JPH093650A

JPH093650A - 薄膜気相成長装置

Info

Publication number: JPH093650A
Application number: JP17433995A
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】基板の温度制御を迅速に行なうことができ、
高誘電体の薄膜気相成長を望ましい条件下で行うことが
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内において基板を支持する基板支
持部材８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６と、前記反応室３内の気体を外
部に排出する排気手段４と、中空に形成されたロータ１
１を有し、前記基板を高速回転させる基板高速回転手段
９と、前記基板の裏面側昇降自在に配置されたヒータ３
０と、前記ヒータを前記ロータ１１の中空部を介して支
持し、かつ昇降させるヒータ昇降機構とを有する。

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て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ヒータ昇降
機構を具備するものである。

【０００４】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、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、その裏面にヒータが設けられており、これにスリッ
プリングを介して給電してサセプタを加熱し、間接的に
基材の温度を制御するようにしている。

【０００５】

【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
範囲や、反応温度が他の原料と比べて非常に狭くかつ高
いという特徴があり、反応室内の雰囲気温度と基板の温
度を厳しく制御する必要がある。しかしながら、前記の
ような従来の技術においては、サセプタを介して基材を
加熱するため、基材自体の温度を迅速に変更することは
困難である。従って、基材の温度が適正値でないことを
検出したとしても、これを迅速に適正値に戻すような制
御ができず、結果として良好な反応状態が得られない場
合があった。本発明は上述した事情に鑑みて為されたも
ので、基板の温度制御を迅速に行なうことができ、高誘
電体の薄膜気相成長を望ましい条件下で行うことができ
る薄膜気相成長装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【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、反応室内において基板を支持する基板支持部材と、
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、中空に形成されたロータを有し、前記基板を高
速回転させる基板高速回転手段と、前記基板の裏面側に
昇降自在に配置されたヒータと、前記ヒータを前記ロー
タの中空部を介して支持し、かつ昇降させるヒータ昇降
機構と有するを特徴とする薄膜気相成長装置である。請
求項２に記載の発明は、前記基板支持部材が、基板の裏
面の少なくとも一部を露出させて基板を支持することを
特徴とする請求項１に記載の薄膜気相成長装置である。

【０００７】請求項３に記載の発明は、前記ヒータ昇降
機構が、送りねじ機構を用いる構造であることを特徴と
する請求項１又は２に記載の薄膜気相成長装置である。
請求項４に記載の発明は、前記ヒータ昇降機構に、前記
ヒータの上下動に伴い伸縮して前記ロータの中空部を外
界と遮断する被覆部材が設けられ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。請求項５に記載の発明は、前記反応室に、反
応室内壁の温度を調整する反応室温度調整手段が設けら
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である。

【０００８】

【作用】請求項１に記載の発明においては、外界と隔離
した雰囲気を持つ反応室内において、基板支持部材によ
り基板が支持され、中空に形成されたロータを有する基
板高速回転手段により高速回転させられた状態で、反応
ガス供給手段により反応ガスが基板に向けて噴射され、
成膜が行われ、反応の副生成物のガスは排気手段により
排気される。ここで適宜の方法で基板の温度条件を判断
して基板支持部材が昇降させられ、これによって迅速に
基板温度が調整される。

【０００９】請求項２に記載の発明においては、基板の
裏面の少なくとも一部が露出した状態で支持され、裏面
側のヒータにより直接的に加熱され、温度の調整がより
迅速に行われる。請求項３に記載の発明においては、前
記ヒータが送りねじ機構を用いた昇降機構で昇降させら
れ、簡単な構成で円滑かつ確実な昇降動作がなされる。
請求項４に記載の発明においては、被覆部材がロータの
中空部を外界と遮断して反応室内の雰囲気を保つ。請求
項５に記載の発明においては、前記反応室には、反応室
温度調整手段が反応室内壁の温度を調整し、反応ガスの
析出を防止する。

【００１０】

【実施例】図１及び図２は、本発明の一実施例の薄膜気
相成長装置Ａを示す。この薄膜気相成長装置Ａ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、これに加熱流体や冷却流体が流
され、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、これらは制御手
段（図示略）に接続されて駆動制御され、容器１の内部
の温度が設定値になるように自動制御されるようになっ
ている。

【００１１】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３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。

【００１２】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、これには制御
装置２０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１５、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２０に入力されている。ロータ１１
は、支持台２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２１が設けられている。

【００１３】ケーシング１０の底板２２の下側には、こ
れと間隔を置いてねじ固定板２３が設けられ、このねじ
固定板２３と底板２２の間には複数本のねじ部材２４が
軸受２５により回転自在に支持されている。そして、底
板２２とネジ固定板２３の間には、それぞれのねじ部材
２４と螺合するナット２６を有する可動板２７が設けら
れている。ねじ部材２４とナットの間にはボールが介在
していわゆるボールねじとなっており、摩擦や遊びを軽
減させている。底板２２の下側には駆動モータ２８が設
けられており、その出力軸２９は動力伝達機構３０を介
してねじ部材２４の一つに連結されており、駆動モータ
２８の作動により可動板２７が上下動するようになって
いる。

【００１４】この可動板２７には、底板２２の開口部と
ロータ１１の中空部を貫通して前記サセプタ支持部材２
１の内側に突出する支柱２９が立設されている。この支
柱２９の頂部には、基板Ｓの裏面側にヒータ３０を支持
するヒータ支持部材３１が設けられ、また、温度計測用
の熱電対３２が設置され、ヒータ３０と熱電対３２は支
柱２９の内部を通る電線によって基板温度調整器３３に
接続されている。なお、可動板２７と底板２２の間の部
分には、支柱２９を覆うようにベローズ３５が設けられ
ており、ケーシング１０内の空間を外気と遮蔽してい
る。

【００１５】また、反応室３の所定位置には、図２に模
式的に示すように、ゲートバルブ３６を介してロボット
チャンバ３７が設けられ、さらにこれにはゲートバルブ
３８を介して第２チャンバ３９が設けられている。ロボ
ットチャンバ３７には基板搬送用ロボット４０が設けら
れており、これは例えば、ロボットチャンバ３７内にお
いて走行自在、あるいは旋回自在とされ、基板を把持す
るアームを備えている。

【００１６】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。基板Ｓの温度は、温
度調整器３３により、以下のようにして、例えば５５０
゜Ｃでプラスマイナス１％程度に制御される。まず、ヒ
ータ３０への供給電力は、ヒータ表面温度が５５０゜Ｃ
より所定値だけ高い一定値になるようにする。これは、
熱電対３２により計測されたヒータ３０の温度に基づい
てフィードバック制御を行なうか、あるいは簡便な方法
として予めヒータ３０の特性に応じた値を求めてこれに
設定しておく。

【００１７】次に、熱電対３２で基板Ｓの表面近傍の温
度を計測して、これが所定値であるかどうかを判断し、
温度が高すぎる場合は駆動モータ２８を駆動してヒータ
３０を下降させる。温度が低すぎる場合は上昇させる。
この場合に、基板Ｓとヒータ３０の相対位置を勘案して
ヒータ３０への入力電力量が過大であると判断したとき
は、電力量制御を並行して行ってもよい。ここでは、熱
電対３２の計測温度をパラメータとしたが、他のパラメ
ータ、例えば反応の進行状況を観察しつつ制御する方法
を用いるあるいは併用するなどしてもよい。

【００１８】反応室内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２５０〜２６
０゜Ｃでプラスマイナス２％程度に制御される。

【００１９】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２０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。

【００２０】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４１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を介して反応室から排出される。

【００２１】上述したような制御においては、ヒータ３
０が、基板Ｓを裏面から輻射によって直接加熱してお
り、基板Ｓへ入熱量はヒータ３０と基板Ｓの間隔によっ
て大きく変わるので、ヒータ３０自体の温度制御だけに
よる場合より迅速な制御が行える。従って、基板の温度
制御が厳密に行えるので、反応温度域の狭い反応ガスを
用いる高誘電体の成膜においても、高品質の気相成長被
膜を歩留まり良く製造することができる。

【００２２】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、ヒータ
の基板に対する相対位置を変えることにより基板への入
熱を制御でき、ヒータの温度を変えずに基板温度を迅速
に制御することができる。従って、基板の温度制御が厳
密に行えるので、反応温度域の狭い反応ガスを用いる高
誘電体の成膜においても、高品質の気相成長被膜を歩留
まり良く製造することができる。しかも、ロータの中空
部を介してヒータの位置を変えるようにしているので、
構造が複雑になることがなく、装置の製造コストや保守
コストも抑えることができる。

【００２３】請求項２に記載の発明においては、基板が
ヒータにより直接的に加熱され、温度の調整がより迅速
に行われるので、上述した効果がさらに良好になる。請
求項３に記載の発明においては、前記ヒータが送りねじ
機構を用いた昇降機構で昇降させられ、装置コストを上
昇させることなく、確実な昇降動作がなされる。請求項
４に記載の発明においては、反応室内の雰囲気の維持が
簡単な構成で行われる。請求項５に記載の発明において
は、反応室温度調整手段が反応室内壁の温度を調整し、
反応ガスの析出を防止し、品質と歩留まりの良い成膜が
行われる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第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（反応ガス供給手段）８サセプタ（基板支持部材）９磁気軸受兼用モータ（基板高速回転手段）１１ロータ２６ねじ部材２７可動板２８駆動モータ２９支柱３０ヒータ３３基板温度制御手段３５ベローズ（被覆部材）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、反応室内において基板を支持する基板支持部材と、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、中空に形成されたロータを有し、前記基板を高速回転さ
せる基板高速回転手段と、前記基板の裏面側に昇降自在に配置されたヒータと、前記ヒータを前記ロータの中空部を介して支持し、かつ
昇降させるヒータ昇降機構と有するを特徴とする薄膜気
相成長装置。
【請求項２】前記基板支持部材は、基板の裏面の少な
くとも一部を露出させて基板を支持することを特徴とす
る請求項１に記載の薄膜気相成長装置。
【請求項３】前記ヒータ昇降機構は、送りねじ機構を
用いる構造であ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】前記ヒータ昇降機構には、前記ヒータの
上下動に伴い伸縮して前記ロータの中空部を外界と遮断
する被覆部材が設けられ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】前記反応室には、反応室内壁の温度を調
整する反応室温度調整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。