JP2003520746A - 基板をエピタキシャルにより処理するための装置及び方法 - Google Patents

基板をエピタキシャルにより処理するための装置及び方法

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    • C30B25/02Epitaxial-layer growth
    • C30B25/10Heating of the reaction chamber or the substrate

Abstract

(57)【要約】 半導体基板を処理するための熱処理装置及び方法。インダクタは、サセプタにエネルギー結合し、その際、インダクタ(107)とサセプタ(104)との間の間隔は、CVDエピタキシャル堆積法の定常状態部分のために構成される。サセプタの温度均一性は、プロセスの過渡的な部分、熱上昇及び冷却の間に、インダクタとサセプタとの間の分離の距離を変化させることにより改善される。温度不均一性は、スリップの共通原因である。本発明の付加的な態様は、サセプタのエッジ及び上面の改善された熱遮蔽を提供する。より厚いサセプタもまた、温度均一性を改善する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 発明の背景 1.発明の分野 本発明の分野は一般に、半導体処理に関する。殊に、本発明の分野は、化学的
気相成長(CVD)及び熱処理、例えばエピタキシャル堆積のためのシステム及
び方法に関する。
【0002】 2.背景 様々な半導体プロセスは、高温での均一な熱処理を必要とする。そのようなプ
ロセスの一例は、化学的気相成長(CVD)と呼ばれ、ここで、蒸気相からの材
料の層は、リアクタ内のサセプタ上に置かれている半導体基板上へ堆積される。
サセプタは、ついで誘導によるか又は高輝度の光放射により、高温、典型的には
約800〜1250℃に加熱される。ガスは、ついでリアクタを通過し、かつ堆
積プロセスは、化学反応によって、気相内で、しかし基板の表面に厳密に近接し
て起こる。反応は、基板上への所望の生成物の堆積をもたらす。
【0003】 処理のこの種類の一つの形は、エピタキシーと呼ばれ、ここで、物質の単結晶
層は、事実上単結晶でもある基板上に堆積される。一例として、シリコンエピタ
キシーは、集積回路デバイスの製造において行われる第一段階の1つであり、か
つこのプロセスにおいて、ドープされた単結晶シリコンの層は、トランジスタ及
び他のデバイスが形成されることができて既知でかつ厳密に調節された抵抗率の
層を有するように、シリコンウェーハ上へ堆積される。エピタキシーは、ドーピ
ング層の厚さ、濃度及びプロファイルを制御するための好都合な方法を提供する
【0004】 エピタキシャル堆積の間に制御されなければならない重要なパラメーターは、
基板の温度均一性である。基板の温度不均一性は、スリップと呼ばれる塑性変形
のプロセスをまねくかもしれず、ここで、結晶は、その構造の一部が他の領域に
対して移動するのを可能にすることにより、蓄積(built-up)応力を軽減する。ス
リップは、結晶中で一定の結晶面に亘りかつ一定の結晶方向に沿って発生し、そ
の際、材料の一部分が他のものに対して置換されている。結晶中のスリップの共
通原因は、膜成長の間の温度勾配であるが、しかしまた、基板が支持される方法
、基板が加熱される機構及びエピタキシャルプロセスの時間−温度プロファイル
の結果でもありうる。スリップに関連した欠陥は、最もしばしば基板のエッジで
見出され、かつショートラインとして現れる。
【0005】 基板中の熱勾配は、CVDリアクタ内の不均一な熱環境の結果として生じうる
。CVDリアクタ内でガス流れが存在するので、熱伝達機構は、伝導及び対流並
びに放射を包含している。しかしながら、放射熱伝達はおそらく、温度均一性に
関して最も重要でありうる。コールドウォール型のリアクタ内で加熱されたサセ
プタに近接した基板は、軸及び半径方向の双方で様々な熱勾配があるだろう。こ
れらの熱勾配は大きな効果を有する、それというのも、2つの物体間の放射熱伝
達は、2つの温度の関数であるからであり、その際、各温度は4乗される。
【0006】 多くのCVD及びエピタキシャル堆積システムにおいて、高輝度ランプ、例え
ばタングステン−ハロゲンランプは、コールドウォール炉内でウェーハを選択加
熱するのに使用される。ランプは極めて低い熱質量(thermal mass)を有するので
、ウェーハは急速に加熱されることができる。しかしながら、低い熱質量のラン
プ加熱のみを用いて半導体基板の温度を制御するのはより困難である。一部のリ
アクタは、処理の間の基板の温度均一性を保持するために、大きな熱質量の炭化
ケイ素被覆グラファイトサセプタを使用する。処理すべき基板は、サセプタ上に
か又はサセプタに近接して置かれ、かつサセプタの高い熱伝導率のために、横方
向に熱伝導して、温度均一性を保持しかつ基板全体での不均一性を一様にするこ
とができる。サセプタは典型的には、基板よりも幅広く、これは基板のエッジで
の放射熱損失を補償するのを可能にする。
【0007】 選択的に、サセプタは、RF誘導により加熱されることができる。この方法は
、サセプタに近接して置かれた導体を通過する振動電流が、導体の周りに振動磁
界を生じさせ、これはそしてまた、サセプタ自体の中で振動電流を誘導するとい
う事実を利用する。サセプタは電気抵抗を有するので、振動電流は、サセプタを
加熱する。サセプタ中で誘導された電流が、導体からの距離と共に非線形に減少
することに注意すべきである。磁束が距離の逆二乗として変化するという関係で
ある。
【0008】 コイルプロファイルの典型的な構成は、図1に示されている。任意の1つの特
別なコイルセグメントとサセプタとの間の距離は、スタンドオフ(図1に示され
ていない)で調節されることができる。図1中のコイルは、サセプタが処理温度
である場合に、サセプタのエッジで起こる放射熱損失を補償するプロファイルを
有しており、ひいては、コイルセグメント120は、コイルセグメント122よ
りもサセプタに接近している。リアクタが処理温度である場合に、図1に示され
たコイル構成が最適であるが、しかしリアクタが加熱されているか又は冷却され
ている場合の過渡的な期間の間に最適ではないかもしれないことに注意すべきで
ある。
【0009】 望まれることは、半導体基板のCVD及び/又はエピタキシャル処理のための
改善された装置及び方法である。好ましくは、そのようなシステム及び方法が、
均一な基板処理温度を提供するので、基板中の温度勾配及び、欠陥、例えば結晶
学的なスリップに伴い生じる問題は低下されるか又は除去される。
【0010】 発明の要約 本発明の態様は、エピタキシャル処理するためのCVDリアクタを提供し、そ
の際、リアクタは、基板中の熱勾配を低下させるように構成され、前記基板の上
へエピタキシャル層が堆積されている。ウェーハ中の熱勾配を低下させると、ス
リップは減少する。エピタキシャルリアクタの1つの種類は、炭化ケイ素被覆グ
ラファイトサセプタに近接して配置されたRF誘導コイルを含む。コイルセグメ
ントを通る交流は、各セグメントの周りに振動磁界を生じさせ、これはそしてま
た、サセプタ中で電流を誘導する。誘導電流に関連した電気エネルギーは、熱エ
ネルギーへ変換され、それによりサセプタを加熱している。コイルは、多数の支
持スタッドにより支持され、かつコイルの異なるセグメントは、異なる高さで設
定されることができ、従ってサセプタからコイルセグメントを分離している距離
を変化させている。サセプタ中の温度均一性に対処する常用の方法は、コイルセ
グメントを調節することを含むので、それらは、エッジからのより多量の熱損失
を補償するために、中心でよりもサセプタの内側及び外側のエッジでサセプタに
接近している。更に、サセプタは、コイルに起因する温度勾配を最小限にするた
めに、加熱及び処理する間に回転していなければならない。
【0011】 温度均一性に対処する常用の方法に伴う問題は、コイル/サセプタ分離プロフ
ァイルが、処理温度でサセプタ中の最適な温度均一性を提供するように構成され
ていることである。このプロファイルは、プロセスの過渡的な部分、例えば、加
熱上昇(heat ramp-up)及び冷却(cool down)に最適ではなく、そこで、サセプタ
のエッジで厳密に間隔のあいたコイルセグメントは、傾斜する(ramping)間にエ
ッジを過熱する。コイル/サセプタ分離プロファイルが容易に再構成されないの
で、殊に処理の間に、コイル/サセプタ分離プロファイルが固定されることを前
提として、プロセスの過渡的な部分の間にサセプタ中の温度均一性を改善するた
めの装置及び方法が必要とされる。
【0012】 本発明の一態様は、サセプタがリアクタ内で回転していると同時に、サセプタ
を上昇させかつ降下させるための機構を提供する。磁界は各コイルセグメントか
らの距離と共に非線形に減少するので、サセプタを上昇させると、エッジでのコ
イル(これは、サセプタにより接近している)を、中心でのコイル(これは、サ
セプタから更に離れる)よりも大きな程度に減結合させる。結果として、上昇の
間に生じたサセプタエッジの過熱は緩和されうる。サセプタのこのz−運動なし
で、サセプタのエッジは、中心よりも40℃だけ高い温度に加熱されうる。本発
明の一実施態様において、アルゴリズムは、異なる温度での均一性を保持するた
めに、コイルとサセプタとの間の所望の距離を決定するのに使用される。サセプ
タは、アルゴリズムに従って過渡的な上昇期間の間に、温度の各インクリメント
と共にコイルにより近接して移動する。その上、サセプタは、一部の実施態様に
おいて、過渡的な冷却期間の間にコイルから遠ざかってよい。サセプタのz−運
動により与えられる付加的な利点は、リアクタが整備されるのにより好都合であ
るということである、それというのも、サセプタを、最初にそれを上昇させるこ
とによりリアクタから除去することは、保守要員にとってより簡単であるからで
ある。
【0013】 本発明の別の態様は、基板により断熱されないサセプタのそれらの領域を補償
するためにサセプタの上に置かれることができる絶縁体遮蔽を提供する。サセプ
タからの熱損失は、主として放射により起こり、かつ(Tサセプタと(T との間の差に比例する。基板自体が、基板を支持するサセプタポケットで
の絶縁を提供する傾向にあり、かつ残りの領域を遮蔽することは、サセプタの温
度均一性を改善する。
【0014】 本発明の別の態様は、エッジの周り及びエッジの下の双方で、サセプタエッジ
の近くに付加的な熱遮蔽を提供する。これらの遮蔽は、それぞれ、内側及び外側
のサセプタエッジ放射遮蔽及び底部の内側及び外側の円周放射遮蔽と呼ばれうる
。これらの遮蔽はエッジからの熱損失を低下させるので、エッジを加熱するコイ
ルセグメントは、それらがその他の点で、従って、より均一な分離プロファイル
を提供しているよりも、サセプタから更に離れて間隔があいてよい。
【0015】 本発明の別の態様は、常用のリアクタに使用されるよりもより厚いサセプタを
提供する。より厚いサセプタは、別個のコイルセグメントに起因するサセプタの
底部での温度変量を、サセプタを通して基板が支持される上面に熱伝導されるよ
うに、一様にするのを可能にする。常用のサセプタの厚さは、例えば0.5〜0
.9インチの範囲であり、かつ本発明の実施態様は、0.5〜1.5インチの範
囲のサセプタの厚さを提供する。本発明の一態様において、サセプタの厚さは、
0.9〜1.2インチ増大した。
【0016】 図面の簡単な説明 本発明のこれらの及び他の特徴及び利点は、添付された図面に関連して以下の
詳述された記述から、当業者により明白となる。
【0017】 詳細な記述 以下には、本発明の例示的な実施態様が記載されている。特別の設計の記述は
例として提供される。好ましい実施態様への多様な変更は、当業者に容易にわか
り、かつここに定義された一般原理は、本発明の精神及び範囲から逸脱すること
なく、他の実施態様及び応用に適用されることができる。従って、本発明は、示
された実施態様に制限されるものではなくて、ここに開示された原理及び特徴に
一致して最も幅広い範囲を与えることを意図する。
【0018】 図1は、本発明の例示的な一実施態様による、一般に100で示されるCVD
リアクタの側部断面図である。図1の例示的なリアクタは、均一性の高い程度及
び低下された汚染を有するシリコンのエピタキシャル堆積に適合される。もちろ
ん、多種多様な他のプロセスが、本発明の態様を用いて実施されることもできる
。図1を参照して、ベルジャエンクロージャ101は、シール機構103を用い
てベースプレート102にシールされる。基板105を支持する水平サセプタ1
04は、リアクタの中心軸106の周りを回転する。サセプタ104は、誘導コ
イルであってよいインダクタ107により加熱される。誘導コイル107は、コ
イルカバー108によりサセプタ104から分離され、これは、ベルジャエンク
ロージャ101と共に、リアクタのガス反応体積を定義する。冷却媒体は、コイ
ルに過熱が起こらないように、コイルにポンプ輸送されることができる。ガスは
、リアクタの中心軸106に沿って位置している送込管109を介して導入され
る。ガス混合物は、反応性ガス、堆積ガス、キャリヤーガス、不活性ガス、ドー
パントガス及び他の種類のガスを含んでいてよい。もちろん、他の実施態様にお
いて、ガスは、ベルジャの頂部又は側部を通過する管又はシャワーヘッドを介し
て導入されてよい。底部からエンクロージャに入るガスは、対流を意味する矢印
110によりおおよそ示された経路をたどる。図1中の例示的な寸法H、D 及びDは、それぞれ約38、32及び33インチである。
【0019】 図1中の例示的なリアクタは、コントローラ118により制御される。コント
ローラ118は、ガスフロー109を調節するためにリアクタの底部への接続を
有する。接続124は、エレベーショナル(elevational)リフト機構を駆動しか
つサセプタに回転を与えるのに使用されることができる。接続126及び128
は、それぞれサセプタの中心及び外側のエッジから、温度検知デバイス、例えば
光高温計からの情報を読みとるのに使用されることができる。選択的に、温度検
知は、接続134、136及び/又は138を介してなされることができ;これ
らの接続は、ガスを注入しかつガスフローを調節するのに使用されてもよい。ガ
スの排出は、中でも、リアクタ中の所望の圧力を保持するために接続128を介
して調節されてよい。コントローラは、コイルを介して冷却媒体のフローを調節
するのに使用されてもよい。
【0020】 当工業界では、サセプタのエッジで起こるより多量の熱損失を補償するために
、サセプタからの分離の異なる距離で、誘導コイルの異なるセグメントを構成す
ることは公知である。任意の与えられたコイル構成が典型的には、プロセスの定
常状態の高温部のために構成され、かつこの構成が、プロセスの過渡的な部分、
例えば加熱上昇又は冷却のために必ずしも最適ではないことに注意すべきである
。一部の実施態様において、リアクタ中の個々のコイルセグメントの高さは、簡
単に論じられるべき支持スタッドを用いて、処理の間に自動的に調節されること
ができるが、しかし例示的な実施態様において、より単純なアプローチは、代わ
りにサセプタを移動することを包含している。もちろん、スタッドを支持する取
付板は、なお上下に移動されることができる。本発明のこれらの実施態様は、普
通に、インダクタと、それからエネルギーを受け取るサセプタとの間の分離の距
離に影響を及ぼす能力を有する。従って本発明は、プロセスの過渡的な及び定常
状態の部分の双方の温度均一性を最適化するための装置及び方法を提供する。
【0021】 図2は、サセプタの真下にコイルを有するサセプタの平面図である。それぞれ
の説明のために、サセプタの下のコイル及びサセプタの上のウェーハの位置が同
時に図2に示されているが、しかし、サセプタが、ウェーハからコイルを物理的
に分離し、かつサセプタが実際には透明ではないことが容易に理解される。コイ
ルが上にあってもよいか、又はサセプタ内でさえあってもよいことに注意すべき
である。この図中の例示的なサセプタは、18枚の150mm基板を同時に処理
するように設計されている。コイルは、その最内部のターン210からその最外
部のターン212へ進んで約10回ターンする。数字214により表示されたコ
イルの幅及びコイルの10ターンは、コイルがそれぞれ150mm基板の下を約
4回通過するということである。
【0022】 コイルは、コイルの長さに沿って周期的間隔で位置している約50個の調整可
能なスタッドにより支持される。コイルの最外部のターン上のこれらのスタッド
保持体の幾つかは、図2中で場所216、218、220及び222により表示
されている。保持体は、その特別なスタッド及びサセプタにより支えられたコイ
ルのセグメント間の分離の距離を変化させるために調節されることができる。多
重の数の調整可能なコイル保持体は、コイルの明確なセグメントが異なる高さに
より保持されることができ、ひいては図1に示されたようなコイル構成が可能で
あることを意味する。
【0023】 例示的なコイル保持体高さ又は“スタッド高さ”の構成は、図3に示されてい
る。スタッド高さは、例えば、図4A中のコイルセグメント422と取付板42
0との間の距離に関連しており、その際、実際の保持体は、図4Aにスタッド4
24として表されている。最外部の保持体(図3中のスタッド番号1−10)の
高さは、約1.5インチのスタッド高さに設定される。サセプタの中央に近接し
たコイルセグメントを支持するそれらのスタッド(スタッド番号15−30)は
、約1.1〜1.2インチに調節される。これらの高さは、図4A中の取付板4
20に関するものであり、ひいてはスタッド1〜10により支持されるコイルセ
グメントは、サセプタにより接近している。最内部のスタッド35−50を支持
する高さは、15−30のそれよりも高い値に上昇するが、しかし1−10ほど
は高くない、それというのも、サセプタのこの領域、しかしエッジが、図4A中
の支持ステム408の他の側でコイルセグメントから一部の熱を得るからである
。図4Aを参照して、これは、コイルセグメント404がセグメント418より
もサセプタに接近しているが、しかし414ほど接近していないことを意味する
。コイルは、ベルジャウィンドウを通して見る光高温計により測定されるような
堆積温度でサセプタ全体で広がっている±5℃以内の温度プロファイルを得るよ
うに調節される。最終的なコイルプロファイルは、エピタキシャル膜の抵抗率均
一性を測定し、かつ典型的には±2%以下の変量内で全基板面積に亘って抵抗率
均一性を得るためにコイルプロファイルを調節することにより、得られる。ドー
パントガスは、基板温度の変化に極めて感受性であり、ひいては最適な温度均一
性のために、コイルを微同調するのに卓越した手段を提供する。
【0024】 図4A及び4Bは、本発明の一態様を説明し、ここで、温度均一性は、プロセ
スの過渡的な部分の間に、エピタキシャルCVDリアクタのインダクタとサセプ
タとの間の分離の距離を変化させることにより改善される。図4A中で、サセプ
タ410は、エピタキシャルプロセスの高温で定常状態の部分の間であったとし
ても、インダクタ、この場合に誘導コイルに対して厳密に間隔のあいた位置に示
されている。この位置で、サセプタ412のエッジとコイルセグメント414と
の間の分離の距離は、サセプタ416の中央及びコイルセグメント418のそれ
よりも小さい。図4A中のサセプタの位置は、定常状態のプロセスのためである
【0025】 しかしながら、この状況の前には、過渡的な加熱上昇である。本発明のこの態
様において、サセプタは、図4Bに示されているように配置されていてよい。プ
ロセスの過渡的な部分のためにサセプタを上昇させると、中央の近くに位置して
いるコイルセグメント434及び436よりもっとサセプタのエッジに近接して
位置しているコイルセグメント430及び432を減結合させる。サセプタが、
コイルから遠ざかるので、サセプタに結合した仕事率は低下する。サセプタに最
も接近したコイルセグメントは、最大のエネルギーをサセプタへ結合させ、かつ
降下は、距離と共に非線形に増大する。従って、サセプタが遠ざかるので、仕事
率移動の降下は、より接近した(エッジ)コイルにとって最も大きい。
【0026】 結果は、異なるコイルの間での位置の小さな差が、サセプタが遠ざかるほどよ
り少ない衝撃を有するということである。サセプタが接近している場合には、コ
イルセグメントの間の距離の差は、百分率に関して相対的に大きな量だけ変化し
、かつ結合した仕事率の差は重要である。より大きな距離で、コイルセグメント
からの仕事率移動は、より類似している。
【0027】 エッジセグメントが、インダクタ/サセプタ分離距離の変化を伴って中央のセ
グメントが結合するよりも、エネルギーを異なる速度でサセプタ中へ結合すると
いう事実が生じる、それというのも、コイルセグメントを取り囲む磁束線が、距
離と共に非線形に減少するからである。エッジセグメントは、サセプタにより接
近しているので、サセプタにより遮断された磁束線は、より高密度であり、ひい
てはサセプタ内の熱の発生に関してより大きな効果としてサセプタから遠ざかっ
ている。インダクタが定常状態の部分のために構成されている場合に、プロセス
の過渡的な部分のためにインダクタに対してサセプタを移動すると、温度均一性
を改善する。
【0028】 サセプタの温度は、光高温計又は他の温度測定器により測定されることができ
る。サセプタの温度を監視することは、いつサセプタの位置を調節するかを決定
するために重要である。しかしながら、繰り返される予測できるプロセスのため
には、過渡的な期間の各段階での温度を測定するよりむしろ、一定のレシピに従
って、期間の設定のための距離を調節することが可能でありうる。
【0029】 エピタキシャルプロセスの過渡的な部分のための例示的なプロセスは、以下に
包含されうる:図4Bに示された分離距離438でのサセプタから開始し;70
0℃の平衡化された温度に到達させるために回転するサセプタを準備し;微細な
インクリメントの距離を、例えば単に約0.2インチだけ漸次に減少させる、そ
れというのも急速な変化は、サセプタの炭化ケイ素被覆及び/又はRF発生器制
御システムに伴う問題の原因となるからであり;800℃の平衡化された温度に
到達させるためにサセプタを準備し;距離を約0.2インチだけ再び低下させ;
1050℃の平衡化された温度に到達させるためにサセプタを準備し;かつつい
で更に0.2インチだけ距離を低下させる。この点で、回転するサセプタは、図
4Aに示された厳密に間隔のあいた位置に位置している。
【0030】 サセプタを上昇させかつ下降させるのに使用される機構の断面図は、図5に示
されており、そこでサセプタ501は、RFコイルアセンブリ505に関係して
示されている。サセプタ501は、ペデスタル510により支持され、これはペ
デスタルキャップ512に置かれ、かつサセプタリフトプレート525により上
昇するか又は降下される。ペデスタルキャップは、ステンレス鋼を含んでいてよ
い。
【0031】 リフトプレート525は、リードスクリュー520により上下に駆動される。
モータ(示されていない)からの回転運動は、ロータリーフィードスルー530
を介してリードスクリューに伝達される。サセプタリフトプレートのアラインメ
ントは、リニアベアリング527の使用により保持される。リニアベアリングは
、リフトガイドベアリングとも呼ばれうる。第二のロータリーフィードスルー5
50は、回転スリーブ540上のギアを介して、サセプタに回転を与えるのに使
用される(そこで回転機構のための駆動装置は示されていない)。
【0032】 図6は、本発明の一態様を説明し、ここで、サセプタリフトは、サセプタ全体
での温度変量を監視するコントローラにより制御される。例示的な一実施態様に
おいて、過渡的な加熱傾斜は、その最も上部の位置のサセプタから開始される。
ついでサセプタは、光高温計610により測定されるような中心温度が、光高温
計620により測定されるようなサセプタの外側のエッジでの温度と実質的に調
和するように増大するまで、下降される。
【0033】 図7は、温度均一性を改善するために熱遮蔽を使用する本発明の実施態様を説
明する。図7の例示的なサセプタは、18個の150mm基板を支持する。もち
ろん、基板は、サセプタの中央の周りの環に沿って、単列で配列されていてよい
が、しかしこのパターンは、より多数の基板を、より高いスループットを達成す
る図7の複列パターンで同時に処理されるのを不可能にする。図7中で、内側の
環中の基板1枚毎に外側の環内に基板2枚が存在する。この実施態様は、もちろ
ん、単独でか、移動可能なサセプタと組み合わせるか、又は本発明の他の態様と
組み合わせて使用されることができる。
【0034】 この技術がリアクタのスループットを増大させるけれども、基板がサセプタの
平面に平行な方向により多種多様な熱環境があるだろうという点で、新しい温度
不均一性をまねきうる。例えば、基板746は、方向723に沿って基板720
に一部の絶縁を提供し;基板がないよりも少なくともより多い絶縁は、方向72
2及び744に沿って提供する。双方とも基板の間のポケットをもたらす方向7
22及び744に沿ってでさえ、熱環境が同じではないことに注意すべきである
。744方向のポケットが小さければ小さいほど、ひいては方向722に沿った
より大きなポケットよりも、基板720により大きな絶縁を提供する。本発明の
例示的な実施態様は、熱遮蔽を用いて上部のサセプタ表面に平行な方向に、増大
した熱均一性を提供する。熱遮蔽は、幾分、それらが、サセプタの上面で基板ポ
ケットの間の領域に置かれうるという事実のために、様々な形状を有しうる。選
択的に、熱遮蔽は、サセプタ上の適合したポケットにフィットするように位置合
わせされることもできる。遮蔽の形状の変量は、基板直径及びサセプタ中のポケ
ットの数に依存する。
【0035】 遮蔽の目的は、基板の各エッジが、実質的に同じ熱環境に暴露され;熱環境が
処理されるべき基板の全てに実質的に同じであり;かつ熱環境がサセプタ上の位
置から独立しているような状況を、各基板に提供することである。遮蔽の代表的
な選択は、図7中で遮蔽750、752及び754として示され、かつ図8A、
8B及び8C中で、それぞれ遮蔽810、820及び830として再現されてい
る。遮蔽は、炭化ケイ素又は炭化ケイ素被覆グラファイトであってよく、かつ厚
さが約0.02〜0.06インチで変化しうる。一般的な経験則は、遮蔽の厚さ
が、基板の厚さと実質的に同じであるべきことである。
【0036】 サセプタの上面に平行な横方向の温度均一性はまた、サセプタのエッジで配置
された遮蔽、例えば図9Aに示された遮蔽910により影響されうる。組み合わ
された920及び930の同等の厚さを有している単一の遮蔽が設けられている
よりもその他の点で絶縁の程度が増大するという条件で、サセプタのエッジでの
多重の遮蔽が存在していてよいか、又は遮蔽910は、サセプタ940の内側並
びに外側のエッジを断熱するために2つの直立部920及び930に分離されて
いてよい。遮蔽材料は、炭化ケイ素又は炭化ケイ素被覆グラファイトを含んでい
てよい。
【0037】 サセプタの軸に平行な垂直方向のサセプタの温度均一性は、本発明の別の態様
によりなお改善されることができる。これは、図9A中の参照数字950として
示されているサセプタエッジ放射遮蔽(底部の放射状円周)の使用に伴ってなさ
れることができる。半径方向(サセプタの上面に平行)の温度プロファイル上に
これらの遮蔽を加えた結果は、図9B中で曲線960として示されている。
【0038】 付加的に、軸方向(サセプタに対して垂直)の温度均一性は、図10A及び1
0Bに示されているように、サセプタの厚さを増大させることにより改善される
ことができる。軸方向の温度不均一性は、図10A中で曲線1010として示さ
れており;これらの不均一性は、別個の種類のインダクタコイルセグメント及び
それらが加熱するサセプタの区間のためである。時間により、熱は、より低い表
面1030から上部表面1040へサセプタの厚さ1020を介して移動されて
おり、温度均一性は、幾分か一様にされうる。サセプタの厚さを、図10A中の
1020(これは約0.9インチでありうる)から図10B中で数字1060に
より表されたそれ(これは約1.2インチでありうる)に増大させることにより
、サセプタ温度均一性は、図10Bに示されている曲線1070へと更になめら
かになる。
【0039】 これは、図10A中のプロファイル1080から図10B中のプロファイル1
090へのサセプタ上面に平行な方向の温度不均一性を低下させる。常用のサセ
プタの厚さは、0.5〜0.9インチの範囲であり、かつ本発明の実施態様は、
0.5〜1.5インチの範囲のサセプタの厚さを提供する。本発明の一態様にお
いて、サセプタの厚さは、0.9〜1.2インチ増大した。
【0040】 サセプタの厚さの設計は、RF発生器が操作される周波数によっても影響され
る:操作の周波数が減少すると、サセプタ中へのエネルギーの侵入深さが増大し
、ひいては、サセプタの厚さが増大されなければならない。更に、設計は、低周
波でRF発生器を操作することがより費用効果があるという事実により動機づけ
られ、そこで低周波は、180KHzで及び350〜450KHzでさえ操作す
るより古いシステムとは対照的に、25〜30KHzが当てはまる。システムの
機械的安定度はなお改善される、それというのも、サセプタは、その中央領域で
のみ支持されることができるからである。
【0041】 もちろん、本発明の多様な実施態様は、単独で及び組み合わせて使用されるこ
とができる。換言すると、一部の状況で、より厚いサセプタをバットウィング熱
遮蔽と共に使用することが適切でありうる。別の状況で、より薄いサセプタを用
いて、サセプタの外側のエッジの周りの遮蔽と共に、インダクタとサセプタとの
間の分離距離を変化させることは、最も良好な熱均一性を提供しうる。本発明の
一部の態様、例えばサセプタエッジ遮蔽の使用が、本発明の他の態様が実施され
る程度、例えばインダクタに対して軸方向のサセプタの相対運動を軽減しうるこ
とは、当業者により正当に評価されるだろう。
【0042】 本発明が、特別な実施態様に関して記載されかつ説明されている一方で、本発
明の範囲が、開示された実施態様に制限されるのではなく、それどころか、特許
請求の範囲の精神及び範囲の内に含まれている数多の他の変更及び同等の取り合
わせをカバーすることを意図していることが、当業者に容易にわかるだろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の例示的な一実施態様によるリアクタの側部断面図。
【図2】 本発明の一態様によるサセプタの真下に配置されたインダクタコイルの平面図
【図3】 図2の例示的な誘導コイルに沿った位置の関数としてのコイルスタッド又は保
持体高さのグラフ。
【図4A】 分離プロファイルがプロセスの定常状態の高温部に適切である、インダクタと
サセプタとの間の分離の距離を示す横断面図。
【図4B】 分離プロファイルがプロセスの過渡的な加熱上昇及び冷却部分に適切である、
インダクタとサセプタとの間の分離の距離を示す横断面図。
【図5】 本発明の一態様において使用されることができるエレベーショナルリフト機構
の側部断面図。
【図6】 インダクタとサセプタとの間の分離の距離を調節するのに使用されることがで
きる例示的な光高温計を説明する側部横断面図。
【図7】 基板が経験していてよい熱環境の変化、並びに基板の間にフィットするように
設計されていてよい例示的な熱遮蔽を示す、例示的なサセプタ上の150mmウ
ェーハの配置の平面図。
【図8A】 サセプタの熱均一性を改善するために、サセプタ上に置かれていてよい例示的
な熱遮蔽を示す図。
【図8B】 サセプタの熱均一性を改善するために、サセプタ上に置かれていてよい例示的
な熱遮蔽を示す図。
【図8C】 サセプタの熱均一性を改善するために、サセプタ上に置かれていてよい例示的
な熱遮蔽を示す図。
【図9A】 本発明の例示的な実施態様においてサセプタのエッジで使用されることができ
る2つの例示的な熱遮蔽を説明する図。
【図9B】 図9Aの例示的な熱遮蔽の使用で達成される利益を示す、半径方向のサセプタ
の熱プロファイルのグラフ。
【図10A】 薄いサセプタの軸方向の温度均一性を表す略示図。
【図10B】 厚いサセプタの軸方向の温度均一性を表す略示図。
【符号の説明】
100 CVDリアクタ、 101 ベルジャエンクロージャ、 102 ベ
ースプレート、 103 シール機構、 104 サセプタ、 105 基板、 106 中心軸、 107 インダクタ、 108 コイルカバー、 109 送込管、 110 対流を意味する矢印、 118 コントローラ、 120
、122 コイルセグメント、 124、126、128、134、136、1
38 接続、 210 最内部のターン、 212 最外部のターン、 214 コイルの幅、 216、218、220、222 保持体の位置、 404 コイルセグメント、 408 支持ステム、 410、412 サセプタ、 4
14 コイルセグメント、 416 サセプタ、 418 コイルセグメント、 420 取付板、 422 コイルセグメント、 424 スタッド、 43
0、432、434、436 コイルセグメント、 438 分離距離、 50
1 サセプタ、 505 RFコイルアセンブリ、 510 ペデスタル、 5
12 ペデスタルキャップ、 520 リードスクリュー、 525 サセプタ
リフトプレート、 527 リニアベアリング、 530 ロータリーフィード
スルー、 540 回転スリーブ、 550 ロータリーフィードスルー、 6
10 光高温計、 620 光高温計、 720 基板、 722、723、7
44 方向、 746 基板、 750、752、754 遮蔽、 810、8
20、830 遮蔽、 910 遮蔽、 920、930 直立部、 940 サセプタ、 950 参照数字、 960 曲線、 1010 曲線、 104
0 上部表面、 1030 下部表面、 1020 サセプタの厚さ、 106
0 数字、 1070 曲線、 1080、1090 プロファイル
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成14年3月7日(2002.3.7)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項】 サセプタが炭化ケイ素被覆グラファイトである、請求項1記
載の熱処理装置。
【請求項】 サセプタが約1.5インチ(38.1mm)未満の厚さを有
している、請求項記載の熱処理装置。
【請求項】 サセプタを回転させるための機構を更に含んでいる、請求項
1記載の熱処理装置。
【請求項】 サセプタの外側エッジで熱遮蔽を更に含んでいる、請求項1
記載の熱処理装置。
【請求項10】 サセプタの内側エッジで熱遮蔽を更に含んでいる、請求項
1記載の熱処理装置。
【請求項13】 サセプタの外側部分の底部で熱遮蔽を更に含んでいる、請
求項1記載の熱処理装置。
【請求項15】 サセプタの内側部分の底部で熱遮蔽を更に含んでいる、請
求項1記載の熱処理装置。
【請求項16】 基板保持体がサセプタである、請求項1記載の熱処理装置
【請求項19】 半導体基板を処理する方法において、前記方法が、次の段
階: 基板をサセプタに近接して配置し; サセプタを加熱するために、インダクタからサセプタにエネルギーを誘導結合さ
せ; チャンバ中へガスを注入し;基板の加熱上昇及び冷却の間に、 インダクタとサセプタとの間の分離の距離を変
化させ; 基板がない領域中のサセプタの上面を熱遮蔽し;かつ 基板上に材料の層を堆積させる ことを含むことを特徴とする、半導体基板を処理する方法。
【請求項21】 インダクタが誘導コイルである、請求項20記載の方法。
【請求項22】 サセプタを回転させる段階を更に含む、請求項20記載の
方法。
【請求項25】 サセプタのエッジを熱遮蔽する段階を更に含む、請求項 記載の方法。
【請求項30】 サセプタが炭化ケイ素被覆グラファイトである、請求項 記載の方法。
【請求項31】 処理終了後に、インダクタとサセプタとの間の分離の距離
を変化させる段階を更に含む、請求項20記載の方法。
【請求項32】 インダクタとサセプタとの間の分離の距離を変化させる段
階を、サセプタを移動することにより達成する、請求項20記載の方法。
【請求項33】 インダクタとサセプタとの間の分離の距離を変化させる段
階を、コイルスタッドの高さを調節することにより達成する、請求項20記載の
方法。
【請求項34】 インダクタとサセプタとの間の分離の距離を変化させる段
階を、インダクタが取り付けられている取付板を移動することにより達成する、
請求項20記載の方法。
【請求項35】 処理の間にインダクタとサセプタとの間の分離の距離を調
節する段階を更に含む、請求項20記載の方法。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の詳細な説明
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【0001】 発明の背景 1.発明の分野 本発明の分野は一般に、半導体処理に関する。殊に、本発明の分野は、化学的
気相成長(CVD)及び熱処理、例えばエピタキシャル堆積のためのシステム及
び方法に関する。
【0002】 2.背景 様々な半導体プロセスは、高温での均一な熱処理を必要とする。そのようなプ
ロセスの一例は、化学的気相成長(CVD)と呼ばれ、ここで、蒸気相からの材
料の層は、リアクタ内のサセプタ上に置かれている半導体基板上へ堆積される。
サセプタは、ついで誘導によるか又は高輝度の光放射により、高温、典型的には
約800〜1250℃に加熱される。ガスは、ついでリアクタを通過し、かつ堆
積プロセスは、化学反応によって、気相内で、しかし基板の表面に厳密に近接し
て起こる。反応は、基板上への所望の生成物の堆積をもたらす。
【0003】 処理のこの種類の一つの形は、エピタキシーと呼ばれ、ここで、物質の単結晶
層は、事実上単結晶でもある基板上に堆積される。一例として、シリコンエピタ
キシーは、集積回路デバイスの製造において行われる第一段階の1つであり、か
つこのプロセスにおいて、ドープされた単結晶シリコンの層は、トランジスタ及
び他のデバイスが形成されることができて既知でかつ厳密に調節された抵抗率の
層を有するように、シリコンウェーハ上へ堆積される。エピタキシーは、ドーピ
ング層の厚さ、濃度及びプロファイルを制御するための好都合な方法を提供する
【0004】 エピタキシャル堆積の間に制御されなければならない重要なパラメーターは、
基板の温度均一性である。基板の温度不均一性は、スリップと呼ばれる塑性変形
のプロセスをまねくかもしれず、ここで、結晶は、その構造の一部が他の領域に
対して移動するのを可能にすることにより、蓄積(built-up)応力を軽減する。ス
リップは、結晶中で一定の結晶面に亘りかつ一定の結晶方向に沿って発生し、そ
の際、材料の一部分が他のものに対して置換されている。結晶中のスリップの共
通原因は、膜成長の間の温度勾配であるが、しかしまた、基板が支持される方法
、基板が加熱される機構及びエピタキシャルプロセスの時間−温度プロファイル
の結果でもありうる。スリップに関連した欠陥は、最もしばしば基板のエッジで
見出され、かつショートラインとして現れる。
【0005】 基板中の熱勾配は、CVDリアクタ内の不均一な熱環境の結果として生じうる
。CVDリアクタ内でガス流れが存在するので、熱伝達機構は、伝導及び対流並
びに放射を包含している。しかしながら、放射熱伝達はおそらく、温度均一性に
関して最も重要でありうる。コールドウォール型のリアクタ内で加熱されたサセ
プタに近接した基板は、軸及び半径方向の双方で様々な熱勾配があるだろう。こ
れらの熱勾配は大きな効果を有する、それというのも、2つの物体間の放射熱伝
達は、2つの温度の関数であるからであり、その際、各温度は4乗される。
【0006】 多くのCVD及びエピタキシャル堆積システムにおいて、高輝度ランプ、例え
ばタングステン−ハロゲンランプは、コールドウォール炉内でウェーハを選択加
熱するのに使用される。ランプは極めて低い熱質量(thermal mass)を有するので
、ウェーハは急速に加熱されることができる。しかしながら、低い熱質量のラン
プ加熱のみを用いて半導体基板の温度を制御するのはより困難である。一部のリ
アクタは、処理の間の基板の温度均一性を保持するために、大きな熱質量の炭化
ケイ素被覆グラファイトサセプタを使用する。処理すべき基板は、サセプタ上に
か又はサセプタに近接して置かれ、かつサセプタの高い熱伝導率のために、横方
向に熱伝導して、温度均一性を保持しかつ基板全体での不均一性を一様にするこ
とができる。サセプタは典型的には、基板よりも幅広く、これは基板のエッジで
の放射熱損失を補償するのを可能にする。
【0007】 選択的に、サセプタは、RF誘導により加熱されることができる。この方法は
、サセプタに近接して置かれた導体を通過する振動電流が、導体の周りに振動磁
界を生じさせ、これはそしてまた、サセプタ自体の中で振動電流を誘導するとい
う事実を利用する。サセプタは電気抵抗を有するので、振動電流は、サセプタを
加熱する。サセプタ中で誘導された電流が、導体からの距離と共に非線形に減少
することに注意すべきである。磁束が距離の逆二乗として変化するという関係で
ある。
【0008】 コイルプロファイルの典型的な構成は、図1に示されている。任意の1つの特
別なコイルセグメントとサセプタとの間の距離は、スタンドオフ(図1に示され
ていない)で調節されることができる。図1中のコイルは、サセプタが処理温度
である場合に、サセプタのエッジで起こる放射熱損失を補償するプロファイルを
有しており、ひいては、コイルセグメント120は、コイルセグメント122よ
りもサセプタに接近している。リアクタが処理温度である場合に、図1に示され
たコイル構成が最適であるが、しかしリアクタが加熱されているか又は冷却され
ている場合の過渡的な期間の間に最適ではないかもしれないことに注意すべきで
ある。
【0009】 米国特許第6001175号明細書には、高周波誘導コイルを利用する、結晶 を製造する装置及び方法が開示されている。英国特許第2120279A号明細 書には、誘導コイルと基板保持体との間の距離が、誘導コイルのそれぞれのター ンに固定された複数のボルトを回転作動させることにより調節されることを可能 にするエピタキシャル成長装置において、誘導加熱コイルのための保持体が開示 されている。
【0010】 望まれることは、半導体基板のCVD及び/又はエピタキシャル処理のための
改善された装置及び方法である。好ましくは、そのようなシステム及び方法が、
均一な基板処理温度を提供するので、基板中の温度勾配及び、欠陥、例えば結晶
学的なスリップに伴い生じる問題は低下されるか又は除去される。
【0011】 発明の要約 本発明の態様は、エピタキシャル処理するためのCVDリアクタを提供し、そ
の際、リアクタは、基板中の熱勾配を低下させるように構成され、前記基板の上
へエピタキシャル層が堆積されている。ウェーハ中の熱勾配を低下させると、ス
リップは減少する。エピタキシャルリアクタの1つの種類は、炭化ケイ素被覆グ
ラファイトサセプタに近接して配置されたRF誘導コイルを含む。コイルセグメ
ントを通る交流は、各セグメントの周りに振動磁界を生じさせ、これはそしてま
た、サセプタ中で電流を誘導する。誘導電流に関連した電気エネルギーは、熱エ
ネルギーへ変換され、それによりサセプタを加熱している。コイルは、多数の支
持スタッドにより支持され、かつコイルの異なるセグメントは、異なる高さで設
定されることができ、従ってサセプタからコイルセグメントを分離している距離
を変化させている。サセプタ中の温度均一性に対処する常用の方法は、コイルセ
グメントを調節することを含むので、それらは、エッジからのより多量の熱損失
を補償するために、中心でよりもサセプタの内側及び外側のエッジでサセプタに
接近している。更に、サセプタは、コイルに起因する温度勾配を最小限にするた
めに、加熱及び処理する間に回転していなければならない。
【0012】 温度均一性に対処する常用の方法に伴う問題は、コイル/サセプタ分離プロフ
ァイルが、処理温度でサセプタ中の最適な温度均一性を提供するように構成され
ていることである。このプロファイルは、プロセスの過渡的な部分、例えば、加
熱上昇(heat ramp-up)及び冷却(cool down)に最適ではなく、そこで、サセプタ
のエッジで厳密に間隔のあいたコイルセグメントは、傾斜する(ramping)間にエ
ッジを過熱する。コイル/サセプタ分離プロファイルが容易に再構成されないの
で、殊に処理の間に、コイル/サセプタ分離プロファイルが固定されることを前
提として、プロセスの過渡的な部分の間にサセプタ中の温度均一性を改善するた
めの装置及び方法が必要とされる。本発明の一態様によれば、半導体基板を処理 するための熱処理装置が提供され、その際、次のもの: 処理チャンバ; 処理チャンバにガスを供給して基板上に所望の堆積物を形成させるためのガス源 チャンバ内に配置されたインダクタ; チャンバ内でインダクタに近接して配置され、基板を支持するためのサセプタ、 その際、インダクタはサセプタに電磁エネルギーを供給する; 基板の加熱上昇及び冷却の間に、インダクタとサセプタとの間の分離の距離を変 化させるためのエレベーショナル(elevational)リフト機構;及び 基板がない領域中のサセプタの上面を絶縁するための上部熱遮蔽 を含んでいる。
【0013】 本発明の別の態様によれば、半導体基板を処理するための方法が提供され、そ の際、次の段階: 基板をサセプタに近接して配置し; サセプタを加熱するために、インダクタからサセプタにエネルギーを誘導結合さ せ; チャンバ中へガスを注入し; 基板の加熱上昇及び冷却の間に、インダクタとサセプタとの間の分離の距離を変 化させ; 基板がない領域中のサセプタの上面を熱遮蔽し;かつ 基板上に材料の層を堆積させる ことを含んでいる。
【0014】 本発明の一態様は、サセプタがリアクタ内で回転していると同時に、サセプタ
を上昇させかつ降下させるための機構を提供する。磁界は各コイルセグメントか
らの距離と共に非線形に減少するので、サセプタを上昇させると、エッジでのコ
イル(これは、サセプタにより接近している)を、中心でのコイル(これは、サ
セプタから更に離れる)よりも大きな程度に減結合させる。結果として、上昇の
間に生じたサセプタエッジの過熱は緩和されうる。サセプタのこのz−運動なし
で、サセプタのエッジは、中心よりも40℃だけ高い温度に加熱されうる。本発
明の一実施態様において、アルゴリズムは、異なる温度での均一性を保持するた
めに、コイルとサセプタとの間の所望の距離を決定するのに使用される。サセプ
タは、アルゴリズムに従って過渡的な上昇期間の間に、温度の各インクリメント
と共にコイルにより近接して移動する。その上、サセプタは、一部の実施態様に
おいて、過渡的な冷却期間の間にコイルから遠ざかってよい。サセプタのz−運
動により与えられる付加的な利点は、リアクタが整備されるのにより好都合であ
るということである、それというのも、サセプタを、最初にそれを上昇させるこ
とによりリアクタから除去することは、保守要員にとってより簡単であるからで
ある。
【0015】 本発明の別の態様は、基板により断熱されないサセプタのそれらの領域を補償
するためにサセプタの上に置かれることができる絶縁体遮蔽を提供する。サセプ
タからの熱損失は、主として放射により起こり、かつ(Tサセプタと(T との間の差に比例する。基板自体が、基板を支持するサセプタポケットで
の絶縁を提供する傾向にあり、かつ残りの領域を遮蔽することは、サセプタの温
度均一性を改善する。
【0016】 本発明の別の態様は、エッジの周り及びエッジの下の双方で、サセプタエッジ
の近くに付加的な熱遮蔽を提供する。これらの遮蔽は、それぞれ、内側及び外側
のサセプタエッジ放射遮蔽及び底部の内側及び外側の円周放射遮蔽と呼ばれうる
。これらの遮蔽はエッジからの熱損失を低下させるので、エッジを加熱するコイ
ルセグメントは、それらがその他の点で、従って、より均一な分離プロファイル
を提供しているよりも、サセプタから更に離れて間隔があいてよい。
【0017】 本発明の別の態様は、常用のリアクタに使用されるよりもより厚いサセプタを
提供する。より厚いサセプタは、別個のコイルセグメントに起因するサセプタの
底部での温度変量を、サセプタを通して基板が支持される上面に熱伝導されるよ
うに、一様にするのを可能にする。常用のサセプタの厚さは、例えば0.5〜0
.9インチ(12.7〜22.86mm)の範囲であり、かつ本発明の実施態様
は、0.5〜1.5インチ(12.7〜38.1mm)の範囲のサセプタの厚さ
を提供する。本発明の一態様において、サセプタの厚さは、0.9〜1.2イン
(22.86〜30.48mm)増大した。
【0018】 図面の簡単な説明 本発明のこれらの及び他の特徴及び利点は、添付された図面に関連して以下の
詳述された記述から、当業者により明白となる。
【0019】 詳細な記述 以下には、本発明の例示的な実施態様が記載されている。特別の設計の記述は
例として提供される。好ましい実施態様への多様な変更は、当業者に容易にわか
り、かつここに定義された一般原理は、本発明の範囲から逸脱することなく、他
の実施態様及び応用に適用されることができる。従って、本発明は、示された実
施態様に制限されるものではなくて、ここに開示された原理及び特徴に一致して
最も幅広い範囲を与えることを意図する。
【0020】 図1は、本発明の例示的な一実施態様による、一般に100で示されるCVD
リアクタの側部断面図である。図1の例示的なリアクタは、均一性の高い程度及
び低下された汚染を有するシリコンのエピタキシャル堆積に適合される。もちろ
ん、多種多様な他のプロセスが、本発明の態様を用いて実施されることもできる
。図1を参照して、ベルジャエンクロージャ101は、シール機構103を用い
てベースプレート102にシールされる。基板105を支持する水平サセプタ1
04は、リアクタの中心軸106の周りを回転する。サセプタ104は、誘導コ
イルであってよいインダクタ107により加熱される。誘導コイル107は、コ
イルカバー108によりサセプタ104から分離され、これは、ベルジャエンク
ロージャ101と共に、リアクタのガス反応体積を定義する。冷却媒体は、コイ
ルに過熱が起こらないように、コイルにポンプ輸送されることができる。ガスは
、リアクタの中心軸106に沿って位置している送込管109を介して導入され
る。ガス混合物は、反応性ガス、堆積ガス、キャリヤーガス、不活性ガス、ドー
パントガス及び他の種類のガスを含んでいてよい。もちろん、他の実施態様にお
いて、ガスは、ベルジャの頂部又は側部を通過する管又はシャワーヘッドを介し
て導入されてよい。底部からエンクロージャに入るガスは、対流を意味する矢印
110によりおおよそ示された経路をたどる。図1中の例示的な寸法H、D 及びDは、それぞれ約38、32及び33インチ(965.2、812.8及 び838.2mm) である。
【0021】 図1中の例示的なリアクタは、コントローラ118により制御される。コント
ローラ118は、ガスフロー109を調節するためにリアクタの底部への接続を
有する。接続124は、エレベーショナル(elevational)リフト機構を駆動しか
つサセプタに回転を与えるのに使用されることができる。接続126及び128
は、それぞれサセプタの中心及び外側のエッジから、温度検知デバイス、例えば
光高温計からの情報を読みとるのに使用されることができる。選択的に、温度検
知は、接続134、136及び/又は138を介してなされることができ;これ
らの接続は、ガスを注入しかつガスフローを調節するのに使用されてもよい。ガ
スの排出は、中でも、リアクタ中の所望の圧力を保持するために接続128を介
して調節されてよい。コントローラは、コイルを介して冷却媒体のフローを調節
するのに使用されてもよい。
【0022】 当工業界では、サセプタのエッジで起こるより多量の熱損失を補償するために
、サセプタからの分離の異なる距離で、誘導コイルの異なるセグメントを構成す
ることは公知である。任意の与えられたコイル構成が典型的には、プロセスの定
常状態の高温部のために構成され、かつこの構成が、プロセスの過渡的な部分、
例えば加熱上昇又は冷却のために必ずしも最適ではないことに注意すべきである
。一部の実施態様において、リアクタ中の個々のコイルセグメントの高さは、簡
単に論じられるべき支持スタッドを用いて、処理の間に自動的に調節されること
ができるが、しかし例示的な実施態様において、より単純なアプローチは、代わ
りにサセプタを移動することを包含している。もちろん、スタッドを支持する取
付板は、なお上下に移動されることができる。本発明のこれらの実施態様は、普
通に、インダクタと、それからエネルギーを受け取るサセプタとの間の分離の距
離に影響を及ぼす能力を有する。従って本発明は、プロセスの過渡的な及び定常
状態の部分の双方の温度均一性を最適化するための装置及び方法を提供する。
【0023】 図2は、サセプタの真下にコイルを有するサセプタの平面図である。それぞれ
の説明のために、サセプタの下のコイル及びサセプタの上のウェーハの位置が同
時に図2に示されているが、しかし、サセプタが、ウェーハからコイルを物理的
に分離し、かつサセプタが実際には透明ではないことが容易に理解される。コイ
ルが上にあってもよいか、又はサセプタ内でさえあってもよいことに注意すべき
である。この図中の例示的なサセプタは、18枚の150mm基板を同時に処理
するように設計されている。コイルは、その最内部のターン210からその最外
部のターン212へ進んで約10回ターンする。数字214により表示されたコ
イルの幅及びコイルの10ターンは、コイルがそれぞれ150mm基板の下を約
4回通過するということである。
【0024】 コイルは、コイルの長さに沿って周期的間隔で位置している約50個の調整可
能なスタッドにより支持される。コイルの最外部のターン上のこれらのスタッド
保持体の幾つかは、図2中で場所216、218、220及び222により表示
されている。保持体は、その特別なスタッド及びサセプタにより支えられたコイ
ルのセグメント間の分離の距離を変化させるために調節されることができる。多
重の数の調整可能なコイル保持体は、コイルの明確なセグメントが異なる高さに
より保持されることができ、ひいては図1に示されたようなコイル構成が可能で
あることを意味する。
【0025】 例示的なコイル保持体高さ又は“スタッド高さ”の構成は、図3に示されてい
る。スタッド高さは、例えば、図4A中のコイルセグメント422と取付板42
0との間の距離に関連しており、その際、実際の保持体は、図4Aにスタッド4
24として表されている。最外部の保持体(図3中のスタッド番号1−10)の
高さは、約1.5インチ(38.1mm)のスタッド高さに設定される。サセプ
タの中央に近接したコイルセグメントを支持するそれらのスタッド(スタッド番
号15−30)は、約1.1〜1.2インチ(27.94〜30.48mm)
調節される。これらの高さは、図4A中の取付板420に関するものであり、ひ
いてはスタッド1〜10により支持されるコイルセグメントは、サセプタにより
接近している。最内部のスタッド35−50を支持する高さは、15−30のそ
れよりも高い値に上昇するが、しかし1−10ほどは高くない、それというのも
、サセプタのこの領域、しかしエッジが、図4A中の支持ステム408の他の側
でコイルセグメントから一部の熱を得るからである。図4Aを参照して、これは
、コイルセグメント404がセグメント418よりもサセプタに接近しているが
、しかし414ほど接近していないことを意味する。コイルは、ベルジャウィン
ドウを通して見る光高温計により測定されるような堆積温度でサセプタ全体で広
がっている±5℃以内の温度プロファイルを得るように調節される。最終的なコ
イルプロファイルは、エピタキシャル膜の抵抗率均一性を測定し、かつ典型的に
は±2%以下の変量内で全基板面積に亘って抵抗率均一性を得るためにコイルプ
ロファイルを調節することにより、得られる。ドーパントガスは、基板温度の変
化に極めて感受性であり、ひいては最適な温度均一性のために、コイルを微同調
するのに卓越した手段を提供する。
【0026】 図4A及び4Bは、本発明の一態様を説明し、ここで、温度均一性は、プロセ
スの過渡的な部分の間に、エピタキシャルCVDリアクタのインダクタとサセプ
タとの間の分離の距離を変化させることにより改善される。図4A中で、サセプ
タ410は、エピタキシャルプロセスの高温で定常状態の部分の間であったとし
ても、インダクタ、この場合に誘導コイルに対して厳密に間隔のあいた位置に示
されている。この位置で、サセプタ412のエッジとコイルセグメント414と
の間の分離の距離は、サセプタ416の中央及びコイルセグメント418のそれ
よりも小さい。図4A中のサセプタの位置は、定常状態のプロセスのためである
【0027】 しかしながら、この状況の前には、過渡的な加熱上昇である。本発明のこの態
様において、サセプタは、図4Bに示されているように配置されていてよい。プ
ロセスの過渡的な部分のためにサセプタを上昇させると、中央の近くに位置して
いるコイルセグメント434及び436よりもっとサセプタのエッジに近接して
位置しているコイルセグメント430及び432を減結合させる。サセプタが、
コイルから遠ざかるので、サセプタに結合した仕事率は低下する。サセプタに最
も接近したコイルセグメントは、最大のエネルギーをサセプタへ結合させ、かつ
降下は、距離と共に非線形に増大する。従って、サセプタが遠ざかるので、仕事
率移動の降下は、より接近した(エッジ)コイルにとって最も大きい。
【0028】 結果は、異なるコイルの間での位置の小さな差が、サセプタが遠ざかるほどよ
り少ない衝撃を有するということである。サセプタが接近している場合には、コ
イルセグメントの間の距離の差は、百分率に関して相対的に大きな量だけ変化し
、かつ結合した仕事率の差は重要である。より大きな距離で、コイルセグメント
からの仕事率移動は、より類似している。
【0029】 エッジセグメントが、インダクタ/サセプタ分離距離の変化を伴って中央のセ
グメントが結合するよりも、エネルギーを異なる速度でサセプタ中へ結合すると
いう事実が生じる、それというのも、コイルセグメントを取り囲む磁束線が、距
離と共に非線形に減少するからである。エッジセグメントは、サセプタにより接
近しているので、サセプタにより遮断された磁束線は、より高密度であり、ひい
てはサセプタ内の熱の発生に関してより大きな効果としてサセプタから遠ざかっ
ている。インダクタが定常状態の部分のために構成されている場合に、プロセス
の過渡的な部分のためにインダクタに対してサセプタを移動すると、温度均一性
を改善する。
【0030】 サセプタの温度は、光高温計又は他の温度測定器により測定されることができ
る。サセプタの温度を監視することは、いつサセプタの位置を調節するかを決定
するために重要である。しかしながら、繰り返される予測できるプロセスのため
には、過渡的な期間の各段階での温度を測定するよりむしろ、一定のレシピに従
って、期間の設定のための距離を調節することが可能でありうる。
【0031】 エピタキシャルプロセスの過渡的な部分のための例示的なプロセスは、以下に
包含されうる:図4Bに示された分離距離438でのサセプタから開始し;70
0℃の平衡化された温度に到達させるために回転するサセプタを準備し;微細な
インクリメントの距離を、例えば単に約0.2インチ(5.08mm)だけ漸次
に減少させる、それというのも急速な変化は、サセプタの炭化ケイ素被覆及び/
又はRF発生器制御システムに伴う問題の原因となるからであり;800℃の平
衡化された温度に到達させるためにサセプタを準備し;距離を約0.2インチ 5.08mm) だけ再び低下させ;1050℃の平衡化された温度に到達させる
ためにサセプタを準備し;かつついで更に0.2インチ(5.08mm)だけ距
離を低下させる。この点で、回転するサセプタは、図4Aに示された厳密に間隔
のあいた位置に位置している。
【0032】 サセプタを上昇させかつ下降させるのに使用される機構の断面図は、図5に示
されており、そこでサセプタ501は、RFコイルアセンブリ505に関係して
示されている。サセプタ501は、ペデスタル510により支持され、これはペ
デスタルキャップ512に置かれ、かつサセプタリフトプレート525により上
昇するか又は降下される。ペデスタルキャップは、ステンレス鋼を含んでいてよ
い。
【0033】 リフトプレート525は、リードスクリュー520により上下に駆動される。
モータ(示されていない)からの回転運動は、ロータリーフィードスルー530
を介してリードスクリューに伝達される。サセプタリフトプレートのアラインメ
ントは、リニアベアリング527の使用により保持される。リニアベアリングは
、リフトガイドベアリングとも呼ばれうる。第二のロータリーフィードスルー5
50は、回転スリーブ540上のギアを介して、サセプタに回転を与えるのに使
用される(そこで回転機構のための駆動装置は示されていない)。
【0034】 図6は、本発明の一態様を説明し、ここで、サセプタリフトは、サセプタ全体
での温度変量を監視するコントローラにより制御される。例示的な一実施態様に
おいて、過渡的な加熱傾斜は、その最も上部の位置のサセプタから開始される。
ついでサセプタは、光高温計610により測定されるような中心温度が、光高温
計620により測定されるようなサセプタの外側のエッジでの温度と実質的に調
和するように増大するまで、下降される。
【0035】 図7は、温度均一性を改善するために熱遮蔽を使用する本発明の実施態様を説
明する。図7の例示的なサセプタは、18個の150mm基板を支持する。もち
ろん、基板は、サセプタの中央の周りの環に沿って、単列で配列されていてよい
が、しかしこのパターンは、より多数の基板を、より高いスループットを達成す
る図7の複列パターンで同時に処理されるのを不可能にする。図7中で、内側の
環中の基板1枚毎に外側の環内に基板2枚が存在する。この実施態様は、もちろ
ん、単独でか、移動可能なサセプタと組み合わせるか、又は本発明の他の態様と
組み合わせて使用されることができる。
【0036】 この技術がリアクタのスループットを増大させるけれども、基板がサセプタの
平面に平行な方向により多種多様な熱環境があるだろうという点で、新しい温度
不均一性をまねきうる。例えば、基板746は、方向723に沿って基板720
に一部の絶縁を提供し;基板がないよりも少なくともより多い絶縁は、方向72
2及び744に沿って提供する。双方とも基板の間のポケットをもたらす方向7
22及び744に沿ってでさえ、熱環境が同じではないことに注意すべきである
。744方向のポケットが小さければ小さいほど、ひいては方向722に沿った
より大きなポケットよりも、基板720により大きな絶縁を提供する。本発明の
例示的な実施態様は、熱遮蔽を用いて上部のサセプタ表面に平行な方向に、増大
した熱均一性を提供する。熱遮蔽は、幾分、それらが、サセプタの上面で基板ポ
ケットの間の領域に置かれうるという事実のために、様々な形状を有しうる。選
択的に、熱遮蔽は、サセプタ上の適合したポケットにフィットするように位置合
わせされることもできる。遮蔽の形状の変量は、基板直径及びサセプタ中のポケ
ットの数に依存する。
【0037】 遮蔽の目的は、基板の各エッジが、実質的に同じ熱環境に暴露され;熱環境が
処理されるべき基板の全てに実質的に同じであり;かつ熱環境がサセプタ上の位
置から独立しているような状況を、各基板に提供することである。遮蔽の代表的
な選択は、図7中で遮蔽750、752及び754として示され、かつ図8A、
8B及び8C中で、それぞれ遮蔽810、820及び830として再現されてい
る。遮蔽は、炭化ケイ素又は炭化ケイ素被覆グラファイトであってよく、かつ厚
さが約0.02〜0.06インチ(1.524mm)で変化しうる。一般的な経
験則は、遮蔽の厚さが、基板の厚さと実質的に同じであるべきことである。
【0038】 サセプタの上面に平行な横方向の温度均一性はまた、サセプタのエッジで配置
された遮蔽、例えば図9Aに示された遮蔽910により影響されうる。組み合わ
された920及び930の同等の厚さを有している単一の遮蔽が設けられている
よりもその他の点で絶縁の程度が増大するという条件で、サセプタのエッジでの
多重の遮蔽が存在していてよいか、又は遮蔽910は、サセプタ940の内側並
びに外側のエッジを断熱するために2つの直立部920及び930に分離されて
いてよい。遮蔽材料は、炭化ケイ素又は炭化ケイ素被覆グラファイトを含んでい
てよい。
【0039】 サセプタの軸に平行な垂直方向のサセプタの温度均一性は、本発明の別の態様
によりなお改善されることができる。これは、図9A中の参照数字950として
示されているサセプタエッジ放射遮蔽(底部の放射状円周)の使用に伴ってなさ
れることができる。半径方向(サセプタの上面に平行)の温度プロファイル上に
これらの遮蔽を加えた結果は、図9B中で曲線960として示されている。
【0040】 付加的に、軸方向(サセプタに対して垂直)の温度均一性は、図10A及び1
0Bに示されているように、サセプタの厚さを増大させることにより改善される
ことができる。軸方向の温度不均一性は、図10A中で曲線1010として示さ
れており;これらの不均一性は、別個の種類のインダクタコイルセグメント及び
それらが加熱するサセプタの区間のためである。時間により、熱は、より低い表
面1030から上部表面1040へサセプタの厚さ1020を介して移動されて
おり、温度均一性は、幾分か一様にされうる。サセプタの厚さを、図10A中の
1020(これは約0.9インチ(22.86mm)でありうる)から図10B
中で数字1060により表されたそれ(これは約1.2インチ(30.48mm でありうる)に増大させることにより、サセプタ温度均一性は、図10Bに示
されている曲線1070へと更になめらかになる。
【0041】 これは、図10A中のプロファイル1080から図10B中のプロファイル1
090へのサセプタ上面に平行な方向の温度不均一性を低下させる。常用のサセ
プタの厚さは、0.5〜0.9インチ(12.7〜22.86mm)の範囲であ
り、かつ本発明の実施態様は、0.5〜1.5インチ(12.7〜38.1mm の範囲のサセプタの厚さを提供する。本発明の一態様において、サセプタの厚
さは、0.9〜1.2インチ(22.86〜30.48mm)増大した。
【0042】 もちろん、本発明の多様な実施態様は、単独で及び組み合わせて使用されるこ
とができる。換言すると、一部の状況で、より厚いサセプタをバットウィング熱
遮蔽と共に使用することが適切でありうる。別の状況で、より薄いサセプタを用
いて、サセプタの外側のエッジの周りの遮蔽と共に、インダクタとサセプタとの
間の分離距離を変化させることは、最も良好な熱均一性を提供しうる。本発明の
一部の態様、例えばサセプタエッジ遮蔽の使用が、本発明の他の態様が実施され
る程度、例えばインダクタに対して軸方向のサセプタの相対運動を軽減しうるこ
とは、当業者により正当に評価されるだろう。
【0043】 本発明が、特別な実施態様に関して記載されかつ説明されている一方で、本発
明の範囲が、開示された実施態様に制限されるのではなく、それどころか、特許
請求の範囲の範囲の内に含まれている数多の他の変更及び同等の取り合わせをカ
バーすることを意図していることが、当業者に容易にわかるだろう。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 グレン エー プフェッファーコーン アメリカ合衆国 カリフォルニア フレモ ント ウィンドミル ドライヴ 46676 (72)発明者 ゲイリー リー エヴァンス アメリカ合衆国 カリフォルニア プリー サントン トリノ コート 4167 (72)発明者 クリスチャン イー ジョンスガード アメリカ合衆国 カリフォルニア ロス ガトス インディアン ロック ウェイ 13560 Fターム(参考) 4G077 AA03 DB01 EG03 EG04 EG14 EG16 TE07 TE08 TF01 TF02 TF05 TF06 4K030 BB02 CA04 FA10 GA02 GA05 KA12 KA23 KA47 5F045 AA03 AB02 AF03 BB01 DP15 EK03 EK23 EM02 EM09 EM10 GB05

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板を処理するための熱処理装置において、前記シス
    テムが、次のもの: 処理チャンバ; 処理チャンバにガスを供給して基板上に所望の堆積物を形成させるためのガス源
    ; チャンバ内に配置されたインダクタ; チャンバ内でインダクタに近接して配置され、基板を支持するためのサセプタ、
    その際、インダクタはサセプタに電磁エネルギーを供給する;及び インダクタとサセプタとの間の分離の距離を変化させるためのエレベーショナル
    リフト機構 を含んでいることを特徴とする、半導体基板を処理するための熱処理装置。
  2. 【請求項2】 インダクタが誘導コイルである、請求項1記載の熱処理装置
  3. 【請求項3】 エレベーショナルリフト機構に接続されており、かつ定常状
    態の処理期間の間よりも、プロセスの過渡的な期間の間でのインダクタとサセプ
    タとの間の分離のより大きな距離を保持するために、エレベーショナルリフト機
    構を指示するように構成されているコントローラを更に含んでいる、請求項1記
    載の熱処理装置。
  4. 【請求項4】 過渡的な期間が加熱上昇である、請求項3記載の熱処理装置
  5. 【請求項5】 過渡的な期間が冷却である、請求項3記載の熱処理装置。
  6. 【請求項6】 分離の距離が、加熱上昇の間にインクリメントで減少する、
    請求項1記載の熱処理装置。
  7. 【請求項7】 サセプタが炭化ケイ素被覆グラファイトである、請求項1記
    載の熱処理装置。
  8. 【請求項8】 サセプタが約1.5インチ未満の厚さを有している、請求項
    7記載の熱処理装置。
  9. 【請求項9】 サセプタを回転させるための機構を更に含んでいる、請求項
    1記載の装置。
  10. 【請求項10】 サセプタの外側エッジで熱遮蔽を更に含んでいる、請求項
    1記載の熱処理装置。
  11. 【請求項11】 サセプタの内側エッジで熱遮蔽を更に含んでいる、請求項
    1記載の熱処理装置。
  12. 【請求項12】 サセプタの外側部分の底部で熱遮蔽を更に含んでいる、請
    求項1記載の熱処理装置。
  13. 【請求項13】 サセプタの内側部分の底部で熱遮蔽を更に含んでいる、請
    求項1記載の熱処理装置。
  14. 【請求項14】 基板保持体がサセプタである、請求項1記載の熱処理装置
  15. 【請求項15】 基板がない領域中のサセプタの上面を絶縁するための熱遮
    蔽を更に含んでいる、請求項14記載の熱処理装置。
  16. 【請求項16】 半導体基板を処理する方法において、前記方法が、次の段
    階: 基板をサセプタに近接して配置し; サセプタを加熱するために、インダクタからサセプタにエネルギーを誘導結合さ
    せ; チャンバ中へガスを注入し; インダクタとサセプタとの間の分離の距離を変化させ、かつ; 基板上に材料の層を堆積させる ことを含むことを特徴とする、半導体基板を処理する方法。
  17. 【請求項17】 インダクタが誘導コイルである、請求項16記載の方法。
  18. 【請求項18】 サセプタを回転させる段階を更に含む、請求項16記載の
    方法。
  19. 【請求項19】 サセプタのエッジを熱遮蔽する段階を更に含む、請求項1
    6記載の方法。
  20. 【請求項20】 基板がない領域中のサセプタの上面を熱遮蔽する段階を更
    に含む、請求項16記載の方法。
  21. 【請求項21】 サセプタが炭化ケイ素被覆グラファイトである、請求項1
    6記載の方法。
  22. 【請求項22】 処理終了後に、インダクタとサセプタとの間の分離の距離
    を変化させる段階を更に含む、請求項16記載の方法。
  23. 【請求項23】 インダクタとサセプタとの間の分離の距離を変化させる段
    階を、サセプタを移動することにより達成する、請求項16記載の方法。
  24. 【請求項24】 インダクタとサセプタとの間の分離の距離を変化させる段
    階を、コイルスタッドの高さを調節することにより達成する、請求項16記載の
    方法。
  25. 【請求項25】 インダクタとサセプタとの間の分離の距離を変化させる段
    階を、インダクタが取り付けられている取付板を移動することにより達成する、
    請求項16記載の方法。
  26. 【請求項26】 処理の間にインダクタとサセプタとの間の分離の距離を調
    節する段階を更に含む、請求項16記載の方法。
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