特開 2022-55209 気相成長装置及びエピタキシャルウェーハの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022055209

(43)【公開日】2022-04-07

(54)【発明の名称】気相成長装置及びエピタキシャルウェーハの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/205 20060101AFI20220331BHJP

   C23C 16/24 20060101ALI20220331BHJP

   C23C 16/455 20060101ALI20220331BHJP

   C30B 25/12 20060101ALI20220331BHJP

   C30B 29/06 20060101ALI20220331BHJP

【ＦＩ】

H01L21/205

C23C16/24

C23C16/455

C30B25/12

C30B29/06 504L

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020162664

(22)【出願日】2020-09-28

(71)【出願人】

【識別番号】503424196

【氏名又は名称】エピクルー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002516

【氏名又は名称】特許業務法人白坂

(72)【発明者】

【氏名】岡部 晃

【テーマコード（参考）】

4G077

4K030

5F045

【Ｆターム（参考）】

4G077AA03

4G077BA04

4G077DA01

4G077DB01

4G077EG03

4G077EG13

4G077EG14

4G077EG16

4G077EG21

4G077HA12

4G077TA12

4G077TF02

4G077TF06

4K030AA06

4K030BA29

4K030BB02

4K030CA04

4K030EA06

4K030EA11

4K030FA10

4K030GA02

4K030GA06

4K030GA12

4K030JA03

4K030KA02

4K030KA23

4K030LA15

5F045AA04

5F045AA06

5F045AB02

5F045AC01

5F045AC03

5F045AC05

5F045AC15

5F045AC16

5F045AC19

5F045AD15

5F045AE23

5F045AF03

5F045BB02

5F045BB09

5F045BB10

5F045CA01

5F045DP03

5F045DP28

5F045DQ10

5F045DQ11

5F045EB03

5F045EB08

5F045EE20

5F045EF18

5F045EK11

5F045EM06

5F045EM10

5F045EN04

5F045GB05

5F045HA06

(57)【要約】

【課題】 サセプタ及び予熱リングと反応容器の天板下面との空間が狭小化した構成を採用しつつも、サセプタへ基板を着脱する際の基板搬送部材の移動スペースを十分に確保できる気相成長装置を提供する。
【解決手段】 プロセスチャンバには、サセプタを第一位置と第二位置との間で昇降させるサセプタ昇降機構を設ける。サセプタが第一位置に位置する状態では、サセプタの上面が予熱リングの下面よりも上方に位置し、かつ、反応容器本体の天井板下面との間に、予め定められた高さ方向寸法を有する原料ガス流通空間が確保される。サセプタが第二位置に位置する状態では、サセプタの上面が予熱リングの下面よりも下方に位置し、かつ、サセプタの上面と予熱リングの下面との間に、原料ガス流通空間よりも高さ方向寸法が大きい基板着脱空間が確保される。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

単結晶基板の主表面に半導体単結晶薄膜を気相成長させる気相成長装置であって、
水平方向における第一端部側にガス導入口が形成され、同じく第二端部側にガス排出口が形成された反応容器本体を有し、該反応容器本体の内部空間にて回転駆動される円盤状のサセプタ上に前記単結晶基板が略水平に回転保持されるようになっており、前記ガス導入口から前記反応容器本体内に導入される半導体単結晶薄膜形成のための原料ガスが、前記単結晶基板の前記主表面に沿って流れた後、前記ガス排出口から排出されるように構成されるとともに、前記サセプタを取り囲むように予熱リングが配置され、さらに、
前記サセプタの上面が前記予熱リングの下面よりも上方に位置し、かつ、前記サセプタの上面と前記反応容器本体の天井板下面との間に、予め定められた高さ方向寸法を有する原料ガス流通空間を形成する第一位置と、前記サセプタの上面が前記予熱リングの下面よりも下方に位置し、かつ、前記サセプタの上面と前記予熱リングの下面との間に、前記原料ガス流通空間よりも高さ方向寸法が大きい基板着脱空間を形成する第二位置との間で、前記サセプタを昇降させるサセプタ昇降機構と、
前記単結晶基板が水平方向に保持された形で着脱される基板保持部が前端側に設けられた基板搬送部材と、前記第二位置に位置した状態の前記サセプタに対し、前記サセプタの直上に前記基板保持部が位置する基板着脱位置と、前記反応容器本体外に形成される準備室内に前記基板保持部が位置する準備位置との間で前記基板搬送部材を水平方向に往復動させる基板搬送部材駆動部と、
を備えたことを特徴とする気相成長装置。

【請求項2】

前記第一位置は、前記原料ガス流通空間の高さ方向寸法が５ｍｍ以上１５ｍｍ以下となるように定められている請求項１記載の気相成長装置。

【請求項3】

前記第一位置が、前記サセプタ上の前記単結晶基板の主表面と前記予熱リングの上面とが一致するように定められている請求項１又は請求項２に記載の気相成長装置。

【請求項4】

前記反応容器本体は前記準備室が設けられている側が前記第一端部となり、前記サセプタの回転軸線に関して前記準備室が設けられているのと反対側が第二端部となるように前記原料ガスの流通方向が定められるとともに、前記反応容器本体の内部空間にて、前記準備室との間を開閉可能に仕切る準備室シャッタと、前記予熱リングとの間に位置する部分がガス通路とされ、
前記ガス通路には、板面前端が前記予熱リングの側面に対向するように高さ方向位置が定められた仕切り板が水平に配置され、前記ガス通路の前記仕切り板よりも上側の空間が前記原料ガス流通空間と連通する上側通路空間を、前記ガス通路の前記仕切り板よりも下側の空間が前記予熱リング下方の機器配置空間と連通する下側通路空間をなす請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の気相成長装置。

【請求項5】

前記仕切り板の上面と前記予熱リングの上面とが一致するように定められている請求項４に記載の気相成長装置。

【請求項6】

前記サセプタは、該サセプタの下面に上端が結合される回転軸部材を介して回転駆動されるとともに、前記サセプタ昇降機構は前記サセプタを前記回転軸部材とともに昇降させるものである請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の気相成長装置。

【請求項7】

前記サセプタ上の前記単結晶基板の下面外周縁部を下側から突き上げる形で前記単結晶基板をリフトアップさせるリフトピンが、下端側を前記サセプタから下向きに突出させる形で前記サセプタの周方向に複数設けられ、さらに、前記反応容器本体内にて前記予熱リングの下方には、複数の前記リフトピンに対応させる形で複数設けられ、各々対応する前記リフトピンを下方から上向きに付勢するためのリフトピン付勢部が先端側に形成されたリフトピン駆動アームと、前記回転軸部材の回転駆動を許容しつつ、前記回転軸部材の外側に同軸的かつ前記回転軸部材の軸線に沿って昇降可能に配置され、前記リフトピン駆動アームの基端側が結合される昇降スリーブとを有した基板リフト部が設けられている請求項６記載の気相成長装置。

【請求項8】

水平方向における第一端部側にガス導入口が形成され、同じく第二端部側にガス排出口が形成された反応容器本体を有し、該反応容器本体の内部空間にて回転駆動される円盤状のサセプタ上に単結晶基板が略水平に回転保持されるようになっており、前記ガス導入口から前記反応容器本体内に導入される半導体単結晶薄膜形成のための原料ガスが、前記単結晶基板の主表面に沿って流れた後、前記ガス排出口から排出されるように構成されるとともに、前記サセプタを取り囲むように予熱リングが配置され、さらに、前記サセプタの上面が前記予熱リングの下面よりも上方に位置し、かつ、前記サセプタの上面と前記反応容器本体の天井板下面との間に、予め定められた高さ方向寸法を有する原料ガス流通空間を形成する第一位置と、前記サセプタの上面が前記予熱リングの下面よりも下方に位置し、かつ、前記サセプタの上面と前記予熱リングの下面との間に、前記原料ガス流通空間よりも高さ方向寸法が大きい基板着脱空間を形成する第二位置との間で、前記サセプタを昇降させるサセプタ昇降機構と、前記単結晶基板が水平方向に保持された形で着脱される基板保持部が前端側に設けられた基板搬送部材と、前記第二位置に位置した状態の前記サセプタに対し、前記サセプタの直上に前記基板保持部が位置する基板着脱位置と、前記反応容器本体外に形成される準備室内に前記基板保持部が位置する準備位置との間で前記基板搬送部材を水平方向に往復動させる基板搬送部材駆動部と、を備えた気相成長装置を用い、
前記反応容器内にて前記サセプタを前記第二位置に位置させた状態で前記単結晶基板を前記サセプタ上に配置し、次いで前記単結晶基板が配置された前記サセプタを前記第一位置へ上昇させ、該反応容器内に前記原料ガスを流通させて前記単結晶基板上に前記半導体単結晶薄膜を気相エピタキシャル成長させることによりエピタキシャルウェーハを得ることを特徴とするエピタキシャルウェーハの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、単結晶基板の主表面に半導体単結晶薄膜を気相成長させるための気相成長装置と、それを用いて実現されるエピタキシャルウェーハの製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

単結晶基板上に半導体単結晶薄膜を形成したエピタキシャルウェーハ、例えばシリコン単結晶基板（以下、単に「基板」と略称する）の表面に、気相成長法によりシリコン単結晶薄膜（以下、単に「薄膜」と略称する）を形成したシリコンエピタキシャルウェーハは、バイポーラＩＣやＭＯＳ－ＩＣ等の電子デバイスに広く使用されている。近年、例えば直径が２００ｍｍないしそれ以上のエピタキシャルウェーハの製造においては、複数枚のウェーハをバッチ処理する方法に代えて、枚葉式気相成長装置が主流になりつつある。これは、反応容器内に１枚の基板を水平に回転保持し、反応容器の一端から他端へ原料ガスを略水平かつ一方向に供給しながら薄膜を気相成長させるものである。また、枚葉式気相成長装置において基板上に形成される半導体単結晶層の膜厚分布は、基板主表面内の温度分布の影響を大きく受けることが知られており、特に、温度低下を起こしやすい基板外周縁部は、半導体単結晶層の膜厚が大きい側にばらつきやすい。これを防止するために枚葉式気相成長装置においては、基板外周縁部の均熱を図るために、サセプタの周囲に予熱リングが設けることが一般的に行われている。

【0003】

一般的なシリコンエピタキシャルウェーハの製造に際して基板の加熱には、赤外線放射加熱、高周波誘導加熱あるいは抵抗加熱などの方式が用いられ、シリコン基板とサセプタは昇温するが反応容器の温度は低く保たれる、いわゆる、コールドウォールの環境を形成するようにしている。

【0004】

枚葉式気相成長装置においては通常、ガス供給管を介して反応容器の一端部に形成されたガス導入口から原料ガスが供給され、基板主表面に沿って原料ガスが流れた後、容器他端側の排出口から排出される構造となっている。このような構造の装置によりエピタキシャルウェーハを製造する場合、基板主表面に沿った原料ガスの流速を増大させることが、シリコン単結晶薄膜の成長速度を増大させる上で有効であることが知られている。例えば、非特許文献１には、シリコンエピタキシャルウェーハを製造する際に、サセプタ回転速度の上昇により、基板主表面と原料ガスとの相対速度を大きくすると、基板上に堆積するシリコン単結晶層の成長速度を増大できる旨開示されている。

【0005】

非特許文献１に開示された実験では、反応容器に供給する原料ガスの濃度及び流量は一定に設定されており、その状況下でサセプタ回転速度を上昇させた場合に、シリコン単結晶層の成長速度が増加する結果が示されている。また、非特許文献２には、上記のコールドウォール環境下においては、シリコン単結晶層を成長させる際の気相温度が上昇すると、原料ガス成分の輸送速度が律速する領域（すなわち、基板主表面上の拡散層）において、単結晶層の成長速度が低下することが熱力学的に示されている。

【0006】

すなわち、基板主表面のガス流速が増加すれば、基板主表面からの熱移動が促進され基板主表面の温度が下がるとともに、ガス流速増大により基板主表面の拡散層厚さが減少し、拡散層中の原料ガス成分の濃度勾配が増加する。これらの要因により、原料ガスからシリコン単結晶が生成される化学反応の効率が高められ、シリコン単結晶層の成長速度が増加すると考えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特許第６０６８２５５号公報

【特許文献2】特開２０１１－１６５９４８号公報

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】「４５０ｍｍφシリコンエピタキシャル成長速度の数値計算」：第７５回応用物理学会秋季学術講演会 講演予稿集（２０１４年秋 北海道大学）１９ａ－Ａ１９－１

【非特許文献2】「Ｓｉエピタキシャル薄膜作製プロセスのシミュレーション」：Journal of the Vacuum Society of Japan, Vol.49 (2006), pp.525-529

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

上記の考察から、枚葉式気相成長装置において、基板主表面の原料ガスの流速を増加させ、半導体単結晶層の成長速度を高めるには、原料ガス流通路となる基板主表面と反応容器の天井板下面との間の空間高さを縮小した構造を採用することが有効と考えられる。具体的には、半導体単結晶の成長工程において、基板を保持するサセプタの位置を高さ方向にて反応容器の天板下面に対し、より接近させた構造を採用することにより、上記の空間高さを縮小できる。

【0010】

ここで、枚葉式気相成長装置においてサセプタに基板を装着する工程は、サセプタ及び予熱リングと反応容器の天板下面との空間（半導体単結晶層の成長時において原料ガス流通空間となる）と、反応容器本体外に形成される準備室との間で、基板搬送部材を出し入れすることにより行っている。しかしながら、サセプタと反応容器の天板下面との距離が縮小した場合、基板搬送部材を出し入れするスペースの確保が困難になる問題がある。

【0011】

本発明の課題は、サセプタ及び予熱リングと反応容器の天板下面との空間が狭小化した構成を採用しつつも、サセプタへ基板を着脱する際の基板搬送部材の移動スペースを十分に確保できる気相成長装置と、それを用いたエピタキシャルウェーハの製造方法とを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の気相成長装置は、単結晶基板の主表面に半導体単結晶薄膜を気相成長させるためのものであり、水平方向における第一端部側にガス導入口が形成され、同じく第二端部側にガス排出口が形成された反応容器本体を有し、半導体単結晶薄膜形成のための原料ガスがガス導入口から反応容器本体内に導入され、該反応容器本体の内部空間にて略水平に回転保持される単結晶基板の主表面に沿う方向に沿って原料ガスが流れた後、ガス排出口から排出されるように構成されるとともに、サセプタを取り囲むように予熱リングが配置される。そして、上記の課題を解決するために、さらに、サセプタの上面が予熱リングの下面よりも上方に位置し、かつ、サセプタの上面と反応容器本体の天井板下面との間に、予め定められた高さ方向寸法を有する原料ガス流通空間を形成する第一位置と、サセプタの上面が予熱リングの下面よりも下方に位置し、かつ、サセプタの上面と予熱リングの下面との間に、原料ガス流通空間よりも高さ方向寸法が大きい基板着脱空間を形成する第二位置との間で、サセプタを昇降させるサセプタ昇降機構と、単結晶基板が水平方向に保持された形で着脱される基板保持部が前端側に設けられた基板搬送部材と、第二位置に位置した状態のサセプタに対し、サセプタの直上に基板保持部が位置する基板着脱位置と、反応容器本体外に形成される準備室内に基板保持部が位置する準備位置との間で基板搬送部材を水平方向に往復動させる基板搬送部材駆動部と、を備えたことを特徴とする。

【0013】

また、本発明のエピタキシャルウェーハの製造方法は、上記本発明の気相成長装置を用いるとともに、反応容器内にてサセプタを第二位置に位置させた状態で単結晶基板をサセプタ上に配置し、次いで単結晶基板が配置されたサセプタを第一位置へ上昇させ、該反応容器内に原料ガスを流通させて単結晶基板上に半導体単結晶薄膜を気相エピタキシャル成長させることによりエピタキシャルウェーハを得ることを特徴とする。

【0014】

本発明の気相成長装置において、上記第一位置は、原料ガス流通空間の高さ方向寸法が５ｍｍ以上１５ｍｍ以下となるように定められていることが望ましい。また、該第一位置は、サセプタ上の単結晶基板の主表面と予熱リングの上面とが一致するように定められていることが望ましい。

【0015】

本発明の気相成長装置においては、反応容器本体は準備室が設けられている側が第一端部となり、サセプタの回転軸線に関して準備室が設けられているのと反対側が第二端部となるように原料ガスの流通方向を定めることができる。この場合、反応容器本体の内部空間にて、準備室との間を開閉可能に仕切る準備室シャッタと、予熱リングとの間に位置する部分がガス通路とされる。この場合、ガス通路には、板面前端が予熱リングの側面に対向するように高さ方向位置が定められた仕切り板を水平に配置する形で設けることができる。ガス通路の仕切り板よりも上側の空間は原料ガス流通空間と連通する上側通路空間３６Ａをなし、ガス通路の仕切り板よりも下側の空間は予熱リング下方の機器配置空間と連通する下側通路空間をなす。該仕切り板の上面も予熱リングの上面と一致するように位置を定めておくのがよい。

【0016】

サセプタは、例えば、該サセプタの下面に上端が結合される回転軸部材を介して回転駆動されるものである。この場合、サセプタ昇降機構は、サセプタを回転軸部材とともに昇降させるように構成される。

【0017】

また、本発明の気相成長装置においては、サセプタ上の単結晶基板の下面外周縁部を下側から突き上げる形で単結晶基板をリフトアップさせるリフトピンを、下端側をサセプタから下向きに突出させる形でサセプタの周方向に複数設けることができる。この場合、反応容器本体内にて予熱リングの下方には、複数のリフトピンに対応させる形で複数設けられ、各々対応するリフトピンを下方から上向きに付勢するためのリフトピン付勢部が先端側に形成されたリフトピン駆動アームと、回転軸部材の回転駆動を許容しつつ、回転軸部材の外側に同軸的かつ回転軸部材の軸線に沿って昇降可能に配置され、リフトピン駆動アームの基端側が結合される昇降スリーブとを有した基板リフト部を設けることができる。

【発明の効果】

【0018】

本発明の気相成長装置は、サセプタ昇降機構によりサセプタを昇降させることで、反応容器本体内におけるサセプタの高さ方向保持位置を変更可能に構成した。サセプタ位置の変更により、サセプタに装着された単結晶基板の主表面と、反応容器本体の上部壁部下面との間に形成される原料ガス流通空間の高さ方向寸法を段階的又は無段階に変更設定でき、単結晶基板上に半導体単結晶層を成長する際の原料ガスの流速、ひいては半導体単結晶層の調整が可能となる。

【0019】

そして、本発明においては、サセプタの上面が予熱リングの下面よりも上方に位置し、かつ、反応容器本体の天井板下面との間に、予め定められた高さ方向寸法を有する原料ガス流通空間を形成する第一位置と、サセプタの上面が予熱リングの下面よりも下方に位置し、かつ、サセプタの上面と予熱リングの下面との間に原料ガス流通空間よりも高さ方向寸法が大きい基板着脱空間を形成する第二位置との間で、サセプタを昇降させるサセプタ昇降機構を設け、第二位置に位置した状態のサセプタに対し、基板搬送部材により単結晶基板を着脱するようにした。これにより、サセプタ及び予熱リングと反応容器の天板下面との空間が狭小化した構成を採用しつつも、サセプタへ基板を着脱する際の基板搬送部材の移動スペースを、予熱リングの下方に十分に確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の気相成長装置の全体構成の一例を示す模式図。

【図2】プロセスチャンバの側面断面図。

【図3】シリコンエピタキシャルウェーハの模式図。

【図4】図１の気相成長装置におけるサセプタの昇降部分の一例を示す斜視図。

【図5】図４にてリフトピンの昇降部分を透視可能に示す斜視図。

【図6】図１の気相成長装置の制御システムのブロック図。

【図7】図６の制御システムにおける、制御プログラムの処理の流れの一例を示すフローチャート。

【図8】図１の気相成長装置の動作を説明する第一の図

【図9】図１の気相成長装置の動作を説明する第二の図

【図10】図１の気相成長装置の動作を説明する第三の図

【図11】図１の気相成長装置の動作を説明する第四の図

【図12】図１の気相成長装置の動作を説明する第五の図

【図13】図１の気相成長装置の動作を説明する第六の図

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明を実施するための形態を添付の図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る気相成長装置の一例を模式的に示す側面断面図である。気相成長装置１００は、図３に示すように、シリコン単結晶基板Ｗ（以下、単に「基板Ｗ」ともいう）の主表面（上面）ＰＰにシリコン単結晶薄膜ＥＬを気相成長させ、シリコンエピタキシャルウェーハＥＷを製造するためのものである。図１に示すように、気相成長装置１００は、基板Ｗ上にシリコン単結晶薄膜ＥＬを気相成長させるためのプロセスチャンバ１と、該プロセスチャンバ１の内部に基板Ｗを搬送するための準備チャンバ（内部空間が準備室を形成する）１０３と、準備チャンバ１０３と連結されたロードロックチャンバ１０４とを備えている。準備チャンバ１０３は、反応容器本体２とロードロックチャンバ１０４との間に配置される。

【0022】

準備チャンバ１０３の内部には、ロードロックチャンバ１０４とプロセスチャンバ１との間で基板Ｗを相互に搬送するための搬送ロボット１０７が設けられている。搬送ロボット１０７は、リンク機構をなす複数のロボットアーム１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃを備えている。ロボットアーム１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃは個々の回転軸線Ａ１，Ａ２，Ａ３の周りに互いに回転可能に結合され、ロボットアーム１０５ｃがモータ１０７ｍにより旋回駆動されることで、基板搬送部材をなす末端のロボットアーム１０５ａ（以下、「基板搬送部材１０５ａ」ともいう）が水平方向に進退駆動される。基板搬送部材１０５ａの先端には基板保持部１０５Ｈが設けられている。基板保持部１０５Ｈの上面に基板を載置し、その状態で基板搬送部材１０５ａが進退することにより、基板を搬送することができる。すなわち、搬送ロボット１０７は、後述の第二位置（図２: ＰＳ）に位置した状態のサセプタ９に対し、サセプタ９の直上に基板保持部１０５Ｈが位置する基板着脱位置と、反応容器本体２外に形成される準備室内に基板保持部１０５Ｈが位置する準備位置との間で基板搬送部材１０５ａを水平方向に往復動させる基板搬送部材駆動部としての役割を果たす。

【0023】

準備チャンバ１０３の反応容器本体２と連なる部分には、反応容器本体２と準備チャンバ１０３との気密を確保するための準備室シャッタ１０８（Ｌ型ゲートバルブ）が開閉可能に配置されている。また、ロードロックチャンバ１０４は複数の基板Ｗを集積状態でストックするためのものである。

【0024】

図２はプロセスチャンバ１の詳細構造を示すものである。プロセスチャンバ１は、水平方向における第一端部側にガス導入口２２が形成され、同じく第二端部側にガス排出口２１が形成された反応容器本体２を有する。薄膜形成のための原料ガスＧは、ガス導入口２２から反応容器本体２内に導入され、該反応容器本体２の内部空間５にて略水平に回転保持される基板Ｗの主表面に沿って流れた後、ガス排出口２１から排出されるように構成されている。反応容器本体２は、全体が内部の他の構成部材とともに石英及びステンレス鋼等の金属材料により形成されている。

【0025】

図２において、反応容器本体２の内部空間５には、垂直な回転軸線Ｏの周りにモータ４０により回転駆動される円盤状のサセプタ９が配置され、その上面に形成された浅い座ぐり９Ｂ（図４参照）内に、図３のシリコンエピタキシャルウェーハＥＷを製造するための基板Ｗが１枚のみ配置される。すなわち、該プロセスチャンバ１は水平枚葉型気相成長装置として構成されている。基板Ｗは、例えば直径が１００ｍｍあるいはそれ以上のものである。また、基板Ｗの配置領域に対応して反応容器本体２の上下には、図１に示すように、基板加熱のための赤外線加熱ランプ１１が所定間隔にて配置されている。また、図２に示すように、反応容器本体２内には、サセプタ９を取り囲むように予熱リング３２が配置されている。

【0026】

原料ガスＧは、上記の基板Ｗ上にシリコン単結晶薄膜を気相成長させるためのものであり、ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６等のシリコン化合物の中から選択される。原料ガスＧには、ドーパンドガスとしてのＢ_２Ｈ_６あるいはＰＨ_３や、希釈ガスとしてのＨ_２、Ｎ_２、Ａｒ等が適宜配合される。また、薄膜の気相成長処理に先立って基板前処理（例えば自然酸化膜や付着有機物の除去処理）を行う際には、ＨＣｌ、ＨＦ、ＣｌＦ_３、ＮＦ_３等から適宜選択された腐蝕性ガスを希釈ガスにて希釈した前処理用ガスを反応容器本体２内に供給する処理を行なうか、又は、Ｈ_２雰囲気中で高温熱処理を施す。

【0027】

図２に示すように、サセプタ９は、該サセプタ９の下面に上端が結合される回転軸部材１５を介して、モータ４０により回転駆動される。回転軸部材１５の先端はサセプタ９の下面中央領域に結合される一方、回転軸部材１５の軸線方向中間位置には、複数のサセプタ支持アーム１５Ｄの基端部が結合されている。各サセプタ支持アーム１５Ｄは、先端側がサセプタ９の半径方向に水平に延び、各々先端部が結合ピン１５Ｃによりサセプタ９の下面に結合されている。結合ピン１５Ｃはサセプタ支持アーム１５Ｄとサセプタ９の下面との間に微小な隙間（本実施形態では１ｍｍ程度）を形成するためのスペーサの役割を果たしている。回転軸部材１５は、図５に示すように、軸本体１５Ａと熱電対１５Ｂとにより構成され、軸本体１５Ａの上端部外周面は先端側が径小となるテーパ面とされている。軸本体１５Ａの縮径する上端部は筒状のスリーブ１５Ｓ内に相対回転不能に嵌合している（なお、図５では、サセプタ支持アーム１５Ｄ及び結合ピン１５Ｃを省略して描いている）。

【0028】

プロセスチャンバ１には、サセプタ９を図２に示す第一位置ＰＰと第二位置ＰＳ（図２において、各位置ＰＰ，ＰＳ及びＰｈは基材ＢＰ１の位置を表すが、以下の説明においてはサセプタ９の位置を表すものとして取り扱う）との間で昇降させるサセプタ昇降機構３９が設けられている。サセプタ９が第一位置ＰＰに位置する状態では、サセプタ９の上面が予熱リング３２の下面よりも上方に位置し、かつ、サセプタ９の上面と反応容器本体２の天井板下面との間に、予め定められた高さ方向寸法を有する原料ガス流通空間５Ｐ（図１３参照）が確保される。上記の第一位置ＰＰは、確保される原料ガス流通空間５Ｐの高さ方向寸法が、５ｍｍ以上１５ｍｍ以下の比較的狭小な値となるように定められている（本実施形態では、約１０ｍｍ）。

【0029】

他方、サセプタ９が第二位置ＰＳに位置する状態では、サセプタ９の上面が予熱リング３２の下面よりも下方に位置し、かつ、サセプタ９の上面と予熱リング３２の下面との間に、原料ガス流通空間５Ｐよりも高さ方向寸法が大きい基板着脱空間５Ｔ（図９～図１２参照）が確保される。

【0030】

サセプタ昇降機構３９は、サセプタ９を回転軸部材１５（及びモータ４０）とともに昇降させるように構成され、本実施形態ではその昇降駆動部をエアシリンダ４１（電動シリンダでもよい）にて構成している。エアシリンダ４１のシリンダロッドの先端は、基材ＢＰ１を介して回転軸部材１５及びモータ４０を含むサセプタアセンブリに結合されている。

【0031】

なお、本実施形態では、サセプタ９の高さ方向位置を、第一位置ＰＰ、第二位置ＰＳ及びそれらの中間に位置する基準位置Ｐｍの３つの間で切替できるように、エアシリンダ４１を３ポジションシリンダにて構成している。また、サセプタ９の第一位置ＰＰは、該サセプタ９上の基板Ｗの主表面が予熱リング３２の上面と一致するように定めている。予熱リング３２の上面を、サセプタ９上のシリコン単結晶基板Ｗの主表面と一致させることで、基板Ｗの主表面と予熱リング３２との間に段差が生じなくなり、これを通過する際の原料ガス流れの乱れを効果的に抑制できる。

【0032】

図２において、反応容器本体２のガス導入口２２側にはガス通路３６が形成されている。ガス通路３６内には、板面前端が予熱リング３２の側面に対向するように高さ方向位置が定められた仕切り板３４が水平に配置されている（仕切り板３４の周縁部は、例えばガス通路３６を形成する側壁部内面に固定することができる）。ガス通路３６の仕切り板３４よりも上側の空間が、原料ガス流通空間５Ｐ（図１３参照）と連通する上側通路空間３６Ａとされている。また、ガス通路３６の仕切り板３４よりも下側の空間は、予熱リング３２下方の機器配置空間と連通する下側通路空間３６Ｂとされている。上記の仕切り板３４を設けることで、図１３に示すように、原料ガスＧは、予熱リング３２の周側面からその下側に回り込む渦流等に乱されることなく原料ガス流通空間５Ｐ内を基板Ｗの主表面に沿って流れることができ、得られるシリコン単結晶膜の膜厚をより均一なものとすることができる。

【0033】

なお、本実施形態では、図２に示すように、仕切り板３４の上面は予熱リング３２の上面と一致するように定められている。これにより、予熱リング３２と仕切り板３４の間に段差が生じなくなり、これを通過する際の原料ガス流れの乱れを効果的に抑制できる。

【0034】

次に、サセプタ９の外周縁部には複数のリフトピン１３が設けられている。リフトピン１３は基板Ｗの下面外周縁部を下側から突き上げる形で該基板Ｗをリフトアップさせるものであり、各々下端側をサセプタ９から下向きに突出させている。具体的には、図４に示すように、サセプタ９の座ぐり９Ｂの底部外周縁部には、該底部を上下に貫く形でリフトピンの挿通孔１４が周方向に複数貫通形成されている。図５に示すように、リフトピン１３の上端部は基端側よりも径大の頭部とされ、図４の挿通孔１４の上端部はリフトピン１３の頭部に合わせて拡径された座ぐり部となっている。リフトピン１３の頭部下面が挿通孔１４の座ぐり部の底面に当たることで、サセプタ９からのリフトピンの脱落が阻止される。

【0035】

図２に示すように、予熱リング３２の下方には基板リフト部２０（フィンガーウェーハリフト）が設けられている。図５に示すように、基板リフト部２０は、昇降スリーブ１２Ｂと、該昇降スリーブ１２Ｂに基端側が結合される複数のリフトピン駆動アーム１２Ａとからなる。リフトピン駆動アーム１２Ａは各リフトピン１３に対応する形で設けられ、リフトピン１３を下方から上向きに付勢するためのリフトピン付勢部１２Ｃが先端側に形成されている。本実施形態では、リフトピン駆動アーム１２Ａはサセプタ９の中心軸線回りに等角度間隔にて３つ配置され、各々昇降スリーブ１２Ｂからサセプタ９の半径方向に水平に延びている。また、リフトピン駆動アーム１２Ａの各先端部をなすリフトピン付勢部１２Ｃは、リフトピン駆動アーム１２Ａの基端側を含む部分よりも拡幅され、リフトピン１３の下端面と下側に対向するリフトプレートとされている。また、昇降スリーブ１２Ｂは円筒状であり、回転軸部材１５の回転駆動を許容しつつ、回転軸部材１５の外側に同軸的かつ回転軸部材１５の軸線Ｏ１に沿って、複数のリフトピン駆動アーム１２Ａと一体的に昇降可能とされている。

【0036】

図２に示すように、基板リフト部２０は上昇位置ＰＰ’と下降位置ＰＳ’との間で基板リフト部昇降機構１２により昇降駆動される（図２において、各位置ＰＰ’及びＰＳ’は基材ＢＰ２の位置を表すが、以下の説明においては基板リフト部２０の位置を表すものとして取り扱う）。本実施形態ではその昇降駆動部をエアシリンダ４２（電動シリンダでもよい）にて構成している。エアシリンダ４２のシリンダロッドの先端は、基材ＢＰ２を介して昇降スリーブ１２Ｂに結合されている。

【0037】

回転軸部材１５に沿って昇降スリーブ１２Ｂがサセプタ９の下面に対し相対的に接近すると、リフトピン駆動アーム１２Ａのリフトピン付勢部１２Ｃによりリフトピン１３が上方に付勢される。これにより、サセプタ９上の基板Ｗはリフトピン１３により下側から突き上げられてリフトアップされ、シリコン単結晶薄膜を形成後の基板Ｗを容易に回収することができる。

【0038】

以下、プロセスチャンバ１の制御形態の一例について説明する。図６は、気相成長装置１００の制御システムの電気的構成を示すブロック図である。該制御システムは制御用コンピュータ７０を制御主体とする形で構成されている。制御用コンピュータ７０はＣＰＵ７１、制御プログラム７２ａを格納したＲＯＭ７２（プログラム記憶部）、ＣＰＵ７１が制御プログラム７２ａを実行する際のワークメモリとなるＲＡＭ７３、制御情報の電気的な入出力を行なう入出力部７４などを、内部バス７５（データバス＋アドレスバス）により相互に接続した構造をなす。

【0039】

図１に示すプロセスチャンバ１の各駆動要素は、制御用コンピュータ７０に以下のようにして接続されている。赤外線加熱ランプ１１は、ランプ制御回路１１ｃを介して入出力部７４に接続される。また、基板温度を検出するための熱電対（温度センサ）１５Ｂは入出力部７４に接続される。ガス流量調整機器５２，５４は、いずれも流量検出部及び内蔵バルブ（図示せず）を有し、入出力部７４に接続されることで、制御用コンピュータ７０からの指示を受け、各配管上の原料ガスを上記内蔵バルブにより連続可変に制御する。

【0040】

サセプタ９を駆動するモータ４０はサーボ制御部４０ｃを介して入出力部７４に接続される。サーボ制御部４０ｃは、モータ４０の回転速度をモニタリングするとともに、制御用コンピュータ７０からの回転速度指示値を参照してモータ４０（ひいてはサセプタ９）の回転速度が一定に保たれるように駆動制御を行なう。

【0041】

また、サセプタ９を昇降駆動するエアシリンダ４１はシリンダドライバ４１ｃを介して、基板リフト部２０を昇降駆動するエアシリンダ４２はシリンダドライバ４２ｃを介して、それぞれ入出力部７４に接続される。さらに、搬送ロボット１０７を駆動するモータ１０７ｍ（図１）がサーボ制御部１０７ｃを介して入出力部７４に接続される。サーボ制御部１０７ｃは、モータ１０７ｍの出力軸に取り付けられたパルスジェネレータ４０ｐ（回転センサ）からのパルス入力に基づき、基板搬送部材１０５ａの位置を把握し、制御用コンピュータ７０からの駆動指令情報を受け、その駆動制御を行なう。

【0042】

以下、図７のフローチャートと図８～図１３の動作説明図を参照し、制御プログラム７２ａにより制御される気相成長装置１００の動作について説明する。図７のＳ１０１では、制御プログラム７２ａの実行開始に伴い、エアシリンダ４１，４２（図６）を作動させることにより、図８に示す基準位置Ｐｈにサセプタ９を移動させ、基板リフト部２０（フィンガーウェーハリフト：以下、図７内では「ＦＷＬ」と記載する）を上昇位置ＰＰ’に移動させる。サセプタ９の基準位置Ｐｈと基板リフト部２０の上昇位置ＰＰ’は、サセプタ９の下面と基板リフト部２０のリフトピン付勢部１２Ｃとの距離が、サセプタ９の下面からのリフトピン１３の突出長よりも短くなるように定められている。よって、リフトピン１３は基板リフト部２０により上方に付勢され、サセプタ９の上面から突出した状態となっている。また、この間、図１にて、ロードロックチャンバ１０４から基板Ｗが準備チャンバ１０３内に移送され、基板搬送部材１０５ａの基板保持部１０５Ｈにマウントされる。

【0043】

次に、図７のＳ１０２では、エアシリンダ４１，４２（図２）を作動させることにより、図９に示すように、第二位置ＰＳにサセプタ９を移動させ、基板リフト部２０を下降位置ＰＳ’に移動させる。サセプタ９と基板リフト部２０とは、サセプタ９の上面からリフトピン１３を突出させた状態で一体的に下降し、リフトピン１３と予熱リング３２の下面との間には、基板搬送部材１０５ａを受け入れるための隙間、すなわち基板着脱空間５Ｔが確保された状態となる。

【0044】

この状態で、図７のＳ１０３ではエアシリンダ８１（図６）を駆動し、準備室シャッタ１０８（図１）を開状態とする。そして、Ｓ１０４ではモータ１０７ｍ（図１）を駆動し、基板Ｗがマウントされた状態の基板搬送部材１０５ａを前進させる。これにより、図１０に示すように、基板搬送部材１０５ａの基板保持部１０５Ｈは、基板Ｗとともに基板着脱空間５Ｔ内に進入する。このとき、リフトピン１３の上端と基板保持部１０５Ｈの下面との間、及び基板保持部１０５Ｈの上面と予熱リング２１の下面との間には、それぞれ隙間が形成されている。本実施形態において、これらの隙間の大きさは、いずれも３．５ｍｍ程度に設定されている。

【0045】

続いて図７のＳ１０５ではエアシリンダ４１，４２（図２）を作動させ、図１１に示すように、サセプタ９を基準位置Ｐｈに、基板リフト部２０を上昇位置ＰＰ’に復帰させる。サセプタ９と基板リフト部２０とは、サセプタ９の上面からリフトピン１３を突出させた状態で一体的に上昇する。上昇したリフトピン１３は、基板保持部１０５Ｈから露出する基板Ｗの裏面に当接しつつ、該基板Ｗを基板保持部１０５Ｈの上方にリフトアップする。

【0046】

図７に戻り、Ｓ１０６ではモータ１０７ｍ（図１）を駆動し、図１２に示すように、基板Ｗが離脱した状態の基板搬送部材１０５ａを後退させる。基板搬送部材１０５ａの後退が完了すればＳ１０７に進み、エアシリンダ８１（図６）を駆動して、準備室シャッタ１０８（図１）を閉状態とする。続いてＳ１０８に進んでエアシリンダ４１（図２）を作動させ、図１３に示すように、サセプタ９のみを第一位置ＰＰに上昇させる。基板リフト部２０の高さ方向位置が維持されリフトピン１３は静止状態であることから、リフトピン１３の上端に支持されている基板Ｗの裏面に対しサセプタ９の上面が相対的に接近し、その座ぐり９Ｂ（図４）に基板Ｗがはまり込む。こうして、サセプタ９に基板Ｗが装着されるとともに、基板Ｗの主表面が予熱リング３２の上面に位置合わせされた状態となる。このとき、原料ガス流通空間５Ｐの高さ方向寸法は、５ｍｍ以上１５ｍｍ以下（本実施形態では、約１０ｍｍ）の比較的狭小な値に確保される。

【0047】

次いで、Ｓ１０９では赤外線加熱ランプ１１を作動させて内部空間５を設定温度に昇温する。Ｓ１１０では、サセプタ９の回転駆動を開始し、Ｓ１１１では予め定められた設定流量にて原料ガスの流通を開始する。これにより、基板Ｗ上にはシリコン単結晶層が成膜される。

【0048】

このとき、図１３に示すように、原料ガス流通空間５Ｐの高さ方向寸法が上記のように狭小な値となっていることから、基板Ｗ上におけるシリコン単結晶層の成長速度が高められ、生産効率の向上を図る上で好都合となる。また、サセプタ９が赤外線加熱ランプ１１に接近するため、基板Ｗを目標温度まで加熱する際の昇温速度が高められ、加熱シーケンスの短縮を図ることができる。また、原料ガス流通空間５Ｐのガス充填速度が増加することも、基板Ｗの昇温速度向上に寄与する。原料ガス流通空間５Ｐの高さ方向寸法が１５ｍｍを超えると、シリコン単結晶層の成長速度を向上させる効果が不十分となる場合がある。他方、原料ガス流通空間５Ｐの高さ方向寸法が５ｍｍ未満では、原料ガス流通空間５Ｐに対する原料ガスの流通抵抗が過剰となり、原料ガスの流速を確保することが困難となる場合がある。

【0049】

なお、プロセスチャンバ１はコールドウォール型の気相成長装置として構成されているが、このようなコールドウォール型の気相成長装置を採用する場合、特許文献２には、原料ガスの流速を増大させることで、エピタキシャル成長中に、反応容器本体２を形成する石英ガラスの内壁への、反応生成物であるシリコン堆積物の蓄積を抑制できる可能性が示唆されている。本発明の構成に基づき、例えば図１３のように、原料ガス流通空間５Ｐの高さ方向寸法を縮小設定し原料ガスの流速を増大させることで、反応容器本体２の内面へのシリコン堆積物の蓄積もまた、効果的に抑制できる可能性がある。上記の効果は、例えばシリコンソースガスとしてＳｉＨ_２Ｃｌ_２（ジクロロシランＳ）を用い、高温（たとえば１１５０℃）かつ減圧（たとえば６０Ｔｏｒｒ）でのエピタキシャル成長を実施する場合など、シリコン堆積物の蓄積が生じやすい条件が採用される場合に、特に顕著に発揮されると考えられる。

【0050】

図７に戻り、成膜が完了すればＳ１１２に進み、サセプタ９の回転を停止する。また、Ｓ１１３では、原料ガスの流通を停止する。Ｓ１１４では、エアシリンダ４１，４２（図２）を作動させることにより基準位置Ｐｈにサセプタ９を移動させ、基板リフト部２０を上昇位置ＰＰ’に移動させる。すると、図１２と同様の状態となり、リフトピン１３が上昇し、成膜完了後の基板Ｗが基板保持部１０５Ｈの上方にリフトアップされる。

【0051】

そして、図７のＳ１１５では、エアシリンダ８１（図６）を駆動し、準備室シャッタ１０８（図１）を開状態とする。Ｓ１１６ではモータ１０７ｍ（図１）を駆動し、空の状態の基板搬送部材１０５ａを前進させる（図１１と同様の状態）。Ｓ１１７では、エアシリンダ４１，４２（図６）を作動させることにより、図２の第二位置ＰＳにサセプタ９を移動させ、基板リフト部２０を下降位置ＰＳ’に移動させる。サセプタ９と基板リフト部２０とは、サセプタ９の上面からリフトピン１３を突出させた状態で一体的に下降する。すると、図１０と同様の状態となり、リフトピン１３の上端に支持されていた成膜後の基板Ｗは、基板保持部１０５Ｈにより下降を規制されつつこれにセットされ、他方、リフトピン１３は基板Ｗの下方に離脱する。

【0052】

そして、図７のＳ１１８ではモータ１０７ｍ（図１）を駆動し、基板Ｗがセットされた状態の基板搬送部材１０５ａを後退させる。これにより、成膜済みの基板Ｗが準備チャンバ１０３に回収される。Ｓ１１９ではエアシリンダ８１（図６）を駆動し、準備室シャッタ１０８（図１）を閉状態とする。

【0053】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上記の実施形態ではプロセスチャンバ１として、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)によりシリコンエピタキシャルウェーハを製造する枚葉式装置を例示したが、製造対象物はシリコンエピタキシャルウェーハに限らず、例えばサファイアやシリコンなどの単結晶基板上に化合物半導体単結晶層をＭＯＶＰＥ(Metal-Oxide Vapor Phase Epitaxy）によりエピタキシャル成長させる装置に本発明を適用することも可能である。

【符号の説明】

【0054】

１ プロセスチャンバ
２ 反応容器本体
５ 内部空間
５Ｐ 原料ガス流通空間
５Ｔ 基板着脱空間
７ 排出管
９ サセプタ
９Ａ スリーブ
９Ｂ 座ぐり
１１ 赤外線加熱ランプ
１２ 基板リフト部昇降機構
１２Ａ リフトピン駆動アーム
１２Ｂ 昇降スリーブ
１２Ｃ リフトピン付勢部
１３ リフトピン
１４ 挿通孔
１５ 回転軸部材
１５Ａ 軸本体
１５Ｂ 熱電対
１５Ｃ 結合ピン
１５Ｄ サセプタ支持アーム
２０ 基板リフト部
２１ ガス排出口
２２ ガス導入口
３２ 予熱リング
３４ 仕切り板
３６ ガス通路
３６Ａ 上側通路空間
３６Ｂ 下側通路空間
３９ サセプタ昇降機構
４０ モータ
４１，４２ エアシリンダ
１００ 気相成長装置
１０５ａ 基板搬送部材
１０５Ｈ 基板保持部
ＥＬ シリコン単結晶薄膜
ＥＷ シリコンエピタキシャルウェーハ
ＰＰ 第一位置
ＰＳ 第二位置
Ｏ 回転軸線
ＰＰ 主表面
Ｗ シリコン単結晶基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】