JP2008514819A - エピタキシャル・リアクターの冷却方法およびそれによって冷却されるリアクター - Google Patents

Abstract

本発明は、化学気相成長用のリアクターの反応チャンバー（２）の壁を冷却する方法に関する。この方法は、反応チャンバー（２）の実質的に均一な温度分布を達成するように、チャンバー（２）の壁の少なくとも１つの所定の区域を水で選択的に冷却して、隣接する区域と比べて異なる熱流束を取り除くことにある。好ましい実施形態において、選択的に冷却される区域は、サセプタ（５）の上の区域であり、２つのリブ（８、９）によって範囲を定められる。本発明は、また、この冷却方法を実行するため、リアクターおよび反応チャンバー（２）を含む。

Description

本発明は、化学気相成長（ＣＶＤプロセス）による基板の製造に用いられるエピタキシャル・リアクターのチャンバーを冷却する方法に関する。

周知のように、これらのリアクターは、マイクロ電子産業において、半導体コンポーネントの製造のために何よりも用いられる。この目的のため、それらは、反応チャンバーを含み、その中では、基板がサセプタによって支持された状態で、（ウェーハとしてもまた普通知られている）基板のエピタキシャル成長が生じる。

２つのタイプのリアクターがあり、それらは反応ガスの通路に関連して定められる。それらは水平リアクターおよび垂直リアクターである。

（発明の効果）
本発明の方法は、以下の記述では言及は前者に対して主になされるけれども、両タイプのリアクターに関する。その反応チャンバーは、実質的に、漠然と平行六面体形状を有する石英の釣鐘状のものであり、それは一方の側から他方の側へのガスの流れによって水平に横断される。

水平リアクターにおいて、サセプタは反応チャンバーの内部で回転するディスクを含み、基板はその上面に、対応する形状の各々のシートに置かれる。サセプタのディスクは、電磁誘導あるいはランプでのラジアンスを用いて加熱され得るように、高温に耐えることができるグラファイトあるいは別の導体材料で通常作られる。

ＣＶＤプロセスは高温（１０００℃以上）で生じる化学反応の結果であり、反応チャンバーの壁、概して石英を冷却することが既知の手法である。

その冷却は空気または水を用いてなされ得る。しかしながら、壁温度が予め設定されたレベルよりも低くなる場合、リスクがあるので、それは過度になり過ぎないようにすべきである。

このリスクは、冷却流体が水である場合、石英の釣鐘状のものとのそれの熱交換が空気のそれよりも大きいので、熱くないチャンバーの区域に主に関係し、深刻化される。

それ故、本発明の根底にある技術的課題は、前記のネガティブな結果を引き起こし得る温度の過度の低下を防止するように、そのような方法で、エピタキシャル・リアクターを冷却することである。

この課題は、選択的に反応チャンバーを冷却することによって特徴付けられる方法によって解決される。すなわち、それはチャンバーの異なるゾーンから異なる熱流束を取り除き、それによってそれの温度分布を実質的に均一に保つ。これは、そのプロセスをより良く制御することを可能にし、いかなる不測の出来事の結果としても所定点の温度が許容できる限界よりも下の温度まで下がることを防止する。

好ましい実施形態によれば、本発明に従う方法が水平リアクターで実行されるとき、その反応チャンバーは、サセプタのディスクの上の区域にかけられる水（あるいは別の適切な液体）によって冷却される。本発明は、また、上記方法に従って冷却されるエピタキシャル・リアクターと、わざわざ作られた反応チャンバーとを含む。

本発明のさらなる特徴が、添付の図面に示されている本発明の非制限の例についての以下の記述からより明確に明らかになるだろう。

これらの図面において、リファレンス１は、概して、マイクロ電子産業の半導体の製造のために典型的に用いられるような基板の化学気相成長（ＣＶＤ）用のエピタキシャル・リアクターを指し示す。

リアクター１は、水平フロータイプのものであり、実質的に平行六面体形状を有する反応チャンバー２を備え、それは、反応チャンバーにおけるガスの流れ用に、２つの向かい合った面に入口開口部３および出口開口部４を有する。その速度は図３に矢印で表されている。

反応チャンバー２は石英で作られ、ガス出口側に向かってわずかにしだいに厚さが減少していき、一方、（図１において破線でのみ表されている）サセプタのディスク５の上方の区域において、それは金のペイントからなる薄層によって好ましくはコーティングされ、それはそのプロセスの間に放射される熱を反射する。

サセプタ５の上方に位置が定められたチャンバー２の区域は、２つの円弧形状のリブ８、９によって範囲を定められ、それらはチャンバーの一方の側部からもう他方の側部まで延在する。さらに、チャンバーには、サセプタの位置をモニターする光学的手段の使用のために、それ自体が知られている半径方向のウィンドウ１０が与えられる。

チャンバー２の下方部分は普通の中空の心棒１１を有し、その中を通してサセプタ５を回転させるためのシャフトが延在する。このシャフトは、図面には示されていない。図１に見られ得るように、チャンバーの入口開口部３および出口開口部４と関連して、それぞれにスクリーン１３、１４がある。後者は、シートメタルあるいは他の適切な材料で作られた被膜であり、それはリブ８、９の囲いの外にある反応チャンバー２の区域に関して延在する。

そのスクリーンの目的は、分配器１５、１６を用いて供給される冷却水が、サセプタから一番遠くにあってそれ故に低温を有するチャンバー２の区域に入ることを防止する。この目的のため、スクリーン１３、１４は、入口開口部３および出口開口部４と関係があるフランジ１７、１８に取り付けられ、リブ８、９と同じように形作られた自由エッジを有する。スクリーンとチャンバー２の石英との間の距離は、好ましくはおよそ１０ｍｍである。

本発明の好ましい実施形態では、スクリーン１３の上部にプレート２３があり、それは反応チャンバー２の中央の区域の上方に水をかけるために、付加的なノズル２４、２５を支持する。

上で与えられた記述は、リアクター１が本発明の方法に従って冷却される仕方を理解することを可能にする。

分配器１５、１６は、図１に矢印で表されているように、それぞれのスクリーン１３、１４の上に水を供給する。そして、その水は、前記のスクリーンの曲線状のエッジに沿って滝のように流れ、反応チャンバー２の上へ、リブ８、９間のサセプタの上部にある後者のゾーンに落ちる。

実際には、リブは、水が開口部３、４に向かって後ろに流れることを防止するバリアを形成するので、２つのリブ８、９間のチャンバー２の自由エッジに沿って横方向にそれが落ち、下に置かれるが図面に示されていないタンクに引き続いて集められる。

水の第３の流れは、ノズル２４、２５によって、チャンバー２の中央部分に向かっていくらかの速度で噴霧される。これはサセプタからの最も大きな熱流束にさらされるので最も重要な区域であり、その流水は石英とより望ましく熱を交換し、それにより、この区域に加えられる反射ペイントの剥離を引き起こし得る有害な沸騰現象を避けることができる。

このようにして提供される選択的冷却は、それの最も冷えた区域（すなわち、サセプタ５から最も離れた区域）には水がかけられないが、一方、それの中央区域にはサセプタによって放射される熱を取り除くべく絶えずかけられるので、反応チャンバー２の石英のほぼ均一な温度分布を維持することを可能にする。

特に、強制対流によって水がかけられる部分から高い熱流束あるいはパワー（すなわち、単位時間当たりの熱量）が取り除かれるのに対して、ドライ区域において取り除かれる熱流束は少なく、その交換は空気の自然対流および放射によって生じる。

しかしながら、より大きな冷却あるいはより良いプロセス制御のいずれかを獲得するため、図４に図示的に表されているように、ドライ区域は、チャンバー２の上部壁とスクリーン１３、１４との間に空気を循環させる押込み換気によって、なめるようにかすめられ得るということにも留意しなければならない。それ故、この場合、これらの区域は強制対流によって冷却される。

本発明の方法を用いて得られる均一な温度分布は、前記不利な結果（チャンバー壁でのガス状物質の重合およびそれに続く凝縮あるいは堆積）を有し得る温度に過度に降下するのを防止するので、反応チャンバー２のコンディションのより容易で且つより効果的な制御を可能にする。

反応チャンバーを選択的に冷却することの教示は、また、上で説明された実施形態と異なって実行され得、使用に際して異なるエピタキシャル・リアクター（水平および垂直の両方）に適合することは明らかである。

例えば、反応チャンバー２の上部区域のみが上述されたように水で冷却されるという事実は、その下部部分が、同じ原理を用いて冷却されることを妨げない。

この場合、サセプタ５の下部にあり、中空の心棒１１の周りにあるチャンバーの区域に向かって、下から水を吹きかける手段を提供することが必要とされるだろう。

例えば、同じ本出願人名義の欧州特許第７３０６７９号に記述されているシステムのような既知の冷却システムが、反応チャンバーの下に選択的に設置され得ることがまた理解されるべきである。

ついでながら、本発明の選択的冷却は、サセプタの放射が最大である区域のみに、反射率の高い金のコーティングを適用することを可能にするということが強調されるべきである。先の例において、この区域は、２つのリブ８、９間の水を振り掛けられた区域である。

これは２つの利点を有する。第１に、全反応チャンバー２をコーティングしないがそれの一部のみをコーティングするということから与えられるのは、塗装が簡易化され、且つ、金がかからないということであり、第２に、より大きな放射にさらされる区域は水で冷却されるので、水側にある石英の温度は相対的に低いということである。

逆にいえば、放射が少ないという事実にもかかわらず、水がないところでは、その温度がチャンバー２の外側部上でより高く、これは、金（あるいは他の金属）は（５×１０^-7１／Ｋの）石英よりもより大きな熱膨張係数を有するので、他の方法（例えばＰＶＤ）によって塗装されるかあるいは堆積されることによって適用されるかどうかにかかわりなく、金のコーティングが分離することを引き起こす。

しかしながら、水がないこれらの区域において、放射による損失はスクリーン１３、１４を用いることによって低減され、しかしてそれらはリフレクターとしての機能を果たす。この場合、スクリーン１３、１４は、金属材料で作られ得、および／または金あるいは別の高反射材料で任意にコーティングされ得る。

最後に、反応チャンバーの選択的冷却は、サセプタの角錐台形状や反応チャンバーの釣鐘形状のために可能な変形を伴いつつ、垂直エピタキシャル・リアクターにも適用され得るということに留意しなければならない。

それでもやはり、これらのおよび他の実施形態は、伴われる特許請求の範囲の範囲に入る。

本発明に従って冷却されるエピタキシャル・リアクターの斜視図である。 図１のリアクターの反応チャンバーの平面図である。 図２の反応チャンバーの側面図である。 上記反応チャンバーにおける冷却用流れの図表示である。

Claims (17)

1. 化学気相成長用のリアクター（１）の反応チャンバー（２）を冷却する方法であって、
   前記反応チャンバー（２）の壁の少なくとも１つの所定の区域は、隣接する区域と比べて、異なる熱流束を取り除くために流体で選択的に冷却され、それにより、前記反応チャンバー（２）の概ね均一な温度分布を達成し、前記少なくとも１つの区域を選択的に冷却するために用いられる前記流体は水あるいは他の液体であり、前記隣接する区域は空気あるいは他の気体を用いて冷却されることを特徴とする方法。
2. 前記少なくとも１つの選択的に冷却される区域は、前記隣接する区域から隔てられ、前記流体が前者から後者へ回ることを回避することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記反応チャンバー（２）はサセプタ（５）を含み、前記少なくとも１つの選択的に冷却される区域は前記サセプタ（５）の正面に実質的にある位置にあることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記空気あるいは他の気体は、押込み換気を用いて供給されることを特徴とする請求項１または２または３に記載の方法。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の方法を実行するように構成された化学気相成長用のリアクター（１）であって、反応チャンバー（２）、該反応チャンバーに配置されたサセプタ（５）、前記反応チャンバー（２）の少なくとも１つの所定の区域に冷却流体を選択的に散布する手段（１５、１６、２４、２５）を含み、前記冷却流体は水あるいは他の液体であり、前記所定の区域に隣接する前記反応チャンバー（２）の区域を空気あるいは他の気体で冷却するように構成されていることを特徴とするリアクター。
6. 前記空気あるいは他の気体を押込み換気を用いて供給する手段を含むことを特徴とする請求項５に記載のリアクター。
7. 前記流体が前記選択的に冷却される区域に隣接する前記区域をなめるように動くことを防止するために、前記反応チャンバー（２）に合わせられた仕切り部（１３、１４）を含むことを特徴とする請求項５または６に記載のリアクター。
8. 前記反応チャンバー（２）はその表面に囲み部（８、９）を含み、囲み部（８、９）は前記選択的に冷却される区域を、それに隣接する前記区域から区切るのに適していることを特徴とする請求項７に記載のリアクター。
9. 前記サセプタ（５）は、ディスク・サセプタであり、前記反応チャンバー（２）は実質的に平行六面体形状を有し、実質的に平行方向の反応ガスの流れ用にそれぞれ反対側の面にある入口開口部（３）および出口開口部（４）を備え、前記仕切り部（１３、１４）は前記反対側の面から延在し、前記サセプタの上方の前記区域を自由に出入りできるようにしておくことを特徴とする請求項７または８に記載のリアクター。
10. 前記冷却流体は、前記仕切り部（１３、１４）の上に散布され、前記サセプタ（５）の上に位置される前記反応チャンバー（２）の前記区域に流れることを特徴とする請求項７または８または９に記載のリアクター。
11. 前記囲み部（８、９）は、前記サセプタ（５）の上に位置された前記反応チャンバー（２）の前記区域の範囲を定めるために実質的に弧状であり、前記冷却流体を横方向に流れ出させるべく側部に開いていることを特徴とする請求項８または９または１０に記載のリアクター。
12. 前記サセプタ（５）の上に位置される前記反応チャンバー（２）の前記区域について中心部に前記冷却流体をかけるのに適したノズル（２４、２５）を含むことを特徴とする請求項５から１１のいずれかに記載のリアクター。
13. 前記反応チャンバー（２）の前記選択的に冷却される区域は、反射層でコーティングされていることを特徴とする請求項５から１２のいずれかに記載のリアクター。
14. 前記仕切り部（１３、１４）は、前記反応チャンバー（２）に合わせられ、金属材料で作られあるいは反射材料でコーティングされていることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載のリアクター。
15. 請求項５から１４のいずれかに記載のリアクター用の反応チャンバーであって、実質的に平行六面体形状を有し、その表面に、選択的に冷却される区域をそれに隣接する区域から区切るのに適している囲い部（８、９）を含むことを特徴とする反応チャンバー。
16. 前記選択的に冷却される区域を区切るように、前記チャンバーの一方の側部から他方の側部まで好ましくは延在する一対の実質的に弧状のリブ（８、９）を上面に含むことを特徴とする請求項１５に記載の反応チャンバー。
17. 前記リブ（８、９）によって区切られる前記区域は、反射層でコーティングされていることを特徴とする請求項１６に記載の反応チャンバー。

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