JPH0719752B2 - 薄膜形成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 『発明の利用分野』 本発明は、光励起化学気相反応により薄膜形成を行う装
置であって、大面積の被形成面に均一に量産性の優れた
被膜を光照射室上の遮蔽板上にオイル等をコートするこ
となく形成する手段を有するCVD（気相反応）装置に関
する。

『従来技術』 気相反応による薄膜形成技術として、光エネルギにより
反応性気体を活性にさせる光CVD法が知られている。こ
の方法は、従来の熱CVD法またはプラズマCVD法に比べ、
低温での被膜形成が可能であるに加えて、被形成面に損
傷を与えないという点で優れたものである。

しかし、かかる光CVD法を実施するに際し、その一例を
第１図に示すが、反応室（２）内に保持された基板
（１），その基板の加熱手段（３），さらに基板に照射
する低圧水銀灯（９）とを有している。ドーピング系
（７）には反応性気体の励起用の水銀バブラ（13）及び
排気系（８）にはロータリーポンプ（19）を具備してい
る。ドーピング系よりの反応性気体、例えばジシランが
反応室（２）に導入され、反応生成物である例えばアモ
ルファス珪素を基板（基板温度250℃）上に形成するに
際し、反応室の紫外光透光用の遮蔽板、代表的には石英
窓にも同時に多量に珪素膜が形成されてしまう。このた
め、この窓への被膜形成を防ぐため、この窓にフォンブ
リンオイル（弗素系オイルの一例）（20）を薄くコート
している。

しかし、このオイルは、窓への被膜形成を防ぐ作用を有
しつつも、このオイル上にも少しづつ同時に反応生成物
が形成され、ここでの光吸収により被膜形成の厚さに制
限が生じてしまう欠点を有する。

また、低圧水銀灯が大気圧に保持されているため、この
圧力のため石英を厚くしなければならない。しょして、
この水銀灯と石英窓との間の大気により紫外光特に185n
mの短紫外光が吸収されてしまう。

大面積の基板の形成に対し、大きな窓とすると、その室
が真空に対し被損しやすい等の欠点を有している。

このため、その対策として、特開昭59−68923「薄膜形
成技術」にみられるごとき拡散炉方式がある。この形成
装置においては、フォンブリンオイルの代わりに反応室
側の内側より室温（27℃）の不活性気体を窓内壁に噴射
したものである。するとこの気体により、石英の内壁へ
の反応生成物の付着を防ぐことができるとしている。し
かしこの場合、ガスの供給等反応炉内の圧力の変化によ
りきわめて微妙であり、かつこの不活性気体を反応炉中
に多量に流さなければならないため、反応性気体が不活
性気体により希釈されてしまうという欠点を有する。

さらに、この不活性気体が反応室で加熱されてしまう点
を有する。

『問題を解決するための手段』 本発明はこれらの問題を解決するため、窓を２重とし、
即ち２枚の石英を0.5〜3mmの間隙を有して配設し、ここ
に液体窒素または液化炭酸ガスより放出した０℃以下の
気体、例えば−70〜−192℃の窒素気体を導出し、さら
にこの気体を真空排気することにより反応室、空隙、光
源室間の圧力及び圧力差を10torr以下とし、大面積でも
石英ガラスが破損しないようにした。かくして石英板は
−10〜−50℃に冷却されているため、ここでの生成物の
被膜化がない。さらにたとえフレーク状に落下物が存在
しても付着していないため、この石英上をワイパ（30）
によりワイプ（拭き払う）することにより除去し、連続
的に被膜形成を繰り返し行わしめることを特徴とする。

さらに低圧水銀灯のある光源室を真空（0.1〜10torr）
とし、ここでの185nmの紫外光の吸収損失を少なくし
た。またこの光源室と反応室との圧力を概略同一（差圧
は高々10torr一般には1torr以下）とすることにより、
石英窓を厚さを従来の10mmより２〜3mmと薄きし得るた
め、石英での光吸収損失が少ないという特長を合わせ有
する。

『作用』 これらの特性のため、窓への反応性気体の付着およびそ
れに伴う反応室への透過紫外光量の減少を完全に防ぐこ
とができた。

また、反応室を大気に触れさせずに窓上の不要物をワイ
プするため、１回の被膜形成毎に大気に触れさせるオイ
ルをコートする必要がないロード・ロック方式とし得、
さらにオイルフリーの反応系であるため、バックグラン
ドレベルの真空度を10^-7torr以下とすることができた。
そして非酸化物生成物である珪素等の半導体被膜、窒化
珪素、金属アルミニュームの光励起により被膜形成をさ
せることができた。

『実施例』 以下本発明を第２図に示した実施例により、その詳細を
記す。

第２図において、被形成面を有する基板（１）はホルダ
（１′）に保持され、反応室（２）内のハロゲンヒータ
（３）（上面を水冷（28））に近接して設けられてい
る。反応室（２）と空隙（11），光源室（５），及びヒ
ータ（３）が配設された室は、圧力を10torr以下の概略
同一の真空度に反応に支障のない気体（窒素、炭酸ガス
または水素）を（27）より（12）に供給し、また（1
2′）より排気することにより、保持されている。また
液体窒素から気化された冷たい窒素ガスを（29）より２
枚の石英（10），（10′）の間の空隙（0.3〜3mm）に供
給した。さらにその排気はターボポンプ（18）とコント
ロールバルブ（17）の間に排気し、圧力差が生じないよ
うにしたロード・ロック方式を用い、予備室（４）にて
基板，ホルダを挿入・配設し、ゲート弁（８）を開と
し、反応室（２）に移し、またゲート弁（６）を閉とし
て、反応室（２），予備室（４）は互いに仕切られてい
る。

ドーピング系（７）は，バルブ（22），流量計（21）よ
り反応後固体生成物を形成させる反応性気体が反応室
（２）へ供給され、コントロールバルブ（17），コック
（20）を経てターボ分子ポンプ（大阪真空製PG550を使
用）（18），ロータリーポンプ（19）を経、排気させ
た。排気系（８）はコック（20）により予備室を真空引
きをする際はそちら側を開とし、反応室側を閉とする。
また反応室を真空引きする際は反応室を開とし、予備室
側を閉とした。

反応室（２）の真空引きはホモジナイザ（14），（15）
のうちの排気側を上側に90゜回転し、ここでは真空引き
のコンダクタンスが添加しないようにした。

かくして10^-7torr以下とした。この後（27）より窒素を
導入し，（29）より冷えた窒素を導入した。さらに反応
用の気体を（７）より反応室に導入して被膜形成を行っ
た。

反応用光源は低圧水銀灯（９）とした。その紫外光源
は、低圧水銀灯（185nm,255nmの波長を発光する発光長4
0cm、照射強度20mW/cm²,ランプ電力40W）ランプ数15本
である。

この紫外光は、透光性遮蔽板である２枚石英（10），
（10′）を経て反応室（２）の基板（１）の被形成面
（１）上を照射する。

ヒータは反応室の上側に位置した「ディポジッション・
アップ」方式とし、フレークが被形成面に付着してピン
ホールの原因を作ることを避けた。

加えてヒータの熱が石英板（10），（10′）及び水銀灯
を加熱し、水銀灯の昇温による発光波長の長波長化を避
けた。

反応室はステンレスであり、光源室、空隙（11）をも真
空引きをし、それぞれの圧力差を10torr以下とした。そ
の結果、従来例に示される如く、大面積の照射用に石英
板の面積を大きくすると圧力的に耐えられないという欠
点を本発明は有していない。即ち、紫外光源も真空下に
保持された光源室と反応室とを囲んでステンレス容器内
に真空に保持されている。このため、5cm×5cmの大きさ
ではなく30cm×30cmの大きさの基板をも何等の工業的な
問題もなく作ることができ得る。

図面の場合の被形成有効面積は30cm×30cmであり、直径
６インチの基板（１）４枚がホルダ（１′）に配設され
得る構成とし、基板の温度はハロゲンヒータ（３）によ
り加熱し、室温〜500℃までの所定の温度とした。

さらに、本発明による具体例を以下の実験例１〜３に示
す。

実験例１・・・・・シリコン窒化膜の形成例 反応性気体としてアンモニアを（25）より30cc/分，モ
ノシランを（23）より8cc/分で供給し、基板温度300℃
とした。基板は直径６インチのウエハ４枚とした。反応
室（２）内圧力は2.5torrとした。

30分の反応で1500Åの膜厚が形成された。その被膜形成
速度は55Å／分であった。水銀の蒸気等を用いた励起を
行わず直接光励起である。被膜の５点のばらつきは±５
％以内に入っていた。

さらに他の新しい基板を用いて形成しても同じ膜厚を得
ることができた。

実験例２・・アモルファスシリコン膜の形成例 ジシラン（Si₂H₆）を（24）より供給した。（26）より
クリプトンを供給した。また（27）より水素を供給し
た。クリプトンの励起助成により被形成面に2000Åの膜
厚を60分間のディポジッションで形成させることができ
た。

基板温度は250℃、圧力2.5torrとした。

実験例３・・・金属アルミニュームの形成例 Al（CH₃）_３を代表例とするメチルアルミニュームを（2
3）より8cc/分で供給した。（25），（27）より水素を3
0cc/分で供給する。すると、メチルアルミニュームは光
源室に水銀を用いることなく分解し、金属アルミニュー
ム膜を5000Åの厚さに作ることができた。被膜形成速度
は330Å／分（圧力3torr,温度300℃）を得ることができ
た。エチルアルミニュームAl（C₂H₅）_３等の他のアルキ
ル化合物でもよい。

この被膜形成を10回繰り返しても、同じ膜厚を同一条件
で得ることができた。

『効果』 本発明は、以上の説明より明らかなごとく、大面積の基
板上に被膜を形成するにあたり、窓を２重構造とし、そ
れらが圧力差により被損しないようにするとともに、そ
の空隙に冷却用媒体を導入し、窓の反応室側を０〜−30
℃に冷却した。その結果、反応室内の窓表面に何等のオ
イルコートを行うことなしに、窓への不要反応生成物を
形成させることなく、即ち被膜形成速度を遅くさせるこ
となく、連続的に被膜形成をさせることができた。さら
にこの窓上面に落下したフレーク等はワイパ（30）によ
り除去することにより、反応室に完全にオイルレスの環
境を得、連続形成を初めて可能にした。

なお本発明は珪素および窒化珪素、アルミニュームにお
いてその実験例を示したが、それ以外にＭ（CH₃）ｎ即
ちＭとしてIn,Cr,Sn,Mo,Ga,Wを用いてもよい。また鉄、
ニッケル、コバルトのカルボニル化物を反応性気体とし
て用い、鉄、ニッケル、コバルトまたはその化合物の被
膜また珪化物とこれらとの化合物を形成することは有効
である。

前記した実験例において、珪素半導体の形成に際し、ド
ーパントを同時に添加できる。また光源として低圧水銀
灯ではなくエキシマレーザ（波長100〜400nm），アルゴ
ンレーザ、窒化レーザ等を用いてもよいことはいうまで
もない。

なお、遮蔽板の２重の石英ガラスは0.5〜3mmの厚さであ
り、その間の空隙には厚さ制御用のそれぞれの石英間と
密着させたスペーサを散在させることにより、石英板の
損傷に至る強度をさらに高めることができる。

加えて、２重に形成させた石英板を反応室側を0.5〜1mm
厚とし、光源室側を２〜3mmとし、それらの散在したス
ペーサで張り合わせることにより、光源室への熱伝導を
少なくし、反応室側より効率的に冷却することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来より公知の光励起CVD装置を示す。 第２図は本発明の光励起CVD装置を示す。

フロントページの続き (72)発明者 宮崎 稔 東京都世田谷区北烏山７丁目21番21号 株 式会社半導体エネルギー研究所内 (56)参考文献 特開 昭57−49221（ＪＰ，Ａ) 実公 昭51−43718（ＪＰ，Ｙ２)

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光励起熱化学反応を用いた薄膜形成装置に
   おいて、光源室に配置された発光源と、前記光源室と反
   応室とを仕切るために、２枚の透光性板よりなる透光性
   遮蔽板と、前記反応室に配設されて光照射がなされる被
   形成面を有する基板を加熱する手段と、該２枚の透光性
   板の間の空隙に冷却用媒体を導入する手段と、前記反応
   室、空隙及び光源室を連通して排気する手段とを具備
   し、透光性板の厚さ3mm以下とし且つ反応室側の透光性
   板の厚さを光源室側の透光性板の厚さより薄くしたこと
   を特徴とする薄膜形成装置。
2. 【請求項２】２枚の透光性板が石英板よりなり、該石英
   板間の空隙に液体窒素または液化炭酸ガスより放出され
   た０℃以下の温度の冷却用気体を導入することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の薄膜形成装置。
3. 【請求項３】前記反応室、空隙及び光源室の圧力を10to
   rr以下とすることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の薄膜形成装置。
4. 【請求項４】前記透光性板の被膜形成最大有効面積が30
   cm×30cmである特許請求の範囲第１項記載の薄膜形成装
   置。