JP2014239093A

JP2014239093A - 枚葉式気相成長装置用サセプタ、枚葉式気相成長装置及びそれを用いた枚葉式気相成長方法

Info

Publication number: JP2014239093A
Application number: JP2013119522A
Authority: JP
Inventors: 孝樹輪嶋; Takaki Wajima; 吉田　知佐; Chisa Yoshida; 知佐吉田
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2013-06-06
Filing date: 2013-06-06
Publication date: 2014-12-18

Abstract

【課題】エピタキシャル層を気相成長させる高温時においても、サセプタに載置された基板の基板中心のサセプタ本体の中心に対する偏心を低コストで容易に且つ高精度に検出することができる枚葉式気相成長装置用サセプタ、枚葉式気相成長装置及びそれを用いた枚葉式気相成長方法を提供する。
【解決手段】回転させながら水平に載置された一枚の基板Ｗの表面に気相成長を行う枚葉式気相成長装置１０用サセプタ１２において、前記気相成長装置用サセプタが、サセプタ本体１６と、前記サセプタ本体の中央部に設けられ、基板Ｗが載置される載置面と側壁とが形成された凹状のザグリ部２０と、を含み、前記ザグリ部の外側の前記サセプタ本体の外周部上面であり且つ前記サセプタ本体の回転中心を中心とした同心円上に前記サセプタ本体の輻射率とは異なる輻射率を有する位置検出用マーク１８を設けるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板の表面に高品位なエピタキシャル層を気相成長させるための枚葉式気相成長装置用サセプタ、枚葉式気相成長装置及びそれを用いた枚葉式気相成長方法に関する。

半導体基板（以下基板という）であるシリコンウェーハを用いて、コンピュータのメモリや演算素子、またデジタルカメラやビデオの撮像素子等、さまざまなデバイスが作られている。特に、先端技術向けのデバイスには、シリコンウェーハの表面に気相成長によりシリコン層を堆積させたエピタキシャルシリコンウェーハ（エピウェーハ）が用いられている。エピウェーハは、１１００℃以上の高温で、TCS等の原料を気相反応させエピタキシャルシリコン層を成長させ、作られる。このエピタキシャル層の厚みや抵抗率が、デバイスの特性に大きく影響しており、できるだけウェーハ面内で均一であることが望まれている。そのような高品位なエピタキシャル層を得るためには基板を一枚ずつ成膜する枚葉式気相成長装置が使われる。

枚葉式気相成長装置では、基板を石英ブレードなどによりプロセスチャンバーに搬送し、反応を行う。基板が載置されるサセプタにはザグリ部が設けられており、搬送時に基板とザグリ部に偏心が生じると、反応時の基板外周部におけるガス流が均一にならず、膜厚分布が悪化するという問題が生じる。

基板をザグリ部に偏心なく載置して上記のような問題を解決するため、特許文献１には、CCDカメラ等を用いてサセプタの位置検出用の印を撮像し、得られた画像に基づいて基板及びサセプタの位置を検出する方法が開示されている。

しかしながら、前述のように、エピタキシャルシリコンウェーハは１１００℃以上の高温でエピタキシャルシリコン層を成長させて作製される。このような高温ではその温度と物質の輻射率に応じた輻射光が発光される。このとき、偏心を検出するための印をサセプタ上につけたとしても、物質自体が同じであればマークとサセプタにおいて輝度のコントラスト差が小さく、印を高精度に検出することができない。つまり、位置検出用の印は高温での反応で用いる装置では使用することができなかった。

特開2010-153769号公報

本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑みなされたもので、エピタキシャル層を気相成長させる高温時においても、サセプタに載置された基板の基板中心のサセプタ本体の中心に対する偏心を低コストで容易に且つ高精度に検出することができる枚葉式気相成長装置用サセプタ、枚葉式気相成長装置及びそれを用いた枚葉式気相成長方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の枚葉式気相成長装置用サセプタは、回転させながら水平に載置された一枚の基板の表面に気相成長を行う枚葉式気相成長装置用サセプタにおいて、前記気相成長装置用サセプタが、サセプタ本体と、前記サセプタ本体の中央部に設けられ、基板が載置される載置面と側壁とが形成された凹状のザグリ部と、を含み、前記ザグリ部の外側のサセプタ本体の外周部上面であり且つ前記サセプタ本体の回転中心を中心とした同心円上に前記サセプタ本体の輻射率とは異なる輻射率を有する位置検出用マークを設けたことを特徴とする。

前記位置検出用マークが、石英又はカーボン製であるのが好適である。前記位置検出用マークを石英又はカーボンで作製する場合、前記サセプタ本体は、石英又はカーボンの輻射率とは異なる輻射率で作製する。一般的には、前記サセプタ本体はその表面がSiCで覆われているため、前記位置検出用マークをSiCではない石英やカーボンとすることで、前記位置検出用マークとそれ以外のサセプタ本体の表面との輻射率が変わり、気相成長反応における高温時においても、位置検出用マークを明確に検出できるようになる。

本発明の枚葉式気相成長装置は、前記枚葉式気相成長装置用サセプタを用いた枚葉式気相成長装置であり、前記枚葉式気相成長装置用サセプタを収容し、基板に対して所定の処理を行う反応容器と、基板位置検出装置と、を含み、前記基板位置検出装置が、前記反応容器の外側に設けられ、前記サセプタ本体に設けられた前記位置検出用マークと前記枚葉式気相成長装置用サセプタのザグリ部に載置された基板の外周縁とを同時に視野に収めることが可能な撮像部と、前記撮像部によって撮像された画像の輝度から前記基板の外周縁と前記位置検出用マーク間の距離を、前記サセプタを回転させながら連続的に測定し、載置された前記基板中心の前記サセプタ本体の中心に対する偏心を算出する算出部と、を有することを特徴とする。

上記のような構成とすることにより、基板に対して所定の処理を行う反応容器と、前記反応容器内に回転可能に収容され、位置検出対象である基板が載置されるザグリ部が形成された前記枚葉式気相成長装置用サセプタとを有し、前記基板の位置を高精度に検出することが可能な位置検出機構を備えた枚葉式気相成長装置となる。本発明の枚葉式気相成長装置によれば、撮像部で位置検出用マークを検出することでザグリ部端部の位置が高精度に検出可能となり、枚葉式気相成長装置用サセプタのサセプタ本体中心に対する基板中心の偏心を低コストで容易に且つ高精度に検出することができる。

本発明の枚葉式気相成長方法は、回転させながら水平に載置された一枚の基板の表面に気相成長を行う枚葉式気相成長方法において、前記枚葉式気相成長装置を用い、前記基板中心の前記サセプタ本体の中心に対する偏心が所定の値以内の場合に気相成長を継続して行うことを特徴とする。

より具体的には、本発明の枚葉式気相成長方法は、前記枚葉式気相成長装置用サセプタを回転させながら基板の外周縁の位置を連続的に検出する工程と、前記ザグリ部の外側のサセプタ本体の外周部上面であり且つ前記サセプタ本体の回転中心を中心とした同心円上に設けられた位置検出用マークの位置を前記サセプタを回転させながら連続的に検出する工程と、検出された前記基板の外周縁及び位置検出用マークの位置の２箇所の検出位置に基づいて前記基板中心の前記サセプタ本体の中心に対する偏心を求める工程と、前記基板中心の前記サセプタ本体の中心に対する偏心が所定値以下の場合にのみ反応を続行する工程とを含む。本発明の枚葉式気相成長方法によれば、高精度にサセプタ本体中心に対する基板中心の偏心を検出しながら気相成長を行い、サセプタ本体中心に対する基板中心の偏心が規定値以下の場合のみ成長を行うことで、膜厚分布の良好な気相成長が可能となる。

本発明によれば、エピタキシャル層を気相成長させる高温時においても、サセプタに載置された基板の基板中心のサセプタ本体の中心に対する偏心を低コストで容易に且つ高精度に検出することができる枚葉式気相成長装置用サセプタ、枚葉式気相成長装置及びそれを用いた枚葉式気相成長方法を提供することができるという著大な効果を奏する。

本発明に係る枚葉式気相成長装置を示す断面概略図である。本発明に係る枚葉式気相成長装置用サセプタの一つの実施の形態を示す平面概略図である。図２の枚葉式気相成長装置用サセプタの断面概略図である。本発明に係る枚葉式気相成長装置用サセプタの別の実施の形態を示す平面概略図である。

以下に本発明の実施の形態を説明するが、これら実施の形態は例示的に示されるもので、本発明の技術思想から逸脱しない限り種々の変形が可能なことはいうまでもない。

図１において、符号１０は本発明に係る枚葉式気相成長装置を示す。枚葉式気相成長装置１０は、本発明に係る枚葉式気相成長装置用サセプタ１２を収容し、基板Ｗに対して所定の処理を行う反応容器１４と、基板位置検出装置１５と、を含み、前記基板位置検出装置１５が、前記反応容器１４の外側に設けられ、前記サセプタ本体１６に設けられた位置検出用マーク１８と前記枚葉式気相成長装置用サセプタ１２のザグリ部２０に載置された基板Ｗの外周縁２２とを同時に視野に収めることが可能な撮像部２４と、前記撮像部２４によって撮像された画像の輝度から前記基板Ｗの外周縁と前記位置検出用マーク１８間の距離を、前記サセプタ１２を回転させながら連続的に測定し、載置された前記基板Ｗ中心の前記サセプタ本体１６の中心に対する偏心を算出する算出部２６と、を有している。

本発明に係る枚葉式気相成長装置用サセプタ１２は、回転させながら水平に載置された一枚の基板Ｗの表面に気相成長を行う枚葉式気相成長装置用サセプタであり、サセプタ本体１６と、前記サセプタ本体１６の中央部に設けられ、基板Ｗが載置される載置面２８と側壁３０とが形成された凹状のザグリ部２０と、を含み、前記ザグリ部２０の外側のサセプタ本体１６の外周部上面３２であり且つ前記サセプタ本体１６の回転中心を中心とした同心円上に前記サセプタ本体１６の輻射率とは異なる輻射率を有する位置検出用マーク１８が設けられている。サセプタ本体１６はその表面がSiCで覆われている。

反応容器１４は、サセプタ１２の上部には例えば石英ガラスにより上部天板３４が作製され、反応容器１４内部は封止部材により機密に保たれている。前記上部天板３４の上部には、ヒータの熱を反射するリフレクタ（図示省略）が上部天板３４に隣接して設けられている。

前記基板位置検出装置１５は、上述のように、撮像部２４と算出部２６とを備えるが、撮像部２４は、前記リフレクタに設けられた貫通孔を介して接続されている。また、撮像部２４は筐体３６と、筐体３６内に取り付けられ、位置検出の対象である基板Ｗを撮像するカメラと、カメラのレンズ部に取り付けられたフィルタとを有している。

前記筐体３６は下部に開口部３８を有し、ザグリ部２０の端部４０と対向している。また、筐体３６に空洞を設け、例えば冷却水や窒素を空洞部に流すことで、カメラを冷却し温度上昇を低減することができる。

また、前記開口部３８とカメラの間にフィルタを設置することで、撮像部２４へ到達する光量を調節することができる。この構成により、カメラはフィルタ及びリフレクタの貫通孔を通して、反応時におけるザグリ部２０の端部４０周辺の領域を撮像できる。

さらに、カメラには算出部２６が電気的に接続されている。算出部２６によりカメラから得られる画像データの輝度が処理され、サセプタ１２中心に対する基板Ｗ中心の偏心が求められる。

このようにして、前記リフレクタの貫通孔を通して反応容器１４内のザグリ部２０端部及びその周辺がカメラにより撮像される。本発明では、サセプタ本体１６の輻射率とは異なる輻射率を有する位置検出用マーク１８を設け、その輻射率の違いによる輝度の差から、サセプタ１２中心に対する基板Ｗ中心の偏心が求められることから、基板Ｗの外周縁２２及びサセプタ本体１６に形成される位置検出用マーク１８を含む領域を撮像する必要があり、開口部の位置及び大きさは視野を確保するように、カメラの解像度はサセプタ１２中心に対する基板Ｗ中心の偏心を求める精度により決定される。

サセプタ１２にはザグリ部２０が形成されている。ザグリ部２０は真円形の凹部として構成されており基板Ｗの厚さとほぼ等しい深さを有している。

サセプタ１２は回転軸４２に支持されており、回転軸４２は駆動部に接続されている。駆動部の回転により、回転軸４２ひいてはサセプタ１２が回転することができる。

次に、位置検出用マークを形成したサセプタの一つの実施の形態を、サセプタ１２Ａとして、図２及び図３に示す。図２及び図３に示す実施の形態では、サセプタ１２Ａのサセプタ本体１６上の位置検出用マーク１８Ａは、サセプタ１２Ａの回転中心の同心円上に凹部４８をザグリ部２０の外側のサセプタ本体１６の外周部上面３２に形成し、凹部にサセプタの材質と異なる石英材により作製された位置検出用マーク１８Ａを埋め込むことで形成した。

このようなサセプタ１２Ａを設置した枚葉式気相成長装置１０の反応容器１４内に基板Ｗを搬送し、1150℃に加熱して撮像部２４のカメラで観察を行った。この場合、サセプタ１２Ａ上の位置検出用マーク１８Ａが非常に明瞭に観察され、基板Ｗの外周縁２２との距離も高精度に測定することができた。

また、位置検出用マークを形成したサセプタの別の実施の形態を、サセプタ１２Ｂとして、図４に示す。図４のように、サセプタ１２Ｂの回転中心を中心とした同心円上に離散的に複数個（図示例では３個）の位置検出用マーク１８Ｂを設けても、同様にサセプタ１２中心に対する基板Ｗ中心の偏心を求めることができる。

上記した枚葉式気相成長装置１０によるサセプタ１２中心に対する基板Ｗ中心の偏心の検出方法を説明する。

始めに、サセプタ１２中心に対する基板Ｗ中心の偏心を計算開始するための信号を枚葉式気相成長装置１０の制御部から受け取る。この信号を受け偏心の計算を開始する。あるいは、撮像された画像から反応が開始したことを判定するソフトウェアを用いて、偏心の計算を開始してもよい。

次に、位置検出用マーク１８と基板Ｗの外周縁２２を含む領域が撮像部２４で撮像される。撮像された画像からサセプタ１２中心に対する基板Ｗ中心の偏心を計算する一例を下記に具体的に説明する。

まず、画像上でサセプタ１２の径方向に基板Ｗの外周縁２２と位置検出用マーク１８を横切る軸を設定する。次に、前記軸上の各画素の輝度の大きさを抜出し、軸方向に微分を行う。

これにより、前記軸方向の輝度値の変化が大きい点では微分の絶対値が大きくなる。撮像された画像における輝度値の差が大きい点は、本発明の実施の形態にて設定した軸では、基板Ｗとサセプタ１２の境界と、位置検出用マーク１８とサセプタ１２の境界を示しており、設定した軸上における基板Ｗの外周縁２２及び位置検出用マーク１８の位置が特定できる。また、この軸をサセプタ１２の径方向と垂直な方向に複数設定し、その平均の輝度値から基板Ｗの外周縁２２及び位置検出用マーク１８の位置を特定することで、検出誤差を低減することができる。

上記の方法について、前記軸を画像上の画素の座標において固定し、カメラにより撮像する各フレームに適応することで、軸上における基板Ｗの外周縁２２の位置と、位置検出用マーク１８の位置の時間変化を求めることができる。

例えば、サセプタ１２を30rpmで回転させて気相成長を行った場合、30fpsのカメラで撮像すると、
（数１）
360[deg]*30[rpm]/60[sec]/30[frame] = 6[deg/frame]
となり、6°間隔で基板Ｗの外周縁２２と位置検出用マーク１８の位置を検出することができる。

次に、上記の処理からサセプタ1回転分の基板外周縁と位置検出用マークの位置を求め、基板外周縁と位置検出用マークの画像上での距離が最小になる時点と最大になる時点の距離をそれぞれx_max, x_minとする。ザグリ端部と位置検出用マークの距離は既知であるため、x_max, x_minからザグリ部端部と位置検出用マークの距離を引いたものをそれぞれd_min, d_maxとすると、d_minとd_maxの和は、熱膨張を考慮したザグリ部と基板の直径の差に等しいため、画像上における1画素当たりのサセプタ上の距離を概算することができる。また、ザグリ部中心に対する基板中心の偏心は、基板端部とマークの距離が最小であるd_minとなる方向に(d_max - d_min)/2の大きさだけずれていることが分かる。

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、これらは本発明を限定するものではない。

基板Ｗとしてシリコンウェーハを用いて、基板Ｗの搬送位置を表１のようにノッチ方向に故意にずらして、サセプタ１２中心に対して基板Ｗ中心を偏心させ、上記の偏心を求める手法により、サセプタ１２中心に対する基板Ｗ中心の偏心量を算出し、故意にずらした量との比較を行った。

（実施例１）
上記した図２に示したサセプタ１２Ａを収容した枚葉式気相成長装置１０（図１）を用い、サセプタ１２Ａに基板Ｗを中心から表１のように、0.5mm, 1.1mm, 1.6mmとそれぞれノッチ方向に故意にずらして載置し、反応処理を行った。サセプタ本体としてはその表面がSiCで覆われているものを使用し、位置検出用マークとしては石英材のものを埋め込んで作製した。そして、上記した偏心を求める手法でサセプタ１２中心に対する基板Ｗ中心の偏心を求めた。その結果、表１に示すように、サセプタ中心からの変位と上記した偏心を求める手法で求めた偏心の量は一致し、偏心量を高精度に求めることが出来ることが確認された。

（比較例１）
次に、比較例１について説明する。位置検出用のマークとして、サセプタにくぼみをつけただけのものを使用した。即ち、位置検出用のマークとして、サセプタ本体の輻射率とは異なる輻射率を有する位置検出用マークを設けなかった以外は実施例１と同様にして実験を行った。その結果、表１に示した通り偏心量を高精度に検出することができなかったか、若しくは、検出できても精度が悪いものとなった。

以上、本発明の実施例によれば、サセプタ本体上に前記サセプタ本体の輻射率とは異なる輻射率を有する位置検出用マークを設けることで容易かつ高精度にサセプタ中心に対する基板中心の偏心を求めることができることが確認された。

そして、本発明に係る枚葉式気相成長装置を用いて、前記基板中心の前記サセプタ本体の中心に対する偏心が所定の値以下（例えば直径３００ｍｍの基板の場合、０．３ｍｍ以下）の場合に気相成長を継続して行うようすれば、エピタキシャル層が基板の面内で均一なエピタキシャルシリコンウェーハを得ることができる。

１０：本発明に係る枚葉式気相成長装置、１２，１２Ａ，１２Ｂ：枚葉式気相成長装置用サセプタ、１４：反応容器、１５：基板位置検出装置、１６：サセプタ本体、１８，１８Ａ，１８Ｂ：位置検出用マーク、２０：ザグリ部、２２：外周縁、２４：撮像部、２６：算出部、２８：載置面、３０：側壁、３２：外周部上面、３４：上部天板、３６：筐体、３８：開口部、４０：端部、４２：回転軸、４８：凹部、Ｗ：基板。

Claims

回転させながら水平に載置された一枚の基板の表面に気相成長を行う枚葉式気相成長装置用サセプタにおいて、前記気相成長装置用サセプタが、サセプタ本体と、前記サセプタ本体の中央部に設けられ、基板が載置される載置面と側壁とが形成された凹状のザグリ部と、を含み、前記ザグリ部の外側のサセプタ本体の外周部上面であり且つ前記サセプタ本体の回転中心を中心とした同心円上に前記サセプタ本体の輻射率とは異なる輻射率を有する位置検出用マークを設けたことを特徴とする枚葉式気相成長装置用サセプタ。
前記位置検出用マークが、石英又はカーボン製であることを特徴とする請求項１に記載の枚葉式気相成長装置用サセプタ。
請求項１又は２記載の枚葉式気相成長装置用サセプタを用いた枚葉式気相成長装置であり、前記枚葉式気相成長装置用サセプタを収容し、基板に対して所定の処理を行う反応容器と、基板位置検出装置と、を含み、
前記基板位置検出装置が、前記反応容器の外側に設けられ、前記サセプタ本体に設けられた前記位置検出用マークと前記枚葉式気相成長装置用サセプタのザグリ部に載置された基板の外周縁とを同時に視野に収めることが可能な撮像部と、前記撮像部によって撮像された画像の輝度から前記基板の外周縁と前記位置検出用マーク間の距離を、前記サセプタを回転させながら連続的に測定し、載置された前記基板中心の前記サセプタ本体の中心に対する偏心を算出する算出部と、を有することを特徴とする枚葉式気相成長装置。
回転させながら水平に載置された一枚の基板の表面に気相成長を行う枚葉式気相成長方法において、請求項３記載の枚葉式気相成長装置を用い、前記基板中心の前記サセプタ本体の中心に対する偏心が所定の値以内の場合に気相成長を継続して行うことを特徴とする枚葉式気相成長方法。