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JP3128586B2 - 薄膜成長装置 - Google Patents
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JP3128586B2 - 薄膜成長装置 - Google Patents

薄膜成長装置

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JP3128586B2
JP3128586B2 JP04123553A JP12355392A JP3128586B2 JP 3128586 B2 JP3128586 B2 JP 3128586B2 JP 04123553 A JP04123553 A JP 04123553A JP 12355392 A JP12355392 A JP 12355392A JP 3128586 B2 JP3128586 B2 JP 3128586B2
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flow
thin film
valve
mixer
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均 江畑
賢治 赤井
俊和 宮本
尚生 野村
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Shibaura Machine Co Ltd
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Toshiba Machine Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、シリコン、ガラス等の
基板上に薄膜成長を行なう装置において、高範囲な濃度
分布(比抵抗分布等)を得るための薄膜成長装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来、熱CVD等の薄膜成長装置におけ
る濃度制御方式として、
【0003】(1) 反応ガスやドーパントガスなどの原料
ガス(以下ドーパントガスとして説明する)を1つの流
量制御器[以下MFC(マスフローコントローラ)とし
て述べる]にて制御する方式。 (2) ドーパントガスを2つのMFCにて制御する方式。 (3) ドーパントガスを3つのMFCにて制御する方式。 がある。以下、これらの方式について図11、図12、
図13を参照して説明する。図11〜図13はいずれも
従来のドーパントガスを制御するための系統図である。
【0004】図11は、従来から行なわれている濃度分
布を得るための第1の例を示す系統図である。DN(ド
ーパントNガス)が入ったボンベ23から上方へ延びる
管路PL1Aには、開閉弁PV5が設けられ、流量制御
器MFC3に通じている。ここで、指定された流量が管
路PL1A上を流れる。シーケンスの構成上、ベント
(VENT)ラインへ排出する必要があれば、開閉弁P
V10を通じてベントラインPL6Aに排出される。
【0005】図11の方式の場合、濃度分布の安定性、
再現性という観点から見れば、1つのMFCにて制御し
ているため高い。しかし、MFCの最大流量に対し零〜
5%程度の範囲は制御不可能であるため、大容量のMF
Cを用いると小流量側の制御が不可能になるが、高範囲
な濃度分布を得るためには、濃度の違うガスボンベを交
換しなくてはならない。つまり、MFC3の流量範囲に
よって一義的に濃度が決定されるため、広範囲の濃度分
布を得るためには、MFC3の交換又は濃度の違うボン
ベ23の交換が必要となる。また、このことと同時に、
現在の様な多品種少量生産の実情に合わなくなってきて
いる。
【0006】図12は、図11の方式の欠点、すなわち
濃度範囲が狭い点を除くことができるようにした方式を
示す系統図である。MFC3と開閉弁PV11A、MF
C4と開閉弁PV11Bをそれぞれ直列に接続したもの
を、図11の管路PL1Aの開閉弁PV10と弁PV5
の間に並列に接続し、2つの流量範囲の違う設定(指
令)流量値によって、MFC3,MFC4のいずれを利
用するか判別された後、対象MFCと対象開閉弁PV1
1Aと弁PV11Bのいずれかを励起するようにしたも
のである。
【0007】図12の方式は、流量範囲の違う設定(指
令)流量値によって、MFC3,MFC4のいずれを利
用するかの判別を行う必要があり、この場合の複雑さ
と、供給ガス濃度は一義的に決定されるため異なったM
FCを用意しても、得られる濃度分布は必然的に限定さ
れるため広範囲な濃度分布が得られない。
【0008】図13は、従来から行なわれている第3の
例であるオートドーパントコントロール(ADC)方式
の系統図である。ボンベ23から上方へ延びる管路PL
1Aには、開閉弁PV5が設けられ、ソースと呼ばれる
流量制御器MFC5に通じている。MFC5から出る一
定濃度に設定されたドーパントガスは、混合器MXに通
じ、下方の開閉弁PV11から供給されるキャリアガス
(ここではH2 ガス)と混合されインジェクション側の
MFC3と、ベントライン側のMFC4に接続される。
【0009】ここで、図13の方式の場合、図11の方
式より比較的範囲の広い濃度分布が得られる利点があ
る。それはドーパントガス流量が、仮にMFC5にて決
定されると、それに応じて、MFC3,MFC4の流量
が自動的に決定され、それによって濃度が決定される。
その方法は、MFC5から流れ出た一定濃度のドーパン
トガスは、混合器MXにおいて、キャリアガス(水素
等)と混合し、混合されたガスの1部は反応部ヘインジ
ェクション(注入)され、ダイリューション(希釈)さ
れた余分なガスはベントラインPL6Aに排出される
が、この時、前記混合ガスの濃度はMFC3とMFC4
の流量比によって決定される。
【0010】MFC3とMFC4の設定流量の関係式
は、MFC3の最大流量に対するMFC3の設定流量の
割合をxとしたとき、MFC4の設定流量はその最大流
量に対し1−xの割合となる。例えば、インジェクショ
ン側のMFC3の最大流量が300cc/minとし、
ベントライン側のMFC4の最大流量を30L/min
とした場合、インジェクションの設定流量を100cc
/minとすると、ベントライン側に流れる流量は、1
−xより20L/minとなる制御方式である。通常M
FC3はMFC5と等しい流量に設定されるため、ボン
ベ23からのドーパントガスは、x/(1−x)の割合
に希釈され、MFC3を介して反応部へ供給される。こ
こで開閉弁PV10と弁PV11は混合すべきシーケン
スが実行されると励起され、しかも反応炉R1へ供給す
るシーケンスとなれば、開閉弁PV10は閉じる。
【0011】図13の方法は、MFC3,MFC4,M
FC5の構成数が増えるという欠点を有するが、比較的
広範囲な濃度分布が得られるという点で、利用されてい
るが、現在においては、さらに広範囲な濃度分布が得ら
れないかとの要望が高まってきた。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】ところで、薄膜成長装
置は、それによって得られる成長膜の厚さや比抵抗又
は、シート抵抗等の特定を均一にすることと、多品種少
量生産に対応した製品を製造することが要求されてい
る。その中で、生産性、歩留まりを向上するため、装置
上にて、保守時間、故障時間等のダウンタイムを極力押
える必要がある。特に、製品の品種が多岐に渡る場合、
品種毎にガスボンベの交換が必要になれば、生産性に大
きな障害となり、製品価格にも大きな影響を与えること
となる。又、品種においても、比抵抗値又は濃度分布
が、低抵抗から高抵抗の製品を製造できる装置が要求さ
れてきている。
【0013】このようなことから、本発明では、必要な
濃度のガスが反応炉へ導かれ、薄膜成長する上で1つの
装置にて広範囲の濃度分布の製品が得られる薄膜成長装
置を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、反応炉内にシリコン、ガラス等の基板を
配置し、ガス供給源からの少なくとも1種類の原料ガス
とキャリアガスを混合器により混合して所定濃度に希釈
された前記原料ガスの所定流量を、別に送られてくるキ
ャリアガスに合流させて前記反応炉内へ供給し、気相成
長により前記基板上に薄膜を形成する薄膜成長装置であ
って、前記ガス供給源と前記混合器の間、前記反応炉と
前記混合器の間、前記混合器とベントラインとの間にそ
れぞれ配設され、前記ガス流量を制御可能な第1,第
2,第3の流量制御器を有し、前記第1の流量制御器に
より流量を制御され前記第2及び第3の流量制御器の設
定値に応じて前記混合器によりキャリアガスで所望濃度
に希釈された原料ガスを、前記第2の流量制御器を介し
て前記の別に送られてくるキャリアガスに合流させて反
応炉へ供給可能にした薄膜成長装置において、前記ベン
トラインに通じる第3の流量制御器のガス流を独立して
しゃ断可能に構成すると共に、混合器への前記キャリア
ガスの供給をしゃ断可能に構成し、前記ガス供給源から
の原料ガスを希釈することなく前記第1,第2の流量制
御器により流量を制御して前記の別に送られてくるキャ
リアガスに合流させて反応炉へ供給可能にした薄膜成長
装置である。
【0015】
【作用】本発明によれば、ダイリューション用のMFC
のガス流をしゃ断して、ガス供給源からの供給量を制御
するMFCに設定された流量値に等価な指令信号を与え
ることによって、キャリアガスによって希釈されない必
要な濃度の原料ガスが反応部へ導かれる。これにより1
つの装置により広範囲の濃度分布の製品が得られる。
【0016】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図1は、縦型気相成長装置の斜視図であ
り、高周波発生部11と、反応炉R1,R2を備えた気
相成長装置の本体12,13と、各反応炉(反応部)内
へのガス流量、温度等を制御するための制御部14と、
操作パネルであり、操作キー入力部やディスプレイユニ
ットを含んでいる操作パネル14Aと、反応炉R1,R
2の開閉等の操作を行なうための操作盤12A,13A
と、工場ライン(ボンベ含)より供給される各種ガスの
流量を制御する流量制御器及び開閉弁等を備えたガス制
御装置15から構成されている。
【0017】図2は、ガス制御装置15の各構成部品に
よる系統図である。図2において反応炉R1,R2に対
し供給されるガスは、同図下方において左側よりN2
2、SiCl4 、DN、HClの各流体ボンベ20,
21,22,23,24として示される。ボンベ22
は、バブリングチャンバーを構成し、四塩化シリコンS
iCl4 又はトリクロロシランSiHCl3 等の流体が
入っている。ボンベ20から上方へ延びる管路PL1に
は圧力スイッチPS1、常時開状態の弁PV1(以下常
開弁とする)が設けられ常開弁PV7に通じている。
【0018】ボンベ21から上方へ延びる管路PL2に
は、圧力スイッチPS2、弁PV2が設けられ、弁PV
8に通じている。弁PV7と弁PV8の出口ポートは合
流して、それぞれの流量制御器MFC1及びMFC2を
介して管路PL1,PL2に接続されている。管路PL
1上には、さらにガス合流弁PV23,PV19,PV
20が反応炉R1との間に設けられており、管路PL1
A,PL2A,PL3Aより供給されるガスを、弁PV
19,PV20,PV23を励起せしめることにより混
合できるようになっている。
【0019】さらに、管路PL2上には、ガス合流弁P
V24,PV21,PV22が反応路R2との間に設け
られており、管路PL1A,PL2A,PL3Aにより
供給されるガスを弁PV21,PV22,PV24を励
起せしめることにより混合できるようになっている。バ
ブリングチャンバー22からは2本の管路PL3A,P
L3Bが延設されており、弁VCに接続されている。同
弁VCのポートPOには管路PL5を介してH2 ガス
(キャリアガス)が入り、管路PL4A,弁PV3を通
ってバブリングチャンバー22に入り、液体のSiCl
4 に対してバブリングが行われる。
【0020】従って、バブリングチャンバー22内の空
間には、蒸気化したSiCl4 とH2 の混合気体がで
き、これが管路PL4B上の弁PV3を通って弁VCに
接続され、指定量の混合気体が出力ポートP1を通り、
管路PL3Aに接続されている。DNのボンベ23と接
続された管路PL1Aには、弁PV5を介して制御ユニ
ットXが接続され、制御ユニットXから出たDNガス
は、管路PL1Aに接続されている。
【0021】また、チャンバー24と接続された管路P
L2Aには、弁PV6A、流量制御器MFC7が設けら
れ、管路PL2Aを介してそれぞれ合流弁PV20,P
V22の混合ポートに接続されている。さらに、MFC
7から出るガスは、シーケンスの構成から常開弁PV2
6より、流量の安定化と、ラインをパージするためベン
トラインPL6Aを介して図示しない排気ガス処理装置
に接続されている。管路PL3Aに接続されている常開
弁PV25も常開弁PV26と同様な役割を担ってい
る。
【0022】ここで、制御ユニットXについて説明する
が、図3ないし図5を参照して配管系統について説明す
る。図3は制御ユニットXの第1の例を示すもので、従
来方式の図13との相違点は弁PV12を、ベントライ
ンPL6AとMFC4との間に設けたことである。
【0023】このような構成のものにおいて、弁PV1
2及び弁PV11を閉じることにより、MFC5(ソー
ス)とMFC3(インジェクション)のみを利用した系
統が構成される。従って、図13の従来の方式のように
MFC3,MFC4,MFC5を全て使用して無条件に
キャリアガスにて希釈するADC方式とは違って、一定
濃度のドーパントガスが供給されることとなる。この方
式をダイリューションカット方式と呼ぶ。
【0024】なお、弁PV12を設ける代りに、MFC
4自身をしゃ断可能な構造としてもよいことは言うまで
もない。このことは、MFC5と弁PV5のようにMF
Cと弁を対で設けている他のMFCについても同様であ
る。
【0025】この方式を採用することによって、従来の
ADC方式+ダイリューションカット方式の2方式が1
つの装置で実現できるため、より広範囲な濃度分布の製
品が得られることになる。このことは、図6に示す流量
と比抵抗の特性図から明らかである。従来の制御範囲が
Pであったものが、本実施例ではQだけ拡がっているか
らである。なお、図4は、制御ユニットXの第2の例を
示すもので、図3の系統図と同様のドーパントPガス
(DP)等の系統を並列に複数組設け、管路PL1A′
を管路PL1Aに接続して図2に示す弁PV19,PV
21に選択的に導く例を示している。弁PV14,PV
14′は前記選択のための開閉弁であり、弁PV10は
各系統に対し共通に用いられる。
【0026】図5は、制御ユニットXの第3の例を示す
もので、図3における系統図に、キャリアガスの管路
と、混合器MXと弁PV11の接続点間に絞り部T1と
弁PV13を設けたものである。この絞り部T1と弁P
V13の役割は、ソースガスの停止時に弁PV11を閉
じているとき、MFC3,MFC4をキャリアガス(H
2 ガス又はH2 ガス又はその他ガス)にてパージし、配
管及びMFCをクリーン化し、清純度を高めるために比
較的小流量のキャリアガスを流すものである。本系統を
採用することにより、再現性の高い濃度の製品が得られ
るようになった。その理由は、混合器MXを含めて、ラ
イン上に不純物が残留しているからである。なお、絞り
部T1は弁PV13中に組込んでもよい。
【0027】次に、図7のブロック図を参照して制御ユ
ニットXの制御部について説明する。図中50は主計算
機の中央処理ユニット(以下CPUという)で、このC
PU50にはデータバス51とI/Oバス52が接続さ
れている。データバス51には、各反応炉R1又はR2
において遂行される一連のプロセスに関する、例えば加
熱温度、ガス流量、圧力などのデータを貯蔵する第1記
憶部54が接続されている。
【0028】さらに、データバス51には、ROMから
なる固定データを登録する第2記憶部53と、本装置を
働かせるためのプロセス処理プログラム55aと前記プ
ロセス処理プログラム55aの管理下にあり、ダイリュ
ーションカット制御を行なうか否かの情報に従い、図
3,図4,図5のMFC3,4,5及び弁PV5,1
0,11,12,13を制御するフロープログラム55
b(本フロープログラムは、プロセス処理プログラム5
5aの中に組込まれても良い)と、ダイリューションカ
ット制御を行なうか否かを決定する選択プログラム55
cと、シーケンス等のプロセス情報を入出力機器58の
中の1つの構成要素であるキーボード(図示せず)に
て、修正・編集・登録作業を行ない、かつ、その内容
を、同じ構成要素の1つである表示器(図示せず)に表
示したりするその他処理プログラム55dを貯蔵してあ
る第3記憶部55が接続されている。
【0029】前記第1記憶部54は、本装置の稼動中に
おいて使用されるデータ例えば前述キーボード及び各種
スイッチ及び検出器からのアナログ/デジタル信号情報
とか、実際の薄膜成長を行うためのプロセス情報及びダ
イリューションカット制御を行なうか否かを示す情報等
を貯える領域である。前記I/Oバス52には、MFC
及び弁59を駆動する入出力モジュール56が接続され
ている。入出力モジュール56は、各弁を駆動するデジ
タル出力部(図示せず)と、MFCへ指令信号を与える
出力部(D/Aコンバータ:図示せず)とMFCからの
実流量信号を取込む入力部(A/Dコンバータ:図示せ
ず)から構成されている。又、I/Oバス52には、入
出力機器58と接続されたその他インターフェイスモジ
ュール57が接続されている。尚、前記入出力機器58
は、前述キーボード及び表示器及び各種スイッチ、検出
器、モータ等から構成されている。
【0030】図8(a)は、プロセスを実行する上で必
要なシーケンス(プロセスプログラム)情報Ippを表
わし、図8(b)は図8(a)のデータビットコードを
表わしている。この表は、特公昭63−28495号公
報での図13(イ)と構成はほぼ同じであるが、同公報
はドーパントガスの制御を行なう上で、ダイリューショ
ンカット制御を行なうか否かの情報は含まれていない。
この情報は、データビットコード内に組込まれている
が、別出しIppの他の場所に組込んでも良い。
【0031】図9は、プロセス制御(図7の55aに相
当する)の詳細を説明するためのフローチャートであ
る。同図において、ステップ1(以下ST1−1と称す
る)で図1の反応炉R1のスタートスイッチが押されて
いると、ST1−2に移り、ここでR1 に関係するプロ
セスプログラムPP(i)のシーケンス残り時間=0か
否かチェックする。このシーケンス残り時間は、図7の
55dに示されるその他の処理プログラムの中の1つで
ある秒処理プログラムによって減算される。
【0032】さて、ST1−2において、シーケンス残
り時間=0であるならば、ST1−3において、次のプ
ロセスプログラムPP(i)が指定されそのデータを取
込む。ST1−4,ST1−5,ST1−6において、
登録されているPP(i)情報のシーケンス時間、流
量、温度のパラメータをセットして出力し、ガスバルブ
を開閉する。続いて、ST1−7において、ダイリュー
ションカット制御要求の情報があるか有無を調べ、有る
ならばST1−8にて、フロープログラム(図7にて示
される55b)を呼び出す。
【0033】このフロープログラムは、図3に示す常開
弁PV12とPV11を閉にすべき動作と、MFC4の
流量モニターを中止する様に指令を与える。この指令に
基づいて、その他の処理プログラム55dの中の1つで
ある流量比較プログラム(図示せず)は、MFC4のサ
ンプリング及び流量比較を中止する。
【0034】ここで、本来の制御では、ST1−7及び
ST1−8は、ガスバルブの開閉のタイミング上、ST
1−5及びST1−6の中に組込まれるものであるが、
動作を理解し易くするために、この様に表記した。次い
でST1−9において次のシーケンスセットの準備とし
て、i←i+1にインクリメントされる。ST1−1で
R1のスタートスイッチがOFFのときは、ST1−1
0に移り、ここで反応炉R2のスタートスイッチのO
N,OFFをチェックする。以降の流れは、R1と同じ
流れなので、ここでは省略する。
【0035】図10は、以上述べたプロセスを実行する
上で、ダイリューションカット制御を行なうか否かを決
定する選択プログラム(図7の55c)である。ここ
で、指定された情報が、図9のST1−7の判断に利用
される。さて、同図においてST2−1では、ダイリュ
ーションカット制御を行ないたいシーケンス番号を入力
する。ST2−2において、入力された値が、ダイリュ
ーションカットを行なって良いシーケンスであるかチェ
ックをし、違っていればST2−7にて終了要求である
かチェックする。終了要求であった場合機能終了とな
り、違っていれば、シーケンス番号が間違ったとのフォ
ルトメッセージを出力し、注意を喚起した上で(ST2
−8)、再度入力を捉がす。さて、対象となるシーケン
ス番号が入力されたならば、ST2−3にて、そのシー
ケンスにおいて、ダイリューションカット制御を行なう
か、質問する。その入力としては、YES又はNOのい
づれかのキー入力となる。ST2−4にて、入力される
と、ST2−5にてチェックする。YESであるなら
ば、ST2−5に移り、図8に示すデータビットコード
の「DN(ダイリューションカット)」フラグを1に
し、「DN(ADC)」フラグを0にする。NOである
ならば、ST2−9に移り、データビットコードの「D
N(ダイリューションカット)」フラグを0にし、「D
N(ADC)」フラグを1にする。それぞれの条件が、
セットされたならば、次の変更すべきシーケンスがある
か、最初の質問に戻ることとなる。
【0036】以上述べた様に、本発明の実施例によれ
ば、従来の装置において得られていた濃度分布ではな
く、より広範囲な分布が得られることになり、ダウンタ
イムを少なくし装置の稼動率も向上し、しかも多品種に
渡る製品の製造も1つの装置にて可能になった。
【0037】なお、本発明は、前述した実施例に限定さ
れるものではなく、低圧化学気相成長(LPCVD)、
プラズマ化学気相成長(PECVD)、光化学気相成長
(光CVD)、スパッター等の薄膜成長装置にも同様に
適用し得るものである。
【0038】
【発明の効果】以上述べた本発明によれば、必要な濃度
のガスが反応部へ導かれ、薄膜成長する上で1つの装置
にて広範囲の濃度分布の製品が得られる薄膜成長装置を
提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による縦型薄膜成長装置の概略構成を示
す斜視図。
【図2】図1のガス制御装置の一例を示すブロック図。
【図3】図1のガスを制御するための第1の例を示す配
管系統図。
【図4】図1のガスを制御するための第2の例を示す配
管系統図。
【図5】図1のガスを制御するための第3の例を示す配
管系統図。
【図6】図1の流量と比抵抗の特性図。
【図7】図2の制御ユニットのブロック図。
【図8】図2のプロセス制御を実行する上で必要なシー
ケンス情報を示す図。
【図9】図7のプロセス制御の詳細を示すフローチャー
ト。
【図10】図7のプロセスを実行する上のダイリューシ
ョンカット制御を行うか否かを決定する選択プログラ
ム。
【図11】従来の薄膜成長装置における濃度制御方式の
第1の例を説明するためのブロック図。
【図12】従来の薄膜成長装置における濃度制御方式の
第2の例を説明するためのブロック図。
【図13】従来の薄膜成長装置における濃度制御方式の
第3の例を説明するためのブロック図。
【符号の説明】
R1,R2…反応炉、PL6A…ベントライン、MFC
3〜MFC5…流量制御器、11…高周波発生部、1
2,13…気相成長装置の本体、12,13,12A,
13A…操作盤、14…制御部、14A…操作パネル、
15…ガス制御装置、23…ガス供給源。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 赤井 賢治 山口県徳山市大字徳山字江口開作8231番 地5 徳山セラミックス株式会社内 (72)発明者 宮本 俊和 山口県徳山市大字徳山字江口開作8231番 地5 徳山セラミックス株式会社内 (72)発明者 野村 尚生 山口県徳山市大字徳山字江口開作8231番 地5 徳山セラミックス株式会社内 (56)参考文献 特開 平1−44012(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/205

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 反応炉内にシリコン、ガラス等の基板を
    配置し、ガス供給源からの少なくとも1種類の原料ガス
    とキャリアガスを混合器により混合して所定濃度に希釈
    された前記原料ガスの所定流量を、別に送られてくるキ
    ャリアガスに合流させて前記反応炉内へ供給し、気相成
    長により前記基板上に薄膜を形成する薄膜成長装置であ
    って、 前記ガス供給源と前記混合器の間、前記反応炉と前記混
    合器の間、前記混合器とベントラインとの間にそれぞれ
    配設され、前記ガス流量を制御可能な第1,第2,第3
    の流量制御器を有し、 前記第1の流量制御器により流量を制御され前記第2及
    び第3の流量制御器の設定値に応じて前記混合器により
    キャリアガスで所望濃度に希釈された原料ガスを、前記
    第2の流量制御器を介して前記の別に送られてくるキャ
    リアガスに合流させて反応炉へ供給可能にした薄膜成長
    装置において、 前記ベントラインに通じる第3の流量制御器のガス流を
    独立してしゃ断可能に構成すると共に、混合器への前記
    キャリアガスの供給をしゃ断可能に構成し、前記ガス供
    給源からの原料ガスを希釈することなく前記第1,第2
    の流量制御器により流量を制御して前記の別に送られて
    くるキャリアガスに合流させて反応炉へ供給可能にした
    ことを特徴とする薄膜成長装置。
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