JP4664598B2 - 高さ調節可能な処理チャンバ内における基板上への薄膜層堆積プロセス及び装置 - Google Patents

高さ調節可能な処理チャンバ内における基板上への薄膜層堆積プロセス及び装置 Download PDF

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Description

本発明は、基板上に薄膜層を堆積するためのプロセス及び装置に関し、反応容器内に設置された処理チャンバを具備し、その底部は垂直軸周りに回転駆動可能で温度制御可能な基板ホルダにより形成され、その蓋はガス入口部品により形成される。蓋は底部に対して平行に延在し、ふるい状に設けたそのガス放出孔により、基板ホルダの基板支持表面全体の上方に延在するガス放出表面を形成する。
このタイプの装置、及び当該装置上で実行可能なプロセスは、特に特許文献１に開示されている。この装置は、反応容器を有する。反応容器の内側には回転駆動される基板ホルダがある。この基板ホルダは、水平面内に設置され、その中心の垂直に配置された軸の周りで回転可能である。ガス入口部品は、基板ホルダの直径より遙かに小さい基板ホルダ上方の空間に設置される。ガス入口部品の基板ホルダへ面した側には、多数のガス放出孔がふるい状に設けられている。この表面は、シャワーヘッド状に形成されており、プロセスガスが通過するガス入口表面を形成する。プロセスガスは、供給ラインによりガス入口部品へと供給され、処理チャンバ内へ流入することができる。プロセスガスの反応分子は、実質的に拡散により基板表面へ到達する。ＭＯＣＶＤプロセスが装置内で実行される場合、有機金属開始物質又は水素化物がガス入口表面を出た後に気相内で分解することがある。このガス入口部品の放出孔の前面での分解を避けるために、ガス入口表面を冷却する場合がある。基板ホルダは加熱装置により下側から加熱される。この加熱装置は、高周波で稼働される誘導コイルでもよい。
非特許文献１は、基板ホルダ上に載置された基板上に堆積した薄膜層の層特性が、処理チャンバの高さすなわち基板支持表面とガス入口表面の間の距離を短くした場合に質的にどのように改善できるかについてモデル計算に基づく理論的考察を開示している。この文献では、最適結果は、１６mmから２５mmの間の範囲と推測されている。しかしながら、これらの推測は、例えば、反応ガスの種類、処理チャンバ圧力及び全体ガス流量等の所定のプロセス条件に対してのみ適用される。
さらに、多様な構造のガス入口部品、とりわけ、ふるい状の形態で設けたガス放出孔をもつものが、特許文献２〜６により知られている。
米国特許第5,871,586号明細書 米国特許第5,781,693号明細書 国際公開99/42638号パンフレット 米国特許第6,086,677号明細書 米国特許第5,595,606号明細書 米国特許第5,709,757号明細書 Journal of Gristal Growth, volume 195 (1998), p.725-732
本発明は、導入部において述べた装置又はプロセスにおいて、影響を及ぼし得るプロセスパラメータの範囲を拡げることにより、組成の均一性と層の厚さの均一性に関する層特性を改善することができる対策を講じることを目的とする。
本発明の目的は、特許請求の範囲に記載された発明により達成される。請求項１に提示されたプロセスは、基板ホルダの支持表面とガス放出表面との間の距離により規定される処理チャンバの高さを、堆積プロセスの途中に調節可能とする。
請求項２に記載された装置は、処理チャンバの高さが調節可能である点で従来技術と相違する。
本発明においては、処理チャンバの高さが７５mm未満、６０mm、５０mm、４０mm、３５mm、３０mm、２５mm、２０mm、１６mm未満又は１１mm未満においてプロセスを実行することができる。反応容器に取り付けられたスペーサ手段の作動により、処理チャンバの高さを変更可能である。この処理チャンバ高さの変更は、特に閉じた反応容器について可能である。本発明においては、この変更は、そのままの状態で実行することもできる、すなわちプロセスの実行中に行うことができる。
このように、閉じた反応容器における処理チャンバ高さが変更可能であることにより、堆積プロセスの途中に、例えばプロセス中の２つの工程の間に処理チャンバ高さを変更することが可能となる。これにより、各ケースにおける処理チャンバ高さを、別のプロセスパラメータに適合するようにできる。例として、使用する複数のプロセス工程を、異なる全体圧力又は異なる全体ガス流量で行わなければならない場合、これらのパラメータに対して最適な値となるように各工程毎に処理チャンバ高さを調節することができる。もちろん、同様のことが、異なる基板ホルダ温度についても適用できる。処理チャンバ高さを変更することにより、基板ホルダ上方における等温線の変化の状態を最適化することができる。
本発明の改良点は、基板ホルダが反応容器の底部及び／又は側壁に対して変位可能とした点である。これは、特に、反応容器がポット形状の場合に利点がある。結果的に形成される円筒状の空洞を蓋により閉鎖することができ、この蓋に対してガス入口部品を接続固定することができる。そして、反応容器を開いたとき、処理チャンバもまた同時に開かれ、上面から物を入れたり出したりすることができる。この場合、スペーサ手段は、反応容器の底部及び／又は側壁に取り付けてもよい。
例えば、本発明の変形例では、スペーサ手段がスピンドルドライブである。このスピンドルドライブは、反応容器の底部に取り付けてもよい。スピンドル駆動されるスピンドルヘッドの高さを調節できる、外部から駆動可能なスピンドルドライブを底部上に載置してもよい。このスピンドルヘッドが、基板ホルダ又は、基板ホルダを搭載するキャリアプレートを支持する。このキャリアプレートは、環状に処理チャンバを取り囲んで処理チャンバから流出するプロセスガスを回収するガス出口リングを搭載してもよい。
この目的のために、ガス出口リングは、処理チャンバの中心へ向いた複数の孔を具備する。しかしながら、ガス出口リングが基板ホルダと共に垂直方向に移動する場合だけでなく、加熱部品が基板ホルダと共に垂直方向に移動する場合も有益である。この方法では、基板ホルダへの熱の均一な伝導が常に得られる。
本発明の変形例では、基板ホルダが、任意であるが加熱装置及び／又はガス出口リングと共に、蓋により閉鎖可能な反応容器の開口の方向へ予め圧縮されたスプリングにより支持される。そして、基板ホルダは、蓋に取り付けた調節可能なスペーサ手段により蓋が閉じられるとき、垂直方向に変位させられる。この場合、特に反応容器の側壁がストッパーを形成してもよく、このストッパーに対して基板ホルダ又は基板ホルダと共に変位可能なキャリアプレートが当接する。
この構成は、反応容器の蓋が開いたとき、基板ホルダが常に同じ高さレベルを採る点で有益である。これにより、反応容器への出し入れを簡素化できる。この目的のために、プロセス途中の基板ホルダの高さ調節に関係なく常に基板ホルダと同じ高さで動作する自動ユニットを用いることができる。
本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ以下に説明する。
実施例に示された装置は、側壁２と水平な底部３とを具備するポット形状の反応容器を有し、側壁２は反応容器の内側を環状に取り囲んでいる。反応容器は、蓋１により閉鎖することができる。プロセスガスの供給ライン２５は、蓋１を通って導かれる。この供給ラインは、蓋１の内側へ固定されかつガス入口部品７を形成する中空体の中へ開口する。ガス入口部品７は、図示しない手段により蓋１へ接続固定される。ガス入口部品７の空洞内には、ガス分散プレート３０が設けられることにより、供給ライン２５から流れ出たプロセスガスは、ふるい状の形態で設けられガス入口部品７の底部に取り付けられた複数の放出孔８を通って均一な分散状態で処理チャンバ４内へ流れることができる。上記のガス入口部品７の底部における複数の放出孔８が穿孔された表面は、一定の距離Ｈで基板支持表面９に対向して配置されたガス入口表面１０を形成する。
基板支持表面９は、基板ホルダ５の表面により形成され、特にグラファイトから作製される。
この基板ホルダ５は、回転軸６の周りに回転可能な駆動シャフトを用いて回転駆動することができる。
基板ホルダ５の下には、符号１７で示されるキャリアプレートがある。このキャリアプレート１７は、固体の形態である必要はない。それは、基板ホルダ５の領域にある複数のスポークの形態でもよい。いずれにしても、加熱部品１５により放出されるエネルギーが基板ホルダ５を加熱することを確保する。好適な構成では、加熱部品１５は高周波コイルにより形成され、それは基板ホルダ５の内側で、基板ホルダ５をプロセス温度へ加熱するために渦流の誘導により熱を発生する。
処理チャンバ４は、ガス出口リング１６により環状に取り囲まれている。このガス出口リング１６は、ほぼ基板ホルダ支持表面のレベルに位置する複数の孔２８を具備する。これにより、放出孔８を通り処理チャンバ４に入ったプロセスガスを、適切な気相反応又は基板２９上での表面反応の後、処理チャンバ４から排出することができる。実施例では、このガス出口リング１６は、キャリアプレート１７上に載置されている。加熱部品１５もまた、キャリアプレート１７上へ接続固定されており、その結果、キャリアプレート１７が垂直方向に変位した場合、基板ホルダ５とガス放出リング１６だけでなく、加熱部品１５もそれと共に変位する。
実施例は、例示のために、基板ホルダ５の、特に基板支持表面の高さ位置、すなわち基板支持表面とガス入口表面１０の間の距離を変更するための種々の形態の多数のスペーサ手段１１を示している。図示しない変形例では、基板ホルダの駆動シャフトの軸方向変位により、又は他の形態で構成された駆動部品、例えば、挟み機構により、この距離を変えられるようにしてもよい。
図１に示した実施例では、複数のスピンドルキャリア１３が、反応容器の底部３上に載置されている。外部から又はその場所に設置されたモータを用いて電気的に駆動可能なスピンドルドライブモータが、これらのスピンドルキャリア１３に設置される。これらのスピンドルドライブモータは、螺子付きのスピンドル１２を駆動することができる。スピンドル１２のスピンドルナットは、キャリアプレート１７の下側に設置されたスピンドルベアリング１４内に設けられている。従って、スピンドル１２の同期的回転により、キャリアプレート１７のレべるすなわち距離Ｈ（処理チャンバ高さ）を調節することができる。ガス出口リング１６の高さにより、セットされる全ての処理チャンバ高さＨにおいて、ガス出口リング１６が処理チャンバの横方向の移動範囲を定めることになる。
図２に示す実施例においては、キャリアプレート１７又は基板ホルダ５が、反応容器の底部３上に支持されるスプリング２０上に装着される。スプリング２０は、反応容器の蓋１の方向へ予め圧縮されている。実施例では、キャリアプレートがストッパー肩部１８を具備し、反応容器の蓋１が開いたとき、反応容器の側壁２のストッパー１９に対して当接する。この位置において、反応容器の蓋１が開き、基板ホルダ５に対して１又は複数の基板２９を置いたり、取り出したりすることができる。
交換可能なスペーサリング２１が、反応容器の内側へ向くように反応容器の蓋１の表面上に設置されている。スペーサリング２１の幅は変更可能であり、処理チャンバ高さＨを制限する。この目的のために、スペーサリング２１は、キャリアプレート１７上、又はキャリアプレート１７により保持されるガス出口リング１６上で支持され、蓋１が閉じられるとき基板ホルダ５を下方へ変位させる。これにより高さＨが調節される。
図３に示した実施例では、スペーサ手段１１が同様に反応容器の蓋１に取り付けられる。しかしながら、この実施例では、スペーサ手段１１の高さを調節可能である。図３は、押圧リング２３を押す螺子付きピン又は螺子付きスピンドル２２による最も単純な高さ調節の変形例を示している。押圧リング２３は、スペーサリング２１と同様の機能を果たす。この螺子付きピン２２は、反応容器の蓋１における螺子孔２６を通して回すことができる。螺子付きピン２２を回すことにより、押圧リング２３の高さ位置すなわち処理チャンバ高さＨを調節することができる。螺子付きピン２２の回転位置は、ロックナット２７により固定される。
このタイプの複数のスペーサ手段１１を反応容器の蓋１に取り付けることが可能である。特に、これらのスペーサ手段１１をモータ制御することもできる。螺子付きピン２２に対しスピンドルドライブを設けることにより、処理チャンバ高さＨをプロセス途中に、又は少なくとも反応容器を閉じた後に変更することができる。
円形の基板ホルダ５の直径は、１０cmより、３０cmより、３５cmより、４０cmより、又は４５cmより大きくすることができる。基板ホルダ５の直径は、実質的に円形のガス入口表面１０の直径に対応する。処理チャンバ高さＨは、基板ホルダ５の直径に比べて遙かに短く、７５mm未満、６０mm未満、５０mm未満、４０mm未満、３５mm未満、３０mm未満、２５mm未満、２０mm未満、１６mm未満及び１１mm未満であってもよい。処理チャンバ高さＨの調節は、堆積プロセスの途中、及び特に、プロセスの２つの工程の間のパージ相の途中に実行することができる。
薄膜層の堆積のためのプロセスとして、ＭＯＣＶＤプロセスが好適に用いられる。このプロセスでは、主要グループIIIに属する元素が、有機金属化合物の形態で、供給ライン２５を通ってガス入口部品７へ通される。主要グループVに属する元素は、水素化物の形態で、供給ライン２５を通ってガス入口部品７へ通される。ガス放出孔８を取り囲むガス入口部品７の底部領域を冷却する結果、これらのガス開始物質の早過ぎる分解が避けられる。処理チャンバ高さは、例えば、全ガス流量、全圧力、及び基板ホルダの回転速度等のプロセスパラメータに従って調節可能である。
反応容器に取り付けられ特にガス入口部品７又は基板ホルダ５の移動に用いられる、底部３を形成するリフト装置は、磁性流体リフト装置としてもよい。このタイプのヘリウムタイト型のリフト装置が、Ｚ方向に動作するのに特に適している。
開示された全ての特徴は、（本質的に）本発明に関連する。関連する／添付される優先権書類（先願の複写物）の開示内容は、本願のクレームにおけるこれらの書類の統合的な特徴に関して、その全体が本願の開示に含まれるものとする。
スペーサ手段がスピンドルドライブとして形成された本発明の第１の実施例の概略図である。 スペーサ手段が反応容器の蓋上に装着固定されたスペーサリングとして形成された本発明の第２の実施例の概略図である。 スペーサ手段が同様に反応容器の蓋に取り付けられ、スペーサ手段が反応容器の外側から調節可能である本発明の第３の実施例の概略図である。

Claims (10)

  1. ＭＯＣＶＤ法により反応容器(１、２、３)内に設置された処理チャンバ(４)内の基板上に薄膜層を堆積させるプロセスであって、
    前記処理チャンバ（４）の底部が、垂直方向の軸(６)の周りに回転駆動される基板ホルダ(５)により形成され、かつ前記基板ホルダ（５）は下側に設置された加熱部品（１５）により温度制御可能であり、
    前記処理チャンバ（４）の蓋が、前記底部に平行に延在するガス入口部品(７)により形成され、前記ガス入口部品(７)はふるい状の形態で設けられた複数のガス放出孔(８)によりガス放出表面(１０)を形成し、前記ガス放出表面(１０)は前記基板ホルダ(５)の基板支持表面(９)全体の上方に延在し、
    前記基板ホルダ(５)及び前記ガス入口部品（７）を環状に取り囲みかつ前記処理チャンバ(４)の横方向の位置を定めるガス出口リング(１６)が、ほぼ前記基板支持表面（９）の高さに位置する複数の孔（２８）を形成されている、薄膜層の堆積プロセスにおいて、
    堆積プロセスの１つの工程では、所定のプロセスパラメータに適合させるべく、前記基板支持表面(９)と前記ガス放出表面(１０)の間の距離(Ｈ)で規定される高さを調整された前記処理チャンバ（４）内で、前記ガス放出表面（１０）を通ってプロセスガスが前記処理チャンバ(４)内へ導入され、反応した後、前記ガス出口リング（１６）の複数の孔（２８）を通って前記処理チャンバ（４）から排出され、かつ、
    堆積プロセスは少なくとも２つの工程とそれらの間のパージ処理を含み、前記パージ処理の途中に、前の工程のものとは異なる後の工程の別のプロセスパラメータに適合させるべく前記処理チャンバ（４）の高さの変更を行い、前記処理チャンバ（４）の高さの変更は、前記加熱部品（１５）及び前記ガス出口リング（１６）とともに前記基板ホルダ（５）を変位させることにより行うことを特徴とする
    薄膜層の堆積プロセス。
  2. ＭＯＣＶＤ法により反応容器(１、２、３)内に設置された処理チャンバ(４)を有し、前記処理チャンバ(４)内の基板上に薄膜層を堆積させる装置であって、
    前記処理チャンバ（４）の底部が、垂直方向の軸(６)の周りに回転駆動される基板ホルダ(５)により形成され、かつ前記基板ホルダ（５）は下側に設置された加熱部品（１５）により温度制御可能であり、
    前記処理チャンバ（４）の蓋が、前記底部に平行に延在するガス入口部品(７)により形成され、前記ガス入口部品(７)はふるい状の形態で設けられた複数のガス放出孔(８)によりガス放出表面(１０)を形成し、前記ガス放出表面(１０)は前記基板ホルダ(５)の基板支持表面(９)全体の上方に延在し、
    前記基板ホルダ(５)及び前記ガス入口部品（７）を環状に取り囲みかつ前記処理チャンバ(４)の横方向の位置を定めるガス出口リング(１６)が、ほぼ前記基板支持表面（９）の高さに位置する複数の孔（２８）を形成されている、薄膜層の堆積装置において、
    堆積プロセスの１つの工程では、所定のプロセスパラメータに適合させるべく、前記基板支持表面(９)と前記ガス放出表面(１０)の間の距離(Ｈ)で規定される高さを調整された前記処理チャンバ（４）内で、前記ガス放出表面（１０）を通ってプロセスガスが前記処理チャンバ(４)内へ導入され、反応した後、前記ガス出口リング（１６）の複数の孔（２８）を通って前記処理チャンバ（４）から排出され、かつ、
    堆積プロセスは少なくとも２つの工程とそれらの間のパージ処理を含み、前記パージ処理の途中に、前の工程のものとは異なる後の工程の別のプロセスパラメータに適合させるべく前記処理チャンバ（４）の高さを変更可能であり、前記処理チャンバ（４）の高さの変更は、前記加熱部品（１５）及び前記ガス出口リング（１６）とともに前記基板ホルダ（５）を変位させることにより行われることを特徴とする薄膜層の堆積装置。
  3. 前記処理チャンバの高さ(Ｈ)が、前記反応容器(１、２、３)が閉じている間に調節可能であることを特徴とする請求項２の薄膜層の堆積装置。
  4. 前記処理チャンバの高さ(Ｈ)を調節するために、気密性をもって閉鎖可能な前記反応容器(１、２、３)に取り付けられるスペーサ手段(１１)を有することを特徴とする請求項２又は３の薄膜層の堆積装置。
  5. 前記基板ホルダ(５)が前記反応容器の底部(３)及び／又は側壁(２)に対して変位可能であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかの薄膜層の堆積装置。
  6. 前記ガス入口部品(７)が前記反応容器の蓋(１)へ接続固定されることを特徴とする請求項２〜５のいずれかの薄膜層の堆積装置。
  7. 前記スペーサ手段(１１)が前記反応容器の底部(３)及び／又は蓋(１)に取り付けられかつスピンドルドライブ(１２、１３、１４）又は磁性流体リフト装置により形成されることを特徴とする請求項４の薄膜層の堆積装置。
  8. 前記基板ホルダ(５)が、前記加熱装置(１５)及び前記ガス出口リング(１６)と共に、前記蓋(１)により閉鎖可能な反応容器開口の方向に予め圧縮された複数のスプリング(２０)により支持され、かつ、該蓋(１)が閉じられるとき該蓋に取り付けられた調節可能な前記スペーサ手段(１１)により垂直方向に移動することを特徴とする請求項２〜７のいずれかの薄膜層の堆積装置。
  9. 前記蓋に取り付けられた前記スペーサ手段(１１)がスペーサリング(２１)又は押圧リング(２３)であり、スピンドル又は螺子付きピン(２２)により作動されることにより、前記ガス出口リング(１６)及び／又は該ガス出口リングを搭載するキャリアプレート(１７)を変位させ、それにより該キャリアプレート(１７)上の前記基板ホルダ(５)を変位させることを特徴とする請求項８の薄膜層の堆積装置。
  10. 前記キャリアプレート(１７)又は前記基板ホルダ(５)に取り付けられたストッパー肩部(１８)が、前記反応容器の前記蓋(１)が開いたとき該反応容器に設けられたストッパー(１９)に当接することを特徴とする請求項９の薄膜層の堆積装置。
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