JP5214862B2

JP5214862B2 - 気相成長装置

Info

Publication number: JP5214862B2
Application number: JP2006226732A
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: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2026-08-23
Also published as: JP2008053359A

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察するためのビューポートを備えた気相成長装置に関し、詳しくは、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が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。）。
特開２００１−６８４１５号公報

しかし、薄膜の成膜を常圧に近い圧力で行う場合、チャンバー内のガスの熱対流による気流で、光線、例えばレーザー光が揺らぎ、正確な測定ができなくなることがあった。例えば、成膜中に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の反射位置から測定することが行われるが、チャンバー内が常圧で３００℃以上の場合は、気流によるレーザー光の揺らぎでノイズが大きくなり、測定が不可能になることがある。

また、化合物半導体薄膜の製造装置では、常圧近くの圧力で、８００〜１０００℃を超える高温で原料を反応させて成膜を行うことがある。このような高温下では、膜同士又は基板と薄膜との熱膨張係数の差により、基板全体が反ってしまう場合がある。この基板の反りの度合いをレーザー光を用いて測定しようとしても、水冷されたチャンバー外壁付近とチャンバー内との温度差でチャンバー内に気流が発生しやすく、レーザー光の揺らぎが大きくなって測定が困難な状況となっていた。

このような気流による光の揺らぎを少なくするため、チャンバー内の圧力を低くすることも考えられるが、成膜条件が変わってしまうという大きな問題がある。また、レーザー光の通る光路をできるだけ細く形成することで揺らぎを抑制することも可能であるが、設置時の調整が困難で、実用性に問題がある。

そこで本発明は、チャンバー内の気流による影響を排除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、前記ビューポートのチャンバー内部側をフローチャンネルに向けて延出し、該延出部の先端面をフローチャンネルの外面近傍に配置したことを特徴としている。

また、本発明の気相成長装置は、前記ビューポートの延出部が内部に中空部を有する中空構造であり、前記中空部が真空状態となっていること、前記ビューポートの先端面が前記基板の表面に対して傾斜していること、前記ビューポートが前記チャンバーに対して位置調節可能に設けられていること、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。

本発明の気相成長装置によれば、ビューポートのチャンバー内部側をフローチャンネルの外面近傍まで延出しているので、チャンバー内の気流がレーザー光に悪影響を与えることがなく、製膜中の基板の状態を光学的に確実かつ正確に観察、測定することができる。

図１は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。この気相成長装置は、基本的に、前述の特許文献１に記載された気相成長装置と同様の構成を有している。

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内に反応ガスが導入され、基板面を通過したガスは、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。

そして、前記チャンバー１４の天板部１４ａに設けたビューポート用開口１４ｂには、ビューポート２０を形成するビューポート部材２１が嵌め込まれている。このビューポート部材２１は、円柱状の胴部２１ａと上端部のフランジ２１ｂとを有する縦断面がハット状の中実の透光性材料、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、胴部２１ａを前記ビューポート用開口１４ｂ内に上方から挿入し、フランジ２１ｂの下面をシール材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。チャンバー１４内に延出した延出部である胴部２１ａの先端面２１ｃは、フローチャンネル１３の上板外面近傍、両者の間隔が数ｍｍ乃至１０ｍｍ程度の直近に配置されており、先端面２１ｃとフローチャンネル外面との間のガス層の厚さをできるだけ小さくするようにしている。

このようなビューポート部材２１を用いてビューポート２０を形成することにより、チャンバー１４内に熱対流による気流が発生したとしても、気流の影響を受けるのが先端面２１ｃとフローチャンネル外面との間の僅かなガス層だけにであるから、測定用のレーザー光等の揺らぎを抑えることができ、安定した状態で正確な測定を行うことができる。また、必要に応じて、レーザー光等の測定用、観察用の光が通過する部分のフローチャンネル１３に通孔１３ａを設けておくことにより、フローチャンネル１３の内面に反応生成物が付着しても正確な測定を行うことができる。

図２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。

本形態例に示す気相成長装置では、ビューポート２０を、ビューポート用開口１４ｂに装着される円盤状の窓部材３１と、この窓部材３１の下方に連設される中空部材３２とで形成するとともに、前記中空部材３２の中空部を真空排気する真空ポンプ３３を備えている。中空部材３２は、前記同様に、石英ガラス等の透光性部材からなるパイプ状部材３２ａの両端開口を円盤状部材３２ｂによってそれぞれ気密に閉塞したものであって、チャンバー１４内に突出した中空部材３２の先端面３２ｃは、前記第１形態例における先端面２１ｃと同様に、フローチャンネル１３の外面近傍に配置されている。

また、中空部材３２には、真空ポンプ３３に接続する排気管３４の接続部３２ｄが設けられており、この接続部３２ｄから排気管３４を介して中空部材３２内を真空ポンプ３３で真空排気することにより、中空部材３２内を真空状態（減圧状態を含む）にして中空部材３２内で気流が発生しないようにしている。さらに、中空構造にすることで、中実構造の場合に比べて熱膨張や振動等による光の屈折や透過損失による影響を軽減することができる。なお、窓部材３１の取り付けは、第１形態例のフランジ２１ｂと同様にして行うことができる。

図３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。本形態例では、前記第２形態例における中空部材３２を、透光性部材と非透光性部材とを組み合わせて形成している。すなわち、透光性部材からなるパイプ状部材３２ａの上部に非透光性部材である金属製のリング部材３５を気密に接続し、このリング部材３５に真空ポンプ３３に接続する前記排気管３４の接続部３５ａを設けている。このように、排気管３４の接続部を金属製、例えばステンレス製とすることにより、石英ガラスの場合に比べて排気管接続部を容易に形成することができる。なお、本形態例では中空部材３２の一部を非透光性部材で形成したが、パイプ状部材３２ａの全体を非透光性部材で形成することもできる。

図４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。本形態例では、前記第２形態例における中空部材３２の上部を窓部材３１と一体的に形成するとともに、中空部材３２内を真空ポンプで真空排気した後、排気管の接続部３２ｄを封じ切って中空部材３２内を真空状態に保つようにしている。なお、中空部材３２のフローチャンネル１３への取り付けは、第１形態例のビューポート部材２１と同様にして行うことができる。

図５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と、フローチャンネル１３の上面との間には、パージガス流路４４が設けられている。このパージガス流路４４は、反応ガス流れ方向上流側にバージガス導入部４４ａを有し、下流側に排気口４４ｂを開口させたものであって、流路下部はフローチャンネル１３の上板部材と共通化し、流路の上流側、両側及び上部を石英ガラス製の板状部材で囲った形状を有してる。フローチャンネル１３の天井部材及びパージガス流路４４の上部材には、レーザー光等の測定用、観察用の光が通過する部分に通孔１３ａ，４４ｃがそれぞれ設けられており、パージガス流路４４の上部材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４４ｄ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とフローチャンネル１３との間にパージガス流路４４を設けておくことにより、フローチャンネル１３の通孔１３ａから外部に流出した反応ガスや反応生成物がビューポート部材４１の先端部材４１ｃに付着することを防止できる。さらに、ビューポート部材４１の先端外周を覆う環状突起４４ｄを設けておくことにより、パージガス流路４４内を流れるパージガスが通孔４４ｃ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４４の通孔４４ｃは設けなくてもよく、パージガス流路４４の上部材と先端部材４１ｃとを一体的に形成することも可能である。また、パージガスの種類も任意であり、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。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、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、フローチャンネル上面に通孔を設ける場合は、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。

図６は、前記第５形態例に示す構造のビューポートを設けた気相成長装置において、レーザー距離計を使用して成膜中に回転している基板の外周側上面の高さを測定した結果を示す図である。成膜時の温度は５００℃、圧力は常圧である。その結果、図６の線Ａに示すように、基板の回転に同期した上下動を観察することができた。一方、ビューポートをチャンバー内に突出させない従来のビューポートを通して同じ上面高さの測定を行ったところ、２００℃の温度でも、図６の線Ｂに示すように、ノイズが多くなり、基板の回転に同期した上下動を観察することはできなかった。

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。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。回転している基板の外周側上面の高さを測定した結果を示す図である。

符号の説明

１１…基板、１２…サセプタ、１３…フローチャンネル、１３ａ…通孔、１４…チャンバー、１４ａ…天板部、１４ｂ…ビューポート用開口、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…ビューポート部材、２１ａ…胴部、２１ｂ…フランジ、２１ｃ…先端面、２２…シール材、２３…止着部材、３１…窓部材、３２…中空部材、３２ａ…パイプ状部材、３２ｂ…円盤状部材、３２ｃ…先端面、３２ｄ…接続部、３３…真空ポンプ、３４…排気管、３５…リング部材、３５ａ…接続部、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、４４…パージガス流路、４４ａ…バージガス導入部、４４ｂ…排気口、４４ｃ…通孔、４４ｄ…環状突起

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、前記ビューポートのチャンバー内部側をフローチャンネルに向けて延出し、該延出部の先端面をフローチャンネルの外面近傍に配置したことを特徴とする気相成長装置。
前記ビューポートの延出部は、内部に中空部を有する中空構造であり、前記中空部が真空状態となっていることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
前記ビューポートの先端面が前記基板の表面に対して傾斜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。
前記ビューポートが前記チャンバーに対して位置調節可能に設けられている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乃至４のいずれか１項記載の気相成長装置。