JP7214848B2 - ＳｉＣエピタキシャル成長装置 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、ＳｉＣエピタキシャル成長装置に関する。
薄膜を均一に広い面積の単結晶基板上に成膜するエピタキシャル成長装置の一つに、ＳｉＣエピタキシャル成長装置がある。ＳｉＣエピタキシャル成長装置は、シリコン（Ｓｉ）や炭素（Ｃ）等を含むプロセスガスを用いてＳｉＣ単結晶薄膜を基板上に成膜する。
ＳｉＣエピタキシャル成長装置は、ＳｉＣの成膜に伴って生成された副生成物を排出する。副生成物は俗に爆発の危険性を有し、特に成膜ガス中に塩素を含む場合は、流動性を有する副生成物が生成され、除去には特に安全への配慮が必要である。
このような副生成物は、排気経路において圧力制御用のバルブ付近、すなわち圧力が変動する位置で液化することがわかった。そして液化した副生成物の粘度は比較的高いためバルブに残留しやすい。そのため、高頻度なバルブの交換、クリーニングが求められる。
本発明の実施形態は、ＳｉＣのエピタキシャル成長に伴う副生成物が、排出経路の途中に設けられたバルブに残留しにくく、バルブの交換、クリーニング頻度を低減することが可能なＳｉＣエピタキシャル成長装置を提供する。
一実施形態に係るＳｉＣエピタキシャル成膜装置は、少なくともシリコンおよび炭素を含む原料ガスが導入され、原料ガスにより成膜される基板を収容可能なチャンバと、基板の成膜に伴って生成された副生成物を含んだガスをチャンバから排出する配管と、配管の途中に設けられた圧力制御用のバルブと、を備える。バルブは、チャンバとバルブとを連通する配管の上流部分からガスが流入する流入口と、バルブを介して上流部分と連通する配管の下流部分へガスを流出する流出口と、を有する。少なくとも流入口より低い位置に上流部分の一部が、または流出口より低い位置に下流部分の一部が設けられる。
一実施形態によれば、ＳｉＣのエピタキシャル成長に伴う副生成物が、排出経路の途中に設けられたバルブに残留しにくく、バルブの交換頻度を低減することが可能となる。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るＳｉＣエピタキシャル成長装置の概略的な構成を示す図である。本実施形態では、エピタキシャル成長処理を行う基板として半導体ウェハＷを用い、この半導体ウェハＷ上に単一の膜を、あるいは複数の薄膜を積層して、気相エピタキシャル成長する例を説明する。
図１は、第１実施形態に係るＳｉＣエピタキシャル成長装置の概略的な構成を示す図である。本実施形態では、エピタキシャル成長処理を行う基板として半導体ウェハＷを用い、この半導体ウェハＷ上に単一の膜を、あるいは複数の薄膜を積層して、気相エピタキシャル成長する例を説明する。
図１に示すＳｉＣエピタキシャル成長装置１は、チャンバ１０と、配管２０と、バルブ３０と、トラップ部４０と、ポンプ５０と、圧力センサ６０と、制御部７０と、除害装置８０と、を備える。以下、ＳｉＣエピタキシャル成長装置１の各構成要素について説明する。
チャンバ１０内には、半導体ウェハＷがステージ１１上に載置された状態で収容される。載置されるウェハは１枚であっても、あるいは同時に複数枚のウェハを載置してもよい。また、チャンバ１０内には、プロセスガスＧ１が導入される。本実施形態では、プロセスガスＧ１は、シリコンと、炭素と、塩素（Ｃｌ）とを含んでいる。シリコンを含むガスとして、例えばモノシラン（ＳｉＨ４）あるいはジクロルシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）あるいはトリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ３）を用いることができる。炭素を含むガスとして、例えばプロパン（Ｃ３Ｈ８）あるいはアセチレン（Ｃ２Ｈ２）を用いることができる。塩素を含むガスとして、例えば塩化水素（ＨＣｌ）を用いることができる。また、キャリアガスとして水素（Ｈ２）あるいはアルゴン（Ａｒ）をプロセスガスの一つとして同時に流してもよい。またドーパントガスとして窒素（Ｎ２）あるいはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を添加してもよい。このプロセスガスＧ１がチャンバ１０内に導入され、ウェハをヒーター等の加熱源（図示せず）によって、例えば１６５０℃に加熱されると、ＳｉＣ単結晶薄膜が半導体ウェハＷに成膜されると同時に、副生成物が生成される。
本実施形態では、副生成物は、少なくともシリコンと、水素（Ｈ）と、塩素と、炭素とを含んだ重合体である。排ガスＧ２は、チャンバ１０から配管２０へ排出されることにより、重合体である副生成物が、配管２０以降のガスが流れることが可能な部分に生成される。
配管２０は、チャンバ１０とバルブ３０とを連通する上流部分２１と、バルブ３０を介して上流部分２１と連通する下流部分２２と、を有する。本実施形態では、上流部分２１の一端は、図１に示すように、チャンバ１０の底面に接続されている。あるいは上流部分２１の一端は、チャンバ１０の側面に接続されてもよい。
上流部分２１および下流部分２２の各々は、図１に示すように、Ｕ字状に湾曲している。すなわち、下部において湾曲している箇所がある。上流部分２１の上端部と下流部分２２の上端部との間には、バルブ３０が設置されている。
バルブ３０は、弁箱３１および弁体３２を有する。弁箱３１には、流入口３１ａおよび流出口３１ｂが設けられている。流入口３１ａには、チャンバ１０から配管２０の上流部分２１へ排出された排ガスＧ２が流入する。本実施形態では、流入口３１ａは、水平方向に開口し、Ｕ字状に湾曲した上流部分２１の上端部に接続されている。
流出口３１ｂは、流入口３１ａに流入した排ガスＧ２を、下流部分２２へ流出する。本実施形態では、流出口３１ｂは、鉛直下向きに開口し、Ｕ字状に湾曲した下流部分２２の上流側上端部に接続されている。
弁体３２は、制御部７０の制御に基づいて、弁箱３１内で動作する。弁体３２の動作によって、バルブ３０の開度、換言すると流入口３１ａにおける排ガスＧ２の流圧が変化する。弁体３２の動作を制御することによって、配管２０の上流部分２１およびチャンバ１０の内部圧力を制御することができる。
トラップ部４０は、Ｕ字状に湾曲した下流部分２２の下端部に設置されている。すなわち、トラップ部４０は、バルブ３０よりも低い位置に設置されている。これにより、バルブ３０の流出口３１ｂから排出された副生成物Ｘは、トラップ部４０の下部に貯留される。また、図１に示すように、配管２２より下方にトラップ部４０の下部が設けられており、トラップ部４０の内径ｄ１は、配管２２の内径ｄ２よりも十分大きい。すなわち、排ガスＧ２の流れる方向に垂直な面において、配管２２に対してトラップ部４０が十分な大きい断面積を有するため、副生成物Ｘがトラップ部４０内に貯留されても、排ガスＧ２の流路がトラップ部４０内に確保される。よって、下流部分２２における排ガスＧ２の流れは妨げられない。
ただし、トラップ部４０内で副生成物Ｘの貯留量が増加すると、トラップ部４０の交換が必要になる。そのため、トラップ部４０の少なくとも下流部分２２は、交換可能に取り付けられていることが望ましい。なお、トラップ部４０の下流部分２２への取り付け方法は、特に制限されないが、交換作業に要する時間が短くなるように簡易な方法であることが望ましい。また、トラップ部４０は、下流部分２２だけでなく上流部分２１にも設けられていてもよい。
ポンプ５０は、トラップ部４０の下流に設置された真空ポンプである。ポンプ５０は、配管２０内およびチャンバ１０内を真空状態に減圧動作する。この減圧動作によって、排ガスＧ２がチャンバ１０から配管２０へ吸い込まれる。
圧力センサ６０は、チャンバ１０内に設置される。あるいは、配管２０の上流部分２１に設置してもよい。圧力センサ６０は、チャンバ１０の内部圧力を検出して制御部７０へ出力する。
制御部７０は、ＳｉＣエピタキシャル成長装置１内のチャンバ１０内部の圧力を圧力センサ６０によってモニターした結果を受け、チャンバ１０内の圧力を、気相エピタキシャル成長に適した圧力、例えば２００Ｔｏｒｒになるように、あるいは成膜処理の各ステップのそれぞれに適切な圧力になるように、バルブ３０の開度を制御し、プロセスガスＧ１の導入や排ガスＧ２の排出などを制御する。
除害装置８０は、排ガスＧ２に含まれる有害なガスを除去、あるいは無害化し、大気中に放出できるようにするために設けられている。
図２は、比較例に係るＳｉＣエピタキシャル成長装置の概略的な構成を示す図である。図２では、図１に示すＳｉＣエピタキシャル成長装置１と同様の構成要素には同じ符号を付し詳細な説明を省略する。
図２に示すＳｉＣエピタキシャル成長装置１００では、バルブ３０がトラップ部４０よりも低い位置で配管２０の下流部分２２に接続されている。また、バルブ３０の流出口３１ｂは、鉛直上向きに開口している。そのため、排ガスＧ２に含まれる副生成物Ｘが、バルブ３０の弁箱３１内に付着しやすくなる。
一方、本実施形態によれば、図１に示すように、バルブ３０の流出口３１ｂは鉛直下向きに開口している。そのため、弁箱３１内で流出口３１ｂ付近に付着した副生成物Ｘは、重力によって、流出口３１ｂから排出するよう促される。これにより、副生成物Ｘは、弁箱３１内に付着しにくくなるので、バルブ３０の交換頻度を低減することが可能となる。
本実施形態では流出口３１ｂは、鉛直下向きに開口しているが、バルブ３０内部の弁体３２付近で生成された副生成物Ｘが、重力によって、流出口３１ｂから排出するよう促されるよう下向きに開口した構造であればよい。例えば、図３に示すように、バルブ３０の流出口３１ｂが斜め下向きに開口していてもよい。
あるいは流出口３１ｂが水平方向に開口していたとしても、副生成物が溜まることなくバルブ３０からの排出を促されるような構造であればよい。すなわち、流出口３１ｂが水平方向に開口している場合、それに接続された配管も水平方向を向くこととなるが、その水平部分の長さが配管径に対して十分に短ければ、副生成物はバルブ３０に溜まることなく排出が促されることになる。
副生成物をバルブ付近に溜めることなく排出できる水平部分の長さは、その配管径に依存するため、配管径（内径）と残留する副生成物の量との関係を調べた。配管の内径（Ｄ）を、４０ｍｍ、５０ｍｍ、１００ｍｍとして、配管の水平部分の長さ（配管長：Ｌ）を２０００ｍｍまで変化させたときに、その水平部分に溜まる副生成物量（ｖ）を実測したところ、図４のような結果となった。この検討は、図５に示した構造で行った。ここで図４の横軸は排気配管の水平方向の長さ（Ｌ）、縦軸は排気配管の水平部の容積（Ｖ＝（Ｌ＊π＊（Ｄ／２）２））に対する、水平部分に溜まる副生成物量（ｖ）の比（ｖ／Ｖ）を示している。
図５に示すように、バルブの排出口３１ｂから接続された配管２２に水平部分がある限り、ある程度の量の副生成物はその水平部分に溜まる。配管の水平部分の容積の５％程度以下であれば、その溜まり量は無視できる。このことから図４で、各プロットの縦軸が０．０５となる配管長Ｌを求めたところ、図６の通りとなった。この３点のプロットは、概略、縦軸が横軸の１６倍の値となる直線上に乗る。すなわち配管の長さが、配管の水平部分の直径の１６倍以下であれば、配管内のたまりは無視できるといえる。但し、排気には影響しないものの、トラップ部４０に流れず水平部分に溜まる量は、配管の交換・クリーニングの頻度を鑑みるとできるだけ少ないほうがよいため、より好ましくは２倍以下、さらに好ましくは１倍以下である。
また、本実施形態によれば、配管２０よりも太い（配管断面積の大きい）トラップ部４０が、バルブ３０よりも低い位置で下流部分２２に接続されている。そのため、副生成物Ｘは、バルブ３０よりもトラップ部４０に溜まりやすい。また、下流部分２２における排ガスＧ２の流れを妨げることなく副生成物Ｘをトラップ部４０に貯留することができる。
なお、トラップ部４０は、図７Ａに示すように上流部分２１の最下部２１ａの下流側に配置されていてもよいし、図７Ｂに示すように下流部分２２の最下部２２ａよりも上流側に設けることもできる。すなわち、トラップ部４０は、上流部分２１の最下部２１ａと下流部分２２の最下部２２ａとの間に設けられていてもよい。
また、バルブ３０は、図８Ａに示すように、流入口３１ａが鉛直方向上向きに開口するとともに、流出口３１ｂが鉛直方向下向きに開口してもよい。
または、バルブ３０は、図８Ｂに示すように、流入口３１ａおよび流出口３１ｂが、互いに反対に水平方向で開口していてもよい。
このときの水平方向の配管の長さについては、バルブの排出口３１ｂから接続された配管２２に関しては、前述のように配管の内径Ｄの１６倍以下であることが望ましい。一方、バルブの流入口３１ａから接続された配管２１について、排出口に接続された配管についてと同様の検討を行ったところ、図６と同様の結果が得られた。このことからバルブの流入口３１ａに接続された配管２１についても、その水平部分の長さは、排管径の１６倍以下であることが望ましい。好ましくは２倍以下、より好ましくは１倍以下である。
さらに、トラップ部４０は、図９Ａに示すように、配管２１の途中ではなく、最下部から枝分かれした部分で副生成物Ｘを溜めるような構造であってもよい。この構造であれば、配管２１を１か所取り外すだけで、トラップ部４０の交換が可能になる。
また、図９Ｂに示すように、配管２１とトラップ部４０をつなぐ鉛直の配管２１ｂの途中にバルブＶを設けることが好ましい。このような構成により、排ガスＧ２を流すとき（成膜中）はバルブＶを開けておき、トラップ部４０に副生成物Ｘを溜める。一方、エラー! リンクが正しくありません。を流さないタイミングでバルブＶを閉じて、バルブＶの下流側を圧力調整機構（図示せず）により大気圧力にして、切り離し部２１ｃでトラップ部４０を取り外す。そして、トラップ部４０内に溜まった副生成物Ｘをトラップ部４０から取り除き、望ましくは内部を水洗等により洗浄する。その後、トラップ部４０を再び接続し、圧力調整機構（図示せず）により減圧にした後、バルブＶを開けて配管２１と同圧にしてから成膜を行う。このようにすることで、トラップ部４０を取り外す際、配管２０全体を大気解放する必要がなく、作業性を向上させることができる。
また、エラー! リンクが正しくありません。を流すとき（成膜中）にはバルブＶを閉じ、配管２１に反応副生成物Ｘを溜める。エラー! リンクが正しくありません。を流さないタイミングでバルブＶを開け、配管２１に溜まった副生成物をトラップ部４０に移す。続いて、バルブＶを閉じた後、バルブＶの下流側を圧力調整機構（図示せず）により大気圧力にして切り離し部２１ｃでトラップ部４０を取り外す。このようにすることで、トラップ部４０を圧力制御バルブ３１の上流に設ける場合、チャンバ１０と圧力制御バルブ３１との間の配管容積を小さくすることができるので、制御部７０を用いた圧力制御をより容易に行うことができる。
さらに、図９Ｃに示すように、配管２１を分岐させ、それぞれのラインにバルブＶｉ、Ｖｏ及びトラップ部４０を設けてもよい。例えば一方のラインのＶｉおよびＶｏを閉じ、もう一方のラインのＶｉおよびＶｏを開いた状態で成膜を行うことで、一方のラインに接続されたトラップ部４０のみに副生成物Ｘが溜まる。その副生成物が溜まった状態で、もう副生成物の溜まっていない一方のラインの圧力を圧力調整機構（図示せず）により減圧にした後、そのラインの両側のＶｉ、Ｖｏを開け、その後副生成物の溜まったラインの両側のＶｉ、Ｖｏを閉じ、圧力調整機構（図示せず）により大気圧力にして切り離し部２１ｃでトラップ部４０を取り外すことができる。このようにすることで、一方のラインのトラップ部４０に副生成物Ｘが溜まったら、ガスの流れる系統を切り替え、もう一方のラインのトラップ部４０に副生成物Ｘを溜めることができ、より作業性を向上させることができる。
（第２実施形態）
図１０は、第２実施形態に係るＳｉＣエピタキシャル成長装置の概略的な構成を示す図である。図１０では、図１に示すＳｉＣエピタキシャル成長装置１と同様の構成要素には同じ符号を付し詳細な説明を省略する。
図１０は、第２実施形態に係るＳｉＣエピタキシャル成長装置の概略的な構成を示す図である。図１０では、図１に示すＳｉＣエピタキシャル成長装置１と同様の構成要素には同じ符号を付し詳細な説明を省略する。
図１０に示すＳｉＣエピタキシャル成長装置２では、バルブ３０の流出口３１ｂが水平方向に開口して配管２０の下流部分２２に接続されている一方で、流入口３１ａは鉛直下向きに開口して上流部分２１に接続されている。そのため、排ガスＧ２の排出時に弁箱３１内で流入口３１ａ付近に付着した副生成物Ｘは、重力によって、流入口３１ａから上流部分２１に排出されるように促される。よって、副生成物Ｘは、弁箱３１内に付着しにくくなるので、バルブ３０の交換頻度を低減することが可能となる。このとき、図３に示されるように、流入口３１ａは斜め下向きに開口して上流部分２１に接続されていてもよい。
また、上流部分２１におけるバルブ３０よりも低い位置には、トラップ部４０が設置されている。流入口３１ａから排出された副生成物Ｘをトラップ部４０に貯留することができる。
さらに、本実施形態でもトラップ部４０の内径ｄ１は、配管２０の内径ｄ２よりも大きい。そのため、上流部分２１における排ガスＧ２の流れを妨げることなく副生成物Ｘをトラップ部４０に貯留することができる。なお、副生成物Ｘの貯蔵量が増加すると、トラップ部４０の交換が必要になる。そのため、トラップ部４０は上流部分２１に交換可能に取り付けられることが望ましい。また、トラップ部４０は、上流部分２１だけでなく下流部分２２にも設けられていてもよい。
この場合も、第１実施形態と同様に、バルブ３０の上流部分２１において水平部分を有していてもよく、その場合、その水平部分の長さは、排管径の１６倍以下であることが望ましい。好ましくは２倍以下、より好ましくは１倍以下である。
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
Claims (9)
- 少なくともシリコンおよび炭素を含むプロセスガスが導入され、前記プロセスガスによりエピタキシャル成長される基板を収容可能なチャンバと、
前記基板上へのエピタキシャル成長に伴って生成された副生成物を含んだガスを前記チャンバから排出する配管と、
前記配管の途中に設けられた圧力制御用のバルブと、を備え、
前記バルブは、前記チャンバと前記バルブとを連通する前記配管の上流部分から前記ガスが流入する流入口と、前記バルブを介して前記上流部分と連通する前記配管の下流部分へ前記ガスを流出する流出口と、を有し、少なくとも前記流出口より低い位置に前記下流部分の一部が設けられ、前記下流部分に前記副生成物を貯留可能なトラップ部を備え、
前記上流部分および前記下流部分の各々は、各々の両端部間に配置される最下部を有し、
前記バルブは、前記上流部分の前記最下部と、前記下流部分の前記最下部との間に配置されるＳｉＣエピタキシャル成長装置。 - 少なくともシリコンおよび炭素を含むプロセスガスが導入され、前記プロセスガスによりエピタキシャル成長される基板を収容可能なチャンバと、
前記基板上へのエピタキシャル成長に伴って生成された副生成物を含んだガスを前記チャンバから排出する配管と、
前記配管の途中に設けられた圧力制御用のバルブと、を備え、
前記バルブは、前記チャンバと前記バルブとを連通する前記配管の上流部分から前記ガスが流入する流入口と、前記バルブを介して前記上流部分と連通する前記配管の下流部分へ前記ガスを流出する流出口と、を有し、少なくとも前記流出口より低い位置に前記下流部分の一部が設けられ、前記下流部分に前記副生成物を貯留可能なトラップ部を備え、
前記トラップ部は、少なくとも前記下流部分の最下部に配置されている、ＳｉＣエピタキシャル成長装置。 - 前記プロセスガスは、塩素を含む請求項１または２に記載のＳｉＣエピタキシャル成長装置。
- 少なくとも前記流入口および前記流出口のいずれかが下向きの配管と連通する請求項１または２に記載のＳｉＣエピタキシャル成長装置。
- 少なくとも前記流入口および流出口のいずれかと連通する前記配管は、水平部分を有し、前記水平部分の長さは、前記水平部分の直径の１６倍以下である、請求項１または２に記載のＳｉＣエピタキシャル成長装置。
- 前記上流部分における前記バルブよりも低い位置で前記副生成物を貯留可能なトラップ部をさらに備える、請求項１または２に記載のＳｉＣエピタキシャル成長装置。
- 前記トラップ部は、前記配管に設けられ、排ガスの流れる方向に垂直な面において、前記配管に対して大きい断面積を有する請求項１または２に記載のＳｉＣエピタキシャル成長装置。
- 前記トラップ部は、前記下流部分より取り外し可能である、請求項１または２に記載のＳｉＣエピタキシャル成長装置。
- 前記トラップ部より上流側に、少なくとも前記トラップ部より高い位置に配置される前記配管を有する、請求項１または２に記載のＳｉＣエピタキシャル成長装置。
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