In-situ モニターを用いた窒化物結晶成長の観測

In-situ モニターを用いた窒化物結晶成長の観測
Dr. Yuto Tomita
Senior engineer
Sales Japan
Outline
•
Who is LayTec?
•
Products / features
•
Economical benefit
•
Summary
07.07.2011
In-situ モニターを用いた窒化物結晶成長の観測 / 第11回窒化物半導体応用研究会
2
Who is LayTec?
LayTec - optical in-situ metrology for thin-films
•
focus on in-situ & in-line metrology with
optical methods
•
その場観測光学測定
market leader in in-situ metrology for
LED and Power device production
LED、パワーデバイス生産でトップシェア
•
world-wide distribution & service network
日本代理店: 丸文㈱
More than 10 years experience and over 1400
systems in the field!
07.07.2011
In-situ モニターを用いた窒化物結晶成長の観測 / 第11回窒化物半導体応用研究会
3
Sales: total
Sensors sold/year: 1999-2010
600
Total: over 1400 systems
sensors per year
500
400
300
200
100
0
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
Strong increase by backlighting business in 2009 and 2010
Still continues in 2011 and 2012 for general lighting!
07.07.2011
In-situ モニターを用いた窒化物結晶成長の観測 / 第11回窒化物半導体応用研究会
4
Outline
•
Who is LayTec?
•
Products / features
•
Economical benefit
•
Summary
07.07.2011
In-situ モニターを用いた窒化物結晶成長の観測 / 第11回窒化物半導体応用研究会
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In-situ control – why?
Challenges in LED production
Performance
improvements
•
•
•
Reliability/lifetime
Brightness
Efficiency
特性の安定化、寿命
輝度
効率
Yield
Reproducibility
Color uniformity
製作コストの削減
Wafer size
(up-scaling to 6”)
Key parameters to be controlled
• Pocket and wafer temperature
• Wafer curvature
• Temperature uniformity
• Surface morphology
• Reproducibility
 All by LayTec tools!!
生産性、歩留まり
再現性
発光波長の均一性
基板サイズの大型化
素子特性の向上
Cost
reduction
07.07.2011
•
•
•
•
基板温度
基板の反り
温度の均一性
表面状態
再現性
In-situ モニターを用いた窒化物結晶成長の観測 / 第11回窒化物半導体応用研究会
6
LayTec products lineup
LayTec product/feature highlights
Temperature: all models
放射温度計(パイロメーター)
温度測定: 全モデルで可
• EpiTT/EpiCurveTT, Pyro400
• AbsoluT growth temp calibration (+/-1K)
Reflectance: EpiTT and EpiCurveTT series
• Growth rate and morphology
LED光源(多波長)
• 405nm for GaN based MQW monitoring での反射率測定
• 633nm for GaAs based materials
Curvature: EpiCurveTT series
反り測定(レーザー)
• EpiCurve®TT AR – Advanced resolution (aspheric Meas.)
• Alternative blue laser for patterned sapphire
2軸方向での反り測定、両面研磨やパターン基板にも対応
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In-situ モニターを用いた窒化物結晶成長の観測 / 第11回窒化物半導体応用研究会
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In-situ measurement in GaN MQW LED
GaN/sapphire MQW LED structure
reflectance 950nm 表面/底面
400nm域はGaNに吸収
950nmでは干渉光
2. 温度測定
• reactor temperature (熱伝対)
•
true temperature (950nm)
•
real temperature (400nm)
reflectance
•
temperature / °C
1. 反射率測定  成膜レート
• reflectance 405nm GaN表面
0.3
0.2
0.1
干渉光成膜レート
0.0
1200
熱伝対温度
1000
800
Pyro400(400nm)
600
GaN表面温度
ラインスキャンも可
横軸: 時間
Flat=0
convex
curvature / km
concave
-1
100
)|(
3. 反り測定
• wafer curvature
50
0
-50
desorp. nucl. GaN buffer
2000
07.07.2011
4000
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6000
MQW
8000
time / s
10000
cap
12000
8
Reflectance measurement
Advantage for morphology measurement
good morphology
950nm
smooth surface
405nm
平坦な表面
反射率一定
干渉光安定
bad morphology:
950nm
increasing roughness
405nm
荒い表面状態
光散乱
干渉光減衰
反射率から表面状態の模索
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Important benefits of LayTec’s EpiNet
On-line reproducibility check
loaded reference run
リファレンスデータ
反射率(950nm)
reflectance (405nm)
温度
current run
成長ラン
Run #1
Run #2
LayTec tool provides precise real time
run-to-run reproducibility check
再現性を成長中に確認
(温度、成長レート、表面状態、反り)
07.07.2011
MQW: InGaN (3nm) / GaN (7nm)
量子井戸内の単膜(<10nm)も可視化
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Curvature measurement
Effect of curvature on PL uniformity
InGaN MQW growth: comparison of two wafers
PLマッピング
wafer 1
broad PL
bowed wafer
反り基板
 波長不均一
MQW
flat
)|(
concave
wafer 2
wafer 1
narrow PL
flat wafer
~ 50km-1
wafer 2
convex
data courtesy of F. Brunner, FBH Berlin
反りを制御して歩留まり向上(EpiCurveTT Two)
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フラット基板
 波長均一
11
Curvature measurement
Curvature engineering for GaN/Si device
GaN
150
Curvature engineering
100
18
-3
[Si] ~ 8x10 cm
19
-3
[Ge] ~ 1.7x10 cm
GaN:Si,Ge
-1

Curvature (km )
GaN/Si has lattice mismatch
GaN/Si格子定数の違いから反りが発生

反りの制御が必要
• GaN doping with (n-type)
• Si: crack at RT
• Ge: crack free and flat
50
0
-50
seed and GaN buffer
-100
0
20
40
LT-AlN
necessary
cooling
60
80
Time (min)
GaN:Si
GaN:Ge
Geドープは室温にてフラットな基板
新しい材料の研究開発に貢献
07.07.2011
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Data courtesy of
University Magdeburg
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Curvature measurement
Asphericity measurement – EpiCurveTT AR
Main-curvature
spherical
Reflectance(405nm)
Temperature: MOCVD
Sub-curvature
aspherical
• semipolar GaN on m-plane
sapphire
Temperature: LayTec
spherical curvature
• growth of semipolar GaN
creates strong asphericity
different in-plane strain
asphericity
2軸方向での反りのモニターリングも可能
詳細な反りの制御が可能 (EpiCurveTT AR)
07.07.2011
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Outline
•
Who is LayTec?
•
Products
•
Features
•
Economical benefit
•
Summary
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In-situ monitoring for LED production
Economical aspects EpiTT
•
2” wafer config
•
GaN on sapphire
•
6h process time
•
2% yield improvement only
原価償却シミュレーション
achievable by 405nm MQW
monitoring
•
Full production
EpiTT: 温度(950nm)と成長レートの制御
LEDの生産現場(2“)にて約6ヶ月で設備投資の減価償却が可能
07.07.2011
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15
In-situ monitoring for LED production
Economical aspects EpiCurveTT
•
2” vs 4” wafer config
•
GaN on sapphire
•
6h process time
•
10% yield improvement due
原価償却シミュレーション
to curvature measurement
•
Full production
EpiCurveTT: 温度(950nm)、成長レート、反りの制御
4“の生産現場にて約2ヶ月で設備投資の減価償却が可能
07.07.2011
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Outline
•
Who is LayTec?
•
Products
•
Features
•
Economical benefit
•
Summary
07.07.2011
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In-situ monitoring solution
Summary
•
Key parameters to be controlled
•
Temperature: ternary composition and doping rate
• Thickness and growth rate
• Curvature: Temperature uniformity during critical layer and flat wafer at
room temperature
温度、膜厚、反りの制御によりLEDやパワーデバイスの生産性向上
•
using in-situ reflectometry, uniformity of growth rate can be optimized
quickly saving time and money
成長パラメーター制御により短期間での原価償却が可能
•
curvature is crucial
•
even for accurate and uniform susceptor surface temperature
wafer bowing occurs  up to Twafer ~ ±10 K
• effect worsens for larger wafers
• with EpiCurve® series used for bow-control  Twafer <~ ±1 K
• real surface temeprature of GaN/sapphire substrate is necessary
基板の大型化に伴いGaNの表面温度(Pyro400)や多軸上の反り(EpiCurveTT AR)が必要
07.07.2011
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Some gems
need a little
extra help to
sparkle
ご清聴ありがとうございました。
LayTec AG 冨田勇人 ([email protected])
LayTec日本販売代理店: 丸文㈱
www.laytec.de
In-situ monitoring
System set-up
放射温度計(補正済み)
emissivity corrected
pyrometry (TT)
T / °C
• wafer temperature
• wafer selective ± 1K
• 450 - 1300°C
EpiCurveTT Two
optical head
多波長反射率
double wavelength
R
reflectance (R)
• wafer selective
• growth rate
• = 950nm and 633nm or 488nm or 405nm
反り測定
wafer bowing /
curvature
control and analysis
computer
MOCVD
07.07.2011
1/r [km-1]
• wafer selective curvature
• temperature uniformity
• cracking of layers and ternary composition
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2. Reflectance measurement
Advantage of a double wavelength sensor
100nm (Al)GaN:Mg
p-GaN 950nm
950nm
GaN 表面/底面
MQWs 405nm
GaN表面
400nm域はGaNに吸収
2μm GaN:Si(5x1018)
n-GaN 950nm
405nm
GaN 表面/底面
干渉光成長レート
Sapphire
•Growth
950nm
rate analysis: fitting from oscillation in reflectance data
•Detailed
information: thick GaN by 950nm and MQW by 405nm
反射率の振幅から成長レートを算出
波長を使い分ける事によってそれぞれの層での測定が可能
07.07.2011
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1. Reflectance measurement
New: get all three at same time
• 405nm is optimized for
• thin layers (MQWs)
405nm
• morphology monitoring
• 633nm is optimized for
633nm
• growth rate measurements
• 950nm is optimized for
950nm
• emissivity correction
Data courtesy of Ferdinand-Braun-Institute, Berlin
従来: 2波長までの選択
3波長の同時測定が可能(2011年末)
2波長からのアップグレード可
07.07.2011
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2. Temperature measurement
Pyrometry at 950nm and 400 nm
EpiTT/EpiCurve TT: 950nm
GaN/Si
Measured: wafer temperature
= changed by wafer bow
Line scan measurement  OK
ラインスキャン可
GaN/Siデバイス
07.07.2011
Pyro400: 400nm
GaN/Sapphire
Si
λ<950nm
(放射温度計)
Graphite
Measured: pocket temperature
= unchanged by wafer bow
Line scan measurement  NG
測定温度: グラファイト
 LED小型基板
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GaN/Sapphire
GaN
λ<400nm
Measured: GaN temperature
= changed by wafer bow
Line scan measurement  OK
ラインスキャン可
 LED大型基板
23
2. Temperature measurement
Pyro400 in GaN/AlGaN MQW laser

• Pyrometer at 400nm
• Temp of GaN on
transparent substrate
temperature / °C
Pyro400 (GaNの温度測定)
1000
EpiTT(950nm)
800
600
5000
GaN end
1024
1022

GaN buffer
1090

1052
superlattice
1046

10000
SL
GaN buffer
1054
 
Pyro400(400nm)
1200
wafer temperature linescans of 2“ wafer
(GaN最表面温度ラインスキャンデータ)
desorp
GaN begin
desorption
(= pocket)
 熱伝対温度

1044

15000
20000
stabilizing
MQW
MQW
cap
1060
724

1058
722

1088
1020
1050
1042
1056
720
1048
1040
1054
718
1046
1038
1052
716
1044
1036
1050
714
1086
1018
1084
1016
1082
1014
position
position
note: all diagrams have same 10K T-scale
07.07.2011
position
position
position
position
基板の反りによらず圧力やガスの種類により変化
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24
Technical background
Growth rate / thickness
determination
•
•
•
•
Fractional reflection of incident light at
layer surface and layer/substrate
interface  interference effect
Max. intensity Ireflected: 2nd = mλ
Min. intensity Ireflected: 2nd = (m + ½) λ
During growth  dynamic interference
pattern  growth rate r = d/t
Growth rate determination:
Max. reflectance: r * t = mλ/2n or min. reflectance: r * t = (m + ½) λ /2n
 Reflectometry – powerful tool for growth rate monitoring
07.07.2011
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Technical background
Why double wavelength
reflectance measurement?
•
•
Devices  heterostructures
GaN-based layers:
• 950nm highly transparent:
Growth data of thick buffer layers,
no data from quantum wells
• 405nm highly absorbing:
 Growth data of quantum wells
Incident:
1. 950nm
2. 405nm
Reflected
1. 950nm
2. 405nm
InGaN QW
GaN
susceptor

For accurate growth monitoring a double wavelength reflectance
sensor is required!

2nd wavelength has to be suitable for the specific material!
07.07.2011
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Technical background
Advantage of a double wavelength sensor
100nm (Al)GaN:Mg
p-GaN 950nm
950nm
MQWs 405nm
2μm GaN:Si(5x1018)
n-GaN 950nm
950nm
Sapphire
•
405nm
Detailed information: thick GaN by 950nm and MQW by 405nm
Suitable wavelength combination is mandatory for successful
device production!
07.07.2011
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Technical background
Temperature monitoring
Planck spectra
800°C
•
•
relation between emitted radiation of a
body at a certain wavelength
temperature  Planck’s law
Main part of the spectra – infrared
Choose one wavelength  detect the
emitted radiation  get the
temperature - pyrometry
950nm
incandescence intensity
•
700°C
600°C
500°C
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
photon energy / eV

Pyrometry is the powerful tool for growth temperature
monitoring

Any drawback?
07.07.2011
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28
0.4
reflectance
Technical background
0.3
0.2
Temperature
monitoring
temperature / °C
2500
725
3000
3500
4000
4500
Interferred e
pyrometry at 950nm
e
700
675
substrate
material A
growth
material B
overgrowth
material A
650
2500
3000
3500
4000
4500
time / s
•
Fractional reflection of incident light at layer surface and
layer/substrate interface  interference effect
 Proper correction of pyrometry signal necessary!
07.07.2011
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Technical background
Temperature monitoring
reflectance
substrate
material A
overgrowth
material B
0.4
reflectance at 950nm
R interfered R interfered e
0.3
0.2
e
2500
temperature / °C
growth
material B
725
3000
3500
4000
4500
pyrometry at 950nm
emissivity corrected temperature
700
675
650
2500
3000
3500
4000
4500
time / s
•
Reflectance measurement necessary for emissivity correction

Effective solution – combination of growth rate and temperature
monitoring in one sensor  EpiTT by LayTec
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EpiCurve® TT measurement principle
plane substrate
susceptor
07.07.2011
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31
EpiCurve® TT measurement principle
emission
measurement at 950nm
emission light
plane substrate
susceptor
Method 1: intensity measurement of emission light
07.07.2011
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32
EpiCurve® TT measurement principle
reflectance
measurement
incident light
reflected light
plane substrate
susceptor
Method 2: normal incidence reflectometry
07.07.2011
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EpiCurve® TT measurement principle
curvature
measurement
xo
parallel laser beam
2D CCD
camera
plane substrate
susceptor
Method 3: distance variation of parallel laser beams
07.07.2011
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34
EpiCurve® TT measurement principle
XD(z)
parallel laser beam
substrate / wafer
(bent due to strain)
T
z
susceptor
Method 3: distance variation of parallel laser beams
07.07.2011
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35
EpiCurve®TT AR
x
X
Y
y
New
EpiCurve AR!
T
z
susceptor
Now: three spots for simultaneous measurement in two directions
07.07.2011
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EpiCurve®TT Blue
EpiCurve – limitations with red laser
single side polished sapphire
double side polished sapphire
patterned sapphire substrate (pss)
interference
single spots 
07.07.2011
double spots 
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diffuse spots 
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EpiCurve®TT Blue
Performance of EpiCurve TT AR blue
single side polished sapphire
GaN layer
double side polished sapphire
GaN layer
GaN layer
blue laser light is absorbed in GaN
single spots 
07.07.2011
patterned sapphire substrate (pss)
single spots 
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(after coalescence)
single spots 
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EpiCurve®TT Blue
Measurement on double side polished wafers
• using blue laser (405nm)
• same form factor as EpiCurve TT
Two and EpiCurve AR
• available for AIXTRON planetary
MOCVD systems (G3, G4, G5)
07.07.2011
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EpiCurve®TT Blue
Measurement on double side polished wafers
• AlN/GaN/AlGaN
on double-side
polished 4H-SiC
 improved
signal-to-noise
ratio
• GaN on sapphire and SiC: transparent for red laser
 reflexion also at polished backside
• GaN on sapphire and SiC at growth temperature opaque for blue laser
 no reflexion at polished backside
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40
EpiCurve®TT Blue
Growth on patterned sapphire substrates
0.3
Plain sapphire
0.2
0.1
0.0
0.3
Reflection at 633nm
0.2
0.1
0.0
0.3
0.2
0.1
0.0
0.3
0.2
0.1
0.0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
time / s
Patterns have strong influence on reflectance signature
07.07.2011
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EpiCurve®TT Blue
Growth on patterned sapphire substrates
200
Sapphire
PS1
150
PS2
Curvature / km
-1
PS3
100
50
all measured with blue laser
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
time / s
• Curvature can be measured on substrates and coalesced layers
• Patterned substrates can significantly reduce strain in GaN layers.
07.07.2011
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AbsoluT: Temperature calibration tool
AbsoluT: calibration light source
• provides reference temperature
• hot susceptor surface is
mimicked by this handheld
reference light source
• performs transmission
measurement through viewport
• 950nm light source
• uniform emitting area
• equals a temperature of 925°C
(black body calibrated)
• put below showerhead or ceiling
patent pending
07.07.2011
In-situ モニターを用いた窒化物結晶成長の観測 / 第11回窒化物半導体応用研究会
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AbsoluT: Temperature calibration tool
Effect of AbsoluT during production
•
MQW temp before and
after calibration for an
EpiTwinTT on Crius
•
Improved (R2R)³ variation
•
Ring to ring
•
Run to run
•
Reactor to reactor
•
Accurate SPC
•
No consumable
Reliable base for statistical growth temperature control
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In-situ モニターを用いた窒化物結晶成長の観測 / 第11回窒化物半導体応用研究会
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3. Curvature measurement
Effect of curvature on PL uniformity
InGaN MQW growth: comparison of two wafers
bin size 0.57 nm
|
wafer 2
narrow PL
横軸: LEDの数
縦軸: 波長
flat wafer
45% in center bin
75% in +/- 1 nm
フラット基板
 波長均一
data courtesy of F. Brunner, FBH Berlin
07.07.2011
In-situ モニターを用いた窒化物結晶成長の観測 / 第11回窒化物半導体応用研究会
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3. Curvature measurement
Effect of curvature on PL uniformity
wafer 1
(
InGaN MQW growth: comparison of two wafers
bin size 0.57 nm
broad PL
bowed wafer
横軸: LEDの数
縦軸: 波長
only 20%
in center bin(s)
flat
)|(
concave
convex
反り基板
 波長不均一
data courtesy of F. Brunner, FBH Berlin
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In-situ モニターを用いた窒化物結晶成長の観測 / 第11回窒化物半導体応用研究会
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