JP5897081B2 - 複数のウェハを同時に処理するためのリアクタ - Google Patents

Description

関連出願との相互参照

本出願は、２００９年２月２５日に出願された「高スループットマルチウェハエピタキシャルリアクタ（ＨＩＧＨ ＴＨＲＯＵＧＨＰＵＴ ＭＵＬＴＩ−ＷＡＦＥＲ ＥＰＩＴＡＸＩＡＬ ＲＥＡＣＴＯＲ）」という名称の米国特許出願第１２／３９２４４８号に対する優先権を主張するものであり、該特許出願は引用により本明細書に組み入れられる。

本発明は一般に薄膜、特にエピタキシャル膜堆積用化学蒸着（ＣＶＤ）リアクタの分野に関し、より詳細には、１又はそれ以上のランプ加熱リアクタと、ランプに露出され、ランプ放射を吸収し、複数のウェハを装着して内部のプロセスガス流を定める移動ウェハスリーブとを採用したＣＶＤリアクタに関する。

化学蒸着（ＣＶＤ）によってウェハ上に薄膜を堆積させる際に使用するエピタキシャルリアクタは、ウェハを加熱する方法、１又は複数の反応チャンバ内のウェハの全体的な配列、及び反応チャンバの数、及び予熱及び冷却用の追加チャンバがシステムの入口及び出口にそれぞれ構成されているかどうかなどの全体的なツール構造の面で分類することができる。図１〜図３は、これらの様々な設計面から各々を分類した３つの異なる種類の従来技術のエピタキシャルリアクタを示す図である。

図１の概略側断面図には、従来技術のパンケーキ型エピタキシャルリアクタ１００を示している。上部にエピタキシャル膜が堆積されるウェハ１１０が、サセプタ１１１によって支持される。一般的なサセプタは、炭化ケイ素をコーティングしたグラファイトで構成することができる。サセプタ１１１はリアクタチャンバ１０１内に組み込まれ、このリアクタチャンバ１０１内には、入口管路１０３を通じて１又はそれ以上のプロセスガス１０２が入り込み、やはりサセプタ１１１の回転運動１４０を機械的に支持するステム内に含まれるガス流路へと流れる。サセプタ１１１の抵抗性グラファイト材料内に流れる渦電流がサセプタ１１１を加熱し、またこのサセプタ１１１上に支持されたウェハ１１０を伝導によって加熱する。これらの渦電流は、サセプタ１１１の真下に取り付けられたＲＦ誘導コイル１１２の組によって誘発される。プロセスガス１０５が、ステム内のガス流路から出口１０４を通じてリアクタチャンバ１０１に入り込み、その後、加熱されたウェハ１１０の表面を横切って流れる。エピタキシャル反応による生成ガスと未使用の反応ガスとを含む排ガス１１５が、リアクタチャンバ１０１から出口開口部１１４を通じてポンプ排出される。

パンケーキ型エピタキシャルリアクタ１００は、遷移が急速で金属汚染が少なく、厚みが４％、抵抗率が７％にわたる不均一な厚膜及び二重層を堆積させる能力を有する。サセプタ１１１の回転運動１４０が、堆積の均一性を高める。この種のエピタキシャルリアクタの主な不利点として、低スループット、高いガス消費量、ウェハの反り、及び他の種類の従来技術のエピタキシャルリアクタ（図２及び図３を参照）よりも低い均一性が挙げられる。別の重要な不利点は、リアクタチャンバ１０１の内面上に望ましくない膜が堆積することにより、これらの面を頻繁に清掃する必要がある点である。この望ましくない堆積によってプロセスガスの消費量が増え、メンテナンス及び清掃のためのシステム休止時間が増えることにより所有コストが増加する。

図２の概略側断面図には、従来技術のバレル型エピタキシャルリアクタ２００を示している。この種のリアクタでは、上部でエピタキシャル膜が成長するウェハ２１０が、リアクタチャンバ２０１内の、堆積プロセス中に回転運動２４０を可能にして均一性を高める支持体２１５に固定されたマルチサイドグラファイトキャリア２１１に取り付けられる。グラファイトキャリア２１１は、リアクタチャンバ２０１の周囲及び外側に取り付けられた１又はそれ以上の反射体アセンブリ２０３に含まれる一連のランプ２０２によって加熱される。プロセスガス２１７は、入口管路２１６を通じて入り込み、矢印２２０で示すようにグラファイトキャリア２１１の外側周囲を流れる。エピタキシャル反応による生成ガス及び未使用の反応ガスの両方を含む排ガス２０５が、排気管路２０４を通じてポンプ排出される。反応ガス２２１の一部はリアクタチャンバ２０１内で再循環し、エピタキシャル堆積プロセス中の反応ガスの使用効率を高める。

バレル型エピタキシャルリアクタは、表面品質及び滑り性能が良く、通常の厚み不均一性が約３％で抵抗不均一性が約４％という利点を有する。パンケーキ型リアクタよりもスループットを高くすることができる。いくつかの不利点は、二重層を堆積できないこと、及び膜抵抗率が比較的高いことである。この種のリアクタは、現在ＣＭＯＳ半導体製造に使用されている主な種類である。

図３には、第３の種類の従来技術のエピタキシャルリアクタ、単一／ミニバッチランプ加熱リアクタ３００を示している。このリアクタ３００では、複数のクランプ３０３により結合された下部金属部分３０１及び石英ドーム３０２を含むリアクタチャンバ内で単一のウェハ３１０が処理される。通常、リアクタチャンバ内の圧力は、他の種類のエピタキシャルリアクタよりも低くすることができる。処理中のウェハ３１０は、リアクタチャンバ内に延びるステム３１５に取り付けられたキャリア３１１によって支持される。ステム３１５は、堆積プロセス中にキャリア３１１の回転運動３４０を可能にして均一性を高める。プロセスガス３０７が、入口管路３５０を通じてリアクタに入り込む。プロセスガス３０８が、ウェハ３１０の高さ付近でリアクタチャンバに入り込む。ウェハ３１０は、反射体アセンブリ３３１内に取り付けられた一連のランプ３３０からの光放射によって加熱される。エピタキシャル反応による生成ガス及び未使用の反応ガスの両方を含む排ガス３０６が、出口開口部３０５を通じてリアクタチャンバの外へポンプ排出される。

単一／ミニバッチ型のエピタキシャルリアクタは、裏面シールを必要とせずにウェハ３１０を処理する能力などのいくつかの重要な利点を有する。ドーパント遷移が急速であり、金属汚染が低く、厚さ不均一性（１．５％）及び抵抗不均一性（２％）が低いエピタキシャル膜を堆積させることができる。また、単一のウェハリアクタチャンバ内に最大直径３００ｍｍのウェハを収容することができる。表面品質が良好で滑りのない膜を毎時８個から１０個のウェハという高いスループットで堆積させることができる。しかしながら、この種のリアクタの重要な不利点は、長いエピタキシャル堆積時間を要することによってスループットが低下する厚膜の場合の膜コストが高い点である。

エピタキシャル堆積は、半導体産業において集積回路及び個別素子の製造で使用するために開発されたプロセスである。通常、高温の結晶シリコン基板に近接させてシランなどのシリコン前駆体ガスを噴射して、基板のシリコンとエピタキシャルなシリコンの層を基板上に化学蒸着させる。一般に、これらの用途では、完全に処理したウェハの最終値はかなり高くなる可能性があり、例えばマイクロプロセッサ用途などのいくつかの例ではウェハ当たり何万ドルにもなる。従って、半導体製造の経済では、光起電（ＰＶ）太陽電池ウェハなどのその他の種類の半導体製品の場合よりも、個々の処理ステップの相対的に高いコストを支えることができる。ＰＶ太陽電池（通常、約１５０平方ｍｍ）の最終コストは、ほとんど完全に処理された半導体デバイスウェハ（通常、直径２００又は３００ｍｍ）の場合よりも数桁低い１０ドルの範囲内に抑えることができるので、これらの他の用途では、処理ステップ当たりのコストを相対的に低くしなければならない。その一方、ＰＶ太陽電池用途では、いくつかの膜特性、具体的には必要な膜厚及び抵抗均一性をデバイスウェハの場合ほど厳しくなくてもよい。

薄膜太陽電池のエピタキシャル堆積には、通常、良好なエピタキシを達成する上でのエピタキシャル堆積は比較的ゆっくりとしたプロセスであるが、太陽電池内の半導体光吸収層を比較的厚くする必要があるという不利点がある。この結果、通常、エピタキシャル太陽電池の場合の堆積時間は、現代の電子集積回路に特有の極薄エピタキシャル層の場合よりもはるかに長い。

本発明は、エピタキシャルリアクタの設計を改善してスループットを高め、小型反応容積内に複数のウェハを収容してプロセスガスの使用を改善するとともに反応チャンバ壁への望ましくない堆積を最小限に抑えるウェハスリーブを提供し、改善されたランプ温度制御を通じてランプ寿命を延ばすものである。本発明では、ウェハ内及びウェハ間の膜厚及び抵抗均一性の高度な制御を、堆積プロセス中に回転又はその他の種類のウェハの動きを必要とせずに実現することができ、これにより反応チャンバの設計を単純化することができる。本発明のエピタキシャルリアクタは、リアクタフレームに収容されたウェハスリーブを照射する１又はそれ以上のランプモジュールを含むことができ、このリアクタフレームはランプモジュールも支持する。本発明の代替の実施形態は、放射ランプ加熱の代わりにウェハスリーブの抵抗加熱又は誘導加熱を採用することができる。

本発明の１つの態様では、個々のランプモジュールが、一般的には石英の照射窓を通じてウェハスリーブを放射加熱する複数のランプ、典型的にはタングステンハロゲンを含む。個々のランプのウェハスリーブから離れた向こう側には、最大ＩＲ反射率及び耐酸化性が得られるように一般的には金めっきされた反射体アセンブリが存在する。ランプモジュール構造は水冷式とすることができるのに対し、ランプモジュール内の個々のランプは、各ランプの後方の、空気プレナムにつながる一連の開口部による空冷式とすることができる。このランプ冷却構成は、個々の端部におけるランプの適切な気密シーリングを確実にして冷却空気の圧力を保つとともに、適切なランプ温度管理を通じてランプ寿命を延ばす。本明細書で説明する本発明の１つの実施形態では、リアクタフレームに２つのランプモジュールを取り付け、個々のランプモジュールが、リアクタフレーム内に支持されるウェハスリーブを照射する。代替の実施形態では、リアクタフレームの片側に単一のランプモジュールを取り付けてウェハスリーブを加熱する。

本発明の別の態様では、ウェハスリーブが、少なくとも２つのキャリアプレートを含むアセンブリであり、これらのキャリアプレートの各々の上にいくつかのウェハが、キャリアプレートの平坦な内面と良好に熱接触して取り付けられる。キャリアプレートは、一対のエンドキャップにより一定の狭い間隔で支持及び保持される。キャリアプレートの外面は、例えば石英製の窓を通じて放射を行うランプモジュールからの光によって加熱される。キャリアプレートの材料には、高い可視光及び赤外光吸収率に起因して炭化ケイ素が適している。

エピタキシャル堆積用のプロセスガスは、リアクタフレームの上部及び底部にあるプロセスガス入口管の組によってウェハスリーブの内部空間に直接送り込むことができる。リアクタフレームの上部には、通常、リアクタフレーム内のウェハスリーブの外側を除く容積に水素ガスを供給するパージガス入口管の組も存在する。このようにして、リアクタモジュールの外側部分に最低量のパージガスを導入し、これによりリアクタモジュール内部の外面上への望ましくない堆積の量を最小限に抑える。リアクタモジュールの内面上への堆積は、リアクタモジュールの水冷によってさらに抑えられる。リアクタフレームの上部及び底部からは、排気出口管路の組が延びる。排ガスには、パージガスと、リアクタモジュール内のエピタキシャル反応による生成物と、未使用の反応ガスとが含まれる。

プロセスガスがウェハ上部の小領域に閉じ込められるエピタキシャルリアクタ内では、プロセスガスが入口から排気口へと流れるにつれてプロセスガスの消費率が高くなる。これにより、入口からの距離の増加に伴う反応ガス濃度の低下に起因して、プロセスガス入口に近いウェハのエピタキシャル堆積速度が排気出口管路に近いウェハよりも高くなることがある。

従って、本発明の別の態様は、２方向のプロセスガス流を提供して「クロスフロー」エピタキシャル堆積プロセスを可能にする。この方法では、最初にプロセスガスが所定の時間にわたって一方向に、例えばウェハスリーブの内部を通じて下向きに流れる。その後、プロセスガスの方向が同様の所定の時間にわたって逆方向に、例えばウェハスリーブの内部を通じて上向きに逆転する。この手順を、ウェハスリーブ内に収容されるウェハの組へのエピタキシャル堆積中にいくつかのサイクルにわたって繰り返すことができ、これによりウェハスリーブの上部及び底部におけるウェハ間の堆積速度を平均化することができる。また、流れ及び排出を左から右に、及び右から左に設定することもできる。この構成では、ガス流の方向を、例えばサイクルごとに９０度切り替え、従って堆積中のウェハの回転運動を忠実にシミュレートすることができる。

本発明の全体的なシステムの第１の実施形態では、予熱チャンバと、単一のエピタキシャル堆積リアクタと、冷却チャンバとを含むシステム内にエピタキシャルリアクタを統合することができる。第２の実施形態では、２又はそれ以上のエピタキシャル堆積リアクタを直列に採用して、予熱チャンバ及び冷却チャンバと組み合わせることができる。この第２の実施形態では、これらのエピタキシャルリアクタが、それぞれ所望の最終的な膜厚の一部を堆積させる。例えば、予熱チャンバと、３つのエピタキシャルリアクタと、冷却チャンバとを含むシステムでは、エピタキシャルリアクタが、最終的な所望の膜厚の約３分の１をそれぞれ堆積させることができる。３つのエピタキシャルリアクタの各々の内部での堆積中、クロスフロー堆積プロセスを採用して堆積の均一性を高めることができる。この結果、エピタキシャルリアクタ当たりの堆積時間が、第１の実施形態の単一のエピタキシャルリアクタに要する時間の３分の１となる。予熱時間及び冷却時間が総堆積時間の３分の１未満であると仮定すれば、この第２の実施形態は、第１の実施形態のスループットよりも約３倍高いウェハスループットをもたらすことができる。

本発明のさらに別の実施形態では、流れの方向が異なるいくつかのエピタキシャルリアクタを直列に採用して、エピタキシャルリアクタのいずれの内部においてもクロスフロー処理を行う必要なく所望の全体的な膜均一性を達成することができる。予熱チャンバ及び冷却チャンバと組み合わせることができるこの方法では、個々のリアクタが、一方向のプロセスガス流及び排ガス流のための配管しか必要としないので、より単純なリアクタチャンバを採用することができる。

本発明のウェハスリーブは一連のランプによって加熱されるので、ランプシーケンシング方法を使用して膜堆積の均一性をさらに高めることができる。この方法では、加熱ランプを１００％未満の様々なデューティサイクルにわたって起動することによってプロセスガス流に対応する方向に沿った堆積速度の変化をほぼ線形にし、これにより、ウェハスリーブの異なる部分におけるウェハ温度のリアルタイム制御を通じて堆積速度を制御することができる。ランプシーケンシングをクロスフロー処理と組み合わせることにより、ウェハ内及びウェハ間で比較的均一な全体的堆積速度を得ることができるようになる。

従来技術のパンケーキ型エピタキシャルリアクタの概略側断面図である。 従来技術のバレル型エピタキシャルリアクタの概略側断面図である。 従来技術の単一／ミニバッチ型エピタキシャルリアクタの概略側断面図である。 本発明のランプモジュールの外面の概略図である。 図４のランプモジュールの、リアクタの内部に面する表面の概略図である。 図４のランプモジュールの、ランプモジュールの外側冷却空気プレナムを貫いた概略垂直断面図である。 図４のランプモジュールの、ランプモジュールの中央冷却空気プレナムを貫いた概略垂直断面図である。 本発明のウェハスリーブを部分的に切り取って示す概略等角図である。 図８のウェハスリーブの概略上面図である。 本発明のリアクタフレームの概略側面図である。 本発明の照射窓の概略図である。 図１１の照射窓を適所に備えた図１０のリアクタフレームの概略側面図である。 ガスプレナムの概略断面図である。 図４のエピタキシャルリアクタの反応領域の概略上面部分断面図である。 本発明の、クロスフロー処理を行う３モジュールエピタキシャルリアクタの概略図である。 本発明の１つの実施形態のプロセスガス及び排ガス流を４つの異なる流れの方向で示す概略図である。 本発明の１つの実施形態のプロセスガス及び排ガス流を４つの異なる流れの方向で示す概略図である。 本発明の１つの実施形態のプロセスガス及び排ガス流を４つの異なる流れの方向で示す概略図である。 本発明の１つの実施形態のプロセスガス及び排ガス流を４つの異なる流れの方向で示す概略図である。 本発明の、クロスフロー処理を使用する３つのリアクタモジュールを含む５モジュールエピタキシャルリアクタの概略図である。 本発明の単一通過クロスフローリアクタモジュールの概略側断面図である。 リアクタモジュール内の垂直位置と対照させたエピタキシャル堆積速度のグラフである。 本発明の、クロスフロー処理を使用しない６モジュールエピタキシャルリアクタの概略図である。 本発明の単一通過リアクタモジュールの、ランプシーケンシング手順を利用したエピタキシャル堆積プロセスの最初の時点における概略断面図である。 本発明の単一通過リアクタモジュールの、図２１Ａに示す時点の次の時点における概略断面図である。 本発明の単一通過リアクタモジュールの、図２１Ｂに示す時点の次の時点における概略断面図である。 図２１Ａ〜図２１Ｃに示すランプシーケンシング手順によってエピタキシャル堆積速度の変化をどのように直線化できるかを、リアクタモジュール内の垂直位置に対照させて示すグラフである。 エピタキシャル堆積速度を、クロスフロー処理と組み合わせたランプシーケンシング手順を利用して均一性を向上させたリアクタモジュール内の垂直位置に対照させたグラフである。 エピタキシャル堆積速度を直線化するためにランプモジュールの上部から底部にかけて変化するランプ強度を使用する、本発明の単一通過リアクタモジュールの概略断面図である。 本発明の実施形態による、大容量ウェハスリーブを有するリアクタの概略断面図である。 本発明の実施形態による、大容量ウェハスリーブを有するリアクタの概略断面図である。 本発明の実施形態による大容量ウェハスリーブの概略上面図である。 本発明の実施形態による、図２６の大容量ウェハスリーブのガスプレナムの概略断面図である。 本発明の実施形態によるウェハスリーブの上部の、小角度で取り付けたウェハを示す概略断面図である。 図２８のウェハスリーブの下部の概略断面図である。 本発明の実施形態によるウェハスリーブの端部の、水平なプロセスガス流のために小角度で取り付けたウェハを示す概略断面図である。

ＰＶセル用途のための従来技術のエピタキシャル堆積システムの１つの不利点は、時間当たりウェハで測定した低いスループットである。従って、エピタキシャルリアクタは、ＰＶ太陽電池ウェハ上の堆積膜の所望の特性を達成するのに実用的な最小の堆積時間で複数のウェハを並行して処理することが望ましいと思われる。

従って、本発明の１つの態様は、各々がリアクタアセンブリ内に取り付けられた一連のランプによって加熱されるキャリアプレートによって支持された複数のウェハ上に膜を化学蒸着することによる同時堆積を可能にするエピタキシャルリアクタを含む。本発明のエピタキシャルリアクタは、リアクタフレームに収容されたウェハスリーブを照射する１又はそれ以上のランプモジュールを含み、このリアクタフレームはランプモジュールも支持する。以下の図には、ランプモジュール、ウェハスリーブ、及びリアクタフレームを別個に示す。次に、リアクタモジュールの組み立てについて説明し、その後、照射、冷却、及びプロセスガス及びパージガスの流れに関するリアクタモジュールの動作について説明する。ウェハスリーブの様々な構成について説明し、その後様々な数のリアクタを含む異なる実施形態について説明する。最後に、ウェハ間の堆積速度を改善するための方法について説明する。

全体的なリアクタ設計は図１４を参照しながら要約することができるが、これについては、後ほど他のリアクタ部品の説明を行う際により詳細に説明する。堆積プロセス用のリアクタの反応容積１５０３内に配置されたウェハスリーブ（或いはキャリアと呼ばれる）の内部容積９０７内の２つのキャリアプレート９０６の向かい合う側にウェハ９２０が取り付けられる。２つのランプモジュール４０１（図４〜図７を参照）が、窓１２００を通じてキャリアプレート９０６の外側を照射する。キャリアプレート９０６は、ランプの可視及び近赤外線放射を吸収してこの放射により加熱される炭化ケイ素などの材料から作製される。トリクロロシラン及び水素などのプロセスガスが、スリーブ９００の内部容積９０７を通じて流れ、ウェハ９２０上にシリコンなどの材料をエピタキシャルに堆積させる。通常の反応温度は、６００℃から１２００℃の範囲に及ぶ。

ランプモジュール
白熱ランプによって加熱される従来技術のエピタキシャルリアクタの１つの不利点は、ランプに関連する消耗品コストである。通常、ウェハをより効率的に加熱する高赤外線放射を行うという理由から、高価なタングステンハロゲンランプが使用される。タングステンハロゲンランプは、ハロゲンガスを含有するシールド管内にコイル状のタングステンフィラメントを含む。ランプの冷却が不十分であれば、ランプの寿命が大幅に低下し、ウェハ製造プロセスのための追加の変動コストを生む可能性がある。従って、ランプ寿命を延ばすことによりＰＶセルウェハ当たりのランプ償却コストを削減するランプ冷却レベルを提供することが望ましいと思われる。従って、本発明の１つの態様は、ランプの寿命の延長を可能にするランプモジュールを提供する。

図４は、本発明の１つの実施形態のランプモジュール４０１の外面の概略図である。ランプモジュール４０１は、一連のボルトにより装着穴を通じてリアクタフレーム１０００（図１０を参照）に取り付けることができる。ランプモジュール４０１のための冷却空気は、入口穴４１４に通じる入口接続部４１３を通じて中央空気プレナム４１２に入ることができる。冷却空気は、中央空気プレナム４１２の両側の、排気接続部４０３に通じる出口穴４０４を含む２つの外側空気プレナム４０２を通じてランプモジュールから出ることができる。当業者には周知のように、適切な堆積速度、膜組成、及びその他の膜特性を得るには、エピタキシャル堆積中の厳密な温度モニタ及び制御が重要になり得る。パイロメータからのランプ制御電子回路への能動的フィードバックにより、エピタキシャル堆積プロセス全体を通じたウェハスリーブ温度の厳密な動的制御が可能になる。

冷却水入口管４２０は、ランプモジュール４０１内に形成されたランプ内の水路ネットワークに通じ、その後冷却水出口管４２１に通じる。冷却水路ネットワークの正確な配置は自由に選択することができる。ランプモジュール４０１を十分に水冷することは、ランプ寿命を保つとともに、照射窓（図１１を参照）が過熱してＩＲの伝達効率及びリアクタチャンバ内の真空完全性の損失を招かないことを確実にする上で重要となり得る。当業者には周知のように、冷却システムは、冷却材圧力のあらゆる損失を検出するための圧力センサを備えることができる。このような圧力の低下が生じた場合、ランプへの全ての電源が直ちに遮断されてリアクタモジュールを保護し、考えられるあらゆるプロセスガスの漏れからオペレータを保護するようになる。図示のように、ランプモジュール４０１の両側からは、対向するランプの端部のための接続ワイヤ４１８及び４１９の組が延びる。

図５は、図４のランプモジュールの、リアクタの内部に面する表面の概略図である。図５には１１個のランプ５０２を示しているが、ランプ５０２の正確な数は様々であってよい。ランプ５０２は直線状に延び、並列に構成され、ほぼ直線状に延びるコイル状ランプフィラメントを有することができる。ランプは、ランプフィラメントに接続するための電極ベースを両端に有する。ランプモジュール４０１の面内に機械加工された溝内には、照射窓１２００（図１１及び図１２を参照）の外面をシールするための高温Ｏリング５０１が含まれる。個々の直線状に延びるランプ５０２は、ＩＲ反射率の均一性を最大化して酸化を最小限に抑えるように通常は金でめっきされた反射体５０３を有する（図６及び図７も参照）。ランプ５０２は、反射体５０３とともに、実質的に平面の放射熱源を提供する。通常、ランプ５０２は、最大発光が約１．２μｍの赤外波長を有し、２０００Ｋを超えるフィラメント温度で動作するタングステンハロゲンランプとすることができる。個々のランプ５０２は、その透明なガラスランプ管の端部の各々に、ほぼ直線状に延びるフィラメントの両端に接続されるとともにそれぞれの電気ソケットに着脱自在に接続された基部（図示せず）を有する。これらのソケットは水冷式ランプモジュールハウジング内に存在し、ランプモジュール４０１内のランプ５０２のための冷却空気の圧力を維持するために個々のランプソケットの端部周辺に気密シールを形成する高温Ｏリングへの損傷を防ぐために、約３００℃未満の温度に維持される。ランプは、ランプの端部近くの放射を最小限に抑えるように有利に設計することができる。

図４のランプモジュールの外側冷却プレナムにおけるＡ−Ａに沿って貫いた概略垂直断面図を図６に示す。出口コーン４０３には出口空気ダクト６１０が接続して、ランプ５０２のための冷却空気又はその他の冷却ガスを、ランプ５０２及びこれらの反射体５０３の背後にある出口冷却プレナム４０２から外へ導く。出口冷却プレナム４０２は、壁７１３によって定められる、ランプ５０２の長軸と平行に走る複数の空気流路７１２に接続する。個々の空気流路７１２から延びる複数の空気管７１１により、空気流路７１２から反射体５０３を通じて個々のランプ５０２に向けて冷却空気が通過することができる。入口空気プレナム４１２（図７を参照）からの冷却空気は分流し、直線状に延びるランプ５０２に沿ってランプ５０２の両端近くの２つの出口冷却プレナム４０２へ逆方向に流れる。ランプ５０２の適切な空冷は、ランプ寿命を最大化し、これによりウェハの処理当たりのランプ償却コストを削減すると同時にシステムの動作可能時間を増やして保守要件を減らす上で重要である。

図４のランプモジュールの中央平面を貫いた概略垂直断面図Ｂ−Ｂを図７に示す。入口コーン４１３には入口空気ダクト７３０が接続して、ランプ５０２のための冷却空気を、ランプ５０２及びランプ５０２の軸方向中央付近の反射体５０３の背後にある入口空気プレナム４１２内へ導く。入口空気プレナム４１２は、個々のランプ５０２と平行にかつこれらの背後に走る複数の空気流路７１２に接続する。個々の空気流路７１２から延びる複数の空気管７１１は、空気流路７１２から反射体５０３を通じて個々のランプ５０２に向けて冷却空気が通過できるようにする。

ウェハスリーブ
従来技術のエピタキシャル堆積システムの別の不利点は、プロセスガスの非効率的な使用に起因する高い消耗品コストである。従って、エピタキシャルリアクタでは、プロセスガスの使用を、所与の膜厚を堆積させるのに必要なプロセスガスの量を減らすように改善することが望ましいと思われる。従来技術のエピタキシャル堆積システムのさらに別の不利点は、プロセスガスを充填しなければならないプロセスチャンバの容量が大きい点である。この結果、ガス流要件が高くなり、プロセスガスの利用率が低くなる。多くの場合、プロセスチャンバの内面は、ウェハを加熱するためにランプ又は誘導コイルによって加熱され、この結果チャンバ壁上に望ましくない堆積が生じる。従って、反応チャンバの内面を、反応温度に加熱されているウェハよりも低い温度に維持して、プロセスガスを供給しなければならないリアクタ領域の容積を最小限に抑えることが望ましいと思われる。

従来技術のエピタキシャル堆積システムのさらに別の不利点は、リアクタチャンバの内壁の様々な表面への望ましくない堆積である。この望ましくない堆積により、これがリアクタチャンバ壁に付着せずに薄片となってはがれ落ちた場合に微粒子が形成されること、及びプロセスガスの非生産的な消費が加わることなどのいくつかの望ましくない影響が生じ、これにより膜成長の変動コストが増え、またリアクタチャンバを頻繁に開放して清掃することが必要となる場合がある。従って、エピタキシャルリアクタでは、ウェハ及び場合によってはウェハキャリアの狭い周辺領域へのほとんどの堆積を制限するのではなく、リアクタチャンバの壁への望ましくない堆積を最小限に抑えることが望ましいと思われる。

従って、本発明の別の態様は、内部に複数のウェハを装着し、リアクタの壁から離れるプロセスガス流を内部に定め、リアクタの壁から離れて放射加熱できるウェハスリーブを含む。すなわち、リアクタ壁は、処理中のウェハよりも実質的に低い温度であることができ、一般的には堆積ガスに露出されることがない。１つの実施形態では、スリーブが、２つのそれぞれのほぼ平面かつ平行な主面を有してこの上にウェハをスリーブ内の反応領域に面するように取り付けた２つのキャリアプレートを含む。スリーブの側面は閉じられ、１つの実施形態では、ガス送達システムが、最終的にはスリーブの一端又は両端を部分的にシールしてスリーブ内部の反応領域への処理ガスの流れを制限する一方で、使用済みの処理ガスを他端から流出させる。しかしながら、この可搬型スリーブ自体が２つの開放端を有することが好ましい。

本発明の１つの実施形態のウェハスリーブ９００の部分的に切り取った概略等角図を図８に示す。２つのキャリアプレート９０６を、例えばネジ又はボルト、クランプ、バネ、或いはバネ式クランプによって２つのエンドキャップ９０１に着脱自在に取り付ける。個々のエンドキャップ９０１から延びる凸部９０２が、ウェハキャリアプレート９０６の内面間の間隔を定め、これらのウェハキャリアプレート９０６がエンドキャップ９０１とともに、一般に２つの対向する端部で開放する処理キャビティを形成する。部分的切り欠き９１０を通じて一部を見ることができる複数のウェハ９２０が、例えばウェハキャリアプレート９０６にねじ込まれてウェハ９２０を肩部で捕捉する肩付きネジ９３０（図９参照）などの何らかの着脱自在な取り付け手段により、ウェハキャリアプレート９０６にウェハ９２０の裏面で良好に熱接触して取り付けられる。さらに、より複雑な形状のキャリアプレートにはエンドキャップを組み込むことができる。

本発明は、少なくとも結晶シリコンの表面層を有する基板上にシリコン層を効率的にエピタキシャル堆積できるようにする。このような基板は、集積回路産業で使用されるような単結晶シリコンウェハであってもよく、非シリコン基板に付着されたシリコンの結晶層を有するものであってもよい。用途によっては、シリコン層がマザーウェハの多孔質シリコン層上に堆積され、次にこの堆積されたシリコン膜がマザーウェハから層状に剥離され、さらなる処理及び装着のために異種基板に付着される。

ウェハ９２０をウェハスリーブ９００に挿入及びこれから除去する場合には、ウェハスリーブ９００を分解して、ウェハキャリアプレート９０６の内面に容易にアクセスできるようにすることができる。図９に示すように、複数のウェハをウェハキャリアプレート９０６の内面に良好に熱接触させて取り付けることができる。全てのウェハ９２０を取り付けた後、ウェハスリーブを図８及び図９に示すように再び組み立てて、処理するウェハをウェハスリーブ９００内に配置する。

ウェハ９２０は、最終的に密に詰め込まれた太陽電池のパネルの一部として使用する可能性を考慮して矩形にすることもできる。ウェハ９２０の上部処理表面間の間隔は、ウェハキャリアプレート９０６の内面間の間隔から２つのウェハ９２０の厚みを差し引いたものにほぼ等しい。本発明では、キャリアプレート９０６の内面間の間隔を２ｍｍ〜８ｍｍに、より大まかには２ｍｍ〜２ｃｍの範囲とすることにより、極めて小型の反応容積９０７を作成できるようになる。二次元配列内に複数のウェハを収容するために、スリーブ９００の主壁、すなわちキャリアプレート９０６は、スリーブ９００の内部の厚みに対する横寸法のアスペクト比が少なくとも２０：１、好ましくは４０：１よりも大きくなるように、４０ｃｍ又はそれ以上の横寸法を有することが好ましい。ウェハキャリアプレート９０６間のこの小さな反応容積内にプロセスガスが流入した際には、個々のウェハ上部の境界層は、総反応容積のかなりの部分を含むことができる。境界層内ではガス速度が低下するので、これにより加熱ウェハ９２０とのプロセスガスの反応時間が増えて反応効率が改善される。様々な凸部９０２の幅のエンドキャップ９０１を使用してウェハキャリアプレート９０６の内面間の様々な間隔を選択し、リアクタモジュールを様々なエピタキシャル堆積プロセス及びガス混合に対して最適化することができる。図９は、図８のウェハスリーブの概略上面図であり、ウェハ９２０を締め付けてウェハキャリアプレート９０６と良好に熱接触させる肩付きネジ９３０を示している。以下で図２８に示して説明するように、ウェハを低角度の傾斜ポケット内に独立して取り付けることもできる。

リアクタフレーム、リアクタチャンバ、及びクロスフロー処理
従来技術のエピタキシャル堆積システムの不利点は、膜厚及び抵抗率の所望の均一性を実現するために、リアクタチャンバ内でウェハサセプタ又はウェハキャリアを回転運動させる必要がある点である。当業で周知のように、高温の反応ガスを含むチャンバ内では、機械的運動がいくつかの設計上及び動作上の困難を生じる場合がある。従って、エピタキシャルリアクタでは、処理中にウェハの回転又はその他の種類の動きを必要とせずに所望のプロセス膜均一性を達成することが望ましいと思われる。

従って、本発明の別の態様は、プロセスガスがウェハ、好ましくは静止したウェハ全体にわたって逆方向又は非平行方向に交互に流れることを可能にする反応チャンバを含む。

本発明のリアクタフレーム１０００の概略側面図を図１０に示す。上部にエピタキシャル膜が堆積するウェハ（図示せず）を含むウェハスリーブ９００がリアクタチャンバ１００１に含まれる。リアクタチャンバ１００１は、リアクタフレーム１０００内の４つの内壁１００３、及びリアクタフレーム１０００の対向する両側の凹部１００２に収まる２つの照射窓１２００（図１１参照）によって形成された中央開口部を含む。金属で形成されることが好ましいリアクタフレーム１０００のための冷却水が入口管路１０３１を通じて入り込み、その後リアクタフレーム１０００内の冷却水路（図示せず）のネットワークを通じて流れ、最終的に出口管１０３２を通じて出る。リアクタフレーム１０００を十分に冷却することは、リアクタチャンバ１００１の内壁１００３を、フレーム１０００上への望ましくないエピタキシャル堆積を最小限に抑えるのに十分低い温度に維持する役に立つ。外側の高温Ｏリング１０１１及び内側の高温Ｏリング１０１０が照射窓１２００の内面をシールして、リアクタチャンバ１００１の内部と空気との間に差動排気シールを形成する。差動排気接続部１０１２は、２つのＯリング１０１０、１０１１間の開口部１０１３に通じる。

リアクタフレーム１０００の上部からは２つの排気管路１０１４が延び、リアクタフレーム１０００の底部からはさらに２つの排気管路１０２４が延びる。リアクタフレーム１０００の上部には１つのパージガス入口管路１０１６が接続し、リアクタフレーム１０００の底部には別のパージガス入口管路１０２６が接続する。リアクタフレーム１０００の上部には２つのプロセスガス入口管路１０１５が接続し、リアクタフレーム１０００の底部にはさらに２つのプロセスガス入口管路１０２５が接続する。リアクタチャンバ１００１の上部では、水平に延びる上部プロセスプレナム１０８０が内壁１００３に取り付けられる。図１３を参照しながら以下で説明するように、リアクタフレーム１０００の上部のプロセスガス管路１０１５及び排気管路１０１４は、上部プロセスプレナム１０８０の内部に接続され、パージガス管路１０１６は、上部プロセスプレナム１０８０の外部へ導かれる。同様に、リアクタチャンバ１００１の底部では、下部プレナム１０８１が内壁１００３に取り付けられる。図１３を参照しながら以下で説明するように、リアクタフレーム１０００の底部のプロセスガス管路１０２５及び排気管路１０２４は、下部プロセスプレナム１０８１の内部に接続し、パージガス管路１０２６は外部へ導かれる。上部プロセスプレナム１０８０はリアクタチャンバ１００１内に配置されて、上部プロセスプレナム１０８０の下面とウェハスリーブ９００の上面との間に狭い、恐らくは最小限の間隙を有してこれらの間に若干漏れやすいシールを提供し、これによりパージガスよりも低い圧力に保持されているプロセスガスの圧力差（図１３参照）に逆らうスリーブ９００内からのプロセスガスの漏れを最小限に抑える。しかしながら、１つの実施形態では、この漏れやすいシールが、通常は停滞しているはずのパージガスのウェハスリーブ９００外への排出経路となる。同様に、下部プレナム１０８１もリアクタチャンバ１００１内に配置されて、下部プレナム１０８１の上面とウェハスリーブ９００の下面との間に最小限の間隙を有し、これによりガス漏れを最小限に抑えると同時に、恐らくは圧力差（図１３参照）によってパージガスの排出経路となる。

ガス流を逆転させることができるように、入口ポート及び出口ポートにバルブ及びガス供給口又は排気口を接続することができるが、実施形態によってはパージガスの流入が逆転することはない。

さらに、処理中にプロセスガスを切り替えて、例えばトリクロロシランにジボラン又はホスフィンを添加して、ｎ型、真性、及びｐ型のシリコン層又はその他の半導体層に異なるドーピングの種類を提供し、又は水素などのその他のプロセスガスを提供して堆積物の形態及び抵抗率に影響を与えるようにすることができる。

クロスフローエピタキシャル堆積プロセス中のパージガス及びプロセスガス入口、並びに排ガス出口の機能は以下の通りである。図１５を参照しながら説明するように、エピタキシャルリアクタ１８０４は、「クロスフロー」処理と呼ばれる２方向のプロセスガス流手順を使用して動作することができる。クロスフロー処理の第１段階では、ＣＶＤ前駆体に使用するプロセスガスが、リアクタフレーム１０００の上部にある図１０の上部プロセスガス入口１０１５から下向きに流れ、最初に上部プロセスプレナム１０８０に入り、その後ウェハスリーブ９００に入る。入口１０１５からのプロセスガスは、プロセスガスの利用を最大化するために、上部プロセスプレナム１０８０によってウェハスリーブ９００内部のウェハキャリアプレート９０６間に優先的に導かれる。同時に、パージガス、通常は水素が、上部パージガス入口管路１０１６からリアクタチャンバ１００１内へ下向きに流れ、ウェハスリーブ９００の外部へと至る。パージガスは、リアクタチャンバ１００１の窓及び壁への堆積を低減又は排除するために、ウェハスリーブ９００のウェハキャリアプレート９０６の外側へ優先的に導かれる。ウェハスリーブの外側のパージガスの圧力は、ウェハスリーブ９００内の反応ガスの圧力を上回るように調整することができ、これにより反応ガスがウェハスリーブ９００の内部容積から最小限しか漏れないことを確実にするとともに、パージガスが漏れやすいシールを通じてプレナムの内部、特に排出中の出口プレナム内に排出されるようにする。この第１段階では、ウェハスリーブ９００の内部からの生成ガス及び未使用の反応ガスが下部プロセスプレナム１０８１に流入し、パージガスが、ウェハスリーブ９００外部のリアクタチャンバ１００１の一部から、漏れやすいシールを通じて下部プロセスプレナム１０８１に流入する。次に、生成ガス、未使用のプロセスガス及びパージガスは、リアクタフレーム１０００の底部の開いた排気管路１０２４に流入する。エピタキシャル堆積の第１段階中、底部パージガス管路１０２６、プロセスガス管路１０２５、及び上部排気管路１０１４はバルブで閉じられる。

クロスフロー処理の第２段階では、プロセスガスが底部プロセスガス入口１０２５から上向きに流れ、最初に下部プロセスプレナム１０８１に、その後ウェハスリーブ９００に入る。上述したクロスフロー処理の第１段階では、底部プロセスガス入口１０２５からのプロセスガスが、プロセスガスの使用効率を最大化するために、下部プロセスプレナム１０８１によってウェハスリーブ９００内に優先的に導かれる。同時に、パージガス、通常は水素が、底部パージガス入口管路１０２６から上向きに流れ、ウェハスリーブ９００の外部にあるリアクタチャンバ１００１に入る。パージガスは、上述した第１段階の場合と同様に、リアクタチャンバ１００１の窓及び壁への堆積を低減又は排除するためにウェハスリーブ９００の外側へ優先的に導かれる。この第２段階では、生成ガス及び未使用の反応ガスが、ウェハスリーブ９００の内部から上部プロセスプレナム１０８０に流入し、ウェハスリーブ９００の外部にあるリアクタチャンバ１００１の一部からのパージガスが、漏れやすいシールを通じて上部プロセスプレナム１０８０に流入する。その後、生成ガス、未使用のプロセスガス、及びパージガスは、リアクタフレーム１０００の上部の排気管路１０１４に流入する。エピタキシャル堆積の第２段階中、上部パージガス管路１０１６、プロセスガス管路１０１５、及び底部排気管路１０２４はバルブで閉じられる。

本発明の照射窓１２００の概略図を図１１に示す。通常、照射窓１２００は、中央透明領域１２０１を取り囲む非透明領域１２０２を含む約１０ｍｍの厚みの石英とすることができる。中央透明領域１２０１は、ウェハスリーブ９００のランプ加熱側の寸法とほぼ一致するようなサイズにすることができる。外側の非透明領域１２０２は、リアクタフレーム１０００（図１０及び図１２を比較）内の高温Ｏリング１０１０、１０１１を覆うようなサイズにして、これによりＯリング１０１０、１０１１をランプモジュール４０１からの加熱から保護するようにすることができる。非透明領域１２０２の構造にはいくつかの代替案が存在する。例えば領域１２０２を反射物質で覆って、領域１２０２に当たるランプモジュール４０１からのあらゆる照射を反射することができる。或いは、領域１２０２を、一部の照射を反射してランプモジュール４０１からの一部の照射を散乱させる半透明石英で作製してもよい。

図１２の概略側面図は、照射窓１２００をリアクタフレーム１０００内の凹部１００２内に設置した図１０のリアクタフレーム１０００を示している。図１２では、非透明領域１２０２がランプモジュール４０１内のランプ５０２から放射される光から高温Ｏリング１０１０、１０１１を保護しており、この図から照射窓１２００の非透明領域１２０２の目的を理解することができる。

リアクタフレーム内のガス分配プレナム
図１０を参照しながら上述したように、リアクタチャンバ１００１内には、ウェハスリーブ９００内部へのプロセスガスの均等な分配を促すとともにリアクタチャンバ１００１からのガスを除去するために２つのプロセスプレナム１０８０、１０８１が取り付けられる。図１３は、上部プレナム１０８０及びウェハスリーブ９００の上部の概略断面図である。下部プロセスプレナム１０８１も同様又は同一とすることができるが、通常は図１３に示す上部プロセスプレナム１０８０とは逆の構成で取り付けられる。以下の説明は上部プロセスプレナム１０８０に関するものであるが、下部プロセスプレナム１０８１にも等しく適用することができる。プロセスガス管路１０１５（図１０を参照）が、接続管３００１及び開口部３００２を通じて、プレナム構造３０１２により形成された上部分配プレナム３００３に接続される。上部分配プレナム構造３０１２の長さに沿って第１の複数の穴３００４が配置され、これがウェハスリーブ９００の上部幅全体にわたって延び、管１０１３の内部３００５にプロセスガスを均等に充填できるようにする。管３０１３の底部からは、やはりウェハスリーブ９００の上部幅全体にわたって延びる第２の複数の穴３００６が延び、プロセスガス３０５１がウェハスリーブ９００の内部９０７に流入できるようにする。

図示のように、上部プレナム１０８０の周囲には、供給管路１０１６からリアクタチャンバ１００１に流入したパージガス３０５０が流れる。上部プレナム１０８０はフランジ構造３００７を有して、このフランジ３００７とウェハキャリアプレート９０６の上端との間に形成された空隙３０１０を通じたウェハスリーブ９００内部への漏れを低減することができる。下部プレナム１０８１の動作は、リアクタフレーム１０００の底部において対応するプロセスガス１０２５管路、パージガス１０２６管路、及び排気管路１０２４を使用する点を除き、上述したものと基本的に同じとすることができる。

１又はそれ以上の幅広の排気口を管３００１の内部３００５に接続し、一連の幅広穴３００６を通じてウェハスリーブ９００内部の反応容積をポンプ排気することができる。このプロセスプレナムの二重使用により、プロセスにおける供給及び排出を、対向するプロセスプレナムの各々に対して交互に行えるようになる。

リアクタチャンバ１００１を低圧で動作するようにすることは可能であるが、大気圧近くで、ただしガス流を制御するのに十分な圧力差で動作させることにより、良好なエピタキシャル堆積を達成することができる。

ガスが下向きに流れている間のクロスフロー処理では、上部プロセスプレナム１０８０がウェハスリーブ９００の内部９０７にプロセスガスを供給し、下部プロセスプレナム１０８１が、ウェハスリーブ９００の内部９０７及びリアクタチャンバ１００１の他の部分からガスを除去するための排気口となる。ガスが上向きに流れている間は、下部プレナム１０８１がウェハスリーブ９００の内部９０７にプロセスガスを供給し、上部プレナムが、ウェハスリーブ９００の内部９０７からガスを除去するための排気口となる。

２つのランプモジュールを有するエピタキシャルリアクタ 図１４は、図４のＣ−Ｃに沿った、図１０及び図１２のエピタキシャルリアクタの反応領域の概略部分拡大上面断面図である。図１０で上述したように、プロセスガスは、キャリアプレート９０６及びエンドキャップ９０１によって囲まれたウェハスリーブ９００の内部容積９０７内に優先的に導かれる。（内部容積９０７内のプロセスガスは、使用中の流れの方向に応じて、図１４の断面の平面内へ流入し又はここから流出する（例えば、図１５及び以下の説明を参照）。）パージガスは、ウェハスリーブ９００を取り囲むリアクタチャンバ１００１内の内部容積１５０３内に優先的に導かれる。図１３に関して説明したように、ウェハスリーブ外側のパージガスの圧力を、ウェハスリーブ９００内のプロセスガスの圧力を上回るように調整することにより、ウェハスリーブ９００の内部容積９０７からのプロセスガスの最小限の漏れを保証することができる。容積１５０３をスリットバルブ（例えば、図１５のスリットバルブ１８０３及び１８０５を参照）によってシールすることにより、ウェハスリーブ９００を取り囲む閉鎖容積を形成することができる。或いは、例えば、エピタキシャルリアクタ２３０４、２３０６、及び２３０８がパススルーチャンバ２３０５及び２３０７によって分離された図２０に示すように、基本的に容積１５０３が、隣接するエピタキシャルリアクタチャンバ内に延びることができる。なお、図１４に見られるように、ウェハスリーブは、（リアクタの構成に応じて）左又は右へ動かすことによりリアクタ内へ又はリアクタ外へ移動する。

ウェハスリーブ９００の両側にある照射窓１２００は、リアクタチャンバ１００１と、ランプ５０２を取り囲む空気１５０２又はその他の冷却ガスとの間に障壁を形成して、ランプ５０２からの照射がリアクタチャンバ１００１に入り込めるようにする。

クロスフロー処理を行う３モジュールエピタキシャルリアクタ
本発明の１つの実施形態の３モジュールエピタキシャルリアクタ１８００を図１５に概略的に示す。処理準備が整ったウェハを装着した（図８及び図９に示すような）ウェハスリーブを、リアクタ入口スリットバルブ１８０１を通じて予熱チャンバ１８０２内へ１８２０の方向に押し込むことができる。方向１８２０は、ウェハスリーブがリアクタの３つのモジュール内を通ってたどる経路を示している。予熱チャンバは、ランプ、抵抗素子、又は誘導加熱などの、ウェハスリーブを加熱するあらゆる数の方法を使用することができる。予熱チャンバ１８０２内のウェハスリーブの経時的な温度プロフィールは、後続の（単複の）エピタキシャルリアクタチャンバ内での膜の堆積時間に対応するのに十分高速ではあるが、ウェハスリーブ内のウェハ内の熱誘導応力を避けるのに十分低速とすべきである。予熱チャンバ１８０２は、ウェハスリーブを放射加熱するための２つのランプモジュールを有する点を除き、リアクタチャンバの構造よりも単純化した構造を有することができる。しかしながら、抵抗加熱チャンバ又は誘導加熱チャンバなどの、より単純な加熱装置も可能である。

ウェハスリーブが適切な温度に達した後に、予熱チャンバスリットバルブ１８０３が開き、ウェハスリーブが予熱チャンバ１８０２からエピタキシャルリアクタ１８０４内へ移動できるようになる。その後、予熱チャンバスリットバルブ１８０３は閉じられる。この時までに、リアクタスリットバルブ１８０５も閉じていなければならない。ここで、リアクタ１８０４内の静止したウェハスリーブ９００上でエピタキシャル堆積プロセスが開始され、リアクタ１８０４内に位置するウェハスリーブ９００内のウェハ上に所望の膜厚が堆積されるまで続く。２方向矢印１８３１は、リアクタ１８０４内におけるクロスフローエピタキシャルプロセスのためのプロセスガス流の２つの方向を示している。（プロセスガス流は、ウェハスリーブ９００のキャリアプレート９０６に平行である。）以下で説明するように、反応ガスの逓減効果に起因して、ウェハスリーブに含まれるウェハ内及びウェハ間において必要な膜厚及び抵抗率の均一性を達成するには、リアクタ１８０４内でクロスフローエピタキシャル堆積プロセスが必要となり得る。

次に、リアクタスリットバルブ１８０５が開いて、高温のウェハスリーブが冷却チャンバ１８０６内に移動できるようになり、その後リアクタスリットバルブ１８０５が閉じられる。冷却チャンバ１８０６は、リアクタ１８０４の構造よりも大幅に単純化した構造を有することができ、例えばウェハスリーブ９００に面する２つの水冷式フレームを有する。十分な冷却が行われる前にウェハスリーブを早く空気に曝さないように、この時には出口スリットバルブ１８０７も閉じられている。この結果、ウェハスリーブは、取り出すのに十分な低温に達するまで冷却チャンバ１８０６内に留まり、その後、出口スリットバルブ１８０７が開いてウェハスリーブがエピタキシャルリアクタシステムから取り出される。最適なスループットを得るために、常に１つよりも多くのウェハスリーブがエピタキシャルリアクタシステムを通過中であるようにすることができる。例えば、第１のウェハスリーブが冷却チャンバ１８０６内で冷却中であると同時に、第２のウェハスリーブがリアクタ１８０４内でエピタキシャル堆積を受け、第３のウェハスリーブが予熱チャンバ１８０２内で加熱されているようにすることができる。なお、この第１の実施形態では、ウェハスリーブ内のウェハの平均処理時間は、単一のリアクタチャンバ１８０４内で必要な膜厚全体を堆積させる時間に等しい。

例えば半導体ドーパントの傾斜構造をもたらすために、リアクタ１８０４内の処理をプロセスサイクル全体にわたって変更することができる。

ウェハスリーブは、高温動作が可能であるとともにスリーブをチャンバ又はリアクタ内の所定位置に配置することが可能な移送機構によって、一連のチャンバ及びリアクタ内に、及びこれらを通じて移送することができる。例えば、たとえ高温領域近く及びこの領域内であってもウェハスリーブを可動支持及び垂直位置合わせするために、炭化ケイ素ベアリングを使用することができる。高温処理中には、この駆動機構をチャンバ又はリアクタの、例えばランプから離れた、例えばスリットバルブに隣接するより低温の領域に格納しておくことができる。スリーブの移動が必要な場合には、この駆動機構がスリーブのより低温の部分に係合し、或いはチャンバ又はリアクタの部分的な冷却を待った後に移動アーム又はその他の機構を伸ばしてスリーブに係合し、これを次の位置へ移動させることができる。

４つのほぼ直交する方向に沿ってクロスフロー処理を行うエピタキシャルリアクタ
図１５に示す実施形態では、プロセスガスが下向き及び上向きの流れで交互になる。しかしながら、場合によっては、このような２方向堆積プロセスで得られた膜厚及び抵抗率の均一性に、ある程度の左右非対称性が残存することがある。図１６Ａ〜図１６Ｄに、この望ましくない堆積均一性を低減又は排除できる４段階プロセスを概略的に示す。図１６Ａ〜図１６Ｄは、反応チャンバ（図示せず）内にウェハスリーブ２００２と良好に熱接触して取り付けられた同じ４つのウェハ２００１を示している。図１６Ａ及び図１６Ｃは、図１５で説明した第１及び第２段階にそれぞれ対応する。

図１６Ａでは、反応ガス及びパージガス２０１１が上部において反応チャンバに入れられる一方で、プロセスガスの排出２０１２が反応チャンバの底部から行われる。図１６Ｃでは、反応ガス及びパージガス２０３１が底部において反応チャンバに入れられる一方で、プロセスガスの排出２０３２が反応チャンバの上部から行われる。図１５と図１６Ａ〜図１６Ｄとの主な相違点は、図１６Ｂ及び図１６Ｄにおいて２つの付加的堆積段階を追加した点であり、図１６Ｂ及び図１６Ｄでは、プロセスガス及び排ガスの方向が、図１６Ａ及び図１６Ｃにおける方向とほぼ直交する。図１６Ｂでは、反応ガス及びパージガス２０２１が右側から反応チャンバに入れられる一方で、プロセスガスの排出２０２２が反応チャンバの左側から行われる。図１６Ｄでは、反応ガス及びパージガス２０４１が左側からリアクタチャンバに入れられる一方で、プロセスガスの排出２０４２が反応チャンバの右側から行われる。

図１６Ｂ及び図１６Ｄに示すガス流は、例えばガスの供給路及び排出路をウェハスリーブ９００のエンドキャップ９０１内に統合することにより実現することができる。

図１５に示す２方向プロセスを上回るこの４方向堆積プロセスを実施する潜在的利点は、膜厚及び抵抗率の均一性をさらに高める機会にある。この理由は、静止したウェハ上での４方向堆積プロセスが、図１〜図３の３つの従来技術のシステム全てに関して説明した、堆積中にウェハが絶えず回転している堆積プロセスにより近づくためである。

クロスフロー処理を行う５モジュールエピタキシャルリアクタ
本発明の別の実施形態の５モジュールエピタキシャルリアクタを図１７に示す。処理準備が整ったウェハを装着した（図６及び図７に示すような）ウェハスリーブを、入口スリットバルブ１９０１を通じて予熱チャンバ１９０２内へ１９２０の方向に押し込むことができる。その後、入口スリットバルブ１９０１は閉じられる。この時には、予熱チャンバスリットバルブ１９０３もすでに閉じていなければならない。次に、ウェハスリーブは、第１のエピタキシャルリアクタチャンバ１９０４に導入するのに適した所定の温度まで予熱プロセスを受ける。ウェハスリーブが適切な温度に達した後に、予熱チャンバスリットバルブ１９０３が開き、ウェハスリーブが予熱チャンバ１９０２から第１のエピタキシャルリアクタ１９０４内へ移動できるようになる。その後、予熱チャンバスリットバルブ１９０３は閉じられる。この時、第１のリアクタスリットバルブ１９０５も閉じることができる。ここで、第１のエピタキシャルリアクタ１９０４内で第１のエピタキシャル堆積プロセスが開始され、ウェハスリーブ内のウェハ上に所望の最終的な膜厚の約３分の１が堆積されるまで続く。次に、第１のリアクタスリットバルブ１９０５が開いて、ウェハスリーブが第２のエピタキシャルリアクタ１９０６内に移動できるようになり、その後第１のリアクタスリットバルブ１９０５が閉じられる。この時、第２のリアクタスリットバルブ１９０７も閉じることができる。次に、第２のリアクタ１９０６内で第２のエピタキシャル堆積プロセスが開始され、ウェハスリーブ内のウェハ上に所望の最終的な膜厚のもう約３分の１が堆積されるまで続く。第３のリアクタスリットバルブ１９０９を有する第３のリアクタ１９０８でもこのプロセスが繰り返され、ウェハスリーブ内のウェハ上に必要な総膜厚の最後の３分の１が堆積される。必要に応じて、３つの堆積によって同じ組成、異なるドーピング、異なる組成、又は傾斜組成を生み出すことができる。

次に、第３のリアクタスリットバルブ１９０９が開いて、高温のウェハスリーブが冷却チャンバ１９１０内に移動できるようになり、その後第３のリアクタスリットバルブ１９０９が閉じられる。ウェハスリーブを空気に放出するのが早過ぎないように、この時には出口スリットバルブ１９１１がすでに閉じていなければならない。この結果、ウェハスリーブは、取り出すのに十分な低温に達するまで冷却チャンバ１９１０内に留まり、その後、出口スリットバルブ１９１１が開いてウェハスリーブがエピタキシャルリアクタシステムから取り出される。図１５に示す実施形態では、最適なスループットを得るために、常に１つよりも多くのウェハスリーブがエピタキシャルリアクタシステムを通過中であるようにすることができる。具体的には、エピタキシャルリアクタ１９０４、１９０６、１９０６の各々が、３つの順番に示したウェハの組の上にほぼ等しい厚みの層を同時に堆積させているようにすることができる。

図１７のエピタキシャルリアクタの設計の変形例としては、リアクタスリットバルブ１９０５及び１９０７の一方又は両方を、バルブのないパススルーチャンバ又は通路に置き換えることである。この変形は、３つのリアクタ１９０４、１９０６、及び１９０８の全てにおいて同じ膜組成が堆積されている場合に実現することができ、この場合プロセスガス及びこれらの相対濃度が同じであるため、チャンバ間の交差汚染の可能性はない。この変形は、低コストであるとともに、バルブの開閉時間が無くなることによってスループットが若干高くなるという利点を有することができる。

図１７に示す構成及びパススルーチャンバを使用した変形例の両方では、３つのエピタキシャルリアクタ内のクロスフロー処理を矢印１９３１〜１９３３で示している。しかしながら、複数のエピタキシャルリアクタでは、チャンバ間に逆流を導入することができるので、クロスフローを行わないいくつかのリアクタを実現することができる。リアクタチャンバの数が奇数の場合、個々の方向のガス流を使用して生じる堆積厚を均一にするために、通常、少なくとも１つのチャンバではクロスフロー処理が必要となり得る。例えば、チャンバ１９０４が垂直方向下向きのプロセスガス流を有し、チャンバ１９０８が垂直方向上向きのプロセスガス流を有している場合、チャンバ１９０６には、上向き及び下向きのガス流方向で等しい量の堆積を行うクロスフロー処理が必要となり得る。この代替構成の利点は、これらの２つのチャンバ１９０４、１９０８には一方向の流れしか必要でないため、リアクタチャンバ１９０４、１９０８のプロセスガス及び排ガスの配管が単純化される点である。しかしながら、この例におけるリアクタチャンバ１９０６のプロセスガスの配管に変更はない。

本発明の単一通過クロスフローリアクタモジュールの概略側断面図を図１８に示す。ウェハキャリアプレート９０６とウェハ９２０の間をプロセスガス１９６０が下向きに流れると、個々のウェハ９２０の表面における境界層効果によってウェハ表面と平行なプロセスガスの速度が減少することにより、エピタキシャルＣＶＤ反応が生じるために利用できる時間が増加する。ウェハ９２０の表面上でプロセスガスが反応すると、プロセスガスの濃度は、生成ガスの量と比較して減少するようになる。従って、プロセスガス源からより離れたウェハ１９６１では堆積速度が減少する場合がある。クロスフロー処理は、この効果を抑えてより良好な膜厚及び抵抗率の均一性を与えるように設計される。

最適なクロスフロー処理を行う６モジュールエピタキシャルリアクタ
本発明のさらに別の実施形態の６モジュールエピタキシャルリアクタを図２０に示す。この実施形態では、４つのエピタキシャルリアクタ２３０４、２３０６、２３０８、及び２３１０が、図１５及び図１７に示す実施形態の場合のようにスリットバルブではなく、パススルーチャンバ２３０５、２３０７、及び２３０９により分離される。処理準備が整ったウェハを含む（図８及び図９に示すような）ウェハスリーブを、入口スリットバルブ２３０１を通じて予熱チャンバ２３０２内へ２３４０の方向に押し込むことができる。この時には、予熱チャンバスリットバルブ２３０３はすでに閉じていなければならない。ウェハスリーブが適切な温度に達した後に、予熱チャンバスリットバルブ２３０３が開き、ウェハスリーブが予熱チャンバ２３０２から第１のエピタキシャルリアクタ２３０４内へ移動できるようになる。その後、予熱チャンバスリットバルブ２３０３は閉じられる。ここで、第１のエピタキシャルリアクタ２３０４内の静止したスリーブ上で第１のエピタキシャル堆積プロセスが開始され、ウェハスリーブ内のウェハ上に所望の最終的な膜厚の約４分の１が堆積されるまで続く。同時に、第２のウェハスリーブを予熱チャンバ２３０２内に押し込み、この中で第１のウェハスリーブが受けたものと同じプロセスによって予熱することができる。次に、第１のウェハスリーブが、第１のパススルーチャンバ２３０５を通じて第２のエピタキシャルリアクタ２３０６内に移動する。そして、第２のリアクタ２３０６内の静止したスリーブ上で第２のエピタキシャル堆積プロセスが開始され、ウェハスリーブ内のウェハ上に所望の最終的な膜厚のもう約４分の１が堆積されるまで続く。同時に、第２のウェハスリーブが、予熱チャンバ２３０２から第１のエピタキシャルリアクタ２３０４へ移動する。このプロセスが、第３のエピタキシャルリアクタ２３０８及び第４のエピタキシャルリアクタ２３１０についても繰り返され、ウェハスリーブ内のウェハ上に必要な総膜厚の最後の４分の２が堆積される。リアクタ２３０４、２３０６、２３０８、及び２３１０内における全ての堆積プロセス中、リアクタスリットバルブ２３１１は閉じている。

第４のリアクタ２３１０内における堆積の完了後、第４のリアクタスリットバルブ２３１１が開いて、高温のウェハスリーブが冷却チャンバ２３１２内に移動できるようになり、その後第４のリアクタスリットバルブ２３１１は閉じられる。この結果、ウェハスリーブは、取り出すのに十分な低温に達するまで冷却チャンバ２３１２内に留まり、その後、出口スリットバルブ２３１３が開いてウェハスリーブがエピタキシャルリアクタシステムから取り出される。その間、複数のウェハスリーブが列を成して処理を受けている。図１５及び図１７に示す先の実施形態の場合のように、最適なスループットを得るために、常に１つよりも多くのウェハスリーブがエピタキシャルリアクタシステムを通過中であるようにすることができる。

なお、図２０に示すエピタキシャル堆積システムのエピタキシャルリアクタチャンバの数は偶数であるため、エピタキシャルリアクタ２３０４、２３０６、２３０８、及び２３１０のいずれにおいても、所望の堆積均一性を達成するためにクロスフロー処理を採用する必要はない。エピタキシャルリアクタの数が奇数の構成では、通常、少なくとも１つのエピタキシャルリアクタが、２つのプロセスガス流の方向の各々において等しい量の堆積を達成するためにクロスフロー処理の恩恵を受ける。リアクタ２３０４内の矢印２３４１は、プロセスガス及びパージガスが底部から入り、排ガスが上部から排出されればよいことを示しており、これによりエピタキシャルリアクタ２３０４の配管構成が実質的に単純化される。同様に、リアクタ２３０６を、垂直方向下向きのプロセスガス及び排ガスの流れを示す矢印２３４２で示しており、リアクタ２３０４の場合のようにガス及び排ガスの配管を単純化するための同様の意味合いがある。リアクタ２３０８は、リアクタ２３０４と同じ流れの方向２３４３を有し、リアクタ２３１０は、リアクタ２３０６と同じ流れの方向２３４４を有する。従って、２つのリアクタは、いずれのエピタキシャル反応チャンバにおいてもクロスフロー処理を必要とせずに堆積均一性を最大限にするように考えられた個々の流れの方向を有する。このことは、図１７に示すエピタキシャルリアクタの数が奇数のエピタキシャル堆積システムで想定される状況とは対照的である。

クロスフロー処理を用いた堆積均一性の改善
リアクタモジュール内の垂直位置２１０１と対照させたエピタキシャル堆積速度２１０２のグラフを図１９に示す。図１８に関して上述したように、ウェハスリーブ内でプロセスガスが垂直方向下向きに流れている場合、堆積速度は、短破線曲線２１０３で示すようにウェハスリーブの上部に近いウェハでは高くなり、ウェハスリーブの底部に近いウェハでは低くなる。逆に、ウェハスリーブ内でプロセスガスが垂直方向上向きに流れている場合、堆積速度は、長破線曲線２１０４で示すようにウェハスリーブの底部に近いウェハでは高くなり、ウェハスリーブの上部に近いウェハでは低くなる。２つの堆積速度曲線２１０３、２１０４は独立しており、すなわち２つの動作モード間に相互作用は存在しないので、この２つのモードを等しい時間使用した場合、ウェハスリーブ内のウェハ上への正味堆積速度は、２つの曲線２１０３、２１０４の算術平均２１０５となる。なお、平均堆積速度曲線２１０５は、ウェハスリーブ内の上部から底部まで著しく改善された均一性を示しているが、完全な上部から底部までの均一性は、個々の曲線がほぼ直線になる場合にのみ達成可能であり、一般にそのようなことはない。

ランプシーケンシングを用いた堆積均一性の改善
図１９の概略的な下降するプロセスフロー堆積速度曲線２１０３を観察すると、リアクタ上部の、反応物質の濃度が最も高いプロセスガス入口近くにおいて堆積速度が最も高いことが分かる。反応物質の濃度は、上部のウェハ上における堆積プロセスによって枯渇するので、下向きの処理では堆積速度が予想通りに低下する。しかしながら、堆積速度の低下が仮に直線的であれば、すなわち下降曲線２１０３及び上昇曲線２１０４が直線であれば、組み合わせた平均堆積速度曲線２１０５は、ウェハスリーブ内での垂直位置に左右されない高度に均一化した一定堆積速度に近くなる可能性がある。しかしながら、図１９に示すように、下降曲線２１０３及び上昇曲線２１０４の両方とも中央で下がる傾向にあるので、平均堆積速度曲線２１０５も中央で下がり、リアクタの上部及び底部近くの平均堆積速度の方が高くなっている。膜厚及び抵抗率の均一性をさらに改善するために、「ランプシーケンシング」と呼ばれる追加のプロセスを採用し、ウェハスリーブを加熱するために使用するランプモジュール内のランプの照度をリアルタイム制御することにより、ウェハ内及びウェハ間の均一性をさらに改善することができる。本発明の単一通過リアクタモジュール内のランプシーケンシング手順を、図２１Ａ〜図２１Ｃの概略断面図に示す。

図１９の曲線は全て、全てのランプ２４０３がずっと点灯して、ウェハキャリアプレート２４３０、従ってこれに取り付けられたウェハ２４３１が一様に加熱されていることを前提としている。しかしながら、図２１Ａ〜図２１Ｂに示すようにランプ２４０３を独立した制御及び電源で構成すればこの必要はない。図１９の下降及び上昇堆積曲線を「真っすぐにする」には、異なるランプ２４０３に差動的に電源を投入することによって垂直方向全体にわたって放射強度を熱的に変化させることにより、ウェハスリーブの中央における堆積速度に対してウェハスリーブの上部及び底部付近の堆積速度を変化させればよい。この一方、従来型のランプ２４０３は、これらのそれぞれの長さに沿って均一な放射強度を生み出す。

図２１Ａの表示は、ウェハ処理の開始又はその他の時点に近いものである。２つの配列の個別に制御可能なランプ２４０３を、２つのウェハキャリアプレート２４３０を含むウェハスリーブに面して取り付け、個々の一連のランプをそれぞれの反射体アセンブリ２４０１内に取り付ける。ウェハ２４３１を、ウェハキャリアプレート２４３０に良好に熱接触させて取り付ける。プロセスガス流方向２４４０を下向きに示しているが、このランプシーケンシング手順は上向きのプロセスガス流方向にも等しく効果がある。ランプモジュール内の４つの中央ランプ２４０３、すなわち２つのプロセスガス源から最も遠いランプからの高強度の照射２４４１が、ウェハスリーブの中央領域を優先的に加熱している様子を示している。エピタキシャル堆積の速度は温度に高く敏感であるため、ウェハキャリアプレート２４３０の上部及び底部の温度を下げることにより、ウェハキャリアプレート２４３０の中央付近の堆積速度と比較して、ウェハキャリアプレート２４３０の上部付近及び底部付近のウェハ２４３１の堆積速度に実質的に影響を与えることができる。

堆積中の少し後の期間又は異なる期間に、図２１Ｂに示すように、プロセスガス源により近い、ウェハキャリアプレート２４３０の上部及び底部により近いいくつかのランプを点灯させ、中央の４つのランプからの照射２４４１を図２１Ａの場合と同じレベルで継続する一方で、付加的な照射２４５０を加えてウェハキャリアプレート２４３０の上部及び下部内へのエネルギー束を増加させることができる。最後に、又は堆積中の異なる期間に、図２１Ｃに示すように全てのランプ２４０３を点灯させ、既存の照射２４４１及び２４５０に上部及び底部のランプ２４０３からの照射２４６０を加えて、この時点でウェハキャリアプレート２４３０を上から下まで完全に加熱することができる。すなわち、堆積中にウェハの垂直軸を横切る放射の直線分布を変化させることはできるが、ランプの直線的性質に起因して、所与の垂直位置における水平方向では、放射は実質的に一定のままとなる。

図２２は、図２１Ａ〜図２１Ｃに示すランプシーケンシング手順によってエピタキシャル堆積速度をどのように修正できるかをウェハスリーブ内の垂直位置に対照させて示すグラフである。短破線曲線２５０３は、図１９の短破線による下降するプロセスガス流曲線２１０３と同じものである。左側の下向き矢印２５０４は、上部ランプ２４０３のデューティサイクルが中央ランプ２４０３に対して減少したことによってウェハスリーブの上部付近で低下した堆積速度を表し、右側の下向き矢印２５０５は、底部ランプ２４０３のデューティサイクルが減少したことによってウェハスリーブの底部付近で低下した堆積速度を表している。図２１Ａ〜図２１Ｃのランプシーケンシング手順を適切に較正することにより、調整済みの堆積速度２５０６の直線性を改善することができる。ウェハを横切る流れに伴うプロセスガス消費率は異なる場合があるので、堆積プロセスの種類ごとに適切なランプシーケンシング手順を判断しなければならない。なお、ランプシーケンシングによって堆積速度の直線性をリアクタ上部からの距離の関数として改善することはできるが、ランプシーケンシング単独では、プロセスの均一性を実現するには不十分であることが多い。このため、図２３に示すような、ランプシーケンシングと併せたクロスフロー処理も必要となり得る。

均一性を改善するためにクロスフロー処理と組み合わせたランプシーケンシング手順を利用するウェハスリーブ内の、エピタキシャル堆積速度２６０２を垂直位置２６０１と対照させたグラフを図２３に示す。上から下へのプロセスガス及び排ガス流の場合のウェハスリーブ内の垂直位置の関数としての堆積速度を、左上から下降する短破線曲線２６０３として示している。下から上への流れの場合の堆積速度を、左下から上昇する長破線曲線２６０４として示している。ランプシーケンシングを使用してこれらの両方の曲線が直線化されていることに留意されたい。等しい時間にわたってクロスフロー処理を採用することにより、平均堆積速度は、下降曲線２６０３と上昇曲線２６０４の算術平均２６０５となる。この平均堆積速度曲線２６０５を図１９の平均堆積速度曲線２１０５と比較すると、ランプシーケンシング及びクロスフロー処理の両方を組み合わせることにより均一性の改善を達成できることが分かる。

代替のランプシーケンシング方法
図２１Ａ〜図２１Ｃで説明したランプシーケンシング方法では、オン／オフランプ制御方法を使用して、ウェハスリーブの上部から底部にかけての堆積速度の変化を直線化した。堆積速度直線化のための代替方法を図２４に示す。２つの配列の個別に制御可能なランプ２８０３を、ウェハスリーブ及びこの２つのウェハキャリアプレート２８３０に面してそれぞれの反射体アセンブリ２８０１内に取り付ける。ウェハ２８３１を、ウェハキャリアプレート２８３０に良好に熱接触させて取り付ける。プロセスガス流方向２８４０を下向きに示しているが、この代替のランプシーケンシング手順は上向きのプロセスガス流方向にも等しく効果がある。この項で説明するランプシーケンシング手順と図２１Ａ〜図２１Ｃの手順との相違点は、配列内の異なるランプに異なる電力レベルで電源を投入することにより、オン／オフランプ制御ではなく可変光強度を使用する点である。

図２４の例では、外側の２個のランプが低い照射レベル２８４１を有し、次の内側の２個のランプはわずかに高い照射レベル２８４２を有し、次の内側の２個のランプはさらに高い照射レベル２８４３を有し、中央の２個のランプは全ての中で最も高い照射レベル２８４４を有する。この照射プロフィールにより、ウェハキャリアプレート２８３０の垂直方向中心部が上部及び底部よりも若干高温になる。この場合、図２１Ａ〜図２１Ｃとは対照的に、ランプ強度に時間的変化は不要とすることができる。従って、エピタキシャル堆積サイクル全体を通じて図２４に示す異なるランプ照射を維持することができる。図２１Ａ〜図２１Ｃのランプシーケンシング方法を図２４の方法と組み合わせることも望ましいと考えられる。

或いは、プロセスガスがウェハスリーブ内のウェハ２８３１の表面を横切って流れる前にガスを予熱するために、図２４に示す配列の上部のランプ２８０３を高照射レベルに設定してもよい。同様に、例えば、プロセスガスが図１６Ｃに示すようなウェハスリーブを通じて下から上へ流れている場合、プロセスガスがウェハスリーブ内のウェハ２８３１の表面を横切って流れる前にガスを予熱するために、配列の底部のランプ２８０３を高照射レベルに設定してもよい。

大容量ウェハスリーブを有するエピタキシャルリアクタ
図２５Ａ及び図２５Ｂに、図１０のエピタキシャルリアクタの図４のＣ−Ｃに沿った反応領域の概略断面図を示す。図２５Ａは、主にリアクタのスループットを高めるように設計された大容量ウェハスリーブを示している点で図１４と異なる。プロセスガス４０５１は、キャリアプレート４９０６及びエンドキャップ４９０１によって取り囲まれたウェハスリーブ４９００の内部容積４９０７内に優先的に導かれる。プロセスガスは、入口プレナム４０８０を貫流し、ウェハ４９２０の表面を覆う内部容積４９０７を貫流し、出口プレナム４０８１を通じて出る。内部キャリアプレート４９０８が２つの内部容積４９０７を分離する。キャリアプレート４９０６、４９０８の内面はウェハ４９２０で覆われる。ランプモジュールなどの熱源４４０１により熱放射４５０１が供給される。熱放射４５０１は、窓４２００を通して伝わり、キャリアプレート４９０６、４９０８、及びこれらのプレート上に取り付けられたウェハ４９２０を加熱する。図２５Ａで分かるように、キャリアプレート４９０６が加熱されてさらに熱放射を引き起こし、これが内部キャリアプレート４９０８を加熱する。

さらに、キャリアプレート４９０６の外面に付着するウェハスリーブの外面に構造層４９０５を加えることができる。構造層４９０５は、ウェハスリーブを追加的に支持し、放射を吸収するキャリアプレート４９０６に熱放射を容易に伝える材料で作製される。例えば、構造層４９０５を石英で、またキャリアプレート４９０６を炭化ケイ素で作製することができる。内部キャリアプレート４９０８も、炭化ケイ素で作製することができる。

図２５Ａには、ウェハ４９２０上に薄膜を堆積させる処理用に構成されたリアクタを示している。しかしながら、図２５Ｂには、リアクタを通じてウェハスリーブ４９００を移動させるように構成されたリアクタの同じ断面を示している。（ウェハスリーブ４９００は、図の平面とは垂直の方向に移動する。プロセスリアクタを通じたスリーブの移動方向１８２０の例については図１５を参照。）スリーブの移動をより容易にするために、入口プレナム４０８０が上向きに移動して、ウェハスリーブ４９００とプレナム４０８０との間により大きな間隙を与えている。さらに、下部プレナム４０８１を下向きに動かすこともでき（図示せず）、或いは両方のプレナム４０８０、４０８１を説明したように動かして、リアクタを通じたウェハスリーブ４９００の移動をより容易することもできる。

大容量ウェハスリーブ
大容量ウェハスリーブ４９００の上面図を図２６に示す。大容量ウェハスリーブ４９００の構造は、内部キャリアプレート４９０８を除き、図８及び図９に示すウェハスリーブに極めて類似する。２つのキャリアプレート４９０６及び１つの内部キャリアプレート４９０８が、例えばネジ又はボルト、クランプ、バネ、或いはバネ式クランプによって２つのエンドキャップ４９０１に着脱自在に取り付けられる。個々のエンドキャップ４９０１から延びる凸部４９０２が、ウェハキャリアプレート４９０６の内面と内部キャリアプレート４９０８との間の間隔を定め、この内部キャリアプレート４９０８がエンドキャップ４９０１とともに、本明細書では内部空間４９０７と呼ぶ一般に２つの対向する端部で開放する処理キャビティを形成する。複数のウェハ４９２０が、例えばウェハキャリアプレート４９０６、４９０８にねじ込まれてウェハ４９２０を肩部で捕捉する肩付きネジ４９３０などの何らかの着脱自在の取り付け手段により、ウェハキャリアプレート４９０６、４９０８にウェハ４９２０の裏面で良好に熱接触して取り付けられる。以下で図２８に示して説明するように、ウェハを低角度の傾斜ポケット内に独立して取り付けることもできる。さらに、より複雑な形状のキャリアプレートにはエンドキャップを組み込むことができる。

ウェハ４９２０をウェハスリーブ４９００に挿入及びこれから除去する場合には、ウェハスリーブ４９００を分解して、ウェハキャリアプレート４９０６、４９０８の内面に容易にアクセスきるようにすることができる。複数のウェハ４９２０をウェハキャリアプレート４９０６、４９０８の内面と良好に熱接触させて取り付けることができる。全てのウェハ４９２０を取り付けた後、ウェハスリーブを図２６に示すように再び組み立てて、処理するウェハをウェハスリーブ４９００内に配置する。

ウェハ４９２０は、最終的に密に詰め込まれた太陽電池のパネルの一部として使用する可能性を考慮して矩形にすることもできる。ウェハ４９２０の上部処理表面間の間隔は、ウェハキャリアプレート４９０６の内面と内側キャリアプレート４９０８との間隔から２つのウェハ４９２０の厚みを差し引いたものにほぼ等しい。本発明では、この間隔を２ｍｍ〜８ｍｍに、より大まかには２ｍｍ〜２ｃｍの範囲とすることにより、極めて小型の反応容積４９０７を作成できるようになる。二次元配列内に複数のウェハを収容するために、スリーブ４９００の主壁、すなわちキャリアプレート４９０６、４９０８は、スリーブ４９００の内部空間４９０７の厚みに対する横寸法のアスペクト比が少なくとも２０：１、好ましくは４０：１よりも大きくなるように、４０ｃｍ又はそれ以上の横寸法を有することができる。これらの小さな反応容積４９０７内にプロセスガスが流入した際には、個々のウェハ４９２０上部の境界層は、総反応容積のかなりの部分を含むことができる。境界層内ではガス速度が低下するので、これにより加熱ウェハ４９２０とのプロセスガスの反応時間が増えて反応効率が改善される。様々な凸部４９０２の幅のエンドキャップ４９０１を使用してウェハキャリアプレート４９０６、４９０８の内面間の様々な間隔を選択し、リアクタモジュールを様々なエピタキシャル堆積プロセス及びガス混合に対して最適化することができる。

図２６に示すような大容量ウェハスリーブ４９００は、図８及び図９に示すスリーブ設計と比較して、一度に２倍の数のウェハを処理することができる。換言すれば、２倍のスループットを達成することができる。

さらに、大容量ウェハスリーブ４９００は、２つのみでなくそれ以上の内部空間４９０７を含むことができ、２つよりも多くの内部キャリアプレートを使用することができる。内部キャリアプレートの枚数の限界は、内部プレート及びこれらに取り付けられたウェハを効果的に加熱する能力によって決まる。大容量ウェハスリーブ４９００は、キャリアプレート４９０６の外面に追加された付加的な構造層も有することができ、これについては図２５Ａの構造層４９０５を参照されたい。

図２８に、ウェハをウェハキャリアプレートの平面に小角度で装着できるようにするウェハキャリアプレートの修正例を示す。図２８は、ウェハスリーブの上部を貫いた概略部分断面図であり、ウェハキャリアプレート５００６、ウェハ５０２０、及び垂直プロセスガス流の方向５０３１を示している。ウェハ５０２０は、図示の小さい棚状突起によりウェハキャリアプレート５００６のポケット内に保持される。ウェハ５０２０の垂直に対する角度は、（例えば、約６ｍｍ〜約１０ｍｍのプレート間空隙で）約１度〜３度である。ウェハ５０２０は、さらなる取り付け手段を使用せずにウェハキャリアプレート５００６のポケット内に装着することができるが、必要であれば、上述したようなさらなる取り付け手段を使用することもできる。ウェハ５０２０は、対向するウェハの表面間の間隔がプロセスガス流の下流方向に減少するように、対向するウェハキャリアプレート５００６上に鏡像構成で装着され、この構成を使用して、処理ガスの濃度が下流方向に低下するのを補償する役に立て、またウェハの表面全体にわたってより均一な処理条件を与えることができる。

さらに、図２９は、ウェハスリーブの下部を貫いた概略部分断面図であり、ウェハキャリアプレート５００６、ウェハ５０２０、及び第２の垂直プロセスガス流の方向５０３２を示している。この第２のプロセスガス流の方向は、上述して図１５に示したようなクロスフローエピタキシャルプロセスに使用される。ウェハ５０２０は、上述したような取り付け手段（図示せず）によってウェハキャリアプレート５００６のポケット内に保持される。ウェハ５０２０の垂直に対する角度は、（例えば、約６ｍｍ〜約１０ｍｍのプレート間空隙で）約１度〜３度である。ウェハ５０２０は、対向するウェハの表面間の間隔がプロセスガス流の下流方向に減少するように、対向するウェハキャリアプレート５００６上に鏡像構成で装着され、この構成を使用して、処理ガスの濃度が下流方向に低下するのを補償する役に立てることができる。

図１６Ｂ及び図１６Ｄに示すような水平のプロセスガス流を利用する場合、図２８及び図２９の構造の水平等価物を使用してプロセスガス濃度の均一性を改善することができる。例えば、図３０にこのような構造を示す。図３０は、ウェハスリーブの一端を貫いた概略部分断面図であり、ウェハキャリアプレート５１０６、ウェハ５１２０、及びプロセスガス流の水平方向５１３１を示している。ウェハ５１２０は、ウェハの下端部の下にある小さな棚状突起（図示せず）によってウェハキャリアプレート５１０６のポケット内に保持することができる。ウェハ５１２０の水平に対する角度は、（例えば、約６ｍｍ〜約１０ｍｍのプレート間空隙で）約１度〜３度である。ウェハ５１２０は、さらなる取り付け手段を使用せずにウェハキャリアプレート５１０６のポケット内に装着することができるが、必要であれば、上述したようなさらなる取り付け手段を使用することもできる。ウェハ５１２０は、対向するウェハの表面間の間隔がプロセスガス流の下流方向に減少するように、対向するウェハキャリアプレート５１０６上に鏡像構成で装着され、この構成を使用して、処理ガスの濃度が下流方向に低下するのを補償する役に立て、またウェハの表面全体にわたってより均一な処理条件を与えることができる。

大容量ウェハスリーブのためのガス分配プレナム
図２５Ａを参照しながら上述したように、リアクタチャンバ４００１内には、ウェハスリーブ４９００の内部へのプロセスガスの均等な分配を促すとともにリアクタチャンバ４００１からガスを除去するために、２つのプロセスプレナム４０８０、４０８１が取り付けられる。図２７は、上部プレナム４０８０及びウェハスリーブ４９００の上部の概略断面図である。下部プロセスプレナム４０８１も同様又は同一とすることができるが、通常は図２７に示す上部プロセスプレナム４０８０とは逆の構成で取り付けられる。以下の説明は上部プロセスプレナム４０８０に関するものであるが、下部プロセスプレナム４０８１にも等しく適用することができる。プレナム構造４１１２によって形成された上部分配プレナム４１０３に接続管４１０１及び開口部４１０２を通じてプロセスガスが導入される。上部分配プレナム構造４１１２の長さに沿って第１の複数の穴４１０４が配置され、これがウェハスリーブ４９００の上部幅全体にわたって延び、管４１１３の内部４１０５にプロセスガスを均等に充填できるようにする。管４１１３内には、管４１１３の全長に沿って延び、ガス流を均等に分けてウェハスリーブ４９００の２つの内部空間４９０７に流入させる機能を果たすナイフエッジ状の仕切り板４１１４が存在する。管４１１３の底部からは、やはりウェハスリーブ４９００の上部幅全体にわたって２本の平行線の形で延びる第２の複数の穴４１０６が延び、プロセスガス４１５１がウェハスリーブ４９００の２つの内部空間４９０７に流入できるようにする。

図示のように、上部プレナム４０８０の周囲には、リアクタチャンバ４００１に流入するパージガス４１５０が流れる。上部プレナム４０８０はフランジ構造４１０７を有して、このフランジ４１０７とウェハキャリアプレート４９０６の上端との間に形成された空隙４１１０を通じたウェハスリーブ４９００内部への漏れを低減することができる。下部プレナム４０８１の動作は、リアクタの底部において対応するプロセスガス管路、パージガス管路、及び排気管路を使用する点を除き、上述したものと基本的に同じとすることができる。

１又はそれ以上の幅広の排気口を管４１０１の内部４１０５に接続し、一連の幅広穴４１０６を通じてウェハスリーブ４９００内の反応容積をポンプ排気することができる。このプロセスプレナムの二重使用により、プロセスにおける供給及び排出を、対向するプロセスプレナムの各々に対して交互に行えるようになる。

リアクタチャンバ４００１を低圧で動作するようにすることは可能であるが、大気圧近くで、ただしガス流を制御するのに十分な圧力差で動作させることにより、良好なエピタキシャル堆積を達成することができる。

ガスが下向きに流れている間のクロスフロー処理では、上部プロセスプレナム４０８０がウェハスリーブ４９００の内部４９０７にプロセスガスを供給し、下部プロセスプレナム４０８１が、ウェハスリーブ４９００の内部４９０７及びリアクタチャンバ４００１の他の部分からガスを除去するための排気口となる。ガスが上向きに流れている間は、下部プレナム４０８１がウェハスリーブ４９００の内部空間４９０７にプロセスガスを供給し、上部プレナムが、ウェハスリーブ４９００の内部空間４９０７からガスを除去するための排気口となる。

上述したように、大容量ウェハスリーブは、２つのみでなくそれ以上の内部空間４９０７を含むことができる。プレナムは、あらゆる数の内部空間４９０７間で均等に分かれるガス流を収容するように構成することができる。

当業者であれば、上述の説明が例示を目的とするものに過ぎないことを理解するであろう。上記のエピタキシャルリアクタ設計及びシステム構成に対する以下のようないくつかの修正案も本発明の範囲内で考えられる。

本発明は、エピタキシャル堆積に限定されず、多結晶層又は非晶質層の堆積に適用することもできる。本発明は単結晶シリコン基板で使用することが特に有用であるが、基板は他の材料で構成することもでき、また異なる結晶構造を有していてもよい。さらに、本発明を電子集積回路などのその他の半導体構造に適用することもできる。

エピタキシャルリアクタを、多辺形ウェハスリーブを照射する１つの、２つの、又はそれ以上のランプモジュールを含めて構成することができる。

エピタキシャルリアクタの配向を、非垂直軸に沿ったプロセスガス流、パージガス流、及び排気排出を具体化するように変更することができる。プロセスガス、パージガス、及び排ガス用のポートは、リアクタチャンバの同じ側に存在してもよい。

ウェハスリーブ内のウェハは、肩付きネジ以外のいくつかの締め付け設計を使用して、ウェハスリーブのキャリアプレートに良好に接触熱させて取り付けることができる。

ランプモジュール内のランプの冷却を、空気以外のガスを使用して行うことができる。例えば、非酸化ガスを使用して、ランプモジュール内の反射体に酸化による損傷が及ぶ可能性を低減させることができる。

個々のランプモジュール内では、本明細書で概略図に示すランプ数以外の様々なランプ数が考えられる。

ランプモジュール内では、蛇行構成などの複数の水冷経路構成が考えられる。

ウェハスリーブを、一体型のエンドキャップを有するキャリアプレートを含めて構成し、これにより別個のエンドキャップの必要性を無くして部品数を削減することができる。

照射窓は、石英以外の、また１０ｍｍ付近の範囲とは異なる厚みの透明な材料で製造することができる。

全体的なエピタキシャルリアクタシステムを、本明細書の実施形態に示す数量とは異なるいくつかのリアクタモジュールを含むように構成することができる。また、エピタキシャルリアクタシステムを、予熱チャンバを使用せずに、或いは場合によっては冷却チャンバを使用せずに構成することができ、この場合、本明細書に示すこれらのモジュールが果たす加熱機能及び冷却機能を、エピタキシャルリアクタシステムから分離したチャンバによって果たすことができる。

プロセスガス及び排ガスの流れの方向に沿った堆積速度の変化が、中央で下がる単純な曲線よりも複雑なものである場合、ランプシーケンシング手順により複雑な照射戦略を使用して堆積速度を直線化することができる。

複数のリアクタを有するシステムでは、個々のリアクタ内でクロスフロー処理を使用せずに、プロセスガス流の方向が異なる一連のリアクタにランプシーケンシング手順を使用することができる。

異なるリアクタモジュールに取り付けられたランプモジュール内のランプの配向は異なるものであってよい。

キャリアプレートを、ＣＶＤ炭化ケイ素でコーティングしたグラファイトなどの、熱膨張係数（ＣＴＥ）がシリコンに厳密に適合する他の高放射性の、高熱伝導性の、良好な高温強度の、化学的に不活性の材料で作製することもできる。

本明細書で説明したＳｉＣで作製されたキャリアプレートは、６ｍｍ〜１５ｍｍの範囲内の厚みとすることができる。この厚みは、（１）ウェハを構造的に支持するのに十分であり、（２）熱伝導によって温度を均一化するのに十分厚く、ただし（３）メインヒートシンクを作成するのに厚すぎないように選択される。

上述した説明はシリコン堆積に焦点を当てたものであるが、本発明のリアクタ及び方法は、ウェハの酸化、ウェハのアニーリング、及び（メチルトリクロロシラン及び水素を使用した）窒化ケイ素、炭化ケイ素、ＧａＮ、ＩｎＰ、ＧａＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族の二元化及び三元化合物などの材料をウェハ上に堆積するために使用することもできる。

Claims (16)

1. 複数のウェハを同時に処理するためのリアクタであって、
   リアクタフレームと、
   前記リアクタフレームに取り付けられた第１の平面加熱モジュールと、
   ウェハスリーブと、
   を含み、前記ウェハスリーブが、一対の狭い間隔で配置された平行なウェハキャリアプレートと、該一対のウェハキャリアプレートに平行であるとともにこれらの間に位置する内部キャリアプレートとを含み、
   前記内部キャリアプレートに面する前記一対の平行なウェハキャリアプレートの表面は内部表面であり、前記前記一対の平行なウェハキャリアプレートの前記内部表面は、第１の取付け手段を備え、前記一対の平行なウェハキャリアプレートの前記内部表面に面する前記内部キャリアプレートの表面は第２の取付け手段を備え、前記第１の取付け手段と前記第２の取付け手段は、前記複数のウェハを取り付けるように構成され、
   前記リアクタは、前記リアクタの内外を前記ウェハスリーブを移送するための経路と、前記リアクタフレーム内のリアクタチャンバ内における前記ウェハスリーブのための処理位置を提供し、前記ウェハスリーブが前記処理位置にある時に、前記一対の平行なウェハキャリアプレートは、前記第１の平面加熱モジュールに平行且つ隣接し、
   前記リアクタは、前記ウェハスリーブの内部容積内にプロセスガスを供給するように構成された第１のガスプレナムと、
   前記ウェハスリーブの前記内部容積内からガスを排出するように構成された第２のガスプレナムと、をさらに含み、
   前記第１のガスプレナム及び前記第２のガスプレナムが、前記複数のウェハの全ての表面にわたってプロセスガス流を提供し、
   前記処理位置における前記ウェハスリーブの外部にあって該ウェハスリーブを取り囲む前記リアクタチャンバ内の空間にパージガスを導入するための少なくとも１つの入口をさらに含む、
   ことを特徴とするリアクタ。
2. 前記第１の平面加熱モジュールと前記リアクタ内を通る前記ウェハスリーブの前記経路との間に固定された第１の窓をさらに含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載のリアクタ。
3. 前記第１の平面加熱モジュールから、前記ウェハスリーブの前記処理位置を挟んだ反対側において前記リアクタフレームに取り付けられた、前記第１の平面加熱モジュールに平行な第２の平面加熱モジュールを備え、
   前記一対の平行なウェハキャリアプレートの一つは、前記ウェハスリーブが前記処理位置にある時に、前記第１の平面加熱モジュールに平行且つ隣接し、前記一対の平行なウェハキャリアプレートのもう一つは、前記ウェハスリーブが前記処理位置にある時に、前記第２の平面加熱モジュールに平行且つ隣接し、前記第１の平面加熱モジュールと前記第２の平面加熱モジュールは、前記処理位置を挟んで向き合っている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のリアクタ。
4. 前記第１の加熱モジュールが、複数のランプを含むランプモジュールである、
   ことを特徴とする請求項１に記載のリアクタ。
5. 前記複数のランプの各々が、前記ウェハキャリアプレートに平行な第１の方向へ直線状に延びる、
   ことを特徴とする請求項４に記載のリアクタ。
6. 前記ランプモジュール内の前記複数のランプの各々に沿って前記第１の方向へ冷却ガスを流すための冷却ガス源をさらに含む、
   ことを特徴とする請求項５に記載のリアクタ。
7. 前記冷却ガス源が、前記複数のランプの各々の軸方向中間部分に導かれるとともに、前記複数のランプの各々の両端付近にそれぞれ配置された２つの排気口をさらに含む、
   ことを特徴とする請求項６に記載のリアクタ。
8. 前記複数のランプの各々が、個別に制御可能な光出力を与えるように構成される、
   ことを特徴とする請求項４に記載のリアクタ。
9. 前記ウェハスリーブが２つのエンドキャップをさらに含み、前記一対のウェハキャリアプレート及び前記内部キャリアプレートが前記２つのエンドキャップに着脱自在に取り付けられ、前記２つのエンドキャップが、前記一対のウェハキャリアプレートの内面と前記内部キャリアプレートとの間隔を定め、前記２つのエンドキャップ、前記一対のウェハキャリアプレート、及び前記内部キャリアプレートが、各々が第１の対向する端部において前記エンドキャップにより閉じられ、第２の対向する端部において開いた２つの処理キャビティを形成する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のリアクタ。
10. 前記ウェハスリーブが、前記一対のウェハキャリアプレートの外面に取り付けられた構造層をさらに含む、
    ことを特徴とする請求項１に記載のリアクタ。
11. 前記構造層が石英であり、前記一対のウェハキャリアプレートが炭化ケイ素である、
    ことを特徴とする請求項１０に記載のリアクタ。
12. 前記第１のガスプレナムが、ガスを排出すべく切り替わるようにさらに構成され、前記第２のガスプレナムが、プロセスガスを供給すべく切り替わるようにさらに構成され、前記第１及び第２のガスプレナムの切り替わりが協調される、
    ことを特徴とする請求項１に記載のリアクタ。
13. 前記第１のガスプレナムが、前記ウェハスリーブが前記経路に沿って移動したときに前記第１のガスプレナムと前記ウェハスリーブとの間の間隙を広げるために、前記リアクタ内で移動できるように構成される、
    ことを特徴とする請求項１に記載のリアクタ。
14. 前記第１の取付け手段は、前記一対の平行なウェハキャリアプレートの前記内部表面のポケットであり、前記第２の取付け手段は、前記内部キャリアプレートの表面のポケットである、
    ことを特徴とする請求項１に記載のリアクタ。
15. 前記ポケットは、前記一対の平行なウェハキャリアプレートと前記内部ウェハキャリアプレートの平面に対して低角度で傾斜するウェハ装着面で構成され、前記ウェハ装着面の夫々は前記複数のウェハの一つの裏面で取り付けられるように構成されている、
    ことを特徴とする請求項１４に記載のリアクタ。
16. 前記ウェハ装着面は、前記一対の平行なウェハキャリアプレートと前記内部キャリアプレートの対抗面上に鏡像構成で構成されている、
    ことを特徴とする請求項１５に記載のリアクタ。

Images