JP6208063B2 - 成膜装置、成膜方法及びリフレクタユニット - Google Patents

Description

本発明は、成膜装置、成膜方法及びリフレクタユニットに関する。

従来から、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)等のパワーデバイスのように、比較的膜厚の大きい結晶膜を必要とする半導体素子の製造工程では、ウェーハ等の基板に単結晶薄膜を気相成長させて成膜するエピタキシャル成長技術が利用される。

エピタキシャル成長技術に使用される成膜装置では、常圧または減圧に保持された成膜室の内部に、例えば、ウェーハを載置する。そして、このウェーハを加熱しながら成膜室内に、成膜のための原料となるガス（以下、単に原料ガスとも言う。）を供給する。すると、ウェーハの表面で原料ガスの熱分解反応および水素還元反応が起こり、ウェーハ上にエピタキシャル膜が成膜される。

膜厚の大きなエピタキシャルウェーハを高い歩留まりで製造するには、均一に加熱されたウェーハの表面に新たな原料ガスを次々に接触させて、気相成長の速度を向上させる必要がある。そこで、ウェーハを高速で回転させながらエピタキシャル成長させることが行われている（例えば、特許文献１参照）。

従来の成膜装置では、熱効率を上げるために、成膜室の上部にドーナツ形状（円環状）のリフレクタを設け、熱源からの輻射を反射するように構成されている。このリフレクタの材料には例えばＳｉＣが被覆されたカーボンが用いられている。しかし、成膜室の昇温に伴い、リフレクタの径方向に温度分布が発生し、熱応力によりリフレクタが破損するという問題があった。

特開平５−１５２２０７号公報

本発明は、熱応力による破損を防止したリフレクタを備える成膜装置、リフレクタユニット、及びこのような成膜装置を用いた成膜方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様による成膜装置は、基板上に成膜を行う成膜室と、前記基板を下方から加熱するヒータと、前記成膜室の上部に設けられる第１リフレクタユニットと、前記成膜室にプロセスガスを供給するガス供給部と、を備え、前記第１リフレクタユニットは、円環状の第１リフレクタを有し、前記第１リフレクタには内周部から外周部にわたって第１スリットが設けられ、前記第１リフレクタは前記第１スリットを介した一方の端面から他方の端面まで分離することなく連続していることを特徴とする。

本発明の一態様による成膜方法は、上部にリフレクタユニットが設けられた成膜室内にＳｉＣ基板を搬入し、前記リフレクタユニットより上方の位置からシランガスを含むプロセスガスを取り込み、前記リフレクタユニットを貫通するガス流路を介して、前記リフレクタの下方領域に前記プロセスガスを供給して、前記ＳｉＣ基板上への成膜を行う成膜方法であって、前記リフレクタユニットは、円環状のリフレクタを有し、前記リフレクタには内周部から外周部にわたってスリットが設けられ、前記リフレクタは前記スリットを介した一方の端面から他方の端面まで分離することなく連続しており、前記ＳｉＣ基板への成膜時は、前記成膜室のうち、前記リフレクタユニットの下方領域を第１所定温度にし、前記リフレクタユニットの上方領域を前記第１所定温度より低い第２所定温度にすることを特徴とする。

本発明の一態様によるリフレクタユニットは、基板上に成膜を行う成膜室の上部に設けられ、前記成膜室内のヒータからの熱を反射するリフレクタユニットであって、円環状をなし、内周部から外周部にわたって第１スリットが設けられ、前記第１スリットを介した一方の端面から他方の端面まで分離することなく連続している第１リフレクタと、円環状をなし、内周部から外周部にわたって第２スリットが設けられ、前記第２スリットを介した一方の端面から他方の端面まで分離することなく連続している第２リフレクタと、を備え、前記第２リフレクタは、前記第２スリットの位置を前記第１スリットの位置からずらして、前記第１リフレクタ上に積層されていることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、リフレクタが熱応力により破損することを防止できる。

本発明の実施形態による成膜装置の概略構成図。 本発明の実施形態によるリフレクタの概略構成図。 本発明の実施形態によるリフレクタユニットの概略構成図。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態による成膜装置の概略構成図である。成膜処理の対象である試料として、ＳｉＣからなる基板１０１が用いられる。図１では、サセプタ１０２に基板１０１を載置した状態を示している。そして、サセプタ１０２上に載置された基板１０１上に、ＳｉＣエピタキシャル膜を形成するための原料となる複数種類のガス（プロセスガス）を供給し、基板１０１上で気相成長反応させて成膜を行う。

成膜装置１００は、基板１０１上で気相成長をさせてＳｉＣエピタキシャル膜の成膜を行う成膜室として、チャンバ１０３を有する。

チャンバ１０３の内部において、サセプタ１０２が、回転部１０４の上方に設けられている。サセプタ１０２は、開口部を有して構成されたリング状の形状を有する。そして、サセプタ１０２は、サセプタ１０２の内周側に座ぐりが設けられ、この座ぐり内に基板１０１の外周部を受け入れて支持する構造を有する。また、サセプタ１０２は、高温下にさらされることから、例えば、等方性黒鉛の表面にＣＶＤ法によって高耐熱な高純度のＳｉＣを被覆して構成される。

なお、サセプタ１０２の構造は、図１に示すものに限定されない。例えば、その開口部を塞ぐ部材を設けてサセプタを構成することが可能である。

回転部１０４は、円筒部１０４ａと回転軸１０４ｂを有している。回転部１０４では、円筒部１０４ａの上部でサセプタ１０２を支持している。そして、回転軸１０４ｂが図示しないモータによって回転することにより、円筒部１０４ａを介してサセプタ１０２が回転する。こうして、サセプタ１０２の上に基板１０１が載置された場合、その基板１０１を回転させることができる。

図１において、円筒部１０４ａは、上部が開口する構造を有し、上部が解放された構造である。円筒部１０４ａ内には、ヒータ（主ヒータ）１２０が設けられている。ヒータ１２０には抵抗加熱ヒータを用いることが可能であり、例えば不純物がドープされたカーボン（Ｃ）材で構成される。ヒータ１２０は、回転軸１０４ｂ内に設けられた略円筒状の石英製のシャフト１０８の内部を通る配線（図示せず）によって給電され、基板１０１をその裏面から加熱する。

また、円筒部１０４ａ内には、ヒータ１２０による加熱を効率的に行うために、ヒータ１２０の下方にリフレクタ１１０が設けられている。リフレクタ１１０は、カーボン、ＳｉＣ、又はＳｉＣを被覆したカーボンなどの耐熱性の高い材料を用いて構成される。また、リフレクタ１１０の下方には断熱材１１１が設けられており、ヒータ１２０からの熱がシャフト１０８等に伝わることを防止することができ、加熱時のヒータ電力を抑制することもできる。

シャフト１０８の内部には、基板昇降手段として昇降ピン１１２が配置されている。昇降ピン１１２の下端は、シャフト１０８の下部に設けられた図示されない昇降装置まで伸びている。そして、その昇降装置を動作させて昇降ピン１１２を上昇または下降させることができる。この昇降ピン１１２は、基板１０１のチャンバ１０３内への搬入とチャンバ１０３外への搬出の時に使用される。昇降ピン１１２は基板１０１を下方から支持し、持ち上げてサセプタ１０２から引き離す。そして、基板１０１の搬送用ロボット（図示されない）との間で基板１０１の受け渡しができるように、基板１０１を回転部１０４上のサセプタ１０２から離れた上方の所定の位置に配置するように動作する。

チャンバ１０３の下部には、ガスを排気するためのガス排気部１２５が設けられている。ガス排気部１２５は、調整バルブ１２６および真空ポンプ１２７からなる排気機構１２８に接続している。排気機構１２８は、図示しない制御機構により制御されてチャンバ１０３内を所定の圧力に調整する。

また、チャンバ１０３内には、成膜処理が行われる成膜領域１０３ｂと、チャンバ１０３の側壁（内壁）１０３ａとを仕切る円筒型のライナ１３０が設けられている。ライナ１３０は、カーボン又はＳｉＣを被覆したカーボンなどの耐熱性の高い材料を用いて構成される。

ライナ１３０と側壁１０３ａとの間には、基板１０１を上方から加熱する補助ヒータ１３１が設けられている。補助ヒータ１３１は例えば抵抗加熱型のヒータである。また、補助ヒータ１３１と側壁１０３ａとの間には断熱材１３２が設けられており、補助ヒータ１３１からの熱がチャンバ１０３に伝わることを防止する。このことにより、加熱時のヒータ電力を抑制することができる。

成膜装置１００のチャンバ１０３の上部には、熱効率を上げるために、ヒータ１２０や補助ヒータ１３１からの輻射を反射するリフレクタユニットＲＵ１、ＲＵ２が設けられている。リフレクタユニットＲＵ２はリフレクタユニットＲＵ１の下方に設けられている。

リフレクタユニットＲＵ１は、互いに離間して積層された複数枚の薄板１４０を備えており、各薄板１４０は、円形状のリフレクタ１４１と、円形状リフレクタ１４１の外周部に設けられた円環状のリフレクタ１４２とを有する。リフレクタ１４１、１４２は、カーボン、ＳｉＣ、又はＳｉＣを被覆したカーボンを用いて構成される。

図２は、リフレクタ１４２の上面図である。図２に示すように、リフレクタ１４２には、内周部から外周部にわたって、スリットＳＬが設けられている。チャンバ１０３内において熱を反射するリフレクタ１４２には、径方向に温度分布が発生し、熱応力がかかる。しかし、図２に示すようなスリットＳＬを設けることで、応力が緩和され、リフレクタ１４２の破損を防止することができる。

また、形成するスリットＳＬを１箇所（１本）にすることで、リフレクタ１４２はスリットＳＬを介した一方の端面から他方の端面まで分離することなく連続し、１つの円環状のリフレクタ１４２が複数の部品に分割されない。そのため、部品点数の増加や、リフレクタ支持箇所の増加を防止することができる。

リフレクタ１４２の温度上昇時、スリットＳＬの形成箇所は、他の箇所と比較して変形量が大きくなる。そのため、スリットＳＬの位置と、リフレクタ１４２の支持位置とをずらして、リフレクタ１４２の設置姿勢（傾き等）への影響を抑制することが好ましい。例えば、リフレクタ１４２を支持する支持部材が１２０°間隔で３ヶ所設けられている場合、２つの支持部材の中間にスリットＳＬを位置させる。

成膜装置１００に成膜領域１０３ｂの温度を測定する熱電対が設けられ、リフレクタ１４２に、この熱電対を通すための孔が設けられる場合、このような孔には熱応力がかかりやすいため、この孔に合わせてスリットＳＬを形成することが好ましい。

スリットＳＬを介した熱源からの輻射の漏れを少なくするために、スリットＳＬの幅は０．５〜１．０ｍｍとすることが好ましい。

また、図１に示すリフレクタユニットＲＵ１のように、リフレクタ１４２が複数積層されている場合、上層のリフレクタ１４２のスリットＳＬの位置と、下層のリフレクタ１４２のスリットＳＬの位置とをずらすことが好ましい。これにより、スリットＳＬを介した熱源からの輻射の漏れを抑制し、熱効率を上げることができる。

リフレクタユニットＲＵ１は、１枚のリフレクタ１４２で構成されていてもよいし、リフレクタ１４２を複数積層してもよい。

図３は、リフレクタユニットＲＵ２の上面図である。図３に示すように、リフレクタユニットＲＵ２は、円環状のリフレクタ１５１〜１５３を有する。リフレクタ１５２はリフレクタ１５１の外周部に設けられ、リフレクタ１５３はリフレクタ１５２の外周部に設けられている。

例えば、リフレクタ１５１の外周部と、リフレクタ１５２の内周部とを重ねて、リフレクタ１５１の外周部にリフレクタ１５２を設置する。同様に、リフレクタ１５２の外周部と、リフレクタ１５３の内周部とを重ねて、リフレクタ１５２の外周部にリフレクタ１５３を設置する。図３では、説明の便宜上、各リフレクタ１５１〜１５３を離間して図示している。

リフレクタ１５１には、内周部から外周部にわたって、スリットＳＬ１が設けられており、リフレクタ１５１はスリットＳＬ１を介した一方の端面から他方の端面まで分離することなく連続している。

リフレクタ１５２には、内周部から外周部にわたって、スリットＳＬ２が設けられており、リフレクタ１５２はスリットＳＬ２を介した一方の端面から他方の端面まで分離することなく連続している。

リフレクタ１５３には、内周部から外周部にわたって、スリットＳＬ３が設けられており、リフレクタ１５３はスリットＳＬ３を介した一方の端面から他方の端面まで分離することなく連続している。

リフレクタユニットＲＵ２では、内周部の温度が高く、外周部の温度が低くなりやすい。そのため、リフレクタユニットＲＵ２を１枚のリフレクタで構成した場合、内周部と外周部とで温度差が大きくなり、熱応力によりリフレクタが破損し易くなる。本実施形態では、リフレクタユニットＲＵ２を径方向に複数のリフレクタ１５１〜１５３に分割し、かつ各リフレクタ１５１〜１５３にスリットＳＬ１〜ＳＬ３を設けているため、熱応力が緩和され、リフレクタ１５１〜１５３の破損を防止することができる。

リフレクタ１５１〜１５３の温度上昇時、スリットＳＬ１〜ＳＬ３の形成箇所は、他の箇所と比較して変形量が大きくなる。そのため、スリットＳＬ１〜ＳＬ３の位置をずらしてリフレクタ１５１〜１５３を設置することが好ましい。例えば、図３に示すように、スリットＳＬ１〜ＳＬ３の位置が互いに１２０°ずれるように、リフレクタ１５１〜１５３を設置することが好ましい。

図３は、リフレクタユニットＲＵ２が、３つのリフレクタ１５１〜１５３を有する例を示しているが、リフレクタの数は２つでもよいし、４つ以上でもよい。また、リフレクタユニットＲＵ２は、複数のリフレクタ１５１〜１５３の組を、上下に複数積層させたものとしてもよい。

図１に示すように、成膜装置１００のチャンバ１０３の上部には、ガス供給部１６０が設けられている。ガス供給部１６０は、ガス流路（ガスパイプ）１６１〜１６３を介して、成膜領域１０３ｂにパージガスやプロセスガスを供給する。例えば、ガス流路１６１を介して成膜領域１０３ｂにパージガスとしてのアルゴンガス又は水素ガスが供給される。また、ガス流路１６２、１６３を介して、成膜領域１０３ｂにプロセスガスとしてシランガスやプロパンガスが供給される。図１では、各ガスに対して１本のガス流路が設けられているが、複数のガス流路を設けてもよい。

各ガスはリフレクタユニットＲＵ１より高い位置からチャンバ１０３に供給され、ガス流路１６１〜１６３は、リフレクタユニットＲＵ１のリフレクタ１４１を貫通して設けられている。すなわち、チャンバ１０３内へのガス取込口はリフレクタユニットＲＵ１より高い位置にあり、ガス流路１６１〜１６３を介して、リフレクタユニットＲＵ１下方の成膜領域にガスが供給される。

リフレクタユニットＲＵ１、ＲＵ２により熱源からの輻射が反射されるため、基板１０１への成膜時に成膜領域１０３ｂを効率良く昇温することができる。また、リフレクタユニットＲＵ１、ＲＵ２を構成するリフレクタ１４２、１５１〜１５３にはスリットＳＬ、ＳＬ１〜ＳＬ３が設けられているため、成膜領域１０３ｂが高温になっても、リフレクタ１４２、１５１〜１５３が熱応力により破損することを防止できる。

また、チャンバ１０３へのガス供給口は、リフレクタユニットＲＵ１により成膜領域１０３ｂと隔てられている。そのため、成膜領域１０３ｂを１５００〜１７００℃程度に昇温した場合でも、チャンバ１０３内のうち、リフレクタユニットＲＵ１より上方の領域の温度をシランの反応温度（約６００℃）以下、かつシランが液化しない温度に維持することができる。このことにより、シランを未反応のままで成膜領域に供給することができ、基板１０１上に所望の膜を成膜することができる。

上記実施形態において、チャンバ１０３の上部に放射温度計を設け、基板１０１の温度を測定できるようにしてもよい。この場合、チャンバ１０３の一部に石英ガラス窓を設け、石英ガラス窓を介して放射温度計で基板１０１の温度を測定する。

本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１００ 成膜装置
１０１ 基板
１０３ チャンバ
１０３ａ 側壁（内壁）
ＲＵ１、ＲＵ２ リフレクタユニット
１６０ ガス供給部

Claims (5)

1. 基板上に成膜を行う成膜室と、
   前記基板を下方から加熱するヒータと、
   前記成膜室の上部に設けられる第１リフレクタユニットと、
   前記成膜室にプロセスガスを供給するガス供給部と、
   を備え、
   前記第１リフレクタユニットは、円環状の第１リフレクタを有し、前記第１リフレクタには内周部から外周部にわたって第１スリットが設けられ、前記第１リフレクタは前記第１スリットを介した一方の端面から他方の端面まで分離することなく連続していることを特徴とする成膜装置。
2. 前記第１リフレクタユニットは、円環状の第２リフレクタをさらに有し、
   第２リフレクタには内周部から外周部にわたって第２スリットが設けられ、前記第２リフレクタは前記第２スリットを介した一方の端面から他方の端面まで分離することなく連続しており、
   前記第２リフレクタは、前記第２スリットの位置を前記第１スリットの位置からずらして、前記第１リフレクタ上に積層されていることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記第１リフレクタユニットの下部に設けられた第２リフレクタユニットをさらに備え、
   前記第２リフレクタユニットは、円環状の第３リフレクタ及び第４リフレクタを有し、
   前記第３リフレクタには内周部から外周部にわたって第３スリットが設けられ、前記第３リフレクタは前記第３スリットを介した一方の端面から他方の端面まで分離することなく連続しており、
   前記第４リフレクタには内周部から外周部にわたって第４スリットが設けられ、前記第４リフレクタは前記第４スリットを介した一方の端面から他方の端面まで分離することなく連続しており、
   前記第３リフレクタは、前記第３スリットの位置を前記第４スリットの位置からずらして、前記第４リフレクタの内周側に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜装置。
4. 上部にリフレクタユニットが設けられた成膜室内にＳｉＣ基板を搬入し、
   前記リフレクタユニットより上方の位置からシランガスを含むプロセスガスを取り込み、前記リフレクタユニットを貫通するガス流路を介して、前記リフレクタの下方領域に前記プロセスガスを供給して、前記ＳｉＣ基板上への成膜を行う成膜方法であって、
   前記リフレクタユニットは、円環状のリフレクタを有し、前記リフレクタには内周部から外周部にわたってスリットが設けられ、前記リフレクタは前記スリットを介した一方の端面から他方の端面まで分離することなく連続しており、
   前記ＳｉＣ基板への成膜時は、前記成膜室のうち、前記リフレクタユニットの下方領域を第１所定温度にし、前記リフレクタユニットの上方領域を前記第１所定温度より低い第２所定温度にすることを特徴とする成膜方法。
5. 基板上に成膜を行う成膜室の上部に設けられ、前記成膜室内のヒータからの熱を反射するリフレクタユニットであって、
   円環状をなし、内周部から外周部にわたって第１スリットが設けられ、前記第１スリットを介した一方の端面から他方の端面まで分離することなく連続している第１リフレクタと、
   円環状をなし、内周部から外周部にわたって第２スリットが設けられ、前記第２スリットを介した一方の端面から他方の端面まで分離することなく連続している第２リフレクタと、
   を備え、
   前記第２リフレクタは、前記第２スリットの位置を前記第１スリットの位置からずらして、前記第１リフレクタ上に積層されていることを特徴とするリフレクタユニット。

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