(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理基板が収容される反応管に成膜原料成分を含有するガスを被処理基板の成膜される面に沿う方向に流すようにして導入し、導入されるガスを加熱手段で加熱することによって反応させながら成膜原料成分を被処理基板上に成長させる気相成長装置において、
反応管の外壁面に接するように設けられ、赤外線を反射し、反応管の外壁面に接する側の面内で、赤外線反射率が変化する赤外線反射手段を含み、
前記赤外線反射手段は、反応管外壁面に接して設けられ、貫通孔が形成されるシート状の赤外線反射部材を含むことを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
赤外線反射手段は、
反応管の内壁に付着する付着物の付着領域にわたって、反応管の外壁面に接するように設けられ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】
赤外線反射手段は、
加熱手段から離反するのに伴って赤外線反射率が高くなるように赤外線反射率が変化することを特徴とする請求項１または２記載の気相成長装置。
【請求項４】
被処理基板が収容される反応管の外壁面に、赤外線を反射する赤外線反射手段を設けるステップであって、反応管の外壁面に接する側の面内で、赤外線反射率が変化し、貫通孔が形成されるシート状の赤外線反射部材を含む赤外線反射手段を設けるステップと、
反応管に成膜原料成分を含有するガスを被処理基板の成膜される面に沿う方向に流すようにして導入するガス導入ステップと、
導入されるガスを加熱することによって反応させながら成膜原料成分を被処理基板上に成長させる成膜ステップとを含むことを特徴とする気相成長方法。
【請求項５】
反応管の外壁面に赤外線反射手段を設けるステップにおいて、
赤外線反射手段は、
反応管の内壁に付着する付着物の付着領域にわたって設けられることを特徴とする請求項４記載の気相成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気相成長装置および気相成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザなどの半導体デバイスの製造方法として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）などの有機金属ガスと、アンモニア、ホスフィン、アルシンなどの水素化合物とを原料として化合物半導体薄膜を形成する有機金属化学気相蒸着法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：略称ＭＯＣＶＤ法）を用いる気相成長方法が行われている。ＭＯＣＶＤ法は、前述の原料を反応炉内に導入して混合し、被処理基板上で熱化学反応させることによって被処理基板上で薄膜を形成するものである。
【０００３】
ＭＯＣＶＤ法を用いる気相成長装置の１つとして、横型ＭＯＣＶＤ装置がある。横型ＭＯＣＶＤ装置は、反応炉内に反応管を水平方向に設け、反応管内に載置される被処理基板に対し、ガスを水平方向に反応管内に導入して被処理基板上で反応させるものである。このような横型ＭＯＣＶＤ装置では、ガスの流れが、被処理基板の成膜される面に沿った層流状になり、膜厚、膜質の面内均一性が良いという利点がある。したがって、横型ＭＯＣＶＤ法は一般的に広く用いられている。
【０００４】
図１６は、従来の典型的な横型ＭＯＣＶＤ装置１の反応炉２まわりの構成を説明する模式図である。従来の横型ＭＯＣＶＤ装置１では、反応炉２を水平方向に貫通して角筒状の反応管３が設けられる。反応管３は、石英などで構成され、一端部が反応炉２外に臨んで開口して、成膜原料成分を含有するガスを反応管３内に導入するガス導入口４を構成し、また他端部が反応炉２外に臨んで開口して、成膜原料成分を含有するガスを反応管３外に排出するガス排気口５を構成する。
【０００５】
反応管３の長手方向の略中央部には、被処理基板６を載置するサセプタ７が設けられる。またサセプタ７の下部には、被処理基板６を加熱するためのヒータ８が設けられる。被処理基板６の表面に成膜するに際しては、ガスをガス導入口４から矢符９に示す方向に反応管３内へ導入し、サセプタ７の下部に設けられるヒータ８によって被処理基板６を加熱し、成膜反応を促進して被処理基板６上に薄膜形成を行う。薄膜形成に使用され、被処理基板６上を通過したガスは、ガス排気口５から矢符１０方向に排出される。
【０００６】
このような従来の横型ＭＯＣＶＤ装置１においては、前述のように成膜時に反応管３内に導入されたガスが、被処理基板６の周辺において、ヒータ８で加熱された被処理基板６およびサセプタ７によって間接的に昇温され、熱化学反応が促進されることによって被処理基板６上に薄膜が形成される。したがって、成膜時にガスが反応管３内に所定濃度、すなわち一定のガスの流速分布で供給されるとともに、被処理基板６上において常に温度状態が均一であることが、被処理基板６面内において組成および膜厚が均一で良好な薄膜を形成する上で必要な条件である。また、半導体装置のように製品の品質が重要視される生産現場においては、特に安定した歩留を長期間維持することが極めて重要であり、プロセスの再現性をいかにして高めるかということも課題となっている。
【０００７】
しかしながら、従来の横型ＭＯＣＶＤ装置１では、ヒータ８から放射される赤外線が石英製の反応管３を透過するので、反応管３の外部に熱が放出されてヒータ８からの熱エネルギの利用効率が非常に低くなる。このため、被処理基板６上に形成される成膜の品質、膜厚などの均一性を妨げることになる。また、従来の横型ＭＯＣＶＤ装置１における成膜原料成分を被処理基板上に成長させる成膜ステップでは、気相反応の副生成物が反応管３の内壁に付着する。
【０００８】
図１７は、成膜ステップにおいて反応管３の内壁に副生成物１１が付着する状態を示す模式図である。成膜原料成分を含有するガスをガス導入口４から矢符９に示す方向に反応管３内へ導入し、サセプタ７の下部に設けられるヒータ８によって被処理基板６を加熱することにより、被処理基板６上に薄膜が形成される。このとき、薄膜形成に用いられなかった残留ガスは、浮遊しながら反応管３のガス流過方向下流側に移動し、ガス排気口５から排出されるまでの間に、その一部が組成として不完全な副生成物１１となり、反応管３の内壁に付着する。以後、反応管３の内壁に付着した副生成物１１を付着物と呼ぶ。
【０００９】
このようにして形成される付着物１１は、気相成長を重ねるに従って堆積するとともに、次第に付着領域が拡大し、その付着領域の面積は、ガスの種類、ガスの流速、反応管３の寸法、反応管３内部の温度分布、薄膜形成条件などに従って定まる安定した大きさとなる。ここで付着物１１は、石英製の反応管３よりも赤外線吸収率が大きいので、付着物１１が形成される前と形成された後とで、反応管内部の温度分布が大きく変化する。反応管３内部の温度分布が変化すると、被処理基板６上に均一な薄膜を形成することが困難になる。このため、反応管３内部に付着物１１がある程度付着し、反応管３内部の温度が安定し、プロセスの再現性が確保できるまで、被処理基板に対してダミーの成膜を行う成膜ステップを実施するという前処理が必要である。
【００１０】
この前処理は、成膜原料成分を含有するガスの種類、ガスの導入速度、反応管３の大きさ、ヒータ８の加熱温度などのプロセス条件にもよるけれども、少なくとも５回以上実施される必要がある。また前処理の実施回数が多くなるのに従って、反応管３の内壁に付着物が堆積し、付着物の厚みが増す。
【００１１】
図１８は、図１６に示す横型ＭＯＣＶＤ装置１によって１枚の被処理基板を処理する回数であるプロセス回数と付着物の厚みとの関係を示す図である。図１８によれば、プロセスをｎ１回行うと、付着物の付着領域が安定し、製品としての被処理基板６への成膜（生産）を行うことができる。
【００１２】
しかしながら、プロセス回数がｎ２回に達すると、付着物の厚みがｔ２となって付着物１１の重さが増加し、たとえば付着物１１が反応管３の内壁の上側に付着する場合、該増加した付着物１１の自重などにより付着物１１が落下して、付着物１１の一部に剥離が生じる。また付着物１１が反応管３を流過するガスに対して障害となり、ガスの風圧力によって付着物１１の一部に剥離が生じる。
【００１３】
このような付着物１１の剥離が生じると、剥離した領域においては反応管３を構成する石英が露出し、反応管３内部の温度が局所的に低下する。また、剥離した付着物１１が被処理基板６上に落下し、製品として異物欠陥を生じる。
【００１４】
したがって、通常プロセス回数がｎ２回に達するまでに、反応管３内壁に形成される付着物１１を除去するメンテナンスを行う必要がある。このメンテナンスには数時間を要し、また、付着物１１の付着領域が安定してから付着物１１に剥離が生じるまでのプロセス回数は１０回程度が限度であるので、被処理基板に対してダミーの成膜を行う前処理を行った後、１０回のプロセスを実施するごとに上記メンテナンスを行わなければならない。このため、生産効率が非常に悪くなり、コストの増大を招くという問題がある。
【００１５】
そこで、このような問題に対して、プロセスの初期時および付着物の剥離が起こるときにおいても、反応管内部の温度分布を常に一定に保持することができる気相成長装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【００１６】
特許文献１に開示される気相成長装置には、反応管の内壁または外壁に接するように、赤外線吸収手段が設けられる。特許文献１に開示される気相成長装置では、この赤外線吸収手段の赤外線吸収率と付着物の赤外線吸収率とを略等しくすることにより、プロセスの初期時においても、また付着物が剥離しても、反応管内の温度状態を均一化することができ、安定して被処理基板上に成膜を行うことができるというものである。このため、製品としての被処理基板に成膜を行う前に前処理を行う必要がなく、付着物の剥離前と剥離後とで反応管内部の温度分布が大きく変化しないので、安定して成膜を行うことができるとされる。
【００１７】
しかしながら、付着物の赤外線吸収量は、付着物の厚み、密度などにより変化するので、特許文献１に開示の気相成長装置のように赤外線吸収手段と付着物との赤外線吸収率を等しくしても、これらの赤外線吸収量が等しくなるとは限らない。付着物と赤外線吸収手段との赤外線吸収量に差がある限り、付着物の剥離による反応管内部での温度分布の変化は避けられない。
【００１８】
また特許文献１に開示の気相成長装置に備えられる赤外線吸収手段は、実際には付着物の形成を抑制するほどの温度上昇が得られるものではなく、付着物の形成量は従来のＭＯＣＶＤ装置１での付着物の形成量と変わらない。すなわち、特許文献１に開示の気相成長装置では、前処理を行う必要はないものの、メンテナンスは従来の横型ＭＯＣＶＤ装置１と同様の時期に行われる必要がある。反応管内壁への付着物の形成は気相成長装置においては避けられないものであるので、生産効率を向上させるためには、メンテナンスの時期を遅らせること、すなわち反応管内壁への付着物の形成量を低減することが望まれている。
【００１９】
さらに、特に反応管の内壁に赤外線吸収手段が設けられる場合、赤外線吸収手段を設けることによる反応管内壁面の段差、ならびに表面形状および表面粗さなどの表面材質の違いなどによって、ガスの流速分布に乱れを発生し、被処理基板上への成膜に悪影響を与える恐れがある。また反応管の内壁に赤外線吸収手段を設けても、未だ加熱効率としては充分ではなく、さらなる加熱効率の向上が求められる。
【００２０】
【特許文献１】特許３１０４６７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明の目的は、成膜原料成分を含有するガスへの加熱効率を高め、また、反応管内壁に形成される付着物の量を低減することによって生産効率を高めるとともに、被処理基板上への成膜を均一に行うことができる気相成長装置および気相成長方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、被処理基板が収容される反応管に成膜原料成分を含有するガスを被処理基板の成膜される面に沿う方向に流すようにして導入し、導入されるガスを加熱手段で加熱することによって反応させながら成膜原料成分を被処理基板上に成長させる気相成長装置において、
反応管の外壁面に接するように設けられ、赤外線を反射し、反応管の外壁面に接する側の面内で、赤外線反射率が変化する赤外線反射手段を含み、
前記赤外線反射手段は、反応管外壁面に接して設けられ、貫通孔が形成されるシート状の赤外線反射部材を含むことを特徴とする気相成長装置である。
【００２３】
また本発明は、赤外線反射手段は、
反応管の内壁に付着する付着物の付着領域にわたって、反応管の外壁面に接するように設けられることを特徴とする。
【００２５】
また本発明は、赤外線反射手段は、
加熱手段から離反するのに伴って赤外線反射率が高くなるように赤外線反射率が変化することを特徴とする。
【００２７】
また本発明は、被処理基板が収容される反応管の外壁面に、赤外線を反射する赤外線反射手段を設けるステップであって、反応管の外壁面に接する側の面内で、赤外線反射率が変化し、貫通孔が形成されるシート状の赤外線反射部材を含む赤外線反射手段を設けるステップと、
反応管に成膜原料成分を含有するガスを被処理基板の成膜される面に沿う方向に流すようにして導入するガス導入ステップと、
導入されるガスを加熱することによって反応させながら成膜原料成分を被処理基板上に成長させる成膜ステップとを含むことを特徴とする気相成長方法である。
【００２８】
また本発明は、反応管の外壁面に赤外線反射手段を設けるステップにおいて、
赤外線反射手段は、
反応管の内壁に付着する付着物の付着領域にわたって設けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、被処理基板が収容される反応管に成膜原料成分を含有するガスを被処理基板の成膜される面に沿う方向に流すようにして導入し、導入されるガスを加熱手段で加熱することによって反応させながら成膜原料成分を被処理基板上に成長させる気相成長装置には、赤外線を反射する赤外線反射手段が、反応管の外壁面に接するように設けられる。気相反応の副生成物として形成される付着物は、反応管の内壁面が高温となる箇所では形成されにくい。そこで、反応管の外壁面に接するように赤外線反射手段を設けることによって反応管の内壁を加熱して昇温させ、反応管内壁に形成される付着物の量を低減することができる。また赤外線反射手段を設けることによって、成膜の初期段階においても高い加熱効率でガスを加熱することができる。さらに赤外線反射手段が反応管の外壁面に接して設けられることにより、反応管内部のガスの流速分布を乱すことなく被処理基板上に成膜することができるので、被処理基板上に均一な膜を形成することができる。したがって、成膜原料成分を含有するガスへの加熱効率を高めることができるとともに、反応管内壁に形成される付着物の量を低減することによって生産効率を高めることができる。また被処理基板上に形成される薄膜に厚みむらが発生することを抑制できるとともに、均一な厚みの薄膜を再現性良く形成することができる。
また、赤外線反射手段は、反応管の外壁面に接する側の面内で、赤外線反射率が変化するので、たとえば、反応管の内壁に付着する付着物の量が多い領域の赤外線反射率を高く、反応管の内壁に付着する付着物の量が少ない領域の赤外線反射率を低くすることによって、反応管内壁に形成される付着物の形成速度を均一にすることができる。
また、赤外線反射手段は、反応管外壁面に接して設けられるシート状の赤外線反射部材を含む。赤外線反射手段として、たとえば膜状または薄板状などのシート状の赤外線反射部材が用いられるので、赤外線反射手段を設けることによる気相成長装置の大型化を防止することができる。またシート状の簡単な形状の部材を赤外線反射手段として用いることができるので、コストの上昇に影響することがなく、赤外線反射手段の反応管への設置およびメンテナンスにおいても、作業性が向上する。
また、赤外線反射部材には、貫通孔が形成される。このことによって、貫通孔の部分から赤外線を反応管外部に放出させることができるので、反応管内部に温度分布が生じることを抑制でき、被処理基板に均一な厚みの薄膜を形成することができる。
【００３０】
また本発明によれば、赤外線反射手段は、反応管の内壁に付着する付着物の付着領域にわたって、反応管の外壁面に接するように設けられる。赤外線反射手段がこのような付着物の付着領域にわたって設けられることによって、被処理基板付近における成膜条件が安定となり、均一な厚みの薄膜を一層再現性よく形成することができる。
【００３２】
また本発明によれば、赤外線反射手段は、加熱手段から離反するのに伴って赤外線反射率が高くなるように赤外線反射率が変化する。加熱手段から遠い領域においては、温度が低くなり付着物が形成されやすく、加熱手段に近い領域においては、温度が高くなるので付着物が形成されにくい。そこで、上記のように、加熱手段から離反するのに伴って赤外線反射率が高くなるように赤外線反射率を変化させることによって、付着物が付着しやすい反応管内壁の領域において赤外線反射率を高く、付着物が付着しにくい反応管内壁の領域において赤外線反射率を低くすることができるので、反応管内壁に形成される付着物の厚みむらを小さくすることができる。またこれによって、反応管内部でのガスの流速分布の乱れおよび反応管内部での温度分布をなくすことができるので、被処理基板上への成膜を一層均一に行うことができる。
【００３５】
また本発明によれば、被処理基板が収容される反応管の外壁面に、赤外線を反射する赤外線反射手段を設けるステップであって、反応管の外壁面に接する側の面内で、赤外線反射率が変化し、貫通孔が形成されるシート状の赤外線反射部材を含む赤外線反射手段を設けるステップと、反応管に成膜原料成分を含有するガスを被処理基板の成膜される面に沿う方向に流すようにして導入するガス導入ステップと、導入されるガスを加熱することによって反応させながら成膜原料成分を被処理基板上に成長させる成膜ステップとを含む気相成長方法によって、被処理基板上に成膜を行う。このことによって、高い加熱効率でガスを加熱できるとともに反応管内壁に形成される付着物の量を低減して生産効率を高め、被処理基板上への均一な成膜を行うことができる。
【００３６】
また本発明によれば、反応管の外壁面に赤外線反射手段を設けるステップにおいて、赤外線反射手段は反応管の内壁に付着する付着物の付着領域にわたって設けられる。赤外線反射手段が少なくともこのような領域にわたって設けられることにより、成膜ステップにおいて形成される付着物の量が低減されるとともに、高い加熱効率で成膜を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
本発明は、被処理基板が収容される反応管に成膜原料成分を含有するガスを被処理基板の成膜される面に沿う方向に流すようにして導入し、導入されるガスを加熱手段で加熱することによって反応させながら成膜原料成分を被処理基板上に成長させる気相成長装置であって、反応管の外壁面に接するように設けられ、赤外線を反射する赤外線反射手段を含むことを特徴とする気相成長装置である。
【００３８】
図１は気相成長装置２０の反応炉２１まわりの構成を簡略化して示す側面からみた断面図であり、図２は赤外線反射手段２２が設けられる反応管２３の上面図である。気相成長装置２０は、大略、反応炉２１と、反応管２３と、被処理基板２４を載置するサセプタ２５と、サセプタ２５の下部に設けられる加熱手段であるヒータ２６と、反応管２３の外壁面に接するように設けられ、赤外線を反射する赤外線反射手段２２とを含んで構成される。なお、気相成長装置２０には、被処理基板２４の近傍に設けられる温度センサと、ヒータ２６の動作を制御する制御手段とを含むけれども、図示を省略する。この気相成長装置２０としては、たとえば半導体基板に薄膜形成処理を施すことに用いられる半導体処理装置などがある。
【００３９】
反応炉２１は、直方体形状を有する筐体であり、たとえば金属製の穀体に耐火物などが内張りされて形成される。反応炉２１の長手方向の両端において対向する壁面部には、互いに対向する位置に貫通孔がそれぞれ形成され、この貫通孔に反応管２３が挿通するようにして装着される。反応管２３は、角筒形状を有し、耐熱性を有する材料、たとえば石英、アルミナなどから構成される。
【００４０】
反応管２３は、一方の端部であるガス導入口２７から、被処理基板２４の成膜面上に成膜するための成膜原料成分を含有するガスが、被処理基板２４の被処理面である成膜面に沿う方向である矢符２８方向に導入され、他方の端部であるガス排気口２９から、成膜処理に用いられたガスが矢符３０方向に排気される。
【００４１】
反応管２３のガス導入口２７へのガスの供給は、高圧ボンベなどのガス供給源、ガス供給源に接続される圧力／流量調整弁およびガス供給源と反応管２３とに接続されるガス供給管路を含んで構成されるガス供給手段によって行われるけれども、このガス供給手段については図示を省略する。
【００４２】
反応管２３には、反応管２３が反応炉２１に装着された状態で、反応炉２１の底面部２１ａを臨む側（下側）であって長手方向略中央部に開口部３１が形成される。開口部３１の形成される部分には、反応炉２１の底面部２１ａから立上がるようにしてヒータ２６が設けられる。ヒータ２６は、たとえば抵抗発熱体などからなり、不図示の回転駆動手段によって回転可能に設けられ、また不図示の電源から電力供給されて発熱することができる。このヒータ２６の上にサセプタ２５が装着される。サセプタ２５は、保持部材であり、その上に載置される被処理基板２４を保持することができる。ヒータ２６に電力供給して発熱させるとともに回転駆動させることによって、サセプタ２５が加熱および回転駆動され、さらにサセプタ２５に載置される被処理基板２４が、反応炉２１内で回転しながら加熱昇温される。
【００４３】
赤外線反射手段２２は、反応管２３の外壁面に接するように設けられる。赤外線反射手段２２としては、たとえば、モリブデン、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、クロムなどの高融点金属材料、合金の薄板などを用いることができる。赤外線反射手段２２は、反応管２３の内壁に付着する付着物の付着領域にわたって、反応管２３の外壁面に接するように設けられ、反応管２３の上面部材２３ａの上側の面に接するように設けられる。
【００４４】
ここで、反応管２３の内壁に付着する付着物とは、たとえば、成膜原料成分を被処理基板２４上に成長させる成膜ステップにおいて薄膜形成に用いられなかった残留ガスが浮遊しながら反応管２３のガス流過方向下流側に移動し、ガス排気口２９から排出されるまでの間にその一部が組成として不完全な副生成物となり、反応管２３の内壁に付着したものを指す。このような付着物は、反応管２３を構成する石英などの材料よりも赤外線吸収率が高いので、付着物の形成前と形成後とで反応管２３内部の温度分布が大きく変化し、均一な薄膜の形成が困難になる。
【００４５】
反応管２３の内壁に付着する付着物の付着領域は、次のようにして定められる。付着物の付着領域は、たとえば、赤外線反射手段２２を設けないこと以外は気相成長装置２０と同じ構成である気相成長装置を用い、予め定められる温度、反応管２３内でのガスの流量およびガスの濃度、ならびに気相反応シミュレーションなどの薄膜形成条件によって被処理基板２４に薄膜を形成する成膜プロセスを実施することにより求める。
【００４６】
図３は、成膜プロセスの回数と付着物の付着領域の面積との関係を示す図である。図３に示すように、付着物の付着領域は、成膜原料成分を含有するガスの種類、ガスの流速、反応管２３の寸法、反応管２３内部の温度分布、薄膜形成条件などに従って定まる安定した面積の大きさＳおよび安定した形状の領域に収束する。
【００４７】
図４は赤外線反射手段２２を設けないこと以外は気相成長装置２０と同じ構成である気相成長装置を用いて成膜プロセスを行い、付着物３２を付着させた反応管２３の断面図であり、図５は図４に示す反応管２３の上面部材２３ａをサセプタ２５側から見た図である。気相反応は、ヒータ２６によって加熱されるサセプタ２５のガス流過方向上流側から下流側にかけて進行するので、付着物３２は、反応管２３の上面部材２３ａのサセプタ２５の上方付近から下流側にかけて形成される。
【００４８】
付着物の付着領域は、付着物の付着領域の面積が安定した大きさＳになるまで成膜プロセスを実施することによって予め求めることができ、赤外線反射手段２２を設ける領域は、求めた付着領域に応じて反応管２３の外壁面上に設定される。
【００４９】
以下、気相成長装置２０による被処理基板２４に対する成膜動作について説明する。成膜時、まず成膜原料成分を含有するガスが、ガス導入口２７から反応管２３内へ導入される。ガス導入口２７から反応管２３内へ導入され被処理基板２４付近に達したガスは、ヒータ２６からサセプタ２５および被処理基板２４を介して放射される輻射熱およびガス中の熱伝導で温められ、熱化学反応が促進されることによって被処理基板６上に薄膜を形成する。
【００５０】
気相成長装置２０によれば、赤外線反射手段２２が設けられるので、反応管２３を透過した赤外線が赤外線反射手段２２によって反射され、再度反応管２３内の昇温に利用される。このことにより、高い加熱効率を得ることができ、成膜の初期段階においても高い加熱効率でガスを加熱することができる。
【００５１】
図６は、赤外線反射手段２２を設ける気相成長装置２０および図１６に示す赤外線反射手段を備えない横型ＭＯＣＶＤ装置１を用いたとき、被処理基板付近の温度が予め定める温度になるまでに要した時間をそれぞれ測定した結果を示す図である。ライン３３は、赤外線反射手段を備えない横型ＭＯＣＶＤ装置１を用いたときの被処理基板２４付近の温度が予め定める温度になるまでに要した時間を示し、ライン３４は、気相成長装置２０を用いたときの被処理基板２４付近の温度が予め定める温度になるまでに要した時間を示す。
【００５２】
なお、被処理基板付近の温度が予め定める温度になるまでに要した時間とは、常温（２５℃）の状態から予め定める温度である成膜温度になるまでに要した時間である。成膜温度は、成膜原料の種類などによって決定され、成膜原料を熱化学反応させるために必要な温度である。なお、温度上昇に要する時間は、１回の成膜プロセス終了毎に反応管の温度を常温まで降温させ、その後次の成膜プロセスを行い、それぞれの成膜プロセスにおける昇温に要する時間を測定して得た値である。
【００５３】
図６のライン３３に示すように、赤外線反射手段を備えない横型ＭＯＣＶＤ装置１では、１回目の成膜プロセスにおいて、予め定める温度までガスの温度を高めるのに長時間（Ｔ１）を要し、その後成膜プロセスを重ねる毎に昇温時間が短くなり、一定の値（Ｔ２）に収束した。すなわち、赤外線反射手段を備えない横型ＭＯＣＶＤ装置１では、付着物３２の付着領域が安定した後では、安定して短い時間で昇温させることができたけれども、初回のプロセスでは昇温に時間がかかり、熱エネルギの損失が大きいことが判る。このため、反応管２３内の温度分布が安定するまで前処理を行う必要がある。
【００５４】
一方、図６のライン３４に示すように、赤外線反射手段２２を設ける気相成長装置２０では、初回のプロセス時から昇温に要する時間が短く、成膜プロセスを重ねても昇温に要する時間は変わらなかった。すなわち、気相成長装置２０では、初回のプロセス時においても、多数回の成膜プロセスが行われた後でも、昇温時間が変化しないので、前処理が不要であり、高い生産効率を得ることができるとともに、均一な厚みの薄膜を再現性良く形成することができる。
【００５５】
図７は、図１に示す気相成長装置２０によって被処理基板を処理する回数であるプロセス回数と付着物３２の厚みとの関係を示す図である。図７に示すように、気相成長装置２０によって被処理基板を処理すると、赤外線反射手段を設けない前述の横型ＭＯＣＶＤ装置１を用いる場合に付着物３２が剥離し始めるｎ２回の成膜プロセスを実施しても、付着物３２の厚みは、付着物３２が剥離し始める厚みであるｔ２よりも小さい。このように付着物３２の量が低減されたのは、気相反応の副生成物として形成される付着物３２が反応管２３の内壁面が高温となる箇所では形成されにくく、反応管２３の外壁面に接するように赤外線反射手段２２を設けることによって反応管２３の内壁が加熱されて昇温したからであると考えられる。付着物３２の形成量が低減されることによって、反応管２３内壁に形成される付着物３２を除去するためのメンテナンス時間の間隔を長くし、その頻度を少なくすることができるので、一層生産効率を向上させることができる。
【００５６】
さらに、赤外線反射手段２２は、反応管２３の外壁面に接して設けられる。たとえば、赤外線反射手段２２が反応管２３の内壁面に接して設けられると、反応管２３内におけるガスの流速分布が変化してしまうけれども、本発明の気相成長装置２０では、赤外線反射手段２２は反応管２３の外壁面に接して設けられるので、反応管２３内部のガスの流速分布を乱すことがなく、被処理基板２４上に均一な厚みの膜を形成することができる。
【００５７】
なお、気相成長装置２０は、上記の構成に限定されることなく、種々の変更が可能である。たとえば、赤外線反射手段２２は、付着物３２の付着領域のみにわたって設けられることに限定されるものではなく、外壁面に接するように設けられるものであればよい。ただし、赤外線反射手段２２を、付着物３２の付着領域にわたって設けることによって、反応管２３内の温度分布が良好となり、被処理基板付近における成膜条件を安定にすることができるので、均一な厚みの薄膜を一層再現性よく形成することができる。
【００５８】
赤外線反射手段２２の設けられる部分の面積および形状が、付着物３２の付着領域の面積に比べて小さ過ぎると、付着領域が未だ定着していないために、その後の安定化へ向けた経時変化によって被処理基板付近における（ガスの）温度分布が変化し、均一な厚みの薄膜を再現性よく形成できないおそれがある。また赤外線反射手段２２の設けられる部分の面積が、付着物３２の付着領域の面積に比べて大き過ぎると、反応管２３内の高温領域が拡大することで、被処理基板付近で最適に制御されるべき成膜の条件、たとえばガスの温度、ガスの濃度、およびガスの流速などの条件が被処理基板の設置位置に対してずれてしまうおそれがある。
【００５９】
たとえば、反応管２３全体を赤外線反射手段２２で覆うと、被処理基板よりもガス導入口２７寄りの部分でガスの反応が始まり、被処理基板に到達するまでにガスが加熱されて反応する時間が長くなる。これによって、被処理基板付近で最適に制御されるべき成膜の条件が、被処理基板よりもガス導入口２７寄りの部分にシフトしてしまうため、被処理基板上で高品質な成膜が得られないおそれがある。
【００６０】
また、付着物３２の付着領域は、上記のように、赤外線反射手段２２を設けないこと以外は気相成長装置２０と同じ構成である気相成長装置を用い、気相成長装置２０を用いる場合と同じ薄膜形成条件で成膜プロセスを実施して定めることに限定されるものではなく、たとえば、シミュレーションなどにより予測されるものであってもよい。
【００６１】
図８は、気相成長装置に備えられる赤外線反射手段４０の構成を概略的に示す平面図である。この気相成長装置は、赤外線反射手段２２のかわりに、加熱手段であるヒータ２６から離反するのに伴って赤外線反射率が高くなる赤外線反射手段４０が設けられること以外は、前述の気相成長装置２０に類似するので、全体の構成図を省略するとともに、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００６２】
赤外線反射手段４０は、反応管２３の外壁面に接する側の面内で、赤外線反射率が変化することを特徴とする。さらに具体的には、赤外線反射手段４０は、反応管２３の外壁面に接して設けられる赤外線反射率が異なる複数（本形態では６つ）の第１〜第６赤外線反射部４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，４１ｅ，４１ｆ（以後、特定の赤外線反射部を示す場合を除いて、赤外線反射部４１と総称する）を含み、加熱手段であるヒータ２６から離反するのに伴って赤外線反射率の高い赤外線反射部４１が配置されることを特徴とする。
【００６３】
赤外線反射手段４０は、前述の赤外線反射手段２２と同様に、たとえば金属の薄板などで構成される。赤外線反射手段４０は、反応管２３の外壁面に接する側の面内で赤外線反射率が異なるように調整される。赤外線反射率の調整は、たとえば、つや消し、鏡面加工、乱反射加工などの加工方法によって部分的に表面状態を異ならせることによって実現できる。
【００６４】
赤外線反射部４１は、赤外線反射手段４０の反射率に応じて決定される赤外線反射手段４０の分割領域を示す。赤外線反射部４１は、たとえば、第１赤外線反射部４１ａ、第２赤外線反射部４１ｂ、第３赤外線反射部４１ｃ、第４赤外線反射部４１ｄ、第５赤外線反射部４１ｅ、第６赤外線反射部４１ｆの６つの領域によって定められる。赤外線反射部４１は、ヒータ２６から近い順に、第１赤外線反射部４１ａ、第２赤外線反射部４１ｂ、第３赤外線反射部４１ｃ、第４赤外線反射部４１ｄ、第５赤外線反射部４１ｅ、第６赤外線反射部４１ｆが定められる。また赤外線反射部４１は、赤外線反射率が低い順に、第１赤外線反射部４１ａ、第２赤外線反射部４１ｂ、第３赤外線反射部４１ｃ、第４赤外線反射部４１ｄ、第５赤外線反射部４１ｅ、第６赤外線反射部４１ｆが定められる。
【００６５】
このような赤外線反射手段４０を用いることにより得られる効果を説明するために、まず、反応管２３のヒータ２６から受ける熱エネルギ分布および反応管２３内の流速分布ならびに反応管２３に形成される付着物３２の状態を説明する。
【００６６】
図９は、ガス流過方向に直交する面を断面として見たときの反応管２３と、反応管２３の上面部材２３ａのヒータ２６から受ける熱エネルギ分布とを示す図である。図９の縦軸で示す反応管壁面の熱エネルギは、反応管２３を構成する石英がヒータ２６から受ける熱エネルギであって、反応管２３とヒータ２６とを黒体とみなしたとき、黒体２面間の放射伝熱計算式から算出された熱エネルギである。放射伝熱計算式を、下記式（１）に示す。
Ｑ＝（ＥＢ１−ＥＢ２）×ｃｏｓφ１×ｃｏｓφ２／（πｒ２×ｓ１×ｓ２）
…（１）
ただし、Ｑ；熱エネルギ
φ１；黒体Ａ１が黒体Ａ２から放射エネルギを受ける角度
φ２；黒体Ａ２が黒体Ａ１から放射エネルギを受ける角度
ＥＢ１；黒体Ａ１の放射エネルギ
ＥＢ２；黒体Ａ２の放射エネルギ
ｒ；２黒体間の距離
Ｓ１；黒体Ａ１の面積
Ｓ２；黒体Ａ２の面積
【００６７】
上記式（１）において、黒体Ａ１がヒータ２６であり、黒体Ａ２が反応管２３である。図９では、上記式（１）を用いて、反応管２３の上面部材２３ａがヒータ２６から受ける単位面積当りの熱エネルギを算出し、ヒータ２６からの水平距離によって熱エネルギが異なる反応管２３の熱エネルギ分布を示す。図９に示すように、反応管２３上面部材２３ａの熱エネルギは、ヒータ２６の上方部分であるヒータ領域においてはほぼ一定の高い値をとり、ヒータ２６から離反するのに伴って低下する。
【００６８】
図１０は、反応管２３内におけるガスの流速分布を示す図である。図１０の矢符４２で示すように、ガスの流速は、反応管２３の中央付近で大きくなり、側壁側に近づくのに伴って次第に小さくなる。
【００６９】
図１１は図４に示す付着物３２が付着する反応管２３の上面部材２３ａと、ヒータ２６との位置関係を示す図であり、図１２は図１１に示す付着物３２が付着する反応管２３の切断面線ＸＩＩ−ＸＩＩから見た断面図であり、図１３は図１１に示す付着物３２が付着する反応管２３の切断面線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩから見た断面図である。
【００７０】
前述のように、気相反応は、ヒータ２６によって加熱されるサセプタ２５のガス流過方向上流側から下流側にかけて進行するので、付着物３２は、反応管２３の上面部材２３ａのヒータ２６の上方付近から下流側にかけて形成される。また、図１２に示すように、ガス流過方向に直交する面を断面として見ると、付着物３２の厚みは、反応管２３の上面部材中央付近で最も小さく、中央から離反するに従って大きくなる。さらに、図１３に示すように、ガス流過方向に平行な面であって、反応管２３の上面部材および下面部材に直交する面を断面として見ると、付着物３２の厚みは、ヒータ２６の上方付近で小さく、ガス排気口２９側に近づくのに伴って大きくなる。
【００７１】
図９および図１０で示される反応管２３のヒータ２６から受ける熱エネルギ分布および反応管２３内のガスの流速分布と、図１２および図１３で示される付着物３２の形成状態とから、反応管２３の壁面が高温となる箇所では付着物３２が形成されにくく、また、ガスの流速が速い領域では付着物３２が形成されにくいことが判る。付着物３２は、前述のように、被処理基板２４に成膜が行われる際の副生成物であり、たとえば、反応管２３のヒータ２６から離れた上流の領域では、伝わる熱エネルギが小さく気相反応を起こし得る温度条件を満たさないので、気相反応自体が起こりにくく、付着物３２は形成され難い。
【００７２】
したがって、反応管２３内壁に形成される付着物３２は、その位置によって成長速度が異なり、成膜プロセスを続けると反応管２３内壁に形成される付着物３２に厚みのむらを発生する。このような付着物３２の厚みのむらは、微小な変化であっても反応管２３内のガスの流速分布および温度分布に大きく影響し、被処理基板２４上に形成する薄膜の均一性が低下する恐れがある。
【００７３】
気相成長装置に設けられる赤外線反射手段４０は、付着物３２が付着しやすい反応管２３内壁の領域において赤外線反射率を高く、付着物３２が付着しにくい反応管２３内壁の領域において赤外線反射率を低くすることができるので、反応管２３内壁に形成される付着物３２の厚みむらを小さくすることができる。またこれによって、反応管２３内部でのガスの流速分布の乱れおよび反応管２３内部での温度分布をなくすことができるので、被処理基板２４上への成膜を一層均一に行うことができる。
【００７４】
なお、赤外線反射手段４０は、ヒータ２６から離反するのに伴って赤外線反射率の高い赤外線反射部４１が配置されるような構成のみに限定されない。赤外線反射手段を構成する赤外線反射部材の配置は、たとえば、反応管２３内におけるガスの流速分布に応じて定められてもよい。このような場合、赤外線反射手段は、反応管２３の中央付近に赤外線反射率の低い赤外線反射部材を配置し、側壁側に近づくとともに次第に赤外線反射率が高くなるように赤外線反射部材を配置すればよい。
【００７５】
図１４は本発明の実施の第１形態である気相成長装置に備えられる赤外線反射手段５０の構成を概略的に示す平面図であり、図１５は赤外線反射手段５０の部分断面図である。本実施形態の気相成長装置は、赤外線反射手段２２のかわりに赤外線反射手段５０が設けられること以外は、前述の気相成長装置２０に類似するので、全体の構成図を省略するとともに、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００７６】
本実施形態の赤外線反射手段５０は、反応管２３外壁面に接して設けられるシート状の赤外線反射部材５１を含み、赤外線反射部材５１には、貫通孔５２が形成されることを特徴とする。赤外線反射部材５１としては、前述の実施形態の赤外線反射手段２２と同様に、たとえば金属の薄板などが用いられる。
【００７７】
赤外線反射部材５１への貫通孔５２の形成は、たとえば、パンチング加工、レーザ加工、エッチングなどの公知の加工方法により行われる。貫通孔５２の形状は、丸状に限定されることなく、角状、スリット状など、どのような形状であってもよい。
【００７８】
また赤外線反射部材５１としては、金属の薄板に限定されるものではなく、たとえば金属材料からなる薄膜などであってもよい。金属材料からなる薄膜への貫通孔５２の形成は、たとえば、エッチングなどの公知の加工方法により行われる。貫通孔５２を形成すべき部分を含む不要な部分にマスクを施し、赤外線反射部材５１を形成することによって、貫通孔５２を形成してもよい。
【００７９】
このような貫通孔５２が形成される赤外線反射部材５１を含む赤外線反射手段５０によれば、貫通孔５２の形成により、赤外線５３を反射する面積を調整することができ、貫通孔５２の部分から赤外線５３を反応管２３外部に放出させることができるので、反応管２３内部の温度を上昇させ過ぎることなく好適な温度で被処理基板２４上に成膜を行うことができる。
【００８０】
また、貫通孔５２は、ヒータ２６の上方付近では赤外線反射部材５１に形成される貫通孔５２の単位面積当りの面積を示す孔密度が大きく、ヒータ２６からガス排気口２９側に近づくのに伴って孔密度が小さくなるように形成されることが好ましい。貫通孔５２がこのように形成されることによって、ヒータ２６上方付近の付着物３２の量が少ない領域の赤外線反射率を低く、ガス排気口２９側の付着物３２の量が多い領域の赤外線反射率を高くすることができるので、付着物３２の厚みむらを小さくすることができる。また反応管２３内部でのガスの流速分布の乱れを防止することができるので、被処理基板２４上への成膜を一層均一に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】気相成長装置２０の反応炉２１まわりの構成を簡略化して示す側面からみた断面図である。
【図２】赤外線反射手段２２が設けられる反応管２３の上面図である。
【図３】成膜プロセスの回数と付着物の付着領域の面積との関係を示す図である。
【図４】赤外線反射手段２２を設けないこと以外は気相成長装置２０と同じ構成である気相成長装置を用いて成膜プロセスを行い、付着物３２を付着させた反応管２３の断面図である。
【図５】図４に示す反応管２３の上面部材２３ａをサセプタ２５側から見た図である。
【図６】赤外線反射手段２２を設ける気相成長装置２０および図１６に示す赤外線反射手段を備えない横型ＭＯＣＶＤ装置１を用いたとき、被処理基板付近の温度が予め定める温度になるまでに要した時間をそれぞれ測定した結果を示す図である。
【図７】図１に示す気相成長装置２０によって被処理基板を処理する回数であるプロセス回数と付着物３２の厚みとの関係を示す図である。
【図８】気相成長装置に備えられる赤外線反射手段４０の構成を概略的に示す平面図である。
【図９】ガス流過方向に直交する面を断面として見たときの反応管２３と、反応管２３の上面部材２３ａのヒータ２６から受ける熱エネルギ分布とを示す図である。
【図１０】反応管２３内におけるガスの流速分布を示す図である。
【図１１】図４に示す付着物３２が付着する反応管２３の上面部材２３ａと、ヒータ２６との位置関係を示す図である。
【図１２】図１１に示す付着物３２が付着する反応管２３の切断面線ＸＩＩ−ＸＩＩから見た断面図である。
【図１３】図１１に示す付着物３２が付着する反応管２３の切断面線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩから見た断面図である。
【図１４】本発明の実施の第１形態である気相成長装置に備えられる赤外線反射手段５０の構成を概略的に示す平面図である。
【図１５】赤外線反射手段５０の部分断面図である。
【図１６】従来の典型的な横型ＭＯＣＶＤ装置１の反応炉２まわりの構成を説明する模式図である。
【図１７】成膜ステップにおいて反応管３の内壁に副生成物１１が付着する状態を示す模式図である。
【図１８】図１６に示す横型ＭＯＣＶＤ装置１によって１枚の被処理基板を処理する回数であるプロセス回数と付着物の厚みとの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００８２】
２０  気相成長装置
２１  反応炉
２２，４０，５０  赤外線反射手段
２３  反応管
２４  被処理基板
２５  サセプタ
２６  ヒータ
２７  ガス導入口
２８  ガス導入方向
２９  ガス排気口
３０  ガス排気方向
３１  開口部
３２  付着物
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，４１ｅ，４１ｆ  赤外線反射部
４２  ガスの流速
５１  赤外線反射部材
５２  貫通孔
５３  赤外線
【図１】
0004641268.tif 000002
【図２】
0004641268.tif 000003
【図３】
0004641268.tif 000004
【図４】
0004641268.tif 000005
【図５】
0004641268.tif 000006
【図６】
0004641268.tif 000007
【図７】
0004641268.tif 000008
【図８】
0004641268.tif 000009
【図９】
0004641268.tif 000010
【図１０】
0004641268.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
0004641268.tif 000013
【図１３】
0004641268.tif 000014
【図１４】
0004641268.tif 000015
【図１５】
0004641268.tif 000016
【図１６】
0004641268.tif 000017
【図１７】
0004641268.tif 000018
【図１８】
0004641268.tif 000019