JP2007043022A - Apparatus and method for semiconductor processing - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、一般的には、半導体処理装置および半導体処理方法に関し、より特定的には、処理対象物が設置された反応管内に反応ガスを流し、処理対象物に対して、成膜、エッチング、酸化などの処理を行なう半導体処理装置、およびその装置を用いた半導体処理方法に関する。 The present invention generally relates to a semiconductor processing apparatus and a semiconductor processing method, and more specifically, a reaction gas is caused to flow in a reaction tube in which a processing target is installed, and film formation and etching are performed on the processing target. The present invention relates to a semiconductor processing apparatus that performs processing such as oxidation, and a semiconductor processing method using the apparatus.
気相成長(CVD:chemical-vapor deposition)装置は、ガスを用いて成膜を行なう半導体処理装置の1つであり、従来から半導体製造の分野で広く使用されている。この気相成長装置では、成膜対象となる基板を予め、加熱しておき、基板に向かって1種類もしくは複数種の材料ガスを流す。基板の周りで加熱された材料ガスは、化学反応を起こし、基板上に成膜を行なう。 2. Description of the Related Art A chemical vapor deposition (CVD) apparatus is one of semiconductor processing apparatuses that forms a film using a gas, and has been widely used in the field of semiconductor manufacturing. In this vapor phase growth apparatus, a substrate to be formed is heated in advance, and one or more kinds of material gases are flowed toward the substrate. The material gas heated around the substrate causes a chemical reaction and forms a film on the substrate.
図10は、従来の気相成長装置を示す断面図である。図10を参照して、気相成長装置では、ガスの流れが成膜の品質に大きな影響を与える。このため、ガス流れを制御するための石英等で形成された反応管102が、金属製の気密チャンバ101に収められ、その反応管102内に基板104が配置される。材料ガスは、材料ガス供給器112から材料ガス導入管110を経て、反応管102内の空間120に供給される。材料ガスは、空間120で層流として流され、材料ガス排出管111から外部に排出される。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a conventional vapor phase growth apparatus. Referring to FIG. 10, in the vapor phase growth apparatus, the gas flow greatly affects the quality of the film formation. For this reason, the
反応管102は、ガスの密閉能力を有さない。このため、反応管102の外側であって、チャンバ101の内側にある空間130には、反応管102から漏れ出した材料ガスが滞留する。図中の気相成長装置では、この反応管102から漏れ出した材料ガスが成膜に悪影響を与えないように、比較的少量の不活性ガスが、不活性ガス供給口113から空間130に導入されている。不活性ガスは、空間130を流れた後、不活性ガス排出口114から外部に排出される。
The
一方、このような気相成長装置においては、成膜の適切な制御を行なうため、基板104の温度や成膜された膜の厚みなどを、処理中に測定できることが重要である。このため、図10中に示すように、温度を測定するためのパイロメータや、膜厚を測定するためのエリプソメータなどの非接触センサ115が、チャンバ101の外部に設置される。
On the other hand, in such a vapor phase growth apparatus, it is important that the temperature of the
非接触センサ115を用いた場合、チャンバ101の壁面に設けられたビューポート116および透明な石英製の反応管102越しに、基板104の測定が行なわれる。しかしながら、気相成長装置では、材料ガスの流れによって、反応管102内に不要な反応生成物が発生する。このため、一般的に、反応管102の内壁や基板トレイ107など基板の表面以外の場所に付着物105が生じる。特に、有機金属ガスを材料ガスの1種として用いる有機金属気相成長(MOCVD)装置などでは、この傾向が顕著となる。
When the
また別に、特開平3−75389号公報には、終点検出用センサへの入力光の減衰を防ぎ、終点検出精度を向上させることを目的としたドライエッチング装置が開示されている(特許文献1)。また、実開平5−764号公報には、成膜過程において反応容器内に生成される析出物の影響を抑え、基材温度の測定精度を高めることを目的とした蒸着装置が開示されている(特許文献2)。また、特開昭61−163632号公報には、ビューポート上のガラス板が分子線によって汚染されることを防止し、かつ装置の故障を防止することを目的とした分子線エピタキシャル成長装置が開示されている(特許文献3)。
図10を参照して説明したように、反応管102の内壁に付着物105が生じると、当所透明であった反応管102の表面がやがて曇ってしまう。このため、非接触センサ115に入力する観測光の透過が、反応管102の表面で妨げられ、非接触センサ115による測定が、測定不可能あるいは測定に大きな誤差を伴うという問題が生じる。
As described with reference to FIG. 10, when the
このような付着物の発生を防止する方法としては、上記の特許文献1に開示されているように加熱を用いたり、特許文献2に開示されているように不活性ガスを導入する等の方法がある。
As a method for preventing the occurrence of such deposits, a method such as using heating as disclosed in
しかしながら、反応管102を加熱すると、基板104の近傍の温度分布が乱れ、基板上の膜成長に悪影響を与えるおそれがある。また、加熱を行なうため設けたヒータによって、観測が阻害されるおそれも生じる。
However, when the
また、不活性ガスを導入する方法では、反応管102内の空間120に不活性ガスを流すことになるため、基板104の近傍において材料ガスの流れが乱れ、基板上の膜成長に悪影響を与えるおそれがある。また、付着物の発生を抑えたい基板の直上に、不活性ガスの導入口を設置することが難しい場合もある。このため、所望の位置で付着物の発生を十分に抑えることができなかったり、不活性ガスの導入機構を別途、設ける必要が生じたりする。
Further, in the method of introducing the inert gas, the inert gas flows in the
一方、特許文献3に開示された分子線エピタキシャル成長装置は、基板の処理にガス流を伴わないMBE(molecular beam epitaxy:電子線エピタキシー)装置である。図11は、特許文献3に開示された分子線エピタキシャル成長装置を示す断面図である。 On the other hand, the molecular beam epitaxial growth apparatus disclosed in Patent Document 3 is an MBE (molecular beam epitaxy) apparatus that does not involve a gas flow in the processing of a substrate. FIG. 11 is a cross-sectional view showing the molecular beam epitaxial growth apparatus disclosed in Patent Document 3. As shown in FIG.
図11を参照して、この装置には、チャンバ201内の空間に、蒸散するガスを冷却吸着するためのシュラウド207と、チャンバ201から外部に突出するビューポート204とが設けられている。チャンバ201内の空間には、基板210が収容されている。ビューポート204の底面には、ガラス板205が設けられている。チャンバ201の外部に設置された赤外線温度計206により、ガラス板205を介して装置内部が観察される。
Referring to FIG. 11, this apparatus is provided with a
この装置には、さらに、シュラウド207からチャンバ201内の空間に突出し、開口部211が形成された筒209が設けられている。開口部211は、基板210の中心点212を、ガラス板205を通して見込む立体角を規制する大きさに開口している。チャンバ201内は、たとえば、10−8Pa以下の超高真空の分子流領域に設定される。このため、チャンバ201内では、気体分子の存在密度が低く、分子間の相互作用が大きく働かない。このため、筒209に囲まれた閉塞空間に気体分子が入り込んだとしても抵抗力が作用しない。また、チャンバ201内は、超高真空下にあるため、付着物は、ガス流とは無関係に直線的に飛来する。
The apparatus further includes a
このようなMBE装置の構造を、図10中に示す気相成長装置に転用しようとすると、筒209が、図10中の反応管102から空間120に突出するように配置されることとなる。この場合、反応管102は、材料ガスの流れを整流に保つための機能部品であるため、空間120に突出する筒209が材料ガスの流れを乱してしまう。このため、成膜性能が低下するおそれが生じる。
When the structure of such an MBE apparatus is to be diverted to the vapor phase growth apparatus shown in FIG. 10, the
図12は、図10中の気相成長装置の改良例を示す断面図である。図12を参照して、反応管102に開口部140を設け、その開口部140を通じて測定を行なう方法が、他の解決策として考えられる。
FIG. 12 is a cross-sectional view showing an improved example of the vapor phase growth apparatus in FIG. With reference to FIG. 12, a method of providing an opening 140 in the
しかしながら、反応管102内の空間120およびチャンバ101内の空間130には、材料ガスおよび不活性ガスの流れがそれぞれ存在する。このため、単に反応管102に開口部140を形成しただけでは、空間120を流れる材料ガスが、開口部140を通じて反応管102の外側に流出したり(図中、矢印150に示すガス流れ)、空間130に流れる不活性ガスが、開口部140を通じて反応管102の内側に流入したりする(図中、矢印160に示すガス流れ)。このため、開口部140の近傍で反応管102内の材料ガスの濃度が低下する、あるいはガス流れが乱れるといった問題が発生し、基板104上の成膜に悪影響を与えるおそれが生じる。
However, there are flow of material gas and inert gas in the
そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、処理性能の低下を抑制しつつ、反応管内に生じた反応生成物による不具合を解消する半導体処理装置および半導体処理方法を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-described problems, and to provide a semiconductor processing apparatus and a semiconductor processing method capable of solving problems caused by reaction products generated in a reaction tube while suppressing a decrease in processing performance. It is.
この発明の1つの局面に従った半導体処理装置は、処理室と、処理対象物が設置される内部空間を規定し、処理室内に配置される反応管と、反応管の外側に設けられ、反応管内を観測する非接触センサとを備える半導体処理装置である。内部空間には、処理対象物を処理する反応ガスが流通する。反応管には、非接触センサと処理対象物との間に位置して開口部が形成されている。半導体処理装置は、さらに、開口部と非接触センサとの間に位置して設けられ、開口部を通じて内部空間に連通する略閉塞空間を形成する仕切り部材を備える。 A semiconductor processing apparatus according to one aspect of the present invention defines a processing chamber, an internal space in which an object to be processed is installed, a reaction tube disposed in the processing chamber, and provided outside the reaction tube. A semiconductor processing apparatus including a non-contact sensor for observing the inside of a pipe. In the internal space, a reactive gas for processing the processing object flows. An opening is formed in the reaction tube between the non-contact sensor and the processing object. The semiconductor processing apparatus further includes a partition member that is provided between the opening and the non-contact sensor and forms a substantially closed space that communicates with the internal space through the opening.
なお、ここで言う略閉塞空間には、開口部を除いた位置で厳密に閉塞されている空間のほか、微小な隙間や孔等によって外部と連通する箇所を局所的に有する空間も含まれる。 The substantially closed space referred to here includes a space that is strictly closed at a position excluding the opening, and a space that locally has a portion communicating with the outside through a minute gap or a hole.
このように構成された半導体処理装置によれば、仕切り部材によって形成された略閉塞空間には、積極的なガス流れが存在しない。このため、内部空間と略閉塞空間との間で開口部を通じて行き来するガス流れを抑制し、内部空間において反応ガスの流れに乱れが生じることを防止できる。また、非接触センサによる処理対象物の観測は、反応管に形成された開口部を通じて行なわれる。このため、反応ガスの流れに起因して反応管の内壁に付着する反応生成物によって、処理対象物の観測が妨げられるということがない。したがって、本発明によれば、処理対象物に対する処理性能の低下を招くことなく、処理対象物の正確な観測を行なうことができる。 According to the semiconductor processing apparatus configured as described above, there is no positive gas flow in the substantially closed space formed by the partition member. For this reason, it is possible to suppress the flow of gas flowing through the opening between the internal space and the substantially closed space, and to prevent the reaction gas flow from being disturbed in the internal space. In addition, the observation of the object to be processed by the non-contact sensor is performed through an opening formed in the reaction tube. Therefore, the observation of the object to be processed is not hindered by the reaction product adhering to the inner wall of the reaction tube due to the flow of the reaction gas. Therefore, according to the present invention, it is possible to accurately observe the processing object without degrading the processing performance of the processing object.
また、反応管は、反応ガスが内部空間に供給される供給口と、反応ガスが内部空間から排出される排出口とを有する。処理対象物は、供給口と排出口との間に配置される。このように構成された半導体処理装置によれば、処理対象物を処理するための反応ガスの流れが供給口から排出口に向けて形成される半導体処理装置において、上記の効果を得ることができる。 The reaction tube has a supply port through which the reaction gas is supplied to the internal space and an exhaust port through which the reaction gas is discharged from the internal space. The processing object is disposed between the supply port and the discharge port. According to the semiconductor processing apparatus configured as described above, the above effect can be obtained in the semiconductor processing apparatus in which the flow of the reaction gas for processing the processing object is formed from the supply port toward the discharge port. .
また、処理対象物から非接触センサに向けて、処理対象物を観測のための観測媒体が束となって発せられる。好ましくは、開口部は、開口部の開口面における観測媒体の束の断面積以上の開口広さを有する。このように構成された半導体処理装置によれば、処理対象物から非接触センサに向かう観測媒体が、開口部を通過する際に、開口部の周縁によって遮られることを防止できる。これにより、処理対象物の正確な観測を行なうことができる。 In addition, an observation medium for observing the processing object is emitted in a bundle from the processing object toward the non-contact sensor. Preferably, the opening has an opening width equal to or larger than the cross-sectional area of the bundle of observation media on the opening surface of the opening. According to the semiconductor processing apparatus configured as described above, it is possible to prevent the observation medium from the processing target toward the non-contact sensor from being blocked by the periphery of the opening when passing through the opening. Thereby, an accurate observation of the processing object can be performed.
また好ましくは、半導体処理装置は、略閉塞空間に配置され、開口部を取り囲むとともに、開口部から内部空間とは反対側に延びる略筒状部材をさらに備える。このように構成された半導体処理装置によれば、略筒状部材を設けることによって、開口部を通過するガス流れの管路抵抗が増大する。このため、開口部を通過するガス流れをさらに効果的に抑制することができる。 Preferably, the semiconductor processing apparatus further includes a substantially cylindrical member that is disposed in the substantially closed space, surrounds the opening, and extends from the opening to the side opposite to the internal space. According to the semiconductor processing apparatus configured as described above, the pipe resistance of the gas flow passing through the opening is increased by providing the substantially cylindrical member. For this reason, the gas flow which passes an opening part can be suppressed more effectively.
また好ましくは、半導体処理装置は、内部空間の圧力を検出する第1の圧力検出部と、略閉塞空間の圧力を検出する第2の圧力検出部と、略閉塞空間の圧力を調整する圧力調整部とをさらに備える。圧力調整部は、第1および第2の圧力検出部でそれぞれ検出された内部空間および略閉塞空間の圧力値に基づいて、内部空間および略閉塞空間の圧力差を減少させるように略閉塞空間の圧力を調整する。このように構成された半導体処理装置によれば、内部空間と略閉塞空間との間の圧力差に起因して開口部を通過するガス流れが発生することを防止できる。 Preferably, the semiconductor processing apparatus includes a first pressure detection unit that detects a pressure in the internal space, a second pressure detection unit that detects a pressure in the substantially enclosed space, and a pressure adjustment that adjusts the pressure in the substantially enclosed space. And a section. The pressure adjustment unit is configured to reduce the pressure difference between the internal space and the substantially enclosed space based on the pressure values of the internal space and the substantially enclosed space detected by the first and second pressure detection units, respectively. Adjust pressure. According to the semiconductor processing apparatus configured as described above, it is possible to prevent a gas flow passing through the opening from being generated due to a pressure difference between the internal space and the substantially closed space.
この発明に従った半導体処理方法は、上述のいずれかに記載の半導体処理装置を用いた半導体処理方法であり、非接触センサにより処理対象物を観測する。このように構成された半導体処理方法によれば、正確に実施された処理対象物の観測結果に基づいて、半導体装置の制御を精緻に行なうことができる。 A semiconductor processing method according to the present invention is a semiconductor processing method using any of the semiconductor processing apparatuses described above, and observes a processing object with a non-contact sensor. According to the semiconductor processing method configured as described above, it is possible to precisely control the semiconductor device based on the observation result of the processing object that has been accurately performed.
この発明の別の局面に従った半導体処理装置は、処理室と、処理対象物が設置される内部空間を規定し、処理室内に配置される反応管と、反応管の外側に設けられ、処理対象物に向けて光を照射する光照射部とを備える半導体処理装置である。内部空間には、処理対象物を処理する反応ガスが流通する。反応管には、光照射部と処理対象物との間に位置して開口部が形成されている。半導体処理装置は、さらに、開口部と光照射部との間に位置して設けられ、開口部を通じて内部空間に連通する略閉塞空間を形成する仕切り部材を備える。 A semiconductor processing apparatus according to another aspect of the present invention defines a processing chamber, an internal space in which an object to be processed is installed, a reaction tube disposed in the processing chamber, and provided outside the reaction tube. It is a semiconductor processing apparatus provided with the light irradiation part which irradiates light toward a target object. In the internal space, a reactive gas for processing the processing object flows. In the reaction tube, an opening is formed between the light irradiation unit and the processing object. The semiconductor processing apparatus further includes a partition member that is provided between the opening and the light irradiation unit and forms a substantially closed space that communicates with the internal space through the opening.
なお、ここで言う略閉塞空間については、上記の略閉塞空間と同様に理解する。
このように構成された半導体処理装置によれば、仕切り部材によって形成された略閉塞空間には、積極的なガス流れが存在しない。このため、内部空間と略閉塞空間との間で開口部を通じて行き来するガス流れを抑制し、内部空間において反応ガスの流れに乱れが生じることを防止できる。また、光照射部で照射された光は、開口部を通じて処理対象物に達する。このため、反応ガスの流れに起因して反応管の内壁に付着する反応生成物によって、光の進行が妨げられるということがない。したがって、本発明によれば、処理対象物に対する処理性能の低下を招くことなく、光照射部で照射された光を処理対象物に確実に到達させることができる。
In addition, about the substantially enclosed space said here, it understands similarly to said substantially enclosed space.
According to the semiconductor processing apparatus configured as described above, there is no positive gas flow in the substantially closed space formed by the partition member. For this reason, it is possible to suppress the flow of gas flowing through the opening between the internal space and the substantially closed space, and to prevent the reaction gas flow from being disturbed in the internal space. Moreover, the light irradiated by the light irradiation unit reaches the object to be processed through the opening. For this reason, the progress of light is not prevented by the reaction product adhering to the inner wall of the reaction tube due to the flow of the reaction gas. Therefore, according to the present invention, the light irradiated by the light irradiation unit can surely reach the processing object without causing deterioration of the processing performance for the processing object.
以上説明したように、この発明に従えば、処理性能の低下を抑制しつつ、反応管内に生じた反応生成物による不具合を解消する半導体処理装置および半導体処理方法を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor processing apparatus and a semiconductor processing method that eliminate problems caused by reaction products generated in a reaction tube while suppressing a decrease in processing performance.
この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings referred to below, the same or corresponding members are denoted by the same reference numerals.
(実施の形態1)
図1は、この発明の実施の形態1におけるMOCVD装置を示す断面図である。なお、本実施の形態では、図中に示すMOCVD装置を例に挙げて説明するが、これに限定されず、他の成膜装置やエッチング装置、酸化装置、表面改質装置などの、処理に気体の流動を伴う半導体処理装置に、本発明を適用することができる。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an MOCVD apparatus according to
図1を参照して、MOCVD装置10は、基板14の成長面14aに、GaN(窒化ガリウム)膜を成膜する装置である。MOCVD装置10は、チャンバ11と、チャンバ11内に配置され、処理空間50を規定する反応管12と、チャンバ11の外側に配置されたパイロメータ25とを備える。処理空間50は、反応管12の内壁12cに囲まれた位置に形成されており、処理空間50には、処理対象物である基板14が配置される。
Referring to FIG. 1, an
チャンバ11は、筐体形状を有し、たとえばアルミニウムやステンレス鋼から形成されている。チャンバ11内の雰囲気は、103Paから105Pa程度の圧力を有する粘性流領域に置かれる。
The
反応管12は、石英などの高温・反応性雰囲気に対して耐性を有する材料により形成されている。反応管12は、略矩形断面を有する筒形状に形成されており、一方端12mから他方端12nに向けて水平方向に延びている。反応管12の底部12qには、基板14を保持する基板ホルダ17が設けられている。反応管12は、反応管12の頂部12pとチャンバ11との間に隙間が存在するようにチャンバ11内に位置決めされている。
The
基板14は、成長面14aが処理空間50に露出するように設けられている。基板14は、一方端12mと他方端12nとの間の中程に位置して設けられている。基板14の裏側には、基板14を加熱するための基板加熱ヒータ13が設けられている。
The
なお、本実施の形態では、成長面14aが鉛直上方向に面するように基板14が配置される装置を例に挙げたが、これに限定されず、成長面14aが鉛直下方向に面するように基板14が配置される装置であっても良い。この場合、MOCVD装置は、図1中に示す構成が上下反対に入れ替わった構成を備える。
In the present embodiment, the apparatus in which the
反応管12の一方端12mには、処理空間50に向けて材料ガスを供給する材料ガス供給器22が、材料ガス導入管20を介して接続されている。反応管12の他方端12nには、材料ガスを処理空間50から排出する材料ガス排出管21が接続されている。このような構成により、材料ガスは、処理空間50において一方端12mから他方端12nに向けて矢印51に示す方向に流れ、この間、基板14の近傍を通過する。基板14の近傍を通過する際、材料ガスは、成長面14aが延在する方向にほぼ平行に流れる。
A material
なお、図中では、材料ガス導入管20は1本のみ示されているが、複数本設けられていても良い。
Although only one material
チャンバ11の内側であって、反応管12の外側には、空間60が規定されている。チャンバ11には、空間60に向けて不活性ガスを供給する不活性ガス供給口23と、空間60から不活性ガスを排出する不活性ガス排出口24とが別々の箇所に接続されている。
A
反応管12には、基板14とパイロメータ25との間に位置して開口部27が形成されている。開口部27は、基板14に対向する位置であって、基板14の直上に形成されている。開口部27は、反応管12の頂部12pに形成されている。開口部27は、一方端12mと他方端12nとの間に形成されている。開口部27が処理空間50に開口する面は、材料ガスが流れる矢印51に示す方向に平行に延在している。開口部27が処理空間50に開口する反応管12の内壁12cの法線方向と、反応管12内のガスの流れ方向とが交差している。
An
チャンバ11には、パイロメータ25と開口部27との間に位置してビューポート26が設けられている。ビューポート26は、たとえば、石英ガラスやサファイアガラスから形成されている。基板14とパイロメータ25とを結ぶ線上には、開口部27およびビューポート26が、基板14から近い順に並んで配置されている。
The
チャンバ11内には、開口部27とパイロメータ25との間に位置して、仕切り板28が設けられている。仕切り板28は、チャンバ11の内壁11cと、開口部27の近傍にある反応管12とを繋ぐように設けられている。仕切り板28は、内壁11cから頂面12aに向かって延びる筒形状を有する。仕切り板28の上端は、溶接によって、内壁11cに固定されており、仕切り板28の下端は、反応管12の頂面12aとほぼ隙間がない位置に位置決めされている。仕切り板28は、処理空間50の内側に突出せず、処理空間50の外側に突出するように設けられている。このような構成により、仕切り板28は、チャンバ11内に、開口部27を通じて処理空間50に連通する閉塞空間70を形成している。
A
なお、仕切り板28が有する筒形状の断面は、円形であっても良いし、多角形であっても良いし、その他の閉じた形状であっても良い。また、仕切り板28をチャンバ11に固定する方法は、溶接に限られず、締結や嵌合等の様々な方法を用いることができる。
The cylindrical cross section of the
閉塞空間70は、処理空間50以外のチャンバ11内の空間(つまり空間60)およびチャンバ11外の空間に対して、ほぼ閉塞された空間に形成されている。また、閉塞空間70は、処理空間50に対しても、開口部27を除いた位置で閉塞された空間に形成されている。したがって、閉塞空間70におけるガスの出入りは、開口部27に限定されている。閉塞空間70の容積は、処理空間50および空間60のいずれの容積よりも小さい。
The
パイロメータ25は、チャンバ11の上方に、チャンバ11から離れた位置に設置されている。基板14は、その温度に対応して放射光(多くは赤外線)を放射する。放射光は、開口部27およびビューポート26を順に通過して、パイロメータ25に達する。パイロメータ25では、その放射光を受光し、その量および/または波長を分析することによって、基板14の温度を算出する。
The
基板14に対して成膜を実施する場合、材料ガス供給器22から材料ガス導入管20を経由して、材料ガスであるTMG(トリメチルガリウム)およびNH3が、キャリアガスである水素もしくは窒素と共に処理空間50に導入される。処理空間50に導入された材料ガスは、ガス流れを拘束し、整流する反応管12の一方端12mから他方端12nに向かって流れる。この間、基板14の近傍を流れる材料ガスは、基板加熱ヒータ13によって加熱され、活性化される。これにより、材料ガスは、気相中で中間化学反応を起こし、1000℃付近の高温となった基板14の表面に接触した時点で、成長面14aに所定のGaN結晶膜を生成する。材料ガスは、基板14上を通過した後、材料ガス排出管21から外部に排出される。
When film formation is performed on the
この成膜時に供給された材料ガスの一部は、処理空間50にGa、N、C、Hなどから構成される反応生成物を生じさせる。その反応生成物は、反応管12内の材料ガス流れに乗って移動し、反応管12の内壁12cや基板ホルダ17の表面上に付着する。結果、内壁12cや基板ホルダ17の表面上には、反応管12内のガス流れに起因した付着物15が生じる。
Part of the material gas supplied at the time of film formation generates a reaction product composed of Ga, N, C, H, etc. in the
一方、反応管12から漏れ出た材料ガスが滞留し、成膜に悪影響を与えないように、チャンバ11内の空間60には、比較的少量の不活性ガスが、不活性ガス供給口23から導入される。不活性ガスは、空間60を循環した後、不活性ガス排出口24から外部に排出される。
On the other hand, a relatively small amount of inert gas flows from the inert
本実施の形態では、処理空間50および空間60とは異なり、閉塞空間70に強制的にガスが供給されるということがない。また、閉塞空間70は、容積が比較的小さいため、対流の起こり難い構造に形成されている。加えて、閉塞空間70におけるガスの出入りが、開口部27に限定されているため、閉塞空間70に同時に出入りするガス流れの発生が抑制される。また、閉塞空間70は、ほぼ閉塞された状態に形成されているため、ガスが流入すると、閉塞空間70の内圧が上昇し、それ以上のガスの流入が妨げられる。また逆に、開口部27を通じてガスが流出すると、閉塞空間70の内圧が減少し、それ以上のガスの流出が妨げられる。したがって、閉塞空間70は、積極的なガス流れが発生しない構造に形成されている。
In the present embodiment, unlike the
なお、本実施の形態では、溶接によって仕切り板28をチャンバ11に固定したが、仕切り板28とチャンバ11との間に僅かな隙間が存在し、閉塞空間70が、完全な密閉状態とならないような固定方法であっても採り得る。この場合においても、開口部27を通過するガス流量を低減させる効果を、一定の割合で得ることができる。
In this embodiment, the
また、反応管12から延出された仕切り板28が、チャンバ11の内壁11cに固定されておらず、仕切り板28とチャンバ11との間に僅かな隙間が存在する構造であっても、閉塞空間70が実質的に閉塞な状態に維持されているのであれば良い。同様に、仕切り板28が、反応管12から延出された第1の部分と、チャンバ11から延出され、第1の部分と接して固定される第2の部分とから構成されていても良い。この場合、閉塞空間70が実質的に閉塞な状態に維持されているのであれば、第1の部分と第2の部分とが、近接しているだけでも良く、第1の部分と第2の部分とが内周、外周に位置して互いに重なり合う構造であっても良い。また、仕切り板28は、反応管12やチャンバ11から延出されるのではなく、独立した部材であっても良い。
Even if the
続いて、図1のMOCVD装置の構成に基づいて実施したシミュレーションについて説明を行なう。ここでは、コンピュータを用いた流体シミュレーションにより、閉塞空間70においてガス流れの発生を防止する上述の効果を確認した。図2から図4は、シミュレーションにおいて、図1中のMOCVD装置を簡略化した形状を示す断面図である。図2は、図1中のII−II線上に沿った断面に相当し、図3は、図1中に示す断面に相当し、図4は、図1中のIV−IV線上に沿った断面に相当する。
Next, a simulation performed based on the configuration of the MOCVD apparatus in FIG. 1 will be described. Here, the above-mentioned effect of preventing the generation of gas flow in the enclosed
図2から図4を参照して、本シミュレーションでは、チャンバ11内の空間60の大きさを、高さ100mm、幅200mm、長さ350mmとし、反応管12内の処理空間50の大きさを、高さ10mm、幅150mm、長さ300mmとした。開口部27の開口面を、10mm×10mmの大きさを有する正方形とし、仕切り板28により形成された閉塞空間70の断面形状を、80mm×100mmの大きさを有する矩形形状とした。仕切り板28と反応管12との間に、1mmの隙間を設定した。
2 to 4, in this simulation, the size of the
また、空間60および処理空間50は、1気圧(1.01325×105Pa)の窒素ガスで満たされていることとした。反応管12の一方端12m側には、流速1m/sを有する1気圧の窒素ガスが流入するガス流入条件31を設定し、反応管12の他方端12n側には、ガスの自由な放出を許容するガス流出条件32を設定した。チャンバ11の表面および反応管12の表面には、これらの表面上でガスの流速がゼロとなるノースリップウォールの条件を設定した。
The
これらの条件設定のもと、処理空間50から開口部27を通過するガスの流量(図3中の矢印61に示す方向に流れるガスの流量)を、図2から図4に示すMOCVD装置の実施例と、図2から図4に示すMOCVD装置から仕切り板28を取り除いた場合の比較例との各々について算出した。結果、実施例では、開口部27を通過するガスの流量が、541mm3/sとなり、比較例では、開口部27を通過するガスの流量が、1229mm3/sとなった。この結果から、仕切り板28を設けることによって、開口部27を通過するガスの流量を、ほぼ0.44倍に低減できることを確認できた。
Under these condition settings, the flow rate of the gas passing through the opening 27 from the processing space 50 (the flow rate of the gas flowing in the direction shown by the
この発明の実施の形態1における半導体処理装置としてのMOCVD装置10は、処理室としてのチャンバ11と、処理対象物としての基板14が設置される内部空間としての処理空間50を規定し、チャンバ11内に配置される反応管12と、反応管12の外側に設けられ、反応管12内を観測する非接触センサとしてのパイロメータ25とを備える半導体処理装置である。処理空間50には、基板14を処理する反応ガスが流通する。反応管12には、パイロメータ25と基板14との間に位置して開口部27が形成されている。MOCVD装置10は、さらに、開口部27とパイロメータ25との間に位置して設けられ、開口部27を通じて処理空間50に連通する閉塞空間70を形成する仕切り板28を備える。
The
閉塞空間70は、1kPa以上の圧力を有する粘性流圧力域に設定されている。処理空間50では、基板14の処理面としての成長面14aに対して略平行に反応ガスが流れている。開口部27は、開口部27が処理空間50に開口する面が、反応ガスの流れ方向に略平行に延在するように形成されている。仕切り板28は、反応管12から処理空間50とは反対側に突出するように設けられている。
The
このように構成された、この発明の実施の形態1におけるMOCVD装置10によれば、仕切り板28を設けることによって、開口部27を通じた処理空間50からのガスの出入りが抑制される。このため、処理空間50のガス流れが大きく乱されるということがない。また、本実施の形態では、仕切り板28が処理空間50の外側に突出するように設けられているため、仕切り板28によって処理空間50のガス流れが乱されるということもない。このため、基板14の成長面14aに対して、所望の成膜処理を行なうことができる。
According to the
また、基板14で発せられた放射光は、開口部27を通過してパイロメータ25に達する。このため、反応管12の内壁12cに付着物15が生じていても、放射光の進行が付着物15によって遮られるということがなく、基板14の正確な温度を測定することができる。さらに、このパイロメータ25で得られた測定値をMOCVD装置10の制御部にフィードバックすることによって、温度やガス流量などの膜の成長条件を精緻に制御することできる。これにより、高品位な成膜処理を実現することができる。
Further, the emitted light emitted from the
なお、本実施の形態では、筒状の反応管12が水平に配置された筒形横型のMOCVD装置10について説明したが、これに限定されず、たとえば、円形横型の半導体処理装置に本発明を適用することもできる。この円形横型の半導体処理装置では、反応管が、互いに距離を隔てて上下に配置された2枚の円板から構成されている。基板は、下側の円板上に配置される。反応ガスは、上側の円板の中心付近から上下の円板間の空間に導入され、円板の半径方向に流れる間、基板を処理する。また、上下の円板間の空間に、反応ガスを円板の半径方向に案内する複数の仕切り部材が設けられていても良い。
In the present embodiment, the cylindrical
また、本実施の形態では、チャンバ11の外側にパイロメータ25を設けたが、これに限定されず、たとえば、基板14の成長面14a上に形成された膜厚を測定するためのエリプソメータを設けても良い。また、光学式の非接触センサに限られず、磁場式や電位差検出式等の非接触センサを設けても良い。また、非接触センサによる測定対象は、処理対象物である基板14に限られず、たとえば、反応管12の内壁12cの温度など、成膜制御に有用な対象であっても良い。
In the present embodiment, the
また、図1中のパイロメータ25が設けられた位置に、反応管12内における反応を促進させるため処理対象物である基板14に向けて光を照射する光照射部としての光源30が設けられていても良い。
1 is provided with a
図5は、図1中の2点鎖線Vで囲まれた位置を模式的に表わした断面図である。図5を参照して、図中には、基板14から発せられる放射光の光束が、円錐台形状の観測光束33として表わされている。開口部27の開口広さは、パイロメータ25の観測光束33の進行を妨げないように決定されていることが好ましい。
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a position surrounded by a two-dot chain line V in FIG. Referring to FIG. 5, in the figure, the luminous flux of the emitted light emitted from the
開口部27が円形に開口する場合を想定すると、開口部27の開口面の直径は、開口部27における観測光束33の直径以上に設定される。たとえば、レンズ径5mmを有し、測定距離200mmにおける測定径が2mmであるパイロメータ25が、基板14から200mm離れた位置に設置されており、基板14から開口部27までの距離が20mmであるとすると、開口部27における観測光束33の直径は、2.3mmとなる。この場合、開口部27の開口面の直径が2.3mm未満であると、付着物15によって透過性を失った反応管12により、観測光の一部が遮断される。したがって、パイロメータ25への入光量が減少し、測定精度が低下することを防ぐため、開口部27の開口面の直径を2.3mm以上に設定する。
Assuming that the
(実施の形態2)
図6は、この発明の実施の形態2におけるMOCVD装置を示す断面図である。本実施の形態におけるMOCVD装置は、実施の形態1におけるMOCVD装置10と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造についてはその説明を繰り返さない。
(Embodiment 2)
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an MOCVD apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. Compared with the
図6を参照して、本実施の形態では、閉塞空間70に筒状部材29が設けられている。筒状部材29は、開口部27を取り囲むように周方向に延在し、反応管12からチャンバ11に向かって延びている。筒状部材29は、反応管12の頂面12aに溶接等の手段により固定されている。筒状部材29は、反応管12から閉塞空間70に延出し、チャンバ11から離間した位置まで延びている。
With reference to FIG. 6, in the present embodiment, a
筒状部材29を設けることによって、開口部27を通過するガスの管路抵抗が増大する。これにより、開口部27を通過するガス流量が減少するため、処理空間50でガス流れに乱れが生じることをより効果的に抑えることができる。管路抵抗をより増大させるためには、筒状部材29の長さは、長い方が好ましく、筒状部材29の内径は、パイロメータ25の観測光束を遮らない範囲で小さい方が好ましい。
By providing the
なお、筒状部材29の断面形状は、真円に限られず、多角形もしくは曲線を含む形状であっても良い。また、筒状部材29は、その周方向の一部の範囲で切り欠かれた開口部を有していても良い。この場合、筒状部材の断面形状は、C形状となる。また、たとえば、筒状部材29が、矩形の断面形状を有し、溶接によって接合された4枚の板材から形成されていたとすると、板材間の接合部分に隙間が生じても良い。これらの場合にも、開口部27を通過するガスの管路抵抗を増大させる効果を、一定の割合で得ることができる。
The cross-sectional shape of the
また、筒状部材29を反応管12に固定する方法は、溶接に限定されず、締結や嵌合など様々な方法であっても良い。また、反応管12と筒状部材29との間に僅かな隙間が存在し得る固定方法であっても、開口部27を通過するガスの管路抵抗を増大させる効果を、同様に得ることができる。
The method of fixing the
このように構成された、この発明の実施の形態2におけるMOCVD装置によれば、実施の形態1に記載の効果と同様の効果を得ることができる。加えて、処理空間50からのガスの出入りが効果的に抑制され、さらに高品位な成膜処理を実現することができる。
According to the MOCVD apparatus in the second embodiment of the present invention configured as described above, the same effects as those described in the first embodiment can be obtained. In addition, the entry and exit of gas from the
(実施の形態3)
図7は、この発明の実施の形態3におけるMOCVD装置を示す断面図である。本実施の形態におけるMOCVD装置は、実施の形態1におけるMOCVD装置10と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造についてはその説明を繰り返さない。
(Embodiment 3)
FIG. 7 is a cross-sectional view showing an MOCVD apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. Compared with the
図7を参照して、本実施の形態におけるMOCVD装置は、処理空間50の圧力を検出する圧力センサ41と、閉塞空間70の圧力を検出する圧力センサ42と、閉塞空間70に接続され、閉塞空間70の圧力を調整する圧力調整機構36と、圧力調整機構36に電気的に接続され、圧力センサ41および42で検出された圧力値に基づいて、圧力調整機構36を制御する制御部35とをさらに備える。
Referring to FIG. 7, the MOCVD apparatus in the present embodiment is connected to
圧力センサ41および圧力センサ42は、それぞれ処理空間50および閉塞空間70に配置されている。圧力調整機構36は、所定の方向に伸縮自在な伸縮部37と、伸縮部37に設けられ、伸縮部37とともに閉塞空間70に連通する空間80を形成する可動部38とから構成されている。可動部38は、伸縮部37が伸縮する方向に移動可能に設けられており、可動部38が移動することによって、空間80の容積Vが変化する。
The
制御部35には、圧力センサ41の出力圧力値P1と、圧力センサ42の出力圧力値P2とが入力される。制御部35は、出力圧力値P1と出力圧力値P2とを比較し、P1>P2の場合には、空間80の容積Vを縮小させる方向に移動するように可動部38に信号を送り、P1<P2の場合には、空間80の容積Vを拡大させる方向に移動するように可動部38に信号を送る。結果、処理空間50と閉塞空間70との間で常時、圧力差が存在しないように、圧力調整機構36が制御される。
The
図8は、図7中のMOCVD装置の第1の変形例を示す断面図である。図8を参照して、本変形例では、圧力調整機構36が、閉塞空間70に連通する空間90を形成する容器45と、不活性ガス導入管46および不活性ガス排出管47を介して容器45に接続され、空間90の圧力P3を調整する不活性ガス吸排気部44とから構成されている。不活性ガス吸排気部44は、不活性ガス吸排気部44を制御する制御部35に電気的に接続されている。
FIG. 8 is a sectional view showing a first modification of the MOCVD apparatus in FIG. Referring to FIG. 8, in this modification, the
制御部35は、出力圧力値P1と出力圧力値P2とを比較し、P1>P2の場合には、不活性ガス導入管46を通じて不活性ガスを空間90に供給するように不活性ガス吸排気部44に信号を送る。これにより、空間90の圧力P3を増大させる。P1<P2の場合には、制御部35は、不活性ガス排出管47を通じて空間90から不活性ガスを吸引するように不活性ガス吸排気部44に信号を送る。これにより、空間90の圧力P3を減少させる。結果、処理空間50と閉塞空間70との間で常時、圧力差が存在しないように、圧力調整機構36が制御される。
The
図9は、図7中のMOCVD装置の第2の変形例を示す断面図である。図9を参照して、本変形例では、MOCVD装置が、2つの圧力調整機構36aおよび36bを備える。圧力調整機構36aは、閉塞空間70に連通する空間95を形成する容器52と、閉塞空間70と空間95とを結ぶ管路上に設置された調節バルブ53とから構成されている。同様に、圧力調整機構36bは、閉塞空間70に連通する空間96を形成する容器54と、閉塞空間70と空間96とを結ぶ管路上に設置された調節バルブ55とから構成されている。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a second modification of the MOCVD apparatus in FIG. Referring to FIG. 9, in the present modification, the MOCVD apparatus includes two
空間95の圧力P3aは、予測される圧力P1の変動内の最低圧力よりも若干低い値に設定されている。空間96の圧力P3bは、予測される圧力P1の変動内の最低圧力よりも若干高い値に設定されている。調節バルブ53および55は、制御部35に電気的に接続されている。
The pressure P3a in the
調節バルブ53および55は、通常、閉鎖した状態に保持されている。制御部35は、出力圧力値P1と出力圧力値P2とを比較し、P1>P2の場合には、調節バルブ55を開放するように信号を発信する。これにより、空間96の不活性ガスが閉塞空間70に流入し、圧力P2が高くなる。P1<P2の場合には、制御部35は、調節バルブ53を開放するように信号を発信する。これにより、閉塞空間70のガスが空間95に吸入され、圧力P2が低くなる。結果、処理空間50と閉塞空間70との間で常時、圧力差が存在しように、圧力調整機構36aおよび36bが制御される。
The regulating
このように構成された、この発明の実施の形態3におけるMOCVD装置によれば、実施の形態1に記載の効果と同様の効果を得ることができる。加えて、処理空間50からのガスの出入りが効果的に抑制され、さらに高品位な成膜処理を実現することができる。
According to the MOCVD apparatus in the third embodiment of the present invention configured as described above, the same effects as those described in the first embodiment can be obtained. In addition, the entry and exit of gas from the
なお、以上に説明した実施の形態1から3におけるMOCVD装置の構造を適宜、組み合わせて、別のMOCVD装置を構成しても良い。
Note that another MOCVD apparatus may be configured by appropriately combining the structures of the MOCVD apparatuses in
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
10 MOCVD装置、11 チャンバ、12 反応管、14 基板、20 材料ガス導入管、21 材料ガス排出管、22 材料ガス供給器、25 パイロメータ、27 開口部、28 仕切り板、29 筒状部材、30 光源、33 観測光束、36,36a,36b 圧力調整機構、41,42 圧力センサ、50 処理空間、70 閉塞空間。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
処理対象物が設置される内部空間を規定し、前記処理室内に配置される反応管と、
前記反応管の外側に設けられ、前記反応管内を観測する非接触センサとを備える半導体処理装置であって、
前記内部空間には、前記処理対象物を処理する反応ガスが流通し、
前記反応管には、前記非接触センサと前記処理対象物との間に位置して開口部が形成されており、さらに、
前記開口部と前記非接触センサとの間に位置して設けられ、前記開口部を通じて前記内部空間に連通する略閉塞空間を形成する仕切り部材を備える、半導体処理装置。 A processing chamber;
Defining an internal space in which the object to be treated is installed, and a reaction tube disposed in the processing chamber;
A non-contact sensor provided outside the reaction tube and observing the inside of the reaction tube;
In the internal space, a reaction gas for processing the processing object flows,
In the reaction tube, an opening is formed between the non-contact sensor and the processing object, and further,
A semiconductor processing apparatus, comprising: a partition member that is provided between the opening and the non-contact sensor and forms a substantially closed space that communicates with the internal space through the opening.
前記処理対象物は、前記供給口と前記排出口との間に配置される、請求項1に記載の半導体処理装置。 The reaction tube has a supply port through which a reaction gas is supplied to the internal space, and a discharge port through which the reaction gas is discharged from the internal space,
The semiconductor processing apparatus according to claim 1, wherein the processing object is disposed between the supply port and the discharge port.
前記開口部は、前記開口部の開口面における前記観測媒体の束の断面積以上の開口広さを有する、請求項1または2に記載の半導体処理装置。 An observation medium for observing the processing object is emitted in a bundle from the processing object toward the non-contact sensor,
3. The semiconductor processing apparatus according to claim 1, wherein the opening has an opening width equal to or larger than a cross-sectional area of the bundle of observation media on an opening surface of the opening.
前記略閉塞空間の圧力を検出する第2の圧力検出部と、
前記略閉塞空間の圧力を調整する圧力調整部とをさらに備え、
前記圧力調整部は、前記第1および第2の圧力検出部でそれぞれ検出された前記内部空間および前記略閉塞空間の圧力値に基づいて、前記内部空間および前記略閉塞空間の圧力差を減少させるように前記略閉塞空間の圧力を調整する、請求項1から4のいずれか1項に記載の半導体処理装置。 A first pressure detector for detecting the pressure in the internal space;
A second pressure detector for detecting the pressure in the substantially enclosed space;
A pressure adjusting unit that adjusts the pressure of the substantially enclosed space;
The pressure adjusting unit reduces a pressure difference between the internal space and the substantially enclosed space based on pressure values of the internal space and the substantially enclosed space respectively detected by the first and second pressure detection units. The semiconductor processing apparatus of any one of Claim 1 to 4 which adjusts the pressure of the said substantially enclosed space as follows.
前記非接触センサにより前記処理対象物を観測する、半導体処理方法。 A semiconductor processing method using the semiconductor processing apparatus according to claim 1,
A semiconductor processing method, wherein the processing object is observed by the non-contact sensor.
処理対象物が設置される内部空間を規定し、前記処理室内に配置される反応管と、
前記反応管の外側に設けられ、前記処理対象物に向けて光を照射する光照射部とを備える半導体処理装置であって、
前記内部空間には、前記処理対象物を処理する反応ガスが流通し、
前記反応管には、前記光照射部と前記処理対象物との間に位置して開口部が形成されており、さらに、
前記開口部と前記光照射部との間に位置して設けられ、前記開口部を通じて前記内部空間に連通する略閉塞空間を形成する仕切り部材を備える、半導体処理装置。 A processing chamber;
Defining an internal space in which the object to be treated is installed, and a reaction tube disposed in the processing chamber;
A semiconductor processing apparatus provided with a light irradiation unit that is provided outside the reaction tube and irradiates light toward the processing object;
In the internal space, a reaction gas for processing the processing object flows,
In the reaction tube, an opening is formed between the light irradiation unit and the processing object, and
A semiconductor processing apparatus, comprising: a partition member provided between the opening and the light irradiation unit and forming a substantially closed space communicating with the internal space through the opening.
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