JP2018133471A - 気相成膜装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】対向面の堆積物を抑制（ないし低減）することができる気相成膜装置を提供する。【解決手段】気相成膜装置１０は、成膜用基板１４を保持するためのサセプタ１２と、該サセプタ１２に対向する対向面２０により、水平方向にフローチャネル４０が形成されている。該フローチャネル４０には、材料ガスの導入口４２と、材料ガス及びパージガスの排気口４８が設けられている。前記対向面２０には、多数のパージガスノズル３６が設けられており、複数のパージエリアＰＥ１〜ＰＥ３に分割されている。各パージエリアＰＥ１〜ＰＥ３には、パージエリア毎に流量を調整するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）５２Ａ〜５２Ｃ，６２Ａ〜６２Ｃが設けられている。そして、パージエリアＰＥ１〜ＰＥ３毎に、前記ＭＦＣ５２Ａ〜５２Ｃ，６２Ａ〜６２Ｃでパージガスの質量流量を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体もしくは酸化物基板上に半導体膜を形成する気相成膜装置に関し、更に具体的には、堆積物の抑制（ないし低減）に関するものである。
一般に、気相成膜法により膜を形成するための気相成膜装置として、横型反応炉や自公転式反応炉がある。いずれも、炉内に導入した材料ガスを水平方向に流して基板上に成膜するものである。しかしながら、材料ガスの通路を挟んで基板と対向する対向面に、堆積物が堆積し、原料効率を低下させたり、対向面のメンテナンス頻度が高くなったりするという課題がある。その結果、コストの上昇にもつながってしまう。
対向面の堆積物を抑制ないし低減するという観点でみると、以下の特許文献に示す各種技術が開示されている。例えば、下記特許文献１は、対向面の堆積物抑制という目的ではないものの、押圧ガス（以下、本発明の説明においては「対向面パージガス」又は単に「パージガス」ないし「対向面パージ」とする）という方法が採用されている。しかし、この方法では流れが不安定で、乱流や渦が発生する可能性が高く、均一なダウンフローとならず、堆積物の低減は難しい。また、シャワーヘッドライクの対向面も提案されている（下記特許文献２）。しかし、対向面が直接水冷されていないため温度が高く、それゆえ、材料ガスの分解，拡散が活発であり、結果としてパージガスを導入しても堆積は激しい。下記特許文献３には、対向面パージの概念を、自公転炉に応用した技術が記載されている。しかし、当該技術においても、対向面は直接水冷されていないため、堆積は激しいものと考えられる。
そこで、対向面を冷却する手段としてシャワーヘッドを設け、パージガスを導入するという方法が考えられる。このような冷却に関する技術としては、すでに、下記特許文献４に、材料ガス用ではあるものの、水冷シャワーヘッドを設けた技術が開示されている。また、下記特許文献５には、より堆積しにくくするために、水冷シャワーヘッドやスリットアレータイプのノズル構造において、出口にテーパ形状を施すことが開示されている。更に、対向面パージを複数のゾーン（ないしエリア）に分割し、パージ効果に強弱をつけるために、各ゾーンで穴の密度が異なる構造が開示されている（下記特許文献６及び下記特許文献７）。
特開平４−１６４８９５号公報（第１図及び第２図） 特開２００１−２５０７８３号公報（第１図） 特開２０１０−２３２６２４号公報（第４図） 特開平８−９１９８９号公報 米国特許出願公開第２０１１／０９１６４８号明細書 特開２００２−１１０５６４号公報 特開２００２−２９９２４４号公報
しかしながら、以上のような特許文献記載の技術には、次のような課題がある。まず、特許文献４及び特許文献５に記載のような冷却する方法では、いくら平面を冷却しても、気相中の高温領域部分で分解した材料成分の一部は、必ず対向面まで拡散する。そして、分解した材料成分が対向面に到達すれば、少なくともその一部は、必ず対向面上に堆積する。
また、前記特許文献１〜３に記載のようなパージガスにより対向面への拡散を抑制する技術では、パージガスの流れの勢いが弱ければ、少なからぬ量の材料分子が対向面まで拡散してくることになる。むろん、パージガスを大量に流せば対向面まで拡散してくるのを大部分防ぐことができる。しかしながら、対向面の面積は非常に大きいため、対向面全体を相当の勢いでパージしようとすると、莫大な量のパージガスが必要となる。ガス使用量が多くなると、ガスにかかるコストが増大するのみならず、排気ポンプや排ガス処理設備などの負荷も増すため、装置及び周辺設備コストも増すことになる。
更に、前記特許文献６及び特許文献７に示すように、パージガスをゾーン分割し、角ゾーンにおける穴の密度を変えてパージ比を変える方法では、次のような課題がある。すなわち、化合物半導体デバイスでは、一般的に１バッチで、異なる複数種の成膜（例えば、ＧａＡｓ層とＩｎＧａＰ層など）を行う。従って、膜種が変わると対向面上の堆積状態も変わるので、１バッチの中で各パージゾーンの流量を変更できなければならない。しかしながら、前記特許文献６及び特許文献７に示すように、パージの強弱を穴の密度で変える構造では、一つの成長層に適したパージ比に設定するしかなく、１バッチで異なる複数種の成膜を行うときに、パージ比の制御ができないという不都合がある。
本発明は、以上のような点に着目したもので、対向面の堆積物を抑制（ないし低減）することができる気相成膜装置を提供することを、その目的とする。
本発明は、成膜用基板を保持するためのサセプタと、該サセプタ及び成膜用基板に対向し、水平方向のフローチャネルを形成する対向面と、前記フローチャネルに材料ガスを導入する導入部と、前記フローチャネルを通過したガスを排気する排気部と、前記対向面に設けられており、前記サセプタに向けて均一にパージガスを供給する多数のパージガスノズルと、を備えるとともに、前記対向面が、それぞれが複数のパージガスノズルを含む複数のパージエリアに分割されており、前記複数のパージエリア毎に、パージガス流量を制御する複数のマスフローコントローラを設けたことを特徴とする。
主要な形態の一つは、前記材料ガスの導入側を上流とし、排気側を下流としたときに、前記対向面が、前記上流・下流方向に、複数のパージエリアに分割されていることを特徴とする。他の形態の一つは、前記複数のマスフローコントローラは、前記対向面上の堆積が激しい部分ほど、多量のパージガスを流すように流量調整を行うことを特徴とする。更に他の形態の一つは、前記パージガスノズルは、シャワーヘッド状もしくはスリット状ノズルアレイであることを特徴とする。
更に他の形態の一つは、前記パージガスノズルの出口形状がテーパ状であることを特徴とする。更に他の形態の一つは、前記パージガスが、水素又は窒素，あるいはそれらの混合ガスであることを特徴とする。前記対向面を冷却する冷却手段を設けたことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。
本発明によれば、成膜用基板を保持するためのサセプタと、該サセプタ及び成膜用基板に対向し、水平方向のフローチャネルを形成する対向面と、前記フローチャネルに材料ガスを導入する導入部と、前記フローチャネルを通過したガスを排気する排気部と、前記対向面に設けられており、前記サセプタに向けて均一にパージガスを供給する多数のパージガスノズルとを備えるとともに、前記対向面が、それぞれが複数のパージガスノズルを含む複数のパージエリアに分割されており、前記複数のパージエリア毎に、パージガス流量を制御する複数のマスフローコントローラを設けることとした。このため、対向面の堆積物を抑制（低減）でき、それによって、原料効率の向上と、対向面のメンテナンス頻度の低減が可能となる。
本発明の実施例１の横型炉式の気相成膜装置の主要部を示す断面図である。 前記実施例１を示す図であり、(A)は気相成膜装置の平面図，(B)は均一なダウンフローの説明図である。 本発明の二次元シミュレーションの説明図であり、(A)は反応炉モデル（横型炉）の構成を示す図，(B)は壁隣接セルの説明図である。 前記二次元シミュレーションにおける条件１のフローパターン例である。 前記二次元シミュレーションにおける条件５のフローパターン例である。 前記二次元シミュレーションにおける条件１０のフローパターン例である。 前記二次元シミュレーションにおける条件１の濃度分布例である。 前記二次元シミュレーションにおける条件５の濃度分布例である。 前記二次元シミュレーションにおける条件１０の濃度分布例である。 前記二次元シミュレーションにおける基板側壁面上の堆積速度分布（全体から一様供給でパージ量を変化させた場合）を示すグラフである。 前記二次元シミュレーションにおける対向面上の堆積速度分布（全体から一様供給でパージ量を変化させた場合）を示すグラフである。 前記二次元シミュレーションにおけるパージガス流量に対する基板側壁面上及び対向面上堆積量の変化を示すグラフである。 前記二次元シミュレーションにおける基板側壁面上の堆積速度分布（パージ導入箇所依存性）を示すグラフである。 前記二次元シミュレーションにおける対向面上の堆積速度分布（パージ導入箇所依存性）を示すグラフである。 前記二次元シミュレーションにおける基板側壁面上の堆積速度分布(上流側からのみの供給で、パージ量を変化させた場合)を示すグラフである。 前記二次元シミュレーションにおける対向面上の堆積速度分布（上流からのみの供給で、パージ量を変化させた場合）を示すグラフである。 前記二次元シミュレーションにおけるパージを全体から流した場合と、上流から流した場合とを比較して示すグラフである。 前記二次元シミュレーションにおける基板側壁面上の堆積速度分布（総パージ量を固定して導入箇所のパージ比率を変えた場合）を示すグラフである。 前記二次元シミュレーションにおける対向面上の堆積速度分布（総パージ量を固定して導入箇所でパージ比率を変えた場合）を示すグラフである。 本発明の実施例２の自公転式の気相成膜装置を示す図であり、(A)は全体構成を示す断面図，(B)はエリア分割（ゾーン分割）を示す主要部の平面図である。 本発明の実施例３及び比較例の気相成膜装置の主要部を示す断面図であり、(A)は実施例３を示す図，(B)は比較例を示す図である。 本発明の他の実施例のスリット型ノズルを示す図であり、(A)は横型炉の場合のノズル配置を示す図，(B)は自公転炉の場合のノズル配置を示す図である。
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。
最初に、図１〜図１９を参照しながら本発明の実施例１を説明する。
＜構成例＞・・・最初に、図１及び図２を参照しながら、本実施例の気相成膜装置の構成の一例を説明する。図１は、本実施例の気相成膜装置の主要部を示す断面図，図２(A)は、前記気相成膜装置のパージエリア分割を示す平面図，図２(B)は均一なダウンフローの説明図である。図１及び図２に示すように、本実施例の気相成膜装置１０は、横型炉であって、成膜用の基板１４を保持するサセプタ１２の主面１２Ａに対して、対向面２０が配置されている。前記主面１２Ａと対向面２０の主面２０Ａの間が、成膜用のフローチャネル４０である。該フローチャネル４０は水平方向に形成されており、ガス導入部４２から、材料ガスが導入される。図示の例では、前記材料ガス導入部４２は、前記サセプタ１２の主面１２Ａ及び対向面２０の主面２０Ａに対して平行な２枚の仕切板４４Ａ，４４Ｂによって、３か所のガス導入部４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃに分けられている。また、前記フローチャネル４０には、前記ガス導入部４２から導入された材料ガスや、後述するパージガスノズル３６から導入されたパージガスを排気する排気部４８が設けられている。
前記対向面２０には、図１及び図２に示すように、パージガス（押圧ガス）を供給するためのパージガスノズル３６が多数設けられている。該パージガスノズル３６は、前記サセプタ１２（及び基板１４）に向けてパージガス（押圧ガス）を供給するものである。本実施例では、反応炉がフェイスアップ式のため、前記パージガスノズル３６は、対向面２０に均一なダウンフローを形成するようになっている。均一なダウンフローとは、図２(B)に示すように、パージガスノズル３６の穴から少し離れた位置において、下向きの流速が均一の状態をいう。なお、理解を容易にするために、図２(B)以外の図においては、パージガスノズル３６の穴出口付近の流速が均一でない部分については省略し、流速が均一な部分を下向きの矢印（ダウンフローの場合）で示している。また、前記対向面２０は、複数のパージエリア（ないしパージゾーン）ＰＥ１〜ＰＥ３に分割されており、それぞれのパージエリアＰＥ１〜ＰＥ３が、複数のパージガスノズル３６を含んでいる。
本実施例では、図１に示すように、シャワーヘッド型のパージガスノズルを用いている。具体的には、対向面２０内に、各パージエリアＰＥ１〜ＰＥ３に対応したシャワーヘッド３０Ａ〜３０Ｃが設けられている。シャワーヘッド３０Ａは、対向面２０内に設けられた中空のヘッド部３４と、該ヘッド部３４にパージガスを供給する導入部３２と、前記ヘッド部３４に連通する複数のパージガスノズル３６からなる構成となっている。前記パージガスノズル３６の端部は、前記フローチャネル４０に向けて開口している。他のシャワーヘッド３０Ｂ，３０Ｃについても、基本的には同様の構成となっている。
なお、本実施例では、前記対向面２０内に、該対向面２０を冷却するための冷却手段３８が設けられている。前記対向面２０には、前記多数のパージガスノズル３６の間に、前記冷却手段３８に接続された複数の冷却管３８Ａが配置されており、該冷却管３８Ａを流れる冷却媒体によって、前記対向面２０が冷却される。また、前記パージエリアＰＥ１〜ＰＥ３は、図２に示すように、前記材料ガスの導入部４２を上流側とし、排気部４８側を下流側としたときに、前記対向面２０が、上流・下流方向に複数に分割されるように、前記パージエリアＰＥ１〜ＰＥ３に分割されている。
前記シャワーヘッド３０Ａ〜３０Ｃには、パージガスの供給源５０，６０から、パージガスが供給される。本実施例では、パージガスとして、Ｈ２とＮ２を用いており、一方の供給源５０からＨ２が供給され、他方の供給源６０からＮ２が供給される。また、これらの供給源５０，６０と、前記シャワーヘッド３０Ａ〜３０Ｃの間には、パージエリア毎にパージガスの流量を調整するためのマスフローコントローラ（以下「ＭＦＣ」とする）が設けられる。具体的には、Ｈ２の供給源５０には、配管Ｐ１が接続されており、該配管Ｐ１は、３つの配管Ｐ１ａ，Ｐ１ｂ，Ｐ１ｃに分岐して、それぞれＭＦＣ５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃに接続されている。また、Ｎ２の供給源６０には、配管Ｐ２が接続されており、該配管Ｐ２は、３つの配管Ｐ２ａ，Ｐ２ｂ，Ｐ２ｃに分岐して、それぞれＭＦＣ６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃに接続されている。そして、これらのＭＦＣ５２Ａ〜５２Ｃ，６２Ａ〜６２Ｃで流量が調節されたパージガスは、配管３２Ａ〜３２Ｃを介して、それぞれシャワーヘッド３０Ａ〜３０Ｃの導入部３２に送られる。
すなわち、シャワーヘッド３０Ａ〜３０Ｃを備えたパージエリアＰＥ１〜ＰＥ３ごとに、パージガスの種類や材料ガスの種類に応じて、最適なパージガス流量となるように調整されてから、パージガスがフローチャネル４０に導入される。なお、導入するパージガスは、Ｈ２又はＮ２，あるいはそれらの混合ガスとしてもよい。他の公知の各種のパージガスを使用することを妨げるものではない。前記ＭＦＣ５２Ａ〜５２Ｃ及び６２Ａ〜６２Ｃは、前記対向面２０上の堆積が激しい部分（ゾーン）ほど、多量のパージガスを流すように流量調整を行う。
このような気相成膜装置１０の装置タイプ，基板，ガス，膜などの具体例の一例を挙げると、装置タイプは横型炉であり、基板は６インチサファイア１枚を用いる。成膜対象は、窒化ガリウムであり、ガス条件は、Ｆ１（図１に示す材料ガス導入部４２Ａにおける主流１）が、（Ｈ２）２．８ＳＬＭ＋（ＮＨ３）２ＳＬＭ，Ｆ２（図１に示す材料ガス導入部４２Ｂにおける主流２）が（Ｈ２）４．８ＳＬＭ，Ｆ３（図１に示す材料ガス導入部４２Ｃにおける主流３）が（Ｈ２）３．８ＳＬＭ＋（ＮＨ３）１ＳＬＭである。また、材料ガスは、ＴＭＧａを用い、１２０μｍｏｌ／ｍｉｎとした。成膜用基板１４の温度は１０５０℃、成膜速度は、３μｍ／ｈｒ、成膜時間は１時間とした。
＜シミュレーション＞・・・次に、図３〜図１９も参照しながら、本実施例の二次元シミュレーションについて説明する。
(1)反応炉モデル・・・図３(A)には、二次元シミュレーションの反応炉モデル（横型炉）が示されている。同図に示す反応炉６０は、基本的な構造は前記図１及び図２(A)に示した気相成膜装置１０と同様である。材料ガス導入部４２は、２枚の仕切板４４Ａ，４４Ｂによって、３つの導入口４２Ａ〜４２Ｃに分割されている。図３(A)には、前記導入口４２Ａから導入されるプロセスガスを主流Ｆ１，導入口４２Ｂから導入されるプロセスガスを主流Ｆ２，導入口４２Ｃから導入されるプロセスガスを主流Ｆ３と表している。また、導入口４２の上流・下流方向（図３(A)の左右方向）の長さを１００ｍｍとし、各導入口４２Ａ〜４２Ｃの高さないし厚さ（図３(A)の上下方向）を各４ｍｍとした。
一方、対向面２０側は、３つのパージエリアＰＥ１〜ＰＥ３に分割されており、パージエリアＰＥ１から供給されるパージガスを対向面パージＦ４，パージエリアＰＥ２から供給されるパージガスを対向面パージＦ５，パージエリアＰＥ３から供給されるパージガスを対向面パージＦ６としている。これらパージエリアＰＥ１〜ＰＥ３の上流・下流方向（図３(A)の左右方向）の長さは、それぞれ６０ｍｍとした。また、前記導入口４２から前記パージエリアＰＥ１までの長さを１０ｍｍとし、パージエリアＰＥ３から排気口４８までの長さを１０ｍｍとし、フローチャネル４０全体の長さを２００ｍｍとした。
(2)シミュレーション条件・・・前記反応炉６０を用いたシミュレーション条件は、以下の通りである。
ａ，材料ガスは、導入口４２Ｂのみから、任意単位で１の濃度で供給されるものとする。
ｂ，横型炉の２次元シミュレーションとするため、奥行き方向に分布はないという条件。
ｃ，対向面パージ（パージガス）は、均一なダウンフローが成立していると仮定する。
ｄ，キャリア（材料ガス）及び対向面パージ（パージガス）は水素とし、その粘性係数値を用いる。
ｅ，材料分子の拡散係数としては、最も主要な材料であるＴＭＧａの拡散係数を採用した。すなわち、パージガスである水素中のＴＭＧａ及びその分解生成物の拡散係数の混合とする。
ｆ，堆積モードとしては、サセプタ１２及び対向面２０ともに物質輸送律速に従うものとした。すなわち、(i)壁に到着したら全て堆積するという条件と、(ii)境界条件としては壁表面において常に材料分子濃度ゼロ、という条件とした。
(3)計算方法・・・上記条件で得られたシミュレーション結果の計算方法は、以下の通りとする。
(i)ナビエストークス方程式でフローパターンを求める。
(ii)上記ｆに示す濃度境界条件の下、移流拡散方程式を解いて、フローチャネル中の材料分子濃度分布を求める。
(iii)その後に、壁隣接セルへ流入する材料分子のフラックス（流速：単位時間単位面積あたりに流れる量）を式［Ｄ・ｄＣ／ｄｚ］（Ｄは拡散係数、ｄＣ／ｄｚは鉛直方向の濃度勾配）から求める。以上により、壁表面上への堆積速度を得る。ここで、「壁隣接セル」について、図３(B)を参照して説明すると、同図の左側に示すように、実際の物理現象では、材料分子は、壁Ｗ（サセプタ又は基板）まで到達したら必ず付着し、かつ離脱しない。これに対し、図３(B)の右側に示すように、シミュレーションにおいては、空間は複数のセルＣに分割されており、材料分子が、壁Ｗとの界面にあるセルＣ（同図に太線で囲った部分）に到達したら、必ず膜に取り込まれる。このときの壁Ｗとの界面にあるセルＣを、壁隣接セルと定義している。
(4)流速条件・・・前記主流Ｆ１〜Ｆ３，対向面パージＦ４〜Ｆ６の平均流速（単位：ｍ／ｓｅｃ）を以下の表１に示す条件１〜１２とした（表１〜表３及び図４〜図１９においては、条件の数字を丸付き数字で表している）。
(5)流量換算・・・次に、前記表１に示した条件の流量換算（単位：ＳＬＭ）を以下の表２に示した。なお、換算に当たっては、一般的な成長圧力である２０ｋＰａ，及び現実的な反応炉サイズで奥行き２００ｍｍ（すなわち６インチ１枚炉程度の反応炉サイズ）の条件のもと、前記流速を流量に換算した。なお、シミュレーションでは流速を規定するが、現実に即して流量に換算するためには、入口の断面積が必要である。二次元モデルでは、高さについては規定されているが、断面積を求めるにはそれに加えて奥行きが必要である。そのため、ここでは、６インチ１枚用の横型炉を想定して、奥行きを２００ｍｍと設定した。また、対向面パージＦ４〜Ｆ６の流速を設定した際、対向面パージＦ４〜Ｆ６の合計流量が、主流Ｆ１〜Ｆ３の合計流量を超えない程度の範囲で設定した。これは、多すぎるパージ流量は現実的ではないためである。
図４には「条件１」におけるフローパターン例が、図５には「条件５」におけるフローパターン例が、図６には「条件１０」におけるフローパターン例が示されている。また、これらをもとに得た「条件１」の濃度分布例が図７に、常用対数を用いて示されている。同様に、前記「条件５」の濃度分布例が図８に、前記「条件１０」の濃度分布例が図９に示されている。なお、図示は省略するが、他の条件「条件２，３，４，６，７，８，９，１１，１２」についても同様にフローパターン例と濃度分布例を得ている。
(6)全体から一様供給でパージ量を変化させた場合・・・図１０には、全体から一様供給でパージ量を変化させた場合の基板側壁面（サセプタ・基板側壁面）６２（図３(A)参照）上の堆積速度分布が示されている。横軸は、インジェクタ出口からの距離（ｍ）を示し、縦軸は、堆積速度（Ｄ・（ｄＣ／ｄｚ）（／ｍ２／ｓ））を示す。この図から、パージ量が多いほど、堆積速度が速い、すなわち、材料効率が高いことが確認された。
図１１には、全体から一様供給でパージ量を変化させた場合の対向面上の堆積速度分布が示されている。横軸はインジェクタ出口からの距離（ｍ）、縦軸は、堆積速度（Ｄ・（ｄＣ／ｄｚ）（／ｍ２／ｓ））を示す。この図から、パージ量が多いほど対向面６４（図３参照）上の堆積は減ることが確認された。
図１２には、パージガス流量に対する基板側壁面６２上及び対向面６４上堆積量の変化が示されている。同図において、横軸はパージガス流量（ＳＬＭ）、縦軸はサセプタ上の規格化堆積量である。ここで、縦軸の規格化堆積量は、以下のように算出する。まず、図１０などの堆積速度はｘの関数となっており、この関数をR(x)とする。これを計算範囲にある全てのｘに関して総和を取ると、数式的には積分∫R(x)dxということになる。比較を容易にするため、パージ流量ゼロにおける該積分値を１として、他の条件について規格化（相対化）する。これをサセプタ及び基板側と、対向面側の双方について行い、一つのグラフにプロットしたものが図１２である。堆積速度は時間当たりの堆積量であり、また規格化されているため縦軸は"規格化堆積量"と表現した。図１２のグラフから、対向面パージ量に対するサセプタ及び基板側と、対向面側の堆積量の比較が可能となる。すなわち、パージ流量を増やすにつれ、サセプタ及び基板側の平均堆積速度は増えている。これは材料効率がアップすることを意味する。対向面上の平均堆積速度は減っている。すなわち、対向面上の堆積が減少するので好ましい。
(7)パージ導入箇所依存性・・・図１３には、パージ導入箇所を変えた場合の、基板側壁面６２上の堆積速度分布が示されている。同図において、横軸は、インジェクタ出口からの距離（ｍ）を示し、縦軸は、堆積速度（Ｄ・（ｄＣ／ｄｚ）（／ｍ２／ｓ））を示す。この図から、パージガスの導入箇所は、上流からが最も効果的であり、下流から導入したパージガスはほとんど意味がないことが確認された。
図１４には、パージ導入箇所を変えた場合の、対向面６４上の堆積速度分布が示されている。同図において、横軸はインジェクタ出口からの距離（ｍ）、縦軸は、堆積速度（Ｄ・（ｄＣ／ｄｚ）（／ｍ２／ｓ））を示す。この図から、同じパージ量（条件６〜条件８）で比較すると、上流からパージガスを導入するのが最も対向面６４上の堆積が少ないことが確認された。また、「条件６」のパージガス総量は、「条件５」の１／３であるが、効果は若干劣る程度であることが分かる。
(8)上流からのみの供給で、パージ量を変化させた場合・・・図１５には、パージガスを上流からのみ供給し、パージ量を変化させた場合の基板側壁面６２上の堆積速度分布が示されている。同図において、横軸は、インジェクタ出口からの距離（ｍ）を示し、縦軸は、堆積速度（Ｄ・（ｄＣ／ｄｚ）（／ｍ２／ｓ））を示す。この図から、パージ量が多いほど基板側堆積量が多く、材料効率が良いことが確認された。また、パージ量により堆積速度カーブの曲率が変化していることが確認されたことから、膜厚均一性制御に利用できることが分かった。
図１６には、上流からのみの供給で、パージ量を変化させた場合の対向面６４上の堆積速度分布が示されている。同図において、横軸はインジェクタ出口からの距離（ｍ）、縦軸は、堆積速度（Ｄ・（ｄＣ／ｄｚ）（／ｍ２／ｓ））を示す。この図から、パージが多いほど対向面上の堆積が減ることが確認された。
図１７には、パージガスを全体から流した場合と、上流のみから流した場合との比較を示すグラフが示されている。横軸はパージガス流量（ＳＬＭ）、縦軸はサセプタ上の規格化堆積量である。この図から、パージガスの使用量が同じなら、全体から流すよりも、上流だけから導入したほうが効果的であることが確認された。
(9)総パージ量を固定して導入場所でパージ比率を変えた場合・・・図１８には、総パージ量を固定して導入箇所のパージ比率を変えた場合の、基板側壁面６２上の堆積速度分布が示されている。同図において、横軸は、インジェクタ出口からの距離（ｍ）を示し、縦軸は、堆積速度（Ｄ・（ｄＣ／ｄｚ）（／ｍ２／ｓ））を示す。この図から、「条件１０」と「条件１２」では、「条件１０」の方が若干材料効率がよい（ただし大きな差ではない）ことが確認された。また、堆積速度分布のパターン（曲率）が変化するため、膜厚分布最適化への利用が可能であることが確認された。
図１９には、総パージ量を固定して導入箇所でパージ比率を変えた場合の対向面６４上の堆積速度分布が示されている。同図において、横軸はインジェクタ出口からの距離（ｍ）、縦軸は、堆積速度（Ｄ・（ｄＣ／ｄｚ）（／ｍ２／ｓ））を示す。この図から、対向面堆積速度のトップ値は、「条件１２」が最も小さくベストであることが確認された（ただし、「条件１０」との差は大きくない）。
(10)まとめ・・・以上のシミュレーション結果のまとめが、以下の表３に示されている。なお理解を容易にするため、表３中のパージ流量及びパージ流量合計は「条件２」で規格化して表記している。
前記表３から、パージガス消費量とその効果を総合的に考えると、「条件９」〜「条件１２」が妥当と考えられる。なお、いずれの条件を採用するかは、他の要素（膜厚均一性など）も考慮し決定すればよい。
シミュレーション結果から確認できたことは、次の通りである。
(1)シミュレーションを行い、パージガスを上流部分から重点的に流すと効果的であることが分かった。その理由は、採用した条件下ではパージがない場合には、上流部分の堆積が最も著しいため、そこをパージしてやることが最も効果的であるからである。なお、実際にその場所で最も対向面上の堆積が顕著になるかどうかは、用いる材料ガス、キャリアガスのフローレート，成膜温度，対向面温度，成膜圧力などの条件により変わる。例えば、対向面上の堆積のピークが中流域にくるようであれば、中流域のパージ流量を増やすことが効果的である。従って、複数の対向面パージエリアに分割し、任意の場所のパージ量を任意に設定できる必要がある。
一般的には、１バッチにおいて複数種の成膜を行う。膜種が変わると対向面上の堆積の状態も変わるので、１バッチの中で各パージエリアの流量を変更できなければならない。従って、パージの強弱は穴の密度などではなく、マスフローコントローラによる制御が必須である。
(2)本発明によれば、パージバランスの最適化が可能である。これにより対向面上の堆積を抑制し、その結果、基板上への堆積の材料効率を向上させることができる。対向面のメンテナンス（クリーニング）は、対向面上の堆積物の剥離が始まったら行わなければならない。一般に、剥離は堆積物が最も厚いところで最初に発生する。パージバランスの最適化により、対向面上の堆積物の総量を減らすだけではなく、堆積物厚のピーク値も低下させることができ、それにより対向面のメンテナンス頻度を下げ、コストを低減することができる。
(3)副次的な効果として、対向面パージのバランスにより基板上の堆積速度分布をある程度コントロールすることができる。この効果は、基板上膜厚均一性の調整に応用可能である。
(4)パージガス種は、水素（Ｈ２）又は窒素（Ｎ２）、あるいはそれらの混合ガスとなる。パージ効果やコスト面では窒素が有利であるが、水素雰囲気が必要なプロセスもあるため、その場合は水素パージとする必要がある。窒素のほうがパージ効果が高いのは、重い分子ゆえに、拡散係数が小さいため、材料分子が対向面まで拡散しにくくなるためである。
このように、実施例１によれば、パージガスを供給する多数のパージガスノズル３６を備えた対向面２０を複数のパージエリアＰＥ１〜ＰＥ３に分割し、各パージエリアＰＥ１〜ＰＥ３に流すパージガスの流量をＭＦＣ（マスフローコントローラー）により調整可能とした。このため、パージガス流量バランスを最適化することにより、少ないパージガス量で対向面２０上の堆積物を減らし、対向面２０のメンテナンス頻度を下げるとともに、材料利用効率を上げることができるという効果がある。
次に、図２０を参照しながら、本発明の実施例２を説明する。なお、上述した実施例１と同一ないし対応する構成要素には同一の符号を用いることとする（以下の実施例についても同様）。上述した実施例１は、横型反応炉の例であるが、本実施例は、本発明を自公転式反応炉に適用した例である。図２０(A)は本実施例の自公転式の気相成膜装置の全体構成を示す断面図，図２０(B)はパージエリア分割（ないしパージゾーン分割）を示す主要部の平面図である。
図２０(A)に示すように、本実施例の気相成膜装置１００は、円板状のサセプタ１１０と、該サセプタ１１０に対向する対向面１２０と、材料ガス導入部１３０と、ガス排気部１４０とにより構成される。前記サセプタ１１０の主面１１０Ａと、前記対向面１２０の主面１２０Ａにより、水平方向にフローチャネル１２６が形成されている。成膜用の基板１５０は、基板保持部材１１４により保持され、基板保持部材１１４は、サセプタ１１０の受部１１２に保持されている。前記気相成膜装置１００は、中心対称性があり、サセプタ１１０はその中心軸に関し公転し、それと同時に、基板１５０は自転する構造となっている。これら公転・自転のための機構は公知である。また、図２０(A)の構造では、分離供給型インジェクタ部１６０も備えている。該インジェクタ部１６０は、第１のインジェクタ構成部材１６２と第２のインジェクタ構成部材１６４とによって、上中下の３層のガス導入部に分かれている。
本実施例では、図２０(A)及び(B)に示すように、前記インジェクタ部１６０の外周側に、同心円状の３つのパージエリアＰＥＡ，ＰＥＢ，ＰＥＣが形成されている。これらパージエリアＰＥＡ〜ＰＥＣには、それぞれ前記実施例１と同様に、図示しない多数のパージガスノズルが設けられており、各エリアに、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）が設けられ、パージガスの質量流量が調整されたうえで、フローチャネル１２６に導入される。本実施例の基本的な作用・効果は、上述した実施例１と同様である。
次に、図２１を参照しながら、本発明の実施例３を説明する。本実施例は、上述した実施例１の変形例であり、パージガスノズルのガス出口形状の工夫に関するものである。図２１(A)は本実施例の気相成膜装置の主要部を示す断面図，図２１(B)は比較例を示す図である。本実施例は、図２１(A)に示すように、パージガスノズル３６の出口に、フローチャネル４０側へ向けて拡大したテーパ面２０２を設けた例である。仮に、このようなテーパを設けないとすると、図２１(B)に示すように、パージガスノズル３６からフローチャネル４０に導入されたパージガスは、同図に矢印で示すように渦が発生し、材料ガスがその流れに乗って対向面の主面２０Ａに到達し、堆積物２１０が生じやすくなる。
そこで、本実施例では、このような渦発生に対し、図２１(A)に示す例のように、パージガスノズル３６の出口にテーパ面２０２を設けることで、均一なダウンフローが実現され、パージガスノズル３６の出口形状を平坦にした場合に生じる渦の発生を防止して、材料ガスを対向面２０に到達させず、堆積物を生じにくくさせることができる。他の基本的な作用・効果は、上述した実施例１と同様である。
なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例で示した形状，寸法も一例であり、必要に応じて適宜変更してよい。
(2)前記実施例で示したパージエリア（ないしパージゾーン）分割も一例であり、前記実施例では、上流・下流方向に、３つのゾーンに分割することとしたが、更に多くのゾーンに分割することを妨げるものではない。また、必ずしも、上流・下流方向に分割するのみでなく、反応炉の形状や導入口の配置等に応じ、同様の効果を奏する範囲内で適宜設計変更可能である。
(3)前記実施例１では、横型反応炉を例に挙げて説明したが、本発明は、前記実施例２で示すように、自公転式反応炉にも適用可能である。すなわち、水平方向のフローチャネルが形成される反応炉全般に適用可能である。また、成膜面がフェイスアップ，フェイスダウンのいずれでもよく、フェイスアップの場合は、対向面に均一なダウンフローを、フェイスダウンの場合は均一なアップフローを形成できるパージガスノズルを形成すればよい。なお、上下を反転しても、重力の影響をあまり受けることはない。
(4)前記実施例では、パージガスノズルとして、シャワーヘッド型のものを用いたが、スリット状アレイとしてもよい。例えば、図２２(A)には、気相成膜装置１０Ａが横型炉の場合のスリット型ノズルの配置例が示されており、スリットノズルアレイ２２０は、同図に太実線で示されているように、スリット状に形成されている。また、図２２(B)は、自公転炉の場合のスリット型ノズルアレイを示す図であり、スリットノズルアレイ２３０は、スリットノズルアレイ２３０は、同図に太実線で示すように、同心円状に配置されている。
(5)前記実施例では、パージガスとして水素又は窒素，あるいはその混合ガスとしたが、これも一例であり、同様の効果を奏する範囲で、公知の各種のガスをパージガスとして利用可能である。例えば、アルゴンや、窒化物系であればアンモニアもパージガスとして利用可能であろう。特にアンモニアを用いる場合は、フローチャネル内のV/III比分布の制御にも応用可能である。
(6)上流側・下流側のいずれのパージ量を多くするかは、材料ガスの種類等に応じて、対向面上の堆積が激しい部分でより多量のパージガスを流すようにすればよい。
本発明によれば、成膜用基板を保持するためのサセプタと、該サセプタ及び成膜用基板に対向し、水平方向のフローチャネルを形成する対向面と、前記フローチャネルに材料ガスを導入する導入部と、前記フローチャネルを通過したガスを排気する排気部と、前記対向面に設けられており、前記サセプタに向けて均一にパージガスを供給する多数のパージガスノズルと、を備えるとともに、前記対向面が、それぞれが複数のパージガスノズルを含む複数のパージエリアに分割されており、前記複数のパージエリア毎に、パージガス流量を制御する複数のマスフローコントローラを設けることとした。このため、対向面の堆積物を抑制（低減）でき、それによって、原料効率の向上と、対向面のメンテナンス頻度の低減が可能となるため、気相成膜装置の用途に適用できる。特に、化合物半導体膜や酸化物膜の成膜用途に好適である。
１０，１０Ａ：気相成膜装置
１２：サセプタ
１２Ａ：主面
１４：基板
２０：対向面
２０Ａ，２０Ｂ：主面
３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ：シャワーヘッド
３２：導入部
３２Ａ〜３２Ｃ：配管
３４：ヘッド部
３６：パージガスノズル
３８：冷却手段
３８Ａ：冷却管
４０：フローチャネル
４２，４２Ａ〜４２Ｃ：ガス導入部（導入口）
４４Ａ，４４Ｂ：仕切り板
４６：インジェクタ部
４８：排気部
５０，６０：供給源
５２Ａ〜５２Ｃ，６２Ａ〜６２Ｃ：マスフローコントローラ（ＭＦＣ）
６０：反応炉
６２：サセプタ・基板側壁面
６４：対向面
１００：気相成膜装置
１１０：サセプタ
１１０Ａ：主面
１１２：受部
１１４：基板保持部材
１２０：対向面
１２０Ａ：主面
１２６：フローチャネル
１３０：ガス導入部
１４０：ガス排気部
１５０：基板
１６０：インジェクタ部
１６２：第１のインジェクタ構成部材
１６４：第２のインジェクタ構成部材
２００：気相成膜装置
２０２：テーパ面
２１０：堆積物
２２０，２３０：スリットノズルアレイ
Ｆ１〜Ｆ３：主流
Ｆ４〜Ｆ６：対向面パージ（パージガス）
Ｐ１，Ｐ１ａ，Ｐ１ｂ，Ｐ１ｃ，Ｐ２，Ｐ２ａ，Ｐ２ｂ，Ｐ２ｃ：配管
ＰＥ１〜ＰＥ３，ＰＥＡ〜ＰＥＣ：パージエリア

Claims (7)

  1. 成膜用基板を保持するためのサセプタと、
    該サセプタ及び成膜用基板に対向し、水平方向のフローチャネルを形成する対向面と、
    前記フローチャネルに材料ガスを導入する導入部と、
    前記フローチャネルを通過したガスを排気する排気部と、
    前記対向面に設けられており、前記サセプタに向けて均一にパージガスを供給する多数のパージガスノズルと、
    を備えるとともに、
    前記対向面が、それぞれが複数のパージガスノズルを含む複数のパージエリアに分割されており、
    前記複数のパージエリア毎に、パージガス流量を制御する複数のマスフローコントローラを設けたことを特徴とする気相成膜装置。
  2. 前記材料ガスの導入側を上流とし、排気側を下流としたときに、
    前記対向面が、前記上流・下流方向に、複数のパージエリアに分割されていることを特徴とする請求項１記載の気相成膜装置。
  3. 前記複数のマスフローコントローラは、
    前記対向面上の堆積が激しい部分ほど、多量のパージガスを流すように流量調整を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の気相成膜装置。
  4. 前記パージガスノズルは、シャワーヘッド状もしくはスリット状ノズルアレイであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の気相成膜装置。
  5. 前記パージガスノズルの出口形状がテーパ状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の気相成膜装置。
  6. 前記パージガスが、水素又は窒素，あるいはそれらの混合ガスであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の気相成膜装置。
  7. 前記対向面を冷却する冷却手段を設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の気相成膜装置。
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