JP2014500626A - トレイデバイスおよび結晶膜成長装置 - Google Patents

トレイデバイスおよび結晶膜成長装置 Download PDF

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Abstract

処理される基板を保持するためのトレイデバイスが、縦方向に積重ねられた複数のトレイを含み、隣接するトレイ間に一定の距離を有する。プロセスチャンバー、プロセスガス送出システムおよび排気システムを備える結晶膜成長装置もまた設けられ、プロセスチャンバー内に、プロセス中に基板を保持するための上述したトレイデバイスが設けられる。
【選択図】図３

Description

本発明は、結晶膜成長の分野に属し、特に、トレイデバイスおよびトレイデバイスを使用する結晶膜成長装置に関する。
現在のところ、技術が進歩するにつれて、化学蒸着（chemical vapor deposition）（ＣＶＤ）技術、特に、蒸着膜内の成分の容易な制御、均一かつ高密度の蒸着膜、良好な付着等の利点を有する金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）がより広く使用されてきたため、ＭＯＣＶＤ技術が、産業界において主要な蒸着技術になりつつある。いわゆるＭＯＣＶＤ技術は、ソースとして金属有機化合物（ＭＯ）を使用する化学気相成長技術を指し、その原理は、気相において薄膜を成長させるために、有機金属未処理材料ガス、水素化ガスまたはハロゲン化物ガスを熱分解にさらすことである。実際のプロセスでは、上述したＣＶＤ反応を実施する装置はＣＶＤ装置と呼ばれ、上述したＣＶＤ反応を実施するためにＭＯガスを使用する装置はＭＯＣＶＤ装置と呼ばれる。
一般に、反応によって成長する結晶膜内に、化合物半導体、例えばＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ，ＧａＮ，ＡｌＮ，ＳｉＣ等が存在する。ＧａＮは、その広いバンドギャップのために青色光を放出する結晶材料として大きな注目を集めている。したがって、ＧａＮを使用する発光ダイオード（ＬＥＤ）市場は急速に発展している。
現在のところ、ＬＥＤ市場を連続して広げるために、製造コストにより多くの注意を払うことが必要である。また、ＬＥＤを製造するためのプロセス中に、結晶膜を成長させる手順(procedure)は重要なステップである。そのため、ＧａＮを成長させるために使用されるＭＯＣＶＤ装置の生産能力は、性能の重要な指標になる。本明細書では、いわゆる生産能力は、単位時間当たりに成長し得る基板の数または各パッチ(patch)で処理される基板の数を指す。
一般に、市販のＭＯＣＶＤ装置は、大きな回転可能トレイおよび大きな回転可能トレイ（基板を保持するプラットフォームとも呼ばれる）の同心円上に設けられた幾つかの小さなトレイを含み、全ての小さなトレイは、その回転軸上で回転し得、トレイ上で基板を保持する。したがって、全ての小さなトレイ上で保持される基板の数と小さなトレイの数とを組合せることによって、複数の基板が、毎回まとめて処理され得る。例えば、図１は、回転(rotation)と公転（revolution）とを組合せる、従来技術におけるこうしたＭＯＣＶＤ装置のプロセスチャンバーの断面図を示す。
図１に示すように、ＭＯＣＶＤ装置は、プロセスチャンバー１１７および加熱チャンバー１１６を含む。回転可能な小さなトレイ１０１および公転可能な大きなトレイ１０２は、プロセスチャンバー１１７内に設けられ、基板を保持する小さなトレイ１０１は、公転可能な大きなトレイ１０２上に設置されるため、回転機構１１２によって、基板は、一方で小さなトレイ１０１に関して回転し、他方で大きなトレイ１０２に関して公転する。誘導加熱コイル１０３が加熱チャンバー１１６内に設けられて、小さなトレイ１０１、大きなトレイ１０２および小さなトレイ１０１によって保持される基板が、プロセスチャンバー１１７内で加熱される。この実施形態では、誘導加熱のために使用される周波数は、８ｋＨｚとすることができる。
図１に示すＭＯＣＶＤ装置において回転し公転するための回転機構１１２の構造は、複雑であり、装置の製造、運転およびメンテナンスに不都合をもたらす。上記装置の複雑な構造を回避するために、当業者は、「薄膜製造装置（Thin film manufacturing device）」という名称の特願２００９−１０２７９号に開示されるように、トレイに公転だけさせる結晶膜成長装置を設計した。１つのトレイがＭＯＣＶＤ装置のプロセスチャンバー内に設けられ、複数の基板がトレイ上に設置され、トレイおよびトレイによって保持される基板が、回転する代わりに公転するだけであり、ガス流の方向を制御することによって、ＧａＮが基板上に均一に成長する。
特許文献１に開示されるＭＯＣＶＤ装置の構造は比較的単純であるが、実際の適用では、プロセスチャンバー内に１つだけのトレイが存在するため、各処理を実現する能力は低い。この場合、トレイ上により多くの基板を設置することによって生産能力を増加させるため、トレイの保持エリアを拡張すること（すなわち、トレイの面積を拡張すること）が必要である。しかし、トレイの面積を拡張することは、常に、トレイの熱消散の増加をもたらすことになり、熱の保存および増加する電力消費についてコストの増加をもたらすことになる。さらに、大きなトレイを製造するときに、大きなトレイに対処するために、多くの等方性グラファイトおよびＳｉＣ等のはるかに多くの塗布(painting)だけでなく、プロセスチャンバーの体積の増加を必要とするため、システムを製造し、運転し、維持するためのコストが、相応して増加することになる。
特願２００９−１０２７９号
上記を考慮して、比較的低コストの基板を保持するための、また、はるかに多くの処理される基板を保持することが可能なデバイスを提供する方法（すなわち、低コストでＭＯＣＶＤのための生産能力を増加させる方法）が、現在のところ解決されるべき問題になる。
上記の技術的問題を解決するため、本発明は、各プロセス中に処理される基板の数を低コストで増加させ、それにより生産性を上げ得る、トレイデバイスおよびトレイデバイスを含む結晶膜成長装置を提供する。
上記を考慮して、本発明は、処理される基板を保持するトレイデバイスを提供し、トレイデバイスは、縦方向に積重ねられた複数のトレイを含み、２つの隣接するトレイ間に一定の距離が存在する。
該トレイデバイスにおいて、積重ねられた前記複数のトレイの間で、第１の凸部分が、最下の層のトレイを除く前記トレイのそれぞれの背面上に配置され、前記第１の凸部分に嵌合する第２の凹部分が、その背面上に前記第１の凸部分が配置される前記トレイに面するトレイの前面上に配置されること、および、積重ねられた前記複数のトレイの間で、第１の凹部分が、前記最下のトレイを除く前記トレイのそれぞれの背面上に配置され、前記第１の凹部分に嵌合する第２の凸部分は、その背面上に前記第１の凸部分が配置される前記トレイに面するトレイの前面上に配置されること、またはこれらのいずれかのことが行われ、前記隣接するトレイは、前記第１の凸部分と前記第２の凹部分との間の嵌合および前記第２の凸部分と前記第１の凹部分との間の嵌合によって、該隣接するトレイ間に一定の距離がある状態で重ねられる（以下、複数の事柄の全てまたはそれらの少なくとも１つを示すときには「および／または」とも記載される）。
該トレイデバイスにおいて、前記トレイの数が少なくとも４であるとき、最上の層のトレイおよび前記最下の層のトレイは、基板を保持しないフォイルトレイ(foil tray)として働く。
該トレイデバイスにおいて、前記トレイの材料は、グラファイト、モリブデン、モリブデン合金を含む。前記トレイは、グラファイトから作られるとき、その表面は、ＳｉＣでコーティングされる。
該トレイデバイスにおいて、保持され得る基板の材料は、サファイア，Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＧａＮ，ＳｉＣ，ＺｎＯまたはＳｉを含む。
本発明によって提供されるトレイデバイスは、トレイホルダーを更に含み、各トレイは、固定式接続部品によって前記トレイホルダーに固定され、２つの隣接するトレイ間に一定の距離が存在する。
上記トレイデバイスにおいて、トレイはリング状であり、トレイホルダーは、トレイが積重ねられる方向に沿って複数の積重ねられたトレイの中空部分を通して貫通する。
本発明によって提供されるトレイデバイスにおいて、同期回転運動または独立回転運動を行うように各トレイを駆動するための回転機構を更に含む。
別の技術的解決策として、本発明は、プロセスチャンバー、プロセスガス送出システムおよび排気システムを含む結晶膜成長装置であって、本発明によって提供されるトレイデバイスが、前記プロセス中に基板を保持するために前記プロセスチャンバー内に配置される結晶膜成長装置を更に提供する。
該結晶膜成長装置において、前記プロセスガス送出システムは前記プロセスチャンバーの前記縁部分に配置され、前記プロセスガス送出システムは、プロセスガス入口およびプロセスガス出口を含み、前記プロセスガス入口は、前記プロセスチャンバーの外側から前記プロセスガス送出システム内に前記プロセスガスを導入し、前記プロセスガス送出システム内の前記プロセスガスは、前記プロセスガス出口を介して前記プロセスチャンバーに入り、前記トレイデバイスによって保持される各基板に達する。
該結晶膜成長装置において、前記トレイはリング状であり、前記プロセスガス送出システムは、前記トレイが積重ねられる方向に沿って前記積重ねられたトレイの中空部分を通して貫通し、前記プロセスガス送出システムは、プロセスガス入口およびプロセスガス出口を含み、前記プロセスガス入口は、前記プロセスチャンバーの外側から前記プロセスガス送出システム内に前記プロセスガスを導入し、前記プロセスガス送出システム内の前記プロセスガスは、前記プロセスガス出口を介して前記プロセスチャンバーに入り、前記トレイデバイスによって保持される各基板に達する。
該結晶膜成長装置において、各トレイに対応するプロセスガス出口が、前記プロセスガスが各トレイに直接出力されるように、前記プロセスガス送出システム上に配置される。
該結晶膜成長装置において、前記プロセスガスを冷却するための水冷チューブが、同様に前記プロセスガス送出システム内に配置される。
該結晶膜成長装置において、前記プロセスガス送出システム内に、プロセスガス補償通路が、前記プロセスガスの輸送を補助するために更に配置される。
該結晶膜成長装置において、前記プロセスガス送出システム内に、ガス誘導デバイスおよび複数のプロセスガス送出チューブが配置され、前記ガス誘導デバイスは、複数のフィンを含み、前記複数のフィンは、前記トレイが積重ねられる方向に沿って上から下へ順次配置される。
該結晶膜成長装置において、前記プロセスガス送出チューブが通過するために使用される貫通穴が、前記フィン上に配置され、
各プロセスガス送出チューブについて、前記プロセスガス送出チューブが通過するために使用される貫通穴は、前記出口の下の前記フィン上に配置されるだけであり、
前記複数のプロセスガス送出チューブは、各貫通穴を通過して、前記トレイが積重ねられる方向に沿って延在し、各プロセスガス送出チューブから流出する前記プロセスガスは、前記出口の上のフィンに衝突して、流れ方向が変化し、最終的に、対応する前記トレイの表面に達する。
該結晶膜成長装置において、前記フィンの数は前記トレイの数と同じである。
該結晶膜成長装置において、冷却手段が、前記プロセスガス送出システム内に配置され、前記冷却手段は、水冷アウターチューブ(water-cooled outer tube)および該水冷アウターチューブの内部に配置された水冷インナーチューブ(water-cooled inner tube)を含み、冷却流体が、前記水冷インナーチューブを介して前記冷却手段に入り、前記水冷アウターチューブ上に設けられた出口を介して放出される。
該結晶膜成長装置において、前記複数のフィンは、前記水冷アウターチューブの前記外壁上に配置される。
上記トレイデバイスにおいて、水冷インナーチューブは非磁性金属で作られる。
本発明によって提供される結晶膜成長装置は、プロセス中に生成される生成物が、プロセスチャンバー壁またはプロセスチャンバーの内部の幾つかのコンポーネント上に蒸着することを防止するためのパージガス入口を更に含む。
本発明によって提供される結晶膜成長装置は、雰囲気を遮断するためにチャンバー内壁およびチャンバー外壁を更に含み、前記チャンバー内壁は、前記プロセスチャンバーおよび前記チャンバー外壁によって囲まれたキャビティ部分を形成するように周囲を囲み、前記チャンバー内壁は、パージガス通路を形成する。
本発明によって提供される結晶膜成長装置は、プロセスチャンバーの内部でトレイデバイスおよびトレイデバイスによって保持される基板を誘導加熱するための誘導加熱器を更に含む。
本発明によって提供される結晶膜成長装置は、前記プロセスガス送出システムおよび／または前記誘導加熱器に対して回転するよう前記トレイデバイスを駆動するための回転機構を更に含む。
該結晶膜成長装置において、前記回転機構は、前記トレイデバイスに接続され、前記回転機構の回転軸の周りに回転するよう前記トレイデバイスを駆動して、各トレイ上の異なる位置の温度および／または空気流を均一にする、および／または、
前記回転機構は、前記プロセスガス送出システムに接続され、前記回転機構の回転軸の周りに回転するよう前記プロセスガス送出システムを駆動して、各トレイ上の異なる位置の温度および／または空気流を均一にする、および／または、
前記回転機構は、前記誘導加熱器に接続され、前記回転機構の回転軸の周りに回転するよう前記誘導加熱器を駆動して、各トレイ上の異なる位置の温度および／または空気流を均一にする。
該結晶膜成長装置において、前記排気システムは、１ｍ／秒（ｓ）以上でかつ３０ｍ／秒（ｓ）以下の速度で前記プロセスチャンバーからガスを圧送するためのポンピング機構を含む。
本発明によって提供される結晶膜成長装置は、前記プロセスチャンバーと前記排気システムとの間に配置され、幾つかの貫通穴を介して前記プロセスチャンバーに連通するフィルターチャンバーを更に含む。
該結晶膜成長装置において、前記フィルターチャンバーは、複数の積重ねられたフィルターベースプレートを含み、各フィルターベースプレートは、多孔質材料で作られ、該フィルターベースプレート上に、複数の貫通穴が設けられる。
該結晶膜成長装置において、前記フィルターベースプレートは、グラファイトで作られ、前記フィルターベースプレートの表面は、ＳｉＣでコーティングされ、隣接するフィルターベースプレート上の貫通穴は、互いに変位する。
本発明は、以下の有利な効果を有する。
本発明によって提供されるトレイデバイスは複数の積重ねられたトレイを含み、各トレイは、処理される基板を保持するために使用されるため、同じサイズの既存のトレイと比較して、本発明によって提供されるトレイデバイスは、より多くの基板を保持し、したがって、プロセス装置の生産性を効果的に増加させ得る。さらに、本発明によって提供されるトレイデバイスは、トレイのサイズを増加させることなく装置の生産性を増加させるために使用されるため、プロセス中のプロセス装置内の空気流場および温度場を効果的に制御することが有利であり、したがって、プロセス結果の安定性および均一性を保証する。さらに、本発明によって提供されるトレイデバイスは、実際の処理を実施するために使用されると、プロセスガスが、全てのトレイの基板に同時に接触し、基板上に所望の結晶膜を形成し、それにより、プロセスガスの利用を効果的に増加させ、装置の運転コストを低減し得る。
本発明の１つの好ましい実施形態では、トレイデバイスがアクセサリトレイを備えるため、したがって、処理される基板がその上に設置されたトレイの温度が、アクセサリトレイによる自分自身の熱放射によって生じる熱消散のせいで減少することを防止することが可能であり、それにより、トレイデバイス全体の熱保持パワーが達成され、また、処理される基板が配置される位置の温度場が均一であることが保証され、それにより、プロセス結果の安定性および均一性が保証される。
同様に、本発明によって提供される結晶膜成長装置は、本発明によって提供されるトレイデバイスを含むため、プロセスの安定性および均一性を保証しながら、より多くの処理される基板を同時に保持し得、そのことが、より高い生産性をもたらすだけでなく、プロセスガスの利用を効果的に増加させ、したがって、生産コストを低減し得る。
本発明の１つの好ましい実施形態では、結晶膜成長装置がフィルターチャンバーを含むため、プロセスチャンバーからの未反応プロセスガスを、フィルターチャンバー内の結晶内で成長するように消費し得、そのことが、粒子汚染を回避し製品品質を改善するだけでなく、未反応プロセスガスが、排気システムに達して排気システムを汚染することを防止し、それにより、装置についてのメンテナンスコストおよびメンテナンス時間を低減し得る。
従来技術のＭＯＣＶＤ装置のプロセスチャンバーの断面図である。 本発明の一実施形態によるトレイデバイスの構造の略図である。 本発明の第１の実施形態で提供される結晶膜成長装置の主要な構造の略断面図である。 本発明の第２の実施形態で提供される結晶膜成長装置の主要な構造の略断面図である。 図４に示す結晶膜成長装置に適用可能な別のプロセスガス送出システムの略断面図である。 図５に示すプロセスガス送出システム内の冷却デバイスの構造の略断面図である。
本発明の技術的解決策を、当業者により容易に理解させるため、本発明によって提供されるトレイデバイスおよび結晶膜成長装置が、図および特定の実施形態に関連して考えられて、以下で詳細に述べられる。図全体を通して、同様の部品または同等の部品は、同様の数字でラベル付けされる。
図２は、本発明の一実施形態によって提供されるトレイデバイスの構造の略図である。この実施形態では、トレイデバイスは、互いに平行であり、縦方向に下から上へ順次積重ねられる４つのリング状トレイ７４〜７１を含み、回転接続機構７５は、リング状トレイ７４〜７１の中空部分を通して下から上へ順次貫通し、接続部品によってトレイ７４〜７１のそれぞれを回転接続機構７５に固定する。基板等の処理されるピースがトレイ７１〜７４上に設置され得、プロセスガスが通過し得るように、２つの隣接するトレイ間に或る距離が存在する。通常、その距離は、０．５ｃｍ〜８ｃｍ、好ましくは１ｃｍ〜３ｃｍであるようにセットされ得る。
この実施形態では、回転接続機構７５は、各トレイと各トレイ上の基板に、同期した（全体的な）回転運動を実施させ得るか、または、各トレイに、各トレイ上の基板とともに独立した回転運動をさせ得るため、各トレイ上の異なる位置の基板が均一に加熱され、および／または、プロセスガスの空気流場が均一になり、最終的に、各基板の処理結果が均一になり、それにより、製品歩留まりが改善される。
トレイの材料について、例えば、グラファイト、モリブデン、モリブデン合金等のような高温において安定でかつ化学的に安定な材料が使用され得る。グラファイトがトレイの材料として使用されるとき、トレイの表面上にＳｉＣ層をコーティングすることが好ましい。さらに、本発明によって提供されるトレイは、対応する結晶膜成長プロセスを受けさせられる、サファイア，Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＧａＮ，ＳｉＣ，ＺｎＯ，Ｓｉ等のような基板を保持するために使用され得る。
上述した図および実施形態のそれぞれでは、リング状トレイは、本発明によって提供されるトレイデバイスの構造を示すための例として考えられることが留意されるべきである。しかし、本発明は、それに限定されず、当業者は、トレイの形状に対して変形または変更を為し得、これらの変形または変更は、本発明の保護範囲内にあるとみなされるべきである。さらに、本発明のトレイデバイス内のトレイの数は、先の実施形態で述べた４つに必ずしも限定されるのではなく、ｎ（ｎは２以上の整数である）とし得る。
本実施形態では、４つのトレイ７１〜７４は、回転接続機構７５によって全体に接続され固定されるが、実際の適用では、トレイのそれぞれは、以下の方法でも接続され固定され得ることが更に留意されるべきである。以下の方法とは、第１の凸部分は、トレイの背面上に設けられ、第１の凸部分に嵌合する第２の凹部分は、隣接するトレイの前面上に相応して設けられ、２つのトレイは、第１の凸部分と第２の凹部分との間の嵌合によって、２つのトレイ間に一定の距離がある状態で重ねられる、および／または、第１の凹部分は、トレイの背面上に配置され、第１の凹部分に嵌合する第２の凸部分は、隣接するトレイの前面上に相応して設けられ、２つのトレイは、第２の凸部分と第１の凹部分との間の嵌合によって、２つのトレイ間に一定の距離がある状態で重ねられることである。代替として、各トレイを固定するためのトレイホルダーをトレイデバイス内に設けることができ、各トレイは、固定式接続部品によってトレイホルダーに固定され、２つの隣接するトレイ間に一定の距離が存在する。トレイがリング状構造であるとき、トレイホルダーは、トレイが積重ねられる方向に沿って積重ねられたトレイの中空部分を通して貫通する。もちろん、トレイホルダーはまた、トレイの縁にセットされ得る。実際には、トレイが全体に接続され固定され、また、プロセスガス流通路が２つの隣接するトレイ間に残ることを保証し得る全ての方法が使用され得る。
要約すると、本発明は、複数の積重ねられたトレイであって、複数のトレイの２つの隣接するトレイ間に一定の距離が存在する、複数の積重ねられたトレイを含むトレイデバイスを提供することである。したがって、一般的に使用される現行の同じサイズのトレイと比較して、本発明によって提供されるトレイデバイスは、より多くの処理される基板を保持でき、そのことが、プロセスガスの効果的な利用を増加させながら、装置の生産性を効果的に増加させ得る。例えば、従来技術のトレイが、ｍ個の処理される基板を同時に保持し得、一方、本発明によって提供されるトレイデバイスが、既存のトレイと同じサイズを有しかつ積重ねられるｎ個のトレイを備えると仮定すると、本発明によって提供されるトレイデバイスは、最大ｍ×ｎ個の基板（既存のトレイによって保持される基板の数のｎ倍）を保持し得る。ここで、ｍおよびｎは２以上の整数である。そのため、本発明によって提供されるトレイデバイスに関して、単一プロセスの生産性は、同じサイズの既存のトレイの生産性のｎ倍になるように増加し得る。
さらに、本発明によって提供されるトレイデバイスは、トレイのサイズを増加させることなく、生産性要件を満たすことができ、したがって、理想的なプロセス効果が得られ得るように、空気流場および温度場について安定性および均一性の効果的な制御を達成するプロセス装置に寄与する。さらに、好ましい実施形態では、本発明のトレイデバイスは、プロセス結果の均一性を効果的に改善するために、同期回転運動または独立回転運動を実施するようにトレイを駆動するための回転機構を更に備える。
さらに、別の実施形態では、本発明はまた、プロセスチャンバー、プロセスガス送出システムおよび排気システムを含む結晶膜成長装置を提供し、本発明によって提供される、処理される基板を保持するための上述したトレイデバイスは、プロセスチャンバー内に配置される。トレイデバイスは、プロセスチャンバー内に縦方向に配設される。すなわち、トレイデバイス内の各トレイは、プロセスチャンバー内で縦方向に沿って下から上へ順次配設される。さらに、本発明では、排気システムは、プロセスチャンバーに接続する排気ポート、および、排気ポートに接続する空気ポンプ等のポンピング機構を含み得る。
以下では、本発明によって提供される結晶膜成長装置は、ＭＯＣＶＤ装置を例として考え、また、図３および図４に関連して詳細に述べられる。
図３は、本発明の第１の実施形態によって提供される結晶膜成長装置の主要な構造の略断面図である。図３に示すように、本実施形態によって提供される結晶膜成長装置は、チャンバー壁２０６を含み、チャンバー壁２０６は、プロセスチャンバー２０１を形成するように周囲を囲み、基板２０３を保持するためのトレイデバイスはプロセスチャンバー２０１内に配設され、チャンバーの排気ポート２０８は、チャンバー壁２０６の上部の実質的に中心位置に配設され、パージガス入口２０９はチャンバー壁２０６の底部に配置され、プロセスガス送出システム２０４は、プロセスチャンバー２０１内で実質的に中心位置に縦方向に沿って配置される。
結晶膜成長装置内で、プロセスチャンバー２０１内に配置されたトレイデバイスは、縦方向に下から上へ順次設けられた４つのトレイＳ２１〜Ｓ２４を含む。４つのトレイＳ２１〜Ｓ２４は全て、リング状であり、各リング状トレイの本体部分は、基板２０３等の処理されるワークピース（workpieces）を保持するために使用され、中空部分を形成するように周囲を囲む。
プロセスガス送出システム２０４は、各トレイの中空部分を通して下から上へ貫通する。プロセスガス送出システム２０４は、その底部にプロセスガス入口２０５を備え、プロセスガス出口２０７は、トレイＳ２２とトレイＳ２３との間のギャップおよびトレイＳ２３とトレイＳ２４との間のギャップに対応して配置されて、トレイＳ２２およびＳ２３の上面上に保持された基板２０３にプロセスガスを送出する。
実際の適用では、プロセスガス送出システム２０４がプロセスチャンバー２０１にプロセスガスを送出する方向は、上記プロセスガス出口２０７が配置される方向を調整することによって制御され得る。例えば、プロセスガス出口２０７は、プロセスガス輸送方向に沿って上から下へ傾斜するように配置され得るため、プロセスガスは、プロセスガス送出システム２０４から上から下へ傾斜して、トレイデバイスに出力され得る。代替として、プロセスガス出口２０７は、プロセスガス輸送方向に沿って上から下へ傾斜するように配置され得るため、プロセスガスは、プロセスガス送出システム２０４から下から上へ傾斜して、トレイデバイスに出力され得る。代替として、プロセスガス出口２０７は、実質的に水平な方向に沿って配置され得るため、プロセスガスは、実質的に水平な方向に沿ってプロセスガス送出システム２０４からトレイデバイスに吹き付けられ得る。
さらに、プロセスチャンバー２０１内のプロセスガスが、トレイデバイスとプロセスガス送出システム２０４との間のギャップを介して排気ポート２０８に直接達し、プロセスチャンバー２０１から排気されることを防止するために、一番上のトレイＳ２４の中空部分を閉鎖するために、閉鎖キャップ２１０が、最上のトレイＳ２４上に設けられる。
チャンバー壁２０６を囲む誘導加熱コイル２０２が、チャンバー壁２０６の側壁の外側に配置されるため、４つのトレイＳ２１〜Ｓ２４は、誘導加熱によって加熱されて、処理される基板２０３を、プロセスが要求する温度にし得る。通常、トレイデバイスの最下のトレイＳ２１の位置および最上のトレイＳ２４の位置の熱は、容易に消散するため、均一な温度場を保証するために、上端および下端の誘導加熱コイル２０２は、トレイにより近接しているように配設され、したがって、最下のトレイＳ２１および最上のトレイＳ２４により多くの熱を提供する。もちろん、実際の適用では、誘導加熱コイル２０２は、実際のプロセス要件に従ってセットし得、必ずしも本実施形態に述べる形態に限定されない。
さらに、本実施形態の結晶膜成長装置では、トレイデバイス上の異なる位置の基板を、均一に加熱させ、かつ、均一のプロセスガスを受けさせるために、プロセスガス送出システム２０４の周りで回転するように互いの上に重ねられた多層トレイを駆動するために回転機構が設けられ、それにより、ワークピース処理の均一性が改善させる。実際には、トレイデバイスを静止状態して、各トレイ上の異なる位置の温度および／または空気流を均一にするために、回転機構をプロセスガス送出システム２０４に接続し、プロセスガス送出システム２０４をその回転軸の周りに回転するよう駆動すること、および／または、各トレイ上の異なる位置の温度および／または空気流を均一にするために、回転機構を誘導加熱コイル２０２に接続し、誘導加熱コイル２０２を、その回転軸の周りに回転するよう駆動することも可能である。
処理される基板２０３を均一の温度場および均一の空気流場内に更に維持するために、実際の適用では、基板２０３は、トレイＳ２２およびＳ２３の上面だけに設置され得、トレイデバイス全体の熱喪失が、最下のトレイＳ２１および最上のトレイＳ２４によって阻止され得、中間トレイＳ２２およびＳ２３についての温度が維持され、したがって、トレイＳ２２およびＳ２３並びにトレイＳ２２およびＳ２３によって保持される基板が配置される位置の温度場が均一であることを保証する。
実際のプロセスでは、パージガスが、パージガス入口２０９を介してプロセスチャンバー２０１に入り、チャンバー壁２０６、トレイデバイスおよびトレイデバイスによって保持される基板２０３をパージし清浄にし、その後、排気ポート２０８を介してプロセスチャンバー２０１から排気される。その後、プロセスガスが、プロセスガス入口２０５を介してプロセスガス送出システム２０４に入り、プロセスガス送出システム２０４上のプロセスガス出口２０７を介してトレイＳ２２とトレイＳ２３との間のギャップおよびトレイＳ２３とトレイＳ２４との間のギャップに入り、トレイＳ２２およびトレイＳ２３上の、処理される基板２０３の表面上で気相成長を実施して、結晶膜を形成する。その後、未反応プロセスガスは、トレイデバイスとチャンバー壁２０６との間のギャップを介して排気ポート２０８に達し、したがって、プロセスチャンバー２０１から排気される。
トレイデバイス内のトレイの数が４個以上である限り、最上のトレイおよび最下のトレイは、必ずしも基板を保持しない場合があり、トレイデバイス全体の熱喪失を阻止するためのアクセサリトレイとして特にセットされて、２つのアクセサリトレイ間の各トレイおよび各トレイによって保持される基板が配置される温度場が均一になるように、２つのアクセサリトレイ間の各トレイについての温度を維持し得ることが理解されるべきである。
図４は、本発明の第２の実施形態による結晶膜成長装置の主要な構造の略断面図である。図４に示すように、本実施形態において提供される結晶膜成長装置は、雰囲気を遮断するためのチャンバー外壁３２１、チャンバー内壁３１７およびチャンバー内壁３１７の包囲によって形成されるプロセスチャンバー３０１を含む。本実施形態では、チャンバー外壁３２１は石英で作られ、チャンバー内壁３１７はグラファイトで作られ、その表面はＳｉＣでコーティングされ、また実際の適用では石英でも作られる。
処理される基板３０２を保持するためのトレイデバイスは、プロセスチャンバー３０１の内部に配置され、プロセスガス送出システム３１０は、トレイデバイスを通して下から上へ貫通して、トレイデバイスによって保持される、処理される基板３０２にプロセスガスを送出する。プロセスチャンバー３０１は、上部分にフィルターチャンバー３１８を備え、チャンバー排気ポート３２２は、フィルターチャンバー３１８の上部分内の実質的に中心の位置に配置されるため、パージガスおよび未反応プロセスガスは、排気ポート３２２を介して外に排気されることになる。
誘導加熱コイル３０４は、チャンバー外壁３２１を囲み、プロセスチャンバー３０１の内部のトレイデバイスを誘導加熱によって加熱して、トレイデバイスによって保持されて処理される基板２３０を所望の温度にするように配置される。図３に関連して行われた前述の説明と同様に、トレイデバイスを均一な温度場に維持するために、誘導加熱コイル３０４のうち、中間誘導加熱コイル３０４間の距離は、実質的に同じになるようにセットされ、端部の誘導加熱コイル３０４間の距離は、中間誘導加熱コイル間の距離より小さくなるようにセットされて、温度均一性を達成する。
接続フランジ３１５は、結晶膜成長装置全体がプロセス内の所望の位置に固定されるように、プロセスチャンバー３０１の底部上に配置される。封止部品３１６はまた、接続フランジ３１５とプロセスチャンバー３０１との間に配置される。具体的には、封止部材部品３１６の底面は、接続フランジ３１５に付着し、封止部材部品３１６の上面は、チャンバー外壁３２１およびチャンバー内壁３１７の底部端に付着するため、プロセスチャンバー３０１は、封止されて、プロセスチャンバー３０１内のプロセス環境を保証する。
本実施形態では、プロセスチャンバー３０１内に配設されたトレイデバイスは、縦方向に沿って下から上へ順次配設された１１個のトレイＳ３１〜Ｓ４１を含む。各トレイは、リング状であり、リング状トレイの本体部分は、基板等の処理されるワークピースを保持するために使用され、リング状トレイの本体部分は、中空部分を形成するように周囲を囲む。各トレイは、グラファイトで作られ、その表面は、ＳｉＣでコーティングされる。１１個のトレイＳ３１〜Ｓ４１のうち、最下のトレイＳ３１を除いて、他のトレイＳ３２〜Ｓ４１のそれぞれの底面上に、凸部分が、中空部分の近くに配設され、最上のトレイＳ４１を除いて、他のトレイＳ３１〜Ｓ４０のそれぞれの上面上に、上記凸部分に嵌合する凹部分が、凸部分に対応して配置され、２つの隣接するトレイの間の固定接続は、凸部分を、対応する凹部分内に嵌め込むことによって達成される。同時に、凸部分が、対応する凹部分内に嵌め込まれて、２つの隣接するトレイ間に固定接続が達成されると、２つの隣接するトレイ間に一定の距離、例えば０．５ｃｍ〜８ｃｍが残ることが保証される。
上記凸部分は、中空部分を囲む閉鎖したリング状凸部分であり得る。したがって、凹部分は、閉鎖したリング状凹部分であり、この場合、プロセスガスを、プロセスガス出口３１１から２つの隣接するトレイ間の部分内に導入するために、リング状凸部分上にプロセスガス送出システム３１０とプロセスチャンバー３０１とを接続する幾つかのプロセスガスガイド溝３０３を配置することが必要である。
実際の適用では、凸部分は、先の実施形態で述べた閉鎖したリング状形態に限定されるのではなく、次のようにもセットされ得る、すなわち、凸部分は、幾つかの離散的なセグメントになるよう設けられ、したがって、凹部分もまた、幾つかの離散的なセグメントになるよう設けられ得ることが理解されるべきである。この場合、凸部分上にプロセスガスガイド溝を配置することは必要でなく、プロセスガスは、２つの隣接する凸部分間のギャップによって２つの隣接するトレイ間に導入される。もちろん、凸部分が、幾つかの離散的なセグメントになるようセットされると、２つの隣接するトレイ間に固定接続を達成するために凸部分が凹部分内に固定される限り、凹部分が離散的になるようセットされるかどうかについて制限することは必要でない。
図に示すように、基板３０２は、最下のトレイＳ３１と最上のトレイＳ４１との間に配置されたトレイＳ３２〜Ｓ４０の上面上に設置される。最下のトレイＳ３１および最上のトレイＳ４１は、基板を保持するのではなく、アクセサリトレイとして働き、トレイデバイス全体の熱喪失を防止して、温度場の均一性を保証し得る。
本実施形態では、プロセスガス送出システム３１０は、石英で作られ、トレイデバイス全体を通して下から上へ貫通するプロセスガス主チューブ３１３を含み、プロセスガス出口３１１が、トレイＳ３１〜Ｓ４０のそれぞれの上面に対応するプロセスガス主チューブ３１３上に設けられて、プロセスガス送出システム３１０内のプロセスガスを各トレイの表面上に導入する。プロセスガス主チューブ３１３が長いため、上部分上のプロセスガス出口３１１のガス出力は、下部分上のガス出力より常に小さく、そのことにより、プロセスガス主チューブ３１３の輸送能力を補償するためのプロセスガス補償チューブ３１４を配置することが必要となる。したがって、プロセスガス補償チューブ３１４があるため、トレイ間のプロセスガスの均一性が制御され得る。もちろん、実際の適用では、プロセスガス主チューブ３１３の数およびプロセスガス補償チューブ３１４の数は、上述した数に必ずしも限定されるのではなく、要件に基づいて増減し得る。
さらに、輸送中にプロセスガスが熱分解することを防止するために、ステンレス鋼で作られた水冷チューブ３１２が、プロセスガス送出システム３１０内に配置され、プロセスガス主チューブ３１３およびプロセスガス補償チューブ３１４が水冷チューブ３１２に接触し、プロセスガスが、水冷チューブ３１２内の水等の冷却液によって冷却される。
本実施形態では、結晶膜成長装置は、回転するようトレイデバイスを駆動するための回転機構を更に含む。結晶膜成長装置では、回転機構は、上記トレイデバイスを支持する軸受機構３０５およびドライブモーター３０８を含む。軸受機構３０５の軸受３０６およびギア機構３０７は、ドライブモーター３０８を動作させることによって回転するよう駆動され、したがって、トレイデバイス全体が回転するよう駆動される。さらに、回転機構が熱放射によって影響を受けることを防止するために、水冷ケーシング３０９が回転機構上に配置され、回転機構は、水冷ケーシング３０９内の水等の冷却液によって冷却される。
上記トレイデバイス、軸受機構３０５、ギア機構３０７およびプロセスガス送出システム３１０は全て、接続フランジ３１５に固定され、チャンバー外壁３２１およびチャンバー内壁３１７によって形成される空間に対応して、パージガス入口３２０が、接続フランジ３１５上に配置される。パージガス入口３２０は、封止部品３１６を上方に貫通し、チャンバー外壁３２１とチャンバー内壁３１７によって囲まれたパージガス通路に連通して、水素または窒素等のパージガスを、チャンバー外壁３２１とチャンバー内壁３１７によって囲まれたパージガス通路に導入し、パージガス通路をパージし清浄にし、その後、パージガスは、排気ポート３２２を介して結晶膜成長装置の外に排気させられる。
実際の適用では、接続フランジ３１５および可動機構（図には示さず）が接続され、基板３０２をトレイデバイス上に設置するかまたは基板３０２をトレイデバイスから取り出すために、接続フランジ３１５が、下方に移動するよう可動機構によって駆動され、それにより、トレイデバイスがプロセスチャンバー３０１から出るよう下方に取り出される、または、接続フランジ３１５が、上方に移動するよう可動機構によって駆動され、それにより、トレイデバイスが上方にプロセスチャンバー３０１内に移動される。
さらに、本実施形態によって提供される結晶膜成長装置では、フィルターチャンバー３１８が、プロセスチャンバー３０１の上に設けられる。チャンバー内壁３１７の上部部分に嵌め込まれるフランジが、フィルターチャンバー３１８の底縁に配設される。フィルターチャンバー３１８は、多層フィルターベースプレート３２４から作られ、幾つかの貫通穴３１９が、フィルターベースプレート３２４の各層上に設けられる。そのため、プロセスチャンバー３０１内の未反応プロセスガスは、フィルターベースプレート３２４の底部層内の貫通穴３１９を介してフィルターチャンバー３１８内に押しやられて、フィルターチャンバー３１８内で拡散され、フィルターベースプレート３２４上で成長するよう結晶化され得、それにより、未反応プロセスガスが消費され得る。未反応プロセスガスが、フィルターチャンバー３１８内に容易に降下する粒子ではなく、容易に降下しない結晶膜に成長し得るため、粒子によって生じる汚染は、フィルターチャンバー３１８によって低減され得る、または、更にはなくされ得る。同時に、未反応プロセスガスは、フィルターチャンバー３１８内で完全に消費され得るため、排気ポート３２２を含む排気システムに達すること、および、排気システムの内部の生成物に付着することを防止され得、そのことが、汚染による結晶膜成長装置のメンテナンス時間を低減し、したがって、その通常の動作時間を延長し得る。
図４は、３層フィルターベースプレート３２４を示すだけであり、実際の適用では、フィルターベースプレート３２４の層数は、要件に基づいて２以上の任意の整数であるようセットされ得ることが留意されるべきである。フィルターベースプレート３２４の材料について、グラファイト等の多孔質材料を使用することができ、グラファイトで作られたフィルターベースプレート３２４の各層の表面は、ＳｉＣでコーティングされる。さらに、未反応プロセスガスを、十分に拡散させ、成長するように結晶化させるために、隣接する層内の貫通穴３１９を、互いから変位させることが可能であり、それにより、プロセスチャンバー内の未反応プロセスガスは、フィルターベースプレートの下層内の貫通穴３１９を介してフィルターチャンバー３１８に最初に入り、次に、フィルターベースプレートの下層内の貫通穴３１９とフィルターベースプレートの中間層内の貫通穴３１９が互いから変位しているため、未反応プロセスガスは、フィルターベースプレートの中間層に衝突し、その移動方向が変更され、次に、未反応プロセスガスは、フィルターベースプレートの上部層内の貫通穴３１９を介して上方に拡散し続ける等し、ついには、未反応プロセスガスは、排気ポート３２２に達し、排気ポート３２２は、未反応プロセスガスが、完全に消費され得るように、直接貫通穴３１９を介して迅速にフィルターチャンバー３１８を離れることを防止し得る。
実際の適用では、未反応プロセスガスは、以下のようにフィルターチャンバー内で完全に消費され得る。すなわち、誘導加熱コイル３０４が配置される方法が、調整されて、フィルターチャンバー内の温度がプロセスチャンバー内の温度より高くなるように、フィルターチャンバーに、より多くの熱を誘導加熱コイル３０４が提供するようにさせ、そのことが、未反応プロセスガスを、フィルターチャンバー内でより容易に拡散させ、成長するように結晶化させることになり、したがって、未反応プロセスガスが完全に消費され得る。そして、未反応プロセスガスが、排気ポート３２２を含む排気システムに達すること、および、排気システムの内部の生成物に付着することを防止し、それにより、排気システムの汚染を大幅に低減する。
排気ポート３２２がガスポンプ（図には示さず）に接続されると、プロセスチャンバー３０１内のガス流の速度が増加し、隣接するトレイと隣接するトレイ上の基板３０２との間の空気流場が均一になり得ることが指摘されるべきである。この場合、回転機構に、回転するようトレイデバイスを駆動させることは必要なく（または、回転機構はもはや配置されず）、処理される基板３０２の表面上のスタグナント層(stagnant layer;淀み層)の厚さもまた低減され得る。
実際の適用では、例えば、排気容量１００００Ｌ／ｍｉｎを有するガスポンプが使用され得る。この場合、プロセスチャンバー３０１内の排気速度が１ｍ／秒未満である場合、処理される基板３０２の表面上のスタグナント層はより厚くなり、そのことが、スタグナント層に入る基板３０２の上のプロセスガスの拡散速度に影響を及ぼし、プロセスガス間の化学反応によって生成される副産物が基板３０２の表面の上に保持される時間を増加させ、したがって、不純物が、結晶膜内に容易に混合され得る。逆に、プロセスチャンバー３０１内の排気速度が３０ｍ／秒より速い場合、より大きな容量を有するガスポンプを構成することが必要であり、それにより、装置コストおよび電力消費を増加させる。より重要なことには、排気速度が更に増加する場合、有機金属プロセスガスが、結晶膜が成長する前にガスポンプによってプロセスチャンバー３０１からポンプアウトされ、高価なプロセスガスの浪費をもたらす。このために、プロセスチャンバー３０１内の排気速度は、１ｍ／秒以上でかつ３０ｍ／秒以下になるようにセットされ得る、好ましくは、１０ｍ／秒以上でかつ２０ｍ／秒以下になるようにセットされ得る。したがって、公称仕様を有する市販のガスポンプが装置コストを増加させることなく使用され得、また気相内のアクティブな基板の望ましくない成長が回避され、それにより、高品質の結晶膜を得られ得る。同時に、高価な有機金属プロセスガスは、結晶膜の成長を実施する前にポンプアウトされることが回避される。
上記実施形態の変形実施形態として、図５に示すプロセスガス送出システム３１０'はまた、トレイ間のプロセスガスの均一性および流れのよりよい制御のために、図４に示すプロセスガス送出システム３１０の代わりに使用することができる。具体的には、プロセスガス送出システム３１０'は、石英で作ることができるガス拡散チューブ５１０、ガス拡散チューブ５１０上でトレイＳ３１〜Ｓ４０のそれぞれの上面に対応するプロセスガス出口５１１を含み、プロセスガスは、ガス拡散チューブ５１０内で拡散し、ガス拡散チューブ５１０上のプロセスガス出口５１１を介して各トレイの表面に達する。さらに、ガス拡散チューブ５１０内で、トレイが積重ねられる方向に沿って延在する複数のプロセスガス送出チューブが、外部からガス拡散チューブ５１０内の対応する位置にプロセスガスを導入するように配置される。簡単な例示のために、２つのプロセスガス送出チューブ５１３および５１４だけが図５に概略的に示されることが指摘されるべきである。
プロセスガスの流れ方向を誘導するためのガス誘導デバイスもまた、ガス拡散チューブ５１０内に設けられる。図６に示すように、ガス誘導デバイス内で、複数のフィン、すなわち、フィン５０１ａ，５０１ｂ，５０１ｃ，...，５０１ｋ，５０１ｌが、トレイが積重ねられる方向に沿って上から下へ順次配置される。ガス誘導デバイス内で、各フィンは、水平方向に延在し、２つの隣接するフィン間に一定の距離が存在し、その距離は、２つの隣接するトレイ間の距離に適合し得る、または、２つの隣接するプロセスガス出口５１１間の距離に適合し得る。
実際の適用では、フィンの数は、好ましくは、トレイの数と同じであり、それにより、本実施形態では、１２個のトレイＳ３１〜Ｓ４０に対応して、フィンの１２の層が配置され、各層のフィンは、対応するプロセスガス出口５１１の上に配置される。例えば、図５では、最上の層のフィン５０１ａは、ガス拡散チューブ５１０の上部端においてプロセスガス出口５１１の上に相応して設けられる。
さらに、プロセスガス送出チューブが通過するために使用される貫通穴が、フィン上に設けられ得、プロセスガス送出チューブは、フィン上の貫通穴を通過して、トレイが積重ねられる方向に沿ってガス拡散チューブ５１０内に延在し、対応するプロセスガス出口５１１に達して、プロセスガス出口５１１内でプロセスガスを送出する。実際の適用では、フィン上の貫通穴の数および位置は、以下の規則に基づいて決定され得る。すなわち、各プロセスガス送出チューブについて、その出口の下の各フィン上に、プロセスガス送出チューブが通過するために使用される対応する貫通穴が配置され、その出口の上の各フィン上に、貫通穴は全く設けられず、それにより、プロセスガスは、プロセスガス送出チューブの出口から出力されると、出口の上のフィンに衝突して、その輸送方向を変更し、ガス拡散チューブ５１０上の対応するプロセスガス出口５１１に向かって流れて、最終的に、対応するトレイの表面に達することになる。その実施形態では、複数のプロセスガス送出チューブの出口は、異なる高さにセットされる。すなわち、ガス拡散チューブ５１０内の複数のプロセスガス送出チューブは、異なる長さを有し、したがって、ガス拡散チューブ５１０内の各フィン上の貫通穴の数は、下から上へ徐々に減少する。
以降で、フィン上に貫通穴をどのように配置するかが、図５に関連して、また、プロセスガス送出チューブ５１３を例として考えて述べられる。最初に、トレイが積重ねられる方向に沿って下から上へプロセスガス送出チューブ５１３が延在するときの、プロセスガス送出チューブ５１３の出口の位置が、プロセスガス送出チューブ５１３の長さに従って決定され、次に、プロセスガス送出チューブ５１３の出口の下の各フィン上で、プロセスガス送出チューブ５１３が通過するための貫通穴が配置される。出口の上のフィンについて、プロセスガス送出チューブ５１３に対応する貫通穴は全く配置されない。したがって、プロセスガスは、プロセスガス送出チューブ５１３から出力されると、出口の上のフィンに衝突して、ガス流経路１を形成するようにその輸送方向が変化し、対応するプロセスガス出口５１１から流出して、最終的に、対応するトレイの表面に達する。
図５に示すように、プロセスガス送出チューブ５１３および５１４が通過するための貫通穴が配置されるフィンを決定するために上記方法を使用し、決定されたフィン上にこれらの貫通穴を形成した後、プロセスガス送出チューブ５１３は、トレイが積重ねられる方向に沿って下から上へ、対応する貫通穴を通過し、その出口でガス流経路１を形成し得る。同時に、プロセスガス送出チューブ５１４は、トレイが積重ねられる方向に沿って下から上へ、対応する貫通穴を通過し、その出口でガス流経路２を形成し得る。さらに、プロセスガス送出チューブ５１３は、短いため、主にトレイデバイス内の下の方の位置のトレイにガスを供給する。相応して、プロセスガス送出チューブ５１４は、長いため、主にトレイデバイス内の高い方の位置のトレイにガスを供給する。
図５に示さない他のプロセスガス送出チューブについて、関連する貫通穴をどのフィン上に配置するかを決定するために上記方法を使用し、これらのフィン上にこれらの貫通穴を形成することが同様に可能であり、それにより、これらのプロセスガス送出チューブは、トレイが積重ねられる方向に沿って下から上へ、対応する貫通穴を通過して、そのそれぞれの出口まで延在し得る。先に述べたように、プロセスガス送出チューブの出口の上のフィン上に配置された、各プロセスガス送出チューブに対応する貫通穴が全く存在しないため、プロセスガスは、プロセスガス送出チューブの出口から出力されると、出口の上のフィンに衝突して、ガス流経路を形成するようにその輸送方向が変化し、対応するプロセスガス出口５１１から流出して、最終的に、対応するトレイの表面に達する。さらに、全てのプロセスガス送出チューブの出口の位置が、この実施形態では、全て互いに異なるため、各プロセスガス送出チューブは、実際には、対応するトレイに対して、主に、対応するトレイの高さにその位置が対応するプロセスガス出口５１１によってプロセスガスを供給する。したがって、各プロセスガス送出チューブによって送出されるプロセスガスの量を調整することによって、トレイの間のプロセスガスの均一性および輸送能力が制御され得る。換言すれば、本発明によって提供されるプロセスガス送出システムを使用して、トレイの間のプロセスガスの均一性および輸送能力を制御することが容易である。実際の適用では、プロセスガス送出チューブの数は、実際の要件に従って適応的にセットされ得る。好ましくは、プロセスガス送出チューブの数は、トレイの数と同じになるようセットされる。すなわち、各トレイについて、各トレイにガスを供給するための対応するプロセスガス送出チューブが存在する。
本実施形態では、プロセスガスが輸送中に熱分解することを防止するために、プロセスガス送出システム３１０'は、冷却手段を更に含む。冷却手段は、ガス拡散チューブ５１０を貫通するように設けられ、水冷アウターチューブ５２０および水冷インナーチューブ５１２を含む。冷却手段では、水冷アウターチューブ５２０は、トレイが積重ねられる方向に沿ってガス拡散チューブ５１０を貫通し、好ましくは、水冷アウターチューブ５２０およびガス拡散チューブ５１０は、同軸に配置される。水冷インナーチューブ５１２は、水冷アウターチューブ５２０の内部に配置され、ステンレス鋼等の非磁性金属で作られる。冷却水等の冷却液は、水冷インナーチューブ５１２を介して冷却手段に導入され、水冷インナーチューブ５１２の上部端の出口を介して、水冷アウターチューブ５２０と水冷インナーチューブ５１２との間のキャビティに入り、その後、水冷アウターチューブ５２０のドレーンパイプ５１５の接続によって冷却手段から放出される。プロセスガス送出チューブ５１３および５１４等の複数のプロセスガス送出チューブが、トレイが積重ねられる方向に沿って水冷アウターチューブ５２０の外側に沿って延在し、それにより、プロセスガス送出チューブ内のプロセスガスは、冷却液によって所望の温度になるように制御される。好ましくは、プロセスガス送出チューブおよび水冷アウターチューブ５２０の外壁は、プロセスガスを効果的に冷却するために接触させられる。
再び図６を参照すると、本実施形態のガス誘導デバイスは、水冷アウターチューブ５２０、特に、水冷アウターチューブの外壁上に配置され、ガス誘導デバイス内に含まれる複数のフィンは、２つの隣接するフィン間に一定の距離がある状態で、トレイが積重ねられる方向に沿って配置される。プロセスガス送出チューブ５１３および５１４等の複数のプロセスガス送出チューブは、フィン上に配置された貫通穴を上から下へ貫通し、水冷アウターチューブ５２０の外側を囲むように配置されて、プロセスガスを、所定の位置に送出しながら、所望の温度に制御し、したがって、プロセスガスが、輸送中に熱分解することを防止する。
実際の適用では、ガス誘導デバイスがガス拡散チューブ５１０内に配置される方法は、図６に示す方法に限定されず、ガス誘導デバイスをガス拡散チューブ５１０内に配置するために他の方法が使用され得ることが指摘されるべきである。例えば、金属フレームを、ガス拡散チューブ５１０内に配置し得、複数のフィンが、２つの隣接するフィン間に一定の距離がある状態で、トレイが積重ねられる方向に沿って金属フレームに固定される。別の例として、フィンを、水冷アウターチューブ５２０の外壁ではなく、ガス拡散チューブ５１０上に配置し得る。すなわち、複数のフィンが、２つの隣接するフィン間に一定の距離がある状態で、ガス拡散チューブ５１０の内壁上に、トレイが積重ねられる方向に沿って配置され、プロセスガス送出チューブが通過するための上記貫通穴を、各フィン上に配置することができる。さらに、フィンの数は、要件に基づいて適合することができ、上記実施形態で述べたトレイの数と必ずしも同じではない。すなわち、１対１の関係でフィンとプロセスガス出口とを配置する必要はない。
図５および図６に示すプロセスガス送出システムは、各プロセスガス送出チューブおよび各プロセスガス出口を介して各トレイに送出されるプロセスガス流を制御し、次に、各トレイに達するプロセスガスの均一性および輸送能力を制御するために使用され、したがって、各トレイに達するプロセスガスの不均一性等の因子によって引起される不均一な結晶膜の品質および厚さの可能性を低減し得る、または、更にはなくし得ることが理解されるべきである。さらに、図５および図６に示すプロセスガス送出システムはまた、その輸送中にプロセスガスを所望の温度に制御するために使用され、したがって、プロセスガスを、プロセス結果に影響を及ぼし、廃棄物をもたらすことになるその輸送中の熱消散を防ぎ得る。
上記実施形態は、本発明の原理を述べるために使用される例示的な実施形態に過ぎず、本発明は、それに限定されないことも理解されるべきである。当業者は、本発明の趣旨および要旨から逸脱することなく、考えられる多くの変更および改善を行うことができ、これらの変更および改善はまた、本発明の保護範囲内にあると考えられるべきである。

Claims (29)

  1. 処理される基板を保持するように構成されるトレイデバイスであって、縦方向に積重ねられた複数のトレイを含み、２つの隣接するトレイ間に一定の距離が存在すること
    を特徴とする処理される基板を保持するトレイデバイス。
  2. 前記縦方向に積重ねられた前記複数のトレイの間で、第１の凸部分が、最下の層のトレイを除く前記トレイのそれぞれの背面上に配置され、前記第１の凸部分に嵌合する第２の凹部分が、その背面上に前記第１の凸部分が配置される前記トレイに面するトレイの前面上に配置されること、および、前記縦方向に積重ねられた前記複数のトレイの間で、第１の凹部分が、前記最下のトレイを除く前記トレイのそれぞれの背面上に配置され、前記第１の凹部分に嵌合する第２の凸部分が、その背面上に前記第１の凸部分が配置される前記トレイに面するトレイの前面上に配置されること、または、これらのいずれかが行われ、
    前記隣接するトレイは、前記第１の凸部分と前記第２の凹部分との間の嵌合および前記第２の凸部分と前記第１の凹部分との間の嵌合またはこれらのいずれかによって、該隣接するトレイ間に一定の距離がある状態で重ねられること
    を特徴とする請求項１に記載のトレイデバイス。
  3. 前記トレイの数が少なくとも４であるとき、最上の層のトレイおよび前記最下の層のトレイは、基板を保持しないアクセサリトレイとして働くこと
    を特徴とする請求項１に記載のトレイデバイス。
  4. 前記トレイの材料は、グラファイト、モリブデン、モリブデン合金を含むこと
    を特徴とする請求項１に記載のトレイデバイス。
  5. 前記トレイは、グラファイトから作られ、
    前記トレイの表面は、ＳｉＣでコーティングされること
    を特徴とする請求項１に記載のトレイデバイス。
  6. 保持され得る基板の材料は、サファイア、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＯまたはＳｉを含むこと
    を特徴とする請求項１に記載のトレイデバイス。
  7. トレイホルダー
    を更に含み、
    各トレイは、固定式接続部品によって前記トレイホルダーに固定され、２つの隣接するトレイ間に一定の距離が存在すること
    を特徴とする請求項１に記載のトレイデバイス。
  8. 前記トレイはリング状であり、前記トレイホルダーは、前記縦方向に沿って前記縦方向に積重ねられた前記複数のトレイの中空部分を通して貫通することを特徴とする、請求項７に記載のトレイデバイス。
  9. 同期回転運動または独立回転運動を行うように各トレイを駆動するための回転機構を
    さらに含むこと
    を特徴とする請求項１に記載のトレイデバイス。
  10. プロセスチャンバー、プロセスガス送出システムおよび排気システムを含む結晶膜成長装置であって、請求項１〜７のいずれかに記載のトレイデバイスが、前記プロセス中に基板を保持するために前記プロセスチャンバー内に配置されること
    を特徴とする結晶膜成長装置。
  11. 前記プロセスガス送出システムは、前記プロセスチャンバーの前記縁部分に配置され、
    前記プロセスガス送出システムは、
    プロセスガス入口およびプロセスガス出口
    を含み、
    前記プロセスガス入口は、前記プロセスチャンバーの外側から前記プロセスガス送出システム内に前記プロセスガスを導入し、前記プロセスガス送出システム内の前記プロセスガスは、前記プロセスガス出口を介して前記プロセスチャンバーに入り、前記トレイデバイスによって保持される各基板に達すること
    を特徴とする請求項１０に記載の結晶膜成長装置。
  12. 前記トレイはリング状であり、
    前記プロセスガス送出システムは、前記トレイが積重ねられる方向に沿って前記積重ねられたトレイの中空部分を通して貫通し、
    前記プロセスガス送出システムは、
    プロセスガス入口およびプロセスガス出口
    を含み、
    前記プロセスガス入口は、前記プロセスチャンバーの外側から前記プロセスガス送出システム内に前記プロセスガスを導入し、
    前記プロセスガス送出システム内の前記プロセスガスは、前記プロセスガス出口を介して前記プロセスチャンバーに入り、前記トレイデバイスによって保持される各基板に達すること
    を特徴とする請求項１０に記載の結晶膜成長装置。
  13. 各トレイに対応するプロセスガス出口が、前記プロセスガスが各トレイに直接出力されるように、前記プロセスガス送出システム上に配置されること
    を特徴とする請求項１０に記載の結晶膜成長装置。
  14. 前記プロセスガスを冷却するための水冷チューブが、同様に前記プロセスガス送出システム内に配置されること
    を特徴とする請求項１０に記載の結晶膜成長装置。
  15. 前記プロセスガス送出システム内に、プロセスガス補充（compensating）通路が、前記プロセスガスの輸送を補助するために更に配置されること
    を特徴とする請求項１０に記載の結晶膜成長装置。
  16. 前記プロセスガス送出システム内に、ガス誘導デバイスおよび複数のプロセスガス送出チューブが配置され、
    前記ガス誘導デバイスは、
    複数のフィン
    を含み、
    前記複数のフィンは、前記トレイが積重ねられる方向に沿って上から下へ順次配置されること
    を特徴とする請求項１０に記載の結晶膜成長装置。
  17. 前記プロセスガス送出チューブが通過するために使用される貫通穴が、前記フィン上に配置され、
    各プロセスガス送出チューブについて、前記プロセスガス送出チューブが通過するために使用される貫通穴は、前記出口の下の前記フィン上のみに配置され、
    前記複数のプロセスガス送出チューブは、各貫通穴を通過して、前記トレイが積重ねられる方向に沿って延在し、
    各プロセスガス送出チューブから流出する前記プロセスガスは、前記出口の上のフィンに衝突して、流れる方向が変化し、最終的に、対応する前記トレイの表面に達すること
    を特徴とする請求項１６に記載の結晶膜成長装置。
  18. 前記フィンの数と前記トレイの数とが同じであること
    を特徴とする請求項１６に記載の結晶膜成長装置。
  19. 冷却手段が、前記プロセスガス送出システム内に配置され、
    前記冷却手段は、
    水冷アウターチューブおよび該水冷アウターチューブの内部に配置された水冷インナーチューブ
    を含み、
    冷却流体が、前記水冷インナーチューブを介して前記冷却手段に入り、前記水冷アウターチューブ上に設けられた出口を介して放出されること
    を特徴とする請求項１６に記載の結晶膜成長装置。
  20. 前記複数のフィンは、前記水冷アウターチューブの前記外壁上に配置されること
    を特徴とする請求項１９に記載の結晶膜成長装置。
  21. 前記パージガスで前記プロセスチャンバーを清浄化するためのパージガス入口
    をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の結晶膜成長装置。
  22. 雰囲気を遮断するためにチャンバー内壁およびチャンバー外壁
    をさらに含み、
    前記チャンバー内壁は、前記プロセスチャンバーおよび前記チャンバー外壁によって囲まれたキャビティ部分を形成するように周囲を囲み、
    前記チャンバー内壁は、パージガス通路を形成すること
    を特徴とする請求項１０に記載の結晶膜成長装置。
  23. 誘導加熱器
    をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の結晶膜成長装置。
  24. 前記プロセスガス送出システムおよび前記誘導加熱器またはこれらのいずれかに対して回転するように前記トレイデバイスを駆動するための回転機構
    をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の結晶膜成長装置。
  25. 前記回転機構は、前記トレイデバイスに接続され、前記回転機構の回転軸の周りに回転するよう前記トレイデバイスを駆動して、各トレイ上の異なる位置の温度および／または空気流を均一にすること、
    前記回転機構は、前記プロセスガス送出システムに接続され、前記回転機構の回転軸の周りに回転するよう前記プロセスガス送出システムを駆動して、各トレイ上の異なる位置の温度および空気流またはこれらのいずれかを均一にすること、および
    前記回転機構は、前記誘導加熱器に接続され、前記回転機構の回転軸の周りに回転するよう前記誘導加熱器を駆動して、各トレイ上の異なる位置の温度および空気流またはこれらのいずれかを均一にすること、
    またはこれらの少なくとも１つを行うこと
    を特徴とする請求項２４に記載の結晶膜成長装置。
  26. 前記排気システムは、
    １ｍ／ｓ以上でかつ３０ｍ／ｓ以下の速度で前記プロセスチャンバーからガスを圧送するためのポンピング機構
    を含む
    ことを特徴とする請求項１０に記載の結晶膜成長装置。
  27. 前記プロセスチャンバーと前記排気システムとの間に配置され、幾つかの貫通穴を介して前記プロセスチャンバーに連通するフィルターチャンバーを
    さらに含むことを特徴とする請求項１０に記載結晶膜成長装置。
  28. 前記フィルターチャンバーは、
    複数の積重ねられたフィルターベースプレート
    を含み、
    各フィルターベースプレートは、多孔質材料で作られ、該フィルターベースプレート上に、複数の貫通穴が設けられること
    を特徴とする請求項２７に記載の結晶膜成長装置。
  29. 前記フィルターベースプレートは、グラファイトで作られ、
    前記フィルターベースプレートの表面は、ＳｉＣでコーティングされ、
    隣接するフィルターベースプレート上の貫通穴は、互いに変位すること
    を特徴とする請求項２８に記載の結晶膜成長装置。
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