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制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Device and method for measuring longitudinal temperature field of thin film during nitride epitaxial growth process

The needle of the invention designs a measurement scheme for the longitudinal temperature of the film in the process of nitride epitaxy growth, which belongs to the technical field of semiconductor measurement. Epitaxial growth is one of the most effective methods to prepare nitride materials. The temperature in the growth process restricts the performance of the devices. It is difficult to measure directly by thermocouple because of the complex and strict film growth reaction environment. Generally, non-contact temperature measurement method is used to measure the temperature of substrate graphite disk. However, because of the high substrate temperature, the longitudinal temperature gradient of the film during the gradient growth process is large, so it is impossible to accurately control the growth of epitaxial film. The temperature of the epitaxial layer surface and the graphite disk on the substrate bottom are measured by the ultraviolet and infrared radiation temperature measurement methods respectively. The thermal field from the substrate bottom to the epitaxial layer surface is analyzed by the finite element simulation method, and the longitudinal temperature field from the substrate to the epitaxial layer is obtained, which is the temperature in the process of nitride growth. Regulation provides a favorable basis.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于半导体测量
，公布了一种氮化物外延生长纵向温度测量方法。
技术介绍
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(metalorganicchemicalvapordeposition，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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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；其中红外探测光路包括红外辐射探测光路和红外反射探测光路，所述红外辐射探测光路包括：光学探头、第二光纤、第二光纤耦合器、准直镜组、第二分色片、第二聚焦镜、第二滤光片、第三探测器，待测物体辐射红外光线依次经过光学探头、第二光纤、第二光纤耦合器、准直镜组、第二分色片、第二聚焦镜、第二滤光片到达第三探测器；所述红外反射探测光路包括：940-1050nm光源、第一准直透镜、第一分光镜、第一探测器、第一分色片、第一光纤耦合器、第一光纤、光学探头、第二光纤、第二光纤耦合器、准直镜组、第二分色片、第二聚焦镜、第二滤光片、第三探测器，由940-1050nm光源发出的光线经过第一准直透镜后被第一分光镜分为两束，一束由第一探测器探测，另一束依次经过第一分色片、第一光纤耦合器、第一光纤、光学探头后照射待测物体，待测物体的反射光再依次经过光学探头、第二光纤、第二光纤耦合器、准直镜组、第二分色片、第二聚焦镜、第二滤光片到达第三探测器；紫外探测光路包括紫外辐射探测光路和紫外反射探测光路，所述紫外辐射探测光路包括：光学探头、第二光纤、第二光纤耦合器、准直镜组、第二分色片、第一聚焦镜、第一滤光片、第四探测器，待测物体辐射的紫外光依次经过光学探头、第二光纤、第二光纤耦合器、准直镜组、第二分色片、第一聚焦镜、第一滤光片达到第四探测器；所述紫外反射探测光路包括400-450nm光源、第二准直透镜、第二分光镜、第二探测器、第一分色片、第一光纤耦合器、第一光纤、光学探头、第二光纤、第二光纤耦合器、准直镜组、第二分色片、第一聚焦镜、第一滤光片、第四探测器，由400-450nm光源发射的紫外光:首先经过第二准直透镜后被第二分光镜分为两束，一束由第二探测器探测，另一束经过第一分色片反射后一次经过第一光纤耦合器、第一光纤、光学探头后照射待测物体，待测物体的反射光依次经过光学探头、第二光纤、第二光纤耦合器、准直镜组后经过第二分色片，再经过第一聚焦镜、第一滤光片达到第四探测器；所述的940-1050nm光源、400-450nm光源、第一探测器、第二探测器、第三探测器、第四探测器由计算器控制。其中，探头具体光学系统如图2所示。一种氮化物外延生长纵向温度场的测量方法，该方法包括：步骤1：测量石墨盘的红外辐射强度；步骤2：采用红外光照射石墨盘，测量石墨盘对照射的红外光的反射率，采用1减去该反射率得到的数据认为是该石墨盘的发射率；步骤3：测量外延层表面紫外辐射强度；步骤4：采用紫外光照射外延层，测量外延层对照射的紫外光的反射率，采用1减去该反射率得到的数据认为是该外延层的发射率；步骤6：采用如下公式计算石墨盘和外延层的温度；其中M为待测物体的辐射强度，λ为测量波长，T为温度，ε(λ,T)为在波长为λ和温度为T时待测物体的发射率，C1,C2为已知的第一和第二辐射常数；步骤7：根据底部石墨盘和顶部外延层的温度，建立外延生长纵向温度场。本专利技术一种氮化物外延生长纵向温度场的测量装置及方法，采用红外和紫外辐射光分别测量出底部的石墨盘和顶部的外延层的温度，再建立氮化物外延生长纵向温度场，该建立的氮化物外延生长纵向温度场具有精度高，实时性好的优点。附图说明图1为本专利技术整体光路原理图；图2为本专利技术探头光学系统；图3为本专利技术转盘结构示意图；图4为本专利技术外延生长结构示意图；图5为本专利技术衬底-外延片纵向温度场仿真图。具体实施方式本专利技术测量纵向温度场分两步进行。第一步，测量衬底底面(石墨盘)的温度和外延层表面温度。本例具体实施方式选用蓝宝石(Al2O3)为衬底材料，在其上生长氮化镓LED外延片。对于近紫外波段选择400-450nm，由于氮化镓外延层生长温度为1000℃左右，根据维恩位移定理，得到最大响应波长为1700nm，所以所选波段必须在1700nm以下。结合其在1000nm附近，CO2，H2O等反应室内的气体对辐射吸收较小，我们选择940-1050nm红外波段进行辐射接收。LED光源分别选择对应波段的光源。本专利技术具体光路如图1所示。测量石墨盘温度时，石墨盘发出的红外辐射通过光学探头聚焦，经光纤2由光纤耦合器将辐射信号传输到PD3红外探测器，此前经过聚焦镜2聚光和分色片2过滤一定波段的光，由PD3接收石墨盘在此温度下发出的红外辐射M。得到石墨盘热辐射之后，接下来要测量石墨盘表面的发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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、紫外探测光路和计算器；其中红外探测光路包括红外辐射探测光路和红外反射探测光路，所述红外辐射探测光路包括：光学探头、第二光纤、第二光纤耦合器、准直镜组、第二分色片、第二聚焦镜、第二滤光片、第三探测器，待测物体辐射红外光线依次经过光学探头、第二光纤、第二光纤耦合器、准直镜组、第二分色片、第二聚焦镜、第二滤光片到达第三探测器；所述红外反射探测光路包括：940‑1050nm光源、第一准直透镜、第一分光镜、第一探测器、第一分色片、第一光纤耦合器、第一光纤、光学探头、第二光纤、第二光纤耦合器、准直镜组、第二分色片、第二聚焦镜、第二滤光片、第三探测器，由940‑1050nm光源发出的光线经过第一准直透镜后被第一分光镜分为两束，一束由第一探测器探测，另一束依次经过第一分色片、第一光纤耦合器、第一光纤、光学探头后照射待测物体，待测物体的反射光再依次经过光学探头、第二光纤、第二光纤耦合器、准直镜组、第二分色片、第二聚焦镜、第二滤光片到达第三探测器；紫外探测光路包括紫外辐射探测光路和紫外反射探测光路，所述紫外辐射探测光路包括：光学探头、第二光纤、第二光纤耦合器、准直镜组、第二分色片、第一聚焦镜、第一滤光片、第四探测器，待测物体辐射的紫外光依次经过光学探头、第二光纤、第二光纤耦合器、准直镜组、第二分色片、第一聚焦镜、第一滤光片达到第四探测器；所述紫外反射探测光路包括400‑450nm光源、第二准直透镜、第二分光镜、第二探测器、第一分色片、第一光纤耦合器、第一光纤、光学探头、第二光纤、第二光纤耦合器、准直镜组、第二分色片、第一聚焦镜、第一滤光片、第四探测器，由400‑450nm光源发射的紫外光:首先经过第二准直透镜后被第二分光镜分为两束，一束由第二探测器探测，另一束经过第一分色片反射后一次经过第一光纤耦合器、第一光纤、光学探头后照射待测物体，待测物体的反射光依次经过光学探头、第二光纤、第二光纤耦合器、准直镜组后经过第二分色片，再经过第一聚焦镜、第一滤光片达到第四探测器；所述的940‑1050nm光源、400‑450nm光源、第一探测器、第二探测器、第三探测器、第四探测器由计算器控制。...

【技术特征摘要】
1.一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、紫外探测光路和计算器；其中红外探测光路包括红外辐射探测光路和红外反射探测光路，所述红外辐射探测光路包括：光学探头、第二光纤、第二光纤耦合器、准直镜组、第二分色片、第二聚焦镜、第二滤光片、第三探测器，待测物体辐射红外光线依次经过光学探头、第二光纤、第二光纤耦合器、准直镜组、第二分色片、第二聚焦镜、第二滤光片到达第三探测器；所述红外反射探测光路包括：940-1050nm光源、第一准直透镜、第一分光镜、第一探测器、第一分色片、第一光纤耦合器、第一光纤、光学探头、第二光纤、第二光纤耦合器、准直镜组、第二分色片、第二聚焦镜、第二滤光片、第三探测器，由940-1050nm光源发出的光线经过第一准直透镜后被第一分光镜分为两束，一束由第一探测器探测，另一束依次经过第一分色片、第一光纤耦合器、第一光纤、光学探头后照射待测物体，待测物体的反射光再依次经过光学探头、第二光纤、第二光纤耦合器、准直镜组、第二分色片、第二聚焦镜、第二滤光片到达第三探测器；紫外探测光路包括紫外辐射探测光路和紫外反射探测光路，所述紫外辐射探测光路包括：光学探头、第二光纤、第二光纤耦合器、准直镜组、第二分色片、第一聚焦镜、第一滤光片、第四探测器，待测物体辐射的紫外光依次经过光学探头、第二光纤、第二光纤耦合器、准直镜组、第二分色片、第一聚焦镜、第一滤光片达到第四探测器；所述紫外反射探测光路包括400...

【专利技术属性】
技术研发人员：王超，段英，姜晶，胡俊，张泽展，杨洋，苟学科，吴从均，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51