KR20180073466A - 기상 성장 장치의 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 형태의 기상 성장 장치의 제어 방법은, 제1 기판이 처리되는 제1 반응실과, 제2 기판이 처리되는 제2 반응실을 구비하고, 유기 금속을 포함하는 제1 소스 가스를 공급하는 일원화된 제1 가스 공급 라인과, V족 원소를 포함하는 제2 소스 가스를 공급하는 일원화된 제2 가스 공급 라인과, 희석 가스를 포함하는 가스를 공급하는 희석 가스 공급 라인을 구비하고, 각 가스를 상기 제1 반응실 및 상기 제2 반응실에 각각 소정 유량으로 공급하는 공급 기구와, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 소정 회전수로 회전시키는 회전 기구와, 소정의 성막 온도로 가열하는 히터를 구비하는 기상 성장 장치의 제어 방법이며,
상기 제1 반응실에 있어서, 각각 상기 소정 유량의 상기 제1 소스 가스와, 상기 제2 소스 가스와, 상기 희석 가스를 포함하는 가스를 공급하고, 상기 성막 처리를 행하고,
상기 제2 반응실에 있어서, 상기 제1 소스 가스를 공급하지 않고 상기 희석 가스를 공급하고, 상기 성막 처리를 정지하는, 기상 성장 장치의 제어 방법.
상기 제1 반응실에 있어서, 각각 상기 소정 유량의 상기 제1 소스 가스와, 상기 제2 소스 가스와, 상기 희석 가스를 포함하는 가스를 공급하고, 상기 성막 처리를 행하고,
상기 제2 반응실에 있어서, 상기 제1 소스 가스를 공급하지 않고 상기 희석 가스를 공급하고, 상기 성막 처리를 정지하는, 기상 성장 장치의 제어 방법.
Description
본 발명은, 기상 성장 장치의 제어 방법에 관한 것이다.
고품질의 반도체 막을 형성하는 방법으로서, 기상 성장에 의해 기판(웨이퍼) 상에 단결정 막을 성장시키는 에피택셜 성장 기술이 있다.
이 에피택셜 성장 기술을 사용하는 기상 성장 방법 및 기상 성장 장치에서는, 상압 또는 감압으로 유지된 반응실 내의 지지부로 기판을 지지하고, 가열한다. 이어서, 막의 소스가 되는 반응 가스를, 기판 상에 공급한다. 기판의 표면에서는 반응 가스의 열 반응 등이 발생하고, 에피택셜 단결정 막이 형성된다.
LED(Light Emitting Diode), HEMT(High Electron Mobility Transistor)라고 하는 화합물 반도체 디바이스에 있어서, 다층막을 높은 스루풋으로 형성할 것이 요구되고 있다. 그래서, 동시에 복수의 기판에 성막하기 위해서, 복수의 반응실을 동시에 동일 조건에서 제어하는 방법이 사용되고 있다.
본 발명은, 배출 기구측에서 반응실로의 배기 가스의 역류를 방지하면서 가스의 낭비를 억제 가능한 기상 성장 장치의 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 일 형태 기상 성장 장치의 제어 방법은, 제1 기판이 처리되는 제1 반응실과, 제2 기판이 처리되는 제2 반응실을 구비하고, 유기 금속을 포함하는 제1 소스 가스를 공급하는 일원화된 제1 가스 공급 라인과, V족 원소를 포함하는 제2 소스 가스를 공급하는 일원화된 제2 가스 공급 라인과, 희석 가스를 포함하는 가스를 공급하는 희석 가스 공급 라인을 구비하고, 각 가스를 상기 제1 반응실 및 상기 제2 반응실에 각각 소정 유량으로 공급하는 공급 기구와, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 소정 회전수로 회전시키는 회전 기구와, 소정의 성막 온도로 가열하는 히터를 구비하는 기상 성장 장치의 제어 방법이며,
상기 제1 반응실에 있어서, 각각 상기 소정 유량의 상기 제1 소스 가스와, 상기 제2 소스 가스와, 상기 희석 가스를 포함하는 가스를 공급하고, 상기 성막 처리를 행하고,
상기 제2 반응실에 있어서, 상기 제1 소스 가스를 공급하지 않고 상기 희석 가스를 공급하고, 상기 성막 처리를 정지하는, 기상 성장 장치의 제어 방법.
도 1은, 제1 실시 형태의 기상 성장 장치의 구성도이다.
도 2는, 제1 실시 형태의 반응실의 모식 단면도이다.
도 3은, 제1 실시 형태의 기상 성장 장치의 제어 방법의 흐름도이다.
도 4는, 제2 실시 형태의 기상 성장 장치의 제어 방법의 흐름도이다.
도 2는, 제1 실시 형태의 반응실의 모식 단면도이다.
도 3은, 제1 실시 형태의 기상 성장 장치의 제어 방법의 흐름도이다.
도 4는, 제2 실시 형태의 기상 성장 장치의 제어 방법의 흐름도이다.
(제1 실시 형태)
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
또한, 본 명세서 중에서는, 기상 성장 장치가 성막 가능하게 배치된 상태에서의 중력 방향을 「아래」라고 정의하고, 그 역방향을 「위」라고 정의한다. 따라서, 「하부」란, 기준에 대하여 중력 방향의 위치, 「하방」이란 기준에 대하여 중력 방향을 의미한다. 그리고, 「상부」란, 기준에 대하여 중력 방향과 역방향의 위치, 「상방」이란 기준에 대하여 중력 방향과 역방향을 의미한다. 또한, 「세로 방향」이란 중력 방향이다.
본 실시 형태의 기상 성장 장치의 제어 방법은, 제1 기판이 처리되는 제1 반응실과, 제2 기판이 처리되는 제2 반응실을 구비하고, 유기 금속을 포함하는 제1 소스 가스를 공급하는 일원화된 제1 가스 공급 라인과, V족 원소를 포함하는 제2 소스 가스를 공급하는 일원화된 제2 가스 공급 라인과, 희석 가스를 포함하는 가스를 공급하는 희석 가스 공급 라인을 구비하고, 각 가스를 상기 제1 반응실 및 상기 제2 반응실에 각각 소정 유량으로 공급하는 공급 기구와, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 소정 회전수로 회전시키는 회전 기구와, 소정의 성막 온도로 가열하는 히터를 구비하는 기상 성장 장치의 제어 방법이며,
상기 제1 반응실에 있어서, 각각 상기 소정 유량의 상기 제1 소스 가스와, 상기 제2 소스 가스와, 상기 희석 가스를 포함하는 가스를 공급하고, 상기 성막 처리를 행하고,
상기 제2 반응실에 있어서, 상기 제1 소스 가스를 공급하지 않고 상기 희석 가스를 공급하고, 상기 성막 처리를 정지하는, 기상 성장 장치의 제어 방법이다.
본 실시 형태의 기상 성장 장치의 제어 방법에 의하면, 복수의 반응실 중 1개가 고장 등의 어떠한 원인으로 사용할 수 없는 경우에, 배출 기구측에서 상술한 사용할 수 없는 반응실에 대한 반응 생성물 및 잔류 가스 등의 역류를 방지하면서, 프로세스 가스의 낭비를 억제하는 것이 가능해진다.
도 1은, 본 실시 형태의 기상 성장 장치의 구성도이다. 본 실시 형태의 기상 성장 장치는, MOCVD법(유기 금속 기상 성장법)을 사용하는 에피택셜 성장 장치이다. 이하, 주로 GaN(질화갈륨)을 에피택셜 성장시키는 경우를 예를 들어 설명한다.
본 실시 형태의 기상 성장 장치는, 4개의 반응실(10a, 10b, 10c, 10d)을 구비하고 있다. 4개의 반응실은, 예를 들어 각각이, 종형의 매엽형의 에피택셜 성장 장치이다. 반응실의 수는, 4개에 한정되지 않고, 2개 이상의 임의의 수로 하는 것이 가능하다. 반응실의 수는, n(n은 2 이상의 정수)개로 나타낼 수 있다. 또한, 이후 「10a, 10b, 10c, 10d」를 「10a 내지 10d」라고 표기한다.
본 실시 형태의 기상 성장 장치는, 4개의 반응실(10a 내지 10d)에 프로세스 가스를 공급하는 3개의 제1 주가스 공급로(11), 제2 주가스 공급로(21), 제3 주가스 공급로(31)를 구비하고 있다.
제1 주가스 공급로(11)는, 예를 들어 반응실(10a 내지 10d)에, III족 원소의 유기 금속 가스와 캐리어 가스를 포함하는 소스 가스를 일원화하여 공급한다.
III족 원소는, 예를 들어 갈륨(Ga), Al(알루미늄), In(인듐) 등이다. 또한, 유기 금속은 트리메틸갈륨(TMG), 트리메틸알루미늄(TMA), 트리메틸인듐(TMI) 등이다. TMG를 포함하는 가스는 Ga의 소스 가스이다. TMA를 포함하는 가스는 Al의 소스 가스이다. 또한, TMI를 포함하는 가스는 In의 소스 가스이다.
캐리어 가스는, 예를 들어 수소 가스이다. 제1 주가스 공급로(11)는, 도시하지 않은 보상 가스 라인이 설치되어 있고, 보상 가스는 예를 들어 수소 가스이다.
제1 주가스 공급로(11)에는, 제1 주매스 플로우 컨트롤러(12)가 설치되어 있다. 제1 주매스 플로우 컨트롤러(12)는, 제1 주가스 공급로(11)에 흘리는 제1 프로세스 가스의 유량을 제어한다.
또한, 제1 주가스 공급로(11)를 분기하는 분기부(17)가 설치된다. 제1 주가스 공급로(11)는, 제1 주매스 플로우 컨트롤러(12)의 하류측에서, 분기부(17)에 의해 4개의 제1 부가스 공급로(13a), 제2 부가스 공급로(13b), 제3 부가스 공급로(13c), 제4 부가스 공급로(13d)에 분기되어, 각각, 대응하는 반응실(10a 내지 10d)에, 분류된 제1 프로세스 가스를 공급한다.
부가스 공급로(13a 내지 13d)에는, 소스 가스를 차단 가능한 제1 스톱 밸브(14a 내지 14d)가 설치된다. 제1 스톱 밸브(14a 내지 14d)는, 4개의 반응실(10a 내지 10d)의 어느 하나의 반응실에 이상이 발생한 경우, 이상이 발생한 반응실로의 프로세스 가스의 흐름을 차단하는 기능을 구비한다.
제1 스톱 밸브(14a 내지 14d)는 분기부(17)의 하류측에, 분기부(17)에 인접하고, 분기부(17)까지의 거리가, 반응실(10a 내지 10d)까지의 거리보다도 작아지도록 배치된다.
제1 스톱 밸브(14a 내지 14d)의 하류측에서 4개의 반응실(10a 내지 10d)에 근접한 위치에, 제1 소스 가스를 차단 가능한 제2 스톱 밸브(15a 내지 15d)가 설치된다. 제2 스톱 밸브(15a 내지 15d)는, 예를 들어 반응실(10a 내지 10d)을 유지 보수를 위하여 대기 개방하는 경우, 상류측이 대기에 노출되지 않도록 폐쇄된다.
제1 스톱 밸브(14a 내지 14d)와 제2 스톱 밸브(15a 내지 15d) 사이에, 부가스 공급로(13a 내지 13d)에 흘리는 제1 프로세스 가스의 유량을 제어하는 4개의 부매스 플로우 컨트롤러(16a 내지 16d)를, 더 구비한다.
제2 주가스 공급로(21)는, 예를 들어 반응실(10a 내지 10d)에 희석 가스를 일원화하여 공급한다. 희석 가스는 예를 들어 수소 가스이다.
제2 주가스 공급로(21)에는, 제2 주매스 플로우 컨트롤러(22)가 설치되어 있다. 제2 주매스 플로우 컨트롤러(22)는, 제2 주가스 공급로(21)에 흘리는 제2 프로세스 가스의 유량을 제어한다.
또한, 제2 주가스 공급로(21)에는, 제1 주가스 공급로(11)와 마찬가지로, 분기부(27), 부가스 공급로(23a 내지 23d), 제1 스톱 밸브(24a 내지 24d), 제2 스톱 밸브(25a 내지 25d), 부매스 플로우 컨트롤러(26a 내지 26d)가 설치된다.
제3 주가스 공급로(31)는, 예를 들어 반응실(10a 내지 10d)에 암모니아 가스를 포함하는 소스 가스를 일원화하여 공급한다. 암모니아 가스는, V족 원소인 질소(N)의 소스 가스이다.
제3 주가스 공급로(31)에는, 보상 가스 라인이 설치되어 있고, 보상 가스는 예를 들어 수소 가스이다.
제3 주가스 공급로(31)에는, 제3 주매스 플로우 컨트롤러(32)가 설치된다. 제3 주매스 플로우 컨트롤러(32)는, 제3 주가스 공급로(31)에 흘리는 제3 프로세스 가스의 유량을 제어한다.
또한, 제3 주가스 공급로(31)에는, 제1 주가스 공급로(11)와 마찬가지로, 분기부(37), 부가스 공급로(33a 내지 33d), 제1 스톱 밸브(34a 내지 34d), 제2 스톱 밸브(35a 내지 35d), 부매스 플로우 컨트롤러(36a 내지 36d)가 설치된다.
본 실시 형태의 기상 성장 장치는, 반응실(10a 내지 10d)로부터 각각 가스를 배출하는 부가스 배출로(42a 내지 42d)를 구비하고 있다. 그리고, 부가스 배출로(42a 내지 42d)가 합류하는 주가스 배출로(44)를 구비하고 있다. 또한, 주가스 배출로(44)에는, 가스를 흡인하기 위한 배출 기구(46)가 설치된다. 배출 기구(46)는, 예를 들어 공지된 진공 펌프이다. 이에 의해, 반응실(10a 내지 10d)로부터 배기 가스는 일원화하여 배출된다. 또한, 배기 가스를 일원화하여 배출하는 형태는, 상기의 형태에 한정되지 않는다.
부가스 배출로(42a 내지 42d) 각각에는, 필요에 따른 필터(40a 내지 40d)가 설치되어 있다. 주가스 배출로(44)에 1군데의 압력 조정부(45)가 설치되고, 배출량이 제어된다. 또한, 압력 조정부(45)는, 예를 들어 스로틀 밸브이다. 또한, 압력 조정부(45)와 배출 기구(46) 사이에는 제3 스톱 밸브(48)가 설치되어 있다.
제어부(50)는, 주매스 플로우 컨트롤러(12, 22, 32), 부매스 플로우 컨트롤러(16a 내지 16d, 26a 내지 26d, 36a 내지 36d), 제1 스톱 밸브(14a 내지 14d, 24a 내지 24d, 34a 내지 34d), 제2 스톱 밸브(15a 내지 15d, 25a 내지 25d, 35a 내지 35d), 압력 조정부(45), 제3 스톱 밸브(48)를 제어한다. 또한, 제어부(50)는, 후술하는 회전 구동 기구(74)를 사용한 기판 W의 회전, 가열부(64)를 사용한 기판 W의 가열, 배출 기구(46)를 사용한 반응 생성물 및 잔류 가스의 배기, 핸들링 아암을 사용한 반응실(10a 내지 10d)로의 기판 W의 반출입, 기판 W의 지지부(62)로의 착탈을 제어한다.
또한, 제어부(50)는, 4개의 반응실(10a 내지 10d) 중 어느 1개의 반응실에 있어서의 이상의 검출에 기초하여 프로세스 가스의 차단 필요 여부를 판단하고, 차단이 필요하다고 판단된 경우, 이상이 검출된 반응실로의 프로세스 가스의 흐름을 차단하도록 제1 스톱 밸브를 제어한다. 또한, 이상이 검출된 반응실 이외의 반응실에 공급하는 프로세스 가스의 총 유량을 산출하고, 산출된 총 유량에 기초하여 주매스 플로우 컨트롤러(12, 22, 32)를 제어한다.
또한, 제어부(50)는, 4개의 반응실(10a 내지 10d)의 기상 성장 조건을, 동일한 조건이 되도록 동시에 제어한다.
제어부(50)는, 예를 들어 전자 회로이다. 제어부(50)는, 예를 들어 연산 회로 등의 하드웨어와 프로그램 등의 소프트웨어의 조합으로 구성되는 컴퓨터이다.
또한, 제어부(50)는 전기 회로, 양자 회로 등의 하드웨어로 구성되어도 되고, 소프트웨어로 구성되어도 된다. 소프트웨어로 구성하는 경우에는, CPU(Central Processing Unit)를 중심으로 하는 마이크로프로세서와, 처리 프로그램을 기억하는 ROM(Read Only Memory)과, 데이터를 일시적으로 기억하는 RAM(Random Access Memory)과, 입출력 포트 및 통신 포트를 사용해도 된다. 기록 매체는, 자기 디스크나 광 디스크 등의 착탈 가능한 것에 한정되지 않고, 하드 디스크 장치나 메모리 등의 고정형의 기록 매체여도 된다.
도 2는, 본 실시 형태의 반응실의 모식 단면도이다.
기상 성장 장치는, 예를 들어 스테인리스제로 원통형 중공체의 반응실(10a 내지 10d)을 구비하고 있다. 그리고, 반응실(10a 내지 10d) 상부에 배치되어, 반응실(10a 내지 10d) 내에 프로세스 가스를 공급하는 샤워 플레이트(60)를 구비하고 있다. 샤워 플레이트(60)의 상부에는, 프로세스 가스나 클리닝 가스 등을 반응실(10a 내지 10d) 내에 공급하기 위한 가스 공급부(54, 56, 58)를 구비하고 있다. 가스 공급부(54)는 제2 스톱 밸브(15a 내지 15d)에, 가스 공급부(56)는 제2 스톱 밸브(25a 내지 25d)에, 가스 공급부(58)는 제2 스톱 밸브(35a 내지 35d)에 접속되어 있다.
또한, 반응실(10a 내지 10d) 내의, 샤워 플레이트(60) 하방에 설치되고, 기판 W를 적재 가능한 지지부(62)를 구비하고 있다. 지지부(62)는, 예를 들어 도 2와 같이 중심부에 개구부가 설치되는 환상 홀더여도, 기판 W 이면의 거의 전체면에 접하는 구조의 서셉터여도 상관없다.
또한, 지지부(62)를 그 상면에 배치하고, 회전하는 회전체 유닛(66)을 구비하고 있다. 또한, 지지부(62)에 적재된 기판 W를 가열하는 가열부(64)로서 히터를, 지지부(62) 하방에 구비하고 있다.
회전체 유닛(66)의 회전축(72)은, 하방에 위치하는 회전 구동 기구(74)에 접속된다. 회전 구동 기구(74)에 의해, 기판 W를 그 중심을 회전 중심으로 하여, 예를 들어 50rpm 이상 2000rpm 이하로 회전시키는 것이 가능하게 되어 있다.
회전축(72)과 반응실(10a 내지 10d)의 저부 사이에 진공씰 부재가 설치되어 있다.
가열부(64)는, 회전체 유닛(66) 내에 고정하여 설치되어 있다. 가열부(64)에는, 회전축(72)의 내부를 관통하는 전극(70)을 개재하여, 전력이 공급된다. 또한, 기판 W를 지지부(62)에 탈착시키기 위해서, 가열부(64)를 관통하는 도시하지 않은 밀어올리기 핀이 설치되어 있다.
기상 성장 장치는 추가로, 기판 W 표면 등에서 소스 가스가 반응한 후의 반응 생성물 및 반응실(10a 내지 10d)의 잔류 가스를 반응실(10a 내지 10d)로부터 배출하는 배출 기구인 가스 배출부(68)를, 반응실(10a 내지 10d) 저부에 구비한다. 또한, 가스 배출부(68)는 필터(40a 내지 40d)에 접속된다.
또한, 기판을 출납하기 위한 도시하지 않은 기판 출입구 및 게이트 밸브가 설치되어 있다. 그리고, 이 게이트 밸브에 의해 연결되는, 도시되지 않은 로드 로크실과 반응실(10a 내지 10d) 사이에 있어서, 핸들링 아암에 의해 기판 W를 반송할 수 있도록 구성된다. 여기서, 예를 들어 합성 석영에서 형성되는 핸들링 아암은, 샤워 플레이트(60)와 지지부(62)의 공간에 삽입 가능하게 되어 있다.
도 3은, 본 실시 형태의 기상 성장 장치의 제어 방법의 흐름도이다.
이하, 본 실시 형태의 기상 성장 방법에 대해서, GaN을 에피택셜 성장시키는 경우를 예를 들어 설명한다. 또한, 반응실(10b)을 고장 등의 이유에 의해 정지하고, 반응실(10a, 10c 및 10d)을 사용하여 GaN의 성막을 행하는 것으로 한다. 이하, 각 스텝은 제어부(50)에 의해 제어할 수 있지만, 오퍼레이터에 의해 직접 제어해도 된다.
먼저, 반응실(10a 내지 10d) 각각에, 기판을 반입한다(S10). 여기서, 반응실(10b)에 반입하는 기판은, 더미 기판이다. 또한, 각 기판 및 더미 기판은, 예를 들어 각각 Si(실리콘) 웨이퍼이다.
기판의 반입 시에는, 예를 들어 반응실(10a 내지 10d)의 기판 출입구에 있어서의 도시하지 않은 게이트 밸브를 개방하고, 도시하지 않은 핸들링 아암에 의해, 도시하지 않은 로드 로크실 내의 각 기판 및 더미 기판을 반응실(10a 내지 10d) 내에 반송한다.
이어서, 반응실(10a 내지 10d) 내부에 설치된 지지부(62)에, 각 기판 또는 더미 기판을 적재한다(S12).
예를 들어, 각 기판 및 더미 기판은, 도시하지 않은 밀어올리기 핀을 사용하여, 지지부(62)에 적재된다. 핸들링 아암은 로드 로크실로 되돌려지고, 게이트 밸브는 폐쇄된다.
이어서, 제1 주가스 공급로(11), 제2 주가스 공급로(21), 제3 주가스 공급로(31)로부터 각 반응실에 수소(H2) 가스, 질소(N2) 가스 등의 희석 가스를 도입하고, 배출 기구(46)를 작동시켜, 압력 조정부(45)에 의해 성막 개시 압력이 되도록 감압한다.
이어서, 반응실(10a, 10c, 10d)의 가열부(64)의 가열 출력을 높여, 제1 기판, 제3 기판 및 제4 기판을 승온하고, 예비 가열의 온도로 유지한다(S14). 또한 기판의 온도는, 예를 들어 방사 온도계에 의해 측정하는 것이 가능하다. 이때, 제2 기판은 승온시키지 않는다.
필요에 따라 베이크에 의해 자연 산화막을 제거한 후, 제1 기판, 제3 기판 및 제4 기판을 소정의 회전 속도(예를 들어 900rpm)로 회전시키면서, 가열부(64)에 의해, 제1 기판, 제3 기판 및 제4 기판 온도를, 성막 온도, 예를 들어 600℃ 이상 1100℃ 이하로 제어한다(S16). 한편, 제2 기판(더미 기판)에 대해서는, 저속(예를 들어 50rpm)으로 회전시켜, 승온시키지 않는다.
이어서, 반응실(10a, 10c, 10d)에, 제1 주가스 공급로(11)로부터, 수소 가스를 캐리어 가스로 하는 TMA를 포함하는 소스 가스를 공급한다.
상술한 수소 가스를 캐리어 가스로 하는 TMA를 포함하는 소스 가스는, 제1 주매스 플로우 컨트롤러(12)로 유량이 제어되고, 제1 주가스 공급로(11)로부터 분기되는 부가스 공급로(13a, 13c, 13d)로 분류되어, 반응실(10b)을 제외한 반응실(10a, 10c, 10d)에 도입된다.
동시에, 반응실(10a 내지 10d)에, 제2 주가스 공급로(21)로부터 수소 가스를, 제3 주가스 공급로(31)로부터, 암모니아 가스를 포함하는 소스 가스를 각각 공급한다.
상술한 암모니아를 포함하는 가스는, 제3 주매스 플로우 컨트롤러(32)로 유량을 제어하고, 제3 주가스 공급로(31)로부터 분기되는 부가스 공급로(33a 내지 33d)로 분류되어, 반응실(10b)을 포함하는 모든 반응실에 도입된다.
이와 같이 하여, 반응실(10a, 10c, 10d)에, TMA를 포함하는 소스 가스, 희석 가스, 암모니아 가스를 포함하는 소스 가스를 공급하고, 제1 기판, 제3 기판 및 제4 기판 상에, 질화알루미늄(AlN)막을 형성한다(S18). AlN막의 막 두께는, 예를 들어 100nm 이상 300nm 이하이다. 한편, 반응실(10b)에는 희석 가스, 암모니아 가스를 포함하는 소스 가스를 공급한다(S20).
이어서, AlN막의 형성과 마찬가지로, 반응실(10a, 10c, 10d)에, 수소 가스를 캐리어 가스로 하는 TMG를 포함하는 소스 가스, 암모니아 가스를 포함하는 소스 가스, 희석 가스(예를 들어 수소 가스)를 공급하고, 각 기판 상에 질화갈륨(GaN)막을 형성한다(S22). 한편, 반응실(10b)에는, 계속하여 희석 가스, 암모니아 가스를 포함하는 소스 가스를 공급한다(S20).
이와 같이, 반응실(10a, 10c, 10d)에, 수소 가스를 캐리어 가스로 하는 TMA 또는 TMG, 희석 가스 및 암모니아를 포함하는 가스를 공급하고, AlN막, GaN막을 형성한다(S18, S22). 그 사이, 반응실(10b)에는, 희석 가스와 암모니아 가스를 포함하는 소스 가스를 공급한다(S20).
성막 종료 후, 가열부(64)의 가열 출력을 저하시켜, 각 기판의 온도를, 반송 온도까지 저하시킨다.
한편, 제1 주가스 공급로(11) 및 제3 주가스 공급로(31)로부터의 각 소스 가스를 정지하고, 제1 주가스 공급로(11), 제2 주가스 공급로(21), 제3 주가스 공급로(31)로부터 수소(H2) 가스, 질소(N2) 가스 등의 희석 가스를 공급한다.
그리고, 압력 조정부(45)에 의해, 반응실(10a 내지 10d) 내를 기판의 반출이 가능한 기판 반출 압력으로 제어한다(S24).
이어서, 반응실(10a 내지 10d)로부터, 각 기판을 반출한다(S26).
이하, 본 실시 형태의 기상 성장 장치의 제어 방법 작용 효과에 대하여 설명한다.
본 실시 형태의 기상 성장 장치의 제어 방법에 있어서는, 반응실(10a, 10c, 10d)에, 소스 가스와 희석 가스를 포함하는 가스를 공급하여 성막 처리를 행함과 동시에, 반응실(10b)에, 희석 가스 및 암모니아를 포함하는 소스 가스를 공급한다. 반응실(10a, 10c, 10d)에 소스 가스와 희석 가스를 공급함으로써, 반응실(10a, 10c, 10d)에 있어서는 성막이 가능하다. 또한, 반응실(10b)에 희석 가스를 공급, 배출함으로써, 부가스 배출로(42a 내지 42d)를 개재한 반응실(10a, 10c, 10d)로부터의 반응 생성물 및 잔류 가스의 역류를 억제할 수 있다. 또한, 반응실(10b)에 유기 금속을 포함하는 가스의 공급을 행하지 않음으로써, TMA, TMG를 포함하는 고가인 소스 가스의 낭비를 억제하는 것이 가능해진다. 또한, 반응실(10b)에는 V족 소스 가스를 공급하지 않고, 희석 가스만을 공급해도 되고, 또한, 희석 가스를 공급하지 않고, 암모니아 등 V족 소스 가스만을 공급해도 된다.
이와 같이, 본 실시 형태의 기상 성장 장치의 제어 방법에 의하면, 배출 기구측으로부터의 역류를 방지하면서 막의 소스 가스 낭비를 억제 가능한 기상 성장 장치의 제어 방법 제공이 가능하게 된다.
(제2 실시 형태)
본 실시 형태의 기상 성장 장치의 제어 방법은 제1, 제3, 제4 반응실에 염소 원자를 포함하는 클리닝 가스를 공급하고, 제2 반응실에 수소 가스 또는 불활성 가스를 포함하는 희석 가스를 공급하고, 클리닝을 행한다. 클리닝에 의해, 반응실의 부재 표면이나 반응실의 내벽에 부착된 Ga를 함유하는 부착물이 제거된다. 성막이 아닌 클리닝을 행하는 점에서, 제1 실시 형태와 상이하다. 여기서, 제1 실시 형태와 중복하는 점에 대해서는, 기재를 생략한다.
도 4는, 본 실시 형태의 기상 성장 장치의 제어 방법의 흐름도이다.
제1 실시 형태에서, 반응실(10a 내지 10d) 외에, 각 기판을 반출(S26)한 후에, 각 더미 기판을 반응실(10a 내지 10d) 내에 반입한다(S28). 또한 더미 기판은, 예를 들어 탄화규소(SiC) 기판이다.
이어서, 반응실(10a 내지 10d) 내부에 설치된 지지부(62)에, 각 더미 기판을 적재한다(S30).
이어서, 압력 조정부(45)를 기판 반입 압력으로부터 클리닝 압력이 되도록 제어한다.
이어서, 반응실(10a, 10c, 10d)의 가열부(64)의 가열 출력을 높여서 승온하고, 더미 기판의 온도를 예비 가열의 온도로 유지한다(S32).
이어서, 반응실(10a, 10c, 10d)의 가열부(64)의 가열 출력을 올리고, 더미 기판을 소정의 회전 속도로 회전시키면서, 더미 기판의 온도를, 클리닝의 온도, 예를 들어 950℃ 이상 1050℃ 이하로 제어한다. 이때, 반응실(10b)의 가열부(64)의 출력은 올리지 않는다.
이어서, 반응실(10a, 10c, 10d)에, 염소 원자를 함유하는 클리닝 가스를 공급한다(S34). 이에 의해, 클리닝 가능 온도로 제어된 반응실(10a, 10c, 10d)의 클리닝을 행한다(S36). 이때, 반응실(10b)에도 클리닝 가스를 흘려도 된다.
GaN막을 형성할 때에는, 기판 이외의 반응실 내의 부분에도 Ga를 포함하는 반응 생성물이, 반응 실내의 부재 표면이나 내벽에 부착된다. 클리닝에 의해, 반응실(10) 내의 부재 표면이나 반응실(10)의 내벽에 부착된 Ga를 함유하는 반응 생성물이 제거된다.
염소 원자를 함유하는 클리닝 가스는, 예를 들어 염화수소(HCl)가 있지만, 기타의 가스여도 상관없다. 염소 원자를 함유하는 클리닝 가스의 유량은, 예를 들어 수소 가스의 유량 5％ 이상 15％ 이하이다.
염소 원자를 함유하는 클리닝 가스의 공급은, 제2 주가스 공급로(21)를 사용하여 행하는 것이 바람직하다. 제1 주가스 공급로(11)를 사용한 경우, 잔류하고 있던 염소 가스가 GaN막의 형성 중에 Ga와 반응하여 양질인 GaN막의 형성을 방해해 버리기 때문이다. 또한, 제3 주가스 공급로(31)를 사용하는 경우, 암모니아와 염소 원자를 함유하는 클리닝 가스가 반응하여 염화암모늄(NH4Cl)이 생성되어 버리기 때문이다.
클리닝 시의 더미 기판의 온도는, 950℃ 이상 1050℃ 이하인 것이 바람직하다. 상술한 범위를 하회하면, Ga를 함유하는 부착물을 충분히 제거할 수 없을 우려가 있다. 또한, 상술한 범위를 상회하면, 반응실(10a, 10c 및 10d) 내의 부재 표면이나 내벽이 클리닝 가스에 의해 손상될 우려가 있다.
클리닝의 종료 시에는, 클리닝 가스 공급을 정지한다. 그리고, 가열부(64)의 가열 출력을 상승시켜, 더미 기판의 온도를, 베이크의 온도, 예를 들어 1050℃ 이상 1200℃ 이하까지 상승시킨다.
그리고, 배출 기구(46)에 의한 배기를 속행함과 함께, 회전체 유닛(66)을 저속으로 회전시키면서, 반응실(10a, 10c 및 10d)의 베이크를 행한다(S38). 베이크 시에는, 베이킹 가스가 반응실(10a 내지 10d)에 공급된다.
클리닝 시에, 반응실 내의 부재 표면이나 반응실의 내벽, 배관 내에 염소 원자를 함유하는 부착물이 부착될 우려가 있다. 염소 원자를 함유하는 부착물은, 예를 들어 염소 원자를 함유하는 반응 생성물이나, 염소 원자를 함유하는 가스의 흡착물이다.
베이크에 의해, 반응실(10) 내의 부재 표면이나 반응실(10)의 내벽, 배관 내에 부착된 염소 원자를 함유하는 부착물이 제거된다.
베이킹 가스는, 염소 원자를 함유하는 부착물에 첨가하여, Ga를 함유하는 부착물도 제거하는 관점에서, 수소 가스인 것이 바람직하다. 무엇보다, 수소 가스 대신에 질소 가스 등의 불활성 가스를 사용하는 것도 가능하다.
베이크 시의 더미 기판의 온도는, 1050℃ 이상 1200℃ 이하인 것이 바람직하다. 상술한 범위를 하회하면, 염소 원자를 함유하는 부착물을 충분히 제거할 수 없을 우려가 있다. 또한, 상술한 범위를 상회하면, 더미 기판 및 반응실 내의 부재 표면이나 내벽이 손상될 우려가 있다.
베이킹 가스를 공급할 때의 더미 기판의 온도가, 클리닝 가스를 공급할 때의 더미 기판의 온도보다도 높은 것이 바람직하다. 베이크의 온도를, 클리닝의 온도보다도 높게 함으로써, 염소 원자를 함유하는 부착물의 제거 효과가 커진다. 또한, 베이킹 가스가 수소 가스의 경우, Ga를 함유하는 부착물의 제거 효과가 커진다.
소정의 시간 베이크를 행한 후에, 반응실(10a, 10c 및 10d)의 가열부(64)의 가열 출력을 내려서 더미 기판의 온도를 성막 온도, 예를 들어 600℃ 이상 1100℃ 이하로 강온시킨다.
또한, TMA를 포함하는 소스 가스, 희석 가스, 암모니아를 포함하는 가스를 반응실(10a, 10c 및 10d)에 공급함으로써, 질화알루미늄(AlN)막을 더미 기판 상에 형성해도 된다(S40). 이때 반응실(10b)에는 희석 가스, 또는 희석 가스와 암모니아를 포함하는 가스를 공급한다.
베이크에 의해 완전히 제거되지 못한 반응실(10) 내의 부재 표면이나 반응실(10)의 내벽에 부착된 염소 원자를 함유하는 부착물의 표면이, AlN막에 의해 피복된다. 또한 AlN막 대신에 질화실리콘(SiN)막이어도 된다.
AlN막의 막 두께는, 10nm 이상 50nm 이하인 것이 바람직하다. 상술한 범위를 하회하면, 염소 원자를 함유하는 부착물을 충분히 피복할 수 없을 우려가 있다. 또한, 상술한 범위를 상회하면, AlN막의 성막 시간이 길어져, 더미 기판을 사용한 클리닝 처리 시간의, 전체 성막 시간에 차지하는 비율이 커지고, 성막의 스루풋이 악화될 우려가 있다.
특히, 더미 기판을 사용한 클리닝 처리 시간을 단축하는 관점에서, 더미 기판 상에 성막되는 AlN막의 막 두께는 제1 기판, 제3 기판 및 제4 기판에 형성되는 AlN막의 막 두께보다도 얇은 것이 바람직하다.
그 후, 각 더미 기판을 반응실(10a 내지 10d)로부터 반출한다(S42).
본 실시 형태의 기상 성장 장치의 제어 방법에 의하면, 배출 기구(46)측으로부터의 클리닝 가스 및 베이킹 가스의 역류를 억제 가능한 기상 성장 장치의 제어 방법 제공이 가능하게 된다.
이상, 구체예를 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명하였다. 상술한 실시 형태는 어디까지나, 예로서 든 것뿐이고, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 각 실시 형태의 구성 요소를 적절히 조합해도 상관없다.
예를 들어, 실시 형태에서는, AlN, GaN의 단결정 막을 성막하는 경우를 예를 들어 설명했지만, 예를 들어 AlGaN(질화알루미늄갈륨), InGaN(질화인듐갈륨) 등, 기타의 III-V족의 질화물계 반도체의 단결정 막 등의 성막에도 본 발명을 적용하는 것이 가능하다. 또한, GaAs 등의 III-V족의 반도체에도 본 발명을 적용하는 것이 가능하다.
또한, 유기 금속이 TMG1종인 경우를 예를 들어 설명했지만, 2종 이상의 유기 금속을 III족 원소의 소스로서 사용하는 경우에도, 상관없다. 또한, 유기 금속은, III족 원소 이외의 원소여도 상관없다.
또한, 캐리어 가스, 희석 가스로서 수소 가스(H2)를 예를 들어 설명했지만, 기타, 질소 가스(N2), 아르곤 가스(Ar), 헬륨 가스(He), 또는, 그것들의 가스 조합을 캐리어 가스로서 적용하는 것이 가능하다.
또한, 프로세스 가스가, 예를 들어 III족 원소와 V족 원소의 양쪽을 포함하는 혼합 가스여도 상관없다.
또한, 실시 형태에서는, n개의 반응실이 기판 1매마다 성막하는 종형의 낱장식 에피택셜 장치인 경우를 예를 들어 설명했지만, n개의 반응실은, 낱장식 에피택셜 장치에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 자공전하는 복수의 기판에 동시에 성막하는 플라네터리 방식의 CVD 장치나, 횡형의 에피택셜 장치 등의 경우에도, 본 발명을 적용하는 것이 가능하다.
실시 형태에서는, 장치 구성이나 제조 방법 등, 본 발명의 설명에 직접 필요로 하지 않는 부분 등에 대해서는 기재를 생략했지만, 필요한 장치 구성이나 제조 방법 등을 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 기타, 본 발명의 요소를 구비하고, 당업자가 적절히 설계 변경할 수 있는 모든 기상 성장 장치 및 기상 성장 방법은, 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명의 범위는, 특허 청구 범위 및 그 균등물의 범위에 의해 정의되는 것이다.
Claims (10)
- 제1 기판이 처리되는 제1 반응실과, 제2 기판이 처리되는 제2 반응실을 구비하고, 유기 금속을 포함하는 제1 소스 가스를 공급하는 일원화된 제1 가스 공급 라인과, V족 원소를 포함하는 제2 소스 가스를 공급하는 일원화된 제2 가스 공급 라인과, 희석 가스를 포함하는 가스를 공급하는 희석 가스 공급 라인을 구비하고, 각 가스를 상기 제1 반응실 및 상기 제2 반응실에 각각 소정 유량으로 공급하는 공급 기구와, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 소정 회전수로 회전시키는 회전 기구와, 소정의 성막 온도로 가열하는 히터를 구비하는 기상 성장 장치의 제어 방법이며,
상기 제1 반응 실에 있어서, 각각 상기 소정 유량의 상기 제1 소스 가스와, 상기 제2 소스 가스와, 상기 희석 가스를 포함하는 가스를 공급하고, 상기 성막 처리를 행하고,
상기 제2 반응실에 있어서, 상기 제1 소스 가스를 공급하지 않고 상기 희석 가스를 공급하고, 상기 성막 처리를 정지하는, 기상 성장 장치의 제어 방법. - 제1항에 있어서, 상기 제1 반응실 및 상기 제2 반응실로부터의 배기 가스를 일원화하여 배출하는 기상 성장 장치의 제어 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 소스 가스는 암모니아 가스를 포함하고, 상기 제2 반응실에 상기 희석 가스와 함께 암모니아 가스를 공급하는, 기상 성장 장치의 제어 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 희석 가스는 수소 가스를 포함하는, 기상 성장 장치의 제어 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 희석 가스는 불활성 가스를 포함하는, 기상 성장 장치의 제어 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 반응실에 있어서, 상기 제2 기판을 상기 소정의 회전 속도보다 저속으로 회전시키는, 기상 성장 장치의 제어 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 반응실에 있어서, 상기 제2 기판의 가열을 정지하는 기상 성장 장치의 제어 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 반응실로부터 상기 제1 기판을 반출한 후,
상기 제1 반응실에 염소 원자를 함유하는 클리닝 가스를 공급함과 함께, 상기 제2 반응실에 상기 희석 가스를 공급하는, 기상 성장 장치의 제어 방법. - 제8항에 있어서, 상기 제1 반응실로의 상기 클리닝 가스의 공급을 정지하고,
상기 제1 반응실에 수소 가스를 포함하는 베이킹 가스를 공급함과 함께, 상기 제2 반응실에 상기 희석 가스를 공급하는, 기상 성장 장치의 제어 방법. - 제9항에 있어서, 상기 제1 반응실로의 상기 베이킹 가스의 공급을 정지하고,
상기 제1 반응실에 제1 소스 가스, 희석 가스, 암모니아를 포함하는 가스를 공급함과 함께, 상기 제2 반응실에 상기 희석 가스를 공급하는, 기상 성장 장치의 제어 방법.
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