JP2011501409A

JP2011501409A - 化学蒸着反応チャンバ

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Abstract

複数基質のための基質ホルダを収容するプロセスチャンバと、加熱した基質の表面上の部分に反応ガスを供給する反応ガス吸気口とを含む化学蒸着反応装置が提供される。反応ガスは、基質に対して平行又は斜めに導入される。供給される反応ガスの流れの方向とサセプタの角回転の接線成分との間の角度は、サセプタの位置に依存しない。熱いガスが基質の表面に平行又は斜めに流れる冷たい反応ガスと接触する際に生成される境界層の厚さを変えるために、基質に対してガスを垂直又は鋭角に供給する第二のガス吸気口が備えられる。

Description

本発明は、多様な基質上への半導体結晶膜蒸着に使用される有機金属化学蒸着反応装置に関する。本発明は特に、高い反応効率と均一性を増進させる化学蒸気放出器具に関する。

有機金属化学蒸着法（MOCVD）は、発光ダイオードやレーザダイオードのような電気デバイスの製造に使用される高品質な結晶薄膜を蒸着する標準的な方法である。一般に、MOCVD反応装置は、トリメチルガリウム（TMG）やトリメチルインジウム（TMI）のような有機金属源を使用する。それらは、化学反応に不活性な窒素や水素のようなガスによりチャンバに運ばれる。このチャンバ中で、有機金属化合物は加熱、分解され、アンモニアやヒ化水素のような水素化物ガスと化学的に反応して、加熱された基質上に薄膜を形成する。例えば、TMGとアンモニアが適当な条件下で反応装置に注入されると、化学反応の結果、単一の２元化合物、窒化ガリウム（GaN）の膜を形成する。結果として得られた膜の厚さと組成は、反応の圧力、キャリアガスの流速、基質回転速度、温度や反応装置のデザインに応じた種々の他のパラメータのような、種々のパラメータを調整することで制御できる。さらに、これらの反応は基質の表面で起こることから、結果として得られる膜の性質は基質に対する反応ガスのフローパターンに大いに影響される。

殆どのマルチウエハーMOCVD蒸着チャンバは、単一のガスインジェクタからなる。それは、反応ガスを基質のような所望の表面に導く。これらの構造は、結果として２つのタイプの多基質反応装置のデザインをもたらす。１つは、基質が反応ガスフローに対して垂直で、垂直反応装置デザインとして知られている。もう１つは、反応ガスフローが基質表面に並行で、水平反応装置デザインとして知られている。

垂直マルチウエハーデザインでは、半導体基質または他の対象物は、垂直軸の周りを回転するサセプタディスク上に載せられる。成長の間、低温反応ガスは通路を通って基質に向かって下方に流れる。また、サセプタからの熱がガスを上昇させ、巨大で不均一な高温ガスの境界層を基質とサセプタの上に形成する。これは、反応チャンバの上面まで拡散しうる。低温の反応ガスが高温ガスと接触するようになるとき、熱対流が起こりうる。これらの熱対流効果によって境界層が形成され、この境界層は再循環するフローパターンをもたらし、ラミナーフローのかく乱を引き起こす。これらのラミナーフローのかく乱は、基質の表面全域に蒸着された薄膜の均一性と組成を変えることにより、膜上の有害な蒸着条件の原因となる。

多基質垂直反応装置のもう１つの好ましくない特性は、反応ガスインジェクタの表面に反応物が蒸着することによる悪影響である。垂直反応装置は通常、反応装置への渦無しの均一なフローパターンを作るために、細かいメッシュか他のフロー拡散デバイスを使用する。これらのフローデバイスは、しばしば蒸着した反応物を蓄積させ、ある期間に渡ってフローパターンを乱す。そのため、予測可能なフローパターンを維持するために定期的に洗浄手順が実施される必要がある。これは、結果として大きな休止時間につながり、蒸着システムの生産性を減少させる。

有機金属化学蒸着システムは、回転するディスク反応装置を含んでいてもよい。この装置では、反応チャンバの上部に装着された回転可能なサセプタとともに基質が表を下にして保持される。成長中、反応ガスがチャンバの側壁か反応装置の底壁の上にある注入手段を通して注入される。このシステムの１つの不利な点は、基質を所定の位置に表を下にして保持するために、取り付ける面板、クランプ、クリップ、接着剤又は他の機構を有する複雑なサセプタメカニズムを用いる必要があることである。また、これらのメカニズムは、基質表面にわたって不均一な蒸着を引き起こすことで反応ガスのフローパターンをかく乱する。この反応装置の他の不利な点は、これらのメカニズムが、成長中、基質表面に望まれていない不純物を導入することである。

この反応装置の他の不利な点は、反応物質インジェクタ上に粒子を形成することである。これは、成長中に粒子形成のためである。粒子はサセプタ上に蓄積し、その後、反応装置の底に位置するガスインジェクタの上に落下し、導入されたフローパターンをかく乱する。このため、予測可能なフローパターンを維持するために洗浄手順が定期的に実行される必要がある。それは多くの休止時間につながり、蒸着システムの生産性を減少させる。

水平マルチウエハーデザインにおいては、反応装置は、回転基質の回転軸に位置する単一のガス反応物質インジェクタを有する。それはまた、サセプタを有していてもよい。その上に基質やその他の物が載せられ、回転ロッドにより中心軸の周りに回転する。成長中、低温の化学的蒸気は流路を通って、基質に向かって水平に流れる。また、サセプタからの熱はガスを上昇させ、大きな不均一な高温ガスの境界層を、基質とサセプタの上に形成する。境界層は、反応チャンバの上面に伸びることもある。低温反応ガスが高温ガスと接触すると、熱対流が起こりうる。これらの熱対流効果は、境界層の形成につながる。境界層はフローパターンを再循環させることにつながり、ラミナーフローをかく乱させる。ラミナーフローにおけるこれらのかく乱は、垂直反応装置デザインで観察される効果と同様、物質表面にわたって均一性と蒸着した薄膜の組成を変えることにより不利な蒸着条件を引き起こす。しかしながら、水平反応装置においては、２つの主要な理由のために、これらの効果はより大きくなる。最後に、反応ガスのフロー通路は基質と並行であるため、加熱ガスの浮揚効果による上方へのフローベクトルと釣り合う下方へのフローベクトルがない。これは、境界層の厚さを増加させることにつながる。次に、サセプタの回転速度はこれらの垂直反応装置のそれよりもずっと遅い。そのため、垂直反応装置デザインのように、サセプタの回転によってサセプタの表面に向かってガスは引っ張られない。これら２つの効果は、基質における反応物質の効果を大きく減少させる。上述の問題に加えて、最近の水平多基質反応装置は、反応壁への寄生性の蒸着により引き起こされる効果に悩まされている。これらの蒸着は、蒸着膜に以下のような有害な効果をもたらす。すなわち、基質表面にわたるフローパターンを変えること、徐々に温度変動を引き起こすこと、粒子が表面から基質の上に落下することである。そこで、予測可能なフローパターンと基質全体にわたる温度拡散を維持するために、洗浄手順が定期的に実施され、粒子が基質の上に落下することを防止するために不要な蒸着物を除去する必要がある。この粒子は基質を損傷する。これにより、多大な休止時間が生じ、蒸着システムの生産性を減少させる。

MOCVD反応装置は、２つの分かれたガス導入フローを使用してもよい。１つのフローは、化学反応蒸気を基質表面と並行に導入し、他の導入フローは、流れを基質表面に対して垂直にすることによって、これらの蒸気を基質表面に近づくように圧力をかける。この反応装置デザインは、回転する基質の先端近くに位置する反応物質インジェクタを有する。それはまた、基質または他の対象物を載置して回転軸により中心軸の周りに回転するサセプタを有していてもよい。成長中、反応ガスは反応物質インジェクタを通して注入され、基質表面のフロー経路に従う。フローチャネルを通じて第二のインジェクタにより注入される、基質表面に垂直な第二のフローは、反応ガスを基質近くに押し下げるために使われる。この第二のフローガスは、反応に対して不活性であり、それ故に基質表面の反応には寄与しない。

上述したツーフロー反応システムの一つの不利な点は、一度にただ１つの基質しか蒸着できないことである。この単一基質デザインは、その固有の低い処理能力のため、蒸着技術の商業適用性を大きく減少させている。

このデザインのもう一つの不利な点は、供給された反応ガスが、回転する基質のただ１つの先端のみに向けられていることである。そのため、回転する基質の角速度の接線成分と反応ガスの供給方向との間の角度は、サセプタの位置に依存する。これは基質表面にわたる蒸着条件を様々に変化させ、それにより基質表面にわたる蒸着の均一性を大きく減少させる。また、加熱された基質からの熱対流による反応物質ガスのフローパターンの破壊、及び基質表面とガスフローの相互作用により、基質表面にわたる反応ガスのラミナーフローの擾乱が生じる。なぜなら、反応物がサセプタの１つの前縁に導入されるからである。これらのフローの擾乱は、基質とサセプタのサイズが大きくなる程、その効果を劇的に増加させる。これは、ラミナー反応フローパターンを維持しながら同時に蒸着されうる基質のサイズと数を大きく制限する。

MOCVD水平反応装置は、基質に並行に供給されるガスと、基質の反対側に位置する強制ガスとを使用することができる。ここで強制ガスの中央部分は、強制ガスの周辺部分よりも遅いフローである。

このデザインのもう１つの不利な点は、複数のフローパターン及び速度を有する強制ガスを使用するという複雑性が付加された点である。多フローパターンの使用により、基質表面にわたって反応ガスのフローパターンに重大な影響を与えるこれら２つのフローの間の境界部分で、乱流を生起する。これは、基質全体にわたる不均一な蒸着をもたらし、蒸着の再現性を不十分にするものとなる。

本発明の目的と利点は、種々の実施態様により達成され得るが、実現可能な利点を減少させ或いは制限することを意図するものではない。他の目的および種々の実施態様の利点は、以下の説明から明らかになるか、或いは当業者には自明な変形や改変を考慮した種々の実施態様を実践することで、学ぶことができる。したがって、本発明は、図示され或いは種々の実施態様で説明される新規な方法、配置、組合せ及び改良にある。

本発明は、多様な基質上への半導体結晶膜蒸着に使用される有機金属化学蒸着反応装置において、高い反応効率と均一性を向上させることを課題とする。

以下、半導体結晶を製造する改良法の提供という現在の要求に照らして、様々な実施態様の概要を示す。以下の概要においていくつかの簡略化と省略がなされている。それは、様々な実施態様のある側面を強調し、紹介することを意図しているが、その範囲に限定されない。また、当業者が本発明の概念を実現し使用することを可能にする好適な実施態様について、詳細な説明も後段でなされる。

様々な実施態様において、１つ以上の基質をコーティングするための反応チャンバは、回転するときに接線成分を伴う角速度を有する、回転可能なサセプタと、前記サセプタの表面に載せられ、前記反応チャンバ内で前記サセプタにより回転させられる少なくとも２つの基質と、前記サセプタを加熱する手段と、前記基質の表面に斜めに反応ガスを、前記角速度の接線成分に対し前記サセプタの位置に依存しない角度をなす方向に流れるように供給する第一のガスインジェクタと、前記基質の前記表面に対して鋭角に押圧ガスを供給する第二のガスインジェクタと、前記反応ガスを前記反応チャンバから排出するチャンバガス排出口とを備える。

様々な実施形態の中で、１つ以上の基質をコートするための反応チャンバは、前記反応チャンバ内に設置された少なくとも２つのサセプタと、前記サセプタの表面に載せられた少なくとも１つの基質と、前記基質を回転させる、前記サセプタを回転させる手段と、前記サセプタを加熱するための手段と、前記基質に斜めに反応ガスを供給する、前記サセプタとほぼ等距離に位置する第一のガスインジェクタと、前記基質表面に鋭角に押圧ガスを供給する第二のガスインジェクタと、前記反応ガスを前記チャンバから排出するチャンバガス排出口とを備える。

様々な実施態様において、サセプタは回転中心を持ち、第一のガスインジェクタはサセプタの略回転中心に位置していてもよい。第二のガスインジェクタは基質のほぼ上に位置していてもよい。基質は加熱されたサセプタ上に存在し、基盤の穴を通して反応チャンバに入る共通軸の周りを回転してもよい。サセプタは二重回転、機械的に回転、またはガスフォイルローテーションで作動してもよい。

様々な実施態様中、反応装置はさらに少なくとも２つの基質にアクセスを可能にするためのゲートバルブを有する周囲の壁を有していてもよい。加熱手段は、サセプタを加熱するためにサセプタの下に設置してもよい。反応ガスは、周囲の壁、基板または天板上に位置する排気口を通って出て行く。反応チャンバは中心に最高部を有していてもよい。反応ガスは反応チャンバに吸気口を通って入ってもよい。吸気口は前記反応チャンバの最高部のほぼ中心に位置していてもよい。

様々な実施態様中、反応装置はさらにチャンバに連結された回転軸を有していてもよい。ここで前記サセプタは回転軸に取り付けられ、前記軸の回転はサセプタをチャンバ中で回転させる。反応装置は、基質を操作するために基質に自由にアクセスできるように外側の円筒状の輪に対して上方向に動くことができる天板を、さらに有していてもよい。前記反応装置は、基質を操作するために基質に自由にアクセスできるように外部の円筒状の輪に対して下方に動くことのできる基板を、さらに有していてもよい。

様々な実施態様中、回転軸は空洞で、サセプタの表面に軸と一直線に中央の吸気口を持ち、反応ガスが前記軸と中央吸気口を通ってチャンバに入ってもよい。反応装置は、中央吸気口の上に位置する中央吸気口に角度をつける円筒型の部分を有していてもよい。円筒型の部分の角度は、吸気口と円筒型部分の間の角度を調整するように調整されてもよい。円筒型部分は、吸気口と円筒型部分の間の距離を調整するように調整されてもよい。

様々な実施態様中、反応チャンバは中央に一番低い底をさらに有していてもよい。ここで反応ガスは、反応チャンバの一番低い底のほぼ中央に位置する吸気口を通って反応チャンバに入る。加熱装置とサセプタ間の距離を変えるためにサセプタは上下に動いてもよい。反応装置は、反応物質吸気口をさらに有していてもよい。それは、吸気口とサセプタの間の角度を調整するために調整されてもよい。また、前記反応物質吸気口は、吸気口とサセプタの間の距離を調整するために調整されてもよい。

様々な実施態様において、反応チャンバは周囲の壁を有していてもよい。ここで反応ガス吸気口は周囲の壁に位置し、吸気口はサセプタと角度を形成する。加熱機とサセプタの間の距離を変えるためにサセプタは上下に動いてもよい。反応物質吸気口の位置は、吸気口とサセプタ間の角度を調整するために調整されてもよい。反応物質吸気口は、吸気口とサセプタ間の距離を調整するために調整されてもよい。

様々な実施形態の中で、有機金属化学蒸着法半導体製造装置は、MOCVD反応チャンバを取り付けたサセプタと、少なくともサセプタ表面に載せられた２つの基質と、サセプタを回転させることができる手段と、基質に回転をおこさせるサセプタの回転と、回転時に接線成分を伴う角速度を有するサセプタと、サセプタを加熱するための手段と、反応ガスを基質表面に斜めに供給し、反応ガスは前記方向と角速度の接線成分の間の、サセプタの位置とは無関係な角度を形成する方向に流れる第一のガスインジェクタと、サセプタを加熱することで引き起こされる境界層を圧縮するように、押圧ガスを基質表面に鋭角で供給する第二のガスインジェクタと、反応ガスがチャンバから出るためのチャンバガス排出口とを具備する。

様々な実施形態の中で、前記サセプタは回転中心を持っていてもよい。そして第一のガスインジェクタは、サセプタの略回転中心に位置していてもよい。第二のガスインジェクタは基質のほぼ上部に位置していてもよい。サセプタは、二重回転を有していてもよく、機械的に回転し、或いはガスフォイルローテーションで作動してもよい。

様々な実施形態の中で、反応チャンバは、基質へのアクセスを可能にするゲートバルブを有する周囲の壁をさらに有していてもよい。基質を操作するために基質に自由にアクセスできるように、反応チャンバは、外側の円筒型の輪に関して上方に動くことができる天板を有していてもよい。前記基質の操作のために基質に自由にアクセスできるように、反応チャンバは、外側の円筒型の輪に関して下方に動くことができる基板をさらに有していてもよい。

様々な実施形態の中で、反応チャンバは、側壁に位置する反応ガス吸気口をさらに有していてもよい。反応チャンバは、中空の軸をさらに有していてもよい。サセプタの表面は、軸と一直線の中央吸気口を有していてもよい。ここで反応ガスは、前記軸と中央の吸気口を通ってチャンバに入る。

様々な実施態様の中で、有機金属化学蒸着法（MOCVD）半導体製造装置は、MOCVD反応チャンバを備えた少なくとも２つのサセプタと、前記サセプタ表面に載せられた少なくとも１つの基質と、基質を載せて回転するサセプタを回転させる手段と、サセプタを加熱する手段と、基質の表面に斜めに反応ガスを供給し、サセプタから等距離に位置する第一のガスインジェクタと、サセプタを加熱することで起こる境界層を圧縮するように、押圧ガスを基質表面に鋭角に供給する第二のガスインジェクタと、反応ガスがチャンバから出るチャンバガス排出口とを備える。

様々な実施形態中、第二のガスインジェクタは基質のほぼ上に位置していてもよい。サセプタは機械的に回転してもよく、ガスフォイルローテーションで作動してもよい。反応チャンバは、基質にアクセスできるゲートバルブを有する周囲の壁を有していてもよい。反応チャンバは、基質を操作するために基質に自由にアクセスできるために外部の円筒状の輪に関して下方に動くことができる天板を有していてもよい。反応チャンバは、基質操作用に基質に自由にアクセスできるために外部の円筒型の輪に関して下方に動くことができる基板をさらに有していてもよい。

本発明の他の目的、利点及び新規な特徴は、添付図面を参照して以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

以下では、本発明について、その技術思想を制限することなく、図面を参照しながら実施態様により説明される。図面には、発明の詳細に応じて参照符号を付してある。図面は必ずしもスケール通りではなく、本発明の原理を説明することに重きを置いている。

本発明の垂直断面図の概略図である。そこにはガスの流れの方向が説明される。本発明の好ましい実施態様の中で述べた反応物質のフローパターンの上面図を示す。本発明の垂直断面図の概略図である。ここではガスの流れの方向が説明される。図３ａの反応装置で使用されうるサセプタの概略図である。本発明の垂直断面の概略図である。ここではガスの流れの方向が説明される。本発明の垂直断面図である。ここではガスの流れの方向が説明される。図５の反応装置で使用されうる反応ガスインジェクタの概略図である。本発明の垂直断面図の概略図である。ここではガスの流れの方向が説明される。本発明の垂直断面図の概略図である。ここではガスの流れの方向が説明されている。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の原理の１つの実施態様を示す、マルチウエハーツーフローMOCVD反応装置101aの垂直断面の略である。

反応装置101aは、反応ガスインジェクタ112aと112b、第二のガスインジェクタ114およびガス排気孔116を有する円筒型の反応容器101を有する。反応装置は、垂直軸を有する略円筒型である。反応装置は、直径約60センチメートルの円形の底板を有していてもよい。それは、上に１つ以上の基質または他の目的物が置かれて回転する基質ホルダまたはサセプタ110を順次支持する。前記サセプタは、密封された底板の穴を通り抜ける回転軸103を有する。加熱手段107は、順次基質又は他の目的物を加熱するサセプタに熱を供給する目的でサセプタの真下に配置されている。熱はRFジェネレータ又は抵抗型加熱素子の手段により供給されうる。基質又は他の目的物ホルダは、目的物に適応し、プロセス温度と反応ガスに適合する適当な材料で作られる。前記ホルダは、グラファイト又はグラファイトで被覆したシリコンカーバイドで作られてもよい。

反応物質インジェクタ112a及び112bは、サセプタ110の上に位置し、サセプタの回転軸の中央にある。このインジェクタは、天板115に密閉されている。前記インジェクタ112a及び112bは、ステンレス鋼、アルミニウム又は銅のような金属からなる。前記インジェクタ112aと112bは、石英、酸化アルミニウムの多結晶及び／又は窒化ホウ素のような低熱伝導度の材料からなりうる。インジェクタ112aと112bは、略円筒型である。その中で、反応ガスがインジェクタの上部を通って入り、インジェクタ112aと112bの底部から基質102の表面に並行又は斜めであるフローパターン104をとって排出される。反応物質フロー方向とサセプタの回転の角速度の接線成分の間の角度は、サセプタの位置とは無関係である。反応ガスインジェクタは、２つの部分112aと112bからなる。断面部分112ｂは、２つの異なる外径を有する略円筒型をしている。小さい方の外径は112aに取り付けられ、反応ガスがこの隙間を通って下方に流れるための112aと112bの間の間隔を与える。大きい方の外径は、反応ガスの流れを略水平方向に向かわせる。112aと112bの間の間隔は、サセプタの回転軸に関して同心の管からなることもできる。これらの管は、反応物インジェクタに存在する反応ガスが均一に分布することを可能にする。それから反応ガスの流れが基質102の表面に対して並行又は斜めになるように、反応ガスは、部分112aと112bの間の間隔を通って基質102に向かって出る。ここで、反応物質の流れの方向とサセプタの回転の角速度の接線成分との間の角度は、サセプタの位置に依存しない。

反応物質の流路は、基質102または他の物質の上を反応物質インジェクタから円筒型の反応装置本体101の外壁に向かって、放射状に外側に流れ、最終的には外部円筒壁118にある排出口116を通って出る。前記反応ガスは、例えば、トリメチルガリウム（TMG）、トリメチルアルミニウム（TMA）、ジエチル亜鉛（DEZ）、トリエチルガリウム（TEG）、ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（Cp2Mg）、トリメチルインジウム（TMI）、アルシン（AsH3）、ホスフィン（PH3）、アンモニア（NH3）、シラン（SiH4）、ジシラン（Si2H6）、セレン化水素（H2Se）、硫化水素（H2S）、メタン（CH4）等でよい。

本発明の実施形態の１つとして、反応物質の流れのパターンを図２に示す。前記反応インジェクタ112aは、反応ガスを注入する。ここで反応物質の流れ方向104と回転するサセプタの角速度ωsの接線成分Ｖtの間の角度θは、サセプタの位置に無関係である。

反応物質が基質に対して並行か斜めの方向に供給され、反応物質の流れ方向とサセプタの回転の角速度の接線成分との間の角度は、サセプタの位置と無関係である、反応物インジェクタの付いた反応装置を使うことで、反応物質の流れ方向と回転しているサセプタの角速度の接線成分の間の角度が様々である反応チャンバに比べて、前記反応ガスは、全ての基質上の全表面にわたって同時に均一に蒸着できる。この改善された反応物質注入デザインは、基質に蒸着された反応物質の均一性を改善する。この改善されたデザインは、サセプタ上の基質の位置に無関係に均一で同質な蒸着を可能にする。このことはまた、サセプタ表面に位置する全ての基質上の膜の理想的な蒸着を可能にする。

図１を再度参照すると、第二のガスインジェクタ114が基質又は他の物質の上に５ｍｍ以上、又は、約15ｍｍの距離で位置している。これは、反応チャンバの天板115に取りつけられた「Ｌ」字型の取り付け金具109により適当な位置に保持されている。その後、第二のガスは、基質又は他の物質の表面の上に注入され、熱いガスが、基質表面に平行又は斜めに流れる冷たい反応ガスと接触するときに形成される境界層の厚さを変えるように、基質表面に直角又は鋭角（例えば３０度またはそれ以上）で、熱いガス温度範囲は約摂氏200度から1500度であり、低温ガスの温度範囲は約摂氏ゼロ度から200度である。前記第二のインジェクタガスは、反応チャンバの天板115上に位置する吸気口105により供給される。前記第二のガスインジェクタは、前記インジェクタ上に、ある形式の隙間を有する「シャワーヘッド」型のデザインで構成されうる。これらの隙間はまた、小さな穴、細長い穴、同心円、細かい金網、又はこれらの機構の組合せから構成されることができる。これらは、注入されたガスを基質表面に対して直角か鋭角な下方に均一に分散させるように機能する。第二のインジェクタは、反応ガスの流れを基質表面に集中させるために基質の直接上に位置する。基質又は他の物質に向かって垂直下方に流れる第二のガスは、反応ガスの再循環効果を除去するために使われるため、反応ガスに影響を与えない全ての不活性ガスが押圧ガスとして使用できる。押圧ガスの例は、水素（H2）、窒素（N2）、ヘリウム（He）、ネオン（Ne）、アルゴン（Ar）である。これらのガスは、単一かそれらの混合物として使用できる。前記ガスインジェクタは、基質上の温度境界層を減少させるために、石英（SiO2）、酸化アルミニウム（Al2O3）の多結晶又は窒化硼素（BN）のような高度な絶縁体から構成されることができる。前記ガスインジェクタは、アルミニウム、ステンレス鋼又は銅のような高度な温度伝導率を持つ金属で構成されることもできる。それらは、水及び／又はエチレングリコールのような液体の冷却液で冷却される。

基質表面へ直角又は鋭角（30°又はそれ以上のような）で向かう第二のガスの流れを使うことにより、本発明に係る第二のガスの流れを使わない反応チャンバに比べて、境界層の深さは自主的に変更できる。したがって、基質表面にわたってガスの流れパターンを自主的にコントロールできる様々な蒸着条件のために境界層の厚さは最適化できる。境界層の高さの操作は、より低い温度の反応ガスが境界層と接触したときに生じる乱流を減少させる。また、反応ガスは、より容易により高い反応効率を可能にする境界層に浸透することができる。

基質表面に直角又は鋭角（３０°又はそれ以上のような）に向かう第二のガスの流れを使用することが、基質表面に蒸着又は反応ガスを濃縮することにより、寄生的な蒸着を最小限にする。このことは、基質を損傷できる基質の上に取りこまれる不純物の量を最小にする。また、これらの意図しない蒸着物は、基質温度と化学的蒸気の流れのパターンのような反応装置の蒸着条件を長期にわたって変化させる。また、望まない表面の寄生的な蒸着を最小化することで、基質や他の物質の上に落下し、損傷を与える不純物が劇的に減少する。ここで述べた利点は、従来型の反応装置デザインで必要とされるクリーニングや条件設定手順を劇的に減少させる。

基質とサセプタ上の境界層を制御するために基質表面に直角又は鋭角に向かう第二のガスの流れを使うことにより、インジェクタの構造が基質を裏向きにして保持する、必要に応じて基質を保持するための保護板、クランプ、クリップ、接着剤又は他の複雑なメカニズムの必要が無くなる。これらの複雑な機構は、反応ガスの流れパターンを乱し、基質表面にわたって不均一な蒸着が起こる。さらに、基質を適当な位置に保持するために、これらの複雑な機構を使用することは蒸着プロセス中に不純物を導入しうる。

２つ又はそれ以上のガス速度を有する第二のガスインジェクタを使用することにより多数のガスの速度の接触面に生じる乱流を、１つの速度からなる第二のガスの流れを使用することによって、除去することができる。ガスの流れパターン内のいかなる乱流も、蒸着膜の均一性と再現性に影響を与える不安定で一時的な流れのパターンを引き起こすことにより、反応物の蒸着に有害な効果を引き起こす。

１つ以上の基質又は他の物質上に結晶層の蒸着を許す反応装置デザイン機構とともに、基質表面に直角又は鋭角に向かう第二のガスの流れを使用することにより蒸着工程当たりの反応装置の処理能力と全体の生産性が劇的に増加する。この反応装置デザインの更なる利点は、反応装置部品全体のデザインを変更することなく、様々な数の基質に適合するように容易に反応装置の部品を減らすことができることである。このことは、様々にカスタマイズした応用のためのこれらのシステムの製造において大きな柔軟性をもたらす。

反応ガスインジェクタ112aと112bと、第二のガスインジェクタ114を含む反応装置の天板115は、メインの反応装置の側壁119に、反応容器の外径の上に位置するゴム製のＯ−リングによってシールされている。これは、蒸着工程が完了した後に基質又は他の物質を置き換えるために天板を取り除くことで反応装置へのアクセスを可能にする。したがって、基質又は他の物質は必要に応じて置き換えられる。前記反応装置の外部壁はステンレス鋼からなり、水及び／又はエチレングリコールのような循環する液体により液体冷却されうる。

図３は、本発明に基づくMOCVD反応装置201aのもう１つの実施形態を示す。ここで反応装置は、反応ガスが回転軸を通って反応チャンバに入れるよう空洞の回転軸210を有している。

図３ｂは、反応装置201aに使われるサセプタを示す。図３ａに示すように、反応装置201aは中央ガス吸気口208を有する。それは、回転軸210と前記サセプタ212を通ってガス吸気口209を含む。前記ガス吸気口209は、反応ガスが反応装置に注入されることを可能にする。サセプタが回転している間、反応ガスは回転軸の底を通って入り、回転軸の上部に、そしてサセプタ内の隙間を通って移動させられる。これらの反応ガスは、矢印213に示されるように回転する基質217に向かって、基質に対し平行又は斜め（30°以下）の流れを伴い引き込まれる。ここで、反応ガスの流れ方向とサセプタの回転の角速度の接線成分の間の角度は、サセプタの位置に無関係であり、基質にある物質を蒸着する。この反応物質の流れのデザインは、本発明に基づき上述と同じ利益を受ける。上記のように、反応ガスは、基質表面に直角又は鋭角（30°又はそれ以上）に向かう第二の流れ214により基質のより近くに押される。この第二の流れは、基質の上に位置する第二のガスインジェクタ205で上に注入される。蒸着しない反応物質は、矢印215に示すようにチャンバの外壁に向かい、反応チャンバの側壁218に位置する排出口201を通って出る。前記第二の流れは、本発明に基づき上述と同じ利益を受ける。

図４は、本発明に基づくMOCVD反応装置301aの別の実施形態を示す。ここで、反応装置は、反応ガスが回転軸を通って反応チャンバに入れるように中空の回転軸を有する。図３ｂのサセプタは、反応装置301aに使われうる。

前記反応装置301aは、回転軸310とサセプタ312を通るガス吸気口308を含む中央ガス吸気口309を含む。図３ａの実施形態のように、このガス吸気口309は、反応ガスが反応装置に導入されるのを可能にする。サセプタが回転している間、反応ガスは回転軸の底を通って入り、回転軸の上部にサセプタの隙間を通って移動する。さらに、サセプタ内の隙間の上に位置する調整可能な円筒形ディスク316は、これらの反応ガスが基質318に平行又は斜めである流れ313で回転する基質に向かうのを助ける。ここで、反応物質の流れの方向とサセプタの回転の角速度の接線成分との間の角度はサセプタの位置に無関係であり、ある物質を基質に蒸着する。この反応物質の流れのデザインは、本発明に従って上述と同じ利益を受ける。図１の実施形態のように、反応ガスはまた、基質表面に直角又は鋭角に向かう第二の流れ314により基質のより近くに押される。この第二の流れは、図１の実施形態に記載されるように、基質の上に位置する第二のガスインジェクタ305で注入される。蒸着しない反応物質は、通路315に示されるようにチャンバの外壁に向かい、反応チャンバの側壁319上に位置する排出口301を通って出る。この第二の流れは、本発明に従って上述と同じ利益を受ける。

図５は、本発明に基づくMOCVD反応装置401aの別の実施形態を示す。ここで、反応装置は、反応チャンバ401aの側壁420に位置する反応物質インジェクタ416aと416bを有し、排出ガスが反応装置チャンバを回転軸を通って出られる中空の回転軸410を有する。

図６は、反応装置チャンバの側壁に付けられた円筒型の吸気口を含む反応装置401aに使われ売るインジェクタを示す。この吸気口は、円形の輪の形をした２つの部分416aと416bからなる。これらの部分は、２つの部分の間の小さな隙間が反応ガスが反応装置チャンバ中に流れることを可能にするように、取り付けられている。この隙間は小さな穴、細長い穴、同心円、細かい金網、又はこれらの機構の組合せから構成されることができる。これらは、注入された反応ガスを基質表面に対して直角か鋭角な下方に均一に分散させるように機能する。ここで、反応物質の流れの方向とサセプタの回転の角速度の接線成分の間の角度は、図１の実施形態に記載したように、サセプタの位置に無関係である。この反応物質の流れのデザインは、本発明に従って上述と同じ利益を受ける。図１の実施形態に記載されたように、図５の反応ガスは、基質表面に直角又は鋭角に向かう第二の流れ414により基質近くに押される。第二の流れは、図１の実施形態に記載されたように、基質の上に位置するガスインジェクタ405で注入される。蒸着しない反応物質は、サセプタと回転軸内の隙間を通って移動し、反応チャンバの底407上に位置する排出口408を通って出る。第二の流れは本発明に従って上述と同じ利益を受ける。

図７は、本発明に基づくMOCVD反応装置501aのもう一つの実施形態を示す。それは、回転するサセプタ、反応ガス吸気口、第二のガス吸気口、サセプタ上の基質及び加熱機を含む。これらは全て、図１の反応装置のそれらと似ている。殆どの点で、反応装置501aは、図１の反応装置101aと同じように機能する。しかしながら、反応装置501a内で、サセプタは反応装置501の底に、加熱機507とサセプタ510の間の距離と角度を調整するために、矢印520a、520b、520c及び520dに示される方向に移動可能な軸503により設置される。すなわち、サセプタ510は520aと520bによって示された方向に垂直に動くことができる。サセプタ510はまた、矢印520c及び520dにより示されたように、好ましくは±15°の角度で動き又は傾くことができる。サセプタとサセプタの上に保持された基質の温度プロファイルを変えるために、サセプタの全域の温度分布を調整するために、この調整はサセプタ510と連動する熱量を変えることができる。回転するサセプタは、コンピュータで制御されるステッピングモータ又は同様のものにより操作される。

更に図７に示すように、反応ガスインジェクタ512aと512bは、サセプタ510と反応ガスインジェクタ512aと512bの間の距離と角度を変えるために、矢印521a、521b、521c及び521dの方向に調整されうる。すなわち、インジェクタ512bは、矢印521aと521bによって示されるようにオペレーターにより垂直に調整されうる。さらに、インジェクタ512aと512bは矢印521c及び521dにより示された方向に、好ましくは±15°の角度で角度調整されうる。両断面512aと512bは、角度を変え、あるいは傾けることができ、独立に上下に動くことができる。これらの調整によりサセプタ510の上部に保持された基質の半導体の蒸着条件を変えることができる。また、第二のガスインジェクタ514は、この第二のガスインジェクタ514とサセプタ510の間の距離と角度を変えるために、矢印522a、522b、522c及び522dの方向に調整されることができる。すなわち、第二のガスインジェクタ514は矢印522aと522bによって示された方向に垂直に調整されることができる、さらに、第二のガスインジェクタ514は矢印522cと522dに示された角度で、好ましくは±15°の角度で、傾けられることができる。これらの調整は、サセプタ510の上部に保持された基質の半導体の蒸着条件を変えることができる。これらの動く部分は、調整可能なスクリューにより動き、傾けられうるが、また、コンピュータで制御されるステッピングモータにより、動き、あるいは傾けられることができる。

図８は、本発明に基づくMOCVD反応装置601aのもう一つの実施形態を示す。それは反応ガス吸気口と第二のガス吸気口を含む。これら全ては、図１に示す反応装置のそれと類似する。殆どの点で、反応装置601aは図１の反応装置101aと同様に機能する。しかしながら、反応装置601aにおいては、単一のサセプタは、少なくとも２つの回転するサセプタ610aと610bにより置き換えられる。各々のサセプタは、少なくとも１つの基質を保持する。少なくとも２つのサセプタが、反応ガス吸気口612aと612bからほぼ等距離620に位置する。反応物質が基質に平行か斜めの方向に供給され、反応物質インジェクタが少なくとも２つの回転するサセプタにおける回転物と等距離に位置する反応物質インジェクタ付きの反応装置を使用することにより、反応ガスは、回転するサセプタに対して様々な距離に反応物質インジェクタを持つ反応装置チャンバに比べて、全てのサセプタ上の少なくとも１つの基質表面全体にわたって同時に均一に蒸着できる。改良された反応物質インジェクタのデザインにより、基質の表面上へ蒸着した反応物質の均一性が改良される。この改良されたデザインは、サセプタ上の表面の位置に無関係に均一及び同質の蒸着を可能にする。これはまた、サセプタ表面上に位置する全ての基質上の膜の同一の蒸着を可能にする。さらに、反応物質インジェクタがこのように位置することで、二重回転サセプタの使用が除去できる。これは、サセプタデザインを多いに簡単にする。それは、反応装置部分のコストと複雑性を大幅に最小化する。

図７を参照して説明したサセプタの移動可能な配置と角度調整可能なサセプタは、サセプタを通して反応ガス吸気口を有する反応装置201a（図３ａ）及び301a（図４）内で使用することができる。また、第二のガス吸気口の移動可能な配置と角度調整可能な第二のガス吸気口は、反応装置201a（図２）、301a（図４）、401a（図５）及び601a（図８）中で使用できる。移動可能な反応ガス吸気口配置と角度を調整可能な反応ガス吸気口は、反応装置401a（図５）と601a（図８）中で使用できる。また、前記反応装置は、ただ１つまたは全てのこれら調整オプションを含む。

以上、本発明の好ましい形態を参照して詳細に説明したが、他の形態も可能である。多くの異なるガス吸気口とサセプタが使用可能である。それらのガス吸気口と排気口は、多くの異なる位置に配置しうる。本発明に基づく反応装置は、多くの異なる材料システムから多くの異なる半導体結晶を成長させるのに使用できる。

種々の実施形態は、例示として説明したが、本発明は他の実施形態が可能と理解されるべきである。そして、その詳細は様々な点で改変可能である。当業者には明らかなように、本発明の範囲で変形と改変は可能である。したがって、前述の開示、説明及び図面は説明のためであり、本発明を限定するものではない。

Claims

１以上の基質を被覆するための反応チャンバであって、
回転するときに接線成分を伴う角速度を有する、回転可能なサセプタと、
前記サセプタの表面に載せられ、前記反応チャンバ内で前記サセプタにより回転させられる少なくとも２つの基質と、
前記サセプタを加熱する手段と、
前記基質の表面に斜めに反応ガスを、前記角速度の接線成分に対し前記サセプタの位置に依存しない角度をなす方向に流れるように供給する第一のガスインジェクタと、
前記基質の前記表面に対して鋭角に押圧ガスを供給する第二のガスインジェクタと、
前記反応ガスを前記反応チャンバから排出するチャンバガス排出口と
を具備することを特徴とする反応チャンバ。
少なくとも１つの基質を被覆するための反応チャンバであって、
前記反応チャンバ内に設置された少なくとも２つのサセプタと
前記サセプタの表面に載せられた少なくとも１つの基質と
前記基質を回転させるために前記サセプタを回転させる手段と、
前記サセプタを加熱するための手段と
前記基質に斜めに反応ガスを供給する、前記２つのサセプタから等距離に位置する第一のガスインジェクタと、
前記基質表面に鋭角に押圧ガスを供給する第二のガスインジェクタと、
前記反応ガスを前記チャンバから排出するチャンバガス排出口と
を具備することを特徴とする反応チャンバ。
前記サセプタが回転中心を持ち、前記第一のガスインジェクタが前記サセプタの回転中心に位置する請求項１の反応チャンバ。
前記第二のガスインジェクタが前記基質のほぼ上に位置する請求項１の反応チャンバ。
前記基質が加熱されたサセプタの上にあり、共通の軸の周りを回転する請求項１の反応チャンバ。
前記サセプタが機械的に回転する二重回転を伴うサセプタである請求項１の反応チャンバ。
前記サセプタがガスフォイルローテーションで作動する、二重回転を伴うサセプタである請求項１の反応チャンバ。
前記基質にアクセスするためのゲートバルブを有する周囲の壁を具備し、前記周囲の壁は反応ガス吸気口を具備し、前記吸気口は前記サセプタとの間にある角度を形成する請求項１の反応チャンバ。
前記サセプタを加熱するための手段が前記サセプタの真下に設置される請求項１の反応チャンバ。
前記反応ガスが周囲の壁上の排気口を通って出て、前記周囲の壁は、前記基質を操作するために前記基質に自由にアクセスできるように、外側の円筒形の輪に関して上方向に動くことができる請求項１の反応チャンバ。
前記反応ガスが底板に位置する排気口を通って出、前記底板は、前記基質の操作のために前記基質に自由にアクセスできるように外部の円筒形の輪に関して上方向に動くことができる請求項１の反応チャンバ。
前記反応ガスが天板に位置する排気口を通って出て、前記基質の操作のために前記基質に自由にアクセスできるように前記天板は外側の円筒形の輪に関して上方向に動くことができる請求項１の反応チャンバ。
前記反応チャンバはさらに中央に最高部を有し、前記反応ガスは前記反応チャンバに前記反応チャンバの前記最高部のほぼ中央に位置する吸気口を通って入る請求項１の反応チャンバ。
前記チャンバに接続された回転軸をさらに具備し、前記サセプタは前記回転軸に取り付けられ、前記回転軸の回転は前記サセプタが前記チャンバ中で前記軸と調和した回転を引き起こし、前記反応ガスは前記軸を通って前記チャンバに入る請求項１の反応チャンバ。
前記回転軸が空洞で、前記サセプタの表面に前記軸と一直線上に中央吸気口をさらに有し、前記反応ガスが前記軸と前記中央吸気口を通って前記チャンバに入る請求項１４の反応チャンバ。
前記中央吸気口の上部に、前記中央吸気口とある角度を決定する円筒形の部分を有し、前記角度は中央吸気口と前記円筒形の部分との間の距離を調整するために調整されうる請求項１５の反応チャンバ。
前記反応チャンバがさらに中央に最も低い底を有し、前記反応ガスが前記反応チャンバの前記底のほぼ前記中央に位置する吸気口を通って前記反応チャンバに入る請求項１の反応チャンバ。
前記サセプタが前記サセプタを加熱する手段と前記サセプタとの間の距離を変えるために前記上下に移動できる請求項１の反応チャンバ。
前記吸気口と前記サセプタとの間の角度と距離を調整するために調整されうる反応物質吸気口をさらに有する反応チャンバ。