JP2003518199A - 化学気相成膜反応室及びそのための処理室 - Google Patents
化学気相成膜反応室及びそのための処理室Info
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Abstract
Description
ガス流を備えた処理室と、反応ガスがガスコレクタを除き処理室から出ることを
防止する手段とを備えたものに関する。
膜反応室を製造する産業に応用される。
いる。この文献に開示されているのは、複数の半導体ウエハを反応ガス流に晒す
すことによって処理するためのエピタキシャル反応室である。この反応室は、処
理室において遊星回転するグラファイト製基板ホルダを有する。ここに、処理室
は、ガス流がウエハと接触する空間であり、遊星回転する基板ホルダをできる限
り近くで取り囲み且つ鉛直軸を持つ円筒体である。円筒体の下部と上部は床板と
天井板によって気密に封止される。ほぼ平坦なカバーがこの装置をカバーする。
反応ガスの導入口はカバーの中心に位置し、遊星回転する基板ホルダに対向する
。この導入口は、反応ガスを、端面が朝顔状に下方に開いたいくつかの同心状漏
斗を経由して、処理室内に導入する。反応室を開けるためにカバーを持ち上げれ
ば、処理室の内部にアクセスできる。基板ホルダは、周囲に複数の開口を設けた
中空の石英製リングで囲まれている。この石英製リングの周辺で、反応ガスが出
ていくことができるチューブが終端する。付加的に水素ガス流が円筒体と石英製
リングの間の空間に供給され、反応ガス流がその空間に進入しその空間を汚染す
ることを防止する。
を製造する分野においては、上述した反応室では、いくつかの問題を解決するこ
とができない。
いうことである。処理室が分離されなければならない理由は、導入される反応ガ
スが処理室から出て反応室の空間に向かって流れることを防止し、その空間が汚
染されないようにするためである。実際、反応ガスによる高温の化学反応でウエ
ハ上に所望の膜が堆積されるが、反応室の他の空間のすべてにおいてそのような
堆積が起こることは望ましくない。これらの空間を頻繁にクリーニングして、こ
れらの空間の機能を維持し、エピタキシャル成長の条件が変化しないようにし、
ウエハを出し入れする際に異物粒子がウエハ上に堆積しないようにしなければな
らない。実際、これらの空間をクリーニングし置換する作業のために、反応室を
使用するための時間が無駄になる。加熱反応ガスに晒されていたこれらの空間が
冷却されるとき、これらの空間の汚染の問題が重要になってくる。たとえば、砒
素を含むIII-V族化合物の場合には、砒素は、約200℃以下ですべての表面に
堆積する。大きな反応室においては、処理室の外壁は、多くの実際的な理由のた
めに冷却されなければならない。また、処理室の大きさ、重量及び反応室への多
重接続の故に、決まり切った仕事として容易に処理室を開けてクリーニングする
ことは困難となる。
駆ガスからなるガス混合物を、プロセス処理条件から要求されるとおり極めて迅
速に変更しなければならないからである。現実には、中央の導入口から処理室の
中へ先駆ガスを導入することをやめた後、ウエハ上の先駆ガス濃度は、数秒以内
に10000分の1程度に減少しなければならない。このことが要求されるのは
、たとえば、HEMTと略される高電子移動度トランジスタ(High Electron Mo
bility Transistor)での2重ドープ構造の成長の最中にNドープ先駆ガスが使用
されるときである。この要求が満たされるのは、反応ガスがウエハに面する空間
に閉じこめられている場合だけである。この空間以外のすべての空間には、反応
ガスが存在してはならない。処理室を分離する他の理由は、化学気相成膜で使用
される反応ガスは、通常、危険で有害であり、陽圧の排気口以外を通って処理室
の外部に流れ出てはならないからである。
、化学反応が生じるように300℃から1500℃の温度範囲に加熱されている
。そのため、ウエハに適合し高温に耐える材料たとえば多孔質であるグラファイ
トが選ばれる。第2に、基板ホルダは回転しており、それによってウエハ同士の
均一性を保証し、またガス流の動力学に影響を与える。回転軸と静止部品との接
続をきつくすることはできず、ガス流が排出され得る。そのため、処理室を基板
ホルダより下の空間から気密に封止することは容易ではない。
ウエハに直接面する空間よりかなり大きくなることがあるということである。か
くして、既に引用した米国特許で知られているような付加的水素ガス流でかなり
のサイズの対抗流を作り、その空間に反応ガスが来ないように保証している。も
しも反応室の設計で決まるその対抗流のサイズが、たまたま、ウエハに直接面す
る空間における全ガス流の量よりも大きくなったら、いくつかの困った結果たと
えば、エピタキシャル層の不均一、層の純度の低下、超高純度ガスの浪費、を招
く。
ために処理室が比較的大きくなることである。そのため、大きな処理室の特定の
部品要素であって高温領域に置かれるものは、ウエハの導入の際に又は処理室の
クリーニングの際に処理室を開閉するため、他の部品要素に対して相対移動可能
でなければならない。かくして、高温領域の中の可動部品要素を封止するために
標準的なシールを使用することは不可能である。さらに、処理室が大きいために
、また処理室を開閉する観点からも、可動部品要素同士の閉鎖箇所表面は互いに
接触してはいない。何故なら、これらの大寸法閉鎖表面を充分平坦にすることは
機械的に不可能であり、不規則な閉鎖界面が生じる。その結果、封止手段を用い
ることなく、対向する閉鎖表面同士の単純難接触によって処理室を閉鎖しても、
反応ガス流を不規則閉鎖界面から外へ出すことになるか、又は、対向流を不規則
閉鎖界面から外へ出し対向流を無駄にすることになるだけである。
項1記載の化学気相成膜反応室によって解決される。ここに、請求項1記載の化
学気相成膜反応室は、ウエハとウエハを処理する反応ガスとを備えた処理室と、
処理室を分離する手段とを備えている。
。そのため、対抗流を形成する不活性ガスは、処理ガス圧を乱さないように導入
されなければならない。すなわち、対抗流を形成する不活性ガスの量は、処理室
の可動部品要素の周辺の長さがどのようであっても、あまりに重要な要因であっ
てはならない。反応ガス流が反応室から外に出ることを防止するための不活性ガ
スの量があまりに多いと、混合により反応ガスを希釈し、処理室内での処理をか
き乱す可能性がある。そこで、不活性ガスが処理をかき乱さないためには、処理
ガスが導入されている領域以外の領域に不活性ガスを導入しなければならない。
何故なら、不活性ガスが処理ガスと混ざり合うということはあまりにも重要だか
らである。
ることである。
求項に記載されている。
より効率的であるということである:また、ウエハ上に堆積された層は、より均
一である;また、成膜室の外部の空間は清浄に保たれる;また、対抗流ガスの堆
積は可能な限り小さく保たれる;また、成膜室内部の圧力は、要求されたレベル
に容易に維持される。
室に関する。また、本発明は、そのような処理室を有する化学気相成膜反応室に
関する。処理室は、分離要素を有し、処理室内の反応ガスが処理室の外に出てい
き反応室の他の部分に向かって流れることを防止する。また、処理室は、開閉動
作のための可動要素を有する。分離要素と可動要素は、特定の高温シール手段構
造と処理室を分離するための特定の対抗流とともに設けられる。高温とは、30
0℃程度以上の温度、たとえば300℃から1500℃である。本発明は、たと
えばガリウム砒素半導体素子を製造する産業において利用される。
応室は、たとえば直径約25cmの円形ベースプレート30を備え、回転する基
板ホルダ4A、4Bを支え、基板ホルダ4A、4B状には、1枚又は数枚の半導
体ウエハが置かれている。基板ホルダは、ベースプレート30の開口32を通る
回転軸4Cを有する。当業者に公知の加熱手段7は、ベースプレート30の下に
置かれ、基板ホルダ4Aを加熱する。基板ホルダは、ウエハを収容し処理温度に
耐える適切な材料、好適にはグラファイトで作られる。しかし、グラファイトは
、多孔質であるため、反応ガスを処理室から外に出す可能性がある。
される。反応室は、鉛直軸を有する円筒体19Cを備え、ベースプレート30を
取り囲む。円筒体19Cの下部上と上部上に、底板19A及びほぼ平坦なカバー
28がそれぞれ置かれている。反応室の冷たい部分である円筒体19Cにおいて
、底板19Aとカバー28の締め付けは環状ジョイント21によって確保される
。底板は、好適には、円筒体19Cの水平部分19Aである。カバー28は、ベ
ースプレート30を置くために持ち上げることができる。それは、処理動作中に
おいて、実際上ベースプレートに平行である。処理動作中は、第1先駆ガス流Φ
1Aのための入口1Aと第2先駆ガス流Φ1Bのための入口1Bとからなる同心
状漏斗を経て、反応ガスが反応室に導入される。ガス流は、ベースプレート30
の上をベースプレートの周囲にむかって径方向に移動する。反応性処理ガスは、
出口12を経て、排気ポート40にあるガスコレクタ16によって集められ、さ
らに排気ポート40にあるガスコレクタ16に接続されたガス陽圧空間29によ
って集められる。ガスコレクタ16は、リング31上のベースプレート30の端
に置かれる。
王冠状であり、環状上部15と環状下部14を備え、その上部及び下部は側方フ
ランジ17,18によって接続されている。処理室101は、王冠状ガスコレク
タ16のフランジ18によって仕切られている。基板ホルダ4Aを取り囲むフラ
ンジ18は、処理室101から反応ガスを追い出すために規則的に離間した複数
の開口12を有する。開口12は、ガス陽圧空間29に向かうガスコレクタ16
に導かれる。図5Aを参照すると、ガス陽圧空間29は、壁29Aを有するチュ
ーブであり、壁29Aには外部長手方向尾根29Bが設けられている。ガス陽圧
空間29は、環状下部14の開口40の中へスライドし、開口40の内部41と
とガス陽圧空間チューブの壁29Aとの間に、小さな開口29Cを残す。ガスコ
レクタを形成する金属は、好適には、モリブデンであってもよい。モリブデン製
ガスコレクタが有利な点は、カバープレートと底板に過剰な力をかけることがな
い点と、半導体ウエハと同様に室内の温度に耐える点と、処理ガスの使用に耐え
る点である。好適には、直径方向において対向する2つのチューブ29をガスコ
レクタ16の内部に没入しガスを外部へ排出するのがよい。
るエクステンション20を有し、反応室を開閉する際に入口1A、1Bがカバー
28と一緒に持ち上がるようになっている。従って、エクステンション20は、
実際のカバーであり、これ以降、ウエハ及び基板ホルダ4A直上の空間のための
カバープレート20と呼ぶことにする。好適には、ベースプレート30、カバー
プレート20、入口1A、1Bは、高温の処理温度に耐える非多孔質材料である
石英製とするのがよい。
なわち第1空間101(これ以降、処理室という。処理室は、実際には、ウエハ
5付き基板ホルダ4A、入口1A,1B、ガスコレクタ16を含む)以外の反応
室の空間に流れ込むことを防止する。分離手段の構成要素について説明する:
とウエハ5付き基板ホルダ4Aを取り囲み、ベースプレート30とカバープレー
ト20に接触する。これによって、処理ガスが入った第1空間すなわち処理室1
01が、外部リング10、プレート30、20の外側であって、且つ周辺壁19
C、19Aの内側の第2空間102と第3空間103から分離される。外側リン
グ10は、ベースプレート30の端に置かれ、ベースプレート30とエクステン
ションカバー20に接触するための上部平坦表面と下部平坦表面を有する。外側
リング10は、好適には、inox製とするのがよい。
いうことである。それは、ベースプレート30の端に立っており、集められた高
温ガスに起因する膨張を許容するカバープレート20に接触していない。
。非多孔質環状要素4Bの外側直径は、回転軸4Cのための開口32の直径より
大きく、反応ガスが開口32から外へ出ていくことを防止する。実際、ベースプ
レート30は加熱手段7によって300℃以上に加熱されるため、要素4Bは、
そのような温度に耐える反射性金属でできている。基板ホルダ4Aの非多孔質要
素4Bは、ベースプレート30と結びついて、処理室101を特に第3空間10
3から分離する。
わち、それは、入口39を経て周辺の第3空間の中に導入される。対向流は、空
間102の中に伝搬し、特定の構造すなわち高温シール手段によって、処理室の
中で反応ガスと逆方向に伝搬する。
した領域である。図1の実施形態においては、シール手段構造は、カバープレー
ト20との界面及びベースプレート30との界面において、外側リング10の平
坦接触表面に対して応用されている。本発明のシール手段構造により、処理ガス
を界面から外に出ないようにし、処理ガスを出口12に向かわせ、排出陽圧空間
29に向かわせる。これらのシール手段により、これらの処理ガスを空間102
,103に入らないようにする。これ以降、シール手段について詳細に説明する
。
意すべきことは、反応ガスであって反応室の第1空間101に位置するものは、
ガス流Φ1を形成し、外部の大気圧より少し高い圧力P1を有するため、その結
果として、ガス流Φ1は、第1方向D1へ伝搬し、界面Iを経て処理室の外部へ
出ようとすることである。本発明のシール手段構造においては、まず、不活性ガ
スの対向流Φ2がたとえば入口39によって外側リング10の周りの第2、第3
空間102、103の中へ導入されて、P1より少し高い圧力P2を有する。そ
の結果、ガス流Φ2は、第2方向D2に向かって伝播し、界面Iを経て手処理室
101に入ろうとする。不活性ガスの対抗流Φ2は、界面Iを経て、放物線上の
速度プロファイルを持つ層流として伝搬する。放物層流伝搬であるので、対抗流
の層流速度V2は界面Iの高さの中間で最大となり、界面Iのいわゆる接触表面
においてほとんどゼロとなる。かくして、圧力P1が劣る第1の流れΦ1は、界
面Iを経て処理室の外に出ることができない。当業者に公知であることであるが
、層流ガス流の伝搬は、界面Iの高さHと、流れとこれに対抗する流れとの間の
圧力差とに依存し、また、対抗流Φ2の速度V2は高さHの関数である。かくし
て、効率的な対抗流Φ2の速度V2を得るためには、流れとこれに対抗する流れ
のとの間の圧力差又は界面の高さH2が小さすぎてはならないことになる。既に
説明したように、圧力差P1−P2は、成膜速度を乱さないために、大きくては
ならない。さて、また、不活性ガスを大量に使用しないためにも、界面の高さH
は、大きすぎてはならない。また、大量の不活性ガスは、成膜速度を乱す。実際
、考慮しなければならないことは、処理室の周辺のいくつかのウエハを収容する
ために重要であり、そのため、界面Iを経て入ってくる不活性ガスの量は非常に
多くなりうるということである。
、2つの対向する接触表面の内の少なくとも1つの上に1対の実質的に径方向の
溝、すなわち対抗流Φ2がその溝を通って室101に入るための溝であって外側
リングの上部表面と下部表面径方向寸法に少なくとも等しい長さの溝を備える。
さて、溝の深さと幅、2つの隣接する溝の間隔は、外側リング10の長さと関連
付けて、本発明の目的を達成するように決定される。そのため、これらの適切な
値を決定するためのシミュレーションが、標準的方法に従い標準的手段を使用し
て行われる。溝に替えて、考慮すべき界面の接触表面に荒らした領域を形成して
もよい。かくして、外側リングは、分離要素として機能するとともに、適切な対
抗流Φ2を導入するシール手段としても機能する。
から処理室101の内部に向かって伝搬する。ガス流Φ1は、対抗流Φ2の値に
起因して溝を経て伝搬することができない。但し、ガス流Φ1は、界面Iを経て
、溝と溝の間を伝搬し得る。もしも溝と溝の間の距離が極めて重要でとするなら
ば、ガス流Φ1は、界面Iの全長を経て室101から伝搬し、ついには空間10
2に到達し得る。しかし、このことは不都合である。そのため、対向流Φ2とガ
ス流Φ1の伝搬のすべてのパラメータは注意深く計算される。溝の長さを考慮し
て、溝の幅と溝間距離の適切な比が達成されたら、ガス流Φ1はもはや界面Iを
経て室101へ出ることはない。何故なら、その適切な比によって、ガス流Φ1
は、溝の全長のどこからも出られないからである。
ごとく、ガス流Φ1も対向流Φ2も出口12によって集められ、次いで排気陽圧
空間29によって集められている。そのため、ガス流Φ1はガスコレクタ16を
経て外に出ていくことができず界面Iを通ることはできない。また、対向流Φ2
が処理に擾乱を与えることもない。
する反応室においては、圧力差P1−P2は、大体10−5から103ミリバー
ルであり、小さいと考えられる;また、閉鎖表面の間の界面Iの高さHは大体0
から1mm、好適には、0.05から0.1mmであり、やはり小さいと考えら
れる;また、溝の幅と深さは、それぞれ約1mm及び0.3mmである;また、
溝間距離は、溝幅の5倍である。
なわち第1リング形状ベースプレート部品30Aであって基板ホルダ4Aの下に
置かれたものと、第2リング形状ベースプレート部品30Bであって第1リング
形状ベースプレート部品30Aを支持するものと、ガスコレクタ16と、外側リ
ング10とを備える。第2リング形状ベースプレート部品30Bは、第1リング
形状ベースプレート部品30Aから相対的に下方へ移動することができ、外側リ
ング及びガスコレクタの上からウエハに自由にアクセスすることができるように
なる。
成され、第2リング形状ベースプレート部品30Bが図3に示す最も低い位置に
ある時にウエハにアクセスできるようになる。ウエハを操作するには、たとえば
、ロボットアームを使用してもよい。
品30Bとの接触表面には、既に説明したシール手段構造が設けられる。
コレクタ16二それぞれ設けられた穴55と58を備え、それによってチューブ
57を導入する。チューブ57を通じて、ウエハを調べ更にたとえば回転速度を
判定するために光ビームが導かれる。光ビームは、光ビームに対して透明で開口
53をカバーする窓52からチューブ57を経て導かれてもよい。透明な窓52
は、部品51において周辺壁19Cに結合してもよい。チューブ57の内部にお
いては、透明な固体材料であるチューブ窓56が挿入され、チューブ窓の両側の
第2空間と第1空間との間の圧力差によって生じた対向流Φ2を操作することも
できる。
Claims (15)
- 【請求項1】 化学気相成膜反応室であって、ウエハ(5)のための基板ホ
ルダ(4a)を収容する処理室(101)と、前記ウエハを処理するための反応
ガスの第1ガス流(Φ1)と、前記基板ホルダを取り囲む王冠形状のガスコレク
タとを有し、前記反応室は、更に: 前記基板ホルダ下方及び上方にそれぞれ置かれたベースプレート(30)及び
カバープレート(20)と、 前記ガスコレクタ(16)を取り囲むとともに前記ベースプレート(30)及
び前記カバープレート(20)に接触する外側リング(10)と、 前記処理室の外側の空間すなわち第1空間(101)を伝搬する不活性ガスの
第2ガス流(Φ2)とを備え、前記第1空間は前記ベースプレート及び前記カバ
ープレート並びに前記外側リングによって仕切られており、前記第2ガス流(Φ
2)は抵抗流として作用して、前記第1ガス流(Φ1)が前記ガスコレクタ(1
6)以外を経て前記処理室から外へ出ることを防止することを特徴とする反応室
。 - 【請求項2】 前記外側リング(10)は、前記カバープレート及びベース
プレートのそれぞれ接触する上部平坦表面及び下部平坦表面を有し、前記上部平
坦表面及び下部平坦表面には溝又は荒らされた領域が設けられ、前記抵抗流とし
て作用する前記第2ガス流(Φ2)が前記外側リングと前記カバープレートとの
間及び前記外側リングと前記ベースプレートとの間の界面を通るようにすること
を特徴とする請求項1記載の反応室。 - 【請求項3】 前記サブストレートホルダ(4A)は、前記ベースプレート
(30)の穴(32)を経て処理室(101)に入る回転軸(4C)によって支
持されることを特徴とする請求項1又は2記載の反応室。 - 【請求項4】 前記回転軸は、環状部品(4B)によって前記基板ホルダに
接続されており、前記環状部品(4B)は前記回転軸(4C)のための前記ベー
スプレート(30)の穴(32)より大きく、前記回転軸に前記基板ホルダを接
続する前記環状部品(4B)は前記基板ホルダに比してより多孔質的でない材料
で作られることを特徴とする請求項3記載の反応室。 - 【請求項5】 処理温度は、約300から1500℃の範囲であり、前記回
転軸(4C)に前記基板ホルダ(4B)を接続する前記環状部品(4B)はその
ような高温に耐える材料で作られることを特徴とする請求項4記載の反応室。 - 【請求項6】 前記第1空間(101)は、実質的に円筒の周辺壁(19C
)、下部水平壁(19A)及びカバー(28)によって仕切られた第2及び第3
空間によって取り囲まれており、前記壁の一つは前記対抗流(Φ2)のための入
口を備え、前記カバーは反応ガスの前記第1ガス流(Φ1)のための入口を備え
ることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか記載の反応室。 - 【請求項7】 前記ベースプレートは、前記基板ホルダの下方に置かれた第
1内部リング形状ベースプレート部品(30A)と、前記1内部リング形状ベー
スプレート部品(30A)、前記ガスコレクタ(16)及び前記外側リング(1
0)を支持する第2周辺リング形状ベースプレート部品(30B)とを備え、前
記第2周辺リング形状ベースプレート部品(30B)は前記第1内部リング形状
ベースプレート部品(30A)から相対的に下方へ移動することができ、それに
よってウエハに自由にアクセスしてウエハを操作することができるようにするこ
とを特徴とする請求項1乃至6のいずれか記載の反応室。 - 【請求項8】 前記周辺壁(19A)は、ゲートバルブを備え、それによっ
てウエハにアクセスできるようにすることを特徴とする請求項7記載の反応室。 - 【請求項9】 前記第1及び第2内部リング形状ベースプレート部品(30
A、30B)の接触表面に溝又は荒らされた領域を設け、これによって前記対抗
流としての前記第2ガス流(Φ2)が前記接触表面の間の界面を通るようにする
ことを特徴とする請求項7又は記載の反応室。 - 【請求項10】 外側リング(10)及びガスコレクタ(16)にそれぞれ
形成された穴(55,58)にチューブ(57)を挿入し、これによって前記基
板ホルダ上のウエハを調べるための光ビームを導入することを特徴とする請求項
1乃至9記載の反応室。 - 【請求項11】 前記光ビームに対して透明な一片の固体材料(56)すな
わちチューブ窓が前記チューブ(57)の内部に挿入され、前記チューブと前記
チューブ窓の接触表面によって前記第2ガス流(Φ2)を対抗流として作用させ
、これによって前記第1ガス流(Φ1)が処理室(101)から出て来ることを
防止することを特徴とする請求項10記載の反応室。 - 【請求項12】 前記円筒状周辺壁(19C)は、前記光ビームに対して透
明な窓(52)を有し、それによって前記光ビームを前記チューブに導入するこ
とを特徴とする請求項11記載の反応室。 - 【請求項13】 前記基板ホルダを加熱するための加熱手段(7)を、前記
ベースプレートの下方に設けることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか記
載の装置。 - 【請求項14】 前記ガスコレクタは、環状上部部品(15)と環状下部部
品(14)とからなり、前記上部部品及び下部部品は側方フランジ(17,18
)に接続され且つねじ(13)によってお互いに固定されており、前記基板ホル
ダに向き合う前記フランジは前記第1ガス流のための出口を備えることを特徴と
する請求項1乃至13のいずれか記載の反応室。 - 【請求項15】 前記ガスコレクタからガスを集めるためのガス陽圧空間(
29)は、前記ガスコレクタ及び前記ベースプレートの穴(40)をスライドす
るチューブ(29)を備え、前記チューブ(29)の壁(29A)に尾根(29
B)を設けて穴(40)の端とチューブ(29)の間に空間を作り、これによっ
て前記第2ガス流(Φ2)を対抗流として作用させることを特徴とする請求項1
乃至14のいずれか記載の反応室。
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