JP2022504358A - インダクタ及び電磁シールドを有する堆積リアクタ - Google Patents

Abstract

基板上に半導体材料の層を堆積させるためのリアクタ（１００）が、リアクションチャンバ（１１０）と、当該リアクションチャンバ内に配置されたサセプタ組立体（１２０）と、当該サセプタ組立体を電磁誘導により加熱するように適合された加熱システム（１３０）と、を備え、加熱システム（１３０）が、第１インダクタ（１３１）と、第２インダクタ（１３２）と、当該第１インダクタ及び第２インダクタ（１３１，１３２）に別々で且つ互いに独立の交流電流を給電するように適合された電源（１３５）と、を含む。リアクタ（１００）は、さらに、前記第１インダクタ（１３１）と前記第２インダクタ（１３２）との電磁結合を制限するように適合された遮蔽組立体（１４０）を備えている。

Description

本発明は、基板上に半導体材料の層を堆積させるための、インダクタ及びシールドを備えたリアクタに関する。

基板上に半導体材料の層（(“semi”)とも称され得る）を堆積させるためのリアクタのリアクションチャンバ（反応室）は、反応温度が高いため、加熱される必要がある。

これらのリアクタにおいて、反応温度は、シリコンのエピタキシャル堆積の場合には、例えば８００℃～１２００℃であり得、炭化ケイ素のエピタキシャル堆積の場合には、例えば１６００℃～３０００℃であり得る。堆積の結果、例えば、層（多少の厚みを有する）又はインゴット（すなわち長尺結晶）が得られる。

そのような加熱を達成するために、リアクションチャンバ内部に、電磁誘導により加熱されるように適合されたサセプタ組立体を配置することが可能であり、リアクションチャンバの外部に、サセプタ組立体の加熱のための磁場を発生させるように適合されたインダクタを配置することが可能である。

サセプタ組立体は、典型的にはグラファイト（黒鉛）から作られ、リアクションチャンバ内部の所望の加熱を得るために、様々な形状及び様々な構成であり得る。概して、チャンバ内部の温度が均一でないことが好ましいであろうこと、詳細には、チャンバ内部の所望の温度分布がリアクタの動作状態に依存し得ることに留意すべきである。

本出願人は、石英から作られて円筒形状を有する管を備えたリアクションチャンバに注目してきた。詳細には、本出願人は、大きい寸法の（例えば、直径が５０ｃｍよりも大きく、高さが１００ｃｍよりも大きい）チャンバに注目してきた。

このようなチャンバは、特に、炭化ケイ素のインゴットを「シード」(“seed”)から非常に高温で、例えば２０００℃よりも高温で成長させるためのリアクタにて使用されている。

本発明の全体的な目的は、リアクションチャンバ内部の温度が良好に制御され得るリアクタを提供することである。この全体的な目的は、本明細書の一体的な部分を形成している添付の特許請求の範囲に記載されている内容により達成される。

本発明の基礎である第１の概念は、サセプタ組立体を加熱するために少なくとも２つのインダクタを使用することである。

本発明の基礎である第２の概念は、２つのインダクタ間の電磁結合を制限するように適合された遮蔽組立体を使用し、それにより、前記２つのインダクタを互いに独立に電気的に制御し、従って前記２つのインダクタの加熱作用を互いに独立に制御することをより容易にすることである。

本発明は、以下の詳細な説明を、添付図面と共に考察すると、より明確になろう。

本発明によるリアクタの一実施形態を示す非常に概略的な部分側面断面図である。 図１のリアクタを上から見た非常に概略的な部分図である。 ソレノイドの磁力線を概略的に示した図である。 ソレノイドの磁力線を概略的に示した図である。 図１のリアクタの構成要素を構成し得る本発明による組立体の一部断面の立体図である。

添付の特許請求の範囲にその主要な有利な態様が定義されている本発明を実際に実施するためには様々な方法があり、また、本発明が、以下の詳細な説明及び添付図面のいずれによっても限定されないことが容易に理解されよう。

図１は、サセプタ組立体１２０をその内部に有するリアクタ１００のリアクションチャンバ１１０を示している。チャンバ１１０の側壁は、詳細には、石英から作られて円筒形状を有する管から構成され、管の軸は鉛直方向に配置されている。しかし、管の軸は異なるように、例えば水平方向に配置されてもよい。

また、リアクタ１００は、サセプタ組立体１２０を電磁誘導により加熱するように適合された加熱システム１３０（サブシステムとみなす）も含む。

図１において、リアクションチャンバが、図の単純化のために単一の管状体として表されていることに留意されたい。しかし、典型的には、石英から作られて円筒形状を有する第１管が存在し、第１管の内部に、断熱材料から作られて円筒形状を有する第２管が存在し、第２管の内部に、グラファイトから作られて円筒形状を有する第３管が存在する。典型的には（必須ではないが）、第３管もまた、加熱システム１３０によって電磁誘導により加熱されるように適合されている。従って、ある意味で、第３管もリアクタのサセプタ組立体の構成要素とみなされ得る。

図１及び図２の例によれば、加熱システム１３０は、第１インダクタ１３１及び第２インダクタ１３２と、電源１３５とから成り、電源１３５は、インダクタ１３１及び１３２に、別々で互いに且つ独立している交流電流を給電するように適合されている。詳細には、図１に概略的に示されているように、電源１３５は、第１インダクタ１３１に給電するための第１給電セクション１３５Ａと、第２インダクタ１３２に給電するための第２給電セクション１３５Ｂ（第１セクションとは別個で且つ独立している）とを含む。

図１及び図２の例によれば、サセプタ組立体１２０は、グラファイトから作られた２つの管状要素１２０Ａ及び１２０Ｂから成る。一般的に、サセプタ組立体（サブシステムとみなす）は、少なくとも部分的に導電性材料から作られた１以上の要素を含み得、この導電性材料は、インダクタ又は加熱システムのインダクタにより生成された磁場と結合するように、そして、電流により横切られてジュール効果により加熱されるように適合されている。このような１以上の要素は様々な構成が可能であり、リアクションチャンバ内部に配置されている。このような１以上の要素は、その他の機能を果たすことができ、例えば、１以上の基板を支持できる。

図１は、内部反応及び堆積領域１９０を示しており、領域１９０内に少なくとも１つの基板（図示せず）が配置され、この基板は、典型的には支持要素（図示せず）により支持され、この支持要素は、支持する機能だけでなく基板を加熱する機能も有する場合（上述したように）、「サセプタ要素」と称され得る。いわゆる高温の「成長」プロセスの間に、基板上に層（多少の厚みを有する）が堆積される。図１には、サセプタ組立体１２０以外に、リアクションチャンバ１１０内の、本発明の目的に関係のない構成要素はいずれも示されていない。

多数のインダクタを使用することで、サセプタ組立体へのエネルギーの伝達をより良く制御することが可能になり、従って、空間的な観点からサセプタ組立体の加熱をより正確に制御することが可能になる。

図１に見られるように、インダクタ１３１とインダクタ１３２とは多少離間されており、このような距離は必ずしも固定的ではなく、例えば５ｃｍ～５０ｃｍの範囲であり得る。２つのインダクタ１３１と１３２との間の空間が参照番号１３３で概略的に示されている。しかし、このような距離は、２つのインダクタ間の電磁結合を回避するものではない。実際、例えばソレノイドの場合、磁場（図３に示されている）は、ソレノイドから半径方向及び軸方向の両方において長い距離に延在する。図１及び図２の例において、インダクタ１３１及びインダクタ１３２を電流が横切ったときに発生する磁場の軸方向の延在が共に電磁結合を生じさせるのである。

２つのインダクタが互いに電磁的に結合されている場合、２つのインダクタのうちの一方にエネルギーが（結合の程度に応じて多少なりとも）電気的に供給されると、２つのインダクタのうちの他方にも間接的にエネルギーが供給され、従って、１つのインダクタだけが電気的に制御されるのではなく、もう一方も電気的に制御されているかのようになる。もし、２つのインダクタ１３１とインダクタ１３２との電磁結合が制限されているならば、インダクタ１３１及びインダクタ１３２を給電セクション１３５Ａ及び給電セクション１３５Ｂにより互いに独立に電気的に制御すること、そしてそれにより、サセプタ組立体１２０に対するこれらのインダクタの加熱効果を互いに独立に制御することが、より容易になるであろう。結合が無いならば、それがより好ましいであろう。

加熱システムのインダクタ間の電磁結合を制限するために、本発明は、遮蔽組立体（サブシステムとみなすべき）を提供する。

図１及び図２において、リアクタ１００は、インダクタ１３１とインダクタ１３２との電磁結合を制限するように適合された遮蔽組立体１４０を含み、組立体１４０は、詳細には、第１シールド１４１及び第２シールド１４２を含む。

図１から分かるように、遮蔽組立体１４０の配置は反直観的である。確かに、インダクタ１３１とインダクタ１３２とを遮蔽する必要がある場合、通常は、適切な何物かが、これらのインダクタ同士を離隔する空間（図１の１３３で示されている）に配置されるであろう。しかし、本発明の好ましい実施形態によれば、遮蔽組立体は、インダクタに対して側方に配置される。このような配置は可能である。なぜなら、所定の特性を有する幾つかの材料、すなわち高い透磁率を有する材料を使用することが想定されているからである（例えば、強磁性材料は、少なくとも特定の条件下で高い透磁率を有するため、この目的に適している）。このような性質によれば、このような材料片を磁場に浸漬すると、材料片が磁場を、磁場の線が材料片の内部に集中する傾向を有するように変形させる。図４は、図３と同じソレノイドの磁場を示しているが、ソレノイドの周囲に、円筒状の管（例えばフェライト製）を（半径方向に）追加しており、磁場の線は管の内部に集中している。その結果、磁場の広がりは、半径方向だけでなく軸方向においても非常に小さくなっている。従って、フェライト製の管と同一又は類似のシールドを、本発明によるリアクタの加熱システムのインダクタを遮蔽するために用いることが可能である。

上述の特性を利用して、円筒形状ではない形状、及び／又は、ソレノイドの周囲を囲むことなく配置されるように適合されたシールドを設計できることに留意されたい。例えば、シールドが有孔ディスクの形状を有することもでき、また、ソレノイドと（ほぼ）同軸状に、ソレノイドの横に（軸方向に）配置されてもよい。

遮蔽組立体の材料、より正確にはその遮蔽構成要素（「シールド」とも称する）の材料は、高透磁率、好ましくは１００より大きい相対透磁率、より好ましくは５００よりも大きい相対透磁率を有する材料である。強磁性材料は、少なくとも特定の条件、すなわち飽和から遠く離れた状態で高い透磁率を有するため、この目的に適している。

本発明の目的のために、遮蔽組立体の材料、より正確にはその遮蔽構成要素（「シールド」とも称する）の材料は、高い透磁率を有するだけでなく、高い電気抵抗率、好ましくは１オーム＊ｍｍ２／ｍよりも大きい抵抗率、より好ましくは１０オーム＊ｍｍ２／ｍよりも大きい抵抗率、さらに好ましくは１００オーム＊ｍｍ２／ｍよりも大きい抵抗率を有する材料であることが非常に好ましい。実際、シールドの材料が高い電気抵抗率を有する場合、すなわち電気的に絶縁されている場合、シールドに誘起される電流は限られた強度であり、従って、電源によりインダクタに供給される電気エネルギーは、電磁エネルギーに（部分的に）変換され、この電磁エネルギーの大部分が、インダクタに関連するサセプタ組立体の要素に伝達され、わずかな部分が、インダクタに関連するシールドに伝達される。

材料片の（少なくとも）電気特性及び磁気特性が、材料を構成する物質にだけでなく、材料の製造方法にも依存することに留意されたい。

本発明によるシールドに特に適した材料（透磁率、抵抗率及びコストを考慮して）は、例えばフェライト及びフェロシリコン（例えば、隣接するシートの形態）である。

図１及び図２の例において、遮蔽組立体１４０は、第１インダクタ１３１に関連付けられた第１シールド１４１と、第２インダクタ１３２に関連付けられた第２シールド１４２とを含む。より一般的には、全てのインダクタが所定のシールドに関連付けられ、このシールドは、所定の面を電流が横切るときにインダクタにより生成される磁場を閉じ込める傾向を有する（狭義には閉じ込めない）と言える。所定の面とは、シールドの外面（図４における円筒状面）にほぼ対応している面である。

インダクタ１３１及び１３２は、具体的にはソレノイドであり、さらに、それらは典型的には同軸であり、軸方向に離間されている。最後に、図１及び図２の例において、これらの２つのソレノイドは同一の直径を有する。

図１及び図２の例において、ソレノイド１３１及びソレノイド１３２は、互いに独立して軸方向に並進されるように適合されている。この目的のために、例えば、インダクタの並進を実行するための電気アクチュエータを設けることが可能である。並進可能なことにより、チャンバ１１０内部の温度プロファイルに影響を与えることが可能になる。このような並進は、リアクタの較正として「時々」実行され得るが、リアクタの使用中に（例えば加熱中及び／若しくは堆積プロセス中、並びに／又は冷却中に）実行されてもよい。

図１及び図２の例において、既に述べたように、第１インダクタ１３１に関連付けられた第１シールド１４１及び第２インダクタ１３２に関連付けられた第２シールド１４２が存在する。インダクタ（１３１，１３２）が並進するように適合されているため、シールド（１４１，１４２）もまた、対応するインダクタ（１３１，１３２）と共に並進するように適合されていることが好ましい。このようにして、シールドの遮蔽作用は、インダクタの位置に関係なく常に同一である。

先に説明したように、遮蔽組立体１４０は、管状の形状をしており、ソレノイド１３１、１３２の周りに配置され、特に各ソレノイドの周りに１つの管状の遮蔽体が配置されている。

好ましい実施形態によれば、ソレノイドの絶縁は、適切な材料（先に説明した）から作られた、特には、正方形又は長方形の断面を有する互いに平行に配置された複数のバーにより実行され得る。すなわち、（理想的な）円筒状の管から材料が節減されている。このようにして、材料を節約し、重量を減らし、製造を容易にでき、そして、スペースが確保され、このスペースを介して、ソレノイドだけでなくリアクションチャンバの、より内側の領域、具体的には基板及び堆積ステップの層を（例えば、Ｘ線を介して）見ることが可能である。図２は、８本のバーの例を実線で示し、別の８本のバーを破線で示しており、これらは、バーの本数がバーの寸法及びソレノイドの直径（従ってリアクションチャンバの直径）に依存することを示している。６本のバーが最小本数で６０本のバーが最大本数であるとみなすことが妥当である。しかし、様々な形状のバー（例えば、アーチ形状の断面のバー）の場合、バーの本数がこれらより少数でもよい。

図１及び図２の例において、第１インダクタ１３１のためのバー１４３の第１セットと、第２インダクタ１３２のためのバー１４４の第２セットとがある。代替案として、性能が劣る解決策ではあるが、例えば単一のバーのセットを設けることも可能である。

図２に見られるように、シールドのバーが電気絶縁材料の層に関連付けられていることが好ましいであろう。図面において、この層は参照番号１４５により示されている。このような層は、バーがソレノイドに（正確にはソレノイドのコイルに）電気的に接触できないようにするために使用される。このような接触は、バーとソレノイドとの間の距離を長くすることにより回避されるであろうが、バーがソレノイドに近接していることが好ましいため、層が設けられる。こうして、層は、バーの、インダクタに面する側面に限定されて設けられる（図２において、バー１４３の各々の上の層１３５は、インダクタ１３１に面する側面に限定されている）。動作中、すなわちインダクタが電流により横切られて磁場がバーに集中しているときに、力がバーにてコイルの方向に、及び、コイルにてバーの方向に発達し、この力が、バーとコイルとを、それらを引き合わせるように変形させる傾向を有し、さらに、このような力が、インダクタに流れる電流の２倍の周波数の振動を生成することに注目する価値がある。

図１に見られるように、第１シールド１４１及び第１インダクタ１３１が点線で囲まれ、第１組立体５００を形成するように関連付けられており、第２シールド１４２及び第２インダクタ１３２が点線で囲まれ、第２組立体５５０を形成するように関連付けられている。組立体５００及び組立体５５０の両方が、リアクションチャンバ１１０に沿って軸方向に並進するように適合されている。

この種の可能な組立体が図５に示されており、このような図において組立体５００が参照されよう。

図５において、コイルを有するソレノイド１３１（この例において、５本のコイルが存在し、それらは、効率的で簡単に冷却され得るように内部が中空である）と、互いに平行なバー１４３（この例において、４０本のバーが存在する）を有するシールド１４１が見られる。さらに、組立体５００は、下部支持リング５１０（具体的にはグラスファイバ製）及び上部支持リング５２０（具体的にはグラスファイバ製）を含む。ソレノイド１３１はリング５１０及びリング５２０に機械的に固定されている。バー１４３はリング５１０及びリング５２０に機械的に固定されている。

電源１３５（より正確には給電セクション１３５Ａ及び給電セクション１３５Ｂ）が、インダクタ１３１及びインダクタ１３２に交互電流を、好ましくは１ＫＨｚ～１０ＫＨｚの範囲の周波数で供給するように適合されている。セクション１３５Ａはインダクタ１３１に、例えば２０ｋＷａｔ～２００ｋＷａｔの電力を供給でき、セクション１３５Ｂは、インダクタ１３２に、例えば２０ｋＷａｔ～２００ｋＷａｔの電力を供給できる。２つのインダクタに供給される電力は、概して互いに異なり、典型的には、時間の経過と共に変化する。

インダクタ１３１及びインダクタ１３２に流れる交流電流（給電セクション１３５Ａ，１３５Ｂにより生じる）は、好ましくは周波数が異なり、例えば、２つのインダクタのうちの一方に流れる電流は、２つのインダクタのうちの他方に流れる電流よりも周波数が高くてよく、すなわち、１．８倍よりも大きく４．４倍よりも小さい。周波数の違いが、給電セクション１３５Ａ及び給電セクション１３５Ｂの、インダクタ１３１及びインダクタ１３２に互いに独立に給電するタスクを容易にする。

しかし、電源１３５の適切な設計により、インダクタ１３１及びインダクタ１３２に流れる交流電流（電源１３５により生じる）が、同一周波数ではあるが別々で且つ互いに独立していることが可能である。詳細には、電源１３５は、各インダクタのための出口を有し、このような出口は、別々で且つ互いに独立している。

１００ リアクタ
１１０ リアクションチャンバ
１２０ サセプタ組立体
１３０ 加熱システム
１３１ 第１インダクタ
１３２ 第２インダクタ
１３５ 電源
１４０ 遮蔽組立体
１４１ 第１シールド
１４２ 第２シールド
１９０ 堆積領域
１３５Ａ 給電セクション
１３５Ｂ 給電セクション
１４３、１４４ 遮蔽バー
１４５ 電気絶縁材料の層
５００、５５０ 組立体

Claims (15)

1. 基板上に半導体材料の層を堆積させるためのリアクタ（１００）であって、
   リアクションチャンバ（１１０）と、
   前記リアクションチャンバ内に配置されたサセプタ組立体（１２０）と、
   前記サセプタ組立体を電磁誘導により加熱するように適合された加熱システム（１３０）と、を備え、
   前記加熱システム（１３０）が、第１インダクタ（１３１）と、第２インダクタ（１３２）と、前記第１及び第２インダクタ（１３１，１３２）に別々で且つ互いに独立している交流電流を給電するように適合された電源（１３５）と、を含み、
   前記リアクタ（１００）が、さらに、前記第１及び第２インダクタ（１３１，１３２）間の電磁結合を制限するように適合された遮蔽組立体（１４０）を備えている、リアクタ（１００）。
2. 前記遮蔽組立体（１４０）が、前記第１インダクタ（１３１）に関連付けられた第１シールド（１４１）と、前記第２インダクタ（１３２）に関連付けられた第２シールド（１４２）とを含む、請求項１に記載のリアクタ（１００）。
3. 前記第１及び第２インダクタ（１３１，１３２）が、同軸で且つ軸方向に離間されたソレノイドであり、特には、同一直径を有するソレノイドである、請求項１又は２に記載のリアクタ（１００）。
4. 前記遮蔽組立体（１４０）が管形状であり、且つ、１以上の前記ソレノイド（１３１，１３２）の周囲に配置されている、請求項３に記載のリアクタ（１００）。
5. 前記ソレノイド（１３１，１３２）が、一方が他方から独立して軸方向に並進するように適合されている、請求項３又は４に記載のリアクタ（１００）。
6. 前記遮蔽組立体（１４０）が、前記第１インダクタ（１３１）に関連付けられた第１シールド（１４１）と、前記第２インダクタ（１３２）に関連付けられた第２シールド（１４２）とを含み、前記シールド（１４１，１４２）が、対応する前記インダクタ（１３１，１３２）と共に並進するように適合されている、請求項５に記載のリアクタ（１００）。
7. 前記遮蔽組立体（１４０）が遮蔽構成要素（１４１，１４２，１４３，１４４）を含み、当該遮蔽構成要素が、高い透磁率を有する材料、具体的には強磁性材料から作られている、請求項１～６のいずれか一項に記載のリアクタ（１００）。
8. 前記材料が高い電気抵抗率を有する、請求項７に記載のリアクタ（１００）。
9. 前記遮蔽組立体（１４０）が、互いに平行な第１の複数の遮蔽バー（１４３）を含み、且つ、好ましくは、互いに平行な第２の複数の遮蔽バー（１４４）を含む、請求項１～８のいずれか一項に記載のリアクタ（１００）。
10. 電気絶縁材料の層（１４５）が前記遮蔽バー（１４３）上に、少なくとも、好ましくは前記遮蔽バー（１４３）の、前記インダクタ（１３１）に面する側にのみ配置されている、請求項９に記載のリアクタ（１００）。
11. 前記リアクションチャンバ（１１０）が円筒状又は角柱状の形状を有し、且つ、前記リアクタ（１００）が、前記リアクションチャンバ（１１０）に沿って軸方向に並進するように適合された少なくとも第１組立体（５００）及び第２組立体（５５０）を含み、前記組立体の各々（５００）が、前記ソレノイド（１３１）、複数の平行な前記遮蔽バー（１４３）、下部支持リング（５１０）及び上部支持リング（５２０）を含み、前記ソレノイド（１３１）が前記支持リング（５１０及び５２０）に機械的に固定され、且つ、前記遮蔽バー（１４３）が前記支持リング（５１０及び５２０）に機械的に固定されている、請求項１～１０のいずれか一項に記載のリアクタ（１００）。
12. 前記電源（１３５）が、前記第１及び第２インダクタ（１３１，１３２）に交互電流を、前記第１及び第２インダクタ（１３１，１３２）に流れる電流が１ＫＨｚ～１０ＫＨｚの範囲の周波数であるように供給するように適合されている、請求項１～１１のいずれか一項に記載のリアクタ（１００）。
13. 前記電源（１３５）が、前記第１及び第２インダクタ（１３１，１３２）に交互電流を、前記第１及び第２インダクタ（１３１，１３２）に流れる電流が同一周波数ではあるが別々で且つ互いに独立しているように供給するように適合されている、請求項１～１２のいずれか一項に記載のリアクタ（１００）。
14. 前記電源（１３５）が、前記第１及び第２インダクタ（１３１，１３２）に交互電流を、前記第１インダクタ（１３１）に流れる電流が前記第２インダクタ（１３２）に流れる電流とは異なる周波数であるように供給するように適合されている、請求項１～１２のいずれか一項に記載のリアクタ（１００）。
15. 前記２つのインダクタ（１３１，１３２）の一方に流れる電流が、前記２つのインダクタ（１３１，１３２）の他方に流れる電流よりも高い周波数、すなわち１．８倍よりも大きく４．４倍よりも小さい周波数である、請求項１４に記載のリアクタ（１００）。

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