JP6279396B2 - 気相成長方法及び気相成長装置 - Google Patents

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Description

本発明は、気相成長方法及び気相成長装置に関する。
LED(Light Emitting Device)や、GaN、SiC等の化合物半導体を用いた電子デバイスの作成には、単結晶基板上に単結晶薄膜を成長させる、エピタキシャル成長技術が用いられる。
エピタキシャル成長技術に使用される成膜装置では、常圧または減圧に保持された成膜室の内部に、例えば、ウェーハを載置する。そして、このウェーハを加熱しながら成膜室内に、成膜のための原料となるガスを供給すると、ウェーハの表面で原料ガスの熱分解反応および水素還元反応が起こり、ウェーハ上にエピタキシャル膜が成膜される。
ウェーハ上に高品質で、均一な膜厚、膜質の膜を堆積させるためには、ウェーハの温度を正確に制御する必要がある。このため、放射温度計を用いてウェーハの温度を測定し、加熱手段を制御している(例えば、特許文献1参照)。
しかし、ウェーハ上に放射温度計の測定波長に対して、透明な薄膜を堆積させると、薄膜の薄膜干渉により、放射温度計の測定波長の放射率が変化し、ウェーハ温度が一定の場合でも、膜厚により放射温度計の検出温度が変化するため、ウェーハ温度を正確に測定できなくなる。従って、検出されたウェーハ温度に基づいてヒータ出力を制御する温度フィードバック制御を行うことができず、ウェーハ温度を制御することが困難であった。
特開2006−90978号公報
本発明は、薄膜干渉を起こす薄膜を基板上に堆積させる際であっても、高精度の温度制御が可能な気相成長方法及び気相成長装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様による気相成長方法は、加熱手段により基板を加熱しながら前記基板に原料ガスを供給して、前記基板上に膜を成長させる気相成長方法であって、前記基板の温度を放射温度計で測定し、前記基板上に膜を成長させていない場合に、前記放射温度計の測定値が所定値となるように前記加熱手段の出力を制御する温度フィードバック制御を行い、前記温度フィードバック制御を行っている際の所定期間における前記加熱手段の出力平均値を算出し、前記基板上に、前記放射温度計の測定波長で薄膜干渉が生じる膜を成長させているときは、前記加熱手段の出力を一定に維持する出力一定制御を行い、前記出力一定制御を行う際は、前記加熱手段の出力を前記出力平均値に維持することを特徴とするものである。
本発明の一態様による気相成長装置は、基板が導入され、気相成長反応を行う反応室と、前記反応室にガスを供給するガス供給部と、前記基板を加熱する加熱手段と、前記基板の温度を測定する放射温度計と、前記加熱手段の出力を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記放射温度計の測定値が所定値となるように前記加熱手段の出力を制御する温度フィードバック制御を行うとともに、前記基板上に前記放射温度計の測定波長で薄膜干渉が生じる膜を成長させているときは、前記加熱手段の出力を一定に維持する出力一定制御を行い、前記制御部は、前記温度フィードバック制御を行っている際の所定期間における前記加熱手段の出力平均値を算出し、前記制御部は、前記出力一定制御を行う際は、前記加熱手段の出力を前記出力平均値に維持することを特徴とするものである。
本発明の一態様によれば、薄膜干渉を起こす薄膜を基板上に堆積させる際であっても、高精度の温度制御が可能となる。
本実施形態による気相成長装置の概略構成図。 本実施形態による気相成長方法を説明するタイミングチャート。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は本実施形態による気相成長装置100の概略構成を示す。本実施形態では、成膜処理の対象である試料として、シリコンウェーハ等の基板101を用いる。図1では、サセプタ102に基板101を載置した状態を示している。そして、サセプタ102上に載置された基板101上に、エピタキシャル膜を形成するための原料となる複数種類の原料ガスを供給し、基板101上で気相成長反応させて成膜を行う。
気相成長装置100は、基板101上で気相成長をさせてエピタキシャル膜の成膜を行う反応室として、チャンバ103を有する。
チャンバ103の内部には、サセプタ102が、回転部104の上方に設けられている。サセプタ102は、開口部を有して構成されたリング状の形状を有する。サセプタ102の内周側には座ぐりが設けられており、サセプタ102は、この座ぐり内に基板101の外周部を受け入れて支持する構造を有する。また、サセプタ102は、高温下にさらされることから、例えば、等方性黒鉛の表面にCVD(化学気相成長)法によって高耐熱な高純度のSiCを被覆して構成される。
なお、サセプタ102の構造について、図1に示すサセプタ102は一例であり、これに限られるものではない。例えば、その開口部を塞ぐ部材を設けてサセプタを構成することが可能である。
回転部104は、円筒部104aと回転軸104bを有している。回転部104では、円筒部104aの上部でサセプタ102を支持している。そして、回転軸104bが図示しないモータによって回転することにより、円筒部104aを介してサセプタ102が回転する。こうして、サセプタ102の上に基板101が載置された場合、その基板101を回転させることができる。
図1において、円筒部104aは、上部が開口する構造を有し、上部が開放された構造である。
円筒部104a内部には、加熱手段としてのヒータ120が設けられている。ヒータ120には抵抗加熱ヒータを用いることが可能であり、それらは例えばカーボン(C)材の表面に高耐熱なSiCを被覆して構成される。ヒータ120は、回転軸104b内に設けられた略円筒状の石英製のシャフト108の内部を通る配線109によって給電され、基板101をその裏面から加熱する。配線109は制御部10に接続されており、制御部10がヒータ120の出力(加熱パワー)を制御する。加熱手段としては、ヒータ120でなく、加熱ランプ等を用いてもよい。
シャフト108の内部には、基板昇降手段として図示されない昇降ピンが配置されている。昇降ピンの下端は、シャフト108の下部に設けられた図示されない昇降装置まで伸びている。そして、その昇降装置を動作させて昇降ピンを上昇または下降させることができる。この昇降ピンは、基板101のチャンバ103内への搬入とチャンバ103外への搬出の時に使用される。昇降ピンは基板101を下方から支持し、持ち上げてサセプタ102から引き離す。そして、基板101の搬送用ロボット(図示されない)との間で基板101の受け渡しができるように、基板101を回転部104上のサセプタ102から離れた上方の所定の位置に配置するように動作する。
気相成長装置100のチャンバ103の上部には、シャワープレート124が設けられている。シャワープレート124は、エピタキシャル膜を形成するための複数種類の原料ガスをそれぞれチャンバ103内で整流し、ガス噴出孔129を介して、基板101の表面に向けてシャワー状に供給するように機能する。
シャワープレート124は、所定の厚みを持った板状の形状を有する。シャワープレート124は、ステンレス鋼やアルミニウム合金等の金属材料を用いて構成することができる。シャワープレート124の内部には、ガス流路が設けられており、複数種類のガスが混合されてチャンバ103内の基板101に供給される。シャワープレート124には、後述する温度測定を行うための石英窓(図示せず) が設けられている。なお、シャワープレートにガス流路を複数設け、複数種類のガスを分離したままチャンバ103内の基板101に供給してもよい。
各ガス流路はガス管131の一端と接続されている。ガス管131の他端は、ガスボンベ等で構成されたガス供給部133に接続されており、ガスバルブ135の開度に応じた流量のガスが流れる。ガスバルブ135の開度は制御部10により制御される。ガス管131及びガス供給部133は複数設けられており、それぞれ異なるガスに対応している。
チャンバ103の下部には、反応後の上記複数種類のガス等を排気するためのガス排気部125が複数設けられている。ガス排気部125は、調整バルブや真空ポンプ等からなる排気機構128に接続している。
チャンバ103の上部には、温度測定部としての放射温度計140が設けられている。放射温度計140は、シャワープレート124に設けられた図示されていない石英窓およびガス噴出孔129に設けられた石英窓を介して基板101の表面温度を測定する。放射温度計140の測定結果は制御部10に送信される。なお、放射温度計で測定する波長としては、例えば900nmが選択されるが、それ以外の赤外線、可視光線などでもかまわない。
制御部10は、ガスバルブ135に接続されており、各ガスの供給量や供給タイミングを制御する。また、制御部10は、排気機構128に接続されており、チャンバ103内を所望の圧力に調整する。また、制御部10は、放射温度計140が測定した基板101の表面温度を取得する。また、制御部10は、回転部104の駆動制御を行う。
また、制御部10は、ヒータ120の出力を制御する。制御部10は、放射温度計140の測定結果が所定値となるようにヒータ120の出力を制御する“温度フィードバック制御”と、放射温度計140の測定結果によらずヒータ120の出力を一定に維持する“出力一定制御”の2つの出力制御方式を備えている。制御部10は、これら2つの出力制御方式を切り替えながら、基板101上への成膜を行う。
基板101上に薄膜を堆積させると、薄膜の膜厚により干渉色が生じて放射率が変化し、放射温度計140の測定結果の精度が低下する場合がある。そのため、本実施形態において制御部10は、放射温度計140の測定結果の精度が低下し得るとき、すなわち基板101上への膜の堆積中は、放射温度計140の測定結果を利用せずに、ヒータ120の出力を一定に維持する“出力一定制御”を行う。
次に、図2のタイミングチャートを用いて、ヒータ120の出力制御方式を切り替えながら成膜を行う方法の一例を説明する。図2は、基板101上にIII属窒化物膜を堆積する例を示しており、ガス供給部133(図1参照)から、アンモニアガス(以下、HNガス)、トリメチルアルミニウムガス(以下、TMAガス)、トリメチルガリウムガス(以下、TMGガス)が供給される。
図2に示すように、時刻t1〜t2の間は、制御部10は温度フィードバック制御を行い、放射温度計140の測定結果に基づいて、基板101の温度が1000℃となるように、ヒータ120の出力を制御する。この時、回転部104の回転数は50rpmであり、HNガス、TMAガス、TMGガスは供給されていない。なお、図2において、「vent」はチャンバ103内にガスが供給されていないことを示し、「run」はチャンバ103内にガスが供給されていることを示している。
時刻t2〜t3において、回転部104の回転数を900rpmまで上昇させる。この時、制御部10は温度フィードバック制御を行い、放射温度計140の測定結果に基づいて、基板101の温度が1000℃を保つように、ヒータ120の出力を制御する。回転部104の回転数の変化により基板101の温度が変化した場合、この温度変化は放射温度計140により正確に検出される。制御部10は、放射温度計140の測定結果を用いてヒータ120の出力を制御し、基板101の温度を所定温度(1000℃)に維持することができる。
時刻t3において、チャンバ103内へのHNガスの供給が開始される。この時、制御部10は温度フィードバック制御を行い、放射温度計140の測定結果に基づいて、基板101の温度が1000℃を保つように、ヒータ120の出力を制御する。HNガスの供給に伴い基板101の温度が変化した場合、この温度変化は放射温度計140により正確に検出される。制御部10は、放射温度計140の測定結果を用いてヒータ120の出力を制御し、基板101の温度を所定温度(1000℃)に維持することができる。
HNガスの供給開始後、温度フィードバック制御により放射温度計140の測定結果が安定した場合、制御部10は所定時間の間(例えば、図2における期間T1)のヒータ120の出力の平均値PA1を算出する。算出されたヒータ120の出力平均値PA1は、HNガス供給状態で基板101の温度を所定温度(1000℃)に維持することができるヒータ120の出力とみなすことができる。期間T1は例えば数十秒である。
時刻t4において、チャンバ103内へのTMAガスの供給を開始する。この時、制御部10はヒータ120の出力制御方式を出力一定制御に切り替えて、ヒータ120の出力を算出した平均値PA1に維持する。TMAガスの供給に伴い、基板101上には窒化アルミニウム膜が堆積される。
基板101上の窒化アルミニウム膜の膜厚により薄膜干渉が生じて放射温度計で測定している波長(例えば900nm)の放射率が変化し、実際には基板101の温度が変化していなくても、放射温度計140の検出温度が変化し得る。本実施形態では、制御部10が出力一定制御を行い、放射温度計40の測定結果が変化してもヒータ120の出力を一定に保つことで、基板101の温度をほぼ所定温度に維持することができる。薄膜干渉により、基板101からの輻射による放熱が変化する場合は、基板101の温度は多少変化するが、放射温度計140の放射温度計で測定している波長の放射率変動による温度変動に比べるとはるかに小さい。
時刻t5においてTMAガスの供給を停止し、チャンバ103からTMAガスをパージする。制御部10は出力一定制御を行い、ヒータ120の出力をPA1に維持する。
時刻t6においてTMAガス及びTMGガスの供給を開始する。制御部10は出力一定制御を行い、ヒータ120の出力をPA1に維持する。TMAガス及びTMGガスの供給に伴い、基板101上には窒化アルミニウムガリウム膜が堆積される。基板101上の窒化アルミニウムガリウム膜の膜厚により薄膜干渉が生じて放射温度計で測定している波長の放射率が変化し、実際には基板101の温度が変化していなくても、放射温度計140の検出温度が変化し得る。しかし、制御部10は出力一定制御を行っているため、放射温度計40の測定結果が変化してもヒータ120の出力を一定に保つため、基板101の温度を所定温度に維持することができる。
時刻t7においてTMAガス及びTMGガスの供給を停止し、チャンバ103からTMAガス及びTMGガスをパージする。制御部10は出力一定制御を行い、ヒータ120の出力をPA1に維持する。
時刻t8においてTMGガスの供給を開始する。制御部10は出力一定制御を行い、ヒータ120の出力をPA1に維持する。TMGガスの供給に伴い、基板101上には窒化ガリウム膜が堆積される。基板101上の窒化ガリウム膜の膜厚により薄膜干渉が生じて放射温度計で測定している波長の放射率が変化し、実際には基板101の温度が変化していなくても、放射温度計140の検出温度が変化し得る。しかし、制御部10は出力一定制御を行っているため、放射温度計40の測定結果が変化してもヒータ120の出力を一定に保つため、基板101の温度を所定温度に維持することができる。
時刻t9においてTMGガスの供給を停止し、チャンバ103からTMGガスをパージする。制御部10は出力一定制御を行い、ヒータ120の出力をPA1に維持する。
時刻t9における放射温度計の表示温度TA1を制御部の記録装置に記録する。時刻t9における放射温度計の表示温度TA1は所定の設定温度(1000℃)と異なる場合があるが、これは窒化アルミニウム膜や窒化アルミニウムガリウム膜、窒化ガリウム膜は放射温度計の測定波長の例えば900nmの波長の光を透過するとき、表面、界面で反射するため、これらの膜の堆積による薄膜干渉が生じて放射温度計140の測定に影響を与えているためである。時刻t4以降、制御部10は出力一定制御を行い、ヒータ120の出力を一定に保っているため、時刻t9における放射温度計の表示温度TA1は所定の設定温度(1000℃)に対応するとみなすことができる。なお、TMGガスのパージ後、放射温度計140の測定結果が安定した場合、制御部10は所定時間の間(例えば、図2における期間T2)の放射温度計140の測定結果の平均値を算出してTA1としてもよい。期間T2は例えば数十秒である。
時刻t10において、制御部10はヒータ120の出力制御方式を温度フィードバック制御に切り替える。そして、制御部10は、放射温度計140の測定結果に基づいて、基板101の温度が1100℃となるように、ヒータ120の出力を制御する。具体的には、制御部10は、放射温度計140の測定結果が、時刻t9における放射温度計の表示温度TA1+100℃となるようにヒータ120の出力を制御する。成膜により放射温度計140の測定値の絶対値に誤差が生じている場合であっても、温度の変動値は精度良く検出できる。時刻t9における放射温度計の表示温度TA1は1000℃に対応するとみなすことができるため、時刻t9における放射温度計の表示温度TA1+100℃は目標値1100℃に対応するとみなすことができる。
温度フィードバック制御により放射温度計140の測定結果が安定した場合、制御部10は所定時間の間(例えば、図2における期間T3)のヒータ120の出力の平均値PA2を算出する。算出されたヒータ120の出力平均値PA2は、HNガス供給状態で基板101の温度を所定温度(1100℃)に維持することができるヒータ120の出力とみなすことができる。期間T3は例えば数十秒である。
時刻t11において、チャンバ103内へのTMGガスの供給を開始する。この時、制御部10はヒータ120の出力制御方式を出力一定制御に切り替えて、ヒータ120の出力を算出した平均値PA2に維持する。TMGガスの供給に伴い、基板101上には窒化ガリウム膜が堆積される。基板101上の窒化ガリウム膜の膜厚により薄膜干渉が生じて放射温度計で測定している波長の放射率が変化し、実際には基板101の温度が変化していなくても、放射温度計140の検出温度が変化し得る。しかし、制御部10は出力一定制御を行い、放射温度計140の測定結果が変化してもヒータ120の出力を一定に保つため、基板101の温度を所定温度に維持することができる。
基板101上に所定の膜厚の窒化ガリウム膜を堆積後、成膜処理を終了する。例えば、時刻t12においてTMGガスの供給を停止し、チャンバ103からTMGガスをパージする。制御部10は、回転部104の回転数を50rpmまで下降させる。また、制御部10は、ヒータ120の出力をゼロとして加熱処理を終了する。これにより基板101の温度は800℃程度まで低下する。その後、時刻t13においてHNガスの供給を停止する。
このように、制御部10は、基板101の温度設定値を変更するとき(例えば、図2の時刻t1〜t2、t10〜t11)、回転部104の回転数を変化させるとき(例えば、図2の時刻t2〜t3)、基板101の温度に影響を与えるガスの供給開始時(例えば、図2の時刻t3〜t4)などに、放射温度計140の測定結果が所定値となるようにヒータ120の出力を制御する“温度フィードバック制御”を行う。そのため、各種パラメータを変更しても、基板101を所望の温度にすることができる。
また、制御部10は、成膜時(例えば図2の時刻t4〜t5、t6〜t7、t8〜t9、t11〜t12)に、ヒータ120の出力を一定に保つ“出力一定制御”を行う。そのため、膜の堆積時、膜厚により薄膜干渉が生じて放射温度計で測定している波長の放射率が変化し、実際には基板101の温度が変化していないにも関わらず放射温度計140の検出温度が変化した場合でも、ヒータ出力を一定に保ち、基板101の温度を所定温度に維持することができる。
このように、“温度フィードバック制御”と“出力一定制御”の2つの制御方式を適宜切り替えながらヒータ120の出力を制御することで、基板101を所定温度に維持し、基板101上に均一に膜を堆積させることができる
また、出力一定制御から温度フィードバック制御に切り替えて基板101の温度設定値を変更するとき、例えば、図2の時刻t10〜t11において基板101の温度を1000℃から1100℃に変更するとき、制御部10は、放射温度計140の検出温度が1100℃となるようにヒータ120の出力を制御するのではなく、放射温度計140の検出温度が、時刻t9における放射温度計の表示温度TA1に、設定温度の差分の100℃(=1100℃−1000℃)を加算した値となるように、ヒータ120の出力を制御する。時刻t9における放射温度計の表示温度TA1を1000℃とみなし、放射温度計140の検出温度が時刻t9における放射温度計の表示温度TA1+100℃となるようにヒータ120の出力を制御することで、成膜により放射温度計140の測定値の絶対値に誤差が生じている場合であっても、基板101を目標値の1100℃に設定することができる。
上記実施形態では、温度フィードバック制御が行われる、基板101の温度が変化しやすい状況として、回転部104の回転数変更やガス供給開始時などを挙げていたが、温度フィードバック制御を行う状況はこれらに限定されない。例えば、チャンバ103に供給されるガスを切り替える時、チャンバ103へのガス供給量(流量)が変化する時、チャンバ103内の圧力が変わる時などが、基板101の温度が変化しやすい状況として考えられ、このような時に温度フィードバック制御を行うことが好ましい。
上記実施形態において、放射温度計140は基板101の温度を測定していたが、サセプタ102の温度を測定してもよい。
基板101としては、例えばシリコンウェーハが用いられるが、シリコン以外の基板上に成膜する場合においても適用可能である。
また、温度フィードバック制御時の制御が安定している間の出力平均、成膜が終了した際の温度の記録回数は、特に制限されるものではなく適宜更新することができる。
さらに、上記実施形態においては、温度を上昇させる場合を説明したが、温度を下げる場合には、記録した温度から所望の温度差を引くことにより、設定温度とすることができる。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
10 制御部
100 気相成長装置
101 基板
102 サセプタ
103 チャンバ
104 回転部
108 シャフト
109 配線
120 ヒータ
124 シャワープレート
125 ガス排気部
128 排気機構
129 ガス噴出孔
131 ガス管
133 ガス供給部
135 ガスバルブ
140 放射温度計

Claims (4)

  1. 加熱手段により基板を加熱しながら前記基板に原料ガスを供給して、前記基板上に膜を成長させる気相成長方法であって、
    前記基板の温度を放射温度計で測定し、
    前記基板上に膜を成長させていない場合に、前記放射温度計の測定値が所定値となるように前記加熱手段の出力を制御する温度フィードバック制御を行い、
    前記温度フィードバック制御を行っている際の所定期間における前記加熱手段の出力平均値を算出し、
    前記基板上に、前記放射温度計の測定波長で薄膜干渉が生じる膜を成長させているときは、前記加熱手段の出力を一定に維持する出力一定制御を行い、
    前記出力一定制御を行う際は、前記加熱手段の出力を前記出力平均値に維持することを特徴とする気相成長方法。
  2. 前記基板上への第1膜の成長前に、前記放射温度計の測定値が第1所定値となるように前記温度フィードバック制御を行い、
    前記出力一定制御を行いながら、前記基板上に前記第1膜を成長させ、
    前記第1膜の成長後の温度を記録し、
    前記測定値の記録後、前記基板上への第2膜の成長前に、前記放射温度計の測定値が、前記測定値の記録値に、前記第1所定値と第2所定値との差分を加算した値となるように第2の温度フィードバック制御を行い、
    前記第2の温度フィードバック制御を行っている際の所定期間における前記加熱手段の第2の出力平均値を算出し、前記第2の出力一定制御を行いながら、前記基板上に前記第2膜を成長させることを特徴とする請求項に記載の気相成長方法。
  3. 気相成長反応を行う反応室内の圧力変化時、前記反応室内に供給されるガスの切り替え時、前記反応室内に供給されるガスの流量変化時、又は前記基板の回転速度変化時に、前記温度フィードバック制御を行うことを特徴とする請求項1又は2に記載の気相成長方法。
  4. 基板が導入され、気相成長反応を行う反応室と、
    前記反応室にガスを供給するガス供給部と、
    前記基板を加熱する加熱手段と、
    前記基板の温度を測定する放射温度計と、
    前記加熱手段の出力を制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記放射温度計の測定値が所定値となるように前記加熱手段の出力を制御する温度フィードバック制御を行うとともに、前記基板上に前記放射温度計の測定波長で薄膜干渉が生じる膜を成長させているときは、前記加熱手段の出力を一定に維持する出力一定制御を行い、
    前記制御部は、前記温度フィードバック制御を行っている際の所定期間における前記加熱手段の出力平均値を算出し、
    前記制御部は、前記出力一定制御を行う際は、前記加熱手段の出力を前記出力平均値に維持することを特徴とする気相成長装置。
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