基板温度計測装置及び基板温度計測方法
【課題】基板温度を高精度に計測可能な基板温度計測装置及び基板温度計測方法を提供する。
【解決手段】基板１００を加熱する加熱源１０と、基板１００を透過できない波長領域の赤外線を透過させる透過窓３０と、基板１００を透過できない波長領域を感度範囲に含み、加熱源１０により加熱された基板１００から放射され、透過窓３０を透過した赤外線を分析して基板１００の基板温度を計測する温度計測器４０とを備える。
【解決手段】基板１００を加熱する加熱源１０と、基板１００を透過できない波長領域の赤外線を透過させる透過窓３０と、基板１００を透過できない波長領域を感度範囲に含み、加熱源１０により加熱された基板１００から放射され、透過窓３０を透過した赤外線を分析して基板１００の基板温度を計測する温度計測器４０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板温度の測定技術に係り、特に基板から放射される赤外線を用いた基板温度計測装置及び基板温度計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化亜鉛（ＺｎＯ）系の半導体は、励起子結合エネルギーが大きく、室温でも安定して存在でき、単色性に優れた光子の放出が可能であるため、照明やバックライト等の光源として用いられる発光ダイオード（ＬＥＤ）、高速電子デバイス、或いは表面弾性波デバイス等への応用が進められている。ここで、「ＺｎＯ系」とは、ＺｎＯをベースとした混昌材料であり、Ｚｎ（亜鉛）の一部をＩＩＡ族若しくはＩＩＢ族で置き換えたもの、Ｏ（酸素）の一部をVIＢ族で置き換えたもの、またはその両方の組み合わせを含むものをいう。
【０００３】
従来、ＺｎＯ系半導体をｐ型半導体として利用する場合に、ＺｎＯ系半導体へのアクセプタドーピングが困難であり、ｐ型のＺｎＯ系半導体を得ることが難しいという問題があった。技術の進歩により、ｐ型のＺｎＯ系半導体を得ることができるようになり、発光も確認されるようになってきた（例えば、非特許文献１、２参照。）。
【０００４】
半導体デバイスでは、ドーピングする不純物の種類やドープ量が異なる薄膜若しくは組成の異なる複数の薄膜等を堆積することによって、所望の機能を実現させることが一般的である。この場合、薄膜の平坦性が問題になることが多い。薄膜の平坦性がよくないと、キャリアが薄膜中を移動するときの抵抗が大きくなったり、薄膜の積層構造のうち、後に形成される薄膜ほど表面の荒れ（凹凸）がひどくなったりするためである。表面の凹凸が大きいと、薄膜のエッチング深さの均一性が保てなくなったり、表面の凹凸による異方的な結晶面の成長が生じたりする。その結果、半導体デバイスの所望の機能が実現できなくなるという問題が生じる。そのため、薄膜の表面が平坦であることが望まれる。
【０００５】
また、従来はＺｎＯ膜がサファイア基板上に成長されることも多かったが、近年はＺｎＯ結晶基板が市販されるようになり、このＺｎＯ結晶基板上にＺｎＯ系半導体膜を成長させる所謂ホモ成長が可能になってきた。
【非特許文献１】ツカザキ（A.Tsukazaki）、他 著、「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス、第４４巻 (Japanese Journal of Applied Physics vol.44) 」、２００５年、ｐ．６４３
【非特許文献２】ツカザキ（A.Tsukazaki）、他 著、「ネイチャー・マテリアル、４号 (Nature Material 4) 」、２００５年、ｐ．４２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
基板上に半導体膜を表面の平坦性よく結晶成長させるには、基板の温度が重要である。一般的に、加熱源によって所望の温度に加熱された基板上にＺｎＯ系半導体膜を成長させる場合、基板から放射される赤外線を赤外線温度計等の放射温度計により計測して、基板温度が所望の温度であることを確認する。
【０００７】
しかしながら、ＺｎＯ系基板、サファイア基板或いは窒化ガリウム（ＧａＮ）基板等のワイドギャップ材料の基板を使用する場合、これらのワイドギャップ材料は広い波長範囲で透明であるため、基板温度が精度よく計測できないという問題があった。ここで「透明」とは、赤外線等の電磁波が基板を透過することをいう。即ち、ワイドギャップ材料の基板を使用する場合、基板を加熱する加熱源や基板を保持するホルダーから放射される赤外線が、基板を透過して放射温度計に到達してしまい、基板温度を精度良く計測できないという問題が生じていた。
【０００８】
上記問題点を鑑み、本発明は、基板温度を高精度に計測可能な基板温度計測装置及び基板温度計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、（イ）基板を加熱する加熱源と、（ロ）基板を透過できない波長領域の赤外線を透過させる透過窓と、（ハ）波長領域を感度範囲に含み、加熱源により加熱された基板から放射され、透過窓を透過した赤外線を分析して基板の基板温度を計測する温度計測器とを備える基板温度計測装置が提供される。
【００１０】
本発明の他の態様によれば、（イ）加熱源によって基板を加熱して、その基板から放射された、基板を透過できない波長領域の赤外線を、透過窓を介して波長領域を感度範囲に含む温度計測器に入射させるステップと、（ロ）基板から放射された赤外線を温度計測器によって分析して、基板の基板温度を計測するステップとを含む基板温度計測方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、基板温度を高精度に計測可能な基板温度計測装置及び基板温度計測方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１３】
本発明の実施の形態に係る基板温度計測装置は、図１に示すように、基板１００を加熱する加熱源１０と、基板１００を透過できない波長領域の赤外線を透過させる透過窓３０と、基板１００を透過できない波長領域を感度範囲に含み、加熱源１０により加熱された基板１００から放射され、透過窓３０を透過した赤外線を分析して基板１００の基板温度を計測する温度計測器４０とを備える。金属膜１１０は、加熱源の放射赤外線を効率よく吸収するためのもので、特に高温度にしたい時に有効である。基板１００を高温にする必要がない場合は、金属膜を省いてもよい。
【００１４】
図１に示した基板温度計測装置は、裏面１０１に金属膜１１０が配置された基板１００を、その裏面１０１を加熱源１０に対向させて搭載するホルダー２０を更に備える。ホルダー２０には、例えばステンレス（ＳＵＳ鋼）、インコネル等が採用可能である。加熱源１０及びホルダー２０はチャンバー１内に配置され、基板１００から放射された赤外線は、透過窓３０を透過してチャンバー１の外部に配置された温度計測器４０に入射する。
【００１５】
加熱源１０には、赤外線ランプや波長が７００ｎｍ以上の光をその放射スペクトルに含む赤外線レーザ等が採用可能である。例えばシリコンカーバイト（ＳｉＣ）でコートしたカーボンヒータ等が採用可能である。タングステン（Ｗ）等からなる金属系のヒータは、基板１００上にＺｎＯ系半導体等のようは酸化物を結晶成長させる際に酸化してしまうため、加熱源１０として採用できないが、酸化物以外の膜を成長させる場合には採用可能である。
【００１６】
透過窓３０は、基板１００を透過しにくい波長の赤外線を製造装置外へ取り出す機能を有する。例えば基板１００がＺｎＯ系基板である場合には、波長が８μｍ以上の赤外線を透過する材料が透過窓３０として採用可能である。後述するように、ＺｎＯ系基板は、波長が８μｍ以上の赤外線の透過率が低いためである。具体的には、透過窓３０の材料として、例えばフッ化バリウム（ＢａＦ2）結晶等が採用可能である。
【００１７】
温度計測器４０の測定可能な赤外線の感度範囲は、基板１００を透過できず、且つ透過窓３０を透過できる赤外線の波長領域を含むように設定される。ここで「感度範囲」とは、温度計測器４０が受信して分析可能な赤外線の波長領域である。例えば基板１００がＺｎＯ系基板である場合には、波長８μｍ以上、例えば８μｍ〜１４μｍの波長領域を感度範囲とする。長波長の電磁波を測定するように設定することにより、以下に示すように、温度計測器４０は低い温度まで基板１００の基板温度を計測することができる。即ち、ブランク黒体輻射法則から、輻射のピーク波長λｐと温度Ｔｓの関係は以下のようになる；
（イ）Ｔｓ＝３０℃のとき、λｐ＝９．５６μｍ
（ロ）Ｔｓ＝１００℃のとき、λｐ＝７．７７μｍ
（ハ）Ｔｓ＝５００℃のとき、λｐ＝３．７５μｍ
（ニ）Ｔｓ＝１０００℃のとき、λｐ＝２．２７μｍ
つまり、温度が低いほど輻射のピーク波長は短い。したがって、温度計測器４０の感度領域は、低い基板温度の場合に基板１００から放射される輻射のピーク波長を含む。一方、高温になると感度領域から外れるため、通常、基板温度が５００℃を超えるような場合は、例えば短波長側をカットするフィルタを装着するなどして、温度を校正して基板温度を計測する。
【００１８】
温度計測器４０には、例えばサーモグラフィが採用可能である。サーモグラフィは、周知のように物体から放射される赤外線を分析し、熱分布を図として表した可視化が可能な装置である。温度計測器４０にサーモグラフィを採用した場合、温度計測器４０は、基板１００から放射される赤外線を分析して、加熱源１０により加熱された基板１００の熱分布を計測する。
【００１９】
また、温度計測器４０としてサーモグラフィを採用する場合は、ボロメータ型の赤外線検出器を備えるサーモグラフィであることが好ましい。冷却が必要な量子型の赤外線検出器を使用した赤外線アレイセンサを備える場合に比べて、ボロメータ型若しくは焦電型などの熱型の赤外線検出器を使用した非冷却型赤外線サーモグラフィは、小型・軽量化および低価格化が可能なためである。
【００２０】
以下の説明では、基板１００が、例えばＺｎＯ、或いはマグネシウム（Ｍｇ）との混晶ＭｇxＺｎ1-xＯ（０≦ｘ＜１）等のＺｎＯ系材料からなるＺｎＯ系基板である場合を例示的に説明する。また、基板１００の裏面１０１に配置される金属膜１１０には、チタン（Ｔｉ）と白金（Ｐｔ）を積層した構造の金属膜等が採用可能である。
【００２１】
現在、ＺｎＯ系半導体膜を高純度に形成するために、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を採用するのが一般的である。ＭＢＥ法は、原料として元素材料を使用するため、化合物材料を使用する有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法に比べて、原料の時点での純度を上げることができる。
【００２２】
図１に示すように、チャンバー１は、基板１００上に結晶成長させる薄膜の原料を供給するセル１１及びセル１２を更に備える。即ち、図１に示した基板温度計測装置は、基板１００の基板温度を精度良く計測しながら薄膜を結晶成長させる装置として機能する。図１に示した例では、セル１１から亜鉛（Ｚｎ）が供給される。セル１２はラジカル発生器であり、ＺｎＯ膜等の気体元素を含む化合物の結晶成長にＭＢＥ法を適用する場合に使用される。ラジカル発生器は、通常ＰＢＮ（pyrolytic boron nitiride）や石英からなる放電管１２１の外側周囲を高周波コイル１２２が取り巻いた構造であり、高周波コイル１２２は高周波電源（不図示）に接続している。図１に示した例では、セル１２内部に供給された酸素（Ｏ）に高周波コイル１２２によって高周波電圧（電界）が印加されてプラズマが発生し、プラズマ粒子（Ｏ*）がセル１２から供給される。
【００２３】
以下に、ＺｎＯ系半導体からなる薄膜を表面の平坦性よく結晶成長させるために、基板温度が重要であることを説明する。以下では、図２に示すような、裏面１０１に金属膜１１０が配置されたＺｎＯ系基板である基板１００の表面にＺｎＯ系半導体からなる半導体層２００を結晶成長させる場合を例に説明する。図２は基板１００上に形成される半導体層２００が１層である場合を示すが、基板１００上に複数のＺｎＯ系半導体を積層する場合には、各半導体層の表面を平坦性良く結晶成長させる必要がある。なお、半導体層２００の主面２０１は、その上に他の半導体層を成長させる面等として使用される。
【００２４】
図３は、図１に示した基板１００上にＺｎＯ系半導体からなる半導体層２００をＭＢＥ法によってエピタキシャル成長させた場合の、半導体層２００の主面２０１の状態を示す。具体的には、ＭｇxＺｎ1-xＯからなる基板１００上に、ＺｎＯからなる半導体層２００を基板温度を変えて成長させた場合の、主面２０１の状態の例である。図３（ａ）〜図３（ｅ）は、基板温度がそれぞれ８１０℃、７６０℃、７３５℃、７２０℃、６８５℃の場合での主面２０１の状態を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて２０μｍの分解能でスキャンして得られた画像である。
【００２５】
図３（ｃ）、図３（ｄ）及び図３（ｅ）に示すように、基板温度が７３５℃以下の場合は、主面２０１において凹凸の散在が目立つ。一方、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、基板温度が７６０℃以上の場合は、主面２０１は凹凸の少ない綺麗な状態になっており、主面２０１の平坦性が良い状態の半導体層２００が形成される。
【００２６】
図３に示した温度だけでなく、より細かく基板温度を変化させて各基板温度でのＺｎＯからなる半導体層２００の主面２０１の平坦性を数値として表し、それらをグラフ化した結果を図４に示す。図４の縦軸は、半導体層２００の主面２０１の算術平均粗さＲａである。「算術平均粗さ」Ｒａとは、図５に例示する粗さ曲線を用いて求められる。
【００２７】
粗さ曲線は、例えば、半導体層２００の主面２０１での凹凸を、所定のサンプリングポイントで測定し、凹凸の大きさをこれらの凹凸の平均値とともに示したものである。そして、算術平均粗さＲａは、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さｍだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計して、平均した値のことである。つまり、算術平均粗さＲａは以下の式（１）で求まる；
Ｒａ＝（１／ｍ）×∫｜ｆ（ｘ）｜ｄｘ ・・・（１）
式（１）の積分区間は０〜ｍである。
【００２８】
算術平均粗さＲａを求めることで、例えば１つの傷が全体に及ぼす影響を非常に小さくした、信頼性の高い粗さの評価値が得られる。なお、算術平均粗さＲａ等の表面粗さのパラメータは、ＪＩＳ規格で規定されているものであり、本発明の実施の形態の説明ではこれらを用いている。
【００２９】
図４は、上記のように算出される算術平均粗さＲａを縦軸にし、基板温度を横軸にして主面２０１の平坦性を表したグラフである。図４中の黒三角印は基板温度が７５０℃未満のデータを示し、黒丸印は基板温度が７５０℃以上のデータを示す。図４からわかるように、７５０℃を境にして基板温度が高くなれば、急激に半導体層２００の主面２０１の平坦性が向上する。また、図４から算術平均粗さＲａの平坦性の良否の境界値を設定すると、算術平均粗さＲａを緩めに取ると１．５ｎｍ、厳しく取ると１．０ｎｍ程度になる。
【００３０】
図６は、図４に用いたと同じ測定データから、主面２０１の二乗平均粗さＲＭＳを求めてグラフ化したものである。二乗平均粗さＲＭＳは、図５のように測定された粗さ曲線の平均線から測定曲線までの偏差の二乗を合計し、平均した値の平方根として表される。算術平均粗さＲａを算出する際の基準長さｍを用いて、二乗平均粗さＲＭＳは以下の式（２）で求められる；
ＲＭＳ＝｛（１／ｍ）×∫（ｆ（ｘ））2ｄｘ｝1/2 ・・・（２）
式（２）の積分区間は０〜ｍである。
【００３１】
図６の縦軸は二乗平均粗さＲＭＳ、横軸は基板温度である。図６において、黒三角印は基板温度が７５０℃未満のデータを示し、黒丸印は基板温度が７５０℃以上のデータを示す。図４と同様に、７５０℃を境にして、基板温度が高くなれば急激に主面２０１の平坦性が向上することがわかる。二乗平均粗さＲＭＳについては、平坦性の良否の境界値を緩く取ると２．０ｎｍ、厳しく取ると１．５ｎｍ程度である。
【００３２】
したがって、ＺｎＯ系基板上或いはＺｎＯ系半導体層上にＺｎＯ系半導体を成長させる場合には、基板温度を７５０℃以上にして結晶成長させることによって、表面の平坦性の良いＺｎＯ系半導体が形成される。また、表面粗さの観点から言えば、算術平均粗さＲａが１．５ｎｍ以下、かつ二乗平均粗さＲＭＳが２ｎｍ以下となるように半導体層の成長表面（主面）を結晶成長させれば、その後に積層されるＺｎＯ系半導体も表面の平坦性が維持できることなる。より好ましくは、算術平均粗さＲａが１ｎｍ以下、かつ二乗平均粗さＲＭＳが１．５ｎｍ以下となるようにＺｎＯ系半導体層を結晶成長させる。
【００３３】
以上の条件で複数のＺｎＯ系半導体層を積層した場合の最上層の主面（表面）の状態の例を、図７に示す。図７は、図３と同様に、ＡＦＭを用いて２０μｍの分解能で最上層の主面の状態をスキャンして得られた画像である。具体的には、ＺｎＯ系基板にＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏを用い、その基板上にＺｎＯ系半導体の積層体としてＭｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ層とＺｎＯ層を交互に１０周期積層した場合の、最上層の主面の状態の例である。基板温度は７７０℃とした。上記のような混晶組成薄膜を積層させた場合でも、基板温度を７５０℃以上に設定して各半導体層の主面の平坦性を一定に保つことで、図７に示すように積層構造の最上層における表面の平坦性がよいＺｎＯ系半導体が得られる。
【００３４】
以上に説明したように、ＺｎＯ系半導体を表面の平坦性よく結晶成長させるためには、基板温度が重要である。なお、ＺｎＯ系半導体はウルツァイトと呼ばれる六方晶構造を有する。図２に示した基板１００では、六方晶系の＋ｃ面上に半導体層２００が結晶成長され、−ｃ面が裏面１０１として使用され、−ｃ面上に金属膜１１０が配置される。
【００３５】
図８に、ＺｎＯ系半導体の＋ｃ面の特性を示す。図８（ａ）は、サファイア基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）膜及びＺｎＯ膜を積層したサンプルの窒素（Ｎ）濃度を、縦軸を窒素濃度、横軸をＺｎＯ膜の表面を基点とした深さ方向の距離として示したグラフである。図８（ａ）は、基板温度５００℃、６００℃、７００℃とした場合の＋ｃ面（Ｚｎ極性面）での窒素濃度、及び基板温度６００℃とした場合の−ｃ面（Ｏ極性面）での窒素濃度を示す。図８（ｂ）は、縦軸を窒素濃度、横軸を基板温度として、＋ｃ面と−ｃ面での窒素濃度と基板温度の関係を示したグラフである。図８（ｂ）で、白抜き白丸印は＋ｃ面での窒素濃度、ハッチングした丸印は−ｃ面での窒素濃度である。図８に示した状態であれば、＋ｃ面における窒素濃度の基板温度に対する依存性が少なく、基板温度の測定の精度が多少低くても、＋ｃ面での窒素濃度の観点からは問題ない。しかし、ＺｎＯ系半導体の＋ｃ面の平坦性の観点からは、既に説明したように、基板温度の測定精度は重要である。
【００３６】
図９に、パイロメータ及びサーモグラフィをそれぞれ用いて基板温度を計測して、基板１００上に半導体層２００を結晶成長させた場合の成長温度（基板温度）と窒素濃度の関係の例を示す。図９の縦軸は窒素濃度、横軸は成長温度であり、図９中の白抜き三角印はパイロメータを用いて成長温度を計測した場合、黒丸印はサーモグラフィを用いて成長温度を測定した場合のデータを示す。
【００３７】
図９に示すように、基板温度が６５０℃以上の場合には、＋ｃ面であっても窒素濃度の成長温度（基板温度）依存性が見られる。ただし、パイロメータを用いて計測した場合に比べて、サーモグラフィを用いて基板温度を計測した場合の方が、窒素濃度と成長温度との関係が直線的であり、窒素濃度の基板温度依存性がより明確に示されて、制御に都合がよい。
【００３８】
図１０は、加熱源１０に使用されるヒータへの入力電源と、パイロメータ及びサーモグラフィをそれぞれ用いて計測した基板温度との関係を示すグラフである。図１０中の白抜き三角印はパイロメータを用いて基板温度を計測した場合、黒丸印はサーモグラフィを用いて基板温度を測定した場合のデータを示す。図１０に示すように、パイロメータを用いて計測した場合に比べて、サーモグラフィを用いて基板温度を計測した場合の方が、ヒータへの入力電源と基板温度との関係が直線的であり、基板温度のヒータ入力電源依存性がより明確に示されている。
【００３９】
図９及び図１０から、基板温度の測定にはパイロメータよりサーモグラフィを用いた方が精度良く基板温度が計測できるいえる。
【００４０】
基板１００が、例えば波長１〜２μｍ程度の赤外線の透過率が８０％以上である場合は、この波長１〜２μｍ程度の赤外領域において基板１００を透明とみなせる。この場合、１〜２μｍ近傍を計測するパイロメータでは、加熱源１０やホルダー２０が放射する赤外線が、基板１００を透過した赤外線とみなされ、基板温度を精度良く計測することができない。図２に示したように、基板１００の裏面１０１上に金属膜１１０を加熱源１０に対向して配置することによって、加熱源１０やホルダー２０が放射する赤外線を金属膜１１０によって反射させ、基板１００を透過することを防止することが可能である。しかし、基板１００と金属膜１１０との接合面に形成される酸化物が一様に形成されずに、基板温度が高精度に計測できない場合がある。
【００４１】
しかしながら、図１に示した基板温度計測装置は、基板１００を透過できない波長領域の赤外線を利用して基板温度を測定するため、上記のような基板１００と金属膜１１０との接合面が一様でないという問題があっても、高精度に基板温度を計測することができる。
【００４２】
図１１に、ＺｎＯ及びＢａＦ2における赤外線の波長と透過率の関係を示す。図１１中に温度計測器４０に採用可能なサーモグラフィの計測可能な波長領域の感度範囲を示したが、サーモグラフィの感度範囲の下限である８μｍ以上の波長ではＺｎＯでの透過率が急激に減少する。一方、ＢａＦ2では、感度範囲に含まれる８〜１２μｍでの赤外線の透過率が８０％以上である。
【００４３】
図１２に、ＺｎＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＬｉＧａＯ3、ＳｃＡｌＭｇＯ4及びＺｎＯ／ＳｃＡｌＭｇＯ4における赤外線の波長と透過率の関係を示す。図１２に示したように、温度計測器４０に採用可能なサーモグラフィの計測可能な波長領域の感度範囲を８μｍ〜１４μｍとした場合、サーモグラフィの感度範囲に含まれる波長の赤外線は、ＺｎＯ系基板或いはサファイア基板をほとんど透過できない。なお、図１２におけるＺｎＯとＺｎＯ／ＳｃＡｌＭｇＯ4との透過率の波長依存性の違いは、ＺｎＯのキャリア濃度がＺｎＯ／ＳｃＡｌＭｇＯ4より一桁程度高いためである。
【００４４】
したがって、例えば基板１００がＺｎＯ系基板である場合に、加熱源１０から放射される波長８μｍ以上の赤外線は、基板１００を透過できずに温度計測器４０に達しない。また、仮に基板１００の裏面１０１全体にホルダー２０が配置された場合であっても、ホルダー２０から放射される波長８μｍ以上の赤外線は、基板１００を透過できずに温度計測器４０に達しない。つまり、ＺｎＯが発する８μｍ以上の赤外線だけが計測される。
【００４５】
よって、図１に示した基板温度計測装置によれば、透過窓３０の材料としてＢａＦ2を採用し、温度計測器４０として感度範囲の波長が８μｍ以上のサーモグラフィを採用することによって、ＺｎＯ系基板である基板１００から放射される赤外線のみが透過窓３０を透過し、その透過した赤外線を分析することにより、温度計測器４０が基板温度を高精度に計測できる。つまり、図１に示した基板温度計測装置では、基板１００の基板温度を精度良く計測しながら、基板１００上にＺｎＯ系半導体層を結晶成長できる。
【００４６】
以下に、図１に示した基板温度計測装置を用いて、ＺｎＯ系半導体層を結晶成長させる方法を説明する。なお、以下に述べるＺｎＯ系半導体層の成長方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の成長方法により実現可能であることは勿論である。
【００４７】
（イ）まず、＋ｃ面を主面とする、ＺｎＯ系基板である基板１００の裏面（−ｃ面）１０１上に、例えば膜厚１０ｎｍ程度のＴｉ及び膜厚１００ｎｍ程度のＰｔを積層した構造を有する金属膜１１０を、電子ビーム（ＥＢ）蒸着法等により形成する。
【００４８】
（ロ）次いで、裏面１０１上に金属膜１１０が配置された基板１００を、裏面１０１を加熱源１０に対向させてホルダー２０に搭載する。そして、図１に示すように、ホルダー２０にセットされた基板１００をロードロックからチャンバー１に入れる。
【００４９】
（ハ）例えば１×１０-7Ｐａ程度の真空中で、加熱源１０によって基板１００を所定の設定基板温度になるまで加熱する。設定基板温度は、７５０℃以上に設定する。このとき、加熱源１０により加熱された基板１００から放射されて透過窓３０を透過した赤外線が、温度計測器４０に入射する。温度計測器４０は、基板１００から放射された赤外線を分析して、基板１００の基板温度を計測する。
【００５０】
（ニ）温度計測器４０により基板温度が所定の設定基板温度であることを確認しながら、ＮＯガス、Ｏ2ガス等をセル１２に供給してプラズマを発生させ、セル１１及びセル１２のシャッターを開けて、予め所望の組成になるように調整したＺｎと共に、反応活性を上げた酸素ラジカルの状態にした酸素源をチャンバー１内に供給して、基板１００の＋ｃ面上にＺｎＯからなる半導体層２００を成長させる。
【００５１】
上記に説明した、図１に示した基板温度計測装置を用いて結晶成長させる方法によれば、基板温度を高精度に計測できるため、基板１００上に表面の平坦性良く半導体層２００を結晶成長させることができる。
【００５２】
以上に説明したように、本発明の実施の形態に係る基板温度計測装置では、基板１００を透過できない波長領域の赤外線を透過する透過窓３０、及びその波長領域を感度範囲とする温度計測器４０を有することにより、加熱源１０或いはホルダー２０から放射される赤外線を除外して、基板温度を高精度に計測することができる。例えば、波長が８μｍ以上の赤外線の透過率が８０％以上の透過窓３０、及び測定可能な赤外線の感度範囲が８μｍ以上である温度計測器４０を有する図１に示した基板温度計測装置によれば、例えば波長１〜２μｍ程度の赤外線の透過率が８０％以上である基板であっても、基板温度を精度良く計測することができる。その結果、例えばＺｎＯ系基板上に、表面の平坦性良くＺｎＯ系半導体を結晶成長させることができる。
【００５３】
なお、透過窓３０を透過して温度計測器４０が分析する赤外線の波長が、基板１００での透過率が０％でなくても、基板１００がサーモグラフィにおいて黒く観測される程度の透過率であれば、本発明の実施の形態に係る基板温度計測装置は使用可能である。例えば、基板１００がＺｎＯ系基板の場合、波長が８μｍの赤外線の場合に基板１００透過率は数％であるが、この場合に基板１００はサーモグラフィによる観測では黒くみえる。つまり、温度計測器４０からみて基板１００の背後にある物体から放射される赤外線は基板１００によりカットされ、温度計測器４０によって、基板１００から放射される赤外線に基づき、基板温度を高精度に計測できる。
【００５４】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００５５】
既に述べた実施の形態の説明においては、ＺｎＯ系基板上に半導体層を結晶成長させる例を示したが、基板がＺｎＯ系基板以外の、例えばサファイア基板やＧａＮ基板等のワイドギャップ材料の基板であってもよい。
【００５６】
また、基板上に結晶成長によって薄膜を形成するプロセス以外の、基板温度の制御が重要な他のプロセス、例えばドーピングした不純物を活性化するためのアニール処理等における基板温度の計測にも本発明は適用可能である。
【００５７】
即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施の形態に係る基板温度計測装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る基板温度計測装置によって基板温度を計測する半導体装置の例を示す模式図である。
【図３】図２に示した半導体装置の表面の状態の例を示す図である。
【図４】図２に示した半導体装置の表面の算術平均粗さと基板温度との関係の例を示すグラフである。
【図５】粗さ曲線を説明するための模式図である。
【図６】図２に示した半導体装置の表面の二乗平均粗さと基板温度との関係の例を示すグラフである。
【図７】半導体層を積層した半導体装置の最上層の表面の状態の例を示す図である。
【図８】半導体装置の特性の例を示すグラフであり、図８（ａ）は窒素濃度を示すグラフであり、図８（ｂ）は基板温度と窒素濃度との関係を示すグラフである。
【図９】半導体装置の窒素濃度と成長温度との関係の例を示すグラフである。
【図１０】加熱源のヒータ入力電圧と基板温度との関係の例を示すグラフである。
【図１１】赤外線の波長と各種材料の透過率との関係の例を示すグラフである。
【図１２】赤外線の波長と各種材料の透過率との関係の他の例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５９】
１…チャンバー
１０…加熱源
１１、１２…セル
２０…ホルダー
３０…透過窓
４０…温度計測器
１００…基板
１０１…裏面
１１０…金属膜
１２１…放電管
１２２…高周波コイル
２００…半導体層
２０１…主面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板温度の測定技術に係り、特に基板から放射される赤外線を用いた基板温度計測装置及び基板温度計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化亜鉛（ＺｎＯ）系の半導体は、励起子結合エネルギーが大きく、室温でも安定して存在でき、単色性に優れた光子の放出が可能であるため、照明やバックライト等の光源として用いられる発光ダイオード（ＬＥＤ）、高速電子デバイス、或いは表面弾性波デバイス等への応用が進められている。ここで、「ＺｎＯ系」とは、ＺｎＯをベースとした混昌材料であり、Ｚｎ（亜鉛）の一部をＩＩＡ族若しくはＩＩＢ族で置き換えたもの、Ｏ（酸素）の一部をVIＢ族で置き換えたもの、またはその両方の組み合わせを含むものをいう。
【０００３】
従来、ＺｎＯ系半導体をｐ型半導体として利用する場合に、ＺｎＯ系半導体へのアクセプタドーピングが困難であり、ｐ型のＺｎＯ系半導体を得ることが難しいという問題があった。技術の進歩により、ｐ型のＺｎＯ系半導体を得ることができるようになり、発光も確認されるようになってきた（例えば、非特許文献１、２参照。）。
【０００４】
半導体デバイスでは、ドーピングする不純物の種類やドープ量が異なる薄膜若しくは組成の異なる複数の薄膜等を堆積することによって、所望の機能を実現させることが一般的である。この場合、薄膜の平坦性が問題になることが多い。薄膜の平坦性がよくないと、キャリアが薄膜中を移動するときの抵抗が大きくなったり、薄膜の積層構造のうち、後に形成される薄膜ほど表面の荒れ（凹凸）がひどくなったりするためである。表面の凹凸が大きいと、薄膜のエッチング深さの均一性が保てなくなったり、表面の凹凸による異方的な結晶面の成長が生じたりする。その結果、半導体デバイスの所望の機能が実現できなくなるという問題が生じる。そのため、薄膜の表面が平坦であることが望まれる。
【０００５】
また、従来はＺｎＯ膜がサファイア基板上に成長されることも多かったが、近年はＺｎＯ結晶基板が市販されるようになり、このＺｎＯ結晶基板上にＺｎＯ系半導体膜を成長させる所謂ホモ成長が可能になってきた。
【非特許文献１】ツカザキ（A.Tsukazaki）、他 著、「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス、第４４巻 (Japanese Journal of Applied Physics vol.44) 」、２００５年、ｐ．６４３
【非特許文献２】ツカザキ（A.Tsukazaki）、他 著、「ネイチャー・マテリアル、４号 (Nature Material 4) 」、２００５年、ｐ．４２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
基板上に半導体膜を表面の平坦性よく結晶成長させるには、基板の温度が重要である。一般的に、加熱源によって所望の温度に加熱された基板上にＺｎＯ系半導体膜を成長させる場合、基板から放射される赤外線を赤外線温度計等の放射温度計により計測して、基板温度が所望の温度であることを確認する。
【０００７】
しかしながら、ＺｎＯ系基板、サファイア基板或いは窒化ガリウム（ＧａＮ）基板等のワイドギャップ材料の基板を使用する場合、これらのワイドギャップ材料は広い波長範囲で透明であるため、基板温度が精度よく計測できないという問題があった。ここで「透明」とは、赤外線等の電磁波が基板を透過することをいう。即ち、ワイドギャップ材料の基板を使用する場合、基板を加熱する加熱源や基板を保持するホルダーから放射される赤外線が、基板を透過して放射温度計に到達してしまい、基板温度を精度良く計測できないという問題が生じていた。
【０００８】
上記問題点を鑑み、本発明は、基板温度を高精度に計測可能な基板温度計測装置及び基板温度計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、（イ）基板を加熱する加熱源と、（ロ）基板を透過できない波長領域の赤外線を透過させる透過窓と、（ハ）波長領域を感度範囲に含み、加熱源により加熱された基板から放射され、透過窓を透過した赤外線を分析して基板の基板温度を計測する温度計測器とを備える基板温度計測装置が提供される。
【００１０】
本発明の他の態様によれば、（イ）加熱源によって基板を加熱して、その基板から放射された、基板を透過できない波長領域の赤外線を、透過窓を介して波長領域を感度範囲に含む温度計測器に入射させるステップと、（ロ）基板から放射された赤外線を温度計測器によって分析して、基板の基板温度を計測するステップとを含む基板温度計測方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、基板温度を高精度に計測可能な基板温度計測装置及び基板温度計測方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１３】
本発明の実施の形態に係る基板温度計測装置は、図１に示すように、基板１００を加熱する加熱源１０と、基板１００を透過できない波長領域の赤外線を透過させる透過窓３０と、基板１００を透過できない波長領域を感度範囲に含み、加熱源１０により加熱された基板１００から放射され、透過窓３０を透過した赤外線を分析して基板１００の基板温度を計測する温度計測器４０とを備える。金属膜１１０は、加熱源の放射赤外線を効率よく吸収するためのもので、特に高温度にしたい時に有効である。基板１００を高温にする必要がない場合は、金属膜を省いてもよい。
【００１４】
図１に示した基板温度計測装置は、裏面１０１に金属膜１１０が配置された基板１００を、その裏面１０１を加熱源１０に対向させて搭載するホルダー２０を更に備える。ホルダー２０には、例えばステンレス（ＳＵＳ鋼）、インコネル等が採用可能である。加熱源１０及びホルダー２０はチャンバー１内に配置され、基板１００から放射された赤外線は、透過窓３０を透過してチャンバー１の外部に配置された温度計測器４０に入射する。
【００１５】
加熱源１０には、赤外線ランプや波長が７００ｎｍ以上の光をその放射スペクトルに含む赤外線レーザ等が採用可能である。例えばシリコンカーバイト（ＳｉＣ）でコートしたカーボンヒータ等が採用可能である。タングステン（Ｗ）等からなる金属系のヒータは、基板１００上にＺｎＯ系半導体等のようは酸化物を結晶成長させる際に酸化してしまうため、加熱源１０として採用できないが、酸化物以外の膜を成長させる場合には採用可能である。
【００１６】
透過窓３０は、基板１００を透過しにくい波長の赤外線を製造装置外へ取り出す機能を有する。例えば基板１００がＺｎＯ系基板である場合には、波長が８μｍ以上の赤外線を透過する材料が透過窓３０として採用可能である。後述するように、ＺｎＯ系基板は、波長が８μｍ以上の赤外線の透過率が低いためである。具体的には、透過窓３０の材料として、例えばフッ化バリウム（ＢａＦ2）結晶等が採用可能である。
【００１７】
温度計測器４０の測定可能な赤外線の感度範囲は、基板１００を透過できず、且つ透過窓３０を透過できる赤外線の波長領域を含むように設定される。ここで「感度範囲」とは、温度計測器４０が受信して分析可能な赤外線の波長領域である。例えば基板１００がＺｎＯ系基板である場合には、波長８μｍ以上、例えば８μｍ〜１４μｍの波長領域を感度範囲とする。長波長の電磁波を測定するように設定することにより、以下に示すように、温度計測器４０は低い温度まで基板１００の基板温度を計測することができる。即ち、ブランク黒体輻射法則から、輻射のピーク波長λｐと温度Ｔｓの関係は以下のようになる；
（イ）Ｔｓ＝３０℃のとき、λｐ＝９．５６μｍ
（ロ）Ｔｓ＝１００℃のとき、λｐ＝７．７７μｍ
（ハ）Ｔｓ＝５００℃のとき、λｐ＝３．７５μｍ
（ニ）Ｔｓ＝１０００℃のとき、λｐ＝２．２７μｍ
つまり、温度が低いほど輻射のピーク波長は短い。したがって、温度計測器４０の感度領域は、低い基板温度の場合に基板１００から放射される輻射のピーク波長を含む。一方、高温になると感度領域から外れるため、通常、基板温度が５００℃を超えるような場合は、例えば短波長側をカットするフィルタを装着するなどして、温度を校正して基板温度を計測する。
【００１８】
温度計測器４０には、例えばサーモグラフィが採用可能である。サーモグラフィは、周知のように物体から放射される赤外線を分析し、熱分布を図として表した可視化が可能な装置である。温度計測器４０にサーモグラフィを採用した場合、温度計測器４０は、基板１００から放射される赤外線を分析して、加熱源１０により加熱された基板１００の熱分布を計測する。
【００１９】
また、温度計測器４０としてサーモグラフィを採用する場合は、ボロメータ型の赤外線検出器を備えるサーモグラフィであることが好ましい。冷却が必要な量子型の赤外線検出器を使用した赤外線アレイセンサを備える場合に比べて、ボロメータ型若しくは焦電型などの熱型の赤外線検出器を使用した非冷却型赤外線サーモグラフィは、小型・軽量化および低価格化が可能なためである。
【００２０】
以下の説明では、基板１００が、例えばＺｎＯ、或いはマグネシウム（Ｍｇ）との混晶ＭｇxＺｎ1-xＯ（０≦ｘ＜１）等のＺｎＯ系材料からなるＺｎＯ系基板である場合を例示的に説明する。また、基板１００の裏面１０１に配置される金属膜１１０には、チタン（Ｔｉ）と白金（Ｐｔ）を積層した構造の金属膜等が採用可能である。
【００２１】
現在、ＺｎＯ系半導体膜を高純度に形成するために、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を採用するのが一般的である。ＭＢＥ法は、原料として元素材料を使用するため、化合物材料を使用する有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法に比べて、原料の時点での純度を上げることができる。
【００２２】
図１に示すように、チャンバー１は、基板１００上に結晶成長させる薄膜の原料を供給するセル１１及びセル１２を更に備える。即ち、図１に示した基板温度計測装置は、基板１００の基板温度を精度良く計測しながら薄膜を結晶成長させる装置として機能する。図１に示した例では、セル１１から亜鉛（Ｚｎ）が供給される。セル１２はラジカル発生器であり、ＺｎＯ膜等の気体元素を含む化合物の結晶成長にＭＢＥ法を適用する場合に使用される。ラジカル発生器は、通常ＰＢＮ（pyrolytic boron nitiride）や石英からなる放電管１２１の外側周囲を高周波コイル１２２が取り巻いた構造であり、高周波コイル１２２は高周波電源（不図示）に接続している。図１に示した例では、セル１２内部に供給された酸素（Ｏ）に高周波コイル１２２によって高周波電圧（電界）が印加されてプラズマが発生し、プラズマ粒子（Ｏ*）がセル１２から供給される。
【００２３】
以下に、ＺｎＯ系半導体からなる薄膜を表面の平坦性よく結晶成長させるために、基板温度が重要であることを説明する。以下では、図２に示すような、裏面１０１に金属膜１１０が配置されたＺｎＯ系基板である基板１００の表面にＺｎＯ系半導体からなる半導体層２００を結晶成長させる場合を例に説明する。図２は基板１００上に形成される半導体層２００が１層である場合を示すが、基板１００上に複数のＺｎＯ系半導体を積層する場合には、各半導体層の表面を平坦性良く結晶成長させる必要がある。なお、半導体層２００の主面２０１は、その上に他の半導体層を成長させる面等として使用される。
【００２４】
図３は、図１に示した基板１００上にＺｎＯ系半導体からなる半導体層２００をＭＢＥ法によってエピタキシャル成長させた場合の、半導体層２００の主面２０１の状態を示す。具体的には、ＭｇxＺｎ1-xＯからなる基板１００上に、ＺｎＯからなる半導体層２００を基板温度を変えて成長させた場合の、主面２０１の状態の例である。図３（ａ）〜図３（ｅ）は、基板温度がそれぞれ８１０℃、７６０℃、７３５℃、７２０℃、６８５℃の場合での主面２０１の状態を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて２０μｍの分解能でスキャンして得られた画像である。
【００２５】
図３（ｃ）、図３（ｄ）及び図３（ｅ）に示すように、基板温度が７３５℃以下の場合は、主面２０１において凹凸の散在が目立つ。一方、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、基板温度が７６０℃以上の場合は、主面２０１は凹凸の少ない綺麗な状態になっており、主面２０１の平坦性が良い状態の半導体層２００が形成される。
【００２６】
図３に示した温度だけでなく、より細かく基板温度を変化させて各基板温度でのＺｎＯからなる半導体層２００の主面２０１の平坦性を数値として表し、それらをグラフ化した結果を図４に示す。図４の縦軸は、半導体層２００の主面２０１の算術平均粗さＲａである。「算術平均粗さ」Ｒａとは、図５に例示する粗さ曲線を用いて求められる。
【００２７】
粗さ曲線は、例えば、半導体層２００の主面２０１での凹凸を、所定のサンプリングポイントで測定し、凹凸の大きさをこれらの凹凸の平均値とともに示したものである。そして、算術平均粗さＲａは、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さｍだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計して、平均した値のことである。つまり、算術平均粗さＲａは以下の式（１）で求まる；
Ｒａ＝（１／ｍ）×∫｜ｆ（ｘ）｜ｄｘ ・・・（１）
式（１）の積分区間は０〜ｍである。
【００２８】
算術平均粗さＲａを求めることで、例えば１つの傷が全体に及ぼす影響を非常に小さくした、信頼性の高い粗さの評価値が得られる。なお、算術平均粗さＲａ等の表面粗さのパラメータは、ＪＩＳ規格で規定されているものであり、本発明の実施の形態の説明ではこれらを用いている。
【００２９】
図４は、上記のように算出される算術平均粗さＲａを縦軸にし、基板温度を横軸にして主面２０１の平坦性を表したグラフである。図４中の黒三角印は基板温度が７５０℃未満のデータを示し、黒丸印は基板温度が７５０℃以上のデータを示す。図４からわかるように、７５０℃を境にして基板温度が高くなれば、急激に半導体層２００の主面２０１の平坦性が向上する。また、図４から算術平均粗さＲａの平坦性の良否の境界値を設定すると、算術平均粗さＲａを緩めに取ると１．５ｎｍ、厳しく取ると１．０ｎｍ程度になる。
【００３０】
図６は、図４に用いたと同じ測定データから、主面２０１の二乗平均粗さＲＭＳを求めてグラフ化したものである。二乗平均粗さＲＭＳは、図５のように測定された粗さ曲線の平均線から測定曲線までの偏差の二乗を合計し、平均した値の平方根として表される。算術平均粗さＲａを算出する際の基準長さｍを用いて、二乗平均粗さＲＭＳは以下の式（２）で求められる；
ＲＭＳ＝｛（１／ｍ）×∫（ｆ（ｘ））2ｄｘ｝1/2 ・・・（２）
式（２）の積分区間は０〜ｍである。
【００３１】
図６の縦軸は二乗平均粗さＲＭＳ、横軸は基板温度である。図６において、黒三角印は基板温度が７５０℃未満のデータを示し、黒丸印は基板温度が７５０℃以上のデータを示す。図４と同様に、７５０℃を境にして、基板温度が高くなれば急激に主面２０１の平坦性が向上することがわかる。二乗平均粗さＲＭＳについては、平坦性の良否の境界値を緩く取ると２．０ｎｍ、厳しく取ると１．５ｎｍ程度である。
【００３２】
したがって、ＺｎＯ系基板上或いはＺｎＯ系半導体層上にＺｎＯ系半導体を成長させる場合には、基板温度を７５０℃以上にして結晶成長させることによって、表面の平坦性の良いＺｎＯ系半導体が形成される。また、表面粗さの観点から言えば、算術平均粗さＲａが１．５ｎｍ以下、かつ二乗平均粗さＲＭＳが２ｎｍ以下となるように半導体層の成長表面（主面）を結晶成長させれば、その後に積層されるＺｎＯ系半導体も表面の平坦性が維持できることなる。より好ましくは、算術平均粗さＲａが１ｎｍ以下、かつ二乗平均粗さＲＭＳが１．５ｎｍ以下となるようにＺｎＯ系半導体層を結晶成長させる。
【００３３】
以上の条件で複数のＺｎＯ系半導体層を積層した場合の最上層の主面（表面）の状態の例を、図７に示す。図７は、図３と同様に、ＡＦＭを用いて２０μｍの分解能で最上層の主面の状態をスキャンして得られた画像である。具体的には、ＺｎＯ系基板にＭｇ0.2Ｚｎ0.8Ｏを用い、その基板上にＺｎＯ系半導体の積層体としてＭｇ0.1Ｚｎ0.9Ｏ層とＺｎＯ層を交互に１０周期積層した場合の、最上層の主面の状態の例である。基板温度は７７０℃とした。上記のような混晶組成薄膜を積層させた場合でも、基板温度を７５０℃以上に設定して各半導体層の主面の平坦性を一定に保つことで、図７に示すように積層構造の最上層における表面の平坦性がよいＺｎＯ系半導体が得られる。
【００３４】
以上に説明したように、ＺｎＯ系半導体を表面の平坦性よく結晶成長させるためには、基板温度が重要である。なお、ＺｎＯ系半導体はウルツァイトと呼ばれる六方晶構造を有する。図２に示した基板１００では、六方晶系の＋ｃ面上に半導体層２００が結晶成長され、−ｃ面が裏面１０１として使用され、−ｃ面上に金属膜１１０が配置される。
【００３５】
図８に、ＺｎＯ系半導体の＋ｃ面の特性を示す。図８（ａ）は、サファイア基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）膜及びＺｎＯ膜を積層したサンプルの窒素（Ｎ）濃度を、縦軸を窒素濃度、横軸をＺｎＯ膜の表面を基点とした深さ方向の距離として示したグラフである。図８（ａ）は、基板温度５００℃、６００℃、７００℃とした場合の＋ｃ面（Ｚｎ極性面）での窒素濃度、及び基板温度６００℃とした場合の−ｃ面（Ｏ極性面）での窒素濃度を示す。図８（ｂ）は、縦軸を窒素濃度、横軸を基板温度として、＋ｃ面と−ｃ面での窒素濃度と基板温度の関係を示したグラフである。図８（ｂ）で、白抜き白丸印は＋ｃ面での窒素濃度、ハッチングした丸印は−ｃ面での窒素濃度である。図８に示した状態であれば、＋ｃ面における窒素濃度の基板温度に対する依存性が少なく、基板温度の測定の精度が多少低くても、＋ｃ面での窒素濃度の観点からは問題ない。しかし、ＺｎＯ系半導体の＋ｃ面の平坦性の観点からは、既に説明したように、基板温度の測定精度は重要である。
【００３６】
図９に、パイロメータ及びサーモグラフィをそれぞれ用いて基板温度を計測して、基板１００上に半導体層２００を結晶成長させた場合の成長温度（基板温度）と窒素濃度の関係の例を示す。図９の縦軸は窒素濃度、横軸は成長温度であり、図９中の白抜き三角印はパイロメータを用いて成長温度を計測した場合、黒丸印はサーモグラフィを用いて成長温度を測定した場合のデータを示す。
【００３７】
図９に示すように、基板温度が６５０℃以上の場合には、＋ｃ面であっても窒素濃度の成長温度（基板温度）依存性が見られる。ただし、パイロメータを用いて計測した場合に比べて、サーモグラフィを用いて基板温度を計測した場合の方が、窒素濃度と成長温度との関係が直線的であり、窒素濃度の基板温度依存性がより明確に示されて、制御に都合がよい。
【００３８】
図１０は、加熱源１０に使用されるヒータへの入力電源と、パイロメータ及びサーモグラフィをそれぞれ用いて計測した基板温度との関係を示すグラフである。図１０中の白抜き三角印はパイロメータを用いて基板温度を計測した場合、黒丸印はサーモグラフィを用いて基板温度を測定した場合のデータを示す。図１０に示すように、パイロメータを用いて計測した場合に比べて、サーモグラフィを用いて基板温度を計測した場合の方が、ヒータへの入力電源と基板温度との関係が直線的であり、基板温度のヒータ入力電源依存性がより明確に示されている。
【００３９】
図９及び図１０から、基板温度の測定にはパイロメータよりサーモグラフィを用いた方が精度良く基板温度が計測できるいえる。
【００４０】
基板１００が、例えば波長１〜２μｍ程度の赤外線の透過率が８０％以上である場合は、この波長１〜２μｍ程度の赤外領域において基板１００を透明とみなせる。この場合、１〜２μｍ近傍を計測するパイロメータでは、加熱源１０やホルダー２０が放射する赤外線が、基板１００を透過した赤外線とみなされ、基板温度を精度良く計測することができない。図２に示したように、基板１００の裏面１０１上に金属膜１１０を加熱源１０に対向して配置することによって、加熱源１０やホルダー２０が放射する赤外線を金属膜１１０によって反射させ、基板１００を透過することを防止することが可能である。しかし、基板１００と金属膜１１０との接合面に形成される酸化物が一様に形成されずに、基板温度が高精度に計測できない場合がある。
【００４１】
しかしながら、図１に示した基板温度計測装置は、基板１００を透過できない波長領域の赤外線を利用して基板温度を測定するため、上記のような基板１００と金属膜１１０との接合面が一様でないという問題があっても、高精度に基板温度を計測することができる。
【００４２】
図１１に、ＺｎＯ及びＢａＦ2における赤外線の波長と透過率の関係を示す。図１１中に温度計測器４０に採用可能なサーモグラフィの計測可能な波長領域の感度範囲を示したが、サーモグラフィの感度範囲の下限である８μｍ以上の波長ではＺｎＯでの透過率が急激に減少する。一方、ＢａＦ2では、感度範囲に含まれる８〜１２μｍでの赤外線の透過率が８０％以上である。
【００４３】
図１２に、ＺｎＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＬｉＧａＯ3、ＳｃＡｌＭｇＯ4及びＺｎＯ／ＳｃＡｌＭｇＯ4における赤外線の波長と透過率の関係を示す。図１２に示したように、温度計測器４０に採用可能なサーモグラフィの計測可能な波長領域の感度範囲を８μｍ〜１４μｍとした場合、サーモグラフィの感度範囲に含まれる波長の赤外線は、ＺｎＯ系基板或いはサファイア基板をほとんど透過できない。なお、図１２におけるＺｎＯとＺｎＯ／ＳｃＡｌＭｇＯ4との透過率の波長依存性の違いは、ＺｎＯのキャリア濃度がＺｎＯ／ＳｃＡｌＭｇＯ4より一桁程度高いためである。
【００４４】
したがって、例えば基板１００がＺｎＯ系基板である場合に、加熱源１０から放射される波長８μｍ以上の赤外線は、基板１００を透過できずに温度計測器４０に達しない。また、仮に基板１００の裏面１０１全体にホルダー２０が配置された場合であっても、ホルダー２０から放射される波長８μｍ以上の赤外線は、基板１００を透過できずに温度計測器４０に達しない。つまり、ＺｎＯが発する８μｍ以上の赤外線だけが計測される。
【００４５】
よって、図１に示した基板温度計測装置によれば、透過窓３０の材料としてＢａＦ2を採用し、温度計測器４０として感度範囲の波長が８μｍ以上のサーモグラフィを採用することによって、ＺｎＯ系基板である基板１００から放射される赤外線のみが透過窓３０を透過し、その透過した赤外線を分析することにより、温度計測器４０が基板温度を高精度に計測できる。つまり、図１に示した基板温度計測装置では、基板１００の基板温度を精度良く計測しながら、基板１００上にＺｎＯ系半導体層を結晶成長できる。
【００４６】
以下に、図１に示した基板温度計測装置を用いて、ＺｎＯ系半導体層を結晶成長させる方法を説明する。なお、以下に述べるＺｎＯ系半導体層の成長方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の成長方法により実現可能であることは勿論である。
【００４７】
（イ）まず、＋ｃ面を主面とする、ＺｎＯ系基板である基板１００の裏面（−ｃ面）１０１上に、例えば膜厚１０ｎｍ程度のＴｉ及び膜厚１００ｎｍ程度のＰｔを積層した構造を有する金属膜１１０を、電子ビーム（ＥＢ）蒸着法等により形成する。
【００４８】
（ロ）次いで、裏面１０１上に金属膜１１０が配置された基板１００を、裏面１０１を加熱源１０に対向させてホルダー２０に搭載する。そして、図１に示すように、ホルダー２０にセットされた基板１００をロードロックからチャンバー１に入れる。
【００４９】
（ハ）例えば１×１０-7Ｐａ程度の真空中で、加熱源１０によって基板１００を所定の設定基板温度になるまで加熱する。設定基板温度は、７５０℃以上に設定する。このとき、加熱源１０により加熱された基板１００から放射されて透過窓３０を透過した赤外線が、温度計測器４０に入射する。温度計測器４０は、基板１００から放射された赤外線を分析して、基板１００の基板温度を計測する。
【００５０】
（ニ）温度計測器４０により基板温度が所定の設定基板温度であることを確認しながら、ＮＯガス、Ｏ2ガス等をセル１２に供給してプラズマを発生させ、セル１１及びセル１２のシャッターを開けて、予め所望の組成になるように調整したＺｎと共に、反応活性を上げた酸素ラジカルの状態にした酸素源をチャンバー１内に供給して、基板１００の＋ｃ面上にＺｎＯからなる半導体層２００を成長させる。
【００５１】
上記に説明した、図１に示した基板温度計測装置を用いて結晶成長させる方法によれば、基板温度を高精度に計測できるため、基板１００上に表面の平坦性良く半導体層２００を結晶成長させることができる。
【００５２】
以上に説明したように、本発明の実施の形態に係る基板温度計測装置では、基板１００を透過できない波長領域の赤外線を透過する透過窓３０、及びその波長領域を感度範囲とする温度計測器４０を有することにより、加熱源１０或いはホルダー２０から放射される赤外線を除外して、基板温度を高精度に計測することができる。例えば、波長が８μｍ以上の赤外線の透過率が８０％以上の透過窓３０、及び測定可能な赤外線の感度範囲が８μｍ以上である温度計測器４０を有する図１に示した基板温度計測装置によれば、例えば波長１〜２μｍ程度の赤外線の透過率が８０％以上である基板であっても、基板温度を精度良く計測することができる。その結果、例えばＺｎＯ系基板上に、表面の平坦性良くＺｎＯ系半導体を結晶成長させることができる。
【００５３】
なお、透過窓３０を透過して温度計測器４０が分析する赤外線の波長が、基板１００での透過率が０％でなくても、基板１００がサーモグラフィにおいて黒く観測される程度の透過率であれば、本発明の実施の形態に係る基板温度計測装置は使用可能である。例えば、基板１００がＺｎＯ系基板の場合、波長が８μｍの赤外線の場合に基板１００透過率は数％であるが、この場合に基板１００はサーモグラフィによる観測では黒くみえる。つまり、温度計測器４０からみて基板１００の背後にある物体から放射される赤外線は基板１００によりカットされ、温度計測器４０によって、基板１００から放射される赤外線に基づき、基板温度を高精度に計測できる。
【００５４】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００５５】
既に述べた実施の形態の説明においては、ＺｎＯ系基板上に半導体層を結晶成長させる例を示したが、基板がＺｎＯ系基板以外の、例えばサファイア基板やＧａＮ基板等のワイドギャップ材料の基板であってもよい。
【００５６】
また、基板上に結晶成長によって薄膜を形成するプロセス以外の、基板温度の制御が重要な他のプロセス、例えばドーピングした不純物を活性化するためのアニール処理等における基板温度の計測にも本発明は適用可能である。
【００５７】
即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施の形態に係る基板温度計測装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る基板温度計測装置によって基板温度を計測する半導体装置の例を示す模式図である。
【図３】図２に示した半導体装置の表面の状態の例を示す図である。
【図４】図２に示した半導体装置の表面の算術平均粗さと基板温度との関係の例を示すグラフである。
【図５】粗さ曲線を説明するための模式図である。
【図６】図２に示した半導体装置の表面の二乗平均粗さと基板温度との関係の例を示すグラフである。
【図７】半導体層を積層した半導体装置の最上層の表面の状態の例を示す図である。
【図８】半導体装置の特性の例を示すグラフであり、図８（ａ）は窒素濃度を示すグラフであり、図８（ｂ）は基板温度と窒素濃度との関係を示すグラフである。
【図９】半導体装置の窒素濃度と成長温度との関係の例を示すグラフである。
【図１０】加熱源のヒータ入力電圧と基板温度との関係の例を示すグラフである。
【図１１】赤外線の波長と各種材料の透過率との関係の例を示すグラフである。
【図１２】赤外線の波長と各種材料の透過率との関係の他の例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５９】
１…チャンバー
１０…加熱源
１１、１２…セル
２０…ホルダー
３０…透過窓
４０…温度計測器
１００…基板
１０１…裏面
１１０…金属膜
１２１…放電管
１２２…高周波コイル
２００…半導体層
２０１…主面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を加熱する加熱源と、
前記基板を透過できない波長領域の赤外線を透過させる透過窓と、
前記波長領域を感度範囲に含み、前記加熱源により加熱された前記基板から放射され、前記透過窓を透過した赤外線を分析して前記基板の基板温度を計測する温度計測器
とを備えることを特徴とする基板温度計測装置。
【請求項２】
前記透過窓が、前記波長領域の少なくとも一部における赤外線の透過率が８０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の基板温度計測装置。
【請求項３】
前記透過窓が、波長が８μｍの赤外線の透過率が８０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の基板温度計測装置。
【請求項４】
前記透過窓が、フッ化バリウムからなることを特徴とする請求項３に記載の基板温度計測装置。
【請求項５】
前記温度計測器の波長の感度範囲が８μｍ以上であることを特徴とする請求項３又は４に記載の基板温度計測装置。
【請求項６】
前記温度計測器が、サーモグラフィであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の基板温度計測装置。
【請求項７】
前記サーモグラフィが、ボロメータ型赤外線検出器を備えることを特徴とする請求項６に記載の基板温度計測装置。
【請求項８】
前記加熱源が、赤外線ランプ若しくは赤外線レーザであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の基板温度計測装置。
【請求項９】
加熱源によって基板を加熱して、該基板から放射された、前記基板を透過できない波長領域の赤外線を、透過窓を介して前記波長領域を感度範囲に含む温度計測器に入射させるステップと、
前記基板から放射された赤外線を前記温度計測器によって分析して、前記基板の基板温度を計測するステップ
とを含むことを特徴とする基板温度計測方法。
【請求項１０】
前記基板上に半導体層を結晶成長させながら、前記基板温度を計測することを特徴とする請求項９に記載の基板温度計測方法。
【請求項１１】
前記透過窓が、前記波長領域の少なくとも一部における赤外線の透過率が８０％以上であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の基板温度計測方法。
【請求項１２】
前記透過窓が、波長が８μｍの赤外線の透過率が８０％以上であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の基板温度計測方法。
【請求項１３】
前記透過窓が、フッ化バリウムからなることを特徴とする請求項１２に記載の基板温度計測方法。
【請求項１４】
前記温度計測器の波長の感度範囲が８μｍ以上であることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の基板温度計測方法。
【請求項１５】
前記温度計測器が、サーモグラフィであることを特徴とする請求項９乃至１４のいずれか１項に記載の基板温度計測方法。
【請求項１６】
前記サーモグラフィが、ボロメータ型赤外線検出器を備えることを特徴とする請求項１５に記載の基板温度計測方法。
【請求項１７】
前記加熱源が、赤外線ランプ若しくは赤外線レーザであることを特徴とする請求項９乃至１６のいずれか１項に記載の基板温度計測方法。
【請求項１】
基板を加熱する加熱源と、
前記基板を透過できない波長領域の赤外線を透過させる透過窓と、
前記波長領域を感度範囲に含み、前記加熱源により加熱された前記基板から放射され、前記透過窓を透過した赤外線を分析して前記基板の基板温度を計測する温度計測器
とを備えることを特徴とする基板温度計測装置。
【請求項２】
前記透過窓が、前記波長領域の少なくとも一部における赤外線の透過率が８０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の基板温度計測装置。
【請求項３】
前記透過窓が、波長が８μｍの赤外線の透過率が８０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の基板温度計測装置。
【請求項４】
前記透過窓が、フッ化バリウムからなることを特徴とする請求項３に記載の基板温度計測装置。
【請求項５】
前記温度計測器の波長の感度範囲が８μｍ以上であることを特徴とする請求項３又は４に記載の基板温度計測装置。
【請求項６】
前記温度計測器が、サーモグラフィであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の基板温度計測装置。
【請求項７】
前記サーモグラフィが、ボロメータ型赤外線検出器を備えることを特徴とする請求項６に記載の基板温度計測装置。
【請求項８】
前記加熱源が、赤外線ランプ若しくは赤外線レーザであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の基板温度計測装置。
【請求項９】
加熱源によって基板を加熱して、該基板から放射された、前記基板を透過できない波長領域の赤外線を、透過窓を介して前記波長領域を感度範囲に含む温度計測器に入射させるステップと、
前記基板から放射された赤外線を前記温度計測器によって分析して、前記基板の基板温度を計測するステップ
とを含むことを特徴とする基板温度計測方法。
【請求項１０】
前記基板上に半導体層を結晶成長させながら、前記基板温度を計測することを特徴とする請求項９に記載の基板温度計測方法。
【請求項１１】
前記透過窓が、前記波長領域の少なくとも一部における赤外線の透過率が８０％以上であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の基板温度計測方法。
【請求項１２】
前記透過窓が、波長が８μｍの赤外線の透過率が８０％以上であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の基板温度計測方法。
【請求項１３】
前記透過窓が、フッ化バリウムからなることを特徴とする請求項１２に記載の基板温度計測方法。
【請求項１４】
前記温度計測器の波長の感度範囲が８μｍ以上であることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の基板温度計測方法。
【請求項１５】
前記温度計測器が、サーモグラフィであることを特徴とする請求項９乃至１４のいずれか１項に記載の基板温度計測方法。
【請求項１６】
前記サーモグラフィが、ボロメータ型赤外線検出器を備えることを特徴とする請求項１５に記載の基板温度計測方法。
【請求項１７】
前記加熱源が、赤外線ランプ若しくは赤外線レーザであることを特徴とする請求項９乃至１６のいずれか１項に記載の基板温度計測方法。
【図１】
【図２】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２７１００（Ｐ２００９−２７１００Ａ）
【公開日】平成２１年２月５日（２００９．２．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１９１３５８（Ｐ２００７−１９１３５８）
【出願日】平成１９年７月２３日（２００７．７．２３）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月５日（２００９．２．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月２３日（２００７．７．２３）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
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