JPWO2012120941A1 - 気相成長装置 - Google Patents

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Abstract

基板の状態を高精度で測定することができる測定手段を備えた気相成長装置であって、該気相成長装置は、チャンバー内にサセプタと複数の基板保持部材とを備えた自公転型の気相成長装置であり、チャンバーに設けたレーザ光透過部の外面に、基板保持部材に保持されてサセプタの回転により自公転する基板面に対して垂直方向に連続的にレーザ光を照射するレーザ光源と、基板面で反射したレーザ光を受光する受光部とを備えた測定手段を固定するとともに、受光部で受光した反射光の変動量があらかじめ設定された変動量より大きいときに基板が異常状態であると判定する判定手段を備えている。

Description

本発明は、気相成長装置に関し、詳しくは、基板を自公転させながら基板面に薄膜、特に、有機金属の熱分解反応を利用した化学反応でエピタキシャル成長させる自公転型の気相成長装置に関する。
一度に多数枚の基板に気相成長させる気相成長装置として、公転サセプタの外周部周方向に複数の自転サセプタを配置し、該自転サセプタの外周部に軸受と外歯車とを設け、反応容器（チャンバ）内面に設けた固定内歯車と前記外歯車とを噛み合わせることによって成膜中の基板を自公転させる自公転型気相成長装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、成膜中の基板に反りが発生すると、基板の加熱状態が変化したり、ガスの流れが変化したりすることにより、製造した薄膜の品質に大きな影響を与えることがある。特に、有機金属の熱分解反応を利用した化学反応でエピタキシャル成長を行うＭＯＣＶＤ法では、基板面の僅かな温度差が品質に大きな影響を与えることが知られている。このため、成膜開始前に基板の状態を観察し、基板自体の反りの有無や、ゴミによる基板の浮き上がりの有無を、確認することが行われている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００７−２６６１２１号公報 特開２００５−５５５２号公報
しかし、特許文献２に記載の技術では、位置測定装置を移動させて測定するため、移動の際に位置測定装置に僅かなズレを生じることがあり、高精度での測定が困難であった。
そこで本発明は、基板の反りや傾斜の状態を高精度で測定することができる測定手段を備えた気相成長装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するため、本発明の気相成長装置は、チャンバー内に回転可能に設けられた円盤状のサセプタと、該サセプタの外周部周方向に等間隔で回転可能に設けられた複数の基板保持部材と、該基板保持部材の表面に設けられた円形の基板保持凹部と、前記チャンバーの中央部からサセプタ表面側に原料ガスを放射状に導入する原料ガス導入部と、前記チャンバーの外周部に設けられた排気部と、前記基板保持凹部に保持された基板を加熱する加熱手段とを備え、前記サセプタの回転に伴って前記基板保持部材を自公転させるとともに、前記原料ガス導入部からサセプタ表面側に原料ガスを導入して前記加熱手段により加熱された基板面に薄膜を気相成長させる自公転型の気相成長装置において、前記チャンバーに設けたレーザ光透過部の外面に、前記基板保持凹部に保持されて前記サセプタの回転により自公転する基板面に対して垂直方向に連続的にレーザ光を照射するレーザ光源と、基板面で反射したレーザ光を受光する受光部とを備えた測定手段を固定するとともに、前記受光部で受光した反射光の変動量があらかじめ設定された変動量より大きいときに前記基板が異常状態であると判定する判定手段を備えていることを特徴としている。
さらに、本発明の気相成長装置は、前記レーザ光源のレーザ光の光軸が自公転する基板の中心が通る軌跡上に配置されていること、前記サセプタの回転数に対する前記基板保持部材の回転数が非整数倍に設定されていること、前記判定手段は、基板が異常状態であると判定したときに警報を発する警報発生手段を備えていること、また、前記判定手段は、基板面に薄膜を気相成長させる前と、基板面に薄膜を気相成長させた後とで基板の状態を判定するとともに、気相成長前後の判定結果をそれぞれ記憶する記憶手段を備えていることを特徴としている。
本発明の気相成長装置によれば、レーザ光源と受光部とをチャンバーに設けたレーザ光透過部に固定した状態で自公転する基板にレーザ光を照射し、基板面からの反射光の状態で基板の状態を判定するようにしているので、レーザ光源及び受光部の位置がずれることはなく、安定した状態で正確な測定を行うことができる。また、基板中心の軌跡上に光軸を配置することにより、基板面に照射したレーザ光の軌跡を長くできるとともに、基板中心を基準点として基板の状態を判定することができる。さらに、サセプタの回転数に対して基板保持部材の回転数を非整数倍とすることにより、サセプタが１回転して基板がレーザ光の照射位置に到達したときに、基板の角度が各回転毎に異なった角度になるので、基板の複数箇所で測定を行うことができ、基板の状態をより確実に高精度で測定することができる。
本発明の気相成長装置の一形態例を示す断面正面図である。 基板をセットしたサセプタの平面図である。 基板面におけるレーザ光の照射位置の軌跡を示す説明図である。 判定手段で判定に用いる反射光の状態を示す説明図である。
本形態例に示す気相成長装置は、円盤状のサセプタ１１の上面に６枚の基板１２を載置可能とした多数枚自公転型気相成長装置であって、サセプタ１１は、円筒状のチャンバー１３の内部に回転可能に設けられている。サセプタ１１の下面中心部には回転軸１４が、該回転軸１４の周囲にはサセプタ１１を介して基板１２を加熱するための加熱手段であるヒーター１５や加熱温度を測定する温度計１６がそれぞれ設けられ、ヒーター１５の下方及び周囲は、リフレクター１７で覆われている。フローチャンネル１３の天板中央には、原料ガス導入部１８が開口しており、底板外周には排気口１９が設けられている。
基板１２は、上面に基板保持凹部２０を有する円盤状の基板保持部材（基板トレイ）２１に保持されており、基板保持部材２１は、カーボンやセラミックで形成された複数の転動部材２２を介して円盤状のガイド部材２３にそれぞれ支持され、ガイド部材２３は、サセプタ１１の周方向に等間隔で設けられたガイド部材保持凹部１１ａ内に保持されている。また、基板保持部材２１の外周下部には、外歯車２４が設けられており、サセプタ１１の外周位置には、基板保持部材２１の外歯車２４に歯合する内歯車２５を有するリング状の固定歯車部材２６が設けられている。さらに、固定歯車部材２６の上方、内歯車２５及び外歯車２４の上方、及び、サセプタ１１の中央部上面を覆うカバー部材２７が設けられており、このカバー部材２７の上面、基板保持凹部２０の外周部上面、基板１２の上面が面一になるようにしている。
基板１２へ気相成長を行う際に、回転軸１４を所定速度で回転させると、回転軸１４と一体にサセプタ１１が回転し、このサセプタ１１の回転に伴って固定歯車部材２８を除く各部材が回転し、基板１２は、サセプタ１１の軸線を中心として回転、即ち公転する状態となる。そして、固定歯車部材２６の内歯車２５に外歯車２４が歯合することにより、基板保持部材２１は、該基板保持部材２１の軸線を中心として回転、即ち自転する状態となる。これにより、基板保持部材２１に保持された基板１２が、サセプタ１１の軸線を中心として自公転することになる。
このようにして基板１２を自公転させ、かつ、ヒーター１５からサセプタ１１などを介して基板１２を所定温度、例えば、1100℃に加熱した状態で、気相原料導入口１８から所定の気相原料、例えば、トリメチルガリウムとアンモニアとをフローチャンネル１３内に導入することにより、複数の基板１２の表面に所定の薄膜を均一に堆積させることができる。
ステンレス鋼で形成されたチャンバー１３の天板１３ａには、レーザ光を透過する石英ガラスで形成されたレーザ光透過部１３ｂが設けられており、該レーザ光透過部１３ｂの外面、本形態例では天板１３ａの上面に基板状態判定器３１が固着されている。この基板状態判定器３１には、基板面にレーザ光を照射するレーザ光源及び基板面で反射したレーザ光を受光する受光部を備えた測定手段と、前記受光部で受光した反射光の状態に基づいて基板の状態を判定する判定手段とが組み込まれている。
前記レーザ光源は、該レーザ光源からの照射するレーザ光の光軸が、薄膜を形成する基板面に対して垂直方向で、自公転する基板１２の中心１２ａが通る軌跡上に位置するように配置されている。また、前記受光部は、レーザ光源から照射されて基板面で反射した反射光を受光可能な位置に設けられており、基板面の傾斜によって反射光の光軸が傾いたときでも、あらかじめ設定された傾きの範囲内で受光可能に形成されている。
また、サセプタ１１の回転数に対する基板保持部材２１の回転数は、非整数倍に設定されており、サセプタ１１が１回転したときに、基板保持部材２１の向きが、サセプタ１１の回転前と回転後とで異なる方向になるようにしている。例えば、内歯車２５の歯数を３６０枚、外歯車２４の歯数を５０枚にすると、サセプタ１１が１回転したときに、基板保持部材２１は、７．２回転することになり、サセプタ１１が１回転するたびに基板保持部材２１の向きが７２度ずつずれることになる。このように、両者の回転数の比を非整数倍に設定することにより、基板状態判定器３１の下方を通過する基板面の異なる位置にレーザー光を照射することができる。
このように形成した気相成長装置において、各基板保持部材２１の基板保持凹部２０に基板１２をそれぞれセットした状態でサセプタ１１を回転させるとともに基板状態判定器３１を作動させると、基板状態判定器３１の下方を通過する各基板面に順次レーザー光が照射され、基板１２の傾斜や反りの状態に応じた方向に反射した反射光が受光部に受光され、判定手段で基板の状態が正常か、異常かが判定される。
サセプタ１１の回転数に対して基板保持部材２１の回転数を非整数倍に設定しておくと、図３に示すように、１回目のレーザ光の照射位置の軌跡（以下、スキャン位置という）Ｓ１に対して、２回目のスキャン位置Ｓ２、３回目のスキャン位置Ｓ３、４回目のスキャン位置Ｓ４が、それぞれ基板面の異なる位置を通り、各スキャン位置の基板面の状態に応じた反射光を受光部で受光し、各スキャン位置におけるそれぞれの受光状態に基づいて基板１２の状態を判定する。
基板状態判定器３１としてレーザ距離センサを使用した場合、各スキャン位置において、基板１２の一方の外周縁の始点Ｓａから基板中心１２ａを通り、他方の外周縁の終点Ｓｂに至るまでの距離をプロットすると、図４に示す状態となる。なお、図４では、一部の線を平行移動させるなどして説明を容易に行えるようにしている。
図４(Ａ)のケースでは、各スキャン位置Ｓ１〜Ｓ４において、始点Ｓａ、基板中心１２ａ、始点Ｓｂの距離がほぼ等しいことから、基板面が平行になっていることが分かる。途中で多少の凸凹となっているのは、基板が自転する際の機械振動による影響である。この機械振動の影響は、装置構成や回転系の設計によって大きく異なる。前述のように、歯車によって基板を自公転させる機構の場合、機械駆動が原因となる基板面の振動はおよそ凸凹３０μｍ程度であった。また、基板面の微分値を平均化した値Ｌ１〜Ｌ４はほぼ同じ値を示しており、その誤差は±３μｍ以下であった。成膜に悪影響を及ぼす恐れのあるパーティクルの粒径は数１０μｍであることから、本検査方法が十分に適用し得ることを示唆している。
一方、図４（Ｂ）のケースでは、並行平面な基板を装填したにもかかわらず、各スキャン位置Ｓ１〜Ｓ４において、始点Ｓａから基板中心１２ａを経て始点Ｓｂに向かって距離がほぼ等しい状態、距離が次第に短くなる状態、距離が次第に長くなる状態となっており、各微分の平均値Ｌ１〜Ｌ４の傾斜が異なることから、基板面は平面ではあるものの傾斜していると判断できる。傾斜の向きが他と異なるＬ４とＬ１との傾きの差から求めた基板面の傾きは約５０μｍであった。これは、基板裏面の一部にパーティクル（ゴミ）が付着して基板が傾いていることが原因であった。裏面を清掃して、再度同一の基板を装填した結果、図４(Ａ)のケースと同様のデータを得ることができた。
図４(Ｃ)のケースでは、予め膜の付いた「反った基板」を使用した。各スキャン位置Ｓ１〜Ｓ４において、始点Ｓａでは距離が短く、基板中心に１２ａで距離が遠くなり、始点Ｓｂで距離が短くなる曲線を描く状態となっていることから、基板中心１２ａを底にして外周縁が浮き上がった状態、すなわち、基板面が凹形状に反っている状態を示している。予め基板に膜がついている基板を使用すると、基板面の反りによってこのようなデータとなることがある。各曲線の微分を平均化するとＬ１〜Ｌ４の点線のようになる。点線の傾きが同じ方向を向いていないことから、基板は一方向に傾いた状態で自転していることを示唆している。向きが他と異なるＬ３とＬ１との傾きの差から求めた基板面の傾きは約２００μｍであった。
図４(Ｂ)のケースと同様に、基板の裏面を清掃し、再度同一の基板を検査した結果、図４（Ｄ）に示されるデータが得られた。Ｌ１〜Ｌ４が同じ傾きを示してるので裏面のゴミが除去されたと判断できる。
このように、基板１２をセットしてサセプタ１１を回転させながら基板状態判定器３１で基板面の状態を測定することにより、基板面の反りの状態、基板面の傾斜状態を測定することができるので、あらかじめ反りの変動量の許容範囲、傾斜の変動量の許容範囲を設定しておき、測定した基板面の反りや傾斜が許容範囲を超えているときには、基板１２が異常状態であると判定する。例えば、基板保持凹部２０と基板１２との間にゴミが挟まって基板１２が傾斜している場合には、図４（Ｂ）又は図４（Ｃ）に示す判定結果となるので、基板保持凹部２０から基板１２を取り出し、基板保持凹部２０及び基板１２の状態を確認してゴミを取り除く清掃作業を行ってから再び基板保持凹部２０に基板１２をセットすることにより、基板１２の傾斜状態を解消することができ、基板１２を正常な状態として成膜操作を開始することができる。また、許容範囲を超えて大きく反った基板１２の場合には、基板１２を交換する。基板１２原料ガスの無駄な成膜操作を解消することができる。さらに、基板１２の状態が異常と判定したときに、ブザーや警告灯などを作動させる警報機能を基板状態判定器３１に設けて異常発生を作業者に報知することにより、清掃作業や基板交換を確実に行うことができる。
基板裏面のゴミの判定基準として、ゴミの粒径を「３０μｍ以上５００μｍ以下」を該当判定することが好ましい。ゴミの粒径が３０μｍ以下では測定精度不足により十分判定できない恐れがあり、また、５００μｍ以上では反射レーザ光が受光部から外れて測定できない場合がある。このように、基板１２をセットしてサセプタ１１を回転させながら基板状態判定器３１で基板面の状態を測定することにより、基板面の反りの状態、基板面の傾斜状態を把握することができる。
このようにして各基板１２が正常であると判定した後、前記回転軸１４を駆動したサセプタ１１を回転させ、基板１２を保持した基板保持部材２１を自公転させるとともに、原料ガス導入部１８からサセプタ表面側に原料ガスを導入し、ヒーター１５により所定温度に加熱された基板面に薄膜を気相成長させる。
これにより、大きく傾斜したり、大きく反った基板１２に気相成長を行うことがなくなるので、原料ガスを有効に利用できるとともに、基板面に均質な薄膜を形成することができ、品質の向上や歩留まりの向上を図ることができる。特に、基板面の温度差に大きく影響されるＭＯＣＶＤ法において、基板面の温度分布を解消して面内分布の再現性を確保して高品質の薄膜を効率よく安定して得ることができる。
また、基板状態判定器３１をチャンバー１３に固定しているので、基板状態判定器３１と基板面との距離や、基板面に対する角度が変動することはなく、常に正確な判定を行うことができる。
さらに、気相成長を行う前後に基板の状態をそれぞれ判定するとともに、判定結果を記憶手段にそれぞれ記憶させておくことにより、形成した薄膜に異常が発生した場合に、基板の状態が原因となっているか否かを容易に判定することができ、異常発生原因の追求を従来より容易に行うことができる。
なお、処理する基板の枚数や原料ガスの導入方法は任意であり、各種自公転型の気相成長装置に適用することができる。また、基板状態判定器における測定手段としては、距離や変位などをレーザで検出する市販の各種測定器を利用することが可能であり、レーザ光源及び受光部を備えた測定手段と判定手段とを別置きにすることもでき、各種表示手段や印刷手段、記憶手段を接続することが可能である。また、レーザ光透過部に、レーザ光を安定した状態にするための各種手段を付加することができる。
また、測定手段におけるレーザ光を基板中心を通るように設定することにより、基板面全体の状態を確実に測定することができるが、基板中心から外れた位置であっても、基板中心に近い位置を通るようにしても基板面の状態をある程度知ることができる。さらに、サセプタの回転数に対して基板保持部材の回転数が整数倍のときには、基板面の同じ位置をレーザ光が通ることになるが、この場合も、基板面の状態をある程度知ることができる。また、サセプタが１回転したときに基板保持部材の向きが１８０度ずれる場合には、基板面の２箇所を測定することになり、１２０度ずれる場合には基板面の３箇所を測定することになるので、両者の回転数の比を非整数倍にする場合でも、１８０度や１２０度のズレを避ける比に設定することが好ましい。
１１…サセプタ、１１ａ…ガイド部材保持凹部、１２…基板、１２ａ…基板中心、１３…チャンバー、１３ａ…天板、１３ｂ…レーザ光透過部、１４…回転軸、１５…ヒーター、１６…温度計、１７…リフレクター、１８…原料ガス導入部、１９…排気口、２０…基板保持凹部、２１…基板保持部材、２２…転動部材、２３…ガイド部材、２４…外歯車、２５…内歯車、２６…固定歯車部材、２７…カバー部材、３１…基板状態判定器

Claims (5)

  1. チャンバー内に回転可能に設けられた円盤状のサセプタと、該サセプタの外周部周方向に等間隔で回転可能に設けられた複数の基板保持部材と、該基板保持部材の表面に設けられた円形の基板保持凹部と、前記チャンバーの中央部からサセプタ表面側に原料ガスを放射状に導入する原料ガス導入部と、前記チャンバーの外周部に設けられた排気部と、前記基板保持凹部に保持された基板を加熱する加熱手段とを備え、前記サセプタの回転に伴って前記基板保持部材を自公転させるとともに、前記原料ガス導入部からサセプタ表面側に原料ガスを導入して前記加熱手段により加熱された基板面に薄膜を気相成長させる自公転型の気相成長装置において、前記チャンバーに設けたレーザ光透過部の外面に、前記基板保持凹部に保持されて前記サセプタの回転により自公転する基板面に対して垂直方向に連続的にレーザ光を照射するレーザ光源と、基板面で反射したレーザ光を受光する受光部とを備えた測定手段を固定するとともに、前記受光部で受光した反射光の変動量があらかじめ設定された変動量より大きいときに前記基板が異常状態であると判定する判定手段を備えている気相成長装置。
  2. 前記レーザ光源は、レーザ光の光軸が自公転する基板の中心が通る軌跡上に配置されている請求項１記載の気相成長装置。
  3. 前記サセプタの回転数に対する前記基板保持部材の回転数が非整数倍に設定されている請求項１又は２記載の気相成長装置。
  4. 前記判定手段は、基板が異常状態であると判定したときに警報を発する警報発生手段を備えている請求項１乃至３のいずれか１項記載の気相成長装置。
  5. 前記判定手段は、基板面に薄膜を気相成長させる前と、基板面に薄膜を気相成長させた後とで基板の状態を判定するとともに、気相成長前後の判定結果をそれぞれ記憶する記憶手段を備えている請求項１乃至４のいずれか１項記載の気相成長装置。
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