半导体层的温度测定方法以及温度测定装置制造方法
【专利摘要】提供一种在对半导体层进行蒸镀而成膜时，能够直接高精度地得知半导体层的温度的测定装置以及测定方法。对半导体层照射在第1温度范围（T3-T4）内光的透射率衰减的第1波长的激光、和在第2温度范围（T5-T6）内光的透射率衰减的第2波长的激光，由受光部接收透过了半导体层的光。在半导体层的温度上升，而第1波长的激光的探测光量衰减了的时间点，能够得知激光的透射率的衰减幅度（D4-D3）。在温度进一步上升而第2波长的激光的探测光量超过衰减起点（g）之后，能够根据某测定时的探测光量（Db）和所述衰减幅度（D4-D3），计算半导体层的温度。
【专利说明】半导体层的温度测定方法以及温度测定装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及能够在通过蒸镀法对发光二极管、其他半导体元件的半导体层进行成膜时，测定成膜中或者成膜后的半导体层的温度、半导体层的表面粗糙度等的半导体层的温度测定方法以及温度测定装置。
【背景技术】
[0002]通过蒸镀法形成41队6&48、6&队11^、5丨、5丨(:等半导体。作为蒸镀法，使用了化学气相生长法(CVD法)、分子束外延法(MBE法)等。在这些蒸镀法中，在设定为真空状态的腔内设置基板，并在该基板上以原料气体等的状态供给原料分子而在基板的表面沉积结晶层而成膜。
[0003]在该种蒸镀法中，为了以一定的沉积速度致密并且具有再现性地对无杂质的半导体的结晶层进行成膜，需要准确地控制腔内的基板的温度。为此，设置对基板进行加热的加热器，并且设置测定腔内的基板的温度的监视器，能够根据用该监视器测定的温度，控制所述加热器的加热温度。[0004]如以下的专利文献I以及专利文献2记载那样，以往，作为所述监视器，使用了监视基板表面被加热而产生的红外线的高温计。高温计设置于在腔中设置的窗的外侧，从基板的表面、成膜中的半导体层的表面发出的红外线透过玻璃窗，并由高温计检测。但是，在基于高温计的温度测定中，存在以下那样的问题。
[0005]在从被加热的基板表面发出的红外线通过成膜过程中的半导体层的内部时，通过半导体层的光和在半导体层的内部被反射的光发生干涉，高温计的检测输出细微地变动，而且该干涉的程度追随所成膜的半导体层的膜厚的变动而变化。以往，在腔外配置发光装置，通过腔的玻璃窗对成膜中的半导体层照射激光，监视透过了半导体层的激光，从而解决了该问题。与红外线同样地，通过半导体层的激光和在半导体层的内部被反射的激光也发生干涉，所以能够使用监视激光时的干涉所致的输出变动，实现使通过高温计检测的红外线的干涉抵消或者降低的校准。
[0006]但是，即便校准了用高温计检测的红外线的干涉，基于高温计的温度测定也是在远离基板的表面的地方进行，一般是在腔的玻璃窗的外侧进行。在实际上发热的基板的表面与测定部位之间介有长的空间，进而介有玻璃窗，所以无法避免在通过高温计测定的温度与基板表面的实际的温度之间产生误差。
[0007]另外，在基板的表面生长中的半导体层透明的情况下，高温计透过透明的半导体层来测定基板的表面的温度。通过这样使用高温计的测定方法，难以直接准确地得知成膜中的半导体层自身的温度。
[0008]另外，在以下的专利文献I中，记载了使用测定基板的背侧的温度的热电偶监视器。但是，热电偶监视器设置于基板的背侧，所以无法准确地测定实际的基板表面的温度。另外，热电偶监视器的热容量大，所以向腔内的温度变化的追随性恶化，无法准确地得知基板温度。[0009]进而，在以下的专利文献3中，公开了对被测定体的晶片照射来自卤素灯的光，根据光的透射率和光的反射率以及光的波长，计算晶片的表面温度的技术。
[0010]但是，光的透射率和反射率根据晶片的表面的粗糙度等各种主要原因而大幅变化，所以仅通过单一的光的透射率和反射率，难以高精度地测定被测定物的温度。
[0011]专利文献1:日本特开2001-289714号公报
[0012]专利文献2:日本特开2002-367907号公报
[0013]专利文献3:日本特开2002-122480号公报
【发明内容】
[0014]发明要解决的技术问题
[0015]本发明解决上述以往的问题，其目的在于提供能够高精度地检测在基板表面成膜的过程中的半导体层的温度、或者成膜后的半导体层的温度，能够对高质量的半导体层进行成膜的半导体层的温度测定方法以及温度测定装置。
[0016]另外，本发明的目的在于，提供能够测定半导体层的光的透射量的变化，即时地求出半导体层的温度变化的半导体层的温度测定方法以及温度测定装置。
[0017]进而，本发明的目的在于，提供能够根据对半导体层提供了不同的波长的光时的探测光量的变化，判定探测光量的变动是由半导体层的温度变化所致还是由其以外的主要原因所致的半导体层的温度测定方法以及温度测定装置。
[0018]解决问题的技术手段
[0019]第I发明提供一种半导体层的温度测定方法，该温度测定方法测定在腔内成膜的半导体层的温度，其特征在于，
[0020]使用当半导体层的温度上升而达到第I范围的温度时针对所述半导体层的透射率衰减的第I波长的光、和当所述半导体层的温度达到比所述第I范围高的第2范围时针对所述半导体层的光的透射率衰减的第2波长的光，
[0021]沿着相同的路径对所述半导体层提供第I波长的光和第2波长，并且通过与所述半导体对置的光检测装置探测所述第I波长的光和所述第2波长的光量，
[0022]在所述半导体层的温度超过所述第I范围并上升而第I波长的光的探测光量衰减了之后，进而第2波长的光的探测光量开始衰减之后的测定时，根据该测定时的第2波长的探测光量、和第I波长的光的探测光量的衰减幅度，计算半导体层的所述第2范围内的温度。
[0023]在本发明的温度测定方法中，能够根据(第2范围的极大值的温度)+ (第2范围的温度差)X{(第2波长的光的探测光量的衰减起点至测定时的衰减量)/ (第I波长的光的探测光量的衰减幅度)}，计算所述半导体层的所述测定时的温度。
[0024]另外，通过本发明的温度测定方法，能够根据在所述基板上对半导体层进行成膜的过程中的所述测定时得到的第2波长的光的探测光量、和第I波长的光的探测光量的衰减幅度，计算成膜过程中的半导体层的温度，并且以使该温度为所述第2范围内的规定值的方式，控制所述基板的加热温度。
[0025]在本发明的温度测定方法中，在对在所述腔内设置的透明基板进行加热的同时，供给原料分子而在所述基板上对半导体层进行成膜，[0026]对所述半导体层的表面提供第I波长的光和第2波长的光，通过与所述半导体层的表面对置的所述光检测装置，探测通过所述半导体层的内部的漫反射光和由所述半导体层的表面反射的漫反射光。
[0027]在本发明的温度测定方法中，使用通过测定从半导体层发出的红外线来测定半导体层的温度的温度变化测定装置，通过在所述测定时计算得到的所述第2范围内的温度，还能够校准所述温度变化测定装置的测定误差。
[0028]第2发明提供一种半导体层的温度测定方法，该温度测定方法测定在腔内成膜的半导体层的温度，其特征在于，
[0029]使用当半导体层的温度上升而达到第I范围的温度时针对所述半导体层的透射率衰减的第I波长的光、和当所述半导体层的温度达到比所述第I范围高的第2范围则针对所述半导体层的光的透射率衰减的第2波长的光，
[0030]沿着相同的路径对所述半导体层提供第I波长的光和第2波长，并且通过与所述半导体对置的光检测装置探测所述第I波长的光和所述第2波长的光量，
[0031]在所述半导体层的温度超过所述第I范围并上升而第I波长的光的探测光量衰减之后，监视第2波长的光的探测光量，如果第2波长的光的探测光量变化，则参照此时的第I波长的光的探测光量的变化，判定第2波长的光的探测光量的变化是由半导体层的温度变化所致还是由其以外的主要原因所致。
[0032]在本发明的温度测定方法中，如果在第2波长的光的探测光量变化了时，第I波长的光探测光量也变化，则判定为第2波长的光的探测光量的变化是由半导体层的温度变化以外的主要原因所致。
[0033]在该情况下，还能够根据第I波长的光的探测光量的变化和第2波长的光的探测光量的变化的至少一个，求出半导体层的表面粗糙度。
[0034]另外，在本发明的温度测定方法中，在第2波长的光的探测光量变化时、且第I波长的光的探测光量未变化时，判定为第2波长的光的探测光量的变化是由半导体层的温度变化所致。
[0035]在本发明的温度测定方法中，在对在所述腔内设置的透明基板进行加热的同时，供给原料分子而在所述基板上对半导体层进行成膜，
[0036]对所述半导体层的表面提供第I波长的光和第2波长的光，通过与所述半导体层的表面对置的所述光检测装置，探测通过所述半导体层的内部的漫反射光和由所述半导体层的表面反射的漫反射光。
[0037]第3发明提供一种半导体层的温度测定装置，该温度测定装置测定在腔内成膜的半导体层的温度，其特征在于，设置有:
[0038]发光装置，提供当半导体层的温度上升而达到第I范围的温度时针对所述半导体层的透射率衰减的第I波长的光、和当所述半导体层的温度达到比所述第I范围高的第2范围时针对所述半导体层的光的透射率衰减的第2波长的光；以及
[0039]光检测装置，探测第I波长的光和第2波长的光，
[0040]所述发光装置和所述光检测装置与半导体的表面对置，沿着相同的路径对所述表面提供第I波长的光和第2波长的光，通过所述光检测装置探测通过所述半导体层的内部的漫反射光和来自所述表面的漫反射光，[0041]所述温度测定装置设置有控制装置，该控制装置根据通过所述光检测装置探测的第I波长的光的探测光量和第2波长的光的探测光量，计算所述半导体层的温度。
[0042]例如，在本发明的温度测定装置中的所述控制装置中，在所述半导体层的温度超过所述第I范围并上升而第I波长的光的探测光量衰减了之后，进而第2波长的光的探测光量开始衰减之后的测定时，根据该测定时的第2波长的探测光量、和第I波长的光的探测光量的衰减幅度，计算半导体层的所述第2范围内的温度。
[0043]或者，在所述控制装置中，在所述半导体层的温度超过所述第I范围并上升而第I波长的光的探测光量衰减之后，监视第2波长的光的探测光量，如果第2波长的光的探测光量变化，则参照此时的第I波长的光的探测光量的变化，判定第2波长的光的探测光量的变化是由半导体层的温度变化所致还是由其以外的主要原因所致。
[0044]另外，在所述控制部中，第2波长的光的探测光量和第I波长的光的探测光量都变化了时，
[0045]根据第I波长的光的探测光量的变化和第2波长的光的探测光量的至少一个，能够计算半导体层的表面粗糙度。
[0046]发明效果
[0047]在本发明的温度测定方法以及温度测定装置中，通过对成膜中或者成膜后的半导体层提供不同的波长的光，能够即时测定半导体层的温度。
[0048]另外，能够根据对半导体层提供了不同的波长的光时的探测光量的变化，判定探测光量的变动是由半导体层的温度变化所致还是由其以外的主要原因所致。作为其结果，还能够测定成膜中的半导体层的表面粗糙度是否变化、进而测定表面粗糙度的大小。
【专利附图】
【附图说明】
[0049]图1是示出成膜装置以及本发明的第I实施方式的温度测定装置的构造的概略的说明图。
[0050]图2是详细示出构成温度测定装置的发光装置的说明图。
[0051]图3是详细示出构成温度测定装置的光检测装置的说明图。
[0052]图4是示出成膜装置的内部的基板以及成膜中或者成膜后的半导体层的放大说明图。
[0053]图5是示出对半导体层提供的光的波长、光的透射率、以及半导体层的温度的关系的线图。
[0054]图6是示出对半导体层提供的光的透射量与半导体层的温度的关系的线图。
[0055]图7是示出对半导体层提供的2个波长的光的透射量与半导体层的温度的关系的线图。
[0056]图8是示出进行半导体层的温度控制时的2个波长的光的透射率的变化的线图。
[0057]图9是示出半导体层的透射率由于温度变化以外的主要原因而变化了的状态的线图。
[0058]图10是示出起因于半导体层的温度变化而透射率变化了的状态的线图。
[0059](符号说明)
[0060]1:成膜装置；2:腔；3:工作台；6:基板；7:半导体层；8:第I窗；9:第2窗；10:高温计；11:受光部；13:第I受光元件；14:第2受光元件；15:波长滤波器；16:光检测装置；20:温度测定装置；21:发光装置；22:第I激光光源；23:第2激光光源；L1:第I波长的激光；L2 --第2波长的激光；T3-T4:第I温度范围；Τ5-Τ6:第2温度范围；(e) (g):衰减起点；(f) (h):衰减终点。
【具体实施方式】
[0061]图1是示出成膜装置I以及本发明的第I实施方式的温度测定装置20的说明图，图2示出发光装置的详细情况，图3示出光检测装置的详细情况。
[0062]图1是示出通过化学气相生长法(CVD法)、分子束外延法(MBE法)对半导体层进行成膜的成膜装置I的示意图。
[0063]成膜装置I具有腔2，在成膜中内部空间被设定为真空状态。在腔2内设置了工作台3，在该工作台3中内置了作为加热装置的加热器3a。对腔2连接了导入路4，从所述导入路4对工作台3的表面提供包含用于对半导体层7进行成膜的元素(原料分子)的原料气体5，在工作台3上设置的基板6的表面对半导体层7进行成膜。
[0064]在腔2中设置了第I窗8和第2窗9。在第I窗8和第2窗9中嵌入了玻璃板等透明板，能够通过该透明板观察内部，但腔2的内部空间和外部空间被透明板遮挡。
[0065]在所述第I窗8的外侧，作为温度变化测定装置的一个例子，设置了高温计10。高温计10具有受光部11和处理由受光部11接收到光而得到的受光输出的处理电路部12。高温计10的受光部11设置于第I窗8外，经由在第I窗8中安装的透明板与所述基板6的正上方对置。受光部11的中心位于从基板6的表面的中心垂直地延伸的垂线Lv上，在受光部11中设置的受光元件 的受光光轴沿着垂线Lv朝向所述基板6的表面。
[0066]如果通过加热器3a对工作台3和基板6进行了加热，则通过工作台3的表面的热产生的红外线透过透明的基板6以及成膜中的半导体层7，并透过第I窗8而被受光部11接收。由受光部11接收到光而得到的受光输出被提供给处理电路部12，根据所接收到的红外线的波长等，测定基板6的表面温度，准确而言测定工作台3的表面温度。
[0067]在腔2外，设置了构成本发明的实施方式的温度测定装置20的发光装置21。发光装置21从在腔2中设置的第2窗9的外侧与所述基板6的表面对置。
[0068]如图2所示，在发光装置21中，设置了发出第I波长的激光LI的第I激光光源22、和发出第2波长的激光L2的第2激光光源23。从第I激光光源22发出的激光LI通过准直透镜22a变换为准直光而透过半透半反镜25。从第2光源23发出的激光L2通过准直透镜23a变换为准直光，通过反射镜24反射而提供给半透半反镜25。
[0069]在发光装置21中，第I激光光源22和第2激光光源23交替地点亮，第I波长的激光LI和第2波长的激光L2沿着相同的路径Ld交替地被提供给基板6以及半导体层7。
[0070]所述基板6由蓝宝石晶片等透明的材料形成。此处的透明意味着全部光线透射率是80%以上的光学特性，优选为全部光线透射率是95%以上。如图4所示，基板6的底面6a为形成了细微的凹凸的漫反射面。在半导体层7为光的透射率高的状态时，沿着路径Ld照射的激光透过半导体层7，并透过基板6而由所述底面6a漫反射。由底面6a漫反射了的漫反射光Rl透过基板6以及半导体层7，但漫反射光Rl中的朝向垂线Lv的分量被所述受光部11接收。[0071]沿着路径Ld的激光以入射角Θ对半导体层7的表面7a进行入射，所以以反射角Θ从表面7a正反射了的光不会被受光部11接收。但是，如果激光由半导体层7的表面7a漫反射，则其漫反射光R2中的朝向垂线Lv的分量被受光部11接收。
[0072]所述路径Ld和所述垂线Lv所呈的角度Θ超过O度且小于90度。
[0073]所述受光部11被使用于作为高温计10接收红外线，并且还作为接收由底面6a和表面7a漫反射了的激光的光检测装置发挥功能。在受光部11中，在不同的时刻，交替检测从加热了的基板6、半导体层7发出的红外线、和由基板6、半导体层7反射了的激光的漫反射光Rl、R2。进而，与2个激光光源22、23的点亮的定时符合地，受光部11中的受光信号被进行时间划分，在不同的定时，探测第I波长的激光LI和第2波长的激光L2。因此，在受光部11中，不发生相互干涉而区分地探测红外线以及第I波长的激光LI和第2波长的激光L2。
[0074]另外，也可以与接收红外线的高温计10的受光部11独立地，设置接收激光的光检测装置16，在第I窗8外并排地配置受光部11和光检测装置16。
[0075]该情况下的光检测装置16能够如图3所示，构成为具有第I受光元件13及向第I受光元件13会聚反射光的聚光透镜13a、和第2受光元件14及向第2受光元件14会聚反射光的聚光透镜14a、以及波长滤波器15。在该光检测装置16中，沿着垂线Lv入射了的漫反射光R1、R2被波长滤波器15分离，第I波长的激光LI的漫反射光被第I受光元件13接收，第2波长的激光的漫反射光被第2受光元件14接收。
[0076]在使用图3所示的光检测装置16时，即使在图2所示的发光装置21中，使第I激光光源22和第2激光光源23同时连续发光地使用，也能够通过波长滤波器15分离第I波长的激光LI的漫反射光和第2波长的激光L2的漫反射光，所以能够通过第I受光元件13和第2受光元件14区分而接收各个波长的激光。
[0077]如图1所示，成膜装置I及高温计10以及发光装置21由中央控制装置30控制。中央控制装置30由微型计算机和存储器等构成。加热控制装置31接收来自所述中央控制装置30的指令来控制向加热器3a的通电，控制工作台3的加热温度。激光发光控制装置32接收来自所述中央控制装置30的指令来控制发光装置21。
[0078]高温计10的检测输出被提供给温度检测装置33。通过温度检测装置33检测从工作台3发出的红外线的探测输出，根据红外线的波长等测定工作台3的表面温度，该温度信息被提供给中央控制装置30。另外，通过受光部11或者图3所示的光检测装置16接收由基板6的底面6a漫反射的激光的漫反射光Rl以及由半导体层7的表面7a漫反射的激光的漫反射光R2，与该探测光量有关的检测输出也被提供给温度检测装置33，该信息被通知给中央控制装置30。
[0079]接下来，说明使用了所述测定装置20的半导体层的温度测定方法的原理。
[0080]在图1所示的成膜装置I中，在由加热器3a对工作台3以及基板6进行了加热的状态下，向腔2内导入原料气体5，如图4所示，半导体层7在透明的基板6的表面生长。
[0081]在基板6的表面成膜的半导体层7用于形成发光二极管、其他半导体元件的分子层，该半导体层7例如是AIN、GaAs, GaN, InP、S1、SiC。
[0082]这些半导体层中的光的透射率依赖于光的波长和半导体层的温度而变化。图5中横轴表不对半导体层提供的光的波长λ X，纵轴表不半导体层中的光的透射率。在图5中，使相同的半导体层的温度从Tl至T6阶段性地变化(T1<T2<T3<T4<T5<T6)。如图5所示，关于半导体层，在提供了相同的波长λ X的光时，如果温度变高，则该光的透射率衰减。另外，在使半导体层的温度上升了时，在哪个温度下透射率衰减依赖于对半导体层提供的光的波长λ X。
[0083]在图6中，作为用于与本发明的实施方式的温度测定方法进行比较的比较例，示出在成膜装置I的基板6的表面对半导体层7进行成膜的过程中，沿着路径Ld提供规定的波长λ I的单一的激光的温度测定方法。在图6中，横轴表不半导体层7的温度,纵轴表不由基板6的底面6a和半导体层7的表面7a漫反射了的激光被受光部11接收时的探测光量的变化。
[0084]图6所示的变化线(i)表示假设了未发生半导体层7的表面7a的漫反射光R2等的大致理想的条件时的、半导体层7的温度变化与受光部11中的探测光量的关系。
[0085]如变化线(i)所示，在半导体层7的温度低时，半导体层7的光的透射率高，所以由图4所示的基板6的底面6a漫反射了的漫反射光Rl以高的率透过半导体层7。因此，由受光部11接收的激光的漫反射光的光量大，且探测光量为D2。如果半导体层7的温度上升而达到Tl，则半导体层7的光的透射率开始降低，所以由受光部11接收的漫反射光的光量从D2开始衰减。如果半导体层7的温度上升至T2，则半导体层7的光的透射率达到最小，由受光部11接收的漫反射光的探测光量降低至D1。
[0086]在本说明书中，在半导体层7的温度上升时，将受光部11中的漫反射光的探测光量开始减少的点(a)称为衰减起点，将衰减起点(a)处的探测光量D2称为极大值的探测光量。另外，将受光部11中的漫反射光的探测光量的衰减结束时的点(b)称为衰减终点，将衰减终点(b)处的探测光量Dl称为极小值的探测光量。
[0087]在实际的半导体层7的成膜工序中，基板6以及半导体层7的光学特性由于温度条件等而易于变化，并且半导体层7的表面7a的面的朝向、面粗糙度也易于变化。进而，在腔2内设置基板6时，在基板6的表面6a与垂线Lv的对置角度中也易于产生误差。如果由于这些各种条件而激光的漫反射特性变动，则即使在使用相同的波长λ I的激光来观测相同的半导体层7的光的透射率时，由受光部11探测的探测光量的变化也不会沿着图6所示的理想的变化线(i)，而是发生变动量S 1、δ 2而表现出虚线的变化线(ii)那样的变化。
[0088]但是，即使来自基板6、半导体层7的激光的漫反射条件等变化，如图5所示，关于光的波长与透射率的关系以及与此时的温度的关系，只要是在向相同材料的半导体层照射相同波长的激光时则相同。因此，在变化线(i )为衰减起点(a)时、和变化线(ii )为衰减起点(c)时，半导体层7的温度都是Tl，在变化线(i)为衰减终点(b)时、和变化线(ii)为衰减终点(d)时，半导体层7的温度都是T2。
[0089]S卩，关于半导体层7的光的透射率，只要温度和波长相同，则不会变化，但如果作为光的透射率以外的要素的漫反射条件等各种光学的条件变化，则受光部11中的激光的漫反射光的探测光量变动。
[0090]如图6所示，在使用波长λ I的单一的激光的温度测定方法中，如果能够使所成膜的半导体层7的温度一下子上升至比衰减终点的温度Τ2高的值，而得到图6所示的变化线，则之后，通过监视探测光量Da，能够计算半导体层7的Tl与T2之间的温度。例如，如果是在使半导体层7的温度上升至超过T2，而取得了变化线(i )中的极大值D2和极小值Dl与温度T2、Tl的关系之后，则能够根据探测光量的监视值Da，通过下式计算此时的半导体层7的温度Tx。
[0091]Tx=Tl+ (T2-T1) X { (D2_Da) / (D2-D1)}
[0092]但是，在未使温度上升至T2，而未求解出(T2-T1)与(D2-D1)的关系的状态下，无法根据成膜中的温度的监视值，计算T2与Tl之间的温度Tx，无法进行将半导体层7的温度维持为上述温度Tx的控制。
[0093]但是，在使用本发明的实施方式的测定装置20的半导体层的温度测定方法中，通过使用波长不同的至少2种激光，即使未使半导体层7的温度上升至超过Τ2的值，也能够根据受光部11中的激光的探测光量的监视值，立即计算Τ2与Tl之间的温度Tx。
[0094]在图1所示的成膜装置I中，从图2所示的发光装置21的第I激光光源22发出第I波长的激光LI，从第2光源23发出第2波长的激光L2，各个激光L1、L2通过相同的路径Ld提供给半导体层7。
[0095]图7的变化线(iii)表示将第I波长的激光LI提供给基板6上的半导体层7而由受光部11接收了漫反射光R1、R2时的、探测光量与半导体层7的温度的关系，变化线(iv)表示将第2波长的激光L2提供给基板6上的半导体层7而由受光部11接收了漫反射光R1、R2时的、探测光量与半导体层7的温度的关系。
[0096]关于第I波长的激光LI，以使衰减起点(e)时的导体层7的温度成为T3，使衰减终点(f)时的温度成为T4的方式，选择其波长。关于第2波长的激光L2，以使衰减起点(g)处的温度成为T5，使衰减终点(h)处的温度成为T6的方式，选择其波长。温度T3至T4之间是第I波长的激光LI的光的透射量衰减的第I温度范围，T5至T6之间是第2波长的激光L2的光的透射量衰减的第2温度范围。第2温度范围为相比于第I温度范围而温度更高的区域。
[0097]如图5所示，关于半导体层7，针对其材料的每一种类，对于温度的透射率与波长的关系是确定了的，所以能够通过根据半导体层7的材料选择第I波长的激光LI的波长，来设定第I温度范围，能够通过根据材料选择第2波长的激光L2的波长，来设定第2温度范围。
[0098]由于从相同的路径Ld对半导体层7提供第I波长的激光LI和第2波长的激光L2，所以在第I波长的激光LI和第2波长的激光L2中同等地受到基板6的底面6a的漫反射面的影响、半导体层7的表面7a的面粗糙度的影响、进而半导体层7的表面7a相对垂线Lv的对置角度的误差等与光的透射、反射有关的影响。即，图6所示的变动量δ?、δ2在探测光量中所占的比例在第I波长的激光LI和第2波长的激光L2中相同。
[0099]因此，如果发光装置21中的第I波长的激光LI的发光强度和第2波长的激光L2的发光强度相等，且受光部11中的第I波长的激光LI的感光灵敏度和第2波长的激光L2的感光灵敏度相等，则应如图7所示，第I波长的激光LI的极大值的探测光量、和第2波长的激光L2的极大值的探测光量都为相同的D4，第I波长的激光LI的衰减量和第2波长的激光L2的衰减量都为相同的(D4-D3)。
[0100]但是，实际上，在2个激光中有发光强度的偏差，在各个激光的感光灵敏度中也产生偏差，所以在使成膜装置I起动时需要进行初始化操作。
[0101]作为初始化操作的一个例子，将预先对采样用的半导体层进行了成膜的基板6设置于腔2内的工作台3上，在用高温计10监视温度的同时，使基板6和半导体层7的温度逐渐上升，对采样用的半导体层提供第I波长的激光LI和第2波长的激光L2。测定温度超过第I温度范围(T3-T4)时的、第I波长的激光LI的探测光量的变化、和温度超过第2温度范围(T5-T6)时的、第2波长的激光L2的探测光量的变化。根据该测定值，以使第I温度范围内的第I波长的激光LI的探测光量的衰减幅度、与第2温度范围内的第2波长的激光的探测光量的衰减幅度相同的方式，进行电路上的调整，或者在软件上进行校准。
[0102]作为其他初始化操作，在腔2内的透明的基板6中未对半导体层7进行成膜的状态下，使图2所示的第I激光光源22点亮，通过受光部11探测从基板6的底面6a、基板6的表面漫反射了的第I波长的激光LI。接下来，使第2激光光源23点亮，通过受光部11探测从基板6的底面6a、基板6的表面漫反射了的第2波长的激光L2。然后，也可以以使第I激光光源22点亮了时的探测光量、与使第2激光光源23点亮了时的探测光量为相同的水平的方式，在电路路上或者在软件上进行校准。
[0103]在进行了所述初始化操作的成膜装置I中，一次也不使半导体层7的温度上升至比图7所示的T6高的温度，能够根据受光部11中的激光的探测光量的监视值，即时计算作为第2温度范围的温度T5与温度T6之间的温度Ty。
[0104]如图7所示，如果使半导体层7的温度上升，则如变化线(iii)所示，第I波长的激光LI的探测光量超过衰减起点(e)而直至衰减终点(f)。在该时间点,如变化线(iv)所示，第2波长的激光L2的探测光量没有衰减。在第I波长的激光LI的探测光量超过衰减终点(f)时，通过在受光部11中具备的处理电路部12检测第I波长的激光LI的探测光量的衰减量(D4-D3)，经由温度检测装置33送到中央控制装置30并保持。
[0105]之后，如果提高半导体层7的温度，则第2波长的激光L2的探测光量达到衰减起点(g)，之后，探测光量衰减。此时，已知第I波长的激光LI的探测光量的衰减幅度(D4-D3)，所以在中央控制装置30中，能够根据第2波长的激光L2的探测光量超过衰减起点(g)后并且达到衰减终点(h)前的监视值Db、和第I波长的激光LI的衰减幅度(D4-D3)，通过以下的式计算半导体层7的温度Ty。
[0106]Ty=T5+ (T6-T5) X { (D4_Db) / (D4-D3) }
[0107]即，能够根据(第2范围的极大值的温度)+ (第2范围的温度差)X{(第2波长的光的透射量的衰减起点至测定时的衰减量)/ (与第I波长的光有关的探测光量的衰减幅度)}，计算半导体层7的测定时的温度。
[0108]因此，在半导体层7的温度上升时，通过监视第2波长的激光L2超过衰减起点(g)之后的温度，能够将半导体层7的温度控制为T5至温度T6之间的温度Ty。
[0109]能够按照半导体材料与激光L2的波长的关系，设定对半导体层7照射第2波长的激光L2时的、光的透射率与此时的温度的关系。例如，在半导体层7是GaN (氮化镓)的情况下，如果作为第2波长的激光L2的波长选择了 445nm，则能够将衰减起点(g)处的温度T5设定为约800°C，将衰减终点(h)处的温度T6设定为约900°C。在该情形下，能够始终控制为使半导体层7的成膜温度为800°C至900°C之间的规定的温度。
[0110]另外，只要衰减终点(f)的温度T4低于第2波长的激光L2的衰减起点(g)的温度T5，就能够从比较宽的选择幅度中，确定第I波长的激光LI的波长。
[0111]在图1所示的成膜装置I中，作为温度变化测定装置的一个例子，通过高温计10检测从基板6以及半导体层7的表面发出的红外线，红外线的探测输出被送到温度检测装置33，而间接地测定半导体层7的温度。能够通过比较基于该红外线的探测而得到的温度信息、与使用第I波长的激光LI和第2波长的激光L2计算的温度，来校准通过红外线的探测而得到的高温计10的温度信息。或者，通过使用利用第I波长的激光LI和第2波长的激光L2而计算的温度、和通过红外线的探测而得到的温度信息这两者，能够进行精度更高的温度控制。
[0112]图8示出在用成膜装置I对半导体层7进行成膜的过程中，以使半导体层7的温度为第2温度范围(T6-T5)内的规定的温度Ty的方式进行控制的温度控制方法。
[0113]在图8中，用虚线T表示在基板6上成膜的半导体层7的温度变化。用变化线(V)表示通过受光部11探测第I波长的激光LI的探测光量的变化，用变化线(Vi)表示通过受光部11探测第2波长的激光L2的探测光量的变化。
[0114]在腔2内导入材料气体5而对半导体层7进行成膜时，如果调整加热器3a，则半导体层7的温度T上升。在时刻τ a，第I波长的激光LI的探测光量达到衰减起点(k)，之后，达到衰减终点(m)，求出半导体层7的温度超过第I温度范围时的第I波长的激光LI的衰减幅度(D6-D5)。
[0115]进而，如果基板6以及半导体层7的温度上升，而第2波长的激光L2的探测光量超过衰减起点(n)，则之后，能够根据通过受光部11随时探测的第2波长的激光L2的受光量的监视值、和已经测定了的第I波长的激光LI的衰减幅度(D6-D5)，立即计算半导体层7的实际的温度。因此，在时刻τ b，第2波长的激光L2的探测光量达到D6与D5之间的Dc之后，只要通过加热控制装置31控制加热器3a，使探测光量的监视值维持Dc，就能够将半导体层7的温度持续设定为最适合于成膜的第2温度范围(T5-T6)内的温度Ty。
[0116]如图8所示，在测定了第I波长的激光LI的探测光量的衰减幅度(D6-D5)之后，通过监视第2波长的激光L2的探测光量，即使不将半导体层7的温度提高至超过第2温度范围，也能够将半导体层7的温度设定为最适合于成膜的温度Ty。
[0117]图9和图10示出在时刻τ b之后，以使半导体层7的温度为最佳值Ty的方式进行控制的过程中，在通过受光元件11探测的探测光量中产生了变化的情形。
[0118]在图9所示的情形下，在时刻τ b之后的温度控制动作中，第2波长的激光L2的探测光量不稳定于Dc而如α所示地变动。此时，第I波长的激光LI的探测光量也不稳定于极小值D5，发生与所述α同样的变动β。这样，在第I波长的激光LI的探测光量、和第2波长的激光L2的探测光量同样地变动时，能够判定为半导体层7的表面7a的面粗糙度变化而漫反射光R2变化等，从而向半导体层7的激光的入射条件、反射条件变化。
[0119]相对于此，如图10所示，在第2波长的激光L2的探测光量中发生了变动α时，如果在第I波长的激光LI的探测光量超过衰减终点(m)之后不呈现大的变化，则能够判定为如下结果:并非在对于2个波长的激光的光的透射条件、反射条件中有变化，而是在半导体层7的温度中发生了变化Tz。
[0120]S卩，在第I波长的激光LI的探测光量超过衰减终点(m)之后，通过监视第I波长的激光LI的探测光量、和第2波长的激光L2的探测光量这两者，能够判别是半导体层7的温度产生了变化、还是在半导体层7中产生了光学性的变化。
[0121]例如，在对半导体层7进行成膜的过程中，有时表面7a的一部分蒸发，面变得粗糙，而表面7a处的漫反射光R2增大，但能够通过上述监视知晓这样的现象，通过控制原料气体5的导入量、加热温度，能够抑制产生表面7a的面粗糙。或者，还能够进行故意使半导体层7的表面7a产生面粗糙的控制。
[0122]进而，通过预先定量地掌握第I波长的激光LI的探测光量的变化α和第2波长的激光L2的探测光量的变化β的至少一个、与半导体层7的表面7a的面粗糙度的大小、面粗糙度的容许量等的关系，并将该函数保持于中央控制装置30中，从而在出现了图9所示那样的探测光量的变化α、β时，能够求出半导体层7的表面7a的面粗糙度。例如，能够根据探测光量的极大值D6与变化α、β的大小的比例、或者探测光量的变动幅度(D6-D5)与变化α、β的大小的比例等，求出半导体层7的表面7a的面粗糙度的大小。由此，既能够将实际的面粗糙度的大小推测为数值，或者还能够用于面粗糙度是否为容许值内的比较粗略的判定。
[0123]另外，作为本发明的温度测定装置以及温度测定方法，能够设为使光检测装置10与图1同样地与基板6的表面侧对置，但是使发出2个波长的激光L1、L2的发光装置21与基板6的背面对置的构造。在该情况下，第I波长的激光LI和第2波长的激光L2入射到基板6的底面6a并透过基板6进而透过半导体层7而被受光部11接收。
[0124]即使在该情况下，通过与第I实施方式同样地使用2个波长的激光L1、L2，也能够消除半导体层7的表面的面粗糙度等半导体层的光的透射率的变化以外的光学性的变化，并随时测定半导体层7的温度。
【权利要求】
1.一种半导体层的温度测定方法，该温度测定方法测定在腔内成膜的半导体层的温度，其特征在于， 使用当半导体层的温度上升而达到第I范围的温度时针对所述半导体层的透射率衰减的第I波长的光、和当所述半导体层的温度达到比所述第I范围高的第2范围时针对所述半导体层的光的透射率衰减的第2波长的光， 沿着相同的路径对所述半导体层提供第I波长的光和第2波长，并且通过与所述半导体对置的光检测装置探测所述第I波长的光和所述第2波长的光量， 在所述半导体层的温度超过所述第I范围并上升而第I波长的光的探测光量衰减了之后，进而第2波长的光的探测光量开始衰减之后的测定时，根据该测定时的第2波长的探测光量、和第I波长的光的探测光量的衰减幅度，计算半导体层的所述第2范围内的温度。
2.根据权利要求1所述的半导体层的温度测定方法，其特征在于， 根据(第2范围的极大值的温度)+ (第2范围的温度差)X {(第2波长的光的探测光量的衰减起点至测定时的衰减量)/ (第I波长的光的探测光量的衰减幅度)}，计算所述半导体层的所述测定时的温度。
3.根据权利要求1或者2所述的半导体层的温度测定方法，其特征在于， 根据在所述基板上对半导体层进行成膜的过程中的所述测定时得到的第2波长的光的探测光量、和第I波长的光的探测光量的衰减幅度，计算成膜过程中的半导体层的温度，以使该温度为所述第 2范围内的规定值的方式，控制所述基板的加热温度。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的半导体层的温度测定方法，其特征在于， 在对在所述腔内设置的透明基板进行加热的同时，供给原料分子而在所述基板上对半导体层进行成膜， 对所述半导体层的表面提供第I波长的光和第2波长的光，通过与所述半导体层的表面对置的所述光检测装置，探测通过所述半导体层的内部的漫反射光和由所述半导体层的表面反射的漫反射光。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的半导体层的温度测定方法，其特征在于， 使用通过测定从半导体层发出的红外线来测定半导体层的温度的温度变化测定装置，通过在所述测定时计算得到的所述第2范围内的温度，校准所述温度变化测定装置的测定误差。
6.一种半导体层的温度测定方法，该温度测定方法测定在腔内成膜的半导体层的温度，其特征在于， 使用当半导体层的温度上升而达到第I范围的温度时针对所述半导体层的透射率衰减的第I波长的光、和当所述半导体层的温度达到比所述第I范围高的第2范围时针对所述半导体层的光的透射率衰减的第2波长的光， 沿着相同的路径对所述半导体层提供第I波长的光和第2波长，并且通过与所述半导体对置的光检测装置探测所述第I波长的光和所述第2波长的光量， 在所述半导体层的温度超过所述第I范围并上升而第I波长的光的探测光量衰减之后，监视第2波长的光的探测光量，如果第2波长的光的探测光量变化，则参照此时的第I波长的光的探测光量的变化，判定第2波长的光的探测光量的变化是由半导体层的温度变化所致还是由其以外的主要原因所致。
7.根据权利要求6所述的半导体层的温度测定方法，其特征在于， 如果在第2波长的光的探测光量变化时，第I波长的光探测光量也变化，则判定为第2波长的光的探测光量的变化是由半导体层的温度变化以外的主要原因所致。
8.根据权利要求7所述的半导体层的温度测定方法，其特征在于， 根据第I波长的光的探测光量的变化和第2波长的光的探测光量的变化的至少一个，求出半导体层的表面粗糙度。
9.根据权利要求6所述的半导体层的温度测定方法，其特征在于， 在第2波长的光的探测光量变化时、且第I波长的光的探测光量未变化时，判定为第2波长的光的探测光量的变化是由半导体层的温度变化所致。
10.根据权利要求6至9中的任意一项所述的半导体层的温度测定方法，其特征在于， 在对在所述腔内设置的透明基板进行加热的同时，供给原料分子而在所述基板上对半导体层进行成膜， 对所述半导体层的表面提供第I波长的光和第2波长的光，通过与所述半导体层的表面对置的所述光检测装置，探测通过所述半导体层的内部的漫反射光和由所述半导体层的表面反射的漫反射光。
11.一种半导体层 的温度测定装置，该温度测定装置测定在腔内成膜的半导体层的温度，其特征在于，设置有: 发光装置，提供当半导体层的温度上升而达到第I范围的温度时针对所述半导体层的透射率衰减的第I波长的光、和当所述半导体层的温度达到比所述第I范围高的第2范围时针对所述半导体层的光的透射率衰减的第2波长的光；以及 光检测装置，探测第I波长的光和第2波长的光， 所述发光装置和所述光检测装置与半导体的表面对置，沿着相同的路径对所述表面提供第I波长的光和第2波长的光，通过所述光检测装置探测通过所述半导体层的内部的漫反射光和来自所述表面的漫反射光， 所述温度测定装置设置有控制装置，该控制装置根据通过所述光检测装置探测的第I波长的光的探测光量和第2波长的光的探测光量，计算所述半导体层的温度。
12.根据权利要求11所述的半导体层的温度测定装置，其特征在于， 在所述控制装置中，在所述半导体层的温度超过所述第I范围并上升而第I波长的光的探测光量衰减了之后，进而第2波长的光的探测光量开始衰减之后的测定时，根据该测定时的第2波长的探测光量、和第I波长的光的探测光量的衰减幅度，计算半导体层的所述第2范围内的温度。
13.根据权利要求11所述的半导体层的温度测定装置，其特征在于， 在所述控制装置中，在所述半导体层的温度超过所述第I范围并上升而第I波长的光的探测光量衰减之后，监视第2波长的光的探测光量，如果第2波长的光的探测光量变化，则参照此时的第I波长的光的探测光量的变化，判定第2波长的光的探测光量的变化是由半导体层的温度变化所致还是由其以外的主要原因所致。
14.根据权利要求13所述的半导体层的温度测定装置，其特征在于， 在所述控制部中，在第2波长的光的探测光量和第I波长的光的探测光量都变化了时， 根据第I波长的光的探测光量的变化和第2波长的光的探测光量的至少一个，计算半导体层的 表面粗糙度。
【文档编号】H01L21/205GK103649702SQ201180071888
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2011年8月2日 优先权日:2011年8月2日
【发明者】Y·拉克拉斯 申请人:瓦伊系统有限公司