[发明专利]一种氮化物外延生长过程中薄膜纵向温度场的测量装置及方法

说明书

本发明针设计了一种针对氮化物外延生长过程中薄膜纵向温度的测量方案，属于半导体测量技术领域。外延生长技术是现在制备氮化物材料最有效的方法之一，其在生长过程中的温度制约着器件的性能，且由于复杂严格的薄膜生长反应环境，直接用热电偶测量难度较大。一般采用非接触式测温法测量基底石墨盘温度，但是由于基底温度很高，导致薄膜梯度生长过程中纵向温度梯度较大，从而无法对外延薄膜生长情况进行精确控制。本发明分别采用紫外与红外辐射测温方法测量了外延层表面的温度和衬底底面石墨盘的温度，采用有限元仿真的方法对衬底底面到外延层表面进行了热场分析，得到了从衬底到外延层的纵向温度场，为氮化物生长过程中温度的调控提供了有利依据。

技术领域

本发明属于半导体测量技术领域，公布了一种氮化物外延生长纵向温度测量方法。

背景技术

以氮化物材料为代表的第三代宽禁带半导体因具有高稳定性、高光电转化能力、低能量损耗，高击穿场强等绝对优势，成为制备光电子器件的重要材料。目前氮化物常用的生长设备是MOCVD(metal organic chemical vapor deposition，即金属有机化学气相沉积),外延片置于加热设备上面的石墨盘上，石墨盘由转轴带动高速旋转，反应物由载气(一般是氢气、氮气)通过管道运输，经由喷淋板进入腔室，通过反应沉积到外延衬底表面。外延层生长温度是薄膜生长反应腔生产性能控制的关键参数，由于薄膜生长反应腔的反应条件严格，需要高温、化学性质活泼的生长环境，高速旋转的衬底，以及严格的设备空间布置，采用热电偶等直接测温的技术几乎是不可能的，因此，必须依赖于非接触测温法对外延层生长温度进行测量。现有技术中，对于红外光透明的衬底材料，大部分辐射测温仪所采用的近红外波段(如900-1000nm)都能穿过外延层(氮化镓)以及其衬底材料(通常是蓝宝石)，仪器测得的近红外辐射为衬底下部的石墨加热盘发出，由此推算出的温度为加热盘温度，而非外延层本身的表面温度。通常，外延片与加热盘之间存在3℃～5℃的温差，当外延层与衬底之间存在较大应力导致外延片翘曲时，这个温差将增大至几十度，对于实时生长采集的加热盘温度作为外延层生长温度将导致极大的误差。同时，外延层的温度漂移将引起氮化物的发光波长漂移，导致产品良率降低。虽有专门针对对红外光透明衬底的外延片表面的紫外测温方法，但是依然无法实现从衬底到外延层的纵向温度测量，达到对外延层不同生长阶段的温度调控。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现氮化物生长过程中衬底到外延层的纵向温度场测量，进而达到调控氮化物不同阶段外延层的生长温度。其中，氮化物是在衬底上面外延生长得到，置于用于加热的石墨载盘上并随之一起高速旋转，获得温度分布均匀的外延层。衬底与石墨载盘的位置关系如图3所示。

整个测量过程分两步进行，第一步先测量衬底底面石墨盘和外延层表面的温度，第二步进行热场分析得到衬底到外延层的纵向温度场。红外测温技术均通过探测物体在近红外波段的热辐射强度推算物体实际温度，但是制备氮化物器件所常用的蓝宝石、碳化硅和硅衬底由于禁带宽度较大的原因，均不能产生近红外辐射。但是这类衬底对于紫外光谱基本不能透射。鉴于上述原因，外延片的表层温度(外延层生长温度)测量可以通过测试近紫外波段的光谱强度进行反演，通过近红外波段的光谱测量可以得到衬底底面石墨盘温度(衬底加热温度)；得到衬底底面和外延层表面的温度之后，利用有限元分析的方法对中间层的温度进行计算，得到外延层到石墨加热盘的温度垂直分布图像。

本发明技术方案为一种氮化物外延生长纵向温度场的测量装置，该装置包括红外探测光路和紫外探测光路；