JPH06104183A - Cvd用反応槽 - Google Patents

Cvd用反応槽

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JPH06104183A
JPH06104183A JP24953392A JP24953392A JPH06104183A JP H06104183 A JPH06104183 A JP H06104183A JP 24953392 A JP24953392 A JP 24953392A JP 24953392 A JP24953392 A JP 24953392A JP H06104183 A JPH06104183 A JP H06104183A
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JP
Japan
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cvd
reaction
flow
gas
reaction tank
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JP24953392A
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English (en)
Inventor
Shigeyoshi Kawazoe
重義 川副
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Hitachi Ltd
Hitachi Science Systems Ltd
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Hitachi Ltd
Hitachi Science Systems Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】半導体製造プロセスにおける化学蒸着(CV
D)法によるシリコン基板上への薄膜を形成するための
CVD装置で、形成する膜厚の均一性を高める技術的課
題があり、これを解決する手段として、CVD装置の反
応槽に供給する反応ガスの流速及び濃度の均一化を図る
こと。 【構成】本発明に基づいたCVD装置は、反応槽1,反
応槽側管2,通気抵抗板3,反応ガス導入管4,シリコ
ン基板5,サセプタ6,加熱炉7で構成されている。 【効果】反応ガスの流れに対して旋回流を与えて、反応
ガスの濃度分布の均一化と、通気抵抗板の作用で、反応
ガスの流速分布の均一化とにより、CVD法で形成する
膜厚の均一性を高める効果が得られた。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、シリコン基板上に化学
蒸着法で薄膜を形成するものであって、シリコン基板上
に、薄膜を均一な厚さに形成することを目的としてなさ
れたものに関する。
【0002】
【従来の技術】化学蒸着(CVD)法は、気相での化学
反応を利用して、シリコン基板上に薄膜を形成する方法
で、特に集積回路の製造プロセスに利用される技術であ
る。このCVD法における装置(CVD装置)は、常圧
下で、シリコン基板を設置するための治具(サセプタ)
が回転するコールド・ウォール方式が使用されてきてい
る。また一方では、量産性や膜の質及び厚さの均一性を
さらに高めるために、減圧下でのCVD法も使用されて
いる。これらのCVD法については、日経マグロウヒル
社発行;徳山・橋本編著、MOS LSI製造技術に、
原理と応用面とについて記述されている。
【0003】CVD装置は、半導体製造にかかわって発
展してきたが、最近各種材料の改質や表面処理などにも
応用されてきている。このCVD装置は、反応槽と加熱
炉で構成され、反応槽は反応ガス流入口と試料(シリコ
ン基板等)の出入口とを具備したものである。
【0004】半導体製造プロセスでCVD技術に使用さ
れる化学成分は、二酸化ケイ素(SiO2 ),多結晶シ
リコン(P−Si),窒化シリコン(Si34)、及び
ホスホシリケート(P25・SiO2)などである。これ
らの薄膜を形成させるために使用するガスは、モノシラ
ン(SiH4),酸素(O2),ホスヒン(PH3)及びアン
モニア(NH3 )などである。これらの反応ガスはキャ
リアガスである窒素と流路内で混合され、加熱されてい
る反応槽に通気されて反応槽内の試料表面に目的とする
薄膜が形成される。CVD装置に要求される技術的な要
素は、試料表面に薄膜が均一な厚さで形成されることで
ある。CVD法における膜の均一性は、目的とする膜厚
の±10%以内で、試料表面に形成されることが要求さ
れている。この膜の均一性を得るために、CVD装置
は、これまで反応槽の構造,試料の加熱方法,反応ガス
の圧力や濃度及び試料の設置方法など多面的に工夫改善
されて、今日の半導体製造プロセスを構築している。C
VD装置は、現在半導体製造プロセスに、或いは各種材
料の表面処理装置として欠かせないものになっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】CVD法及びCVD装
置の発達は半導体を始めとする微細加工技術の発達を促
し、微細加工の応用分野がさらに広められようとしてい
る。その例としては、微小機械の加工(マイクロマシ
ン)などが上げられる。しかしCVD装置に問題がなく
なった訳ではない。例えば、膜を形成した一枚のシリコ
ン基板内での利用できる面積は、60%〜85%ほど
で、基板の外周部は膜厚の均一性が許容範囲外のため使
用されていない。この原因には、(1)反応槽内に供給
される反応ガスの流れが、反応槽内で不均一であるこ
と、(2)キャリアガス(例えばN2 )中の反応ガスの
濃度分布が不均一であること、(3)反応槽内に設置さ
れたシリコン基板の温度分布が不均一であることなどが
考えられる。本発明はこれらの点に着目してなされたも
のであって、均一性の高い膜形成を可能にしたCVD装
置の提供を目的とする。本発明は主として少量生産で、
多目的に使用可能な常圧下で利用されるCVD装置に関
するものである。本発明に基づいた反応槽は流入する反
応ガスに旋回流を与える形状をしており、反応ガスが十
分混合し、均一な濃度分布を得るように考察されてい
る。又、反応ガスが、シリコン基板表面に均一に接触す
るように反応槽構造を工夫し、シリコン基板表面に形成
される薄膜の均一化を図った。
【0006】
【課題を解決するための手段】反応槽に設置されたシリ
コン基板上に形成される薄膜の厚さが、シリコン基板表
面の外周付近で薄く、中央付近で厚くなる傾向を示すの
は、反応槽を流れる反応ガスの流れがかならずしも均一
ではないことを示している。特に上記した膜厚の傾向
は、シリコン基板を常圧下で一枚毎処理する多目的CV
D装置(枚葉形CVD装置)に顕著に観察される。枚葉
形CVD装置は、コールドウォール方式のCVD装置と
異なり、シリコン基板が回転する機構を持たず、定位置
に固定されているため、反応ガスの流れの影響を直接受
けるため形成される膜厚に傾向を示すと考えられる。管
状の空間を流体が流れる状態は、ベルヌーイによって定
義付けられており、それによれば管壁の近傍では遅く、
管の中央部では速いとされている。この現象は、流体の
粘性が管壁に対して作用し、流れの抵抗になるためと説
明されている。又常圧下でのCVD装置は、枚葉形CV
D装置を問わず、反応槽直前でキャリアガスと反応ガス
とを混合する流路構造になっている。このことは、濃度
分布が均一になる前に反応槽に流入している可能性があ
る。本発明によるCVD装置の構造は、反応ガス流入口
が円筒上の反応槽側管の円断面の接線方向に設置されて
いる。この流入口から通気する反応ガスは、反応槽側管
の管壁を沿って流れるため、反応ガスの流れは旋回流を
起こす。
【0007】反応槽側管で反応ガスが旋回流をし、キャ
リアガスとの混合が起こり、反応ガスのキャリアガス中
での濃度分布が均一化される。反応槽側管を旋回しなが
ら反応槽に設置されたシリコン基板方向に反応ガスが流
下する。この反応ガスは、次に反応側管内部に設置した
通気抵抗板を通りシリコン基板上に達する。通気抵抗板
には、円形で凹面状に設置され、孔を施したものであ
る。この通気抵抗板の孔径は、中心部は小さく、外円部
になるに従い大きくなっている。そのため通気抵抗板を
通る間に、反応ガスの中心部と外周部との流速が均一化
される。
【0008】
【作用】常圧下で使用するCVD装置の問題点は前記し
たとおりである。つまり、常圧下でのCVD装置によっ
て形成する膜の厚さを均一化するには、反応ガスの流れ
や濃度分布の制御が必要である。本発明によるCVD装
置は反応槽に設けた円筒状の側管を、反応ガスの濃度分
布を均一化するための混合床(混合ゾーン)として考え
ることができる。すなわち、反応槽側管内で反応ガスが
旋回流を起こすと同じに、渦流も発生し、反応ガスの拡
散を促し、反応ガスの濃度の均一化を促進することがで
きる。又反応槽側管に設けた通気抵抗板は、反応ガスの
流れを均一化する作用がある。流体の通気抵抗は、通気
する管の長さに比例し、径に反比例する。すなわち、通
気抵抗板に施した孔径は中心部は小さく、外周部に向け
てしだいに大きくなるように加工してあるため、反応ガ
スの流れはこの通気抵抗を通ることによって中心部と外
壁近傍との流速差が縮小され均一化する。すなわち、反
応槽側管から供給される反応ガス量は、反応槽側管の外
壁部と中心部とで、差がなくなり結果としてシリコン基
板上に形成される膜の厚さが均一化される。他の手段で
膜の均一化を図るにはコールドウォール方式のようにシ
リコン基板を自転させると同時に公転させる機構が必要
であり、CVD装置が著しく高価なものになる。又減圧
CVD装置においても、真空装置等の設備が必要であり
高価な装置となる。
【0009】
【実施例】以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図1は本発明を実施したCVD装置である。図2
以降図5までは本発明によるCVD装置の態様を説明す
るための図である。
【0010】図1において、1は反応槽で、シリコン基
板出入口12がパッチングを介して固定されている。2
は円筒状の反応槽側管で、反応槽1と一体化されてお
り、反応ガスの導入管4を具備し、反応槽1へ反応ガス
を導入する働きをする。図1におけるCVD装置での反
応ガスの流れは、10及び11の反応ガス供給源から流
量制御部を通気し、4の導入管及び反応槽を経て、11
の除害装置を通気して大気に放出される機構になってい
る。シリコン基板5はサセプター6の上に設置されてお
り、サセプター6は加熱炉7で300℃〜1100℃に
加熱される。反応槽側管2と導入管4との位置的な関係
は図2の平断面図である説明図に示した。導入管4は側
管2の外周部の接線位置に設置されている。このため導
入管4を経て側管2を通気する反応ガスは、側管2の内
壁に沿って旋回しながら、シリコン基板5上に達する。
【0011】反応ガスが旋回することによって、混合が
促進され、反応ガスの濃度が均一化されてシリコン基板
上に達する。側管2には通気抵抗板3も付属している。
この通気抵抗板3の平断面図を図3に示してある。通気
抵抗板3にはいくつかの孔を設け、これらの孔は抵抗板
3の中心部ほど孔径が小さく、外周部ほど孔径を大きく
してある。流体の通気抵抗は孔径に反比例するので、抵
抗板3の中央部分の流れは遅く、外周部の流れは相対的
に速くなる。すなわち、流れ全体を考えると側管3を通
気する反応ガスの流れは、側管3の外周部と中心部とで
平均化される。この現象を理解しやすくするために、図
4に管内を流れる流体の様態を示す。図4において、4
1は管壁を示し、42は流体を、43は流体の流れ方向
の先端を示してある。管壁の近傍は、流体の粘性が作用
し、抵抗となって遅れ、管内中央部とに流速の差が生ま
れる。そのため、管内を流れる流体の先端部分は円錐柱
になる。このことは管中央部は管壁部に比較して流体の
輸送量が大きいことを示している。したがって、常圧下
で成膜するCVD装置では、反応ガスの流れの状態が、
膜厚に直接影響を及ぼすことになる。特に枚葉形のCV
D装置では、反応ガスの流れの影響を受けやすい。この
ため、本発明によるCVD装置では、反応ガスの流れを
平均化するために図1における通気抵抗板3を設置し
た。流路に通気抵抗板を設置した場合の流体の流れに対
する影響を図5に示す。
【0012】図5において、51は流路の管壁を、52
は流体、53は流体の先端部をそれぞれ示し、54は通
気抵抗板である。すなわち、図5は通気抵抗板を流路内
に設置することにより、流体の先端部の流速を均一化の
状態にしたものである。
【0013】本発明によるCVD装置は上記した通り、
流体の持つ本質的な性質を利用して、反応ガスの流体分
布を均一化すると同時に、旋回流を起して反応ガス濃度
の均一化を図り、シリコン基板上に形成される膜厚分布
の均一性を向上させることができる。
【0014】
【発明の効果】本発明に基づいたCVD装置の反応槽に
設置された円筒形状の側管の形状は、流体の本質的な性
質によって起こる流れの不均一性を改善し、シリコン基
板上に形成される膜厚の均一性を高め、シリコン基板の
約80〜85%の領域が使用できる効果が得られる。又
反応槽側管の外周の接線方向より反応ガスを導入するこ
とにより、反応ガスに旋回流を与え、反応ガスのキャリ
アガスに対する濃度分布を均一化する機構は、形成する
膜厚の均一性を高める。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に基づいたCVD装置の態様を説明する
ための説明図である。
【図2】本発明に基づいたCVD装置の事象を説明する
ための説明図である。
【図3】本発明に基づいたCVD装置の事象を説明する
ための説明図である。
【図4】本発明に基づいたCVD装置の事象を説明する
ための説明図である。
【図5】本発明に基づいたCVD装置の事象を説明する
ための説明図である。
【符号の説明】
1…反応槽、2…反応槽側管、3…通気抵抗板、5…シ
リコン基板、6…サセプタ、7…加熱炉、8…外装、9
…流量制御ユニット、10及び11…反応ガス、12…
除害装置。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】反応槽又は反応管に気体を導入し、反応槽
    又は反応管の加熱部に装着されたシリコン(Si)基板
    上に、気相化学反応に基づいて、薄膜を形成する化学蒸
    着(CVD)法において、反応槽又は反応管の気体導入
    部が円筒形状であって、この円筒形状の気体導入部の円
    断面の接線上に、気体の流入口を施して、この気体流入
    口より供給される気体が、円筒形状の気体導入部におい
    て、旋回流を起こしながら、シリコン基板上に導入され
    ることを特徴とするCVD用反応槽。
  2. 【請求項2】請求項1記載の気体導入部の内部に多孔を
    施した円板を設けたことを特徴とするCVD用反応槽。
  3. 【請求項3】請求項2に記載した多孔を設けた円板は気
    体の流れ進行方向に対して凹面形状であることを特徴と
    するCVD用反応槽。
JP24953392A 1992-09-18 1992-09-18 Cvd用反応槽 Pending JPH06104183A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6023007A (en) * 1997-03-24 2000-02-08 Showa Denko K.K. Catalytic decomposition of perfluoro-compound
US6162957A (en) * 1997-03-24 2000-12-19 Showa Denko K.K. Catalytic decomposition of perfluoro-compound
CN115323484A (zh) * 2021-09-01 2022-11-11 江苏汉印机电科技股份有限公司 一种用于SiC外延薄膜制备的CVD设备气路系统

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US6023007A (en) * 1997-03-24 2000-02-08 Showa Denko K.K. Catalytic decomposition of perfluoro-compound
US6162957A (en) * 1997-03-24 2000-12-19 Showa Denko K.K. Catalytic decomposition of perfluoro-compound
CN115323484A (zh) * 2021-09-01 2022-11-11 江苏汉印机电科技股份有限公司 一种用于SiC外延薄膜制备的CVD设备气路系统

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