JP2006253244A - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガス導入部の温度上昇を抑えて原料ガスを物分解させずに基板上に安定した状態で供給することができる気相成長装置を提供する。
【解決手段】 円盤状の基板保持台１１と、該基板保持台に対向配置されて基板保持台との間に偏平円筒状の反応室１３を形成する隔壁１２と、該隔壁の中央部に設けられたガス導入部１５と、前記反応室の外周に設けられたガス導出部１６と、前記基板保持台の同一円周上に配設された複数の基板保持部１９と、該基板保持部に保持した基板１８を加熱するヒーター２１とを備えた気相成長装置において、前記ガス導入部を構成する多重管の先端部に、反応室内に導入するガスを反応室の外周方向に向けてガイドするための円形のガイド板２４ａ，２４ｂを設けるとともに、基板面に対するガイド板の先端Ｂと基板中心Ｃとを結ぶ直線Ｓの仰角θを２０度以下に設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、気相成長装置に関し、詳しくは、円周上に配置した複数の基板上に同時に半導体薄膜を成長させるための気相成長装置であって、特に、原料ガスの一つに有機金属化合物を使用したＭＯＣＶＤに最適な気相成長装置に関する。

気相成長装置として、円形の上板と下板とによって偏平円筒状に形成した反応室の中央部にガス導入部を配設するとともに、反応室内の同一円周上に複数の基板を配置し、加熱手段で基板を所定温度に加熱してガス導入部から原料ガスを反応室内に導入することにより、同時に複数の基板上に薄膜を成長させる装置が知られている。さらに、このような装置では、各基板を保持する基板ホルダーを回転（自転、公転あるいは自公転）させることにより、複数の基板上に成長させる薄膜の均一化を図ることも行われている（例えば、特許文献１参照。）。
特許第３３７６８０９号公報

しかし、前述のような構造の気相成長装置では、高温に加熱された基板等からの熱輻射や対流伝熱によってガス導入部の先端温度が上昇し、熱分解温度が低い原料ガスがガス導入部から噴出する際に熱分解して所定の薄膜成長を行えなくなることがあった。特に、ガス導入部外周の円周上に複数の基板を配置するものでは、ガス導入部が周囲から加熱されるために、一般的な横型反応室のガス導入部よりも高温になりやすく、原料ガスの熱分解も生じやすくなっている。このため、ガス導入部自体を冷却することも考えられるが、反応室内に複数種のガスを導入するものでは、構造が複雑になって、ガス流れなどに悪影響を及ぼすことがある。

そこで本発明は、ガス導入部の温度上昇を抑えて原料ガスを熱分解させずに基板上に安定した状態で供給することができる気相成長装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の気相成長装置は、円盤状の基板保持台と、該基板保持台に対向配置されて基板保持台との間に偏平円筒状の反応室を形成する隔壁と、該隔壁の中央部に設けられたガス導入部と、前記反応室の外周に設けられたガス導出部と、前記基板保持台の同一円周上に配設された複数の基板保持部と、該基板保持部に保持した基板を加熱する加熱手段とを備えた気相成長装置において、前記ガス導入部は、反応室の軸線を中心とした多重管構造を有し、該多重管の反応室内の先端部に、該多重管により区画されたガス導入経路を通ってそれぞれ導入されるガスを反応室の外周方向に向けてガイドするための外縁が円形のガイド板を有するとともに、前記基板面に対する前記ガイド板の先端と基板中心とを結ぶガイド板径方向の直線の仰角を２０度以下、好ましくは１０度以下に設定したことを特徴としている。

さらに、本発明の気相成長装置は、上記構成において、前記ガス導入経路が３経路以上設けられ、該３経路以上の経路の内、中間に位置する経路に有機金属化合物を含む原料ガスのガス導入経路を設けたことを特徴とし、前記仰角を２０度以下に設定するガイド板は、前記有機金属化合物を含む原料ガスをガイドするガイド板であることを特徴としている。

また、前記ガス導入部に対向する前記基板保持台の中央部に冷却手段を設けたこと、前記ガス導入部に対向する前記基板保持台の中央部に前記基板保持部の反応室内面よりも反応室外側方向に窪ませた凹部を形成するとともに、該凹部内に前記ガイド板を配置したことを特徴としている。

本発明の気相成長装置によれば、基板面に対するガイド板の先端と基板中心とを結ぶガイド板径方向の直線の仰角を２０度以下、好ましくは１０度以下に設定したことにより、高温に加熱された基板等からの熱輻射によってガイド板の温度が上昇することを抑制することができる。これにより、原料ガスに熱分解温度が低いものを使用した場合でも、原料ガスの熱分解を防止できる。さらに、断熱部や冷却手段を設けることにより、ガス導入部の温度上昇を確実に防止できる。特に、基板保持台の中央部に設けた凹部内にガイド板を収納配置することにより、前記仰角を約０度にまで小さくすることが可能となり、基板等からの熱輻射量を更に少なくできる。

図１及び図２は本発明の気相成長装置の第１形態例を示すもので、図１は概略縦断面図、図２は基板保持台の平面図である。

この気相成長装置は、円盤状の基板保持台（サセプタ）１１と、円盤状の隔壁１２とを水平方向に向けて所定間隔で対向配置することにより、基板保持台１１と円盤状の隔壁１２との間に偏平円筒状の反応室１３を形成したものであって、隔壁１２の中央部には、ガス導入管１４を接続したガス導入部１５が設けられ、反応室１３の外周にはガス導出部１６が設けられている。また、隔壁１２の外周は基板保持台１１の周囲を囲むように屈曲しており、基板保持台１１と隔壁外周壁１２ａとの間に下方に向かう排気通路１６ａが形成されている。

基板保持台１１は、ガス導入部１５に対向する中央部分に冷却手段１７を配設するための円形の開口１１ａを有しており、基板保持台１１の外周部分には、基板１８を保持する複数の基板保持部（基板ホルダー）１９が同一円周上に等間隔で配置されている。基板保持台１１は、鉛直線を回転軸として冷却手段１７と一体に、あるいは別体に回転するように形成されており、基板保持部１９は、基板保持台１１に装着された状態で回転するように形成されている。また、基板保持部１９の下方には、基板１８を加熱するための加熱手段として、リフレクター２０に収納されたヒーター２１がリング状に配設されている。

さらに、基板保持台１１の上面は、外周部カバー２２ａ及び基板保持部１９を装着する部分に開口を設けた内周部カバー２２ｂで覆われており、基板保持部１９の上面は、基板１８を保持する開口を設けた保持部カバー２２ｃで覆われている。さらに、冷却手段１７の上面も、冷却部カバー２２ｄによって覆われている。これらのカバー２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、石英ガラス、アルミナ、サファイア、窒化ホウ素、酸化ケイ素、炭素等で形成され、着脱が容易に行えるように設けられている。また、カバー２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、主として基板保持台１１等を保護し、上面に反応生成物が付着したときの清掃作業を容易にするために設けられるものであって、省略することも可能である。

前記ガス導入管１４は、小径管１４ａ、中径管１４ｂ及び大径管１４ｃを同心上に配置した三重管構造を有しており、小径管１４ａの内部に第１ガス導入経路２３ａが、小径管１４ａと中径管１４ｂとの間に第２ガス導入経路２３ｂが、中径管１４ｂと大径管１４ｃとの間に第３ガス導入経路２３ｃがそれぞれ形成されている。さらに、最外周で先端が隔壁１２に接続した状態となる大径管１４ｃを除く小径管１４ａ及び中径管１４ｂの反応室１３内の先端部には、各ガス導入経路２３ａ，２３ｂ，２３ｃを通ってそれぞれ導入されるガスを反応室１３の外周方向に向けて均等にガイドするための外周が円形のガイド板２４ａ，２４ｂがそれぞれ設けられている。

そして、前記基板１８の表面に対し、上方に位置する前記ガイド板２４ｂの先端Ｂと基板中心Ｃとを結ぶガイド板径方向の直線Ｓの仰角θが２０度以下、好ましくは１０度以下になるように、反応室１３の高さ及び直径、基板保持部１９を設置した円周の直径、ガイド板２４ａ，２４ｂの直径、高さ及び間隔、ガス導入管１４の各管１４ａ，１４ｂ，１４ｃの口径等を設定する。

例えば、ガイド板２４ｂの基板１８表面からの高さを２５ｍｍ、ガイド板２４ｂの半径を１００ｍｍ、ガイド板２４ｂの中心から基板１８の中心までの距離を１７５ｍｍに設定すると、前記仰角θは約１９．５度になる。

このように、上方に位置するガイド板２４ｂの位置を、前記仰角が２０度以下になるように設定することにより、該ガイド板２４ｂに対する基板１８や基板保持部１９からの熱輻射の影響を軽減することができ、特に、前記仰角を１０度以下に設定することで熱輻射の影響をより軽減できるので、ガイド板２４ｂの温度上昇を確実に抑えることができる。なお、前記仰角θが２０度を超えると、ガイド板２４ａへの単位面積当たりの熱輻射量が増大してガイド板２４ｂが所望の温度以上に上昇し易くなる。

したがって、原料ガスとして熱分解温度が低い有機金属化合物を用いた場合でも、有機金属化合物を含むガスをガイドする上下一対のガイド板を前述のように設定しておくことにより、ガス導入部１５から反応室１３内に有機金属化合物を導入する際に有機金属化合物が熱分解することを防止することができ、基板１８上に安定した状態で原料ガスを供給することができる。

また、基板１８に最も近い位置の経路は、基板１８に到達する前に高温の基板保持台１１の直上を通り、基板１８から最も遠い位置の経路は、基板１８等からの熱輻射や対流伝熱によって温度上昇しやすい隔壁１２の直下を通るので、有機金属化合物がこの経路を通ると熱分解するおそれがあるが、この両経路を除く経路、すなわち、ガス導入経路が３経路以上設けられているときには、３経路以上の経路の内、両端を除く中間に位置する経路を、有機金属化合物を含む原料ガスのガス導入経路とすることにより、有機金属化合物の熱分解を効果的に回避することができる。逆に、原料ガスとして有機金属化合物を使用する場合には、ガス導入経路を３経路以上とし、中間に位置する経路から有機金属化合物を導入するように設定することにより、有機金属化合物の熱分解を防止できることになる。

ここで、上方に位置するガイド板２４ｂの位置を上述のように設定することにより、両ガイド板２４ａ，２４ｂの直径が同等以下ならば、必然的に下方に位置するガイド板２４ａの先端と基板中心とを結ぶガイド板径方向の直線の基板面に対する仰角は２０度未満となる。また、下方に位置するガイド板２４ａの直径を上方に位置するガイド板２４ｂの直径に比べて大きくする場合には、この下方のガイド板２４ａの先端位置を、前記仰角が２０度以下になる範囲に設定すればよい。なお、高温でも安定したガスを基板１８から最も遠い位置にガイドして導入するためにのみ設けたガイド板の場合は、前記仰角が２０度を超えていてもよいが、このガイド板を介して他のガイド板も温度上昇することになるので、全てのガイド板を前記仰角の範囲内に配設することが好ましい。

さらに、ガス導入部１５に対向させて冷却手段１７を設けておくことにより、ガス導入管１４やガイド板２４ａ，２４ｂを冷却することができるので、ガイド板２４ａ，２４ｂ等の温度上昇をより確実に防止できる。冷却手段１７は、要求される冷却能力に応じて任意の構造で形成することができるが、少なくともその外周縁が各基板１８から等距離となるように、円形とすることが望ましい。

冷却手段１７としては、例えば、内部を空洞とした円筒状容器に適宜な冷却媒体を流通させる構造を採用することができ、ガイド板２４ａ，２４ｂの周縁を冷却するためのリング状に形成することもできる。また、冷却手段１７は、円盤状の基板保持台１１の中央部背面に円筒状容器を配置するようにしてもよく、円盤状の基板保持台１１の中央部背面に冷却媒体を吹き付けることも可能であり、冷却媒体が流通する通路を基板保持台１１と一体に形成することも可能である。

このような冷却手段１７で使用する冷却媒体は、要求される冷却能力に応じて適宜な気体や液体を使用可能であり、冷却媒体の温度も任意に設定することができ、必要に応じてガイド板２４ａ，２４ｂの上面部分に対応する隔壁１２を冷却するようにしてもよい。

この気相成長装置で基板１８上に薄膜を成長させる際には、前記ヒーター２１を作動させて基板１８を所定温度に加熱するとともに、冷却手段１７を作動させて冷却状態とし、前記ガス導入管１４の各ガス導入経路２３ａ，２３ｂ，２３ｃに所定のガスを供給する。

各ガス導入経路２３ａ，２３ｂ，２３ｃに供給するガス種は特に限定されるものではなく、第１ガス導入経路２３ａには、水素又は窒素、アンモニアと水素との混合ガス、アンモニアと窒素との混合ガス、アンモニアと水素と窒素との混合ガスを供給し、第２ガス導入経路２３ｂには、有機金属化合物と水素との混合ガス、有機金属化合物と窒素との混合ガス、有機金属化合物と窒素と水素との混合ガスを供給し、第３ガス導入経路２３ｃには、アンモニアと窒素との混合ガス、アンモニアと水素との混合ガス、アンモニアと窒素と水素との混合ガスをそれぞれ供給し、ガイド板２４ａ，２４ｂによってこれらのガスを反応室１３の外周方向に向けて導入する。

このとき、有機金属化合物として熱分解温度が低いものを使用しても、前述のようにガス導入部１５、特にガイド板２４ａ，２４ｂの温度上昇が抑えられているので、熱分解温度が低い有機金属化合物も熱分解することなく基板１８上に供給され、所望の薄膜を成長させることができる。基板１８上を通過したガスは、反応室１３外周のガス導出部１６に向かって流れ、排気通路１６ａを通って装置下方に排出される。

図３は本発明の気相成長装置の第２形態例を示す概略縦断面図である。なお、以下の説明において、前記第１形態例で示した気相成長装置における構成要素と同一の構成要素には、それぞれ同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本形態例に示す気相成長装置は、基板保持台１１の反応室内側中央部、本形態例では冷却手段１７の上面中央部に、前記基板保持部１９の反応室１３内面よりも反応室１３の外側方向に窪ませた平面視が円形の凹部３１を設けるとともに、ガス導入部１５のガイド板２４ａ，２４ｂを凹部３１内に収納するようにして配置している。

このように、ガイド板２４ａ，２４ｂを凹部３１内に収納配置することにより、上方に位置するガイド板２４ｂの位置を基板１８と面一程度にすることが可能となり、前記仰角を約０度あるいは０度以下に設定することも可能となるので、基板１８や基板保持台１１からの熱輻射でガイド板２４ａ，２４ｂの先端部分が加熱されるのをより確実に抑えることができる。さらに、基板保持台１１と冷却手段１７との間に、輻射防止部材や低熱伝導部材からなる断熱部３２を設けることにより、冷却手段１７と基板保持台１１との間の熱移動を抑えることができる。また、凹部３１を設けることにより、大気圧成長においても十分に早い流速を実現できるようにキャリヤガス流量を増やしても流れに乱れを発生することが少ない。

なお、各形態例では、基板保持部１９の上面に基板１８を保持する構造を示したが、前記特許文献１に記載されているように、基板保持部の下面に基板を保持する構造とし、反応室の下方からガスを供給するように、上下を反転させた状態に形成することもできる。さらに、隔壁１２の全体あるいは一部を基板保持台１１に近付く方向に傾斜させるようにしてもよい。また、ガス導入部の構造、ガス導入経路の設置数、ガイド板２４ａ，２４ｂの形状は、成長させる薄膜に応じた原料ガスの種類や、必要に応じて導入されるパージガス等の補助的なガスの種類によって任意の経路数を選択することができる。

さらに、基板１８を自転させるとともに公転させる構造で説明したが、自転のみ、公転のみであってもよく、基板を回転させないものにも適用できる。加えて、各部の構造や形状は、基板の大きさやガス流量等の各種条件に応じて設計することができ、各形態例に示した構造、形状に限定されるものではない。

本発明の気相成長装置の第１形態例を示す概略縦断面図である。 基板保持台の平面図である。 本発明の気相成長装置の第２形態例を示す概略縦断面図である。

符号の説明

１１…基板保持台、１１ａ…開口、１２…隔壁、１２ａ…隔壁外周壁、１３…反応室、１４…ガス導入管、１４ａ…小径管、１４ｂ…中径管、１４ｃ…大径管、１５…ガス導入部、１６…ガス導出部、１６ａ…排気通路、１７…冷却手段、１８…基板、１９…基板保持部、２０…リフレクター、２１…ヒーター、２２ａ…外周部カバー、２２ｂ…内周部カバー、２２ｃ…保持部カバー、２２ｄ…冷却部カバー、２３ａ…第１ガス導入経路、２３ｂ…第２ガス導入経路、２３ｃ…第３ガス導入経路、２４ａ，２４ｂ…ガイド板、３１…凹部、３２…断熱部、Ｂ…ガイド板の先端、Ｃ…基板中心、Ｓ…ガイド板の先端Ｂと基板中心Ｃとを結ぶ直線、θ…仰角

Claims (5)

1. 円盤状の基板保持台と、該基板保持台に対向配置されて基板保持台との間に偏平円筒状の反応室を形成する隔壁と、該隔壁の中央部に設けられたガス導入部と、前記反応室の外周に設けられたガス導出部と、前記基板保持台の同一円周上に配設された複数の基板保持部と、該基板保持部に保持した基板を加熱する加熱手段とを備えた気相成長装置において、前記ガス導入部は、反応室の軸線を中心とした多重管構造を有し、該多重管の反応室内の先端部に、該多重管により区画されたガス導入経路を通ってそれぞれ導入されるガスを反応室の外周方向に向けてガイドするための外縁が円形のガイド板を有するとともに、前記基板面に対する前記ガイド板の先端と基板中心とを結ぶガイド板径方向の直線の仰角を２０度以下に設定したことを特徴とする気相成長装置。
2. 前記ガス導入経路が３経路以上設けられ、該３経路以上の経路の内、中間に位置する経路に有機金属化合物を含む原料ガスのガス導入経路を設けたことを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
3. 前記仰角を２０度以下に設定するガイド板は、前記有機金属化合物を含む原料ガスをガイドするガイド板である請求項２記載の気相成長装置。
4. 前記ガス導入部に対向する前記基板保持台の中央部に冷却手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の気相成長装置。
5. 前記ガス導入部に対向する前記基板保持台の中央部に前記基板保持部の反応室内面よりも反応室外側方向に窪ませた凹部を形成するとともに、前記ガイド板を前記凹部内に配置したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の気相成長装置。

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