(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
概して平板状の基板を受容するための領域を持つサセプタ上で前記基板を処理するための装置であって、
前記サセプタの下から前記間隙内に掃引ガスを導入して基板の下から半径方向に外向きに流すための前記サセプタ内の１つ以上のガス通路と、
前記基板の外側環状部を支持するために前記領域の外周部でサセプタ上に支持されるブロッカリングであって、前記外向きの半径方向の掃引ガスの流れを制限しかつサセプタ上のガスが前記領域内に流入するのを阻止するように構成された前記リングとを含み、
前記リングは、円周方向に間隔をおいて配置された複数のランド又は脚部を有し、該ランド又は脚部は、前記リングと前記基板の１つとの間、又は、前記リングと前記サセプタとの間に、円周方向に間隔をおいて配置された複数の通路を形成し、
前記ランド又は脚部は、前記リングの本体部から上方又は下方のいずれかに延び、円周方向に間隔をおいて配置された前記通路は、該通路を通して掃引ガスが流動可能なように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
円周方向に間隔をおいて配置された前記通路は、前記リングと前記基板との間にある請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記リングが、前記リングの本体部から上向きに伸長する環状リブを有する請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記リブがリングの内径と外径の間にほぼ中心に配置されるか、またはリングの内径に隣接して配置される請求項３記載の装置。
【請求項５】
円周方向に間隔をおいて配置された前記通路は、前記リングと前記サセプタとの間にある請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記リングが複数のランド及び脚部を備え、前記ランドは、前記脚部から円周方向に間隔をおいており、制限された掃引ガスが前記リングの上下で流動可能である請求項１から５のいずれか記載の装置。
【請求項７】
円周方向に間隔をおいて配置された複数の前記ランド又は脚部は、複数のランド及び脚部の両方を含み、前記ランドは、前記リングの本体部から上方に延び、前記脚部は、前記リングの本体部から下方に垂下し、円周方向に間隔をおいて配置された複数の前記通路は、前記リングと前記サセプタとの間の通路、及び、前記リングと前記基板との間の通路を含み、前記脚部の底面と隣接する前記ランドの頂面との間の熱的経路が前記ランド及び前記脚部を含む前記リングの高さより大きくなるように前記ランドが前記脚部から円周方向に間隔をおいて配置される請求項１記載の装置。
【請求項８】
前記サセプタが実質的に円板形の下部セクションと、前記下部セクションの上面と係合する下面を有する実質的に円板形の上部セクションとを含み、前記セクションの表面を係合することによって前記１つ以上のガス通路が画定され、前記下部セクションの１つ以上のガス入口がその下面および前記通路に通じ、前記上部セクションの１つ以上のガス出口が前記間隙に通じる請求項１から７のいずれか記載の装置。
【請求項９】
前記１つ以上のガス通路が、前記ガス入口と出口の間に伸長する浅い環状凹所を含む請求項８記載の装置。
【請求項１０】
中心軸および前記軸から半径方向および上方向に伸長する複数の支持アームを有する前記サセプタのための支持体を含み、前記アームが前記サセプタを支持するために前記サセプタの下面と係合するように適応された上端を有し、１つ以上の前記アームが管状であるので前記掃引ガスを前記管状アームを通して前記ガス入口へ伝達することができる請求項８記載の装置。
【請求項１１】
前記サセプタが前記基板受容領域を形成する浅い凹所を有し、前記リングが、前記凹所の内径よりわずかに小さく、前記凹所内に嵌め込まれ、前記基板を支持する請求項１から１０のいずれか記載の装置。
【請求項１２】
サセプタ上で平板状基板を支持すると共に前記基板と前記サセプタとの間に間隙を形成するように構成された１つ以上の上に伸長するスペーサを有する前記サセプタと、
前記サセプタ上および前記平板状基板の外周部の下に配置されるブロッカリングと、を含む半導体基板を処理するための装置であって、
前記基板が１つ以上の前記スペーサに支持され、前記リングに接触しないように、前記ブロッカリングの全高は、１つ以上の前記スペーサの全高より小さい装置。
【請求項１３】
前記１つ以上のスペーサは、ピンを含む請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
基板の高温処理中に基板を支持する方法において、
基板が実質的にサセプタから熱的に分断されるように、基板をサセプタの上に間隔をおいて配置し、かつ
前記基板の外周部の下の前記サセプタ上にブロッカリングを配置することを含み、前記ブロッカリングは、前記基板を支持し、前記基板と前記サセプタとの間で外向きの半径方向のガスの流れを制限するように構成されおり、
前記リングは、円周方向に間隔をおいて配置された複数のランド又は脚部を有し、該ランド又は脚部は、前記リングと前記基板の１つとの間、又は、前記リングと前記サセプタとの間に、円周方向に間隔をおいて配置された複数の通路を形成し、
前記ランド又は脚部は、前記リングの本体部から上方又は下方のいずれかに延び、前記円周方向に間隔をおいて配置された通路は、該通路を通して掃引ガスが流動可能なように構成されている方法。
【請求項１５】
掃引ガスを基板とサセプタの間の間隙に導入し、かつ前記ブロッカリングを通る１つ以上の抑制された通路を通して基板の下から半径方向に外向きに流すために、前記サセプタに通路を設ける、
ことを含む請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
ウェハの高温処理中に半導体ウェハの均等な温度を維持する方法において、
ウェハが実質的にサセプタから熱的に分断されるように、サセプタから上向きに伸長する１つ以上のスペーサ上にウェハを配置し、
ウェハの上に間隔をおいて配置された上部熱源およびサセプタの下に間隔をおいて配置された下部熱源によって、ウェハおよびサセプタを加熱し、
ウェハおよびサセプタが両方とも所望の温度であるときには、上部および下部熱源によって提供される熱の比率を一定に維持し、かつ
ウェハおよびサセプタの温度を急速に変化させるときには、ウェハおよびサセプタの温度が変化するときに、これらを同一温度に維持するために、前記比率を変化させ、
前記比率の変化が、ウェハおよびサセプタの温度を急速に増加するときには、上部熱源から提供される熱の百分率を減少し、
前記比率の変化が、温度均等性を維持するためにウェハおよびサセプタに多少の熱を与えながらウェハおよびサセプタの温度を低下させるときには、上部熱源から提供される熱の百分率を増加することを含む方法。
【請求項１７】
サセプタ上で平板状基板を支持すると共に前記基板と前記サセプタとの間に間隙を形成するように構成された１つ以上の上に伸長するスペーサを有する前記サセプタと、
サセプタの上に間隔をおいて配置された上部熱源と、
サセプタの下に間隔をおいて配置された下部熱源と、
前記熱源の間で選択された比率で前記熱源に電力を提供する制御装置であって、基板の高温処理サイクル中に前記比率を変化させ、それによってサイクル中に熱源によって提供される熱の比率を変化させる制御装置と、を含む基板を処理するための装置であって、
前記比率の変化が、基板およびサセプタの温度を急速に増加するときには、上部熱源から提供される熱の百分率を減少し、
前記比率の変化が、温度均等性を維持するために基板およびサセプタに多少の熱を与えながら基板およびサセプタの温度を低下させるときには、上部熱源から提供される熱の百分率を増加することを含む装置。
【請求項１８】
前記熱源が放射加熱ランプであり、１つ以上の上部ランプおよび１つ以上の下部ランプが前記制御装置によってユニットとして制御可能である請求項１７記載の装置。
【請求項１９】
制御装置が前記熱源間の比率を変化させながら電力出力を実質的に一定に維持するように構成された請求項１８記載の装置。
【請求項２０】
前記複数のランド又は脚部は、複数のランド及び脚部の両方を含み、前記ランドは、前記脚部から円周方向に間隔をおいている請求項１４に記載の方法。
【請求項２１】
基板の高温処理中に該基板を支持する方法であって、
基板が実質的にサセプタから熱的に分断されるように、基板をサセプタの上に間隔をおいて配置し、
前記基板の外周部の下の前記サセプタ上にブロッカリングを配置し、前記ブロッカリングは、前記基板と前記サセプタとの間で外向きの半径方向のガスの流れを制限するように構成されており、
前記リングから分離して形成されかつ前記サセプタ上に延びる１つ以上のスペーサ上に前記基板を支持し、前記ブロッカリングの全高さは、前記基板が前記ブロッカリングに接触しないように、１つ以上のスペーサの全高さより小さい方法。
【請求項２２】
前記リングは、本体部から上方に延びる環状リブ、および／又は、円周方向に間隔をおいて配置された複数の脚部を含む請求項１２記載の装置。
【発明の詳細な説明】
発明の属する分野
本発明は、半導体反応室におけるウェハ用支持体に関し、さらに詳しくは、化学気相成長室内でサセプタ上にウェハを支持するためのシステムに関する。
発明の背景
電子産業用の集積回路を形成する元になる半導体ウェハを処理するために、高温反応炉またはリアクタが使用される。一般的にシリコンで作られる円形ウェハまたは基板は、サセプタと呼ばれるウェハ支持体に載置される。ウェハおよびサセプタは両方とも石英反応管に閉囲され、石英反応管の周囲に配置された複数の放射ランプによって頻繁に、例えば６００℃（１１１２°Ｆ）或いはそれ以上の高温に加熱される。加熱されたウェハ上に反応ガスが通され、ウェハ上に反応物質の薄層の化学気相成長（ＣＶＤ）を引き起こす。他の装置におけるその後の工程を通して、数十から数千個の集積回路から製造される単一の層を伴い、ウェハの大きさおよび回路の複雑さに依存して、これらの層が集積回路に形成される。
堆積される層が下にあるシリコンウェハと同一の結晶学的構造を持つ場合、それはエピタキシャル層と呼ばれる。これは１つの結晶構造しか持たないので、しばしば単結晶層とも称される。
結果的に得られる半導体の高品質を確実にするためには、様々なＣＶＤプロセスパラメータを注意深く制御しなければならない。１つのそうした重要なパラメータが、処理中のウェハの温度である。堆積ガスは特定の温度で反応し、ウェハ上に堆積する。温度がウェハの表面全体で大きく異なると、反応ガスの不均等な堆積が発生する。
特定のバッチ処理装置（即ち、一度に１つ以上のウェハを処理するＣＶＤリアクタ）では、ウェハは、ウェハの温度が均一に維持されるのを助けるために、グラファイトまたは他の熱吸収物質で作られた比較的大質量のサセプタに載置される。本文中の「大質量」サセプタとは、ウェハに対して大きい熱質量を持つサセプタである。質量は、密度に容積を乗じたものに等しい。熱質量は、質量に比熱容量を乗じたものである。
大容量サセプタの一例が、ＭｃＮｅｉｌｌｙに発行された米国特許第４，４９６，６０９号に示されている。これは、ウェハを比較的大容量のスラブ状サセプタ上に直接載置し、且つ密接な接触状態に維持してそれらの間の熱の伝達を可能にするＣＶＤプロセスを開示している。グラファイトのサセプタはおそらく、熱をウェハに伝達してその温度を均一かつ比較的一定に維持する熱的「はずみ車」として作動する。目的は、サセプタの「はずみ車」効果が無ければ発生する、ウェハの周囲の過渡的温度変化を減少することである。
近年、同時にウェハをバッチ処理するのとは対照的なその高い精度をはじめとする様々な理由から、大径ウェハの枚葉式処理が発達してきた。枚葉式処理はそれだけでバッチ処理より有利であるが、プロセスパラメータおよびスループットの制御が重要であることは変わらない。ウェハが大質量スラブ状サセプタと密接に接触した状態に支持されるシステムでは、加熱および冷却サイクル中に均等なサセプタ温度を維持する必要性があるために、温度を変化することができる速度が制限された。例えば、サセプタ全体の温度の均等性を維持するためには、サセプタの周縁部へのパワー入力は、縁効果のために、中心部へのパワー入力より著しく大きくしなければならなかった。
高品質ＣＶＤ薄膜を得ようと試みる際に直面する別の重要な問題は、微粒子汚染である。金属およびその他の導体のＣＶＤにおける微粒子の１つの厄介な発生源は、特定の条件下でウェハの裏面に形成される薄膜である。例えば、堆積中にウェハの裏面が保護されていなければ、または適切に保護されていなければ、そこにＣＶＤ材料の部分的被膜が形成される。この部分的被膜は材料の種類によってははがれやすく簡単に剥離し、堆積中およびその後の処理段階中に成長室内に微粒子を導入する。処理中にウェハの裏面を保護する一例が、ｖａｎ  ｄｅ  Ｖｅｎらの米国特許第５，２３８，４９９号に挙げられている。この特許では、不活性ガスが支持プラテンの周辺部の円形溝を通して導入される。Ｆｏｓｔｅｒらの米国特許第５，３５６，４７６号には、反応ガスが下降してウェハの外周とウェハ支持リップとの間の間隙内へ流動するのを防止するために、ウェハの外周にヘリウムまたは水素を導入するための複数の導管を含む半導体ウェハ処理装置が示されている。しかし、上述の装置は、上述の有害な高熱容量を特徴とする比較的大きいウェハ支持プラテンという特色が共通している。
現在、ウェハ表面全体の温度の均等性を確保する一方で、改善されたウェハ支持システムが必要である。
発明の概要
本発明は、ウェハをサセプタから間隔をあけて支持するとともに前記２つの要素間の伝導熱伝達を効果的に分断するサセプタを実現する。ウェハはサセプタの好ましくは上面における凹所内の１つ以上のスペーサ上に支持され、ウェハの上面はサセプタの外棚とはぼ同じ高さであることが好ましい。１つの構成ではスペーサピンを利用し、別の構成では単一スペーサリングを使用する。サセプタは、複数の小さい掃引ガス穴位置で凹所内に開口している複数の内部通路を含むことが好ましい。掃引ガスはサセプタ内を通って穴の外へ流れ、ウェハの裏面を堆積ガスおよび微粒子汚染から保護する。掃引ガスは、サセプタ内を流れるときに、ウェハの局所的冷却やスリップ発生可能領域を生じないように加熱される。
一実施形態で、サセプタは上下嵌め合いセクションによって形成され、内部通路は２つのセクションの並置される表面の一方における溝によって形成される。マルチアーム部材でサセプタを支持しかつ回転することが望ましく、前記部材は放射エネルギを実質的に透過することが好ましい。支持部材のアームは中空であり、内部通路に連絡しているサセプタの下面の孔に掃引ガスを送り込むことが好ましい。掃引ガスの一部は、サセプタのスペーサピン近接位置から流出して、その周囲を常時掃引ガスで保護するように送り込むことができる。
本発明の別の態様では、上述のスペーサリングがウェハの周辺部の下に配置され、ウェハの下からの掃引ガス出口の大きさを縮小して堆積ガスがウェハの裏面に流動するのを妨害するように機能する。リングは、１つの形態ではウェハを支持するように構成される。リングおよびサセプタは、掃引ガスの出口通路を形成するように構成することが好ましい。別の実施形態では、リングがウェハからわずかに間隔をあけて配置され、掃引ガスのための細い環状出口を提供し、ウェハはピンによって支持される。
１つの態様で、本発明は、処理するウェハを支持するために高温反応室内に配置されるサセプタを提供する。サセプタは、薄く実質的に円板状の下部セクションと、前記下部セクションの上面と係合する下面を有する薄く実質的に円板状の上部セクションとを含む。前記セクションの一方は外径が他方のセクションのそれより大きく、大きい方のセクションは凹所を有し、その中に他方のセクションが配置される。両セクションの表面を係合することによって、１つ以上のガスチャネルが画定される。サセプタは下部セクション内に、その下面および前記チャネルに通じる１つ以上のガス入口を含む。上部セクション内の１つ以上のガス出口は、上部セクションの上面において処理対象ウェハが配置される領域の下部に通じる。上部セクションの下面に、係合凹所を形成することが好ましい。１つの形態として、チャネルは下部セクションの上面の溝によって形成され、前記溝は上部セクションの下面によって閉じられる。前記入口のうち各々前記チャネルに通じるものが３つあることが好ましく、チャネルは相互接続されて全体を通してガスが流れることができる。
別の態様では、本発明は、処理ガスを成長室内に注入するための処理ガス入口を有する蒸着室を含む、半導体ウェハの化学気相蒸着用装置を提供する。成長室に単一サセプタを設ける。サセプタの支持体は、サセプタの軸の下に配置された中心主軸と、主軸から半径方向および上向きに伸長する複数の支持アームとを含み、アームは下面を係合してサセプタを支持するように適応された上端を有する。アームの１つ以上は管状であり、かつサセプタ内の入口と位置合せされているので、ガスが管状アームを通して入口にまで伝導することができる。
本発明はまた、反応室内で半導体ウェハを支持し、かつウェハの下にガス流を伝導する方法をも提供する。この方法は、サセプタの上面から上向きに突出する複数のスペーサ上にウェハを配置して、ウェハを支持すると共にウェハとサセプタの上面との間に間隙を形成する段階を含む。サセプタは、サセプタの下面に係合する上端を有する複数のアーム上に支持される。ガスは１つ以上のアーム内を通って、前記間隙に開口したサセプタの通路内に流れる。ガスは、ウェハの周辺部を超えて外側に向かって流動することができる。スペーサはサセプタの孔内に配置することが望ましく、ガスの一部はアームからサセプタ通路を通って、スペーサの周囲の孔を介して間隙内に流れる。
本発明の別の態様では、半導体処理環境でウェハを支持するための装置は、下部セクションと、各々が前記下部セクションと同心上に位置合せするように適応された複数の円板状上部セクションとを含む。上部セクションは各々、他の上部セクションとほ異なる大きさの浅いウェハ凹所を持ち、処理するウェハの大きさによって上部セクションを選択することができる。装置は、１００ｍｍを超える直径を持つウェハを処理するための上部セクションを少なくとも２つ含むことが好ましい。
本発明の好適な形態では、回転可能なサセプタが反応室内に概して水平に配置され、単一ウェハをサセプタから間隔をあけて支持するために、１つ以上のスペーサがサセプタ上に伸長する。温度補償リングはサセプタを包囲するが、サセプタからわずかに間隔をあけて配置され、概して矩形の外形を有する。反応室は、堆積ガスおよびキャリヤガスをウェハの上面全体にわたって流すために、少なくとも１つの処理ガス入口および少なくとも１つのガス出口を備え、かつ反応室は、ウェハおよび矩形リングを横切って流れるガス流に対し概して垂直方向に概して矩形の断面を有する。反応室の入口部分は垂直方向に短く、サセプタおよびリングは、リングおよびサセプタの上面を入口部分の下方壁とほぼ同じ高さにして、入口部分に隣接して配置される。リングおよびサセプタは、スペーサ上に搭載されたウェハと一緒に、上部および下部熱源によって非常に均等に加熱される。この配置により、被加熱リングおよびウェハの両方に蒸着が行われるので、ガスは反応室の幅全体にわたり概して均等な流量を持つ。その結果、キャリヤガスの流量が、通常はウェハの中心部では処理ガス流量を上げ、かつウェハの縁部では処理ガス流量を下げる必要のある円形サセプタおよび円形温度補償リングで必要とされる流量より低下し、有利である。キャリアガスの流量の低下は、サセプタから間隔をあけて配置された熱的に敏感なウェハに対する冷却効果を低下するので、特に望ましい。また、上部および下部熱源が矩形のリングの外面の形状と一致する概して矩形の熱パターンを持つので、熱が主としてリングの外面によって画定される領域に向けられることも望ましい。
本発明の別の態様では、システムは、ウェハの処理中に、急速な均等加熱を促進するように、上部および下部熱源の凹所によって提供される加熱率を変化させる能力を装備する。
ウェハはもはやサセプタと接触しないので、サセプタが加熱および冷却中に温度の不均等性を経験する場合でも、ウェハの温度は均等に維持することができる。この方法により、加熱および冷却時間はおそらく削減することができる。それにより処理スループットが、希望通りに増加する。本発明の別の態様は、ヘイズの発生やウェハの下面に対する他の望ましくない効果をもたらすことなく、ウェハを処理することが可能である。ウェハがサセプタと接触することを止め、その下面をガス、例えば水素で包むことによって達成されるこの改善は、両面研磨ウェハを処理する場合に特に重要である。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係る改善されたウェハ支持システムを組み込んだ反応室の２つの横軸のうち長い方に沿った断面図である。
図２は、本発明に係るウェハ支持システムの一実施形態の断面図である。
図２ａは、ピンの形状のウェハスペーサの一実施形態の詳細図である。
図２ｂは、球体の形状の代替ウェハスペーサの詳細図である。
図２ｃは、代替ウェハスペーサ構成の図である。
図３は、図２に示したウェハ支持システムの分解図である。
図４は、図２の線４−４におけるウェハ支持システムの区分化サセプタの上部セクションの平面図である。
図５は、図３の線５−５における区分化サセプタの下部セクションの平面図である。
図６は、本発明に係るウェハ支持システムで使用されるサセプタ支持体の図３の線６−６における平面図である。
図７は、本発明に係る別のウェハ支持システムの断面図である。
図８は、図７のウェハ支持システムで使用される区分化サセプタの線８−８における平面図である。
図９は、同心円の周囲に分布されたガス出口を有する区分化サセプタの代替上部セクションの平面図である。
図１０は、同心円に配列された複数のガス供給溝を有する区分化サセプタの代替下部セクションの平面図である。
図１１は、本発明に係る好適なウェハ支持システムの平面図である。
図１２は、図１１のウェハ支持システムで使用される区分化サセプタの上部セクションの第１実施形態の平面図である。
図１３は、図１１のウェハ支持システムの区分化サセプタの下部セクションの平面図である。
図１４は、図１１の線１４−１４における区分化サセプタ内の捕獲されたウェハスペーサおよびパージチャネルの断面図である
図１５は、図１１のウェハ支持システムで使用される区分化サセプタの上部セクション第２実施形態の平面図である。
図１６は、図１１のウェハ支持システムで使用される区分化サセプタの上部セクションの第３実施形態の平面図である。
図１７は、図１１のウェハ支持システムで使用される区分化サセプタの上部セクションの第４実施形態の平面図である。
図１８は、本発明に係るウェハ支持システムを組み込んだ反応室の別の実施形態の断面図である。
図１９は、図１８の反応室の平面図である。
図２０は、堆積サイクル中のランプの電力比の変化を示すグラフである。
図２１は、区分化サセプタの別の実施形態の上部セクションの平面図である。
図２１Ｂは、図２１Ａに示した上部セクションと嵌合するサセプタの下部セクションの平面図であり、上部セクションの一部分が示されている。
図２１Ｃは、組み立てられてウェハを支持している図２１Ａおよび図２１Ｂのセグメントの断面図である。
図２１Ｄは、周縁部に切欠きを有するウェハに対する支持ピンの位置をより明確に図示する、図２１Ｃのアセンブリの一縁部の拡大断面図である。
図２１Ｅは、図２１Ｄに類似した図であるが、エッジアラインメントフラットを有するウェハを示している。
図２２Ａは、両者の関係を図解するために上部セクションの一部が上に重ね合わされた、別の区分化サセプタ設計の下部セクションの平面図を示す。
図２２Ｂは、組み立てられてウェハを支持している図２２Ａの上部および下部セクションの一部分の拡大断面図である。
図２３は、ウェハ支持リングが上部セクションに取り付けられた別のサセプタの上部セクションの平面図であり、下部セクションの一部分が示されている。
図２３Ｂは、図２３Ａのウェハ支持リングとウェハとの関係を示す拡大断面図である。
図２３Ｃは、図２３Ａおよび図２３Ｂの支持リングの掃引ガス通路の断面を示す拡大部分図である。
図２４は、スペーサまたはブロッカリングの別の実施形態の平面図である。
図２５は、図２４の線２５−２５における図である。
図２５Ａは、図２５の線２５Ａ−２５Ａにおける部分図であり、サセプタおよびウェハを破線で示す。
図２５Ｂは、図２５の線２５Ｂ−２５Ｂにおける図である。
図２５Ｃは、図２５の線２５Ｃ−２５Ｃにおける図である。
図２６は、ブロッカリングの別の実施形態の平面図である。
図２７は、図２６の線２７−２７における図である。
図２７Ａは、図２７の線２７Ａ−２７Ａにおける部分図であり、サセプタおよびウェハを破線で示す。
図２７Ｂは、図２７の線２７Ｂ−２７Ｂにおける図である。
図２７Ｃは、図２７Ｂのリングの変化例の断面図である。
図２７Ｄは、図２７Ｂに示す円２７Ｄで識別した領域の拡大図である。
図２８は、代替ブロッカリング構成の断面図である。
好適な実施形態の詳細な説明
図１は、本発明に係るウェハ支持システム２２が組み込まれた、半導体ウェハを処理するための反応室２０を示す。ウェハ支持システム２２の詳細を説明する前に、反応室２０の要素について説明する。この支持システムは多くの種類のウェハ処理システムに適しており、別のものを図１８および図１９に示すが、ここでの説明は１つの特定の反応室に限定されない。
反応室２０は、上壁２４、下壁２６、上流フランジ２８、および下流フランジ３０によって画定される石英管で構成される。図には示さないが、壁は、凹状の内壁と、横方向の断面から見たときに凸レンズの形状を持つ凸状の外面を持ち、反応室２０の横方向端部は比較的厚いサイドレールを含み、それらの間に反応室支持板３２が取り付けられる。図１は、反応室２０の中心垂直面に沿った長手方向断面図であり、凸レンズ形状の垂直方向の寸法を示し、従ってサイドレールは示されていない。反応室２０は石英で製造することが好ましい。反応室支持板３２は真空処理中の反応室２０を強化するものであり、サイドレール（図示せず）の間に、好ましくは反応室２０の中心線に沿って伸長する。支持板３２は、サイドレールの間の反応室２０の横方向の寸法全体にわたって伸長する空隙または開口３５を画定するアパーチャ３３を含む。アパーチャ３３は支持板３２を、上流フランジ２８からアパーチャの上流端部まで伸長する上流セクションと、アパーチャの下流から下流フランジ３０まで伸長する下流セクションとに分割する。支持板３２の上流セクションは長手方向の長さが、下流セクションより短いことが好ましい。
細長い管３４が、下壁２６の中心に位置する領域から垂下する。駆動軸３６が、管３４内を通って反応室２０の下部領域３８内へ伸長する。下部領域３８は、中央反応室支持板３２と下壁２６との間に画定される。駆動軸３６の上端はテーパを付けられ、区分化サセプタ４２を回転するために、マルチアーム支持体またはスパイダアセンブリ４０の凹所内に嵌め込まれる。サセプタ４２は、擬似的に図示するウェハ４４を支持する。電動機（図示せず）は軸３６を駆動して、次いでウェハ支持システム２２およびその上のウェハをアパーチャ３３内で回転する。ガスインジェクタ４６は、矢印４８で示すように、ガスを反応室２０の上部領域５０内へ導入する。上部領域５０は、上壁２４と反応室支持板３２との間に画定される。処理ガスは、ウェハ４４の上面の上を通過し、その上に化学物質を蒸着させる。システムは一般的に、ウェハ４４を加熱してその上の化学蒸着を触発するために、反応室２０の外側の周囲に配列された複数の放射加熱ランプを含む。上段１列の細長い加熱ランプが上壁２４の外側に図示されており、上段に交差するように配置された下段１列のランプも一般的に利用される。さらに、サセプタ４２の下側から上に向けられた集中配列のランプもしばしば使用される。
掃引ガス源３７は、質量流量制御装置３９を介して駆動軸３６に接続されることが略図で示されている。ガスは中空の軸３６内の空間に流入し、最終的に、以下でさらに詳しく説明するように、サセプタまで上向きに送られる。ガスを中空の内部に流入させ、かつ軸３６を回転させる流体継手は図示しないが、多数の手段によって達成することができ、その１つが、１９８９年４月１８日に発行され、参照によって明示的にここに組み込まれる米国特許第号４，８２１，６７４号に示され、説明されている。
ウェハは、ウェハ入口４７を通して反応室２０内に導入される。ウェハは一般的に、入口４７を通して入ると共にウェハ支持システム２２上に伸長してその上にウェハを載置するロボットピックアップアーム（図示せず）によって移送される。次にＣＶＤシステムは反応室２０を密閉し、１層のシリコンまたはその他の物質をウェハ上に堆積するために、水素などのキャリアガスと一緒に堆積ガスを導入する。処理後、ゲートバルブが開き、ロボットピックアップアームが入口４７を通して入り、ウェハをサセプタ４２から取り出す。定期的に、反応室２０はその後の処理のためにコンディショニングを行わなければならない。一般的なシーケンスは、ゲートバルブを閉じて反応室内にエッチガスを導入し、内壁から特定の堆積物を除去する。エッチング後、シリコン前駆物質がときどき反応室内に導入され、サセプタ４２上にシリコンの薄膜が形成される。こうした被覆段階はときどきキャッピングと呼ばれる。エッチングおよびキャッピング段階の後、反応室は水素をパージされ、次のウェハを導入するために加熱される。
管３４は駆動軸３６よりわずかに大きく、それらの間にパージガス５２が流れる空間が得られる。パージガスは反応室２０の下部領域３８に入り、反応ガスが下部領域に堆積するのを防止するのに役立つ。これに関し、パージガス５２はウェハ支持システム２２の下に正圧を形成し、これは反応ガスが区分化サセプタ４２の側部を回って下部領域３８に移動するのを防止する。パージガスは次に、矢印５５で示すように、サセプタ４２とアパーチャ３３の間から上部領域５０に抜け、次いで下流フランジ３０の細長いスロット６０を通して排出される。これにより、反応ガスが下部領域３８内に移動しないことが確実になる。パージガスは排気システム５８へ続く。反応ガスは同様に、下流フランジ３０の細長いスロット６０を通って排気システム５８から排出される。
温度補償リング６２は、ウェハ支持システム２２を包囲することが好ましい。リング６２は、支持板３２のアパーチャ３３によって形成される開口３５内に嵌め込まれ、ウェハ支持システム２２およびリングは開口を実質的に埋め、下部および上部反応室領域３８、５０の間の構造を提供する。サセプタ４２はリング６２内で回転するものであり、そこから０．５〜１．５ｍｍの小さい環状間隙をおいて離して配置することが好ましい。リング６２を包囲する支持板３２のアパーチャ３３の形状は、開口３５の縁がリングと非常に近接するように円形にすることができる。しかし、概して矩形のアパーチャ３３の方が好ましいことが明らかになっている。これに関して、リング６２は概して矩形の外周を持つことができ、あるいは円形リングとアパーチャ３３の間の間隙を埋める第２構造を利用することができる。以下でさらに詳しく説明するように、サセプタ４２は一定外径を持ち、リング６２内にぴったり嵌まると共にアパーチャ３３を取り囲むように製造することが好ましい。サセプタ４２は一定外径を持つが、多数の異なるサイズのウェハを処理するために、様々な構成が設けられることを明らかにしよう。
特定の有利な実施形態では、温度補償リング６２は、熱電対６４を受容するための空洞を有する２部構造の円形リングで構成される。図示する実施形態では、熱電対６４は下流フランジ３０に形成されたアパーチャから反応室２０に入り、支持板３２の下を通って温度補償リング６２内に伸長する。一般的に追加密閉は使用しないが、石英フランジ３０のアパーチャは、熱電対６４の周囲のガス漏れを実質的に防止する。こうした熱電対を３個設け、１個はリング６２の先端６６で終端し、１個は後端６８で終端し、１個はリングの横方向の側面のどちらか一方で終端することが好ましい。区分化サセプタ４２の周囲のリング６２内の熱電対は、放射加熱ランプの正確な制御のための良好な温度情報フィードバックを提供する。支持板３２に取り付けられた複数の折曲りフィンガ７０は、リング６２をサセプタ４２の周囲に支持する。リング６２およびその中の熱電対に加えて、中心熱電対７２が、中空である駆動軸３６内を上向きに伸長し、スパイダアセンブリ４０を通ってサセプタ４２の中心部の下で終端する。したがって、中心熱電対７２はウェハ４４の中心部付近の温度の正確なゲージを提供する。本システムでウェハの温度は素早く変化するので、応答時間を高速化するために、熱電対の質量を最小にすることが望ましい。
図２を参照すると、ウェハ支持システム２２の第１実施形態が示されている。再び、システム２２は一般に、スパイダアセンブリ４０のアーム７４によって支持される区分化サセプタ４２で構成される。アーム７４はハブ７６から半径方向に外向きに伸長し、所定の半径方向の距離位置で垂直方向に上向きに折れ曲がり、サセプタ４２の下面と接触する。区分化サセプタ４２は、上部セクション７８および下部セクション８０で構成され、両セクションは概して平面の円板形の要素である。サセプタ４２の両セクション７８、８０は、グラファイトから機械加工することが好ましく、追加固定手段を使用せずに緊密にはめ合わせて、それらの間のガス漏れを最小限にすることを確実にする。この目的のために受け入れられる上部および下部セクション７８、８０の隣接する円形表面間の間隙は、０．００１インチ未満である。一方または両方のセクション７８、８０にシリコンカーバイドの薄い被膜を形成することができる。サセプタ４２の厚さは約０．３０インチが好ましい。
図３の拡大図に関連して、上部セクション７８は一般的に、より薄い円形中央部を包囲する外側リング８２を含む。外側リング８２は上部リムまたは棚８４および下部リムまたはスカート８６を含み、これらはそれぞれ上部および下部ショルダまたは段８８、９０で終端する。上段８８は、棚８４と円形ウェハ受容凹所９２との間の移行部を形成する。下段９０は、スカート８６と上部セクション７８の下面の環状凹所９４との間の移行部を形成する。上部セクション７８はさらに、上部セクションの中心軸に対し対照的にかつ凹所９２内に配置された円形パターンの掃引ガス出口９６を含む。
サセプタ４２の軸を中心として同心円の周囲に分布する間隔をおいた位置に、複数の端ぐり穴９８が上段８８に近接して形成される。端ぐり穴９８は、円形凹所４２に開口した小さい貫通穴と、前記小さい貫通穴と同心でありかつ下向きに環状凹所９４に開口した大きい端ぐりとを含む。各端ぐり穴９８は、円形凹所９２内に突起するウェハ支持体またはスペーサ１００を受容するような大きさにする。ウェハ４４は、凹所９２の床面上でスペーサ１００上に置かれる。これに関し、凹所９２は、その内部にウェハを受容してウェハの縁が段８８に非常に接近するような大きさにする。上部セクション７８はさらに、下向きに垂下し、環状凹所９４の半径方向に内側の境界を画定する中心支軸１０２を含む。中心熱電対空洞１０４は、前述の中心熱電対７２の感知端部を受容するために、支軸１０２内に画定される。
図３および図５に関連して、環状下部セクション８０は、上部セクション７８の下向きに垂下する支軸１０２の周囲に嵌まる大きさにした中心貫通穴１０６を含む。下部セクション８０の上面は、複数のガス通路溝を含む。さらに詳しくは、複数のガス流路１１０と中央円形送出溝１１２との間に、あるパターンの曲線分配溝１０８が伸長する。溝１０８および１１２は各々半球形の断面を持ち、下部セクション８０の厚さの半分にほぼ等しい深さを有する。各々のガス流路１１０は下向きに、浅いスパイダアーム空洞１１４内に開口している。
図３および図６に関連して、スパイダアセンブリ４０をさらに詳しく説明する。中心ハブ７６は、下面１１６から上面１１８まで伸長する垂直貫通穴を有する概して中空円筒形の部材を含む。貫通穴は、下部主軸受容テーパ部１２０と、中央ガスプレナム１２２と、上部熱電対チャネル１２４で構成される。下部テーパ部１２０は中空駆動軸３６のテーパ付き上端部を受容し、２つの要素はぴったりと嵌め合うように同一テーパ角を有する。熱電対チャネル１２４は、区分化サセプタ４２の上部セクション７８の熱電対空洞１０４に上向きに伸長する中心熱電対７２を受容する。ガスプレナム１２２は、支持アーム７４の各々と位置合わせした複数のアパーチャ１２６を有する。これに関して、支持アームは中空であり、内部に掃引ガス通路１２８を画定する。上方向に向けられたアーム７４の終端部は、環状リップ１３０によって強化される。リップ１３０は、下部セクション８０の下面の浅いアーム受容空洞１１４内にぴったりと嵌まる大きさにする。軸３６はスパイダアセンブリ４０を回転可能に駆動し、これは次に、リップ１３０と下部セクション８０の下面の浅い空洞１１４との間の位置合わせによって、サセプタ４２を駆動する。
代替実施形態では、スパイダアセンブリ４０の湾曲アームを１対の直交方向に配置した管に置換することができる。つまり、３つのアームの各々の代わりに、第１管は中心ハブ７６から半径方向に外向きに伸長し、それに直交し上向きに伸長してアーム受容空洞１１４内にぴったりとはまるより大きい第２管と結合する。この配列は、コーンパイプに似たようなもので視覚化することができる。各アームの第１管は、ハブ７６から水平方向に放射するか、またはわずかに上向きに傾斜することができる。湾曲した石英管ではなく、まっすぐな円筒形断面を利用すると、製造コストが安価になる。
図２に戻ると、スペーサ１００は幾つかの形状を取ることができる。図２ａに詳細に示す１つの好適な実施形態では、スペーサ１００は、丸みを帯びた小さいヘッドを有する細長い上部１３２を含むピンの形状である。細長い部分１３２より大きくした基部１３４は、端ぐり穴９８内に嵌まる。基部１３４は下部セクション８０の上面に置かれる。複数のスペーサ１００の細長い部分１３２のヘッドは同じ高さに終端し、ウェハ４４のための平坦の支持面を提供する。端ぐり穴９８の上部は直径が約０．０６２インチであり、スペーサ１００はその中に嵌め込まれる。スペーサ１００は、ウェハを凹所の上に好ましくは約０．０１０〜約０．２００インチの範囲、さらに好ましくは約０．０６０〜約０．０９０インチの範囲の間隔をあけて配置し、最も好ましくはスペーサ１００は、ウェハ４４を凹所の床面から約０．７５インチの高さに支持する。これは、一般的なウェハの厚さの約３倍である。この間隔は、０．００５〜０．０１０インチの程度であるサセプタやウェハの表面の平坦度からの偏差よりかなり大きい。またこの間隔は、ウェハのピックアップも促進しながらサセプタとウェハ間の熱的接触を最適化するように設計された、先行技術のサセプタの上面のグリッドの深さよりずっと大きい。好適な実施形態では、凹所９２の深さおよびスペーサ１００の高さは、ウェハ４４の上面が外棚８４の平面にきて、凸凹や移変りが最小になると共にその上のガス流が円滑になるようにする。代替的に、棚８４は、所望のウェハ４４の上面の上または下に形成することができる。
図２ｂに示す代替実施形態では、スペーサ１００は球１３６の形状を取り、これは上部セクション７８の上面に形成された受台１３８内に嵌め込まれる。スペーサ１００は、上部セクション７８内に一体的に形成することもできる。スペーサ１００の上部ウェハ接触部は、ウェハとの接触面積を最小にするために丸くするか、または一点で終端させることが望ましい。
しかし、図２ｃは、ウェハがピン上に載置されるときに短い距離落下するシステムで有用な代替ピンヘッド構成を示す。つまり、あるウェハ移送システムではウェハはいわゆるベルヌーイ棒の使用によって保持され、そこでは、ウェハは、ウェハの上面を棒に触れることなく、半径方向に外向きのガス流によって上から保持される。ウェハがサセプタの少し上の所定の位置に移動した後、ガス流が遮断され、ウェハはスペーサ上に落下する。落下距離は非常に小さいが、点接触するスペーサピンはスペーサと接触するウェハの表面にチッピングや損傷を生じる多少の可能性がある。その可能性を最小にするために、図２ｃのピンヘッドは、平坦な上部表面１３９と丸みを帯びたショルダ１３９ａを持つ。好ましくは、平坦な領域の直径は約０．０２５″〜０．０４５″の範囲内とするか、または約０．０５５″の上部表面全体を平坦にすることができる。また、平坦な表面１３９は、ウェハを損傷する可能性のある表面の凸凹を除去するために、研磨することも望ましい。
固定されたスペーサ１００は、ウェハを区分化サセプタ４２の上に間隔をあけて配置するように、ウェハ４４用の平面支持台またはスタンドを画定し、これに関して、少なくとも３個のスペーサが必要であるが、それ以上設けてることもできる。好ましくは、スペーサ１００はセラミックあるいは天然または合成サファイヤで製造し、サファイヤは酸化アルミニウムから誘導される単結晶である。代替構成では、スペーサ１００は無定形石英で作ることができるが、この物質は最終的に反応室２０内での反復熱サイクルにより不透明にすることができる。スペーサに使用できる別の材料として、モノクリスタルすなわち単結晶石英、シリコンカーバイド、窒化シリコン、炭化ホウ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、および炭化ジルコニウム、またはウェハ反応室内の極温および化学環境に耐えることができるその他の高温耐性材料が含まれる。これらの材料はいずれも、処理ガスへの暴露によるスペーサの劣化を防止するために、Ｓｉ、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＯ2、またはＳｉＣで被覆することができる。
ウェハとサセプタ４２との間に入り込む反応ガスによるウェハ４４の裏面の汚染を防止するために、新規の掃引ガスシステムを提供する。このシステムはまた、ウェハと接触するガスであって、加熱しなければ局所的冷却およびウェハ上のスリップの可能領域を生じるおそれのあるガスを余熱する。さらに詳しく、図２に関連して説明すると、掃引ガスは、矢印１４０で示すように、中空駆動軸３６を通してウェハ支持システムに入り、プレナム１２２内に入る。ガスは次にアパーチャ１２６を通して、アーム７４内の掃引ガス通路１２８内に分配される。ガスは、下部セクション８０のガス流路１１０内への入口流１４２に続く。分配溝１０８は上部セクションの下面と共に、上部および下部セクション７８、８０間のガスチャネルを画定する。図５を参照すると、ガスは様々な分配溝１０８に従ってチャネルに沿って流れ、最終的に円形送出溝１１２に達し、その後、矢印１４４で示すように掃引ガス出口９６を通して排出される。分配溝内のガス流は矢印１４６で示す。送出溝１１２内へのガス流は矢印１４８で示す。分配溝１０８の特定の構成は、図５に示すそれとは異なることができる。図示した構成は、掃引ガスを下部セクションにおける遠回りの対称的な経路にチャネル化することによって、下部セクション８０および区分化サセプタ４２の全体としての温度の不均等性を低下するのに役立つ。溝１０８は、ガス流路１１０から中央円形送出溝１１２および掃引ガス出口９６まで、非線形経路を取ることが望ましい。
円形送出溝１１２は、円形パターンの掃引ガス出口９６の真下に形成される。図４に示すように、溝１１２内のガスの均等な分配により、出口９６から出ていく掃引ガス流１４８が、半径方向に外向きの方向に、サセプタ４２の中心に対して軸対称になることが確保される。この方法により、ウェハとサセプタの間に入り込む反応ガスがあっても、ウェハの下から半径方向に外向きの方向に掃引される。中空軸３６および区分化サセプタ内の掃引ガスは５標準リットル／分未満の流量を利用することが望ましく、３標準リットル／分未満の流量が好ましい。
他のガスを置換することもできるが、多くのＣＶＤ法と相容性があることから、水素が好ましい。パージガスの使用によるウェハの裏面における優れた制御の結果、ウェハがサセプタと接触するシステムとは異なり、両面研磨のウェハを正常に処理することができる。
本発明は、様々な処理圧に対して中空軸３６および区分化サセプタ内の掃引ガスの流量を調節するために、質量流量調整器３９を含む。つまり、ある処理は大気圧で行われ、ある処理は減圧で行われる。流量調整に一定の制限がある場合、他の全ての変数を同位置に維持しても、減圧処理では掃引ガス出口９６のガス流量が、大気圧処理に比べて増加する傾向がある。したがって、質量流量調整器３９は処理圧力とは独立して作動し、５標準リットル／分の一定流量を確保する。
図７および図８は、図２に示したウェハ支持システム２２と同じ要素を一部利用する別のウェハ支持システム２２′を示す。さらに詳しくは、スパイダアセンブリ４０および区分化サセプタ４２′の下部セクション８０は、第１実施形態に関連して図示しかつ説明したものと同じである。しかし、区分化サセプタ４２′は変形上部セクション７８′を含み、外側リング８２′は上部棚８４′および下部スカート８６′で構成される。上部棚８４′は、第１実施形態に関連して説明した棚８４と同様の大きさであり、円形凹所９２′に通じる円形段８８′で終端する。円形凹所９２′は半径方向に外向きに下部セクション８０を通過して伸長する。それに関連して、下部スカート８６′は、第１実施形態で説明したスカート８６に比較して半径方向の寸法がかなり大きいが、段９０′は第１実施形態の段９０と同じ大きさである。これにより、上部セクション７８は、第１実施形態の場合と全く同様に、その中に環状下部セクション８０を受容することができる。
図７に示すように第１実施形態とは異なる点として、サセプタ４２′は、サセプタ４２′の中心軸の周囲に円周上に分布される複数のサポートピン１５０の形の複数のスペーサを、上部段８８′と下部段９０′との間の領域に含む。さらに詳しくは、ピン１５０は、凹所９２′から延長スカート８６′まで上部セクション７８′内を伸長し、段付き空洞１５２内を伸長する。示したピン１５０は、図２ａおよび図２ｂに関連して説明した最初の２つの実施形態とは幾分異なり、ウェハ４４′と接触する丸いヘッドを有する単純な円筒形要素を含む。
サセプタ内のガス通路溝の代替実施形態を図９および図１０に示す。前と同様に、スパイダアセンブリ４０が、上部セクション１６２および下部セクション１６４を有する変形サセプタを支持する。下部セクション１６４は、下向きに開口してスパイダアセンブリアーム７４の上端を受容する３つのガス流路１６６を含む。この点に関し、掃引ガス入力の位置は、最初の２つのサセプタ実施形態４２および４２′の場合と同じ位置にある。しかし、そこから、下部セクション１６４の上面の分配溝１６８は半径方向に外向きに外側円形溝１７０へ伸長する。二次溝１７２は掃引ガスを半径方向に内向きに送り、一連の同心円形送出溝１７４ａ、１７４ｂ、および１７４ｃを横切る。各二次溝１７２は、各対の分配溝１６８の間に画定される夾角を二等分する線に沿って位置することが好ましい。
図９および図１０を見ると、上部セクション１６２は、円形送出溝１７４ａ、１７４ｂ、および１７４ｃに対応する一連の同心円に配置された複数のガス出口を含む。さらに詳しくは、第１群の出口１７６ａは、最も小さい送出溝１７４ａと同一半径位置の内側の円１７８ａに添って位置する。同様に、あと２つの出口群１７６ｂおよび１７６ｃは、外側送出溝１７４ｂおよび１７４ｃに対応する外側の同心円１７８ｂおよび１７８ｃの周囲にそれぞれ配置される。
各々の円１７８ａ、ｂ、ｃの周囲に均等に配分された４つの出口１７６が図示されているが、それより多数または少数の出口を設けることもできる。さらに、出口１７６の円周方向の配向は、図示するように円１７８の間で互い違いにすることができる。１つの円１７８につき４つの出口１７６がある場合、出口の各パターンを他のパターンの１つに対して３０°回転させる。代替的に、例えば１つの円につき互い違いに均等に配分された円１７８あたりの８つの出口１７６は、各パターンの出口を他のパターンの１つに対して１５°回転することを意味する。パターン間の互い違い配置によって、出口１７６を整列させた場合より、矢印１８０によって示すように、ウェハの下により効果的なガス掃引が発生する。
別の変化例では、出口１７６ａの内側円１７８ａが円形送出溝１１２と整列する限り、上部セクション１６２を、図３および図５に関連して上述した下部セクション８０と一緒に使用することができる。この場合、出口１７６ｂ、ｃの外側円１７８ｂ、ｃは使用されない。さらに、内側送出溝１７４ａが円形パターンの出口９６、９６’と整列する限り、下部セクション１６４を上述の上部セクション７８、７８′のいずれかと使用することができる。この場合、外側送出溝１７４ｂ，ｃは使用されない。いうまでもなく、他の変化例も考えられる。
ウェハ４４と区分化サセプタ４２の間の分離は、３つのスペーサ１００によって提供される最小直接支持体と共に、ウェハおよびサセプタを両者間の熱伝導を効果的に緩和する。したがって、ウェハ４４の温度は主として、反応室の周囲のランプによって与えられる放射熱流束から影響を受ける。
スパイダアセンブリ４０は、下部加熱ランプから放出される放射熱の妨害を最小にするために、サセプタ４２の下面に透明な支持体を設けるように石英で構成することが好ましい。石英が好適であるが、比較的高い放射熱透過率を持つ他の物質を利用することもできる。スパイダアセンブリ４０を作成するには、最初にハブ７６を適切な形状に機械加工する。管状アーム７４をまっすぐな部分から折り曲げ、例えば溶接によってハブ７６に取り付ける。熱処理および火造りにより、石英の内部応力が減少する。
図１１は、再び同心円の凹所２０４を上面に有する区分化サセプタ２０２および凹所内に配置された複数のウェハ支持スペーサ２０６で構成される、本発明の別のウェハ支持システム２００の平面図を示す。
区分化サセプタ２０２の上部セクション２０８を示す図１２に関連して、浅い凹所２０４は、サセプタの最も高い表面を形成する棚２１２に通じる円形段２１０によってその外周部を画定される。構成は多くの点で、上述のサセプタと同様である。
前述のサセプタと異なる点は、区分化サセプタ２０８が、２つの同心円の掃引ガス出口を含むことである。１２個の掃引ガス出口２１４の外側の円が、１２個の掃引ガス出口２１６の内側の円を取り囲む。図１２から、外側の掃引ガス出口が、区分化サセプタ２０８の中心の周りに３０°の間隔、すなわち１：００、２：００等の位置に分配されていることを容易に理解できる。一方、内側の円形の掃引ガス出口２１６は、外側の円に対して１５°位置がずれ、したがって、外側の円の出口の中間の１２：３０、１：３０等の回転位置を占める。掃引ガス出口の数のこの増加および同心円の互い違いの関係により、図９に関連して述べたように、ウェハの下の掃引ガスの均等性が高まり、その性能が向上する。
図１１は、区分化サセプタ２０２の上部セクション２０８と下部セクション２１８の間の境界２１９を破線で示す。下部セクションの平面図を図１３に示す。下部セクション２１８の外周は、その周囲に１２０°の間隔で配置された３つの平坦部２２０を除いて、実質的に円形である。下部セクション２１８の外周は、図１２に破線で示し、図１４、の断面図に示されるように、上部セクション２０８の同様の形状の下部段２２２内に嵌め込まれる。下部セクション２１８の平坦部２２０は、下部段２２２に形成された内向きの平坦部２２４と協働して、上部セクション２０８を下部セクション２１８を一緒に配向する。下部セクション２１８はさらに、小さい中心貫通穴２２６を含み、その中に下向きに垂下する上部セクションのハブまたは支軸２２８が嵌め込まれる。
下部セクション２１８の下面は、上述したものと同様の３つの浅いスパイダアーム空洞２３０を含む。空洞２３０は、サセプタの下部セクション２１８の上面に形成された複数のガス分配溝２３４に通じる垂直ガス流路２３２と連絡する。図１３に示すように、各ガス流路２３２は、最初に半径方向に外向きに、次にサセプタの下部セクションの外周に隣接して円周方向に、そして最後に概して半径方向に内向きに下部セクション２１８の中心に向かって伸長する遠回りの経路を通る末広溝２３４と連絡する。この方法により、掃引ガスは実質的にサセプタ全体を概して軸対称パターンで流れ、高温サセプタから掃引ガスへ、およびその逆の均等な熱伝達を達成する。
両方のガス分配溝２３４は、下部セクション２１８に同心円に形成された連続外側円形送出溝２３６と交差する。外側の溝２３６から、複数の傾斜スポーク２３８は、再び下部セクション２１８に同心円に形成された内側送出溝２４０に通じる。ガス分配溝２３４は各々のスポーク２３８に直接つながるように示されているが、他の構成も可能である。さらに、スポーク２３８は、概して接線角度で内側円形送出溝２４０と交差するように示されているが、他のより直接的な半径方向の角度で接続することもできる。ガス流路２３２は掃引ガス出口２１６から半径方向に外向きに配置され、ガス分配溝２３４はそれらの間に、望ましくは通路２３２のいずれかと出口２１６との間の直接線より長く、最も好ましくは図に示すような遠回りのパターンで、非線形経路を取ることが望ましい。
内側円形送出溝２４０は、上部セクション２０８が下部セクション２１８上に結合されたときに、掃引ガス出口２１６の内側円の真下に位置する。同様に、外側円形送出溝２３６は、掃引ガス出口２１４の外側円の真下に位置する。この構成により、区分化サセプタ２０８の上面における出口２１４、２１６への掃引ガスの均等な圧力および供給が可能になる。上部および下部セクション２０８、２１８の間に形成される圧力は、掃引ガス出口２１４、２１６の数の増加および入口ガス流路２３２の大きさの低下によって、前述の実施形態より多少低下する。さらに詳しくは、入口ガス流路２３２は約０．０６０〜０．０７０インチの直径を持つ。図１１は、流路２３２から分配溝２３４を通るガス流を矢印２４２で示す。
上述の実施形態と異なる点は、図１２に示すように、スペーサ２０６の各々にガス分配溝２３４の１つからパージチャネル２４４を介してパージガスが供給される。これらのパージチャネルは図１４に断面が示されており、それぞれのガス分配溝２３４から直接スペーサ２０６へ伸長する。この方法により、２４６で示すパージガス流の連続供給は、各スペーサ２０６の周囲の領域に供給される。各々のスペーサ２０６は、凹所２０４の上面に形成されたアパーチャ２５０内に嵌め込まれる。パージガスがスペーサの周辺に上向きに流れてスペーサを堆積ガスから保護することができるように、スペーサ２０６とそのアパーチャ２５０との間に隙間が設けられる。さらに詳しくは、ウェハ２４８が存在しないときに、出口２１４、２１６からの掃引ガスは、各々のスペーサの周囲に外向きにではなく、一般的に上向きに反応室内に流れる。これにより、スペーサ２０６はエッチガスまたはキャッピングガスから保護されない状態に放置される。スペーサは、下方の円筒形基部２５２および丸い上面を持つ上方の細長い円筒形ピン２５４によって画定される。ピン部２５４はアパーチャ２５０に対して小さく、パージガス流２４６がそこから入ることができる。あるの実施形態で、ピン２５４は０．０５０から０．０５５インチの間の直径を持つ一方、アパーチャ２５０は０．０６２から０．０６７インチの間の直径を持つ。
本発明は、処理されるウェハの大きさによって、様々な上部セクションの選択を可能にするサセプタの組合せを提供する。こうした組合せは、支持板３２を有する反応室２０で特に有用である。上述の通り、サセプタは、リング６２内に納めるために一定の外径および支持板３２のアパーチャ３３を有することが好ましい。上部セクションはサセプタの外周を画定するので、ウェハの凹所の大きさは、様々なウェハの大きさを収容するために変化するが、一定の外径を持つことは必要である。各々の上部セクションの底面形状は、単一下部セクションと嵌めあうように設計され、これによりコストは多少低下する。図１１〜図１７は、４つの異なるウェハの大きさのために４つの異なるサセプタの組合せ２００、２５８、２７８、および３００を示す。他の大きさのウェハも、そのような組合せによって収容することができ、最大サイズは、サセプタの外径によってのみ制限される。
図１５は、ウェハ支持システム２００の上部セクション２６０の第２バージョンを示す。下部セクションは、図１１〜図１４に関して説明したものと同じである。実際、上部セクション２６０と下部セクション２１８との間の境界２６２は上述の場合と同じであり、下部セクションのガス分配溝２３４は同じ位置にある。上部セクション２５０は、縮小した直径の凹所２６４が上述のバージョンと異なる。凹所２６４は円形段２６６によって画定され、これが次に棚２６８のより大きい半径方向の寸法を形成する。上部セクション２６０は、凹所２６４内により小さいサイズのウェハを支持するように適応される。これに関して、複数のスペーサ２７０が、サセプタの中心の周りに１２０°の間隔で、約１５０ｍｍのウェハの適切な支持体を提供する半径方向の距離位置に配置される。パージガス溝２３４をスペーサ２７０に接続するために、短縮されたパージチャネル２７２が設けられる。
図１６は、ウェハ支持システム２００の上部セクション２８０の第３バージョンを示す。再び、下部セクションは前と同一であり、上部および下部セクションの間の境界２８２も同一である。上部セクション２８０は、円形段２８６で終端する拡大棚２８４を含む。こうして形成される凹所２８８は、直径が約１２５ｍｍのウェハを受容する大きさである。パージチャネル２８８は、縮小サイズのウェハを支持するのに充分な半径方向の寸法位置の捕捉されたスペーサ２９０の周囲のアパーチャに通じる。ガス分配溝２３４は凹所２６６から半径方向に外向きに伸長し、次に内向きに円形送出溝まで続くことに注意されたい。
図１７に示す上部セクション３０２の第４の例では、段３０４はさらに内側に移動し、凹所３０６は１００ｍｍのウェハを支持するのに充分な大きさに縮小する。サセプタ３００の下部セクションは前述と同一なので、再びインタフェース３０８は同一位置に維持される。外棚３１０はこの実施形態で大きく拡大される。サセプタの中心の周りに１２０°の間隔で３つのスペサー３１２が設けられ、３つの関連パージチャネル３１４によりガス分配溝２３４がそこに接続される。スペーサ３１２の半径方向の位置は、サセプタの下面の３つのガス入口アパーチャによって形成される円内にあることに注意されたい。実際に、ガス分配溝２３４は凹所３０６から半径方向に外向きに伸長し、次に内向きに円形送出溝に続く。さらに、支持アーム受容空洞の位置は凹所３０６のすぐ外側であり、したがってウェハがサセプタ３００上に配置されたときにその外側になる。凹所３０６を包囲する棚３１０は、ウェハから少なくともウェハ直径の半分の距離だけ半径方向に外側に伸長する。
ここで図２１Ａ〜図２１Ｅを参照すると、区分化サセプタの別の変化例が示されている。図２１Ａは、サセプタの最も高い表面を形成する棚４１２に通じる円形段４１０によってその外周を画定される浅い凹所４０４を有する上部セクション４０８を示す。間隔をあけて配置される円周上の掃引ガス出口４１６は、円形段４１０にかなり近接して配置される。図示される配列では、２４の出口が設けられている。円周方向に間隔をおいて配置された１周の支持ピンまたはスペーサ穴４５０は、段にさらに近接して配置される。この配列により、ウェハ支持ピンまたはスペーサは、ウェハの下面をその外周に隣接して係合する。ウェハは一般的にその外周に位置合わせ平坦部または切欠き部を有するので、上述の配列のように３つではなく、６つの支持ピンが設けられている。したがって、ウェハ位置合わせ平坦部または切欠き部は支持ピンと整列して、特定のピンによってほとんどまたは全く支持が得られない場合でも、ウェハはまだ他の５つのピンによって適切に支持される。
図２１Ｂに示すように、サセプタの下部セクション４１８は、上述のものと同様の浅いスパイダアーム空洞４３０を含む。空洞は、サセプタの下部セクション４１８の上面に形成された複数のガス分配溝４３４に通じる垂直ガス流路４３２と連絡する。図２１Ｂに示すように、各ガス流路４３２は、外周上の間隔をおいた位置で外側環状溝４３５に通じる回り道を通る溝セクションと連絡する。各経路の１つのセグメントは最初に半径方向に外向きに伸長し、次に内向きに反転して、馬蹄形のような形を形成し、次に円周方向および半径方向に外向きに伸長して第２馬蹄形部分を形成した後、外側溝４３５で終わる。経路のその他のセクションは、最初に半径方向に内向きに伸長し、次に半径方向に外向きに湾曲し、次に円周方向に湾曲した後、外側溝４３５で終わる。
図２１Ｂの上部セグメント４０８の断片部分から分かるように、また図２１Ｃ、図２１Ｄ、および図２１Ｅにさらに示すように、外側溝４３５は、１周の掃引ガス出口４１６円の下に位置する。掃引穴を外周に非常に近接して配置することによって、裏面堆積の危険性が大幅に低下する。さらに、ガス流路４３４は、ガス出口２１６の数の増加とあいまって、掃引ガス流量を増加する。また、ウェハの外周と周囲の凹所の壁との間の間隔を約０．１０インチに減少することにより、堆積ガスがウェハの下に入り込む可能性はさらに最小になる。
支持ピン空洞４３０をサセプタの凹所の外周に隣接して配置することによって、ウェハ支持ピン４４６の上面は、排他ゾーン４４９と呼ばれる外側領域でウェハ４４８の外周の下面を係合する。このゾーンは通常、半導体回路チップの部分にはならない。したがって、支持ピンによって生じるかもしれないウェハの下面のわずかな傷は問題にならない。
図２１Ｄは、ウェハに位置合せ切欠き４５１が形成されている状況を示す。こうした配列の場合でも、ウェハが中央に置かれ、かつウェハの縁と周囲の凹所との間の間隙が小さい限り、切欠きが偶然ウェハと整合すれば、ピンはウェハと係合する。実際には、間隙が充分に小さければ、たとえウェハがサセプタの中心に置かれていなくても、ピンはウェハと係合する。
図２１Ｅは、ウェハの平坦部４５３が支持ピン４４６の位置にくる状況を示す。図から分かるように、スペーサピンは事実上ウェハと係合しないが、ウェハは５つの他のスペーサによって支持されるので、これは重要ではない。
図２２Ａおよび図２２Ｂは、別の区分化サセプタアセンブリを示す。ここでは、３つのスパイダアーム流路５３２と交差する円形溝５３７を持つサセプタの下部セクション５１８が示される。浅い環状凹所５３９が、溝５３７から下部セクションの外周５１８Ａに近接する円形縁部５４１まで伸長する。さらに詳しくは、縁部５４１は、図２２Ａに一部断片が示されているサセプタの上部セクション５１２の外周に隣接して円周方向に間隔をおいて配置された掃引ガス出口５１６の円陣の半径方向にすぐ外側に位置する。６つの支持ピン５４６も都合よく図２２Ａに示されている。図２２Ａおよび図２２Ｂの配列に示す出口５１６の円陣は、３倍の数の出口が示されている以外は、基本的に図２１Ａに示したものと同一である。したがって、この配列では、２００ｍｍのウェハ５４８を受容するように適応されたサセプタのために、７２個の出口が利用される。出口の厳密な数は、言うまでもなく変化させることができるが、図２２Ａに矢印で示すように、多くの掃引ガス出口を持ち、これらの出口に掃引ガスを供給するために、浅いが大面積の環状凹所５３９を設けると好都合である。ガス流量の増加は、堆積ガスがウェハの裏面に達する危険性を大幅に減少する。
図２３Ａ、図２３Ｂ、および図２３Ｃは、複数のピンではなくリングの形態のスペーサを採用する以外は、上述の配列のどれにでも類似させることができる配列を示す。さらに詳しくは、区分化サセプタ６０２の上部セクション６０８の浅い凹所６０４内に配置された、薄く概して平坦なスペーサリング６１５が示されている。リング６１５の外周は、サセプタの上面を形成する棚６１２に通じる円形段６１０によって画定される凹所の縁部のすぐ内側に位置する。リング６１５は内向きに、図２１および図２２の配列で支持ピンによって占有される位置付近まで伸長する。図２３Ｂから分かるように、リング６１５の上面６１５ａは、完全な水平ではない。それどころか、半径方向に内側に向かって下向きに勾配または傾斜している。したがって、半径方向に外側の部分が縦方向に最も厚い。ウェハによって係合される領域のリングの縦方向の厚さは、上述の配列のサセプタの上部セクションの凹所から上に突起する支持ピン部分の高さに等しい。ウェハはサセプタから熱的に効率よく分断され、サセプタの外棚の上面に対して適切に配置される。ウェハ６４８の下面の外周だけがリング６１５と係合するので、リングはウェハの裏面に傷が付くのを防止または最小にする。さらに、取るに足りない影響があってもウェハの排他ゾーン内であり、ウェハの縁部プロファイルに限定される。
複数の半径方向に伸長する通路または溝６１７ｂが、スペーサリング６１５の上面に形成される。２００ｍｍのウェハを受容するためのサセプタに、３２の通路が図示されている。図２３Ａから分かるように、これらの通路は円周方向に間隔をおいて配置され、図２３Ｂに矢印で示すように、掃引ガスのための出口を提供する。これらの通路の間および周囲のリング本体は、堆積ガスがウェハの裏面に流入するのを阻止する。
図２３Ｃは半球形の断面の通路６１５ｂを示すが、言うまでもなく、他の構成を採用することができる。通路の断面積および数は、図２３Ｂに示すサセプタの下部セクション６１８の通路６３２を介して提供されるガスと矛盾せず、所望の流量が得られるように選択する。通路６３２が便宜的に図２３Ａに示されているが、サセプタの下部セクションのその他の詳細は示されていない。上述した通り、上述のどの掃引ガス配列でも、図２３Ａ〜図２３Ｃのリング概念と共に使用することができる。実際、支持リングは、ピン穴がリングの使用と抵触せず、かつ掃引ガス系統に有意の影響を及ぼさない限り、支持ピンを受容するように設計されたサセプタの上部セクションと共に使用することができる。したがって、ユーザはどちらの方法でも使用することができる。
リングは支持ピンまたはサセプタと同一物質で作ることができ、便利である。
上述のウェハ支持システムの試験で、反応システムの特定の側面が、満足できる結果を得る上で特に重要であることが分かった。図１８は、入口部の平坦な上壁３２４および平坦な下壁３２５、ならびに平坦な垂直壁３２７によって壁３２５から一段下がった平坦な下壁３２６を持つ矩形反応室を示す。水平壁３２４、３２５、および３２６は、平坦な垂直側壁３２８および３３０と接合して、浅い矩形の入口部およびそれに隣接した深い矩形部を有する反応室を形成し、前記深い矩形部にはサセプタ３８２および温度補償リング３６２が配置される。
サセプタを包囲するリング３６２は、図１９に示すように、概して矩形の外形を持つことが好ましい。さらに、投影された放射熱パターンまたはカラムが同様にリングと概して整列するように、図１８の石英反応室の上壁および下壁３２４および３２６の上および下の放射加熱ランプ列３５１および３５２が、概して矩形であってリングの外形と一致する外形を画定することも望ましい。つまり、熱は、リングに隣接する石英の壁に向けられるのではなく、主としてリングおよびサセプタに向けられる。この加熱構成は非常に効率的であり、リングおよびサセプタ全体の均等な温度および堆積を促進する。ちなみに、サセプタの中心部の下のスポットランプ３５３は、下部ランプ列３５２の一部とみなされる。
リングは、反応室の底部に載置した適切な石英台３５６上に支持される。隣接する石英構造物から伸長する棚またはフィンガを利用するなど、代替支持配列を使用することもできる。リングおよび放射ランプのこの構成は、平坦な上壁および下壁３２８および３２６ならびに垂直側壁３２４および３３０によって形成される概して矩形の断面を有する反応室で特によく機能することが明らかになっている。
矩形の反応室と矩形のリングの組合せは、ウェハ全体の処理ガスの流動を簡素化する。矩形のリングにより、図１の４６のようなインジェクタを介して導入される処理ガスは、反応室の幅全体にわたって一般的に均等に消費されるので、処理ガスの速度分布を、図１９に矢印３３１で概略的に示すように、反応室全体で概して均等にすることができる。したがって、断面が矩形のリングおよび矩形の反応室の場合、中心部の流量を高める必要がないので、必要なキャリヤガスが最小限ですむ。キャリヤガスの流量の低下は、ウェハの冷却効果が低いことを意味する。間隔をおいて配置されるウェハは、サセプタに直接支持されるウェハの場合より、冷却ガス流に対して大きく反応するので、サセプタから間隔をおいて配置されるウェハにとって、これは重要である。水素ガスの量は、原型システムでは約７５％減少した。言い換えると、キャリアガス対堆積ガスの比率が、少なくとも約１５：１から少なくとも約５：１に低下したことになる。
ウェハがサセプタから熱的に分断された場合、ランプ列の熱出力の不均等制に極めて敏感すなわちよく応答することが分かった。例えばランプの間隔や、ウェハおよびサセプタ３８２からのランプ列の距離は、ウェハ上で得られる熱パターンの均等性に影響する。したがって、ウェハをサセプタ３８２から間隔をおいて配置した場合、ウェハと上部ランプ列３５１の間の距離は、ウェハをサセプタ上に直接配置した場合に使用した距離より大きくすることが望ましいことが明らかになった。同様に、サセプタから下部ランプ列３５２までの距離を増加することが望ましいことが明らかになった。しかし、ウェハと上部ランプ列３５１との間の空間は、下部ランプ列３５２とサセプタとの間の空間以上に大きくすることが望ましいことが明らかになった。
開示した様々な配列の全てに共通して、ウェハはサセプタから熱的に大幅に分断された反応室内に支持される。つまり、ウェハは、ウェハをサセプタの上にかなりの距離をおいて配置するスペーサまたはピン上に支持される。ピンはウェハとの接触が最小限である。掃引ガスは、ウェハの温度に対する影響が取るに足りず、しかしそれでも処理ガスがウェハの裏面に堆積するのを効果的に防止するように、新規のサセプタ設計によって予熱される。ウェハは基本的にサセプタから分断されているので、ウェハがサセプタと接触しているシステムに比べて、より迅速にウェハを加熱することができる。
ランプ列３５１および３５２は、図１８に３９０で概略的に示した適切な電子制御装置によって制御される。制御装置は、サセプタを包囲するリング内の温度センサおよびサセプタの下面の中心部に配置されたセンサからの信号を受信する送信器構成部品を含む。これらの温度信号は、加熱器制御回路機構に送信される。さらに、特定の堆積サイクルに対して所望する様々な温度設定値などの温度制御情報が、加熱器制御回路機構に入力される。この情報は次に制御回路機構によって処理され、制御回路機構は加熱アセンブリの電力を制御する制御信号を生成する。こうしたシステムのこれ以上の詳細は米国特許第４，８３６，１３８号に開示されており、これを参照によってここに組み込む。
そうした先行システムでは、上部および下部ランプ列の一部のランプが１つのユニットとして調節されるゾーンとして、ひとまとめに制御される。つまり、電力比が固定されたので、上部列のランプの電力を増加すると、下部列のその特定ゾーンのランプにも、対応する電力の増加が生じた。制御信号をランプ列に与えられる前に変化させる予備設定比率電位差計を介して、所定のランプ列の温度制御信号を与えることによって、電力比は有利に固定される。他のランプ列は、同様の比率制御回路機構を使用してその制御信号を有利に変更させ、それによってゾーン内のランプ列間に予め設定された電力比を提供する。この方法により、様々なゾーンを独立して調整することができる。ウェーハをスペーサ上に載置する設計の結果として、特許第４，８３８，１３８号に記載されたシステムに１つの変更が行われた。サセプタからウェハの熱的分断の結果、特定の加熱ゾーンの上部ランプと下部ランプの間のランプ列電力比を処理中の様々な時点で調整できるようにするために、回路機構にアナログ比率制御機能が追加された。これは、ゾーン内の上部ランプ列におけるランプのための予め設定された比率の電位差計と直列に動的に制御可能な電位差計を追加することによって、現行システム内で有利に達成される。したがって、ゾーン内の上部ランプ列の制御信号は、動的に制御可能な電位差計を使用して変化させることができる。そのゾーンのランプに加えられる総電力はほぼ同一に維持されるので、ゾーン内の上部ランプ列のランプの電力が変化すると、下部ランプ列の対応するランプ３５２の電力は逆方向に変化する。したがって、２つの間の電力比は変化する。これにより、サセプタおよびウェハが物理的に離れていても、これらの温度を一緒に近接状態に維持することができる。
米国特許第４，８３８，１３８号に開示された加熱システムをさらに詳しく参照すると、図６のランプ４８Ｂおよび４８Ｃは上部ランプ列の中心加熱部を形成し、ランプ７８Ｂおよび７８Ｃは下部列の中心部を形成する。上部列と下部列の間の電力比は、上部列のランプ４８Ｂおよび４８Ｃに加える電力を変化することによって、アナログ比率制御を利用して変更されるが、ランプ７８Ｂ、７８Ｃ、４８Ｂおよび４８Ｃに与えられる総電力はほぼ同一に維持される。この結果、下部ランプ列の電力が反対方向に変化する。
図２０のグラフに、アナログ比率制御を利用する一例を示す。実線は、半導体ウェハの処理のための時間温度レシピを示す。実線は、９００℃の開始温度が得られるようにランプを設定した状態で、ウェハが反応室に装填される場合を示す。温度を約３０秒間そのレベルに維持する。次に追加加熱を行って、約７０秒で約１１５０℃まで温度を上昇させる。次にそのレベルでウェハを約１分間ベーキングまたはエッチング段階にさらす。次に温度を、冷却器で約３０秒間に約１０５０℃の堆積温度まで低下させる。温度を１０５０℃で約７０秒間予備堆積段階に維持し、その後ウェハに堆積を行いながら約７０秒間維持する。次に同様の時間だけウェハを約９００℃に冷却させる。次にサイクルを終了し、ウェハを９００℃レベルで取り出す。
上述の通り、処理されるウェハがサセプタ上に直接支持される場合、上部ランプ列と下部ランプ列の間の熱の比率は予め定められた比率に維持される。この方法は、サセプタとウェハ間の温度がサイクル全体を通してほぼ同一である限り、サセプタ上に配置したウェハでは満足できる方法である。しかし、ウェハがサセプタの上に間隔をおいて配置される場合、サイクル中にウェハの中心部の上部と下部の加熱列間の比率を変えることが望ましい。図２０の破線はアナログ比率制御の一例を提供する。比率変化百分率を図２０のグラフの右側の尺度に示す。サイクルの開始時に、比率は変動率ゼロであることが示されており、ランプが定常状態または固定比率位置と呼ばれる状態であることを意味する。これは、上部および下部のランプ列間の電力が必ずしも同一であることを意味しない。稼働システムの一例として、上部ランプは電力の約４８％を受け取り、下部ランプは約５２％を受け取った。ウェハがサセプタと直接接触した状態で支持される場合、電力比は単にゼロすなわち定常状態ラインに維持されるだけであろう。しかし、ウェハがサセプタから離して配置される場合、それは充分ではない。
ウェハとサセプタの間の温度は、加熱サイクル中、ほぼ同一に維持することが望ましい。ウェハはサセプタの上に間隔をあけて配置され、かつサセプタより質量が小さいので、ウェハはサセプタより迅速に加熱される。したがって、温度が９００℃から１１５０℃まで上昇するサイクル段階中に、ウェハに必要な熱の百分率は低下する。したがって、グラフの破線は、上部ランプに加えられる電力の百分率が、定常状態またはゼロ変化状態より約２０％低い比率に低下する。上述の通り、ランプに加えられる総電力は、比率が変化しない場合と同様にほぼ同一であり、したがってこの結果、下部ランプに加えられる電力の百分率が増加する。この比率の変化により、ウェハおよびサセプタの温度は、温度が１１５０℃レベルにまで上昇するときに、ほぼ同一に維持される。ベーキングまたはエッチング段階で温度がそのレベルに維持される間、可変比率制御は、グラフに示すようにゼロまたは定常状態比率に戻る。
次にウェハを１１５０℃から１０５０℃に冷却することが望まれる場合、電力は低下されるが、冷却を制御するために多少の電力が持続される。サセプタから離して配置されたウェハはサセプタより迅速に冷却するので、ウェハをサセプタの温度に維持するために、上部ランプおよび下部ランプの間の比率は、上部ランプの電力を下部ランプの電力より低い百分率に低下することによって変化する。破線で示すように、上部ランプの電力の百分率は、上部ランプの比率が約２０％増加するように増加する。ウェハが１０５０℃レベルに維持される間、電力比は定常状態に戻るので、予備堆積段階が終了し、堆積段階が開始される時点で、電力比はいわゆる定常状態である。堆積後、ウェハを８００℃レベルに冷却させることが望ましい。したがって再び、上部ランプの電力の百分率を約２０％増加することによって、比率を変化させる。８００℃のレベルに達すると、上部ランプに対する電力百分率が低下し、比率はその定常状態に戻る。加えられる総電力はほぼ同一であり、変化するのは上部列と下部列の間の電力比だけであることを念頭に置く必要がある。実際の変化百分率は、言うまでもなく、処理される特定のウェハならびに関係する特定の温度および処理に対して決定する必要がある。アナログ比率制御機能は、所望の結果を得るために乗算回路を使用して、適切な分だけ上部ランプの電力信号を変化させる。
図２４および図２５は、図２３Ａ、図２３Ｂ、および図２３Ｃと同様の配列を示すが、これはスペーサリング６１５とは異なる構成を持つスペーサリング７１５を含む。上面の円周方向に間隔をおいて配置された複数の溝６１５ｂを持つ平坦なリングの代わりに、リング７１５は、図２５Ｂに最もよく示すように、概して平坦な矩形の断面を持つ中央本体部７１５ｂを含む。複数のランド、リップ、または突起７１５ａが本体部７１５ｂから上向きに伸長して、基板のためのスペーサを形成する。図２４に示す配列では、円周上に約６０°の均等な角度αの間隔で配置された６個のそうしたランドが設けられる。図２５Ａから分かるように、ランドはリングの半径方向の完全な厚さだけ伸長するが、ランド２５ｂの上面は、リングの半径方向に外側の端部から半径方向に内側の低くなった端部までわずかに傾斜する。この構成は、基板６４８との間の接触を、６つのランド位置の非常にわずかな線接触にまで最小化する。さらに、図２５から分かるように、ランドの円周方向の幅は非常にちいさく、好ましくはわずか約０．０３０インチである。ランドの上面の傾斜は、水平方向からわずか約２°である。ランドの代わりに、他の形状を持つ突起または突出物を使用することができる。
リング７１５はさらに、本体部７１５ｂから円周方向に間隔をおいて垂下する複数の脚７１５ｃを備えている。さらに詳しくは、図２４から分かるように、１対のそうした脚がランド７１５ａにまたがり、ランドから円周方向に１０°の角度βの間隔で配置される。これにより、全部で１２の脚が各ランド７１５ａの両側に２つづつ隣接して形成される。図２５Ａ、図２５Ｂ、および図２５Ｃから分かるように、脚７１５ｃの外側下隅部が面取りされている以外、脚はリング本体７１５ａの幅全体に伸長する。
サセプタの上部にウェハを支持するスペーサは、ウェハとサセプタの間のガスより伝熱抵抗が小さい。したがって、ウェハ内の接触領域付近に、望ましくない熱勾配が発生する可能性がある。これは、システムの急速な熱上昇中に発生する大きい熱勾配のときに、最も顕著である。脚７１５ｃから円周方向に間隔をおいて配置されたランド７１５ａを持つ利点は、サセプタとウェハ間の熱的経路が、２つの構成部品の間にスペーサが直接伸長する場合よりずっと長くなることである。つまり、言い換えると、１つの脚の底部から隣接するランドの頂部までの熱的経路は、脚とランドを含むリングの高さよりずっと大きい。これが今度はシステムの急速な加熱を可能にし、これは言うまでもなく生産性を向上する。
図２４および図２５に示す配列では、サセプタのその他の部分は、スペーサピンの有無に関わらず、図２〜図１７の任意のサセプタ構成を利用して形成することができる。つまり、スペーサリングがスペーサピンの高さと等しい高さを持つ場合、スペーサピンを使用する必要はない。代替的に、基板がスペーサピンによって支持されるように、ブロッカまたはスペーサリングの全高をスペーサピンのそれよりわずかに低くすることができる。
様々な寸法のスペーサリング７１５を使用することができる。例えば、８インチのウェハ用の１つの原型版のランド７１５ａの高さＡは約０．０２２インチであり、中心本体部分は約０．０３５インチ、脚は約０．０２０であり、合計すると約０．０７７インチである。中心本体部７１５ｂの厚さＢを増加して、ランド間及び脚間の通路の領域を減少することができる。別の構成では、本体部７１５ｂは約０．０４５インチ、突起７１５ａは約、００１７インチ、脚は約０．０１５インチである。基板の直径はリングの外径よりわずかに小さいので、基板の外周部が接触する領域のランド７１５ａの高さは脚の高さとほぼ同じであることに、注意する必要がある。別の構成では、中心本体部７１５ｂは約０．０５５インチ、上部および下部は各々約０．０１０インチである。さらに４番目の構成では、中心本体部は約０．０６５インチ、上部および下部突起はわずか約０．００５インチであった。したがって、リングの寸法を変えることによって、リングと基板の間、およびリングとサセプタの間の通路の断面積がそれに対応して変化することが分かる。
図２６および図２７は、スペーサまたはブロッカリング８１５の別の構成を示す。図２６、図２７、図２７Ａ、および図２７Ｂから分かるように、リングは概して矩形の断面を有する本体部８１５ｂを含み、かつリングの内径と外径のほぼ中間に位置し上向きに伸長する連続環状リブ８１５ａを含む。リングはさらに、円周方向に間隔をおいて配置され本体部８１５ｂから垂下する複数の脚８１５ｃを備える。これらの脚は、図２５に示す脚７１５ｃとほぼ同じである。つまり、図示する配列では、１対の脚８１５ｃが相互に約２０°の近似角度θで相互に間隔をおいて配置される。さらに、円周方向に約６０°の間隔をおいて配置された６対のそうした脚があり、それによって合計で１２個の脚が形成される。
リング８１５はリングの全高が上述の支持ピンまたはスペーサのそれより小さいブロッカリングとして使用し、基板がブロッカリングよりスペーサピンに支持されるようにすることが好ましい。この意味で、リング８１５は、堆積ガスの内向きの流れを遮断すると共に、リブ８１５ａの上端部との間にわずか約０．０１０インチの細い環状通路またはスリットを設けることによって、掃引ガスまたはパージガスの作用をさらに高めるために機能するだけである。さらに、円周方向に間隔をおいて配置された、垂直方向に短い通路が脚８１５ｃの間に設けられる。好適な配列では、リブ８１５ａの高さＡ１は約０．０２５インチ、本体の高さＢ１は約０．０３０インチ、脚部の高さＣ１は約０．０１０インチで、合計約０．０６５インチである。０．０７５インチの間隙を形成するスペーサピンを使用する場合、これによりリブと基板の間の通路は０．０１０インチになった。
環状リブ８１５ａの半径方向の寸法または幅は約０．０２５インチが好ましく、図２７Ｂに示すように、それは概して平坦な中心部と丸みを帯びたショルダを有する。
基板とサセプタの間の間隙をさらに遮断するために、ブロッカリング脚８１５ｃを除去し、図２７Ｃに示す断面を形成することができる。ここで、本体部は約０．０４０インチである。
図２８は、リングの内径に隣接して環境リブ９１５ａが配置され、したがってリングの断面が幾分Ｌ字形になり、リングの半径方向の寸法がＬ字形の長い脚を表し、上向きに伸長するリブが短い脚を表すことを除いて、リング８１５と同様の断面を有するブロッカリング９１５を示す。
図２６、図２７、および図２８に示す配列の利点は、リブ８１５ａおよび９１５ａが基板から間隔をおいて配置され、リングがサセプタから熱的に事実上分断されるので、前記リング上のサセプタの領域にスリップを発生させるおそれのある著しい温度の不連続性が存在しないことである。同時に、間隙の実質的な部分はリングによって遮断されるので、堆積ガスは基板の下の領域に入ることが妨げられる。これに関連して、掃引ガスの速度はリングのそばを通過するときに増加するという事実があり、これによりさらに堆積ガスの基板の下への流入が阻止される。通路から支持スパイダを介して間隙へ流入する入力ガス流量は、所望の流量を形成するように制御することができ、かつサセプタと基板との間の間隙に基板上の圧力より大きい圧力が維持される。この圧力差は言うまでもなく、パージガスまたは掃引ガスの流動を維持し、かつ基板の裏面上の堆積ガスの流動を防止する。図２３〜図２８に示すようなブロッカリングを使用することにより、リングが無い場合より低いガス流量により、ウェハの裏面が適正に保護される。様々な低流量のガス流動が適正な結果をもたらす。
スペーサリングの幾つかについて、本体から下向きに突起する脚またはレッグを持つものとして説明したが、サセプタはこれらの領域にリップまたはバンプを設け、平坦または脚を持つリングと共に通路を形成することができる。同様に、スペースリングまたはスペーサリングをサセプタとは別個に形成することが最も実用的であるが、同様の構造はサセプタと一体的に形成することもできる。
また、上述した完全にリング形のブロッカは現在好適な形状であるが、閉じた３６０°の形まで完全に伸長しないブロッカも利用されるであろう。同様に、リングは、実質的にリングを形成できる２つ以上の別個の部品として形成できるようにすると便利であろう。さらに、完全な円形でないブロッカも使用できる。他のそうした変形も、添付する請求の範囲内に含まれる。
本発明を特定の好適な実施形態に関して説明したが、他の実施形態も本発明の範囲内である。例えば、説明した実施形態の一部は特定の大きさのウェハについて説明したが、同じ機能をより大きいウェハを収容するためにも使用できる。実際、従来の２００ｍｍおよびそれ以下の大きさのウェハを補足するために、３００ｍｍ以上のウェハが現在企図されている。より大きいウェハの場合、リング内で追加のスペーサを図１８に示した３つのスペーサ１００から半径方向に内側に間隔をおいて配置し、円周方向に位置をずらして図１８のスペーサの間に配置して使用することが望ましい。
【図１】
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【図２】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１４】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２１Ｃ】
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【図２１Ｄ】
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【図２１Ｅ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２３Ｃ】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２５Ｃ】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２７Ｃ】
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【図２７Ｄ】
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【図２８】
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