JP2697250B2 - 熱ｃｖｄ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、薄膜成分を有する１種または複数のガス
からなる反応ガスを熱エネルギーで励起もしくは分解し
気相またはウエーハ上での化学反応によりウエーハ上に
薄膜を形成する熱CVD装置の構成に関する。

〔従来の技術〕

熱CVDによるウエーハ面への薄膜形成は、所定の温度
に加熱されたウエーハの面に反応ガスを供給しウエーハ
の熱で反応ガスを励起もしくは分解しながら気相または
ウエーハ上で化学反応させることにより行われる。ウエ
ーハの加熱手段としては、加熱温度の制御性が良いこ
と、被処理物の汚染が少ないこと、大面積化に対応でき
ること等の理由からランプヒータを用いることが多い。
第３図に従来の熱CVD装置の一構成例を示す。ウエーハ
１を密着状態に保持して外部から回転駆動される，カー
ボンからなるサセプタ２を収容する石英製の真空容器３
の平坦な上面と下面とにそれぞれ近接して複数の赤外線
加熱用ハロゲンランプ４が配置され、真空容器の上面側
と下面側とに該上面，下面にそれぞれ平行な加熱面が形
成されている。これらのハロゲンランプ４は、このハロ
ゲンランプから放射される赤外線を反射する反射面を有
し冷却媒体の通る孔が肉厚中に形成されたリフレクタ５
で外側から近接して覆われ、ウエーハ１は、上面側のハ
ロゲンランプからは直接、また下面側のハロゲンランプ
からはサセプタ２を介して加熱される。ウエーハ１への
薄膜形成は、ハロゲンランプ４でウエーハ１を加熱しつ
つ反応ガスを真空容器３の側壁の開口を通して導入し、
反対側の側壁の開口から排気することにより行われる。
形成される薄膜の膜厚，膜質を均一化するためにサセプ
タ２は薄膜形成中回転駆動される。

〔発明が解決しようとする課題〕

このように、従来の熱CVD装置では、ウエーハの加熱
効率を良くするために、背面側にリフレクタを備えたラ
ンプヒータで真空容器を上下に挟む加熱構造がとられて
いる。このため、反応ガスは真空容器の側壁から開口を
通して導入され、ウエーハの面に沿って一方向に流され
る。ウエーハは加熱されているので、ウエーハ面の上流
側と下流側とでは、分解，反応するガスの密度に差が生
じ、膜厚の均一性が得られないため、サセプタは成膜中
回転させる必要があり、装置構成の複雑さが免れない。
さらに、流れと直角方向のガス密度の分布は、側壁の開
口の大きさ，真空容器の大きさと形状およびガス流量に
よりほぼ決まることから、ガス密度の均一な流れを得る
ための流量設定のマージンが小さく、流量の非常に限ら
れた範囲内でしか良質の膜を作ることができない。ま
た、ウエーハの温度を測定するための放射温度計の設置
ができず、温度測定が非常に困難である。さらに、ウエ
ーハ受渡しのためのウエーハ搬送の面でも、搬送機構，
搬送方法上の制約が大きい。

この発明の目的は、サセプタを回転させることなく、
また、ガス流量に制約されることなくウエーハ上に膜厚
の均一な薄膜を形成することができ、かつウエーハ温度
を測定するための放射温度計の設置や、ウエーハ搬送面
での搬送機構や搬送方法などに制約の少ない熱CVD装置
の構成を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、この発明においては、熱
CVDを、真空容器内にあって一方の面に被成膜ウエーハ
を密着状態に保持する，カーボンからなるサセプタと、
該カーボンサセプタの反ウエーハ側の真空容器壁面の開
口を気密に閉鎖する石英製の窓と、該石英窓の外側に前
記カーボンサセプタと対向する発熱面を形成する１個ま
たは複数のリング状あるいは直線状のハロゲンランプ
と、該ハロゲンランプを該ハロゲンランプに近接して外
側から覆いハロゲンランプから放射される赤外線を反射
する，水冷構造を有するリフレクタとを備えた構成とす
るとともに、前記カーボンサセプタが、想定される被成
膜ウエーハの最大径よりも大きい径をもち、かつ、前記
真空容器がアルミなどの高熱伝導材を用いて構成される
とともに該真空容器の内壁面が鏡面に研磨されている装
置とするものとする。さらに、この装置構成において、
真空容器内のウエーハ被成膜面と対向する側に、石英な
ど赤外線を良く透過する材料またはアルミなど赤外線を
良く反射する材料からなる反応ガスを被成膜ウエーハに
向けてシャワー状に放出する，多数の孔が形成された板
状のシャワーを着脱可能とすればより好ましい。

〔作用〕

熱CVD装置をこのように構成することにより、ウエー
ハの加熱が、カーボンサセプタの裏面側からのみカーボ
ンサセプタを介して行われる片側加熱となり、サセプタ
のウエーハ保持面側には加熱手段が存在しないから、反
応ガスを必ずしも従来のようにウエーハ面の方向に導入
する必要がなくなり、反応ガスをウエーハ面に垂直方向
に供給する装置構成が可能になる。このため、小孔が多
数形成され反応ガスをこの小孔からシャワー状に放出す
る板状のシャワーをウエーハと対向して配置するととも
に、小孔の分布や孔径の分布などを考慮することによ
り、ウエーハを回転させることなく、またガス流量に制
約されることなく、ウエーハ上に形成される薄膜の膜厚
が均一となるように反応ガスを供給することができる。
そして、ウエーハおよびサセプタは、アルミなどの輻射
率（物体の表面から放出される熱輻射の輝度を、同じ温
度にある黒体表面から放出される熱輻射の輝度で割った
比）の小さい金属からなり内壁面が鏡面に研磨された真
空容器の壁に囲まれているため、以下に説明するよう
に、ウエーハおよびサセプタから損失熱として真空容器
外部へ移動する熱量は極めて小さく、ウエーハの加熱効
率は従来と同等以上に高くなり、所要加熱電力が増大す
ることもない。

いま、ウエーハから真空容器外部へ移動する損失熱量
をＱとし、ウエーハまたはこれと実質的に同一温度にあ
るサセプタの表面積をS₁,真空容器の内壁面の面積をS₂
とすれば、 Ｑ＝σS₁（T₁ ⁴−T₂ ⁴）／｛（1/ε_１）＋（S₁/S₂）（1/ε_２−１）｝ が成立する。ここで、σはステファン・ボルツマン定
数,T₁はウエーハまたはサセプタの絶対温度,T₂は真空容
器内壁面の絶対温度，ε_１はウエーハまたはサセプタの
輻射率，ε_２は真空容器内壁面の輻射率である。

この式からわかるように、真空容器外部へ移動する損
失熱量は、ウエーハまたはサセプタと真空容器内壁面と
の面積比、そして真空容器内壁面の輻射率とウエーハま
たはサセプタの輻射率とに依存する。本実施例では真空
容器内壁面の面積をなるべく小さくするとともに内壁面
を鏡面に研磨して熱吸収を小さくしている。また被加熱
物がSiウエーハのみであればウエーハの輻射率はさほど
大きくないので熱損失は大きくなるが、ここではカーボ
ンサセプタを用いることにより、輻射率をほぼ１に近く
して、熱エネルギーがほとんど外に逃げないようにして
いる。そして、本発明の装置ではさらに、以下に説明す
るように、ウエーハ温度の均一化についても考慮がなさ
れている。被処理物が半導体ウエーハの場合、その周縁
部の温度が熱放散により中央部の温度に比べ低くなる結
果、案外大きな温度差が生じることがあり、このため、
その周縁部から中央部にかけて「スリップライン」と呼
ばれる損傷が発生することがある。しかし、本発明の装
置では、カーボンサセプタの径を想定されるウエーハの
最大径より大きくとり周縁部の温度低下を抑えている。
温度分布シミュレーションによると次の結果が得られ
た。第２図に示すように、真空容器の内壁面が鏡面に研
磨されて内壁面の輻射率が小さくなっているため、ウエ
ーハ温度よりサセプタ温度の方が高くなる。これは、真
空容器内壁面により反射された熱エネルギーをサセプタ
面が良く吸収するからである。この結果、サセプタ端部
の熱の逃げがうまくカバーされ、ウエーハの中央部と周
縁部とで温度差が生ぜず、「スリップライン」の発生が
防止される。

さらに、ウエーハの片側加熱により可能となった，板
状のシャワーがウエーハと対向配置される装置構成にお
いて、板状シャワーを、赤外線をよく透過する材質，例
えば石英を用いて形成し、あるいは赤外線をよく反射す
る材質，例えばアルミを用いて形成すれば、シャワーの
熱吸収量が小さくなり、シャワーが取り付けられる真空
容器への熱伝達に基づく熱損失が小さくなるとともに、
板状シャワーを、赤外線をよく透過する材質で形成した
場合には、放射温度計を板状シャワーの背面側に配置し
てウエーハの温度を容易に計測することができ、板状シ
ャワーを、赤外線をよく反射する材質で形成した場合に
は、例えば板状シャワーの小孔を通った複数本の赤外線
を板状シャワーの背面側で検出し、それぞれの検出結果
からウエーハの温度を求めるなどの方法が可能になり、
ウエーハ温度の測定が従来と比べて著しく容易になる。
これにより、加熱電力を調整してウエーハ温度を制御す
ることが容易に可能になる。また、この板状シャワーを
着脱可能に装置を構成することにより、プロセスの内容
に応じて板状シャワーを交換しながらウエーハ面を処理
することができる。さらに、ウエーハの搬送時には、シ
ャワーを取り外すことにより、ウエーハの前面側が大気
に対して大きく開放されるから、ウエーハの搬送機構や
搬送方法に対する制約が著しく少なくなる。

〔実施例〕

第１図に本発明による熱CVD装置構成の一実施例を示
す。真空容器13は、アルミなど、熱伝導が良好で輻射率
の小さい金属材料で作られ、底面に開口31を備え円形の
周壁に排気口32が形成された筒体13Aと、筒体13Aの上端
面により周縁部を支持され中央部の開口周縁部にシャワ
ー７の周縁部が載置されるリング状のシャワー保持具13
Bと、反応ガスを真空容器内に導入するための孔を有
し、シャワー７との間に空間を形成する天板13Cとから
構成され、ここには特に図示しないが、水冷可能な構造
に作られている。真空容器13の内部には、カーボンから
なり表面ガSiCコートされたサセプタ12を前記排気口32
とほぼ同一高さに支持する，石英からなる円形のサセプ
タ支持具９が筒体13Aと同軸に配され、また、サセプタ1
2の裏面側に形成された真空容器の開口31は、石英製の
窓８により気密に閉鎖されている。窓８の下面側には窓
８に近接して複数の直線状ハロゲンランプ４が一平面内
に平行に配置され、サセプタ12と平行な発熱面を形成し
ている。この発熱面の下面側は、肉厚中を冷却水が通
る，アルミ材からなるリフレクタ15により覆われ、ハロ
ゲンランプ４から放射される赤外線がリフレクタ内面の
鏡面で反射されてサセプタ２の裏面を照射する。

ウエーハ１上に薄膜を形成する際には、ハロゲンラン
プ４に電流を流し、ハロゲンランプ４から放射される赤
外線の直接光と，リフレクタ15による反射光とによりウ
エーハ１を所定温度に加熱した後、反応ガスを真空容器
の天板13Cの孔から真空容器13内に導入する。導入され
た反応ガスは、まず、天板13Cと，石英など赤外線を良
く透過する材質、またはアルミなど赤外線を良く反射す
る材質で作られたシャワー７との間の空間に入り、多く
の小孔が形成された板状シャワーの背面全面にわたり均
一な圧力を形成する。シャワー７の小孔は、反応ガスが
この小孔を通ってウエーハ面へ供給されたとき、形成さ
れる薄膜の膜厚が均一になるように中央部と周縁部とで
分布密度を変えて形成され、あるいは一様に分布させる
ときには孔径を中央部と周縁部とで変えるようにしてい
る。この板状シャワー７は、赤外線を良く透過する石英
か、赤外線をよく反射するアルミなどで作られ、石英で
作られている場合には、ウエーハの温度を計測する放射
温度計を真空容器の天板13Cに取り付けることにより、
また、シャワー７がアルミ材で作られている場合には、
複数の小孔を通った赤外線を放射温度計ほか、適宜の検
出手段でそれぞれ検出し、この検出結果を用いてウエー
ハの温度を求めるなどの方法により、ウエーハの温度測
定を従来に比べて著しく容易に行うことができる。

また、板状シャワー７を着脱可能に装置を構成するこ
とにより、プロセスの内容に応じて小孔の分布や小孔の
孔径分布の異なる，あるいは厚みを変えてウエーハとシ
ャワーとの間隔を変えたシャワーの使用が可能になる。
また、シャワー７を取り外すことにより、サセプタへの
ウエーハの載置あるいは成膜後のウエーハの取出しが容
易に可能になり、搬送機構の構造や搬送方向に対する制
約が従来と比べて著しく少なくなる。

なお、上記の実施例では、本発明による熱CVD装置と
して、ウエーハの被成膜面が鉛直方向上向きとなる装置
について説明したが、反応ガスの分解，反応が気相で行
われ、気相中で生成された粒子がウエーハ面に乗り、パ
ーティクル汚損が生じるのを防止するため、本発明によ
るCVD装置として、ウエーハの被成膜面が鉛直方向下向
きとなる装置も可能であることはもちろんである。

〔発明の構成〕

以上に述べたように、本発明においては、熱CVDを、
真空容器内にあって一方の面に被成膜ウエーハを密着状
態に保持する，カーボンからなるサセプタと、該カーボ
ンサセプタの反ウエーハ側の真空容器壁面の開口を気密
に閉鎖する石英製の窓と、該石英窓の外側に前記カーボ
ンサセプタと対向する発熱面を形成する１個または複数
のリング状あるいは直線状のハロゲンランプと、該ハロ
ゲンランプを該ハロゲンランプに近接して外側から覆い
ハロゲンランプから放射される赤外線を反射する，水冷
構造を有するリフレクタとを備えた構成としたので、ウ
エーハの片側加熱が可能となり、反応ガスをウエーハ面
に垂直方向に供給することが可能となった。このため、
小孔が多数形成された板状シャワーをウエーハと対向さ
せた装置構成とするとともに、小孔の分布や小孔の孔径
の分布を考慮することにより、ウエーハを回転させるこ
となく、かつガス流量に制約されることなく反応ガスを
膜厚が均一となるように供給することが可能になった。
また、真空容器をアルミなど高熱伝導材で構成するとと
もに内壁面を鏡面に研磨したので、ウエーハおよびサセ
プタから真空容器外部へ逃げる熱損失が小さくなり、加
熱効率が従来と同等以上に高く維持され、加熱電力を増
加させないですんだ。また、サセプタの径を、想定され
るウエーハの最大径より大きくし、かつ真空容器をでき
るだけ小さく形成するとともに内壁面を鏡面に研磨する
こととしたため、サセプタ周縁部からの熱の逃げが真空
容器内壁面からの反射熱によりカバーされ、ウエーハの
温度が中央部と周縁部とで差がなくなり、均一な膜厚，
膜質を得ることが容易になった。そして、ウエーハの片
側加熱により可能になった，板状のシャワーをウエーハ
と平行に対向配置する装置構成において、板状シャワー
を、赤外線をよく透過する材質あるいはよく反射する材
質を用いて構成することとしたので、シャワーの熱吸収
量が小さくなり、シャワーが取り付けられる真空容器へ
の熱伝達に基づく熱損失が小さくなるとともに、この板
状シャワーを、赤外線をよく透過する材質を用いて構成
した場合には、放射温度計を板状シャワー背面側の真空
容器壁に設置してウエーハの温度を容易に測定すること
ができ、板状シャワーを、赤外線をよく反射する材質を
用いて形成した場合には、例えば、シャワーの小孔を通
った複数本の赤外線をそれぞれ検出し、この検出結果を
用いてウエーハの温度を求めるなどの方法により、ウエ
ーハの温度測定が従来と比べ著しく容易になり、これに
より、加熱電力を調整してウエーハ温度を制御すること
が容易に可能となった。また、板状シャワーは着脱可能
に装置が構成されるから、プロセスの内容に応じたシャ
ワーを随時交換しながら使用することができる。そし
て、ウエーハの搬送時には、シャワーを取り外してウエ
ーハを大きく大気に開放することができ、ウエーハの搬
送が搬送機構や搬送方法の制約少なく可能になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による熱CVD装置構成の一実施例を示す
断面図、第２図はウエーハ面およびサセプタ面の温度分
布（計算値）を示す線図、第３図は従来の熱CVD装置の
構成例を示す概念図である。 1:ウエーハ、2:サセプタ、3,13：真空容器、4:ハロゲン
ランプ、5,15:リフレクタ、7:シャワー、8:窓（石英
窓）、12:サセプタ（カーボンサセプタ）、31:開口。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】薄膜成分を有する１種または複数のガスか
   らなる反応ガスを熱エネルギーで励起もしくは分解し気
   相またはウエーハ上での化学反応によりウエーハ上に薄
   膜を形成する熱CVD装置において、真空容器内に配され
   一方の面に被成膜ウエーハを密着状態に保持する，カー
   ボンからなるサセプタと、該カーボンサセプタの反ウエ
   ーハ側の真空容器壁面の開口を気密に閉鎖する石英製の
   窓と、該石英窓の外側に前記カーボンサセプタと対向す
   る発熱面を形成する１個または複数のリング状あるいは
   直線状のハロゲンランプと、該ハロゲンランプを該ハロ
   ゲンランプに近接して外側から覆いハロゲンランプから
   放射される赤外線を反射する，水冷構造を有するリフレ
   クタとを備えてなるとともに、前記カーボンサセプタ
   が、想定される被成膜ウエーハの最大径よりも大きい径
   をもち、かつ、前記真空容器がアルミなどの高熱伝導材
   を用いて構成されるとともに該真空容器の内壁面が鏡面
   に研磨されていることを特徴とする熱CVD装置。
2. 【請求項２】請求項第１項記載の熱CVD装置において、
   真空容器内のウエーハ被成膜面と対向する側に、石英な
   ど赤外線を良く透過する材料またはアルミなど赤外線を
   良く反射する材料からなり反応ガスを被成膜ウエーハに
   向けてシャワー状に放出する，多数の孔が形成された板
   状のシャワーを着脱可能としたことを特徴とする熱CVD
   装置。