JPH0953181A - 薄膜気相成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 サセプタ或いはこれに載架する基板に不釣合
量が生じても、円滑にサセプタを高速回転させることが
できる薄膜気相成長装置を提供する。 【解決手段】 外界と雰囲気を異にする反応室３と、反
応室３に配置され薄膜を形成する基板Ｓを載架して回転
するサセプタ８とを具備する薄膜気相成長装置におい
て、サセプタ８を備えた回転軸を非接触支持するための
磁気軸受を有する浮上機構と、サセプタ８を備えた回転
軸を高速で回転するための駆動機構と、サセプタ８及び
基板Ｓを含めた回転体の諸元を推定する推定機構とを備
えたものとする。

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、半導体ウエハ等の基板表面に絶縁膜、金属
膜等種々の用途で薄膜を形成するための薄膜気相成長装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の薄膜気相成長装置として
は、例えば半導体ウエハに絶縁膜を形成する際、形成さ
れた膜の厚さのウエハ面分布を平均化し、平坦な膜を形
成するために反応室内でウエハを載架したサセプタを回
転する機構を備えたものが開発されている。これによる
と、ウエハを反応室に供給するガスの線速度より大きな
外周速度で回転しながら成膜することによって、十分均
一な膜厚分布を持つＳｉＯ₂ 等の気相成長薄膜を形成す
ることが可能となる。また、上記薄膜形成装置において
は、ウエハの回転速度を上げる程膜厚の均一度が向上
し、平均成膜速度も増加することが分かっている。

【０００３】従来の薄膜気相成長装置においては、接触
タイプのシール機構及び軸受を用いているため回転速度
を必ずしも自由に増加することができなかった。そのた
め、成膜速度を十分に上げ、且つ平坦な薄膜を形成する
のには限界があった。このような問題点を解決するもの
として、例えば特開平７−５８０３６号公報記載の磁気
軸受を用いて回転軸を非接触支持した薄膜形成装置があ
る。この薄膜形成装置は、回転軸が磁気軸受で非接触支
持されているので、軸受に潤滑油を一切使用しない。半
導体製造プロセスにおいては、特に高度の清浄環境が要
求されるので、オイルの飛散という問題が全く生じない
係る薄膜形成装置は、特に半導体製造用に好適である。

【０００４】この薄膜形成装置は、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板
を載架して回転するサセプタとを具備し、サセプタを固
定した回転軸を浮上保持するための磁気軸受を有する浮
上機構と、該回転軸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
板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。また、サセプタにはヒータやチャック機構が
設けられており、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。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、サセプタは
気相成長時に薄膜形成対象の基板と同様に反応生成物が
被着する。薄膜形成対象の基板は、気相成長を１回行う
毎に交換されるが、サセプタはそのまま使われるため、
サセプタ上には各種の反応生成物が堆積する。このた
め、サセプタは時々、交換又は洗浄が必要であり、その
都度回転軸から取り除いて、交換又は洗浄したものを再
び取り付けねばならない。このため、サセプタは半消耗
品扱いとなり、その取付けの都度、回転体としての重心
の位置、偏心の大きさ等が変化していた。更に、サセプ
タに載架する半導体ウエハも、必ずしもその重心がサセ
プタを含めた回転軸の重心と一致する訳ではない。

【０００６】しかしながら、回転軸を磁気軸受で支持し
てモータにより非接触で回転駆動すると、回転体の不釣
合い量により、回転体が振れ回り、気相成長装置全体に
振動により悪影響が生じる。また、振れ回りが大きい場
合には回転軸が軸受部に接触し、所定の回転数迄昇速で
きない場合もある。従来のボールベアリングなどにより
サセプタを支持した回転気相成長装置の場合、回転体の
不釣合い量による周期加振力が作用し、ステータすなわ
ち装置のベースへ振動が伝わっていた。支持方法を磁気
軸受にしたからといっても、回転体を安定に支持する制
御力に対する反力はステータに作用し、上記と同じこと
になる。この時、ボールベアリング支持と磁気軸受支持
とでの差は、磁気軸受の非接触支持しているギャップよ
り大きく軸がふれ回れば、すなわち、タッチダウン状態
となる。

【０００７】従来の気相成長装置は一般に低速でサセプ
タを回転していたので、係るサセプタ或いは載架する半
導体ウエハを含めた回転体としての不釣合い量は大きな
問題とならなかった。ところが、上述したように、回転
軸を磁気軸受で支持して高速でサセプタを回転させる装
置では、上述したサセプタ交換に伴う不釣合い量の変動
が問題となる。又、サセプタの取付け、或いは気相成長
対象の半導体ウエハの載置方法等によっても、不釣合い
量が許容できるか否かが問題となってくる。

【０００８】本発明は上述した事情に鑑みて為されたも
のであり、サセプタ或いはこれに載架する基板に不釣合
量が生じても、円滑にサセプタを高速回転させることが
でき、かつ適正判断機能を有し、高速回転させられない
（許容範囲外）状態である場合には、オペレーターに対
して的確な情報を与える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。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の薄膜気相成長装
置は、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板を載架して回転するサセプタ
とを具備する薄膜気相成長装置において、前記サセプタ
を備えた回転軸を非接触支持するための磁気軸受を有す
る浮上機構と、該サセプタを備えた回転軸を高速で回転
するための駆動機構と、前記サセプタ及び基板を含めた
回転体の諸元を推定する推定機構とを備えたことを特徴
とする。

【００１０】又、前記推定機構は、前記サセプタに載架
した基板を含めた回転体の回転不釣合い量を、推定又は
検出する機能を備えたことを特徴とする。

【００１１】又、前記推定機構の推定した回転体の諸元
に基づいて、前記浮上機構又は駆動機構を制御する制御
装置を更に備えたことを特徴とする。

【００１２】又、前記回転不釣合い量の推定又は検出し
た結果に基づいて、前記制御装置は該不釣合い量を補償
する制御機能を更に備えたことを特徴とする。

【００１３】又、前記回転体の諸元を推定する機構又は
回転不釣合い量を推定又は検出する機構は、前記サセプ
タの使用の継続の可否を判断する判断基準を更に備えた
ものであることを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の薄膜気相成長装置は、サ
セプタ及びそこに載架するウエハを含めた回転体の不釣
合い量を推定又は検出する機構を備えている。従って、
半消耗品であるサセプタを回転軸に装着した時に、その
不釣合い量をサセプタを磁気軸受モータで非接触支持し
つつ回転駆動しながら推定又は検出することができる。
そして、推定又は検出された回転体の不釣合い量に基づ
いて磁気軸受の制御パラメータを変更してフィードバッ
ク制御することにより、回転体の振れ回りを最小限に抑
えてサセプタを高速回転させることができる。更に、サ
セプタの回転の立上り時に、サセプタの回転軸への装着
状況が悪い等の原因で不釣合い量が大きいことが検出さ
れた場合には、サセプタ判定部でサセプタの使用の継続
の可否が判定される。そこで、サセプタの回転軸への装
着をやり直す、或いはサセプタ自体を交換することによ
り、サセプタの円滑な高速回転を行うことができる。

【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Ａは、チタン酸バリウ
ム／ストロンチウム等の高誘電率薄膜の育成に好適な装
置であり、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、磁性材料からなるセンサＤが近接して
形成され、ロータ１１とステータ１２間の相対変位及び
ステータ側の絶対加速度を検出する。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
置に入力されている。また、各軸受及びモータには制御
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。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２１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２１
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２６
によって基板温度調節器に接続されている。サセプタ支
持部材２１は、ネジ等の締め具Ｅにより、ロータ１１に
固定される。

【００１９】図２は、本発明の一実施例の磁気軸受モー
タの制御系を示す。サセプタ８を上端に備えた回転軸１
１を非接触支持し、且つ回転駆動する磁気軸受モータ９
は、制御装置３０により制御される。制御装置３０は、
回転制御部、磁気軸受浮上制御部、サセプタ諸元推定
部、サセプタ・ウエハを含めた回転体の不釣合い量の推
定検出部、磁気浮上定数修正部、不釣合い量補償制御部
等を備えている。又、制御装置３０は、これらの制御対
象諸元を収納したデータベース部３１と連携している。
又、制御装置３０は通信機能を介して上位制御部と連携
している。

【００２０】図３は、制御系のより詳細な構成を示す。
制御装置３０は、制御部３２、推定器／検出器部３３、
データベース部３１等から構成される。制御部３２は、
相対変位量、回転パルス数等の信号に基づいて制御対象
に各軸の制御力を与える。即ち、制御部は磁気軸受ロー
カルコントロール、回転ローカルコントロール、位置決
めローカルコントロール等の制御ユニットから構成され
ている。推定器／検出器部３３は、相対変位量、回転パ
ルス数等の信号の他に、ステータ側に設けられた加速度
検出器からの加速度信号等に基づき、回転体の不釣合い
量を検出／推定する。この推定／検出された結果は、制
御部に伝達され、回転体制御パラメータが変更され、制
御対象にフィードバックされる。又、推定器／検出器に
は各磁気軸受モータの制御電流、モータ駆動電流等の信
号も入力される。そして、この回転不釣合い量の推定／
検出に当たっては、データベース部３１が参照される。
又、制御部はサセプタ判定部３５を備え、サセプタの取
付けによる回転不釣合い量等が使用の継続に耐えうるか
否かの判定を行う。

【００２１】図４は、推定器／検出器部３３の構成を示
す。推定器／検出器には、入力信号として各軸の相対変
位量、回転パルス数（回転数）、ステータ側加速度、各
軸制御電流、モータ制御電流、各軸偏差、回転数偏差等
の諸元が入力される。そして、推定／検出する項目とし
ては、質量変化分、慣性モーメント（Ｉd，Ｉp）制御剛
性、不釣合い量、回転トルク、固有振動数、磁気軸受の
各軸周波数特性等が入力信号に基づいて演算され求めら
れる。そして出力信号として磁気軸受制御定数、不釣合
い量補償制御定数・変数、モータ制御定数、曲げ振動補
償定数等の信号が制御部に出力される。

【００２２】図５は、データベース部の構成を示す。デ
ータベース部３１には、主軸初期質量、初期慣性モーメ
ント、磁気軸受定数、モータ定数、サセプタ基準諸元、
付加（サセプタ）係数データ分類、学習蓄積等の諸機能
を備えている。

【００２３】図６は、サセプタ判定部の構成を示す。検
出された回転体の相対変位量、回転数等の信号から回転
の危険度により回転継続の可否を判定する。この判定は
タッチダウンまでの余裕度を算出することによって行
う。又、磁気軸受定数、不釣合い量推定器、不釣合い量
補償定数・変数から不釣合い量補償の可否を判定する。
又、固有振動数から固有振動数補償の可否を判定する。
又、回転数偏差、回転トルク、モータ定数（ハード的定
数）、モータ制御定数から、回転数制御の可否を判定す
る。以上の判定から、サセプタの使用を継続して行うこ
とができるか否かについての判定を行う。

【００２４】尚、磁気軸受を用いた場合、制御対象（回
転体）の情報を検出し、これと、目標値との差につい
て、補償回路を通り、制御力（磁力）として、フィード
バック制御している。１自由度の磁気浮上系の運動方程
式は、 ｍｘ”＋ｃｘ’＋ｋｘ＝Ｆ（ｘ） …… （１） 但し、 ｍ：質量 ｃ：ダンピング定数 ｋ：ばね定数 Ｆ（ｘ）：外力 ｘ：変位量 ｘ’：速度 ｘ”：加速度

【００２５】ここで、制御対象を完全に非接触浮上する
ためには、制御対象が剛体としても、少なくとも１自由
度のフィードバック制御をする必要がある。そして、本
実施例の気相成長装置のように回転体に不釣合量があ
り、これをある程度許容する磁気軸受としては、少なく
とも、４自由度（ラジアル）を能動的にフィードバック
制御でるき構造にする必要性がある。また、製作・組立
などの容易性から、５自由度を能動的にフィードバック
制御できる構造とすることが多い。この時、５自由度を
制御する検出部と制御力発生部が必要であり、且つ、モ
ータによる残り１自由度も、回転検出部と回転力発生部
が必要である。これらの既存要素に加えて、ステータ側
に加速度センサなどを備え、また状態推定器を備え、制
御対象の変化を把握することにより、磁気軸受で支持さ
れたサセプタの交換を許容可能とできる。

【００２６】そして、本実施例の気相成長装置では基板
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。

【００２７】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の薄膜気
相成長装置によれば、回転体の不釣合い量等が検出さ
れ、補償されることから成膜対象基板の安定な回転動作
が行え、又、装置自体が発生する振動が減少する。又、
サセプタの使用の継続の可否が判定されることから、サ
セプタ交換時の調整が容易となる。又、回転体の不釣合
い量等が補償されることから、サセプタの質のバラツキ
に対する許容範囲が増大する。更に、半導体ウエハ等の
気相成長対象物のサセプタ上の載架位置、重量分布のバ
ラツキによる不釣合い量の許容範囲が増大する。

【００２８】総じて本発明の薄膜気相成長装置によれ
ば、サセプタの不釣合い量の許容範囲が増大することか
ら安心して成膜対象基板を高速回転することができ、成
膜性能が秀れた、且つメンテナンスが容易な薄膜気相成
長装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の薄膜気相成長装置の説明
図。

【図２】上記薄膜気相成長装置の制御系の概念を示す説
明図。

【図３】上記制御系の構成を示す説明図。

【図４】推定器／検出器の構成を示す説明図。

【図５】データベースの構成を示す説明図。

【図６】サセプタ判定部の構成を示す説明図。

【符号の説明】

１ 反応容器 ３ 反応室 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 ３０ 制御装置 ３１ データベース ３２ 制御部 ３３ 推定器／検出器 ３５ サセプタ判定部 Ｄ センサ Ｓ 基板

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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板を載架して回転する
   サセプタとを具備する薄膜気相成長装置において、前記
   サセプタを備えた回転軸を非接触支持するための磁気軸
   受を有する浮上機構と、該サセプタを備えた回転軸を高
   速で回転するための駆動機構と、前記サセプタ及び基板
   を含めた回転体の諸元を推定する推定機構とを備えたこ
   とを特徴とする薄膜気相成長装置。
2. 【請求項２】 前記推定機構は、前記サセプタに載架し
   た基板を含めた回転体の回転不釣合い量を、推定又は検
   出する機能を備えたことを特徴とする請求項１に記載の
   薄膜気相成長装置。
3. 【請求項３】 前記推定機構の推定した回転体の諸元に
   基づいて、前記浮上機構又は駆動機構を制御する制御装
   置を更に備えた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。
4. 【請求項４】 前記回転不釣合い量の推定又は検出した
   結果に基づいて、前記制御装置は該不釣合い量を補償す
   る制御機能を更に備えたことを特徴とする請求項２又は
   ３に記載の薄膜気相成長装置。
5. 【請求項５】 前記回転体の諸元を推定する機構又は回
   転不釣合い量を推定又は検出する機構は、前記サセプタ
   の使用の継続の可否を判断する判断基準を更に備えたも
   のであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一
   項に記載の薄膜気相成長装置。