專利名稱:用于氣相淀積的方法和裝置的制作方法
本發(fā)明涉及一般的氣相淀積的方法和系統(tǒng)，如金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)。特別涉及一種半導(dǎo)體膜層外延生長的氣相淀積的一種方法和系統(tǒng)，例如，用于基片上的化合物半導(dǎo)體膜層。
近幾年來，半導(dǎo)體膜的外延生長，例如化合物半導(dǎo)體膜層，被認(rèn)為是生產(chǎn)高性能半導(dǎo)體器件的重要技術(shù)。特別因?yàn)椴豢赡苡猛ǔ５募夹g(shù)生產(chǎn)半導(dǎo)體器件用的導(dǎo)質(zhì)結(jié)，例如激光二極管，高電子遷移率場效應(yīng)晶體管(HEFT)，異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)和其它AlGaAs系統(tǒng)的半導(dǎo)體器件，除非使用氣相淀積的方法，特別是MOCVD的方法。
在外延生長的過程中，對于生長參數(shù)，如生長膜的成分，生長速度等等，最好的監(jiān)測方法是稱為“現(xiàn)場監(jiān)測”的方法。無論如何，一般的外延生長裝置中很難實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測，包括在硅外延生長裝置中也很困難。所以，在一般現(xiàn)有裝置里，還不能實(shí)行現(xiàn)場監(jiān)測。
近幾年來，建議將一反射高能電子射線衍射(RHEED)方法應(yīng)用于AlGaAs膜的表面監(jiān)測上，該AlGaAs膜是用分子束外延(MBE)生長的方法生長的，RHEED方法對外延生長裝置起反饋?zhàn)饔?。然而，上述方法沒有考慮實(shí)用可能性。理由如下，因?yàn)樵诜肿邮庋?MBE)方法里，由于分子束流空間分布有強(qiáng)和獨(dú)特的各向異性，為了得到均勻的半導(dǎo)體表面膜層，需要旋轉(zhuǎn)基片，因此，在轉(zhuǎn)動時(shí)，基片受到振動或者搖動，使它難以用反射高能電子衍射方法完成現(xiàn)場監(jiān)測，反射高能電子衍射方法中的電子束是以一個小角度入射的(幾度)。
另一方面，在1980年3月，應(yīng)用物理雜志第51期(3)〔J.Appln.phys.51(3)〕里第1599-1602頁中已經(jīng)提出，用實(shí)行現(xiàn)場監(jiān)測的一種方法，即用橢園儀測量(Elipsi metric)(衍射光束分析)的方法，監(jiān)測用MOCVD方法進(jìn)行的GaAlAs-GaAs超晶格外延生長。用橢園測量的(Elipsometric)方法，通過低角度照射到生長膜的偏振光，根據(jù)反射光的相位數(shù)據(jù)，監(jiān)測被測膜的生長，得到膜厚度，膜層折射率等等。這個方法用于現(xiàn)場監(jiān)測被認(rèn)為是有效的，但是存在以下缺點(diǎn)(1)在裝置中，需要一個偏振光的入口和反射光的出口，嚴(yán)格地限制了裝置的結(jié)構(gòu)。
(2)并且，用該方法，在入射光的入射角的調(diào)整方面，要求非常高的精度，這需要艱難地調(diào)整整個裝置的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，包括放置在熱基座上樣品的角度。
(3)因?yàn)槠窆饩哂械徒嵌鹊娜肷涔饴?，通過生長氣體的相對距離大、氣體干撓造成噪聲高(4)任何稍微改變樣品位置或者振動、將會在測試中產(chǎn)生大的影響，并且，(5)由于檢測數(shù)據(jù)以相位數(shù)據(jù)的形式輸出，必須使用計(jì)算機(jī)從中提取參數(shù)。
因而，本發(fā)明的目的之一是提供一種方法和裝置，能夠在現(xiàn)場監(jiān)測的情況下進(jìn)行半導(dǎo)體膜的氣相淀積。
為了完成上述目的和另外一個目的，一種按著本發(fā)明用氣相淀積的方法，包括以現(xiàn)場監(jiān)測的方法監(jiān)測半導(dǎo)體膜的生長。根據(jù)本發(fā)明，現(xiàn)場監(jiān)測是由一束光照射到生長膜表面上，入射方向大體上垂直于該表面。由監(jiān)測膜表面反射光強(qiáng)變化量的大小，能夠檢測出該生長膜的生長參數(shù)。根據(jù)檢測到的生長參數(shù)，反饋控制氣相淀積的生長條件。
按照本發(fā)明，提供一個實(shí)施上述氣相淀積方法的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的目的之一，一種控制膜層生長及其成分的氣相淀積方法包括的步驟是照到膜層表面的光束，其入射角基本上與膜層表面垂直。
接收由膜層上反射的光束，來監(jiān)測生長參數(shù)和發(fā)出生長參數(shù)指示信號。而且，根據(jù)生長參數(shù)的指示信號，反饋控制膜層的生長條件。
在上述方法中，根據(jù)膜層反射光束的強(qiáng)度，得出生長參數(shù)。優(yōu)先監(jiān)控的生長參數(shù)是根據(jù)反射光束強(qiáng)度得到的折射率。另一個生長參數(shù)是膜層的成分或者是對應(yīng)照在膜層上光強(qiáng)的反射光的相對強(qiáng)度。相應(yīng)于照到膜層上光強(qiáng)度，反射光強(qiáng)度是隨著入射光波長的變化而改變的。
實(shí)際上，薄層是在基片上制成的，該基片位于具有稍微傾斜臺面的基座上，基座以給定的常速繞它的中心軸轉(zhuǎn)動。在基片上，基片周期性地接收光輻射，并且反射光。這時(shí)，反射光束的強(qiáng)度變化取決于生長參數(shù)的變化。通過調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體流速來調(diào)整該生長條件。
按照本發(fā)明的另一個目的，制作薄膜的氣相淀積裝置包括第一部件，叫反應(yīng)室，受控反應(yīng)氣流穿過反應(yīng)室;第二部件，以近似垂直生長膜層表面方向的入射光照在生長的膜層上。第三部件，用來接收生長膜層上反射的光束，產(chǎn)生反射光強(qiáng)指示信號。第四部件，用于從反射光強(qiáng)指示信號得到薄膜生長的參數(shù)。第五部件，根據(jù)生長參數(shù)控制生長條件，結(jié)果生長參數(shù)與其預(yù)定值一致。
第四部件最好是根據(jù)反射光強(qiáng)信號值得出薄膜厚度，薄膜的折射率，或者為檢測薄膜成分求出對應(yīng)于參考光強(qiáng)度的相對反射光的強(qiáng)度。假如在第四部件已求出相應(yīng)反射光強(qiáng)，則第四部件根據(jù)薄膜開始淀積之前測定的反射光強(qiáng)，得到參考光的強(qiáng)度。另一種方法是，第四部件根據(jù)照射到薄膜上的光束的光強(qiáng)度可得到參考光的強(qiáng)度。
在基片上用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積的方法生長薄膜，并且其參考光強(qiáng)度是以對應(yīng)基片測量的反射光強(qiáng)為依據(jù)得到的。
更進(jìn)一步，在基片上采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積方法生長薄膜，該基片位于處在反應(yīng)室里的基座上面，基座在一給定的速度下，和基片一起繞一個中心軸轉(zhuǎn)動。在轉(zhuǎn)動中，讓基片在一定角度位置上同第二部件對準(zhǔn)。第二部件包含一組光束作為光源，沿著與該基片表面近似垂直的方向入射，此時(shí)基片處在基座的一預(yù)定角度位置上，把每一束光源對準(zhǔn)基片。
通過下面的詳細(xì)闡述及本發(fā)明提出的最佳實(shí)施方案的附圖，可以更好地理解本發(fā)明。當(dāng)然本發(fā)明不受這一特定方案的限制，它們只是用于理解和解釋本發(fā)明。
在附圖中附圖1為裝置的最佳實(shí)施方案示意圖，該裝置采用MOCVD方法，在基片上生長半導(dǎo)體膜，而且實(shí)行現(xiàn)場監(jiān)測反饋控制生長條件。
附圖2是一放大了的半導(dǎo)體基片及在該基片上生長的半導(dǎo)體膜的剖面圖，用來論述本發(fā)明的原理。
附圖3為一曲線圖，表示對應(yīng)于半導(dǎo)體膜厚度的反射光強(qiáng)的變化。
附圖4(A)，4(B)，4(C)，4(D)為一組曲線圖，表示對應(yīng)于各生長期間反射光強(qiáng)度的變化。
附圖5為曲線圖，表示了在生成的AlxGa1-xAs半導(dǎo)體膜中，鋁的組分比率(X)同反射光強(qiáng)度比(b/a)的關(guān)系曲線。
附圖6為生成的AlxGa1-xAs半導(dǎo)體膜里鋁組分比率(X)同折射率(n)的關(guān)系曲線。
附圖7是曲線圖，表示在多層膜生長期間反射光強(qiáng)度相對于生長周期的變化。
附圖8是示意圖，表示MOCVD裝置的另一具體實(shí)施方案。
附圖9為相應(yīng)于波長λ的反射光強(qiáng)比(b/a)曲線圖。
附圖10是按照本發(fā)明利用MOCVD方法裝置第三個具體實(shí)施方案的示意圖。
附圖11(A)，11(B)，11(C)，11(D)為通過不同的光學(xué)窗口監(jiān)視的反射光強(qiáng)度變化的曲線圖。
附圖12表示在生長周期內(nèi)，反射光強(qiáng)度的變化曲線。
現(xiàn)在參照附圖，尤其是附圖1，本發(fā)明的第一個實(shí)施方案，采用MOCVD方法，在基片1上生長半導(dǎo)體膜層2?；?位于一個石英反應(yīng)管5里，裝在反應(yīng)管5內(nèi)基座6的上面，例如，基座6用碳做成，具有一個支承基片1的傾斜或歪斜的支承臺表面。在基座6的軸向進(jìn)氣端，基座7位于反應(yīng)管5中，對準(zhǔn)基座6?；?的高度在它和基座6相接觸一端高度相同。
用射頻線圈8包圍著反應(yīng)管5。該射頻線圈以預(yù)定的溫度加熱基片1。生長氣體或反應(yīng)氣體如箭頭A所指示的方向通入反應(yīng)管5，用這種工藝在基片1的表面生長薄膜層。
MOCVD裝置還包括一個用來監(jiān)測膜層的生長參數(shù)和反饋控制生長條件的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一光源9，光源9位于距反應(yīng)管5一定距離處。在上述方案里，用氦-氖激光器做光源，該氦氖激光器9產(chǎn)生波長(入)為6328埃(
)的激光束。激光束4從激光源9射出，穿過一斬光器10，透鏡11及反應(yīng)管5的石英管壁，照射到基片1的表面。所述方案用的透鏡11的焦距為500毫米。
然后，該激光束4受到基片1的反射、反射了激光束被反射鏡12反射、穿過漫射片(a diffusion plate)13，中性透明度(ND)濾光片14及濾色片15，照射到光電倍增管16上面。在所顯示的結(jié)構(gòu)里，漫射片13、ND濾光片14及濾色片15互相堆放在一起。如此設(shè)計(jì)ND濾光片14是為了吸收反射的激光束。另一方面，在上述結(jié)構(gòu)里、濾色片有選擇性、只讓波長大于600毫微米的光通過。
光電倍增管16適于檢測反射光。光電倍增管16與鎖定放大器17(原文19)相連。鎖定放大器也同斬光器10相連接。鎖定放大器17與斬光器10配合，只允許光電倍增管輸出的同斬光器選擇的激光束相對應(yīng)的信號，送至記錄器18。記錄器18接收光電倍增管16的輸出、在記錄紙上記錄了相應(yīng)生長周期的反射光強(qiáng)度的變化。
在上述方案中，激光束4的分光束穿過斬光器10，由透鏡11的平面反射。由透鏡11反射的分光受反射鏡19反射，進(jìn)入光量計(jì)。光量計(jì)20的輸出通過放大器21與記錄器22相連。記錄器22記錄了在生長周期內(nèi)受透鏡反射的光強(qiáng)度變化。為了保證監(jiān)測結(jié)果的精確性，在最佳實(shí)施方案，在共同的生長周期內(nèi)，用記錄器22記錄的數(shù)值去除記錄器18記錄的數(shù)值，因而激光束光強(qiáng)不穩(wěn)定不影響測量的結(jié)果。
為了更容易地理解本發(fā)明，下面將同上述裝置結(jié)合闡述本發(fā)明的原理。為了論述本發(fā)明的原理，假設(shè)基片上生長半導(dǎo)體膜2的厚度為d，基片被置于反應(yīng)氣體的氣氛3中。在近似垂直于薄層表面的方向上，具有波長λ的光照射到半導(dǎo)體膜的表面上。在膜2和反應(yīng)氣體3之間的界面，以及膜2與基片1之間界面上，菲涅分(Fresnel)的反射系數(shù)可以用下式表示
其中
(j＝1，2，3)是材料j的復(fù)數(shù)折射率，可以表示為
其中nj是
的實(shí)數(shù)分量，kj是(4π/λ)αj(αj是材料j的吸收系數(shù)。)在此考慮重疊反射，合成反射系數(shù)R可以表示為
因此，測出的反射光強(qiáng)度變成了｜R｜2。從上述公式(4)和(5)，可知隨著d的增加，反射光強(qiáng)度周期性的發(fā)生變化。假設(shè)m＝1，2，3，下式可以從(4)和(5)兩式中導(dǎo)出
附圖3示出了用公式(4)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到的結(jié)果，公式(4)適于AlxGa1-xAs(x＝0.57)的半導(dǎo)體薄膜。為了進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)n1＝4.11，α1＝81800厘米-1，n2＝3.66α2＝24200厘米-1，n3＝1，α3＝0。如在附圖3所見到的，當(dāng)觀察到反射光強(qiáng)度隨膜2的生長厚度d作周期變化，激光束以大體垂直于膜表面的入射角照射時(shí)就能求得生長膜的復(fù)數(shù)折射率n2，它表示了膜的組成。
根據(jù)上述原理，在砷化鎵基片上做生長AlGaAs半導(dǎo)體膜的試驗(yàn)。其中砷化鎵基片1位于反應(yīng)管5中，用射頻感應(yīng)線圈8，把管5中基片1加熱到700℃，作為含鎵的材料和含鋁的材料，采用三甲基鎵(TMG)和三甲基鋁(TMA)。TMG氣流以固定流量，例如，以10毫升/分的流量，流過反應(yīng)管5。另一方面，TMA的流量是在5，10，20，40毫升/分內(nèi)變化的。另外，在反應(yīng)管中，為了避免趨向于干撓激光束A的反應(yīng)物積累，選擇相對高的反應(yīng)氣體流速如選擇高于1米/秒的流速。
測出的反射光強(qiáng)度的結(jié)果如圖4所示。用螢光測量生長的半導(dǎo)體AlxGa1-xAs膜中鋁的組分x。由此可見，鋁的組分x是隨TMA的流量大小變化的。換句話說，在上述實(shí)驗(yàn)中，相對于TMA流量鋁的組分X分別為0.26，0.40，0.57和0.72。另一方面，AlxGa1-xAs膜2生長到厚度為d之后，可以用掃描電子顯微鏡(SEM)測量。根據(jù)測得的d，可以從前面的公式(6)導(dǎo)出膜的折射率。更進(jìn)一步，吸收系數(shù)α2也可以根據(jù)反射光強(qiáng)度的吸收率按下面公式得到I＝Ioexp(-α2·d)其中Io是在膜厚度為O時(shí)的反射光強(qiáng)度I是當(dāng)膜厚度為d時(shí)的反射光強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果在下面的表格中表示出來。注意在表格中所示GaAs的對應(yīng)數(shù)據(jù)，是從反射光強(qiáng)度曲線的波動分析中獲得的。此時(shí)，砷化鋁(AlAs)是生長在砷化鎵(GaAs)基片上，接著在砷化鋁膜層上生長砷化鎵膜層。
(接表1)在上述結(jié)論的基礎(chǔ)上，下面可以討論在膜2生長期間生長參數(shù)的求解過程。附圖5是光強(qiáng)比b/a同鋁的組分x的關(guān)系曲線圖。其中比率b/a是附圖3所示曲線第一波谷凹點(diǎn)的反射光強(qiáng)度b與砷化鎵基片1的反射光強(qiáng)度a之比。用附圖5的曲線，并且根據(jù)第一波谷凹點(diǎn)的反射光強(qiáng)度，可以得到生長的AlxGa1-xAs中鋁的組分x。曲線第一波谷凹點(diǎn)近似對應(yīng)膜厚度為40毫微米。
附近6是按上述表格所做的曲線。在圖6中，當(dāng)鋁組分x為0.8左右時(shí)，折射率變成不連續(xù)，這是由于AlxGa1-xAs的帶隙存在引起的。因?yàn)殇X組分可以從圖5中導(dǎo)出，所以折射率n能用圖6的曲線求得。同樣，用求得的折射率，按上述公式(6)可以求出膜的厚度。
該膜厚度是與代表反射光強(qiáng)度曲線第一個波谷凹點(diǎn)相對應(yīng)的。對于第一波谷，用這一厚度除以生長時(shí)間，就可以得到生長速度。根據(jù)圖5，圖6和公式(6)，一經(jīng)作出分析曲線之后，就可以直接用該曲線進(jìn)行測量。
因?yàn)樵谏鲜龇桨钢?，能夠現(xiàn)場監(jiān)測生長過程中的生長速度和AlxGa1-xAs薄膜的鋁組分x，用MOCVD裝置可以進(jìn)行反饋控制。在反饋控制時(shí)，表示生長參數(shù)的數(shù)據(jù)，例如生長速度，鋁組分等等，被反饋到MOCVD裝置的物質(zhì)流量控制器(MFC)。這樣，當(dāng)生長參數(shù)出現(xiàn)了一偏離要求值的數(shù)值時(shí)，反應(yīng)氣體濃度將被調(diào)節(jié)。因而，能準(zhǔn)確和有效地控制半導(dǎo)體膜的生長。
當(dāng)激光束4的入射角有所變化，測量結(jié)果將會出現(xiàn)誤差。換句話說當(dāng)激光束4與膜2的夾角不是90度，當(dāng)激光束穿過膜2的光路長度伸展，干涉的周期則縮短。例如，當(dāng)光路長度加長1%，干涉周期可縮短1%在這種情況下，假設(shè)AlGaAs膜2的n2為3.5，按斯涅耳(Snell)定律入射角可以推導(dǎo)出來，即激光束4的入射角由下列公式表示n3.Sinθ＝n2.Sinθ′其中θ是入射角θ′是折射角n3是氣相的折射率(＝1)在上式，當(dāng)COSθ′是0.99時(shí)，得到折射角θ′為8°。因而，入射角θ可以通過下式表示θ＝Sing-1(3.5Sin8°)＝30°由此可以看出，即使當(dāng)入射角偏離30°時(shí)，測量結(jié)果的誤差可近似為1%。這誤差遠(yuǎn)小于用橢園儀測量的方法所得結(jié)果的誤差。更進(jìn)一步，按照上述方案，激光束和反射光束通過在反應(yīng)管上的同一窗口，因而減少了對結(jié)構(gòu)的限制。另外，由于在入射激光光束角度發(fā)生微小變化時(shí)，反射光強(qiáng)度和光路長度將不受重大的影響。不必精確地和準(zhǔn)確地調(diào)整光軸。還有，在該裝置中，通過反應(yīng)氣體的激光光路長度可以縮短，(與橢園儀測量的方法的同樣情況相比較)，故由反應(yīng)氣體干撓產(chǎn)生的噪音將減少。
附圖7所示另一方案中反射光強(qiáng)度的變化，該方案采用圖1的MOCVD裝置。在該方案中，首先用具有20毫升/分流量的TMG流，在砷化鎵基片上生長砷化鎵膜層。因此，在生長的砷化鎵膜層上，以40毫升/分流量的三甲基鋁，生長砷化鋁膜層，接著，在砷化鋁層上，生長砷化鎵膜層。由圖7可知，在生長砷化鋁吋呈現(xiàn)出的波動曲線，與生長砷化鎵時(shí)波動曲線不同。因此，對上述實(shí)驗(yàn)監(jiān)測的方法，是適用監(jiān)測多層膜的生長。隨后，從監(jiān)測生長條件得出的生長參數(shù)反饋到MOCVD裝置的MFC部件中，使要生長的半導(dǎo)體膜組成和生長速度可被控制。
附圖8是裝置的另一種方案，該方案利用MOCVD工藝和按照本發(fā)明利用優(yōu)選的氣相淀積方法。在以下的討論里，與圖1表示的前述方案的元件相同的那些元件，將用同一參考數(shù)字表示。在該方案中用一白色光源23作為光源，做為前述方案里激光器的替換光源。由光源23發(fā)射的光，穿過透鏡24，以高速度照射到掃描分光鏡25。該方案中選用高速掃描分光鏡，選擇掃描的速度非常高，使掃描的時(shí)間短到令人滿意的程度。在掃描時(shí)間里，基片1上半導(dǎo)體膜生長厚度變化小到可以忽略。目前，市場上可以得出能夠在小于1秒的掃描時(shí)間里完成一個掃描過程。因而，上述方案采用一個這樣的高速掃描分光鏡。來自分光鏡25特定光譜的光束，通過斬光器10、透鏡11，光束分離器26，以及反應(yīng)管5的外壁，照到基座6的基片1上。同上述第一方案相類似，照在基片上的光束其入射角相對于基片表面近似90°。由基片1反射，或由在基片上生長的半導(dǎo)體膜反射的光束，受反射鏡12反射，被光電倍增管16接收。光電倍增管16輸出代表接收光強(qiáng)度的光強(qiáng)指示信號，并且將指示信號通過放大器17輸入到數(shù)據(jù)收集部件27。和上述第一方案相同，放大器17由一個鎖定放大器構(gòu)成，在工作過程中和斬光器一起受到控制。特別是放大器17只讓光電倍增管16根據(jù)斬光器選擇的光束所發(fā)出的輸出信號通過。
在另一方面，由光束的分離器26將光分離，然后被另一個光電倍增管28接收。光電倍增管28也輸出光強(qiáng)度指示信號，該信號代表接收的分光束的強(qiáng)度，光電倍增管28把光強(qiáng)度指示信號通過放大器29輸入數(shù)據(jù)收集部件27。同放大器17相類似，放大器29也由一個鎖定放大器構(gòu)成，將29結(jié)合到斬光器，以致在工作過程中也受到控制。特別是放大器29只允許光電倍增管28根據(jù)斬光器選擇的光束而發(fā)出的輸出信號通過。
數(shù)據(jù)收集部件27與壓力傳感器33相連、設(shè)計(jì)傳感器33用于監(jiān)測反應(yīng)管5內(nèi)的壓力。壓力傳感器33產(chǎn)生一個代表反應(yīng)管內(nèi)壓力的指示信號。數(shù)據(jù)收集部件也同一個以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的控制器30相連接。另一方面，控制器30聯(lián)接到MFC控制部件31。MFC控制部件31與用來控制通過反應(yīng)管5的反應(yīng)氣體流量的MFC32可控聯(lián)接，與用來控制運(yùn)載氣體流速的MFC34可控連接。根據(jù)壓力傳感器33得到的壓力指示信號，控制器30產(chǎn)生一個運(yùn)載氣體流量控制信號，因此維持反應(yīng)管5內(nèi)壓力為所需壓力。MFC控制部件31為了調(diào)節(jié)運(yùn)載氣體流速驅(qū)動MFC34。另一方面，為得到反應(yīng)氣體供應(yīng)量，控制器30通過放大器17，收到從光電倍增管來的來的光強(qiáng)指示信號。根據(jù)得到的反應(yīng)氣體流量，控制器得到一反應(yīng)氣體控制信號。MFC控制部件31因此啟動MFC32去調(diào)節(jié)通過反應(yīng)管5的反應(yīng)氣體流量。
這里將討論MOCVD裝置控制生長參數(shù)的第三方案的工作過程。首先控制器30輸出反應(yīng)氣體控制信號到MFC控制部件31，去啟動MFC32，使預(yù)定的反應(yīng)氣體流量流過反應(yīng)管5。同時(shí)啟動高速掃描分光鏡25開始掃描工作。由于分光鏡25已經(jīng)開始工作，光束穿過分光鏡25、斬光器10，透鏡11，光束的分離器26，在基片1和基片1上生長的半導(dǎo)體膜上掃描。然后光束受生長的半導(dǎo)體膜反射，經(jīng)過反射鏡12照到光電倍增管16上。因而光電倍增管輸出光強(qiáng)度指示信號，通過鎖定放大器17進(jìn)入數(shù)據(jù)收集部件27。與此同時(shí)，光電倍增管28接收由分光器26分離的光束分量，輸出光強(qiáng)指示信號。光電倍增管28的光強(qiáng)度指示信號，通過鎖定放大器29被輸入到數(shù)據(jù)收集部件27。假設(shè)光電倍增管16的光強(qiáng)指示信號的值為A，光電倍增管28的光強(qiáng)指示信號的值為B，反射強(qiáng)度(B/A)作為一個波長λ的系數(shù)，其變化如附圖9所示。反射強(qiáng)度(B/A)也由數(shù)據(jù)收集部件29存儲，由控制部件30分析。根據(jù)分析的結(jié)果，控制器30產(chǎn)生反應(yīng)氣流控制信號，通過MFC控制部件去控制MFC32。因此用控制通過反應(yīng)管5的反應(yīng)氣體流量來調(diào)節(jié)生長的半導(dǎo)體膜的成分和生長速度。因此，通過現(xiàn)場監(jiān)測，以反射強(qiáng)度數(shù)據(jù)做為掃描光束波長λ的一個系數(shù)，可以反饋控制半導(dǎo)體膜的生長條件。
附圖10是根據(jù)本發(fā)明MOCVD裝置的第三個方案。如附圖10所示，該方案采用垂直型式的MOCVD裝置。該裝置包括鐘罩40和園盤型基座41。許多基片1被安置在基座41。盡管在附圖中它不是十分清楚詳細(xì)，基座與一個驅(qū)動軸(圖中未畫出)聯(lián)接，在鐘罩40內(nèi)作園周轉(zhuǎn)動。下面將評價(jià)附圖10所示的MOCVD裝置，它具有一個加熱設(shè)備和一個反應(yīng)氣體導(dǎo)入系統(tǒng)，以公知的方式排列安置它們。
把鐘罩制成頂部具有光窗42a，42b，42c，42d。在上述方案中，光窗42a，42b，42c，42d是用透明石英材料制作的。這些光窗42a，42b，42c，42d對應(yīng)于基座41上基片1的位置徑向地排列，并且相隔一定的距離環(huán)繞著排列。更具體一些，光窗42a，42b，42c，和42d的表面制成光學(xué)平面，所以入射光和反射光不會散射。一對光學(xué)纖維43a和43b分別與光窗42a，42b，42c，42d相連，使光束入射到基片1和基座41上，并且接收反射光。每一個光纖43a用來接收光束，該光束從作為光源的激光器44出發(fā)，通過斬光器45和光束分離器46過來。同上述第二方案相似，光束的分離器46把從激光器44來的光束分離，將分離的分光束輸入到光電倍增管47中。光電倍增管47輸出光強(qiáng)指示信號，以同等的光強(qiáng)指示信號，通過鎖定放大器49，輸入到數(shù)據(jù)收集部件48。
另一方面，從激光器來的光束，通過光纖43a，穿過光窗42a，42b，42c，42d，照到基片1或者照到基片上生長的半導(dǎo)體膜層的表面上。由光纖43b收到來自基片上的反射光，然后送到光電倍增管50。光電倍增管49產(chǎn)生反射光強(qiáng)指示信號，通過鎖定放大器51、送到數(shù)據(jù)收集部件48。
實(shí)際現(xiàn)場監(jiān)測，使用控制器52和MFC控制部件53，反饋控制反應(yīng)氣體流量。從激光器44來的光束穿過光窗42a，42b，42c，42d連續(xù)照射。因?yàn)榛?1設(shè)計(jì)成不反射入射光束，所以只有光束照到基片1時(shí)，光束才能被檢測。因此，當(dāng)基座41轉(zhuǎn)動一圈時(shí)，基片依次同光窗42a，42b，42c，和42d對正。此時(shí)從激光器44來的光束被基片反射，并且用光纖43b接收。根據(jù)數(shù)據(jù)收集部件收集的數(shù)據(jù)，得到反射光強(qiáng)(B/A)，作為波長λ的系數(shù)。因而控制器42產(chǎn)生了反應(yīng)氣流控制信號，用于通過MFC控制部件53，控制反應(yīng)氣體流量。
在實(shí)際的工作過程中，基座41的驅(qū)動速度為20-30轉(zhuǎn)/分。在上述方案中，激光器44采用的是氦氖激光器，它產(chǎn)生波長為6328埃的激光束。在半導(dǎo)體膜的生長期間，反射光強(qiáng)指示信號是由各自的光電倍增管50周期性地產(chǎn)生，它通過光纖43b聯(lián)到相應(yīng)的光窗42a，42b，42c，42d，如附圖11(A)，11(B)，11(C)，11(D)所示。假設(shè)在基座41的一個基片，在時(shí)間t1與窗孔42a對準(zhǔn)，相同的基片在時(shí)刻t2，t3，t4分別同窗孔42b，42c，42d相對準(zhǔn)。那么在相應(yīng)時(shí)刻t1，t2，t3，t4，可以得到反射光強(qiáng)度R1(B1/A1)，R2(t4/A2)，R3(B3/A3)，R4(B4/A4)。在時(shí)刻t4之后，同一基片在時(shí)刻t5重新對準(zhǔn)光窗孔42a，在時(shí)刻t6對準(zhǔn)窗孔42b，而且在時(shí)刻t7時(shí)對準(zhǔn)光窗孔42c。在相應(yīng)的時(shí)刻t5，t6，t7可以得到反射光強(qiáng)度R5(B1/A1)，R6(B2/A2)，R7(B3/A3)。因此，可以在附圖12中表示同一基片的變化。
根據(jù)這些和利用象關(guān)于附圖4、附圖5表示的工作過程，能夠?qū)С霭雽?dǎo)體膜的生長參數(shù)。
為便于理解本發(fā)明，在按照幾個實(shí)施方案公開本發(fā)明的時(shí)候，從中明顯看出，不需要改變本發(fā)明的原則，可以有多種本發(fā)明應(yīng)用方案因此，本發(fā)明應(yīng)理解為不違反后附的權(quán)利要求
表示本發(fā)明的原則，包括有能夠?qū)嵤┑姆桨负头桨杆凶兏褪健?br>例如，可以闡述各種用來控制在半導(dǎo)體薄膜生長期間的生長參數(shù)的反饋控制系統(tǒng)。另外通過取折射率、鋁的組分x和反射光強(qiáng)曲線的第一波谷處的生長速度做為原始參數(shù)，通過根據(jù)這些原始參數(shù)和瞬時(shí)反射光強(qiáng)的測量，導(dǎo)出的瞬時(shí)生長參數(shù)，如折射率，鋁的組分，及生長速度，第一方案可以獲得更高的精度。
權(quán)利要求
1.一種控制氣相淀積生長薄膜的成分及其生長的方法，包括下列步驟光束照射到上述薄膜表面上，該光束的入射角近似地與薄膜表面成直角，接收從薄膜上反射的光束，用來監(jiān)測生長參數(shù)和產(chǎn)生生長參數(shù)指示信號，并且根據(jù)該生長參數(shù)指示信號反饋控制薄膜的生長條件。
2.一種如權(quán)利要求
1所述的方法，其生長參數(shù)是根據(jù)該薄膜的反射光束強(qiáng)度得出的。
3.一種如權(quán)利要求
2所述的方法，其生長參數(shù)之一是根據(jù)該反射光束強(qiáng)度得出的折射率。
4.一種如權(quán)利要求
2所述的方法，其生長參數(shù)之一是該薄膜的成分。
5.一種如權(quán)利要求
2所述的方法，其所述的生長參數(shù)之一是相對于照在薄膜表面的光束強(qiáng)度的所述的反射光相對強(qiáng)度。
6.一種如權(quán)利要求
5所述的方法，其中所述的相對于入射光束強(qiáng)度的反射光相對強(qiáng)度，其變化取決于照射光束的波長。
7.一種如權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述的薄膜是在基片上制成的，該基片裝在基座上，基座具有一稍微傾斜的臺面。
8.一種如權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述的生長條件靠調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體流量來調(diào)整。
9.一種如權(quán)利要求
7所述的方法，其中所述的基座是以一給定的常速繞其中心軸轉(zhuǎn)動的。
10.一種如權(quán)利要求
9所述的方法，其中所述的在該基座上的基片，受到光束周期性的照射，其反射光強(qiáng)度變化取決于生長參數(shù)的變化。
11.一種用氣相淀積形成薄膜的裝置，包括第一部件 定義為反應(yīng)室，氣體數(shù)量受到控制的反應(yīng)氣流從其中流過;第二部件 用光束以相對生長膜近似成直角的入射角照射到生長膜層的表面上。第三部件 接收由生長膜反射的光束，用它產(chǎn)生一反射光束強(qiáng)度指示信號。第四部件 根據(jù)反射光強(qiáng)度的指示信號，導(dǎo)出所述薄膜的多個生長參數(shù)。第五部件 根據(jù)上述生長參數(shù)控制該薄膜的生長條件，因而生長參數(shù)與予定值相一致。
12.一種如權(quán)利要求
11所述的裝置，在其所述第四部件中，根據(jù)該反射指示信號值得到該薄膜的厚度。
13.一種如權(quán)利要求
11所述的裝置，在其所述第四部件中，得到該薄膜的折射率。
14.一種如權(quán)利要求
11所述的裝置，在其所述第四部件中，得到關(guān)于參考光強(qiáng)度的相對反射光強(qiáng)度，用于檢測所述薄膜的成分。
15.一種如權(quán)利要求
14所述的裝置，在其所述第四部件中，根據(jù)該薄膜開始淀積之前測得的反射光強(qiáng)，得到參考光強(qiáng)度。
16.一種如權(quán)利要求
14所述的裝置，在其所述第四部件中，根據(jù)照到該薄膜上的光束的光強(qiáng)度，得到該參考光強(qiáng)度。
17.一種如權(quán)利要求
15所述的裝置，其所述薄膜是采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積方法，在基片上生長的，而所述的參考光強(qiáng)度，是根據(jù)相對于基片測出的反射光強(qiáng)度得出的。
18.一種如權(quán)利要求
11所述的裝置，其中薄膜采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積方法生長在基片上，基片裝在位于反應(yīng)室內(nèi)的基座上，該基座帶著基片以一給定的速率繞中心旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動過程中，使該基片同上述第二部件在一定角度位置上對正。
19.一種如權(quán)利要求
18所述的裝置，其中第二部件包含一組光束作為入射光源，以和基片表面近似垂直的角度照射，當(dāng)基片位于基座的一予定角度位置時(shí)，每一個光束源對準(zhǔn)該基片。
專利摘要
一種氣相淀積的方法，包括以現(xiàn)場監(jiān)測的方法測試半導(dǎo)體薄膜的生長。根據(jù)本發(fā)明，入射光束在幾乎垂直于生長膜表面的方向上，照射到生長膜的表面。膜的生長參數(shù)能夠由膜表面反射光變化測試出來。根據(jù)測出的生長參數(shù)，可以反饋控制氣相淀積室中的生長條件。
文檔編號C23C16/52GK87102726SQ87102726
公開日1987年12月16日 申請日期1987年2月15日
發(fā)明者河合弘治, 今永俊治, 長谷伊知郎, 金子邦雄, 渡部尚三 申請人:索尼公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan