JP4392838B2 - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

Description

本発明は、反応容器内で、原料ガスを用いて基板を成膜する成膜装置及び成膜方法であって、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等によって結晶膜を形成する装置及び方法に関する。

現在用いられる青色ＬＥＤ発光素子には、窒化ガリウムが好適に用いられる。この窒化ガリウムは、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等によって結晶膜が生成される。その際、発光素子の性能は結晶膜の精度によって左右されるため、結晶膜が一定の成長速度で生成され、しかも生成される結晶膜は格子欠陥のない優れた結晶性を有することが望まれている。このため、ＭＯＣＶＤ等を用いる装置（ＭＯＣＶＤ装置）では、形成される結晶膜の均質性及び厚膜の均一性のために、基板の表面温度を所定の温度にかつ均一な温度分布になるように制御することが必要である。

一方、ＭＯＣＶＤでは、成膜対象の基板表面は膜が形成されるので基板表面に接触型の温度検出器を接触させることができないため、基板の温度は、放射温度計等の非接触型の温度検出器を用いて管理されている。
しかし、このような温度検出器を用いた場合、基板や基板を載置するサセプタは、成膜工程中、成膜により膜厚が徐々に厚くなることによって表面からの赤外線の放射効率が変化する。このため、非接触型の温度検出器では、基板やサセプタの絶対的な温度を知ることができない。

これに対して、特許文献１は、成膜対象の基板の温度を非接触で高精度に測定できるようにし、サセプタの温度を制御することのできるプラズマＣＶＤ装置を開示している。
この装置は、サセプタから、サセプタに載置した基板への熱伝導状態が変化してくるので、基板とサセプタとの間に温度差が生じることを解決するために成されたものである。具体的には、上面に載置された基板を加熱する加熱源を有するサセプタと、このサセプタによって加熱される基板の温度を非接触で検出する温度検出器と、この温度検出器の温度表示に対するサセプタの温度と基板の温度との相関データを予め設定しておき、この相関データに基づいて上記温度検出器が検出する基板の温度を補正し、この補正された温度によってサセプタの温度を制御する制御部と、を有して構成されている。加熱源の設けられるサセプタにはサセプタの温度を直接検出する接触型の温度検出器が備えられている。
これにより、成膜対象の基板の温度を高精度に知ることができ、成膜精度を向上させることができるとされている。

特開平５−１９０４６２号公報

しかし、上記特許文献１の装置構成を、ゾーンコントロール誘導加熱法（ＺＣＩＨ）のような、加熱体を複数のゾーン（領域）に分けて加熱温度をゾーン別に制御する装置に適用した場合、上記補正に設定される相関データは、ゾーン毎に設定することが必要である。このため、基板及びサセプタの温度を検出する温度検出器を対にしてゾーン毎に設ける必要があるが、このような温度検出器の対をゾーン毎に設けることは装置の構成上難しい。また、加熱体の温度を検出する温度検出器を多数設けることにより、装置上のコストが増大する。

そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、成膜装置、特に加熱体をゾーン毎に温度制御して基板を成膜するＭＯＣＶＤ装置等において、成膜対象用の基板の表面温度を所定の温度にかつ均一な温度分布になるように制御することのできる成膜装置及び成膜方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、反応容器内に導入した原料ガスを用いて基板を成膜する成膜装置であって、反応容器内に設けられ、表面に基板が載置されるサセプタと、前記サセプタの裏面側に設けられ、前記サセプタの裏面側から加熱体を用いてサセプタを加熱する加熱源と、前記サセプタの表面側の所定の測定点における表面温度の検出データを出力する非接触型のサセプタ表側温度検出センサと、前記加熱源により加熱される前記加熱体の裏面側の、前記測定点の対応位置における加熱温度の検出データを出力する加熱体裏側温度検出センサと、前記サセプタの表面に載置される基板の表面温度の検出データを出力する非接触型の基板温度検出センサと、前記基板温度検出センサの検出データを用いて、成膜工程中の基板の表面温度を算出し、算出した表面温度に基づいて前記加熱源を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、原料ガスを用いた成膜工程前に、前記加熱体裏側温度検出センサの検出データと前記サセプタ表側温度検出センサの検出データとの間の対応関係を求めて記憶するとともに、前記原料ガスを用いた成膜工程中の、前記加熱体裏側温度検出センサの検出データから、前記対応関係を用いて前記測定点の表面温度の検出データを推定算出し、この推定算出された検出データと、前記成膜工程中の前記サセプタ表側温度検出センサの検出データとに基づいて、前記成膜工程中の前記サセプタ表側温度検出センサの検出データに対して補正する補正量を定め、この補正量を用いて、前記基板温度検出センサの検出データを補正することで、成膜工程中の前記基板の表面温度を算出することを特徴とする成膜装置を提供する。

その際、前記サセプタの表面は、複数の領域に分割され、前記基板温度検出センサは、基板の載置される領域毎に、基板の表面温度を検出するように複数設けられ、前記加熱源は、前記複数の領域に対応して複数設けられ、前記制御部は、複数の領域にある基板の表面温度を算出し、算出結果に基づいて前記複数の加熱源を制御することが好ましい。

さらに、本発明は、反応容器内に導入した原料ガスを用いて、サセプタの表面に載置された基板を、サセプタの裏面側から加熱源で加熱することによる成膜方法であって、原料ガスを用いた成膜工程前に、サセプタ表面の所定の測定点における表面温度の検出データと、加熱源により加熱された加熱体の裏面側の、前記測定点に対応する位置における加熱温度の検出データとの間の対応関係を求めるステップと、成膜工程中、加熱体裏面側の加熱温度の検出データから前記対応関係を用いて前記測定点の表面温度の検出データを推定算出するステップと、前記推定算出された表面温度の検出データと、前記成膜工程中の前記測定点の表面温度の検出データとに基づいて、前記成膜工程中の前記測定点の表面温度の検出データに対して補正する補正量を定めるステップと、この補正量を用いて、前記基板の表面温度の検出データを補正して、成膜工程中の基板の温度を算出し、この算出した温度に基づいて基板を加熱する加熱源の制御を行うステップと、を有することを特徴とする成膜方法を提供する。
なお、本発明におけるサセプタの表面側とは基板を載せる面側をいい、裏面側はその反対側をいう。また、同様に加熱体の表面側とはサセプタの表面側と同じ側をいい、裏面側はその反対側をいう。

本発明は、予め、加熱体裏側温度検出センサの検出データとサセプタ表側温度検出センサの検出データとの間の対応関係を求めておき、成膜工程中の、加熱体裏側温度検出センサの検出データから、先に求めた対応関係を用いて測定点の表面温度の検出データを推定算出し、この推定算出された検出データと、成膜工程中のサセプタ表側温度検出センサの検出データとに基づいて、成膜工程中のサセプタ表側温度検出センサの検出データに対して補正する補正量を定める。この補正量を用いて、基板温度検出センサの検出データを補正して、成膜工程中の基板の温度を算出し、算出した温度に基づいて加熱源を制御する。したがって、成膜工程中の基板やサセプタの表面常態が刻々変化する場合においても、基板の表面温度を正確に知ることができ、これに基づいて、加熱源を精度よく制御することができる。

以下、本発明の成膜装置及び成膜方法を詳細に説明する。
図１は、本発明の薄膜形成装置の一実施形態であるＭＯＣＶＤ装置１０の概略の構成を示す図である。
ＭＯＣＶＤ装置１０は、原料ガスを高温に加熱した基板の上に通過させることで、所望の結晶膜を形成させる装置である。

ＭＯＣＶＤ装置１０は、反応容器１２と、反応容器１２内に設けられ、基板１４を表面の所定の位置に載置するサセプタ１６と、このサセプタ１６を軸支する回転シャフト１８と、原料ガスを反応容器１２の外部から反応容器内に導く導入口２０と、サセプタ１６と別体として設けられ、基板１４を加熱する複数の加熱体２２（２２ａ，２２ｂ）と、加熱体２２の裏面側に設けられ加熱体２２を加熱する加熱源２３（２３ａ，２３ｂ）と、原料ガス等を排気する、図示されない真空ポンプと接続された排気口２４と、加熱体２２ｂの裏面側からの赤外線放射により、裏面側の加熱温度を検出する赤外線温度検出センサ２６と、サセプタ１６の表面側からの赤外線放射により、基板１４やサセプタ１６の表面温度を検出する非接触型の赤外線温度検出センサ２８（２８ａ，２８ｂ）と、加熱源２２を制御する制御部３０と、を有する。なお、表面側とは、図１中、サセプタ１６、加熱体２２の上側をいい、裏面側とは図１中、サセプタ１６、加熱体２２の下側をいう。

反応容器１２は、ステンレス製でありその一部が、石英ガラス板により石英窓１３a,１３ｂが設けられ、この石英窓１３ａ,１３ｂの外側に赤外線温度検出センサ２６，２８が設けられている。
成膜対象の基板１４は、例えばサファイヤの基板であり、この基板にトリメチルガリウム（ＴＭＧ）やアンモニア（ＮＨ₃）等の原料ガスを用いて結晶膜が生成される。
サセプタ１６は、円板形状を成し、反応容器１２内に水平に設けられ、円板形状の基板１４がサセプタ１６上に同心円状に複数載置される。サセプタ１６は、回転シャフト１８によってサセプタ１６を回転させることで、基板１４が原料ガスに均等に晒されるようになっている。

加熱体２２（２２ａ，２２ｂ）は、サセプタ１６の裏面側（原料ガスに晒されない側）に設けられ、サセプタ１６を複数に分割した領域毎に加熱する。
加熱体２２ａを加熱する加熱源２３ａは、同心円状を成したリング状の誘導コイルであり、ラジアル方向の内側のゾーンＡに設けられている。加熱体２２ａは、加熱源２３ａに対向するように同心円状に設けられ、加熱源２３ａによる誘導加熱により加熱される板状部材である。加熱体２２ａは、サセプタ１６を裏面側から放射熱により加熱する。
加熱体２２ｂを加熱する加熱源２３ｂは、同心円状を成したリング状の誘導コイルであり、ラジアル方向のゾーンＡの外側のゾーンＢに設けられている。加熱体２２ｂは、加熱源２３ｂに対向するように同心円状に設けられ、加熱源２３ｂによる誘導加熱により加熱される板状部材である。加熱体２２ｂは、サセプタ１６を裏面側から放射熱により加熱する。ゾーンＡには、成膜対象の基板１４が載置される。
図１中では、サセプタ１６は、ラジアル方向で２つの領域（ゾーンＡ,Ｂ）に分けられて、加熱源２３ａ，２３ｂにより別々に温度制御が行われているが、本発明では、領域数は３つ以上であってもよい。
加熱体２２ａ，２２ｂの加熱源として、電磁誘導型加熱用コイルが挙げられるが、ヒータであってもよい。さらに、加熱源２３ａ，２３ｂは加熱体２２ａ，２２ｂの内部に設けられてもよい。
加熱源２３ａ，２３ｂは、いずれも制御部３０と接続され、制御部３０からの駆動電流により駆動される。

赤外線温度検出センサ２６は、加熱体２２ｂの裏面側の、測定点Ｑに対応する位置から放射される赤外線を、石英窓１３ｂを介して反応容器１２の外側で検出する非接触型の加熱体裏側温度検出センサである。測定点Ｑは、後述する赤外線温度検出センサ２８ｂがサセプタ１６の表面温度を計測する位置である。図１中では、測定点ＱはゾーンＡの外側のゾーンＢに設けられているが、その位置は制限されない。赤外線温度検出センサ２６による赤外線の検出データは、測定される位置の表面温度の検出データとして出力され、制御部３０に供給される。

赤外線温度検出センサ２８ａは、基板１４の表面温度を検出するための非接触型のサセプタ表側温度検出センサであり、石英窓１３ａを通過する基板１４からの赤外線を検出する。赤外線温度検出センサ２８ｂは、サセプタ１６の表面温度を検出するための非接触型のサセプタ表側温度検出センサであり、石英窓１３ａを通過するサセプタ１６からの赤外線を検出する。
赤外線温度検出センサ２８ａ，２８ｂによる赤外線の検出データは、測定される位置の表面温度の検出データとして出力され、制御部３０に供給される。

制御部３０は、赤外線温度検出センサ２６から供給される検出データ、及び赤外線温度検出センサ２８ａ，２８ｂから供給される検出データ基づいて、基板１４の表面温度を求め、この表面温度に基づいて加熱源２３ａ，２３ｂを制御する部分である。
具体的には、原料ガスを用いた成膜工程前に、赤外線温度検出センサ２６の検出データと赤外線温度検出センサ２８ｂの検出データとの間の対応関係を求めて記憶保持しておく。一方、原料ガスを用いた成膜工程中、赤外線温度検出センサ２６の検出データから、記憶保持した対応関係を用いて測定点Ｑの表面温度の検出データを推定算出する。この推定算出された検出データと、成膜工程中の赤外線温度検出センサ２８ｂの検出データとに基づいて、成膜工程中の赤外線温度検出センサ２８ｂの検出データに対して補正する補正量を定める。

成膜工程中、基板１４のみならずサセプタ１６の表面に結晶膜は形成される。このため、赤外線温度検出センサ２８ｂによる検出データは、サセプタ１６上の放射効率が変化することにより、赤外線温度検出センサ２６による検出データから推定算出される測定点Ｑの検出データと乖離する。このため、赤外線温度検出センサ２８ｂによる検出データをどの程度補正すればよいか、推定算出された検出データと、成膜工程中の赤外線温度検出センサ２８ｂの検出データとに基づいて補正量を定めることができる。
補正の方法及び補正量の定義は特に制限されない。例えば、成膜工程中の赤外線温度検出センサ２８ｂの検出データが、推定算出された検出データに一致するように、成膜工程中の赤外線温度検出センサ２８ｂの検出データに加算すべき付加量を補正量として定める。あるいは、成膜工程中の赤外線温度検出センサ２８ｂの検出データが、推定算出された検出データに一致するように、成膜工程中の赤外線温度検出センサ２８ｂの検出データに乗算する係数を補正量として定める。

制御部３０は、さらに、上記定められた補正量を用いて、赤外線温度検出センサ２８ａ，２８ｂの検出データを補正して、成膜工程中の表面温度をゾーンＡ，Ｂ毎に算出し、算出した温度に基づいて加熱源２３ａ，２３ｂを制御する駆動電流を生成し、加熱源２３ａ，２３ｂに供給する。
ＭＯＣＶＤ装置１０は、以上のように構成される。

次に、ＭＯＣＶＤ装置１０の作用を説明する。
図２は、赤外線温度検出センサ２６の検出データＴgb及び赤外線温度検出センサ２８ａ，２８ｂの検出データＴsa，Ｔsbを定義する図であり、図３は、ＭＯＣＶＤ装置１０において行われる成膜方法のフローを示す図である。
ＭＯＣＶＤ装置１０では、まず、原料ガスが導入される前の成膜工程前に、赤外線温度検出センサ２６の検出データＴgbと赤外線温度検出センサ２８ｂの検出データＴsbとの対応関係を求める(ステップＳ１００)。加熱源２３ａ，２３ｂを用いて、成膜工程中と同じように発熱させ、この加熱されたサセプタ１６を用いて上記対応関係を求める。

次に、原料ガスを導入口２０から導入し、また排気口２４から排気を行い、反応容器１２内を、原料ガスによる所定の減圧雰囲気とする。
この状態で、基板１４を載置したサセプタ１６を回転させつつ、加熱源２３ａ,２３ｂでサセプタ１６及び基板１４を加熱する。基板１４は１０００℃以上の高温に加熱する。
その際、制御部３０は、赤外線温度検出センサ２６の検出データＴgbから、制御部３０において、ステップＳ１００で求められた対応関係を用いて、赤外線温度検出センサ２８ｂにおける実測したときに得られるであろう検出データＴsbを推定算出する（ステップＳ１０２）。

この推定算出された検出データＴsbは、赤外線温度検出センサ２８ｂにおいて実際に検出された実測の検出データＴsbと一致しない。これは、サセプタ１６の表面に、基板１４と同様に結晶膜が形成され、この膜による赤外線の放射効率の変化により、赤外線温度検出センサ２８ｂで検出される赤外線が変化するからである。したがって、推定算出された検出データＴsbと実測の検出データＴsbとのずれは、成膜による赤外線の放射効率の違いによるものである。
したがって、制御部３０は、実測の検出データＴsbと推定算出された検出データＴsbとに基づいて、実測の検出データＴsbを補正する補正量を求める（ステップＳ１０４）。この補正量として、例えば、実測の検出データＴsbに付加すべき付加量又は実測の検出データＴsbに乗算する係数を求める。

次に、サセプタ１６のゾーンＡに載置される基板１４の表面温度を赤外線温度検出センサ２８ａの実測の検出データＴsaに、ステップＳ１０４で定められた補正量を用いて補正を行う（ステップＳ１０６）。補正量が上記付加量の場合、この付加量が検出データＴsaに付加される。補正量が上記係数の場合、この係数が検出データＴsaに乗算される。
こうして、基板１４に形成される結晶膜表面からの赤外線の放射効率の変化を考慮して補正された検出データが求められる。
制御部３０は、この補正された検出データに基づいて、基板１４の表面温度を求め、この表面温度に基づいて加熱源２３ａの駆動を制御する（ステップＳ１０８）。

このように、成膜工程中の基板１４に形成される結晶膜の表面状態、すなわち赤外線の放射効率を考慮して、赤外線温度検出センサ２８ａの検出データを補正するので、基板１４の温度を正確に知ることができ、これに基づいて、加熱源２３ａを精度よく制御することができる。
また、サセプタ１６では、赤外線温度検出センサ２６による測定位置を領域毎に設ける必要がなく、石英窓１３ａの外側に、基板１４の表面温度からの赤外線を検出する赤外線温度検出センサ２８ａを設ければよいので、各領域に載置する基板１４の温度分布も容易に求めることができ、所望の温度で均一な温度分布になるように加熱源２３ａを制御することができる。

以上、本発明の成膜装置及び成膜方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

本発明の薄膜形成装置の一実施形態であるＭＯＣＶＤ装置の概略の構成を示す図である。 図１に示されるＭＯＣＶＤ装置も用いる熱電対の検出データ及び赤外線温度検出センサを説明する図である。 本発明の薄膜形成方法の一例のフローを示す図である。

符号の説明

１０ ＭＯＣＶＤ装置
１２ 反応容器
１４ 基板
１３ａ，１３ｂ 石英窓
１６ サセプタ
１８ 回転シャフト
２０ 導入口
２２ 加熱体
２３ 加熱源
２４ 排気口
２６，２８ａ，２８ｂ赤外線温度検出センサ
３０ 制御部

Claims (3)

1. 反応容器内に導入した原料ガスを用いて基板を成膜する成膜装置であって、
   反応容器内に設けられ、表面に基板が載置されるサセプタと、
   前記サセプタの裏面側に設けられ、前記サセプタの裏面側から加熱体を用いてサセプタを加熱する加熱源と、
   前記サセプタの表面側の所定の測定点における表面温度の検出データを出力する非接触型のサセプタ表側温度検出センサと、
   前記加熱源により加熱される前記加熱体の裏面側の、前記測定点の対応位置における加熱温度の検出データを出力する加熱体裏側温度検出センサと、
   前記サセプタの表面に載置される基板の表面温度の検出データを出力する非接触型の基板温度検出センサと、
   前記基板温度検出センサの検出データを用いて、成膜工程中の基板の表面温度を算出し、算出した表面温度に基づいて前記加熱源を制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、原料ガスを用いた成膜工程前に、前記加熱体裏側温度検出センサの検出データと前記サセプタ表側温度検出センサの検出データとの間の対応関係を求めて記憶するとともに、前記原料ガスを用いた成膜工程中の、前記加熱体裏側温度検出センサの検出データから、前記対応関係を用いて前記測定点の表面温度の検出データを推定算出し、この推定算出された検出データと、前記成膜工程中の前記サセプタ表側温度検出センサの検出データとに基づいて、前記成膜工程中の前記サセプタ表側温度検出センサの検出データに対して補正する補正量を定め、この補正量を用いて、前記基板温度検出センサの検出データを補正することで、成膜工程中の前記基板の表面温度を算出することを特徴とする成膜装置。
2. 前記サセプタの表面は、複数の領域に分割され、
   前記基板温度検出センサは、基板の載置される領域毎に、基板の表面温度を検出するように複数設けられ、
   前記加熱源は、前記複数の領域に対応して複数設けられ、
   前記制御部は、複数の領域にある基板の表面温度を算出し、算出結果に基づいて前記複数の加熱源を制御する請求項１に記載の成膜装置。
3. 反応容器内に導入した原料ガスを用いて、サセプタの表面に載置された基板を、サセプタの裏面側から加熱源で加熱することによる成膜方法であって、
   原料ガスを用いた成膜工程前に、サセプタ表面の所定の測定点における表面温度の検出データと、加熱源により加熱された加熱体の裏面側の、前記測定点に対応する位置における加熱温度の検出データとの間の対応関係を求めるステップと、
   成膜工程中、加熱体裏面側の加熱温度の検出データから前記対応関係を用いて前記測定点の表面温度の検出データを推定算出するステップと、
   前記推定算出された表面温度の検出データと、前記成膜工程中の前記測定点の表面温度の検出データとに基づいて、前記成膜工程中の前記測定点の表面温度の検出データに対して補正する補正量を定めるステップと、
   この補正量を用いて、前記基板の表面温度の検出データを補正して、成膜工程中の基板の温度を算出し、この算出した温度に基づいて基板を加熱する加熱源の制御を行うステップと、を有することを特徴とする成膜方法。

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