用于mocvd外延生長的三波長免修正紅外監(jiān)測(cè)方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及原位紅外監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD)反應(yīng) 室內(nèi)復(fù)雜多變環(huán)境的溫度與外延膜厚原位紅外監(jiān)測(cè)方法，以及應(yīng)用該方法的三波長免修正 測(cè)溫、膜厚監(jiān)測(cè)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（Metal Organic Chemical Vapor Deposition,簡稱 MOCVD)是生產(chǎn)LED外延片的核心設(shè)備。在利用MOCVD進(jìn)行高質(zhì)量半導(dǎo)體薄膜的外延生長過 程中，反應(yīng)室內(nèi)的溫度及均勻性、外延層的生長速率、薄膜厚度等參數(shù)都會(huì)影響生長材料的 質(zhì)量，以及最終器件的性能。例如：在以Si (111)為襯底，生長GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)LED外 延片的摻銦過程中，溫度每偏差1°C，將會(huì)最終引起器件的中心波長漂移約1.2nm。原位監(jiān) 測(cè)技術(shù)可以在整個(gè)外延生長過程中，對(duì)外延片的一些性能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的、全過程的無損 監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)了解各監(jiān)測(cè)參數(shù)的變化，研究各參數(shù)對(duì)外延層生長的影響，優(yōu)化工藝、提高 廣品良率。
[0003] 當(dāng)前生產(chǎn)型MOCVD常用的原位監(jiān)測(cè)設(shè)備有紅外輻射測(cè)溫儀和激光膜厚儀。紅外輻 射測(cè)溫儀是透過MOCVD反應(yīng)室上的光學(xué)探測(cè)窗口探測(cè)一定波長的紅外輻射強(qiáng)度，以及該波 長的反射率（即反射率修正），利用Planck公式和Kirchhoff定律來監(jiān)測(cè)反應(yīng)室內(nèi)的溫度； 激光膜厚儀是利用激光束在外延層上產(chǎn)生Fabry-perot干涉，通過光探測(cè)器監(jiān)測(cè)反射率的 周期性變化來測(cè)量膜厚的變化。
[0004] 由于MOCVD反應(yīng)室上的光學(xué)探測(cè)窗口較小，易受反應(yīng)沉積物和熱變形的影響，以 及外延片材料組份、厚度、石墨盤旋轉(zhuǎn)變化都給紅外測(cè)溫帶來困難。這些挑戰(zhàn)使現(xiàn)有MOCVD 的紅外測(cè)溫需要較為復(fù)雜的修正（如：探測(cè)孔有效面積的修正、反射率修正等）。例如：德 國 AIXTR0N 公司的 Argus (CCS Pyrometric profiling system)需要定期拆卸下 MOCVD 噴 頭，放在專用設(shè)備上進(jìn)行探測(cè)孔校準(zhǔn)；LeyTec公司的EpiTT、EpiTwinTT等均需要使用專用 手持式發(fā)光器進(jìn)行校準(zhǔn)；所有單色輻射測(cè)溫法均需要反射率修正。復(fù)雜的修正校準(zhǔn)增加了 MOCVD原位監(jiān)測(cè)的成本，降低了監(jiān)測(cè)效率和準(zhǔn)確度。另外，隨著原位監(jiān)測(cè)設(shè)備種類的增多，欲 在有限空間內(nèi)原位監(jiān)測(cè)多個(gè)參數(shù)，需要提高監(jiān)測(cè)設(shè)備的集成度，使一個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn) 同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)參數(shù)。
[0005] 因此，對(duì)MOCVD原位紅外監(jiān)測(cè)的原理方法進(jìn)行改進(jìn)，提出一種不需要對(duì)探測(cè)孔有 效面積和反射率修正，可同時(shí)對(duì)外延片溫度和外延層膜厚進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)的方法，并研發(fā)相 應(yīng)裝置具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為了解決目前應(yīng)用于MOCVD的原位紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)需要復(fù)雜的修 正校準(zhǔn)的問題，提供一種不需對(duì)探測(cè)孔有效面積和反射率進(jìn)行修正，可同時(shí)測(cè)量外延片溫 度與外延層膜厚的三波長原位紅外監(jiān)測(cè)方法，以及應(yīng)用該方法，可同時(shí)監(jiān)測(cè)外延片表面溫 度與外延層厚度的三波長免修正原位紅外監(jiān)測(cè)裝置。
[0007] 本發(fā)明方法主要步驟包括：紅外監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)參數(shù)的測(cè)量；給出三個(gè)波長對(duì)應(yīng)的 發(fā)射率表達(dá)式（僅含未知數(shù)外延層厚度）；測(cè)量三個(gè)波長的紅外輻射強(qiáng)度，得到由三個(gè)方程 組成的方程組（含未知數(shù)：外延片表面溫度、外延層厚度、探測(cè)孔有效面積）；解方程組求出 外延片表面溫度和外延層厚度。
[0008] 具體包括下述步驟：
[0009] 步驟1，測(cè)量紅外監(jiān)測(cè)裝置的系統(tǒng)參數(shù)K :
[0010] la)在恒溫黑體爐出光口安裝一模擬MOCVD光學(xué)窗口及接頭，將所述紅外監(jiān)測(cè)裝 置安裝于恒溫黑體爐接頭上，對(duì)黑體輻射進(jìn)行響應(yīng)，獲得所述紅外監(jiān)測(cè)裝置三個(gè)探測(cè)器的 響應(yīng)輸出V 1 ( λ T)、V2 ( λ 2, T)、V3 ( λ 3, T)和黑體爐溫度T ;
[0011] Ib)根據(jù)光電探測(cè)器原理及Planck公式：
[0012] (1)
[0013] 得到三個(gè)不同波長探測(cè)器的系統(tǒng)參數(shù)Κλη，η = 1、2、3 ;
[0014] 式中，νη(λη，Τ)為第η個(gè)探測(cè)器響應(yīng)輸出的電壓信號(hào)；S為紅外監(jiān)測(cè)裝置的光闌 探孔面積W 1為第一輻射常數(shù)，C2為第二輻射常數(shù)；λ η(η = 1、2、3)分別為所述紅外監(jiān)測(cè)裝 置探測(cè)的三個(gè)紅外輻射波長；
[0015] 本發(fā)明方法中，K值與光學(xué)器件透射率、分光比、吸收系數(shù)、探測(cè)距離有關(guān)，同時(shí)還 與探測(cè)器的量子效率、運(yùn)算放大器所用的反饋電阻值、探測(cè)波長有關(guān)。對(duì)應(yīng)于固定MOCVD系 統(tǒng)上制作好的監(jiān)測(cè)裝置只需測(cè)量一次系統(tǒng)參數(shù)。在恒溫黑體爐出光口安裝一模擬MOCVD光 學(xué)窗口及接頭，將所述紅外監(jiān)測(cè)裝置安裝于恒溫黑體爐接頭上，對(duì)黑體輻射進(jìn)行響應(yīng)，獲得 所述紅外監(jiān)測(cè)裝置三個(gè)探測(cè)器的響應(yīng)輸出、黑體爐溫度、探測(cè)孔有效面積（此時(shí)，紅外輻射 傳播距離較短、探測(cè)孔較大，裝配情況對(duì)探測(cè)孔有效面積影響不大，探測(cè)孔有效孔徑等于紅 外監(jiān)測(cè)裝置的光闌孔徑）。
[0016] 步驟2,計(jì)算三個(gè)紅外輻射波長對(duì)應(yīng)的發(fā)射率：
[0017] 2a)由Kirchhoff定律與能量守恒定律知，對(duì)于不透明的外延片光譜發(fā)射率ε λ =l-R(A)，外延片的反射率R(X)可由薄膜等厚干涉模型來計(jì)算，在正入射下，外延片反 射率為：
[0018] ?2)
[0019] 式中，Δ = 4 π dnf/λ ; α為外延層的吸收系數(shù)，α = 4 π k/λ々、!^分別為空氣 /外延層、外延層/襯底界面的菲涅爾反射系數(shù)，:T1= (nf-l)/(nf+l)、r2= (ns-nf)/(ns+nf);
[0020] 其中，d、k分別為外延層的厚度與消光系數(shù)，nf、ns分別為外延層、襯底的折射率；
[0021] 2b)對(duì)于已知波長由（2)式可得探測(cè)紅外輻射波長對(duì)應(yīng)的發(fā)射率ε λ (d):
[0022]
π)
[0023] 式中，k、nf、ns分別為探測(cè)紅外輻射波長對(duì)應(yīng)的外延層消光系數(shù)、外延層折射率、襯 底折射率，均已知；d為外延層厚度，該式僅為外延層厚度d的函數(shù)；
[0024] 2c)將紅外監(jiān)測(cè)裝置探測(cè)的三個(gè)紅外輻射波長λ n (n = 1、2、3)帶入（3)式得到三 個(gè)紅外輻射波長對(duì)應(yīng)的發(fā)射率ε λ1((1)、ε λ2((1)、ε λ3((1);
[0025] 步驟3,測(cè)量三個(gè)波長的輻射強(qiáng)度得到三個(gè)探測(cè)器測(cè)量的電壓信號(hào)：
[0026] 將所述紅外監(jiān)測(cè)裝置安裝于MOCVD反應(yīng)室的光學(xué)探測(cè)窗口上，探測(cè)高溫下的三個(gè) 波長的紅外輻射強(qiáng)度，得到三個(gè)探測(cè)器測(cè)量的電壓信號(hào)方程組：
[0027] ：(4：)
[0028] 式中，V1U1Jh ν2(λ2，Τ)、ν3(λ3，Τ)分別為三個(gè)探測(cè)器測(cè)量的電壓信號(hào)，Κ λ1、 Κλ2、Κλ3分別為三個(gè)探測(cè)器的系統(tǒng)參數(shù)，ε λ1((1)、ε λ2((1)、ε λ3((1)分別為三個(gè)波長對(duì)應(yīng)的 發(fā)射率；Mb為黑體單色輻出度，可由Planck公式計(jì)算，波長已知時(shí)，僅是溫度T的函數(shù)；S' 為探測(cè)孔有效面積；該方程組（4)中含三個(gè)未知數(shù)外延層厚度d、外延片溫度T、探測(cè)孔有效 面積S' ；
[0029] 步驟4,解方程組（4)式得到外延片表面溫度T和外延層厚度d，循環(huán)步驟3,得到 溫度T和外延層厚度d隨時(shí)間的變化，從而實(shí)現(xiàn)MOCVD外延生長的三波長原位紅外監(jiān)測(cè)。
[0030] 本發(fā)明還提供了使用上述MOCVD外延生長的三波長免修正紅外監(jiān)測(cè)方法的原位 監(jiān)測(cè)裝置，包括監(jiān)測(cè)探頭盒體，在監(jiān)測(cè)探頭盒體中設(shè)有圓柱狀的分光片腔，在分光片腔上方 設(shè)有上光感探測(cè)器，在分光片腔兩側(cè)上下交錯(cuò)處設(shè)有左光感探測(cè)器和右光感探測(cè)器，各光 感探測(cè)器與監(jiān)測(cè)探頭盒體分光片腔之間均設(shè)