JP2009283904A - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】基板を安定して高速回転することのできる成膜装置を提供する。また、基板を安定して高速回転させながら、基板上に膜を形成することのできる成膜方法を提供する。
【解決手段】成膜装置１００は、シリコンウェハ１０１を支持するサセプタ１０２と、サセプタ１０２を回転させるとともに、サセプタ１０２により上部が覆われてＰ２領域を形成する回転部１０４とを有する。サセプタ１０２には、シリコンウェハ１０１との接触面１０５に複数の孔１０６が設けられており、Ｐ２領域内の気体を排気することにより、シリコンウェハ１０１をサセプタ１０２に吸着させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、成膜装置および成膜方法に関する。
従来より、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)等のパワーデバイスのように、比較的膜厚の大きい結晶膜を必要とする半導体素子の製造には、エピタキシャル成長技術が活用されている。
膜厚の大きなエピタキシャルウェハを高い歩留まりで製造するには、均一に加熱されたウェハの表面に新たな原料ガスを次々に接触させて成膜速度を向上させる必要がある。そこで、ウェハを高速で回転させながらエピタキシャル成長させることが行われている（例えば、特許文献１参照。）。
特許文献１では、ウェハを支持するサセプタがサセプタ支えに嵌着されており、サセプタ支えに接続する回転軸が回転することによって、ウェハが回転するようになっている。しかしながら、ウェハはサセプタ上に載置されるだけの構造であるため、回転数が高くなるとウェハがずれるおそれがあった。
また、エピタキシャル成長を行う際には、成膜室内の圧力が所定の圧力に調圧される。
しかしながら、ウェハを介して実質的に密閉されたサセプタ支え内の圧力の方が高くなるとウェハがサセプタからずれるおそれもあった。
さらに、ウェハは、裏面から加熱されて表面にエピタキシャル膜が形成されるが、加熱により表面側に向かって凹状に反ってしまう。このため、高速でウェハを回転させると、サセプタからウェハがずれやすくなるおそれもあった。
特開平５−１５２２０７号公報
上述したように、上述した原因によってウェハがサセプタからずれると、ウェハへの成膜が行えなくなり、エピタキシャルウェハの生産歩留まりが大きく低下する結果となるため、ウェハをサセプタからずれ難くすることが急務となっていた。
本発明は、こうした課題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、基板を安定して高速回転することのできる成膜装置を提供することにある。
また、本発明の目的は、基板を安定して高速回転させながら、基板上に膜を形成することのできる成膜方法を提供することにある。
本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。
本発明の第１の態様は、成膜室内に搬入される基板に成膜処理を行う成膜装置であって、基板を支持する支持部と、支持部を回転させるとともに、支持部により上部が覆われて中空領域を形成する回転部と、中空領域に配置され、支持部を介して基板を加熱する加熱部と、中空領域内の気体を排気する排気手段とを備えており、支持部には、基板との接触面に複数の孔が設けられていて、中空領域内の気体を排気することにより、基板を支持部に吸着させることを特徴とする成膜装置に関する。
支持部の基板との接触面は、外縁部から中央部に向かって傾斜する凹状であることが好ましい。
排気手段は、成膜室内の圧力を制御する制御手段に接続していることが好ましい。
支持部と基板の摩擦力が基板に働く遠心力より大きくなるように、成膜室内と中空領域の差圧と、孔の数とが設定されることが好ましい。
本発明の第２の態様は、成膜室内に載置された基板の上に膜を形成する成膜方法であって、成膜室内に基板を搬入して、表面に複数の孔が設けられた支持部の上に基板を載置する工程と、支持部を介して基板を回転させながら加熱する工程と、基板が所定の温度に到達した後に、支持部によって成膜室と実質的に隔てられた空間の気体を排気することにより、基板を支持部に吸着させる工程とを有することを特徴とする成膜方法に関する。
所定の温度は成膜温度であることが好ましい。
基板を支持部に吸着させる工程では、空間内の圧力を最高で成膜室内の圧力の９５％まで減圧することが好ましい。
本発明の第２の態様は、基板の表面に原料ガスを供給する工程を有することができる。この場合、基板を支持部に吸着させる工程は、基板が所定の温度に到達し、さらに基板が原料ガスが層流状態となる回転数に到達した後に行われる。
支持部によって成膜室と実質的に隔てられた空間の圧力は、成膜室の圧力に応じて変化することが好ましい。
支持部と基板の摩擦力が基板に働く遠心力より大きくなるように、成膜室内と、支持部によって成膜室と実質的に隔てられた空間の差圧と、孔の数とが設定されることが好ましい。
本発明の第１の態様によれば、支持部の基板との接触面に複数の孔を設け、中空領域内の気体を排気することにより基板を支持部に吸着させるので、基板を安定して高速回転することのできる成膜装置とすることができる。
本発明の第２の態様によれば、基板が所定の温度に達した後に、支持部によって成膜室と実質的に隔てられた空間の気体を排気することにより、基板を支持部に吸着させるので、基板を安定して高速回転させながら、基板上に膜を形成することのできる成膜方法が提供される。
本実施の形態の成膜装置の断面図である。 本実施の形態でサセプタにウェハを載置した状態を示す断面図である。 本実施の形態でサセプタを上方から見た図である。 本実施の形態のサセプタの一部拡大断面図である。 本実施の形態の成膜方法を示すフローチャートである。 本実施の形態の成膜工程の経過時間とウェハの表面温度および回転数との関係を示したグラフである。 本実施の形態でシリコンウェハをサセプタに吸着させる様子を示した断面図である。 本実施の形態で、Ｐ１領域とＰ２領域の差圧と、シリコンウェハとサセプタの摩擦力との関係の一例を示す図である。 本実施の形態で、シリコンウェハの回転数と、シリコンウェハに働く遠心力との関係の一例を示す図である。
図１は、本実施形態における枚葉式の成膜装置１００の模式的な断面図である。本実施の形態においては、基板としてシリコンウェハ１０１を用いる。但し、これに限られるものではなく、場合に応じて、他の材料からなるウェハなどを用いてもよい。
成膜装置１００は、成膜室としてのチャンバ１０３を有する。
チャンバ１０３の上部には、加熱されたシリコンウェハ１０１の表面に結晶膜を成膜するための原料ガスを供給するガス供給部１２３が設けられている。また、ガス供給部１２３には、原料ガスの吐出孔が多数形成されたシャワープレート１２４が接続している。シャワープレート１２４をシリコンウェハ１０１の表面と対向して配置することにより、シリコンウェハ１０１の表面に原料ガスを供給できる。
チャンバ１０３の下部には、反応後の原料ガスを排気するガス排気部１２５が複数設けられている。ガス排気部１２５は、調整弁１２６および真空ポンプ１２７からなる排気機構１２８に接続されている。排気機構１２８は、制御機構１１２により制御されてチャンバ１０３内を所定の圧力に調整する。
チャンバ１０３の内部には、支持部としてのサセプタ１０２が、回転部１０４の上に設けられている。
回転部１０４は、円筒部１０４ａと回転軸１０４ｂを有している。回転軸１０４ｂには、図示しないモータによって回転し、これにより、サセプタ１０２が円筒部１０４ａを介して回転する。
図１において、円筒部１０４ａは、上部が解放された構造であるが、サセプタ１０２が設けられることにより、上部が覆われて中空領域（以下、Ｐ２領域と称す。）を形成する。ここで、チャンバ１０３内をＰ１領域とすると、Ｐ２領域は、サセプタ１０２によって実質的にＰ１領域と隔てられた領域となる。
Ｐ２領域には、サセプタ１０２を介してシリコンウェハ１０１を裏面から加熱するインヒータ１２０とアウトヒータ１２１が設けられている。加熱によって変化するシリコンウェハ１０１の表面温度は、チャンバ１０３上部に設けられた放射温度計１２２によって計測される。尚、シャワープレート１２４を透明石英製とすることによって、放射温度計１２２による温度測定がシャワープレート１２４で妨げられないようにすることができる。計測した温度データは、図示しない制御機構に送られた後、インヒータ１２０およびアウトヒータ１２１の出力制御にフィードバックされる。これにより、シリコンウェハ１０１を、その面内での温度分布が均一となるように加熱できる。
回転部１０４は、チャンバ１０３外まで延設された回転軸１０４ｂが図示しない回転機構と接続しており、シリコンウェハ１０１と直交する中心線を軸として所定の回転数で回転する。これにより、サセプタ１０２を回転させることができ、ひいてはサセプタ１０２に支持されたシリコンウェハ１０１を回転させることができる。
回転部１０４には、Ｐ２領域内の気体を排気するための排気手段である排気管１０７が設けられている。排気管１０７は、回転軸１０４ｂ内に設けられた略円筒状の石英製のシャフト１０８の内部を通り、チャンバ１０３外に設けられた調整弁１０９と真空ポンプ１１０とからなる排気機構１１１に接続する。
図２は、サセプタ１０２にシリコンウェハ１０１を載置した状態を示す断面図である。また、図３は、サセプタ１０２を上方から見た図である。さらに、図４は、サセプタ１０２の一部拡大断面図である。
図２〜図４に示すように、サセプタ１０２がシリコンウェハ１０１と接触する接触面１０５には、サセプタ１０２を貫通してＰ１領域とＰ２領域とを連通する複数の孔１０６が設けられている。排気機構１１１を稼働させると、Ｐ２領域にある気体が排気されてＰ２領域の圧力がＰ１領域の圧力より低くなる。この圧力差によって、孔１０６を通じてシリコンウェハ１０１がＰ２領域側に吸い寄せられる結果、サセプタ１０２にシリコンウェハ１０１を吸着させることができる。これにより、サセプタ１０２が高速回転してもシリコンウェハ１０１を安定して支持することが可能となる。尚、排気機構１１１をＰ１領域の圧力を制御する制御機構１１２に接続することで、Ｐ２領域の圧力をＰ１領域の圧力に応じて変化させることができる。
図３では、接触面１０５の中央部近傍に集中して孔１０６を設けたが、接触面１０５の全体に等間隔で均一に分布するように設けてもよく、あるいは、接触面１０５の中心から同心円状に設けてもよい。孔１０６の直径が大きすぎたり、孔１０６の数が多すぎたりすると、回転部１０４に収容された種々の部材に由来してチャンバ１０３の内部が金属で汚染されることが懸念される。したがって、この点を考慮しつつ、シリコンウェハ１０１をサセプタ１０２に吸着できるよう孔の大きさと数を決定する。
図８は、Ｐ１領域とＰ２領域の差圧と、シリコンウェハ１０１とサセプタ１０２の摩擦力との関係の一例を示す図である。尚、この例では、サセプタ１０２に設ける孔１０６の直径を２ｍｍとしている。図８から分かるように、差圧が同じである場合、孔１０６の数が多くなるほど摩擦力は大きくなる。また、孔１０６の数が同じである場合、差圧が大きくなるほど摩擦力も大きくなる。そして、その傾向（差圧の増大に対する摩擦力の増大の割合）は、孔１０６の数が多くなるほど大きくなる。図９は、シリコンウェハ１０１の回転数と、シリコンウェハ１０１に働く遠心力との関係の一例を示す図である。図９から分かるように、回転数が同じである場合、回転部１０４の回転中心からシリコンウェハ１０１の中心までの距離が大きくなるほど遠心力は大きくなる。また、回転部１０４の回転中心からシリコンウェハ１０１の中心までの距離が同じである場合、回転数が大きくなるほど遠心力も大きくなる。そして、その傾向（回転数の増大に対する遠心力の増大の割合）は、上記中心間のずれ量が大きくなるほど大きくなる。本実施の形態では、図８および図９を参照して、摩擦力＞遠心力となるように、Ｐ１領域とＰ２領域の差圧と孔１０６の数とを設定する。
接触面１０５は、図２および図４に示すように、外縁部から中央部に向かって傾斜する凹状とすることが好ましい。これは、成膜時の加熱によってシリコンウェハ１０１が反ることを考慮したものである。すなわち、予め接触面１０５の形状を加熱後のシリコンウェハ１０１の形状としておくことによって、成膜時にシリコンウェハ１０１がサセプタ１０２から浮き上がって外れやすくなるのを防ぐことができる。例えば、８インチ（直径約２００ｍｍ）のシリコンウェハ１０１を用いる場合、サセプタ１０２外縁部の略水平の面ｈ１から、最も深い中央部ｈ２までの距離Ｈを２μｍ〜３０μｍとするのがよい。この範囲内であれば、加熱により反ったシリコンウェハ１０１の裏面に接触面１０５の表面形状を追随させることができる。
図３において、略円形の接触面１０５の直径ｄ１は、載置するシリコンウェハ１０１の直径ｄ２以上であることが好ましい。ｄ１≧ｄ２であると、シリコンウェハ１０１の外端部まで接触面１０５と接触させることができ、よりサセプタ１０２への密着度を高められる。
シリコンウェハ１０１の口径を変更する場合には、これに応じて接触面１０５の深さＨおよび直径ｄ１を適宜設定することが好ましい。
図５は、本実施の形態の成膜方法を示したフローチャートである。また、図６は、成膜工程の経過時間とシリコンウェハ１０１の表面温度および回転数との関係を示したグラフである。また、図７は、本実施の形態の成膜工程でシリコンウェハ１０１をサセプタ１０２に吸着させる様子を拡大して示した断面図である。
本実施の形態の成膜方法の一態様は、以下の手順で行われる。
まず、図２のようにサセプタ１０２の上にシリコンウェハ１０１を載置し、回転部１０４に付随させて、シリコンウェハ１０１を５０ｒｐｍ程度で回転させる（Ｓ１０１）。
次に、インヒータ１２０およびアウトヒータ１２１によってシリコンウェハ１０１を加熱する。例えば、成膜温度である１１５０℃まで徐々に加熱する（Ｓ１０２）。
放射温度計１２２による測定でシリコンウェハ１０１の温度が１１５０℃に達したことを確認した後は、徐々にシリコンウェハ１０１の回転数を上げていく。そして、シリコンウェハ１０１の回転数が３００ｒｐｍを超えたとき（Ｔ１）に、排気機構１１１を稼動させてＰ２領域の減圧を開始する（Ｓ１０３）。その後、ガス供給部１２３からシャワープレート１２４を介して原料ガスをシリコンウェハ１０１の表面に供給する。
Ｐ２領域がＰ１領域に対して減圧状態になると、図７の矢印で示すような下向きの力がシリコンウェハ１０１に働く。これにより、シリコンウェハ１０１はサセプタ１０２に吸着される（Ｓ１０４）。
シリコンウェハ１０１の温度を１１５０℃程度で維持すると、シリコンウェハ１０１は裏面を凸として反り始める。このとき、サセプタ１０２の接触面１０５を外縁部から中央部に向かって傾斜する凹状とすることにより、スムーズにシリコンウェハ１０１をサセプタ１０２に密着させることができる。したがって、例えば、サセプタ１０２を９００ｒｐｍ以上の高速で回転させても、シリコンウェハ１０１を安定して支持することが可能となる。よって、シリコンウェハ１０１がサセプタ１０２からずれてしまうのを防ぐことができる。
制御機構１１２は、Ｐ２領域の圧力が最高でＰ１領域の圧力の９５%まで減圧されるように排気機構１１１を制御することが好ましい。例えば、Ｐ１領域の圧力が７００Ｔｏｒｒであった場合には、Ｐ２領域の圧力は最高で６９０Ｔｏｒｒ程度まで減圧されるようにする。これにより、シリコンウェハ１０１に過度の力をかけることなく十分な吸着力が得られる。また、Ｐ１領域における原料ガスの流れが乱れるのを最小限にすることができる。
上述の状態で、チャンバ１０３上部に設けられたガス供給部１２３からシャワープレート１２４を介して次々に新たな原料ガスをシリコンウェハ１０１に供給することで、高い成膜速度で効率よくエピタキシャル膜を成膜させることができる（Ｓ１０５）。
このように、本実施形態の成膜装置および成膜方法を用いれば、成膜速度の向上のためにサセプタの回転数を高くする場合であっても、基板を安定して回転させることができるので、エピタキシャルウェハを高い生産歩留まりで製造することができる。
以上、具体例を参照しながら、実施の形態について説明した。本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することも構わない。
例えば、上述した本発明の実施形態の一態様では、サセプタ１０２の回転数が３００ｒｐｍを超えた時点でＰ２領域の減圧を開始するとした。これは、サセプタ１０２の回転数が３００ｒｐｍ程度になると、シリコンウェハ１０１上に流れる原料ガスが層流状態となるため、Ｐ２領域を減圧状態にしても、原料ガスの流れを乱さないためである。しかしながら、チャンバ１０３内の圧力や温度などのプロセス環境を変更することで、上記の回転数でなくともシリコンウェハ１０１上で原料ガスを層流にすることができるのであれば、Ｐ２領域の減圧を行う時機は上記例に限定されるものではない。つまり、シリコンウェハ１０１に供給される原料ガスの流れを乱さない時機にＰ２領域の減圧を行えばよい。
本発明の成膜装置の一例として、エピタキシャル成長装置について説明したが、これに限るものではなく、シリコンウェハ表面に所定の結晶膜を気相成長させるための装置であれば構わない。例えば、ポリシリコン膜を成長させることを目的とした成膜装置であっても本発明と同様の作用効果を得ることができる。
さらに、装置の構成や制御の手法など、本発明に直接必要としない部分などについては記載を省略したが、必要とされる装置の構成や、制御の手法などを適宜選択して用いることができる。
また、本発明を説明するために示した図において、説明のために必要な構成以外は省略し、縮尺等に就いても原寸大のものとは一致させず、明確に視認できるよう適宜変更した。
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての気相成長装置、および各部材の形状は、本発明の範囲に包含される。
１００…成膜装置
１０１…シリコンウェハ
１０２…サセプタ
１０３…チャンバ
１０４…回転部
１０４ａ…円筒部
１０４ｂ…回転軸
１０５…接触面
１０６…孔
１０７…排気管
１０８…シャフト
１０９、１２６…調整弁
１１０、１２７…真空ポンプ
１１１、１２８…排気機構
１１２…制御機構
１２０…インヒータ
１２１…アウトヒータ
１２２…放射温度計
１２３…ガス供給部
１２４…シャワープレート
１２５…ガス排気部

Claims (10)

  1. 成膜室内に搬入される基板に成膜処理を行う成膜装置であって、
    前記基板を支持する支持部と、
    前記支持部を回転させるとともに、前記支持部により上部が覆われて中空領域を形成する回転部と、
    前記中空領域に配置され、前記支持部を介して前記基板を加熱する加熱部と、
    前記中空領域内の気体を排気する排気手段とを備えており、
    前記支持部には、前記基板との接触面に複数の孔が設けられていて、
    前記中空領域内の気体を排気することにより、前記基板を前記支持部に吸着させることを特徴とする成膜装置。
  2. 前記支持部の前記基板との接触面は、外縁部から中央部に向かって傾斜する凹状であることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
  3. 前記排気手段は、前記成膜室内の圧力を制御する制御手段に接続していることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
  4. 前記支持部と前記基板の摩擦力が前記基板に働く遠心力より大きくなるように、前記成膜室内と前記中空領域の差圧と、前記孔の数とが設定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の成膜装置。
  5. 成膜室内に載置された基板の上に膜を形成する成膜方法であって、
    前記成膜室内に前記基板を搬入して、表面に複数の孔が設けられた支持部の上に前記基板を載置する工程と、
    前記支持部を介して前記基板を回転させながら加熱する工程と、
    前記基板が所定の温度に到達した後に、前記支持部によって前記成膜室と実質的に隔てられた空間の気体を排気することにより、前記基板を前記支持部に吸着させる工程とを有することを特徴とする成膜方法。
  6. 前記所定の温度は成膜温度であることを特徴とする請求項５に記載の成膜方法。
  7. 前記基板を前記支持部に吸着させる工程では、前記空間内の圧力を最高で前記成膜室内の圧力の９５％まで減圧することを特徴とする請求項５または６に記載の成膜方法。
  8. 前記基板の表面に原料ガスを供給する工程を有し、
    前記基板を前記支持部に吸着させる工程は、前記基板が所定の温度に到達し、さらに前記基板が前記原料ガスが層流状態となる回転数に到達した後に行われることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の成膜方法。
  9. 前記支持部によって前記成膜室と実質的に隔てられた空間の圧力を前記成膜室の圧力に応じて変化させることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の成膜方法。
  10. 前記支持部と前記基板の摩擦力が前記基板に働く遠心力より大きくなるように、前記成膜室内と、前記支持部によって前記成膜室と実質的に隔てられた空間の差圧と、前記孔の数とが設定されることを特徴とする請求項５〜９のいずれか１項に記載の成膜方法。

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