(57)【要約】【課題】  装置の複雑化や、大型化を招くことなく、多様な成膜条件に適用可能なガス混合器、これを用いた成膜装置、及び面内均一性の高い薄膜を形成できる薄膜製造方法を提供する。【解決手段】  少なくとも二以上の混合室を備えるガス混合器において、第一混合室に、混合しようとする二種以上のガスがそれぞれ導入される二以上の導入口と、一以上の排出口とを設けるとともに、第二混合室に、第一混合室に設けられた排出口と連通し、第一混合室から排出されたガスが導入される一以上の導入口と、一以上の排出口とを設け、第一混合室及び／又は第二混合室に設けた排出口を、同じ混合室に設けられた導入口に対して、ガスの流れ方向において重ならないように配設する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二種以上のガスを混合するためのガス混合器であって、
ガスの流れ方向の上流側に位置する第一混合室と、下流側に位置する第二混合室とを少なくとも備え、
前記第一混合室には、混合しようとする二種以上のガスがそれぞれ導入される二以上の導入口と、一以上の排出口とが設けられているとともに、
前記第二混合室には、前記第一混合室に設けられた排出口と連通し、前記第一混合室から排出されたガスが導入される一以上の導入口と、一以上の排出口とが設けられており、
前記第一混合室及び／又は前記第二混合室に設けられた排出口が、同じ混合室に設けられた導入口に対して、ガスの流れ方向において重ならないように配設されていることを特徴とするガス混合器。
【請求項２】
二種以上のガスを混合するに際して、前記第二混合室の圧力が、前記第一混合室の圧力よりも低くなるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のガス混合器。
【請求項３】
前記第二混合室の容積が、前記第一混合室の容積よりも大きいことを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載のガス混合器
【請求項４】
前記第一混合室に設けられた排出口、及び／又は前記第二混合室に設けられた導入口の総面積が、それぞれの配設面の面積の１／５以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス混合器。
【請求項５】
前記第二混合室が二以上の排出口を有し、かつ、前記排出口のそれぞれに接続された配管を合流させて、一本の配管にまとめたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス混合器。
【請求項６】
前記第二混合室に設けられた排出口と連通し、前記第二混合室から排出されたガスが導入される一以上の導入口と、少なくとも一つの排出口とが設けられた第三混合室を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス混合器。
【請求項７】
温度調節機構を具備することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のガス混合器。
【請求項８】
成膜室内に二種以上のガスを供給して、前記成膜室内に配置された基板上に薄膜を形成する成膜装置であって、
前記成膜室内に混合された二種以上のガスを供給する一本のガス供給パイプを有しているとともに、
前記ガス供給パイプが、ガス混合器を介してガス供給源に接続され、
前記ガス混合器が、
ガスの流れ方向の上流側に位置する第一混合室と、下流側に位置する第二混合室とを少なくとも備え、
前記第一混合室には、混合しようとする二種以上のガスがそれぞれ導入される二以上の導入口と、一以上の排出口とが設けられているとともに、
前記第二混合室には、前記第一混合室に設けられた排出口と連通し、前記第一混合室から排出されたガスが導入される一以上の導入口と、一以上の排出口とが設けられており、
前記第一混合室及び／又は前記第二混合室に設けられた排出口が、同じ混合室に設けられた導入口に対して、ガスの流れ方向において重ならないように配設されていることを特徴とする成膜装置。
【請求項９】
成膜装置に二種以上のガスを供給して、前記成膜装置内に配置された基板上に薄膜を形成する薄膜製造方法であって、
ガスの流れ方向の上流側に位置する第一混合室と、下流側に位置する第二混合室とを少なくとも備え、
前記第一混合室には、混合しようとする二種以上のガスがそれぞれ導入される二以上の導入口と、一以上の排出口とが設けられているとともに、
前記第二混合室には、前記第一混合室に設けられた排出口と連通し、前記第一混合室から排出されたガスが導入される一以上の導入口と、一以上の排出口とが設けられており、
前記第一混合室及び／又は前記第二混合室に設けられた排出口が、同じ混合室に設けられた導入口に対して、ガスの流れ方向において重ならないように配設されたガス混合器を介して、
混合された二種以上のガスを前記成膜装置に供給し、前記基板上に薄膜を形成することを特徴とする薄膜製造方法。
【請求項１０】
少なくとも珪素源ガスと炭素源ガスとを含む混合ガスを、成膜装置に供給して、前記基板上に炭化珪素膜を形成することを特徴とする請求項９に記載の薄膜製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二種以上のガス（原料ガス、キャリアガス、希釈ガスなど）を各種成膜装置に供給する際に用いられるガス混合器、これを用いた成膜装置、及び薄膜製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、二種以上のガスを成膜装置に導入して、基板上に薄膜を形成する方法として、ＣＶＤ（化学蒸着）法や、スパッタリング法などの方法が採用されている。
ＣＶＤ法は、二種以上の原料ガスを成膜チャンバー内へ導入し、原料ガスどうしの化学反応により、基板上へ薄膜を形成する方法である。
また、スパッタリング法は、金属等からなるターゲットにガスを吹きつけ、それにより弾き出された分子を基板表面につけることで、基板上に薄膜を形成する方法であるが、金属と反応性のある種のガスを採用した反応性スパッタリング法も用いられている。一般に、スパッタリング法は、均一で高品質の膜が形成しやすいため、半導体製造工程などで採用されている。
【０００３】
ＣＶＤ装置や、スパッタリング装置に、二種以上のガスを導入する方法としては、一般に、下記（１）〜（３）のような方法が用いられている。
（１）それぞれのガスの配管を直接装置に結合させ、二種以上のガスを別々に装置内へ導入する方法。
（２）予め、それぞれのガスの配管どうしを結合して１本の配管とし、この１本の配管にまとめて、二種以上のガスを装置内へ導入する方法（例えば、非特許文献１参照）。
（３）予め、それぞれのガスの配管をガス混合装置へ結合し、二種以上のガスをガス混合装置により混合してから装置内へ導入する方法（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【非特許文献１】「ＣＶＤハンドブック」化学工学会編、朝倉書店、ｐ７２７−７２８
【特許文献１】特開平１１−１９４９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年、半導体デバイスの高密度化、及び基板の大口径化に伴って、基板上に形成された薄膜の膜厚や、膜質の均一性に対する要求が厳しくなっている。
すなわち、半導体デバイスが高密度化すると、デバイスの線幅が狭くなり、線幅に対する膜厚の比が大きくなるため、膜厚や、膜質の均一性が無視できなくなってしまう。そして、線幅が広い場合には、そのエリア全体として平均化されていれば問題とならなかったような膜厚分布や、膜質分布であっても、線幅が狭い場合には、膜自体の特性が直接効いてしまうために、膜厚や、膜質に対する高い均一性が要求されることになる。
【０００６】
ここで、例えば、膜質の重要な因子の一つである抵抗値は、膜の体積に依存する。このため、広い線幅においては、膜の体積の制御において、膜厚の均一性よりも線幅の均一性の制御の方が重要となる。これに対して、線幅が狭い場合には、膜の体積の制御において、線幅の均一性よりも膜厚の均一性の方が重要となる。
膜質に関する他の因子として、耐圧性、エッチング特性などがあるが、これらの特性においても、面内均一性の要求が厳しくなってきていることは言うまでもない。
【０００７】
このように、これまで問題とならなかったレベルの膜厚や、膜質の面内分布であっても、半導体デバイスが高密度化するにつれて、無視できない状況となってきている。これに加え、基板の大口径化に伴い、膜厚及び膜質の面内均一性が、さらに大面積に亘って要求されてきている。
【０００８】
しかし、従来用いられているガス導入方法を採用しても、近年の膜厚や膜質の均一性に対する要求を満たすことが困難となってきた。この問題は、基板の大口径化に伴い顕著となっている。
【０００９】
例えば、上記（1）の方法を採用し、被成膜基板上へ成膜した場合、成膜された膜が面内分布(面内膜厚分布、面内組成分布など)を有してしまう問題が生じた。
本発明者が、この面内分布の原因について検討した結果、装置へのガス導入管の配置に依存していることを見出した。すなわち、上記（１）の方法で二種以上のガスを装置内へ導入した場合、装置内での混合だけでは実質不十分であることがわかった。
すなわち、上記（１）の方法で、それぞれのガスを混合する場合には、装置内に導入されてから成膜される過程に至るまでのガス流路を長くする必要があるが、ガス流路を長くするためには、装置を大型化する必要がある。このため、上記（１）の方法で均一な膜を形成するのは困難であり、実際には不可能に近い。
【００１０】
また、上記（２）の方法は、上記（１）の方法において、ガスが混合するまでのガス流路を装置外に確保して、そのガス流路を長くした場合に相当すると考えられるが、この場合でも、ガスどうしの混合は不十分であり、被成膜基板上へ形成された膜の面内分布は解消されない。
【００１１】
また、上記（３）の方法として、特許文献１には、主配管に原料ガスとアルゴンガスを流し、酸素ガスを流すための混合配管を、この主配管の同一円周上に三つ設けることにより、原料ガス・アルゴンガス・酸素ガスを混合する方法（ただし、主配管のガス流量が、混合配管のガス流量よりも多いことが必要）が示されている。
【００１２】
しかしながら、この方法では、主配管を流れるガスと、三方向から噴出した混合配管からのガスとを、主配管の中央部で衝突させることにより混合させているため、一つの混合器では二系統（主配管を流れるガス系統と、混合配管を流れるガス系統）のガスを混合して一系統にすることしかできない。
すなわち、例えば、三系統以上のガスを混合するためには、特許文献１に示されている混合器を複数使用するなどの必要があり、装置の複雑化や、大型化を招いてしまい、好ましくない。
【００１３】
さらに、特許文献１の方法では、成膜条件により混合器の構造（配管の位置や、配管の径など）を最適化する必要があるため、分子量が大きく異なるガス種を混合する場合、流量が大きく異なるガス種を混合する場合、プロセス中にガス流量を変化させる場合など、多様な成膜条件において、一つの混合器で兼用するのは困難であるため、それぞれの条件に応じて混合器を設計する必要があり、ガス種や、成膜条件の多様化には適用が困難である。
【００１４】
本発明は、このような技術的背景のもとでなされたものであり、装置の複雑化や、大型化を招くことなく、多様な成膜条件に適用可能なガス混合器、これを用いた成膜装置の提供を目的とする。また、本発明は、面内均一性の高い薄膜を形成できる薄膜製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明のガス混合器は、二種以上のガスを混合するためのガス混合器であって、ガスの流れ方向の上流側に位置する第一混合室と、下流側に位置する第二混合室とを少なくとも備え、前記第一混合室には、混合しようとする二種以上のガスがそれぞれ導入される二以上の導入口と、一以上の排出口とが設けられているとともに、前記第二混合室には、前記第一混合室に設けられた排出口と連通し、前記第一混合室から排出されたガスが導入される一以上の導入口と、一以上の排出口とが設けられており、前記第一混合室及び／又は前記第二混合室に設けられた排出口が、同じ混合室に設けられた導入口に対して、ガスの流れ方向において重ならないように配設されている構成としてある。
【００１６】
このような構成とすることにより、装置の複雑化や、大型化を招くことなく、簡易な構造で、二種以上のガスを均一に混合することができる。
【００１７】
本発明のガス混合器は、二種以上のガスを混合するに際して、前記第二混合室の圧力が、前記第一混合室の圧力よりも低くなるように構成するのが好ましい。より具体的には、前記第二混合室の容積が、前記第一混合室の容積よりも大きくするのが好ましく、また、前記第一混合室に設けられた排出口、及び／又は前記第二混合室に設けられた導入口の総面積が、それぞれの配設面の面積の１／５以下であるのが好ましい。
このような構成とすることにより、第一混合室から排出されたガスが第二混合室に導入される際に、断熱膨張効果を得られるようになり、拡散過程による混合を効果的に生じさせることが可能となる。
【００１８】
また、本発明のガス混合器は、少なくとも二以上の混合室を備えていればよいが、二つの混合室を備えたものとする場合には、前記第二混合室が二以上の排出口を有し、かつ、前記排出口のそれぞれに接続された配管を合流させて、一本の配管にまとめた構成とすることができる。
また、前記第二混合室に設けられた排出口と連通し、前記第二混合室から排出されたガスが導入される一以上の導入口と、少なくとも一つの排出口とが設けられた第三混合室を備えた構成として、三つの混合室を備えたものとすることもできる。
【００１９】
また、本発明のガス混合器は、外気の温度変化によらず安定した混合状態を確保することができるように、温度調節機構を具備させることもできる。
【００２０】
また、本発明の成膜装置は、上記のようなガス混合器を備えたものであり、成膜室内に二種以上のガスを供給して、前記成膜室内に配置された基板上に薄膜を形成する成膜装置であって、前記成膜室内に混合された二種以上のガスを供給する一本のガス供給パイプを有しているとともに、前記ガス供給パイプが、ガス混合器を介してガス供給源に接続され、前記ガス混合器が、ガスの流れ方向の上流側に位置する第一混合室と、下流側に位置する第二混合室とを少なくとも備え、前記第一混合室には、混合しようとする二種以上のガスがそれぞれ導入される二以上の導入口と、一以上の排出口とが設けられているとともに、前記第二混合室には、前記第一混合室に設けられた排出口と連通し、前記第一混合室から排出されたガスが導入される一以上の導入口と、一以上の排出口とが設けられており、前記第一混合室及び／又は前記第二混合室に設けられた排出口が、同じ混合室に設けられた導入口に対して、ガスの流れ方向において重ならないように配設されている構成とすることができる。
【００２１】
また、本発明の薄膜製造方法は、成膜装置に二種以上のガスを供給して、前記成膜装置内に配置された基板上に薄膜を形成する薄膜製造方法であって、ガスの流れ方向の上流側に位置する第一混合室と、下流側に位置する第二混合室とを少なくとも備え、前記第一混合室には、混合しようとする二種以上のガスがそれぞれ導入される二以上の導入口と、一以上の排出口とが設けられているとともに、前記第二混合室には、前記第一混合室に設けられた排出口と連通し、前記第一混合室から排出されたガスが導入される一以上の導入口と、一以上の排出口とが設けられており、前記第一混合室及び／又は前記第二混合室に設けられた排出口が、同じ混合室に設けられた導入口に対して、ガスの流れ方向において重ならないように配設されたガス混合器を介して、混合された二種以上のガスを前記成膜装置に供給し、前記基板上に薄膜を形成する方法としてある。
【００２２】
このような方法とすることにより、面内均一性の高い薄膜を容易に製造することができる。
【００２３】
また、本発明の薄膜製造方法は、より具体的には、少なくとも珪素源ガスと炭素源ガスとを含む混合ガスを、成膜装置に供給して、前記基板上に炭化珪素膜を形成する方法とすることができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上のように、本発明によれば、装置の複雑化や、大型化を招くことなく、簡易な構造で、二種以上のガスを均一に混合することができる。このため、均一に混合された二種以上のガスを成膜装置に供給することにより、面内均一性の高い薄膜を容易に製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。ただし、以下の説明は、あくまでも本発明の例示にすぎず、以下の記載によって本発明の技術的範囲が限定されるものではない。
【００２６】
［ガス混合器］
まず、本発明に係るガス混合器の実施形態について説明する。ここで、図１は、本実施形態におけるガス混合器の概略を示す斜視図である。
【００２７】
図１に示すガス混合器１は、第一混合室１０、第二混合室２０、及び第三混合室３０の三つの混合室を備え、これらの混合室１０，２０，３０は、いずれもほぼ円柱形状を有する中空構造となっている。
なお、図中の矢印は、本実施形態におけるガス混合器１を使用して、二種以上のガスを混合する際のガスの流れ方向を示しており、第一混合室１０、第二混合室２０、第三混合室３０の順に、ガスが流れる。
【００２８】
本実施形態において、第一混合室１０は、ガスの流れの上流側に導入口配設面１２を備え、下流側には、導入口配設面１２とほぼ平行な排出口配設面１４を備えている。そして、これらの面１２，１４の法線方向が、ガスの流れ方向とほぼ一致するようにしてある。
【００２９】
導入口配設面１２には、図示しない配管に接続され、第一混合室１０に、二種以上の異なる複数のガスを別々に導入するための複数（二以上）の導入口１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが穿設されている。この導入口配設面１２に穿設する導入口の数は、混合しようとするガスの種類数や、混合しようとするガスの特性などを考慮して、適宜変更することができる。
【００３０】
また、図示する例において、排出口配設面１４には、二つの排出口１４ａ，１４ｂが穿設されている。このとき、排出口１４ａ，１４ｂは、図示するように、導入口配設面１２に穿設された、四つの導入口１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄのそれぞれのガスの流れ方向に沿った延長線上から外れた位置に配設し（導入口１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄのそれぞれの中心を通る延長線を、図中二点破線で示す）、排出口１４ａ，１４ｂが、ガスの流れ方向において、導入口１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄのいずれとも重ならないようにするのが好ましい。
なお、排出口配設面１４に穿設する排出口の数も、図示する例に限られず、適宜変更できる。
【００３１】
第二混合室２０も同様に、ガスの流れの上流側に導入口配設面２２、下流側に導入口配設面２２とほぼ平行な排出口配設面２４を備え、これらの面２２，２４の法線方向が、ガスの流れ方向とほぼ一致するようにしてある。
【００３２】
第二混合室２０の導入口配設面２２には、第一混合室１０の排出口１４ａ，１４ｂから排出されたガスを、第二混合室２０に導入するための導入口２２ａ，２２ｂが穿設されている。
【００３３】
図示する例では、この導入口２２ａ，２２ｂは、ガスの流れ方向に沿って設けられた配管４０ａ，４０ｂを介して、第一混合室１０の排出口１４ａ，１４ｂに連通されているが、導入口２２ａ，２２ｂと排出口１４ａ，１４ｂとが重なり合うように、第二混合室２０の導入口配設面２２と、第一混合室１０の排出口配設面１４とを、混合室１０，２０内の気密性を確保しつつ密接させ、導入口２２ａ，２２ｂと排出口１４ａ，１４ｂとを直接連通させることにより、配管４０ａ，４０ｂを省略することもできる。このようにすることで、混合器１の小型化や、構造の簡略化が可能となる。
【００３４】
また、第一混合室１０の排出口と、第二混合室２０の導入口とは、通常、同じ数とするが、第一混合室１０の排出口と、第二混合室２０の導入口とを接続する配管を途中でまとめたり、分岐させたりすることで、第一混合室１０の排出口の数と、第二混合室２０の導入口の数とを異ならせることもできる。
【００３５】
図示する例において、第二混合室２０の排出口配設面２４には、二つの排出口２４ａ，２４ｂが穿設されている。この排出口２４ａ，２４ｂも、第一混合室１０の場合と同様に、導入口配設面２２の二つの導入口２２ａ，２２ｂのそれぞれの延長線上から外れた位置に配置し（導入口２２ａ，２２ｂのそれぞれの中心を通る延長線についても、図中二点破線で示す）、排出口２４ａ，２４ｂが、ガスの流れ方向において、導入口２２ａ，２２ｂのいずれとも重ならないようにしてある。
【００３６】
さらに、第二混合室２０においても、導入口配設面２２に穿設する導入口の数、排出口配設面２４に穿設する排出口の数を適宜変更できるが、図示する例のように、導入口配設面２２に二つの導入口２２ａ，２２ｂを穿設し、排出口配設面２４にも二つの排出口２４ａ，２４ｂを穿設する場合には、二つの導入口２２ａ，２２ｂの中心を結ぶ方向（図中、一点破線で示す）と、二つの排出口２４ａ，２４ｂの中心を結ぶ方向（図中、同様に一点破線で示す）とがほぼ直交するように、導入口２２ａ，２２ｂと、排出口２４ａ，２４ｂとを配設するのが好ましい。
また、特に図示しないが、排出口配設面２４に穿設する排出口を一つとする場合には、導入口配設面２２に穿設された各導入口から、ほぼ等距離となる位置に、排出口を配設するのが好ましい。
【００３７】
第三混合室３０も同様に、ガスの流れの上流側に導入口配設面３２、下流側に導入口配設面３２とほぼ平行な排出口配設面３４を備え、これらの面３２，３４の法線方向が、ガスの流れ方向とほぼ一致するようにしてある。
【００３８】
第三混合室３０の導入口配設面３２には、第二混合室２０の排出口２４ａ，２４ｂから排出されたガスを、第三混合室３０内に導入するための導入口３２ａ，３２ｂが穿設されている。図示する例において、第二混合室２０の排出口２４ａ，２４ｂと、第三混合室３０の導入口３２ａ，３２ｂとは、配管４０ｃ，４０ｄで接続されているが、前述したのと同様にして、このような配管４０ｃ，４０ｄは省略してもよい。第二混合室２０の排出口の数と、第三混合室３０の導入口の数とを異ならせることができるのも、前述したのと同様である。
【００３９】
また、図示する例では、第三混合室３０の排出口配設面３４には、一つの排出口３４ａが穿設されている。この排出口３４についても、ガスの流れ方向において、導入口３２ａ，３２ｂのいずれとも重ならないようにするのが好ましく、さらに、図示するように、導入口配設面３２に穿設された二つの導入口３２ａ，３２ｂから、ほぼ等距離となる位置に配設するのが好ましい。
【００４０】
以上のようなガス混合器１において、第三混合室３０の排出口３４には、配管４０が接続されており、ガス混合器１により混合されたガスが、配管４０に導かれて、図示しないＣＶＤ装置や、スパッタリング装置などの成膜装置に供給されるようになっている（後述する図３参照）。
【００４１】
このように、図１に示すガス混合器１は、三つの混合室１０，２０，３０を備えて構成されるが、本実施形態におけるガス混合器１は、図２に示すように、第三混合室３０を省略した態様にて変形実施することもできる。
すなわち、ガス混合器１の備える混合室は二つとすることもでき、ガス混合器１は、少なくとも二以上の混合室を備えていればよい。
【００４２】
ここで、図２に示す本実施形態の変形例では、第三混合室３０を省略するとともに、第二混合室２０の排出口２４ａ，２４ｂに接続された配管４０ｅ、４０ｆを合流させて、一本の配管４０にまとめてある。そして、ガス混合器１により混合されたガスは、この配管４０に導かれて、成膜装置に供給されるようにしてある。
【００４３】
また、特に図示しないが、本変形例にあっては、第二混合室２０の排出口配設面２４に穿設する排出口を一つとすることもできる。この場合、図１に示す例における第三混合室３０のように、この排出口を、導入口配設面２２に穿設された各導入口から、ほぼ等距離となる位置に配設するのが好ましい。
【００４４】
なお、上記以外の構成は、図１に示す例と同様であるため、図２に示す例の他の構成についての詳細な説明は省略する。
【００４５】
本実施形態のガス混合器１に導入された二種以上のガスが混合する現象は、少なくとも、ガスどうしが衝突して一つの流れになる過程（乱流過程）と、一つの流れにおいてガスどうしが拡散して混ざり合う過程（拡散過程）とを有しているとして説明することができる。
なお、圧力が高い場合には、乱流過程が比較的支配的となり、圧力が低い場合には、拡散過程が比較的支配的となる。
【００４６】
本実施形態のガス混合器１において、ガスの流れの最も上流側に位置する第一混合室１０は、導入口１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄから導入された、それぞれ独立した二種以上のガス流を衝突させて一つの流れとする機能を有しており、この第一混合室１０では、導入されたガスが、主に乱流過程によって混合される。そして、第一混合室１０で混合されたガス流は、排出口１４ａ，１４ｂから排出される。
【００４７】
このとき、導入口１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄから導入されたガスが、第一混合室１０における混合が不十分なまま、排出口１４ａ，１４ｂから排出されてしまうと、第一混合室１０における混合効率が低下してしまう。このような不具合を回避するため、本実施形態では、前述したように、ガスの流れ方向において、導入口と排出口とが重ならないようにしている。
導入口１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄに対する排出口１４ａ，１４ｂの配設位置をこのようにすることで、第一混合室１０に導入されたガスの混合効率を高め、よりいっそう均一にガスを混合させることができる。
【００４８】
第一混合室１０の排出口１４ａ，１４ｂから排出されたガス流は、配管４０ａ，４０ｂを介して（又は、直接）、排出口１４ａ，１４ｂと連通する第二混合室２０の導入口２２ａ，２２ｂから第二混合室２０に導入される。
【００４９】
第二混合室２０に導入されたガスは、主に拡散過程によって混合されるが、このとき、ガスの拡散を効率よく生じさせるためには、第二混合室２０内の圧力が、第一混合室１０内の圧力よりも低くなる状態でガス混合器１を使用することが好ましい。これにより、第一混合室１０から排出されたガスが第二混合室２０に導入される際に、断熱膨張効果を得られるようになり、拡散過程による混合を効果的に生じさせることが可能となる。
【００５０】
第二混合室２０内の圧力を、第一混合室１０内の圧力よりも低くして、第二混合室２０におけるガスの拡散を効率よく生じさせるためには、第二混合室２０の容積を、第一混合室１０の容積よりも大きく（好ましくは、２倍以上）するのが有効である。これにより、ガスの流れの下流側（成膜装置側）に位置する第二混合室２０を、第一混合室１０よりも減圧状態とすることが可能となる。
【００５１】
また、第二混合室２０内の圧力を、第一混合室１０内の圧力よりも低く抑えるには、第一混合室１０の排出口１４ａ，１４ｂの総面積をできるだけ小さくして、第一混合室１０からのガスの排出量を抑制したり、第二混合室２０の導入口２２ａ，２２ｂの総面積をできるだけ小さくして、第二混合室２０へのガスの流入量を抑制したりするのも有効である。この場合、第一混合室１０の排出口１４ａ，１４ｂと、第二混合室２０の導入口２２ａ，２２ｂの両方について、その総面積をできるだけ小さくするのが、より好ましい。
具体的な数値を挙げると、第一混合室１０の排出口１４ａ，１４ｂ、及び／又は第二混合室２０の導入口２２ａ，２２ｂの面積の合計を、それぞれの配設面１４，２２の面積の１／５以下とするのが好ましく、より好ましくは１／１０以下であり、特に好ましくは１／３０以下である。
【００５２】
第二混合室２０で混合されたガスは、排出口２４ａ，２４ｂから排出されるが、第一混合室１０と同様に、ここでも、導入口２２ａ，２２ｂと排出口２４ａ，２４ｂとを、ガスの流れ方向において重ならないように配設し、第二混合室２０に導入されたガスの混合効率を向上させるのが好ましい。
【００５３】
第二混合室２０の排出口２４ａ，２４ｂから排出されたガス流は、配管４０ｃ，４０ｄを介して（又は、直接）、排出口２４ａ，２４ｂと連通する第三混合室３０の導入口３２ａ，３２ｂから第三混合室３０に導入される。
【００５４】
前述したように、本実施形態において、ガス混合器１は、少なくとも二つ以上の混合室を有していればよいが、多様なガス種や、多様な成膜条件に適用可能とするためには、三つの混合室１０，２０，３０を備えているのが好ましい。このようにすれば、第一混合室１０、及び第二混合室２０により混合されたガスを、第三混合室３０により、よりいっそう均一に混合することが可能となる。
ここで、「多様なガス種」とは、混合しようとする二種以上のガスが、分子量、分子サイズ、分子構造、分子のエネルギーポテンシャル、電気的極性などの特性が大きく異なるガス種を意味する。また、「多様な成膜条件」の例としては、混合しようとする二種以上のガスの流量が大きく異なる場合や、混合しようとする二種以上のガス種が類似する特性のものであっても、プロセス中にガス流量を変化させる必要がある場合や、任意の時刻を境として供給するガス種を切り替える場合などを意味する。
【００５５】
なお、ガス混合器１が備える混合室は、三つまでに限らず、四つ以上としてもよいが、混合室を四つ以上備えさせても、三つの混合室を備えたものに比べて、構造の複雑化を伴うわりには、効果に著しい違いが認められ難い。このため、バランス的には、混合室は三つとするのが最も好ましい。
【００５６】
以上のような本実施形態における混合器１にあっては、二種以上のガスを混合して成膜装置に供給するに際し、ガスの混合過程において、環境温度の変化による影響を避けるために、例えば、ガス混合器１の周囲をヒーターで被覆するなどして、ガス混合器１の全体を温度調節できるような温度調節機構を具備させるのが好ましい。これにより、外気の温度変化によらず安定した混合状態を確保することができ、このような態様は、混合しようとするガスに沸点の低いものが含まれる場合に、特に有効である。
【００５７】
また、各混合室にガスを導入するための配管は、各混合室の導入口配設面に対して斜めに接続するようにしてもよい。これにより、各混合室にガスが導入される際の方向性を適宜調整することもでき、このような態様は、高密度のガスを高圧条件下で混合室に導入する場合に、特に有効である。
【００５８】
［成膜装置］
次に、本発明に係る成膜装置の実施形態について説明する。ここで、図３は、本実施形態における成膜装置の概略を示す説明図である。また、図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。
【００５９】
図３及び図４に示される成膜装置１００は、いわゆるコールドウォールタイプの減圧ＣＶＤ装置の例であり、支持手段１２０上に配置した基板（被成膜基板）１５０を、加熱手段１３０によって適宜の温度に加熱し、排気パイプ１４０によって成膜室１１０内の排気を行うとともに、ガス供給パイプ（配管）４０のノズル４２から、適宜のガスを供給し、成膜室１１０内に適宜の気相を形成することによって、基板１５０上に薄膜を成長させるものである。
【００６０】
図示する例において、ガス供給パイプ４０は、その先端ノズル４２が成膜室１１０の中央部に位置するように、ほぼ垂直に立てられた状態で成膜室１１０内に設けられている。また、成膜室１１０内には、基板１５０を支持する支持手段１２０が設けられており、この支持手段１２０上に配置された基板１５０を背面側から加熱する位置に加熱手段１３０が設けられている。さらに、成膜室１１０には、排気パイプ１４０が接続され、この排気パイプ１４０が圧力調整バルブ１４５を介して、図示しない排気ポンプなどに接続されており、これによって成膜室１１０内を排気できるようになっている。
【００６１】
本実施形態における成膜装置１００は、前述したようなガス混合器１を備え、ガス供給パイプ４０のガス供給側が、成膜室１１０の外部において、ガス混合器１に接続されている。そして、このガス混合器１には、所定のガス供給源（例えば、ガスボンベ）が接続され、ガス供給源からガス混合器１に導入されたガスは、ガス混合器１により均一に混合されてから成膜装置１００に供給される。
ここで、図示する例において、ガス混合器１には、配管４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄが接続されており、配管４１ａがＨ２ガス供給源、配管４１ｂがＮ２ガス供給源、配管４１ｃがＳｉＨ２Ｃｌ２ガス供給源、配管４１ｄがＣ２Ｈ２ガス供給源に、それぞれ接続されている。
【００６２】
［薄膜製造方法］
次に、本発明に係る薄膜製造方法の実施形態について、図３に示す成膜装置において、珪素源ガスと炭素源ガスとを含む混合ガスを供給して、単結晶珪素基板上に炭化珪素膜を形成する例について説明する。
【００６３】
本実施形態にあっては、まず、Ｈ２ガス供給源、Ｎ２ガス供給源、ＳｉＨ２Ｃｌ２ガス供給源、Ｃ２Ｈ２ガス供給源から、所定の流量でそれぞれのガスを別々に、ガス混合器１に導入する。ガス混合器１に導入された、これらのガスはガス混合器１が備える各混合室を通過することにより均一に混合され、ガス混合器１から排出される。
【００６４】
次に、ガス混合器１から排出された混合ガスは、ガス供給パイプ４０に導かれて、成膜装置１００が備える成膜室１１０内に供給されるが、このとき、圧力調整バルブを操作することにより、排気パイプ１４０を通じて成膜室１１０内を排気するなどして、成膜室１１０内の圧力を所定の圧力に保つとともに、加熱手段１３０によって、支持手段１２０上に配置された珪素基板１５０を所定温度に加熱しておく。
【００６５】
この状態を維持しつつ、混合ガスの供給を所定時間続けることにより、珪素基板１５０上には、ドーパント（Ｎ）が添加された炭化珪素薄膜が、所定の膜厚で形成される。
このようにして形成された炭化珪素薄膜は、成膜室１１０内に供給される混合ガスが、均一に混合されていることを反映して、膜厚・膜質において均一性に優れたものとなる。
【００６６】
なお、珪素基板１５０上に炭化珪素膜を形成するにあたり、前処理として、珪素基板１５０の表層をあらかじめ炭化し、バッファ層として薄い炭化珪素層を形成することもできる。このような前処理を施しておくことで、結晶性のよい炭化珪素層を珪素基板１５０上に成長させることができる。
【実施例】
【００６７】
次に、具体的な実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。
［実施例１］
図３に示す成膜装置１００を用いて、ミラー指数｛００１｝で示される結晶面が表面に現れる直径２００ｍｍの単結晶珪素基板１５０上に、次のようにして、炭化珪素膜を形成した。
【００６８】
まず、前処理として、排気パイプ１４０を通じて成膜室１１０内を排気し、Ｈ２ガス２０ｓｃｃｍ、Ｃ２Ｈ２ガス５０ｓｃｃｍを、ガス混合器１、及びガス供給パイプ４０を介して成膜室１１０内へ供給した。この際、成膜室１１０内の圧力を１００ｍＴｏｒｒに保つとともに、加熱手段１３０によって基板１５０の温度を約１分間で１２００℃まで加熱した。
これによって、珪素基板１５０の表層をあらかじめ炭化し、珪素基板１５０と、珪素基板１５０上に成長させる炭化珪素層との間に、バッファ層として薄い炭化珪素層を形成することにより、結晶性のよい炭化珪素層を成長できるようにした。
【００６９】
このような前処理を施した後、基板温度を維持したまま、Ｈ２ガス１５０ｓｃｃｍ、Ｎ２ガス１００ｓｃｃｍ、ＳｉＨ２Ｃｌ２ガス２００ｓｃｃｍ、Ｃ２Ｈ２ガス５０ｓｃｃｍをガス混合器１へ導入し、ガス混合器１により混合された混合ガスを、ガス供給パイプ４０により導いて、成膜室１１０へ供給した。
このようにして、珪素基板１５０上に、ドーパント（Ｎ）が添加された３００μｍの炭化珪素薄膜を形成した。
【００７０】
ここで、図３に示す成膜装置１００において、ガス供給パイプ４０のガス供給側に接続したガス混合器１は、図１に示す態様のものから、配管４０ａ，４０ｂ，４０ｃ４０ｄを省略し、第一混合室１０の排出口１４ａ，１４ｂと第二混合室２０の導入口２２ａ，２２ｂ、第二混合室２０の排出口２４ａ，２４ｂと第三混合室３０の導入口３２ａ，３２ｂを、それぞれ直接連通させたものを用いた。
また、ガス混合器１は、第一混合室１０の高さ（ガスの流れ方向に沿った長さ）Ｈ１を２０ｍｍ、第二混合室２０の高さＨ２を６０ｍｍ、第三混合室３０の高さＨ３を２０ｍｍ、各混合室１０，２０，３０の直径を８０ｍｍとし、各混合室１０，２０，３０の導入口及び排出口の直径は、それぞれ１０ｍｍに揃えた。
さらに、混合ガスを成膜装置１００へ安定に供給することや、沸点が比較的低いガス（ＳｉＨ２Ｃｌ２）を使用することなどを考慮して、ガス混合器１の周囲、及び配管４０のガス混合器１から成膜室１１０に至るまでの部分をヒーターで被覆して、設定温度１００℃に調節した。
【００７１】
得られた炭化珪素薄膜の抵抗率の面内分布を測定した結果、抵抗率の分布は約１５％であり、直径２００ｍｍの基板において、均一な薄膜が形成されたことが確認された。
なお、測定は、国際電気株式会社製の抵抗率測定装置を用いて、１２ｍｍ間隔でサンプリングして行った。
【００７２】
［比較例１］
ガス混合器１を介さずに、各ガスを成膜室１１０に直接供給した以外は、実施例１と同様にして、ミラー指数｛００１｝で示される結晶面が表面に現れる直径２００ｍｍの単結晶珪素基板１５０に、ドーパント（Ｎ）が添加された厚さ３００μｍの炭化珪素薄膜を形成した。
【００７３】
ここで、図５は、本比較例で用いた成膜装置における、ガス供給パイプ４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄの配置を示す説明図（図３のＡ−Ａ断面に相当）である。
ガス供給パイプ４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄは、図示しないＨ２ガス供給源、Ｎ２ガス供給源、ＳｉＨ２Ｃｌ２ガス供給源、Ｃ２Ｈ２ガス供給源にそれぞれ接続されている。また、各ガス供給パイプ４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄのノズル４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄは、水平方向（珪素基板１５０に対して平行な方向）に開口している。
【００７４】
実施例１と同様にして、得られた炭化珪素薄膜の抵抗率の面内分布を測定した結果、抵抗率の分布は約４０％であることが確認された。
これは、ガスの混合が、成膜室１１０内のみで行われるため、混合が不十分であり、得られた炭化珪素薄膜が、ガス供給パイプ４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄの配置に依存した組成偏析を有していることに起因していると考えられる。
【００７５】
［実施例２］
図１に示す態様のガス混合器１について、ガス混合器１から排出された直後（第三混合室３０の排出口３４ａ近傍の配管４０の断面）におけるガスの混合率について、実施例１における条件（ガス種類、ガス流量、成膜室の圧力など）に基づいて、シミュレーションにより求めた。
ここで、シミュレーションは、汎用の熱流体シミュレーションソフトウェアＦＬＵＥＮＴ（米国Ｆｌｕｅｎｔ．Ｉｎｃ社製)を使用して、次の方法で行った。
【００７６】
最初に、ガス混合器１中のガス流路（任意形状の空間）を、四面体あるいは六面体の立体形状（三次元計算の場合）のメッシュで細分化した。これにより、円管や、屈曲管など曲線的な形状をもつガス流路でも、平面を持つ立体の集合として近似的に表現できる。
次に、各メッシュの重心点で流れ場の支配方程式、すなわち、運動量方程式、質量保存式、伝熱方程式、拡散方程式を風上差分法で計算し、ガス流路全体のガス速度分布、温度分布、対象となるガスの濃度分布を求めた。
その際、境界条件として、ガス流路壁面の温度（温度分布がある場合はその分布）、第一混合室１０に導入される各ガスの流量（慣用単位［ｓｃｃｍ］、又はＳＩ単位［ｋｇ／ｓｅｃ］）と温度、排出口３４ａ又は圧力参照点（通常は、圧力を測定している位置）における圧力値を与えた。また、各ガスの熱物性値として、粘性係数、比熱、熱伝導係数、拡散係数を与え、各物性値に温度依存性や圧力依存性がある場合はそれを考慮することとした。
【００７７】
その結果、流れ方向垂直断面におけるＳｉＨ２Ｃｌ２ガス濃度分布は、０．００１％以下という検知限度以下の数値を示し、ガス混合器１によって略完全に均一なガス混合が達成されているという結果が得られた。これにより、実施例１の結果が良好に再現されていることが確認できた。
なお、ガス濃度分布は、流れ方向垂直断面における対象ガス（本実施例では、ＳｉＨ２Ｃｌ２ガス）の最大濃度と最小濃度との差を、平均濃度で除した値（百分率）として算出した。また、実施例２〜６、比較例２〜５のおける対象ガスのガス濃度分布を表１に示した。
【００７８】
［実施例３］
第一混合室１０に導入する各ガスの流量を２倍にした以外は、実施例２と同様にして、ガス混合器１から排出された直後におけるガスの混合率について求めた。
その結果、流れ方向垂直断面におけるＳｉＨ２Ｃｌ２ガス濃度分布は０．００１％以下という検知限度以下の数値を示し、第一混合室１０に導入する各ガスの流量を異ならせても略完全に均一なガス混合が達成されており、流量依存性がないことが確認された。
【００７９】
［実施例４］
第一混合室１０に導入するガス種、及びその流量を、ＷＦ６ガス１０ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス２５０ｓｃｃｍ、Ａｒガス３００ｓｃｃｍとした以外は、実施例２と同様にして、ガス混合器１から排出された直後におけるガスの混合率について求めた。
その結果、流れ方向垂直断面におけるＷＦ６ガス濃度分布は、０．４％程度であり、分子量が大きく異なるガスを混合する場合にも、分子量が著しく大きいガスを、他のガスと十分に均一に混合することができ、ガス系依存性がないことが確認された。
【００８０】
［実施例５］
図２に示す態様のガス混合器１を用いた以外は、実施例２と同様にして、配管４２ｅ，４２ｆが配管４０にまとめられた直後の配管４０の断面におけるガスの混合率について求めた。
その結果、流れ方向垂直断面におけるＳｉＨ２Ｃｌ２ガス濃度分布は、０．０２％程度であり、混合室が二つだけであっても、十分に均一なガス混合が達成されていることが確認できた。
【００８１】
［比較例２］
第一混合室１０及び第二混合室２０のいずれにおいても、ガスの流れ方向において、導入口と重なるように排出口を配設した以外は、実施例５と同様にして、配管４２ｅ，４２ｆが配管４０にまとめられた直後の配管４０の断面におけるガス混合率について求めた。
その結果、流れ方向垂直断面におけるＳｉＨ２Ｃｌ２ガス濃度分布は０．６４３％程度であり、実施例５に比べてガス混合が不十分であることが確認された。
【００８２】
［比較例３］
第一混合室に導入するガス種、及びその流量を、ＷＦ６ガス１０ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス２５０ｓｃｃｍ、Ａｒガス３００ｓｃｃｍとした以外は、比較例４と同様にして、配管４２ｅ，４２ｆが配管４０にまとめられた直後の配管４０の断面におけるガス混合率について求めた。
その結果、流れ方向垂直断面におけるＷＦ６ガス濃度分布は、２６．４８％程度であり、分子量が大きく異なるガスを混合する場合には、ガス濃度分布が著しく不均一になってしまうことが確認された。
【００８３】
［実施例６］
第二混合室２０の排出口を一つとし、排出口配設面２４の中心に配設した以外は、実施例５と同様にして、ガス混合器１から排出された直後におけるガスの混合率について求めた。
その結果、流れ方向垂直断面におけるＳｉＨ２Ｃｌ２ガス濃度分布は０．１２４％程度であり、十分に均一なガス混合が達成されていることが確認できた。
【００８４】
［比較例４］
図２に示す態様のガス混合器１から、さらに第二混合室２０を省略するとともに、図２に示す態様において、第二混合室２０の排出口２４ａ，２４ｂに接続された配管４０ｅ、４０ｆを合流させて、一本の配管４０にまとめたのと同じように、第一混合室１０の排出口１２ａ，１２ｂに接続された配管４０ａ，４０ｂを一つにまとめた以外は、実施例２と同様にして、配管４０ａ，４０ｂを一つにまとめた直後の断面におけるガスの混合率について求めた。
その結果、流れ方向垂直断面におけるＳｉＨ２Ｃｌ２ガス濃度分布は、８％程度であり、混合室が一つだけでは、ガス混合が不十分であることが確認された。
【００８５】
［比較例５］
図２に示す態様のガス混合器１から、さらに第二混合室２０を省略するとともに、第一混合室１０の排出口配設面１４の中央に排出口を一つだけ配設し、この排出口に配管を接続した以外は、実施例２と同様にして、ガス混合器１から排出された直後におけるガスの混合率について求めた。
その結果、流れ方向垂直断面におけるＳｉＨ２Ｃｌ２ガス濃度分布は、４３％程度であり、一つの混合室に、一つの排出口を配設したものは、ガス混合が著しく不十分であることが確認された。
また、比較例４と比較例５との対比により、第一混合室１０に一つの排出口を設けたものよりも、二つの排出口を設けたものの方が、第二混合室２０に導入されるガスが、より均一に混合された状態となることが確認された。
【００８６】
【表１】
2008114097.tif 000003
【００８７】
以上、本発明について、好ましい実施形態を示して説明したが、本発明は、上記した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明は、二種以上のガスを各種成膜装置に供給して、所定の基板上に薄膜を形成する技術分野に広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明に係るガス混合器の実施形態を示す概略斜視図である。
【図２】本発明に係るガス混合器の実施形態における変形例を示す概略斜視図である。
【図３】本発明に係る成膜装置の実施形態の概略を示す説明図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】比較例１において用いた成膜装置におけるガス供給パイプの配置を示す説明図である。
【符号の説明】
【００９０】
１      ガス混合器
１０    第一混合室
２０    第二混合室
３０    第三混合室
１２ａ〜１２ｄ，２２ａ，２２ｂ，３２ａ，３２ｂ    導入口
１４ａ，１４ｂ，２４ａ，２４ｂ，３４ａ            排出口
４０    配管（ガス供給パイプ）
１００  成膜装置
１１０  成膜室
１５０  基板
【図１】
2008114097.tif 000004
【図２】
2008114097.tif 000005
【図３】
2008114097.tif 000006
【図４】
2008114097.tif 000007
【図５】
2008114097.tif 000008