JP2019179903A

JP2019179903A - 薄膜製造方法、および基板

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Publication number: JP2019179903A
Application number: JP2018069999A
Authority: JP
Inventors: 明洋高里; Akihiro Takasato
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2019-10-17

Abstract

【課題】基板の温度を迅速に、かつ均一に調整し管理する。【解決手段】基板２００の成膜面２１０上に薄膜を形成する薄膜製造方法であって、赤外線を受けて発熱する発熱膜２０２を基板２００の成膜面２１０とは反対側の裏面に、周縁部よりも中央部の膜厚が厚くなるように形成し、貫通孔１５２を有するホルダ１０５に貫通孔１５２を覆う様に基板２００を配置し、ホルダ１０５に保持された基板２００の発熱膜２０２を加熱装置から放射される赤外線により加熱し、基板２００の成膜面２１０に薄膜を成膜する。【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に薄膜を形成する薄膜製造方法、および薄膜を形成するための基板に関する。

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：ｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、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：ＰｈｙｓｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）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、基板の裏面に金属チタンを蒸着し金属チタン層をヒータに接触させることで熱伝導性を向上させ、基板を効率的に加熱する技術が記載されている。

特表２００４−５０２２９８号公報特開２００５−２６８４９５号公報

ところが、ヒータに接触した基板を加熱する場合、基板ばかりでなく、ヒータや基板を保持するホルダなども加熱しなければならず全体として熱容量が大きくなる。このため、基板が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して薄膜を形成する薄膜製造方法、および加熱による温度ムラを低減できる基板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つである薄膜製造方法は、基板の成膜面上に薄膜を形成する薄膜製造方法であって、赤外線を受けて発熱する発熱膜を前記基板の成膜面とは反対側の裏面に、周縁部よりも中央部の膜厚が厚くなるように形成し、貫通孔を有するホルダに前記貫通孔を覆う様に前記基板を配置し、前記ホルダに保持された前記基板の前記発熱膜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。

また、上記目的を達成するために、本発明の他の１つである基板は、成膜面上に薄膜を形成するための基板であって、前記成膜面とは反対側の裏面に、周縁部よりも中央部の膜厚が厚く赤外線を受けて発熱する発熱膜を備える。

本発明によれば、中央部が厚い発熱膜が裏面に設けられた基板を裏側から赤外線で加熱することで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、高品質な膜を形成することができる。

薄膜製造方法を実現しうる成膜装置全体を模式的に示す断面図である。ホルダに保持された基板を示す断面図である。発熱膜の成膜状態を示す断面図である。発熱膜の成膜状態の別例を示す断面図である。

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、本発明に係る薄膜製造方法、および薄膜製造方法に用いられる基板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。

まず、薄膜製造方法を実現することができる成膜装置の形式は、特に限定されるものではないが、成膜装置１００の一例として、分子線エピタキシー（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）装置を説明する。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。図１は、薄膜製造方法を実現しうる成膜装置全体を模式的に示す断面図である。

成膜装置１００は、基板２００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ることができ、また窒素などＶ族の原料ガスを導入することができる装置である。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。

図２は、ホルダに保持された基板を示す断面図である。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、成膜段階において高温に加熱された基板２００を保持する部材であるため、成膜に影響しないチタン、モリブデン、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。

基板２００は、薄膜が形成される基礎となる板状の部材であり、表面に成膜面２１０を有し、成膜面２１０とは反対側の裏面に、周縁部よりも中央部の膜厚が厚く、赤外線を受けて発熱する発熱膜２０２を備えている。

基板２００の材質は、特に限定されるものではなく、形成される膜の種類により任意に選定されるが、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程度を想定して説明している。

発熱膜２０２は、基板２００の成膜面２１０とは反対側の裏面に膜として設けられ、加熱装置１０３からの赤外線を受けて発熱し、基板２００を加熱する層である。発熱膜２０２の平面視における形状は、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ことが好ましい。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、発熱膜２０２は、貫通孔１５２の径よりも小径の円形状となっている。基板２００の周縁部において、発熱膜２０２の膜厚は０、またはほぼ０であり、中央部における発熱膜２０２の膜厚は１００ｎｍ以上、５ミクロン以下の範囲から選定される。

発熱膜２０２を構成する材料は、基板２００よりも赤外線の透過率が低い材料が好ましい。具体的には、発熱膜２０２の材料としては、ホルダ１０５と同様、チタン、モリブデンやタングステンを例示することができる。

次に、薄膜製造方法を説明する。はじめに基板２００の成膜面２１０とは反対側に発熱膜２０２を形成する。発熱膜２０２を形成する方法は、特に限定されるものではなく、例えばＰＶＤ法、ＣＶＤ法のほか、ＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等でもかまわない。また、発熱膜２０２を基板２００の周縁部よりも中央部の膜厚が厚くなるように形成する方法としては、図３に示すように、形成したい発熱膜２０２の形状、および大きさに合致した貫通孔を備えたマスク２０１を基板２００の裏面に接触させた状態で発熱膜２０２を成膜する方法を例示できる。また図４に示すように、マスク２０１を基板２００の裏面からある程度離した状態で発熱膜２０２を成膜することで、基板２００の周縁に向かって徐々に膜厚が薄くなる発熱膜２０２を成膜することも可能である。

次に、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を覆うようにして裏面に発熱膜２０２が形成された基板２００をフランジ部１５３に載置する。

次に、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の裏面に設けられた発熱膜２０２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、および発熱膜２０２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の裏面の中央部の膜厚が厚くなるように成膜された発熱膜２０２が、加熱装置１０３からの赤外線によって加熱される。そして、発熱膜２０２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、基板２００の温度分布を均一に維持することができる。従って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、発熱膜２０２の体積は基板２００よりも少なくすることができ、発熱膜２０２の熱容量を抑制することができる。従って、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、発熱膜２０２の形成方法としてＰＶＤやＣＶＤなど乾式の成膜方法を例示したが、発熱膜２０２は、いわゆるメッキなどの湿式の成膜方法を用いてもよい。

また、基板２００の成膜面の形状は、基板２００に発熱膜２０２を成膜した後、研磨などによって形成してもかまわない。

また、上記実施の形態の場合では、ＰＶＤによる薄膜製造方法を例として説明したが、薄膜製造方法は、ＣＶＤにより実現してもかまわない。また、ＰＶＤとＣＶＤを組み合わせた薄膜製造法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、機能性薄膜の製造に利用可能である。

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、１５２：貫通孔、１５３：フランジ部、２００：基板、２０１：マスク、２０２：発熱膜、２１０：成膜面

Claims

基板の成膜面上に薄膜を形成する薄膜製造方法であって、
赤外線を受けて発熱する発熱膜を前記基板の成膜面とは反対側の裏面に、周縁部よりも中央部の膜厚が厚くなるように形成し、
貫通孔を有するホルダに前記貫通孔を覆う様に前記基板を配置し、
前記ホルダに保持された前記基板の前記発熱膜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。
成膜面上に薄膜を形成するための基板であって、
前記成膜面とは反対側の裏面に、周縁部よりも中央部の膜厚が厚く赤外線を受けて発熱する発熱膜を備える
基板。