Richard Stevenson

　LayTec是一家具有即時高度計技術的GaN晶片研發公司，該公司開發的高度計能量測精度±0.1℃的晶圓溫度。

　為使晶片製造有利潤可尋，製造商首先要求降低開發成本與提高生產良率。在達到節約開銷的前提下，成長製程參數(recipe)將設定使用最少生長次數製造晶片，因為製程最佳化會占研發預算中相當大的比例。為了達到這個目的，製程工程師必須儘可能了解反應室的局部環境(local environment)，其中包含有效掌握晶圓溫度，該參數是控制磊晶層(epilayer)成長率與成分的關鍵因素。

　高溫計(pyrometer)是量測反應室內晶圓溫度的標準方法。這個技術是藉由光偵測器(photodetector)量測熱輻射強度，再依輻射強度和溫度的對應關係計算出溫度，而該熱輻射則是晶圓透過一狹窄波段所發散出來。針對磷化銦(InP)與砷化鎵(GaAs)材料體系，晶圓溫度可以使用950nm的高溫計(pyrometer)進行量測。然而，這個光譜頻段(spectral region)並不適用於氮化物材料，因為氮化物無法在這個波長產生任何熱輻射。

　為了解決這個問題，針對氮化物成長所產生的400nm波長，已經有專家開發出該波段的高溫計(pyrometer)。這項技術開始是由J Randall Creighton與山迪亞國家實驗室(Sandia National Laboratory)的合作伙伴共同建構，且在去年麻省波士頓舉行的美國材料研究學會(Materials Research Society，MRS)秋季會議上，即時監控專家LayTec推出這個工具的商用版本Pyro 400。這個儀器主要針對Aixtron多晶圓模組反應爐所設計，但也能適用於Thomas Swan的產品。

　開發近紫外光波長的高溫計(pyrometer)並非一件容易的事，根據LayTec總裁Thomas Zettler表示：在1000℃的反應爐內可發現各種波長的輻射均非常強，因此要精確地量測400nm輻射波長確實是一項挑戰。400nm輻射波長的強度遠小於紅外線輻射的數個級數之多，因此須謹慎挑選數種濾波器以濾掉不需要的輻射。LayTec儀器透過光學收集器(collection optic)、濾波器及偵測器的組成，賦予其能夠在這種波長下操作的能力，可量測多片晶圓表面溫度精度達±0.1℃，甚至更精確的溫度精度。這樣的精度已經超越目前市面上所有商用儀器。

　儘管Pyro 400溫度量測精度非常高，但並不具備發射率校正(emissivity correction)的功能。這表示會忽略不同物件間的發射率(emissivity)，且抗反射薄膜的成長也會導致溫度量測值的改變。然而，Zettler相信這個缺點並非什麼至關重要的大事。這是因為該儀器主要是設計來確定裸晶(bare wafer)表面溫度，且也只有在氮化鎵(GaN)與氮化鋁(AlN)間的發射率有小額的差異。

　為了增加銷售量，LayTec必須說服其顧客將Pyro 400安裝到反應爐中的其他即時(in situ)監控儀器上，例如加裝在監控表面曲率(bow)與基板(susceptor)表面溫度的雷射反射器(laser deflection)與反射率監控儀器(reflectance tool)上。這些監控可以確保晶圓的平整度(flatness)，但他們並不會顯示成長過程中橫跨整片基板的溫度變化。Zettler表示：這些來自基板(susceptor)幾何外形上的輕微變化，即便是在成長開始前就已存在差異。

　Zettler相信未來產品在開發成長製程參數(recipe)過程中，Pyro 400可作為LayTec Epicure TT感應器的互補工具，這將使Pyro 400產生最大的利益。這些製程參數(recipe)一定能夠製造出優異均勻性、高品質主動區(active region)及低曲率的晶圓。Zettler認為，使用高溫計(pyrometer)能降低製程中生長所需的微調次數。並補充說到，透過開發儀器所產生的獨特技術(in-house expertise)，也能讓公司展示給客戶知道如何透過晶圓曲率儀器得到更好的成果。
在MRS會議中，Zettler的同事Elizabeth Steimetz展示一張詳盡介紹Prto 400能力的技術海報，該技術共同作者為柏林Ferdinand Braun高頻技術研究所的研究人員。海報內容介紹Aixtron AIX2600HT行星式反應爐中的高溫計(pyrometer)已經裝配LayTec的EpiCurve感應器，且可繪製出11個不同2吋基板及磊晶(epiwafer)的溫度，其溫度精度可達到±0.1℃與± 3mm空間解析度。

　這個實驗的條件是在溫度1100℃反應爐與每分鐘6轉的底盤選轉速度下進行，實驗結果顯示在藍寶石基板上沉積GaN所造成的10μm晶面曲率(bow)，會使橫跨晶圓表面的溫度變化達4℃。而若將基板換成碳化矽(SiC)材料將使原本凸形翹曲(convex bow)變成凹形翹曲(concave bow)，這時在10μm晶面曲率下的晶圓溫度差異將會降到1.2℃。根據研究人員透露，將反應爐溫度降低到800℃，並透過Pyro 400與曲率傳感器(curvature sensor)調整GaN成核層(nucleation. layer)成長，將能有效地降低這兩種磊晶(Epiwafer)基板的曲率，進而得到具絕佳均勻性的量子井(quantum well)。CSOT

圖：氮化物材料不會發射波長950 nm的熱幅射，因此對適用於量測傳統波長的有機金屬氣相磊晶(Metal organic chemical vapor deposition，MOCVD)高溫計並不適用，所以要使用能量測400 nm波長這樣較短波長的溫度量測裝置才能實現。