JP2015060877A - 基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度センサの汚染や損傷に起因する設備の稼働低下を抑止し、稼働効率を向上させる信頼性の高い基板処理装置を提供する。【解決手段】ＭＯＶＰＥ装置は、被処理対象である半導体基板が載置されるサセプタ２と、サセプタ２との間に間隙１０が形成されるように対向配置されるカバー板３と、カバー板３に配された、サセプタ２の温度を測定するライトパイプ４と、間隙１０をサセプタ２の端部からライトパイプ４までの間で遮断する遮断壁１１とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、基板処理装置に関する。

窒化物半導体は、高い飽和電子速度及びワイドバンドギャップ等の特徴を利用し、高耐圧及び高出力の半導体デバイスへの適用が検討されている。窒化物半導体の素子は、ＧａＮやＡｌＧａＮ、ＡｌＮ等の各種の窒化物半導体層が積層されて構成されている。これらの窒化物半導体層は、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法により成膜する。

ＭＯＶＰＥ法に用いる成膜装置（ＭＯＶＰＥ装置）は、反応室内に、被成膜対象である半導体基板が載置固定されるサセプタと、サセプタが回転自在に対向配置されるカバー板とを備える。サセプタは、成膜時には半導体基板が載置固定された状態で回転させる必要があることから、カバー板との間には間隙が形成されている。カバー板には、サセプタの温度を測定・制御するための温度センサであるライトパイプが配されている。反応室内は所定の真空状態に調節され、所期の半導体層を成膜するための原料ガスが反応室内に供給される。

特開２００１−２１０５９７号公報

ＭＯＶＰＥ装置では、カバー板に配されるライトパイプによりサセプタの裏面の温度を測定することで温度をフィードバックして温度制御が行われる。成膜時において、反応室内に供給された原料ガスがサセプタとカバー板との間隙に流れ込み、ライトパイプの表面が原料ガスで汚染される。ライトパイプが原料ガスで汚れると、温度測定を正確に行うことができなくなり、成膜異常が発生する。そのため、定期的にライトパイプのクリーニングが必要となり、甚だしくは交換を要する場合も想定される。ライトパイプのクリーニングは設備の停止を伴うため、設備の稼働効率を低下させる要因となる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、温度センサの汚染や損傷に起因する設備の稼働低下を抑止し、稼働効率を向上させる信頼性の高い基板処理装置を提供することを目的とする。

基板処理装置の一態様は、被処理対象である基板が載置される基板載置部と、前記基板載置部との間に間隙が形成されるように対向配置される遮蔽板と、前記遮蔽板に配された、前記基板載置部の温度を測定する温度センサと、前記間隙を前記基板載置部の端部から前記温度センサまでの間で遮断する遮断壁とを含む。

上記の態様によれば、温度センサの汚染や損傷に起因する設備の稼働低下を抑止し、稼働効率を向上させる信頼性の高い基板処理装置が実現する。

第１の実施形態によるＭＯＶＰＥ装置の概略構成を示す模式図である。 第１の実施形態によるＭＯＶＰＥ装置の一部を拡大して示す概略断面図である。 第１の実施形態によるＭＯＶＰＥ装置の遮断壁を示す概略斜視図である。 第１の実施形態によるＭＯＶＰＥ装置のサセプタ及びカバー板を示す概略斜視図である。 比較例及び第１の実施形態において、成膜時における原料ガスの流れを模式的に示す概略断面図である。 第１の実施形態の変形例によるＭＯＶＰＥ装置の一部を拡大して示す概略断面図である。 第２の実施形態によるＭＯＶＰＥ装置の一部を拡大して示す概略断面図である。 第２の実施形態の変形例によるＭＯＶＰＥ装置の一部を拡大して示す概略断面図である。

以下、基板処理装置の好適な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態では、基板処理装置として、成膜装置であるＭＯＶＰＥ装置を例示する。
図１は、本実施形態によるＭＯＶＰＥ装置の概略構成を示す模式図である。図２は、ＭＯＶＰＥ装置の一部を拡大して示す概略断面図である。図３は、ＭＯＶＰＥ装置における遮断壁を示す概略斜視図、図４はサセプタ及びカバー板を示す概略斜視図である。

本実施形態によるＭＯＶＰＥ装置は、反応室１内に、被成膜対象である半導体基板１２が載置固定されるサセプタ２と、サセプタ２が回転自在に対向配置されるカバー板３とを備える。カバー板３下には、加熱機構、ここでは加熱用コイル１３が配置されている。なお、加熱用コイル１３は、図２以降では図示を省略する。

サセプタ２は、成膜時には半導体基板１２が載置固定された状態で回転させる必要があることから、カバー板３との間には間隙１０が形成されている。カバー板３には、サセプタ２の温度を測定・制御するための温度センサであるライトパイプ４が配されている。ライトパイプ４は、カバー板３に形成された開口３ａから先端が露出するように配されており、サセプタ２の温度をサセプタ２と被接触状態で測定する。ライトパイプ４及び加熱用コイル１３と接続された温度制御部５が設けられている。温度制御部５は、ライトパイプ４によりサセプタ２の裏面の温度を測定することで、当該測定温度を加熱用コイル１３にフィードバックして温度制御が行われる。反応室１には排気配管６が設けられており、反応室１内が排気されて所定の真空状態に調節される。反応室１にはガス供給設備７が設けられており、複数の原料（図１では、原料７ａ，７ｂのみ例示する。）の各原料ガスが反応室１内に適宜供給される。

本実施形態では、図２に示すように、カバー板３上において、サセプタ２の端部からライトパイプ４までの間に、遮断壁１１が設けられている。遮断壁１１は、図３及び図４に示すように、カバー板３上に配された凸状の円弧状部材であり、サセプタ２と対向配置される。遮断壁１１は、成膜時の高温に対する耐性の強い材料、例えば石英又はＳｉＣ等から形成される。サセプタ２には、遮断壁１１に対応して遮断壁１１が嵌合する凹部２ａが形成されている。成膜時において、遮断壁１１が凹部２ａに嵌合することにより、サセプタ２とカバー板３との間の間隙１０が遮断壁１１により遮断される。

上記のＭＯＶＰＥ装置では、例えば窒化物半導体であるＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ等を半導体基板上に成長する。ＧａＮの成長には、原料ガスとしてＧａ源であるトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）ガス及びアンモニア（ＮＨ₃）ガスの混合ガスを用いる。ＡｌＧａＮの成長には、原料ガスとしてＴＭＡｌガス、ＴＭＧａガス及びＮＨ₃ガスの混合ガスを用いる。ＡｌＮの成長には、原料ガスとしてＴＭＡｌガス及びＮＨ₃ガスの混合ガスを用いる。

成長する化合物半導体層に応じて、ガス供給設備７により、ＴＭＡｌガス、ＴＭＧａガスの供給の有無及び流量を適宜設定する。共通原料であるＮＨ₃ガスの流量は、１００ｓｃｃｍ〜１０ｓｌｍ程度とする。また、成長圧力は５０Torr〜３００Torr程度とする。温度制御部５により、１０００℃〜１２００℃程度の成長温度に制御される。

本実施形態によるＭＯＶＰＥ装置の奏する作用効果について、比較例との比較に基づいて説明する。図５は、成膜時における原料ガスの流れを模式的に示す概略断面図であり、（ａ）が比較例を、（ｂ）が本実施形態をそれぞれ示す。比較例では、遮断壁１１を有しない従来のＭＯＶＰＥ装置を例示しており、他の構成部材については（ｂ）の本実施形態と同様の符号を付している。

比較例の場合について説明する。図５（ａ）のように、ガス供給設備７により反応室１内に供給された原料ガスは、矢印Ａ１に沿ってサセプタ２上の半導体基板１２の表面を通って排気配管６から外部へ排気される。ここで上述のように、サセプタ２は、成膜時には半導体基板が載置固定された状態で回転させる必要があることから、カバー板３との間に間隙１０が形成されている。そのため、原料ガスの一部が矢印Ａ２のように間隙１０に流れ込み、ライトパイプ４に付着する。ライトパイプ４が原料ガスで汚れると、温度測定を正確に行うことができなくなり、成膜異常が発生する。そのため、定期的にライトパイプ４のクリーニングが必要となる。

本実施形態の場合について説明する。図５（ｂ）のように、比較例と同様に矢印Ａ１で示す原料ガスの一部が矢印Ａ２のように間隙１０に流れ込む。サセプタ２とカバー板３との間の間隙１０を遮断する遮断壁１１が設けられていることから、間隙１０に流れ込んだ原料ガスが遮断壁１１で遮断され、ライトパイプ４に到達し難くなり、ライトパイプ４の原料ガスによる汚染が防止される。この構成により、原料ガスに起因するライトパイプ４のクリーニングが不要となり、ＭＯＶＰＥ装置の設備の稼働低下を抑止し、稼働効率が向上する。

本実施形態によるＭＯＶＰＥ装置では、図２において、遮断壁１１は、サセプタ２の凹部２ａに嵌合した際に、当該遮断壁１１の先端がサセプタ２の厚み方向で当該厚みの１／３から１／２までの範囲内に位置する。遮断壁１１の高さが、その先端が当該厚みの１／３に満たない程度であると、間隙１０が十分に遮断されず、原料ガスの流入の実効的な抑止が困難となる。遮断壁１１の高さが、その先端が当該厚みの１／２を越える程度であると、サセプタ２に他の機構を組み込むことが阻害される虞れがある。遮断壁１１をその先端が当該厚みの１／３から１／２までの範囲内に位置する高さとすることにより、サセプタ２に組み込む必要のある他の機構を阻害することなく、間隙１０を確実に遮断して原料ガスの流入の実効的な抑止が実現する。

以上説明したように、本実施形態によれば、ライトパイプ４の汚染や損傷に起因する設備の稼働低下を抑止し、稼働効率を向上させる信頼性の高いＭＯＶＰＥ装置が実現する。

（変形例）
以下、第１の実施形態の変形例について説明する。本例では、第１の実施形態と同様にＭＯＶＰＥ装置を開示するが、遮断壁の構成が異なる点で第１の実施形態と相違する。
図６は、第１の実施形態の変形例によるＭＯＶＰＥ装置の一部を拡大して示す概略断面図である。第１の実施形態によるＭＯＶＰＥ装置と同様の構成部材等については、同符号を付して詳しい説明を省略する。

本例では、図６に示すように、カバー板３上において、サセプタ２の端部からライトパイプ４までの間に、複数、ここでは３つの遮断壁１１ａ，１１ｂ，１１ｃが並列して設けられている。遮断壁１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、第１の実施形態の遮断壁１１と同様に、それぞれカバー板３上に配された凸状の円弧状部材であり、サセプタ２と対向配置される。遮断壁１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、この順に径が小さくなる同心円弧状にカバー板３上に配されている。遮断壁１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、成膜時の高温に対する耐性の強い材料、例えば石英又はＳｉＣ等から形成される。サセプタ２には、遮断壁１１ａ，１１ｂ，１１ｃに対応して遮断壁１１が嵌合する凹部２ａ，２ｂ，２ｃが形成されている。成膜時において、遮断壁１１ａ，１１ｂ，１１ｃが凹部２ａ，２ｂ，２ｃに嵌合することにより、サセプタ２とカバー板３との間の間隙１０が遮断壁１１ａ，１１ｂ，１１ｃにより遮断される。

サセプタ２とカバー板３との間の間隙１０を遮断する複数の遮断壁１１ａ，１１ｂ，１１ｃが並列して配されることにより、間隙１０に流れ込んだ原料ガスが遮断壁１１ａ，１１ｂ，１１ｃで確実に遮断され、ライトパイプ４への到達が抑止される。この構成により、ライトパイプ４の原料ガスによる汚染がより確実に防止され、原料ガスに起因するライトパイプ４のクリーニングが不要となる。これにより、ＭＯＶＰＥ装置の設備の稼働低下を抑止し、稼働効率が向上する。

本例によるＭＯＶＰＥ装置では、図６において、遮断壁１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、サセプタ２の凹部２ａ，２ｂ，２ｃに嵌合した際に、当該遮断壁１１ａ，１１ｂ，１１ｃの各先端がサセプタ２の厚み方向で当該厚みの１／３から１／２までの範囲内に位置する。遮断壁１１ａ，１１ｂ，１１ｃの高さが、その先端が当該厚みの１／３に満たない程度であると、間隙１０が十分に遮断されず、原料ガスの流入の実効的な抑止が困難となる。遮断壁１１ａ，１１ｂ，１１ｃの高さが、その先端が当該厚みの１／２を越える程度であると、サセプタ２に他の機構を組み込むことが阻害される虞れがある。遮断壁１１ａ，１１ｂ，１１ｃをその先端が当該厚みの１／３から１／２までの範囲内に位置する高さとすることにより、サセプタ２に組み込む必要のある他の機構を阻害することなく、間隙１０を確実に遮断して原料ガスの流入の実効的な抑止が実現する。

以上説明したように、本例によれば、ライトパイプ４の汚染や損傷に起因する設備の稼働低下を抑止し、稼働効率を向上させる信頼性の高いＭＯＶＰＥ装置が実現する。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態と同様にＭＯＶＰＥ装置を開示するが、遮断壁の設置態様が異なる点で第１の実施形態と相違する。
図７は、第２の実施形態によるＭＯＶＰＥ装置の一部を拡大して示す概略断面図である。第１の実施形態によるＭＯＶＰＥ装置と同様の構成部材等については、同符号を付して詳しい説明を省略する。

本実施形態によるＭＯＶＰＥ装置は、図７に示すように、反応室内に、被成膜対象である半導体基板が載置固定されるサセプタ２１と、サセプタ２１が回転自在に対向配置されるカバー板２２とを備える。サセプタ２１は、成膜時には半導体基板が載置固定された状態で回転させる必要があることから、カバー板２２との間には間隙１０が形成されている。カバー板２１２には、サセプタ２１の温度を測定・制御するための温度センサであるライトパイプ４が配されている。ライトパイプ４は、カバー板２２に形成された開口２２ａから先端が露出するように配されており、サセプタ２１の温度をサセプタ２１と被接触状態で測定する。

本実施形態では、サセプタ２１において、サセプタ２１の端部からライトパイプ４までの間に、遮断壁２３が設けられている。遮断壁２３は、サセプタ２１に配された凸状の円弧状部材であり、カバー板２２と対向配置される。遮断壁２３は、成膜時の高温に対する耐性の強い材料、例えば石英又はＳｉＣ等から形成される。カバー板２２には、遮断壁２３に対応して遮断壁２３が嵌合する凹部２２ｂが形成されている。成膜時において、遮断壁２３が凹部２２ｂに嵌合することにより、サセプタ２１とカバー板２２との間の間隙１０が遮断壁２３により遮断される。

サセプタ２１とカバー板２２との間の間隙１０を遮断する遮断壁２３が並列して配されることにより、間隙１０に流れ込んだ原料ガスが遮断壁２３で遮断され、ライトパイプ４への到達が抑止される。この構成により、ライトパイプ４の原料ガスによる汚染が防止され、原料ガスに起因するライトパイプ４のクリーニングが不要となる。これにより、ＭＯＶＰＥ装置の設備の稼働低下を抑止し、稼働効率が向上する。

本実施形態によるＭＯＶＰＥ装置では、図７において、遮断壁２３は、カバー板２２の凹部２２ｂに嵌合した際に、当該遮断壁２３の先端がカバー板２２の厚み方向で当該厚みの１／３から１／２までの範囲内に位置する。遮断壁２３の高さが、その先端が当該厚みの１／３に満たない程度であると、間隙１０が十分に遮断されず、原料ガスの流入の実効的な抑止が困難となる。遮断壁２３の高さが、その先端が当該厚みの１／２を越える程度であると、カバー板２２としての機能が阻害される虞れがある。遮断壁２３をその先端が当該厚みの１／３から１／２までの範囲内に位置する高さとすることにより、カバー板２２の機能を阻害することなく、間隙１０を確実に遮断して原料ガスの流入の実効的な抑止が実現する。

以上説明したように、本実施形態によれば、ライトパイプ４の汚染や損傷に起因する設備の稼働低下を抑止し、稼働効率を向上させる信頼性の高いＭＯＶＰＥ装置が実現する。

（変形例）
以下、第２の実施形態の変形例について説明する。本例では、第２の実施形態と同様にＭＯＶＰＥ装置を開示するが、遮断壁の構成が異なる点で第２の実施形態と相違する。
図８は、第２の実施形態の変形例によるＭＯＶＰＥ装置の一部を拡大して示す概略断面図である。第２の実施形態によるＭＯＶＰＥ装置と同様の構成部材等については、同符号を付して詳しい説明を省略する。

本例では、図８に示すように、サセプタ２１において、サセプタ２１の端部からライトパイプ４までの間に、複数、ここでは３つの遮断壁２３ａ，２３ｂ，２３ｃが並列して設けられている。遮断壁２３ａ，２３ｂ，２３ｃは、第２の実施形態の遮断壁２３と同様に、それぞれサセプタ２１に配された凸状の円弧状部材であり、カバー板２２と対向配置される。遮断壁２３ａ，２３ｂ，２３ｃは、この順に径が小さくなる同心円弧状にサセプタ２１に配されている。遮断壁２３ａ，２３ｂ，２３ｃは、成膜時の高温に対する耐性の強い材料、例えば石英又はＳｉＣ等から形成される。カバー板２２には、遮断壁２３ａ，２３ｂ，２３ｃに対応して遮断壁２３ａ，２３ｂ，２３ｃが嵌合する凹部２２ｂ，２２ｃ，２２ｄが形成されている。成膜時において、遮断壁２３ａ，２３ｂ，２３ｃが凹部２２ｂ，２２ｃ，２２ｄに嵌合することにより、サセプタ２１とカバー板２２との間の間隙１０が遮断壁２３ａ，２３ｂ，２３により遮断される。

サセプタ２１とカバー板２２との間の間隙１０を遮断する複数の遮断壁２３ａ，２３ｂ，２３ｃが並列して配されることにより、間隙１０に流れ込んだ原料ガスが遮断壁２３ａ，２３ｂ，２３ｃで確実に遮断され、ライトパイプ４への到達が抑止される。この構成により、ライトパイプ４の原料ガスによる汚染がより確実に防止され、原料ガスに起因するライトパイプ４のクリーニングが不要となる。これにより、ＭＯＶＰＥ装置の設備の稼働低下を抑止し、稼働効率が向上する。

本例によるＭＯＶＰＥ装置では、図８において、遮断壁２３ａ，２３ｂ，２３ｃは、カバー板２２の凹部２２ｂ，２２ｃ，２２ｄに嵌合した際に、当該遮断壁２３ａ，２３ｂ，２３ｃの各先端がカバー板２２の厚み方向で当該厚みの１／３から１／２までの範囲内に位置する。遮断壁２３ａ，２３ｂ，２３ｃの高さが、その先端が当該厚みの１／３に満たない程度であると、間隙１０が十分に遮断されず、原料ガスの流入の実効的な抑止が困難となる。遮断壁２３ａ，２３ｂ，２３ｃの高さが、その先端が当該厚みの１／２を越える程度であると、カバー板２２としての機能が阻害される虞れがある。遮断壁２３ａ，２３ｂ，２３ｃをその先端が当該厚みの１／３から１／２までの範囲内に位置する高さとすることにより、カバー板２２の機能を阻害することなく、間隙１０を確実に遮断して原料ガスの流入の実効的な抑止が実現する。

以上説明したように、本例によれば、ライトパイプ４の汚染や損傷に起因する設備の稼働低下を抑止し、稼働効率を向上させる信頼性の高いＭＯＶＰＥ装置が実現する。

第１及び第２の実施形態並びにこれらの変形例では、基板処理装置として成膜装置であるＭＯＶＰＥ装置を例示したが、これに限定されることなく、他の基板処理装置にも適用することができる。好適な基板処理装置として、例えばエッチング装置が挙げられる。エッチング装置では、基板載置部と遮蔽板との間隙にエッチングガスの一部が流れ込み、温度センサがエッチングガスで損傷を受けることがある。このエッチング装置において、第１及び第２の実施形態や変形例と同様に、間隙を基板載置部の端部から温度センサまでの間で遮断する遮断壁を設ける。

上記の構成により、間隙に流れ込んだ原料ガスが遮断壁で確実に遮断され、温度センサへのエッチングガスの到達が抑止される。これにより、温度センサのエッチングガスによる損傷が防止され、エッチングガスに起因する温度センサのケアが不要となる。これにより、エッチング装置の設備の稼働低下を抑止し、稼働効率が向上する。

以下、基板処理装置の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）被処理対象である基板が載置される基板載置部と、
前記基板載置部との間に間隙が形成されるように対向配置される遮蔽板と、
前記遮蔽板に配された、前記基板載置部の温度を測定する温度センサと、
前記間隙を前記基板載置部の端部から前記温度センサまでの間で遮断する遮断壁と
を含むことを特徴とする基板処理装置。

（付記２）前記間隙を前記基板載置部の端部から前記温度センサまでの間に、複数の前記遮断壁が並列して設けられていることを特徴とする付記１に記載の基板処理装置。

（付記３）前記遮断壁は、前記遮蔽板に配された凸状部材であり、
前記基板載置部は、前記遮断壁が嵌合する凹部を有していることを特徴とする付記１又は２に記載の基板処理装置。

（付記４）前記遮断壁は、前記凹部に嵌合した際に、当該遮断壁の先端が前記基板載置部の厚み方向で当該厚みの１／３から１／２までの範囲内に位置することを特徴とする付記３に記載の基板処理装置。

（付記５）前記遮断壁は、前記基板載置部に配された凸状部材であり、
前記遮蔽板は、前記遮断壁が嵌合する凹部を有していることを特徴とする付記１又は２に記載の基板処理装置。

（付記６）前記遮断壁は、前記凹部に嵌合した際に、当該遮断壁の先端が前記遮蔽板の厚み方向で当該厚みの１／３から１／２までの範囲内に位置することを特徴とする付記５に記載の基板処理装置。

１ 反応室
２，２１ サセプタ
２ａ，２ｂ，２ｃ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ 凹部
３，２２ カバー板
３ａ，２２ａ 開口
４ ライトパイプ
５ 温度制御部
６ 排気配管
７ ガス供給設備
７ａ，７ｂ 原料
１０ 間隙
１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，２３，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ 遮断壁
１２ 半導体基板
１３ 加熱用コイル

Claims (4)

1. 被処理対象である基板が載置される基板載置部と、
   前記基板載置部との間に間隙が形成されるように対向配置される遮蔽板と、
   前記遮蔽板に配された、前記基板載置部の温度を測定する温度センサと、
   前記間隙を前記基板載置部の端部から前記温度センサまでの間で遮断する遮断壁と
   を含むことを特徴とする基板処理装置。
2. 前記間隙を前記基板載置部の端部から前記温度センサまでの間に、複数の前記遮断壁が並列して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
3. 前記遮断壁は、前記遮蔽板に配された凸状部材であり、
   前記基板載置部は、前記遮断壁が嵌合する凹部を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の基板処理装置。
4. 前記遮断壁は、前記基板載置部に配された凸状部材であり、
   前記遮蔽板は、前記遮断壁が嵌合する凹部を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の基板処理装置。

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