JP2020064928A - Method for replacing gas in reactor in vapor phase growth apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、気相成長装置における反応炉内ガスの置換方法に関し、詳しくは、反応炉への基板の出し入れを行う際に、反応炉内を反応性ガス雰囲気から不活性ガス雰囲気に置換する気相成長装置における反応炉内ガスの置換方法に関する。 The present invention relates to a method for replacing a gas in a reaction furnace in a vapor phase growth apparatus, and more specifically, a gas for replacing a reactive gas atmosphere in a reaction furnace with an inert gas atmosphere when a substrate is put in and out of a reaction furnace. The present invention relates to a method for replacing gas in a reaction furnace in a phase growth apparatus.
気相成長装置は、反応炉内に設置した基板をあらかじめ設定された温度に加熱するとともに、前記反応炉内に原料ガスを供給することにより、前記基板上に半導体結晶を成長させるもので、基本的に、反応炉内への基板の設置、反応炉の閉塞及び反応炉内の減圧、反応炉内への反応性ガスの供給及び基板の加熱、反応性ガスを供給しながらの原料ガスの供給、結晶成長後の原料ガスの供給停止、反応性ガスを供給しながらの反応炉内の降温、不活性ガスを供給して反応炉内のガスを置換、反応炉内の昇圧、反応炉の開放、反応炉からの基板の取り出し及び新たな基板の設置といった手順を繰り返すバッチ式の装置である。また、前記反応炉は、該反応炉を覆う形状を有するグローブボックス内に収容されており、グローブボックス内に大気圧より高い圧力で窒素等の不活性ガスを流通させることにより、反応炉内への大気の侵入を防止している。 The vapor phase growth apparatus is for growing a semiconductor crystal on the substrate by heating a substrate installed in the reaction furnace to a preset temperature and supplying a source gas into the reaction furnace. Specifically, the substrate is installed in the reaction furnace, the reactor is closed and the reactor is depressurized, the reactive gas is supplied into the reaction furnace and the substrate is heated, and the source gas is supplied while supplying the reactive gas. Stop supply of raw material gas after crystal growth, lower temperature in reaction furnace while supplying reactive gas, replace gas in reaction furnace by supplying inert gas, pressurize in reaction furnace, open reactor It is a batch-type apparatus that repeats the procedure of taking out a substrate from the reaction furnace and installing a new substrate. Further, the reaction furnace is housed in a glove box having a shape covering the reaction furnace, and by passing an inert gas such as nitrogen at a pressure higher than atmospheric pressure into the glove box, To prevent the invasion of the atmosphere.
このような気相成長装置では、半導体基板へのパーティクルの混入の防止、1回の半導体結晶成長に必要な時間の短縮が求められており、従来から様々な対策が提案されている。例えば、均圧弁を設けるとともに、複数の弁を適宜開閉し、反応炉内の圧力をグローブボックス内の圧力と同じ圧力にしてから反応炉を開放することにより、パーティクルの発生を抑制することが行われている(例えば、特許文献1参照。)。 In such a vapor phase growth apparatus, it is required to prevent particles from being mixed into the semiconductor substrate and to shorten the time required for one semiconductor crystal growth, and various measures have been conventionally proposed. For example, it is possible to suppress the generation of particles by providing a pressure equalizing valve, opening and closing a plurality of valves as appropriate to make the pressure inside the reactor equal to the pressure inside the glove box, and then opening the reactor. (For example, see Patent Document 1).
しかし、特許文献1に記載された気相成長装置では、反応炉を開放する際に、排気弁や均圧弁を開閉する操作を行うため、通常時と異なるガスの流れが生じることから、パーティクルが発生するおそれがあった。また、反応炉周囲の温度に対して反応炉内の温度が高い状態で反応炉を開放すると、温度差によってガスの対流が生じるため、これに起因してパーティクルが発生するおそれもあった。特に、反応炉からの排気部となる排気系の配管からガスが逆流することによって、より多くのパーティクルが発生するおそれがあった。 However, in the vapor phase growth apparatus described in Patent Document 1, when the reaction furnace is opened, the operation of opening and closing the exhaust valve and the pressure equalizing valve is performed, so that a gas flow different from the normal time occurs, so that particles are generated. It was likely to occur. In addition, if the reaction furnace is opened in a state where the temperature inside the reaction furnace is higher than the temperature around the reaction furnace, gas convection occurs due to the temperature difference, which may cause particles to be generated. In particular, there is a possibility that more particles may be generated due to the reverse flow of the gas from the exhaust system pipe serving as the exhaust unit from the reaction furnace.
そこで本発明は、パーティクルの発生を抑えて反応炉内のガス置換を行うことができる気相成長装置における反応炉内ガスの置換方法を提供することを目的としている。 Therefore, an object of the present invention is to provide a method for replacing gas in a reaction furnace in a vapor phase growth apparatus, which can suppress gas generation and perform gas replacement in the reaction furnace.
上記目的を達成するため、本発明の気相成長装置における反応炉内ガスの置換方法は、不活性ガスが流通しているグローブボックス内に配置した反応炉内から成膜後の基板を取り出すために反応炉を開放する際の気相成長装置における反応炉内のガス置換方法において、前記反応炉内に配置した基板への成膜操作を終了した後、前記反応炉を開放する前に、前記反応炉内のガスを排気する排気部からの排気操作を継続しながら、前記反応炉内にパージガスを導入することにより、前記反応炉内のガスをパージガスに置換することを特徴としている。 In order to achieve the above object, the method for replacing the gas in the reaction furnace in the vapor phase growth apparatus of the present invention, in order to take out the substrate after film formation from the reaction furnace placed in the glove box in which the inert gas is flowing In the gas replacement method in the reaction furnace in the vapor phase growth apparatus when opening the reaction furnace, after completing the film forming operation on the substrate placed in the reaction furnace, before opening the reaction furnace, The gas in the reaction furnace is replaced with the purge gas by introducing the purge gas into the reaction furnace while continuing the exhaust operation from the exhaust unit for exhausting the gas in the reaction furnace.
さらに、本発明の気相成長装置における反応炉内のガス置換方法は、前記排気部が、該排気部を流れるガスのコンダクタンスを調整するコンダクタンス調整手段を備え、前記パージガス供給部から反応炉内へのパージガスの供給量に合わせて排気部のコンダクタンスを調整することを特徴としている。 Further, in the gas replacement method in the reaction furnace in the vapor phase growth apparatus of the present invention, the exhaust part is provided with conductance adjusting means for adjusting the conductance of the gas flowing through the exhaust part, and the purge gas supply part into the reaction furnace. The conductance of the exhaust part is adjusted according to the supply amount of the purge gas.
また、前記反応炉内のガスをパージガスに置換して昇圧した後、反応炉を開放するまでの間に、反応炉内の圧力を低下させることなくグローブボックス内の圧力と同等に保持することを特徴としている。 In addition, after replacing the gas in the reaction furnace with the purge gas and increasing the pressure, it is possible to maintain the pressure in the reaction furnace equal to the pressure in the glove box without lowering the pressure in the reaction furnace before opening the reaction furnace. It has a feature.
特に、前記気相成長装置が、基板上に化合物半導体を形成する化合物半導体形成用の気相成長装置であり、さらに、前記気相成長装置が、MOCVD装置であることを特徴としている。 In particular, the vapor phase growth apparatus is a vapor phase growth apparatus for forming a compound semiconductor for forming a compound semiconductor on a substrate, and further, the vapor phase growth apparatus is a MOCVD apparatus.
加えて、前記パージガスの積算供給量が前記反応炉の内容量よりも多く、かつ、前記反応炉内から排出される反応性ガスの濃度が許容濃度以下になるまで前記反応炉内のガスをパージガスに置換するガス置換操作を行うことを特徴としている。 In addition, the gas in the reaction furnace is purged until the cumulative supply amount of the purge gas is larger than the internal volume of the reaction furnace and the concentration of the reactive gas discharged from the reaction furnace becomes equal to or lower than the allowable concentration. It is characterized by performing a gas replacement operation for replacing the gas.
本発明の気相成長装置における反応炉内ガスの置換方法によれば、排気部からの排気を継続して行っているので、排気部を構成する排気配管からのガスの逆流を生じることがなくなり、パーティクルの発生を抑制することができ、反応炉内へのパーティクルの侵入を防止できる。 According to the method for replacing the gas in the reaction furnace in the vapor phase growth apparatus of the present invention, since the exhaust from the exhaust unit is continuously performed, the back flow of gas from the exhaust pipe constituting the exhaust unit is not generated. Moreover, the generation of particles can be suppressed, and the particles can be prevented from entering the reaction furnace.
図1乃至図5は、本発明の気相成長装置における反応炉内ガスの置換方法を説明するための図であって、図1は、本発明を実施可能な気相成長装置の一形態例を示している。本形態例に示す気相成長装置は、基板上に半導体結晶を成長させるための反応炉11と、該反応炉11を覆うグローブボックス12と、反応炉11及びグローブボックス12にそれぞれ接続された複数のガス供給系統及びガス排気系統とを備えている。
1 to 5 are views for explaining a method for replacing a gas in a reaction furnace in a vapor phase growth apparatus of the present invention, and FIG. 1 is an example of one embodiment of a vapor phase growth apparatus in which the present invention can be carried out. Is shown. The vapor phase growth apparatus shown in this embodiment includes a
ガス供給系統としては、パージガスや反応性ガスを供給弁13及び流量調節器14を介して反応炉11に各種ガスを供給する反応炉用ガス供給経路15と、窒素ガスを窒素供給弁16を介してグローブボックス12内に供給するグローブボックス用ガス供給経路17とが設けられている。通常、前記パージガスとしては、窒素やアルゴンといった不活性ガスが用いられており、反応性ガスとしては、基板上に半導体結晶を成長させる際に使用するガスであって、半導体結晶の種類に応じて、水素、アンモニア、ケイ素化合物、有機金属化合物などが用いられている。
The gas supply system includes a reactor supply
グローブボックス12のガス排気系統としては、開閉弁18及び自動弁19を介してグローブボックス12内から窒素ガスを排気するグローブボックス用ガス排気経路20が設けられており、前記自動弁19は、グローブボックス12内の圧力を検出するグローブボックス圧力計21で検出した圧力に応じて開度が調節され、グローブボックス12内の圧力を大気圧より僅かに高い圧力に調節して外部からグローブボックス12内への大気の侵入を防止するようにしている。
The gas exhaust system of the
一方、反応炉11のガス排気系統としては、反応炉11内からガスを排気するための常圧排気経路22及び真空排気経路23を有しており、常圧排気経路22には、反応炉11内の圧力が常圧に上昇したときに開く常圧排気弁24が設けられている。また、真空排気経路23には、反応炉11内を減圧状態にするための真空ポンプ25が設けられるとともに、反応炉11内を減圧する際に開弁する減圧弁26と、排気系内の圧力を検出する排気圧力計27の検出圧力に応じて真空排気経路22におけるガスコンダクタンスを調整するための排気調整弁28とが設けられている。
On the other hand, the gas exhaust system of the
図2及び図3に示すように、反応炉11には、基板を出し入れするための開閉蓋11aが設けられており、基板の出し入れを行うとき以外には、図2に示すように、開閉蓋11aは閉じられており、基板の出し入れを行う際には、図3に示すように、開閉蓋11aが開いた状態になる。通常、反応炉11内は、ガス排気系統からの排気が行われており、反応炉11内に供給されたパージガスや反応性ガスは、常圧排気経路22又は及び真空排気経路23から排気されている。ガスの排気を止めた状態で開閉蓋11aを開くと、ガス排気系統とグローブボックス12内との圧力差や温度差により、図3に矢印Aで示すように、ガス排気系統内のガスが逆流することがあり、パーティクルの発生原因となる。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
そこで、反応炉11の開閉蓋11aを開くときには、基板への半導体結晶成長を行う自動成長プログラムに組み込まれたガス置換操作を行ってから開閉蓋11aを開くようにしている。このガス置換操作は、図4に示すように、まず、ステップ51にて反応炉(リアクタ)11内にパージガスとして不活性ガスのみが流入しているかを確認する。この時点で反応性ガスが反応炉11内に供給されている場合は、成膜操作が完全に終了していないことを示している。
Therefore, when the opening /
ステップ51で反応炉11内に不活性ガスのみが流入していることが確認できたらステップ52に進み、不活性ガスの流入積算値とあらかじめ設定された規定値とを比較し、流入積算値が規定値を超えたらステップ53に進む。前記規定値は、反応炉11の内容量より大きな値に設定されており、あらかじめシミュレーションなどを行って選定した最適値を前記規定値として設定することができる。
If it is confirmed in
ステップ52で不活性ガスの流入積算値が規定値を超えたときには、ステップ53で反応炉11の温度が反応炉蓋開閉可能温度、本形態例では150℃未満になっているかを確認する。そして、反応炉11の温度が反応炉蓋開閉可能温度未満になっていたときには、ステップ54で自動成長プログラムが実行中ではないこと、すなわち、一連の成膜操作が終了していることを確認することで、反応炉11の開閉蓋11aを開くことが可能となる。前記反応炉蓋開閉可能温度は、反応炉周辺部材の耐熱温度に影響され、例えば、60〜600℃の範囲となるが、これに限るものではない。
When the integrated value of the inflow of the inert gas exceeds the specified value in
図5は、1回当たりの成膜操作における反応炉11内の温度、圧力、供給ガスの推移を示すもので、まず、基板を設置後に反応炉11を開閉蓋11aで密封し、反応炉11内の圧力を所定の成膜操作圧力(本例では10kPa)に減圧した状態で、反応炉11内に不活性ガス(窒素)及び反応性ガス(水素、アンモニア)を供給した状態で基板の加熱を開始する(昇温過程)。基板が所定の温度、この場合は1000℃に昇温した状態で所定の半導体結晶の薄膜が成長する(成膜過程)。
FIG. 5 shows changes in the temperature, pressure, and supply gas in the
所定の薄膜が成長したときに基板の加熱を終了し、各ガスを流したまま反応炉11内の温度を下げていく(降温過程)。反応炉11内の温度がある程度の温度(本例では265℃)まで低下したら、反応性ガスの供給を停止し、不活性ガスのみを反応炉11内に供給し、反応炉11内の反応性ガスをパージして不活性ガス雰囲気にするガス置換を行う(降温+置換過程)。
When the predetermined thin film has grown, the heating of the substrate is terminated, and the temperature inside the
続いて不活性ガスを供給するとともに、反応炉11内の真空排気量を減少させることにより、反応炉11内の圧力を充圧して所定圧力(本例では100kPa(略大気圧))まで上昇させる(充圧過程)。例えば、反応炉11内の圧力が低いときには排気調整弁28を全開状態として反応炉11内のガスを真空ポンプ25によって排気し、不活性ガスの供給によって反応炉11内の圧力が上昇してきたときに、排気調整弁28を徐々に閉方向に作動させてガスの流れを規制することによって真空ポンプ25による排気量を減少させ、反応炉11内の圧力が常圧に上昇したときに排気調整弁28を全閉状態にするとともに、常圧排気弁24を全開状態にして反応炉11からの排気を常圧排気経路22から行う。
Then, by supplying an inert gas and reducing the vacuum exhaust amount in the
このようにして供給された不活性ガスを反応炉11を通して常圧排気経路22から排気することにより、反応炉11内の圧力を所定圧力まで昇圧することができる。反応炉11内が所定圧力に充圧されたら、反応炉11及びグローブボックス12に供給するガス流量を適宜調節して反応炉11内の圧力とグローブボックス12内の圧力とを同等とすることにより、ガスの流れを生じることなく開閉蓋11aを開くことができ、薄膜を成長させた基板を取り出して新たな基板を設置する(リアクタ開過程)。再び開閉蓋11aを閉じて反応炉11を密閉した後、反応性ガスの供給を再開するとともに、反応炉11内の減圧を開始し、最初の昇温過程に戻って同様の過程を繰り返す。
By exhausting the inert gas thus supplied from the atmospheric
各過程において反応炉11への不活性ガスの供給操作と、反応炉11からの排気操作とを常時行うことにより、排気部からのガスの逆流を防止でき、パーティクルが発生して反応炉11内に流入することがなくなる。また、反応炉11内の充圧や減圧を行う際に、排気圧力計27の検出圧力に応じて真空排気経路22におけるガスコンダクタンスを調整することにより、反応炉11内からのガスの排出を円滑に行うことができ、ガス流量の変動に伴うパーティクルの発生を回避することができる。
By constantly performing the operation of supplying the inert gas to the
さらに、反応炉11内を充圧した後、反応炉内の圧力を低下させる減圧パージを行うことも従来は行われているが、本発明では、反応炉11内を充圧状態を保持するようにしているので、減圧パージに要する時間が不要になり、1回のサイクルの時間を短縮できる。これにより、パーティクルの発生を回避するとともに、時間短縮を図ることができ、従来に比べて高品質な半導体結晶を効率よく製造することができる。
Furthermore, after the inside of the
特に、基板上に化合物半導体を形成する化合物半導体形成用の気相成長装置、例えば、MOCVD装置では、反応性ガスとして有機金属化合物を使用するので、本発明ではパーティクルの発生を確実に防止できるとともに、1サイクルの成長時間の短縮を図ることができる。さらに、パージガスとなる不活性ガスの積算供給量を、前記反応炉11の内容量よりも多く、かつ、前記反応炉内から排出される反応性ガスの濃度が許容濃度以下になるまで反応炉11内のガスを不活性ガスに置換するガス置換操作を行うことにより、開閉蓋11aを開いたときに、反応炉11からグローブボックス12内に有害な反応性ガスが流出することを確実に防止できる。
In particular, in a vapor phase growth apparatus for forming a compound semiconductor for forming a compound semiconductor on a substrate, for example, a MOCVD apparatus, since an organometallic compound is used as a reactive gas, the present invention can surely prevent generation of particles. The growth time for one cycle can be shortened. Further, the cumulative supply amount of the inert gas serving as the purge gas is larger than the internal volume of the
11…反応炉、11a…開閉蓋、12…グローブボックス、13…供給弁、14…流量調節器、15…反応炉用ガス供給経路、16…窒素供給弁、17…グローブボックス用ガス供給経路、18…開閉弁、19…自動弁、20…グローブボックス用ガス排気経路、21…グローブボックス圧力計、22…常圧排気経路、23…真空排気経路、24…常圧排気弁、25…真空ポンプ、26…減圧弁、27…排気圧力計、28…排気調整弁 11 ... Reactor, 11a ... Open / close lid, 12 ... Glove box, 13 ... Supply valve, 14 ... Flow controller, 15 ... Reactor gas supply path, 16 ... Nitrogen supply valve, 17 ... Glove box gas supply path, 18 ... Open / close valve, 19 ... Automatic valve, 20 ... Glove box gas exhaust path, 21 ... Glove box pressure gauge, 22 ... Normal pressure exhaust path, 23 ... Vacuum exhaust path, 24 ... Normal pressure exhaust valve, 25 ... Vacuum pump , 26 ... Pressure reducing valve, 27 ... Exhaust pressure gauge, 28 ... Exhaust regulating valve
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