JP2007329252A - 気相成長方法および気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気相成長装置の負担を軽減して、メンテナンスやパーツの交換頻度を抑えつつ、また、材料消費の無駄を少なくすることで、材料効率を高めながら、原子層成長を行なうことができる、気相成長方法および気相成長装置を提供する。
【解決手段】反応炉１内に保持された基板４に、複数種類の材料ガスを交互に供給し、基板４上に薄膜を形成する気相成長方法において、材料ガスを供給して気相成長させる各々の工程においては、その流量が曲波状に増減するように上記材料ガスを供給する。
【選択図】図１

Description

この発明は、気相成長方法および気相成長装置に関し、より特定的には、二種類以上の材料ガスを交互に供給する気相成長方法および気相成長装置に関する。

ＬＥＤや半導体レーザーの製造工程において、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）やトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）等の有機金属ガスと、アンモニア（ＮＨ_３）、ホスフィン（ＰＨ_３）、アルシン（ＡｓＨ_３）等の水素化合物を材料として化合物半導体薄膜を形成するＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相蒸着法）が用いられている。

ＭＯＣＶＤ法は、材料ガスを反応炉内に供給して加熱し、基板上で気相化学反応させることにより基板に薄膜を形成するものである。ＭＯＣＶＤ法を用いた半導体製造工程においては、成膜品質の向上、運用コストの低減、歩留まりと生産処理能力の最大化が強く求められている。

図６は、従来の一般的なＭＯＣＶＤ装置の概略図である。図６に示すように、従来のＭＯＣＶＤ装置においては、反応炉２１を貫通して、ガス供給部２２とガス排気部２３が設けられている。反応炉２１の内部には、基板２４を載置するサセプタ２５と、該サセプタ２５の下部に、基板２４を加熱するためのヒータ２６が設置されている。

また、ガス供給部２２に接続される配管には、その最前段に材料ガス源２７が接続されている。材料ガス源２７は、気相成長に必要な複数のガス種である材料ガスＡ、材料ガスＢ、材料ガスＣのそれぞれのソースが設置されたユニットとなっている。

材料ガスＡ、材料ガスＢ、材料ガスＣは、例えば、ＴＭＡやＴＭＧ等の有機金属ガスやアンモニアや、ホスフィン、アルシン等の水素化合物等のそれぞれ属性の異なるガスである。また、材料ガス源２７とガス供給部２２の中間部には、ガスの流量を調整するための流量調整手段２８が設置されている。その下流側には、供給するガスを反応炉２１側、またはパージライン３０側へ切り替える切り替えバルブ２９が設置されている。

流量調整手段２８は、複数のマスフローコントローラからなり、マスフローコントローラは使用する材料ガスの供給量を、プロセスの流量設定条件に応じて、それぞれ一定の流量値に設定するものである。流量調整手段２８として、材料ガスＡ、材料ガスＢ、材料ガスＣのそれぞれに対して、マスフローコントローラＭａ，Ｍｂ，Ｍｃが設置されている。

また、切り替えバルブ２９は、使用する複数の材料ガスを、個別に反応炉２１側とパージライン３０側とに切り替えるものである。切り替えバルブ２９は、電磁バルブＶａ〜Ｖｆを備えている。この電磁バルブＶａ〜Ｖｆは、反応炉２１側の供給配管を開ける電磁バルブＶａ〜Ｖｃと、パージライン３０側の導入配管を開ける電磁バルブＶｄ〜Ｖｆとの組合せとなるよう構成されている。

材料ガスＡの切り替え制御は電磁バルブＶａと電磁バルブＶｄとの組合せで行なわれ、材料ガスＢの切り替え制御は電磁バルブＶｂと電磁バルブＶｅとの組合せで行なわれ、材料ガスＣの切り替え制御は電磁バルブＶｃと電磁バルブＶｆとの組合せで行なわれる。たとえば、材料ガスＡおよび材料ガスＣを供給する場合には、電磁バルブＶａ，Ｖｃを開き、電磁バルブＶｄ，Ｖｆを閉じる。同時に、電磁バルブＶｂを閉じ、電磁バルブＶｅを開く。このように動作させることで、材料ガスを反応炉２１側へ供給するか、パージライン３０側へ排出するかが選択される。

また、ガス排気部２３に接続される配管は、パージライン３０に接続され、さらに、その最終段には、排ガス処理装置３１が設置されている。

基板成膜時においては、材料ガス源２７で発生した材料ガスが、流量調整手段２８、および切り替えバルブ２９を介して、ガス供給部２２から反応炉２１へ供給される。供給された材料ガスは、サセプタ２５の下部に設けられたヒータ２６により、サセプタ２５および基板２４と共に加熱され、基板２４の表面上での気相反応が促進される。これにより、基板２４の表面上に薄膜が形成される。

そして、基板２４を通過した材料ガスは、ガス排気部２３より、反応炉２１の外部に排出された後、パージライン３０へ流れる。一方、切り替えバルブ２９によって、パージライン３０側へ切り替えられた材料ガスも、同様に、パージライン３０を通り、それぞれが合流し、最終的に排ガス処理装置３１で除害処理される。

このような気相成長装置を用いた気相成長工程においては、原料ガスの切り替え前後でも、材料ガスを安定して供給するため、反応炉２１へ供給する必要がない材料ガスも次の供給のタイミングで安定して供給できるように、その材料ガスの大元の流れを止めるという行為は行なわず、一定の流量を維持させていた。反応炉２１へ供給しない材料ガスは、パージライン３０側に切り替え、廃棄していた。

このため、材料ガス源２７で使用される材料が無駄に消費され、気相成長工程におけるコストアップの要因となっていた。また、これが繰り返されることで、材料ガスの交換サイクルが短くなり、材料の交換作業回数が増えて、生産性が著しく低下するという課題があった。

このような課題に対処した気相成長装置が、特許文献１（特開平４−２９３１３号公報）に開示されている。この気相成長装置においては、１台の気相成長装置において、反応管を複数個設けている。気相成長工程の途中に一時的に不要となった材料ガスは、３方バルブ等の切り替えによって、タイミングをずらしながら、順次、他の反応管に供給している。これにより、材料ガスの供給の安定性を維持しつつ、材料の使用効率を向上させることを意図している。

ところで、ＭＯＣＶＤ法においては、複数種類の有機金属材料や、ドーピングに使用する不純物材料などの材料ガスを、反応炉２１へ同時に連続的に供給するため、反応炉２１内では複数種類の材料ガスが混在した状態で気相成長が行われることになる。

そのため、成膜後の基板上の結晶内部においては、複数種類の不純物が無秩序に取込まれ、結晶性が損なわれたり、ｐｎドープのドーピング量が低下することで、活性化率が減少し、半導体の性能が低下するという課題がある。それを解決する手段のひとつとして、複数種類の材料ガスの供給を、交互に切り替えを行いながら、原子層レベルで成膜を制御する原子層成長法（ＡＬＥ：Atomic Layer Epitaxy）という有効な手法の研究が進められている。

原子層成長法における気相成長工程では、複数の材料ガスを、単独で交互に反応炉２１に供給することで、気相成長のセルフリミットがかかり、純粋な原子層の膜が形成される。このサイクルを繰り返してゆくことによって、基板上により高品質な成膜が行われる。

もともと、この概念は１９７４年に提案されている。手法としてIII-Ｖ族化合物半導体に応用され始めた１９８５年以降、現在に至るまで、急速に、原子レベルで制御できる究極のエピタキシャル成長法として、活発な研究がなされてきている。

本方法は単に超薄膜結晶を成長できる方法というだけでなく、結晶成長機構そのものの解明の有力な手段となりつつある。このような原子層成長法に関連する気相成長装置を開示したものとして、特許文献２（特開２００２−７５８７９号公報）がある。

この気相成長装置においては、気相成長工程における不純物原料のドーピング時に複数種類の結晶原料と不純物原料とを、交互に切り替えている。各原料の供給においては、それぞれを近接したタイミングで、パルス状に供給することで、原子層成長を行っている。
特開平４−２９３１３号公報 特開２００２−７５８７９号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている気相成長装置においては、本来、パージライン３０に一時的に捨てようとするガスを、そのまま、他の反応管に供給し、利用するだけものである。そのため、少なくとも２系統以上の反応管において、複数のプロセスをあらかじめ切り替えタイミングを考慮したうえ、成長開始のタイミングをずらしてレシピを実行しなければならない。

また、それぞれの反応管で実施する成長レシピにおいて、同一条件とするか、少なくとも、材料ガスの切り替えタイミングおよび使用するそれぞれの材料ガスの流量が同じ条件でなければ整合が取れない。たとえ設定条件が同一であったとしても、現実の気相成長装置の制御においては、複数の反応管それぞれの内部の固有の環境状態(圧力、温度、流速分布等)に差がある。そのため、複数の反応管で同一の成膜を行なうことは困難であった。

このように材料ガスを有効利用するための条件が限定されるため、生産工程で使用するためのレシピの柔軟性や、信頼性に欠けるという問題があった。

また、特許文献２に開示されている気相成長装置においては、複数種類の材料ガスの切り替えを、パルス状に制御することで原子層成長方法を行なうものである。

これを図６を用いて説明すると、従来の気相成長装置における原子層成長においては、使用する複数種類の材料ガスのうち、まず１つの材料ガスがあるタイミングで切り替えバルブ２９により選択され、その選択された材料ガスが、単独で反応炉２１に供給される。このステップを、他の使用する材料ガスに対しても同様に行なうことで、原子レイヤーが１層形成される。

このサイクルを繰り返すことで、基板上に原子層レベルで結晶性の揃った薄膜が形成されていくことになる。成膜時においては、図６のように、ガス供給部２２に配管接続された材料ガス源２７より、材料ガスＡ、材料ガスＢ、材料ガスＣのそれぞれが、ある定められたタイミングにおいて、切り替えバルブ２９の開閉動作によって選択され、反応炉２１内へ供給される。

材料ガスの供給をパルス状に制御するためには、材料ガスそのものの発生を停止することは現実的でない。したがって、特許文献２には記載されていないが、図６に示すように、それぞれの材料ガスの配管には、材料ガスを反応炉２１側に供給する電磁バルブＶａ〜Ｖｃと、パージライン３０側に導入する電磁バルブＶｄ〜Ｖｆとを対となるように設置し、材料ガスの源の流量は、一定で固定したまま、対になった切り替えバルブの瞬間的な切替えによって、材料ガスの供給がパルス状にＯＮ、ＯＦＦするように制御する必要がある。

図７は、特許文献２の気相成長装置における原子層成長成膜時において、使用する複数の材料ガスの供給量変化の様子を示す概略図である。図７の横軸は、ガスを供給する時間あるいはタイミングを表し、縦軸は、材料ガスの供給量を示している。図７は、それぞれの材料ガスの供給が、一定のタイミングでパルス状に制御される様子を示す。また、図中の区間Ａは、特許文献２の気相成長装置における原子層成長の１サイクルの時間を示す。

また、図８は、図７における区間ＡをＴ０〜Ｔ１０にさらに細分し、各材料ガスの反応炉への供給のタイミングと、各電磁バルブＶａ〜Ｖｆの開閉状態を示す図である。この区間Ａに行なう動作においては、まず材料ガスＡが、Ｔ１〜Ｔ３のタイミングにおいて、最初に反応炉２１に供給され、同時に、材料ガスＢおよび材料ガスＣは、パージライン３０に導入されるよう、それぞれのバルブが瞬時に切り替えられる。この切り替えタイミングにおけるバルブの動作状態は、電磁バルブＶａが開、電磁バルブＶｂ，Ｖｃは閉、電磁バルブＶｄが閉、電磁バルブＶｅ，Ｖｆは開となる。

そして、材料ガスＡが、反応炉２１に一定時間供給された後、次にＴ４〜Ｔ６のタイミングにおいて、材料ガスＢが反応炉２１に供給される。同時に、材料ガスＡ、および材料ガスＣは、パージライン３０に導入されるよう、それぞれの電磁バルブが瞬時に切り替えられる。

この切り替えタイミングにおける切り替えバルブの動作状態は、電磁バルブＶｂが開、電磁バルブＶａ，Ｖｃは閉、電磁バルブＶｅが閉、電磁バルブＶｄ，Ｖｆは開となる。

そして、材料ガスＢが、反応炉２１に一定時間供給された後、今度はＴ７〜Ｔ９のタイミングにおいて、材料ガスＣが最初に反応炉２１に供給され、同時に材料ガスＡおよび材料ガスＢはパージライン３０に導入されるよう、それぞれの電磁バルブが瞬時に切り替えられる。

この切り替えタイミングにおける電磁バルブの動作状態は、電磁バルブＶｃが開、電磁バルブＶａ，Ｖｂは閉、電磁バルブＶｆが閉、電磁バルブＶｄ，Ｖｅは開となる。このように、複数の材料ガスの内ひとつが、反応炉２１へ供給されるとき、その他の材料ガスは、同時にパージライン３０へ導入されるよう、電磁バルブの瞬間的な開閉動作で制御される。

これにより、材料ガスが、それぞれ固有の供給タイミングにおいて、単独で反応炉２１に供給されることになる。このステップを、それぞれの材料ガスに対して同様に行い、これを１サイクルとして複数回繰り返すことで、基板上に、原子層レベルで結晶性の揃った薄膜が形成される。

しかしながら、この方法では、上述のように、材料ガスの切り替え時において、１サイクル中で、材料ガスＡの供給が終了し、他の材料ガスＢ、材料ガスＣが供給されている間、材料ガスＡは、次の供給タイミングで安定するよう、流量を一定に維持しておく必要がある。そのため、プロセス時に一時的に使用しない材料ガスであっても、一定の流量を保ったまま、パージライン３０側へ流し続ける必要があり、材料ガスを無駄に廃棄することになっていた。

また、材料ガスの切り替えは、複数の電磁バルブの開閉によって、瞬間的に行われるため、切り替え時のガス流量のオーバーシュートが発生しやすい。このとき、切り替える材料ガスが互いに干渉し合うことにより、反応炉２１内部での材料ガスの流速や濃度が不安定となるため、基板２４への成膜に悪影響を及ぼすという問題があった。

また、現在の原子層成長分野の研究課題でもあるが、原子層成長における１サイクル当たりの基板上の結晶成長は、現状、僅か数Å程度であるため、膜厚が数ミクロン以上必要となる半導体素子の成膜においては、少なくとも５０００〜１００００サイクル以上、成長時間に換算すると５〜１０時間程度必要となる。

特許文献２に記載の気相成長装置のように、パルス状に材料ガスの供給を制御するために、材料ガスの切り替え制御を行なう電磁バルブは、長時間に亙って連続的に、瞬間的な開閉動作を繰り返し続けることになる。通常の気相成長に比べ、電磁バルブなどのパーツに過剰なストレスが加わることとなり、気相成長装置の機能劣化や故障が発生し易くなるという問題があった。

さらには、気相成長装置に使用される電磁バルブの開閉動作の耐久回数は、一般的に高性能なものでも５０万〜１００万回程度といわれている。そのため、原子層成長の実使用時間においては、成長条件や使用環境にも左右されるが、僅か５０回〜１００回程度の成長回数で、パーツが消耗し、メンテナンス交換の必要性が発生することも考えられる。

このように、特許文献２のパルス状に材料ガスの供給を制御する気相成長装置においては、原子層成長が行なえるという利点の反面、ガスの消費量、およびメンテナンスやパーツ交換の頻度が高くなることで、装置の運用コストの増大や、生産性を大幅に悪化させるという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、気相成長装置の負担を軽減して、メンテナンスやパーツの交換頻度を抑えつつ、また、材料消費の無駄を少なくすることで、材料効率を良く、原子層成長を行なうことができる、気相成長方法および気相成長装置を提供することを目的とする。

この発明に基づいた気相成長方法に従えば、反応炉内に保持された基板に、複数種類の材料ガスを交互に供給し、上記基板上に薄膜を形成する気相成長方法であって、上記材料ガスを供給して気相成長させる各々の工程においては、その流量が曲波状に増減するように上記材料ガスが供給される。

この発明に基づいた気相成長装置に従えば、基板に、複数種類の材料ガスを交互に供給し、上記基板上に薄膜を形成する気相成長装置であって、反応炉と、該反応炉内に基板を保持する保持台と、上記基板上に材料ガスを供給するガス供給部と、上記ガス供給部から上記基板に供給する複数種類の材料ガスを発生させる材料ガス発生源と、上記材料ガス発生源と上記ガス供給部との間に配置され、上記材料ガス発生源から上記ガス供給部に供給されるそれぞれの材料ガスの流量を調節する流量調整装置とを備えている。上記流量調整装置は、上記材料ガス発生源から供給される複数種類の材料ガスを順次切り替えると共に、各工程において供給される上記材料ガスの流量が曲波状に増減するように調整する。

上記気相成長装置において、上記材料ガス発生源と上記流量調整装置との間には、上記ガス供給部から上記流量調整装置に供給されるそれぞれの材料ガスの流量を制限する第２の流量調整装置が設けられてもよい。

上記気相成長装置において、上記流量調整装置と上記第２の流量調整装置との間には、当該箇所の圧力が所定の圧力を超えないように調整する圧力調整装置が設けられていてもよい。

本発明に係る気相成長方法および気相成長装置によると、気相成長装置の負担を軽減して、メンテナンスやパーツの交換頻度を抑えつつ、また、材料消費の無駄を少なくすることで、材料効率を高めながら、原子層成長を行なうことができる。

以下、この発明に基づいた各実施の形態における気相成長方法および気相成長装置について、図を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態における気相成長装置の構造を示す概略図である。図１に示すように、本実施の形態の気相成長装置は、概略、材料ガスを発生させる材料ガス源７と、流量調整手段８と、反応炉１とを備えている。

反応炉１には、材料ガスを基板４に供給するガス供給部２と、反応後のガスを排出するガス排気部３が設けられている。反応炉１の内部には、被処理基板４を載置するサセプタ５が設けられ、該サセプタ５の下部には基板４を加熱するためのヒータ６が設置されている。

またガス供給部２に接続される配管の最前段には、材料ガス源７が接続されている。材料ガス源７は、原子層成長に必要な複数のガス種である材料ガスＡ、材料ガスＢ、材料ガスＣのソースが設置されたユニットである。

材料ガスＡ、材料ガスＢおよび材料ガスＣは、例えば、ＴＭＡやＴＭＧ等の有機金属ガスやアンモニアや、ホスフィン、アルシン等の水素化合物等のそれぞれ属性の異なるガスである。該材料ガス源７とガス供給部２との中間部には、ガスの流量を調整するための流量調整手段８が設置されている。

ガス排気部３に接続される配管はパージライン１０に接続され、パージラインの最終段には排ガス処理装置１１が設置されている。基板に成膜する工程においては、材料ガス源７から発生した材料ガスが、流量調整手段８を介して、ガス供給部２から反応炉１へ供給される。

材料ガスは、サセプタ５の下部に設けられたヒータ６により、サセプタ５および基板４と共に加熱され、基板４の表面上で、気相反応が促進され、基板４の表面上に薄膜が形成される。そして、基板４を通過した材料ガスはガス排気部３より、反応炉１の外部に排出され、パージライン１０を通り、排ガス処理装置１１で除害処理される。

図１では、反応炉１として、基板４の表面に対し、垂直方向に材料ガスを供給するものを用いているが、反応炉１の構造はこれに限定されるものではない。たとえば、反応炉を横方向に延びる筒状に構成し、その天井部または底部に基板を配置し、原料ガスを横向き（基板の表面と平行）に流すようなものであってもよい。

図１では、基板４をひとつのみ静止して配置した場合を示しているが、複数の基板４を配置するタイプの反応炉や、基板４を回転させながら反応させるものであってもよい。

図２は、本実施の形態の気相成長装置における原子層成長の成膜時において、使用する複数の材料ガスの供給量変化を示す概略図である。図２の横軸は、材料ガスを供給する時間またはタイミングを表し、縦軸は、材料ガスの供給量を示している。図２は、それぞれの材料ガスの供給が一定のタイミングで曲波状に制御される様子を示す。

ここで曲波状に制御するとは、図２に示すように、材料ガスの流量の増減を、少なくとも増加時および減少時において曲線の波状に変化させることを意味する。言い換えると、材料ガスの供給開始時は、曲線を描いて徐々に流量が増加し、材料ガスの供給終了時は、曲線を描いて徐々に流量が減少する状態を意味する。図２においては、材料ガスの流量が山状に増減する場合を示しているが、曲波状にはその頂点部分が平らな場合も含む。

また、図中の区間Ａは、本実施の形態の気相成長装置における原子層成長の１サイクルの時間を示す。図２に示すように、材料ガスＡ、材料ガスＢ、材料ガスＣが、それぞれ異なるタイミングで、且つ、流量が曲波状に変化しながら反応炉１へ供給されるよう、流量調整手段８によって制御されている。

流量調整手段８は、使用する複数の材料ガスの流量を、それぞれ個別に調整する手段を一括したユニットとなっており、たとえば、材料ガスＡ、材料ガスＢ、材料ガスＣの流量調整を直接担う、マスフローコントローラＰａ，Ｐｂ，Ｐｃがそれぞれ設置されている。それぞれのマスフローコントローラＰａ，Ｐｂ，Ｐｃは、図示しない制御器に接続され、制御器に制御されて後述する所定のタイミングで開閉し、原料ガスの流量を調整することができる。

制御器には、各マスフローコントローラの開閉を制御する制御信号を入力する手段およびそれを記憶する手段が接続されており、これらから制御器にマスフローコントローラの開閉を制御する情報が供給される。

また、図３は、図２における区間ＡをＴ０〜Ｔ１０にさらに細分した時の各材料ガスの反応炉１への供給のタイミングと、各マスフローコントローラＰａ，Ｐｂ，Ｐｃの設定流量の状態を示す図である。

このサイクル内における動作としては、まず、Ｔ０のタイミングにおいては、マスフローコントローラＰａ，Ｐｂ，Ｐｃの流量の設定値は０であり、材料ガスＡ、材料ガスＢ、材料ガスＣの供給量も０となっている。Ｔ１〜Ｔ３のタイミングにおいては、マスフローコントローラＰａの流量値が、０から次第に目標値に達し、そして、再び次第に０になるよう調整されることによって、材料ガスＡの流量が、曲波状に変化するように反応炉１に供給される。

このマスフローコントローラＰａが開である、すなわち設定値が０以上の状態においては、他の材料ガスＢ、材料ガスＣのそれぞれの流量調整手段であるマスフローコントローラＰｂ，Ｐｃの設定値は０となるようになっている。

その後、マスフローコントローラＰａの設定値が０となると、今度は、Ｔ４〜Ｔ６のタイミングにおいて、次に反応炉１に供給される材料ガスＢの流量が、曲波状に変化するように、マスフローコントローラＰｂの設定値が０から次第に目標値に達し、そして、再び次第に０になるよう調整される。

マスフローコントローラＰｂが開、すなわち設定値が０以上の状態においては、他の材料ガスＡ、材料ガスＣのそれぞれの流量調整手段であるマスフローコントローラＰａ，Ｐｃの設定値は０となるようになっている。

そして、マスフローコントローラＰｂの設定値が０となると、Ｔ７〜Ｔ９のタイミングにおいて、次に、反応炉１に供給される材料ガスＣの流量が、曲波状に変化するように、マスフローコントローラＰｃの設定値が同様に調整される。

マスフローコントローラＰｃが開、すなわち設定値が０以上の状態においては、他の材料ガスＡ、材料ガスＢのそれぞれの流量調整手段であるマスフローコントローラＰａ，Ｐｂの設定値は０となるようになっている。

このように、反応炉１へ供給する材料ガスの流量を調整するマスフローコントローラの設定値が０以上であるとき、その他の材料ガスの流量を、調整するマスフローコントローラの設定値は０となるよう制御されることで、使用する複数の材料ガスが、それぞれ固有の供給タイミングにおいて、単独で、反応炉１に供給されることになる。このステップを、それぞれの材料ガスに対して同様に行い、これを１サイクルとし、複数回繰り返すことで、基板上に、原子層レベルで結晶性の揃った薄膜が形成される。

なお、原子層成長においては、選択した材料ガスが反応炉１内で、できるだけ単独で存在することが望ましいが、実際には反応炉１に供給される材料ガスは、個々のマスフローコントローラの固体性能や配管長等によって、その切り替え時において多少重複する（複数種類の材料ガスが反応炉１内で重複して存在する）場合があってもかまわない。

また、本発明の装置において、窒素等の不活性ガスを反応炉1へ導入する配管を設け、材料ガスを交互に供給する間、不活性ガスを（少量）連続的に流し続けてもかまわない。これにより、反応炉１内部に堆積する付着物の発生を軽減させることが可能となる。

本実施の形態では、供給する材料ガスの供給を、電磁バルブの開閉によって、パルス状に変化させるのではなく、マスフローコントローラ等のような流量調整手段によって、曲波状に制御し反応炉１へ供給している。これにより、流量調整手段の各パーツへの負荷やストレスが少なくなる。これにより、各パーツの寿命を飛躍的に長くすることができ、パーツ交換のサイクルも延長することができる。

また、反応炉１内の材料ガスが、緩やかに交互に入れ替わることによって、オーバーシュートの影響が発生しにくくなり、切り替える材料ガスの相互の干渉が抑えられる。

また、本実施の形態においては、材料ガスの流量の増減を曲波状に制御することとしたので、各材料ガスの流量は緩やかに調整されながら入れ替わればよい。そのため、従来の気相成長装置のように、１サイクル中で、ある材料ガスの供給が終了し、他の材料ガスが供給されている間においても、次の供給サイクルに備えて、材料ガスの一定量を維持しておく必要がない。

これにより、パージライン１０に材料ガスを廃棄することなく、材料ガス源７で発生した材料ガスを全て反応炉１に供給することが可能となるため、材料ガスを無駄に消費することがなくなる。

なお、従来の気相成長装置における材料ガスの流量をパルス制御したものと、本実施の形態の曲波状に制御したものとは、原子層成長の本質としては、変わらないものである。本実施の形態の気相成長装置を用いた原子層成長の確認実験においても、従来の気相成長装置におけるパルス制御を用いたものと、何ら相違なく成長が行なえる事が成膜評価結果により確認できている。

上述したように、本実施の形態の気相成長方法および気相成長装置によると、パーツの消耗を抑え、装置に負担をかけずに、メンテナンスやパーツの交換頻度を抑えるだけでなく、材料消費の無駄をなくすことで、材料の利用効率を落とさずに原子層成長を行なうことができる。

（実施の形態２）
図４は、本実施の形態の気相成長装置の構造を示す概略図である。図４に示すように、本実施の形態の気相成長装置は、概略、材料ガスを発生させる材料ガス源７と、ガスの増減を制御する第２の流量調整手段１２と、圧力調整手段１４と、第１の流量調整手段１３と、反応炉１とを備えている。

反応炉１には、材料ガスを基板４に供給するガス供給部２と、反応後のガスを排出するガス排気部３が設けられている。反応炉１の内部には、被処理基板４を載置するサセプタ５が設けられ、該サセプタ５の下部には基板４を加熱するためのヒータ６が設置されている。

また、ガス供給部２に接続される配管においては、材料ガス源７と第２の流量調整手段１２との間には、材料ガス源７から第２の流量調整手段１２に供給されるそれぞれのガスを一定（固定）の流量に制限する第１の流量調整手段１３とが設置されている。

また、第２の流量調整手段１２と第１の流量調整手段１３との間には、第２の流量調整手段１２の配管前後の圧力差および第１の流量調整手段１３の配管前後の圧力差を調整する圧力調整手段１４が設置されている。

また、第２の流量調整手段１２に供給されるそれぞれのガスを一定（固定）の流量に制限する第１の流量調整手段１３はガス供給部２の近傍に設置されている。また、ガス供給部２に接続される配管の最前段には、材料ガス源７が接続されている。材料ガス源７は、原子層成長に必要な複数のガス種である材料ガスＡ、材料ガスＢ、材料ガスＣのソースが設置されたユニットとなっている。

そして、ガス排気部３に接続される配管は、パージライン１０に接続され、さらにその最終段には、排ガス処理装置１１が設置されている。

第２の流量調整手段１２は、使用する複数の材料ガスの流量を、個別に調整する手段を一括したユニットとなっており、材料ガスＡ、材料ガスＢ、材料ガスＣの流量調整を直接担うマスフローコントローラＰｄ，Ｐｅ，Ｐｆがそれぞれ設置されている。第２の流量調整手段１２に供給されるそれぞれのガスを一定（固定）の流量に制限する第１の流量調整手段１３は、第２の流量調整手段１２の後段に直列に設置され、材料ガスの流量を、個別に調整する手段を一括したユニットとなっている。

また、第２の流量調整手段１２に供給されるそれぞれのガスを一定（固定）の流量に制限する第１の流量調整手段１３には、材料ガスＡ、材料ガスＢ、材料ガスＣの流量調整を直接担うマスフローコントローラＰｇ，Ｐｈ，Ｐｉがそれぞれ設置されている。

ここで、第２の流量調整手段１２は、反応炉１へ供給する各材料ガスの流量の最大量を固定するためのものである。第１の流量調整手段１３は、第２の流量調整手段１２によって最大量が固定された範囲内で開度を調整することによって、反応炉１へ供給するガスの流量を曲波状に制御するものである。

これによって、第２の流量調整手段１２および第１の流量調整手段１３のそれぞれの役割機能を固定化することができるので、流量設定値に対する追従性と供給タイミングに対する追従性をより一層高められる。その結果、反応炉１へ供給する材料ガスの設定流量や供給タイミングに大きな変更があっても、不具合なく制御することができる。

図５は、図２における区間ＡをＴ０〜Ｔ１０に細分した時の各材料ガスの反応炉への供給のタイミングと、各マスフローコントローラの設定流量および開度の状態を示す図である。

ここで、第２の流量調整手段１２は、前述のように、反応炉１へ供給する各材料ガスの流量の最大量を固定するためのものであるため、マスフローコントローラＰｄ〜Ｐｆの設定流量は、固定値となっている。また、第１の流量調整手段１３は、第２の流量調整手段１２によって、最大量が固定された範囲内で、開度を調整することによって、反応炉１へ供給するガスの流量を、曲波状に制御するものであるため、マスフローコントローラＰｇ〜Ｐｉの開度は、随時変更されることになる。

このサイクル内における動作としては、まず、Ｔ０のタイミングにおいては、マスフローコントローラＰｇ，Ｐｈ，Ｐｉの開度の設定値が０％であり、材料ガスＡ、材料ガスＢ、材料ガスＣの供給量は０となっている。Ｔ１〜Ｔ３のタイミングにおいては、Ｐｇの開度が、０％から次第に１００％に達し、そして、再び次第に０％になるよう調整されることによって、材料ガスＡの流量が、曲波状に変化するように反応炉１に供給される。

このマスフローコントローラＰｇが開である、すなわち開度が０％以上の状態においては、他の材料ガスＢ、材料ガスＣのそれぞれの流量調整手段であるマスフローコントローラＰｈ，Ｐｉの開度は０％となるようになっている。

その後、マスフローコントローラＰｇが徐々に閉じられ、その開度が０％となると、今度は、Ｔ４〜Ｔ６のタイミングにおいて、次に反応炉１に供給される材料ガスＢの流量が、曲波状に変化するように、マスフローコントローラＰｈの開度が０％から次第に１００％に達し、そして、再び次第に０％になるよう調整される。

マスフローコントローラＰｈが開、すなわち開度が０％以上の状態においては、他の材料ガスＡ、材料ガスＣのそれぞれの流量調整手段であるマスフローコントローラＰｇ，Ｐｉの開度は０％となるようになっている。そして、マスフローコントローラＰｈの開度が０となると、Ｔ７〜Ｔ９のタイミングにおいて、次に、反応炉１に供給される材料ガスＣの流量が、曲波状に変化するように、マスフローコントローラＰｉの開度が同様に調整される。

マスフローコントローラＰｉが開、すなわち開度が０％以上の状態においては、他の材料ガスＡ、材料ガスＢのそれぞれの流量調整手段であるマスフローコントローラＰｇ，Ｐｈの開度は０％となるようになっている。

このように、反応炉１へ供給する材料ガスの流量を調整するマスフローコントローラの開度が０％以上であるとき、その他の材料ガスの流量を、調整するマスフローコントローラの開度は０％となるよう制御されることで、使用する複数の材料ガスが、それぞれ固有の供給タイミングにおいて、単独で、反応炉１に供給されることになる。

このステップを、それぞれの材料ガスに対して同様に行い、これを１サイクルとし、複数回繰り返すことで、基板上に、原子層レベルで結晶性の揃った薄膜が形成される。

また、圧力調整手段１４は、第２の流量調整手段１２の配管前後の圧力差および第１の流量調整手段１３ガスの配管前後の圧力差が、ある一定の限界値を超えないよう調整するものであり、材料ガスＡ、材料ガスＢ、材料ガスＣの配管部に、それぞれ圧力調整器Ｐｊ，Ｐｋ，Ｐｍが設置されたユニットから成る。

圧力調整器Ｐｊ、Ｐｋ、Ｐｍは、各材料ガス配管部の圧力調整を直接担うパーツであり、プレッシャーコントローラ、あるいは背圧弁等が用いられる。成膜時においては、材料ガス源７から発生した材料ガスが、第２の流量調整手段１２を通り、第１の流量調整手段１３を介して、材料ガス供給部２から反応炉１へ供給され、成膜が実行される。

このとき、材料ガスは、第２の流量調整手段１２によって、反応炉１へ供給する流量の最大量が設定されており、この流量範囲内で、第１の流量調整手段１３によって、バルブ開度を調整するので材料ガスの流量をより一層精度よく制御することができる。

また、マスフローコントローラ等の流量調整を行なうパーツにおいては、パーツの直前直後の圧力差を検知して、材料ガスの流量を調整する。そのため、バルブの開閉制御が可能な圧力範囲が、仕様で決められており、使用環境が、その範囲から外れる場合には制御が不安定になる。

このような流量調整を行なうパーツを、直列に接続する場合においては、反応炉１に供給しようとする材料ガスの供給量、あるいはバルブの開閉制御の速度が大きく変更されると、管内の圧力が変動し、マスフローコントローラの制御範囲を外れ、不具合が生じる可能性がある。

本実施の形態では、あらかじめ、圧力調整手段１４において、その圧力リミット値を、流量調整パーツの制御圧力範囲内で、望ましくは、余裕度を持たせて設定している。これにより、第１の流量調整手段１３の前後の圧力差が一定以上を超えると、配管内で加圧され始めた材料ガスを、圧力調整手段１４によりパージラインにバイパスすることで、管内の圧力が、マスフローコントローラの制御圧力範囲を外れることを、事前に防ぐことができる。

これによって、材料ガスの設定流量の大きな変更や供給タイミングの変更に左右されることなく、材料ガスの供給量を、より精度よく曲波状に制御することができるため、さらに高品質な成膜を行なうことが可能となる。

また、本実施の形態では、流量調整手段に用いるパーツとして、マスフローコントローラＰａ〜Ｐｉを用いているが、流量を調整できるものであれば、特に限定するものではない。さらに、第２の流量調整手段１２に用いるパーツ（マスフローコントローラＰｄ〜Ｐｆに相当）としては、ニードルバルブ等手動操作のものであってもよい。

図４において、第１の流量調整手段１３の下流側には交互切換えのために使用するバルブや分岐は設けていないが、メンテナンスや緊急排気用などの交互供給の目的外で使用するバルブや分岐を設けてもよい。

さらには、上記二つの実施の形態で用いる流量調整手段として、マスフローコントローラに代えて複数の開閉バルブを並列に設けたものを用いてもよい。この開閉バルブとしては、全開または全閉の二状態のみを取ることができ、また、全開時においてある所定の流量の原料ガスを通過させることができるものを用いる。

たとえば、図示しない１０個の開閉バルブＡ１〜Ａ１０を並列に設け、開閉バルブＡ１から順に開放していき、最終的には開閉バルブＡ１〜Ａ１０を全て開放する。この開閉バルブを開放するタイミングを制御することにより、供給される材料ガスの流量を実質的に曲波状に制御することができる。

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、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるのではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、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。

この発明に基づいた実施の形態１における気相成長装置の構造を示す概略図である。 この発明に基づいた実施の形態１における原子層成長の成膜時において、使用する複数の材料ガスの供給量変化を示す概略図である。 図２における区間ＡをＴ０〜Ｔ１０に細分した時の各材料ガスの反応炉への供給のタイミングと、各マスフローコントローラの設定流量の状態を示す図である。 この発明に基づいた実施の形態２における気相成長装置の構造を示す概略図である。 図２における区間ＡをＴ０〜Ｔ１０に細分した時の各材料ガスの反応炉への供給のタイミングと、各マスフローコントローラの設定流量および開度の状態を示す図である。 従来の気相成長装置の構造を示す概略図である。 特許文献２の気相成長装置における原子層成長成膜時において、使用する複数の材料ガスの供給量変化の様子を示す概略図である。 図７における区間ＡをＴ０〜Ｔ１０にさらに細分し、各材料ガスの反応炉への供給のタイミングと、各電磁バルブの開閉状態を示す図である。

符号の説明

１ 反応炉、２ ガス供給部、３ ガス排気部、４ 基板、５ サセプタ、６ ヒータ、７ 材料ガス源、８ 流量調整手段、１０ パージライン、１１ 排ガス処理装置、１２ 第２の流量調整手段、１３ 第１の流量調整手段、１４ 圧力調整手段、２１ 反応炉、Ｐａ〜Ｐｉ マスフローコントローラ、Ｐｊ，Ｐｋ，Ｐｍ 圧力調整器、Ｖａ〜Ｖｆ 電磁バルブ。

Claims (4)

1. 反応炉内に保持された基板に、複数種類の材料ガスを交互に供給し、前記基板上に薄膜を形成する気相成長方法であって、
   前記材料ガスを供給して気相成長させる各々の工程においては、その流量が曲波状に増減するように前記材料ガスが供給される、気相成長方法。
2. 基板に、複数種類の材料ガスを交互に供給し、前記基板上に薄膜を形成する気相成長装置であって、
   反応炉と、該反応炉内に基板を保持する保持台と、前記基板上に材料ガスを供給するガス供給部と、前記ガス供給部から前記基板に供給する複数種類の材料ガスを発生させる材料ガス発生源と、前記材料ガス発生源と前記ガス供給部との間に配置され、前記材料ガス発生源から前記ガス供給部に供給されるそれぞれの材料ガスの流量を調節する流量調整装置とを備え、
   前記流量調整装置は、前記材料ガス発生源から供給される複数種類の材料ガスを順次切り替えると共に、各工程において供給される前記材料ガスの流量が曲波状に増減するように調整する、気相成長装置。
3. 前記材料ガス発生源と前記流量調整装置との間には、前記材料ガス発生源から前記流量調整装置に供給されるそれぞれの材料ガスの流量を制限する第２の流量調整装置が設けられている、請求項２に記載の気相成長装置。
4. 前記流量調整装置と前記第２の流量調整装置との間には、当該箇所の圧力が所定の圧力を超えないように調整する圧力調整装置が設けられている、請求項３に記載の気相成長装置。

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