(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応空間（２）内に配置される複数の基板（１３）が、薄膜を形成するために使用される少なくとも２種の異なる反応物の交互に繰り返される表面反応に供される、基板上に薄膜を原子層エピタキシ法（ＡＬＥ）によって生成する方法であって、
−該反応体の各々を別々にそれ自体の供給源から、気相パルスの形式で、前記反応空間（２）に繰り返し交互に供給すること、
−該基板上に固体状態の薄膜生成物を形成する目的で、該気相反応物を基板（１３）の表面と反応せしめること、および
−気体状反応生成物および過剰になり得る反応物を気相で反応空間から除去することからなる方法において、
−ノズル・オリフィス（１０、１１）の平面が基板（１３）の平面に本質的に垂直になるように、ノズル・オリフィス（１０、１１）が本質的に平面状に配置された、樹状に分岐した流入配管（３）を使用することにより気体流を反応空間内に付与することを特徴とする方法。
【請求項２】
各チャネル（６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ）のノズル・オリフィス（１０、１１、１２）の質量流量を、それらが本質的に等しくなるように調整することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
各チャネル（６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ）のノズル・オリフィス（１０、１１、１２）の質量流量を、抵抗網の類推により行われるチャネルの流れ抵抗の計算によって（Ｒs1〜Ｒs5、Ｒr1〜Ｒr5）、それらが本質的に等しくなるように調整することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
各チャネル（６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ）のノズル・オリフィス（１０、１１、１２）の質量流量を、抵抗網の類推により実施されるノズルの圧力損失の計算によって（Ｐs、Ｐp）、それらが本質的に等しくなるように調整することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
相互連結されたプレート（１９、２０、２１）によって、流入配管（３）を実装することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
プレートの少なくとも１つに吸引溝（１８）を設け、両側に、環境（２、２３）の圧力に対して明らかな正圧または明らかな負圧のいずれかを溝に発生させることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
吸引溝（１８）に正圧を発生させる場合、キャリア・ガスを溝に導入して正圧を加える請求項６に記載の方法。
【請求項８】
表面反応により基板上に薄膜を形成するため、気相反応物の交互に行われる表面反応に基板をさらすことによって、基板上に薄膜を成長させる原子層エピタキシ法（ＡＬＥ）装置であって、
−複数の基板（１３）を取り付けることができる少なくとも１つの反応チャンバ（２）と、
−薄膜を成長させるために使用する反応物を供給するため、反応チャンバに接続された少なくとも１つの流入配管（３、５）と、
−気体状反応生成物および過剰な反応物を除去するため、反応チャンバに接続された出口通路とを含む装置において、
流入配管（３）が樹状に分岐しており、そのノズル・オリフィス（１０、１１）が、基板（１３）の平面に本質的に垂直な本質的に平面状に配置されていることを特徴とする装置。
【請求項９】
各チャネル（６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ）のノズル・オリフィス（１０、１１、１２）の質量流量が、それらが本質的に等しくなるように適合されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
各チャネル（６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ）のノズル・オリフィス（１０、１１、１２）の質量流量が、抵抗網の類推により行われるチャネルの流れ抵抗の計算によって（Ｒs1〜Ｒs5、Ｒr1〜Ｒr5）、それらが本質的に等しくなるように調整されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
各チャネル（６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ）のノズル・オリフィス（１０、１１、１２）の質量流量が、抵抗網の類推により実施されるノズルの圧力損失の計算によって（Ｐs、Ｐp）、それらが本質的に等しくなるように調整されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
相互連結されたプレート（１９、２０、２１）によって、流入配管（３）を実装することを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１３】
プレートの少なくとも１つに吸引溝（１８）を設け、両側に、環境（２、２３）の圧力に対して明らかな正圧または明らかな負圧のいずれかを溝に発生させることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１４】
正圧を形成するとき、キャリア・ガスを吸引溝（１８）に供給することを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
装置が、ノズル・オリフィス（１０、１１）を有するスリット・プレート（２１）の平面に対して本質的に垂直な位置に基板（１３）を支持することができる、基板ホルダ（１４）を含むことを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１６】
基板ホルダ（１４）が、基板をピラミッド形の配置に、あるいはＶ形の位置に支持するようにされたことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
基板ホルダ（１４）が、基板を１〜１０°の角度で、好ましくは約２°の角度で互いに支持することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
基板ホルダ（１４）が、反応空間から１つずつ、または全体（２２）として取り外すことができるように構成されていることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、薄膜を生成するための、請求項１の前提部分に記載される方法に関する。
本発明の方法では、反応空間内に配置される基板は、薄膜の生成に使用される少なくとも２種の異なる反応物と、交互に繰り返し表面反応する。気相反応物は、その各反応物がそれ自体の供給源からのものであって反応空間内に繰り返し交互に入れられ、その空間内では、基板上に固体状態の薄膜生成物を形成するために気相反応物と基板表面を反応させる。基板上に堆積しなかった反応生成物、および任意の過剰になり得る反応物は、気相の反応空間から除去される。
本発明は、請求項８の前提部分に記載される装置にも関する。
従来、薄膜は、真空蒸発堆積法、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）およびその他の対応する真空蒸着法、化学蒸着法（ＣＶＤ）の様々な変形法（低圧および有機金属ＣＶＤおよびプラズマＣＶＤを含む）、あるいは原子層エピタキシ法（ＡＬＥ）と呼ばれる繰返し交互に表面反応させる上述の堆積法を使用して成長させる。ＭＢＥおよびＣＶＤでは、その他のプロセス変数の他、出発材料の流入濃度も薄膜成長速度に影響を与える。第１の種類の従来法によって堆積される層の厚さを均一にするため、出発材料の濃度および反応性は、基板の全領域にわたり等しく保たなければならない。例えばＣＶＤ法の場合のように、異なる出発材料が基板表面に達する前に互いに混合される場合、それらの材料が相互反応する危険性が生じる。このとき、気体状反応物用の流入チャネル内に既に微粒子が形成されるという危険が差し迫っている。このような微粒子は、通常、薄膜の品質を劣化させるという影響を及ぼす。したがって、ＭＢＥおよびＣＶＤ反応器内で反応が早めに生じる可能性は、基板表面を加熱するよりも遅く出発材料を加熱することによって回避される。加熱することに加え、例えばプラズマやその他の類似の活性剤を使用して、所望の反応を開始することができる。
ＭＢＥおよびＣＶＤプロセスでは、薄膜の成長は、主に基板上に衝突する出発材料の流入速度を制御することによって調節される。これに対し、ＡＬＥプロセスは、出発材料の濃度または流れ特性ではなくて、基板表面の品質によって堆積速度を制御することに基づく。ＡＬＥプロセスでの唯一の必要条件とは、基板全体にわたって薄膜を形成するのに十分な濃度の出発材料を利用できることである。
ＡＬＥ法は、例えばＦＩ特許明細書Ｎｏ．５２３５９、Ｎｏ．９７７３０、Ｎｏ．５７９７５や、ＷＯ公開Ｎｏ．９６／１７１０７、米国特許明細書Ｎｏ．４０５８４３０、Ｎｏ．４３８９９７３に記載されており、これらには、この方法の実施に適するいくつかの装置の具体例も開示されている。薄膜を成長させる装置の構造は、以下の刊行物、すなわち
0004291418.tif 000002
にも見出すことができる。
ＡＬＥ堆積法では、原子または分子が配列され、基板上を通過して連続的にその基板表面に衝突し、その結果、基板上に十分に飽和した分子層が形成される。ＦＩ特許明細書Ｎｏ．５７９７５により知られる従来の技術によれば、飽和段階の後、不活性ガスのパルスによって拡散バリアが形成され、過剰な出発材料および気体状反応生成物が基板から一掃される。異なる出発材料の逐次的パルス、およびキャリア・ガスの拡散バリアの逐次的パルスは、後者が前者を分離し、異なる材料の表面の化学的性質によって制御される速度で、薄膜の成長を行う。このような反応器は、「進行波」反応器と呼ばれる。このプロセスの機能にとって、移動するのが気体か基板かは関係がなく、逐次反応段階の異なる出発材料が互いに分離しそして配列して基板上に交互に衝突することが重要である。
ほとんどの真空蒸着器は、いわゆる「シングル・ショット」の原理に従って作動する。これによって、気化した原子または分子は、基板に１回だけ衝突することができる。基板表面との反応が生じない場合は、装置の壁またはその内部で凝縮を行う真空ポンプにぶつかるように、リバウンドさせまたは再度気化させる。ホット・ウォール反応器内では、反応器の壁または基板に衝突する原子または分子が再度気化し、その結果、原子または分子が繰り返し基板に衝突する。ＡＬＥ反応器に適用する場合、この「マルチ・ショット」の原理によって、とりわけ、改善された材料消費効率をもたらすことができる。
ＡＬＥ堆積での出発材料が、流動力学またはその他の理由により基板の異なる部分に不均一に分布する場合、流れが最も希薄な部分でも膜の均一な成長を確実に行うために、各パルスごとに十分な量が流れることが保証される量で、各出発材料を基板全体にパルスすることが必要である。一方、流動幾何が数十もの濃度差をもたらすことができると考えると、不利益な流動幾何学の場合、膜が全体に成長するための前提とされるであろう出発材料の量よりも多くの量のパルスを与えることが必要になる。これは過剰投与と呼ばれ、出発材料の化学的性質などのその他の理由も、ここでは影響を及ぼす。
いかなる著しい過剰投与も行うことなく基板の異なる部分に十分な量の出発材料を供給するため、気体の均一な分布が実現されるように２つの解決策が適用される。
１．装置は、基板上の圧力が低いために気体分子の平均相互衝突距離が基板間の距離よりも大きくなるように構成される。これによって、気体分子のほとんどの衝突は基板にぶつかり、基板に対して均一に分布する気体はほんのわずかしかない。平均衝突距離が、一般的なシステムの壁どうしの距離ｄ、またはその少なくとも１００分の１に等しい場合、気体はトランジショナルと呼ばれる。圧力１ミリバールの室温では、窒素１分子の衝突距離は６４マイクロメートルであり、０．０１ミリバールでは６．４ｍｍである。ＡＬＥ反応器では、基板間の距離は一般に数ミリメートルの範囲である。したがって、上記の解決策が求められる場合、圧力は約１ミリバールでなければならず、またはさらに低いことが好ましい。
２．より高い圧力では、気体分子の平均衝突距離は減少し、気体はもはやトランジショナルではなくなり、その代わりに粘性状態になる（衝突間隔＜ｄ／１００）。粘性状態では、気体の流れはその分子の集合的な動きであり、衝突を経てともに結合し、圧力を低下させる。熱移動によって引き起こされる分子の混合は、拡散として表現される。これらの解決策での目的は、異なる気体流発生器およびノズルによって、基板上に気体を均一に分布させることであるが、これは、気体流の交差方向の拡散速度が、気体が伝播する速さに比べて低いためである。
第１の選択肢に伴う問題は、実装置の寸法において低圧を必要とすることである。圧力が一桁下がると、気体の流れを一定に保つには、ポンプの能力も一桁上げ気体の速度を一桁上げねばならない。
気体の速度は音速を超えることができないし、ポンプの価格は大きく増加することになる。その上、透過性を上げて圧損を押さえることにより圧力上昇を防止する必要上、圧力を下げるに従って反応器の寸法を増大させねばならない。これによる圧力の低下が再び前提とされることになる。
圧力は、出発材料の掃引流（sweep flow）および透過流（transmission flow）を減少させることによって低下させることもできる。しかしながら、透過させるべき出発材料は同じ量存在するのであるし、また十分な掃引も必要とされるのであるから、処理時間は長くなる。このことは研究用の反応器においては必ずしも問題とはならないが、量産装置や基板の表面積が大きい場合においては大きな問題となる。
第２の選択肢による解決策では、圧力は一般に２〜１０ミリバールであり、したがって必要なポンプは中間サイズでよく、配管や基板ホルダの寸法は実施が容易なものであって、気体を流す時間や流速も妥当なものとなる。
気体を基板の全幅にわたり均一に分布させる場合、各種の衝突部材や圧力低減装置あるいはスロットルが使用される。衝突部材においては、気体ジェットがその表面に当てられ、その表面でジェットの拡散および混合が生じる。このような衝突を複数回連続的に起こさせるようにアレンジすることも可能である。また、気体スロットルの機能は、平行なスロットルの進入側のコンダクタンスが、スロットルの端から端までのコンダクタンスに比べて大きいという事実に基づく。こうすると、気体にとってすべてのスロットルが均等となり、その流れは線状または平面状に均一に分布する。スロットルとしては、例えば狭いスリット、隣接するホール（パイプ）、シンタなどを使用することができる。
均一な流れが実現したとしても、実際には、粘性気体は圧力の低い方向、すなわち気体排出口に向けられるため、膜の均一性に関する問題が存在する。
この問題の解決策は、ＦＩ特許明細書Ｎｏ．９７７３１に記載されている。この特許による解決策では、気体の真空排気が排気端のスロットルを制御することによって調節される。この方法は、供給端のチャネルが大きく、強力な「気体ジェット」によって引き起こされる動的ファクタが分布に影響を及ぼさない場合に有効である。その場合は、均一な吸引をしているのは排気端であるにもかかわらず、流入端での流れも平らになり、それにより、気体混合物の分散が促進されるのである。
排気吸引の均一性は、排気ダクトのコンダクタンスが、例えば排気スリットのコンダクタンスの１０〜１００倍になるようにして実現されてきた。いくつかの既知の解決策では、基板間のスリットは、流れを分割するスロットルとして機能する。したがって気体流の分布は、排気ダクトのコンダクタンスと排気スリットのコンダクタンスの関係により影響を受ける可能性がある。気体が排気スリットを通過してしまえば、その気体の混合が生じたとしても、これはもはや大して重大な問題ではなくなる。したがって排気ダクトのコンダクタンスを、排気ダクトの寸法を増加させることによって増加させることができるのである。十分に良好なコンダクタンス比を実現するための別の代替案としては、排気スリットのコンダクタンスを低下させることも考えられる。しかしながら、この場合は反応器内の圧力と吐出管内の圧力も増加するという問題が提起されよう。
次に入力側に関しては、気体流量、チャネルの掃引可能性、および圧力損失が重要な役割を演じる。コンダクタンス比がフィードスリットを絞ることによって制御される場合、フィードチャネル内の圧力が上昇し固体（または液体、気体）供給源で実現可能な最低圧力を上昇させる。そうなると、蒸気圧を上げるために供給源の温度を上げることが（それがもし可能ならば）必要となるが、これは出発材料に悪影響を及ぼす可能性がある。例えば、供給源の効率（すなわち供給されるキャリア・ガスに対する、供給される出発材料のパルスの大きさ）は、問題とされる温度での出発材料容器内の圧力と供給源材料の蒸気圧の比による。また、圧力が上昇するとともに分子間の衝突が増加し、そのため若干の出発材料が分解することにもなろう。圧力が増加すると気体の密度が高くなり、したがって配管内の流量は、問題が生じるような低レベルにまで減少する可能性がある。フィードチャネルのサイズを大きくすれば、コンダクタンス比もそれによって影響を受ける可能性がある。これは流量を減少させ、スローな反応器にしてしまう。
本発明による構造では、吐出管は、樹状に分岐した配管で構成される。配管を計算するためにモデリング・ソフトウェアを開発したが、このソフトウェアは、コンダクタンス比が小さい場合であっても気体が均一に分布するように、配管の寸法決めをするために使用することができ、それによって、フィードチャネル内の気体速度にほとんど変化がないようにごくわずかな圧力損失を引き起こすだけで、パックを迅速に設計することができる（すなわち異なる部分が十分に掃引され、出発材料が加速または減速によって不必要にたたかれることがない）。
従来の構造（絞りがガラス同士の間のスリット以外のその他の手段によって行われる）では、基板に平行なプレートに設けられた凹部に基板を置いていた。この場合、吐出および排気用の配管は、基板ごとにまたは１対の基板ごとにプレートに設けられる。基板の枚数が増加するとともに、基板よりも大きいこれらのプレートの数も対応して増加する。ここでの問題は、パックの価格および重量が、基板の枚数が増加するとそれに正比例して増加することである。（プレートは、基板よりも長さが約１０〜１５ｃｍ長く、幅が約５〜１０ｃｍ大きいものであり、非常に厳密な公差で機械加工しなければならない。材料としてチタンを使用する場合は、それによって基板を支持するこのプレートの重量が、例えばガラス基板やＳｉウェーハ基板の重量と比べて大きくなる）。重量が大きいと熱容量も大きくなるから、真空中でゆっくりと加熱されることになる。既知の構造はコンパクトであり、その構造では基板の枚数が増加したパックを少ない部品で構成することができるから、前記引用した問題が無視できないものになる。
本発明による構造では、気体を送るために別個の供給装置をとりつける。この供給装置は管で組み立てることも可能であるが、気体用スリットが機械加工されたシートで形成することが最も有利である。シートは、基板に対して横に置く。この場合、気体供給チャネルシステムはシート内に形成されるが、そのシートの表面積は、パックの横断面よりもわずかに大きいだけである。
本発明の目的は、従来技術の欠点を克服し、均質な品質の薄膜を成長させる全く新規な方法および装置を提供することである。
本発明は、樹状の流入マニホルドを組み立てるという概念に基づくものであり、送りスリットの平面は、基板の平面に本質的に直角であることが好ましい。
本発明の方法は、ピラミッド状のカセット構造を有する装置内で実施できることが有利であり、このカセット構造は、その全体、あるいは１対の基板、１つのピラミッド、またはＶ字構造を、反応空間から一度に引き出すことができるものである。
より具体的には、本発明による方法は、主に請求項１の特徴部分に述べられている事項を特徴とする。
さらに本発明による装置は、請求項８の特徴部分で述べられている事項を特徴とする。
本発明に関して、「反応物」という用語は、基板表面と反応することができる気化可能な材料を意味する。ＡＬＥ法では、２つの異なる群に属する反応物を従来通り使用する。反応物は、固体、液体、または気体でよい。「金属反応物」という用語は、金属化合物または元素状態の金属にも使用される。適切な金属反応物は、塩化物および臭化物を含めた金属のハロゲン化物であり、また例えばｔｈｄ錯化合物などの有機金属化合物である。金属反応物の例として、Ｚｎ、ＺｎＣｌ2、Ｃａ（ｔｈｄ）2、（ＣＨ3）3Ａｌ、およびＣｐ2Ｍｇを挙げることができる。「非金属反応物」という用語は、金属化合物と反応することが可能な化合物および元素に使用する。後者の群は、一般に水、硫黄、硫化水素、およびアンモニアにより代表される。
本発明に関して、「キャリア」ガスという用語は、反応空間内に入り、反応物およびそれに対応する基板に関して望ましくない反応を妨げることが可能な気体を表すために使用する。このような反応には、例えば、反応物および基板と存在する可能性のある不純物との反応が含まれる。キャリア・ガスは、例えば流入配管内で、異なる反応物群内の物質間の反応を妨げる役目も果たす。本発明よる方法では、キャリア・ガスを、反応物の気相パルス用キャリア・ガスとして使用することも有利である。異なる反応物群の反応物が別個の入口マニホルドを経て反応空間に入る好ましい実施形態によれば、気相反応物パルスが１つの流入チャネルから入り、一方でキャリア・ガスは別の流入チャネルから入り、このため入ってきた反応物が別の反応物の流入チャネルに入るのを防止する。本発明の方法で使用するのに適するキャリア・ガスの中で、窒素ガスや、アルゴンなどの希ガスを挙げることができる。キャリア・ガスは、本質的に、望ましくない反応（例えば酸化反応）が基板表面で生じるのを妨げる役割をする、水素ガスなどの反応性気体でよい。
本発明によれば、「反応空間」という用語は、基板が配置される空間と、薄膜を成長させるために気相反応物を基板と反応させる空間（すなわち反応チャンバ）の両方を含み、気体の流入／流出チャネルは反応チャンバと直接連絡しており、前記チャネルは、反応物を反応チャンバに入れる役目をし（流入チャネル）、または薄膜成長プロセスによる気体状反応生成物および過剰な反応物を反応チャンバから除去する役目をする（流出チャネル）。実施形態の構造によれば、流入チャネルおよび流出チャネルの数は、それぞれ１つ以上に変えることができる。これらのチャネルは、基板の対向する端部に配置することもでき、それによって、各反応物群に対応する流出オリフィスは別の群の流入端部に配置され、舌によってそこから分離されることが有利である（図３の実施形態参照）。ガスは、反対方向から交互に基板上に送り込むことができる。このように、観察されるより強力などのような膜成長も、基板の流入端部で補償することが可能である。また、流出チャネルからの排気吸引も、交互に行うように調整する。
本明細書では、「基板表面」という用語は、反応チャンバ内に流入する気相反応物が初めに衝突する基板の上面を示すために使用する。実際のところ、前記表面は、薄膜成長プロセスの第１のサイクル中は例えばガラスなどの基板の表面により構成され、第２のサイクル中のその表面は、第１のサイクル中に形成された層により構成され、反応物間の反応によって堆積しかつ基板などに接着した固相反応生成物を含んでいる。
本発明によれば、個々の基板上の流れは流入端での流れによって決定される。これは、流動する材料の動的性質のために、できるだけ均一な速度の流れが特に有利であるからである。
均一な膜を成長させるため、本発明の解決策では以下の事柄が重要であることを見出した。すなわち、
各反応物の群は、別個の流入チャネルを経て反応チャンバ内に直接送り込まれる。好ましくは、反応物を基板に接触させる前に、反応物は、別の反応物群の流入チャネルから入ってきたキャリア・ガス流と混合して均質化される。この明細書の後で、反応物「送りオリフィス」と呼ばれる、異なる反応物群の流入チャネルの出口端は、薄膜構造の基板に接近した反応チャンバ内に出ていくように適合される。反応物汚染の危険性を無くすため、キャリア・ガス流は、流入チャネルまたは反応物を送るのに現在使用されていないチャネルを通り抜けて行くことによって特に有利になる。反応物送りオリフィスは、キャリア・ガス用の送りオリフィスに対して反対の側に配置する。
均質化ゾーンも反応チャンバの前に配置する。
反応ゾーンの目的は、それを流れる気体の均質性を維持することである。狭い反応チャンバを組み立てることにより（すなわち基板でのその高さがその幅に比べて小さくなるように）、反応チャンバ内の気体の流れにおいて濃度プロフィルは作り出されない。基板を封じ込める反応チャンバは、処理される基板に接近してチャンバ壁が配置されるように設計することが、特に有利である。
本発明の別法の場合、負圧供給源（例えば真空ポンプ）に連絡する排気チャネルと反応チャンバとの間の狭い吸引スリットとして、チョーキング（choking）を設けることができる。これは、１つの連続したスリットにより構成することができるが、スリットに対して大きいコンダクタンスを有する反応チャンバの後にある多数の小さい平行なスリットからも構成することができる。
カセット・タイプ構造を有する装置にはキャリア・ガス・シーリングが設けられ、このシーリングは、いかなる漏れも回収するためにプレートの縁に接近した周辺をたどって、吸引溝が平面要素の表面に形成されるように設けられる。吸引溝は、負圧流出チャネルに連絡するように形成される。吸引溝の目的は、外部の汚染が反応空間と接触することを回避することであり、反応物が反応空間の外側に漏れるのを防止することである。吸引溝内の隔離されたシール流は、流出チャネルに接近した基板の端部で反応ガスの最も強い圧縮が生じる場合に、最適に作用する。吸引溝の動作には、吸引溝内の圧力が反応空間内の圧力またはその外側よりも低いことが重要である。
カセット構造の部品は、ＡＬＥ堆積の際に使用される反応物に対し、表面が不活性な材料で作製する。有利な材料には、ガラス、および類似のケイ酸塩系材料、ならびに異なるセラミック材料が含まれる。
本発明による解決策は、以前に採用されたＡＬＥ解決策より優れる著しい利益を提供する。したがって、基板表面上の気体の分布がより均一になるために、過剰投入をより少なくすることが可能になり、その結果、出発材料の量が節約されて処理時間が短くなる。膜の品質も向上する。正確に寸法決めされた樹状構造は、圧力損失を低減させるのに使用することができるため、供給源でのシステムの圧力が減少して装置の効率が高まる。また本発明により寸法決めされた流入マニホルドは、より短い処理時間をもたらす、より迅速な装置を提供する。
上記装置の構造の詳細によれば、反応空間の重みを減少させ、システムの部品の数を最小限に抑えることが可能になる。
本発明およびその利点は、以下の詳細な説明および添付の図面から、より細部にわたって明らかになるであろう。
図１は、本発明による流入マニホルドを有する装置の概略図である。
図２は、図１の流入マニホルドのより詳細な図である。
図３は、主流入チャネルを構成する本発明によるプレートの断面図および底面図を示す図である。
図４は、流入チャネルを備える本発明によるプレートの底面図および側面図を示す図である。
図５は、本発明によるノズル・プレートの底面図である。
図６は、本発明による流入マニホルドの流入チャネルでの断面を示す図である。
図７は、図６の平面構造の上面図である。
図８は、本発明による基板を支持するシステムの端面図である。
図９は、図８の支持要素の１つの端面図である。
図１０は、図９の要素の側面図である。
次の用語および参照数字は、要素を参照するために以下で使用する。
ＡＬＥ装置                      １
反応チャンバ                    ２
流入配管Ａ                      ３
供給源群Ａ                      ４ａ
供給源群Ｂ                      ４ｂ
流入配管Ｂ                        ５
主流入チャネルＡ                ６ａ
主流入チャネルＢ                ６ｂ
流入チャネルＡ                  ７ａ
流入チャネルＢ                  ７ｂ
キャリア・ガス用主流入チャネル  ８
キャリア・ガス・チャネル        ９
流入スリットＢ                  １０
流入スリットＡ                  １１
キャリア・ガス用スリット        １２
基板                            １３
基板ホルダ                      １４
基板ホルダ用フレーム            １５
加熱抵抗器                      １６
流れ方向                        １７
吸引溝                          １８
主送りプレート                  １９
送りプレート                    ２０
スリット・プレート              ２１
基板パック                      ２２
真空エンベロープ                ２３
図１によれば、本発明によるＡＬＥ装置１は、真空エンベロープ２３の内側に反応チャンバ２を含み、このチャンバは抵抗器１６で加熱される。この装置は、材料供給源４ａ、流入配管３、および供給源４ｂからの第２の流入配管５をさらに含む。装置は、個別に図示しない流出配管も含む。
図２によれば、２種の供給源材料用の主流入チャネル６ａおよび６ｂを含む樹状流入配管３および５が反応チャンバの一端に配置され、この場合は上端に配置されている。加えて流入配管３は、必要とされるどの場所にも、例えば窒素Ｎ2を反応チャンバ内に送り込むキャリア・ガス・チャネル９を備える。適切な処理温度は、反応チャンバ２の外側に配置される抵抗器１６によって維持される。
図３によれば、主流入チャネル６ａおよび６ｂ、ならびにキャリア・ガス・チャネル９および吸引溝１８は、主送りプレート１９内に設けられ、この吸引溝は別の流入チャネルの周りを取り囲んでいる。吸引溝１８には、真空空間２３および実際の反応チャンバ２の圧力よりも低い圧力が加えられ、それによってすべての不純物が、最低圧力状態になっている吸引溝１８内へと除去される。あるいは、吸引溝１８は、真空空間２３および反応チャンバ２に対して正圧を有するように配置することができ、それによって、キャリア・ガスは正圧の吸引溝１８に送り込まれる。この結果、正圧によって、真空空間２３から反応チャンバ２への不純物の侵入が減少する。
図４の送りプレート２０は主送りプレート１９に接続され、それによって主流入チャネルは流入チャネル７ａおよび７ｂに樹状に分岐する。流入チャネル７ａおよび７ｂ内の流れは、均一な流れを達成するため、流入チャネル７ａおよび７ｂの断面が供給源４ａからノズル・オリフィスに向かって減少するようにして、チャネル断面の形状および面積によって制御される。
図５のスリット・プレート２１は、異なる送り材料用に流入チャネルを流入スリット１０および１１に分割し、キャリア・ガスは、スリット１２を通して反応チャンバに送り込まれる。均一な流れを維持するため、スリット１０および１１の面積は一般により大きく、その分このスリットは供給源からより離れて位置している。スリット１０および１１は、これらを組み合わせて反応チャンバ全体の長さの連続スリットを形成することもでき、それによって、流れを制御するためにスリットの形状をさらに使用することができる。
図６は、組み立てた構造としてのプレート構造１９、２０、および２１を示す。吸引溝１８の位置は、この図から特に明らかである。
図７は図６の構造の上面図であり、破線で示されている。
図８は、基板端方向から見た基板パック２２の構造を示す。基板ホルダ１４は、「ピラミッド形」の位置で２枚の基板を支持する。基板間の角度は約２°であるが、１〜１０°の間で変化させることができる。したがって基板は、流入マニホルドを形成するプレート１９、２０、および２１に本質的に垂直に配置される。この場合、流れは、図の座標に従って下方となる１７に向けられる。「ピラミッド形」構造の代わりに、基板を「吊り下げられたファイル・フォルダ」のようにＶ形に支持することもできる。ここでの基板間の角度は、「ピラミッド形」での説明と本質的に同じである。
図９によれば、個々の基板ホルダは、パックから別々に取り外すことができ、あるいはパック２２全体と一緒に取り外すことができる。基板ホルダ１４は、互いに連結させて全体をアコーディオン状に形成することができ、それによって、基板にさらに処理を行うために、パックを容易に開けることができる。
図１０に示すように、基板１３は、フレーム１５で囲まれる。
プレート１９、２０、および２１のサイズは、例えば１０個の３５０×３５０ｍｍの基板のパックである場合、約１５０×５００ｍｍである。１枚または数枚のプレートが必要であり、そこにより小さいプレートを連結して、流れ開口を覆うことができる。図８から図１０による実際の基板１３を支持するために、より軽い構造を使用することができる。このため、精密に機械加工した部品の数およびサイズが減少する。さらに、基板１３を取り替える場合、この構造を解体する必要がない。次いでパック２２は、ファイリング・キャビネットから吊り下げられたファイル・フォルダを引き出すようにして、パックから基板１３を引き出すことによって、取り外すことができる。基板が吊り下げられた状態で固定されていても、あるいは、支持された状態で固定されていても、基板をこのタイプの構造に装入して取り外すことが以前のどのような解決策よりも簡単である。
したがって本発明によれば、流入配管３は、主流入チャネル６ａおよび６ｂ（樹の幹）が２枚のプレート１９および２０の間に設けられ、基板間の１個または複数のスリット用の流入チャネル７ａおよび７ｂ（枝）に分岐するような樹状構造を有している。ここから気体流は、平行なスリット１０および１１により基板間の各スリットに分配される（葉）。最後に述べたスリット１０および１１も連結させて、その寸法をスリットのそれぞれの部分で変えることが可能な１つの連続スリットを形成することができる。スリットおよび流入チャネルのこのような寸法を特定するためにモデリング・プログラムを使用することによって、所望の圧力損失、速度、および速度変動が得られる。その目的は、各スリット１０および１１から同一の材料の流れを供給することである。パック内の流れの動的要因および公差の変動の影響を無くすため、構造構成部品の一部は、流れの分布を制御するためにそれらの寸法を変えるのが容易であるように構成されている。チャネル断面の側部の寸法は、一般に２〜２０ｍｍの範囲である。スリットは０．１〜２ｍｍの範囲であり、その深さは０．５〜２０ｍｍの範囲である。
基板の前のいかなる膜成長も防止するため、出発材料の両方の群に、別個の流入チャネル７ａおよび７ｂを設けた。必要であれば、窒素用に類似の気体供給システム９を組み立てることによって、流入スリット付近での気体の分離を増強することができる。しかし窒素の供給は、常に必要とは限らない。例えば出発材料のパルスが窒素パルス中に残渣を残す傾向があるときには、両方の供給源材料に対して同じ流入チャネルを使用するくらいに基板の前で気体を混合させることが有利な場合もある。この結果、流入チャネルの１つからの送りパルスは、ＣＶＤと同様の方式でこれらの残渣と反応し、このように生成されたＣＶＤ膜は、基板の前に形成され、ＡＬＥ膜の堆積を妨げることがない。
実施例
以下は、本発明の薄膜装置の寸法決めの例である。
基板サイズ            ３００×３００ｍｍ
基板の数              １０
反応チャンバの数      ５
基板間の平均間隔      １０ｍｍ
反応チャンバの全体積  ３００×３００×１０×５ｍｍ＝４５００ｃｍ3
流入チャネルの大きさ  １００ｃｍ3
全体積  ４６００ｃｍ3すなわち約４．６ｌ
ポンプ能力は、６００ｍ3／時、すなわち１６７ｌ／秒として選択される。パルス間の時間間隔は、少なくとも約０．０２８秒である。
均一な流れが望まれるとき、これは、流れがすべてのノズル内で等しい大きさにあると言うことによって表現することもできる。この結果、等しい流れが実現する条件について、試験を開始することができる。電気抵抗網（resistance network）により記述することが可能な以下のモデルを書いて、その状態を例示することができる。
0004291418.tif 000003
すべての流れスリットＢ１乃至Ｂ５に対して等しい流れが望まれるとき、問題の流れ抵抗によって形成された抵抗網内の抵抗の大きさは、「実際の」電気抵抗網の場合であるとして決定しなければならない。
この問題を解決する一方法は、抵抗器Ｒs1およびＲr1に適する値を与えることによって、その他の抵抗器の計算を行うことである。流れは流れ抵抗に比例して２つの交互に替わる流路に分割されるので、Ｂ２は、Ｒs1およびＲr1の合計に等しくなるようにＲr1を定義することによって、Ｂ１に等しくなるように制御されることができる。それに相応して、Ｒr3の値は、Ｒr2からＢ２およびＢ３を通過するものの半分であるように決定される。この解決策の数学的手法は、流入スリットの数が増えるにつれて複雑になる。
別の代替案は、流れによって生じる圧力損失を計算することである。
この代替案では、ある一定の流れがＲr1およびＲs1を通って基板に移動するときに、Ｒr2の送りでの圧力を計算する。Ｂ１〜Ｂ５点（基板の前縁部）での圧力が本質的に一定である仮定すると、Ｒr2の値は、そこを横切る流れがＢ１への流れに等しくなるように解くことができる。次に、流れの全体積に必要とされる流れ抵抗Ｒs2上の圧力の増加を計算する。得られる圧力は、Ｒr2の場合に行ったように、Ｒr3の値を計算するために使用する。次いでこれを、すべてのスリットについて繰り返す。
Ｒsnの値が０である場合、この特別な状態は、スリットの全コンダクタンスが送り管のコンダクタンスよりも非常に小さい場合に対応するであろう。実際の状態では、常にいくらかの抵抗が有り、その影響を考慮しなければならない。流れ体積は、送り管の異なる部分では異なるため、フィードからさらに離れて伝播するとき流れが減少するにつれてその断面を縮少することが有利である。この結果、気体速度が本質的に一定であり続け、または気体速度が最後の流入スリットの前で加速さえすることを確かめることもできる。このため管の洗浄が改善され、すなわち反応器の動作がより速くなる。
流れを分布させる手法は使用する圧力に左右されないが、この方法は、圧力１〜５０ミリバールで試験を行った。
この方法は、排気吸引を安定化するために使用することもできる。
スロットルは、スリット、穴、または管でよい。スリットが平行な場合、これらのスリットを組み合わせることができ、それによって長さまたは高さが変化する連続スリットが形成される。
この方法の前提は分子に質量が無いことであるため、実際には、分子の質量およびその速度の影響によって流れの分布は変化する。また、公式の不正確さおよび製造公差もこの歪みの一因となる。これが、配管が以下のトリミングを受ける理由である。
計量された平均に一致する平均流出量は、基板から測定する。各流れスロットルをそこと比較し、それに相応するようにより大きく、またはより小さくする。この手順を数回繰り返すことによって、非常に均一な流れさえ実現する。たいていの場合、１度修正すれば十分である。
この方法によれば、正確な値に非常に近いため正確な値にトリムすることが非常に容易であるように、流れおよび配管を設計することが可能である。同時に、等しい速度で移動する流れが得られる。均一な分布をもたらす流れ配管は、流れ抵抗が低くなるように、また速くなるように構成することもできる。
この方法は、平面流を得るためにも適用した。この結果、送り管は流れスリットの後に配置され、流れ分布は、配管に対して対応する手法で行われる。
この方法は、１つの幅の広い送りスリットを使用して、平面流分布に適用することも可能であろう。
【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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