JP2005505123A - Ｃｖｄ反応器内の基板表面温度制御のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ＣＶＤ反応器内の、流動ガスクッションにより基板を支持することで可能な基板表面温度の制御方法に関する。
【課題】本発明の目的は、温度変動の削減及び調整である。
【解決手段】本発明によると、平均値は特殊な光学的方法で測定した各基板表面温度（Ｔ１−Ｔ５）より算出でき、ガスクッションの高さは、予め決定した温度範囲内の平均値と関連する各基板表面温度（Ｔ１−Ｔ５）が変化するように、ガスクッションを構成する個々に制御されたガスの流れを変動させることにより規定される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板がＣＶＤ反応器内のプロセスチャンバー内の基板ホルダー上に載置され、基板ホルダー運搬装置で流動ガスクッション（又はダイナミックガスクッション）が形成され、該流動ガスクッションにより支持された基板の表面温度制御のための方法及び装置に関する。
【０００２】
本発明は、更に、基板ホルダー運搬装置で流動ガスクッションが形成され、該流動ガスクッションにより支持される、複数の基板ホルダーを具備するＣＶＤ反応器に関する。
【０００３】
一般的なタイプのＣＶＤ反応器と、一般的なタイプの方法はＤＥ １９８ ５５ ６３７ Ａ１に開示されている。
【０００４】
【従来の技術】
ＣＶＤ反応器の既知用途は、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板上にＩＩＩ−Ｖ族半導体層を蒸着させる技術があり、基板は円柱ディスク状の基板ホルダーに載置されている。これらの基板ホルダーは排気弁内で衛星状の形態で、基板ホルダー運搬装置上に配置されており、ガスクッションにより回転可能な位置に設置されている。この種のＣＶＤ反応器では、基板ホルダー運搬装置により、基板ホルダーが回転可能なだけではなく、基盤ホルダー運搬装置自体も軸回転可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
基板ホルダー運搬装置は、各基板ホルダーと同様に黒鉛からなる。製造上の理由から黒鉛は不均一である。さらに、各ガスクッション同士は互いに離れている。基板ホルダー運搬装置は高周波ヒーターにより下方から加熱されている。空気クッションが不均一であり、高さが異なると、基板に異なるレベルの熱伝導を導き、これにより各基板表面温度間には温度差が生じることが明らかである。プロセスチャンバー内の基板表面温度は、基板ごとに僅かな温度差が生じている。別種の基板、例えば、厚みの違いや裏面研磨の有無により、基板ホルダーから基板への熱伝導のレベルに差が生じるために、基板温度に影響を及ぼす。各基板温度の温度差は、例えば、材料、重量、厚さなどのパラメータを変更したり、適切な監視により、約１℃から２℃まで削減することができる。
【０００６】
層の厚みや構成を変更するなどの特別な要求を必要とする応用例では、温度差を１℃以下に抑制する必要があり、可能ならば０．５℃以下に抑制する必要がある。さらに、例えば、不適切な（適切な）基板ホルダー、厚みの異なる基板使用の結果生じる、基板間の大きな温度変動を検出したり補正するために、この方法を適用して、自動制御によりプロセス監視を容易にすることは有利なことである。
【０００７】
それゆえ、本発明の目的は、温度差を削減若しくは均一にする手段を提示することにある。
【０００８】
その目的は、特許請求の範囲に記載する発明により実現される。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１は、第１、かつ本質的に、平均値が特殊な光学的方法により測定した温度により決定されることを提示する。ガスクッションの高さは、ガスクッションを構成する、個々に制御されたガスの流れにより調整される。測定された各基板表面温度の平均値との温度差は、予め決定した温度範囲内にある。最適な温度範囲は約０．５℃から１℃の間である。さらに、平均値を所望の温度に設定することも可能である。これは、温度の上昇、下降ともに温度差を最小限にできる強みを持っている。
【００１０】
本発明においては、基板ホルダーはガスの流れにより回転する。さらに、基板ホルダーの回転速度は監視することが可能で、各基板ホルダーの回転速度を決定するための回転速度測定装置が設置可能である。回転速度の測定は１つの回転速度測定装置により連続して実行される。この回転速度測定装置は、基板ホルダー運搬装置の回転に伴い、各基板ホルダーが回転することにより作動する。基板全体で結晶成長全体が均一になるための条件は、基板ホルダーの回転速度が最小値以下にならないことである。
【００１１】
温度測定は、プロセスチャンバーカバーの穴を通して実行される。この目的のために、光学的な温度測定装置例えば、高温計が設置可能である。この高温計は、上部から基板ホルダー運搬装置上に載置され、前記穴を通して操作される。温度測定装置は直接的、間接的に温度測定をすることにより、温度依存層の特性を決定する装置としても使用可能である。
【００１２】
例として、温度依存層成長の様子は、反射測定により層の厚みを測定することにより決定できる。基板ホルダー運搬装置の回転に伴い、各基板ホルダーは連続的に温度測定装置を通過できるため、各基板温度は連続測定可能である。
【００１３】
基板ホルダー運搬装置には適切な印をつけてもよい。該印は、温度測定装置で測定した測定値とともに、基板ホルダーの角度位置を同調させるために適したセンサーにより照合できる。
【００１４】
プロセスチャンバーは、最初に非制御ガスの流れで加熱するのが望ましい。ガスの流れは予め決定した値に保たれる。これらの値として、最小限の温度差が得られる、先の温度依存層成長からの経験値を使用してもよい。測定された各基板表面温度の平均値が、所望の基板表面温度で十分に安定したときのみ、ガスクッションの高さの調整により基板表面温度制御が開始する。
【００１５】
本発明は、さらに流動ガスクッションにより基板ホルダー運搬装置上で回転する、複数の基板ホルダーを有するＣＶＤ反応器に関する。
【００１６】
本発明によると、従来技術として既知のＣＶＤ反応器は、少なくとも１つの温度測定器を具備する測定装置により改良できる。この測定器は、基板ホルダー上に載置されている全ての基板温度を測定するためのものであり、反応器内には温度制御装置とガスの流量制御装置が設置される。
【００１７】
ガスの流量制御装置は、各基板ホルダーと連動して温度制御装置により作動し、これにより、各基板温度はガスクッションの高さの調整により予め決定した温度範囲内に保たれる。基板ホルダーがガスの流れにより回転している場合も好都合である。基板ホルダー運搬装置を回転させることも可能である。これは、プロセスチャンバーカバー上の穴の上に、温度測定装置が１つだけ載置される場合に最適な方法である。基板ホルダー運搬装置の窓を利用する回転速度測定装置も設置可能である。これは、基板ホルダー運搬装置の窓を通して基板ホルダーの外周部に刻まれた目盛りを、光学的に判読することにより可能である。
【００１８】
温度測定装置が１つだけである場合、例えば高温計の場合、高温計からもたらされる測定信号は、測定値倍数器へと送られる。その測定値は、基板ホルダー運搬装置のセンサーにより決定された回転角度位置に基づいて、基板と関連付けることができる。これらの基板温度は温度制御装置へと送られる。温度制御装置は平均値を決定するために基板温度を使用する。平均値と所望の温度との関係は決定する。温度制御装置は各流量制御部に送られた出力信号を提供する。そのため、ガスクッションを構成するガスの流れは個々に制御できる。まとめると、制御は、温度が基板ホルダーの回転速度の最小値以下にならないことにより実行される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
発明の実施例は、添付される図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
ＣＶＤ反応器は基板ホルダー運搬装置１により形成される土台を有するプロセスチャンバーを具備する。プロセスチャンバーカバー１０は、基板ホルダー運搬装置１から離れており、基板ホルダー２のほぼ中央に位置する穴１４を有し、基板ホルダー運搬装置１上で衛星状に配置される。
【００２１】
基板ホルダー２は円柱状ディスクの形状であり、流れの経路６を通して送られる個々のガスの流れにより形成されるガスクッション８上に載置され、基板ホルダー２の各受け取りチャンバーでは、排気弁の土台に、らせん状の溝７を通ってガスが流れてくる。
【００２２】
基板ホルダー運搬装置１も回転する。基板ホルダー２の外側の壁には、窓５があり、窓５は各基板ホルダー２に設置してあり、回転速度測定装置４は、窓５を通して、基板ホルダー２の外周部刻まれた目盛りを、光学的に判読することで基板ホルダー２の回転速度を決定する。
【００２３】
各基板ホルダー２に連結する、ガス流量制御のためのＭＦＣ１−ＭＦＣ５のガス供給ラインがある。
【００２４】
前記穴１４には、温度測定装置３が付設される。これは高温計でもよい。高温計３により提供された測定値は、測定値倍数器１２へと送られる。測定値倍数器は、回転角センサー（図示されていない）より、基板ホルダー運搬装置の現在の回転角についての情報を受け取ることにより、温度測定装置３により測定した各基板表面温度Ｔ１−Ｔ５が、基板ホルダー２又は、その上に載置されている基板９と関連付けられるようになる。
【００２５】
各基板表面温度Ｔ１−Ｔ５は、温度測定装置１３への入力変数として利用可能である。さらに入力変数を加えるならば、それは設定を所望する温度値Ｔｄｅｓである。温度制御装置１３は、平均値を決定するためと、この平均値をＴｄｅｓの値と一致させるために、Ｔ１−Ｔ５の各基板表面温度を使用する。これは、高周波ヒーターＨＦの作動により実行可能となる。
さらに付け加えると、温度制御装置１３は、各ガスの流量制御装置ＭＦＣ１−ＭＦＣ５に制御値を送る。
【００２６】
ガス流量制御装置を通るガスの流れの大きさにより、ガスクッション８の高さが決定し、それにより、高周波ヒーターからの熱が基板ホルダー運搬装置を通して基板ホルダー２から基板９へ伝導される。ガスクッション８の高さが高くなれば、熱伝導は小さくなる。この範囲では、基板９の表面温度はガス流量変化に制御される。基板表面温度制御のために、温度制御装置は各ガス流量制御装置ＭＦＣ１−ＭＦＣ５へ各出力信号を伝える。
【００２７】
図４に示す通り、初期時刻ｔ０から時刻ｔ１の間での加熱には、ガス流量制御は必要ない。時刻ｔ０から時刻ｔ１での温度上昇の様子は図４に概略図示する。実際、終点に向かい傾きは平坦になっていく。結果的に、各基板表面温度Ｔ１−Ｔ５の初期値は、上限温度ＴＵ’と下限温度ＴＬ’との間にある、所望の温度Ｔｄｅｓに達した後に決定される。制御は時刻ｔ１から開始する。上限温度ＴＵと下限温度ＴＬの形成する温度範囲内にある各基板表面温度Ｔ１−Ｔ５まで、Ｔｄｅｓ以下の温度であれば上昇し、Ｔｄｅｓ以上の温度であれば下降するという結果になる。この幅はだいたい０．５℃から１℃である。各基板表面温度Ｔ１−Ｔ５がＴＵ−ＴＬの範囲内にあるときに時刻ｔ２に達し、結晶成長の過程は、活性化ガスを導入する既知の方法により実行できる。
【００２８】
【発明の効果】
実施例として、所望の温度は別途測定可能である。高周波ヒーターの制御で所望の温度を一定に保つことは、この測定装置により測定した測定値のみにより可能である。
【００２９】
さらに異なる実施例として、所望の温度はプロセスの途中で変更可能である。特に、窒化ガリウム（ＧａＮ）の技術（参照ＤＥ １９７ ３４ ０３４）においては、定められた温度曲線の傾きをたどる必要がある。基板温度は例えば、毎分２℃上昇したり下降したりする。この場合も、傾きをたどるために各測定値を拾い上げることにより、別々の制御回路を経由して、高周波ヒーターを作動させることが可能である。その時、ガス流量制御装置は、所望の温度と基板温度との温度差を最小限にする目的で使用され、所望の温度は高周波ヒーター作動中いつでも変更できる。複数の基板に対して、温度測定装置１つが使用される場合は、連続的ではなくむしろ間隔を置いて各基板温度を記録する。温度差は、現在時での計算により決定した所望の温度に注目すると決定できる。本発明を実施することにより、この温度差を最小限に保つことができる。この優れた装置は制御目的に利用できる。
【００３０】
開示された全ての特徴は、（本質的に）本発明に関連する。関連するかまたは追加された優先権書類（先願の複写）の開示内容は、その全てが本願の開示内容に含まれ、一部は本願の特許請求の範囲においてこれらの書類の特徴を組み込む目的で含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
回転速度測定装置付きの基板ホルダー運搬装置の概略を、平面図で図示したものである。
【図２】
ＣＶＤ反応器のプロセスチャンバーのＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。
【図３】
測定装置と制御装置の概略を図示したものである。
【図４】
ＣＶＤ反応器加熱開始時から、基板温度調整までの間の、温度−時間曲線の大まかな概略を示す。

Claims (14)

1. 基板表面温度平均値は特殊な光学的方法により測定した各基板表面温度（Ｔ１−Ｔ５）より算出でき、また、基板ホルダー運搬装置（１）で流動ガスクッションが形成され、ガスクッション（８）を構成する個々に制御されたガスの流れを調整することでガスクッション（８）の高さ調整ができ、各基板表面温度（Ｔ１−Ｔ５）の基板表面温度平均値との温度差が、予め決定した温度範囲内（ＴＵ、ＴＬ）の温度となることを特徴とする、ＣＶＤ反応器内プロセスチャンバーに載置された基板の表面温度制御方法。
2. 基板表面温度平均値を所望の基板表面温度（Ｔｄｅｓ）に調整できることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 基板ホルダー（２）がガスの流れにより回転することを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の方法。
4. 基板ホルダー（２）の回転速度が最小値以下にならないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
5. 温度測定はプロセスチャンバーカバー（１０）にある穴（１４）を通して実行されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 基板ホルダー運搬装置（１）が回転し、基板が連続的に温度測定装置を通過することにより、基板表面温度測定可能なことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
7. プロセスチャンバーは非制御ガスの流れで加熱され、また、基板表面温度平均値が所望の基板表面温度で特に安定した時のみ制御を開始することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
8. 所望の温度は温度変化に合わせて連続的に上昇又は下降するように制御され、また、各基板表面温度（Ｔ１−Ｔ５）は該所望の温度に設定可能なことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
9. 各基板ホルダー（２）と連動し、ガスクッション（８）の高さを調整することで予め決定した温度範囲内（ＴＵ、ＴＬ）の基板温度とする温度制御装置（１３）及びガス流量制御装置（ＭＦＣ１−ＭＦＣ５）は該温度制御装置により作動し、基板ホルダー（２）上に載置された全基板表面温度（Ｔ１−Ｔ５）を測定するための少なくとも１つの温度測定装置を有し、かつ基板ホルダー運搬装置（１）で流動ガスクッションが形成されることを特徴とする、複数の基板ホルダー（２）を具備するＣＶＤ反応器内基板表面温度制御装置。
10. ガスの流れにより回転する基板ホルダー（２）を具備する、請求項９に記載のＣＶＤ反応器内基板表面温度制御装置。
11. 回転する基板ホルダー運搬装置（１）を具備する、請求項９又は１０のいずれかに記載のＣＶＤ反応器内基板表面温度制御装置。
12. 各プロセスチャンバーカバー（１０）の穴（１４）上に温度測定装置１つを具備する、請求項９乃至１１のいずれかに記載のＣＶＤ反応器内基板表面温度制御装置。
13. 基板ホルダー運搬装置（１）外周部に設置の回転速度測定装置と、基板ホルダー運搬装置（１）の窓（５）に設置の基板ホルダー（２）外周部に刻まれた目盛り判読装置とを具備する、請求項９乃至１２のいずれかに記載のＣＶＤ反応器内基板表面温度制御装置。
14. １つの温度測定装置（３）と連動する測定値倍数器（１２）を具備する、請求項９乃至１３のいずれかに記載のＣＶＤ反応器内基板表面温度制御装置。