JPH07130655A - 薄膜形成装置及びそれを用いた薄膜形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 発熱体から発生する汚染物質による汚染を防
止できる薄膜形成装置とこれを用いた薄膜形成方法を提
供し、特に成膜時に高温による熱処理を必要とする薄膜
の膜質を向上させる。 【構成】 内部に試料２を配置する真空炉１１と、真空
炉１１内において試料２の裏面側に配置される発熱体１
２ａを備えた加熱手段１２とを有する薄膜形成装置１に
おいて、真空炉１１は、発熱体１２ａを完全に覆う状態
に配置され真空炉１１内を成膜室１５と加熱室１６とに
完全に分離する分離体１４と、成膜室１５内の雰囲気を
排気する第１の排気手段２２と、加熱室１６内の雰囲気
を排気する第２の排気手段２４とを備えている。これに
よって、試料２の成膜表面２ａを発熱体１２ａの周辺雰
囲気と別の圧力雰囲気に晒した状態で成膜が行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜形成装置及びそれ
を用いた薄膜形成方法に関し、特には、半導体製造工程
で基板表面に薄膜を形成する装置及びその方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、高速ヘテロバイポーラ，マイクロ
波用素子および超格子構造素子への応用を目的として、
基板表面にIV族系半導体薄膜をエピタキシャル成長によ
って成膜する技術が急速に発展している。なかでも、分
子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法や超高真空−化学的気
相成長（ＵＨＶ−ＣＶＤ）法によって、シリコン基板上
に、シリコン（Ｓｉ）またはシリコン−ゲルマニウム
（Ｓｉ−Ｇｅ）薄膜を成膜する技術が注目されている。

【０００３】上記の薄膜を形成する装置は、例えば図４
に示すように、真空炉４０１と加熱手段４０２とを有し
ている。真空炉４０１の内部には、支持体４０３が配置
されており、薄膜を形成する試料２がこの支持体４０３
に保持されるようになっている。さらに、真空炉４０１
内には、試料２の成膜表面２ａと対向する位置にガスヘ
ッド４０４が配置されている。このガスヘッド４０４
は、真空炉４０１内に反応ガスを供給するためのもので
あり、装置外部のガス供給系５が接続されている。そし
て、試料２の裏面側に、上記の加熱手段４０２の発熱体
４０２ａ部分が配置されるようになっている。また、真
空炉４０１には、内部のガスを排気する排気口４０５
と、内部のガス圧力を測定する圧力ゲージ４０６が設け
られている。そして、排気口４０５には、排気手段４０
７，４０８が自動開閉バルブ４０９を介して接続されて
いる。

【０００４】上記構成の薄膜形成装置４を用いた薄膜の
形成は、以下のようにして行う。先ず、真空炉４０１内
の支持体４０３上に、試料２となる基板をその成膜表面
２ａがガスヘッド４０４側に向くような方向で載置す
る。そして、真空炉４０１内のガスを排気口４０５から
排気して内部を超高真空にする。次に、加熱手段４０２
によって試料２を高温に加熱し、高温熱処理によって試
料２の成膜表面２ａを清浄化する。その後、加熱手段４
０２によって試料２の温度を所定の高温に保ったまま、
ガスヘッド４０４から真空炉４０１内に反応ガス５ａを
導入し、試料２の成膜表面２ａに薄膜を形成する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の薄膜形
成装置による薄膜の形成には、以下のような課題があっ
た。すなわち、試料の成膜表面に薄膜を形成する工程で
は、成膜表面の清浄化工程も含めて基板温度を高温に加
熱する必要がある。特に、上述のIV族系エピタキシャル
薄膜を形成する際には、例えばIII −Ｖ族化合物半導体
薄膜を形成する場合と比較して基板温度はさらに高温に
設定される。したがって、加熱手段の発熱体自体から、
ガスや昇華物等の汚染物質が発生するようになる。例え
ば炭素系材料で形成された抵抗体を発熱体として用いた
場合には、炭素が昇華物として発生する。そして、これ
らの汚染物質によって、真空炉内の清浄度及び真空度が
著しく低下する。このため、図５に示すように、熱処理
によって成膜表面を浄化する工程では、試料２の成膜表
面２ａに上記の汚染物質５０１が付着する。そして、薄
膜を成膜させる工程では薄膜５００中に上記の汚染物質
５０１が取り込まれる。

【０００６】そこで、本発明は上記の課題を解決する薄
膜形成装置とこれを用いた薄膜形成方法を提供すること
によって、成膜の際に特に高温による熱処理を必要とす
るIV族系エピタキシャル薄膜の膜質を向上させることを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの本発明の薄膜形成装置は、内部に試料を配置する真
空炉と、当該真空炉内において上記試料の裏面側に配置
される発熱体を備えた加熱手段とを有するものである。
この薄膜形成装置において上記の真空炉は、当該真空炉
内に上記試料を配置した状態で、当該試料の成膜表面が
露出する成膜室と上記発熱体が配置される加熱室とに当
該真空炉内を分離する分離体と、上記成膜室内の雰囲気
を排気する第１の排気手段と、上記加熱室内の雰囲気を
排気する第２の排気手段とを備えている。

【０００８】そして、上記の薄膜形成装置において、上
記発熱体を完全に覆う状態に上記分離体を配置する。

【０００９】さらに、上記薄膜形成装置を用いた本発明
の薄膜形成方法は、先ず、第１の工程で、上記真空炉内
に試料を配置する。次に、第２の工程で、上記第１及び
第２の排気手段によって上記真空炉内を排気しながら、
成膜室内を上記加熱室内より高いガス圧力に保った状態
で当該成膜室内を不活性な雰囲気にし、当該雰囲気中で
上記加熱手段によって上記試料を加熱する。その後第３
の工程で、上記成膜室に反応ガスを導入することによっ
て上記成膜室内を上記加熱室内より高いガス圧力に保
ち、加熱された状態の上記試料の成膜表面に薄膜を形成
する。

【００１０】

【作用】先ず、本発明の薄膜形成装置では、真空炉の内
部に分離体を配置することによって、真空炉の内部が試
料の成膜表面が露出する成膜室と発熱体が配置される加
熱室とに分離されるようにしている。そして、成膜室と
加熱室とのそれぞれには、第１または第２の排気手段が
設けられている。このため、試料の成膜表面が発熱体の
周辺雰囲気と別の圧力雰囲気に晒される。

【００１１】そして、上記の薄膜形成装置において、上
記発熱体を完全に覆う状態に上記分離体を配置すること
によって、試料の成膜表面が晒される雰囲気と発熱体の
周辺雰囲気とが完全に分離される。

【００１２】さらに、本発明の薄膜形成方法では、上記
成膜室内のガス圧力を上記加熱室内のガス圧力より高く
設定した状態で試料を加熱するため、加熱室側の雰囲気
が試料の成膜表面に届かない状態でこの成膜表面が清浄
化される。さらに、薄膜形成工程では、成膜室に反応ガ
スを導入することによって上記成膜室内を上記加熱室内
より高いガス圧力に保つため、加熱室側の雰囲気が試料
の成膜表面に届かない状態でこの成膜表面に薄膜が形成
される。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。ここで
は、先ず第１の実施例として、図１に示すように真空炉
内が分離体によって完全に分離されている薄膜形成装置
と、これによる薄膜形成方法を説明する。その後、第２
の実施例として、図３に示すように分離体による真空炉
内の分離が必ずしも完全ではない薄膜形成装置と、これ
による薄膜形成方法を説明する。

【００１４】図１の薄膜形成装置１の構成図に示すよう
に、第１の実施例の薄膜形成装置１は、真空炉１１と加
熱手段１２とを有している。この真空炉１１は金属製で
あり、例えば水冷によって薄膜形成時にその壁面が高温
にならないような構成になっている。また、加熱手段１
２には、抵抗体からなる発熱体１２ａが備えられてお
り、この発熱体１２ａが真空炉１１の内部に配置されて
いる。

【００１５】真空炉１１の略中央部には、支持体１３が
配置されており、薄膜を形成する試料２がその成膜表面
２ａを下に向けて保持されるようになっている。また、
支持体１３に載置した試料２の近傍にあたる位置には、
試料２の成膜表面２ａの温度を測定する温度測定手段
（図示せず）が設置されており、これによって加熱手段
１２による加熱温度の制御が行われるようになってい
る。上記温度測定手段としては、例えば熱電対を用い
る。

【００１６】そして、支持体１３に配置した状態の試料
２の裏面側には、上記発熱体１２ａが配置されており、
この発熱体１２ａを覆う形状の分離体１４が真空炉１１
の内部に設けられている。この分離体１４によって真空
炉１１の内部は、試料２が配置されている成膜室１５
と、発熱体１２ａが配置されている加熱室１６とに、そ
れぞれが完全に独立したガス雰囲気を保てるように分離
されている。一方、分離体１４の試料２に向かう面１４
ａは、例えば石英のように輻射熱を透過する材料で形成
されることとする。

【００１７】さらに、分離体１４で分離された成膜室１
５と加熱室１６とには、それぞれ排気口１７，１８が設
けられている。そして、成膜室１５の排気口１７にはタ
ーボポンプ２０とドライポンプ２１とからなる第１の排
気手段２２が、自動開閉バルブ２３を介して接続されて
いる。また、加熱室１６の排気口１８には第２の排気手
段２４が、自動開閉バルブ２５を介して接続されてい
る。その他、成膜室１５と加熱室１６とには真空ゲージ
２６，２７が設けられている。この真空ゲージ２６，２
７は、それぞれの室内の真空度に応じて好適な真空ゲー
ジを選択する。

【００１８】また、支持体１３に配置した状態の試料２
の成膜表面２ａ側には、成膜室１５の内部に反応ガスを
供給するガスヘッド１９が配置されている。このガスヘ
ッド１９には、反応ガスのガス供給系５が接続されてい
る。

【００１９】上記構成の薄膜形成装置１では、試料２が
配置される成膜室１５と発熱体１２ａが配置される加熱
室１６とが、分離体１４によって完全に独立したガス雰
囲気を保てるように分離されている。したがって、試料
２を発熱体１２ａの周辺雰囲気と別の圧力雰囲気に配置
した状態で、薄膜を形成させることができる。

【００２０】この薄膜形成装置１を用いて、試料２の成
膜表面に薄膜を形成する方法を、シリコン基板の表面に
シリコン−ゲルマニウム薄膜をエピタキシャル成長にて
形成する場合を例に取って説明する。先ず、第１の工程
として、成膜室１５内の支持体１３上にシリコン基板を
試料２として載置する。

【００２１】次に、第２の工程として、第１の排気手段
２２によって、成膜室１５の内部を１×１０^-8Ｐａ程度
の超高真空に排気し、成膜室１５の内部を清浄化する。
この時、分離体１４の石英板を保護しかつ発熱体１２ａ
の燃焼を防止するために、第２の排気手段２４によっ
て、加熱室１６内を成膜室１５内と同程度の真空状態に
排気する。そして、充分に真空炉１１の内部が清浄化さ
れた後、加熱手段１２によって試料２を所定温度に加熱
し、成膜表面２ａを熱処理によって清浄化する。この
際、試料２の加熱温度は、例えば９００℃〜１０００℃
の間の所定温度に設定する。

【００２２】その後、第３の工程として、成膜室１５に
反応ガス５ａを導入し、試料２の成膜表面２ａに薄膜を
形成する。この工程では、先ず、成膜温度を加熱手段１
２によって６００℃〜９００℃の間の所定温度に設定す
る。そして、ガス供給系５から成膜室１５の内部に反応
ガス５ａを供給する。反応ガス５ａとしては所定の混合
比のゲルマンガスとシランガスとを例えば水素ガスで所
定濃度に希釈したものを用いる。所定膜厚の薄膜形成後
は、反応ガス５ａの供給を停止し、希釈ガスのみを成膜
室１５に供給して試料２を冷却する。その後、試料２を
真空炉１１から搬出して工程を終了する。

【００２３】上記の薄膜形成方法では、発熱体１２ａの
周辺雰囲気と分離されたガス雰囲気の中で、試料２の成
膜表面２ａが清浄化されると共に薄膜が形成される。こ
のため、試料２を加熱する際に、発熱体１２ａから発生
する汚染物質が成膜室１５に侵入することはない。した
がって、図２に示すように、清浄な状態を保った試料２
の成膜表面２ａに清浄な薄膜２００が形成される。

【００２４】次に、第２の実施例を図３の薄膜形成装置
３の構成図に基づいて説明する。図３に示すように、薄
膜形成装置３は、上記第１の実施例と同様の真空炉３１
と加熱手段３２とを有している。

【００２５】真空炉３１の内部には、内部を例えば上下
に二分する状態で板状の分離体３４が設けられている。
この分離体３４は、上記第１の実施例と同様の支持体３
３を嵌め込む形状にその略中央部分がくり抜かれた状態
になっている。そして、薄膜を形成する試料２がその成
膜表面２ａを下に向けて支持体３３に配置された状態に
おいて、試料２と分離体３４と支持体３３とによって真
空炉３１の内部が、上方の加熱室３６と下方の成膜室３
５との２室に仕切られるようになっている。このため、
仕切られた状態において、成膜室３５と加熱室３６との
間の気密状態は必ずしも完全ではない。そして、上記第
１の実施例と同様に、支持体３３に配置した状態の試料
２の裏面側、すなわち加熱室３６には加熱手段３２の発
熱体３２ａ部分が配置される。

【００２６】さらに、成膜室３５と加熱室３６とには、
それぞれ排気口３７，３８が設けられている。そして、
成膜室３５の排気口３７には、ターボポンプ４０とドラ
イポンプ４１とからなる第１の排気手段４２が自動開閉
バルブ４３を介して接続されている。また、加熱室３６
の排気口３８には上記のドライポンプ４１に接続する第
２の排気手段４４が、自動開閉バルブ４５を介して接続
されている。さらに、成膜室３５と加熱室３６には上記
第１の実施例と同様の真空ゲージ４６，４７が設けられ
ている。

【００２７】また、成膜室３５の内部には、上記第１の
実施例と同様のガスヘッド３９が配置されている。この
ガスヘッド３９には、反応ガス５ａを供給するガス供給
系５が接続されている。さらに、成膜室３５には、例え
ば水素ガスのような不活性ガスを供給する不活性ガス供
給系６が設けられている。

【００２８】上記構成の薄膜形成装置３では、真空炉３
１の内部に試料２を配置した状態では、試料２と支持体
３３と分離体３４とによって、真空炉３１の内部が成膜
室３５と加熱室３６とに分離される。そして分離された
それぞれの部屋に自動開閉バルブ４３，４５を介して第
１の排気手段４２または第２の排気手段４４が接続され
ているため、これらの排気手段４２，４４による排気量
調整によって、成膜室３５の内部と加熱室３６の内部と
が異なる圧力雰囲気に保たれる。したがって、上記第１
の実施例と同様に、試料２を加熱手段３２と別の圧力雰
囲気に配置した状態で、薄膜を形成させることができ
る。

【００２９】この薄膜形成装置３を用いて、試料２の成
膜表面２ａに薄膜を形成する方法を、上記第１の実施例
と同様にシリコン基板の表面にシリコン−ゲルマニウム
薄膜をエピタキシャル成長にて形成する場合を例に取っ
て説明する。先ず、第１の工程として、真空炉３１内の
支持体３３上に試料２を載置し、真空炉３１の内部を成
膜室３５と加熱室３６とに仕切る。

【００３０】次に、第２の工程として、成膜室３５内の
ガスと加熱室３６内のガスをそれぞれ第１の排気手段４
２と第２の排気手段４４とによって排気し、真空炉３１
の内部を１×１０^-8Ｐａ程度の超高真空状態にして清浄
化する。この工程では、不活性ガス供給系６から成膜室
３５に、例えば水素ガスを供給しながら行う。これによ
って、成膜室３５内のガス圧力が加熱室３６内のガス圧
力より高い状態を保つようにする。そして、充分に真空
炉３１の内部が清浄化された後、上記の圧力雰囲気を保
った状態で加熱手段３２によって試料２を所定温度に加
熱し、成膜表面２ａを熱処理によって清浄化する。試料
２の加熱温度は、上記第１の実施例と同様に９００℃〜
１０００℃の間の所定温度に設定する。

【００３１】その後、第３の工程として、成膜室３５に
反応ガス５ａを導入し、試料２の成膜表面２ａに薄膜を
形成する。この工程では、真空炉１１内の圧力雰囲気を
上記第２の工程と同様に保ちながら、成膜温度を加熱手
段３２によって６００℃〜９００℃の間の所定温度に設
定した後、不活性ガス供給系６からの不活性ガスの供給
に代えて、希釈した反応ガス５ａをガス供給系５から成
膜室３５に導入する。そして、所定膜厚の薄膜形成後
は、反応ガス５ａの供給を停止し、希釈ガスのみを成膜
室３５に供給しながら試料２の冷却を行い、冷却後試料
２を真空炉３１から搬出して工程を終了する。

【００３２】上記の薄膜形成方法では、成膜室３５内の
ガス圧力を加熱室３６内のガス圧力より高く設定した状
態で、試料２の成膜表面２ａの清浄化が行われる。した
がって、この工程では、発熱体３２ａが配置された加熱
室３６側の雰囲気が、試料２と支持体３３の間あるいは
支持体３３と分離体３４の隙間から成膜表面２ａが露出
する成膜室３５側に流れ込むことはない。さらに、薄膜
形成工程では、成膜室３５側から真空炉３１内に反応ガ
ス５ａを導入するため、加熱室３６側の雰囲気が、成膜
室３５側に流れ込むことが防止される。したがって、上
記第１の実施例と同様に、図２に示した汚染物質を含ま
ない良好な薄膜２００が試料２の清浄な成膜表面２ａに
形成される。

【００３３】上記第２の実施例では、図３に示した薄膜
形成装置において、成膜室３５内を加熱室３６内より高
いガス圧力に保つために、成膜室３５側から不活性ガス
を供給した。しかし、本発明はこれに限定されず、第１
の排気手段４２と第２の排気手段４４との排気量を調節
することによって、成膜室３５内を加熱室３６内より高
いガス圧力に保つようにしても良い。この場合、不活性
ガス供給系６を成膜室３５に設ける必要はない。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の薄膜形成
装置によれば、真空炉の内部に分離体を設けることによ
って、試料の成膜表面が露出する成膜室と発熱体が配置
される加熱室とに真空炉の内部が分離されるようにし
た。これによって、発熱体と別の圧力雰囲気に試料の成
膜表面を配置して薄膜を形成することが可能となった。
したがって、薄膜形成の際に、発熱体から発生するガス
や昇華物等の汚染物質による試料の成膜表面の汚染を防
止できる。そして、この薄膜形成装置において、発熱体
を分離体で完全に覆う状態で配置することによって、上
記の汚染物質による試料の成膜表面の汚染を完全に防止
することができる。また、本発明の薄膜形成方法によれ
ば、上記の薄膜形成装置において、成膜室内のガス圧力
を上記加熱室内のガス圧力より高く設定した状態で試料
を加熱し、さらに成膜室に反応ガスを導入して薄膜を形
成するようにした。このため、発熱体から発生する汚染
物質を含む雰囲気が成膜室側に漏れることによる成膜表
面の汚染を防止しながら、成膜表面の清浄化とこれに引
き続く薄膜の形成を行うことが可能になった。したがっ
て、本発明の薄膜形成装置及びそれを用いた薄膜形成方
法によれば、成膜の際に特に高温による熱処理を必要と
するIV族系エピタキシャル薄膜の膜質を向上させること
が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の薄膜形成装置の構成図である。

【図２】第１の実施例を説明する模式図である。

【図３】第２の実施例の薄膜形成装置の構成図である。

【図４】従来の薄膜形成装置の構成図である。

【図５】従来例の課題を説明する模式図である。

【符号の説明】

１，３ 薄膜形成装置 ２ 試料 ２ａ 成膜表面 ５ａ 反応ガス １１，３１ 真空炉 １２，３２ 加
熱手段 １２ａ，３２ａ 発熱体 １４，３４ 分
離体 １５，３５ 成膜室 １６，３６加熱
室 ２２，４２ 第１の排気手段 ２４，４４ 第
２の排気手段 ２００ 薄膜

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部に試料を配置する真空炉と、当該真
   空炉内において前記試料の裏面側に配置される発熱体を
   備えた加熱手段とを有し、前記真空炉内に導入した反応
   ガスによって前記試料の成膜表面に薄膜を形成する装置
   において、 前記真空炉は、当該真空炉内に前記試料を配置した状態
   で、当該試料の成膜表面が露出する成膜室と前記発熱体
   が配置される加熱室とに当該真空炉内を分離する分離体
   と、 前記成膜室内の排気を行う第１の排気手段と、 前記加熱室内の排気を行う第２の排気手段とを備えてい
   ることを特徴とする薄膜形成装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の薄膜形成装置において、
   前記分離体は前記発熱体を完全に覆う状態に配置される
   ものであることを特徴とする請求項１記載の薄膜形成装
   置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の薄膜形成装置を用いて試
   料の成膜表面に薄膜を形成する方法であって、 前記真空炉内に試料を配置する第１の工程と、 前記第１及び第２の排気手段によって前記真空炉内を排
   気しながら、成膜室内を前記加熱室内より高いガス圧力
   に保った状態で当該成膜室内を不活性な雰囲気にし、当
   該雰囲気中で前記加熱手段によって前記試料を加熱する
   第２の工程と、 前記成膜室に反応ガスを導入することによって前記成膜
   室内を前記加熱室内より高いガス圧力に保ち、加熱され
   た状態の前記試料の成膜表面に薄膜を形成する第３の工
   程とを行うことを特徴とする薄膜形成方法。