JP2011071490A - Vapor-phase growth device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、気相成長装置に関するものであり、より特定的には、半導体基板などの表面上に薄膜を気相成長させるための気相成長装置に関するものである。 The present invention relates to a vapor phase growth apparatus, and more particularly to a vapor phase growth apparatus for vapor phase growing a thin film on a surface of a semiconductor substrate or the like.
一般に、半導体基板などの一方の主表面上に半導体素子を形成するために薄膜を成長させる際には、気相成長装置が用いられる。なおここで主表面とは、表面のうち最も面積の大きい主要な面をいう。このような気相成長装置は、処理対象物であるたとえば基板を保持する反応室と、当該反応室に反応ガスを供給するためのガス導入部とを備えている。つまり反応室の内部に基板を載置した状態で、当該内部に成膜用の所定のガスを導入する。 In general, a vapor phase growth apparatus is used when a thin film is grown to form a semiconductor element on one main surface such as a semiconductor substrate. Here, the main surface means a main surface having the largest area among the surfaces. Such a vapor phase growth apparatus includes a reaction chamber that holds, for example, a substrate that is a processing target, and a gas introduction unit that supplies a reaction gas to the reaction chamber. That is, with the substrate placed in the reaction chamber, a predetermined gas for film formation is introduced into the reaction chamber.
ここで、基板の主表面の面積が大きい、つまり大口径である場合には、ガスを当該基板の主表面上に均一に供給するために、基板の主表面に対向する領域(通常は基板に対向する、反応室内部の天井部分)に、ガスを噴射するための多数の孔を一定間隔で複数設けた反応室を用いる。このような多数の孔を備える構造はシャワーヘッド構造と呼ばれており、基板の主表面に対向する領域の大部分から所望のガスを、当該基板の主表面上のほぼ全領域に均一に噴射することを可能とする。シャワーヘッド構造は、たとえば特開平11−323560号公報(特許文献1)や特開2008−66413号公報(特許文献2)に開示されている。 Here, when the area of the main surface of the substrate is large, that is, when it has a large diameter, a region facing the main surface of the substrate (usually on the substrate) in order to uniformly supply the gas onto the main surface of the substrate. A reaction chamber in which a plurality of holes for injecting a gas are provided at regular intervals on the opposing ceiling portion of the reaction chamber. Such a structure having a large number of holes is called a showerhead structure, and a desired gas is uniformly sprayed over almost the entire area on the main surface of the substrate from the majority of the area facing the main surface of the substrate. It is possible to do. The shower head structure is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-323560 (Patent Document 1) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-66413 (Patent Document 2).
特許文献1には、活性化エネルギが高い金属元素を含む成膜用のガスの噴出量を、シャワーヘッド部の中心部から周辺部に向けて次第に減少する構成とした、BST薄膜などの高・強誘電体複合材料薄膜を形成するための成膜処理装置が開示されている。また特許文献2には、ガス噴射孔から噴射された原料ガスの一部が逆方向に廻り込んでガス噴射面上に不要な付着膜を形成することを抑制する構成としたシャワーヘッド構造を備える成膜処理装置が開示されている。
上述したいずれの成膜処理装置についても、たとえばBST薄膜やPZT薄膜などの複合材料薄膜を、原料ガスを時間変化させずに一定量流し続けることにより成膜を行なう。このため、供給された原料ガスを複数のガス噴射孔から均一に噴射させるために拡散させるいわゆるバッファ室内には常に同一種類のガスを供給することになる。つまり上記各特許文献中の成膜処理装置を用いた成膜処理方法においては、バッファ室内に供給されるガスの種類を切り替える必要がない。しかしたとえば半導体素子を構成する、異なる組成からなる複数の薄膜を積層した積層構造を形成する際には、成膜処理装置において供給する原料ガスの種類を短時間に切り替える必要がある。たとえばIII族の原料からなるガスとV族の原料からなるガスとを、1秒以下の早いタイミングにて交互に噴射しながら供給する場合に、上記各特許文献中の成膜処理装置を用いた場合には、以下に示す問題が発生する可能性がある。 In any of the above-described film forming apparatuses, film formation is performed by continuously flowing a constant amount of a composite material thin film such as a BST thin film or a PZT thin film without changing time. For this reason, the same kind of gas is always supplied into the so-called buffer chamber in which the supplied source gas is diffused to be uniformly injected from the plurality of gas injection holes. That is, in the film forming method using the film forming apparatus described in each of the above patent documents, it is not necessary to switch the type of gas supplied into the buffer chamber. However, for example, when forming a laminated structure in which a plurality of thin films having different compositions constituting a semiconductor element is formed, it is necessary to switch the type of source gas supplied in the film forming apparatus in a short time. For example, when supplying a gas made of a Group III material and a gas made of a Group V material while alternately injecting them at an early timing of 1 second or less, the film forming apparatus in each of the above patent documents was used. In some cases, the following problems may occur.
図6に、従来の成膜処理装置を用いて原料ガスの供給量が矩形パルス状に時間変化するように制御した場合における、原料ガスの流量の時間変化をシミュレーションした結果を示す。これは一例として、供給する原料ガスを流通させる配管内における当該ガスの流量や、配管を経て噴射孔から噴射させる当該ガスの流量を示している。つまり図6のグラフにおいて横軸は経過時間(秒)を、縦軸は原料ガスとして用いたTMG(トリメチルガリウム:ガリウムの有機金属化合物)の流量をモル分率で示している。図6中の実線100は、原料ガスとしてのTMGを供給する配管中を流通するガスのモル分率を、また図6中の点線200は、上記配管を流通し、噴射孔から噴射される上記TMGのガスのモル分率を示している。
FIG. 6 shows the result of simulating the time change of the flow rate of the source gas when the supply amount of the source gas is controlled to change with time in a rectangular pulse using a conventional film forming apparatus. This shows, as an example, the flow rate of the gas in a pipe through which the source gas to be supplied circulates and the flow rate of the gas injected from the injection hole through the pipe. That is, in the graph of FIG. 6, the horizontal axis represents the elapsed time (seconds), and the vertical axis represents the flow rate of TMG (trimethylgallium: organometallic compound of gallium) used as the source gas in mole fraction. The
図6に示すように、モル分率が約1.1×10−4であるTMGを配管から約0.3秒間供給し、約0.3秒間供給を停止する、というサイクルを繰り返した場合、噴射孔から噴射されるTMGのガスの流量は、供給されるガスの流量に比べて立上りや立下りの追随が遅い。つまり薄膜の積層構造を形成するためには短時間に急峻な流量変化を生じさせる必要があるが、原料ガスを供給する上流側で流量を急峻な矩形パルス状となるように制御しても、当該原料ガスが噴射される下流側において流量の変化がパルス状のパターンを形成するように制御することが困難となる。これはたとえば上述した各特許文献に開示された成膜処理装置のバッファ室に導入するガスの流量を矩形パルス状に時間変化させた場合、当該ガスの一部がバッファ室内に貯留されることに起因する。したがってたとえば上記成膜処理装置を用いて薄膜の積層構造を形成するために、複数種類の原料ガスを時間的に交互に供給した場合には、最初にバッファ室内に導入されたガスと後にバッファ室内に導入されたガスとがバッファ室内に貯留されれば、両者がバッファ室内にて混合する可能性がある。両者がバッファ室内にて混合すれば、噴射孔から噴射されるガスも、形成しようとする積層構造を構成する、複数種類の薄膜を構成する材質が混合したガスとなる。このため、所望の複数種類の薄膜が積層された高品質な積層構造を形成することは困難となる可能性がある。 As shown in FIG. 6, when a cycle in which TMG having a mole fraction of about 1.1 × 10 −4 is supplied from a pipe for about 0.3 seconds and stopped for about 0.3 seconds is repeated, The flow rate of the TMG gas injected from the injection hole is slower to follow the rise and fall compared to the flow rate of the supplied gas. In other words, in order to form a thin film laminated structure, it is necessary to cause a steep flow rate change in a short time, but even if the flow rate is controlled to be a steep rectangular pulse on the upstream side of supplying the source gas, It becomes difficult to control the change in flow rate so as to form a pulsed pattern on the downstream side where the raw material gas is injected. This is because, for example, when the flow rate of the gas introduced into the buffer chamber of the film forming apparatus disclosed in each of the above-mentioned patent documents is changed over time in a rectangular pulse shape, a part of the gas is stored in the buffer chamber. to cause. Therefore, for example, when a plurality of types of source gases are alternately supplied over time in order to form a thin film laminated structure using the film forming apparatus, the gas introduced first into the buffer chamber and the buffer chamber afterwards If the gas introduced into is stored in the buffer chamber, there is a possibility that both will mix in the buffer chamber. If both are mixed in the buffer chamber, the gas injected from the injection hole is also a gas in which the materials constituting the plural types of thin films constituting the laminated structure to be formed are mixed. For this reason, it may be difficult to form a high-quality laminated structure in which a plurality of types of desired thin films are laminated.
本発明は、以上の問題に鑑みなされたものである。その目的は、複数種類のガスを時間的に交互に供給する各ガスの流量(モル分率)の時間変化を高精度に行なうことが可能な気相成長装置を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems. An object of the present invention is to provide a vapor phase growth apparatus capable of accurately changing the flow rate (molar fraction) of each gas that alternately supplies a plurality of types of gases over time.
本発明に係る気相成長装置は、処理対象物を保持する反応室と、上記反応室に反応ガスを供給するためのガス導入部とを備えている。上記ガス導入部は、ガス供給管と、上記ガス供給管と上記反応室とをつないで上記反応ガスを流通させるガス流路拡大部とを含んでいる。上記ガス流路拡大部は、上記ガス供給管から上記反応室まで、上記処理対象物の主表面に沿うとともに上記反応ガスの流通方向に交差する方向である平面方向での幅が、上記ガス供給管側から上記反応室側に向けて広がるように構成されている。上記ガス流路拡大部の上記平面方向の幅を規定する側壁では、上記ガス供給管から上記ガス流路拡大部へ導入される反応ガスの吐出方向に対する、上記側壁の傾斜角度のうち上記ガス供給管側に位置する部分の第1の傾斜角度が、上記側壁のうち上記反応室側に位置する部分の上記吐出方向に対する第2の傾斜角度より小さくなっている。 The vapor phase growth apparatus according to the present invention includes a reaction chamber that holds an object to be processed and a gas introduction unit for supplying a reaction gas to the reaction chamber. The gas introduction part includes a gas supply pipe, and a gas flow path expansion part that connects the gas supply pipe and the reaction chamber to flow the reaction gas. The gas flow channel expanding portion has a width in a plane direction that is along the main surface of the object to be processed and intersects the flow direction of the reaction gas from the gas supply pipe to the reaction chamber. It is configured to spread from the tube side toward the reaction chamber side. In the side wall defining the width in the planar direction of the gas flow path expanding portion, the gas supply is included in the inclination angle of the side wall with respect to the discharge direction of the reaction gas introduced from the gas supply pipe to the gas flow path expanded portion. The first inclination angle of the portion located on the tube side is smaller than the second inclination angle of the portion located on the reaction chamber side of the side wall with respect to the discharge direction.
ガス流路拡大部の平面方向での広がり方が段階的(最初の広がり角は小さめ、後半の広がり角は大きめ)になっているので、ガス流路拡大部での渦の発生が抑制される(前半部において、広がり角が小さいので、ガス供給管から供給されたガスが側壁近傍で側壁表面に沿って流れる(側壁から流れが剥離して渦が発生することを抑制する))。その後、後半で広がり角を大きくすることで、反応室の幅にまでガスを広げる(ラインのガス流れ方向における長さが必要以上に長くなることを防止する)。その結果、装置の大型化を抑制しつつ、かつ渦の発生を抑制しながら平面方向へガスを広げ、結果的に均一な成膜を実現する。またガス流路拡大部の、最初の広がり方が小さめになっているため、ガス供給管とガス流路拡大部との境界部や、ガス流路拡大部の広がり角が小さい部分と広がり角が大きい部分との境界部において、流通する反応ガスがスムーズに流れる。このため、ガス供給管から反応室に供給する反応ガスの種類を急峻に切り替えることができ、反応室にて形成される、複数種類の薄膜の積層構造を高品質となるように形成することができる。 The spread in the plane direction of the gas flow path enlarged portion is stepwise (the first spread angle is smaller and the latter spread angle is larger), so that the generation of vortices in the gas flow path expanded portion is suppressed. (Because the divergence angle is small in the first half, the gas supplied from the gas supply pipe flows along the side wall surface in the vicinity of the side wall (suppresses the flow from the side wall and the generation of vortices). Thereafter, the gas is expanded to the width of the reaction chamber by increasing the divergence angle in the latter half (preventing the length of the line in the gas flow direction from becoming longer than necessary). As a result, the gas is spread in the plane direction while suppressing the enlargement of the apparatus and the generation of vortices, and as a result, uniform film formation is realized. In addition, since the initial expansion of the gas flow path expansion portion is smaller, the boundary between the gas supply pipe and the gas flow path expansion portion, the portion where the gas flow channel expansion portion has a small expansion angle, and the expansion angle The flowing reaction gas flows smoothly at the boundary with the large portion. For this reason, the type of reaction gas supplied from the gas supply pipe to the reaction chamber can be rapidly switched, and a laminated structure of a plurality of types of thin films formed in the reaction chamber can be formed with high quality. it can.
上述した本発明に係る気相成長装置においては、上記ガス流路拡大部における上記反応ガスの流れ方向での上記ガス流路拡大部の長さ(L)に対する、上記ガス流路拡大部における上記反応ガスの流れる部分の高さ(H)の比(H/L)が、0.0013以上0.013以下となっていることが好ましい。このようにすれば、平面方向でのガスの流速分布をより確実に均一化できる。なお、ガスの流速の低下を抑制するためには0.01以上0.013以下であることがより好ましい。 In the vapor phase growth apparatus according to the present invention described above, the length of the gas flow path expansion section in the gas flow path expansion section with respect to the length (L) of the gas flow path expansion section in the flow direction of the reaction gas in the gas flow path expansion section. The ratio (H / L) of the height (H) of the portion through which the reaction gas flows is preferably 0.0013 or more and 0.013 or less. In this way, the gas flow velocity distribution in the plane direction can be made more uniform. In order to suppress a decrease in gas flow rate, it is more preferably 0.01 or more and 0.013 or less.
上述した本発明に係る気相成長装置においては、上記側壁の上記ガス供給管側に位置する部分の第1の傾斜角度は5°以上16°以下であることが好ましい。このようにすれば、ガス流路拡大部の入口側での渦発生を確実に抑制できる。 In the above-described vapor phase growth apparatus according to the present invention, it is preferable that a first inclination angle of a portion of the side wall located on the gas supply pipe side is 5 ° or more and 16 ° or less. In this way, it is possible to reliably suppress the generation of vortices on the inlet side of the gas flow path enlarged portion.
上述した本発明に係る気相成長装置においては、ガス導入部が複数備えられ、複数のガス導入部のうち一のガス導入部のガス流路拡大部と他のガス導入部のガス流路拡大部とを区画する仕切り部を有しており、仕切り部のうち少なくとも反応ガスの流通方向に関する下流側の領域は、反応ガスの流通方向に関する上流側の領域よりも、厚さが小さくなるよう、仕切り部の厚さの方向(厚さ方向)に関する最上部の直線と最下部の直線とが、流通方向に対して傾斜した外周形状を有することが好ましい。 In the above-described vapor phase growth apparatus according to the present invention, a plurality of gas introduction units are provided, and among the plurality of gas introduction units, a gas flow channel expansion unit of one gas introduction unit and a gas flow channel expansion of another gas introduction unit. A partition part that divides the part, and at least a downstream region in the flow direction of the reaction gas in the partition part is smaller in thickness than an upstream region in the reaction gas flow direction, It is preferable that the uppermost straight line and the lowermost straight line in the thickness direction (thickness direction) of the partition portion have an outer peripheral shape inclined with respect to the flow direction.
このように仕切り部のうち下流側において、その厚さが上流側の厚さよりも小さくなるテーパ形状を有することにより、仕切り部の端部(仕切り部のうち最も下流側の部分)の近傍において流通する反応ガスが渦を形成する可能性が低減される。したがって仕切り部のもっとも下流側の領域、つまりガス導入部(ガス流路拡大部)と反応室(反応ガス中継路)との境界部において反応ガスがスムーズに流れる。このため、ガス供給管から反応室に供給する反応ガスの種類を急峻に切り替えることができ、反応室にて形成される、複数種類の薄膜の積層構造を高品質となるように形成することができる。 Thus, in the downstream of the partition part, by having a tapered shape whose thickness is smaller than the thickness on the upstream side, it flows in the vicinity of the end of the partition part (the most downstream part of the partition part). The possibility of the reaction gas forming vortices is reduced. Therefore, the reaction gas flows smoothly in the most downstream area of the partition, that is, in the boundary between the gas introduction part (gas flow channel expansion part) and the reaction chamber (reaction gas relay path). For this reason, the type of reaction gas supplied from the gas supply pipe to the reaction chamber can be rapidly switched, and a laminated structure of a plurality of types of thin films formed in the reaction chamber can be formed with high quality. it can.
上述した本発明に係る気相成長装置においては、仕切り部のうち厚さが0.05mm以上の領域において、外周形状のうち流通方向と厚さ方向とがなす断面における、外周形状の厚さ方向の最上部の直線と最下部の直線とがなす角度が50°以下である領域を有することが好ましい。このようにすれば、仕切り部の端部におけるテーパ形状が充分に尖った形状となる。このため仕切り部の端部、すなわちガス導入部と反応室(反応ガス中継路)との境界部において、反応室に供給される反応ガスの種類を急峻に切り替えることができ、反応室の内部に保持された基板上に、複数種類の薄膜の積層構造を高品質となるように形成することができる。なお上記の効果をより確実にするためには、上記の仕切り部のうち、反応ガスの流通方向に関するもっとも下流側の端部における厚さは0.05mm未満であることが好ましい。 In the vapor phase growth apparatus according to the present invention described above, the thickness direction of the outer peripheral shape in the cross section formed by the flow direction and the thickness direction of the outer peripheral shape in the region of the partition portion having a thickness of 0.05 mm or more. It is preferable to have a region where the angle formed by the uppermost straight line and the lowermost straight line is 50 ° or less. If it does in this way, the taper shape in the edge part of a partition part turns into a shape sharp enough. For this reason, at the end of the partition, that is, at the boundary between the gas introduction part and the reaction chamber (reaction gas relay path), the type of the reaction gas supplied to the reaction chamber can be sharply switched, A stacked structure of a plurality of types of thin films can be formed on the held substrate so as to have high quality. In addition, in order to make said effect more reliable, it is preferable that the thickness at the end portion on the most downstream side in the flow direction of the reaction gas among the partition portions is less than 0.05 mm.
以上に示す本発明の気相成長装置においては、反応ガスの流通量が40SLM以上60SLM以下であることが好ましい。このようにすれば、ガス供給室から反応室に流れる反応ガスの種類を切り替えた際に反応室内のガスが追随可能な切り替え速度を示す最大スイッチング周波数の値をより大きくすることができる。 In the vapor phase growth apparatus of the present invention described above, the flow rate of the reaction gas is preferably 40 SLM or more and 60 SLM or less. In this way, it is possible to increase the value of the maximum switching frequency indicating the switching speed at which the gas in the reaction chamber can follow when the type of the reaction gas flowing from the gas supply chamber to the reaction chamber is switched.
本発明の気相成長装置は、ガス流路拡大部の平面方向での幅の広がり方が段階的になっているため、渦の発生を抑制し、反応室に供給するガスの種類を急峻に時間変化することができる。このため、薄膜の積層構造を形成するために複数種類の薄膜が積層された積層構造を形成する場合において、処理対象物である基板の主表面上に均一に、かつ高品質に成膜することができる。 In the vapor phase growth apparatus of the present invention, since the width of the gas flow channel expanding portion in the planar direction is stepwise, the generation of vortices is suppressed and the type of gas supplied to the reaction chamber is steep. Can change over time. For this reason, when forming a laminated structure in which a plurality of types of thin films are laminated to form a laminated structure of thin films, a uniform and high quality film is formed on the main surface of the substrate that is the object to be processed. Can do.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。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。 Hereinafter, embodiments 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に示すように、本発明の実施の形態1に係る気相成長装置は、反応室50とガス導入部とを備えている。反応室50は、たとえば半導体素子を形成するために薄膜を形成する処理対象物である基板15を内部に保持する領域である。またガス導入部は、反応室50の内部に、成膜を行なうための原料ガス(反応ガス)を供給する領域である。たとえば図1の気相成長装置においては、成膜を行なう際に3種類の異なる反応ガスを反応室50の内部に供給するために、ガス導入部が3台(3ルート)存在する。具体的には図1における上側から順に、ガス供給管10、第1ガス流路拡大部12、第2ガス流路拡大部13からなるガス導入部11、ガス供給管20、第1ガス流路拡大部22、第2ガス流路拡大部23からなるガス導入部21、およびガス供給管30、第1ガス流路拡大部32、第2ガス流路拡大部33からなるガス導入部31の3台である。
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, the vapor phase growth apparatus according to
反応室50の内部には、基板15を保持するためのサセプタ51と、サセプタ51を回転可能に支持するための回転軸53と、サセプタ51およびサセプタ51の一方の主表面上に載置された基板15の表面近傍に供給された反応ガスを反応させるための加熱をするヒータ55とが配置されている。
Inside the
上述した複数のガス導入部11、21、31は、たとえば当該気相成長装置を設置する設備の壁面3の背後(図1における右側)にガス供給管10、20、30が埋れている。各ガス導入部の第2ガス流路拡大部のさらに下流側には、ガス導入部から反応室50の内部へと反応ガスを導くための反応ガス中継路7が配置される。また反応室50の内部から見て反応ガス中継路7と反対側(図1の左側)には、反応室50の内部に存在する余剰のガスを排気するための排気ガス流路9が配置されている。ガス導入部11、21、31は、たとえば石英あるいはクロム、鉄、ニッケル、ステンレス、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウムなどの金属により形成されたものであることが好ましい。このようにすれば、たとえば流通させようとするガスにより各ガス導入部が反応するなどのダメージを受けることなく、当該ガスをスムーズに流通させることができる。ただし、当該ガス導入部を流すガスとして腐食性ガスを用いる場合には、上述した各材質のうちアルミニウム以外の材質を用いることが好ましい。
The
図1においては、各ガス導入部のガス供給管10、20、30、第1ガス流路拡大部12、22、32、および第2ガス流路拡大部13、23、33の一部の領域が、ガス導入部ケース1により覆われている。ガス導入部ケース1はたとえばボルトなどの固定用部材2により壁面3と固定されている。このようにして各ガス導入部が固定されている。しかし各ガス導入部を壁面3に固定する方法は上述した方法に限られず、一般周知の任意の方法を用いることができる。また図1においては、各第1ガス流路拡大部が第1ガス流路拡大部ケース4により覆われており、各第2ガス流路拡大部が第2ガス流路拡大部ケース5により覆われている。これらについても上述した構成に限られず、一般公知の任意の方法により各部材を収納することができる。さらに図1においては、第2ガス流路拡大部ケース5の一部の領域を覆いながら接続するように反応ガス中継路7が構成され、反応ガス中継路7と排気ガス流路9とが一部の領域において一体であるように描かれている。しかし両者は不連続であってもよい。
In FIG. 1, partial regions of the
また図1においてガス導入部は3台存在するが、図2の断面図には一例としてガス導入部21の、反応ガスの流通方向(図1の左右方向)に交差する方向である平面方向での断面図を示している。ガス導入部はガス供給管、第1ガス流路拡大部、第2ガス流路拡大部ともに図1の左右方向、すなわち反応室50内の基板15の主表面に沿った方向に延在している。なお図1においてガス導入部11、31は第1ガス流路拡大部12、32が図1の上下方向、すなわち反応室50内の基板15の主表面に交差する方向に屈曲している。これは3台のガス供給管が図1の上下方向に並列するように配置されているためである。したがってたとえば3台のガス供給管が図1の基板15の主表面に沿った方向に並列するように配置されれば、第1ガス流路拡大部12、32を図1の上下方向に屈曲しない構成とすることができる。この場合は第1ガス流路拡大部12、32を、図1の紙面に垂直な奥行き方向に、並列するように配置することが好ましい。
In FIG. 1, there are three gas introduction portions. In the cross-sectional view of FIG. 2, as an example, the
次に当該気相成長装置を構成する各部分の動作について説明する。ガス供給管10、20、30のさらに上流側に接続されるガス供給源(図1中では省略されている)からガス供給管10、20、30に供給される、たとえばIII族の原料からなる反応ガスやV族の原料からなる反応ガスは、図1の右側から左側へ、つまり第1ガス流路拡大部、第2ガス流路拡大部の順に流通してさらに反応ガス中継路7を経て反応室50の内部に達する。また反応室50の内部において成膜に用いられた後の余剰のガスや、反応室50の内部での反応により発生した余剰のガスは、排気ガス流路9を流通して外部へ排出される。図2に示すように、ガス導入部のうち最も上流側のガス供給管20は、延在する方向(反応ガスが流通する方向)に交差する断面に関する内側の壁面(ガス供給管側壁24)の直径が示す幅(図2における上下方向の間隔)が、各領域においてほぼ一定である。つまり上記幅の大きさが広がったり狭まったりするなどの変化をしていない。
Next, the operation of each part constituting the vapor phase growth apparatus will be described. It is made of, for example, a group III material supplied to the
しかし図2に示すように、ガス導入部21は、ガス供給管20の下流側に位置する第1ガス流路拡大部22において、延在する方向に交差する断面に関する内側の壁面(第1ガス流路拡大部側壁25)の幅が、ガス供給管20側から反応室50側へ向けて広がるように構成される。言い換えれば、第1ガス流路拡大部側壁25の幅とは、反応ガスの流通方向に交差する方向である平面方向での幅を意味する。第2ガス流路拡大部23についても同様に、延在する方向に交差する断面に関する内側の壁面(第2ガス流路拡大部側壁26)の幅が、ガス供給管20側から反応室50側へ向けて広がるように構成される。
However, as shown in FIG. 2, the
このようにガス導入部21の下流側において、上流側よりも側壁の幅を広くすれば、ガス導入部21を流れる反応ガスは、側壁に沿って流れようとするため、上流側から下流側に向けて、反応ガスが流れる領域を、次第に広くすることができる。
Thus, if the width of the side wall is made wider on the downstream side of the
ここで反応室50の内部のサセプタ51は図2の断面図に示すように主表面が円形をなしており、たとえば3枚の基板15を載置することが可能な大きさを有している。サセプタ51は、基板15が載置される側の主表面と反対側の主表面(図1における下側)の中央部にて、反応室50の内部に配置された回転軸53と固定されている。このためサセプタ51は、回転軸53を軸として主表面に沿った平面内にて回転可能となっている。このように複数枚の基板15が載置されたサセプタ51をヒータ55を用いて加熱した状態で、サセプタ51(基板15)の表面近傍に、各ガス導入部から吐出される反応ガスを供給する。すると当該反応ガスの吐出される領域の幅が、サセプタ51の主表面の直径以上であれば、サセプタ51の主表面全体の近傍に当該反応ガスを一時に供給することができる。このため図2に示すように、ガス導入部21は上流側から下流側に向けて幅が広くなることが好ましい。そして第2ガス流路拡大部23の最も下流側における第2ガス流路拡大部側壁26の幅は、サセプタ51の主表面の直径以上であることが好ましい。
Here, the
上記のガス供給源から流路へと反応ガスを導くガス供給管20の幅(ガス供給管側壁24の幅)は一般にはサセプタ51の主表面の直径に比べて非常に狭い。このためガス導入部21にはガス供給管20よりも反応ガスを流通する領域の幅を広げるためのガス流路拡大部を含んでいることが好ましい。
The width of the
ここで、ガス導入部において、ガス流路拡大部の側壁が、ガス供給管20における反応ガスの吐出方向(ガス供給管20の延在する方向)に沿った方向に対して大きな傾斜角度を有すれば、ガス供給管20と、上記大きな傾斜角度の側壁を有するガス流路拡大部との境界部の近傍において、流通する反応ガスに渦が発生する可能性がある。これは上述したように反応ガスはガス導入部21の内部を概ね側壁に沿って流通するが、上記境界部のように流通する方向が大きく変化(屈曲)する領域が存在すれば、当該領域において反応ガスが流通方向の変化に追随できなくなるため、所望の方向(すなわちガス流路拡大部の側壁に沿った方向)に流通することが困難になる。このため上記境界部の近傍において、流通の渦が起こりやすくなる。
Here, in the gas introduction part, the side wall of the gas flow path enlarged part has a large inclination angle with respect to the direction along the discharge direction of the reaction gas in the gas supply pipe 20 (the direction in which the
このため図3の、ガス導入部21の各領域における側壁間の傾斜角度の関係を示す概略図に示すように、ガス導入部21のガス流路拡大部は、傾斜角度の異なる2つの領域を含んでいることが好ましい。具体的には上述した第1ガス流路拡大部22と第2ガス流路拡大部23とである。図3に示すように、ガス供給管側壁24の延在方向(図3の点線の延在方向)に対する第1ガス流路拡大部側壁25の傾斜角度θ1は、ガス供給管側壁24の延在方向に対する第2ガス流路拡大部側壁26の傾斜角度θ2よりも小さくなっている。
For this reason, as shown in the schematic diagram showing the relationship of the inclination angle between the sidewalls in each region of the
このようにガス供給管側壁24と第1ガス流路拡大部側壁25とのなす傾斜角度θ1を比較的小さくすれば、ガス供給管側壁24の延在方向に沿って流通していた反応ガスを、ガス供給管側壁24と第1ガス流路拡大部側壁25との境界部の近傍において側壁の延在する角度の変化に容易に追随させることができる。つまりガス供給管側壁24と第1ガス流路拡大部側壁25との境界部の近傍において反応ガスが渦などの乱流を発生することを抑制することができる。このため当該境界部の近傍において反応ガスの流量や流速の制御が不可能になったり、下流側に向けてスムーズに流通すべき反応ガスの一部が当該境界部の近傍に貯留するなどの不具合が発生することを抑制することができる。したがって、所望の流量、流速にて反応ガスを反応ガス中継路7から反応室50の内部(基板15の主表面近傍)へ供給することができる。また、たとえば複数の異なる種類の薄膜が積層された構造を形成するために反応室50の内部へ供給する反応ガスの種類を時間変化させる場合においても、流通させるガスの種類や量をスムーズに切り替えることができる。
Thus, if the inclination angle θ 1 formed between the gas supply
しかし傾斜角度θ1が小さい場合は、たとえばサセプタ51の主表面の直径よりも広い幅W(図3参照)となるようにガス流路拡大部側壁を形成すれば、当該ガス流路拡大部側壁の、ガス供給管20の延在する方向に関する長さL(図3参照)が非常に大きくなる。このため当該ガス流路拡大部側壁を備えるガス導入部の製作コストが高くなるなどの不具合が発生し、実用に供することが難しくなる。そこでガス流路拡大部は、ガス供給管20(ガス供給管側壁24)の延在する方向に対する傾斜角度が2段階に変化することが好ましい。つまり図2、図3を参照してガス流路拡大部は第1ガス流路拡大部22の下流側に第2ガス流路拡大部23を含むことが好ましい。ここで第2ガス流路拡大部側壁26がガス供給管側壁24の延在方向に対してなす傾斜角度θ2は上記θ1よりも大きい。
However the inclination angle when theta 1 is small, for example, the main surface having a width W than the diameter by forming the gas flow channel expanding side walls so that (see FIG. 3), the gas flow path enlarged part side walls of the
このようにすれば、ガス流路の側壁の幅を図3のWとするために必要なガス流露拡大部側壁の長さLを短くし、当該設備の製作コストを低減することができる。これは第2ガス流路拡大部23の、ガス供給管20の延在する方向に関する長さL2(図3参照)を短くすることにより、L1(第1ガス流路拡大部22の、ガス供給管20の延在する方向に関する長さ。図3参照)とL2との和であるLを短くすることができるためである。
In this way, the length L of the side wall of the gas flow dew expansion portion necessary for setting the side wall width of the gas flow path to W in FIG. 3 can be shortened, and the manufacturing cost of the equipment can be reduced. This is achieved by shortening the length L 2 (see FIG. 3) of the second gas flow
なお、上記傾斜角度がθ1(θ1<θ2)である第1ガス流路拡大部22を設けず、傾斜角度がθ2であるガス流路拡大部をガス供給管20と連続するように形成すれば、上述したようにガス供給管側壁24と上記ガス流路拡大部の側壁とがなす傾斜角度θ2が大きいため、ガス供給管20と当該ガス流路拡大部との境界部近傍において渦が発生する可能性がある。図2、図3のように側壁の傾斜角度を段階的に変化させて、傾斜角度が異なる隣接する側壁間のなす角度を小さくすることにより、供給される反応ガスに渦が発生することを抑制することができるとともに、当該ガス導入部の製作コストを削減することができる。
It should be noted that the first gas flow
つまり、上述した整流性を向上させる効果を高めるためには、上記傾斜角度θ1の値は16°以下であることが好ましい。θ1の値が16°を超えると、上述した渦が発生する可能性が高くなる。ただしθ1の値が5°を下回ると、図3のL1が非常に長くなり、設備の製作コストが高くなる可能性がある。このため上記傾斜角度θ1の値は5°以上16°以下であることがより好ましい。 That is, in order to enhance the above-described effect of improving the rectification property, the value of the inclination angle θ 1 is preferably 16 ° or less. When the value of theta 1 is greater than 16 °, more likely eddy described above occurs. However, if the value of theta 1 is less than 5 °, L1 becomes very long in FIG. 3, there is a possibility that the manufacturing cost of the equipment is high. Therefore the value of the inclination angle theta 1 is more preferably 5 ° or more 16 ° or less.
図4のグラフは上述した図6のグラフと同様に、横軸は経過時間(秒)を、縦軸は原料ガスとして用いたTMG(トリメチルガリウム:ガリウムの有機金属化合物)の流量をモル分率で示している。図4中の実線100は、原料ガスとしてのTMGを供給する配管中を流通するガスの流量を、また図4中の点線200は、上記配管を流通し、ガス導入部21の最も下流部(後述する図5の断面図が示す箇所)から反応ガス中継路7に向けて噴射される上記TMGのガスの流量をモル分率で示している。さらに図4中の一点鎖線300は、点線200のデータを算出した箇所よりも、反応ガス中継路7の延在する方向に関して30mm下流側の箇所における、点線200と同様のTMGのガスの流量をモル分率で示している。図4の点線200および一点鎖線300は、図6の点線200と比較してガスの流量の入力値を示す矩形パルス形状の実線100に近い形状を有している。つまり当該各領域におけるガスの流量(モル分率)の時間変化が、ガス供給源からのガスの供給量の時間変化により追随した結果となっていることがわかる。これは上述したように、側壁の屈曲する領域の近傍においても反応ガスが貯留せずにスムーズに流れる構成を有しているため、下流側においても上流側にて入力したガスの流量の時間変化に近いガス流量の時間変化の波形を示すことによる。このため反応室50内部の、基板15が載置された領域の近傍に供給される反応ガスの供給量の時間変化も、反応ガスの供給量の時間変化により近い態様を示すこととなる。したがって本実施の形態に係る気相成長装置を用いれば、たとえばIII族のガスを一定時間供給した後に急峻にIII族のガスの供給を止め、V族のガスを供給する場合において、V族のガスを供給する際にガス導入部の内部に貯留したIII族のガスが吐出され、V族のガス中に混入し、形成される薄膜の品質を低下させるなどの不具合が発生することを抑制することができる。つまり本実施の形態に係る気相成長装置を用いれば、短い時間ごとに急峻に各種のガスの流量を切り替えながら、異なる材質からなる複数の薄膜の積層構造を形成する処理をより高精度に行なうことができる。
4, the horizontal axis represents elapsed time (seconds), and the vertical axis represents the flow rate of TMG (trimethylgallium: organometallic compound of gallium) used as a raw material gas, in the same manner as the graph of FIG. 6 described above. Is shown. The
なお、本実施の形態のガス流路拡大部において、上記ガス流路拡大部全体の長さL(図3参照)に対する、ガス流路拡大部における反応ガスの流れる部分の高さ(H)の比(H/L)は0.013以下であることが好ましい。具体的には、図5に示す、ガス導入部21の最も下流部における断面図が示す、反応ガスの流通する方向および幅W(W1)方向の両方に交差する高さ方向に関する、第2ガス流路拡大部23の高さHの、図3に示す長さLに対する比率H/Lが0.013以下であることが好ましい。ただしHの値が非常に小さいと、当該領域を流れるガスの流量(流速)が低下する可能性がある。このため上記比率H/Lは0.0013以上0.013以下であることがより好ましい。仮に第2ガス流路拡大部13、23、33のいずれもが同一の高さHを有する場合には、図5における高さH1=3Hとなる。また図5における幅W1は、第2ガス流路拡大部13、23、33の最も下流部における幅Wに、第2ガス流路拡大部ケース5および反応ガス中継路7の厚さを加えたものである。
In addition, in the gas flow path expanding portion of the present embodiment, the height (H) of the portion where the reaction gas flows in the gas flow path expanding portion with respect to the overall length L (see FIG. 3) of the gas flow path expanded portion. The ratio (H / L) is preferably 0.013 or less. Specifically, the second gas related to the height direction intersecting both the direction in which the reaction gas flows and the width W (W1) direction shown in the cross-sectional view in the most downstream portion of the
H/Lが上述した数値範囲内となるように極力Hの値を小さくすれば、ガス供給源からガス導入管に供給された反応ガスは、ガス導入部の内部をより均一に流通することができる。これはHの値が小さければ当該反応ガスが図5におけるHの方向(上下方向)に拡散されることが抑制されるためである。またHの値が小さければ、たとえば図5におけるWの方向(左右方向)の中央付近を過剰気味に流通する反応ガスの一部が、ガス導入部のHの方向に関する側壁と干渉することにより、上記Wの方向の両端側に拡散するためである。このようにして、図5のWの方向に関する各領域を流通する当該反応ガスの流量の偏差を小さくすることができる。 If the value of H is made as small as possible so that H / L is within the above-mentioned numerical range, the reaction gas supplied from the gas supply source to the gas introduction pipe can circulate more uniformly in the gas introduction section. it can. This is because if the value of H is small, the reaction gas is prevented from diffusing in the direction of H (vertical direction) in FIG. Further, if the value of H is small, for example, a part of the reaction gas that circulates excessively in the vicinity of the center in the W direction (left-right direction) in FIG. 5 interferes with the side wall in the H direction of the gas introduction part, This is because it diffuses to both end sides in the W direction. In this way, it is possible to reduce the deviation in the flow rate of the reaction gas flowing through each region in the direction W in FIG.
以上において、特に図2、図3を用いたガス流路拡大部の説明においては、ガス導入部21を一例として説明した。しかしガス導入部11、31においてもガス導入部21と同様の態様を有するため、ガス導入部21と同様の動作や作用効果を有する。
In the above description, the
なお、たとえば第2ガス流路拡大部13、23、33のいずれかに、流量が時間変化せず一定であるアルゴンや窒素などのパージガスを流す場合は、図5の断面図が示すガス導入部(第2ガス流路拡大部)の最も下流部において、流量が時間変化する反応ガスと混合するために、反応ガスの流量の制御が困難となるなどの問題が発生することを考慮する必要はない。これは、当該パージガスは反応ガスを所望の領域へ流通させる機能を有するためである。つまり当該パージガスが反応ガスと混合しても、当該反応ガスが一部の領域に貯留する結果、流通する方向や流量に影響を与え、渦を発生させることはない。
Note that, for example, when a purge gas such as argon or nitrogen whose flow rate does not change with time is flowed through any of the second gas flow
(実施の形態2)
図7に示すように、本発明の実施の形態2に係る気相成長装置は、実施の形態1に係る気相成長装置(図1参照)と大筋で同様の態様を備えている。しかし本実施の形態に係る気相成長装置は、第2ガス流路拡大部13、23、33の構成において異なっている。以下、本実施の形態について説明する。
(Embodiment 2)
As shown in FIG. 7, the vapor phase growth apparatus according to the second embodiment of the present invention has roughly the same aspect as the vapor phase growth apparatus (see FIG. 1) according to the first embodiment. However, the vapor phase growth apparatus according to the present embodiment differs in the configuration of the second gas flow
本実施の形態の気相成長装置は、複数(3台)の第2ガス流路拡大部13、23、33のそれぞれを区画する部分である仕切り部60、70が、板状に配置されている。つまり仕切り部60を境界として第2ガス流路拡大部13と第2ガス流路拡大部23とが分離されており、仕切り部70を境界として第2ガス流路拡大部23と第2ガス流路拡大部33とが分離されている。なお図7中の線分V−Vにおける概略断面図は図5と同様であり、図7中の線分II−IIにおける概略断面図は図2と同様である。
In the vapor phase growth apparatus according to the present embodiment,
たとえば第2ガス流路拡大部ケース5の内部において、第2ガス流路拡大部が一体として形成され、第1ガス流路拡大部12、22、32と第2ガス流路拡大部との境界部から第2ガス流路拡大部の内部に延在するように仕切り部60、70が形成されていてもよい。あるいはガス導入部11、21、31のそれぞれがガス供給管10、20、30と第1ガス流路拡大部12、22、32と第2ガス流路拡大部13、23、33とから構成され、第2ガス流路拡大部13と第2ガス流路拡大部23との接触する部分(外周部)を合わせて仕切り部60とし、第2ガス流路拡大部23と第2ガス流路拡大部33との接触する部分(外周部)を合わせて仕切り部70とする構成であってもよい。
For example, the second gas flow path expanding part is integrally formed inside the second gas flow path expanding
つまり仕切り部60、70が上記のいずれの態様を有するにせよ、仕切り部60、70はガス導入部11、21、31と同様の材質、すなわちたとえば石英あるいはクロム、鉄、ニッケル、ステンレス、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウムなどの金属により形成されたものであることが好ましい。
That is, even if the
図8を参照して、仕切り部60および仕切り部70は、反応ガスの流通方向(図8の右側から左側へ向かう方向)に関する下流側の領域において、図8の断面図における最外周をなす直線が傾斜している。具体的には、図9に示すように、仕切り部60のうち反応ガスの下流側の端部61の最外周は、端部61の厚さ(図8の上下方向の厚さ)方向に関する最上部の直線63と最下部の直線63とが、反応ガスの流通方向(図8の左右方向)に対して一定の角度で傾斜した構成を有している。つまり仕切り部60の最外周は、図9の変曲点62よりも上流側においては、反応ガスの流通方向にほぼ平行に延びるが、変曲点62において屈曲し、変曲点62よりも下流側においては、最上部の直線63と最下部の直線63との距離(つまり仕切り部60の厚さ)が減少するように延在する。そして最上部の直線63と最下部の直線63とが図9の断面図においてなす角度はθであり、最上部の直線63と最下部の直線63とが互いに尖った先端をなすように交差している。
Referring to FIG. 8,
なお、図9の第1例においては、端部61の最上部の直線63と最下部の直線63とが角度θで交わり、図9の断面図における先端が尖った形状となっている。しかし図10の第2例に示すように、端部61の先端の断面図が円弧状をなす形状であってもよい。図10の仕切り部60の端部61は、図9の仕切り部60の端部61に対して、先端の断面が円弧状をなすように円くなっている点においてのみ異なっている。つまり変曲点64より下流側(先端側)においては、図10の断面図において直線ではなく円弧状をなす態様を有している。
In the first example of FIG. 9, the uppermost
このようにすれば、テーパ状となった直線63により、仕切り部60により区画される第2ガス流路拡大部13および第2ガス流路拡大部23を流れる反応ガスが渦を形成してスムーズな流通を妨げることを抑制することができる。すなわち本実施の形態の気相成長装置は、平面視においてガス流路が2段階に広がる形状を有し、かつ厚さ方向において先端部のガス流路が傾斜を有して広がる形状を有する。このことから、反応ガスのスムーズな流通をさらに確実に提供することができ、流通する反応ガスの種類を急峻に変化し、異なる材質の薄膜が複数積層された積層構造をより高品質に形成することができる。
In this way, the reaction gas flowing through the second gas flow
ここで、上記の本気相成長装置の効果をより高めるためには、図9〜図10の仕切り部60の端部61のうち、厚さtが0.05mm以上の領域において、最上部の直線63と最下部の直線63とがなす角度θが50°以下である領域を有することが好ましい。具体的には図11の第3例を参照して、たとえば仕切り部60の変曲点62よりも端部61側(先端側)に、最上部の直線63と最下部の直線63とのなす角度θが50°以下となる構成を有していることが好ましい。ただし最上部の直線63と最下部の直線63との距離である厚さtが0.05mmとなる変曲点65よりも先端側においては、最上部の直線と最下部の直線とがなす角度がθ3(>θ)であり、θ3が50°を超える角度となっていてもよい。つまり最外周のなす直線が2つの変曲点を有する構成であってもよい。
Here, in order to further enhance the effect of the present vapor phase growth apparatus, the uppermost straight line is formed in the region where the thickness t is 0.05 mm or more in the
なお仕切り部60を工業的に妥当なコストで加工するためには、角度θの値は0.1°以上であることが好ましい。したがってθの値は、0.1°以上50°以下であることが好ましい。
In addition, in order to process the
また図12の第4例に示すように、端部61の先端の断面図が円弧状をなす形状であってもよい。具体的には図12の仕切り部60の端部61は、図11の仕切り部60の端部61に対して、先端の断面が円弧状をなすように円くなっている点においてのみ異なっている。つまり変曲点66より下流側(先端側)においては、図12の断面図において直線ではなく円弧状をなす態様を有している。
Further, as shown in the fourth example of FIG. 12, the cross-sectional view of the tip of the
ただし図13に示すように、最上部(最下部)の直線63が傾斜して角度θで交差する仕切り部60の端部61のうちもっとも下流側の領域の厚さtは0.05mm未満であることが好ましい。このようにすれば、第2ガス流路拡大部13、23を流れる反応ガスが渦を形成することなく流通することが可能な最高流通速度を高めることができる。
However, as shown in FIG. 13, the thickness t of the most downstream region of the
したがって、たとえば図14の第1比較例を参照して、図11〜図13に示す厚さt(0.05mm)を超える厚さt1の領域が最先端となっている仕切り部60は、たとえ変曲点62より下流側の端部61において、最上部の直線63と最下部の直線63とが50°以下の角度θをなしているとしても、最先端の領域の近傍にて反応ガスの流れの渦67が発生する可能性がある。このため第2ガス流路拡大部13、23を流通する反応ガスの流速を下げるなど、当該流速を精密に制御する必要が生じる。
Therefore, for example, referring to the first comparative example of FIG. 14, the
また図15の第2比較例を参照して、従来の気相成長装置における仕切り部60は、端部に傾斜が形成されていない。したがって最先端(もっとも下流側)の部分がなす角度θは180°であると考えることができる。この場合においては、当該仕切り部60の厚さtはほぼ一定の値となり、第2ガス流路拡大部13、23を流通する反応ガスに渦が発生し、急峻なガスの切り替えが困難となる可能性がある。しかし厚さtの値をたとえば0.05mm未満にすれば、仕切り部60の最先端の近傍において反応ガスに渦が発生する可能性を低減することができる。したがってたとえば図9〜図13に示す、傾斜形状を有する仕切り部60と同様に、急峻なガスの切り替えを容易にし、高品質な薄膜の積層構造を容易に形成することが可能となる。
Referring to the second comparative example of FIG. 15, the
なお仕切り部60を工業的に妥当なコストでかつ妥当な強度を持たせて加工するためには、上記図15の仕切り部の厚さの値は0.01mm以上であることが好ましい。したがってθが180°の場合、仕切り部の厚みは0.01mm以上0.05mm未満であることが好ましい。
In addition, in order to process the
以上の図9〜図15においては、いずれも仕切り部60の端部61についてのみ説明しているが、図8の仕切り部70の端部71についても、端部61と同様に図9〜図13の各態様をとることができる。
9 to 15, only the
以下において、上記内容を説明するデータ(シミュレーション結果)について述べる。図16のグラフの横軸は、本実施の形態の気相成長装置(図7参照)の仕切り部60、70の端部61において、最上部の直線63と最下部の直線63とがなす角度θ(図9参照)を示している。また図16のグラフの縦軸は、第2ガス流路拡大部13、23を流通する反応ガスの最大スイッチング周波数(第2ガス流路拡大部13、23を流通する反応ガスの種類を1秒間に切り替えて追随させることが可能な回数)を示している。
In the following, data (simulation results) explaining the above contents will be described. The horizontal axis of the graph of FIG. 16 is an angle formed by the uppermost
なお図16のグラフが示すシミュレーションにおいては、仕切り部60、70の端部61、71以外(端部61、71よりも上流側の、厚さがほぼ一定の領域)における厚さが1mmであり、第2ガス流路拡大部13、23の高さH(図5参照)は1mmである気相成長装置を想定している。また第2ガス流路拡大部13の、反応ガスの流路に沿う方向に延在する長さは140mmであり、仕切り部60、70は図9に示すように端部61の先端が尖ったものとしている。
In the simulation shown in the graph of FIG. 16, the thickness is 1 mm except for the
ここで仕切り部60、70の端部61における角度θおよび、第2ガス流路拡大部13、23を流れる反応ガスの単位時間当たりの流量を変化させて、当該反応ガスの種類を切り替えたときに反応室50の上流部において流通する反応ガスの種類が1秒間に追随可能な回数を算出した。具体的には、まず反応室50の上流部において、反応ガスの種類の切り替え後、切り替え前に流れていた反応ガスの濃度が、切り替え前の1/100以下に下がるまでの時間を切り替えの最小の時間とした。また上記切り替えの最小の時間ごとに反応ガスの種類の切り替えを繰り返す場合の、単位時間当たりに切り替えることが可能な最大の回数を最大スイッチング周波数とした。そして端部61の角度θに対する最大スイッチング周波数の変化を、反応ガスの流量ごとに調査した。具体的には端部61の角度θが180°、90°、50°、25°、12°および6°の場合について調査した。最大スイッチング周波数より高い周波数でガスを切り替える場合には、2種のガスが反応室内で混合し、切り替えの効果が失われる。最大スイッチング周波数が高いほど、多様な切り替え速度でガスを急峻に切り替えることが可能になり、より効果的なスイッチングが可能となる。
Here, when the angle θ at the
その結果、図16に示すように、端部61の先端の角度θの大きさにかかわらず、第2ガス流路拡大部13、23を流れる反応ガスの流量が20SLMの場合において、最大スイッチング周波数はもっとも低くなっている。そして反応ガスの流量が40SLMの場合は、20SLMの場合より最大スイッチング周波数が高くなり、先端角度θが25°以上において、もっとも最大スイッチング周波数が高くなった。しかし先端角度θが12°および6°の場合には反応ガスの流量が60SLMの場合、当該流量が40SLMの場合より最大スイッチング周波数が大きくなった。また反応ガスの流量にかかわらず、先端角度θが50°以下になれば、先端角度θが90°以上の場合に比べて最大スイッチング周波数が大きくなっている。
As a result, as shown in FIG. 16, the maximum switching frequency is obtained when the flow rate of the reaction gas flowing through the second gas flow
このことから、反応ガスの流量を40SLM以上60SLM以下とし、仕切り部60の端部61の先端角度θを50°以下とすることにより、最大スイッチング周波数を大きくすることができることがわかる。最大スイッチング周波数が大きいということは、急峻な反応ガスの種類の変化に反応室50の内部が容易に追随され、高品質な薄膜の積層構造を形成することができることを意味する。これは先端角度θを小さくし、端部61の先端を尖らせることにより、端部61の近傍における反応ガスの渦の発生を抑制し、反応ガスの流量の時間変化をより高精度に制御することができると考えられる。
From this, it can be seen that the maximum switching frequency can be increased by setting the flow rate of the reaction gas to 40 SLM or more and 60 SLM or less and the tip angle θ of the
図17および図18のグラフの横軸は、図16と同様に、本実施の形態の気相成長装置(図7参照)の仕切り部60、70の端部61において、最上部の直線63と最下部の直線63とがなす角度θ(図9参照)を示している。また図17および図18のグラフの縦軸は、第2ガス流路拡大部13、23を流れる反応ガスの種類を変更したり、当該反応ガスの流通を停止したときに、反応室50の上流部(下流部)において、反応ガスの濃度が1/100になるまでの時間(到達時間(ミリ秒))を示している。つまり当該到達時間が短いほど、反応ガス変更に対する反応室50の追随が早いことを意味する。また図17および図18に関するその他の各条件は、図16のデータを抽出した条件と同様である。
The horizontal axis of the graphs of FIGS. 17 and 18 is the same as that of FIG. 16 and the uppermost
図17および図18より、先端角度θにかかわらず、流量が20SLMの場合には到達時間が長くなっている。これに対し、流量が40SLMおよび60SLMの場合においては、特に先端角度θを50°以下にすれば、到達時間が短くなっていることがわかる。以上より、図16と同様に、反応ガスの流量を40SLM以上60SLM以下とし、仕切り部60の端部61の先端角度θを50°以下とすることが、反応ガスの流量の時間変化を高精度に制御する上でより好ましいことがわかる。
17 and 18, the arrival time is longer when the flow rate is 20 SLM, regardless of the tip angle θ. On the other hand, in the case of the flow rates of 40 SLM and 60 SLM, it can be seen that the arrival time is shortened particularly when the tip angle θ is 50 ° or less. As described above, similarly to FIG. 16, the flow rate of the reaction gas is set to 40 SLM or more and 60 SLM or less, and the tip angle θ of the
次に、以上に述べる気相成長装置のガス供給管10、20、30から反応室50に供給される反応ガスの種類を切り替えたり、ガス供給管10、20、30を流通する反応ガスの流れを停止したときの、反応室50の内部に載置された基板15上の当該反応ガスの濃度の時間変化を調査した結果を図19〜図22に示す。図19〜図22のグラフに示すデータは、図16〜図18のデータを導出した気相成長装置と同一の気相成長装置を用いて導出したものである。また気相成長装置のガス供給管10、20、30間を区画する仕切り部60、70の先端部の形状は図9と同様である。
Next, the type of reaction gas supplied to the
図19〜図22のグラフの横軸は、ガス供給管10、20、30から供給される反応ガス(たとえばTMG)をたとえば停止したり、ガスの種類を切り替えたりした時刻からの経過時間を示している。そして図19〜図22のグラフの縦軸は、反応室50のサセプタ51に載置された基板15の表面における、横軸の時刻0までガス供給管10、20、30を流れていた反応ガスの濃度(モル分率)を示している。
The horizontal axis of the graphs of FIGS. 19 to 22 shows the elapsed time from the time when the reactive gas (for example, TMG) supplied from the
図19〜図22においては、仕切り部60、70の端部61における最上部の直線63と最下部の直線63(図9参照)とのなす角度θを、先端角として示している。たとえば図19および図20においては、仕切り部60の先端角が180°から25°まで変化しても、基板15上のガス濃度の時間変化はほとんど変化しない。しかし図21に示すように、反応ガスの流量が60SLMとなれば、特に1500ミリ秒から1700ミリ秒の間における基板15上のガス濃度の時間変化が、仕切り部60、70の先端角に応じて変化することがわかる。
19 to 22, the angle θ formed by the uppermost
より具体的には、図22を参照して、特に1650ミリ秒から1670ミリ秒の間において、先端角が180°や90°の場合に比べ、先端角が25°、12°、6°の場合には濃度の低下が速くなっていることがわかる。図22が示す、およそ1650ミリ秒から1670ミリ秒において、基板15上の反応ガスのモル分率が時刻0(定常状態)における基板15上の反応ガスのモル分率の約1/100となっている。
More specifically, referring to FIG. 22, the tip angle is 25 °, 12 °, 6 °, especially when the tip angle is 180 ° or 90 ° between 1650 milliseconds and 1670 milliseconds. In this case, it can be seen that the decrease in density is faster. As shown in FIG. 22, in about 1650 milliseconds to 1670 milliseconds, the molar fraction of the reactive gas on the
このことから、先端角を小さくし、端部61の先端を尖らせることにより、端部61の近傍における反応ガスの渦の発生を抑制し、反応ガスの流量の時間変化をより高精度に(より急峻に時間変化するように)制御することができると考えられる。
From this, by reducing the tip angle and sharpening the tip of the
一方、図23には、仕切り部60、70の端部61に傾斜した外周形状を有さず、たとえば図15と同様にθが180°である仕切り部60を想定して、仕切り部60の厚さが変化したときに、第2ガス流路拡大部13、23、33を流通した反応ガスが渦を形成することなく反応室50へ向けて流出することが可能な最高流速をシミュレーションした結果を示している。すなわち図23のグラフの横軸は、θが180°である(断面図における傾斜した外周形状を有さない)仕切り部60、70の最も先端における厚さを、最先端の厚さとして示している。また図23のグラフの縦軸は、反応ガスが仕切り部60、70の先端近傍で渦を発生することなく、またガスの混合を起こしたりすることなく下流側(反応室50側)へ向けて流通することが可能な最高流速を、渦無し最高流速として示している。なおここでは、最先端の厚さが2mm、0.5mm、0.1mmおよび0.05mmのそれぞれの場合を想定して算出した。
On the other hand, FIG. 23 does not have an inclined outer peripheral shape at the
図23の結果より、仕切り部60、70が傾斜した外周形状を有さない場合においては、仕切り部60、70の厚さを0.05mm(50μm)以下とすることが好ましいといえる。このようにすれば、渦を発生したりガスを混合したりすることなく、反応ガスを10m/s近い流速にすることができるためである。具体的には、最先端の厚さが2mmの場合の渦無し最高流速は0.073m/s、最先端の厚さが0.5mmの場合の渦無し最高流速は0.205m/s、最先端の厚さが0.1mmの場合の渦無し最高流速は3.031m/s、最先端の厚さが0.05mmの場合の渦無し最高流速は8.3m/sとなった。
From the results of FIG. 23, it can be said that when the
以上のように本発明の各実施の形態について説明を行なったが、今回開示した各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。たとえば図2や図3に示すように、本実施の形態の気相成長装置におけるガス流路拡大部は傾斜角度の異なる2つの領域(第1ガス流路拡大部および第2ガス流路拡大部)を含んでいる。しかしたとえば傾斜角度の異なる3つ以上の領域を含んだガス流路拡大部を形成してもよい。またはガス供給管の下流側に、幅が漸次広くなるように傾斜角度が漸次増加し、ガス流路拡大部側壁が曲線形状をなすガス流路拡大部が形成されたガス導入部を備える気相成長装置としてもよい。 As described above, the embodiments of the present invention have been described. However, it should be considered that the embodiments disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims. For example, as shown in FIGS. 2 and 3, the gas flow path expanding portion in the vapor phase growth apparatus of the present embodiment has two regions (first gas flow path expanding portion and second gas flow path expanding portion) having different inclination angles. ) Is included. However, for example, a gas flow path expanding portion including three or more regions having different inclination angles may be formed. Alternatively, a gas phase provided with a gas introduction part on the downstream side of the gas supply pipe, in which an inclination angle is gradually increased so that the width is gradually increased, and a gas channel expansion part having a curved gas channel expansion part side wall is formed. A growth apparatus may be used.
本発明は、流量の時間変化を高精度に制御することにより、複数種類の薄膜が積層された高品質な積層構造を形成する技術として、特に優れている。 The present invention is particularly excellent as a technique for forming a high-quality laminated structure in which a plurality of types of thin films are laminated by controlling the time change of the flow rate with high accuracy.
1 ガス導入部ケース、2 固定用部材、3 壁面、4 第1ガス流路拡大部ケース、5 第2ガス流路拡大部ケース、7 反応ガス中継路、9 排気ガス流路、10,20,30 ガス供給管、11,21,31 ガス導入部、12,22,32 第1ガス流路拡大部、13,23,33 第2ガス流路拡大部、15 基板、24 ガス供給管側壁、25 第1ガス流路拡大部側壁、26 第2ガス流路拡大部側壁、50 反応室、51 サセプタ、53 回転軸、55 ヒータ、60,70 仕切り部、61,71 端部、62,64,65,66 変曲点、63 直線、67 渦、100 実線、200 点線、300 一点鎖線。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記反応室に反応ガスを供給するためのガス導入部とを備え、
前記ガス導入部は、
ガス供給管と、
前記ガス供給管と前記反応室とをつないで前記反応ガスを流通させるガス流路拡大部とを含み、
前記ガス流路拡大部は、前記ガス供給管から前記反応室まで、前記処理対象物の主表面に沿うとともに前記反応ガスの流通方向に交差する方向である平面方向での幅が、前記ガス供給管側から前記反応室側に向けて広がるように構成され、
前記ガス流路拡大部の前記平面方向の幅を規定する側壁では、前記ガス供給管から前記ガス流路拡大部へ導入される前記反応ガスの吐出方向に対する、前記側壁の傾斜角度のうち前記ガス供給管側に位置する部分の第1の傾斜角度が、前記側壁のうち前記反応室側に位置する部分の前記吐出方向に対する第2の傾斜角度より小さくなっている、気相成長装置。 A reaction chamber for holding an object to be treated;
A gas introduction part for supplying a reaction gas to the reaction chamber,
The gas introduction part is
A gas supply pipe;
A gas flow path expansion section for connecting the gas supply pipe and the reaction chamber to distribute the reaction gas;
The gas flow path expanding section has a width in a plane direction that is along the main surface of the object to be processed and intersects the flow direction of the reaction gas from the gas supply pipe to the reaction chamber. It is configured to spread from the tube side toward the reaction chamber side,
In the side wall defining the width in the planar direction of the gas flow path expanding portion, the gas out of the inclination angle of the side wall with respect to the discharge direction of the reaction gas introduced from the gas supply pipe to the gas flow path expanded portion The vapor phase growth apparatus, wherein a first inclination angle of a portion located on the supply pipe side is smaller than a second inclination angle with respect to the discharge direction of a portion located on the reaction chamber side of the side wall.
前記仕切り部のうち少なくとも前記反応ガスの前記流通方向に関する下流側の領域は、前記反応ガスの前記流通方向に関する上流側の領域よりも、厚さが小さくなるよう、前記仕切り部の前記厚さの方向に関する最上部の直線と最下部の直線とが、前記流通方向に対して傾斜した外周形状を有する、請求項1〜3のいずれかに記載の気相成長装置。 A plurality of the gas introduction sections, and a partition section that partitions the gas flow path expansion section of one of the gas introduction sections and the gas flow path expansion section of another gas introduction section among the plurality of gas introduction sections Have
Of the partition portion, at least the region on the downstream side with respect to the flow direction of the reaction gas has the thickness of the partition portion so that the thickness is smaller than the region on the upstream side with respect to the flow direction of the reaction gas. The vapor phase growth apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein an uppermost straight line and a lowermost straight line related to a direction have an outer peripheral shape inclined with respect to the flow direction.
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