JP7042587B2 - 化学気相成長装置 - Google Patents
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Description
本発明は、化学気相成長装置に関する。
化学気相成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）装置は、様々な層の成膜手段として広く用いられている。例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）のエピタキシャル膜の成長にも、化学気相成長装置が利用されている。
ＣＶＤ法を用いた成膜では、反応炉内にガスを供給し、基板表面に結晶を成長させる。反応炉内に供給されたガスのうち未反応のガスは排気配管から排気される。この未反応のガスは排気配管内で反応して副生成物として堆積し、排気配管を閉塞する場合がある。
排気配管の閉塞は、ＣＶＤ装置の不具合の原因の一つである。排気配管の閉塞を防ぐためには、定期的な清掃が必要である。清掃の期間は、ＣＶＤ装置を動かすことができないため、ＣＶＤ装置のスループットを大幅に低下させる。
特許文献１には、排気配管の屈曲部に堆積物除去手段を有する配管延長部を備えた化学気相成長装置が記載されている。堆積物除去手段により堆積物を突き崩すことにより堆積物を除去できることが特許文献１には記載されている。
しかしながら、特許文献１に記載の化学気相成長装置は、配管延長部と堆積物除去手段との間に堆積物が詰まり、堆積物除去手段が機能しなくなる場合があった。また堆積物を押し出した先で、再度堆積物が発生するという問題があった。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、排気配管の閉塞が抑制された化学気相成長装置を提供することを目的とする。
本発明者らは、鋭意検討の結果、堆積物を除去しようという発想ではなく、堆積物を所定の位置に選択的に発生させることを検討した。堆積物の発生箇所を限定すると、その他の部分での堆積物の発生が抑制される。その結果、本発明者らは排気配管の閉塞を防ぐことができることを見出した。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
（１）第１の態様にかかる化学気相成長装置は、内部で気相成長を行う反応炉と、前記反応炉からガスを排気する排気配管と、を備え、前記排気配管は屈曲部を有し、前記屈曲部には、前記屈曲部から延出し内部に貯留空間を有する配管延長部を備える。
（２）上記態様にかかる化学気相成長装置において、前記配管延長部が前記屈曲部に流入するガスの流れ方向の延長線に位置してもよい。
（３）上記態様にかかる化学気相成長装置において、前記配管延長部が一つの前記屈曲部に対して複数あってもよい。
（４）上記態様にかかる化学気相成長装置において、前記配管延長部が、前記屈曲部に流入するガスの流れ方向の延長線と、前記屈曲部から流出するガスの流れ方向と反対側と、に位置してもよい。
（５）上記態様にかかる化学気相成長装置において、前記配管延長部の長さが５ｃｍ以上３０ｃｍ以下であってもよい。
（６）上記態様にかかる化学気相成長装置において、前記反応炉で行う気相成長がＳｉＣのエピタキシャル成長であってもよい。
（７）上記態様にかかる化学気相成長装置において、前記ＳｉＣのエピタキシャル成長がＣｌ系ガスを用いたエピタキシャル成長であってもよい。
（８）上記態様にかかる化学気相成長装置において、使用時の前記反応炉内の圧力が、２ｋＰａ以上５０ｋＰａ以下であってもよい。
上記態様にかかる化学気相成長装置によれば、排気配管の閉塞を抑制することができる。
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材質、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
図１は、本実施形態にかかる化学気相成長装置１００の模式図である。図１に示す化学気相成長装置１００は、反応炉１０と排気配管２０とフィルタ３０と排気ポンプ４０とを備える。
排気配管２０は、複数の屈曲部を有する。屈曲部により排気配管２０を曲げることで、化学気相成長装置１００の占有面積を低減できる。屈曲部は、ガスの流れの主方向が変化する部分である。図１では、屈曲部における配管同士のなす角を９０°（Ｌ字）として図示したが、当該構成に限られない。例えば、屈曲部において配管は曲線状に曲がっていてもよいし（Ｕ字）、配管同士のなす角が鋭角（Ｖ字）となるように曲がっていてもよいし、配管同士のなす角が鈍角となるように曲がっていてもよい。
図１では、複数の屈曲部のうち第１屈曲部２２と第２屈曲部２４には、配管延長部が備えられている。配管延長部は全ての屈曲部に備えられていることが好ましいが、一部の屈曲部のみが備えていてもよい。以下、第１屈曲部２２に備えられた配管延長部を第１配管延長部２６と言い、第２屈曲部２４に備えられた配管延長部を第２配管延長部２７及び第３配管延長部２８と言う。第２屈曲部２４のように、配管延長部は一つの屈曲部に対して複数備えられていてもよい。
配管延長部は、屈曲部から延出する。配管延長部の延出方向は、屈曲部にガスが流入する主方向及び屈曲部からガスが流出する主方向のいずれとも異なる方向である。第１配管延長部２６は、第１屈曲部２２に流入するガスの流れ方向の延長線に位置する。第２配管延長部２７は、第２屈曲部２４に流入するガスの流れ方向の延長線に位置する。第３配管延長部２８は、第２屈曲部２４から流出するガスの流れ方向と反対側に位置する。
配管延長部は、屈曲部に流入するガスの流れ方向の延長線に位置することが好ましい。すなわち、第１屈曲部２２における第１配管延長部２６の位置及び第２屈曲部２４における第２配管延長部２７の位置に設けることが好ましい。
例えば、第１屈曲部２２に流入したガスは、第１配管延長部２６に一旦流入する。第１配管延長部２６の一端は塞がれているため、流入したガスは第１配管延長部２６から第２屈曲部２４に向かって流れる。つまり第１配管延長部２６を当該位置に設けることで、第１配管延長部２６で乱流が生じる。
また配管延長部が一つの屈曲部に対して複数存在する場合、配管延長部は屈曲部に流入するガスの流れ方向の延長線と、屈曲部から流出するガスの流れ方向と反対側と、に位置することが好ましい。すなわち、第２屈曲部２４における第２配管延長部２７及び第３配管延長部２８の位置に設けることが好ましい。当該位置に配管延長部を設けることで、第２配管延長部２７及び第３配管延長部２８内で乱流が生じる。
排気ガスの乱流は、配管延長部の内部で強く生じる。配管延長部が、排気ガスの主の流れ方向と異なる位置に配設されているためである。排気ガスの一部は、配管延長部内で滞留する。排気ガスが滞留すると、排気ガスを構成する原料ガス等が反応して、副生成物が堆積する。つまり、堆積物は配管延長部の内部で選択的に発生する。
配管延長部の内部には、十分な空間が確保されている。堆積物はこの空間内で選択的に発生する。つまり、この空間は堆積物の貯留空間として機能する。図１において、第１配管延長部２６は第１貯留空間２６Ａを有し、第２配管延長部２７は第２貯留空間２７Ａを有し、第３配管延長部２８は第３貯留空間２８Ａを有する。貯留空間内に堆積物が選択的に堆積することで、排気配管２０内の他の部分に堆積物が堆積することを抑制できる。その結果、排気配管２０の閉塞を抑制できる。
配管延長部の長さは、５ｃｍ以上３０ｃｍ以下であることが好ましく、５ｃｍ以上１５ｃｍ以下であることがより好ましく、５ｃｍ以上１０ｃｍ以下であることがさらに好ましい。配管延長部の長さは、屈曲部に繋がる２つの配管の中心線の交点と、配管延長部の端部との距離を意味する。例えば、第１屈曲部２２においては、第１配管２２Ａの中心線と第２配管２２Ｂの中心線との交点から第１配管延長部２６の端部までの距離ｄに相当する。配管延長部の長さが当該範囲であれば、貯留空間を確保する十分な空間を得ることができ、排気配管２０の占有面積が大きくなりすぎることを抑制できる。
配管延長部の径は、屈曲部に繋がる２つの配管のうち上流側の配管の径と等しいことが好ましい。また配管延長部の径は、下流側の配管の径とも等しいことがより好ましい。例えば、第１屈曲部２２においては、第１配管延長部２６の径は第１配管２２Ａと等しいことが好ましく、第２配管２２Ｂと等しいことがより好ましい。配管延長部の径が変化すると、その部分でも乱流が発生する。配管延長部以外の部分で乱流が生じると、その部分に堆積物が発生する可能性がある。配管の内径は２０ｍｍ～８０ｍｍとすることができる。ＮＷ規格の配管としては、ＮＷ２５、ＮＷ４０、ＮＷ５０を用いることができる。
配管延長部の温度は室温から１５０℃の範囲内とすることが好ましい。反応炉の温度よりも十分低い温度にすることで、効率的に配管延長部において堆積物をとらえることができる。
反応炉１０は、化学気相成長装置に用いられるチャンバーである。反応炉１０は、公知のものを用いることができる。
反応炉１０は、ＳｉＣのエピタキシャル成長に用いる反応炉であることが好ましい。ＳｉＣのエピタキシャル成長の場合、反応炉内を１５００℃以上の高温にして成長が行われる。ＳｉＣのエピタキシャル成長には、原料ガス、ドーパントガス、エッチングガス、キャリアガス等の複数のガスが用いられる。
ここで、ＳｉＣエピタキシャルウェハの結晶成長に用いられる複数のガスを、「Ｓｉ系ガス」、「Ｃ系ガス」、「Ｃｌ系ガス」、「ドーパントガス」「その他のガス」の５つに区分する。
「Ｓｉ系ガス」は、ガスを構成する分子の構成元素としてＳｉが含まれるガスである。例えばシラン（ＳｉＨ４）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ４）等が該当する。Ｓｉ系ガスは、原料ガスの一つとして用いられる。
「Ｃ系ガス」は、ガスを構成する分子の構成元素としてＣが含まれるガスである。例えば、プロパン（Ｃ３Ｈ８）等が該当する。Ｃ系ガスは、原料ガスの一つとして用いられる。
「Ｃｌ系ガス」は、ガスを構成する分子の構成元素としてＣｌが含まれるガスである。例えば、塩化水素（ＨＣｌ）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ４）等が該当する。ここで、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ４）は、上記のＳｉ系ガスでもある。これらのガスのように、「Ｃｌ系ガス」であり、「Ｓｉ系ガス」であるという場合もある。Ｃｌ系ガスは、原料ガス又はエッチングガスとして用いられる。
「ドーパントガス」は、ドナー又はアクセプター（キャリア）となる元素を含むガスである。Ｎ型を成長するための窒素、Ｐ型を成長させるためのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）やトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）などがドーパントガスとして用いられる。
「その他のガス」は、上記の４つの区分のガスに該当しないガスである。例えば、Ａｒ、Ｈｅ、Ｈ２等が該当する。これらのガスは、ＳｉＣエピタキシャルウェハの製造のサポートをするガスである。例えばこれらのガスは、原料ガスがＳｉＣウェハまで効率的に供給するためにガスの流れをサポートする。
これらの複数のガスは、反応炉１０を通過後、排気配管２０内を混在して流れる。これらの複数のガスの一部は、互いに反応して副生成物を生み出す場合がある。この副生成物は堆積物となる。排気配管２０を流れるガスにＣｌ系ガスが含まれると、堆積物の粘度が高まる。
つまり反応炉１０内に行われる反応が、Ｃｌ系ガスを用いたエピタキシャル成長の場合、排気配管の閉塞の可能性は高まる。一方で、本実施形態にかかる化学気相成長装置１００を用いると、当該場合においても排気配管２０内で堆積物が堆積することを抑制できる。
また反応炉１０を使用する際の反応炉内のガス圧力は、２ｋＰａ以上５０ｋＰａ以下あることが好ましく、反応炉内のガス圧力は、３ｋＰａ以上３０ｋＰａ以下あることがより好ましい。反応炉内のガス圧力が小さいと、排気配管２０内を流れるガスの流速が遅くなる。ガスの流速が遅くなると、堆積物が生じやすくなり、排気配管２０の閉塞の可能性が高まる。一方で、本実施形態にかかる化学気相成長装置１００を用いると、当該場合においても排気配管２０内で堆積物が堆積することを抑制できる。反応炉に流通するガスの総流量は、５０～２００Ｌ／分とすることが好ましい。反応炉内のガスの流量が当該範囲であると、配管の閉塞を抑制する効果が特に顕著になる。
フィルタ３０及び排気ポンプ４０は、公知のものを用いることができる。また本実施形態にかかる化学気相成長装置１００は、配管延長部の内部に堆積物を積極的に発生させている。つまり、配管延長部はプレフィルタとみなすことができる。フィルタ３０には、プレフィルタ（配管延長部）を通過した後のガスが流れる。従って、本実施形態にかかる化学気相成長装置は、フィルタ３０の目詰まりが抑制されている。
上述のように、本実施形態にかかる化学気相成長装置によれば、排気配管内で堆積物が貯留する箇所を制限し、排気配管が閉塞してしまうことを抑制できる。その結果、化学気相成長装置の稼働時間が長くなり、化学気相成長装置のスループットが高まる。
また堆積物が発生する箇所を貯留空間内に制限すると、排気配管２０の清掃も容易になる。配管延長部を連結するクランプを外すことで、配管延長部内の堆積物を容易に除去することができる。つまり、排気配管２０の清掃にかかる時間も短くすることができ、化学気相成長装置のスループットを高めることができる。
また本実施形態にかかる化学気相成長装置は、ＳｉＣのエピタキシャル成長に利用すると高い効果を発揮する。ＳｉＣのエピタキシャル成長で用いられる上記の様な複数のガスが反応して排気配管中に堆積する副生成物は塊状の固形物となり、その性状が安定で強固なため、機械的、もしくは化学的なクリーニングで除去することは難しい。本実施形態にかかる化学気相成長装置によれば、排気配管のガス流通部分での副生成物の堆積を抑制することができ、配管の閉塞を防ぐ効果が大きい。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ 反応炉
２０ 排気配管
２２ 第１屈曲部
２２Ａ 第１配管
２２Ｂ 第２配管
２４ 第２屈曲部
２６ 第１配管延長部
２６Ａ 第１貯留空間
２７ 第２配管延長部
２７Ａ 第２貯留空間
２８ 第３配管延長部
２８Ａ 第３貯留空間
３０ フィルタ
４０ 排気ポンプ
１００ 化学気相成長装置
２０ 排気配管
２２ 第１屈曲部
２２Ａ 第１配管
２２Ｂ 第２配管
２４ 第２屈曲部
２６ 第１配管延長部
２６Ａ 第１貯留空間
２７ 第２配管延長部
２７Ａ 第２貯留空間
２８ 第３配管延長部
２８Ａ 第３貯留空間
３０ フィルタ
４０ 排気ポンプ
１００ 化学気相成長装置
Claims (5)
- 内部で気相成長を行う反応炉と、
前記反応炉からガスを排気する排気配管と、を備え、
前記排気配管は複数の屈曲部を有し、
前記複数の屈曲部のうち第１屈曲部と第２屈曲部とは、前記第１屈曲部及び第２屈曲部からそれぞれ延出し内部に堆積物の貯留空間を有する配管延長部をそれぞれ備え、
前記第１屈曲部に備えられた前記配管延長部は、前記第１屈曲部に流入するガスの流れ方向の延長線に位置し、
前記第２屈曲部は、前記配管延長部を複数有し、
前記第２屈曲部に備えられた複数の前記配管延長部は、前記第２屈曲部に流入するガスの流れ方向の延長線と、前記第２屈曲部から流出するガスの流れ方向と反対側と、に位置し、
前記第２屈曲部は、前記第１屈曲部より前記反応炉から排気されるガスの流れ方向後方に位置する、化学気相成長装置。 - 前記配管延長部の長さが５ｃｍ以上３０ｃｍ以下である、請求項１に記載の化学気相成長装置。
- 前記反応炉で行う気相成長がＳｉＣのエピタキシャル成長である、請求項１又は２に記載の化学気相成長装置。
- 前記ＳｉＣのエピタキシャル成長がＣｌ系ガスを用いたエピタキシャル成長である、請求項３に記載の化学気相成長装置。
- 使用時の前記反応炉内の圧力が、２ｋＰａ以上５０ｋＰａ以下である、請求項３に記載の化学気相成長装置。
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