(57)【要約】【課題】  従来技術に開示された構成による装置では、シャワーヘッドに設けられた複数のガス吐出孔の配置がガス供給管の配置と一致しており、冷却流路の確保等によるガス供給管の配置制限により、ガス吐出孔の配置も制限され、成膜する基板上での膜均一性を考慮した任意の位置にガス吐出孔を配置できない。【解決手段】  本発明の気相成長装置は、上記課題を解決するために、シャワーヘッドとシャワープレートとの接面の間に空間を設けることにより、ガス吐出孔を通過したガスが空間を通り、ガス吐出孔とずれた位置に設けられたプレート孔から吐出することを特徴としている。それにより、シャワーヘッドのガス吐出孔位置に制限されること無く、ガスを吐出するプレート孔を設けることができ、供給される反応ガス流のばらつきを抑制し、被処理基板上での膜均一性を確保し得る気相成長装置を提供することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のガス吐出孔を配設したシャワーヘッドと、複数のプレート孔を配設したシャワープレートとを有し、前記シャワープレートが前記シャワーヘッドのガス吐出面側を覆うように接して配置され、前記ガス吐出孔および前記プレート孔を通して成長室内にガスを供給し、前記成長室内に収容する被処理基板に成膜する気相成長装置において、
前記シャワーヘッドと前記シャワープレートとの接面の間に空間を設けることにより、
前記ガス吐出孔を通過したガスが前記空間を通り、
前記ガス吐出孔とずれた位置に設けられた前記プレート孔から吐出することを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
前記シャワーヘッドの前記シャワープレートとの接面側に、前記ガス吐出孔の孔径よりも大きい面積の前記空間を設けることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
【請求項３】
前記シャワープレートの前記シャワーヘッドとの接面側に、前記ガス吐出孔の孔径よりも大きい面積の前記空間を設けることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の気相成長装置。
【請求項４】
前記シャワーヘッドと前記シャワープレートとの接面の間に設けられた前記空間が、前記ガス吐出孔の位置から前記プレート孔に向けてテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の気相成長装置。
【請求項５】
前記シャワーヘッドの中心付近に設けられた前記ガス吐出孔よりも前記シャワーヘッドの中心に近い位置に前記プレート孔を設けることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の気相成長装置。
【請求項６】
複数のガス吐出孔を配設したシャワーヘッドと、複数のプレート孔を配設したシャワープレートとを有し、前記シャワープレートが前記シャワーヘッドのガス吐出面側を覆うように接して配置し、前記ガス吐出孔および前記プレート孔を通して成長室内にガスを供給し、前記成長室内に収容する被処理基板に成膜する気相成長方法において、
前記シャワーヘッドと前記シャワープレートとの接面の間に空間を設けることにより、前記ガス吐出孔を通過したガスが前記空間を通り、
前記ガス吐出孔とずれた位置に設けられた前記プレート孔から吐出することで、成長室内のガス流を考慮したガス供給を行うことを特徴とする気相成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置、及び気相成長法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、化合物半導体材料を用いる発光ダイオード及び半導体レーザ等の製造においては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）等の有機金属ガスと、アンモニア（ＮＨ3）、ホスフィン（ＰＨ3）またはアルシン（ＡｓＨ3）等の水素化合物ガスとを成膜に寄与する原料ガスとして成長室に導入して化合物半導体結晶を成長させる気相成長法が用いられている。
【０００３】
気相成長法は、上記の原料ガスをキャリアガスとともに成長室内に導入して加熱し、所定の基板上で気相反応させることにより、その基板上に化合物半導体結晶を成長させる方法である。気相成長法を用いた化合物半導体結晶の製造においては、成長する化合物半導体結晶の品質を向上させながら、コストを抑えて、歩留まりと生産能力とをどのように最大限確保するかということが常に高く要求されている。
【０００４】
従来は、複数の反応ガスを供給して基板上で反応せしめ薄膜を形成する方法として、シャワーヘッドの中で複数のガスを混合し、シャワーヘッドに多数設けられているガス吹出孔から基板に反応ガスを吹き出させる方法がとられていた。
【０００５】
しかし、上記方法によると、基板や基板保持部材（サセプタ）からの熱輻射の影響により、シャワーヘッドの基板に対向する面上で混合したガスの気相反応が生じてしまい、生成物が付着し、それが成長し、ガス吐出孔を覆い、やがて目詰まりが発生する問題、またシャワーヘッドの基板に対向する面の付着物が基板上に落下し不良が発生する問題が生じる。
【０００６】
この問題を解決するため、特許文献１では、複数の反応ガスを個別のシャワープレート導管によって分離した状態で成長室へ供給すると共に、それぞれのシャワープレート導管を冷却する冷却チャンバーが成長室側に設けられた方法が示されている。この方法によれば、複数の反応ガスを別々に導入するため、シャワーヘッドの基板に対向する面付近ではガスの混合が少なくなり、生成物の発生がしにくく、またシャワーヘッドの基板に対向する面を冷却することで、反応が起こりにくくなるため、シャワーヘッドの基板に対向する面の汚染を抑止することができる。
【０００７】
また、特許文献２では、シャワーヘッドに対応した細孔を有するシャワープレートを用い、シャワープレートをねじ留めして固定し、シャワーヘッドの基板に対向する面を覆う方法が示されている。シャワープレートの存在により付着物はシャワープレート上に成膜されることになり、定期的にシャワープレートを交換することで、付着物が基板上に落下することによる不良の発生を防いでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−９１９８９号公報（１９９６年４月９日公開）
【特許文献２】特開平１１−１３１２３９号公報（１９９９年５月１８日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来技術に開示された構成による装置では、シャワーヘッドに設けられた複数のガス吐出孔の配置がガス供給管の配置と一致しているため、冷却流路の確保等によるガス供給管の配置制限により、ガス吐出孔の配置位置も制限され、成膜する基板上での膜均一性を考慮した任意の位置にガス吐出孔を配置できない。
【００１０】
また、配置された基板をモニタするためのビューポートの窓をシャワーヘッドに設置した場合、そのガス供給管の配置位置がさらに制限される。
【００１１】
本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は上記ガス供給管の配置制限下においても、供給される反応ガス流のばらつきの発生を抑制し、被処理基板上での膜均一性を確保し得るガス吐出孔を配置した気相成長装置および気相成長方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の気相成長装置は、上記課題を解決するために、シャワーヘッドとシャワープレートとの接面の間に空間を設け、ガス吐出孔を通過したガスが空間を通り、ガス吐出孔とずれた位置に設けられたプレート孔から吐出することを特徴としている。それにより、シャワーヘッドのガス吐出孔位置に制限されること無く、ガスを吐出するプレート孔を設けることができる。
【００１３】
さらに、本発明の気相成長装置では、シャワーヘッドのシャワープレートとの接面側に、ガス吐出孔の孔径よりも大きい面積の空間を設けることが好ましい。すなわち、シャワーヘッドのガス吐出孔よりも大きな空間をシャワーヘッドのシャワープレートとの接面側に設けることで、シャワーヘッドのガス吐出孔と孔位置がずれた位置にプレート孔を設けることが可能となる。
【００１４】
さらに、本発明の気相成長装置では、シャワープレートのシャワーヘッドとの接面側に、ガス吐出孔の孔径よりも大きい面積の空間を設けることが好ましい。すなわち、シャワーヘッドのガス吐出孔よりも大きな空間をシャワープレートのシャワーヘッドとの接面側に設けることで、シャワーヘッドのガス吐出孔と孔位置がずれた位置にプレート孔を設けることが可能となる。
【００１５】
さらに、本発明の気相成長装置では、シャワーヘッドとシャワープレートとの接面の間に設けられた空間が、ガス吐出孔の位置からプレート孔に向けてテーパ状に形成されていることが好ましい。これにより、ガス吐出孔位置と別の位置に設けたプレート孔位置への流路の変化が緩やかとなり、通過するガスの流路抵抗を低減させることが可能となる。
【００１６】
さらに、本発明の気相成長装置では、シャワーヘッドの中心付近に設けられたガス吐出孔よりもシャワーヘッドの中心に近い位置にプレート孔を設けることが好ましい。これにより、シャワーヘッドの中心付近のガス流路を中心へ集約することができ、中心付近のガスの滞留を低減させることが可能となる。
【００１７】
また、本発明の気相成長方法は、シャワーヘッドとシャワープレートとの接面の間に空間を設けることにより、ガス吐出孔を通過したガスが空間を通り、ガス吐出孔とずれた位置に設けられたプレート孔から吐出することで、成長室内のガス流を考慮したガス供給を行うことを特徴としている。それにより、シャワーヘッドのガス吐出孔位置に制限されること無く、成長室内へのガスの吐出を可能とすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
シャワーヘッドのガス吐出孔位置に制限されること無く、ガスを吐出するプレート孔を設けることで、供給される反応ガス流のばらつきを抑制することができ、被処理基板上での膜均一性を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明における気相成長装置の実施の一形態を示すものであって、気相成長装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】シャワーヘッドのガス吐出孔の配置を説明する図である。
【図３】シャワーヘッド中心付近のガス滞留に関するシミュレーションであり、ＧａＮ成膜の反応過程で生成されるＭＭＧＡの濃度分布を示している。
【図４】シャワーヘッド中心付近のガス滞留に関するシミュレーションであり、ガス吐出孔間のピッチが７．５ｍｍのときの流速分布を示している。
【図５】シャワーヘッド中心付近のガス滞留に関するシミュレーションであり、ガス吐出孔間のピッチが１０ｍｍのときの流速分布を示している。
【図６】プレート孔とプレート孔の間のピッチに対する成膜レート分布のグラフである。
【図７】シャワープレート面に設けた空間を示す図である。
【図８】シャワープレート面に設けたテーパ状に形成されている空間を示す図である。
【図９】シャワーヘッド面に設けた空間を示す図である。
【図１０】シャワーヘッド面に設けたテーパ状に形成されている空間を示す図である。
【図１１】シャワーヘッド面の全てのガス吐出孔に対して空間を設けた場合の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００２０】
本発明の一実施形態について図１に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分又は相当部分を表わすものとする。
【００２１】
図１に、本発明の気相成長装置としてのＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ：有機金属気相堆積）装置の一例である縦型シャワーヘッド型のＭＯＣＶＤ装置の模式的な構成の一例を示す。
【００２２】
本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置は、内部を大気側と隔離し、気密状態を保持する成長室としての反応室１を有する反応炉２と、上記反応室１の内部に設けられて被処理基板３を載置するサセプタ４と、上記サセプタ４と対向し、かつ対向する面にシャワープレート３０を有するシャワーヘッド２０とを備えている。
【００２３】
上記サセプタ４は、回転伝達部材５の一端に備え付けられており、回転伝達部材５は、図示しない回転機構によって、自転可能となっている。また、サセプタ４の下側には、基板加熱ヒータ６が設けられている。
【００２４】
上記ＭＯＣＶＤ装置１０にて被処理基板３の主表面に薄膜を形成するときは、原料ガス（以下単にガスと称する）を、シャワーヘッド２０からガス吐出孔３１ａを通し、シャワーヘッド２０の下側に設けられたシャワープレート３０のプレート孔３１を通して、反応室１へ導入する。このとき、基板加熱ヒータ６にて、サセプタ４を介して被処理基板３が加熱され、この被処理基板３上での成膜化学反応が促進されることにより、被処理基板３上に薄膜が形成される。被処理基板３上を通過したガスは、ガス排出口１ａから排出される。
【００２５】
次に、本実施の形態の特徴的な構造であるシャワーヘッド２０及びシャワープレート３０の詳細構造について説明する。
【００２６】
上記シャワーヘッド２０は、第一ガスを充満させる第一ガス分配空間２３と、上記第一ガスとは異なる第二ガスを充満させる第二ガス分配空間２４と、上記第一ガス及び第二ガスを冷却する冷媒を充満させる冷媒空間２２とを有しており、これら各空間は、被処理基板３側から、冷媒空間２２、第一ガス分配空間２３、及び第二ガス分配空間２４の順に積層されている。そして、シャワーヘッド２０の下側つまり被処理基板３側にシャワープレート３０が設けられている。
【００２７】
上記第二ガス分配空間２４には第二ガスが第二ガス導入口２４ａから導入されると共に、第二ガス分配空間２４に導入された第二ガスは、第一ガス分配空間２３及び冷媒空間２２を貫通し、かつシャワープレート３０のプレート孔３１に連通するガス吐出孔３１ａを有する複数の第二ガス供給管２４ｂを通して、反応室１に吐出されるようになっている。
【００２８】
また、第一ガス分配空間２３には第一ガスが第一ガス導入口２３ａから導入されると共に、第一ガス分配空間２３に導入された第一ガスは、冷媒空間２２を貫通し、かつシャワープレート３０のプレート孔３１に連通するガス吐出孔３１ａを有する複数の第一ガス供給管２３ｂを通して、反応室１に吐出されるようになっている。
【００２９】
したがって、第一ガス及び第二ガスは、シャワーヘッド２０内では混合されることなく、独立して反応室１に吐出されるようになっている。
【００３０】
上記シャワーヘッド２０は、図１に示すように、Ｏリング７ａによって、反応炉２と気密状態を保持するよう封止されており、シャワーヘッド２０と反応炉２とは取外し可能に構成されている。また、第一ガス分配空間２３と第二ガス分配空間２４との間には、Ｏリング７ｂが設けられ、第二ガス分配空間２４とその天板との間にもＯリング７ｃが設けられることによって、各空間が分離可能になっていると共に、各空間の気密状態が保持されている。
【００３１】
一方、シャワープレート３０は、シャワーヘッド２０のシャワーヘッド下部壁面２０ａにて図示しないネジ等によって密着して固定、設置されている。上記シャワープレート３０には、複数のプレート孔３１が設けられており、シャワーヘッド２０のガス吐出孔３１ａおよびシャワープレート３０のプレート孔３１を通し、被処理基板３を収容する反応室１内にガスを供給して被処理基板３に成膜する。
【００３２】
以上に記載の成膜装置により成膜する上で、均一に成膜された被処理基板３の歩留まりを上げるためには、全ての被処理基板３をモニタする事が有効である。さらに、中央に配置された被処理基板３をモニタするためには、中央付近までビューポートの窓を広げることが好ましい。
【００３３】
また、複数のガスを個別に供給して反応室１内で混合し、サセプタ４がシャワーヘッド２０の中心を軸に回転しているため、反応室１内でガス全体の均一化を図るには、ガスを回転軸の半径方向に対して均一に流すことが好ましい。
【００３４】
さらには、シャワーヘッド２０の反応室１側の面への付着防止のためにシャワーヘッド２０を冷却する必要があり、シャワーヘッド２０を通過するガスへの温度影響を考慮すると、部分的なばらつきが無いよう均一に冷却することが好ましい。
【００３５】
しかしながら、図２（ｂ）に示すようにガス吐出孔３１ａをシャワーヘッド２０の中心部に配置した場合は、ビューポートの窓との位置関係上、冷却流路が確保できない。そのため、シャワーヘッド２０およびシャワーヘッド２０を通過するガスを均一に冷却するためには、図２（ａ）のようにガス吐出孔３１ａをシャワーヘッド２０の中心部に配置することができない。
【００３６】
図３、図４、図５は、ガス吐出孔３１ａとプレート孔３１とが連通する位置関係で、ガス吐出孔３１ａを図２（ａ）のように配置した場合の反応シミュレーション結果である。シミュレーションはシャワーヘッド２０の中心線に対称な２次元モデルで熱・流体・ＧａＮ成膜の計算を行っている。
【００３７】
図３はＧａＮ成膜の反応過程で生成されるＭＭＧＡの濃度分布を示している。このＭＭＧＡの濃度分布が成膜レートへ大きく寄与するため、ＭＭＧＡの濃度が高いサセプタ４の中心部で、成膜レートが高いことがわかる。また、図４および図５は流速分布であり、図４はガス吐出孔３１ａ間のピッチが７．５ｍｍのときの計算結果で、図５はガス吐出孔３１ａ間のピッチが１０ｍｍのときの計算結果を示す。図４および図５から、サセプタ４の中央部でのガス流速が小さく、ガスが滞留していることがわかる。
【００３８】
これら、シミュレーション結果より、ガスをサセプタ４の回転軸の半径方向に対して均一化するには、サセプタ４の中央部でのガスの滞留を抑制することが有効であり、そのため、サセプタ４の中央部にガスを吐出することが均一化するために有効となる。
【００３９】
なお、サセプタ４の中央部でガスが滞留する理由は、ガス排出口１ａから離れていること、およびサセプタ４の回転による影響が少なく、ガス流速がサセプタ４の周辺部に比べて小さくなるためである。
【００４０】
図７から図１０は、本発明のシャワーヘッド２０とシャワープレート３０との接面の間に設けた空間の一例を示している。
【００４１】
この空間により、ガス吐出孔３１ａを通過したガスが、ガス吐出孔３１ａとずれた位置に配置したプレート孔３１から反応室１の内部に吐出することが可能となる。つまり、冷却流路を確保した位置に配置したガス吐出孔３１ａを通過したガスが、シャワーヘッド２０とシャワープレート３０との接面の間に設けた空間を通り、ガスの滞留を抑制することに有効となるサセプタ４の中央部から吐出することが可能となる。その結果、サセプタ４の中央部の滞留を抑制し、被処理基板３上での膜均一性が改善されることになる。
【００４２】
図７、図８は、シャワープレート３０側へ空間を設けた場合の実施例であり、図９、図１０は、シャワーヘッド２０側へ空間を設けた場合の実施例である。なお、図７から図１０ともに、ガス吐出孔３１ａからのガス流れＡを、シャワーヘッド２０とシャワープレート３０との接面の間に設けた空間を介して、シャワープレート３０の中心部へのガス流れＢとし、サセプタ４の中央部への吐出を可能にしている。
【００４３】
さらに、図８、図１０のように空間部で傾斜面を形成することにより、ガスの渦発生や滞留を低減でき、スムーズなガス流れが形成できる。
【実施例２】
【００４４】
図６は基板設置面域での成膜レートの分布グラフであり、図４、図５と同様にガス吐出孔３１ａ間のピッチ７．５ｍｍとピッチ１０ｍｍのシミュレーション結果である。
【００４５】
図６の分布グラフではガス吐出孔３１ａ間のピッチを狭めることで、サセプタ４の中央部における成膜レートのばらつきが緩和されている。これは、ピッチを狭めることでガスの吐出口３１ａがサセプタ４の中央部に近づくことに加え、ガスの吐出量が一定であるため、特にサセプタ４の中央部においては、サセプタ４の回転による影響に比べてガスの吐出によるガス流の影響が大きくなるためである。しかし、このピッチの最小幅はガス吐出孔３１ａの孔径と冷却流路を確保することで決定するため、無制限に狭められるものではない。
【００４６】
そのため、一例として図１１（ａ）は、ガス吐出孔３１ａに合わせてプレート孔３１を設けた場合を示し、図１１（ｂ）は、シャワーヘッド２０の中心部以外にもシャワーヘッド２０とシャワープレート３０との接面の間に空間を設け、ガス吐出孔３１ａの最小ピッチ幅より狭いピッチ幅でプレート孔３１を設けている。これら図１１（ａ）と図１１（ｂ）を比較すると明確なように、ガス吐出孔３１ａのピッチを変えずに、プレート孔３１のピッチ幅を狭くしてガスを噴出させることが可能となる。それにより、成膜レートのばらつきを抑え、被処理基板３の表面反応の制御性を確保することができる。
【００４７】
さらに、シャワーヘッド２０のガス吐出孔３１ａのピッチを小さく形成する加工に比べ、シャワーヘッド２０とシャワープレート３０との接面の間に空間を設ける加工の方が容易であり、安価な装置とすることができる。
【００４８】
図１１に示す例では、シャワープレート３０全面を対象としているが、サセプタ４の回転による影響が比較的少ないサセプタ４の中央部を対象としても良い。
【００４９】
また、シャワーヘッド２０とシャワープレート３０との接面の間に設ける空間は、ガス吐出孔３１ａの個々に対して設けられても良いし、複数のガス吐出孔３１ａが同一の空間を共有して設けられても良い。同様にプレート孔３１の個々に対して空間が設けられても良いし、複数のプレート孔３１が同一の空間を共有して設けられても良い。
【００５０】
以上、本発明の実施形態により、供給される反応ガス流のばらつきを抑制し、被処理基板上での膜均一性を確保し得る気相成長装置および気相成長方法を提供することができる。
【００５１】
なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、シャワーヘッド２０よりガスを吐出し、シャワープレート３０に設けられた複数のガス吐出孔３１ａから被処理基板３の表面に反応ガスを供給する縦型のＭＯＣＶＤ装置等の気相成長装置および気相成長方法に利用できる。
【符号の説明】
【００５３】
１      反応室（成長室）
１ａ    ガス排出口
２      反応炉
３      被処理基板
４      サセプタ
５      回転伝達部材
６      基板加熱ヒータ
１０      ＭＯＣＶＤ装置（気相成長装置）
２０      シャワーヘッド
２０ａ    シャワーヘッド下部壁面
２２      冷媒空間
２３      第一ガス分配空間
２３ａ    第一ガス導入口
２３ｂ    第一ガス供給管
２４      第二ガス分配空間
２４ａ    第二ガス導入口
２４ｂ    第二ガス供給管
３０      シャワープレート
３１      プレート孔
３１ａ    ガス吐出孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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