JP2020122194A

JP2020122194A - 気相成長装置の温度制御方法

Info

Publication number: JP2020122194A
Application number: JP2019015665A
Authority: JP
Inventors: 小関　修一; Shuichi Koseki; 修一小関; 慶太渕上; Keita Fuchigami
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2020-08-13

Abstract

【課題】ばらつきの少ない高品質の成膜を行うことを可能とした気相成長装置の温度制御方法を提供する。【解決手段】基板載置プレート５に載置された基板Ｗを、熱電対７を用いて温度制御されるヒータ６で加熱しながら、基板Ｗに気相原料を供給し、基板Ｗ上に薄膜を堆積させる気相成長装置１の温度制御方法であって、熱電対７により測定される温度が設定温度となるように、ヒータ６を加熱する工程と、基板載置プレート５の温度又は当該基板載置プレート５に載置された基板Ｗの温度を光学的温度センサ９により測定する工程と、設定温度と光学的温度センサ９が測定した温度との差分を算出する工程と、差分に基準温度差を加算して総合補正値を算出する工程と、総合補正値に基づいて、設定温度を補正し、ヒータ６の温度制御を行う工程とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、気相成長装置の温度制御方法に関する。

一般に、気相成長装置は、成膜室内に回転可能に設けられたサセプタと、サセプタに設けられて基板（ウェハ）が載置される基板載置プレートと、基板載置プレートを介して基板を加熱するヒータとを備えている。気相成長装置では、基板載置プレートに載置した基板をヒータで加熱しながら、基板に気相原料を供給し、基板上に薄膜を堆積させることで、気相成長が行われる。

ところで、気相成長装置では、基板の表面温度をプロセス毎に同一条件とすることが同一品質を得るために重要である（例えば、下記特許文献１を参照。）。このため、温度制御の方法としては、下記の二つが考えられる。

一つは、ヒータの近傍に熱電対を設けて温度を測定し、この測定値を元にフィードバック制御を行う方法である。もう一つは、光学的温度センサにより、基板載置プレート温度又は当該基板載置プレートに載置された基板の表面温度を測定して、この測定値を元にフィードバック制御を行う方法である。

特開２０１４−１９４９９６号公報

しかしながら、ヒータ近傍に設けた熱電対により測定してフィードバック制御を行う場合、基板の環境の違いなどを反映することができないため、プロセス毎の再現性が十分でないといった課題がある。

気相成長装置を運用する場合、定期的な温度測定によって、基板の表面温度を補正する。具体的には、ヒータ（加熱手段）を制御する温度センサと、基板の表面温度を測定する温度センサとの値が概ね合致するように、補正値を算出し、この補正値に基づいた補正を制御装置で行っている。また、この補正した温度で成膜プロセスの温度条件を決定する。しかしながら、毎回のプロセスにおいては、プロセス毎の環境変化によって、補正した値から、さらに温度が変化する。したがって、プロセス毎の温度補正が望まれている。

ヒータ（加熱手段）を制御する温度センサに対して、基板の表面温度を光学的温度センサにより測定してフィードバック制御を行う場合、基板載置プレート上に設置された基板は、サセプタの回転により常時同一点を測定することができない。また、基板の歪みが温度により変化するなどの要因によって、安定した測定が難しく、測定温度の変化が著しい。

本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、ばらつきの少ない高品質の成膜を行うことを可能とした気相成長装置の温度制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
〔１〕基板載置プレートに載置された基板を、熱電対を用いて温度制御されるヒータで加熱しながら、前記基板に気相原料を供給し、前記基板上に薄膜を堆積させる気相成長装置の温度制御方法であって、
前記熱電対により測定される温度が設定温度となるように、前記ヒータを加熱する工程と、
前記基板載置プレートの温度又は当該基板載置プレートに載置された基板の温度を光学的温度センサにより測定する工程と、
前記設定温度と前記光学的温度センサが測定した温度との差分を算出する工程と、
前記差分に基準温度差を加算して総合補正値を算出する工程と、
前記総合補正値に基づいて、前記設定温度を補正し、前記ヒータの温度制御を行う工程とを含むことを特徴とする気相成長装置の温度制御方法。
〔２〕前記設定温度を補正する工程を同一プロセス中に複数回行うことを特徴とする前記〔１〕に記載の気相成長装置の温度制御方法。

以上のように、本発明によれば、ばらつきの少ない高品質の成膜を行うことを可能とした気相成長装置の温度制御方法を提供することが可能である。

本発明の一実施形態に係る気相成長装置の構成を示す断面図である。図である。図１に示す気相成長装置の総合補正値ΔＴの決定方法を説明するためのフローチャートである。図１に示す気相成長装置の総合補正値ΔＴに基づく温度制御を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがあり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（気相成長装置）
先ず、本発明の一実施形態として、例えば図１に示す気相成長装置１の構成について説明する。なお、図１は、気相成長装置１の構成を示す断面図である。

本実施形態の気相成長装置１は、図１に示すように、略偏平円筒状の成膜室２と、成膜室２の底面を貫通する回転軸３を介して回転（公転）する略円板状のサセプタ４と、サセプタ４の周方向（回転方向）に並んで設けられて、基板Ｗが載置された状態で回転（自転）する複数の基板載置プレート５と、サセプタ４の底面側に配置されて基板載置プレート５を介して基板Ｗを加熱するヒータ６と、ヒータ６の近傍に配置されてヒータ６の温度を測定する熱電対７と、成膜室２の上面に設けられた透光部８を介して基板載置プレート５の温度又は当該基板載置プレート５に載置された基板Ｗの温度を測定する光学的温度センサ９とを概略備えている。

また、気相成長装置１は、ヒータ６の温度を設定する温度設定部１５と、温度設定部１５で設定された温度（以下、「設定温度」という。）に温度補正を行う設定温度補正部１０と、熱電対７が測定した温度に基づいて、補正された温度となるようにヒータ６の加熱を制御するヒータ制御部１１と、設定温度と光学的温度センサ９が測定した温度との差分を算出する差分算出部１２と、当該差分と予め設定された値を記録部１４に記録した基準温度差に基づいて設定温度を補正する温度補正値演算部１３とを備えている。

気相成長装置１では、基板載置プレート５に載置した基板Ｗをヒータ６で加熱しながら、基板Ｗに気相原料を供給し、基板Ｗ上に薄膜を堆積させることで、気相成長が行われる。

（気相成長装置の温度制御方法）
次に、本発明を適用した気相成長装置１の温度制御方法について、図２を参照しながら説明する。なお、図２は、気相成長装置１の総合補正値ΔＴの決定方法を説明するためのフローチャートである。

本実施形態の気相成長装置１の温度制御方法では、先ず、総合補正値ΔＴを決定する。具体的には、図２に示すステップＳ１において、熱電対７により測定される温度が温度設定部１５により設定された設定温度Ｔ_０となるように、ヒータ制御部１１によりヒータ６の加熱を制御する。

次に、図２に示すステップＳ２において、基板載置プレート５の温度又は当該基板載置プレート５に載置された基板Ｗの表面温度を光学的温度センサ９により測定する。そして、この光学的温度センサ９が測定した温度の測定値Ｔ_１を差分算出部１２へと供給する。

なお、光学的温度センサ９による温度測定は、ヒータ６による加熱を開始してから常時行われている。一方、差分算出部１２に供給される温度の測定値Ｔ_１は、ヒータ６による加熱を開始し、熱電対７により測定される温度が設定温度Ｔ_０に到達してから、ヒータ６による加熱が設定温度Ｔ_０を維持する制御（安定制御）となった以降に測定される温度である。

次に、図２に示すステップＳ３において、差分算出部１２が、設定温度Ｔ_０と光学的温度センサ９が測定した温度（測定値Ｔ_１）との差分を算出する。すなわち、この差分算出部１２では、設定温度Ｔ_０と光学的温度センサ９が測定した温度の測定値Ｔ_１との差分値Δｔ（＝Ｔ_０−Ｔ_１）を算出する。そして、差分算出部１２が算出した差分値Δｔを温度補正値演算部１３へと供給する。

次に、図２に示すステップＳ４において、温度補正値演算部１３が、差分（差分値Δｔ）に、予め記憶させたおいた基準温度差ＳｔｄΔを加えて総合補正値ΔＴ（＝Δｔ＋ＳｔｄΔ）を算出する。

ここで、気相成長装置１では、定期的に温度補正をしているので、ステップＳ３で算出した差分値Δｔには、予め補正に用いた基準温度差ＳｔｄΔが含まれている。重複した補正を回避するためには、この基準温度差分を削除する必要がある。したがって、温度補正値演算部１３では、この基準温度差ＳｔｄΔを考慮して、総合補正値ΔＴ（＝Δｔ＋ＳｔｄΔ）を演算により決定する。

次に、気相成長装置１の総合補正値ΔＴに基づく温度制御について、図３を参照しながら説明する。なお、図３は、気相成長装置１の総合補正値ΔＴに基づく温度制御を説明するためのフローチャートである。

気相成長においては、基板Ｗを搬入してから搬出するまで、時間軸によって温度を変化させる成膜プロセスを有する。この１回の成膜プロセスの基本環境が同一とみなされる。基板Ｗの搬出後は、新たに搬入する基板Ｗなどに由来する条件の変化だけでなく、成膜室２内のヒータ６や基板載置プレート５などの部品類の交換などにより、新たな基本環境とみなされる。

そこで、この１回の成膜プロセスでの動的な温度制御のための設定温度を「Ｔ１００」とする。したがって、設定温度Ｔ_０は、温度補正を行う時点で、設定温度Ｔ１００と同一の値となる。

本発明では、１つの基本環境において、ある設定温度Ｔ_０での総合補正値ΔＴが決定した後に、動的に温度制御する設定温度Ｔ１００に対する補正を実行する。一方、１回の成膜プロセスにおいて、補正する設定温度Ｔ_０を複数設けて、その設定温度毎に補正を実行してもよい。

本発明では、基本環境における代表的な制御温度で補正値を決め、それを同一の基本環境で用いる間、すなわち１つの成膜プロセスで利用できる点に特長がある。

具体的には、先ず、図３に示すステップＳ１０１において、補正実行の命令により、設定温度補正部１０が、設定温度Ｔ１００に総合補正値ΔＴを加えて、補正された温度Ｔ１００’を算出する。但し、補正を実行する必要がない場合、Ｔ１００’はＴ１００のままとなる。

次に、図３に示すステップＳ１０２において、設定温度補正部１０が、設定温度であったＴ１００に対して、補正された設定温度Ｔ１００’を設定する。

次に、図３に示すステップＳ１０３において、ヒータ制御部１１では、熱電対７により測定される温度が、この補正後の設定温度Ｔ１００’となるように、ヒータ６の加熱を制御する。このような制御を行うことで、光学的温度センサ９により測定される基板Ｗの表面温度がＴ１００となる。

これにより、設定温度Ｔ１００に対する基板Ｗの温度制御を成膜プロセス毎に再現性良く実施することが可能である。また、この制御方法によれば、基板Ｗなどに由来する条件の変化だけでなく、成膜室２内のヒータ６や基板載置プレート５などの部品類を交換した際にも、同一の基本環境内で温度再現性を高めるために有効である。

また、本実施形態では、上述した図２及び図３に示す設定温度を補正する工程について、同一の成膜プロセス中に複数回行ってもよい。

この場合、光学的温度センサ９が常時測定した温度の測定値Ｔ_１に基づいて、差分算出部１２が差分値Δｔを算出しながら、この差分値Δｔが一定の閾値を超えたときに、温度補正値演算部１３が総合補正値ΔＴを求め、設定温度補正部１０が設定温度Ｔ１００を補正し、この補正後の設定温度Ｔ１００’に基づいて、ヒータ制御部１１によるヒータ６の加熱制御を行ってもよい。

一方、光学的温度センサ９が定期的に測定した温度の測定値Ｔ_１に基づいて、差分算出部１２が差分値Δｔを算出し、この差分値Δｔに基づいて、温度補正値演算部１３が総合補正値ΔＴを求め、設定温度補正部１０が設定温度Ｔ１００を補正し、この補正後の設定温度Ｔ１００’に基づいて、ヒータ制御部１１によるヒータ６の加熱制御を行ってもよい。

以上のように、本実施形態の気相成長装置１の温度制御方法では、上述した設定温度Ｔ_０に対する基板Ｗの温度制御をプロセス毎に再現性良く実施することによって、ばらつきの少ない高品質の成膜を行うことが可能である。

以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

（実施例）
実施例では、上記気相成長装置１を用いて、１０枚のウェハ（基板Ｗ）をそれぞれ基板載置プレート５に載置し、一定量の窒素ガスを成膜室２内に流しながら、設定温度Ｔ_０を１０００℃として、ヒータ６による加熱を行った。そして、熱電対７により測定されるヒータ６の温度が温度補正を実施する設定温度Ｔ_０（１０００℃）に到達した後に、光学的温度センサ９によるウェハの表面温度の測定を行った。

その結果、１０枚のウェハの表面温度の平均値（測定値Ｔ_１）は、１０１０℃であった。したがって、設定温度Ｔ_０と光学的温度センサ９が測定した温度（測定値Ｔ_１）との差分値Δｔ（＝Ｔ_０−Ｔ_１）は、−１０℃と算出された。

このとき、定期的な温度測定で予め設定された基準温度差ＳｔｄΔは、３．４℃であった。

測定値Ｔ_１（１０１０℃）においては、３．４℃の補正値が既に含まれている。したがって、上述した差分値Δｔ（−１０℃）に、基準温度差ＳｔｄΔ（３．４℃）を加算した総合補正値ΔＴ（＝Δｔ＋ＳｔｄΔ）は、−６．６℃となる。

総合補正値ΔＴが決定したら、成膜が終了してウェハを取り出すまで、この総合補正値ΔＴ（−６．６℃）に基づいて、気相成長の成膜プロセスにおける動的な設定温度Ｔ１００に対する補正を行う。

引き続き、設定温度Ｔ１００を成膜プロセスに合わせて変化させ、この設定温度Ｔ１００を７５０℃としたときに、総合補正値ΔＴを考慮して補正された設定温度Ｔ１００’（＝Ｔ１００＋ΔＴ）を算出する。

この総合補正値ΔＴに基づいて、補正後の設定温度Ｔ１００’を７４３．４℃として、ヒータ６の温度制御を行った。その後、光学的温度センサ９により１０枚のウェハの表面温度を測定したところ、補正後のウェハの表面温度の平均値は、７５０℃となった。

その後、ウェハの加熱を中止し、室温まで冷却した後、全てのウェハを新たに用意した別のウェハに交換した。そして、このようなプロセス試験を繰り返し１０回行った。その結果、各プロセスにおける補正後のウェハの表面温度の平均値は、７４９℃〜７５１℃の範囲に収まることを確認した。

（比較例）
比較例では、上記気相成長装置１を用いて、１０枚のウェハ（基板Ｗ）をそれぞれ基板載置プレート５に載置し、一定量の窒素ガスを成膜室２内に流しながら、設定温度Ｔ_０を７５０℃として、ヒータ６による加熱を行った。そして、熱電対７により測定されるヒータ６の温度が設定温度Ｔ_０（７５０℃）に到達した後に、光学的温度センサ９によるウェハの表面温度の測定を行った。

その結果、１０枚のウェハの表面温度の平均値（測定値Ｔ_１）は、７４８℃であった。その後、ウェハの加熱を中止し、室温まで冷却した後、全てのウェハを新たに用意した別のウェハに交換した。そして、このようなプロセス試験を繰り返し１０回行った。その結果、各プロセスにおけるウェハの表面温度の平均値は、７４７℃〜７５２℃の範囲に収まることを確認した。

以上のことから、実施例では、比較例に比べて、設定温度に対するウェハの温度制御をプロセス毎に再現性良く実施できることが明らかとなった。

１…気相成長装置２…成膜室４…サセプタ５…基板設置プレート６…ヒータ７…熱電対９…光学的温度センサ１０…設定温度補正部１１…ヒータ制御部１２…差分算出部１３…温度補正値演算部１４…記録部１５…温度設定部Ｗ…基板

Claims

基板載置プレートに載置された基板を、熱電対を用いて温度制御されるヒータで加熱しながら、前記基板に気相原料を供給し、前記基板上に薄膜を堆積させる気相成長装置の温度制御方法であって、
前記熱電対により測定される温度が設定温度となるように、前記ヒータを加熱する工程と、
前記基板載置プレートの温度又は当該基板載置プレートに載置された基板の温度を光学的温度センサにより測定する工程と、
前記設定温度と前記光学的温度センサが測定した温度との差分を算出する工程と、
前記差分に基準温度差を加算して総合補正値を算出する工程と、
前記総合補正値に基づいて、前記設定温度を補正し、前記ヒータの温度制御を行う工程とを含むことを特徴とする気相成長装置の温度制御方法。
前記設定温度を補正する工程を同一プロセス中に複数回行うことを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置の温度制御方法。