JPWO2015025809A1 - 酸化装置 - Google Patents

Abstract

ウェハの温度分布のバラツキをなくし、均一に酸化を進行させることが可能な酸化装置を提供する。本発明に係る酸化装置は、内部を気密にすることが可能なチャンバ１と、チャンバ１の内部にて、酸化対象となるウェハ１０を載置するステージ２と、酸化ガスをチャンバ１内へ供給する酸化ガス供給部２０とを備える。酸化ガスは真空雰囲気中で加熱することにより気化した水蒸気ガスであり、酸化ガス供給部２０は、水蒸気ガスを、内部を真空雰囲気としたチャンバ２内へ流量制御して供給する。

Description

本発明は、選択酸化用半導体層を外周側から酸化させることにより、電流狭窄層を形成するための酸化装置に関する。

基板に垂直な方向にレーザ光を射出する面発光レーザ素子等の半導体素子は、電流流入効率を高めるべく、狭窄構造体を形成している。例えばウェハ上に、ＡｌＧａＡｓ（アルミニウム・ガリウム・ヒ素）層を選択的に酸化させ、酸化物が電流通過領域を囲んでいる狭窄構造体では、被選択酸化層が側面に露出している所定の大きさの台状のメサを形成している。

そして、高温の水蒸気雰囲気中に載置することにより、メサ側面から露出している被選択酸化層のＡｌを選択的に酸化させ、メサの中心付近に酸化されていない電流狭窄層を形成する。酸化時間を制御することにより、未酸化領域の半径、すなわち形成される電流狭窄層の大きさを制御することができる。

例えば特許文献１には、面発光レーザを作製するためＡｌＡｓ層を部分酸化するための酸化装置が開示されている。特許文献１では、まずウェハをチャンバ内の上下動及び回転可能な加熱ステージ上に搭載する。チャンバ内を真空にしてからＮ₂ ガスを充填する。加熱ステージを酸化温度まで加熱するとともに、水蒸気ノズルから、Ｎ₂ ガスと水蒸気ガスとの混合ガスを流量制御しながらチャンバ内に噴出する。酸化の進行度合いは、昇温、酸化、冷却等の時間配分と酸化距離とで制御する。

特許第３８５７２８３号公報 特開２０１１−０１８８７６号公報

特許文献１に開示された酸化装置で用いるウェハは、成膜工程において６００〜７００℃という高温で成膜されているため、室温雰囲気では反りが発生する。酸化温度は４００〜５００℃とやや低く、反りを解消するには至らない。したがって、ステージとウェハとの隙間を一定にすることが困難であり、加熱温度の分布にバラツキが生じるため、製品の良品率が低下するという問題点があった。

斯かる問題点を解消するべく、例えば特許文献２には、加熱ステージ上のトレイの表面形状をウェハの反り形状に合わせて（中央を凸に）製作した面発光レーザ素子の製造方法が開示されている。特許文献２に開示された方法では、成膜条件、酸化温度条件等の相違により反り形状は大きく変動するが、条件が変更される都度、ステージの表面形状を変更することは現実的に困難である。そのため、ウェハの温度分布のバラツキを解消することも困難であった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、ウェハの温度分布のバラツキをなくし、均一に酸化を進行させることが可能な酸化装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る酸化装置は、内部を気密にすることが可能なチャンバと、該チャンバの内部にて、酸化対象となるウェハを載置するステージと、酸化ガスを前記チャンバ内へ供給する酸化ガス供給部とを備える酸化装置において、前記酸化ガスは真空雰囲気中で加熱することにより気化した水蒸気ガスであり、前記酸化ガス供給部は、前記水蒸気ガスを、内部を真空雰囲気とした前記チャンバ内へ流量制御して供給することを特徴とする。

上記構成では、真空雰囲気中で加熱することにより気化した水蒸気ガスを、酸化ガスとしてチャンバ内に供給するので、窒素ガスのような不活性ガスをキャリアとして水蒸気ガスを吹き付ける従来の方法と比較して、不活性ガスが存在しない分だけガスの拡散効率が高く、ステージを回転等させることなくウェハに均一に酸化ガスを供給することができる。また、酸化ガスを強く吹き付けることがないので、ウェハの温度低下の発生、それに伴う温度分布のバラツキの発生等を抑制することができ、ウェハの酸化の進行度合いを均一化することにより、品質を高いレベルで安定させることが可能となる。

また、本発明に係る酸化装置は、前記ステージは、前記ウェハを加熱するための加熱手段と、前記ウェハの周縁部分の３点において前記ウェハを支持する支持部材とを備えることが好ましい。

上記構成では、ウェハの周縁部分の３点において、支持部材によりウェハを支持するので、ステージとウェハとの接触面積を最小にすることができ、熱伝導によりステージを介して逃げる熱量を最小限に止めることができる。また、真空雰囲気中であるので、酸化ガスを介した熱伝導も小さいことから、ステージとウェハとの間は輻射熱が支配的であり、ウェハの反りに起因するウェハの表面における温度分布のバラツキの発生等を抑制することができ、ウェハの酸化の進行度合いを均一化することにより、品質を高いレベルで安定させることが可能となる。

また、本発明に係る酸化装置は、前記チャンバの天面に前記ウェハを観察する観察窓を設けてあり、該観察窓の上方に、前記ウェハの酸化の進行度合いを確認する赤外線顕微鏡を備えることが好ましい。

上記構成では、チャンバ内が真空雰囲気であるため、酸化ガスの対流が生じず、天面に備えた観察窓から熱が逃げにくい。したがって、ステージに載置されているウェハの表面における温度分布のバラツキを回避することができる。また、酸化の進行時と進行度合いの観察時とでステージと観察窓との距離を変更するためにステージを上下動させる機構等を備える必要もなく、全体として製造コストの低減を図ることが可能となる。

上記構成によれば、真空雰囲気中で加熱することにより気化した水蒸気ガスを、酸化ガスとしてチャンバ内に供給するので、窒素ガスのような不活性ガスをキャリアとして水蒸気ガスを吹き付ける従来の方法と比較して、不活性ガスが存在しない分だけガスの拡散効率が高く、ステージを回転等させることなくウェハに均一に酸化ガスを供給することができる。また、酸化ガスを強く吹き付けることがないので、ウェハの温度低下の発生、それに伴う温度分布のバラツキの発生等を抑制することができ、ウェハの酸化の進行度合いを均一化することにより、品質を高いレベルで安定させることが可能となる。

従来の酸化装置の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る酸化装置の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る酸化装置のウェハの構成を示す二面図である。 本発明の実施の形態に係る酸化装置のウェハの別の構成を示す模式平面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る酸化装置について、図面に基づいて具体的に説明する。

まず比較のために、従来の酸化装置の構成について説明する。図１は従来の酸化装置の構成を示す模式図である。図１に示すように従来の酸化装置は、チャンバ１と、チャンバ１内に、酸化対象となるウェハ１０を載置するステージ２とを備えている。ステージ２は、ウェハ１０を載置する部分にヒータ等の加熱手段（図示せず）を組み込んでも良い。また、ステージ２は、駆動装置３により上下動及び回転することが可能となっている。

ステージ２の上方には、環状のパイプ４が設けてあり、環状のパイプ４の下側には、略一定間隔で酸化ガスを吹き付ける複数の噴出口４１が設けられている。環状のパイプ４は、酸化ガス供給管５と連結されている。

環状のパイプ４へ酸化ガスを供給する酸化ガス供給管５には、窒素ガスと水蒸気ガスとの混合ガスが酸化ガスとして供給される。まず、混合ガス気化器６に、純水（Ｈ₂ Ｏ）と窒素ガス（Ｎ₂ ）とが供給される。混合ガス気化器６は、供給された純水と窒素ガスとを真空雰囲気中で一定温度に加熱し、水蒸気ガスと窒素ガスとの混合ガスとするとともに、該混合ガスを流量を調整して酸化ガス供給管５へと送り出す。水蒸気ガスが液化しないように、酸化ガス供給管５の経路上にはヒータ７が設けられている。

チャンバ１の内部は、不活性ガスで充満させておくことが好ましい。チャンバ１は、窒素ガスの供給口１１と排気口１２とを備えており、内部を不活性ガスである窒素ガスで充満させてある。

チャンバ１の天面には、観察窓１３が設けられており、チャンバ１の内部のウェハ１０を観察することができる。ウェハ１０の酸化の進行度合いを確認するべく、観察窓１３の上方に赤外線顕微鏡８を備えている。また、従来の酸化装置では、駆動装置３によりステージ２を上方へと移動させ、ステージ２に載置されているウェハ１０を観察窓１３へ近づけ、観察窓１３から赤外線顕微鏡８を介して、酸化の進行度合いを確認していた。

しかし、図１に示す従来の酸化装置では、環状のパイプ４の複数の噴出口４１から酸化ガスを吹き付けるので、酸化ガスの流れによって位置に応じてガス濃度にバラツキが生じる。加えて、酸化ガスを吹き付けることによる冷却作用も生じるため、酸化の進行度合いにもバラツキが生じ、均一に電流狭窄層を形成することが困難であった。

また、ウェハ１０には反りが発生しやすく、ステージ２とウェハ１０との隙間を一定にすることが困難である。そこで、本実施の形態に係る酸化装置は、チャンバ１内を真空状態とし、水蒸気ガスのみを酸化ガスとして供給する。図２は、本発明の実施の形態に係る酸化装置の構成を示す模式図である。比較が容易となるように、従来と同一の機能を有する構成要素については同一の符号を付している。

図２に示すように、本発明の実施の形態に係る酸化装置は、内部を気密にすることが可能なチャンバ１と、チャンバ１内に、酸化対象となるウェハ１０を載置するステージ２とを備えている。ステージ２には、ヒータ等の加熱手段が設けられている。本実施の形態に係る酸化装置は、酸化の進行度合いを確認する場合に、ステージ２に載置されているウェハ１０を観察窓１３へ近づける必要がないので、従来のように、駆動装置３を必要としない。ステージ２は、固定部材２９によりチャンバ１内に固定されている。

チャンバ１の壁面には、酸化ガス供給管５が設けられている。ポンプ２６による真空引きによりチャンバ１内を真空状態とした後、チャンバ１内へ水蒸気ガスを酸化ガスとして供給口５１から供給する。

酸化ガス供給部２０は、少なくとも酸化ガス供給管５、ポンプ２６、バルブ２１ａ〜２１ｄ、純水槽２２、リボンヒータ２３、２４、コントローラ２５で構成されている。酸化ガス供給部２０の酸化ガス供給管５の供給口５１からチャンバ１内へ、以下の手順で水蒸気ガスが酸化ガスとして供給される。

まず、バルブ２１ｂを開いて、ポンプ２６で管内部の空気を吸い込むことにより、純水槽２２内を真空状態とする。そして、リボンヒータ２３により純水槽２２に貯留されている純水を加熱して水蒸気ガスを発生させる。

次に、バルブ２１ｂを閉じて、バルブ２１ａを開くことにより、チャンバ１内を真空状態とする。そして、ヒータ等によりウェハ１０を所定の温度まで加熱した後、バルブ２１ｃ、２１ｄを開くことにより水蒸気ガスはチャンバ１内へと誘導される。

上述した各バルブの開閉を、手順ごとに（表１）にまとめて示す。なお、（表１）では、純水加熱開始時にバルブ２１ｂが「閉」となっているが、これは、純水槽２２内がひとたび真空状態になっていれば、純水加熱開始時にバルブ２１ｂは閉じておいても良いからである。

水蒸気ガスの流量は、コントローラ２５により調整される。また、復水（水蒸気ガスの液化）を防止するために、要所にリボンヒータ２４を設けておくことが望ましい。

チャンバ１内へ誘導された水蒸気ガスによって、ウェハ１０は周囲から酸化する。チャンバ１内は真空状態となっているので、対流による熱移動は起こりにくい。ステージ２とウェハ１０との隙間を数ｍｍ前後に維持することで、対流による熱移動はより小さくなる。結果として、輻射による熱移動が大半を占めるので、ステージ２の表面の温度分布、ウェハ１０の反り、ステージ２の表面の平面度等に依存することなく、ウェハ１０の表面における温度分布を容易に均一化することが可能となる。

また、対流による熱移動はほとんど起こらないので、ステージ２と観察窓１３とを近づけた場合であっても、ウェハ１０の温度分布のバラツキが生じることはない。また、チャンバ１内は真空状態となっているので、酸化ガスの対流が生じることはなく、ウェハ１０の熱が観察窓１３から逃げる可能性も少ない。つまり、ウェハ１０を観察窓１３に近づけて配置しても良いので、酸化処理中であっても、ウェハ１０の酸化の進行度合いを観察窓１３から赤外線顕微鏡８を介して確認することができる。また、ステージ２を上下動させる機構等を備える必要がないので、コストダウンを図ることができるとともに、全体として酸化時間を短縮することも可能となる。

なお、本実施の形態に係る酸化装置のステージ２は、ウェハ１０の外周部分の３点においてウェハ１０を支持する支持部材を備えることが好ましい。ウェハ１０を３点で支持することにより、ステージ２とウェハ１０との接触面積を最小にすることができる。これにより、ウェハ１０の加熱は、ステージ２とウェハ１０との接触による熱伝導よりも、ステージ２からウェハ１０への輻射による熱移動が支配的になる。その結果、ウェハ１０の温度分布を均一にでき、安定した酸化の進行を担保することができる。

図３は、本発明の実施の形態に係る酸化装置のウェハ１０の構成を示す二面図である。図３（ａ）は、ステージ２に載置したウェハ１０を示す平面図を、図３（ｂ）は、ステージ２に載置したウェハ１０を示す正面図を、それぞれ示している。

図３に示すように、ウェハ１０は、周縁部分の３点においてウェハ１０を支持する３つの支持部材３０を備えている。ウェハ１０の平面形状が円形であることから、３つの支持部材３０は周縁部分に等角度間隔で、すなわち３つの支持部材３０のなす中心角がそれぞれ１２０度となるように設けることが好ましい。支持部材３０を等角度間隔で設けることにより、ウェハ１０を安定して支持することができるからである。

また、ウェハ１０に反りが生じている場合であっても、反りが生じている部分と反りが生じていない部分とでウェハ１０の表面における温度分布にバラツキが生じない。したがって、ウェハ１０に生じた反りによってウェハ１０の表面における温度分布にバラツキが生じず、均一に酸化を進行させることが可能となる。

以上のように本実施の形態によれば、真空雰囲気中で加熱することにより気化した水蒸気ガスを、酸化ガスとしてチャンバ１内に供給するので、窒素ガスのような不活性ガスをキャリアとして水蒸気ガスを吹き付ける従来の方法と比較して、不活性ガスが存在しない分だけガスの拡散効率が高く、ステージ２を回転等させることなくウェハ１０に均一に酸化ガスを供給することができる。また、酸化ガスを強く吹き付ける必要もないので、ウェハ１０の温度低下の発生、それに伴う温度分布のバラツキの発生等を抑制することができ、ウェハ１０の酸化の進行度合いを均一化することにより、品質を高いレベルで安定させることが可能となる。

なお、上述した実施の形態は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することができることは言うまでもない。例えば、ウェハ１０を支持する３つの支持部材３０を等角度間隔で設けることに限定されるものではない。図４は、本発明の実施の形態に係る酸化装置のウェハ１０の別の構成を示す模式平面図である。

図４（ａ）に示すように、３つの支持部材３０のなす中心角を、あえて１２０度以外の角度になるように配置しても良い。また、支持部材３０は、３つに限定されるものではなく、４つ、あるいはそれ以上備えていても良い。図４（ｂ）に示すように、ウェハ１０は４つの支持部材３０を備えている。より多くの支持部材３０を備えることにより、ウェハ１０をより安定して支持することができる。

１ チャンバ
２ ステージ
８ 赤外線顕微鏡
１０ ウェハ
１３ 観察窓
２０ 酸化ガス供給部
３０ 支持部材
５１ 供給口

Claims (3)

1. 内部を気密にすることが可能なチャンバと、
   該チャンバの内部にて、酸化対象となるウェハを載置するステージと、
   酸化ガスを前記チャンバ内へ供給する酸化ガス供給部と
   を備える酸化装置において、
   前記酸化ガスは真空雰囲気中で加熱することにより気化した水蒸気ガスであり、
   前記酸化ガス供給部は、前記水蒸気ガスを、内部を真空雰囲気とした前記チャンバ内へ流量制御して供給することを特徴とする酸化装置。
2. 前記ステージは、
   前記ウェハを加熱するための加熱手段と、
   前記ウェハの周縁部分の３点において前記ウェハを支持する支持部材と
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の酸化装置。
3. 前記チャンバの天面に前記ウェハを観察する観察窓を設けてあり、
   該観察窓の上方に、前記ウェハの酸化の進行度合いを確認する赤外線顕微鏡を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の酸化装置。

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