JP5202839B2 - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents

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Description

本発明は、誘導加熱を用いて被処理基板上に成膜を行う成膜装置、および誘導加熱を用いて被処理基板上に成膜を行う成膜方法に関する。
エピタキシャル成長は、基板結晶上に基板結晶と同じ方位関係を有する単結晶を成長させることが可能であるため、様々な場面で用いられてきた。
例えば、Siのエピタキシャル成長を用いてシリコンウェハを製造する方法(例えば特許文献1、特許文献2参照)が開示されている。
上記のエピタキシャル成長においては、成膜の原料となる成膜ガスを熱により分解するため、成膜の対象となる被処理基板は、良好な均一性で、かつ高温に加熱されることが好ましい。このため、例えば被処理基板の加熱には、コイルによる誘導加熱を用いる場合がある。
特開平9−232275号公報 特開2004−323900号公報
しかし、成膜ガスの種類によっては、熱分解温度が高いものがあり、加熱温度を従来よりも高くする必要があるために、上記の成膜にかかる成膜装置を構成する上で問題になる場合があった。例えば、コイルによる誘導加熱では、ヒータなどの加熱手段と比較して加熱対象を均一に加熱する上で優位性があるが、熱分解温度が高いガスを分解する場合には加熱温度を従来よりも高くする必要が生じ、加熱対象を均一に加熱することが困難となる場合があった。例えば、成膜ガスの流れに対応して、成膜ガスの流れの上流側では被処理基板の温度が低く、成膜ガスの流れの下流側では温度が高くなってしまう場合がある。また、被処理基板を保持する基板保持部の中心部と周縁部とで、誘導加熱による温度差が生じてしまう場合がある。
このようにガスの熱分解のための加熱の均一性が悪化すると、被処理基板への成膜が不均一になり、被処理基板の面内や、または異なる被処理基板の間で膜厚や膜質の差が大きくなり、成膜が不安定になってしまう懸念があった。
そこで、本発明では、上記の問題を解決した、新規で有用な成膜装置および成膜方法を提供することを統括的課題としている。
本発明の具体的な課題は、誘導加熱を用いて分解温度の高い成膜ガスを分解し、均一性の良好な成膜を行うことが可能な成膜装置と、誘導加熱を用いて分解温度の高い成膜ガスを分解し、均一性の良好な成膜を行うことが可能な成膜方法を提供することである。
本発明は、上記の課題を、
請求項1に記載したように、減圧空間とされる内部に成膜ガスが供給される処理容器と、
前記減圧空間に設置される、被処理基板を保持する基板保持部と、
前記基板保持部を誘導加熱して前記成膜ガスによる成膜を前記被処理基板上に生じさせる、複数の領域に分割されたコイルと、
前記コイルを、前記複数の領域ごとに制御するコイル制御手段と、を有し、
前記基板保持部は、
複数の前記被処理基板を保持可能な載置台と、
前記載置台の上面及び下面並びに一対の側面を囲むように直方体状に形成されるとともに、互いに対向する2つの面に対応する部分が開口する被加熱構造体とを備え、
前記被加熱構造体は、前記2つの面に対応する開口のうちの一方の側から前記成膜ガスを供給し、他方の側から該成膜ガスを排出する
ことを特徴とする成膜装置により、また、
請求項2に記載したように、
前記コイル制御手段は、前記基板保持部に設置された温度検知手段によって検知される温度に応じて前記コイルを制御することを特徴とする請求項1記載の成膜装置により、また、
請求項3に記載したように、
前記コイル制御手段は、前記複数の領域ごとに印加される高周波電力の大きさを制御する電力制御手段を有することを特徴とする請求項1または2記載の成膜装置により、また、
請求項4に記載したように、
前記コイル制御手段は、前記複数の領域ごとに印加される高周波電力のタイミングを制御するタイミング制御手段を有することを特徴とすることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の成膜装置により、また、
請求項5に記載したように、
前記コイル制御手段は、前記複数の領域ごとに印加される高周波電力の周波数を制御する周波数制御手段を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の成膜装置により、また、
請求項6に記載したように、
前記コイルは、前記処理容器内の前記成膜ガスの流れに対応して分割されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の成膜装置により、また、
請求項7に記載したように、
前記コイルは、複数の前記被処理基板の配置に対応した同心円に沿って分割されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の成膜装置により、また、
請求項8に記載したように、
処理容器内の減圧空間に設置された基板保持部に保持される被処理基板に、成膜ガスを供給する工程と、
複数の領域に分割されたコイルを当該複数の領域ごとに制御して前記基板保持部を誘導加熱し、前記被処理基板上にエピタキシャル成長を行う工程と、を含み、
前記基板保持部は、複数の前記被処理基板を保持可能な載置台と、前記載置台の上面及び下面並びに一対の側面を囲むように直方体状に形成されるとともに、互いに対向する2つの面に対応する部分が開口する被加熱構造体とを備え、
前記成膜ガスを供給する工程は、前記被加熱構造体の前記2つの面に対応する開口のうちの一方の側から前記成膜ガスを供給し、供給された該成膜ガスを他方の側から排出する、
ことを特徴とする成膜方法により、また、
請求項9に記載したように、
前記コイルは、前記基板保持部に設置された温度検知手段によって検知される温度に応じて制御されることを特徴とする請求項8記載の成膜方法により、また、
請求項10に記載したように、
前記コイルの前記複数の領域ごとに、印加される高周波電力の大きさが制御されることを特徴とする請求項8または9記載の成膜方法により、また、
請求項11に記載したように、
前記コイルの前記複数の領域ごとに、印加される高周波電力のタイミングが制御されることを特徴とする請求項8乃至10のいずれか1項記載の成膜方法により、また、
請求項12に記載したように、
前記コイルの前記複数の領域ごとに、印加される高周波電力の周波数が制御されることを特徴とする請求項8乃至11のいずれか1項記載の成膜方法により、また、
請求項13に記載したように、
前記コイルは、前記処理容器内の前記成膜ガスの流れに対応して分割されることを特徴とする請求項8乃至12のいずれか1項記載の成膜方法により、また、
請求項14に記載したように、
前記コイルは、複数の前記被処理基板の配置に対応した同心円に沿って分割されることを特徴とする請求項8乃至12のいずれか1項記載の成膜方法により、また、
請求項15に記載したように、
前記エピタキシャル成長を行う工程では、前記被処理基板上にSiとCを主成分とする膜が形成されることを特徴とする請求項8乃至14のいずれか1項記載の成膜方法により、また、
請求項16に記載したように、
前記成膜ガスは、CxHy(x、yは整数)により示されるガスを含むことを特徴とする請求項15記載の成膜方法により、また、
請求項17に記載したように、
前記エピタキシャル成長を行う工程では、前記被処理基板が1200℃以上となるように前記基板保持部が誘導加熱されることを特徴とする請求項8乃至16のいずれか1項記載の成膜方法により、解決する。
本発明によれば、誘導加熱を用いて分解温度の高い成膜ガスを分解し、均一性の良好な成膜を行うことが可能な成膜装置と、誘導加熱を用いて分解温度の高い成膜ガスを分解し、均一性の良好な成膜を行うことが可能な成膜方法を提供することが可能となる。
図1は、エピタキシャル成長による成膜を用いて形成された半導体装置(MOSトランジスタ)の構成の一例を示す図である。
図1を参照するに、本図に示す半導体装置10は、n型半導体であるSiCよりなる基板1上(基板1の表面上)に、エピタキシャル成長による成膜を用いて形成されたn型半導体であるSiC層2が形成された構成となっている。エピタキシャル成長では、基板結晶上に基板結晶と同じ方位関係を有する単結晶を成長させることが可能であるため、前記SiC層2は単結晶構造を有している。
前記SiC層2には、p型不純物拡散領域3A,3Bがそれぞれ形成され、該P型不純物拡散領域3A,3B内には、それぞれn型不純物拡散領域4A,4Bが形成されている。また、対向するように形成される前記n型不純物拡散領域4A,4Bの間の前記SiC層2上には、ゲート絶縁膜6が形成され、当該ゲート絶縁膜6上には、電極7が形成されている。
また、前記p型不純物拡散層3A、前記n型不純物拡散領域4A上には、電極5Aが、同様に、前記p型不純物拡散層3B、前記n型不純物拡散領域4B上には、電極5Bが形成されている。また、前記基板1の裏面側には、電極8が形成されている。
上記の半導体装置(MOSトランジスタ)においては、それぞれ前記電極7、前記電極5A,5B、および前記電極8が、例えば、それぞれ、ゲート電極、ソース電極、およびドレイン電極として機能する。
上記の半導体装置10は、従来の、例えばSiを用いた半導体装置と比べた場合、いわゆるオン抵抗(ドリフト層の抵抗)を大幅に抑制することが可能になる特徴を有している。このため、電力の利用効率が良好となる効果を奏する。
図2は、半導体材料として用いられる、Si、GaAs、およびSiCのそれぞれの特性を比較した図である。
図2を参照するに、SiCは、従来最も一般的に用いられてきたSiと比較した場合、絶縁破壊電界強度Ecが1桁以上大きい特徴を有していることがわかる。上記のオン抵抗は、絶縁破壊電界強度の3乗に比例するため、絶縁破壊電界強度Ecの大きいSiCを用いた半導体装置では、オン抵抗を低減して電力の利用効率を良好とすることができる。
また、SiCは、SiおよびGaAsと比べた場合、バンドギャップが広い特徴を有している。このため、SiCを用いた半導体装置では、高温での動作が可能になる特徴を有している。例えば、従来のSiを用いた半導体装置では、動作の限界温度が150℃程度であるのに対し、SiCを用いた半導体装置では、400℃以上での高温での動作が可能となる。
このため、SiCを用いた半導体装置では、例えば従来必要であった半導体装置の冷却手段が不要になったり、または、従来に比べて過酷な条件下において半導体装置を使用することが可能となるメリットがある。
また、大電流を扱ういわゆるパワーデバイスにおいては、抵抗値の小さいSiCを用いることにより、デバイス面積を小さくして当該デバイスを用いた機器の小型化を実現することが可能になる。
上記のSiCは、例えば、誘導加熱によるガス分解を用いたエピタキシャル成長により形成することができるが、SiCの成膜に用いるガスの組み合わせの一例としては、SiH、Hに加えて、分解の困難なCなどの炭化水素系のガス(CxHy(x、yは整数)により示されるガス)を添加する場合がある。例えばCの場合には、成膜にかかる分解のためには1200℃以上の高温に加熱する必要があり、このように、被処理基板を高温にしようとする場合には、上記の成膜にかかる成膜装置を構成する上で問題が生じる場合があった。
例えば、誘導加熱で被処理基板を加熱する場合、被処理基板とともに被処理基板を保持する基板保持部も加熱され、基板保持部からの輻射熱によっても被処理基板が加熱されるように構成される。
上記の構成において、基板保持部を成膜ガス(炭化水素系のガス)が分解される1200℃以上程度に加熱しようとすると、基板保持部を均一に加熱することが困難となってしまう。例えば、処理容器内の成膜ガスの流れに対応して、成膜ガスの流れの上流側では被処理基板の温度が低く、成膜ガスの流れの下流側では温度が高くなってしまう場合があった。また、被処理基板を保持する基板保持部の中心部と周縁部とで、誘導加熱による温度差が生じてしまう場合があった。
そこで、本発明による成膜装置においては、基板保持部を誘導加熱するコイルを複数の領域に分割し、さらに当該コイルを上記の複数の領域ごとに制御する制御手段を設けたことを特徴としている。
上記のようにコイルを複数の領域に分割して、当該複数の領域ごとに制御することで、基板保持部の誘導加熱による温度分布の均一性の改善が容易となり、基板保持部に保持される被処理基板の温度の均一性が良好となる。この結果、被処理基板の面内や、または異なる被処理基板の間での膜厚や膜質の均一性が良好となる、安定な成膜を行うことが可能となる。
次に、上記の成膜装置の構成の一例について、また、上記の成膜装置を用いた成膜方法の一例について、図面に基づき、以下に説明する。
図3は、本発明の実施例1による成膜装置100を模式的に示した図である。図3を参照するに、本実施例による成膜装置100は、内部に減圧空間101Aが画成される、略直方体状(略筐体状)の処理容器101を有する構造となっている。
減圧空間101Aには、被処理基板を保持する基板保持部(被処理基板、基板保持部ともに本図では図示せず、図4で詳細を図示)が設置され、当該被処理基板に対して成膜(エピタキシャル成長)が行われる構造になっている。なお、減圧空間101A内の構造については本図では図示を省略するが、図4以下で後述する。
また、処理容器101には、例えば真空ポンプなどの排気手段114と、例えばコンダクタンス可変バルブよりなる圧力調整手段113が設置された排気ライン112が接続され、減圧空間101Aを、所定の減圧状態(圧力)に調整することが可能になっている。また、処理容器101には、圧力計111が設置され、圧力調整手段113による処理容器内の圧力の調整は、圧力計111によって測定される圧力に対応して実施される。
また、処理容器101内(減圧空間101A)には、ガスライン130により、成膜の原料となる成膜ガスが供給されるよう構成されている。また、ガスライン130には、ガスライン130A,130B,130C,130D,および130Eが接続されている。
質量流量コントローラ(MFC)131Aとバルブ132Aが設置されたガスライン130Aは、SiHガスを供給するガス供給源133Aに接続されており、SiHガスを処理容器101内に供給可能に構成されている。
同様に、質量流量コントローラ(MFC)131B〜131Eと、バルブ132B〜132Eがそれぞれ設置されたガスライン130B〜130Eは、それぞれガス供給源133B〜133Eに接続されている。ガス供給源133B〜133Eからは、それぞれ、Cガス、Hガス、TMA(トリメチルアルミニウム)ガス、Nガスが供給されるように構成されている。
例えば、処理容器101内の被処理基板上に、エピタキシャル成長による成膜を行う場合には、成膜の原料となる成膜ガスとして、上記のSiHガス、Cガス、およびHガスを処理容器101内に供給すればよい。
また、処理容器101の外側には、上記の成膜ガスによって被処理基板上に成膜を生じさせるための誘導加熱を行うコイル107が設置されている。コイル107は、処理容器101の外側を囲むように、処理容器101に巻き付けられるようにして設置されている。上記のコイル107には高周波電源PSから高周波電力が印加され、減圧空間101A内の基板保持部や被処理基板(ともに図示せず、図4以下で後述)が誘導加熱される。その結果、被処理基板上にSiとCを主成分とする膜(SiC膜)がエピタキシャル成長によって形成される。
また、必要に応じて、TMAガスやNガスを添加して、形成されるSiC膜の電気的な特性を調整するようにしてもよい。また、上記のガスは成膜に用いるガスの一例であり、本発明ではこれらのガスに限定されず、他のガスを用いてSiC膜を形成するようにしてもよい。また、SiC膜に限定されず、他のガスを用いて他の膜を形成するようにしてもよい。
また、処理容器101(減圧空間101A)には、ガスライン134により、処理容器101を冷却するための冷却ガスが供給されるよう構成されている。MFC135とバルブ136が設置されたガスライン134は、冷却ガス(例えばArなどの不活性ガス)を供給するガス供給源137に接続されており、冷却ガスを処理容器101内に供給可能に構成されている。上記の成膜ガス、冷却ガスの処理容器101内での具体的な供給経路については、図4で後述する。
また、上記の成膜装置100において、成膜に係る処理、例えば上記のバルブの開閉や、流量制御、高周波電力の印加などは、たとえばレシピと呼ばれるプログラムに基づき、動作される。この場合、これらの動作は、CPU121を有する、制御装置120よって制御される。これらの接続配線は図示を省略している。
前記制御装置120は、CPU121と、上記のプログラムを記憶した記憶媒体122、キーボードなどの入力部123、表示部126、ネットワークなどに接続するための通信部125、メモリ124、およびコイル107の制御を行うコイル制御手段127を有している。
本実施例による成膜装置100では、上記の構造において、上記のコイル107が複数の領域(コイル)に分割されていることが特徴である。例えば、コイル107は、コイル107A、コイル107Bの2つのコイル(領域)から構成されている。さらに、上記のコイル107は、分割された複数の領域(複数のコイル107A、107B)ごとに、コイル制御手段127によって制御されるように構成されている。すなわち、高周波電源PSは上記のコイル制御手段127(制御装置120)と接続され、複数の領域に分割されたコイル107(コイル107A、107B)は、当該複数の領域ごとにコイル制御手段127によって制御される。
上記の構成としたことによって、例えば被処理基板を、成膜ガス(炭化水素系のガス、Cガスなど)が分解される1200℃以上程度の高温に加熱する場合であっても、当該被処理基板の加熱の均一性を良好とすることが可能となる。
例えば、処理容器101内では、成膜ガスが供給されるガスライン130が接続された側から、成膜ガスが排気される排気ライン112の方向にかけて、成膜ガスの流れfが形成されている。上記の場合において、コイル107全体に一律に高周波電力を印加すると、被処理基板(基板保持部)の温度は、成膜ガスの流れfの上流側で低く、下流側で高くなってしまう場合がある。
本実施例では、コイル107Aとコイル107B(コイル107Aとコイル107Bに印加される高周波電力)を別個に制御することで、例えば成膜ガスの流れによる温度の不均一の影響を抑制し、良好な均一性で被処理基板を加熱することが可能となる。
次に、上記の処理容器101内の構造について、図4に基づき説明する。図4は、図3で先に説明した処理容器101の内部の構造を模式的に示した断面図である。ただし、先に説明した部分には同一の符号を付している。図4を参照するに、処理容器101の内部の概略は、減圧空間101Aに被処理基板Wを保持する基板保持部102が設置された構造となっている。
上記の基板保持部102は、処理容器101の外側に設置されたコイル107により、誘導加熱される。被処理基板Wは、被処理基板W自身のコイル107からの誘導加熱に加えて、誘導加熱された基板保持部102からの輻射や熱伝導により加熱される。被処理基板Wは、供給される成膜ガスが分解されて表面反応(エピタキシャル成長)が可能となる程度の温度に加熱される。
例えば、先に説明した成膜ガスのうち、Cガスは、分解が始まる温度がおよそ1200℃以上であるため、被処理基板Wの温度は、少なくとも1200℃以上(例えば1550℃〜1650℃程度)に加熱される。この場合、基板保持部102も同程度の温度となる。
また、誘導加熱されて高温となる基板保持部102(被処理基板W)と処理容器101との間に、基板保持部102(被処理基板W)と、処理容器101とを断熱する断熱材105が設置されている。
このため、基板保持部102(被処理基板W)が上記のように誘導加熱で高温とされた場合であっても、加熱された部分と処理容器101との温度差を大きく維持して処理容器101の破損や放出ガスの発生などを抑制することができる。
また、上記のように処理容器101内で高温となる部分と処理容器101との断熱性能が優れているため、処理容器101を構成する材料の選択の自由度が向上する。上記の処理容器101は、例えば石英により構成される。石英は誘電損失が小さく、誘導加熱する場合に好適である。また、石英は純度が高く、減圧状態で加熱された場合であっても成膜の汚染源となる放出ガスの量が少ないため、高性能デバイスを構成する膜を形成する場合の減圧空間を画成する材料として好適である。
また、減圧空間101Aに設置され、かつ、高温にされる基板保持部102と断熱材105については、ともに、加熱された場合に分解・変質が生じにくく、また、加熱された場合に汚染物質の放出などが生じにくい、安定で清浄な(純度の高い)材料により構成されていることが好ましい。例えば、上記の基板保持部102と、断熱材105は、ともにカーボン(グラファイト)を用いて形成されることが好ましい。
また、基板保持部102は、誘導加熱による加熱が容易であること、また、輻射により被処理基板を加熱することが好ましいため、構成されるカーボン材料の密度が大きいことが好ましく、当該カーボン材料は、例えば、いわゆるバルク材料と呼ばれる程度に密度が大きいことが好ましい。
一方で、断熱材105は、断熱性能を良好とするため、密度が小さくなるように形成されることが好ましく、空隙率が上記のバルク材料に比べて著しく大きくなるように形成されることが好ましい。また、このような断熱に好適な構造は、例えば目視においても空隙がある程度確認できる程度に構成されており、これらの材料を本文中では、空隙の形状にかかわらず、多孔状に形成されている材料であると定義する。
また、必要に応じて、成膜の汚染源とならない程度に、カーボンに熱伝導率を制御するための材料を添加して用いてもよい。
すなわち、上記の基板保持部102と断熱材105は、ともに減圧状態で加熱される場合に好適な材料である、同じ材料(カーボン)を主成分として構成されるが、おもにはその密度(材料のミクロな構造)の違いにより、熱伝導率が異なるようにして構成されている。
また、基板保持部102や断熱材105の表面には、所定のコーティング膜が形成されていてもよい。本実施例の場合、例えば基板保持部102の表面はSiC膜でコーティングされており、一方で断熱材105の表面は、断熱材105よりも密度の高いカーボン膜でコーティングされている。このようなコーティング膜を施すことで、材料を保護するとともに、パーティクルの発生や断熱材表面とガスとの反応を抑制することができる。
また、上記の断熱材105の外側には、断熱材105を覆うように、石英よりなる断熱材保持構造体106が形成されている。断熱保持構造体106は、断熱材105を保持して処理容器101から離間させるように構成されている。このため、処理容器101と断熱材105の間に断熱空間101bが画成され、処理容器101の温度上昇が効果的に抑制されている。断熱材保持構造体106は、柱状の支持部106Aによって処理容器101の底面に載置されている。
また、上記の断熱空間101bには、図3で先に説明した冷却ガス(例えばArガスなど)が供給されている。このようなガスによる冷却によっても処理容器101の温度上昇が抑制されている。
また、上記の断熱材保持構造体106の内側に画成される、基板保持部102と断熱材105が設置された成膜ガス供給空間101aには、成膜ガスが供給される。したがって、断熱保持構造体106によって、成膜ガスの減圧空間101A内での拡散が抑制され、成膜ガスが被処理基板Wに効率的に供給され、成膜ガスの利用効率が良好となっている。
すなわち、断熱保持構造体106は、減圧空間101Aを、実質的に2つの空間(成膜ガス供給空間101a、断熱空間101b)に分離している。このため、処理基板101の温度上昇が効果的に抑制されるとともに、成膜ガスの利用効率が良好となっている。この場合、成膜ガスの流れfは、被処理基板Wに略平行な流れとなり、成膜ガスが供給される側から成膜ガスが排気される側にかけて形成される。
また、基板保持部102の構造についてみると、基板保持部102は、大別して被処理基板Wが載置される載置台103と、載置台103の周囲に形成される被加熱構造体104とを有している。
載置台103は、略円盤形状であり、円盤形状の表面に形成された凹部に、複数の被処理基板Wが載置された略円盤状の搬送板110が載置される構造になっている。複数の被処理基板Wは、搬送板110に載置された状態で搬送アームなどの搬送手段(後述)により搬送され、載置台103の凹部に載置される。
また、載置台103の中心部に形成された中心穴には、軸部108が挿入される構造になっている。軸部108は、稼働手段109によって上下動、または回転がされるように構成されている。軸部108の先端側には、段差形状を有する略円盤状の先端部が形成されており、該先端部が搬送板110の中心に形成された中心穴に嵌合して搬送板110を持ち上げることが可能になっている。搬送板110の搬送時には、軸部108によって、搬送板110が持ち上げられる。
また、成膜時には、軸部108を中心軸にして、載置台103(搬送板110)が回転される。このため、複数の被処理基板Wの間での成膜(成膜速度、膜質)のばらつきや、または、個々の被処理基板Wの面内での成膜のばらつきが抑制される効果を奏する。
図5は、載置台103に載置された搬送板110と、搬送板110に載置された複数の被処理基板Wを平面視した図である。また、搬送板110の中心穴には、軸部108の先端部が嵌合している。なお、本図では、一例として被処理基板Wが中心から等配に8枚載置された状態を示しているが、被処理基板の載置方法、載置される枚数はこれに限定されるものではない。また、搬送板110も減圧空間110A内で誘導加熱されるために、載置台103と同じ材料(カーボン)により形成されていることが好ましい。
また、図6は、上記の載置台103とともに基板保持部102を構成する被加熱構造体104の斜視図を示す。図6を参照するに、被加熱構造体104は、載置台103の周囲に載置台103を囲むように形成され、例えば略筐体状(直方体状)に形成されている。
また、当該直方体の互いに対向する2つの面に対応する部分が開口されており、当該2つの開口のうちの一方の側から成膜ガスが供給され、他方の側から成膜ガスが排出される構造になっている。上記の構造において、被処理基板W上に供給される成膜ガスは、実質的に被処理基板Wに平行な方向に沿って供給され、排出される。
上記の被加熱構造体104および誘導加熱される載置台103が設置されていることで、被処理基板Wをより効率的に、かつ、より良好な均一性で加熱することが可能になる。例えば、被処理基板Wは、被処理基板W自身の誘導加熱によっても加熱され、また、載置台103(搬送板110)からの輻射によっても加熱されるが、これらに比べて体積が大きい被加熱構造体104が設けられていることで、より効率的に加熱される。また、被処理基板Wは、被加熱構造体104の輻射によって、被処理基板Wの周囲(複数の方向)から加熱される。このため、被処理基板Wは、より均一に加熱される。
本実施例による成膜装置では、先に説明したように、成膜のための誘導加熱を行うコイル107が、分割された複数のコイル107A,107Bから構成されていることが特徴である。この場合、コイル107は、例えば成膜ガスの流れfに対応して、成膜ガスの流れfの上流側(コイル107A)と成膜ガスの流れfの下流側(コイル107B)とで分割されている。
例えば、成膜ガスの上流側は、温度の低い新鮮な成膜ガスが順次供給されるために被処理基板Wの温度が下がりやすいため、コイル107Aにはコイル107Bに比べて大きな電力が投入されて被処理基板Wの温度が所定の成膜温度に維持される。一方で、成膜ガスの下流側には、上流側である程度加熱された成膜ガスが到達するため、供給される成膜ガスの温度は上流側に比べて高くなる。
したがって、コイル107Bにはコイル107Aに比べて小さな電力が投入されて、下流側に比べて少ない投入電力で被処理基板Wの温度が上流側と同じ所定の成膜温度に維持される。
このように、成膜ガスの流れに対応してコイル107を複数の領域に分割し、分割された領域ごとに制御を行うように構成することで、被処理基板Wの面内や、または異なる被処理基板W間での温度の均一性を良好としてばらつきの少ない高品質の成膜を行うことが可能となる。
また、上記の制御は、基板保持部102(載置台103)に設置された温度検知手段P1,P2により、検出された基板保持部102(載置台103)の温度に対応して行われるようにすると、被処理基板の温度制御がより正確となり、好ましい。例えば、温度検知手段は、基板保持部102の1か所に設置されるが、図中に示したように、複数箇所(例えば2か所、温度検知手段P1,P2)設置してもよい。
また、上記の分割されたコイル107A,107Bを別個に制御する場合には、例えば、高周波電力の大きさのみならず、例えば高周波電力が印加されるタイミングや、印加される高周波電力の周波数などが分割されたコイルの間で異なるような制御を行ってもよい。
図7は、上記のコイル107(コイル107A,107B)を制御するコイル制御手段127(図3に図示)の一例を模式的に示す図である。なお、これらの構成はコイル制御手段127の構成の一例であり、コイル制御手段に以下の全ての構成が必ずしも必要となるわけではない。
図7を参照するに、コイル制御手段127は、例えば、電力制御手段127A、タイミング制御手段127B、および周波数制御手段127Cを有するように構成される。
上記の電力制御手段127Aは、コイル107A,107Bに印加される高周波電力の大きさを制御する。すなわち、電力制御手段127Aによって、コイル107A,107Bに印加される高周波電力の大きさが別個に(例えばコイル107A,107Bで異なるように)制御される。
また、上記のタイミング制御手段127Bは、コイル107A,107Bに高周波電力を印加するタイミングを制御する。すなわち、タイミング制御手段127Bによって、高周波電力がコイル107A,107Bに印加されるタイミング(印加の開始、印加の終了、印加の期間など)が別個に(例えばコイル107A,107Bで異なるように)制御される。
また、上記の周波数制御手段127Cは、コイル107A,107Bに印加される高周波電力の周波数を制御する。すなわち、周波数制御手段127Cによって、コイル107A,107Bに印加される高周波電力の周波数が別個に(例えばコイル107A,107Bで異なるように)制御される。また、周波数制御手段127Cは、高周波電源PS側に内蔵されるように構成してもよい。
また、上記の制御を行うにあたっては、1台の高周波電源PSを用いて高周波電力が複数のコイル(領域)に分配されるようにしてもよく、また、複数のコイル(領域)に対応して、高周波電源を複数用意するようにしてもよい。
また、複数のコイル(領域)に別個に高周波電力が印加される場合には、例えば以下のようにコイルが制御されると、当該複数のコイル(領域)の間での高周波の干渉の影響が抑制され、好ましい。このように、複数のコイル間での高周波の干渉の影響が抑制されると、被処理基板の温度制御の精度が良好となり、被処理基板の加熱の均一性をさらに良好となる。
例えば、上記のタイミング制御手段127Bによって、複数のコイル107A,107Bに対して、印加される高周波電力のタイミングが異なるようにすることによって、複数のコイルの間での高周波の干渉の影響を抑制することができる。例えば、まず、最初にコイル107Aに印加される高周波電力がONにされ、所定の期間経過後にコイル107Aに印加される高周波電力がOFFされた後に、コイル107Bに印加される高周波電力がONになるようにすればよい。このように、複数のコイルに対して高周波電力が印加されているタイミングをずらすことで、高周波の干渉の影響を抑制することができる。
また、上記の高周波の干渉の影響は、複数のコイルに印加される周波数が異なるようにすることでも抑制することができる。例えば、上記の周波数制御手段127Cによって、コイル107A,107Bに印加される高周波電力の周波数が異なるようにすることで、コイル107A,107Bの間での干渉の影響を抑制することができる。また、先に説明したように、周波数制御手段127Cは、高周波電力PSに内蔵される構成にしてもよい。また、複数の周波数が異なる高周波電源を、周波数制御手段127Cによって制御し、コイル107A,107Bに印加される高周波電力の周波数が異なるようにしてもよい。
また、上記のタイミング制御手段127Bと、周波数制御手段127Cを組み合わせて用いると、複数のコイルの間での高周波の干渉の影響をさらに抑制することが可能となるため、さらに好ましい。
すなわち、上記のタイミング制御手段127Bと周波数制御手段127Cは、被処理基板Wの均一な加熱のための制御と、高周波の干渉を抑制するための制御の双方に用いることが可能である。
次に、上記の成膜装置100を用いた成膜方法の一例について、図8に示したフローチャートに基づき、説明する。
まず、ステップ1(図中S1と表記、以下同じ)において、処理容器101内の減圧空間101Aに設置された基板保持部102に保持される被処理基板Wに、成膜ガスを供給する。例えば、図3で先に説明したように、成膜ガスとして、SiHガス、Cガス、およびHガスを処理容器101内(成膜ガス供給空間101a)に供給する。また、必要に応じてTMAガスやNガスを添加してもよい。
例えば、それぞれの成膜ガスの流量は、一例として、SiHガスが10sccm乃至30sccm、Cガスが10sccm乃至20sccm、Hガスが50slm乃至200slmとされるが、上記の数値に限定されるものではない。
次に、ステップ2において、処理容器101の外側に設置される、複数の領域に分割されたコイル107(コイル107A,107B)を、当該複数の領域ごとに制御して基板保持部102(被処理基板W)を誘導加熱し、被処理基板を1550℃乃至1650℃程度に加熱する。
この場合、先に説明したように、例えば、電力制御手段127Aによって、コイル107A,107Bに印加される高周波電力の大きさが別個に(例えばコイル107A,107Bで異なるように)制御されるようにしてもよい。
また、例えば、タイミング制御手段127Bによって、高周波電力がコイル107A,107Bに印加されるタイミング(印加の開始、印加の終了、印加の期間など)が別個に(例えばコイル107A,107Bで異なるように)制御されるようにしてもよい。
また、周波数制御手段127Cによって、コイル107A,107Bに印加される高周波電力の周波数が別個に(例えばコイル107A,107Bで異なるように)制御されるようにしてもよい。
この結果、被処理基板W上にエピタキシャル成長により、良好な均一性で、SiとCを主成分とする膜(SiC膜)を形成することができる。
また、ステップ1の開始とステップ2の開始の順序は入れ替えても良く、また、ステップ1とステップ2を同時に開始するようにしてもよい。また、それぞれのステップの時間は、適宜変更することで、所望の厚さのSiC膜を形成することができる。
また、コイルの設置方法と、コイルの領域の分割方法は、上記の例に限定されず、様々に変形・変更することが可能である。
図9は、コイル107の変形例であるコイル107Cを示す平面図である。また、コイル107は、処理容器101(図4参照)の外側に、被処理基板W(載置台102)と対向するように取り付けられ、図9は、コイル107Cと被処理基板Wが重なる方向から見た平面図である。また、上記のコイル107Cに対する、基板保持部102(載置台103,被加熱構造体104)と被処理基板Wの位置関係も示してある。
図9を参照するに、本図に示すコイル107Cは、複数の被処理基板Wのそれぞれの中心を結んだ円に対応した、略渦巻き状に形成されている。また、コイル107Cは、渦巻きの内周に対応するコイル107aと、渦巻きの外周に対応するコイル107bとに分割された構造になっている。すなわち、コイル107Cは、複数の被処理基板Wの配置に略対応した同心円に沿って分割されている。
上記のコイル107Cにおいても、先に説明したコイル107と同様の制御を行うことで、コイル107を用いた場合と同様の効果を得ることができる。すなわち、コイル107Cのコイル107a、107bが、それぞれコイル107のコイル107A、107Bに対応する。上記の場合にも、コイル107a,107bが別個に制御されることで、被処理基板Wの面内や、または異なる被処理基板W間での温度の均一性を良好としてばらつきの少ない高品質の成膜を行うことが可能となる。
また、コイル107や、コイル107Cを分割する場合には、必ずしも2分割に限定されるものではなく、例えば3分割や4分割など、さらに多数に分割してもよい。
次に、上記に説明した処理容器101に、搬送室を接続して成膜装置を構成する例について説明する。例えば、被処理基板を用いた半導体装置の製造においては、被処理基板(被処理基板が載置された搬送板)を搬送する搬送室が用いられることが一般的である。このため、成膜装置は、以下に説明するように、上記の搬送室を有する構造とされることが一般的である。
図10は、先に説明した処理容器101と、搬送アーム(搬送手段)201Aを有する搬送室201とを接続して成膜装置を構成した例を模式的に示した斜視図である。ただし、先に説明した部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。また、また、処理容器101に接続される排気ラインなどは図示を省略している。
図10を参照するに、図4で先に示した処理容器101は、搬送アームを内部に有する搬送室201と、処理容器101Bを介して接続されている。また、処理容器101Bの底面側には、先に説明した成膜ガスを供給するためのガスノズル(成膜ガス供給手段)101Cが設置されている。成膜ガスは、上記のガスノズル101Cから成膜ガス供給空間101aに供給される構造になっている。また、コイル107(コイル107A,107B)の巻き数は、様々に変更することが可能である。
上記の構造において、図5に示した、被処理基板Wが載置された搬送板110は、上記の搬送アーム201Aにより、搬送室201の側から処理容器101内に搬入される。搬送アーム201Aは、被加熱構造体104(本図では図示を省略)の開口部から差し入れられ、搬送板110が載置台103上に載置される。また、被処理基板Wに成膜が終了した後は、同様にして搬送アーム201Aにより、搬送板110が処理容器101から搬送室201の側に搬出される。
また、図11は、上記の搬送室201に、複数の処理容器101(成膜装置100)を接続して、成膜装置1000を構成した例を模式的に示した平面図である。ただし、先に説明した部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
図11を参照するに、本図に示す成膜装置1000は、搬送板110が搭載されたホルダー(図示せず)が載置されるポート205A〜205Cと、当該ホルダーの搬送エリアであるローダ203を有している。
また、ローダ203は、搬送板110が投入されるロードロック202A,202Bに接続されており、さらにロードロック202A,202Bは、先に図8で説明した搬送室201と接続されている。
上記の搬送室201には、先に示した処理容器101が2つ接続されている。なお、成膜装置100の、処理容器101以外の構造(コイル、高周波電源、排気ライン、ガスラインなど)は図示を省略している。
ポート205A〜205Cのいずれかに載置された搬送板110(被処理基板W)は、ローダ203を介してロードロック202A,またはロードロック202Bに投入される。さらに、搬送板110は、ロードロック室202A,202Bのいずれかから、搬送室201を経て、成膜装置100(処理容器101)に搬送される構造になっている。また、必要に応じて、ローダ203に設置された位置合わせ機構204を用いて、搬送板の位置合わせを行うことも可能である。
成膜装置100で成膜が完了した後、搬送板110(被処理基板W)は、再び搬送室201を介してロードロック202A,またはロードロック202Bのいずれかに搬送され、さらにローダ203を介してポート205A〜205Cのいずれかに戻される。
このように、成膜装置100(処理容器101)に、搬送室201などの搬送板(被処理基板)の搬送のための構造を接続して用いることで、被処理基板の成膜を連続的に、効率よく実施することが可能となる。
また、例えば、基板処理装置1000は上記の構成に限定されず、様々に変形・変更することが可能である。例えば、前記搬送室201に接続される成膜装置100(処理容器101)は、2つの場合に限定されず、例えば、3つまたは4つ接続されるようにしてもよい。さらに、搬送室201に、成膜装置100以外の基板処理に係る装置を接続するようにしてもよい。このようにして、必要に応じて基板処理装置の構成を変更し、基板処理(成膜)の効率が良好となるようにすることが可能である。
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
本発明によれば、誘導加熱を用いて分解温度の高い成膜ガスを分解し、均一性の良好な成膜を行うことが可能な成膜装置と、誘導加熱を用いて分解温度の高い成膜ガスを分解し、均一性の良好な成膜を行うことが可能な成膜方法を提供することが可能となる。
エピタキシャル成長による成膜を用いて形成された半導体装置の一例である。 半導体材料の特性を比較した図である。 実施例1による成膜装置の概要を模式的に示した図である。 図3の成膜装置の処理容器内部の構造を模式的に示した断面図である。 図4の処理容器内部に設置される基板保持部を示す図(その1)である。 図4の処理容器内部に設置される基板保持部を示す図(その2)である。 図3の成膜装置に用いられるコイル制御手段の模式図である。 実施例1による成膜方法を示すフローチャートである。 図3の成膜装置に用いるコイルの変形例である。 処理容器に搬送室を接続する例を示す図である。 搬送室に複数の処理容器を接続した例を示す図である。
符号の説明
101 処理容器
101A 減圧空間
101B 処理容器
101C ガス供給手段
101a 成膜ガス供給空間
101b 断熱空間
102 基板保持部
103 載置台
104 被加熱構造体
104A,104B,104C 溝部
105 断熱材
106 断熱材保持構造体
107,107A,107B,107C,107a,107b コイル
108 軸部
109 稼働手段
110 搬送板
111 圧力計
112 排気ライン
113 圧力調整手段
114 排気手段
120 制御手段
121 CPU
122 記憶媒体
123 入力部
124 メモリ
125 通信部
126 表示部
127 コイル制御手段
127A 電力制御手段
127B タイミング制御手段
127C 周波数制御手段
130,130A,130B,130C,130D,130E,130F,130G,134 ガスライン
131A,131B,131C,131D,131E,131F,131G,135 MFC
132A,132B,132C,132D,132E,132F,132G,136 バルブ
133A,133B,133C,133D,133F,133F,133G,137 ガス供給源
PS 高周波電源

Claims (17)

  1. 減圧空間とされる内部に成膜ガスが供給される処理容器と、
    前記減圧空間に設置される、被処理基板を保持する基板保持部と、
    前記基板保持部を誘導加熱して前記成膜ガスによる成膜を前記被処理基板上に生じさせる、複数の領域に分割されたコイルと、
    前記コイルを、前記複数の領域ごとに制御するコイル制御手段と、を有し、
    前記基板保持部は、
    複数の前記被処理基板を保持可能な載置台と、
    前記載置台の上面及び下面並びに一対の側面を囲むように直方体状に形成されるとともに、互いに対向する2つの面に対応する部分が開口する被加熱構造体とを備え、
    前記被加熱構造体は、前記2つの面に対応する開口のうちの一方の側から前記成膜ガスを供給し、他方の側から該成膜ガスを排出する
    ことを特徴とする成膜装置。
  2. 前記コイル制御手段は、前記基板保持部に設置された温度検知手段によって検知される温度に応じて前記コイルを制御することを特徴とする請求項1記載の成膜装置。
  3. 前記コイル制御手段は、前記複数の領域ごとに印加される高周波電力の大きさを制御する電力制御手段を有することを特徴とする請求項1または2記載の成膜装置。
  4. 前記コイル制御手段は、前記複数の領域ごとに印加される高周波電力のタイミングを制御するタイミング制御手段を有することを特徴とすることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の成膜装置。
  5. 前記コイル制御手段は、前記複数の領域ごとに印加される高周波電力の周波数を制御する周波数制御手段を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の成膜装置。
  6. 前記コイルは、前記処理容器内の前記成膜ガスの流れに対応して分割されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の成膜装置。
  7. 前記コイルは、複数の前記被処理基板の配置に対応した同心円に沿って分割されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の成膜装置。
  8. 処理容器内の減圧空間に設置された基板保持部に保持される被処理基板に、成膜ガスを供給する工程と、
    複数の領域に分割されたコイルを当該複数の領域ごとに制御して前記基板保持部を誘導加熱し、前記被処理基板上にエピタキシャル成長を行う工程と、を含み、
    前記基板保持部は、複数の前記被処理基板を保持可能な載置台と、前記載置台の上面及び下面並びに一対の側面を囲むように直方体状に形成されるとともに、互いに対向する2つの面に対応する部分が開口する被加熱構造体とを備え、
    前記成膜ガスを供給する工程は、前記被加熱構造体の前記2つの面に対応する開口のうちの一方の側から前記成膜ガスを供給し、供給された該成膜ガスを他方の側から排出する、
    ことを特徴とする成膜方法。
  9. 前記コイルは、前記基板保持部に設置された温度検知手段によって検知される温度に応じて制御されることを特徴とする請求項8記載の成膜方法。
  10. 前記コイルの前記複数の領域ごとに、印加される高周波電力の大きさが制御されることを特徴とする請求項8または9記載の成膜方法。
  11. 前記コイルの前記複数の領域ごとに、印加される高周波電力のタイミングが制御されることを特徴とする請求項8乃至10のいずれか1項記載の成膜方法。
  12. 前記コイルの前記複数の領域ごとに、印加される高周波電力の周波数が制御されることを特徴とする請求項8乃至11のいずれか1項記載の成膜方法。
  13. 前記コイルは、前記処理容器内の前記成膜ガスの流れに対応して分割されることを特徴とする請求項8乃至12のいずれか1項記載の成膜方法。
  14. 前記コイルは、複数の前記被処理基板の配置に対応した同心円に沿って分割されることを特徴とする請求項8乃至12のいずれか1項記載の成膜方法。
  15. 前記エピタキシャル成長を行う工程では、前記被処理基板上にSiとCを主成分とする膜が形成されることを特徴とする請求項8乃至14のいずれか1項記載の成膜方法。
  16. 前記成膜ガスは、CxHy(x、yは整数)により示されるガスを含むことを特徴とする請求項15記載の成膜方法。
  17. 前記エピタキシャル成長を行う工程では、前記被処理基板が1200℃以上となるように前記基板保持部が誘導加熱されることを特徴とする請求項8乃至16のいずれか1項記載の成膜方法。
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