JP5401230B2 - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents

成膜装置および成膜方法

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Description

本発明は、成膜装置および成膜方法に関する。
基板であるウェハ上にシリコンなどの単結晶膜を成長させたエピタキシャルウェハの製造には、枚葉式の成膜装置が使用されることが多い。
図3は、従来の成膜装置の模式的な横断面図である。
従来の枚葉式の成膜装置200は、成膜室であるチャンバ201と、このチャンバ201を積載するベース202と、チャンバ201内に反応ガス204を供給するガス供給路215と、成膜対象の基板であるウェハ203の加熱を可能とするウェハ加熱手段205とを備えている。そして、ベース202の下部には上方に向かってチャンバ201内にまで伸びる中空円筒形状の支柱206が取り付けられている。
上述のウェハ加熱手段205は、その支柱206の上端部に取り付けられている。そして、この中空円筒形状の支柱206の下端は、この支柱206の下蓋となる電極固定部207により閉じられており、支柱206の内部には、電極固定部207を貫通して支柱206に固定される二本の電極棒208が設けられている。この二本の電極棒208は、支柱206の上端部を抜けてチャンバ201内のウェハ加熱手段205まで伸びている。
ウェハ加熱手段205は、ヒータ209とそのヒータ209を固定して保持する導電性のブースバー210とからなる。そして、ブースバー210は、支柱206の上端部に固定された連結部材211に固定されており、その結果、ヒータ209は、支柱206に固定される構造を有している。そして、上述の二本の電極棒208はそれぞれ連結部材211に接続されている。従って、この二本の電極棒208を介してヒータ209への給電が可能となっている。尚、支柱206にはさらに、その上面部分を閉じる上蓋212が設けられている。
チャンバ201内には、成膜対象の基板であるウェハ203が配置されるが、それを載置して保持するためのサセプタ220が設けられている。そして、このサセプタ220は回転可能となっている。すなわち、中空円筒形状の支柱206にはその周囲を囲むように中空の回転軸221が設けられており、この回転軸221はベアリング(図示されない)により支柱206と無関係に回転自在にベース202に取り付けられて別設のモータ222により回転が与えられるようになっている。
そしてさらに、チャンバ201の内部まで伸びるこの回転軸221の上端には回転筒223が配設され、この回転筒223には上述のサセプタ220が取り付けられている。したがって、サセプタ220は、ウェハ加熱手段205の上方、チャンバ201の内部で回転可能に配置されている。
よって、このような構造の成膜装置200では、基板であるウェハ203は、サセプタ220上に載置された状態で回転しながら、サセプタ220の下方に設けられたウェハ加熱手段205のヒータ209によって加熱される。そして、ガス供給路215を通じて反応ガス204が供給されることで、ウェハ203上にエピタキシャル膜が形成される。
尚、この気相成膜時において、成膜装置200では、ウェハ203の温度はウェハ加熱手段205のヒータ加熱によって1000℃を超えるような非常な高温の状態となる場合がある。
特許文献1には、上記したような中空円筒形状の支柱の下蓋を1本の配線部品が貫通して支柱の下部と上部で固定されているタイプの成膜装置が開示されている。
特開平5−152207号公報
上述のように、気相成膜時におけるウェハ加熱に際しては、チャンバ201内は非常に高温の環境下に置かれることになる。そのため、高い耐熱性の材料により成膜装置200の各部が構成されることが必要となる。
したがって、ウェハ加熱手段205を構成する各部の材料としては、最も高温となるヒータ209には高純度のSiCなどが用いられ、ヒータ209を支持する導電性のブースバー210としては、SiCをコートしたカーボンなどが材料として用いられている。これらSiC材やSiCをコートしたカーボンは、柔軟性に劣って破壊されやすいなどの課題を有するものの、加熱成膜時にウェハを汚染する恐れが少ないため用いられている。すなわち、柔軟性に富んで高耐熱性を備える点で望ましいものの、加熱成膜時に汚染が発生する可能性がある金属材料は、ウェハ加熱手段の構成材料としては使用されていない。
一方、中空円筒形状の支柱206の内部に配設された電極棒208においては、ヒータ209やその近傍に比べて若干到達温度が低いことから、導電性能の確保とその向上がより重要な課題となる。その結果、通常は、材料に金属モリブデンを用い、均質なロッド(棒状体)として形成された電極棒208が、導電性に優れまた剛性に優れることから用いられている。
しかしながら、電極棒208は中空円筒形状の支柱206の内部に配設され、ヒータ209やその近傍に比べて若干到達温度が低いものの、チャンバ201内で700℃〜800℃程度またはそれを超えるような高温環境に晒されることがある。その結果、電極棒208を構成する金属モリブデンからそこに含有される不純物が放出されたり、モリブデン自体が熱分解するなどして、成膜対象であるウェハ等基板を汚染してしまう場合が生じた。
すなわち、成膜対象であるウェハ等の基板への金属汚染を防止するには、従来の成膜装置や成膜方法では不十分であり、新たな構成の成膜装置および成膜方法が求められている。
本発明は、こうした点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、成膜対象であるウェハ等基板の加熱時において、成膜室であるチャンバ内へ伸びる中空円筒形状の支柱の内部に配設された金属製の電極によって生じる恐れのあるウェハ等基板への汚染を防止する機構を備えた成膜装置を提供することにある。
また、本発明の目的は、ウェハ等基板の加熱時において、成膜室であるチャンバ内へ伸びる中空円筒形状の支柱の内部に配設された金属性の電極を高温化させないようにすることのできる成膜装置および成膜方法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。
本発明の第1の態様は、成膜室と、成膜室内で基板が載置されるサセプタと、基板を加熱するヒータと、このヒータを支持する導電性のブースバーと、サセプタを上部で支持し、ヒータおよびブースバーを内部に配置する回転筒と、成膜室の下部に設けられて回転筒を回転させる回転軸とを有し、回転軸の内部には、ブースバーを介してヒータに給電する電極とその電極を支持する支柱とが設けられた成膜装置であって、
電極は、電極棒とこの電極棒の上端部に配設されてブースバーを支持する導電性の連結部材とからなり、
電極棒は上部および下部に開口部を有する中空円筒状の形状を有し、
その電極棒下部の開口部からパージガスを供給することにより、電極棒の内部と電極棒上部の開口部とを通過してパージガスが回転筒内部に排出されるよう構成されたことを特徴とするものである。
そして、電極を構成する電極棒と連結部材とは、何れも金属製であることが好ましい。
そして、支柱の電極棒上部の開口部に対応する位置には、支柱を貫通する貫通孔が設けられ、電極棒に供給されたパージガスは、電極棒上部の開口部とその開口部に対応する支柱の貫通孔を通過して、回転筒内部に排出されるよう構成されることが好ましい。
また、回転筒の少なくとも側面下部もしくは底部には、その回転筒を貫通する孔である排気口が設けられ、電極棒を通過して回転筒内に排出されたパージガスは、その排気口を通って成膜室内に排出されるよう構成されることが好ましい。
本発明の第2の態様は、成膜室内に設けられたサセプタに基板を載置し、上部にそのサセプタを配置する回転筒を成膜室の下部に設けられた回転軸で回転させながら基板を加熱し、成膜室内に反応ガスを供給して基板の表面に膜を形成する成膜方法であって、
回転筒の内部にヒータを配置し、そのヒータには、上部および下部に開口部を有する中空円筒状の電極棒を介して給電するとともに、その電極棒下部の開口部からパージガスを供給して、電極棒の内部をパージガスが通過する状態で基板を加熱することを特徴とするものである。
本発明の第1の態様によれば、成膜対象であるウェハ等基板の加熱時において、成膜室であるチャンバ内へ伸びる、中空円筒形状の支柱の内部に配設された金属製の電極棒を高温化させないようにすることができ、成膜時における電極棒の加熱によって生じる恐れのあるウェハ等基板への汚染を防止することのできる成膜装置が提供される。
本発明の第2の態様によれば、成膜対象であるウェハ等基板の加熱時において、成膜室であるチャンバ内へ伸びる、中空円筒形状の支柱の内部に配設された金属製の電極棒を高温化させないようにすることができ、電極棒の加熱によって生じる恐れのあるウェハ等基板への汚染を防止することのできる成膜方法が提供される。
本発明の実施形態の成膜装置の模式的な横断面図である。 本発明の実施形態の成膜装置の回転筒の底面部の構造を模式的に説明する底面図である。 従来の成膜装置の模式的な横断面図である。
図1は、本発明の実施形態の成膜装置100の模式的な横断面図である。本実施の形態においては、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などを用いてもよい。
成膜装置100は、成膜室としてのチャンバ102を有する。そして、チャンバ102を積載するベース104を備えている。ベース104の下面側には上方に向かってチャンバ102内にまで伸びる非導電性で中空円筒形状を有する支柱105が取り付けられている。
チャンバ102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反応ガス115を供給する反応ガス供給路103が接続している。本実施の形態の成膜装置100においては、反応ガス115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反応ガス供給路103からチャンバ102の内部に導入する。
このとき、シリコンウェハ101に対して反応ガスが流れる方向(矢印方向)の上流側に、反応ガスが通過する貫通孔(図示せず)を適当数具備する整流板(図示せず)が設けられていてもよい。反応ガス供給路103より供給された反応ガスはシリコンウェハ101の方に流下する。
チャンバ102の内部には、シリコンウェハ101が載置されるサセプタ110が、中空の回転筒111の上に設けられている。回転筒111は、回転軸112に支持されて、ベース104の下面からチャンバ102内に伸びる中空円筒形状の支柱105の周囲を囲むように設けられている。
そして、回転軸112はベアリング(図示せず)により支柱105と無関係に回転自在にベース104に取り付けられおり、別設のモータ113により回転が与えられるようになっている。すなわち、回転軸112がモータ113を通じて回転すると、回転軸112に取り付けられた回転筒111が回転し、回転筒111の上に設けられたサセプタ110も回転する。
そして、チャンバ102内に伸びる中空円筒形状の支柱105の上面にはウェハ加熱手段120が取り付けられている。尚、支柱105の上端は上蓋106で閉じられている。
加熱によって変化するシリコンウェハ101の表面温度は、チャンバ102の上部に設けられた放射温度計(図示せず)によって測定される。このため、チャンバ102および必要な整流板(図示せず)は石英で構成されることが好ましい。これにより、放射温度計(図示せず)による温度測定が、チャンバ102および整流板(図示せず)で妨げられないようにすることができる。測定された温度データは制御装置(図示せず)に送られる。
制御装置(図示せず)は、水素ガスの流路に設けられた3方弁(図示せず)の動作を制御する。すなわち、シリコンウェハ101が所定の温度以上となった場合には、制御装置(図示せず)は3方弁(図示せず)を動かして、チャンバ102への水素ガスの供給量を制御する。尚、制御装置(図示せず)は、ヒータ121の出力も制御する。
次に、より詳細に成膜装置の主要部の構造を説明する。
支柱105の上面の形状については、図1に示すように、支柱105の円筒形状に穴の開いたドーナツ状の円盤を合わせた形状、すなわち、円筒形部材からはみ出すように出っ張った部分を持つ形状若しくはフランジ形状としても良く、さらに出っ張った部分の周囲には上方に向かって立ち上がる縁を備えていても良い。支柱105の上端部分がこうした形状を備えることで、以下で説明するウェハ加熱手段120の取り付けをより確かなものとすることができる。
そして、中空円筒形状の支柱105の内部には二本の電極107が設けられている。これら電極107は何れも、中空円筒状の金属モリブデン(Mo)製の電極棒108と、電極棒108の上端部分に固定されると共にブースバー123を支持する連結部材124とからなる。
電極棒108は、何れも金属モリブデン製であって上述のように中空円筒状の形状を備える。そして下端部分は開口するとともに、パージガス117を供給可能なパージガス供給部116に連結されている。そして連結部材124に固定される上端部は閉じられており、上部の、回転筒111内である位置の側面部に開口部118が設けられている。また、支柱105においては、上述した電極棒108上部側面の開口部118に対応する位置であって、回転筒111内に該当する位置に、支柱105を貫通する貫通孔が設けられている。
従って、中空円筒状の電極棒108の上部の開口部118は、下端部分の開口部からガスが供給された場合に排出口の役割を果たす。よって、連結されたパージガス供給部116により下端部分の開口部からパージガス117が供給された場合、パージガス117は中空円筒状の電極棒108の内部を通って上昇し、電極棒108上部側面に設けられた開口部118を通り、対応する支柱105の貫通孔を通って、チャンバ102内の回転筒111の内部に排出される。
図2は、成膜装置100の回転筒111の底面部の構造を模式的に説明する底面図である。
図2に示すように、回転筒111の底面部分には、底面部分を貫通する孔として排気口119が設けられている。よって、電極棒108の開口部118から支柱105の貫通孔を通って回転筒111内に排出されたパージガス117を、この排気口119を利用してチャンバ102内に排気することができる。その後、パージガス117は、チャンバ102内のガス排気部(図示せず)を通じて、原料ガスとともにチャンバ102の外部へと排気される。
また、電極棒108の下端部分に連結するパージガス供給部116からのパージガス117の供給については、上述した、チャンバ102への水素ガスの供給量を制御する制御装置(図示せず)により同様に制御される。従って、パージガス117としては、反応ガス115のキャリアガスとして使用された水素ガスの使用が可能である。また、上述の制御装置(図示せず)により制御して、パージガス117用として別に設けたパージガス供給源(図示せず)から窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスを供給することも可能である。
すなわち、基板上にシリコンの結晶膜を成膜する場合、水素ガスや窒素ガスをパージガスとして使用することが望ましい。そして、成膜温度が1600℃程度であるSiCの結晶膜を成膜する場合、より反応性の低いアルゴンガスをパージガスとして使用することが好ましい。また、窒化ガリウム(GaN)を成膜する場合は、水素ガスをパージガスとして使用することが好ましい。
以上のように、電極棒108の下端部分からパージガス117を供給して中空円筒状の電極棒108の内部を通過させることにより、成膜加熱時に温度上昇した電極棒108を冷却し、高温化しないよう制御することが可能となる。すなわち、電極棒108内部にパージガス117を通すことで電極棒108を冷却するとともにその温度をモリブデン製の電極棒108から不純物が放出されない700℃〜800℃に到達しない程度に制御することが可能となる。
尚、上述のように、中空円筒状の電極棒108において、パージガス117の排出口の役割を果たす開口部118を電極棒108の上部側面に設けているが、これは連結部材124と電極棒108とからなる電極107において冷却を効率良く行い、それが高温化することを防止するためである。
また、上記のように構成することで、モリブデン製の電極棒108の内部を通過したパージガス117が回転筒111内のシリコンウェハ101近傍に導かれることは防止される。そして、さらに電極棒108を通過したパージガス117を回転筒111の底部からチャンバ102内に排出するようにしたのは、電極棒108の開口部118から排出されたパージガス117が回転筒111内で上昇し、シリコンウェハ101にまで及んでこれを汚染することを防止するためである。
また、このとき、電極棒108の直径は8mm、中空部の内径を4mmとした。電極棒108の直径と中空部の内径の値については、支柱105内に収容可能な直径とするとともに、パージガス117の通気をスムーズにし、また電極としての通電性能を維持するよう内径が決められる。本実施の形態では、電極棒108の直径は6mm〜10mmが好ましく、対応する中空部の内径は2mm〜6mmが好ましい。
以上の電極棒108やその周辺部材の構造を備えることにより、成膜時のシリコンウェハ101の加熱において、金属製の電極棒108の高温化によって生じる恐れのあるシリコンウェハ101への金属汚染を防止することが可能となる。
次に、電極107の連結部材124は、電極棒108の上端部分から支柱105の周囲方向に伸びる形状を有している。そのため、電極107は、全体としてL字状の形状を有している。すなわち、電極棒108と連結部材124とはL字状の電極となる。そして、連結部材124は金属モリブデン製であり、L字状の電極107は全体として金属モリブデン製である。
支柱105の下端には電極固定部109が配設されている。電極棒108は、この電極固定部109を貫通して支柱105の上端側に伸びると共に支柱105にその下端部で固定されている。尚、電極固定部109は、中空円筒形状の支柱105の下蓋としての機能も果たしており、支柱105の下側を閉じている。
ウェハ加熱手段120は、シリコンウェハ101を加熱するヒータ121と、ヒータ121を固定してこれを支持するアーム状のブースバー123とからなる。このとき、ブースバー123は、ヒータ121を支持する側とは反対の側の端部で上述の連結部材124に支持されている。そして、ボルト止め等により、ブースバー123は連結部材124と固定されて一体となっている。
このとき、ヒータ121はSiCから構成され、ヒータ121を支持する二本のアーム状のブースバー123は導電性であって、例えば、SiCをコートしたカーボン材からなる。そして、上述のように、連結部材124は、電極棒108と同様にモリブデンにより構成されている。したがって、ブースバー123を介して、電極107からヒータ121への給電が可能となっている。
そして、固定されて一体となったブースバー123と連結部材124においては、連結部材の124の下面が、支柱105上面、すなわち、支柱105の円筒形部材からはみ出すように出っ張った部分の上面の少なくとも一部と接している。さらに、ブースバー123と連結部材124の少なくとも一方が、上述の支柱105の上面の縁とも接しており、少なくとも二点の支持により、支柱105に固定される構造となっている。
電極固定部109は、支柱105の下端部分に配置されているが、チャンバ102の外側であることにより、それほどの高温には晒されないことになる。よって、耐熱性の観点から比較的広い範囲から材料の選択をすることが可能であり、適度な耐熱性と柔軟性を備えた部材を使用することが好ましい。
そのような特性の部材としては樹脂材が好適であり、上記条件の温度環境下においても劣化することなく使用が可能なフッ素樹脂を用いて電極固定部109を構成することが好ましい。
次に、本発明の成膜方法について述べる。
シリコンウェハ101上へのシリコンエピタキシャル膜の形成は、次のようにして行われる。
まず、シリコンウェハ101をチャンバ102の内部に搬入する。次いで、サセプタ110の上にシリコンウェハ101を載置し、回転筒111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、加熱手段であるヒータ121を作動させてシリコンウェハ101を加熱する。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(図示せず)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、反応ガス供給路103から整流板(図示せず)を介して反応ガス115をシリコンウェハ101の上に流下させる。
このとき、ヒータ121によるシリコンウェハ101の加熱開始に伴い、制御装置(図示せず)の制御により、パージガス供給部116からの電極棒108内部への、パージガス117である水素ガスの供給を開始する。そして、中空円筒状の電極棒108の内部を通過する水素ガスの冷却効果により電極107の高温化を抑制するようにする。
一方、シリコンウェハ101上では放射温度計による温度測定を続け、シリコンウェハ101の温度が所定の温度に達したことを確認した後は、制御装置(図示せず)によって3方弁(図示せず)を動かし、チャンバ102内への水素ガスの供給を制御する。
シリコンウェハ101の上に所定の膜厚のエピタキシャル膜を形成した後は、反応ガス115の供給を終了する。キャリアガスの供給も、反応ガス115の供給終了とともに終了することができるが、放射温度計(図示せず)による測定により、シリコンウェハ101が所定の温度より低くなったのを確認してから終了するようにしてもよい。そして、シリコンウェハ101の温度が所定の温度より低くなった後、電極棒108への水素ガスの供給を終了する。
その後は、シリコンウェハ101が所定の温度まで冷却されたのを確認してから、チャンバ102の外部にシリコンウェハ101を搬出する。
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、実施の形態1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、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基板を加熱して基板の表面に膜を形成する成膜装置であれば、他の成膜装置であってもよい。
100、200 成膜装置
101 シリコンウェハ
102、201 チャンバ
103、215 反応ガス供給路
104、202 ベース
105、206 支柱
106、212 上蓋
107 電極
108、208 電極棒
109 電極固定部
110、220 サセプタ
111、223 回転筒
112、221 回転軸
113、222 モータ
115、204 反応ガス
116 パージガス供給部
117 パージガス
118 開口部
119 排気口
120、205 ウェハ加熱手段
121、209 ヒータ
123、210 ブースバー
124、211 連結部材
203 ウェハ
207 下蓋



Claims (4)

  1. 成膜室と、
    前記成膜室内で基板が載置されるサセプタと、
    前記基板を加熱するヒータと、
    前記ヒータを支持する導電性のブースバーと、
    前記サセプタを上部で支持し、前記ヒータおよび前記ブースバーを内部に配置する回転筒と、
    前記成膜室の下部に設けられて前記回転筒を回転させる回転軸とを有し、前記回転軸の内部には、前記ブースバーを介して前記ヒータに給電する電極と前記電極を支持する支柱とが設けられた成膜装置であって、
    前記電極は、電極棒と前記電極棒の上端部に配設されて前記ブースバーを支持する導電性の連結部材とからなり、
    前記電極棒は上部および下部に開口部を有する中空円筒状の形状を有し、
    前記支柱の前記電極棒上部の開口部に対応する位置には、前記支柱を貫通する貫通孔が設けられ、
    前記電極棒下部の開口部からパージガスを供給することにより、前記電極棒の内部と前記電極棒上部の開口部と前記開口部に対応する前記支柱の貫通孔を通過して前記パージガスが前記回転筒内部に排出されるよう構成されたことを特徴とする成膜装置。
  2. 前記電極を構成する電極棒と連結部材とは、何れも金属製であることを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。
  3. 前記回転筒の少なくとも側面下部もしくは底部には、前記回転筒を貫通する孔である排気口が設けられ、前記電極棒を通過して前記回転筒内に排出されたパージガスは、前記排気口を通って前記成膜室内に排出されるよう構成された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. 成膜室内に設けられたサセプタに基板を載置し、上部に前記サセプタを配置する回転筒を前記成膜室の下部に設けられた回転軸で回転させながら前記基板を加熱し、前記成膜室内に反応ガスを供給して前記基板の表面に膜を形成する成膜方法であって、
    前記回転筒の内部に配置されたヒータに給電する電極棒であって、支柱内で支持された中空円筒状の電極棒の、下部に設けられた下部開口部よりパージガスを供給し、
    前記電極棒の上部に設けられた上部開口部より、前記支柱に設けられた貫通孔を通過して前記回転筒の内部に前記パージガスを排出し、
    前記パージガスが通過する電極棒を介して前記ヒータに給電することにより、前記基板を加熱することを特徴とする成膜方法。
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