JPH07100861B2 - 気体の軸対称的な流れを使用して化学蒸着を行なう方法及び装置 - Google Patents

気体の軸対称的な流れを使用して化学蒸着を行なう方法及び装置

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JPH07100861B2 JP23781086A JP23781086A JPH07100861B2 JP H07100861 B2 JPH07100861 B2 JP H07100861B2 JP 23781086 A JP23781086 A JP 23781086A JP 23781086 A JP23781086 A JP 23781086A JP H07100861 B2 JPH07100861 B2 JP H07100861B2
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は一般に蒸着物質の基板上への化学蒸着に関し、
より詳細には軸対称的な気体の流れを使用してかかる気
体の流れにより運ばれて基板の上に付着する蒸着層に対
し改良を加えることに関する。
（従来技術と発明が解決しようとする問題点） 基板の上に蒸着物質を化学的に蒸着する技術分野では、
受け台を包囲容器内に置き、この受け台に普通には複数
個の基板を支持させるようにすることは周知の事実に属
する。基板上に蒸着されることになる気体状原子を含む
キャリヤーガスを容器の中に導入し、導入したガス、つ
まり気体を基板受け台の近傍に導く。基板と平行に気体
が流れるようにするため、気体の流れをその経路が基板
受け台の幾何学的配置で定まるように拘束するのが普通
である。かかる気体の輸送現象と化学反応との結合効果
のため、蒸着物質の原子は高温で基板の表面に付着する
ことによって所望の蒸着層を形成する。この蒸着法が満
足なものであることはこれまでに実証されていたが、大
容量の被蒸着材料が必要になり、しかも高品質の蒸着製
品が要求されるようになって、上記蒸着法はその限界に
逢着するに至った。かかる蒸着法には、問題が４つ有
る。第１の問題は基板受け台で支持されている基板の表
面の隅々までに気体を流す時、キャリヤーガス中の蒸着
物質の濃度は蒸着物質が基板表面に付着するにつれて変
化するという問題である。それ故に、蒸着物質が薄膜と
して形成される成長速度は基板受け台の全長にわたっ
て、従って又各基板の全長にわたって相違することにな
る。第２の問題は蒸着すべき区域で蒸着物質が枯渇した
時、新たな蒸着物質を蒸着に使用される大きな反応容器
の中で比較的長い距離にわたって輸送しなければならな
いという問題である。輸送現象によって制御される此の
蒸着では蒸着の行なわれる速度が制限され、その結果と
してエピタキシャル成長法などで製作される材料のコス
トも関連して高くなるのを免れない。第３の問題はオー
トドーピングと普通に呼ばれている問題である。オート
ドーピングのプロセスでは、ドーパント（微量の添加不
純物）を高濃度で含む基板中の不純物の原子は基板の表
面から脱離させられ、脱離原子が気相を媒介としてドー
パントを含むことのより少ない、蒸着されつつある蒸着
物質層の中に取り込まれることが有り得る。そのため、
当該技術分野では、オートドーピングを最少限に抑える
ため余分の被膜を基板の裏面に蒸着させるなどの特別な
方策を講じざるを得ない。第４の問題は粒子の付着によ
る蒸着面の汚染である。化学蒸着室の大容量化につれ、
これに伴って蒸着室の壁面の面積も大きくなってきた。
かかる壁面上に形成される望ましからざる付着物が、不
都合にも蒸着物質中に取り込まれることの有り得る粒子
を発生させる原因となる。
そこで、基板の上に蒸着物質を化学蒸着させる方法であ
って、基板の上に付着させられる蒸着物質の薄膜成長速
度が基板の全域にわたって極く一様になるような蒸着方
法、蒸着物質の薄膜成長速度を増加させることのできる
ような蒸着方法、新たに蒸着プロセスの諸段階を付加す
ることなく蒸着物質のオートドーピングを阻止できるよ
うな蒸着方法、及び粒子の付着による蒸着面の汚染を最
少限に抑えることのできるような蒸着方法の出現が強く
望まれている。
（発明の目的） 従って、本発明の１目的は蒸着物質を基板の上に化学蒸
着するための改良方法及び改良装置を提供することにあ
る。
本発明のその上の目的は、キャリヤーガス中の蒸着物質
の濃度が基板の全域にわたって概して一定となるような
改良された化学蒸着を行なうための方法及び装置を提供
することにある。
本発明のまた別の目的は、基板とキャリヤーガスの流れ
が共に軸対称性をもつようにして、蒸着物質を基板の上
に付着させる化学蒸着を行なうことにある。
本発明のまた別の目的は、キャリヤーガスの淀み点流を
使用して蒸着物質を基板の上に化学蒸着することにあ
る。
本発明のまたその上の目的は、蒸着により運ばれた蒸着
物質の化学蒸着を行なうためまっすぐに基板のほうへ向
かう一様な蒸着の流れを形成させることにある。
本発明のまた別の目的は、蒸着物質を含むキャリヤーガ
スが通過することのできる複数個の開口を設けることに
よって、円形基板へ向かって流れる上記ガスの一様な軸
対称的な流れを、化学反応によって結晶基板上に単結晶
薄膜を成長させる蒸着室の中に形成させることにある。
本発明のまたその上の目的は、蒸着物質を含むキャリヤ
ーガスを化学反応蒸着室中に置かれた基板の上に流すこ
とと、該基板を回転させることとによって、蒸着物質の
薄膜の一様な成長速度を上記蒸着室中で得ることにあ
る。
本発明のまた別の目的は、化学反応蒸着室中で、蒸着物
質が基板の上に蒸着された後に気体状の化学反応生成物
を一様に除去することにある。
本発明のまたその上の目的は、化学反応蒸着室中で、蒸
着物質の基板上への蒸着速度を制御する便利な方法を得
ることにある。
（問題点を解決するための手段及び作用） 本発明によれば、上述の諸特徴及び他の諸特徴は、円形
基板から所定の距離にある点から導入された気体が一様
な初速度で上記基板へ向かうように構成した化学反応蒸
着室を備えることによって達成される。この気体は、基
板に近づくと、向きを半径方向外側へ変えさせられて軸
対称的な流れとなる。この気体の化学反応蒸着室からの
引出しは、多数個の開口、一連の隔壁、又は気体の流れ
の軸対称性を保存する他の装置によって行なわれる。気
体の流れの不規則性を平均化することによって、蒸着層
の厚さの一様性を高めるため、円形基板を回転させても
よい。基板から気体を導入する装置までの距離を変えて
もよい。加えて、気体の流れの軸対称性は、蒸着物質の
オートドーピングを減少させるという効果を奏する。半
径方向に向いた気体の流れは、化学反応蒸着室の内壁面
の小さいことと相俟って、基板の上に成長しつつある蒸
着層の、蒸着物質の粒子による汚染を最少限に抑制する
という効果を奏する。
（実施例） 本発明の上記諸特徴及びその他の諸特徴は添付図面に基
づいて以下の説明を読めば理解されよう。
第1a図は、基板受け台15の上に載置された複数個の基板
10を示す図である。基板を横断して気体状の物質11を流
して蒸気中の所定成分を基板の上に蒸着させる。第1b図
は基板受け台15の複数個の基板支持面13の各自に複数個
の基板10を支持させ、かかる支持面の隅々までガス11を
流すことによって、基板をガスの流れに暴露させるよう
に構成した基板受け台の幾何学的配置を示す図である。
第1c図は基板受け台15が複数個の基板10を支持するよう
に構成した基板受け台の幾何学的配置を示す。基板受け
台の中心に穿設した開口14から蒸着物質を含む気体を導
入する。
つぎに第２図は、（１種類、又はそれ以上の種類の）蒸
着物質を運ぶ気体11が基板受け台15によって支持されて
いる概して円形の基板10のほうへ向けられる様子を図解
式に示す図である。この気体は、まずはじめに円形基板
10の表面に向け、ついで基板受け台結合体の対称軸から
遠ざかる方向、すなわち半径方向外側へ向けて流され
る。
つぎに第３図は、基板10に近づく気体11の流れを、かか
る気体の流れの対称軸を含む平面についての断面図で示
したものである。気体11の流れは当初、基板10の全表面
に対して直角な方向に向いた概して一様な速度を有して
いる。固体の基板は、該基板に近づく気体11の流れを表
わす速度ベクトルの向きを変えてこの基板11の表面と平
行にし、この速度ベクトルを対称軸から遠ざからせるよ
うにする。「淀み点」と呼ばれるのが普通の、対称軸上
の１点21においては、気体の流れが理論上は存在しな
い。固体表面に近づく気体の一様な流れに起因すること
の軸対称的な流れは「淀み点流（剛体境界上の淀み点に
向かう流れ）」と呼ぶのが普通である。
つぎに、固体の基板に向かって近づく一様な大きさの速
度ベクトルを持つ気体の流れを生ぜしめる初期条件を満
足させるための実際の配置を示したものが第４図であ
る。エンクロージュアの表面か、又は概して平行な２枚
の平行平面板の１表面かのどちらであってもよい表面71
の上方区域の中に気体11を導入させる。導入された気体
11は上記表面71に穿設した開口74を通過して半導体基板
10へ向かう。従って、気体の流れを表わす速度ベクトル
は、はじめは、基板のほうへ向いている。開口74が比較
的小さな大きさを持っていることから、気体が開口を通
過して基板10の表面に向かう時、気体の速度ベクトルは
その大きさがかかる開口74の全てについて一様であるの
が普通である。離散配置開口の使用に起因する粒状性に
よって引起こされる効果を減殺するため、かつ気体の速
度分布の不規則性を平滑化するため、基板を気体の流れ
ている間じゅう回転させる。開口74を二等辺三角形の頂
点の位置に配置し、しかも基板10と略同一の寸法を持つ
と共に基板10と軸対称関係に配設された表面71の全域に
わたって一様に上記開口の各自を分布させると、概して
一様な流れの得られるということが分かった。
つぎに第5a図は基板10の近傍における軸対称性を変える
ことなく気体を蒸着室から排出させることのできる装置
の図である。１実施例においては、複数個の比較的大き
な開口53を気体の流れの対称軸から概して等距離に配置
し、かかる開口を通って気体が排出されるように装置を
構成する。しかしながら、このように装置を構成する
と、他の付加装置が存在していない場合は、多数の構造
を基板10の近傍における、ガスの流れる範囲内に配置す
ることが必要になる。かかる大きくなる構造を小さくす
るため、基板と上記開口53との間に隔壁51及び52を挿入
することが可能である。この構造は、気体の流れの向き
をえに戻すことによって、流れを平滑化し、その結果と
して、気体の流れの軸対称性を高める。多数の開口53を
半導体基板の回りに配設し、しかもかかる開口の数を充
分に大きくすれば、隔壁51及び52が無かったとしても、
基板10の近傍におけるガスの流れの軸対称性から外れを
最少化できるということは明白であろう。第5b図は基板
受け台15によって支持された基板10に対する隔壁51、52
及び開口53の相対関係を示す水平部分断面図である。
（好ましい実施例の動作） 半導体基板上への物質の化学蒸着は、軸対称性を有する
ように概して拘束された流れを持つ気体を半導体基板10
の表面に沿い流した結果として生じたものである。この
形態の流れは「淀み点流」と呼ばれるのが普通である。
気体により運ばれて基板の上に付着した蒸着層の密度
は、上記条件の下では、基板の全表面にわたり概して一
様である。この結果は他の応用分野でもかかる形態の流
れの研究から得られており、さらに同じ結果の得られる
ことを発明者達は蒸着容器の各種パラメーターによって
定まる条件の下でコンピューターによるシュミレーショ
ンを行なって確認している。対称軸から離れると膨張す
る領域が存在することから、蒸着物質を最初の濃度で含
む気体が対流と拡散の両作用を受けて基板の表面と接触
するに至るというのがかかる結果の生じる本質的な原因
である。その上に、他の分野の研究から知られており、
しかもコンピューターによるシュミレーションで確認さ
れている知見として、衝突する気体の温度が概して半径
方向にそって一様であるという事実である。すなわち、
基板の上方の等温線は基板表面から等間隔で配列してい
る。同様にして、気体中で起きている化学反応に関して
知られている知見として、基板表面からの所定距離の点
における、気体成分間のモル分率が概して半径方向にそ
って一様であるという事実がある。
一連の開口から気体を導入して必要とする初期条件が達
成されるようにすることが実際には必要であり、他方で
は入ってくる蒸気及び出て行く蒸気に対して円形の半導
体基板を正確に心合わせするのが困難であるという２つ
の理由から、基板を回転させることによって基板から見
たキャリヤーガスの不均一構造を減らすことにする。
これまでは基板に対する特定のガスの流れについて論じ
てきたが、この他にも重要な特徴のあることは当然明ら
かであろう。例えば、基板を加熱する場合、特に光放射
で基板を加熱することにすれば、気体の通過する開口を
備える装置はたとえば、溶融石英などの適当な透明材料
で作るのが普通である。また明らかなように、半導体基
板を水平面内に配置し、その上方から蒸気を基板に当て
るように構成した装置を好ましい実施例として例示した
けれども、かかる実施例の動作を変更することなく蒸気
を当てる向きを変えることも可能である。
本発明の重要な諸様相の１つとして、気体導入装置と基
板との間の距離（第４図にｄとして図示する）を制御す
る能力がある。この距離を定めることのできる能力は、
基板10上に薄膜として蒸着される物質の膜成長速度を制
御するための有力な手段を提供するものである。気体の
軸対称的な流れは、対称軸から離れた点において、オー
トドーピングを発生させる蒸着物質の流れる方向とは反
対の方向を基板に対してもつ気体の流れを作り出すこと
によってオートドーピングを減少させるという重要な利
点を有する。パージングガスを基板の裏面に流すことに
よって、上記効果が助長されてオートドーピングはさら
に減少する。
以上の記述は、本発明を限定するつもりではなく、好ま
しい実施例の動作を説明するために行なったものであ
る。本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ限定さ
れるべきものである。本発明の精神及び範囲から逸れる
ことなく種々の異なる実施例を構成することのできるこ
とは当業者にとって明白であろう。
【図面の簡単な説明】
第1a図、第1b図及び第1c図は蒸着物質を含む気体の、基
板の隅々までにわたる流れを先行技術の代表的配置につ
いて図解式に示した図である。 第２図は気体の流れが当初は円形基板へ向けて一様に流
されている様子を本発明について示した略図である。 第３図は基板に近づく、蒸着物質を運ぶ気体の流れを本
発明について示した断面図である。 第４図は第３図に示す気体の流れを生ぜしめるための初
期条件を実現する装置の略図である。 第5a図は第４図の装置の平面断面図であって、本発明に
よるガスの流れの軸対称性を維持するための隔壁の位置
が示されている。 第5b図は第４図の装置の部分断面図であって、気体の一
様な流れを生ぜしめるような相対位置に配設された第5a
図の隔壁の位置が示されている。 10……基板 11……気体の軸対称的な流れ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウェイン エル ジョンソン アメリカ合衆国 アリゾナ州 85044 フ ェニックス アパルーサ 12019 (72)発明者 ゲアリー ダブリュー リアド アメリカ合衆国 アリゾナ州 85224 チ ャンドラー イースト マノア ドライブ 638 (72)発明者 マクドナルド ロビンソン アメリカ合衆国 アリゾナ州 85253 パ ラダイス ヴァリー アヴェニダ デル ソル 8734 (56)参考文献 特開 昭60−177180（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−51629（ＪＰ，Ａ)

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】円形基板上に物質を蒸着する装置であっ
    て、 上記円形基板を入れるチャンバーと、 上記チャンバー内で、上記円形基板とほぼ平行でかつ円
    形基板から間隔を置いる表面を有する部材であって、該
    表面は複数のガス流れ開口を有していてガス流れがそこ
    を通過して上記円形基板の方向に流れ、上記ガス流れ開
    口は上記円形基板とほぼ同じ大きさの領域の表面に均等
    にかつ該円形基板と同心的に分配されており、さらに、 上記チャンバーからのガス流れを排除するために上記円
    形基板の外周を取り囲む複数のガス排出開口とを有し、 上記表面を平行に配置すること、上記ガス流れ開口を均
    等に分配すること、及び上記ガス排出開口で囲むことに
    よって、上記表面から上記円形基板までの上記円形基板
    の中心に対し軸対称な垂直なガス流れを形成し、該ガス
    流れによって上記表面に対面する円形基板の中心に淀み
    点流れが形成され、上記ガス流れは上記円形基板をわた
    って半径方向外向きに流れて上記ガス排出開口に入るこ
    とを特徴とする円形基板上に物質を蒸着する装置。
  2. 【請求項２】上記ガス排出開口が、上記円形基板の周囲
    から概ね同距離離れて配置されていることを特徴とする
    請求項１記載の円形基板上に物質を蒸着する装置。
  3. 【請求項３】上記円形基板が回転することを特徴とする
    請求項１記載の円形基板上に物質を蒸着する装置。
  4. 【請求項４】上記ガス流れが、さらに、エピタキシャル
    蒸着のための化学蒸着物質を包含することを特徴とする
    請求項１記載の円形基板上に物質を蒸着する装置。
  5. 【請求項５】上記ガス流れが、さらに、シリコンのエピ
    タキシャル蒸着のための化学蒸着物質を包含することを
    特徴とする請求項３記載の円形基板上に物質を蒸着する
    装置。
  6. 【請求項６】上記装置が、さらに、上記円形基板の上記
    表面と反対の側から洗浄ガスを導入する装置を包含する
    ことを特徴とする請求項１記載の円形基板上に物質を蒸
    着する装置。
  7. 【請求項７】上記装置が、さらに、上記円形基板上の物
    質の蒸着成長を制御するために上記円形基板と上記表面
    の間の間隔を変えるための装置を包含することを特徴と
    する請求項１記載の円形基板上に物質を蒸着する装置。
  8. 【請求項８】上記装置が、さらに、上記ガス流れの軸対
    称性を円滑に進めるために、上記円形基板と上記ガス排
    出開口との間に隔壁を設けていることを特徴とする請求
    項１記載の円形基板上に物質を蒸着する装置。
  9. 【請求項９】円形基板上に物質を化学蒸着する装置であ
    って、 上記円形基板を入れるガス蒸着チャンバーと、 上記チャンバー内で、上記円形基板と平行に配置された
    プレートと、 上記円形基板の半径にほぼ等しい半径を持ちかつ上記円
    形基板と同心的に整列したほぼ円形の領域内に形成され
    た上記プレート内の複数のガス流れ開口であって、上記
    ガス流れ開口は該領域内に均等に配置され、上記プレー
    トの上に導入されるガスは上記ガス流れ開口を通過しほ
    ぼ一定の速度で上記円形基板の方向にかつ上記円形基板
    に対し軸対称に直角方向から流れ、上記流れは上記円形
    基板の中心の流れ淀み点を維持し、 上記ガスが軸対称により上記基板をわたって半径方向外
    向きに流れるように、上記円形基板の周囲に設けた複数
    のガス排出開口と を有することを特徴とする円形基板上に物質を蒸着する
    装置。
  10. 【請求項１０】上記ガス排出開口が、上記円形基板の周
    縁を囲む円に沿って配置されていることを特徴とする請
    求項９記載の円形基板上に物質を蒸着する装置。
  11. 【請求項１１】上記装置は、さらに、上記カス流れの軸
    対称性を円滑に進めるために、上記円形基板と上記ガス
    排出開口の間に隔壁を設けていることを特徴とする請求
    項９記載の円形基板上に物質を蒸着する装置。
  12. 【請求項１２】上記装置は、さらに、上記円形基板を横
    断して半径方向外向きに移動するガス流れの軸対称性を
    円滑に進めるために、上記円形基板とガス排出開口との
    間に第１円形隔壁を設けていることを特徴とする請求項
    ９記載の円形基板上に物質を蒸着する装置。
  13. 【請求項１３】上記装置が、さらに、上記第１円形隔壁
    から反対向きに軸線方向に延びてそれらの間に環状空間
    を形成刷る第２円形隔壁を有し、上記円形基板から半径
    方向外向きのガス流れが上記ガス排出開口へ真っ直ぐ進
    むことを妨げることを特徴とする請求項９記載の円形基
    板上に物質を蒸着する装置。
  14. 【請求項１４】上記装置が、さらに、上記円形基板と上
    記プレートとの間の距離を変える手段を有することを特
    徴とする請求項９記載の円形基板上に物質を蒸着する装
    置。
  15. 【請求項１５】上記装置が、さらに、上記円形基板を回
    転させる手段を有することを特徴とする請求項９記載の
    円形基板上に物質を蒸着する装置。
  16. 【請求項１６】上記装置が、さらに、上記円形基板のオ
    ートドーピングを減少させる手段を有することを特徴と
    する請求項９記載の円形基板上に物質を蒸着する装置。
  17. 【請求項１７】上記オートドーピングを減少させる手段
    が、上記円形基板の下から洗浄ガスを導入するための装
    置を包含することを特徴とする請求項16記載の円形基板
    上に物質を蒸着する装置。
  18. 【請求項１８】上記プレートが、放射された熱を透過す
    る材料から作られていることを特徴とする請求項９記載
    の円形基板上に物質を蒸着する装置。
  19. 【請求項１９】上記プレートの材料が、溶融石英である
    ことを特徴とする請求項18記載の円形基板上に物質を蒸
    着する装置。
  20. 【請求項２０】円形基板上に物質を化学蒸着する方法で
    あって、 上記円形基板に直交し上記円形基板をほぼ同じ大きさの
    断面を有し共軸的であるガス流れの中で蒸着材料を含む
    ガスを上記円形基板に当てるステップと、 上記円形基板を回転させるステップと、 上記円形基板の周縁の回りに配置された複数のガス排出
    開口を通して上記円形基板をわたって半径方向外向きの
    ガス流れを取り出して均一な軸対称のガス流れをつくる
    ステップと を有することを特徴とする円形基板上に物質を化学蒸着
    する方法。
  21. 【請求項２１】上記方法が、さらに、上記円形基板と上
    記ガスを当てる手段との間の距離を変えることによって
    上記蒸着の速度を制御するステップを包含することを特
    徴とする請求項20記載の円形基板上に物質を化学蒸着す
    る方法。
  22. 【請求項２２】上記方法が、さらに、上記円形基板と上
    記ガス排出開口の間に設けられた隔壁の周囲で、上記ガ
    スを上記円形基板の周縁から流させることを特徴とする
    請求項20記載の円形基板上に物質を化学蒸着する方法。
  23. 【請求項２３】上記方法が、さらに、上記ガスを、環状
    空間を形成する一対の環状壁の間の上記円形基板の周縁
    から流させるステップを包含することを特徴とする請求
    項22記載の円形基板上に物質を化学蒸着する方法。
JP23781086A 1985-10-07 1986-10-06 気体の軸対称的な流れを使用して化学蒸着を行なう方法及び装置 Expired - Lifetime JPH07100861B2 (ja)

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