专利名称：改良器件产率的移送室测量方法
技术领域：
本发明的实施例涉及自动工艺控制的领域，更具体涉及发光二极管(LED)膜堆迭中的外延生长材料层的测量方法及控制。相关技术描述II1-V族材料在半导体器件及相关(例如发光二极管(LED))工业中扮演的角色越来越举足轻重。尽管使用外延生长于基板上的多量子阱(MQW)结构的器件(诸如LED)为有前途的技术，但由于所形成的极薄材料层以及取决于那些层的材料特性及物理特性的器件性质(例如，发射波长)，此类结构的外延生长是困难的。MQff结构的材料特性和/或物理特性取决于外延室内的生长环境。LED材料堆迭的制造后测量方法提供了制造控制点，所述制造控制点在下游太远而无法在形成LED堆迭的外延生长工艺之一偏离规范时避免大量的产率损失。然而，由于外延室及外延室中的环境使材料性质难以被观测，故LED材料堆迭的原位测量方法是被禁止的。
在附图的诸图中以实例而非限制的方式图示本发明的实施例，其中:图1A图示根据本发明的实施例的利用图1A中所示的生长温度控制方法生长的基于GaN的LED膜堆迭的横截面图；图1B为图示根据本发明的实施例的包括移送室测量方法的多腔室群集工具的平面图的框图；图1C为图示根据本发明的实施例的用于外延生长控制的方法的流程图；图2为图示根据本发明的实施例的用于测量图1B中所示的群集工具的移送室中的半导体基层的厚度、粒子和/或粗糙度以及电阻率的方法的流程图；图3A为图示根据本发明的实施例的用于测量基板上的II1-V族膜的能带隙能量的方法的流程图，所述基板安置于图1B中所示的群集工具的腔室中；图3B为根据本发明的实施例，当基板处于高温时，由375nm准直激光源激发的图1A的基于GaN的LED膜堆迭的PL光谱；图3C为根据本发明的实施例的II1-V族膜的能带隙能量及半导体基层的能带隙能量随着温度变化的曲线图；图4A为图示根据本发明的实施例的用于测量基板上的II1-V族膜的能带隙能量的方法的流程图，所述基板安置于图1B中所示的群集工具的腔室中；图4B为根据本发明的实施例的在图1B中所示的群集工具的腔室中测量的半导体基层的白光反射光谱的曲线图；以及图5为根据本发明的实施例的计算机系统的示意图。
发明内容
发光二极管(LEDs)及其他电子器件可由II1-V族膜层制造。本发明的示例性实施例关于控制II1-V族及III族氮化物膜的生长，所述膜诸如(但不限于)氮化镓(GaN)膜。本文揭示控制外延生长参数的设备与方法。在特定实施例中，LED膜堆迭的生长包含三个单独的生长操作，在每一生长操作之后，基板通过多腔室群集工具的移送室。当基板通过移送室时，执行测量方法。实施例包括对于当基板处于升高(高)温度时对生长于第一腔室中的II1-V族膜的PL测量。在其他实施例中，在半导体基层生长之后执行膜厚度测量、非接触电阻率测量及粒子和/或粗糙度测量，在所述半导体基层上方生长πι-v族膜。半导体生长工艺的控制由系统控制器执行，所述系统控制器基于移送室的测量方法来修改生长参数。对于实施例而言，基板在经测量时处于高温，且在移送室中执行的测量中的一个或更多个测量通过基于从基层的发射来估计所述高温，而将温度校正至室温，所述基层具有安置于II1-V族膜下方的已知组合物。在其他实施例中，温度校正基于基层的吸收能带边缘，所述基层的吸收能带边缘由收集的白光反射光谱决定。
具体实施例方式在以下描述中，阐述众多细节。然而，本领域普通技术人员将显而易见，本发明可在无这些特定细节的情况下实施。在一些实例中，熟知方法及器件以框图形式图示，而非详细图示，以避免使本发明难以理解。贯穿本说明书，所提及的“实施例”意谓结合实施例描述的特定特征结构、结构、功能或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，用语“在实施例中”在贯穿本说明书的不同位置中的出现未必代表本发明的同一实施例。此外，特定特征结构、结构、功能或特性可在一个或更多实施例中以任何适合方式组合。举例而言，第一实施例可与第二实施例在所述两个实施例不互斥的任何情况下组合。本文揭示控制外延生长参数的设备与方法。尽管可使用本文所述技术生长大范围的不同组合物及厚度的外延膜，但具有由II1-V族膜层制造的多量子阱(MQW)结构的发光二极管(LED)及器件尤其适合于所述设备与方法中的某些设备与方法。因而，在II1-V族及III族氮化物膜以及生长于所述膜上的MQW结构的上下文中描述本发明的示例性实施例，所述膜诸如(但不限于)氮化镓(GaN)膜。尽管示例性实施例用以说明被认为尤其有利的实施例，但所述技术及系统可容易地应用于其他材料系统及器件。图1A图示根据本发明的实施例生长的基于GaN的LED膜堆迭的横截面图。在图1A中，LED堆迭105形成在基板157上。在一个实施中，基板157为单结晶蓝宝石。所涵盖的其他实施例包括使用除蓝宝石基板以外的基板，诸如硅(Si)、锗(Ge)、碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)、氧化锌(ZnO)、氧化铝锂(Y -LiAlO2)。一个或更多半导体基层158被安置于基板157上，半导体基层158可包括诸如任何数目的基于III族氮化物的材料的II1-V材料，所述基于III族氮化物的材料包括(但不限于)GaN, InGaN, AlGaN。基层158可包括缓冲层，所述缓冲层提供极性GaN起始材料(亦即，最大区域表面标称为(h k I)平面，其中h=k=0，且I为非零)、非极性GaN起始材料(亦即，最大区域表面朝向(h k I)平面以与上述极性定向成约80-100度范围内的角度定向，其中1=0，且h及k中的至少一者为非零)或半极性GaN起始材料(亦即，最大区域表面朝向(h k I)平面以与上述极性定向成约>0至80度或110-179度范围内的角度定向，其中1=0，且h及k中的至少一者为非零)。基层158中进一步包括一个或更多个底部η型外延层以促进底部接触。底部η型外延层可为任何掺杂或不掺杂的基于III族氮化物的η型材料，诸如(但不限于)GaN, InGaN, AlGaN。如图1A中进一步所示，多量子阱(MQW)结构162安置于基层158的η型外延层上方。MQW结构162可为本领域中任何已知结构，以在LED的操作温度(例如，室温)下提供特定发射波长。在某些实施例中，MQW结构162包括II1-V族膜，所述II1-V族膜例如可在GaN内具有广泛范围的铟(In)含量。取决于所要波长，MQW结构162可根据生长温度、铟与镓前驱物之比等等而具有约10%至超过40%之间的摩尔分数的铟。亦应了解，本文所述MQW结构中的任何MQW结构亦可采取单量子阱(SQW)或双异质结构的形式，所述结构的特征为厚度大于QW。可将基层158及MQW结构162生长在金属有机化学气相沉积(MOCVD)腔室或氢化物/卤化物气相外延(HVPE)腔室或本领域中已知的任何沉积腔室中。在本领域中已知的任何生长技术，可被用于此类腔室。一个或更多个P型外延层163安置于底部MQW结构162上方。ρ型外延层163可包括一个或更多个不同材料组合物的层，所述一个或更多个不同材料组合物的层形成LED堆迭105的顶部。在示例性实施例中，ρ型外延层163包括掺杂有Mg的ρ型GaN及ρ型AlGaN层两者。在其他实施例中，仅利用这些材料中的一种，诸如ρ型GaN。亦可利用在本领域中已知的适用于GaN系统的ρ型接触层的其他材料。P型外延层163的厚度亦可在本领域中已知的限制内不同。亦可将P型外延层163生长在MOCVD外延室或HVPE外延室中。例如，可藉由将Cp2Mg引入外延室，来在ρ型外延层163生长期间并入Mg。诸如穿隧层、η型电流分散层及其他MQW结构(例如，对于堆迭二极管实施例而言)之类的额外层(未图示)可以与针对层158、162及163所述大体上相同的方式，或以本领域中已知的任何方式安置于LED堆迭105上。在LED堆迭105生长之后，常规的图案化及蚀刻技术曝露底部η型GaN层(例如，起始材料158的顶表面)及ρ型外延层163的区域。然后，在本领域中已知的任何接触金属化可应用于所述曝露区域，以形成LED堆迭105的η型电极接触及P型电极接触。在示例性实施例中，η型电极由金属堆迭制成，诸如(但不限于)Al/Au、Ti/Al/Ni/Au、Al/Pt/Au 或 Ti/Al/Pt/Au。示例性 ρ 型电极实施例包括 Ni/Au 或 Pd/Au。对于η型接触或ρ型接触而言，亦可利用诸如氧化锡铟(ITO)的透明导体或者在本领域中已知的其他导体。图1B为图示根据本发明的实施例的多腔室群集工具110的平面图的框图，所述多腔室群集工具包括移送室的测量方法。群集工具110为模组系统，所述模组系统包含多个工艺腔室102Α、102Β、102C,所述多个工艺腔室执行各种处理步骤，所述处理步骤用于形成电子器件堆迭，诸如LED堆迭105。工艺腔室102A、102B、102C各自耦接至移送室130。如本文所使用，移送室为一腔室，基板经由所述腔室在途中传递至工艺腔室，其中在所述移送室中未执行实际膜生长或其他材料处理。在示例性实施例中，移送室130处于工艺腔室102A、102BU02C与装载闸(未图示)之间，可经由所述装载闸往返于群集工具110装卸基板。在实施例中，移送室130具有内部体积，所述内部体积容纳机械手(未图示)，所述机械手经调适成移送基板133。机械手支撑载运一个或更多个基板133的基板载体114，且在工艺腔室102A、102B、102C与批量装载闸之间移送基板载体114。然而应注意，并非移送室的所有实施例皆容纳机械手。装载闸亦可充当基板133及/或载体114之冷却室。移送室130包括盖(未图示)，且内部体积可维持在真空条件下。在特定实施例中，移送室130的内部体积充满氮气且维持在约20托(Torr)至约200托的压力下。在本发明的一个方面中，群集工具110包括系统控制器161，系统控制器161经调适成实施各种基板处理方法及顺序，并且分析藉由移送室的测量方法观测到的处理结果。多腔室群集工具110可为在本领域中已知的任何平台，所述平台能够同时适应性地控制多个工艺模组。示例性实施例包括Opus AdvantEdge 系统或Centura 系统，所述两个系统皆可购自美国加利福尼亚州圣克拉拉市的应用材料公司(Applied Materials, Inc.)。在图1B中所示的示例性实施例中，三个工艺腔室102AU02B及102C耦接至移送室130，然而六个或六个以上此类工艺腔室亦可耦接至移送室130。在所示实施例中，三个工艺腔室102A、102B、102C中的每一工艺腔室经设置以执行半导体膜的外延生长。所述沉积腔室中的每一沉积腔室可为任何类型，诸如(但不限于)金属有机化学气相沉积(MOCVD)腔室及HVPE腔室。在其他实施例中，工艺腔室102A、102B、102C中的一个或更多个工艺腔室为用于基板退火的快速热处理(RTP)腔室、外延(EPI)沉积腔室、经调适成沉积金属或介电层的化学气相沉积(CVD)腔室、蚀刻腔室或溅射(PVD)腔室。对于示例性实施例而言，工艺腔室102A、102B、102C在安置于载体114上的基板133或一批基板上执行本文别处所述的特定II1-V族生长操作。本文所述的在两个外延室之间利用基板的内LED堆迭生长移送的实施例可利用图1B中所示的多腔室系统来执行，其中在完成或终止处理之后，当基板133和/或载体114经由移送室130在两个工艺腔室之间在途中移动，或在途中移动至装载闸时，测量操作发生至少一次。一个或更多个测量工具装配至移送室130，所述一个或更多测量工具经调适成测量基板表面上的沉积膜的厚度、粒子和/或表面粗糙度评估、温度、能带隙或电阻率中的一个或更多个。用于执行包括椭圆偏极术、反射测量术或X射线光电子光谱学(XPS)的技术的光学硬件可装配至移送室130，以在工艺腔室102A、102B、102C的运作之间执行此类测量。类似地，执行X射线衍射(XRD)、X射线萤光(XRF)、X射线反射率(XRR)、俄歇电子光谱法(Auger electron spectrometry; AES)、透射电子显微术(TEM)、原子力显微术AFM)、紫外线拉曼光谱学、质谱测量法(例如，残余气体分析仪)、能量散射光谱学(EDSITEM)、光致发光(PL)光谱学、电发光(EL)光谱学(亦被称作闪光LED光谱学)中的任何技术的硬件亦可装配于移送室130。因为由本文所述测量技术所进行的观测中的许多观测取决于温度，且因为当基板133在群集工具110中时，基板133将处于高于室温的高温下(已从沉积腔室移除，所述沉积腔室通常在400° C或400° C以上操作)，故用于执行非接触温度测量的装备亦可装配至移送室130。举例而言，在实施例中，执行被称为能带边缘测温法的技术的高温计和/或光学硬件可装配至移送室130或群集工具110的另一腔室，使基板133在工艺腔室之间在途中通过所述腔室。在图1B中所示的示例性实施例中，移送室130包括PL设备。如图所示，激光源140耦接至移送室130，以在基板133安置于移送室130中时照射所生长膜的区域。在实施例中，激发激光器安置于移送室130外部，以经由石英或蓝宝石视窗提供激发，所述视窗安置于移送室130的盖或其他壁中。激光源140可定位在移送室130外部，以用入射光照射所生长膜的区域。激光源140可用于光致发光光谱学(PL)及粒子/表面粗糙度评估二者。大体而言，激光源140可为本领域中用于PL的任何类型。在示例性实施例中，激光源140为连续波激光二极管，所述连续波激光二极管发射一波长，该波长在被半导体基层158被安置于群集工具110中而处于预期的高温下时被所述半导体基层158吸收。对于其中基层158包括GaN层的特定实施例而言，激光源140以低于405nm的波长发射。在特定实施例中，激光源140以至少360nm的波长发射。在较佳实施例中，激光源140以约375nm的波长发身寸。由于基板133处于高温下且当基板133在工艺腔室之间被移送时基板133在冷却，故可预期基板133随着时间翘曲至各种程度。由于此原因，激光较佳不为聚焦光束，而为准直光束，所述准直光束具有至少25 μ m且较佳在50 μ m与2000 μ m之间的光点大小。假定准直光束具有低于聚焦光束的能量密度，则重要的是，准直光束经泵浦以具有充足的功率，从而以充足的能量密度照射光点大小，以产生可在可归因于升高的基板温度的噪声中收集到的发射信号。对于示例性实施例而言，已发现使激光源140以375nm的波长及15mW的平均功率发射可提供优良结果。然而，取决于基层组合物、基板温度及光点大小，平均功率可大概在2mW与200mW之间或更大。如图1B中进一步所示，收集光纤141例如经由盖透入移送室130。在实施例中，收集光纤141为大核心光纤，以收集同轴位置中的光致发光，收集光纤141垂直于所测量的外延生长膜的顶表面。或者，收集光学装置可安置于移送室130外部以成像PL，但这样使对准更困难。对于收集光纤141穿透移送室130的一些实施例而言，载体114上的多个基板133中的所有基板或子集藉由挠曲移送室130内的光纤末端来测量或布局。在其中收集光纤141固定或其中收集光学装置安置于移送室130外部的替代性实施例中，机械臂的运动准许代表性基板133的布局或测量。收集光纤141进一步耦接至光谱仪143。光谱仪143可为在本领域中利用的用于收集PL发射光谱的任何光谱仪，诸如包括光栅及电荷耦合器件(CCD)阵列的光谱仪。在示例性实施例中，光谱仪143记录波长范围上的光谱，半导体基层158及MQW结构162两者皆在所述波长范围内吸收。更特定而言的，光谱仪143记录包括来自半导体基层158及MQW结构162两者的PL发射带的波长范围上的光谱。对于其中半导体基层158包括GaN且MQW结构165包括InGaN的示例性实施例而言，光谱仪143记录约300nm与800nm之间的光谱。耦接光纤的光谱仪143安置于移送室130外部，且在图1B中所示的特定实施例中，光谱仪143用于收集PL光谱以及反射光谱，以支持本文别处所述PL及反射测量术技术两者。在实施例中，移送室130进一步包括反射设备。如图1B中所示，将光谱仪143耦接至移送室130的收集光纤141可为分叉光纤的一个终端，所述分叉光纤具有耦接至白光源145的第二终端。白光源可为反射测量技术中常规的任何类型，其中照射光纤144穿透移送室130，以利用垂直于膜顶表面的光照射所生长II1-V膜的区域。在所示示例性设置中，收集光纤141收集垂直于膜表面的光致发光及反射光，以支持本文别处所述的PL及反射测量技术两者。在实施例中，移送室130包括离轴检测器148，以收集从II1-V膜的区域散射的光，所述II1-V膜的区域由激光源140或白光源145照射。离轴检测器148将在所生长II1-V膜的表面上提供表面粗糙度的评估和/或粒子的测量。可利用反射计的部件来评估表面粗糙度/粒子。举例而言，当反射系统沿垂直于晶圆的方向照射及分析时，同一照射源将在与粗糙表面不同的其他方向上产生散射光。因此，可藉由在离位方向上收集散射光来评估粗糙度。为达成此类目的，离轴检测器148可为本领域中利用的任何类型，诸如CCD阵列。在替代性实施例中，可利用通常用于监测移送室130内的机械手处理的摄像机作为离轴检测器148，且操作所述摄像机以达成在外延生长膜中收集表面粗糙度和/或粒子数据的额外目的。在实施例中，移送室130进一步包括电阻计，例如以测量由工艺腔室102AU02B、102C中的一个工艺腔室生长在基板133上的掺杂膜的薄层电阻率。在较佳实施例中，电阻计150为非接触电阻率计，此类微波反射系统可购自美国宾夕法尼亚州的雷顿公司(Leighton, Inc.)。或者，四点探针系统亦可装配至移送室130中，所述四点探针系统利用弹簧负载探针，所述探针接触基板133。如图1B中进一步所示，群集工具110包括MQW能带隙能量(Eg)估计器153。MQffEg估计器153可实施为软件、硬件(例如，ASIC或FPGA)或软件与硬件的组合。MQW Eg估计器153将存取储存信息，且根据执行的测量方法来评估生长在工艺腔室102A、102B、102C中的一个或更多个工艺腔室中的MQW结构162(图1A)。大体而言，由MQW Eg估计器153存取的储存信息可按照数据库、查找表(LUT)或数学方程式的形式，所述数学方程式表示在理论上或经验上建模的系统。在特定实施例中，所储存信息包括:信息154，信息154含有至少一个MQW结构的能带隙能量，所述能带隙能量可决定为温度的函数(Eg，MQW(T));以及信息155，信息155含有至少一种半导体基层组合物(例如，GaN)的能带隙能量，所述能带隙能量可决定为温度的函数(Eg，(T))。在其他实施例中，MQW能带隙能量(Eg)估计器153亦包括吸光度分析仪156，以例如利用如本文别处进一步描述的能带边缘技术来由反射光谱确定温度。图1C为图示根据本发明的实施例的用于外延生长控制的方法180的流程图，其中利用图1B中所示的处理系统制造化合物半导体结构，诸如图1A中所示的LED堆迭105。方法180开始于操作181，操作181选择用于分离腔室生长工艺的新基板。大体而言，分离腔室生长工艺需要在器件材料堆迭生长期间的沉积腔室102A、102B、102C之间的移送。举例而言，关于LED堆迭105，分离腔室生长工艺包括三个不同的生长部分:l)n型GaN基层158在第一腔室中的生长，2) InGaN MQff结构162在第二腔室中的生长，以及3) ρ型AlGaN层163在第三腔室中的生长。如图1C中所示，可在外延生长中断期间应用移送室的测量方法，例如以检查生长层是否具有适当的结构/组合物/掺杂/厚度/等等。在分离腔室生长工艺期间，可用自动方式执行测量方法，并入作为工艺腔室102A、102B、102C之间的移送顺序的一部分，且在移送室130的真空/惰性环境下执行所述测量方法。利用第一工艺腔室(例如，沉积腔室102A)中的基板133，在操作185生长半导体基层(例如，GaN基层158)。大体而言，在高温下(例如超过400° C)执行基层生长。在半导体基层生长之后，将基板从第一沉积腔室移送出来且移送至移送室130中。在操作186，执行移送室的测量方法。可在操作186执行先前所述测量技术中的任何测量技术，诸如(但不限于)反射测量术、PU电阻率或表面粗糙度测量。在特定实施例中，反射设备、电阻计150及离轴检测器148中的至少一者用于决定生长在第一沉积腔室中的基层的膜厚度、电阻率或表面粗糙度。在特定实施例中，如图2中进一步所示，在操作186执行移送室的测量方法200，以至少基于基层电阻率测量来提供基层生长工艺控制。参看图2，移送室的测量方法200包括至少薄层电阻测量，且可进一步包括生长在沉积腔室102A中的基层158的表面粗糙度评估及膜厚度测量。在操作205，将基板133从基层生长室移动至移送室130。在操作210，用白光照射基板133。在操作215，基层158的膜厚度由垂直于膜表面的反射光决定，利用光谱仪143收集所述反射光。在操作220，可利用散射白光同时进行粒子和/或表面粗糙度评估，利用离轴检测器148收集所述散射白光。在操作225，基层158的电阻率由操作225的非接触电阻测量来决定。然后将测量值与阈值相比较，以决定所测量膜是否超出材料规格。若移送室的测量操作186指示经处理基板133在规格之内，则在操作249藉由将基板移送至第二沉积腔室(例如，沉积腔室102B)中来继续处理，其中移送室的测量方法200返回至图1C的操作188，以用于在基层158上方的另一 II1-V膜(例如，MQW结构162)的生长。若移送室的测量操作186指示处理基板133超出规格，则移送室的测量方法200返回至操作195 (图1C)，其中第一沉积腔室的工艺参数经更新以修改工艺，藉以在后续处理基板上生长基层。举例而言，系统控制器161可基于半导体基层的厚度而修改后续处理基板的半导体基层的生长期，半导体基层的厚度由在操作215收集的反射光谱决定。在其他实施例中，系统控制器161基于在操作225决定的半导体基层的薄层电阻率，而修改后续处理基板的半导体基层的前驱物分压或生长期。因而，基于在操作186执行的移送室的测量方法施加生长工艺控制作用。在操作195进一步布置在操作186测量的基板。若基板已变得不可用，则可藉由将载体114放回装载闸中，以供卸载以报废或再加工，来终止对处理基板的进一步处理。或者，基板133的进一步处理可继续进行，其中预期产率可能降低。返回至图1C，在操作188，生长II1-V族膜，且将处理基板再次移动至移送室130。大体而言，在高温下(例如400° C以上)执行生长操作188。在操作190，再次执行移送室的测量方法，此次要表征生长在第二沉积腔室中的II1-V膜。取决于在操作188生长的II1-V膜的类型，可在操作190执行先前所述测量技术中的任何测量技术，诸如(但不限于)PL反射测量术、电阻率或表面粗糙度测量。在操作188生长MQW结构162的示例性实施例中，在操作190执行图3A中所示的移送室的测量方法300，以至少基于室温MQW Eg估计来提供MQW生长工艺控制。在操作188生长MQW结构162的替代性实施例中，在操作190执行图4A中所示的移送室的测量方法400，以至少基于室温MQW Eg估计来提供MQW生长工艺控制。在其他实施例中，在操作190执行移送室的测量方法300及400两者，以至少基于室温MQW Eg估计来提供MQW生长工艺控制。参看图3A，移送室的测量方法300包括至少PL测量，且开始于操作305，操作305将基板133从MQW生长室移动至移送室130。当处于移送室130中时，基板133在时间Cmeas由激光源140照射。由于在高温下生长MQW结构162，故基板133在处于移送室130中时从工艺温度冷却，且将在时间Tmeas处于未知高温(high temperature;HT)下。在操作315,在包括基层158及MQW结构162两者的发射带的范围上，由光谱仪143收集PL光谱。在图3B中图示基层158为GaN且MQW结构162包括InGaN的实施例的示例性PL光谱350。PL光谱350响应于由375nm准直激光源进行的激发，所述激光源具有15mW的平均功率。如图所示，随着基板温度升高至所述高温，GaN基层158及MQW结构162产生光致发光，其中存在基层发射带351及MQW发射带352。在操作320，在时间Tmeas的基板温度由对基层158观测到的能带隙能量(Eg)决定。参看图1B，假定基层组合物为控制良好的参数，则MQWEg估计器153将访问基层EjT)信息155。举例而言，若基层158包括GaN，则基层Eg(T)信息155含有随着温度变化的GaN的能带隙值，所述能带隙值可由Varshni方程式描述:
mT2Eg(T)=Eg(Q)--
其中Eg(O)、α及β为材料常数。或者，基层Eg(T)信息155可为对特定基层半导体导出的拟合模型。图3C图示根据本发明的实施例，GaN基层158的测量能带隙能量随着温度变化及测量能量的模型拟合的曲线图375，测量能量的模型拟合可用于估计基板温度。因此，在实施例中，在操作320，藉由首先执行标准峰值检测算法以识别基层发射带351的峰值，且随后决定与GaN Eg(T)曲线图375上的峰值发射能量相关联的温度，来估计时间Tmeas处的基板温度。返回至图3Α，在操作325，基于高温MQW发射带352及在操作320估计的基板温度来决定室温MQW。在示例性实施例中，在MQW发射带352上执行标准峰值检测例程，且藉由应用Varshni方程式，例如，利用估计温度，可决定室温MQW。或者，通过MQW Eg估计器153访问与LUT中所含温度(Eg(T))信息154相关联的数个MQW带能量，以决定室温MQW。举例而言，图3C进一步图示根据本发明的实施例的MQW结构162的测量能带隙能量随着温度变化及测量能量的模型拟合的曲线图376。若MQW Eg(T)信息154含有多个数据集，其中每一集形成曲线图376，则可执行标准数学技术以根据LUT得出对室温MQW Eg的估计，所述LUT含有用于不同MQW结构的Eg(T)信息的LUT。然后在方法180中利用经估计的室温MQW Eg或经估计的LED发射波长，作为MQW生长工艺控制参数。因而，除MQW结构162之外，足以使基层158光致发光的高温允许在时间Tmeas处的单个PL测量产生参考，利用所述参考将MQW结构162的高温PL测量校正成有效生长控制参数，所述有效生长控制参数具有极短的反馈延迟(例如，比等待基板冷却至室温且然后执行室温PL测量短得多)。如图3Α中进一步所示，在操作322，亦可利用散射激光同时进行粒子和/或表面粗糙度评估，所述散射激光由离轴检测器148收集。对于使用经图案化的蓝宝石基板的实施例而言，有意地使GaN基层158与蓝宝石基板157之间的介面粗糙。然而，对于激光波长足够短而被GaN基层158吸收(例如，360_375nm)的实施例而言，当在高温下在群集工具110中执行表面粗糙度测量时，粗糙的蓝宝石介面将不对表面粗糙度测量造成问题。将经估计的室温MQW Eg值和/或表面粗糙度值与阈值作比较，以决定所测量II1-V膜是否超出材料规格。若移送室的测量方法300指示被处理基板133在规格之内，则以移送室的测量方法300返回至图1C的操作192继续处理，以用于另一 II1-V膜(例如，ρ型顶层163)的生长。若移送室的测量方法300指示处理基板133超出规格，则移送室的测量方法300返回至操作196 (图1C)，且第二沉积腔室的工艺参数经更新以修改工艺，藉以在后续处理的基板上生长MQW结构162。举例而言,在一个实施例中，系统控制器161修改用于MQW生长的生长温度，将在第二工艺腔室中的后续处理晶圆上执行所述MQW生长。因而，基于在操作190执行的移送室的测量方法施加生长工艺控制作用。在操作196进一步布置在操作190测量的基板133。若基板已变得不可用，则可藉由将载体114放回装载闸中以用于卸载，来终止对处理基板的进一步处理。或者，进一步处理可继续进行，其中预期产率可能降低。参看图4Α，移送室的测量方法400包括至少PL测量，且开始于操作405，操作405将基板133从MQW生长室移动至移送室130。当处于移送室130中时，基板133在时间Tmeas被激光源140照射。由于在高温下生长MQW结构162，故基板133在处于移送室130中时从工艺温度冷却，且将在时间Tmeas处于未知高温(HT)下。在操作415，高温PL光谱在包括MQW结构162的发射带的范围上由光谱仪143收集。在操作411，基板在时间Tmeas+Λ T由白光源145照射，且在操作416，高温反射光谱在包括半导体基层吸收区域的范围上由光谱仪143收集。大体而言，由于操作410、415、411及416中的每一操作可在小于几秒内执行，故必要时，AT极小且可假定在操作415及416收集的两个测量光谱同时进行或操作410、415、411及416经选通以产生多个光谱的统计结果(例如，平均HT PL光谱及平均HT反射光谱)。在操作420，由吸收边缘技术决定基层能带隙能量Eg。对于吸收边缘技术而言，当半导体晶体由多色光照射时，在光子能量大于半导体晶体带隙能量时光子吸收急剧增加。举例而言，图4B图示根据本发明的实施例，蓝宝石基板上的4μ m厚GaN半导体基层158的白光反射光谱的曲线图。如图所示，吸收边缘445分隔光谱的吸收区域与透明区域。对应于带隙能量的光子波长被称为能带边缘波长，且此波长与温度相关。由于半导体晶体带隙能量与晶格常数逆相关，故带隙能量将因半导体晶体随着温度升高膨胀而减小，且因此能带边缘波长将增大。因而，吸光度分析仪156可基于反射光谱在操作420估计基层的高温能带隙能量Eg，而利用已知光谱分析技术在操作415收集所述反射光谱。在操作422，由所确定的基层158的能带隙能量(Eg)来确定在时间Tmeas (或Tmeas+ΔΤ)的基板温度。参看图1B，MQff Eg估计器153访问基层EJT)信息155，且由于基层组合物应受到良好控制，故可作出对温度的准确估计。举例而言，若基层158为GaNJlJ基层Eg(T)信息155含有随着温度变化的GaN的能带隙值(例如，Varshni方程式)，且可由MQW估计器153估计升高(高)温度。或者，基层Eg(T)信息155可以是针对特定基层半导体所导出的拟合模型。亦可利用图3B中所示的GaN基层158随着温度变化及测量能量的模型拟合的能带隙能量曲线图。返回至图4A，在操作425，基于高温MQW发射及在操作422估计的基板温度，来确定室温MQW。在示例性实施例中，在MQW发射带上执行标准峰值检测例程，且藉由应用Varshni方程式，例如，利用估计的基板温度，可确定室温MQW Eg0或者，由MQW Eg估计器153访问包含于LUT中的数个数据集，以确定室温MQW Eg,每一数据集具有与特定MQW结构的温度(Eg(T))相关联的带能量。举例而言，若MQW Eg(T)信息154含有多个曲线图，如曲线图376 (图3C)，则可执行标准数学技术以得出对室温MQW Eg的估计。然后，估计的室温MQW Eg在方法180中作为MQW生长工艺控制参数的基础。因而，将MQW结构162的高温PL测量校正成有用的生长控制参数，所述有用的生长控制参数具有极短的反馈延迟(例如，比等待基板冷却至室温且然后执行室温PL测量短得多)。将经估计的室温MQW Eg值与阈值相比较，以确定所测量II1-V膜是否超出材料规格。若移送室的测量方法400指示处理基板133在规格之内，则以移送室的测量方法400返回至图1C的操作192来继续处理，以用于另一 II1-V膜(例如，ρ型层163)的生长。若移送室的测量方法400指示处理基板133超出规格，则移送室的测量方法400返回至操作196 (图1C)，其中第二沉积腔室的工艺参数经更新以修改工艺，藉以在后续处理的基板上生长MQW层。返回至图1C，在操作192处，在第三沉积腔室中的基板133上生长另一 II1-V膜。在示例性实施例中，将P型层163生长在工艺腔室102C中。在膜生长之后，将基板133移送至装载闸中，其中基板133可在经由图1C中所示的操作处理其他基板时冷却。在实施例中，在冷却至室温或接近室温之后，将基板133从装载闸移回至移送室中，且在操作194执行最终移送室的测量方法。此类原位室温测量方法具有以下优点:比等待整批完成群集工具110上的处理、完成装载闸的通气及完成将基板装载至独立测量工具上更快。针对操作186及188所述的移送室测量技术中的任何技术可在操作194执行。举例而言，在一个实施例中，执行室温PL测量，以验证室温MQW Eg与在操作190确定的温度校正室温Eg估计一致(例如,经由方法300或方法400 )。若在操作194处理基板133超出规格，则在操作197更新第二沉积腔室的工艺参数以修改藉以在后续处理基板上生长MQW结构162的工艺。举例而言，在一个实施例中，系统控制器161修改用于将在第二工艺腔室中的后续处理晶圆上执行的MQW生长的生长温度。因而，基于在操作194执行的移送室的测量方法施加控制作用。在操作197进一步布置在操作194测量的基板133。若基板已变得不可用，则可藉由将载体114放回装载闸中以用于报废或再加工来终止对处理基板的进一步处理。或者，可将基板放回装载闸中，且从群集工具110卸载基板，以用于后续的图案化和/或金属化。图5图示呈计算机系统500的示例性形式的机器的图示，可利用计算机系统500作为系统控制器161以控制本文所述操作、工艺腔室或多腔室处理平台中中的一个或更多个。在替代性实施例中，所述机器可在局域网(LAN)、企业内部网络、企业外部网络或网际网络中连接(例如，网络连接)至其他机器。所述机器可在客户端-服务器网络环境中作为服务器或客户端机器操作，或在点对点(或分散式)网络环境中作为对等机器操作。所述机器可为个人计算机(PC)或能够执行一组指令(顺序的或以其他方式)的任何机器，所述指令规定将由所述机器采取的动作。此外，尽管仅图示单个机器，但亦应认为术语“机器”包括个别或共同执行一组(或多组)指令以执行本文所述方法中的任何一种或更多种方法的机器(例如计算机)的任何集合。示例性计算机系统500包括处理器502、主存储器504 (例如唯读存储器(read-only memory; ROM)、快闪存储器、诸如同步 DRAM (SDRAM)或 Rambus DRAM (RDRAM)的动态随机存取存储器(dynamic random access memory; DRAM)等等)、静态存储器506 (例如快闪存储器、静态随机存取存储器(SRAM)等等)及辅助存储器518 (例如数据储存器件)，所述装置经由总线530彼此通讯。
处理器502表示一个或更多个通用处理器件，诸如微处理器、中央处理单元或类似物。更特定而言的，处理器502可为复杂指令集计算(CISC)微处理器、精简指令集计算O微处理器、超长指令字集(VLIW)微处理器、实施其他指令集的处理器或实施指令集的组合的处理器。处理器502亦可为一个或更多个专用处理器件，诸如专用集成电路(ASIC)JI场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、网络处理器或诸如此类。处理器502经设置以执行处理逻辑526，处理逻辑526用于执行本文别处论述的工艺操作。计算机系统500可进一步包括网络接口器件508。计算机系统500亦可包括视频显示单元510 (例如，液晶显示器(IXD)或阴极射线管(CRT))、字母数字输入器件512 (例如，键盘)、游标控制器件514 (例如，滑鼠)及信号产生器件516 (例如，扬声器)。辅助存储器518可包括机器可存取储存介质(或更具体而言，计算机可读取储存介质)531，实施本文所述方法或功能中的任何一个或更多个的一组或更多组指令(例如软件522)储存在机器可存取储存介质531上。在藉由计算机系统500、主存储器504及亦组成机器可读取储存媒体的处理器502执行软件522期间，软件522亦可完全或至少部分常驻于主存储器504内和/或处理器502内。机器可存取储存媒体531可进一步用于储存一组指令，所述指令由处理系统执行且使所述系统执行本发明的实施例中的任何一个或更多个实施例。本发明的实施例可进一步提供为计算机程序产品或软件，所述计算机程序产品或软件可包括机器可读取储存介质，所述机器可读取储存介质上储存有指令，所述指令可用于对计算机系统(或其他电子器件)编程以执行根据本发明的工艺。机器可读取储存介质包括用于储存呈机器(例如，计算机)可读取形式的信息的任何机构。举例而言，机器可读取(例如，计算机可读取)介质包括机器(例如，计算机)可读取储存介质(例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘储存介质、光学储存介质、快闪存储器器件及本领域中已知的其他此类非瞬态储存介质。应理解，以上描述意欲为说明性的，而非限制性的。在阅读及理解以上描述之后，许多其他实施例将对本领域普通技术人员显而易见。尽管已参阅特定示例性实施例描述本发明，但将认识到，本发明不限于所述实施例，而可在修改及变更的情况下实施本发明。因此，说明书及图式将被视为说明性意义的，而非限制性意义的。
权利要求
1.一种用于在基板上外延生长II1-V族膜的系统，所述系统包括: 沉积腔室，所述沉积腔室用于生长所述II1-V族膜； 移送室，所述移送室耦接至所述沉积腔室； 激光源，所述激光源耦接至所述移送室，以在所述基板在大于室温的第一温度下安置于所述移送室中时，照射所述II1-V族膜的一区域； 光谱仪，所述光谱仪用于收集来自所述照射区域的发射光谱；以及 系统控制器，所述系统控制器用于确定所述第一温度的估计，且用于基于所收集的所述发射光谱及所估计的温度来估计所述II1-V族膜的室温能带隙能量。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光源用于利用准直光束经由所述移送室中的视窗照射所述II1-V族膜，且其中所述激光源用于利用入射至所述II1-V膜的顶表面的光照射所述II1-V膜的所述区域，且其中所述光谱仪经由收集光纤耦接至所述移送室，所述收集光纤穿透所述移送室以收集垂直于所述II1-V膜的所述顶表面的光。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光源以一波长发射，所述波长在安置于所述II1-V膜下方的半导体基层处于第一温度时被所述半导体基层吸收。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述激光源以至少375nm的波长发射，并且其中所述光谱仪记录在包括来自所述半导体基极层及所述II1-V膜两者的发射带的范围上的光谱。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括数据库，所述数据库含有使所述半导体基层的所述能带隙能量与温度相关联的第一信息，且其中所述控制器用于基于所述半导体基层发射带来估计所述第一温度。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括数据库，所述数据库含有使所述II1-V族膜 的所述能带隙能量与温度相关联的第二信息，且其中所述控制器用于存取所述第二信息以确定所述II1-V族膜在室温下的所述能带隙能量。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器用于基于所确定的所述II1-V族膜的能带隙能量来修改将在后续处理基板上生长所述II1-V族膜的生长温度。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括白光源，所述白光源耦接至所述移送室，以在所述基板在所述第一温度下安置于所述移送室中时照射所述II1-V族膜的一区域，且其中所述光谱仪用于收集来自所述照射区域的在包括被半导体基层吸收的波长的波长范围上的反射光谱，所述半导体基层安置于所述II1-V膜下方。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述控制器用于基于由所述反射光谱确定的吸收边缘来估计所述第一温度，且其中所述控制器用于基于由所述反射光谱确定的所述半导体基层的厚度来修改在后续基板上执行的半导体基层生长的持续时间。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述白光源及光谱仪利用分叉光纤耦接至所述移送室，所述分叉光纤具有装配至所述移送室中的第一末端、装配于所述白光源的第二末端及装配于所述光谱仪的第三末端。
11.一种在基板上外延生长II1-V族膜的方法，所述方法包括以下步骤: 在沉积腔室中生长所述II1-V族膜； 从所述沉积腔室移动所述基板且移动至移送室中，所述移送室耦接至所述沉积腔室； 当所述基板在大于室温的第一温度下安置于所述移送室中时，利用耦接至所述移送室的激光源照射所述II1-V族膜的一区域； 利用光谱仪收集来自所述照射区域的发射光谱；以及 基于所收集的所述发射光谱及所述第一温度的估计，来估计所述II1-V族膜的室温能带隙能量。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述激光源以一波长发射，所述波长在安置于所述II1-V膜下方的半导体基层处于所述第一温度下时被所述半导体基层吸收，其中所述光谱仪记录在包括来自所述半导体基层及所述II1-V族膜两者的发射带的范围上的光谱，且其中所述方法进一步包括以下步骤: 基于所述半导体基层发射带且基于使所述半导体基层的所述能带隙能量与温度相关联的信息，来估计所述第一温度。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，确定所述II1-V族膜的所述能带隙能量的步骤进一步包括以下步骤:基于所述第一温度的所述估计且基于使所述II1-V族膜的所述能带隙能量与温度相关联的信息，来确定II1-V族发射带的峰值且将所述峰值校正至室温。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤: 当所述基板在所述第一温度下安置于所述移送室中时，照射所述II1-V族膜的一区域； 利用所述光谱仪收集来自所述照射区域的在包括被半导体基层吸收的波长的波长范围上的反射光谱，所述半导体基层安置于所述II1-V膜下方；以及基于由所述反射光谱确定的吸收边缘来估计所述第一温度。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤: 利用离轴检测器收集由所述照射区域散射的光；以及 基于所收集的散射光来确定粒子或粗糙度测量。
全文摘要
本发明提供例如在发光二极管(LED)的制造期间控制外延生长参数的设备与方法。实施例包括对III-V族薄膜在当基板在高温下处于多腔室群集工具的移送室中时生长之后的PL测量。在其他实施例中，当所述基板安置于所述移送室中时，执行薄膜厚度测量、非接触电阻率测量及粒子和/或粗糙度测量。藉由基于来自安置于所述III-V族薄膜下方的GaN基极层的发射来估计高温，而将在所述移送室中执行的测量中的一个或更多个测量在温度上校正至室温。在其他实施例中，温度校正基于所述GaN基极层的吸收能带边缘，所述吸收能带边缘由所收集的白光反射光谱来确定。然后，将经温度校正的测量方法用于控制生长工艺。
文档编号H01L21/20GK103155101SQ201180049192
公开日2013年6月12日 申请日期2011年9月14日 优先权日2010年9月14日
发明者D·P·布尔, A·杜博斯特, A·戈德 申请人:应用材料公司