JP2020161543A - Film-forming apparatus and film-forming method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、成膜装置および成膜方法に関し、例えば、複数の支持基板等を非接触の状態で互いに隙間を空けて等間隔に積層し、多結晶炭化珪素等を成膜する成膜装置および成膜方法に関するものである。 The present invention relates to a film forming apparatus and a film forming method, for example, a film forming apparatus and a film forming apparatus for forming a polycrystalline silicon carbide or the like by laminating a plurality of supporting substrates or the like in a non-contact state at equal intervals with a gap between them. It relates to a film forming method.
炭化珪素(SiC)は、2.2〜3.3eVの広い禁制帯幅を有するワイドバンドギャップ半導体であり、その優れた物理的、化学的特性から、例えば、高周波電子デバイス、高耐圧かつ高出力の電子デバイス、青色から紫外にかけての短波長光デバイス等をはじめとして、炭化珪素によるデバイス(半導体素子)作製の研究開発が盛んに行われている。SiCデバイスの実用化を進めるにあたっては、高品質のSiCエピタキシャル成長のために大口径の炭化珪素基板を製造することが求められている。現在、その多くは、種結晶を用いた昇華再結晶法(改良レーリー法、改良型レーリー法等と呼ばれる)やCVD法(化学的気相蒸着法)等で製造されている。 Silicon carbide (SiC) is a wide bandgap semiconductor having a wide forbidden bandwidth of 2.2 to 3.3 eV, and due to its excellent physical and chemical properties, for example, high frequency electronic devices, high withstand voltage and high output. Research and development of devices (semiconductor devices) made of silicon carbide, including electronic devices and short-wavelength optical devices from blue to ultraviolet, are being actively carried out. In order to promote the practical use of SiC devices, it is required to manufacture a large-diameter silicon carbide substrate for high-quality SiC epitaxial growth. Currently, most of them are manufactured by a sublimation recrystallization method (called an improved Rayleigh method, an improved Rayleigh method, etc.) or a CVD method (chemical vapor deposition method) using a seed crystal.
CVD法を利用する炭化珪素基板の製造方法は、原料ガスを気相反応させ、基材面上に炭化珪素生成物を析出させて被膜を生成した後、基材を除去するものであり、緻密で高純度の炭化珪素基板を得ることができる。また、基材は切削や研磨等により除去されるが、基材に炭素材を用いると空気中で熱処理することにより除去できる。 The method for producing a silicon carbide substrate using the CVD method is to cause a vapor phase reaction of a raw material gas, deposit a silicon carbide product on the surface of the base material to form a film, and then remove the base material. A high-purity silicon carbide substrate can be obtained. The base material is removed by cutting, polishing, or the like, but if a carbon material is used as the base material, it can be removed by heat treatment in air.
特許文献1には、CVD法による炭化珪素基板の製造方法として、基材の表面に化学蒸着法により炭化珪素膜を形成し、その後前記基材を除去して得られた炭化珪素基板の両面に、更に炭化珪素膜を形成することを特徴とする、化学蒸着法による炭化珪素基板の製造方法が提案されている。
In
SiC基板を作製するために、CVD法の中で熱CVD法を利用する際には、一般に、成長室内の基板ホルダー上に炭化珪素基板を載せて、ホルダーを回転させながら、SiC基板の直上に、例えば珪素源のシランガスやクロロシランガス等と炭素源の炭化水素ガス等とを混合した原料ガスを、水素等のキャリアガスと共に供給して、SiC単結晶薄膜をエピタキシャル成長させる方法が採用されている(例えば非特許文献1参照)。 When the thermal CVD method is used in the CVD method for manufacturing the SiC substrate, generally, the silicon carbide substrate is placed on the substrate holder in the growth chamber, and the holder is rotated while directly above the SiC substrate. For example, a method is adopted in which a raw material gas obtained by mixing a silicon source silane gas or chlorosilane gas and a carbon source hydrocarbon gas or the like is supplied together with a carrier gas such as hydrogen to epitaxially grow a SiC single crystal thin film (. For example, see Non-Patent Document 1).
このとき、窒素(N2)等のドーピングガスは、通常、原料ガスに混合されて供給される。そして、このようにSiC基板をホルダーに載置する基板処理装置を、ここでは横型配列構造の基板処理装置と呼ぶ。また、同じ横型配列構造の基板処理装置でも、より大きなホルダーを使って複数の炭化珪素基板を横に並べて搭載し、各SiC基板を回転(自転)させると共にホルダーを回転(公転)させて、一度の処理で複数枚のエピタキシャル成長させた炭化珪素ウエハ(エピタキシャルSiCウエハ)を得ることも可能である。このようにホルダー上に複数のSiC基板を並べる基板処理装置を、ここではプラネタリ構造の基板処理装置と呼ぶ。 At this time, a doping gas such as nitrogen (N 2 ) is usually mixed with the raw material gas and supplied. The substrate processing apparatus for mounting the SiC substrate on the holder in this way is referred to as a substrate processing apparatus having a horizontal arrangement structure. Further, even in a substrate processing device having the same horizontal arrangement structure, a plurality of silicon carbide substrates are mounted side by side using a larger holder, and each SiC substrate is rotated (rotated) and the holder is rotated (revolved) once. It is also possible to obtain a plurality of epitaxially grown silicon carbide wafers (epitaxial SiC wafers) by the above process. A substrate processing apparatus for arranging a plurality of SiC substrates on a holder in this way is referred to as a substrate processing apparatus having a planetary structure here.
このプラネタリ構造の基板処理装置の場合には、SiC基板の自転と公転を組み合わせることで、複数のSiC基板に対して同等のエピタキシャル成長環境を作り出すことが可能なため、ひとつのSiC基板の基板面内のみならず、複数のSiC基板の基板間での膜厚やドーピング密度のばらつきを抑えることができて、生産性の観点から有利であるとされる。しかしながら、ホルダーの大きさで搭載可能なSiC基板の枚数が決まるため、SiC基板の口径が大きくなるにつれて、搭載可能な基板の数は減少してしまう。特に、大口径化を図っているSiC基板においては、エピタキシャルSiCウエハの生産性についても同時に検討しなければならない。 In the case of this planetary structure substrate processing device, it is possible to create an equivalent epitaxial growth environment for a plurality of SiC substrates by combining the rotation and revolution of the SiC substrate, so that the board surface of one SiC substrate can be created. Not only that, it is possible to suppress variations in film thickness and doping density among a plurality of SiC substrates, which is considered to be advantageous from the viewpoint of productivity. However, since the number of SiC boards that can be mounted is determined by the size of the holder, the number of boards that can be mounted decreases as the diameter of the SiC board increases. In particular, in the case of a SiC substrate whose diameter is to be increased, the productivity of the epitaxial SiC wafer must be examined at the same time.
エピタキシャルSiCウエハの生産性を向上させる手段のひとつに、成長室内でホルダーを縦方向に並べて、複数のSiC基板を互いに隙間を空けて積層する方向に配列させる縦型配列構造の基板処理装置が挙げられる。これによれば、SiC基板の口径が大きくなっても然程装置上の制約は受けず、縦方向に配列するSiC基板の数を増やすことで、横型配列構造の基板処理装置よりも生産性良くエピタキシャルSiCウエハを製造することを可能にする。 One of the means for improving the productivity of epitaxial SiC wafers is a substrate processing apparatus having a vertical arrangement structure in which holders are arranged in the vertical direction in a growth chamber and a plurality of SiC substrates are arranged in a direction in which they are laminated with a gap between them. Be done. According to this, even if the diameter of the SiC substrate is increased, there are not so many restrictions on the apparatus, and by increasing the number of SiC substrates arranged in the vertical direction, the productivity is improved as compared with the substrate processing apparatus having a horizontal arrangement structure. It makes it possible to manufacture epitaxial SiC wafers.
ところが、このような縦型配列構造の基板処理装置では、横型配列構造の基板処理装置の場合とは異なる制御が求められる。例えば、成長室の温度が縦方向に揃っていないと、炭化珪素基板を配置した場所によって、得られるエピタキシャル成長膜の膜厚が変わってしまったり、ドーピング密度にばらつきが生じてしまうおそれがある。また、成長室内を縦方向に配列された各SiC基板に、それぞれ均一にエピタキシャル成長膜を成長させるためには、成長室内を縦方向に沿う配管を通じて珪素源と炭素源を含んだ原料ガスを導入し、SiC基板間の各隙間に対応する位置にガス吹出し口を設けて、SiC基板の表面に原料ガスを供給する。ここで、横型配列構造の基板処理装置の場合のように、珪素源のガスと炭素源のガスとを混合して供給すると、SiCの熱CVD法における高温環境下において、配管内でこれらのガスが反応してSiCが生成してしまい、これによって吹き出し口を塞いでしまったり、配管内にSiCが堆積してしまうことがある。 However, in such a substrate processing apparatus having a vertical arrangement structure, control different from that in the case of a substrate processing apparatus having a horizontal arrangement structure is required. For example, if the temperatures of the growth chambers are not uniform in the vertical direction, the film thickness of the obtained epitaxial growth film may change or the doping density may vary depending on the location where the silicon carbide substrate is placed. Further, in order to uniformly grow the epitaxial growth film on each SiC substrate arranged in the growth chamber in the vertical direction, a raw material gas containing a silicon source and a carbon source is introduced through a pipe along the growth chamber in the vertical direction. , A gas outlet is provided at a position corresponding to each gap between the SiC substrates, and the raw material gas is supplied to the surface of the SiC substrate. Here, when a silicon source gas and a carbon source gas are mixed and supplied as in the case of a substrate processing apparatus having a horizontal arrangement structure, these gases are used in the piping under a high temperature environment in the thermal CVD method of SiC. Reacts to generate SiC, which may block the outlet or cause SiC to accumulate in the pipe.
そこで、珪素源を含んだ珪素材料ガスと炭素源を含んだ炭素材料ガスとを、個別のガス導入管によりそれぞれ成長室内に導入する、縦型配列構造の基板処理装置が提案されている(例えば特許文献2、3参照)。この縦型配列構造の基板処理装置を使えば、多数枚のSiC基板に対して均一な膜厚でSiCのエピタキシャル成長膜を成膜することが可能になる。しかしながら、このような基板処理装置を使っても、得られるエピタキシャルSiCウエハは、SiC基板を配置した場所によってそのSiC単結晶薄膜のドーピング密度にばらつきがあったり、単一のエピタキシャルSiCウエハにおいてSiC単結晶薄膜の同一面内でのドーピング密度にばらつきが生じてしまうことがある。
Therefore, a substrate processing apparatus having a vertical arrangement structure has been proposed in which a silicon material gas containing a silicon source and a carbon material gas containing a carbon source are introduced into a growth chamber by individual gas introduction pipes (for example). See
これらの課題に対応するため、特許文献4では、ガス導入管が炭化珪素単結晶基板間の各隙間に対応する位置に、それぞれガス吹出し口を有しており、各炭化珪素単結晶基板の表面にそれぞれ珪素材料ガス、炭素材料ガス、及びドーピングガスとキャリアガスとして希ガスを混合して供給する、エピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法が提案されている。
In order to deal with these problems, in
しかしながら、従来のホットウォール式の縦型炉に、特許文献4のように成膜対象面を水平にして基板を積層した場合、基板間に十分な原料ガスを供給するためにはSiCが生成する温度領域に配管を形成する必要があり、そうすると、SiCが生成して配管内やガス噴出口にSiCが析出することで、ガスの供給の制御が困難となるおそれがある。また、積層した基板の間に1つ以上のガス噴出口と排気口が必要なため、積層する基板の枚数が増加すると、管理するガス噴出口と排気口の数が多くなり、管理が難しい場合がある。そして、原料ガスを珪素材料ガス、炭素材料ガスに分離して供給する場合には、原料ガスの混合が不十分になることで、基板上で原料ガス組成を均一化できないおそれや、基板上に成膜した膜の厚みが著しくばらついて、均一な膜厚に成膜できないおそれがある。
However, when the substrates are laminated on the conventional hot wall type vertical furnace with the film formation target surface horizontal as in
そこで、本発明は、上記の問題点に鑑み、ガス噴出口やこれにつながる配管内にSiCが析出することを防止し、同一成膜対象面内や基板間での膜厚のばらつきを緩和して、より均一な膜厚の成膜が可能な、成膜装置および成膜方法を提供することを目的とする。 Therefore, in view of the above problems, the present invention prevents SiC from being deposited in the gas outlet and the piping connected to the gas outlet, and alleviates the variation in film thickness within the same film formation target surface and between substrates. An object of the present invention is to provide a film forming apparatus and a film forming method capable of forming a film having a more uniform film thickness.
上記課題を解決するために、本発明の成膜装置は、第1面と、前記第1面と対向する第2面と、前記第1面と前記第2面とをつなぐ4つの側面からなる直方体状の内形を有する成膜室と、前記第1面またはその近傍にあり、原料ガスおよびキャリアガスを含む混合ガスを前記成膜室に噴出する複数の混合ガス噴出口と、複数の前記混合ガス噴出口からの前記混合ガスの噴出を制御する混合ガス噴出制御手段と、前記第2面またはその近傍にあり、前記混合ガスを前記成膜室から排出する混合ガス排出口と、4つの前記側面を囲み、前記成膜室を加熱するヒータと、複数の基板を、基板同士を非接触で等間隔に積層して保持可能であり、前記成膜室の前記第1面と前記第2面との間において、前記基板の成膜対象面を前記側面と平行に設置可能な基板ホルダーと、前記混合ガス噴出口から噴出される前記混合ガスの噴出速度を、前記混合ガスの拡散速度よりも早くすることができる噴出速度制御手段と、を備える。 In order to solve the above problems, the film forming apparatus of the present invention includes a first surface, a second surface facing the first surface, and four side surfaces connecting the first surface and the second surface. A film forming chamber having a rectangular inner shape, a plurality of mixed gas outlets located on or near the first surface and ejecting a mixed gas containing a raw material gas and a carrier gas into the film forming chamber, and a plurality of the above. A mixed gas ejection control means for controlling the ejection of the mixed gas from the mixed gas ejection port, a mixed gas discharge port located on or near the second surface and discharging the mixed gas from the film forming chamber, and four. A heater that surrounds the side surface and heats the film forming chamber and a plurality of substrates can be laminated and held at equal intervals in a non-contact manner, and the first surface and the second surface of the film forming chamber can be held. The ejection speed of the mixed gas ejected from the mixed gas ejection port and the substrate holder on which the surface to be formed of the substrate can be installed parallel to the side surface between the surfaces is calculated from the diffusion rate of the mixed gas. It is equipped with a spouting speed control means that can be accelerated.
前記基板ホルダーが保持可能な基板の枚数と、前記混合ガス噴出口の口数との比は、1:0.4〜1.5であってもよい。 The ratio of the number of substrates that can be held by the substrate holder to the number of ports of the mixed gas ejection port may be 1: 0.4 to 1.5.
前記混合ガス噴出口と前記基板ホルダーとの最短距離は、150mm以上であってもよい。 The shortest distance between the mixed gas outlet and the substrate holder may be 150 mm or more.
また、上記課題を解決するために、本発明の成膜方法は、上記の本発明の成膜装置を用いる成膜方法であって、前記成膜室において、前記基板ホルダーに基板同士を非接触で等間隔に積層され、かつ、前記成膜対象面を前記側面と平行に設置された複数の前記基板に対し、複数の前記混合ガス噴出口から前記混合ガスを前記成膜室に噴出すると共に、前記混合ガス排出口から前記混合ガスを前記成膜室から排出して、当該混合ガスを前記成膜対象面と平行な方向に流通させて、前記基板に膜を成膜する成膜工程を含み、混合ガス噴出制御手段は、複数の前記混合ガス噴出口から噴出する前記混合ガスのガス流が相互に干渉しないように、前記混合ガスの噴出を制御する。 Further, in order to solve the above problems, the film forming method of the present invention is a film forming method using the film forming apparatus of the present invention, and the substrates are not brought into contact with the substrate holder in the film forming chamber. The mixed gas is ejected from the plurality of mixed gas outlets into the film forming chamber with respect to the plurality of substrates which are laminated at equal intervals and the surface to be formed is installed parallel to the side surface. A film forming step of discharging the mixed gas from the film forming chamber from the mixed gas discharge port and circulating the mixed gas in a direction parallel to the film forming target surface to form a film on the substrate. Including, the mixed gas ejection control means controls the ejection of the mixed gas so that the gas flows of the mixed gas ejected from the plurality of the mixed gas ejection ports do not interfere with each other.
前記混合ガス噴出口から噴出される前記混合ガスの噴出速度を、前記混合ガスの拡散速度よりも早くしてもよい。 The ejection speed of the mixed gas ejected from the mixed gas ejection port may be faster than the diffusion rate of the mixed gas.
炭化珪素多結晶膜の成膜方法であり、前記原料ガスは、珪素源ガスおよび炭素源ガスを含み、前記珪素源ガスは、SiH4、SiH3Cl、SiH2Cl2、SiHCl3、およびSiCl4からなる群から選ばれた1種又は2種以上であり、前記炭素源ガスは、炭素数が5以下の炭化水素から選ばれた1種または2種以上であり、前記キャリアガスは水素ガスであってもよい。 A method for forming a silicon carbide polycrystal film, the raw material gas contains a silicon source gas and a carbon source gas, and the silicon source gas is SiH 4 , SiH 3 Cl, SiH 2 Cl 2 , SiHCl 3 , and SiCl. One or more selected from the group consisting of 4 , the carbon source gas is one or more selected from hydrocarbons having 5 or less carbon atoms, and the carrier gas is hydrogen gas. It may be.
前記成膜室の室内の温度を1400K〜1700K、かつ前記第1面の温度を1100K以下としてもよい。 The temperature inside the film forming chamber may be 1400K to 1700K, and the temperature of the first surface may be 1100K or less.
前記混合ガス噴出口の温度を1200K以下としてもよい。 The temperature of the mixed gas outlet may be 1200 K or less.
炭化珪素単結晶膜の成膜方法であり、前記原料ガスは、珪素源ガスおよび炭素源ガスを含み、前記珪素源ガスは、SiH4、SiH3Cl、SiH2Cl2、SiHCl3、およびSiCl4からなる群から選ばれた1種又は2種以上であり、前記炭素源ガスは、炭素数が5以下の炭化水素から選ばれた1種または2種以上であり、前記キャリアガスは水素ガスであり、前記珪素源ガスにおける珪素原子数に対する前記炭素源ガスにおける炭素原子数の比(C/Si)を0.7〜1.3にして、前記基板に炭化珪素単結晶の薄膜をエピタキシャル成長させてもよい。 A method for forming a silicon carbide single crystal film, the raw material gas contains a silicon source gas and a carbon source gas, and the silicon source gas is SiH 4 , SiH 3 Cl, SiH 2 Cl 2 , SiHCl 3 , and SiCl. One or more selected from the group consisting of 4 , the carbon source gas is one or more selected from hydrocarbons having 5 or less carbon atoms, and the carrier gas is hydrogen gas. The ratio (C / Si) of the number of carbon atoms in the carbon source gas to the number of silicon atoms in the silicon source gas is set to 0.7 to 1.3, and a thin film of silicon carbide single crystal is epitaxially grown on the substrate. You may.
本発明であれば、ガス噴出口やこれにつながる配管内にSiCが析出することを防止し、同一成膜対象面内や基板間での膜厚のばらつきを緩和して、より均一な膜厚の成膜が可能な、成膜装置および成膜方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to prevent SiC from being deposited in the gas outlet and the piping connected to the gas outlet, alleviate the variation in film thickness within the same film formation target surface and between substrates, and make the film film more uniform. It is possible to provide a film forming apparatus and a film forming method capable of forming a film.
以下、本発明の成膜装置および成膜方法の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。ただし、本発明はこれらの実施形態に限定されない。 Hereinafter, an embodiment of the film forming apparatus and the film forming method of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments.
[成膜装置1000]
図1に、本発明の一実施形態の成膜装置1000の上面からみた断面を示す概略図を示す。成膜装置1000は、成膜室100と、混合ガス噴出口200と、混合ガス排出口300と、ヒータ400と、基板ホルダー500と、を備える。また、成膜装置1000は、図1では未図示の混合ガス噴出制御手段を備える。
[Film formation device 1000]
FIG. 1 shows a schematic view showing a cross section of the
〈成膜室100〉
成膜室100は、第1面110と、第1面110と対向する第2面120と、第1面110と第2面120とをつなぐ4つの側面130からなる直方体状の内形を有する。直方体状の内形とすることで、複数の基板を成膜室100に設置した場合において、基板と基板との間の隙間と基板と側面130との間の隙間の形状が同一または近似する。そのため、基板と基板との間を流れる混合ガスと同様に、側面130と基板との間を流れる混合ガスも、混合ガス噴出口200から混合ガス排出口300へ向かって均一に流すことができる。その結果として、基板に対して均一でばらつきの少ない膜を成膜することができる。
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The
例えば、成膜室100の内形が直方体状ではなく、筒状の場合には、基板と基板との間の隙間と基板と側面130との間の隙間の形状が大きく異なるため、基板と基板との間を流れる混合ガスと、側面130と基板との間を流れる混合ガスとが均一に流れなくなる。その結果として、基板と基板との間で成膜した膜と、基板と側面130との間で成膜した膜が不均一となり、基板間でばらつきの大きい膜が成膜されるおそれがある。
For example, when the inner shape of the
なお、成膜室100の内形は、基板ホルダー500と基板ホルダー500に保持された基板が入る大きさがあればよく、成膜に関与しない混合ガスが混合ガス噴出口200から混合ガス排出口300へ向かって流れて、成膜室100から排出されてしまうような余分な空間を設けないことが好ましい。
The inner shape of the
また、成膜室100は黒鉛製であることが好ましい。黒鉛であれば直方体状への加工が容易であり、また、成膜時に不活性雰囲気下とすることで、高温となる成膜条件に十分な耐久性を持つことができる。
Further, the
〈混合ガス噴出口200〉
混合ガス噴出口200は、成膜室100の第1面110またはその近傍にあり、原料ガスおよびキャリアガスを含む混合ガスを前記成膜室100に噴出する。混合ガス噴出口200は複数あることにより、1つのみの場合と比べて成膜室100へ混合ガスをより均一に噴出することができる。混合ガス噴出口200の一例としては、混合ガスが流通する混合ガス導入管210において、混合ガスが噴出される開口端部に相当する。そして、混合ガス噴出口200は、第1面110にあってもよく、図1に示すように第1面110の近傍であって、成膜室100の内部側や、混合ガスのガス漏れが無いことを前提として成膜室100の外部にあってもよい。近傍は、例えば第1面110から20mm程度が目安となる。なお、混合ガス噴出口200の温度を制御できるよう、混合ガス導入管210を適宜加熱できるヒータや冷却できるクーラー等の温度制御手段を備えてもよい。
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The mixed
図2に、第1面110を成膜室110の内部から見た正面概略図を示す。図2では、第1面110に12個の混合ガス噴出口200が、4つの行と3つの列によって配置されている。各混合ガス噴出口200のそれぞれから、混合ガスを均等に排出することが可能であり、後述する混合ガス噴出制御手段によって、混合ガスの排出量を制御することができる。混合ガス噴出口200の内径200d1は、混合ガス噴出口200の数や噴出条件によって最適のものを用いればよく、混合ガスの噴出に問題が無ければ特に限定されないが、例えば10mm〜25mmの範囲に設定することができる。また、隣接する混合ガス噴出口200同士の距離200d2、200d3は、混合ガス噴出口200の数や噴出条件によって最適のものを用いればよく、混合ガス810の噴出に問題が無ければ特に限定されないが、例えば2mm〜16mmの範囲に設定することができる。
FIG. 2 shows a schematic front view of the
〈混合ガス排出口300〉
混合ガス排出口300は、成膜室100の第2面120またはその近傍にあり、混合ガスを成膜室100から排出する。混合ガス排出口300の一例としては、混合ガスが外部へ排出されるために流通する混合ガス排出管310において、混合ガスが排出される開口端部に相当する。そして、混合ガス排出口300は、第2面120にあってもよく、図1に示すように第2面120の近傍であって、成膜室100の内部側や、混合ガスのガス漏れが無いことを前提として成膜室100の外部にあってもよい。近傍は、例えば第2面120から20mm程度が目安となる。なお、炭化珪素等が混合ガス排出口300や混合ガス排出管310において析出しないよう、混合ガス排出口300や混合ガス導入管210を温度制御するべく、適宜加熱できるヒータや冷却できるクーラー等の温度制御手段を備えてもよい。
<Mixed
The mixed
図3に、第2面120を成膜室100の内部から見た正面概略図を示す。図3では、第2面120の中央に1個の混合ガス排出口300が配置されている。混合ガス排出口300は、炭化珪素等が多少成膜しても混合ガスを問題なく排出できれば、1個であってもよく、複数あってもよいが、炭化珪素等が多少成膜しても混合ガスを問題なく排出できるよう、第2面の一辺の1/5〜1/2程度の開口直径を持つものが好ましい。
FIG. 3 shows a schematic front view of the
〈ヒータ400〉
ヒータ400は、成膜室100の4つの側面130を囲み、成膜室100を加熱する。ヒータ400を制御することによって、成膜室100の温度を基板に膜を成膜させるのに適した温度に制御することができる。ヒータ400としては、熱CVD法に有用なヒータを用いることができ、例えば筒状のカーボンヒータやカンタルヒータを用いることができる。
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The
〈基板ホルダー500〉
図4に基板ホルダー500の模式図を示す。図4(a)が基板600を保持した基板ホルダー500の側面図であり、図4(b)が成膜室100の内部において第1面110側から見た基板ホルダー500の正面図である。基板ホルダー500は、複数の基板600を、基板600同士を非接触で等間隔に積層して保持可能であり、成膜室100の第1面110と第2面120との間において、基板600の成膜対象面610を成膜室100の側面130と平行に設置可能である。
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FIG. 4 shows a schematic view of the
図4において、基板ホルダー500は、上保持棒510と下保持棒520によって基板600を上下の2か所より挟んで保持することができ、上保持棒510と下保持棒520のいずれも基板600を保持するための溝511、521を有するものである。ただし、基板ホルダーとしてはこれに限定されず、上下に加えて前後にも保持棒を有し、3か所または4か所で基板を保持することができる。
In FIG. 4, the
基板ホルダー500は、例えば上保持棒510と下保持棒520のいずれもが、成膜室100の側面130のうち、上側面130aと下側面130bとそれぞれ密接していることで、成膜に関与しない混合ガスが混合ガス噴出口200から混合ガス排出口300へ向かって流れて、成膜室100から大量に排出されてしまうことを防止することができる。
The
なお、図4(b)では、基板600の成膜対象面610は成膜室100の側面130のうち、左側面130cと右側面130dと平行に設置されており、上側面130aおよび下側面130bと垂直に設置されている。ただし、基板ホルダー500の形状を変えることにより、基板600の成膜対象面610が左側面130cと右側面130dと垂直に設置され、上側面130aおよび下側面130bと平行に設置されることもできる。すなわち、基板600は、垂直方向に積層してもよく、水平方向に積層してもよい。ただし、成膜対象面610が混合ガス噴出口200に面するように、成膜対象面610を第1面110および第2面120と平行となるように基板600を設置すると、基板の間に混合ガスが均一に流れなくなるため、好ましくない。
In FIG. 4B, the film forming
また、基板600の成膜対象面610と左側面130cとの隙間の幅700、および右側面130dとの隙間の幅710が、等間隔に積層した基板600間のそれぞれの隙間の幅720と同一であると、これらの隙間を混合ガスが均一に流れるため、基板間や同一成膜対象面において、厚みのバラツキの少ない膜を成膜することができる。
Further, the
〈混合ガスの噴出速度〉
図5に、混合ガスの噴出について説明する模式図を示す。混合ガスにおける分子同士の衝突を無視した場合の混合ガスの広がりを模式的に示したものであり、混合ガスに加圧等せずに第1面の混合ガス噴出口200から自然に拡散する場合の拡散速度をVd、混合ガスを加圧等して混合ガス噴出口200から噴出する場合の噴出速度をVgとする。
<Ejection speed of mixed gas>
FIG. 5 shows a schematic diagram illustrating the ejection of the mixed gas. It schematically shows the spread of the mixed gas when the collision between molecules in the mixed gas is ignored, and it diffuses naturally from the
拡散速度Vdが噴出速度Vgよりも速い場合、混合ガス800の拡散がゆっくりと進むため(図5(a))、原料ガスの成膜室100への供給量が少なくなり、成膜速度が遅くなるおそれがある。混合ガス噴出口200が混合ガスによって成膜しないように、成膜室100において基板600と混合ガス噴出口200との距離をある程度設けることで混合ガス噴出口の温度を低温(例えば1200K以下)に制御しようとすると、混合ガス800が基板600へ到達するまでに距離があるため、より成膜に時間がかかることとなる。
When the diffusion speed Vd is faster than the ejection speed Vg, the diffusion of the
〈噴出速度制御手段〉
そのため、本発明の成膜装置1000では、混合ガス噴出口200から噴出される混合ガスの噴出速度を、前記混合ガスの拡散速度よりも早くすることができる噴出速度制御手段を備える。噴出速度Vgを拡散速度Vdよりも早くすることで(図5(b))、混合ガス810が混合ガス噴出口200より強制的に排出される。これにより、成膜室100において基板600と混合ガス噴出口200との距離をある程度設けた場合であっても、成膜速度の低下を抑えることができる。すなわち、従来法と同等の成膜速度を維持しつつ、混合ガス噴出口200が混合ガスによって成膜して口径が小さくなっていくことや、混合ガス噴出口200が塞がってしまうことを防止することができる。
<Ejection speed control means>
Therefore, the
噴出速度Vgを拡散速度Vdよりも早くするべく、混合ガス810を混合ガス噴出口200より強制的に排出することは、例えば、ガス量をレギュレータやコンプレッサ、吸引装置等の噴出速度制御手段により調整することで可能である。例えば、噴出速度Vgを0.4m/秒以上とすることで、従来法と同等の成膜速度を維持しつつ、混合ガス噴出口200が混合ガスの成膜によって口径が小さくなっていくことや、混合ガス噴出口200が塞がってしまうことを容易に防止することができる。さらに、噴出速度Vgが1m/秒以上であれば、従来法よりも成膜速度を明確に早めることが可能であり、成膜処理時間をより効果的に短縮することができる。
Forcibly discharging the
本発明の成膜装置1000において、基板ホルダー500が保持可能な基板600の枚数と、混合ガス噴出口200の口数との比は、1:0.4〜1.5であることが好ましい。基板600の枚数に対して混合ガス噴出口200の口数が少ないと、基板600の隙間を通過する混合ガス810のガス速度やガス流量の均一性が低下し、成膜した膜の膜厚にばらつきが生じるおそれがある。なお、口数が少ない場合には、成膜室100に噴出するガス量を増やすことで、成膜速度を速めることができるが、上記のガス速度やガス流量の均一性を改善することが困難となる場合がある。また、基板600の枚数に対して混合ガス噴出口200の口数が多いと、上記のガス速度やガス流量の均一性を満足するものの、それぞれの混合ガス噴出口200から噴出される混合ガス810のそれぞれが干渉してしまうことで、ガス速度が低下してしまい、成膜速度が低下して成膜処理時間が長くなるおそれがある。
In the
基板ホルダー500が保持可能な基板600の枚数と、混合ガス噴出口200の口数との比は、1:0.4〜1.5であれば、上記のガス速度やガス流量の均一性を満足しつつ、成膜速度の低下を防止することができる。
If the ratio of the number of
本発明の成膜装置1000において、混合ガス噴出口200と基板ホルダー500との最短距離は、150mm以上であることが好ましい。混合ガス810の噴出速度やガス流量、混合ガス噴出口200の口数によっても、最適な最短距離は異なる物の、上記の最短距離が150mm以上であれば、成膜室100における基板600周辺の成膜温度よりも、混合ガス噴出口200周辺の温度を十分に下げることができる。これにより、混合ガス噴出口200が混合ガスの成膜によって口径が小さくなっていくことや、混合ガス噴出口200が塞がってしまうことを容易に防止することができる。
In the
〈混合ガス噴出制御手段〉
図6に、複数の混合ガス噴出口200より噴出される混合ガスについて説明する模式図を示す。図6(a)に示すように、混合ガス噴出口200が複数ある場合には、これらの混合ガス噴出口200の全てから混合ガス810を同時に噴出すると、混合ガス810のそれぞれが干渉してしまうことで、ガス速度が低下してしまい、成膜速度が低下して成膜処理時間が長くなるおそれがある。これを防止するためには、全ての混合ガス噴出口200を使用せずに、混合ガス810が干渉しないようにある程度の距離の保たれた混合ガス噴出口200から、混合ガス810を噴出すればよい。ただし、混合ガス810を全く噴出しない混合ガス噴出口200は、徐々に膜が成膜することで塞がれてしまうおそれがある。
<Mixed gas ejection control means>
FIG. 6 shows a schematic diagram illustrating the mixed gas ejected from the plurality of
そこで、図6(b)に示すT1の状態およびT2の状態に示すように、複数の混合ガス噴出口200から断続的に混合ガス810を交互に噴出させることを、定期的に繰り返すことにより、混合ガス810が干渉することを防止できると共に、混合ガス噴出口200が徐々に膜が成膜することで塞がれてしまうことを防止することができる。
Therefore, as shown in the state of T1 and the state of T2 shown in FIG. 6B, the
このような混合ガス810の断続的な噴出を可能とするべく、本発明の成膜装置1000は、複数の混合ガス噴出口200からの混合ガス810の噴出を制御する混合ガス噴出制御手段を備える。
In order to enable such intermittent ejection of the
図7に、第1面110を成膜室110の内部から見た正面概略図であり、複数の混合ガス噴出口200が規則的に開閉することを説明する図を示す。混合ガス噴出制御手段としては、図7に示す混合ガス噴出口200のそれぞれを塞ぐ蓋900と、未図示ではあるが、複数の混合ガス噴出口200を規則的に開閉できるように蓋900を駆動するアームやワイヤー等の駆動手段、駆動させるためのモータやエンジン等の駆動源、蓋900による混合ガス噴出口200の開閉をするために駆動手段や駆動源を制御することのできるパソコンやマイコン等の制御手段を備える手段を例として挙げられる。
FIG. 7 is a front schematic view of the
図7では、複数の混合ガス噴出口200の開閉の状態について、時系列の順番が把握できるよう矢印で示しており、すなわちT1の状態からT2、T3の状態を経てT4の状態となり、T4の状態からT1の状態に戻る。このように、順番に繰り返しT1〜T4の状態となるように、蓋900によって開閉し、塞がれた混合ガス噴出口200からは混合ガス810は噴出されず、塞がれていない混合ガス噴出口200からは混合ガス810は噴出される。
In FIG. 7, the open / closed states of the plurality of mixed
T1の状態では右の列と左の列において、それぞれ2個の混合ガス噴出口200から混合ガス810が噴出されており、残りの8個の混合ガス噴出口200は蓋900により塞がれており、混合ガス810は噴出されない。T2の状態では中央の列の2個の混合ガス噴出口200から混合ガス810が噴出されており、残りの10個の混合ガス噴出口200は蓋900により塞がれており、混合ガス810は噴出されない。T3の状態では右の列と左の列において、T1の状態とは異なるそれぞれ2個の混合ガス噴出口200から混合ガス810が噴出されており、残りの8個の混合ガス噴出口200は蓋900により塞がれており、混合ガス810は噴出されない。T4の状態ではT2の状態とは異なる中央の列の2個の混合ガス噴出口200から混合ガス810が噴出されており、残りの10個の混合ガス噴出口200は蓋900により塞がれており、混合ガス810は噴出されない。
In the state of T1, in the right column and the left column, the
T1の状態からT2の状態への変化は瞬時に行われることが好ましい。例えば、T1の状態からT2の状態へ変化する間において、蓋900より解放されて全ての混合ガス噴出口200から混合ガス810が噴出されることや、逆に蓋900により塞がれてこれらの全てから噴出されない状態があると、成膜室100の混合ガス810の濃度が大きく変動してしまうことによって、膜の均一な成膜ができずに膜厚が大きくばらついてしまうおそれがある。同様の理由により、T2の状態からT3の状態への変化や、T3の状態からT4の状態への変化、T4の状態からT1の状態への変化は、瞬時に行われることが好ましい。
It is preferable that the change from the state of T1 to the state of T2 is performed instantaneously. For example, during the change from the state of T1 to the state of T2, the
また、T1〜T4の状態において、成膜に著しい問題が発生しなければ、これらの状態である時間は同じであっても異なってもよい。さらに、T1〜T4の状態とは異なる状態を組み合わせたパターンで、混合ガス810を噴出してもよい。そして、この混合ガス810噴出のパターンにおいて、T1〜T4の状態のように、噴出される噴出口の口数が異なってもよく、同じであってもよい。
Further, in the states of T1 to T4, the time in these states may be the same or different as long as no significant problem occurs in the film formation. Further, the
なお、混合ガス噴出制御手段としては、上記の例に限定されない。例えば、蓋900による混合ガス噴出口200の開閉に代えて、蓋900が無く、混合ガス噴出口200のそれぞれについて、原料ガス810の供給を個々に制御する手段も挙げられる。
The mixed gas ejection control means is not limited to the above example. For example, instead of opening and closing the
(その他の構成)
本発明の一実施形態の成膜装置1000は、上記の構成の他、更なる構成を備えていてもよい。例えば、図1に示すように、成膜室100が内部に挿入された例えばカーボン製の円筒状の外筒1100、外筒1100の内部において成膜室100を第1面110および第2面120の外部から固定する保持治具1200、外筒1100が内部に挿入され、外筒1100との間にArガス等の不活性ガスを流通させるセラミック炉芯管1300、外筒1100およびセラミック炉芯管1300をそれらの両端において固定する固定フランジ1400、成膜室100を外筒1100およびセラミック炉芯管1300と共に内部に収める筐体1500を備えてもよい。また、未図示ではあるが、成膜室100の室内の温度や第1面100の温度、混合ガス噴出口200の温度を測定する温度計等の温度測定手段、ヒータ400の発熱を制御するスイッチ等の制御手段や発熱させるための電源等を備えることができる。
(Other configurations)
The
[成膜方法]
次に、本発明の成膜方法の一例として、成膜装置1000を用いる成膜方法について説明する。本発明の成膜方法は、成膜工程を含む。
[Film film method]
Next, as an example of the film forming method of the present invention, a film forming method using the
〈成膜工程〉
成膜工程は、成膜室100において、基板ホルダー500に基板600同士を非接触で等間隔に積層され、かつ、成膜対象面610を側面130と平行に設置された複数の基板600に対し、複数の混合ガス噴出口200から混合ガス810を成膜室100に噴出すると共に、混合ガス排出口300から混合ガス810を成膜室100から排出して、混合ガス810を成膜対象面610と平行な方向に流通させて、基板600に膜を成膜する工程である。このように成膜すれば、基板間や同一成膜対象面において、厚みのバラツキの少ない膜を成膜することができる。
<Film formation process>
In the film forming step, in the
また、基板600の成膜対象面610と左側面130cとの隙間の幅700、および右側面130dとの隙間の幅710が、等間隔に積層した基板600間のそれぞれの隙間の幅720と同一であると、これらの隙間を混合ガスが均一に流れるため、基板間や同一成膜対象面において、より厚みのバラツキの少ない膜を成膜することができる。
Further, the
例えば図6、7を用いて説明したように、本発明の成膜方法では、混合ガス噴出制御手段は、複数の混合ガス噴出口200から噴出する混合ガス810のガス流が相互に干渉しないように、混合ガス810の噴出を制御する。
For example, as described with reference to FIGS. 6 and 7, in the film forming method of the present invention, the mixed gas ejection control means prevents the gas flows of the
例えば、図5を用いて説明したように、混合ガス噴出口200から噴出される混合ガス810の噴出速度Vgを、混合ガス810の拡散速度Vdよりも早くすることが好ましい。
For example, as described with reference to FIG. 5, it is preferable that the ejection speed Vg of the
本発明の成膜方法としては、例えば炭化珪素多結晶膜の成膜方法が挙げられる。この場合には、炭化珪素の原料となる珪素源ガスと炭素源ガスが原料ガスとなり、原料ガスとさらにこれらの原料ガスを運搬する役目を持つアルゴンガスやヘリウムガス等の希ガスや水素ガス等のキャリアガスを混合したものが、混合ガス810となる。混合ガス810は更に適宜窒素ガス等のドーパントガスやアルゴンガスを含んでもよい。
Examples of the film forming method of the present invention include a film forming method of a silicon carbide polycrystalline film. In this case, the silicon source gas and the carbon source gas, which are the raw materials for silicon carbide, serve as the raw material gas, and the raw material gas and the rare gas such as argon gas and helium gas, hydrogen gas, etc., which have a role of transporting these raw material gases. The
珪素源ガスとしては、基板600へ炭化珪素多結晶膜を問題なく成膜できれば、特に限定されない。例えば、単量体であるSiH4、SiH3Cl、SiH2Cl2、SiHCl3、およびSiCl4からなる群から選ばれた1種又は2種以上を珪素源ガスとして用いることができる。
The silicon source gas is not particularly limited as long as a silicon carbide polycrystalline film can be formed on the
また、炭素源ガスとしては、基板600へ炭化珪素多結晶膜を問題なく成膜できれば、特に限定されない。常温付近でガス状態であってハンドリングする上で好都合であることから、炭素数が5以下の飽和炭化水素、又は、炭素数が5以下の不飽和炭化水素からなる炭素源ガスであるのがよく、これらの1種又は2種以上を混合したものを好適に用いることができる。特に、炭素数が5以下の炭化水素から選ばれた1種または2種以上であり、メタン、エタン、プロパン、ブタンやこれらに類似する炭化水素ガスを、適宜炭素源ガスとして用いることができる。
The carbon source gas is not particularly limited as long as a silicon carbide polycrystalline film can be formed on the
炭化珪素多結晶膜を成膜する場合には、成膜室100の室内の温度を1400K〜1700K、かつ第1面110の温度を1100K以下とすることが好ましい。成膜室100の室内の温度は、基板600へ炭化珪素多結晶膜を成膜させるために重要な条件である。室内の温度が低いと、炭化珪素多結晶膜が成膜しないか、成膜速度が遅くなって製造効率を低下させるおそれがある。さらに、成膜に関与しない原料ガスが成膜室から大量に排出されてしまい、原料ガスのロスが大きくなるおそれがある。また、室内の温度が高いと、エピタキシャル成長が起こるおそれや、混合ガス810の上流側に相当する混合ガス噴出口200から近い成膜対象面610が成膜され易く、混合ガス810の下流側に相当する混合ガス排出口300から近い成膜対象面610が成膜され難くなるおそれがあり、同一の成膜対象面610において炭化珪素多結晶膜の膜厚が著しくばらつくおそれがある。成膜室100の室内の温度を1400K〜1700Kとすることで、製造効率を低下させることなく、炭化珪素多結晶膜の均一な成膜が可能となる。
When forming a silicon carbide polycrystalline film, it is preferable that the temperature inside the
そして、第1面110の温度は、混合ガス噴出口200へ炭化珪素多結晶膜が析出して塞がれないために、また、混合ガス810の噴出の制御が困難とならないようにするために重要な条件となる。第1面110の温度が高いと、混合ガス噴出口200へ炭化珪素多結晶膜が析出してしまい、混合ガス810の噴出の制御が困難となるおそれや、混合ガス噴出口200が塞がれてしまうおそれがある。また、第1面110の温度が低くても問題ないが、第1面110の温度が低くなることで成膜室100の室内の温度の制御が困難となるおそれがある。これらの点を考慮すると、第1面110の温度を1100K以下、より好ましくは600K〜1000K程度とすることが良い。
The temperature of the
さらに、炭化珪素多結晶膜を成膜する場合には、混合ガス噴出口200の温度を1200K以下とすることが好ましい。混合ガス噴出口200の温度は、混合ガス噴出口200へ炭化珪素多結晶膜が析出して塞がれないために、また、混合ガス810の噴出の制御が困難とならないようにするために重要な条件となる。混合ガス噴出口200の温度が高いと、混合ガス噴出口200へ炭化珪素多結晶膜が析出してしまい、混合ガス810の噴出の制御が困難となるおそれや、混合ガス噴出口200が塞がれてしまうおそれがある。また、混合ガス噴出口200の温度が低くても問題ないが、第1面110の温度が低くなることで成膜室100の室内の温度の制御が困難となるおそれがある。これらの点を考慮すると、混合ガス噴出口200の温度を1200K以下、より好ましくは600K〜1000K程度とすることが良い。
Further, when forming a silicon carbide polycrystalline film, the temperature of the
なお、各基板600の成膜対象面610に成長させる炭化珪素多結晶薄膜の膜厚については、適宜設定することができ、特に制限はない。一般的には膜厚を0.2〜5mm程度の範囲とすることができる。
The film thickness of the silicon carbide polycrystalline thin film to be grown on the film
また、本発明の成膜方法としては、炭化珪素単結晶膜の成膜方法が挙げられる。この場合には、炭化珪素の原料となる珪素源ガスと炭素源ガスが原料ガスとなり、原料ガスとさらにこれらの原料ガスを運搬する役目を持つアルゴンガスやヘリウムガス等の希ガスや水素ガス等のキャリアガスを混合したものが、混合ガス810となる。混合ガス810は更に適宜窒素ガス等のドーパントガスやアルゴンガスを含んでもよい。
Further, as the film forming method of the present invention, a film forming method of a silicon carbide single crystal film can be mentioned. In this case, the silicon source gas and the carbon source gas, which are the raw materials for silicon carbide, serve as the raw material gas, and the raw material gas and the rare gas such as argon gas and helium gas, hydrogen gas, etc., which have a role of transporting these raw material gases. The
珪素源ガスとしては、基板600へ炭化珪素多結晶膜を問題なく成膜できれば、特に限定されない。例えば、単量体であるSiH4、SiH3Cl、SiH2Cl2、SiHCl3、およびSiCl4からなる群から選ばれた1種又は2種以上を珪素源ガスとして用いることができる。
The silicon source gas is not particularly limited as long as a silicon carbide polycrystalline film can be formed on the
また、炭素源ガスとしては、基板600へ炭化珪素多結晶膜を問題なく成膜できれば、特に限定されない。常温付近でガス状態であってハンドリングする上で好都合であることから、炭素数が5以下の飽和炭化水素、又は、炭素数が5以下の不飽和炭化水素からなる炭素源ガスであるのがよく、これらの1種又は2種以上を混合したものを好適に用いることができる。特に、炭素数が5以下の炭化水素から選ばれた1種または2種以上であり、メタン、エタン、プロパン、ブタンやこれらに類似する炭化水素ガスを、適宜炭素源ガスとして用いることができる。
The carbon source gas is not particularly limited as long as a silicon carbide polycrystalline film can be formed on the
さらに、炭化珪素単結晶膜を成膜する場合には、前記珪素源ガスにおける珪素原子数に対する前記炭素源ガスにおける炭素原子数の比(C/Si)が重要であり、C/Siを0.7〜1.3に制御することにより、基板600に炭化珪素単結晶の薄膜をエピタキシャル成長させることが容易となり、成長速度を大きくすることができて生産性の向上に繋がる。C/Siが0.7〜1.3から外れた場合には、珪素原子と炭素原子の存在割合のバランスが悪くなることで、成膜が困難となるおそれや、成膜速度が遅くなるおそれ、成膜に関与しない原料ガスが増えて無駄になるおそれがある。例えば、C/Siが0.7未満であると、未反応のSiが金属状態で膜に付着(ドロップレット)してしまうおそれがあり、欠陥発生の原因となる。また、C/Siが1.3を超えると、バンチングと呼ばれる表面段差が発生するおそれがあり、デバイスを作製する上で悪影響を与えることがある。より好ましくは、C/Siを0.8〜1.2とする。
Further, when forming a silicon carbide single crystal film, the ratio of the number of carbon atoms in the carbon source gas to the number of silicon atoms in the silicon source gas (C / Si) is important, and C / Si is set to 0. By controlling the ratio to 7 to 1.3, it becomes easy to epitaxially grow a thin film of a silicon carbide single crystal on the
炭化珪素単結晶薄膜の成長速度は10μm/時間〜70μm/時間とするのが好適であり、その際の珪素材料ガスについては、上記で好適な例として挙げた珪素源ガスの濃度が1体積%〜10体積%になるようにするのがよく、好ましくは2体積%〜4体積%であるのがよい。一方の炭素材料ガスについては、好適な例として挙げた炭素源ガスの濃度が0.01体積%〜1体積%以下になるようにするのがよく、好ましくは0.02体積%〜0.06体積%であるのがよい。なお、この濃度範囲は、一例としてC3H8の場合について例示したものであり、この濃度範囲を目安として、他の炭素源ガスを用いる場合には、カーボン(C)の量で等量となるように変更すればよい。例えば、メタン(CH4)を用いる場合には、この濃度範囲の上限値及び下限値をそれぞれ3倍にすればよい。 The growth rate of the silicon carbide single crystal thin film is preferably 10 μm / hour to 70 μm / hour, and the silicon material gas at that time has a concentration of 1 volume% of the silicon source gas mentioned as a preferable example above. It is preferably 10% by volume, preferably 2% to 4% by volume. On the other hand, for the carbon material gas, the concentration of the carbon source gas mentioned as a preferable example is preferably 0.01% by volume to 1% by volume or less, preferably 0.02% by volume to 0.06. It should be% by volume. In addition, this concentration range is an example of the case of C 3 H 8 as an example, and when another carbon source gas is used with this concentration range as a guide, the amount of carbon (C) is equal to the amount. It should be changed so that. For example, when methane (CH 4 ) is used, the upper limit and the lower limit of this concentration range may be tripled.
また、炭化珪素単結晶薄膜の成長圧力については、成長温度と同様、炭化珪素薄膜をCVD成長させる際の一般的な条件をそのまま採用することができる。例えば、成長圧力を10,000Pa〜110,000Paの範囲とするのがよい。 As for the growth pressure of the silicon carbide single crystal thin film, the general conditions for CVD growth of the silicon carbide thin film can be adopted as they are, as with the growth temperature. For example, the growth pressure is preferably in the range of 10,000 Pa to 110,000 Pa.
なお、本発明の成膜方法は、炭化珪素多結晶膜や炭化珪素単結晶膜の成膜方法に限定されない。例えば、窒化チタン、窒化アルミニウム、炭化チタン、ダイヤモンドライクカーボン等の成膜にも有用な方法である。 The film forming method of the present invention is not limited to the method for forming a silicon carbide polycrystalline film or a silicon carbide single crystal film. For example, it is a useful method for forming a film of titanium nitride, aluminum nitride, titanium carbide, diamond-like carbon and the like.
(その他の工程)
本発明の成膜方法は、上記した成膜工程以外にも、他の工程を含むことができる。例えば、基板ホルダー500に基板600同士を非接触で等間隔に積層して、基板600を基板ホルダー500に設置する工程や、基板600を設置した基板ホルダー500を成膜室100に設置する工程、成膜装置1000を成膜できる状態に立ち上げる工程、成膜工程後に成膜室を冷却する工程、成膜後の基板を成膜室100から取り出す工程等が挙げられる。
(Other processes)
The film forming method of the present invention can include other steps in addition to the above-mentioned film forming step. For example, a step of stacking the
また、本発明の成膜方法では、複数のSi基板又はC基板等の支持基板を基板600とし、その成膜対象面610のそれぞれに炭化珪素多結晶薄膜を成長させることができる。一度の成膜処理における基板600の枚数については、特に制限はないが、5〜10枚の基板から20枚〜30枚、またはそれ以上の数の基板600まで、同時に成膜させることができる。なお、基板600は支持基板に限定されず、成膜対象として好適なものを適宜選択して基板として使用することができる。
Further, in the film forming method of the present invention, a support substrate such as a plurality of Si substrates or C substrates can be used as a
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は以下の内容に制限されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on Examples and Comparative Examples. The present invention is not limited to the following contents.
[実施例1]
基板600として、直径4インチ(100mm)、厚み1mmの炭素基板を9枚用意し、図1に示す成膜装置1000を用いて、熱CVD法により、基板600の成膜対象面610となる両面に炭化珪素多結晶膜を成膜する成膜工程を実施した。成膜工程後、混合ガス噴出口200における炭化珪素の析出の状態を確認すると共に、成膜した炭化珪素多結晶膜の膜厚を測定し、膜厚のばらつきについて評価した。
[Example 1]
As the
(成膜装置1000)
外筒1100は黒鉛製の両端坩堝から形成された筒状の形状であり、セラミック炉芯管1300に挿入されたものである。セラミック炉芯管1300および外筒1100の両端は金属製の固定フランジ1400で密閉されている。そして、外筒1100の内部に成膜室100が保持冶具1200で固定されている。黒鉛製の混合ガス導入管210は、成膜室100の内部に混合ガス噴出口200が位置するように、保持治具1200および第1面100に挿入されて設置される。そして、黒鉛製の混合ガス排出管310は、成膜室100の内部に混合ガス排出口300が位置するように、保持治具1200および第2面120に挿入されて設置される。また、セラミック炉芯管1300を囲む円筒状の黒鉛製ヒータ400が設置されており、さらに、成膜室100を外筒1100およびセラミック炉芯管1300と共に内部に収める筐体1500を備える。そして、成膜室100に供給された混合ガス810は、混合ガス排出管310に接続された未図示の真空ポンプを用いて成膜装置1000から外部へ排出可能である。
(Film formation device 1000)
The
成膜装置1000において、セラミック炉芯管1300の寸法は外径210mm、内径190mmで厚みは均一であり、長さが700mmである。外筒1100は外径180mm、内径170mmで厚みは均一であり、長さが700mmである。また、成膜室100は、外形が118mm角で長さが320mmの直方体状であり、内形が110mm角で長さが320mmの直方体状であり、厚みは均一である。
In the
(ガス噴出口200)
図2に示すように、第1面110に内径200d1が12mmの混合ガス噴出口200が、4つの行と3つの列によって12個配置されている。同列の4つの混合ガス噴出口200は、管中心で22mmの等間隔に配置されており、隣の列との距離200d2は、30mmである。
(Gas outlet 200)
As shown in FIG. 2, 12
(基板600の設置)
図4に示す態様のように、9枚の基板600を基板ホルダー500に設置した。基板600は、溝511および溝521によって基板ホルダー500に固定された状態で、成膜室100に設置した。図4(b)に示す態様のように、基板ホルダー500の上保持棒510は、上側面130aとの間に混合ガス810が侵入しないように上側面130aと密接させ、下保持棒520は、下側面130bとの間に混合ガス810が侵入しないように下側面130bと密接させた。基板600の成膜対象面610と左側面130cとの隙間の幅700、右側面130dとの隙間の幅710および、等間隔に積層した基板600間のそれぞれの隙間の幅720と同一とし、それぞれ10mmとした。なお、混合ガス噴出口200と基板ホルダー500との最短距離は、150mmとした。
(Installation of board 600)
As shown in FIG. 4, nine
(炭化珪素多結晶膜の成膜)
黒鉛材料の酸化防止のために、外筒1100およびセラミック炉芯管1300との間、および筐体1500内にArガスを流した。そして、未図示の真空ポンプによって成膜室100内を真空排気した後、混合ガス導入管210を使って水素ガスを毎分200cm3の流量で成膜室100へ導入しながら、成膜室100内の圧力を大気圧(101,325Pa)に調整した。その後、圧力を一定に保ちながら、第1面110の温度を1100K以下、および混合ガス噴出口200の温度を1200K以下に維持しつつ、成膜室100内の温度を1550Kまで上げた。そして、成膜室100へ導入する水素ガスの流量を毎分65リットルまで増加させた。その状態を3分間保持した後、この水素ガスへSiCl4ガスを毎分0.65リットル、CH4ガスを毎分0.65リットル、アルゴンガスを毎分3.2リットル混合して混合ガス810とし、Vg>Vdの状態で基板600へ炭化珪素多結晶膜の熱CVDによる成膜を開始した。
(Silicon carbide polycrystalline film formation)
Ar gas was flowed between the
(混合ガス噴出制御手段による制御態様)
炭化珪素多結晶膜の成膜中は、図7に示すように、複数の混合ガス噴出口200から噴出される混合ガス810が干渉しないよう、混合ガス噴出口200において隣り合う噴出口から同時に混合ガス810が噴出しないように、順番に繰り返しT1〜T4の状態となるように蓋900による混合ガス噴出口200の開閉を制御した。T1〜T4の状態は各1分であり、T1〜T4の状態を1周り4分とした。また、T1の状態からT2の状態への変化は瞬時とし、T2の状態からT3の状態への変化、T3の状態からT4の状態への変化、およびT4の状態からT1の状態への変化についても瞬時とした。
(Control mode by mixed gas ejection control means)
During the film formation of the silicon carbide polycrystal film, as shown in FIG. 7, the
成膜処理を40時間行った後、混合ガス810の供給やヒータ400による加熱を止めて基板600を室温まで冷却後、基板ホルダー500より炭化珪素多結晶膜が成膜した基板600を取り出した。そして、外周の研削処理により基板600を露出させ、大気中で基板600を焼成して灰化し、9枚の基板600のおもて面およびうら面に成膜した炭化珪素多結晶基板650を18枚得た。混合ガス噴出口200および混合ガス導入管210には炭化珪素は付着しておらず、混合ガス810の噴出に異常は無かったことを確認した。
After performing the film forming treatment for 40 hours, the supply of the
(炭化珪素多結晶基板650の膜厚の測定)
斜入射型光学測定器を用いて、炭化珪素多結晶基板650の膜厚を測定した。図10に示すように、各基板で9か所測定した。ここで、1番の箇所は炭化珪素多結晶基板650の中心であり、8番の箇所は上側面130a側、6番の箇所は下側面130b側、7番の箇所は混合ガス噴出口200側、9番の箇所は混合ガス排出口300である。また、4番の箇所は1番の箇所および8番の箇所から等距離にあり、1番の箇所および8番の箇所を結ぶ直線状に位置する。3番の箇所、2番の箇所および5番の箇所についても、4番の箇所と同様である。表1に、同一の基板600より得られた2枚の炭化珪素多結晶基板650の同一箇所について測定した膜厚の平均値、およびこの平均値から算出した炭化珪素多結晶基板650の膜厚の平均値を示す。
(Measurement of film thickness of silicon carbide polycrystalline substrate 650)
The film thickness of the silicon
[実施例2]
図1の成膜装置1000において、第1面110を図8に示す第1面110aに代え、第1面110aに内径12mmの混合ガス噴出口200が、3つずつ3つの列によって9個配置されているものを使用した。右列および左列の3つの混合ガス噴出口200は、管中心で22mmの等間隔に配置されており、隣の列との距離200d2は、30mmである。また、真ん中の列において、真ん中にある混合ガス噴出口200は第1面110aの中心に位置し、真ん中の列における混合ガス噴出口200の距離200d4は、40mmとした。
[Example 2]
In the
また、炭化珪素多結晶膜の成膜中は、図8(b)に示すように、複数の混合ガス噴出口200から噴出される混合ガス810が干渉しないよう、順番に繰り返しT5、T6の状態となるように蓋900による混合ガス噴出口200の開閉を制御した。T5、T6の状態は各1分であり、T5、T6の状態を1周り2分とした。また、T5の状態からT6の状態への変化は瞬時とし、T6の状態からT5の状態への変化についても瞬時とした。なお、T5の状態では、斜め方向において混合ガス810を噴出する混合ガス噴出口は隣り合っているものの(図8(b))、本実施例2の態様では混合ガス810の干渉による影響は無いことを確認している。
Further, during the film formation of the silicon carbide polycrystalline film, as shown in FIG. 8B, the states of T5 and T6 are repeated in order so that the
その他の条件については、実施例1と同様とし、成膜処理および膜厚の測定を行った。混合ガス噴出口200および混合ガス導入管210には炭化珪素は付着しておらず、混合ガス810の噴出に異常は無かったことを確認した。結果を表1に示す。
The other conditions were the same as in Example 1, and the film formation treatment and the film thickness were measured. It was confirmed that silicon carbide did not adhere to the
[従来例]
図9に示すように、混合ガス噴出口200を真ん中の列の4つのみとする第1面110bを用い、蓋900による混合ガス噴出口200の開閉を行わず、全ての混合ガス噴出口200から連続して混合ガス810が噴出される状態として成膜処理を行った。その他の条件については、実施例1と同様とし、成膜処理および膜厚の測定を行った。混合ガス噴出口200および混合ガス導入管210には炭化珪素は付着しておらず、混合ガス810の噴出に異常は無かったことを確認した。結果を表1に示す。
[Conventional example]
As shown in FIG. 9, all the
[比較例]
蓋900による混合ガス噴出口200の開閉を行わず、全ての混合ガス噴出口200から連続して混合ガス810が噴出される状態として成膜処理を行った。その他の条件については、実施例1と同様とし、成膜処理および膜厚の測定を行った。混合ガス噴出口200および混合ガス導入管210には炭化珪素は付着しておらず、混合ガス810の噴出に異常は無かったことを確認した。結果を表1に示す。
[Comparison example]
The film formation process was performed so that the
いずれの例においても、混合ガス噴出口200やこれにつながる混合ガス導入管210に炭化珪素が析出することを防止することができた。従来例や比較例においては、同一成膜対象面内や基板間での膜厚のばらつきが認められたが、実施例1、2においては、同一成膜対象面内や基板間での膜厚のばらつきを緩和して、より均一な膜厚の炭化珪素多結晶膜の成膜が可能となったことを確認することができた。
In any of the examples, it was possible to prevent silicon carbide from depositing on the
[まとめ]
以上において説明したように、本発明の成膜装置および成膜方法であれば、ガス噴出口やこれにつながる配管内に炭化珪素が析出することを防止し、同一成膜対象面内や基板間での膜厚のばらつきを緩和して、より均一な膜厚の成膜が可能であることは、明らかである。
[Summary]
As described above, the film forming apparatus and the film forming method of the present invention prevent silicon carbide from depositing in the gas outlet and the piping connected to the gas ejection port, and prevent silicon carbide from depositing in the same film forming target plane or between substrates. It is clear that it is possible to form a more uniform film by alleviating the variation in film thickness.
100 成膜室
110 第1面
110a 第1面
110b 第1面
120 第2面
130 側面
130a 上側面
130b 下側面
130c 左側面
130d 右側面
200 混合ガス噴出口
200d1 内径
200d2 距離
200d3 距離
200d4 距離
210 混合ガス導入管
300 混合ガス排出口
310 混合ガス排出管
400 ヒータ
500 基板ホルダー
510 上保持棒
511 溝
520 下保持棒
521 溝
600 基板
610 成膜対象面
650 炭化珪素多結晶基板
700 幅
710 幅
720 幅
800 混合ガス
810 混合ガス
900 蓋
1000 成膜装置
1100 外筒
1200 保持治具
1300 セラミック炉芯管
1400 固定フランジ
1500 筐体
Vg 噴出速度
Vd 拡散速度
100
Claims (9)
前記第1面またはその近傍にあり、原料ガスおよびキャリアガスを含む混合ガスを前記成膜室に噴出する複数の混合ガス噴出口と、
複数の前記混合ガス噴出口からの前記混合ガスの噴出を制御する混合ガス噴出制御手段と、
前記第2面またはその近傍にあり、前記混合ガスを前記成膜室から排出する混合ガス排出口と、
4つの前記側面を囲み、前記成膜室を加熱するヒータと、
複数の基板を、基板同士を非接触で等間隔に積層して保持可能であり、前記成膜室の前記第1面と前記第2面との間において、前記基板の成膜対象面を前記側面と平行に設置可能な基板ホルダーと、
前記混合ガス噴出口から噴出される前記混合ガスの噴出速度を、前記混合ガスの拡散速度よりも早くすることができる噴出速度制御手段と、を備える成膜装置。 A film forming chamber having a rectangular parallelepiped inner shape composed of a first surface, a second surface facing the first surface, and four side surfaces connecting the first surface and the second surface.
A plurality of mixed gas outlets located on or near the first surface and ejecting a mixed gas containing a raw material gas and a carrier gas into the film forming chamber.
A mixed gas ejection control means for controlling the ejection of the mixed gas from the plurality of mixed gas ejection ports, and
A mixed gas discharge port located on or near the second surface and discharging the mixed gas from the film forming chamber,
A heater that surrounds the four side surfaces and heats the film formation chamber,
A plurality of substrates can be laminated and held at equal intervals in a non-contact manner, and the film-forming target surface of the substrate can be formed between the first surface and the second surface of the film-forming chamber. A board holder that can be installed parallel to the side,
A film forming apparatus including an ejection speed control means capable of making the ejection speed of the mixed gas ejected from the mixed gas ejection port faster than the diffusion speed of the mixed gas.
前記成膜室において、前記基板ホルダーに基板同士を非接触で等間隔に積層され、かつ、前記成膜対象面を前記側面と平行に設置された複数の前記基板に対し、複数の前記混合ガス噴出口から前記混合ガスを前記成膜室に噴出すると共に、前記混合ガス排出口から前記混合ガスを前記成膜室から排出して、当該混合ガスを前記成膜対象面と平行な方向に流通させて、前記基板に膜を成膜する成膜工程を含み、
混合ガス噴出制御手段は、複数の前記混合ガス噴出口から噴出する前記混合ガスのガス流が相互に干渉しないように、前記混合ガスの噴出を制御する、成膜方法。 A film forming method using the film forming apparatus according to any one of claims 1 to 3.
In the film forming chamber, a plurality of the mixed gases are laminated with respect to the plurality of substrates in which the substrates are laminated on the substrate holder at equal intervals in a non-contact manner and the film formation target surface is installed parallel to the side surface. The mixed gas is ejected from the ejection port into the film forming chamber, and the mixed gas is discharged from the film forming chamber from the mixed gas discharge port, and the mixed gas flows in a direction parallel to the film forming target surface. Including a film forming step of forming a film on the substrate.
The mixed gas ejection control means is a film forming method for controlling the ejection of the mixed gas so that the gas flows of the mixed gas ejected from the plurality of the mixed gas ejection ports do not interfere with each other.
前記珪素源ガスにおける珪素原子数に対する前記炭素源ガスにおける炭素原子数の比(C/Si)を0.7〜1.3にして、前記基板に炭化珪素単結晶の薄膜をエピタキシャル成長させる、請求項4または5に記載の成膜方法。 A method for forming a silicon carbide single crystal film, the raw material gas contains a silicon source gas and a carbon source gas, and the silicon source gas is SiH 4 , SiH 3 Cl, SiH 2 Cl 2 , SiHCl 3 , and SiCl. One or more selected from the group consisting of 4 , the carbon source gas is one or more selected from hydrocarbons having 5 or less carbon atoms, and the carrier gas is hydrogen gas. And
The claim that a thin film of silicon carbide single crystal is epitaxially grown on the substrate by setting the ratio (C / Si) of the number of carbon atoms in the carbon source gas to the number of silicon atoms in the silicon source gas to 0.7 to 1.3. The film forming method according to 4 or 5.
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