(57)【要約】【課題】半導体製造装置において装置の故障を防止すること。【解決手段】チャンバ２と、蒸着原料Mを収容し、チャンバ２に繋がる開口１０ａを備えた容器１０と、開口１０ａを塞ぐシャッタ面１５ａを備えたシャッタ１５とを有し、シャッタ１５の内部に空洞１５ｂが設けられ、シャッタ面１５ａに空洞１５ｂと繋がる孔１５ｃが設けられた半導体製造装置による。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバと、
蒸着原料を収容し、前記チャンバに繋がる開口を備えた容器と、
前記開口を塞ぐシャッタ面を備えたシャッタとを有し、
前記シャッタの内部に空洞が設けられ、前記シャッタ面に前記空洞と繋がる孔が設けられたことを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】
前記孔の内径が、前記空洞の内径よりも狭いことを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
【請求項３】
前記空洞の内側にパーティションが設けられ、前記パーティションによって前記空洞が複数の部屋に分けられたことを特徴とする請求項２に記載の半導体製造装置。
【請求項４】
前記パーティションの材料は金属であることを特徴とする請求項３に記載の半導体製造装置。
【請求項５】
シャッタ本体と、
蒸着原料を収容した容器の開口を塞ぐシャッタ面とを有し、
前記シャッタ面に孔が形成され、前記孔に繋がる空洞が前記シャッタ本体に形成されたことを特徴とするシャッタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置及びシャッタに関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体装置は、真空蒸着装置等の半導体装置を用いて様々な化合物半導体層を形成することにより製造される。
【０００３】
真空蒸着装置の一つに分子線エピタキシ（Molecular Beam Epitaxy: MBE）装置がある。MBE装置は、蒸着原料を収容した原料蒸発源セルを有しており、その原料蒸発源セルを加熱することにより蒸着原料を気化してチャンバ内の半導体基板上に供給する。
【０００４】
原料蒸発源セルは、チャンバへの蒸着原料の供給を遮断するためのシャッタが設けられており、そのシャッタを開閉させることで複雑な組成の化合物半導体層を形成することが可能となる。
【０００５】
しかし、原料蒸発源セルにはガリウムのような低融点で液体の蒸着原料が収容されることがあり、この場合にはシャッタの表面に液体の蒸着原料が付着し、これが原因で原料蒸発源セルが故障するおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−６５６４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
半導体製造装置とシャッタにおいて装置の故障を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以下の開示の一観点によれば、チャンバと、蒸着原料を収容し、前記チャンバに繋がる開口を備えた容器と、前記開口を塞ぐシャッタ面を備えたシャッタとを有し、前記シャッタの内部に空洞が設けられ、前記シャッタ面に前記空洞と繋がる孔が設けられたことを特徴とする半導体製造装置。
【０００９】
また、その開示の他の観点によれば、シャッタ本体と、蒸着原料を収容した容器の開口を塞ぐシャッタ面とを有し、前記シャッタ面に孔が形成され、前記孔に繋がる空洞が前記シャッタ本体に形成されたシャッタが提供される。
【発明の効果】
【００１０】
以下の開示によれば、容器内の液体の蒸着原料がシャッタ面に設けられた孔を介してシャッタ内部の空洞に染み込むので、シャッタから蒸着原料が飛散するのが防止され、飛散した蒸着原料で半導体製造装置が故障するのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、検討に用いた半導体製造装置の断面図である。
【図２】図２は、検討に用いた半導体製造装置が備える原料蒸発源セルとシャッタの断面図である。
【図３】図３は、第１実施形態に係る原料源蒸発セルとシャッタの断面図である。
【図４】図４（ａ）は、第１実施形態に係るシャッタの平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のI−I線に沿う断面図である。
【図５】図５は、第１実施形態に係るシャッタの機能について説明するための断面図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｃ）は、第１実施形態に係るシャッタの製造途中の断面図である。
【図７】図７（ａ）は、第２実施形態に係るシャッタの平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のII−II線に沿う断面図である。
【図８】図８（ａ）は、第３実施形態に係るシャッタの平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のIII−III線に沿う断面図である。
【図９】図９（ａ）、（ｂ）は、その他の実施形態に係るシャッタの断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が行った検討結果について説明する。
【００１３】
図１は、その検討に用いた半導体製造装置の断面図である。
【００１４】
この半導体製造装置１は、MBE装置であって、真空ポンプ８により減圧されたチャンバ２と、原料蒸発源セル３と、チャンバ２内で半導体基板５を保持する基板保持具４とを有する。
【００１５】
基板保持具４にはヒータ４ａが内蔵されており、ヒータ４ａによって半導体基板５が所定の温度に加熱された状態で、半導体基板５の表面に半導体層６がエピタキシャル成長する。
【００１６】
原料蒸発源セル３は、半導体層６を形成するための蒸着原料Mを収容し、その蒸着原料Mを気化してチャンバ２内に供給する。蒸着原料Mは特に限定されないが、例えばガリウム（Ga）、インジウム（In）、アルミニウム（Al）、ヒ素（As）、及びリン（P）のいずれかを蒸着原料Mとして使用し得る。これらの蒸着原料Mごとに原料蒸発源セル３は複数設けられる。
【００１７】
また、各原料蒸発源セル３には、チャンバ２の内部への各蒸着原料Mの供給を停止するための開閉可能なシャッタ１５が設けられる。
【００１８】
シャッタ１５は、シャフト１７の一端に固定される。シャフト１７の他端は、チャンバ２に固定されたべローズ９を介してチャンバ２の外部に導出されて開閉機構１９に接続される。
【００１９】
開閉機構１９は、モータ等でシャフト１７を揺動させることにより、シャッタ１５で原料蒸発源セル３を塞ぐ。
【００２０】
これによれば、複数の原料源蒸発セル３の各々のシャッタ１５を制御することで、各セル３からチャンバ２内に供給される蒸着原料Mの比率等を容易にコントロールでき、半導体基板５の上に所望の組成比を備えた化合物半導体層６を形成できる。
【００２１】
図２は、原料蒸発源セル３とシャッタ１５の断面図である。
【００２２】
図２に示すように、原料蒸発源セル３は、容器１０と、容器１０に巻かれたヒータ１１と、容器１０とヒータ１１とを覆うカバー１２とを有する。
【００２３】
このうち、容器１０は、前述の蒸着原料Mを収容するものであって、チャンバ２（図１参照）に繋がる開口１０ａを有する。また、容器１０の材料としては耐腐食性に優れたPBN (Pyrolytic Boron Nitride)が用いられる。
【００２４】
ヒータ１１は、容器１０の外側から蒸着原料Mを加熱して気化するのに使用され、ヒータ１１によって気化した蒸着原料Mは上記の開口１０ａを通ってチャンバ２に供給される。
【００２５】
そして、カバー１２は、化合物半導体層６（図１参照）の成膜時にチャンバ２内に漂う様々な蒸着原料の蒸気からヒータ１１を保護するのに使用される。カバー１２の材料は特に限定されないが、タンタル等の金属が用いられることが多い。
【００２６】
また、開閉機構１９（図１参照）によってシャフト１７が図２の「閉」の矢印の方向に動くことで容器１０の開口１０ａがシャッタ面１５ａで塞がれ、容器１０からチャンバ２への蒸着原料Mの供給が停止する。なお、チャンバ２に蒸着原料Mを供給するには、開閉機構１９によってシャフト１７を「開」の矢印の方向に動かし、開口１０ａの側方にシャッタ１５を退避させればよい。
【００２７】
ここで、前述のように蒸着原料Mとしては様々な原料が用いられるが、融点が室温程度と低いガリウムを蒸着原料Mとして用いることがある。この場合、開口１０ａと対向するシャッタ面１５ａには、ヒータ１１からの輻射熱等で液化したガリウムの液溜まりLが付着する。
【００２８】
液溜まりLが大きくなると、シャッタ１５の開閉動作によって液溜まりLからガリウムが飛散する。液体のガリウムは、容器１０とカバー１２との間の隙間に容易に入り込み、ヒータ１１の絶縁不良等を引き起こす。
【００２９】
この不都合を回避するために、蒸着原料Mとしてガリウムのような低融点の原料を用いる場合には、シャッタ面１５ａに蒸着原料Mの液溜まりが形成されるのを抑制するのが好ましい。
【００３０】
（第１実施形態）
本実施形態では、以下のようにしてシャッタ表面に蒸着原料の液溜まりが形成されるのを抑制する。
【００３１】
図３は、本実施形態に係る半導体製造装置用の原料源蒸発セルとシャッタの断面図である。なお、図３において、図１及び図２で説明したのと同じ要素にはこれらにおけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【００３２】
原料源蒸発セル３は、図１に示したチャンバ２に固定されて、チャンバ２内に蒸着原料Mの蒸気を供給するのに使用する。
【００３３】
原材料蒸発セル３の横には、シャッタ本体１５ｋとシャッタ面１５ａとを備えたシャッタ１５が設けられる。図２の例と同様に、開閉機構１９（図１参照）でシャフト１７を図３の「閉」の矢印の方向に動かすことで、開口１０ａがシャッタ面１５ａで塞がれ、容器１０からチャンバ２への蒸着原料Mの供給が停止される。
【００３４】
なお、チャンバ２に蒸着原料Mを供給するには、開閉機構１９によってシャフト１７を「開」の矢印の方向に動かし、開口１０ａの側方にシャッタ１５を退避させればよい。
【００３５】
また、上記のシャッタ本体１５ｋには空洞１５ｂが設けられており、その空洞１５ｂに繋がる複数の孔１５ｃがシャッタ面１５ａに設けられる。
【００３６】
シャッタ本体１５ｋの材料は特に限定されないが、蒸着原料Mに対する耐腐食性に優れたPBN等のセラミックをシャッタ本体１５ｋの材料として使用するのが好ましい。
【００３７】
図４（ａ）は、シャッタ１５の平面図である。
【００３８】
図４（ａ）に示すように、上記の孔１５ｃと空洞１５ｂはいずれも平面視で円形である。
【００３９】
図４（ｂ）は、図４（ａ）のI−I線に沿う断面図である。
【００４０】
図４（ｂ）に示すように、孔１５ｃの内径D1は、空洞１５ｂの内径D2よりも狭い。これらの内径D1、D2の値は特に限定されないが、本実施形態では内径D1を約３mm〜５mmとし、内径D2を約３０mm〜４０mmとする。
【００４１】
図５は、このシャッタ１５の機能について説明するための断面図である。
【００４２】
前述のように、原料源蒸発セル３の容器１０には、融点の低いガリウムが蒸着原料Mとして収容されることがあり、その場合には蒸着原料Mが液体の状態でシャッタ面１５ａに付着する。
【００４３】
そのような場合でも、本実施形態では図５の矢印のように蒸着原料Mが毛細管現象によってシャッタ１５の孔１５ｃと空洞１５ｂとに染み込むため、シャッタ面１５ａに蒸着原料Mの液溜まりが生じるのを抑制できる。
【００４４】
これにより、シャッタ１５から液体の蒸着原料Mが飛散するのを抑制でき、飛散した蒸着原料Mが原因でヒータ１１（図３参照）が絶縁不良を起こすのを抑制できる。
【００４５】
特に、図４（ｂ）のように孔１５ｃの内径D1を空洞１５ｂの内径D2よりも狭めたので、孔１５ｃでの毛細管現象が促される。これにより、毛細管現象で蒸着原料Mを速やかに空洞１５ｂに移動させることができ、かつ、広い空洞１５ｂに多くの蒸着原料Mを保持することができる。
【００４６】
なお、空洞１５ｂにおいても毛細管現象によって蒸着原料Mが横方向に広がる。本実施形態では、空洞１５ｂの高さHを０．１mm〜２mm程度に低くすることで、空洞１５ｂにおける毛細管現象を促すようにする。
【００４７】
次に、本実施形態に係るシャッタ１５の製造方法について説明する。
【００４８】
図６（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係るシャッタ１５の製造途中の断面図である。
【００４９】
まず、図６（ａ）に示すようにカーボン製の鋳型１９を用意する。その鋳型１９の輪郭は、前述の空洞１５ｂと孔１５ｃとを合わせた形状と同じである。
【００５０】
次いで、図６（ｂ）に示すように、鋳型１９の表面にボロンナイトライドを蒸着することによりシャッタ本体１５ｋを形成する。
【００５１】
その後に、図６（ｃ）に示すように、酸素含有雰囲気中でカーボン製の鋳型１９を加熱することにより鋳型１９を灰化し、シャッタ１５の内側に前述の空洞１５ｂと孔１５ｃとを作製する。
【００５２】
以上により、シャッタ１５の基本構造が完成する。
【００５３】
上記したように、本実施形態によれば、シャッタ１５の空洞１５ｂと孔１５ｃに蒸着原料Mを染み込ませることで、シャッタ１５から液体の原料Mが飛散するのを防止し、蒸着原料Mが原因でヒータ１１等の部品が故障するのを防止ができる。
【００５４】
（第２実施形態）
本実施形態では、シャッタの空洞に溜められる蒸着原料Mの量を第１実施形態よりも多くする。
【００５５】
図７（ａ）は本実施形態に係るシャッタの平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のII−II線に沿う断面図である。なお、図７（ａ）、（ｂ）において、第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【００５６】
図７（ｂ）に示すように、本実施形態では、PBN製のシャッタ本体１５ｋの空洞１５ｂの内側に、シャッタ面１５ａに平行なパーティション１５ｄを設け、そのパーティション１５ｄによって空洞１５ｂを複数の部屋R1、R2に分ける。
【００５７】
このように部屋R1、R2を複数設けることで、これらの部屋の各々にガリウム等の蒸着原料Mが収容され、第１実施形態よりも多くの蒸着原料Mを空洞１５ｂや孔１５ｃに溜めることができる。
【００５８】
また、この例のようにパーティション１５ｄに部屋R1、R2同士を繋ぐホール１５ｙを設け、各部屋R1、R2の間で液体の蒸着原料Mが流通できるようにしてもよい。
【００５９】
なお、蒸着原料Mは、毛細管現象によって各部屋R1、R2に行きわたるため、毛細管現象を促すために各部屋R1、R2の高さHを０．１mm〜２mm程度に低くするのが好ましい。
【００６０】
本実施形態に係るシャッタ１５の製造方法は特に限定されない。第１実施形態と同様に空洞１５ｂと孔１５ｃとを合わせた形状と同一の輪郭を備えたカーボン製の鋳型を用意し、その鋳型の表面にボロンナイトライドを蒸着した後、その鋳型を灰化することでシャッタ１５を作製し得る。
【００６１】
（第３実施形態）
本実施形態では、以下のようにしてシャッタの空洞に液体の蒸着原料を速やかに染み込ませる。
【００６２】
図８（ａ）は本実施形態に係るシャッタの平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のIII−III線に沿う断面図である。なお、図８（ａ）、（ｂ）において、第１実施形態や第２実施形態で説明したのと同じ要素にはこれらの実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【００６３】
図８（ｂ）に示すように、本実施形態ではパーティション１５ｄの材料としてタンタル等の金属を用いる。
【００６４】
また、シャッタ１５をPBN製の下部１５ｅと上部１５ｆの二つに分け、これらの間にパーティション１５ｄを挟むことで、第２実施形態と同様に空洞１５ｂがパーティション１５ｄによって部屋R1、R2に分けられた構造を形成する。
【００６５】
パーティション１５ｄ、下部１５ｅ、及び上部１５ｆの結合方法は特に限定されないが、この例では不図示のネジによりこれらを互いに接続する。
【００６６】
液体の蒸着原料Mの濡れ性は、PBN製の下部１５ｅや上部１５ｆの表面におけるよりも、金属製のパーティション１５ｄの表面における方が良好である。よって、本実施形態では空洞１５ｂに染み込んだ蒸着原料Mがパーティション１５ｄの表面を速やかに濡れ広がるようになり、空洞１５ｂに蒸着原料Mを速やかに吸収させることが可能となる。
【００６７】
（その他の実施形態）
本実施形態においても、第３実施形態と同様に、空洞１５ｂの内側に蒸着原料Mの濡れ性が良好となる金属を利用する。
【００６８】
図９（ａ）、（ｂ）は、本実施形態に係るシャッタ１５の断面図である。
【００６９】
このうち、図９（ａ）は、第１実施形態における空洞１５ｂの内面に金属膜２１を設けた場合の断面図である。そして、図９（ｂ）は、第２実施形態における空洞１５ｂの内面に金属膜２１を設けた場合の断面図である。
【００７０】
金属膜２１の材料は特に限定されないが、例えば蒸着法により形成されたタンタル膜を金属膜２１として使用し得る。
【００７１】
前述のように液体の蒸着原料Mの濡れ性は金属の表面上で良好となるので、このように金属膜２１を設けることで空洞１５ｂに蒸着原料Mを速やかに吸収させることができる。
【００７２】
また、このように金属膜２１を設けるのに代えて、シャッタ１５自身をタンタル等の金属で形成することで、空洞１５ｂにおける蒸着原料Mの濡れ性を向上させてもよい。
【００７３】
以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【００７４】
（付記１）  チャンバと、
蒸着原料を収容し、前記チャンバに繋がる開口を備えた容器と、
前記開口を塞ぐシャッタ面を備えたシャッタとを有し、
前記シャッタの内部に空洞が設けられ、前記シャッタ面に前記空洞と繋がる孔が設けられたことを特徴とする半導体製造装置。
【００７５】
（付記２）  前記孔の内径が、前記空洞の内径よりも狭いことを特徴とする付記１に記載の半導体製造装置。
【００７６】
（付記３）  前記空洞の内側にパーティションが設けられ、前記パーティションによって前記空洞が複数の部屋に分けられたことを特徴とする付記１又は付記２に記載の半導体製造装置。
【００７７】
（付記４）  前記パーティションに、複数の前記部屋同士を繋ぐホールが設けられたことを特徴とする付記３に記載の半導体製造装置。
【００７８】
（付記５）  前記パーティションの材料は金属であることを特徴とする付記３又は付記４に記載の半導体製造装置。
【００７９】
（付記６）  前記空洞の内面に金属膜が形成されたことを特徴とする付記１乃至付記４のいずれかに記載の半導体製造装置。
【００８０】
（付記７）  前記シャッタの材料は金属であることを特徴とする付記１乃至付記６のいずれかに記載の半導体製造装置。
【００８１】
（付記８）  シャッタ本体と、
蒸着原料を収容した容器の開口を塞ぐシャッタ面とを有し、
前記シャッタ面に孔が形成され、前記孔に繋がる空洞が前記シャッタ本体に形成されたことを特徴とするシャッタ。
【００８２】
（付記９）  前記空洞の内側にパーティションが設けられ、前記パーティションによって前記空洞が複数の部屋に分けられたことを特徴とする付記８に記載のシャッタ。
【００８３】
（付記１０）  前記パーティションの材料は金属であることを特徴とする付記９に記載のシャッタ。
【符号の説明】
【００８４】
１…半導体製造装置、２…チャンバ、３…原料蒸発源セル、４…基板保持具、４ａ…ヒータ、５…半導体基板、６…化合物半導体層、８…真空ポンプ、９…べローズ、１０…容器、１０ａ…開口、１１…ヒータ、１２…カバー、１５…シャッタ、１５ａ…シャッタ面、１５ｂ…空洞、１５ｃ…孔、１５ｄ…パーティション、１５ｅ…下部、１５ｆ…上部、１５ｙ…ホール、１７…シャフト、１９…開閉機構、２１…金属膜。
【図１】
2014181359.tif 000003
【図２】
2014181359.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2014181359.tif 000007
【図６】
2014181359.tif 000008
【図７】
2014181359.tif 000009
【図８】
2014181359.tif 000010
【図９】
2014181359.tif 000011