JPH0931656A

JPH0931656A - 薄膜気相成長装置

Info

Publication number: JPH0931656A
Application number: JP20833395A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Shinozaki; 弘行篠崎; Yukio Fukunaga; 由紀夫福永; Takeshi Murakami; 武司村上; Kiwamu Tsukamoto; 究塚本
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1995-07-24
Filing date: 1995-07-24
Publication date: 1997-02-04

Abstract

(57)【要約】【課題】高誘電体の気相成長を安定した温度・操業条
件下で行い、品質のよい成膜を能率良く行うことができ
る薄膜気相成長装置を提供する。【解決手段】基板Ｓを外界と隔離した雰囲気内に収容
する反応室４と、成膜に必要な反応ガスを基板に向けて
噴射する反応ガス供給手段５と、反応室４内の気体を外
部に排出する排気手段７と、反応室４内において基板Ｓ
を支持する基板支持部材１３と、基板支持部材１３を磁
気的に支持し回転させる軸受モータ構造体と、軸受兼用
モータＭのステータ１８を軸方向に沿って移動させる昇
降機構１６，１７，２０とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は薄膜気相成長装置に
係り、特に、チタン酸バリウム／ストロンチウム等の高
誘電率薄膜を気相成長させるのに好適な反応ガス噴射ヘ
ッド及びこれを備えた薄膜気相成長装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体産業における集積回路の集
積度の向上はめざましく、現状のメガビットオーダか
ら、将来のギガビットオーダを睨んだＤＲＡＭの研究開
発が行われている。かかるＤＲＡＭの製造のために必要
な大容量素子の製造に用いる誘電体薄膜として、誘電率
が１０以下であるシリコン酸化膜やシリコン窒化膜に替
えて、誘電率が２０程度である五酸化タンタル（Ｔa₂Ｏ
₅ ）薄膜、あるいは誘電率が３００程度であるチタン酸
バリウム（ＢaＴiＯ₃ ）、チタン酸ストロンチウム（Ｓ
rＴiＯ₃）又はこれらの混合物であるチタン酸バリウム
ストロンチウム等の金属酸化物薄膜材料が有望視されて
いる。

【０００３】このような高誘電体を気相成長させて形成
する場合、従来の薄膜と比べて成膜速度が遅いという製
造上の問題点がある。このような問題点を解決するもの
として、特開平７−５８０３６号公報記載の技術があ
り、これは、外界と雰囲気を異にする反応室と、該反応
室において薄膜を形成する基板を載架して回転するサセ
プタとを具備する薄膜形成装置である。この装置は、サ
セプタを浮上させるための磁気軸受を有する浮上機構
と、該サセプタを高速で回転するための駆動機構を具備
し、これにより、高速回転を円滑に行い、成膜能率を上
昇させることができる。サセプタには基板加熱用ヒータ
やチャック機構が設けられており、また、これに電力を
供給するためのスリップリングが設けられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、高誘電体の
気相成長においては、原料ガスの気相の温度範囲が非常
に狭く、かつその温度が高い。従って、反応室の内壁
に、例えば熱媒体を長す流路のような温度調整手段を設
けて反応室内壁の温度を調節し、反応室の雰囲気温度を
制御する手段を設ける。一方、前記の従来技術では基板
の高さ位置が一定であるので、それに合わせて反応室に
基板搬送用のゲートバルブを設ける必要があるが、前記
のように複雑な構成の反応室内壁にゲートバルブを形成
するのは取り合いが難しく、結果として室内の温度制御
も正確に行えないという不具合があった。

【０００５】また、化学気相成長では、成膜反応の温
度、つまり基板温度を反応室内部の温度とは独立に制御
する必要がある。前記のような従来の技術においては、
基板の温度を検知し、ヒータに加える電力量を制御する
ようにしているが、電力量を変えても基板の温度はすぐ
に変わるものではなく、迅速な応答性が得られなかっ
た。

【０００６】本発明は上述した事情に鑑みて為されたも
ので、高誘電体の気相成長を安定した温度・操業条件下
で行い、品質のよい成膜を能率良く行うことができる薄
膜気相成長装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、基板を外界と隔離した雰囲気内に収容する反応室
と、成膜に必要な反応ガスを基板に向けて噴射する反応
ガス供給手段と、前記反応室内の気体を外部に排出する
排気手段と、前記反応室内において基板を支持する基板
支持部材と、該基板支持部材を磁気的に支持し回転させ
る軸受モータ構造体と、前記軸受モータ構造体のステー
タを軸方向に沿って移動させる昇降機構とを有すること
を特徴とする薄膜気相成長装置である。

【０００８】この発明においては、昇降機構を作動させ
るとステータが昇降し、これに磁気的に支持される基板
支持部材も昇降する。従って、基板支持部材は機械的に
支持されずに高速回転と昇降が可能であるとともに、こ
の動作は磁気を介するものであるので、基板支持部材と
ステータの間をそれぞれ遮蔽した別空間に配置すること
ができる。

【０００９】請求項２に記載の発明は、前記軸受モータ
構造体が、前記基板支持部材を磁気的に支持する磁気軸
受部と、前記基板支持部材を回転させるモータ部とから
なるものである。請求項３に記載発明は、基板を加熱す
る基板加熱手段が基板に対して前記反応ガス供給手段側
に設けられており、基板支持部材を昇降させて加熱手段
との距離を調整し、基板温度を制御することができる。
請求項４に記載の発明は、前記昇降機構が送りねじ機構
を用いており、簡単な機構で円滑な昇降が行われる。さ
らに円滑で正確な動きを得るためにボールねじを用いる
ことができる。

【００１０】請求項５に記載の発明は、前記基板支持部
材に、基板の温度を測定するセンサと、このセンサ出力
を無線発信する手段が設けられており、これの出力信号
はスリップリングなどを用いずに直接外部受信器に受信
される。請求項６に記載の発明は、前記センサの出力に
基づいて基板昇降機構を作動させ、基板の温度を制御す
る制御装置を有するので、基板温度を迅速に把握して正
確な温度制御が行われる。請求項７に記載の発明は、反
応室内壁の温度を調節して反応室の雰囲気温度を制御す
る反応室温度制御手段を有するので、気相温度範囲の狭
いガスによる成膜が安定的に行える。これは、例えば反
応室壁に熱媒体流路を形成することにより行われる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の薄膜気相成長装
置を示す。この薄膜気相成長装置は、基部１上に底板２
とこれを覆う反応容器３から反応室４が構成されている
ものである。反応室４は気密に構成され、頂部には、原
料ガスと酸化ガスを混合して反応室内に噴射する反応ガ
ス噴射ヘッド５、基板を加熱するためのランプヒータ６
が、側部には、生成ガスを排気する排気口７と、ゲート
バルブ８を有する基板搬送路９とが設けられている。ま
た、容器３の壁には熱媒体流路１０が形成され、容器３
壁や反応室４内を所定温度に保つようにしている。そし
て、これらの熱媒体流路１０には、所定位置に熱電対や
流量調整弁が設けられており、熱電対の計測値をもとに
流量調整弁を切り替えて容器３の内部の温度が設定値に
なるように制御する制御手段が設けられている。

【００１２】底板２の中央には開口部が形成され、これ
と床１１の間には、筒状の支柱１２が立設されている。
支柱１２の内部の空間は反応室４と通じてこれと一体の
気密空間を構成している。この筒状空間にはロータ（基
板支持部材）１３が遊挿されており、この上端には基板
Ｓを取り付ける平板状のサセプタ１４が設けられてい
る。一方、底板２と床１１の間には１又は複数のガイド
柱１５が立設され、また１又は複数の送りねじ１６が軸
受により回転自在に支持されるとともに、これを回転駆
動する駆動装置（昇降機構）１７が設けられている。そ
して、支柱１２の周囲には、円筒状のステータ１８が遊
挿され、これにはガイド柱１５に係合するガイド部材１
９と送りねじ１６ボールを介してに螺合するナット２０
が固定され、上下に移動可能となっている。このような
構成により、ボールねじの駆動装置１７を作動させるこ
とによりステータ１８及びロータ１３を昇降させるよう
になっている。これらのロータ１３とステータ１８が軸
受モータ構造体Ｍを構成している。

【００１３】軸受モータ構造体Ｍは、上側から順に、上
ラジアル磁気軸受２１、アキシャル磁気軸受２２、モー
タ２３、下ラジアル磁気軸受２４、が構成されている。
この軸受モータ構造体には、図示しない制御装置から制
御電流が供給されるようになっている。また、所定箇所
に、ロータ１３と支柱１２の隙間の寸法、ロータ１３の
傾斜角度、高さ方向位置、回転などを検出するセンサが
設けられ、これらの出力は制御装置に入力されている。
また、サセプタ１４には、１又は複数の基板Ｓに近接す
る位置に熱電対２５が設けられているとともに、この熱
電対２５の出力を送信する発信器２６が設けられてい
る。一方、床１１側にはこれを受信する受信器２７が設
けられ、その出力は制御装置に入力されるようになって
いる。

【００１４】次に、前記のように構成された本発明の薄
膜気相成長装置の作用を説明する。図１は、サセプタ１
４が基板搬送位置、すなわち最も下降した位置にある状
態を示す。この状態でゲートバルブ８が開けられ、図示
しないロボットアームにより基板Ｓの搬送が行われる。
ゲートバルブ８が閉じられた後、ボールねじの駆動装置
１７が作動してステータ１８が下降位置から上昇する。
ロータ１３はステータ１８との間に構成された磁気軸受
により浮上支持されており、ステータ１８の上昇に伴っ
て図１に仮想線で示す成膜位置まで上昇する。反応室内
温度及び基板温度が所定温度になったところで、反応ガ
ス噴射ヘッド５から反応ガスが噴射され、成膜が開始さ
れる。

【００１５】基板温度は、例えば５５０゜Ｃでプラスマ
イナス１％程度に制御するが、これは以下のようにして
行なう。制御装置は、熱電対２５により計測された基板
Ｓの温度に基づき、長期的にはヒータ６への供給電力を
調節し、短期的にはボールねじ駆動装置を作動して基板
Ｓを昇降させることにより制御する。基板Ｓの昇降の範
囲は、反応ガスの適正なフローが得られる範囲において
なされる。反応ガスの温度を制御するために、熱媒体流
路１０に流れる熱媒体の温度と流量が調整される。これ
により、例えば、反応容器３内壁の温度が２５０〜２６
０゜Ｃでプラスマイナス２％程度に制御される。

【００１６】成膜中は軸受モータ構造体Ｍが駆動され、
基板Ｓがサセプタ１４とともに高速回転する。ここにお
いて、各センサの検出信号に基づき、制御装置より、磁
気軸受やモータに制御信号が発せられ、サセプタ１４の
回転数や姿勢が制御される。

【００１７】このようにして、反応室４と基板Ｓの温度
をそれぞれ個別に制御し、基板Ｓを円滑に高速回転させ
た状態で成膜処理が行われる。金属原料ガス及びオゾン
（Ｏ₃ ）等の酸素含有ガスは、ガス導入管２８から導入
され、反応ガス噴射ヘッド５の内部の空間で混合され、
ノズルから反応室４内に噴射される。反応室４内で、金
属原料ガスと酸素含有ガスとが反応して、チタン酸バリ
ウムあるいはチタン酸ストロンチウム等の金属酸化物分
子が形成され、半導体等の基板Ｓ上に金属酸化物薄膜が
成長して堆積する。成膜処理が終わった基板Ｓは、ゲー
トバルブ８を開いてロボットアームにより搬出される。
反応に伴うガスや余剰ガスは、生成ガス排気口７を介し
て反応室４から排出される。

【００１８】この装置では、反応室４の雰囲気温度が精
密に制御され、同時に基板Ｓの温度が基板の昇降により
これも精密に制御されている。従って、気相温度域や反
応温度域が狭い高誘電体であっても、成膜作業が円滑に
行えるとともに、高品質の成膜がなされる。そして、軸
受モータ構造体Ｍにより基板Ｓが高速回転させられた状
態で成膜が行われるので、成膜の能率が格段に向上す
る。ゲートバルブ８が反応室４の下側部分に形成されて
いるので、熱媒体流路１０と干渉することがなく、構造
が簡単であるとともに、この搬送位置を成膜位置と温度
差を付けることも容易であるので、ロボットアームを高
温にさらすことを防止できる。また、ステータ１８をボ
ールねじにより昇降させ、これによりサセプタ１４を円
滑に昇降することができるので、生産能率を確保するこ
とができる。

【００１９】さらに、この実施例の装置では、熱電対２
５の配線をスリップリングを介して行う必要がないの
で、電気系統の構造が簡単で故障の発生も少なくなる。
なお、ロータ１３を円筒状とすれば、軽量でありかつ振
動固有値が小さく、制御が容易である。

【００２０】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、基板支
持部材を機械的に支持することなく高速回転と昇降が可
能であり、成膜及び基板の交換が迅速に行われる。基板
支持部材とステータの間をそれぞれ遮蔽した別空間に配
置することができ、機械的に駆動する場合のようにベロ
ーズなどを必要とせず、機械的な劣化箇所も少ないので
メンテナンスが容易である。

【００２１】請求項２に記載の発明によれば、軸受モー
タ構造体を少なくとも２つの部分がから構成するので、
設計の際の自由度が高い。請求項３に記載の発明によれ
ば、基板支持部材を昇降させて基板と加熱手段との距離
を迅速に調整し、基板温度を精度良く制御することがで
きるので、品質と歩留まりのよい成膜を行なうことがで
きる。請求項４に記載の発明によれば、簡単な機構で円
滑な昇降が行われ、安定な操業と精度良い基板温度制御
が行える。

【００２２】請求項５に記載の発明によれば、基板の温
度信号をスリップリングなどを用いずに直接外部受信器
に受信することができ、これをもとに高精度の基板温度
制御が行え、品質と歩留まりの向上に寄与する。請求項
６に記載の発明によれば、基板温度を迅速に把握して正
確な温度制御が行われるので、これをもとに高精度の基
板温度制御が行え、品質と歩留まりの向上に寄与する。
請求項７に記載の発明によれば、高誘電体の成膜が安定
的に行え、また、反応室壁に熱媒体流路を形成した場合
でも、基板交換用ゲートをこの流路と干渉しない位置に
設置することが容易にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例の薄膜気相成長装置の実体
的構成を示す断面図である。

【符号の説明】

３反応容器４反応室５反応ガス噴射ヘッド６基板加熱手段（ヒータ）７排気口１０熱媒体流路（反応室温度制御手段）１３ロータ（基板支持部材）１４サセプタ１６，２０送りねじ機構１７昇降機構１８ステータ２５センサ２６発信器Ｍ軸受モータ構造体Ｓ基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者塚本究東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板を外界と隔離した雰囲気内に収容す
る反応室と、成膜に必要な反応ガスを基板に向けて噴射する反応ガス
供給手段と、前記反応室内の気体を外部に排出する排気手段と、前記反応室内において基板を支持する基板支持部材と、該基板支持部材を磁気的に支持し回転させる軸受モータ
構造体と、前記軸受モータ構造体のステータを軸方向に沿って移動
させる昇降機構とを有することを特徴とする薄膜気相成
長装置。
【請求項２】前記軸受モータ構造体は、前記基板支持
部材を磁気的に支持する磁気軸受部と、前記基板支持部
材を回転させるモータ部とからなることを特徴とする請
求項１に記載の薄膜気相成長装置。
【請求項３】基板を加熱する基板加熱手段が基板に対
して前記反応ガス供給手段側に設けられていることを特
徴とする請求項１又は２に記載の薄膜気相成長装置。
【請求項４】前記昇降機構は送りねじ機構を用いてい
ることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載
の薄膜気相成長装置。
【請求項５】前記基板支持部材には、基板の温度を測
定するセンサと、このセンサ出力を無線発信する手段が
設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のい
ずれかに記載の薄膜気相成長装置。
【請求項６】前記センサの出力に基づいて昇降機構を
作動させ、基板の温度を制御する制御装置が設けられて
いることを特徴とする請求項５に記載の薄膜気相成長装
置。
【請求項７】反応室内壁の温度を調節して反応室の雰
囲気温度を制御する反応室温度制御手段を有することを
特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の薄膜気
相成長装置。