JP5018708B2 - 気相処理装置、気相処理方法および基板 - Google Patents

気相処理装置、気相処理方法および基板 Download PDF

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Description

この発明は、気相処理装置、気相処理方法および基板に関し、より特定的には、従来より処理速度を向上させることが可能な気相処理装置、気相処理方法および基板に関する。
従来、基板などの処理対象物の表面に膜を形成するといった処理を行なうための気相処理装置が知られている(たとえば、特開2005−005594号公報(以下、特許文献1と呼ぶ)参照)。特許文献1のたとえば図1などに開示された気相処理装置では、処理室(チャンバー)の内部に配置された処理対象物(基板)と対向する位置(処理室の上壁)に複数の整流ガス吹出し部が形成されている。そして、当該整流ガス吹出し部から整流ガスが処理室の内部に供給されることにより、処理室の壁面に反応ガス(原料ガス)による副生成物に起因するコンタミネーションの発生を防止するとともに、基板面内の成膜速度および形成される膜の組成の均一性を保つことができるとしている。
特開2005−005594号公報
しかし、上述した従来の気相処理装置では、以下のような問題があった。すなわち、整流ガス吹出し部が設置された処理室の上壁の構造は予め決定された一定の形状を有している。また、特許文献1の図1に示された装置では、複数の整流ガス吹出し部には共通のガス供給源から整流ガスが供給され、整流ガス吹出し部ごとに個別に流量などを制御することはできない。一方、処理対象物の表面に対する処理の種類が異なれば(たとえば成膜処理において成膜する膜の材質が異なれば)成膜条件も異なってくるため、整流ガス吹出し部から供給される整流ガスの流量や分布などの最適条件も異なってくる。ところが、このような処理の種類が変更された場合には、上述した従来の気相処理装置では、整流ガスの流量な流速分布などを処理の種類に応じて最適化することが困難であった。このため、基板面内の成膜速度および形成される膜の組成の均一性など、処理の質(たとえば形成される膜の品質)を良好に保つことが難しかった。
この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、この発明の目的は、異なる処理を行なう場合においても、当該処理の質を良好に維持することが可能な気相処理装置および気相処理方法を提供することである。
また、この発明のもう一つの目的は、上記気相処理方法を用いることで、均一性などに優れた処理を施された高品質の基板を提供することである。
この発明に従った気相処理装置は、処理室と、パージガスを供給するための複数のガス導入部と、ガス供給部と、サセプタとを備える。処理室は反応ガスを流通させる。複数のガス導入部は、処理室の壁面において、反応ガスの流通方向に沿って形成される。ガス供給部は、複数のガス導入部において、一のガス導入部と、当該一のガス導入部と異なる他のガス導入部とのそれぞれから異なる流量でパージガスを処理室の内部に供給可能である。サセプタは、処理室の内部に配置される処理対象物を搭載する。ガス導入部は、反応ガスの流通方向に対して交差する幅方向においても処理室の壁面に複数形成される。ガス供給部は、幅方向において壁面に形成された複数のガス導入部における一のガス導入部と、一のガス導入部と幅方向において異なる位置に形成された別のガス導入部とのそれぞれから異なる流量でパージガスを処理室の内部に供給可能となっている。さらに、複数のガス導入部は、一のガス導入部および他のガス導入部と反応ガスの流通方向に沿って形成されたもう1つのガス導入部を含む。ガス供給部は、一のガス導入部、他のガス導入部およびもう1つのガス導入部のそれぞれから異なる流量でパージガスを処理室の内部に供給可能である。反応ガスの流通方向における一のガス導入部と他のガス導入部との間の第1境界部は、複数のガス導入部からパージガスを処理室の内部に供給しない状態で反応ガスによる気相処理を行なったときの処理速度の、反応ガスの流通方向における変化率がサセプタの上流側と下流側との間で変化する変化点となる位置を含むように配置される。反応ガスの流通方向における一のガス導入部ともう1つのガス導入部との間の第2境界部は、反応ガスの流通方向におけるサセプタの上流側の端部と第1境界部との間の位置に配置される。
このようにすれば、ガス供給部により、複数のガス導入部について局所的にガスの供給量を変更することができるので、処理の種類などに応じてガス導入部から処理室に供給されるガスの供給状態(より具体的には処理室内部でのガスの流通状態)を任意に変更することができる。このため、処理の種類に応じて、ガス導入部から供給されるガスの供給状態を最適化することで、処理の均一性といった処理品質を向上させることができる。
この発明に従った気相処理方法は、処理室の内部に処理対象物を配置する工程と、処理室の内部に反応ガスを供給して処理対象物に対する処理を行なう工程とを備える。処理を行なう工程では、処理室の壁面において反応ガスの流通方向に沿って形成されたパージガスを供給するための複数のガス導入部における一のガス導入部と、当該一のガス導入部と異なる他のガス導入部とのそれぞれから異なる流量でパージガスが供給されている。ガス導入部は、反応ガスの流通方向に対して交差する幅方向においても処理室の壁面に複数形成される。処理を行なう工程では、幅方向において壁面に形成された複数のガス導入部における一のガス導入部と、一のガス導入部と幅方向において異なる位置に形成された別のガス導入部とのそれぞれから異なる流量でパージガスが供給される。さらに、処理を行なう工程において、処理対象物はサセプタ上に搭載される。複数のガス導入部は、一のガス導入部および他のガス導入部と反応ガスの流通方向に沿って形成されたもう1つのガス導入部を含む。反応ガスの流通方向における一のガス導入部と他のガス導入部との間の第1境界部は、複数のガス導入部からパージガスを処理室の内部に供給しない状態で反応ガスによる気相処理を行なったときの処理速度の、反応ガスの流通方向における変化率がサセプタの上流側と下流側との間で変化する変化点となる位置を含むように配置される。反応ガスの流通方向における一のガス導入部ともう1つのガス導入部との間の第2境界部は、反応ガスの流通方向におけるサセプタの上流側の端部と第1境界部との間の位置に配置される。処理を行なう工程では、1のガス導入部と他のガス導入部ともう1つのガス導入部とのそれぞれから異なる流量でパージガスが供給されている。
このようにすれば、全てのガス導入部から同じ流量でガスが処理室内部に供給される場合に比べて、処理の種類などに応じてガス導入部から処理室に供給されるガスの供給状態(より具体的には処理室内部でのガスの流通状態)を変更することができる。このため、処理の種類に応じて、ガス導入部から供給されるガスの供給状態を最適化することで、処理の均一性といった処理品質を向上させることが可能になる。
この発明に従った基板は、上記気相処理方法を用いて製造された基板である。このようにすれば、基板に対して、均一な処理を行なうことになるので、基板表面層(たとえば基板表面に形成された膜)の品質が良好な基板を得ることができる。
上述のように、本発明によれば、処理の種類に応じて、ガス導入部から供給されるガスの供給状態を最適化することで、処理の均一性といった処理品質を向上させることができ、結果的に優れた品質の基板を得ることができる。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
(実施の形態1)
図1は、本発明に従った気相処理装置の実施の形態1を示す断面模式図である。図2は、図1の線分II−IIにおける断面模式図である。図1および図2を参照して、本発明による気相処理装置の実施の形態1を説明する。
図1および図2に示すように、気相処理装置1は、気相成長装置であって、処理室4と、処理室4の底壁5に形成された開口部7の内部に位置するサセプタ2と、反応ガス供給部材9と、ガス排気部材10と、ヒータ16と、処理室4の内部にパージガスを供給するためのガス供給部とを備える。このガス供給部は、具体的にはガス供給部材38と、当該ガス供給部材38に接続された配管37と、この配管37に接続された流量制御装置36と、流量制御装置36から配管33〜35を介してガス(パージガス)を供給されるバッファ室23〜25とによって構成される。このバッファ室23〜25の内部から処理室4の内部へとガスを供給するために、処理室の上壁6には複数のガス導入部としてのガス供給口13〜15が形成されている。
処理室4は、その断面形状が矩形状であり、底壁5には平面形状が円形状の開口部7が形成されている。この開口部7の内部に位置するように、サセプタ2が配置されている。サセプタ2の平面形状は円形状である。サセプタ2はその上部表面上に処理対象物である基板8を搭載する。また、サセプタ2の裏面(基板8を搭載する表面と反対側の面)の中央部には、回転軸3が接続されている。サセプタ2は、回転軸3を中心して回転可能になっている。回転軸3は、図示しないモータなどの回転駆動源に接続されている。
反応ガス供給部材9は、処理室4の内部に成膜処理などを行なうための反応ガス(原料ガス)や雰囲気ガスを供給する。なお、気相処理装置1が成膜処理以外の処理(たとえばエッチング処理など)を行なう場合には、当該処理に用いられるガスが反応ガス供給部材9から処理室4へ供給される。また、ガス排気部材10は、処理室4の内部から成膜処理などの反応が終わった後のガスを排気する。
処理室4の上壁6には、矢印11、12に示す反応ガスの流れ方向に沿った方向、および当該反応ガスの流れる方向と交差する方向(具体的には反応ガスの流れる方向に対して垂直な方向である処理室4の幅方向)において、所定の間隔で複数並ぶように形成されたガス供給口13〜15が形成されている。別の観点からいえば、ガス供給口13〜15は、処理室4の上壁6において、マトリックス状に配置されている。
そして、これらのガス供給口13〜15のうち、最も反応ガスの流れる方向の上流側に位置する複数のガス供給口13上に位置する部分にはバッファ室23が形成されている。また、ガス供給口13から見て反応ガスの流れる方向における下流側に位置する複数のガス供給口14上に第2のバッファ室24が形成されている。そして、ガス供給口14から見て反応ガスの流れる方向の下流側に位置する複数のガス供給口15上に、第3のバッファ室25が形成されている。バッファ室23〜25は、それぞれ図2に示すように処理室4の幅方向における長さとほぼ同じ幅を有する。このため、処理室4の幅方向(反応ガスの流れる方向と交差する方向)に並んだガス供給口14は、すべて同じバッファ室25に接続されている。また、他のガス供給口13、15についても、幅方向に並んだ(隣接する)ガス供給口13、15はそれぞれ同じバッファ室23、25に接続される。このバッファ室23〜25には、上述したように配管33〜35を介してそれぞれ流量制御装置36が接続されている。この流量制御装置36には、それぞれ配管37を介してガス供給部材38が接続されている。
ガス供給部材38は、配管37、流量制御装置36、配管33〜35、バッファ室23〜25およびガス供給口13〜15を介して、処理室4内部に、上壁6側から供給されるパージガスの供給源である。なお、パージガスとしては任意のガスを用いることができるが、たとえば窒素ガスや水素ガスなどを用いてもよい。また、ガス供給部材38では、パージガスとして1種類のガスを供給してもよいが、2種以上の複数種類のガスを混合した混合ガスをパージガスとして供給してもよい。
ここで、各バッファ室23〜23に接続されているこの流量制御装置36は、それぞれ独立してバッファ室23〜25へ供給されるガスの流量を制御することができる。このため、バッファ室23〜25に接続されたガス供給口13〜15のグループごとに、処理室4の内部へと吐出されるガスの吐出量(流量)を独立して制御することができる。
このような構成の気相処理装置1を用いて後述する処理の一例としての成膜処理を行なえば、成膜する膜の材質などの成膜条件に応じて、ガス供給口13〜15におけるパージガスの流量をエリアごと(バッファ室23〜25と重なる領域ごと)に変更することができる。このため、基板8上に形成される膜の成膜速度や膜質を均一化するように、パージガスの供給条件を最適化することができる。具体的には、パージガスの適切な供給により、基板8上での成膜処理に用いられる反応ガス(原料ガス)を上壁6側から基板8側に押圧し、基板8近傍により多くの反応ガスがより均一に存在する状態を作ることができる。この結果、基板8表面に形成される膜の成膜速度を向上させたり、成膜速度の均一性や形成される膜の膜質の均一性を向上させることができる。また、成膜処理において形成する膜が変更され、成膜条件が変わる場合であっても、ガス供給口13〜15からのパージガスの供給条件(パージガスの供給流量や流量分布など)を適宜調整することで、形成される膜の膜質の均一性を良好に保つことができる。
また、パージガスを上壁6のガス供給口13〜15から処理室4内部に供給することで、上壁6などにおいて反応ガスに起因する堆積物が形成されることを抑制できる。
また、成膜条件の均一性をある程度確保できるため、自公転サセプタのような複雑な機構のサセプタを用いることなく、単純な回転運動を行なうサセプタ2を用いても均一性に優れる膜を形成することができる。なお、本発明による気相処理装置1のサセプタとして自公転サセプタを用いてもよいが、装置構成の簡略化の観点から、図1などに示した単純なサセプタを用いることが好ましい。
図3は、図1および図2に示した気相処理装置の第1の変形例を示す断面模式図である。図3を参照して、図1および図2に示した気相処理装置の第1の変形例を説明する。なお、図3は図2に対応する。
図3に示すように、気相処理装置1の第1の変形例は、基本的には図1および図2に示した気相処理装置1と同様の構造を備えるが、処理室4の上壁6に加えて、側壁40においてもガス供給口14が形成されている点が異なっている。すなわち、図3に示すように、処理室4の側壁40にも1つまたは複数のガス供給口14が形成されている。そして、この側壁40に形成されたガス供給口14にそれぞれ連通するように、側壁40上に(処理室4に隣接するように)バッファ室26がそれぞれ形成されている。このバッファ室26には、配管34を介してそれぞれ流量制御装置36が接続されている。個々の流量制御装置36は、配管37を介してガス供給部材38と接続されている。
このような気相処理装置1においても、図1および図2に示した気相処理装置1と同様の効果を得ることができる。
図4は、図1および図2に示した気相処理装置の第2の変形例を示す断面模式図である。図4を参照して、本発明による気相処理装置の実施の形態1の第2の変形例を説明する。なお、図4は図2に対応する。
図4に示した気相処理装置1は、基本的には図1および図2に示した気相処理装置と同様の構造を備えるが、反応ガスの流れる方向(図1における矢印11または矢印12に示す方向)に対して交差する方向(垂直な方向、つまり処理室4の幅方向)において、複数配置されているガス供給口14から処理室4の内部に供給されるパージガスの流量を個別に、あるいは複数のグループごとに制御できる点が異なっている。具体的には、処理室4の上壁6において、反応ガスの供給方向に対して交差する方向に並んだ複数のガス供給口14を、反応ガスの供給方向と交差する方向において3つのグループに分け、それぞれのグループごとに対応するバッファ室24a〜24cが形成されている。具体的には、反応ガスの流れる方向(供給方向)の上流側から見て左側に位置するガス供給口14のグループ上にバッファ室24aが形成されている。そして、反応ガスの流れる方向の上流側から見てほぼ中央部に位置する複数のガス供給口14上にバッファ室24bが形成されている。そして、反応ガスの供給方向の上流側から見て右側に位置する複数のガス供給口14上に、バッファ室24cが形成されている。それぞれのバッファ室24a〜24cには、流量制御装置36が個別に接続されている。個々の流量制御装置36は、配管37を介してガス供給部材38と接続されている。このため、流量制御装置36において個々のバッファ室24a〜24cに供給されるパージガスの流量を制御することにより、反応ガスの流れる方向に対して交差する方向(幅方向)において、ガス供給口14から処理室4の内部に供給されるパージガスの流量を容易に変化させることができる。
なお、図4に示した気相処理装置1では、ガス供給口13、15についても、図4に示したように幅方向に複数のバッファ室が配置されている。より具体的には、処理室4の上壁6上に、バッファ室がマトリックス状に配置されている。たとえば、処理室4の上壁6上に、3×3という配置で合計9個のバッファ室が配置されていてもよい。
このようにすれば、パージガスの供給量を反応ガスの流れ方向および幅方向の両方において(二次元的に)制御することにより、基板8上での成膜条件をより正確に制御することができる。
次に、図1および図2に示した気相処理装置を用いた基板の製造方法である気相成長方法を説明する。
図5は、図1および図2に示した気相処理装置を用いた気相処理方法を説明するためのフローチャートである。図5に示すように、気相処理方法は気相成長方法であって、まず基板準備工程(S10)を実施する。具体的には、気相処理装置1のサセプタ2上に処理対象物である基板8を搭載する。
次に、成膜工程(S20)を実施する。具体的には、処理室4の内部を、ガス排気部材10を用いて所定の圧力に調整した後、反応ガス供給部材9から矢印11(図1参照)に示すように処理室4の内部に反応ガスを供給する。また、このとき予めヒータ16によってサセプタ2および基板8を加熱することにより、基板8を所定の処理温度にまで加熱しておく。そして、反応ガス供給部材9から供給された反応ガス(原料ガス)が基板8上に到達した際に、ヒータ16により加熱された基板8上において反応ガスが分解し、所定の膜が形成される。
そして、このとき、処理室4の上壁6に形成された複数のガス供給口13〜15からは、パージガスが処理室4の内部に供給される。また、図1に示す流量制御装置36が個別に制御されることにより、少なくとも反応ガスの供給方向において上流側に位置するガス供給口13から供給されるパージガスの流量と、反応ガスの供給方向の下流側に位置するガス供給口15から供給されるパージガスの流量とが異なるように制御されている。より好ましくは、上流側のガス供給口13からの反応ガスの供給量(流量)よりも、下流側のガス供給口15からのパージガスの供給量の方が多くなるように制御される。この結果、反応ガス供給部材9から矢印11(図1参照)に示すように供給された反応ガスが、処理室4の下流側ではパージガスによって基板8の方向へと押付けられることになり、反応ガスを用いた成膜処理がより促進されることになる。このため、基板8上における膜の成長速度を向上させるとともに、膜質の優れた均一な膜を形成することができる。
上述した製造方法で得られたエピタキシャル層付き基板は、図6に示すように、基板8上にエピタキシャル層48が形成されたエピタキシャル層付き基板49である。ここで、図6は、上述した本発明による気相成長方法によって得られたエピタキシャル層付き基板を説明するための斜視模式図である。このエピタキシャル層付き基板49は、形成されたエピタキシャル層48の膜質が極めて優れたものになっている。具体的には、膜厚均一性を示す指標(厚みの標準偏差/平均値)が1%以下となるような極めて均質なエピタキシャル層48となっている。なお、上述した指標を算出するためのエピタキシャル層48の厚みのデータは、たとえば光干渉法やX線回折法を用いて得ることができる。具体的には、エピタキシャル層48が形成された基板全面について、光干渉法により1mmピッチでエピタキシャル層48の厚みを測定し、基板全面についての当該測定データから厚みの平均値および標準偏差を算出する。そして、得られた平均値および標準偏差のデータから、上記指標の値を算出することができる。
なお、上述した気相処理装置1において、ガス供給口13〜15の平面形状は円形状または矩形状とすることができる。ただし、ガス供給口13〜15の平面形状はこのような形状に限られることなく、他の形状としてもよい。たとえば、ガス供給口13〜15を、処理室4の幅方向(反応ガスの流れる方向に対して交差する方向、より好ましくは直交する方向)に延在するスリット状の開口部としてもよい。この場合、処理室4の幅方向においてより均一にパージガスを供給することができる。
(実施の形態2)
図7は、本発明による気相処理装置の実施の形態2を示す断面模式図である。図7を参照して、本発明による気相処理装置の実施の形態2を説明する。
図7に示した気相処理装置1は、基本的には図1および図2に示した気相処理装置と同様の構造を備えるが、処理室4においてその内部の高さが反応ガスの流れる方向の上流側から下流側に向けて徐々に小さくなっている点が異なっている。すなわち、図7に示した気相処理装置1においては、処理室4の上壁6が反応ガスの流れる方向(供給方向)を示す矢印11に示す方向の上流側から下流側に向けて徐々に底壁5に近づくように傾斜して配置されている。このような構成によっても、図1および図2に示した気相処理装置と同様の効果を得ることができる。
また、図7に示した気相処理装置1では、処理室4の高さが反応ガスの供給方向における上流側から下流側に向けて徐々に小さくなっているため、ガス供給口13〜15からパージガスを供給した場合の、反応ガスを基板8側に押圧する効果をより顕著に得ることができる。
(実施の形態3)
図8、本発明による気相処理装置の実施の形態3を示す断面模式図である。図8を参照して、本発明による気相処理装置の実施の形態3を説明する。
図8に示した気相処理装置1は、基本的には図1および図2に示した気相処理装置と同様の構造を備えるが、上壁6上に形成されたガス供給部の構成およびサセプタ2の構成が図1および図2に示した気相処理装置と異なっている。具体的には、図8に示した気相処理装置1では、矢印11により示す反応ガスの流れ方向に沿って、4つのバッファ室23〜26が並ぶように配置されている。バッファ室23〜26は、それぞれ独立した流量制御装置36を介して配管37によりガス供給部材38に接続されている。
また、図8に示した気相処理装置1のサセプタ2では、基板8が上記反応ガスの流れ方向に沿って3枚搭載することが可能になっている。図8において、3枚のうち中央に位置する基板8は、反応ガスの流れ方向においてサセプタ2のほぼ中央上に配置されている。そして、バッファ室24によりガスを供給される一のガス導入部としてのガス供給口14と、バッファ室25によりガスを供給される他のガス導入部としてのガス供給口15との境界部52は、サセプタ2のほぼ中央を示す線分56を含むように配置されている。この境界部52の位置は、以下のように決定されている。
図9は、図8に示した隣接するガス供給口14、15の境界部52の位置を決定するために用いたデータを示すグラフである。図9を参照して、横軸は反応ガスの流れ方向における位置を示し、縦軸は、ガス供給口13〜17よりガスを供給することなく成膜処理(気相処理)を行なったときの、成膜速度(処理速度)を示している。図9に示すように、成膜速度は上流側から下流側に向けて、増大することがわかる。また、成膜速度の変化率は一定ではなく、位置Aを境にして上流側の領域R1と下流側の領域R2とでは成膜速度の変化率(グラフの傾き)が異なっている。図9に示したグラフにおいて、このように成膜速度の変化率が異なる上流側の領域と下流側の領域との境界となる位置を変曲点とし、当該変曲点の位置を位置Aとする。
なお、ここで変曲点の位置の決定方法としては、グラフから目視で決定してもよいが、以下のように決定してもよい。たとえば反応ガスの流れ方向におけるサセプタ2の上流側端部から下流側端部までの間において、上流側の1/3の領域における成膜速度と反応ガスの流れ方向における位置との関係を示すデータから、最小二乗法を用いて当該データを近似する第1の直線を決定する。また、上記サセプタ2の上流側端部から下流側端部までの間において、下流側の1/3の領域における成膜速度と反応ガスの流れ方向における位置との関係を示すデータから、最小二乗法を用いて当該データを近似する第2の直線を決定する。そして、上記第1の直線と第2の直線との交点の位置(反応ガスの流れ方向における位置:図9における位置A)を、変曲点の位置とする。なお、この変曲点の位置は、図8に示した気相処理装置1ではサセプタ2のほぼ中央に位置する。
このように決定した変曲点の位置(位置A)に、図8で示した線分56が重なるように、上壁6におけるガス供給口14、15およびバッファ室24、25の配置は決定される。また異なる観点から言えば、図8の境界部52が上記位置A(サセプタ2のほぼ中央部の位置)を含むように、バッファ室24に繋がる一群のガス供給口であるガス供給口14、バッファ室25に繋がる一群のガス供給口15およびバッファ室24、25の配置は決定されている。
また、図8のガス供給口13とガス供給口14との境界部51は、上述したサセプタ2のほぼ中央部の位置(線分56で示される位置、異なる観点から言えば図9の位置A)と、反応ガスの流れ方向におけるサセプタ2の上流側端部との間に位置するように、ガス供給口13、14およびバッファ室23、24の配置は決定されている。このとき、図8に示すように、境界部51のほぼ中央部を通る線分55は、反応ガスの流れ方向においてサセプタ2上に搭載された最も上流側の基板8と重なる位置に配置される。また、より詳しく言えば、線分55は、上記最も上流側の基板8のほぼ中央部を通る。
また、図8のガス供給口15とガス供給口16との境界部53は、上述したサセプタ2のほぼ中央部の位置(線分56で示される位置)と、反応ガスの流れ方向におけるサセプタ2の下流側端部との間に位置するように、ガス供給口15、16およびバッファ室25、26の配置は決定されている。このとき、図8に示すように、境界部53のほぼ中央部を通る線分57は、反応ガスの流れ方向においてサセプタ2上に搭載された最も下流側の基板8と重なる位置に配置される。また、より詳しく言えば、線分57は、上記最も下流側の基板8のほぼ中央部を通る。
このようにガス供給口13〜17、バッファ室23〜26を配置し、ガス供給口13〜17のそれぞれのグループから流量を制御したパージガスを処理室4の内部に供給することができる。そして、上述のようにガス供給口13〜17の境界部51〜53の配置を決定することにより、成膜速度の制御性を向上させることができる。
図8に示した気相処理装置1を用いても、図1などに示した気相処理装置1と同様に図5に示した気相処理法法を実施することができる。またこのとき、成膜工程(S20)では、たとえば、ガス供給口13〜ガス供給口17のそれぞれのパージガスの流量の比を所定の比率(たとえば0:2:3:0)とすることで、成膜速度(気相処理速度)の反応ガス流れ方向における増加率を上流側から下流側にかけてほぼ一定にすることができる。
上述した実施の形態と一部重複する部分もあるが、本発明の特徴的な構成を列挙する。この発明に従った気相処理装置1は、処理室4と、複数のガス導入部としてのガス供給口13〜15と、ガス供給部(ガス供給部材38、配管37、流量制御装置36、配管33〜35、バッファ室23〜25、24a〜24c)とを備える。処理室4は反応ガスを流通させる。複数のガス供給口13〜15は、処理室4の壁面(図1に示す上壁6または図3に示す側壁40)において、反応ガスの流通方向に沿って形成される。ガス供給部は、複数のガス供給口13〜15において、一のガス供給口(ガス供給口13〜15のうちのいずれか1つ)と、当該一のガス供給口と異なる他のガス供給口(ガス供給口13〜15のうちの他の1つ)とのそれぞれから異なる流量でガスを処理室4の内部に供給可能である。
このようにすれば、ガス供給部により、複数のガス供給口13〜15について局所的にガスの供給量を変更することができるので、成膜処理などの処理の種類などに応じてガス供給口13〜15から処理室4に供給されるガスの供給状態(より具体的には処理室4内部でのガスの流通状態)を任意に変更することができる。このため、処理の種類に応じて、ガス供給口13〜15から供給されるガスの供給状態を最適化することで、成膜などの処理の均一性といった処理品質を向上させることができる。
上記気相処理装置1において、ガス供給口13〜15は、図2などに示すように、反応ガスの流通方向(反応ガスの流れる方向)に対して交差する幅方向においても処理室4の壁面(上壁6)に複数形成されている。ガス供給部は、幅方向において壁面に形成された複数のガス供給口14における一のガス供給口(図4におけるバッファ室24a下に位置するガス供給口14)と、当該一のガス供給口14と幅方向において異なる位置に形成された別のガス供給口(図4におけるバッファ室24b下またはバッファ室24c下に位置するガス供給口)とのそれぞれから異なる流量でガスを処理室4の内部に供給可能となっていてもよい。
この場合、反応ガスの流通方向に対して交差する方向である幅方向においても、ガス供給口14から供給されるガスの流量分布などを任意に変更することができる。そのため、ガス供給口13〜14から供給されるガスの供給状態をより詳細に調整することができる。
上記気相処理装置1においては、図3に示すように、処理室4の上壁6のみではなく側壁40においてもガス供給口14を形成してもよい。また、上述した気相処理装置1では、反応ガスの流れる方向または幅方向において複数のガス供給口13〜15を同じバッファ室23〜25、24a〜24cのいずれかの下に位置するグループに分けて、それぞれのグループごとにパージガスの流量を変更できるようにしているが、ガス供給口13〜15のそれぞれについて流量制御装置を設置し、個別に流量を制御できるようにしてもよい。
上記気相処理装置1は、図8に示すように、処理室4の内部に配置される処理対象物としての基板8を搭載するサセプタ2をさらに備えていてもよい。複数のガス導入部(ガス供給口13〜17)は、一のガス導入部(ガス供給口14)および他のガス導入部(ガス供給口15)と反応ガスの流通方向に沿って形成されたもう1つのガス導入部(ガス供給口13)を含んでいてもよい。上記ガス供給部は、一のガス導入部(ガス供給口14)、他のガス導入部(ガス供給口15)およびもう1つのガス導入部(ガス供給口13)のそれぞれから異なる流量でガス(たとえばパージガス)を処理室4の内部に供給可能であってもよい。反応ガスの流通方向におけるガス供給口14とガス供給口15との間の第1境界部(図8の境界部52)は、複数のガス導入部(ガス供給口13〜17)からガスを処理室4の内部に供給しない状態で反応ガスによる気相処理を行なったときの処理速度の、反応ガスの流通方向における変曲点となる位置(図9の位置Aまたは図8のサセプタ2の中央を通る線分56の位置)を含むように配置されてもよい。反応ガスの流通方向におけるガス供給口14とガス供給口13との間の第2境界部(図8の境界部51)は、反応ガスの流通方向におけるサセプタ2の上流側の端部と上記境界部52との間の位置に配置されてもよい。
この場合、反応ガスの流通方向における気相処理速度を、ガス供給口13〜15におけるガスの供給量を調整することで制御するときの制御性を向上させることができる。すなわち、ガス供給口13〜16よりガスを供給しない状態での気相処理速度の変曲点の位置を境にして、ガス供給口14、15を配置することで、気相処理速度の変化率の異なる領域ごとに個別にガス供給口からのガスの供給量を変更することが可能になる。このため、例えば反応ガスの流通方向における気相処理速度の変化率を一定に近づけるといった制御を容易に行なうことができる。そして、このように気相処理速度の変化率を一定にできれば、サセプタを回転させることにより、基板8上における気相処理速度の均一性を向上させることができる。
この発明に従った気相処理方法は、図5に示すように、処理室4の内部に処理対象物である基板8を配置する工程(基板準備工程(S10))と、処理室4の内部に反応ガスを供給して処理対象物(基板8)に対する処理を行なう工程(成膜工程(S20))とを備える。処理を行なう工程(成膜工程(S20))では、処理室4の壁面において反応ガスの流通方向に沿って形成された複数のガス導入部(ガス供給口13〜17)における一のガス供給口(たとえば図1のガス供給口13)と、当該一のガス供給口13と異なる他のガス導入部(たとえば図1のガス供給口15)とのそれぞれから異なる流量でガスが供給されている。
このようにすれば、全てのガス供給口13〜17から同じ流量でガスが処理室4内部に供給される場合に比べて、成膜処理などの種類などに応じてガス供給口13〜17から処理室4に供給されるガス(パージガス)の供給状態(より具体的には処理室4内部でのパージガスの流通状態)を変更することができる。このため、処理の種類に応じて、ガス供給口13〜17から供給されるパージガスの供給状態を最適化することで、処理の均一性(成膜速度や膜質の均一性)といった処理品質を向上させることが可能になる。
上記気相処理方法において、ガス供給口13〜17は、図2〜図4に示すように、反応ガスの流通方向に対して交差する幅方向(処理室4の幅方向)においても処理室4の壁面に複数形成されていてもよい。処理を行なう工程(成膜工程(S20))では、図4に示した気相処理装置を用いた場合のように、幅方向において壁面に形成された複数のガス供給口14における一のガス供給口(たとえばバッファ室24a下に位置するガス供給口14)と、当該一のガス供給口14と幅方向において異なる位置に形成された別のガス供給口(たとえばバッファ室24bまたはバッファ室24cの下に位置するガス供給口)とのそれぞれから異なる流量でガスが供給されていてもよい。
この場合、反応ガスの流通方向に対して交差する方向である幅方向においても、ガス供給口13〜17から供給されるガスの流量分布などを変更することになる。そのため、ガス供給口13〜17から供給されるガスの供給状態をより詳細に調整することができる。
上記気相処理方法では、処理を行なう工程(成膜工程(S20))において、処理対象物としての基板8はサセプタ2上に搭載されていてもよい。図8に示すように、複数のガス導入部(ガス供給口13〜17)は、一のガス導入部(ガス供給口14)および他のガス導入部(ガス供給口15)と反応ガスの流通方向に沿って形成されたもう1つのガス導入部(ガス供給口13)を含んでいてもよい。反応ガスの流通方向におけるガス供給口14とガス供給口15との間の第1境界部(図8の境界部52)は、複数のガス導入部(ガス供給口13〜17)からガスを処理室4の内部に供給しない状態で反応ガスによる気相処理を行なったときの処理速度の、反応ガスの流通方向における変曲点となる位置(図9の位置Aまたは図8のサセプタ2の中央を通る線分56の位置)を含むように配置されてもよい。反応ガスの流通方向におけるガス供給口14とガス供給口13との間の第2境界部(図8の境界部51)は、反応ガスの流通方向におけるサセプタ2の上流側の端部と境界部52との間の位置に配置されてもよい。成膜工程(S20)では、ガス供給口13、ガス供給口14およびガス供給口15のそれぞれから異なる流量でガスが供給されていてもよい。
この場合、反応ガスの流通方向における気相処理速度を、ガス供給口13〜15におけるガスの供給量を調整することで制御するときの制御性を向上させることができる。
上記気相処理方法において、ガス供給口13〜17から供給されるガスは、2種以上のガスを含んでもよい。この場合、ガス供給口13〜17から供給されるガスとして、処理に悪影響を与えない種類のガスを選択する、といったガスの選択の自由度を大きくすることができる。
上記気相処理方法において、ガス供給口13〜17から供給されるガスは、その一部に反応ガスの少なくとも一部を構成するガスを含んでいてもよい。この場合、反応ガスを用いた処理(たとえば成膜処理)に対する、ガス供給口13〜17から供給されるガスの悪影響を確実に抑制することができる。
上記気相処理方法における処理を行なう工程(成膜工程(S20))では、反応ガスの流通方向に沿った方向において、複数のガス供給口13〜17のうち相対的に下流側に位置するガス供給口(たとえば図1、図7のガス供給口14、15、図8のガス供給口15)でのガスの流量が、相対的に上流側に位置するガス供給口(たとえば図1、図7のガス供給口13、図8のガス供給口14、13)でのガスの流量より多くなっていてもよい。
ここで、処理室4における反応ガスの流通方向での下流側では、反応ガスが処理対象物としての基板8と離れた位置にまで拡散する場合があるが、上述のように当該下流側でガス供給口14、15から導入されるガスの流量を相対的に多くすることにより、このような反応ガスの拡散を抑制することができる。このため、基板8に対する処理を下流側においても効率的に行なうことができる。
この発明に従った基板は、図6に示すように、上記気相処理方法を用いて製造された基板(エピタキシャル層付き基板49)である。このようにすれば、エピタキシャル層付き基板49に対して、均一な処理を行なうことになるので、基板表面層(たとえば基板8表面上に形成されたエピタキシャル層48)の品質が良好な基板を得ることができる。
(実施例1)
本発明の効果を説明するため、以下のような実験を行なった。
(使用した気相処理装置の構成)
使用した気相処理装置の処理室は、断面が矩形状の管である。処理室の断面のサイズとしては、内周側の高さが12mm、幅が170mmである。処理室を構成する材料としてはステンレス鋼を用いた。また、用いたサセプタとしては、平面形状が円形状であり直径が150mmの円板状のサセプタを用いた。サセプタの材質はSiCである。なお、サセプタの材質としてSiCコートカーボンを用いてもよい。
そして、処理室4の内部に反応ガスを供給する反応ガス供給部の構造としては、処理室の内部の高さ方向に3層に並んだ反応ガス供給口が配置された構造を用いた。具体的には、処理室4の底壁に最も近い位置の反応ガス供給口からアンモニアガスを供給した。そして、反応ガス供給部における高さ方向の中央に位置する反応ガス供給口からは有機金属の供給源であるトリメチルガリウム(TMG)とキャリアガスとを供給した。そして、反応ガス供給部において、高さ方向の最も上方の反応ガス供給口からは、キャリアガスを供給した。
処理室の上壁には、反応ガスの流れる方向に沿って並ぶように18個のガス供給口を形成した。このガス供給口の形状は反応ガスの流れる方向に対して垂直方向(処理室の幅方向)に延在するスリット状である。このガス供給口の平面形状は幅が処理室の幅と同じ120mmであり、奥行きが1mmとした。そして、ガス供給口の間のピッチは15mmとした。反応ガスの流れる方向において、最も上流側に位置するガス供給口の位置は、サセプタの上流側端部から6mm下流側に離れた位置になっている。
(測定条件)
実験では、窒化ガリウム基板上に、窒化ガリウム(GaN)膜をエピタキシャル成長させた。準備した窒化ガリウム基板の厚みは300μm、平面形状は円形状であり、その直径は50mmである。このときのサセプタの加熱温度は1300℃とした。そして、反応ガス供給部の一番底壁側から供給されるアンモニアの流量は19.5SLM(Standard Litter per Minute)とした。また、トリメチルガリウムの流量としては198μmol/分とした。また、このトリメチルガリウムのキャリアガスとしては、水素ガスを用いた。この水素ガスの流量は18SLMとした。また、反応ガス供給部の最も上方から供給されるキャリアガスとしては窒素ガス(N2)を用いた。この窒素ガスの流量としては4SLMという値を用いた。
そして、ガス供給口からのパージガスの流量を変化させながら、基板上での窒化ガリウムの成膜速度および処理室の上壁における膜の堆積速度を測定した。具体的に、測定条件1としては、合計18個のすべてのガス供給口から1.6SLMの窒素ガスを供給した。また、測定条件2として、18個のガス供給口のうち、反応ガスの流れる方向における上流側5個については窒素ガスの流量を1.6SLMとし、下流側の8個のガス供給口については窒素ガスの流量を3.2SLMとした。また、測定条件3としては、ガス供給口の上流側5つについて窒素ガスの流量を1.6SLMとし、下流側の8個について窒素ガスの流量を6.4SLMとした。また、測定条件4としては、ガス供給口からパージガスとして窒素ガスを供給しないようにした。これらの4つの条件において成膜処理を行なった。
(測定方法)
上述した成膜処理において、基板上での膜(GaN膜)の成膜速度(成長速度)と、処理室の上壁での堆積物の形成速度(堆積速度)を測定した。具体的には、X線回折法や光干渉法などを用いてデータ(膜厚など)の測定を行なった。
(測定結果)
上述した測定の結果、基板上での窒化ガリウムの成長速度については、条件4が最も成長速度が遅く、条件1、条件2、条件3の順番で徐々に窒化ガリウムの成長速度が速くなっていた。具体的には、条件4での窒化ガリウムの成長速度が最も高い値でほぼ1.5μm/時間(h)程度であったのに対し、条件3の場合には元も高い成長速度の値でほぼ2.7μm/時間(h)程度であった。
一方、処理室の上壁における窒化ガリウムの堆積速度については、条件4が最も速く、条件1、条件2、条件3の順番で徐々に堆積速度が遅くなっていた。
このことから、本発明のように反応管の上壁などに形成したガス供給口からパージガスをサセプタ側に向けて供給することにより、反応ガスがサセプタ(すなわちサセプタ上に搭載された基板)に近接した位置により長時間位置し、基板上での成膜速度が向上するとともに、処理室の上壁での不要な窒化ガリウムの堆積などを抑制することができることが示された。
(実施例2)
(使用した気相処理装置の構成)
使用した気相処理装置の処理室は、基本的に実施例1において使用した気相処理装置の処理室と同様の構成とした。ただし、処理室の上壁には、図8に示す気相処理装置1と同様に16個のガス供給口が形成されている。このガス供給口の形状は反応ガスの流れる方向に対して垂直方向(処理室の幅方向)に延在するスリット状であり、そのサイズや隣接するガス供給口の間のピッチは実施例1の装置と同様とした。反応ガスの流れる方向において、最も上流側に位置するガス供給口の位置は、サセプタの上流側端部から30mm上流側に離れた位置になっている。
処理室の上壁に形成されたガス供給口は上流側から4つづつの4グループに分かれている。それぞれのグループに属するガス供給口は、同じバッファ室からガスを供給される。具体的には、図8に示した上流側から4つのガス供給口13のグループを第1グループ、次の4つのガス供給口14のグループを第2グループ、次の4つのガス供給口15のグループを第3グループ、最下流側の4つのガス供給口17のグループを第4グループとした。
(測定条件)
実験では、窒化ガリウム基板上に、InGaN膜をエピタキシャル成長させた。準備した窒化ガリウム基板の厚みは300μm、平面形状は円形状であり、その直径は50mmである。このときのサセプタの加熱温度は780℃とした。そして、反応ガス供給部の一番底壁側から供給されるアンモニアの流量は29.5SLMとした。また、トリメチルガリウムの流量としては46μmol/分とした。また、トリメチルインジウムの流量としては37μmol/分とした。また、このトリメチルガリウムおよびトリメチルインジウムのキャリアガスとしては、窒素ガスを用いた。この窒素ガスの流量は15SLMとした。また、反応ガス供給部の最も上方から供給されるキャリアガスとしては窒素ガス(N2)を用いた。この窒素ガスの流量としては34SLMという値を用いた。
そして、上述した第1〜第4グループごとにガス供給口からのパージガスの流量を変化させながら、基板上でのInGaN膜の成膜速度および処理室の上壁における膜の堆積速度を測定した。具体的に、測定条件1(条件1とも言う)としては、第1〜第4グループのすべてのガス供給口から20SLMの窒素ガスを供給した。また、測定条件2(条件2とも言う)として、第1グループのガス供給口から0.1SLMの窒素ガスを、第2グループの個々のガス供給口から40SLMの窒素ガスを、第3グループの個々のガス供給口から20SLMの窒素ガスを、第4グループの個々のガス供給口から20SLMの窒素ガスを、それぞれ供給した。また、測定条件3(条件3とも言う)としては、第1グループのガス供給口から0.1SLMの窒素ガスを、第2グループの個々のガス供給口から40SLMの窒素ガスを、第3グループの個々のガス供給口から60SLMの窒素ガスを、第4グループの個々のガス供給口から20SLMの窒素ガスを、それぞれ供給した。これらの3つの条件において成膜処理を行なった。
(測定方法)
上述した成膜処理において、基板上でのInGaN膜の成膜速度(成長速度)を測定した。具体的には、X線回折法や光干渉法などを用いてデータ(膜厚など)の測定を行なった。
(測定結果)
測定結果を図10に示す。図10は、実施例2の測定結果を示すグラフである。図10の横軸は流れ方向位置(単位:mm)を示している。具体的には、横軸のゼロはサセプタの中央部を示している。また、横軸の左方向(マイナス側)は反応ガスの流れ方向上流側を示し、横軸の右方向(プラス側)は反応ガスの流れ方向下流側を示している。図10の縦軸はInGaN膜の成長速度(単位:μm/hr)を示している。
図10を参照して、条件1に比べて、条件2においては、特に下流側での成膜速度が向上していることがわかる。また、条件3では、反応ガスの流れ方向の中央部および下流側の領域において、条件1に比べて成膜速度が向上している。この結果、条件3では、成膜速度の変化率(グラフの傾き)が反応ガスの流れ方向の上流側から下流側にかけてほぼ一定になっていることがわかる。このように反応ガスの流れ方向において変化率の安定した成膜条件を実現することで、成膜時にサセプタを回転する場合に基板上に形成される膜の膜厚の均一性を改善することができる。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明に従った気相処理装置の実施の形態1を示す断面模式図である。 図1の線分II−IIにおける断面模式図である。 図1および図2に示した気相処理装置の第1の変形例を示す断面模式図である。 図1および図2に示した気相処理装置の第2の変形例を示す断面模式図である。 図1および図2に示した気相処理装置を用いた気相処理方法を説明するためのフローチャートである。 本発明による気相成長方法によって得られたエピタキシャル層付き基板を説明するための斜視模式図である。 本発明による気相処理装置の実施の形態2を示す断面模式図である。 本発明による気相処理装置の実施の形態3を示す断面模式図である。 図8に示した隣接するガス供給口の境界部の位置を決定するために用いたデータを示すグラフである。 実施例2の測定結果を示すグラフである。
符号の説明
1 気相処理装置、2 サセプタ、3 回転軸、4 処理室、5 底壁、6 上壁、7 開口部、8 基板、9 反応ガス供給部材、10 ガス排気部材、11,12 矢印、13〜17 ガス供給口、16 ヒータ、23〜26,24a〜24c バッファ室、34,37 配管、36 流量制御装置、38 ガス供給部材、40 側壁、48 エピタキシャル層、49 基板、51〜53 境界部、55〜57 線分。

Claims (5)

  1. 反応ガスを流通させる処理室と、
    前記処理室の壁面において、前記反応ガスの流通方向に沿って形成されたパージガスを供給するための複数のガス導入部と、
    前記複数のガス導入部において、一のガス導入部と、前記一のガス導入部と異なる他のガス導入部とのそれぞれから異なる流量で前記パージガスを前記処理室の内部に供給可能なガス供給部と
    前記処理室の内部に配置される処理対象物を搭載するサセプタとを備え
    前記ガス導入部は、前記反応ガスの流通方向に対して交差する幅方向においても前記処理室の壁面に複数形成され、
    前記ガス供給部は、前記幅方向において前記壁面に形成された複数のガス導入部における前記一のガス導入部と、前記一のガス導入部と前記幅方向において異なる位置に形成された別のガス導入部とのそれぞれから異なる流量で前記パージガスを前記処理室の内部に供給可能となっており、さらに、
    前記複数のガス導入部は、前記一のガス導入部および前記他のガス導入部と前記反応ガスの流通方向に沿って形成されたもう1つのガス導入部を含み、
    前記ガス供給部は、前記一のガス導入部、前記他のガス導入部および前記もう1つのガス導入部のそれぞれから異なる流量で前記パージガスを前記処理室の内部に供給可能であり、
    前記反応ガスの流通方向における前記一のガス導入部と前記他のガス導入部との間の第1境界部は、前記複数のガス導入部から前記パージガスを前記処理室の内部に供給しない状態で前記反応ガスによる気相処理を行なったときの処理速度の、前記反応ガスの流通方向における変化率が前記サセプタの上流側と下流側との間で変化する変化点となる位置を含むように配置され、
    前記反応ガスの流通方向における前記一のガス導入部と前記もう1つのガス導入部との間の第2境界部は、前記反応ガスの流通方向における前記サセプタの上流側の端部と前記第1境界部との間の位置に配置される、気相処理装置。
  2. 処理室の内部に処理対象物を配置する工程と、
    前記処理室の内部に反応ガスを供給して前記処理対象物に対する処理を行なう工程とを備え、
    前記処理を行なう工程では、前記処理室の壁面において前記反応ガスの流通方向に沿って形成されたパージガスを供給するための複数のガス導入部における一のガス導入部と、前記一のガス導入部と異なる他のガス導入部とのそれぞれから異なる流量で前記パージガスが供給され
    前記ガス導入部は、前記反応ガスの流通方向に対して交差する幅方向においても前記処理室の壁面に複数形成され、
    前記処理を行なう工程では、前記幅方向において前記壁面に形成された複数のガス導入部における前記一のガス導入部と、前記一のガス導入部と前記幅方向において異なる位置に形成された別のガス導入部とのそれぞれから異なる流量で前記パージガスが供給され、さらに、
    前記処理を行なう工程において、前記処理対象物はサセプタ上に搭載され、
    前記複数のガス導入部は、前記一のガス導入部および前記他のガス導入部と前記反応ガスの流通方向に沿って形成されたもう1つのガス導入部を含み、
    前記反応ガスの流通方向における前記一のガス導入部と前記他のガス導入部との間の第1境界部は、前記複数のガス導入部から前記ガスを前記処理室の内部に供給しない状態で前記反応ガスによる気相処理を行なったときの処理速度の、前記反応ガスの流通方向における変化率が前記サセプタの上流側と下流側との間で変化する変化点となる位置を含むように配置され、
    前記反応ガスの流通方向における前記一のガス導入部と前記もう1つのガス導入部との間の第2境界部は、前記反応ガスの流通方向における前記サセプタの上流側の端部と前記第1境界部との間の位置に配置され、
    前記処理を行なう工程では、前記1のガス導入部と前記他のガス導入部と前記もう1つのガス導入部とのそれぞれから異なる流量で前記パージガスが供給されている、気相処理方法。
  3. 前記ガス導入部から供給される前記パージガスは、2種以上のガスを含む、請求項に記載の気相処理方法。
  4. 前記処理を行なう工程では、前記反応ガスの流通方向に沿った方向において、前記複数のガス導入部のうち相対的に下流側に位置する前記ガス導入部での前記パージガスの流量が、相対的に上流側に位置する前記ガス導入部での前記パージガスの流量より多くなっている、請求項2または3に記載の気相処理方法。
  5. 請求項のいずれか1項に記載の気相処理方法を用いて製造された基板。
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