JP3604425B2 - 気相成長装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体装置の製造プロセス等に用いられる気相成長装置に係わり、特にCVDによる膜付け対象である半導体ウエハ(以下ウエハという)の加熱温度制御の適切化に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、気相成長装置(CVD装置)として、図3に示すような装置がある。
この装置は、外筒2と、上部石英ガラス窓3を有しヒンジ4により外筒2の上面に開閉可能に設けた上蓋5と、外筒2の下面にクランプ6により取付けられた下部石英ガラス窓7とにより反応炉1を形成し、一般的には反応炉1内を図示しない真空ポンプにより所定の圧力に減圧するようになっている。
【0003】
そして、反応炉1内に設けたカーボン製のウエハホルダ8にウエハ9を載置し、上下の石英ガラス窓3、7の外に設けた多数のハロゲンランプ10a、11aからなる赤外放射線源10、11によりウエハ9及びウエハホルダ8を加熱し、ノズル孔12から膜付けに必要な材料ガスを供給しつつ図示しない排気孔から排気してウエハ9の表面に薄膜を形成する。
【0004】
なお、図3において、ウエハホルダ8は、カーボン製の円筒体13によって外周部を係合保持されており、円筒体13は石英ガラス製の板14上に載置され、板14は同じく石英ガラス製の複数本の支柱15により支持されている。
【0005】
この従来装置においては、赤外放射線源10、11のランプの間にそれぞれ設けた複数の放射温度計16、…、17、…により、ウエハ9とウエハホルダ8の半径方向にそれぞれ異なる位置の温度を検出し、それらの出力を赤外放射線源10、11の対応するハロゲンランプ10a、11aにそれぞれフィードバックして最終的にはウエハ9を所定の温度に制御して均一な膜厚分布の薄膜を得るようにしていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ウエハ9上に形成される薄膜の膜厚分布は、ウエハ9表面上の温度分布に左右される。特に、ポリシリコンの膜付けは、温度に対する成膜率が敏感であり、ウエハ9表面上の温度差が6℃以上になると膜厚のバラツキが実用上問題となる。ウエハ9の温度を正確に制御するためには、放射温度計16、17によりウエハ9の温度を正確に測定する必要がある。
【0007】
ところで、測温範囲が100〜600℃と比較的低い場合には、放射温度計の検知素子には、現在、Pbsが用いられており、その検出波長は2100〜2600nm(2.1〜2.6μm)であるが、本発明の対象であるCVDにおいては、成膜温度との関係から放射温度計16、17の測温範囲は600〜1300℃であり、この場合の放射温度計16、17の検知素子にはSiが用いられており、その検出波長は500〜1100nm(0.5〜1.1μm)である。
【0008】
赤外放射線源10、11にハロゲンランプ10a、11aを用いた場合の放射波長のピーク値は、図4の分光分布図に示すように、850〜1000nm(0.85〜1.0μm)であり、検知素子Siの検出波長がこれを含むため、赤外放射線源10、11からの放射線が放射温度計16、17に取り込まれて測温精度を阻害し、正確な温度測定ができない。
【0009】
そこで、測温精度を高めるため、Siとは異なる検知素子を用いることも試みられているが、測温範囲との関係があり、また、図4に示すようにハロゲンランプは広範囲の波長光を放射するため、正確な温度測定は困難であった。さらに、図4に示すハロゲンランプの波長分布は、経時変化を生じるため、再現性に欠ける欠点もある。
【0010】
本発明は、前述したような課題を解決し、ウエハの温度をより正確に測定してウエハの温度をより正確に制御可能な気相成長装置を提供することを目的としている。
また、本発明は、ウエハの温度をより効率的かつ迅速に所望の温度に制御可能な気相成長装置を提供することを目的としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、赤外放射線源を熱源としてウエハを加熱し、このウエハに膜付けを行なう気相成長装置において、反応炉内に配置され、ウエハの裏面側を被うように支持するカーボン製のウエハホルダと、前記反応炉を構成する石英ガラス窓を介して前記ウエハホルダのウエハ載置側またはそれと反対の裏側のいずれか一方のみに向けて前記反応炉外に配置された赤外放射線源と、前記反応炉を構成する石英ガラス窓を介すると共に前記ウエハホルダを間において前記赤外放射線源と対向するように前記ウエハホルダの裏側またはウエハ載置側のいずれか一方に向けて前記反応炉外に配置された反射板と、この反射板が対向する前記ウエハホルダの裏側またはウエハ表面に向けて設けられた放射温度計と、この放射温度計の出力により前記赤外放射線源の出力を制御する温度制御部と、を備え、前記ウエハホルダが、ウエハとほぼ等しい厚さに形成され、かつウエハ裏面の外周部のみを接触保持するように形成されていることを特徴とする気相成長装置である。
【0013】
【作用】
赤外放射線源をウエハホルダのウエハ載置側に配置した場合は、赤外放射線源からの放射線は、ウエハを直接加熱すると共に、一部の放射線はウエハを透過してウエハホルダに達し、ウエハホルダを加熱する。また、ウエハとウエハホルダはこれらが発生する放射線によって互いに加熱され、ほぼ等しい温度に保たれる。ウエハホルダの裏側から放散される放射線は反射板によってウエハホルダに戻され、加熱効率の向上に寄与する。
【0014】
他方、赤外放射線源をウエハホルダの裏側に配置した場合は、赤外放射線源からの放射線は、ウエハホルダを加熱し、このウエハホルダによりウエハを間接的に加熱する。ウエハの表面側から放散される放射線は反射板によってウエハに戻され、加熱効率の向上に寄与する。
【0015】
上記2つの装置の相違はウエハ表面を赤外放射線源からの放射線によって直接加熱するか否かである。
放射温度計は、赤外放射線源からの放射線を直接受けず、反射板が対向する側である前者の装置においてはウエハホルダの裏側、後者の装置においてはウエハ表面の温度を測定するため、検知素子にSiのような検出波長が赤外放射線源からの放射線のピーク波長を含むものであっても、これに阻害されることなくウエハホルダを介して、または直接ウエハの温度を正確に測定する。
【0016】
そこで、この温度測定に基づいて赤外放射線源の出力を制御することによりウエハの温度を正確に制御して均一な膜厚分布の膜付けを行なうことができる。
なお、ハロゲンランプはこの種の石英ガラス窓を通して複写加熱する装置の赤外放射線源として適しており、また、金被膜の反射率が高く、さらに、ウエハホルダの厚さをウエハとほぼ等しく、かつウエハ裏面の外周部のみを接触保持するようにすれば、ウエハを迅速かつ全面にわたり均一に所望の温度に制御することができ、さらに、ウエハホルダに異方性カーボンを用いてその積層結晶体の層の面方向がウエハホルダの上面に沿うように形成すれば、該方向の熱伝導率が高いため、ウエハ表面上の温度分布の均一性を高めることができると共に、これと垂直な厚さ方向には大きな断熱性を有しているため、熱効率を高めることができ、強度的にも優れているため、ウエハホルダをより薄くすることができ、急速な昇降温が可能となる。
【0017】
【実施例】
以下本発明の実施例について図1を参照して説明する。
この装置は、外筒2と、上部石英ガラス窓3を有しヒンジ4により外筒2の上面に開閉可能に設けた上蓋5と、外筒2の下面にクランプ6により取付けられた下部石英ガラス窓7とにより反応炉1を形成し、一般的には反応炉1内を図示しない真空ポンプにより所定の圧力に減圧するようになっている。
【0018】
そして、反応炉1内に設けたカーボン製のウエハホルダ8にウエハ9を載置し、上部の石英ガラス窓3の外に設けた多数のハロゲンランプ10aからなる赤外放射線源10によりウエハ9及びウエハホルダ8を加熱し、ノズル孔12から膜付けに必要な材料ガスを供給しつつ図示しない排気孔から排気してウエハ9の表面に薄膜を形成する。
【0019】
なお、ウエハホルダ8は、カーボン製の円筒体13によって外周部を係合保持されており、円筒体13は石英ガラス製の板14上に載置され、板14は同じく石英ガラス製の複数本の支柱15により支持されている。
【0020】
図1においては、下部石英ガラス窓7の外には反射板20が設けられており、従来例(図3)の赤外放射線源11に相当するものは設けられていない。
反射板20は、後述するウエハホルダ21の裏面(図1において下面)に向けられ、該裏面から放散される放射線を該裏面に向けて反射するように、金属の鏡面仕上げ、さらには金、銀などの反射効率の高い被膜仕上げが施されている。
【0021】
反射板20を貫通して3つの放射温度計17が取り付けられている。これらの放射温度計17a、17b、17cは従来例(図3)の放射温度計17と同じであるが、これらは上部石英ガラス窓3の外に設けられている赤外放射線源10のハロゲンランプ10aの配列に対応して設けられている。
【0022】
すなわち、ハロゲンランプ10aは、中央のハロゲンランプ10aを中心として3つのリング状に配列されており、放射温度計17aは中央のハロゲンランプ10aと最内周リングのハロゲンランプ10aに対応し、放射温度計17bは中間のハロゲンランプ10aに対応し、放射温度計17cは最外周リングのハロゲンランプ10aに対応しており、それぞれの検出温度を制御部22に取り込んで各ハロゲンランプ10aの出力を制御するようになっている。
【0023】
ウエハホルダ21は、カーボン、好ましくは異方性カーボン、例えば東洋カーボン社製のGRAFOIL(商品名)より形成される。異方性カーボンは、炭素原子の六角網状構造の積層結晶体であり、層の面方向にはアルミニウムとほぼ同じ熱伝導率を示し、優れた寸法安定性と機械的強度を持ち、他方、厚さ方向には断熱性を示す。しかして、ウエハホルダ21は、この層の面方向がウエハホルダ21の上面に沿うようにして形成される。
【0024】
また、ウエハホルダ21は、図1に示すように、ウエハ9とほぼ同じ厚さすなわち直径が6インチ(約150mm)のSiウエハ用の場合、0.6〜1.0mmの厚さに形成され、さらに、上面のウエハ収納凹部21aの底面にはザグリ21bが設けられ、ウエハ9の裏面外周部のみを接触支持するようになっている。ザグリ21bの深さすなわちウエハ9の裏面とウエハホルダ21のザグリ部表面との間隔Hは、ウエハ9の表面上の温度分布と加熱効率を考慮すると、0.8〜1.0mmが好ましい。
【0025】
ついで本装置の作用について説明する。赤外放射線源10からの放射線により上部石英ガラス窓3を通してウエハ9の表面を加熱する。ウエハ9がSiの場合、ウエハ9に照射された放射線のうち波長が約1000nm以上の放射線は、ウエハ9を透過してウエハホルダ21に吸収され、ウエハホルダ21を加熱する。
【0026】
ウエハ9を通過した放射線によって加熱されるウエハホルダ21はウエハ9を裏面から加熱する。このとき、ウエハホルダ21に照射される放射線の強度分布が一様でなくても、ウエハホルダ21を上記のようにカーボンで形成すれば、カーボンは熱伝導率が高いため、ウエハホルダ21の全体をより均一な温度にできる。
【0027】
また、上記のように異方性カーボンで形成すれば、ウエハホルダ21の上面に沿う方向の熱伝導率が高いため、ウエハホルダ21の上面の温度をより一層均一化することができると共に、異方性カーボンの層の厚さ方向には断熱性を有するため、ウエハホルダ21の裏面(図1において下側)からの放熱が減少し、熱効率が高められる。
【0028】
上記のようにウエハホルダ21は、少なくとも上面に沿う方向に温度が均一化されるが、全体が一定温度になるとは限らず、ある温度勾配を有するのが通常である。この温度勾配は、ウエハホルダ21の裏側に向けて設けられた放射温度計17a、17b、17cによって測定される。
【0029】
このとき、ウエハホルダ21は、赤外放射線源10からの放射線を全て吸収するため、放射温度計17a、17b、17cは赤外放射線源10からの放射線に影響されることなく、ウエハホルダ21の温度をより正確に測定する。
【0030】
放射温度計17a、17b、17cの出力は制御部22に取り込まれ、それぞれに対応しているハロゲンランプ10aの出力を制御してウエハホルダ21の半径方向の温度分布を均一にする。
【0031】
なお、ウエハホルダ21の裏側から放散された放射線は、反射板20によってウエハホルダ21に戻され、効果的な加熱を行なう。
ウエハホルダ21によるウエハ9の加熱は、ウエハ9の裏面の外周部のみがウエハホルダ21に接触しており、ウエハ9とウエハホルダ21の間には間隔Hが設けられているため、主として接触による伝導加熱ではなくウエハホルダ21が発する放射線による輻射加熱となり、ウエハ9をより均一な温度分布となるように加熱する
また、ウエハホルダ21の厚さをウエハ9の厚さとほぼ等しく形成すれば、ウエハホルダ21の熱容量を小さくすることができるため、効率的な加熱が行なわれると共に、赤外放射線源10のON、OFFにより、ウエハ9を迅速に昇・降温させることが可能となり、特に枚葉式の気相成長装置にとって重要な処理時間の短縮化が図られる。
【0032】
図2は、本発明の他の実施例を示すもので、赤外放射線源10をウエハホルダ21の裏面に向け、反射板20と放射温度計17a、17b、17cをウエハ9の表面に向けて設置したものである。これは、ウエハ9の表面に、例えばポリシリコン膜、ガラス膜、窒化膜等の赤外放射線源10からの放射線吸収率が異なる膜が混在して一様に加熱されないために、赤外放射線源10によりウエハ9の表面を直接加熱することができない場合に用いられる。
【0033】
この装置では、ウエハ9はもっぱらウエハホルダ21からの熱の供給により加熱される。反射板20は、ウエハ9の表面から放散される放射線をウエハ9に戻す。
【0034】
この装置においても放射温度計17a、17b、17cは赤外放射線源10からの放射線の影響を受けず、ウエハ9の温度をより正確に測定してウエハ9の温度を的確に制御することができる。
【0035】
なお、この他の実施例(図2)の説明において、前述の一実施例(図1)と同一部分は同一の符号を付して重複説明を省略する。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲で種々変形実施可能なことは勿論である。
【0036】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、赤外放射線源からの放射線に影響されることなくウエハの温度をより正確に測定してウエハの温度をより正確に制御することができ、より均一な膜厚分布の薄膜を得ることができ、さらにウエハホルダの厚さをウエハの厚さとほぼ等しくすれば、ウエハの温度をより効率的かつ迅速に所望の温度に制御することができる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の気相成長装置の一実施例を示す断面図。
【図2】本発明の他の実施例を示す断面図。
【図3】従来装置の断面図。
【図4】ハロゲンランプの分光分布図。
【符号の説明】
1…反応炉、3…上部石英ガラス窓、7…下部石英ガラス窓、9…ウエハ、10…赤外放射線源、10a…ハロゲンランプ、17a、17b、17c…放射温度計、20…反射板、21…ウエハホルダ、22…制御部。
Claims (1)
- 赤外放射線源を熱源としてウエハを加熱し、このウエハに膜付けを行なう気相成長装置において、
反応炉内に配置され、ウエハの裏面側を被うように支持するカーボン製のウエハホルダと、
前記反応炉を構成する石英ガラス窓を介して前記ウエハホルダのウエハ載置側またはそれと反対の裏側のいずれか一方のみに向けて前記反応炉外に配置された赤外放射線源と、
前記反応炉を構成する石英ガラス窓を介すると共に前記ウエハホルダを間において前記赤外放射線源と対向するように前記ウエハホルダの裏側またはウエハ載置側のいずれか一方に向けて前記反応炉外に配置された反射板と、
この反射板が対向する前記ウエハホルダの裏側またはウエハ表面に向けて設けられた放射温度計と、
この放射温度計の出力により前記赤外放射線源の出力を制御する温度制御部と、
を備え、
前記ウエハホルダが、ウエハとほぼ等しい厚さに形成され、かつウエハ裏面の外周部のみを接触保持するように形成されていることを特徴とする気相成長装置。
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