JP4980672B2

JP4980672B2 - 気相成長装置

Info

Publication number: JP4980672B2
Application number: JP2006226733A
Authority: JP
Inventors: 晃山口; 祐一郎北村
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2006-08-23
Filing date: 2006-08-23
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2026-08-23
Also published as: JP2008053360A

Description

本発明は、フローチャンネルを収納したチャンバーに、基板面を光学的に観測するためのビューポートを備えた気相成長装置に関し、特に、有機金属系半導体薄膜、特に窒化物系有機金属系半導体膜を基板面に成長させる横型の気相成長装置に関する。

気相成長装置として、気相成長中における基板面の温度や反り、成長中の薄膜の膜厚や組成等を光学的機器によって観察、測定するため、チャンバーの天板部に耐腐食性・耐熱性を有する石英ガラスを嵌め込んだ観察窓（ビューポート）を設けたものが知られており、このビューポートの内面に反応生成物等が付着して曇ることを防止するためにパージガスを流通させたり、基板温度測定時の熱的影響を回避するためにビューポートの一部を熱反射率の低い材料で遮蔽したりしている（例えば、特許文献１参照。）。

また、光エネルギーを利用する光励起型の気相成長装置として、光導入窓を有する外部管の内部に光導入穴（通孔）を有する内部管を収納した二重管構造の反応管を使用し、内部管の内側に原料ガスを流し、外部管と内部管との間にキャリアガス（パージガス）を流し、光導入穴の近傍で原料ガスとキャリアガスとの流速を略等しくすることにより、光導入穴を通して内部管内から原料ガスが流出することを防止し、これによって光導入窓の内面に反応生成物が付着して曇りを生じることを防止することが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００１−６８４１５号公報特開昭６２−１８８２１８号公報

特許文献１に記載された構成と特許文献２に記載された構成とを組み合わせれば、フローチャンネル内面に付着する反応生成物による悪影響を通孔を設けることによって解決できるとともに、通孔の外部側にキャリアガスを略等速で流して原料ガスの流出を防止することによってビューポート内面に反応生成物が付着することを防止できる。

しかし、特許文献２に記載されているような二重管構造では、キャリアガス（パージガス）が流れる流路の断面積が大きくなり、大量のキャリアガスを流す必要があり、キャリアガス自体のコストだけでなく、排気ポンプも大容量のものが必要になる。さらに、基板をサセプタにより保持して回転させるととともに、サセプタ裏面に設けたヒーターによって基板を加熱する横型の気相成長装置では、反応管やヒータ部分、サセプタ支持部分等の構造が複雑になり、装置コストが大幅に上昇してしまう。

また、薄膜を常圧に近い圧力で成膜する場合、チャンバー内のガスの気流で、光線、例えばレーザー光が揺らぎ、基板面を正確に観測できなくなることがあった。例えば、成膜中の基板面の高さや回転による揺れは、適当な角度で基板面に照射したレーザー光を反射位置で測定することによって行われるが、気流によってレーザー光が揺らぐとノイズが大きくなり、測定が不可能になることがあった。

そこで本発明は、ビューポート内面への反応生成物の付着を効率よく防止することができ、気流の影響を抑制してレーザー光等による光学的な観察、測定を確実に行うことができる気相成長装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の気相成長装置は、チャンバーと、該チャンバー内に配置されたフローチャンネルと、該フローチャンネル内に設置された基板と、該基板を加熱する加熱手段と、前記フローチャンネル内に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、前記チャンバーに設けられたビューポートとを備えた気相成長装置において、前記フローチャンネルの基板対向壁に、前記ビューポートを介して基板面を光学的に観測する際の光路となる通孔を設け、該通孔を設けたフローチャンネル壁外面とビューポートのチャンバー内側部との間にパージガス流路を設けるとともに、該パージガス流路内に、前記フローチャンネル内を流れる原料ガスの流れ方向と同一方向で、実質的に同一速度、同一圧力で、かつ、層流状態でパージガスを流すためのパージガス導入手段を設けたことを特徴としている。

さらに、本発明の気相成長装置は、前記ビューポートをフローチャンネル壁外面近傍に配置したこと、前記ビューポートが前記反応ガスの流れ方向下流側に位置していることを特徴としている。

また、前記パージガス流路は、前記フローチャンネル壁外面に立設した一対の側板と、両側板の上流側を閉塞する端板と、該端板及び両側板の反フローチャンネル側を覆う覆い板とで形成され、前記端板にパージガス導入部を設けるとともに、両側板の下流側を開口させて排気口を形成したことを特徴としている。

さらに、前記覆い板が前記ビューポートを介して基板面を光学的に観測する際の光路となる通孔を有していること、前記覆い板がビューポートのチャンバー内部側先端部外周を覆う環状突起あるいはビューポートのチャンバー内部側先端部が貫通する貫通孔を有していることを特徴としている。

本発明の気相成長装置によれば、フローチャンネルに通孔を設けることによってフローチャンネル内面に反応生成物が付着しても、基板面の光学的観測を確実に行うことができるとともに、特定の条件でパージガスを流すことにより、少ないパージガス量で原料ガスや反応生成物が通孔からビューポート側へ流出することを防止でき、ビューポート内面に反応生成物等が付着して曇ることを防止できるとともに、パージガスがフローチャンネル内に流入して成膜中の薄膜に悪影響を及ぼすことを防止できる。

また、基板対向壁にのみパージガス流路を設けているので、パージガス量を少なくでき、パージガス自体のコスト低減を図れ、排気ポンプの小型化によって装置コストも低減できる。さらに、基板を保持するサセプタや基板を加熱するためのヒーター等の配置を従来の一般的な横型気相成長装置と同様にして行うことができ、装置コストの上昇を抑えることができる。

図１乃至図３は、本発明の気相成長装置の第１形態例を示すもので、図１は要部の断面図、図２は図１のII−II断面図、図３は図１のIII−III断面図である。

基板１１は、サセプタ１２の上面に基板面を水平方向に向けて複数枚が同心円上に保持され、フローチャンネル１３の所定位置に配置される。フローチャンネル１３等は、密閉状態のチャンバー１４内に収納されており、該チャンバー１４の一端に設けられた反応ガス導入口からフローチャンネル１３内に反応ガスＡが基板面と平行な方向に層流状態で導入され、基板面を通過したガス（排ガスＢ）は、フローチャンネル１３に連設した排気部１５から排出される。

前記サセプタ１２の下方には、箱状のリフレクター１６に収容されたヒーター１７が設けられており、このヒーター１７によりサセプタ１２を介して基板１１を所定温度に加熱する。また、サセプタ１２は、支持軸１８によって支持されており、この支持軸１８でサセプタ１２を回転させることにより、基板１１を回転させて基板上に形成する薄膜の膜厚を平均化させるようにしている。

前記チャンバー１４の天板部１４ａにおけるサセプタ１２の中心より反応ガス流れ方向下流側にはビューポート用開口１４ｂが設けられており、このビューポート用開口１４ｂには、ビューポート２０を形成する窓部材２１が嵌め込まれている。この窓部材２１は、円盤状の透光性材料、例えば、耐腐食性・耐熱性を有する石英ガラスからなるもので、外周部下面をシール材２２によって天板部１４ａの上面に気密にシールした状態で、止着部材２３によって着脱可能に固定されている。

また、前記フローチャンネル１３の基板対向壁（上部壁）１３ａには、ビューポート２０の中心部に対応した位置に通孔１３ｂが設けられており、上部壁１３ａの外面とビューポート２０のチャンバー１４内部側との間には、通孔１３ｂを囲むようにしてパージガス流路２４が設けられている。

このパージガス流路２４は、前記フローチャンネル１３の上部壁１３ａの上面に、フローチャンネル１３内の反応ガスの流れ方向に対して平行な方向に所定間隔で立設した一対の側板２４ａ，２４ａと、両側板２４ａ，２４ａの上流側を閉塞するパージガス流れ方向下流側が拡がった略Ｖ字状の端板２４ｂと、該端板２４ｂ及び両側板２４ａ，２４ａの上部、反フローチャンネル側を覆う覆い板２４ｃとで高さ方向が数ｍｍ乃至１０ｍｍ程度の偏平な形状に形成されており、前記端板２４ｂの幅方向中心にはパージガス導入部２４ｄが設けられるとともに、両側板２４ａ，２４ａの下流側が開口して排気口２４ｅが形成され、覆い板２４ｃには、前記通孔１３ｂに対応した通孔２４ｆが設けられている。

パージガス流路２４を流れるパージガスＰは、流量調節機能及び圧力調整機能を備えたパージガス導入手段２５からパージガス導入部２４ｄを通って所定圧力、所定流量でパージガス流路２４内に導入され、排気口２４ｅから流出し、フローチャンネル１３の排気部１５から排出される排ガスＢと合流して、あるいはそれぞれ単独で排気ポンプ２６に吸引され、除害設備等に送られる。

ここで、前記パージガス流路２４を流れるパージガスＰは、フローチャンネル１３内を基板１１の上面と平行な方向に層流状態で流れる反応ガスに対して、流れ方向が同一方向、実質的に同一速度、同一圧力で、かつ、層流状態で流れるように設定され、前記パージガス流路２４の流路断面形状や流路断面積は、これらの条件を満たすことができるように設定される。

なお、パージガス流路２４内を流れるパージガスの流速及び圧力は、フローチャンネル１３内を流れる反応ガスの流速及び圧力に対して同一であることが望ましいが、両ガスの条件、フローチャンネル１３及びパージガス流路２４の形状、フローチャンネル１３に設けた通孔１３ｂの形状や位置によってパージガスの流速や圧力には適正な範囲が存在する。例えば、パージガスの流速や圧力が反応ガスの流速や圧力より低く、フローチャンネル１３内の反応ガスが通孔１３ｂを通ってパージガス流路２４に流出しても、パージガスに同伴されて速やかに排出され、パージガス流路２４の覆い板２４ｃやビューポート２０にまで至らない状態ならば、基板面の光学的観測及び成膜に影響を与えることはない。

逆に、パージガスの流速や圧力が反応ガスの流速や圧力より高くてパージガスがフローチャンネル１３内に流入する条件でも、パージガスが基板面に達することがなく、また、パージガスが反応ガスの流れを大きく乱すことがなければ、薄膜の膜厚分布や膜質に影響を与えることはない。さらに、通孔１３ｂをサセプタ１２の中心より下流側に設けることにより、フローチャンネル１３からの反応ガスの流出や、フローチャンネル１３内へのパージガスの流入による影響をより少なくすることができる。

また、ビューポート２０をフローチャンネル１３に近付けることによって両者間の空間を小さくできるので、熱対流等の気流の発生を抑えることができ、測定光の揺らぎを防止して正確な観察、測定を行うことができる。さらに、パージガス流路２４内のパージガスの流れを層流状態とすることにより、乱流状態のときに比べて気流による光の揺らぎを抑えることができ、より精密な測定を行うことができる。

図４は、本発明の気相成長装置の第２形態例を示す要部の断面図である。なお、以下の説明において、前記第１形態例に示した各構成要素と同一の構成要素には、それぞれ同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本形態例は、フローチャンネル１３の周囲の機器の関係で、チャンバー１４の天板部１４ａをある程度高くしなければならない場合の一対応例を示している。すなわち、天板部１４ａにおけるサセプタ１２に対する所定位置に凹状部１４ｃを形成し、この凹状部１４ｃの底部にビューポート用開口１４ｂを設けてビューポート部材２１を取り付けることにより、ビューポート２０を天板部１４ａより下方に下げてフローチャンネル１３の外面近傍に位置させている。

このようにして、ビューポート２０をフローチャンネル１３の外面近傍に位置させることにより、パージガス流路２４を、前記第１形態例と同様に高さ方向を偏平に形成して流路断面積を小さくできるとともに、チャンバー１４内のガスの気流に影響されずに基板１１の状態を外部から光学的に観測することができる。

なお、第１、第２形態例では、パージガス流路２４の反フローチャンネル側に覆い板２４ｃを設けているが、この覆い板２４ｃを省略してチャンバー１４の天板部１４ａを覆い板として兼用することも可能である。

図５は、本発明の気相成長装置の第３形態例を示す要部の断面図である。本形態例は、前記第２形態例と同様に、フローチャンネル１３とチャンバー１４の天板部１４ａとが離れている場合の対応例を示している。本形態例では、チャンバー１４の天板部１４ａは平板状のままとし、ビューポート用開口１４ｂに、チャンバー１４内に突出する円柱状の胴部３１ａと、天板部１４ａに固定される上端部のフランジ３１ｂとを有する縦断面がハット状の中実の透光性材料からなるビューポート部材３１を取り付けている。チャンバー１４内に突出した胴部３１ａの先端部は、パージガス流路２４の覆い板２４ｃに形成した貫通孔２４ｇを貫通し、先端面３１ｃはフローチャンネル１３の上部壁１３ａの近傍まで達している。

図６は、本発明の気相成長装置の第４形態例を示す要部の断面図である。本形態例は、前記第３形態例における中実のビューポート部材３１に代えて、ビューポート用開口１４ｂに装着される円盤状の窓部材３２と、この窓部材３２の下方に連設される中空部材３３とを設けている。中空部材３３は、石英ガラス等の透光性部材からなるパイプ状部材３３ａの両端開口を円盤状部材３３ｂによってそれぞれ気密に閉塞するとともに、中空部材３３の中空部を真空排気するための排気管３４を設けたものであって、中空部材３３の内部は、気流が光学的観測に影響を与えない程度に真空排気されて真空状態に保持されている。なお、中空部材３３の内部を所定の真空度まで排気した後、排気管３４を封じきるようにしてもよい。

本形態例においても、チャンバー１４内に突出した中空部材３３の先端部は、パージガス流路２４の覆い板２４ｃに形成した貫通孔２４ｆを貫通し、先端面３３ｃはフローチャンネル１３の上部壁１３ａの近傍まで達している。

第３，第４形態例では、ビューポート部材３１や中空部材３３の先端部がパージガス流路２４内に突出していることから、この部分で流路高さが低くなって流路断面積が小さくなるので、周辺部とは流速等が異なることになるが、フローチャンネル１３の通孔１３ｂの位置で前述の条件を満たすようにパージガスを流せばよい。また、ビューポート部材３１の先端面３１ｃや中空部材３３の先端面３３ｃを覆い板２４ｃの下面と面一にすることにより、流路断面積の変化をなくすことができる。

図７は、本発明の気相成長装置の第５形態例を示す要部の断面図である。本形態例に示すビューポート部材４１は、下方が縮径した円錐形の筒状部４１ａと、該筒状部４１ａの上部開口を気密に閉塞する円盤状の窓部材４１ｂと、筒状部４１ａの下部開口を気密に閉塞する円盤状の先端部材４１ｃとで形成された中空状のものであって、先端部材４１ｃは、基板１１の表面に対して傾斜した状態となっている。また、ビューポート部材４１内の中空部は、真空ポンプによって真空排気した後、封じ切りを行って真空状態としている。

このビューポート部材４１は、チャンバー１４のビューポート用開口１４ｂを囲むようにして設けられた気密性蛇腹部材４２を介してチャンバー１４の天板部１４ａに取り付けられている。気密性蛇腹部材４２は、蛇腹部４２ａの両端開口部に取付フランジ４２ｂをそれぞれ有するものであって、下部の取付フランジ４２ｂをシール材４２ｃを介して天板部１４ａの上面に固定し、上部の取付フランジ４２ｂにシール材４２ｃを介して窓部材４１ｂの外周を載置し、窓部材４１ｂの上面を覆う蓋部材４３を上部の取付フランジ４２ｂに固定することにより、ビューポート部材４１がチャンバー１４に取り付けられている。

このように、気密性蛇腹部材４２を介してビューポート部材４１をチャンバー１４に装着することにより、蛇腹部４２ａの変形を利用してチャンバー１４に対するビューポート部材４１の取付位置を前後、左右、上下の各方向及び取付角度を調節可能としている。また、ビューポート部材４１の先端部材４１ｃは、パージガス流路２４の覆い板２４ｃの上面に近接しており、覆い板２４ｃの上面には、ビューポート部材４１の先端外周を覆う環状突起２４ｈが設けられている。

前記蓋部材４３には、入射光用通孔４３ａ及び反射光用通孔４３ｂの二つの通孔が設けられており、入射光用通孔４３ａからレーザー光Ｌａを基板１１の表面に向けて照射し、基板表面で反射した光Ｌｂの状態を反射光用通孔４３ｂの外部で受光するように形成されている。このように反射光を利用する場合、先端部材４１ｃを基板表面に対して僅かに傾斜させておくことにより、先端部材４１ｃで反射した光と基板表面で反射した光とを分離することができ、基板表面からの反射光のみを確実に受光することができる。なお、傾斜方向は任意であるが、入射光や反射光と垂直に交わらない方向にすることが好ましい。

また、ビューポート部材４１の先端外周を覆う環状突起２４ｈを設けておくことにより、パージガス流路２４内を流れるパージガスが通孔２４ｆから先端部材４１ｃ部分を通ってチャンバー１４内へ流れたり、逆にチャンバー１４内のガスが先端部材４１ｃ部分に流入したりすることを防止できる。なお、パージガス流路２４の通孔２４ｆは設けなくてもよく、パージガス流路２４の覆い板２４ｃと先端部材４１ｃとを一体的に形成することも可能である。さらに、ビューポート部材４１をチャンバー１４に装着する手段は、前記気密性蛇腹部材に限るものではなく、使用環境に耐えられるものならば任意の材質で形成された任意の位置調整機構を採用することができ、ビューポート部材４１を所定位置に保持する手段は、ボルトを利用するなど、任意の保持手段を採用できる。

各形態例において、パージガスの種類は任意であり、この種の装置で通常パージガスとして用いられている窒素、水素、アルゴン等を使用することができる。また、ビューポートを設ける位置は、基板表面の状態を観察したり、測定したりできる範囲で任意に選択できるが、通孔によって反応ガスの流れに乱れが生じることを抑えるため、できるだけ反応ガスの流れ方向下流側に配置することが好ましい。また、測定機器への熱的影響を避けるため、ビューポートの外側あるいは内側に赤外線反射膜を設けることもできる。

第１形態例に示す構成の気相成長装置において、フローチャンネル１３の上部壁１３ａに直径５ｍｍの通孔１３ｂを設けるとともに、内法高さが８ｍｍのパージガス流路２４を設けた。パージガス流路２４には、通孔１３ｂの位置において、フローチャンネル１３内の反応ガスと等しい流速、圧力となるようにパージガスとして水素を流した。

フローチャンネル１３内に、反応ガスとして水素、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニアを導入し、バッファ層の形成された２インチ径サファイア基板を１０ｒｐｍで回転させながら１１００℃に加熱してＧａＮ膜を成長した。このとき、ビューポート２０の外部に放射温度計を設置し、基板１１の温度を測定した。サセプタ裏に設置した温度調整用熱電対の温度が１１００℃一定で１時間成膜した後、ビューポート２０の内面を観察したが付着物は見られず、放射温度計の測定温度も１０８０℃で安定していた。また、成膜したＧａＮの膜厚分布はΔ５％であり、フローチャンネルに通孔を設けない場合と同程度であった。ホール測定での不純物レベルも７×１０^１５／ｃｍ^３程度で変化は無かった。

本発明の気相成長装置の第１形態例を示す要部の断面図である。図１のII−II断面図である。図１のIII−III断面図である。本発明の気相成長装置の第２形態例を示す要部の断面図である。本発明の気相成長装置の第３形態例を示す要部の断面図である。本発明の気相成長装置の第４形態例を示す要部の断面図である。本発明の気相成長装置の第５形態例を示す要部の断面図である。

符号の説明

１１…基板、１２…サセプタ、１３…フローチャンネル、１３ａ…上部壁、１３ｂ…通孔、１４…チャンバー、１４ａ…天板部、１４ｂ…ビューポート用開口、１４ｃ…凹状部、１５…排気部、１６…リフレクター、１７…ヒーター、１８…支持軸、２０…ビューポート、２１…窓部材、２２…シール材、２３…止着部材、２４…パージガス流路、２４ａ…側板、２４ｂ…端板、２４ｃ…覆い板、２４ｄ…パージガス導入部、２４ｅ…排気口、２４ｆ…通孔、２４ｇ…貫通孔、２４ｈ…環状突起、２５…パージガス導入手段、２６…排気ポンプ、３１…ビューポート部材、３１ａ…胴部、３１ｂ…フランジ、３１ｃ…先端面、３２…窓部材、３３…中空部材、３３ａ…パイプ状部材、３３ｂ…円盤状部材、３３ｃ…先端面、３４…排気管、４１…ビューポート部材、４１ａ…筒状部、４１ｂ…窓部材、４１ｃ…先端部材、４２…気密性蛇腹部材、４２ａ…蛇腹部、４２ｂ…取付フランジ、４２ｃ…シール材、４３…蓋部材、４３ａ…入射光用通孔、４３ｂ…反射光用通孔

Claims

チャンバーと、該チャンバー内に配置されたフローチャンネルと、該フローチャンネル内に設置された基板と、該基板を加熱する加熱手段と、前記フローチャンネル内に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、前記チャンバーに設けられたビューポートとを備えた気相成長装置において、前記フローチャンネルの基板対向壁に、前記ビューポートを介して基板面を光学的に観測する際の光路となる通孔を設け、該通孔を設けたフローチャンネル壁外面とビューポートのチャンバー内側部との間にパージガス流路を設けるとともに、該パージガス流路内に、前記フローチャンネル内を流れる原料ガスの流れ方向と同一方向で、実質的に同一速度、同一圧力で、かつ、層流状態でパージガスを流すためのパージガス導入手段を設けたことを特徴とする気相成長装置。
前記ビューポートをフローチャンネル壁外面近傍に配置したことを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
前記ビューポートが前記反応ガスの流れ方向下流側に位置していることを特徴とする請求項１又は２記載の気相成長装置。
前記パージガス流路は、前記フローチャンネル壁外面に立設した一対の側板と、両側板の上流側を閉塞する端板と、該端板及び両側板の反フローチャンネル側を覆う覆い板とで形成され、前記端板にパージガス導入部を設けるとともに、両側板の下流側を開口させて排気口を形成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の気相成長装置。
前記覆い板は、前記ビューポートを介して基板面を光学的に観測する際の光路となる通孔を有していることを特徴とする請求項４記載の気相成長装置。
前記覆い板は、ビューポートのチャンバー内部側先端部外周を覆う環状突起を有していることを特徴とする請求項４又は５記載の気相成長装置。
前記覆い板は、ビューポートのチャンバー内部側先端部が貫通する貫通孔を有していることを特徴とする請求項４記載の気相成長装置。