TWI521089B - 氣相成膜裝置 - Google Patents

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Description

氣相成膜裝置
本發明係關於一種於半導體或氧化物基板上形成半導體膜之氣相成膜裝置，詳細而言，係關於一種在成膜中讓基板自轉公轉型之氣相成膜裝置。
一般而言，要確保藉由氣相成膜法所形成的膜品質較高之必要要素有三。具體而言，乃是(a)成膜壓力、(b)流速、(c)成膜速度曲線之三者。以下便分別就其對成膜品質之影響加以詳述。
首先，關於(a)成膜壓力，對於具有高揮發性成分元素尤其重要。對於具有高揮發特性成分元素的成膜系統中，提高成膜壓力會提升揮發成分元素之分壓，其結果會抑制揮發成分元素從成膜脫離，而可得到缺陷較少之高品質成膜。舉IIIV族化合物半導體為例，由於V族元素之揮發性較高，故為了抑制其從成膜中脫離便需要提升氣相中V族之分壓。尤其在氮化物系化合物半導體中，因氮元素的揮發性較高，故多以接近常壓之壓力來成長。
接著為(b)的流速，流速係越快越好。一般的成膜條件下，雷諾數不至於高到會產生亂流，只要不在產生亂流的範圍內，成膜流速越高越好。其理由，首先第一係流速較慢則成膜界面品質便會降低。一般的成膜中，係在成膜過程中改變膜的成分組成，或改變摻雜物種等而形成各種界面。但由於流速較慢時，對於介面形成前之成膜層的材料氣體不會快速地行進而排出反應區，故難以獲得明顯(Sharp)的成膜界面，因此無法確保高品質之成膜界面。接著，由於反應器內從原料氣體被導入至到達基板處需要較長時間，故因氣相預反應而使得前驅物質(原料元素)被消耗的比例會變多，故便會使得原料的利用效率降低。再者，由於流速較慢時，要以氣流流速來抑制原料氣體的隨機擴散會變得困難，故會在反應器內非基板所在之處產生 不良的沉積物，而這都會對成膜品質或再現性有不良影響。
此等流速只要是在不會產生亂流的範圍內，流速越快則越可穩定地獲得高品質成膜及良好的界面品質。將流速與先前之成膜壓力一起考量，以相同載體氣體流量來加以比較時，可謂是因成膜壓力越高則流速越慢，雖然有利於抑制高揮發元素之脫離，但使流速變慢反而不利於成膜品質，故此兩要素基本上乃無法兩者兼備。綜合性觀之，便需要探討最佳成膜壓力與流速之操作。
最後，關於(c)的成膜速度曲線來進行研究。圖10係顯示一般自轉公轉式反應器構造的剖面圖。更正確而言，係常用於IIIV族化合物半導體成膜之反應器範例。反應器100係藉由圓板狀晶座20、對向於該圓板狀晶座20之對向面形成構件110、材料氣體之導入部60及氣體排氣部38來加以構成。基板W係藉由基板保持構件22來加以承載，基板保持構件22係被置於圓板狀晶座20之承受部26。該反應器100係具有中心對稱性，而圓板狀晶座20會相對其中心軸公轉，與此同時基板W會自轉之構造。該等自轉、公轉用之機構乃為一般已知之機構。圖10之構造中，亦具備有分離供給型氣體噴射器120。圖10之分離供給型噴射器120係以第1噴射構件122與第2噴射構件124所構成，分為上中下之3層氣體導入部。而大多係從上導入H2/N2/V族原料氣體，從中間導入III族原料氣體，從下導入H2/N2/V族原料氣體之方式加以使用。本發明中，係將圓板狀晶座20及基板W上各位置的成膜速度集結構成相對於自轉公轉式反應器10半徑方向之成長曲線定義為成膜速度曲線。
於圖11顯示該構造之成膜裝置所獲得之一般成膜速度曲線。該曲線主要係由原料分子之輸送來加以決定。例如，IIIV族化合物半導體情況中，由於通常係讓V族過剩來進行成膜，故僅將III族來作為支配成膜速度曲線之原料分子。橫軸係表示距噴射器出口端之距離，縱軸係表示成膜速度。成膜開始的地點係幾乎等同於從分離供給型噴射器將原料氣體導入至反應器內之噴射出口端位置。成膜速度會由該處上升，而在到達顛峰後便開始減少。放置基板的位置一般來說係將基板最上游部位置於該成膜速度曲線巔峰之略下游位置。然後，藉由讓基板自轉來消除上游與下游之成膜速度 差，而可獲得較為良好之膜厚均勻性。反言之，成膜速度曲線才是決定自轉公轉後，獲得膜厚均勻性之結果。由於除了膜厚外，膜中的化學組成或雜質濃度等亦會大大地受到成膜速度影響，故相對於該等特性或其基板面內成膜均勻性，成膜速度曲線乃有非常重要的意義。因此，成膜速度曲線乃是對成膜品質有重大影響之重要要素之一。
關於成膜速度曲線進一步地進行較深的研究。下文係對成膜速度分布給予影響之重要因子加以說明。在自轉公轉式成膜方法中，在層流模式之流場下，係以原料分子擴散為主之物質輸送(mass transport)來限制成膜速度，即所謂物質輸送(mass transport)限制模式來進行成膜者極多。此情況，舉出有(1)氣體中原料分子濃度、(2)載體氣體流量、(3)流道高度之3者係會對成膜速度分布有影響之主要因子。另外，本發明中，所謂載體氣體(Carrier Gas)流量之用語係指單純的載體氣體以外，也指用於成膜之所有氣體總合後的總流量。關於該(1)至(3)中之(1)的原料分子濃度，成膜速度係正比於原料分子濃度之單純關係(改變原料分子濃度時成膜速度曲線之改變請參照圖12)。
接著，就(2)之載體氣體流量進行研究，圖13係顯示改變載體氣體流量時之成膜速度曲線的差異。另外，在改變載體氣體流量時，其他成膜條件則全不改變。圖中(a)為某載體氣體流量F0時之成膜速度曲線，(b)、(c)則分別為其2倍、3倍之載體氣體流量中的成膜速度曲線。由此可知，增加載體氣體時，成膜速度曲線會在縱向上壓縮而延伸於橫向來加以改變。以定量而言，流量為α倍時，成膜速度曲線會幾乎一致於縱向為1/α倍，橫向√α倍者。這是因為在前述層流且物質輸送限制模式情況下，成膜速度會正比於垂直基板或圓板狀晶座面方向之原料分子的濃度梯度，然後，流道中之原料分子濃度會大致跟隨以基板或圓板狀晶座表面中原料分子濃度為0的邊界條件下之移流擴散方程式(advective diffusion equation)的解。然後，上述載體氣體流量與成膜速度曲線之關係則可由移流擴散方程式所具有的相似規則性質加以導出。
進一步地，就(3)之流道高度對成膜速度曲線之影響加以闡述。圖14顯示改變流道高度時之成膜速度曲線。(a)為某流道高度L0時之成膜速度曲 線，(b)、(c)則分別為其2倍、3倍之流道高度的成膜速度曲線。該等如流量般，適用移流擴散方程式之相似規則，流道高度為α倍時，成膜速度曲線會幾乎一致於縱向為1/α倍，橫向√α倍者。
將以上(1)至(3)因子相關之研究彙整於下。越增加(2)之載體氣體流量，又使得(3)之流道高度越大，則成膜速度曲線會顯示為相對性地延伸於徑向之形狀，亦即具有相對和緩傾斜之形狀分布。最後，成膜速度之絕對值係由(1)之原料分子濃度來加以決定。
除了(1)至(3)之三因子外，以下便就成膜壓力對成膜速度曲線之影響加以研究。依據移流擴散方程式，流速與擴散係數呈一定比率時，則流道中原料分子濃度分布便不會改變。若使用相同載體氣體流量但僅改變壓力的情況時，流速會反比於壓力，一般而言，擴散係數亦會反比於壓力，所以流速與擴散係數的比便不會改變。因此僅改變壓力時，便會得到幾乎相同的結果。但是，不能忽視在氣相中的化學反應因流速或壓力會改變其反應進行的程度，故其要因所致的結果便可能有所差異。
在清楚支配成膜速度曲線之三因子作用下，於是便就理想的成膜速度曲線加以研究。如前述般，改變三因子時會得到各種成膜速度曲線，但該等均存在各自的優點及缺點。在載體氣體流量較少時，或流道高度較小時所得到之相對陡峭的成膜速度曲線，直到原料氣體在被排出為止，其所含有的大部分原料分子會被用盡。因此具有所謂原料利用效率高之優點。其另一方面，則一定會在基板之上游圓板狀晶座上形成較厚的沉積層之缺點。此上游沉積物除了有降低成膜品質之虞外，會有導致成膜不穩而使產能降低，或增加維修頻率等而成為成本上升之要因。又，當上游與下游之成膜速度差異較大時，則經常以相同成膜速度成膜之基板中心與快慢交互之基板周邊部便容易產生組成或雜質濃度之成膜品質差異，該等均會導致均勻性降低之結果。
載體氣體流量較多時，或流道高度較大時，相反地，成膜速度分布會相反地變為和緩，此情況之原料利用效率雖會相對較低，卻會使得因上游沉積物之不良影響變少，並容易得到更均勻的成膜品質。如此般，任何情況均有長短處，因此要在綜合判斷成膜品質或生產性之要素上來選擇最佳的 成膜速度曲線。只是，單就追求成膜品質或成膜均勻性的話，則和緩的成膜速度曲線較佳。
回到於此開頭所舉出的三要素，(a)成膜壓力(尤其是高揮發成分元素之分壓)、(b)流速以及(c)成膜速度曲線，就該等對成膜品質之影響加以彙整，則要得到良好成膜品質或成膜均勻性，便要以(a)成膜壓力越高、(b)流速越快以及(c)成膜速度曲線越和緩者為佳。
現在將載體氣體流量固定，欲在高成膜壓力下得到較快流速便只有縮小流道高度。然而，流道高度較小時，(c)之成膜速度分布會變得陡峭，這點是不利的。若在此狀態下要實現和緩之成膜速度分布的話，結果便只能增加載體氣體流量。然而，僅增加載體氣體流量，由於高揮發成分元素之材料氣體比例會降低，而會產生高揮發成分元素的分壓降低之結果。結果到頭來，高揮發成分元素之材料氣體也需要和載體氣體同樣地增加，而材料氣體價格昂貴，故要自由地增加在現實上是不可能的。
相反地，在可實現較快流速之低壓下，基本上各種氣體的分壓便不得不降低。但是，若使得載體氣體中高揮發成分材料氣體之比例提高，則在低壓下亦可實現高的分壓。以下便就此可能性加以考量。如前述般，材料氣體的供給流量並非無限制的增加，事實上是有上限的。從而，為了在某壓力且已決定之材料氣體流量的基礎下提升材料氣體的分壓，便須要減少材料氣體以外之載體氣體。為了以較少的載體氣體流量來得到和緩的成膜速度曲線，只要增大流道高度即可。然而，由於在較少的載體氣體流量下增大流道高度時，會相乘地使得流速降低，故即便在低壓下仍會導致嚴重的成膜品質降低及生產性降低的結果。
【先前技術文獻】
專利文獻1：日本特開2002-175992號公報
由以上的研究，要維持實際材料氣體流量，而同時滿足高揮發成分元素分壓、較快流速及和緩的成膜速度分布之三要素，在以往的裝置來說是有困難的，尤其在量產所使用之大型裝置中說是不可能亦不過分。
有鑑於上述以往技術之問題點，本發明則係以提供一種以較少氣體消耗量來同時實現高揮發成分元素分壓、較快流速及和緩的成膜速度曲線之三要素的成膜裝置為目的。
本發明係一種具有承載(hold)成膜用基板之基板保持構件(Wafer Holder)的圓板狀晶座(Susceptor)、讓該基板自轉公轉之機構、對向於該基板保持構件而形成流道之對向面、材料氣體之導入部及排氣部的氣相成膜裝置，其係以圓板狀晶座與對向面之距離會在該基板之公轉方向中產生變化之方式，在該對向面施以凹凸形狀。
主要形態之一，該材料氣體之導入部係具有圓板狀之噴射器(Injector)，並於其中施以與該對向面之凹凸形狀對應的凹凸形狀。其他形態係成膜方式為化學氣相成長。再一其他形態係所生成的膜為化合物半導體膜。
再一其他形態係該材料氣體的一部分含有有機金屬。構成該對向面及該噴射器之構件材質為不鏽鋼、鉬等金屬材料；碳、碳化矽、碳化鉭等碳化物；氮化硼、氮化鋁等氮化物；以及石英、氧化鋁等氧化物系陶瓷之任一者，或該等之組合。本發明之前述及其他目的、特徵及優點應可由以下之詳細說明及所附圖式加以明瞭。
依本發明，不僅可以較少的載體氣體流量實現與以往裝置之最佳條件相同的成膜品質，尚可使揮發成分之材料氣體分壓較以往要來的大幅提高，因此能實現較以往要高品質的成膜。
10‧‧‧反應器構造
20‧‧‧圓板狀晶座
22‧‧‧基板保持構件
24‧‧‧均熱板
26‧‧‧承受部
30‧‧‧對向面形成構件
30A‧‧‧對向面
32‧‧‧開口部
34‧‧‧凹部
34A‧‧‧凹部對向面
35‧‧‧側壁
36‧‧‧凸部
36A‧‧‧凸部對向面
38‧‧‧氣體排氣部
40‧‧‧噴射器
42‧‧‧第1噴射器構成構件
44‧‧‧凹部
46‧‧‧凸部
48‧‧‧氣體導入口
48A‧‧‧貫通孔
50‧‧‧第2噴射器構成構件
52‧‧‧凹部
54‧‧‧凸部
56‧‧‧氣體導入口
56A‧‧‧貫通孔
60‧‧‧氣體導入部
70‧‧‧對向面形成構件
72‧‧‧開口部
74‧‧‧凹部
74A‧‧‧長方形部分
74B‧‧‧扇狀部分
75‧‧‧斜面
76‧‧‧凸部
100‧‧‧反應器構造
110‧‧‧對向面形成構件
110A‧‧‧對向面
120‧‧‧噴射器
122‧‧‧第1噴射器構成構件
124‧‧‧第2噴射器構成構件
W‧‧‧基板
圖1係顯示本發明之對向面形成構件的平面圖。
圖2係該圖1之A-A線剖視圖。
圖3係顯示對向面形成構件之其他範例的平面圖。
圖4係顯示對向面形成構件之其他範例的剖視圖。
圖5係顯示本發明之反應器構造之立體分解圖。
圖6係顯示本發明之反應器構造之剖視圖。
圖7係顯示本發明之噴射器構造之立體分解圖。
圖8係顯示本發明實驗例所獲得之成膜速度曲線之圖式。
圖9係顯示本發明實驗例所獲得之多重量子井之光致發光頻譜(Photo Luminescence spectrum)的圖式。
圖10係顯示以往自轉公轉式成膜裝置之反應器構造的剖視圖。
圖11係顯示一般的成膜速度曲線與自轉公轉之基板配置的圖式。
圖12係顯示改變原料分子濃度時之成膜速度曲線變化的圖式。
圖13係顯示改變載體氣體流量時之成膜速度曲線變化的圖式。
圖14係顯示改變流道高度時之成膜速度曲線變化的圖式。
以下，便基於實施例來詳細說明用以實施本發明之最佳形態。
【實施例1】
<本發明的基本概念>首先，參照圖1及圖2來說明本發明之概念。為解決上述課題而精心努力的結果，發明人找出一種以較少的載體氣體流量可實現充分快速的流速，且可同時實現最佳成膜速度曲線之反應器構造。其方法係藉由在對向面設置凹凸流道，從反應器中心形成放射狀擴散而相互分離的流道，以將有助於成膜之區域限定於該流道。以往技術中，係存在有以對向面形狀為錐型，或在流道中途設置段差之方法(例如日本特開2005-5693號公報等)。但是，從周圍方向觀之時，流道高度都是固定的。從而，日本特開2005-5693號公報的技術中，雖有降低基板上游之區域中的不欲成膜之效果，但由於基板區域中流道高度在周圍方向中係固定的，故基板區域之成膜速度曲線本質上與一般流道形狀者並無改變。從而，該構造中，亦無法逃脫前述成膜壓力、流速及成膜速度曲線之三要素所複合之問題。本發明係在周圍方向讓流道高度具有變化者，其意味著係和以往者完全不同的形態，然後，係具有以下所述般之效能。
圖1及圖2顯示了本發明之概念。圖1係構成本發明成膜裝置之對向面形成構件的平面圖，圖2係該圖1之A-A線剖視圖。成膜裝置之反應器構造如圖5及圖6所示，在此為了本發明基本概念之說明，則僅就對向面形成構件30來加以說明。另外，反應器構造10本身基本上係與上述背景技 術之反應器構造100相同，但本發明中，則具有圓板狀晶座20與所對向之對向面形成構件30之形狀特徵。該對向面形成構件30係於中央具有開口部32，並放射狀地交互形成有凹部34及凸部36。圓板狀晶座20的對向面只要為此般形狀，材料氣體便幾乎不會在凸部36流動，而大部分氣體會在凹部34流動，故成膜基本上僅會在凹部34進行。
進一步地舉例來詳述本發明之概念。以往構造(參照圖10)中，係以流道高度L0來從成膜壓力、流速、成膜速度曲線之觀點得到最佳成膜條件。將本發明構造的凸部36與凹部34之面積比率設定為1：1，然後凹部34之流道高度L(參照圖2)則與以往構造之最佳值L0相同。為了容易理解，係假設凸部36完全沒有氣體流動而僅流動於凹部34。另外，實際構造中，雖無法將成膜區域完全地限定於凹部34，但實際上已相當，故在此假設下進行研究並不會有問題。成膜壓力由於可任意地控制，故將其設定為與以往裝置的條件相同。
在以上的反應器構造基礎下，為了得到與以往相同的較佳成膜速度曲線，則只要讓凹部流道之流速與以往者一致即可。本發明構造中，氣體流動剖面積與以往相比為一半面積，故要得到相同流速則只要一半的載體氣體流量即可。相反地，若為此條件，凹部34中，流道高度L0、流速亦完全與以往的最佳條件相等，故必然地會得到最佳成膜速度曲線。
接著，就成膜速度之絕對值加以研究。本發明構造中，與以往構造相比因有助於成膜之區域變成一半，故其有使成膜速度的絕對值變成一半的作用。另一方面，由於載體氣體變成一半則氣體中的原料濃度會加倍，而此具有讓成膜速度加倍之效果。結果該等效果便會相抵消，而成膜速度的絕對值便會與以往相同。亦即，以相同原料分子之置入量來獲得與以往相同的成膜速度，而無損原料的利用效率。
至此的說明可知藉由採用本發明構造，能夠以以往一半量的載體氣體來實現與以往最佳條件完全相同之狀態。這樣也能削減載體氣體的使用量，而甚至具有有助於製品成本下降之大優點，但實際上本發明尚存在有其以外之更重要的優點。載體氣體流量減少時，高揮發成分元素之材料氣體流量若維持與以往相同，則載體氣體中之揮發成分材料氣體的比例便會自動 地增加。從而，與以往相比可大幅提高揮發成分之材料氣體分壓。在此亦以IIIV族半導體為例來加以說明。本發明之成膜條件中，係將成膜最重要參數之一的V/III比設定為與以往條件相同。III族之供給量與以往相同即可，故V族材料氣體的供給量亦相同即可。另一方面，載體氣體流量由於為以往的一半量，故所供給的所有氣體流量中之V族材料氣體的比例會上升至2倍。因此，V族材料氣體的分壓亦會成為2倍。此高分壓會有效地抑制V族原子從成膜中脫離，從而能獲得較以往要高品質的成膜。
如以上般，依本發明方法，不僅可以較少載體氣體流量來實現與以往裝置的最佳條件相同之成膜，亦能讓高揮發成分元素之材料氣體分壓較以往大幅提高，因此可實現較以往要高品質的成膜。
如前述般，實際構造中是無法將成膜區域完全地限定在凹部34，但適當地選擇凸部36與凹部34之高度比、面積比，便能充分獲得本發明之效果。再者，凸部側面之流道側壁35雖會對流動模式有些許影響，但其效果是有限的。若欲修正側壁35的影響，由於其關係到流速，則藉由氣體條件之微調便可加以矯正。
最後，就成膜速度之時間推移來加以研究。本發明中，基板在公轉期間，會交互地通過為凹部34之成膜區域及凸部36之不成膜區域。從研究成膜速度的時間推移時，其應該會成為矩形或脈衝狀。這會不會成為問題是當然關心的對象。關於此，近年來亦報告有脈衝狀地進行脈衝MOCVD法等原料供給之成膜方法(C.Bayram et.al.Proc.of SPIE Vol.7222 722212-1等)，亦得到優於一般成膜方法的結果。有鑑於此，使成膜速度為矩形或脈衝狀在基本上是沒有問題。又，關於脈衝狀成膜速度對成膜均勻性之影響，由於基板所有場所中都會同樣地面對脈衝狀沉積速度，故此對成膜均勻性不會有影響。亦即，與以往方法同樣地，關於成膜均勻性只要考量到支配成膜速度曲線即可。由以上的研究，可得到脈衝狀成膜速度的時間推移從所有觀點來看均沒有缺點。
如此般，本發明與以往相比沒有任何的缺點，另一方面則具有所謂高材料氣體分壓所致膜質提升以及氣體消耗大幅削減之龐大的優點。
<本發明之詳細構造>接著，亦參照圖3~圖7，就本發明成膜裝置之構 造來加以詳細說明。圖3係顯示對向面形成構件之其他範例的平面圖。圖4係顯示對向面形成構件之其他範例的剖視圖。圖5係顯示本發明之反應器構造之立體分解圖。圖6係顯示本發明之反應器構造之剖視圖。圖7係顯示本發明之噴射器構造之立體分解圖。如圖5及圖6所示，除對向面形成構件30與噴射器40以外，全部與以往構造相同即可。關於本發明的主角是對向面形狀，係舉出對向面平面形狀及剖面形狀、凹部凸部之面積比率及高度比率，以及流道之分割數來作為設計參數。
圖1雖在平面圖中顯示凹部34形狀為扇形之範例，但長方形、或該等之組合亦能獲得類似的效果。酌量各自的成膜條件等來選擇適當的形狀即可。圖3所示之對向面形成構件70係凹部74為長方形部分74A與扇狀部分74B所組合而成的形狀。又，關於凹部的剖視形狀，在圖2中雖顯示為矩形之範例，但梯形、三角形、或正弦曲線般之曲面亦能獲得同樣效果。由更流暢流場之觀點來看，或許包含有曲面之形狀為佳。圖4係顯示凹凸形狀之剖視形狀為梯形，並在邊緣施以平邊(fillet)75之範例。
其次，關於凹部34與凸部36之面積比率，凹部34的面積比率越小，則載體氣體之節約效果，然後揮發成分材料氣體分壓之上升效果便越高。但是，凹部34面積過小時，對於無成長凸部區域之通過時間會變長，這會依情況而在形成極薄之膜層時會有不利的可能性。雖關係到自轉公轉之旋轉速度，但凹部34的面積比率在20~80%左右應為容許範圍。
關於凹部34與凸部36之高度比，圓板狀晶座會自轉公轉，但另一方面對向面則是靜止的，故凸部36與圓板狀晶座20之間便需要有間隙。凹部34與凸部36之流道高度(與圓板狀晶座對向面間之距離)比當然是越大則發明效果越大。但是，理論上只要有些許的高低差便會獲得些許效果。要得到可滿足實際之效果，則該高度比率則應設定在凸部：凹部為1：2左右。為了提高高度比，則凸部36與圓板狀晶座20間之距離越小越有利，但過小時，會使得圓板狀晶座20之熱變形等導致圓板狀晶座20與對向面凸部36接觸的風險提高。正因如此，凸部36與圓板狀晶座20之間隙下限便應有1mm左右。凹部34之流道高度需要一致於以往類型之最佳條件。實際所使用之自轉公轉式爐的流道高度範圍在5~40mm。若選40mm為凹部34 之高度，則凸部36高度即便為20mm仍會出現效果。又，使凹部高度為5mm的話，則凸部36的高度便在2.5mm以下，最好是控制在1mm左右。由於上述情事，凸部36的高度在1~20mm，凹部34的高度在5~40mm左右的範圍下，依條件適當地加以選擇即可。
對向面形狀之最後設計參數為流道的分割數。由於分割越多則周圍方向的偏差越小，故意味著分割數越多越好。然而當分割數變多使得凹部流道之寬度過小時，流道側壁面35之影響會變大。這雖然不會立刻成為問題，但無法避免會使得可以從以往方式所得之數據的乖離變大。考量到此般情事，則分割數便不要太嚴密而應為3~30左右的適當範圍。雖反應器尺寸也有影響，但量產所使用的大型裝置中，只要為此範圍，便能直接活用以往方式所獲得的數據。分割數小於3時，每1個凸部的面積會變大，而通過的時間便會過長。又，較30要大時，流道寬度會過小，由流體力學的觀點，流道側壁面對氣流的影響會變得顯著。
除了對向面形狀，關於噴射器也是對應於對向面的凹凸形狀來改變其形狀為佳。這裡也引IIIV族化合物半導體為例，但該領域常使用的噴射器具有讓V族與III族的混合點盡量接近基板，然後藉由讓噴射器保持在低溫來抑制原料分子之前驅反應等的功能。以往裝置中，如圖10所示，噴射器120基板上係由單為圓板形狀之第1噴射器構成構件122及第2噴射器構成構件124所構成。相對於其，在本發明下為了防止亂流係如圖5或圖7所示，較佳地是以對應對向面流道之方式來分割噴射器內之流動。
具體而言，如圖5及圖7所示，本實施例中，構成分離供給型噴射器40之第1噴射器構成構件42與第2噴射器構成構件50係具有與圖3所示之對向面形成構件相同的表面形狀。第1噴射器構成構件42係放射狀地交互形成有扇形的凹部44與凸部46，中央係具有形成有貫通孔48A之氣體導入口48。第2噴射器構成構件50係放射狀地交互形成有扇形的凹部52與凸部54，中央係具有形成有貫通孔56A之氣體導入口56。
藉由此般構造，可使得噴射器構件接觸下部機構的面積變大，然後，藉由讓該接觸部為散熱片(heat sink)，便能讓噴射器較以往保持於更低溫。讓噴射器接觸下部機構而冷卻之技術有記載於日本特開2011-155046號公報 之技術，該發明係將接觸部形狀為圓柱狀來使得流動不會紊亂，但其效果難謂充足。本發明構造能讓接觸面積足夠大外，亦能防止亂流的產生，故該優點極大。
至此雖已說明關於具有噴射器40之構造，但本發明並不限定於使用噴射器的情況。在砷系或磷系等化合物半導體之成膜中，不使用噴射器的情況也很多。該情況中，亦可適用所謂於對向面施以凹凸，並分割為複數流道之本發明概念，又明顯能獲得該效果。
又，上述說明所使用之圖式中，雖係關於讓基板表面垂直向下之所謂面向下型裝置，但在一般成膜條件中，重力的影響輕微，故在基板表面朝上之所謂面向上型裝置中，亦能同樣地獲得本發明之效果。因此，本發明並未限定於面向下型者。
關於本發明形成對向面形成構件30及噴射器40之構件的材料，只要能滿足純度及可耐受所使用環境之耐熱、耐腐蝕性的話，基本上任何材料均可。具體而言，舉出有一般於半導體或氧化物之成膜經常使用的不鏽鋼、鉬等金屬材料、碳、碳化矽或碳化鉭等碳化物、氮化硼、氮化矽、氮化鋁等氮化物、石英、氧化鋁等氧化物系陶瓷等，由其中適當加以選擇即可。
<實驗例1>氮化鎵膜之成膜速度曲線
接著，介紹將本發明適用於氮化鎵膜之成膜，而與以往方法比較之範例。首先，說明關於為了比較所進行之以往方法的範例。以往範例中，係使用具有圖10之剖視構造的反應器。此裝置中，由成膜品質、原料利用效率、載體氣體消耗量、以及流速的觀點進行優化實驗，而最佳成膜壓力為25kPa，流道高度為14mm，載體氣體流量為120SLM。另一方面，本發明構造係採用具有圖1及圖2所示之矩形剖視形狀，而分割有12個流道之對向面。凹部34、凸部36之開角均為15度，該等具有30度的週期性，因此為12次對稱的形狀。凹部34與圓板狀晶座20之距離係一致於以往構造最佳值的14mm，凸部36與圓板狀晶座20則為4mm。對向面形成構件之材質係使用碳化物材質。
再者，對應於以往構造，係使用3層流動之噴射器。3層流道之高度各為4mm，將其各自分隔之分隔板板厚為1mm。對應時，對向面部流道高度會 等同於14mm。3層中之下2層流道形狀係與對向面之流道對應而為12分割，最上一層則不分割而為360度均等流動之形態。另外，用於噴射器之材質為鉬。將該等構造表示於圖5、圖6。圖5係分割為構件後之立體圖。圖6係組裝後之剖視圖。剖視圖中，右半部係表示凹部流道，左半部係表示凸部流道。
於以下表1表示氮化鎵膜成膜時之氣體條件。關於以往範例，最佳條件係載體氣體總流量120SLM之條件，本發明範例中，係就與以往範例相同之120SLM、其一半的60SLM，然後結果會得到與以往範例類似的成膜速度曲線之35SLM的實驗條件加以記載。
於圖8表示各條件中之成膜結果所獲得之成膜速度曲線。此為無自轉而僅以5rpm之公轉所致的成膜結果。本發明構造中，與以往相同之120SLM載體氣體流量的情況，成膜速度曲線會於橫向擴大，於縱向縮小。此樣態表示流速過快，係與開頭研究的理論十分一致的結果。減少載體氣體流量時，成膜速度曲線會陡峭化，在35SLM之載體氣體流量中會得到與以往範例之成膜速度曲線接近的結果。本發明構造中，流道的剖面積為以往的約64%，故以往的約29%流量之35SLM會得到類似的成膜速度曲線乃感到奇妙。但是，考慮到擴散係數的話，可謂此乃妥當的結果。本發明範例中，雖載體氣體中之NH3比率有所上升，NH3之分子量較氫要大幅地大，故由格雷姆定律(Graham's law)，擴散係數會較氫要大幅地小。成膜速度曲線由於被移流擴散方程式所支配，故不僅流速，亦會依擴散係數而改變。本實 驗例中，應該是為了讓載體氣體實際之擴散係數降低，而以預想以上之較少載體氣體流量來得到與以往類似之成膜速度曲線。
如此般依本發明，在得到與以往同樣的成膜速度曲線上，卻可削減70%以上之載體氣體，由表1可知，NH3分壓由以往的5kPa上升至3倍以上之17.1kPa。因此，來自膜表面之氮原子的脫離會被抑制，而可得到更高品質的成膜。
<實驗例2>多重量子井之發光特性
接著，使用實驗例1以往型與本發明型之裝置，製作InGaN/GaN之多重量子井，藉由光致發光之頻譜來加以評估。各自的成膜條件則記述於以下表2。
該等成膜條件下，使用4吋基板，以公轉5rpm、自轉15rpm之轉速讓基板自轉公轉來進行成膜。圖9係所得之多重量子井的光致發光之頻譜。由該圖，可知本發明構造所製作之多重量子井，峰值強度高上15%左右，又，半高寬度(FWHM)會變得更小。當然，峰值陡峭且強度較強則為較高品質。如此般，多重量子井之品質會提升，應該是由於表2般NH3之分壓高上約40%之故。這便是藉由使用本發明構造，而能實現減少載體氣體總流量。又，氣體的使用量外，III族的使用量亦可以減少，故可知亦明顯有助於成膜成本的削減。
另外，本發明不限定於上述實驗例，在不脫離本發明要旨的範圍內可附加各種改變。例如，亦包含下述者。
(1)該實驗例所示之形狀、尺寸乃為一範例，可在能達成同樣效果之範圍 內進行適當設計改變。
(2)該實驗例所示之構成對向面形成構件30或噴射器40之材料乃為一範例，可在能達成同樣效果之範圍內進行適當設計改變。
(3)該實驗例中，雖使用了噴射器40，但此乃為一範例，噴射器只要因應需要加以設置即可。又，噴射器40構造亦為一範例，可依需要進行適當設計改變。
(4)該實驗例中，雖為基板表面向下之面向下型，但亦可適用於基板表面朝上之面向上型。
依本發明，不僅可以較少載體氣體流量來實現與以往裝置之最佳條件相同的成膜，亦可讓高揮發成分元素之材料氣體分壓較以往要大幅提高，因此可實現較以往要高品質的成膜，故可適用於自轉公轉式之氣相成膜裝置。尤其適用於化合物半導體膜及氧化物膜之成膜用途。
10‧‧‧反應器構造
20‧‧‧圓板狀晶座
22‧‧‧基板保持構件
24‧‧‧均熱板
26‧‧‧承受部
30‧‧‧對向面形成構件
32‧‧‧開口部
34‧‧‧凹部
36‧‧‧凸部
40‧‧‧噴射器
42‧‧‧第1噴射器構成構件
48A‧‧‧貫通孔
50‧‧‧第2噴射器構成構件
56A‧‧‧貫通孔

Claims (11)

  1. 一種氣相成膜裝置，係具有反應器、承載(hold)成膜用基板之基板保持構件(Wafer Holder)的圓板狀晶座(Susceptor)、讓該基板自轉公轉之機構、對向於該基板保持構件而形成流道之對向面、材料氣體之導入部及排氣部的氣相成膜裝置，其係以該圓板狀晶座與該對向面之距離會在該基板之公轉方向中產生變化之方式，在該對向面施以凹凸形狀；該材料氣體之導入部係具有噴射器(Injector)。
  2. 如申請專利範圍第1項之氣相成膜裝置，其中該噴射器(Injector)為圓板狀，並於其中施以與該對向面之凹凸形狀對應的凹凸形狀。
  3. 如申請專利範圍第1項之氣相成膜裝置，其成膜方式為化學氣相成長。
  4. 如申請專利範圍第2項之氣相成膜裝置，其成膜方式為化學氣相成長。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之氣相成膜裝置，其中所生成的膜為化合物半導體膜及氧化物膜。
  6. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之氣相成膜裝置，其中該材料氣體的一部分含有有機金屬。
  7. 如申請專利範圍第5項之氣相成膜裝置，其中該材料氣體的一部分含有有機金屬。
  8. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之氣相成膜裝置，其中構成該對向面及該噴射器之構件材質為不鏽鋼、鉬等金屬材料；碳、碳化矽、碳化鉭等碳化物；氮化硼、氮化鋁等氮化物；以及石英、氧化鋁等氧化物 系陶瓷之任一者，或該等之組合。
  9. 如申請專利範圍第5項之氣相成膜裝置，其中構成該對向面及該噴射器之構件材質為不鏽鋼、鉬等金屬材料；碳、碳化矽、碳化鉭等碳化物；氮化硼、氮化鋁等氮化物；以及石英、氧化鋁等氧化物系陶瓷之任一者，或該等之組合。
  10. 如申請專利範圍第6項之氣相成膜裝置，其中構成該對向面及該噴射器之構件材質為不鏽鋼、鉬等金屬材料；碳、碳化矽、碳化鉭等碳化物；氮化硼、氮化鋁等氮化物；以及石英、氧化鋁等氧化物系陶瓷之任一者，或該等之組合。
  11. 如申請專利範圍第7項之氣相成膜裝置，其中構成該對向面及該噴射器之構件材質為不鏽鋼、鉬等金屬材料；碳、碳化矽、碳化鉭等碳化物；氮化硼、氮化鋁等氮化物；以及石英、氧化鋁等氧化物系陶瓷之任一者，或該等之組合。
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