JP2017190506A - 気相成長装置および気相成長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】整流板の温度を放射温度計にて精度よく計測する。【解決手段】気相成長装置は、基板の上面に気相成長反応により成膜を行う反応室と、反応室の上蓋を構成するトッププレートと、トッププレートよりも下方かつ基板の上方に配置され、複数の第１の貫通孔を有する整流板と、トッププレートの整流板に対向する第１面と、整流板のトッププレートに対向する第２面との少なくとも一方に形成される第１反射防止膜と、第１面と第２面との間の空間にガスを供給するガス供給部と、基板の裏面側から、基板を加熱する加熱手段と、トッププレートの上方に配置されて、整流板の温度を測定する放射温度計と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、気相成長装置および気相成長方法に関する。

ＬＥＤ(Light Emitting diode)やパワー半導体などの電子デバイスの作製には、サファイア、ＧａＮ、ＳｉＣ、シリコン基板等の単結晶基板上にＧａＮ、ＳｉＣなどの化合物半導体の単結晶薄膜を成長させるエピタキシャル成長技術が用いられる。

エピタキシャル成長技術に使用される成膜装置では、常圧または減圧に保持されたチャンバの内部にウエハを載置する。そして、このウエハを加熱しながらチャンバ内に、成膜のための原料となるガスを供給すると、ウエハの表面で原料ガスの熱分解反応および水素還元反応が起こり、ウエハ上にエピタキシャル膜が成膜される。

ウエハ上に高品質で、均一な膜厚で、良好な膜質の膜を堆積させるためには、ウエハの温度を正確に制御する必要がある。このため、放射温度計を用いてウエハの温度を測定し、放射温度計の測定結果に基づいて加熱手段の出力を制御している（例えば、特許文献１参照）。

放射温度計は、物体から放射される赤外光や可視光の強度を測定して物体の温度を測定するため、ウエハから離れたチャンバの上方に放射温度計を配置しても、ウエハの温度を精度よく計測できる。

一方、原料ガスをウエハ上に均一に供給するために、チャンバの上蓋を構成するトッププレートの下方に整流板を配置して、トッププレートと整流板との間の空間に供給されたガスを、整流板に設けた複数の貫通孔からシャワー状に反応室内に供給する。

このとき、整流板の温度によって、反応室内に供給されるガスの温度や圧力が変化し、ウエハ上に成膜される膜の膜質にも影響を与える。このため、ウエハの温度を計測する放射温度計とは別に、整流板の温度を計測して、ガスの流量や整流板の温度を制御するのが望ましい。整流板の温度を計測するには、ウエハの温度計測用の放射温度計とは別個の放射温度計を設けることが考えられる。

ところが、整流板には複数の貫通孔が設けられているため、ウエハからの輻射光が整流板の貫通孔を通過して、トッププレートの下面で反射され、トッププレートの下面と整流板の表面との間で反射を繰り返した迷光が、整流板の温度計測用の放射温度計で計測されてしまい、整流板の温度を精度よく計測できなくなるおそれがある。

特開２００３−１３３２４８号公報

本発明が解決しようとする課題は、整流板の温度を放射温度計にて精度よく計測可能な気相成長装置および気相成長方法を提供することにある。

本発明の一態様では、基板の上面に気相成長反応により成膜を行う反応室と、
前記反応室の上蓋を構成するトッププレートと、
前記トッププレートよりも下方かつ前記基板の上方に配置され、複数の第１の貫通孔を有する整流板と、
前記トッププレートの前記整流板に対向する第１面と、前記整流板の前記トッププレートに対向する第２面との少なくとも一方に形成される第１反射防止膜と、
前記第１面と前記第２面との間の空間にガスを供給するガス供給部と、
前記基板の裏面側から、前記基板を加熱する加熱手段と、
前記トッププレートの上方に配置されて、前記整流板の温度を測定する放射温度計と、
を備える気相成長装置が提供される。

前記放射温度計で測定された温度に基づき、前記整流板の温度を制御する制御部を備えていてもよい。

前記トッププレートは、円板状であり、前記放射温度計の位置に合わせて、径方向に延在する第２の貫通孔を有してもよく、
前記放射温度計を前記第２の貫通孔に沿って径方向に移動させる移動機構をさらに備えてもよい。

前記第２の貫通孔の内壁面を覆う第２反射防止膜を備えてもよい。

本発明の他の一態様では、加熱手段により基板を加熱しながら前記基板上に原料ガスを供給し、前記基板の輻射光のうち、前記チャンバのトッププレートよりも下方かつ前記基板の上方に配置される整流板に設けられた複数の貫通孔を通過した前記輻射光を、前記トッププレートの前記整流板に対向する第１面と、前記整流板の前記トッププレートに対向する第２面との少なくとも一方に配置される反射防止膜にて吸収し、前記チャンバの上方に配置される放射温度計にて、前記整流板の輻射光を受光して、前記整流板の温度を計測し、計測される前記整流板の温度が所定の温度になるように制御して前記複数の膜を形成する気相成長方法が提供される。

本実施形態による気相成長装置の概略構成を示す図。 チャンバのトッププレートと整流板の斜視図。 図２とは異なる方向から見た斜視図。 チャンバのトッププレートと整流板との断面図。 図４の一変形例を示す断面図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。図１は本実施形態による気相成長装置１の概略構成を示す図である。本実施形態では、成膜処理を行う基材としてシリコン基板、具体的にはシリコンウエハ（以下、単にウエハと呼ぶ）Ｗを用い、このウエハＷ上に複数の膜を成膜する例を説明する。なお、ウエハＷはシリコンに限定されるものではなく、サファイアや、ＧａＮ、ＳｉＣなどの基板を用いることができる。図１の気相成長装置１は、サセプタ６に載置されたウエハＷ上に、エピタキシャル膜を形成するための原料となる複数種類の原料ガスを供給し、ウエハＷ上で気相成長反応させて成膜を行う。

図１の気相成長装置１は、ウエハＷ上で気相成長をさせてエピタキシャル膜を成膜する反応室２を有するチャンバ３と、チャンバ３内の反応室２の上側に配置されるガス供給部４および原料放出部５と、ウエハＷを載置するサセプタ６と、排気機構７と、制御部８とを備えている。なお、図１は気相成長装置１を構成する主要部材を図示しており、図示していない部材が気相成長装置１に具備されている場合もありうる。

反応室２の内部には、ウエハＷを載置するサセプタ６と、サセプタ６を回転させる回転部９と、回転部９の内部に配置される加熱手段としてのヒータ１０とが設けられている。

ガス供給部４は、複数のガスを個別に貯留する複数のガス貯留部４ａと、これらガス貯留部４ａと原料放出部５とを接続する複数のガス管４ｂと、これらガス管４ｂを流れるガスの流量を調整する複数のバルブ、MFC（マスフローコントローラ）などから構成されるガス調整機構４ｃと、チャンバ３の上蓋を構成するトッププレート３ａに設けられるガス供給孔４ｄと、ガス流路４ｅとを有する。各ガス調整機構４ｃは、対応するガス管４ｂに接続され、各ガス管４ｂの端部はガス供給孔４ｄに接続されている。複数のガス調整機構４ｃは、制御部８により制御される。実際の配管は、複数のガス管を結合したり、１本のガス管を複数のガス管に分岐したり、ガス管の分岐や結合を組み合わせるなどの複数の構成を取りうる。

ガス供給部４から供給される原料ガスは、原料放出部５を通って、チャンバ３内の反応室２に放出される。反応室２に放出された原料ガス（プロセスガス）は、ウエハＷ上に供給され、これにより、ウエハＷ上に所望の膜が形成される。なお、使用する原料ガスの種類は、特に限定されない。成膜する膜の種類により原料ガスは種々変更されうる。

原料放出部５の底面側には、整流板１１が設けられている。この整流板１１は、トッププレート３ａよりも下方で、かつウエハＷよりも上方に配置されている。すなわち、整流板１１は、反応室２の上方に配置されている。整流板１１には、１．５ｍｍ径程度の複数の貫通孔（第１貫通孔）１１ａが設けられている。

トッププレート３ａの上面には、それぞれ異なるガスを供給可能な複数のガス供給孔４ｄが設けられている。各ガス供給孔４ｄの径は、例えば１０ｍｍ程度である。ガス供給部４からのガスは、トッププレート３ａの下面と整流板１１の上面との間の空間に供給されて混合され、複数の貫通孔１１ａを通して反応室２内にシャワー状に供給される。複数の貫通孔１１ａを通して反応室２にシャワー状にガスを供給することで、反応室２内のガスの濃度、温度および圧力を均一化することができる。

整流板１１は、所定の厚みを持った円板形状である。整流板１１は、例えば、ステンレス鋼やアルミニウム合金等の金属材料を用いて構成することができる。整流板１１の内部には、ガス流路４ｅが設けられており、複数種類のガスが混合されて、複数の第１の貫通孔１１ａを介してチャンバ３内のウエハＷに供給される。整流板１１には、後述する温度測定を行うための石英窓（図１では図示せず）が設けられている。

各ガス流路４ｅは、対応するガス管４ｂの一端と接続されている。ガス管４ｂの他端は、ガスボンベ等で構成されたガス供給部４に接続されており、ガス調整機構４ｃにより調整された流量のガスが流れる。ガス流量は制御部８により制御される。ガス管４ｂおよびガス供給部４は複数設けられており、それぞれ異なるガスに対応している。

整流板１１の側面側には、冷却水を供給する冷却水供給孔１１ｂが設けられ、この孔から供給された冷却水は、整流板１１の外周側に設けられた周状の冷却水流路１１ｃを流れて、整流板１１の冷却を行う。冷却水流路１１ｃは、外部のチラーユニット２０と接続され、チラーユニット２０により調整される冷却水の温度を制御部８により制御することにより整流板１１の温度が制御される。

ウエハＷを載置するサセプタ６には、例えばリング状のホルダが用いられるが、開口部のない円板状のサセプタ６を用いてもよい。

サセプタ６は、回転部９の上部に取り付けられており、回転部９の回転とともに回転する。サセプタ６には座ぐり６ａが設けられており、この座ぐり６ａでウエハＷの外周部を安定に支持することができる。サセプタ６は、高温下にさらされることから、例えば、等方性黒鉛やＳｉＣの基材表面にＣＶＤ（化学気相成長）法によって高耐熱で高純度のＳｉＣを被覆して構成される。

回転部９は、円筒部９ａと、円筒部９ａの底部に接合された回転軸９ｂとを有する。上述したサセプタ６は、円筒部９ａの上部に設けられている。回転軸９ｂは、不図示のモータにて回転駆動される。回転軸９ｂが回転すると、円筒部９ａも回転軸９ｂと一体に回転し、円筒部９ａに設けられたサセプタ６も回転する。よって、サセプタ６の上にウエハＷが載置されていれば、ウエハＷを回転させることができる。

円筒部９ａの内部には、ヒータ１０が設けられている。ヒータ１０は例えば抵抗加熱ヒータ１０である。ヒータ１０は、カーボンやＳｉＣの基材表面に高純度のＳｉＣを被覆して構成されたものでもよい。ヒータ１０は、回転軸９ｂ内に設けられた略円筒状の石英製のシャフトの内部を通る配線１０ａによって給電され、ウエハＷをその裏面側から加熱する。配線１０ａは、図１では図示していないが、制御部８に接続されており、制御部８がヒータ１０の出力（加熱パワー）を制御する。加熱手段としては、加熱ランプ等を用いてもよい。

回転軸９ｂの内部には、基板昇降手段として図示されない昇降ピン９ｃが配置されている。昇降ピン９ｃの下端は、回転軸９ｂの下部に設けられた図示されない昇降装置まで伸びている。そして、その昇降装置を動作させて昇降ピンを上昇または下降させることができる。この昇降ピンは、ウエハＷのチャンバ３内への搬入とチャンバ３外への搬出の時に使用される。昇降ピンは、例えばウエハＷを下方から支持し、持ち上げてサセプタ６から引き離す。そして、ウエハＷの搬送用ロボット（図示されない）との間でウエハＷの受け渡しを行う。また、ウエハＷはサセプタ６とともに搬出入してもよい。

チャンバ３の下部には、反応後の上記複数種類のガス等を排気するためのガス排気部１２が複数設けられている。ガス排気部１２は、調整バルブ１３や真空ポンプ１４等からなる排気機構７に接続されている。

トッププレート３ａの上方には、ウエハＷの温度を計測するための放射温度計１５と、整流板１１の温度を計測するための放射温度計１６とが設けられている。これら放射温度計１５，１６は、円板状のトッププレート３ａの径方向に移動自在とされている。

これら放射温度計１５，１６に対応して、トッププレート３ａには２つの石英窓（図１では不図示）が設けられている。また、整流板１１には、放射温度計１５に対応して、対応する石英窓と上下に重なる位置に径方向に延在するように細長の第２の貫通孔が設けられている。

放射温度計１５は、ウエハＷからの反射光を受光して、ウエハＷの反射光強度を測定する。また、放射温度計１５は、ウエハＷの膜成長面からの輻射光を受光して、熱輻射光強度を測定する。放射温度計１５で測定された熱輻射光強度は、ウエハＷの温度を計測するために用いられる。

放射温度計１６は、対応する石英窓を通して、、整流板１１からの輻射光を検出して、整流板１１の温度を計測する。

放射温度計１５，１６で測定する波長としては、例えば９００ｎｍが選択されるが、それ以外の波長域の赤外線、可視光線などでもかまわない。

放射温度計１５は、ウエハＷの温度を測定するために用いられる。制御部８は、放射温度計１５で計測されたウエハＷの温度に基づいて、ウエハＷが所定温度となるようにヒータ１０の出力を制御する。

放射温度計１６は、成膜を開始する初期設定として、成膜条件を設定する目的で整流板１１の温度を計測する。一般的な傾向として、整流板１１の温度が高いほど、ウエハＷ上の成膜速度が速くなる。整流板１１の温度が高いと、整流板１１を通過するガスの温度も高くなり、整流板１１の中心部と周辺部で温度差があると、ウエハＷ上の成膜速度にばらつきが生じるおそれがある。よって、放射温度計１６を整流板１１の径方向に移動させながら温度を計測し、制御部８は、整流板１１の温度が整流板１１の中心部と周辺部で略同一になるようにチラーユニット２０により冷却水の温度を制御する。

制御部８は、気相成長装置１１内の各部を集中的に制御するコンピュータ（不図示）と、成膜処理に関する成膜処理情報や各種プログラムなどを記憶する記憶部（不図示）とを備えている。制御部８は、さらに成膜処理情報や各種プログラムに基づいて、ガス供給部４や回転部９の回転機構、排気機構７などを制御する。

図２はトッププレート３ａと整流板１１の斜視図、図３は図２とは異なる方向から見た斜視図である。これらの図からわかるように、トッププレート３ａには、ウエハＷの温度計測用の放射温度計１５のための石英窓２１と、整流板１１の温度計測用の放射温度計１６のための石英窓２２とが設けられている。図２および図３では、放射温度計１６を省略している。

放射温度計１５と放射温度計１６は、上方に配置された不図示のレール（移動機構）に沿って、対応する石英窓２１，２２の長手方向に移動可能とされている。放射温度計１５および放射温度計１６と、トッププレート３ａの上面との距離は常に一定とされている。放射温度計１５を、対応する石英窓２１の長手方向に沿って移動させながらウエハＷの温度を計測することで、ウエハＷの中心部と周辺部の温度を計測することができる。同様に、放射温度計１６を、対応する石英窓２２の長手方向に沿って移動させながら整流板１１の温度を計測することで、整流板１１の中心部と周辺部の温度を計測することができる。

トッププレート３ａの上面の複数箇所には、ガス供給部４のガス供給孔４ｄが配置されている。図２には、２個のガス供給孔４ｄが図示されているが、ガス供給孔４ｄの数は２個に限定されない。

ガス供給部４からのガスは、トッププレート３ａの下面と整流板１１との間の空間に供給されて混合された後、整流板１１の複数の貫通孔１１ａを通して、反応室２に送り出される。

図４はトッププレート３ａと整流板１１との断面図である。図４に示すように、本実施形態では、トッププレート３ａの下面の少なくとも一部を反射防止膜（第１反射防止膜）２３で覆っている。反射防止膜２３は、ウエハＷからの輻射光を吸収する性質を有する膜である。反射防止膜２３がないとすると、ウエハＷからの輻射光は、整流板１１における複数の貫通孔１１ａを通過して、トッププレート３ａの下面で反射され、その後、整流板１１の表面とトッププレート３ａの下面との間で反射を繰り返して、迷光となって放射温度計１６で受光されるおそれがある。トッププレート３ａの下面の少なくとも一部を反射防止膜２３で覆っていると、この反射防止膜２３に入射された輻射光は吸収されるため、ウエハＷからの輻射光を起因とする迷光が放射温度計１６で受光されることによる精度低下を抑えることができる。

反射防止膜２３の具体的な材料としては、黒色アルマイト、黒色アルミナ、または黒色クロムメッキなどが考えられるが、これら以外の材料を用いてもよい。また、ウエハＷの輻射光の吸収特性を向上させるために、反射防止膜２３を多層膜構造にしてもよい。

なお、反射防止膜２３は、必ずしもトッププレート３ａの下面側に配置されるとは限らない。図５は、整流板１１の表面、より具体的には、整流板１１のトッププレート３ａに対向する面の少なくとも一部を反射防止膜２３で覆う例を示している。整流板１１には複数の貫通孔１１ａが設けられているため、整流板１１の上面を反射防止膜２３で覆う際には、整流板１１における複数の貫通孔１１ａに重なるように反射防止膜２３に孔を設けて、反射防止膜２３と整流板１１を介して、ガスが通過できるようにする必要がある。

反射防止膜２３は、トッププレート３ａの下面（整流板１１に対向する第１面）と、整流板１１の上面（トッププレート３ａに対向する第２面）との少なくとも一方に設ければよい。

トッププレート３ａの下面と整流板１１の上面との少なくとも一方を反射防止膜２３で覆ったとしても、ウエハＷからの輻射光を起因とする一部の迷光が石英窓２２まで到達するおそれがある。この場合、迷光が石英窓２２の内壁面で反射されて、放射温度計１６で受光されるおそれがある。そこで、石英窓２２の内壁面を図２や図３に示すように、反射防止膜２４でコーティングしてもよい。反射防止膜（第２反射防止膜）２４の材料としては、フッ化マグネシウムなどを真空蒸着やスパッタリングにより成膜することが考えられる。なお、反射防止膜２４の具体的な材料や成膜方法は任意である。

このように、本実施形態では、トッププレート３ａの整流板１１に対向する面（トッププレート３ａの下面）と、整流板１１のトッププレート３ａに対向する面（整流板１１の上面）との少なくとも一方を、反射防止膜２３で覆うため、ウエハＷからの輻射光が整流板１１の貫通孔１１ａを通過したとしても、この輻射光を反射防止膜２３で吸収することができる。よって、放射温度計１６では、ウエハＷからの輻射光の影響を抑えて、整流板１１からの輻射光を受光でき、整流板１１の温度を精度よく計測できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 気相成長装置、２ 反応室、３ チャンバ、４ ガス供給部、４ａ ガス貯留部、４ｂ ガス管、４ｃ ガス調整機構、４ｄ ガス供給孔、４ｅ ガス流路、５ 原料放出部、６ サセプタ、７ 排気機構、８ 制御部、９ 回転部、９ａ 円筒部、９ｂ 回転軸、１５，１６ 放射温度計

Claims (5)

1. 基板の上面に気相成長反応により成膜を行う反応室と、
   前記反応室の上蓋を構成するトッププレートと、
   前記トッププレートよりも下方かつ前記基板の上方に配置され、複数の第１の貫通孔を有する整流板と、
   前記トッププレートの前記整流板に対向する第１面と、前記整流板の前記トッププレートに対向する第２面との少なくとも一方に形成される第１反射防止膜と、
   前記第１面と前記第２面との間の空間にガスを供給するガス供給部と、
   前記基板の裏面側から、前記基板を加熱する加熱手段と、
   前記トッププレートの上方に配置されて、前記整流板の温度を測定する放射温度計と、
   を備える気相成長装置。
2. 前記放射温度計で測定された温度に基づき、前記整流板の温度を制御する制御部を備える請求項１に記載の気相成長装置。
3. 前記トッププレートは、円板状であり、前記放射温度計の位置に合わせて、径方向に延在する第２の貫通孔を有し、
   前記放射温度計を前記第２の貫通孔に沿って径方向に移動させる移動機構をさらに備える請求項１または２に記載の気相成長装置。
4. 前記第２の貫通孔の内壁面を覆う第２反射防止膜を備える請求項３に記載の気相成長装置。
5. 加熱手段により基板を加熱しながら前記基板上に原料ガスを供給し、
   前記基板の輻射光のうち、前記チャンバのトッププレートよりも下方かつ前記基板の上方に配置される整流板に設けられた複数の貫通孔を通過した前記輻射光を、前記トッププレートの前記整流板に対向する第１面と、前記整流板の前記トッププレートに対向する第２面との少なくとも一方に配置される反射防止膜にて吸収し、
   前記チャンバの上方に配置される放射温度計にて、前記整流板の輻射光を受光して、前記整流板の温度を計測し、
   計測される前記整流板の温度が所定の温度になるように制御して前記複数の膜を形成する気相成長方法。

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