JP4554407B2

JP4554407B2 - 気相成長装置の成長室構造

Info

Publication number: JP4554407B2
Application number: JP2005075485A
Authority: JP
Inventors: 一登三田
Original assignee: Furukawa Co Ltd
Current assignee: Furukawa Co Ltd
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2025-03-16
Also published as: JP2006261330A

Description

本発明は、気相成長装置において、滞りのない均等なガス流れを実現することが可能で、成長室の内面への汚れ付着を防止し、さらにメンテナンスのための部品脱着作業を容易に行うことのできる気相成長装置の成長室構造に関するものである。

気相成長法は、半導体単結晶膜の成長や、誘電膜、絶縁膜、磁性体膜などの薄膜の形成に用いられている。従来の有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いる半導体単結晶膜気相成長装置としては、例えば図７に示すものがある（特許文献１参照）。
この気相成長装置は、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長等に用いられている薄膜の形成装置である。気相成長装置の成長室１０１の上部フランジ１１０には第一ガス供給部１２１、第二ガス供給部１２２、キャリアガス供給部１２３、およびドーパントガス供給部１２４からなるガス供給部１１１を備えており、成長室１０１内に基板Ｓを載置する基板保持台１０４が回転自在に設けられている。

基板保持台１０４にはヒータ１０７が設けられている。ガス供給部１１１と基板保持台１０４との間にはインジェクタプレート１０９が設けられており、成長室１０１の側壁にに近接して冷却ジャケットを兼ねる整流体１１２が設けられている。整流体１１２の下端と基板保持台１０４の間から下方には、基板保持台１０４の外側面と成長室１０１の内側面の間に、基板保持台１０４上に供給された原料ガス及びキャリアガスを排気口１０２へと導く環状の排気通路１０５が設けられている。排気口１０２は、後段の排気ポンプ（図示略）に接続されている。

原料ガスとキャリアガスが上方のガス供給部１１１からインジェクタプレート１０９を通り、ヒータ１０７で加熱された基板Ｓに向けて供給されると、基板Ｓ上で半導体結晶膜の成長が行われる。成長に寄与しなかった原料ガスとキャリアガスは整流体１１２の下端と基板保持台１０４の間から排気通路１０５を通り、排気ガスとして排気口１０２から成長室１０１外に排出される。
特表２００１−５０６８０３号公報

この気相成長装置では、排気ガスは、排気ポンプによって排気口１０２から吸引されているため、環状の排気通路１０５の各部を均等に真下に向かって流れることができず、片寄った流れを生ずる。さらに、排気口１０２が排気通路１０５に対して直交するように形成されているため、角部で排気ガスの滞りを生じ易く、スムーズな流れが阻害される。この影響により基板面に原料ガスが均等に供給されにくくなり、成長膜厚分布にもばらつきが生じ易くなる。

また、気相成長装置では、成長室１０１の内面に付着した汚れを除去するために、定期的に成長室１０１と基板保持台１０４とを切り離して内部を清掃する必要があり、清掃の間は装置を運転することができないため稼働率が低下する。
本発明は、気相成長装置における上記問題を解決するものであって、成長室内に滞りのない均等な流れを実現して、均一な成長膜厚分布を得ることを可能にするとともに、成長室の内面への汚れ付着を防止し、メンテナンスのための装置停止時間を大幅に短縮することのできる気相成長装置の成長室構造を提供することを目的とする。

本発明では、成長室に、基板を載置し加熱する回転自在な基板保持台と、基板保持台上に載置された基板に上方から原料ガスを供給する原料ガス導入口とを備え、加熱された基板上で成膜を行う気相成長装置において、成長室の側壁の上部を円筒形状、下部を円錐台形状とし、成長室内に原料ガス導入口の部分を除いて上面を覆う蓋と、側壁の円筒形状部の内側面に接する内筒管とを設けて、内筒管の内側面と基板保持台の外側面との間に排気通路、内筒管の外側面と側壁の円錐台形状部の内側面との間に環状排気空間を形成するとともに、内筒管の下部に排気通路から環状排気空間へ排気ガスを放射状に流出させる複数の排気孔を設け、環状排気空間に排気口を設けることにより上記課題を解決している。

この成長室構造により、排気ポンプで排気口から排気ガスを吸引すると、内筒管の内外の排気通路と環状排気空間との間に圧力差が生じ、排気ガスが排気通路から内筒管の下部に設けられた複数の排気孔を通って環状排気空間へ放射状に均等に流出するので、成長室内に滞りの少ない均等なガスの流れが実現される。従って、基板面に原料ガスが均等に供給され、均一な成長膜厚分布を得ることが可能となる。また、内筒管と蓋によって成長室の内面への汚れ付着防止を図っている。

なお、円錐台形状部の内側面よりやや小さい外径を有する円錐台状の内装壁を円錐台形状部の内側面に近接して脱着可能に設け、円錐台形状部の内側面と内装壁との間の空間に置換ガスを導入して、内装壁の上端から環状排気空間へ置換ガスが流出するよう構成すると、成長室の内面への汚れ付着をより少なくすることができる。
蓋を成長室の上部フランジと側壁との間に脱着可能に設け、上部フランジと蓋との間の空間に置換ガスを導入して、蓋と原料ガス導入口との間の隙間から下方に向けて置換ガスが流出するよう構成すると、成長室の内面への汚れ付着をさらに少なくすることができる。また、上部フランジを外せば蓋と円筒管とを容易に抜き出すことができるので、汚れが付着した蓋と円筒管を取り外して交換用の蓋と円筒管を取り付ければ、すぐに気相成長装置を使用することができる。取り外した蓋と円筒管の清掃も容易である。

本発明によれば、成長室内に滞りのない均等な流れを実現して、均一な成長膜厚分布を得ることが可能になる。また、成長室の内面への汚れ付着を防止し、メンテナンスのための装置停止時間を大幅に短縮することができる。

図１は本発明の実施の一形態である気相成長装置の成長室構造を示す縦断面図、図２は排気孔の配置状態を示す内筒管の水平断面図、図３は排気孔の配置状態を示す内筒管の縦断面図、図４は一体構造の内装壁の平面図、図５は図４のＡ−Ａ線断面図、図６は一体構造の内装壁の底面図である。
図１に示すように、気相成長装置の成長室１は、側壁２０の上部を円筒形状、下部を円錐台形状とし、その中央部に、基板Ｓを載置する回転自在な基板保持台４を備えている。側壁２０の上端には上部フランジ１０、下端には下部フランジ３０がそれぞれ取付けられている。

上部フランジ１０の中央部には、基板保持台４上に載置された基板Ｓに上方から原料ガスを供給する原料ガス導入口１１が設けられている。
基板保持台４にはヒータ７が内蔵されており、基板保持台４上に載置され加熱された基板Ｓに上方の原料ガス導入口１１から原料ガスを供給することにより、基板Ｓ上で成膜を行う。

この成長室１内に原料ガス導入口１１の部分を除いて上面を覆う蓋９と、側壁２０の円筒形状部２０Ｔの内側面に接する内筒管３とが設けられている。
蓋９は成長室１の上部フランジ１０と側壁２０との間に脱着可能に設けられており、上部フランジ１０に設けられた置換ガス導入口１２から、上部フランジ１０と蓋９との間の空間に置換ガスＣを導入して、蓋９と原料ガス導入口１１との間の隙間から下方に向けて置換ガスＣが流出するよう構成されている。上部フランジ１０と蓋９との間の空間に置換ガスＣが満たされるので、成長室１の内面、特に上部フランジ１０の内側面への汚れ付着が防止できる。

内筒管３は、上部が側壁２０の円筒形状部２０Ｔの内側面に接するように挿着されており、その内側面と基板保持台４の外側面との間に排気通路５、その外側面と側壁２０の円錐台形状部２０Ｂの内側面との間に環状排気空間６を形成している。そして、この内筒管３の下部には、図２、図３に示すように、排気通路５から環状排気空間６へ排気ガスを放射状に流出させる複数の排気孔３Ｈが等間隔で設けられている。

環状排気空間６の底部には排気口２が３箇所等間隔に配置され、図示しない排気ポンプに接続されている。
また、円錐台形状部２０Ｂの内側面よりやや小さい外径を有する円錐台状の内装壁１６が円錐台形状部２０Ｂの内側面に近接して設けられており、円錐台形状部２０Ｂに設けられた置換ガス導入口２２から、円錐台形状部２０Ｂの内側面と内装壁１６との間の空間に置換ガスＤを導入して、内装壁１６の上端から環状排気空間６へ置換ガスＤが流出するよう構成されている。この置換ガスＤの流れによって円錐台形状部２０Ｂの内側面と内装壁１６との間の空間に排気ガスが入るのを阻止して、成長室１の側壁２０の内側面への汚れ付着が防止できる。

さらに、排気通路５の下方で且つ内筒管３の排気孔３Ｈの位置より下側に、内筒管３に内接して円錐台状の内装壁１７が設けられており、下部フランジ３０に設けられた置換ガス導入口３２から、基板保持台４下部の外側面と内装壁１７との間の空間に置換ガスＥを導入して、内装壁１７の上端から排気通路５へ置換ガスＥが流出するよう構成されている。この置換ガスＥの流れによって、基板保持台４の回転シール部８への排気ガスの侵入が防止できる。

ここで、内装壁１６と内装壁１７とは図４〜図６に示すように、内装底１８に固設して一体構造とし、下部フランジ３から脱着可能となっている。
なお，上部フランジ１０には冷却水入口１３と冷却水出口１４と冷却水通路１５、側壁２０には冷却水入口２３と冷却水出口２４と冷却水通路２５、下部フランジ３０には冷却水入口３３と冷却水出口３４と冷却水通路３５がそれぞれ設けられており、各冷却水入口１３、２３、３３から冷却水を供給することで成長室１を冷却することができる。

成長室１内では、ヒータ７で加熱された基板Ｓに向けて上方から原料ガスが供給され、基板Ｓ上で成膜が行われる。成長に寄与しなかったガスと置換ガスＣは排気通路５を通り置換ガスＥと合流して排気孔３Ｈから環状排気空間６へ放射状に流出し、ここでさらに置換ガスＤと合流して排気口２から成長室１外へ排気される。
成長室１内では、排気ガスが内装壁１６、１７のガイド作用によって滞ることなくスムーズに流れるよう流路が形成されている。また、ガス流量に合わせて内筒管３の排気孔３Ｈの数及び孔径を変えることで環状排気空間６への放射状のガスの流れを均等化することができる。

この構造の成長室１で、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）とＨ₂Ｏの供給によりＳｉ基板上へのＡｌ₂Ｏ₃の成膜を行い、５０時間の成膜を行った後に内部の点検を実施したが、従来見られた成長室１の内面への汚れ付着はなく、回転シール部８への排気ガス侵入形跡もなかった。
なお、図７の成長室１０１と類似の構造の従来の成長室で同様の成膜を行ったときの、Ｓｉ基板上へのＡｌ₂Ｏ₃膜の膜厚分布が±５％程度であったのに対し、この成長室１の構造で成膜を行ったときは膜厚分布が±１％程度まで改善された。

また、この成長室構造では、最も汚れの付着し易い蓋９と内筒管３は、取外し容易な構造となっており、メンテナンス時には成長室１の上部フランジ１０を外して、容易に上方へ抜き出すことができるため、従来は月に１度、５時間程かけて行っていた成長室１内の清掃作業を、１時間以内で実施することが可能となった。

本発明の実施の一形態である気相成長装置の成長室構造を示す縦断面図である。排気孔の配置状態を示す内筒管の水平断面図である。排気孔の配置状態を示す内筒管の縦断面図である。一体構造の内装壁の平面図である。図４のＡ−Ａ線断面図である。一体構造の内装壁の底面図である。従来の気相成長装置の成長室構造を示す縦断面図である。

符号の説明

１成長室
２排気口
３内筒管
３Ｈ通気孔
４基板保持台
５排気通路
６環状排気空間
７ヒータ
８回転シール部
９蓋
１０上部フランジ
１１原料ガス導入口
１２置換ガス導入口
１６内装壁
１７内装壁
２０側壁
２０Ｂ円錐台形状部
２０Ｔ円筒形状部
２２置換ガス導入口
３０下部フランジ
３２置換ガス導入口
Ｓ基板

Claims

成長室に、基板を載置し加熱する回転自在な基板保持台と、基板保持台上に載置された基板に上方から原料ガスを供給する原料ガス導入口とを備え、加熱された基板上で成膜を行う気相成長装置において、
成長室の側壁の上部を円筒形状、下部を円錐台形状とし、成長室内に原料ガス導入口の部分を除いて上面を覆う蓋と、側壁の円筒形状部の内側面に接する内筒管とを設けて、内筒管の内側面と基板保持台の外側面との間に排気通路、内筒管の外側面と側壁の円錐台形状部の内側面との間に環状排気空間を形成するとともに、内筒管の下部に排気通路から環状排気空間へ排気ガスを放射状に流出させる複数の排気孔を設け、環状排気空間に排気口を設けたことを特徴とする気相成長装置の成長室構造。
円錐台形状部の内側面よりやや小さい外径を有する円錐台状の内装壁を円錐台形状部の内側面に近接して脱着可能に設け、円錐台形状部の内側面と内装壁との間の空間に置換ガスを導入して、内装壁の上端から環状排気空間へ置換ガスが流出するよう構成したことを特徴とする請求項１記載の気相成長装置の成長室構造。
蓋を成長室の上部フランジと側壁との間に脱着可能に設け、上部フランジと蓋との間の空間に置換ガスを導入して、蓋と原料ガス導入口との間の隙間から下方に向けて置換ガスが流出するよう構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の気相成長装置の成長室構造。