JP7196068B2 - エピタキシャル堆積用のリアクタの加熱方法及びエピタキシャル堆積用のリアクタ - Google Patents

Description

本発明は、エピタキシャル堆積用のリアクタの加熱方法及びエピタキシャル堆積用のリアクタに関する。

いずれのエピタキシャルリアクタも、エピタキシャル成長に供される基板を加熱するための加熱システムを含む。

エピタキシャル堆積プロセス段階の前に加熱段階が行われ、また、エピタキシャル堆積プロセス段階後に冷却段階が行われる。

加熱は、例えば電磁誘導型であり得る。

この場合、しばしば、加熱システムは、サセプタ（エピタキシャルリアクタの反応チャンバ内に配置されている）を直接加熱し、基板が、サセプタ（基板を支持する）から熱を、伝導により受け取る。

この場合、常に、加熱システムは、少なくとも１つのインダクタを含む。

過去に、本出願人は、このようなインダクタの１以上の巻線が可動であることの可能性を特許文献１にて提示した。

この解決法によれば、インダクタは、可撓性ブリッジにより電気的及び機械的に接続された複数の剛性円体（ｒｉｇｉｄ ｃｉｒｃｌｅ）から成っていた。単一の円体が、単一の電気モータと、当該モータのシャフトに取り付けられた単一の並進アクチュエータ（ａ ｓｉｎｇｌｅ ｔｒａｎｓｌａｔｉｎｇ ａｃｔｕａｔｏｒ）とにより移動された。前記アクチュエータにより引き起こされる変形は、可撓性ブリッジが完全に耐えられた。

巻線が、所望の位置に、加熱動作の開始前（従ってエピタキシャル堆積の開始よりも十分に前）に配置された。この位置決めが、リアクタの初期設定操作の１つであった。

この種の解決法は、特許文献２、特許文献３、及び特許文献４からも公知である。

エピタキシャルリアクタのための加熱システムの主要な目的は、プロセス中の基板の均一な温度を得ることであった。

エピタキシャルリアクタのための加熱システムの第２の目的は、プロセス温度に短時間で到達することであった。

国際公開第９６／０１０６５９号パンフレット 米国特許出願公開第２０１０／０５９１８２号公報 特開２００３－１３３２４５号公報 韓国特許第１０－０９７８５６７号公報

特許文献３から知られる解決策によれば、エピタキシャル堆積プロセスの前にインダクタ全体をサセプタに接近させることにより、サセプタをより迅速に加熱し、そして、エピタキシャル堆積プロセス後に、インダクタ全体をサセプタから遠ざけるように移動させて、サセプタをより迅速に冷却する。

本出願人は、行った実験を通して、基板の温度が、プロセス中だけでなく、加熱中（むしろ、エピタキシャル堆積プロセスの前に行われる加熱中の一瞬一瞬）にも均一であることが非常に有利であるということを認識した。その利点は、例えば、熱応力及び欠陥（具体的には「スリップライン」（ｓｌｉｐ ｌｉｎｅ））の低減に関連し得る。

次に、本出願人は、加熱中、及びその後のエピタキシャル堆積中の両方において基板の均一な温度を得ることを可能にする解決策を提供するという目的を設定した。

また、本出願人は、プロセス温度に短時間で到達することを可能にする解決策を提供するという目的を設定した。

最後に、本出願人は効果的であるだけでなく簡単でもある解決策を提供するという目的を設定した。

これらの目的は、添付の特許請求の範囲に記載された技術的特徴を有する加熱方法及びエピタキシャルリアクタのためのリアクタにより、実質的に達成される。

本発明は、添付図面と共に考慮されるべき以下の詳細な定義から、より容易に明らかになるであろう。

先行技術によるエピタキシャルリアクタの一実施形態の反応チャンバの鉛直断面概略図である。 本発明によるエピタキシャルリアクタの一実施形態の反応チャンバの鉛直断面概略図である。 図２のリアクタのインダクタの上面図を概略的に示す。

容易に理解されるように、本発明を実際に実行するための様々な方法が存在し、これらは、添付の特許請求の範囲における、本発明の主な有利な態様において定義される。

図１は、先行技術によるエピタキシャルリアクタ１の実施形態の反応チャンバの鉛直断面概略図である。

反応チャンバには、上壁１１（詳細には、透明石英製）、下壁１２（詳細には、透明石英製）及び側壁（詳細には、透明石英製）（図示せず）により画成されたキャビティ１０が設けられている。

サセプタ２がキャビティ１０内に配置され、サセプタ２は、エピタキシャル堆積中に基板を支持及び加熱するように適合されている。図１の場合、単一の基板１００が存在し、基板１００は支持要素３上に配置されている（支持要素３は、ディスク状の形状、詳細には、高さが直径よりもはるかに小さい円柱形状であり、水平に配置され、グラファイト製であり、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）又はＴａＣ（炭化タンタル）により被覆され得る）。そして、支持要素３は、サセプタ２上に配置されている（サセプタ２は、ディスク状の形状、詳細には、高さが直径よりもはるかに小さい円柱形状であり、水平に配置され、グラファイト製であり、ＳｉＣ又はＴａＣにより被覆され得る）。要素３は、本発明の目的にとって不可欠なものではない。

加熱システムが設けられており、加熱システムは、少なくとも１つのインダクタ４を含む。インダクタ４は、電力が供給されているときに電磁誘導によりサセプタ２を加熱するように適合されている。インダクタ４は平坦であり、複数の巻線４１～４７（詳細には、図１の例においては７つの同心巻線）を含む。これらの巻線は、典型的には、電気的に直列に接続されている。このシステムは、その他のインダクタをチャンバの下に含み得るが、チャンバの上には、通常、何もない。

キャビティ１０の内側に、基板１００に位置合わせされた水平方向の内壁１４がある。

サセプタ２は、鉛直軸Ｚを中心とする回転軸５に固定されている。

下壁１２は、シャフト５を通すための穴及びスリーブ１３を有する。

インダクタ４は、下壁１２の下の、スリーブ１３の周囲に配置されている。

図２の実施形態は、図１の解決法又は類似の解決法を改良したものである。

図２に、インダクタ４の巻線を移動させるための作動システム６の幾つかの部品、すなわち、電気モータ６１、一対のアクチュエータ６２（対応する一対のポテンショメータ（図示せず）を有する）、及び、トランスミッション（伝達機構）６３が示されている。

図２に、上壁１１より上に配置されたサーモグラフィカメラ７が示されており、サーモグラフィカメラ７は、チャンバ内の、特にはカメラ７の下の基板１００の薄い半径方向領域の温度を測定するように適合されている。詳細には、この半径方向領域は、軸Ｚ（又はその近接部）と基板１００の縁部（又はその近接部）との間に延在する。サセプタ及び基板が回転するため、この測定領域で十分である。

図２に、コンピュータによる加熱制御システムが示されている。このシステムは、１以上のＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）を含み得る。システム８は、電力供給するためにインダクタ４に、システム６に（特には、モータ６１及びポテンショメータに）、サーモグラフィカメラ７に、及び、ユーザインタフェース９に電気接続されている。ユーザインタフェース９は、操作者がコマンドを入力して情報を抽出することを可能にしている。

図３に、巻線４３，４５，４６が可動である例示的なケースが概略的に示されている。巻線４５及び巻線４６（例えば１つの「グループ」を構成する）が、システム６により、巻線４３と共に、且つ巻線４３とは独立に移動される。巻線４３の移動は、３つのアクチュエータ６２１，６２２，６２３（例えば互いに９０°離隔して配置されている）により得られる。巻線４５及び巻線４６から成るグループの移動は、３対のアクチュエータ（例えば互いに９０°離隔して配置されている）、又は３つのアクチュエータ６２４，６２５，６２６により得られる（図示されているように、１つのアクチュエータが２つの巻線の２点を同時に移動させる）。図２においては、図面をより明確にするために、装置の、巻線４３の移動を可能にする部分のみが示されており、巻線４５及び巻線４６を移動させる装置は示されていない。

図３において、各巻線は、例えば約３３０°の円弧の形状を有し、これらの巻線は、例えば直線状のセグメントにより互いに接合されている。

本発明よれば、リアクタ（図２の符号１）は、巻線（図２の符号４１～４７）を有する、典型的に平坦（又はほぼ平坦）なインダクタ（図２の符号４）を含み、インダクタは、サセプタ（図２の符号２）を加熱するように、且つ、１以上の巻線（図２の符号４１～４７）の位置の変更により制御されるように適合されている。

リアクタ（図２の符号１）は作動システムを含み、作動システムは、
‐第１のモータ（図２の符号６１）（具体的には電気モータ）であって、インダクタ（図２の符号４）の少なくとも１つの第１の巻線（図２の符号４３）の位置（好ましくは、軸方向のみ、すなわち鉛直位置）を、この第１モータの運動の作用により修正するように適合された第１のモータと、
‐第１の複数の並進アクチュエータ（ｔｒａｎｓｌａｔｉｎｇ ａｃｔｕａｔｏｒｓ）（図２の符号６２）であって、第１巻線（図２の符号４３）の対応する複数の点（図２及び図３の両方を参照）に作用し、その並進（好ましくは、軸方向、すなわち鉛直方向の並進（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ）のみ）を生じさせる第１の複数の並進アクチュエータと、
‐第１のトランスミッション（図２の符号６３）（具体的には、第１モータ（図２の符号６１）の運動を第１の複数のアクチュエータ（図２の符号６２）に伝達するように適合されている機械的トランスミッション）と、を備えている。

従って、インダクタの１つの巻線（又は巻線のグループ）が、その他の巻きとは独立に移動され得ることが可能である。

インダクタの２つの巻線（又は巻線の２つのグループ）を互いに独立に、及び、その他の他の巻線から独立して移動させ得ることが可能である。

この場合、作動システムは、さらに、
‐第２のモータ（具体的には電気モータ）であって、インダクタの少なくとも１つの第２の巻線の位置（好ましくは、軸方向のみ、すなわち鉛直位置）を、この第２モータの運動の作用により修正する（ｍｏｄｉｆｙ）ように適合された第２のモータと、
‐第２の複数の並進アクチュエータであって、第２巻線の対応する複数の点に作用し、その並進運動（好ましくは、軸方向、すなわち鉛直方向の並進のみ）を生じさせる第２の複数の並進アクチュエータと、
‐第２モータの運動を第２の複数のアクチュエータに伝達するように適合されている第２のトランスミッション（具体的には、機械的トランスミッション）と、を備えている。

一般的及び典型的に、インダクタの幾つかの巻線（又は巻線のグループ）が存在し、これらの巻線は、互いに独立に、及び、その他の巻線から独立して移動できる。

図３に概略的に示されているように、第１及び／又は第２のモータは、インダクタの巻線のグループ（例えば、巻線４５及び巻線４６）の位置を、サセプタ（図２の符号２）に対して、及び、インダクタのその他の巻線に対して修正するように適合され得る。

第１のトランスミッション（図２の符号６４）及び／又は第２のトランスミッションは、１本及び／又は２本のベルト又はチェーンから成る。ベルトは、好ましくは歯付きである。

インダクタ（図２及び図３の符号４）は、好ましくは、単一の機械的部品からつくられた連続的な導体から成る。前記機械的部品は、その巻線の１つを軸方向に、隣接する巻線を検知可能なほどには変位させずに並進させるように十分に弾性でなければならず、すなわち剛性であってはならない。この理由は、アクチュエータによりもたらされる変形が、巻線の全長に沿って分散されることによる。

各アクチュエータ（図２の符号６２）は、モータから受け取った回転を、トランスミッションを介して並進運動に変換する。対応する巻線の位置決めが確実であるように、アクチュエータの実際の並進運動を測定することが好ましい。この目的のために、簡単なポテンショメータをアクチュエータに関連付けて、アクチュエータが発生させる並進運動に対応するアクチュエータの回転を正確に測定することが有利である。

次いで、リアクタを所定位置に配置する。アクチュエータを機械的に校正すること、及び、ポテンショメータを電気的に校正することが必要である。

次いで、システム８は、モータを、１以上の制御法則に従って駆動し、巻線（より正確には、巻線の点）が所望のように移動したことを確証できる。

コンピュータシステム８の機能は、とりわけ、リアクタ１の加熱を制御すること、及び、リアクタ１の冷却を制御することである。

システム８は、手段（具体的には、以下に説明する本発明による加熱方法を具体的に実施可能なハードウェア手段及びソフトウェア手段）を含み得る。

本発明による加熱方法によれば、サセプタ（図２の符号２）を、第１の温度から第２の温度に加熱している間、及び、エピタキシャル堆積のプロセスの前に、インダクタ（図２の符号４）の少なくとも１つの第１の巻線（図２の符号４３）の、又は第１の巻線のグループの、サセプタ、及び、インダクタ（図２の符号４）のその他の巻線に対する位置が修正される。一般的に、第２の温度は第１の温度よりも高い。

多くの場合、サセプタの、第１の温度から第２の温度への加熱中、及びエピタキシャル堆積のプロセスの前に、インダクタの、少なくとも１つの第２の巻線の、又は第２の巻線のグループの、サセプタ、及び、インダクタ（図２の符号４）のその他の巻線に対する位置が変更される。

第２巻線の位置の変更は、通常、第１巻線の位置の変更とは独立している。

位置の変更は、前記加熱中に１回の変更であってよいが、より典型的には、位置は繰り返し変更されるであろう。

このようにして、温度遷移中でさえも基板の全てを一定の温度に保持する試みが可能である。例えば、開始時には全てが２５℃、１分後には全てが５０℃、さらに１分後には全てが７５℃、さらに１分後には全てが１００℃、さらに１分後には全てが１００℃・・そして最後には全てが１１５０℃になり、その後、エピタキシャル堆積の期間中、全てが１１５０℃である。温度遷移中に温度の均一性を得るために、サセプタの熱慣性を考慮に入れる必要があることに留意されたい。この例によれば、温度遷移の各温度範囲（２５℃～５０℃、５０℃～７５℃、７５℃～１００℃・・・１１２５℃～１１５０℃）を、インダクタの巻線の各々の位置に関連付けることが可能である。

上述の第１の温度は、例えば０℃～５０℃、すなわち「周囲温度（ａｍｂｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）」であってよく、又は、１００℃～３００℃、すなわち「ローディング（装填）温度（ｌｏａｄｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）」であり得る。リアクタに応じて、ａ）１以上の基板、又は、ｂ）１以上の基板を有する１以上の支持要素、又は、ｃ）１以上の基板を有するサセプタを装填することが可能である。

上述の第２の温度は、５００℃～２０００℃の間であってよく、すなわち、エピタキシャル堆積プロセスの「プロセス温度（ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）」であり得る。

概して、リアクタを第１温度から第２温度に加熱する期間全体にわたり、１以上の巻線の位置が、適切に且つ繰り返し変更され（サセプタから遠ざけられ又はサセプタに接近され）、この変更は、サセプタの上面の温度及び支持されている基板の温度が、好ましくは加熱期間全体における一瞬一瞬に均一であるように行われる（ｓｏ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｓｃｅｐｔｏｒ ａｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ ｉｓ ｕｎｉｆｏｒｍ ｐｒｅｆｅｒａｂｌｙ ｉｎｓｔａｎｔ ｂｙ ｉｎｓｔａｎｔ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｅｎｔｉｒｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄ）。

或いは、１以上の巻線の位置が、第１温度と第２温度との間の温度範囲においてのみ、適切に且つ繰り返し変更される（サセプタから遠ざけられ又はサセプタに接近される）。例えば、前記第１温度が「周囲温度」（例えば２５℃）又は「ローディング温度（ｌｏａｄｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）」（例えば１５０℃）であり、前記第２温度が「プロセス温度」（例えば１１５０℃）である場合、１以上の巻線が、例えば、５００℃と「プロセス温度」との間の温度範囲においてのみ、それらの位置が適切且つ繰り返し修正される。すなわち、「周囲温度」又は「ローディング温度」と、例えば５００℃との間の温度範囲においては、いずれの巻線の位置も変更されない。この代替案は、例えば、特定条件における基板の特定温度の不安定性が許容される場合に有用であり得る。

インダクタの幾何学形状（具体的には、平坦）は、サセプタの幾何学形状（高さが直径よりもはるかに小さい円柱状）に適合する。

サセプタはかなり薄いため、下面と上面との温度差はかなり小さく（例えば、５０℃～１００℃）、サセプタの温度は、一次近似で放射状図により概略的に表され得る。

これらの位置変更は、通常、制御システムの制御下で行われる。

加熱中及び堆積前に、巻線の位置の制御が「オープンループ」（ｏｐｅｎ ｌｏｏｐ）であることが好ましく、また、インダクタの電気制御が「オープンループ」であることが好ましい。これは単純な制御であるが、この用途のための「クローズドループ」（ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ）制御よりもはるかに優れている。

好ましくは、「オープンループ」制御中、温度を、例えばサーモグラフィカメラを用いて測定できる。制御法則を、例えば表形式で保存でき、表の各行が、異なる温度（例えば、サーモグラフィカメラにより測定された基板の平均温度）に対応し、各温度に対して、インダクタに供給されるべき電力が、例えばインダクタの巻線の鉛直方向位置として提示される。第１の温度（例えば周囲温度）から開始して、第１の電力及び第１の位置が設定される。サーモグラフィカメラが第２の温度を測定すると第２の電力及び第２の位置が設定され、という具合に続いていく。

「オープンループ制御」のためのデータは、典型的に、１以上の実験的キャンペーン（ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｃａｍｐａｉｇｎｓ）から得られる。巻線の位置が「実験則（ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｌａｗ）」に従って修正されるときに最良の結果が得られることが観察されている。

「オープンループ」制御を用いる利点は、プロセスごとに「プロセスレシピ（ｐｒｏｃｅｓｓ ｒｅｃｉｐｅ）」の最終温度（「プロセス温度」と見なし得る）が、一次近似の熱レベルで変化するだけであり、前記温度に達するまでには上昇しないことである。常に同一の（又は非常に類似の）温度上昇が実現されなければならないため、「クローズドループ」制御（その性質上、様々な不測の状況の管理には優れている）を含めることは無意味である。このようにして、ただ１つの実験的キャンペーンを通して、最適な法則を特定し、サセプタの熱慣性の問題を排除し、そして、制御されたシステムの危険な不安定性を回避することが可能である。

エピタキシャル堆積プロセス中（すなわち、加熱段階の後で冷却段階の前）には、異なる方法で動作することが好ましい。

エピタキシャル堆積プロセス中には、インダクタのいずれの巻線の位置も修正されない。すなわち、各巻線の位置が維持される。インダクタには「クローズドループ制御」により電力が供給される。

「クローズドループ」制御中、温度を、例えばサーモグラフィカメラを用いて測定でき、インダクタに供給されるべき電力が、所望の温度（すなわち、例えば操作者により設定されたプロセス温度）と、サーモグラフィカメラにより測定された温度（例えば、基板の平均温度）との差に基づいて算出される。

幾つかの用途においては、加熱操作の最後の部分において（例えば、加熱の最後の５０℃～１００℃の間）、巻線を固定状態に維持して、インダクタの「クローズドループ」電気制御を実行することが好ましい場合がある。

１ リアクタ
２ サセプタ
３ 支持要素
４ インダクタ
８ コンピュータシステム
１１ 上壁
４３ 巻線
６１ 電気モータ
６２ アクチュエータ
６３ トランスミッション
１００ 基板
６２１ アクチュエータ
Ｚ 回転軸

Claims (5)

1. エピタキシャル堆積用のリアクタ（１）であって、１以上の基板（１００）を直接的又は間接的に支持するように適合されたディスク状部を有する少なくとも１つのサセプタ（２）と、巻線（４１～４７）を有するインダクタ（４）とを備え、当該インダクタ（４）が、前記ディスク状部（２）を加熱するように、且つ、前記巻線（４１～４７）の位置を変えることにより制御されるように適合されている前記リアクタ（１）において、
   ‐１つの第１モータ（６１）であって、前記インダクタ（４）の少なくとも１つの第１の巻線（４３）の位置を、「オープンループ制御」（８）により、前記第１モータ（６１）の運動の結果として変更するように適合されている前記第１モータ（６１）と、
   ‐複数の第１並進アクチュエータ（６２）であって、前記少なくとも１つの第１の巻線（４３）の対応する複数の点（図３）に作用して、前記巻線（４３）の並進を生じさせるように適合されている前記第１並進アクチュエータ（６２）と、
   ‐前記第１モータ（６１）の前記運動を複数の前記第１並進アクチュエータ（６２）に伝達するように適合された第１トランスミッション（６３）と、を備えていることを特徴とする、エピタキシャル堆積用リアクタ（１）。
2. ‐１つの第２モータであって、前記インダクタ（４）の少なくとも１つの第２の巻線（４５，４６）の位置を、前記「オープンループ制御」（８）により、前記第２モータの運動の結果として変更するように適合されている前記第２モータと、
   ‐複数の第２並進アクチュエータであって、前記少なくとも１つの第２の巻線（４５，４６）の対応する複数の点（図３）に作用して、前記巻線の並進を生じさせるように適合されている前記第２並進アクチュエータと、
   ‐前記第２モータの前記運動を複数の前記第２並進アクチュエータに伝達するように適合されている第２トランスミッションと、を備えていることを特徴とする、請求項１に記載のエピタキシャル堆積用リアクタ。
3. 前記第１トランスミッション（６３）及び／又は前記第２トランスミッションが、１本及び／又は２本のベルト又はチェーンから成る、請求項２に記載のエピタキシャル堆積用リアクタ。
4. 前記インダクタ（４）が単一の弾性機械的部品の連続導体から成る、請求項１～請求項３のいずれか一項に記載のエピタキシャル堆積用リアクタ。
5. 前記第１並進アクチュエータの回転を検出するために使用されるポテンショメータを含む、請求項１～請求項４のいずれか一項に記載のエピタキシャル堆積用リアクタ。
   

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