JP5646207B2 - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents
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Description
本発明は、成膜装置および成膜方法に関する。
従来から、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、比較的膜厚の厚い結晶膜を必要とする半導体素子の製造には、エピタキシャル成長技術が活用されている。
エピタキシャル成長技術に使用される気相成長方法では、成膜対象である半導体基板が配置された成膜室を常圧または減圧に保持する。半導体基板を加熱しながら成膜室内に反応ガスを供給すると、半導体基板の表面で反応性ガスの熱分解反応または水素還元反応が起こり、半導体基板上に気相成長膜が成膜される。
膜厚の厚い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反応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、従来の成膜装置においては、例えば、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。）。
図２は、エピタキシャル成長技術を用いる従来の成膜装置の構成を説明する模式的な断面図である。
図２の成膜装置２００において、２０１は成膜室にあたるチャンバ、２０２はチャンバ内壁を被覆して保護する中空筒状のライナ、２０３ａ、２０３ｂはチャンバを冷却する冷却水の流路、２０４は反応ガス２２５を導入する供給部、２０５は反応後の反応ガスの排気部、２０６は気相成長を行うウェハ等の半導体基板、２０７は半導体基板２０６を支持するサセプタ、２０８は支持部（図示せず）に支持されて半導体基板２０６を加熱するヒータ、２０９はチャンバ２０１の上下部を連結するフランジ部、２１０はフランジ部２０９をシールするパッキン、２１１は排気部２０５と配管を連結するフランジ部、２１２はフランジ部２１１をシールするパッキンである。
ライナ２０２の頭部には、シャワープレート２２０が取り付けられている。シャワープレート２２０は、半導体基板２０６の表面に反応ガス２２５を均一に供給する機能を備えたガス整流板である。
成膜装置２００においては、半導体基板２０６を回転させながらヒータ２０８で加熱する。この状態で、供給部２０４からシャワープレート２２０の貫通孔２２１を介して、チャンバ２０１内に反応ガス２２５を供給する。ライナ２０２の頭部２３１は、サセプタ２０７が配置されたライナ２０２の胴部２３０より内径が小さくなっており、反応ガス２２５は、頭部２３１を通過して半導体基板２０６の表面に向かって流下する。
反応ガス２２５が半導体基板２０６の表面に到達すると、熱分解反応または水素還元反応が起こり、半導体基板２０６の表面に結晶膜が形成される。その際、気相成長反応に使用されたもの以外の反応ガスは、変性された生成ガスとなり、反応ガス２２５とともにチャンバ２０１の下部に設けられた排気部２０５から随時排気される。
チャンバ２０１のフランジ部２０９と、排気部２０５のフランジ部２１１には、シールのためにパッキン２１０、２１２が用いられる。チャンバ２０１の外周部には、冷却水を循環させる流路２０３ａ、２０３ｂが設けられており、後述する熱によるパッキン２１０、２１２の劣化が防止される。
成膜装置２００では、気相成膜時におけるヒータ２０８の加熱によって、半導体基板２０６の温度が１０００℃を超えるような高温の状態となる場合がある。さらに、エピタキシャル膜の種類によっては、半導体基板２０６を１５００℃以上の高温に昇温しなければならない場合もある。
例えば、ＳｉＣ（炭化珪素（シリコンカーバイト））は、Ｓｉ（シリコン）およびＧａＡｓ（ガリウム砒素）といった従来の半導体材料と比較してエネルギーギャップが２〜３倍大きく、絶縁破壊電界が約１桁大きいといった特徴がある。このため、高耐圧のパワー半導体デバイスへの利用が期待されている半導体材料である。このＳｉＣをエピタキシャル成長させてＳｉＣ単結晶基板を得ようとする場合には、基板を１５００℃以上の温度まで昇温する必要がある。
半導体基板２０６の表面温度は、チャンバ２０１の上部に設けられた放射温度計２２６によって測定される。これは、成膜時に半導体基板２０６は回転しているので、熱電対を用いた温度測定には適さないためである。
放射温度計２２６の具体例としては、特許文献２に記載の高温環境下で用いるファイバ放射温度計が挙げられる。この温度計は被測定物から放射される放射光を集光する光学レンズと、この光学レンズにより集光された放射光を温度変換部へ伝送する光ファイバと、光学レンズを保持するレンズホルダと、光ファイバ端面を支持固定する受光部ケースと、光ファイバにより伝送された光の強度に基づいて被測定物の温度を測定する温度変換部とを備える。
成膜装置２００では、シャワープレート２２０を透明石英製とすることにより、半導体基板２０６からの放射光をシャワープレート２２０を介して放射温度計２２６で受光できる。測定した温度データは、制御機構（図示せず）に送られた後、ヒータ２０８の出力制御にフィードバックされる。これにより、半導体基板２０６を所望の温度となるように加熱できる。
上記したように、半導体基板２０６の上にＳｉＣ結晶を成長させてＳｉＣ単結晶基板を得ようとする場合、半導体基板２０６の温度を非常に高温にすることが必要になる。
しかし、半導体基板２０６をこのような高温の状態にするためにヒータ２０８で加熱すると、ヒータ２０８からの輻射熱は、半導体基板２０６だけでなく、成膜装置２００を構成する他の部材にも伝わってそれらを昇温させてしまう。こうしたことは、特に、半導体基板２０６やヒータ２０８のような高温となる部分の近傍に位置する部材やチャンバ２０１の内壁において顕著である。
チャンバ２０１内に生じた高温部位に反応ガス２２５が接触すると、高温加熱された半導体基板２０６の表面と同様に反応ガス２２５の熱分解反応が起こる。
例えば、ウェハの表面にＳｉＣエピタキシャル膜を形成しようとする場合、反応ガス２２５として、Ｓｉ源としてのシラン（ＳｉＨ４）、Ｃ源としてのプロパン（Ｃ３Ｈ８）、キャリアガスとしての水素ガスなどを含んで調製された混合ガスが用いられる。反応ガス２２５は、チャンバ２０１の上部にある供給部２０４からチャンバ２０１内に供給され、高温加熱された半導体基板２０６の表面に到達して分解する。
しかしながら、上記組成の反応ガス２２５は、反応性に富んでいるために、一定の温度条件を満たす部材に接触すると、半導体基板２０６上でなくとも分解反応を起こしてしまう。その結果、チャンバ２０１内の部材に反応ガス２２５に由来する結晶性の屑が付着する。そして、この屑がシャワープレート２２０に付着すると、高温になった半導体基板２０６の発する放射光を放射温度計２２６で受光できなくなる。すると、半導体基板２０６の温度が実際より低温と判断されてヒータ２０８の出力が過剰になるおそれがある。
本発明は、こうした点に鑑みてなされたものであり、半導体基板の温度を非接触で正確に測定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。
本実施形態による成膜装置は、
基板上に膜を形成する成膜室と、
成膜室の上部から、水平に載置されたＳｉＣ基板の上面へ、反応ガスを整流状態で鉛直に流下させて供給する反応ガス供給部と、
ＳｉＣ基板を、該ＳｉＣ基板の上面温度が１５００〜１７００℃となるように裏面から加熱する加熱部と、
成膜室の上方外部に設けられ、ＳｉＣ基板の上面から鉛直上方向へ放射される放射光を受光して該ＳｉＣ基板の上面の温度を測定する放射温度計と、
ＳｉＣ基板の上面から放射温度計への放射光の光路を反応ガスと分離されるように覆い、前記反応ガス供給部を貫通して前記ＳｉＣ基板の上面に向かって鉛直下方向へ延伸する管状部材とを有することを特徴とする。
基板上に膜を形成する成膜室と、
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ＳｉＣ基板を、該ＳｉＣ基板の上面温度が１５００〜１７００℃となるように裏面から加熱する加熱部と、
成膜室の上方外部に設けられ、ＳｉＣ基板の上面から鉛直上方向へ放射される放射光を受光して該ＳｉＣ基板の上面の温度を測定する放射温度計と、
ＳｉＣ基板の上面から放射温度計への放射光の光路を反応ガスと分離されるように覆い、前記反応ガス供給部を貫通して前記ＳｉＣ基板の上面に向かって鉛直下方向へ延伸する管状部材とを有することを特徴とする。
本実施形態による成膜装置は、管状部材に不活性ガスまたは水素ガスを供給する不活性ガス供給部を有してもよい。
管状部材の外周面は、その内周面より放射率の低い材料を用いて被覆されていてもよい。
本実施形態による成膜方法は、
ＳｉＣ基板が水平に載置された成膜室に反応ガスを導入し、
ＳｉＣ基板の上面に反応ガスを整流状態で鉛直に流下させ、
成膜室の上方外部に設けられた放射温度計を用いて、ＳｉＣ基板の上面から放射温度計への放射光の光路を反応ガスと分離するように覆い前記反応ガス供給部を貫通して前記ＳｉＣ基板の上面に向かって鉛直下方向へ延伸する管状部材を介して、ＳｉＣ基板の上面から鉛直上方向へ放射される放射光を受光してＳｉＣ基板の温度を測定し、
測定されたＳｉＣ基板の上面温度が１５００〜１７００℃となるように調整しながらＳｉＣ基板の裏面から加熱することを特徴とする。
ＳｉＣ基板が水平に載置された成膜室に反応ガスを導入し、
ＳｉＣ基板の上面に反応ガスを整流状態で鉛直に流下させ、
成膜室の上方外部に設けられた放射温度計を用いて、ＳｉＣ基板の上面から放射温度計への放射光の光路を反応ガスと分離するように覆い前記反応ガス供給部を貫通して前記ＳｉＣ基板の上面に向かって鉛直下方向へ延伸する管状部材を介して、ＳｉＣ基板の上面から鉛直上方向へ放射される放射光を受光してＳｉＣ基板の温度を測定し、
測定されたＳｉＣ基板の上面温度が１５００〜１７００℃となるように調整しながらＳｉＣ基板の裏面から加熱することを特徴とする。
本実施形態による成膜方法は、管状部材に不活性ガスまたは水素ガスを導入してもよい。
本発明の第１の態様によれば、基板と放射温度計との間で放射光の光路を覆う部材を有するので、半導体基板の温度を非接触で正確に測定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、基板から放射温度計に入射する放射光の光路を管状部材で覆うので、半導体基板の温度を非接触で正確に測定することのできる成膜方法が提供される。
以下、ＳｉＣ膜の成膜を例として、本実施の形態の成膜装置および成膜方法について説明する。但し、本発明はこれに限られるものではなく、Ｓｉ膜などの他の成膜装置および成膜方法に適用することも可能である。
図１は、本実施の形態の成膜装置の模式的な断面図である。図１において、成膜装置５０は、ＳｉＣ膜の成膜に用いることができる。この場合、半導体基板６としては、ＳｉＣウェハを用いることが可能である。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。例えば、ＳｉＣウェハに代えてＳｉウェハとしてもよく、また、ＳｉＯ２（石英）などの他の絶縁性基板や、高抵抗のＧａＡｓなどの半絶縁性基板などを用いてもよい。
成膜装置５０は、成膜室としてのチャンバ１と、チャンバ１の内壁を被覆して保護する中空筒状のライナ２と、チャンバ１を冷却する冷却水の流路３ａ、３ｂと、成膜装置５０に不活性ガス２５を導入するための不活性ガス供給部４と、反応ガス２６を導入するための反応ガス供給部１４と、反応後の反応ガス２６を排気する排気部５と、半導体基板６を載置してこれを支持するサセプタ７と、支持部（図示せず）に支持されて半導体基板６を加熱するヒータ８と、チャンバ１の上下部を連結するフランジ部９と、フランジ部９をシールするパッキン１０と、排気部５と配管を連結するフランジ部１１と、フランジ部１１をシールするパッキン１２とを有する。
ライナ２は、非常に高い耐熱性を備える材料を用いて構成される。例えば、カーボンにＳｉＣをコートして構成された部材の使用が可能である。ライナ２の頭部３１の開口部には、シャワープレート２０が取り付けられている。シャワープレート２０は、半導体基板６の表面に反応ガス２６を均一に供給するためのガス整流板である。このシャワープレート２０には、反応ガス２６を供給するための貫通孔２１が複数個設けられている。
尚、ライナ２を設ける理由は、一般に、成膜装置におけるチャンバの壁がステンレス製であることによる。すなわち、成膜装置５０では、このステンレス製の壁を気相反応系内に露出させないようにするため、その全面を被覆するライナ２が用いられる。ライナ２には、結晶膜形成時におけるチャンバ１の壁へのパーティクルの付着や金属汚染を防いだり、チャンバ１の壁が反応ガス２６によって侵食されるのを防いだりする効果がある。
ライナ２は、中空筒状であり、サセプタ７を内部に配置する胴部３０と、胴部３０より内径が小さい頭部３１とを有する。胴部３０内にはサセプタ７が配置され、サセプタ７上には半導体基板６が載置される。そして、サセプタ７を介して半導体基板６を高速回転させながら成膜が行われる。ライナ２の頭部３１の上部開口部には、上記したシャワープレート２０が配設されている。シャワープレート２０は、胴部３０内のサセプタ７上に載置された半導体基板６の表面に対して反応ガス２６を均一に供給する。
ライナ２の頭部３１の内径は、シャワープレート２０の貫通孔２１の配置と半導体基板６の大きさに対応するように決められる。これにより、シャワープレート２０の貫通孔２１を出た反応ガス２６が拡散する無駄な空間を低減できる。つまり、成膜装置５０は、シャワープレート２０から供給される反応ガス２６が無駄なく、効率良く半導体基板６の表面に集められるように構成される。さらに、半導体基板６の表面での反応ガス２６の流れをより均一にするために、半導体基板６の周縁部分とライナ２との間の隙間ができるだけ狭くなるように構成されている。
ライナ２を上記のような形状とすることで、半導体基板６の表面における気相成長反応を効率よく進めることができる。すなわち、反応ガス供給部１４に供給される反応ガス２６は、シャワープレート２０の貫通孔２１を通過して整流され、下方の半導体基板６に向かってほぼ鉛直に流下する。つまり、反応ガス２６は、いわゆる縦フローを形成する。そして、高速回転する半導体基板６の引き付け効果により引き付けられ、半導体基板６に衝突した後は、乱流を形成すること無く、半導体基板６の上面に沿いながら水平方向にほぼ層流となって流れる。このように、半導体基板６の表面でガスが整流状態となることにより、膜厚均一性が高く高品質のエピタキシャル膜が形成される。
ライナ２の底部には、半導体基板６を載置するサセプタ７やヒータ８の周囲を覆うようリフレクタ４５が立設されている。このリフレクタ４５は、ヒータ８からの熱を反射して、サセプタ７上に載置された半導体基板６への加熱効率を向上させるとともに、半導体基板６やヒータ８の周囲における過度の温度上昇を抑制するように働く。
図１の成膜装置５０では、チャンバ１のフランジ部９と排気部５のフランジ部１１に、それぞれシールのためのパッキン１０、１２が用いられている。このパッキン１０、１２には、フッ素ゴム製のものが好ましく用いられるが、その耐熱温度は約３００℃である。本実施の形態では、チャンバ１を冷却する冷却水の流路３ａ、３ｂを設けることで、パッキン１０、１２が熱で劣化するのを防止できる。
ヒータ８としては、ＳｉＣ材料を用いて構成された抵抗加熱用のヒータが用いられる。
サセプタ７上には半導体基板６が載置される。サセプタ７は、サセプタ支持部７ａを介して回転機構（図示せず）に接続されており、気相成長反応時には、サセプタ７を回転させることにより、その上に載置された半導体基板６が高速に回転する。
例えば、半導体基板６の上にＳｉＣエピタキシャル膜を形成しようとする場合、反応ガス２６として、シラン（ＳｉＨ４）やジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）などの珪素（Ｓｉ）のソースガスと、プロパン（Ｃ３Ｈ８）やアセチレン（Ｃ２Ｈ２）などのカーボン（Ｃ）のソースガスと、キャリアガスとしての水素（Ｈ２）ガスとを混合させた混合ガスを使用する。そして、この混合ガスを反応ガス供給部１４から導入し、シャワープレート２０の貫通孔２１を通じてチャンバ１内に導入する。チャンバ１内に供給された反応ガス２６は、ＳｉＣエピタキシャル膜の形成反応に使用される。具体的には、半導体基板６の表面で熱分解反応または水素還元反応が行われ、半導体基板６の表面に所望の結晶膜が形成される。反応ガス２６の内で気相成長反応に使用されたもの以外のガスは、変性された生成ガスとなり、チャンバ１の下部に設けられた排気部５から排気される。
尚、チャンバ１の上部には、反応ガス供給部１４とは別に、キャリアガスである水素ガスをチャンバ１内に供給するための水素ガス供給部（図示されない）をさらに設けることも可能である。その場合、反応ガス供給部１４からＣ（炭素）のソースガスを含むガス、例えばアセチレンを供給し、水素ガス供給路からキャリアガスである水素ガスを供給し、チャンバ１内で混合して半導体基板６の表面に供給する。
加熱されて変化する半導体基板６の表面温度は、図１でチャンバ１の上部に設けられた放射温度計４４によって測定される。放射温度計４４は、チャンバ１内の半導体基板６からの放射光に基づいて、半導体基板６の温度を非接触で測定するものである。放射温度計４４の構造については図示を省略するが、被測定物である半導体基板６からの放射光を光ファイバの端面に集光させる集光レンズと、この集光レンズにより集光された放射光を温度測定部へ伝送する光ファイバと、この光ファイバにより伝送される放射光の光量に基づいて半導体基板６の温度を測定する温度測定部と、この光ファイバの端面および集光レンズを支持するレンズホルダとを構成要素として備える。温度測定部は、光ファイバにより伝送された光のうち所定の波長の光を透過させるフィルタと、フィルタを透過した光を電気信号に変換する光電変換素子と、光電変換して得られた電気信号に基づいて被測定物の温度を算出する温度算出部とを備える。
放射温度計４４を用いた温度測定は次のようにして行われる。
被測定物である半導体基板６に対しては、チャンバ１内のサセプタ７上に載置された状態で、エピタキシャル成膜が行われる。この成膜工程で半導体基板６が高温に加熱されると、プランクの熱放射則に準じて半導体基板６から連続的な波長の放射光が発せられる。
図２に示す従来の成膜装置２００では、こうした放射光の一部が透明石英製のシャワープレート２２０を透過して、集光レンズにより光ファイバの端面に集光される。集光された放射光は光ファイバにより伝送された後、フィルタリングされ、所定波長の放射光が選択的に光電変換素子に受光される。光電変換素子はこの放射光を電気信号に変換し、その信号量に基づいて半導体基板６の温度測定が行われる。
しかしながら、成膜装置２００では、シャワープレート２２０に反応ガス２２５に由来する結晶性の屑が付着すると、高温になった半導体基板２０６の発する放射光を放射温度計２２６で受光できなくなる。すると、半導体基板２０６の温度が実際より低温と判断されて、ヒータ２０８の出力が過剰になるおそれがある。
そこで、本実施の形態では、図１に示すような管状部材４７を設ける。管状部材４７は、半導体基板６からの放射光の光路４８を覆う部材である。尚、本実施の形態においては、光路４８を覆う部材であればよく、管状以外の他の形状の部材、あるいは、管状と管状以外の形状とが組み合わされた部材であってもよい。
管状部材４７の放射温度計４４側の部分は、反応ガス２６の流路Ａと隔てられた空間Ｂに接続している。空間Ｂには不活性ガス供給部４が接続していて、不活性ガス供給部４から不活性ガス２５が供給されると、管状部材４７を通って半導体基板６の方へ不活性ガス２５が流下する構成となっている。尚、不活性ガスとしては、窒素（Ｎ２）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）ガスまたはアルゴン（Ａｒ）ガスなどが挙げられる。また、不活性ガスに代えて水素（Ｈ２）ガスを用いてもよい。
管状部材４７を設けることにより、放射光の光路４８が確保されるので、反応ガス２６に由来する結晶性の屑によって、半導体基板６から放射温度計４４への放射光が遮られるのを防ぐことができる。また、不活性ガス２５の流路と、反応ガス２６の流路とを分離し、不活性ガス２５が管状部材４７を通って半導体基板６の方へ流下するようにすることにより、チャンバ１内へ供給された反応ガス２６が管状部材４７の内部に入り、内壁に屑が付着して放射光の光路が塞がれるのを防ぐこともできる。
本実施の形態の構成によれば、従来の成膜装置２００のように、シャワープレート２０を透明石英製とする必要がない。このことはＳｉＣ膜の成膜に好適である。ＳｉＣをエピタキシャル成長させてＳｉＣ単結晶基板を得ようとする場合、半導体基板６を１５００℃以上の温度まで昇温する必要がある。この場合、シャワープレート２０を透明石英製とするのは耐熱性の点から無理があり、カーボン製とする必要がある。しかし、カーボン製では、放射光がシャワープレート２０を透過しないので、放射温度計４４で受光することはできない。一方、本実施の形態によれば、管状部材４７によって半導体基板６からの光路４８を確保しているので、シャワープレート２０がカーボンのように不透明な材料で構成されていても問題はない。
半導体基板６からの放射光は、放射温度計４４の集光レンズによって光ファイバの端面に集光される。したがって、管状部材４７の内径は、集光径以上とする必要があり、好ましくは集光径の１．２倍以上とする。但し、大きすぎると反応ガス２６が管状部材４７の内部に入り込むおそれがあるので、集光径の２倍以下とすることが好ましい。また、管状部材４７の中心と集光部の中心との位置合わせが可能なように構成する。
管状部材４７は、チャンバ１内に設けられるので、高い耐熱性を有し、ＳｉＣ膜形成時に汚染物を放出する懸念の少ない材料によって構成される。例えば、ＳｉＣ、タンタルカーバイト（ＴａＣ）、タングステンカーバイト（ＷＣ）およびモリブデンカーバイト（ＭｏＣ）よりなる群から選択された１以上の材料でカーボン（Ｃ）をコートして得られた部材が好ましく用いられる。
さらに、管状部材４７では、半導体基板６以外からの放射光の影響を低減するため、内周面に放射率の高い材料を用い、外周面に放射率の低い材料を用いることが好ましい。例えば、管状部材４７をカーボン（放射率０．８５）で構成し、外周面のみをタンタルカーバイト（放射率０．１７）またはモリブデンカーバイドでコートする。
管状部材４７は、シャワープレート２０から半導体基板６へ向かってチャンバ１内に突出している。この突出した長さＬは適宜設定することができる。例えば、Ｌ＝０、すなわち、管状部材４７の半導体基板６側の端部がシャワープレート２０の半導体基板６側の面と同一面上にあってもよいが、チャンバ１内に付着した結晶性の屑による散乱光の影響を少なくする点からはある程度の長さがあった方がよい。但し、Ｌが長すぎると、上記端部から半導体基板６への距離があまりないことになり、管状部材４７を通る不活性ガス２５によって、半導体基板６の近傍における反応ガス２６の整流状態を乱すおそれがある。したがって、Ｌは、反応ガス２６の整流状態への影響を最小限にするよう設定される。
また、管状部材４７に供給する不活性ガスの量は、反応ガス２６の供給量を考慮して適宜調整されることが好ましい。より詳しくは、反応ガス２６中に含まれるキャリアガスの供給量を考慮して不活性ガスの量を設定することが好ましい。
本実施の形態の成膜装置は、管状部材を複数有していてもよい。例えば、図１でヒータは符号８に示すものだけであるが、半導体基板６の外周部の温度調整をよりきめ細かく行うために、インヒータとしてのヒータ８に加えて、外周部を加熱するアウトヒータを設けることがある。この場合には、半導体基板６の外周部の温度を測定する放射温度計が必要となるので、半導体基板６からこの放射温度計への放射光の光路を確保する管状部材を設けることが好ましい。尚、アウトヒータもＳｉＣ材料を用いて構成された抵抗加熱用のヒータとすることができる。
次に、本実施の形態の成膜方法について、ＳｉＣ膜を例として、図１に示す成膜装置５０を参照しながら説明する。
まず、半導体基板６をチャンバ１の内部に搬入してサセプタ７の上に載置する。次に、サセプタ支持部７ａおよびサセプタ７に付随させて、サセプタ７上に載置された半導体基板６を５０ｒｐｍ程度で回転させる。
ヒータ８に電流を供給して作動させ、ヒータ８から発せられる熱によって半導体基板６を加熱する。半導体基板６の温度が、成膜温度である１５００℃〜１７００℃までの間の所定の温度、例えば、１６５０℃に達するまで徐々に加熱する。このとき、チャンバ１の壁部分に設けた流路３ａ、３ｂに冷却水を流すことで、過度にチャンバ１が昇温するのを防止できる。
半導体基板６の温度が１６５０℃に達した後は、ヒータ８により１６５０℃近辺での緻密な温度調整がなされる。このとき、半導体基板６の温度は、放射温度計４４を用いて行われる。
放射温度計４４は、内蔵する集光レンズによって半導体基板６からの放射光を集光し、光ファイバを介して温度測定部へ伝送する。そして、伝送された放射光の光量に基づいて温度を測定する。本実施の形態では、半導体基板６と集光レンズとの間の放射光の光路４８を管状部材４７で覆うことによって、反応ガス２６に由来する結晶性の屑で光路４８が塞がれることのないようにしている。
温度測定を開始する際には、予め、管状部材４７の中心と集光部である集光レンズの中心とを位置合わせしておく。また、反応ガス２６が管状部材４７の中に入り込まないように、反応ガス２６を供給している間は、不活性ガス供給部４から不活性ガス２５を導入して、空間Ｂから管状部材４７を通って半導体基板６の方へ不活性ガス２５が流下するようにする。尚、不活性ガスとしては、窒素（Ｎ２）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）ガスまたはアルゴン（Ａｒ）ガスなどが挙げられる。また、不活性ガスに代えて水素（Ｈ２）ガスを用いてもよい。
半導体基板６が高温に加熱されると、プランクの熱放射則に準じて半導体基板６から連続的な波長の放射光が発せられる。この放射光の一部は、管状部材４７を通って放射温度計４４に入射する。具体的には、上述したように、集光レンズによって半導体基板６からの放射光が集光され、光ファイバを介して温度測定部へ伝送された後、放射光の光量に基づいて温度が測定される。
このように、管状部材４７を設けることで、半導体基板６と放射温度計４４との間における放射光の光路が確保されるので、ＳｉＣのエピタキシャル成長のように半導体基板６の温度を非常に高温にする必要がある場合でも、反応ガス２６に由来する結晶性の屑によって光路が塞がれるのを防ぐことができる。したがって、半導体基板６の温度を正確に測定して、高品位の単結晶基板を得ることが可能となる。
放射温度計４４による測定で半導体基板６の温度が所定温度に達したことを確認した後は、徐々に半導体基板６の回転数を上げていく。例えば、９００ｒｐｍ程度の回転数とするのがよい。
また、反応ガス供給部１４から反応ガス２６を供給し、シャワープレート２０を介して、反応ガス２６をライナ２の胴部３０内に置かれた半導体基板６の上に流下させる。このとき、反応ガス２６は、整流板であるシャワープレート２０の貫通孔２１を通過して整流され、下方の半導体基板６に向かってほぼ鉛直に流下して、いわゆる縦フローを形成する。
このように、ライナ２の頭部３１から胴部３０にかけての領域では、反応ガス２６が半導体基板６に向けて流下し、半導体基板６の表面上では整流状態となっている。そして、加熱された半導体基板６の表面に反応ガス２６が到達すると、熱分解反応または水素還元反応を起こして半導体基板６の表面にＳｉＣエピタキシャル膜を形成する。
半導体基板６の上に、所定の膜厚のＳｉＣエピタキシャル膜を形成した後は、反応ガス２６の供給を終了する。キャリアガスである水素ガスの供給も、エピタキシャル膜の形成の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、半導体基板６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。一方、不活性ガス２５の供給は、反応ガス２６が管状部材４７に入り込むのを防ぐため、反応ガス２６の供給を停止してから終えるようにする。
半導体基板６が所定の温度まで冷却されたのを確認した後は、チャンバ１の外部に半導体基板６を搬出する。
以上述べたように、半導体基板６と集光レンズとの間の放射光の光路４８を管状部材４７で覆うことにより、反応ガス２６に由来する結晶性の屑で光路４８が塞がれるのを防止できる。したがって、半導体基板６の温度を非接触で正確に測定することができるので、高品位の単結晶基板を得ることが可能となる。
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲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、ＳｉＣ結晶膜の形成について説明したが、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。
また、上記実施の形態では、基板を回転させながら成膜する例について述べたが、これに限られるものではなく、基板を回転させずに成膜する場合にも本発明を適用できる。その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更し得る全ての成膜装置および各部材の形状は、本発明の範囲に包含される。
１、２０１ チャンバ
２、２０２ ライナ
３ａ、３ｂ、２０３ａ、２０３ｂ 流路
４ 不活性ガス供給部
５、２０５ 排気部
６、２０６ 半導体基板
７、２０７ サセプタ
７ａ サセプタ支持部
８、２０８ ヒータ
９、１１、２０９、２１１ フランジ部
１０、１２、２１０、２１２ パッキン
１４ 反応ガス供給部
２０、２２０ シャワープレート
２１、２２１ 貫通孔
２５ 不活性ガス
２６、２２５ 反応ガス
３０、２３０ 胴部
３１、２３１ 頭部
３９ ヒータ接続部
４４、２２６ 放射温度計
４５ リフレクタ
４７ 管状部材
４８ 光路
５０、２００ 成膜装置
２０４ 供給部
２、２０２ ライナ
３ａ、３ｂ、２０３ａ、２０３ｂ 流路
４ 不活性ガス供給部
５、２０５ 排気部
６、２０６ 半導体基板
７、２０７ サセプタ
７ａ サセプタ支持部
８、２０８ ヒータ
９、１１、２０９、２１１ フランジ部
１０、１２、２１０、２１２ パッキン
１４ 反応ガス供給部
２０、２２０ シャワープレート
２１、２２１ 貫通孔
２５ 不活性ガス
２６、２２５ 反応ガス
３０、２３０ 胴部
３１、２３１ 頭部
３９ ヒータ接続部
４４、２２６ 放射温度計
４５ リフレクタ
４７ 管状部材
４８ 光路
５０、２００ 成膜装置
２０４ 供給部
Claims (5)
- 基板上に膜を形成する成膜室と、
前記成膜室の上部から、水平に載置されたＳｉＣ基板の上面へ、反応ガスを整流状態で鉛直に流下させて供給する反応ガス供給部と、
前記ＳｉＣ基板を、該ＳｉＣ基板の上面温度が１５００〜１７００℃となるように裏面から加熱する加熱部と、
前記成膜室の上方外部に設けられ、前記ＳｉＣ基板の上面から鉛直上方向へ放射される放射光を受光して該ＳｉＣ基板の上面の温度を測定する放射温度計と、
前記ＳｉＣ基板の上面から前記放射温度計への前記放射光の光路を前記反応ガスと分離されるように覆い、前記反応ガス供給部を貫通して前記ＳｉＣ基板の上面に向かって鉛直下方向へ延伸する管状部材とを有することを特徴とする成膜装置。 - 前記管状部材に不活性ガスまたは水素ガスを供給する不活性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。
- 前記管状部材の外周面は、その内周面より放射率の低い材料を用いて被覆さ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。
- ＳｉＣ基板が水平に載置された成膜室に反応ガスを導入し、
前記ＳｉＣ基板の上面に前記反応ガスを整流状態で鉛直に流下させ、
前記成膜室の上方外部に設けられた放射温度計を用いて、前記ＳｉＣ基板の上面から前記放射温度計への放射光の光路を前記反応ガスと分離するように覆い前記反応ガス供給部を貫通して前記ＳｉＣ基板の上面に向かって鉛直下方向へ延伸する管状部材を介して、前記ＳｉＣ基板の上面から鉛直上方向へ放射される前記放射光を受光して前記ＳｉＣ基板の温度を測定し、
測定された前記ＳｉＣ基板の上面温度が１５００〜１７００℃となるように調整しながら前記ＳｉＣ基板の裏面から加熱することを特徴とする成膜方法。 - 前記管状部材に不活性ガスまたは水素ガスを導入することを特徴とする請求項４に記載の成膜方法。
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