JP2013038196A - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 観察窓の位置に係わらず反応ガスの逆拡散を抑え、観察窓の曇りを防止した気相成長装置を提供する。
【解決手段】 反応ガスを供給して基板の被成膜面に成膜する気相成長装置であって、基板を保持する基板保持台と、基板保持台と対向して配置され、基板と対向する位置に貫通穴を有するシャワーヘッドと、内部にパージガスを充満し、貫通穴を介して前記基板の被成膜面を臨み得る観察窓を有するビューポートとを備え、基板と貫通穴の間に流す反応ガスの方向と、貫通穴と観察窓の間に流すパージガスの方向が逆方向であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＭＯＣＶＤ装置等の気相成長装置に関し、特に、反応室内に置かれた基板表面を観測するための観察窓を備えた気相成長装置に関する。

従来、化合物半導体材料を用いる発光ダイオード、半導体レーザ、宇宙用ソーラーパワーデバイス、及び高速デバイスの製造においては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）又は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（ＮＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３）又はアルシン（ＡｓＨ３）等の水素化合物ガスとを成膜に寄与する反応ガスとして成長室に導入して化合物半導体結晶を成長させるＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法が用いられている。

ＭＯＣＶＤ法を用いる気相成長装置は、成長室内に上記の反応ガスをキャリアガスと共に導入するためのシャワーヘッドを備え、シャワーヘッドの上部に成長室内の基板表面を観測するための観察窓が設けられている。例えば、このようなシャワーヘッドと観察窓を備えた気相成長装置が特許文献１に開示されている。

図６（ａ）は、特許文献１の気相成長装置を示す断面図であり、図６（ｂ）はシャワーヘッドの観測窓を拡大した断面図である。特許文献１の気相成長装置は、図６（ａ）に示すように、処理容器５０内の載置台６０上に載置された被処理体Ｗに対して熱処理を施すために、シャワーヘッド部６２に設けた複数のガス噴射孔５６Ａ、５６Ｂより処理容器５０内へ処理ガスを噴射するようにしたシャワーヘッド構造を備えている。

シャワーヘッド構造は、載置台６０を臨むようにシャワーヘッド部６２に形成した温度観測用貫通穴７２と、温度観測用貫通穴７２の上端部を気密にシールする透明観測窓７６と、透明観測窓７６の外側に設けられて被処理体Ｗの温度を観測する放射温度計７０と、温度観測用貫通穴７２内に不活性ガスを供給するための不活性ガス供給通路８０と、供給された不活性ガスを排気するためのガス排気通路１１２とを備えている。

半導体ウエハＷに対する熱処理時には、図６（ｂ）に示すように、上記不活性ガス供給通路８０に不活性ガス、例えばＡｒガスを流す。このＡｒガスはガス出口８０Ａから出て上記温度観測用貫通穴７２をこの断面方向に横切って流れ、更に上記ガス出口８０Ａに対向して設けた流出口１１２Ａより上記ガス排気通路１１２内に流れ込み、このガス排気通路１１２を介してガス出口１１２Ｂ（図６（ａ）参照）より処理容器５０内へ流出する。

ここで、上記温度観測用貫通穴７２内を図６（ｂ）中の矢印１１４に示すように上方へ逆拡散してきた原料ガス等は、上記Ａｒガスに随伴されてガス排気通路１１２側へ排出されてしまうので、この原料ガス等が更に上方に位置する透明観測窓７６に到達することを防止でき、従って、透明観測窓７６の下面に熱線を吸収する不要な膜が付着することを防止することができる。

特開２００４−３１９５３７号公報（２００４年１１月１１日公開）

通常、温度観測用貫通穴７２を設ける位置はシャワーヘッド部６２の中心位置に限られず、基板の位置に合せて対向する位置に取り付けられる。しかしながら、温度観測用貫通穴７２の取り付け位置は、シャワーヘッド部６２の中心位置から半径方向に偏心するほど原料ガスの流速が強まり、温度観測用貫通穴７２から上方に逆拡散する原料ガスが増加するため、特許文献１の気相成長装置では、原料ガスがガス排気通路１１２を突き抜けて透明観測窓７６に膜が付着する問題があった。

本発明は、観察窓の位置に係わらず原料ガスの逆拡散を抑え、観察窓の曇りを防止した気相成長装置を提供することである。

本発明に係る気相成長装置は、反応ガスを供給して基板の被成膜面に成膜する気相成長装置であって、基板を保持する基板保持台と、基板保持台と対向して配置され、基板と対向する位置に貫通穴を有するシャワーヘッドと、内部にパージガスを充満し、貫通穴を介して前記基板の被成膜面を臨み得る観察窓を有するビューポートとを備え、基板と貫通穴の間に流す反応ガスの方向と、貫通穴と観察窓の間に流すパージガスの方向が逆方向であることを特徴とする。

本発明によれば、気相成長装置において、パージガスの流れにより反応ガスの逆拡散を抑え、観察窓の曇りを防止することができる。

本発明の気相成長装置の第１実施例の構成を示す断面図である。 第１実施例のシャワーヘッドのガス吐出面を示す平面図である。 第１実施例の気相成長装置のシミュレーション結果を示す断面図である。 本発明の気相成長装置の第２実施例の構成を示す断面図である。 第２実施例のシャワーヘッドのガス吐出面を示す平面図である。 特許文献１の気相成長装置を示す断面図である。

以下、図面に基づいて本発明を実施するための最良の形態を説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分又は相当部分を表すものとする。

図１は、本発明に係る気相成長装置１００の概略構成を示す断面図である。気相成長装置１００は、反応室１０と、シャワーヘッド２０と、ビューポート３０とからなる。

反応室１０は、複数の基板１１を保持する円盤状の基板保持台１２と、基板１１及び基板保持台１２を回転させるアクチュエータ１３と、基板１１及び基板保持台１２を加熱する加熱ヒータ１４とを内部に備えている。

シャワーヘッド２０は、基板保持台１２と対向するように反応室１０の上部に配置されている。シャワーヘッド２０は、反応ガス１を導入するガス供給部２１と、反応ガス１を拡散させるガス分配空間２２と、冷媒２３を流してシャワーヘッド２０を冷却する冷却室２４と、反応ガス１を複数のガス吐出孔２５から吐き出すガス吐出面２６とを備えている。

ビューポート３０は、石英板などの透明部材からなる観察窓３１と、パージガス２のガス導入口３２及びガス排出口３３とを備え、観察窓３１の近辺にパージガス２を充満させるようになっている。

ビューポート３０は、観察窓３１から基板保持台１２に保持された基板１の被成膜面を臨み得るようにシャワーヘッド２０の上方に配置され、観察窓３１と基板１の被成膜面との間でシャワーヘッド２０に貫通穴３５が設けられている。

観察窓３１の上方には、基板１の温度や反りなどを光学的に測定する測定機器３８が配置される。測定機器３８の観測光は、観察窓３１から貫通穴３５を通って基板１の被成膜面に到達する。

図２は、ガス吐出面２６の平面図であり、ガス吐出孔２５と貫通穴３５の配置を示している。貫通穴３５は、ガス吐出面２６の半径方向にスリット状に形成されている。基板１１は基板保持台１２に保持されて自転および公転しながらスリットの下方を通過するので、スリットの長さを基板１の径と同等にすることにより、観察窓３１から基板１１の被成膜面全体を観測することができる。貫通穴３５のスリットの幅は、観測の容易さと反応ガス１の逆拡散防止の観点から数ミリ程度が好ましい。

ガス吐出孔２５から吐出される反応ガス１は、ガス吐出面２６と基板保持台１２の間を破線で示す矢印のように半径方向の外側に向って流れる。一方、ビューポート３０では、パージガス２が外側に配置されたガス導入口３２から中心側に配置されたガス排出口３３に向って流れている。

このように本発明の気相成長装置１００は、貫通穴３５の上下で、基板１１と貫通穴３５の間に流す反応ガス１と、貫通穴３５と観察窓３１の間に流すパージガス２とを逆の方向に流すことを特徴としている。

図３は、貫通穴３５の近辺で反応ガス１とパージガス２の流れ方をシミュレーションで解析したものである。シミュレーションのモデルは、反応ガス１の通路４１とパージガス２の通路４２とを貫通穴３５で接続し、通路４１と通路４２のそれぞれの断面積に対応して流速が等しくなるように反応ガス１とパージガス２を流している。

具体的には、反応ガス１として水素（２０ｓｌｍ）とアンモニア（２０ｓｌｍ）の混合ガスを通路４１に流し、パージガス２として水素（２０ｓｌｍ）を通路４２に流して、貫通穴３５の近辺において反応ガス１に含まれるアンモニアの濃度分布を解析した。

図３（ａ）は、本発明のパージガス２の導入方法であって、反応ガス１に対してパージガス２を逆方向に流したものである。図３（ｂ）は比較例として、反応ガス１に対してパージガス２を同一方向に流したものである。

本発明のパージガス２の導入方法は、図３（ａ）に示すように、反応ガス１に対してパージガス２を逆方向に流すため、反応ガス１が貫通穴３５の下方を通過するときに徐々に上方へ広がろうとする流れが、パージガス２の逆方向の流れによって押し留められ、パージガス２の通路４２に拡散されるのを防止できることが判る。

一方、比較例のパージガス２の導入方法は、図３（ｂ）に示すように、反応ガス１に対してパージガス２を同一方向に流すため、反応ガス１が貫通穴３５の下方を通過するときに徐々にパージガス２の同一方向の流れに合流し、パージガス２の通路４２内で拡散し、貫通穴３５の上部にも達することが判る。したがって、観察窓３１に反応ガス１による生成物が付着して曇りが生じる。

本発明の成膜装置１００によれば、上記のシミュレーション結果と同様に、ビューポート３０に流れるパージガス２の流れと、反応室１０に流れる反応ガス１の流れが逆向きとなり、ビューポート３０のパージガス２の流れにより、反応ガス１の貫通穴３５からの拡散を抑えられるので、ビューポート３０の観察窓３１の曇りを防止することができる。

図４は、本発明による実施例２の気相成長装置２００の概略構成を示す断面図である。実施例１で示した気相成長装置１００との違いは、図４に示すように、ビューポート３０から基板１１の被成膜面を臨み得るように、複数のスポットタイプの貫通穴３６が設けられていることである。他の構成は同じであるため詳細な説明は省略する。

図５は、実施例２の気相成長装置２００におけるガス吐出面２６の貫通穴３６を示す平面図である。貫通穴３６は、断面が直径が約数ミリ程度のスポット形状であり、ガス吐出面２６の半径方向に並列して設けられている。

貫通穴３６を複数のスポットで構成することで流路抵抗が大きくなり、反応ガス１に対してパージガス２を逆方向に流すことにより、反応ガス１の貫通穴３６からの拡散がより抑えられ、ビューポート３０の観察窓３１の曇りを防止することができる。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 反応ガス
２ 不活性ガス
１０ 反応室
１１ 基板
１２ 基板保持台
２０ シャワーヘッド
２５ ガス吐出孔
２６ ガス吐出面
３０ ビューポート
３１ 観測窓
３２ ガス導入口
３３ ガス排出口
３５、３６ 貫通穴
３８ 測定機器
１００、２００ 気相成長装置

Claims (4)

1. 反応ガスを供給して基板の被成膜面に成膜する気相成長装置であって、
   前記基板を保持する基板保持台と、
   前記基板保持台と対向して配置され、前記基板と対向する位置に貫通穴を有するシャワーヘッドと、
   内部にパージガスを充満し、前記貫通穴を介して前記基板の被成膜面を臨み得る観察窓を有するビューポートとを備え、
   前記基板と前記貫通穴の間に流す前記反応ガスの方向と、前記貫通穴と前記観察窓の間に流す前記パージガスの方向が逆方向であることを特徴とする気相成長装置。
2. 前記貫通穴は、前記シャワーヘッドの半径方向に偏心させた位置に設けられ、
   前記ビューポートにおいて、
   前記パージガスの導入口が、前記貫通穴よりも前記シャワーヘッドの外側に配置され、
   前記パージガスの排出口が、前記貫通穴よりも前記シャワーヘッドの中心側に配置されていることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
3. 前記貫通穴は、前記シャワーヘッドの半径方向にスリットで形成されていることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
4. 前記貫通穴は、前記シャワーヘッドの半径方向に複数のスポットで形成されていることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。