TWI667447B - Growth rate measuring device and growth rate detecting method - Google Patents

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Abstract

本發明的實施形態是有關於一種成長速度測定裝置及成長速度檢測方法。實施形態的成長速度測定裝置包括：反射率計，將各不相同的多個波長的光照射至基板的表面，分別測量基板的表面的反射率；擬合部，使預先求出的反射率的模型函數，以依次積層於基板上的薄膜中至少一層的折射率及成長速度中的至少一者為擬合參數，與反射率的測量值擬合；參數抽出部，針對多個波長的各者，抽出反射率的模型函數與反射率的測量值之間的誤差變為極小時的擬合參數；以及參數選定部，自針對多個波長的各者而抽出的擬合參數中選定擬合參數的最佳值。

Description

成長速度測定裝置及成長速度檢測方法
本發明的實施形態是有關於一種成長速度測定裝置及成長速度檢測方法。
作為再現性良好且遍及大面積地均一形成薄膜的方法，有機金屬化學氣相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)、分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy，MBE)、濺射(sputtering)法等在氣相中製膜的方法(氣相成長法)已為人所知，這些方法是重要的工業薄膜形成方法。作為即時地觀察這些氣相成長法所形成的薄膜的光學常數或成長速度的方法，已知有對光反射率的歷時變化進行監視的方法。在該方法中，經由設置於薄膜形成裝置的壁面的光學窗，將光照射至形成有薄膜的測定對象，在成膜製程中測量某特定波長的光的反射率。在形成薄膜的基板的表面為鏡面的情況下，對於照射至該薄膜的光而言，由於所形成的薄膜表面的反射光與基板和薄膜的界面的反射光之間的干涉效果，所觀測的反射率會相對於薄膜的膜厚而週期性地發生變化。能夠根據反射率相對於膜厚的變化週期、反射率的最小值、最大值等值來計算所形成的薄膜的光學常數或膜厚，而且能夠根據薄膜的成膜時間來計算成長速度。
以下，對一般的所述計算的流程進行說明。首先，薄膜的反射率能夠藉由反射率計來測量。另一方面，能夠藉由使用所形成的薄膜的成長速度、折射率等參數的計算來模擬(simulation)反射率的時間變化(以下，有時稱為反射率的模型函數)。因此，以與反射率計得出的反射率的時間變化的實測值進行比較時的誤差變為極小的方式決定(擬合(fitting))使用所述參數的模擬的結果，藉此能夠選定反射率的模型函數中的擬合參數(fitting parameter)。然而，有時使反射率的模型函數與反射率的實測值擬合時的誤差的極小點出現多處，從而可能有無法容易地判斷哪一極小點是正確的解的情況。
本發明的實施形態提供一種能夠以比較短的時間選定擬合參數的成長速度測定裝置及成長速度檢測方法。
在本實施形態的一態樣中，提供成長速度測定裝置，其包括：反射率計，將各不相同的多個波長的光照射至基板的表面，分別測量所述基板的表面的反射率；擬合部，使預先求出的所述反射率的模型函數，以依次積層於所述基板上的薄膜中至少一層的折射率及成長速度中的至少一者為擬合參數，與所述反射率的測量值擬合；參數抽出部，針對所述多個波長的各者，抽出所述反射率的模型函數與所述反射率的測量值之間的誤差變為極小時的所述擬合參數；以及 參數選定部，自針對所述多個波長的各者而抽出的所述擬合參數中選定所述擬合參數的最佳值。
1‧‧‧氣相成長裝置
2‧‧‧腔室
2a‧‧‧透光窗
3‧‧‧氣體供給部
3a‧‧‧氣體儲存部
3b‧‧‧氣體管
3c‧‧‧氣體閥
4‧‧‧原料放出部
4a‧‧‧沖淋板
4b‧‧‧氣體噴出口
5‧‧‧基座
5a‧‧‧沉孔
6‧‧‧旋轉部
7‧‧‧加熱器
8‧‧‧氣體排出部
9‧‧‧排氣機構
9b‧‧‧排氣閥
9c‧‧‧真空泵
10‧‧‧放射溫度計
10a‧‧‧光源
10b‧‧‧半反射鏡
10c‧‧‧焦點調整用透鏡
10d‧‧‧波長選擇濾光器
10e‧‧‧光圈
10f‧‧‧光接收部
10g‧‧‧溫度計控制部
11‧‧‧控制部
21‧‧‧成長速度測定裝置
22‧‧‧擬合部
23‧‧‧參數抽出部
24‧‧‧參數選定部
A~D‧‧‧處理流程
L1‧‧‧照明光
L1a‧‧‧反射光
L2‧‧‧熱輻射光
M1‧‧‧光接收面
W‧‧‧晶圓
Wa‧‧‧膜成長面
w1~w3‧‧‧反射率波形
w4~w6‧‧‧波形
w7~w9‧‧‧曲線
w10‧‧‧誤差曲線(曲線)
w11‧‧‧折射率曲線(曲線)
w12、w14、w16、w17‧‧‧誤差曲線
w13、w15‧‧‧折射率曲線
p1、p2‧‧‧極小值(極小點)
p3、p4、p5、p6、p7、p8、p9、p10‧‧‧極小點
λ1、λ2‧‧‧波長
S1~S9、S11~S15、S17~S19、S21~S25‧‧‧步驟
圖1是表示一實施形態的氣相成長裝置的概略構成的圖。
圖2是表示放射溫度計的內部構成的圖。
圖3是表示干涉光的反射率隨時間變化的狀況的波形圖。
圖4是說明本實施形態的成長速度測定裝置所進行的處理的概要的圖。
圖5是說明誤差的極小值的圖。
圖6A是表示積層氮化鋁(AlN)層及應變層超晶格(strained layer superlattices，SLS)時反射率的時間變化的曲線圖(graph)。
圖6B是放大積層AlN層的部分的反射率的時間變化的曲線圖。
圖6C是放大積層SLS的部分的反射率的時間變化的曲線圖。
圖7是表示使用波長λ1的光時的誤差及折射率與成長速度之間的關係的圖。
圖8是表示使用波長λ2的光時的誤差及折射率與成長速度之間的關係的圖。
圖9是以三維圖像來展現使用波長λ2的光時的誤差的、成長速度與折射率之間的關係的圖。
圖10是表示使用波長λ3的光時的誤差及折射率與成長速度之間的關係的圖。
圖11是重疊表示使用波長λ1、波長λ2、波長λ3的光時的誤差及折射率與成長速度之間的關係的圖。
圖12表示分別使用兩個波長λ1及λ2的光時的誤差曲線的圖。
圖13是對自誤差曲線上的極小點中選定作為正確的解的極小點這一處理流程進行說明的圖。
圖14是表示成長速度測定裝置的內部構成的方塊圖。
圖15A是表示擬合部的處理動作的流程圖。
圖15B是表示由圖15A的處理調用的副常式(subroutine)的處理的流程圖。
圖16是表示基於圖13的處理流程的參數抽出部及參數選定部的處理動作的一例的流程圖。
圖17是表示基於圖12的處理流程的參數抽出部及參數選定部的處理動作的一例的流程圖。
以下，參照附圖對本公開的一實施形態進行說明。再者，在本案說明書所添付的附圖中，為了便於圖示及理解，適當將縮尺及縱橫的尺寸比等自實物的該些進行變更誇大。
進而，本說明書中所使用的、確定形狀或幾何學的條件及該些的程度的、例如「平行」、「正交」、「相同」等用語或者長度或角度的值等，不受限於嚴密的意思，應包含可期待同樣的功能的程度的範圍來進行理解。
圖1是表示一實施形態的氣相成長裝置1的概略構成的 圖。在本實施形態中，對如下例子進行說明，該例子是指使用矽基板，具體而言使用矽晶圓(以下僅稱為晶圓)W作為進行成膜處理的基板，在該晶圓W上積層形成單一的膜或多層薄膜。以下，以MOCVD為例來具體地說明氣相成長方法。另外，本實施形態亦可應用於矽基板以外的基板，但基板的表面需要是鏡面。而且，在基板的表面積層多層薄膜的製法亦可為MOCVD以外的製法。
圖1的氣相成長裝置1包括：在晶圓W上成膜的腔室2、將原料氣體供給至該腔室2內的晶圓W的氣體供給部3、位於腔室2的上部的原料放出部4、在腔室2內支撐晶圓W的基座5、保持該基座5而旋轉的旋轉部6、對晶圓W進行加熱的加熱器(heater)7、將腔室2內的氣體排出的氣體排出部8、自該氣體排出部8排出氣體的排氣機構9、對晶圓W的溫度進行測定的放射溫度計(radiation thermometer)10以及對各部分進行控制的控制部11。
腔室2為可收納作為成膜對象的晶圓W的形狀(例如圓筒形狀)，腔室2的內部收容有基座5、加熱器7、旋轉部6的一部分等。
氣體供給部3具有：多個氣體儲存部3a，個別地儲存多種氣體；多根氣體管3b，連接這些氣體儲存部3a與原料放出部4；以及多個氣體閥(gas valve)3c，對流經這些氣體管3b的氣體的流量進行調整。各氣體閥3c連接於對應的氣體管3b。多個氣體閥3c由控制部11控制。實際的配管可採用結合多根氣體管，或將一 根氣體管分支為多氣體管，或者將氣體管的分支或結合加以組合等多種構成。
氣體供給部3所供給的原料氣體經由原料放出部4而放出至腔室2內。放出至腔室2內的原料氣體(處理氣體)供給至晶圓W上，藉此，在晶圓W上形成所期望的膜。再者，所使用的原料氣體的種類並無特別限定。
在原料放出部4的底面側設置有沖淋板(shower plate)4a。能夠使用不鏽鋼或鋁合金等金屬材料來構成該沖淋板4a。來自多根氣體管3b的氣體在原料放出部4內混合，經由沖淋板4a的氣體噴出口4b而供給至腔室2內。再者，亦可在沖淋板4a中設置多個氣體流路，將多種氣體以分離的狀態供給至腔室2內的晶圓W。
應考慮所形成的膜的均一性、原料效率、再現性、製作成本等來選定原料放出部4的結構，但只要滿足這些要求，則並無特別限定，亦能夠適當地使用眾所周知的結構。
基座5設置於旋轉部6的上部，且為如下結構，即，將晶圓W載置且支撐於設置在基座5的內周側的沉孔(counterbore)內。再者，在圖1的例子中，基座5為中央具有開口部的環狀形狀，但亦可為無開口部的大致平板形狀。
加熱器7是對基座5及/或晶圓W進行加熱的加熱部。只要滿足將加熱對象加熱至所期望的溫度及溫度分佈的能力、耐久性等要求，則並無特別限定。具體而言，可列舉電阻加熱、燈 加熱、感應加熱等。
排氣機構9經由氣體排出部8，自腔室2的內部排出反應後的原料氣體，且藉由排氣閥9b與真空泵9c的作用，將腔室2內控制為所期望的壓力。
放射溫度計10設置於原料放出部4的上表面。放射溫度計10將來自光源的光照射至晶圓W，接收來自晶圓W的反射光，對晶圓W的反射光強度進行測定。如此，放射溫度計10作為對膜成長面的反射率進行測定的反射率計而發揮功能。而且，放射溫度計10接收來自晶圓W的膜成長面Wa的熱輻射光，對熱輻射光強度進行測定。放射溫度計10在內部具有資料運算部。該資料運算部根據熱輻射光強度與反射率來求出晶圓W的溫度。資料運算部例如可包含通用的電腦(computer)。
在原料放出部4的上表面設置透光窗2a，來自放射溫度計10的光源的光、與來自晶圓W的反射光及熱輻射光通過該透光窗2a。透光窗2a可採用狹縫形狀或矩形狀、圓形狀等任意形狀。在窗中使用於放射溫度計10所測量的光的波長範圍內透明的構件。在對室溫至1500℃左右的溫度進行測定的情況下，較佳為測量可見光區域至近紅外區域的光的波長，在該情況下，可適當地使用石英玻璃等作為窗的構件。
控制部11包括：電腦，集中地對氣相成長裝置1內的各部分進行控制；以及記憶部，記憶與成膜處理相關的成膜處理資訊或各種程式等。控制部11基於成膜處理資訊或各種程式來對 氣體供給部3或旋轉部6的旋轉機構、排氣機構9等進行控制，控制加熱器7對於晶圓W的加熱等。此外，控制部11具有本實施形態的成長速度測定裝置21的功能。再者，亦可在圖1的氣相成長裝置1內與控制部11分開地設置成長速度測定裝置21。在該情況下，成長速度測定裝置21連接於控制部11。成長速度測定裝置21的內部構成及動作將後述。
圖2是表示放射溫度計10的內部構成的圖。放射溫度計10具有光源10a、半反射鏡(half mirror)10b、焦點調整用透鏡10c、波長選擇濾光器10d、光圈10e、光接收部10f以及溫度計控制部10g。
光源10a發出用以照射至晶圓W的照明光L1。半反射鏡10b反射照明光L1而使該照明光L1朝向晶圓W，並且使來自晶圓W的光透過。焦點調整用透鏡10c使透過半反射鏡10b的照明光L1在晶圓W上成像。而且，焦點調整用透鏡10c使來自晶圓W的反射光L1a與熱輻射光L2在光接收部10f的光接收面M1上成像。波長選擇濾光器10d使透過半反射鏡10b的光中的規定波長範圍的反射光L1a與熱輻射光L2透過。光圈10e僅使來自晶圓W上的測定所需的部分的光透過。光接收部10f接收透過光圈10e的反射光L1a與熱輻射光L2。溫度計控制部10g基於光接收部10f所接收的反射光L1a的強度(反射光強度)與熱輻射光L2的強度(熱輻射光強度)來求出晶圓W的溫度。
放射溫度計10是將較大的波長範圍的光照射至測定對 象，藉由波長選擇濾光器來觀測所反射的光中的特定波長的光。原因在於：亦需要在特定的波長範圍內對熱輻射光強度進行測定。另一方面，在僅求出反射率的情況下，亦能夠使用如下方法，即，預先將特定波長的光照射至測定對象，對該測定對象的反射光強度進行測定。藉由使較大的波長範圍的光通過波長選擇濾光器，僅使特定波長的光透過，能夠獲得所述特定波長的光。或者，亦可使用如雷射光線一樣的來自單色性佳的光源的光。
放射溫度計10所測定出的反射率能夠用作本實施形態的反射率的實測資料。而且，亦可使氣相成長裝置具備用於本實施形態的專用的反射率測定裝置。此外，對基板的翹曲進行觀測的裝置一般會對基板照射如雷射光一樣的指向性強的光，此種翹曲測定裝置能夠一面觀測翹曲，一面測定反射光強度。此種翹曲測定裝置等所測定出的反射率的資料亦能夠用作本實施形態的反射率的實測資料。
本實施形態的氣相成長裝置1能夠用於在晶圓W上形成各種膜，以下，作為一例，對在矽晶圓W上形成AlN層、交替積層鋁鎵氮(AlGaN)及AlN薄膜的SLS結構(Strained Layer Superlattice(應變超晶格)結構，以下，有時稱為SLS)時的成長速度測定進行說明。
(本實施形態的基本原理)
以下，對本實施形態的基本原理進行說明。當在表面為鏡面的基板的表面上形成一層或多層薄膜的過程中，將任意波長的光 照射至薄膜的表面時，來自薄膜表面的反射光與來自基板的表面的反射光發生干涉，干涉光的反射率隨時間而變化。反射率變化的週期因照射至薄膜的光的波長而異。更具體而言，干涉光的週期以2nd/λ來表示。n是薄膜的折射率，d是薄膜的膜厚、λ是所照射的光的波長。
圖3是表示干涉光的反射率隨時間變化的狀況的波形圖。圖3的橫軸為時間，縱軸為反射率。圖3中示出了與照射至薄膜表面的三個波長的光對應的三個反射率波形w1~w3。示出了w2較w1波長短，而w3較w2波長短的示例。根據圖3可知，波長越長反射率的時間變化越和緩。
圖4是說明本實施形態的成長速度測定裝置21所進行的處理的概要的圖。圖4的波形w4是藉由反射率計而測量出的反射率的時間變化，波形w5是藉由模擬而求出的反射率的時間變化(反射率的模型函數)。圖4的橫軸為時間，縱軸為反射率。在本實施形態中，藉由調整反射率的模型函數的參數(以下，稱為擬合參數)而進行使波形w5與波形w4一致(以下，稱為擬合)的處理。波形w6示出了使波形w5與波形w4擬合的示例。
結果，如圖5所示，反射率的模型函數與藉由反射率計而測量出的反射率之間的誤差在擬合最佳時變得極小，將該點稱為最佳值。再者，為了簡便，在圖5中示出了所述擬合中所使用的參數為一個的情形，但實際上，擬合中使用大量參數，所述誤差成為該些參數的多維函數。
圖6A是表示在矽基板上使作為緩衝層(buffer layer)而發揮功能的AlN層成長後，使被稱為SLS的將AlN薄膜與AlGaN薄膜交替積層而成的積層膜成長時的、AlN層與SLS實際測定出的反射率的時間變化的曲線圖。圖6A的曲線(graph)w7~曲線w9示出了反射率計所測量出的反射率的時間變化。曲線w7~曲線w9分別示出了照射波長λ1~波長λ3的光的情況。
圖6B示出了將作為緩衝層的AlN層積層時的反射率的時間變化放大而得的曲線，圖6C示出了將SLS積層時的反射率的時間變化放大而得的曲線。
圖7示出了使反射率的模型函數相對於圖6B所示的波長λ1下的AlN層的反射率的測定值而擬合時的誤差及藉由擬合而獲得的折射率相對於成長速度的關係(分別為曲線w10及曲線w11)。
誤差曲線w10的橫軸為AlN層的成長速度(nm/sec)，縱軸為誤差量。折射率曲線w11的橫軸為AlN層的成長速度(nm/sec)，縱軸為折射率n。
此處，針對圖7所示的誤差及折射率的計算方法，在以下進行說明。在圖6B所示的使AlN層成長的情況下，反射率的時間變化以成長AlN層的基板的複數折射率(complex index of refraction)的實數部及虛數部、AlN的折射率、AlN的成長速度這四個參數來表示。通常針對該四個參數同時進行擬合，但此處為了明確擬合的誤差及根據擬合求出的折射率與成長速度的關 係，而將四個擬合參數中的成長速度固定為某值而另外三個參數進行擬合。如此，求出在某成長速度的情況下誤差減少至多少及所述情況下的折射率的值。圖7是針對不同的多個成長速度的值執行所述流程，並相對於成長速度而對以所述流程求出的誤差及折射率進行繪製而成。圖7的誤差曲線w10中的極小值p1、極小值p2應給予與對四個參數同時進行擬合時的極小值同等的效果。
再者，所述基板的複數折射率為假想者。即，在單層或多層的膜上進一步形成薄膜時的反射率變化已知等同於與將所形成的薄膜之下的層設為具有假想的複數折射率的單一層者。如上所述，將於其上形成薄膜的層設為具有假想的複數折射率的單一層而計算反射率的方法被稱為假想界面法等。
然而，誤差曲線w10的誤差中存在兩處極小點p1、極小點p2。該些極小點p1、極小點p2表示藉由反射率的模型函數計算出的反射率與反射率計所測量出的反射率的擬合為最佳時的成長速度。p1與p2的極小點中，有一個被認為對應於實際的成長速度，但若考慮反射率的測定中所包含的誤差等，則p1與p2的哪一個是正確的解僅根據圖7的結果原理上而言無法判定。
另一方面，該些兩個極小點p1、p2的AlN的折射率不同，成長速度更大的極小點p2的折射率為不足2.0，較實際的AlN層的折射率小。由此，可知極小點p2並非用以推測AlN層的成長速度的正確的解，並能夠推測極小點p1的成長速度為正確的解。
圖8示出了使用與圖7不同的波長λ2的光進行擬合時 的誤差的誤差曲線w12及藉由擬合而獲得的折射率曲線w13。在圖8中，亦在誤差曲線w12中存在兩個極小點p3、p4。然而，極小點p3、極小點p4的折射率均超過2.0，極小點p3、極小點p4中哪一個為正確的解僅利用圖8無法判別。
再者，圖9是以三維圖像來展現使用波長λ2的光進行擬合時的誤差量的圖。此處，將擬合中所使用的四個參數中的成長速度及折射率固定為某值而進行擬合。示出了針對大量的成長速度與折射率的組合進行擬合而獲得的誤差的、成長速度與折射率的關係。圖9的x軸是成長速度，y軸是折射率，z軸是(1/誤差量)的對數。示出了z軸的值越大誤差量越小。除去z軸的取值方式不同的情況，原理上而言，圖9的棱角部分的成長速度向軸向的投影成為圖8。圖9的三維圖像的峰值(peak)位置為圖8的極小點。實際的四個參數擬合可以說是自圖9中的某出發點(參數的初始值)尋找誤差變為極小的參數。可知：自圖9的出發點探尋到的誤差的峰值位置因擬合中所使用的初始參數而改變。
圖10示出了使用與圖7或圖8不同的λ3的光進行擬合時的誤差曲線w14及藉由擬合而獲得的折射率曲線w15。在圖10中亦存在兩處極小點p5、p6，但極小點p5處的折射率遠超過考慮了測定誤差的AlN的折射率的上限2.5，非正確的解。由此，能夠推測極小點p6的成長速度為正確的解。
如上所述，使反射率的模型函數與反射率計所測量的反射率擬合時，有時誤差變為極小的部位(擬合參數)存在多個。 在該情況下，存在無法容易地判斷該些多個擬合參數中哪一個擬合參數是正確的解的可能性。在所述情況下，若如上所述已知折射率的資訊，則存在能夠排除不正確的解而選定正確的擬合參數的可能性。而且，亦考慮藉由與使用X射線繞射或橢圓偏振計(ellipsometer)等其他測量設備得出的測量結果進行比較，而選定正確的擬合參數，但存在所述組合使用的分析方法的適用範圍受到限制或必須進行多個測定而耗費功夫等問題。
因此，在本實施形態中，分別使用多個波長的光來進行使反射率的模型函數與反射率計所測量的反射率擬合的處理，針對各波長抽出誤差的極小點，並對各波長的極小點的位置進行比較，藉此進行擬合參數的選定。藉此，能夠不使用折射率等資訊，或不使用其他測量設備等，而例如藉由軟體處理來選定擬合參數。
圖11是將三個波長λ1、λ2、λ3的誤差曲線與對應的折射率曲線重合的圖。圖11的橫軸為成長速度(nm/sec)，縱軸為誤差量或折射率值。誤差變為極小的成長速度因各波長而各異，但圖11中以箭頭所示的極小點在三個誤差曲線中為共通。由此，可知該極小點位置的成長速度為正確的解。在所述求正確的解的流程中，不需要成膜材料(AlN)的折射率相關的知識。
如此，若分別使用多個波長來抽出誤差的極小點，並找出各波長的誤差的極小點的位置一致的部位，則能夠將所述部位的擬合參數選定為正確的解。
若將所述流程換句話說，則可以說：利用多個不同的波 長對積層薄膜過程中的基板的反射率的時間變化進行測定，並藉由反射率的模型函數的擬合抽出各波長的極小點，在所述波長間對所抽出的極小點進行比較，從而選定正確的解。
圖11是使用三個波長進行擬合參數的選定，但能夠藉由最低兩個波長下的極小值的抽出結果來進行擬合參數的選定。圖12是對使用兩個波長來選定擬合參數即薄膜的成長速度的示例進行說明的圖。圖12示意性地示出了分別使用兩個波長λ1及λ2的光時的誤差曲線w16、誤差曲線w17。與波長λ1的光對應的誤差曲線w16中存在兩個極小點p7、p8，與波長λ2的光對應的誤差曲線w17中亦存在兩個極小點p9、p10。該些極小點中，極小點p8、極小點p9的參數即成長速度一致。藉由所述極小點p8、極小點p9的參數的值，能夠選定擬合參數。
如此，根據本實施形態，即便在一個波長下，誤差曲線中出現多個極小點，而無法確定其中哪一個極小點是正確的解的情況下，亦能夠藉由使用多個波長而選定作為正確的解的極小點。
在上述所說明的方法中，為了在一個波長下抽出所有的極小點，而針對細緻分割的成長速度的各點進行了擬合。在該方法中，僅進行成長速度的點數次數的擬合，因此難以在短時間內進行極小點的抽出作業。因此，亦可在預先被分割為必要的區間的成長速度的範圍內進行成長速度亦包含在擬合參數中的擬合。例如，在認為在給予的成長速度的範圍內存在三個極小點的情況下，將所述給予的成長速度的範圍僅分割為三以上的適當的數 份，並在所述分割的成長速度的範圍內使用包含成長速度的擬合參數來進行擬合。以所述流程可大幅地減少擬合的次數並抽出必要的極小點。再者，在所述說明中，列舉了成長速度作為分割範圍的參數的示例，但亦可將其他參數作為分割範圍的參數。
圖13是對使用兩個波長λ1及λ2的光，自誤差曲線上的極小點中選定作為正確的解的極小點這一其他處理流程進行說明的圖。再者，圖13所示的誤差與成長速度的關係(w16及w17)是為了幫助理解以下的擬合的流程而示出，無需提前瞭解。即，在誤差與成長速度處於圖13所示一樣的關係的情況下，實際的擬合是自某參數的初始值出發。藉由調查該初始值附近的參數(此處為成長速度)與誤差的關係，能夠大致推定所述參數的最佳值。以如此獲得的參數的最佳值的推定值為基礎再次進行最佳值的推定。藉由重覆所述操作，即便未整體瞭解實際的誤差與參數的關係，亦能夠探尋到誤差變為極小的參數的值。
若返回圖13的說明，則首先藉由波長λ1的光的誤差曲線w16上的擬合而抽出最初的極小點(圖13的A)。藉此，若抽出極小點p7，則接下來，以該極小點p7處的參數值(例如極小點p7處的成長速度)為出發點，藉由波長λ2的光的誤差曲線w17上的擬合而抽出下一極小點(圖13的B)。並且，若成為極小點p9附近的規定的點，則以該點處的參數值為出發點進行擬合，抽出波長λ1的光的誤差曲線上的下一極小點(圖13的C)。藉此，若抽出極小點p8，則接下來判定該極小點p8處的參數值是否為波 長λ2的光的誤差曲線上的極小點(圖13的D)，若為極小點，則判斷為找到兩誤差曲線上的極小點一致的地方，從而將該極小點處的參數值選定為正確的參數。該方法的特點是：當在一個波長下抽出的極小值非其他波長下的極小值時(非正確的參數時)，藉由進行下一波長下的擬合，擬合自初始的參數(在最初的波長下作為極小點而被抽出的參數)自動地移動至其他極小點。在該方法中，無需預先抽出所有的極小點，從而流程大幅簡略化。
若將所述流程換句話說，則：利用多個不同的波長對積層薄膜過程中的基板的反射率的時間變化進行測定，首先在一個波長下抽出一個極小點，並判定所述抽出的極小點是否為其他波長下的極小點。在結果判定為在所述其他波長下亦為極小值的情況下，將該解選定為正確的解。另一方面，在最初抽出的極小值在其他波長下不為極小值的情況下，新抽出所述其他波長下的極小值。針對該新抽出的極小值，進一步在不同於該波長的其他波長下進行上述操作。重覆該操作直至能夠選定正確的解。
在所述流程中，擬合亦可分為用以排除不正確的極小點的不那麼需要精度者與用以最終精密地決定參數者。為了使流程簡便，亦可在不需要高精度的擬合中，限制擬合中的反覆計算的次數或放寬用以判斷為找到極小點的判定基準。
作為具體地對給予不同波長下的誤差的極小點(圖13中為p8、p9)的參數值(圖13中為成長速度)是否相同進行判斷的方法的示例，能夠列舉利用在不同的波長下所抽出的參數的值 是否處於規定的範圍內來進行判定。為了最終高精度地決定參數，亦可在多個波長下同時進行擬合。
(成長速度測定裝置21的概要)
如上所述，本實施形態的成長速度測定裝置21能夠內置於圖1的控制部11中。在該情況下，控制部11既能夠以硬體構成的形式配備成長速度測定裝置21，亦可藉由軟體處理來實現成長速度測定裝置21的功能。
圖14是表示成長速度測定裝置21的內部構成的方塊圖。如圖14所示，成長速度測定裝置21具有擬合部22、參數抽出部23及參數選定部24。此外，成長速度測定裝置21中輸入有反射率計所測量出的反射率。
擬合部22使預先求出的反射率的模型函數，以依次積層於基板上的薄膜中至少一層的、折射率及成長速度中的至少一者為擬合參數，與反射率的測量值擬合。即，擬合部22進行參數擬合而求出最佳值。更詳細而言，擬合部22基於利用多個波長的光分別測量反射率而得的結果，對包含依次積層於基板上至少一層薄膜中至少一層的、折射率及成長速度中的至少一者的擬合參數進行調整，並針對多個波長的各者分別或針對多個波長同時使反射率的模型函數與反射率的測量值擬合。
參數抽出部23針對多個波長的各者，抽出反射率的模型函數與反射率的測量值之間的誤差變為極小時的擬合參數。即，參數抽出部23挑選(list up)一個或多個最佳值。
參數選定部24藉由將針對多個波長的各者而抽出的擬合參數彼此進行比較而選定擬合參數。例如，參數選定部24依次選擇多個波長，自各波長所抽出的擬合參數中選出(選定)在不同的波長間誤差變為極小時的擬合參數。
即，參數選定部24自針對每個波長而挑選出的最佳值中選定最佳者。
而且，作為另一具體例，參數抽出部23亦可抽出針對多個波長中的第1波長的擬合中的誤差變為極小時的第1擬合參數，並且抽出針對與基於該第1擬合參數的第1波長不同的第2波長的擬合中的誤差變為極小時的第2擬合參數。而且，參數選定部24亦可將第1擬合參數與第2擬合參數一致時的擬合參數設為最佳值。而且，參數抽出部23亦可反覆進行針對第1波長的擬合及針對第2波長的擬合，直至藉由參數選定部24選定擬合參數為止。
圖15A及圖15B是表示擬合部22的處理動作的一例的流程圖。首先，設定反射率的模型計算中所使用的各種參數(例如，基板的複數折射率、基板上的各薄膜的折射率、成長速度等)的初始值(步驟S1)。
其次，計算反射率計所測量出的反射率與模型計算出的反射率的誤差(步驟S2)。誤差是以將在反射率的各觀測時刻實測出的反射率(Rmes)與模型計算出的反射率(Rmodel)之差取平方，並作為所述各觀測時刻總和(ζ)的方式計算。該ζ是用於計 算的各參數(P)的函數，因此記作ζ(P)。當進行該步驟S2的處理時，調用圖15B的副常式。在該副常式中，將成長速度的設定值乘以成長時間而求出用於計算的積層後的各薄膜的膜厚(步驟S8)。此處，各薄膜的成長速度為擬合參數，其依照後述的最佳化的流程，與各薄膜折射率一併逐步最佳化。
其次，使用基板的複數折射率與各薄膜的膜厚及折射率來對基板與其上的積層結構進行反射率的模型計算(步驟S9)。在除了成長中斷過程中之外的全部的觀測時刻，反覆進行步驟S8及步驟S9的處理。由此，對自成長開始至當前時刻(在成長結束的情況下，為成長結束時)為止的反射率的時間變化進行模型計算。只是，在觀測時刻的數量多，反射率的模型函數的計算花費過多的時間的情況下，亦能夠以不降低計算的精度的程度間隔減少觀測時刻。
在所述圖15A的步驟S2中，將圖15B的副常式的處理所計算出的反射率Rmodel與實測出的反射率Rmes之差的平方作為各觀測時間的總和(ζ)來計算。
關於反射率的模型計算值與實測值的誤差，除了上述以外，亦可針對各時刻下的誤差的計算方法或其積算方法來適當變更。例如，針對各時刻下的誤差，是根據實測的反射率來對感測值與計算值之差進行加權，或設為觀測值與計算值之差的絕對值而非平方，針對積算值，是取單純的總和的平方根等。或者在反射率的觀測值與計算值之差為某規定值以上的情況下，亦可採取 如不參與到誤差的積算中一樣的方法。
其次，使各參數中的一部分或全部，自當前的值(P)稍微(δP)變化(步驟S3)。例如在折射率ns的初始值為2的情況下，設折射率ns為2.01等。將該變化量記作δns等。此處，參數例如為各薄膜的折射率ns或成長速度ks等，且亦稱為擬合參數。並且，再度調用圖15B的副常式而重覆步驟S8~步驟S9的處理，並藉由步驟S3計算誤差ζ(P+δP)。
根據需要，亦可使用若干個不同的δPq來計算ζ(P+δPq)。藉由該步驟S3來近似地求出ζ的δP的依存性。此處，對於成長速度互不相同的層彼此，準備不同的折射率。原因在於：除了成長速度以外，即使成膜條件相同，有時所形成的薄膜的折射率亦不同。但是，在預先已知即使成長速度不同，折射率亦相同的情況下，這些層彼此亦可使用相同的折射率。而且，基板及薄膜的折射率一般為複數，但在透明材料的情況下，折射率為實數。
其次，根據步驟S3所獲得的ζ的δP的依存性，推定使ζ為最小的δP(δPo)(步驟S4)。其次，使用自步驟S4求出的P+δPo，再度調用圖15B的副常式而重覆步驟S8及步驟S9的處理，並計算ζ(P+δPo)(步驟S5)。
其次，判定ζ(P+δPo)是否充分小(步驟S6)。只要該值小於規定的設定值，則認為進行了充分的擬合。另一方面，在該值並不小於規定的設定值的情況下，認為用於計算的參數具 有大誤差。在該情況下，再次返回S2，將P+δPo作為新的初始值而重新進行計算(步驟S7)。一般而言，藉由重覆所述步驟S1~步驟S7的處理，誤差ζ逐漸變小。
圖15A所示的擬合部22的處理針對對基板上成長中的各薄膜照射的各波長分別或多個波長同時進行。在本實施形態中，針對多個波長下的反射率的資料，主要考慮針對各波長分別進行反射率的擬合，在該情況下，成長速度及各波長下的折射率等為擬合參數，擬合中應設為最小的誤差是各波長下的反射率資料與反射率的模型函數之間的誤差。另一方面，在利用多個波長同時進行擬合的情況下，擬合參數是成長速度及成為擬合的對象的多個波長下的折射率等，擬合中應設為最小的誤差是成為擬合的對象的所有波長下的反射率資料與反射率的模型函數之間的誤差。
圖16是表示基於圖13的處理流程的參數抽出部23及參數選定部24的處理動作的一例的流程圖。圖16的處理示出了使用兩個波長λ1及λ2的光來進行擬合參數的選定的示例。
首先，將波長λ1的光照射至基板上的薄膜，使用利用反射率計對其反射光進行測量而得的資料來設定參數的初始值(步驟S11)，並使擬合部22進行圖15A的擬合處理(步驟S12)。此時，擬合部22重覆圖15A所示的流程圖規定次數，直至誤差變得充分小。
其次，參數抽出部23基於步驟S12的處理結果而抽出 最初的誤差的極小點(步驟S13)。使用步驟S13中抽出的誤差的極小點及波長λ2的光下所測量出的反射率的資料，將步驟S13中所檢索到的極小點處的參數作為初始值，使擬合部22進行圖15A的擬合處理(步驟S14)。
其次，參數抽出部23以λ2下的擬合(步驟S14)的處理結果為基礎而抽出λ2下的極小點(步驟S15)。
參數選定部24對針對λ1及λ2而抽出的極小點進行比較，並對所述極小點是否一致進行判定(步驟S17)。若一致，則利用該極小點來選定擬合參數(步驟S18)。若不一致，則將針對λ2而抽出的結果設定為初始值(步驟S15)，並重覆步驟S12之後的處理。
在反射率的測定波長存在三個的情況下，亦可在抽出波長λ2下的極小點後進而進行利用第3波長(λ3)進行擬合及誤差的極小點的抽出處理。在反射率的測定波長存在四個以上的情況下重覆同樣的處理即可。
圖17是表示基於圖12的處理流程的參數抽出部23及參數選定部24的處理動作的一例的流程圖。圖17的處理示出了使用k個波長λ1~λk的光來進行擬合參數的選定的示例。
首先，使用波長λ1的光，並使擬合部22進行擬合處理(步驟S21)。此時，擬合部22僅重覆圖15A的步驟S1~步驟S7的處理規定次數，直至誤差成為規定值以下為止。藉由該處理，獲得使用波長λ1的光時的誤差曲線。
同樣地，藉由依次使用波長λ2~波長λk的光進行與步驟S21相同的處理，而分別獲得使用波長λ2~波長λk的光時的誤差曲線(步驟S22、步驟S23)。
其次，對各誤差曲線中的誤差的極小點進行比較，檢索參數一致的極小點(步驟S24)。參數選定部24利用檢索到的極小點來選定擬合參數(步驟S25)。
以上例示了在基板上成長包括AlN層的單層的薄膜的示例。同樣的方法亦能夠應用於如AlGaN層及AlN層的SLS般在基板上形成兩層以上不同材料的薄膜的情形。只是，通常若所積層的薄膜中的材料的數量增加，則擬合中所使用的參數會增加。在所述材料不吸收測試波長的光的情況下，折射率的虛數部分成為0，因此一個所述材料有折射率及成長速度這兩個參數參加至擬合。關於成膜溫度，針對一個成膜溫度，基板的假想的複數折射率作為兩個(實部及虛部)參數而參加至擬合。
在基板上積層如SLS般包括多層的結構的情況下，根據所積層的材料，有時在暫時中斷成長至下一層的成膜開始為止的期間(成長中斷過程中)，暫時成膜的膜會被蝕刻。在該情況下，例如在AlGaN薄膜層的成長後，下一AlN薄膜層的成長開始前的成長中斷時，儘管成膜未進行，溫度等未變化，反射率仍稍許變化。此種成長中斷過程中的反射率的變化緣於成長中斷過程中AlGaN層被蝕刻而膜厚減少。因此，理想的是，在進行圖15A及圖15B的擬合處理時，將所述蝕刻的影響納入考慮範圍，在AlN 薄膜層的成長開始時，僅將AlGaN薄膜層的膜厚減少規定的厚度。
而且，有時因一面繼續成長一面積層的層而改變成長溫度。若使溫度發生變化，則基板側的層的光學性質較積層部分更發生變化，因此有時亦因最表面的層的膜厚的變化以外的因素而反射率發生變化。在該情況下，關於反射率的模型函數的計算，在溫度變化過程中不進行，僅在溫度固定的期間進行反射率的測定值與反射率的模型函數的比較即可。但是針對溫度變更過程中(不進行反射率的模型函數的計算的期間)的成膜量，必須恰當地以使其包含在其前後成膜的層中的方式進行計算。
如圖16或圖17所示，在使用多個波長來進行擬合處理的情況下，各波長理想的是相差10%以上。若相差10%以上的波長，則在各波長下的誤差曲線的極小點中，非正確的解的極小點中產生顯著的差異，從而易於檢測出正確的解。
另外，在即便進行圖16或圖17的處理亦未能自誤差曲線確定出正確的解的情況下，作為其原因，考慮基板上所積層的各薄膜非均勻的膜、照射至各薄膜的光的波長的值不正確、或反射率計的精度存在問題，反射率計所測量的反射率不正確等。由此，在藉由圖16或圖17的處理亦未能確定正確的解的情況下，需要弄清是否因所述原因而導致。
在藉由本實施形態的方法來選定擬合參數時，重要的是基板的表面為鏡面。在基板的表面形成厚膜的情況下，因光的干涉變得不明瞭，因此無法正確地測量反射率，從而精度下降。由 此，能夠藉由本實施形態正確選定擬合參數的薄膜的膜厚為數10μm以下。
本實施形態的成長速度測定裝置21亦可應用於MOCVD以外的成膜方法或蝕刻方法。本實施形態的成長速度測定裝置21可廣泛應用於對表面為鏡面的基板上積層多層薄膜時的成長速度解析。
如此，在本實施形態中，使用多個波長，分別進行反射率的擬合處理，並對反射率的誤差變為極小時的擬合參數彼此進行比較，從而選定擬合參數。由此，即便在藉由擬合而獲得的誤差曲線中存在多個極小點的情況下，亦能夠簡易且迅速地確定其中的正確的解。
根據本實施形態，若檢測出某波長下的誤差曲線上的一個極小點，則交替進行檢索其他波長下的誤差曲線上的極小點的處理，藉此能夠以比較短的時間選定擬合參數。
本發明的態樣並非限於所述各實施形態，亦包含該領域技術人員所能想到的各種變形，本發明的效果亦不限定於所述內容。即，可在不脫離自專利申請範圍中所規定的內容及其均等內容引導出的本發明的概念性的思想或主旨的範圍內，進行各種追加、變更及部分性的削除。
所述實施形態中所說明的成長速度測定裝置21的至少一部分既能夠以硬體構成，亦能夠以軟體構成。在以軟體構成的情況下，亦可將實現成長速度測定裝置21的至少一部分的功能的 程式收納於軟碟(flexible disk)或CD-ROM等儲存媒體，並由電腦讀取且執行。記錄介質並不限定於磁碟或光碟等可拆裝者，亦可為硬碟裝置或記憶體等固定型的儲存媒體。
而且，亦可經由網路等通信電路(亦包含無線通信)來發佈實現成長速度測定裝置21的至少一部分的功能的程式。進而，亦可在將同程式加密或施加調變而進行壓縮的狀態下，經由網路等有線電路或無線電路而收納於記錄媒體中來進行發佈。

Claims (9)

  1. 一種成長速度測定裝置，包括：反射率計，將各不相同的多個波長的光照射至基板的表面，分別測量所述基板的表面的反射率；擬合部，使預先求出的所述反射率的模型函數，以依次積層於所述基板上的薄膜中至少一層的折射率及成長速度中的至少一者為擬合參數，與所述反射率的測量值擬合；參數抽出部，針對所述多個波長的各者，抽出所述反射率的模型函數與所述反射率的測量值之間的誤差變為極小時的所述擬合參數；以及參數選定部，自針對所述多個波長的各者而抽出的所述擬合參數中選定所述擬合參數的最佳值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的成長速度測定裝置，其中，所述參數選定部將針對所述多個波長的各者而抽出的所述擬合參數一致時的所述擬合參數設為最佳值。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的成長速度測定裝置，其中，所述參數抽出部抽出針對所述多個波長中的第1波長的擬合中的所述誤差變為極小時的第1擬合參數，並且抽出針對與基於所述第1擬合參數的所述第1波長不同的第2波長的擬合中的所述誤差變為極小時的第2擬合參數， 所述參數選定部將所述第1擬合參數與所述第2擬合參數一致時的所述擬合參數設為最佳值。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的成長速度測定裝置，其中，所述參數抽出部反覆交替進行針對所述第1波長的擬合及針對所述第2波長的擬合，直至藉由所述參數選定部選定所述擬合參數為止。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的成長速度測定裝置，其中，所述擬合部針對照射至依次積層於所述基板上的薄膜的所述多個波長的光的各者分別，或針對所述多個波長的光同時，使所述反射率的模型函數與所述反射率的測量值擬合。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的成長速度測定裝置，其中，所述多個波長的各者具有10%以上的波長差。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的成長速度測定裝置，其中，所述參數抽出部針對所述多個波長的各者，抽出表示所述擬合參數與誤差量的關係的誤差曲線的極小點的所述擬合參數。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的成長速度測定裝置，其中，所述參數選定部將與所述多個波長對應的多個所述誤差曲線 的極小點一致時的所述擬合參數選定為最佳值。
  9. 一種成長速度檢測方法，其將各不相同的多個波長照射至基板的表面，分別測量所述基板的表面的反射率，基於分別測量所述多個波長的所述反射率而得的結果，選定包含積層於所述基板上的薄膜中至少一層的折射率及成長速度中的至少一者的參數的最佳值，其中使預先求出的所述反射率的模型函數，以依次積層於所述基板上的薄膜中至少一層的折射率及成長速度中的至少一者為擬合參數，與所述反射率的測量值擬合，針對所述多個波長的各者，抽出所述反射率的模型函數與所述反射率的測量值之間的誤差變為極小時的所述擬合參數，並且自針對所述多個波長的各者而抽出的所述擬合參數中選定所述擬合參數的最佳值。
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