JP5587205B2 - エピタキシャル成長基板に前駆体ガスを送出するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、気相エピタキシャル成長装置に関し、特に、エピタキシャル成長チャンバの中に前駆体ガスを送ると共に加熱するための装置を提供する。特に、本発明は、ＧａＮの高容積成長ための装置に役立つ。

ＧａＮ のそして他のＩＩＩ−Ｖ族化合物のハロゲン化物（またはハイドライド）気相成長法（ ＨＶＰＥ ）は、基板に、ＧａＮへの前駆体ガスの非能率的な転化をもたらす周知の問題を有する。１つの問題は、前駆体ガスの温度に関する。ＧａＮのケースでは、ＧａＣｌ₃とＮＨ₃との入口温度がおよそ８５０℃未満である場合、ＧａＮを形成するためのＧａＣｌ₃とＮＨ₃との間の望ましい直接反応を制限し得る、望ましくないＧａＣｌ₃とＮＨ₃との化合物が形成する可能性がある。さらなる問題は、前駆体ガスが基板のすぐ近くでそれらが接触するようになる前に、前駆体ガスが、あまりにも早く混ざる場合に、生じる。前駆体ガスの早すぎる混合は、望ましくない気相反応副産物と反応装置の中での微粒子物の生産とをもたらし得、それらの両方ともがプロダクト品位において低下をもたらし得る。

さらなる問題は、成長チャンバの内壁上の望まれていない堆積物から起こる。ＧａＮのケースでは、例えば、ＧａＣｌまたはＧａＣｌ₃であるＧａ含有前駆体は相対的に低い温度（概ね５００℃未満）で気相から凝結するので、望ましくない堆積物が生じ、それ故に、蒸発帯域を超える温度に維持されない反応装置の領域が覆われたようになり得る。長い時間にわたって、この望ましくない物質は、品質低下微粒子物の生産を増加させるだけでなく、チャンバの非能率的な加熱をもたらす程度まで増加することができる。

それ故、ＩＩＩ−Ｖ族の化合物成長の従来の技術は、成長チャンバの中への前駆体ガスの熱化を改善する装置および成長チャンバの中への前駆体ガスの送出を改善する装置から利益を得ることができる。このような改善は、関連づけられたコスト低減を伴う、前駆体ガスのいっそう効率的な利用をもたらすであろう。しかしながら、商業生産に適した成長チャンバでの物理的空間は非常に限定され、そしてさらなる装置の付加は機械基板移動システムの有効性を危うくし得るか、あるいは、例えば注入口と排出ラインのために利用可能なクリアランスによって制限され得るので、少なくとも、そのような装置は利用可能ではなかった。

この発明は、熱運動化された前駆体ガスのいっそう正確な送出を与えるために、成長チャンバの中に水平に延在するガス注入器装置を提供する。改善された注入器は、成長チャンバの中に熱せられた前駆体ガスを分配することができ、その流れは成長基板に作用するまで空間的に互いから離されている。その流れは、高い容積製造に対して十分な容積で与えられる。重要なことに、改善された注入器は、それがそのようなチャンバで用いられる機械式ロボット基板取扱装置の運転を妨げないで、多くの既存の市販の成長チャンバの中に適合することができるように、寸法付けられ、構成されている。この発明は、多数の要素のおよび化合物半導体の高容積成長に役立ち、特にＩＩＩ−Ｖ族化合物およびＧａＮの高容積成長に役立つ。

好ましい実施形態で、発明は、極端にコンパクトで、極端に薄い、前駆体加熱注入器を提供し、この前駆体加熱注入器は、基板上の制限されたスペースに導入されることができるが、ウェーハの挿入／取り出し機構用の適切なアクセスをそのままにする。注入器は、反応性の前駆体ガスの分離用に非反応性のガスの流れを提供することができる。注入器は１つ以上の結合可能な材料を結合することによって形成されることができ、それはエピタキシャル成長チャンバにおける腐食性状態と高温に耐えることができる。適当な材料は、耐熱性の酸化物、例えば、石英、耐熱性の炭化物、例えば、炭化ケイ素、耐熱性の窒化物、例えば、窒化アルミニウムと同様な材料を含む。溝は、この材料の１つ以上の層に形成されることができ、それらはさらなる層によってシールされるとき、空間的に互いから離れた複数のガスの流れのための導管を形成する。溝は種々の溝幾何学的形状と寸法、種々の入力ポート、種々の出力ポートなどを有することができる。溝は、例えばウェットエッチング、プラズマエッチング、機械切削、レーザー切削などに限定されずにそれらを含む当該技術分野で馴染みのある既知の手段によって切削されることができ、全体の装置は、構成要素層を一緒になるように結合することによって完成されることができる。

好ましい実施形態では、溝と導管は、曲がりくねった配置に設計されている。この配置および同様な配置は、注入器内での溝の長さを最大にし、故に注入器内を流れるガスの滞留時間を増やす。このようなより長い滞留時間はガスが効率的に加熱されることを可能にする。好ましくは、注入器は、例えば加熱ランプ、抵抗／誘導加熱などによって熱せられ、それはリアクターの加熱要素またはリアクターの独立した加熱要素によって行われることができる。

好ましい実施形態では、１つ以上の相対的に非反応性のガスのカーテンは、注入器を出た後、時期尚早に前駆体ガスが混ざることを妨げるために注入器に統合化されていることができる。非反応性のガス流の付加は、反応性のガスが基板と接触するまで、それらを別個にしておくことについての能力を加える。基板と接触するや否や、高温の基板に起因して生じる乱流が、基板のすぐ近くでガスが反応することを可能にするように不活性ガスのカーテンを壊すであろう。反応性ガス間に境界を与えることに加えて、非反応性ガスの流れは成長ウェーハの上のガス流の最適化を可能にする。非反応性ガス流の流量は、成長ウェーハ上での反応物の混合および滞留時間を最適化するために用いられることができ、エピタキシャル成長層の成長速度とフィルム均一性を高めることができる。

より具体的にいうと、好ましい実施形態では、本発明はエピタキシャル成長チャンバの中にガス前駆体を分配するための注入器を提供する。そのような注入器は、チャンバ壁に隣接する基端部分からチャンバ内のエピタキシャル成長基板の近くの末端部分まで成長チャンバの中に水平に延在する１つ以上の導管を含む。チャンバ壁に隣接する導管の基端部分は、ガスの流れを受け入れるための少なくとも１つの開口を含み、基板の近くにある末端部分は、チャンバの中への、好ましくは基板の面の少なくとも一部の上へのガスの流れを分配するための複数のポートを含む。本発明の注入器は、注入器装置へのチャンバの内部からの熱の移動を改善するための熱移動手段をさらに含むことができる。そのような注入器は、好ましくは、約２ｍｍと約８ｍｍとの間の厚さを有し、成長チャンバ内の状態および導管内の状態に耐性のある材料を含む。

これらの好ましい実施形態は平面的であることができる。平面的な実施形態は、成長チャンバ内に水平に配置される２つ以上の平面的な材料で作られ、該平面的な材料のうちの少なくとも１つは、形成された１つ以上の溝を有し、溝をシールしてそれにより導管を形成するように、別の平面的な材料とシールするように結合される。そのような導管の各々は、好ましくは、ガスの流れを受け入れるための基端部分から、チャンバの中へのガスの流れを分配するための平面的な材料の少なくとも１つを通る複数のポートを有するチャンバ内の成長基板の近くの末端部分まで延在する。

異なる態様において、導管は、様々な構造を有する。例えば、複数の導管は、基板の面の上に複数のガスを分配するために作用することができ、さらにそのような導管の少なくとも２つの末端部分は互いに平行に配置された直線的な形状にあるいは互いに対して同心円状に配置された少なくとも部分的に円形形状に構成され、または、１つの導管の末端部のポートが少なくとも１つの他の末端部のポートに隣接してあるように配置されるように構成されることができる。少なくとも３つのガスを分配することが可能な３つ以上の導管のケースでは、それらの末端部のポートは、１つの末端部のポートが他の２つの末端部のポート間にあるように配置されることができる。

さらなる導管構造は、また、基端部分と末端部分との間の曲がりくねった部分を有する少なくとも１つの導管を含み、また、導管間のガス連通なしに垂直方向に離間された２つの導管を含む。そのような導管は、少なくとも１つの他の溝から垂直に間隔をおいて配置されて離されている１つの溝を備える少なくとも２つの溝をシールすることによって形成されることができる。導管構造は、また、導管間のガス連通なしに、２つの導管間に１つのポートを通してのガス連通のある、互いに横切る導管を含む。そのような導管は、ガスが、１つの導管の基端部分と、他の導管の末端部分との間を流れることができる。

好ましい実施形態では、本発明は、また、内部に配置される成長基板を有するエピタキシャル成長チャンバと、成長基板の面に複数のガスを分配するように配置された、本発明の注入器装置とを有するエピタキシャル成長装置を提供する。そのような成長チャンバは、また好ましくは、成長チャンバ内の材料を熱するための放射要素を含み、成長チャンバは該放射要素によって放出された放射線に少なくとも部分的に透過性があり、注入器装置は少なくとも部分的に吸収性のある材料を含み、そのような材料は好ましくは注入器装置の不可欠な部分である。そのような吸収性の材料は、平面的であり、注入装置のガス運搬部分と接触するあるいは近接することができる。

さらなる実施形態において、エピタキシャル成長装置は、また、挿入／取り出しポートと、成長チャンバの中に成長基板を配置し成長チャンバ内から成長基板を取り除くために挿入／取り出しポートを通して成長チャンバの中に入り成長チャンバから出る挿入／取り出し機構とを含むことができる。そのようなエピタキシャル成長装置では、本発明の注入器は、好ましくは、挿入／取り出し機構を妨げないように成長チャンバ内に寸法付けられ、構成され、配置される。成長チャンバは、チャンバ内にガスの交差流を確立するための付加的なガスポートをまた含むことができる。３つのガスを分配することが可能な注入器を有するこの発明のエピタキシャル成長装置の好ましい応用では、ＮＨ₃およびＧａＣｌ₃は外側の末端部のポートを通して分配され、非反応性ガスは内側の末端部のポートを通して分配される。

本発明のさらなる態様、詳細、要素の代わりの組み合わせは、以下の詳細な説明から明らかであるであろう、そしてまた発明者の発明の範囲内にある。

代表的様式の内部注入器および導管ポートのパターンを表す。 代表的様式の内部注入器および導管ポートのパターンを表す。 代表的様式の内部注入器および導管ポートのパターンを表す。 代表的様式の内部注入器および導管ポートのパターンを表す。 代表的な導管構造を表す。 代表的な導管構造を表す。 代表的な平面的内部注入器を表す。 代表的な平面的内部注入器を表す。 代表的な平面的内部注入器を表す。 もう１つの代表的な平面的内部注入器を表す。 代表的様式の加熱内部注入器を表す。

本発明は本発明の好ましい実施形態、発明の特定の実施形態の説明例および添付された図面の以下の詳細な説明を参照することによっていっそう完全に理解されることができる。

さて、本発明の内部注入器装置の好ましい実施形態が説明される。見出しは、明確さのみのために、そして如何なる意図的な制約なしに、ここで用いられる。

図１Ａ-Ｂは概略的にこの発明の内部注入器装置の実施形態を表す。明確さのために、特徴を特定する図１Ａに表れると共に図１Ｂに表れる参照番号は後の図において繰り返されない。これら図において表されているように、この発明の内部注入器１３は、エピタキシャル成長チャンバ１の内部に配置され、それは前から存在するものであることができ、あるいはこの発明で使用するために設計されることができる。どちらの場合も、成長チャンバは図１Ａ〜Ｂに表されたある特定の型通りの特徴を有し、簡潔に説明される。

始めに、成長チャンバは、それがその内部に、少なくとも１つのエピタキシャル成長基板５と、本発明の少なくとも１つの内部注入器装置１３とを含むことができるように、大きさを定められていて、そして構成される。他の点では、それは種々の構成および大きさを有することができ、例えば、長方形、円形または他の形状であり得る水平断面、例えば平担、ドーム型に形作られ得る上面および下面、および他の構成オプションを有することができる。それは少なくとも１つの排出ポート９を有し、それを通して使用済みガスＥがチャンバから流れる。任意で、それは付加的な注入ポートを有することができ、内部注入器１３によって提供されるそれらを越えて、それらを通して、種々のプロセスのガスは、１つまたは複数のガスＤとして概略的に表されているように、チャンバの中へ導入されることができる。これら付加的なポートは、ポート３として概略的に表されていて、当該技術分野で知られている多くの構成と配置であることができる。成長チャンバは、成長基板５を支持するための、回転可能に取り付けられることができる、サセプター７としての型通りのコンポーネントと関係付けられることができる。

成長チャンバはまた加熱手段１１と関係付けられることができ、加熱手段１１は電流によって加熱される抵抗要素、ＲＦ、赤外線、可視光、ＵＶなどのような放射線を発する放射要素、他のタイプの要素、そして異なったタイプの加熱要素の組み合わせを含むことができる。好ましい実施形態では、加熱手段１１は、例えばランプ、ＲＦコイルなどである放射要素を含み、放射線を発し、成長チャンバの材料は、少なくとも部分的に透過性があり、それ故、それは成長チャンバの中に入って放射線を吸収するそれらの内部コンポーネントを直接的に加熱する。さらに好ましくは、図１Ａ〜Ｂに表されているように、成長チャンバの材料は石英を含み、加熱手段は既知のタイプの、成長チャンバの上に、その下に、またはその上下の両方に位置付けられ得る半導体処理装置に用いられる加熱ランプを含む。

さて、図１Ａ〜Ｂに表されている代表的な内部注入装置１３の詳細に向けられると、この内部注入器は、概略的に表されていて、現実的な実施形態を表すことを意図していないことが理解されるべきである。その代わりに、図解は、必ずしも何か特定のスケールでない主要な機能コンポーネントと主要な機能関係を与える。実際の内部注入器はより大きいかあるいはより小さい数の、そして異なった大きさと配置の、表された機能コンポーネントを有することができる。この理解を得ながら、この発明の内部注入装置１３は、注入器の内部に１つ以上の導管１７を含み、それは成長チャンバの中に通常成長基板５の近くにプロセスガスを運びそして配る。その導管を備えた注入器は、チャンバ壁の近くに限定されず、さもなければチャンバ内部の本体の中に自由に延ばされ得る。プロセスガスは、ポート、管、他の注入器などから導管の末端の部分の中へ導入され、それら全てはポート２７として表されていて、成長チャンバの通常外部のプロセスガス供給源と通じている。導入されたガスは、その導管を通して流れ、導管１７と連通する例えば導管ポート２１、２３、２５である複数の導管ポート（または導管ノズル）を介して成長チャンバ１の中へ分配される。技術的に不正確であるけれども、便利さと明瞭さのために、図１Ａは、内部注入器１３が３種のガス、タイプＡのガス、タイプＢのガスおよびタイプＣのガスを導管ポート２１、２２、２３のそれぞれを介して分配することを表すが、単一の導管のみを表す。実際の実施において、各タイプのガスのために別個の導管が通常あるであろうことは理解されるべきである。

導管１７は、成長チャンバ内に直線状の平面的な（２Ｄ）配置を有するとして表されていて、頂部部分１５と底部部分１９との間に形成される。導管を通るガスの通過時間を最小にし、内部注入器によって占められるチャンバの容積を最小にすることが望まれるとき、これは好まれる。他の導管配置は可能である。平面的な曲がりくねった配置（図３Ａ）は、ガス通過時間を最小にすることは必要でないが、内部注入器によって占められるチャンバの容積を最小にすることがまた好まれるとき用いられることができる。このような配置はガス通過時間を最大にするために使われさえすることができる。チャンバの内部にあるスペースが利用可能であるとき、導管はチャンバ内で種々の３Ｄコースにしたがうことができる。導管はチューブのような形で形成されることができる。

導管ポートは、好ましくは、所定の大きさに作られ、配置され、そして、まとめられ、成長基板の全域にわたるプロセスガスの所望の分配を達成するように成長基板から間隔をあけられる。一般に、基板面の至る所に１つ以上のプロセスガスの一様分布が切望され、そしてその場合、基板が回転しているならば、ポートは基板の基板の径に実質的に沿って配されることができ、あるいは、基板が静止しているならば、ポートが基板の面の実質的に至る所に配されることができる。導管ポートの空間密度と径は、基板からより遠くに離れたより少ない数のより大きなポートから、基板から遠く離れないより多い数のより小さなポートまで変動することができ、後者の構成がたいていの実施形態で好まれる。例えば、３００ｍｍの成長基板のためには、導管ポートは、成長基板から、約１０ｍｍから約３０ｍｍまで好ましくは間隔をあけられ、導管ポートの断面サイズは、約０.０１ ｍｍから約１.０ ｍｍの大きさまで好ましくは上下する。そして、導管ポートの空間密度は、導管ポートからサセプターへのガスの流れの特徴に照らして選択され、主に、基板表面上に単一の導管ポートによって生み出されるガスのフットプリントまたは到達領域に照らして選択される。導管ポート配置のための特定のパラメータの選択が周知のガス流特性の知識からなされることができ、そして推定パラメータは型どおりの実験によって精緻なものにされることができる。

さらに、複数のガスが導管ポートを通して分配されているとき、ガスのそれぞれのためのポートの相対的な空間配置は、複数のガスが基板に作用する前に分離を好ましくは保たれるかどうか、または、ガス流の混合が基板に作用する前に受容できるかどうかに少なくともある意味ではよる。前者のケースにおいて、それぞれのガスのためのポートは好ましくは空間的に別個のグループに分離され、および／または、第３ガス用の仲介ポートが提供され、それは非反応ガスであるように選択されて混合から守るようにガス間の「カーテン」として作用することができる。後者のケースにおいて、異なるガス用のポートは、より少ない制約条件で配置されることができる。

図１Ａは、導管ポートの代表的な間隔、大きさ、配置、およびグループ分けを表す。ここで、成長基板上への作用に関して実質的に均一な分配を達成するようにガスが各ポートから流れるように、ポートは、所定の大きさに作られ、成長基板から間隔をあけられる。各ポートのフットプリントは、それぞれ点で描いた矩形によって表されている。ポートの密度は、全成長基板の至る所に３つのガスの好ましい分配を達成するためのようである。ポートの相対的な空間配置は、ガスＢのカーテンでガスＡをガスＣから分離するためのようである。もちろん、そしてこの代表的な図と対照的に、現実の実施に際して、ポート２１、２２、２３は、実際に、多数の、より小さいポートのグループであるであろう。いくつかの実施形態で、入口ポート３は、キャリアガスＤのような付加的なプロセスガスが入ることを許し得、キャリアガスＤは、残量の未反応ガスＡ、Ｂ、Ｃを排出ガスＥの中へあらゆる反応生成物とともに押し流すのに役立ち、排出ガスＥは排出ポート９を通して流出する。

前駆体ガス用のポートはカーテンガス用の任意ポートとともに注入器システムに一体化され、カーテンガスは注入器器具を出るとき時期尚早の前駆体ガスの混合を制限することができる。カーテンガス流の付加は、反応ガスが基板と接触するまで、反応ガスを別個にしておくことについての能力を加え、そしてそこで高温度基板に起因して生じる乱流が不活性ガスカーテンを壊し、ガスが混ざって反応することを可能にするが、基板のすぐ近くにおいてだけであるだろう。カーテンガス流は、成長ウェーハを流れるガスの最適化を可能にさせることができる。カーテンガス流量の調整は、成長基板上での前駆体ガスの混合と滞留時間を最適化するために用いられることができる。それによって、エピタキシャル成長層の成長速度と層均一性が改善される。例えば、ガスＡとＣとは前駆体ガスであることができる。もしガスＡとＣとが容易に反応するなら、それらが成長基板に吹きつくまで、ガスＢはそれらの反応を妨げるために、前駆体ガスの間にカーテンを形成するために、非反応キャリアガスであることができる。ＨＶＰＥ法によって成長されるＧａＮのケースでは、ガスＡとＣとはＧａＣｌ₃とＮＨ₃であることができ、他方、ガスＢはＮ₂あるいはＨ₂であることができる。

図１Ｂは、もう１つの代表的な、成長チャンバ４１における導管１３´のポートの間隔、大きさ、配置、グループ分けを表す。他の点では、導管１３´とチャンバ４１とは図１Ａのそれらに類似している。ここで、４つの代表的な導管ポート（実際には、複数の導管ポートの複数グループ）は、成長基板の全域にわたって３つのガスを分配する。成長基板がサセプターによって回転させられていると想定して、ポート３３、３７はそれぞれ、ガスＡとガスＣとを分配し、そして成長基板から間隔を置かれて、そして、これらのガスが基板の環状形状の部分の至る所に好ましいガス分配を達成するように配置される。ポート３１および３９は、ガスＡとＣとから基板の縁部を保護する、細い円筒状のフットプリントにガスＢを分配する。ポート３５は、ガスＡをガスＣから分離することに役立つように基板の中央にガスのカーテンをまき散らす。

図１Ｃ〜Ｄは、導管の末端部分およびそこに存在する導管ポートの２つの代表的な２Ｄ配置を表す。この発明は、これら表された２Ｄ配置に限定されず、導管の色々な他の２Ｄ空間配置を含む。明瞭さと便利さのために、これらの導管のいっそう基端の部分は、ガス源から末端部分まで延在していて、ここでは表されていないが、上記説明から理解されるであろう。

図１Ｃは、１つ、２つ、あるいは３つの異なったタイプの、ガスＡ、ガスＢおよびガスＣの３つのガスを分配することができる末端部分と導管ポートとの代表的な直線状の配置を表す。これら末端部分は、例えば、回転している基板に適するであろう。末端部分１０７ａは部分１１１ａから延在し、その中へガスＡはこの導管のより基端の部分から送出される。そして、ガスＡは直線状に配置された導管ポート１０９ａを通して成長チャンバに末端部分１０７ａを出る。ガスＣを分配する末端部分１０７ｃは末端部分１０７ａに類似している。末端部分１０７ｂは、それが２列の直線状に配置された導管ポート１０９ｂを通して成長チャンバの中にガスＢを分配することを除いて、末端部分１０７ａに類似している。概ね、導管ポートは、末端部分上にいろいろに配置されることができる。

図１Ｄは、末端部分と導管ポートのための代表的な円形の配置を表し、それは例えば、静止した基板に適するであろう。ここで、最も外側の末端部分１０１ａは半環状形状であり、移行部１０３ａを通してより基端の部分からガスＡを受け取り、半環状に配置された導管ポート１０５ａを通して成長チャンバの中にガスＡを分配する。真ん中の末端部分１０１ｂは、最も外側の末端部分に類似し、半環状形状であり、移行部を通して導管のより基端の部分にガスＢを受け取り、半環状に配置された導管ポートを通してこのガスを分配する。真ん中の末端部分 １０１ｂへの基端部分の移行部は半環状形状の最も外側の末端部分１０１ａにおける切れ目を通過し、最も内側の末端部分１０１ｃへの基端部分の移行部は半環状形状の最も外側の末端部分１０１ａにおける切れ目を通過し、半環状形状の中間の末端部分１０１ｂにおける切れ目を通過する。最も外側の、そして真ん中の末端部分と対照して、最も内側の末端部分１０１ｃはギャップなしで環状形状として表されている。これは導管のいっそう基端の部分に移行部を通してガスＣを受け取って、そして環状に配置された導管ポートを通ってこのガスを分配する。末端部分が末端部分１０１ｃの内側にないので、それ自体はさらなる基端部分に内側の移行部を渡すためのギャップを有する必要がない。

図１Ｄの配置は、導管が互いに交差することを必要としないので、それ故平面的な２Ｄ内部注入器に適する。もし導管が３次元に延びて互いに交差し、そして全ての３つの末端部分がギャップなしに環状に形作られることができるならば、１つの末端部分に対する移行部は、いずれか間にある末端部分を越えて単に交差する。例えば、ガスが層間を通ることができるようにバイアを形成することが可能である場合、導管交差は、導管の２つ以上の平面的な層で内部注入器において可能である。交差は、また、少なくとも１つの導管が第３次元に延びることができる個別の管である内部注入器で可能であり、交差は他の構造物で可能である。

導管は様々な構造物で形成されることができる。いくつかの実施形態で、導管は、単一な概して円柱状に形づくられた１つの材料によって形成されることができる。他の実施形態で、導管は、必要な側方部分を備えて、頂部部分１５と底部部分１９との間に形成されることができる（図１Ａ）。これらの構造物のそのような導管は、成長チャンバ内部ですべて３次元（３Ｄ）に延在することができる。図２Ａは、円柱状に形づくられた実施形態の代表的な導管の中間部分（すなわち、基端部分と末端部分との間の一部）の一部を表す。ここで、材料５１は、導管４９内に定める概して円形の形式である。材料５１の断面は、円形、楕円形、などであることができる。

しかしながら、この発明の注入器が、機械式ロボット基板取扱装置の運転を妨げないが、十分な機械的安定性を提供するように、形づくられた断面寸法は好ましくはある。一般的な基板取扱装置および一般的なチャンバの場合、全体的な寸法は約２ｍｍから約８ｍｍまでよりも概ね小さい。好ましい厚さは、５ｍｍの範囲にある。

好ましい実施形態において、導管は２つの平面的形状の材料の間に形成されることができ、そしてそれによってそれらコンポーネントの平面的形状の材料によって区画形成される２つの２Ｄ平面においてのみ延在することができる。図２Ｂは代表的なそのような実施形態の末端部分（すなわち、導管ポートを有する部分）の一部を表す。ここで、１と４との間の別個のガスを運ぶことができる４つの導管は、下方の平面的な材料５５に４つの溝、溝５９、６１、６３、６５として形成され、上方の平面的な材料５７によってシールされる。溝は、もう１つの選択肢として、上方の平面的な材料に形成されることができ、両方の平面的な材料に形成されることができ、そして長方形以外の断面を有することができる。溝は、それぞれ直線状かあるいは螺旋状の配置を有することができる。表された末端部分は、導管ポート５９´、６１´、６３´および６５´を含み、それらはそれぞれ導管５９、６１、６３および６５に連通する。材料５５、５７は、同じあるいは異なっていることができ、好ましくは一緒になるように結合可能であり、好ましくは成長チャンバの状態に耐性がある。

さらなる平面的な実施形態は導管を区画形成する溝の２つ以上の層を有することができ、導管は互いに交差することができそして付加的なガスを運ぶことができる。例えば、重なり合わない溝は、上部の平面的な材料および下部の平面的な材料に形成され、それ故に、上部材料および下部材料が一緒になるように結合されるとき、導管の２つの層は形成される。別の例では、２つ以上が溝を有する３つ以上の平面的形状の材料は、溝の２つ以上の層が形成されるように、一緒になるように結合されることができる。特に、中央の平面的材料は、上面および下面に溝を有することができ、それらは中央の平面的材料の両面に頂部の平面的な材料および底部の平面的な材料を結合することによってシールされる。さらに、このような多層の平面的な実施形態の実施形態は、「バイア」のように作用する異なった層における溝間に穴を有することができる。それによって、単一の導管は第３次元において層から層へと通過することができる。このようなさらなる実施形態は、内部注入器に、２Ｄ溝の単一層の幾何学的な制限によって限定されない方法で複数のグループの導管ポートに複数のガスを分配することを可能にする。

内部注入器アセンブリは、成長チャンバでの高温と、導管内に運ばれたガスさもなければ成長チャンバの内部のガスから生じる反応化学環境との両方に耐えることが可能な材料から形成される。好ましい材料は、石英、炭化ケイ素、窒化アルミニウムと他の同様な耐火材料を含む。溝は、材料に、ウェットエッチング、プラズマエッチング、機械切削、レーザー切削によって、あるいは当該技術分野で知られている他の手段によって切削されることができる。材料は、当該技術分野で同じく知られているウェーハ結合方法を用いて結合されることができる。内部寸法および外部寸法は、好ましくは、約１ｍｍから約８ｍｍであり、導管ポートは、好ましくは約０.０１ｍｍから約１ｍｍである。

図３Ａ〜Ｃは、好ましい実施形態の内部注入器８１を表し、それは相対的に薄い平面的な形状に構造化されていて、注入器の平面に存在する導管の単一層を有し、そして３つの直線状に平行にずらりと並んだ導管ポートをもたらす。内部注入器８１は図１Ａに概略的に表された内部注入器の非制限のある実施形態として考えられることができる。図３Ａは、この実施形態の平面図を与える。内部注入器８１は３つの導管８３ａ、８３ｂ、８３ｃを有し、それらは平面的な材料においてシールされる溝として形成され、導管入口から、３つの複数の直線的に配置された導管ポートまで曲がりくねったコースをたどる。特に、溝８３ａ（８３ｂおよび８３ｃ）は、導管入口８５ａ（８５ｂと８５ｃとのそれぞれ）から直線状にずらりと並んだ導管ポート８７ａ（８７ｂと８７ｃとのそれぞれ）までガスを運ぶ。導管の曲がりくねったコースは導管を通るガス通過時間を長くし、図５に関して後で説明される本発明のさらなる好ましい実施形態に関連する有用な特徴である。

図３Ｂは、導管ポートを開く注入器８１の表面の斜視図を与える。約２ｍｍから約８ｍｍまで、好ましくは約５ｍｍの厚さを有する構造体を形成するように薄い平面的な材料９０を薄い平面的な材料９１（材料９０、９１は同じまたは異なる。）に結合することによってこの注入器が作られることはここで明らかである。図３Ａに表された導管は材料９０および９１の一方または両方に溝として形成されることができ、そして、典型的には成長基板の近くにあるずらりと並んだ導管ポート８７ａ、８７ｂ、８７ｃを通して成長チャンバの中に１つ以上のガスを分配することができる。結合ブロック８８ａ、８８ｂ、８８ｃは中間チューブ８９ａ、８９ｂ、８９ｃのそれぞれを通して、（通常外の）ガス源から導管入口８５ａ、８５ｂ、８５ｃのそれぞれに導かれるガスを結びつける。

図３Ｃは成長チャンバ１に配置された内部注入器８１の配置の平面図を与える。図１Ａおよび図３Ｃの両方に共通する成長チャンバ要素は、両図において同じ参照番号で特定されることに留意するべきである。中間チューブ８９ａ、８９ｂ、８９ｃは、導管入口８５ａ、８５ｂ、８５ｃのそれぞれに対して成長チャンバの外部にある、ガスポート２７ａ、２７ｂ、２７ｃのそれぞれにつながる。そして、平面的な内部注入器８１における導管８３ａ、８３ｂ、８３ｃは、導管入口８５ａ、８５ｂ、８５ｃと、成長基板５を備えたサセプターの中央の上に位置付けられる導管ポート８７ａ、８７ｂ、８７ｃとをつなぐ。それによって、ガス用の完全な通路が、成長チャンバの外部のガス源から成長基板の近くのずらりと並んだ複数のガスポートまで確立される。ガスは成長チャンバから排出ポート９を通して排出される。付加的なガスポート３は、成長基板を横切る成長チャンバを通しての１つ以上のガスの流れを確立することができる。好ましくは、ガスは、ポート３に導入されたガスのあらゆる交差流に抗して内部注入器８１において流れる。

図４は図１Ｂに概略的に表された内部注入器の１つの非制限の実施形態の平面図を与える。注入器９４は、ここでもまた、相対的に薄い平面的な形状に構造化されていて、注入器の平面に連続して広がる導管を有し、そして４つの直線状に平行にずらりと並んだ導管ポートを有する。内部注入器９４は、内部注入器８１に類似し、３つの導管８３ａ、８３ｂ、８３ｃを有し、それらは平面的な材料におけるシールされる溝として形成され、導管入口８５ａ、８５ｂ、８５ｃのそれぞれから４つの直線的に配置された導管ポートまで曲がりくねったコースをたどる。特に、溝 ８３ｂ（８３ｃ）は、直線的にずらりと並んだ導管ポート９３ｂ（９３ｃそれぞれ）にガスを運ぶ。しかしながら、導管８３ａの末端部分が直線的にずらりと並んだ導管ポート９３ａ、９３ｄのそれぞれを有するサブ導管９５、９７に分かれるという点で、導管は１つの代わりの構成を表す。したがって、単一の入口ポート８５ａからのガスは出口ポートアレイ９３ａ、９３ｄに運ばれ、導管ポートアレイ９３ｃから分配されたガスを囲むカーテンを形成するようにこれらアレイの両方から成長チャンバの中に分配される。３つの導管の曲がりくねったコースは導管を通るガス通過時間を長くし、図５に関して後で記述される本発明のさらなる好ましい実施形態に関連する有用な特徴である。

本発明のさらなる重要な特徴は、成長チャンバの中へガスが分配される前にこの発明の内部注入器を通してガスが運ばれるとき、そのガスを加熱する可能性である。前駆体ガスを加熱することは、意図された成長基板に作用する前に、それらの時期尚早な反応を妨げるために有利であることができる。時期尚早な反応は、例えば、成長したエピタキシャル層の質を低下させ得、高価な反応ガスなどを消費し得る。例えば、ＨＶＰＥ法によるＧａＮ成長のケースでは、ＧａＣｌ（またはＧａＣｌ₃）とＮＨ₃とは、低温で、ＧａＮへの転化に抗する化合物を形成することができる。内部注入器は成長チャンバ内でより高い温度に必然的にさらされるので、内部注入器を通して流れるガスは決まってある程度熱せられるであろう。しかしながら、多くの実施形態において、この発明の内部注入器に流れるガスの加熱を促進する特定の特徴を含めることは好まれる。

注入器内部の導管において流れるガスの加熱を促進することができる１つの重要な設計特徴は、ガス導管のレイアウトに関係する。好ましくは、より長い滞留時間がガスへの熱移動のための付加的な時間を提供するので、導管レイアウトは内部注入器器具内でのガスの滞留時間を長くするようにあるべきである。他方、ガス流量が著しく限定されず、またガス圧が著しく高められないことが望ましい。したがって、導管がより長くされるが、より狭くされないことが望ましい。結合される平面的な材料間に形成される溝を有する内部注入器のケースでは、より長い導管が曲がりくねったコースをたどることができる。曲がりくねった通路の多くのパターンはこの発明に適している。図３Ａ〜Ｃおよび４に表された１つの好ましいパターンは、通路が、しっかりとした波状的なコースをたどり、任意に、隣の通路の山部と谷部とが互いに入り込むように重ね合わされる。また、より長い導管をもたらすことができる他の幾何学的なパターンが広く知られている。

さらなる特徴が、内部注入器器具へのガス加熱関係熱移動を促進することができる。器具への周囲の熱の移動を改善することができる多くの技術は当該技術分野で既に知られていて、これら技術の特定の１つの適合性は、例えば、チャンバを加熱するように使われる加熱手段のタイプ、成長チャンバ内での所定のガス圧、など、に依存することができる。例えば、熱は、成長への内部のガスの対流と伝導とによって移動させられることができ、これらプロセスはより高いガス圧で改善する。また、熱伝導は、高温物の近くに置くことによって、伝導性のフィンまたは他の伝導性要素によって、などによって、改善されることができる。

しかしながら、好ましい実施形態では、成長チャンバは放射要素によって加熱され、放出される放射線は内部注入器を加熱するために獲得される。例えば、内部注入器が少なくともある程度放出される放射線を吸収する材料、例えばＳｉＣを含む場合、内部注入器は、サセプターを成長温度にまた加熱する放出された放射線によって直接的に加熱されるであろう。それによって、流れ出るガスは成長温度近くにより効率的に熱せられることができる。他方、内部注入器の材料が放出される放射線に実質的に透過性があるならば、例えば石英であるなら、さらなる放射線吸収要素材料が、内部注入器に接触した状態または内部注入器に近接した状態にあるように構成されると共に所定の大きさに作られることができる。それによって、この吸収要素は放出される放射線によって加熱され、そして順に内部注入器を加熱する。

この後者の好ましい熱移動技術は図１Ａ〜Ｂに表され、これから説明される。平面的な材料プレート２９は、平面的な内部注入器を加熱するために適するそのような吸収要素を備える。多くの実施形態では、加熱手段１１は、高輝度ランプを含み、そして成長チャンバ１はそのランプによって放出される放射線に対して透過性を有する材料で少なくとも一部を形成されるであろう。そして、プレート２９は、好ましくは、成長チャンバの状態に耐える高吸収性の平面的な材料、例えばＳｉＣであることができ、内部注入器１３に接触した状態または近接した状態にあるように配置されることができる。プレート２９は、加熱ランプからの放射線を吸収し、そして基板によって達せられたエピタキシャル成長温度に類似する温度に達することができる。それによって、内部注入器およびその中に流れるガスは成長温度近くにまでいっそう効率的に熱せられることができる。

図５は成長チャンバ１内部の加熱される代表的な内部注入器を表す。前と同じように、ガスは排出ポート９を通して排出され、ポート３はチャンバ１の長さを通しての付加的なガスの流れを与えることができる。ポート２７ａ、２７ｂ、２７ｃは、図３Ｃに示され、内部注入器によって分配されるガスを入れるためにある。１つの実施形態では、内部注入器器具は、下にある内部注入器１３に接触した状態または近接した状態にある上部吸収プレート２９を含む。別の実施形態において、吸収プレートまたは材料２９は、（平面的な注入器の上部プレートのように）内部注入器１３の一体化しているコンポーネントである。吸収プレートまたは材料２９は成長チャンバ１の上を覆って加熱ランプに直接的に曝されるように配置され（図示されず）、内部注入器１３は、プレートまたは材料２９から離れている場合、プレートまたは材料２９に近接した接触状態にあるように配置される。内部注入器は、それの導管ポートが成長基板５の上にあるように配置されている。成長基板は注入器器具の吸収部分によって少なくとも部分的に覆われ、故にそれは加熱ランプによって直接的に加熱されることができる。図に表されたように、プレート２９の全表面は吸収するが、他の実施形態では、プレート２９の吸収部分は、その表面の一部のみであることができる。例えば、成長基板上のプレートのいくらかまたは全ては、例えば、成長基板をより良く加熱するために、多かれ少なかれ透過性であることができる。

図５はこの発明のさらなる態様を表す。多くの成長チャンバでは、挿入および取り出し（loading and unloading）は、自動機構によって、例えばベルヌーイワンドによって行われ、それはゲートのついた挿入／取り出しポートを通して成長チャンバに出入りする。例えば、成長チャンバ１はこのようなチャンバであって、そして制御可能なゲート４９を有するポート４７を介して、挿入され、取り出されることができる。さらに、成長チャンバ１では、多くのこのような成長チャンバでのように、挿入／取り出し機構に利用可能である成長基板の上方の垂直のクリアランスは、２つ矢印４５でここでは表され、制限される。それ故、内部注入器および任意の上にある加熱プレートである内部注入器器具は、好ましくは実質的に薄く、それ故、２つ矢印４５でここでは表される挿入／取り出し機構に利用可能である成長基板の上方の残った垂直のクリアランスはこの機構の動作を妨げるように制限されない。多くの成長チャンバのために、注入器器具の適当な全体厚さは約８ ｍｍ未満、好ましくは約５ｍｍ未満、またはさらに好ましくは約２ｍｍ未満であることが判明している。

例：
ＨＶＰＥ法により成長されるＧａＮのために、この発明の内部注入器は石英から作られることができ、ＳｉＣプレートが該注入器の加熱およびそこに流れるガスの加熱を促進するように該注入器の上に位置付けられる。ＳｉＣプレートは、放射線加熱源からの熱の注入器機構へのより効率的な移動をもたらす。前駆体はＮＨ₃とＧａＣｌ₃である。ＮＨ₃は約１〜５ＳＬＭ（標準リットル毎分）のペースで内部注入器を通して流される。ＧａＣｌ₃を含むＮ₂キャリアガスはまた約１〜５ＳＬＭのペースで内部注入器を通して流される。加えて、さらなるガスは、成長基板の上のガス流をさらに良好に最適化するために、約０ＳＬＭと約５０ＳＬＭとの間の流量で付加的な交差流入力ポートを通して導かれることができる。図３Ａ〜Ｃ、４、５において表された成長チャンバにおいて表された実施形態に類似する内部注入器は、この応用に適している。

上で説明された本発明の好ましい実施形態は、これらは本発明の幾つかの好ましい態様の例であるので、本発明の範囲を限定しない。如何なる同等の実施形態もこの発明の範囲内にあるように意図される。もちろん、説明された要素のかわりの有用な組み合わせのような、ここで示されて説明されたもののほかの発明の種々の修正が、次の説明から当該技術分野の当業者に明らかになるであろう。このような変更は添付された特許請求の範囲の範囲内に入ることが意図される。以下のことで（そして全体として応用において）、見出しと題名は明瞭さと便利さのみのために使われる。多くの言及がここで引用され、それらの全ての開示は、全ての目的のために参照することによって、全てここに組み込まれる。さらに、上でどのように特徴付けられたかに関係なく、ここに主張される対象の発明に先んじて認められる引用文献はない。

Claims (13)

1. エピタキシャル成長チャンバの中にガス状前駆体を分配するための注入器装置であって、
   前記エピタキシャル成長チャンバ内に水平に配置された２つ以上の平面的な材料を備え、
   該２つ以上の平面的な材料のうちの少なくとも１つは、そこに形成された少なくとも３つの溝を有し、
   該２つ以上の平面的な材料は該少なくとも３つの溝をシールしてそれにより少なくとも３つの導管を形成するように、一緒になるように、シールするように結合され、
   それにより形成された前記少なくとも３つの導管の各々は、前記２つ以上の平面的な材料のうちの少なくとも１つを通過する複数のポートを有し、
   前記少なくとも３つの導管の各々は、チャンバ壁に隣接する基端部分から前記エピタキシャル成長チャンバ内のエピタキシャル成長基板の近くの末端部分まで前記エピタキシャル成長チャンバの中に水平に延在し、
   前記少なくとも３つの導管の各々は、前記チャンバ壁に隣接する前記基端部分であってガスの流れを受け入れるための少なくとも１つの開口を有する前記基端部分を有し、
   前記少なくとも３つの導管の各々は、前記エピタキシャル成長基板の近くの前記末端部分であって前記エピタキシャル成長チャンバの中へのガスの流れを分配するための前記複数のポートを有する前記末端部分を有し、
   前記少なくとも３つの導管の各々の前記末端部分における前記複数のポートは、前記エピタキシャル成長基板の面の少なくとも一部にガスを分配するように配置されていて、
   前記少なくとも３つの導管の少なくとも３つの前記末端部分は、互いに対して平行に配置された直線的な形状に構成されるか、または、互いに対して同心円状に配置された少なくとも部分的に円形形状に構成されていて、
   第１導管と、第２導管と、第３導管とは前記少なくとも３つの導管により提供され、該第１導管からの第１ガスと該第２導管からの第２ガスとの間に該第３導管からの第３ガスのカーテンを提供するように第１から第３導管はそれぞれ前記複数のポートを有する
   、装置。
2. 前記第１から第３導管の各々は、その前記末端部分に、他の導管の前記末端部分の前記複数のポートに隣接してあるように配置された前記複数のポートを有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記注入器装置に前記チャンバの前記内部からの熱の移動を改善するための熱移動手段をさらに備える、請求項１に記載の装置。
4. 前記装置の全体的な厚さは２ｍｍと８ｍｍとの間であり、前記２つ以上の平面的な材料は前記成長チャンバ内の状態および前記導管内の状態に耐性のある材料である、請求項１に記載の装置。
5. 前記少なくとも３つの導管の各々の部分は、前記基端部分と前記末端部分との間の曲がりくねったコースをたどる、請求項１に記載の装置。
6. 前記少なくとも３つの溝のうちの少なくとも１つの溝は、少なくとも１つの他の溝から垂直に間隔をあけられて離され、故に、シールされたとき、前記少なくとも１つの溝と前記少なくとも１つの他の溝とは、前記導管間のガス連通なしに垂直方向に離間された少なくとも２つの導管を形成し、該少なくとも２つの導管のうちの少なくとも１つの導管は、前記導管間のガス連通なしに該少なくとも２つの導管のうちの少なくとも１つの他の導管を横切る、請求項１に記載の装置。
7. 前記少なくとも３つの導管のうちの、垂直に離間された２つの導管間に穴をさらに備え、該２つの導管のうちの１つの導管の前記基端部分と該２つの導管のうちの他の導管の前記末端部分との間をガスが流れることができる、請求項６に記載の装置。
8. 前記第１から第３導管は、該第３導管の前記末端部分の前記複数のポートが該第１導管の前記末端部分の前記複数のポートと該第２導管の前記末端部分の前記複数のポートとの間にあるように構成されかつ配置されている、請求項１に記載の装置。
9. 内部に配置される成長基板を有するエピタキシャル成長チャンバと、そして、
   前記成長基板の面に複数のガスを分配するように配置された、請求項１から８のいずれか一項に記載の注入器装置と
   を備えた、エピタキシャル成長装置。
10. 前記成長チャンバ内の材料を熱するための放射要素をさらに備え、
    前記成長チャンバは該放射要素によって放出された放射線に少なくとも部分的に透過性があり、
    前記注入器装置は放出された放射線を少なくとも部分的に吸収することができる材料を備える
    、請求項９に記載の装置。
11. 前記吸収材料は、前記注入器装置の不可欠な部分であり、前記注入器装置のガス運搬部分と接触するかあるいは近接する平面的な材料として構成されている、請求項１０に記載の装置。
12. 挿入／取り出しポートと、
    前記成長チャンバの中に成長基板を配置し前記成長チャンバ内から成長基板を取り除くために前記挿入／取り出しポートを通して前記成長チャンバの中に入り前記成長チャンバから出る挿入／取り出し機構と
    をさらに備え、
    前記注入器装置は、前記挿入／取り出し機構を妨げないように前記成長チャンバ内に寸法付けられ、構成され、配置された
    請求項９に記載の装置。
13. 前記注入器装置は、１つの内側の末端部分の前記複数のポートが他の２つの外側の末端部分の前記複数のポート間にあるように構成され配置された前記末端部分を有する前記第１から第３導管を備え、
    ＮＨ₃およびＧａＣｌ₃は前記外側の末端部分の前記複数のポートを通して分配され、
    非反応性ガスは前記内側の末端部分の前記複数のポートを通して分配される、
    請求項９に記載の装置。