JP2015093829A - 気相蒸着装置及びそれを使用した気相蒸着法 - Google Patents

Abstract

【課題】坩堝のチャンバ内の温度勾配分布を修正する気相蒸着装置とこの装置を使用した気相蒸着法の提供。【解決手段】本発明の気相蒸着装置は、坩堝、ヒートシンク、断熱材、熱反射器を含み、前記坩堝は内部に堆積エリアが形成され、前記ヒートシンクは一部が前記坩堝に組み込まれ、前記堆積エリアからの熱を伝達することができ、前記断熱材は前記堆積エリアの周囲に前記堆積エリアを被覆することなく固定され、前記熱反射器は、前記堆積エリアを被覆することなく前記断熱材の空いた表面に固定され、前記坩堝の内部側壁から前記堆積エリアに向かって延伸された傾斜を有する反射面を備え、前記断熱材は、前記坩堝、前記ヒートシンク、前記熱反射器と比較して相対的に低い熱伝導性を有し、前記熱反射器は前記チャンバ内で熱放射を反射し、前記熱反射器内部の複数の孔を介して前記断熱材及び前記チャンバに連通される。【選択図】図１

Description

本発明は、気相蒸着に使用される坩堝に関し、特に、坩堝が加熱される間のチャンバ内部の垂直方向と水平方向の温度勾配差を減少し、チャンバ内部の温度勾配差の減少によって堆積速度の向上を達成すると同時に、格子整合堆積を形成する、坩堝チャンバ内部の特殊な設計に関する。

近年、気相蒸着は特に半導体製造をはじめとする産業で広く使用されている。気相蒸着法では基板が蒸気に暴露され、蒸気中の分子が基板上に堆積されて核が形成され、ＳｉＯ_２、ポリサイド、Ａｌ−Ｃｕなどの薄膜が形成される。

気相蒸着の過程では、堆積物の格子均一性に影響を与える温度が重要要素である。基板と蒸気が入れられる加熱されたチャンバ内の温度勾配差が蒸気の流速にバラ付を生じ、原子層の堆積に直接影響する可能性がある。従って、チャンバ内部で円滑な温度勾配を形成することは、蒸気流を安定化させ、蒸気流の堆積速度を向上し、気相蒸着の好ましい品質を得ることにつながる。

本発明の目的は、坩堝のチャンバ内における水平方向と垂直方向の温度勾配分布を修正する内部構造を備えた気相蒸着装置と、この気相蒸着装置を使用した気相蒸着法を提供することにある。

前述の目的を達するため、本発明の気相蒸着装置は、坩堝、ヒートシンク、断熱材、熱反射器（ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）を含む。
前記坩堝は内部にチャンバを備え、かつ坩堝の内部上壁に堆積エリアが形成される。
前記ヒートシンクは一部が前記坩堝に組み込まれ、且つ前記ヒートシンクの一部が前記堆積エリアからの熱を伝達するために露出される。
前記断熱材は前記堆積エリアの周囲に前記堆積エリアを被覆することなく固定される。
前記熱反射器は内部に複数の孔を備えた材料から成り、前記堆積エリアを被覆することなく前記断熱材の空いた表面（ｆｒｅｅ ｓｕｒｆａｃｅ）に固定され、前記坩堝の内部側壁から前記堆積エリアに向かって延伸された上方向の傾斜を有する反射面を備えている。
前記断熱材は、前記坩堝、前記ヒートシンク、前記熱反射器と比較して相対的に低い熱伝導性を有する。
前記熱反射器は前記チャンバ内で熱放射を反射し、前記複数の孔を介して前記断熱材及び前記チャンバに連通される。

前述の目的を達するため、本発明の前記気相蒸着装置を使用した気相蒸着法は、
前記堆積エリア上に固定された基板と、前記チャンバの底部に対称に配置された少なくとも１つの物質を含むソースを用意する工程と、
前記坩堝を第１温度まで加熱し、第１チャンバ圧を１５〜１２０分提供して前記ソースを気化させる工程と、
前記第１チャンバ圧を第２チャンバ圧に１分低下させる工程と、
前記坩堝１２の温度を５〜１２０分第２温度まで加熱して第１核形成を行う工程と、
第２チャンバ圧を第３チャンバ圧に５〜１２０分低下させて第２核形成を行う工程と、
前記坩堝の温度を第３温度まで加熱し、同時に第３チャンバ圧を第４チャンバ圧まで低下させて第３核形成を行う工程と、を含む。
第３核形成における堆積速度は、前記第１及び第２核形成における前記堆積速度より速い。

本発明と、その多くの利点について、以下の詳細な説明と図面を組み合わせることでより理解が促進されるであろう。

本発明の坩堝の側面断面図である。 図１の坩堝の動作時間と本発明の前記坩堝チャンバ内における温度及び圧力の関係を示すグラフである。

図１に示すように、本発明の気相蒸着装置は、ハウジング１１、坩堝１２、ヒートシンク１３、断熱リング１４、熱反射器１５を含む。

前記ハウジング１１は断熱材料で成り、これは従来技術であるが、さらに前記ハウジング１１の上部に第１開口部１１１が形成され、かつ前記ハウジング１１の底部に第２開口部１１２が形成される。

前記坩堝１２は前記ハウジング１１内部にしっかりと固定され、チャンバ１２１がその内部に定義される。前記坩堝１２は、前記坩堝１２の内部上壁に形成され、下に向かって突出した堆積エリア１２２を備えている。前記坩堝１２はさらに、前記坩堝１２の上部に形成され、かつ前記ハウジング１１の第１開口部１１１に連通された凹陥部（符号なし）を備えている。

前記ヒートシンク１３は、カーバイドまたはグラファイトから成るブロック体であり、第１開口部１１１に挿入して設置され、前記坩堝１２の前記凹陥部にしっかりと取り付けられる。前記ヒートシンク１３は、熱応力と垂直方向の熱の伝達制御装置として使用され、前記ヒートシンク１３を介して前記堆積エリア１２２に蓄積された熱が放散され、堆積される材料の内部における熱応力の発生が回避される。

前記断熱リング１４は、前記堆積エリア１２２に重なることなく、前記ハウジング１１の内側上壁の一部に設置される。前記断熱リング１４は炭素から成る。名前に示されるように、前記断熱リング１４は堆積プロセス中にいかなる熱も伝導及び生成しない。さらに、前記断熱リング１４は気化したＳｉなどの物質を引き付ける能力を備え、それにより、チャンバ１２１内の過飽和は気相蒸着の品質に影響する可能性があるため、気相蒸着プロセスで好ましい蒸気濃度を得ることができる。

前記熱反射器１５もリング状であり、前記断熱リング１４の底面に設置される。前記熱反射器１５は前記坩堝１２の内部側壁から前記堆積エリア１２２まで延伸された上方向の傾斜を有する反射面を備え、前記反射面と水平方向間の夾角は３０度未満である。前記熱反射器１５は、金属炭化物または１５００〜３０００℃の温度範囲に耐え得る、前記坩堝１２と同じ材質から成る。前記熱反射器１５は前記チャンバ内部のあらゆる場所からの熱放射をチャンバ１２１の底部に反射して、垂直方向の温度勾配差を減少する。さらに、熱が急速に生成されるとき、前記熱反射器１５は前記チャンバ１２１の上部で熱を横方向に伝達する。それによって、前記チャンバ１２１内の水平方向の温度勾配差を修正または減少することができる。

前記断熱リング１４の前述の引き付け能力に関して、具体的に、前記断熱リング１４は前記チャンバ１２１内の相対的に低温のスポットであり、ケイ素原子などの気化した物質がそこへ向かって移動する傾向があり、前記熱反射器１５を通過し（前記熱反射器１５は内部に複数の孔を備えており、特定の大きさの粒子を通過させることができる）、前記断熱リング１４と反応して炭化ケイ素（ＳｉＣ）が形成される。

前記チャンバ１２１内の垂直方向の温度勾配は、前記坩堝１２の底部で熱を放散するために使用される前記第２開口部１１２からさらに修正することができる。

本発明の気相蒸着装置を使用した気相蒸着法は次の工程を含む。

工程１： 図１に示すように、前記堆積エリア１２２上に固定した基板２と、前記チャンバ１２１の底部に対称に配置されたソース３を用意する。前記ソース３は、少なくとも１つの物質を含み、少なくとも１つの物質の割合は堆積の要件に応じて調整することができる。

図２に示すように、加熱温度とチャンバ圧はいずれも、残りの工程における前記気相蒸着装置の動作時間に応じて変化する。

工程２（０−ｔ_Ｓ）：前記坩堝１２を１８００〜２０００℃の範囲内の温度（Ｔ_１）まで加熱し、５００〜７００ｔｏｒｒの範囲内のチャンバ圧（Ｐ_ｓ）を１５〜１２０分提供する。前記少なくとも１つの物質を含むソース３が潜在する熱を吸収して気化される。前記坩堝１２１の加熱手段は従来技術であるため、ここでは説明を省略する。

工程３（ｔ_Ｓ−ｔ_１）：前記チャンバ圧を１２０〜２００ｔｏｒｒの範囲内（Ｐ_１）に１分減少する。

工程４（ｔ_１−ｔ_２）：前記坩堝１２を１９００〜２３００℃の温度範囲（Ｔ_２）まで５〜１２０分加熱して第１核形成を行う。

工程５（ｔ_２−ｔ_３）： 前記チャンバ圧を５０〜１２０ｔｏｒｒの範囲（Ｐ_２）に５〜１２０分減少して第２核形成を行う。

工程４と５の間、前記チャンバ１２１内の相対的に高い温度と相対的に低い圧力で、気化した物質が前記熱反射器１５を通過して前記断熱リング１４に相対して低い温度勾配で接近することができる。従って、前記熱反射器１５は前記堆積エリア１２２周囲で水平方向の温度勾配を調整する機能を有し、さらに堆積の横方向の成長を補助する。

工程６（＞ｔ_３）：前記坩堝１２を１９５０〜２３８０℃の温度範囲（Ｔ_３）まで加熱し、同時にチャンバ圧を急速に０.１〜５０ｔｏｒｒ（Ｐ_３）まで減少して第３核形成を行う。工程６の間、前記チャンバ１２１内に分布する垂直方向の温度勾配は前記ヒートシンク１３と前記第２開口部１１２の補助によってより高密度になる傾向があり、安定した核形成で前記堆積速度が大幅に向上される。

まとめると、本発明の気相蒸着装置は、前記ヒートシンク１３、前記断熱リング１４、前記熱反射器１５を含み、気相蒸着プロセスの実行中に、前記坩堝１２内のチャンバ１２１における水平方向及び垂直方向に温度勾配分布を修正するように設計されている。それによって前記温度勾配差が減少され、一方で前記堆積速度が向上される。

上述の実施例においては、本発明の範囲を逸脱することなく、多くの変更及び調整が当然ながら可能である。従って、科学と役立つ技術の進歩を促進するために、本発明は開示され、かつ本発明の範囲によってのみ限定されることが意図されている。

１１ ハウジング
１１１ 第１開口部
１１２ 第２開口部
１２ 坩堝
１２１ チャンバ
１２２ 堆積エリア
１３ ヒートシンク
１４ 断熱リング
１５ 熱反射器
２ 基板
３ ソース

Claims (12)

1. 気相蒸着装置であって、坩堝と、ヒートシンクと、断熱材と、熱反射器を含み、
   前記坩堝は内部にチャンバが定義され、内部上壁に堆積エリアが形成され、
   前記ヒートシンクは、前記坩堝に一部が組み込まれ、且つ前記ヒートシンクの一部が前記堆積エリアからの熱を伝達するために露出され、
   前記断熱材は、前記堆積エリアの周囲に前記堆積エリアを被覆することなく固定され、
   前記熱反射器は、内部に複数の孔を備えた材料から成り、前記堆積エリアを被覆することなく、前記断熱材の空いた表面（ｆｒｅｅ ｓｕｒｆａｃｅ）に固定され、前記坩堝の内部側壁から前記堆積エリアに向かって延伸された傾斜を有する反射面を備え、
   そのうち、前記断熱材が前記坩堝、前記ヒートシンク、前記熱反射器と比較して相対的により低い熱伝導性を有し、
   前記熱反射器が前記チャンバ内で熱放射を反射し、前記複数の孔を介して前記断熱材及び前記チャンバに連通されたことを特徴とする、気相蒸着装置。
2. 前記堆積エリアが、前記坩堝の内壁上に形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の気相蒸着装置。
3. 前記断熱材がリング状であり、前記坩堝の内壁に設置されたことを特徴とする、請求項１に記載の気相蒸着装置。
4. 前記断熱材がリング状であり、前記坩堝の内壁に設置されたことを特徴とする、請求項２に記載の気相蒸着装置。
5. 前記熱反射器の前記反射面と水平方向間の角度が３０度未満であることを特徴とする、請求項１に記載の気相蒸着装置。
6. 前記熱反射器の前記反射面と水平方向間の角度が３０度未満であることを特徴とする、請求項２に記載の気相蒸着装置。
7. 前記熱反射器の前記反射面と水平方向間の角度が３０度未満であることを特徴とする、請求項３に記載の気相蒸着装置。
8. 前記ヒートシンクがカーバイドまたはグラファイトから成ることを特徴とする、請求項７に記載の気相蒸着装置。
9. 前記断熱材の材料が炭素であることを特徴とする、請求項８に記載の気相蒸着装置。
10. 前記熱反射器が金属炭化物または前記坩堝と同じ材質から成ることを特徴とする、請求項９に記載の気相蒸着装置。
11. 請求項１に記載の気相蒸着装置を使用した気相蒸着法であって、
    前記堆積エリア上に固定された基板と、前記チャンバの底部に対称に配置された少なくとも１つの物質を含むソースを用意する工程と、
    前記坩堝を第１温度まで加熱し、第１チャンバ圧を１５〜１２０分提供して前記ソースを気化させる工程と、
    前記第１チャンバ圧を第２チャンバ圧に１分低下させる工程と、
    前記坩堝の温度を５〜１２０分第２温度まで加熱して第１核形成を行う工程と、
    第２チャンバ圧を第３チャンバ圧に５〜１２０分低下させて第２核形成を行う工程と、
    前記坩堝の温度を第３温度まで加熱し、同時に第３チャンバ圧を第４チャンバ圧まで低下させて第３核形成を行う工程と、
    を含み、そのうち、前記第３核形成における堆積速度が、前記第１及び第２核形成における前記堆積速度より速いことを特徴とする、気相蒸着法。
12. 前記第１温度が１８００〜２０００℃の範囲内であり、前記第２温度が１９００〜２３００℃の範囲内であり、前記第３温度が１９５０〜２３８０℃の範囲内であり、前記第１チャンバ圧が５００〜７００ｔｏｒｒの範囲内であり、前記第２チャンバ圧が１２０〜２００ｔｏｒｒの範囲内であり、前記第３チャンバ圧が５０〜１２０ｔｏｒｒの範囲内であり、前記第４チャンバ圧が０.１〜５０ｔｏｒｒの範囲内であることを特徴とする、請求項１１に記載の気相蒸着法。

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