TWI557399B - Temperature measurement method and temperature measuring device for semiconductor layer - Google Patents

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Description

半導體層之溫度測定方法及溫度測定裝置
本發明是有關一種可將發光二極體或其他半導體元件的半導體層利用蒸鍍法成膜之際，測定成膜中或成膜後之半導體層的溫度和半導體層的表面粗度等的半導體層之溫度測定方法及溫度測定裝置。
AlN、GaAs、GaN、InP、Si、SiC等的半導體，是利用蒸鍍法形成。蒸鍍法，可使用化學氣相沈積法(CVD法)和分子束磊晶法(MBE法)等。該些蒸鍍法，是在設定成真空狀態的處理室內設置基板，對該基板上以原料氣體等的狀態供給原料分子，在基板的表面堆積成膜結晶層而成膜。
在此種蒸鍍法中，對於將無不純物之半導體的結晶層，以一定的堆積速度緻密且具有再現性加以成膜，需要正確控制處理室內的基板溫度。因此，設有加熱基板的加熱器，並且設有測定處理室內之基板溫度的監視器，就能根據以該監視器所測定的溫度，來控制前記加熱器的加熱溫度。
如以下之專利文獻1及專利文獻2所記載的，以往前記加熱器是使用監視基板表面被加熱所產生的紅外線之熱電溫度計。熱電溫度計是設置於被設在處理室之窗的外側，由基板之表面和成膜中的半導體層之表面所發出的紅 外線穿透過玻璃窗利用熱電溫度計來檢測。但利用熱電溫度計的溫度測定具有如下的課題。
由被加熱的基板表面發出的紅外線，通過成膜途中的半導體層內部時，通過半導體層的光與在半導體層內部所反射的光受到干擾，熱電溫度計的檢測輸出會有細微變動，而且該干擾的程度隨著成膜之半導體層膜厚的變動而改變。有關該問題，以往是在處理室之外配置發光裝置，通過處理室的玻璃窗對成膜中的半導體層照射雷射光，監視穿透過半導體層的雷射光來解決。通過半導體層的雷射光與在半導體層內部被反射的雷射光也同樣會受到紅外線干擾，因此採用經由監視雷射光時之干擾的輸出變動，就能抵消或減低以熱電溫度計檢測的紅外線干擾的校準。
但即使以熱電溫度計檢測的紅外線干擾受到校準，利用熱電溫度計的溫度測定，仍在遠離基板表面的場所進行，一般是在處理室的玻璃窗外側進行。實際發熱的基板表面與測定位置之間存在長距離的空間，更由於存在著玻璃窗，因此無法避免的會在藉由熱電溫度計所測定的溫度與基板表面的實際溫度之間產生誤差。
而且，在基板表面中，成長中的半導體層為透明的情形下，熱電溫度計是穿透過透明的半導體層來測定基板表面的溫度。像這樣藉由使用熱電溫度計的測定方法，難以直接正確的得知成膜中的半導體層本身的溫度。
又，於以下專利文獻1記載著使用測定基板背側溫度的熱電偶監視器。但是，熱電偶監視器是設置在基板背 側，因此無法正確的測定實際基板表面的溫度。而熱電偶監視器由於熱電容大，因此對處理室內溫度變化的追蹤性差，無法正確得知基板溫度。
更於以下的專利文獻3揭示一種將來自鹵素燈的光照射到被測定體的晶圓，由光的透過率與光的反射率及光的波長，算出晶圓表面溫度的技術。
但由於光的透過率與反射率，會因晶圓表面粗度等之種種因素產生很大的變化，因此僅藉由單一的光之透過率與反射率，是很難高精度的測定被測定物的溫度。
[先行技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]
日本特開第2001-289714號公報
[專利文獻2]
日本特開第2002-367907號公報
[專利文獻3]
日本特開第2002-122480號公報
本發明是解決上記習知課題的發明，其目的是提供一種可高精度檢測出在基板表面成膜之途中的半導體層的溫度，或成膜後的半導體層的溫度，且可成膜高品質的半導體層的半導體層之溫度測定方法及溫度測定裝置。
又本發明其目的是提供一種可測定半導體層之光的透過量之變化，即時求得半導體層的溫度變化的半導體層之溫度測定方法及溫度測定裝置。
再者本發明其目的是提供一種可根據將不同的波長之光賦予半導體層時的檢測光量之變化，來判定檢測光量之變動是因半導體層的溫度變化所引起，或是因除此之外的因素所引起的半導體層之溫度測定方法及溫度測定裝置。
第1之本發明，是有關測定在處理室內成膜的半導體層之溫度的溫度測定方法，其特徵為：使用半導體層的溫度上升成為第1範圍溫度的話，即使得對前記半導體層的透過率衰減的第1波長之光和前記半導體層的溫度成為比前記第1範圍還高的第2範圍的話，即使得對前記半導體層之光的透過率衰減的第2波長之光；將第1波長之光與第2波長之光沿著相同路徑賦予前記半導體層，並且利用面對前記半導體的光檢測裝置來檢測前記第1波長之光與第2波長之光量；前記半導體層的溫度超過前記第1範圍而上升，並在第1波長之光的檢測光量衰減之後，更於第2波長之光的檢測光量開始衰減之後的測定時，由該測定時的第2波長的檢測光量與第1波長之光的檢測光量的衰減幅，算出半導體層在前記第2範圍內的溫度。
本發明的溫度測定方法中，可將前記半導體層之前記測定時的溫度，由(第2範圍之極大值的溫度)+(第2範圍的溫度差)×{(第2波長之光的檢測光量之衰減始點至測定時的衰減量)/(第1波長之光的檢測光量的衰減幅)}算出。
又，藉由本發明的溫度測定方法，可由在前記基板上成膜半導體層之途中的前記測定時所得到的第2波長之光的檢測光量和第1波長之光的檢測光量的衰減幅，算出成膜途中之半導體層的溫度，並將前記基板的加熱溫度控制成該溫度為前記第2範圍內的預定值。
本發明的溫度測定方法，是一面加熱設置在前記處理室內的透明基板、一面供給原料分子，在前記基板上成膜半導體層；將第1波長之光與第2波長之光賦予前記半導體層的表面，利用面對前記半導體層之表面的前記光檢測裝置，來檢測通過前記半導體層之內部的漫反射光與在前記半導體層之表面被反射的漫反射光。
本發明的溫度測定方法，亦可使用測定由半導體層所發射出的紅外線來測定半導體層溫度的溫度變化測定裝置，且以前記測定時所算出的前記第2範圍內的溫度，來校準前記溫度變化測定裝置的測定誤差。
第2之本發明，是有關測定在處理室內成膜的半導體層溫度的溫度測定方法，其特徵為：使用半導體層的溫度上升成為第1範圍溫度的話，即使得對前記半導體層的透過率衰減的第1波長之光和前記 半導體層的溫度成為比前記第1範圍還高的第2範圍的話，即使得對前記半導體層之光的透過率衰減的第2波長之光；將第1波長之光與第2波長之光沿著相同路徑賦予前記半導體層，並且利用面對前記半導體的光檢測裝置來檢測前記第1波長之光與第2波長之光量；前記半導體層的溫度超過前記第1範圍而上升，並在第1波長之光的檢測光量衰減之後，監視第2波長之光的檢測光量，且第2波長之光的檢測光量產生變化的話，參照此時的第1波長之光的檢測光量之變化，來判定第2波長之光的檢測光量之變化，是因半導體層的溫度變化所引起，或是因除此之外的因素所引起。
本發明的溫度測定方法，是當第2波長之光的檢測光量產生變化時，第1波長之光檢測光量也產生變化的話，判定第2波長之光的檢測光量之變化，是因半導體層的溫度變化以外的因素所引起。
此情形下，也能夠由第1波長之光的檢測光量之變化與第2波長之光的檢測光量之變化的至少一方，求得半導體層的表面粗度。
而且，本發明的溫度測定方法，是當第2波長之光的檢測光量產生變化時，第1波長之光的檢測光量並未產生變化時，判定第2波長之光的檢測光量之變化，是因半導體層的溫度變化所引起。
本發明的溫度測定方法，是一面加熱設置在前記處理 室內的透明基板、一面供給原料分子，在前記基板上成膜半導體層；將第1波長之光與第2波長之光賦予前記半導體層的表面，利用面對前記半導體層之表面的前記光檢測裝置，來檢測通過前記半導體層內部的漫反射光與在前記半導體層表面被反射的漫反射光。
第3之本發明，是有關測定在處理室內成膜的半導體層溫度的溫度測定裝置，其特徵為：設有：賦予半導體層的溫度上升成為第1範圍溫度的話，即使得對前記半導體層的透過率衰減的第1波長之光和前記半導體層的溫度成為比前記第1範圍還高的第2範圍的話，即使得對前記半導體層之光的透過率衰減的第2波長之光的發光裝置；和檢測第1波長之光與第2波長之光的光檢測裝置；前記發光裝置與前記光檢測裝置是面對半導體的表面，第1波長之光與第2波長之光是沿著相同路徑賦予前記表面，且通過前記半導體層之內部的漫反射光與來自前記表面的漫反射光是以前記光檢測裝置檢測；設有：由以前記光檢測裝置檢測的第1波長之光的檢測光量與第2波長之光的檢測光量，來算出前記半導體層之溫度的控制裝置。
例如：在本發明之溫度測定裝置的前記控制裝置中，前記半導體層的溫度超過前記第1範圍而上升，並在第1波長之光的檢測光量衰減之後，更於第2波長之光的檢測 光量開始衰減之後的測定時，由該測定時的第2波長的檢測光量與第1波長之光的檢測光量的衰減幅，算出半導體層在前記第2範圍內的溫度。
或者，在前記控制裝置中，前記半導體層的溫度超過前記第1範圍而上升，並在第1波長之光的檢測光量衰減之後，監視第2波長之光的檢測光量，且第2波長之光的檢測光量產生變化的話，參照此時的第1波長之光的檢測光量之變化，判定第2波長之光的檢測光量之變化，是因半導體層的溫度變化所引起，或是因除此之外的因素所引起。
又，在前記控制部中，當第2波長之光的檢測光量與第1波長之光的檢測光量同時變化時，由第1波長之光的檢測光量之變化與第2波長之光的檢測光量的至少一方，計算半導體層的表面粗糙度。
在本發明的溫度測定方法及溫度測定裝置中，可將不同的波長賦予成膜中或成膜後的半導體層，以即時測定出半導體層的溫度。
又，可根據將不同的波長之光賦予半導體層時的檢測光量之變化，來判定檢測光量的變動是因半導體層的溫度變化所引起，或是因除此之外的因素所引起。其結果，也可測定成膜中的半導體層的表面粗度是否產生變化，或進而測定表面粗度的大小。
[實施發明之最佳形態]
第1圖是表示成膜裝置1及本發明的第1實施形態之溫度測定裝置20的說明圖，第2圖是表示發光裝置之詳細，第3圖是表示光檢測裝置之詳細。
於第1圖，係以模式圖來表示使用化學氣相沈積法(CVD法)和分子束磊晶法(MBE法)來成膜半導體層的成膜裝置1。
成膜裝置1具有處理室2，成膜中，內部空間設定成真空狀態。在處理室2內設有工作台3，在該工作台3內裝有加熱裝置的加熱器3a。在處理室2連接有導入路4，包含用來成膜半導體層7之元素(原料分子)的原料氣體5是由前記導入路4賦予工作台3的表面，使半導體層7成膜於設置在工作台3之上的基板6的表面。
在處理室2設有第1窗8與第2窗9。在第1窗8與第2窗9嵌入玻璃板等的透明板，雖可通過該透明板觀察內部，但處理室2的內部空間與外部空間利用透明板遮蔽。
在前記第1窗8的外側，是作為溫度變化測定裝置之一例而設有熱電溫度計10。熱電溫度計10，具有：受光部11和處理以受光部11所受光的受光輸出之處理電路部12。熱電溫度計10的受光部11，是設置在第1窗8之外，隔著安裝在第1窗8的透明板而面對於前記基板6的 正上方。受光部11的中心，是位於由基板6的表面中心垂直延伸的垂線Lv上，設置在受光部11的受光元件之受光光軸是沿著垂線Lv而向著前記基板6的表面。
一旦工作台3與基板6藉由加熱器3a被加熱，因工作台3之表面的熱所產生的紅外線，會穿透過透明的基板6及成膜中的半導體層7，穿透過第1窗8，使受光部11受光。在受光部11所受光的受光輸出可賦予處理電路部12，由已受光的紅外線之波長等測定基板6的表面溫度，正確上是測定工作台3的表面溫度。
在處理室2之外，設有構成本發明之實施形態的溫度測定裝置20的發光裝置21。發光裝置21，是自設置在處理室2的第2窗9的外側起面對前記基板6的表面。
如第2圖所示，在發光裝置21設有：發出第1波長的雷射光L1的第1雷射光源22；和發出第2波長的雷射光L2的第2雷射光源23。由第1雷射光源22發出的雷射光L1，是藉由平行光管透鏡(collimator lens)22a轉換成平行光而穿透過半鏡(half mirror)25。由第2雷射光源23發出的雷射光L2，是藉由平行光管透鏡23a轉換成平行光，利用反射鏡24反射而賦予半鏡25。
在發光裝置21中，第1雷射光源22與第2雷射光源23是交互亮燈，第1波長的雷射光L1與第2波長的雷射光L2，是沿著相同路徑Ld交互的賦予基板6及半導體層7。
前記基板6是利用藍寶石晶圓等的透明材料所形成。 在此的透明是指全光線透過率80%以上的光學特性，理想是全光線透過率95%以上。如第4圖所示，基板6的底面6a為形成有細凹凸的漫反射面。半導體層7當光的透過率為高的狀態時，沿著路徑Ld被照射的雷射光會穿透過半導體層7，且穿透過基板6而在前記底面6a漫反射。在底面6a漫反射的漫反射光R1，雖會穿透過基板6及半導體層7，但向著漫反射光R1中的垂線Lv的成份會在前記受光部11受光。
沿著路徑Ld的雷射光，由於對著半導體層7的表面7a以射入角θ射入，因此由表面7a以反射角θ被正反射的光並未在受光部11受光。但是，雷射光在半導體層7的表面7a被漫反射的話，向著該漫反射光R2中的垂線Lv的成份會在受光部11受光。
前記路徑Ld與前記垂線Lv所成的角度θ為超過0度、未滿90度。
前記受光部11，是使用於作為熱電溫度計10而用來受光紅外線，並且也作為接受在底面6a與表面7a所漫反射的雷射光之光檢測裝置的功能。在受光部11中，由被加熱的基板6和半導體層7發出的紅外線與在基板6和半導體層7被反射的雷射光的漫反射光R1、R2，是在不同的時間被交互檢測出。進而，配合兩個雷射光源22、23之亮燈的時間點，在受光部11的受光訊號被時間分割，第1波長的雷射光L1與第2波長的雷射光L2會在不同的時間點被檢測出。因而，在受光部11中，紅外線及第 1波長的雷射光L1與第2波長的雷射光L2不會互相干擾，會區別的被檢測出。
又，與受光紅外線的熱電溫度計10的受光部11不同，也可設置受光雷射光的光檢測裝置16，將受光部11與光檢測裝置16，並排配置在第1窗8之外。
此情形的光檢測裝置16，如第3圖所示，可為具有：第1受光元件13以及使反射光聚光至第1受光元件13的聚光透鏡13a；和第2受光元件14以及使反射光聚光至第2受光元件14的聚光透鏡14a、及波長濾波器15所構成。在該光檢測裝置16中，沿著垂線Lv射入的漫反射光R1、R2是藉由波長濾波器15被分離，第1波長的雷射光L1的漫反射光是以第1受光元件13受光，第2波長的雷射光的漫反射光是以第2受光元件14受光。
當使用第3圖所示的光檢測裝置16時，於第2圖所示的發光裝置21中，即使使得第1雷射光源22與第2雷射光源23同時連續發光使用，由於仍可將第1波長的雷射光L1的漫反射光與第2波長的雷射光L2的漫反射光利用波長濾波器15分離，因此可利用第1受光元件13與第2受光元件14將各個波長的雷射光加以區別而受光。
如第1圖所示，成膜裝置1及熱電溫度計10與發光裝置21，是藉由中央控制裝置30所控制。中央控制裝置30是由：微電腦與記憶體等所構成。加熱控制裝置31是接受來自前記中央控制裝置30的指令，控制對加熱器3a的通電，來操縱工作台3的加熱溫度。雷射發光控制裝置 32，是接受來自前記中央控制裝置30的指令來操縱發光裝置21。
熱電溫度計10的檢測輸出是賦予溫度檢測裝置33。由工作台3發出的紅外線的檢測輸出是以溫度檢測裝置33檢測，由紅外線的波長等測定工作台3的表面溫度，該溫度資訊則賦予中央控制裝置30。又，在基板6之底面6a漫反射之雷射光的漫反射光R1以及在半導體層7的表面7a漫反射之雷射光的漫反射光R2，雖是以受光部11或第3圖所示的光檢測裝置16被受光，但有關該檢測光量的檢測輸出亦賦予溫度檢測裝置33，該資訊會通知中央控制裝置30。
其次，說明使用前記測定裝置20的半導體層之溫度測定方法的原理。
在第1圖所示的成膜裝置1中，在以加熱器3a加熱工作台3及基板6的狀態下，對處理室2內導入原料氣體5，如第4圖所示，在透明的基板6的表面進行半導體層7的成長。
成膜於基板6之表面的半導體層7，是為形成發光二極體和其他半導體元件的分子層，例如：AlN、GaAs、GaN、InP、Si,SiC。
該些半導體層的光之透過率，是依賴光之波長與半導體層的溫度而變化。第5圖係橫軸表示賦予半導體層之光的波長λ x，縱軸表示半導體層之光的透過率。在第5圖中，相同半導體層的溫度由T1階段性變化至 T6(T1<T2<T3<T4<T5<T6)。如第5圖所示，半導體層，是當得到相同波長λ x之光時，一旦溫度升高，該光的透過率就衰減。而且，當半導體層的溫度上升時，透過率在何種溫度下衰減是依賴賦予半導體層之光的波長λ x。
第6圖是表示用來與本發明之實施形態的溫度測定方法進行比較的比較例，在對成膜裝置1的基板6之表面成膜半導體層7的過程，沿著路徑Ld給予預定之波長λ 1之單一的雷射光之溫度測定方法。第6圖係橫軸表示半導體層7的溫度，縱軸表示在基板6之底面6a與半導體層7之表面7a漫反射的雷射光以受光部11受光時的檢測光量之變化。
於第6圖所示的變化線(i)，是表示當假設未發生半導體層7之表面7a的漫反射光R2等大致上為理想的條件時之半導體層7的溫度變化與利用受光部11的檢測光量之關係。
如以變化線(i)所示，當半導體層7的溫度為低時，由於半導體層7之光的透過率高，因此在第4圖所示的基板6之底面6a漫反射的漫反射光R1是以高透過率穿透過半導體層7。因此，以受光部11受光的雷射光之漫反射光的光量大，檢測光量為D2。一旦半導體層7的溫度上升至T1，由於半導體層7之光的透過率開始下降，因此在受光部11受光的漫反射光之光量由D2開始衰減。一旦半導體層7的溫度上升至T2，半導體層7之光的透過率最小，在受光部11受光的漫反射光之檢測光量下降到 D1。
在本詳細說明書中，當半導體層7之溫度上升時，在受光部11之漫反射光的檢測光量開始減少的點(a)稱為衰減始點，且衰減始點(a)的檢測光量D2稱為極大值的檢測光量。又，將在受光部11之漫反射光的檢測光量衰減結束時的點(b)稱為衰減終點，且將衰減終點(b)的檢測光量D1稱為極小值的檢測光量。
在實際的半導體層7的成膜製程中，基板6及半導體層7的光學特性容易因溫度條件等產生變化，而且半導體層7之表面7a的面之方向和面粗度也容易產生變化。進而在處理室2內設置基板6時，基板6的表面6a與垂線Lv的對向角度也很容易產生誤差。根據該些種種條件，一旦雷射光的漫反射特性產生變動，就算可使用相同波長λ 1的雷射光來觀測相同半導體層7之光的透過率時，以受光部11檢測的檢測光量之變化，是表示無法沿著第6圖所示之理想的變化線(i)，發生變動量δ 1、δ 2，如虛線之變化線(ii)的變化。
但是，即使來自基板6和半導體層7的雷射光之漫反射條件等產生變化，如第5圖所示，光之波長與透過率之關係及當時的溫度之關係，仍儘量對相同材料的半導體層照射相同波長的雷射光。因而，變化線(i)為衰減始點(a)之時與變化線(ii)為衰減始點(c)之時，半導體層7的溫度同為T1，變化線(i)為衰減終點(b)之時與變化線(ii)為衰減終點(d)之時，半導體層7的溫度同為T2。
亦即，若半導體層7之光的透過率，為溫度與波長相同，就不會變化，但光之透過率以外的因素之漫反射條件等的種種光學條件產生變化的話，在受光部11的雷射光之漫反射光的檢測光量就會產生變動。
如第6圖所示，有關使用波長λ 1之單一雷射光的溫度測定方法，使得正在成膜的半導體層7的溫度一氣上升到比衰減終點的溫度T2還高的值，只要能得到第6圖所示的變化線，之後監視檢測光量Da，就能算出半導體層7的T1與T2之間的溫度。例如：使得半導體層7的溫度上升到超過T2，若在取得變化線(i)之極大值D2與極小值D1和溫度T2、T1的關係之後，由檢測光量的監視值Da，就能以下式算出當時半導體層7的溫度Tx。
Tx=T1+(T2-T1)×{(D2-Da)/(D2-D1)}
但是，未使得溫度上升到T2，在(T2-T1)與(D2-D1)的關係未解決的狀態下，由成膜中之溫度的監視值，無法算出T2與T1之間的溫度Tx，半導體層7的溫度為無法維持在前記溫度Tx的控制。
但是，在使用本發明之實施形態的測定裝置20的半導體層之溫度測定方法中，使用波長不同的至少2種雷射光，即使未讓半導體層7的溫度上升到超過T2的值，由受光部11的雷射光之檢測光量的監視值，也能即刻算出T2與T1之間的溫度Tx。
第1圖所示的成膜裝置1中，由第2圖所示的發光裝置21的第1雷射光源22發射出第1波長的雷射光L1，且由第2雷射光源23發射出第2波長的雷射光L2，各個雷射光L1、L2會通過相同路徑Ld賦予半導體層7。
第7圖的變化線(iii)，是表示第1波長的雷射光L1賦予基板6上的半導體層7，漫反射光R1、R2在受光部11受光之時的檢測光量與半導體層7的溫度之關係，變化線(iv)，是表示第2波長的雷射光L2賦予基板6上的半導體層7，漫反射光R1、R2在受光部11受光之時的檢測光量與半導體層7的溫度之關係。
第1波長的雷射光L1，是以衰減始點(e)之時的導體層7的溫度為T3，衰減終點(f)之時的溫度為T4的方式，選擇其波長。第2波長的雷射光L2，是以在衰減始點(g)的溫度為T5，在衰減終點(h)的溫度為T6的方式，選擇其波長。由溫度T3至T4之間，是第1波長的雷射光L1之光的透過量產生衰減的第1溫度範圍，由T5至T6之間，是第2波長的雷射光L2之光的透過量產生衰減的第2溫度範圍。第2溫度範圍，是溫度比第1溫度範圍還高的區域。
如第5圖所示，由於半導體層7是每種材料的種類，決定對溫度的透過率與波長的關係，配合半導體層7的材料來選擇第1波長的雷射光L1之波長，就能設定第1溫度範圍，配合材料選擇第2波長的雷射光L2之波長，就能設定第2溫度範圍。
第1波長的雷射光L1與第2波長的雷射光L2，是由相同路徑Ld賦予半導體層7，因此將基板6之底面6a的漫反射面的影響和半導體層7之表面7a的面粗糙度的影響、更有關對垂線Lv的半導體層7之表面7a的對向角度之誤差等的光之透過和反射的影響，以第1波長的雷射光L1與第2波長的雷射光L2同等的接受。亦即，第6圖所示的變動量δ 1、δ 2於檢測光量所佔的比率，在第1波長之雷射光L1與第2波長之雷射光L2為相同。
因而，發光裝置21的第1波長之雷射光L1的發光強度與第2波長之雷射光L2的發光強度相等，在受光部11的第1波長之雷射光L1的受光感度與第2波長之雷射光L2的受光感度相等的話，如第7圖所示，應當第1波長之雷射光L1的極大值之檢測光量與第2波長之雷射光L2的極大值之檢測光量同為D4，且第1波長之雷射光L1的衰減量與第2波長之雷射光L2的衰減量同為(D4-D3)。
但實際上，兩個雷射光會產生發光強度的差別，各個雷射光的受光感度也會產生差別，因此當成膜裝置1開始動時，必須進行初始化操作。
以初始化操作為一例示，將預先成膜成樣品用的半導體層的基板6設置在處理室2內的工作台3上，一邊以熱電溫度計10來監視溫度、一邊使得基板6與半導體層7的溫度緩緩上升，使第1波長之雷射光L1與第2波長之雷射光L2賦予樣品用的半導體層。測定當溫度超過第1溫度範圍(T3-T4)時之第1波長之雷射光L1的檢測光量之 變化與當溫度超過第2溫度範圍(T5-T6)時之第2波長之雷射光L2的檢測光量之變化。根據該測定值，以在第1溫度範圍的第1波長之雷射光L1的檢測光量之衰減幅與在第2溫度範圍的第2波長之雷射光的檢測光量之衰減幅為相同的方式，進行電路上的調整，或在軟體上施行校準。
其他的初始化操作，以未在處理室2內之透明的基板6成膜半導體層7的狀態下，使第2圖所示的第1雷射光源22亮燈，利用受光部11來檢測從基板6之底面6a和基板6之表面被漫反射的第1波長之雷射光L1。其次，使第2雷射光源23亮燈，利用受光部11來檢測從基板6之底面6a和基板6之表面被漫反射的第2波長之雷射光L2。然後，以使得第1雷射光源22亮燈時的檢測光量與使得第2雷射光源23亮燈時的檢測光量為相同等級的方式，在電路路上或軟體上進行校準亦可。
在施行前記初始化操作的成膜裝置1中，並不會再度使得半導體層7的溫度上升到比第7圖所示的T6還要高的溫度，就能立刻由受光部11之雷射光的檢測光量之監視值算出在第2溫度範圍的溫度T5與溫度T6之間的溫度Ty。
如第7圖所示，若使半導體層7的溫度上升，如以變化線(iii)所示，第1波長之雷射光L1的檢測光量就會超過衰減始點(e)到達衰減終點(f)。在該時點，如以變化線(iv)所示，第2波長之雷射光L2的檢測光量並不會衰 減。當第1波長之雷射光L1的檢測光量超過衰減終點(f)時，第1波長之雷射光L1的檢測光量之衰減量(D4-D3)，利用配備在受光部11的處理電路部12檢測，經由溫度檢測裝置33傳送到中央控制裝置30被保存。
然後，若提高半導體層7的溫度，第2波長之雷射光L2的檢測光量會到達衰減始點(g)，然後檢測光量就會衰減。此時得知第1波長之雷射光L1的檢測光量之衰減幅(D4-D3)，因此在中央控制裝置30，可由第2波長之雷射光L2的檢測光量超過衰減始點(g)之後且到達衰減終點(h)之前的監視值Db和第1波長之雷射光L1的衰減幅(D4-D3)，以下式算出半導體層7的溫度Ty。
Ty=T5+(T6-T5)×{(D4-Db)/(D4-D3)}
亦即，可令半導體層7之測定時的溫度，從(第2範圍之極大值的溫度)+(第2範圍的溫度差)×{(自第2波長之光的透過量之衰減起點至測定時的衰減量)/(有關於第1波長之光的檢測光量的衰減幅)}加以計算。
因而，當半導體層7的溫度上升時，監視第2波長之雷射光L2超過衰減始點(g)後的溫度，就可將半導體層7的控制在溫度T5至溫度T6之間的溫度Ty。
當第2波長之雷射光L2照射到半導體層7時的光之透過率與此時的溫度之關係，能以半導體材料與雷射光L2之波長的關係設定。例如：半導體層7為GaN(氮化鎵) 的情形下，若第2波長之雷射光L2的波長選擇445nm，就可以將在衰減始點(g)的溫度T5設定為約800℃，在衰減終點(h)的溫度T6設定為約900℃。在此情形下，可將半導體層7的成膜溫度，經常控制在800℃至900℃之間的特定溫度。
再者，第1波長之雷射光L1的波長，在衰減終點(f)的溫度T4，比第2波長之雷射光L2之衰減始點(g)的溫度T5還低的限度中，可由較廣的選擇幅度之中決定。
第1圖所示的成膜裝置1，以溫度變化測定裝置之一例，利用熱電溫度計10檢測出由基板6及半導體層7之表面發射出的紅外線，紅外線的檢測輸出傳送到溫度檢測裝置33，間接性的測定半導體層7的溫度。比較根據該紅外線檢測所得的溫度資訊與利用第1波長之雷射光L1和第2波長之雷射光L2算出的溫度，就能校準以紅外線檢測所得的熱電溫度計10的溫度資訊。或者，經由採用使用第1波長之雷射光L1和第2波長之雷射光L2所計算的溫度與以紅外線檢測所得到的溫度資訊之兩者，更可施行精度高的溫度控制。
第8圖是表示在以成膜裝置1來成膜半導體層7的途中，將半導體層7的溫度控制成第2溫度範圍(T6-T5)內的預定溫度Ty的溫度控制方法。
在第8圖以虛線T表示成膜在基板6之上的半導體層7的溫度變化。第1波長之雷射光L1以受光部11檢測的檢測光量之變化是以變化線(v)示之，第2波長之雷射光 L2以受光部11檢測的檢測光量之變化是以變化線(vi)示之。
對處理室2內導入材料氣體5成膜半導體層7時，一旦調整加熱器3a，半導體層7的溫度T就會上升。在時間τ a，第1波長之雷射光L1的檢測光量到達衰減始點(k)，然後成為衰減終點(m)，而求出半導體層7的溫度超過第1溫度範圍時的第1波長之雷射光L1的衰減幅(D6-D5)。
進而，若基板6及半導體層7的溫度上升，第2波長之雷射光L2的檢測光量超過衰減始點(n)，其後就能從以受光部11隨時檢測的第2波長之雷射光L2的受光量之監視值與已經測定的第1波長之雷射光L1的衰減幅(D6-D5)，立刻算出半導體層7的實際溫度。因而，在時間τ b中，第2波長之雷射光L2的檢測光量為D6和D5之中間的Dc之後，以加熱控制裝置31來控制加熱器3a，若檢測光量的監視值維持在Dc，就能持續將半導體層7的溫度設定在成膜最佳的第2溫度範圍(T5-T6)內的溫度Ty。
如第8圖所示，測定到第1波長之雷射光L1的檢測光量之衰減幅(D6-D5)後，監視第2波長之雷射光L2的檢測光量，縱使半導體層7的溫度未升高到超過第2溫度範圍，仍可將半導體層7的溫度設定在成膜最佳的溫度Ty。
第9圖與第10圖是表示在時間τ b之後，在半導體層7的溫度被控制成最佳值Ty的途中，以受光元件11檢 測的檢測光量產生變化的例示。
在第9圖所示的例示中，在時間τ b之後的溫度控制動作中，第2波長之雷射光L2的檢測光量在Dc很不安定，會變動成如α所示。此時，第1波長之雷射光L1的檢測光量也是極小值D5很不安定，發生與前記α同樣的變動β。如此一來，當第1波長之雷射光L1的檢測光量與第2波長之雷射光L2的檢測光量變動成相同時，半導體層7之表面7a的面粗糙度產生變化而漫反射光R2產生變化等，就能判定對半導體層7之雷射光的射入條件和反射條件產生變化。
對此，如第10圖所示，當第2波長之雷射光L2的檢測光量產生變動α時，若第1波長之雷射光L1的檢測光量超過衰減終點(m)後，未示出大變化，就能判定對兩個波長之雷射光的光之透過條件和反射條件沒有變化，且半導體層7的溫度產生變化Tz的結果。
亦即，第1波長之雷射光L1的檢測光量超過衰減終點(m)之後，監視第1波長之雷射光L1的檢測光量與第2波長之雷射光L2的檢測光量之兩者，就能判定半導體層7的溫度產生變化，或是半導體層7產生光學性的變化。
例如：半導體層7在成膜途中，表面7a的一部分產生蒸發，而面變粗糙，在表面7a的漫反射光R2增大，但可藉由前記監視得知此種現象，來控制原料氣體5的導入量和加熱溫度，就能抑制表面7a產生面粗糙。或者也能故意在半導體層7之表面7a產生面粗糙的控制。
進而，事先定量的掌握第1波長之雷射光L1的檢測光量之變化α與第2波長之雷射光L2的檢測光量之變化β的至少一方和半導體層7之表面7a的面粗度之大小及面粗度之容許量等之關係，使該函數儲存在中央控制裝置30，當出現如第9圖所示的檢測光量之變化α、β時，就可求出半導體層7之表面7a的面粗糙度。例如：由檢測光量的極大值D6與變化α、β的大小之比率，或是檢測光量的變動寬度(D6-D5)與變化α、β的大小之比率等，就能求出半導體層7之表面7a的面粗糙度之大小。藉此，能夠以實際的面粗糙度之大小為數值來推測，或者亦能夠使用於面粗糙度是否為容許值內之比較粗略的判定。
再者，本發明之溫度測定裝置及溫度測定方法，可與第1圖同樣的，使光檢測裝置10面對基板6的表面側，但使發射出兩個波長之雷射光L1、L2的發光裝置21面對基板6的背面之構造。此情形下，第1波長之雷射光L1與第2波長之雷射光L2，是射入到基板6的底面6a，穿透過基板6，進而穿透過半導體層7，以受光部11受光。
此情形下，亦與第1實施形態相同，使用兩個波長的雷射光L1、L2，消除半導體層7之表面的面粗糙度等，除了半導體層之光的透過率之變化以外的光學性變化，就能隨時測定半導體層7的溫度。
1‧‧‧成膜裝置
2‧‧‧處理室
3‧‧‧工作台
6‧‧‧基板
7‧‧‧半導體層
8‧‧‧第1窗
9‧‧‧第2窗
10‧‧‧熱電溫度計
11‧‧‧受光部
13‧‧‧第1受光元件
14‧‧‧第2受光元件
15‧‧‧波長濾波器
16‧‧‧光檢測裝置
20‧‧‧温度測定裝置
21‧‧‧發光裝置
22‧‧‧第1雷射光源
23‧‧‧第2雷射光源
L1‧‧‧第1波長之雷射光
L2‧‧‧第2波長之雷射光
T3-T4‧‧‧第1溫度範圍
T5-T6‧‧‧第2溫度範圍
(e)(g)‧‧‧衰減始點
(f)(h)‧‧‧衰減終點
第1圖是表示成膜裝置及本發明之第1實施形態的溫度測定裝置之構造概略的說明圖。
第2圖是表示構成溫度測定裝置之發光裝置的詳細說明圖。
第3圖是表示構成溫度測定裝置之光檢測裝置的詳細說明圖。
第4圖是表示成膜裝置之內部的基板及成膜中或成膜後的半導體層的放大說明圖。
第5圖是表示賦予半導體層的光之波長與光之透過率和半導體層之溫度的關係之線圖。
第6圖是表示賦予半導體層的光之透過率和半導體層之溫度的關係之線圖。
第7圖是表示賦予半導體層的兩個波長的光之透過率和半導體層之溫度的關係之線圖。
第8圖是表示進行半導體層之溫度控制之際的兩個波長的光之透過率的變化之線圖。
第9圖是表示半導體層的透過率是因溫度變化以外的因素而變化之狀態的線圖。
第10圖是表示起因於半導體層的溫度變化而使透過率產生變化之狀態的線圖。

Claims (12)

  1. 一種半導體層之溫度測定方法，係測定在處理室內成膜的半導體層之溫度的溫度測定方法，其特徵為：使用半導體層的溫度上升成為第1範圍溫度時使得對前記半導體層的透過率衰減的第1波長之光和前記半導體層的溫度成為比前記第1範圍還高的第2範圍時使得對前記半導體層之光的透過率衰減的第2波長之光；將第1波長之光與第2波長之光沿著相同路徑賦予前記半導體層，並且利用面對前記半導體的光檢測裝置來檢測前記第1波長之光之光量與第2波長之光之光量；前記半導體層的溫度超過前記第1範圍而上升，並在第1波長之光的檢測光量衰減之後，更於第2波長之光的檢測光量開始衰減之後的測定時，由該測定時的第2波長的檢測光量與第1波長之光的檢測光量的衰減幅，算出在半導體層的前記測定時的溫度，令前記半導體層之前記測定時的溫度，從(第2範圍之極大值的溫度)+(第2範圍的溫度差)×{(自第2波長之光的檢測光量之衰減起點至測定時的衰減量)/(第1波長之光的檢測光量的衰減幅)}加以計算。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載的半導體層之溫度測定方法，其中，由在基板上成膜半導體層之途中的前記測定時所得到的第2波長之光的檢測光量和第1波長之光的檢測光量的衰減幅，算出成膜途中之半導體層的溫度，並將前記基板的加熱溫度控制成該溫度為前記第2範圍內 的預定值。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所記載的半導體層之溫度測定方法，其中，一面加熱設置在前記處理室內的基板、一面供給原料分子，在前記基板上成膜半導體層；將第1波長之光與第2波長之光賦予前記半導體層的表面，利用面對前記半導體層之表面的前記光檢測裝置，來檢測通過前記半導體層之內部的漫反射光與在前記半導體層之表面被反射的漫反射光，前述基板為透明基板。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所記載的半導體層之溫度測定方法，其中，使用測定由半導體層所發射出的紅外線來測定半導體層溫度的溫度變化測定裝置，且以前記測定時所算出的前記第2範圍內的溫度，來校準前記溫度變化測定裝置的測定誤差。
  5. 如申請專利範圍第3項所記載的半導體層之溫度測定方法，其中，使用測定由半導體層所發射出的紅外線來測定半導體層溫度的溫度變化測定裝置，且以前記測定時所算出的前記第2範圍內的溫度，來校準前記溫度變化測定裝置的測定誤差。
  6. 一種半導體層之溫度變化判定方法，係測定在處理室內成膜的半導體層之溫度的溫度測定方法，其特徵為：使用半導體層的溫度上升成為第1範圍溫度時使得對前記半導體層的透過率衰減的第1波長之光和前記半導體 層的溫度成為比前記第1範圍還高的第2範圍時使得對前記半導體層之光的透過率衰減的第2波長之光；將第1波長之光與第2波長之光沿著相同路徑賦予前記半導體層，並且利用面對前記半導體的光檢測裝置來檢測前記第1波長之光之光量與前記第2波長之光之光量；前記半導體層的溫度超過前記第1範圍而上升，並在第1波長之光的檢測光量衰減之後，監視第2波長之光的檢測光量，且第2波長之光的檢測光量產生變化的話，參照此時的第1波長之光的檢測光量之變化，來判定第2波長之光的檢測光量之變化，是因半導體層的溫度變化所引起，或是於半導體層之光學性變化所引起。
  7. 如申請專利範圍第6項所記載的半導體層之溫度變化判定方法，其中，當第2波長之光的檢測光量產生變化時，第1波長之光檢測光量也產生變化的話，即判定第2波長之光的檢測光量之變化，是因半導體層的溫度變化或於半導體層之光學性變化所引起。
  8. 如申請專利範圍第7項所記載的半導體層之溫度變化判定方法，其中，由第1波長之光的檢測光量之變化與第2波長之光的檢測光量之變化的至少一方，求得半導體層的表面粗度。
  9. 如申請專利範圍第6項所記載的半導體層之溫度變化判定方法，其中，當第2波長之光的檢測光量產生變化時，第1波長之光的檢測光量並未產生變化時，判定第2波長之光的檢測光量之變化，是因半導體層的溫度變化 所引起。
  10. 如申請專利範圍第6項至第9項之任一項所記載的半導體層之溫度變化判定方法，其中，一面加熱設置在前記處理室內的透明基板、一面供給原料分子，在前記基板上成膜半導體層；將第1波長之光與第2波長之光賦予前記半導體層的表面，利用面對前記半導體層之表面的前記光檢測裝置，來檢測通過前記半導體層之內部的漫反射光與在前記半導體層之表面被反射的漫反射光，前述基板為透明基板。
  11. 一種半導體層之溫度測定裝置，係測定在處理室內成膜的半導體層之溫度的溫度測定裝置，其特徵為：設有：賦予半導體層的溫度上升成為第1範圍溫度時使得對前記半導體層的透過率衰減的第1波長之光和前記半導體層的溫度成為比前記第1範圍還高的第2範圍時使得對前記半導體層之光的透過率衰減的第2波長之光的發光裝置；和檢測第1波長之光與第2波長之光的光檢測裝置；前記發光裝置與前記光檢測裝置是面對半導體的表面，第1波長之光與第2波長之光是沿著相同路徑賦予前記表面，且通過前記半導體層之內部的漫反射光與來自前記表面的漫反射光是以前記光檢測裝置檢測；設有：由以前記光檢測裝置檢測出的第1波長之光的檢測光量與第2波長之光的檢測光量，來算出前記半導體層之溫度的控制裝置， 在前記控制裝置中，前記半導體層的溫度超過前記第1範圍而上升，並在第1波長之光的檢測光量衰減之後，更於第2波長之光的檢測光量開始衰減之後的測定時，由該測定時的第2波長的檢測光量與第1波長之光的檢測光量的衰減幅，算出在半導體層的前記第2範圍內的溫度。 在前記控制裝置中，前記半導體層的溫度超過前記第1範圍而上升，並在第1波長之光的檢測光量衰減之後，監視第2波長之光的檢測光量，且第2波長之光的檢測光量產生變化的話，參照此時的第1波長之光的檢測光量之變化，判定第2波長之光的檢測光量之變化，是因半導體層的溫度變化所引起，或是於半導體層之光學性變化所引起。
  12. 如申請專利範圍第11項所記載的半導體層之溫度測定裝置，其中，在前記控制部中，當第2波長之光的檢測光量與第1波長之光的檢測光量同時變化時，由第1波長之光的檢測光量之變化與第2波長之光的檢測光量的至少一方，算出半導體層的表面粗度。
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