JP2011066356A - 薄膜製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板上に均一な膜厚の薄膜を簡便な方法で高品質に形成することができる薄膜製造装置を提供する。
【解決手段】ガス導入口１７から導入されて基板２０と天板部１５の間に向かう原料ガスをリング部材１３によって天板部１５側に誘導する。これにより、原料ガスは基板２０と天板部１５の間では天板部１５の基板側の面に沿って流れる。このとき、その流れから原料ガスの一部が基板２０側に拡散し基板２０表面に到達する。これにより、基板２０表面の近傍に原料ガスの均一な濃度分布が生じ、基板２０表面に均一な膜厚の薄膜を形成することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、化学気相成長によって薄膜を形成するための薄膜製造装置に関する。

基板上に薄膜を形成する方法には各種のものが知られており、CVD法（化学気相成長法：Chemical Vapor Deposition）はその一例である。CVD法は基板表面近傍に原料ガスを導入し、化学反応を利用してその基板上にシリコン酸化膜や窒化膜などの薄膜を形成する方法である。CVD法の具体例としては、プラズマCVD法（Plasma Chemical Vapor Deposition）、HVPE法（ハイドライド気相成長法：Hydride Vapor Phase Epitaxy）、MOCVD法（有機金属気相成長法：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）などが挙げられる。このうち、MOCVD法は基板上にGaAsやGaNなどの化合物を結晶成長させる方法として用いられている。

CVD法による成膜では、基板表面での化学反応を促進させるために基板を加熱しておき、そこへ原料ガスを基板表面に対して平行な方向に導入することが行われている。このとき、加熱された基板からの熱によって基板付近でガスの流れが乱されやすく、それによって膜厚が不均一になりやすい。

そこで、特許文献１に記載のCVD装置では、原料ガスの導入口にルーバーを設け、原料ガスを基板の上面に向けて流すことにより、基板上面付近を流れるガスを整流し、ガス流の乱れを抑えている。

特開2004-165454号公報

特許文献１では成膜中に基板上の複数箇所の膜厚を測定し、その測定値に応じてルーバーの角度を適宜調整することも行っており、これにより、成膜中に常に基板上で最適と思われる位置に向けて原料ガスを流し、膜厚の均一化を図ろうとしている。しかし、成膜中にルーバーを動かすと、ルーバーの回転軸と軸受けとの接触部からパーティクルが発生し、それが基板表面に付着して薄膜の品質低下を招きやすい。また、成膜状態に応じてルーバーを動作させるためには機械的な機構や複雑な制御装置等が必要であり、コスト面で不利である。

本発明は以上のような課題を解決するために成されたものであり、その目的は、基板上に均一な膜厚の薄膜を簡便な方法で高品質に形成することができる薄膜製造装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る薄膜製造装置は、
a)基板が載置される基板載置部と、
b)前記基板載置部と対向するように配置された天板部と、
c)前記基板載置部に載置された基板と前記天板部の間に原料ガスを導入するためのガス導入口と、
d)前記ガス導入口から導入された原料ガスを基板よりも該ガス導入口側で前記天板部側に誘導するガス誘導手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明に係る薄膜製造装置によれば、ガス導入口から導入されて基板と天板部の間に向かう原料ガスをガス誘導手段によって天板部側に誘導するため、原料ガスは基板と天板部の間では天板部の基板側の面に沿って流れる。このとき、その流れから原料ガスの一部が基板側に拡散し基板表面に到達する。これにより、基板表面の近傍に原料ガスの均一な濃度分布が生じ、基板表面に均一な膜厚の薄膜を形成することができる。また、成膜中にガス誘導手段を動かす必要がないため、可動部からのパーティクルが発生せず、高品質の薄膜を形成することができる。

本発明の一実施例である薄膜製造装置の反応室の断面図。 サセプタ及びリング部材の平面図。 反応室内のリング部材近傍の拡大断面図。 サセプタ及びリング部材の平面図。 リング部材を有しない薄膜製造装置にて成膜した基板の写真。 リング部材を有する薄膜製造装置にて成膜した基板の写真。 リング部材を有しない薄膜製造装置にて成膜したときの膜厚分布を示す図。 リング部材を有する薄膜製造装置にて成膜したときの膜厚分布を示す図。

以下、本発明の一実施例である薄膜製造装置について、図面を参照して説明する。図１は本実施例の薄膜製造装置の要部である反応室１０の断面図である。反応室１０は、円形状の開口を有する底部１６と、この底部１６の上面と略平行な下面を有する天板部１５と、前記開口内に配置された回転可能な円盤状のサセプタ１１を備えている。図２に示すように、サセプタ１１の上面には複数の窪みが形成されており、これら窪みに基板２０が載置される。窪みの数は任意であり、例えば１つであってもよい。底部１６と天板部１５との間は、反応ガスの流路となっており、流路の一端にはガス導入口１７、他端にはガス排出口１８がそれぞれ設けられている。ガス導入口１７からは、天板部１５の下面と平行な流れの反応ガスが導入される。

底部１６の上面の開口縁部には全周にわたって溝部１６１が形成されており、この溝部１６１にリング部材１３が固定されている。リング部材１３の上面には外周から内周に向かって上方に傾斜する傾斜面が形成されている。リング部材１３は、溝部１６１よりも一段高い底部１６の最上面から所定の高さだけ突出している。その高さは例えば反応室１０の流路の高さが10mmの場合、1〜2mm程度であることが好ましい。サセプタ１１及び基板２０の上面はリング部材１３の頂部よりも低い。なお、リング部材１３の外径やリング幅は底部１６の開口径や溝部１６１の幅等を考慮して決めればよく、本実施例では外径が300mm、リング幅が20mmである。

サセプタ１１の下方には基板２０を加熱するための渦巻き状のヒータ１４が配置されている。また、天板部１５には、その下面近傍での原料ガスの温度を低下させて反応を抑制しその面に薄膜を形成させにくくするための冷却機構（図示せず）が取り付けられている。

次に、反応室１０での原料ガスの流れについて、図１、３を参照して説明する。図３では原料ガスの流れを矢印で示している。ガス導入口１７から流路内に導入された反応ガスは、リング部材１３の傾斜面によって上方に誘導され、天板部１５の下面に沿ってガス排出口１８に向かって流れる。このとき、天井部１５に沿って流れる原料ガスの一部が下方に拡散し、基板２０上面に到達する。このようにガス導入口１７から流路内に導入された反応ガスを予め天板部１５側に誘導しておき、そこから下方に拡散させることにより、基板２０が高温に加熱されていても、基板２０上面の近傍には原料ガスの均一な濃度分布が生じ、基板２０上面に均一な膜厚の薄膜が形成される。

なお、従来の薄膜製造装置ではルーバー等により基板側に原料ガスを誘導し、基板近傍に層流を形成し、それにより原料ガスの均一な濃度分布を生じさせようとしているが、実際には原料ガスの流れは高温に加熱された基板からの熱によって基板近傍で大きく乱されるため、そこに層流を形成することは困難であり、原料ガスの均一な濃度分布を生じさせることができなかった。

次に、本実施例の薄膜製造装置の効果を確認するために、発明者らが行った実験について説明する。実験は、リング部材１３を有する上述の装置（実施例）、及び、リング部材１３を有しない装置（比較例）を用いて、基板２０にGaN薄膜を形成した。GaN薄膜の成膜はMOCVD法により行い、径2インチのサファイア基板に成膜温度520℃でGaNのバッファ層を形成した後、その上に成膜温度1050〜1055℃でGaN層を結晶成長させた。そして、各基板に形成されたGaN薄膜の膜厚分布を調べた。なお、実験では、図４に示すようにサセプタ１１の中心に近い円周上に載置した内側基板２０ｂとその外側円周上に載置した外側基板２０ａで膜厚分布に違いが生じるかについても調べた。サセプタ１１の回転速度は20rpmであった。

図５、６にGaN薄膜の成膜後の基板を撮影した写真を示す。図５は比較例のものであり、図６は実施例のものである。いずれの図も(a)は外側円周上に載置された基板についての写真であり、(b)は内側円周上に載置された基板についての写真である。また、いずれも図の右側がサセプタ１１の中心側である。これらを比較すると、比較例では複数の干渉縞が見られるのに対し、実施例ではそのような複数の干渉縞が見られない。このことから、実施例の方がGaN薄膜の膜厚が均一であることが分かる。

図７、８に、図５、６に示した各基板上のGaN薄膜の膜厚分布の測定結果を示す。図７は比較例のものであり、図８は実施例のものである。いずれの図も(a)は外側円周上に載置された基板についてのデータであり、(b)は内側円周上に載置された基板についてのデータである。また、いずれも図の右側がサセプタ１１の中心側である。図中の"U.f."は、各測定での平均膜厚に対する最大値と最小値をパーセント表示したものであり、"％Std"は、各測定での平均膜厚に対する標準偏差をパーセント表示したものである。また、各図の右側のスケールバーは平均膜厚の±12％の範囲を示す。スケールバーの中心が平均膜厚であり、スケールバーの中心より上方が平均膜厚から＋12％の範囲で、スケールバーの中心より下方が平均膜厚から−12％の範囲である。スケールバーの上下の数値は±12％の範囲の上下限の膜厚を示し、単位はnmである。なお、図７と図８で平均膜厚が異なるのは各基板の成膜時間に違いがあったためである。

比較例において外側円周上に載置された基板（図７(a)）では平均膜厚が3.08μm、U.f.が±7.2％、％Stdが4.0％であり、内側円周上に載置された基板（図７(b)）では平均膜厚が3.03μm、U.f.が±10.2％、％Stdが5.6％であった。なお、外側円周上の基板についてはサセプタ１１の中心側ほど、内側円周上の基板についてはサセプタ１１の外周側ほど膜が厚い傾向があり、その傾向は特に内側円周上に載置された基板（図７(b)）ほど顕著であった。

実施例において外側円周上に載置された基板（図８(a)）では平均膜厚が2.42μm、U.f.が±4.0％、％Stdが1.6％であり、内側円周上に載置された基板（図８(b)）では平均膜厚が2.54μm、U.f.が±2.2％、％Stdが1.1％であった。この結果より、比較例と比べて膜厚の均一性が大幅に向上したことが分かる。

また、図８に示すように実施例では、いずれの場合も基板２０中央の膜厚が若干小さかった。これは加熱による基板２０の僅かな反りが原因で生じたものであり、その反りを抑えることができれば、膜の均一性が一層向上する。なお、同様の反りは比較例でも発生するが、比較例ではそれ以上に膜厚の斑が大きいため、反りを抑えたとしても膜厚の均一性が大きく改善されることにはならない。

更に、実施例では次のような特長も確認された。
図８に示したように薄膜の厚さが均一になる現象は、原料ガスの流量等の成膜条件が多少変化しても同様に生じさせることができた。つまり、この現象は限られた成膜条件のみで生じるものではなく、幅広い成膜条件で生じるものである。従って、自由度の高い成膜条件を選択でき、且つ、高い再現性を厳密なプロセス管理なしに実現させるものである。
また、成膜速度については比較例の場合と同等であったため、従来の薄膜製造装置と比べて生産効率が低下することはない。

以上のように本実施例に係る薄膜製造装置によれば、基板２０上に均一な膜厚の薄膜を簡便な方法で形成することができる。また、リング部材１３は底部１６に静置されたものであって動くものではないため、成膜中にパーティクルが発生せず、高品質の薄膜を形成することができる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲で適宜変更が許容される。例えば、原料ガスを天板部１５側に誘導するガス誘導手段は、サセプタ１１の全周を囲うリング状のものに限らず、ガス導入口１７側のサセプタ１１近傍に配置された半円形のものやその位置のガス流を横断するような直線形状のもの等であってもよい。ガス誘導手段は底部１６に載置して静止させてもよいが、サセプタ１１の縁部や基板２０の各周囲に設けてサセプタ１１とともに回転させてもよい。

１０…反応室
１１…サセプタ
１２…回転軸
１３…リング部材
１４…ヒータ
１５…天板部
１６…底部
１６１…溝部
１７…ガス導入口
１８…ガス排出口
２０…基板

Claims (4)

1. a)基板が載置される基板載置部と、
   b)前記基板載置部と対向するように配置された天板部と、
   c)前記基板載置部に載置された基板と前記天板部の間に原料ガスを導入するためのガス導入口と、
   d)前記ガス導入口から導入された原料ガスを基板よりも該ガス導入口側で前記天板部側に誘導するガス誘導手段と、
   を備えることを特徴とする薄膜製造装置。
2. 前記ガス誘導手段が、前記基板載置部の周囲のうちの少なくとも前記ガス導入口側に設けられた堤防状部材であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜製造装置。
3. 前記堤防状部材が、前記ガス導入口側に傾斜面を有するものであることを特徴とする請求項２に記載の薄膜製造装置。
4. 前記堤防状部材が、前記基板載置部の全周を囲うものであることを特徴とする請求項２又は３に記載の薄膜製造装置。