JP2014205892A - 成膜ユニットおよび成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 単純な構成でメンテナンス容易な、大面積にも適用でき、設定できる成膜条件の範囲が広いガス導入ユニットを備えた成膜ユニットを提供する。【解決手段】 成膜ユニット１０１は、成膜室１１を有する本体部１と、ガス導入ユニット２０とを有する。ガス導入ユニット２０は、第１のガス，第２のガスを導入するための第１の導入部２１ａ，第２の導入部２１ｂを有するとともに本体部１の内外を隔てる天板２１と、第１の導入部２１ａから成膜室１１へ延びるパイプ７ａと、天板２１との間に拡散室２４ａ，２４ｂを介して配置され、第２のガスを成膜室１１へ供給するための複数の第２のガス吐出口を有するとともに、パイプ７ａと繋がるように開口して第１のガスを成膜室１１へ供給するための第１のガス吐出口を有するシャワープレート２３ｂと、内側にパイプ７ａが挿入されているとともに天板２１とシャワープレート２３ｂとを接続する筒状の柱状部材２５ａ〜２５ｃとを有する。【選択図】 図４

Description

本発明は、複数種類のガスを分離して成膜室へと導入するガス導入ユニットを備えた成膜ユニットおよびそれを用いた成膜装置に関する。

ＣＶＤ法により膜を基板上に成膜する工程は、多くの工業製品で行われている。近年、ディスプレイや太陽電池の透明導電膜の成膜にも、ＭＯＣＶＤ法が用いられている。例えば透明導電膜として硼素添加酸化亜鉛（以後、ＢＺＯとする。）を成膜する場合、原料ガスとしてジエチル亜鉛と水を用い、導電性を持たせるためにジボランを微量に添加する。ジエチル亜鉛も水も常温で液体の材料であるため、これらの原料液体を別々に密封した原料容器をそれぞれ不活性ガスでバブリングすることにより、蒸気圧により気化した原料ガスをガス導入ユニット、所謂シャワーヘッドを介して成膜室へと搬送する。これらの原料は反応性が高く、出会うと直ちに反応するため、ガス導入ユニット内での望まない反応によりパーティクルが発生するのを防ぐには、成膜室に原料ガスが導入されるまで、それぞれの原料ガスを分離しておくことが必要である。成膜室で導入されたガスは反応し、加熱された基板上にＢＺＯ膜が成膜される。

さて、これらの製品は大面積で作製することが求められているため、大型の成膜装置が必要である。また、小面積の製品でも同一バッチで多数枚を処理することにより低コスト化できるため、成膜装置の大型化が求められている。

しかし、従来のＭＯＣＶＤ装置では、量産機として１メートルを超えるようなサイズの基板に成膜するには課題があった。また、小面積を成膜する場合でも、複数種類の原料ガスを分離して成膜室に導入するためのガス導入ユニットの構造は複雑で、簡便且つ完全に原料ガスを分離するのは困難であった。

例えば特許文献１ではＩＩＩ−Ｖ族半導体を成膜するためのＭＯＣＶＤ装置のシャワーヘッド（ガス導入ユニットに相当）が開示されているが、ＩＩＩ族の原料ガスとＶ族の原料ガスを分離して成膜室に導入するために、微細な加工を行った複数の部品を組み合わせたシャワーヘッドを用いている。このような構造をメートルサイズの基板に適用しようとすると、各部品の作製には非常に厳しい寸法公差が求められる。特に各原料ガスを成膜室に至るまで分離しておきたい場合、組み合わせる部品の間に隙間があってはならないため、各部品の接触部の平坦度や、穴の位置および寸法には高い精度が必要である。また、本文献には大面積化する際にシャワープレートを分割して作製する方法が開示されているが、分割することにより部品点数は増えるので、メンテナンス時、分解や組み立てにかかる作業時間が長くなってしまう。また、全ての部品を組み立てた状態で望まない隙間が無いようにしなければならないため、組み立て寸法誤差と部材そのものの寸法作製誤差を合わせて設計しなければならず、複数の部品を用いるとより高い寸法精度が必要となってしまう。

また、特許文献２では処理ガス導入手段内で処理ガスが混じるのを防止するために、各処理ガスの圧力を測定し、その圧力が同じになるように導入するガスの流量を調整するという手段が開示されている。しかしこの方法によると、圧力を各ガスで同じにしなければならないという制約が課せられるため、選択可能なガス流量や濃度が制限されてしまうという欠点があった。またこの手段を用いて大面積化すると、微細な流路を用いた場合、圧力損失により圧力の面内分布が発生するため、面内の各所で圧力を測定し圧力を調整するための手段を設けなければならなくなり、装置全体が複雑化・高コスト化してしまうとい
う欠点があった。

また、特許文献３には特許文献１のような板状の部材を組み合わせるのではなく配管を組み合わせて用いることにより、各原料ガスを分離して成膜室に導入する方法が開示されている。しかし、配管は先端に行くほど圧力損失により内部の圧力が下がるため、大面積に均一な成膜を行うために均一な原料供給を行うには不利である。また、ある成膜条件で圧力損失が小さくなるように一旦設計・作製した後に、ガス流量を増やしたりや成膜圧力を上げたりする条件変更を行う必要が出てきた場合、均一な原料供給を確保するにはシャワーヘッド全体を再設計・再作製する必要があり、成膜条件の自由度が低かった。

また、特許文献４も配管を組み合わせた構造となっており、圧力損失を低減するために上部にガスが拡散するための空間を各原料ガスについて設ける構造になっているため、特許文献２のような問題は解決されるが、大面積化するためには複雑な構造の部材を複数作製して組み合わせる必要があるため、高い寸法精度で作製する必要があった。また、本文献の構造ではシャワーヘッドのガスが吹き出す面に、基板加熱のための輻射熱が印加されるため着膜が起こってしまう。付着した膜は厚くなると剥離して基板に降り積もってしまい製品品質に悪影響を与えるため、定期的に洗浄する必要があるが、本文献の構造ではシャワーヘッドの分解が困難なため、シャワーヘッド全体を洗浄するための大型の洗浄機が必要となってしまった。

また、特許文献５には各ガスを分離して成膜室に導入できるが、高い寸法精度が不要な構造が開示されている。しかし、本文献の構造は大面積を均一に成膜するには不向きである。

また、特許文献６には配管自体にネジ山を切り、これと螺合する穴と貫通孔を設けた円板を組み合わせることにより、組み立てを簡便にしたシャワーヘッドが開示されている。しかし、この構造は組み立てのみを簡便にすることが目的であり、一旦組み立ててしまうと分解が困難で、成膜によって円板表面に膜が付着しても円板のみを取り外して洗浄することができなかった。また、配管が複数ある場合は円板にネジ止めできるのは配管両端のうちのどちらか片方のみとなり、もう一方は差し込みのみで固定するか、溶接して固定するしかなかった。前者の構造を採ると特許文献６中にも記載されているとおり、２種類のガスの分離が不完全になるため、シャワーヘッド内部でガスが反応してしまい、シャワーヘッド内部にパーティクルが発生したり着膜したりといったことが起こり、シャワーヘッド内部の洗浄無しに継続的に使用することはできなかった。後者の場合、ガスの分離は完全になるが、一旦溶接してしまうとネジ止めしたもう一方の端部すらも外せなくなり、例えば表面の着膜を洗浄するためにシャワーヘッド全体を洗浄しようとすると、シャワーヘッド内部に侵入したエッチング液等を残渣なく除去することは困難だった。

特開２０１２−２１６７４４号公報 特開２００１−７７１０９号公報 特許第４９１８２２４号公報 米国特許第８０７１１６５号明細書 特許第３８４５９５０号公報 特開２００７-４２８９０号公報

本発明の目的は上記のような課題を解決し、単純な構成でメンテナンス容易な、大面積
にも適用でき、設定できる成膜条件の範囲が広いガス導入ユニットを備えた成膜ユニットおよびそれを用いた成膜装置を提供することである。

本発明の第１の態様に係る成膜ユニットは、内部に成膜室を有する本体部と、第１のガスおよび第２のガスを前記成膜室に導入するためのガス導入ユニットと、を有する成膜ユニットであって、前記ガス導入ユニットは、前記第１のガスを導入するための第１の導入部および前記第２のガスを導入するための第２の導入部を有するとともに前記本体部の外部と内部とを隔てる天板と、前記第１の導入部から前記成膜室へ延びるパイプと、前記天板との間に拡散室を介して配置されており、前記第２のガスを前記拡散室から前記成膜室へ供給するための複数の第２のガス吐出口を有するとともに、前記パイプと繋がるように開口して前記第１のガスを前記パイプから前記成膜室へ供給するための第１のガス吐出口を有するシャワープレートと、内側に前記パイプが挿入されているとともに前記天板と前記シャワープレートとを接続する筒状の柱状部材とを有する。

本発明の第２の態様に係る成膜装置は、上記成膜ユニットと、該成膜ユニットに第１のガスを供給するための第１ガス供給部と、前記成膜ユニットに第２のガスを供給するための第２ガス供給部とを具備する。

本発明の第１の態様に係る成膜ユニットおよび第２の態様に係る成膜装置によれば、メンテナンスが容易であるとともに、設定できる成膜条件の範囲が広く、大面積の成膜対象物に対しても面内でばらつきの少ない成膜を行なうことができる。

成膜装置の第１例の概略配管図である。 成膜装置の第２例の概略配管図である。 成膜装置の第３例の概略配管図である。 第１実施形態に係る成膜ユニットにおけるガス導入ユニットの周辺の概略断面図である。 第１実施形態に係る成膜ユニットの図４のＡ−Ａで示した位置における概略断面図である。 第２実施形態に係る成膜ユニットの概略上面図である。 第２実施形態に係る成膜ユニットの図５のＢ−Ｂで示した位置における概略断面図である。 第２実施形態に係る成膜ユニットの図５のＣ−Ｃで示した位置における概略断面図である。 第２実施形態に係る成膜ユニットにおけるガス導入ユニットの上面の斜視図である。 第３実施形態に係る成膜ユニットにおけるガス導入ユニットの上面の斜視図である。 従来の成膜ユニットにおけるガス導入ユニットの周辺の概略断面図である。 従来の成膜ユニットの図１１のＤ−Ｄで示した位置における概略断面図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

＜成膜装置の構成＞
図１は本発明の成膜装置１００の第１例の概略図である。

成膜装置１００は、成膜ユニット１０１と、この成膜ユニット１０１に第１のガスを供給するための第１ガス供給部１０ａ、および成膜ユニット１０１に第２のガスを供給するための第２ガス供給部１０ｂを具備している。成膜ユニット１０１は、内部に成膜室１１を有する本体部１と、ガス導入ユニット２０、および図示しない成膜室１１の圧力調整装置、排気装置、排気ガスの除害装置などからなり、成膜室１１内にはヒーター８およびサセプター９が配置されている。成膜対象物としての基板はサセプター９上に置かれる。図示しないが、さらに成膜ユニット１０１は成膜室１１に接続されるロードロック室や基板搬送系を設けても良い。

第１ガス供給部１０ａは図示しない不活性ガスボンベ、減圧弁などからなる不活性ガス供給部から送られた不活性ガスの流量を調整する流量調整器２ａ、原料容器３ａ、圧力計４ａ、圧力調整器５ａ、配管７ａなどからなり、原料容器３ａ、圧力計４ａ、および圧力調整器５ａは恒温槽６ａ内に納められている。また、配管７ａは図示しない配管ヒーターおよび温度制御装置によって所望の温度に加熱される。

同様に第２ガス供給部１０ｂは図示しない不活性ガスボンベ、減圧弁などからなる不活性ガス供給部から送られた不活性ガスの流量を調整する流量調整器２ｂ、原料容器３ｂ、圧力計４ｂ、圧力調整器５ｂ、配管７ｂなどからなり、原料容器３ｂ、圧力計４ｂ、および圧力調整器５ｂは恒温槽６ｂ内に納められている。また、配管７ｂは図示しない配管ヒーターおよび温度制御器によって所望の温度に加熱される。第２ガス供給部は更に膜の導電性を制御するための微量添加ガスを導入するために、図示しないガスボンベ、減圧弁などからなる微量添加ガス供給部から送られた微量添加ガスの流量を調整する流量調整器２ｃおよび配管７ｃを設けても良い。

成膜の動作について説明する。不活性ガス供給部から送られた不活性ガスは流量調整装置２ａ，２ｂにより流量を調整され、原料容器３ａ，３ｂに送られる。ここで原料容器内の原料はバブリングされ、恒温槽６ａ，６ｂにより設定された所望の温度で得られる蒸気圧分の各原料ガスが原料容器に導入された不活性ガスによって搬送される。原料容器の圧力は圧力計４ａ，４ｂによって測定された値が所望の一定値になるよう、圧力調整器５ａ，５ｂによって調整される。搬送される原料ガスの蒸気圧は原理的には恒温槽の温度にのみ依存するため、原料容器の圧力を調整することにより配管７ａ，７ｂを流れる原料ガスの濃度を調整することができる。

さらに原料ガス濃度の調整幅を拡大するために、図２の成膜装置２００の第２例に示したように、原料容器を通さずに不活性ガスを供給するための流量調整装置２ｄ，２ｅ、配管７ｄ，７ｅを設け、原料容器より下流で合流させても良い。

また、図３の成膜装置３００の第３例に示したように、原料容器から液体状の原料を圧力によって配管に押し出し、気化器５ｃによって直接気化する方法を用いることもできる。ただし、気化器５ｃには通常高温がかけられるため、原料が必要な蒸気圧を得るために必要な温度よりも低温で分解する場合には使用できない。バブリングでは必ず原料を気化させるためのキャリアガスが必要であるが、気化器５ｃを用いることによってキャリアガスを含まない純粋な原料を気化させることができるようになるため、原料濃度をより自由に設定することができるようになる。

図１〜図３の第１ガス供給部１０ａおよび第２ガス供給部１０ｂで使用する不活性ガスにはアルゴン、窒素、ヘリウムなどを用いることができる。また、微量添加ガスは水素、アルゴン、窒素、ヘリウムなどで希釈されたものを用いても良い。流量調整器２ａ，２ｂ
，２ｃ，２ｄ，２ｅにはマスフローコントローラーを用いることができる。圧力調整器５ａ，５ｂにはメータリングバルブやピエゾバルブを用いることができる。配管７ａ，７ｂは加熱されていることにより、原料容器内で原料が気化するために起こる原料容器の温度低下を防ぎ、また、原料ガスが配管内で結露するのを防ぐ。

各ガスは配管７ａ，７ｂを通って、ガス導入ユニット２０に供給される。ガス導入ユニット２０についての詳細は後述するが、この中では各ガスは混合されず、分離された状態で成膜室１１に導入される。導入されたガスは成膜室１１内で反応し、ヒーター８で加熱された基板上に膜が成膜される。さらに均熱のためにサセプター９を設けても良い。成膜室１１は図示しない圧力調整装置によって、所望の成膜圧力に制御されている。圧力調整装置は成膜室１１内の圧力を測定し、この値が所望の値になるようオリフィスの開度を調整して排気量を制御することにより、成膜室内を一定の圧力に制御する機能を有する。そして反応済みのガスは図示しないポンプによって排気される。除害のためにトラップやスクラバーを設けても良い。

なお、図１〜図３に示すように、上記第１例〜第３例の各成膜装置１００，２００，３００として、成膜ユニット１０１を具備した例が記載されているが、成膜ユニット１０１に限定されず、後述する各種成膜ユニット１０１〜１０３のいずれを具備していてもよい。

＜第１実施形態に係る成膜ユニットの構成＞
図４は第１実施形態に係る成膜ユニット１０１におけるガス導入ユニット２０の周辺の概略断面図である。また図５は図４のＡ−Ａ断面からガス導入ユニット２０を見た図である。第１のガスをガス導入ユニット２０に供給するための配管７ａ（以後、第１の配管７ａという）および第２のガスをガス導入ユニット２０に供給するための配管７ｂ（以後、第２の配管７ｂという）は天板２１の第１の導入部２１ａおよび第２の導入部２１ｂにそれぞれ溶接されている。ガス導入ユニット２０内における第１のガスの流路としてのパイプは、第１の導入部２１ａから成膜室１１へ延びている。なお、本実施形態においては、第１のガスの流路としてのパイプは、第１の配管７ａの延長部として構成されている。第１の配管７ａ（パイプ７ａ）はガス導入ユニット２０内部で曲げられたり分岐したりすることなく、天板２１からシャワープレート２３ｂに設けられた穴（以後、第１のガス吐出口という）に向けて、シャワープレート２３に対して略垂直に延伸している。そして、第１のガスは第１の配管７ａ（パイプ７ａ）の先端から成膜室１１内へと供給される。

一方、第２のガスは、第２の配管７ｂからガス導入ユニット２０の第２の導入部２１ｂに導入された後、枠状の部材２２ａ，２２ｂ及びシャワープレート２３ａ，２３ｂによって囲まれた空間（以後、拡散室とする。）２４ａ，２４ｂに拡散する。枠状の部材２２ａ，２２ｂはガス導入ユニット２０の外壁に相当し、第２のガスを一定の領域に閉じこめると共に、その厚みを変更することにより拡散室２４ａ，２４ｂの厚みを調整する機能を有する。本枠状の部材２２ａ，２２ｂはシャワープレート２３ａ，２３ｂと共にボルトで天板２１に固定される。シャワープレート２３ａ，２３ｂは複数の穴（以後、第２ガス吐出口という）を有する板状の部材である。第２のガスは２３ｂの第２ガス吐出口から基板に向けて、成膜室１１内へと供給される。シャワープレート２３ａ，２３ｂの第２ガス吐出口の分布や数を調整したり、枠状の部材２２ａ，２２ｂの厚みを調整したりすることにより、第２のガスを基板面内に対して概ね均一に供給することができる。

シャワープレート２３ａ，２３ｂは枠状の部材２２ａ，２２ｂおよび配管７ａの周囲を取り囲む柱状部材２５ａ，２５ｂ，２５ｃによって固定される。柱状部材２５ａは筒状であり、螺合面２６ａで天板２１と螺合するよう加工されている。また柱状部材２５ａと２５ｂはシャワープレート２３ａの上下を挟み込んで固定し、螺合面２６ｂで螺合するよう
加工されている。また柱状部材２５ｂと２５ｃはシャワープレート２３ｂを上下に挟みこんで固定し、螺合面２６ｃで螺合するよう加工されている。柱状部材２５ａ，２５ｂ，２５ｃは第１配管７ａとシャワープレート２３ａ，２３ｂとを微細な位置合わせの必要無く固定する機能を有する。

以上のような構成によって、第１実施形態に係る成膜ユニット１０１は、メンテナンスが容易であるとともに、設定できる成膜条件の範囲が広く、大面積の基板に対しても面内でばらつきの少ない成膜を行なうことができる。

つまり、第１のガスを供給する流路が、第１の導入部２１ａから成膜室１１へ延びるパイプ７ａという単純な形であるため、第２のガスを供給する流路を微細な位置合わせ無しに、単純な構成の拡散室２４ａ，２４ｂとシャワープレート２３ａ，２３ｂで作製することができる。また、拡散室２４ａ，２４ｂとシャワープレート２３ａ，２３ｂにより、第２のガスを基板の面内に均一に供給することができる。また、シャワープレート２３ａ，２３ｂは第１のガスを供給する流路との複雑な噛み合いが無いため、簡単に取り外すことができ、容易に洗浄などのメンテナンスを行うことができる。また、パイプ７ａは天板２１とシャワープレート２３ａ，２３ｂとを接続する柱状部材２５ａ，２５ｂ，２５ｃに囲まれている。そのため、第１のガスと第２のガスの分離をより完全にすることができ、また、パイプ７ａ自体がシャワープレートに溶接などの手段により一体化されていないため、分解することも容易である。そのため、容易に洗浄などのメンテナンスを行うことができる。

また、柱状部材２５ａ，２５ｂ，２５ｃは、天板２１とシャワープレート２３ａ，２３ｂとを連続的に接続しているため、柱状部材２５ａ，２５ｂ，２５ｃとして、金属などの良熱伝導材料を用いることにより、柱状部材２５ａ，２５ｂ，２５ｃを介してシャワープレート２３ａ，２３ｂを放熱することができる。つまり、柱状部材２５ａ，２５ｂ，２５ｃは、シャワープレート２３ａ，２３ｂに印加されるヒーターからの輻射熱を天板２１へと放熱する機能を有する。例えば天板２１上面に冷却水配管１３を取り付け、これに冷却水を流すことにより天板２１を冷却すると、より効果的にシャワープレート２３ｂを冷却することができる。シャワープレート２３ｂを冷却することにより、ヒーターからの輻射により温められたシャワープレート２３ｂに膜が付着するのをある程度防止することができ、メンテナンスの頻度を下げることができる。また、ガス導入ユニット２０内部のガスが熱により分解するのを防ぐことができる。このような構造とすることにより、非常に簡単な構成で、第１のガスと第２のガスをガス導入ユニット２０の内部で混じり合うことなく、成膜室１１へと導入することが可能になる。

第１のガスはガス導入ユニット２０から局所的に供給されることになるが、適切な流量、濃度、成膜圧力を選択することにより、比較的広い成膜条件範囲で、ガス導入ユニット２０から基板に至るまでの空間で充分拡散させることができる。一方で第２のガスはガス導入ユニット２０から概ね均一に供給され、基板に至るまでの空間でさらに拡散するため、第１の配管７ａ直下にも第２のガスは供給され成膜することができる。特に、第１のガスを水などの酸化ガスを含むガスとし、第２のガスをジエチル亜鉛などの金属原料ガスを含むガスとし、第１のガスに含まれる酸化ガスのモル濃度が第２のガスに含まれる金属原料ガスのモル濃度よりも充分高い成膜条件としておくことにより、基板全面にシャワープレートを介して概ね均一に供給された金属原料ガスが、金属原料ガスよりも過剰に供給された酸化ガスによって充分に酸化されるため、より品質が良く（酸素欠陥が少なく透過率が高い）、基板面内で均一な酸化膜を得ることができる。

基板全面における膜質の均一化をさらに良好に行なうという観点からは、シャワープレート２３ａ，２３ｂは、例えば、図５に示すように、第１のガス吐出口の周囲を取り囲む
ように複数の第２のガス吐出口が配置されていてもよい。

例えば、シャワープレート２３ａ，２３ｂは例えば直径０．５〜１ｍｍの穴（第２のガス吐出口）を１０ｍｍピッチで設けた厚さ１〜２ｍｍ、直径３０ｃｍ程度以下の円板である。枠状の部材２２ａ，２２ｂの厚みは０．２〜３ｃｍ程度である。柱状部材２５ａ，２５ｂ，２５ｃは直径１〜２ｃｍ程度である。

本例では拡散室をシャワープレート２３ａで仕切って２４ａ，２４ｂの上下２段に設けたが、１段だけの構成でもかまわない。本例のように２段にすることにより、より均一に第２のガスを拡散させることができる。

また、枠状の部材２２ａ，２２ｂとシャワープレート２３ａ，２３ｂとの間、および柱状部材２５ａ，２５ｂ，２５ｃとシャワープレート２３ａ，２３ｂとの間、天板２１と枠状の部材２２ａとの間、天板２１と柱状部材２５ａとの間にはシリコン樹脂やフッ素樹脂でできたパッキンを挟むと、より確実に気密をとることができる。パッキンを挟むことにより、各部材の平面精度に対して余裕ができ、より加工公差を緩めることができる。また、熱膨張によってシャワープレート２３ａ，２３ｂが多少変形しても、パッキンがあることにより、気密を確保し続けることができる。

特に、柱状部材２５ａ，２５ｂ，２５ｃの内側と外側とが気密に分離されている場合、成膜ユニット１０１のメンテナンスをより容易にすることができる。つまり、柱状部材２５ａ，２５ｂ，２５ｃの気密性が低いと、柱状部材２５ａ，２５ｂ，２５ｃの内側に第２のガスが浸入し、第１の配管７ａ（パイプ７ａ）を伝ってパイプ７ａの端部で第１のガスと反応しやすくなるため、パイプ７ａの端部に膜が付着してメンテナンスが困難になりやすくなる。一方、柱状部材２５ａ，２５ｂ，２５ｃの内側と外側とが気密に分離されている場合、このようなパイプ７ａの端部での膜の付着を良好に低減できる。

また、柱状部材２５ａ，２５ｂ，２５ｃはここではそれぞれが螺合する例を示したが、ボルトで固定しても良い。螺合させる方が固定に必要な面積が少なくて良いため、シャワープレート２３ａ，２３ｂの第２のガス吐出口を、第１の配管７ａが設けられている第１のガス吐出口の近くまで接近させることができる。その結果、第１の配管７ａの直下において成膜される膜の膜厚と他の部位の膜厚との差をより小さくすることができる。

本ガス導入ユニット２０は容易に組み立て・分解することができ、着膜が起こっても各部品を取り外して洗浄することができる。

また、例えば基板の温度分布や排気位置などのガス導入ユニット２０からのガスの供給分布によらずに発生する膜厚分布を補正したい場合、第２のガスの供給量を基板面内で補正することが有効であるが、本発明のガス導入ユニット２０によればシャワープレート２３ｂの第２のガス吐出口の穴径・穴位置・穴数などを変更するだけで第２のガスの供給量分布を補正することができる。

第１のガスを供給する第１の配管７ａの位置（第１のガス吐出口の位置）は排気位置を考慮して決定するべきである。図１のように排気口が成膜室１１の紙面右側にある場合、図５のように第１の配管７ａは、基板中心よりもやや紙面左（上流）側にある方が、基板に均一に第１のガスを供給するには有利である。もし、排気を基板の外周から均一に行えるのであれば、第１の配管７ａは基板中央の直上に位置するべきである。

ガス導入ユニット２０は、本体部１の成膜室外壁１４に固定されるが、間にスペーサー１５を挟んでも良い。スペーサー１５は枠状の部材である。スペーサー１５の厚みを調整
することによって、シャワープレート２３ｂと基板との距離を調整することができる。ガス導入ユニット２０、スペーサー１５および成膜室外壁１４の間には、外部空間と成膜室１１とを気密に分離するためのパッキンを設けても良い。

＜他の実施形態に係る成膜ユニットの構成＞
図６〜図８はより大型の基板に成膜する場合の構成（第２実施形態に係る成膜ユニット１０２）を示した装置の概略図である。図６は成膜ユニット１０２のガス導入ユニット４０を下側（成膜室４１側）から見た図、図７は図６のＢ−Ｂ断面図、図８は図６のＣ−Ｃ断面図である。成膜ユニット１０２の成膜室４１とガス導入ユニット４０以外の部分の構成は図１と同様であるため、説明を省略する。図７に示したとおり、大型化した装置の一部分は小型な装置の構造と同様であり、これを連続的に並べることにより大型化することができるものである。その際、シャワープレート３３ｂは微細な位置合わせが不要なため、一体に作製することができる。なお、図６にはガス導入ユニット４０の大気側（成膜室４１とは反対側）に設けられている部材として、冷却水配管４３と第２のガスを供給する第２の配管４７ｂも点線で示している。

第１のガスを供給する第１の配管４７ａは図４、図５の例と同じく天板３１に対して略垂直に接続されている。冷却水配管４３は天板３１全面に亘って配置される。その際、第１の配管４７ａ近傍を通るようにしておくことにより、より効率良くシャワープレート３３ｂを冷却することができる。第２配管４７ｂはガス導入ユニット４０よりも上流で分岐されており、この例では２箇所で天板３１に接続されている。第１の配管４７ａも同様にガス導入ユニット４０より上流で分岐されており、この例では１４箇所で天板３１に接続されている。分岐と天板３１への接続の様子を示した斜視図が図９である。大面積を成膜するためには、大流量のガスが必要であるため、第１の配管４７ａ，第２の配管４７ｂは圧力損失を避けるために比較的太い配管を用いている。配管や分岐配管用部材は工業製品の規格があるため、ガス導入ユニット４０の内部で分岐する流路を作るより、装置全体を比較的安価に作製することができる。また、ガス導入ユニット４０の外部では基板を加熱するヒーターからの輻射の影響が無く寸法も大きいため、熱による変形や加工の寸法誤差のための寸法公差に余裕ができる。分岐数や配管径は所望の特性が得られるよう、設計すれば良い。

また、図１０の第３実施形態に係る成膜ユニット１０３のように、第１の配管４７ａにはガス導入ユニット４０よりも上流に、各供給配管から供給されるガスの流量を制御するための調整バルブ４８を設けても良い。調整バルブ４８を設けることにより、より細かく第１のガス供給量を基板面内で調整することができる。従って、より基板の面内分布を調整することが容易になる。特に、ガス導入ユニット４０を組み上げて実際の成膜結果を見てから、バルブ４８の開度を調整することでガスの供給量を制御して面内分布を調整することができるため便利である。もちろん、第２のガスを供給する第２の配管４７ｂに調整バルブを設けても良い。

上記第２実施形態に係る成膜ユニット１０２および第３実施形態に係る成膜ユニット１０３は、１個の第１ガス供給部から供給される第１のガスを分岐してガス導入ユニット４０の複数の第１の導入部３１ａへ供給している例であるが、第１ガス供給部をガス導入ユニット４０内の第１の導入部３１ａの数だけ設けてもよい。これによって、各第１の導入部３１ａ毎に流量調整器や恒温槽温度の設定を変えることができるようになるので、より精密に第１のガス供給量を基板面内で調整することができる。

上記第２実施形態に係る成膜ユニット１０２および第３実施形態に係る成膜ユニット１０３において、ガス導入ユニット４０への第１の配管４７ａおよび第２の配管４７ｂの接続は溶接しても良いし、ガスケットを介して気密に接続しても良い。

例えば、シャワープレート３３ａ，３３ｂは例えば直径０．５〜１ｍｍの第２のガス吐出口を１０〜２０ｍｍピッチで設けた厚さ１〜２ｍｍ、１００ｃｍ×１６０ｃｍ程度の板である。枠状の部材３２ａ，３２ｂの厚みは１〜４ｃｍ程度である。柱状部材３５ａ，３５ｂ，３５ｃは直径１〜５ｃｍ程度である。第１の配管４７ｂは約３０ｃｍピッチである。

さて、金属酸化膜を成膜する際には、酸化ガスで金属原料ガスを酸化させるが、上記第１実施形態〜第３実施形態に係る成膜ユニット１０１，１０２，１０３を用いるに際し、第１のガスが酸化ガスを含み、第２のガスが金属原料ガスを含むようにするのが好適である。本発明の成膜ユニットの構造を採ると、第１のガスの成膜室内での分布はある程度偏る。金属酸化膜は金属原料ガスに含まれる金属が酸化した膜なので、金属原料ガスの分布が偏っていると得られる膜の基板面内分布は偏り易い。従って、金属原料ガスはシャワープレートを用いて基板上になるべく均一な分布で噴射するべきである。一方、酸化ガスは充分に供給することにより、分布に偏りがあっても、金属原料ガスを酸化するために使った残りの未反応ガスはただ排気されるだけであるので、分布には大きな影響を与えない。例えば酸化ガスを水とし、金属原料ガスをジエチル亜鉛とした場合には、水のモル量をジエチル亜鉛のモル量よりも多くしておく。ジエチル亜鉛はシャワープレートにより成膜室の広い領域で均一に噴射される。これを充分な量の水で酸化することにより、基板上には面内分布の小さい膜を得ることができる。水のモル量がジエチル亜鉛のモル量よりも少ない場合には、酸化が不完全となり、得られる膜は酸素欠陥の入った黒っぽい膜になってしまう。

なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良などが可能である。

本例では図４の成膜ユニット１０１の構造を採用した図２の成膜装置２００を用い、ＢＺＯ薄膜を成膜した。

第１のガスを供給する第１の配管７ａおよび第２のガスを供給する第２の配管７ｂは外径６．３５ｍｍの直管であり、天板２１に溶接されている。ガス導入ユニット２０を組み立てる際には、天板２１を成膜室外壁１４から持ち上げて上下反転させて作業した。第１の配管７ａ，第２の配管７ｂは天板２１近傍で上流の配管から取り外せるように、上流の配管とガスケットを介して気密に接続できる接続部を設けておくと良い。循環冷却水配管についても同様である。

組み立てはまず、天板２１に溶接されている第１の配管７ａを囲む柱状部材２５ａを天板２１にねじ込み、枠状の部材２２ａを天板２１上に設置した。本例では気密をより完全にするために柱状部材２５ａおよび枠状の部材２２ａにはＯリング用の溝を設け、Ｏリングを設置した。枠状の部材２２ａは外径２８ｃｍ、幅２０ｍｍ、厚みは４ｍｍの円筒である。柱状部材２５ａは天板２１と柱状部材２５ｂと螺合するネジ部を有する外径２５ｍｍの円柱であり、第１の配管７ａを差し入れる内径は６．４０ｍｍと取り外しが容易なように第１の配管７ａの外径６．３５ｍｍより大きくしている。

次にシャワープレート２３ａを枠状の部材２２ａおよび柱状部材２５ａの上に置き、柱状部材２５ｂを柱状部材２５ａにねじ込んで、柱状部材２５ａと柱状部材２５ｂとの間にシャワープレート２３ａを固定した。シャワープレート２３ａは厚み１ｍｍ、外径２８ｃｍの円板であり、第２のガスを拡散室２４ａから拡散室２４ｂへと導く穴を設けている。この例ではシャワープレート２３ａの中心から半径５ｃｍの円周上に直径１ｍｍの穴を等
間隔で８個配置した。また、第１の配管７ａを差し入れる内径７．０５ｍｍの穴を設けている。

次に、枠状の部材２２ｂとＯリングをシャワープレート２３ａ上に置き、この枠状の部材２２ｂおよび柱状部材２５ｂの上にシャワープレート２３ｂを置き、次に柱状部材２５ｃを柱状部材２５ｂにねじ込んで、柱状部材２５ｂと柱状部材２５ｃとの間にシャワープレート２３ｂを固定した。そして、枠状の部材２２ａ，２２ｂ、シャワープレート２３ａ，２３ｂを貫通して天板２１に固定するボルトでこれらを固定した。枠状の部材２２ｂの厚みは６ｍｍである。シャワープレート２３ｂは中心の１２ｃｍ×１２ｃｍのエリアに、第２のガスを拡散室２４ｂから成膜室１１へと導く直径０．５ｍｍの穴を、ピッチ１０ｍｍの等間隔に設けている。第１の配管７ａの中心はシャワープレート２３ｂの中心から３ｃｍ外側に位置するように配置されている。組み上がったガス導入ユニット２０は成膜室外壁１４にＯリングとスペーサー１５を介して設置した。シャワープレート２３ｂの表面とサセプター表面との距離は、スペーサー１５の厚みを選択することにより６ｃｍとした。最後に、第１の配管７ａ，第２の配管７ｂおよび冷却水配管を上流の配管と接続した。

成膜対象物としての基板には、１２ｃｍ×１２ｃｍ、厚み２ｍｍガラスを用い、図示していない搬送系を用い、外径２４ｃｍのヒーター８上に設置した外径２５ｃｍのＳｉＣ製サセプター９の中央に搬送した。前述したように、基板に対向するシャワープレート２３ｂの領域にはピッチ１０ｍｍで第２のガスを噴射する穴（第２ガス吐出口）がある。排気は紙面右側から行い、第１のガスを噴射する穴（第１ガス吐出口）は、中央から排気とは逆側に３ｃｍのところにある。

原料には水とジエチル亜鉛を用い、導電性を持たせるために水素希釈ジボランガスを添加した。原料容器は恒温槽内に設置し、アルゴンガスでバブリングすることにより気化させた。なお、水は第１のガスに含ませ、ジエチル亜鉛および水素希釈ジボランガスは第２のガスに含ませた。成膜条件を表１に示す。条件１は次に説明する比較例と比較するために、比較例のシャワー配管構造に対して最適化した条件である。一方、条件２は本発明の実施例の構造に対して面内分布の改善を検討した条件である。第１のガスの流量が大きすぎると、第１の配管７ａ直下と周辺部との膜厚差が大きくなってしまう。そこで、第１の配管７ａを流れる第１のガスの量をなるべく減らし、且つ、外周部まで充分な量の水が行き届くように、水の濃度と第１の配管７ａを流れる総ガス量を調整した。また、第２のガス側も希釈ガスを減らし、ジエチル亜鉛の濃度を上げた。

比較例としては、従来のシャワー配管を用いてＢＺＯを成膜した。シャワー配管を用いたガス導入ユニット１０４の概略断面図を図１１に示す。また、図１１のＤ−Ｄ断面からガス導入ユニット１０４側を見た様子を図１２に示す。シャワー配管は外径６．３５ｍｍの配管を櫛歯状に接続したものを対向させたものである。配管の基板に対向する側には直径０．５ｍｍの穴を１０ｍｍピッチで１３個設けている。シャワー配管７ａ’からは第１のガスが、シャワー配管７ｂ’からは第２のガスが供給される。シャワー配管７ａ’および７ｂ’は天板２１’に溶接して固定した。天板２１’の大気側（成膜室１１とは反対側）には冷却水配管１３’を溶接し、シャワー配管を冷却した。効果的に冷却するにはシャワー配管全体を天板２１’に接触させる必要があるため、一組のジエチル亜鉛・水配管対と隣り合う次の配管対との間には溶接作業を行うための空間を配管１本分の幅で設けている。成膜条件は表１と同様で、シャワー配管の表面からサセプターまでの距離は６ｃｍである。

本発明の実施例である条件１と条件２、および比較例の結果を比較した。表２はそれぞれの膜厚分布を比較したものである。膜厚は基板面内１７点を測定した。膜厚の最大値をMax.とし、最小値をMin.としたときに、分布は（Max.−Min.）/(Max.＋Min.)×100で計算した。シャワー配管を用いた比較例と同じ成膜条件である条件１では非常に大きな分布となってしまっているが、本発明の構造に対して成膜条件を検討した条件２とすることにより、従来のシャワー配管を用いた比較例の場合と同等以上の良好な面内分布とすることができた。

シャワープレート２３ｂは柱状部材２５ａ，２５ｂ，２５ｃを介して冷却されてはいるが完全ではないため、徐々に着膜が進んだ。その際にはシャワーヘッド２０を組み立てたときとは逆の手順で分解し、シャワープレート２３ｂ、枠状の部材２２ａ，２２ｂ、および柱上部材２５ｃを酸により洗浄した。拡散室２４ａ，２４ｂは各ガスが気密に分離されていたため、拡散室の内側に汚れはなかったが、より長期間の使用により汚れが生じた場合には同様に分解して洗浄することができる。酸で洗浄した各部材は純水でよく洗浄し、オーブンで乾燥させた後、再び組み立てて、使用した。このように本発明の上記実施例では、メンテナンスが容易であることが確認できた。

１：本体部
２ａ〜２ｅ：流量調整器
３ａ，３ｂ：原料容器
４ａ，４ｂ：圧力計
５ａ〜５ｃ：圧力調整器
６ａ，６ｂ：恒温槽
７ａ，４７ａ：第１の配管
７ｂ，４７ｂ：第２の配管
８，４８：ヒーター
９，４９：サセプター
１０：ガス供給部
１１，４１：成膜室
１３，４３：冷却水配管
１４，４４：成膜室外壁
１５：スペーサー
２０，４０：ガス導入ユニット
２１，３１：天板
２１ａ，３１ａ：第１の導入部
２１ｂ，３１ｂ：第２の導入部
２２ａ，２２ｂ，３２ａ，３２ｂ：枠状の部材
２３ａ，２３ｂ，３３ａ，３３ｂ：シャワープレート
２４ａ，２４ｂ，３４ａ，３４ｂ：拡散室
２５ａ〜２５ｃ，３５ａ〜３５ｃ：柱状部材
２６ａ〜２６ｃ：螺合面
１００，２００，３００：成膜装置
１０１〜１０３：成膜ユニット

Claims (10)

1. 内部に成膜室を有する本体部と、第１のガスおよび第２のガスを前記成膜室に導入するためのガス導入ユニットと、を有する成膜ユニットであって、
   前記ガス導入ユニットは、
   前記第１のガスを導入するための第１の導入部および前記第２のガスを導入するための第２の導入部を有するとともに前記本体部の外部と内部とを隔てる天板と、
   前記第１の導入部から前記成膜室へ延びるパイプと、
   前記天板との間に拡散室を介して配置されており、前記第２のガスを前記拡散室から前記成膜室へ供給するための複数の第２のガス吐出口を有するとともに、前記パイプと繋がるように開口して前記第１のガスを前記パイプから前記成膜室へ供給するための第１のガス吐出口を有するシャワープレートと、
   内側に前記パイプが挿入されているとともに前記天板と前記シャワープレートとを接続する筒状の柱状部材とを有することを特徴とする成膜ユニット。
2. 前記シャワープレートは、前記第１のガス吐出口の周囲を取り囲むように複数の前記第２のガス吐出口が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の成膜ユニット。
3. 前記ガス導入ユニットは、前記拡散室において、前記柱状部材の内側と外側とが気密に分離されていることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜ユニット。
4. 前記ガス導入ユニットは、前記本体部の外部において、前記第１のガスを供給するための第１の配管が前記第１の導入部に接続されており、前記第２のガスを供給するための第２の配管が前記第２の導入部に接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の成膜ユニット。
5. 前記ガス導入ユニットは、前記第１の導入部を複数備えており、前記第１の配管が分岐して複数の前記第１の導入部に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の成膜ユニット。
6. 分岐した前記第１の配管毎に圧力調整器が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の成膜ユニット。
7. 前記第１のガスが酸化ガスを含み、前記第２のガスが金属原料ガスを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の成膜ユニット。
8. 前記酸化ガスが水であり、前記金属原料ガスがジエチル亜鉛であることを特徴とする請求項７に記載の成膜ユニット。
9. 前記第１のガスに含まれる前記酸化ガスのモル濃度が、前記第２のガスに含まれる前記金属原料ガスのモル濃度よりも高いことを特徴とする請求項７または８に記載の成膜ユニット。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の成膜ユニットと、該成膜ユニットに第１のガスを供給するための第１ガス供給部と、前記成膜ユニットに第２のガスを供給するための第２ガス供給部とを具備することを特徴とする成膜装置。

Images