JP2000021788A - 薄膜成長装置およびこれを用いた薄膜成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 枚葉式サセプタを備えた１台の薄膜成長装置
で口径の異なるウェーハを速やかに取扱い、必要に応じ
複数枚のウェーハを同時に取扱い可能とする。 【解決手段】 枚葉式サセプタ１の上に直接にウェーハ
を載置するのではなく、着脱自在な仲介板５３を１枚置
いてこの上にウェーハを載置し、この仲介板５３をロボ
ットハンドラ６で取扱うことで反応炉Ｒに対するウェー
ハの搬出入を行う。仲介板５３はＳｉＣからなる円板体
であり、座ぐり部５３ｂの内部に大口径ウェーハＷ１を
収容し、自身はサセプタ１の座ぐり部２に収容される。
小口径ウェーハであれば、１枚の仲介板上に複数枚収容
できる。サセプタ１そのものを交換する必要がないの
で、反応炉Ｒを大気開放せずに済み、炉内の雰囲気調整
や反応条件の最適化に要する時間を節約できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は主として半導体製造
分野で用いられる薄膜成長装置とこれを用いた薄膜成長
方法に関し、特に枚葉式サセプタを備えた１台の装置で
口径の異なる基板を速やかに取扱うことが可能な装置構
成および方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造分野においては、基板の上に
シリコンエピタキシャル膜や多結晶シリコン膜を精度良
く気相成長させる薄膜成長工程は極めて重要なプロセス
である。近年の半導体装置の微細化や高集積度化に伴っ
て、これら薄膜の厚さや品質の均一性に対する要求も厳
しさを増している。また、チップ面積の増大に伴う生産
性の低下を防止するために、半導体ウェーハの口径も現
状の主流の２００ｍｍから３００ｍｍ、さらにはそれ以
上へと拡大する兆しをみせている。かかる背景から、薄
膜成長装置としては従来のバッチ式装置に代わり、品質
の制御性に優れる枚葉式の装置が主流となりつつある。
特に、シリコンエピタキシャルウェーハを製造するため
の薄膜成長装置においては、遷移幅の縮小、膜厚や電気
抵抗率のウェーハ面内均一性およびウェーハ間均一性の
改善、オートドーピングの低減といった観点から枚葉式
のメリットが大きい。

【０００３】枚葉式の薄膜成長装置では、常時反応雰囲
気に保たれた反応炉の内部に基板を保持するためのサセ
プタが１基、水平に設置されている。このサセプタを反
応炉内に保持したまま、ロボットハンドラ等の搬送手段
を用いてウェーハの着脱、搬送を繰り返すことにより、
複数枚のウェーハを順次処理してゆく。サセプタは通
常、カーボン基材をＳｉＣ（炭化珪素）の被膜でコーテ
ィングした円板体で構成されており、その基板載置面に
はウェーハを収容するために該ウェーハの厚さとほぼ等
しい深さを有する座ぐり部が１個形成されている。すな
わち、１基のサセプタはある特定の口径のウェーハを１
枚ずつ専用に取り扱うようになされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述したように半導体
ウェーハの口径は拡大する傾向にあるが、現実の市場に
は３インチ、４インチ、５インチ、６インチ、８インチ
等の様々な口径のウェーハが存在しており、それぞれ用
途に合わせて選択されている。それらを取り扱う薄膜成
長装置においては、ウェーハの口径に合わせて座ぐりの
直径が自ずと決まるので、実質的には特定の口径のウェ
ーハに専用の装置として使用されている場合が多い。し
かし研究現場では、様々な口径のウェーハを限られた台
数の薄膜成長装置で取り扱う必要性がしばしば生じてお
り、また多品種少量生産が本格化すれば、量産現場でも
同様の問題に直面することが十分に予想される。

【０００５】一般に薄膜成長装置で取り扱うウェーハの
口径を変更するには、反応炉を一旦冷却し、反応炉の蓋
を開け、サセプタを適正な座ぐり直径を有するものと交
換しなければならない。しかし、このとき様々な不都合
が生ずる。まず、高温に加熱された反応炉を室温まで冷
却するために長時間を要する。また、反応炉の蓋を開け
ると炉内に外界の空気が大量に流れ込むが、炉内の残留
物質によっては空気中の水分と反応して腐食性の化合物
を生成し、装置にダメージを与えるものがある。たとえ
ば、原料ガスとしてトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ₃ ）
を用いるシリコンエピタキシャル成長の場合、水素との
反応により生成し炉内に残留する塩化水素ガスが空気中
の水分と混合すると、塩酸の液滴が発生する。この塩酸
を除去して炉内の雰囲気を整えるためには、キャリアガ
スの水素を供給しながら実際のエピタキシャル成長と同
様の加熱サイクルを行う空操業を２０〜３０回も繰り返
す必要がある。

【０００６】また、交換されたサセプタそのものに付随
する問題もある。シリコンエピタキシャル膜や多結晶シ
リコン膜を形成するための薄膜成長装置のサセプタは、
一般に高純度カーボン基材を炭化珪素（ＳｉＣ）の被膜
で覆った円板体で構成されているが、高純度カーボンの
品質によっては炉内の温度分布が変化することがある。
この他、サセプタ設置位置の精度の確認、得られる薄膜
の膜厚や膜質を最適化するための反応条件の補正を行う
ためにも、さらに１０回程度の試験操業が必要である。

【０００７】このように、枚葉式の薄膜成長装置ではサ
セプタを１回交換するだけでも上述のごとく多数回の空
操業や試験操業が必要となり、経済性や生産性が大きく
損なわれる原因となっている。そこで本発明は、枚葉式
サセプタを備えた１台の薄膜成長装置で口径の異なる基
板を速やかに取扱い、さらに必要に応じて複数枚の基板
を取扱うことも可能な新規な装置構成と、これを用いた
効率的な薄膜成長方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の薄膜成長装置
は、枚葉式サセプタの上に直接に基板を載置するのでは
なく、枚葉式サセプタの上に着脱自在な仲介板を１枚置
いてこの上に基板を載置し、反応炉に対する基板の搬出
入をこの仲介板を搬送手段で取り扱うことで、上述の目
的を達成可能としたものである。枚葉式サセプタの上に
設置される仲介板は１回に１枚のみであるが、仲介板の
上に載置される基板は必ずしも１回１枚のみとは限らな
い。

【０００９】このような本発明の薄膜成長装置を用いて
薄膜成長を行うには、まず第１の基板を第１の仲介板の
上に載置した状態で搬送手段を用いて反応炉内に搬入
し、枚葉式サセプタの上に設置して、基板上に薄膜を気
相成長させる。成長終了後は、再び搬送手段を用いて第
１の基板を第１の仲介板ごと枚葉式サセプタから離脱さ
せ、反応炉外へ搬出し、第２の基板を第２の仲介板ごと
同様に搬入する。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明では、薄膜を成長させる基
板（ウェーハ）は常に仲介板の上に載せた状態で取り扱
われる。図１に、本発明の薄膜成長装置で使用されるサ
セプタと仲介板の一例を示す。ウェーハＷは仲介板５上
に載置され、この仲介板５は該ウェーハＷを載置したま
まサセプタ１上に着脱自在に設置される。上記仲介板５
は、たとえば直径２１０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの炭化珪
素（ＳｉＣ）からなる８インチウェーハ対応の円板体で
ある。そのウェーハ載置面は平坦であってもよいが、ウ
ェーハＷの滑落を防止するためには、ウェーハ裏面との
摩擦を増大させるための微細構造が設けられることが一
層好適である。この微細構造は、化学的または物理的な
粗面化処理により形成される微細凹凸、またはエッチン
グや機械加工により形成される任意形状の溝とすること
ができる。

【００１１】図２に溝の形成例を示す。（ａ）図は格子
状の溝５１ａが形成された仲介板５１、（ｂ）図は同心
円状および放射状に溝５２ａが形成された仲介板５２で
ある。これらの溝５１ａ，５２ａの幅および深さは約
０．２ｍｍとしたが、この値に限られるものではない。
また、溝の本数や形成パターンも任意である。

【００１２】上記サセプタ１は、たとえば高純度カーボ
ン基材をＳｉＣでコーティングしてなる直径２５０ｍ
ｍ、厚さ４．０ｍｍの円板体であり、その一主面には上
記仲介板５をちょうど平坦に収容することが可能な直径
２１４ｍｍ、深さ１．２ｍｍの円形の座ぐり部２が設け
られている。従来の一般的な枚葉式サセプタの座ぐり部
はウェーハを収容するために設けられているが、本発明
では仲介板５を常に定位置に安定保持すると共に、仲介
板５の滑落を防止する目的で設けられている。上記座ぐ
り部２の底面の辺縁部３カ所には、リフトピン４を挿通
させる貫通孔３が設けられている。上記リフトピン４
は、図示されない駆動手段により矢印Ａ方向に昇降可能
とされており、その拡径された頭部を仲介板５の裏面に
衝合させて支持することにより、サセプタ１に対する仲
介板５の着脱を行うものである。図１にはリフトピン４
が上昇された状態が示されているが、下降時には貫通孔
３の内部へ収容される。

【００１３】ところで、座ぐり部は仲介板にも設けるこ
とができる。図３に、口径の異なるウェーハに対応して
様々な直径の座ぐり部が形成された仲介板を示す。この
図に示す３枚の仲介板５３，５４，５５の外径寸法はい
ずれも同じであり、サセプタ１の座ぐり部２に収容可能
とされているが、各々の基板載置面に形成される座ぐり
部５３ｂ，５４ｂ，５５ｂの直径は収容するウェーハの
口径に合わせてそれぞれ異なる。すなわち、仲介板５３
の座ぐり部５３ｂは８インチウェーハ用で直径２０４ｍ
ｍ、仲介板５４の座ぐり部５４ｂは４インチウェーハ用
で直径１０４ｍｍ、仲介板５５の座ぐり部５５ｂは３イ
ンチウェーハ用で直径８０ｍｍであり、深さはいずれも
０．４ｍｍである。

【００１４】図３に示した例では８インチを最大取扱い
口径としたので、仲介板５３，５４，５５の直径は当然
８インチよりも大きいのであるが、最大取扱い口径が変
わればこれに応じて仲介板の直径も変化させてよい。ま
た、最大取扱い口径よりも小さいウェーハ用の座ぐり部
の位置は、任意に選択することができる。ただし、通常
の薄膜成長装置ではサセプタ１の中央部の方が辺縁部に
比べて温度均一性に優れている場合が多いので、仲介板
５４のように４インチウェーハ用の座ぐり部５４ｂを中
央に有するものは、得られる薄膜の膜厚均一性を改善す
る上で有利である。５インチウェーハ用、６インチウェ
ーハ用の座ぐり部も同様に配置することができる。

【００１５】一方、最大取扱い口径の１／２未満の口径
を有するウェーハについては、複数個の座ぐり部を設け
ることもできる。たとえば、仲介板５５における３イン
チウェーハ用の座ぐり部５５ｂは４個設けられている。
つまり、仲介板５５を用いた場合には、薄膜成長装置の
基本仕様が枚葉式であっても、容易にこれをバッチ式に
変更できるメリットが生ずる。図３に示されるように、
直径の異なる座ぐり部が形成された仲介板を何枚か揃え
ておけば、１台の薄膜成長装置で口径の異なるウェーハ
に薄膜を形成することが極めて容易となる。

【００１６】さらに仲介板の別の構成例として、図４に
示されるように１枚の仲介板に直径の異なる複数の座ぐ
り部を入れ子式に形成することも可能である。図４の
（ａ）図は、大口径ウェーハＷ１を収容するための座ぐ
り部５６ｂの底面中央をさらに深く掘り下げて小口径ウ
ェーハＷ２を収容するための座ぐり部５６ｃを設けた仲
介板５６の概略斜視図である。（ｂ）図は座ぐり部５６
ｂに大口径ウェーハＷ１を収容した状態、（ｃ）図は座
ぐり部５６ｃに小口径ウェーハＷ２を収容した状態をそ
れぞれ示すＸ−Ｘ線断面図である。このような入れ子式
の座ぐり部が、仲介板の基板載置面に複数個設けられて
いてもよい。

【００１７】次に、本発明の薄膜成長装置を用いた薄膜
成長方法について、図５ないし図７を参照しながら説明
する。ここでは一例として、前掲の図３に示したサセプ
タ１と仲介板５３，５４を用いた。図５は、サセプタ１
を収容する反応炉Ｒとロボットハンドラ６を備えた搬送
路ＴとがゲートバルブＧＢを隔てて接続された薄膜成長
装置において、反応炉Ｒ内で薄膜成長が終了した大口径
ウェーハＷ１を、リフトピン４を用いて仲介板５３ごと
サセプタ１から上昇させた状態を示している。次に、ゲ
ートバルブＧＢ１を開放し、ロボットハンドラ６のアー
ム部を反応炉Ｒ内に差し入れて仲介板５３を受け取る。

【００１８】図６は、仲介板５３を受け取った後にゲー
トバルブＧＢ１を閉じ、ロボットハンドラ６を旋回させ
てゲートバルブＧＢ２を開放し、大口径ウェーハＷ１を
仲介板５ごと搬出している状態を示している。搬出先
は、ロードロックチャンバ、あるいは次工程処理を行う
ための任意のチャンバである。次に、このロボットアー
ム６で小口径ウェーハＷ２を載置した仲介板５４をたと
えばロードロックチャンバから受け取り、ゲートバルブ
ＧＢ１を通じて反応炉Ｒに搬入し、上昇させた状態のリ
フトピン４の上に該仲介板５４を置く。次に、リフトピ
ン４を下降させて仲介板５４をサセプタ１の座ぐり部２
に収容し、薄膜成長を行う。薄膜成長後の小口径ウェー
ハＷ２の取扱い手順は、大口径ウェーハＷ１の場合と同
様である。

【００１９】かかる本発明の薄膜形成方法によれば、ウ
ェーハの口径を変更する際にも反応炉を一旦冷却した
り、サセプタ本体を反応炉外へ取り出す必要がなく、時
間のロスを著しく抑えることができる。また、反応炉が
途中で大気開放されないため、空気の流入に起因する装
置ダメージを回避することができる。特に、反応炉Ｒ内
における薄膜成長がＳｉＨＣｌ₃ 等のクロロシラン系ガ
スを用いたシリコンエピタキシャル成長や多結晶シリコ
ン成長である場合、塩酸の生成による装置の腐食を防止
できることは大きなメリットである。

【００２０】また、搬送時に搬送手段が直接に基板と接
触しないので、基板の裏面に汚れが付着したり、傷が発
生するおそれが格段に少なくなる。特にエピタキシャル
成長では裏面からの金属汚染には注意を払う必要がある
ので、搬送手段が直接に基板の裏面と接触しないことは
極めて有利である。さらに、本発明では高温加熱された
サセプタから基板への熱伝導は仲介板を介した間接的な
ものとなるため、サセプタ上へ直置きする場合に比べて
基板内部にスリップ転移の発生を防止できるという効果
も得られる。

【００２１】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、本発明はこれらの実施の形態に何ら限定されるも
のではない。たとえば、サセプタや仲介板の寸法、仲介
板に設けられる座ぐり部の寸法や個数、仲介板に形成さ
れる溝のパターン、口径の異なるウェーハの取扱い順序
等の細部については、適宜変更、選択、組合せが可能で
ある。また、本発明の薄膜成長方法については、直径の
異なる座ぐり部を有する複数の仲介板を用いて口径の異
なるウェーハを取り扱う例を説明したが、直径の異なる
複数の座ぐり部が入れ子式に形成された１枚の仲介板を
用いる場合には、この仲介板に所望の口径を有するウェ
ーハを順次載置しながら、反応炉に対する搬出入、サセ
プタに対する着脱を同様に行えばよい。

【００２２】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明の薄膜成長装置および薄膜成長方法によれば、基板は
常に仲介板の上に載置された状態で取り扱われるため、
基板の口径を変更する際にも薄膜成長装置の枚葉式サセ
プタを交換する必要がなく、さらに枚葉式装置であって
も必要に応じて一度に複数枚の小口径基板を取扱うこと
が可能となる。したがって、研究現場および量産現場に
おける作業効率を格段に向上させ、また装置ダメージを
低減することができ、経済性、生産性が著しく改善され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の薄膜成長装置におけるサセプタ、仲介
板、ウェーハの積層関係を示す分解斜視図である。

【図２】図１の仲介板の変形例を示す概略斜視図であ
り、（ａ）図は格子状に溝を設けた例、（ｂ）図は同心
円状および放射状に溝を設けた例である。

【図３】様々な座ぐり部の形成パターンを有する仲介板
をサセプタと共に示す概略斜視図である。

【図４】大小２個の座ぐり部が入れ子式に形成された仲
介板を示す図であり、（ａ）図はその概略斜視図、
（ｂ）図は大口径ウェーハを収容した場合のＸ−Ｘ線断
面図、（ｃ）図は小口径ウェーハを収容した場合のＸ−
Ｘ線断面図である。

【図５】本発明の薄膜成長方法において、薄膜成長の終
了した大口径ウェーハを仲介板ごとリフトピンで上昇さ
せた状態を示す模式的断面図である。

【図６】図５の仲介板をロボットハンドラを用いて搬送
路へ取り出した状態を示す模式的断面図である。

【図７】図６のサセプタに小口径ウェーハを載置した仲
介板を設置した状態を示す模式的断面図である。

【符号の説明】

１ …サセプタ ２ …（サセプタの）座ぐり部 ３ …貫通孔 ４ …リフトピン ５，５１，５２，５３，５４，５５，５６ …仲介板 ６ …ロボットハンドラ ５１ａ，５２ａ …溝 ５３ｂ，５４ｂ，５５ｂ，５６ｂ，５６ｃ …（仲介板
の）座ぐり部 Ｗ …ウェーハ Ｗ１ …大口径ウェーハ Ｗ２ …小口径ウェーハ Ｒ …反応炉 ＧＢ１，ＧＢ２ …ゲートバルブ Ｔ …搬送路

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反応炉内に設置される枚葉式サセプタ
   と、 前記枚葉式サセプタの上に１枚ずつ着脱自在に設置さ
   れ、薄膜を成長させる基板を少なくとも１枚載置するた
   めの仲介板とを備えることを特徴とする薄膜成長装置。
2. 【請求項２】 前記枚葉式サセプタが、前記仲介板を収
   容するための座ぐり部を有することを特徴とする請求項
   １記載の薄膜成長装置。
3. 【請求項３】 前記仲介板は、その基板載置面に基板裏
   面との摩擦を増大させるための微細構造を有することを
   特徴とする請求項１記載の薄膜成長装置。
4. 【請求項４】 前記微細構造が微細凹凸または溝である
   ことを特徴とする請求項３記載の薄膜成長装置。
5. 【請求項５】 前記仲介板は前記基板の最大取扱い口径
   よりも大きな直径を有し、その基板載置面に該基板を収
   容するための座ぐり部を有することを特徴とする請求項
   １ないし請求項４のいずれか１項に記載の薄膜成長装
   置。
6. 【請求項６】 前記仲介板が複数枚備えられ、各々の基
   板載置面には仲介板ごとに直径の異なる座ぐり部が少な
   くともひとつずつ形成されていることを特徴とする請求
   項５記載の薄膜成長装置。
7. 【請求項７】 前記仲介板の基板載置面には、直径の異
   なる複数の座ぐり部が入れ子式に形成されていることを
   特徴とする請求項５または請求項６に記載の薄膜成長装
   置。
8. 【請求項８】 前記仲介板が炭化珪素よりなることを特
   徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載
   の薄膜成長装置。
9. 【請求項９】 反応炉内に設置された枚葉式サセプタの
   上に、基板載置面に少なくとも１枚の基板を保持した仲
   介板を設置する工程と、 前記基板の上に薄膜を気相成長させる工程と、 前記基板を保持したまま前記仲介板を前記枚葉式サセプ
   タから離脱させ、前記反応炉の外へ搬出する工程とを有
   することを特徴とする薄膜成長方法。
10. 【請求項１０】 前記基板の上に成長される前記薄膜が
    エピタキシャルシリコン膜または多結晶シリコン膜であ
    ることを特徴とする請求項９記載の薄膜成長方法。