KR20160143631A - 성막장치 - Google Patents

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KR20160143631A
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heater
film forming
forming apparatus
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KR1020160165549A
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마코토 타카다
타카시 나기라
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 열분해된 재료 가스의 밀도를 유지할 수 있는 성막장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 윗면에서 웨이퍼를 유지하는 제1부분과, 상기 제1부분에 연결되는 제2부분을 갖는 서셉터와, 상기 서셉터의 윗쪽에 재료 가스를 공급하는 가스 공급부와, 상기 제1부분을 가열하는 제1히터와, 상기 제2부분을 가열하는 제2히터와, 상기 제1히터와 상기 제2히터의 온도를 제어하는 온도 제어장치를 구비하고, 상기 온도 제어장치는, 상기 웨이퍼에의 성막중에, 상기 제1히터의 온도를 유지하면서, 상기 제2히터의 온도를 증가시킴으로써, 상기 서셉터의 윗쪽의 온도를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 한다.

Description

성막장치{FILM FORMING APPARATUS}
본 발명은, 예를 들면 반도체 디바이스의 제조 등에 사용되는 성막장치에 관한 것이다.
특허문헌 1에는, 재료 가스를 반응로에 도입해서 웨이퍼(피처리물)에 성막하기 위한 성막장치가 개시되어 있다. 이 성막장치는, 원하는 막두께의 박막을 얻기 위해, 웨이퍼의 온도를 측정하고 그 측정 결과를 성막 조건에 반영시키는 것이다.
일본국 특개 2004-165454호 공보
반응로 내에서 웨이퍼에 성막하면 서셉터에도 성장물이 퇴적한다. 서셉터에 퇴적한 퇴적물은, 서셉터로부터 서셉터의 윗쪽으로 전해지는 열량을 저하시킨다. 이에 따라 서셉터 윗쪽의 온도가 저하하면, 열분해된 재료 가스(이후, 분해 가스라고 한다)의 밀도가 저하하므로, 성장 막의 품질이 경시 변화하는 문제가 있었다.
본 발명은, 전술한 것과 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 열분해된 재료 가스의 밀도를 유지할 수 있는 성막장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본원의 발명에 관한 성막장치는, 윗면에서 웨이퍼를 유지하는 제1부분과, 상기 제1부분에 연결되는 제2부분을 갖는 서셉터와, 상기 서셉터의 윗쪽에 재료 가스를 공급하는 가스 공급부와, 상기 제1부분을 가열하는 제1히터와, 상기 제2부분을 가열하는 제2히터와, 상기 제1히터와 상기 제2히터의 온도를 제어하는 온도 제어장치를 구비하고, 상기 온도 제어장치는, 상기 웨이퍼에의 성막중에, 상기 제1히터의 온도를 유지하면서, 상기 제2히터의 온도를 증가시킴으로써, 상기 서셉터의 윗쪽의 온도를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 한다.
본원의 발명에 관한 다른 성막장치는, 윗면에서 웨이퍼를 유지하는 제1부분과, 상기 제1부분에 연결되는 제2부분을 갖는 서셉터와, 상기 서셉터의 윗쪽에 재료 가스를 공급하는 가스 공급부와, 상기 제1부분을 가열하는 제1히터와, 상기 제2부분을 가열하는 제2히터와, 상기 제1히터와 상기 제2히터의 온도를 제어하는 온도 제어장치와, 상기 서셉터의 윗면의 온도를 측정하는 온도계를 구비하고, 상기 온도 제어장치는, 상기 웨이퍼에의 성막중에, 상기 제1히터의 온도를 유지하면서, 상기 온도계의 측정 온도가 저하할 때마다 상기 제2히터의 온도를 증가시킴으로써, 상기 서셉터의 윗면의 온도를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 한다.
본원의 발명에 관한 다른 성막장치는, 윗면에서 웨이퍼를 유지하는 서셉터와, 상기 서셉터를 가열하는 히터와, 상기 서셉터의 윗면의 온도를 측정하는 온도계와, 상기 서셉터의 윗쪽에 재료 가스를 공급하는 가스 공급부와, 상기 가스 공급부에의 가스 공급량을 조정하는 매스 플로우 콘트롤러(mass flow controller)와, 상기 매스 플로우 콘트롤러를 제어하는 가스 유량 설정부를 구비하고, 상기 가스 유량 설정부는, 상기 온도계의 온도가 저하함에 따라, 상기 가스 공급부에의 가스 공급량을 증가시키도록 상기 매스 플로우 콘트롤러를 제어하여, 상기 서셉터 위에서 열분해된 상기 재료 가스의 밀도를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 서셉터 윗쪽의 온도를 유지하거나, 재료 가스의 공급량을 증가시킴으로써, 열분해된 재료 가스의 밀도를 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 관한 성막장치의 단면도다.
도 2는 서셉터에 퇴적한 퇴적물을 나타낸 단면도다.
도 3은 제2히터의 온도 등을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시형태 2에 관한 성막장치의 단면도다.
도 5는 제2히터의 온도 등을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시형태 3에 관한 성막장치의 단면도다.
본 발명의 실시형태에 관한 성막장치에 대해서 도면을 참조해서 설명한다. 동일 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 부호를 붙이고, 설명의 반복을 생략하는 경우가 있다.
실시형태 1.
도 1은, 본 발명의 실시형태 1에 관한 성막장치(10)의 단면도다. 성막장치(10)는 반응로(12)를 구비하고 있다. 반응로(12)의 내부 구성에 대해 설명한다. 반응로(12)의 내부에는 지지대(14)로 지지된 서셉터(16)가 설치되어 있다 서셉터(16)는, 윗면에서 웨이퍼를 유지하는 제1부분(16a)과, 제1부분(16a)에 연결되는 제2부분(16b)을 갖고 있다. 제1부분(16a)은 서셉터(16)의 외주 부분이고, 제2부분(16b)은 서셉터(16)의 중앙 부분으로 되고 있다.
제1부분(16a)에는 구덩이가 형성되어 있다. 이 구덩이에는 새틀라이트 디스크(20)를 개재하여 웨이퍼(22)가 설치되어 있다. 따라서, 제1부분(16a)은 새틀라이트 디스크(20)를 개재하여 웨이퍼(22)를 유지하고 있다. 이때, 새틀라이트 디스크(20)는 그 자체가 회전함으로써 균일한 성막을 실현하기 위해서 설정되는 것이지만, 본 발명의 성막장치에서는 생략해도 된다.
제1부분(16a)의 바로 아래에는 제1부분(16a)을 가열하는 제1히터(30)가 설치되어 있다. 제1히터(30)는 평면에서 볼 때 예를 들면 동심원 형상 또는 나선 형상으로 일체로 형성되어 있다. 제2부분(16b)의 바로 아래에는 제2부분(16b)을 가열하는 제2히터(32)가 설치되어 있다. 제2히터(32)는 평면에서 볼 때 예를 들면 동심원 형상 또는 나선 형상으로 일체로 형성되어 있다.
제1히터(30)와 제2히터(32)에는 온도 제어장치(34)가 접속되어 있다. 온도 제어장치(34)는 제1히터(30)와 제2히터(32)의 온도를 개별적으로 제어하는 것이다. 이때, 온도 제어장치(34)는 반응로(12)의 내부에 설치해도 된다.
반응로(12)의 윗면에는 가스 공급부(40)가 설치되어 있다 가스 공급부(40)는, 반응로(12)의 외부로부터 서셉터(16)의 윗쪽에 재료 가스를 공급하는 부분이다. 공급된 재료 가스는 서셉터(16)의 외주 방향을 향해서 흘러, 배기구(42)로부터 배기된다.
성막장치(10)를 사용한 성막방법에 대해 설명한다. 여기에서는, 일례로서 III족 원소인 Ga와 V족 원소인 As 및 P에 의해 GaAsP을 성막한다. 제1히터(30)와 제2히터(32)를 가열한 상태에서, 가스 공급부(40)로부터 Ga의 재료 가스와 As의 재료 가스인 AsH3와 P의 재료 가스인 PH3을 반응로(12) 내부에 공급한다. 이들 재료 가스는 서셉터(16)로부터의 열에 의해 서셉터(16)의 윗쪽에서 분해되어, 분해 가스가 웨이퍼(22)에 GaAs(y)P(1-y)를 에피택셜 성장시킨다. 여기에서, y는 0보다 크고 1보다 작은 값이다.
도 2는, 서셉터(16)에 퇴적물(50)이 퇴적한 성막장치(10)의 단면도다. 퇴적물(50)의 생성에 따라, 분해 가스의 밀도 저하가 염려된다. 따라서, 본 발명의 실시형태 1에서는, 도 3에 나타낸 것과 같이 제1히터(30)와 제2히터(32)의 온도를 제어한다. 즉, 온도 제어장치(34)는, 웨이퍼(22)에의 성막중에, 제1히터(30)의 온도를 유지하면서, 제2히터(32)의 온도를 증가시킨다. 제2히터(32)의 온도 증가 속도는, 서셉터(16)의 윗쪽의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 정한다. 구체적으로는, 실험 데이터 또는 시뮬레이션 등으로부터 퇴적물(50)이 서셉터(16)의 윗쪽의 온도에 미치는 영향을 추정하여, 제2히터(32)의 온도 증가 속도를 결정한다.
웨이퍼(22)에의 성막중에는, 서셉터(16)에 있어서 퇴적물의 양이 증가하지만, 제1히터(30)의 온도를 유지하면서, 제2히터(32)의 온도를 증가시킴으로써, 서셉터(16) 윗쪽의 온도를 일정하게 유지할 수 있다. 따라서, 분해 가스의 밀도가 경시 변화하는 것을 방지할 수 있으므로, 성장 막의 품질을 안정화시킬 수 있다.
더구나, 웨이퍼(22)의 온도에의 기여가 큰 제1히터(30)의 온도를 유지함으로써 웨이퍼(22)의 온도를 대략 일정하게 할 수 있다. 그리고, 웨이퍼(22)의 온도에의 기여가 작은 제2히터(32)의 온도를 상승시킴으로써, 웨이퍼(22)의 온도를 유지하면서, 제2부분(16b)의 온도를 상승시킬 수 있다.
상기한 것과 같이, 성막장치(10)를 사용한 성막방법은 서셉터(16)에의 퇴적물의 증가를 전제로 분해 가스의 밀도를 유지하는 것이기 때문에, 성막처리가 행해질 때마다 서셉터를 교환하거나 서셉터에 퇴적한 퇴적물을 제거할 필요가 없다. 따라서 서셉터 교환 또는 퇴적물 제거에 따른 생산성의 저하와 코스트 증가의 문제를 해소할 수 있다.
가스 공급부(40)로부터 반응로(12)의 내부에 공급하는 재료 가스의 종류는, 열분해되는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 제1히터(30)를 제1부분(16a)에 매립하고, 제2히터(32)를 제2부분(16b)에 매립해도 된다. 그 이외, 본 발명의 특징을 잃어버리지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능하다. 이때, 이들 변형은 이하의 실시형태에 관한 성막장치에 응용할 수 있다.
이하의 실시형태에 관한 성막장치에 대해서는, 실시형태 1에 관한 성막장치(10)와의 차이점을 중심으로 설명한다.
실시형태 2.
도 4는, 본 발명의 실시형태 2에 관한 성막장치(100)의 단면도다. 반응로(12)의 윗면에는 개구(12a)가 설치되어 있다 이 개구(12a)는, 예를 들면 글래스 등의 빛에 대하여 투명한 투명 재료(102)로 막혀 있다. 반응로(12)의 밖에는, 투명 재료(102)를 개재하여 서셉터(16)의 윗면의 온도를 측정하는 온도계(104)가 설치되어 있다. 온도계(104)는, 제2부분(16b)의 윗면의 온도를 측정하는 방사 온도계다.
온도 제어장치(106)는 온도계(104)와 접속되어 있다. 온도 제어장치(106)는, 웨이퍼(22)에의 성막중에, 제1히터(30)의 온도를 유지하면서, 온도계(104)의 측정 온도가 저하할 때마다 제2히터(32)의 온도를 증가시킨다. 도 5는, 온도계(104)의 온도 변화와 제2히터(32)의 온도 변화 등을 도시한 도면이다. 도 5에 나타낸 것과 같이, 서셉터 위의 퇴적물의 양의 증가에 따라 온도계(104)의 온도가 저하하면, 온도 제어장치(106)가 제2히터(32)의 온도를 상승시킨다. 이에 따라, 서셉터(16)의 윗면의 온도를 일정하게 유지한다. 이때, 이 제어는 자동이면서 실시간으로 행하는 것이 바람직하다.
본 발명은 서셉터(16) 윗쪽의 온도를 일정하게 유지하는 것이 목적이므로, 온도계(104)에 의해 온도측정할 장소는, 서셉터(16) 중 가장 서셉터(16) 윗쪽의 온도에 기여하는 부분인 것이 바람직하다. 성막장치(100)에서 가장 서셉터(16) 윗쪽의 온도에 기여하는 부분은 제2부분(16b)이기 때문에, 온도계(104)에 의해 제2부분(16b)의 온도를 측정하였다. 그렇지만, 서셉터(16) 윗쪽의 온도를 일정하게 유지할 수 있으면, 제1부분(16a)의 온도를 측정해도 된다.
실시형태 3.
도 6은, 본 발명의 실시형태 3에 관한 성막장치(150)의 단면도다. 실시형태 1 및 2의 성막장치는 서셉터 윗쪽의 온도를 유지함으로써 분해 가스의 밀도를 일정하게 유지하는 것이었지만, 성막장치 150은 가스 공급량을 증가시킴으로써 분해 가스의 밀도를 일정하게 유지하는 것이다.
성막장치(150)는 윗면에서 웨이퍼(22)를 유지하는 서셉터(16)를 구비하고 있다. 서셉터(16)를 가열하기 위해서 서셉터(16)의 바로 아래에 히터(151)가 설치되어 있다. 온도계(104)에는 가스 유량 설정부(152)가 접속되어 있다. 가스 유량 설정부(152)는, 가스 공급부(40)에의 가스 공급량을 조정하는 매스 플로우 콘트롤러(160, 162)에 접속되어 있다. 가스 유량 설정부(152)는, 매스 플로우 콘트롤러(160, 162)를 제어한다.
가스 유량 설정부(152)는, 온도계(104)에서 측정한 온도를 표시하는 온도 표시부(154)를 구비하고 있다. 가스 유량 설정부(152)는, 미리 설정된 성막 프로세스를 실현하도록 각 재료 가스의 공급량을 지령하는 지령부(156)를 구비하고 있다. 그리고, 온도 표시부(154)와 지령부(156)는 조정부(158)에 접속되어 있다. 조정부(158)는, 서셉터 온도가 기준 온도(미리 정한 온도)일 때의 서셉터 윗쪽에 있어서의 각 재료 가스의 열분해율의 데이터를 갖고 있다. 조정부(158)는, 이 데이터와, 온도계(104)에서 측정한 온도에 있어서의 서셉터 윗쪽의 각 재료 가스의 열분해율의 차이를 연산한다. 그리고 이 열분해율의 차이에 근거하여, 분해 가스의 밀도가 기준값(미리 정한 값)으로 되도록 매스 플로우 콘트롤러(160, 162)에 신호를 보낸다.
서셉터(16)에의 퇴적물의 증가에 따라 온도계(104)의 온도는 저하되어 가므로, 가스 유량 설정부(152)는, 온도계(104)의 온도가 저하함에 따라, 가스 공급부(40)에의 가스 공급량을 증가시키도록 매스 플로우 콘트롤러(160, 162)를 제어한다. 그리고, 가스 공급량의 증가 분은, 서셉터(16) 위에서 열분해된 재료 가스의 밀도를 일정하게 유지할 수 있도록 정해진다. 따라서, 성막장치(150)에 따르면, 서셉터(16)에의 퇴적물이 서셉터(16) 윗쪽의 온도를 저하시켜도, 분해 가스의 밀도를 유지할 수 있다.
가스 유량 설정부(152)는, 분해 가스의 밀도를 유지하도록 재료 가스 공급량을 증가시키는 것이면, 다른 구성으로 해도 된다. 이때, 지금까지 설명한 각 실시형태에 관한 성막장치의 특징은 적절히 조합하여 사용해도 된다.
10 성막장치, 12 반응로, 12a 개구, 16 서셉터, 16a 제1부분, 16b 제2부분, 20 새틀라이트 디스크, 22 웨이퍼, 30 제1히터, 32 제2히터, 34 온도 제어장치, 40 가스 공급부, 42 배기구, 50 퇴적물, 100 성막장치, 102 투명 재료, 104 온도계, 150 성막장치, 151 히터, 152 가스 유량 설정부, 154 온도 표시부, 156 지령부, 158 조정부, 160, 162 매스 플로우 콘트롤러

Claims (1)

  1. 윗면에서 웨이퍼를 유지하는 서셉터와,
    상기 서셉터를 가열하는 히터와,
    상기 서셉터의 윗면의 온도를 측정하는 온도계와,
    상기 서셉터의 윗쪽에 재료 가스를 공급하는 가스 공급부와,
    상기 가스 공급부에의 가스 공급량을 조정하는 매스 플로우 콘트롤러와,
    상기 매스 플로우 콘트롤러를 제어하는 가스 유량 설정부를 구비하고,
    상기 가스 유량 설정부는, 상기 온도계의 온도가 저하함에 따라, 상기 가스 공급부에의 가스 공급량을 증가시키도록 상기 매스 플로우 콘트롤러를 제어하여, 상기 서셉터 위에서 열분해된 상기 재료 가스의 밀도를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 성막장치.
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