JP2016184742A - 傾斜縁を有するウエハキャリア - Google Patents

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Mitrovic Bojan
マンガム，ジョシュア
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Abstract

【課題】ＭＯＣＶＤエピタキシャル成長プロセス中に、ウエハキャリアの直径の全体に処理ガスの均一な拡散境界層を形成する。【解決手段】処理装置のスピンドル上に、本体の中心軸がスピンドルと同軸になるように取り付けられていて、ウエハを収容する下方に凹んだポケット１４３を有するウエハキャリア１４０であって、上面１４１の周囲に沿って上方に突出するリップ１８０を備える。リップ１８０は、中心軸から離れる半径方向外向き方向において平坦な上面１４１から上方に傾斜するリップ面１８１を有する。これにより、ウエハキャリア１４０の上面１４１の全体にわたるガス流のパターンを改良し、ウェハに形成される成長層の均一性を向上することができる。【選択図】図３Ａ

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２０１０年３月３日に出願された米国仮特許出願第６１／３０９，９９５号の
出願日の利得を主張するものであり、その開示内容を引用することにより本明細書の一部
をなすものとする。
［発明の分野］
本発明は、基板を反応ガスによって処理するための方法および装置と、このような装置
に用いられる基板キャリアとに関する。例えば、本発明は、半導体ウエハのような基板上
への有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）のような化学蒸着に適用可能である。
多くの半導体素子は、基板上で行われるプロセスによって形成される。基板は、典型的
には、「ウエハ（ｗａｆｅｒ）」と一般的に呼ばれている結晶性材料の平板である。典型
的には、ウエハは、大きな結晶を成長させ、該結晶をディスクの形状に薄切りすることに
よって形成される。このようなウエハ上に行われる一般的なプロセスの１つが、エピタキ
シャル成長である。
例えば、ＩＩＩ−Ｖ半導体のような化合物半導体から形成される素子は、典型的には、
有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）を用いて化合物半導体の連続層を成長させることによっ
て形成される。このプロセスでは、ウエハは、ガスの組合せに晒される。これらのガスは
、典型的には、有機金属化合物をＩＩＩ族金属の源として含むと共に、Ｖ属元素の源も含
んでいる。これらのガスは、ウエハが高温に維持されている間に、ウエハの表面上に流さ
れることになる。典型的には、有機金属化合物およびＶ族源は、殆ど反応に関与しないキ
ャリアガス、例えば、窒素と組み合わされている。ＩＩＩ−Ｖ半導体の一例として、適切
な結晶格子面間隔を有する基板、例えば、サファイアウエハ上での有機ガリウム化合物と
アンモニアとの反応によって形成される窒化ガリウムが挙げられる。典型的には、ウエハ
は、窒化ガリウムおよび関連化合物の堆積中に、約５００℃〜約１１００℃の温度に維持
されている。
複合素子は、半導体の結晶構造およびバンドギャップを変化させるために他のＩＩＩ族
元素またはＶ族元素を添加するなど、反応条件をいくらか異ならせて、多数の層を連続的
にウエハの表面上に堆積させることによって製造可能である。例えば、窒化ガリウム基半
導体では、半導体のバンドギャップを変化させるために組成比を変化させるのに、インジ
ウム、アルミニウム、またはそれらの両方が用いられてもよい。また、各層の導電率を制
御するために、ｐ−型ドーパントまたはｎ−型ドーパントが添加されてもよい。半導体層
の全てが形成された後、典型的には、適切な電気接点が施された後、ウエハは個々の素子
に切断される。このようにして、発光ダイオード（「ＬＥＤ」）、レーザ、および他の電
子素子や光電素子のような素子を製造することができる。
典型的な化学蒸着プロセスでは、多くのウエハが、ウエハキャリアと一般的に呼ばれて
いる構成要素上に、各ウエハの上面をウエハキャリアの上面に露出させて、保持されるよ
うになっている。そして、ウエハキャリアは、反応チャンバ内に配置され、所望の温度に
維持される一方、ガス混合物がウエハキャリアの表面上に流されることになる。プロセス
中、キャリア上の種々のウエハの上面のあらゆる点において均一な条件を維持することが
、重要である。反応ガスの組成およびウエハ表面の温度のわずかな変動によって、得られ
る半導体素子の特性の望ましくない変動が生じる。
例えば、もし窒化ガリウムインジウム層が堆積される場合、ウエハ表面温度または反応
ガス濃度の変動によって、堆積層の組成およびバンドキャップの変動が生じる。インジウ
ムは、比較的高い蒸気圧を有するので、堆積層は、表面温度が高いウエハの領域では、低
比率のインジウムおよび大きいバンドギャップを有することになる。もし堆積層がＬＥＤ
構造の能動発光層であるなら、該ウエハから形成されるＬＥＤの発光波長も変動すること
になる。このような理由から、当技術分野において、均一な条件を維持することに向けて
、これまで著しい努力が払われてきている。
業界において広く受け入れられてきているＣＶＤ装置の一形式は、各々が１つのウエハ
を保持するように適合された多数のウエハ保持領域を有する大径ディスクの形態にあるウ
エハキャリアを用いている。ウエハキャリアは、反応チャンバ内において、ウエハの露出
面を有するウエハキャリアの上面をガス分配要素に向かって上向きにして、スピンドル上
に支持されるようになっている。スピンドルが回転される一方、ガスがウエハキャリアの
上面に向かって下方に導かれ、該上面を横切って、ウエハキャリアの周辺に向かって流さ
れる。使用済みのガスは、排気ポートを通って反応チャンバから排出されるようになって
いる。排気ポートは、ウエハキャリアの下方において、スピンドルの軸の周りに、典型的
には、チャンバの周囲の近くに分配されている。
ウエハキャリアは、加熱要素、典型的にはウエハキャリアの底面の下方に配置された電
気抵抗加熱要素によって、所望の高温に維持されるようになっている。これらの加熱要素
は、ウエハ表面の所望の温度を超える温度に維持される一方、ガス分配要素は、典型的に
は、ガスの時期尚早の反応を防ぐために、所望の反応温度よりもかなり低い温度に維持さ
れている。従って、熱は、加熱要素からウエハキャリアの底面に伝達され、ウエハキャリ
ア内を個々のウエハに向かって上方に流れることになる。
当該技術分野において、このようなシステムを最適化するために、これまで著しい努力
が払われてきているが、さらに一層の改良が望まれている。特に、ＭＯＣＶＤエピタキシ
ャル成長プロセス中に、ウエハキャリアの直径の全体にわたって処理ガスのより均一な拡
散境界層をもたらすことが望まれている。
ウエハキャリア、処理装置、およびウエハを処理する方法が提供されている。本発明の
一態様は、ウエハキャリアを提供している。ウエハキャリアは、中心軸と、中心軸と直交
する略平坦な上面と、ウエハを収容するために上面の下方に凹んだポケットとを画定する
本体を備えている。本体は、上面の周囲に沿って上方に突出するリップを備えることがで
きる。リップは、中心軸から離れる半径方向外向き方向において平坦な上面から上方に傾
斜するリップ面を画定しているとよい。本体は、処理装置のスピンドル上に、本体の中心
軸がスピンドルと同軸になるように取り付けられているとよい。
特定の実施形態では、本体は、中心軸と同軸の円筒状周面を画定しており、リップ面は
、鋭利な縁において該周面と交わっている。一例では、本体は、中心軸と同軸の円筒状周
面を画定しており、リップ面は、丸められた縁において該周面と交わっている。例示的な
実施形態では、リップ面は、ウエハキャリアの上面に対する一定の傾斜角を画定している
。特定の例では、リップ面は、ウエハキャリアの上面に対する一定の傾斜角を画定してお
り、該傾斜角は、中心軸に対する半径方向距離の関数として変動するようになっている。
一例では、リップ面は、中心軸からのポケットの最大半径方向距離と等しい中心軸から
の半径方向距離において、上面と交差している。特定の例では、リップ面は、中心軸から
のポケットの最大半径方向距離よりも小さい中心軸からの半径方向距離において、上面と
交差している。例示的な実施形態では、リップの高さは、約１ｍｍ以下である。特定の例
では、リップの高さは、約０．６ｍｍである。特定の実施形態では、本体は、中心軸と同
軸の円筒状周面を画定しており、該周面は、リップ面と周面との間の交点から下向き方向
において中心軸に向かって半径方向内方に突出する凹入面を備えている。
本発明の他の態様は、ウエハキャリアを提供している。ウエハキャリアは、中心軸と、
中心軸と直交する略平坦な上面と、ウエハを収容するために上面の下方に凹んだポケット
とを画定する本体を備えている。本体は、中心軸と同軸の円筒状周面を有することができ
る。円筒状周面は、鋭利な縁において上面と交差しているとよい。本体は、処理装置のス
ピンドル上に、本体の中心軸がスピンドルと同軸になるように、取り付けられるように適
合されているとよい。例示的な実施形態では、周面は、上面と周面との間の交点から下向
き方向において中心軸に向かって半径方向内方に突出する凹入面を備えている。
本発明のさらに他の態様は、処理装置を提供している。処理装置は、反応チャンバと、
チャンバ内において上下に延在するスピンドルと、スピンドルに取り付けられたウエハキ
ャリアと、ウエハキャリアの上方において反応チャンバに連通する流体注入要素と、ウエ
ハキャリアの下方において反応チャンバに連通する排気システムとを備えている。ウエハ
キャリアは、前述したウエハキャリアのいずれであってもよい。スピンドルの中心軸は、
スピンドルと同軸になっているとよい。流体注入要素は、一種以上のガスをウエハキャリ
アに向かって下方に導くように構成され配置されているとよい。
本発明のさらに他の態様は、ウエハを処理する方法を提供している。本方法は、前述し
た処理装置のウエハキャリアのポケット内にウエハを配置し、該ウエハキャリア上にガス
を下向きに導くステップと、その一方、スピンドルおよびウエハキャリアを中心軸の周り
に回転させるステップと、その一方、ガスを排気システム内に除去するステップとを含ん
でいる。
特定の実施形態では、本方法は、ウエハキャリアおよびウエハを加熱するステップを含
んでいる。例示的な実施形態では、ガスが反応し、ウエハの露出面に堆積物を形成するよ
うになっている。一例では、ウエハキャリアの上面の上方のある高さでのウエハキャリア
の周囲の近くにおける流れが、実質的に再循環しないようになっている。
本発明の一実施形態による化学蒸着装置を示す斜視断面図である。 先行技術によるウエハキャリアおよびガス流のパターンの部分断面図である（この図の提示は、このガス流のパターンが当技術分野において周知であることを容認するものではない）。 先行技術によるウエハキャリアおよびガス流のパターンの拡大部分断面図である（この図の提示は、このガス流のパターンが当技術分野において周知であることを容認するものではない）。 図１に示されている化学蒸着装置に用いられるのに適する本発明の一実施形態によるウエハキャリアの拡大部分断面図である。 ウエハキャリアの全体にわたる処理ガスの境界層も示す、図３Ａに示されているウエハキャリアの拡大部分断面図である。 図３Ａに示されているウエハキャリアの上面図である。 図２、図３Ａ、図５に示されている特定設計選択されたウエハキャリア実施形態に対して、ウエハキャリアの中心軸からの距離の関数として正規化されたエピタキシャル成長率を示すグラフである。 図１に示されている化学蒸着装置に用いられるのに適する本発明のさらに他の実施形態によるウエハキャリアの拡大部分断面図である。 図１に示されている化学蒸着装置に用いられるのに適する本発明のさらに他の実施形態によるウエハキャリアの拡大部分断面図である。 図１に示されている化学蒸着装置に用いられるのに適する本発明のさらに他の実施形態によるウエハキャリアの拡大部分断面図である。 図１に示されている化学蒸着装置に用いられるのに適する本発明のさらに他の実施形態によるウエハキャリアの拡大部分断面図である。 図１に示されている化学蒸着装置に用いられるのに適する本発明のさらに他の実施形態によるウエハキャリアの拡大部分断面図である。 図１に示されている化学蒸着装置に用いられるのに適する本発明のさらに他の実施形態によるウエハキャリアの上面図である。
例えば、本願の譲渡人に譲渡された国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０６３５３２号
（「‘５３２出願」、代理人ドケットＮｏ．ＶＥＥＣＯ３．４−１１０ＣＩＰ、現在では
国際特許出願公開第２０１０／０５４１８４号として公開）および２００１年３月６日に
「化学蒸着装置」と題して刊行された米国特許第６，１９７，１２１号明細書に記載され
ているように、半導体ウエハのような平坦な基板をガスによって処理するのに用いられる
装置の一形式は、「垂直回転ディスク式反応器」と呼ばれることもある化学蒸着装置１０
である。なお、この文献の開示内容を引用することによって本明細書の一部をなすものと
する。
図１を参照すると、本発明の一実施形態による化学蒸着装置１０は、反応チャンバ１２
を備えている。反応チャンバ１２は、チャンバ１２の一端に配置されたガス注入マニホー
ルド１４を有している。ガス注入マニホールド１４を有するチャンバ１２のこの端は、本
明細書において、チャンバ１２の「上（top）」端と呼ばれている。チャンバのこの端は
、典型的には、必ずしも必要ではないが、通常の重力座標系においてチャンバの上端に配
置されている。従って、重力の上下方向に沿っているかどうかに関わらず、本明細書に用
いられる下向き方向は、ガス注入マニホールド１４から離れる方向を指しており、上向き
方向は、チャンバ内においてガス注入マニホールド１４に向かう方向を指している。同様
に、要素の「上（top）」面および「底（bottom）」面は、本明細書では、チャンバ１２
およびマニホールド１４の座標系を基準として記述されている。
チャンバ１２は、円筒壁２０を有している。円筒壁２０は、チャンバの上端の上フラン
ジ２２とチャンバの底端の基板２４との間に延在している。壁２０、フランジ２２、およ
び基板２４は、それらの間に気密に封止された内部領域２６を画定している。内部領域２
６は、ガス注入マニホールド１４から放出されたガスを含みうる。チャンバ１２は、円筒
形として示されているが、他の実施形態では、チャンバは、他の形状、例えば、中心軸３
２を中心とする円錐または他の回転面、正方形、６角形、８角形、または任意の他の適切
な形状を有していてもよい。
ガス注入マニホールド１４は、ウエハ処理プロセスに用いられる処理ガス、例えば、キ
ャリアガスおよび有機金属化合物およびＶ族金属の源のような反応ガスを供給するために
、供給源に接続されている。典型的な化学蒸着プロセスでは、キャリアガスは、窒素、水
素、または窒素と水素との混合物でありうる。従って、ウエハキャリアの上面における処
理ガスは、主に、いくらかの反応ガス成分を含む窒素および／または水素から構成されて
いることになる。ガス注入マニホールド１４は、種々のガスを受け、処理ガスの流れを略
下向き方向に導くように、構成されている。
ガス注入マニホールド１４は、冷媒システム（図示せず）に接続されていてもよい。冷
媒システムは、運転中、要素の温度を所望の温度に維持するために、液体をガス分配要素
内に循環させるように構成されている。チャンバ１２の壁を冷却するために、同様の冷媒
装置（図示せず）が設けられていてもよい。
チャンバ１２は、副チャンバ１７に通じる入口開口１６と、入口開口１６を開閉するた
めの可動シャッター１８とを備えていてもよい。シャッター１８は、例えば、米国特許第
７，２７６，１２４号に開示されているように構成されていてもよい。この文献の開示内
容は、引用することによって本明細書の一部をなすものとする。シャッター１８は、望ま
しくは、チャンバ１２の周囲に沿って延在する円形フープの形態にある。シャッター１８
は、チャンバ１２の内面を画定する内面１９を有しているとよい。
スピンドル３０が、垂直中心軸３２の周りに回転するようにチャンバ内に配置されてい
る。スピンドル３０の中心軸３２は、反応チャンバ１２の上下方向に延在している。スピ
ンドルは、軸受およびシール（図示せず）を含む従来の回転貫通装置３４によって、チャ
ンバ１２に取り付けられている。これによって、スピンドルは、スピンドル３０とチャン
バ１２の基板２４との間の密封を維持しながら、中心軸３２の周りに回転することができ
る。スピンドル３０は、その上端、すなわち、ガス注入マニホールド１４に最も近いスピ
ンドルの端に取付け具３６を有している。
スピンドル３０は、スピンドルを中心軸３２の周りに回転させるように構成された電動
モータ駆動装置のような回転駆動機構３８に接続されている。スピンドル３０は、ガス通
路内においてスピンドルの略軸方向に延在する内部冷媒通路を備えていてもよい。内部冷
媒通路は、冷媒源に接続されていてもよい。これによって、流体冷媒が、冷媒源から冷媒
通路を通って冷媒源に循環することができる。
ウエハキャリア４０は、平坦な円形上面４１および中心軸４２を有する実質的にディス
クの形態とすることができる。図１に示されている作動位置では、ウエハキャリア４０は
、該ウエハキャリアの中心軸４２がスピンドルの軸３２と一致するように、スピンドル３
０上に取り付けられている。ウエハキャリア４０は、チャンバ１２内においてガス注入マ
ニホールド１４の下方に位置している。これによって、ガス注入マニホールドは、ウエハ
キャリアが回転している間に、ガスをウエハキャリアに向かって下方に放出することがで
きる。シャッター１８が図１に示されている作動位置にあるとき、シャッターの内面１９
がウエハキャリア４０を取り囲んでいる。
ウエハキャリア４０は、単一片として形成されていてもよいし、または複数片の複合物
として形成されていてもよい。例えば、米国特許出願公開第２００９／０１５５０２８号
に開示されているように、ウエハキャリア４０は、中心軸４２を囲むウエハキャリアの小
領域を画定するハブと、ディスク状本体の残りを画定する大きな部分とを備えていてもよ
い。なお、この文献の開示内容は、引用することによって本明細書の一部をなすものとす
る。
ウエハキャリア４０は、ＣＶＤプロセスを汚染させず、該プロセスにおいて受ける温度
に耐えることができる材料から形成することができる。例えば、ウエハキャリア４０の大
きな部分は、その大半または全体が、黒鉛、炭化ケイ素、窒化ボロン、窒化アルミニウム
、または他の耐火材料のような材料から形成されているとよい。ウエハキャリア４０は、
略平坦な上下面を有しており、これらの面は、互いに略平行でありウエハキャリアの垂直
回転軸４２と略直交している。一例では、ウエハキャリア４０は、約３００ｍｍから約７
００ｍｍの直径を有することができる。
ウエハキャリア４０の上面４１は、ウエハキャリアの周囲に沿って配置されたポケット
４３を備えることができる。このようなポケットの各々は、ディスク状ウエハ５０を離脱
可能に受け入れ、以下に述べるようなＭＯＣＶＤ中にこのようなウエハを保持するように
、構成されている。各ウエハ５０は、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、または他の結
晶質基板から形成することができる。典型的に、各ウエハ５０は、その主面の寸法と比較
して小さい厚みを有している。例えば、約２インチ（５０ｍｍ）の直径を有する円形ウエ
ハ５０は、約４３０μｍ以下の厚みを有しているとよい。各ウエハ５０は、その上面を上
向きにし、これによって、ウエハの上面をウエハキャリアの上面に露出させて、ウエハキ
ャリア４０上またはウエハキャリア４０に隣接して配置されるとよい。ウエハ５０は、ウ
エハキャリア４０の上面４１と同一平面またはほぼ同一平面になっているとよい。
ＭＯＣＶＤのような多くのプロセスでは、ウエハキャリア４０は、ウエハ５０の表面に
所望の温度をもたらすために、加熱されるようになっている。このような加熱のために、
加熱要素６０が、スピンドル３０の取付け具３６の下方の部分を囲んで、チャンバ１２内
に取り付けられている。加熱要素６０は、主に輻射熱伝達によって、熱をウエハキャリア
４０の底面に伝達することができる。ウエハキャリア４０の底面に印加された熱は、ウエ
ハキャリアの本体内をその上面４１に向かって上方に流れることができる。熱は、ウエハ
キャリア４０によって保持された各ウエハの底面に向かって上向きに流れ、ウエハ５０内
をその上面に向かって上方に流れることができる。熱は、ウエハ５０の上面からプロセス
チャンバ１２の温度の低い要素、例えば、プロセスチャンバの壁２０およびガス注入マニ
ホールド１４に放射されることになる。熱は、ウエハ５０の上面からこれらの上面を通る
処理ガスにも伝達されることになる。特定の実施形態では、加熱要素６０は、多区域加熱
要素とすることができ、これによって、ウエハキャリア４０の互いに異なる部分（例えば
、スピンドル３０の中心軸３２から第１の半径方向距離に位置する第１の環状部分および
該中心軸から第２の半径方向距離に位置する第２の環状部分）は、個別に加熱可能である
。
また、チャンバ１２は、加熱要素６０を含むチャンバの領域内への処理ガスの侵入を低
減させる外側ライナー２８も備えている。例示的な実施形態では、遮熱材（図示せず）が
、例えば、ウエハキャリア４０と平行になるように、加熱要素６０の下方に設けられてい
てもよい。これによって、加熱要素から熱を、チャンバ１２の底端の基板２４に向かって
下方に導くことなく、ウエハキャリアに向かって上方に導くことを助長することができる
。
また、チャンバ１２は、使用済みガスをチャンバの内部領域２６から除去するように構
成された排気システム６２も備えている。排気システム６２は、ウエハキャリア４０が占
める箇所の下方の位置においてチャンバ１２に接続されている。排気システム６２は、チ
ャンバ１２の底またはその近くに排気マニホールド６３を備えることができる。排気マニ
ホールド６３は、使用済みガスを反応チャンバ１２の外に排出するように構成されたポン
プ６５または他の真空源に接続されていてもよい。
運転に際して、入口開口１６が、シャッター１８を開位置に下げることによって、開け
られる。次いで、ウエハ５０が装填されたウエハキャリア４０が、副チャンバ１７からチ
ャンバ１２内に装填され、図１に示されている作動位置に配置される。この状態では、ウ
エハ５０の上面は、ガス注入マニホールド１２に向かって上向きになっている。入口開口
１６は、シャッター１８を図１に示されている閉位置に持ち上げることによって、閉じら
れる。加熱器７０が作動され、スピンドル３０、従って、ウエハキャリア４０を中心軸４
２の周りに回転させるために、回転駆動装置３８が作動される。典型的には、スピンドル
４０は、約５０回転／分〜約１５００回転／分の回転速度で回転されるようになっている
。
ガスをガス注入マニホールド１４内に供給するために、処理ガス供給ユニット（図示せ
ず）が作動される。これらのガスは、ウエハキャリア４０に向かって下方に流れ、ウエハ
キャリアの上面４１およびウエハ５０の上面を通り、ウエハキャリアの周囲を回って、排
気システム６２の排気マニホールド６３に向かって下方に流れる。従って、ウエハキャリ
ア４０の上面４１およびウエハ５０の上面は、種々の処理ガス供給ユニットによって供給
された種々のガスの混合物を含む処理ガスに晒されることになる。最も典型的には、上面
４１における処理ガスは、その大部分がキャリアガス供給ユニット（図示せず）によって
供給されたキャリアガスから構成されている。
プロセスは、ウエハ５０の所望の処理が完了するまで継続される。プロセスが完了した
なら、シャッター１８を下げることによって、入口開口１６が開けられる。入口開口１６
が開けられたなら、ウエハキャリア４０は、スピンドル６０から取り外され、次の運転サ
イクルのために、新しいウエハキャリア５０と取り換えられることになる。
以下、図２Ａ、図２Ｂを参照すると、流れ注入要素１４から放出されたガスは、ウエハ
キャリア４０の上面４１から離れた領域を下方に流れ、該上面および被処理ウエハ５０の
露出面を直接覆っている境界層７０内をキャリア上面の周辺領域４４に向かって外方に流
れる。ガスは、キャリアの上面４１の周縁４６を超えると、キャリアの周面４５とシャッ
ター１８によって画定された周囲面１９との間を下方に流れる。
化学蒸着装置１０のような垂直回転ディスク式反応器では、特定の処理プロセスの処理
率、例えば、質量輸送制限成長条件下でのＭＯＣＶＤプロセスの成長率は、境界層の厚み
の逆数である。無制限に大きいキャリアの場合、成長率が境界層の厚みに逆比例する（成
長率＝１／境界層の厚み）ことが、理論的に予測されている。これは、より薄い境界層の
場合、供給源がキャリア面に拡散するのに掛かる時間がより短いので、成長率がより高く
なることを意味している。従って、ＭＯＣＶＤエピタキシャル成長中に均一かつ迅速な堆
積率を得るには、薄くかつ均一な拡散境界層が極めて重要である。境界層の厚みは、回転
速度および反応器内の圧力を変化させることによって制御可能であり、これらの２つのパ
ラメータの平方根に逆比例する。また、境界層の厚みは、ガス混合物の特性、例えば、該
混合物における種々のガスの比率の関数である動的粘度を変化させることによって、なら
びにキャリア温度および注入温度を変化させることによっても、制御可能である。
典型的には、反応器１２内の流れが安定した条件では、すなわち、回転または浮力によ
って生じる再循環による擾乱がなく、またはガス注入要素におけるガス速度またはガス密
度の大きいバラツキによる擾乱がなく、かつウエハキャリア４０が均一に加熱される条件
では、均一な境界層厚みが、ウエハキャリアの上面４１の大部分にわたって得られること
になる。しかし、ウエハキャリア４０が有限半径を有しており、かつ排気マニホールド６
３（図１）が典型的にはキャリアの下方に位置していることによって、ガス流線７１は、
ウエハキャリア上方の半径方向から排気マニホールドに向かう軸方向に方向転換する。そ
の結果、図２Ｂに概略的に示されているように、境界層の「転回（rolling-off）」また
は「湾曲（bending）」が、キャリアの上面４１の周縁４６に生じることになる。
換言すれば、ガスが、キャリア４０の上面４１上の半径方向外向き流れから、キャリア
の周辺領域４５とチャンバ１２の周囲面１９との間の下向き流れに移行すると、流線７１
は、キャリア上面の周辺領域４４上に収斂する傾向がある。境界層７０は、周縁４６に近
い上面４１の周辺領域４４の上方において薄くなる。境界層７０が薄くなると、その結果
として、キャリア４０の上面４１の周縁４６の近くにおけるエピタキシャル成長率が高く
なる。典型的には、本発明以前に用いられていたウエハキャリアは、図２Ｂにも示されて
いるように、上面４１の周縁４６において、約５ｍｍの大きな半径を有していた。本発明
の一態様によれば、丸められた周縁４６が境界層の薄層化の一因になることが見出されて
いる。
境界層の厚みは、１ｃｍ未満になることがある。従って、キャリア４０の上面４１の周
縁４６における境界層の厚みが極めて小さい値（〜１ｍｍ）に変化することによって、成
長率が著しく増大する可能性がある。ウエハ５０の不均一な成長率を避けるために、実際
問題として、キャリア４０の上面４１の周縁４６の近くへのウエハ５０の配置が、これま
で回避されてきた。しかし、これによって、反応器の効率および生産力が低減することに
なる。何故なら、キャリアの縁の近くの上面４１のかなりの部分がウエハによって占有さ
れないからである。
本発明の一態様は、境界層薄層化を補償するためにリップをキャリア縁に導入すること
によって、ウエハキャリアを再形成することを提案している。図３Ａ、図３Ｃに示されて
いるように、ウエハキャリア１４０は、中心軸１４２および該中心軸と実質的に直交する
略平坦な上面１４１を画定する本体を備えている。本体は、上面１４１に開いて該上面の
下方に凹んだポケット１４３を有している。ポケット１４３は、ウエハ５０のような基板
を、該基板の上面５１が露出し、キャリア１４０の上面１４１と同一平面またほぼ同一平
面になるように、保持するように構成されている。ウエハキャリア１４０は、装置１０（
図１）のような処理装置のスピンドル３０上に、キャリアの中心軸１４２がスピンドルの
中心軸３２と同軸になるように取り付けられている。例えば、ウエハキャリア１４０は、
取付け具３６（図１）のようなスピンドルの対応する取付け具に係合するように適合され
た取付け具を有しているとよい。このような一構成では、ウエハキャリアは、中心軸と同
軸になるように本体の底に開いた雌型円錐取付け具（例えば、図５に示されている取付け
具２３６）を有しており、スピンドルは、雄型円錐取付け具（例えば、図１に示されてい
る取付け具３６）を有している。ウエハキャリア１４０は、上面１４１と略平行の底面を
有する略平坦ディスクの形態でありうる。
リップ１８０が、キャリア１４０の平坦な上面１４１から上方に延在している。最適な
リップ高さＨは、プロセス条件に依存しているが、一例では、約０．７ｃｍから約１．０
ｃｍの境界層厚みを生じるプロセス条件での運転に対して、０から１ｍｍの間、典型的に
は、約０．３ｍｍから約０．８ｍｍの間、例えば、約０．６ｍｍでありうる。リップ１８
０は、上向きリップ面１８１を有している。リップ面１８１は、平坦な上面１４１から上
方に傾斜し、鋭利な縁１４６においてキャリアの円筒状周面１４５と交わっている。傾斜
角Ａ、すなわち、リップ１８０の傾斜面１８１とウエハキャリア１４０の平坦な上面１４
１との間の角度は、変更されてもよい。一例では、傾斜角Ａは、１０°から１５°の間に
あるとよい。図３Ａ、図３Ｃに示されているように、リップ１８０の傾斜面１８１は、望
ましくは、ポケット１４３が占める領域のすぐ外側におけるウエハキャリアの中心軸から
の半径方向距離の位置において、上面１４１と交わっている。すなわち、リップの傾斜面
１８１は、ポケット１４３のちょうど最大半径方向距離ＲＭＡＸの位置またはそのいくら
か外側の位置において、キャリア１４０の平坦な上面１４１と交差している。図３Ｃを参
照すれば最もよく理解されるように、リップ１８０は、ウエハキャリア１４０の全周１４
４に沿って延在し、従って、円錐の一部を画定している。
図３Ａ、図３Ｃの実施形態では、リップ面１８１は、円錐であり、これによって、傾斜
角Ａは、リップ面１８１の半径方向距離の全体にわたって一定である。しかし、傾斜角は
、必ずしも一定である必要はない。例えば、傾斜角は、中心軸１４２から離れる半径方向
外向き方向において徐々に大きくなっていてもよいし、または小さくなっていてもよい。
図３Ｂに示されているように、ウエハキャリア１４０の全体にわたる境界層１７０の厚
みは、図２に示されているウエハキャリア４０の全体にわたる境界層７０の厚みよりもウ
エハ５０の上面５１の全域にわたってより均一である。
本発明のさらに他の態様は、図５に示されているように、リップではなく鋭利な周縁２
４６を有するウエハキャリア２４０を用いている。このような鋭利な縁２４６は、図２に
示されているような大きな半径の縁と比較して、堆積均一性を高めることができる。本明
細書において「鋭利な縁（sharp edge）」と呼ばれている縁は、０．１ｍｍ以下の半径を
有しており、望ましくは、ゼロ半径に可能な限り近いとよく、好ましくは、キャリア２４
０の上面２４１と周面２４５との間の鋭利な交点であるとよい。
図４を参照すると、計算流体力学モデリングを用いることによって、小さいリップ１８
１がウエハキャリアの周辺における堆積均一性を著しく改良し、これによって、キャリア
面をさらに一層利用することができることが見出されている。図４においてモデル化され
た特定の運転条件において、グラフ８０は、線８１として示されている丸められた縁（現
在の設計−丸縁）を有する従来のウエハキャリアの場合、中心により近い領域における堆
積率に対して、ウエハキャリアの周辺に近い（中心軸から約０．２１ｍｍから約０．２２
ｍｍの距離にある）領域における正規化された堆積率が、著しく増大していることを示し
ている。このような不均一な堆積率によって、この周辺領域へのポケットおよびウエハの
配置は、事実上、排除されることになる。
線８２として示されている鋭利な縁（例えば、図５）を有するキャリア、および線８３
，８４として示されているリップ（例えば、図３Ａ）を有するキャリアのモデル化された
性能は、キャリア周辺に近い領域における低減した堆積率を示す傾向にある。ウエハキャ
リアの周辺におけるエピタキシャル堆積率の低減に関して、リップは、鋭利な縁よりも大
きな効果をもたらしている。リップが大きくなるほど、堆積率の減少が大きくなる。０．
６ｍｍリップ高さ（線８３）を有するキャリアによって得られる減少は、キャリアの内部
領域における堆積率とほぼ均一かつほぼ等しい周辺領域における堆積率を得るのに十分で
ある。１．０ｍｍリップ高さ（線８４）を有するキャリアによって得られる減少は、余り
にも大きすぎ、周辺領域における堆積率が、内部領域における堆積率よりも著しく小さく
なる。これは、１．０ｍｍリップ高さがこのプロセス条件の組合せに最適なリップ高さよ
りも大きすぎることを示している。従って、鋭利な縁またはリップを用いるかどうかの選
択、およびリップ高さの選択は、従来装置のモデリングまたは運転によって得られる結果
によって決められるとよい。
例えば、‘５３２出願に開示されているように、一部の運転条件下では、ウエハキャリ
ア上面の上方のある高さおよび該上面の周辺のちょうど外側に、渦が生じることがある。
このような渦がウエハキャリアの周辺の近くに延びているとき、正規化された堆積は、ウ
エハキャリアの周辺領域において、増加せずに、むしろ減少する。これらの運転条件下で
は、リップまたは鋭利な縁は、通常、用いられない。換言すれば、鋭利な縁およびリップ
は、ウエハキャリアの上面の上方のある高さおよびウエハキャリアの周辺の近くにおける
ガス流が、（例えば、図２Ａ、図３Ｂに示されているように）実質的に再循環しない運転
条件下において、最も有利に適用される。
図６に示されているように、ウエハキャリア３４０の周面は、凹入面３４７を備えてい
てもよい。凹入面３４７は、リップ３８０の上向き傾斜面３８１との交点３４６から下向
き方向において、中心軸３４２に向かって内方に傾斜している。凹入面３４７は、交点３
４６の近くの流体流に影響を与える。さらに他の態様では、凹入面は、周面３４５の全体
を構成していてもよく、図示されているよりも急峻なまたは急峻でない内向き角Ｂを有し
ていてもよい。凹入面は、凹入面の傾斜角Ｂが変化するように、湾曲していてもよい。
図７に示されているさらに他の態様では、上向き傾斜リップのない凹入周面４４７が用
いられてもよい。この場合、凹入周面は、キャリア４４０の平坦な上面４４１と交わって
いる。図８に示されているさらに他の形態では、凹入面５４７とリップ５８０の傾斜面５
８１またはキャリア５４０の平坦な上面５４１との交点５４６は、半径を有していてもよ
い。
図９Ａ、図９Ｂに示されている他の態様では、ウエハキャリア６４０は、リップ６８０
を備えることができる。リップ６８０は、ポケット６４３が配置されている領域内に半径
方向に延在するように、ウエハキャリアの上面６４１の周縁６４６から下方かつ半径方向
内方に傾斜している。例えば、リップ６８０は、周縁６４６から約０．５インチ半径方向
内方に延在している。このような実施形態では、リップ６８０の傾斜面６８１は、ポケッ
ト６４３の最大半径方向距離ＲＭＡＸよりもいくらか内側にある半径ＲＬＩＰにおいて、
キャリア６４０の平坦な上面６４１と交差している。ポケット６４３の外側部分６４８の
深さＤ１は、ポケットの内側部分６４９の深さＤ２よりもいくらか大きい。このようなウ
エハキャリア６４０は、内側部分６４９と傾斜面６８１との交点において、上面６４１の
高さに対して垂直方向段を有することになる。しかし、この段は、約１ｃｍの典型的な境
界層高さに対して小さいので、ポケット内に配置されたウエハの半径方向外方部分におけ
るエピタキシャル成長に対して著しい影響をもたらすことがない。
前述の検討は、成長プロセスにおけるウエハキャリアの使用を対象としてなされている
が、該キャリアは、他のプロセスに用いられてもよい。本発明は、種々のウエハ処理プロ
セス、例えば、ウエハの化学蒸着や化学エッチングなどに適用可能である。
本発明は、ここでは、特定の実施形態を参照して説明されているが、これらの実施形態
は、本発明の原理および用途の単なる例示にすぎないことを理解されたい。従って、例示
的な実施形態に対して多くの修正がなされてもよく、添付の請求項によって定義された本
発明の精神および範囲を逸脱することなく、他の構成が案出されてもよいことを理解され
たい。
種々の従属請求項およびここに記載された特徴は、元の請求項に提示されている方法と
異なる方法によって組み合わされてもよいことを理解されたい。また、個々の実施形態に
関連して記載された特徴は、記載されている実施形態の他の特徴と共有されてもよいこと
を理解されたい。
本発明は、制限されるものではないが、超小型電子ユニットおよび超小型電子ユニット
を製造する方法を含む、広い産業上の利用可能性を有している。

Claims (17)

  1. 中心軸と、前記中心軸と直交する略平坦な上面と、ウエハを収容するために前記上面の
    下方に凹んだポケットとを画定する本体を備えるウエハキャリアであって、前記本体は、
    前記上面の周囲に沿って上方に突出するリップを備えており、前記リップは、前記中心軸
    から離れる半径方向外向き方向において前記平坦な上面から上方に傾斜するリップ面を画
    定しており、前記本体は、処理装置のスピンドル上に、前記本体の前記中心軸が前記スピ
    ンドルと同軸になるように取り付けられていることを特徴とするウエハキャリア。
  2. 前記本体は、前記中心軸と同軸の円筒状周面を画定しており、前記リップ面は、鋭利な
    縁において前記周面と交わっていることを特徴とする請求項１に記載のウエハキャリア。
  3. 前記本体は、前記中心軸と同軸の円筒状周面を画定しており、前記リップ面は、丸めら
    れた縁において前記周面と交わっていることを特徴とする請求項１に記載のウエハキャリ
    ア。
  4. 前記リップ面は、前記ウエハキャリアの前記上面に対する一定の傾斜角を画定している
    ことを特徴とする請求項１に記載のウエハキャリア。
  5. 前記リップ面は、前記ウエハキャリアの前記上面に対する傾斜角を画定しており、前記
    傾斜角は、前記中心軸に対する半径方向距離の関数として変動するようになっていること
    を特徴とする請求項１に記載のウエハキャリア。
  6. 前記リップ面は、前記中心軸からの前記ポケットの最大半径方向距離と等しい前記中心
    軸からの半径方向距離において、前記上面と交差していることを特徴とする請求項１に記
    載のウエハキャリア。
  7. 前記リップ面は、前記中心軸からの前記ポケットの最大半径方向距離よりも小さい前記
    中心軸からの半径方向距離において、前記上面と交差していることを特徴とする請求項１
    に記載のウエハキャリア。
  8. 前記リップの高さは１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のウエハキャリ
    ア。
  9. 前記リップの高さは０．６ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のウエハキャリ
    ア。
  10. 前記本体は、前記中心軸と同軸の円筒状周面を画定しており、前記周面は、前記リップ
    面と前記周面との間の交点から下向き方向において前記中心軸に向かって半径方向内方に
    突出する凹入面を備えていることを特徴とする請求項１に記載のウエハキャリア。
  11. 中心軸と、前記中心軸と直交する略平坦な上面と、ウエハを収容するために前記上面の
    下方に凹んだポケットとを画定する本体を備えるウエハキャリアであって、前記本体は、
    前記中心軸と同軸の円筒状周面を有しており、前記円筒状周面は、鋭利な縁において前記
    上面と交差しており、前記本体は、処理装置のスピンドル上に、前記本体の前記中心軸が
    前記スピンドルと同軸になるように取り付けられていることを特徴とするウエハキャリア
    。
  12. 前記周面は、前記上面と前記周面との間の交点から下向き方向において前記中心軸に向
    かって半径方向内方に突出する凹入面を備えていることを特徴とする請求項１１に記載の
    ウエハキャリア。
  13. 処理装置であって、
    （ａ）反応チャンバと、
    （ｂ）前記チャンバ内において上下に延在するスピンドルと、
    （ｃ）前記スピンドルに取り付けられた請求項１に記載のウエハキャリアであって、前
    記スピンドルの中心軸は前記スピンドルと同軸になっている、ウエハキャリアと、
    （ｄ）前記ウエハキャリアの上方において前記反応チャンバに連通する流体注入要素で
    あって、一種以上のガスを前記ウエハキャリアに向かって下方に導くように構成されて配
    置されている、流体注入要素と、
    （ｅ）前記ウエハキャリアの下方において前記反応チャンバに連通する排気システムと
    を備えてなる処理装置。
  14. ウエハを処理する方法であって、請求項１３に記載の処理装置のウエハキャリアのポケ
    ット内にウエハを配置し、前記ウエハキャリア上にガスを下向きに導くステップと、その
    一方、前記スピンドルおよび前記ウエハキャリアを中心軸の周りに回転させるステップと
    、その一方、ガスを排気システム内に除去するステップとを含んでいることを特徴とする
    方法。
  15. 前記ウエハキャリアおよびウエハを加熱するステップをさらに含んでいることを特徴と
    する請求項１４に記載の方法。
  16. 前記ガスが反応し、前記ウエハの露出面に堆積物を形成していることを特徴とする請求
    項１５に記載の方法。
  17. 前記ウエハキャリアの前記上面の上方のある高さでの前記ウエハキャリアの周囲の近く
    における流れが、実質的に再循環していないことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
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