JP5208850B2 - 成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は、成膜装置に関し、詳しくは、基板を回転させながら成膜する成膜装置に関する。

ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のパワーデバイスのように、比較的膜厚の大きい結晶膜を必要とする半導体素子の製造工程では、エピタキシャル成長技術が利用される。

膜厚の大きなエピタキシャルウェハを高い歩留まりで製造するには、均一に加熱されたウェハの表面に新たな原料ガスを次々に接触させて成膜速度を向上させる必要がある。そこで、ウェハを高速で回転させながらエピタキシャル成長させることが行われている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１の装置では、ベースの下面に上方に向かって伸びる中空円筒体が取り付けられている。中空円筒体の周囲には中空回転軸が設けられていて、この中空回転軸は、中空円筒体とは無関係に回転自在にベースに取り付けられている。また、中空回転軸の上端は反応室内に伸びており、サセプタ支えに固着されている。サセプタ支えは、ヒータの周りを囲み、上端に形成された座ぐり内にサセプタが嵌着された構造である。そして、サセプタは、内周側に形成された座ぐり内にウェハの外周部を受入れるようになっている。中空回転軸が回転すると、サセプタ支えを介してサセプタが回転する。したがって、サセプタ内にウェハを載置することにより、ウェハに対して回転した状態で成膜処理を行うことができる。

特開平５−１５２２０７号公報

近年、成膜処理されるウェハは大型化する傾向にある。ウェハが大型化すると、これに伴って、サセプタやサセプタ支えなども大型化する。ここで、サセプタ支えは、サセプタの外周部を支持して回転を伝達するために円筒状となっている。一方、サセプタ支えは、ヒータによる加熱で高温となるために、通常、カーボン（Ｃ）にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）で炭化ケイ素（ＳｉＣ）をコートした材料によって形成される。サセプタ支えが大型化すると、自重によって円筒状のカーボンは歪みやすくなる上に、炭化ケイ素をコートする際の高温下でカーボンは一層歪みやすくなる。

サセプタ支えが歪んだ構造になると、ウェハを安定して回転させることが困難となり、その結果、均一な膜厚のエピタキシャル膜を形成できなくなる。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、基板を回転させながら成膜する成膜装置であって、大型の基板に対して均一な厚みの膜を形成することのできる成膜装置を提供することにある。

本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明の成膜装置は、
成膜室と、
成膜室内に載置される基板を支持する支持部と、
支持部を回転させるとともに、支持部により上部が覆われて中空領域を形成する回転部と、
中空領域に配置され、支持部を介して基板を加熱する加熱部と、
成膜室内のガスを排気するガス排気部とを備える。
回転部は、支持部を支持する回転胴と、回転胴に接続する回転ベースと、回転ベースに接続して回転ベースを回転させる回転軸とを有し、
回転胴が、複数の板材が筒状に組み合わされて構成されていることを特徴とする。

本発明の成膜装置は、中空領域内に所定のガスを供給するガス供給部を有することが好ましい。

複数の板材の間には、所定の間隔の隙間が設けられていることが好ましい。
この場合、板材において、回転胴の回転方向後方部分は、複数の板材が筒状に組み合わされてなる筒体の周面と同一の円弧面を有し、回転胴の回転方向前方部分は、円弧面から筒体の径方向内方に湾曲した面を有することが好ましい。
さらに、各板材において、回転胴の回転方向の前端は、回転方向の前方に隣接する他の板材の回転方向の後端を通る筒体の径方向の線よりも回転方向の前方に位置することが好ましい。

本発明の成膜装置によれば、回転胴が複数の板材が筒状に組み合わされて構成されているので、大型の基板に対して均一な厚みの膜を形成することのできる成膜装置とすることができる。

本実施の形態の成膜装置の模式的な断面図である。 本実施の形態における回転胴と回転ベース部分の平面図である。 図３は、図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本実施の形態の回転胴の別の例である。

図１は、本実施の形態における枚葉式の成膜装置１００の模式的な断面図である。

成膜装置１００は、例えば、パワー半導体などの用途で使用される３００ｍｍ以上のサイズの基板に好適である。図１の例では、基板としてシリコンウェハ１０１を用いる。但し、これに限られるものではなく、場合に応じて、他の材料からなるウェハを用いてもよい。

成膜装置１００は、成膜室としてのチャンバ１０３を有する。

チャンバ１０３の上部には、加熱されたシリコンウェハ１０１の表面に結晶膜を成膜するための原料ガスを供給するガス供給部１２３が設けられている。また、ガス供給部１２３には、原料ガスの吐出孔が多数形成されたシャワープレート１２４が接続している。シャワープレート１２４をシリコンウェハ１０１の表面と対向して配置することにより、シリコンウェハ１０１の表面に原料ガスを供給できる。本実施の形態においては、原料ガスとしてトリクロロシランを用いることができ、キャリアガスとしての水素ガスと混合した状態で、ガス供給部１２３からチャンバ１０３の内部に導入する。

チャンバ１０３の下部には、反応後の原料ガスを排気するガス排気部１２５が複数設けられている。ガス排気部１２５は、調整弁１２６および真空ポンプ１２７からなる排気機構１２８に接続されている。排気機構１２８は、図示しない制御機構により制御されてチャンバ１０３内を所定の圧力に調整する。

チャンバ１０３の内部には、支持部としてのサセプタ１０２が、回転部１０４の上に設けられている。サセプタ１０２は、シリコンウェハ１０１の外周部を支持する第１のサセプタ部１０２ａと、第１のサセプタ部１０２ａの開口部分に密嵌される第２のサセプタ部１０２ｂとからなる。第１のサセプタ部１０２ａと第２のサセプタ部１０２ｂは、高温下にさらされることから、例えば高純度のＳｉＣを用いて構成される。

回転部１０４は、回転胴１０４ａと、回転ベース１０４ｂと、回転軸１０４ｃとを有している。サセプタ１０２を支持する回転胴１０４ａは、ネジ１０５によって回転ベース１０４ｂの上に固定されており、また、回転ベース１０４ｂは、ネジ１０６によって回転軸１０４ｃに接続している。

回転軸１０４ｃは、チャンバ１０３の外部まで延設されており、図示しない回転機構に接続している。回転軸１０４ｃが回転することにより、回転ベース１０４ｂおよび回転胴１０４ａを介してサセプタ１０２を回転させることができ、ひいてはサセプタ１０２に支持されたシリコンウェハ１０１を回転させることができる。回転胴１０４ａは、シリコンウェハ１０１の中心を通り、且つ、シリコンウェハ１０１に直交する線を軸として回転することが好ましい。

図１において、回転胴１０４ａは、上部が解放された構造であるが、サセプタ１０２が設けられることにより、上部が覆われて中空領域（以下、Ｐ_２領域と称す。）を形成する。ここで、チャンバ１０３内をＰ_１領域とすると、Ｐ_２領域は、サセプタ１０２によって実質的にＰ_１領域と隔てられた領域となる。

Ｐ_２領域には、サセプタ１０２を介してシリコンウェハ１０１を裏面から加熱するヒータ１２０が設けられている。ヒータ１２０は、アーム状のブースバー１２１によって支持されている。ブースバー１２１は、ヒータ１２０を支持する側とは反対の側の端部で電極１２２に接続している。

ヒータ１２０は、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いて構成される。また、ブースバー１２１は、導電性の高耐熱性部材、例えば、炭化ケイ素をコートしたカーボン（Ｃ）材からなる。電極１２２はモリブデン（Ｍｏ）製である。これにより、ヒータ支持部であるブースバー１２１を介して、電極１２２からヒータ１２０への給電が可能となっている。

尚、本実施の形態では、インヒータとアウトヒータの２種類のヒータによってシリコンウェハ１０１を加熱する構成としてもよい。この場合、アウトヒータは、サセプタ１０２の周縁部を主に加熱するようにし、インヒータは、アウトヒータの下部に配置されて、サセプタ１０２の周縁部以外を主に加熱するようにすることができる。このようにすることにより、シリコンウェハ１０１をより均一に加熱できるので、シリコンウェハ１０１の温度分布の均一性が向上する。

加熱により変化するシリコンウェハ１０１の表面温度は、チャンバ１０３の上部に設けられた放射温度計１４０によって計測される。尚、シャワープレート１２４を透明石英製とすることによって、放射温度計１４０による温度測定がシャワープレート１２４で妨げられないようにすることができる。計測した温度データは、図示しない制御機構に送られた後、ヒータ１２０の出力制御にフィードバックされる。これにより、シリコンウェハ１０１を所望の温度となるように加熱できる。

図２は、回転胴と回転ベース部分の平面図である。また、図３は、図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

図２および図３に示すように、回転胴１０４ａは、複数の板材１０４ａ_１が筒状に組み合わされて構成されている。板材１０４ａ_１は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）または炭化ケイ素をコートしたカーボン（Ｃ）材から構成することができる。

各板材１０４ａ_１は、ネジ１０５によって回転ベース１０４ｂに固定されている。回転ベース１０４ｂは、ネジ１０６によって図１の回転軸１０４ｃに接続する。回転ベース１０４ｂに設けられた開口部１０７には、図１で述べた電極１２２が通り、ブースバー１２１に接続する。

回転胴１０４ａを複数の板材１０４ａ_１を筒状に組み合わせて構成することにより、大型の回転胴であっても作製が容易となる。すなわち、従来のように回転胴を一体的に作製する場合には、大型化した場合に自重によって円筒状のカーボンが歪みやすくなる上に、炭化ケイ素をコートする際の高温下でカーボンが一層歪みやすくなる。このため、理想的な筒状の回転胴を作製することが困難となる。そして、回転胴が歪んだ構造になると、シリコンウェハを安定して回転させることができなくなり、エピタキシャル膜の膜厚が不均一になる。これに対して、複数の板材を筒状に組み合わせることで回転胴を作製する方法によれば、回転胴の大きさに合わせて板材の数と大きさを決めることができる。つまり、各板材の大きさをカーボンの歪みが発生しない大きさに設定することができるので、回転胴をその大きさにかかわらず歪みのない形状で作製することが可能となる。したがって、この回転胴を有する成膜装置であれば、大型の基板に対して均一な厚みのエピタキシャル膜を形成することができる。

また、本実施の形態の回転胴１０４ａは、各板材１０４ａ_１の間に所定の間隔の隙間１０８が設けられている。これにより、次のような効果が得られる。

回転部を備える成膜装置では、回転部内に原料ガスが侵入すると、回転部内における各種部品への副生成物の付着や腐食などを生じる。これらは、回転部のメンテナンスインターバルの短縮や装置の短寿命化などを引き起こす要因になる。そこで、回転部内に所定のガスを供給するガス供給部を設け、回転部内をこのガスでパージすることによって、回転部内に原料ガスが侵入するのを防ぐようにすることが好ましい。所定のガスは、原料ガスと反応したり、回転部内の部品を腐食したりしないガスから適宜選択される。

図１では、Ｐ_２領域に水素（Ｈ_２）ガスを供給するための水素ガス供給管１３０が設けられている。水素ガス供給管１３０は、図示しない配管を通じて水素ガスボンベに接続している。尚、水素ガスに代えて、アルゴン（Ａｒ）ガスやヘリウム（Ｈｅ）ガスを供給してもよい。チャンバ１０３の内部に原料ガスが導入されている際には、水素ガス供給管１３０を通じてＰ_２領域に水素ガスを供給する。これにより、Ｐ_２領域内は水素ガスでパージされるので、Ｐ_２領域内に原料ガスが侵入するのを防ぐことができる。

水素ガス供給管１３０は、図３の回転ベース１０４ｂに設けられた開口部１０７を通って設けられる。ここで、回転胴が一体的に構成されたものであると、供給された水素ガスは積極的には排出されないので、Ｐ_２領域に滞留することになる。また、ヒータ１２０が高温となることによって、ヒータ１２０やブースバー１２１を構成する部材の一部が分解するなどして、これらからガスが発生することがある。回転胴が一体的に構成されたものであると、発生したガスもＰ_２領域に滞留することになる。滞留したガスがシリコンウェハ１０１の方へ流れると、エピタキシャル膜の特性が低下するおそれがある。

これに対して、本実施の形態の回転胴１０４ａのように、各板材１０４ａ_１の間に隙間１０８が設けられていれば、水素ガス供給管１３０から供給された水素ガスや、ヒータ１２０などで発生したガスは、図３の矢印で示すように、隙間１０８を通って回転胴１０４ａの外部へと流れる。その後、図１のガス排気部１２５から排気される。したがって、これらのガスがＰ_２領域に滞留するのを防いで、Ｐ_２領域が常に水素ガス供給管１３０から供給された新鮮な水素ガスでパージされるようにすることができる。また、回転胴１０４ａの内部から外部へと向かうガスの流れを形成することで、原料ガスが回転胴１０４ａの内部に侵入するのを効果的に防ぐこともできる。

隙間１０８の間隔は、場合に応じて適宜設定することができる。隙間１０８が広くなりすぎると原料ガスがＰ_２領域に侵入するおそれがあり、隙間１０８が狭くなりすぎるとＰ_２領域にガスが滞留しやすくなる。したがって、これらを比較考慮して適当な間隔にすることが好ましい。

図４は、本実施の形態の回転胴の別の例である。図４の回転胴１０４ａ’は、複数の板材１０４ａ_２を筒状に組み合わせることで回転胴１０４ａ’が構成されるとともに、これらの板材１０４ａ_２の間に隙間１０８が設けられている点で、図２の回転胴１０４ａと共通する。しかしながら、図３に示すように、回転胴１０４ａの各板材１０４ａ_１は、これらの板材１０４ａ_１を筒状に組み合わせてなる筒体の周面と同一の円弧面を有する。これに対し、図４の各板材１０４ａ_２では、回転胴１０４ａ’の回転方向後方部分は、上記筒体の周面と同一の円弧面を有するが、回転胴の回転方向前方部分は、円弧面から筒体の径方向内方に湾曲した面を有する。

回転胴を図４の構成とすることで、回転胴１０４ａ’が、図４で右回り（時計回り）に回転すると、回転胴１０４ａ’の内部のガスは、図４の矢印で示すように、隙間１０８から回転胴１０４ａ’の外部へスムーズに排出される。このとき、各板材１０４ａ_２において、回転胴１０４ａ’の回転方向の前端は、回転方向の前方に隣接する他の板材の回転方向の後端を通る筒体の径方向の線よりも回転方向の前方に位置することが好ましい。これにより、隙間１０８からのガスの流出を一層スムーズなものとすることができる。

尚、各板材１０４ａ_２において、回転胴１０４ａ’の回転方向前方部分は、上記筒体の周面と同一の円弧面を有し、回転胴の回転方向後方部分は、円弧面から筒体の径方向外方に湾曲した面を有する場合にも、図４で回転胴１０４ａ’が右回りに回転したとき、回転胴１０４ａ’の内部のガスは、隙間１０８から回転胴１０４ａ’の外部へ排出される。しかしながら、この場合には、各板材１０４ａ_２が回転胴１０４ａ’の外部へ向かって突き出したような構造となるため、回転に伴って回転胴１０４ａ’の周囲に乱流が発生するおそれがある。乱流の発生は、シリコンウェハ１０１の回転に悪影響を及ぼしたり、ガス排気部１２５からのスムーズな排気を阻害したりする事態を生じかねない。したがって、図４のように、回転胴１０４ａ’の回転方向後方部分が、上記筒体の周面と同一の円弧面を有し、回転胴の回転方向前方部分が、円弧面から筒体の径方向内方に湾曲した面を有するようにすることが好ましい。

本実施の形態による成膜方法の一例について、図１〜図３を参照しながら説明する。尚、回転胴１０４ａに代えて、図４の回転胴１０４ａ’を用いた場合も同様である。

まず、図２のようにサセプタ１０２の上にシリコンウェハ１０１を載置し、例えば、数１０ｔｏｒｒの減圧下で水素ガスを流しながら、回転部１０４に付随させて、シリコンウェハ１０１を５０ｒｐｍ程度で回転させる。

次に、ヒータ１２０によってシリコンウェハ１０１を１１００℃〜１２００℃に加熱する。例えば、成膜温度である１１５０℃まで徐々に加熱する。

放射温度計１４０による測定でシリコンウェハ１０１の温度が１１５０℃に達したことを確認した後は、徐々にシリコンウェハ１０１の回転数を上げていく。そして、ガス供給部１２３からシャワープレート１２４を介して原料ガスをチャンバ１０３の内部に供給する。本実施の形態においては、原料ガスとしてトリクロロシランを用いることができ、キャリアガスとしての水素ガスと混合した状態で、ガス供給部１２３からチャンバ１０３の内部に導入する。また、水素ガス供給管１３０から水素ガスをＰ_２領域に供給する。

チャンバ１０３の内部に導入された原料ガスは、シリコンウェハ１０１の方に流下する。そして、シリコンウェハ１０１の温度を１１５０℃に維持し、サセプタ１０２を９００ｒｐｍ以上の高速で回転させながら、ガス供給部１２３からシャワープレート１２４を介して次々に新たな原料ガスをシリコンウェハ１０１に供給する。これにより、高い成膜速度で効率よくエピタキシャル膜を成膜させることができる。

一方、水素ガス供給管１３０からＰ_２領域に供給された水素ガスは、回転胴１０４ａで各板材１０４ａ_１の間に設けられた隙間１０８を通じて、回転胴１０４ａの外部へと流れ出る。また、ヒータ１２０が高温となることによって、ヒータ１２０やブースバー１２１を構成する部材の一部が分解するなどして発生したガスも、隙間１０８を通じて回転胴１０４ａの外部へと流れ出る。隙間１０８から流出したガスは、ガス排気部１２５から原料ガスと一緒に排気される。尚、図３の回転胴に代えて図４の回転胴１０４ａ’を用いた場合も同様であり、Ｐ_２領域のガスは、各板材１０４ａ_２の間に設けられた隙間１０８を通じて回転胴１０４ａ’の外部へと流れ出る。

本実施の形態の回転部１０４は、回転胴１０４ａがその大きさにかかわらず理想的な筒状に形成されている。したがって、原料ガスを導入しつつサセプタ１０２を回転させることにより、シリコンウェハ１０１の上に均一な厚さのシリコンのエピタキシャル層を成長させることができる。例えば、パワー半導体の用途では、３００ｍｍのシリコンウェハ上に１０μｍ以上、多くは１０μｍ〜１００μｍ程度の厚膜が形成される。厚膜を形成するには、成膜時の基板の回転数を高くするのがよく、例えば、上記のように９００ｒｐｍ程度の回転数とするのがよい。

尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。

例えば、上記実施の形態では、成膜装置の一例としてエピタキシャル成長装置を挙げたが、本発明はこれに限られるものではない。成膜室内に反応ガスを供給し、成膜室内に載置されるウェハを回転させながらウェハの表面に膜を形成する成膜装置であれば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置などの他の成膜装置であってもよい。

１００…成膜装置
１０１…シリコンウェハ
１０２…サセプタ
１０３…チャンバ
１０４…回転部
１０４ａ…回転胴
１０４ｂ…回転ベース
１０４ｃ…回転軸
１０４ａ_１、１０４ａ_２…板材
１０５、１０６…ネジ
１０７…開口部
１０８…隙間
１２０…ヒータ
１２１…ブースバー
１２２…電極
１２３…ガス供給部
１２４…シャワープレート
１２５…ガス排気部
１２６…調整弁
１２７…真空ポンプ
１２８…排気機構
１３０…水素ガス供給管
１４０…放射温度計

Claims (5)

1. 成膜室と、
   前記成膜室内に載置される基板を支持する支持部と、
   前記支持部を回転させるとともに、前記支持部により上部が覆われて中空領域を形成する回転部と、
   前記中空領域に配置され、前記支持部を介して前記基板を加熱する加熱部と、
   前記成膜室内のガスを排気するガス排気部とを備えており、
   前記回転部は、前記支持部を支持する回転胴と、前記回転胴に接続する回転ベースと、前記回転ベースに接続して前記回転ベースを回転させる回転軸とを有し、
   前記回転胴は、複数の板材が筒状に組み合わされて構成されていることを特徴とする成膜装置。
2. 前記中空領域内に所定のガスを供給するガス供給部を有することを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記複数の板材の間には、所定の間隔の隙間が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
4. 前記板材において、前記回転胴の回転方向後方部分は、前記複数の板材が筒状に組み合わされてなる筒体の周面と同一の円弧面を有し、
   前記回転胴の回転方向前方部分は、前記円弧面から前記筒体の径方向内方に湾曲した面を有することを特徴とする請求項３に記載の成膜装置。
5. 前記各板材において、前記回転胴の回転方向の前端は、前記回転方向の前方に隣接する他の板材の前記回転方向の後端を通る前記筒体の径方向の線よりも前記回転方向の前方に位置することを特徴とする請求項４に記載の成膜装置。
   
   

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