JP2017073498A - 気相成長装置および異常検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱手段が完全に破断する前に、加熱手段の破断時期を精度よく予測可能にする。【解決手段】気相成長装置は、基板の上面に気相成長反応により成膜を行う反応室と、反応室にガスを供給するガス供給部と、基板の裏面側から、基板を加熱する加熱手段と、加熱手段の出力を制御する制御部と、を備える。制御部は、加熱手段の電気特性を所定時間ごとに測定し、電気特定の変動値を検出する電気特性測定部と、検出された所定数の電気特性の変動値の最大値と最小値との差分が所定の閾値を超えたか否かを判定する閾値判定部と、閾値を超えたと判定された場合に警告処理を行う警告部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、加熱手段を備えた気相成長装置と、加熱手段の異常検出方法と、に関する。

ＬＥＤ(Light Emitting Diode)や、ＧａＮ、ＳｉＣ等の化合物半導体を用いた電子デバイスの作製には、シリコン基板等の単結晶基板上に単結晶薄膜を成長させるエピタキシャル成長技術が用いられる。

エピタキシャル成長技術に使用される気相成長装置では、常圧または減圧に保持された反応室の内部にウエハを載置する。そして、このウエハを加熱しながら反応室内に、成膜のための原料となるガスを供給すると、ウエハの表面で原料ガスの熱分解反応および水素還元反応が起こり、ウエハ上にエピタキシャル膜が成膜される。ウエハ上に成膜される各膜ごとに、温度や原料ガス等の成膜に必要な条件が異なるため、ウエハを加熱するヒータ（加熱手段）の温度や、反応室内に供給するガスの種類や流量を制御する必要がある。

特開２００９−２４５９７８号公報

しかしながら、ヒータは、長時間の使用により破断してしまう。反応室内でヒータが破断すると、ヒータの構成材料が飛散して、反応室の汚染の要因となる。反応室内でヒータが破断した場合は、反応室内のウエハが不良品となるだけでなく、反応室の内部をクリーニングしなければならなくなり、気相成長装置を元通りにするのに手間がかかってしまう。

本発明は、加熱手段が完全に破断する前に、加熱手段の破断時期を精度よく予測できるようにした気相成長装置および異常検出方法を提供するものである。

本実施形態によれば、基板の上面に気相成長反応により成膜を行う反応室と、
前記反応室にガスを供給するガス供給部と、
前記基板の裏面側から、前記基板を加熱する加熱手段と、
前記加熱手段の出力を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記加熱手段の電気特性を所定時間ごとに測定し、前記電気特性の変動値を検出する電気特性測定部と、
検出された所定数の前記電気特性の変動値の最大値と最小値との差分が所定の閾値を超えたか否かを判定する閾値判定部と、
前記閾値を超えたと判定された場合に、警告処理を行う警告部と、
を備える気相成長装置が提供される。

前記電気特性は、前記加熱手段に印加する電圧、前記加熱手段に流れる電流、および前記加熱手段の抵抗値の少なくとも一つであってもよい。

前記電気特性は、前記加熱手段の抵抗値であってもよい。

前記閾値判定部は、
前記電気特性の変動値の最大値と最小値との差分が第１の閾値を超えたか否かを判定する第１判定部と、
前記第１判定部により前記第１の閾値を超えたと判定された後に、前記電気特性の変動値の最大値と最小値との差分が前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値を超えたか否かを判定する第２判定部と、を有してもよく、
前記警告部は、
前記第１判定部により前記第１の閾値を超えたと判定されると、第１の警告処理を行う第１警告処理部と、
前記第２判定部により前記第２の閾値を超えたと判定されると、前記第１の警告処理とは異なる第２の警告処理を行う第２警告処理部と、を有してもよい。

他の一実施形態では、反応室内に載置された基板を加熱する加熱手段の異常検出方法であって、
前記加熱手段の抵抗値を所定時間ごとに測定し、
測定された前記抵抗値の変動値を検出し、
所定回の前記変動値の最大値と最小値との差分が前記閾値を超えたか否かを判定し、
前記閾値を超えたと判定された場合に、警告処理を行う異常検出方法が提供される。

一実施形態による気相成長装置の概略構成を示す図。 ヒータ駆動部の内部構成の一例を示すブロック図。 ４つの気相成長装置内の各ヒータの電気特性を示すグラフ。 制御部の内部構成の一例を示すブロック図。 制御部の処理動作の一例を示すフローチャート。 時刻に対する抵抗値差の最大値と最小値との差分を示すグラフ。 過去４回と今回の抵抗値差の計算結果の一例を示すグラフ。 第２の実施形態による制御部の内部構成を示すフローチャート。 制御部の処理動作の一例を示すフローチャート。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図１は一実施形態による気相成長装置１の概略構成を示す図である。本実施形態では、成膜処理を行う基板としてシリコン基板、具体的にはシリコンウエハ（以下、単にウエハと呼ぶ）Ｗを用い、このウエハＷ上に複数の膜を積層する例を説明する。

図１の気相成長装置１は、ウエハＷに成膜を行うチャンバ２と、このチャンバ２内のウエハＷに原料ガスを供給するガス供給部３と、チャンバ２の上部に位置する原料放出部４と、チャンバ２内でウエハＷを支持するサセプタ５と、このサセプタ５を保持して回転する回転部６と、ウエハＷを加熱するヒータ７と、ヒータ７を駆動するヒータ駆動部８と、チャンバ２内のガスを排出するガス排出部９と、このガス排出部９からガスを排気する排気機構１０と、ウエハＷの温度を測定する放射温度計１１と、各部を制御する制御部１２とを備えている。

チャンバ２は、成膜対象のウエハＷを収納可能な形状（例えば、円筒形状）であり、チャンバ２の内部に、サセプタ５、ヒータ７、回転部６の一部などが収容されている。

ガス供給部３は、複数のガスを個別に貯留する複数のガス貯留部３ａと、これらガス貯留部３ａと原料放出部４とを接続する複数のガス管３ｂと、これらガス管３ｂを流れるガスの流量を調整する複数のガスバルブ３ｃとを有する。各ガスバルブ３ｃは、対応するガス管３ｂに接続されている。複数のガスバルブ３ｃは、制御部１２により制御される。実際の配管は、複数のガス管を結合したり、１本のガス管を複数のガス管に分岐したり、ガス管の分岐や結合を組み合わせるなどの複数の構成を取りうる。

ガス供給部３から供給される原料ガスは、原料放出部４を通って、チャンバ２内に放出される。チャンバ２内に放出された原料ガス（プロセスガス）は、ウエハＷ上に供給され、これにより、ウエハＷ上に所望の膜が形成される。なお、使用する原料ガスの種類は、特に限定されない。成膜する膜の種類により原料ガスは種々変更されうる。

原料放出部４の底面側には、シャワープレート４ａが設けられている。このシャワープレート４ａは、ステンレス鋼やアルミニウム合金等の金属材料を用いて構成することができる。複数のガス管３ｂからのガスは、原料放出部４内で混合されて、シャワープレート４ａのガス噴出口４ｂを通ってチャンバ２内に供給される。なお、シャワープレート４ａにガス流路を複数設け、複数種類のガスを分離したままチャンバ２内のウエハＷに供給してもよい。

原料放出部４の構造は、成膜された膜の均一性、原料効率、再現性、製作コストなどを勘案して選定されるべきであるが、これらの要求を満たすものであれば特に限定されるものではなく、公知の構造のものを適宜用いることもできる。

サセプタ５は、回転部６の上部に設けられており、サセプタ５の内周側に設けられた座ぐり内にウエハＷを載置して支持する構造になっている。なお、図１の例では、サセプタ５は、その中央に開口部を有する環状形状であるが、開口部のない略平板形状でもよい。

ヒータ７は、サセプタ５および／またはウエハＷを加熱する加熱部である。加熱対象を所望の温度および温度分布に加熱する能力、耐久性などの要求を満たすものであれば、特に限定されない。具体的には、抵抗加熱、ランプ加熱、誘導加熱などが挙げられる。

ヒータ駆動部８は、ヒータ７に対して電源電圧を供給してヒータ７に電流を流し、ヒータ７を加熱する。ヒータ駆動部８の内部構成については後述する。

排気機構１０は、ガス排出部９を介してチャンバ２の内部から反応後の原料ガスを排気し、排気バルブ１０ａと真空ポンプ１０ｂの作用により、チャンバ２内を所望の圧力に制御する。

放射温度計１１は、原料放出部４の上面に設けられている。放射温度計１１は、不図示の光源からの光をウエハＷに照射し、ウエハＷからの反射光を受光して、ウエハＷの反射光強度を測定する。また、放射温度計１１は、ウエハＷの膜成長面からの熱輻射光を受光して、熱輻射光強度を測定する。図１では、一つの放射温度計１１のみを図示しているが、複数の放射温度計１１を原料放出部４の上面に配置して、ウエハＷの膜成長面の複数箇所（例えば、内周側と外周側）の温度を計測するようにしてもよい。

原料放出部４の上面には、光透過窓が設けられており、放射温度計１１の光源からの光と、ウエハＷからの反射光や熱輻射光は、この光透過窓を通過する。光透過窓は、スリット形状や矩形状、円形状などの任意の形状を取り得る。光透過窓には、放射温度計１１で計測する光の波長範囲に対して透明な部材を用いる。室温から１５００℃程度の温度を測定する場合には、可視領域から近赤外領域の光の波長を計測するのが好ましく、その場合には光透過窓の部材としては石英などが好適に用いられる。

制御部１２は、気相成長装置１を集中的に制御するコンピュータ（不図示）と、プロセス制御プログラムや装置履歴などを記憶する記憶部（不図示）とを備えている。制御部１２は、ガス供給部３や回転部６の回転機構、排気機構１０、ヒータ７によるウエハＷの加熱などを制御する。

図２はヒータ駆動部８の内部構成の一例を示す回路構成図である。図２のヒータ駆動部８は、変圧器２１と、変圧器２１の一次側に接続された一次回路２２と、変圧器２１の二次側に接続された二次回路２３とを有する。一次回路２２は、サイリスタ２４を有し、一次回路２２には例えば商用電源電圧が印加される。変圧器２１は、一次回路２２側の交流電圧と、二次回路２３側の交流電圧との電圧変換を行う。ヒータ７は二次回路２３に接続されている。また、二次回路２３には、電圧計２５と電流計２６とが接続されている。電圧計２５は、ヒータ７に印加する電圧を測定し、電流計２６は、ヒータ７に流れる電流を測定する。電圧計２５と電流計２６の測定値は、制御部１２に供給される。

本発明者が図１と同様の構成を有する複数の気相成長装置１を並行して動作させたところ、気相成長装置１ごとにヒータ７の破断時期が異なり、ヒータ７が完全に破断する前に、ヒータ７の電気特性に破断の前兆が現れることを見出した。

図３は４つの気相成長装置１内の各ヒータ７の電気特性を示すグラフである。図３のグラフＧ１は完全に破断したヒータ７、グラフＧ２〜Ｇ４は破断しなかったヒータ７の電気特性を示している。各グラフＧ１〜Ｇ４の横軸は時刻［時分秒］、縦軸は抵抗値［a.u.］である。

グラフＧ１は、完全に破断したと考えられる時刻ｔ１の前の期間ｐ１内に、小刻みな周期で抵抗値が変動している。その後、時刻ｔ０〜ｔ１では、期間ｐ１よりも大きな周期で、より大きな振幅で抵抗値が変動している。時刻ｔ０以降は、かなり破断が進行していると考えられ、場合によっては、ヒータ７の構成材料の一部がチャンバ２内への飛散を開始しているおそれがある。よって、時刻ｔ０以前の期間ｐ１の小刻みな振動期間を捉えることができれば、ヒータ７の構成材料がチャンバ２内で飛散する前に、ヒータ７を交換することができる。

図３に示すように、期間ｐ１を過ぎると、ヒータ７の抵抗値は大きく変動し、その後に完全に破断する。また、図３のグラフＧ２〜Ｇ４は、ヒータ７の抵抗値が徐々に低下しているが、より長い期間でヒータ７の抵抗値を測定すると、ヒータ７の使用期間が長くなるほど、ヒータ７の抵抗値は上昇する。本実施形態では、期間ｐ１におけるヒータ７の抵抗値の小刻みな変動周期に応じた時間間隔で複数回にわたって抵抗値を測定して、ヒータ７の破断を事前に予測する。

図４は制御部１２の内部構成の一例を示すブロック図である。図４の制御部１２は、電気特性測定部３１と、閾値判定部３２と、警告部３３とを有する。

電気特性測定部３１は、ヒータ７の電気特性を所定時間ごとに測定し、電気特性の変動値を検出する。閾値判定部３２は、検出された所定数の電気特性の変動値の最大値と最小値との差分が所定の閾値を超えたか否かを判定する。警告部３３は、閾値を超えたと判定された場合に警告処理を行う。

ここで、電気特性とは、ヒータ７に印加する電圧、ヒータ７に流れる電流、およびヒータ７の抵抗値の少なくとも一つである。以下では、電気特性測定部３１がヒータ７の抵抗値を所定時間ごとに複数回測定する例を説明する。ここで、所定時間とは、図３の期間ｐ１でのヒータ７の抵抗値の小刻みな変動周期に応じた時間間隔である。

電気特性が抵抗値である場合、電気特性測定部３１は、抵抗値を測定するたびに、前回測定した抵抗値との変動値を検出する。閾値判定部３２は、複数回分の変動値の最大値と最小値との差分が閾値を超えたか否かを判定する。

警告部３３は、例えば、制御部１２に接続された不図示のアラーム音源や表示装置などを用いて警告処理を行う。例えば、アラーム音源を鳴動させて、音声により、ヒータ７の破断時期が近いことを報知する。あるいは、表示装置に、ヒータ７の破断時期が近いことを表示する。

図５は制御部１２の処理動作の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、制御部１２が行うヒータ７の異常検出処理を示している。制御部１２は、この処理以外にも種々の処理を行う場合がありうるが、図５では省略している。制御部１２は、所定時間ごとに、図５の処理を行う。

まず、ヒータ７の抵抗値の検知が可能か否かを判定する（ステップＳ１）。例えば、何らかの要因により、ヒータ７の抵抗値を正常に検知できないと判断される場合は、ステップＳ１の判定処理はＮＯとなり、図５の処理を終了する。

ステップＳ１がＹＥＳの場合は、図２の電圧計２５と電流計２６を用いて、電気特性測定部３１にて、ヒータ７の電流値と電圧値を測定する（ステップＳ２）。次に、電気特性測定部３１にて、抵抗値＝電圧値／電流値を計算する（ステップＳ３）。

次に、電気特性測定部３１にて、前回測定した抵抗値との抵抗値差（変動値）ΔＲを計算する（ステップＳ４）。前回測定した抵抗値がない場合は、ステップＳ４の処理は省略する。

次に、電気特性測定部３１にて、過去ｎ（例えば４）回分の抵抗値差ΔＲと、今回計算した抵抗値差ΔＲとの中で、最大値と最小値との差分ΔＲmax-minを検出する（ステップＳ５）。

図７は過去４回と今回の抵抗値差の計算結果の一例を示すグラフであり、横軸は時刻、縦軸は抵抗値差である。図７中の５つのプロットｐ１が今回の抵抗値差で、プロットｐ２〜ｐ５が過去の抵抗値差である。図７の場合、プロットｐ２の抵抗値差とプロットｐ３の抵抗値差との差分がΔＲmax-minとなる。

ステップＳ５の処理を設けた理由は、ヒータ７が完全に破断する前のヒータ７の抵抗値変動を確実に検出できるようにするためである。例えば、４つのヒータ７の抵抗値変化が図３のグラフＧ１〜Ｇ４で表される場合、ステップＳ５の処理を行った後のグラフｇ１〜ｇ４は図６のようになる。図６の横軸は時刻［時分秒］、縦軸は抵抗値差の最大値と最小値との差分ΔＲmax-minである。図６のグラフｇ１〜ｇ４はそれぞれ図３のグラフＧ１〜Ｇ４に対応している。図３のグラフｇ１は、破断したヒータ７に対応しており、このヒータ７が完全に破断する前に、差分ΔＲmax-minが大きく変化する。よって、ヒータ７が完全に破断する前の小刻みな振動を確実に検出可能となる。

図５のステップＳ５で差分ΔＲmax-minが検出されると、次に、閾値判定部３２にて、差分ΔＲmax-minが所定の閾値を超えているか否かを判定する（ステップＳ６）。閾値を超えている場合には、警告部３３にて、所定の警告処理を行う（ステップＳ７）。閾値を超えていない場合には、図５の処理を終了する。

このように、第１の実施形態では、ヒータ７の抵抗値を所定時間ごとに測定し、新たに測定した抵抗値と前回の抵抗値との変動値を検出し、複数回分の変動値の最大値と最小値との差分が閾値を超えたか否かを判定する。これにより、ヒータ７が完全に破断する前のヒータ７の小刻みな抵抗値変化を精度よく検出できるため、ヒータ７が破断する前兆を捉えることができ、ヒータ７が破断する直前にヒータ７を交換することができる。よって、チャンバ２内でヒータ７の構成材料が飛散する不具合を防止できる。

（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態では、ヒータ７の破断を判断する閾値を一つだけ設ける例を説明したが、複数の閾値を設けて、段階的な警告処理を行ってもよい。

図８は第２の実施形態による制御部１２の内部構成を示すフローチャートである。図８の制御部１２は、閾値判定部３２の中に第１判定部３２ａと第２判定部３２ｂとが設けられている。また、警告部３３の中に第１警告処理部３３ａと第２警告処理部３３ｂとが設けられている。

第１判定部３２ａは上述した差分ΔＲmax-minが第１の閾値を超えたか否かを判定する。第２判定部３２ｂは、第１判定部３２ａにより第１の閾値を超えたと判定された後に、差分ΔＲmax-minが第１の閾値よりも大きい第２の閾値を超えたか否かを判定する。

図９は制御部１２の処理動作の一例を示すフローチャートである。ステップＳ１１〜Ｓ１５の処理は、図５のステップＳ１〜Ｓ５の処理と同じである。制御部１２は、図９の処理を所定時間ごとに行う。

ステップＳ１５で差分ΔＲmax-minが検出されると、第１判定部３２ａにて、差分ΔＲmax-minが第１の閾値を初めて超えたか否かを判定する（ステップＳ１６）。第１の閾値を超えたと判定されると、第１警告処理部３３ａにて第１の警告処理を行う（ステップＳ１７）。

ステップＳ１６の判定がＮＯの場合、第２判定部３２ｂにて、差分ΔＲmax-minが第１の閾値よりも大きい第２の閾値を超えたか否かを判定する（ステップＳ１８）。第２の閾値を超えたと判定されると、第２警告処理部３３ｂにて第２の警告処理を行う（ステップＳ１９）。

第１の警告処理と第２の警告処理の具体的な処理内容は種々のものが考えられる。例えば、第１の警告処理と第２の警告処理で、アラーム音源の鳴動のさせ方や表示装置の表示内容を変えてもよい。より具体的には、第２の警告処理部では、ヒータ７の破断がより近づいたことがわかるような鳴動のさせ方や表示を行うことが考えられる。あるいは、第１の警告処理ではアラーム音源や表示装置にてヒータ７の破断が近づいていることを報知し、第２の警告処理ではヒータ駆動部８に対してヒータ７への電源供給を停止させてもよい。

例えば、第１の閾値は図３の期間ｐ１を検出するために設定され、第２の閾値は図３の時刻ｔ０〜ｔ１を検出するために設定される。ステップＳ１８の判定がＮＯの場合は、ステップＳ１１の処理に戻る。

上述したステップＳ１９では、差分ΔＲmax-minが第２の閾値を超えると、ヒータ７への電源供給を停止しているが、その代わりに、ステップＳ１７とは別種類の警告処理を行ってもよい。

このように、第２の実施形態では、ヒータ７の抵抗値を所定時間ごとに測定し、新たに測定した抵抗値と前回の抵抗値との変動値を検出し、複数回分の変動値の最小値と最小との差分ΔＲmax-minを判断する閾値として、第１の閾値と第２の閾値を設けるため、ヒータ７の破断が近づいたことを、２種類の警告処理できめ細かく報知することができる。

上述した第１および第２の実施形態では、ヒータ７の抵抗値の差分ΔＲmax-minを閾値と比較する処理を行ったが、ヒータ７を流れる電流を閾値と比較してもよい。

また、上述した第１および第２の実施形態では、気相成長装置１内のヒータ７の破断を検出する異常検出方法について説明したが、ヒータ７は必ずしも気相成長装置１内に設けられるものに限定されない。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 気相成長装置、２ チャンバ、３ ガス供給部、４ 原料放出部、５ サセプタ、６ 回転部、７ ヒータ、８ ヒータ駆動部、９ ガス排出部、１０ 排気機構、１１ 放射温度計、１２ 制御部、２１ 変圧器、２２ 一次回路、２３ 二次回路、２４ サイリスタ、２５ 電圧計、２６ 電流計、３１ 電気特性測定部、３２ 閾値判定部、３２ａ 第１判定部、３２ｂ 第２判定部、３３ 警告部、３３ａ 第１警告処理部、３３ｂ 第２警告処理部

Claims (5)

1. 基板の上面に気相成長反応により成膜を行う反応室と、
   前記反応室にガスを供給するガス供給部と、
   前記基板の裏面側から、前記基板を加熱する加熱手段と、
   前記加熱手段の出力を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記加熱手段の電気特性を所定時間ごとに測定し、前記電気特性の変動値を検出する電気特性測定部と、
   検出された所定数の前記電気特性の変動値の最大値と最小値との差分が所定の閾値を超えたか否かを判定する閾値判定部と、
   前記閾値を超えたと判定された場合に、警告処理を行う警告部と、
   を備える気相成長装置。
2. 前記電気特性は、前記加熱手段に印加する電圧、前記加熱手段に流れる電流、および前記加熱手段の抵抗値の少なくとも一つである請求項１に記載の気相成長装置。
3. 前記電気特性は、前記加熱手段の抵抗値である請求項２に記載の気相成長装置。
4. 前記閾値判定部は、
   前記電気特性の変動値の最大値と最小値との差分が第１の閾値を超えたか否かを判定する第１判定部と、
   前記第１判定部により前記第１の閾値を超えたと判定された後に、前記電気特性の変動値の最大値と最小値との差分が前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値を超えたか否かを判定する第２判定部と、を有し、
   前記警告部は、
   前記第１判定部により前記第１の閾値を超えたと判定されると、第１の警告処理を行う第１警告処理部と、
   前記第２判定部により前記第２の閾値を超えたと判定されると、前記第１の警告処理とは異なる第２の警告処理を行う第２警告処理部と、
   を有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の気相成長装置。
5. 反応室内に載置された基板を加熱する加熱手段の異常検出方法であって、
   前記加熱手段の抵抗値を所定時間ごとに測定し、
   測定された前記抵抗値の変動値を検出し、
   所定回の前記変動値の最大値と最小値との差分が前記閾値を超えたか否かを判定し、
   前記閾値を超えたと判定された場合に、警告処理を行う異常検出方法。