JP3070728B2

JP3070728B2 - 薄膜気相成長装置

Info

Publication number: JP3070728B2
Application number: JP9147395A
Authority: JP
Inventors: 義裕柿本; 俊一松野
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-06-05
Filing date: 1997-06-05
Publication date: 2000-07-31
Anticipated expiration: 2017-06-05
Also published as: JPH10330943A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は有機金属気相成長
（ＭＯＣＶＤ）装置などの薄膜気相成長装置に関し、特
に大型の半導体ウェハに対しての処理を行うことができ
るようになされた薄膜気相成長装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ＣＶＤ装置、ＭＯＣＶＤ装置等
の薄膜気相成長装置は、反応室にガスを導入して化学反
応を利用し、所定の半導体基板に薄膜成長を行なう装置
であるが、生産性の向上を図ることを目的として、近年
基板の大型化・多数枚同時処理化が急速に進んでいる。
これにより、大型の反応室を有する装置が増加する傾向
にある。従来、比較的小型の反応室においては、導入す
るガスの入口は１ケ所であり、１本のガスの流れにより
反応室内のガス濃度を均一に保つことができた。しかし
ながら、大型の反応室においては、ガス導入口を１ケ所
とすると、反応室内でのガスの流れ分布に乱れが生じ、
ひいてはガス濃度の均一性が悪化することとなる。

【０００３】そのため、反応室内のガス濃度を広範囲で
均一化する技術が必要であり、その有効手段として複数
本の導入口を介し原料ガスを反応室に導入する方法が提
案されている。図３は、この種の従来の気相成長装置の
概略を示すシステム構成図である。圧力計５を備えた主
管２より導入された原料ガスは、ｎ本の分岐管（１）３
₁ 、分岐管（２）３₂ 、・・・、分岐管（ｎ）３_n によ
り分岐されて反応室１に導入される。各分岐管には、そ
の分岐管に流れる原料ガスの流量を制御するための流量
制御装置〔以下、ＭＦＣ（mass flow controller）と記
す〕（１）１２₁ 、ＭＦＣ（２）１２₂ 、・・・、ＭＦ
Ｃ（ｎ）１２_n が配置されている。反応室１内の不要ガ
スは排気管８により外部へ排出される。なお、このよう
に主管のガスを分岐管により分岐して反応室へ導入する
技術は例えば特開平１−１４０７１２号公報（各分岐管
にその管を流れる原料ガスの流量を制御するための流量
可変バルブを設ける）、実開平２−３３２６０号公報
（主管より、反応室へガスを供給する分岐管とは別に流
量調整用のニードルバルブを有する分岐管を１本分岐さ
せて主管のガスの一部を排気する）、特開平６−２９５
８６２号公報（Ｖ族ガス、III 族ガス、不純物ガスをそ
れぞれ分岐して反応室へ導入するとともに各分岐管に流
れるガス流量を各分岐管毎に設けられたニードルバルブ
により制御する）などにより公知となっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術において用
いるＭＦＣはガスの質量流量（mass flow ）を検出し、
内蔵する可変オリフィスにより流量制御を行う機器であ
るが、質量流量を検出するセンサの精度は、一般に予め
設定された最大流量の±１〜２％程度である。例えば、
最大流量が１０ＳＬＭの場合、精度は±１００〜２００
ＳＣＣＭとなる。また、流量センサは口径約０．２ｍｍ
ほどの毛細管から構成されており、原料ガスとしてトリ
メチルインジウム等の昇華性の高いガスについて計測す
る場合には、センサ内の毛細管が閉塞し、正確に流量計
測できなくなるという経時変化を起こしやすい。原料ガ
ス濃度や流量また圧力などの使用環境条件によっても異
なるが、連続送気では１週間から１ケ月ほどで実際流量
の５〜１０％の計測誤差を発生し、最悪の場合では毛細
管が完全に閉塞してしまいガス流量を全く検出できなく
なるということもある。すなわち、従来のガス分配技術
においては、精密な流量分配ができず、そのため反応室
内のガス流れ（濃度分布）を正確に均等に制御すること
ができなかった。その結果、基板上に成長する薄膜の膜
厚および膜質の均一性が安定しないという問題があっ
た。

【０００５】よって、本発明の解決すべき課題は、原料
ガスを複数本の分岐管にて反応室に導入する薄膜気相成
長装置において、各分岐管に流れるガス流量の精度を向
上させ、これにより反応室内のガス濃度の均一性を高
め、形成される薄膜の膜厚および膜質の精度、均一性を
向上させることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述した本発明の課題
は、主管を流れる原料ガスを複数の分岐管により分岐し
て反応室へ導入する気相成長装置において、反応室に圧
力計を設けるとともに各分岐管に圧力計と圧力制御バル
ブとを設けることにより、あるいは、反応室に圧力計を
設けるとともに各分岐管に圧力制御バルブとを設け隣接
する分岐管間に差圧計を設けることにより、解決するこ
とができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明による薄膜気相成長装置
は、化学的気相成長が行われる、圧力計を備えた反応室
と、少なくとも１本の主管と、前記主管から分岐して前
記反応室に接続される少なくとも２本の、圧力制御バル
ブとその近くに付設された圧力計とを備えた分岐管と、
を有し、前記分岐管に付設された全ての圧力計の検出値
と前記反応室に備えられた圧力計の検出値とに基づいて
各圧力制御バルブを制御することにより各分岐管に流れ
る原料ガスの流量を制御することを特徴としている。

【０００８】また、本発明によるもう一つの薄膜気相成
長装置は、化学的気相成長が行われる、圧力計を備えた
反応室と、少なくとも１本の主管と、前記主管から分岐
して前記反応室に接続される少なくとも２本の、圧力制
御バルブを備えた分岐管と、隣接する分岐管の圧力制御
バルブ付近の圧力差を検出する差圧計と、を有し、前記
分岐管に設けられた全ての差圧計の検出値に基づいて各
圧力制御バルブを制御することにより各分岐管に流れる
原料ガスの流量を制御することを特徴としている。

【０００９】［作用］次に、本発明の薄膜気相成長装置
の作用・原理について説明する。任意のガス配管にガス
を流す場合、その配管には配管長さＬ、配管内径ｄに依
存した圧力損失が生じる。また、その圧力損失値△Ｐは
ガスの種類、配管の内面状態によっても変化する。一般
にこの△Ｐは、流れの基礎式であるベルヌーイ（Bernou
lli)の式より求められ、次式のようになる。 △Ｐ＝ξρｖ² ／２・・・（１）ここでξは圧力損失係数、ρはガス密度、ｖは流速であ
る。

【００１０】一般的な円形配管の圧力損失係数ξは、管
摩擦係数をλとして次式で与えられる。 ξ＝λＬ／ｄ管摩擦係数λは、ガス種、配管内粗度によって決まる。
また、流速ｖは配管内径ｄが一定であるときその質量流
量Ｑに比例する（ｖ＝ｋＱ）。よって、上式（１）は次
式（２）のように変形できる。 △Ｐ＝λＬ／ｄ・ρ／２・（ｋＱ）² ＝ＫＱ² ・・・（２）すなわち、圧力損失値△Ｐは質量流量Ｑの２乗に比例す
ることになる。よって、任意の配管に生じる圧力損失値
△Ｐを高精度に制御することができれば、それ以上の精
度でそこを流れるガス流量を制御できる。例えば、ｎ本
のガス分岐管を有する装置を考え、各ラインの長さＬ
₁ 、Ｌ₂ 、Ｌ₃ 、・・・、Ｌ_n と配管内径ｄを適切な値
に設定し、これらのラインで生じる圧力損失値を高精度
ダイアフラム式圧力計（分解能；最大計測圧力値の１０
^-6〜１０^-4、精度；計測値の±０．１％以内）で測定し
た場合、ガス流量と反応室圧力によって精度は異なる
が、分岐ガスラインに流れるガス流量の±０．０１〜
０．００１％以内の精度で、流量の計測が可能である。
これにより、複数本の分岐ラインのガス流量を精度よく
制御して分配し、反応室に導入することができ、反応室
内のガス濃度を高精度に制御することができるとともに
その濃度分布を高精度に均一化することができる。よっ
て、本発明によれば、形成される薄膜の膜厚、膜質を高
精度に制御することができるとともにそれらの高い面内
均一性を得ることができる。

【００１１】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て詳細に説明する。［第１の実施例］図１は、本発明の第１の実施例を示す
概略のシステム構成図である。化学的気相成長（ＣＶ
Ｄ）が行われる反応室１には、ガスを導入するｎ本の分
岐管（１）３₁ 、分岐管（２）３₂ 、分岐管（３）３
₃ 、・・・、分岐管（ｎ）３_n が接続されている。この
分岐管の上流側にガス配管内の圧力を検出するダイアフ
ラム式の圧力計（１）６₁ 、圧力計（２）６₂ 、圧力計
（３）６₃ 、・・・、圧力計（ｎ）６_n が備えられ、さ
らにその上流側には、一般にＭＦＣ等に使われているピ
エゾスタック式もしくはソレノイド式のアクチュエータ
を有しその先端にダイアフラム等を介しシールされたオ
リフィスの有効開口断面積を変化させる機能を有する圧
力制御バルブ（１）４₁ 、圧力制御バルブ（２）４₂ 、
圧力制御バルブ（３）４₃ 、・・・、圧力制御バルブ
（ｎ）４_n が配置されている。そして、その上流側で分
岐管（１）３₁ 〜分岐管（ｎ）３_n は、原料ガスを１次
側から供給する主管２に接続され、この主管２には配管
内の圧力を検出するダイアフラム式の圧力計５が設けら
れている。主管により混合ガスを供給する場合には、圧
力計５の上流側に各ガスの供給源とその混合部が配置さ
れる。

【００１２】反応室１内の圧力はダイアフラム式の圧力
計７により計測される。また、反応室１には排気管８が
開口しており、反応室１内の不要ガスは、排気管８に設
けられた圧力制御バルブ９と真空排気ポンプ１０を操作
することにより外部へ放出される。各圧力計により計測
された検出データは、圧力制御器（図示なし）に入力さ
れる。圧力制御器は入力された検出データと予め設定さ
れている目標圧力信号とを比較し、系の相関に従ったア
ルゴリズムに基づいて制御信号を演算して各圧力制御バ
ルブを駆動制御する。例えば、圧力計（１）６₁ の検出
値のみが目標圧力信号に達していない場合、圧力制御バ
ルブ（１）４₁ を操作して分岐管（１）内の圧力を高め
ると共に、これにより低下した分岐管２〜分岐管ｎ内の
圧力を補償するために圧力制御バルブ（２）４₂ 〜圧力
制御バルブ（ｎ）４_n の操作を同時に行う。また、必要
に応じて主管２内の圧力低下を補償するために、主管２
に導入される原料ガスの増量が図られる。図１には、１
つの主管２とこれに接続されるｎ本の分岐管の組が示さ
れているに過ぎないが、必要に応じて主管と分岐管の複
数の組が反応室１に付設される。そして、３元ないし４
元の化合物半導体を成長させる場合には、例えば、第１
の主管にはＶ（またはVI）族元素の（混合）原料ガスが
導入され、第２の主管にはIII （またはII）族元素の
（混合）原料ガスが導入され、そして第３の主管には不
純物元素の原料ガスが導入される。

【００１３】［第１の実施例の動作・操作手順］次に、
図１に示される第１の実施例の動作について説明する。
真空排気ポンプ１０と圧力制御バルブ９を操作して反応
室１内の圧力を所定の圧力に減圧する。図示しない流量
制御器を介し原料ガスを主管２に導入する。図示しない
圧力制御器にて、原料ガスが流れる主管２に設置された
圧力計５の検出値Ｐ₀ と、予め設定した目標値ＰＳ₀ と
の相関によって演算処理を行い主管２の分岐後の分岐管
（１）３₁ 〜分岐管（ｎ）３_n に取り付けた圧力制御バ
ルブ（１）４₁ 〜圧力制御バルブ（ｎ）４_n を駆動制御
する。そして、反応室１に設けられた圧力計７の検出値
Ｐと、分岐管（１）３₁ 、分岐管（２）３₂ 、分岐管
（３）３₃ 、・・・、分岐管（ｎ）３_n に取り付けられ
た圧力計（１）６₁ 、圧力計（２）６₂ 、圧力計（３）
６₃ 、・・・、圧力計（ｎ）６_n の検出値Ｐ₁ 、Ｐ₂ 、
Ｐ₃ 、・・・、Ｐ_n との比較によって、各分岐管に流れ
るガス流量を算出する。次いで、圧力制御器は、各圧力
計の目標値と各分岐管の相関に従ったアルゴリズムに基
づいて演算処理を行い、圧力制御バルブ（１）４₁ 〜圧
力制御バルブ（ｎ）４_n に対する操作量を算出しこれに
従って各バルブを駆動制御して、各分岐管に流れるガス
流量を均等化するとともに総ガス流量を目標値に一致さ
せる。

【００１４】［第２の実施例］図２は、本発明の第２の
実施例を示す概略システム構成図である。図２におい
て、図１に示した第１の実施例の部分と共通する部分に
は同一の参照番号が付せられているので重複する説明は
省略するが、第１の実施例においては、各分岐管毎に絶
対圧型ダイアフラム式圧力計を設けていたが、第２の実
施例では圧力計に代えて、図２に示すように、隣接する
分岐管（ｋ）３_k と分岐管（ｋ＋１）３_k+ ₁ との間に
（但し、ｋ＝１、２、…、ｎ−１）、差圧計（差圧型ダ
イアフラム式圧力計）１１_k が設けられている。

【００１５】本実施例においては、全ての差圧計（１）
１１₁ 〜差圧計（ｎ−１）１１_n-1の検出値が０または
オフセット値になるように制御される。ある差圧計の検
出値が０またはオフセット値でなくなったとき、各分岐
管の相関を従ったアルゴリズムに基づいて各圧力制御バ
ルブに対する操作量が演算され、その演算結果に基づい
て各圧力制御バルブの駆動制御が行われ、各分岐管に流
れるガス流量を均等化される。また、主管２より反応室
１へ送り込まれる原料ガスの総量は、主管２に設けられ
た圧力計５と反応室１に設けられた圧力計７の検出値に
基づいてコントロールされる。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、原料ガ
スを主管より分岐管に分岐して反応室へ導入する方式の
気相成長装置において、ガス配管にて生じる圧力損失を
ダイアフラム式圧力計を用いて検出し、圧力制御バルブ
にてガス配管内の圧力調整を行うことによって、各分岐
管を流れるガス流量を制御するものであるので、各分岐
管に流れる原料ガスの流量を精度よく制御することが可
能になる。従って、本発明によれば、各分岐管に流れる
原料ガスの流量を精度よく揃えることが可能になり、反
応室での濃度差を少なくすることが可能になるので、基
板上に成長する薄膜の膜厚および膜質を均一化すること
ができる。また、ガス流量センサを備えたＭＦＣを用い
るものではないので、ガス使用積算量に伴う経時変化を
抑制することができ長期に安定して高い精度を維持する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す概略システム構成
図。

【図２】本発明の第１の実施例を示す概略システム構成
図。

【図３】従来例の概略システム構成図。

【符号の説明】

１反応室２主管３₁ 、３₂ 、・・・、３_n 分岐管（１）、分岐管
（２）、・・・、分岐管（ｎ）４₁ 、４₂ 、・・・、４_n 圧力制御バルブ（１）、圧
力制御バルブ（２）、・・・、圧力制御バルブ（ｎ）５、７圧力計６₁ 、６₂ 、・・・、６_n 圧力計（１）、圧力計
（２）、・・・、圧力計（ｎ）８排気管９圧力制御バルブ１０真空排気ポンプ１１₁ 、１１₂ 、・・・、１１_n-1 差圧計（１）、差
圧計（２）、・・・、差圧計（ｎ−１）１２₁ 、１２₂ 、・・・、１２_n ＭＦＣ（１）、ＭＦ
Ｃ（２）、・・・、ＭＦＣ（ｎ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−36730（ＪＰ，Ａ) 特開平９−69515（ＪＰ，Ａ) 特開平２−17419（ＪＰ，Ａ) 特開平６−295862（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 16/00 - 16/56 C30B 25/14 G01F 1/00 - 1/54 G05D 7/00 - 7/06 H01L 21/205 H01L 21/31

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】化学的気相成長が行われる、圧力計を備
えた反応室と、少なくとも１本の主管と、前記主管から
分岐して前記反応室に接続される少なくとも２本の、圧
力制御バルブとその近くに付設された圧力計とを備えた
分岐管と、を有し、前記分岐管に付設された全ての圧力
計の検出値と前記反応室に備えられた圧力計の検出値と
に基づいて各圧力制御バルブを制御することにより各分
岐管に流れる原料ガスの流量を制御することを特徴とす
る薄膜気相成長装置。
【請求項２】化学的気相成長が行われる、圧力計を備
えた反応室と、少なくとも１本の主管と、前記主管から
分岐して前記反応室に接続される少なくとも２本の、圧
力制御バルブを備えた分岐管と、隣接する分岐管の圧力
制御バルブ付近の圧力差を検出する差圧計と、を有し、
前記分岐管に設けられた全ての差圧計の検出値に基づい
て各圧力制御バルブを制御することにより各分岐管に流
れる原料ガスの流量を制御することを特徴とする薄膜気
相成長装置。
【請求項３】前記主管に、該主管内の圧力を検出する
圧力計が備えられていることを特徴とする請求項１また
は２記載の薄膜気相成長装置。
【請求項４】主管が、少なくとも、第１の族の元素ガ
スを供給する第１の主管と、第２の族の元素ガスを供給
する第２の主管と、第３の族の元素ガスを供給する第３
の主管と、に分けられており、各主管がそれぞれ分岐管
により分岐されていることを特徴とする請求項１または
２記載の薄膜気相成長装置。
【請求項５】前記第１の主管および前記第２の主管の
内の少なくとも一方には、２種類以上の原料ガスが混合
されて供給されることを特徴とする請求項４記載の薄膜
気相成長装置。