專利名稱：基板溫度測量裝置及基板溫度測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基板溫度的測量技術(shù)，特別涉及利用從基板放射出的紅外線的基板溫 度測量裝置和基板溫度測量方法。
背景技術(shù)：
氧化鋅(ZnO)系半導(dǎo)體的激子結(jié)合能大，室溫下也能夠穩(wěn)定存在，并且能夠釋放 出單色性優(yōu)良的光子，因此，正在逐漸應(yīng)用于作為照明、背光等的光源而使用的發(fā)光二極管 (LED)、高速電子設(shè)備、或表面彈性波設(shè)備等。此處，“ZnO系”是指以ZnO為基體的混晶材料， 包括以IIA族元素或IIB族元素置換部分Zn(鋅)的材料、以VIB族元素置換部分0(氧) 的材料、或是這雙方組合而成的材料。以前，在將ZnO系半導(dǎo)體用作p型半導(dǎo)體時(shí)，存在難以向ZnO系半導(dǎo)體進(jìn)行受體摻 雜，從而難以獲得P型ZnO系半導(dǎo)體的問題。技術(shù)的進(jìn)步使得能夠獲得p型ZnO系半導(dǎo)體， 也確認(rèn)了其發(fā)光性能(例如參照非專利文獻(xiàn)1，2)。通常，在半導(dǎo)體設(shè)備中，通過層積摻雜雜質(zhì)的種類不同或摻雜量不同的薄膜或?qū)?積組分不同的多種薄膜等，來實(shí)現(xiàn)所希望的性能。在這種情況下，經(jīng)常是薄膜的平坦性出現(xiàn) 問題。這是由于如果薄膜的平坦性不好，載流子在薄膜中移動時(shí)的阻力變大，在薄膜的層積 結(jié)構(gòu)中，越是后面形成的薄膜其表面的粗糙(凹凸)也變得越嚴(yán)重。一旦表面凹凸大，就 會出現(xiàn)不能保證薄膜蝕刻深度的均一性、表面的凹凸造成的各向異性的結(jié)晶面的生長等問 題。其結(jié)果是，出現(xiàn)半導(dǎo)體設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)所希望性能的問題。為此，希望薄膜的表面是平坦 的。另外，以前ZnO膜大多在藍(lán)寶石基板上生長而成，但近年來ZnO結(jié)晶基板在市場上 就能買到，在這樣的ZnO基板上使ZnO系半導(dǎo)體膜生長的所謂同質(zhì)生長(**成長)成為 可能。非專利文獻(xiàn)1 ？力廿矢(A. Tsukazaki)、他著、「” V、° 二一文 夕\ 一 f卟 才 7... T 7° 7 ^ 卜、7 4 夕夕 7、第 44 卷(Japanese Journal of Applied Physics vol. 44) J, 2005 年，p. 643非專利文獻(xiàn)2 ？力廿矢(A. Tsukazaki)、他著、「才、4 f \ 一 歹丨J 7卟、4號 (Nature Material 4)」，2005 年，p. 42為了在基板上使半導(dǎo)體膜表面平坦性良好地進(jìn)行結(jié)晶生長，基板溫度十分重要。 通常，在被加熱源加熱到所希望溫度的基板上生長ZnO系半導(dǎo)體膜時(shí)，利用紅外線溫度計(jì) 等放射溫度計(jì)測量從基板放射出的紅外線，來確認(rèn)基板溫度是否為所希望的溫度。但是，在使用ZnO系基板、藍(lán)寶石基板或氮化鎵(GaN)基板等寬禁帶材料基板的情 況下，由于這些寬禁帶材料在較寬的波長范圍內(nèi)是透明的，因此存在無法精度良好地測量 基板溫度的問題。在此，“透明”是指紅外線等電磁波透過基板。即、在使用寬禁帶材料基板 的情況下，從加熱基板的加熱源或保持基板的固定器放射出的紅外線透過基板而到達(dá)放射 溫度計(jì)，出現(xiàn)了無法精度良好地測量基板溫度的問題。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問題，本發(fā)明以提供能夠高精度地測量基板溫度的基板溫度測量裝置及 基板溫度測量方法為目的。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，提供一種基板溫度測量裝置，其具有(a)加熱基板 的加熱源；(b)使不能透過基板的波長區(qū)域內(nèi)的紅外線透過的透射窗；(c)靈敏度范圍包括 波長區(qū)域，分析從被加熱源加熱了的基板放射出且透過透射窗的紅外線從而測量基板的基 板溫度的溫度測量器。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，提供一種基板溫度的測量方法，包括(a)利用加熱 源加熱基板，使從該基板放射出且不能透過基板的波長區(qū)域內(nèi)的紅外線通過透射窗入射到 靈敏度范圍包括波長區(qū)域的溫度測量器的步驟；(b)利用溫度測量器分析從基板放射出的 紅外線從而測量基板的基板溫度的步驟。根據(jù)本發(fā)明，能夠提供可以高精度地測量基板溫度的基板溫度測量裝置及基板溫 度測量方法。


圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的基板溫度測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是表示利用本發(fā)明的實(shí)施方式的基板溫度測量裝置來測量基板溫度的半導(dǎo) 體裝置一例的示意圖；圖3是表示圖2所示的半導(dǎo)體裝置的表面狀態(tài)一例的圖；圖4是表示圖2所示的半導(dǎo)體裝置表面的算數(shù)平均粗糙度與基板溫度之間關(guān)系一 例的曲線圖；圖5是用于說明粗糙度曲線的示意圖；圖6是表示圖2所示的半導(dǎo)體裝置表面的均方根粗糙度與基板溫度之間關(guān)系一例 的曲線圖；圖7是表示層積了半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體裝置的最上層的表面狀態(tài)一例的圖；圖8是表示半導(dǎo)體裝置特性一例的曲線圖，圖8(a)為表示氮濃度的曲線圖，圖 8(b)是表示基板溫度與氮濃度之間關(guān)系的曲線圖；圖9是表示半導(dǎo)體裝置的氮濃度與生長溫度之間關(guān)系一例的曲線圖；圖10是表示加熱源的加熱器輸入電壓與基板溫度之間關(guān)系一例的曲線圖；圖11是表示紅外線的波長與各種材料的透過率之間關(guān)系一例的曲線圖；圖12是表示紅外線的波長與各種材料的透過率之間關(guān)系的其他例的曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面，參照

本發(fā)明的實(shí)施方式。在以下的附圖的記載中，對相同或類似的 部分使用相同或類似的附圖標(biāo)記。以下所示的實(shí)施方式是用于具體體現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)思想 的裝置、方法的示例，本發(fā)明的技術(shù)思想并非將結(jié)構(gòu)部件的材質(zhì)、形狀、結(jié)構(gòu)、配置等限定為 以下所述的內(nèi)容。本發(fā)明的技術(shù)思想在權(quán)利要求的基礎(chǔ)上能夠加以各種變更。本發(fā)明實(shí)施方式的基板溫度測量裝置，如圖1所示，具有加熱基板100的加熱源
4
10、使不能透過基板100的波長區(qū)域內(nèi)的紅外線透過的透射窗30、以及溫度測量器40，該溫 度測量器40的靈敏度范圍包括不能透過基板100的波長區(qū)域，對從被加熱源10加熱了的 基板100放射出并透過透射窗30的紅外線進(jìn)行分析從而測量基板100的基板溫度。金屬膜 110是用于高效地吸收加熱源的放射紅外線的部件，特別在希望成為高溫的時(shí)候是有效的。 在不需要使基板100成為高溫時(shí)，也可以省略金屬膜。本發(fā)明的實(shí)施方式的基板溫度測量 裝置與具有腔室1的結(jié)晶生長裝置組合使用。根據(jù)測量出的溫度準(zhǔn)確地進(jìn)行溫度控制，能 夠?qū)崿F(xiàn)所希望的結(jié)晶生長。圖1所示的基板溫度測量裝置，在基板100的背面101上配置有金屬膜110，還具 有以使該背面101面對加熱源10的方式安裝該基板100的固定器20。固定器20能夠采用 例如不銹鋼(SUS鋼)、鉻鎳鐵合金(4 > 二彳、> )等。加熱源10以及固定器20配置在腔 室1內(nèi)，從基板100放射出的紅外線透過透射窗30入射到配置在腔室1的外部的溫度測量 器40。加熱源10能夠采用紅外線燈或在其放射光譜中包含波長700nm以上的光的紅外 線激光等。例如能夠采用涂覆有碳化硅(Sic)的石墨加熱器等。由于鎢(W)等形成的金屬 系加熱器在使ZnO系半導(dǎo)體等氧化物在基板100上結(jié)晶生長時(shí)會被氧化，因此不能用作加 熱源10，但是在使氧化物以外的膜生長時(shí)能夠用作加熱源10。透射窗30具有將難以透過基板100的波長的紅外線向制造裝置外取出的功能。例 如在基板100為ZnO系基板時(shí)，作為透射窗30可以采用透過波長8 u m以上的紅外線的材 料。這是由于如后所述，ZnO系基板對于波長8 ym以上的紅外線的透過率低。具體地說， 作為透射窗30的材料，能夠采用例如氟化鋇(BaF2)晶體等。溫度測量器40的能夠測量的紅外線的靈敏度范圍被設(shè)定為包含不能透過基板 100且能夠透過透射窗30的紅外線的波長區(qū)域。在此，“靈敏度范圍”是指溫度測量器40 能夠接收并進(jìn)行分析的紅外線的波長區(qū)域。例如當(dāng)基板100為ZnO系基板時(shí)，使波長8 u m 以上、例如Sym 14i!m的波長區(qū)域作為靈敏度范圍。通過設(shè)定為測定長波長的電磁波， 如下所示，溫度測量器40直到低溫都能夠測量基板100的基板溫度。即、根據(jù)普朗克黑體 輻射定律，輻射的峰值波長、P與溫度Ts之間的關(guān)系如下所示(a)Ts = 30°C時(shí)，入p = 9. 56iim(b)Ts = 100°C時(shí)，入p = 7. 77iim(c)Ts = 500°C時(shí)，入p = 3. 75iim(d)Ts = 1000°C時(shí)，入p = 2. 27iimS卩、溫度越低輻射的峰值波長越短。因此，溫度測量器40的靈敏度范圍包含在低 基板溫度下從基板100放射出的輻射的峰值波長。另一方面，由于成為高溫則脫離靈敏度 范圍，所以通常在基板溫度超過500°c的情況下，安裝例如遮蔽短波長側(cè)紅外線的濾波器等 來校正溫度，從而測量基板溫度。溫度測量器40例如能夠采用熱成像儀。正如眾所周知的那樣，熱成像儀是分析從 物體放射出的紅外線，并將熱分布以圖的方式表示而能夠?qū)崿F(xiàn)可視化的裝置。當(dāng)溫度測量 器40采用熱成像儀時(shí)，溫度測量器40分析從基板100放射出的紅外線，測量由加熱源10 加熱的基板100的熱分布。當(dāng)作為溫度測量器40而采用熱成像儀時(shí)，優(yōu)選為具有輻射熱測定器型紅外線檢測器的熱成像儀。這是由于，與具有使用需要冷卻的量子型紅外線檢測器的紅外線陣列傳 感器的情況相比，使用輻射熱測定器型或熱電型等熱型紅外線檢測器的非冷卻型紅外線熱 成像儀能夠?qū)崿F(xiàn)小型、輕量化以及低價(jià)化。在以下說明中，作為基板100，以例如ZnO、或鎂(Mg)的混晶MgxZni_x0(0 ^ x < 1) 等ZnO系材料形成的ZnO系基板為例進(jìn)行說明?；?00背面101上配置的金屬膜110能 夠采用具有鈦(Ti)和白金(Pt)的層積結(jié)構(gòu)的金屬膜等。目前，為了高純度地形成ZnO系半導(dǎo)體膜，通常采用分子束外延法(MBE)。由于MBE 法使用元素材料作為原料，與使用化合物材料的有機(jī)金屬氣相生長法(M0CVD)相比，在原 料階段就能夠提高純度。如圖1所示，腔室1還具有單元11和單元12，它們提供在基板100上結(jié)晶生長的 薄膜的原料。即、圖1所示的基板溫度測量裝置一邊高精度地測量基板100的基板溫度，一 邊作為使薄膜結(jié)晶生長的裝置來起作用。在圖1所示的例中，從單元11供給鋅(Zn)，單元 12為自由基發(fā)生器(’ 7力&発生器)，在利用MBE法來進(jìn)行ZnO膜等含有氣體元素的化 合物的結(jié)晶生長時(shí)被使用。自由基發(fā)生器通常為在PBN(pyrolytic boron nitride 熱解氮 化硼)、石英形成的放電管121的外側(cè)周圍卷繞有高頻線圈122而成的結(jié)構(gòu)，高頻線圈122 連接在高頻電源(未圖示)上。在圖1所示的例中，利用高頻線圈122對供給到單元12內(nèi) 部的氧(0)施加高頻電壓(電場)，產(chǎn)生等離子，等離子粒子((f)從單元12被供給。下面說明，對于使由ZnO系半導(dǎo)體形成的薄膜表面平坦性良好地進(jìn)行結(jié)晶生長， 基板溫度是重要的因素。下面，如圖2所示，以在背面101上配置有金屬膜110的ZnO系基 板作為基板100，在該基板100的表面使由ZnO系半導(dǎo)體形成的半導(dǎo)體層200結(jié)晶生長，以 這種情況為例進(jìn)行說明。圖2表示了在基板100上形成的半導(dǎo)體層200為一層的情況，當(dāng) 在基板100上層積多層ZnO系半導(dǎo)體時(shí)，需要使各個(gè)半導(dǎo)體層的表面平坦性良好地進(jìn)行結(jié) 晶生長。另外，半導(dǎo)體層200的主面201被用作在其上生長其它半導(dǎo)體層的面等。圖3表示在圖1所示的基板100上利用MBE法使由ZnO系半導(dǎo)體形成的半導(dǎo)體層 200進(jìn)行外延生長的情況下，半導(dǎo)體層200的主面201的狀態(tài)。具體而言，是在由MgxZni_x0 形成的基板100上，改變基板溫度而使由ZnO形成的半導(dǎo)體層200生長時(shí)主面201的狀態(tài) 的一例。圖3(a) 圖3(e)是將基板溫度分別為810°C、760°C、735°C、720°C、685°C時(shí)主面 201的狀態(tài)利用原子間力顯微鏡(AFM)以20 ym的分解能進(jìn)行掃描而獲得的圖像。如圖3(c)、圖3(d)以及圖3(e)所示，當(dāng)基板溫度為735°C以下時(shí)，很明顯在主面 201上散布著凹凸。而如圖3(a)以及圖3(b)所示，當(dāng)基板溫度為760°C以上時(shí)，主面201 處于凹凸很少的平整的狀態(tài)，形成主面201的平坦性良好的半導(dǎo)體層200。不僅僅在圖3所示的溫度下，而是更精細(xì)地改變基板溫度并將在各基板溫度下由 ZnO形成的半導(dǎo)體層200的主面201的平坦性作為數(shù)值來表示，將其曲線化的結(jié)果表示在圖 4中。圖4的縱軸是半導(dǎo)體層200的主面201的算數(shù)平均粗糙度Ra?！八銛?shù)平均粗糙度”Ra 是利用圖5所示的粗糙度曲線獲得的。粗糙度曲線是例如在規(guī)定的取樣點(diǎn)測定半導(dǎo)體層200的主面201上的凹凸，并將 凹凸的大小與這些凹凸的平均值同時(shí)表示的曲線。算數(shù)平均粗糙度Ra是從粗糙度曲線中 在其平均線方向上截取基準(zhǔn)長度m，將從該截取部分的平均線至測定曲線的偏差的絕對值 進(jìn)行加和并平均而獲得的值?？傊?、算數(shù)平均粗糙度Ra通過下式(1)來求得
Ra = (1/m) X f f (χ) | dx ......(1)
式(1)中的積分區(qū)間為0 m。通過求得算數(shù)平均粗糙度Ra，可以得到使得例如一個(gè)傷痕對于整體造成的影響非 常小的、可靠性高的粗糙度評價(jià)值。另外，算數(shù)平均粗糙度Ra等表面粗糙度參數(shù)是JIS標(biāo) 準(zhǔn)所規(guī)定的參數(shù)，在本發(fā)明的實(shí)施方式中使用這些參數(shù)進(jìn)行說明。圖4是以如上所述計(jì)算出的算數(shù)平均粗糙度Ra作為縱軸，以基板溫度作為橫軸來 表示主面201的平坦性的曲線圖。圖4中的黑三角標(biāo)記表示基板溫度不足750°C的數(shù)據(jù)， 黑圓點(diǎn)標(biāo)記表示基板溫度為750°C以上的數(shù)據(jù)。從圖4可以看出，以750°C為分界，如果基 板溫度變高，則半導(dǎo)體層200的主面201的平坦性急劇上升。另外，當(dāng)從圖4設(shè)定算數(shù)平均 粗糙度Ra的有關(guān)平坦性是否良好的分界值時(shí)，對于算數(shù)平均粗糙度Ra，當(dāng)寬松地取值時(shí)為 1. 5nm,當(dāng)嚴(yán)格地取值時(shí)為1. Onm左右。圖6是利用與圖4相同的測定數(shù)據(jù)求出主面201的均方根粗糙度RMS并進(jìn)行曲線 化表示的圖。均方根粗糙度RMS是將從如圖5所示的測定出的粗糙度曲線的平均線至測定 曲線的偏差的平方進(jìn)行加和，并表示為平均值的平方根。利用計(jì)算算數(shù)平均粗糙度Ra時(shí)的 基準(zhǔn)長度m，通過以下的式(2)求出均方根粗糙度RMS RMS = {(1/m) X / (f (χ))2dx}1/2 ......(2)式(2)中的積分區(qū)間為0 m。圖6的縱軸表示均方根粗糙度RMS，橫軸為基板溫度。在圖6中，黑三角標(biāo)記表示 基板溫度不足750°C的數(shù)據(jù)，黑圓點(diǎn)標(biāo)記表示基板溫度為750°C以上的數(shù)據(jù)。與圖4相同， 可以看出，以750°C為分界，如果基板溫度變高，則主面201的平坦性急劇上升。對于均方根 粗糙度RMS，作為平坦性是否良好的分界值，當(dāng)寬松地取值時(shí)為2. Onm,當(dāng)嚴(yán)格地取值時(shí)為 1. 5nm左右。因此，在ZnO系基板上或ZnO系半導(dǎo)體層上生長ZnO系半導(dǎo)體時(shí)，通過使基板溫度 為750°C以上來進(jìn)行結(jié)晶生長，能形成表面平坦性良好的ZnO系半導(dǎo)體。從表面粗糙度的角 度來說，如果以使算數(shù)平均粗糙度Ra為1. 5nm以下并且均方根粗糙度RMS為2nm以下的方 式來使半導(dǎo)體層的生長表面(主面)進(jìn)行結(jié)晶生長，那么隨后層積的ZnO系半導(dǎo)體也能夠 保持表面的平坦性。更優(yōu)選以使算數(shù)平均粗糙度Ra為Inm以下并且均方根粗糙度RMS為 1. 5nm以下的方式來使ZnO系半導(dǎo)體層進(jìn)行結(jié)晶生長。在以上所述的條件下層積多層ZnO系半導(dǎo)體層時(shí)，最上層的主面(表面)的狀態(tài) 的一例表示在圖7中。與圖3相同，圖7是利用AFM以20 μ m的分解能對最上層的主面的狀 態(tài)進(jìn)行掃描而獲得的圖像。具體而言是，作為ZnO系基板使用Mga2Zna8O,在該基板上，作為 ZnO系半導(dǎo)體的層積體，將Mga 乂 .90層和ZnO層交錯(cuò)層積十個(gè)周期的情況下最上層的主面 的狀態(tài)的一例。基板溫度為770°C。在層積如上所述的混晶組成的薄膜時(shí)，通過將基板溫度 設(shè)定為750°C以上而將各半導(dǎo)體層的主面的平坦性保持為一定，也能夠獲得如圖7所示的、 層積結(jié)構(gòu)最上層的表面平坦性良好的ZnO系半導(dǎo)體。如以上所說明的那樣，為了使ZnO系半導(dǎo)體表面平坦性良好地進(jìn)行結(jié)晶生長，基 板溫度十分重要。這樣，就需要準(zhǔn)確地測量該基板溫度并進(jìn)行控制。在此，ZnO系半導(dǎo)體具 有被稱為纖鋅礦型(々>774卜)的六方晶體結(jié)構(gòu)。在圖2所示的基板100中，在六方 晶系的+c面上結(jié)晶生長半導(dǎo)體層200，-C面用作背面101，在-C面上配置金屬膜110。
圖8表示ZnO系半導(dǎo)體的+c面的特性。圖8 (a)是表示藍(lán)寶石基板上層積了氮化 鎵(GaN)膜及ZnO膜的試樣的氮(N)濃度的曲線圖，其中，縱軸為氮濃度，橫軸為以ZnO膜 的表面為基準(zhǔn)點(diǎn)的深度方向的距離。圖8(a)表示基板溫度為500°C、600°C、70(rC時(shí)+c面 (Zn極性面)中的氮濃度，以及基板溫度為600°C時(shí)-C面(0極性面)中的氮濃度。圖8(b) 的縱軸為氮濃度，橫軸為基板溫度，為表示+c面和-C面中的氮濃度與基板溫度之間關(guān)系的 曲線。圖8(b)中，中空的白圓圈標(biāo)記表示+c面的氮濃度，帶陰影的圓圈標(biāo)記表示-C面的 氮濃度。對于圖8所示的狀態(tài)，+c面中的氮濃度對基板溫度的依賴性小，即使基板溫度的 測定精度少許低下，從+c面的氮濃度的角度來看沒有問題。但是從實(shí)現(xiàn)ZnO系半導(dǎo)體的+c 面的平坦性的角度來看，如已經(jīng)說明的那樣，基板溫度的測定精度是很重要的。圖9表示分別利用高溫計(jì)和熱成像儀來測量基板溫度，并在基板100上結(jié)晶生長半導(dǎo)體層200時(shí)生長溫度(基板溫度)與氮濃度之間關(guān)系的一例。圖9中的縱軸表示氮濃 度，橫軸表示生長溫度，圖9中的中空的三角形標(biāo)記表示利用高溫計(jì)測量生長溫度時(shí)的數(shù) 據(jù)，黑圓形標(biāo)記表示利用熱成像儀測量生長溫度時(shí)的數(shù)據(jù)。如圖9所示，當(dāng)基板溫度為650°C以上時(shí)，即使在+c面也發(fā)現(xiàn)了氮濃度對生長溫度 (基板溫度)的依賴性。其中，與利用高溫計(jì)進(jìn)行測量的情況相比，利用熱成像儀測量基板 溫度時(shí)，氮濃度與生長溫度之間的關(guān)系為直線關(guān)系，更清楚地顯示出了氮濃度的基板溫度 依賴性，更利于控制。圖10是表示向作為加熱源10的加熱器輸入的輸入電力供給與分別利用高溫計(jì)和 熱成像儀測量出的基板溫度之間關(guān)系的曲線圖。圖10中中空的三角形標(biāo)記表示用高溫計(jì) 測量基板溫度時(shí)的數(shù)據(jù)，黑圓點(diǎn)標(biāo)記表示用熱成像儀測量基板溫度時(shí)的數(shù)據(jù)。如圖10所 示，與利用高溫計(jì)進(jìn)行測量的情況相比，利用熱成像儀測量基板溫度時(shí)，向加熱器輸入的輸 入電力供給與基板溫度之間的關(guān)系為直線關(guān)系，更清楚地顯示出了基板溫度對加熱器輸入 電力供給的依賴性。從圖9和圖10可以說，在基板溫度的測定中，與使用高溫計(jì)的情況相比，使用熱成 像儀能夠精度更高地測量基板溫度。當(dāng)基板100對于例如波長為1 2 μ m左右的紅外線的透過率為80%以上時(shí)，則視 為基板100在該波長為1 2 μ m左右的紅外區(qū)域中為透明的。此時(shí)，對于測量1 2 μ m 附近的高溫計(jì)來說，將從加熱源10、固定器20放射出的紅外線視為透過基板100的紅外線， 從而不能精度良好地測量基板溫度。如圖2所示，通過將金屬膜110以面對加熱源10的方 式配置在基板100的背面101上，從加熱源10、固定器20放射出的紅外線被金屬膜110反 射，能夠防止其透過基板100。但是，有時(shí)在基板100和金屬膜110之間的接合面上形成的 氧化物不能均勻形成，不能高精度地測量基板溫度。但是，如圖1所示的基板溫度測量裝置，由于利用不能透過基板100的波長區(qū)域的 紅外線來測量基板溫度，因此即使出現(xiàn)上述的基板100和金屬膜110之間的接合面不均勻 的問題，也能夠高精度地測量基板溫度。圖11表示ZnO和BaF2的紅外線波長與透過率之間的關(guān)系。在圖11中表示了可以 用作溫度測量器40的熱成像儀對于測量可能的波長區(qū)域的靈敏度范圍，在作為熱成像儀 靈敏度范圍下限的8μπι以上的波長區(qū)域中，ZnO中的透過率急劇降低。而對于BaF2來說， 在包含在靈敏度范圍內(nèi)的8 12 μ m的區(qū)域中，紅外線的透過率為80%以上。
圖12 表示 ZnO、A1203、LiGa03、ScAlMgO4JP Zn0/ScAlMg04 的紅外線波長與透過率 之間的關(guān)系。如圖12所示，在使可以用作溫度測量器40的熱成像儀的測量可能的波長區(qū) 域的靈敏度范圍為8 μ m 14 μ m的情況下，波長包含在熱成像儀的靈敏度范圍內(nèi)的紅外線 基本上不能透過ZnO系基板或藍(lán)寶石基板。另外，圖12中，ZnO與Zn0/ScAlMg04之間在透 過率的波長依賴性方面存在差異，這是由于ZnO的載流子濃度比Zn0/ScAlMg04高出大約一 個(gè)數(shù)量級。 因此，例如基板100為ZnO系基板時(shí)，從加熱源10放射出的波長為8 μ m以上的紅 外線不能透過基板100而到達(dá)溫度測量器40。另外，即使在基板100的整個(gè)背面101配置 有固定器20的情況下，從固定器20放射出的波長為8μπι以上的紅外線也不能透過基板 100而到達(dá)溫度測量器40。即、僅是從ZnO發(fā)射出的8 μ m以上的紅外線被檢測。因此，根據(jù)圖1所示的基板溫度測量裝置，作為透射窗30的材料采用BaF2,作為溫 度測量器40采用靈敏度范圍為波長8 μ m以上的熱成像儀，由此，僅僅是從作為ZnO系基板 的基板100放射出的紅外線透過透射窗30，通過分析該透過來的紅外線，溫度測量器40能 夠高精度地測量基板溫度。即、在具有圖1所示的基板溫度測量裝置的結(jié)晶生長裝置中，能 夠一邊高精度地測量基板100的基板溫度，一邊在基板100上使ZnO系半導(dǎo)體層結(jié)晶生長。 由此，在不同的結(jié)晶生長裝置之間，能夠進(jìn)行結(jié)晶生長條件的更準(zhǔn)確的比較。在具有圖1所示的基板溫度測量裝置的結(jié)晶生長裝置中，例如能夠根據(jù)所生長的 層來切換結(jié)晶生長溫度。即、能夠?qū)崿F(xiàn)基于基板溫度測量裝置所測量的基板溫度來進(jìn)行溫 度切換的結(jié)晶生長方法。下面說明利用圖1所示的基板溫度測量裝置使ZnO系半導(dǎo)體層結(jié)晶生長的方法。 當(dāng)然，下面所述的ZnO系半導(dǎo)體層的生長方法僅為一例，能夠通過包含其變形例在內(nèi)的、除 此以外的各種生長方法來實(shí)現(xiàn)。(a)首先，在以+c面為主面的為ZnO系基板的基板100的背面(_c面)101上，利 用電子束(EB)蒸鍍法等，形成金屬膜110，該金屬膜110具有由例如膜厚為IOnm左右的Ti 和膜厚為IOOnm的Pt層積而成的結(jié)構(gòu)。(b)接著，將背面101上配置有金屬膜110的基板100以背面101面對加熱源10 的方式安裝在固定器20上。這樣，如圖1所示，將安裝在固定器20上的基板100從裝載口 (口一 K 口夕)裝入腔室1。(c)例如在IX KT7Pa左右的真空中，利用加熱源10加熱基板100，直到基板100 達(dá)到規(guī)定的設(shè)定基板溫度。設(shè)定基板溫度被設(shè)定為750°C以上。此時(shí)，從被加熱源10加熱 的基板100放射出且透過透射窗30的紅外線入射到溫度測量器40。溫度測量器40對從基 板100放射出的紅外線進(jìn)行分析，從而測量基板100的基板溫度。(d)利用溫度測量器40確認(rèn)基板溫度達(dá)到了規(guī)定的設(shè)定基板溫度，同時(shí)，向單元 12供給NO氣體、O2氣體等而產(chǎn)生等離子，打開單元11和單元12的閘門，將Zn和氧源供給 到腔室1內(nèi)，其中，為了獲得所希望的成分而預(yù)先調(diào)整了 Zn的量，氧源的反應(yīng)活性被提高而 處于氧自由基狀態(tài)；在基板100的+c面上使ZnO形成的半導(dǎo)體層200生長。 根據(jù)以上說明的、利用圖1所示的基板溫度測量裝置進(jìn)行結(jié)晶生長的方法，由于 能夠高精度地測量基板溫度，因此能夠在基板100上使半導(dǎo)體層200表面平坦性良好地進(jìn) 行結(jié)晶生長。
如以上說明的那樣，在本發(fā)明的實(shí)施方式的基板溫度測量裝置中，具有使不能透 過基板100的波長區(qū)域的紅外線透過的透射窗30，和以該波長區(qū)域作為靈敏度范圍的溫度 測量器40，由此，從加熱源10或固定器20放射出的紅外線被排除，從而能夠高精度地測量 基板溫度。例如，圖1所示的基板溫度測量裝置具有對波長為8 μ m以上的紅外線的透過率 為80%以上的透射窗30、以及測定可能的紅外線的靈敏度范圍為8 μ m以上的溫度測量器 40，根據(jù)該基板溫度測量裝置，即使是對例如波長1 2 μ m左右的紅外線的透過率為80% 以上的基板，也能夠精度良好地測量其基板溫度。其結(jié)果是，在例如ZnO系基板上，能夠使 ZnO系半導(dǎo)體表面平坦性良好地結(jié)晶生長。另外，即使透過透射窗30并由溫度測量器40分析的紅外線在基板100中的透過 率并非0%，但只要是該透過率使基板100在熱成像儀中被觀測為黑色的程度，就可以使用 本發(fā)明實(shí)施方式的基板溫度測量裝置。例如，在基板100為ZnO系基板時(shí)，對于波長為8 μ m 的紅外線，基板100的透過率為幾％，但是此時(shí)在利用熱成像儀的觀測中基板100看起來較 黑。即、從溫度測量器40看，位于基板100背后的物體放射出的紅外線被基板100遮蔽，利 用溫度測量器40，基于從基板100放射出的紅外線能夠高精度地測量基板溫度。另外，能夠 實(shí)現(xiàn)基于高精度地測量出的基板溫度而進(jìn)行溫度控制的結(jié)晶生長方法。(其他實(shí)施方式)如上所述，通過實(shí)施方式記載了本發(fā)明，但不應(yīng)理解為作為該公開的一部分的論 述以及附圖是對本發(fā)明的限定。本領(lǐng)域技術(shù)人員從該公開內(nèi)容能夠了解各種代替的實(shí)施方 式、實(shí)施例以及運(yùn)用技術(shù)。在已經(jīng)說明的實(shí)施方式的說明中，表示了在ZnO系基板上使半導(dǎo)體層結(jié)晶生長的 例子，但是作為基板，除了 ZnO系基板，也可以是藍(lán)寶石基板、GaN基板等寬禁帶材料的基 板。另外，除了在基板上通過結(jié)晶生長形成薄膜的工藝，對于其他的基板溫度的控制 至關(guān)重要的工藝中，例如用于使摻雜的雜質(zhì)活化的退火處理等中，也可以應(yīng)用本發(fā)明來進(jìn) 行基板溫度的測量。即、本發(fā)明包括在此沒有記載的各種實(shí)施方式等。因此，本發(fā)明的技術(shù)范圍僅由通 過上述說明適當(dāng)確定的權(quán)利要求中的技術(shù)特征來限定。工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明的基板溫度測量裝置和基板溫度測量方法，包括制造在基板上形成有半導(dǎo) 體層的半導(dǎo)體裝置的制造業(yè)在內(nèi)，可以應(yīng)用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、電子設(shè)備產(chǎn)業(yè)。
權(quán)利要求
一種基板溫度測量裝置，其特征在于，具有加熱基板的加熱源；使不能透過所述基板的波長區(qū)域的紅外線透過的透射窗；溫度測量器，該溫度測量器的靈敏度范圍包含所述波長區(qū)域，對從被所述加熱源加熱了的所述基板放射出、透過所述透射窗的紅外線進(jìn)行分析來測量所述基板的基板溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的基板溫度測量裝置，其特征在于，所述透射窗對于所述波長區(qū) 域中至少一部分紅外線的透過率為80%以上。
3.如權(quán)利要求1所述的基板溫度測量裝置，其特征在于，所述透射窗對于波長為8u m 的紅外線的透過率為80 %以上。
4.如權(quán)利要求3所述的基板溫度測量裝置，其特征在于，所述透射窗由氟化鋇形成。
5.如權(quán)利要求3所述的基板溫度測量裝置，其特征在于，所述溫度測量器的波長靈敏 度范圍為8iim以上。
6.如權(quán)利要求1所述的基板溫度測量裝置，其特征在于，所述溫度測量器為熱成像儀。
7.如權(quán)利要求6所述的基板溫度測量裝置，其特征在于，所述熱成像儀具有輻射熱測 定器型紅外線檢測器。
8.如權(quán)利要求1所述的基板溫度測量裝置，其特征在于，所述加熱源為紅外線燈或紅 外線激光。
9.一種基板溫度測量方法，其特征在于，包括利用加熱源加熱基板，使從該基板放射出的、不能透過所述基板的波長區(qū)域的紅外線 通過透射窗入射到溫度測量器的步驟，其中該溫度測量器的靈敏度范圍包含所述波長區(qū) 域；利用所述溫度測量器分析從所述基板放射出的紅外線從而測量所述基板的基板溫度 的步驟。
10.如權(quán)利要求9所述的基板溫度測量方法，其特征在于，一邊在所述基板上使半導(dǎo)體 層結(jié)晶生長，一邊測量所述基板溫度。
11.如權(quán)利要求9所述的基板溫度測量方法，其特征在于，所述透射窗對于所述波長區(qū) 域中至少一部分紅外線的透過率為80%以上。
12.如權(quán)利要求9所述的基板溫度測量方法，其特征在于，所述透射窗對于波長為8u m 的紅外線的透過率為80 %以上。
13.如權(quán)利要求12所述的基板溫度測量方法，其特征在于，所述透射窗由氟化鋇形成。
14.如權(quán)利要求12所述的基板溫度測量方法，其特征在于，所述溫度測量器的波長靈 敏度范圍為8iim以上。
15.如權(quán)利要求9所述的基板溫度測量方法，其特征在于，所述溫度測量器為熱成像儀。
16.如權(quán)利要求15所述的基板溫度測量方法，其特征在于，所述熱成像儀具有輻射熱 測定器型紅外線檢測器。
17.如權(quán)利要求9所述的基板溫度測量方法，其特征在于，所述加熱源為紅外線燈或紅 外線激光。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基板溫度測量裝置及基板溫度測量方法。該基板溫度測量裝置具有加熱基板的加熱源、使不能透過基板的波長區(qū)域的紅外線透過的透射窗、和溫度測量器；該溫度測量器的靈敏度范圍包含不能透過基板的波長區(qū)域，對從被加熱源加熱了的基板放射出且透過透射窗的紅外線進(jìn)行分析來測量基板的基板溫度。
文檔編號G01J5/00GK101802574SQ20088010681
公開日2010年8月11日 申請日期2008年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月23日
發(fā)明者中原健, 塚崎敦, 大友明, 川崎雅司 申請人:羅姆股份有限公司