JP2007201098A - 気相成長装置および気相成長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被処理基板の表面に均一な膜厚で成膜を行なえる気相成長装置を提供する。
【解決手段】気相成長装置は、開口部１０を有し、筒状に形成された中間流路構成部材７と、開口部１０に配置された基板保持部材１２と、基板保持部材１２に接続されたサセプタ１３とを備える。中間流路構成部材７は、内面が平面状に形成された底板部８を含む。基板保持部材１２は、平面状の基板保持面１２ｃを有する。基板保持部材１２は、基板保持面１２ｃに形成され、被処理基板１１を配置するための基板配置凹部１２ａを含む。基板保持部材１２は、底板部８の内面よりも基板保持面１２ｃが外側になるように配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、気相成長装置および気相成長方法に関する。特に、被処理基板の表面に平行な方向に反応ガスが流れる横型の気相成長装置および気相成長方法に関する。

半導体装置の分野において、基板の表面に所望の膜を形成する成膜処理技術は、重要な製造技術の一つである。成膜処理技術の中で、ＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相蒸発法）は、光デバイスや高速デバイスなどの有用な化合物半導体の薄膜を形成することができる成膜処理技術として注目されている。

図１３に、従来の技術におけるＭＯＣＶＤ装置の概略断面図を示す。図１３に示す装置は、反応ガスが水平方向に流れるように形成された横型のＭＯＣＶＤ装置である。

この装置は、直方体状のチャンバ５１を備え、チャンバ５１を貫通する流路構成部材５５が形成されている。流路構成部材５５の一方の端には、ガス供給口５３が形成され、他方の端には、ガス排気口５４が形成されている。

流路構成部材５５のほぼ中央部には、円形の開口部６０が形成されている。開口部６０には、被処理基板５６を載置する基板保持部材５７と、基板保持部材５７を保持するサセプタ５８とが配置されている。サセプタ５８の下側には、被処理基板５６を加熱するためのヒータ５９が配置されている。流路構成部材５５の底板の内面と、基板保持部材５７の表面とは、同一平面状に形成されている。

被処理基板５６の主表面に成膜を行なう場合には、原料となる反応ガスがガス供給口５３から反応室５２の内部に投入される。反応ガスは、矢印８１に示すように、流路構成部材５５の内部を流れる。ヒータ５９を投入することにより、被処理基板５６が加熱され、被処理基板５６の表面で成膜化学反応が促進される。被処理基板５６の表面に薄膜が形成される。被処理基板５６の表面を通った反応ガスは、ガス排気口５４から排出される。

図１４に、特開２００３−２３４２９７号公報に開示されている気相成長装置の概略断面図を示す。この気相成長装置は、反応室５２と反応室５２に反応ガスを供給するガス供給系と、反応室５２から排出される排出ガスを処理するためのガス処理系とを有する。反応ガスは、矢印８２〜８４に示すように流れる。反応室５２の内部には、被処理基板１１と、被処理基板１１を加熱するためのヒータ５９とが配置されている。

被処理基板１１とヒータ５９との間には、ヒータ５９からの熱を被処理基板１１に伝えるための均熱板６１が配置されている。被処理基板１１と均熱板６１とはサセプタ６２によって支持されている。反応ガスがヒータ５９で加熱され、熱分解されることによって、被処理基板１１の表面に所望の膜が形成される。

図１５に、図１４におけるＣ部のうち、サセプタとウエハホルダとの境界部の拡大概略断面図を示す。被処理基板１１は、ウエハホルダ６３を介してサセプタ６２に支持されている。ウエハホルダ６３は、サセプタ６２に支持されている。

図１４および図１５を参照して、この気相薄膜成長装置においては、サセプタ６２の表面と被処理基板１１の面との段差が±１００μｍ以下であることが開示されている。この構成により、サセプタの表面と所望の膜が形成される被処理基板の面との段差において、反応ガスの流れの乱れを抑制することができ、被処理基板の成膜面上における反応ガスの流れの不均一性を抑制できると開示されている。

図１６に、特開平１１−６７６７０号公報に開示された気相成長装置の概略断面図を示す。この気相成長装置は、サセプタ６２を備え、サセプタ６２は、トレイ配置凹部６４を含む。被処理基板１１は、トレイ６５に配置されている。

この気相成長装置においては、トレイ配置凹部６４の内周面とトレイ６５の外周面との間に形成される隙間が、反応ガスの上流側よりも下流側が大きくなるように形成されている。すなわち、上流側隙間部分６０ａの隙間幅ａよりも、下流側隙間部分６０ｂにおける隙間幅ｂの方が大きくなるように形成されている。反応ガスは、矢印８５に示す向きに流れる。この構成により、トレイ配置凹部６４の内部から出る発生ガスを隙間幅の広い下流側隙間部分６０ｂから主として流出させることができ、発生ガスの影響を少なくして、高品位なウエハを形成することができると開示されている。
特開２００３−２３４２９７号公報 特開平１１−６７６７０号公報

ＭＯＣＶＤ法によって薄膜が形成されるとき、被処理基板の表面において、原料としての反応ガスが、極めて複雑なメカニズムで表面反応することが知られている。たとえば、被処理基板の表面に形成される薄膜は、被処理基板の温度、反応ガスの温度、流速、圧力、反応ガスに含まれる活性化学種の種類、または反応系における残留ガスなどの多くのパラメータに依存する。これらのパラメータが、被処理基板の表面における反応に寄与する。

このため、ＭＯＣＶＤ法において、これらのパラメータを制御して、所望の薄膜を形成することは難しいとされる。横型のＭＯＣＶＤ装置で、良質の結晶成長を行なうためには、被処理基板の近傍において、反応ガスの流速分布や温度分布が、空間的に一様でなければならない。このため、流路を構成する部材を、内部でガスの流れに渦や乱れが生じないように構成することが好ましい。または、反応ガスの流れが層流になるように、反応ガスの流し方や温度の制御の工夫が必要である。

被処理基板が基板保持部材に支持されている部分および基板保持部材と流路構成部材との境界部分は、部材が異なるため不連続的に形成される。したがって、これらの部分は、被処理基板の近傍の反応ガスの流れに関わって、薄膜形成に大きな影響を与える。

上記の特開２００３−２３４２９７号公報に開示された気相成長装置においては、サセプタの表面と、被処理基板の薄膜が形成される表面との段差については、反応ガスの流れの乱れを抑制するように考慮されている。しかし、被処理基板が保持されるウエハホルダの表面とサセプタの表面との段差については何ら考慮されていない。

図１５においては、サセプタ６２とウエハホルダ６３との間のＤ部に生じる段差については何ら考慮されていない。このため、たとえサセプタの表面と被処理基板の表面との間の段差が±１００μｍ以下であっても、サセプタの表面とウエハホルダの表面との段差が±１００μｍを超える場合があり、この段差の部分において反応ガスの流れに乱れが生じるという問題がある。

さらに、ウエハホルダは、回転機構により所望の速度で回転することが開示され、ウエハホルダとサセプタとの間には隙間が形成されていると認められる。しかしながら、この隙間には、何らの考慮もされておらず、反応ガスに乱れが生じるという問題がある。

特開平１１−６７６７０号公報に開示された気相成長装置においては、サセプタのトレイ配置凹部と被処理基板を保持するためのトレイとの間の隙間については考慮されている。しかし、サセプタの表面と被処理基板の表面とは同一の高さであると開示され、サセプタの表面とトレイの表面との段差については、何ら考慮されていない。この結果、反応ガスに乱れが生じる場合がある。反応ガスの流れに乱れが生じる結果、被処理基板の表面に形成される薄膜の膜厚が不均一になるという問題がある。

本発明は、被処理基板の表面に均一な膜厚で成膜を行なえる気相成長装置および気相成長方法を提供することを目的とする。

本発明に基づく気相成長装置は、開口部を有し、筒状に形成された流路構成部材を備える。上記開口部に配置され、被処理基板を保持するための基板保持部材を備える。上記基板保持部材に接続されたサセプタを備える。上記流路構成部材は、内面が平面状に形成された板部を含む。上記開口部は、上記板部に形成されている。上記基板保持部材は、平面状に形成された基板保持面を有する。上記基板保持部材は、上記基板保持面に形成され、上記被処理基板を配置するための基板配置凹部を含む。上記基板配置凹部は、上記被処理基板を上記基板配置凹部に配置したときに、上記基板保持面と上記被処理基板の処理面とが同一平面状になるように形成されている。上記基板保持部材は、上記流路構成部材の上記内面よりも上記基板保持面が外側になるように配置されている。

上記発明において好ましくは、上記基板保持部材は、上記基板保持部材と上記開口部との隙間が１．０ｍｍ以下になるように形成されている。

上記発明において好ましくは、上記基板保持部材は、上記基板保持部材と上記開口部との隙間が０．９ｍｍ以下になるように形成されている。

上記発明において好ましくは、上記基板保持部材は、上記基板保持部材と上記開口部との隙間が１．２ｍｍ以下になるように形成されている。

本発明に基づく気相成長方法は、開口部を有し、筒状に形成された流路構成部材と、上記開口部に配置され、被処理基板を保持するための基板保持部材と、上記基板保持部材に接続されたサセプタとを備え、上記流路構成部材は、内面が平面状に形成された板部を含み、上記開口部は、上記板部に形成され、上記基板保持部材は、平面状に形成された基板保持面を有し、上記基板保持部材は、上記基板保持面に形成され、上記被処理基板を配置するための基板配置凹部を含み、上記基板配置凹部は、上記被処理基板を上記基板配置凹部に配置したときに、上記基板保持面と上記被処理基板の処理面とが同一平面状になるように形成された気相成長装置を用いる気相成長方法である。気相成長方法は、上記基板保持部材と上記開口部との隙間を１．０ｍｍ以下にする工程と、上記基板保持面が上記流路構成部材の上記内面よりも４０μｍ以上外側に配置されることを目標にして上記基板保持部材の位置を調整する工程とを含む。

本発明に基づく気相成長方法は、開口部を有し、筒状に形成された流路構成部材と、上記開口部に配置され、被処理基板を保持するための基板保持部材と、上記基板保持部材に接続されたサセプタとを備え、上記流路構成部材は、内面が平面状に形成された板部を含み、上記開口部は、上記板部に形成され、上記基板保持部材は、平面状に形成された基板保持面を有し、上記基板保持部材は、上記基板保持面に形成され、上記被処理基板を配置するための基板配置凹部を含み、上記基板配置凹部は、上記被処理基板を上記基板配置凹部に配置したときに、上記基板保持面と上記被処理基板の処理面とが同一平面状になるように形成された気相成長装置を用いる気相成長方法である。気相成長方法は、上記基板保持部材と上記開口部との隙間を０．９ｍｍ以下にする工程と、上記基板保持面が上記流路構成部材の上記内面よりも外側に配置されることを目標にして上記基板保持部材の位置を調整する工程とを含む。

本発明に基づく気相成長方法は、開口部を有し、筒状に形成された流路構成部材と、上記開口部に配置され、被処理基板を保持するための基板保持部材と、上記基板保持部材に接続されたサセプタとを備え、上記流路構成部材は、内面が平面状に形成された板部を含み、上記開口部は、上記板部に形成され、上記基板保持部材は、平面状に形成された基板保持面を有し、上記基板保持部材は、上記基板保持面に形成され、上記被処理基板を配置するための基板配置凹部を含み、上記基板配置凹部は、上記被処理基板を上記基板配置凹部に配置したときに、上記基板保持面と上記被処理基板の処理面とが同一平面状になるように形成された気相成長装置を用いる気相成長方法である。気相成長方法は、上記基板保持部材と上記開口部との隙間を１．２ｍｍ以下にする工程と、上記基板保持面が上記流路構成部材の上記内面よりも外側に配置されることを目標にして上記基板保持部材の位置を調整する工程とを含み、上記調整する工程は、位置決め精度が±４０μｍ以内の測定機器を用いて行なう。

本発明によれば、被処理基板の表面に均一な膜厚で成膜を行なえる気相成長装置および気相成長方法を提供することができる。

（実施の形態１）
図１から図７を参照して、本発明に基づく実施の形態１における気相成長装置および気相成長方法について説明する。

図１は、本実施の形態における気相成長装置の概略断面図である。本実施の形態における気相成長装置は、内部を大気側と隔離して、内部の気密状態を維持するためのチャンバ１を備える。チャンバ１は箱型に形成されている。

チャンバ１の内部には、チャンバ１を横断するように、流路構成部材が配置されている。流路構成部材は、長手方向を有する。本実施の形態における流路構成部材は、上流側流路構成部材５、下流側流路構成部材６、および中間流路構成部材７を含む。流路構成部材は、チャンバ１を貫通するように形成されている。反応室２は、中間流路構成部材７によって形成されている。それぞれの流路構成部材は、矢印４３，４４に示すように、反応室２の内部に反応ガスを通すことができるように、筒状に形成されている。

本実施の形態において、上流側流路構成部材５、下流側流路構成部材６、および中間流路構成部材７は、それぞれの断面形状が四角形になるように形成されている。上流側流路構成部材５、下流側流路構成部材６、および中間流路構成部材７は、同軸上に配置されている。それぞれの流路構成部材は、端部同士が対向して、一直線状の反応ガスの流路を構成するように配置されている。

本実施の形態における気相成長装置は、反応ガスを供給するための反応ガス供給手段および反応ガスを処理するための反応ガス処理手段を含む。上流側流路構成部材５の一方の端部には、ガス供給口３が形成されている。ガス供給口３は、反応ガス供給手段に接続されている。

反応ガス供給手段は、反応ガスを所定の量で供給することができるように形成されている。反応ガス供給手段は、図示しない反応ガスのガスボンベや流量調整装置などを含む。

下流側流路構成部材６は、反応ガス処理手段に接続されている。下流側流路構成部材６の一方の端部には、ガス排気口４が形成されている。ガス排気口４は、反応ガス処理手段に接続されている。

チャンバ１は、上流側流路構成部材５が貫通する部分の周りに、パージガス導入口１７を有する。パージガス導入口１７は、矢印４５に示すように、チャンバ１の内部にパージガスを導入できるように形成されている。パージガス導入口１７は、図示しないパージガス導入手段に接続されている。

中間流路構成部材７と下流側流路構成部材６とは、端面同士が互いに離れて配置されている。チャンバ１の内部に導入されたパージガスは、矢印４６に示すように、中間流路構成部材７と下流側流路構成部材６との隙間を通って、下流側流路構成部材６に流入するように形成されている。本実施の形態においては、パージガスとして、反応ガスと同じガスが用いられている。

図２に、図１におけるＩＩ−ＩＩ線に関する矢視断面図を示す。中間流路構成部材７は、板部として平板状に形成された底板部８を含む。底板部８は、反応ガスの流路を構成する内面が平面状に形成されている。

中間流路構成部材７は、断面形状がコの字形に形成された天井部９を含む。底板部８と、天井部９によって囲まれる反応ガスの流路は、断面形状がほぼ長方形になるように形成されている。本実施の形態においては、反応ガスを流れる流路が直方体状になるように中間流路構成部材７が形成されている。

図１および図２を参照して、中間流路構成部材７の底板部８には、開口部１０が形成されている。本実施の形態における開口部１０は、中間流路構成部材７の長手方向におけるほぼ中央部に形成されている。開口部１０は、平面形状がほぼ円形になるように形成されている。

開口部１０には、被処理基板１１を保持するための基板保持部材１２が配置されている。基板保持部材１２と開口部１０との間には隙間が形成されている。本実施の形態における基板保持部材１２は、円柱状に形成されている。開口部１０と基板保持部材１２とは、同軸状に配置されている。基板保持部材１２は、平面状に形成された基板保持面１２ｃを有する。

基板保持部材１２は、基板保持面１２ｃに、被処理基板１１を載置するための基板配置凹部１２ａを有する。基板配置凹部１２ａは、被処理基板１１を基板配置凹部１２ａに配置したときに、基板保持面１２ｃと被処理基板１１の処理面とが同一平面状になるように形成されている。すなわち、基板保持面１２ｃと被処理基板１１の成膜面との間に段差が生じないように形成されている。基板配置凹部１２ａは、被処理基板１１の厚さとほぼ同じ深さになるように形成されている。本実施の形態における被処理基板１１は、円板状に形成されている。

基板保持部材１２は、サセプタ１３に固定されている。本実施の形態におけるサセプタ１３は、円柱状に形成されている。基板保持部材１２は、被処理基板１１が配置される側と反対側の表面に形成された嵌合部１２ｂを有する。嵌合部１２ｂは、表面から凹むように形成されている。サセプタ１３は、嵌合部１２ｂに挿入されている。

サセプタ１３は、ヒータ１５に固定されている。ヒータ１５は、サセプタ１３および基板保持部材１２を介して、被処理基板１１を加熱できるように形成されている。ヒータ１５は、支持棒１４に支持されている。

支持棒１４は、モータ１６に接続されている。支持棒１４は、モータ１６が駆動することにより、矢印４２に示す向きに、支持棒１４の中心軸を回転軸として回転可能に形成されている。本実施の形態における支持棒１４は、鉛直方向に延びるように形成され、鉛直方向に平行な回転軸で回転可能に形成されている。

支持棒１４は、図示しない昇降手段により、矢印４１に示すように、基板保持部材１２の高さ方向の位置を調整できるように形成されている。すなわち、流路構成部材の内面に対する基板保持部材１２の表面の高さが調整可能に形成されている。また、本実施の形態における気相成長装置は、被処理基板１１の自動搬送手段を備える（図示せず）。基板保持部材１２は、被処理基板１１の自動搬送が可能なように、上下方向に移動可能に形成されている。

基板保持部材１２は、被処理基板１１が配置される基板保持面１２ｃと垂直な方向に、回転軸を有するように形成されている。すなわち、被処理基板１１の処理面および基板保持部材１２の基板保持面１２ｃが同一平面内で回転するように形成されている。

モータ１６は、チャンバ１の外側に配置されている。本実施の形態における支持棒１４は、チャンバ１を貫通している。支持棒１４のチャンバ１を貫通する部分は、磁気シールなどの公知の方法によって、チャンバ１の内部の密閉が形成されている。

図３に、基板保持部材と中間流路構成部材の開口部との部分の拡大概略断面図を示す。本実施の形態における気相成長装置は、基板保持部材１２の基板保持面１２ｃが、中間流路構成部材の底板部８の内面よりも外側になるように配置されている。すなわち、底板部８の内面よりも基板保持部材１２の基板保持面１２ｃが凹むように配置されている。または、底板部８の内面と基板保持部材１２の基板保持面１２ｃとの間に、段差Ｔを有するように、基板保持部材１２が配置されている。この構成を採用することにより、被処理基板の処理面において、ガス流速の変化を小さくすることができ、被処理基板の表面に均一な成膜を行なうことができる。

基板保持部材１２と底板部８に形成された開口部１０との間には、隙間Ｄが形成されている。図２および図３を参照して、本実施の形態においては、基板保持部材１２と開口部１０との隙間Ｄは、基板保持部材１２の外周面に沿って一定になるように形成されている。

次に、本実施の形態における気相成長装置の効果を確認するための数値流体解析について説明する。

図４は、本実施の形態における数値流体解析のモデル図である。図５に、図４におけるＢ部の拡大図を示す。本実施の形態における数値流体解析モデルは、二次元断面モデルである。本実施の形態においては、特に薄膜の形成に影響を及ぼすと考えられる被処理基板の中央部よりも上流側に範囲を限定して解析を行なっている。

数値流体解析モデルにおいては、基板保持部材１２の基板保持面１２ｃと中間流路構成部材の底板部８の内面との段差をＴとする。また、中間流路構成部材の開口部１０と基板保持部材１２との間の隙間をＤとする。数値流体解析においては、段差Ｔまたは隙間Ｄを変更したときに、反応室の内部を流れるガスの流れを解析した。

境界条件において、この数値流体解析モデルのガス供給口２１には、矢印４７に示すように、ガスに速度Ｖ（ｍ／ｓ）の一定流速を与えている。被処理基板１１の中央部には、この数値流体解析モデルのガス排気口２２を定義している。ガス排気口２２においては、矢印４８に示すように、自然流出条件を設定している。基板保持部材１２と底板部８の開口部１０との間の経路の端部においては、矢印４９に示すように、自然流出条件を設定している。また、解析モデルの外側の環境は、大気圧としている。

本実施の形態における数値流体解析モデルにおいては、ガス供給口２１から開口部１０までの長さＬ１を１１０ｍｍに設定した。また、被処理基板１１の平面形状の円の中心から基板保持部材１２の側面までの長さＬ２を５５ｍｍに設定した。被処理基板１１の平面形状における円の半径の長さＬ３を２５ｍｍに設定した。また、基板保持部材１２と底板部８との間の隙間の長さＬ４を１０ｍｍに設定した。長さＬ４は、底板部８の内面から隙間の端部までの長さである。反応ガスの流路の高さは、長さＬ５が１２ｍｍになるように設定した。

数値流体解析においては、基板保持部材１２と底板部８との段差Ｔおよび隙間Ｄを変化させて、被処理基板の中央部における処理面から２０μｍ上側のガス流速を求めた。次に、得られたガス流速からガス流速変化率を以下のように定義した。次式に示すように、ガス流速変化率は段差Ｔが０μｍのときを基準としている。

ガス流速変化率（％）＝［１−（段差Ｔのガス流速）／（段差が０μｍのときのガス流速）］×１００ …（１）
本実施の形態においては、段差Ｔは、底板部の内面に対して基板保持部材が内側に配置されるときを正としている。段差Ｔは、中間流路構成部材の底板部よりも、基板保持部材の基板保持面が突出する側を正側としている。すなわち、基板保持部材の基板保持面が反応室の内部に侵入する側を正側としている。たとえば、図３においては、段差Ｔは負であり、図５においては、段差Ｔは正である。

本発明においては、段差の絶対値を「段差の大きさ」という。また、ガス流速変化率の絶対値を「ガス流速変化率の大きさ」という。たとえば、段差Ｔが−４０μｍのとき、および段差Ｔが４０μｍのときには、それぞれの段差Ｔの大きさは、４０μｍである。

図６に、反応ガスとして窒素を用いた場合の解析結果のグラフを示す。縦軸は、ガス流速変化率（％）を示し、横軸は、隙間Ｄ（ｍｍ）を示す。それぞれのグラフは、段差Ｔごとにガス流速変化率を求めている。

図６に示すように、隙間Ｄの大きさに関わらず、段差Ｔの大きさが大きくなるにつれて、ガス流速変化率の大きさが大きくなることがわかる。すなわち、段差Ｔの大きさが大きくなるにつれて、被処理基板の表面におけるガスの流れの乱れが大きくなることがわかる。

ここで、正方向に段差Ｔが増加する場合に比べて、負方向に段差Ｔが減少する場合の方が、ガス流速変化率の大きさは小さい。たとえば、隙間Ｄが１．５ｍｍのとき、段差Ｔが＋１２０μｍでガス流速変化率は約１３．６％である。これに対して、段差Ｔが−１２０μｍでは、ガス流速変化率は、−５．９％である。このように、段差Ｔの大きさが同じであっても、基板保持部材の基板保持面が流路構成部材の底板部の内面よりも外側に配置したときの方が、ガス流速変化率が小さいことがわかる。このように、段差Ｔを負にすることにより、被処理基板の表面における反応ガスの乱れを抑制することができる。

また、図６を参照して、隙間Ｄが小さくなるにつれて、ガス流速変化率は減少していく傾向がある。隙間Ｄが１．０ｍｍ場合、段差Ｔが正方向に増加していくときは、ガス流速変化率もそれに伴って増加していく。しかし、隙間Ｄが１．０ｍｍの場合、段差Ｔが負方向に減少する場合（段差Ｔが負であり大きさが大きくなる場合）には、ガス流速変化率は殆ど変わらない。このように、段差Ｔを負にして、隙間Ｄを１．０ｍｍ以下にすることによって被処理基板の処理面におけるガス流速変化率をほぼ一定にすることができる。すなわち、被処理基板の表面における反応ガスの乱れを抑制することができる。

本発明における気相成長装置においては、窒素の他に、主に水素やアンモニアなどの複数のガスが用いられる。次に、ガスの種類によるガス流速変化率の変化について解析を行なった。

図７に、ガスの種類を変えたときのガス流速変化率の解析結果を示す。縦軸がガス流速変化率（％）であり、横軸が段差Ｔ（μｍ）である。解析においては、隙間Ｄを１．０ｍｍとした。また解析に用いたガスとしては、窒素、水素、およびアンモニアガスを選定して行なった。

図７に示すように、それぞれのガスにおいて、段差Ｔの大きさを大きくするほどガス流速変化率の大きさが大きくなる。段差Ｔが正の場合には、ガスの種類による依存性が観察される。たとえば、段差Ｔがおおよそ＋１００μｍを超えると、窒素のガス流速変化率よりも水素のガス流速変化率の方がほぼ１％小さくなる。しかし、段差Ｔを負にした場合には、ガスの種類による依存性はほとんどない。このように、段差Ｔを負にすることにより、ガスの種類の依存性を小さくすることができ、安定した均一な薄膜形成を行なうことができる。

図１を参照して、本実施の形態における気相形成装置は、基板保持部材１２が、昇降手段により矢印４１に示す上下方向に移動可能に形成されている。基板保持部材１２の位置決め精度は、基板保持部材１２の昇降手段の精度に依存する。また、基板保持部材１２の移動距離が長くなればなるほど、所定の位置に基板保持部材１２を配置する精度は低下する。このため、基板保持部材１２の位置決めのばらつきに依存して、底板部８の内面に対する基板保持部材１２の基板保持面１２ｃの高さが変化する。

しかしながら、本実施の形態においては、段差Ｔが負になるように基板保持部材を配置しているため、位置決めのばらつきが生じても、段差Ｔが、負になるか、０になるか、または、正になっても０に近い範囲内の状態にすることができる。このため、ガス流速変化率を段差Ｔが０のときとほぼ同じにすることができ、被処理基板の成膜面に、均一な膜を気相成長させることができる。また、再現性に優れた気相成長装置を提供することができる。すなわち、同じ膜厚の薄膜を繰り返し複数の被処理基板に形成する場合に、膜厚のばらつきを小さくすることができる。

または、繰り返し複数の被処理基板に気相成長を行なうと、流路構成部材の底板部の内面および基板保持部材の基板保持面にも、たとえば、半導体膜の結晶が付着する。この付着物は、洗浄工程のエッチング処理などによって除去されるが、底板部や基板保持部材の材料によっては、このエッチング処理により、徐々に寸法が変化していく場合がある。

しかし、本実施の形態においては、底板部や基板保持部材の寸法が変化したとしても、段差Ｔが負になるように基板保持部材を配置しているため、反応ガスの流速の変化を小さく抑えることができる。したがって、このような場合においても、被処理基板の処理面に均一性に優れた膜を再現性よく成長させることができる。または、底板部や基板保持部材を交換したときのそれぞれの部材の加工精度のばらつきに依存する反応ガスの流速の変化を小さく抑えることができる。

本実施の形態における気相成長装置は、高温で気相成長を行なう。このため、それぞれの部材が熱膨張して、それぞれの部材の位置ずれが生ずる。気相成長装置の設計においては、この熱膨張を考慮して寸法が定められる。しかしながら、構成部材の実際の温度を予測することは難しく、昇温により流路構成部材と基板保持部材との位置ずれが生じる。または、異なる複数の温度域で薄膜が形成される場合には、それぞれの温度において、底板部や基板保持部材の位置が変化することは避けられない。しかしながら、温度による位置ずれによって段差Ｔが変化した場合においても、被処理基板の表面全体に亘って、均一な膜を気相成長させることができる。

このように、本実施の形態における気相成長装置は、流路構成部材や基板保持部材の位置の変化などに起因する段差の変化に対して、形成される膜厚のばらつきを吸収する効果を有する。この結果、被処理基板の表面に均一な膜厚の薄膜を気相成長させることができる。

本実施の形態における流路構成部材は、反応ガスの流路の断面形状が長方形になるように形成されているが、この形態に限られず、流路構成部材は反応ガスの流路が形成されていれば構わない。また、本実施の形態における基板保持部材は、円柱状に形成されているが、特にこの形態に限られず、任意の形状を採用することができる。

（実施の形態２）
図８から図１０を参照して、本発明に基づく実施の形態２における気相成長装置および気相成長方法について説明する。

本実施の形態においては、実施の形態１における気相成長装置の段差Ｔと隙間Ｄとが異なる。本実施の形態においては、被処理基板として半導体基板を用いる。また、半導体基板からレーザ素子を形成するための成膜を例に採り上げて説明する。

レーザ素子等の製造において、必要な機器の性能と製造工程におけるエッチングの精度から、形成される薄膜の膜厚は、設計値の膜厚±２％以内であることが必要になる。本発明において「±２％以内」とは、「−２％以上＋２％以下の範囲内」を示す。

段差Ｔを調整する工程において、測定機器としてレーザ変位計を用いると、図示しない位置決め機構で調整することにより、段差Ｔの位置決め精度の大きさを４０μｍ以下にできる。すなわち、調整後の段差Ｔを（目標値−４０μｍ）以上、かつ、（目標値＋４０μｍ）以下の範囲内に設定できる。隙間Ｄが１．０ｍｍ、段差Ｔの目標値０μｍとしたときに、膜厚の分布が±１％以内であった。この条件で解析を行なうと、ガス流速変化率は、１．５％となる。したがって、膜厚の分布が±２％以内であることを達成するためには、膜厚分布±１％の２倍の膜厚のばらつきがあることを考慮して、ガス流速変化率を２倍にする。すなわち、ガス流速変化率を±３％以内にすることで、膜厚分布を±２％以内にすることができる。

図８に、位置決め目標段差Ｔと、速度変化幅との関係を表わしたグラフを示す。このグラフは、図６に示した反応ガスを窒素とした場合の数値流体解析の結果から得ている。横軸の位置決め目標段差Ｔは、基板保持部材の位置を定める際の目標の段差を示す。

実際に、ブロックゲージや隙間ゲージなどを用いて流路構成部材に対する基板保持部材の位置決めを行なって、レーザ変位計で正確な段差を測定したところ、段差Ｔには、ほぼ±８０μｍのばらつきが生じていた。基板保持部材の位置決め精度を位置決め目標段差Ｔに対して、±８０μｍ以内と定めた。位置決め目標段差Ｔに対して、−８０μｍのガス流速変化率および、＋８０μｍのガス流速変化率を算出して、速度変化幅（％）を求めた。縦軸の速度変化幅（％）は、以下の式で与えられる。

速度変化幅（％）＝［（位置決め目標段差Ｔ＋８０）μｍのときのガス流速変化率］−［（位置決め目標段差Ｔ−８０）μｍのときのガス流速変化率］ …（２）
速度変化幅は、位置決め目標段差Ｔに対して、段差が±８０μｍ以内の範囲内でずれたときに、ガス流速変化率が変動しうる幅を示している。

図８を参照して、位置決め目標段差Ｔが負になるように設定を行なえば、速度変化幅を小さくできる。また、隙間Ｄを小さくすることにより、速度変化幅を小さくすることができる。ここで、隙間Ｄを１．０ｍｍ以下にして、位置決め目標段差Ｔを−４０μｍ以下にする（たとえば、位置決め目標段差Ｔを−５０μｍにする）ことで、速度変化幅を３％以下にすることができる。すなわち、ガス流量変化率の変動幅を±３％以内にすることができる。

図９に、流路構成部材と基板保持部材との間の隙間Ｄに対する速度変化幅のグラフを示す。横軸は、隙間Ｄを示し、縦軸は、位置決め目標段差から＋８０μｍおよび−８０μｍずれたときの速度変化幅を示している。このグラフにより、隙間Ｄを０．９ｍｍ以下として、さらに、位置決め目標段差Ｔを０μｍ以下にすることによって、速度変化幅を３％以下にすることができる。

このように、位置決め精度がほぼ±８０μｍであっても、上述の方法を採用することによって、基板保持部材の基板保持面の位置決め精度のばらつきによって生ずる反応ガスの流れの乱れを小さくすることができる。この結果、形成される薄膜の膜厚を、設計値の膜厚±２％以内にすることができる。

次に、図１０を参照して、高精度の測定機器を用いて、流路構成部材に対する基板保持部材の基板保持面の位置決めを行なった場合について説明する。

図１０は、高精度の測定機器を用いた場合の速度変化幅を示すグラフである。横軸は、隙間Ｄを示し、縦軸は速度変化幅を示す。レーザ変位計などの高精度の測定機器を用いて、基板保持部材の位置決めを行なった場合には、±４０μｍ以内の位置決め精度を得ることができる。位置決め目標段差Ｔに対して、−４０μｍのガス流速変化率および、＋４０μｍのガス流速変化率を算出して、速度変化幅を求めた。縦軸の速度変化幅は、以下の式で与えられる。

速度変化幅（％）＝［（位置決め目標段差Ｔ＋４０）μｍのときのガス流速変化率］−［（位置決め目標段差Ｔ−４０）μｍのときのガス流速変化率］ …（３）
図１０のグラフから、位置決め目標段差Ｔを０μｍ以下にして、隙間Ｄを１．２ｍｍ以下にすることで速度変化幅が３％以下になることを達成できる。

このように、位置決め精度を上げることによって、隙間Ｄを大きくしても、速度変化幅を小さくすることができ、均一な膜厚の成膜を行なうことができる。

その他の構成、作用、方法および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。

（実施の形態３）
図１１および図１２を参照して、本発明に基づく実施の形態３における気相成長装置および気相成長方法について説明する。本実施の形態における気相成長装置は、いわゆる円形横型の気相成長装置である。

図１１は、基板保持部材の部分の拡大概略平面図である。本実施の形態における気相成長装置は、ガス供給管３１を備える。気相成長装置の流路構成部材は、上側流路構成板３２と、下側流路構成板３３と、回転テーブル３４とを含む。上側流路構成板３２、下側流路構成板３３、および回転テーブル３４に囲まれる空間によって、反応ガスの反応室３６が形成されている。回転テーブル３４は、内面が平面状に形成された板部３７を含む。

ガス供給管３１は、矢印７１に示すように、反応室３６に向かって反応ガスを供給できるように形成されている。ガス供給管３１は、上側流路構成板３２に接続されている。ガス供給管３１は、上側流路構成板３２の表面に対して垂直に接続されている。上側流路構成板３２と回転テーブル３４の板部３７とは、表面同士が互いに平行になるように配置されている。

回転テーブル３４は、内部に複数の基板保持部材１２を有する。回転テーブル３４の表面には、開口部３５が形成され、それぞれの開口部３５に、基板保持部材１２が配置されている。基板保持部材１２は、円柱状に形成されている。基板保持部材１２の基板保持面１２ｃには、基板配置凹部が形成され、基板配置凹部に被処理基板１１が載置されている。基板保持部材１２は、サセプタ１３に支持されている。サセプタ１３は、ヒータ１５に支持されている。

図１２は、図１１におけるＸＩＩ−ＸＩＩ線に関する矢視断面図である。回転テーブル３４は、平面形状がほぼ円形になるように形成されている。回転テーブル３４は、矢印７４に示すように、鉛直方向に垂直な回転軸で回転可能に形成されている。基板保持部材１２は、矢印７３に示すように鉛直方向に垂直な回転軸で回転可能に形成されている。

図１１を参照して、本実施の形態においては、回転テーブル３４の平面形状の円の中心に向かって、矢印７１に示すように反応ガスが供給され、矢印７２に示すように、回転テーブル３４の側方に向かって反応ガスが流れる。反応室３６においては、矢印７２に示すように、外側に向かって水平方向に反応ガスが流れる。

本実施の形態における気相成長装置は、回転テーブル３４の板部３７が、流路を構成する一部分となるように形成されている。回転テーブル３４の板部３７の内面よりも基板保持部材１２の基板保持面１２ｃが外側になるように配置される。この構成を採用することにより、反応ガスの流れのばらつきを少なくすることができ、被処理基板に均一な膜厚の薄膜を形成することができる。

その他の構成、作用、方法および効果については、実施の形態１および２と同様であるのでここでは説明を繰り返さない。

上記の実施の形態に係るそれぞれの図面において、同一または相当する部分には、同一の符号を付している。

なお、今回開示した上記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。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を含むものである。

実施の形態１における気相成長装置の概略断面図である。 実施の形態１における気相成長装置を反応ガスの進行方向に垂直な面で切断したときの概略断面図である。 実施の形態１における流路構成部材と基板保持部材との隙間の部分の拡大断面図である。 実施の形態１における数値流体解析のモデル図である。 実施の形態１における数値流体解析のモデル図の流路構成部材と基板保持部材との隙間の部分の拡大図である。 実施の形態１における第１の解析結果を示すグラフである。 実施の形態１における第２の解析結果を示すグラフである。 実施の形態２における第１の解析結果を示すグラフである。 実施の形態２における第２の解析結果を示すグラフである。 実施の形態２における第３の解析結果を示すグラフである。 実施の形態３における気相成長装置の概略断面図である。 実施の形態３における気相成長装置の回転テーブルの概略平面図である。 従来の技術における第１の気相成長装置の概略断面図である。 従来の技術における第２の気相成長装置の概略断面図である。 従来の技術における第２の気相成長装置のウエハホルダの部分の拡大概略断面図である。 従来の技術における第３の気相成長装置の概略断面図である。

符号の説明

１ チャンバ、２ 反応室、３ ガス供給口、４ ガス排気口、５ 上流側流路構成部材、６ 下流側流路構成部材、７ 中間流路構成部材、８ 底板部、９ 天井部、１０ 開口部、１１ 被処理基板、１２ 基板保持部材、１２ａ 基板配置凹部、１２ｂ 嵌合部、１２ｃ 基板保持面、１３ サセプタ、１４ 支持棒、１５ ヒータ、１６ モータ、１７ パージガス導入口、１８ 段差、２１ ガス供給口、２２ ガス排気口、３１ ガス供給管、３２ 上側流路構成板、３３ 下側流路構成板、３４ 回転テーブル、３５ 開口部、３６ 反応室、３７ 板部、４１〜４９，７１〜７４，８１〜８５ 矢印、５１ チャンバ、５２ 反応室、５３ ガス供給口、５４ ガス排気口、５５ 流路構成部材、５６ 被処理基板、５７ 基板保持部材、５８，６２ サセプタ、５９ ヒータ、６０ 開口部、６０ａ 上流側隙間部分、６０ｂ 下流側隙間部分、６１ 均熱板、６３ ウエハホルダ、６４ トレイ配置凹部、６５ トレイ。

Claims (7)

1. 開口部を有し、筒状に形成された流路構成部材と、
   前記開口部に配置され、被処理基板を保持するための基板保持部材と、
   前記基板保持部材に接続されたサセプタと
   を備え、
   前記流路構成部材は、内面が平面状に形成された板部を含み、
   前記開口部は、前記板部に形成され、
   前記基板保持部材は、平面状に形成された基板保持面を有し、
   前記基板保持部材は、前記基板保持面に形成され、前記被処理基板を配置するための基板配置凹部を含み、
   前記基板配置凹部は、前記被処理基板を前記基板配置凹部に配置したときに、前記基板保持面と前記被処理基板の処理面とが同一平面状になるように形成され、
   前記基板保持部材は、前記流路構成部材の前記内面よりも前記基板保持面が外側になるように配置された、気相成長装置。
2. 前記基板保持部材は、前記基板保持部材と前記開口部との隙間が１．０ｍｍ以下になるように形成された、請求項１に記載の気相成長装置。
3. 前記基板保持部材は、前記基板保持部材と前記開口部との隙間が０．９ｍｍ以下になるように形成された、請求項１に記載の気相成長装置。
4. 前記基板保持部材は、前記基板保持部材と前記開口部との隙間が１．２ｍｍ以下になるように形成された、請求項１に記載の気相成長装置。
5. 開口部を有し、筒状に形成された流路構成部材と、
   前記開口部に配置され、被処理基板を保持するための基板保持部材と、
   前記基板保持部材に接続されたサセプタと
   を備え、
   前記流路構成部材は、内面が平面状に形成された板部を含み、
   前記開口部は、前記板部に形成され、
   前記基板保持部材は、平面状に形成された基板保持面を有し、
   前記基板保持部材は、前記基板保持面に形成され、前記被処理基板を配置するための基板配置凹部を含み、
   前記基板配置凹部は、前記被処理基板を前記基板配置凹部に配置したときに、前記基板保持面と前記被処理基板の処理面とが同一平面状になるように形成された、気相成長装置を用いる気相成長方法であって、
   前記基板保持部材と前記開口部との隙間を１．０ｍｍ以下にする工程と、
   前記基板保持面が前記流路構成部材の前記内面よりも４０μｍ以上外側に配置されることを目標にして前記基板保持部材の位置を調整する工程と
   を含む、気相成長方法。
6. 開口部を有し、筒状に形成された流路構成部材と、
   前記開口部に配置され、被処理基板を保持するための基板保持部材と、
   前記基板保持部材に接続されたサセプタと
   を備え、
   前記流路構成部材は、内面が平面状に形成された板部を含み、
   前記開口部は、前記板部に形成され、
   前記基板保持部材は、平面状に形成された基板保持面を有し、
   前記基板保持部材は、前記基板保持面に形成され、前記被処理基板を配置するための基板配置凹部を含み、
   前記基板配置凹部は、前記被処理基板を前記基板配置凹部に配置したときに、前記基板保持面と前記被処理基板の処理面とが同一平面状になるように形成された、気相成長装置を用いる気相成長方法であって、
   前記基板保持部材と前記開口部との隙間を０．９ｍｍ以下にする工程と、
   前記基板保持面が前記流路構成部材の前記内面よりも外側に配置されることを目標にして前記基板保持部材の位置を調整する工程と
   を含む、気相成長方法。
7. 開口部を有し、筒状に形成された流路構成部材と、
   前記開口部に配置され、被処理基板を保持するための基板保持部材と、
   前記基板保持部材に接続されたサセプタと
   を備え、
   前記流路構成部材は、内面が平面状に形成された板部を含み、
   前記開口部は、前記板部に形成され、
   前記基板保持部材は、平面状に形成された基板保持面を有し、
   前記基板保持部材は、前記基板保持面に形成され、前記被処理基板を配置するための基板配置凹部を含み、
   前記基板配置凹部は、前記被処理基板を前記基板配置凹部に配置したときに、前記基板保持面と前記被処理基板の処理面とが同一平面状になるように形成された、気相成長装置を用いる気相成長方法であって、
   前記基板保持部材と前記開口部との隙間を１．２ｍｍ以下にする工程と、
   前記基板保持面が前記流路構成部材の前記内面よりも外側に配置されることを目標にして前記基板保持部材の位置を調整する工程と
   を含み、
   前記調整する工程は、位置決め精度が±４０μｍ以内の測定機器を用いて行なう、気相成長方法。

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