(57)【要約】【課題】結晶の成膜速度を向上することができる気相成長方法を提供する。【解決手段】処理チャンバー３内部の処理空間１に基板２を配置し、  上記処理チャンバー３に接続された導入路４により、上記処理空間１に配置した上記基板２に対して原料ガスを供給し、  上記処理チャンバー３に接続された排気路５により、上記処理空間１からガスを排出し、  上記処理空間１内を通過するガスに対して振動を与え、上記導入路４から上記基板２に対して供給される原料ガスが、上記基板２の表面近傍に形成される境界層９において拡散するのを促進する。  このため、原料分子が速やかに基板２表面に達して反応する。基板２の表面で結晶膜が成長する速度も速くなる。同じ速度で成長させるのであれば、原料ガスの流量を小さくすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理チャンバー内部の処理空間に基板を配置し、
上記処理チャンバーに接続された導入路により、上記処理空間に配置した上記基板に対して原料ガスを供給し、
上記処理チャンバーに接続された排気路により、上記処理空間からガスを排出し、
上記処理空間内を通過するガスに対して振動を与え、上記導入路から上記基板に対して供給される原料ガスが、上記基板の表面近傍に形成される境界層において拡散するのを促進する
ことを特徴とする気相成長方法。
【請求項２】
上記処理空間内を通過するガスに対して与える振動は、圧力振動である請求項１記載の気相成長方法。
【請求項３】
上記圧力振動を上記排気路内を通過するガスに対して与える請求項２記載の気相成長方法。
【請求項４】
上記導入路は、複数種類の原料ガスをそれぞれ別個に基板に対して供給する請求項１〜３のいずれか一項に記載の気相成長方法。
【請求項５】
内部の処理空間に基板が配置される処理チャンバーと、
上記処理チャンバーに接続されて、上記処理空間に配置された基板に対して原料ガスを供給するための導入路と、
上記処理チャンバーに接続されて、上記処理空間からガスを排出する排気路と、
上記処理空間内を通過するガスに対して振動を与え、上記導入路から上記基板に対して供給された原料ガスが、上記基板の表面近傍に形成される境界層において拡散するのを促進する拡散促進手段と、
を備えたことを特徴とする気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の製造等に適用することができる気相成長方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体の電子デバイス等の分野では、高品質な結晶薄膜が使用される。このような結晶薄膜の製造は、加熱された基板に原料ガスを供給し、基板表面において原料ガスを分解反応させることによって成長させる方法が一般的に行われる。このような結晶薄膜の成長方法としては、例えば、下記の特許文献１に開示されたような、ＣＶＤやＭＯＣＶＤ等をあげることができる。
【０００３】
このようなＣＶＤやＭＯＣＶＤ等においては、基板表面に到達する前に原料ガスが分解反応してしまうと、原料歩留まりが悪く、成膜時間も長くなって効率が悪い。そこで、装置構成各部の温度制御や原料ガスの供給方法を工夫し、原料ガスをできるだけ分解させずに基板表面に供給することが行われる。ところが、このような構造的および処理条件的な工夫によって結晶の成長速度を向上するにも限界がある。
【０００４】
また、例えば窒化ガリウム（以下、ＧａＮ）のような、III族とＶ族元素で形成される結晶の場合、最低でも２種類の原料ガスが必要である。複数種類の原料ガスそれぞれが、気相中で反応してしまわないよう、複数の原料ガスを供給する流路構造に工夫を加えることが必要で、供給流速や温度などのシビアな制御も求められる。この場合も、構造的および処理条件的な工夫によって結晶の成長速度を向上するのに限界がある。
【０００５】
半導体の電子デバイス以外、例えばガスバリアフィルムの薄膜などの分野においては、大面積への高速成膜が必要である。そのため、事前に原料ガスを触媒で分解させてから基材に供給するなどの方法（Ｃａｔ−ＣＶＤ）も行われている。ところが、電子デバイスで要求されるほどの高品質な結晶はできておらず、この方法を電子デバイスに適用することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−６２３８２号公報
【特許文献２】特開２０１１−３７４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したＣＶＤやＭＯＣＶＤ等のように、熱分解法による基板の表面反応で結晶成長させる方法で結晶の成長速度を向上させるには、つぎのような問題がある。すなわち、例えばＧａＮの結晶成長では、Ｇａに対して数千倍のＮが必要となる。したがって、Ｎの原料となるＮＨ３ガスの流量が非常に大きくなる。また、チャンバー内のベースガスの流量が莫大なものとなる。このため、原料ガスやベースガスの消費量が莫大なものとなり、ランニングコストが高くなる問題がある。
【０００８】
一方、上記特許文献２に示すように、気相成長において圧力振動を利用する例が開示されている。しかしながら、これらは、微細な溝部を有する基板の表面処理において、溝部への原料供給を促進して膜厚の均一化を図るものにすぎない。
【０００９】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、結晶の成膜速度を向上することができる気相成長方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の気相成長方法は、処理チャンバー内部の処理空間に基板を配置し、
上記処理チャンバーに接続された導入路により、上記処理空間に配置した上記基板に対して原料ガスを供給し、
上記処理チャンバーに接続された排気路により、上記処理空間からガスを排出し、
上記処理空間内を通過するガスに対して振動を与え、上記導入路から上記基板に対して供給される原料ガスが、上記基板の表面近傍に形成される境界層において拡散するのを促進することを要旨とする。
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の気相成長装置は、内部の処理空間に基板が配置される処理チャンバーと、
上記処理チャンバーに接続されて、上記処理空間に配置された基板に対して原料ガスを供給するための導入路と、
上記処理チャンバーに接続されて、上記処理空間からガスを排出する排気路と、
上記処理空間内を通過するガスに対して振動を与え、上記導入路から上記基板に対して供給された原料ガスが、上記基板の表面近傍に形成される境界層において拡散するのを促進する拡散促進手段と、
を備えたことを要旨とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、上記処理空間内を通過するガスに対して振動を与え、上記導入路から上記基板に対して供給される原料ガスが、上記基板の表面近傍に形成される境界層において拡散するのを促進する。
すなわち、チャンバー内を流れるガスによって基板の表面近傍に形成される境界層における原料ガスの拡散を促進することにより、原料分子が速やかに基板表面に達して反応する。このように、反応生成物である結晶膜が基板の表面において成長する速度も速くなる。結晶成長時間を短縮して生産効率を向上することができる。同じ速度で成長させるのであれば、チャンバーに供給する原料ガスの流量を小さくすることができる。原料ガスやベースガスの消費量を抑えてランニングコストを節減することができる。
【００１３】
本発明において、上記処理空間内を通過するガスに対して与える振動は、圧力振動である場合には、
ガスに対して圧力振動を与えるという簡単な工程や機器で、生産効率の向上やランニングコストの節減を図ることができる。
【００１４】
本発明において、上記圧力振動を上記排気路内を通過するガスに対して与える場合には、
排気路の途中に圧力振動を与える機器を組み込めばよいことから、簡単な機器で生産効率の向上やランニングコストの節減を図ることができる。
【００１５】
本発明において、上記導入路は、複数種類の原料ガスをそれぞれ別個に基板に対して供給する場合には、
複数種類の原料ガスそれぞれについて、境界層における原料ガスの拡散を促進することができる。複数種類の原料からできる結晶膜の成長速度が速くなる。複数種類の原料ガスの流量を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の気相成長装置の第１実施形態を示す図である。
【図２】本発明の作用を説明するための概念図である。
【図３】拡散係数の測定に用いた装置を示す図である。
【図４】拡散係数の測定結果を示す図である。
【図５】拡散係数の測定結果を示す図である。
【図６】第２実施形態の気相成長装置を示す図である。
【図７】第３実施形態の気相成長装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
つぎに、本発明を実施するための形態を説明する。
【００１８】
図１は、本発明が適用される気相成長装置の第１実施形態を示す。この気相成長装置によって本発明の気相成長方法が実現される。
【００１９】
上記気相成長装置は、内部の処理空間１に基板２が配置される処理チャンバー３と、上記処理チャンバー３に接続されて上記処理空間１に配置された基板２に対して原料ガスを供給するための導入路４と、上記処理チャンバー３に接続されて上記処理空間１からガスを排出する排気路５とを備えている。
【００２０】
上記基板２は、本実施形態の気相成長法によって結晶膜を積層する対象物としての基板２である。具体的には、Ｓｉ基板、サファイヤ基板、ＳｉＣ基板、ＳＯＩ基板等を用いることができる。
【００２１】
上記処理チャンバー３内の処理空間１には、上記基板２を載置するための加熱台７が設けられている。上記加熱台４は載置された基板２を加熱するためのヒータ６を備えている。この例では、加熱台４上に基板２が表面を上にした状態で載置される。この状態で、基板２は裏面側からヒータ６によって加熱される。
【００２２】
上記導入路４は、この例では複数種類の原料ガスを処理空間１内に導入する。この例では、上記導入路４には、原料ガスＡ、原料ガスＢ、原料ガスＣの３種類の原料ガスの供給源（図示せず）とそれぞれ接続されるように分岐路が設けられている。
【００２３】
原料ガスＡ、原料ガスＢ、原料ガスＣとしては、成長させる結晶の種類に応じ、適宜選定したガスを使用することができる。例えばＧａＮ結晶を成長させるのであれば、有機ガリウム系ガスとアンモニアガスを使用することができる。例えばＡｌＮ結晶を成長させるのであれば、有機アルミニウム系ガスとアンモニアガスを使用することができる。
【００２４】
上記導入路４の先端側の開口がガス噴出ノズル８になっている。この例では、３種類の原料ガスが導入路４内で混合された状態で搬送され、ガス噴出ノズル８から混合ガスとして噴出する。ガス噴出ノズル８は、この例では、加熱台７上に載置された基板２の表面の中央部と対面する位置に配置されている。上記ガス噴出ノズル８から噴出された混合ガスは、基板２の中央部に当たり、基板２の表面に沿って放射状に外側に向かって流れる。このように、基板２の表面近傍での混合ガスの流れが生じ、その流れの中で各原料ガスの分子が基板２の表面に達して反応し、目的とする結晶が生成される。
【００２５】
上記排気路５は、上記ガス噴出ノズル８から噴出されて結晶成長に利用されたあとのガスを排ガスとして排出する。上記排気路５の下流には図示しない真空ポンプが接続され、処理空間１内を排気する。
【００２６】
この気相成長装置は、上記処理空間１内を通過するガスに対して振動を与え、上記導入路４から上記基板２に対して供給された原料ガスが、上記基板２の表面近傍に形成される境界層９において拡散するのを促進する拡散促進手段１０をさらに備えている。
【００２７】
上記拡散促進手段１０は、この例では、上記処理空間１内を通過するガスに対して圧力振動を与えるものである。具体的には、この例の拡散促進手段１０は、シリンダ１１とピストン１２を備え、シリンダ１１の圧縮空間が、排気路５を介して処理空間１と連通している。シリンダ１１内におけるピストン１２の往復動によって圧力振動を発生させ、この圧力振動を処理空間１内を通過するガスに対して与えるようになっている。
【００２８】
したがって、この例では、上記拡散促進手段１０は排気路５に接続され、上記圧力振動を上記排気路５内を通過するガスに対して与えるようになっている。
【００２９】
このような構成の装置により、本発明の気相成長方法が実現される。
【００３０】
すなわち、処理チャンバー３内部の処理空間１に基板２を配置し、
上記処理チャンバー１に接続された導入路４により、上記処理空間１に配置した上記基板２に対して原料ガスを供給し、
上記処理チャンバー１に接続された排気路５により、上記処理空間１からガスを排出し、
上記処理空間１内を通過するガスに対して振動を与え、上記導入路４から上記基板２に対して供給される原料ガスが、上記基板２の表面近傍に形成される境界層９において拡散するのを促進する。
【００３１】
図２は、原料ガス境界層９を拡散する状態を説明する図である。
【００３２】
静止物体である基板２の表面に対してガスの流れＦがあったときに、基板２の表面近傍には境界層９が形成される。境界層９は、ガスの粘性による影響を強く受ける層である。この例では、基板２近傍のガスは粘性によって基板２に引っ張られ、速度が減少する。その減少の度合いは基板２から離れるにつれて小さくなってゆく。ある距離で速度の減少は無視できる程度になる。その距離を境に粘性が強く影響する層と無視できる層に分けることができる。粘性の影響を強く受ける方の層が境界層９である。
【００３３】
このような状態で、導入路４から供給された原料ガスによって基板２の表面に結晶を成長させるためには、原料ガスの分子が境界層９内を拡散して基板２の表面に達する必要がある。
【００３４】
本実施形態では、拡散促進手段１０によって処理空間１内を通過するガスに対して振動を与える。これにより、上記導入路４から処理空間１内に導入された原料ガスが上記境界層９において拡散するのを促進している。そのため、原料ガスの分子が基板２の表面に到達する頻度が高くなり、基板２の表面での結晶成長が促進される。
【００３５】
空間内のガスに振動を与えることにより拡散係数が増大して拡散が促進させることを実証したのでそれを説明する。
【００３６】
図３は、ガスの拡散係数の測定に用いた装置を示す図である。
【００３７】
チャンバー２０に導入路２１と排気路２２を接続している。導入路２１には酸素ガスと空気をそれぞれ導入しうるようになっている。排気路２２には、シリンダとピストンを備えた拡散促進手段１０を接続した。チャンバーの容積は３５１７ｃｍ３である。
【００３８】
初期状態においてチャンバー２０内を空気で充満させ、導入路２１から酸素ガスの導入を開始した。酸素ガスの導入流量は１Ｌ／ｍｉｎとした。チャンバー２０内の圧力は０．４〜１．７ｃｍＨ２Ｏとなるように維持した。振動条件は、圧力振幅４．０〜８．０ｃｍＨ２Ｏ、振動数を数１５Ｈｚとした。比較例として振動を与えない状態でも試験を実施した。
【００３９】
図４は、上述した試験において、排気路２２内の酸素濃度が経過時間とともに上昇した様子をプロットした。振動を与えた試験では、振動を与えた状態で試験したプロットよりもプロットのカーブが緩やかである。すなわち、酸素ガスが拡散しながらチャンバー２０内で空気と置換されていることがわかる。
【００４０】
２つのプロットの曲線を、シュミレーションによりあらかじめ得ていた結果と対比してそれぞれの拡散係数を求めた。振動がない条件の拡散係数が０．２１ｃｍ２／ｓだったのに対し、振動を与えた条件の拡散係数は１．３０ｃｍ２／ｓであった。拡散係数がおよそ６．１倍に増大し、ガスの拡散が促進されたことがわかる。
【００４１】
つぎに、上記と同様の試験方法により、種類の異なるガスにおいて、振動の有無が拡散係数に与える影響を調べた。
【００４２】
図５は、窒素、ヘリウム、アルゴンについて、振動の有無による拡散係数の違いを計測した結果である。
【００４３】
振動なしの状態での拡散係数を１としたときに、振動を与えた状態で拡散係数がどの程度増大したかを数値で示した。窒素が４．１倍、ヘリウムが１．６倍、アルゴンが１．８倍であった。いずれのガスでも拡散係数の顕著な増大傾向が認められた。
【００４４】
以上に述べたように、本実施形態は、上記処理空間１内を通過するガスに対して振動を与え、上記導入路４から上記基板２に対して供給される原料ガスが、上記基板２の表面近傍に形成される境界層９において拡散するのを促進する。
すなわち、処理チャンバー３内を流れるガスによって基板２の表面近傍に形成される境界層９における原料ガスの拡散を促進することにより、原料分子が速やかに基板２表面に達して反応する。このように、反応生成物である結晶膜が基板２の表面において成長する速度も速くなる。結晶成長時間を短縮して生産効率を向上することができる。同じ速度で成長させるのであれば、処理チャンバー３に供給する原料ガスの流量を小さくすることができる。原料ガスやベースガスの消費量を抑えてランニングコストを節減することができる。
【００４５】
また、上記処理空間１内を通過するガスに対して与える振動は、圧力振動であるため、
ガスに対して圧力振動を与えるという簡単な工程や機器で、生産効率の向上やランニングコストの節減を図ることができる。
【００４６】
また、上記圧力振動を上記排気路５内を通過するガスに対して与えるため、
排気路５の途中に圧力振動を与える機器を組み込めばよいことから、簡単な機器で生産効率の向上やランニングコストの節減を図ることができる。
【００４７】
図６は、本発明の第２実施形態を示す気相成長装置である。
【００４８】
この例では上記導入路４は、複数種類の原料ガスをそれぞれ別個に基板に対して供給するようになっている。
【００４９】
すなわち、この例では上記導入路４の先端に、複数種類のガスをそれぞれ別個に基板に対して供給するシャワーヘッド１３が取り付けられている。上記シャワーヘッド１３は、平面視の大きさが基板２とほぼ同じに設定され、基板２と対面する下面に、複数の原料ガスをそれぞれ噴出するノズルが多数設けられている。
【００５０】
本実施形態では、上記導入路４は、複数種類の原料ガスをそれぞれ別個に基板に対して供給するため、
複数種類のガスそれぞれについて、境界層９における原料ガスの拡散を促進することができる。複数種類の原料からできる結晶膜の成長速度が速くなる。複数種類の原料ガスの流量を小さくすることができる。
【００５１】
それ以外は上記第１実施形態と同様であり、同様の作用効果を奏する。
【００５２】
図７は、本発明の第３実施形態を示す気相成長装置である。
【００５３】
この例では上記導入路４Ａ，４Ｂ，４Ｃが、複数種類の原料ガスを処理チャンバー３の横側から導入する。これにより、原料ガスを処理空間１内に配置した基板２の表面に沿うように流すようになっている。
【００５４】
それ以外は上記第１実施形態と同様であり、同様の作用効果を奏する。
【００５５】
上記各実施形態では、処理チャンバー１の下流側の排気路５に拡散促進手段１０を設けるようにしたが、本発明はそれに限定するものではない。拡散促進手段１０を取り付ける位置は、処理チャンバー３の上流側の導入路４に接続することもできるし、処理チャンバー３に直接接続してもよい。要は、処理空間１を通過するガスに振動を与えることができれば、接続する位置は適宜の位置を採用することができる趣旨である。
【００５６】
また、上記各実施形態では、拡散促進手段１０としてシリンダ１１とピストン１２により圧力振動を発生させるものを例示したが、本発明はそれに限定するものではない。要は、処理空間１を通過するガスに高頻度の圧力振動を与えることができれば、各種の機器を採用することができる趣旨である。
【００５７】
このように、具体的な機器によらず、処理空間１を通過するガスに高頻度の圧力振動を与えることができれば、拡散係数を例えば１０倍近くにもできる。これにより、原料利用効率を１０倍近く低減できることを意味している。
【００５８】
以上に述べたように、本発明では、高頻度の圧力振動を加えることにより、処理チャンバー３内を通過するガスの拡散係数が増大する。一般に粘性流域における気相成長では、その成長速度は境界層９中の拡散係数に比例して大きくなる。そのため、本発明を適用することにより、拡散係数を増大させることができ、より高い成長速度が得られる。このとき、原料ガスの供給量の増加を伴わないため、低ランニングコストの実現が可能である。しかも、触媒利用法のような結晶品質が低下する問題がない。
【符号の説明】
【００５９】
１：処理空間
２：基板
３：処理チャンバー
４：導入路
４Ａ：第１導入路
４Ｂ：第２導入路
４Ｃ：第３導入路
５：排気路
６：ヒータ
７：加熱台
８：ガス噴出ノズル
９：境界層
１０：拡散促進手段
１１：シリンダ
１２：ピストン
１３：シャワーヘッド
２０：チャンバー
２１：導入路
２２：排気路
【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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