(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外放射線源を熱源としてウエハを加熱し、このウエハに膜付けを行なう気相成長装置において、
反応炉内に配置され、ウエハの裏面側を被うように支持するカーボン製のウエハホルダと、
前記反応炉を構成する石英ガラス窓を介して前記ウエハホルダのウエハ載置側またはそれと反対の裏側のいずれか一方のみに向けて前記反応炉外に配置された赤外放射線源と、
前記反応炉を構成する石英ガラス窓を介すると共に前記ウエハホルダを間において前記赤外放射線源と対向するように前記ウエハホルダの裏側またはウエハ載置側のいずれか一方に向けて前記反応炉外に配置された反射板と、
この反射板が対向する前記ウエハホルダの裏側またはウエハ表面に向けて設けられた放射温度計と、
この放射温度計の出力により前記赤外放射線源の出力を制御する温度制御部と、
を備え、
前記ウエハホルダが、ウエハとほぼ等しい厚さに形成され、かつウエハ裏面の外周部のみを接触保持するように形成されていることを特徴とする気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体装置の製造プロセス等に用いられる気相成長装置に係わり、特にＣＶＤによる膜付け対象である半導体ウエハ（以下ウエハという）の加熱温度制御の適切化に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、気相成長装置（ＣＶＤ装置）として、図３に示すような装置がある。
この装置は、外筒２と、上部石英ガラス窓３を有しヒンジ４により外筒２の上面に開閉可能に設けた上蓋５と、外筒２の下面にクランプ６により取付けられた下部石英ガラス窓７とにより反応炉１を形成し、一般的には反応炉１内を図示しない真空ポンプにより所定の圧力に減圧するようになっている。
【０００３】
そして、反応炉１内に設けたカーボン製のウエハホルダ８にウエハ９を載置し、上下の石英ガラス窓３、７の外に設けた多数のハロゲンランプ１０ａ、１１ａからなる赤外放射線源１０、１１によりウエハ９及びウエハホルダ８を加熱し、ノズル孔１２から膜付けに必要な材料ガスを供給しつつ図示しない排気孔から排気してウエハ９の表面に薄膜を形成する。
【０００４】
なお、図３において、ウエハホルダ８は、カーボン製の円筒体１３によって外周部を係合保持されており、円筒体１３は石英ガラス製の板１４上に載置され、板１４は同じく石英ガラス製の複数本の支柱１５により支持されている。
【０００５】
この従来装置においては、赤外放射線源１０、１１のランプの間にそれぞれ設けた複数の放射温度計１６、…、１７、…により、ウエハ９とウエハホルダ８の半径方向にそれぞれ異なる位置の温度を検出し、それらの出力を赤外放射線源１０、１１の対応するハロゲンランプ１０ａ、１１ａにそれぞれフィードバックして最終的にはウエハ９を所定の温度に制御して均一な膜厚分布の薄膜を得るようにしていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ウエハ９上に形成される薄膜の膜厚分布は、ウエハ９表面上の温度分布に左右される。特に、ポリシリコンの膜付けは、温度に対する成膜率が敏感であり、ウエハ９表面上の温度差が６℃以上になると膜厚のバラツキが実用上問題となる。ウエハ９の温度を正確に制御するためには、放射温度計１６、１７によりウエハ９の温度を正確に測定する必要がある。
【０００７】
ところで、測温範囲が１００〜６００℃と比較的低い場合には、放射温度計の検知素子には、現在、Ｐｂｓが用いられており、その検出波長は２１００〜２６００ｎｍ（２．１〜２．６μｍ）であるが、本発明の対象であるＣＶＤにおいては、成膜温度との関係から放射温度計１６、１７の測温範囲は６００〜１３００℃であり、この場合の放射温度計１６、１７の検知素子にはＳｉが用いられており、その検出波長は５００〜１１００ｎｍ（０．５〜１．１μｍ）である。
【０００８】
赤外放射線源１０、１１にハロゲンランプ１０ａ、１１ａを用いた場合の放射波長のピーク値は、図４の分光分布図に示すように、８５０〜１０００ｎｍ（０．８５〜１．０μｍ）であり、検知素子Ｓｉの検出波長がこれを含むため、赤外放射線源１０、１１からの放射線が放射温度計１６、１７に取り込まれて測温精度を阻害し、正確な温度測定ができない。
【０００９】
そこで、測温精度を高めるため、Ｓｉとは異なる検知素子を用いることも試みられているが、測温範囲との関係があり、また、図４に示すようにハロゲンランプは広範囲の波長光を放射するため、正確な温度測定は困難であった。さらに、図４に示すハロゲンランプの波長分布は、経時変化を生じるため、再現性に欠ける欠点もある。
【００１０】
本発明は、前述したような課題を解決し、ウエハの温度をより正確に測定してウエハの温度をより正確に制御可能な気相成長装置を提供することを目的としている。
また、本発明は、ウエハの温度をより効率的かつ迅速に所望の温度に制御可能な気相成長装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、赤外放射線源を熱源としてウエハを加熱し、このウエハに膜付けを行なう気相成長装置において、反応炉内に配置され、ウエハの裏面側を被うように支持するカーボン製のウエハホルダと、前記反応炉を構成する石英ガラス窓を介して前記ウエハホルダのウエハ載置側またはそれと反対の裏側のいずれか一方のみに向けて前記反応炉外に配置された赤外放射線源と、前記反応炉を構成する石英ガラス窓を介すると共に前記ウエハホルダを間において前記赤外放射線源と対向するように前記ウエハホルダの裏側またはウエハ載置側のいずれか一方に向けて前記反応炉外に配置された反射板と、この反射板が対向する前記ウエハホルダの裏側またはウエハ表面に向けて設けられた放射温度計と、この放射温度計の出力により前記赤外放射線源の出力を制御する温度制御部と、を備え、前記ウエハホルダが、ウエハとほぼ等しい厚さに形成され、かつウエハ裏面の外周部のみを接触保持するように形成されていることを特徴とする気相成長装置である。
【００１３】
【作用】
赤外放射線源をウエハホルダのウエハ載置側に配置した場合は、赤外放射線源からの放射線は、ウエハを直接加熱すると共に、一部の放射線はウエハを透過してウエハホルダに達し、ウエハホルダを加熱する。また、ウエハとウエハホルダはこれらが発生する放射線によって互いに加熱され、ほぼ等しい温度に保たれる。ウエハホルダの裏側から放散される放射線は反射板によってウエハホルダに戻され、加熱効率の向上に寄与する。
【００１４】
他方、赤外放射線源をウエハホルダの裏側に配置した場合は、赤外放射線源からの放射線は、ウエハホルダを加熱し、このウエハホルダによりウエハを間接的に加熱する。ウエハの表面側から放散される放射線は反射板によってウエハに戻され、加熱効率の向上に寄与する。
【００１５】
上記２つの装置の相違はウエハ表面を赤外放射線源からの放射線によって直接加熱するか否かである。
放射温度計は、赤外放射線源からの放射線を直接受けず、反射板が対向する側である前者の装置においてはウエハホルダの裏側、後者の装置においてはウエハ表面の温度を測定するため、検知素子にＳｉのような検出波長が赤外放射線源からの放射線のピーク波長を含むものであっても、これに阻害されることなくウエハホルダを介して、または直接ウエハの温度を正確に測定する。
【００１６】
そこで、この温度測定に基づいて赤外放射線源の出力を制御することによりウエハの温度を正確に制御して均一な膜厚分布の膜付けを行なうことができる。
なお、ハロゲンランプはこの種の石英ガラス窓を通して複写加熱する装置の赤外放射線源として適しており、また、金被膜の反射率が高く、さらに、ウエハホルダの厚さをウエハとほぼ等しく、かつウエハ裏面の外周部のみを接触保持するようにすれば、ウエハを迅速かつ全面にわたり均一に所望の温度に制御することができ、さらに、ウエハホルダに異方性カーボンを用いてその積層結晶体の層の面方向がウエハホルダの上面に沿うように形成すれば、該方向の熱伝導率が高いため、ウエハ表面上の温度分布の均一性を高めることができると共に、これと垂直な厚さ方向には大きな断熱性を有しているため、熱効率を高めることができ、強度的にも優れているため、ウエハホルダをより薄くすることができ、急速な昇降温が可能となる。
【００１７】
【実施例】
以下本発明の実施例について図１を参照して説明する。
この装置は、外筒２と、上部石英ガラス窓３を有しヒンジ４により外筒２の上面に開閉可能に設けた上蓋５と、外筒２の下面にクランプ６により取付けられた下部石英ガラス窓７とにより反応炉１を形成し、一般的には反応炉１内を図示しない真空ポンプにより所定の圧力に減圧するようになっている。
【００１８】
そして、反応炉１内に設けたカーボン製のウエハホルダ８にウエハ９を載置し、上部の石英ガラス窓３の外に設けた多数のハロゲンランプ１０ａからなる赤外放射線源１０によりウエハ９及びウエハホルダ８を加熱し、ノズル孔１２から膜付けに必要な材料ガスを供給しつつ図示しない排気孔から排気してウエハ９の表面に薄膜を形成する。
【００１９】
なお、ウエハホルダ８は、カーボン製の円筒体１３によって外周部を係合保持されており、円筒体１３は石英ガラス製の板１４上に載置され、板１４は同じく石英ガラス製の複数本の支柱１５により支持されている。
【００２０】
図１においては、下部石英ガラス窓７の外には反射板２０が設けられており、従来例（図３）の赤外放射線源１１に相当するものは設けられていない。
反射板２０は、後述するウエハホルダ２１の裏面（図１において下面）に向けられ、該裏面から放散される放射線を該裏面に向けて反射するように、金属の鏡面仕上げ、さらには金、銀などの反射効率の高い被膜仕上げが施されている。
【００２１】
反射板２０を貫通して３つの放射温度計１７が取り付けられている。これらの放射温度計１７ａ、１７ｂ、１７ｃは従来例（図３）の放射温度計１７と同じであるが、これらは上部石英ガラス窓３の外に設けられている赤外放射線源１０のハロゲンランプ１０ａの配列に対応して設けられている。
【００２２】
すなわち、ハロゲンランプ１０ａは、中央のハロゲンランプ１０ａを中心として３つのリング状に配列されており、放射温度計１７ａは中央のハロゲンランプ１０ａと最内周リングのハロゲンランプ１０ａに対応し、放射温度計１７ｂは中間のハロゲンランプ１０ａに対応し、放射温度計１７ｃは最外周リングのハロゲンランプ１０ａに対応しており、それぞれの検出温度を制御部２２に取り込んで各ハロゲンランプ１０ａの出力を制御するようになっている。
【００２３】
ウエハホルダ２１は、カーボン、好ましくは異方性カーボン、例えば東洋カーボン社製のＧＲＡＦＯＩＬ（商品名）より形成される。異方性カーボンは、炭素原子の六角網状構造の積層結晶体であり、層の面方向にはアルミニウムとほぼ同じ熱伝導率を示し、優れた寸法安定性と機械的強度を持ち、他方、厚さ方向には断熱性を示す。しかして、ウエハホルダ２１は、この層の面方向がウエハホルダ２１の上面に沿うようにして形成される。
【００２４】
また、ウエハホルダ２１は、図１に示すように、ウエハ９とほぼ同じ厚さすなわち直径が６インチ（約１５０ｍｍ）のＳｉウエハ用の場合、０．６〜１．０ｍｍの厚さに形成され、さらに、上面のウエハ収納凹部２１ａの底面にはザグリ２１ｂが設けられ、ウエハ９の裏面外周部のみを接触支持するようになっている。ザグリ２１ｂの深さすなわちウエハ９の裏面とウエハホルダ２１のザグリ部表面との間隔Ｈは、ウエハ９の表面上の温度分布と加熱効率を考慮すると、０．８〜１．０ｍｍが好ましい。
【００２５】
ついで本装置の作用について説明する。赤外放射線源１０からの放射線により上部石英ガラス窓３を通してウエハ９の表面を加熱する。ウエハ９がＳｉの場合、ウエハ９に照射された放射線のうち波長が約１０００ｎｍ以上の放射線は、ウエハ９を透過してウエハホルダ２１に吸収され、ウエハホルダ２１を加熱する。
【００２６】
ウエハ９を通過した放射線によって加熱されるウエハホルダ２１はウエハ９を裏面から加熱する。このとき、ウエハホルダ２１に照射される放射線の強度分布が一様でなくても、ウエハホルダ２１を上記のようにカーボンで形成すれば、カーボンは熱伝導率が高いため、ウエハホルダ２１の全体をより均一な温度にできる。
【００２７】
また、上記のように異方性カーボンで形成すれば、ウエハホルダ２１の上面に沿う方向の熱伝導率が高いため、ウエハホルダ２１の上面の温度をより一層均一化することができると共に、異方性カーボンの層の厚さ方向には断熱性を有するため、ウエハホルダ２１の裏面（図１において下側）からの放熱が減少し、熱効率が高められる。
【００２８】
上記のようにウエハホルダ２１は、少なくとも上面に沿う方向に温度が均一化されるが、全体が一定温度になるとは限らず、ある温度勾配を有するのが通常である。この温度勾配は、ウエハホルダ２１の裏側に向けて設けられた放射温度計１７ａ、１７ｂ、１７ｃによって測定される。
【００２９】
このとき、ウエハホルダ２１は、赤外放射線源１０からの放射線を全て吸収するため、放射温度計１７ａ、１７ｂ、１７ｃは赤外放射線源１０からの放射線に影響されることなく、ウエハホルダ２１の温度をより正確に測定する。
【００３０】
放射温度計１７ａ、１７ｂ、１７ｃの出力は制御部２２に取り込まれ、それぞれに対応しているハロゲンランプ１０ａの出力を制御してウエハホルダ２１の半径方向の温度分布を均一にする。
【００３１】
なお、ウエハホルダ２１の裏側から放散された放射線は、反射板２０によってウエハホルダ２１に戻され、効果的な加熱を行なう。
ウエハホルダ２１によるウエハ９の加熱は、ウエハ９の裏面の外周部のみがウエハホルダ２１に接触しており、ウエハ９とウエハホルダ２１の間には間隔Ｈが設けられているため、主として接触による伝導加熱ではなくウエハホルダ２１が発する放射線による輻射加熱となり、ウエハ９をより均一な温度分布となるように加熱する
また、ウエハホルダ２１の厚さをウエハ９の厚さとほぼ等しく形成すれば、ウエハホルダ２１の熱容量を小さくすることができるため、効率的な加熱が行なわれると共に、赤外放射線源１０のＯＮ、ＯＦＦにより、ウエハ９を迅速に昇・降温させることが可能となり、特に枚葉式の気相成長装置にとって重要な処理時間の短縮化が図られる。
【００３２】
図２は、本発明の他の実施例を示すもので、赤外放射線源１０をウエハホルダ２１の裏面に向け、反射板２０と放射温度計１７ａ、１７ｂ、１７ｃをウエハ９の表面に向けて設置したものである。これは、ウエハ９の表面に、例えばポリシリコン膜、ガラス膜、窒化膜等の赤外放射線源１０からの放射線吸収率が異なる膜が混在して一様に加熱されないために、赤外放射線源１０によりウエハ９の表面を直接加熱することができない場合に用いられる。
【００３３】
この装置では、ウエハ９はもっぱらウエハホルダ２１からの熱の供給により加熱される。反射板２０は、ウエハ９の表面から放散される放射線をウエハ９に戻す。
【００３４】
この装置においても放射温度計１７ａ、１７ｂ、１７ｃは赤外放射線源１０からの放射線の影響を受けず、ウエハ９の温度をより正確に測定してウエハ９の温度を的確に制御することができる。
【００３５】
なお、この他の実施例（図２）の説明において、前述の一実施例（図１）と同一部分は同一の符号を付して重複説明を省略する。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲で種々変形実施可能なことは勿論である。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、赤外放射線源からの放射線に影響されることなくウエハの温度をより正確に測定してウエハの温度をより正確に制御することができ、より均一な膜厚分布の薄膜を得ることができ、さらにウエハホルダの厚さをウエハの厚さとほぼ等しくすれば、ウエハの温度をより効率的かつ迅速に所望の温度に制御することができる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気相成長装置の一実施例を示す断面図。
【図２】本発明の他の実施例を示す断面図。
【図３】従来装置の断面図。
【図４】ハロゲンランプの分光分布図。
【符号の説明】
１…反応炉、３…上部石英ガラス窓、７…下部石英ガラス窓、９…ウエハ、１０…赤外放射線源、１０ａ…ハロゲンランプ、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…放射温度計、２０…反射板、２１…ウエハホルダ、２２…制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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