(57)【要約】【課題】成膜処理中における基板の上下方向の温度差を抑制できる成膜装置及び成膜方法を提供する。【解決手段】処理対象の基板が縦方向に搭載された基板プレートを有するボートが格納されるチャンバーと、チャンバー内においてボートの底面を加熱する底面ヒータと、基板プレートの下部と上部との温度差が一定値以下になるように底面ヒータの設定温度を制御する制御装置と、チャンバー内においてボートを側面から加熱する側面ヒータと、チャンバー内にプロセスガスを供給するガス供給装置とを備え、プロセスガスに含まれる原料を主成分とする薄膜を基板上に形成する。【選択図】図１
2015015382.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理対象の基板が縦方向に搭載された基板プレートを有するボートが格納されるチャンバーと、
前記チャンバー内において前記ボートの底面を加熱する底面ヒータと、
前記基板プレートの下部と上部との温度差が一定値以下になるように前記底面ヒータの設定温度を制御する制御装置と、
前記チャンバー内において前記ボートを側面から加熱する側面ヒータと、
前記チャンバー内にプロセスガスを供給するガス供給装置と
を備え、前記プロセスガスに含まれる原料を主成分とする薄膜を前記基板上に形成することを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記制御装置が、予め得られた前記基板の上部と下部の温度差と前記設定温度との関係を用いて、成膜工程中の前記底面ヒータの設定温度を制御することを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
【請求項３】
前記チャンバー内で前記基板と対向して配置されたカソード電極と、
前記ボートと前記カソード電極間に交流電力を供給して、前記基板と前記カソード電極間において前記プロセスガスをプラズマ状態にする交流電源と
を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜装置。
【請求項４】
前記ガス供給装置が、前記基板プレートの下部から上部に沿って前記プロセスガスを供給することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の成膜装置。
【請求項５】
前記チャンバーに格納される前に、前記基板が搭載された前記ボートを加熱する加熱室を更に備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の成膜装置。
【請求項６】
処理対象の基板が縦方向に搭載された基板プレートを有するボートをチャンバーに格納するステップと、
前記基板プレートの下部と上部との温度差が一定値以下になるように設定温度が制御された底面ヒータによって、前記チャンバー内において前記ボートの底面を加熱するステップと、
前記底面ヒータによって前記ボートの底面を加熱しながら、前記ボートを側面から加熱するステップと、
前記チャンバー内にプロセスガスを供給するステップと
を含み、前記プロセスガスに含まれる原料を主成分とする薄膜を前記基板上に形成することを特徴とする成膜方法。
【請求項７】
予め得られた前記基板の上部と下部の温度差と前記設定温度との関係を用いて、成膜工程中の前記底面ヒータの設定温度が制御されることを特徴とする請求項６に記載の成膜方法。
【請求項８】
前記基板プレートの下部から上部に沿って前記プロセスガスを供給することを特徴とする請求項６又は７に記載の成膜方法。
【請求項９】
前記ボートが前記チャンバーに格納される前に、前記基板が搭載された前記ボートを加熱するステップを更に備えることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の温度に設定された基板に成膜処理を行う成膜装置及び成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造工程では、時間当たりの基板処理枚数が重要な仕様である場合に、複数の基板を同時に処理するバッチ式の処理方法が採用される。バッチ式の処理では、複数の基板を搭載するサンプルホルダが使用される。このサンプルホルダには、水平な板に基板を水平に配列して配置するカートタイプや、基板を垂直に複数並べるボートタイプなどがある。カートタイプのサンプルホルダを使用した場合は、製造装置の設置面積（フットプリント）が大きい。これに対し、ボートタイプのサンプルホルダ（以下において、単に「ボート」という。）を使用すれば、製造装置の設置面積を抑制できる（例えば特許文献１参照。）。
【０００３】
太陽電池などの半導体装置の製造工程では、処理工程前の予備加熱或いは処理工程時のアニール処理などにおいて基板が加熱される。例えば、基板を所定の温度に設定して成膜処理を行う場合は、基板が搭載されたボートを加熱室で加熱した後に、ボートが成膜室に格納される。そして、ボートの温度が低下しないように成膜室内のヒータ上にボートが載せられ、ボートを保温しつつ成膜処理が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−７５８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ヒータ上に載せてボートの底面を加熱すると底面側の方が上部よりも高温になり、ボートの上下方向に温度差が生じる。ボートには基板が縦方向に搭載されているため、基板の温度にも上下方向で差が生じる。温度が低い方にプロセスガスが集まるため、この温度差によってプロセスガスの分布の均一性が低下する。その結果、基板上に形成された膜の膜厚分布が悪化するなどの問題があった。
【０００６】
上記問題点に鑑み、成膜処理中における基板の上下方向の温度差を抑制できる成膜装置及び成膜方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、（イ）処理対象の基板が縦方向に搭載された基板プレートを有するボートが格納されるチャンバーと、（ロ）チャンバー内においてボートの底面を加熱する底面ヒータと、（ハ）基板プレートの下部と上部との温度差が一定値以下になるように底面ヒータの設定温度を制御する制御装置と、（ニ）チャンバー内においてボートを側面から加熱する側面ヒータと、（ホ）チャンバー内にプロセスガスを供給するガス供給装置とを備え、プロセスガスに含まれる原料を主成分とする薄膜を基板上に形成する成膜装置が提供される。
【０００８】
本発明の他の態様によれば、（イ）処理対象の基板が縦方向に搭載された基板プレートを有するボートをチャンバーに格納するステップと、（ロ）基板プレートの下部と上部との温度差が一定値以下になるように設定温度が制御された底面ヒータによって、チャンバー内においてボートの底面を加熱するステップと、（ハ）底面ヒータによってボートの底面を加熱しながら、ボートを側面から加熱するステップと、（ニ）チャンバー内にプロセスガスを供給するステップとを含み、プロセスガスに含まれる原料を主成分とする薄膜を基板上に形成する成膜方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、成膜処理中における基板の上下方向の温度差を抑制できる成膜装置及び成膜方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る成膜装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係る成膜装置に格納されるボートの構成例を示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態に係る成膜装置が加熱室を有する構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１２】
本発明の実施形態に係る成膜装置１は、図１に示すように、処理対象の基板１００が縦方向に搭載された基板プレート１１を有するボート１０が格納されるチャンバー２０と、チャンバー２０内においてボート１０の底面を加熱する底面ヒータ３０と、基板プレート１１の下部と上部との温度差が一定値以下になるように底面ヒータ３０の設定温度を制御する制御装置４０と、チャンバー２０内においてボート１０を側面から加熱する側面ヒータ５０と、チャンバー２０内にプロセスガス２００を供給するガス供給装置６０とを備える。ボート１０の下部は底面ヒータ３０に近い部分であり、上部は底面ヒータ３０から遠い部分である。成膜装置１により、プロセスガス２００に含まれる原料を主成分とする薄膜が基板１００上に形成される。
【００１３】
成膜装置１はプラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）装置であって、チャンバー２０内で基板１００と対向して配置されたカソード電極７０と、ボート１０とカソード電極７０間に交流電力を供給して、基板１００とカソード電極７０間においてプロセスガス２００をプラズマ状態にする交流電源８０とを更に備える。成膜装置１では、ボート１０がアノード電極として使用される。
【００１４】
成膜装置１を用いた成膜処理工程では、チャンバー２０の外部から供給されたプロセスガス２００がガス供給装置６０によってボート１０とカソード電極７０間に導入される。チャンバー２０内を排気するガス排気装置９０によってチャンバー２０内の圧力が所定値に調整される。その後、チャンバー２０内でプロセスガス２００がプラズマ化される。形成されたプラズマに基板１００が曝されることにより、プロセスガス２００に含まれる原料を主成分とする所望の薄膜が基板１００の露出した表面に形成される。
【００１５】
ボート１０は、図２に示すように、基板１００が搭載される搭載面をそれぞれ有する複数の基板プレート１１が搭載面の面法線方向に並行に配列されたボートタイプのサンプルホルダである。基板プレート１１のそれぞれの下部は底板１２によって固定されている。基板プレート１１を複数有するボート１０を使用することにより、１回の成膜処理工程で処理できる基板１００の枚数が増加し、全体の処理時間を短縮することができる。更に、成膜装置１の設置面積を小さくできる。なお、１つの基板プレート１１に搭載される基板の枚数は任意に設定できる。
【００１６】
基板１００が所定の温度に設定された状態で成膜処理を行うために、底面ヒータ３０及び側面ヒータ５０によって、ボート１０に搭載された基板１００が加熱される。底面ヒータ３０と側面ヒータ５０には、例えばシーズヒータなどを採用可能である。
【００１７】
底面ヒータ３０による加熱では、基板プレート１１の上部と下部との温度差が生じやすい。この基板プレート１１の温度差によって、成膜工程中の基板１００の上部と下部に温度差が生じる。既に述べたように、基板１００の上下方向の温度差によってプロセスガスの分布の均一性が低下する。制御装置４０は、基板１００の表面におけるプロセスガス２００の分布を均一にするために、基板１００の上下方向の温度差が小さくなるように底面ヒータ３０の設定温度を調整する。その結果、基板１００の上下方向の温度差によるプロセスガス２００の分布は均一であり、基板１００上に形成される膜の膜厚差が抑制される。底面ヒータ３０の設定温度は、例えば以下のように調整される。
【００１８】
先ず、基板１００上に形成される膜の膜厚分布が品質に問題ない範囲を設定し、膜厚分布が設定された範囲であるための、基板１００の上部と下部の温度差を実験などによって取得する。即ち、基板１００の上部と下部の温度差と膜厚分布の関係を調査する。なお、基板１００に形成される薄膜の膜厚に関して、（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）の値を膜厚分布のばらつきとして管理する場合、例えば３％を上限とする。上記の範囲の膜厚分布のばらつきを実現するように、底面ヒータ３０の設定温度が調整される。
【００１９】
例えば、基板１００上に形成される膜の膜厚分布が品質に問題ない範囲であるためには、基板１００の上部と下部の温度差が１０℃以下であるとする。この場合には、基板１００の上部と下部との温度差が１０℃以下であるように、制御装置４０が底面ヒータ３０の設定温度を制御する。
【００２０】
基板１００の上部と下部の温度差が所望の温度差以下であるようにするために、制御装置４０は、基板プレート１１の下部と上部との温度差が一定値以下になるように底面ヒータ３０の設定温度を制御する。基板プレート１１の上部及び下部の温度は、基板１００の上部及び下部の温度に等しいためである。
【００２１】
例えば、実験などによって基板１００の上部と下部の温度差と底面ヒータ３０の設定温度との関係を調査しておく。その調査により得られた結果を用いて、基板１００の上部と下部の温度差が所定の温度差以下であるように成膜工程中の底面ヒータ３０の設定温度が制御される。
【００２２】
なお、成膜工程中の基板１００の上部と下部の温度差、つまり基板プレート１１の下部と上部との温度差と、底面ヒータ３０の設定温度との関係は、例えば以下のようにして実験的に得ることができる。即ち、上部と下部に熱電対を配置した基板１００をボート１０に搭載し、通常の成膜工程と同様にして基板１００の成膜処理を行う。このとき、底面ヒータ３０の設定温度と熱電対により得られる基板温度との関係から、所定の温度差での底面ヒータ３０の設定温度を知ることができる。
【００２３】
制御装置４０は、例えば上記にようにして予め得られた基板１００の上部と下部の温度差と底面ヒータ３０の設定温度との関係を用いて、基板１００の上部と下部の温度差が所定の温度差以下であるように、成膜工程中の底面ヒータ３０の設定温度を制御する。上記のようにして、基板プレート１１の下部と上部との温度差が一定値以下になるように底面ヒータ３０の設定温度が制御される。
【００２４】
ただし、底面ヒータ３０による加熱では、基板プレート１１の上部が下部よりも温度低下しやすい。このため、成膜装置１では、側面ヒータ５０によってボート１０を側面から加熱する。側面ヒータ５０により、温度が下がりやすい基板プレート１１の上部の温度低下を抑制できる。側面ヒータ５０の設定温度は、成膜工程中における基板１００の設定温度である。例えば、成膜工程中の基板１００の温度を４５０℃に維持する必要があれば、側面ヒータ５０の設定温度は４５０℃に設定される。ボート１０の側面に配置される側面ヒータ５０による加熱では、基板プレート１１の上下方向に温度差は生じない。
【００２５】
上記のように、成膜装置１によれば、底面ヒータ３０と側面ヒータ５０によって、基板プレート１１の上下方向の温度差を抑制しつつ、基板１００を成膜工程で必要な温度に設定できる。
【００２６】
なお、ガス供給装置６０が、基板プレート１１の下部から上部に向けてプロセスガス２００を供給することが好ましい。下方からチャンバー２０内にプロセスガス２００を導入することにより、比重の軽いプラズマ化したガス分子、ラジカル粒子は上方流としてカソード電極７０の表面を自然に流れ上がる。したがって、シャワー電極のような複雑な構造を用いなくても、カソード電極７０の表面にプロセスガス２００が均一に供給される。
【００２７】
成膜装置１によれば、プロセスガス２００を適宜選択することによって、所望の薄膜を形成できる。例えば、シリコン半導体薄膜、シリコン窒化薄膜、シリコン酸化薄膜、シリコン酸窒化薄膜、カーボン薄膜などを基板１００上に形成することができる。具体的には、アンモニア（ＮＨ3）ガスとモノシラン（ＳｉＨ4）ガスの混合ガスを用いて、基板１００上に窒化シリコン（ＳｉＮ）膜が形成される。或いは、モノシラン（ＳｉＨ4）ガスとＮ2Ｏガスの混合ガスを、又はＴＥＯＳガスと酸素ガスを用いて、基板１００上に酸化シリコン（ＳｉＯx）膜が形成される。
【００２８】
成膜装置１がプラズマＣＶＤ装置である場合、図３に示すように、成膜前に基板１００を予備加熱する加熱室２１が用意されることが多い。この場合には、加熱室２１に格納されたボート１０に搭載された基板１００が、ヒータなどによって所定の温度まで予備加熱される。その後、ボート１０が加熱室２１からチャンバー２０内に搬送されて、基板１００に薄膜が形成される。
【００２９】
例えば結晶系太陽電池、反射防止膜、窒化膜などの成膜処理では、基板１００の温度を予め決められた設定温度にした状態で、基板１００に膜を形成する。そのため、上記のように、チャンバー２０に格納される前に加熱室２１で基板１００を予備加熱する。そして、設定温度に達した基板１００がチャンバー２０に格納され、底面ヒータ３０と側面ヒータ５０によって基板プレート１１に上下方向の温度差が生じない状態を維持し、且つ予備加熱された基板１００の基板温度の低下が抑制され、基板１００の成膜処理が行われる。
【００３０】
なお、複数のボート１０を用いて図４に示す成膜装置１により成膜処理を行う場合には、チャンバー２０内で基板１００の成膜処理を行っている間に、次に成膜処理する基板１００を加熱室２１で予備加熱することができる。つまり、成膜処理の待ち時間の間に基板１００を予備加熱することにより、成膜装置１のスループットが向上する。
【００３１】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係る成膜装置１では、基板１００が搭載されたボート１０の上下方向の温度差が抑制されるように底面ヒータ３０の設定温度が制御されて、成膜処理が行われる。このため、成膜装置１によれば、成膜処理中における基板１００の上下方向の温度差を抑制できる。したがって、プロセスガス２００の分布の均一性が向上し、基板１００上に形成された膜の膜厚分布を均一にできる。
【００３２】
（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００３３】
例えば、上記の実施形態ではチャンバー２０が円筒形状である例を示したが、チャンバー２０は断面が矩形の筐体であってもよい。
【００３４】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００３５】
１…成膜装置
１０…ボート
１１…基板プレート
１２…底板
２０…チャンバー
２１…加熱室
３０…底面ヒータ
４０…制御装置
５０…側面ヒータ
６０…ガス供給装置
７０…カソード電極
８０…交流電源
９０…ガス排気装置
１００…基板
２００…プロセスガス
【図１】
2015015382.tif 000003
【図２】
2015015382.tif 000004
【図３】
2015015382.tif 000005