JP2019125644A - 成膜装置、および薄膜製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成膜装置の内方に配置された基板を赤外線により均一に加熱する。【解決手段】チャンバ１０１内に収容された基板２００上に薄膜を成膜する成膜装置１００であって、貫通孔を覆う様に配置される基板２００の周縁部を保持するホルダ１０５と、ホルダ１０５に保持された基板２００を赤外線により加熱する加熱装置１０３と、基板２００の成膜面とは反対側の裏面の中央部にホルダ１０５との間に所定間隔を空けて配置され、加熱装置１０３からの赤外線を受けて基板２００を加熱する発熱体１０８とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に薄膜を形成する成膜装置、および薄膜製造方法に関する。

薄膜を基板上に形成させる成膜方法として、ガス状の原料を基板上部で化学反応させて薄膜を形成する化学気相成長法（ＣＶＤ： ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、固体状の原料を気化させて基板に堆積させて薄膜を形成したり、気化した原料とガスとを反応させながら基板に薄膜を形成する物理気相成長法（ＰＶＤ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などがある。

これらの成膜方法において、成膜中の基板の温度は重要な要素であり、例えば特許文献１には、窒化ガリウム（ＧａＮ）に代表されるIII−Ｖ族半導体を成膜する際に適した温度が記載されている。

また、特許文献２には、ヒータを備えたホルダを用いて保持する基板を加熱することができる成膜装置が記載されている。

特表２００４−５０２２９８号公報 特開２００６−２７８６１６号公報

ところが、ヒータを備えたホルダと共に基板を加熱する場合、全体として熱容量が大きくなるため、必要な温度になるまで長時間を要し、成膜後に基板を取り出すための冷却時間も長時間になる。また、成膜中に基板の温度を変更して異なる膜種を成膜したい場合にも基板の温度がゆっくりと変化するため、異なる膜種の成膜に長時間を要することになる。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、基板の温度を迅速かつ均一に管理することができる成膜装置、および薄膜製造方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の１つである成膜装置は、チャンバ内に収容された基板上に薄膜を成膜する成膜装置であって、貫通孔を有し、前記貫通孔を覆う様に配置される前記基板の周縁部を保持するホルダと、前記ホルダに保持された前記基板を赤外線により加熱する加熱装置と、前記基板の成膜面とは反対側の裏面の中央部に前記ホルダとの間に所定間隔を空けて配置され、前記加熱装置からの赤外線を受けて前記基板を加熱する発熱体とを備える。

また、上記目的を達成するために、本発明の他の１つである薄膜製造方法は、チャンバ内に収容された基板上に薄膜を成膜する薄膜製造方法であって、貫通孔を有するホルダを用いて前記貫通孔を覆う様に配置される前記基板の周縁部を保持し、前記基板の成膜面とは反対側の裏面の中央部に前記ホルダとの間に所定間隔を空けて発熱体を配置し、前記ホルダに保持された前記基板、および前記発熱体を加熱装置から放射される赤外線により加熱し、前記基板の成膜面に薄膜を成膜する。

本発明によれば、貫通孔を有するホルダにより基板を保持し、中央部に発熱体が配置された基板を発熱体と共に直接赤外線で加熱するため、基板の温度を迅速に、かつ均一に調整し管理することができる。

成膜装置全体を模式的に示す断面図である。 基板を保持したホルダを発熱体と共に裏面側から示す斜視図である。 ホルダ、発熱体、基板などを分解して示す斜視図である。 図２に示すＡ−Ａ線における断面図である。 発熱体保持具を用いない態様を示す斜視図である。 発熱体と発熱体保持具が一体となった態様を示す斜視図である。

まず、発明者の知見を説明する。成膜対象である基板を迅速に加熱するために、赤外線を用いて基板を直接加熱する着想を得た。この着想に基づき鋭意実験を行い、基板の成膜面側から赤外線を照射するのではなく、成膜面とは反対側の裏面から赤外線を照射して基板を加熱することで、チャンバ内の空間を有効に利用し、加熱装置が成膜に悪影響を与えないという知見を得た。発明者は、実験に先立ち貫通孔を備えたホルダを新規に製作し、このホルダの貫通孔を覆う様に基板を配置することにより、基板の裏面から赤外線を照射して加熱しながら成膜面に成膜することを実現させた。

ところが、半導体を成膜するための基板に使用される材料は、シリコンやサファイアなどがあり、これらの材料は赤外線の透過率が比較的高い。一方、基板を保持するホルダの材料は、高温に耐える必要から高融点のモリブデンなどが用いられ、かつ赤外線の照射方向に対する肉厚が基板よりも厚いため基板よりも温度が高くなる。このため、基板の中央部の温度が低くなるような温度勾配が発生することを見出すに至った。基板に温度ムラが生じると、成膜した薄膜の品質に悪影響が生じる。

本発明は、発明者の上記知見に基づきなされたものである。以下に、本発明に係る成膜装置、および薄膜製造方法の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、図面は、本発明を示すために適宜強調や省略、比率の調整を行った模式的な図となっており、実際の形状や位置関係、比率とは異なる場合がある。

図１は、成膜装置全体を模式的に示す断面図である。成膜装置１００の形式は、特に限定されるものではないが、成膜装置１００として、分子線エピタキシー（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）装置を用いて実施の形態を説明する。また、成膜する物質も特に限定されるものではないが、ＧａＮ、ＧａＡｌＮ等のＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶の成膜を例として説明する。

成膜装置１００は、基板上に薄膜を成膜する装置であり、Ｇａ、ＡｌなどのＩＩＩ族元素の原料を真空中でそれぞれ気化させながら窒素などＶ族の原料をガスとして真空中に導入し、基板２００上にて反応させながら薄膜を形成する。本実施の形態の場合、成膜装置１００は、チャンバ１０１と、原料供給源１０２と、加熱装置１０３と、ホルダ固定部１０４と、ホルダ１０５と、ガス導入口１０６と、真空排気口１０７と、発熱体１０８とを備えている。

チャンバ１０１は、内方の空間を真空に維持することができる筐体である。なお、チャンバ１０１の形状は特に限定されるものではなく、矩形、円筒形などを例示することができる。

原料供給源１０２は、気化させた原料を基板２００の表面に供給する装置である。本実施の形態の場合、原料供給源１０２はいわゆるクヌーセンセルであり、常温では固体であるＩＩＩ族元素が充填される坩堝と、坩堝に取り付けられたヒータとを備え、原料を蒸発温度まで加熱することで真空中にいわゆる分子線と称される原料のビームを発生させる。なお、ＧａＡｌＮなどの結晶を成膜する場合、原料供給源１０２は、チャンバ１０１内に複数配置される場合がある。また、原料供給源１０２は、原料の放出を遮蔽する遮蔽機構（不図示）が備えられており、原料の供給量を正確に調整することができるものとなっている。

ホルダ固定部１０４は、チャンバ１０１内の所定の位置に基板２００を保持するホルダ１０５をチャンバ１０１に対して保持する部材である。ホルダ固定部１０４の形状は特に限定されるものではなく、また、材質も特に限定されるものではないが、成膜中はホルダ１０５が高温になるため、ホルダ固定部１０４はモリブデンやタングステンなどの高融点金属で形成することが好ましい。

なお、ホルダ固定部１０４は、複数のホルダを保持し、複数のホルダを移動させることができる移動機構を備えていてもかまわない。

ガス導入口１０６は、反応ガスをチャンバ１０１内に導入するための導入口である。ガス導入口１０６にはマスフローコントローラーなどガスの導入量を正確に調整できる装置が接続されており、例えばＶ族の窒素ガスなどが反応ガスとして導入される。

真空排気口１０７は、チャンバ１０１内の空気などをチャンバ１０１の外に排出することができる真空ポンプ、および配管などからなる真空系に接続される開口である。真空ポンプとは例えば、ターボ分子ポンプ、クライオポンプ、ロータリーポンプなどを含み、複数種類のポンプが配管により接続されて真空系が構成される場合が多い。

加熱装置１０３は、ホルダ１０５に保持された基板２００、および発熱体１０８などを赤外線により加熱する装置である。加熱装置１０３は、赤外線を照射できる装置であれば、特に限定されるものではないが、例えば赤外線ランプを例示することができる。また、加熱装置１０３は、赤外線ランプとミラーなどを組み合わせて、赤外線を基板２００、およびその近傍に集光するものでもよい。

基板２００は、薄膜が形成される基礎となる板状の部材である。基板２００の材質は特に限定されるものではないが、例えばＳｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ、サファイアなどを例示することができる。また、基板２００の大きさも特に限定されるものではないが、本実施の形態では、直径２インチ、肉厚１ｍｍ程度の基板２００を想定して説明している。

図２は、基板を保持したホルダを発熱体と共に基板の裏面側から示す斜視図である。図３は、ホルダ、発熱体、基板などを分解して示す斜視図である。図４は、図２に示すＡ−Ａ線における断面図である。これらの図に示すように、ホルダ１０５は、貫通孔１５２を有し、貫通孔１５２を覆う様に配置される基板２００の周縁部を保持する部材である。ホルダ１０５を構成する材料は特に限定されるものではないが、高温に加熱された基板２００を保持し、また、赤外線により加熱される部材であるため、成膜に影響しないモリブデンやタングステンなどの高融点金属が好適と考えられる。

ホルダ１０５の形状、およびホルダ１０５に設けられる貫通孔１５２の形状は、特に限定されるものではない。本実施の形態の場合、ホルダ１０５は、円板形状の基板２００に対応し円環形状であり、ホルダ１０５の中央部に設けられる貫通孔１５２は、基板２００を挿入することができる径の円形である。また、貫通孔１５２の一端部には、基板２００の周縁に当接して基板２００を保持するために内方に突出したフランジ部１５３が一体に設けられている。

また本実施の形態の場合、ホルダ１０５は、基板２００の保持位置に対してフランジ部１５３の反対側に発熱体保持具１５１が嵌まり込む保持溝１５４を備えている。保持溝１５４は、貫通孔１５２の内周面から外側に陥凹し貫通孔１５２に向かって開口する円環状の溝であり、溝の幅は発熱体保持具１５１と嵌め合うことができる値に設定されている。

発熱体１０８は、基板２００の成膜面２０１（図４参照）とは反対側の裏面２０２の中央部にホルダ１０５との間に所定間隔を空けて配置され、加熱装置１０３からの赤外線を受けて発熱し、基板２００を加熱する部材である。発熱体１０８の形状は、特に限定されるものではないが、基板２００の形状、およびホルダ１０５の形状、特に貫通孔１５２の形状の少なくとも一方に依存して決定される。本実施の形態の場合、基板２００が円形、貫通孔１５２も円形であるため、発熱体１０８は、貫通孔１５２の径よりも小径の円板形状となっている。

発熱体１０８を構成する材料は、基板２００よりも赤外線の透過率が低く、基板２００よりも耐熱性の高い材料が好ましい。具体的には、発熱体１０８の材料としては、ホルダ１０５と同様、モリブデンやタングステンを例示することができる。

発熱体保持具１５１は、ホルダ１０５に取り付けられると共に、発熱体１０８をホルダ１０５に対して所定の位置に固定的に保持して基板２００の裏面の中央部に配置する部品である。発熱体保持具１５１の形状や発熱体１０８を保持する構造は特に限定されるものではないが、本実施の形態の場合、発熱体保持具１５１は、いわゆるＣリングなどと称される部品と同様の構造を有するＣ字状の部分である係合部１６１と、発熱体１０８の周縁を保持する環状の保持部１６２と、係合部１６１と保持部１６２とを架橋状に接続するアーチ状の架橋部１６３とを備えている。

発熱体保持具１５１の架橋部１６３は、保持部１６２を介して発熱体１０８を基板２００に向かって押しつける付勢力を備えている。これにより発熱体１０８と基板２００とが面状に密着し真空中であっても発熱体１０８が発生させる熱を均一に基板２００に伝達させることが可能となる。

発熱体保持具１５１の係合部１６１は、ホルダ１０５の貫通孔１５２よりも小径に変形させることができ、ホルダ１０５の保持溝１５４の位置で形状を戻すことで、保持溝１５４に嵌まる形状となっている。このようにホルダ１０５の保持溝１５４に対し発熱体保持具１５１の係合部１６１が嵌合することで、発熱体保持具１５１がホルダ１０５に保持される。また、係合部１６１の幅は、保持溝１５４に嵌合した状態で、基板２００の裏面の周縁部にまで突出する幅となっており、係合部１６１は、ホルダ１０５のフランジ部１５３との間で基板２００の周縁部を挟持する挟持部として機能している。

また、ホルダ１０５のフランジ部１５３は、基板２００の成膜面２０１側の周縁部に当接し、発熱体保持具１５１は、基板２００の裏面２０２から成膜面２０１に向かって発熱体１０８を押圧しているため、基板２００は、発熱体１０８を介してホルダ１０５と発熱体保持具１５１に挟持されている。以上によりホルダ１０５をチャンバ１０１内で任意の姿勢に配置した場合でもホルダ１０５から基板２００が脱落することがない。従って、基板２００の成膜面を上に向けて配置する成膜装置１００や、基板２００を縦に配置する成膜装置１００などあらゆる成膜装置に対応することができる。

発熱体保持具１５１の架橋部１６３は、基板２００に接触しないように配置されている。従って、架橋部１６３が加熱装置１０３からの赤外線により加熱された場合でも架橋部１６３の熱が基板２００に直接伝わることを防止している。これにより、基板２００をより均一に加熱することができる。

発熱体保持具１５１を構成する材料は、特に限定されるものではないが、赤外線の透過率が基板２００と同程度、またはそれ以上のものを採用することが好ましい。発熱体保持具１５１が赤外線により加熱されることを抑制できるため、発熱体保持具１５１の熱により基板２００の熱の均一性が阻害されることを回避できる。

次に、上記成膜装置１００を用いた薄膜製造方法を説明する。チャンバ１０１外、またはチャンバ１０１内にて、ホルダ１０５の貫通孔１５２を覆うようにして基板２００をフランジ部１５３に載置する。次に、発熱体１０８が取り付けられた発熱体保持具１５１をホルダ１０５に固定し、基板２００の周縁部を保持する。これにより基板２００の成膜面とは反対側の裏面の中央部にホルダ１０５との間に環状の間隔（空間）を空けて発熱体１０８が配置される。

次に、発熱体保持具１５１と共に基板２００を保持したホルダ１０５をチャンバ１０１内のホルダ固定部１０４に固定する。これにより、基板２００の成膜面が原料供給源１０２側に面し、基板２００の裏面が加熱装置１０３に面した状態となる。

次に、チャンバ１０１を閉塞して真空排気口１０７からチャンバ１０１内の空気を、真空系を用いて排出する。

所定の真空度に達すると、ホルダ１０５に保持された基板２００、および発熱体１０８を加熱装置１０３から放射される赤外線により加熱し、基板２００を所定の温度にまで均一に昇温する。

以上の状態で、原料供給源１０２から原料の分子線を放出し、基板２００の成膜面に薄膜を成膜する。

具体的に例えば、III−Ｖ族半導体である窒化ガリウムを成膜する場合は、ガス導入口１０６から窒素ガスをチャンバ１０１内に導入し、電磁波などを用いて基板２００の成膜面上で窒素ガスをプラズマ化し、窒素ガスのプラズマ中にガリウムの分子線を投入することにより、基板２００の成膜面に窒化ガリウムが成膜される。なお、基板２００に窒化ガリウムが直接成膜されるのではなく、例えばバッファ層と称されるような複数種類の膜を成膜した後、窒化ガリウムを成膜する場合が多い。

ここで、窒化ガリウムを成膜する際の基板２００の温度は、６００℃以上、８００℃以下の範囲内の所定の温度に設定される。本実施の形態の場合、例えば基板２００の温度を７００℃にまで加熱した場合、基板２００全体の温度分布は±１％の範囲に収まっている。

上記のような成膜装置１００によれば、基板２００の裏面の中央部分に接触状態で配置された発熱体１０８が、加熱装置１０３からの赤外線によって加熱される。そして、発熱体１０８の発熱により、基板２００が加熱される。従って、赤外線の透過率が高い基板２００を用いた場合でも効果的に基板２００を加熱することができる。また、ホルダ１０５と発熱体１０８とを所定の間隔で配置することで、基板２００の温度を均一に維持することができ、上記のような薄膜製造方法によれば高品質の膜を製造することが可能となる。

また、ホルダ１０５、発熱体１０８、および発熱体保持具１５１の体積を少なくすることで熱容量を抑制し、真空中であっても、基板２００の温度制御を容易かつ迅速に行う事ができるため、複数種類の膜を異なる温度帯で短時間に製造することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本明細書において記載した構成要素を任意に組み合わせて、また、構成要素のいくつかを除外して実現される別の実施の形態を本発明の実施の形態としてもよい。また、上記実施の形態に対して本発明の主旨、すなわち、請求の範囲に記載される文言が示す意味を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例も本発明に含まれる。

例えば、発熱体保持具１５１を用いて発熱体１０８を基板２００の中央に配置したが、基板２００を水平に保ち、裏面を上方に向けて保持し、図５に示すように、発熱体保持具１５１を用いることなく、発熱体１０８を基板２００の中央に載置するだけでも基板２００を均一に加熱することができる。

また、図６に示すように、発熱体１０８と発熱体保持具１５１とが一体となっていてもかまわない。この場合、発熱体保持具１５１に該当する部分の肉厚を発熱体１０８に該当する部分の肉厚よりも薄くして、適切な弾性力を発生させ、発熱体１０８に該当する部分を基板２００に押しつけてもかまわない。また、ホルダ１０５には、発熱体保持具１５１に該当する矩形棒状部分の先端が挿入される被挿入部１５９が設けられている。

また、上記実施の形態の場合では、ＰＶＤを実現する成膜装置１００を例として説明したが、成膜装置１００は、ＣＶＤを実現する装置であってもかまわない。また、ＰＶＤとＣＶＤを組み合わせた成膜装置１００であってもかまわない。

本発明はＩＩＩ−Ｖ族半導体膜の形成の他、機能性薄膜を製造する成膜装置、および成膜方法に利用可能である。

１００ 成膜装置
１０１ チャンバ
１０２ 原料供給源
１０３ 加熱装置
１０４ ホルダ固定部
１０５ ホルダ
１０６ ガス導入口
１０７ 真空排気口
１０８ 発熱体
１５１ 発熱体保持具
１５２ 貫通孔
１５３ フランジ部
１５４ 保持溝
１５９ 被挿入部
１６１ 係合部
１６２ 保持部
１６３ 架橋部
２００ 基板
２０１ 成膜面
２０２ 裏面

Claims (5)

1. チャンバ内に収容された基板上に薄膜を成膜する成膜装置であって、
   貫通孔を有し、前記貫通孔を覆う様に配置される前記基板の周縁部を保持するホルダと、
   前記ホルダに保持された前記基板を赤外線により加熱する加熱装置と、
   前記基板の成膜面とは反対側の裏面の中央部に前記ホルダとの間に所定間隔を空けて配置され、前記加熱装置からの赤外線を受けて前記基板を加熱する発熱体と
   を備える成膜装置。
2. 前記ホルダに取り付けられると共に、前記発熱体を保持して前記中央部に配置する発熱体保持具を備える
   請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記発熱体保持具は、前記発熱体を前記基板に向かって押しつける付勢力を備える
   請求項２に記載の成膜装置。
4. 前記発熱体保持具は、前記ホルダと共に前記基板の周縁部を挟む挟持部を備える
   請求項２または３に記載の成膜装置。
5. チャンバ内に収容された基板上に薄膜を成膜する薄膜製造方法であって、
   貫通孔を有するホルダを用いて前記貫通孔を覆う様に配置される前記基板の周縁部を保持し、
   前記基板の成膜面とは反対側の裏面の中央部に前記ホルダとの間に所定間隔を空けて発熱体を配置し、
   前記ホルダに保持された前記基板、および前記発熱体を加熱装置から放射される赤外線により加熱し、
   前記基板の成膜面に薄膜を成膜する
   薄膜製造方法。

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