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JP2018101721A - 気相成長方法 - Google Patents

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JP2018101721A JP2016247843A JP2016247843A JP2018101721A JP 2018101721 A JP2018101721 A JP 2018101721A JP 2016247843 A JP2016247843 A JP 2016247843A JP 2016247843 A JP2016247843 A JP 2016247843A JP 2018101721 A JP2018101721 A JP 2018101721A
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英志 高橋
Hideshi Takahashi
英志 高橋
清孝 宮野
Kiyotaka Miyano
清孝 宮野
雅之 津久井
Masayuki Tsukui
雅之 津久井
名古　肇
Hajime Nago
肇 名古
家近　泰
Yasushi Iechika
泰 家近
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Abstract

【目的】大面積の基板上に欠陥が少なく膜厚均一性の高い大面積の炭化珪素薄膜を形成できる気相成長方法を提供する。
【構成】実施形態の気相成長方法は、基板上に基板と異なる組成の膜を形成する気相成長方法であって、１枚の基板を自転させて第１の温度に加熱し、基板の表面に対して略垂直な方向の層流としてシリコン、及び炭素を含む第１のプロセスガスを供給し、基板の表面に膜厚が１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の炭化珪素膜を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、大面積の基板上に炭化珪素薄膜を形成する気相成長方法に関する。
炭化珪素（以下、ＳｉＣとも表記する）は、高耐熱性、高硬度、窒化ガリウム（以下、ＧａＮとも表記する）系半導体との格子定数差が小さい、ワイドバンドギャップ半導体であるなどの特徴のため、その薄膜の工業上の利用価値が高い。例えば高温に耐えうる、高強度の保護膜、ＧａＮ系半導体を成長する際の基板とのバッファ層、光の高い透過性を利用した光学機器の窓材として利用することなどが検討されている。
炭化珪素膜を工業的に利用するためには、欠陥が少なく膜厚均一性の高い大面積の薄膜を形成することが望まれる。特許文献１には、シリコン基板上に高品質の炭化珪素膜を形成する方法が記載されている。
特開２００４−１０３６７１号公報
本発明が解決しようとする課題は、大面積の基板上に欠陥が少なく膜厚均一性の高い大面積の炭化珪素薄膜を形成できる気相成長方法を提供することにある。
本発明の一態様の気相成長方法は、基板上に前記基板と異なる組成の膜を形成する気相成長方法であって、１枚の前記基板を自転させて第１の温度に加熱し、前記基板の表面に対して略垂直な方向の層流としてシリコン、及び炭素を含む第１のプロセスガスを供給し、前記基板の表面に膜厚が１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の炭化珪素膜を形成する。
上記態様の気相成長方法において、前記基板を前記第１の温度に加熱する前に、自転する前記基板を第２の温度に加熱し、前記基板の表面に対して略垂直な方向の層流としてシリコン、及び炭素を含む第２のプロセスガスを供給する表面処理を行うことが好ましい。
上記態様の気相成長方法において、前記炭化珪素膜はアモルファス膜又は多結晶膜であることが好ましい。
上記態様の気相成長方法において、前記基板がシリコン層を含むことが好ましい。
本発明の別の一態様の気相成長方法は、枚葉型の気相成長装置の反応室に基板を搬入し、前記反応室内に設けられ、外周部で支持されるホルダ上に前記基板を載置し、前記基板を自転させ、前記基板を第１の温度に加熱し、前記基板の表面と略平行に対向し前記反応室の上部に設けられたシャワープレートから、シリコン、及び炭素を含む第１のプロセスガスを供給して前記基板の表面に膜厚が１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の炭化珪素膜を形成する。
本発明によれば、大面積の基板上に欠陥が少なく膜厚均一性の高い大面積の炭化珪素薄膜を形成できる気相成長方法を提供することが可能となる。
実施形態の気相成長装置の模式断面図。 実施形態の気相成長方法の説明図。 実施形態の気相成長方法により形成されるＳｉＣ膜を用いたペリクルの例を示す図。 実施形態の気相成長方法により形成されるＳｉＣ膜の評価結果を示す図。 実施例１のＳｉＣ膜の評価結果を示す図。 実施例２のＳｉＣ膜の評価結果を示す図。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
本明細書中、同一又は類似の部材について、同一の符号を付す場合がある。
本明細書中、気相成長装置が成膜可能に設置された状態での重力方向を「下」と定義し、その逆方向を「上」と定義する。したがって、「下部」とは、基準に対し重力方向の位置、「下方」とは基準に対し重力方向を意味する。そして、「上部」とは、基準に対し重力方向と逆方向の位置、「上方」とは基準に対し重力方向と逆方向を意味する。また、「縦方向」とは重力方向である。
また、本明細書中、「プロセスガス」とは、基板上への成膜のために用いられるガスの総称であり、例えば、原料ガス、キャリアガス、希釈ガスなどを含む概念とする。
実施形態の気相成長方法は、基板の上に基板と異なる組成の膜を形成する気相成長方法であって、１枚の基板を自転させて第１の温度に加熱し、基板の表面に対して略垂直な方向の層流としてシリコン、及び炭素を含む第１のプロセスガスを供給し、基板の表面に膜厚が１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の炭化珪素膜を形成する。
また、実施形態の気相成長方法は、枚葉型の気相成長装置の反応室に基板を搬入し、反応室内に設けられ、外周部で支持されるホルダ上に基板を載置し、基板を自転させ、基板を第１の温度に加熱し、基板の表面と略平行に対向し反応室の上部に設けられたシャワープレートから、シリコン、及び炭素を含む第１のプロセスガスを供給して基板の表面に膜厚が１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の炭化珪素膜を形成する。
さらに、実施形態の気相成長方法は、基板を第１の温度に加熱する前に、自転する基板を第２の温度に加熱し、基板の表面に対して略垂直な方向の層流としてシリコン、及び炭素を含む第２のプロセスガスを供給する表面処理を行う。
図１は、実施形態の気相成長方法に用いられる気相成長装置の模式断面図である。実施形態の気相成長装置は、枚葉型の気相成長装置である。
実施形態の気相成長装置は、反応室１０を備えている。反応室１０は、ガス供給口１２、環状ホルダ１４、回転体ユニット１６、回転軸１８、回転駆動機構２０、シャワープレート２２、インヒータ２４、アウトヒータ２６、リフレクタ２８、支持柱３４、固定台３６、固定軸３８、ガス排出口４０を備えている。
反応室１０は、例えば、ステンレス製で円筒状の壁面１７を備える。ガス供給口１２は反応室１０の最上部に設けられる。
ガス供給口１２は、反応室１０にプロセスガス１１を供給する。例えば、ガス供給口１２から炭化珪素（ＳｉＣ）の原料ガスを含むプロセスガス１１が供給される。
プロセスガス１１は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、及び炭素（Ｃ）を含むガスである。シリコン（Ｓｉ）、及び炭素（Ｃ）を含むガスは、ＳｉＣの原料ガスである。また、例えば、プロセスガス１１は、塩素（Ｃｌ）を含む。
プロセスガス１１は、例えば、有機珪素ガスと塩化水素（ＨＣｌ）との混合ガスである。この場合、有機珪素ガスがＳｉＣの原料ガスとなる。有機珪素ガスは、例えば、モノメチルシラン（ＣＨ３ＳｉＨ３）である。
プロセスガス１１には、例えば、ＳｉＣの原料ガスとしてシラン系ガスと炭化水素系ガスとの混合ガスを用いることも可能である。シラン系ガスは、例えば、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）である。炭化水素系ガスは、例えば、プロパン（Ｃ３Ｈ８）である。
プロセスガス１１には、例えば、塩素を含むシラン系ガスと炭化珪素系ガスとの混合ガスを用いることも可能である。塩素を含むシラン系ガスは、例えば、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、トリクロロメチルシラン（ＣＨ３ＳｉＣｌ３）、四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）である。
プロセスガス１１には、キャリアガスが含まれても構わない。キャリアガスは、例えば、水素（Ｈ）、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）である。なお、プロセスガス１１には塩素は必ずしも含まれなくてもよい。
シャワープレート２２は反応室１０の上部に設けられる。シャワープレート２２には、複数のガス噴出孔が設けられる。ガス供給口１２から供給されるプロセスガス１１が、複数のガス噴出孔から反応室１０内に噴出される。シャワープレートは内部に冷媒の流路を設け、冷媒により温度を一定に保ってもよい。
環状ホルダ１４は、反応室１０の内部に設けられる。環状ホルダ１４は、ホルダの一例である。環状ホルダ１４には、基板の一例であるウェハＷが載置可能である。環状ホルダ１４には、中心部に開口部が設けられる。環状ホルダ１４の外径（図１中のｄ）は、例えば、４０ｃｍ以下である。
シャワープレート２２は、環状ホルダ１４に載置されるシリコンウェハＷの表面と略平行に対向する。ウェハＷの表面とシャワープレート２２との間の距離（図１中のＨ）は、例えば、３ｃｍ以上２０ｃｍ以下である。
環状ホルダ１４は、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、パイロリティックグラファイト（ＰＧ）などのセラミックス、又は、カーボンを基材として形成される。環状ホルダ１４は、例えば、ＳｉＣ、ＢＮ、ＴａＣ、又はＰＧなどをコーティングしたカーボンを用いることができる。
環状ホルダ１４は、回転体ユニット１６の上部に固定される。環状ホルダ１４は、回転体ユニット１６によって、外周部で支持される。回転体ユニット１６は、回転軸１８に固定される。環状ホルダ１４は、間接的に回転軸１８に固定される。
回転軸１８は、回転駆動機構２０によって回転可能である。回転駆動機構２０により、回転軸１８を回転させることにより環状ホルダ１４を回転させることが可能である。環状ホルダ１４を回転させることにより、環状ホルダ１４に載置されたシリコンウェハＷを回転させることが可能である。
例えば、ウェハＷを５０ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ以下の回転数で回転させる。回転駆動機構２０は、例えば、モータとベアリングで構成される。
インヒータ２４とアウトヒータ２６は、環状ホルダ１４の下方に設けられる。インヒータ２４とアウトヒータ２６は、回転体ユニット１６内に設けられる。アウトヒータ２６は、インヒータ２４と環状ホルダ１４との間に設けられる。
インヒータ２４とアウトヒータ２６は、環状ホルダ１４に保持されたウェハＷを加熱する。インヒータ２４は、ウェハＷの少なくとも中心部を加熱する。アウトヒータ２６は、シリコンウェハＷの外周領域を加熱する。インヒータ２４は、例えば、円板状である。アウトヒータ２６は、例えば、環状である。
図１に示すインヒータ２４及びアウトヒータ２６は図示しない外部からの通電により加熱させ、ウェハＷを加熱することができる。インヒータ２４及びアウトヒータ２６に用いることができる材質としては、例えば、タングステン、レニウム、モリブデンなどの高融点金属、グラファイト、ＳｉＣなど電導性を有するセラミックスがあげられる。これらのセラミックス材料を用いる場合、適宜ヒータの表面をＢＮ、ＳｉＣ、パイロリティックグラファイト、ＳｉＣ等の材料でコーティングしてもよい。
リフレクタ２８は、インヒータ２４とアウトヒータ２６の下方に設けられる。リフレクタ２８と環状ホルダ１４との間に、インヒータ２４とアウトヒータ２６が設けられる。
リフレクタ２８は、インヒータ２４とアウトヒータ２６から下方に放射される熱を反射し、ウェハＷの加熱効率を向上させる。また、リフレクタ２８は、リフレクタ２８より下方の部材が加熱されるのを防止する。リフレクタ２８は、例えば、円板状である。
リフレクタ２８は、耐熱性の高い材料で形成される。リフレクタ２８は、例えば、１１００℃以上の温度に対する耐熱性を有する。
リフレクタ２８は、例えば、ＳｉＣ、ＴａＣ、カーボン、ＢＮ、ＰＧなどのセラミックス、又はタングステンなどの金属を基材として形成される。リフレクタ２８にセラミックスを用いる場合、焼結体や気相成長により作製した基材を用いることができる。リフレクタ２８はまた、カーボンの基材などに、ＳｉＣ、ＴａＣ、ＢＮ、ＰＧ、ガラス状カーボンなどのセラミックスをコートしたものを用いてもよい。
リフレクタ２８は、例えば、複数の支持柱３４によって、固定台３６に固定される。固定台３６は、例えば、固定軸３８によって支持される。
図１の例では、ウェハＷはヒータの作用により加熱されるが、ウェハＷを加熱する手段としては誘導加熱、ランプ加熱などを利用することもできる。その場合、適宜図１に示す構成と異なる構成をとっても良い。
回転体ユニット１６内には、ウェハＷを環状ホルダ１４から脱着させるために、突き上げピン（図示せず）が設けられる。突き上げピンは、例えば、リフレクタ２８、及び、インヒータ２４を貫通する。
ガス排出口４０は、反応室１０の底部に設けられる。ガス排出口４０は、ウェハＷ表面でプロセスガス１１が反応した後の余剰のプロセスガス１１を反応室１０の外部に排出する。
また、反応室１０の壁面１７には、図示しないウェハ出入口及びゲートバルブが設けられている。ウェハ出入口及びゲートバルブにより、ウェハＷを反応室１０内に搬入したり、反応室１０外に搬出したりすることが可能である。
次に、実施形態の気相成長方法について説明する。実施形態の気相成長方法は、図１に示すエピタキシャル成長装置を用いる。図２は、実施形態の気相成長方法の説明図である。
炭化珪素（ＳｉＣ）を成膜する基板は、比較的大面積での平坦性に優れ、成膜プロセスで不純物を放出しない高純度の材質で作製されたものを使うことができる。具体的にはシリコンなどの半導体材料、グラファイト、石英、サファイア、雲母などのセラミックス材料、タングステンなどの高融点金属材料を用いることができる。またこれらの材料で作製された基材上に別の材料をコートしたものを用いてもよい。コートする材料としては、上記の半導体材料、セラミックス材料、金属材料などを用いることができる。
具体的には、シリコン、ゲルマニウムなどの半導体材料、酸化シリコン、酸化アルミニウムなどの酸化物材料、グラファイト、グラフェン、パイロリティックグラファイトなどの炭素材料、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化シリコンなどの窒化物材料、タングステン、モリブデン、金などの金属材料などが挙げられる。また、コートする層は１層であっても、２層以上での積層膜であってもよい。２層以上の膜が積層された例としてはシリコン基板上に酸化シリコン層、表面シリコン層が形成されたＳＯＩ基板などを挙げることができる。
また、特に、グラファイト、グラフェンなどの層状化合物はその上に積層する層との化学結合が弱く、ＳｉＣ膜の成膜中にＳｉＣ膜に応力が加わりにくくなる場合があり、基板あるいはコート材料として好適に用いることができる。
表面のコート層は、基板上に図１に示した反応炉内で形成した後、反応炉から取り出さずにＳｉＣの成膜プロセスを行うことができる。また、あらかじめコートされたウェハＷを用いることもできる。
また、シリコンを基板として用いる場合、プロパンなどの炭化水素ガスと高温で処理することで表面を炭化処理してＳｉＣの薄膜を設けることができ、コート層として用いることができる。このようなＳｉＣの薄膜はその後に成長するＳｉＣとのバッファ層として機能し、平坦性や膜質を向上させる場合があるため、好適に用いることができる。
基板は、ＳｉＣの成膜後、降温する際に、ＳｉＣとの熱膨張係数の違いからＳｉＣに応力を発生させる場合がある。このような応力の発生を抑制するために、剛性の小さい基板を好適に用いることができる場合がある。また既存の基板をあらかじめレーザビームや電子ビームを照射して基板の内部や表面に損傷を起こさせて基板全体としての剛性を下げて用いてもよい。また、あらかじめ基板を凸面状に変形させたり、凸面状に削り出したりしたものを用いてもよい。
上記基板は、単結晶、多結晶あるいはアモルファスの材質とすることができる。
以下、ウェハＷの一例であるシリコンウェハＷ上にＳｉＣ薄膜を形成する場合を例に説明する。成膜は、基板の表面処理とＳｉＣの成膜の２段階で行う例について説明する。
最初に、シリコンウェハＷを、準備する（図２（ａ））。シリコンウェハＷはウェハＷの一例である。シリコンウェハＷは、例えば、表面が｛１１１｝面又は｛００１｝面のシリコンである。シリコンウェハＷの面方位の誤差は３度以下であることが好ましく、より好ましくは２度以下である。なお、｛１１１｝面、｛００１｝面との表記は、それぞれ、（１１１）面、（００１）面と結晶学的に等価な面を示す。シリコンウェハＷの厚さは、例えば、７００μｍ以上１．２ｍｍ以下である。シリコンウェハＷの直径は、例えば、２００ｍｍ以上３００ｍｍ以下である。
次に、１枚のシリコンウェハＷを、反応室１０内に搬入する。次に、シリコンウェハＷを、環状ホルダ１４の基板載置面に載置する。この際、シリコンウェハＷ表面とシャワープレート２２とは、３ｃｍ以上離間している。
次に、シリコンウェハＷを回転駆動機構２０により回転させながら、環状ホルダ１４の下方に設けられたインヒータ２４及びアウトヒータ２６により加熱する。シリコンウェハＷはシリコンウェハＷの略中心を通る法線を軸に自転する。
シリコンウェハＷの回転数は、例えば、５００ｒｐｍ以上２０００ｒｐｍ以下である。シリコンウェハＷは、例えば、１０００℃以上１２００℃以下の温度に加熱される。
次に、シリコンウェハＷの表面に、水素を含むガスを供給して前処理を行う。シリコンウェハＷの表面に、水素を含むガスを供給することで、シリコンウェハＷの表面の酸化膜が除去される。
次に、シリコンウェハＷを回転駆動機構２０により回転させながら、インヒータ２４及びアウトヒータ２６により表面処理温度（第２の温度）に加熱する。
シリコンウェハＷの回転数は、例えば、５００ｒｐｍ以上２０００ｒｐｍ以下である。表面処理温度は、例えば、６００℃以上１０００℃以下である。
次に、シリコンウェハＷの表面に、シリコン、及び炭素を含む表面処理ガス（第２のプロセスガス）１１ａを供給して、シリコンウェハＷの表面を処理し、被覆層５０ａを形成する（図２（ｂ））。表面処理は、例えば、炭化処理である。
被覆層５０ａは、例えば、シリコンウェハＷの表面のシリコンと表面処理ガス１１ａ中の炭素が結合して形成されるＳｉＣである。表面処理ガス１１ａは、例えば、モノメチルシランである。被覆層５０ａの膜厚は、例えば、０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
表面処理ガス１１ａには、塩素を含ませることも可能である。例えば、表面処理ガス１１ａをモノメチルシランと塩化水素の混合ガスとすることも可能である。
表面処理ガス１１ａは、シリコンウェハＷの表面に対して略垂直な方向の層流として供給される。シリコンウェハＷの表面に層流として供給された表面処理ガス１１ａは、回転するシリコンウェハＷの外周に向かって流れ、シリコンウェハＷの表面に薄い濃度境界層を形成する。
シリコンウェハＷの表面を処理する際の、反応室１０内の圧力は、例えば、１ｋＰａ以上１００ｋＰａ以下である。言い換えれば、シリコンウェハＷの表面を処理する際の、雰囲気の圧力は、例えば、１ｋＰａ以上１００ｋＰａ以下である。
次に、シリコンウェハＷを回転駆動機構２０により回転させながら、インヒータ２４及びアウトヒータ２６によりシリコンウェハＷを成膜温度（第１の温度）に加熱する。
シリコンウェハＷの回転数は、例えば、５００ｒｐｍ以上２０００ｒｐｍ以下である。成膜温度は、例えば、８００℃以上１２００℃以下である。
次に、シリコンウェハＷの表面に、シリコン、炭素、及び塩素を含む成膜ガス（第１のプロセスガス）１１ｂを供給して、シリコンウェハＷの表面に、ＳｉＣ膜５０が形成される（図２（ｃ））。ＳｉＣ膜５０は、被覆層５０ａ上に形成される。成膜ガス１１ｂは、例えば、モノメチルシランと塩化水素の混合ガスである。
成膜ガス１１ｂは、シリコンウェハＷの表面に対して略垂直な方向の層流として供給される。シリコンウェハＷの表面に層流として供給された成膜ガス１１ｂは、回転するシリコンウェハＷの外周に向かって流れ、シリコンウェハＷの表面に薄い濃度境界層を形成する。
被覆層５０ａ上にＳｉＣ膜５０を形成する際の、反応室１０内の圧力は、例えば、１ｋＰａ以上１００ｋＰａ以下である。言い換えれば、被覆層５０ａ上にＳｉＣ膜５０を形成する際の、雰囲気の圧力は、例えば、１ｋＰａ以上１００ｋＰａ以下である。
ＳｉＣ膜５０は、例えば、３Ｃ−ＳｉＣである。ＳｉＣ膜５０は、例えば、アモルファス膜又は多結晶膜である。ＳｉＣ膜５０の膜厚は、例えば、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。
ＳｉＣ膜５０を形成した後、インヒータ２４及びアウトヒータ２６による加熱を停止し、シリコンウェハＷの温度を低下させる。また、シリコンウェハＷの温度が所定の温度以下になった後、シリコンウェハＷの回転を止める。その後、ＳｉＣ膜５０の表面が露出した状態でシリコンウェハＷを反応室１０から搬出する（図２（ｄ））。
例えば、ＳｉＣ膜５０の表面が露出した状態でシリコンウェハＷを反応室１０から搬出した後、ＧａＮ系半導体を別の反応室でＳｉＣ膜５０上に成長させる。また、例えばＳｉＣ膜５０の表面が露出した状態でシリコンウェハＷを反応室１０から搬出した後、シリコンウェハＷを大気中に曝す。或いはＳｉＣ膜５０上にそのまま保護膜やＧａＮ系半導体を形成した後、シリコンウェハＷを反応室１０から搬出してもよい。
以上の例は、基板の表面処理とＳｉＣ膜５０の成膜を連続して行うものであるが、表面処理を省略し、ＳｉＣ膜５０の成膜のみを行ってもよい。また、表面処理とＳｉＣ膜５０の成膜を組み合わせて３段階以上のプロセスであってもよい。
次に、本実施形態の気相成長方法の作用及び効果について説明する。
ＳｉＣ膜はＧａＮ系半導体と格子定数が近いため、基板上にＳｉＣ膜を成膜することで基板とＧａＮ系半導体とのバッファ層として用いることができる。ＳｉＣ膜と基板との間に生じる応力は、基板のクラック、割れ、反りの原因となるため、成膜するＳｉＣ膜は十分に薄い膜であることが求められる。一方、ＳｉＣバッファ層の上に成長する半導体層が大面積にわたり欠陥がないためには、ＳｉＣ膜もピンホールなどが無いことが求められる。
光学機器の窓用部材として用いるＳｉＣ膜は、光の減衰を最小限に抑制することが要求される。このため、例えば、膜厚を５０ｎｍ程度と極めて薄くすることが要求される。また、光の透過率のばらつきを抑制するため、高い膜厚均一性及び膜質均一性が要求される。また、大口径の窓を覆うために、例えば、直径２００ｍｍ程度という大面積が要求される。さらに、ピンホールなどの欠陥の密度が少ないことが要求される。
本実施形態の気相成長方法により形成されるＳｉＣ膜の光学機器の窓材の応用としては、フォトダイオードや太陽電池の窓材、フォトマスク用のペリクル部材などが挙げられる。図３は、実施形態の気相成長方法により形成されるＳｉＣ膜を用いた応用例としてペリクルの例を示す図である。ＳｉＣはワイドバンドギャップ半導体であるため、短波長領域での光の透過性が高く、図３に示すペリクルは短波長領域でも利用することができる。
本実施形態で作製されたＳｉＣ膜５０は具体的には厚さが５０ｎｍ程度、面積が５０ｍｍ×５０ｍｍ程度の形状である。つまり、厚みと横方向の長さの比が１０６程度にもなる。この比は１ｍｍの厚みで１ｋｍ四方の広さの膜に相当する。
一方、このように大面積の基板上に均一なＳｉＣの薄膜を形成するための成膜装置には、以下のような要請がある。すなわち、成膜装置には、（１）ピンホールや欠陥の発生を防ぐため、成膜装置の内部で粒子の生成・付着が十分抑えられている構造であること、（２）最終的な部材の作製終了後にＳｉＣ薄膜にひびが入ったり割れたりすることを防ぐため、また光学的な均一性を達成するために大面積の基板上に均一な膜厚の成膜が可能であること、（３）ＳｉＣ薄膜の膜質が均一であるため成膜中の基板内での成膜環境、特に温度の均一性が高いことなどが求められる。
実施形態の気相成長方法によれば、枚葉型の気相成長装置を用いることにより、膜厚均一性及び膜質均一性が高く、欠陥密度の低い大面積のＳｉＣ薄膜を形成することが可能となる。以下、詳述する。
図４は、実施形態の気相成長方法により形成されるＳｉＣ膜５０の評価結果を示す図である。図４に示したＳｉＣ膜はいずれもシリコンウェハＷを表面処理することなくＳｉＣ膜を成膜したものである。
図４（ａ）は、実施形態の気相成長方法により形成されるＳｉＣ膜５０の膜厚均一性を示す図である。図４（ａ）は、直径２００ｍｍのウェハの直径方向に沿った膜厚の測定結果を示す。測定はエリプソメータで行っている。
図４（ａ）より、ウェハ面内の平均膜厚が２２．１ｎｍ、標準偏差が０．３７ｎｍと極めて高い膜厚均一性が実現されることが分かる。
図４（ｂ）は、実施形態の気相成長方法により形成されたＳｉＣ膜５０のＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真である。ＳｉＣ層の膜厚は約１００ｎｍである。図４（ｂ）から分かるように、均一でピンホール等などの欠陥のなく、膜質均一性が高いＳｉＣ膜５０が形成されていることが確認できる。
実施形態の気相成長法では、図１に示す枚葉型の気相成長装置を用いる。そして、中心部に開口部が設けられた環状ホルダ１４に基板の一例であるシリコンウェハＷを載置する。環状ホルダ１４は、回転体ユニット１６によって、外周部で支持される。
環状ホルダ１４の中心には開口部が設けられ、シリコンウェハＷの裏面に近接する部材が存在しない。このため、シリコンウェハＷの反りなどの変形が生じたとしても、その変形がシリコンウェハＷの温度分布に与える影響が少ない。したがって、シリコンウェハＷ面内の温度の均一性が高い。
また、環状ホルダ１４は、外周部で支持される。言い換えれば、環状ホルダ１４を中心で支持するセンターシャフトが存在しない。センターシャフトが存在すると、センターシャフトを介した熱伝導が生じシリコンウェハＷの表面の温度の均一性が低くなるおそれがある。したがって、実施形態の気相成長方法によれば、ウェハ面内の温度の均一性が高くなる。
実施形態の気相成長方法によれば、シリコンウェハＷ面内の温度の均一性が高いことにより、ＳｉＣ膜５０の膜厚均一性、膜質均一性が高くなる。
また、実施形態の気相成長方法では、枚葉型の気相成長装置を用いる。そして、プロセスガス１１をシリコンウェハＷの表面に対して略垂直な方向の層流として供給する。シリコンウェハＷの表面に層流として供給されたプロセスガス１１は、図２（ｂ）、図２（ｃ）に示すように回転するシリコンウェハＷの外周に向かって流れる。このため、シリコンウェハＷのエッジの影響でプロセスガス１１が乱流となり、成膜に悪影響を与える効果、いわゆるエッジ効果が生じにくい。したがって、シリコンウェハＷの表面に形成されるＳｉＣ膜５０の膜厚均一性、膜質均一性が高くなる。
また、実施形態の気相成長方法では、シリコンウェハＷの表面と略平行に対向するシャワープレート２２からプロセスガス１１を供給する。すなわち、反応室１０内で、プロセスガス１１が縦方向に流れる。このため、シリコンウェハＷの表面に対向するシャワープレート２２の表面に、反応生成物が付着しにくい。
さらに、シリコンウェハＷ表面とシャワープレート２２とは、３ｃｍ以上離間している。シリコンウェハＷ表面とシャワープレート２２との間隔が広いため、シリコンウェハＷの表面に到達したプロセスガス１１が再びシャワープレート２２側に戻り、シャワープレート２２の表面に、反応生成物が付着することが抑制される。言い換えれば、シリコンウェハＷ表面とシャワープレート２２との間隔が広いため、シリコンウェハＷ表面とシャワープレート２２との間で乱流が生じにくく、シャワープレート２２の表面に、反応生成物が付着することが抑制される。
シリコンウェハＷの表面に対向するシャワープレート２２の表面に、反応生成物が付着しにくいことから、シャワープレート２２に付着した反応生成物が、シリコンウェハＷ表面に落下することに起因するＳｉＣ膜５０の欠陥が生じにくい。よって、欠陥密度の低いＳｉＣ膜５０が形成される。
実施形態の枚葉装置のように反応室１０の内部を囲む壁面１７が冷却されているコールドウォールタイプの場合は、シリコンウェハＷ表面とシャワープレート２２との間の距離は３ｃｍ以上２０ｃｍ以下であることが好ましく、５ｃｍ以上１５ｃｍ以下であることがより好ましい。上記範囲を下回ると、シリコンウェハＷの表面に到達したプロセスガス１１が再びシャワープレート２２側に戻り、シャワープレート２２の表面に、反応生成物が付着するおそれがある。また、上記範囲を上回ると、反応室１０の内部で熱対流が生じ、シリコンウェハＷの表面に形成されるＳｉＣ膜５０の膜厚均一性、膜質均一性が低くなるおそれがある。
なお、反応室１０の内部を囲む壁面１７が加熱されているホットウォールタイプの場合は、シリコンウェハＷ表面とシャワープレート２２との間の距離は、５ｃｍ以上６０ｃｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは１０ｃｍ以上５０ｃｍ以下である。
環状ホルダ１４の外径は、４０ｃｍ以下であることが好ましく、３５ｃｍ以下であることがより好ましい。上記範囲を上回ると、環状ホルダ１４の回転に伴う乱流が生ずるおそれがある。反応室１０の内部で乱流が生じると、反応室１０の内部の望ましくない箇所に反応生成物が付着してＳｉＣ膜５０の欠陥の要因となったり、形成されるＳｉＣ膜５０の膜厚均一性、膜質均一性が低くなったりするおそれがある。
シリコンウェハＷの表面に形成されるＳｉＣ膜５０は、３Ｃ−ＳｉＣであることが好ましい。３Ｃ−ＳｉＣは、ＳｉＣの多形の中で、比較的低温形成が可能であるため、ＳｉＣよりも融点の低いシリコンウェハＷ上への形成が容易である。
或いは、シリコンウェハＷの表面に形成されるＳｉＣ膜５０は、アモルファス膜又は多結晶膜であることが好ましい。アモルファス膜及び多結晶膜は、単結晶膜と比較して光学的あるいは機械的異方性が小さくなる。したがって、光を透過させる光学用部材への応用に適している。また、アモルファス膜あるいは多結晶膜は単結晶膜と比較して柔軟性が向上し最終的な部材に加工する際に破損しにくくなる場合があるので好ましい。
シリコンウェハＷの表面に形成されるＳｉＣ膜５０の膜厚は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましく、３０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であることがより好ましい。上記範囲を下回ると、ＳｉＣ膜の強度が不足するおそれがある。また、上記範囲を上回ると、成膜後に基板にクラック、割れ、反りなどが発生したり、光学機器の窓材として利用する場合には透過光の減衰が大きくなりすぎたりするおそれがある。
シリコンウェハＷの表面を処理する際、及び、シリコンウェハＷの表面にＳｉＣ膜５０を形成する際のシリコンウェハＷの回転数は、５００ｒｐｍ以上２０００ｒｐｍ以下であることが好ましく、８００ｒｐｍ以上１８００ｒｐｍ以下であることがより好ましい。上記範囲を下回ると、シャワープレートからのガス流に対流が発生したり、層流にならないなどの、あるいはプロセスガス１１の利用効率が低下したりするおそれがある。上記範囲を上回ると、シリコンウェハＷの表面に均一な濃度境界層が形成されず、被覆層５０ａ、ＳｉＣ膜５０の膜厚均一性、膜質均一性が低くなるおそれがある。
シリコンウェハＷの表面を処理する際のシリコンウェハＷの温度である表面処理温度は、６００℃以上１０００℃以下であることが好ましく、７００℃以上９００℃以下であることがより好ましい。上記範囲を下回ると、シリコンウェハＷの表面が十分炭化されないおそれがある。上記範囲を上回ると、シリコンウェハＷの表面の炭化が進行しすぎ、炭化後に形成されるＳｉＣ膜５０の膜厚均一性、膜質均一性が低くなるおそれがある。
シリコンウェハＷの表面にＳｉＣ膜５０を形成する際のシリコンウェハＷの温度である成膜温度は、８００℃以上１２００℃以下であることが好ましく、９００℃以上１１００℃以下であることがより好ましい。上記範囲を下回ると、ＳｉＣ膜５０の膜厚均一性、膜質均一性が低くなるおそれがある。また、上記範囲を上回ると、ＳｉＣ膜５０の膜厚均一性、膜質均一性が劣化したり、シリコンウェハＷにダメージを与えたりするおそれがある。
シリコンウェハＷの表面処理として炭化処理する際、及び、シリコンウェハＷの表面にＳｉＣ膜５０を形成する際の反応室１０内の圧力は、ＳｉＣ膜５０の膜厚均一性、膜質均一性を高くする観点から、１ｋＰａ以上１００ｋＰａ以下であることが好ましく、１０ｋＰａ以上５０ｋＰａ以下であることがより好ましい。
以上、実施形態の気相成長方法によれば、大面積の基板上に欠陥が少なく、膜厚均一性及び膜質均一性の高い大面積のＳｉＣ薄膜を形成することが可能である。
以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
実施形態の気相成長方法を用いて、ＳｉＣ膜５０を表面が（００１）面で直径が２００ｍｍのシリコンウェハＷ上に形成した。まず、シリコンウェハＷを回転数１５００ｒｐｍで自転させ、シリコンウェハＷを１１００℃に加熱し、水素を含むガスを供給して、圧力２６．６ｋＰａで前処理を行った。次に、シリコンウェハＷを回転数１５００ｒｐｍで自転させ、シリコンウェハＷを１０００℃に加熱し、モノメチルシランを供給して、圧力２６．６ｋＰａでシリコンウェハＷの表面を処理し被覆層５０ａを形成した。次に、シリコンウェハＷを回転数１５００ｒｐｍで自転させ、シリコンウェハＷを１０００℃に加熱し、圧力２６．６ｋＰａでモノメチルシランと塩化水素を供給して、被覆層５０ａを形成したシリコンウェハＷの表面に膜厚が７０ｎｍのＳｉＣ膜５０を形成した。
図５は、実施例１のＳｉＣ膜５０の評価結果を示す図である。図５（ａ）は、形成されたＳｉＣ膜５０の表面のＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像である。図５（ａ）は、３μｍ×３μｍの領域を示している。表面の凹凸のＲＭＳ（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）は、６．４１ｎｍであった。図５（ｂ）は、形成されたＳｉＣ膜５０のＳＥＭ写真である。
（実施例２）
シリコンウェハＷの表面を処理する際のシリコンウェハＷの温度を８００℃とする以外は、実施例１と同様の条件でＳｉＣ膜５０を形成した。
図６は、実施例２のＳｉＣ膜５０の評価結果を示す図である。図６（ａ）は、形成されたＳｉＣ膜５０の表面のＡＦＭ像である。図６（ａ）は、３μｍ×３μｍの領域を示している。表面の凹凸のＲＭＳは、２．４４ｎｍであった。図６（ｂ）は、形成されたＳｉＣ膜５０のＳＥＭ写真である。
実施例１、実施例２の結果から、実施形態の気相成長方法により、基板上に欠陥が少なく、膜厚均一性及び膜質均一性の高い大面積のＳｉＣ膜５０を形成できることが明らかとなった。特に、実施例２のように、シリコンウェハＷの表面を処理する際のシリコンウェハＷの温度を低くすることで、膜厚均一性、表面平坦性が向上することが明らかとなった。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態及び実施例について説明した。上記、実施形態及び実施例はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。
実施形態では、あらかじめ混合されたプロセスガス１１が反応室１０に供給される場合を例に説明したが、分離されたプロセスガスが反応室１０に供給され、シャワープレート２２の直前で混合される構成であっても構わない。また、シャワープレート２２から噴出されるまで分離された状態となる構成であってもかまわない。
また、ウェハＷのホルダとして環状ホルダ１４を例に説明したが、ウェハＷのホルダは中央部に開口部を有しない皿状のサセプタであっても構わない。
また、実施形態では、ヒータとして、インヒータ２４とアウトヒータ２６の２種を備える場合を例に説明したが、ヒータは１種のみであっても、あるいは３種以上あっても構わない。
実施形態では、装置構成や製造方法など、本発明の説明に直接必要としない部分などについては記載を省略したが、必要とされる装置構成や製造方法などを適宜選択して用いることができる。その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての気相成長方法は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその均等物の範囲によって定義されるものである。
１０ 反応室
１１ａ 表面処理ガス（第２のプロセスガス）
１１ｂ 成膜ガス（第１のプロセスガス）
１４ 環状ホルダ（ホルダ）
２２ シャワープレート
５０ ＳｉＣ膜（炭化珪素膜）
Ｗ ウェハ（基板）

Claims (5)

  1. 基板の上に前記基板と異なる組成の膜を形成する気相成長方法であって、
    １枚の前記基板を自転させて第１の温度に加熱し、
    前記基板の表面に対して略垂直な方向の層流としてシリコン、及び炭素を含む第１のプロセスガスを供給し、前記基板の表面に膜厚が１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の炭化珪素膜を形成する気相成長方法。
  2. 前記基板を前記第１の温度に加熱する前に、自転する前記基板を第２の温度に加熱し、
    前記基板の表面に対して略垂直な方向の層流としてシリコン、及び炭素を含む第２のプロセスガスを供給する表面処理を行う請求項１記載の気相成長方法。
  3. 前記炭化珪素膜はアモルファス膜又は多結晶膜である請求項１又は請求項２記載の気相成長方法。
  4. 前記基板がシリコン層を含む請求項１ないし請求項３いずれか一項記載の気相成長方法。
  5. 枚葉型の気相成長装置の反応室に基板を搬入し、
    前記反応室内に設けられ、外周部で支持されるホルダ上に前記基板を載置し、
    前記基板を自転させ、
    前記基板を第１の温度に加熱し、
    前記基板の表面と略平行に対向し前記反応室の上部に設けられたシャワープレートから、シリコン、及び炭素を含む第１のプロセスガスを供給して前記基板の表面に膜厚が１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の炭化珪素膜を形成する気相成長方法。
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