JP2012519239A - ガスインジェクタを備えたｃｖｄシステム用のガスインジェクタ - Google Patents

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Abstract

本発明は、ガスをＣＶＤ（化学気相成長）チャンバに注入する前に熱化する、ＣＶＤシステムと共に使用するための改善されたガスインジェクタを提供する。提供されるインジェクタは、加熱されたゾーンを通るガスの流動時間を増加させるように構成され、加熱されたゾーンにおけるガスの滞留時間を長くするガス伝導管路を含む。提供されるインジェクタは、選択された流れパターンでガスを注入するように大きさを決められ、成形され、配置された出口ポートも有する。本発明は、提供される熱化ガスインジェクタを用いたＣＶＤシステムも提供する。本発明は、ＧａＮ基板の大量生産に対する特定の用途を有する。

Description

本発明は、半導体処理設備に関するものであり、特に熱化されたガスをＣＶＤチャンバに注入するガスインジェクタ、および熱化されたガスを予め定められた流れパターンで注入するインジェクタを提供し、提供されるガスインジェクタを使用するＣＶＤシステムをも提供するものであり、ＧａＮ基板の大量生産へ向けた特定の用途を有する。
前駆体ガスをＣＶＤチャンバに注入する前に不適切に熱化（加熱）し、チャンバ内での混合が早すぎると、いくつかの問題をもたらす恐れがあり、その問題は、実施される特定のＣＶＤプロセスそれぞれに特有となることがある。一例として、前駆体ガスとしてＧａＣｌ3およびＮＨ3を用いる、ＧａＮのハイドライド気相エピタキシャル（ＨＶＰＥ）成長についてみると、その場合、不適切な熱化および早すぎる混合によって引き起こされる問題として以下の点を含まれる。
第１に、不適切に熱化された前駆体を注入すると、成長基板以外の表面上に望まれない堆積をもたらす可能性がある。時間が経つにつれて、この望まれない材料は、反応器内でウェハの品質を低下させるのに十分な高い粒子レベルになり、効率的な放射加熱を妨げるのに十分なチャンバ壁の被覆ももたらす恐れがある。そうした望ましくない堆積は、ＧａＣｌ3が例えば５００℃未満など比較的低い温度の気相から凝縮するために生じ、したがって、反応器の気化温度より高く維持されていない範囲は被覆される可能性がある。したがって、ＧａＣｌ3は、反応チャンバに注入する前に少なくとも約５００℃の温度まで熱化することが望ましい。実際には、ＧａＣｌ3前駆体を、反応チャンバに注入する前に少なくとも７３０℃の温度まで熱化することが望ましい。
さらにＨＶＰＥプロセスに関しては、不適切に熱化された前駆体の注入が、実際のＧａＮの堆積を制限する望まれない副反応をもたらす恐れがある。約９３０℃未満のガスの温度は、望ましくない付加物、例えばＧａＣｌ3：ＮＨ3の形成をまねくことがあるため、ＧａＣｌ3とＮＨ3の両方を、反応チャンバに注入する前に少なくとも約９３０℃の温度まで熱化することも望ましい。さらに、そうした望ましくない付加物の形成をさらに制限するために、ＩＩＩ族およびＶ族の前駆体の流れを、それらが成長サセプタの直接近傍に位置するようになるまで分離した状態に保つことが好ましい。前駆体ガスの混合が早すぎると、反応器内で望まれない反応副生成物および粒子の生成をまねく恐れがある。
最後に、ＨＶＰＥプロセスに関しては、反応チャンバに注入する前に、Ｖ族前駆体（一般的にはＮＨ3）を熱化することが望ましい。不適切に熱化されたＶ族前駆体は、熱化されたＩＩＩ族前駆体と混合すると、前述の望ましくない効果をもたらすのに十分な程度までＩＩＩ族を冷却することがある。しかしながら、Ｖ族のアンモニア前駆体の熱化は、しばしば行われるように、例えば金属のガスライン、金属の反応器の構成要素の中など、金属を含有する環境の中で実施すべきではない。高温において金属は、反応性のＮＨ3がＧａＮを生成するようにＧａＣｌとは反応しないＮ2（およびＨ2）に分解するの反応を触媒する可能性がある。
不適切な熱化および早すぎる混合に起因する前述の問題は、基板にＧａＮの生成物を形成する前駆体ガスの非効率的な反応を引き起こす。前駆体反応物は、粒子／複合物の形成、望まれない表面上での堆積などによって失われる。前駆体ガスの熱化および送達を改善すると、コストの低減および材料の成長速度の改善における関連する利益と共に、より効率的な前駆体ガスの利用につながることが期待できる。
ＨＶＰＥのＩＩＩ窒化物の堆積については、前駆体の熱化および分離の問題への取り組みが行われている（特許文献１および特許文献２）。しかしながら、この従来技術は、ＨＣｌガスを液体ガリウムと反応させることによってＧａＣｌがｉｎ ｓｉｔｕで形成される従来型の設備に関係するものであり、ガス状のＧａＣｌ3を直接注入する設備に適用することはできない。外部のＧａＣｌ3およびＮＨ3の供給源を利用した前駆体の熱化および空間的な分離に関する出願もあるが（特許文献３）、この従来技術の出願は、ＩＩＩ族の前駆体とＶ族の前駆体の両方の注入に対して単一の注入用固定具を利用する。
米国特許第６，１７９，９１３号明細書 米国特許第６，７３３，５９１号明細書 米国特許仮出願第６０／０１５，５２４号明細書 米国特許仮出願第６１／０３１，８３７号明細書
従来技術における制限を克服するために、本発明は、前駆体の熱化および混合を改善するための熱化ガスインジェクタ、これまでに有利であることに言及した特徴を含むいくつかの要素を提供するものである。
本発明の熱化ガスインジェクタは、伝導されるガスの滞留時間を増加させるように大きさを決められ、構成された管路構造体を通してガスを伝導すると同時に、管路構造体を受動的または能動的に加熱する加熱手段を提供することによって、より良好な前駆体の熱化を可能にする。一般的には、滞留時間はガスの流長とガスの流速の比であるため、本発明の異なる実施形態は、その比、すなわち滞留時間を増加させる限り、ガス流路の長さおよびガスの流速を増大させるもしくは減少させる、または変更しないように構成され、大きさを決められた管路構造体を提供することができる。好ましい実施形態では、これらのパラメータの１つだけが大きく変更され、他のものは実質的に変更されない。特に特定の好ましい実施形態は、流速を保つのに十分な断面積と共により長い経路長を有するように、または実質的に変わらない経路長と共に増大した断面積（およびそれに応じて減少したガスの速度）を有するように構成され、大きさを決められた管路構造体を有する。
例えば「増加した」、「減少した」および「変わらない」などの相対的な用語は、本発明の管路に適用されるとき、同じ選択された量のガスを同じガス供給源とガスシンクの間で運ぶのに一般的に用いられる管路に対する比較として理解されたい。典型的な管路は通常、供給源とシンクの間の障害物、設計の基準、安全性などを考慮して合理的に許容される程度に短い。しかしながら、本発明の実施形態は、そうした合理的な最小限の長さより長い管路を有する。また典型的な管路は通常、必要とされる質量流量、ガスの特性などを考慮して合理的に許容される程度に小さい断面積を有する。同様に本発明の実施形態は、そうした合理的な最小限の断面積より大きい断面積を有する管路を含む。
本発明は、それぞれが特定のガスの注入の要求を満足する（かつ特定のＣＶＤチャンバに適した）、特定の好ましい熱化インジェクタを含む。例えばガスを比較的高い流量で注入する場合、適切な実施形態は、より広いかつ／またはより短いガス伝導管路を有することができるが、反対にガスを比較的低い流量で注入する場合、適切な実施形態は、より狭いかつ／またはより長いガス伝導管路を有することができる。また、選択された断面プロファイルを有するガスの流れを注入する場合、適切な実施形態は、選択された断面プロファイルと同様に構成された出口用ポートを有することができる。より小さい断面プロファイルを有するガスの流れは、ノズル状の出口用ポートを通して注入することができ、一方、例えばＣＶＤチャンバのかなりの部分にわたって広がるプロファイルなど、より大きい断面プロファイルを有するガスの流れは、水平方向に広いが垂直方向に狭い出口用ポートを通して注入することができる。また、高い熱化から利益を受けることができるガスを注入するために、適切な実施形態は、例えばより長い管路、もしくはより大きい断面積を有する管路、または両方など、さらに滞留時間の長いガス管路を有することができる。さらに、管路構造体およびガスの流路は、最終的な効果が滞留時間を増加させる限り、断面の大きさと長さの異なる組み合わせを備える、または滑らかに変化する断面の大きさを備えるなど、様々な部分を有することができる。しかしながら、そうした特定の実施形態は、広範な他の注入の要求および異なる注入の要件を有するガスに対し広範囲に有用となり得ることを理解すべきである。
管路構造体および構成要素、例えばガス伝導部分は、高温の腐食環境に耐えることができるが、より低いコストで必要な形状に形成することもできる材料から製造することが好ましい。好ましい材料は石英を含む。
管路構造体用の加熱手段は、能動的または受動的とすることができる。能動的な加熱手段は、特に熱を管路構造体に直接移動させるように選択され、通常は隣接して位置決めされた熱を発生させる要素（以下、熱発生要素）、例えば抵抗要素、放射要素、マイクロ波要素などを含む。受動的な加熱は、熱をそこから吸収することができる加熱された環境、例えばＣＶＤチャンバの中に、少なくとも部分的に配置された管路にあてはまる。加熱された環境は、能動的な加熱手段によって加熱されることがしばしばであり、管路構造体は、そうした環境の中に、そうした能動的な加熱手段に対して熱伝達が状況において最適化されるように位置決めされることが好ましい。例えば放射要素によって加熱されるＣＶＤチャンバの場合、管路構造体は、放射要素の近くに、または放射要素まで遮るものがない経路を用いて、ただしサセプタ、ロボットアームなどが妨げられないように位置決めすることができる。受動的な加熱も、熱を環境から吸収し、管路構造体に移動させるような構造を含むことによって最適化することができる。加えて、受動的な熱伝達手段は、管路構造体への放射エネルギーを吸収および再放射するように位置決めされた黒体構造体を含むことができる。
黒体構造体は、（少なくとも赤外線放射に対して）１に近い放射率の値を有し、高温の腐食環境に耐えることもできる材料から製造されることが好ましい。適切な材料には、ＡｌＮ、ＳｉＣおよびＢ4Ｃ（それぞれ、０．９８、０．９２、０．９２の放射率の値を有する）が含まれる。
本発明の好ましい実施形態は、ガスをＣＶＤ（化学気相成長）チャンバに注入するためのインジェクタを提供する。インジェクタは１つまたは複数のガス伝導管路を含み、ガス伝導管路は、ガスを流路に沿って、管路を通してガス入口ポートから１つまたは複数のガス出口ポートまで運び、管路は、ガスが管路を通って流れるのに必要な時間を、そのように構成されていないかつ大きさを決められていない、選択されたセグメントに必要な時間に比べて増加させるように構成された、かつ／または大きさを決められた１つまたは複数のセグメントを有する。好ましくは、ガス伝導管路の少なくとも一部は石英からなる。本発明の好ましい実施形態は、加熱されたＣＶＤチャンバ、または１つもしくは複数の熱発生要素、または同様のものを含む管路を加熱するための加熱手段も提供する。本発明のインジェクタの好ましい使用は、ＣＶＤプロセスを実施するために前駆体ガスおよび／またはパージガスを注入することを含み、例えば前駆体ガスは、ＣＶＤチャンバ内でのＩＩＩ窒化物半導体の成長のためのＩＩＩ金属前駆体または窒素前駆体を含むことができる。
好ましい実施形態では、提供されるインジェクタは、ガスの流速を低減することなくガスの流動時間を増加させるように、より長いガスの流路を有するように構成された少なくとも１つのセグメントを含む、ガス伝導管路を有する。より長いセグメントは、入口と出口の間のガスの流路を長くする螺旋状の形状を有するように構成することができる。管路は、螺旋形のセグメントの一部またはすべてを囲む外側ハウジングを含むこともでき、外側ハウジングは、外側ハウジングに隣接して配置された外部のクランプシェルヒータ、または外部からガス伝導管路への熱伝達を高める、螺旋形のセグメントの外部の内部黒体要素を備えることができ、外側ハウジングは、ガス入口ポートおよびガス出口ポートも有することもでき、またガスが内側ハウジングを通って、入口ポートから出口ポートまで流れることができるように構成し、大きさを決めること可能である。
好ましい実施形態では、提供されるインジェクタは、ガスの流速の低下と共にガスの流動時間を増加させるように、より大きい断面の大きさを備えたガスの流路を有するように構成された少なくとも１つのセグメントを含む、ガス伝導管路を有する。より大きいセグメントは、より大きい、ただし実質的に一定の断面積のものとすることができ、より大きいセグメントは、ＣＶＤチャンバの中に配置されるように構成し、大きさを決めることができ、その場合、より大きいセグメントを（加熱するときには）ＣＶＤチャンバによって加熱することが可能であり、そうしたインジェクタのより大きい内部のセグメントはさらに、チャンバの長手方向の内壁に沿って配置することができ、そうしたインジェクタのより大きい横方向のセグメントは、ガス流を側壁からチャンバの中心に向かって方向付けるように配置された複数の出口ポートを有することができる。
好ましい実施形態では、より大きい断面の大きさを有する管路を備えた提供されるインジェクタは、断面の大きさが、ガスが管路に入る先端部から、ガスが管路を離れてＣＶＤチャンバに入る基部に向かって大きくなるように構成することができ、より大きいセグメントは、１つまたは複数のガス入口ポートを備えた比較的狭い先端、およびＣＶＤチャンバに通じる１つまたは複数のガス出口ポートを備えた比較的広い基部を有するように構成することができ、より大きいセグメントは、平坦な構造体の中に楔形の流路として構成することができる。平坦な構造体は、垂直方向により短く、横方向により長くなるように構成することができ、平坦な構造体は、ＣＶＤチャンバの中に配置されるように構成し、大きさを決めることができ、その場合、平坦な構造体を（加熱するときには）ＣＶＤチャンバによって加熱することが可能であり、特に平坦な構造体は、流出するガスを下流方向に方向付けるように上流の横方向のチャンバ壁に沿って位置決めすることができ、平坦な構造体は、楔形の流路と交差しない１つまたは複数の第２のガス伝導管路を含むこともできる。第２のガス伝導管路は、実質的に一定の断面の大きさを有することができ、また楔形の流路の出口ポートの横に、ＣＶＤチャンバに通じる１つまたは複数の第２の出口ポートを有することができる。
本発明は、１つまたは複数の提供されるガスインジェクタを備えたＣＶＤシステムも提供する。そうしたシステムは、先端部から基部に向かって大きくなるように構成され、大きさを決められた管路を有する実施形態の１つまたは複数の第１のインジェクタを含むことができ、このインジェクタは、ＣＶＤチャンバ内に成長面を有するサセプタに隣接する出口ポートを有すること、および第１のガスを、サセプタの成長面の一部またはすべてを横断して横方向に広がる長手方向の流れとして方向付けるように向きを決めることができ、このインジェクタは、第２のガスを第１のガス流の横の長手方向の流れとして方向付けるように向きを決められた、２つ以上の第２の出口ポートを備えた第２の管路を含むことができる。
そうしたシステムは、螺旋状の形状に構成された管路を有する実施形態の１つまたは複数の第２のインジェクタを含むこともでき、このインジェクタは、ガスを第１のインジェクタの入口ポート内に方向付けるように位置決めされ、配置された出口ポートを有することができる。
そうしたシステムは、より大きい断面の大きさを備えるように構成されたセグメントを有する実施形態の１つまたは複数の第３のインジェクタを含むこともでき、このインジェクタは、より大きいセグメントをＣＶＤチャンバの内部に配置することができ、より大きいセグメントを（加熱するときには）ＣＶＤチャンバによって加熱することができるように構成され、大きさを決められ、より大きい内部のセグメントは、チャンバの長手方向の内壁に沿って配置することができ、このより大きいセグメントは、複数のガス流を側壁からチャンバの中心に向かって方向付けるように位置決めされ、方向を決められた複数の出口ポートを有することができる。そうしたシステムは、１つまたは複数の黒体プレートも含み、ＣＶＤチャンバの外部の加熱要素から第３のインジェクタへの熱伝達を高めることもできる。
本発明の他の実施形態は、ガスをセグメント化された流路に沿って、ガス入口ポートから１つまたは複数のガス出口ポートまで運ぶステップであって、各セグメントがガスの流動時間を、そのように構成されていない、かつ大きさを決められていないセグメントに比べて増加させるように構成される、または大きさを決められるステップと、１つまたは複数のセグメントを、ガスがそれを通して運ばれるときに加熱するステップとによって、ガスをＣＶＤ（化学気相成長）チャンバに注入するための方法に関する。少なくとも１つの選択されたセグメントは、より大きい断面の大きさ、およびより小さいガスの流速における増加したガスの流動時間を有するガスの流路を提供し、その内部を流れるガスは、チャンバ内でのＩＩＩ族窒化物半導体の成長のための窒素前駆体を含む。また少なくとも１つの他のセグメントは、先端部から、セグメントがチャンバに通じる基部に向かって大きくなる断面の大きさを有し、その中を流れるガスは、チャンバ内でのＩＩＩ族窒化物半導体の成長のためのＩＩＩ族金属前駆体を含む。チャンバは、成長面を有するサセプタを内部に含むことが好ましく、ＩＩＩ族金属前駆体および窒素前駆体のガスは加熱され、ＩＩＩ族窒化物半導体がその上で成長するためのサセプタの成長面に向かって方向付けられる。有利には、ガスはおよそ９３０℃より高い温度で反応し、サセプタの成長面上でのＩＩＩ族窒化物半導体の成長を容易にすると同時に、望ましくない前駆体複合物の形成を最小限に抑える。
本明細書に記載される好ましい実施形態および特定の例は、本発明の範囲内の例として理解すべきであり、本発明を限定するものと理解すべきではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲を参照して決定すべきであり、特許請求の範囲は、当業者には明らかである変更形態、等価物、代替形態などを包含すると解釈されたい。明確かつ簡潔にするために、本明細書に実施形態のすべての特徴が記載されるわけではなく、記載されていない特徴は当技術分野では普通であり、当業者によって追加することが可能であることが理解されるであろう。
本明細書において、見出しは明確にするためにのみ用いられ、限定を意図するものではない。本明細書ではいくつかの参考文献が引用され、その開示全体をすべての目的のために参照によって本明細書に完全に援用する。さらに引用される参考文献はどれも、どのように特徴付けられるかにかかわらず、本明細書において請求される主題に関して本発明に先立つものとは認められない。
本発明は、好ましい実施形態に関する以下の詳細な記述、および本発明の特定の実施形態の説明のための具体例、および添付図面を参照することによってより完全に理解することができる。
例示的なＣＶＤ反応器を概略的に示す図である。 本発明の熱化ガスインジェクタの第１の実施形態を概略的に示す図である。 本発明の熱化ガスインジェクタの第１の実施形態を概略的に示す図である。 本発明の熱化ガスインジェクタの第１の実施形態を概略的に示す図である。 本発明の熱化ガスインジェクタの第１の実施形態を概略的に示す図である。 本発明の熱化ガスインジェクタの第２の実施形態を概略的に示す図である。 本発明の熱化ガスインジェクタの第２の実施形態を概略的に示す図である。 本発明の熱化ガスインジェクタの第２の実施形態を概略的に示す図である。 本発明の熱化ガスインジェクタの第３の実施形態を概略的に示す図である。 本発明の熱化ガスインジェクタの第３の実施形態を概略的に示す図である。 本発明の熱化ガスインジェクタの第３の実施形態を概略的に示す図である。 例示的なＣＶＤチャンバおよび本発明の熱化ガスインジェクタを含む組み合わせを概略的に示す図である。
本発明は、化学気相成長（ＣＶＤ）反応器システム、特に半導体処理に用いられるＣＶＤシステム、とりわけ前駆体ガスの平坦な流れがその中で堆積または他の反応が行われる基板を横断する、全体的に長方形の断面を備えたチャンバを有するＣＶＤシステムのために、改善されたガスのハンドリングを提供する。本発明を考える前に、本発明を有用に適用することができる例示的なＣＶＤチャンバについて簡単に説明する。
図１は、本発明を適用することができる例示的なＣＶＤチャンバ１の関連する細部を平面図として図示している。図３Ａは、同様のＣＶＤ反応器を断面図として図示している。両方の図において、共通の参照番号は同様の要素を識別する。例示的な反応器１は、外部の放射加熱ランプによって加熱することができるように、通常は石英で作製される反応器チャンバ３を含む。前駆体ガスおよびパージガスを含むプロセスガスが、図の下部でポート（または入口もしくはインジェクタ）５および９を通ってチャンバ３に入る。入口ポートは一般に、前駆体ガスの早すぎる混合を防止するように設計および配置される。ここでは、例えば異なる前駆体ガスは、間隔を置いて配置されたポート５および９を通って入ることができるが、比較的不活性なパージガスは、ポート７を通って入ることができる。次いでプロセスガスは、（「下流」の方向を決める）チャンバを通って図の上方に移動し、サセプタ１５上の基板１７によって支持される中央に配置された基板で反応する。支持リングまたはプレート１３によって案内されるサセプタは、通常は回転する。プロセスガスは、排出部１１を通ってチャンバを出る。
任意選択で、反応器１は、サセプタ１５および基板１７より上に、例えば支持体２１上に支持された黒体プレート１９を含むことができる。この黒体プレートは、放射熱ランプからの放射を吸収し、吸収した放射をプロセスガス中に再放射することによって、プレートの近くを流れるプロセスガスを熱化するのを助けることができる。例えば、（すべての目的のためにその全体を参照によって本明細書に援用する）２００８年２月２７日出願の特許文献４を参照されたい。
以下では、「長手方向」および「横方向」という用語は、図１においてラベルを付けた矢印によって示されるＣＶＤチャンバ内部の方向を指すために用いられる。長手方向を「上流」および「下流」と呼ぶこともあり、長手方向を向いた壁を側（または横）壁とも呼ぶ。横方向は、「反応器を横断する」とも言い、横方向を向いた壁を端壁とも呼ぶ。
本発明は、以下ではこの例示的なＣＶＤチャンバに関する文脈において記述されるが、その詳細についてさらに考察しない。しかしながら、この例示的なチャンバは限定的ではなく、本発明の装置は他のＣＶＤチャンバに適合することが理解されるため、焦点をあてるのは簡潔にするためにすぎず、限定のためではない。
熱化ガスインジェクタの好ましい実施形態
次に、（チャンバの物理的なレイアウトおよび関連する設備を考慮して）管路構造体を、状況において合理的に必要な長さよりも長さを増大させたガスの流路を有するように構成し、大きさを決めることによって増加したガスの滞留時間を実現し、かつ（管路内のガス流の周知の原理を考慮して）意図されたガスの流速に対して合理的に必要な断面積より少なくとも実質的に小さくない断面積を有する、本発明の熱化ガスインジェクタの好ましい実施形態について説明する。それに応じて、この実施形態のインジェクタは、比較的低い流量でＣＶＤチャンバに入るガスに対して有用となり得る。好ましくは、増大した経路長は、流路を蛇行した形、例えば螺旋形に曲げるかつ／または折り畳むことによって適応させることができる。
この実施形態の熱化ガスインジェクタは、熱化されたガスを比較的低い、または少なくとも増大しない流量でより良好に注入するのに有用であるため、ＩＩＩ窒化物化合物の成長に関連して使用するとき、この実施形態のインジェクタは、通常は比較的高い流量で入るＮ前駆体と共に用いる場合より、通常は比較的低い流量で入るＩＩＩ金属前駆体と共に用いる場合により好ましい。しかしながら、この実施形態のインジェクタは、比較的低い流量でＣＶＤチャンバに入るガスにも有用となり得る。
図２Ａ〜Ｄは、この実施形態の熱化ガスインジェクタを図示している。特に図２Ａは、実質的に均一な直径（断面積）を有する螺旋形状のガス伝導管路４９を備えた管路構造体４７を図示している。例えば前駆体ガスなどのガスは、入口ポート３９を通って管路構造体４７に入り、螺旋形のガス伝導部４９を通って流れ、出口４１を通って管路構造体から出て、例えば直接ＣＶＤチャンバに入る。ガス伝導管路４９は、ガスを入口ポート３９と出口ポート４１の間のより短い物理的距離を通して伝導するのに合理的に必要であるよりも、実質的に長いガスの経路長を提供する。ガス伝導管路４９の螺旋形によって、管路構造体４７を通って流れるガスの経路長は、入口ポートと出口ポートの間の実際の物理的距離より長く、実際にかなり長くなる。ここに図示された螺旋形は限定的なものではなく、本発明が他の蛇行した形を含むことを理解すべきである。前駆体ガスは、外部の供給源から、外部のガス制御装置（「ガスパネル」）によって制御された流量で管路構造体４７に供給することができる。
この実施形態の管路構造体は、（容易に損傷を受けると考えられる）ガス伝導管路の少なくとも蛇行した形の部分を囲み、保護する外側ハウジングを含むことが好ましい。ここでは、管路構造体４７は、入口ポート３９および出口ポート４１以外のガス伝導部４９のすべてを囲む、外側ハウジング３３を含む。外側ハウジングは、例えばパージガス用の追加のガス伝導管路として働くこともできる。ここでは、外側ハウジング３３は、パージガスの入口ポート４３およびパージガスの出口ポート４５を備えており、したがって、パージガスは外側ハウジングを通って流れることができる。パージガス（または同様のガス）は、チャンバの内部からのガスの逆流を制限するまたは防止する役目を果たすことができる、ＣＶＤチャンバの内部に対する過圧領域を形成することができるため有利である。動作中のＣＶＤチャンバの内部から、反応性であり、かつしばしば腐食性であるガスが逆流すると、管路構造体への損傷または管路構造体上での望ましくない堆積を引き起こす恐れがある。
管路構造体４７は、受動的に加熱する、もしくは能動的に加熱する、または受動的と能動的の両方の形で加熱することができる。管路構造体は、加熱されたＣＶＤチャンバの中（または他の加熱された環境の中）に部分的にまたは全体的に配置することによって、受動的に加熱されることが好ましい。図２Ｂは、大部分がＣＶＤチャンバ５３の中に配置された（図２Ａのものと同様の）受動的に加熱される管路構造体５４を図示している。受動的な熱伝達要素（ここには図示せず）を任意選択で設け、チャンバの内部から管路構造体への熱の移動を改善することができる。例えばＣＶＤチャンバが熱ランプによって加熱される場合、受動的な要素は、熱ランプからの放射を吸収し、それを管路構造体に再放射する、ガスインジェクタの近傍に配置された黒体構造体を含むことができる。
管路構造体は、ガス伝導部の少なくとも一部、好ましくは、ガスの滞留時間を増大させるように構成されたものの少なくとも一部に隣接し、熱を隣接部分に直接与える熱発生要素を設けることによって、能動的に加熱することが好ましい。能動的な加熱要素は、管路構造体に隣接して（またはその近くに）、かつ管路構造体の外部に配置することが好ましいが、管路構造体の内部に配置することもできる。能動的な加熱要素には、例えば熱ランプなどの放射を放出する要素、誘導加熱要素、例えば抵抗加熱要素などの電気加熱要素などが含まれる。管路構造体は、例えば能動的に加熱される管路構造体がＣＶＤの中に少なくとも部分的に配置されるとき、受動的と能動的の両方の形で加熱することもできる。
図２Ｂは、大部分が（図１のＣＶＤチャンバ１と同様の）ＣＶＤチャンバ５３の外部に配置された、能動的に加熱されるガスインジェクタ５５を図示している。インジェクタ５５は、ガス伝導部５６および能動的な加熱要素５７を含む。本発明の他の実施形態では、能動的に加熱されるガスインジェクタ５５は、ＣＶＤチャンバ５３の外部にあって反応器の下に配置することが可能であり、加熱される前駆体入力部４１は、ＣＶＤチャンバの下面に（すなわち基部に）に入る。
図２Ｃ〜Ｄは、能動的に加熱される管路構造体５１の不可欠な細部を図示している。図２Ｃ（平面図）では、能動的な加熱要素３１は、外側ハウジング３３の外部およびその周りに配置された伝導要素、例えば抵抗加熱されるクランプシェルヒータを備えている。図２Ｄ（断面図）では、能動的な加熱要素３１は、管路構造体の外側ハウジング３３の外部にあるが、放射を内側にガス伝導管路４９に向かって反射するように働くことができるシェル３２の中に囲まれた放射要素、例えば熱ランプを備えている。どちらの図でも、螺旋形のガス伝導管路４９を通って入口３９から出口４１まで流れるガスは、ＣＶＤチャンバへの注入前に加熱要素３１によって加熱される。任意選択で、外側ハウジング３３を通って入口４３から出口４５まで流れるパージガスも、注入前に加熱される。これらの図から、能動的な加熱要素が注入前にガスがそれを通って流れる、より高い温度のゾーンを画定することが明らかである。
図２Ｃ〜Ｄは、能動的または受動的な加熱要素とすることができる任意選択の要素３５も図示している。好ましくは、この任意選択の要素は、能動的な要素３１からガス伝導管路４９への熱伝達を改善する働きをする受動的な要素である。伝導性の加熱要素の場合、受動的な要素３５は、熱を管路４９の内側部分に再分配する導体とすることができる。放射性の加熱要素の場合、受動的な要素３５は黒体構造体、例えば熱を再放射する黒体材料を含む棒状体とすることができる。誘導性の加熱要素の場合、受動的な要素３５は、ガス伝導管路を加熱するように誘導エネルギーを吸収することが可能な導電性の構造体を含むことができる。任意選択の要素３５の場合、ガス伝導管路４９内のガスは、能動的な加熱要素によって直接加熱することも、受動的な要素３５によって間接的に加熱することもできる。
説明したように、この実施形態の熱化ガスインジェクタ、特に図２Ｃのインジェクタ５１などのインジェクタを用いてガス状のＩＩＩ金属前駆体をＣＶＤチャンバに注入し、ＩＩＩ窒化物化合物を処理すること、特にＨＶＰＥプロセスによるＧａＮの成長のためにガス状のＧａＣｌ3前駆体を提供することができる。そうした用途では、外側ハウジング３３およびガス伝導管路４９が石英を含むことが好ましい。受動的な要素３５は、好ましくは例えばＳｉＣ、Ｂ4Ｃ、ＡｌＮを含む、中実または管状の黒体構造体である。能動的な加熱要素３１は、石英の外側ハウジング３３を囲み、５００から１０００℃の間の温度まで加熱することができる電気加熱ジャケット、例えばクランプシェルヒータを含む。
動作時にＧａＣｌ3前駆体は、通常は数百ｓｃｃｍ（標準立法センチメートル毎分）程度の流入量で入口３９を通ってインジェクタに入るが、最大２０〜３０ＳＬＭ（標準リットル毎分）まで可能であり、好ましくは５００から１０００℃の間の温度で出口４１を通って出る。Ｎ2（あるいはＮ2とＨ2のガス混合物）のパージガスは、約１〜５ＳＬＭの流入量で入口４３を通って入り、少なくとも外側ハウジングの内部で過圧力を維持し、出口４５を通って出る。インジェクタ内に滞留する間に、パージガスを加熱することもできる。
［熱化ガスインジェクタの他の好ましい実施形態］
次に、（管路内のガス流の周知の原理を考慮して）管路構造体を、意図されたガスの流速に対して合理的に必要な断面積よりも断面積を増大させたガスの流路を有するように構成し、大きさを決めることによって増加したガスの滞留時間を実現し、かつ（特にチャンバの物理的なレイアウトおよび関連する設備を考慮して）状況において合理的に必要である長さと少なくとも同程度の長さを有する、本発明の熱化ガスインジェクタの好ましい実施形態について説明する。それに応じて、この実施形態のインジェクタは、比較的高い流量でＣＶＤチャンバに入るガスに対して有用となり得る。
この実施形態の熱化ガスインジェクタは、比較的高い流量の熱化されたガスを注入するのに有用であるため、ＩＩＩ窒化物化合物の成長に関連して使用されるとき、この実施形態のインジェクタは、通常は比較的低い流量で入るＩＩＩ金属前駆体と共に用いる場合より、通常は比較的高い流量で入るＮ前駆体と共に用いる場合により好ましい。しかしながら、この実施形態のインジェクタは、比較的高い流量でＣＶＤチャンバに入るガスにも有用となり得る。
図３Ａ〜Ｂはそれぞれ、好ましい熱化ガスインジェクタの実施形態の断面図および横断図である。従来型の構成要素は、チャンバハウジング７１、サセプタ６９、成長基板６７および加熱要素６０を含む。この実施形態における管路構造体６１は、サセプタ６９の上面の高さにチャンバハウジング７１の両側の側面に沿って配置される。ガスは入口ポート７５に入り、管路構造体の中を長手方向に側壁に沿って流れ、ガスを成長基板６７に向かってサセプタ６９の上面を横断する横方向の流れ６２として方向付ける、１つまたは複数の出口ポートを通って出る。この実施形態の管路構造体は、他の要素、特に外側ハウジングを含むこともできる。管路構造体６１は、当技術分野で知られている固定具によって、ここではガス伝導管路を支持する横方向に突出した突起部（または棚部）を有する例示的な左右の支持固定具７３によって、チャンバ内に支持および保持される。単一のより長い支持固定具がＣＶＤチャンバのそれぞれの側壁を拡張してもよく、あるいは、複数のより短い支持固定具をそれぞれの壁に沿って位置決めしてもよい。
管路構造体６１は、能動的に加熱する、もしくは受動的に加熱する、または受動的と能動的の両方の形で加熱することができる。（図２Ｃの）管路構造体４７のように、管路構造体６１はガス伝導部の少なくとも一部に隣接する熱発生要素を設けることによって、能動的に加熱することもできる。好ましくは、管路構造体６１は部分的もしくは全体的に、加熱された環境、例えば加熱されたＣＶＤチャンバを通るように経路指定する、かつ／またはその中に配置することによって、受動的に加熱される。また環境から管路構造体への熱伝達を改善するために、受動的な熱伝達手段が、加熱される実施形態の中の管路構造体の一部（またはすべて）に関連付けられることが好ましい。例えばそうした受動的な熱伝達手段は、チャンバの熱ランプからの放射を吸収し、吸収した熱を管路構造体に再放射するように黒体材料を含むことができる。
図３Ａは、管路構造体より上に、例示的な固定具７３の上側突起上に支持され、ＣＶＤチャンバを横断して延びる（したがって、サセプタへの熱伝達も改善する）１つまたは複数のプレート６５を含む受動的な熱伝達手段を図示している。図３Ｂは、両方のガス管路６１のかなりの部分を覆うようにチャンバに沿って位置決めされた、複数のプレート６５を図示している。通常これらのプレートは互いに隣接するため、プレート６５の間に図示したギャップは分かりやすくするためのものにすぎないことに留意されたい。あるいは、ガス伝導管路６１をプレート６５の下に配置すること、またはプレート６５が管路６１の上だけに延び、チャンバの中央部分を熱ランプに曝された状態にすることが可能である。
この実施形態の熱化ガスインジェクタの実施形態は、図３Ａ〜Ｂに図示する横方向の流れパターンとは異なる流れパターンを有するガスを注入することができる。例えば図３Ｃは、ガス伝導管路６１がさらに、ガスを長手方向にガス流６３に平行に注入する出口ポート７６を有するように構成された実施形態を図示している。図３Ｃのガス伝導管路６１は、ガスを横方向の流れとして注入するために、図３Ａ〜Ｂのように他の出口ポートを備えることができる。当業者には明らかになるように、適当な出口ポートを設けることによって、ガスを他の流れパターンとして注入することが可能である。他の実施形態は、単一の（左または右の）ガス伝導管路６１のみを有すること、２つの図示したガス伝導管路のそれぞれを通して異なる第２のガスを注入することなどが可能である。
この実施形態のガス伝導管路は、例えばＨＶＰＥ反応器など動作中のＣＶＤ反応器の内部に生じ、前駆体ガス（特にＮＨ3）とほとんどまたは全く相互作用を有さない、高温の腐食環境に耐えることができる非金属材料から製造することが好ましい。好ましいそうした材料は石英を含む。黒体プレートは、（１に近い）高い放射率の値を有し、高温の腐食環境に耐えることもできる材料を含むことが好ましい。好ましいそうした材料には、ＡｌＮ、ＳｉＣおよびＢ4Ｃ（それぞれ、０．９８、０．９２および０．９２の放射率）が含まれる。
さらに、管路構造体および受動的な熱伝達手段は、特定のＣＶＤチャンバを考慮して、そのチャンバ内で例えば既存のガスインジェクタ、サセプタ、ロボットの移送手段および他の関連付けられた構成要素の動作を妨げずに配置することができるように大きさを決め、構成することが好ましい。それに応じて、熱化ガスインジェクタの異なる特定の実施形態は、異なった大きさに決められ、構成されたＣＶＤチャンバの中に配置されるように大きさを決め、構成することが可能になる。例えば、図３Ａ〜Ｃに図示した熱化ガスインジェクタは、次に説明する方法で、図１の例示的なＣＶＤチャンバ１の中に配置され、それと協働するように大きさを決められ、構成されている。
第１のガスが、ＣＶＤチャンバ７１の上流の端部（図３Ｂ〜Ｃの下部）に配置されたインジェクタから長手方向の流れ６３として注入され、サセプタに向かって流れる。特に図示していないが、上流のインジェクタは、図２Ａ〜Ｄの実施形態のインジェクタの１つまたは複数とすることができる。第２のガスが、（チャンバ７１の外部の）入口ポート７５を通ってこの実施形態の熱化ガスインジェクタ６１に入り、より大きい断面積のガス伝導管路６１の中を流れる。図３Ｂの場合、ガスは複数の出口ポートを通して、両方の側壁からサセプタに向かって流れる複数の横方向の流れとして注入され、図３Ｃの場合、第２のガスは、サセプタに向かって流れる２つの長手方向の流れとして注入される。第１のガスおよび第２のガスはサセプタの上で合流して反応し、使用されたガスは排出部６４を通って出る。ガス伝導管路６１は、サセプタおよび他の構成要素を妨げないように、大部分がチャンバ７１の壁に接して配置されるように大きさを決められ、構成されている。
また図３Ｂの場合には、横方向の流れ６２のパターンの詳細を、例えば出口ポートの大きさの違いによって簡単に制御することができる。ガス伝導管路６１の直径のより大きい断面積は、主にチャンバ内部から熱を吸収するのに利用できる滞留時間を増加させるように選択されるが、さらにガス伝導管路が、管路の長さに沿ってガスの圧力をほぼ均一にするプレナムチャンバの役目を果たすことを可能にする。例えば、出口ポートが同様の大きさのものである場合には、横方向の流れ６２を長手方向に均一にすることができるが、出口ポートが様々な大きさのものである場合には、横方向の流れを変化させることができる。
説明したように、この実施形態の熱化ガスインジェクタ、特に図３Ａ〜Ｃのインジェクタ６１と同様に構成されたインジェクタを用いてガス状のＮ前駆体をＣＶＤチャンバに提供し、ＩＩＩ窒化物化合物を処理すること、特にＨＶＰＥプロセスによるＧａＮの成長のためにＮＨ3を提供することができる。そうした用途の場合、ガス伝導管路６１は、約１ｃｍから２ｃｍないし２．５ｃｍ（およびそれらの間）の大きさにすることができ、好ましくは石英を含み、チャンバ内の黒体プレートの下（あるいは上）に固定具７３によって支持され、サセプタ６９の上面の近傍にガス出口６２を有する。インジェクタは石英を含むことが好ましく、受動的な加熱プレートは、ＳｉＣ、Ｂ4Ｃ、ＡｌＮを含むことが好ましい。
動作時にＮＨ3は、１〜３ＳＬＭの流量で入口ポート７５を通ってインジェクタに入る。１つのみ、または２つより多いそうした入口を利用することが可能である。ガス伝導管路６１の出口は、サセプタ６９の近傍に配置される。ＮＨ3は、加熱されたＣＶＤチャンバの内部およびＳｉＣプレートから伝達される熱によって加熱されるが、ＣＶＤチャンバおよびＳｉＣプレートはどちらも、石英の反応器ハウジング７１の上（および下）に位置する外部のランプの供給源６０によって加熱される。ＮＨ3は、反応チャンバに入る前に、少なくとも６００℃の温度まで加熱することが好ましい。
熱化ガスインジェクタの他の好ましい実施形態
次に、増加したガスの滞留時間によってある程度の熱化が得られるだけではなく、１つまたは複数のガスの流れを、制御された横方向の空間的分布を有する別個の長手方向のガス流として注入する、本発明の熱化ガスインジェクタの好ましい実施形態について説明する。特に、少なくとも１つの長手方向のガスの流れの空間的分布は、サセプタの直径のかなりの部分である幅にわたって横方向にほとんど均一になるように制御される。空間的分布は、異なるガスが早すぎる混合を起こさない、または温度を変えない、または化学的に相互作用しないように制御することもできる。この実施形態のインジェクタは、本明細書において「バイザ」型インジェクタ、または「バイザ」インジェクタまたは「バイザ」と呼ばれる。
例えば、ＩＩＩ窒化物化合物の成長の場合、この実施形態のバイザインジェクタは、ＩＩＩ前駆体ガス、Ｎ前駆体ガスおよびパージガスを注入するのに有用である。特にバイザインジェクタは、前駆体ガスを、サセプタの直径のかなりの部分である幅にわたって横方向にほとんど均一である流れとして注入することができる。したがって、サセプタが回転すると、成長基板は前駆体の１つにほとんど均一に曝されるようになる。
「サセプタのかなりの部分」という用語は、本明細書においてこれまでの文脈で使用されるとき、（注入され、あまり広がらない）ガス流が十分にサセプタのすべての部分に達することが可能であり、その結果、サセプタ上に支えられるすべての成長基板をガス流に直接曝すことができることを意味する。サセプタは通常、動作時に回転するため、少なくともサセプタの直径の約半分またはより大きい部分にわたって広がる長手方向の流れは、「サセプタのかなりの部分」にわたってほとんど均一になる。より好ましくは、流れはサセプタの直径の少なくとも６５％または８０％、またはより大きい部分にわたって広がる。さらに好ましくは、チャンバの構成が許容する場合には、流れは実質的にサセプタの直径のすべてを覆って広がる。「ほとんど均一」という用語は、流れを伴うガスの速度が、約１５％未満、または約２５％未満または約３５％だけ変化することを意味する。
バイザ型インジェクタは、流出するガスを選択された長手方向の分布になるように形成および促進する決められた断面を備えた出口ポートを有する。特にバイザ型インジェクタは、サセプタのかなりの部分である横方向の幅、例えばサセプタの直径の約半分またはより大きい横方向の幅を備えた少なくとも１つの出口ポートを有する（「広い」出口ポート）。他の出口ポート（「狭い」出口ポート）は通常、ガスをより大きい制約を受ける流れ（例えば、図３Ｃの出口ポート７６と同様に構成された出口ポートを通して注入される流れなど）として注入するためにより狭くする。好都合には、かつ好ましくは、広い出口ポートの垂直方向の広がりはその横方向の広がりより小さく（またはずっと小さく）、したがってこうした出口は、例えば「平坦化された」形状を有すると考えることができる。狭い出口ポートは、同等の横水平方向の広がりおよび垂直方向の広がりを有することができる。
横方向の広がりがより大きく、垂直方向の広がりがより小さい出口ポートは、平坦な材料から平坦な形状を有するようにバイザ型インジェクタを製造することによって、好都合に適応させることができる。出口ポートは、平坦な形状の横方向の縁部に沿って存在することが好ましく、入口ポートは、好ましくは本体内または反対側の横方向の縁部に沿って存在することができ、また平坦な形状内の流路は、入口ポートと出口ポートをつなぐ。ポートおよび流路（または溝もしくは切欠き）は、第１の平坦な材料の中に、例えばエッチング、または機械加工または切除などによって、次いで開いた流路を第２の平坦な材料で密閉することによって、容易に製造することができる。他の実施形態では、第１の平坦な材料と第２の平坦な材料の両方の中に、または平坦な材料の単一の部分の内部に形成された流路を製造することができる。平坦な材料は、高温の化学的に腐食性の環境に耐えることができることが好ましい。好ましいそうした材料は石英であり、またＡｌＮ、ＳｉＣおよびＢ4Ｃなどの黒体材料を使用することもできる。
好ましくは、広い出口ポートをその（１つまたは複数の）入口ポートとつなぐ流路は、増加する横方向の広がりを有し、入口ポートの近傍では比較的狭く、その出口ポートの横方向の広がりに一致するまで徐々に増加する。様々な実施形態において、そうした増加する流路は、異なって構成された側壁を備えた異なる形状を有することができる。例えば、直線の側壁を備えたそうした流路は、「楔状」の形状を有することができ、あるいは曲線の側壁の場合、そうした流路は「ベル状」の形状（凸形の側壁）または「ノズル状」の形状（凹形の側壁）を有することができる。一般的には、流路の形状および壁の構成は、流体の流れの原理に従って、出口ポートを通して注入された流れが所望の特徴、例えば横方向の均一性を有するように選択することができる。狭い出口ポートをその入口ポートにつなぐ流路は、ほとんど一定の断面の大きさを有することができる。
図４Ａ〜Ｃは、例示的な広い流路および狭い流路の構成ならびに配置を有する「バイザ」型インジェクタの例示的な実施形態を図示している。図４Ａは、単一の広く中央に配置された出口ポート８９、およびポート８９の横に配置された２つの狭い出口ポート９９を備えたバイザインジェクタを図示している。実線の矢印は、これらのポートを通して注入することができるガス流を示している。ガス伝導管路９７は入口ポート９１を出口ポート８９につなぎ、全体的に楔状の形状を有し、ガス入口９１に近いより狭い先端部から延び、出口ポート８９の広がりに等しい横方向の広がりを有するようになるまで直線状に広がる。ガス伝導管路８５は、入口ポート９３（この図では見ることができない）を両方の出口ポート９９につなぐ。この管路は、出口ポートで終わる２つのアームと、アームを入口ポートとつなぎ、またほとんど一定であり、かつ比較的狭い断面の大きさを有するように大きさを決められた中央部分とを有するように構成される。この管路は、管路９７の外側にある（かつ管路９７と交差しない）。このバイザ型インジェクタでは、ポートおよび流路は、底部の平坦な材料１０５の中に存在し、頂部の平坦な材料１０３によって密閉されるが、そのどちらも石英を含むことが好ましい。
図４Ｂは、２つの比較的広く横に配置された出口ポート１１７および１２３、ならびに単一の比較的狭く中央に配置された出口ポートを備えた、他の例示的なバイザ型インジェクタを図示している。ガス伝導管路１１５は入口ポート１１３を出口ポート１１７につなぎ、またその横方向の広がりが入口ポート１１３の近傍でより急速に増大し、出口ポート１１７の近傍でより緩やかに増大するように、１つのまっすぐな側壁および１つの曲線の側壁を備えた形状を有している。入口ポート１１９を出口ポート１２３につなぐガス伝導管管路１２１は、同様であるが鏡像の形状を有する。一緒に視覚化すると、両方のこれらの管路は「ノズル状」と考えることができる形状を有している。ガス伝導管路１２７は入口ポート１２５をより狭い出口ポート１２９とつなぎ、ほとんど一定の断面の大きさを有する。
図４Ｃは、図４Ｂの実施形態の端面図を図示し、バイザ型インジェクタが異種の材料から製造可能であることを説明している。ここでは、図２Ａの実施形態とは対照的に、底部の平坦な材料は石英を含むことが好ましく、頂部の平坦な材料は黒体材料を含むことが好ましい。
バイザインジェクタによって注入されたガスは、熱化されることが好ましい。いくつかの実施形態では、バイザ型インジェクタは、補助的なインジェクタ、例えば図２Ａ〜Ｄまたは図３Ａ〜Ｃの実施形態と同様のインジェクタを通る前の通路によって既に熱化されたガスを受け取ることができる。好ましい実施形態において、バイザインジェクタは、注入されたガスを熱化するように、またはさらに熱化するように加熱される。追加の加熱要素を用いる能動的な加熱は、（インジェクタの大きい横方向の広がりのために）あまり好ましくない。
より好ましくは、バイザインジェクタは、ＣＶＤチャンバの中に配置することによって受動的に加熱することができる。また広い出口ポートを通して注入されたガスの滞留時間は、平均流速が低下するために増加させることができる。特に、ガスが流路のより狭い部分から流路のより広い部分に向かって流れるため、その流速は、長さは同じであるが断面の大きさが一定である流路を通して注入されるガスに比べて低下する。さらに、受動的な黒体要素を設け、バイザ型インジェクタへの熱伝達を高めることができる。そうした黒体要素は、図４Ｃに図示したインジェクタの一部とすることができる。また本発明の他のインジェクタと同様に、黒体プレートをバイザ型インジェクタの外部に、ただし隣接して設けることができる。
図５は、ある特定のＣＶＤプロセスに必要な熱化されたガスを注入するように協働する、例示的なＣＶＤチャンバ１１１と、本発明の熱化ガスインジェクタのいくつか、特にバイザ型インジェクタとの組み合わせを図示している。ここでは、図４Ａに図示した実施形態と同様のバイザ型インジェクタ８２は、チャンバ１１１の上流の端部に位置決めされ、第１のガス流および第２のガス流を注入し、第１のガス流８９は、サセプタ８４の直径のかなりの部分である幅にわたって横方向にほとんど均一であり、第２のガス流９９は、流れ８９の側面の横に位置し、限られた横方向の広がりのものである。
第１のガス流も第２のガス流も熱化される。バイザ型インジェクタ８２は、図２Ｃ〜Ｄを参照して説明したインジェクタと同様であるインジェクタ８３を通る通路によって既に熱化された、外部の供給源からのガス流１０８を受け取る。インジェクタ８３は能動的に加熱され、大部分がチャンバ１１１の外部に配置される。バイザ型インジェクタ８２はチャンバ１１１の中に配置され、したがって、注入前にガスをさらに熱化することができる。任意選択の黒体プレート１０９（分かりやすいように、点線の外形として示す）をインジェクタ８１に隣接して設け、チャンバからバイザ型インジェクタへの熱伝達を改善する。
組み合わせは、図３Ａ〜Ｂを参照して説明したインジェクタと同様のインジェクタ８１も含み、インジェクタ８１は、サセプタ８４の横に、かつチャンバ１１１の側壁に隣接して位置決めされ、第３のガス流８７を横方向に両方のチャンバ壁からサセプタ８４へ、サセプタ８４全体に注入する。横方向の流れは、インジェクタ８１からの出口ポートの構造の大きさに応じて、選択された長手方向の分布を有することができる。例えば出口ポートは、横方向の流れ８７が、サセプタのかなりの部分にわたってやはり実質的に均一になるように構成し、大きさを決めることができる。
インジェクタ８１はチャンバ１１１の中に配置され、したがって、注入前にガスを熱化することができる。任意選択の黒体プレート１０９をインジェクタ８１に隣接して設け、チャンバからバイザ型インジェクタへの熱伝達を改善する。
ＣＶＤチャンバと本発明の熱化ガスインジェクタのこの組み合わせは、例えばＩＩＩ窒化物材料、特にＨＶＰＥプロセスによるＧａＮの堆積に有用となり得る。ＧａＮの堆積の場合、ガス流８９はガス状のＧａＣｌ3を含むことができ、ガス流８７はＮＨ3を含むことができ、ガス流９９はＨ2などのパージガス含むことができる。前駆体ガスはどちらも、垂直な方向から、サセプタ８４の直径のかなりの部分である幅にわたって横方向にほとんど均一である流れとして注入され、パージガスは様々な目的で注入することができる。
本発明のインジェクタの異なる組み合わせを、ガス流を他の選択されたパターンで注入するように配置することが可能である。
本発明の特定の特徴が一部の図面には示され、他の図面には示されていないが、それぞれの特徴は、本発明に従って他の特徴の任意のものまたはすべてと組み合わせることができるため、これは便宜的なものにすぎない。本明細書において使用される「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」および「備えた（ｗｉｔｈ）」という単語は、広義にかつ包括的に解釈すべきであり、任意の物理的な相互接続に限定されない。「１つ（「ａ」または「ａｎ」など）」という冠詞も単数と複数の両方にあてはまるものとして、広義にかつ包括的に解釈すべきである。さらに、本願において開示されるいずれの実施形態も、唯一実施可能な実施形態とみなすべきではない。当業者には他の実施形態が見出され、それらは以下の特許請求の範囲の範囲内である。

Claims (30)

  1. ガスをＣＶＤ（化学気相成長）チャンバに注入するためのガスインジェクタであって、
    ガス伝導管路であって、ガスを流路に沿って、前記管路を通してガス入口ポートから１つまたは複数のガス出口ポートまで運ぶためのガス伝導管路と、
    前記ガス伝導管路の１つまたは複数のセグメントであって、各セグメントは、前記管路を通るガスの流動時間を、そのように構成されていないかつ大きさを決められていないガス管路のセグメントに比べて増加させるように構成された、または大きさを決められた１つまたは複数のセグメントと、
    前記ガス伝導管路の前記１つまたは複数のセグメントを、前記ガスがそれを通して運ばれるときに加熱するように配置された加熱手段と、
    を備えることを特徴とするガスインジェクタ。
  2. 前記ガス伝導管路は、石英を含むことを特徴とする請求項１に記載のガスインジェクタ。
  3. 前記加熱手段は、加熱されたＣＶＤチャンバをさらに備え、前記ガス伝導管路は、前記ＣＶＤチャンバから熱を受け取るように配置されることを特徴とする請求項１に記載のガスインジェクタ。
  4. 前記加熱手段は、１つまたは複数の熱発生要素をさらに備え、前記ガス伝導管路は、前記熱発生要素から熱を受け取るように配置されることを特徴とする請求項１に記載のガスインジェクタ。
  5. 少なくとも１つの選択されたセグメントは、より長いガスの流路、および実質的に同様のガスの流速における増加したガスの流動時間を有するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のガスインジェクタ。
  6. 前記ガス伝導管路は、内部を流れ、前記ＣＶＤチャンバ内でのＩＩＩ族窒化物半導体の成長のためのＩＩＩ族金属前駆体を含むガスを包含することを特徴とする請求項５に記載のガスインジェクタ。
  7. 前記ガス伝導管路の前記少なくとも１つの選択されたセグメントは、螺旋状の形状を備えることを特徴とする請求項５に記載のガスインジェクタ。
  8. 前記螺旋形のセグメントの一部またはすべてを囲む外側ハウジングをさらに備え、前記加熱要素は、前記外側ハウジングの外部に隣接して配置された１つまたは複数のクランプシェルヒータをさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のインジェクタ。
  9. 前記加熱手段は、前記外側ハウジングの中に、ただし前記螺旋形のセグメントの外部に配置された黒体要素をさらに備え、前記外部のヒータから前記ガス伝導管路への熱伝達を高めることを特徴とする請求項７に記載のガスインジェクタ。
  10. 前記外側ハウジングは、ガス入口ポートおよびガス出口ポートをさらに備え、ガスが内側ハウジングを通って、前記入口ポートから前記出口ポートまで流れることができるようにさらに構成され、大きさを決められることを特徴とする請求項７に記載のガスインジェクタ。
  11. 少なくとも１つの選択されたセグメントは、より大きい断面の大きさ、およびより小さいガスの流速における増加した流動時間を伴うガスの流路を有するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のガスインジェクタ。
  12. 前記ガス伝導管路は、内部を流れ、前記ＣＶＤチャンバ内でのＩＩＩ族窒化物半導体の成長のための窒素前駆体を含むガスを包含することを特徴とする請求項１１に記載のガスインジェクタ。
  13. 前記より大きいセグメントは、実質的に一定のより大きい断面の大きさを有することを特徴とする請求項１１に記載のガスインジェクタ。
  14. 前記加熱手段は加熱されたＣＶＤチャンバをさらに備え、前記より大きいセグメントは、前記ＣＶＤチャンバの内部に前記チャンバの長手方向の内壁に沿って配置されるように構成され、大きさを決められ、複数の出口ポートは、ガス流が側壁から前記チャンバの中心に向かって流れるように配置されることを特徴とする請求項１１に記載のガスインジェクタ。
  15. 前記より大きいセグメントの断面の大きさは、先端部から、前記セグメントがＣＶＤチャンバに通じる基部に向かって大きくなることを特徴とする請求項１１に記載のガスインジェクタ。
  16. ガス伝導管路内を流れるガスは、前記ＣＶＤチャンバ内でのＩＩＩ族窒化物半導体の成長のためのＩＩＩ族金属前駆体を含むことを特徴とする請求項１５に記載のガスインジェクタ。
  17. 前記より大きいセグメントは、平坦な構造体の中に楔形の流路を備え、前記楔形の流路は、ガス入口ポートを備えた比較的狭い先端、および前記ＣＶＤチャンバに通じる第１の出口を備えた比較的広い基部を有し、前記平坦な構造体は、垂直方向により短く横方向により長いことを特徴とする請求項１５に記載のガスインジェクタ。
  18. 前記楔形の流路と交差せず、第２のガス入口ポートを有し、実質的に一定の断面の大きさを有し、前記楔形の流路の前記出口の横に、ＣＶＤチャンバに通じる１つまたは複数の第２の出口を有する、少なくとも１つの第２のガス伝導流路をさらに備えることを特徴とする請求項１７に記載のガスインジェクタ。
  19. 前記加熱手段は加熱されたＣＶＤチャンバをさらに備え、前記平坦な構造体は、前記ＣＶＤチャンバの内部に上流の横壁に沿って配置されるように構成され、大きさを決められ、ガス流を下流方向に方向付けるように配置されることを特徴とする請求項１７に記載のガスインジェクタ。
  20. 上流の横壁および下流の横壁、ならびに２つのより長い長手方向の壁を有するＣＶＤチャンバと、
    ガスを前記ＣＶＤチャンバに注入するための、請求項１、７、１４および１７の１つまたは複数に記載の１つまたは複数のガスインジェクタと、
    を備えることを特徴とするＣＶＤ（化学気相成長）システム。
  21. 成長面を有し、前記ＣＶＤチャンバ内に配置されたサセプタと、
    前記チャンバの中に、前記上流の横壁に隣接して配置された請求項１７に記載の第１のガスインジェクタであって、
    前記サセプタに隣接する第１の出口ポートは、第１のガスを前記サセプタの成長面の一部を横断して広がる長手方向の流れとして注入し、かつ
    ２つの第２の出口ポートは、第３のガスを前記第１のガス流の各縁部の横の２つの長手方向の流れとして注入する、ように構成および配置される第１のガスインジェクタと、
    をさらに備えることを特徴とする請求項２０に記載のＣＶＤシステム。
  22. 請求項７に記載の第３のガスインジェクタをさらに備え、前記第３のガスインジェクタは、第１のガスが前記第３のインジェクタの出口ポートから、前記第１のインジェクタの入口ポートまで流れるように構成されることを特徴とする請求項２０に記載のＣＶＤシステム。
  23. 前記チャンバ内に配置された請求項１４に記載の２つの第２のガスインジェクタをさらに備え、第２のガスはそれぞれ、長手方向のチャンバ壁の内部に沿って構成され、前記複数の出口ポートが、ガス流を前記側壁から前記チャンバの前記中心に向かって方向付けるように配置されることを特徴とする請求項２０に記載のＣＶＤシステム。
  24. １つまたは複数の黒体プレートをさらに備え、前記ＣＶＤチャンバの外部の加熱要素から前記２つの第２のガスインジェクタへの熱伝達を高めることを特徴とする請求項２３に記載のＣＶＤシステム。
  25. 前記第１のガス、前記第２のガスおよび前記第３のガスが、ＣＶＤプロセスのための前駆体ガスおよびパージガスを含むことを特徴とする請求項２１に記載のＣＶＤシステム。
  26. ガスをＣＶＤ（化学気相成長）チャンバに注入するための方法であって、
    ガスをセグメント化された流路に沿って、ガス入口ポートから１つまたは複数のガス出口ポートまで運ぶステップであって、各セグメントは、ガスの流動時間を、そのように構成されていない、かつ大きさを決められていないセグメントに比べて増加させるように構成される、または大きさを決められるステップと、
    前記１つまたは複数のセグメントを、前記ガスがそれを通して運ばれるときに加熱するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  27. 少なくとも１つの選択されたセグメントは、より大きい断面の大きさ、およびより小さいガスの流速における増加したガスの流動時間を伴うガスの流路を提供し、その内部を流れるガスは、前記チャンバ内でのＩＩＩ族窒化物半導体の成長のための窒素前駆体を含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
  28. 少なくとも１つの他のセグメントは、先端部から、前記セグメントが前記チャンバに通じる基部に向かって大きくなる断面の大きさを有し、その中を流れるガスは、前記チャンバ内でのＩＩＩ族窒化物半導体の成長のためのＩＩＩ族金属前駆体を含むことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
  29. 前記チャンバは、成長面を有するサセプタを内部に含み、ＩＩＩ族金属前駆体および窒素前駆体のガスは加熱され、ＩＩＩ族窒化物半導体がその上で成長するための前記サセプタの成長面に向かって方向付けられることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
  30. 前記ガスは、およそ９３０℃より高い温度で反応し、前記サセプタの成長面上でのＩＩＩ族窒化物半導体の成長を容易にすると同時に、望ましくない前駆体複合物の形成を最小限に抑えることを特徴とする請求項２９に記載の方法。
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