JP6607716B2 - 成膜装置 - Google Patents
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Description
本発明は、成膜装置に関する。
炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）よりもバンドギャップが大きな半導体であり、パワーデバイス、高周波デバイス、高温動作デバイス等への応用が期待されている。ＳｉＣの基板としては昇華法等で作製したバルク結晶から加工したＳｉＣ単結晶ウェハを用い、通常、この上に化学的気相成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＣＶＤ）によってＳｉＣ半導体デバイスの活性領域となるＳｉＣエピタキシャル膜を成長させてＳｉＣエピタキシャルウェハを製造する。
ＳｉＣエピタキシャル成長に用いる成膜装置としていくつかの方式が知られているが、特に量産性に優れたものとしてはプラネタリ型の成膜装置が知られている。プラネタリ型成膜装置は、ガスの供給口を中心にして複数のウェハを水平に配置し、ガス供給口を中心にして各ウェハを公転させるとともにウェハ中心を軸にしてウェハ自体を自転させる水平自公転型の多数枚同時成膜装置である。
図５に、ＳｉＣエピタキシャルウェハの成膜装置の主要部分の一例の断面模式図を示す。
成膜装置の主要部分とは、エピタキシャル成長を行う反応室とその周辺部である。
成膜装置の主要部分１００は、図示しないステンレス（ＳＵＳ）製のチャンバの中に配置されている。チャンバは真空容器となっており、上部が開閉可能な蓋部となっている。チャンバ内には、複数のウェハを水平に保持するカーボン材からなる円盤状のサセプタ（搭載プレート）１０２と、サセプタ１０２との間に反応室１１０を形成するように、サセプタ１０２の上方に対向して配置された、カーボン材からなる円盤状のシーリング（天板、熱輻射部材）１０３と、反応室の側面を形成する円筒状の反応室側壁１１２と、サセプタ１０２とシーリング１０３との間にガスを供給するガス供給部１０４と、サセプタ１０２の下面側およびシーリング１０３の上面側に配置され、サセプタ１０２及びシーリング１０３を加熱する高周波コイル１０５、１０６と、が備えられている。
ウェハは、サセプタ１０２の上面に配置されたサテライト（ウェハ支持部材）１０７に搭載される。
サセプタ、シーリング、反応室側壁、ガス供給部、高周波コイルなどの成膜装置の主要部分は、チャンバと直接または間接的に接触することで支持されている。
成膜装置の主要部分とは、エピタキシャル成長を行う反応室とその周辺部である。
成膜装置の主要部分１００は、図示しないステンレス（ＳＵＳ）製のチャンバの中に配置されている。チャンバは真空容器となっており、上部が開閉可能な蓋部となっている。チャンバ内には、複数のウェハを水平に保持するカーボン材からなる円盤状のサセプタ（搭載プレート）１０２と、サセプタ１０２との間に反応室１１０を形成するように、サセプタ１０２の上方に対向して配置された、カーボン材からなる円盤状のシーリング（天板、熱輻射部材）１０３と、反応室の側面を形成する円筒状の反応室側壁１１２と、サセプタ１０２とシーリング１０３との間にガスを供給するガス供給部１０４と、サセプタ１０２の下面側およびシーリング１０３の上面側に配置され、サセプタ１０２及びシーリング１０３を加熱する高周波コイル１０５、１０６と、が備えられている。
ウェハは、サセプタ１０２の上面に配置されたサテライト（ウェハ支持部材）１０７に搭載される。
サセプタ、シーリング、反応室側壁、ガス供給部、高周波コイルなどの成膜装置の主要部分は、チャンバと直接または間接的に接触することで支持されている。
かかる成膜装置で用いられる原料ガスは反応性が高い。そのため、通常、高周波コイル（他の加熱手段を用いる場合はその加熱手段）は原料ガスと接触することを避けるため、原料ガスが流れる反応室から区画された領域に設置される。以下では、この領域を代表的な加熱手段である高周波コイルを囲繞する領域という意味で「コイル室」と称する場合がある。
例えば、特許文献１には、高周波コイル１９、２０はリング板７により区画された処理室（反応室）１の上空間と下空間に設置されることが開示されている。つまり、高周波コイル１９、２０はチャンバの内壁と反応室を構成する部材（搬送板（サセプタ）３、カバー板（シーリング）４）とで囲まれる空間に配置される。
また、特許文献２には、ヒータ２２の周りを囲う搭載支持プレート（サセプタ）１４と筐体と強固に連結された環状支持体２６、２７が記載されており、搭載支持プレート（サセプタ）１４とチャンバ以外の部材（環状支持体２６、２７）によりヒータ２２が配置する空間を囲んでコイル室を形成する方法が開示されている。
例えば、特許文献１には、高周波コイル１９、２０はリング板７により区画された処理室（反応室）１の上空間と下空間に設置されることが開示されている。つまり、高周波コイル１９、２０はチャンバの内壁と反応室を構成する部材（搬送板（サセプタ）３、カバー板（シーリング）４）とで囲まれる空間に配置される。
また、特許文献２には、ヒータ２２の周りを囲う搭載支持プレート（サセプタ）１４と筐体と強固に連結された環状支持体２６、２７が記載されており、搭載支持プレート（サセプタ）１４とチャンバ以外の部材（環状支持体２６、２７）によりヒータ２２が配置する空間を囲んでコイル室を形成する方法が開示されている。
図５においてサセプタの下に配置する下部コイル室１１１は、特許文献１及び２に開示されたコイル室に相当するものである（以下では、下部コイル室を単にコイル室と称する場合がある）。
下部コイル室１１１は、下部コイル室の内壁１０１とサセプタ１０２とによって囲まれた空間である。下部コイル室には、サセプタ１０２の下面側にその下面から離間して設置された放射温度計１０８が備えられている。下部コイル室の内壁は、ステンレス（ＳＵＳ）製である。
下部コイル室１１１は、下部コイル室の内壁１０１とサセプタ１０２とによって囲まれた空間である。下部コイル室には、サセプタ１０２の下面側にその下面から離間して設置された放射温度計１０８が備えられている。下部コイル室の内壁は、ステンレス（ＳＵＳ）製である。
サセプタ１０２とシーリング１０３と下部コイル室の内壁１０１とによって囲まれた反応室１１０と、サセプタ１０２と下部コイル室の内壁１０１（側壁１０１ａ及び底壁１０１ｂ）とによって囲まれた下部コイル室１１１とはそれぞれ区画された空間になっており、下部コイル室１１１内の高周波コイル１０５と下部コイル室の底壁１０１ｂとの間に断熱材は設置されていない。下部コイル室側壁１０１ａは反応室側壁１１２と隙間なく接している。
サセプタ１０２の下面中央部には公転用回転軸１０２ａが取り付けられている。公転用回転軸１０２ａは、ガス供給部１０４の直下に位置する。
この構成によって、ウェハを、ガス供給部１０４を中心にしてＳｉＣ単結晶ウェハをサセプタ１０２によって公転させるとともに、ＳｉＣ単結晶ウェハの中心を軸にしてＳｉＣ単結晶ウェハ自体をサテライト１０７によって自転させる。なお、ガス供給部１０４から供給された原料ガスは、反応室側壁１１２に設けられた排気口（図示せず）から排気されるが、ガスの一部は、サセプタ１０２の回転のために設けられている、サセプタ１０２と反応室側壁１１２及び下部コイル室側壁１０１ａとの間の隙間を通り抜けて、下部コイル室１１１へと入り込む。
この構成によって、ウェハを、ガス供給部１０４を中心にしてＳｉＣ単結晶ウェハをサセプタ１０２によって公転させるとともに、ＳｉＣ単結晶ウェハの中心を軸にしてＳｉＣ単結晶ウェハ自体をサテライト１０７によって自転させる。なお、ガス供給部１０４から供給された原料ガスは、反応室側壁１１２に設けられた排気口（図示せず）から排気されるが、ガスの一部は、サセプタ１０２の回転のために設けられている、サセプタ１０２と反応室側壁１１２及び下部コイル室側壁１０１ａとの間の隙間を通り抜けて、下部コイル室１１１へと入り込む。
ＳｉＣエピタキシャル膜の成長に際しての、ＳｉＣ単結晶ウェハの加熱は、高周波コイル１０５、１０６による高周波誘導で加熱されたサセプタ１０２からの直接加熱と、高周波コイル１０５、１０６による高周波誘導加熱されたシーリング１０３からの熱輻射によって行われる。このように上下の熱源により加熱を行うＣＶＤ装置はホットウォール型のＣＶＤ装置と呼ばれている（特許文献１、非特許文献１、２）。
また、シーリングの上面側に設置された上部高周波コイルがなく、サセプタ側の下面側に設置された下部高周波コイルによる直接加熱とシーリングからの熱輻射とによって加熱するタイプの成膜装置もある。
また、シーリングの上面側に設置された上部高周波コイルがなく、サセプタ側の下面側に設置された下部高周波コイルによる直接加熱とシーリングからの熱輻射とによって加熱するタイプの成膜装置もある。
図５のプラネタリ型ＣＶＤ装置においては、放射温度計１０８は下部コイル室１１１内の高周波コイル（下部高周波コイル）１０５近傍に配置されており、公転用回転軸１０２ａ、下部高周波コイル１０５および放射温度計１０８は下部コイル室１０１の側壁１０１ａによって囲われている。
サセプタ１０２は例えば、ＴａＣコートされたカーボン製であり、シーリング１０３は例えば、ＴａＣやＳｉＣで被覆されたカーボン製であり、反応室側壁は例えば、ＴａＣやＳｉＣで被覆されたカーボン製である。回転軸は例えば、石英製であり、高周波コイルは例えば、金メッキされた銅製である。
放射温度計は、高温の物体から放出される熱輻射の電磁波により物質の表面温度を測定するものであって、測定対象の放射率により、読み取られる温度が変化する。放射率は、黒体の放射率に比して０〜１の値で評価され、物質の種類及び表面の粗度などにより決まる。
図５に示す成膜装置１００においては、放射温度計１０８はサセプタ１０２の下面の一点の温度を測定しており、この測定点温度が一定に保たれるように高周波コイルの出力を都度変化させることで、成膜中の反応室１１０の温度を一定に保つ設計となっている。
Materials Science Forum Vols. 483-485 (2005) pp141-146
Materials Science Forum Vols. 556-557 (2007) pp57-60
しかしながら、エピタキシャル膜のキャリア濃度や成長速度は、ウェハを搭載する部材（図５に示す例では、サテライト１０７）の温度に強く依存するが、その温度は放射温度計の測定点の温度とは必ずしも一致しない。放射温度計の測定点の温度が一定となるようにフィードバックをかけて高周波コイルの出力を調整しているが、見かけ上の測定温度が一定であっても、炉内環境が変化してしまうとウェハを搭載する部材の温度とはズレが生じてしまう。
ＳｉＣエピタキシャル成長を通常行う１５００〜１７００℃の温度域において、反応室の温度環境は輻射伝熱に大きな影響を受ける。かかる成膜装置において、サセプタとシーリングと反応室側壁とで囲まれた空間（反応室）と、高周波コイルや放射温度計が設置され、サセプタとコイル室側壁とで囲まれた空間（コイル室）はそれぞれ別個の輻射空間になっている。また、反応室とその下部にあるコイル室（下部コイル室）は、互いにサセプタ１０２における熱伝導を通じて熱をやりとりしており、一方の部屋で温度環境が変化すると、他方の部屋の温度環境にも影響が出ると思われる。すなわち、反応室だけでなくコイル室の温度環境が変化することによっても、ウェハを搭載する部材（ウェハ搭載部材、図５のサテライト１０７）の温度は変わってしまうと考えられる。
例えば、反応室やコイル室を構成する部材の表面が変質して、異なる放射率の材料が表面に現れると、反応室内の温度分布は変化する。反応室やコイル室を構成する部材の表面の放射率の変化が発生すると、各室内での輻射やりとりの条件が変化するため、同一の高周波コイル出力を与えても放射温度計の測定点の温度やウェハ温度は共に一定とならず、また、放射温度計の測定点の温度を一定に制御しても高周波コイル出力やウェハ搭載部材の温度は一定とならない。そのため、エピタキシャル膜の品質を従来よりもさらに再現良く成膜するためには、成膜中にＲｕｎ-ｔｏ-Ｒｕｎ（ラン・ツー・ラン）で成膜温度の分布変化を防ぐ必要があり、そのためには、反応室を構成する部材とコイル室を構成する部材の放射率は一定に保つことが有効である。
かかる成膜装置において、反応室やコイル室を構成する部材の表面の放射率が変化する主な原因は、その表面への炉内副生成物（デポ）の付着があり、炉内副生成物の付着による放射率の変化の幅は反応室よりも下部コイル室の方が大きい。その理由は以下の通りである。
表面に付着する炉内副生成物は主に３Ｃ−ＳｉＣ（放射率は０．８程度）であり、反応室を構成する部材の表面に付着するのはもちろんのこと、反応ガスの下部コイル室への流れ込みにより、一部はコイル室を構成する部材の表面にも付着する。反応室の部材はＳｉＣコートカーボン（放射率は０．８−０．９）などの放射率が高い材料が使用されているのに対し、下部コイル室の内壁はＳＵＳ(放射率は０．３〜０．３５)製であるため、デポが付着した際の放射率の変化の幅は、反応室を構成する部材の表面よりも下部コイル室を構成する部材の表面の方が大きい。
表面に付着する炉内副生成物は主に３Ｃ−ＳｉＣ（放射率は０．８程度）であり、反応室を構成する部材の表面に付着するのはもちろんのこと、反応ガスの下部コイル室への流れ込みにより、一部はコイル室を構成する部材の表面にも付着する。反応室の部材はＳｉＣコートカーボン（放射率は０．８−０．９）などの放射率が高い材料が使用されているのに対し、下部コイル室の内壁はＳＵＳ(放射率は０．３〜０．３５)製であるため、デポが付着した際の放射率の変化の幅は、反応室を構成する部材の表面よりも下部コイル室を構成する部材の表面の方が大きい。
また、ＳｉＣのエピタキシャル膜は、塩化水素（ＨＣｌ）等の塩素を含むガス（塩素系ガス）の使用により膜品質が向上するという報告があるが、この場合、塩素系ガスによるＳＵＳの腐食も下部コイル室の内壁の放射率を変化させる要因となる。塩素系ガスとしては、塩化水素の他、ジクロロシランなどのクロロシラン、四塩化炭素などの塩化シリコンがある。
以上のように、下部コイル室の内壁（以下、「下部コイル室の壁面」ということがある）はＳＵＳ製であり、デポ付着やＳＵＳ自体の腐食により放射率が大きく変化してしまう。下部コイル室の壁面の放射率の変化は下部コイル室の輻射環境の変化につながり、放射温度計が読み取る温度を変えるものであるから望ましくない。エピタキシャルウェハ量産時の品質再現性を高くするためには、下部コイル室の壁面の放射率の変化を抑制することは非常に重要である。ここで、「下部コイル室の内壁」あるいは「下部コイル室の壁面」とは、下部コイル室を囲繞する部分を意味する。
本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、コイル室の輻射環境の変動あるいは経時変化が抑制された成膜装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
（１）化学的気相成長によってウェハ上にエピタキシャル膜を形成する成膜装置であって、ウェハが水平に載置される搭載プレートと、前記搭載プレートとの間に反応室を形成するように、前記搭載プレートの上方に対向して配置されたシーリングと、前記搭載プレートの下面側に配置された加熱手段と、前記加熱手段を囲繞して、前記搭載プレートと共にコイル室を形成するステンレス製のコイル室内壁と、を備え、前記コイル室内壁はステンレスの放射率より高い放射率を有する高放射率材料によってコーティングされているか、または、コイル室内壁上に前記高放射率材料からなる高放射率部材が密着して設置されている成膜装置。
（２）ステンレス製のチャンバ内に反応室を備え、化学的気相成長によってウェハ上にエピタキシャル膜を形成する成膜装置であって、ウェハが水平に載置される搭載プレートと、前記搭載プレートとの間に反応室を形成するように、前記搭載プレートの上方に対向して配置されたシーリングと、前記搭載プレートの下面側に配置された加熱手段と、を備え、前記チャンバの内壁のうち、前記加熱手段を囲繞して、前記搭載プレートと共にコイル室を形成する内壁はステンレスの放射率より高い放射率を有する高放射率材料によってコーティングされているか、または、コイル室を囲繞する内壁上に前記高放射率材料からなる高放射率部材が密着して設置されている成膜装置。
（３）前記コイル室に放射温度計を備えた（１）又は（２）のいずれかに記載の成膜装置。
（４）前記高放射率材料の放射率が０．６以上１．０以下である（１）〜（３）のいずれか一つに記載の成膜装置。
（５）前記高放射率材料は、塩素系ガスに対して耐食性を有する（１）〜（４）のいずれか一つに記載の成膜装置。
（１）化学的気相成長によってウェハ上にエピタキシャル膜を形成する成膜装置であって、ウェハが水平に載置される搭載プレートと、前記搭載プレートとの間に反応室を形成するように、前記搭載プレートの上方に対向して配置されたシーリングと、前記搭載プレートの下面側に配置された加熱手段と、前記加熱手段を囲繞して、前記搭載プレートと共にコイル室を形成するステンレス製のコイル室内壁と、を備え、前記コイル室内壁はステンレスの放射率より高い放射率を有する高放射率材料によってコーティングされているか、または、コイル室内壁上に前記高放射率材料からなる高放射率部材が密着して設置されている成膜装置。
（２）ステンレス製のチャンバ内に反応室を備え、化学的気相成長によってウェハ上にエピタキシャル膜を形成する成膜装置であって、ウェハが水平に載置される搭載プレートと、前記搭載プレートとの間に反応室を形成するように、前記搭載プレートの上方に対向して配置されたシーリングと、前記搭載プレートの下面側に配置された加熱手段と、を備え、前記チャンバの内壁のうち、前記加熱手段を囲繞して、前記搭載プレートと共にコイル室を形成する内壁はステンレスの放射率より高い放射率を有する高放射率材料によってコーティングされているか、または、コイル室を囲繞する内壁上に前記高放射率材料からなる高放射率部材が密着して設置されている成膜装置。
（３）前記コイル室に放射温度計を備えた（１）又は（２）のいずれかに記載の成膜装置。
（４）前記高放射率材料の放射率が０．６以上１．０以下である（１）〜（３）のいずれか一つに記載の成膜装置。
（５）前記高放射率材料は、塩素系ガスに対して耐食性を有する（１）〜（４）のいずれか一つに記載の成膜装置。
本発明によれば、コイル室の輻射環境の変動あるいは経時変化が抑制された成膜装置を提供することができる。
以下、本発明を適用した成膜装置について、図面を用いてその構成を説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨から逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。
なお、以下では、ＳｉＣ膜を成膜する成膜装置を例に挙げて説明するが、ＳｉＣ膜を成膜する成膜装置に限定されない。
なお、以下では、ＳｉＣ膜を成膜する成膜装置を例に挙げて説明するが、ＳｉＣ膜を成膜する成膜装置に限定されない。
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係る成膜装置の主要部分の一例の断面模式図を示す。成膜装置の主要部分とは、エピタキシャル成長を行う反応室とその周辺部である。
なお、図１に示す成膜装置は図５に示した成膜装置と共通する構成があるので、以下では共通する構成については説明を簡略している場合がある。
図１に、本発明の第１実施形態に係る成膜装置の主要部分の一例の断面模式図を示す。成膜装置の主要部分とは、エピタキシャル成長を行う反応室とその周辺部である。
なお、図１に示す成膜装置は図５に示した成膜装置と共通する構成があるので、以下では共通する構成については説明を簡略している場合がある。
成膜装置の主要部分２０は、化学的気相成長によってウェハ上にエピタキシャル膜を形成する成膜装置であり、図示しないステンレス（ＳＵＳ）製のチャンバ内に配置されている。成膜装置の主要部分２０は、ウェハが水平に載置される搭載プレート（サセプタ）２と、搭載プレート２との間に反応室１０を形成するように、搭載プレート２の上方に対向して配置されたシーリング３と、反応室１０の側面を形成する円筒状の反応室側壁１２と、搭載プレート２の下面２ａ側に配置された加熱手段５と、加熱手段５を囲繞して、搭載プレート２と共にコイル室１１を形成するステンレス製のコイル室内壁１と、コイル室１１に配置された放射温度計８と、を備えており、加熱手段５が設置されたコイル室１１を囲繞するコイル室内壁１（側壁１ａ及び底壁１ｂ）はステンレスの放射率より高い放射率を有する高放射率材料によってコーティングされている。符号１Ａは、高放射率材料からなるコーティング膜を示す。ここで、コーティング膜のコーティング方法に特に制限はなく、ステンレス製内壁を被覆できる方法であればよい。
図１に示す成膜装置では、コイル室内壁が側壁及び底壁からなるものを例示したが、加熱手段が反応ガスと接触するのをできるだけ回避するための構成であれば、他の構成であってもよい。例えば、側壁であってもよい。
本発明において、高放射率材料は、ステンレスの放射率より高い放射率を有する材料を意味する。
図１に示す成膜装置では、コイル室内壁が側壁及び底壁からなるものを例示したが、加熱手段が反応ガスと接触するのをできるだけ回避するための構成であれば、他の構成であってもよい。例えば、側壁であってもよい。
本発明において、高放射率材料は、ステンレスの放射率より高い放射率を有する材料を意味する。
高放射率材料としては例えば、ＳｉＣ、ＳｉＣ−ＢＮ系複合体などが挙げられる。また、市販の材料としては例えば、耐熱コーティング材料であるセラコート３６（商品名、オーデック株式会社製）を挙げられる。
高放射率材料からなるコーティング膜１Ａの厚さは特に制限はないが、目安を言えば、１μｍ以上、１００μｍ以下である。
高放射率材料からなるコーティング膜１Ａの厚さは特に制限はないが、目安を言えば、１μｍ以上、１００μｍ以下である。
本実施形態では、コイル室を囲繞するコイル室内壁の放射率を高める部材として、高放射率材料からなるコーティング膜を採用したが、コーティング膜の代わりに、コイル室を囲繞するコイル室内壁上に密着して設置された高放射率部材であってもよい。例えば、板材からなるライナーをステンレス製壁面に密着させて装着してもよい。
図１に示す成膜装置の主要部分２０はさらに、サセプタ２とシーリング３との間にガスを供給するガス供給部４と、シーリング３の上面３ａ側に配置された加熱手段６を備えている。
ウェハは、サセプタ２の上面２ａに配置されたサテライト（ウェハ支持部材）７に搭載される。
ウェハは、サセプタ２の上面２ａに配置されたサテライト（ウェハ支持部材）７に搭載される。
図１に示す成膜装置の主要部分２０においては、放射温度計８は平面視して、加熱手段５の隙間に位置するように設置されており、放射温度計により測定したサセプタ２の測定点の温度を加熱手段の出力にフィードバックすることで、温度を所定の温度に保つ構成となっている。
加熱手段は特に限定しないが、例えば、高周波コイル、ＩＲヒーターなどを用いることができる。
加熱手段は特に限定しないが、例えば、高周波コイル、ＩＲヒーターなどを用いることができる。
高放射率材料はステンレスの放射率より高い放射率を有する材料であるが、放射率が０．６以上１．０以下であることが好ましい。副生成物（デポ）としてコイル室の壁面に主に付着する３Ｃ−ＳｉＣの放射率は０．８〜０．９程度であり、また、ＳＵＳの壁面が酸化した場合でも酸化したＳＵＳの表面の放射率は０．９程度に変化する。従って、ＳＵＳ壁面に被覆または密着される高放射率材料が放射率０．６以上であれば、副生成物（デポ）が付着したり、ＳＵＳの表面が酸化したりした場合でも放射率の変化が小さく、反応室の輻射環境の変化、その結果のウェハ搭載部材の温度変化を抑制することができる。放射率が０．８以上１．０以下の高放射率部材であることがより好ましい。副生成物（デポ）が付着したときの放射率の変化をさらに小さくし、反応室の輻射環境の変化、その結果のウェハ搭載部材の温度変化をさらに抑制することができるからである。
また、本発明では下部コイル室の壁面の輻射条件を一定に保つことが目的であるが、腐食による高放射率材料コーティング膜や高放射率部材からの発塵や高放射率材料コーティング膜の剥がれを考慮すると、塩化水素などの塩素系ガスに耐性があり、１６００℃以上の高温プロセスにおいても使用が可能であるものが好ましい。
本条件を満たす耐腐食性・高耐熱性の材料としては、ＳｉＣ−ＢＮを主成分とする複合焼結体が挙げられる。ＳｉＣ−ＢＮ複合焼結体は、ＳｉＣが６０．０質量％以上８３．５質量％以下、ＢＮが１５．０質量％以上３５．０質量％以下、Ｂ４Ｃ（炭化ホウ素）が０．５質量％以上２．０質量％以下、カーボンが１．０質量％以上４．０質量％以下の原料組成を２０００〜２２００℃、圧力１５〜４０ＭＰａでホットプレス焼結することにより生成される。ＳｉＣ−ＢＮの複合焼結体は、１７００℃で長時間使用可能な耐熱性、および優れた耐食性を有しており、コイル室内壁に密着して設置すれば、本発明の実施における理想的な材料と考えられる。
ＳｉＣ−ＢＮ複合焼結体は、緻密な焼結体の場合、ＳｉＣ６０．０質量％以上であれば、０．８以上の放射率となることが知られている。
ＳｉＣ−ＢＮの複合焼結体は、焼結体を形成した後、それを機械的または接着によってコイル室内壁に密着して設置することができる。
ＳｉＣ−ＢＮ複合焼結体は、緻密な焼結体の場合、ＳｉＣ６０．０質量％以上であれば、０．８以上の放射率となることが知られている。
ＳｉＣ−ＢＮの複合焼結体は、焼結体を形成した後、それを機械的または接着によってコイル室内壁に密着して設置することができる。
また、三和メッキ工業（株）の黒染め加工処理などによって下部コイル室の壁面に黒色の酸化被膜を形成することで、壁面を高放射率にすることが可能である。この酸化被膜は鉄系の酸化物であり放射率は、約０．８である。
さらに、セラコート３６（商品名、オーデック株式会社製）などの市販の耐熱コーティング材料を用いれば、容易に高耐食性、高耐熱性の黒色被膜をＳＵＳ表面に形成することが可能である。セラコート３６の放射率は、約０．９である。
さらに、セラコート３６（商品名、オーデック株式会社製）などの市販の耐熱コーティング材料を用いれば、容易に高耐食性、高耐熱性の黒色被膜をＳＵＳ表面に形成することが可能である。セラコート３６の放射率は、約０．９である。
コイル室の壁面はＳＵＳ製のものが一般的であるため、３Ｃ−ＳｉＣデポの付着や塩素系ガスなどによる腐食により表面が変色し、放射率が大きくなると、コイル室の輻射条件が変化することにより、コイルの出力や反応室の温度分布が変化してしまう。これを防ぐために、コイル室内壁にあらかじめ高放射率材料をコーティング、もしくは壁面に高放射率部材を密着させておくことで、壁面の変色および放射率変化を防ぎ、結果としてウェハ搭載部（ウェハを搭載する部分がサセプタに形成されたものである場合と、サセプタとは別個の部材である場合のいずれも含む）の温度分布変化を抑制することが可能になる。
下部コイル室を構成する壁面をすべて高放射率材料によってコーティングすることが輻射条件の変動の抑制効果が最も高いが、下部コイル室の壁面の一部を高放射率材料でコーティングすることによっても、その効果を得ることが可能である。
ＳＵＳ製であった下部コイル室内壁を全て高放射率部材によりコーティングすることで、デポ付着やＳＵＳの腐食による下部コイル室内壁の放射率変化を抑制することができる。コイル室内壁の放射率変化の抑制により、コイル室表面の輻射条件が一定に保たれるので、結果として反応室のウェハ搭載部の温度分布の経時変化を小さくすることができる。
ＳＵＳ製であった下部コイル室内壁を全て高放射率部材によりコーティングすることで、デポ付着やＳＵＳの腐食による下部コイル室内壁の放射率変化を抑制することができる。コイル室内壁の放射率変化の抑制により、コイル室表面の輻射条件が一定に保たれるので、結果として反応室のウェハ搭載部の温度分布の経時変化を小さくすることができる。
上部コイル室を設ける場合、上部コイル室の内壁とシーリングとによって囲まれた空間である上部コイル室の壁面をさらに、下部コイル室と同様に、高放射率材料でコーティング等してもよい。
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る成膜装置は、ステンレス製のチャンバ内に反応室を備え、化学的気相成長によってウェハ上にエピタキシャル膜を形成する成膜装置である点は第１実施形態と同様である。
本発明の第２実施形態に係る成膜装置は、ウェハが水平に載置される搭載プレートと、搭載プレートとの間に反応室を形成するように、搭載プレートの上方に対向して配置されたシーリングと、搭載プレートの下面側に配置された加熱手段と、を備え、チャンバの内壁のうち、加熱手段を囲繞して、搭載プレートと共にコイル室を形成する内壁はステンレスの放射率より高い放射率を有する高放射率材料によってコーティングされているか、または、コイル室を囲繞する内壁上に高放射率材料からなる高放射率部材が密着して設置されている。
本発明の第２実施形態に係る成膜装置は、ステンレス製のチャンバ内に反応室を備え、化学的気相成長によってウェハ上にエピタキシャル膜を形成する成膜装置である点は第１実施形態と同様である。
本発明の第２実施形態に係る成膜装置は、ウェハが水平に載置される搭載プレートと、搭載プレートとの間に反応室を形成するように、搭載プレートの上方に対向して配置されたシーリングと、搭載プレートの下面側に配置された加熱手段と、を備え、チャンバの内壁のうち、加熱手段を囲繞して、搭載プレートと共にコイル室を形成する内壁はステンレスの放射率より高い放射率を有する高放射率材料によってコーティングされているか、または、コイル室を囲繞する内壁上に高放射率材料からなる高放射率部材が密着して設置されている。
第２実施形態に係る成膜装置が第１実施形態に係る成膜装置と異なる主な構成は、以下の通りである。
第１実施形態に係る成膜装置は、コイル室を形成する部材が搭載プレート及びコイル室内壁であるのに対して、第２実施形態に係る成膜装置は、コイル室を形成する部材が搭載プレート及びチャンバの内壁である。
第１実施形態に係る成膜装置は、ステンレスの放射率より高い放射率を有する高放射率材料によってコーティングされているか、または、高放射率材料からなる高放射率部材が密着して設置されているのがコイル室内壁であるのに対して、第２実施形態に係る成膜装置は、ステンレスの放射率より高い放射率を有する高放射率材料によってコーティングされているか、または、高放射率材料からなる高放射率部材が密着して設置されているのがチャンバの内壁である。
第１実施形態に係る成膜装置は、コイル室を形成する部材が搭載プレート及びコイル室内壁であるのに対して、第２実施形態に係る成膜装置は、コイル室を形成する部材が搭載プレート及びチャンバの内壁である。
第１実施形態に係る成膜装置は、ステンレスの放射率より高い放射率を有する高放射率材料によってコーティングされているか、または、高放射率材料からなる高放射率部材が密着して設置されているのがコイル室内壁であるのに対して、第２実施形態に係る成膜装置は、ステンレスの放射率より高い放射率を有する高放射率材料によってコーティングされているか、または、高放射率材料からなる高放射率部材が密着して設置されているのがチャンバの内壁である。
ＳｉＣエピタキシャル成長を行う成膜装置内の構造設計において、コイル室内に配置された部材の温度分布はＳｉＣエピタキシャル膜の成長を左右する重要なパラメータであるが、それを実測することは容易ではないので、シミュレーションを用いた温度分布解析が大きな役割を担っている。すなわち、シミュレーションから得られた知見に基づいて成膜装置内の構造を設計し、その成膜装置で実際にＳｉＣエピタキシャル成長を行って効果を確認し、また、構造の微調整を行って最適な構造を見つけていくという方法がとられることが多い。無駄な試行錯誤を回避するためにはシミュレーションは不可欠であり、今後もシミュレーションを最大限に活用して無駄な試行錯誤を回避しながら進んでいくものと考えられる。
本発明の効果を確認する際にも、サセプタの温度分布（℃）の２次元軸対称シミュレーションを行った。
シミュレーションは、STR-Group Ltd社製の温度分布解析ソフト「Virtual Reactor」を用いて行った。以下のシミュレーションの説明では、第１実施形態の構成に基づいて説明したが、下部コイル室内壁をチャンバの内壁と読み替えれば、第２実施形態の構成でも同様である。
シミュレーションは、STR-Group Ltd社製の温度分布解析ソフト「Virtual Reactor」を用いて行った。以下のシミュレーションの説明では、第１実施形態の構成に基づいて説明したが、下部コイル室内壁をチャンバの内壁と読み替えれば、第２実施形態の構成でも同様である。
図２に、シミュレーションに用いた２次元軸対称モデルを示す。
２次元軸対称モデルにおいて、二次元対称軸を２０１とし、サセプタ２０２、高周波コイル２０３、および、回転軸２０４がＳＵＳ製の下部コイル室内壁２０５で囲われた下部コイル室内に配置され、サセプタ２０２の上部の反応室には、シーリング２０６および断熱材２０７が設置されている。
２次元軸対称モデルにおいて、二次元対称軸を２０１とし、サセプタ２０２、高周波コイル２０３、および、回転軸２０４がＳＵＳ製の下部コイル室内壁２０５で囲われた下部コイル室内に配置され、サセプタ２０２の上部の反応室には、シーリング２０６および断熱材２０７が設置されている。
シミュレーションでは、下部コイル室内壁２０５の放射率を０．３５から０．９まで変化させた時、サセプタ２０２の温度分布がどのように変化するかを調べた。ここで、サセプタ２０２の発熱領域は、高周波コイルの電磁波の侵入深さに基づき高周波コイル直上の厚さ４ｍｍ分の領域２０８と仮定し、反応室のサセプタ２０２の上面はシーリング２０６の下面と輻射のやりとりをすると仮定した。また、下部コイル室は閉じた輻射空間と定義し、サセプタ２０２底面、高周波コイル２０３、回転軸２０４、下部コイル室内壁２０５は輻射のやりとりをするとした。
なお、サセプタ２０２とシーリング２０６とはカーボン部材にＴａＣが被覆されたものであり、その熱伝導率は６０Ｗ／ｍ／Ｋ、表面の放射率は０．２であり、コイル２０３は銅製であり、その熱伝導率は４００Ｗ／ｍ／Ｋ、表面の放射率は０．０２であり、回転軸２０４は石英製であり、その熱伝導率は１．４Ｗ／ｍ／Ｋ、表面の放射率は０．５であり、シーリング２０６上部の断熱材２０７の熱伝導率は０．２５Ｗ／ｍ／Ｋとし、下部コイル室内壁２０５、高周波コイル２０３の内側の面、断熱材２０７上部の温度は５０℃という境界条件の下で計算を実施した。また、高周波コイル２０３における隣接するコイル要素間の隙間には放射温度計２０９が設置されているが、今回の２次元軸対称シミュレーションにおいて、放射温度計２０９との熱やりとりは無視した。
シミュレーションに用いた２次元軸対象モデルにおいて、サセプタ２０２とシーリング２０６の半径は１８ｃｍ、厚みは２ｃｍとした。二次元対称軸２０１から下部コイル室内壁２０５までの距離は２３ｃｍ、下部コイル室底面からサセプタ２０２までの高さを１０ｃｍとした。高周波コイル２０３は各コイル要素の幅を１．２ｃｍとし、サセプタ２０２から５ｍｍ下の位置に、１ｃｍの間隔で水平方向に設置した。なお、シミュレーションで用いた寸法の値は実際の装置寸法とは必ずしも一致しないが、寸法が違っても配置や構造が同じであれば、同様の結果が得られると考えられる。
図３に、下部コイル室の壁面の放射率が０．３５、コイル出力が１３．７ｋＷの時の、サセプタの温度分布の２次元軸対称シミュレーション結果を示す。
図３において、符号３０１は二次元対称軸から１１２ｍｍの距離の、サセプタの下面の放射温度計の測定点の位置を示すものであり、符号３０２ｂは二次元対称軸から１１２ｍｍの距離の、サセプタの上面の放射温度計の測定点の位置を示すものであり、符号３０２ａはサセプタの上面の放射温度計の測定点の位置から回転軸寄り（上流側）に４５ｍｍ離間した位置であり、符号３０２ｃはサセプタの上面の放射温度計の測定点の位置から反応室側壁寄り（下流側）に４５ｍｍ離間した位置を示すものである。
サセプタの上面は反応室側であり、ＳｉＣウェハが配置される部分である。従って、サセプタの上面の各点の温度はエピタキシャル成長中のＳｉＣウェハの温度に対応している。
図３において、符号３０１は二次元対称軸から１１２ｍｍの距離の、サセプタの下面の放射温度計の測定点の位置を示すものであり、符号３０２ｂは二次元対称軸から１１２ｍｍの距離の、サセプタの上面の放射温度計の測定点の位置を示すものであり、符号３０２ａはサセプタの上面の放射温度計の測定点の位置から回転軸寄り（上流側）に４５ｍｍ離間した位置であり、符号３０２ｃはサセプタの上面の放射温度計の測定点の位置から反応室側壁寄り（下流側）に４５ｍｍ離間した位置を示すものである。
サセプタの上面は反応室側であり、ＳｉＣウェハが配置される部分である。従って、サセプタの上面の各点の温度はエピタキシャル成長中のＳｉＣウェハの温度に対応している。
図３に示すシミュレーション結果から、放射温度計の測定点のあるサセプタの下面と、ウェハが搭載されるウェハ支持部材が載置されるサセプタの上面とで、温度分布が異なることがわかる。
表１に、コイル出力１０ｋＷ、１１ｋＷ、１２ｋＷ、１３ｋＷ、１４ｋＷ、１５ｋＷのそれぞれにおいて、下部コイル室の壁面の放射率が０．３５、０．６、０．８、０．９と変化した時の、サセプタの上面の３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃで示した３カ所、及び、サセプタの下面の３０１で示した１カ所における温度を示した。
図４に、サセプタの下面の放射温度計の測定点（符号３０１の位置）の温度を１５００℃に保つようコイル出力を制御するという条件の下、下部コイル室の壁面の放射率をそれぞれ０．３５から０．９、０．６から０．９、０．８から０．９に変化させたときの３つの場合において、サセプタの上面の各点の温度変化量をプロットしたグラフを示す。
この結果から、放射温度計の測定点の温度を一定に保っていたとしても、下部コイル室の壁面の放射率が０．３５から０．９に変化することによって、サセプタの上面の温度は最大６℃程度変化することが確認された。すなわち、ＳＵＳ（放射率：０．３５）の壁面に３Ｃ−ＳｉＣ（放射率：０．９）の副生成物（デポ）が付着することによって、サセプタの上面の温度は最大６℃程度変化してしまう可能性があるということである。ウェハ温度が結晶成長に大きな影響を及ぼすことが知られているＳｉＣのエピタキシャル膜においては、この大きな温度変化は結晶成長においてきわめて重大であり、例えば、ドーパントの取り込み効率が変わることによりウェハ面内のキャリア濃度分布が変化し、均一性が悪化するという悪影響が考えられる。
一方、下部コイル室の壁面の放射率が０．８から０．９に変化したとしても、放射温度計の測定点の温度を１５００℃に保つという条件では、サセプタの上面の温度変化量は最大でも０．５℃程度であるとの結果が得られた。
すなわち、ＳＵＳの壁面に放射率が０．８の膜をコーティングしたり、あるいは、放射率が０．８の高放射率部材を密着させて備えた場合には、３Ｃ−ＳｉＣ（放射率：０．９）の副生成物が付着したとしても、サセプタの上面の温度は最大でも０．５℃程度しか変化しないということである。ＳＵＳの壁面がそのまま露出している場合に比べて、ＳＵＳの壁面に高放射率材料の膜または部材を備えることで、ＳｉＣのエピタキシャル膜の品質に大きな改善が期待できるものである。このシミュレーション条件に近い例としては、ＳＵＳの壁面にセラコート３６（商品名）をコーティングした場合やＳＵＳの壁面にＳｉＣ−ＢＮ複合焼結体の部材を密着して取り付けた場合が挙げられる。
すなわち、ＳＵＳの壁面に放射率が０．８の膜をコーティングしたり、あるいは、放射率が０．８の高放射率部材を密着させて備えた場合には、３Ｃ−ＳｉＣ（放射率：０．９）の副生成物が付着したとしても、サセプタの上面の温度は最大でも０．５℃程度しか変化しないということである。ＳＵＳの壁面がそのまま露出している場合に比べて、ＳＵＳの壁面に高放射率材料の膜または部材を備えることで、ＳｉＣのエピタキシャル膜の品質に大きな改善が期待できるものである。このシミュレーション条件に近い例としては、ＳＵＳの壁面にセラコート３６（商品名）をコーティングした場合やＳＵＳの壁面にＳｉＣ−ＢＮ複合焼結体の部材を密着して取り付けた場合が挙げられる。
また、下部コイル室の壁面の放射率が０．６から０．９に変化したとしても、放射温度計の測定点の温度を１５００℃に保つという条件では、サセプタの上面の温度変化量は最大でも２℃程度であるとの結果が得られた。
すなわち、ＳＵＳの壁面がそのまま露出している場合に相当する放射率０．３５から０．９に変化する場合に比べて、温度変化量は１／２以下であるという結果である。
すなわち、ＳＵＳの壁面がそのまま露出している場合に相当する放射率０．３５から０．９に変化する場合に比べて、温度変化量は１／２以下であるという結果である。
以上示したシミュレーション結果から、下部コイル室の壁面の放射率が変化することでサセプタの温度分布は変化し、下部コイル室の壁面の放射率の経時変化量を小さくすることにより、サセプタ温度の経時変化量も小さくできることが確認できた。よって、予め、下部コイル室の壁面であるステンレス製のコイル室の内壁を、高放射率材料によってコーティングするか、または、その内壁上に高放射率部材を密着して取り付けることが、エピタキシャル膜の品質の再現性を維持するために有効な手段であることが確認できた。
本発明の成膜装置は、ウェハ搭載部温度の経時変化を抑制することができるため、成膜品質の再現性に優れており、エピタキシャルウェハの量産装置として産業上の利用価値が高い。
１００，２０ 成膜装置主要部分
１、１ａ、１ｂ 内壁
１Ａ コーティング膜
２ 搭載プレート
３ シーリング
１２、１１２ 反応室側壁
５、６ 加熱手段
８ 放射温度計
１０ 反応室
１１ コイル室（下部コイル室）
２０ 成膜装置の主要部分
１、１ａ、１ｂ 内壁
１Ａ コーティング膜
２ 搭載プレート
３ シーリング
１２、１１２ 反応室側壁
５、６ 加熱手段
８ 放射温度計
１０ 反応室
１１ コイル室（下部コイル室）
２０ 成膜装置の主要部分
Claims (8)
- 化学的気相成長によってウェハ上にエピタキシャル膜を形成する成膜装置であって、 ウェハが水平に載置される搭載プレートと、
前記搭載プレートとの間に反応室を形成するように、前記搭載プレートの上方に対向して配置されたシーリングと、
前記搭載プレートの下面側に配置された加熱手段と、
前記加熱手段を囲繞して、前記搭載プレートと共にコイル室を形成するステンレス製のコイル室内壁と、を備え、
前記コイル室内壁の側壁及び底壁はステンレスの放射率より高い放射率を有する高放射率材料によってコーティングされているか、または、前記コイル室内壁の側壁及び底壁上に前記高放射率材料からなる高放射率部材が密着して設置されており、
前記高放射率材料は、放射率が０．６以上１．０以下である成膜装置。 - ステンレス製のチャンバ内に反応室を備え、化学的気相成長によってウェハ上にエピタキシャル膜を形成する成膜装置であって、
ウェハが水平に載置される搭載プレートと、
前記搭載プレートとの間に反応室を形成するように、前記搭載プレートの上方に対向して配置されたシーリングと、
前記搭載プレートの下面側に配置された加熱手段と、を備え、
前記チャンバの内壁のうち、前記加熱手段を囲繞して、前記搭載プレートと共にコイル室を形成する内壁の側壁及び底壁はステンレスの放射率より高い放射率を有する高放射率材料によってコーティングされているか、または、コイル室を囲繞する内壁の側壁及び底壁上に前記高放射率材料からなる高放射率部材が密着して設置されており、
前記高放射率材料は、放射率が０．６以上１．０以下である成膜装置。 - 前記コイル室に放射温度計を備えた請求項１又は２のいずれかに記載の成膜装置。
- 前記高放射率材料は、塩素系ガスに対して耐食性を有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の成膜装置。
- 化学的気相成長によってウェハ上にエピタキシャル膜を形成する成膜装置であって、
ウェハが水平に載置される搭載プレートと、
前記搭載プレートとの間に反応室を形成するように、前記搭載プレートの上方に対向して配置されたシーリングと、
前記搭載プレートの下面側に配置された加熱手段と、
前記加熱手段を囲繞して、前記搭載プレートと共にコイル室を形成するステンレス製のコイル室内壁と、を備え、
前記コイル室内壁上にＳｉＣ−ＢＮを主成分とする複合焼結体からなる高放射率部材が密着して設置されている成膜装置。 - ステンレス製のチャンバ内に反応室を備え、化学的気相成長によってウェハ上にエピタキシャル膜を形成する成膜装置であって、
ウェハが水平に載置される搭載プレートと、
前記搭載プレートとの間に反応室を形成するように、前記搭載プレートの上方に対向して配置されたシーリングと、
前記搭載プレートの下面側に配置された加熱手段と、を備え、
前記チャンバの内壁のうち、前記加熱手段を囲繞して、前記搭載プレートと共にコイル室を形成する内壁は、コイル室を囲繞する内壁上にＳｉＣ−ＢＮを主成分とする複合焼結体からなる高放射率部材が密着して設置されている成膜装置。 - 化学的気相成長によってウェハ上にエピタキシャル膜を形成する成膜装置であって、
ウェハが水平に載置される搭載プレートと、
前記搭載プレートとの間に反応室を形成するように、前記搭載プレートの上方に対向して配置されたシーリングと、
前記搭載プレートの下面側に配置された加熱手段と、
前記加熱手段を囲繞して、前記搭載プレートと共にコイル室を形成するステンレス製のコイル室内壁と、を備え、
前記コイル室内壁はステンレスの放射率より高い放射率を有する高放射率材料によってコーティングされており、
前記高放射率材料は、鉄系酸化物を含む成膜装置。 - ステンレス製のチャンバ内に反応室を備え、化学的気相成長によってウェハ上にエピタキシャル膜を形成する成膜装置であって、
ウェハが水平に載置される搭載プレートと、
前記搭載プレートとの間に反応室を形成するように、前記搭載プレートの上方に対向して配置されたシーリングと、
前記搭載プレートの下面側に配置された加熱手段と、を備え、
前記チャンバの内壁のうち、前記加熱手段を囲繞して、前記搭載プレートと共にコイル室を形成する内壁はステンレスの放射率より高い放射率を有する高放射率材料によってコーティングされており、
前記高放射率材料は、鉄系酸化物を含む成膜装置。
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