JP2008195995A - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パーティクルの発生を抑制することができるとともに、設備の稼動ロスを低減できる気相成長装置を提供する。
【解決手段】ディスク２に載置された基板３の被成膜面と対向する位置に、ディスク２の中心部を中心とする同心円状に配置された複数の冷却タンク７ａ〜７ｃを備える。複数の冷却タンク７ａ〜７ｃと、ディスク２との間には、対向板８が設けられる。また、ディスク２に載置された基板３を、冷却タンク７ａ〜７ｃと対向する側から加熱するヒータ１を備える。各冷却タンク７ａ〜７ｃと対向板８との間の距離を、それぞれ独立に変更する冷却タンク駆動手段１１ａ〜１１ｃを備える。本構成により、対向板８に温度分布の温度勾配を容易に小さくすることができ、対向板８に付着した膜の剥離を抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板等に薄膜を気相成長する気相成長装置に関し、特にＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）等により、薄膜を気相成長する気相成長装置に関する。

気相成長法の１種であるＭＯＣＶＤ法は、半導体基板等の表面に、半導体膜等の薄膜をエピタキシャル成長させるために広く使用されている。図６は、ＭＯＣＶＤ法により、薄膜を形成する気相成長装置の一例を示す概略断面図である。当該気相成長装置は、反応炉６１内に、薄膜が成膜される基板主面を上方に向けた状態で基板６３を複数保持する円盤状のサセプタ６２を備える。サセプタ６２は、その中心を軸として回転可能に構成されている。各基板６３は、サセプタ６２の外周部に、周方向に沿って円状に配置される。サセプタ６２の下方には、ヒータ６５が設けられている。ヒータ６５は、独立に制御可能な略円状の複数のヒータ６５ａ〜６５ｆからなる。各ヒータ６５ａ〜６５ｆは、サセプタ６２の回転軸６４を中心とする同心円状に配置されている。また、サセプタ６２に載置された基板６３の主面と対向する反応炉６１の壁面には、反応炉６１内に原料ガスを導入するためのガス導入管６６が接続されている。

当該気相成長装置は、ヒータ６５によりサセプタ６２を加熱した状態で、ガス導入管６６から反応炉６１内に原料ガスを導入することにより成膜を行う。このとき、サセプタ６２を回転軸６４の周りに回転させることで、各基板６３の温度分布が均一化される。

また、より良質な薄膜を形成するため、より細かな温度調節が可能な構造が提案されている。例えば、特許文献１は、サセプタ６２に載置された基板６３の主面と対向する反応炉６１の壁面の外部に、冷却タンク６７を備えた気相成長装置を開示している。冷却タンク６７は、略円状の複数のタンク６７ａ〜６７ｆからなる。各タンク６７ａ〜６７ｆは、ヒータ６５ａ〜６５ｆと同様に、サセプタ６２の回転軸６４を中心とする同心円状に配置されている。各タンク６７ａ〜６７ｆ内には、冷却媒体を互いに独立して供給できるように構成されている。

当該気相成長装置では、各ヒータ６５ａ〜６５ｆのオン状態とオフ状態とを任意に設定する制御と、各冷却タンク６７ａ〜６７ｆ内に導入する冷却媒体の流量および温度の少なくとも一方を任意に設定する制御とにより、サセプタ６２上および反応炉６１上壁の温度分布を最適化する。本構成によれば、成質が良化できるとされている。
特開平１１−１８０７９６号公報

特許文献１に開示された技術によれば、種々の温度分布を実現することができる。しかしながら、気相成長では、常温から成膜温度まで基板を昇温したり、成膜温度から常温まで基板を降温したりする。また、近年の成膜では、一連の成膜処理中に成膜温度が変更されることも多い。このような状況下で使用される場合、特許文献１に開示された構造を有する気相成長装置には、以下のような課題がある。

特許文献１に開示された気相成長装置では、成膜温度が、例えば第１の温度から第２の温度に変更される場合、反応炉６１上壁の温度分布を維持するためには、冷却媒体の流量や冷却媒体の温度を変更する必要がある。この場合、各ヒータ６５ａ〜６５ｆの温度変更にともなって、冷却媒体の流量および温度を、成膜温度が第２の温度となったときに反応炉６１上壁が所望の温度分布となる条件に変更することになる。このとき、反応炉６１上壁の温度は、ヒータ６５ａ〜６５ｆの温度変更が完了した後、ある程度の時間をおいて、所望の温度になる。これは、ヒータ６５ａ〜６５ｆの温度の応答性に比べて、冷却媒体の流量や温度の変更による冷却タンク６７ａ〜６７ｆの温度の応答性が著しく遅いからである。特に、冷却媒体の温度を変更する場合には、冷却媒体の温度を変更する時間も必要になる。このため、成膜温度変更後に、直ちに薄膜の成長を開始することができず、設備の稼動ロスが発生する。

また、所望の温度分布を実現するために冷却媒体を供給しない冷却タンクを設けていた場合、当該冷却タンクに冷却媒体を供給すると、温度分布の形状が変化してしまう。このため、成膜温度変更前の反応炉６１上壁の温度分布を、成膜温度変更後に維持することが困難であることも多い。

また、特許文献１の技術では、反応炉６１の上方に冷却タンク６７を設置し、反応炉６１上壁の温度を、成膜処理中に反応炉６１上壁へ付着した反応生成物が再蒸発する温度に調整している。しかしながら、特許文献１で例示されている８０℃という温度では、反応生成物を再蒸発させることはできず、反応炉６１の上壁に反応生成物が堆積する。これは、図６に示すような気相成長装置の排気系において、排気中の反応生成物を固体化させて分離するフィルタの温度が８０℃程度に制御されている点からも明らかである。また、仮に、反応炉６１上壁の温度を８０℃よりも高い、反応生成物が再蒸発可能な温度に調整することが可能であるとしても、特許文献１には反応炉６１上壁全体をそのような温度に維持する制御方法は何ら開示されていない。したがって、特許文献１の技術では、反応炉６１の上壁への反応生成物の堆積を完全に防止することはできない。また、反応炉６１の上壁に付着した反応生成物は、反応炉６１上壁との膨張率の違いや、熱ストレスなどにより剥離を起こすと、反応炉６１内にパーティクルが発生する。特に、特許文献１の構成では、フェイスアップ（基板主面が上方を向いた状態）で成膜をしているため、パーティクルが基板６３の成膜面に付着し、膜質を低下させてしまう。

さらに、特許文献１に記載された技術では、主として、冷却媒体を供給する冷却タンクと、冷却媒体を供給しない冷却タンクとを混在させることにより、所望の温度分布を得ている。このため、冷却媒体を供給している冷却タンクに対応する反応炉６１の上壁と、冷却媒体を供給しない冷却タンクに対応する反応炉６１の上壁との温度差が大きく、温度分布の温度勾配が大きくなっている。このような温度勾配が大きな箇所では、反応炉６１の上壁に堆積する膜（反応生成物）に熱ストレスが作用し易く、剥離がより発生しやすい状態になる。

加えて、近年、原料ガスが、基板に到達するまでに分解して消費されることを抑制するために、原料ガスが導入される反応炉６１の中心部の温度を周縁部の温度よりも低温にする温度分布も使用されている。このような状況下であっても、基板の成膜面と対向する面の温度分布を一定に維持したい場合や、所定の温度勾配を有する温度分布を実現することが求められている。反応炉６１上壁にそのような温度分布を実現する制御方法が開示されていない特許文献１の気相成長装置では、このような要求を満たすことは困難である。

本発明は、上記従来の事情を鑑みて提案されたものであって、パーティクルの発生を抑制することができるとともに、設備の稼動ロスを低減できる気相成長装置を提供することを目的としている。

上記従来の課題を解決するために、本発明は以下の技術的手段を採用している。
まず、本発明は、反応炉内において、円盤状のディスクの外周部に基板を保持するとともに、加熱された前記基板の表面に、前記ディスクの中心部から外周部に向けて原料ガスを供給し、熱化学反応により薄膜を形成する気相成長装置を前提としている。そして、本発明に係る気相成長装置は、ディスクに載置された基板の被成膜面と対向する位置に、ディスクの中心部を中心とする同心円状に配置された複数の冷却タンクを備える。複数の冷却タンクと、ディスクとの間には、対向板が設けられる。また、ディスクに載置された基板を、冷却タンクと対向する側から加熱する加熱手段を備える。各冷却タンクと対向板との間の距離を、それぞれ独立に変更する冷却タンク駆動手段を備える。なお、各冷却タンクと対向板との間の距離の最小値はゼロであることが好ましい。

本構成によれば、冷却タンクと対向板との距離を変更することにより対向板の温度分布を容易に調整することができる。なお、上記冷却タンクは対向板と対向する平面を有し、その平面が対向板と平行な状態で、上記距離が変更されることが好ましい。また、上記ディスクの、基板が載置された領域および当該領域よりもディスク中心側の領域と対向する領域に、１つの冷却タンクが配置されることが好ましい。

また、上記構成の気相成長装置は、各冷却タンクと対向板との距離を調整することにより、対向板の温度分布を制御する温度制御手段をさらに備えてもよい。加えて、各冷却タンク内に供給する冷却媒体の流量を調整する冷媒流量調整手段、または、各冷却タンク内に供給する冷却媒体の温度を調整する冷媒温度調整手段をさらに備え、上記温度制御手段が、上記距離の調整に加えて、冷却媒体の流量または温度の少なくとも一方を調整することにより、対向板の温度分布を制御してもよい。これにより、より広い温度範囲において温度分布を調整することができる。

また、上記気相成長装置は、各冷却タンクと対向する位置の対向板の温度を計測する温度計測手段をさらに備えてもよい。この場合、上記温度制御手段は、温度計測手段に計測される各温度が所定の温度範囲内となる状態に、対向板の温度分布を調整する。

本発明によれば、成膜中に、基板主面と対向する面に付着する膜の剥離を抑制する温度分布を容易かつ速やかに実現することができる。この結果、反応炉内、特に、基板主面の近傍でのパーティクルの発生を抑制することができ、基盤主面に成膜される膜の膜質低下を防止することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下の実施形態では、ＭＯＣＶＤ法により薄膜を成長する気相成長装置として、本発明を具体化している。また、以下の気相成長装置は、フェイスダウン自公転多数枚気相成長装置である。

（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る第１の実施形態における気相成長装置を示す概略断面図である。
気相成長装置１０は、気密構造を有する円筒状の反応炉１を備える。反応炉１の中心には、反応炉１の上壁を通じてシャフト４が回転可能に設けられている。シャフト４の先端には、シャフト４を中心とする円盤状のディスク２が固定されている。ディスク２は、周方向に沿って複数のホルダ２１を外周部に備える。各ホルダ２１には、成膜対象の半導体基板等の基板３が、フェイスダウン（成膜面を下方に向けた状態）で保持される。各ホルダ２１は、ディスク２の回転面と平行な面内で、ディスク２に対して回転可能に配設されている。ホルダ２１の外周には外歯２２が形成されており、反応炉１の内壁には、ディスク２の周方向に沿って、外歯２２と噛み合う内歯２３を備えた歯車が固定されている。したがって、ディスク２がシャフト４を回転軸として回転（公転）すると、ホルダ２１がディスク２に対して回転（自転）する。

ディスク２の上方には、基板３を加熱するためのヒータ５が設置されている。従来の気相成長装置と同様に、ヒータ５は、複数の略円状のヒータ５ａ〜５ｆからなる。各ヒータ５ａ〜５ｆは、シャフト４を中心とする同心円状に配置されている。各ヒータ５ａ〜５ｆは、互いに独立して温度制御を行うことが可能である。例えば、各ヒータ５ａ〜５ｆは、カーボンヒータやランプヒータ等で構成される。

また、ディスク２の下方には、反応炉１の下部を冷却するための下部フランジ１５が設けられている。下部フランジ１５の上端には、下部フランジ１５の上面を覆う状態で円盤状の対向板８が着脱可能に設置されている。特に限定されないが、対向板８の材質には、石英やカーボン等を採用することができる。下部フランジ１５の内部には、ディスク２の回転軸を中心とする同心円状に分割された複数の冷却タンク７が配置されている。本実施形態では、下部フランジ１５内に、内側冷却タンク７ａ、中央冷却タンク７ｂ、外側冷却タンク７ｃの３つのドーナツ状の冷却タンクが配置されている。なお、各冷却タンク７ａ〜７ｃは、完全なドーナツ形状である必要はなく、周方向の一部が途切れたＣ型の形状であってもよい。

また、図１に示すように、中央冷却タンク７ｂは、ディスク２の、基板３が載置された領域および当該領域よりもディスク２の中心側の領域と対向する領域に配置されている。すなわち、中央冷却タンク７ｂの内径は、ディスク２の中心から基板３の最近点までの距離よりも小さく、外径は、ディスク２の中心から基板３の最遠点までの距離よりも大きい。また、中央冷却タンク７ｂは、ディスク２の中心から基板３の中心までの距離よりも外周側の幅に比べて、ディスク２の中心から基板３の中心までの距離よりも中心側の幅の方が大きくなっている。

また、本実施形態では、各冷却タンク７ａ〜７ｃは、断面が矩形形状に構成されている。そして、その上面が、対向板８の下面（以下、裏面という。）と平行な状態に配置されている。各冷却タンク７ａ〜７ｃには、冷却タンク７ａ〜７ｃ内に冷却媒体を供給する冷媒供給管１２、および冷媒排出管１３が接続されている。なお、図１では、冷却タンク７ａに接続された冷媒供給管１２ａと冷媒排出管１３ａ、冷却タンク７ｂに接続された冷媒供給管１２ｂと冷媒排出管１３ｂをのみを示している。特に限定されないが、冷却媒体として例えば水を使用することができる。

さて、本実施形態の気相成長装置１０では、各冷却タンク７ａ〜７ｃは、互いに独立して昇降可能に構成されている。本実施形態では、各冷却タンク７ａ、７ｂ、７ｃが、それぞれ、冷却タンク駆動手段１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）を備えている。冷却タンク駆動手段１１は、例えば、電動シリンダ等により構成することができる。各冷却タンク駆動手段１１ａ〜１１ｃの駆動軸１７（１７ａ、１７ｂ、１７ｃ）の先端は対応する冷却タンク７ａ〜７ｂの底部に固定されている。また、各冷却タンク７ａ〜７ｃには、それぞれ少なくとも２つの駆動軸１７が固定されており、これらの駆動軸１７が同期して昇降することで、各冷却タンク７ａ〜７ｃの上面が対向板８の裏面に対して平行な状態で各冷却タンク７ａ〜７ｃが昇降するようになっている。本実施形態では、各冷却タンク７ａ〜７ｃの上下可動範囲は、０ｍｍ〜５０ｍｍ（冷却タンク７ａ〜７ｃの上面が対向板８の裏面に接する状態が０ｍｍ、下降方向が正方向）になっている。なお、本実施形態では、駆動軸１７、冷媒供給管１２、冷媒排出管１３が昇降した場合にも、下部フランジ１５の気密状態が維持できるように、駆動軸１７、冷媒供給管１２、冷媒排出管１３は、その外周にベローズ１６を備えている。ここでは、ベローズ１６は、一端が冷却タンク７ａ〜７ｃの下面に固定され、他端が下部フランジ１５の底面に固定されている。このため、対向板８の装着不良等により、下部フランジ１５内にプロセスガスが侵入した場合であっても、プロセスガスは装置外へ放出されない。また、冷却タンク駆動手段１１は、各冷却タンク７ａ〜７ｃを昇降可能な任意の構成を採用することができる。

対向板８裏面の、各冷却タンク７ａ〜７ｃと対応する位置には、対向板８の裏面温度を測定するため温度計測手段１４が設けられている。ここでは、内側熱電対１４ａ、中央熱電対１４ｂ、外側熱電対１４ｃがそれぞれ配置されている。本実施形態では、各熱電対１４ａ〜１４ｃが計測した対向板８の裏面温度と、各温度測定位置に対応する対向板８表面側温度の対応関係が予め取得されている。したがって、対向板８裏面の温度を計測することにより、対向板８表面の温度を取得することができる。なお、各熱電対１４ａ〜１４ｃは、冷却タンク７の下面側から、図示を省略している空間を通じて、対向板８の裏面に到達している。

また、反応炉１内に原料ガスを導入するガス導入管６は、対向板８の中心に配設されている。また、反応炉１の外周下部には、反応炉１内を排気する排気管９が接続されている。

以上の構成を有する気相成長装置１０において、成膜を行う場合、従来と同様に、各ヒータ５ａ〜５ｆの発熱量が互いに独立して設定される。ここでは、ディスク２の中心部が、ホルダ２１が配置された位置（外周部）よりも低温になる状態に調整される。このような温度分布を実現することにより、ガス導入管６から原料ガスがホルダ２１に到達する前に分解して消費されることを防止することができる。また、ホルダ２１の近傍で原料ガスを効率良く分解することができる。

当該状態で、ガス導入管６から反応炉１内に原料ガスが導入されると、対向板８上に反応生成物が堆積する。例えば、原料ガスとして、フォスフィンガス、アルシンガス、有機金属などを使用し、基板温度を６００〜７００℃程度として成膜を行う場合、対向板８表面の温度が２５０〜３５０℃程度（裏面温度が１２０〜２００℃程度）であれば、対向板８表面に剥離し難い膜を堆積させることができる。これは、このような条件下では、対向板８上に熱分解した状態で反応ガスが流れ、フォスフィン系の反応膜が対向板８上に緻密に成長するためである。また、上述したように、対向板８に堆積した膜の剥離を抑制する観点では、対向板８の温度分布の温度勾配が小さいことが好ましい。なお、対向板８に堆積した反応生成物の剥離をより抑制する観点では、対向板８の表面を予め粗らすことで表面積を大きくしてもよい。

本実施形態の気相成長装置１０は、そのような対向板８の温度分布を、各冷却タンク７ａ〜７ｃを昇降させることにより速やかに実現する。まず、対向板８の温度分布が各熱電対１４ａ〜１４ｃにより計測される。

例えば、対向板８裏面の上記目標温度よりも、各熱電対１４ａ〜１４ｃにより計測された温度が大きく、温度差も大きい場合、まず、各冷却タンク７ａ〜７ｃと対向板８裏面との距離がゼロに設定される。すなわち、各冷却タンク７ａ〜７ｃの上面が対向板８の裏面に接触する。その結果、対向板８の温度は、冷却タンク７ａ〜７ｃによる冷却作用により急速に低下する。そして、各熱電対１４ａ〜１４ｃにより計測された温度が目標温度に近づくと、各冷却タンク７ａ〜７ｃが下降する。このとき、各冷却タンク７ａ〜７ｃと対向板８裏面との距離（ここでは、上下方向の位置）は、各熱電対１４ａ〜１４ｃにより計測された温度と目標温度との差に応じて設定される。すなわち、計測された温度と目標温度との差が比較的大きい熱電対１４に対応する冷却タンク７は、冷却タンク７上面と対向板８裏面の距離が小さく設定され、計測された温度と目標温度との差が比較的小さい熱電対１４に対応する冷却タンク７は、冷却タンク７上面と対向板８裏面の距離が大きく設定される。

一方、対向板８裏面の上記目標温度よりも、各熱電対１４ａ〜１４ｃにより計測された温度が小さく、温度差も大きい場合、各冷却タンク７ａ〜７ｃと対向板８裏面との距離は最も離れた状態に設定される。このとき、対向板８は、冷却タンク７ａ〜７ｃによる冷却作用をほとんど受けないため、対向板８の温度は急速に上昇する。そして、各熱電対１４ａ〜１４ｃにより計測された温度が目標温度に近づくと、各冷却タンク７ａ〜７ｃが上昇する。このとき、各冷却タンク７ａ〜７ｃと対向板８裏面との距離は、各熱電対１４ａ〜１４ｃにより計測された温度と目標温度との差に応じて設定される。すなわち、計測された温度と目標温度との差が比較的大きい熱電対１４に対応する冷却タンク７は、冷却タンク７上面と対向板８裏面の距離が大きく設定され、計測された温度と目標温度との差が比較的大きい熱電対１４に対応する冷却タンク７は、冷却タンク７上面と対向板８裏面の距離が小さく設定される。

以上のように、各冷却タンク７ａ〜７ｃの位置を計測された対向板８裏面の温度に基づいて調整することにより、上述の温度範囲に属し、かつ温度勾配（温度差）が小さくなる状態に、対向板８裏面の温度が調整される。

以上説明したように、本構成によれば、冷却タンク７ａ〜７ｃ上面と対向板８裏面との距離を変更することが可能である。このため、冷却媒体の流量や冷却媒体の温度を変更することなしに、対向板８に対する各冷却タンク７ａ〜７ｃの冷却作用を変化させることができる。特に、対向板８の裏面に接触した状態と、冷却タンク７ａ〜７ｃが対向板８の裏面から離れた状態では、対向板８に対する冷却作用を著しく変化させることができる。このため、対向板８の温度を従来に比べて速やかに変更することができる。

また、上述したように、本実施形態の気相成長装置１０では、中央冷却タンク７ｂが、ディスク２の、基板３が載置された領域および当該領域よりもディスク２の中心側の領域と対向する領域に配置されている。すなわち、対向板８において、熱分解された原料ガスによる成膜が実施される領域と対向する領域が、１つの冷却タンク７ｂによって冷却されている。当該領域は、原料ガスを安定して熱分解するため、ほぼ一定の温度となる状態に加熱されている。このため、熱分解された原料ガスによる成膜が実施される領域と対向する領域を１つの冷却タンク７ｂによって冷却することにより、当該領域に対応する対向板８表面の温度分布の温度勾配を極めて小さくすることができる。

以上のようにして、対向板８および基板３の温度調整が完了すると、反応炉１内にガス供給管６から原料ガスが供給され、成膜が開始される。このとき、ディスク２はシャフト４の回転にともなって回転する。また、ディスク２の回転にともなって、ホルダ２１がディスク２上で回転する。なお、成膜に使用されなかった未反応の原料ガスは、排気管９を通じて反応炉１の外部に排出される。

本構成によれば、冷却媒体を供給する冷却タンクと冷却媒体を供給しない冷却タンクを混在させる、または、各冷却タンクに供給する冷却媒体の流量や冷却媒体の温度を調整することにより、温度分布を調整する従来方式に比べて、極めて容易かつ速やかに所望の温度分布を得ることができる。

なお、各冷却タンク７ａ〜７ｃに供給される冷却媒体の流量、および冷却媒体の温度が固定である場合、各冷却タンク７ａ〜７ｃの昇降により調整できる温度範囲が制限される。このため、必要に応じて、各冷却タンク７ａ〜７ｃに供給する冷却媒体の流量や冷却媒体の温度を調整してもよい。これにより、より幅広い温度範囲における温度分布の調整と、部分的な温度の微調整が可能となる。また、気相成長装置１０の下部フランジ１５の周辺構造の差異や基板温度の変化などあらゆる状況においても、所望の対向板の温度分布を実現することができる。この結果、対向板の表面に堆積した膜の剥離を抑制でき、パーティクル発生を抑制することができる。

（第２の実施形態）
一方、近年、気相成長では、薄膜の成長中に基板温度を３００℃を超える大きな温度幅で変化させる処理が多用されている。そのような処理では、基板温度が３００℃以上の温度差で変化するような急激に昇温と降温を行う際に、対向板８の温度分布も急激に変化してしまう。対向板８に付着した反応生成物の剥離を防止するためには、このような急激な温度変化が生じる処理中に、対向板８の温度分布を維持する必要がある。

そこで、本実施形態では、このような急激な温度変化が生じる処理においても、対向板８の温度分布を維持することができる気相成長装置を説明する。図２は、本発明に係る第２の実施形態における気相成長装置を示す概略断面図である。本実施形態の気相成長装置２０は、第１の実施形態の気相成長装置１０の構成に加えて、温度制御部３１を備えている。また、冷媒供給管１２（１２ａ、１２ｂ）には、冷却媒体の供給量を調整するマスフローコントローラ１８（１８ａ、１８ｂ）が介在されている。また、図２では、図１では省略したヒータ制御手段３４を示している。他の構成は、第１の実施形態で説明した気相成長装置１０と同様であるので、同一の部位に同一の符号を付し、以下での詳細な説明を省略する。

温度制御部３１は、温度取得部３２と調整量決定部３３とを備える。温度取得部３２は、各熱電対１４ａ〜１４ｃから出力される信号を取得する。そして、取得した信号から対向板８の裏面温度を算出する。温度取得部３２は、算出した裏面温度を、調整量決定部３３に入力する。

調整量決定部３３は、ヒータ制御部３４に設定されているヒータ設定温度および温度変更時刻を取得する。そして、調整量決定部３３は、温度変更時刻よりも前に、ヒータ設定温度が変更された場合に、対向板８の裏面温度が温度取得部３２から入力された温度と同一になる、各冷却タンク７ａ〜７ｃの上下方向の位置を決定する。各冷却タンク７ａ〜７ｃの上下方向の位置は、予め登録されている対向板８の裏面温度とヒータ設定温度との関係に基づいて調整量決定部３３が算出する。

図３は、調整量決定部３３に登録されている、対向板８の裏面温度とヒータ設定温度との関係の一例を示す図である。図３では、冷却媒体の流量および冷却媒体の温度は固定されている。図３において、横軸がヒータ設定温度に対応し、縦軸が対向板８の当該冷却タンクに対応する位置の裏面温度に対応する。また、図３に菱形で示すデータ、四角で示すデータ、および丸で示すデータは、それぞれ、冷却タンクの上面と対向板８の裏面との距離が０ｍｍ、０．１６ｍｍ、０．７ｍｍである場合に対応している。なお、図３は、１つの冷却タンク７について、当該冷却タンク７に対応する熱電対１４により計測された対向板８の裏面温度と、当該熱電対１４の直上に位置するヒータの設定温度との関係を示している。例えば、冷却タンク７ｂでは、熱電対１４ｂにより計測された温度と、ヒータ５ｅの設定温度との関係になる。調整量決定部３３には、各冷却タンク７ａ〜７ｃについて、図３に示すような関係が登録されている。

図３に示すように、冷却タンク７がいずれの位置にあっても、対向板８の裏面温度はヒータ設定温度に比例して変化する。図３によれば、ヒータ設定温度が特定の温度であるときに、対向板８の裏面温度が所望温度になる冷却タンク７の上下方向の位置は１つだけ存在する。したがって、図３に示すような、冷却タンク７を異なる位置に配置したときの、対向板８の裏面温度とヒータ設定温度との関係を予め取得しておくことで、対向板８の裏面温度が所望温度となる、冷却タンク７の上下方向の位置を決定することができる。

例えば、変更後のヒータ設定温度が８５０℃であり、温度取得部３２から入力された対向板８の裏面温度が１２０℃である場合、調整量決定部３３は、０．７ｍｍを冷却タンク７の位置と決定する。このとき、調整量決定部３３は、図３に示すデータに基づいて、ヒータ設定温度が８５０℃であるときの、対向板８の裏面温度と冷却タンク７の位置との関係を示す相関式を算出する。そして、当該相関式に基づいて、対向板８の裏面温度が１２０℃になる冷却タンク７の位置を求める。

以上のようにして、ヒータ設定温度が変更されたときに、対向板８の裏面温度が温度取得部３２から入力された温度と同一になる各冷却タンク７ａ〜７ｃの位置を決定すると、調整量決定部３３は、各冷却タンク７ａ〜７ｃをその位置に移動させるための各駆動軸１７ａ〜１７ｃの駆動量を算出する。

調整量決定部３３は、上記温度変更時刻に合わせて、各駆動軸１７ａ〜１７ｃの駆動量を各冷却タンク駆動手段１１ａ〜１１ｃに入力する。これにより、ヒータ設定温度の変更にともなって、各冷却タンク７ａ〜７ｃの位置が変更される。

なお、温度取得部３２は、ヒータ設定温度が変更された後も、対向板８の裏面温度を調整量決定部３３に入力する。調整量決定部３３は、入力された温度が第１の実施形態において説明した目的とする温度範囲内に属しているか否かを確認する。また、本実施形態では、調整量決定部３３は、温度取得部３２から入力された温度の変化量を算出している。そして、現在の温度と、直前の温度変化量とに基づいて、対向板８裏面の温度が、目的とする温度範囲内から外れる可能性がある場合には、調整量決定部３３は、各冷却タンク７ａ〜７ｃの上下方向の位置を調整する。これにより、対向板８に対する各冷却タンク７ａ〜７ｃの冷却作用を変化させ、対向板８裏面の温度が、目的とする温度範囲内から外れることを防止する。このように、ヒータ温度が変化する過程で、各冷却タンク７ａ〜７ｃの位置が調整された場合でも、最終的には、各冷却タンク７ａ〜７ｃは、上述の対向板８の裏面温度とヒータ設定温度との関係に基づいて決定された位置に移動する。

以上説明したように、本実施形態によれば、急激な温度変化が生じる処理においても、各冷却タンクを速やかに適正位置に移動させることができ、対向板８の温度分布を維持することができる。この結果、対向板の表面に堆積した膜の剥離を抑制でき、パーティクル発生を抑制することができる。

ところで、第１の実施形態でも説明したように、各冷却タンク７ａ〜７ｃに供給される冷却媒体の流量、および冷却媒体の温度が固定であると、各冷却タンク７ａ〜７ｃの昇降により調整できる温度範囲が制限される。

図４は、冷却タンク７に供給する冷却媒体を異なる流量とした場合の、ヒータ温度と対向板８の裏面温度との関係を示す図である。図４では、冷却タンクの上下方向の位置および冷却媒体の温度は固定されている。図４において、横軸がヒータ温度に対応し、縦軸が対向板８の裏面温度に対応する。また、図４に菱形で示すデータ、および四角で示すデータは、それぞれ、冷却媒体の流量が、１０Ｌ／ｍｉｎ、５Ｌ／ｍｉｎである場合に対応している。なお、図３と同様に、図４は、１つの冷却タンク７について、当該冷却タンク７に対応する熱電対１４により計測された対向板８の裏面温度と、当該熱電対１４の直上に位置するヒータの設定温度との関係を示している。

図４に示すように、冷却媒体の流量がいずれの場合でも、対向板８の裏面温度はヒータ設定温度の増大にともなって上昇する。また、冷却媒体の流量を変更することにより、対向板８の裏面温度の範囲がシフトしている。したがって、冷却タンクの流量を変動させることにより、冷却タンク７の昇降により対向板８の温度を調整できる範囲を変更することができる。

このため、図３に示したような、対向板８の裏面温度とヒータ設定温度との関係を、特定の冷却媒体の流量（例えば、５Ｌ／ｍｉｎ、１０Ｌ／ｍｉｎ、１５Ｌ／ｍｉｎ等）の条件下で予め取得し、調整量決定部３３に登録することで、より広い温度範囲について、対向板８の裏面温度を調整することが可能となる。

この場合、調整量決定部３３は、ヒータ制御部３４から取得したヒータ設定温度と、温度取得部３２から入力された対向板８の裏面温度とに基づいて、まず、現在の冷却媒体の流量における、対向板８の裏面温度とヒータ設定温度との関係から上述の手順により、各冷却タンク７ａ〜７ｃの駆動量を算出する。このとき、目的の裏面温度を実現できる冷却タンクの位置が存在しない場合、調整量決定部３３は、他の冷却媒体の流量における対向板８の裏面温度とヒータ設定温度との関係から上述の手順により、各冷却タンク７ａ〜７ｃの駆動量を算出する。

そして、調整量決定部３３は、上記温度変更時刻に合わせて、各駆動軸１７の駆動量を各冷却タンク駆動手段１１に入力するとともに、各冷却タンク７に供給する冷却媒体の供給量を各マスフローコントローラ１８に入力する。これにより、ヒータ設定温度の変更にともなって、各冷却タンク７ａ〜７ｃの位置、および各冷却タンク７ａ〜７ｃへの冷却媒体の供給流量が変更される。

なお、本実施形態では、温度取得部３２が算出した対向板８の裏面温度に基づいて、温度分布を調整する構成を説明したが、対向板８の表面温度に基づいて温度分布を調整する構成であってもよい。また、上記では、冷却タンクの昇降により対向板の温度を調整できる範囲を、冷却媒体の流量を調整することで拡張したが、冷却媒体の温度を調整することでも同様に拡張可能である。

さらに、以上の構成において、温度制御部３１およびヒータ制御部３４は、例えば、専用の演算回路や、プロセッサとＲＡＭやＲＯＭ等のメモリとを備えたハードウエア、および当該メモリに格納され、プロセッサ上で動作するソフトウエア等として実現することができる。

（第３の実施形態）
上記第１の実施形態および第２の実施形態において、冷却媒体の温度を調整することでも、冷却タンクの昇降による対向板８の温度調整範囲を拡張できることを説明した。しかしながら、冷却媒体の温度を調整する場合、急激な温度変化が生じる処理では、温度変化に追従できず、対向板８の温度分布を維持することができないことも考えられる。そこで、本実施形態では、温度変化に対する追従性をより向上させることができる気相成長装置について説明する。

図５は、本発明に係る第３の実施形態の気相成長装置を示す概略断面図である。本実施形態の気相成長装置３０は、図２に示した気相成長装置２０の構成に加えて、冷却媒体の温度を常温と異なる温度に調整するチラー等の冷媒温度調整手段４１（４１ａ、４１ｂ）を備える。また、気相成長装置３０は、冷媒温度調整手段４１によって温度調整された冷却媒体と、冷媒温度調整手段４１による温度調整がなされていない常温の冷却媒体とを選択的の冷却タンク７へ供給する切替弁４２（４２ａ、４２ｂ）を備えている。本構成によれば、温度の異なる冷却媒体を各冷却タンク７ａ〜７ｃに供給することができる。これにより、急激な温度変化を含む処理であっても、対向板８の温度分布を維持することが可能となる。

例えば、成膜の過程で、基板温度を昇温する場合には、冷媒温度調整手段４１において冷却媒体を５℃などの常温よりも低い温度に維持しておく。また、成膜の過程で、成長温度を降温する場合には、冷媒温度調整手段４１において冷却媒体を８０℃などの常温よりも高い温度に維持しておく。そして、調整量決定部３３が、上述の温度変更時刻に合わせて、各駆動軸１７の駆動量を各冷却タンク駆動手段１１に入力するときに、切替弁４２に必要に応じて切替信号を入力する。切替信号が入力されると、切替弁４２は、対応する冷却タンク７へ、冷媒温度調整手段４１による温度調整がなされていない常温の冷却媒体に代えて、冷媒温度調整手段４１によって温度調整された冷却媒体を供給する。これにより、ヒータ設定温度の変更にともなって、各冷却タンク７ａ〜７ｃの位置、および各冷却タンク７ａ〜７ｃへ供給される冷却媒体の温度が変更される。すなわち、基板温度を昇温する場合には、常温よりも低い温度の冷却媒体が供給されるため、ヒータの急激な温度上昇にともなう、対向板８の温度上昇をより抑制することができる。また、基板温度を降温する場合には、常温よりも高い温度の冷却媒体が供給されるため、ヒータの急激な温度低下にともなう、対向板８の温度低下をより抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、急激な温度変化に対する追従性を向上させることができる。この結果、急激な温度変化が生じる処理においても、対向板の表面に堆積した膜の剥離を抑制でき、パーティクル発生を抑制することができる。

なお、本発明は以上で説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲において、種々の変形および応用が可能である。例えば、上記各実施形態では、フェイスダウン方式の気相成長装置に適用した事例を説明した。しかしながら、本発明は、フェイスアップ方式の気相成長装置にも適用可能である。なお、フェイスアップ方式の場合、例えば、図６に示したように、基板主面に反応炉の上壁が対向する。この場合、反応炉の上壁が対向板になる。

本発明は、基板主面近傍でのパーティクルの発生を抑制し、膜質低下を防止できるという効果を有し、気相成長装置として有用である。

本発明の第１の実施形態における気相成長装置を示す概略断面図 本発明の第２の実施形態における気相成長装置を示す概略断面図 対向板裏面温度と冷却タンクと対向板の距離の関係を示す図 対応板裏面温度と冷却タンクの媒体供給流量の関係を示す図 本発明の第３の実施形態における気相成長装置を示す概略断面図 従来の気相成長装置を示す概略断面図

符号の説明

１ 反応炉
２ ディスク
３ 基板
４ シャフト（回転軸）
５ ヒータ（加熱手段）
６ ガス導入管
７、７ａ、７ｂ、７ｃ 冷却タンク
８ 対向板
９ 排気口
１０、２０、３０ 気相成長装置
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ 冷却タンク駆動手段
１２、１２ａ、１２ｂ 冷媒供給管
１３、１３ａ、１３ｂ 冷媒排出管
１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 熱電対（温度計測手段）
１５ 下部フランジ
１６ ベローズ
１７、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ 駆動軸
１８、１８ａ、１８ｂ マスフローコントローラ（冷媒流量調整手段）
２１ ホルダ
３１ 温度制御部（温度制御手段）
３２ 温度取得部
３３ 調整量決定部
４１、４１ａ、４１ｂ 冷媒温度調整手段
４２、４２ａ、４２ｂ 切替弁

Claims (7)

1. 反応炉内において、円盤状のディスクの外周部に基板を保持するとともに、加熱された前記基板の表面に、前記ディスクの中心部から外周部に向けて原料ガスを供給し、熱化学反応により薄膜を形成する気相成長装置において、
   前記ディスクに載置された基板の被成膜面と対向する位置に、前記ディスクの中心部を中心とする同心円状に配置された複数の冷却タンクと、
   前記複数の冷却タンクと、前記ディスクとの間に設けられた対向板と、
   前記ディスクに載置された基板を、前記冷却タンクと対向する側から加熱する手段と、
   前記各冷却タンクと前記対向板との間の距離を、それぞれ独立に変更する手段と、
   を備えたことを特徴とする気相成長装置。
2. 前記冷却タンクは前記対向板と対向する平面を有し、当該平面が前記対向板と平行な状態で、前記距離が変更される請求項１記載の気相成長装置。
3. 前記ディスクの、基板が載置された領域および当該領域よりもディスク中心側の領域と対向する領域に、１つの前記冷却タンクが配置された請求項１記載の気相成長装置。
4. 前記距離の最小値がゼロである請求項１記載の気相成長装置。
5. 前記各冷却タンクと前記対向板との距離を調整することにより、前記対向板の温度分布を制御する制御手段をさらに備えた、請求項１から４のいずれか１項に記載の気相成長装置。
6. 前記各冷却タンク内に供給する冷却媒体の流量を調整する手段、または前記各冷却タンク内に供給する冷却媒体の温度を調整する手段をさらに備え、
   前記制御手段が、前記距離の調整に加えて、前記冷却媒体の流量、または冷却媒体の温度を調整することにより、前記対向板の温度分布を制御する請求項５記載の気相成長装置。
7. 前記各冷却タンクと対向する位置の前記対向板の温度を計測する手段をさらに備え、
   前記制御手段が、前記計測される各温度が所定の温度範囲内となる状態に、前記対向板の温度分布を制御する請求項５または６記載の気相成長装置。

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