JP5498291B2

JP5498291B2 - Ｃｖｄ装置

Info

Publication number: JP5498291B2
Application number: JP2010162148A
Authority: JP
Inventors: 喜良及川; 淳阿部; 幹隆井藤; 俊海小湊
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2010-07-16
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2030-07-16
Also published as: JP2012023313A

Description

本発明は、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置に関し、より詳細には、ヒートカバーを有するＣＶＤ装置に関する。

ＣＶＤ装置は、シリコンウエハ、石英ガラス、サファイヤなどの基板上に薄膜を形成するために用いられる。これらの基板上に形成された薄膜をもとに、多くの電子デバイスや光デバイスが作製されている。ＣＶＤの原料ガスは、ガスヘッドから基板へ向けて噴霧され、チャンバー内にて、熱、プラズマ、光などによって励起されることによって化学反応が促進される。そして、基板上へ反応生成物が堆積して成膜が行われる（非特許文献１参照）。

基板上へ形成される薄膜に廃棄ガスを異物として取り込まないことを目的として、チャンバー内には排気ポートが設置され、チャンバー外へ速やかに廃棄ガスを吸引排出している。ここで、「廃棄ガス」とは、原料ガスのうち基板上に薄膜を形成することなく廃棄される原料ガスと、基板上に堆積しない反応生成物の混合物をいう。基板を保持し過熱する加熱ステージの周囲には、腐食防止及び反応生成物の付着防止を目的としてヒーターカバーが設置されている。ヒーターカバーは、基板から排気ポートまで廃棄ガスをスムースに誘導する効果を得るため、廃棄ガスの流れを乱すことのないように滑らかな曲面で構成されている。基板及びヒーターカバーへの異物付着防止を目的として、ヒーターカバー表面に沿い不活性ガスが放射状に噴出している。

化学工業会編、「ＣＶＤハンドブック」、朝倉書店、１９９１年６月２０日

廃棄ガスは、ヒーターカバーの表面に沿って流れ、基板を中心に放射状に配置された排気ポートによって吸引される。しかしながら、廃棄ガスに含まれる反応生成物は、その全てが排気ポートによって吸引されることはなく、一部はチャンバー内に付着堆積する。加熱ステージ基部からヒーターカバー表面に向けて放射状に不活性ガスの噴出を行い、ヒーターカバー表面への付着防止を図っているが、その効果が得られる基板からの距離は最大で１５ｍｍである。付着物は、一定以上の厚みに達すると剥離飛散し、基板外周から３０ｍｍ内の付着物は、基板上へ形成される薄膜に取り込まれる可能性が高い。また、ヒーターカバーの表面が付着物によって初期の形状を保持することが出来なくなることにより、基板外周から３０ｍｍ内の付着物は基板外周付近の廃棄ガスのスムースな流れを阻害し、原料ガスの流れに揺らぎを生じる。

これらのことは、形成される薄膜に不均質性を発生する。このような、膜厚、屈折率、誘電率、抵抗率などの諸特性における薄膜の不均質性は、この薄膜を元に作製される様々な光デバイス、電子デバイスなどの諸特性のバラツキをもたらし、結果として、所望の光デバイスや電子デバイスの作製を行う上での特性劣化や歩留まり劣化の要因となる。

したがって、ＣＶＤ装置においては、薄膜の品質を維持する必要から定期的なチャンバー内の堆積物除去を行わなければならない。ヒーターカバーの堆積物は基板上に形成される薄膜の不均質性発生に与える影響が最も大きく、ヒーターカバーの清掃を必要とする時期がチャンバー内の清掃時期を決定していた。これは、ＣＶＤ装置の稼働率を低下せしめ、薄膜のコストアップを招くという問題があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高品質な成膜を維持するために必要となるチャンバー内の清掃の頻度を低減し、稼動率を向上したＣＶＤ装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、チャンバーと、前記チャンバー内に原料ガスを供給するための原料ガス供給装置と、廃棄ガスを前記チャンバー内から排出するための排気ポートとを備えるＣＶＤ装置において、前記チャンバーに設置された、基板を保持するための機構を有する加熱ステージと、前記加熱ステージの周囲に設置された、前記基板から前記排気ポートまで廃棄ガスを誘導するヒーターカバーとをさらに備え、前記ヒーターカバーは、前記廃棄ガスと前記ヒーターカバーの表面との間にシールガス層を形成するための、前記加熱ステージの中心からの距離が互いに異なり、１０ｍｍ間隔で設けられた同心円スリット状の３本のガス噴出口を有することを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記ガス噴出口のそれぞれが、前記基板から前記排気ポートの方向に向かって前記廃棄ガスを誘導するようシールガスを噴出し、その噴出角は、前記ヒーターカバー表面と前記ガス噴出口の方向とが為す角度であって、０°以上３０°未満であることを特徴とする。
また、本発明の第３の態様は、チャンバーと、前記チャンバー内に原料ガスを供給するための原料ガス供給装置と、廃棄ガスを前記チャンバー内から排出するための排気ポートとを備えるＣＶＤ装置において、前記チャンバーに設置された、基板を保持するための機構を有する加熱ステージと、前記加熱ステージの周囲に設置された、前記基板から前記排気ポートまで廃棄ガスを誘導するヒーターカバーとをさらに備え、前記ヒーターカバーは、前記廃棄ガスと前記ヒーターカバーの表面との間にシールガス層を形成するための複数のガス噴出口を有し、前記複数のガス噴出口のそれぞれが、前記基板から前記排気ポートの方向に向かって前記廃棄ガスを誘導するようシールガスを噴出し、その噴出角は、前記ヒーターカバー表面と前記ガス噴出口の方向とが為す角度であって、０°以上３０°未満であることを特徴とする。

また、本発明の第４の態様は、第２または３の態様において、前記噴出角が１５°であることを特徴とする

また、本発明の第５の態様は、第２または３の態様において、前記噴出角が０°であることを特徴とする

また、本発明の第６の態様は、第１から第５のいずれかの態様において、前記排気ポートと、前記チャンバー内の圧力を調整する圧力調整バルブとを有する廃棄ガス処理装置をさらに備え、前記圧力調整の開度は、前記ガス噴出口から噴出されるシールガスの流量および前記原料ガス供給装置から供給される原料ガスの流量に応じて調整されることを特徴とする。

本発明によれば、加熱ステージの周囲にヒーターカバーを設置し、当該ヒーターカバーに複数のガス噴出口を設けることにより、高品質な成膜を維持するために必要となるチャンバー内の清掃の頻度を低減し、稼動率を向上したＣＶＤ装置を提供することができる。

第１の実施形態にかかるＣＶＤ装置を示す図である。図１のチャンバー１内のガスヘッド３、基板５、ヒーターカバー１０、排気ポート７の位置関係を模式的に描いた斜視図である。図２の断面を示した図である。図３の破線で囲んだ部分１５を拡大して示した図である。基板５、ヒーターカバー１０、ガス噴出口１６の位置関係を模式的に描いた斜視図である。図４の破線で囲んだ部分１７を拡大して示した図である。図４の破線で囲んだ部分１７を拡大して示した図である。規格化付着物重量のシールガス流量依存性を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１に、第１の実施形態にかかるＣＶＤ装置を示す。ＣＶＤ装置１００は、チャンバー１と、チャンバー１内に原料ガスを供給するための原料ガス供給装置２と、廃棄ガスをチャンバー１内から排出するための廃棄ガス処理装置１２とを備える。

チャンバー１は、成膜に必要な部材を内包し、外界から遮蔽し、成膜する上で必要とする雰囲気を保持する。

原料ガス供給装置２は、作製すべき薄膜に応じた原料ガスを調整し、原料ガス供給配管４を使用してチャンバー１内に設置されたガスヘッド３へ原料ガスを供給する。ガスヘッド３は、原料ガスの流れを、チャンバー１に取り付けられた加熱ステージ６に保持される基板５全体を十分に覆い尽くす太さを有する層流に整えて噴霧する。

加熱ステージ６は、基板５を保持するための機構を有する。また、基板５が必要とする温度分布を得るために複数のヒータ（図示せず）を備え、基板５を必要とする温度分布に保持する。基板５は、成膜する薄膜に対して適当な材質と寸法のものが選定される。例えば表面研磨されたシリコンウエハ、石英ガラス、サファイヤなどがある。ここで、基板５はＣＶＤ装置１００を実際に用いる際には必要だが、ＣＶＤ装置１００自体の一部ではない。

廃棄ガス処理装置１２は、廃棄ガスをチャンバー内から速やかに排出するため、排気ポート７、排気管８、集合排気管９、圧力調整バルブ１１を通じて、廃棄ガスを吸引する。圧力調整バルブ１１の開度を調節することによって、チャンバー１内の圧力が調整される。圧力調整バルブ１１の開度は、チャンバー１内の圧力センサー１３によって検知した圧力信号１４を受け、チャンバー１内の圧力を所定の値に保持するように作動する。換言すると、圧力調整バルブ１１の開度は、後述のガス噴出口１６から噴出されるシールガスの流量および原料ガス供給装置２から供給される原料ガスの流量に応じて調整される。なお、排気ポート７はＣＶＤ装置１００の必須の構成要素だが、その他のものは、ＣＶＤ装置１００と一体化されていても、そうでなくてもよい。

ヒーターカバー１０は、加熱ステージ６を原料ガス及び廃棄ガスによる腐食あるいは廃棄ガス中の反応生成物の付着を防止する目的でその周囲に設置され、滑らかな曲面で構成されており、廃棄ガスを排気ポート７へ誘導する。

図２は、チャンバー１内のガスヘッド３、基板５、ヒーターカバー１０、排気ポート７の位置関係を模式的に描いた斜視図である。図３は、図２の断面を示したものであり、図４に、破線で囲んだ部分１５を拡大して示した。図４は、ヒーターカバー１０の断面を拡大し、ガス噴出口１６のヒーターカバー１０における位置を示している。ガス噴出口１６からは不活性ガスを噴出する。破線で囲んだ部分１７を拡大し、図６及び７に示す。図５は、基板５、ヒーターカバー１０、ガス噴出口１６の位置関係を模式的に描いた斜視図である。

図６は、ガス噴出口１６の断面形状を拡大して描いており、ガス噴出口１６の開口幅１８は、たとえば０．５ｍｍとすることができる。開口幅１８は、流速が廃棄ガスと同じになり、排気ポートからの吸引能力に大きな負担とならない不活性ガスの量から決定する。また、ヒーターカバー１０の表面となすガス噴出口１６の噴出角１９は、たとえば約１５°とすることができる。噴出角１９は、３０°以上では廃棄ガスの流れを攪拌するためヒーターカバー１０の付着物量が増加する。噴出角１９は、小であるほどシール効果は大きいがガス噴出口１６を全円周にわたって高精度で加工することは困難である。ガス噴出口１６は、たとえば、加熱ステージ６の中心からの距離が互いに異なる同心円スリット状で、基板５の外周に対して半径を１０ｍｍずつ拡大して３本設置したものとすることができる。シールガス流量を増大させると、付着防止効果が高まり、効果が得られる距離も長くすることができるが、シールガス流量が大きすぎると、原料ガスの流れに影響が及び、膜質悪化を招く、シールガスの流れが乱れて付着防止効果が薄れる、など悪影響が顕著となるため、シールガス流量には制限がある。結果として、本実施例では、１本の噴射口の付着防止効果が得られる噴出口からの距離は、約１５ｍｍであることが実験的に明らかになった。本実施例では、安全を見込んで、付着防止効果が得られる距離を１０ｍｍとして設計した。又、薄膜の不均一性を発生させる付着物からの寄与は、主として、基板５近傍の付着物からのものである。具体的には、基板５の外周から３０ｍｍ以内のヒーターカバー１０の付着物が主たる要因となることが実験的に示された。この結果を基に、基板５から４０ｍｍまでをヒーターカバー１０への付着防止エリアとして設計した。

なお、１０ｍｍずつ離間した３本の噴出口を例に説明したが、基板５の外周から３０ｍｍ以内のヒーターカバー１０の付着物を防止することができれば、このような態様に本発明は限定されず、噴出口の数は２本でも４本でもそれ以上でもよいことに留意されたい。

このように、ＣＶＤ装置１００による成膜工程において廃棄ガスを加熱ステージ６の周囲に設置されたヒーターカバー１０に直接接触または付着させない目的で、ヒーターカバー１０の表面と廃棄ガスとの間に原料ガスと反応しない不活性ガス（以下、このような不活性ガスを「シールガス」と呼ぶ。）の層、すなわちシールガス層を基板５の外周から３０ｍｍ以内の範囲にわたり作り、ヒーターカバー１０への付着物の量を減少させ、それにより、チャンバー１内の清掃頻度を低減することが可能となる。その結果、ＣＶＤ装置の稼動率が向上する。

実施例として、Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄（テトラエトキシシラン）及びＰＯ（ＣＨ₃）₃(トリメチルフォスフェイト)、Ｂ（ＯＣ₂Ｈ₅）₃(トリエトキシボロン)を原料ガスとし、６インチシリコン基板５上に、ＢＰＳＧ膜（ＳｉＯ₂ −Ｂ₂Ｏ₅−Ｐ₂Ｏ₃ガラス膜）の堆積を行った。チャンバー１内の圧力は、２００Ｐａに制御された条件で堆積を行った．シールガスとしては、不純物を含まない窒素（Ｎ₂）ガスを用いた。シリコン基板５は、加熱ステージ６により、堆積時には、基板表面が５００℃となるように設置、調整した。膜堆積後，１０００℃にて電気炉で熱処理を行った。成膜後、光学的手法を用いて基板５上のＢＰＳＧ膜の膜厚分布評価を行った。所望の想定膜厚ｔ₀に対する実測膜厚ｔ₁の比ｔ＝ｔ₁/ｔ₀を規格化膜厚とし、規格化膜厚分布を膜厚評価の指標とした。膜厚評価を積算膜厚に対して調べ、本発明の効果を調べた。積算膜厚０〜１８０μｍ間では規格化膜厚分布の変化は見られず±１．５％である。１８０μｍで大きくなり始めるが、この段階ではこの薄膜を用いて作製する各種のデバイスに悪影響を与えることはない。３００μｍ以上では±３．０％以上になり、各種のデバイスに悪影響を与える可能性がある。本実施例では、膜厚３００μｍ達した時点でヒーターカバー１０の清掃を行う必要が生じる。ヒーターカバー１０にガス噴出口１６を設置していない従来のＣＶＤ装置では１２０μｍで±３％なるため、安全を見込んで積算膜厚が１００μｍに達した時点でヒーターカバー１０の清掃を行っていた。本実施例では安全を見込んで積算膜厚が２５０μｍ達した時点でヒーターカバー１０の清掃を行っても、清掃の頻度を１／２．５にすることが出来るため、ＣＶＤ装置の稼働率を大幅に引き上げることが出来る。

（第２の実施形態）
図７に、ガス噴出口１６の変形形態を示す。図７のガス噴出口１６は、噴出されるシールガスの方向が、廃棄ガスが流れる方向と一致し、ヒーターカバー１０の表面と平行である。またガス噴出口１６の下流側のヒーターカバー１０の表面は、ガス噴出口１６の厚み２０の分だけ後退している。このためヒーターカバー１０の表面と廃棄ガスとの間に作られるシールガス層は、排気ポート７に向かって流れる廃棄ガスの流れを乱すことがないため、互いに混合することなく排気ポート７へ導かれる。したがって廃棄ガスが原因となるヒーターカバー１０の表面の付着物は大幅に減少する。

実施例として、本実施形態のガス噴出口１６を用いて第１の実施形態の実施例と同様にＢＰＳＧ膜の成膜を行った。膜厚分布の積算膜厚に対する規格化膜厚分布の変化を調べたところ、規格化膜厚分布が±３％以上になる積算膜厚は５００μｍであった。安全を見込んで積算膜厚が４５０μｍに達したときにヒーターカバーの清掃を行うとすると、清掃の頻度を従来の装置と比較して１／４．５に減少させることが可能となり、ＣＶＤ装置の稼働率を大幅に引き上げることが出来る。

図８に、積算膜厚が２５０μｍであるときの付着物の重量を、シールガスを流さなかった（流量＝０[Ｌ／ｍｉｎ]）ときの付着物の重量で規格化した「規格化付着物重量」のシールガス流量依存性を示す。ガス流量１０Ｌ／ｍｉｎで、格化付着物重量は約０．２まで減少し、５０Ｌ／ｍｉｎから６０Ｌ／ｍｉｎの間で若干、付着物の増加が見られた。このときに、基板５上に形成された薄膜は、均一性に劣化が見られ、６０Ｌ／ｍｉｎ以上の流量下では、成膜厚レートも減少が見られ、成膜として不適当な状態となった。よって、シールガス流量は、概ね５０Ｌ／ｍｉｎ以下にとどめることが望ましい。また、経済性を考えれば、シールガスの流量は、その効果を損なわない範囲で少ない方が好ましく、たとえば、図８において規格化付着物重量が約０．３となる約７Ｌ／ｍｉｎとするのが好ましい。

なお、本実施例においても、シールガスには高純度Ｎ₂ガスを用いたが、成膜に化学的な影響を及ぼさない不活性ガスとしてＡｒ、Ｈｅなどを用いることも、もちろん可能である。

１００ＣＶＤ装置
１チャンバー
２原料ガス供給装置
３ガスヘッド
４原料ガス供給配管
５基板
６加熱ステージ
７排気ポート
８排気管
９集合排気管
１０ヒーターカバー
１１圧力調整バルブ
１２廃棄ガス処理装置
１３圧力センサー
１４圧力信号
１６ガス噴出口
１８ガス噴出口１６の開口幅
１９ガス噴出口１６の噴出角
２０ガス噴出口１６の厚み

Claims

チャンバーと、
前記チャンバー内に原料ガスを供給するための原料ガス供給装置と、
廃棄ガスを前記チャンバー内から排出するための排気ポートと
を備えるＣＶＤ装置において、
前記チャンバーに設置された、基板を保持するための機構を有する加熱ステージと、
前記加熱ステージの周囲に設置された、前記基板から前記排気ポートまで廃棄ガスを誘導するヒーターカバーと
をさらに備え、
前記ヒーターカバーは、前記廃棄ガスと前記ヒーターカバーの表面との間にシールガス層を形成するための、前記加熱ステージの中心からの距離が互いに異なり、１０ｍｍ間隔で設けられた同心円スリット状の３本のガス噴出口を有することを特徴とするＣＶＤ装置。
前記ガス噴出口のそれぞれが、前記基板から前記排気ポートの方向に向かって前記廃棄ガスを誘導するようシールガスを噴出し、その噴出角は、前記ヒーターカバー表面と前記ガス噴出口の方向とが為す角度であって、０°以上３０°未満であることを特徴とする請求項１に記載のＣＶＤ装置。
チャンバーと、
前記チャンバー内に原料ガスを供給するための原料ガス供給装置と、
廃棄ガスを前記チャンバー内から排出するための排気ポートと
を備えるＣＶＤ装置において、
前記チャンバーに設置された、基板を保持するための機構を有する加熱ステージと、
前記加熱ステージの周囲に設置された、前記基板から前記排気ポートまで廃棄ガスを誘導するヒーターカバーと
をさらに備え、
前記ヒーターカバーは、前記廃棄ガスと前記ヒーターカバーの表面との間にシールガス層を形成するための複数のガス噴出口を有し、
前記複数のガス噴出口のそれぞれが、前記基板から前記排気ポートの方向に向かって前記廃棄ガスを誘導するようシールガスを噴出し、その噴出角は、前記ヒーターカバー表面と前記ガス噴出口の方向とが為す角度であって、０°以上３０°未満であることを特徴とするＣＶＤ装置。
前記噴出角は、１５°であることを特徴とする請求項２または３に記載のＣＶＤ装置。
前記噴出角は、０°であることを特徴とする請求項２または３に記載のＣＶＤ装置。
前記排気ポートと、前記チャンバー内の圧力を調整する圧力調整バルブとを有する廃棄ガス処理装置をさらに備え、
前記圧力調整の開度は、前記ガス噴出口から噴出されるシールガスの流量および前記原料ガス供給装置から供給される原料ガスの流量に応じて調整されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のＣＶＤ装置。