JP2002520871A - 高スループットのオルガノメタリック気相成長装置 - Google Patents

高スループットのオルガノメタリック気相成長装置

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Abstract

(57)【要約】 コールド・ウォール型反応装置（１０）は、環状の反応装置壁（１６）を規定する内側壁部（１４）及び外側壁部（１２）を有している。サセプター(５２）はセル（１６）内に回転可能なように取り付けられている。サセプター(５２）がウェーハ（５３）を支持して、ウェーハはセル（１６）内を軸方向に流れるガスによって処理される。反応装置の外側壁部（１０）は通常は冷却されているが、セル（１６）の清浄化が必要とされる場合には、適当な炉（２１０）によって加熱されて、ホット・ウォール型反応装置を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、一般に、流量変調エピタキシー(flow modulation epitaxy)を形成
するための装置、特に基材上に物質を析出(deposition、蒸着)させるための高ス
ループットのオルガノメタリック気相成長（ＯＭＶＰＥ）装置に関する。好まし
い態様において、本発明は、化合物半導体材料のエピタキシャル成長(epitaxial
deposition)のための、ホット・ウォール型反応装置(hot wall reactor)に転換
することができるコールド・ウォール型反応装置(cold wall reactor)を目的と
する。
【０００２】 例えば、半導体材料又はウェーハのエピタキシー処理のための化学気相成長に
用いられる反応装置は一般的に知られている。エピタキシー処理のために用いる
ことができる反応装置には２つのタイプがあって、その１つはコールド・ウォー
ル型反応装置と称されており、もう１つはホット・ウォール型反応装置と称され
ている。２つの種類ともよく知られており、実施する反応の種類に応じて、特定
の反応装置が用いられる。例えば、シリコン処理は通常はホット・ウォール型反
応装置デバイスにおいて行われる。
【０００３】 化学気相成長反応装置において、処理に用いられる化学物質は、セルの中を通
って流れる際に、基材上並びにセルの壁部上にて分解する傾向がある。分解した
反応体の層がセルの器壁に形成され、それらの層は最終的に薄片となって剥離し
て、処理されるウェーハに損傷を与える粒状の汚染物質をセル内に形成し得る。
さらに、特定の化合物は化学的メモリー作用、即ち、不純物がセル壁部に堆積し
、その後の運転中に剥がれてその後の運転に汚染をもたらすことがある。そのよ
うな汚染を防止するため、セルは定期的に清浄化する必要がある。しかしながら
、通常、清浄化はデバイスを分解することによってのみ行うことができ、その作
業は時間がかかるばかりでなく、セルの全体を大気によって汚染させるおそれが
ある。従って、反応セルを分解する必要なく、汚染させるおそれもなく、反応セ
ルを清浄化するための機構に対する需要が存在している。
【０００４】 さらに、多くの化学気相成長（ＣＶＤ）反応装置には、処理すべきウェーハを
熱い反応性ガスが通過した後であって、そのような反応性ガスが外部の吸引装置
によって反応装置から排出される前に、その反応性ガスの温度を降下させるため
の冷却機構が設けられている。しかしながら、そのようなデバイスでは、冷却さ
れたガスがチャンバーから流出して、ガスによって移送されてきた化学物質が吸
引装置上で凝縮又は堆積するので、装置の重大な損傷を防止するために、時間が
かかると共にコストがかかる保守作業が必要となる。例えば赤色レーザーの製造
において、この種の反応装置においてリン化物化合物を用いる場合に、そのよう
な化合物には更なる問題点が存在している。黄リン化合物、赤リン化合物又は白
リン化合物は自然発火性を有しており、大気にさらされた場合には自然に発火し
得る。
【０００５】 最後に、種々のセルの幾何学的形状と共に用いられるガス・ディストリビュー
ション・システムには、反応チャンバーについて適当なシールを達成することが
困難であるという問題点があった。そのために、反応装置、従ってフローパスの
構造的アレンジメントが制限されていた。その結果、多くの反応装置アレンジメ
ントではガスを平滑な表面に導いている。そのような表面からリバウンドするガ
スは、チャンバー内における反応性ガスの望ましくない再循環を生じていた。従
って、チャンバー内へのガスの流れについての流体動力学的性質を向上させた、
簡単な反応装置の幾何学的形状を有し、再循環の問題点を解消した反応装置が強
く望まれている。
【０００６】 （発明の要旨） 本発明は、上述したような従来技術における反応装置デバイ
スの問題点を解消するものである。従って、本発明はとりわけ、反応装置の内部
を清浄化するためにホット・ウォール型セルに転換することができるコールド・
ウォール型反応装置セルのための垂直方向のバレル、同軸状シリンダーの構成を
提供するものである。
【０００７】 本発明において、反応装置は内側及び外側の同軸状シリンダーを有しており、
両シリンダーは石英製のチューブであることが好ましく、両シリンダーが協同し
て環状の反応装置セルを規定している。環状の反応装置セルの中には、内側のシ
リンダーの外側表面に隣接してサセプター(susceptor)が取り付けられており、
サセプターは外側に傾斜する表面又は円錐形状の外側表面を有しており、その表
面に処理すべきウェーハが載置される。サセプターはセル内で回転フィクスチャ
ーによって支持されており、回転フィクスチャーは支持シリンダーを有している
。その支持シリンダーは別の石英製チューブであってよく、サセプターの底部に
係合する上側エッジ、及び反応装置セルの下側エンドキャップ上に設けられてい
るサポート・ベアリングによって支持される下側エッジを有している。回転フィ
クスチャーは支持シリンダーの外側に取り付けられている歯車も有しており、駆
動モーターのシャフトに取り付けられている対応するドライブギヤによって駆動
される。
【０００８】 リフトフィクスチャーはリフトシリンダーを支える頂部エンドキャップを有し
ており、リフトシリンダーは上側反応装置セルシリンダーを包囲する石英製チュ
ーブであることが好ましい。リフトシリンダーはサセプターに係合する下側ショ
ルダー及びエンドキャップに係合する上側ショルダーを有している。リフトフィ
クスチャーを上方に動かすと外側反応装置シリンダーの頂端部を通してサセプタ
ーが引き上げられ、サセプター上のウェーハへのアクセスが可能となり、ウェー
ハの検査、調整及び／又は交換も可能となる。アクセスのためにサセプター上の
全てのウェーハを引き上げる場合、サセプターを回転させることができるように
、リフトシリンダーは頂部クロージャーに対して回転することができる。
【０００９】 外側の反応装置セルシリンダーは上側の反応装置シリンダー、サセプター及び
上側のリフトシリンダーを包囲して囲んでおり、その上側端部は頂部エンドキャ
ップに取り付けられており、その下側端部は底部エンドキャップに取り付けられ
ている。両方のエンドキャップはステンレス鋼製であることが好ましく、シリン
ダーとステンレス鋼エンドキャップとの間には適当なシールが設けられる。上側
の反応装置セルシリンダーの頂部は閉じており、下側のエンドキャップを通って
下方に延びており、下側のエンドキャップにシールされている。このチューブの
内部は大気にさらされるが、一方、２つのシリンダーの間の環状の領域は周囲の
雰囲気からシールされている。内側反応装置シリンダーの中に加熱コイル、石英
ランプ又はその他の適当な熱源が延びており、サセプターを加熱し、従ってサセ
プターが支持しているウェーハを加熱する。内側のシリンダーと反応装置シリン
ダーとの間のシールされた環状の領域は、閉じた反応セルとして機能する。
【００１０】 ガスを、サセプターの外側表面及びサセプター上に載置されているウェーハの
外側表面を通過させて、使用されていない反応ガスを外部の吸引源（減圧源）に
送るために、反応セルの内部には反応セルの頂端部から熱いガスを導入し、外側
反応装置セルシリンダーの下側部分に、好ましくは下側エンドキャップにフィル
ターアッセンブリを有する１又はそれ以上の出口ポンピングポートを配している
。サセプターと出口ポートとの間に、回転フィクスチャーを包囲して環状の冷却
装置が設けられており、この冷却装置はプロセスガスがセルを出る前にプロセス
ガスを冷却するという機能を有する。ここでは、使用されていない反応体の大部
分をその固相へと凝縮させて出口ポート内のフィルターによって捕捉させること
によって、排気ガスの配管及びバルブ類が膜によって被覆されることを防止する
。反応装置セルシリンダーを包囲する分割式のクラムシェル型の冷却ジャケット
によって更に冷却することもできる。
【００１１】 上側及び下側のエンドキャップは、不活性なガスを含む常套のドライボックス
・エンクロージャーによって包囲することが好ましい。これによって、セルの内
部を汚染したり、自然発火性の付着物が発火又は発煙させたりするおそれを伴う
ことなく、サセプターにアクセスしたり、出口ポートフィルターの清浄化を行っ
たりするために、上側及び下側のエンドキャップを開けることができる。
【００１２】 本発明において用いられる熱源は、高周波（ＲＦ(radio frequency))発生器に
よって励起されるされる加熱コイルであることが好ましく、高周波出力はグラフ
ァイト製のサセプターと連携して、コイルに誘導負荷を生じさせる。従って、サ
セプターは直接的に加熱され、一方、包囲する外側反応装置シリンダーは、誘導
によるよりも、熱いグラファイトからの輻射によって、又はセル内に存在するガ
ス若しくは支持する回転フィクスチャーを介しての伝熱によって間接的に加熱さ
れる。反応チャンバーは加熱するこの方法のために、コールド・ウォール型セル
と称される。コールド・ウォール型操作のための別の輻射加熱方法として、回転
フィクスチャー内に、加熱コイルの代わりに配設される一組の石英ランプを用い
ることもできる。
【００１３】 「自己清浄化」操作のためにコールド・ウォール型セルをホット・ウォール型
セルに転換させるには、冷却ジャケットを取り外して、外側反応装置シリンダー
の外側のまわりに分割式のクラムシェル型炉を設ける。セルの清浄化の間、外側
シリンダーの壁部を加熱し、反応装置セル内に腐食性ガス、例えばＨＣｌ又は腐
食性のプラズマを注入して、セルの器壁及びサセプターへの付着物をエッチング
により分離させる。壁部を加熱することは、付着物に壁部の薄片状の剥離やクラ
ックを生じさせ得る加熱の不整合をも生じ得る。この方法を用いる場合、それ以
前に使用した反応体によって又は粒状物の問題によってセルを汚染したり、付着
物が形成されたりしないように、セルの清浄化は定期的に行うことが好ましい。
これによって、セルを分解したり、大気にさらしたりすることなく、従ってセル
の大気による汚染を防止して、清浄化を行うことができる。
【００１４】 本発明は、種々の反応装置セルに用いることができるが、特に本発明の反応装
置に適応させて用いることによってセルを種々の多様なモードにて操作すること
ができる反応装置ガス注入構造をも目的としている。注入ポートはセルの頂部に
おいて頂部エンドキャップに隣接させて配されており、反応セルの外側のまわり
に対称的に配設されている複数のポートのうち、選択されたポートを通して反応
体ガスを注入することができる。選択された１種のガス又はガス混合物は、１つ
の選択されたポートを通して注入することもできるし、あるいはセルの全体に分
散させるために複数のポートを通して注入することもできる。注入ポートはセル
のまわりに対称的に配設することが好ましく、例えば４つのゾーンを規定して４
つのポートを配設することができ、反応装置内にガスを均一に分布させるには更
なるポートを設けることもできる。ガスがセル内を頂部から底部へ通り抜ける際
における横方向への拡散を、セルの大きさに対して非常に小さくすることを確保
することによって、及び反応セル内でガスの垂直方向の層流を形成することによ
って、各ゾーン内で反応体ガスを局在化させることができる。対応する（フィル
ター付き）出口ポートをセルの底部に配することによって、層流を向上させるこ
とができる。出口ポートを注入ポートと垂直方向について位置合わせさせること
もできるし、所望する場合には、出口ポートに流れ制御機構を設けることもでき
る。
【００１５】 本発明によれば、デバイスのガス注入ポートは、反応体セルへ供給しようとす
る反応体ガスである１種又はそれ以上の所望の反応体ガスを供給するための、デ
ィストリビューター・ブロックに接続される一連の入力マスフロー制御装置(imp
ut mass flow controllers)（ＭＦＣｓ）を有している。ＭＦＣｓは圧力変換器(
pressure transducer)に接続されており、圧力変換器はキャリヤーガスの流れを
調節して、ディストリビューター・ブロック内に定常的な圧力を維持させる。ガ
ス混合物は一連の対応するＭＦＣデバイスのうちの１又はそれ以上の選択された
ＭＦＣｓを通ってディストリビューター・ブロックを出る。ＭＦＣデバイスはデ
ィストリビューター・ブロックと、反応セルにつながっている対応する注入ポー
トとの間に接続されている。このようにして選択された反応体ガスの制御された
量が各注入ポートから入る。
【００１６】 反応体ガスの拡散した流れを望む場合には、間隔をおいて設けられている成長
ゾーン注入ポートに加えて、更に中間の注入装置を設けて用いることができる。
そのような注入装置はセル内にガスのほぼ均一な濃度を形成するために間隔をお
いて設けることもできる。
【００１７】 本発明の好ましい形態において、各ウェーハを載せて各成長ゾーンを通過させ
るためにサセプターは回転可能となっており、ウェーハを所望の順序にて所定量
の選択された成分にさらすことによって、ウェーハの流量変調エピタキシーを実
施する。
【００１８】 本発明の環状のフローセルによって、セルに流入し、セルの中を通って流れる
ガスの流体力学的性質を向上させることができる。環状のセルは、入口ポートか
らウェーハの表面を通過して出口ポートへ向かう下向きの流れをガスに生じさせ
ることによって、セル内でのガスの再循環を防止する、長手方向の又は軸方向の
垂直な流れを有している。流れの向きを反転させて、ガスにウェーハを通過する
上向きの動きを生じさせることも可能であると理解できるであろう。さらに、本
発明の反応装置セルでは種々の基材を処理することもできるが、特定の基材及び
測定の反応プロセスは本発明の一部ではない。
【００１９】 上述した及びその他の本発明の目的、特徴及び利点は、添付図面と共に、以下
に記載する本発明の好ましい態様についての詳細な説明から当業者に明らかにな
るであろう。
【００２０】 （好ましい態様についての説明） 本発明についてのより詳細な説明に入ると、図１において符号１０で示されて
いるのは、同軸状シリンダーの垂直なバレルからなるオルガノメタリック気相成
長（ＯＭＶＰＥ）装置であって、この装置は、化合物半導体材料を高スループッ
トでエピタキシャル成長させるため、及びその他の反応処理のための環状の反応
セルを有している。ＯＭＶＰＥ装置１０はコールド・ウォール型の反応装置であ
って、一般に円筒状の外側壁部１２及び同軸で一般に円筒状の内側壁部１４を有
している。外側壁部と内側壁部とは所定の間隔をあけてあって、環状のフロー・
スルー(flow-through)反応セル又はチャンバー１６を形成している。
【００２１】 外側の円筒状の壁部１２は円筒状のチューブから形成することができ、この発
明の１つの態様において、円筒状のチューブは約１０インチの直径を有していて
よい。チューブの頂部はステンレス鋼製で水冷式のエンド・キャップ１８によっ
て塞がれ、チューブの底部はステンレス鋼製で水冷式のエンド・キャップ２０に
よって塞がれる。チューブ１２は石英製であることが好ましいが、プロセスパラ
メーター、例えば使用する材料の純度及びデポジション温度などに応じて、この
外側壁部としてその他の材料を用いられることもできる。外側壁部１２の内側エ
ッジ２３とエンドキャップ１８の下側表面２４との接続部に、石英−金属シール
２２が形成されている。シール２２は、Viton（シリコンゴム）又は工業的に入
手可能なその他のエラストマー材料、例えばKalrezなどからなる第１及び第２の
Ｏリング２５及び２６を有することができる。リング２５はエッジ２３と表面２
４との間に配され、一方、リング２６はキャップ１８の底部表面２４に設けられ
ている環状のショルダー２７、並びに所定の間隔をおいて設けられる一連のボル
ト２９によってキャップ１８に取り付けられる環状の可動式のクランピング・ジ
ョー２８を有するクランプによってチューブ１２の外側表面に対して取り付けら
れている。ショルダー２７は外側へ傾斜する外側表面３０を有しており、外側表
面３０はクランピング・ジョー２８の外側に傾斜している内側表面３１に平行で
あり、ショルダー２７とジョー２８の表面３１との間にはＯリング２６が配され
ている。ボルト２９を締め付けることによって、Ｏリングはシリンダー１２の外
側表面に対して押し付けられ、シリンダー１２のキャップ１８との接続部は気密
シールされる。
【００２２】 同じように、壁部１２の底部エッジ３２から、底部エンドキャップ２０の一部
を形成し、直立したステンレス鋼製の円筒状のフランジ３４のトップエッジ３３
にかけては、石英−金属シール３５によってシールされている。この石英−金属
シールはシール２２と同様の構成を有することが好ましく、円筒１２の端部とフ
ランジ３４の頂部との間のＯリング３６、並びにフランジ３４上のショルダー３
８と、フランジ３４上の外側へ延びるチップ４１にボルト４０によって取り付け
られている可動式のクランピング・ジョー３９との間のＯリング３７を有してい
る。
【００２３】 内側の同心壁部１４は石英製チューブであることが好ましく、例えば約８イン
チの直径を有しており、ドーム形状の一体もののエンド壁部４２によってその頂
部がシールされている。チューブ１４の開いた下側端部４３はエンドキャップ２
０を通って下方に突出しており、従ってチューブの内側部分４４は雰囲気にさら
されている。この発明の好ましい態様において、チューブ１４の頂端部４２はエ
ンドキャップ１８と一体の下方に延びるフィラー／ベアリング支持部４５に係合
している。エンドキャップ及びフィラー部分は水冷式であって、ステンレス鋼製
であることが好ましい。フィラー部４５は一般に円筒形状であって、内側シリン
ダー１４のほぼ同じ直径を有しており、ガスの流れの乱流を防止するため、環状
の反応セルの上側端部を占めている。
【００２４】 フィラー４５は円筒状のリフト・チューブ４８の回転を容易にし、支持するた
めのベアリング溝４６を有しており、ベアリング溝４６は内側シリンダー１４の
上側部分を包囲している。リフト・チューブは内側シリンダー１４の壁部の軸方
向の長さの約半分の距離で延び、下側端部４９で終わっており、下側端部４９は
外側に延びるフランジ５０を有している。反応セル１６内で処理されるべきウェ
ーハ５３又はその他の材料を受ける環状のサセプター５２が、チューブ４８及び
そのフランジ５０を包囲して、そこから下方に延びている。サセプターはグラフ
ァイト製であることが好ましいが、用途によって他の材料、例えば耐熱性金属を
用いることもできる。サセプターは、リフトチューブ４８と同軸であって、リフ
トチューブ４８から外側に所定の間隔をおいて離れている円筒状の内側壁部５４
を有しており、サセプターはチューブ４８について回転することができる。処理
すべき材料を、外側シリンダー１２から内側に間隔をおいて離れているサセプタ
ーの下方及び外側に傾斜している外側壁部５６に載置することによって、処理す
べき材料は反応チャンバー１６を通って流れるガスの経路内に置かれる。サセプ
ター５２の内側表面５４は下側環状表面を有する内側に延びるショルダー５８を
有しており、リフトチューブ４８が上方に移動する場合に、その下側環状表面は
チューブ４８のフランジ５０に係合して、サセプターが上昇することになる。
【００２５】 リフトチューブ４８の頂端部５９は環状のリフトベアリング６０又は端部５９
のまわりで間隔をおいて配されている複数のベアリング・セグメントに、例えば
石英リフトチューブのアパーチャを通って延びるボルト６１などによって取り付
けられている。リフトベアリングはベアリング溝４６の中へ内向きに延びており
、頂部エンドキャップ１８を反応セルから取り外す場合に、ベアリング溝４６は
リフトベアリング６０に係合して、リフトチューブ４８を上昇させることになる
。これによってフランジ５０をショルダー５８に係合させ、リフトチューブの上
方への動きによってサセプター５２を上昇させることになる。従って、チューブ
４８を用いてサセプター５２を反応チャンバーの外へ持ち上げ、ベアリング表面
によって、サセプターは表面５６上側のすべてのウェーハに容易にアクセスする
ことができるようになる。
【００２６】 サセプター５２は、その底部表面６４に形成されている溝６３を有している。
この構成によれば、支持シリンダー６６の頂部エッジ上側に形成されている対応
するリッジ６５上に溝６３が載るようにリフトチューブを降下させることによっ
て、サセプターを反応チャンバー内に配置することができる。シリンダー６６は
石英チューブであることが好ましく、シリンダー６６はエンドキャップ２０の上
側表面７０に取り付けられているサポート・ベアリング６８上に載っている。サ
ポート・ベアリング６８はチューブ６６が内側チューブ１４と同軸となるように
配置し、チューブ６６をエンドキャップ２０について回転させる。支持チューブ
６６の頂部に存在するリッジ６５は、サセプターをチューブ１４の軸に関して中
心に位置決めさせ、反応セル１６の頂部を塞ぐような状態に頂部エンドキャップ
１８を降下させる場合に、サセプターをリフトチューブフランジ５０から離昇さ
せる。これによってサセプターは支持チューブ６６と共に自由に回転することが
できる。
【００２７】 チューブ６６の周囲をガス冷却装置、例えばステンレス鋼製の缶が包囲してお
り、そのガス冷却装置は反応チャンバー１６の中を流通するガスの経路に位置す
る外側壁部７８を有している。缶７６の内側には、冷却の目的で、例えば水又は
ＬＮ2などを配することができる。
【００２８】 冷却缶７６の下側に、直立するフランジ３４のまわりで間隔をおいて、全体と
して符号８０で示される複数の排気フィルター及びポンプアッセンブリが設けら
れており、これらには符号８１〜８８で示される複数の排気ポートが含まれる。
好ましくはフランジ３４の周囲には４〜８個の出口ポート部がほぼ等しい間隔を
おいて配されており、これらの出口ポートは、例えば符号９０及び９２で示され
る出口導管などによってマニホールド９４へ接続されている。次いで、マニホー
ルド９４はバルブ９６を介して減圧ポンプ９８に接続されている。 各出口ポー
トはフィルター（図示せず）を有しており、そのフィルターは支持スクリーンに
支持され、及び非反応性の材料、例えばテフロンなどにより形成されることが好
ましい。
【００２９】 石英支持チューブ６６の外側には歯車１００が取り付けられており、一緒に回
転する。歯車はドライブ・シャフト１０４に取り付けられているドライブギヤ１
０２によって駆動され、ドライブ・シャフト１０４はフィードスルー１０６によ
って底部エンドキャップ２０を貫通し、駆動モーター１０８に連結されている。
フィードスルーは超高真空ベローズ又は磁性流体駆動(ferrofluidic drive)であ
ってよく、駆動モーター１０８にチューブ６６を回転させることができる。１０
０と１０２との間のギヤ比は駆動モーターの速度に依存すると共に、支持チュー
ブの寸法及び所望される回転速度に依存する。
【００３０】 図示する態様では、内側の石英チューブ１４は、底部エンドキャップ２０を通
って下方に延びており、Ｏリング１１２を含む周囲シール１１０によって、エン
ドキャップに対して気密シールされている。シール１１０のアレンジメントは、
上述したシール２２のアレンジメントと同様である。石英チューブ１４は、環状
の反応セル１６についての内側の連続壁部を提供して、内部キャビティ４４を包
囲している。内部キャビティ４４は、中央部の、又は開口底部４３を通り、雰囲
気へ軸方向に下方に開口する内側チャンバーを形成している。この場合に、雰囲
気はドライボックス１２４内に収容される不活性ガスによってもたらされている
。ドライボックス１２４は反応セルの下側部分を包囲し、特にシール３６の下側
の下側エンドキャップ部分を包囲して、エンドキャップ２０を降下させることに
よって、反応チャンバー１６の下側端部を開口させる。これによって、反応チャ
ンバーを汚染することなく、排気フィルターアッセンブリ８０内のフィルターへ
のアクセスが可能となる。
【００３１】 高周波コイル（ＲＦコイル）１３０が内側チャンバー部４４の中に設けられ、
サセプター５２の内側壁部５４の近くに配されている。コイルは銅製チューブに
より形成されており、石英チューブ１４を通過して延びるリード１３２及び１３
４によってＲＦ（高周波）発生器１３６に接続されていることが好ましい。ＲＦ
発生器１３６はドライボックス１２４の外部に設けることができる。コイル１３
０はグラファイト製のサセプターを電磁誘導的に加熱する。コイル１３０の位置
によって、サセプターのみを直接的に加熱することを確実に行うことができる。
包囲する石英チューブ、特に、チューブ１２、１４、４８及び６６は直接的に加
熱されないが、熱くなったサセプター材料からの輻射、反応セル１６内に存在す
るガスを通しての誘導、又は支持石英チューブ６６への伝導などによって間接的
に加熱される。反応チャンバー１６は、この加熱方法のために、コールド・ウォ
ール型セルと称される。
【００３２】 装置１０の試作品では、ＲＦ発生器は８５ｋＨｚにて操作され、コイルに１１
ｋＷまで供給した。１０００℃を越える温度へサセプターを加熱するには、約７
ｋＷで十分であることが見出された。コールド・ウォール型操作の別の加熱方法
は、サセプターの内側のコイル１３０の位置に石英ランプの配列を配置すること
を用いて利用することができる。所望する場合には、加熱コイルを外側チューブ
１２の外側に位置させることもできるが、あまり好ましいことではない。
【００３３】 外側石英チューブ１２のまわりは水ジャケット１４０によって囲まれており、
水ジャケット１４０は反応装置の操作の間に外側壁部１２へ冷却流体の流れを供
給する。このジャケットは、反応セルを、清浄化のために、後で記載するような
ホット・ウォール型装置に転換させるために取り外すことができるように、分割
式のクラムシェル型の構成であることが好ましい。
【００３４】 好適な制御装置１４２を設けることによって、駆動モーター１０８を操作させ
、並びにライン１４６によって制御装置に接続される熱電対プローブ１４４によ
って、検知されるサセプターの温度に対応させてＲＦ発生器１３６を制御するこ
とができる。
【００３５】 ここで図２を参照すると、図２においてより詳細に示されているが、ガス・デ
リバリー・システム１５０から反応チャンバー１６へ反応体ガスが供給される。
図示されているデリバリー・システムは反応セルを種々の多様なモードにて操作
することができる。例えば、反応体ガスは選択された蒸気種と共に、４つの独立
した注入ポート１５２、１５４、１５６及び１５８、及びゾーン１〜４として識
別されている、部分的に限られている１又はそれ以上の部分に注入することがで
きる。各ポートが制御されたアークを覆う注入パターンをもたらすことによって
、操作の間に隣接するポートからのガスが数度ずつオーバーラップするようにす
ることができる。別法として、ガスは、単独のガス混合物として、４つ又はそれ
以上の注入ポイント、例えばポイント１６０、１６２、１６４及び１６６を通し
て、セル全体のまわりに注入することができるし、又は全てのポートの組合せを
用いることもできる。図示するように、後者の注入ポイントは４つの領域の注入
ポイントの間で対称に配され、すべての注入ポイントは反応チャンバー１６のま
わりで等しい間隔をおいて配されている。
【００３６】 図２は図１の装置の平面図であって、頂部エンドキャップ１８を分割して、フ
ィラー４５を取り除いている。図示するように、注入ポートはエンドキャップ１
８の環状のフランジ部１６８を通って下方へ延び、反応チャンバー１６の中に反
応体ガスを注入する。注入部１５２、１５４、１５６及び１５８はそれぞれ対応
する入口導管１５２’、１５４’、１５６’及び１５８’を通って、対応するキ
ャリヤーガス及び反応体ガスのソースへ接続することができる。対応する各キャ
リヤーガス及び反応体ガスは、ウェーハ５３上へ選択された蒸気種、例えば化合
物半導体材料の蒸気種を移送し、エピタキシャル成長させることができる。
【００３７】 同様にして、注入ポート１６０、１６２、１６４及び１６６を、対応する導管
１６０’、１６２’、１６４’及び１６６’によって、対応する反応体ガス又は
キャリヤーガスのソースへ接続することもできる。この場合に、図２において、
各導管１６０’、１６２’、１６４’及び１６６’は、入力マスフロー制御装置
(imput mass flow controllers)（ＭＦＣｓ）１７０、１７２、１７４及び１７
６を含むように示されている。ＭＦＣｓは共通するディストリビューター・ブロ
ック１８０に接続されている。ディストリビューター・ブロック１８０は高純度
のステンレス鋼製の容器であってよく、反応セル１６のまわりにおいて分配され
るキャリヤーガス及び所望の反応体ガスを含むことができる。この発明の１つの
態様において、セルの清浄化のために、キャリヤーガスはＨ2であり、一方、反
応体ガスはＨＣｌであって、化合物半導体にエピタキシャル成長させるための第
Ｖ族成分を含むハイドライドであった。例えば、ガリウムヒ素半導体のためには
ＡｓＨ3を蒸着させることができ、ＧａＮ半導体のためにはＮＨ3を蒸着させるこ
とができ、ＩｎＰはＰＨ3ガスと共に用いることができる。
【００３８】 キャリヤーガスはＭＦＣｓ１８２を通ってディストリビューター・ブロックへ
供給され、ＭＦＣｓはディストリビューター・ブロックに接続されている圧力セ
ンサー１８４に従って作動する。ディストリビューター・ブロック内で一定の圧
力が維持されるように、キャリヤーガスの流れの調節が圧力変換器(pressure tr
ansducer)によって行われる。ＭＦＣｓ１８６及び１８８を通してディストリビ
ューター・ブロックへ反応体ガス供給され、ブロック１８０内でキャリヤーガス
と混合される。ガス混合物はＭＦＣｓ１７０、１７２、１７４及び１７６を通っ
てディストリビューター・ブロックを出て、反応チャンバー１６内に注入される
。同量の分配されたガスがゾーン１〜４の間の各注入ポートに入り、反応セル１
６内に拡散される。所望する蒸気濃度の均一性又は不均一性を達成すべく、注入
ポイントの数を所望によって増減することもできる。
【００３９】 チャンバー内において頂部から底部へのガスの垂直方向への層流を確保するこ
とによって、セルの垂直方向の軸まわりにおける制御不可能なガスの渦流を防止
するために、反応チャンバーの頂部に配されるガス注入ポート、特に４つのゾー
ンの注入ポートは、チャンバー底部の対応する出口ポートとの間で垂直方向につ
いて位置合わせされていることが好ましい。このような垂直方向への層流によっ
て、ゾーン１〜４において注入された蒸気種がセル内を頂部から底部へ通り抜け
る際における横方向への拡散を、セルの大きさに対して非常に小さくすることを
確実に行うことができる。２５torrの圧力で操作して、キャリヤーガスを約２５
SLPM(standard liter per minute)で流れさせるという反応装置の操作の１つの
態様では、この条件に容易に適合した。蒸気種がサセプターに到達する時点まで
に、蒸気種はセル内でほぼ１２０゜の角度に拡がっており、ごくわずかにオーバ
ーラップする隣接した成長ゾーンがもたらされるということが見出された。
【００４０】 反応チャンバー１６内において均等化された層流を確保するため、出口ポート
８１〜８８は対応するＭＦＣｓを通ってマニホールド９４へ接続されている。図
３には、ＭＦＣｓの中の５つ（８１’、８５’〜８８’）が示されている。これ
らの制御装置によって各ポートには等しい出口ポンピング（吸入排出作用(pumpi
ng))がもたらされ、反応セル内におけるガスの流れの制御が容易になる。
【００４１】 頂部エンドキャップ１８を取り外し、石英リフトチューブ４８を上昇させるこ
とによって、ウェーハ５３へのアクセスが達成される。チューブ４８の底部にお
けるフランジ５０はサセプター５２のショルダー５８に係合しており、チューブ
４８によってサセプターを上方へ引き上げて反応チャンバーの頂部から取り出す
ことが可能となる。ドライボックス・エンクロージャ２００が反応装置の頂部を
覆うことによって制御された雰囲気を提供し、ウェーハの装填及び取り外しの間
に反応装置が汚染されることを防止する。
【００４２】 操作中、支持チューブ６６を回転させてサセプター５２を動かして、ポート１
５２、１５４、１５６及び１５８にて噴射(注入、inject)され、反応チャンバー
の中を垂直方向下向きに流れる蒸気種によってされる４つの成長ゾーンの中にウ
ェーハ５３を順次通す。基材ウェーハの表面は選択された構成の蒸気に順次さら
され、ウェーハ上に流量変調エピタキシーがもたらされる。
【００４３】 冷却缶７６へは流水又は液体窒素が供給されて、プロセスガスが反応チャンバ
ーから出る際にプロセスガスを冷却する。これによって未使用の反応体は固相へ
凝縮された後、出口ポート８１〜８８内のフィルターによって捕捉され、反応装
置の操作中に排気ガスの配管及びバルブ類が固体フィルムによって被覆されるこ
とを防止する。上述のように、底部エンドキャップ２０をドライボックス１２４
の中へ降下させることによって、フィルターは保持される。
【００４４】 反応プロセス中に、石英製の外側壁部１２並びにチャンバーの他の部分で多少
の凝縮が生じ得るので、定期的にチャンバー内を清浄化することが必要となる。
本発明によれば、コールド・ウォール型反応チャンバーをセルフ・クリーニング
操作のためのホット・ウォール型反応チャンバーに転換することによって、清浄
化が達成される。セルの清浄化ステップの間、腐食性のガス、例えばＨＣｌが反
応セル内に注入され、チャンバー壁部及びサセプターから付着物をエッチングに
より分離させる。それ以前に使用した反応体によって又は粒状物の問題によって
セルを汚染したり、付着物が形成されたりしないように、この操作は定期的に行
うことが好ましい。
【００４５】 反応装置の転換(conversion)は、冷却ジャケット１４０をチャンバーから取り
外して、分割式のクラムシェル型炉に交換することによって行われる。この炉は
、一端が符号２１６で示す部分によってヒンジ接続されており、それぞれの他端
部２１８及び２２０が突き合わされる一対のアーチ型セクション２１０及び２１
４を有している。アーチ状のセグメントは外側壁部１２のまわりで湾曲し、反応
チャンバーを包囲して、適当な温度まで反応チャンバーを加熱する。外側壁部１
２から所定の間隔をおいて設けるために、便宜的にクラムシェル型炉２１０につ
いて説明したが、炉の内側壁部は、熱伝達を最大にするため、外側壁部１２に係
合していてもよいし、近接させて配することもできると理解されたい。このよう
なクラムシェル型炉のアレンジメントによって、反応装置を分解することや、結
果として生じる汚染を伴うことなく、反応装置を清浄化することができる。
【００４６】 従って、要約すると、熱い反応性ガスは、環状反応チャンバー１６の中にチャ
ンバー頂部から入り、処理すべきウェーハ又は基材を通過して下向きに流れる。
これらのウェーハはグラファイト製サセプターの外側及び下向きに傾斜する外側
壁部の上に載置されており、サセプターは内部コイルによって加熱され、そして
サセプターが反応体ガスによって処理すべきウェーハを加熱する。これらのガス
はチャンバー内を垂直方向に流れ、適当な外部の吸引ポンプによって外側フィル
ターポートを通して排出される。ガスが下向きに流れて、チャンバーから出る際
に、冷却缶によってガスは冷却され、ガスによって移送されてきた化学物質はポ
ンプの出口ポートに達する前に、堆積させられる。これによって、出口ポートに
おいてフィルター・アッセンブリは、粒状物が吸引ポンプに及びバルブアレンジ
メントに到達する前に、粒状物を除去することができる。不活性ガスによって満
たされているドライボックス内に出口ポートが設けられていることによって、フ
ィルターを清浄化する場合に反応チャンバーが汚染されることを防止できるだけ
でなく、使用される化合物が自然発火性を有する場合にも発火することを防止で
きる。
【００４７】 きわめて簡単な構成を提供して、向上したガスディストリビューション(分配
供給)システムをもたらすことは、反応セルのシールを達成することが困難であ
るために従来は不可能であったが、本発明のセルの幾何学的形状によって可能と
なった。本明細書において開示する構造は、適当なポンピングシステムと共に、
１０-8torrに達する超高真空を維持することができる。セルは超高真空（ＵＨＶ
、ultra-high vacuum）条件にて操作されないが、そのような条件下で漏れの診
断がなされる。フローセルの環状の形状によって、チャンバーへ入り及びチャン
バーの中を通るガスの流れの流体力学的性質が向上し、ウェーハの傾斜した表面
によって、ガスのリバウンドが防止され、ガスの望ましくない再循環が排除され
る。頂部エンドキャップにおける入口からの下向きのガスの流れはチャンバー内
における停滞空気の量を低減させ、並びに筒状の内側壁部１４はディストリビュ
ートされたガスの注入装置と共に向上した操作をもたらす。
【００４８】 以上のように説明した垂直なチャンバーの構造は好ましいものであるが、本明
細書において説明したような特徴を利用して、横型のチャンバーデバイスを構成
することもできるということを理解されたい。さらに、垂直な流れのチャンバー
を逆さにして、反応チャンバーの底部において反応体ガスを導入し、基材上のウ
ェーハを通過させて上向きに流れさせ、チャンバーの頂部にて排出させることも
できる。この流れの向きは、流れはコンベンション・フォース(convention forc
e)と同じ向きであるので多少の利点を有するが、サセプターを逆転させる必要が
ある。そして、これは、ウェーハをサセプター表面に取り付けることを必要とす
るが、そのことは小さくはない問題点でもある。
【００４９】 同軸状の石英チューブによって形成される反応チャンバーについて説明したが
、他の材料も使用できることは明らかである。例えば、熱分解性窒化ホウ素(pyr
olytic Boron Nitride)は優れた材料であると考えられるし、低温プロセスには
ステンレス鋼を用いることもできる。サセプターはグラファイト製のものである
として説明したが、ＲＦ誘導加熱を用いる場合には、いずれかの電気伝導性材料
を用いることができる。その他の熱伝導性材料、例えば窒化アルミニウムは他の
熱源と共に用いることができる。その他種々の材料も、当業者には明白であると
考えられる。
【００５０】 好ましい態様に関して本発明の説明をしたが、特許請求の範囲に記載する本発
明の範囲及び精神から離れることなく、種々の変更及び改良を加えることができ
ると理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の垂直方向のバレルを有するオルガノメタリック
気相成長装置において、部分的に断面を示している側面図である。
【図２】 図２は、図１に示す装置の平面図であって、反応装置の頂部の覆
いが取り外してあり、反応装置用へのガス注入のアレンジメントが示されている
。
【図３】 図３は、反応装置出口部分の側面図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年６月２２日（２０００．６．２２）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K030 AA11 EA03 GA06 JA05 KA05 KA10 KA22 KA24 KA26 KA41 5F045 AA04 AB10 AB12 AC01 AC12 DP16 DP27 DQ04 EB06 EC02 EC05 EE04 EE20 EJ04 EJ09 EK03

Claims (27)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 閉じた端部及び開いた端部を有する中央キャビティを取り囲
    む内側壁部； 前記内側壁部から離れて、前記内側壁部を取り囲み、内側壁部との間に反応装
    置を提供する外側壁部； 前記セル内に回転可能なように取り付けられるサセプター；及び 中央キャビティ内に設けられ、サセプターを加熱する加熱手段 を有してなるコールド・ウォール型反応装置。
  2. 【請求項２】 外側壁部に取り外し自在に取り付けられる炉を更に有してお
    り、反応装置をホット・ウォール型反応装置に転換することができる請求項１記
    載の反応装置。
  3. 【請求項３】 反応装置をコールド・ウォール型反応装置として操作するた
    めの外側壁部用の冷却手段、並びに反応装置をホット・ウォール型反応装置に転
    換するための外側壁部用の加熱手段を更に有する請求項１記載の反応装置。
  4. 【請求項４】 加熱装置はサセプターを誘導加熱するためのＲＦコイルであ
    る請求項１記載の反応装置。
  5. 【請求項５】 反応装置をコールド・ウォール型反応装置として操作するた
    めの外側壁部用の冷却手段、並びに反応装置をホット・ウォール型操作に転換す
    るための手段を更に有する請求項４記載の反応装置。
  6. 【請求項６】 内側壁部及び外側壁部が円筒状である請求項５記載の反応装
    置。
  7. 【請求項７】 サセプターをセル内で回転させて支持するための回転フィク
    スチャーを更に有する請求項５記載の反応装置。
  8. 【請求項８】 サセプターをセルから取り出すためのリフト部材を更に有す
    る請求項７記載の反応装置。
  9. 【請求項９】 回転フィクスチャー用の駆動モーターを更に有する請求項７
    記載の反応装置。
  10. 【請求項１０】 内側壁部、外側壁部、回転フィクスチャー、及びリフト部
    材が石英製のチューブである請求項９記載の反応装置。
  11. 【請求項１１】 反応装置セルの１つの端部に、反応性ガスをセル内に導入
    するための注入装置を有し、反応装置セルのもう１つの端部に、そのようなガス
    をセルから排出するための出口ポートを有する請求項１記載の反応装置。
  12. 【請求項１２】 出口ポートが対応する注入装置と位置合わせされており、
    セル内で軸方向のガスの流れを形成する請求項１１記載の反応装置。
  13. 【請求項１３】 サセプターが回転フィクスチャーの上に取り付けられてお
    り、回転フィクスチャーがセル内にサセプターを配置し、並びに回転フィクスチ
    ャーがサセプターを回転させてセル内に軸方向のガスの流れを形成させる請求項
    １２記載の反応装置。
  14. 【請求項１４】 内側壁部及び外側壁部が一般に円筒状であって、環状の反
    応装置セルを形成するように同軸状であり、反応装置セルの第１及び第２の端部
    を閉じてシールする第１及び第２のエンドキャップを更に有する請求項１３記載
    の反応装置。
  15. 【請求項１５】 環状の反応装置セルが垂直方向の軸を有しており、それに
    よってガスの軸方向の流れが垂直方向に流れる請求項１４記載の反応装置。
  16. 【請求項１６】 サセプター及び回転フィクスチャーはそれぞれ円筒状であ
    り、内側壁部と同軸状に内側壁部を包囲する請求項１４記載の反応装置。
  17. 【請求項１７】 セル内において、サセプターと出口ポートとの間における
    ガスの流れの中に配される冷却装置を更に有する請求項１６記載の反応装置。
  18. 【請求項１８】 反応装置セルからサセプターを取り出されためのリフト部
    材を更に有する請求項１７記載の反応装置。
  19. 【請求項１９】 第１のエンドキャップを取り外すのと同時に、サセプター
    を取り外すための第１のエンドキャップによって、リフト部材が支持されている
    請求項１８記載の反応装置。
  20. 【請求項２０】 リフト部材が第１のエンドキャップに対して回転可能であ
    って、ウェーハの処理に適応する請求項１９記載の反応装置。
  21. 【請求項２１】 対応するマスフロー制御装置を通して選択された注入装置
    へ接続されるガス分配マニホールドを更に有する請求項１１記載の反応装置。
  22. 【請求項２２】 選択された注入装置を通して接続できる個々の反応性ガス
    源を更に有しており、反応体セル内に垂直方向のガスゾーンが設けられ、サセプ
    ターはガスゾーンの中で回転することができる請求項２１記載の反応装置。
  23. 【請求項２３】 出口部マニホールド及び対応するフロー制御装置を更に有
    しており、フロー制御装置は各出口ポートを前記マニホールドに接続させて排出
    ガスフローを制御する請求項２２記載の反応装置。
  24. 【請求項２４】 反応装置セルに間隔をおいて配置にて接続される複数のガ
    ス注入装置； ガス分配マニホールド； 各注入装置どうしの間で接続される、対応するガスフロー制御装置； 対応する注入装置へのガスの流れを制御するためのマニホールド； キャリヤーガスのソース； キャリヤーガスのソースをマニホールドに接続するキャリヤーガス・フロー制
    御装置； 反応体ガスの少なくとも１種のソース；並びに 反応体ガスのソースをマニホールドに接続する反応体フロー制御装置 を有してなる反応装置セル用のガス分配システム。
  25. 【請求項２５】 分配マニホールドとキャリヤーガス・フロー制御装置との
    間を接続して、マニホールド内で検知したパラメーターに応じて制御装置を制御
    するセンサーを更に有する請求項２４記載の分配システム。
  26. 【請求項２６】 入口端部及び出口端部を有する環状の長い反応装置セル内
    に、処理すべき材料を配すること； 間隔をおいて配される複数の入口部位置の入口部へ反応体ガスを供給すること
    ； 間隔をおいて配される複数の出口部位置の出口部から前記ガスを抜き出して、
    処理すべき材料を通過する流れをガスに生じさせること を含んでなる反応装置内においてガスの流れを制御する方法。
  27. 【請求項２７】 出口部位置を入口部位置に位置合わせさせて、セルの中を
    通り、乱流を伴わない制御されたガスの流れを生じさせること；並びに 処理すべき前記材料をガスの流れの中で動かすこと を更に含んでなる請求項２６記載の方法。
JP2000560296A 1998-07-15 1999-07-12 高スループットのオルガノメタリック気相成長装置 Pending JP2002520871A (ja)

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