JP3675376B2 - 気相成長装置用ガス供給方法およびその装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体原料を気化して得られる原料ガスを反応ガスとして、希釈ガスと共に気相成長装置に供給するためのガス供給方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の気相成長用装置に供給される反応ガスには、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ_４）等の液体原料を気化したものが主に用いられる。ジクロロシランを除く上記原料は室温の大気圧下では液体である。従来、原料ガスはキャリアガスと混合され、混合ガスとして気相成長装置に供給される。この混合ガスの供給方法には、例えばボンベに入った液体原料にキャリアガスを吹き込み、液体原料をバブリングさせることにより、液体原料が気化した原料ガスとキャリアガスとの混合ガスを発生させ、この混合ガスを気相成長装置に供給する方法がある。また別の方法として、混合ガスに更に希釈用の水素を混合して所定の混合ガスの濃度にした後、この混合ガスを気相成長装置に供給する方法や、混合ガスとは別に希釈ガスを気相成長装置に供給する方法や、混合ガスに更にリン等のドーパントを注入して気相成長装置に供給する方法などがある。こうして混合ガスを気相成長装置に供給することにより、気相成長装置に設けられた単結晶シリコン基板上にシリコン単結晶薄膜を気相成長させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記バブリングにより混合ガスを供給する方法には次の問題点があった。
【０００４】
作業員による取扱を考慮して、上記ボンベに２５ｋｇの液体原料充填用の容積を有する総重量が約５０ｋｇのものを用いて、１つのボンベで複数台の気相成長装置に混合ガスを供給した場合には、混合ガス中に含まれる原料ガスの濃度が変化し易く、反応炉での反応速度が変動する。原料ガスの流量は、液温で変化する液体原料の蒸気圧、ボンベ内の圧力、キャリアガスの流量にそれぞれ依存するため、原料ガスの濃度制御が複雑化する。
【０００５】
液体原料が消費されてボンベ内の液体原料の残量が減ると、バブリングによる気体と液体との接触時間が短くなり、またバブリング時に蒸発する液体原料の潜熱により液の温度が低下し、それぞれ発生する原料ガスの濃度が低くなる。この結果、気相成長装置での反応速度が低下する。
【０００６】
また、ボンベを交換する都度、原料ガスの濃度が変化するため（必要？）気相成長装置でエピタキシャル成長させる前に反応条件を確認するための試運転をする必要がある。
【０００７】
このようなバブリングにおける問題点を解消する方法としては、バブラーを温度制御することに加えてバッファタンクを用いてバブラーでの濃度変動を吸収する方法や、バブラー外部から液体原料をバブラーに供給してバブラー内部の液体原料の液面位置を制御する方法等がある。
【０００８】
しかし、両者ともその設備の提供には非常に大きな費用が必要となる。また、液面制御を行った場合でもバブリングにより液体原料から原料ガスを作り出す操作は一種の蒸留であるため、液体原料に含まれる極く微量の重金属や高沸点の不純物は液側に偏析し、液体原料の蒸発が進むに従って不純物濃度は相対的に高くなる。この結果、バブリングで得られた原料ガス中の不純物量は時間の経過につれて増加する。
【０００９】
また、この種のガス供給装置に用いられるマスフローコントローラは実際に使用するガスでの校正が困難であるため校正ガスと実際に使用するガスとの差を換算係数を用いて合わせ込み、流量制御を行う。しかし実際に使用するガスの濃度が変化するとその換算係数が変化するため同一の設定値でも実際に流れる流量が変化してしまう。そのために、混合ガスの濃度変化が大きいボンベ交換時で反応条件出し作業をより複雑にしている。
【００１０】
本発明の目的は、気相成長用ガスを所望の濃度に容易に設定し得る方法及びその装置を安価に提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、液体原料を気化した原料ガスとキャリアガスから構成される混合ガスと希釈ガスを気相成長装置に導入して気相成長させる気相成長方法において、前記混合ガスの濃度を測定する工程と、前記濃度測定工程にて測定された混合ガス濃度に基づいて混合ガスの流量を制御する第１マスフローコントローラの換算係数を算出する流量換算工程と、その流量換算工程で算出された換算係数に基づいて気相成長装置炉内に導入する混合ガス流量の決定および、前記制御後の混合ガス流量と希釈ガス流量の合計流量が一定となるように希釈ガスの流量の決定をする流量制御工程と、その制御結果に基づいて混合ガス流量を第１マスフローコントローラで制御、および希釈ガス流量を第２マスフローコントローラで制御する工程を含むことを特徴とする気相成長装置用ガス供給方法である。これにより、混合ガスの濃度変化によらず制御後の混合ガス流量が正確に設定可能となり、気相成長装置に一定質量の原料ガスを所定流量で供給することができる。
【００１２】
請求項２に係る発明は、図２に示すように、混合ガスの濃度を測定する濃度測定装置７と、濃度測定装置７にて測定された混合ガス濃度に基づいて混合ガスの流量を制御する第１マスフローコントローラ４の換算係数を算出する流量換算装置８と、その流量換算装置８で算出された換算係数に基づいて気相成長装置炉内に導入する混合ガス流量の決定および、前記制御後の混合ガス流量と希釈ガス流量の合計流量が一定となるように希釈ガスの流量の決定をする流量制御装置９と、その制御結果に基づいて混合ガス流量を制御する第１マスフローコントローラ４、および希釈ガス流量を制御する第２マスフローコントローラ５と、からなることを特徴とする気相成長装置用ガス供給装置である。これにより、混合ガスの濃度を測定した後に混合ガスと希釈ガスの流量を個別に制御するため、気相成長装置に導入される原料ガスの質量を一定にできるとともに、混合ガスと希釈ガスの合計流量を所定流量とすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
上記構成にて気相成長装置へ気相成長用ガスを供給する方法の詳細を以下に説明する。
【００１４】
図１に、従来の気相成長工程での混合ガスおよび希釈ガスの供給方法を示している。従来の気相成長工程では、混合ガス流量を制御する第１マスフローコントローラ４の設定値および希釈ガス流量を制御する第２マスフローコントローラ５の設定値をあらかじめ決定して気相成長装置に導入し、気相成長を行う。この際、気相成長装置に導入される原料ガスの質量は数１式で表される。
【００１５】
【数１】
Ｇｓ＝Ｍｓ×Ｃｓ×Ｆ１／２２．４
【００１６】
Ｇｓ：気相成長装置に導入される原料ガスの質量（ｇ／分）
Ｆ１：混合ガスの流量（ｓｔａｎｄａｒｄ ｌｉｔｔｅｒ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ）
ｓｔａｎｄａｒｄ ｌｉｔｔｅｒ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅは、以下ｓｌｍと略する。
Ｃｓ：混合ガス中の原料ガスの体積濃度（％）
Ｍｓ：原料ガスの分子量
【００１７】
また、混合ガスの設定流量は数２式で表される。
【００１８】
【数２】
Ｆ１＝ＦＳ１×ＣＦ
【００１９】
ＦＳ１：混合ガスのマスフローコントローラ設定流量（ｓｌｍ）
ＣＦ：混合ガスのマスフローコントローラで混合ガス使用時の換算係数
【００２０】
気相成長装置では、この気相成長装置に導入される原料ガスの質量Ｇｓを安定させることにより気相成長膜の成長速度を安定化させることができる。
【００２１】
しかし、数１式からもわかるように、混合ガス中の原料ガスの体積濃度Ｃｓが変動すれば気相成長装置に導入される原料ガスの質量Ｇｓが変化し、気相成長膜の成長速度が変化することとなる。
【００２２】
そこで、本発明では、気相成長装置に導入される原料ガスの質量の目標値Ｇｔを設定し、混合ガスに濃度変化が生じた場合、混合ガスの流量を制御することにより気相成長装置に導入される原料ガスの質量を目標値Ｇｔとする。その制御後の混合ガス流量Ｆ１'は、数３式にて算出できる。
【００２３】
【数３】
Ｆ１'＝｛Ｇｔ／（Ｍｓ×Ｃｓ×Ｆ１／２２．４）｝×Ｆ１
【００２４】
Ｆ１'：制御後の混合ガスの流量（ｓｌｍ）
Ｇｔ：気相成長装置に導入される原料ガスの質量の目標値Ｇｔ（ｇ／分）
【００２５】
ここで、この制御を行った場合の気相成長装置に導入される混合ガスおよび希釈ガスの全流量は数４式にて表される
【００２６】
【数４】
Ｆｔ＝Ｆ２＋Ｆ１’
【００２７】
Ｆｔ：気相成長装置に導入される混合ガスおよび希釈ガスの全流量（ｓｌｍ）
Ｆ２：希釈ガスの流量（ｓｌｍ）
【００２８】
このように制御後の混合ガスの流量Ｆ１'が濃度Ｃｓに応じて変化すると気相成長装置に導入される混合ガスおよび希釈ガスの全流量Ｆｔが変化する。このような状況では気相成長装置内部でのガス流れ状態が変化し、気相成長膜の膜厚分布が変化する。
【００２９】
そこで、本発明においては、気相成長装置に導入される混合ガスおよび希釈ガスの全流量の目標値Ｆｔｔを設定し、制御後の希釈ガスの流量Ｆ２'を数５式にて設定する。
【００３０】
【数５】
Ｆ２’＝Ｆｔｔ−Ｆ１’
【００３１】
Ｆ２’：制御後の希釈ガスの全流量（ｓｌｍ）
Ｆｔｔ：気相成長装置に導入される混合ガスと希釈ガスの全流量目標値（ｓｌｍ）
【００３２】
このように、数３式、数５式にて気相成長装置に導入される原料ガスの質量は目標値Ｇｔに制御され、かつ、気相成長装置に導入される混合ガスおよび希釈ガスの全流量もＦｔｔに一定制御される。
【００３３】
一方、上記の数３式、数５式に使用される混合ガスの設定流量Ｆ１は数２式のように混合ガスのマスフローコントローラ設定流量ＦＳ１と混合ガスのマスフローコントローラで混合ガス使用時の換算係数ＣＦにて決定される
【００３４】
マスフローコントローラは通常、測定ガスの熱伝達によりその質量流量を測定・制御する。そのため、マスフローコントローラの校正ガスと測定ガスの比熱差が大きな誤差となる。換算係数ＣＦはその比熱差の影響を除去するために用いられる。
【００３５】
しかし、通常、気相成長装置に用いられる原料であるジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ_４）等と通常そのキャリアガスとして用いられる水素とは比熱の差が非常に大きく、それらの混合ガスの濃度が変化すると換算係数ＣＦも変化する。
【００３６】
そのため、混合ガスの濃度に応じて換算係数を変更する必要がある。この換算係数ＣＦの濃度依存性を考慮すると、混合ガス用マスフローコントローラへの設定は以下の数６式のようになる。
【００３７】
【数６】
ＦＳ１’＝Ｆ１’／ＣＦ
【００３８】
これらの換算係数ＣＦは、理論式もしくは実験値から求めることが可能である。
【００３９】
以下、本発明をその実施例に示す図面に基づいて具体的に説明する。
【００４０】
図２は、本発明での実施例である。本実施例は、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）の液体原料をバブラー３を用いて気化している。そのキャリアガスは水素でボンベ１から供給される。前述したように、用いられる液体原料はトリクロロシランに限らずジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ_４）等の液体原料を用いてもよい。また、液体原料を気化する手段としては、バブラー以外の手段を用いてもよい。
【００４１】
上記の混合ガスは第１マスフローコントローラ４にて流量設定値に制御され気相成長装置６に導入される。また、混合ガスに加えてボンベ２より希釈ガスが気相成長装置６に導入される。本実施例では希釈ガスは水素を用いている。その流量は第２マスフローコントローラ５で制御される。本実施例では第２マスフローコントローラ５は水素にて校正されたものを用いている。しかし、たとえば窒素にて校正されたマスフローコントローラを用いても、第２マスフローコントローラ５の換算係数を水素使用にあわせて設定することにより使用可能となる。
【００４２】
【実施例】
図中に示す濃度測定装置７にて上記混合ガスの濃度を測定する。本実施例においては超音波式の濃度計を用いている。本濃度計は濃度による超音波の伝播速度の差から被測定ガスの濃度を測定するものであり、被測定ガスの温度、圧力変動が測定誤差に影響する。そのため、本実施例においては、図示しないが、濃度計より上流側（バブラ側）に圧力レギュレータによる圧力制御装置およびテープヒータによる温度制御装置を設置した。濃度計としては超音波式濃度計以外にも赤外線吸収式濃度計、熱伝導率式濃度計等の使用が考えられる。本濃度計からは混合ガスの体積濃度が出力されるが、出力信号としては体積濃度以外に質量濃度等の出力でも可能である。
【００４３】
換算係数は、濃度測定装置７からの出力に基づいて流量換算装置８で算出される。本実施例では理論式に基づいてトリクロロシランと水素との混合ガスでの換算係数を算出した。本装置では上記理論式に濃度測定装置７からの濃度測定値を代入し、換算係数を算出、出力する。濃度から換算係数を算出する方法としては、本実施例のように理論式を用いる方法とは別に、たとえば実験値をもとに近似式を用いる方法、実験値をテーブル化しそのテーブルとの比較により算出する方法等が考えられる。
【００４４】
実際に気相成長装置６に導入する混合ガスおよび希釈ガスの流量の算出は流量制御装置９にて実施する。算出方法は前述の数３式、数５式および数６式にて求める。流量制御に必要となる気相成長装置に導入される混合ガスおよび希釈ガスの全流量目標値Ｆｔｔおよび気相成長装置に導入される原料ガスの質量の目標値Ｇｔは事前に設定する。
【００４５】
実操業においては製造する製品の仕様により全流量目標値、原料ガス質量目標値は異なるため、図示しない外部装置から指示にて製造仕様毎に設定変更が可能となっている。流量制御装置９からは混合ガス流量制御用の第１マスフローコントローラ４および希釈ガス流量制御用の第２マスフローコントローラ５にそれぞれの制御後設定値が出力される。
【００４６】
これらにより、混合ガス濃度変化によらず気相成長装置に一定質量の気相成長用原料ガスを所定流量で供給することができる。本実施例において本発明未実施の場合と比較して膜厚分布に影響を与えず気相成長膜の成長速度バラツキを低減可能なことを確認した。
【００４７】
【本発明の効果】
本発明により、混合ガスの濃度変化によらずに気相成長装置に一定質量の気相成長用原料ガスを所定流量で供給することが可能となり、膜厚分布に影響を与えず気相成長膜の成長速度バラツキを低減可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の気相成長装置用ガス供給装置の構成図である。
【図２】本発明の気相成長装置用ガス供給装置の構成図である。
【符号の説明】
１ キャリアガス用ボンベ
２ 希釈ガス用ボンベ
３ バブラー
４ 混合ガス用第１マスフローコントローラ
５ 希釈ガス用第２マスフローコントローラ
６ 気相成長装置
７ 濃度測定装置
８ 流量換算装置
９ 流量制御装置

Claims (2)

1. 液体原料を気化した原料ガスとキャリアガスから構成される混合ガスと希釈ガスを気相成長装置に導入して気相成長させる気相成長方法において、前記混合ガスの濃度を測定する工程と、前記濃度測定工程にて測定された混合ガス濃度に基づいて混合ガスの流量を制御する第１マスフローコントローラの換算係数を算出する流量換算工程と、その流量換算工程で算出された換算係数に基づいて気相成長装置炉内に導入する混合ガス流量の決定および、前記制御後の混合ガス流量と希釈ガス流量の合計流量が一定となるように希釈ガスの流量の決定をする流量制御工程と、その制御結果に基づいて混合ガス流量を第１マスフローコントローラで制御、および希釈ガス流量を第２マスフローコントローラで制御する工程を含むことを特徴とする気相成長装置用ガス供給方法。
2. 液体原料を気化した原料ガスとキャリアガスから構成される混合ガスと希釈ガスを気相成長装置に導入して気相成長させる気相成長装置において、前記混合ガスの濃度を測定する濃度測定装置と、前記濃度測定装置にて測定された混合ガス濃度に基づいて混合ガスの流量を制御する第１マスフローコントローラの換算係数を算出する流量換算装置と、その流量換算装置で算出された換算係数に基づいて気相成長装置炉内に導入する混合ガス流量の決定および、前記制御後の混合ガス流量と希釈ガス流量の合計流量が一定となるように希釈ガスの流量の決定をする流量制御装置と、その制御結果に基づいて混合ガス流量を制御する第１マスフローコントローラ、および希釈ガス流量を制御する第２マスフローコントローラからなることを特徴とする気相成長装置用ガス供給装置。

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