JP2019079867A - 気相成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型の量産装置で、均一かつ再現性良く、対向面温度をプロセスに適正した温度に制御できる気相成膜装置を提供する。【解決手段】気相成膜装置は、横型あるいは自公転式の化学気相成膜装置をベースとする。プロセスガス導入部及び排気部を有する水冷されたチャンバ内に、基板２２０、基板を保持するサセプタ２２２、基板２２０及びサセプタ２２２を加熱する手段、基板２２０及びサセプタ２２２に対向して成膜空間（フローチャネル）を形成する対向面部材２０を適宜配置した構成となっている。プロセスガスは、原則として基板２２０と平行に流れる。対向面部材２０の背面（チャンバ壁２０２側）に凹凸形状２２を形成し、その凸部２４をチャンバ壁２０２に接触させるように設置する。そして、凹部２６に、流量制御された熱伝導率の異なる２種類のガスからなる混合ガス（対向面温度制御ガス）を流通させる。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体もしくは酸化物基板上に半導体膜を形成する気相成膜装置に関し、更に具体的には、基板と対向する対向面の温度制御に関するものである。

一般に用いられる気相成膜装置の一形態として、プロセスガスを基板面と平行に導入するタイプがある。その例として、図１６に自公転式気相成膜装置の断面の一例を、図１７に前記自公転式気相成膜装置のサセプタの平面図の一例を示す。また、図１８には横型気相成膜装置の断面の一例を、図１９には前記横型気相成膜装置のサセプタの平面図の一例を示す。

まず、図１６及び図１７に示す自公転式気相成膜装置１００では、チャンバ１１０は、チャンバ部材１０２を通る冷却水１０４により水冷されている。前記チャンバ１１０は、プロセスガス（ないし材料ガス）導入部１０６，対向面温度制御ガス導入部１５０，パージガス導入部１６０及び排気部１０８Ａ，１０８Ｂを備えている。そして、チャンバ１１０内に、成膜用の基板１２０及び基板ホルダ１２２を載置するサセプタ１２４と、前記基板１２０に対向する対向面１２８を有する対向面部材１２６が適宜配置され、これらサセプタ１２４と対向面部材１２６の間に成膜空間（フローチャネル）１３０が形成されている。前記サセプタ１２４は、回転軸１４０を中心として回転し、前記基板ホルダ１２２は、基板１２０の中心を軸として回転する機構が設けられている。

一方、図１８及び図１９に示す横型気相成膜装置２００では、チャンバ２１０は、チャンバ部材２０２を通る冷却水２０４により水冷されている。前記チャンバ２１０は、プロセスガス導入部２０６，対向面温度制御ガス導入部２５０，パージガス導入部２６０及び排気部２０８を備えている。そして、チャンバ２１０内に、成膜用の基板２２０とそれを載置するサセプタ２２２と、前記基板２２０に対向する対向面２２８を形成する対向面部材２２６が適宜配置され、これらサセプタ２２２と対向面部材２２６の間に成膜空間（フローチャネル）２３０が形成される。以上の構造の横型気相成膜装置２００では、サセプタ２２２が回転軸２４０を中心として回転する機構のみが設けられている。

ところで、気相成膜においては、言うまでもなく基板温度が重要な要素であり、正確かつ再現性の高い基板温度制御が求められる。基板加熱は、通常、ヒータないしは高周波加熱などの加熱手段（図１６のヒータ１７０，図１８のヒータ２７０など）により行われる。水冷壁に囲まれた成膜装置（いわゆるコールドウォールタイプ）においては、加熱手段において発生した熱はサセプタ（あるいは基板ホルダ）、基板、対向面部材、チャンバ部材を順に経て冷却水に至り、ここで排熱される。図２０には、横型気相成膜装置の場合の熱の流れが示されており、ヒータ２７０により発生した熱は、同図に矢印ＦＡで示すように、サセプタ２２２，基板２２０，対向面部材２２６，チャンバ部材２０２を経て冷却水２０４に至り、ここで排熱される。基板２２０は、ヒータ２７０と対向面部材２２６の間に位置するため、対向面部材２２６の温度が安定しないと、基板温度も安定しないことになる。

対向面温度はまた、膜中不純物濃度，堆積速度分布，材料効率といった、成膜工程において大変重要な特性にも影響する。化学気相成膜では、基板上のみならず、気相中，すなわち成膜空間においても様々な化学反応が生じている。すなわち、キャリアガスとともに成膜空間に導入された材料分子は、様々な中間反応を経た上で基板に至り、そこで膜として堆積する。そのため、膜中不純物濃度，堆積速度分布，材料効率などの成膜特性は、成膜空間における材料分子の化学反応履歴に依存し、したがって成膜空間の化学反応状態が安定していないと、これらの特性も安定しない。そして、当然ながら成膜空間の化学反応は、成膜空間温度分布の影響を多大に受けるが、成膜空間温度は、サセプタあるいは基板の温度及び対向面温度により決定される。

下記特許文献１の「エピタキシアル成長反応器」において、対向面の温度制御に関する一つの方法が提案され、現在は、この方法が一般的に採用されている。この方法は、対向面部材と水冷されたチャンバ壁の間に空隙を設け、そこに熱伝導率の高いガスと低いガスの混合ガス（対向面温度制御ガス）を流通し、その混合比により空隙の熱伝導率を調節することで、対向面の温度を制御するものである。化合物半導体のＭＯＣＶＤでは、高熱伝導率のガスとして水素、低熱伝導率のガスとして窒素が一般的に採用されている。すなわち、対向面温度を制御するために、対向面温度制御ガスの水素と窒素の比率を調節する。前記空隙は、図１６では空隙１８０，図１８では空隙２８０が相当する。

特開平１−２７８４９７号公報

ところで、近年、工業的に重要度を増している窒化物系の成膜においては、１０００℃を超える高い基板温度が必要とされる。そのために成膜空間の温度も高くならざるを得ない。ところが、成膜空間の温度が高いと気相中の化学反応が進みすぎ、様々な弊害を誘発する。例えば、ある場合では、行き過ぎた気相反応により材料分子が不活性化し、材料効率や膜厚分布の悪化を招く。またある別の場合では、気相中で材料分子の分解反応が進みすぎ、低分子化により拡散速度が速くなり、結果として材料分子が上流域で枯渇する問題を発生させる。このように、成膜空間の高温化は様々な弊害を引き起こすため、ある程度低温に保つ必要がある。

基板温度は成膜対象の膜種により最適な温度が決められるため、任意に設定することができない。そのため、成膜空間の温度を低くするためには、対向面温度を低くする必要がある。対向面温度の適切な値は、成膜対象によるものの、窒化物系の場合には、経験的には２００〜２５０℃程度の対向面温度が適当である。１０００℃以上の基板温度、かつ、２００〜２５０℃程度という低温の対向面温度を実現するためには、対向面温度制御ガスを流通する空隙を狭くする必要がある。空隙が広いと、対向面温度制御ガスとして熱伝導率の高い水素のみを流通したとしても、対向面温度は、適切な温度範囲を超えてしまうからである。

図２１に、一般的な窒化物系化合物半導体の成膜条件下での、空隙とその空隙に対する制御温度の関係を示した。同図において、横軸は空隙幅（ｍｍ）、縦軸は対向面温度の下限値及び上限値（℃）である。なお、図中、実線部分が対向面温度の下限値を示すが、これは即ち、対向面温度制御ガスを水素１００％としたときの対向面温度である。また、破線部分が対向面温度の上限値を示すが、これは、対向面温度制御ガスを窒素１００％としたときの対向面温度である。図２１からは、空隙幅を０．１〜０．２ｍｍとして、ようやく対向面温度２００〜２５０℃の適切な温度が得られることが分かる。

一方、窒化物系の成膜装置は、近年大型化への要望が強く、現在の量産装置においては、対向面部材のサイズは直径７００ｍｍから場合によって１ｍにも達するようになってきている。このような広範囲にわたり、０．１〜０．２ｍｍ程度という狭い空隙を均一に形成することは、部材の加工精度を考慮すると難易度が高い。また、いかなる場合でも、加熱による対向面部材の若干の熱変形は避けられず、もし空隙幅が狭ければ、わずかの熱変形でもその影響を大きく受けてしまう。これらの点から、従来方法により大型の量産装置で、均一かつ再現性良く対向面温度を制御するのは困難という課題がある。

本発明は、以上のような点に着目したもので、大型の量産装置で、均一かつ再現性良く、対向面温度をプロセスに適正した温度に制御できる気相成膜装置を提供することを、その目的とする。

本発明は、材料ガス導入部と排気部を有し、水冷された壁面により囲まれたチャンバ内空間に、成膜用の基板を保持するためのサセプタと、該サセプタ及び成膜用基板に対して水平方向のフローチャネルを形成する対向面部材が配置された気相成膜装置であって、前記チャンバ内に、前記対向面部材の温度を制御するための対向面温度制御ガスを導入する対向面温度制御ガス導入部、を備えるとともに、前記対向面部材の、前記基板と対向しない面に凹凸形状を形成し、凸部が前記水冷された壁面に接触するように配置し、凹部を、流量制御された前記対向面温度制御ガスの流路としたことを特徴とする。

主要な形態の一つは、前記対向面温度制御ガスが、熱伝導率が互いに異なる２種以上の気体からなる混合気体であることを特徴とする。他の形態の一つは、前記対向面温度制御ガスが、水素及び窒素からなることを特徴とする。更に他の形態の一つは、前記対向面部材における前記基板に対向する領域において、該領域の全面積に対する、前記領域内の前記凸部との接触部の面積比が、０．３〜０．６であることを特徴とする。

更に他の形態の一つは、前記凸部の高さが、２ｍｍ以下であることを特徴とする。更に他の形態の一つは、前記基板上に、有機金属気相成膜法により成膜対象を成膜することを特徴とする。更に他の形態の一つは、前記基板上に成膜する対象が、窒化物系の化合物半導体であることを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

本発明によれば、材料ガス導入部と排気部を有し、水冷された壁面により囲まれたチャンバ内空間に、成膜用の基板を保持するためのサセプタと、該サセプタ及び成膜用基板に対して水平方向のフローチャネルを形成する対向面部材が配置された気相成膜装置であって、前記チャンバ内に、前記対向面部材の温度を制御するための対向面温度制御ガスを導入する対向面温度制御ガス導入部、を備えるとともに、前記対向面部材の、前記基板と対向しない面に凹凸形状を形成し、凸部が前記水冷された壁面に接触するように配置し、凹部を、流量制御された前記対向面温度制御ガスの流路とした。このため、大型の量産装置で、均一かつ再現性良く、対向面温度をプロセスに適正した温度に制御できる気相成膜装置を提供することが可能となる。

本発明の基本的な概念を示す断面図である。 本発明の実施例１の自公転式気相成膜装置を示す断面図である。 前記実施例１の対向面部材の凹凸形状の一例を示す平面図である。 前記図３を＃Ａ−＃Ａ線に沿って切断し矢印方向に見た断面図である。 前記実施例１の対向面部材の凹凸形状の他の例を示す平面図である。 本発明の実施例２の横型気相成膜装置を示す断面図である。 前記実施例２の対向面部材の凹凸形状の一例を示す平面図である。 前記実施例２の対向面部材の凹凸形状の他の例を示す平面図である。 本発明のシミュレーションを行う領域を決定するための説明図である。 本発明のシミュレーションモデルを示す断面図である。 前記シミュレーションモデルにおける二次元温度分布図の一例を示す図である。 前記シミュレーションにおける全体面積に対する凸部（接触部）の面積比と対向面温度の関係を示す図である。 前記シミュレーションにおける全体面積に対する凸部（接触部）の面積比と対向面温度制御幅の関係を示す図である。 前記シミュレーションにおける全体面積に対する凸部（接触部）の面積比と対向面表面温度分布の大きさ（制御ガス：水素）の関係を示す図である。 前記シミュレーションにおける全体面積に対する凸部（接触部）の面積比と対向面表面温度分布の大きさ（制御ガス：窒素）の関係を示す図である。 一般的な自公転式気相成膜装置の断面図である。 前記図１６の自公転式気相成膜装置のサセプタの平面図である。 一般的な横型気相成膜装置の断面図である。 前記図１８の横型気相成膜装置のサセプタの平面図である。 従来の気相成膜装置における熱の流れを示す断面図である。 従来の気相成膜装置におけるチャンバ部材と対向面との空隙幅と、対向面温度の下限値及び上限値の関係を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

＜基本概念＞・・・最初に、図１を参照して、本発明の基本概念を説明する。図１は、本発明の基本的な概念を示す断面図である。本発明は、横型あるいは自公転式の化学気相成膜装置をベースとした成膜装置を基本構成とする（図１は、横型気相成膜装置の例を示す）。すなわち、プロセスガス導入部及び排気部を有する水冷されたチャンバ内に、基板２２０、基板を保持するサセプタ２２２、基板２２０及びサセプタ２２２を加熱する手段、そして基板２２０及びサセプタ２２２に対向して成膜空間を形成する対向面部材２０を適宜配置した構成である。プロセスガスの流れ方向は、原則として基板と平行である。

上述したように、従来技術においては、対向面部材の裏面とチャンバ部材の間に空隙（図１６の空隙１８０，図１８の空隙２８０）を設け、ここに対向面温度制御ガスを流通して温度制御を行うが、従来は、対向面部材の裏面は平坦であった。それに対し、本発明では、対向面部材２０の背面（チャンバ部材２０２側）に凹凸形状２２を形成し、その凸部２４をチャンバ部材２０２に接触させるように設置する。そして、凹部２６に熱伝導率の異なる２種類のガスよりなる混合ガス（対向面温度制御ガス）を流通させ、対向面温度を制御する。

対向面温度の制御下限値は、最も熱伝導率の良い水素のみ（即ち水素１００％）を流したときに得られる。本発明では、対向面部材２０が部分的に接触しており、この対向面部材２０は固体であるため、ガスである水素よりもはるかに大きな熱伝導率を有する。つまり伝熱が良い。伝熱の良い対向面部材２０が部分的にチャンバ部材２０２に接触するため、対向面部材２０からチャンバ部材２０２への実効的な伝熱がよくなる。その分、非接触部である凹部２６の高低差を大きくしても、従来方法において狭い空隙幅とした際の実効的な伝熱性と同等の伝熱性を実現できる。計算上、本発明において、窒化物系の成膜条件下で２００〜２５０℃程度の対向面温度を得るには、１ｍｍくらいの高低差を有する凹凸を形成すればよい。この点については、後述するシミュレーションの説明において詳述する。

＜自公転式気相成膜装置への適用例＞・・・まず、図２〜図５を参照して、自公転式気相成膜装置１０について説明する。図２は、自公転式気相成膜装置を示す断面図である。図３は、対向面部材の凹凸形状の一例を示す平面図である。図４は、前記図３を＃Ａ−＃Ａ線に沿って切断し矢印方向に見た断面図である。図５は、対向面部材の凹凸形状の他の例を示す平面図である。

まず、本例の自公転式気相成膜装置１０の基本的構成は、上述した従来技術（図１６及び図１７）と同様である。すなわち、図２に示すように、自公転式気相成膜装置１０では、チャンバ１１０は、チャンバ部材１０２を通る冷却水１０４により水冷されている。前記チャンバ１１０は、プロセスガス（ないし材料ガス）導入部１０６，対向面温度制御ガス導入部１５０，パージガス導入部１６０及び排気部１０８Ａ，１０８Ｂを備えている。そして、チャンバ１１０内に、成膜用の基板１２０及び基板ホルダ１２２を載置するサセプタ１２４と、前記基板１２０に対向する対向面２１を有する対向面部材２０が適宜配置され、これらサセプタ１２４と対向面部材１２６の間に成膜空間（フローチャネル）１３０が形成されている。前記サセプタ１２４は、回転軸１４０を中心として回転し、前記基板ホルダ１２２は、基板１２０の中心を軸として回転する機構が設けられている。

本発明では、上記構成に加え、前記対向面部材２０の上側（チャンバ部材１０２側）に凹凸形状２２を設けている。前記対向面部材２０は、凹凸形状２２の凸部２４が、水冷されたチャンバ部材１０２に接触するように設置し、凹部２６には、対向面温度制御ガスを流通することとしている。

凹凸形状２２の形態の一つの例としては、図３に示すように、島状（あるいはドット状）の凸部２４を多数施した形態がある。前記図３を＃Ａ−＃Ａ線に沿って切断し矢印方向に見た断面が図４に示されており、凸部２４と凹部２６が規則的に配置されている。なお、図３では、凸部２４の平面形状は円形であるが、例えば、四角形などにしても効果は同様であるので、任意の形状としてよい。また、凸部２４の配置については、図３では、格子状の周期的な配置としているが、温度の均一性が担保される配置であれば、どのような配置としてもよい。また、島状の形状でなくても、図５に示す対向面部材２０Ａのように、中央の開口部２８から、外縁に向けて、徐々に幅が広くなるような凹部２６Ａが、放射状に配置された形状としてもよい。この場合、凸部２４Ａも、放射状となる。

＜横型気相成膜装置への適用例＞・・・次に、図６〜図８を参照して、横型気相成膜装置５０への適用例を説明する。図６は、横型気相成膜装置を示す断面図である。図７及び図８は、対向面部材の凹凸形状の一例を示す図である。本例の横型気相成膜装置５０の基本的構成は、上述した従来技術（図１８及び図１９）と同様である。すなわち、図６に示すように、自公転式気相成膜装置５０では、チャンバ２１０は、チャンバ部材２０２を通る冷却水２０４により水冷されている。前記チャンバ２１０は、プロセスガス導入部２０６，対向面温度制御ガス導入部２５０，パージガス導入部２６０及び排気部２０８を備えている。そして、チャンバ２１０内に、成膜用の基板２２０とそれを載置するサセプタ２２２と、前記基板２２０に対向する対向面６１を形成する対向面部材６０が適宜配置され、これらサセプタ２２２と対向面部材２２６の間に成膜空間（フローチャネル）２３０が形成される。以上の構造の横型気相成膜装置２００では、サセプタ２２２が回転軸２４０を中心として回転する機構のみが設けられている。

本発明では、上記構成に加え、前記対向面部材６０の上側（チャンバ部材２０２側）に凹凸形状６２を設けている。前記対向面部材６０は、凹凸形状６２の凸部６４が、水冷されたチャンバ部材２０２に接触するように設置し、凹部６６には、対向面温度制御ガスを流通することとしている。前記凹凸形状６２の具体的なパターンとしては、例えば、図７に示すように、格子状に周期的に凸部６４を配置した形状がある。図７を＃Ｂ−＃Ｂ線に沿って切断し矢印方向に見た断面は、前記図４と同じである。また、図８に示す対向面部材６０Ａのように、プロセスガスの流れる方向に延長した複数の凸部６４Ａを、平行に設けるようにしてもよい。この場合、複数の凹部６６Ａも平行な配置となる。

＜各部の素材＞・・・次に、各部の材質について説明する。チャンバ材質の例としては、一般的によく使われるステンレスでもよいし、良好な熱伝導率が必要であれば、アルミニウムなどを用いてもよい。サセプタあるいは基板ホルダには、グラファイトなどのカーボン系の材料が好適である。仮に成膜対象が窒化物系であり、アンモニアをプロセスガスで用いる場合は、カーボン材を用いるとアンモニアにより腐食されるため、この場合は、炭化珪素、窒化ホウ素、タンタルカーバイドなどのアンモニア耐性のある物質により被覆されたカーボン材料を用いるのがよい。対向面部材としては、サセプタと同様にカーボン材料、あるいは上述したように他材料で被覆されたカーボン材料が好適であるが、他に石英、各種セラミック、各種金属材料なども、プロセス環境下での耐性があれば使用可能である。

＜シミュレーション＞・・・本発明を実施するにあたり重要な設計要素となるのは、対向面部材における基板に対向する領域において、該領域の全体面積（以下単に「全体」とする）に対する凸部（接触部）の面積比と凸部の高さである。また、凹凸の周期は対向面表面の温度分布に関係するため、これも設計パラメータの一つである。これらの設計パラメータの性質は、以下のシミュレーション例の中で詳細に説明する。

先に述べたように、全体に対する凸部の面積比は、対向面温度の制御可能温度にとって重要である。凸部の面積比が大きくなるほど制御温度の下限は低くなり、制御可能範囲は小さくなるものと考えられる。また、凸部の高さについては、高さが低いほど対向面温度は低くなり、高ければ逆に高くなると考えられるので、所望の対向面温度を得るためのパラメータとして使える可能性がある。そこで本実施例では、あるシミュレーションモデルを設定し、凸部の面積比及び凸部高さを変化させて、これらのパラメータが対向面温度に及ぼす影響について検討した。また、対向面裏面の凹凸形状により対向面表面（サセプタ及び基板に対向する側）の温度分布が形成されると考えられるので、対向面表面の温度分布に関しても検討を行った。

本シミュレーションでは、本発明の一形態である横型気相成膜装置に、溝タイプの凹凸を対向面裏面に施した形態（図８に類する形態）を想定することとする。図９（ａ）及び（ｂ）は、本シミュレーションを行う領域を決定するための説明図である。一般的な自公転式気相成膜装置や横型気相成膜装置は、水平方向に広がった形状を有するため、実質的な水平方向の熱の移動はほぼ無視できる。すると凹凸形態の周期性を考慮すれば、溝の伸長方向に垂直な半周期分の二次元モデルを解けば十分と考えられる。更に付け加えれば、実質的な横方向の熱移動が無視できることを考慮すれば、該モデルによる結論は、他の実施形態にも適用可能であると推察される。なお、シミュレーションを適用した領域（シミュレーション領域６８）は、図９（ｂ）に太い破線で示された領域である。

図１０は、本シミュレーションモデルの詳細を示す断面図である。同図に示した各寸法は、実際のＭＯＣＶＤ法において用いられる一般的な寸法となっている。すなわち、サセプタないし基板２２０から対向面６１までの距離（つまり成膜空間の高さ）は１５ｍｍ、凹凸構造を含む対向面部材６０Ａの全体の厚みは１０ｍｍ、チャンバ部材２０２の厚みは１０ｍｍであり、チャンバ部材２０２の片側は冷却水２０４に接している。対向面部材６０Ａとチャンバ部材２０２の表面に間には、必ず熱的接触抵抗が生じる。接触抵抗の起源は、接触する二つの物体間に必ず生じるミクロな空隙であるので、本シミュレーションでは、０．０１ｍｍの空隙が対向面部材６０Ａとチャンバ部材２０２の間に存在するものとしてこれを表現した。これは経験的に妥当な数値と考えられる。なお、接触抵抗は、現実には部材の表面粗さなどによりある程度調整が可能である。

モデル各部の物性値は、一般に開示されている各材料の物性を元に、以下のように設定した。
(1)サセプタ（基板２２０）からの放射率はカーボン系材料を想定し、０．８５とした。
(2)成膜領域である空間の熱伝導率は、通常キャリアガスとして最もよく使われる水素を想定して、０．２３５Ｗ／ｍ／ｓとした。
(3)対向面部材６０Ａはカーボン系材料を想定して、放射率０．８５及び熱伝導率１００Ｗ／ｍ／ｓとした。
(4)対向面温度制御ガスが流通する領域（凹部６６Ａ）は、水素及び窒素の２パターンについて実施し、その際それぞれ０．２３５及び０．０３４の熱伝導率を設定した。
(5)チャンバ部材２０２は、ステンレスを想定して放射率０．４、熱伝導率１７Ｗ／ｍ／ｓとした。
(6)温度境界条件に関しては、高温側はサセプタ（基板２２０）表面であり、これを１０５０℃とし、低温側はチャンバ部材１０２と冷却水２０４の界面であり、これを４０℃とした。

上記の物性のうち、カーボン系部材の部分は、例えば、他材料により被覆されている場合でも、被覆の厚みは薄いため、熱伝導率はカーボン材のそれと変わらないとみなしてよい。また、放射率に関しては、炭化珪素被覆はカーボン材とほぼ同じであり、窒化ホウ素被覆も被覆厚みが小さければ、カーボンの放射率と大きく変わらない。つまり、これらの材料使用の下では、現実にもシミュレーションとほぼ同様の結果が得られるものと考えられる。

上記モデル及び物性値を用い、様々な凹凸面積比、凹凸高さに対しシミュレーションを実施した。本シミュレーションは、不透明体である対向面部材６０Ａ及びチャンバ部材２０２内部は熱伝導のみを扱い、透明体である気体で満たされた成膜空間と、対向面部材６０Ａとチャンバ部材２０２の間の空隙は、気体を通じた熱伝導に加え、放射による熱移動も計算に入れた。

図１１に、シミュレーションの結果得られた、ヒータから冷却水に至る部分の温度分布の一例を示す。なお分かりやすいように異なる温度表示スケールで２通り図示した。この例は、凸部面積比は０．５、凸部高さは１ｍｍ、対向面温度制御ガスは水素１００％の条件で計算した結果である。各条件に対して同様のシミュレーションを実行し、得られた結果から、凸部面積比及び凸部高さが、対向面表面温度に及ぼす影響を図１２〜図１５にまとめた。なお、これらの図において横軸はどれも全体面積に対する凸部（接触部）の面積比（以下「凸部面積比」とする）となっている。

図１２は、全体面積に対する凸部面積比と対向面温度（℃）（縦軸）の関係を示す図である。なお本図には、対向面温度制御ガスＨ_２及びＮ_２双方についての対向面温度が示されている。図１２によれば、予想されるように接触部面積比が小さくなるほど対向面温度は高くなることが分かる。すなわち、面積比を適切に選択することで、任意の対向面温度の制御温度域を得ることができる。２００〜２５０℃とするには凸部面積比０．３〜０．６が適当であることが分かる。

図１３は、凸部面積比と対向面温度制御幅（℃）（縦軸）の関係を示す図である。同図によると、面積比が小さいほうが制御幅は大きく、その点では好ましい。実際にどの面積比を用いるかは、温度域と制御幅の双方を考慮して、最低の面積比を決定することとなる。また、図１３からは、制御幅は凸部の高さ依存性は小さいことも見て取れる。つまり、凸部の高さを大きくしても、制御幅にはそれほど有利に働かないことが分かる。

図１４及び図１５は、凸部面積比と対向面表面温度分布の大きさ（℃）（縦軸）の関係を示す図である。図１４は、対向面制御ガスが水素の場合の、図１５は対向面制御ガスが窒素の場合の、対向面温度の最高温度と最低温度の差を示している。当然ながら凸部（接触部）近辺では温度が低く、凹部では温度が高くなる。これによれば、凸部高さが高いほど、対向面表面内の温度差が大きくなる。つまり、凸部高さが高いと、制御幅はさほど変わらず、対向面表面の温度分布が悪くなるということであり、凸部高さは、あまり高くしないほうがよいことが分かる。図１４及び図１５から判断すれば、凸部高さは２ｍｍ以下が適当と考えられる。加工精度の観点からは、凸部高さは大きいほど良いが、２ｍｍ以上では表面温度分布悪化の弊害が無視できないからである。

先に述べたように、窒化物の成膜プロセスの場合、対向面温度は２００〜２５０℃程度が適当である。その条件に合致するためには、図１２〜図１５から、接触部（凸部）の面積比は、０．３〜０．６、凸部の高さは２ｍｍ以下が適当であることが分かる。凸部の面積比及び凸部高さの最適値は、対象となる成膜種や対向面部材として用いる材料、あるいは成膜条件等により異なるものの、多くのケースにおいては前記範囲内で設定するのが適当と考えられる。

このように、実施例１によれば、次のような効果がある。すなわち、従来方法では大面積にわたり、均一に０．１〜０．２ｍｍ程度という狭い空隙幅を実現しなければならないため、精密な加工精度が要求されるところである。それに対し、本発明は、２ｍｍ程度という比較的大きな高低差でよいため、加工の難易度が大幅に低減する。したがって、大面積にわたり対向面温度の良好な均一性が低コストで得られることになる。また、従来方法と異なり、チャンバ壁に接触する面積が大きいことから、設置の再現性、安定性が増す。以上のように、本実施例によれば、大面積の対向面であっても、２００〜２５０℃程度の対向面温度が、良好な均一性及び良好な再現性をもって実現可能となる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例で示した形状，寸法も一例であり、必要に応じて適宜変更してよい。
(2)前記実施例では、自公転式気相成膜装置及び横型気相成膜装置を例に挙げて説明したが、本発明は、水平方向の（成膜空間）フローチャネルが形成される反応炉全般に適用可能である。
(3)前記実施例で示した各部の材料や、プロセスガス、対向面温度制御ガス、パージガスも一例であり、同様の効果を奏する範囲内で、適宜変更可能である。
(4)前記実施例で示した凹凸形状も一例であり、同様の効果を奏する範囲内で適宜設計変更可能である。

本発明によれば、材料ガス導入部と排気部を有し、水冷された壁面により囲まれたチャンバ内空間に、成膜用の基板を保持するためのサセプタと、該サセプタ及び成膜用基板に対して水平方向のフローチャネルを形成する対向面部材が配置された気相成膜装置であって、前記チャンバ内に、前記対向面部材の温度を制御するための対向面温度制御ガスを導入する対向面温度制御ガス導入部、を備えるとともに、前記対向面部材の、前記基板と対向しない面に凹凸形状を形成し、凸部が前記水冷された壁面に接触するように配置し、凹部を、流量制御された前記対向面温度制御ガスの流路とした。このため、均一かつ再現性よく、対向面温度をプロセスに適した温度に制御できるため、気相成膜装置の用途に適用できる。特に、大型の量産装置の用途に好適である。

１０：自公転式気相成膜装置
２０，２０Ａ：対向面部材
２１：対向面
２２：凹凸形状
２４，２４Ａ：凸部（接触部）
２６，２６Ａ：凹部（温度制御ガス流路）
２８：開口部
５０：横型気相成膜装置
６０，６０Ａ：対向面部材
６１：対向面
６２：凹凸形状
６４，６４Ａ：凸部
６６，６６Ａ：凹部
６８：シミュレーション領域
１００：自公転式気相成膜装置
１０２：チャンバ部材
１０４：冷却水
１０６：プロセスガス導入部
１０８Ａ，１０８Ｂ：排気部
１１０：チャンバ
１２０：基板（成膜用基板）
１２２：基板ホルダ
１２４：サセプタ
１２６：対向面部材
１２８：対向面
１３０：成膜用空間（フローチャネル）
１４０：回転軸
１５０：対向面温度制御ガス導入部
１６０：パージガス導入部
１７０：ヒータ
１８０：空隙
２００：横型気相成膜装置
２０２：チャンバ部材
２０４：冷却水
２０６：プロセスガス導入部
２０８：排気部
２１０：チャンバ
２２０：成膜用基板
２２２：サセプタ
２２６：対向面部材
２２８：対向面
２３０：成膜用空間（フローチャネル）
２４０：回転軸
２５０：対向面温度制御ガス導入部
２６０：パージガス導入部
２７０：ヒータ
２８０：空隙

Claims (7)

1. 材料ガス導入部と排気部を有し、水冷された壁面により囲まれたチャンバ内空間に、成膜用の基板を保持するためのサセプタと、該サセプタ及び成膜用基板に対して水平方向のフローチャネルを形成する対向面部材が配置された気相成膜装置であって、
   前記チャンバ内に、前記対向面部材の温度を制御するための対向面温度制御ガスを導入する対向面温度制御ガス導入部、
   を備えるとともに、
   前記対向面部材の、前記基板と対向しない面に凹凸形状を形成し、凸部が前記水冷された壁面に接触するように配置し、凹部を、流量制御された前記対向面温度制御ガスの流路としたことを特徴とする気相成膜装置。
2. 前記対向面温度制御ガスが、
   熱伝導率が互いに異なる２種以上の気体からなる混合気体であることを特徴とする請求項１記載の気相成膜装置。
3. 前記対向面温度制御ガスが、
   水素及び窒素からなることを特徴とする請求項２記載の気相成膜装置。
4. 前記対向面部材における前記基板に対向する領域において、
   該領域の全面積に対する、前記領域内の前記凸部との接触部の面積比が、０．３〜０．６であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の気相成膜装置。
5. 前記凸部の高さが、２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の気相成膜装置。
6. 前記基板上に、有機金属気相成膜法により成膜対象を成膜することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の気相成膜装置。
7. 前記基板上に成膜する対象が、窒化物系の化合物半導体であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の気相成膜装置。