氣相成膜裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種可以較少氣體消耗量同時實現(xiàn)高揮發(fā)成分元素分壓、較快流速以及和緩的成膜速度曲線的三要素的成膜裝置。反應(yīng)器構(gòu)造是由圓板狀晶座、基板自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)的部件、對向于該圓板狀晶座的對向面形成構(gòu)件、噴射部、材料氣體的導(dǎo)入部以及氣體排氣部來加以構(gòu)成?；褰逵苫灞３謽?gòu)件(Wafer Holder)加以保持，基板保持構(gòu)件被保持于圓板狀晶座的承受部。圓板狀晶座相對其中心軸旋轉(zhuǎn)，同時基板會自轉(zhuǎn)。對向面形成構(gòu)件由于放射狀地交互形成有扇形的凹部及凸部的構(gòu)造，故流道高度會在周圍方向改變。因此，可以較少載體氣體流量實現(xiàn)與以往裝置的最佳條件相同的成膜質(zhì)量，可讓揮發(fā)成分元素的材料氣體分壓較以往要大幅提高。
【專利說明】氣相成膜裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是關(guān)于一種于半導(dǎo)體或氧化物基板上形成半導(dǎo)體膜的氣相成膜裝置，詳細(xì) 而言，是關(guān)于一種在成膜中讓基板自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)型的氣相成膜裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] -般而言，要確保藉由氣相成膜法所形成的膜質(zhì)量較高的必要要素有三個。具體 而言，是（a)成膜壓力、(b)流速、（C)成膜速度曲線三者。以下便分別就其對成膜質(zhì)量的影 響加以詳述。
[0003] 首先，關(guān)于（a)成膜壓力，對于具有高揮發(fā)性成分元素尤其重要。對于具有高揮發(fā) 特性成分元素的成膜系統(tǒng)中，提高成膜壓力會提升揮發(fā)成分元素的分壓，其結(jié)果會抑制揮 發(fā)成分元素從成膜脫離，而可得到缺陷較少的高質(zhì)量成膜。舉IIIV族化合物半導(dǎo)體為例， 由于V族元素的揮發(fā)性較高，故為了抑制其從成膜中脫離便需要提升氣相中V族的分壓。尤 其在氮化物系化合物半導(dǎo)體中，因氮元素的揮發(fā)性較高，故多以接近常壓的壓力來成長。
[0004] 接著為（b)流速，流速越快越好。一般的成膜條件下，雷諾數(shù)不至于高到會產(chǎn)生亂 流，只要不在產(chǎn)生亂流的范圍內(nèi)，成膜流速越高越好。其理由，首先第一是流速較慢則成膜 界面品質(zhì)便會降低。一般的成膜中，是在成膜過程中改變膜的成分組成，或改變摻雜物種等 而形成各種界面。但由于流速較慢時，對于接口形成前的成膜層的材料氣體不會快速地行 進(jìn)而排出反應(yīng)區(qū)，故難以獲得明顯（Sharp)的成膜界面，因此無法確保高質(zhì)量的成膜界面。 接著，由于反應(yīng)器內(nèi)從原料氣體被導(dǎo)入至到達(dá)基板處需要較長時間，故因氣相預(yù)反應(yīng)而使 得前驅(qū)物質(zhì)（原料元素）被消耗的比例會變多，故便會使得原料的利用效率降低。再者，由 于流速較慢時，要以氣流流速來抑制原料氣體的隨機(jī)擴(kuò)散會變得困難，故會在反應(yīng)器內(nèi)非 基板所在處產(chǎn)生不良的沉積物，而這都會對成膜質(zhì)量或再現(xiàn)性有不良影響。
[0005] 此等流速只要是在不會產(chǎn)生亂流的范圍內(nèi)，流速越快則越可穩(wěn)定地獲得高質(zhì)量成 膜及良好的界面質(zhì)量。將流速與先前的成膜壓力一起考慮，以相同載體氣體流量來加以比 較時，可謂是因成膜壓力越高則流速越慢，雖然有利于抑制高揮發(fā)元素的脫離，但使流速變 慢反而不利于成膜質(zhì)量，故此兩要素基本上無法兩者兼?zhèn)?。綜合性觀之，便需要探討最佳成 膜壓力與流速的操作。
[0006] 最后，關(guān)于（C)成膜速度曲線來進(jìn)行研究。圖10為顯示一般自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)式反應(yīng)器構(gòu) 造的剖面圖。更正確而言，為常用于IIIV族化合物半導(dǎo)體成膜的反應(yīng)器范例。反應(yīng)器100 藉由圓板狀晶座20、對向于該圓板狀晶座20的對向面形成構(gòu)件110、材料氣體的導(dǎo)入部60 及氣體排氣部38來加以構(gòu)成?；錡藉由基板保持構(gòu)件22來加以承載，基板保持構(gòu)件22 被置于圓板狀晶座20的承受部26。該反應(yīng)器100具有中心對稱性，而圓板狀晶座20會相 對其中心軸公轉(zhuǎn)，與此同時基板W會自轉(zhuǎn)的構(gòu)造。該等自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)用的部件為一般已知的部 件。圖10的構(gòu)造中，也具備有分離供給型氣體噴射器120。圖10的分離供給型噴射器120 是以第1噴射構(gòu)件122與第2噴射構(gòu)件124所構(gòu)成，分為上中下的3層氣體導(dǎo)入部60。而 大多是從上導(dǎo)入H2/N2/V族原料氣體，從中間導(dǎo)入III族原料氣體，從下導(dǎo)入H2/N2/V族原料 氣體的方式加以使用。本發(fā)明中，是將圓板狀晶座20及基板W上各位置的成膜速度集結(jié)構(gòu) 成相對于自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)式反應(yīng)器10半徑方向的成長曲線定義為成膜速度曲線。
[0007] 于圖11顯示該構(gòu)造的成膜裝置所獲得的一般成膜速度曲線。該曲線主要由原料 分子的輸送來加以決定。例如，IIIV族化合物半導(dǎo)體情況中，由于通常是讓V族過剩來進(jìn) 行成膜，故僅將III族來作為支配成膜速度曲線的原料分子。橫軸表示距噴射器出口端的 距離，縱軸表示成膜速度。成膜開始的地點幾乎等同于從分離供給型噴射器將原料氣體導(dǎo) 入至反應(yīng)器內(nèi)的噴射出口端位置。成膜速度會由該處上升，而在到達(dá)顛峰后便開始減少。 放置基板的位置一般來說是將基板最上游部位置于該成膜速度曲線巔峰的略下游位置。然 后，藉由讓基板自轉(zhuǎn)來消除上游與下游的成膜速度差，而可獲得較為良好的膜厚均勻性。反 言之，成膜速度曲線才是決定自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)后，獲得膜厚均勻性的結(jié)果。由于除了膜厚外，膜中 的化學(xué)組成或雜質(zhì)濃度等亦會大大地受到成膜速度影響，故相對于該等特性或其基板面內(nèi) 成膜均勻性，成膜速度曲線乃有非常重要的意義。因此，成膜速度曲線乃是對成膜質(zhì)量有重 大影響的重要要素之一。
[0008] 關(guān)于成膜速度曲線進(jìn)一步地進(jìn)行較深的研究。下文對成膜速度分布給予影響的 重要因子加以說明。在自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)式成膜方法中，在層流模式的流場下，以原料分子擴(kuò)散為 主的物質(zhì)輸送（masstransport)來限制成膜速度，即所謂物質(zhì)輸送（masstransport)限 制模式來進(jìn)行成膜者極多。此情況，舉出有（1)氣體中原料分子濃度、（2)載體氣體流量、 (3)流道高度3者是會對成膜速度分布有影響的主要因子。另外，本發(fā)明中，所謂載體氣體 (CarrierGas)流量的用語是指單純的載體氣體以外，也指用于成膜的所有氣體總合后的 總流量。關(guān)于該（1)至（3)中的（1)的原料分子濃度，成膜速度正比于原料分子濃度的單 純關(guān)系（改變原料分子濃度時成膜速度曲線的改變請參照圖12)。
[0009] 接著，就（2)的載體氣體流量進(jìn)行研究，圖13為顯示改變載體氣體流量時的成膜 速度曲線的差異。另外，在改變載體氣體流量時，其他成膜條件則全不改變。圖中（a)為 某載體氣體流量時的成膜速度曲線，（b)、（c)則分別為其2倍、3倍的載體氣體流量中 的成膜速度曲線。由此可知，增加載體氣體時，成膜速度曲線會在縱向上壓縮而延伸于橫 向來加以改變。以定量而言，流量為α倍時，成膜速度曲線會幾乎一致于縱向為l/α倍， 橫向G倍。這是因為在前述層流且物質(zhì)輸送限制模式情況下，成膜速度會正比于垂直基板 或圓板狀晶座面方向的原料分子的濃度梯度，然后，流道中的原料分子濃度會大致跟隨以 基板或圓板狀晶座表面中原料分子濃度為〇的邊界條件下的移流擴(kuò)散方程式（advective diffusionequation)的解。然后，上述載體氣體流量與成膜速度曲線的關(guān)系則可由移流擴(kuò) 散方程式所具有的相似規(guī)則性質(zhì)加以導(dǎo)出。
[0010] 進(jìn)一步地，就（3)的流道高度對成膜速度曲線的影響加以闡述。圖14顯示改變流 道高度時的成膜速度曲線。（a)為某流道高度LO時的成膜速度曲線，（b)、（c)則分別為其 2倍、3倍的流道高度的成膜速度曲線。該等如流量般，適用移流擴(kuò)散方程式的相似規(guī)則，流 道高度為α倍時，成膜速度曲線會幾乎一致于縱向為l/α倍，橫向而'倍者。
[0011]將以上（1)至（3)因子相關(guān)的研究匯整于下。越增加（2)的載體氣體流量，又使得 (3)的流道高度越大，則成膜速度曲線會顯示為相對性地延伸于徑向的形狀，亦即具有相對 和緩傾斜的形狀分布。最后，成膜速度的絕對值由（1)的原料分子濃度來加以決定。
[0012] 除了（1)至⑶的三因子外，以下便就成膜壓力對成膜速度曲線的影響加以研究。 依據(jù)移流擴(kuò)散方程式，流速與擴(kuò)散系數(shù)呈一定比率時，則流道中原料分子濃度分布便不會 改變。若使用相同載體氣體流量但僅改變壓力的情況時，流速會反比于壓力，一般而言，擴(kuò) 散系數(shù)亦會反比于壓力，所以流速與擴(kuò)散系數(shù)的比便不會改變。因此僅改變壓力時，便會得 到幾乎相同的結(jié)果。但是，不能忽視在氣相中的化學(xué)反應(yīng)因流速或壓力會改變其反應(yīng)進(jìn)行 的程度，故其要因所致的結(jié)果便可能有所差異。
[0013] 在清楚支配成膜速度曲線的三因子作用下，于是便就理想的成膜速度曲線加以研 究。如前述般，改變?nèi)蜃訒r會得到各種成膜速度曲線，但該等均存在各自的優(yōu)點及缺點。 在載體氣體流量較少時，或流道高度較小時所得到的相對陡峭的成膜速度曲線，直到原料 氣體在被排出為止，其所含有的大部分原料分子會被用盡。因此具有所謂原料利用效率高 的優(yōu)點。其另一方面，則一定會在基板的上游圓板狀晶座上形成較厚的沉積層的缺點。此 上游沉積物除了有降低成膜質(zhì)量的憂慮外，會有導(dǎo)致成膜不穩(wěn)而使產(chǎn)能降低，或增加維修 頻率等而成為成本上升的要因。又，當(dāng)上游與下游的成膜速度差異較大時，則經(jīng)常以相同成 膜速度成膜的基板中心與快慢交互的基板周邊部便容易產(chǎn)生組成或雜質(zhì)濃度的成膜質(zhì)量 差異，該等均會導(dǎo)致均勻性降低的結(jié)果。
[0014] 載體氣體流量較多時，或流道高度較大時，相反地，成膜速度分布會相反地變?yōu)楹?緩，此情況的原料利用效率雖會相對較低，卻會使得因上游沉積物的不良影響變少，并容易 得到更均勻的成膜質(zhì)量。如此般，任何情況均有長短處，因此要在綜合判斷成膜質(zhì)量或生產(chǎn) 性的要素上來選擇最佳的成膜速度曲線。只是，單就追求成膜質(zhì)量或成膜均勻性的話，則和 緩的成膜速度曲線較佳。
[0015] 回到于此開頭所舉出的三要素，（a)成膜壓力（尤其是高揮發(fā)成分元素的分壓）、 (b)流速以及（c)成膜速度曲線，就該等對成膜質(zhì)量的影響加以匯整，則要得到良好成膜質(zhì) 量或成膜均勻性，便要以（a)成膜壓力越高、(b)流速越快以及（c)成膜速度曲線越和緩者 為佳。
[0016] 現(xiàn)在將載體氣體流量固定，欲在高成膜壓力下得到較快流速便只有縮小流道高 度。然而，流道高度較小時，（C)的成膜速度分布會變得陡峭，這點是不利的。若在此狀態(tài) 下要實現(xiàn)和緩的成膜速度分布的話，結(jié)果便只能增加載體氣體流量。然而，僅增加載體氣體 流量，由于高揮發(fā)成分元素的材料氣體比例會降低，而會產(chǎn)生高揮發(fā)成分元素的分壓降低 的結(jié)果。結(jié)果到頭來，高揮發(fā)成分元素的材料氣體也需要和載體氣體同樣地增加，而材料氣 體價格昂貴，故要自由地增加在現(xiàn)實上是不可能的。
[0017] 相反地，在可實現(xiàn)較快流速的低壓下，基本上各種氣體的分壓便不得不降低。但 是，若使得載體氣體中高揮發(fā)成分材料氣體的比例提高，則在低壓下亦可實現(xiàn)高的分壓。以 下便就此可能性加以考慮。如前述般，材料氣體的供給流量并非無限制的增加，事實上是有 上限的。從而，為了在某壓力且已決定的材料氣體流量的基礎(chǔ)下提升材料氣體的分壓，便須 要減少材料氣體以外的載體氣體。為了以較少的載體氣體流量來得到和緩的成膜速度曲 線，只要增大流道高度即可。然而，由于在較少的載體氣體流量下增大流道高度時，會相乘 地使得流速降低，故即便在低壓下仍會導(dǎo)致嚴(yán)重的成膜質(zhì)量降低及生產(chǎn)性降低的結(jié)果。
[0018] 先前技術(shù)文獻(xiàn)
[0019] 專利文獻(xiàn)1:日本特開2002-175992號公報
[0020] 由以上的研究，要維持實際材料氣體流量，而同時滿足高揮發(fā)成分元素分壓、較快 流速及和緩的成膜速度分布的三要素，在以往的裝置來說是有困難的，尤其在量產(chǎn)所使用 的大型裝置中說是不可能亦不過分。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0021] 有鑒于上述以往技術(shù)的問題點，本發(fā)明則以提供一種以較少氣體消耗量來同時實 現(xiàn)高揮發(fā)成分元素分壓、較快流速及和緩的成膜速度曲線的三要素的成膜裝置為目的。
[0022] 本發(fā)明是一種具有承載（hold)成膜用基板的基板保持構(gòu)件（WaferHolder)的圓 板狀晶座（Susceptor)、讓該基板自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)的部件、對向于該基板保持構(gòu)件而形成流道的對 向面、材料氣體的導(dǎo)入部及排氣部的氣相成膜裝置，其以圓板狀晶座與對向面的距離會在 該基板的公轉(zhuǎn)方向中產(chǎn)生變化的方式，在該對向面施以凹凸形狀。
[0023] 在一個【具體實施方式】中，該材料氣體的導(dǎo)入部具有圓板狀的噴射器（Injector)， 并于其中施以與該對向面的凹凸形狀對應(yīng)的凹凸形狀。其他形態(tài)成膜方式為化學(xué)氣相成 長。在另一個【具體實施方式】中，所生成的膜為化合物半導(dǎo)體膜。
[0024] 在另一個【具體實施方式】中，該材料氣體的一部分含有有機(jī)金屬。構(gòu)成該對向面及 該噴射器的構(gòu)件材質(zhì)為不銹鋼、鑰等金屬材料；碳、碳化硅、碳化鉭等碳化物；氮化硼、氮化 鋁等氮化物；以及石英、氧化鋁等氧化物系陶瓷的任一中，或該等同的組合。本發(fā)明的前述 及其他目的、特征及優(yōu)點應(yīng)可由以下的詳細(xì)說明及所附圖式加以明了。
[0025] 依本發(fā)明，不僅可以較少的載體氣體流量實現(xiàn)與以往裝置的最佳條件相同的成膜 質(zhì)量，尚可使揮發(fā)成分的材料氣體分壓較以往要來的大幅提高，因此能實現(xiàn)較以往要高質(zhì) 量的成膜。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1為顯示本發(fā)明的對向面形成構(gòu)件的平面圖。
[0027] 圖2為圖1的A-A線剖視圖。
[0028] 圖3為顯示對向面形成構(gòu)件的其他范例的平面圖。
[0029] 圖4為顯示對向面形成構(gòu)件的其他范例的剖視圖。
[0030] 圖5為顯示本發(fā)明的反應(yīng)器構(gòu)造的立體分解圖。
[0031] 圖6為顯示本發(fā)明的反應(yīng)器構(gòu)造的剖視圖。
[0032] 圖7為顯示本發(fā)明的噴射器構(gòu)造的立體分解圖。
[0033] 圖8為顯示本發(fā)明實驗例所獲得的成膜速度曲線的圖式。
[0034] 圖9為顯示本發(fā)明實驗例所獲得的多重量子井的光致發(fā)光頻譜（Photo Luminescencespectrum)的圖式。
[0035] 圖10為顯示以往自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)式成膜裝置的反應(yīng)器構(gòu)造的剖視圖。
[0036] 圖11為顯示一般的成膜速度曲線與自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)的基板配置的圖式。
[0037] 圖12為顯示改變原料分子濃度時的成膜速度曲線變化的圖式。
[0038] 圖13為顯示改變載體氣體流量時的成膜速度曲線變化的圖式。
[0039] 圖14為顯示改變流道高度時的成膜速度曲線變化的圖式。
[0040]10 :反應(yīng)器構(gòu)造
[0041] 20:圓板狀晶座
[0042] 22 :基板保持構(gòu)件
[0043] 26 :承受部
[0044] 30 :對向面形成構(gòu)件
[0045] 32:開口部
[0046] 34:凹部
[0047] 35:側(cè)壁
[0048] 36:凸部
[0049] 38 :氣體排氣部
[0050] 40:噴射器
[0051] 42 :第1噴射器構(gòu)成構(gòu)件
[0052] 44:凹部
[0053] 46:凸部
[0054] 48:氣體導(dǎo)入口
[0055] 48A:貫通孔
[0056] 50:第2噴射器構(gòu)成構(gòu)件
[0057] 52:凹部
[0058] 54:凸部
[0059] 56:氣體導(dǎo)入口
[0060] 56A:貫通孔
[0061] 60 :氣體導(dǎo)入部
[0062] 70 :對向面形成構(gòu)件
[0063] 74:凹部
[0064] 74A:長方形部分
[0065] 74B:扇狀部分
[0066] 75 :平邊
[0067] 76:凸部
[0068] 100 :反應(yīng)器構(gòu)造
[0069] 110:對向面形成構(gòu)件
[0070] 120:噴射器
[0071] 122:第1噴射器構(gòu)成構(gòu)件
[0072] 124:第2噴射器構(gòu)成構(gòu)件
[0073]W:基板
[0074]L:流道高度

【具體實施方式】
[0075] 以下，便基于實施例來詳細(xì)說明用以實施本發(fā)明的最佳形態(tài)。
[0076]〈本發(fā)明的基本概念〉首先，參照圖1及圖2來說明本發(fā)明的概念。為解決上 述課題而精心努力的結(jié)果，發(fā)明人找出一種以較少的載體氣體流量可實現(xiàn)充分快速的流 速，且可同時實現(xiàn)最佳成膜速度曲線的反應(yīng)器構(gòu)造。其方法藉由在對向面設(shè)置凹凸流道， 從反應(yīng)器中心形成放射狀擴(kuò)散而相互分離的流道，以將有助于成膜的區(qū)域限定于該流道。 以往技術(shù)中，存在有以對向面形狀為錐型，或在流道中途設(shè)置段差的方法（例如日本特開 2005-5693號公報等）。但是，從周圍方向觀之時，流道高度都是固定的。從而，日本特開 2005-5693號公報的技術(shù)中，雖有降低基板上游的區(qū)域中的不欲成膜的效果，但由于基板區(qū) 域中流道高度在周圍方向中是固定的，故基板區(qū)域的成膜速度曲線本質(zhì)上與一般流道形狀 者并無改變。從而，該構(gòu)造中，亦無法逃脫前述成膜壓力、流速及成膜速度曲線的三要素所 復(fù)合的問題。本發(fā)明在周圍方向讓流道高度具有變化，其意味著是和以往者完全不同的形 態(tài)，然后，是具有以下所述般的效能。
[0077] 圖1及圖2顯示了本發(fā)明的概念。圖1是構(gòu)成本發(fā)明成膜裝置的對向面形成構(gòu)件 的平面圖，圖2是該圖1的A-A線剖視圖。成膜裝置的反應(yīng)器構(gòu)造如圖5及圖6所示，在此 為了本發(fā)明基本概念的說明，則僅就對向面形成構(gòu)件30來加以說明。另外，反應(yīng)器構(gòu)造10 本身基本上是與上述【背景技術(shù)】的反應(yīng)器構(gòu)造100相同，但本發(fā)明中，則具有圓板狀晶座20 與所對向的對向面形成構(gòu)件30的形狀特征。該對向面形成構(gòu)件30于中央具有開口部32， 并放射狀地交互形成有凹部34及凸部36。圓板狀晶座20的對向面只要為此般形狀，材料 氣體便幾乎不會在凸部36流動，而大部分氣體會在凹部34流動，故成膜基本上僅會在凹部 34進(jìn)行。
[0078] 進(jìn)一步地舉例來詳述本發(fā)明的概念。以往構(gòu)造（參照圖10)中，是以流道高度LO 來從成膜壓力、流速、成膜速度曲線的觀點得到最佳成膜條件。將本發(fā)明構(gòu)造的凸部36與 凹部34的面積比率設(shè)定為1 :1，然后凹部34的流道高度L(參照圖2)則與以往構(gòu)造的最 佳值LO相同。為了容易理解，假設(shè)凸部36完全沒有氣體流動而僅流動于凹部34。另外，實 際構(gòu)造中，雖無法將成膜區(qū)域完全地限定于凹部34,但實際上已相當(dāng)，故在此假設(shè)下進(jìn)行研 究并不會有問題。成膜壓力由于可任意地控制，故將其設(shè)定為與以往裝置的條件相同。
[0079] 在以上的反應(yīng)器構(gòu)造基礎(chǔ)下，為了得到與以往相同的較佳成膜速度曲線，則只要 讓凹部流道的流速與以往者一致即可。本發(fā)明構(gòu)造中，氣體流動剖面積與以往相比為一半 面積，故要得到相同流速則只要一半的載體氣體流量即可。相反地，若為此條件，凹部34 中，流道高度L0、流速亦完全與以往的最佳條件相等，故必然地會得到最佳成膜速度曲線。
[0080] 接著，就成膜速度的絕對值加以研究。本發(fā)明構(gòu)造中，與以往構(gòu)造相比因有助于成 膜的區(qū)域變成一半，故其有使成膜速度的絕對值變成一半的作用。另一方面，由于載體氣體 變成一半則氣體中的原料濃度會加倍，而此具有讓成膜速度加倍的效果。結(jié)果該等效果便 會相抵消，而成膜速度的絕對值便會與以往相同。亦即，以相同原料分子的置入量來獲得與 以往相同的成膜速度，而無損原料的利用效率。
[0081] 至此的說明可知藉由采用本發(fā)明構(gòu)造，能夠以以往一半量的載體氣體來實現(xiàn)與以 往最佳條件完全相同的狀態(tài)。這樣也能削減載體氣體的使用量，而甚至具有有助于制品成 本下降的大優(yōu)點，但實際上本發(fā)明尚存在有其以外的更重要的優(yōu)點。載體氣體流量減少時， 高揮發(fā)成分元素的材料氣體流量若維持與以往相同，則載體氣體中的揮發(fā)成分材料氣體的 比例便會自動地增加。從而，與以往相比可大幅提高揮發(fā)成分的材料氣體分壓。在此亦以 IIIV族半導(dǎo)體為例來加以說明。本發(fā)明的成膜條件中，是將成膜最重要參數(shù)之一的V/III 比設(shè)定為與以往條件相同。III族的供給量與以往相同即可，故V族材料氣體的供給量亦相 同即可。另一方面，載體氣體流量由于為以往的一半量，故所供給的所有氣體流量中的V族 材料氣體的比例會上升至2倍。因此，V族材料氣體的分壓亦會成為2倍。此高分壓會有 效地抑制V族原子從成膜中脫離，從而能獲得較以往要高質(zhì)量的成膜。
[0082]如以上般，依本發(fā)明方法，不僅可以較少載體氣體流量來實現(xiàn)與以往裝置的最佳 條件相同的成膜，亦能讓高揮發(fā)成分元素的材料氣體分壓較以往大幅提高，因此可實現(xiàn)較 以往要高質(zhì)量的成膜。
[0083]如前述般，實際構(gòu)造中是無法將成膜區(qū)域完全地限定在凹部34,但適當(dāng)?shù)剡x擇凸 部36與凹部34的高度比、面積比，便能充分獲得本發(fā)明的效果。再者，凸部側(cè)面的流道側(cè) 壁35雖會對流動模式有些許影響，但其效果是有限的。若欲修正側(cè)壁35的影響，由于其關(guān) 系到流速，則藉由氣體條件的微調(diào)便可加以矯正。
[0084]最后，就成膜速度的時間推移來加以研究。本發(fā)明中，基板在公轉(zhuǎn)期間，會交互地 通過為凹部34的成膜區(qū)域及凸部36的不成膜區(qū)域。從研究成膜速度的時間推移時，其應(yīng) 該會成為矩形或脈沖狀。這會不會成為問題是當(dāng)然關(guān)心的對象。關(guān)于此，近年來亦報告有 脈沖狀地進(jìn)行脈沖MOCVD法等原料供給的成膜方法（C.Bayram等，國際光學(xué)工程學(xué)會會議 記錄,卷 7222722212-1 等）（C.Bayramet.al.Proc.ofSPIEVol. 7222722212-1 等），亦得 到優(yōu)于一般成膜方法的結(jié)果。有鑒于此，使成膜速度為矩形或脈沖狀在基本上是沒有問題。 又，關(guān)于脈沖狀成膜速度對成膜均勻性的影響，由于基板所有場所中都會同樣地面對脈沖 狀沉積速度，故此對成膜均勻性不會有影響。亦即，與以往方法同樣地，關(guān)于成膜均勻性只 要考慮到支配成膜速度曲線即可。由以上的研究，可得到脈沖狀成膜速度的時間推移從所 有觀點來看均沒有缺點。
[0085]如此般，本發(fā)明與以往相比沒有任何的缺點，另一方面則具有所謂高材料氣體分 壓所致膜質(zhì)提升以及氣體消耗大幅削減的龐大的優(yōu)點。
[0086]〈本發(fā)明的詳細(xì)構(gòu)造〉接著，亦參照圖3?圖7,就本發(fā)明成膜裝置的構(gòu)造來加以 詳細(xì)說明。圖3為顯示對向面形成構(gòu)件的其他范例的平面圖。圖4為顯示對向面形成構(gòu)件 的其他范例的剖視圖。圖5為顯示本發(fā)明的反應(yīng)器構(gòu)造的立體分解圖。圖6為顯示本發(fā)明 的反應(yīng)器構(gòu)造的剖視圖。圖7為顯示本發(fā)明的噴射器構(gòu)造的立體分解圖。如圖5及圖6所 示，除對向面形成構(gòu)件30與噴射器40以外，全部與以往構(gòu)造相同即可。關(guān)于本發(fā)明的主角 是對向面形狀，可舉出對向面平面形狀及剖面形狀、凹部凸部的面積比率及高度比率，以及 流道的分割數(shù)來作為設(shè)計參數(shù)。
[0087]圖1雖在平面圖中顯示凹部34形狀為扇形的范例，但長方形、或該等的組合亦能 獲得類似的效果。酌量各自的成膜條件等來選擇適當(dāng)?shù)男螤罴纯?。圖3所示的對向面形成 構(gòu)件70是凹部74為長方形部分74A與扇狀部分74B所組合而成的形狀。又，關(guān)于凹部的 剖視形狀，在圖2中雖顯示為矩形的范例，但梯形、三角形、或正弦曲線般的曲面亦能獲得 同樣效果。由更流暢流場的觀點來看，或許包含有曲面的形狀為佳。圖4為顯示凹凸形狀 的剖視形狀為梯形，并在邊緣施以平邊（fillet) 75的范例。
[0088]其次，關(guān)于凹部34與凸部36的面積比率，凹部34的面積比率越小，則載體氣體的 節(jié)約效果，然后揮發(fā)成分材料氣體分壓的上升效果便越高。但是，凹部34面積過小時，對 于無成長凸部區(qū)域的通過時間會變長，這會依情況而在形成極薄的膜層時會有不利的可能 性。雖關(guān)系到自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)速度，但凹部34的面積比率在20?80%左右應(yīng)為容許范圍。
[0089] 關(guān)于凹部34與凸部36的高度比，圓板狀晶座20會自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)，但另一方面對向面 則是靜止的，故凸部36與圓板狀晶座20之間便需要有間隙。凹部34與凸部36的流道高度 (與圓板狀晶座20對向面間的距離）比當(dāng)然是越大則發(fā)明效果越大。但是，理論上只要有 些許的高低差便會獲得些許效果。要得到可滿足實際的效果，則該高度比率則應(yīng)設(shè)定在凸 部：凹部為1 :2左右。為了提商商度比，則凸部36與圓板狀晶座20間的距尚越小越有利， 但過小時，會使得圓板狀晶座20的熱變形等導(dǎo)致圓板狀晶座20與對向面凸部36接觸的風(fēng) 險提高。正因如此，凸部36與圓板狀晶座20的間隙下限便應(yīng)有Imm左右。凹部34的流道 高度需要一致于以往類型的最佳條件。實際所使用的自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)式爐的流道高度范圍在5? 40mm。若選40mm為凹部34的高度，則凸部36高度即便為20mm仍會出現(xiàn)效果。又，使凹部 34高度為5mm的話，貝U凸部36的高度便在2. 5mm以下，最好是控制在Imm左右。由于上述 情況，凸部36的高度在1?20mm，凹部34的高度在5?40mm左右的范圍下，依條件適當(dāng)?shù)?加以選擇即可。
[0090]對向面形狀的最后設(shè)計參數(shù)為流道的分割數(shù)。由于分割越多則周圍方向的偏差越 小，故意味著分割數(shù)越多越好。然而當(dāng)分割數(shù)變多使得凹部流道的寬度過小時，流道側(cè)壁35 的影響會變大。這雖然不會立刻成為問題，但無法避免會使得可以從以往方式所得的數(shù)據(jù) 的乖離變大。考慮到此般情事，則分割數(shù)便不要太嚴(yán)密而應(yīng)為3?30左右的適當(dāng)范圍。雖 反應(yīng)器尺寸也有影響，但量產(chǎn)所使用的大型裝置中，只要為此范圍，便能直接活用以往方式 所獲得的數(shù)據(jù)。分割數(shù)小于3時，每1個凸部的面積會變大，而通過的時間便會過長。又， 較30要大時，流道寬度會過小，由流體力學(xué)的觀點，流道側(cè)壁面對氣流的影響會變得顯著。
[0091] 除了對向面形狀，關(guān)于噴射器也是對應(yīng)于對向面的凹凸形狀來改變其形狀為佳。 這里也引IIIV族化合物半導(dǎo)體為例，但該領(lǐng)域常使用的噴射器具有讓V族與III族的混合 點盡量接近基板，然后藉由讓噴射器保持在低溫來抑制原料分子的前驅(qū)反應(yīng)等的功能。以 往裝置中，如圖10所示，噴射器120基板上是由單為圓板形狀的第1噴射器構(gòu)成構(gòu)件122 及第2噴射器構(gòu)成構(gòu)件124所構(gòu)成。相對于其，在本發(fā)明下為了防止亂流如圖5或圖7所 示，較佳地是以對應(yīng)對向面流道的方式來分割噴射器內(nèi)的流動。
[0092] 具體而言，如圖5及圖7所示，本實施例中，構(gòu)成分離供給型噴射器40的第1噴射 器構(gòu)成構(gòu)件42與第2噴射器構(gòu)成構(gòu)件50具有與圖3所不的對向面形成構(gòu)件扭相同的表 面形狀。第1噴射器構(gòu)成構(gòu)件42放射狀地交互形成有扇形的凹部44與凸部46,中央具有 形成有貫通孔48A的氣體導(dǎo)入口 48。第2噴射器構(gòu)成構(gòu)件50放射狀地交互形成有扇形的 凹部52與凸部54,中央具有形成有貫通孔56A的氣體導(dǎo)入口 56。
[0093]藉由此般構(gòu)造，可使得噴射器構(gòu)件接觸下部部件的面積變大，然后，藉由讓該接觸 部為散熱片（heatsink)，便能讓噴射器較以往保持于更低溫。讓噴射器接觸下部機(jī)構(gòu)而冷 卻的技術(shù)有記載于日本特開2011-155046號公報的技術(shù)，該發(fā)明是將接觸部形狀為圓柱狀 來使得流動不會紊亂，但其效果難謂充足。本發(fā)明構(gòu)造能讓接觸面積足夠大外，亦能防止亂 流的產(chǎn)生，故該優(yōu)點極大。
[0094] 至此雖已說明關(guān)于具有噴射器40的構(gòu)造，但本發(fā)明并不限定于使用噴射器的情 況。在砷系或磷系等化合物半導(dǎo)體的成膜中，不使用噴射器的情況也很多。該情況中，亦可 適用所謂于對向面施以凹凸，并分割為復(fù)數(shù)流道的本發(fā)明概念，又明顯能獲得該效果。
[0095] 又，上述說明所使用的圖式中，雖是關(guān)于讓基板表面垂直向下的所謂面向下型裝 置，但在一般成膜條件中，重力的影響輕微，故在基板表面朝上的所謂面向上型裝置中，亦 能同樣地獲得本發(fā)明的效果。因此，本發(fā)明并未限定于面向下型者。
[0096] 關(guān)于本發(fā)明形成對向面形成構(gòu)件30及噴射器40的構(gòu)件的材料，只要能滿足純度 及可耐受所使用環(huán)境的耐熱、耐腐蝕性的話，基本上任何材料均可。具體而言，舉出有一般 于半導(dǎo)體或氧化物的成膜經(jīng)常使用的不銹鋼、鑰等金屬材料、碳、碳化硅或碳化鉭等碳化 物、氮化硼、氮化硅、氮化鋁等氮化物、石英、氧化鋁等氧化物系陶瓷等，由其中適當(dāng)加以選 擇即可。
[0097] 實施例1氮化鎵膜的成膜速度曲線
[0098] 接著，介紹將本發(fā)明適用于氮化鎵膜的成膜，而與以往方法比較的范例。首先，說 明關(guān)于為了比較所進(jìn)行的以往方法的范例。以往范例中，使用具有圖10的剖視構(gòu)造的反應(yīng) 器。此裝置中，由成膜質(zhì)量、原料利用效率、載體氣體消耗量、以及流速的觀點進(jìn)行優(yōu)化實 驗，而最佳成膜壓力為25kPa，流道高度為14mm，載體氣體流量為120SLM。另一方面，本發(fā)明 構(gòu)造采用具有圖1及圖2所示的矩形剖視形狀，而分割有12個流道的對向面。凹部34、凸 部36的開角均為15度，該等具有30度的周期性，因此為12次對稱的形狀。凹部34與圓 板狀晶座20的距離一致于以往構(gòu)造最佳值的14mm，凸部36與圓板狀晶座20則為4mm。對 向面形成構(gòu)件的材質(zhì)可使用碳化物材質(zhì)。
[0099] 再者，對應(yīng)于以往構(gòu)造，使用3層流動的噴射器。3層流道的高度各為4_，將其各 自分隔的分隔板板厚為1_。對應(yīng)時，對向面部流道高度會等同于14_。3層中的下2層流 道形狀與對向面的流道對應(yīng)而為12分割，最上一層則不分割而為360度均等流動的形態(tài)。 另外，用于噴射器的材質(zhì)為鑰。將該等構(gòu)造表示於圖5、圖6。圖5是分割為構(gòu)件后的立體 圖。圖6是組裝后的剖視圖。剖視圖中，右半部表示凹部流道，左半部表示凸部流道。
[0100] 于以下表1表不氮化鎵膜成膜時的氣體條件。關(guān)于以往范例，最佳條件是載體氣 體總流量120SLM的條件，本發(fā)明范例中，是就與以往范例相同的120SLM、其一半的60SLM， 然后結(jié)果會得到與以往范例類似的成膜速度曲線的35SLM的實驗條件加以記載。
[0101] 表 1
[0102]

【權(quán)利要求】
1. 一種氣相成膜裝置，具有承載成膜用基板的基板保持構(gòu)件的圓板狀晶座、讓該基板 自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)的部件、對向于該基板保持構(gòu)件而形成流道的對向面、材料氣體的導(dǎo)入部及排氣 部的氣相成膜裝置，其是以該圓板狀晶座與該對向面的距離會在該基板的公轉(zhuǎn)方向中產(chǎn)生 變化的方式，在該對向面施以凹凸形狀。
2. 如權(quán)利要求1所述的氣相成膜裝置，其中該材料體的導(dǎo)入部具有圓板狀的噴射器， 并于其中施以與該對向面的凹凸形狀對應(yīng)的凹凸形狀。
3. 如權(quán)利要求1所述的氣相成膜裝置，其成膜方式為化學(xué)氣相成長。
4. 如權(quán)利要求2所述的氣相成膜裝置，其成膜方式為化學(xué)氣相成長。
5. 如權(quán)利要求1?4任一項所述的氣相成膜裝置，其中所生成的膜為化合物半導(dǎo)體膜 及氧化物膜。
6. 如權(quán)利要求1?4任一項所述的氣相成膜裝置，其中該材料氣體的一部分含有有機(jī) 金屬。
7. 如權(quán)利要求5所述的氣相成膜裝置，其中該材料氣體的一部分含有有機(jī)金屬。
8. 如權(quán)利要求1?4任一項所述的氣相成膜裝置，其中構(gòu)成該對向面及該噴射器的構(gòu) 件材質(zhì)為不銹鋼、鑰等金屬材料；碳、碳化硅、碳化鉭等碳化物；氮化硼、氮化鋁等氮化物； 以及石英、氧化鋁等氧化物系陶瓷的任一種，或該等同的組合。
9. 如權(quán)利要求5所述的氣相成膜裝置，其中構(gòu)成該對向面及該噴射器的構(gòu)件材質(zhì)為不 銹鋼、鑰等金屬材料；碳、碳化硅、碳化鉭等碳化物；氮化硼、氮化鋁等氮化物；以及石英、氧 化鋁等氧化物系陶瓷的任一種，或該等同的組合。
10. 如權(quán)利要求6所述的氣相成膜裝置，其中構(gòu)成該對向面及該噴射器的構(gòu)件材質(zhì)為 不銹鋼、鑰等金屬材料；碳、碳化硅、碳化鉭等碳化物；氮化硼、氮化鋁等氮化物；以及石英、 氧化鋁等氧化物系陶瓷的任一種，或該等同的組合。
11. 如權(quán)利要求7所述的氣相成膜裝置，其中構(gòu)成該對向面及該噴射器的構(gòu)件材質(zhì)為 不銹鋼、鑰等金屬材料；碳、碳化硅、碳化鉭等碳化物；氮化硼、氮化鋁等氮化物；以及石英、 氧化鋁等氧化物系陶瓷的任一種，或該等同的組合。
【文檔編號】C23C16/00GK104513968SQ201410512506
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月4日
【發(fā)明者】須田昇, 大石隆宏, 米野純次, 盧柏菁, 薛士雍, 鐘步青 申請人:漢民科技股份有限公司