JP2008153519A - Vapor deposition apparatus, and vapor deposition method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、気相成長装置および気相成長方法に関し、より特定的には、基板の表面に気相反応成長法を用いて膜を形成する気相成長装置および気相成長方法に関する。 The present invention relates to a vapor phase growth apparatus and a vapor phase growth method, and more particularly to a vapor phase growth apparatus and a vapor phase growth method for forming a film on a surface of a substrate using a vapor phase reactive growth method.
従来、基板の表面に気相反応成長法を用いて膜を形成する気相成長装置(以下、成膜装置ともいう)および気相成長方法(以下、成膜方法ともいう)が知られている(たとえば、非特許文献1参照)。非特許文献1では、MOCVD装置を用いてサファイア基板上に窒化ガリウム系半導体を成長させることが開示されている。また、上記のような成膜装置または成膜方法、あるいはこのような成膜方法により形成された膜の処理工程において、加熱方法としてランプやエキシマレーザを用いた加熱方法が利用されることも従来知られている(たとえば、特許文献1および特許文献2参照)。特許文献1では、非晶質半導体膜を結晶化させる装置において、複数のチャンバを連結し、1つのチャンバで成膜処理を行ない、次のチャンバで赤外線ランプによる加熱を行ない、その次のチャンバでエキシマレーザなどを用いた加熱を行なうことにより多結晶半導体膜を得ることが開示されている。また、特許文献2では、成膜装置であって、2つの連結されたチャンバを備え、第1のチャンバで基板を搭載する基板保持台に内臓されたヒータによって基板を加熱しながら当該第1のチャンバ内にジクロロシランガスを供給し、当該基板表面にジクロロシランの単分子層を形成する。その後、基板を第2のチャンバに移動して、当該第2のチャンバ内にてアンモニアガスを供給しながら基板保持台に内蔵されたヒータおよびエキシマランプを用いて基板を加熱する。こ結果、基板表面ではジクロロシラン分子とアンモニア分子とが反応し、窒化シリコンの単分子層が形成される。
非特許文献1に示したように窒化ガリウム系半導体を形成するときに、たとえばAlGaN膜の原料ガスとしてトリメチルガリウム(TMG)ガス、トリメチルアルミニウム(TMA)ガスおよびアンモニア(NH3)ガスを用いる。そして、窒化ガリウム系半導体を形成するために基板を加熱するときに、基板の周囲の雰囲気温度も上昇するが、この場合にTMAはアンモニアと気相反応を起こすことが知られている。この気相反応は、TMAとアンモニアとが結合してTMA−NH3の附加化合物を形成し、当該反応が気相において次々と起こり粒子状物質が形成されるというものである。このような気相反応が起きると、原料ガスにおけるTMA以外の有機金属も粒子上に堆積するため、原料ガスがこの気相反応に起因して消費され、基板表面での成膜が十分に行なえないという問題があった。
As shown in
このような気相反応の発生を抑制するため、原料ガスの流量を増加させたり、処理装置の反応容器(反応管)の圧力を下げたりすることで原料ガスの流速を上げることが有効である。一方で、形成される膜の品質を向上させるためには、成膜温度を高くする必要がある。そのため、上述のようなエキシマレーザなどを用いて基板表面を直接加熱し、基板表面での成膜温度を高める一方、基板全体への入熱量を抑制することで基板周囲の雰囲気の温度上昇を極力抑制するということも発明者は検討した。しかし、窒化ガリウム系半導体を形成する成膜装置では、基板が搭載された基板保持部材(サセプタ)と対向するチャンバの内周壁面の温度がサセプタからの輻射熱により上昇しやすいため、当該内周壁面に膜が成長する場合がある。このように膜が成長すると、基板保持部材と対向するチャンバの部分を石英などの透明部材によって構成していても、当該膜によってチャンバの上記部分が遮られ、結果的にエキシマレーザなどを基板に照射できず、また、放射温度計などを用いて基板表面の温度を測定することも困難になる。また、このようにチャンバの内周壁面に膜が成長すると、その膜の成長状態によってチャンバ内部の温度条件が影響を受けて変化する場合があった。この場合、基板上へ形成される膜の成膜条件が変わることになるので、基板上に成長する膜の膜質が劣化する場合があった。特に、窒化物の膜を形成する場合には成膜温度が1000℃以上となり、また、成長する膜の種類によっても成膜温度に差がある(たとえば、GaN膜やAlGaN膜であれば成膜温度は1000℃以上であり、InGaN膜であれば成膜温度は800℃程度である)。そのため、成膜温度の制御は形成される膜の膜質の管理にとり極めて重要である。 In order to suppress the occurrence of such a gas phase reaction, it is effective to increase the flow rate of the raw material gas by increasing the flow rate of the raw material gas or reducing the pressure of the reaction vessel (reaction tube) of the processing apparatus. . On the other hand, in order to improve the quality of the formed film, it is necessary to increase the film formation temperature. For this reason, the substrate surface is directly heated using an excimer laser as described above to increase the film forming temperature on the substrate surface, while suppressing the amount of heat input to the entire substrate to minimize the temperature rise in the atmosphere around the substrate. The inventor also examined the suppression. However, in a film forming apparatus for forming a gallium nitride based semiconductor, the temperature of the inner peripheral wall surface of the chamber facing the substrate holding member (susceptor) on which the substrate is mounted is likely to rise due to radiant heat from the susceptor. In some cases, a film grows. When the film grows in this way, even if the portion of the chamber facing the substrate holding member is made of a transparent member such as quartz, the portion of the chamber is blocked by the film, and as a result, excimer laser or the like is applied to the substrate. Irradiation is not possible, and it becomes difficult to measure the temperature of the substrate surface using a radiation thermometer or the like. Further, when a film grows on the inner peripheral wall surface of the chamber as described above, the temperature condition inside the chamber may be affected and change depending on the growth state of the film. In this case, since the film forming conditions of the film formed on the substrate are changed, the film quality of the film grown on the substrate may be deteriorated. In particular, when forming a nitride film, the film forming temperature is 1000 ° C. or more, and there is a difference in the film forming temperature depending on the type of film to be grown (for example, a film is formed for a GaN film or an AlGaN film). The temperature is 1000 ° C. or higher. In the case of an InGaN film, the film forming temperature is about 800 ° C.). Therefore, the control of the film formation temperature is extremely important for the management of the film quality of the formed film.
この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、この発明の目的は、優れた膜質の膜を形成することが可能な気相成長装置および気相成長方法を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a vapor phase growth apparatus and a vapor phase growth method capable of forming a film having excellent film quality. It is to be.
この発明に従った気相成長装置は、基板保持部材と反応容器と冷却部材と加熱部材とを備える。基板保持部材は、気相成長法により表面に膜が形成される基板を保持する。反応容器は、基板保持部材により保持される基板が内部に配置され、当該基板を観察するための透明窓部を有する。冷却部材は、透明窓部を冷却する。加熱部材は基板を加熱する。 A vapor phase growth apparatus according to the present invention includes a substrate holding member, a reaction vessel, a cooling member, and a heating member. The substrate holding member holds a substrate on which a film is formed by a vapor deposition method. In the reaction container, a substrate held by a substrate holding member is disposed inside, and has a transparent window for observing the substrate. The cooling member cools the transparent window. The heating member heats the substrate.
この場合、透明窓部が冷却部材によって冷却されるので、基板を加熱部材により加熱することで、基板の近傍の雰囲気温度が基板からの輻射熱によって上昇しても、当該透明窓部の内周表面の温度を成膜可能な温度の下限(成膜下限温度)より低い状態に保つことが出来る。このため、透明窓部の内周表面での膜の形成を抑制できる。 In this case, since the transparent window portion is cooled by the cooling member, even if the ambient temperature in the vicinity of the substrate rises by radiant heat from the substrate by heating the substrate by the heating member, the inner peripheral surface of the transparent window portion This temperature can be kept lower than the lower limit of the film forming temperature (the film forming lower limit temperature). For this reason, formation of the film | membrane on the inner peripheral surface of a transparent window part can be suppressed.
また、このように透明窓部の内周表面での膜の形成を抑制できるので、当該膜が形成されることによって反応容器の内部の成膜条件(たとえば温度条件など)が不安定になる可能性を低減できる。つまり、反応容器の内部の成膜条件を再現性よく安定させることができるので、結果的に形成される膜の膜質を向上させることができる。 In addition, since the formation of a film on the inner peripheral surface of the transparent window portion can be suppressed in this way, the film formation conditions (for example, temperature conditions) inside the reaction vessel may become unstable due to the formation of the film. Can be reduced. That is, since the film formation conditions inside the reaction vessel can be stabilized with good reproducibility, the film quality of the film formed as a result can be improved.
また、透明窓部の内周表面に膜が形成されないので、透明窓部を介して基板の表面温度などをパイロメータなどの測温装置によって測定することができる。そのため、成膜条件の制御性を向上させることができる。この結果、形成される膜の膜質を高品質に保つことが出来る。 In addition, since no film is formed on the inner peripheral surface of the transparent window portion, the surface temperature of the substrate can be measured by a temperature measuring device such as a pyrometer through the transparent window portion. Therefore, the controllability of the film forming conditions can be improved. As a result, the quality of the formed film can be kept high.
また、透明窓部を介して加熱部材によりエネルギー線を基板表面に照射することで、基板の表面を局所的に加熱することも可能になる。 In addition, it is possible to locally heat the surface of the substrate by irradiating the substrate surface with energy rays through the transparent window portion.
ここで、気相成長装置とは、膜を成長させるための成膜材料(原料)を気体(原料ガス)の状態で供給し、気体状態の当該原料から任意の方法で所定の膜を成長させる装置を意味し、たとえばCVD装置などの成膜装置が挙げられる。 Here, the vapor phase growth apparatus supplies a film forming material (raw material) for growing a film in a gas (raw material gas) state and grows a predetermined film from the raw material in a gaseous state by an arbitrary method. An apparatus means, for example, a film forming apparatus such as a CVD apparatus.
この発明に従った気相成長方法は、透明窓部を有する反応容器の内部に、気相成長法により表面に膜が形成される基板を準備する工程と、成膜工程とを備える。成膜工程では、透明窓部の温度が、基板の表面に形成される膜の成膜下限温度より低く、かつ、基板の表面温度が成膜下限温度以上の状態で、膜の原料ガスを基板の表面と対向する領域に供給する。 The vapor phase growth method according to the present invention includes a step of preparing a substrate on which a film is formed by a vapor phase growth method inside a reaction vessel having a transparent window, and a film formation step. In the film forming step, the temperature of the transparent window is lower than the film forming lower limit temperature of the film formed on the surface of the substrate and the substrate surface temperature is equal to or higher than the film forming lower limit temperature. Is supplied to a region facing the surface of the substrate.
この場合、透明窓部の温度を成膜下限温度以下にするので、基板を加熱部材により加熱することで、基板の近傍の雰囲気温度が基板からの輻射熱によって上昇しても、透明窓部の内周表面での膜の形成を抑制できる。 In this case, since the temperature of the transparent window portion is set to the film formation lower limit temperature or less, even if the ambient temperature in the vicinity of the substrate rises due to radiant heat from the substrate by heating the substrate with the heating member, Formation of a film on the peripheral surface can be suppressed.
また、このように透明窓部の内周表面での膜の形成を抑制できるので、当該膜が形成されることによって反応容器の内部の成膜条件(たとえば温度条件など)が不安定になる可能性を低減できる。つまり、反応容器の内部の成膜条件を再現性よく安定させることができるので、結果的に形成される膜の膜質を向上させることができる。 In addition, since the formation of a film on the inner peripheral surface of the transparent window portion can be suppressed in this way, the film formation conditions (for example, temperature conditions) inside the reaction vessel may become unstable due to the formation of the film. Can be reduced. That is, since the film formation conditions inside the reaction vessel can be stabilized with good reproducibility, the film quality of the film formed as a result can be improved.
また、透明窓部の内周表面に膜が形成されないので、透明窓部を介して基板の表面温度をパイロメータなどの測温装置によって測定することができる。そのため、成膜条件の制御性を向上させることができる。この結果、形成される膜の膜質を高品質に保つことが出来る。また、透明窓部の内周表面に膜が形成されないので、透明窓部を介して加熱部材によりエネルギー線を基板表面に照射することも可能になる。 In addition, since no film is formed on the inner peripheral surface of the transparent window, the surface temperature of the substrate can be measured by a temperature measuring device such as a pyrometer through the transparent window. Therefore, the controllability of the film forming conditions can be improved. As a result, the quality of the formed film can be kept high. Further, since no film is formed on the inner peripheral surface of the transparent window portion, it is possible to irradiate the substrate surface with energy rays through the transparent window portion by the heating member.
ここで、成膜下限温度とは、基板表面に形成されるべき膜の成膜が可能な温度の下限を意味する。たとえば、形成する膜がAlGaN膜である場合には、成膜下限温度は400℃である。 Here, the film formation lower limit temperature means the lower limit of the temperature at which the film to be formed on the substrate surface can be formed. For example, when the film to be formed is an AlGaN film, the film forming lower limit temperature is 400 ° C.
本発明によれば、透明窓部の内周表面での膜の形成を抑制できるので、反応容器の内部の成膜条件を安定させることができるため、形成される膜の膜質を向上させることができる。 According to the present invention, since the film formation on the inner peripheral surface of the transparent window can be suppressed, the film formation conditions inside the reaction vessel can be stabilized, so that the film quality of the formed film can be improved. it can.
次に図面を用いて、本発明の実施の形態および実施例について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。 Next, embodiments and examples of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
(実施の形態1)
図1は、本発明に従った気相成長装置の一例である処理装置の実施の形態1を示す断面模式図である。図2は、図1の線分II−IIにおける断面模式図である。図3は、図2の線分III−IIIにおける断面模式図である。図1〜図3を参照して、本発明に従った処理装置の実施の形態1を説明する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a first embodiment of a processing apparatus which is an example of a vapor phase growth apparatus according to the present invention. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along line III-III in FIG. A first embodiment of a processing apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS.
図1〜図3を参照して、処理装置1は、たとえばGaN系半導体膜を形成するためのOMVPE(Organo Metallic Vapor Phase Epitaxy)装置であって、石英などの透明部材からなる反応管3と、当該反応管3の反応管底壁11に配置され、処理対象物である基板7を保持するためのサセプタ5と、サセプタ5の裏面側に配置されたヒータ9とを備える。また、反応管3において、サセプタ5と対向する上壁である反応管上壁4は、外周側に位置する外周部材6と、内周側に位置する内周部材8とからなる。内周部材8は、当該外周部材6と間隔を隔ててほぼ平行に伸びるように形成されている。外周部材6と内周部材8との間の間隙には、冷却材10が流通可能になっている。
1 to 3, a
外周部材6と内周部材8との間の間隙には、図1の矢印20で示す原料ガスの流通方向での上流側に位置する入口16と、下流側に位置する出口17とが形成されている。また、当該間隙は、サセプタ5を覆うように、サセプタ5と平面的に重なるとともにサセプタ5の平面形状より大きい領域に延在するように配置されている。ここで、外周部材6および内周部材8はたとえば石英からなり、外周部材6の厚みは1mm、内周部材8の厚みは1mm、外周部材6と内周部材8の間の間隙の厚みは10mmとすることができる。
In the gap between the outer
外周部材6と内周部材8との間の間隙には、入口16から冷却材10が導入され、出口17から当該冷却材10が排出される。この冷却材10は、出口17から排出された後、反応管3の外部に配置された図示しない熱交換器に出口17から接続された配管を介して導入される。当該熱交換器においては、外周部材6と内周部材8との間の間隙にて、外周部材6および内周部材8から吸熱することにより温度が上昇した冷却材10が、外部の空気などと熱交換することにより冷却される。そして、冷却された冷却材10は、再び上記間隙へ入口16を介して還流される。冷却材10としては、従来公知の任意の液体または気体を用いることができる。また、熱交換器の構成としても、従来公知の任意の構成を用いることができる。
The
反応管3の反応管上壁4の外側であって、サセプタ5と対向する位置には測温部材13が配置されている。測温部材13は、基板7の表面温度を測定するものである。測温部材13としては、たとえばパイロメータなど非接触方式の温度計を用いることができる。また、測温部材13は制御部材15に接続されている。
A
また、反応管上壁4の内周部材8の内周表面の温度を測定するため、測温部材14が当該内周表面に接触するように配置されている。測温部材14としては、たとえば熱電対などを用いることができる。測温部材14も制御部材15に接続されている。
Further, in order to measure the temperature of the inner peripheral surface of the inner
制御部材15は、ヒータ9に接続されている。制御部材は、測温部材13からの温度データに基づいて、ヒータ9に供給される電力を制御する。この結果、基板表面の温度を所定の温度範囲に入るように制御することが出来る。たとえば、測温部材13により測定される温度データの目標値(あるいは目標数値範囲)を予め設定しておき、実際に測定された温度データがその目標値より高ければヒータ9に供給する電力量を小さくし、一方、実際に測定された温度データがその目標値より低ければヒータ9に供給する電力量を大きくするといった制御を制御部材15により行なうことができる。
The
また、矢印20で示す原料ガスの供給は、図示しないガス供給部材により行なわれる。ガス供給部材としては、従来公知の任意の構成の装置を用いることができる。たとえば、原料ガスを蓄積しているタンクと、当該タンクから反応管3へ原料ガスを移送する配管と、配管の経路途中に配置されたマスフローコントローラなどの流量制御部材および原料ガスの供給の開始/停止を制御するための弁などからガス供給部材は構成されていてもよい。
Further, the supply of the source gas indicated by the
次に、図4を参照しながら、本発明に従った気相成長方法の一例としての、図1〜図3に示した処理装置1を用いて基板7の表面に膜を形成する成膜方法を説明する。図4は、図1〜図3に示した処理装置を用いた成膜方法を説明するためのフローチャートである。
Next, referring to FIG. 4, a film forming method for forming a film on the surface of the
図4に示すように、本発明に従った成膜方法では、まず基板準備工程(S10)を実施する。基板準備工程(S10)では、反応管3の内部においてサセプタ5上に基板7を配置する。その後、反応管3の内部の雰囲気の圧力を所定の値に制御する。このような圧力の制御は、反応管3に接続された図示しない圧力調整部材によって行なうことができる。このような圧力調整部材は、従来公知の任意の構成を採用することができる。たとえば、圧力調整部材として、反応管3に接続された配管、当該配管に接続された排気ポンプ、配管の経路上に配置された開閉弁などからなる装置を用いることができる。
As shown in FIG. 4, in the film forming method according to the present invention, first, a substrate preparation step (S10) is performed. In the substrate preparation step (S 10), the
次に、冷却工程を開始する(S20)。具体的には、反応管上壁4の外周部材6と内周部材8との間の間隙に冷却材10を流通させ、反応管上壁4の冷却を開始する。この結果、反応管上壁4を、所定の温度(たとえば、有機金属が分解する温度である200℃以下の所定の温度)にすることができる。
Next, a cooling process is started (S20). Specifically, the
また、上記冷却工程の開始(S20)と同時または当該工程(S20)の開始後に、サセプタ加熱工程を開始する(S30)。具体的には、制御部材15からヒータ9への電力の投入を開始することにより、ヒータ9からの発熱を開始して、サセプタ5および当該サセプタ5を介して基板7を加熱する。また、サセプタ加熱工程を開始(S30)すると同時に、測温部材13による基板7の表面温度の測定も開始する。測温部材13により測定された基板7の表面温度データは、制御部材15に入力される。また、測温部材14による反応管上壁4の内周部材8の温度の測定も開始する。測温部材14により測定された内周部材8の内周表面温度も制御部材15に入力される。
Further, the susceptor heating step is started (S30) simultaneously with the start of the cooling step (S20) or after the start of the step (S20). Specifically, by starting to apply power from the
次に、温度条件が所定の条件を満足しているかどうかを確認する確認工程(S40)を実施する。具体的には、測温部材14により測定される内周部材8の表面温度が、基板7の表面に形成される膜の成膜下限温度より低く、かつ、測温部材13により測定される基板7の表面温度が上記成膜下限温度より高いという条件を満足するかどうかを確認する。この確認工程(S40)において、上述した条件を満足しないと判断された場合(NOと判断された場合)、再度確認工程(S40)が実施される。
Next, a confirmation step (S40) for confirming whether or not the temperature condition satisfies a predetermined condition is performed. Specifically, the surface temperature of the inner
一方、この確認工程(S40)で、上述した条件を満足すると判断された場合(YESと判断された場合)、成膜工程(S50)が実施される。具体的には、図示しないガス供給部材により反応管3の内部に、形成されるべき膜の原料となる原料ガスが流される。この原料ガスが基板7の表面で反応することにより、所定の膜を基板7の表面に成膜することができる。また、このとき、反応管上壁4は冷却材10によって冷却されているので、反応管上壁4の内周部材8の内周表面には膜が形成されることはない。このため、反応管上壁4を介して測温部材13により基板7の表面温度を正確に測定できる。そして、測温部材13の測定結果に基づいてヒータ9を制御することにより、結果的に基板7の表面温度の制御精度を高めることができる。この結果、成膜条件の再現性が高まり、形成される膜を利用したデバイス(発光素子など)の歩留りが向上する。
On the other hand, when it is determined in the confirmation step (S40) that the above-described conditions are satisfied (when YES is determined), a film formation step (S50) is performed. Specifically, a raw material gas serving as a raw material for a film to be formed is caused to flow inside the
また、成膜工程(S50)を実施しているときに、定期的に上記確認工程(S40)を実施してもよい。この場合、確認工程(S40)で上述した温度条件を満足しないと判断された場合には、成膜工程を停止する、および/またはヒータ9への電力投入量を調整したり、冷却材10の流量や温度設定を変更したりすることにより、温度条件が所定の条件を満足するような制御を行なう。また、当該確認工程(S40)で上述した温度条件を満足すると判断される場合には、成膜工程を続行する。
Further, when the film forming step (S50) is being performed, the confirmation step (S40) may be periodically performed. In this case, if it is determined in the confirmation step (S40) that the temperature condition described above is not satisfied, the film formation step is stopped and / or the amount of power input to the
次に、図5〜図9を参照して、図1〜図3に示した処理装置の変形例を説明する。図5〜図9は、図1〜図3に示した本発明による処理装置の実施の形態1の第1〜第5の変形例を説明する断面模式図である。なお、図5〜図8は図3に対応し、図9は図1に対応する。 Next, a modification of the processing apparatus shown in FIGS. 1 to 3 will be described with reference to FIGS. 5 to 9 are schematic cross-sectional views illustrating first to fifth modifications of the first embodiment of the processing apparatus according to the present invention shown in FIGS. 5 to 8 correspond to FIG. 3, and FIG. 9 corresponds to FIG.
図5を参照して、図1〜図3に示した本発明による処理装置の実施の形態1の第1の変形例を説明する。図5に示した処理装置は、基本的に図1〜図3に示した処理装置と同様の構成を備えるが、反応管上壁4の外周部材6と内周部材8との間に形成された間隙への入口16と出口17との配置が図1〜図3に示した処理装置1とは異なっている。つまり、図5に示した処理装置では、入口16および出口17が、それぞれ反応管3での原料ガスの流通方向(図1の矢印20で示した方向)と交差する方向(具体的には直交する方向)に面するように配置されている。このようにしても、図1〜図3に示した処理装置と同様の効果を得ることができる。なお、図5に示した処理装置では、入口16および出口17が直線上に並ぶように配置されているが、入口16および出口17の配置は他の配置でもよい。たとえば、原料ガスの流通方向に交差する方向において、入口16と出口17とが重ならないように(シフトして)配置されていてもよい。
With reference to FIG. 5, a first modification of the first embodiment of the processing apparatus according to the present invention shown in FIGS. 1 to 3 will be described. The processing apparatus shown in FIG. 5 basically has the same configuration as the processing apparatus shown in FIGS. 1 to 3, but is formed between the outer
図6を参照して、図1〜図3に示した本発明による処理装置の実施の形態1の第2の変形例を説明する。図6に示した処理装置は、基本的に図1〜図3に示した処理装置と同様の構成を備えるが、反応管上壁4の外周部材6と内周部材8との間に形成された間隙の内部に複数の壁部19が形成されている点が異なる。この壁部19は、冷却材10の流路を屈曲させて当該間隙の内部をくまなく冷却材10が流通するように形成されている。具体的には、複数の壁部19は、入口16から出口17に向かう方向に対して交差する方向(直交する方向)に延びるように形成されている。また、複数の壁部19は、入口16から出口17に向かう方向において互いに間隔を隔てて並ぶように配置されている。さらに、複数の壁部19は、入口16から出口17に向かう方向に対して交差する方向において対向するように配置される反応管上壁4の2つの側壁から、延びるように配置されている。さらに、複数の壁部19は、入口16から出口17に向かう方向において、上記2つの側壁から延びる壁部19が交互に配置されている。この結果、冷却材10の流路は複数の屈曲部を有する(ジグザグ状の)形状となる。このようにしても、図1〜図3に示した処理装置と同様の効果を得ることができる。さらに、反応管上壁4の間隙内部を冷却材10がまんべんなく流れるので、反応管上壁4をより均一に冷却することができる。
With reference to FIG. 6, the 2nd modification of
次に、図7を参照して、図1〜図3に示した本発明による処理装置の実施の形態1の第3の変形例を説明する。図7に示した処理装置は、基本的に図5に示した処理装置と同様の構成を備えるが、図6に示した処理装置と同様に、反応管上壁4の外周部材6と内周部材8との間に形成された間隙の内部に複数の壁部19が形成されている点が異なる。図7に示した処理装置では、壁部19は原料ガスの流れる方向(図1の矢印20で示す方向)とほぼ平行に延びるように形成されている。また、図7に示した処理装置では、反応管上壁4の側壁と接触しない(独立した)壁部19と、当該側壁から延びるように形成された壁部19とが、入口16から出口17に向かう方向において間隔を隔てて並ぶように配置されている。このような構成によっても、図6に示した処理装置と同様の効果を得ることができる。
Next, with reference to FIG. 7, the 3rd modification of
次に、図8を参照して、図1〜図3に示した本発明による処理装置の実施の形態1の第4の変形例を説明する。図8に示した処理装置は、基本的に図6に示した処理装置と同様の構成を備えるが、入口16と出口17の配置が図6に示した処理装置とは逆になっている点が異なる。この場合、図6に示した処理装置では反応管上壁4の間隙に流れる冷却材10は、反応管3内での反応ガスの流通方向の上流側から下流側に向かって流れることになるのに対して、図8に示した処理装置では、冷却材10の流れる方向が反応ガスの上記流通方向の下流側から上流側に向かう方向となる。このような構成によっても、図6に示した処理装置と同様の効果を得ることができるとともに、反応管3内部の温度条件が原料ガスの流れ方向でより均一化することにより、形成される膜の膜質や膜厚をより均一化できる。
Next, with reference to FIG. 8, the 4th modification of
次に、図9を参照して、図1〜図3に示した本発明による処理装置の実施の形態1の第5の変形例を説明する。図9に示した処理装置は、基本的に図1〜図3に示した処理装置と同様の構成を備えるが、反応管上壁4の冷却方法が異なっている。すなわち、図9に示した処理装置1では、反応管上壁4の外周表面に接触するように透明部材からなる接触部材23が配置されている。接触部材23の端部には冷却部24が配置されている。冷却部24としては、接触部材23の熱を除去できれば任意の構成を用いることができる。たとえば、冷却部24としてペルチェ素子や、内部に冷却材の流通路が形成された冷却体などを用いることができる。この接触部材23と冷却部24とから固体冷却部材22が構成されている。このような構成の処理装置1によっても、図1〜図3に示した処理装置と同様の効果を得ることができる。また、図9に示した処理装置1では、図1〜図3に示した処理装置よりも反応管上壁4の構成を簡略化できる。
Next, with reference to FIG. 9, the 5th modification of
(実施の形態2)
図10は、本発明に従った気相成長装置の一例である処理装置の実施の形態2を示す断面模式図である。図10を参照して、本発明に従った処理装置の実施の形態2を説明する。
(Embodiment 2)
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing a second embodiment of a processing apparatus which is an example of a vapor phase growth apparatus according to the present invention. A second embodiment of the processing apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG.
図10を参照して、処理装置1は基本的には図1〜図3に示した処理装置と同様の構成を備えるが、反応管上壁4の外周側であって、サセプタ5と対向する領域に加熱用のランプ25が配置されている点が図1〜図3に示した処理装置1と異なる。ランプ25は制御部材15に接続されている。ランプ25は、制御部材15によりその投入電力を制御される。このため、制御部材15により、ランプ25から出射する光の光量や光の出射のON/OFFを制御することができる。ランプ25としては、任意の光源を用いることができる。たとえば、ランプ25としてハロゲンランプを用いることができる。このようなランプ25を用いて基板7の表面を加熱することができる。このため、図10に示した処理装置1では、図1〜図3に示した処理装置と同様の効果を得られるとともに、ヒータ9での発熱量を低減できる。つまり、基板7の表面温度を所定の成膜可能温度にまで上昇させるために、ヒータ9のみを用いる場合より、ヒータ9での発熱量を小さくできる。この結果、ヒータ9の寿命を延ばすことが出来る。また、基板7の表面温度を、基板7を構成する材料の融点に近いような高温にする場合、ヒータ9のみでは基板7全体が溶融するおそれがあった。しかし、ランプ25を用いることで、基板7の表面のみをランプ25によって優先的に高温に加熱できる一方、基板7の厚み方向中央部や裏面側の温度が過剰に高くなることを防止できる。
Referring to FIG. 10,
図11は、図10に示した本発明による処理装置の実施の形態2の変形例を示す断面模式図である。図11を参照して、本発明に従った処理装置の実施の形態2の変形例を説明する。 FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing a modification of the second embodiment of the processing apparatus according to the present invention shown in FIG. A modification of the second embodiment of the processing apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG.
図11を参照して、処理装置1は、基本的には図10に示した処理装置1と同様の構成を備えるが、ランプの構成が図10に示した処理装置と異なっている。つまり、図11に示した処理装置1では、ランプとして3つのランプ25a〜25cが配置されている。これらの複数のランプ25a〜25cは、矢印20で示される原料ガスの流れ方向に沿った方向に並ぶように配置されている。ランプ25a〜25cはそれぞれ制御部材15に接続されている。なお、図11では3つのランプ25a〜25cが配置されているが、ランプの数は3つに限られず、2つ、または4つ以上であってもよい。また、複数のランプを反応管3の外部にマトリックス状に配置してもよい。
Referring to FIG. 11,
ここで、図11に示したように、3つのランプ25a〜25cを配置した場合には、制御部材15によりこれらのランプ25a〜25cの出力(出射する光の光量)を変更することができる。たとえば、反応管3の内部を流通する原料ガスの温度上昇や拡散を考慮し、上流側に位置するランプ25aから下流側に位置するランプ25cまで、徐々にランプの出力を下げる(投入される電力量を下げる)ことで、ヒータ9のみを用いて基板7を加熱する場合より、結果的に基板温度(サセプタ温度)や反応の均一性を向上させることができる。この効果を、図12を用いてより詳しく説明する。
Here, as shown in FIG. 11, when three
図12は、基板の加熱にヒータのみを用いた場合と複数のランプを用いた場合との、原料ガスの流れ方向におけるサセプタ温度の変化を模式的に示すグラフである。図12を参照して、横軸はサセプタ5における原料ガスの流れ方向における位置、つまりサセプタ5において最も原料ガスの流れ方向の上流側からの距離を示している。なお、原点はサセプタ5における原料ガスの流れ方向の上流側の端部の位置である。また、縦軸はサセプタ5の温度(℃)である。なお、サセプタ5の温度については、図11などにおいて図示しない測温部材(たとえば熱電対)をサセプタ5の表面において原料ガスの流れ方向に複数個並べて配置し、温度データを測定してもよい。また、サセプタ5の温度について、図11に示した測温部材13によりサセプタ5の表面温度の温度分布を測定することにより当該温度データを測定してもよい。
FIG. 12 is a graph schematically showing changes in the susceptor temperature in the flow direction of the source gas when only the heater is used for heating the substrate and when a plurality of lamps are used. Referring to FIG. 12, the horizontal axis indicates the position of the
図12に示すように、ヒータ9のみを用いてサセプタ5および基板7を加熱する場合には、原料ガスの流れ方向において局所的に加熱状況を変更することは難しいため、原料ガスの流れ方向において下流側に行くほどサセプタ5の温度は上昇する傾向にある。一方、図11に示すように3つのランプ25a〜25cを用いて、かつ、上述のように、上流側に位置するランプ25aから下流側に位置するランプ25cまで、徐々にランプの出力を下げることにより、結果的に原料ガスの流れ方向におけるサセプタの温度を均一に保つことが出来る。このため、形成される膜の膜厚や膜質の均一性を高めることができる。
As shown in FIG. 12, when the
また、図10や図11のように、ヒータ9とランプ25(またはランプ25a〜25c)を併用すれば、図13に示すように、基板7上での膜の成膜速度を、反応ガスの流れ方向において直線的に変化する(具体的には単調減少する)ように調整することができる。この効果を、図13を用いてより詳細に説明する。図13は、基板の加熱にヒータのみを用いた場合と複数のランプを併用した場合との、原料ガスの流れ方向におけるGaN成長速度(成膜速度)の変化を模式的に示すグラフである。図13を参照して、横軸はサセプタ5に固定された基板7における原料ガスの流れ方向における位置、つまり基板7において最も原料ガスの流れ方向の上流側からの距離を示している。なお、原点は基板7における原料ガスの流れ方向の上流側の端部の位置である。また、縦軸はGaN成長速度(成膜速度)(単位:μm/時間)を示している。また、このときサセプタ5は回転せず固定された状態である。図13は、GaN基板表面にGaN膜を形成した場合の成長速度のデータを示している。
10 and 11, when the
図13に示すように、基板7の加熱にヒータ9のみを用いる場合には、原料ガスの流れ方向におけるGaN膜の成長速度は曲線状に変化するような分布を示す。一方、ヒータ9と3つのランプ25a〜25cを併用する場合の、原料ガスの流れ方向におけるGaN膜の成長速度は、図13ではランプ3ゾーンと表示され、実線で示されたグラフに示すように、直線状の分布を示し、いわゆる単調減少している。このようにGaN膜の成長速度について直線状の分布とすることができれば、サセプタ5を回転(公転)させることによって、サセプタ5上に配置された基板7の表面での成膜速度分布を均一化できる。このため、サセプタ5を回転させるだけで(つまり、サセプタ5に加えて基板7も回転(自転)させる自公転機構を用いることなく)、基板7の表面に形成される膜の膜厚分布を均一化できる。このため、本発明によれば、処理装置1の構成として自公転機構を採用する場合より、処理装置1の構成を簡略化できる。また、自公転機構を採用しないので、基板7の自転のための歯車などをサセプタ5に配置する必要が無い。このため、サセプタ5上に配置する基板7の枚数を、自公転機構を採用する場合より多くすることが可能になる。つまり、サセプタ5の面積が同じ場合に、より多くの基板7を一度に処理することができる。
As shown in FIG. 13, when only the
図14は、図10に示した本発明による処理装置の実施の形態2の他の変形例を示す断面模式図である。図14を参照して、本発明に従った処理装置の実施の形態2の他の変形例を説明する。 FIG. 14 is a schematic sectional view showing another modification of the second embodiment of the processing apparatus according to the present invention shown in FIG. Referring to FIG. 14, another modification of the second embodiment of the processing apparatus according to the present invention will be described.
図14を参照して、処理装置1は、基本的には図11に示した処理装置1と同様の構成を備えるが、冷却材供給部材35とガス供給部材32とが明示されている点が、図11に示した処理装置と異なっている。すなわち、図14に示した処理装置1では、反応管上壁4の外周部材6と内周部材8との間に冷却材10を供給するための冷却材供給部材35が制御部材15に接続された状態で配置されている。また、図14に示した処理装置1では、成膜のための原料ガスを反応管3の内部に供給するためのガス供給部材32が、制御部材15に接続された状態で配置されている。ここで冷却材供給部材35は、外周部材6と内周部材8との間に冷却材10を供給するための部材であって、具体的には冷却材10を外周部材6と内周部材8との間の間隙に送出するためのポンプや、当該間隙から排出された(温度の上昇した)冷却材10から熱を除去するための熱交換器などを含む。また、ガス供給部材32は、従来周知の任意の構成を採用できる。たとえば、ガス供給部材32は、原料ガスを蓄積するタンクや当該タンクから所定量の原料ガスを所定圧力で供給するためのコントローラなどを含んでいてもよい。
Referring to FIG. 14, the
このような構成の処理装置1では、上記図11に示した処理装置1と同様の効果を得ることができるとともに、冷却材供給部材35を制御部材15によって制御することにより、反応管上壁4の冷却状態を制御することができる。具体的には、冷却材供給部材35を介して冷却材10の供給量や温度を制御することで、反応管上壁4の内周部材8の表面温度を制御することができる。そして、この内周部材8の表面温度を制御することにより、当該内周部材8の表面(サセプタ5に対向する側の表面)に接触する原料ガスの温度も間接的に制御することができる。
In the
また、ガス供給部材32によって、反応管3の内部に供給する原料ガスの流量を調整することができる。このため、冷却材供給部材35による内周部材8の表面温度の制御と、ガス供給部材32による原料ガスの供給量の制御とを組合せることによって、サセプタ5に対向する部分における原料ガスの温度を制御する(サセプタ5に対向する部分における原料ガスの温度分布を原料ガスの流れ方向および/または流れ方向に垂直な方向において均一化する)ことができる。この結果、サセプタ5に搭載された基板7の表面温度分布や当該表面での反応についてより均一化することが可能になる。
Further, the flow rate of the source gas supplied into the
また、3つのランプ25a〜25cについて、図11に示した処理装置1において説明したように、制御部材15によりこれらのランプ25a〜25cの出力を個別に変更することで、反応管3の内部を流通する原料ガスの温度上昇や拡散を考慮して、上流側のランプ25aから下流側のランプ25cまで、徐々にランプの出力を下げるといった制御を行なうことにより、基板温度(サセプタ温度)や反応の均一性をより向上させることができる。
Moreover, about the three
上述した図10、図11および図14に示した処理装置1において、ランプ25、25a〜25cの出射する光の波長が紫外領域の波長を含む(出射する光が紫外線を含む、より好ましくは主成分として紫外線を出射する)ことが好ましい。この場合、基板7の表面近傍のみで、ランプ25、25a〜25cから出射した光が吸収されるので、基板7の表面のみを効果的に加熱することができる。このため、基板7全体の温度(たとえば厚み方向中央部や裏面側の温度)をあまり上昇させることなく、基板7の表面のみを、たとえば基板7の材料の融点に近いような高温にすることができる。このため、成膜温度が高温の条件で高品質の膜が得られるAlGaN系の膜を形成する場合に、特に上述した処理装置1は有効である。
In the
なお、基板7としてGaN基板を用いる場合には、ランプ25、25a〜25cとしてHgランプ(波長253nm)を用いることが好ましい。また、基板7としてよりワイドバンドギャップの材料を用いる場合には、たとえば誘電体バリアランプを用いることができる。たとえば、基板7としてAlN基板やサファイア基板を用いる場合には、波長172nmの誘電体バリアランプを用いることができる。
When a GaN substrate is used as the
(実施の形態3)
図15は、本発明に従った気相成長装置の一例である処理装置の実施の形態3を示す断面模式図である。図15を参照して、本発明に従った処理装置の実施の形態3を説明する。
(Embodiment 3)
FIG. 15 is a schematic cross-sectional view showing a third embodiment of the processing apparatus which is an example of the vapor phase growth apparatus according to the present invention. A third embodiment of the processing apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG.
図15を参照して、処理装置1は基本的には図1〜図3に示した処理装置と同様の構成を備えるが、反応管上壁4の外周側に基板7を加熱するための加熱部材としてのレーザ光源27および光学系29が配置されている点が図1〜図3に示した処理装置1と異なる。具体的には、図15に示した処理装置1では、反応管上壁4の外周側であってサセプタ5と対向する位置に光学系29が配置されている。光学系29には、レーザ光源27から出射したレーザ光が入射する。光学系29およびレーザ光源27は制御部材15に接続されている。光学系29では、レーザ光源27から入射したレーザ光の進行方向を変更することにより、サセプタ5上の基板7の表面にレーザ光を入射させる。また、光学系29は、出射するレーザ光の進行方向を任意に変更できる。そのため、光学系29から出射されるレーザ光は、図15の矢印30に示すように基板7表面を走査するように照射される。このような構成によっても、図10に示した処理装置と同様の効果を得ることが出来る。なお、光学系29としては、従来公知の任意の機構を採用することができる。このような装置によっても、図11に示した処理装置と同様の効果を得ることができる。
Referring to FIG. 15, the
なお、レーザ光源27としては、任意のレーザ光源を用いることができる。たとえば、レーザ光源27として、エキシマレーザを出射するレーザ光源を用いてもよい。この場合、エキシマレーザはns(ナノ秒)単位のパルス幅のパルスレーザとして基板7に照射することができる。このため、基板7の温度を高い精度で制御することができる。また、エキシマレーザはそのエネルギー密度を比較的高くすることが出来るため、基板7へ照射することにより基板7の表面温度を局所的に2000℃近くまで上昇させることができる。このため、基板7の表面温度の制御範囲を実用上十分な範囲で制御でき、また比較的高温領域にまでその制御範囲を広げることができる。
As the
なお、基板7に照射されるレーザ光については、たとえばレーザ光源27でのレーザ出力、パルス状のレーザの周波数、あるいは光学系29での基板7表面へのレーザ光のフォーカスを調整することで、基板7の表面について局所的に温度を変更することができる。このため、サセプタ5において自公転機構などを採用することなく、基板7表面の温度分布を均一化することが可能になる。この場合、自公転機構に代えて光学系29などが設備として増えることになるが、当該光学系29自体は室温で動作すればよいため、耐熱性の材料から構成されるサセプタ5の自公転機構を設置する場合より、処理装置1の製造コストを低減できる。
Regarding the laser light irradiated to the
たとえば、レーザ光源27としてKrF(246nm)エキシマレーザを用いた場合で、基板7としてGaN基板を用いると、基板7の表面で当該レーザ光がほとんど吸収され、基板7の表面のみを効果的に加熱できる。
For example, when a KrF (246 nm) excimer laser is used as the
次に、図16を参照して、図15に示した処理装置の実施の形態3の変形例を説明する。図16は、図15に示した本発明による処理装置の実施の形態3の変形例を示す断面模式図である。図16を参照して、本発明に従った処理装置の実施の形態3の変形例を説明する。 Next, a modification of the third embodiment of the processing apparatus shown in FIG. 15 will be described with reference to FIG. FIG. 16 is a schematic sectional view showing a modification of the third embodiment of the processing apparatus according to the present invention shown in FIG. A modification of the third embodiment of the processing apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG.
図16を参照して、処理装置1は、基本的には図15に示した処理装置と同様の構成を備えるが、成膜のための原料ガスを反応管3の内部に供給するためのガス供給部材32が明示され、当該ガス供給部材32とレーザ光源27および光学系29とが同期するように制御部材15により制御される点が図15に示された処理装置と異なっている。具体的には、図16に示した処理装置1では、ガス供給部材32が制御部材15に接続され、当該制御部材15によってガス供給部材32の動作が制御される。ガス供給部材32の構成としては、従来周知の任意の構成を採用できる。そして、図16に示した処理装置1では、図17に示すようにレーザの照射タイミングと原料ガスの供給タイミングとが同期するように制御部材15により制御される。以下、図17を参照しながらより詳細に説明する。
Referring to FIG. 16,
図17は、図16に示した処理装置において成膜処理を行なう際の、原料ガス(TMA)の供給タイミングと基板に対するレーザ光の照射タイミングおよび基板表面温度の変化を示したタイミングチャートである。図17に示すように、基板表面の温度が所定のベース温度に調整された状態において、まず時点T1にて原料ガス(TMA)の供給を開始する。その後、時点T2において、制御部材15からレーザ光源27および光学系29を制御することにより、基板7表面へのレーザ光の照射を開始する。この結果、基板7の表面温度は上昇し、ベース温度より高い所定の成膜温度に設定される。このように、基板7の表面温度が成膜温度に上昇した状態で、原料ガスが供給されるので、基板7の表面において所定の膜(たとえばGaN膜あるいはAlGaN膜、もしくはInGaN膜)が形成される。その後、時点T3で原料ガスの供給が停止される。その後、時点T4でレーザ光の照射を停止する。この結果、基板7の表面温度もベース温度に低下する。
FIG. 17 is a timing chart showing changes in the supply timing of the source gas (TMA), the irradiation timing of the laser beam to the substrate, and the substrate surface temperature when the film forming process is performed in the processing apparatus shown in FIG. As shown in FIG. 17, in a state where the temperature of the substrate surface is adjusted to a predetermined base temperature, supply of the source gas (TMA) is first started at time T1. Thereafter, at the time T2, the
そして、このようなサイクルを複数回繰返す。つまり、時点T5(または時点T9)で再び原料ガス(TMA)の供給を開始する。その後、時点T6(または時点T10)において、基板7表面へのレーザ光の照射を開始する。この結果、基板7の表面温度は上昇し、ベース温度より高い所定の成膜温度に設定される。このように、基板7の表面温度が成膜温度に上昇した状態で、原料ガスが供給されるので、基板7の表面において所定の膜が形成される。その後、時点T7(または時点T11)で原料ガスの供給が停止される。その後、時点T8(または時点T12)でレーザ光の照射を停止する。
Such a cycle is repeated a plurality of times. That is, the supply of the raw material gas (TMA) is started again at time T5 (or time T9). Thereafter, at time T6 (or time T10), irradiation of the laser beam onto the surface of the
このように、レーザ光の照射と原料ガスの供給とを同期させたサイクルを繰返すことにより、通常のヒータ9のみを用いた基板7の加熱では難しいような、基板7の表面温度の急峻な変化を実現できる。また、レーザ光のエネルギーや照射サイクル数(照射周波数)を制御することで、基板7の表面温度を任意に制御することができるので、急峻な界面を持つ、異なる組成の層を積層することができる。
In this way, by repeating the cycle in which the laser beam irradiation and the supply of the source gas are synchronized, a sharp change in the surface temperature of the
たとえば、InGaN系とGaNまたはAlGaN系との組成の層からなる超格子の製造などが可能になる。この場合、InGaN系の層を形成する場合の成膜温度をたとえば800℃とし、GaNまたはAlGaN系の層を形成する場合の成膜温度をたとえば1050℃とすることができる。図15や図16に示した処理装置では、このような異なる成膜温度を短時間で実現することが可能である。さらに、図15や図16に示した処理装置1では、レーザ光を基板7表面に対して走査するように照射できるので、基板7の表面における領域ごとの照射頻度を変更することで、図11に示した処理装置1と同様に、原料ガスの流れによる基板表面の温度勾配を補償するように基板7の表面温度を制御できる。
For example, it is possible to manufacture a superlattice composed of layers having a composition of InGaN and GaN or AlGaN. In this case, the film formation temperature when forming the InGaN-based layer can be set to 800 ° C., for example, and the film formation temperature when forming the GaN or AlGaN-based layer can be set to 1050 ° C., for example. In the processing apparatus shown in FIGS. 15 and 16, such different film forming temperatures can be realized in a short time. Further, in the
また、図16に示した処理装置1によって、図17で説明したような成膜方法を実施することで、原料ガスの利用効率を高めることができる。また、原料ガスの種類と成膜温度とをそれぞれ個別に制御できるので、異なる膜質の膜を積層する場合に、当該膜の間の膜質の変化を急峻にすることができる。
Moreover, the utilization efficiency of source gas can be improved by implementing the film-forming method as demonstrated in FIG. 17 with the
上述した実施の形態1〜3においては、冷却材10としては任意の液体および気体を用いることができる。また、上述した実施の形態2および3において、図5〜図9に示した反応管上壁4の冷却構造を採用していもよい。また上述した実施の形態1〜3において、冷却材10として液体を用いる場合には水を用いてもよい。また、冷却材10として気体を用いる場合には水素、ヘリウム、窒素(たとえば液体窒素から気化させた窒素)を用いてもよい。また、図9に示した固体冷却部材22の接触部材23は、反応管上壁4の全体を覆うように配置された板状であってもよいが、反応管上壁4の上部表面を部分的に覆うような構造(たとえば、平面形状がメッシュ状)であってもよい。この場合、接触部材23を構成する材料としては熱伝導率の高い材料、特に比較的安価な銅やアルミニウムを用いてもよい。
In
上述した実施の形態と一部重複する部分もあるが、この発明の実施の形態を羅列的に挙げて説明する。この発明に従った気相成長装置としての処理装置1は、基板保持部材としてのサセプタ5と反応容器としての反応管3と冷却部材(反応管上壁4の外周部材6と内周部材8との間の間隙、冷却材10、冷却材供給部材35、または図9の固体冷却部材22)と加熱部材(ヒータ9、ランプ25、25a〜25c、レーザ光源27および光学系29)とを備える。サセプタ5は、気相成長法により表面に膜が形成される基板7を保持する。反応管3は、サセプタにより保持される基板7が内部に配置され、当該基板7を観察するための透明窓部(反応管上壁4)を有する。冷却部材(反応管上壁4の外周部材6と内周部材8との間の間隙、冷却材10、または図9の固体冷却部材22)は、透明窓部(反応管上壁4)を冷却する。加熱部材(ヒータ9、ランプ25、25a〜25c、レーザ光源27および光学系29)は基板を加熱する。
Although there is a part which overlaps with embodiment mentioned above, embodiment of this invention is enumerated and demonstrated. A
この場合、反応管上壁4が冷却材10などによって冷却されるので、基板7をヒータ9などにより加熱することで、基板7の近傍の雰囲気温度が基板7からの輻射熱によって上昇しても、当該反応管上壁4の内周表面の温度を成膜可能な温度の下限(成膜下限温度)より低い状態に保つことが出来る。このため、反応管上壁4の内周表面での膜の形成を抑制できる。
In this case, since the reaction tube
また、このように反応管上壁4の内周表面での膜の形成を抑制できるので、当該膜が形成されることによって反応管3の内部の成膜条件(たとえば温度条件など)が不安定になる可能性を低減できる。つまり、反応管3の内部の成膜条件を再現性よく安定させることができるので、結果的に形成される膜の膜質を向上させることができる。
Further, since the formation of a film on the inner peripheral surface of the reaction tube
また、反応管上壁4の内周表面に膜が形成されないので、透明部材からなる反応管上壁4を介して基板7の表面温度などをパイロメータなどの測温部材13によって測定することができる。そのため、成膜条件の制御性を向上させることができる。この結果、形成される膜の膜質を高品質に保つことが出来る。
Further, since no film is formed on the inner peripheral surface of the reaction tube
また、図10、図11、図14、図15などに示すように、反応管上壁4を介して加熱部材の一部(ランプ25、25a〜25c、レーザ光源27および光学系29)によりエネルギー線を基板7の表面に照射することで、基板7の表面を局所的に加熱することも可能になる。
Further, as shown in FIGS. 10, 11, 14, 15 and the like, energy is supplied by a part of the heating member (
上記処理装置1において、加熱部材は、反応管上壁4を介して基板7にエネルギー線(可視光や紫外線など)を照射することにより基板7を加熱する照射加熱部材(ランプ25、25a〜25c、レーザ光源27および光学系29)を含んでいてもよい。この場合、エネルギー線の照射により基板7の表面を局所的に加熱することが可能になる。このため、電熱ヒータなどからなるヒータ9のみを用いて基板7全体を加熱する場合より、基板7からの輻射熱の熱量を低減できる。この結果、当該輻射熱に起因する原料ガスの不必要な反応(たとえば、原料ガスにTMAやアンモニアを用いた場合の気相反応など)の発生を抑制できる。したがって、原料ガスの利用効率を向上させることができるとともに、形成される膜の膜質の劣化を防止できる。
In the
上記処理装置1において、照射加熱部材(ランプ25、25a〜25c、レーザ光源27および光学系29)は、パルス状のエネルギー線(レーザ光)を基板に照射してもよい。この場合、パルス状のレーザ光を基板7に照射するので、レーザ光の照射により基板7に与えられる熱量の制御を精度よく行なうことができる。このため、基板7表面の温度制御をより高精度に行なうことができる。この結果、形成される膜の膜質を良好なものとすることができる。
In the
上記処理装置1において、照射加熱部材(ランプ25、25a〜25c、レーザ光源27および光学系29)は、エネルギー線として、基板7を構成する材料の透過波長より短い波長の成分を含むエネルギー線を基板に照射してもよい。この場合、基板7に照射されたエネルギー線の大部分を、基板7の表面層で吸収させることができる。このため、エネルギー線の照射によって基板7の表面層を局所的に加熱することができる。したがって、ヒータ9などを用いて基板7全体を加熱する場合より、基板7から周囲へ伝えられる輻射熱の熱量を低減できるので、原料ガスの寄生反応などの発生をより効果的に抑制できる。
In the
また、このように基板7の表面層のみを加熱するので、基板7全体が溶融することなく、基板7の表面層のみを、基板7を構成する材料の融点に近いような高温に加熱することも可能になる。このため、成膜温度として基板7を構成する材料の融点に近いような高温を採用することができる。
Further, since only the surface layer of the
ここで、基板7の表面のみを加熱する場合、基板7を構成する材料の吸収係数により、基板7に照射された光の吸収長(基板7において当該光が照射された表面から、当該光のうち90%について吸収される位置までの深さ)が決まる。たとえば、吸収係数が1×104cm−1であれば、吸収長は1μmとなる。また、基板7がGaN基板である場合について検討すると、理想的なGaNの場合、吸収端は365nmとなるが、GaN基板においては上記波長以上の波長範囲においても吸収が起こる。このため、基板7の吸収係数に応じて最適の波長を選択することができる。たとえば、波長が248nmのエキシマレーザを用いる場合、GaN基板での吸収係数は1×104cm−1を超えることから、GaN基板の表面のみ(表面から深さ1μm以下の領域のみ)を加熱することができる。
Here, when only the surface of the
上記処理装置1において、照射加熱部材(ランプ25、25a〜25c、レーザ光源27および光学系29)は、レーザ光源27と走査部材(光学系29)とを含んでいてもよい。レーザ光源27はエネルギー線としてのエキシマレーザを出射してもよい。光学系29は、レーザ光源27から出射されたエキシマレーザを、基板7の表面に対して走査しながら照射するため、エキシマレーザの進行方向を変更してもよい。
In the
この場合、エキシマレーザの基板7における照射位置を光学系29によって制御することが出来るので、基板7表面の温度分布を均一化するようにエキシマレーザの走査状態を調整することができる。このため、基板7表面の温度分布をより均一化することができる。
In this case, since the irradiation position of the excimer laser on the
また、エキシマレーザを基板7表面に対して走査しながら照射できるので、基板7自体を回転させたりするといった装置構成(たとえば基板7を搭載するサセプタ5を回転させる機構など)を採用しなくても、基板7の温度分布を均一化することができる。このため、処理装置1の装置構成を簡略化することができる。
Further, since the excimer laser can be irradiated while scanning the surface of the
上記処理装置1において、照射加熱部材(ランプ25、25a〜25c、レーザ光源27および光学系29)は、図15や図16に示すようにエネルギー線としてのエキシマレーザを出射するレーザ光源27を含んでいてもよい。レーザ光源27から出射されるエキシマレーザの波長は、基板7を透過しない波長範囲内の値となるように設定されていてもよい。この場合、エキシマレーザによって基板7の表面層を効率的に加熱することができる。
In the
上記処理装置1は、原料供給部材(ガス供給部材32)と制御部材15とを備えていてもよい。ガス供給部材32は、反応容器(反応管3)の内部に、基板7の表面に形成されるガスの原料となる原料ガスを供給するためのものである。制御部材15は、ガス供給部材32と加熱部材(ヒータ9、ランプ25、25a〜25c、レーザ光源27および光学系29)とを制御するためのものであってもよい。
The
この場合、制御部材15によってガス供給部材32により反応管3の内部に原料ガスが供給されるタイミングを制御することができる。また、制御部材15によって、ランプ25などの照射加熱部材より基板7表面に照射されるエネルギー線の照射タイミングを制御することもできる。この結果、図17に示すように、原料ガスの供給タイミングとエネルギー線の照射タイミングとを同期させることで、原料ガスが流れているときのみ基板7表面を所定の温度に加熱することができる。そのため、より効率的に膜の形成を行なうことができる。
In this case, the timing at which the source gas is supplied into the
上記処理装置1は、原料供給部材(ガス供給部材32)と、制御部材15とを備えていてもよい。ガス供給部材32は、反応容器(反応管3)の内部に、基板7の表面に形成されるガスの原料となる原料ガスを供給するためのものである。制御部材15は、ガス供給部材32と冷却部材(図14の冷却材供給部材35または図9の固体冷却部材22)とを制御してもよい。この場合、反応管3の内部に供給される原料ガスの流通条件(流量など)と冷却部材((図14の冷却材供給部材35または図9の固体冷却部材22)により冷却される透明窓部(反応管上壁4)の温度とを、制御部材15によって制御することで、サセプタ5と対向する領域での原料ガスの温度条件をたとえば原料ガスの流れ方向において均一化することができる。この結果、原料ガスが接触する基板7の表面温度の均一性をより向上させることが可能になる。なお、上述した制御部材15は、ガス供給部材32および冷却部材に加えて、加熱部材(ヒータ9、ランプ25、25a〜25c、レーザ光源27および光学系29)を制御してもよい。この場合、加熱部材による加熱条件も制御することによって、基板7の表面温度の均一性をより向上させることができる。
The
上記処理装置1において、基板7はGaNを含み、原料供給部材(ガス供給部材32)は、原料ガスとして、AlGaN膜を成長させるために用いられるガス(たとえばトリメチルガリウム(TMG)ガス、TMAガス、アンモニアガスなど)を基板の表面に対向する領域に供給してもよい。
In the
この場合、AlGaN膜の形成温度は比較的高温になることから、原料ガスの寄生反応や反応管3の内周表面での膜の成長などが問題になるため、本発明が特に有効である。
In this case, since the formation temperature of the AlGaN film is relatively high, parasitic reactions of the source gas and film growth on the inner peripheral surface of the
この発明に従った気相成長方法としての成膜方法は、透明窓部(反応管上壁4)を有する反応容器(反応管3)の内部に、気相成長法により表面に膜が形成される基板7を準備する工程(図4の基板準備工程(S10))と、成膜工程(S50)とを備える。成膜工程(S50)では、反応管上壁4の温度が、基板7の表面に形成される膜の成膜下限温度より低く、かつ、基板7の表面温度が成膜下限温度以上の状態で、膜の原料ガスを基板の7表面と対向する領域に供給する。
In the film forming method as the vapor phase growth method according to the present invention, a film is formed on the surface by the vapor phase growth method inside the reaction vessel (reaction tube 3) having the transparent window (reaction tube upper wall 4). A step of preparing the
この場合、反応管上壁4の温度を成膜下限温度以下にするので、基板7を加熱部材(ヒータ9、ランプ25、25a〜25c、レーザ光源27および光学系29)により加熱することで、基板7の近傍の雰囲気温度が基板7からの輻射熱によって上昇しても、反応管上壁4の内周表面での膜の形成を抑制できる。
In this case, since the temperature of the reaction tube
また、このように反応管上壁4の内周表面での膜の形成を抑制できるので、当該膜が形成されることによって反応管3の内部の成膜条件(たとえば温度条件など)が不安定になる可能性を低減できる。つまり、反応管3の内部の成膜条件を再現性よく安定させることができるので、結果的に形成される膜の膜質を向上させることができる。
Further, since the formation of a film on the inner peripheral surface of the reaction tube
また、反応管上壁4の内周表面に膜が形成されないので、反応管上壁4を介して基板7の表面温度をパイロメータなどの測温部材13によって測定することができる。そのため、成膜条件の制御性を向上させることができる。この結果、形成される膜の膜質を高品質に保つことが出来る。
Further, since no film is formed on the inner peripheral surface of the reaction tube
また、反応管上壁4の内周表面に膜が形成されないので、反応管上壁4を介してランプ25などによりエネルギー線を基板7表面に照射することも可能になる。
In addition, since no film is formed on the inner peripheral surface of the reaction tube
上記成膜方法において、成膜工程(S50)では、図10、図11、図14〜図16などに示すように反応管上壁4を介して基板7にエネルギー線を照射することにより基板7が加熱されていてもよい。この場合、成膜反応が起きる基板7の表面をエネルギー線によって直接的に加熱することができるので、エネルギー線の波長などを適切に選択することにより、当該基板7の表面のみを加熱することが可能になる。この結果、ヒータ9のみを用いて基板7全体を加熱する場合より、基板7から周囲への輻射熱の熱量を低減できる。したがって、基板7の周囲での原料ガスの不要な反応(たとえば寄生反応)の発生を確実に抑制できる。
In the film forming method, in the film forming step (S50), the
また、上記成膜方法において、成膜工程(S50)では、図15〜図17に示したように、パルス状のエネルギー線(レーザ光)を基板7に照射してもよい。この場合、エネルギー線の照射により基板7に与えられる熱量の制御を精度よく行なうことができる。
In the film forming method, in the film forming step (S50), the
上記成膜方法において、成膜工程(S50)では、エネルギー線として基板7を構成する材料の透過波長より短い波長の成分を含むエネルギー線を基板7に照射してもよい。この場合、基板7に照射されたエネルギー線の大部分を、基板7の表面層で吸収させることができる。このため、エネルギー線の照射によって基板7の表面層を局所的に加熱することができる。
In the film forming method, in the film forming step (S50), the
また、このように基板7の表面層のみを加熱するので、基板7全体が溶融することなく、基板7の表面層のみを、基板7を構成する材料の融点に近いような高温に加熱することも可能になる。したがって、このような高温の条件によって優れた膜質を実現できるような膜の形成に、上記成膜方法は特に有効である。
Further, since only the surface layer of the
上記成膜方法において、成膜工程(S50)では、図15、図16に示すように、エネルギー線としてエキシマレーザを基板7の表面に対して走査しながら照射してもよい。この場合、基板7表面の温度分布を均一化するようにエキシマレーザの走査状態を光学系29を用いて調整することにより、基板7を固定したままの状態であっても基板表面の温度分布をより均一化することができる。
In the film forming method, in the film forming step (S50), as shown in FIGS. 15 and 16, an excimer laser may be irradiated as energy rays while scanning the surface of the
また、上記成膜方法において、成膜工程(S50)では、当該基板7を透過しない波長範囲内の値となるように波長が設定されたエキシマレーザを、基板7の表面に照射してもよい。この場合、エキシマレーザが基板7の表面層においてほとんど吸収されることになるので、基板7の表面層を効率的に加熱することができる。
In the film forming method, in the film forming step (S50), the surface of the
上記成膜方法において、成膜工程(S50)では、図17に示すように、エネルギー線(レーザ光)の照射時期と原料ガスの供給タイミングとを同期させてもよい。この場合、原料ガス(TMAガス)が流れているときのみエネルギー線を基板7に照射して基板7表面を所定の温度に加熱することができる。そのため、より効率的に膜の形成を行なうことができる。
In the film forming method, in the film forming step (S50), as shown in FIG. 17, the irradiation timing of the energy beam (laser light) and the supply timing of the source gas may be synchronized. In this case, the surface of the
また、上記成膜方法において、成膜工程(S50)では、基板7の表面温度条件に基づいて、原料ガスの流通条件(流量など)と透明窓部の冷却条件とを調整してもよい。この場合、基板7と対向する領域における原料ガスの温度分布を均一化するように、原料ガスの流通条件や透明窓部の冷却条件を調整することで、原料ガスが接触する基板7の表面温度の均一性を向上させることができる。
In the film forming method, in the film forming step (S50), the flow conditions (flow rate and the like) of the source gas and the cooling conditions of the transparent window may be adjusted based on the surface temperature conditions of the
上記成膜方法において、基板7はGaNを含んでいてもよく、原料ガスはAlGaN膜を成長させるために用いられるガスであってもよい。この場合、AlGaN膜の形成温度は比較的高温になることから、原料ガスの寄生反応や反応容器の内周表面での膜の成長などが問題になるため、本発明が特に有効である。
In the film forming method, the
この発明に従った基板は、ベース基板(基板7)と、当該ベース基板上に上記気相成長方法を用いて形成された膜とを備える。このようにすれば、優れた膜質の膜を有する基板を得ることが出来る。 A substrate according to the present invention includes a base substrate (substrate 7) and a film formed on the base substrate by using the vapor phase growth method. In this way, a substrate having an excellent film quality film can be obtained.
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実施の形態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 shown not by the above-described embodiment but by the scope of claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.
本発明は、たとえばGaN系、AlGaN系、InGaN系などの膜を形成する気相成長装置および気相成長方法において特に有利に適用される。 The present invention is particularly advantageously applied to a vapor phase growth apparatus and a vapor phase growth method for forming a film of, for example, GaN, AlGaN, or InGaN.
1 処理装置、3 反応管、4 反応管上壁、5 サセプタ、6 外周部材、7 基板、8 内周部材、9 ヒータ、10 冷却材、11 反応管底壁、13,14 測温部材、15 制御部材、16 入口、17 出口、19 壁部、20,30 矢印、22 固体冷却部材、23 接触部材、24 冷却部、25,25a〜25c ランプ、27 レーザ光源、29 光学系、32 ガス供給部材、35 冷却材供給部材。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記基板保持部材により保持される前記基板が内部に配置され、前記基板を観察するための透明窓部を有する反応容器と、
前記透明窓部を冷却する冷却部材と、
前記基板を加熱する加熱部材とを備える、気相成長装置。 A substrate holding member for holding a substrate on which a film is formed by vapor deposition;
A reaction vessel having a transparent window for observing the substrate, wherein the substrate held by the substrate holding member is disposed inside;
A cooling member for cooling the transparent window,
A vapor phase growth apparatus comprising: a heating member that heats the substrate.
前記エネルギー線としてのエキシマレーザを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたエキシマレーザを、前記基板の表面に対して走査しながら照射するため、前記エキシマレーザの進行方向を変更する走査部材とを含む、請求項2〜4のいずれか1項に記載の気相成長装置。 The irradiation heating member is
A laser light source that emits an excimer laser as the energy beam;
The scanning member which changes the advancing direction of the excimer laser in order to irradiate the excimer laser emitted from the laser light source while scanning the surface of the substrate. The vapor phase growth apparatus described in 1.
前記レーザ光源から出射されるエキシマレーザの波長は、前記基板を透過しない波長範囲内の値となるように設定されている、請求項2〜4のいずれか1項に記載の気相成長装置。 The irradiation heating member includes a laser light source that emits an excimer laser as the energy beam,
5. The vapor phase growth apparatus according to claim 2, wherein the wavelength of the excimer laser emitted from the laser light source is set to have a value within a wavelength range that does not transmit through the substrate.
前記原料供給部材と前記加熱部材とを制御するための制御部材とをさらに備える、請求項1〜6のいずれか1項に記載の気相成長装置。 A raw material supply member for supplying a raw material gas, which is a raw material of a gas formed on the surface of the substrate, into the reaction vessel;
The vapor phase growth apparatus according to claim 1, further comprising a control member for controlling the raw material supply member and the heating member.
前記原料供給部材と前記冷却部材とを制御するための制御部材とをさらに備える、請求項1〜6のいずれか1項に記載の気相成長装置。 A raw material supply member for supplying a raw material gas, which is a raw material of a gas formed on the surface of the substrate, into the reaction vessel;
The vapor phase growth apparatus according to any one of claims 1 to 6, further comprising a control member for controlling the raw material supply member and the cooling member.
前記原料供給部材は、前記原料ガスとして、AlGaN膜を成長させるために用いられるガスを前記基板の表面に対向する領域に供給する、請求項7または8に記載の気相成長装置。 The substrate comprises GaN;
The vapor deposition apparatus according to claim 7 or 8, wherein the raw material supply member supplies, as the raw material gas, a gas used for growing an AlGaN film to a region facing the surface of the substrate.
前記透明窓部の温度が、前記基板の表面に形成される前記膜の成膜下限温度より低く、かつ、前記基板の表面温度が前記成膜下限温度以上の状態で、前記膜の原料ガスを前記基板の表面と対向する領域に供給する成膜工程とを備える、気相成長方法。 Preparing a substrate on the surface of which a film is formed by vapor deposition, inside a reaction vessel having a transparent window;
In the state where the temperature of the transparent window is lower than the film formation lower limit temperature of the film formed on the surface of the substrate and the surface temperature of the substrate is equal to or higher than the film formation lower limit temperature, the source gas of the film is changed. A vapor deposition method comprising: a film forming step of supplying a region facing the surface of the substrate.
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