in-situ モニターを用いた窒化物結晶成長の観測in-situ monitoring for led production...
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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
07.07.2011 2In-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
• Who is LayTec?
• Products / features
• Economical benefit
• Summary
• focus on in-situ & in-line metrology with
optical methods
• market leader in in-situ metrology for
LED and Power device production
• world-wide distribution & service network
Who is LayTec?
LayTec - optical in-situ metrology for thin-films
More than 10 years experience and over 1400
systems in the field!
07.07.2011 3In-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
その場観測光学測定
LED、パワーデバイス生産でトップシェア
日本代理店: 丸文㈱
Sales: total
Strong increase by backlighting business in 2009 and 2010
Still continues in 2011 and 2012 for general lighting!
Sensors sold/year: 1999-2010
0
100
200
300
400
500
600
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
sensors
per
year
Total: over 1400 systems
07.07.2011 4In-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
Outline
07.07.2011 5In-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
• Who is LayTec?
• Products / features
• Economical benefit
• Summary
Performanceimprovements
• Reliability/lifetime• Brightness• Efficiency
In-situ control – why?
Challenges in LED production
Costreduction
• Yield • Reproducibility• Color uniformity• 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!!07.07.2011 6In-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
素子特性の向上
製作コストの削減
特性の安定化、寿命
輝度
効率
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
基板温度
基板の反り
温度の均一性
表面状態
再現性
LayTec product/feature highlights
LayTec products lineup
Temperature: all models
• EpiTT/EpiCurveTT, Pyro400
• AbsoluT growth temp calibration (+/-1K)
Reflectance: EpiTT and EpiCurveTT series
• Growth rate and morphology
• 405nm for GaN based MQW monitoring
• 633nm for GaAs based materials
Curvature: EpiCurveTT series
• EpiCurve®TT AR – Advanced resolution (aspheric Meas.)
• Alternative blue laser for patterned sapphire
07.07.2011 7In-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
放射温度計(パイロメーター)
温度測定: 全モデルで可
LED光源(多波長)
での反射率測定
反り測定(レーザー)
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
0.0
0.1
0.2
0.3
600
800
1000
1200
2000 4000 6000 8000 10000 12000
-50
0
50
100
refle
cta
nce
tem
pe
ratu
re / °
C
cu
rva
ture
/ k
m-1
time / s
In-situ measurement in GaN MQW LED
GaN/sapphire MQW LED structure
• reflectance 405nm
• reflectance 950nm
• reactor temperature (熱伝対)
• true temperature (950nm)
• real temperature (400nm)
• wafer curvature
desorp. nucl. GaN buffer MQW cap
(|
)
concave
Flat=0
convex
1. 反射率測定成膜レート
2. 温度測定
3. 反り測定
GaN表面
表面/底面
400nm域はGaNに吸収950nmでは干渉光
横軸: 時間
07.07.2011 8In-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
干渉光成膜レート
熱伝対温度
Pyro400(400nm)
ラインスキャンも可
GaN表面温度
950nm 405nm
Reflectance measurement
Advantage for morphology measurement
950nm 405nm
good morphology
bad morphology: increasing roughness
smooth surface
反射率から表面状態の模索
07.07.2011 9In-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
荒い表面状態光散乱
平坦な表面反射率一定
干渉光安定
干渉光減衰
On-line reproducibility check
Important benefits of LayTec’s EpiNet
loaded reference run
リファレンスデータ
current run
成長ラン
Run #2
Run #1
MQW: InGaN (3nm) / GaN (7nm)
reflectance (405nm)
反射率(950nm)
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 10In-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
量子井戸内の単膜(<10nm)も可視化
温度
Curvature measurement
Effect of curvature on PL uniformityInGaN MQW growth: comparison of two wafers
(|
)
concave
flat
convex
wafer 1
wafer 2 narrow PLflat wafer
wafer 2
wafer 1
data courtesy of F. Brunner, FBH Berlin
broad PLbowed wafer
~ 50km-1
反り基板波長不均一
フラット基板波長均一
PLマッピング
07.07.2011 11In-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
MQW
反りを制御して歩留まり向上(EpiCurveTT Two)
Curvature measurement
Curvature engineering for GaN/Si device
0 20 40 60 80
-100
-50
0
50
100
150
cooling
GaN
GaN:Si,Ge [Si] ~ 8x10
18 cm
-3
[Ge] ~ 1.7x1019
cm-3
Curv
atu
re (
km
-1)
Time (min)
seed and GaN buffer
LT
-AlN
GaN/Si has lattice mismatch
Curvature engineering
necessary
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
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
GaN:Si GaN:Ge
07.07.2011 12In-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 Data courtesy of
University Magdeburg
Curvature measurement
Asphericity measurement – EpiCurveTT AR
Sub-curvature
aspherical
Main-curvature
spherical
spherical curvature
asphericity
Reflectance(405nm)
Temperature: MOCVD
Temperature: LayTec
• semipolar GaN on m-plane
sapphire
• growth of semipolar GaN
creates strong asphericity
different in-plane strain
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 13In-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
Outline
07.07.2011 14In-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
• Who is LayTec?
• Products
• Features
• Economical benefit
• Summary
Economical aspects EpiTT
• 2” wafer config
• GaN on sapphire
• 6h process time
• 2% yield improvement only
achievable by 405nm MQW
monitoring
• Full production
In-situ monitoring for LED production
07.07.2011 15In-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
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
原価償却シミュレーション
Economical aspects EpiCurveTT
• 2” vs 4” wafer config
• GaN on sapphire
• 6h process time
• 10% yield improvement due
to curvature measurement
• Full production
In-situ monitoring for LED production
07.07.2011 16In-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
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
原価償却シミュレーション
Outline
07.07.2011 17In-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
• Who is LayTec?
• Products
• Features
• Economical benefit
• 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
In-situ monitoring solution
Summary
07.07.2011 18In-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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LayTec AG 冨田勇人 (tomita@laytec.de)
LayTec日本販売代理店: 丸文㈱
ご清聴ありがとうございました。
In-situ monitoring
System set-up
MOCVD
EpiCurveTT Two
optical head
control and analysis
computer
emissivity corrected
pyrometry (TT)
• wafer temperature
• wafer selective ± 1K
• 450 - 1300°C
T / °C
double wavelength
reflectance (R)• wafer selective
• growth rate
• = 950nm and 633nm or 488nm or 405nm
R
wafer bowing /
curvature
• wafer selective curvature
• temperature uniformity
• cracking of layers and ternary composition
1/r [km-1]
07.07.2011 20In-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
放射温度計(補正済み)
多波長反射率
反り測定
2. Reflectance measurement
Advantage of a double wavelength sensor
•Growth rate analysis: fitting from oscillation in reflectance data
•Detailed information: thick GaN by 950nm and MQW by 405nm
Sapphire
2μm GaN:Si(5x1018)
100nm (Al)GaN:Mg 950nm
950nm
405nm
MQWs 405nm
p-GaN 950nm
n-GaN 950nm
07.07.2011 21In-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
400nm域はGaNに吸収
GaN表面
GaN 表面/底面
GaN 表面/底面
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
干渉光成長レート
New: get all three at same time
• 405nm is optimized for
• thin layers (MQWs)
• morphology monitoring
• 633nm is optimized for
• growth rate measurements
• 950nm is optimized for
• emissivity correction
1. Reflectance measurement
07.07.2011 22In-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
Data courtesy of Ferdinand-Braun-Institute, Berlin
405nm
633nm
950nm
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
2. Temperature measurement
Pyrometry at 950nm and 400 nm
Pyro400: 400nmEpiTT/EpiCurve TT: 950nm
GaN/Si GaN/Sapphire GaN/Sapphire
Si
λ<950nmGraphite GaN
λ<400nm
Measured: wafer temperature
= changed by wafer bow
Line scan measurement OK
Measured: pocket temperature
= unchanged by wafer bow
Line scan measurement NG
Measured: GaN temperature
= changed by wafer bow
Line scan measurement OK
07.07.2011 23In-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
ラインスキャン可GaN/Siデバイス
ラインスキャン可 LED大型基板
測定温度: グラファイト LED小型基板
(放射温度計)
1014
1016
1018
1020
1022
1024
1082
1084
1086
1088
1090
1044
1046
1048
1050
1052
1054
1036
1038
1040
1042
1044
1046
position
position
position
position
desorp GaN beginGaN end SL
5000 10000 15000 20000
600
800
1000
1200
tem
pe
ratu
re / °
C
2. Temperature measurement
Pyro400 in GaN/AlGaN MQW laser
wafer temperature linescans of 2“ wafer
(GaN最表面温度ラインスキャンデータ)
desorption
(= pocket)
note: all diagrams have same 10K T-scale
GaN buffer GaN buffer superlattice MQWstabilizing
714
716
718
720
722
724
1050
1052
1054
1056
1058
1060
position
position
MQWcap
Pyro400 (GaNの温度測定)
• Pyrometer at 400nm
• Temp of GaN on
transparent substrate
07.07.2011 24In-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
熱伝対温度
Pyro400(400nm)
EpiTT(950nm)
基板の反りによらず圧力やガスの種類により変化
• 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
Technical background
Growth rate / thickness
determination
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 25In-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
• 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
Technical background
Why double wavelength
reflectance measurement?
For accurate growth monitoring a double wavelength reflectance
sensor is required!
2nd wavelength has to be suitable for the specific material!
susceptor
GaN
Reflected
1. 950nm
2. 405nm
Incident:
1. 950nm
2. 405nm
InGaN QW
07.07.2011 26In-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
Technical background
Advantage of a double wavelength sensor
• Detailed information: thick GaN by 950nm and MQW by 405nm
Suitable wavelength combination is mandatory for successful
device production!
Sapphire
2μm GaN:Si(5x1018)
100nm (Al)GaN:Mg 950nm
950nm
405nm
MQWs 405nm
p-GaN 950nm
n-GaN 950nm
07.07.2011 27In-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
• 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
Technical background
Temperature monitoring
Pyrometry is the powerful tool for growth temperature
monitoring
Any drawback?
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
800°C
700°C
600°C
500°C
inca
nd
esce
nce
in
ten
sity
photon energy / eV
950nm
Planck spectra
07.07.2011 28In-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
Technical background
Temperature monitoring
• Fractional reflection of incident light at layer surface and
layer/substrate interface interference effect
Proper correction of pyrometry signal necessary!
e
Interferred e2500 3000 3500 4000 4500
0.2
0.3
0.4
2500 3000 3500 4000 4500650
675
700
725
overgrowth
material A
growth
material B
substrate
material A
refle
cta
nce
time / s
tem
pe
ratu
re / °
C
pyrometry at 950nm
substrate
material A
growth
material B
overgrowth
material A
07.07.2011 29In-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
Technical background
Temperature monitoring
• Reflectance measurement necessary for emissivity correction
Effective solution – combination of growth rate and temperature
monitoring in one sensor EpiTT by LayTec
emissivity corrected temperature
reflectance at 950nm
pyrometry at 950nm
2500 3000 3500 4000 4500
0.2
0.3
0.4
2500 3000 3500 4000 4500650
675
700
725
overgrowth
material B
growth
material B
substrate
material A
reflecta
nce
time / s
tem
pera
ture
/ °C
interfered R
e
interfered eR
07.07.2011 30In-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
EpiCurve® TT measurement principle
plane substrate
susceptor
07.07.2011 31In-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
EpiCurve® TT measurement principle
plane substrate
susceptor
emission light
emission
measurement at 950nm
Method 1: intensity measurement of emission light
07.07.2011 32In-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
EpiCurve® TT measurement principle
plane substrate
susceptor
reflectance
measurement
incident light reflected light
Method 2: normal incidence reflectometry
07.07.2011 33In-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
EpiCurve® TT measurement principle
Method 3: distance variation of parallel laser beams
2D CCD
camera
xo
plane substrate
susceptor
parallel laser beam
curvature
measurement
07.07.2011 34In-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
EpiCurve® TT measurement principle
XD(z)
substrate / wafer
(bent due to strain)
susceptor
parallel laser beam
zT
Method 3: distance variation of parallel laser beams
07.07.2011 35In-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
EpiCurve®TT AR
Now: three spots for simultaneous measurement in two directions
X
susceptor
zT
Y
x
y
New
EpiCurve AR!
07.07.2011 36In-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
EpiCurve – limitations with red laser
EpiCurve®TT Blue
single side polished sapphire double side polished sapphire patterned sapphire substrate (pss)
interference
single spots double spots diffuse spots
07.07.2011 37In-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
Performance of EpiCurve TT AR blue
EpiCurve®TT Blue
single side polished sapphire double side polished sapphire patterned sapphire substrate (pss)
single spots
GaN layer GaN layer GaN layer
single spots single spots
(after coalescence)blue laser light is absorbed in GaN
07.07.2011 38In-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
Measurement on double side polished wafers
EpiCurve®TT Blue
• 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 39In-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
Measurement on double side polished wafers
EpiCurve®TT Blue
• 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
improved
signal-to-noise
ratio
• AlN/GaN/AlGaN
on double-side
polished 4H-SiC
07.07.2011 40In-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
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
0.0
0.1
0.2
0.3
0.0
0.1
0.2
0.3
0.0
0.1
0.2
0.3
0.0
0.1
0.2
0.3
time / s
Ref
lect
ion
at 6
33nm
Growth on patterned sapphire substrates
EpiCurve®TT Blue
Plain sapphire
Patterns have strong influence on reflectance signature
07.07.2011 41In-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
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
0
50
100
150
200
Sapphire
PS1
PS2
PS3
Cur
vatu
re /
km-1
time / s
Growth on patterned sapphire substrates
EpiCurve®TT Blue
• Curvature can be measured on substrates and coalesced layers
• Patterned substrates can significantly reduce strain in GaN layers.
all measured with blue laser
07.07.2011 42In-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
AbsoluT: Temperature calibration tool
patent pending
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
07.07.2011 43In-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
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
AbsoluT: Temperature calibration tool
Reliable base for statistical growth temperature control
07.07.2011 44In-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. Curvature measurement
Effect of curvature on PL uniformityInGaN MQW growth: comparison of two wafers
|narrow PLflat wafer
wafer 2
data courtesy of F. Brunner, FBH Berlin
bin size 0.57 nm
45% in center bin
75% in +/- 1 nm
フラット基板波長均一
横軸: LEDの数縦軸: 波長
07.07.2011 45In-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. Curvature measurement
Effect of curvature on PL uniformityInGaN MQW growth: comparison of two wafers
(|
)
concave
flat
convex
wafer 1 (
data courtesy of F. Brunner, FBH Berlin
bin size 0.57 nm
only 20%
in center bin(s)
broad PLbowed wafer
反り基板波長不均一
横軸: LEDの数縦軸: 波長
07.07.2011 46In-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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