JPH093648A

JPH093648A - 薄膜気相成長装置

Info

Publication number: JPH093648A
Application number: JP17433795A
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: 1995-06-16
Filing date: 1995-06-16
Publication date: 1997-01-07

Abstract

(57)【要約】【目的】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。【構成】基板Ｓを外界と隔離した雰囲気内に収容する
反応室３と、反応室３内壁の温度を調節して反応室３の
雰囲気温度を制御する反応室温度制御手段５と、反応室
３内において基板Ｓを高速回転させる基板高速回転手段
９と、上記基板Ｓの温度を制御する基板温度制御手段２
３と、成膜に必要な反応ガスを基板Ｓに向けて噴射する
反応ガス供給手段６と、反応室３内の気体を外部に排出
する排気手段とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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】ところで、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
技術がある。これは、外界と雰囲気を異にする反応室
と、該反応室に配置され薄膜を形成する基材を載架して
回転するサセプタとを具備する薄膜形成装置において、
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
するものである。これによって、薄膜を形成する基材を
載架するサセプタを磁気軸受を有する浮上機構で浮上支
持するようにしている。つまり回転体の懸架、支持に接
触式の軸受を用いていないので、回転体の遠心強度の許
容する限度内でサセプタの回転速度を自由に増加させる
ことができる。ここでは、サセプタは、中実のロータを
用いた磁気軸受兼用モータにより回転自在に支持されて
いる。サセプタには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、材料である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という特徴があ
る。従って、前記のような従来技術を高誘電体の成膜に
用いた場合は、反応室内に温度の不均一があると、材料
が析出して反応室内を汚したり、材料の無駄を生じて歩
留りを下げることになる。

【０００５】また、前記の従来技術では、サセプタとヒ
ータを一体に回転しており、モータの負荷が大きくなっ
て制御も困難になる。また、ヒータが反応室内の雰囲気
にさらされているので、ヒータの劣化が速く、そのメン
テナンスサイクルも短い。そして、中実のロータを用い
ているので、強度を保障するためにロータ重量が大きく
なってしまうとともに、振動のモードによっては振動が
発生しやすく制御が難しくなる。さらに、消耗しやすい
スリップリングを介して電力を供給しており、故障や電
力供給の不安定を招くことになる。

【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、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と、反応室内において基板
を高速回転させる基板高速回転手段と、前記基板の温度
を制御する基板温度制御手段と、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から構成される
ことを特徴とする薄膜気相成長装置である。

【０００８】請求項２に記載の発明は、前記基板高速回
転手段は、ステータと、中空軸に形成されたロータとか
ら構成された磁気軸受兼用モータ構造を有し、前記ロー
タの反応室側の端部には基板を支持する基板支持手段が
設けられていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜
気相成長装置である。

【０００９】請求項３に記載の発明は、前記基板温度制
御手段が、前記ロータの中空軸内を貫通して設けられた
支持部材と、この支持部材の先端の前記基板に臨む位置
に設置されたヒータを有す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である。

【００１０】請求項４に記載の発明は、前記基板支持手
段が、基板の裏面の少なくとも一部を露出した状態で基
板を支持するようになっ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であ
る。

【００１１】

【作用】請求項１に記載の発明においては、反応室温度
制御手段によって雰囲気温度が制御された反応室内にお
いて、基板温度制御手段によって基板の温度が制御され
た状態で、基板高速回転手段によって基板が高速回転さ
れ、反応ガス供給手段が成膜に必要な反応ガスを基板に
向けて噴射する。これによって、気相温度域や反応温度
域が狭い高誘電体の原料ガスを含む場合であっても、成
膜作業が円滑に行えるとともに、高品質の膜が高能率で
製造される。

【００１２】請求項２に記載の発明においては、ステー
タと、中空軸状に形成されたロータとから構成された磁
気軸受兼用モータ構造によって、ロータの反応室側端部
に設けられた基板支持手段が磁気浮上させられ、円滑に
かつ高速で回転駆動される。ロータが中空であるので、
負荷が軽減され、ロータの位置、姿勢、回転数の制御も
容易となる。

【００１３】請求項３に記載の発明においては、ヒータ
及び温度センサがロータの中空軸内を貫通して設けられ
た支持部材の先端に設置されているので、ヒータ等を高
速回転手段とは切り離して設け、ヒータを回転せずに済
むとともに、ヒータとその関連部材を基板の下側空間に
密閉して反応室内の雰囲気の影響を最小限に保つことが
できる。

【００１４】請求項４に記載の発明においては、基板の
裏面がヒータに向けて露出し、ヒータが直接的に基板を
加熱するので、温度制御が正確かつ容易に行える。

【００１５】

【実施例】図１及び図２は、本発明の薄膜気相成長装置
Ａを示す。この薄膜気相成長装置においては、釜状の容
器１と支持台２で囲まれて反応室３が構成されている。
反応室３は気密に構成され、生成ガスを排気する排気口
４が設けられ、また、容器１の壁には熱媒体流路５が形
成されて容器壁や反応室３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５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１の内部の温度
が設定値になるように制御するようになっている。

【００１６】容器１の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６が装着
されている。支持台２の中央開口部には、やはり熱媒体
流路５を有する筒状部７が上方に突出して設けられ、こ
の中に基板Ｓを支持するサセプタ（基板支持部材）８が
設けられている。このサセプタ８は、基板Ｓと熱伝導率
の差が小さい素材から構成され、基板の縁部を収容する
段差８ａが内側に形成された中空円板状部材であり、支
持台２の下側に設置した磁気軸受兼用モータ９によって
回転自在に支持されている。

【００１７】この磁気軸受兼用モータ９は、支持台２の
下側に設置した筒状のケーシング１０に組み込まれてお
り、中央の中空軸状のロータ１１と、ケーシング１０内
側に組み込まれたステータ１２とから構成されている。
ロータ１１には、磁性材料からなるディスクＤが外方に
突出して形成され、ステータ１２には前記ディスクＤに
対応する位置に制御コイルＣが設置され、これには図示
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。磁気軸受兼用モータ９は、上側から順に、上ラジ
アル磁気軸受１３、モータ１４、下ラジアル磁気軸受１
５、アキシャル磁気軸受１６が構成されており、所定箇
所に隙間の寸法や傾斜角度を検出するセンサが設けら
れ、最下端には回転を検出するエンコーダ１７が設けら
れ、これらの出力は制御装置に入力されている。ロータ
１１は、支持台の開口部を貫通して反応室３内に突出
し、その上部には底板１８と筒状側壁１９からなるサセ
プタ支持部材２０が設けられている。

【００１８】ケーシング１０の底部の基台２１には、ロ
ータ１１の中空部を貫通して前記サセプタ支持部材２０
の内側に突出する支柱２２が立設され、その頂部には、
基板Ｓの裏面側にヒータ２３を支持するヒータ支持部材
２４が設けられ、また、温度計測用の熱電対２５が設置
され、ヒータと熱電対は支柱２２の内部を通る電線によ
って基板温度調節器に接続されている。

【００１９】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。熱電対２５により計
測された基板Ｓ又はヒータ２３の温度に基づいて、温度
調節器により、基板温度が、例えば５５０゜Ｃでプラス
マイナス１％程度に制御されている。ヒータ２３は、こ
の例では、基板Ｓを裏面から輻射によって加熱する。ま
た、反応ガスの温度を制御するために、熱媒体流路５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１内壁の温度が２５０〜２６０゜Ｃで
プラスマイナス２％程度に制御される。

【００２０】基板高速回転装置、つまり磁気軸受兼用モ
ータ９を駆動することにより、基板Ｓがサセプタ８とと
もに高速回転する。ここにおいて、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８の回転数や姿勢が制御される。こ
の実施例では、高速回転装置のロータ１１が中空軸とし
て形成されているので、強度を維持しつつ軽量となって
おり、また振動の固有値も小さいので、軸の安定な制御
が容易である。

【００２１】このようにして、反応室３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２７から導入
され、反応ガス噴射ヘッド６の内部の空間で混合され、
ノズルから反応室３内に噴射される。反応室３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。反応が終了したガスや余剰ガスは、
生成ガス排気口４を介して反応室３から排出される。

【００２２】この装置では、容器１の壁（外壁）だけで
なく、内側の筒状部７の温度も制御されているので、反
応室３の雰囲気温度が精密に制御できる。一方、基板Ｓ
の温度はヒータ２３により直接加熱されてこれも精密に
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、基板高速回転装
置９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。

【００２３】さらに、この実施例の装置では、ロータ１
１が筒状となっており、軽量であると同時に振動の固有
値が中実の場合より小さいので、ロータ１１の異常振動
が起きにくく、制御が容易である。また、ヒータ２３が
基板Ｓの裏側のサセプタ支持部材２０により囲まれた空
間に配置されているので、ヒータが反応室雰囲気により
汚染されて劣化したり、逆にヒータ２３が反応室３内の
雰囲気を汚染することが防止される。また、ヒータ２３
や熱電対２５など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。

【００２４】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、気相温
度域や反応温度域が狭い高誘電体の原料ガスを含む場合
であっても、高品質の成膜を高能率で安定的に行なうこ
とができる。請求項２に記載の発明によれば、ロータが
中空であるので、負荷が軽減され、ロータの位置、姿
勢、回転数の制御も容易となり、磁気軸受兼用モータの
性能を充分に活用して、高誘電体の成膜を能率良く安定
的に行なうことができる。

【００２５】請求項３に記載の発明によれば、ヒータ等
を高速回転手段とは別体として設け、ヒータを回転せず
に済むので、モータの負荷が小さくなって制御が容易に
なるとともに、ヒータとその関連部材を反応室雰囲気と
隔離することにより、ヒータの保守の必要性や反応室内
への影響を最小限に抑えることができるので、基板の温
度を制御して、高誘電体の成膜を安定的に行なうことが
できる。請求項４に記載の発明によれば、ヒータが直接
的に基板を加熱するので、温度制御が正確かつ容易に行
え、高誘電体の成膜をより安定的に行なうことができ
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。

【図２】図１の実施例の薄膜気相成長装置の概略構成を
示すブロック図である。

【符号の説明】

１反応容器３反応室４排気口５熱媒体流路６反応ガス噴射ヘッド８サセプタ９磁気軸受兼用モータ（基板高速回転手段）１１ロータ１２ステータ２３基板温度制御手段（ヒータ）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、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と、反応室内において基板を高速回転させる基板高速回転手
段と、前記基板の温度を制御する基板温度制御手段と、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から構
成されることを特徴とする薄膜気相成長装置。
【請求項２】前記基板高速回転手段は、ステータと、
中空軸状に形成されたロータとから構成された磁気軸受
兼用モータ構造を有し、前記ロータの反応室側の端部に
は基板を支持する基板支持手段が設けられていることを
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】前記基板温度制御手段は、前記ロータの
中空軸内を貫通して設けられた支持部材と、この支持部
材の先端の前記基板に臨む位置に設置されたヒータを有
す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】前記基板支持手段は、基板の裏面の少な
くとも一部を露出させた状態で基板を支持するようにな
っ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。