JP6571503B2

JP6571503B2 - 気相成長装置

Info

Publication number: JP6571503B2
Application number: JP2015230399A
Authority: JP
Inventors: 和正池永; 山口　晃; 晃山口
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2019-09-04
Anticipated expiration: 2035-11-26
Also published as: JP2017095777A

Description

本発明は、気相成長装置に関し、詳しくは、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。しかし、光学的機器によって基板の複数箇所を観察、測定するために、複数の通孔を形成した場合、通孔の形成位置によってはフローチャンネル内のガス流れに乱れを生じることがあり、基板面に形成する薄膜に悪影響を及ぼすことがあった。例えば、フローチャンネル内のガス流れに対して上流側及び下流側に複数の通孔を並べて形成した場合、通孔の大きさやガスの流速によっては、通孔部分を通過する際に反応ガス（原料ガス）の流れに僅かな乱れが生じることがあり、下流側の通孔部分を通過する際にガス流れの乱れが増大されると、基板上に形成する薄膜に悪影響を及ぼすことがあった。

そこで本発明は、複数の通孔を形成しても、フローチャンネル内のガス流れの乱れを極力抑える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回転可能に設置されたサセプタと、該サセプタ上に載置された基板と、該基板を前記サセプタを介して加熱する加熱手段と、前記サセプタを回転させる駆動手段と、前記フローチャンネル内に前記基板面に平行な方向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、該ビューポートの外部に取り付けられた光学測定機器とを備えるとともに、該光学測定機器で前記基板面の状態を測定する際の光路となる複数の通孔を前記フローチャンネルの基板対向面に形成した気相成長装置において、前記複数の通孔の内の任意の一つの通孔における前記反応ガスの流れ方向の上流側又は下流側から外れた位置に他の通孔を形成し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、前記複数の通孔の内の任意の二つの通孔の中心を通る直線と、前記反応ガスの流れ方向に平行な直線とが、４５〜９０度の範囲で交叉していること、前記複数の通孔が３個以上設けられ、該３個以上の通孔の中心が一つの直線上に並んでいること、前記複数の通孔の内径が６ｍｍ以下であること、前記複数の通孔は、前記基板の直径方向に並んでいることを特徴としている。

また、前記ビューポートのチャンバー内部側に、チャンバー内外を区画してビューポート側にパージ室を形成する区画板を設けるとともに、該区画板に、前記複数の通孔に対応した複数の第２の通孔を形成したこと、前記パージ室内にパージガスを導入するパージガス導入部を設けたことを特徴としている。

本発明の気相成長装置によれば、フローチャンネルの基板対向面に形成した通孔部分でフローチャンネル内のガス流れに乱れが生じることがあっても、ガス流れ下流側に他の通孔が存在しないので、ガス流れの乱れが増大することがなくなる。これにより、ガス流れの乱れに起因する悪影響を抑制することができる。

図２のＩ−Ｉ矢視図である。本発明の一形態例を示す気相成長装置の要部の断面正面図である。実験に使用した気相成長装置の説明図である。第１の実験結果を示す基板中心からの距離とＸ線ロッキングカーブ半値幅との関係を示す図である。第２の実験結果を示す基板中心からの距離とＸ線ロッキングカーブ半値幅との関係を示す図である。第３の実験結果を示す基板中心からの距離と膜厚との関係を示す図である。

図１及び図２は、本発明の気相成長装置の要部の一形態例を示している。本形態例に示す気相成長装置は、一般的な気相成長装置と同様に、装置内外を区画するための密閉状態のチャンバー１１と、該チャンバー１１内に配置されたフローチャンネル１２と、該フローチャンネル１２内に回転可能に設置されたサセプタ１３と、該サセプタ上に載置される複数の基板１４と、該基板１４を前記サセプタ１３を介して加熱する加熱手段１５と、前記サセプタ１３を回転させる駆動手段１６と、前記フローチャンネル１２内に前記基板１４の上面に平行な方向に反応ガスＧを層流状態で供給する反応ガス供給手段（図示せず）と、前記チャンバー１１の上部に設けられたビューポート１７と、該ビューポート１７の外部に設けられた光学測定機器１８とを備えている。フローチャンネル１２の外側のチャンバー１１内には、反応ガスＧと同一圧力、同一流速でパージガスが供給されている。

また、ビューポート１７のチャンバー内部側には、チャンバー内外を区画し、ビューポート１７の透明窓部材１７ａとの間にパージ室１９を形成するための区画板２０が設けられるとともに、パージ室１９の一側壁には、該パージ室１９内にあらかじめ設定された流量のパージガスを導入するためのパージガス導入部２１が設けられている。

前記フローチャンネル１２の基板対向面となる天板部１２ａには、基板１４の状態、例えば温度を測定する際の前記光学測定機器１８の光路となる３個の通孔、すなわち、基板１４におけるサセプタ内周側に対応した内側第１通孔２２ａと、サセプタ外周側に対応した外側第１通孔２２ｂと、両通孔２２ａ，２２ｂの中間位置で基板中心に対応した中間第１通孔２２ｃとが形成されている。また、前記区画板２０には、内側通孔２２ａに対応した位置に内側第２通孔２３ａが、外側通孔２２ｂに対応した位置に外側第２通孔２３ｂが、中間通孔２２ｃに対応した位置に中間第２通孔２３ｃが、それぞれ設けられている。

３個の通孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃの位置は、中間通孔２２ｃが基板１４の中心に位置したときに、３個の通孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃの中心を通る直線Ｌが基板１４の直径方向になるように設定されており、さらに、前記直線Ｌが、フローチャンネル１２内を流れる反応ガスＧの流れ方向に平行な直線Ｆに対してあらかじめ設定された交叉角度α、本形態例では４５度で交叉するように３個の通孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃの位置が設定されている。

このように、３個の通孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃの中心を通る直線Ｌと、フローチャンネル１２内を流れる反応ガスＧの流れ方向に平行な直線Ｆとがあらかじめ設定された交叉角度αで交叉するように各通孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃを配置することにより、上流側の通孔の部分でガス流れに乱れが生じたとしても、このガス流れの乱れが下流側の通孔部分を通ることがないことから、ガス流れの乱れが増大することがなくなる。したがって、反応ガスの流れの乱れに起因する成膜不良の発生を防止することができる。

前記直線Ｆに対する前記直線Ｌの交叉角度αは、基板１４の直径や通孔の内径などの条件によって異なるが、通常は、４５〜９０度（直線Ｆの上流側から見た角度βでは４５〜１３５度）の範囲に設定することが好ましい。交叉角度αが４５度より小さくなると、上流側の通孔部分で乱れたガス流れの一部が下流側の通孔部分を通った際に乱れが増大するおそれがある。

一方、通孔の内径が大きすぎると、例えば６ｍｍを超える内径にすると、通孔部分でも反応ガスの流れに乱れを生じやすくなるので、通孔の内径は６ｍｍ以下にすることが好ましく、さらに、５ｍｍ以下にすることがより好ましい。

また、２個以上の複数の通孔を基板１４の直径方向に配置しない場合は、任意の一つの通孔の上流側又は下流側から外れた位置に他の通孔を設けるようにすればよく、任意の２個の通孔の中心を通る直線が前記直線Ｆに対して所定の角度αで交叉するようにそれぞれ配置すればよい。

さらに、ビューポート１７のチャンバー内部側に区画板２０とパージガス導入部２１とを設けることにより、ビューポート１７の透明窓部材１７ａが曇ることを防止できる。

次に、比較実験を行った結果を説明する。実験に使用した気相成長装置は、図３（ａ）に示すように、フローチャンネル３１の底部開口３１ａ内に回転可能に設けたサセプタ３２の上に複数枚の基板３３を配置するとともに、基板３３の周囲にサセプタカバー３４を設置したものを使用した。フローチャンネル３１の上部に、石英ガラス３５ａの表面に窒化硼素の反射面３５ｂを設けた熱反射板３５を設置し、該熱反射板３５として、基準例１として通孔を設けないものを、実施例１としてガス流れの方向に対して直交する方向（前記角度α＝９０度）に３個の通孔３６を設けたものを（図３（ｂ））、比較例１としてガス流れの方向に平行な方向に３個の通孔３７を設けたものを（図３（ｃ））、それぞれ使用した。各通孔の内径は５ｍｍである。

そして、反応ガスの流量や流速、基板の加熱温度、サセプタの回転速度などの成膜操作条件を同一に設定して基板上にＧａＮ薄膜を成長させ、得られた各薄膜におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅の分布を測定した。実験１の結果を図４に、実験２の結果を図５にそれぞれ示す。図４及び図５において、基準例１は線Ａ，実施例１は線Ｂ，比較例１は線Ｃで示す。

両実験１，２の結果から、通孔を設けていない基準１と、ガス流れの方向に対して直交する方向に通孔を設けた実施例１とは略同じ数値を示したのに対し、ガス流れの方向に対して平行な方向に通孔を設けた比較例１は、異なる数値を示していた。これにより、ガス流れの方向に対して平行な方向に通孔を設けた場合は、成長させる薄膜に影響を与えることがわかる。また、比較例１における最下流側の通孔の周囲には微細な粉体の付着が認められ、パーティクルの発生原因になるおそれがあったのに対し、実施例１の通孔部分には、粉体の付着は認められなかった。

さらに、ＩｎＧａＮの薄膜を成長させる実験を行い、得られた薄膜の膜厚分布を測定した。その結果を図６に示す（線Ａ，Ｂ，Ｃは前記同様）。この結果から、基準１と実施例１とは、同じような膜厚分布を示したのに対し、比較例１は、異なる膜厚分布を示しており、ガス流れの方向に対して平行な方向に通孔を設けたことによる影響を受けていることがわかる。

また、前記実験では、パージガス導入部２１から窒素ガスをパージガスとして導入したが、パージガスの流量が０．２Ｎｌ／ｍｉｎ（ノルマルリットル／ミニッツ）未満の場合、通孔２２ａ〜２２ｃから漏れ出した反応ガスの影響により、透明窓部材１７ａのフローチャネル１２側が成膜後に曇ることが確認された。一方、パージガス流量が０．２Ｎｌ／ｍｉｎ以上では成膜後に透明窓部材１７ａが曇ることはなかったが、パージガス流量が４Ｎｌ／ｍｉｎを超えると、該パージガスがフローチャネル１２に設けた通孔２２ａ〜２２ｃを通って反応ガスに混入する量が多くなり、成膜に悪影響を及ぼすことがあった。

１１…チャンバー、１２…フローチャンネル、１２ａ…天板部、１３…サセプタ、１４…基板、１５…加熱手段、１６…駆動手段、１７…ビューポート、１７ａ…透明窓部材、１８…光学測定機器、１９…パージ室、２０…区画板、２１…パージガス導入部、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ…第１通孔、２３ａ，２３ｂ，２３ｃ…第２通孔、３１…フローチャンネル、３１ａ…底部開口、３２…サセプタ、３３…基板、３４…サセプタカバー、３５…熱反射板、３５ａ…石英ガラス、３５ｂ…反射面、３６…通孔（実施例１）、３７…通孔（比較例１）、Ｆ…反応ガスの流れ方向に平行な直線、Ｇ…反応ガス、Ｌ…３個の通孔の中心を通る直線、α…交叉角度

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回転可能に設置されたサセプタと、該サセプタ上に載置された基板と、該基板を前記サセプタを介して加熱する加熱手段と、前記サセプタを回転させる駆動手段と、前記フローチャンネル内に前記基板面に平行な方向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、該ビューポートの外部に取り付けられた光学測定機器とを備えるとともに、該光学測定機器で前記基板面の状態を測定する際の光路となる複数の通孔を前記フローチャンネルの基板対向面に形成した気相成長装置において、前記複数の通孔の内の任意の一つの通孔における前記反応ガスの流れ方向の上流側又は下流側から外れた位置に他の通孔を形成したことを特徴とする気相成長装置。
前記複数の通孔の内の任意の二つの通孔の中心を通る直線と、前記反応ガスの流れ方向に平行な直線とが、４５〜９０度の範囲で交叉していることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
前記複数の通孔が３個以上設けられ、該３個以上の通孔の中心が一つの直線上に並んでいることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
前記複数の通孔は、内径が６ｍｍ以下であ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。
前記複数の通孔は、前記基板の直径方向に並んで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。
前記ビューポートのチャンバー内部側に、チャンバー内外を区画してビューポート側にパージ室を形成する区画板を設けるとともに、該区画板に、前記複数の通孔に対応した複数の第２の通孔を形成したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の気相成長装置。
前記パージ室内にパージガスを導入するパージガス導入部を設けたことを特徴とする請求項６記載の気相成長装置。