소점을 상기한 파장 사이에서 비교하여, 정확한 해를 선정한다고 할 수 있다.

도 11은 3개의 파장을 사용하여, 피팅 파라미터의 선정을 행하고 있지만, 최저 2개의 파장에서의 극소값의 추출 결과에 의해, 피팅 파라미터의 선정을 행할 수 있다. 도 12는 2개의 파장을 사용하여, 피팅 파라미터인 박막의 성장 속도를 선정하는 예를 설명하는 도면이다. 도 12는 2개의 파장 λ1과 λ2의 광을 각각 사용한 경우의 오차 곡선 w16, w17을 모식적으로 도시하고 있다. 파장 λ1의 광에 대응하는 오차 곡선 w16에는 2개의 극소점 p7, p8이 있고, 파장 λ2의 광에 대응하는 오차 곡선 w17에도 2개의 극소점 p9, p10이 있다. 이들 극소점 중 극소점 p8, p9는 파라미터인 성장 속도가 일치한다. 이 극소점 p8, p9에 있어서의 파라미터의 값에 의해 피팅 파라미터를 선정할 수 있다.

이와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 하나의 파장에서는, 오차 곡선에 복수의 극소점이 나타나고, 그 중 어느 극소점이 정확한 해인지를 특정할 수 없는 경우라도, 복수의 파장을 사용함으로써 정확한 해인 극소점을 선정할 수 있다.

상기에 설명한 방법에서는, 하나의 파장에서 모든 극소점을 추출하기 때문에, 잘게 분할된 성장 속도의 각 점에 대하여 피팅을 행했다. 이 방법에서는 성장 속도의 점수 만큼의 횟수의 피팅을 행하게 되어, 짧은 시간 내에 극소점의 추출 작업을 행하는 것이 어렵다. 그래서, 미리 필요한 구간으로 분할된 성장 속도의 범위 내에서 성장 속도도 피팅 파라미터에 포함한 피팅을 행해도 된다. 예를 들어 부여된 성장 속도의 범위 내에 3개의 극소점이 존재한다고 생각되는 경우, 상기한 부여된 성장 속도의 범위를 3 이상의 적절한 수만큼 분할하고, 그 분할된 성장 속도의 범위 내에서, 성장 속도를 포함한 피팅 파라미터를 사용하여 피팅을 행한다. 이러한 수순으로 피팅의 횟수를 대폭 줄이면서 필요한 극소점을 추출하는 것이 가능하다. 또한, 상기한 설명에서는, 성장 속도를 범위를 분할하는 파라미터의 예로서 들었지만, 그 밖의 파라미터를 범위를 분할하는 파라미터로 해도 된다.

도 13은 2개의 파장 λ1과 λ2의 광을 사용하여, 오차 곡선 상의 극소점 중에서 정확한 해인 극소점을 선정하는 다른 처리 수순을 설명하는 도면이다. 또한, 도 13에 도시되어 있는 오차와 성장 속도의 관계(w16과 w17)는 이하의 피팅의 수순의 이해를 돕기 위하여 나타낸 것으로, 미리 알아 둘 필요는 없다. 즉, 오차와 성장 속도가 도 13에 도시된 바와 같은 관계에 있는 경우, 실제의 피팅은 어느 파라미터의 초기값으로부터 출발한다. 이 초기값의 부근에서의 파라미터(여기서는 성장 속도)와 오차의 관계를 조사함으로써, 대략의 파라미터 최적값을 추정할 수 있다. 이와 같이 하여 얻은 파라미터의 최적값의 추정값을 기초로 다시 최적값의 추정을 행한다. 이 조작을 반복함으로써, 실제의 오차와 파라미터의 관계를 전체적으로 알지 못하더라도, 오차가 극소가 되는 파라미터의 값을 찾아가게 되는 것이다.

도 13의 설명으로 되돌아가면, 먼저, 파장 λ1의 광에 있어서의 오차 곡선 w16 위의 피팅에 의해 최초의 극소점을 추출한다(도 13의 A). 이에 의해, 극소점 p7이 추출되면, 이어서, 이 극소점 p7에서의 파라미터값(예를 들어, 극소점 p7에서의 성장 속도)을 출발점으로 하여, 파장 λ2의 광에 있어서의 오차 곡선 w17 상의 피팅에 의해 다음 극소점을 추출한다(도 13의 B). 그리고, 극소점 p9 가까이의 소정의 점이 되면, 이 점에서의 파라미터값을 출발점으로 하여 피팅을 행하고, 파장 λ1의 광에 있어서의 오차 곡선 상의 다음 극소점을 추출한다(도 13의 C). 이에 의해, 극소점 p8이 추출되면, 이어서, 이 극소점 p8에서의 파라미터값이, 파장 λ2의 광에 있어서의 오차 곡선 상의 극소점인지 여부를 판정하여(도 13의 D), 극소점이면, 양쪽의 오차 곡선 상에서의 극소점이 일치하는 장소가 발견되었다고 판단하여, 이 극소점에서의 파라미터값을 정확한 파라미터로서 선정한다. 이 방법의 특징은, 하나의 파장에서 추출된 극소값이 다른 파장에서의 극소값이 아닌 경우(정확한 파라미터가 아닌 경우), 다음 파장에서의 피팅을 행함으로써, 피팅이 초기의 파라미터(최초의 파장에서 극소점으로서 추출된 파라미터)로부터 자동으로 다른 극소점으로 이동한다는 것이다. 이 방법에서는 미리 모든 극소점을 추출할 필요가 없어, 수순이 대폭 간략화된다.

상기한 수순을 바꾸어 말하면, 박막을 적층 중의 기판의 반사율의 시간 변화를 복수의 상이한 파장에서 측정하고, 먼저 하나의 파장에서 하나의 극소점을 추출하고, 이 추출된 극소점이 다른 파장에서 극소점으로 되어 있는지 여부를 판정한다. 판정 결과, 상기한 다른 파장에서도 극소값이라고 판정된 경우는 이 해를 정확한 해라고 선정한다. 한편, 최초로 추출된 극소값이 다른 파장에서는 극소값으로 되지 않는 경우에는, 상기한 다른 파장에서의 극소값을 새롭게 추출한다. 이 새롭게 추출된 극소값에 대하여 다시 이 파장과는 다른 파장에서 상기한 조작을 행한다. 이 조작을 정확한 해가 선정될 때까지 반복한다.

상기한 수순에서는 피팅은, 정확하지 않은 극소점을 제외하기 위한 그다지 정밀도를 필요로 하지 않는 경우와, 최종적으로 파라미터를 정밀하게 결정하기 위한 경우로 나누어도 된다. 수순을 간편하게 하기 위해서는, 높은 정밀도를 필요로 하지 않는 피팅에서는 피팅에서의 반복 계산의 횟수를 제한하거나, 극소점에 이르렀다고 판단하기 위한 판정 기준을 완화시키면 된다.

구체적으로 상이한 파장에서의 오차의 극소점(도 13에서는 p8과 p9)을 부여하는 파라미터값(도 13에서는 성장 속도)이 동일한지 여부를 판단하는 방법의 예로서는, 상이한 파장에서 추출된 파라미터의 값이 소정의 범위 내에 있는지 여부로 판정하는 것을 들 수 있다. 최종적으로 파라미터를 높은 정밀도로 결정하기 위해서는, 복수의 파장에서 동시에 피팅을 행해도 된다.

(성장 속도 측정 장치(21)의 개요)

상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 의한 성장 속도 측정 장치(21)는 도 1의 제어부(11)에 내장될 수 있다. 이 경우, 제어부(11)는 하드웨어 구성으로서 성장 속도 측정 장치(21)를 구비하고 있어도 되고, 소프트웨어 처리에 의해 성장 속도 측정 장치(21)의 기능을 실현해도 된다.

도 14는 성장 속도 측정 장치(21)의 내부 구성을 도시하는 블록도이다. 도 14에 도시하는 바와 같이, 성장 속도 측정 장치(21)는 피팅부(22)와, 파라미터 추출부(23)와, 파라미터 선정부(24)를 갖는다. 이밖에, 성장 속도 측정 장치(21)에는, 반사율계로 계측된 반사율이 입력된다.

피팅부(22)는 미리 구해진 반사율의 모델 함수를, 기판 위에 순차 적층되는 박막 중 적어도 1층의, 굴절률과 성장 속도의 적어도 한쪽을 피팅 파라미터로 하여, 반사율의 계측값에 피팅한다. 즉, 피팅부(22)는 파라미터 피팅을 행하여 최적값을 구한다. 더욱 상세하게는, 피팅부(22)는 복수의 파장의 광으로 반사율을 각각 계측한 결과에 기초하여, 기판 위에 순차 적층되는 적어도 하나의 박막 중 적어도 1층의, 굴절률과 성장 속도의 적어도 한쪽을 포함하는 피팅 파라미터를 조정하여, 복수의 파장의 각각마다, 혹은 복수의 파장에 대하여 동시에 반사율의 모델 함수를 반사율의 계측값에 피팅한다.

파라미터 추출부(23)는 복수의 파장의 각각에 대하여, 반사율의 모델 함수와 반사율의 계측값의 오차가 극소가 될 때의 피팅 파라미터를 추출한다. 즉, 파라미터 추출부(23)는 1개 또는 복수개의 최적값을 리스트업한다.

파라미터 선정부(24)는 복수의 파장의 각각에 대하여 추출된 피팅 파라미터끼리를 비교함으로써, 피팅 파라미터를 선정한다. 예를 들어, 파라미터 선정부(24)는 복수의 파장을 순서대로 선택하여, 각 파장에서 추출된 피팅 파라미터 중에서 상이한 파장 사이에서 오차가 극소가 될 때의 피팅 파라미터를 선출한다(선정한다).

즉, 파라미터 선정부(24)는 파장마다 리스트업된 최적값 중에서 가장 좋은 것을 선정한다.

또한 다른 구체적인 일례로서, 파라미터 추출부(23)는 복수의 파장 중 제1 파장에 관한 피팅에서의 오차가 극소가 될 때의 제1 피팅 파라미터를 추출함과 함께, 이 제1 피팅 파라미터에 기초하는 제1 파장과 상이한 제2 파장에 관한 피팅에서의 오차가 극소가 될 때의 제2 피팅 파라미터를 추출해도 된다. 또한, 파라미터 선정부(24)는 제1 피팅 파라미터와 제2 피팅 파라미터가 일치했을 때의 피팅 파라미터를 최적값으로 해도 된다. 또한, 파라미터 추출부(23)는 파라미터 선정부(24)에서 피팅 파라미터가 선정될 때까지, 제1 파장에 관한 피팅과, 제2 파장에 관한 피팅을 반복해도 된다.

도 15a 및 도 15b는 피팅부(22)의 처리 동작의 일례를 나타내는 흐름도이다. 먼저, 반사율의 모델 계산에 사용되는 각종 파라미터(예를 들어, 기판의 복소 굴절률, 기판 위의 각 박막의 굴절률, 성장 속도 등)의 초기값을 설정한다(스텝 S1).

이어서, 반사율계로 계측된 반사율과 모델 계산된 반사율의 오차를 계산한다(스텝 S2). 오차는, 반사율의 각 관측 시각에서의, 실측된 반사율(Rmes)과 모델 계산된 반사율(Rmodel)의 차를 제곱하여, 그의 각 관측 시각의 총합(ζ)으로서 계산된다. 이 ζ는 계산에 사용되는 각 파라미터(P)의 함수이므로, ζ(P)라고 표기한다. 이 스텝 S2의 처리를 행하는 데 있어서, 도 15b의 서브루틴이 호출된다. 이 서브루틴에서는, 계산에 사용되는 적층된 각 박막의 막 두께를, 성장 속도의 설정값에 성장 시간을 곱하여 구한다(스텝 S8). 여기서, 각 박막의 성장 속도는 피팅 파라미터이며, 후술하는 최적화의 수순에 따라, 각 박막의 굴절률과 함께 최적화되어 간다.

이어서, 기판의 복소 굴절률과, 각 박막의 막 두께 및 굴절률을 사용하여, 기판과 그 위의 적층 구조에 관한 반사율의 모델 계산을 행한다(스텝 S9). 스텝 S8과 S9의 처리는, 성장 중단 중을 제외한 모든 관측 시각에 있어서 반복하여 행하여진다. 이에 의해, 성장 개시부터 현 시각(성장이 종료된 경우는, 성장 종료 시)까지의 반사율의 시간 변화가 모델 계산된다. 단, 관측 시각의 수가 많아，반사율의 모델 함수의 계산에 필요 이상으로 시간이 걸리는 경우에는, 계산의 정밀도를 떨어뜨리지 않을 정도로 관측 시각을 씨닝해도 된다.

상술한 도 15a의 스텝 S2에서는, 도 15b의 서브루틴의 처리에서 계산된 반사율 Rmodel과, 실측된 반사율 Rmes의 차분의 제곱을, 각 관측 시간의 총합(ζ)으로서 계산한다.

반사율의 모델 계산값의 실측값과의 오차는, 상기 이외에도, 각 시각에서의 오차의 계산 방법이나 그 적산 방법에 대하여 적절히 변경해도 된다. 예를 들어, 각 시각에서의 오차에 대해서는, 실측한 반사율에 따라 관측값과 계산값의 차에 가중치 부여를 하거나, 관측값과 계산값의 차의 제곱이 아니라 절댓값으로 하거나, 적산값에 대해서는 단순한 총합의 평방근을 취하거나 하는 것이다. 혹은 반사율의 관측값과 계산값의 차가 어느 규정값 이상인 경우에는 오차의 적산에 더하지 않는 방법을 취해도 된다.

이어서, 각 파라미터 중 일부 또는 전부에 대하여, 현상의 값(P)으로부터 겨우 (δP) 변화시킨다(스텝 S3). 예를 들어 굴절률 ns의 초기값이 2인 경우, 굴절률 ns를 2.01 등으로 한다. 이 변화량을 δns 등으로 표기한다. 여기서, 파라미터란, 예를 들어 각 박막의 굴절률 ns나 성장 속도 ks 등이며, 피팅 파라미터라고도 불린다. 그리고, 도 15b의 서브루틴을 다시 호출하여 스텝 S8 내지 S9의 처리를 반복하여, 스텝 S3에서 오차 ζ(P+δP)를 계산한다.

필요에 따라, 몇 가지의 상이한 δPq를 사용하여 ζ(P+δPq)를 계산해도 된다. 이 스텝 S3에서, ζ의 δP의 의존성이 근사적으로 구해진다. 여기서, 서로 성장 속도가 상이한 층끼리에서는 상이한 굴절률을 준비한다. 이것은, 성장 속도이외에는 동일한 성막 조건이어도 성막된 박막의 굴절률이 상이한 경우가 있기 때문이다. 단, 미리 성장 속도가 상이해도 굴절률이 동일하다는 것이 알려져 있는 경우에는, 이들 층끼리 동일한 굴절률을 사용해도 된다. 또한, 기판 및 박막의 굴절률은 일반적으로는 복소수이지만, 투명한 재료인 경우, 굴절률은 실수가 된다.

이어서, 스텝 S3에서 얻어진 ζ의 δP의 의존성으로부터, ζ를 최소로 하는 δP(δPo)를 추정한다(스텝 S4). 이어서, 스텝 S4로부터 구해진 P+δPo를 사용하여, 도 15b의 서브루틴을 다시 호출하여 스텝 S8 내지 S9의 처리를 반복하여, ζ(P+δPo)를 계산한다(스텝 S5).

다음에 ζ(P+δPo)가 충분히 작은지 여부를 판정한다(스텝 S6). 이 값이 소정의 설정값에 비하여 작으면, 충분한 피팅이 행하여졌다고 생각된다. 한편, 이 값이 소정의 설정값에 비하여 작지 않은 경우에는, 계산에 사용한 파라미터가 큰 오차를 가지고 있다고 생각된다. 이 경우에는, 다시 S2로 되돌아가, P+δPo를 새로운 초기값으로 해서 계산을 반복한다(스텝 S7). 일반적으로, 상술한 스텝 S1 내지 S7의 처리를 반복함으로써, 오차 ζ는 점차 작아진다.

도 15a에 도시하는 피팅부(22)의 처리는, 기판 위에 성장 중의 각 박막에 조사되는 각 파장마다, 혹은 복수의 파장에서 동시에 행하여진다. 본 실시 형태에서는, 복수의 파장에서의 반사율의 데이터에 대하여, 주로 각 파장마다 반사율의 피팅을 행하는 것을 염두에 두고 있으며, 이 경우는 성장 속도와 각 파장에서의 굴절률 등이 피팅 파라미터로, 피팅에서 최소로 해야 할 오차는 각 파장에서의 반사율 데이터와 반사율의 모델 함수의 오차가 된다. 한편, 복수의 파장에서 동시에 피팅을 행하는 경우에는, 피팅 파라미터는 성장 속도와 피팅의 대상이 되는 복수의 파장에서의 굴절률 등이고, 피팅에서 최소로 해야 할 오차는, 피팅의 대상이 되는 모든 파장에서의 반사율 데이터와 반사율의 모델 함수의 오차이다.

도 16은 도 13의 처리 수순에 기초하는 파라미터 추출부(23)와 파라미터 선정부(24)의 처리 동작의 일례를 나타내는 흐름도이다. 도 16의 처리는, 2개의 파장 λ1과 λ2의 광을 사용하여, 피팅 파라미터의 선정을 행하는 예를 나타내고 있다.

먼저, 파장 λ1의 광을 기판 위의 박막에 조사하여, 그 반사광을 반사율계로 계측한 데이터를 사용하여, 파라미터의 초기값을 설정하고(스텝 S11), 피팅부(22)에 도 15a의 피팅 처리를 행하게 한다(스텝 S12). 이때, 피팅부(22)는 오차가 충분히 작아질 때까지, 도 15a에 도시하는 흐름도를 소정 횟수 반복한다.

이어서, 파라미터 추출부(23)는 스텝 S12의 처리 결과에 기초하여, 최초의 오차의 극소점을 추출한다(스텝 S13). 스텝 S13에서 오차의 극소점이 추출되면, 파장 λ2의 광으로 계측한 반사율의 데이터를 사용하여, 스텝 S13에서 검색된 극소점에서의 파라미터를 초기값으로 하여, 피팅부(22)에 도 15a의 피팅 처리를 행하게 한다(스텝 S14).

이어서, 파라미터 추출부(23)는 λ2에서의 피팅(스텝 S14)의 처리 결과를 기초로 λ2에서의 극소점을 추출한다(스텝 S15).

파라미터 선정부(24)는 λ1과 λ2에 대하여 추출된 극소점을 비교하여, 이 극소점이, 일치하는지 여부를 판정한다(스텝 S17). 일치하면, 이 극소점으로, 피팅 파라미터를 선정한다(스텝 S18). 일치하지 않으면, λ2에 대하여 추출된 결과를 초기값으로 설정하고(스텝 S15), 스텝 S12 이후의 처리를 반복한다.

반사율의 측정 파장이 3개인 경우에는, 파장 λ2에서의 극소점의 추출 후, 또한 제3 파장(λ3)에서 피팅과 오차의 극소점의 추출 처리를 행해도 된다. 반사율의 측정 파장이 4개 이상인 경우에는 마찬가지의 처리를 반복하면 된다.

도 17은 도 12의 처리 수순에 기초하는 파라미터 추출부(23)와 파라미터 선정부(24)의 처리 동작의 일례를 나타내는 흐름도이다. 도 17의 처리는, k개의 파장 λ1 내지 λk의 광을 사용하여, 피팅 파라미터의 선정을 행하는 예를 나타내고 있다.

먼저, 파장 λ1의 광을 사용하여, 피팅부(22)에 피팅 처리를 행하게 한다(스텝 S21). 이때, 피팅부(22)는 오차가 소정값 이하가 될 때까지, 소정 횟수만큼 도 15a의 스텝 S1 내지 S7의 처리를 반복한다. 이 처리에 의해, 파장 λ1의 광을 사용한 경우의 오차 곡선이 얻어진다.

마찬가지로, 파장 λ2 내지 λk의 광을 순서대로 사용하여, 스텝 S21과 마찬가지의 처리를 행함으로써, 파장 λ2 내지 λk의 광을 사용한 경우의 오차 곡선이 각각 얻어진다(스텝 S22, S23).

이어서, 각 오차 곡선에서의 오차의 극소점을 비교하여, 파라미터가 일치하는 극소점을 검색한다(스텝 S24). 파라미터 선정부(24)는 검색된 극소점으로, 피팅 파라미터를 선정한다(스텝 S25).

이상에 대해서는, AlN층의 단층을 포함하는 박막을 기판 위에 성장하는 예를 나타냈다. 마찬가지의 방법은 AlGaN층과 AlN층의 SLS와 같이 상이한 재료의 박막을 2층 이상 기판 위에 성막하는 경우에도 응용할 수 있다. 단, 통상, 적층되는 박막 중의 재료의 수가 증가되면, 피팅에 사용하는 파라미터가 증가된다. 상기한 재료가 측정 파장에서 광을 흡수하지 않는 경우, 굴절률의 허수 부분이 0이 되므로, 상기한 재료 하나당, 굴절률과 성장 속도의 두 파라미터가 피팅에 추가된다. 성막 온도에 대해서는, 하나의 성막 온도에 대하여 기판의 가상적인 복소 굴절률이 두(실부와 허부) 파라미터로서 피팅에 추가된다.

기판 위에 SLS와 같이 복수의 층을 포함하는 구조를 적층하는 경우, 적층되는 재료에 따라서는 일단 성장을 중단하고 다음 층의 성막이 시작될 때까지의 동안(성장 중단 중)에, 일단 성막된 막이 에칭되는 경우가 있다. 이 경우, 예를 들어 AlGaN 박막층의 성장 후에, 다음의 AlN 박막층의 성장이 시작되기 전의 성장 중단 시에는, 성막은 행하여지지 않아, 온도 등이 변화하지 않았음에도 불구하고, 약간, 반사율이 변화된다. 이러한 성장 중단 중의 반사율의 변화는, 성장 중단 중에 AlGaN층이 에칭되어 막 두께가 감소되는 것에 기인한다. 이로 인해, 도 15a 및 도 15b의 피팅 처리를 행할 때에는, 상술한 에칭의 영향을 고려하여, AlN 박막층의 성장 개시 시에, AlGaN 박막층의 막 두께를 소정의 두께만큼 줄이는 것이 바람직하다.

또한 성장을 계속하면서 적층하는 층에 따라 성장 온도를 바꾸는 경우가 있다. 온도를 변화시키면, 적층 부분보다도 기판측에서의 층의 광학적 성질이 변화하기 때문에, 최표면의 층의 막 두께의 변화 이외의 요인으로도 반사율이 변화하는 경우가 있다. 이 경우, 반사율의 모델 함수의 계산은, 온도 변화 중에는 행하지 않고, 온도가 일정한 동안만, 반사율의 측정값과 반사율의 모델 함수의 비교를 행하면 된다. 단, 온도 변경 중(반사율의 모델 함수의 계산을 행하지 않는 동안)의 성막량에 대해서는 적절하게 그 전후로 성막된 층에 포함시키도록 계산해야 한다.

도 16이나 도 17과 같이, 복수의 파장을 사용하여 피팅 처리를 행하는 경우, 각 파장은 10％ 이상 상이하게 하는 것이 바람직하다. 10％ 이상의 파장이 상이하면, 각 파장에서의 오차 곡선의 극소점 중 정확한 해가 아닌 극소점에 현저한 차이가 발생하여, 정확한 해를 검출하기 쉬워진다.

또한, 도 16이나 도 17의 처리를 행해도, 오차 곡선으로부터 정확한 해를 특정하지 못하는 경우는, 그 원인으로서, 기판 위에 적층된 각 박막이 균일한 막이 아닌 경우나, 각 박막에 조사되는 광의 파장의 값이 정확하지 않은 것이나, 반사율계의 정밀도에 문제가 있어, 반사율계로 계측되는 반사율이 정확하지 않은 것 등을 생각할 수 있다. 따라서, 도 16이나 도 17의 처리에 의해서도, 정확한 해를 특정하지 못하는 경우는, 상술한 원인에 의한 것인지 여부를 해명할 필요가 있다.

본 실시 형태의 방법에 의해, 피팅 파라미터를 선정할 때에는, 기판의 표면이 경면인 것이 중요하다. 기판의 표면에 후막을 형성하는 경우는, 광의 간섭이 명료하지 않게 된다는 점에서, 반사율을 정확하게 계측할 수 없게 되어, 정밀도가 저하된다. 따라서, 본 실시 형태에 의해 피팅 파라미터를 정확하게 선정 가능한 박막의 막 두께는 수 10㎛ 이하이다.

본 실시 형태에 의한 성장 속도 측정 장치(21)는 MOCVD 이외의 성막 방법이나 에칭 방법에도 적용 가능하다. 본 실시 형태에 의한 성장 속도 측정 장치(21)는 표면이 경면인 기판 위에 복수의 박막을 적층하는 경우의 성장 속도 해석에 폭넓게 적용 가능하다.

이와 같이, 본 실시 형태에서는, 복수의 파장을 사용하여, 반사율의 피팅 처리를 각각 행하여, 반사율의 오차가 극소가 되는 경우의 피팅 파라미터끼리를 비교하여, 피팅 파라미터를 선정한다. 이에 의해, 피팅에 의해 얻어진 오차 곡선에 복수의 극소점이 존재하는 경우에도, 그 중 정확한 해를 간이하면서도 또한 신속하게 특정할 수 있다.

본 실시 형태에 따르면, 어떤 파장에서의 오차 곡선 상의 하나의 극소점이 검출되면, 다른 파장에서의 오차 곡선 상에서의 극소점을 검색하는 처리를 교대로 행함으로써, 비교적 단시간에, 피팅 파라미터를 선정할 수 있다.

본 발명의 양태는, 상술한 개개의 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 당업자가 상도할 수 있는 다양한 변형도 포함되는 것이며, 본 발명의 효과도 상술한 내용에 한정되지 않는다. 즉, 특허 청구 범위에 규정된 내용 및 그 균등물로부터 도출되는 본 발명의 개념적인 사상과 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 추가, 변경 및 부분적 삭제가 가능하다.

상술한 실시 형태에서 설명한 성장 속도 측정 장치(21)의 적어도 일부는, 하드웨어로 구성해도 되고, 소프트웨어로 구성해도 된다. 소프트웨어로 구성하는 경우에는, 성장 속도 측정 장치(21)의 적어도 일부의 기능을 실현하는 프로그램을 플렉시블 디스크나 CD-ROM 등의 기록 매체에 저장하고, 컴퓨터에 읽혀서 실행시켜도 된다. 기록 매체는, 자기 디스크나 광 디스크 등의 착탈 가능한 것에 한정되지 않고, 하드 디스크 장치나 메모리 등의 고정형 기록 매체여도 된다.

또한, 성장 속도 측정 장치(21)의 적어도 일부의 기능을 실현하는 프로그램을, 인터넷 등의 통신 회선(무선 통신도 포함한다)을 통하여 반포해도 된다. 또한, 동일 프로그램을 암호화하거나, 변조를 가하거나, 압축한 상태에서, 인터넷 등의 유선 회선이나 무선 회선을 통하여, 혹은 기록 매체에 저장하여 반포해도 된다.

Claims

각각 상이한 복수의 파장의 광을 기판의 표면에 조사하여, 상기 기판의 표면의 반사율을 각각 계측하는 반사율계와,
미리 구해진 상기 반사율의 모델 함수를, 상기 기판 위에 순차 적층되는 박막 중 적어도 1층에 대하여, 굴절률과 성장 속도의 적어도 한쪽을 피팅 파라미터로 하여, 상기 반사율의 계측값에 피팅하는 피팅부와,
상기 복수의 파장의 각각에 대하여, 상기 반사율의 모델 함수와 상기 반사율의 계측값의 오차가 극소가 될 때의 상기 피팅 파라미터를 추출하는 파라미터 추출부와,
상기 복수의 파장의 각각에 대하여 추출된 상기 피팅 파라미터 중에서 상기 피팅 파라미터의 최적값을 선정하는 파라미터 선정부를 구비하는, 성장 속도 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 파라미터 선정부는, 상기 복수의 파장의 각각에 대하여 추출된 상기 피팅 파라미터가 일치했을 때의 상기 피팅 파라미터를 최적값으로 하는, 성장 속도 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 파라미터 추출부는, 상기 복수의 파장 중 제1 파장에 관한 피팅에서의 상기 오차가 극소가 될 때의 제1 피팅 파라미터를 추출하고, 상기 제1 피팅 파라미터에 기초하는 상기 제1 파장과 상이한 제2 파장에 관한 피팅에서의 상기 오차가 극소가 될 때의 제2 피팅 파라미터를 추출하고,
상기 파라미터 선정부는, 상기 제1 피팅 파라미터와, 상기 제2 피팅 파라미터가 일치했을 때의 상기 피팅 파라미터를 최적값으로 하는, 성장 속도 측정 장치.
제3항에 있어서,
상기 파라미터 추출부는, 상기 파라미터 선정부에서 상기 피팅 파라미터가 선정될 때까지, 상기 제1 파장에 관한 피팅과, 상기 제2 파장에 관한 피팅을 교대로 반복하는, 성장 속도 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 피팅부는, 상기 기판 위에 순차 적층되는 박막에 조사되는 상기 복수의 파장의 광의 각각마다, 또는 상기 복수의 파장의 광에 대하여 동시에, 상기 반사율의 모델 함수를 상기 반사율의 계측값에 피팅하는, 성장 속도 측정 장치.
제5항에 있어서,
상기 복수의 파장의 각각은 10％ 이상의 파장차를 갖는, 성장 속도 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 파라미터 추출부는, 상기 복수의 파장의 각각에 대하여, 상기 피팅 파라미터와 오차량의 관계를 나타내는 오차 곡선의 극소점에 있어서의 상기 피팅 파라미터를 추출하는, 성장 속도 측정 장치.
제7항에 있어서,
상기 파라미터 선정부는, 상기 복수의 파장에 대응하는 복수의 상기 오차 곡선의 극소점이 일치할 때의 상기 피팅 파라미터를 최적값으로서 선정하는, 성장 속도 측정 장치.
각각 상이한 복수의 파장을 기판의 표면에 조사하여, 상기 기판의 표면의 반사율을 각각 계측하고,
상기 복수의 파장에 있어서의 상기 반사율을 각각 계측한 결과에 기초하여, 상기 기판 위에 적층되는 박막 중 적어도 1층에 대하여, 굴절률과, 성장 속도의 적어도 한쪽을 포함하는 파라미터의 최적값을 선정하는, 성장 속도 측정 방법.
제9항에 있어서,
미리 구해진 상기 반사율의 모델 함수를, 상기 기판 위에 순차 적층되는 박막 중 적어도 1층에 대하여, 굴절률과 성장 속도의 적어도 한쪽을 피팅 파라미터로 하여, 상기 반사율의 계측값에 피팅하고,
상기 복수의 파장의 각각에 대하여, 상기 반사율의 모델 함수와 상기 반사율의 계측값의 오차가 극소가 될 때의 상기 피팅 파라미터를 추출하고,
상기 복수의 파장의 각각에 대하여 추출된 상기 피팅 파라미터 중에서 상기 피팅 파라미터의 최적값을 선정하는, 성장 속도 측정 방법.