JP2005085850A - Vapor phase epitaxial growth apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、III−V族化合物半導体結晶のエピタキシャル層成長時の基板温度を面内で均一とするのに適した気相エピタキシャル成長装置に関するものである。 The present invention relates to a vapor phase epitaxial growth apparatus suitable for making the substrate temperature uniform during the epitaxial layer growth of a group III-V compound semiconductor crystal in a plane.
GaAs(ガリウム砒素)やInGaAs(インジウムガリウム砒素)などのIII−V族化合物半導体は、Si(シリコン)半導体に比べて、電子移動度が高いという特長がある。この特長を生かして、高速高効率動作を要求されるデバイスや、発光デバイスなどに多く用いられている。代表例としてHEMT(High Electron Mobility Transistor:高電子移動度トランジスタ)、LED(Light Emitting Diode:発光ダイオード)、LD(Laser Diode:レーザダイオード)などが挙げられる。 Group III-V compound semiconductors such as GaAs (gallium arsenide) and InGaAs (indium gallium arsenide) have a feature of higher electron mobility than Si (silicon) semiconductors. Taking advantage of this feature, it is often used in devices that require high-speed and high-efficiency operation, light-emitting devices, and the like. Typical examples include HEMT (High Electron Mobility Transistor), LED (Light Emitting Diode), LD (Laser Diode) and the like.
一例として、図2にLDの基本構造を示す。LDは、基板上に結晶成長した、上からキャップ層、p−クラッド層、発光層、n−クラッド層、バッファ層よりなる。キャップ層は電極を形成するための層である。p−クラッド層はp型ドーパントが、またn−クラッド層はn型ドーパントがそれぞれドーピングされており、発生したキャリアは発光層へ供給されて再結合し、発光する。バッファ層は基板表面の残留不純物によるデバイス特性劣化を防ぐ働きがある。基板は単結晶成長するための下地である。 As an example, FIG. 2 shows the basic structure of an LD. The LD is composed of a cap layer, a p-cladding layer, a light-emitting layer, an n-cladding layer, and a buffer layer, which are grown on the substrate and from the top. The cap layer is a layer for forming an electrode. The p-cladding layer is doped with a p-type dopant and the n-cladding layer is doped with an n-type dopant, and the generated carriers are supplied to the light emitting layer and recombined to emit light. The buffer layer has a function of preventing deterioration of device characteristics due to residual impurities on the substrate surface. The substrate is a base for single crystal growth.
表1にLDの構造例を示した。結晶成長のことをエピタキシャルと言う。エピタキシャル層名称のn−、p−はエピタキシャル層がそれぞれn型、p型であることを、また、un−はエピタキシャル層がアンドープであることを表している。厚さの単位はnm(10-9m)である。キャリア濃度の単位はcm-3である。
上記LDの化合物半導体結晶は一般に有機金属気相成長法(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy、以下MOVPE法)による気相エピタキシャル成長装置で成長される。MOVPE法は、III族有機金属原料ガスとV族原料ガスを、高純度水素キャリアガスとの混合ガスとして反応炉内に導入し、反応炉内で加熱された基板付近で原料が熱分解され、基板上に化合物半導体結晶がエピタキシャル成長する。 The compound semiconductor crystal of the LD is generally grown by a vapor phase epitaxial growth apparatus using a metal organic vapor phase epitaxy (hereinafter referred to as MOVPE method). In the MOVPE method, a group III organometallic source gas and a group V source gas are introduced into a reaction furnace as a mixed gas with a high-purity hydrogen carrier gas, and the source material is pyrolyzed near the substrate heated in the reaction furnace. A compound semiconductor crystal grows epitaxially on the substrate.
ここで従来のMOVPE装置(気相エピタキシャル成長装置)が採用しているリアクター(反応炉)の構成を図3に示す。これは、原料ガス供給口2aからガス排気口2bへ原料ガスが流通する反応管2の上部壁に板状のサセプタ3を設け、これをモータ10で回転可能に構成すると共に、このサセプタ3に、気相エピタキシャル成長の対象である半導体基板4とほぼ同じ形状に開口部5を開け、この開口部5内に図5、図6の如く基板4の表面を下向きに収納し下面を露出させた状態で支持すると共に、上記基板4を加熱する加熱源たるメインヒータ21に面して前記開口部5に均熱板7をはめ込んだエピタキシャル成長装置である。なお、9は磁気シールドユニット、22は外周ヒータである。
Here, FIG. 3 shows a configuration of a reactor (reactor) employed by a conventional MOVPE apparatus (vapor phase epitaxial growth apparatus). This is because a plate-
エピタキシャル層を成長させる基板4をサセプタ3にセットし、成長炉内で加熱する。成長炉内に原料ガスを供給すると、原料ガスが熱により分解し、基板上にエピタキシャル層が成長される。
The
たとえば、un−GaAsを成長する場合には、Ga原料のGa(CH3)3(トリメチルガリウム)とAs原料のAsH3(アルシン)を基板に供給する。なお、Ga原料として他にGa(CH3CH2)3(トリエチルガリウム)がある。As原料として他にAs(CH3)3(トリメチル砒素)、TBA(ターシャリーブチルアルシン)がある。 For example, when growing un-GaAs, Ga source material Ga (CH 3 ) 3 (trimethylgallium) and As source material AsH 3 (arsine) are supplied to the substrate. In addition, there is Ga (CH 3 CH 2 ) 3 (triethylgallium) as another Ga raw material. Other As raw materials include As (CH 3 ) 3 (trimethylarsenic) and TBA (tertiary butylarsine).
un−Al0.5Ga0.5Asを成長する場合には、Ga(CH3)3、AsH3、及びAl原料のAl(CH3)3(トリメチルアルミニウム)を基板に供給する。なお、Al原料として他にAl(CH3CH2)3(トリエチルアルミニウム)がある。 When growing un-Al 0.5 Ga 0.5 As, Ga (CH 3 ) 3 , AsH 3 , and Al source material Al (CH 3 ) 3 (trimethylaluminum) are supplied to the substrate. In addition, there is Al (CH 3 CH 2 ) 3 (triethylaluminum) as an Al raw material.
n−GaAsを成長する場合には、Ga(CH3)3、AsH3及びn型ドーパントを基板に供給する。n型ドーパントの元素としてはSiやSe(セレン)がある。Si原料としてSiH4(モノシラン)、Si2H6(ジシラン)がある。Se原料としてはH2Se(セレン化水素)がある。 When growing n-GaAs, Ga (CH 3 ) 3 , AsH 3 and n-type dopant are supplied to the substrate. Examples of the n-type dopant element include Si and Se (selenium). Si raw materials include SiH 4 (monosilane) and Si 2 H 6 (disilane). Se raw material includes H 2 Se (hydrogen selenide).
ここで、例として、図4のようにサセプタ3に基板4を2枚セットし、その基板4の上にエピタキシャル層を成長する場合を考える。図5に、基板4の結晶成長面を原料ガスの流れ方向に対して平行にセットして、エピタキシャル層を成長する従来技術の一例を示す。サセプタ3に基板4をセットし、その上に均熱板7と呼ばれる板を乗せて成長していた。通常は、均熱板7の厚さはサセプタ3の半径方向に変化させない、すなわち均一な厚さのものを使用してエピタキシャル層を成長していた。
Here, as an example, consider a case where two
厚さが均一でない均熱板を用いた気相エピタキシャル成長装置としては、例えば均熱板に、サセプタの中心から外側に向けて厚みが大になる傾斜を有する均熱板を用いた構造が知られている(例えば、特許文献1参照)。 As a vapor phase epitaxial growth apparatus using a soaking plate with a non-uniform thickness, for example, a structure using a soaking plate having a slope that increases in thickness from the center of the susceptor toward the outside is known. (For example, refer to Patent Document 1).
この特許文献1の技術は、n型のGaAs又はAlGaAsを成長させたとき、エピタキシャル層のキャリア濃度がサセプタ3の中心方向から周縁方向に向かって徐々に高くなるという問題に鑑み、厚みの薄い方をサセプタの中心側にし、厚い方をサセプタの周縁側になるように位置決めして配設することにより、エピタキシャル層におけるキャリア濃度の面内均一性を向上させることを目的とする。
しかしながら、取り扱う基板面積が大きくなると、エピタキシャル層成長時の基板温度の面内均一性が重要課題となってきた。 However, as the substrate area handled increases, the in-plane uniformity of the substrate temperature during epitaxial layer growth has become an important issue.
すなわち、従来技術(図5)の厚さが均一な均熱板を用いた気相エピタキシャル成長装置により成長した場合、図6に示すように、サセプタの直径でみて外周部で温度が低下する分布を示し、このため各基板4においても、その基板面内で大きな温度差が生じてしまっていた。サセプタ3の内周側で温度が高いのは、ヒータの直下であるため、加熱効率が高いことによる。これに対してサセプタ3の外周側では回転による放熱の影響が大きいため低温となってしまう。これにより、成長されるエピタキシャル層の特性であるキャリア濃度、膜厚、組成、格子整合度なども必然的に面内で分布を生じてしまう結果となっていた。
That is, when grown by a vapor phase epitaxial growth apparatus using a soaking plate having a uniform thickness of the prior art (FIG. 5), as shown in FIG. 6, there is a distribution in which the temperature decreases at the outer periphery as seen by the diameter of the susceptor. For this reason, even in each
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、エピタキシャル層成長時の基板温度を基板面内で均一とする気相エピタキシャル成長装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a vapor phase epitaxial growth apparatus that solves the above-described problems and makes the substrate temperature during epitaxial layer growth uniform within the substrate surface.
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。 In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
請求項1の発明に係る気相エピタキシャル成長装置は、回転する板状のサセプタに、複数の基板を周方向に配設し、且つ成長面をガス流路側に向けて支持し、その基板の裏側に重ねて均熱板を設け、サセプタの直径方向に原料ガスを流し、サセプタを基板と共にガス流路と反対側から加熱手段により加熱し、加熱された基板上で半導体結晶を有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長させる気相エピタキシャル成長装置において、均熱板の厚さを、サセプタの半径方向外側に向けて厚みが小になるように変化させたことを特徴とする。 In the vapor phase epitaxial growth apparatus according to the first aspect of the present invention, a plurality of substrates are arranged in a circumferential direction on a rotating plate-shaped susceptor, and a growth surface is supported toward the gas flow path side. Overlaying a soaking plate, flowing source gas in the diameter direction of the susceptor, heating the susceptor together with the substrate from the opposite side of the gas flow path by heating means, and the semiconductor crystal is grown on the heated substrate by metal organic vapor phase epitaxy In the vapor phase epitaxial growth apparatus for epitaxial growth, the thickness of the soaking plate is changed so that the thickness decreases toward the outside in the radial direction of the susceptor.
請求項2の発明は、請求項1記載の気相エピタキシャル成長装置において、上記均熱板のガス流路側の面を平面とし、加熱手段側の面をサセプタの中心から外周側に向かって肉薄となる所定の傾斜角度θを持つ傾斜面により形成したことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the vapor phase epitaxial growth apparatus according to the first aspect, the surface on the gas flow path side of the soaking plate is a flat surface, and the surface on the heating means side is thinner from the center of the susceptor toward the outer peripheral side. It is characterized by being formed by an inclined surface having a predetermined inclination angle θ.
請求項3の発明は、請求項1又は2記載の気相エピタキシャル成長装置において、上記気相エピタキシャル成長装置が有機金属気相成長法によりIII−V族化合物半導体結晶を成長する装置であり、V族原料として、AsH3(アルシン)、As(CH3)3(トリメチル砒素)、TBA(ターシャリーブチルアルシン)、PH3(ホスフィン)またはTBP(ターシャリーブチルホスフィン)を用い、III族原料として、Al(CH3)3(トリメチルアルミニウム)、Ga(CH3)3(トリメチルガリウム)、In(CH3)3(トリメチルインジウム)、Al(CH3CH2)3(トリエチルアルミニウム)、Ga(CH3CH2)3(トリエチルガリウム)、In(CH3CH2)3(トリエチルインジウム)を用い、希釈用ガスとして、H2(水素)、N2(窒素)またはAr(アルゴン)を用いる、ことを特徴とする。
The invention according to
本発明は、均熱板の厚さをサセプタ半径方向に変化させるようにしたものである。すなわち、均熱板の厚さを、サセプタの中心から外側に向けて厚みが小になるように構成し、具体的にはそのような傾斜を有する均熱板として構成したので、本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。 In the present invention, the thickness of the soaking plate is changed in the radial direction of the susceptor. That is, the thickness of the soaking plate is configured so that the thickness decreases from the center of the susceptor toward the outside, and specifically, the soaking plate having such an inclination is configured. For example, the following excellent effects can be obtained.
(1)エピタキシャル層成長時の基板温度を、基板面内で均一にすることができる。 (1) The substrate temperature during epitaxial layer growth can be made uniform in the substrate plane.
(2)キャリア濃度の面内均一性の高いエピタキシャル層が得られる。 (2) An epitaxial layer with high in-plane carrier concentration is obtained.
(3)膜厚面内均一性の高いエピタキシャル層が得られる。 (3) An epitaxial layer with high in-plane film thickness uniformity can be obtained.
(4)組成面内均一性の高いエピタキシャル層が得られる。 (4) An epitaxial layer with high in-plane uniformity of composition can be obtained.
(5)格子整合度の面内均一性が高いエピタキシャル層が得られる。 (5) An epitaxial layer with high in-plane uniformity of lattice matching can be obtained.
(6)きわめて容易な手段で基板温度の面内均一化を達成することができる。 (6) In-plane uniformity of the substrate temperature can be achieved by a very easy means.
(7)きわめて低コストな手段で基板温度の面内均一化を達成することができる。 (7) In-plane uniformity of the substrate temperature can be achieved by extremely low cost means.
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.
前提となる化合物気相エピタキシャル成長装置1は、均熱板7の肉厚に変化(傾斜面)が付けられている構成を除き、図3のものと同一とした。すなわち、本実施形態に係る化合物半導体の気相エピタキシャル成長装置1は、原料ガス供給口2aからガス排気口2bへ原料ガスが流通する反応管2の上部壁に円板状のサセプタ3を設け、これをモータ10で回転可能に構成する。このサセプタ3に、気相エピタキシャル成長の対象である半導体基板4とほぼ同じ形状に開口部5を開け、この開口部5内に基板4の表面を下向きに収納し、下面を露出させた状態で支持する。基板4を加熱する加熱源たるメインヒータ21に面して開口部5に均熱板7をはめ込んで、基板の裏側に重ねた構成とする。なお、9は磁気シールドユニット、22は外周ヒータである。
The premise compound vapor phase
しかし従来と異なり、本発明では、均熱板7の厚さを、サセプタの半径方向外側に向けて厚みが小になるように変化させた。この実施形態では、図1に傾斜面7aとして示すように、サセプタ3の内周3aから外周3bに向かうに連れて均熱板の厚さが薄くなるように、各均熱板7に傾斜をつけた。従って、均熱板7の傾斜面7aは、原料ガスの流れ方向と平行な水平面に対して、所定の傾斜角度θだけ傾いている。換言すれば、均熱板7は、その上面として、サセプタ3の中心に向かって膨らんだ所定の傾斜角度θを持つ傾斜面を具備する。
However, unlike the prior art, in the present invention, the thickness of the soaking
こうすることにより、従来高温となっていたサセプタ3の内周側ではヒータ21、22による加熱の影響を受け難くなるため温度が下がり、反対に従来低温となっていたサセプタ3の外周側ではヒータからの熱が伝わりやすくなるため温度が上がる。この結果、各基板4の面内の温度分布は、図1(b)から分かるように、きわめて均一とすることができる。この効果を確認するため、実施例として、次のようにLDの試作を行った。
By doing so, the temperature on the inner peripheral side of the
本発明を表1のLDエピタキシャルウェハの成長に適用した。 The present invention was applied to the growth of the LD epitaxial wafer shown in Table 1.
成長時の基板温度は700℃、成長炉内圧力は70Torr、希釈用ガスは水素である。基板には、GaAs基板を用いた。un−Al0.1Ga0.9As層の成長にはGa(CH3)3、Al(CH3)3及びAsH3を用い、それらの流量はそれぞれ65cm3/分、45cm3/分及び1000cm3/分である。n−Al0.5Ga0.5As層の成長には、un−Al0.1Ga0.9Asの成長に使用したGa(CH3)3、Al(CH3)3、AsH3に加えてSi2H6を使用した。流量はそれぞれ65cm3/分、150cm3/分、1000cm3/分及び300cm3/分である。n−GaAs層の成長にはGa(CH3)3、AsH3及びSi2H6を用い、それらの流量はそれぞれ100cm3/分、300cm3/分及び200cm3/分である。 The substrate temperature during growth is 700 ° C., the growth furnace pressure is 70 Torr, and the dilution gas is hydrogen. A GaAs substrate was used as the substrate. The growth of the un-Al 0.1 Ga 0.9 As layer with a Ga (CH 3) 3, Al (CH 3) 3 and AsH 3, 65cm 3 / min their flow rates respectively, 45cm 3 / min and 1000 cm 3 / min It is. For the growth of the n-Al 0.5 Ga 0.5 As layer, Si 2 H 6 is used in addition to Ga (CH 3 ) 3 , Al (CH 3 ) 3 and AsH 3 used for the growth of un-Al 0.1 Ga 0.9 As. did. The flow rates are 65 cm 3 / min, 150 cm 3 / min, 1000 cm 3 / min and 300 cm 3 / min, respectively. Ga (CH 3 ) 3 , AsH 3 and Si 2 H 6 are used for the growth of the n-GaAs layer, and their flow rates are 100 cm 3 / min, 300 cm 3 / min and 200 cm 3 / min, respectively.
均熱板7の厚さは、上面の傾斜面7aが水平方向に対して10゜傾斜するような形状(傾斜角度θ=10゜)にした。このサセプタを30rpmで回転させ、エピタキシャル成長を実施した。
The thickness of the soaking
従来技術(厚さ均一の均熱板)の場合、基板面内の温度差が10.0℃と大きいのに対し、本実施例(傾斜角度θ=10゜を持つ均熱板)の場合には、基板面内の温度差が1.0℃であり、一桁小さい値になった。これより、本発明によれば、きわめて膜厚の面内均一性の高いエピタキシャル層が得られることがわかる。 In the case of the present embodiment (soaking plate having an inclination angle θ = 10 °), the temperature difference in the substrate surface is as large as 10.0 ° C. in the case of the conventional technique (soaking plate with uniform thickness). The temperature difference in the substrate surface is 1.0 ° C., which is a value that is an order of magnitude smaller. From this, it can be seen that according to the present invention, an epitaxial layer having a very high in-plane uniformity of film thickness can be obtained.
以上より、本発明によれば、エピタキシャル層成長時にきわめて高い基板温度面内均一性を達成できることがわかる。 As described above, according to the present invention, it is understood that extremely high in-plane temperature uniformity of the substrate can be achieved during the growth of the epitaxial layer.
ここで基板の傾斜角θの最適条件について吟味するに、本発明を適用する場合には、従来技術での基板温度分布を相殺するように均熱板厚さの傾斜角を設定してやる必要がある。つまり、基板面内の温度差が大きい場合は均熱板厚さの傾斜角も大きくし、逆に基板面内の温度差が小さい場合は均熱板厚さの傾斜角も小さくなるように設定する。 Here, when examining the optimum condition of the substrate inclination angle θ, when applying the present invention, it is necessary to set the inclination angle of the soaking plate thickness so as to cancel out the substrate temperature distribution in the prior art. . In other words, when the temperature difference in the substrate surface is large, the inclination angle of the soaking plate thickness is also increased, and conversely, when the temperature difference in the substrate surface is small, the inclination angle of the soaking plate thickness is also decreased. To do.
また、均熱板の厚さ変化は、必ず直線的に変化させなければならないわけではなく、曲線、あるいは階段状など、あらゆる幾何学的形状を採用してもよい。 Further, the thickness change of the soaking plate does not necessarily have to be linearly changed, and any geometric shape such as a curved line or a step shape may be adopted.
以上、本発明の好ましい実施形態について述べたが、本発明は、上述してきたような、結晶成長面が下向きになるように基板を配置する、いわゆる「フェイスダウン」方式だけでなく、結晶成長面が上向きになるように基板を配置する、いわゆる「フェイスアップ」方式にも適用することができる。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. The present invention is not limited to the so-called “face-down” method in which the substrate is disposed so that the crystal growth surface faces downward as described above. The present invention can also be applied to a so-called “face-up” method in which the substrate is arranged so as to face upward.
1 気相エピタキシャル成長装置
2 反応管
3 サセプタ
3a 内周
3b 外周
4 基板
5 開口部
7 均熱板
7a 傾斜面
21 メインヒータ
22 外周ヒータ
θ 傾斜角度
DESCRIPTION OF
Claims (3)
均熱板の厚さを、サセプタの半径方向外側に向けて厚みが小になるように変化させたことを特徴とする気相エピタキシャル成長装置。 A rotating plate-shaped susceptor is provided with a plurality of substrates arranged in the circumferential direction, and the growth surface is supported toward the gas flow path side, and a heat equalizing plate is provided on the back side of the substrate, in the susceptor diameter direction. In a vapor phase epitaxial growth apparatus for flowing a source gas, heating a susceptor together with a substrate from the opposite side of the gas flow path by a heating means, and epitaxially growing a semiconductor crystal on the heated substrate by metal organic chemical vapor deposition.
A vapor phase epitaxial growth apparatus characterized in that the thickness of the soaking plate is changed so that the thickness decreases toward the outside in the radial direction of the susceptor.
上記均熱板のガス流路側の面を平面とし、加熱手段側の面をサセプタの中心から外周側に向かって肉薄となる所定の傾斜角度θを持つ傾斜面により形成したことを特徴とする気相エピタキシャル成長装置。 The vapor phase epitaxial growth apparatus according to claim 1,
The surface of the heat equalizing plate on the gas flow path side is a flat surface, and the surface on the heating means side is formed by an inclined surface having a predetermined inclination angle θ that becomes thinner from the center of the susceptor toward the outer peripheral side. Phase epitaxial growth equipment.
上記気相エピタキシャル成長装置が有機金属気相成長法によりIII−V族化合物半導体結晶を成長する装置であり、
V族原料として、AsH3(アルシン)、As(CH3)3(トリメチル砒素)、TBA(ターシャリーブチルアルシン)、PH3(ホスフィン)またはTBP(ターシャリーブチルホスフィン)を用い、
III族原料として、Al(CH3)3(トリメチルアルミニウム)、Ga(CH3)3(トリメチルガリウム)、In(CH3)3(トリメチルインジウム)、Al(CH3CH2)3(トリエチルアルミニウム)、Ga(CH3CH2)3(トリエチルガリウム)、In(CH3CH2)3(トリエチルインジウム)を用い、
希釈用ガスとして、H2(水素)、N2(窒素)またはAr(アルゴン)を用いることを特徴とする気相エピタキシャル成長装置。 In the vapor phase epitaxial growth apparatus according to claim 1 or 2,
The vapor phase epitaxial growth apparatus is an apparatus for growing a III-V group compound semiconductor crystal by a metal organic vapor phase growth method,
As a group V raw material, AsH 3 (arsine), As (CH 3 ) 3 (trimethylarsenic), TBA (tertiary butyl arsine), PH 3 (phosphine) or TBP (tertiary butyl phosphine) are used.
As Group III raw materials, Al (CH 3 ) 3 (trimethylaluminum), Ga (CH 3 ) 3 (trimethylgallium), In (CH 3 ) 3 (trimethylindium), Al (CH 3 CH 2 ) 3 (triethylaluminum) , Ga (CH 3 CH 2 ) 3 (triethylgallium), In (CH 3 CH 2 ) 3 (triethylindium),
A vapor phase epitaxial growth apparatus using H 2 (hydrogen), N 2 (nitrogen) or Ar (argon) as a gas for dilution.
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Cited By (2)
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US20170175262A1 (en) * | 2015-12-16 | 2017-06-22 | Fuji Electric Co., Ltd. | Epitaxial growth apparatus, epitaxial growth method, and manufacturing method of semiconductor element |
CN106898567A (en) * | 2015-12-17 | 2017-06-27 | 北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司 | A kind of transparent medium window, Substrate treatment chamber and substrate handling system |
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