JP6000676B2 - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents

Description

本発明は、成膜装置および成膜方法に関する。

従来より、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）など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には、エピタキシャル成長技術が利用されている。

エピタキシャル成長技術に使用される気相成長方法では、成膜室内に基板を載置した状態で成膜室内の圧力を常圧または減圧にする。そして、基板を加熱しながら、成膜室内に反応性のガスを供給する。すると、基板の表面でガスが熱分解反応または水素還元反応を起こして気相成長膜が形成される。

膜厚の大きな気相成長膜を製造するには、基板を均一に加熱するとともに、外部から供給される反応性のガスを基板表面に次々と接触させる必要がある。そこで、従来の成膜装置においては、基板を高速で回転させながら成膜処理を行う技術が採用されている（例えば、特許文献１参照。）。

従来の成膜装置は、成膜室内に回転体ユニットを備えており、回転体ユニットの上面に設けられた環状の保持部に基板が載置される。また、保持部の下方には、抵抗加熱型の内部ヒータが設けられている。このヒータは、渦巻型のカーボンヒータであり、回転体ユニットを構成する回転軸の内部に、電流導入のための端子や電線、ヒータを支持する電極などが配置される。

基板は、内部ヒータの輻射熱によって加熱される。しかし、基板の外周部では反応ガスの流速が速いことや、冷却水で冷却された成膜室外壁への輻射があることによって、保持部の外周部は冷却される。そこで、内部ヒータをインヒータとアウトヒータからなるものとし、アウトヒータの温度をインヒータより高温にすることで、基板の温度を均一にしようとすることが行われている。また、特許文献１では、さらに、回転ユニットと成膜室の内壁との間に外部ヒータを設けることで、アウトヒータの寿命を長くすることが提案されている。

特開２００９−１７０６７６号公報

近年、高耐圧のパワー半導体デバイスへの利用が期待されている材料として、ＳｉＣ（炭化珪素（シリコンカーバイト））がある。この材料は、Ｓｉ（シリコン）やＧａＡｓ（ガリウム砒素）といった従来の半導体材料と比較して、エネルギーギャップが２〜３倍大きく、絶縁破壊電界が約１桁大きいといった特徴がある。

ＳｉＣの単結晶基板を形成する場合、基板は１５００℃以上の高温に加熱される必要がある。しかしながら、特許文献１に記載されているような加熱、すなわち、基板の下面からだけの加熱では、基板を上記温度にするのは難しかった。

そこで、基板の上面と下面の両側から加熱する方法が提案されている。この方法では、従来の内部ヒータに加えて、成膜室上方部の側壁部分に上部ヒータを設け、これらのヒータによって基板を加熱する。また、このとき、抵抗加熱型の内部ヒータに対して、上部ヒータとしては高周波誘導加熱型のものを用いる。

基板の下方からのみ加熱する従来法において、基板を１５００℃以上の高温に加熱しようとすると、ヒータは例えば２０００℃程度の温度になる。ここで、抵抗加熱型のヒータは、ヒータと電極を電気的に接続する部材の耐熱性が低く、かかる高温下でヒータとしての特性を維持することは難しい。このため、内部ヒータと共同して基板を加熱する目的で上部ヒータを設け、さらに、上部ヒータを高周波誘導加熱型のものとすることで、基板を１５００℃以上の高温に加熱することを可能としている。

ところで、高周波誘導加熱型のヒータは、基板からの距離によって加熱効果に差異を生じる。そこで、これを利用して基板の温度を制御することが行われる。具体的には、ヒータを構成するコイルの位置や高さを調整して加熱温度を調整する。しかしながら、この方法では細かい温度制御を行うことが難しいという問題があった。つまり、抵抗加熱型の内部ヒータについては細かい温度制御が可能であるとしても、高周波誘導加熱型の上部ヒータとの併用がなされた場合には、全体として大まかな温度制御にならざるを得ないという問題があった。

また、上部ヒータからの熱は上方に逃げるため、下方に位置する基板を効率よく加熱できないという問題もあった。さらに、上部ヒータを設けることで、成膜室上方部の構造体、具体的には、成膜室の内壁と成膜処理が行われる空間とを仕切るライナに温度差が生じ、この部分に割れが発生する懸念もあった。

本発明は、こうした問題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明の目的は、ライナの割れを抑制しつつ、基板を効率よくかつ細かい温度制御で加熱することのできる成膜装置および成膜方法を提供することにある。

本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明の第１の態様は、成膜室と、
成膜室の内壁と成膜処理が行われる空間とを仕切る中空筒状のライナと、
ライナの内側のサセプタ上に載置される基板を下方から加熱する主ヒータと、
ライナと内壁の間に配置され、かつ、サセプタの外周上方に前記内壁と離間して設けられ、基板をサセプタの外周上方から加熱する補助ヒータとを有し、
主ヒータと補助ヒータは、いずれも抵抗加熱型のヒータであって、
補助ヒータは、基板に最も近い位置に配置される第１の補助ヒータと、
第１の補助ヒータの上方に配置される第２の補助ヒータとを有し、
第１の補助ヒータは、主ヒータと共同して基板を加熱し、
第２の補助ヒータは、第１の補助ヒータと同じ出力または第１の補助ヒータより低い出力でライナを加熱し、
主ヒータ、第１の補助ヒータおよび第２の補助ヒータは、それぞれ独立に温度制御され、
主ヒータの出力は、基板の温度に応じて制御されることを特徴とする成膜装置に関する。

本発明の第１の態様において、主ヒータは、円盤状のインヒータと、
インヒータの上方であって、基板の外周部に対応する位置に配置される、環状のアウトヒータとを有し、
インヒータとアウトヒータは、それぞれ独立に温度制御されることが好ましい。

本発明の第１の態様において、補助ヒータは、第２の補助ヒータ以外にも、第１の補助ヒータと同じ出力または第１の補助ヒータより低い出力でライナを加熱するヒータを少なくとも１つ以上有し、このヒータは、第２の補助ヒータの上方に配置され、主ヒータ、第１の補助ヒータおよび第２の補助ヒータとは独立に温度制御されることが好ましい。

本発明の第２の態様は、成膜室の内壁と成膜処理が行われる空間を仕切るライナの内側のサセプタ上に基板を載置し、基板を加熱して基板の上に所定の膜を形成する成膜方法において、
基板の温度は、基板を下方から加熱する主ヒータと、ライナと内壁の間の基板に最も近い位置に配置され、かつ、サセプタの外周上方に前記内壁と離間して設けられ、基板をサセプタの外周上方から加熱する第１の補助ヒータとによって制御され、
第１の補助ヒータの上方に配置される第２の補助ヒータは、成膜処理が行われる時に第１の補助ヒータと同じ出力または第１の補助ヒータより低い出力でライナを加熱し、
主ヒータの出力は、基板の温度に応じて制御されることを特徴とするものである。

本発明の第２の態様において、第１の補助ヒータの出力は、主ヒータの出力に応じて制御されることが好ましい。

本発明の第３の態様は、成膜室と、
成膜室の内壁と成膜処理が行われる空間とを仕切る中空筒状のライナと、
ライナの内側のサセプタ上に載置される基板を下方から加熱する主ヒータと、
ライナと内壁の間に配置され、かつ、サセプタの外周上方に前記内壁と離間して設けられ、基板をサセプタの外周上方から加熱する補助ヒータとを有し、
主ヒータと補助ヒータは、いずれも抵抗加熱型のヒータであって、
補助ヒータは、基板に最も近い位置に配置される第１の補助ヒータと、
第１の補助ヒータの上方に配置される第２の補助ヒータとを有し、
第１の補助ヒータは、主ヒータと共同して基板を加熱し、
第２の補助ヒータは、第１の補助ヒータと同じ表面温度または第１の補助ヒータより低い表面温度でライナを加熱し、
主ヒータ、第１の補助ヒータおよび第２の補助ヒータは、それぞれ独立に温度制御され、
主ヒータの出力は、基板の温度に応じて制御されることを特徴とする成膜装置に関する。

本発明の第３の態様において、主ヒータは、円盤状のインヒータと、
インヒータの上方であって、基板の外周部に対応する位置に配置される、環状のアウトヒータとを有し、
インヒータとアウトヒータは、それぞれ独立に温度制御されることが好ましい。

本発明の第３の態様において、補助ヒータは、第２の補助ヒータ以外にも、第１の補助ヒータと同じ表面温度または第１の補助ヒータより低い表面温度でライナを加熱するヒータを少なくとも１つ以上有し、このヒータは、第２の補助ヒータの上方に配置され、主ヒータ、第１の補助ヒータおよび第２の補助ヒータとは独立に温度制御されることが好ましい。

本発明の第４の態様は、成膜室の内壁と成膜処理が行われる空間を仕切るライナの内側のサセプタ上に基板を載置し、基板を加熱して基板の上に所定の膜を形成する成膜方法において、
基板の温度は、基板を下方から加熱する主ヒータと、ライナと内壁の間の基板に最も近い位置に配置され、かつ、サセプタの外周上方に前記内壁と離間して設けられ、基板をサセプタの外周上方から加熱する第１の補助ヒータとによって制御され、
第１の補助ヒータの上方に配置される第２の補助ヒータは、成膜処理が行われる時に第１の補助ヒータと同じ表面温度または第１の補助ヒータより低い表面温度でライナを加熱し、
主ヒータの出力は、基板の温度に応じて制御されることを特徴とするものである。

本発明の第４の態様において、第１の補助ヒータの表面温度は、主ヒータの表面温度に応じて制御されることが好ましい。

本発明の第１の態様によれば、ライナの割れを抑制しつつ、基板を効率よくかつ細かい温度制御で加熱することのできる成膜装置が提供される。

本発明の第２の態様によれば、ライナの割れを抑制しつつ、基板を効率よくかつ細かい温度制御で加熱することのできる成膜方法が提供される。

本発明の第３の態様によれば、ライナの割れを抑制しつつ、基板を効率よくかつ細かい温度制御で加熱することのできる成膜装置が提供される。

本発明の第４の態様によれば、ライナの割れを抑制しつつ、基板を効率よくかつ細かい温度制御で加熱することのできる成膜方法が提供される。

本実施の形態の成膜装置の模式的な断面図である。

図１は、本実施の形態の成膜装置の模式的な断面図である。尚、この図では、説明のために必要な構成以外を省略している。また、縮尺についても、各構成部を明確に視認できるよう原寸大のものとは変えている。

図１に示すように、成膜装置１００は、成膜室としてのチャンバ１と、チャンバ１の内部を仕切る中空筒状のライナ２と、チャンバ１を冷却する冷却水の流路３と、反応ガス４を導入する供給部５と、反応後の反応ガス４を排気する排気部６と、基板７を支持するサセプタ８と、チャンバ１の上下部を連結するフランジ１０と、フランジ１０をシールするパッキン１１と、排気部６と配管１２を連結するフランジ１３と、フランジ１３をシールするパッキン１４とを有する。パッキン１１、１４には、耐熱温度が３００℃のフッ素ゴムを用いることができる。

ライナ２は、チャンバ１の内壁１ａと、基板７上への成膜処理が行われる空間Ａとを仕切る目的で設けられる。チャンバ１の内壁１ａは、例えばステンレスで構成されるので、ライナ２を設けることで、内壁１ａが反応ガスによって腐食されるのを防ぐことができる。

成膜処理は高温下で行われるので、ライナ２は、高い耐熱性を備える材料によって構成される。例えば、ＳｉＣ部材またはカーボンにＳｉＣをコートして構成された部材の使用が可能である。

本実施の形態では、便宜上、ライナ２を胴部２ａと頭部２ｂの２つの部分に分けて称する。胴部２ａは、内部にサセプタ８が配置される部分であり、頭部２ｂは、胴部２ａより内径の小さい部分である。胴部２ａと頭部２ｂは、一体となってライナ２を構成しており、頭部２ｂは胴部２ａの上方に位置する。

頭部２ｂの上部開口部には、シャワープレート１５が設けられている。シャワープレート１５は、基板７の表面に反応ガス４を均一に供給するガス整流板として働く。シャワープレート１５には、複数個の貫通孔１５ａが設けられており、供給部５からチャンバ１に導入された反応ガス４は貫通孔１５ａを通って基板７の方へ流下する。ここで、反応ガス４は、無駄に拡散することなく、効率よく基板７の表面に到達することが好ましい。このため、頭部２ｂの内径は胴部２ａより小さく設計されている。具体的には、頭部２ｂの内径は、貫通孔１５ａの位置と基板７の大きさを考慮して決められる。

基板７を支持するサセプタ８は、胴部２ａに配置される。例えば、基板７の上にＳｉＣをエピタキシャル成長させる場合、基板７は１５００℃以上の高温にする必要がある。このため、サセプタ８には高耐熱性の材料を用いる必要があり、具体的には、等方性黒鉛の表面にＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によってＳｉＣを被覆したものなどが用いられる。サセプタ８の形状は、基板７を載置可能な形状であれば特に限定されるものではなく、リング状や円盤状などから適宜選択して用いられる。

ライナ２の胴部２ａには、回転軸１６と、回転軸１６の上端に設けられた回転筒１７とが配置されている。サセプタ８は、回転筒１７に取り付けられており、回転軸１６が回転すると、回転筒１７を介してサセプタ８が回転するようになっている。成膜処理時においては、基板７をサセプタ８上に載置することにより、サセプタ８の回転とともに基板７が回転する。

一方、シャワープレート１５を通過した反応ガス４は、頭部２ｂを通って基板７の方へ流下する。基板７が回転していることにより、反応ガス４は基板７に引きつけられ、シャワープレート１５から基板７に至る領域で縦フローになる。基板７に到達した反応ガス４は、基板７の表面で乱流を形成することなく、水平方向に略層流となって流れる。このようにして、基板７の表面には、新たな反応ガス４が次々と接触する。そして、基板７の表面で熱分解反応または水素還元反応を起こしてエピタキシャル膜を形成する。尚、成膜装置１００では、基板７の外周部からライナ２までの距離を狭くして、基板７の表面における反応ガス４の流れがより均一になるようにしている。

反応ガス４の内で気相成長反応に使用されなかったガスや、気相成長反応により生成したガスは、チャンバ１の下部に設けられた排気部６から排気される。

以上の構成とすることで、基板７を回転させながら成膜処理を行うことができる。つまり、基板７を回転させることにより、基板７の表面全体に効率よく反応ガス４が供給され、膜厚均一性の高いエピタキシャル膜を形成することが可能となる。また、新たな反応ガス４が次々と供給されるので、成膜速度の向上が図れる。

ところで、基板７の表面にエピタキシャル膜を形成するには、基板７を加熱することが必要である。特に、ＳｉＣエピタキシャル膜を形成する場合などは、基板７を例えば１６５０℃以上の高温に加熱する必要がある。本実施の形態では、基板７を加熱する手段として、主ヒータ９と補助ヒータ１８を有する。これらは、いずれも抵抗加熱型のヒータである。

主ヒータ９は、回転筒１７の内部に配置されて、基板７をその下方から加熱する。本実施の形態において、主ヒータ９は、基板７の温度に直接的に作用する。また、主ヒータ９は、円盤状のインヒータ９ａと、環状のアウトヒータ９ｂとを有する。インヒータ９ａは、基板７に対応する位置に配置される。アウトヒータ９ｂは、インヒータ９ａの上方であって、基板７の外周部に対応する位置に配置される。基板７の外周部は中央部に比べて温度が低下しやすいため、アウトヒータ９ｂを設けることで外周部の温度低下を防ぐことができる。

インヒータ９ａとアウトヒータ９ｂは、アーム形状をした導電性のブースバー２０によって支持されている。ブースバー２０は、例えば、カーボンをＳｉＣで被覆してなる部材によって構成される。また、ブースバー２０は、インヒータ９ａとアウトヒータ９ｂを支持する側とは反対の側で、石英製のヒータベース２１によって支持されている。そして、モリブデンなどの金属からなる導電性の連結部２２によって、ブースバー２０と電極棒２３が連結されることにより、電極棒２３からインヒータ９ａとアウトヒータ９ｂへ給電が行われる。具体的には、電極棒２３からこれらのヒータの発熱体に通電がされて発熱体が昇温する。

補助ヒータ１８は、複数の抵抗加熱型ヒータからなり、本実施の形態では、第１の補助ヒータ１８ａ、第２の補助ヒータ１８ｂおよび第３の補助ヒータ１８ｃの３つのヒータからなる。但し、第３の補助ヒータ１８ｃはなくてもよく、また、第３の補助ヒータ１８ｃのさらに上方に位置する、１つまたは２つ以上の他の補助ヒータがあってもよい。

第１の補助ヒータ１８ａ、第２の補助ヒータ１８ｂおよび第３の補助ヒータ１８ｃは、それぞれ、ライナ２の頭部２ｂの周囲を帯状に取り巻いており、第１のヒータ支持部１９ａ、第２のヒータ支持部１９ｂおよび第３のヒータ支持部１９ｃによって支持されている。各ヒータと各支持部とは、ねじ止めなどによって接続され、各支持部間の距離を変えることで、各ヒータ間の距離を変えることができる。

さらに、第１のヒータ支持部１９ａ、第２のヒータ支持部１９ｂおよび第３のヒータ支持部１９ｃは、それぞれ、チャンバ１の側壁を貫通して、外部電極に接続している。これにより、各支持部を通じて各ヒータへ独立に給電することができる。つまり、各ヒータを独立に温度制御することができる。

第１の補助ヒータ１８ａは、補助ヒータ１８の中で最も下段に配置され、基板７に最も近いところに位置する。第１の補助ヒータ１８ａは、基板７をその上方から加熱する。一方、基板７の下方からの加熱は主ヒータ９が担う。すなわち、基板７は、主ヒータ９と第１の補助ヒータ１８ａとによって、その両面から加熱される。ここで、これらのヒータは抵抗加熱型のヒータであるので、基板７の温度を細かく調整することが可能である。

第２の補助ヒータ１８ｂは、第１の補助ヒータ１８ａの上段に配置される。また、第３の補助ヒータ１８ｃは、第２の補助ヒータ１８ｂの上段に配置される。第２の補助ヒータ１８ｂは、第１の補助ヒータ１８ａより低い出力で頭部２ｂを加熱し、第３の補助ヒータ１８ｃは、第２の補助ヒータ１８ｂより低い出力で頭部２ｂを加熱する。但し、頭部２ｂを加熱する際において、第１の補助ヒータ１８ａの出力は、第２の補助ヒータ１８ｂおよび第３の補助ヒータ１８ｃの出力と同じであっても構わない。

上述の通り、補助ヒータ１８は抵抗加熱型のヒータであるので、第１の補助ヒータ１８ａは頭部２ｂを加熱し、次いで、加熱された頭部２ｂの熱によって基板７が加熱される。ここで、補助ヒータ１８が第１の補助ヒータ１８ａのみである場合、このヒータによって加熱されるのは頭部２ｂの極一部に過ぎない。このため、頭部２ｂに温度分布が生じ、加熱された頭部２ｂの熱は、温度の低い方、具体的には、頭部２ｂの上方へと移動する。つまり、この構成では、加熱された頭部２ｂの熱を効率よく基板７の加熱に用いることができない。

一方、第２の補助ヒータ１８ｂと第３の補助ヒータ１８ｃを設けることで、第１の補助ヒータ１８ａからの熱が上方へ逃げるのを防ぐことができる。すなわち、これらのヒータを設けることで、ライナ２の頭部２ｂにおける温度差を低減することができる。したがって、第１の補助ヒータ１８ａによって、基板７を効率よく加熱することが可能となる。また、頭部２ｂの温度差をなくすことで、ライナ２に割れが発生するのを防ぐこともできる。尚、頭部２ｂの温度分布は、第１の補助ヒータ１８ａ、第２の補助ヒータ１８ｂおよび第３の補助ヒータ１８ｃの各設定温度やこれらのヒータ間の距離を変えることで調整することができる。

基板７の表面温度は、放射温度計２４ａ、２４ｂによって測定することができる。図１において、放射温度計２４ａは、基板７の中央部付近の温度を測定するのに用いられる。一方、放射温度計２４ｂは、基板７の外周部の温度を測定するのに用いられる。これらの放射温度計は、図１に示すように、チャンバ１の上部に設けることができる。この場合、シャワープレート１５を透明石英製とすることにより、放射温度計２４ａ、２４ｂによる温度測定がシャワープレート１５によって妨げられないようにすることができる。

測定した温度データは、図示しない制御機構に送られ、インヒータ９ａとアウトヒータ９ｂの各出力制御にフィードバックされる。そして、これらのヒータの出力に応じて第１の補助ヒータ１８ａの出力が制御される。さらに、第２の補助ヒータ１８ｂの出力は、第１の補助ヒータ１８ａの出力より低い値に制御され、第３の補助ヒータ１８ｃの出力は、第２の補助ヒータ１８ｂの出力より低い値に制御される。このようにすることで、ライナ２の割れを引き起こすことなく、基板７を効率的に所望の温度にすることができる。尚、各補助ヒータの温度制御に用いられる値は、各補助ヒータの出力に限られず、各補助ヒータの表面温度に応じて上記制御を行うことも可能である。さらに、主ヒータの表面温度を基板の温度に応じて制御し、第１の補助ヒータの表面温度を主ヒータの表面温度に応じて制御してもよい。

一例として、ＳｉＣエピタキシャル成長を行う場合、各ヒータの設定温度は次のようにすることができる。これにより、基板７の温度を１６５０℃にすることが可能である。

インヒータ９ａの温度：１６８０℃
アウトヒータ９ｂの温度：１７５０℃
第１の補助ヒータ１８ａの温度：１６５０℃
第２の補助ヒータ１８ｂの温度：１６００℃
第３の補助ヒータ１８ｃの温度：１５５０℃

本実施の形態において、第１の補助ヒータ１８ａは、ライナ２の頭部２ｂの最下方、すなわち、胴部２ａに接する位置に配置される。ここで、ライナ２は、頭部２ｂと胴部２ａの境界付近で屈曲した形状を有する。このため、第１の補助ヒータ１８ａの形状は、図１に示すように、ライナ２の屈曲した形状に沿うものとすることが好ましい。基板７は胴部２ａに載置されるので、第１の補助ヒータ１８ａを上記形状とすることで、基板７を効率的に加熱することができる。

以上述べたように、本実施の形態の成膜装置１００は、主ヒータ９と補助ヒータ１８を有する。これにより、以下のような効果が得られる。

主ヒータ９と補助ヒータ１８は、いずれも抵抗加熱型のヒータであるので、細かい温度制御が可能である。すなわち、高周波誘導加熱型のヒータであると、基板からの距離によって温度制御することになり、細かい基板の温度調整が必要である場合には不都合である。このことは、抵抗加熱型のヒータと高周波誘導加熱型のヒータを組み合わせて使用した場合であっても同様である。しかしながら、本実施の形態のように、基板の下方から加熱するヒータと、基板の上方から加熱するヒータのいずれをも抵抗加熱型のヒータとすることによって、基板の温度制御を緻密に行うことが可能となる。

主ヒータ９は、基板７をその下方から加熱する。一方、補助ヒータ１８は、基板７をその上方から加熱する。ここで、基板７の加熱に主として作用するのは、基板７に近い位置に配置される主ヒータ９であり、補助ヒータ１８は、主ヒータ９の加熱を補助する役割を果たす。このため、主ヒータ９の温度の方が、補助ヒータ１８の温度より高く設定される。しかしながら、補助ヒータ１８があることで、主ヒータ９に過度の負担をかけずに済む。つまり、主ヒータ９のみである場合には、基板７を例えば１６５０℃以上の高温に加熱しようとすると、主ヒータ９の温度は２０００℃程度まで上昇することになる。これは、主ヒータ９の耐熱性の点から無理がある。そこで、補助ヒータ１８を設けることで、基板７への加熱が主ヒータ９と共同して行われることになり、主ヒータ９の設定温度を低くすることができる。すなわち、主ヒータ９の温度を２０００℃まで上昇させることなしに、基板７を１６５０℃に加熱することができる。

補助ヒータ１８は、複数のヒータ、具体的には、第１の補助ヒータ１８ａ、第２の補助ヒータ１８ｂおよび第３の補助ヒータ１８ｃからなる。本実施の形態では、これらのヒータに異なる役割を与えている。例えば、第１の補助ヒータ１８ａは、基板７の上方からの加熱に主として寄与する。第２の補助ヒータ１８ｂと第３の補助ヒータ１８ｃは、第１の補助ヒータ１８ａからの熱が上方へ逃げるのを防ぐ。したがって、これらのヒータの組み合わせにより、基板７をその上方から効率的に加熱することができる。また、第２の補助ヒータ１８ｂと第３の補助ヒータ１８ｃは、第１の補助ヒータ１８ａによって生じる頭部２ｂの局所的な温度上昇を緩和する。したがって、頭部２ｂにおける熱分布が低減され、頭部２ｂに熱割れが生じるのを防ぐことができる。

補助ヒータ１８を構成する各ヒータの設定温度は、上記役割から個々に決定されることが好ましい。すなわち、第１の補助ヒータ１８ａの役割は、主ヒータ９を補助するため、基板７を上方から加熱することにある。したがって、第１の補助ヒータ１８ａの温度は、目標とする基板７の加熱温度と、主ヒータ９の設定温度とを考慮して設定される。一方、第２の補助ヒータ１８ｂと第３の補助ヒータ１８ｃの役割は、第１の補助ヒータ１８ａからの熱が上方へ逃げるのを防止するとともに、頭部２ｂの熱分布を低減することにある。したがって、これらの補助ヒータの温度は、第１の補助ヒータ１８ａの設定温度を考慮して設定される。具体的には、第２の補助ヒータ１８ｂは、第１の補助ヒータ１８ａの温度より低い温度に設定され、第３の補助ヒータ１８ｃの温度は、第２の補助ヒータ１８ｂよりさらに低い温度に設定される。

各補助ヒータの実際の温度は、これらのヒータに接続された熱電対２５ａ、２５ｂ、２５ｃによって測定することができる。各熱電対によって測定されたデータを、図示しない制御機構に送り、第１の補助ヒータ１８ａ、第２の補助ヒータ１８ｂおよび第３の補助ヒータ１８ｃの各出力制御にフィードバックするようにすれば、頭部２ｂの温度分布を常に所望の範囲とすることができる。

本実施の形態において、補助ヒータ１８を構成するヒータの数は適宜変更することができる。例えば、主ヒータ９を補助するヒータは２つ以上あってもよい。また、第２の補助ヒータ１８ｂと第３の補助ヒータ１８ｃに対応するヒータは、さらに多くあってもよい。但し、補助ヒータの数がいずれであっても、各ヒータはこれを支持する支持部を通じてそれぞれ独立に温度制御できるようにする。このような構造とすれば、各ヒータの数を増やすことでより細かい温度制御が可能となる。

また、本実施の形態では、図１に示すように、補助ヒータ１８による加熱を効率的に行うためにリフレクタ２６を設けることが好ましい。

図１では、ライナ２の頭部２ｂの周囲を帯状に取り巻くように補助ヒータ１８が設けられている。リフレクタ２６は、補助ヒータ１８の外側に周設される。より詳しくは、補助ヒータ１８の発熱面は頭部２ｂに対向して配置されるが、リフレクタ２６は、この発熱面に対して頭部２ｂとは反対の側に配置される。これにより、頭部２ｂとは反対の側に放射された発熱面からの熱をリフレクタ２６で反射して、頭部２ｂの方へ向けることができる。

リフレクタ２６は、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２６は、１枚の薄板からなるものとすることができるが、ヒータからの熱の反射効率を上げるためには、複数の薄板を適当な間隔で離間させた構造とすることが好ましい。例えば、図１では、リフレクタ２６を３枚の薄板を離間させた構造としている。

リフレクタ２６を設けることで、補助ヒータ１８からの熱でチャンバ１の内壁１ａの温度が上昇するのを抑制することもできる。尚、チャンバ１の内壁１ａの温度上昇を防ぐ点からは、内壁１ａに沿って断熱材を配置することも効果的である。断熱材によって、補助ヒータ１８からの熱が内壁１ａに伝わるのを遮断できるので、内壁１ａの温度上昇を抑制することができる。したがって、リフレクタ２６と断熱材を組み合わせることで、内壁１ａの温度上昇をより抑制することが可能である。

次に、図１を参照しながら、本実施の形態における成膜方法の一例について述べる。

本実施の形態の成膜装置１００は、例えば、ＳｉＣエピタキシャル成長膜の形成に好適である。そこで、以下では、ＳｉＣエピタキシャル膜の形成を例にとる。

基板７としては、例えば、ＳｉＣウェハを用いることができる。但し、これに限られるものではなく、場合に応じて、他の材料からなるウェハなどを用いてもよい。例えば、Ｓｉウェハ、ＳｉＯ_２（石英）などの他の絶縁性基板、高抵抗のＧａＡｓなどの半絶縁性基板などを用いることもできる。

反応ガス４としては、例えば、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、シラン（ＳｉＨ_４）およびキャリアガスとしての水素ガスを用いることができる。この場合、シランに代えて、ジシラン（ＳｉＨ_６）、モノクロロシラン（ＳｉＨ_３Ｃｌ）、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ_４）などを使用することも可能である。

まず、サセプタ８の上に基板７を載置する。

次に、チャンバ１の内部を常圧または適当な減圧にした状態で、基板７を回転させる。基板７が載置されたサセプタ８は、回転筒１７の上端に配置されている。したがって、回転軸１６を通じて回転筒１７を回転させると、サセプタ８が回転し、同時に基板７も回転する。回転数は、例えば５０ｒｐｍ程度とすることができる。

本実施の形態では、主ヒータ９と補助ヒータ１８によって基板７を加熱する。ＳｉＣエピタキシャル成長では、基板７を１５００℃〜１７００℃までの間の所定の温度に加熱することが必要になる。例えば、基板７の温度を１６５０℃にしようとする場合、各ヒータの設定温度は、例えば次のようにすることができる。

インヒータ９ａの温度：１６８０℃
アウトヒータ９ｂの温度：１７５０℃
第１の補助ヒータ１８ａの温度：１６５０℃
第２の補助ヒータ１８ｂの温度：１６００℃
第３の補助ヒータ１８ｃの温度：１５５０℃

上記の通り、基板７を加熱するためにチャンバ１内は高温になる。そこで、チャンバ１の壁に設けた流路３に冷却水を流すことで、チャンバ１が過度に昇温するのを防止することができる。

放射温度計２４ａ、２４ｂにより、基板７の温度が１６５０℃に達したことを確認したら、主ヒータ９と補助ヒータ１８によって細かい温度調整がされる。これらのヒータは、抵抗加熱型のヒータであるので、所望の温度範囲内での調整が可能である。

基板７の温度は、放射温度計２４ａ、２４ｂによりリアルタイムで測定可能である。また、補助ヒータ１８の温度は、熱電対２５ａ、２５ｂ、２５ｃによって測定可能である。これらの測定結果から、各ヒータ、すなわち、インヒータ９ａ、アウトヒータ９ｂ、第１の補助ヒータ１８ａ、第２の補助ヒータ１８ｂおよび第３の補助ヒータ１８ｃの各設定温度を適宜調整する。これにより、ライナ２の割れを引き起こすことなく、基板７を効率的に所望の温度にすることができる。

具体的には、放射温度計２４ａ、２４ｂで測定した温度データは、図示しない制御機構に送られ、インヒータ９ａとアウトヒータ９ｂの各出力制御にフィードバックされる。そして、これらのヒータの出力に応じて第１の補助ヒータ１８ａの出力が制御される。さらに、第２の補助ヒータ１８ｂの出力は、第１の補助ヒータ１８ａの出力より低い値に制御され、第３の補助ヒータ１８ｃの出力は、第２の補助ヒータ１８ｂの出力より低い値に制御される。尚、各補助ヒータの温度と出力の関係には、熱電対２５ａ、２５ｂ、２５ｃによる測定結果を用いることができる。但し、上記の通り、頭部２ｂを加熱する際において、第１の補助ヒータ１８ａの出力は、第２の補助ヒータ１８ｂおよび第３の補助ヒータ１８ｃの出力と同じであっても構わない。また、各補助ヒータの温度制御に用いられる値は、各補助ヒータの出力に限られず、各補助ヒータの表面温度に応じて上記制御を行うことも可能である。さらに、主ヒータ９の表面温度を基板７の温度に応じて制御し、第１の補助ヒータ１８ａの表面温度を主ヒータ９の表面温度に応じて制御してもよい。

基板７が所定の温度に達した後は、基板７の回転数を徐々に上げていく。例えば、９００ｒｐｍ程度の回転数まで上げることができる。また、供給部５より反応ガス４を導入する。

反応ガス４は、シャワープレート１５の貫通孔１５ａを通り、基板７への成膜処理が行われる空間Ａへ流入する。シャワープレート１５を通過することで、反応ガス４は整流され、下方で回転する基板７へ向かって略鉛直に流下して、いわゆる縦フローを形成する。

基板７の表面に到達した反応ガス４は、この表面で熱分解反応または水素還元反応を起こしてＳｉＣエピタキシャル膜を形成する。気相成長反応に使用されなかった反応ガス４や、気相成長反応により生成したガスは、チャンバ１の下方に設けられた排気部６を通じて外部に排気される。

基板７の上に、所定の膜厚のＳｉＣ膜を形成した後は、反応ガス４の供給を終了する。尚、基板７が所定の温度以下となるまで、キャリアガスのみ供給を続けてもよい。

基板７が所定の温度まで冷却されたのを確認した後は、チャンバ１の外部に基板７を搬出する。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、上述の実施の形態では、基板を回転させながら基板上に膜を形成する例について述べたが、本発明では、基板を回転させない状態で膜を形成してもよい。

また、上記実施の形態では、成膜装置の一例としてエピタキシャル成長装置を挙げ、ＳｉＣ結晶膜の形成について説明したが、これに限られるものではない。成膜室内に反応ガスを供給し、成膜室内に載置される基板を加熱して基板の表面に膜を形成するものであれば、他の成膜装置であってもよく、また、他のエピタキシャル膜の形成に用いることもできる。

さらに、装置の構成や制御の手法など、本発明に直接必要としない部分などについては記載を省略したが、必要とされる装置の構成や、制御の手法などを適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更し得る全ての成膜装置および各部材の形状は、本発明の範囲に包含される。

１ チャンバ
１ａ 内壁
２ ライナ
２ａ 胴部
２ｂ 頭部
３ 流路
４ 反応ガス
５ 供給部
６ 排気部
７ 基板
８ サセプタ
９ 主ヒータ
９ａ インヒータ
９ｂ アウトヒータ
１０、１３ フランジ
１１、１４ パッキン
１２ 配管
１５ シャワープレート
１５ａ 貫通孔
１６ 回転軸
１７ 回転筒
１８ 補助ヒータ
１８ａ 第１の補助ヒータ
１８ｂ 第２の補助ヒータ
１８ｃ 第３の補助ヒータ
１９ａ 第１のヒータ支持部
１９ｂ 第２のヒータ支持部
１９ｃ 第３のヒータ支持部
２０ ブースバー
２１ ヒータベース
２２ 連結部
２３ 電極棒
２４ａ、２４ｂ 放射温度計
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ 熱電対
２６ リフレクタ
１００ 成膜装置

Claims (10)

1. 成膜室と、
   前記成膜室の内壁と成膜処理が行われる空間とを仕切る中空筒状のライナと、
   前記ライナの内側のサセプタ上に載置される基板を下方から加熱する主ヒータと、
   前記ライナと前記内壁の間に配置され、かつ、前記サセプタの外周上方に前記内壁と離間して設けられ、前記基板を前記サセプタの外周上方から加熱する補助ヒータとを有し、
   前記主ヒータと前記補助ヒータは、いずれも抵抗加熱型のヒータであって、
   前記補助ヒータは、前記基板に最も近い位置に配置される第１の補助ヒータと、
   前記第１の補助ヒータの上方に配置される第２の補助ヒータとを有し、
   前記第１の補助ヒータは、前記主ヒータと共同して前記基板を加熱し、
   前記第２の補助ヒータは、前記第１の補助ヒータと同じ出力または前記第１の補助ヒータより低い出力で前記ライナを加熱し、
   前記主ヒータ、前記第１の補助ヒータおよび前記第２の補助ヒータは、それぞれ独立に温度制御され、
   前記主ヒータの出力は、前記基板の温度に応じて制御されることを特徴とする成膜装置。
2. 前記主ヒータは、円盤状のインヒータと、
   前記インヒータの上方であって、前記基板の外周部に対応する位置に配置される、環状のアウトヒータとを有し、
   前記インヒータと前記アウトヒータは、それぞれ独立に温度制御されることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記補助ヒータは、前記第２の補助ヒータ以外にも、前記第１の補助ヒータと同じ出力または前記第１の補助ヒータより低い出力で前記ライナを加熱するヒータを少なくとも１つ以上有し、該ヒータは、前記第２の補助ヒータの上方に配置され、前記主ヒータ、前記第１の補助ヒータおよび前記第２の補助ヒータとは独立に温度制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
4. 成膜室の内壁と成膜処理が行われる空間を仕切るライナの内側のサセプタ上に基板を載置し、前記基板を加熱して前記基板の上に所定の膜を形成する成膜方法において、
   前記基板の温度は、前記基板を下方から加熱する主ヒータと、前記ライナと前記内壁の間の前記基板に最も近い位置に配置され、かつ、前記内壁と離間して前記サセプタの外周上方に設けられ、前記基板を前記サセプタの外周上方から加熱する第１の補助ヒータとによって制御され、
   前記第１の補助ヒータの上方に配置される第２の補助ヒータは、前記成膜処理が行われる時に前記第１の補助ヒータと同じ出力または前記第１の補助ヒータより低い出力で前記ライナを加熱し、
   前記主ヒータの出力は、前記基板の温度に応じて制御されることを特徴とする成膜方法。
5. 前記第１の補助ヒータの出力は、前記主ヒータの出力に応じて制御されることを特徴とする請求項４に記載の成膜方法。
6. 成膜室と、
   前記成膜室の内壁と成膜処理が行われる空間とを仕切る中空筒状のライナと、
   前記ライナの内側のサセプタ上に載置される基板を下方から加熱する主ヒータと、
   前記ライナと前記内壁の間に配置され、かつ、前記サセプタの外周上方に前記内壁と離間して設けられ、前記基板を前記サセプタの外周上方から加熱する補助ヒータとを有し、
   前記主ヒータと前記補助ヒータは、いずれも抵抗加熱型のヒータであって、
   前記補助ヒータは、前記基板に最も近い位置に配置される第１の補助ヒータと、
   前記第１の補助ヒータの上方に配置される第２の補助ヒータとを有し、
   前記第１の補助ヒータは、前記主ヒータと共同して前記基板を加熱し、
   前記第２の補助ヒータは、前記第１の補助ヒータと同じ表面温度または前記第１の補助ヒータより低い表面温度で前記ライナを加熱し、
   前記主ヒータ、前記第１の補助ヒータおよび前記第２の補助ヒータは、それぞれ独立に温度制御され、
   前記主ヒータの出力は、前記基板の温度に応じて制御されることを特徴とする成膜装置。
7. 前記主ヒータは、円盤状のインヒータと、
   前記インヒータの上方であって、前記基板の外周部に対応する位置に配置される、環状のアウトヒータとを有し、
   前記インヒータと前記アウトヒータは、それぞれ独立に温度制御されることを特徴とする請求項６に記載の成膜装置。
8. 前記補助ヒータは、前記第２の補助ヒータ以外にも、前記第１の補助ヒータと同じ表面温度または前記第１の補助ヒータより低い表面温度で前記ライナを加熱するヒータを少なくとも１つ以上有し、該ヒータは、前記第２の補助ヒータの上方に配置され、前記主ヒータ、前記第１の補助ヒータおよび前記第２の補助ヒータとは独立に温度制御されることを特徴とする請求項６または７に記載の成膜装置。
9. 成膜室の内壁と成膜処理が行われる空間を仕切るライナの内側のサセプタ上に基板を載置し、前記基板を加熱して前記基板の上に所定の膜を形成する成膜方法において、
   前記基板の温度は、前記基板を下方から加熱する主ヒータと、前記ライナと前記内壁の間の前記基板に最も近い位置に配置され、かつ、前記サセプタの外周上方に前記内壁と離間して設けられ、前記基板を前記サセプタの外周上方から加熱する第１の補助ヒータとによって制御され、
   前記第１の補助ヒータの上方に配置される第２の補助ヒータは、前記成膜処理が行われる時に前記第１の補助ヒータと同じ表面温度または前記第１の補助ヒータより低い表面温度で前記ライナを加熱し、
   前記主ヒータの出力は、前記基板の温度に応じて制御されることを特徴とする成膜方法。
10. 前記第１の補助ヒータの表面温度は、前記主ヒータの表面温度に応じて制御されることを特徴とする請求項９に記載の成膜方法。

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