JP4901352B2

JP4901352B2 - 結晶成膜装置、ガス噴出板、及びそれを用いて製造する結晶膜の製造方法

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Publication number: JP4901352B2
Application number: JP2006202343A
Authority: JP
Inventors: 智之小野; 康治宮本; 敏史清原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-07-25
Filing date: 2006-07-25
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2026-07-25
Also published as: JP2008028335A

Description

本発明は、結晶成膜装置、ガス噴出板、及びそれを用いて製造する結晶膜の製造方法に関する。

近時の結晶成膜装置においては、高品質な結晶を製造する方法が求められている。

結晶成膜装置としては、一般的に、炉内に加熱板と、その加熱板上であって加熱板に対して対向配置したガス噴出板とを含んだ構成のものが知られている。ここで、ガス噴出板から噴出されたガスは、加熱板上で熱せられることによって、加熱板上で結晶成膜される。

なお、結晶の品質は、ガスを加熱板近傍で熱化学反応させることによって、良好にすることができる。そこで、炉内の温度を抑制し、加熱板の温度制御を精度良く行なうために、炉の側面を冷やす技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開平６−１５１３３７号公報

しかしながら、上述した従来の結晶成膜装置の如く炉の側面を冷やすだけでは、加熱板の輻射熱によって加熱されたガス噴出板の温度を抑制するには不十分であって、ガスが加熱板に到達する前に熱化学反応を起こし、結晶中に不純物が混入する等の問題が生じ、結晶の品質の面で課題があった。

本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであって、結晶の品質を向上させることが可能な結晶成膜装置及びそれに用いるガス噴出板を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１の発明においては、加熱板と、前記加熱板上であって前記加熱板に対して対向配置したガス噴出板とを備え、ガスを前記加熱板に噴出し、前記加熱板上に結晶を成膜する結晶成膜装置において、前記ガス噴出板は、熱を吸収する冷媒を前記ガス噴出板の外側から中央側へ流入する流入部と、前記流入部と接続されるとともに冷媒を中央側から外側へ流出する流出部とを有する冷却管を備えており、平面視において前記冷却管の中心を通る線を中心線とし、前記ガス噴出板の中心を中心点として、前記中心点から前記中心線に向かって下ろした垂線を、前記流入部と前記流出部の境界とすると、前記流入部と冷媒が接する接触面積は、前記流出部と冷媒が接する接触面積よりも小さくなっており、前記ガス噴出板は複数の領域に分割されており、前記冷却管が前記各領域に設けられている。

また、請求項２の発明では、請求項１に記載の結晶成膜装置において、前記冷却管は、前記流出部が前記流入部から分岐して二股に形成されており、それぞれの前記流出部は前記流入部に沿って配置されている。

また、請求項３の発明では、請求項１に記載の結晶成膜装置において、前記冷却管は、前記流入部から前記流出部へ分岐している。

また、請求項４の発明では、請求項３に記載の結晶成膜装置において、前記流出部は、前記流入部の両側に配置されている。

また、請求項５の発明では、板体と、前記板体に形成された複数のガス噴出孔と、前記板体に形成され、熱を吸収する冷媒を前記板体の外側から中央側へ流入する流入部と、前記流入部と接続されるとともに冷媒を中央側から外側へ流出する流出部とを有する冷却管とを備え、平面視において前記冷却管の中心を通る線を中心線とし、前記ガス噴出板の中心を中心点として、前記中心点から前記中心線に向かって下ろした垂線を、前記流入部と前記流出部の境界とすると、前記流入部と冷媒が接する接触面積は、前記流出部と冷媒が接する接触面積よりも小さくなっており、前記ガス噴出板は複数の領域に分割されており、前記冷却管が前記各領域に設けられている。

また、請求項６の発明では、請求項５に記載のガス噴出板において、前記冷却管は、前記流出部が前記流入部から分岐して二股に形成されており、それぞれの前記流出部は前記流入部に沿って配置されている。

また、請求項７の発明では、請求項５に記載のガス噴出板において、前記冷却管は、前記流入部から前記流出部へ分岐している。

また、請求項８の発明では、請求項７に記載のガス噴出板において、前記流出部は、前記流入部の両側に配置されている。

また、請求項９の発明では、ウエハと、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の結晶成膜装置とを準備する工程と、前記加熱板上に前記ウエハを設置する工程と、前記加熱板を熱するとともに、前記冷却管に冷媒を流すことで前記ガス噴出板を冷却する工程と、前記ウエハ上にガスを噴出し結晶を成膜する工程とを備えている。

本発明によれば、ガス噴出板に冷媒を流入する流入部及び冷媒を流出する流出部を有する冷却管を備え、流入部と冷媒が接する接触面積を流出部と冷媒が接する接触面積よりも小さくすることで、高温となるガス噴出板の中央側へ冷媒を一気に流入することができ、ガス噴出板の中央の熱を素早く吸収することができる。その結果、ガス噴出板近傍におけるガスの熱化学反応を抑制し、加熱板近傍でガスを反応させることで、結晶中に混入する不純物の量を低減することができ、結晶の品質を向上させることができる。

以下に、本発明にかかる結晶成膜装置及びそれに用いるガス噴出板の実施の形態を図面に基づいて説明する。

本発明の結晶成膜装置の実施の形態の一例について、図１（ａ）にガス噴出板の平面図を、図１（ｂ）に結晶成膜装置の断面図を示す。

図１に示すように、本実施の形態に係る結晶成膜装置は、円筒形状の炉１と、その炉１内部の下方に加熱板２と、炉１内部の上方にガス噴出板３とを含んで構成されている。

炉１は、炉１内部を密封する機能を有し、例えばステンレス等を用いることができる。

加熱板２は、円盤状のサセプタ４と、サセプタ４の下方に配置され、サセプタ４を加熱するヒーター５と、サセプタ４を中心軸回りに回転させるモーター６とを含んで構成されている。なお、サセプタ４は、モーター６に取り付けられた中心軸の回転に基づき回転する。

サセプタ４は、熱が伝導しやすい材料から構成されており、例えば、モリブデン等の金属材料を用いることができる。サセプタ４は、ヒーター５からの熱輻射によって加熱され、モーター６から印加される動力によって中心軸回りに回転する。また、サセプタ４上の表面温度は、サセプタ４内に図示しない熱電対を埋め込み、該熱電対の温度変動を計測することで、測定することが可能である。さらに、熱電対の計測した温度をヒーター５にフィードバック制御することで、サセプタ４上の表面温度を一定に均一化することができる。なお、サセプタ４上には、複数のウエハＵを設置することができる。

ガス噴出板３は、例えば、ステンレス等を用いることができる。また、ガス噴出板３は、上下方向に貫通した複数のガス噴出箇所７と、熱を吸収する冷媒をガス噴出板３内に流入及びガス噴出板３外へ流出する冷却管８とを含んで構成されている。また、ガス噴出板３は、炉１内部の側面に支持固定されており、冷却管８は、炉１の側面を通過して炉１外部まで延在されている。なお、ガス噴出箇所７は、円形や矩形等の形状とすることができる。ここでは、ガス噴出箇所７は、ガス噴出板３を上下に貫通した円形であって、所定間隔を空けて複数形成されている。なお、ガス噴出板３の厚みは、３０ｍｍ〜１００ｍｍ、直径は、２５０ｍｍ〜５００ｍｍとすることができる。

ここで、冷却管８は、ガス噴出板３の上面及び下面の間に配置されており、ガス噴出板３に対して水平に形成されている。そのため、ガス噴出箇所７は、冷却管８に対して直交して形成されている。

ガス噴出板３は、例えば、鋳型によって形成した冷却管８を所定位置に配置した状態で、型取りを行い、その後鋳造法によって形成することができる。

ガス噴出箇所７からは、結晶を構成する原料ガスと、反応ガスとを噴出することができ、ここでは原料ガスと反応ガスとを混合した混合ガスを噴出する。なお、原料ガスとしては、例えば、アルシン（ＡｓＨ₃）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）等を用いることができる。また、反応ガスとしては、例えば、水素（Ｈ₂）等を用いることができる。原料ガスと反応ガスは、熱を印加されることで、熱化学反応を起こし、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ等の半導体結晶を形成することができる。

ガス噴出板３を、ガス噴出板３を中心に、例えば四つの領域Ｒに分割し、その各領域Ｒ内に冷却管８を配置されている。ここで、ガス噴出板３を複数の領域Ｒに均等に分割し、各領域Ｒに冷却管８を配置したことによって、ガス噴出板３全体を略均等に冷却することができる。

また、炉１内部であって、加熱板２の側方には、炉１内の混合ガスの流れを円滑にし、混合ガスの熱化学反応によって生成されたイオン等を排出するための排気装置９が設けられている。なお、排気装置９は、炉１内の気体の排出量を調整することで、炉１内の内圧を制御することができる。

冷却管８は、ガス噴出板３をガス噴出箇所７によって複数に区分されたそれぞれの領域に配置されている。冷却管８は、熱を吸収する冷媒をガス噴出板３の外側から中央側へ流入する流入部８ａと、流入部８ａと接続されるとともに冷媒を中央側から外側へ流出する流出部８ｂとを含んで構成されている。なお、図２（ａ）に示すように、流出部８ｂが分岐している場合は、流出部８ｂは複数形成される。

ここで、流入部８ａと流出部８ｂの境界について説明する。図２（ａ）、（ｂ）に示すように、平面視において冷却管８の中心を通る線を中心線Ａとし、ガス噴出板３の中心を中心点Ｐとする。そして、中心点Ｐから中心線Ａに向かって下ろした垂線を、流入部８ａと流出部８ｂの境界Ｂとする。なお、図２（ａ）に示すように、流出部８ｂが流入部８ａから分岐して二股に形成されている場合、境界Ｂは複数存在する。

また、接触面積Ｓ１は、冷媒が流入部８ａと接する流入部８ａの内表面の総和であって、接触面積Ｓ２は、冷媒が流出部８ｂと接する流出部８ｂの内表面の総和である。なお、図２（ａ）に示すように、流出部８ｂが複数形成されている場合、接触面積Ｓ２は、二股に形成された各流出部８ｂと冷媒が接する内表面の総和である。

また、冷却管８は、熱に耐性を備えた、例えばステンレス等の金属材料によって形成されている。また、冷却管８内部を通過する冷媒としては、例えば、液体窒素、冷水、油等の液体や、水蒸気や冷気等の気体を用いることができる。なお、流入部８ａの冷媒を流入する箇所を流入口８ａ’とし、流入部８ｂの冷媒が流出する箇所を流出口８ｂ’とする。

また、炉１の外部には、冷却管８に流入する冷媒を貯蔵した図示しないタンクと、該タンク内の冷媒を冷却管８に流入するための図示しないポンプと、該ポンプを作動させる図示しないモーターと、タンク内の冷媒を冷却する図示しない冷却装置とが設けられている。ここで、ポンプを介してタンクと流入部８ａの流入口８ａ’とが接続されており、流出部８ｂの流出口８ｂ’がタンクとが接続されている。そして、モーターが作動することによって、ポンプを作動させてタンク内の冷媒を吸い上げて、該冷媒を流入口８ａ’に流す。そして、冷媒は、冷却管８を介して流入口８ａ’から流出口８ｂ’を通り、タンク内に戻される。なお、タンク内は、冷却装置によって一定の温度に保持されている。

ガス噴出板３の最も高温となる箇所は、加熱板２の中央に対して対向したガス噴出板３の中央である。つまり、サセプタ４上の表面温度が一定に均一化されたとしても、円筒形状の炉１内部では、サセプタ４からの輻射熱によって、サセプタ４に対して対向配置されたガス噴出板３の中央に熱線が集中する。そのため、ガス噴出板３の中央が最も高温になりやすい。そこで、流入口８ａ’から流入される冷媒が、ガス噴出板３の中央まで一気に流入することによって、高温になり易いガス噴出板３の中央をガス噴出板３の外周に比べてより十分に冷却することができる。

本発明の結晶成膜装置は、加熱板２からの熱輻射によって、最も高温となるガス噴出板３の中央を冷却することによって、ガス噴出板３の近傍で混合ガスが熱化学反応するのを抑制し、加熱板２上でウエハＵと反応して結晶成長する結晶の品質を向上させることができる。

また、ガス噴出箇所７近傍で混合ガスが熱化学反応を起こすと、ガス噴出箇所７に堆積物が堆積し、ガス噴出箇所７の径を変化させ、混合ガスが各ガス噴出箇所７から適量噴出されないといった問題があったが、ガス噴出箇所７の近傍においても、混合ガスが熱化学反応を起こしにくくなったため、各ガス噴出箇所７から適量の混合ガスを加熱板２に噴出することで、加熱板２上に形成される結晶の膜厚を均一化することができる。

また、ガス噴出箇所７に堆積物が堆積すると、各ガス噴出箇所７から適量の混合ガスを噴出するために、該堆積物を除去する作業が必要となるが、ガス噴出板３近傍における混合ガスの熱化学反応を抑制することで、ガス噴出箇所７に堆積物が蓄積するのを防止し、メンテナンス作業を少なくすることによって、結晶成膜の製造歩留りを向上させることができる。

本発明の結晶成膜装置を用いた結晶の製造方法の具体例について以下に説明する。

加熱板２上にウエハを設置する。ウエハＵとして、シリコンウエハーを用いた。

ヒーター５によってサセプタ４に熱を印加するとともに、モーター６によってサセプタ４を中心軸回りに回転させて、排気装置９により炉１の内圧を所定の値に保持する。サセプタ４上の表面温度は７００℃、サセプタ４の回転速度は１０００ｒｐｍ、炉１の内圧は５０Ｔｏｒｒとした。そして、ウエハＵを、結晶成長温度まで加熱した。

次に、冷却管８に水をガス噴出板３の外周から中心に向けて流入し、中心から外周に向けて流出する動作を繰り返し継続して行なった。

サセプタ４上の温度分布並びに炉１内の内圧が安定した後、ガス噴出箇所７から混合ガスをサセプタ４上のウエハＵに向けて噴出した。原料ガスとしてはＴＭＧ及びアルシンを用い、反応ガスとしてはバッファガスとした水素を用いた。成膜時間は６０分とした。

そして、ウエハＵ上まで到達した混合ガスは、イオン及びその他の活性種に熱分解されて、ウエハＵを構成する元素と次々と熱化学反応を起こし結晶化し、ウエハＵ上にＧａＡｓ（ガリウム砒素）を生成した。

以下では、上記実施形態に係る構成の変形例について説明する。なお、上述の図１に示す構成や製造方法については、同一の参照符号を付して説明を省略し、異なる箇所について説明する。

冷却管８の形状は、ガス噴出板３の中央を素早く冷却し、冷媒との接触面積を増やすのであれば、図２（ａ）に示すように、流入口８ａ’及び流出口８ｂ’が広がっている形状ものや、図２（ｂ）に示すように、流出部８ｂが屈曲して蛇行しているものであっても構わない。

また、図３（ａ）に示すように、ガス噴出箇所７は、流入部８ａに沿って形成することができる。この場合、ガス噴出箇所７が噴出する混合ガスを流入部８ａ内に流れはじめた冷媒によって、十分に冷却することができ、ガス噴出板３の近傍で混合ガスが熱化学反応を起こすのを有効に抑制することができる。つまり、ガス噴出箇所７を、流入部８ａの近傍に形成したことによって、ガス噴出板３の中央を冷却させる冷えた状態の冷媒を利用し、冷却した混合ガスをガス噴出箇所７から噴出することができる。その結果、ガス噴出板３の近傍にて混合ガスが熱化学反応を起こすのを防止できる。

また、図３（ｂ）に示すように、ガス噴出箇所７の形状は、矩形であっても構わない。ガス噴出箇所７の形状を矩形とすることによって、ガス噴出箇所７に蓄積する堆積物が完全にガス噴出箇所７を遮蔽することがなく、十分な量の混合ガスを噴出することができ、メンテナンスの頻度を低減させるとともに、ウエハＵ上に形成される結晶の膜厚も均一なものとすることができる。その結果、製造歩留りを向上させるとともに、結晶の品質を良好に維持することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において、種々の変更・改良が可能であることはいうまでもない。

本発明の結晶成膜装置の一例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。本発明の冷却管の一例を示し、（ａ）は流入口及び流出口が広がっているものの平面図、（ｂ）は流出部が屈折しているものの平面図である。実施形態に係るガス噴出板の変形例であって、（ａ）はガス噴出箇所が流入部に沿って形成された平面図、（ｂ）はガス噴出箇所が矩形である平面図である。

符号の説明

１炉
２加熱板
３ガス噴出板
４サセプタ
５ヒーター
６モーター
７ガス噴出箇所
８冷却管
８ａ流入部
８ｂ流出部
９排出装置

Claims

加熱板と、前記加熱板上であって前記加熱板に対して対向配置したガス噴出板とを備え、
ガスを前記加熱板に噴出し、前記加熱板上に結晶を成膜する結晶成膜装置において、
前記ガス噴出板は、熱を吸収する冷媒を前記ガス噴出板の外側から中央側へ流入する流入部と、前記流入部と接続されるとともに冷媒を中央側から外側へ流出する流出部とを有する冷却管を備えており、
平面視において前記冷却管の中心を通る線を中心線とし、前記ガス噴出板の中心を中心点として、前記中心点から前記中心線に向かって下ろした垂線を、前記流入部と前記流出部の境界とすると、前記流入部と冷媒が接する接触面積は、前記流出部と冷媒が接する接触面積よりも小さくなっており、
前記ガス噴出板は複数の領域に分割されており、前記冷却管が前記各領域に設けられていることを特徴とする結晶成膜装置。
請求項１に記載の結晶成膜装置において、
前記冷却管は、前記流出部が前記流入部から分岐して二股に形成されており、それぞれの前記流出部は前記流入部に沿って配置されていることを特徴とする結晶成膜装置。
請求項１に記載の結晶成膜装置において、
前記冷却管は、前記流入部から前記流出部へ分岐していることを特徴とする結晶成膜装置。
請求項３に記載の結晶成膜装置において、
前記流出部は、前記流入部の両側に配置されていることを特徴とする結晶成膜装置。
板体と、
前記板体に形成された複数のガス噴出孔と、
前記板体に形成され、熱を吸収する冷媒を前記板体の外側から中央側へ流入する流入部と、前記流入部と接続されるとともに冷媒を中央側から外側へ流出する流出部とを有する冷却管とを備え、
平面視において前記冷却管の中心を通る線を中心線とし、前記ガス噴出板の中心を中心点として、前記中心点から前記中心線に向かって下ろした垂線を、前記流入部と前記流出部の境界とすると、前記流入部と冷媒が接する接触面積は、前記流出部と冷媒が接する接触面積よりも小さくなっており、
前記ガス噴出板は複数の領域に分割されており、前記冷却管が前記各領域に設けられていることを特徴とするガス噴出板。
請求項５に記載のガス噴出板において、
前記冷却管は、前記流出部が前記流入部から分岐して二股に形成されており、それぞれの前記流出部は前記流入部に沿って配置されていることを特徴とするガス噴出板。
請求項５に記載のガス噴出板において、
前記冷却管は、前記流入部から前記流出部へ分岐していることを特徴とするガス噴出板。
請求項７に記載のガス噴出板において、
前記流出部は、前記流入部の両側に配置されていることを特徴とするガス噴出板。
ウエハと、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の結晶成膜装置とを準備する工程と、
前記加熱板上に前記ウエハを設置する工程と、
前記加熱板を熱するとともに、前記冷却管に冷媒を流すことで前記ガス噴出板を冷却する工程と、
前記ウエハ上にガスを噴出し結晶を成膜する工程と、
を備えたことを特徴とする結晶膜の製造方法。