JP7096761B2 - 気相成長装置 - Google Patents
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Description
以下、図3(a)~(d)を参照しながら、従来の気相成長装置の構成と、半導体膜を基板上に形成する際の処理工程及び保守作業工程について説明する。
気相により原料を供給し、基板上を加熱し、膜を基板上に堆積させるとき、基板以外の場所にも析出が生じる。この析出物は、周辺部材表面で析出した場合と、気流中で析出したものが堆積した場合等とでは、その性状に差が生じるが、前者は強固に部材に張り付き、熱膨張率の差によって冷却時に部材表面を剥ぎ取る可能性があり、一方、後者では圧力変動等によって再び舞い上がり、膜中に不純物として混入して膜の性質を劣化させてしまう。
このとき、基板下流側ではさほど影響がないため、汚れが付いていても、閉塞しない限り、そのまま使用する場合が多いが、原料が分解し始める基板上流端から基板下流端の間の部材にあっては、反応生成物の付着を放置しておくことはできず、頻繁に交換又は洗浄する必要がある。このため、当該部分に対応するフローチャンネルを第2フローチャンネル17として、第1フローチャンネル16とは物理的に分離独立させている。
上述のように、基板等の交換時には、摺動部材32のレール31上の摺動に伴って、下流側フランジ12b、搬送用冶具15、架台13、サセプタ14、第2フローチャンネル17、及び排気ノズル118が一体で、図3(d)に示す位置まで後方に移動する。この際、排気ノズル118と排気口26とは離間し、排気ノズル118のみが図3(d)に示す位置まで後方に移動する。
上記のような動作によってグローブボックス30内に搬送された基板や治具類は、別途、ロボットや手動操作等により、パスボックス40に搬送される。このパスボックス40は、扉等によって作業空間と区切られており、作業者が、出来上がった基板や汚れた治具を取り出したり、新しい基板や治具をセットしたりするスペースとされる。このパスボックス40は、大気と遮断するために気密構造となっており、上記の搬送前後で真空置換が行われる。
即ち、本発明は、基板上に半導体膜を成長させるための気相成長装置であって、パージガスで満たされた反応炉内において、前記基板を保持するサセプタと、前記サセプタを加熱する加熱手段と、前記反応炉内に導入された反応ガスを前記基板の上流端まで導く第1フローチャンネルと、上流開口端が、前記第1フローチャンネルの下流開口端と対向するとともに、前記基板の周囲を覆うことにより、前記反応ガスを前記基板上に導く第2フローチャンネルと、前記第2フローチャンネルの下流開口端と対向する上流開口端と、前記反応炉の側壁に設けられた排気口に向かって開口する下流開口端とを有し、後端側が前記反応炉の側壁側に向けて鉛直方向上方に向かう屈曲部とされ、下流開口端が前記側壁に設けられた排気口に向かって開口することにより、前記基板上を通過した前記反応ガスを前記排気口に導く第1排気ノズルと、前記反応炉の前記排気口から外部に向かって開口するように設けられた第2排気ノズルと、を備え、前記第1排気ノズルは、前記第2フローチャンネルの下流開口端と対向する上流開口端の開口寸法が、前記第2フローチャンネルの下流開口端の開口寸法と等しく、且つ、上流開口端が、前記第2フローチャンネルの下流開口端と、前記反応ガスの流れ方向に対して隙間無く接続されており、さらに、前記第1排気ノズルは、上流開口端と屈曲部との間の領域の少なくとも一部が、前記反応ガスの流れ方向に沿った方向で、水平方向で縮小し、且つ、鉛直方向に拡大する断面形状を有していることで、当該領域全体において一定の断面積を有しているとともに、屈曲部側における断面形状が円形状とされている、ことを特徴とする気相成長装置を提供する。
また、第1排気ノズルにおいて、第2フローチャンネルの下流開口端と対向する上流開口端の開口寸法が、第2フローチャンネルの下流開口端の開口寸法と等しく、且つ、上流開口端が第2フローチャンネルの下流開口端と、反応ガスの流れ方向に対して隙間無く接続されていることで、第2フローチャンネルから排出された比較的高速な反応ガスが効率よく第1排気ノズルに流入するので、第2フローチャンネルと第1排気ノズルの隙間において反応ガスが漏れるのを防止できる。
さらに、本発明の気相成長装置によれば、上記のように、第1排気ノズルを、排気経路の途中で変形しながら断面積が一定となるように、水平方向で縮小しつつ鉛直方向に拡大する断面形状とし、この断面形状が概略円形状となる屈曲部側において、概略90°で上方に屈曲した形状とすることで、付着物を含んだ反応ガスの漏洩を防ぎつつ、排気口側にスムーズに導くことができる。また、反応ガスの流れを最適に制御することで、下流側の第2フローチャンネルにおいて反応ガスが滞留するのを抑制し、排気口に向かう反応ガスの旋回流の影響を低減することができる。
さらに、反応炉の上方に設けられた排気口から外部に向かって第2排気ノズルが開口することにより、反応ガスの排出方向が、サセプタで加熱された反応ガスの上昇指向性と一致し、スムーズな流れが形成されるので、第1排気ノズルと第2排気ノズルとの継目から反応ガスが漏洩するのをより効果的に抑制できる。
以下の説明においては、図1及び図2を参照しながら、当該気相成長装置の構成と、基板上に半導体膜を形成する処理工程及び保守作業工程について詳述する。
本発明に係る気相成長装置の一例について説明する。
図1に例示する気相成長装置1は、反応炉10、グローブボックス30、及びパスボックス40を備えて概略構成されている。
上記構成の気相成長装置1を用いた、半導体の製膜プロセスの一例について、以下に説明する。
まず、反応ガス導入口25から導入された反応ガスは、基板上に効率よく搬送され、且つ側壁11の内壁方向に漏洩しないように、第1フローチャンネル16及び第2フローチャンネル17によって流れが制御されつつ、サセプタ14上の基板に向かう。サセプタ14上に到達した反応ガスは、RFコイル20の作用によって高温に加熱されたサセプタ14上で熱分解し、分解したガス分子が、サセプタ14の回転に伴って回転する基板上に堆積して膜形成が行われる。
また、第2排気ノズル19の下方(上流)開口端19aの開口寸法を、第1排気ノズル18の下流開口端18bの開口寸法よりも大きく構成した場合には、パージガスの作用により、第1排気ノズル18の下流開口端18bから流出した反応ガスは、反応炉10内に流出することなく、パージガスとともに漏れなく第2排気ノズル19内に導入される。従って、漏洩ガスによる側壁11の内壁への反応生成物の付着を防止できるので、これらの付着物が結晶膜内に混入することも防止できる。
次に、図1及び図2に例示した気相成長装置1において、基板や構成部材等を交換する場合の処理手順について説明する。
以上説明したように、本実施形態の気相成長装置1によれば、まず、第2フローチャンネル17の下流側に、基板上を通過した原料ガスを排気口に導く第1排気ノズル18が設けられ、さらに、反応炉10の排気口から外部に向かうように第2排気ノズル19が設けられた構成を採用している。これにより、第2フローチャンネル17から排出された反応ガスが、第1排気ノズル18及び第2排気ノズル19を介して装置外部に放出されるので、第1排気ノズル18が設けられていない場合と比較して、反応炉10の内壁に反応生成物が付着するのを効果的に抑制できる。
さらに、反応炉10の上方に設けられた排気口から外部に向かって第2排気ノズル19が開口することにより、反応ガスの排出方向が、サセプタ14で加熱された反応ガスの上昇指向性と一致し、スムーズな流れが形成されるので、第1排気ノズル18と第2排気ノズル19との継目から反応ガスが漏洩するのをより効果的に抑制できる。
特に、第1排気ノズル18は、第2フローチャンネル17と同様、成膜中に付着した反応生成物を定期的に清掃除去する必要があるが、気相成長装置1においては、第1排気ノズル18を、第2フローチャンネル17と同様、架台13に支持固定し、第2フローチャンネル17と同様に、搬送用冶具15、下流側フランジ12b、摺動部材32、及びレール31によって後退させ、グローブボックス30内に搬出するように構成している。これにより、成膜中に生じる反応生成物が付着した第1排気ノズル18を、容易に清掃又は交換ができるので、炉内清掃等の保守作業のために生じるダウンタイムが削減できる。
また、第2フローチャンネル17及び第1排気ノズル18を、下流側フランジ12bとともに、反応炉10の後方の位置に搬送する構成であり、それらの搬送に伴って反応炉10が開放されるので、基板、及び、反応生成物が付着した交換が必要な部材を、簡便な構造で搬送することができ、装置のコストダウンにもつながる。
本実施例においては、図1及び図2に示すような、本発明に係る構成を備えた気相成長装置を使用して、GaAs(ヒ化ガリウム)系化合物半導体膜を製膜する実験を行った。
この際、気相成長装置に、2-inch-GaAs基板、新品の第1フローチャンネル16及び第2フローチャンネル17、並びに、第1排気ノズル18及び第2排気ノズル19をセットし、以下の条件にてGaAs系化合物半導体膜を製膜した。
また、比較例として、図3に示すような、従来の構成の気相成長装置を使用して、GaAs(ヒ化ガリウム)系化合物半導体膜を製膜する実験を行った。
上記条件による半導体膜の成膜後、反応炉10内の付着物の状況を目視で確認したところ、実施例においては、第2フローチャンネル17、第1排気ノズル18内には黒い付着物が見られたが、炉内の壁面には、付着物はほとんど付着していなかった。
このような運用方法で、上記の気相成長装置を、さらに1か月程度運用し、炉内を確認したところ、第2排気ノズル19に、多少の反応生成物が付着していたが、他の部分には、反応性生成物は、ほとんど付着していなかった。
10・・・反応炉
11・・・側壁
12a,12b・・・上流側フランジ、下流側フランジ
13・・・架台
14・・・サセプタ
15・・・搬送用治具
16・・・第1フローチャンネル
16a・・・上流開口端
16b・・・下流開口端
17・・・第2フローチャンネル
17a・・・上流開口端
17b・・・下流開口端
18・・・第1排気ノズル
18a・・・上流開口端
18b・・・下流開口端
18c・・・屈曲部
19・・・第2排気ノズル
19a・・・下方(上流)開口端
19b・・・上方(下流)開口端
20・・・RFコイル
21・・・回転軸
22・・・かさ歯車
25・・・反応ガス導入口
30・・・グローブボックス
31・・・レール
32・・・摺動部材
40・・・パスボックス
Claims (6)
- 基板上に半導体膜を成長させるための気相成長装置であって、
パージガスで満たされた反応炉内において、前記基板を保持するサセプタと、
前記サセプタを加熱する加熱手段と、
前記反応炉内に導入された反応ガスを前記基板の上流端まで導く第1フローチャンネルと、
上流開口端が、前記第1フローチャンネルの下流開口端と対向するとともに、前記基板の周囲を覆うことにより、前記反応ガスを前記基板上に導く第2フローチャンネルと、
前記第2フローチャンネルの下流開口端と対向する上流開口端と、前記反応炉の側壁に設けられた排気口に向かって開口する下流開口端とを有し、後端側が前記反応炉の側壁側に向けて鉛直方向上方に向かう屈曲部とされ、下流開口端が前記側壁に設けられた排気口に向かって開口することにより、前記基板上を通過した前記反応ガスを前記排気口に導く第1排気ノズルと、
前記反応炉の前記排気口から外部に向かって開口するように設けられた第2排気ノズルと、
を備え、
前記第1排気ノズルは、前記第2フローチャンネルの下流開口端と対向する上流開口端の開口寸法が、前記第2フローチャンネルの下流開口端の開口寸法と等しく、且つ、上流開口端が、前記第2フローチャンネルの下流開口端と、前記反応ガスの流れ方向に対して隙間無く接続されており、
さらに、前記第1排気ノズルは、上流開口端と屈曲部との間の領域の少なくとも一部が、前記反応ガスの流れ方向に沿った方向で、水平方向で縮小し、且つ、鉛直方向に拡大する断面形状を有していることで、当該領域全体において一定の断面積を有しているとともに、屈曲部側における断面形状が円形状とされている、
ことを特徴とする気相成長装置。 - さらに、前記第2フローチャンネル及び前記第1排気ノズルを支持する架台と、
前記架台を、前記第2フローチャンネル及び前記第1排気ノズルを伴って前記反応炉の後方に移動させ、前記反応炉の外部に搬出させる搬送手段と、
前記反応炉の後方端に設けられ、当該反応炉を密閉するためのフランジと、
を備え、
前記フランジが移動することで前記反応炉が開放され、前記架台が、前記第2フローチャンネル及び前記第1排気ノズルを伴って前記反応炉の外部に搬出されることを特徴とする請求項1に記載の気相成長装置。 - 前記架台が前記フランジに固定されており、前記搬送手段によって前記フランジが移動することで前記反応炉が開放されることを特徴とする請求項2に記載の気相成長装置。
- さらに、前記架台に前記サセプタが支持されており、前記架台は、前記サセプタ、前記第2フローチャンネル及び前記第1排気ノズルを伴って前記反応炉の外部に搬出されることを特徴とする請求項3に記載の気相成長装置。
- さらに、前記反応炉に隣接して、不活性ガスで満たされた気密構造のグローブボックスを備え、前記搬送手段により、前記架台が、前記サセプタ、前記第2フローチャンネル、及び前記第1排気ノズルを伴って前記グローブボックス内に搬送されることを特徴とする請求項4に記載の気相成長装置。
- さらに、前記グローブボックスに隣接して、前記サセプタに保持された基板、前記第2フローチャンネル、及び前記第1排気ノズルを、前記グローブボックスから大気中へ搬出するか、又はそれらを大気中から前記グローブボックスに搬入するための、真空置換可能なパスボックスを備えることを特徴とする請求項5に記載の気相成長装置。
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