JP2016174187A - 化学蒸着のための強磁性流体シールを有する回転円盤反応器 - Google Patents
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Abstract
【課題】化学蒸着のための強磁性流体シールを有する回転円盤反応器の提供。【解決手段】化学蒸着のための回転円盤反応器は、真空チャンバと、モータシャフトを真空チャンバ内に通過させる上側および下側強磁性流体シールを備えている、強磁性流体フィードスルーとを含む。モータは、モータシャフトに連結され、上側強磁性流体シールと下側強磁性流体シールとの間の大気領域内に位置付けられる。回転板が、モータが回転板を所望の回転率において回転させるように、真空チャンバ内に位置付けられ、モータシャフトに連結される。誘電支持体は、シャフトによって駆動されると、回転板が誘電支持体を回転させるように、回転板に連結される。基板ホルダーが、化学蒸着処理のために、真空チャンバ内の誘電支持体上に位置付けられる。ヒータは、化学蒸着のために、基板ホルダーの温度を所望の温度に制御するように、基板ホルダーに近接して位置付けられる。【選択図】図1
Description
本明細書において使用されるセクションの表題は、構成上の目的のみのためであり、本願において説明される主題をいかようにも限定するものではない。
(関連出願)
本願は、米国仮特許出願第61/648,640号(2012年5月18日出願、名称“Rotating Disk For Chemical Vapor Deposition,”)、米国仮特許出願第61/781,858号(2013年3月14日出願、名称“Rotating Disk Reactor with Ferrofluid Seal for Chemical Vapor Deposition,”)、および米国仮特許出願第61/648,646号(2012年5月18日出願、名称“Substrate Carrier For Chemical Vapor Deposition.”)を基礎とする優先権を主張する。米国仮特許出願第61/648,640号、第61/781,858号、および第61/648,646号の内容全体は、参照により本明細書に援用される。
本願は、米国仮特許出願第61/648,640号(2012年5月18日出願、名称“Rotating Disk For Chemical Vapor Deposition,”)、米国仮特許出願第61/781,858号(2013年3月14日出願、名称“Rotating Disk Reactor with Ferrofluid Seal for Chemical Vapor Deposition,”)、および米国仮特許出願第61/648,646号(2012年5月18日出願、名称“Substrate Carrier For Chemical Vapor Deposition.”)を基礎とする優先権を主張する。米国仮特許出願第61/648,640号、第61/781,858号、および第61/648,646号の内容全体は、参照により本明細書に援用される。
気相成長法(VPE)は、反応種を反応させ、基板の表面上に膜を形成するように、化学種を含む1つ以上のガスを基板の表面上へ向けることを伴う、化学気相蒸着(CVD)の一種である。例えば、VPEシステムは、基板上に化合物半導体材料を成長させるために使用可能である。
材料は、典型的には、少なくとも1つの前駆体ガス、および多くの処理では、少なくとも第1および第2の前駆体ガスを、結晶基板を含む処理チャンバに注入することによって成長させられる。III−V半導体等の化合物半導体は、水素化物前駆体ガスおよび有機金属前駆体ガスを使用して、基板上に半導体材料の様々な層を成長させることによって形成され得る。有機金属気相成長法(MOVPE)は、有機金属および必要な化学元素を含む水素化物の表面反応を使用して、化合物半導体を成長させるために一般的に使用される蒸着法である。例えば、リン化インジウムは、トリメチルインジウムおよびホスフィンを導入することによって、基板上に化学反応炉内において成長させられ得る。
本技術において使用されるMOVPEの代替名として、有機金属気相成長法(OMVPE)、有機金属化学蒸着(MOCVD)、および有機金属化学蒸着(OMCVD)が挙げられる。これらの処理では、ガスは、サファイア、Si、GaAs、InP、InAs、またはGaP基板等、基板の成長表面において、互に反応し、一般式InXGaYAlZNAAsBPCSbD(式中、X+Y+Zは、略1に等しく、A+B+C+Dは、略1に等しく、X、Y、Z、A、B、CおよびDの各々は、0〜1であることが可能である)のIII−V化合物を形成する。様々な処理では、基板は、金属、半導体、または絶縁基板であることが可能である。いくつかの事例では、ビスマスが、他のIII族金属の一部または全部の代わりに、使用され得る。
III−V半導体等の化合物半導体はまた、水素化物またはハロゲン化物前駆体ガス処理を使用して、基板上に半導体材料の様々な層を成長させることによって形成され得る。あるハロゲン系気相成長法(HVPE)処理では、III族窒化物(例えば、GaN、AlN)が、高温ガス状金属塩化物(例えば、GaClまたはAlCl)をアンモニアガス(NH3)と反応させることによって形成される。金属塩化物は、高温HClガスを高温III族金属上を通過させることによって発生される。HVPEの特徴の1つは、いくつかの最先端の処理に対して、最大毎時100μmの超高成長率を有することが可能なことである。HVPEの別の特徴は、膜が、無炭素環境内で成長させられ、高温HClガスが、自己洗浄効果を提供するので、比較的に高品質の膜を蒸着させるために使用可能なことである。
これらの処理では、基板は、燃焼室において高温度で維持される。前駆体ガスは、典型的には、不活性搬送ガスと混合され、その後、燃焼室に向けられる。典型的には、ガスは、燃焼室に導入されるとき、比較的低温である。ガスが、高温基板に到達するにつれ、その温度、ひいては、反応のためのその利用可能エネルギーが、増加する。エピタキシャル層の形成は、基板表面における構成化学物質の最終熱分解によって生じる。結晶は、物理的蒸着処理ではなく、基板の表面上の化学反応によって形成される。その結果として、VPEは、熱力学的準安定合金に対して望ましい成長技術である。現在は、VPEは、レーザーダイオード、太陽電池、および発光ダイオード(LED)を製造するために一般的に使用される。
化学蒸着のための回転円盤反応器は、真空チャンバと、モータシャフトを真空チャンバ内に通過させる上側および下側強磁性流体シールを備えている強磁性流体フィードスルーとを含む。いくつかの実施形態では、強磁性流体フィードスルーは、電気および配管設備を真空チャンバに提供するための中空導管を形成する。モータが、機械的または磁気的に、モータシャフトに連結され、上側強磁性流体シールと下側強磁性流体シールとの間の大気領域内に位置付けられる。回転板が、モータが所望の回転率において回転板を回転させるように、真空チャンバ内に位置付けられ、モータシャフトに連結される。いくつかの実施形態では、回転板は、可撓性手段によって、モータシャフトに連結される。また、いくつかの実施形態では、モータシャフトは、回転板の回転中心からオフセットされた領域内において、回転板に連結される。
石英支持体等の誘電支持体が、シャフトによって駆動されると、回転板が誘電支持体を回転させるように、回転板に連結される。基板ホルダーは、化学蒸着処理のために、真空チャンバ内の誘電支持体上に位置付けられる。種々の実施形態では、基板ホルダーは、誘電支持体の上部表面と基板ホルダーの底部表面との間の摩擦によって、誘電支持体の上部に保持されることができるか、または物理的に取り付けられることができる。基板ホルダーは、単一基板または多基板を支持するように適合されることができる。いくつかの実施形態では、誘電支持体は、処理中の基板と真空チャンバ内の冷却領域との間に熱障壁を確立する材料から形成される。
ヒータが、化学蒸着のために、基板ホルダーの温度を所望の温度に制御するように、基板ホルダーに近接して位置付けられる。ヒータは、誘電支持体の内側または外側に位置付けられることができる。ヒータは、2つ以上の独立ヒータゾーンを含み得る。ヒータは、黒鉛ヒータであり得、あるいはタングステンおよび/またはレニウムコイルヒータを含み得る。
また、化学蒸着のための基板ホルダーは、略円形である、本体を含む。基板ホルダーは、黒鉛、SiC、金属、またはセラミック材料のうちの少なくとも1つから形成されることができる。基板ホルダーは、基板ホルダーを回転支持体の上部によりしっかりと保持する基板ホルダーの拡張をもたらす熱膨張係数を有する材料から形成されることができる。基板ホルダーの重量は、処理およびパージの間、基板ホルダーが、回転支持体の上部表面に摩擦で取り付けられるように選定される。
基板ホルダーの上部表面は、基板を受け取るための陥凹区域を有する。陥凹区域は、基板を支持するためのタブを備えていることができる。タブは、三角形形状であり得る。タブは、基板ホルダーが基板に対して拡張するときに生成される力の少なくとも一部を吸収する材料から形成されることができる。また、タブは、基板ホルダーの温度が増加する場合の基板の機械的応力を低減させることができる。
基板ホルダーの陥凹区域は、局所区域内において、所定の深度輪郭に機械加工されることができ、陥凹区域は、基板ホルダーにわたる所望の熱特性をもたらす。加えて、基板ホルダーの陥凹区域は、局所区域内に、材料のインサートを含むことができ、陥凹区域は、基板ホルダーにわたる所望の熱特性をもたらす。さらに、基板ホルダーの陥凹区域は、多レベル底部表面を備えていることができる。局所区域内の材料の少なくとも1つの熱特性は、基板ホルダーを形成する材料の熱特性と異なることができる。
基板ホルダーの丸みを帯びた縁は、基板を覆って流動するプロセスガスの熱損失を低減させ、均一性を増加させる形状を有する。基板ホルダーは、回転支持構造の上部に位置付けるために、丸みを帯びた縁の底部に実質的に平坦な表面を有する。加えて、基板ホルダーは、回転支持体の上部に位置付けられている場合、基板ホルダーの揺れを低減させる、丸みを帯びた縁に近接して位置付けられている垂直リムを有する。垂直リムは、所望の回転率において、基板ホルダーを回転支持体の上部に固定するように寸法を決定される。
例えば、本願発明は以下の項目を提供する。
(項目1)
化学蒸着のための回転円盤反応器であって、前記反応器は、
a)真空チャンバと、
b)モータシャフトを前記真空チャンバ内に通過させる強磁性流体フィードスルーであって、前記強磁性流体フィードスルーは、上側および下側強磁性流体シールを備えている、強磁性流体フィードスルーと、
c)前記上側強磁性流体シールと前記下側強磁性流体シールとの間の大気領域内に位置付けられているモータであって、前記モータは、前記モータシャフトに連結されている、モータと、
d)前記真空チャンバ内に位置付けられ、前記モータが所望の回転率において前記回転板を回転させるように、前記モータシャフトに連結されている回転板と、
e)前記回転板に連結されている誘電支持体であって、前記回転板は、前記シャフトによって駆動されると、前記誘電支持体を回転させる、誘電支持体と、
f)前記誘電支持体上に位置付けられている基板ホルダーであって、前記基板ホルダーは、化学蒸着処理のために、基板を前記真空チャンバ内で支持する、基板ホルダーと、
g)前記基板ホルダーに近接して位置付けられているヒータであって、前記ヒータは、化学蒸着プロセスのために、前記基板ホルダーの温度を所望の温度に制御する、ヒータと
を備えている、反応器。
(項目2)
前記強磁性流体フィードスルーは、前記ヒータまたは冷却ラインに給電し、前記真空チャンバ内の温度を制御する電極のうちの少なくとも1つを通過させるための中空導管を形成している、項目1に記載の反応器。
(項目3)
前記モータは、前記モータシャフトに直接連結されている、項目1に記載の反応器。
(項目4)
前記モータシャフトは、前記回転板に機械的に連結されている、項目1に記載の反応器。
(項目5)
前記モータシャフトは、前記回転板に磁気的に連結されている、項目1に記載の反応器。
(項目6)
前記モータシャフトは、前記回転板の回転中心からオフセットされた領域内において、前記回転板に連結されている、項目1に記載の反応器。
(項目7)
前記モータシャフトは、誘電材料から形成されている、項目1に記載の反応器。
(項目8)
前記誘電支持体は、可撓性締結具を用いて、前記回転板に連結されている、項目1に記載の反応器。
(項目9)
前記可撓性締結具は、前記回転板に対して前記誘電支持体を中心付け、係止する傾斜コイルばねを備えている、項目8に記載の反応器。
(項目10)
前記誘電支持体は、約10W/(mK)未満の熱伝導性を有する誘電材料から形成されている、項目1に記載の反応器。
(項目11)
前記誘電支持体は、処理中の基板と前記真空チャンバ内の冷却領域との間に熱障壁を形成する材料から形成されている、項目1に記載の反応器。
(項目12)
前記誘電支持体は、石英から形成されている、項目1に記載の反応器。
(項目13)
前記誘電支持体は、円筒形外側表面を備えている、項目1に記載の反応器。
(項目14)
前記基板ホルダーは、前記誘電支持体の上部表面と前記基板ホルダーの底部表面との間の摩擦によって、前記誘電支持体の上部に保持されている、項目1に記載の反応器。
(項目15)
前記基板ホルダーは、単一基板ホルダーを備えている、項目1に記載の反応器。
(項目16)
前記ヒータは、前記基板ホルダーに近接して、前記誘電支持体の内側に位置付けられている、項目1に記載の反応器。
(項目17)
前記ヒータは、少なくとも2つの独立ヒータゾーンを備えている、項目1に記載の反応器。
(項目18)
前記ヒータは、黒鉛ヒータを備えている、項目1に記載の反応器。
(項目19)
前記ヒータは、タングステンまたはレニウムのうちの少なくとも1つから形成されているコイルヒータを備えている、項目1に記載の反応器。
(項目20)
前記誘電支持体は、スロットが付けられている、項目1に記載の反応器。
(項目21)
スロットが付けられた誘電支持体を前記基板ホルダーに固定するための係止ピンをさらに備えている、項目20に記載の反応器。
(項目22)
化学蒸着の方法であって、前記方法は、
a)モータシャフトを真空チャンバ内に通過させる上側および下側強磁性流体シールを備えている強磁性流体フィードスルーを提供することと、
b)前記上側強磁性流体シールと前記下側強磁性流体シールとの間の大気領域内に位置付けられているモータを前記モータシャフトに連結することと、
c)前記真空チャンバ内に位置付けられている回転板を前記モータシャフトに連結することであって、前記モータシャフトは、前記回転板を回転させる、ことと、
d)誘電支持体を前記回転板に連結することと、
e)少なくとも1つの基板を支持する基板ホルダーを前記誘電支持体に連結することであって、前記モータシャフトは、化学蒸着処理のために、前記所望の回転率において、前記回転板、前記誘電支持体、および前記基板ホルダーを回転させる、ことと、
f)化学蒸着処理のために、前記基板ホルダーによって支持されている前記少なくとも1つの基板を所望のプロセス温度に加熱することと、
g)プロセスガスを前記少なくとも1つの基板に近接する反応区域内に導入し、それによって、前記少なくとも1つの基板の表面に化学蒸着反応を形成することと
を含む、方法。
(項目23)
前記モータシャフトへの前記真空チャンバ内に位置付けられている回転板の連結は、機械的連結を含む、項目22に記載の方法。
(項目24)
前記モータシャフトへの前記真空チャンバ内に位置付けられている回転板の連結は、磁気連結を含む、項目22に記載の方法。
(項目25)
前記モータシャフトへの前記真空チャンバ内に位置付けられている回転板の連結は、前記回転板の回転中心からオフセットされた領域内において連結することを含む、項目22に記載の方法。
(項目26)
前記誘電支持体への前記少なくとも1つの基板を支持する基板ホルダーの連結は、前記誘電支持体の上部表面と前記基板ホルダーの底部表面との間の摩擦のみを用いて連結することを含む、項目22に記載の方法。
(項目27)
プロセスガスが前記誘電支持体の内側に流入することを防止することをさらに含む、項目22に記載の方法。
(項目28)
前記誘電支持体を前記回転板に可撓性に取り付けることをさらに含む、項目22に記載の方法。
(項目29)
処理中の基板と前記真空チャンバ内の冷却領域との間に熱障壁を形成することをさらに含む、項目22に記載の方法。
(項目30)
所望のプロセス温度への前記基板ホルダー上の少なくとも1つの基板の加熱は、少なくとも2つの独立加熱ゾーン内において前記少なくとも1つの基板を加熱することを含む、項目22に記載の方法。
(項目31)
化学蒸着のための単一基板ホルダーであって、前記基板ホルダーは、
a)本体と、
b)基板を受け取るための陥凹区域を有する上部表面と、
c)前記基板を覆って流動するプロセスガスの熱損失を低減させ、均一性を増加させる形状を有する丸みを帯びた縁と、
d)回転誘電支持体の上部に位置付けるための前記丸みを帯びた縁の底部における実質的に平坦な表面と、
e)前記丸みを帯びた縁に近接して位置付けられている垂直リムであって、前記垂直リムは、前記基板ホルダーが前記回転支持体の上部に位置付けられている場合、前記基板ホルダーの揺れを低減させる、垂直リムと
を備えている、基板ホルダー。
(項目32)
前記本体は、円形である、項目31に記載の基板ホルダー。
(項目33)
前記基板ホルダーは、黒鉛、SiC、金属、およびセラミック材料のうちの少なくとも1つから形成されている、項目31に記載の基板ホルダー。
(項目34)
前記基板ホルダーの前記陥凹区域は、局所区域内において、所定の深度輪郭に機械加工されており、前記陥凹区域は、前記基板ホルダーにわたる所望の熱特性をもたらす、項目31に記載の基板ホルダー。
(項目35)
前記基板ホルダーの前記陥凹区域は、局所区域内に材料のインサートを備え、前記陥凹区域は、前記基板ホルダーにわたる所望の熱特性をもたらす、項目31に記載の基板ホルダー。
(項目36)
前記局所区域内の前記材料の少なくとも1つの熱特性は、前記基板ホルダーを形成する材料の熱特性と異なる、項目35に記載の基板ホルダー。
(項目37)
前記基板ホルダーの前記陥凹区域は、多レベル底部表面を備えている、項目31に記載の基板ホルダー。
(項目38)
前記陥凹区域は、前記基板を支持するためのタブを備えている、項目31に記載の基板ホルダー。
(項目39)
前記タブは、三角形形状である、項目38に記載の基板ホルダー。
(項目40)
前記タブは、基板ホルダーが前記基板に対して拡張するときに生成される力の少なくとも一部を吸収する材料から形成されている、項目38に記載の基板ホルダー。
(項目41)
前記タブは、前記基板ホルダーの温度が増加する場合の前記基板の機械的応力を低減させる、項目38に記載の基板ホルダー。
(項目42)
前記丸みを帯びた縁は、縁全体にわたり均一に丸みを帯びている、項目31に記載の基板ホルダー。
(項目43)
前記丸みを帯びた縁は、非均一に丸みを帯びている、項目31に記載の基板ホルダー。
(項目44)
前記基板ホルダーの重量は、処理およびパージの間、前記基板ホルダーが、誘電支持体の上部表面に摩擦で取り付けられるように選定されている、項目31に記載の基板ホルダー。
(項目45)
前記垂直リムは、所望の回転率において、誘電支持体の上部に前記基板ホルダーを固定するように寸法を決定されている、項目31に記載の基板ホルダー。
(項目46)
前記基板ホルダーは、前記基板ホルダーを前記回転誘電支持体の上部によりしっかりと保持する前記基板ホルダーの拡張をもたらす熱膨張係数を有する材料から形成されている、項目31に記載の基板ホルダー。
(項目47)
化学蒸着のための多基板ホルダーであって、前記多基板ホルダーは、
a)本体と、
b)複数の基板を受け取るための複数の陥凹区域を有する上部表面と、
c)前記複数の基板を覆って流動するプロセスガスの熱損失を低減させ、均一性を増加させる形状を有する丸みを帯びた縁と、
d)回転誘電支持体の上部に位置付けるための前記丸みを帯びた縁の底部の実質的に平坦な表面と、
e)前記丸みを帯びた縁に近接して位置付けられている垂直リムであって、前記垂直リムは、前記基板ホルダーが前記回転誘電支持体の上部に位置付けられている場合、前記基板ホルダーの揺れを低減させる、垂直リムと、
f)前記多基板ホルダーを回転させるシャフトのためのアタッチメントであって、前記アタッチメントは、前記多基板ホルダーの底部表面上に位置付けられている、アタッチメントと
を備えている、多基板ホルダー。
(項目48)
前記本体は、円形である、項目47に記載の多基板ホルダー。
(項目49)
前記多基板ホルダーは、黒鉛、SiC、金属、およびセラミック材料のうちの少なくとも1つから形成されている、項目47に記載の多基板ホルダー。
(項目50)
前記多基板ホルダーの前記複数の陥凹区域のうちの少なくとも2つは、異なる寸法を有する、項目47に記載の多基板ホルダー。
(項目51)
前記陥凹区域のうちの少なくとも1つは、局所区域内において、所定の深度輪郭に機械加工され、前記陥凹区域のうちの少なくとも1つは、前記多基板ホルダーにわたる所望の熱特性をもたらす、項目47に記載の多基板ホルダー。
(項目52)
前記多基板ホルダーの前記陥凹区域のうちの少なくとも1つは、局所区域内に材料のインサートを備え、前記陥凹区域のうちの少なくとも1つは、前記多基板ホルダーの少なくとも一部にわたる所望の熱特性をもたらす、項目47に記載の多基板ホルダー。
(項目53)
前記局所区域内の前記材料の少なくとも1つの熱特性は、前記基板ホルダーを形成する材料の熱特性と異なる、項目52に記載の多基板ホルダー。
(項目54)
前記基板ホルダーの前記陥凹区域のうちの少なくとも1つは、多レベル底部表面を備えている、項目47に記載の多基板ホルダー。
(項目55)
前記陥凹区域のうちの少なくとも1つは、前記基板を支持するためのタブを備えている、項目47に記載の多基板ホルダー。
(項目56)
前記タブは、三角形形状である、項目55に記載の多基板ホルダー。
(項目57)
前記丸みを帯びた縁は、縁全体にわたり均一に丸みを帯びている、項目47に記載の多基板ホルダー。
(項目58)
前記丸みを帯びた縁は、非均一に丸みを帯びている、項目47に記載の多基板ホルダー。
(項目59)
前記基板ホルダーの重量は、処理およびパージの間、前記基板ホルダーが、回転誘電支持体の上部表面に摩擦で取り付けられるように選定されている、項目47に記載の多基板ホルダー。
(項目60)
前記垂直タブは、所望の回転率において、回転誘電支持体の上部に前記基板ホルダーを固定するように寸法を決定されている、項目47に記載の多基板ホルダー。
例えば、本願発明は以下の項目を提供する。
(項目1)
化学蒸着のための回転円盤反応器であって、前記反応器は、
a)真空チャンバと、
b)モータシャフトを前記真空チャンバ内に通過させる強磁性流体フィードスルーであって、前記強磁性流体フィードスルーは、上側および下側強磁性流体シールを備えている、強磁性流体フィードスルーと、
c)前記上側強磁性流体シールと前記下側強磁性流体シールとの間の大気領域内に位置付けられているモータであって、前記モータは、前記モータシャフトに連結されている、モータと、
d)前記真空チャンバ内に位置付けられ、前記モータが所望の回転率において前記回転板を回転させるように、前記モータシャフトに連結されている回転板と、
e)前記回転板に連結されている誘電支持体であって、前記回転板は、前記シャフトによって駆動されると、前記誘電支持体を回転させる、誘電支持体と、
f)前記誘電支持体上に位置付けられている基板ホルダーであって、前記基板ホルダーは、化学蒸着処理のために、基板を前記真空チャンバ内で支持する、基板ホルダーと、
g)前記基板ホルダーに近接して位置付けられているヒータであって、前記ヒータは、化学蒸着プロセスのために、前記基板ホルダーの温度を所望の温度に制御する、ヒータと
を備えている、反応器。
(項目2)
前記強磁性流体フィードスルーは、前記ヒータまたは冷却ラインに給電し、前記真空チャンバ内の温度を制御する電極のうちの少なくとも1つを通過させるための中空導管を形成している、項目1に記載の反応器。
(項目3)
前記モータは、前記モータシャフトに直接連結されている、項目1に記載の反応器。
(項目4)
前記モータシャフトは、前記回転板に機械的に連結されている、項目1に記載の反応器。
(項目5)
前記モータシャフトは、前記回転板に磁気的に連結されている、項目1に記載の反応器。
(項目6)
前記モータシャフトは、前記回転板の回転中心からオフセットされた領域内において、前記回転板に連結されている、項目1に記載の反応器。
(項目7)
前記モータシャフトは、誘電材料から形成されている、項目1に記載の反応器。
(項目8)
前記誘電支持体は、可撓性締結具を用いて、前記回転板に連結されている、項目1に記載の反応器。
(項目9)
前記可撓性締結具は、前記回転板に対して前記誘電支持体を中心付け、係止する傾斜コイルばねを備えている、項目8に記載の反応器。
(項目10)
前記誘電支持体は、約10W/(mK)未満の熱伝導性を有する誘電材料から形成されている、項目1に記載の反応器。
(項目11)
前記誘電支持体は、処理中の基板と前記真空チャンバ内の冷却領域との間に熱障壁を形成する材料から形成されている、項目1に記載の反応器。
(項目12)
前記誘電支持体は、石英から形成されている、項目1に記載の反応器。
(項目13)
前記誘電支持体は、円筒形外側表面を備えている、項目1に記載の反応器。
(項目14)
前記基板ホルダーは、前記誘電支持体の上部表面と前記基板ホルダーの底部表面との間の摩擦によって、前記誘電支持体の上部に保持されている、項目1に記載の反応器。
(項目15)
前記基板ホルダーは、単一基板ホルダーを備えている、項目1に記載の反応器。
(項目16)
前記ヒータは、前記基板ホルダーに近接して、前記誘電支持体の内側に位置付けられている、項目1に記載の反応器。
(項目17)
前記ヒータは、少なくとも2つの独立ヒータゾーンを備えている、項目1に記載の反応器。
(項目18)
前記ヒータは、黒鉛ヒータを備えている、項目1に記載の反応器。
(項目19)
前記ヒータは、タングステンまたはレニウムのうちの少なくとも1つから形成されているコイルヒータを備えている、項目1に記載の反応器。
(項目20)
前記誘電支持体は、スロットが付けられている、項目1に記載の反応器。
(項目21)
スロットが付けられた誘電支持体を前記基板ホルダーに固定するための係止ピンをさらに備えている、項目20に記載の反応器。
(項目22)
化学蒸着の方法であって、前記方法は、
a)モータシャフトを真空チャンバ内に通過させる上側および下側強磁性流体シールを備えている強磁性流体フィードスルーを提供することと、
b)前記上側強磁性流体シールと前記下側強磁性流体シールとの間の大気領域内に位置付けられているモータを前記モータシャフトに連結することと、
c)前記真空チャンバ内に位置付けられている回転板を前記モータシャフトに連結することであって、前記モータシャフトは、前記回転板を回転させる、ことと、
d)誘電支持体を前記回転板に連結することと、
e)少なくとも1つの基板を支持する基板ホルダーを前記誘電支持体に連結することであって、前記モータシャフトは、化学蒸着処理のために、前記所望の回転率において、前記回転板、前記誘電支持体、および前記基板ホルダーを回転させる、ことと、
f)化学蒸着処理のために、前記基板ホルダーによって支持されている前記少なくとも1つの基板を所望のプロセス温度に加熱することと、
g)プロセスガスを前記少なくとも1つの基板に近接する反応区域内に導入し、それによって、前記少なくとも1つの基板の表面に化学蒸着反応を形成することと
を含む、方法。
(項目23)
前記モータシャフトへの前記真空チャンバ内に位置付けられている回転板の連結は、機械的連結を含む、項目22に記載の方法。
(項目24)
前記モータシャフトへの前記真空チャンバ内に位置付けられている回転板の連結は、磁気連結を含む、項目22に記載の方法。
(項目25)
前記モータシャフトへの前記真空チャンバ内に位置付けられている回転板の連結は、前記回転板の回転中心からオフセットされた領域内において連結することを含む、項目22に記載の方法。
(項目26)
前記誘電支持体への前記少なくとも1つの基板を支持する基板ホルダーの連結は、前記誘電支持体の上部表面と前記基板ホルダーの底部表面との間の摩擦のみを用いて連結することを含む、項目22に記載の方法。
(項目27)
プロセスガスが前記誘電支持体の内側に流入することを防止することをさらに含む、項目22に記載の方法。
(項目28)
前記誘電支持体を前記回転板に可撓性に取り付けることをさらに含む、項目22に記載の方法。
(項目29)
処理中の基板と前記真空チャンバ内の冷却領域との間に熱障壁を形成することをさらに含む、項目22に記載の方法。
(項目30)
所望のプロセス温度への前記基板ホルダー上の少なくとも1つの基板の加熱は、少なくとも2つの独立加熱ゾーン内において前記少なくとも1つの基板を加熱することを含む、項目22に記載の方法。
(項目31)
化学蒸着のための単一基板ホルダーであって、前記基板ホルダーは、
a)本体と、
b)基板を受け取るための陥凹区域を有する上部表面と、
c)前記基板を覆って流動するプロセスガスの熱損失を低減させ、均一性を増加させる形状を有する丸みを帯びた縁と、
d)回転誘電支持体の上部に位置付けるための前記丸みを帯びた縁の底部における実質的に平坦な表面と、
e)前記丸みを帯びた縁に近接して位置付けられている垂直リムであって、前記垂直リムは、前記基板ホルダーが前記回転支持体の上部に位置付けられている場合、前記基板ホルダーの揺れを低減させる、垂直リムと
を備えている、基板ホルダー。
(項目32)
前記本体は、円形である、項目31に記載の基板ホルダー。
(項目33)
前記基板ホルダーは、黒鉛、SiC、金属、およびセラミック材料のうちの少なくとも1つから形成されている、項目31に記載の基板ホルダー。
(項目34)
前記基板ホルダーの前記陥凹区域は、局所区域内において、所定の深度輪郭に機械加工されており、前記陥凹区域は、前記基板ホルダーにわたる所望の熱特性をもたらす、項目31に記載の基板ホルダー。
(項目35)
前記基板ホルダーの前記陥凹区域は、局所区域内に材料のインサートを備え、前記陥凹区域は、前記基板ホルダーにわたる所望の熱特性をもたらす、項目31に記載の基板ホルダー。
(項目36)
前記局所区域内の前記材料の少なくとも1つの熱特性は、前記基板ホルダーを形成する材料の熱特性と異なる、項目35に記載の基板ホルダー。
(項目37)
前記基板ホルダーの前記陥凹区域は、多レベル底部表面を備えている、項目31に記載の基板ホルダー。
(項目38)
前記陥凹区域は、前記基板を支持するためのタブを備えている、項目31に記載の基板ホルダー。
(項目39)
前記タブは、三角形形状である、項目38に記載の基板ホルダー。
(項目40)
前記タブは、基板ホルダーが前記基板に対して拡張するときに生成される力の少なくとも一部を吸収する材料から形成されている、項目38に記載の基板ホルダー。
(項目41)
前記タブは、前記基板ホルダーの温度が増加する場合の前記基板の機械的応力を低減させる、項目38に記載の基板ホルダー。
(項目42)
前記丸みを帯びた縁は、縁全体にわたり均一に丸みを帯びている、項目31に記載の基板ホルダー。
(項目43)
前記丸みを帯びた縁は、非均一に丸みを帯びている、項目31に記載の基板ホルダー。
(項目44)
前記基板ホルダーの重量は、処理およびパージの間、前記基板ホルダーが、誘電支持体の上部表面に摩擦で取り付けられるように選定されている、項目31に記載の基板ホルダー。
(項目45)
前記垂直リムは、所望の回転率において、誘電支持体の上部に前記基板ホルダーを固定するように寸法を決定されている、項目31に記載の基板ホルダー。
(項目46)
前記基板ホルダーは、前記基板ホルダーを前記回転誘電支持体の上部によりしっかりと保持する前記基板ホルダーの拡張をもたらす熱膨張係数を有する材料から形成されている、項目31に記載の基板ホルダー。
(項目47)
化学蒸着のための多基板ホルダーであって、前記多基板ホルダーは、
a)本体と、
b)複数の基板を受け取るための複数の陥凹区域を有する上部表面と、
c)前記複数の基板を覆って流動するプロセスガスの熱損失を低減させ、均一性を増加させる形状を有する丸みを帯びた縁と、
d)回転誘電支持体の上部に位置付けるための前記丸みを帯びた縁の底部の実質的に平坦な表面と、
e)前記丸みを帯びた縁に近接して位置付けられている垂直リムであって、前記垂直リムは、前記基板ホルダーが前記回転誘電支持体の上部に位置付けられている場合、前記基板ホルダーの揺れを低減させる、垂直リムと、
f)前記多基板ホルダーを回転させるシャフトのためのアタッチメントであって、前記アタッチメントは、前記多基板ホルダーの底部表面上に位置付けられている、アタッチメントと
を備えている、多基板ホルダー。
(項目48)
前記本体は、円形である、項目47に記載の多基板ホルダー。
(項目49)
前記多基板ホルダーは、黒鉛、SiC、金属、およびセラミック材料のうちの少なくとも1つから形成されている、項目47に記載の多基板ホルダー。
(項目50)
前記多基板ホルダーの前記複数の陥凹区域のうちの少なくとも2つは、異なる寸法を有する、項目47に記載の多基板ホルダー。
(項目51)
前記陥凹区域のうちの少なくとも1つは、局所区域内において、所定の深度輪郭に機械加工され、前記陥凹区域のうちの少なくとも1つは、前記多基板ホルダーにわたる所望の熱特性をもたらす、項目47に記載の多基板ホルダー。
(項目52)
前記多基板ホルダーの前記陥凹区域のうちの少なくとも1つは、局所区域内に材料のインサートを備え、前記陥凹区域のうちの少なくとも1つは、前記多基板ホルダーの少なくとも一部にわたる所望の熱特性をもたらす、項目47に記載の多基板ホルダー。
(項目53)
前記局所区域内の前記材料の少なくとも1つの熱特性は、前記基板ホルダーを形成する材料の熱特性と異なる、項目52に記載の多基板ホルダー。
(項目54)
前記基板ホルダーの前記陥凹区域のうちの少なくとも1つは、多レベル底部表面を備えている、項目47に記載の多基板ホルダー。
(項目55)
前記陥凹区域のうちの少なくとも1つは、前記基板を支持するためのタブを備えている、項目47に記載の多基板ホルダー。
(項目56)
前記タブは、三角形形状である、項目55に記載の多基板ホルダー。
(項目57)
前記丸みを帯びた縁は、縁全体にわたり均一に丸みを帯びている、項目47に記載の多基板ホルダー。
(項目58)
前記丸みを帯びた縁は、非均一に丸みを帯びている、項目47に記載の多基板ホルダー。
(項目59)
前記基板ホルダーの重量は、処理およびパージの間、前記基板ホルダーが、回転誘電支持体の上部表面に摩擦で取り付けられるように選定されている、項目47に記載の多基板ホルダー。
(項目60)
前記垂直タブは、所望の回転率において、回転誘電支持体の上部に前記基板ホルダーを固定するように寸法を決定されている、項目47に記載の多基板ホルダー。
本教示は、好ましいかつ例示的実施形態に従って、そのさらなる利点とともに、付随の図面と関連して検討される、以下の発明を実施するための形態においてより具体的に説明される。当業者は、後述の図面が、例証目的のためだけのものであることを理解するであろう。図面は、必ずしも、正確な縮尺で描かれているわけではなく、代わりに、本教示の原理を例証するために、強調されている。図中、類似参照文字は、概して、種々の図全体を通して、同様の特徴および構造要素を指す図面は、出願人の教示の範囲をいかようにも限定することを意図しない。
図1は、本教示による、CVD反応器の一実施形態の断面を図示する。
図2は、図1に関連して説明される、CVD反応器の断面の上部の角の拡大図を図示する。
図3は、ヒータ搭載フランジおよびヒータ支持構造を示す、強磁性流体フィードスルー全体の簡略化された図を図示する。
図4Aは、モータの詳細を含む、強磁性流体フィードスルーおよび包囲する構成要素の上側部分の断面図を図示する。
図4Bは、搭載フランジを含む、強磁性流体フィードスルーおよび包囲する構成要素の下側部分の断面図を図示する。
図5は、本教示による、単一基板ホルダーの上面図を図示する。
図6は、図2に関連して説明される、本教示による、単一基板ホルダーの拡大上面図を図示する。
図7は、回転支持体の上部に位置付けられる、図5に関連して説明される、本教示による、単一基板ホルダーの側面図を図示する。
図8Aおよび8Bは、回転板によって回転されている間、誘電支持体を基板ホルダーによりしっかりと取り付けるピンと適合される、誘電支持体および基板ホルダーを図示する。
図8Aおよび8Bは、回転板によって回転されている間、誘電支持体を基板ホルダーによりしっかりと取り付けるピンと適合される、誘電支持体および基板ホルダーを図示する。
明細書において、「一実施形態」または「ある実施形態」とは、実施形態に関連して説明される、特定の特徴、構造、または特性が、少なくとも本教示の一実施形態内に含まれることを意味する。明細書中の種々の場所で使用される「一実施形態では」という語句は、必ずしも、すべて同一実施形態を指すわけではない。
本教示の方法において使用される個々のステップは、本教示が作用可能のままである限り、任意の順番および/または同時に、行われ得ることを理解されたい。さらに、本教示の装置および方法は、本教示が作用可能のままである限り、任意の数またはすべての説明される実施形態を含むことが可能であることを理解されたい。
次に、付随の図面に示されるその例示的実施形態を参照して、本教示をより詳細に説明する。本教示は、種々の実施形態および実施例に関連して説明されるが、本教示がそのような実施形態に限定されることを意図するものではない。一方、本教示は、当業者によって理解されるように、様々な代替手段、修正等を包含する。本明細書の教示を利用可能である当業者は、本明細書において記載される本開示の範囲内である、追加の実装、修正、および実施形態、ならびに他の使用の分野を認識するだろう。
本教示は、MOCVDを含む、化学蒸着のための方法および装置に関する。より具体的には、本教示は、基板が回転円盤上に位置する、垂直反応器を使用する、化学蒸着のための方法および装置に関する。最近、LEDおよびOLED市場に驚異的な成長が見られる。また、半導体電力にも、その有用性を増加させる、著しい進歩が見られる。その結果、これらのデバイスを加工するための効率的かつ高処理量のCVDおよびMOCVD製造システムおよび方法の需要が増えつつある。基板ホルダー(substrate carrier)の回転率等の保守および動作パラメータに悪影響を及ぼさずに、堆積均一性を改善する、製造システムおよび方法の特定の必要性がある。
本教示の側面は、単一基板CVD反応器に関連して説明される。しかしながら、当業者は、本教示の方法および装置が、多基板反応器とともに実装されることもできることを理解するであろう。加えて、本教示のCVD反応器は、任意のサイズ基板に拡大縮尺されることができる。
図1は、本教示による、CVD反応器100の一実施形態の断面を図示する。CVD反応器100は、多くの場合、ステンレス鋼から形成される、真空チャンバ102を含む。真空チャンバ102は、単一基板または一群の基板のCVD処理のための真空環境を提供する。本教示によるCVD反応器を用いて行なわれ得るプロセスの一実施例は、LED製造のために、サファイア基板上に成長させられるGaN系薄膜等、CVDによって薄膜を堆積させることである。
回転板104が、真空チャンバ102の冷却領域106内に位置付けられる。冷却領域106は、比較的に低温構成要素を封入することができるように、通常処理条件の間、比較的に低温に維持される。回転板104の底部は、回転を可能にする、軸受またはガイドホイールシステムを含む。回転誘電支持体108は、回転板104の上部に位置付けられる。誘電支持体108は、機械的または磁気的に、種々の手段によって、回転板104に連結されることができる。本教示の一実施形態では、誘電支持体108は、図1に示されるように、回転板104に取り付く中空誘電シリンダまたは管である。種々の他の実施形態では、回転誘電支持体108は、種々の他の形状から形成される。本教示の一側面は、回転誘電支持体108の長さを、他の公知のCVD反応器内で使用される、金属材料または高熱伝導性誘電材料から形成される類似構造より有意に短くできることである。
基板ホルダー110が、回転誘電支持体116の上部に位置付けられる。基板ホルダー100は、図5−7に関連してより詳細に説明される。基板ホルダー110は、処理のために、少なくとも1つの基板を受け取るように寸法を決定される、少なくとも1つの陥凹部分を有する。一具体的実施形態では、基板ホルダー110は、単一基板ホルダーである。単一基板ホルダーは、多数の処理利点を提供することができる。例えば、単一基板ホルダーは、多基板ホルダーと比較して、基板にわたってより優れた温度均一性を提供することができる。また、単一基板ホルダーは、より高い処理量および反応性プロセス化学物質からの重要な構成要素のより優れた保護を提供することができる。また、単一基板ホルダーは、改良されたガス効率を提供することができる。単一基板ホルダーは、遠心力がより低くなるであろうため、多ウエハ担体より少ない接触点を可能にし得る。さらに、単一基板ホルダーは、概して、所望の回転速度を達成するために、より短い期間を要する。最後に、単一基板ホルダーは、多基板ホルダーより安価であることができる。しかしながら、本教示の他の実施形態では、基板ホルダー110は、バッチ処理のために使用される、多基板ホルダーである。
基板ホルダー110は、回転誘電支持体108に機械的に取り付けられることができる、または回転誘電支持体108の上部表面上に自由に位置付けられ、摩擦のみによって、定位置に保持される。本教示のCVDシステムは、基板ホルダー110と回転誘電支持体108との間の界面に熱絶縁または断熱の種々の手段を使用する。そのような断熱の手段の1つは、基板ホルダー110の丸みを帯びた縁を形成し、基板ホルダー110の縁における熱損失を低減させるものである。断熱のための別の手段は、基板ホルダー110の底部と誘電支持体108との間の熱伝達を低減させるものである。
いくつかの実施形態では、真空チャンバ102内のシャッタまたはゲートが開き、基板ホルダー110が、真空チャンバ102の反応区域112の内外に移送されることを可能にする。多くの実施形態では、基板ホルダー110は、周縁または他の縁特徴を有し、ロボットアームが、それを真空チャンバ102の内外に移送することを可能にする。
ヒータアセンブリ114が、基板ホルダー110に近接して位置付けられる。本教示による、いくつかのCVD反応器では、ヒータアセンブリ114は、最大約1,300℃のプロセス温度を発生させる。多くの実施形態では、ヒータアセンブリ114は、ヒータアセンブリ114と基板ホルダー110との間に強固な熱連通が存在するように、基板ホルダー110に近接して、またはその下方において、回転誘電支持体108の内側に位置付けられる。しかしながら、他の実施形態では、ヒータアセンブリ114は、回転誘電支持体108の外側に位置付けられる。ヒータアセンブリ114は、単一ゾーンヒータであることができる、または任意の数のヒータゾーンを有することができる。例えば、一具体的実施形態では、ヒータアセンブリ114は、2ゾーンヒータアセンブリを備えている。いくつかの実施形態では、熱放射遮蔽が、ヒータアセンブリ114に近接して位置付けられる。いくつかの実施形態では、ヒータアセンブリ114のいくつかの部分は、流体冷却される。
一実施形態では、ヒータアセンブリ114は、電気的および熱的に、加熱要素115を絶縁する、基板ホルダー110に隣接して位置付けられる絶縁体116によって支持されるヒータコイルを備えているラジアントヒータである。いくつかの実施形態では、ヒータアセンブリ114は、黒鉛ヒータコイルを備えている。最も公知のシステム内の加熱コイルは、概して、黒鉛から作成されておらず、代わりに、はるかにコストがかかる材料を使用する。黒鉛ヒータ要素は、アンモニア等のいくつかの一般的CVDプロセスガスが、高温において、黒鉛を腐食および劣化させ、プロセスの非均一性およびシステム保守の増加をもたらすので、典型的には、使用されない。代わりに、いくつかの公知のシステムは、材料の少なくとも1つの保護層でコーティングされた黒鉛ヒータを使用する。しかしながら、これらのシステムは、典型的には、高処理温度において、黒鉛とコーティング材料との間の異なる熱膨張率が、コーティング材料の亀裂および剥離を生じさせ、汚染および保守の増加をもたらし得るので、より低い温度プロセスに限定される。他の実施形態では、ヒータアセンブリ114は、タングステンおよび/またはレニウムヒータコイルを備えている。
一特定の実施形態では、ヒータアセンブリ114は、ベースプレート118または類似構造によって支持され、基板ホルダー110の下方およびそれに近接近して、ヒータアセンブリ114を位置付ける。ヒータ搭載管160は、ヒータベースプレート118を支持する。ヒータベースプレートは、水冷されることができる。真空チャンバ102は、電力フィードスルー120を含み、電力フィードスルー120は、ヒータアセンブリ114と接続しそれを電気的に給電するための電極122を、真空チャンバ102を通過させる一方、反応器100の真空チャンバ102内の真空を維持する。電気導体122は、モリブデンのような耐熱材料から作製されるもの等の高温導体を有する加熱要素115に接続する。
CVD反応器100は、処理中の基板または複数の基板に近接する真空チャンバ102内にプロセスガスを導入する、ガスマニホールドを含む。本教示のCVD反応器の一側面は、プロセスガスが回転誘電支持体116の内側を流動しないことである。プロセスガスは、基板ホルダー110に近接する真空チャンバ102内の圧力より高い圧力において、窒素等の不活性ガスでヒータアセンブリ114の区域をパージすることによって、ヒータアセンブリ114の区域に流入することを防止されることができる。このパージは、ヒータアセンブリ114と接触して流動するプロセスガスの量を制限するであろう。これは、あまりコストがかからない黒鉛ヒータが使用されることを可能にする。
一実施形態では、回転誘電支持体108は、石英から形成される。石英は、比較的に安価であるので、誘電支持体108のための特に良好な誘電材料である。石英はまた、高処理温度で使用されることができる。加えて、石英は、非常に低い熱膨張係数を有し、したがって、誘電材料の寸法は、高温処理の間、有意に変化しない。加えて、石英は、わずか約1.3W/(m・K)の低熱伝導性を有し、したがって、処理中の基板と冷却領域106との間の熱障壁として機能する。石英の使用は、基板ホルダー110上の温度非均一性を低減または最小限にするであろう。低熱伝導性は、本明細書で説明される場合、概して、10W/(mK)未満であることを意味すると定義される。これは、窒化ホウ素等の材料処理システムにおいて一般に使用されるいくつかの他の誘電材料をはるかに下回る。いくつかの異なる種類の窒化ホウ素が存在するが、その熱伝導性は、20〜120W/(m・K)の範囲内であり得る。
石英誘電支持体108の使用は、いくつかの設計利点を有する。例えば、石英誘電支持体108は、より少ない材料が、基板ホルダー110を冷却領域106から熱的に絶縁するために必要とされるであろうため、金属または高熱伝導性誘電材料を使用する類似CVD反応器と比較して、寸法をはるかに短くできる。より短い誘電支持体は、製造およびまた動作させるためにはるかに安価である、より小さい反応器をもたらすであろう。例えば、より低い容量の真空ポンプが、使用されることができる。また、より少ない電力が、基板ホルダー110を所望の動作温度に維持するために要求されるであろう。加えて、より短い支持体は、基板ホルダー110内にほとんど揺れを生じさせず、したがって、プロセス均一性を改善するであろう。
誘電支持体114のために石英を使用する別の設計利点は、石英誘電支持体114の熱膨張係数が、基板ホルダー110の熱膨張係数を何倍も下回るであろうことである。いくつかのシステムでは、石英誘電支持体114の熱膨張係数は、モリブデンまたは黒鉛等の材料から形成される、基板ホルダー110の熱膨張係数を約10倍下回るであろう。したがって、基板ホルダー110が加熱されるにつれて、石英誘電支持体114をはるかに上回る率で膨張するであろう。CTEの不整合は、設計によって、温度が上昇するにつれて、基板ホルダー110自体を石英誘電支持体114に対して中心付けさせるために使用されることができる。基板ホルダー110は、石英誘電支持体114とより同心となり、したがって、温度が増加するにつれて、よりしっかりと定位置に保持され、改良されたプロセス均一性をもたらすであろう。
誘電支持体108のために石英を使用する別の設計利点は、ヒータアセンブリ114が、基板ホルダー110全体にわたり均一処理温度を維持することがはるかに容易になるであろうことである。これは、金属および高熱伝導性誘電支持体と比較して、担体の縁において、はるかに少ない熱損失が存在するからである。石英および他の非常に低い熱伝導性材料は、熱遮断器として機能し、誘電支持体108が放熱板のように機能し、縁において、基板ホルダー110温度を低下させることを防止する。
上側筐体124は、モータ126を封入する。モータ126は、シャフト128を回転させ、これは、順に、回転板104上に位置付けられた回転板108および基板ホルダー110を回転させる。CVD反応器100の他の部品は、静止している。モータ126は、最大約1,200RPMの速度でこれらの構成要素を回転させる。しかしながら、種々の実施形態では、モータ126は、有意により高くあり得る率でこれらの構成要素を回転させる。示される実施形態では、モータ110は、図3、4A、および4Bにさらに説明されるように、上側強磁性流体シール130および下側強磁性流体シール130’を備えている、強磁性流体フィードスルーを通るシャフト128によって回転板104に機械的に連結される。
本教示の特徴の1つは、回転板104へのシャフト128の接続が、基板ホルダー110の中心からオフセットされていることである。対照的に、多くの公知のCVD反応器は、本質的に、シャフト128上で基板ホルダー110を平衡化させる、中心シャフト設計を使用する。本教示のシャフト128の設計および幾何学形状は、モータ126と基板ホルダー110との間によりロバストな機械的接続を提供し、最小限の振動を伴って、最大回転速度に到達するための短縮された時間を可能にする。その結果、本教示のシャフト128の設計および幾何学形状は、所望の回転率への基板ホルダー110のより高速上昇を提供し、より高い処理量を伴って、より優れたプロセス制御をもたらす。加えて、本教示のシャフト128の設計および幾何学形状は、基板が基板ホルダー110の中心に位置付けられることを可能にする。その結果、基板ホルダー110の中心に、中心シャフトによって引き起こされる有意な温度変動は存在しないであろう。
一実施形態では、シャフト128は、いくつかの誘電材料を含む。例えば、シャフト128は、少なくとも部分的に、石英または窒化ホウ素から形成されることができる。誘電材料は、金属に勝るいくつかの利点を有する。例えば、誘電材料は、いくつかの処理条件の間、より低温のままであり、したがって、金属シャフトと比較して、ほとんど熱損失を提供せず、また、モータおよび冷却区画106内の他の構成要素への熱伝達を低減させるであろう。例えば、石英から形成されるシャフト128は、金属シャフトと比較して、熱損失を有意に低減させるであろう。
モータ軸受132が、モータ126の両側において、シャフト128に隣接して位置付けられ、それが回転する場合、シャフト128を誘導する。いくつかの実施形態では、モータ軸受132は、空気または不活性ガスでパージされる。また、多くの実施形態では、モータ軸受132は、空冷または流体冷却され、低保守動作条件を維持する。例えば、軸受132は、水冷されることができる。いくつかの実施形態では、モータ126は、通常処理条件の間、50℃未満まで冷却される。
シャフト128は、回転板104と回転誘電支持体108との間で異なる熱膨張率を可能にする、可撓性手段によって、回転板104に取り付けられる。例えば、回転誘電支持体108は、従来の非可撓性締結具を使用せずに、回転誘電支持体108を回転板104に中心付け、係止する傾斜コイルばね133等のばねによって、回転誘電支持体108の下側端において、平坦円形プレートに接続されることができる。そのようなアタッチメント手段は、誘電支持体108を円形プレートと同心に保ち、回転誘電支持体108に応力を及ぼさず、かつ可能性として、それを破砕せずに、異なる熱膨張を可能にする。
図2は、図1に関連して説明される、CVD反応器100の断面の上部の角の拡大図を図示し、上側強磁性流体シール130によって形成される真空領域を示す。拡大図は、回転板104および誘電支持体108を伴う、真空チャンバ102の上部の角を示す。ヒータアセンブリ114もまた、示され、ヒータベースプレート118と、中空導管134を通過し、加熱要素115と接続する電極122とを含む。シャフト128は、上側強磁性流体シール130を通過し、回転板104と接続するように示される。本設計では、真空は、チャンバ102の壁の内側、誘電支持体108の外側と内側、および回転板104の上方と下方の隙間内に存在する。
図3は、強磁性流体フィードスルー全体の簡略化された図を図示し、ヒータ搭載フランジ150およびヒータ支持構造152を示す。図1、2、および3を参照すると、強磁性流体フィードスルーは、誘電支持体108の内側に位置付けられるヒータアセンブリ114のための設備を提供する構造を封入するために十分に大きい、中空導管133を含む。示される実施形態では、中空導管134は、回転誘電支持構造108の内側に位置付けられるヒータアセンブリ114を支持するヒータ支持構造152を封入するための空間を含む。中空導管134はまた、ヒータアセンブリ114に給電する電極122のための空間と、流体冷却ラインのための空間とを含む。
ヒータ支持構造152の上側端は、ヒータアセンブリ114に取り付けられる。ヒータ支持構造152の下側端は、CVDチャンバ100の底部にボルト締めされる、ヒータ搭載フランジ150に堅く取り付けられる。ヒータ搭載フランジ150は、Oリングまたは他のタイプの真空シールを含む。電極122および流体冷却ラインは、搭載フランジ150を通過し、それらは、CVD反応器100の外部の設備と接続される。ヒータ支持構造152、電極122、および流体冷却ラインは、シャフト128が回転する場合、静止している。
モータ126を封入する、上側筐体124は、軸受132の外側レースおよびモータ126の固定子126’を定位置にしっかりと圧着する。シャフト128は、軸受132の内側レースおよびモータ126の回転子126’’を定位置にしっかりと圧着する。上側および下側強磁性流体真空シール130、130’は、各軸受132の上方および下方において、筐体内に位置付けられる。上側および下側強磁性流体真空シール130、130’は、シャフト128の外径に接触し、真空を動的にシールする。いくつかの実施形態では、上側および下側筐体124、124’の壁を通る孔が、モータ126および軸受132に近接する区域内において存在し、上側および下側筐体124、124’の構成要素は、周囲環境と連通し得る。この配列は、シャフト128が、動的シールを通して貫通し、処理が生じる、真空化されたチャンバ102の内側で回転運動を提供する一方、軸受132およびモータ126が、無害な大気圧環境内で動作することを可能にする。
図4Aおよび4Bは、上側および下側強磁性流体シール114、114’のより詳細な図を図示し、真空領域をより明確に図示する。好適な強磁性流体シールは、FerroTec Corporation(SantaClara,CA)から市販されている。これらの強磁性流体シールは、本教示による、CVDシステムに好適である。特に、これらの強磁性流体シールは、任意の追加の潤滑を必要としない。加えて、これらの強磁性流体シールは、広範囲のパラメータにわたって動作することができ、最小で1.5倍の圧力差を保持することができる。強磁性流体シールの回転率範囲は、1rmp未満〜10,000rpm超であるが、高速動作の場合、動作速度をゆっくり上昇させることが重要である。速度範囲は、シャフト径に依存する。この回転率変化は、CVD処理に好適である。強磁性流体シールの温度範囲は、約0℃〜200℃である。適切な加熱または冷却を伴う、強磁性流体シールの実践的動作範囲は、−100℃〜2000℃であり、これは、十分に本教示のCVDシステムの範囲内である。強磁性流体シールの動作寿命は、通常、約5〜10年であるが、多くのそのような強磁性流体シールは、20年以上の寿命を有することが分かっている。
図4Aは、モータの詳細を含む、強磁性流体フィードスルーおよび包囲する構成要素の上側部分の断面図を図示する。図1および4Aの両方を参照すると、上側強磁性流体シール130は、CVD反応器100の上部の角に近接して位置付けられる。上側筐体124は、上側強磁性流体シール130をCVD反応器100内に封入する。ヒータベースプレート118および誘電支持体108を伴う回転板104が、示される。図4Aはまた、ヒータベースプレート118に接続されたヒータ搭載管160を示す。
本設計では、真空は、電極122を包囲する区域を含む、真空チャンバ102の内側、誘電支持体108の外側、誘電支持体108の内側、回転板104の上方の間隙162内、および回転板104の下方の間隙162’内に存在する。加えて、シャフト128の内径全体が、真空内にある。また、シャフト128の上側端も、完全に真空内にある。シャフト128の外径は、シャフト128の上側端の近傍において、上側強磁性流体シール130を通過する。強磁性流体上側シール130の下方では、シャフト128の外径は、上側軸受132およびモータ126とともに、大気圧にある。
軸受132およびモータ126を大気中に位置付けることは、多数の性能および保守利点を有する。利点の1つは、軸受を空気中に位置付けることによって、それらをより容易に冷却することを可能にし、その効率を増加させ、かつ寿命を延長させるように潤滑され得る環境を提供することである。別の利点は、多数の市販の標準的モータが使用されることができ、これらのモータが、より容易に冷却されることができることである。
図4Aに示される強磁性流体シールの図はまた、モータ126および軸受の詳細を図示する。回転子126’’は、シャフト128と接触して位置付けられる。固定子126’は、回転子126’’の背後に位置付けられる。多数のタイプのモータが、本教示によるCVD反応器とともに使用されることができる。モータ126は、上側筐体124を除去することによって、除去されることができる。軸受132は、上側強磁性流体シール130の下方の大気領域内において、回転子126’’の上方に位置付けられる。
図4Bは、搭載フランジ150を含む、強磁性流体フィードスルーおよび包囲する構成要素の下側部分の断面図を図示する。強磁性流体フィードスルー130’の下側部分の図は、電極122、ヒータ搭載管160、シャフト128、およびモータ126の底部等、図3Aに関連して説明された上側強磁性流体フィードスルーの図と同一の構成要素の多くを示す。軸受132は、固定子126’に隣接して位置付けられる。加えて、下側強磁性流体シール130’は、軸受132に隣接して位置付けられる。
軸受132およびモータ126の下側部分等、下側強磁性流体シール130’の上方の構成要素は、大気圧にある。下側強磁性流体シール130’の下方の区域は、真空下にある。また、シャフト128の内径全体が、真空中にある。また、シャフト128とヒータ搭載管160との間にも、真空間隙170が存在する。加えて、シャフト128の下側端は、完全に真空中にある。シャフト128の下側端近傍において、シャフト128の外径は、搭載フランジ150に近接する下側強磁性流体シール130’を通過する。
図5は、本教示による、単一基板ホルダー500の上面図を図示する。基板ホルダー500は、黒鉛、SiC、金属、およびセラミック材料等の多数のタイプの材料から形成されることができる。本教示のいくつかの実施形態のために、局所区域または所定の輪郭において容易に機械加工され得る材料の基板ホルダー500を形成することが望ましい。他の実施形態では、追加の材料を局所区域内に容易に受け入れることができる材料の基板ホルダー500を形成することが望ましい。さらに他の実施形態では、局所区域内に、異なる材料、または異なる配向または修正特性を伴う同一の材料のインサートを受け入れることができる材料の基板ホルダー500を形成することが望ましい。
基板ホルダー500は、丸みを帯びた縁502を伴う、円形である。本教示による基板ホルダーは、多くの異なるタイプの丸みを帯びた縁のうちの任意の1つを有することができ、これらの丸みを帯びた縁は、面取りまたは斜端縁であることができる。多くの実施形態では、基板ホルダー500の丸みを帯びた縁は、基板ホルダー500全体を通して同一である。しかしながら、いくつかの実施形態では、丸みを帯びた縁は、基板ホルダー500の種々の区域内で異なり、プロセスガスの流動に影響を及ぼす。
基板ホルダー500は、基板を受け取るための陥凹区域504を有する。陥凹区域504は、単一基板に対して中心に位置付けられる。陥凹区域504の陥凹深度は、通常処理条件の間に使用される所望の回転率において、基板を固定するために十分な深度である。加えて、陥凹の半径方向寸法は、通常処理条件の間、基板の有意な揺れが生じないようなものである。
基板ホルダー500の厚さは、種々のプロセスのために最適化されることができる。より薄い基板ホルダー500は、概して、より優れた熱応答時間を有する。しかしながら、基板ホルダー500が厚いほど、概して、より優れた熱均一性を有する。基板ホルダー500の厚さは、特定のプロセスのための熱応答時間と熱均一性との間の最良の妥協点に対して最適化されることができる。
基板ホルダー500の重量もまた、重要である。基板ホルダー500は、通常処理条件の間、誘電支持体の上部にその位置を維持するために十分な質量を有していなければならない。この要件は、プロセスガスの流動が、基板ホルダー500を誘電支持体108の上部と接触するよう押し付けるであろうため、比較的容易に充足される。加えて、基板ホルダー500は、下方からパージされている間、誘電支持体108の上部にその位置を維持するために十分な質量を有していなければならない。この要件は、パージによって、誘電支持体の内側と外側との間に正味正圧が生成され、基板ホルダー500に揚力を与えるので、充足することがより困難である。
また、より重い基板ホルダー500は、概して、ヒータ114と真空チャンバ102との間に改良された絶縁をもたらすであろう。そのようなより重い基板ホルダー500は、比較的に高熱質量を有し、これは、熱安定性の増加および熱均一性の増加をもたらすであろうが、比較的に、熱応答時間がゆっくりである。
図6は、図5に関連して説明される、本教示による、単一基板ホルダー500の拡大上面図を図示する。拡大上面図600は、基板を支持するために使用される、複数のタブ602を示す。基板は、処理の間、これらのタブ602上に据えられる。多数のタイプのタブが、使用されることができる。例えば、タブ602は、示されるように、基板ホルダー602の縁に沿ったいくつかの場所に位置付けられる、三角形形状タブ602であることができる。これは、多くのタイプの基板の寸法が、本質的に、同一のままである一方、その温度が所望の処理温度に上昇されるにつれて、基板ホルダー500が膨張するからである。タブ602は、プロセスの動作温度範囲全体にわたって、基板を支持するように寸法を決定される。
図7は、図5に関連して説明される、本教示による、単一基板ホルダー500の側面図を図示する。基板ホルダー500は、誘電支持体108の上部に位置付けられる。側面図は、回転誘電支持体108の上部に接触する、平坦底部表面506を伴う、基板ホルダー500の丸みを帯びた縁502を図示する。図4に示される実施形態では、基板ホルダー500は、摩擦のみによって、回転誘電支持体108の上部の定位置に保持される。すなわち、誘電支持体108の重量、誘電支持体108の上部表面の摩擦係数、および基板ホルダー500の縁502の平坦底部表面506の摩擦係数は、通常処理条件中の所望の回転率における回転の間、および圧力差がパージの間に確立される間、基板ホルダー500が滑動しないようなものである。
基板ホルダー500はまた、回転誘電支持体108の内側表面と整列される、垂直リム508を含む。垂直リム508は、基板ホルダー500が、通常処理条件中、所望の回転率において回転しているとき、揺れないように、位置付けおよび寸法を決定される。誘電支持体108の熱膨張係数は、基板ホルダー500の熱膨張係数と比較して、非常に低い。したがって、基板ホルダー500の温度が、処理温度まで上昇されるにつれて、基板ホルダー500は、膨張し、垂直リム508と回転誘電支持体108の内側壁との間の間隙は、縮小し、それによって、基板ホルダー500をよりしっかりと保持し、揺れを低減させる。
単一ウエハ基板ホルダー500の側面図は、丸みを帯びた縁502をより明確に図示する。基板ホルダー500の縁502に丸みを帯びさせることは、多数の特徴および利点を有する。基板ホルダー500の丸みを帯びた縁502は、縁502における基板ホルダー500の表面積を縮小させる。表面積の縮小は、縁502におけるより少ない熱質量、したがって、基板ホルダー500の縁502におけるより少ない熱損失をもたらす。特に、縁502における放射熱損失を有意に低下させるであろう。
加えて、基板ホルダー500の丸みを帯びた縁502は、縁502の表面を覆って、より均一なプロセスガスの流動をもたらす。縁502におけるより均一なプロセスガスの流動は、処理中の基板の表面にわたって流動するプロセスガスの均一性を改善する。さらに、丸みを帯びた縁502は、丸みを帯びた縁502が、通常動作条件の間、はるかに少ない熱を放射させるであろうため、基板ホルダー500の内側部分と比較して、より高い温度まで基板ホルダー502の縁を加熱する必要性を低減させる。
さらに、図4に示される単一基板ホルダー500の側面図は、基板を受け取るための陥凹区域504をより明確に図示する。陥凹区域504の深度および陥凹区域504の底部表面の平坦性は、処理中の基板にわたる温度均一性、したがって、CVDによって成長させられる膜の厚さ均一性を決定する、重要な変数である。より具体的には、基板の成長表面における温度は、基板ホルダー500の温度および基板ホルダー500と基板との間の熱伝達に依存する。
熱伝達は、伝導、対流、放射によるか、または熱伝達機構の組み合わせによって生じ得る。熱伝達の伝導および対流モデルは、特に、CVD処理に正確ではない。伝導モデルは、典型的には、約50〜100ミクロンである、基板と基板ホルダーとの間の比較的小さい空隙のみが存在する、より小さい基板に対して最も正確である。ハイブリッド伝導対流モデルは、熱伝達が、伝導および対流の両方によって生じることを想定する。このモデルは、約300〜500ミクロンであることが可能である、基板と基板ホルダーとの間のより大きい空隙が存在し得る、より大きい基板に対してより正確である。例えば、8インチの基板は、伝導および対流熱伝達の両方の著しい量を引き起こす、基板と基板ホルダーとの間の比較的大きい空隙を有し得る。熱伝達の放射モデルは、熱伝達が、放射によって生じることを想定する。このモデルは、シリコン基板等の不透明基板を使用するいくつかの処理に対して正確である。
基板の成長表面の温度はまた、材料処理システムにおける多数の他の不均一性によって影響される。例えば、基板の成長表面の温度は、基板にわたる処理ガス流における不均一性、処理チャンバの壁付近周辺効果、ならびに処理システムにおける多数の他の不具合および非対称性によって影響される。
加えて、基板の形状は、基板の成長表面の温度に影響を及ぼす。特に、基板は、通常、完全に円形ではない。基板は、典型的には、オリエンテーションフラットを含み、それらはまた、処理の間に撓み、歪む傾向がある。基板の撓みは、基板の公称直径未満の特定された量である直径を伴う円形上の等間隔の3つの点によって確立される中位面基準面からの、自由な固定されていない基板の中位面の中心点の偏差である。撓みのように、歪みは、基準面からの、自由な固定されていない基板の中位面の最大距離と最小距離との間の差異の測定値である。基板の撓みおよび歪みは、基板の内部応力、蒸着温度、基板上に成長させられている構造、および処理チャンバにおける温度勾配等の多くの要因の関数である。
多くの材料処理は、産業において競合的となるように、非常に高い収率が必要である。例えば、LEDおよび半導体レーザーデバイスが、産業において競合的となるように、これらのデバイスの高い処理収率を到達することは非常に望ましい。特に、現在は、LEDおよび半導体レーザーデバイスを製造するためのVPE処理の収率を改善する必要性が産業において存在する。多くのLEDおよび半導体レーザー用途のために、長い間安定する数ナノメートル内の正確な放射波長を達成することは重大である。ある狭い所定の範囲外の放射波長内のデバイスは、破棄されるか、または割引値段で販売され、標的の処理収率を低下させる。
これらのデバイスの放射波長は、成長温度に、または半導体層のうちの少なくともいくつかの固相組成物に大きく依存する。特に、所望の放射波長および光学特性を伴う多重量子井戸構造を成長させることは、基板の成長表面における温度、層厚さ、および組成物に対する正確な制御を必要とする。したがって、成長温度は、高い処理収率を到達するために、基板の成長表面全体にわたって均一の材料特性を到達するように正確に制御されなければならない。温度が、基板にわたって完全に均一であっても、蒸着チャンバ内の気相枯渇または組成差異による放射波長における著しい変異がまだ存在し得る。したがって、時には、気相および他の不均一性を補うために温度不均一性を意図的に誘発することが望ましい。多くの場合、局所気相組成物を容易に操作できないので、制御変数として温度を使用することが望ましい。
したがって、本教示の1つの側面は、基板ホルダーによって支持されている基板にわたる温度均一性を修正するために本明細書に説明される基板ホルダーを製造または修正する方法である。本教示の様々な実施形態では、温度均一性は、処理性能を改善するために、改善されるか、または意図的に低下され得る。したがって、本教示のいくつかの方法では、基板ホルダー500は、基板が、成長表面においてより均一の温度を有するように、基板の表面の湾曲に一致するように製造されるか、または修正される。他の方法では、基板ホルダーは、基板ホルダーによって支持されている基板にわたる所定の温度プロファイルを提供するために加工または修正される。
基板の表面上の不均一性を補い、処理システムにおける他の不均一性を補うために基板ホルダーを製造するか、または修正するために必要な情報を得るために、処理されている基板の温度および/または処理チャンバにおける局所気相組成物を正確に測定し、制御することは、多くの場合、困難である。温度測定は、基板が、光学的に透明である場合、特に困難である。本教示による処理性能を改善するために基板ホルダーを修正する一方法は、基板または基板上に製造されるデバイスの成長後測定または分析を含む。その後、測定および分析から得られる結果データは、基板ホルダーを修正するためか、または処理システムにおける不均一性による、温度および/または気相不均一性等の基板に関連する非均一の処理パラメータを補う仕様を伴う新規基板ホルダーを製造するために使用される。
本教示による方法では、基板ホルダー500の上に位置付けられる、基板上に加工されるデバイスの1つ以上のパラメータは、基板ホルダー上のそれらの対応する位置の関数として測定される。パラメータは、光学的パラメータ、電気パラメータ、または電気光学的パラメータを含むが、これらに限定されない、任意の種類のパラメータであることが可能である。例えば、パラメータは、電気または光学デバイスの性能測定基準であることが可能である。1つの具体的実施形態では、測定されるパラメータは、発光ダイオードまたは半導体レーザー等の光学デバイスによって生成される光学的放射の波長である。測定および分析から得られた結果として生じるデータは、次いで、基板ホルダー500を修正するため、または所望の特性を伴うデバイスを加工するために使用され得る新しい基板ホルダー500を加工するために使用される。基板ホルダー500は、所定の区域内の材料を除去することによって、または所定の区域内に材料を追加することによって、または種々の所定の区域内における材料の除去および追加の任意の組み合わせによって、修正されることができる。追加される材料は、基板ホルダー500と同一の材料であることができるか、または異なる材料であることができる。
一実施形態では、本教示によると、基板ホルダー500は、処理の間、基板を支持するための多ステップ陥凹を有する。本教示の一側面は、ステップ高さおよび/またはステップ下方の基板ホルダー500の熱伝導性のわずかな変化が、より均一温度プロファイルを有するように、または所定の所望の温度プロファイルを有するように、基板の成長表面における温度を変化させることができることである。例えば、本譲受人に譲渡された2009年12月2日出願の米国特許出願第12/629,467号「Method for Improving Performance of a Substrate Carrier」を参照されたい。米国特許出願第12/629,467号の明細書全体は、参照することによって本明細書に組み込まれる。
本教示の別の側面は、スロットが付けられた誘電支持体108が、化学蒸着のために、基板ホルダー110の機械的中心付けを提供するために使用されることができる。機械的係止が、機械的中心付けを改善し、処理の間の偏心を低減させるために、基板ホルダー110と誘電支持体108との間に提供される。偏心は、非均一加熱、最終的には、非均一デバイス処理を生じさせ、薄膜スタックの完全性の欠如をもたらし得る、有意な要因である。
図8Aおよび8Bは、回転板によって回転されている間、基板ホルダー190を誘電支持体180によりしっかりと取り付けるピンと適合させられた誘電支持体180および基板ホルダー190を図示する。図8Aおよび8Bを両方とも参照すると、図8Aは、本教示による、基板ホルダー190を誘電支持体180に機械的に係止するためのスロット182を含む、誘電支持体180の斜視図を図示する。種々の実施形態では、スロット182は、設計において、機械的中心性を改善するために、種々の長さにおいて、誘電支持体180の上部から下方に提供されることができる。基板ホルダー190を誘電支持体180に機械的に係止することは、複数のピン192を用いて達成される。いくつかの具体的実施形態では、3つまたは4つの係止ピン192が、使用される。図8Bは、誘電支持体180の上部に係止する、ピン192を含む、基板ホルダー190の斜視図を示す。
他の実施形態では、基板ホルダー110、190上に切り欠きを備えている、係止機構が、使用されることができる。例えば、誘電支持体108、180から上方に突き出た支柱と連結される、基板ホルダー110、190上の切り欠きが、使用されることができる。そのような機構の使用は、誘電支持体108、180および基板ホルダー110、190が、事前に位置付けられることを要求し、プロセスの複雑性および時間を追加するが、スロットが付けられた誘電支持体のみの使用と比較して、速度に鈍感であるという利点を有する。
(均等物)
本出願人の教示が、種々の実施形態に関連して説明されたが、本出願人の教示が、そのような実施形態に限定されることを意図するものではない。対照的に、本出願人の教示は、当業者によって理解されるように、本教示の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書に成され得る、種々の代替、修正、および均等物を包含する。
本出願人の教示が、種々の実施形態に関連して説明されたが、本出願人の教示が、そのような実施形態に限定されることを意図するものではない。対照的に、本出願人の教示は、当業者によって理解されるように、本教示の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書に成され得る、種々の代替、修正、および均等物を包含する。
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