JP5330795B2 - 気相成長装置の基板温度測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、気相成長装置の基板温度測定方法に関し、特に、自公転型の気相成長装置を使用して薄膜を気相成長させる際の基板の温度を測定する方法に関する。

成膜室内に回転可能に設けられた円盤状のサセプタに複数の基板を周方向に等間隔で保持し、該基板に対して公転運動及び自転運動を与えながら加熱手段により前記サセプタを介して基板を加熱するとともに、前記成膜室の中心部から外側に向かって原料ガスを放射状に供給して薄膜を気相成長させる自公転型の気相成長装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、基板を保持したサセプタが回転する形式の気相成長装置において、気相成長中の基板温度を測定するため、サセプタが特定の位置に回転したときに基板の特定の位置の温度を測定する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００７−２４３０６０号公報 特開平１１−７９８８７号公報

しかし、特許文献２に記載された温度測定方法では、機器構成が複雑になったり、信号処理が複雑になったりしてコスト面で問題がある。

そこで本発明は、単純な機器構成、単純な信号処理によって基板の温度を確実に測定することができる気相成長装置の基板温度測定方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の気相成長装置の基板温度測定方法は、回転するサセプタの周方向に等間隔で複数の基板を保持し、該基板を加熱手段により加熱しながら原料ガスを供給し、前記基板面に薄膜を気相成長させる気相成長装置における前記基板の温度を測定する方法において、前記サセプタが１回転したことを検出するためのトリガを複数の基板の内の任意の隣接する２枚の基板間の中央に対応する位置に設けるとともに、前記サセプタ及び前記基板の温度を連続的に測定するための温度計を設け、前記トリガによって検出したサセプタの回転状態と、サセプタと基板とトリガとの関係に応じてあらかじめ設定された設定値と、前記温度計の測定温度とに基づいて、基板部分の温度を測定した測定温度を選別し、前記設定値は、サセプタの回転数であるＸ［ｒｐｍ］と、サセプタが前記Ｘ［ｒｐｍ］で回転している状態において、前記トリガが検出されてから該トリガのサセプタ回転方向直後に位置する１枚目の基板の温度測定開始点に前記温度計の温度測定点が至るまでに要する時間Ａ［ｓｅｃ］と、該１枚目の基板の温度測定開始点から温度測定終了点に前記温度計の温度測定点が至るまでに要する時間Ｂ［ｓｅｃ］と、該１枚目の基板の温度測定終了点から該１枚目の基板のサセプタ回転方向直後に位置する２枚目の基板の温度測定開始点に前記温度計の温度測定点が至るまでに要する時間Ｃ［ｓｅｃ］とであることを特徴としている。

また、前記測定温度の選別は、前記トリガを検出することによって測定されたサセプタの実回転数Ｙ［ｒｐｍ］と、サセプタに保持した基板の枚数［ｎ］（ｎは２以上の自然数）と、前記設定値である回転数Ｘ［ｒｐｍ］、時間Ａ［ｓｅｃ］、時間Ｂ［ｓｅｃ］及び時間Ｃ［ｓｅｃ］とに基づいて、下記の式（１）及び式（２）により、
Ｓ（ｍ）＝（（Ｂ＋Ｃ）×（ｍ−１）＋Ａ）／（Ｙ／Ｘ）・・・（１）
Ｔ（ｍ）＝（（Ｂ＋Ｃ）×（ｍ−１）＋Ａ＋Ｂ）／（Ｙ／Ｘ）・・・（２）
トリガが検出されてからｍ（ｍは１〜ｎの自然数）枚目の基板における温度測定開始点に前記温度計の温度測定点が至るまでの時間Ｓ（ｍ）［ｓｅｃ］及びトリガが検出されてから該ｍ枚目の基板における温度測定終了点に前記温度計の温度測定点が至るまでの時間Ｔ（ｍ）［ｓｅｃ］を算出し、時間Ｓ（ｍ）［ｓｅｃ］から時間Ｔ（ｍ）［ｓｅｃ］までの間に測定した温度をｍ枚目の基板の温度とすることを特徴としている。

本発明の気相成長装置の基板温度測定方法によれば、基本的に、サセプタの径、基板の径及びサセプタが保持する基板の枚数によって決まる設定値と、トリガによって検出したサセプタの回転状態とにより、基板の温度測定対象となる部分と他のサセプタなどの部分とを選別することができるので、温度計の他には、サセプタの回転状態を検出するトリガを設けるだけでよく、機器構成を簡略化することができる。また、温度計は連続的に温度を測定し、基板の温度測定対象となる部分の温度のみを取り出す演算処理を行うだけでよいことから、信号処理の簡略化も図れる。

図１は本発明の基板温度測定方法における温度測定状態を示す説明図、図２は測定した温度の変化を示す図、図３は本発明の基板温度測定方法を実施可能な気相成長装置の一形態例を示す断面正面図である。

まず、図３に示す気相成長装置は、成膜室１１内に円盤状のサセプタ１２を回転可能に設けるとともに、該サセプタ１２の外周部に外歯車を有する基板保持部材１３を周方向に等間隔で回転可能に設けるとともに、サセプタ１２の外周を囲むように内歯車部材１４を固定した自公転型気相成長装置であって、サセプタ１２は、成膜室１１の底面中央部を貫通した回転軸１５により支持され、サセプタ１２の下方には基板加熱手段であるヒーター１６が設けられるとともに、基板温度を測定するための放射温度計１７が挿入されている。また、成膜室１１のサセプタ１２の表面側中央部には、原料ガスを導入するガス導入部１８が設けられ、成膜室１１の外周部にはガス排出部１９が設けられている。なお、基板保持部材１３はサセプタ１２の一部を構成するものであって、通常、これらはカーボンで形成されている。

この気相成長装置を使用して基板上に薄膜を形成する際には、ヒーター１６によりサセプタ１２や基板保持部材１３を介して基板を所定温度に加熱しながら、ガス導入部１８から成膜室１１内に原料ガスを導入し、排気ガスをガス排出部１９を通して成膜室１１内から排出する。このとき、回転軸１５によってサセプタ１２が回転駆動されることにより、回転軸１５を中心として基板保持部材１３が公転するとともに、基板保持部材１３の外歯車が内歯車部材１４に噛み合って基板保持部材１３が自転することにより、基板保持部材１３に保持された基板が自公転する状態になる。

次に、このような自公転型の気相成長装置で基板の温度を測定する方法の一例を、図１及び図２を参照して説明する。まず、図１に示すように、サセプタ１２（基板保持部材１３を含む。以下同じ。）には、周方向に等間隔で８枚のサファイア製の基板Ｐが保持されており、薄膜形成処理中には、サセプタ１２の回転と同じ回転速度で同じ方向に回転（公転）する。

サセプタ１２あるいは該サセプタ１２と共に回転する回転軸１５には、サセプタ１２が１回転したことを検出するためのトリガが設けられている。このトリガは、サセプタ１２が１回転したことを検出することができれば任意の検出手段を用いることができ、機械的、電気的など各種のセンサを用いることができる。また、図１に示す円Ａは、前記放射温度計１７の温度測定点が通る軌跡を示すもので、基板Ｐの中心部あるいはその近傍を通るように設定されている。

図２は、放射温度計１７で測定した温度の変化を示すもので、温度測定点がサセプタ１２の回転に応じて温度測定点がトリガの位置Ｌ０から移動したときの各温度測定点における温度を表している。この図２からわかるように、基板Ｐが上面に存在する部分の測定温度と、基板Ｐが上面に存在していない部分の測定温度とに差があり、例えば、基板Ｐが存在している部分の測定温度が８００℃のときに、基板が存在していない部分の測定温度は約７７０℃となり、３０℃程度の差が生じる。

すなわち、温度測定点がトリガの位置Ｌ０から１枚目の基板Ｐ１のトリガ側外縁の点Ｌ１までの回転距離の範囲では、上面に基板が存在しないために測定温度が低くなっており、基板Ｐ１のトリガ側外縁の点Ｌ１から基板Ｐ１の反トリガ側外縁の点Ｌ４までの回転距離の範囲では基板Ｐ１が存在しているために測定温度が高くなっている。さらに、基板Ｐ１の反トリガ側外縁の点Ｌ４から基板Ｐ２のトリガ側外縁の点Ｌ５までは温度が低く、基板Ｐ２のトリガ側外縁の点Ｌ５から基板Ｐ２の反トリガ側外縁の点Ｌ８までは温度が高くなっている。基板Ｐ３以下も同様に、基板Ｐが存在している部分では温度が高く、基板Ｐが存在していない部分では温度が低く測定される。

したがって、基板Ｐが存在している部分の測定温度と存在しない部分の測定温度とから、基板Ｐが存在している部分の測定温度を選別し、これを基板温度とする選別操作が必要となる。この選別操作を開始する前に、選別操作に必要な演算処理を行うコンピュータなどの制御手段に、基本的に、サセプタ１２の径（直径、半径いずれでも可）あるいはサセプタ１２に設けた基板保持部材１３の中心点が通る軌跡の径、基板の径及びサセプタが保持する基板の枚数によって決まる設定値をあらかじめ入力する。これらの設定値と、前記トリガによって検出したサセプタ１２の回転状態とから、基板Ｐが存在している部分と存在しない部分とを選別することができる。

例えば、計算が容易な数値を挙げて説明すると、直径が約２００ｍｍのサセプタ１２の外周に等間隔で直径が約６０ｍｍの基板Ｐを４枚保持し、基板Ｐの中心が通る軌跡の円の円周の長さを約３６０ｍｍとした場合、サセプタ１２が１周すると、基板Ｐが存在する部分の長さは、約６０ｍｍ×４で約２４０ｍｍ、基板Ｐが存在しない部分の長さは、約３６０ｍｍ−約２４０ｍｍで約１２０ｍｍであり、隣接する基板間では約１２０ｍｍ／４でそれぞれ約３０ｍｍとなる。

したがって、この場合は、サセプタ１２の回転により、放射温度計１７の温度測定点では、基板の存在する範囲の約６０ｍｍの部分と、基板の存在しない範囲の約３０ｍｍの部分とが交互に連続して通過することになる。このとき、サセプタ１２が毎分１回転（１ｒｐｍ）で回転しているとすれば、サセプタ１２が１周する６０秒の間に、基板有り部分の約１０秒、基板無し部分の約５秒が交互に４回ずつ生じることになる。前記トリガの位置Ｌ０を基板の回転方向先端外縁部分に設定すれば、トリガの位置Ｌ０から約１０秒間は基板有り、続く約５秒間は基板無しとなり、以下、約１０秒間の基板有りの部分と、約５秒間の基板無しの部分とが繰り返されることになる。これにより、各温度測定点から基板Ｐが存在している部分の測定温度を選別して取り出すことができる。

図１では、サセプタ１２に８枚の基板Ｐを保持するとともに、前記トリガを、複数の基板の内の任意の隣接する２枚の基板Ｐ１，Ｐ８間の中央に対応する位置Ｌ０に設けている。また、設定値としては、サセプタ１２の回転数Ｘ［ｒｐｍ］と、サセプタ１２が前記Ｘ［ｒｐｍ］で回転している状態において、前記トリガが検出されてから該トリガのサセプタ回転方向直後に位置する１枚目の基板Ｐ１の温度測定開始点Ｌ２に至るまでに要する時間Ａ［ｓｅｃ］と、該１枚目の基板Ｐ１の温度測定開始点Ｌ２から温度測定終了点Ｌ３に至るまでに要する時間Ｂ［ｓｅｃ］と、該１枚目の基板Ｐ１の温度測定終了点Ｌ３から該１枚目の基板Ｐ１のサセプタ回転方向直後に位置する２枚目の基板Ｐ２の温度測定開始点Ｌ５に至るまでに要する時間Ｃ［ｓｅｃ］とを用いている。

各設定値Ａ，Ｂ，Ｃは、前述のように、サセプタ１２の径あるいはサセプタ１２に設けた基板保持部材１３の中心点が通る軌跡の径、基板の径及びサセプタが保持する基板の枚数が決まれば計算によって容易に求めることができ、回転数Ｘについては任意であり、処理中に設定されるサセプタ１２の実際の回転数を設定値としてもよく、単純に「１」を設定値とすることもできる。また、基板Ｐの外縁部分を温度測定開始点や温度測定終了点に設定しないのは、設計上の基板の位置と実際の基板の位置とのずれを考慮したものであり、基板外縁から温度測定開始点や温度測定終了点までの距離は、基板の径等の条件に応じて任意に設定することができる。

ここで、前記トリガを検出することによって測定されたサセプタ１２の実回転数Ｙ［ｒｐｍ］と、サセプタ１２に保持した基板Ｐの枚数［ｎ］（ｎは２以上の自然数）と、前記設定値である回転数（設定回転数）Ｘ［ｒｐｍ］、時間Ａ［ｓｅｃ］、時間Ｂ［ｓｅｃ］及び時間Ｃ［ｓｅｃ］とに基づいて、トリガが検出されてからｍ（ｍは１〜ｎの自然数）枚目の基板の温度を測定する手順について説明する。

まず、トリガが検出されてから１枚目の基板Ｐ１における温度測定開始点Ｌ２に放射温度計１７の温度測定点が至るまでの時間Ｓ（１）［ｓｅｃ］は、前記時間Ａ［ｓｅｃ］と、設定回転数に対する実回転数の補正を行えばよく、Ｓ（１）＝Ａ／（Ｙ／Ｘ）で求めることができ、設定回転数Ｘ＝実回転数Ｙであれば、Ｓ（１）＝Ａとなる。また、トリガが検出されてから基板Ｐ１における温度測定終了点Ｌ３に至るまでの時間Ｔ（１）［ｓｅｃ］は、前記時間Ａ［ｓｅｃ］と時間Ｂ［ｓｅｃ］との和に対して回転数の補正を行えばよいことから、Ｔ（１）＝（Ａ＋Ｂ）／（Ｙ／Ｘ）で求められる。

２枚目の基板Ｐ２における温度測定開始点Ｌ６に温度測定点が至るまでの時間Ｓ（２）［ｓｅｃ］は、前記時間Ａ［ｓｅｃ］、時間Ｂ［ｓｅｃ］及び時間Ｃ［ｓｅｃ］の和に対して回転数の補正を行えばよく、この時間Ｓ（２）［ｓｅｃ］と時間Ｂ［ｓｅｃ］との和に回転数の補正を行えば、基板Ｐ２における温度測定終了点Ｌ７に温度測定点が至るまでの時間Ｔ（２）［ｓｅｃ］が求められる。

すなわち、ｍ枚目の基板における温度測定開始点に温度測定点が至るまでの時間Ｓ（ｍ）は、１枚目の基板Ｐ１の温度測定開始点に温度測定点が至るまでの時間Ａ［ｓｅｃ］と、ｍ枚目に至るまでに温度測定点が経過した時間Ｂ［ｓｅｃ］及び時間Ｃ［ｓｅｃ］の和に回転数の補正を行えばよいことになり、また、ｍ枚目の基板における温度測定終了点に温度測定点が至るまでの時間Ｔ（ｍ）は、温度測定開始点に温度測定点が至るまでの時間Ｓ（ｍ）と時間Ｂ［ｓｅｃ］との和に回転数の補正を行えばよいことになるから、ｍ枚目の基板における温度測定開始点に温度測定点が至るまでの時間Ｓ（ｍ）は、下記の式（１）にて表すことができ、ｍ枚目の基板における温度測定終了点に温度測定点が至るまでの時間Ｔ（ｍ）は、下記の式（２）にて表すことができる。

Ｓ（ｍ）＝（（Ｂ＋Ｃ）×（ｍ−１）＋Ａ）／（Ｙ／Ｘ）・・・（１）
Ｔ（ｍ）＝（（Ｂ＋Ｃ）×（ｍ−１）＋Ａ＋Ｂ）／（Ｙ／Ｘ）・・・（２）

例えば、基板枚数ｎ＝８枚、設定回転数Ｘ＝１ｒｐｍ、時間Ａ＝２．５ｓｅｃ、時間Ｂ＝３．５ｓｅｃ、時間Ｃ＝４．０ｓｅｃに設定されており、トリガで検出したサセプタの実回転数Ｙが５ｒｐｍの場合、トリガを検出したときを０ｓｅｃとして温度測定を開始すると、各基板の温度測定開始点に温度測定点が至る時間（測定開始時間）Ｓ（ｍ）と各基板の温度測定終了点に温度測定点が至る時間（測定終了時間）Ｔ（ｍ）とは、表１に示す時間となる。また、温度測定点が８枚目の基板Ｐ８を通過し、トリガが検出されると計測時間はリセットされて０に戻る。

このようにして算出した各測定開始時間と各測定終了時間との間の範囲で放射温度計１７により測定した温度を基板温度とすることにより、不要な部分の測定温度を排除して各基板の温度を正確に測定することができる。表２は前述のようにして測定した各基板の温度を示している。

各基板の温度は、該基板の温度測定開始点から温度測定終了点までの間の温度測定範囲内で測定した温度の平均値であり、各基板における温度測定範囲における温度測定点数は、サセプタ１２の回転数と演算処理するＰＬＣの演算処理速度に依存し、例えば、回転数が１ｒｐｍで演算処理速度が５０ｍｓｅｃの場合、温度測定範囲の時間Ｂは３５００ｍｓｅｃであるから、温度測定点は７０点となる。また、この７０点の温度測定点をさらに区分けすることにより、各基板における外周部の温度と中心部の温度とをそれぞれ測定することが可能となる。

さらに、このようにして得られた基板温度は、ヒーター１６の出力を制御するヒーター制御手段に温度信号として送信され、測定温度に応じた出力制御が行われる。ヒーター制御手段に送信する温度信号は、サセプタ１２の１回転分の測定温度を平均した温度であってもよく、最高温度や最低温度、温度のばらつきを含めた温度情報であってもよい。

なお、本発明の基板温度測定方法は、本形態例に示す自公転型に限らず、公転のみを行う気相成長装置にも適用することができ、基板を下向きに保持する形式の気相成長装置にも適用することができる。また、トリガの設置位置はサセプタの回転状態を検出できる位置ならば任意の位置に設けることができ、サセプタ、回転軸だけでなく、回転軸を駆動するモーターからトリガ信号を得るようにしてもよく、回転状態を検出する方法も任意である。また、温度計にも任意の温度測定手段を用いることができ、設置位置も任意であり、例えば本形態例におけるサセプタ上面側（成膜室１１の天板側）に設けることもできる。さらに、加熱手段も任意の加熱手段を用いることができ、基板表面側から基板を加熱するものを用いることも可能である。

本発明の基板温度測定方法における温度測定状態を示す説明図である。 測定した温度の変化を示す図である。 本発明の基板温度測定方法を実施可能な気相成長装置の一形態例を示す断面正面図である。

符号の説明

１１…成膜室、１２…サセプタ、１３…基板保持部材、１４…内歯車部材、１５…回転軸、１６…ヒーター、１７…放射温度計、１８…ガス導入部、１９…ガス排出部

Claims (2)

1. 回転するサセプタの周方向に等間隔で複数の基板を保持し、該基板を加熱手段により加熱しながら原料ガスを供給し、前記基板面に薄膜を気相成長させる気相成長装置における前記基板の温度を測定する方法において、前記サセプタが１回転したことを検出するためのトリガを複数の基板の内の任意の隣接する２枚の基板間の中央に対応する位置に設けるとともに、前記サセプタ及び前記基板の温度を連続的に測定するための温度計を設け、前記トリガによって検出したサセプタの回転状態と、サセプタと基板とトリガとの関係に応じてあらかじめ設定された設定値と、前記温度計の測定温度とに基づいて、基板部分の温度を測定した測定温度を選別し、前記設定値は、サセプタの回転数であるＸ［ｒｐｍ］と、サセプタが前記Ｘ［ｒｐｍ］で回転している状態において、前記トリガが検出されてから該トリガのサセプタ回転方向直後に位置する１枚目の基板の温度測定開始点に前記温度計の温度測定点が至るまでに要する時間Ａ［ｓｅｃ］と、該１枚目の基板の温度測定開始点から温度測定終了点に前記温度計の温度測定点が至るまでに要する時間Ｂ［ｓｅｃ］と、該１枚目の基板の温度測定終了点から該１枚目の基板のサセプタ回転方向直後に位置する２枚目の基板の温度測定開始点に前記温度計の温度測定点が至るまでに要する時間Ｃ［ｓｅｃ］とであることを特徴とする気相成長装置の基板温度測定方法。
2. 前記測定温度の選別は、前記トリガを検出することによって測定されたサセプタの実回転数Ｙ［ｒｐｍ］と、サセプタに保持した基板の枚数［ｎ］（ｎは２以上の自然数）と、前記設定値である回転数Ｘ［ｒｐｍ］、時間Ａ［ｓｅｃ］、時間Ｂ［ｓｅｃ］及び時間Ｃ［ｓｅｃ］とに基づいて、以下の式（１）及び式（２）により、トリガが検出されてからｍ（ｍは１〜ｎの自然数）枚目の基板における温度測定開始点に前記温度計の温度測定点が至るまでの時間Ｓ（ｍ）［ｓｅｃ］及びトリガが検出されてから該ｍ枚目の基板における温度測定終了点に前記温度計の温度測定点が至るまでの時間Ｔ（ｍ）［ｓｅｃ］を算出し、時間Ｓ（ｍ）［ｓｅｃ］から時間Ｔ（ｍ）［ｓｅｃ］までの間に測定した温度をｍ枚目の基板の温度とすることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置の基板温度測定方法。
   Ｓ（ｍ）＝（（Ｂ＋Ｃ）×（ｍ−１）＋Ａ）／（Ｙ／Ｘ）・・・（１）
   Ｔ（ｍ）＝（（Ｂ＋Ｃ）×（ｍ−１）＋Ａ＋Ｂ）／（Ｙ／Ｘ）・・・（２）

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