JP2012513669A - 円筒状のガス入口部品を有するｍｏｃｖｄ反応装置 - Google Patents

Abstract

半導体層を堆積する装置に関し、中心11に対して回転対称に配置されたプロセスチャンバ１、サセプタ2、プロセスチャンバ天井部3、鉛直方向に重なるガス入口室8,9,10を有するガス入口部品4、サセプタ2の下方のヒーター27を有し、最上部のガス入口室8はプロセスチャンバ天井部3に隣接し搬送ガスとともに水素化物をプロセスチャンバ1に供給するために供給ライン14に接続され、最下部のガス入口室10はサセプタ2に隣接し搬送ガスとともに水素化物を供給するために供給ライン16に接続され、中間のガス入口室9は有機金属化合物を供給するために供給ライン15に接続される。ガス入口室8,9,10はプロセスチャンバ1に向かって環状壁22,23,24により閉鎖され、環状壁22,23,24は互いに近接して配置された多数のガス出口開口25を具備し、均一な外径を有し、突出部分がない。

Description

本発明は、多層、特に半導体の多層を堆積するための装置に関する。

この装置は、中心に対して実質的に回転対称に配置されたプロセスチャンバを備え、プロセスチャンバは水平面内に設置されたサセプタから形成された底部と、サセプタの鉛直方向上方に設置されたプロセスチャンバ天井部と、サセプタとプロセスチャンバ天井部の間に延在しかつ鉛直方向に重なって設置された複数のガス入口室を具備するガス入口部品と、サセプタを加熱するためにサセプタの下方に設置されたヒーターと、を有する。サセプタ上には、ガス入口部品から離間して配置された、コーティングされる基板を収容するための複数の基板ホルダが設けられている。最上部のガス入口室は、プロセスチャンバ天井部のすぐ隣に位置しかつ搬送ガスとともに水素化物をプロセスチャンバ内に導入するための供給ラインに接続されている。最下部のガス入口室は、サセプタのすぐ隣に位置しかつ搬送ガスとともに水素化物をプロセスチャンバ内に導入するための供給ラインに接続されている。最上部と最下部の間に設置された少なくとも１つの中間のガス入口室は、有機金属化合物をプロセスチャンバ内に導入するための供給ラインに接続されている。

さらに、本発明は、基板上に半導体層を堆積するためにこのような装置を使用することに関する。最上部のガス入口室のガス出口開口及び最下部のガス入口室のガス出口開口を通して搬送ガスとともに例えばＮＨ_３、ＰＨ_３又はＡｓＨ_３である水素化物が、そして中間のガス入口室のガス出口開口を通して例えばＴＭＧａ、ＴＭＩｎ又はＴＭＡｌである有機金属化合物が、ヒーターにより加熱されたプロセスチャンバ内に供給される。

特許文献１は、ＭＯＣＶＤ反応装置のためのガス入口システムを開示しており、処理ガスが、互いに上下に配置された３つのガス入口区画を通して異なる高さにてプロセスチャンバ内に供給される。プロセスチャンバは、プロセスチャンバの対称中心に設置されたガス入口部品の周囲に環状に延在している。基板上にＩＩＩ−Ｖ半導体層を堆積するために、どの場合にもＶ族成分が水素化物の形態にて最下部及び最上部のガス入口区画を通して供給される。これらの間に位置する中間のガス入口区画を通して、ＩＩＩ族成分が有機金属化合物の形態にてプロセスチャンバ内に導入される。互いに上下に配置された３つのガス入口区画は、プロセスチャンバに対して開口している。中間のガス入口区画のみが、多孔質材料から形成された環状体により閉鎖されている。この環状体は、圧力障壁として作用する。基板は、プロセスチャンバの中心に設置されたガス入口部品の周りに環状に置かれる。

特許文献２は、上下に重ねられた２つのガス入口区画を形成するガス入口部品を有するＣＶＤ反応装置を開示している。そのガス入口部品の冷却された下方端部は、下方から加熱されるサセプタの底部切り欠き内に位置している。

特許文献３は、ＩＩＩ−Ｖ半導体層を堆積するためのＭＯＣＶＤ反応装置を開示している。この反応装置は、プロセスチャンバの中心に設置されたガス入口部品を有する。ここでは、Ｖ族成分が、ガス入口部品の下側の前面開口を通してプロセスチャンバ内に供給される。ＩＩＩ族成分は、その上方に設置されかつ多孔質リングにより囲まれたガス入口室からプロセスチャンバ内に流れる。

類似の装置が、特許文献４に記載されている。ここでは、多孔質リングにより囲まれたガス入口部品が、中心に対向する背面を有しかつ回転双曲面の形状を有することにより、多孔質壁を通して出て行くガス流に対して、特定の流体分布プロフィールを付与する。

独国特許出願公開10 2004 009 130 A1公報 独国特許出願公開10 2005 056 320 A1公報 独国特許出願公開101 53 463 A1公報 独国特許出願公開100 64 941 A1公報

上述の特許文献１により、ＭＯＣＶＤの効率における最初の改善が達成された。当該文献では、Ｖ族成分をプロセスチャンバ内に、サセプタの直上のみでなくプロセスチャンバ天井部の直下においても供給することを提示している。サセプタは、常に抵抗加熱又はＩＲ加熱により下方から積極的に加熱されることによりサセプタの表面上で必要な処理温度を得るが、プロセスチャンバ天井部は、通常は積極的に加熱されずほとんどは積極的に冷却される。この結果、鉛直方向の温度勾配が、ガスが流れるプロセスチャンバ内で生じる。

通常使用されるプレカーサ、すなわちＰＨ_３、ＡｓＨ_３又はＮＨ_３、及び、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ又はＴＭＡｌは、気相において異なる温度で分解する。この場合、有機金属成分の分解温度は、水素化物の分解温度よりも遙かに低い。有機金属成分は約１７０℃で既に分解するが、ＮＨ_３の分解温度は１５００℃よりさらに高い。しかしながら、基板が載置されるサセプタの表面の処理温度は５００℃から１２００℃までの範囲にすぎない。従って、結晶成長は、ＩＩＩ族成分の反応可能な量により実質的に決定される。従来技術では、約２００mbarの全圧における成長速度は、１時間当たり２〜３μmの範囲である。

上述の装置により、高輝度発光ダイオードの製造用の鉛直方向層構造が堆積された。効率すなわち発光ダイオードのエネルギー収率のために重要な点は、発光ダイオードのｐ−ｎ層構造が堆積される表面の結晶品質である。上述の層構造の重要な物質はＧａＮである。経済的な理由から、ＧａＮとは異なる結晶格子定数をもつ基板材料が使用されており、すなわち通常はＡｌ_２Ｏ_３である。基板はバッファ層を堆積させられ、それによりバッファ層の上に格子整合性のある実際の活性層を堆積できる。このようなバッファ層の堆積においては、先ず第１に、サファイア基板上に直接的にＧａＮ核生成層を堆積することを必要とする。これは、相対的に低い成長温度（５００℃〜６００℃の間）で生じる。その後この比較的薄い核生成層の上に、活性層を堆積させる表面が最適な結晶特性をもつような態様で通常５μm厚のバッファ層が堆積される。バッファ層の表面の品質は、一つには、気相中のプレカーサのＶ／ＩＩＩ比に依存しかつ気相の全圧に依存する。双方の値ができるだけ高くなければならない。全圧を増すことにより、気相中の水素化物の分解速度も同様に増す。従って、大気圧の領域における気相の全圧及び水素化物すなわちＮＨ_３の濃度をできるだけ高くすることが目標となる。

同時に、効率の理由から成長速度を増すことが望ましい。上述した従来技術のＭＯＣＶＤ反応装置においてバッファ層を堆積させる処理時間は、通常、約２時間である。成長速度を速くするためにＴＭＧａの流量を増すことは可能である。しかしながら、それでは望ましい成果は得られない。実際、気相中のＴＭＧａ濃度が比較的低い場合にのみ、成長速度がＴＭＧａ濃度に対してリニアに増した。一定のＴＭＧａ濃度を超えると、飽和効果が起きる。この飽和効果により、プロセスの材料効率は著しく低下することとなる。プレカーサの更なる追加にも拘わらず、材料の堆積は僅かに増加するのみである。

気相中のＴＭＧａ濃度の増大は、材料効率を低下させるのみでなく、気相中の個々のプレカーサ間の均一な気相反応を増加させる。

さらに、水素化物の分解速度をさらに高めるために、プロセスチャンバ内の全圧を通常用いられる２００mbarを超えて増大させると、やはりプレカーサ間の均一な気相反応が増加することとなる。ここでいう均一な気相反応とは、有機金属成分と水素化物の間で付加物形成を行うような気相中の核生成を意味する。核生成の数は、一方では処理温度に依存し、他方では５００℃〜７００℃の臨界温度におけるプレカーサの滞留時間に依存する。さらに、核生成の数は、プロセスチャンバ内の、特に気相中の核生成条件に依存する。核生成は、気相中の速度及び温度の勾配に対して、比例的ではなく依存することが観察された。

上述の従来技術に開示されたガス入口システムの場合、大きな温度勾配と、ストールエッジ（stall edge）による大きな速度勾配とが生じ得る。不都合な点は、それらが、ガス温度が５００℃〜７００℃の間の臨界温度の範囲内にあることである。実際、ガス入口部品内におけるプレ反応を回避するために、プレカーサができるだけ冷却された状態でプロセスチャンバの入口領域に供給されなければならない。

本発明は、実験と理論的考察により得られた知見に基づいている。すなわち、従来の反応装置の幾何学条件及び特に従来のガス入口部品の形状においては、気相中のＴＭＧａ濃度をさらに増しても成長速度を加速することはできず、また、全圧を増しても結晶品質を改善することはできない、ということである。本発明の目的は、ＩＩＩ族成分の供給を増すことにより成長速度をさらに加速できかつ全圧を増すことにより結晶品質を改善できると同時に、従来技術で観られた好ましくない核生成を生じない手段を提示することである。

この目的は、特許請求の範囲で特定される本発明により達成される。各請求項はこの目的の独立した解決手段を表している。

多くの実験的及び理論的に行われた最適化試行により、ガス入口部品の改変により上記の目的を解決できることが判明した。第１に、ガス入口部品が環状壁によりプロセスチャンバに向かって閉鎖された構成が実質的に設けられる。従来技術とは異なり、鉛直方向に重なって設置された３つのガス入口室全てが、ガス透過性の環状壁によりプロセスチャンバに向かって閉鎖されてる。しかしながら、この環状壁は、多孔質材料からなるのではなく、互いに近接して配置された多数のガス出口開口を有する。このことは重要である。なぜなら、多孔質壁はプロセスチャンバ内へのガス導入を均一化させるが、多孔質体の微細開口はすぐに閉塞してしまうことが判明したからである。そのような閉塞の原因は、多孔質体中での大きな温度及び速度の勾配にもある。

さらに、互いに鉛直方向に重なって設置され環状壁を形成する環状体は、均一な外直径を有する。従って、上方からプロセスチャンバ内に突出するガス入口部品全体が、円筒の外形を有する。この円筒の外郭を超えて突出する部分は無い。よって、環状壁は、プロセスチャンバ内にはみ出す部分が無い。このことは、ガス入口部品を出る処理ガス流における速度勾配を最小とする作用がある。

本発明においては、ガス出口開口のエッジが、このように外壁の唯一のストールエッジを形成する。これらのエッジは、直線状又は丸い部分のみを有する。従って、エッジの輪郭線は、段差無く延在する。ガス出口開口は窓を形成する。それらは実質的に一定の開口面積を有し、内壁から外壁までの環状体の材料の厚さ全体に亘って一定のままである。これらの窓は、直線状に延びる外観を有する。開口面積の絶対寸法は、最適範囲を有する。ガス出口開口の面積が２mm^２〜６mm^２の範囲であることが最適である。さらに、ガス出口開口が、長い形状を有することが最適である。スロット幅は、０．２mm〜１．５mmの間とすることができる。天井部又は底部の隣にある環状壁のガス出口開口は、中間の環状壁のガス出口開口よりも大きなスロット幅を有することが好ましい。中間の環状壁のガス出口開口のスロット幅は、約０．３mmであり、外側の環状壁のガス出口開口のスロット幅は、好適には約１mmである。さらに、異なる環状壁における幅／長さ比は、異なっていてもよい。長さに対する幅の比は、実質的に、プロセスチャンバに導入される処理ガスの毎分のモル質量に依存する。ＡｓＨ_３又はＰＨ_３が使用される場合、幅／長さ比は約０．３である。ＮＨ_３が使用される場合は、幅／長さ比は約０．２である。純粋な搬送ガスである水素若しくは窒素、又は、搬送ガス中で分解する有機金属成分については、スロット長さに対するスロット幅の比は、０．０５〜０．２の間の範囲である。好適には、水素については約０．０５、窒素については約０．２である。

ガス出口開口は一般的には方形又は円形の断面を有する。しかしながら、その断面は最適化できることが判明した。開口領域の長さと幅の比は、２〜６の間、又は３〜５の間とするべきであり、それにより長い開口断面が生成される。開口領域が３を超える長さ／幅比を有することが好適である。理論的考察、モデル計算及び実験は、これらの条件下において、プロセスチャンバからガス入口室への逆流が最小となることを示した。処理ガスがその流れ方向において直線状に流出するガス出口開口は、好適には、環状体の表面全体に均一に分布している。処理ガスがガス出口開口を通って径方向に直線状に流れることによって、処理ガスが方向変化を受けないことが、好適である。ガス出口開口は、段差の無い外観を有する。

さらに、開口面積の合計には、技術的意義がある。この合計は、環状壁の外面積全体の１５％〜５０％の間とするべきである。しかしながら、開孔率すなわち開口面積の合計と全面積の比は、使用される処理ガスにも依存する。最上部のガス出口開口及び最下部のガス出口開口を通って、水素化物がプロセスチャンバ内に導入される。ＡｓＨ_３又はＰＨ_３がこれらを通して導入される場合、約２５％の開孔率の環状壁が使用される。これらの環状壁は、プロセスチャンバの高さの約１５％に亘って天井部及び底部にそれぞれ延在する。ＮＨ_３を使用する場合、最上部及び最下部の環状壁の開孔率は約４０％が好適である。２つの環状壁は、プロセスチャンバの高さの約２０％に亘ってそれぞれ延在する。中間の環状壁は、プロセスチャンバの高さの残りの部分に延在し、この中間の環状壁を通して有機金属化合物及び搬送ガスがプロセスチャンバ内に導入される。搬送ガスが水素を含む場合、開孔率は１５％が好適である。その場合、中間の環状壁は、反応装置の高さの約７０％に亘って延在する。搬送ガスとして窒素が使用される場合、開孔率は約４０％である。その場合、中間の環状壁は、反応装置の高さの約６０％に亘って延在する。

さらに、長いガス出口開口が鉛直方向において互いに重なることが、有用である。この態様において、ベルヌイロックを形成する。従って、鉛直方向における乱流及び関連する速度勾配が効果的に回避される。さらに、長いガス出口開口が鉛直方向に対して２０°から６０°、好適には３０°から４５°傾斜して延在することが、有用である。好適には、複数のスロットが、矢はず模様のパターンの形態で鉛直方向に連なって延在する。これにより、いわゆる連続的な鉛直方向ベルヌイポンプが回避される。２つの隣り合うガス出口開口の間の間隔は、ガス出口開口の長さよりも短くなるように選択される。好適には、その間隔は、０．５mm〜２mmである。最適なスロット幅は約１mmである。複数のガス入口室すなわち環状壁の高さ分布は、最上部と最下部のガス入口室が同じ高さとなるように対称的とすることが、好適である。環状体の材料は、水晶又はグラファイトでよい。

従来技術のように、個々のガス室は、円板形状の水平ウェブにより互いに分離されている。このような円板形状の水平ウェブの外郭は、円弧ライン上に延びている。環状体は、水平ウェブの周縁上で支持されることが好適である。

好適な構成においては、ガス入口部品は、プロセスチャンバ天井部を形成する天井板に接続固定されている。天井板が開けられると、ガス入口部品がプロセスチャンバから取り除かれる。ガス入口部品のサセプタに向いた端部（前面）は、サセプタの中心に配置された凹部内に配置されることが好適である。最下部のガス入口室に関係する前面は冷却されることが、好適である。このために、前面を形成するプレート状水平ウェブが冷却室を有し、その中を冷媒が流れる。ガス入口部品の前面が配置される凹部の深さは、最下部の水平ウェブの上壁がサセプタの上面と揃うように設定される。最上部のガス入口室もまた、水平方向に延びる最上部のプレート形状体を上壁とする。このプレート形状体の下向き壁面が、プロセスチャンバ天井部の下向き壁面と揃っている。

従来のガス入口部品では、２００mbarの全圧において最大５０slmのガス全流量が得られるが、改良されたガス入口部品では４００mbar以上のプロセスチャンバ圧力において１００slmのガス全流量が可能となる。３５mm〜５０mmの、好適には４０mmの小さい直径の環状壁により、同じ全圧においてさらに大きな全流量が可能である。さらに、ガス入口室の高さが、中心からの径方向距離に対し比例的ではなく増大するように構成されている場合、稼働中８００mbarの全圧において２５０slmのガス全流量が可能である。この場合、プロセスチャンバは、６００mmを超える直径を有することができる。従って、本発明による装置のプロセスチャンバは、直径５００mm〜７００mmの間が好適である。この場合、プロセスチャンバの高さは、２５mm〜３０mmの範囲である。

本発明の第１実施例のＭＯＣＶＤ反応装置の対角線断面図を示し、明確とするために発明の概念の直接的な説明に不要な詳細は省き又は概略的に粗く示している。 図１の装置のガス入口部品の拡大図である。 図２のガス入口部品のガス入口室の領域の拡大詳細図である。 図３のＩＶ領域の拡大図である。 図１に対応する第２実施例のガス入口部品を示す図である。

本発明の実施例を、添付の図面を参照して以下に説明する。
真空気密でかつ真空ポンプに接続された図示しない外ハウジング内に、プロセスチャンバ１が配置されている。明確とする理由から、図１に示されたプロセスチャンバは、ガス入口部品４の構造の詳細をより明確に示せるように直径を縮小して示している。

プロセスチャンバ１の底部２’は、水晶又はグラファイトから作製されたサセプタ２から形成されている。底部２’は、直径５００mm〜７００mmのプレート形状体を有する。円板形状プレートの中心には凹部２８があり、第１実施例の場合は内径が約６０mm〜１００mmである。この中心の凹部の周囲に、複数の基板ホルダ５が中心１１の周りに環状に配置されている。各基板ホルダは切り欠き内に載置され、円板形状の態様で構成され、ガス流により回転駆動される。この構成は、特許文献１の図３に記載されている。

サセプタ２の上方に、水晶又はグラファイトからなるプロセスチャンバ天井部３が延在し、サセプタ２の方を向いた下側の面を具備し、プロセスチャンバの天井壁３’を形成する。プロセスチャンバ３の外直径は、実質的にサセプタ２の外直径に相当する。互いに平行に位置するプレート２、３の間隔は、プロセスチャンバの高さを規定しており、約３０mmである。

プロセスチャンバ天井部３の中心には開口があり、これを通してガス入口部品４がプロセスチャンバ１内に突出する。プロセスチャンバ天井部３は、ガス入口部品４により担持される。ガス入口部品４の円筒部分は、プロセスチャンバ１内に突出し、凹部２８の直径に相当する直径を有する。ガス入口部品４の前面２１は、凹部２８内に載置される、すなわち凹部２８の底面に当接する。プロセスチャンバ１において、円筒状のガス入口部品４の外壁と径方向において直接結合する領域は、ガス入口区画を形成しており、ここでは、ガス入口部品４のガス透過性の円筒容器壁からプロセスチャンバ１内にガスが導入される。ここでは、処理ガスがプロセスチャンバ１を径方向に通過して流れ、ＩＩＩ族とＶ族の化合物、又は、ＩＩ族とＶＩ族の化合物が搬送ガスにより運ばれ、熱分解する。分解生成物は、基板ホルダ５上に載置された基板上に堆積する。残留ガスは、参照符号７で示されるガス出口領域を通り径方向にプロセスチャンバ１から出て行く。

プロセスチャンバ１内に突出するガス入口部品４の円筒部分は、互いに鉛直方向に重ねられて設置された３つのガス入口室８、９、１０を有する。互いに鉛直方向に重ねられて設置された３つのガス入口室８、９、１０は、水平面内に延在するプレート形状の水平ウェブ１２、１３により互いに分離されている。ガス入口部品４の前面２１は、冷却媒体が流れることができる冷却室１８を具備し、最下部の水平ウェブを形成する。最上部のガス入口室８の上壁２９は同様に水平ウェブにより形成されている。この水平ウェブは、プロセスチャンバ天井部３に向かって径方向に延在する。

最上部のガス入口室８は、供給ライン１４により搬送ガス源及び水素化物源へ接続されている。搬送ガスとしては、水素、窒素又は希ガスがある。水素化物としては、ＡｓＨ_３、ＰＨ_３又は好適なＮＨ_３がある。これらのガス混合物が供給ライン１４を通ってガス入口室８へ流れる。プロセスチャンバ１に向かって、ガス入口室８は環状壁により囲まれている。この環状壁を形成する環状体２２は、水晶又はグラファイトから形成でき、水平ウェブ１２の外エッジ上で支持されている。環状体２２は、長いスロットの形状で斜めに延在する近接した複数の出口開口２５を有する。複数の出口開口２５は互いに平行に位置し、ウェブにより仕切られた環状開口を形成する。

最上部のガス入口室８の下には、約２倍の高さのガス入口室９が配置され、供給ライン１５に接続されている。供給ライン１５は搬送ガス源及び有機金属開始物質源に接続されている。有機金属開始物質としては、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ又はＴＭＡｌがある。有機金属開始物質は、搬送ガスとともに供給ライン１５を通りガス入口室９へ運ばれる。このガス入口室９もまた、環状体２３により囲まれ、その壁は、出口開口として複数の斜めの長いスロットを有する。ここで、ウェブで仕切られたガス出口開口２５の複数の列は、互いに鉛直方向に配置され、各ガス出口開口は、鉛直方向に互いに重なるのみでなく、水平方向においても互いに重なっている。これらのガス出口開口２５の大きさは、上方の環状体２２のガス出口開口２５の大きさに相当する。しかしながら、中間の環状体２３のガス出口開口の傾斜角度は、上方の環状体２２及び下方の環状体２４のガス出口開口２５に対して反対方向に傾斜している。

さらに別の水平ウェブ１３により、中間のガス入口室９が下方のガス入口室１０から分離されている。下方のガス入口室１０は、供給ライン１６に接続されている。供給ライン１６は、搬送ガス源及び水素化物源に接続されている。搬送ガス及びそれにより搬送される水素化物は、供給ライン１６を通してガス入口室１０に運ばれ、ガス出口開口２５を通して最下部の環状体２４からプロセスチャンバ内に入る。ガス出口開口２５は最上部の環状体２２のガス出口開口２５と同様に構成されている。水平ウェブ２６におけるガス入口室１０を向いた壁は、実質的に、サセプタ２の面２’と揃っている。

図４は、実施例における上方の環状体２２を用いることにより、同様の態様にて中間の環状体２３及び下方の環状体２４にも設けられているガス出口開口２５の構成及び配置を示す。ガス出口開口２５は、エッジ部分を具備する長孔を有し、直線状で互いに平行であり長手方向Ｌに沿って延在している。ガス出口開口の長さＬは、２mm〜２０mm範囲にある。ガス出口開口２５の幅Ｗは、０．２mm〜１．５mmの範囲にある。Ｌ／Ｗの比が３を超えるか、又は、３〜５の範囲内であることが好適であることが判明した。隣り合うガス出口開口２５の頂点同士の間隔Ｄは、２つの隣り合うガス出口開口の２つの長辺を分離するウェブが、幅Ｗと同じ桁か、又は、幅Ｗの寸法にほぼ対応する幅を有するように選択される。ガス出口開口２５の短辺は、丸い輪郭ライン上に延び、特に円弧上に延びている。ガス出口開口２５は、径方向には直線状に延びている。上述の領域の輪郭は、互いに対向する２つの半円と、これら２つの半円を接続する２つの直線からなり、それらの接続する直線は互いに対向する位置にある。半円の直径は、ここでは、ガス出口開口２５の幅Ｗに対応する。各ガス出口開口２５は、一定の断面積と一定の周縁輪郭をもって、各環状体２２、２３、２４の材料の厚さ全体に延びている。ガス出口開口２５は、例えば、レーザ切削により形成できる。結果的に、ガス出口開口の壁２５’は、直線状に延びている。

全体として、多数のガス出口開口２５が、ガス入口部品４の円筒部分の周面全体に亘って均一に分布している。互いに鉛直方向に重ねられた全ての環状体２２、２３、２４は、同じ内径及び外径を有する。ガス出口開口２５により形成された開口領域全体は、円筒部分の外殻領域すなわち環状体２２、２３、２４の外殻領域の２０％〜５０％に相当する。

ガス入口室８、９、１０内において開始物質すなわちＡｓＨ_３、ＰＨ_３、ＮＨ_３、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ及びＴＭＡｌの望ましくない前分解が生じないことを確保するために、ガス入口部品４におけるプロセスチャンバ１に突出した部分は、前面２１の領域が冷却チャネル１９、２０を通って冷却室１８内に流れる液体の冷却媒体により冷却されるのみでなく、最上部のガス入口室８の上方に設置された冷却室１７によっても冷却される。冷却媒体はこの冷却室も通って流れる。

プロセスチャンバ１の加熱は、参照符号２７で示されかつ概略的にのみ示されるヒーターにより下方から行われる。ヒーターは、ＩＲヒーター又は抵抗ヒーターにより形成された多数の螺旋状の巻線を有する。サセプタ２は、輻射又は渦電流を介して加熱される。プロセスチャンバ１内の処理ガスも加熱される。熱伝導又は熱輻射により、プロセスチャンバ天井部３もまた同様に加熱される。

供給ライン１４、１５及び１６は、プロセスチャンバ１の延在する方向に対して垂直に配置され、従って、鉛直方向にかつ互いに同心状に配置されている。これらは、図示しないラインを介して上述したガス供給システムのガス源へ接続されている。ガス供給システムでは、流量が調整される。

Ａｌ_２Ｏ_３基板上にＧａＮバッファ層を堆積するために、基板６の表面６が約１２００℃に達するようにサセプタ２が加熱される。４００mbarの全圧において、全体で１００slm以上の処理ガスが、ガス入口部品４からプロセスチャンバ１へ流れる。この操作は、流量２．５mmol／分〜３．５mmol／分のＴＭＧａにより行われる。これらのプロセス条件下において、ＧａＮが、基板上又は予め基板上に堆積している核生成層の上に堆積する。この場合、ＮＨ_３をＶ族成分として用いることにより、１時間当たり６μm以上の成長速度が得られる。

環状体２２、２３、２４のガス出口領域は、上述した通り、最小の温度及び速度の勾配がここで生じるような態様で最適化されている。ガス流の均一性に影響を及ぼす乱流や他の効果が生じるストールエッジは、最小とされている。ガス出口開口２５の、実質的に長円形にて延在するエッジが、唯一のストールエッジを形成する。環状体２２、２３、２４にすぐ近傍のみでなくプロセスチャンバ天井部３の下方においても、温度条件は基本的に核生成が可能であるけれども、幾何学的条件及び出口開口２５の配置により核生成が効果的に抑止される。

図５は、ガス入口部品４のさらに別の改良を示しており、これにより、成長速度がＴＭＧａの流れにリニアに依存する領域がさらに拡大され、従って反応装置の効率が向上する。

図５に示したガス入口部品４の円筒部分は、直径が縮小されており、約４０mmである。この場合、図１〜図３に示したガス入口部品４とは異なり、ガス入口室８、９、１０の水平ウェブは曲がっている。ガス入口室８、９、１０の高さは、中心から環状体２２、２３、２４に向かって径方向に単調に増大している。この高さの増大は比例的ではなく、これにより、ガス入口室８、９、１０内の径方向のガス速度が実質的に一定となる。

ガス出口開口２５を形成するスロットのデザイン、ガス入口室８、９、１０の壁上のスロットの配置、及びそれらの間隔は、ガス入口室を通してプロセスチャンバ内に導入される処理ガスに依存する。これらのスロットは、鉛直方向に対して３０°〜４５°の角度で傾斜していることが好ましい。この態様においては、開孔率、すなわち全面積に対する全ての開口の合計の割合は１５％〜５０％とすることができる。開孔率は、処理ガスの毎分当たりのモル質量に応じたガス入口室の高さに関係して設定される。水素化物としてＡｓＨ_３又はＰＨ_３を用いる場合、ガス入口室８、１０の上部壁及び下部壁の開孔率は、約２５％である。この場合、ガス入口室８、１０の高さは、プロセスチャンバの高さの約１５％である。ＮＨ_３を用いる場合、ガス入口室８、１０の壁の開孔率は、約４０％である。各ガス入口室は、プロセスチャンバの鉛直高さの２０％以上に延在する。
有機金属化合物用の中間のガス入口室９は、搬送ガスとして水素を用いる場合、開孔率が１５％であり、全出口高さの７０％以上に延在する。搬送ガスとして酸素を用いる場合、中間のガス入口室９の壁の開孔率は約４０％である。中間のガス入口室９の環状領域全体は、全出口高さの６０％以上に延在する。

互いに鉛直方向に重なって設置されたガス入口室８、９、１０により、スロットは互いに鉛直方向に連なった矢はず模様のパターンで配置されるべきである。従って、それらは交互に異なる方向に傾斜している。

スロットの幅／長さ比もまた、毎分当たりのモル質量に依存する。ＡｓＨ_３又はＰＨ_３を用いる場合の幅／長さ比は約０．３であり、ＮＨ_３を用いる場合の幅／長さ比は約０．２であり、水素を用いる場合の幅／長さ比は約０．０５であり、窒素を用いる場合の幅／長さ比は約０．２である。各スロット間の間隔は、通常約１mmである。これらの入口室の高さ分布は、対称的とする。

実施例においては、ガス入口室８、９、１０は空洞である。これらの空洞内では、特にガス入口室の壁の曲がりにより、主に放物線の形態の流れが生じ得る。図示しない実施例では、ガス入口室８、９、１０内の環状体２２、２３、２４の上流側にフローバリアを配置してもよい。このようなフローバリアは、多孔体、網状物等から形成できる。これらの更なるバリアは、流れの形を均等化し、ジェット流の形成を防止する。

開示された全ての特徴は（それ自体）本発明に関連する。関連する／添付の優先権書類の開示内容（先行出願の複写）もまた、本願の請求の範囲におけるこれらの書類の特徴を統合する目的も含めて、全てが本願の開示に含まれる。

１ プロセスチャンバ
２ サセプタ
２’底部
３ プロセスチャンバ天井部
４ ガス入口部品
５ 基板ホルダ
６ 基板
７ ガス出口領域
８、９、１０ ガス入口室
１１ 中心
１２、１３ 水平ウェブ
１４、１５、１６ 供給ライン
１７、１８ 冷却室
１９、２０ 冷却チャネル
２１ 前面
２２、２３、２４ 環状体
２５ 出口開口
２７ ヒーター
２８ 凹部
２９ 上方壁

Claims (19)

1. 半導体層である多層を堆積するために、中心（１１）に対して回転対称に配置されたプロセスチャンバ（１）を有し、前記プロセスチャンバが、
   水平面内に設置されたサセプタ（２）により形成された底部と、
   前記サセプタ（２）の鉛直方向上方に設置されたプロセスチャンバ天井部（３）と、
   前記サセプタ（２）と前記プロセスチャンバ天井部（３）の間において前記中心（１１）上に延在しかつ互いに鉛直方向に重なって設置されたガス入口室（８、９、１０）を有するガス入口部品（４）と、
   前記サセプタ（２）を加熱するために前記サセプタ（２）の鉛直方向下方に設置されたヒーター（２７）と、を備え、
   コーティングされる基板（５）を載置するために、前記サセプタ（２）上に前記ガス入口部品（４）から離れて配置された複数の基板ホルダ（５）が設けられ、
   最上部のガス入口室（８）は前記プロセスチャンバ天井部（３）のすぐ隣に位置しかつ搬送ガスとともに水素化物を前記プロセスチャンバ（１）内に導入するために供給ライン（１４）に接続され、
   最下部のガス入口室（１０）は前記サセプタのすぐ隣に位置しかつ搬送ガスとともに水素化物を前記プロセスチャンバ（１）内に導入するために供給ライン（１６）に接続され、
   前記最上部のガス入口室（８）及び前記最下部のガス入口室（１０）の間に設置された少なくとも１つの中間のガス入口室（９）は有機金属化合物をプロセスチャンバ（１）内に導入するために供給ライン（１５）に接続されている、装置において、
   前記ガス入口室（８、９、１０）は、環状体（２２、２３、２４）により前記プロセスチャンバ（１）に向かって閉鎖されており、
   前記環状壁（２２、２３、２４）は、多数の近接したガス出口開口（２５）を具備し、外直径が均一であり、かつ、外壁に突起が無くかつ外壁がプロセスチャンバ（１）に向いていることを特徴とする、半導体層である多層を堆積する装置。
2. 前記ガス入口部品（４）から出る処理ガスの流れにおける速度勾配を最小とするために、前記ガス出口開口（２５）のエッジが、外壁における唯一のストールエッジであって、直線状又は丸い部分のみを有する輪郭線に沿って段差無して延在することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記ガス出口開口（２５）が、一定の開口面積をもってガス入口室（８、９、１０）に対向する内壁から環状壁（２２、２３、２４）の外壁まで実質的に直線状に延在することを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 実質的に同じ形状の前記ガス出口開口の開口面積が、２mm^２〜５mm^２の範囲であることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記ガス出口開口の開口面積の長さ（Ｌ）と幅（Ｗ）の比が、２〜６の範囲であり、好適には３〜５の範囲であり、かつ特に好適には約４又はそれ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
6. 前記ガス出口開口（２５）の開口面積の合計が、前記環状壁（２２、２３、２４）の全ての外壁の面積の１５％〜５０％であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
7. 長い前記ガス出口開口（２５）が、鉛直方向に対して３０°〜６０°傾斜して延在することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
8. 前記環状壁（２３）の前記ガス出口開口（２５）が、互いに鉛直方向に連なった複数の列で配置され、異なる列の前記ガス出口開口（２５）は、鉛直方向において互いに重なっていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の装置。
9. ２つの隣り合う前記ガス出口開口（２５）の間の間隔（Ｄ）が、前記２つの隣り合うガス出口開口（２５）が鉛直方向に互いに重なりかつその間隔が約１mmであるように選択されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の装置。
10. 前記環状壁が、水晶又はグラファイトからなる環状体（２２、２３、２４）により形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の装置。
11. 前記環状壁（２２、２３、２４）が、円板形状の水平ウェブ（１２、１３、２６）の周縁上に載置されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の装置。
12. 冷却室（１８）を具備する前記ガス入口部品（４）の前面（２１）が、前記サセプタ（２）の中心の凹部内に載置されており、前記前面（２１）の側において前記最下部のガス入口室（１０）を区切る前記水平ウェブ（２６）が、前記プロセスチャンバ（１）に向いた前記サセプタ（２）の表面（２’）とほぼ揃っていることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 前記最上部のガス入口室（８）の上壁（２９）が、前記プロセスチャンバ（１）に向いた前記プロセスチャンバ天井部（３）の下面（３’）とほぼ揃っていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の装置。
14. 前記プロセスチャンバの直径が５００mm〜７００mmの範囲であり、前記環状壁（２２、２３、２４）の均一な外直径が約３５mm〜５０mmであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の装置。
15. 前記プロセスチャンバの直径が５００mm〜７００mmの範囲であり、前記プロセスチャンバの高さが約２５mm〜３０mmであることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の装置。
16. 前記ガス入口室（８、９、１０）の高さがガスの流れの方向において増大することを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の装置。
17. 前記ガス入口室（８、９、１０）に向いた前記水平ウェブ（１２、１３、２６）の表面が滑らかな曲面であることを特徴とする請求項１１〜１６のいずれかに記載の装置。
18. 請求項１〜１７のいずれかに記載の半導体層である多層を堆積する装置の使用方法であって、前記最上部のガス入口室（８）のガス出口開口（２５）及び前記最下部のガス入口室（１０）のガス出口開口（２５）を通して搬送ガスとともにＮＨ_３、ＰＨ_３又はＡｓＨ_３である水素化物が、そして、前記中間のガス入口室（９）のガス出口開口（２５）を通してＴＭＧａ、ＴＭＩｎ又はＴＭＡｌである有機金属化合物が、前記ヒーター（２７）により加熱された前記プロセスチャンバ（１）に導入される、前記使用方法において、
    前記ガス出口開口（２５）を通して導入されるガスの全ガス流量が、１００slmを超え、好適には２５０slmを超え、かつ、前記プロセスチャンバ（１）内の全圧が４００mbarを超え、好適には８００mbarを超えることを特徴とする、半導体層である多層を堆積する装置の使用方法。
19. 請求項１〜１７のいずれかに記載の半導体層である多層を堆積する装置の使用方法であって、前記水素化物がＮＨ_３であり、前記有機金属化合物がＴＭＧａであり、かつ、前記サセプタ（２）の表面温度が５００℃〜１２００℃の範囲となるように前記ヒーター（２７）が操作されることを特徴とする、半導体層である多層を堆積する装置の使用方法。

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