WO2011007754A1 - 気相成長装置 - Google Patents

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晃 山口
功 松本
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Nippon Sanso Holdings Corp
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/458—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for supporting substrates in the reaction chamber
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    • C23C16/4583—Rigid and flat substrates, e.g. plates or discs the substrate being supported substantially horizontally
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/455—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber
    • C23C16/45502—Flow conditions in reaction chamber
    • C23C16/45508—Radial flow

Definitions

  • the present invention relates to a vapor phase growth apparatus, and more particularly, to a self-revolution type vapor phase growth apparatus in which a thin film, particularly a nitride-based compound semiconductor thin film, is vapor grown on a substrate surface while the substrate is rotated and revolved.
  • a vapor phase growth apparatus for vapor phase growth on a large number of substrates at a time, a plurality of rotation susceptors are arranged in the circumferential direction of the outer periphery of the revolution susceptor, and a bearing and an external gear are provided on the outer periphery of the rotation susceptor.
  • a self-revolving vapor phase growth apparatus that revolves a substrate during film formation by meshing a fixed internal gear provided on the inner surface with the external gear is known (for example, see Patent Document 1).
  • a silicon epitaxial apparatus is known in which the source gas introduction direction and the susceptor rotation introduction direction are the same direction (see, for example, Patent Document 2).
  • JP 2007-266121 A Japanese Utility Model Publication No. 49-140
  • an object of the present invention is to provide a self-revolving vapor phase growth apparatus that can keep the flow rate of the purge gas and the raw material gas constant when the raw material gas introduction direction and the susceptor rotation introduction direction are the same direction. Yes.
  • the vapor phase growth apparatus of the present invention includes a disk-shaped susceptor that is rotatably supported by a hollow drive shaft, and is rotatable in the circumferential direction of the outer periphery of the susceptor.
  • a gas phase growth apparatus in which a source gas supply pipe is coaxially disposed inside the hollow drive shaft, and purges in the direction of the flow channel between an inner peripheral surface of the hollow drive shaft and the source gas supply pipe.
  • a purge gas introduction nozzle for introducing the purge gas from the purge gas passage to the outer periphery of the flow channel is formed in a direction parallel to the upper surface of the susceptor and with a constant vertical dimension. ing.
  • the nozzle is bent from the upper end of the source gas supply pipe toward the outer periphery of the flow channel and protrudes in a disc shape, and the gas flow path at the tip of the source gas nozzle
  • the vertical dimension is smaller than the vertical dimension of the gas flow path on the base side of the raw material gas nozzle, and the length of the nozzle tip having a small vertical dimension is 1.5 times the vertical dimension of the gas flow path on the nozzle base side. It has a length more than double.
  • the purge gas introduction nozzle is protruded in a disk shape into the flow channel in a direction parallel to the upper surface of the susceptor, so that the axis is shifted between the hollow drive shaft and the source gas supply pipe. Even if the flow rate of the purge gas flowing through the purge gas flow path becomes nonuniform in the circumferential direction, the purge gas introduction nozzle can correct the flow rate to be uniform in the circumferential direction of the susceptor and introduce it into the flow channel. Further, by reducing the vertical dimension of the tip portion of the source gas introduction nozzle, the flow rate of the source gas introduced into the flow channel from the source gas supply pipe via the source gas introduction nozzle can be made uniform.
  • the vapor phase growth apparatus shown in the present embodiment includes a disc-shaped susceptor 13 that is rotatably provided in the chamber 11 with a circular opening 13a formed at the center thereof supported by the upper end of the hollow drive shaft 12.
  • a plurality of external gear members (spinning susceptors) 14 rotatably provided in the circumferential direction of the outer peripheral portion of the susceptor 13; and a ring-shaped fixed internal gear member 15 having an internal gear meshing with the external gear member 14;
  • a nozzle 19 for introducing a raw material gas or a purge gas in the outer peripheral direction and a raw material gas supply pipe 20 for supplying the raw material gas to the nozzle 19 are arranged.
  • the chamber 11 is formed of a lower fixed side member 11a and an upper vertical side member 11b provided so as to be movable up and down with respect to the lower fixed side member 11a, and the flow channel 18 is also formed so that the top plate 18a can move upward.
  • the fixed internal gear member 15 is formed to be movable downward.
  • the source gas supply pipe 20 is coaxially arranged inside the hollow drive shaft 12, and a purge gas flow path 21 is provided between the inner peripheral surface of the hollow drive shaft 12 and the outer peripheral surface of the source gas supply pipe 20. Is formed.
  • the raw material gas supply pipe 20 shown in this embodiment has a multi-tube structure, and the first raw material gas is supplied to the central flow path 20a, and the second raw material gas is supplied to the intermediate flow path 20b, respectively.
  • the temperature adjusting fluid is circulated through the flow path 20c.
  • the nozzle 19 has upper and lower three-stage gas introduction passages 19a, 19b, and 19c that are bent from the upper end of the source gas supply pipe 20 toward the outer periphery of the flow channel 18 and project in a disk shape.
  • the upper gas introduction path 19a serves as a first source gas introduction nozzle for introducing the first source gas supplied from the central flow path 20a of the source gas supply pipe 20 into the flow channel 18, and the middle stage gas.
  • the introduction path 19b serves as a second source gas introduction nozzle for introducing the second source gas supplied from the intermediate flow path 20b of the source gas supply pipe 20 into the flow channel 18, and the lower stage gas introduction path 19c.
  • Is a purge gas introduction nozzle for introducing the purge gas from the purge gas passage 21 into the flow channel 18.
  • the top plate 18a is offset upward, and the vertical dimension A of the center of the flow channel 18 is the same as that of the flow channel 18 where the substrate 16 is arranged. It is larger than the vertical dimension B of the main body portion (portion other than the central portion).
  • the upper gas introduction path 19a in the nozzle 19 is formed such that the vertical dimension D on the tip side is smaller than the vertical dimension C on the base side of the gas introduction path 19a, and the vertical dimension D on the nozzle tip side is further smaller.
  • the length dimension E of the small portion is formed to be 1.5 times or more the vertical dimension C on the base side of the gas introduction path 19a.
  • the flow of the first source gas that flows radially from the center of the nozzle and that is supplied from the nozzle tip toward the substrate can be made smooth, and uniform on each substrate surface.
  • the raw material gas can be supplied.
  • the length dimension E can be arbitrarily set in accordance with the distance from the nozzle tip to the substrate 16, but from the main body portion of the substrate 16 or the flow channel 18 that is in a high temperature state by the heating means 17. If the nozzle tip is heated to a high temperature by the radiant heat of the nozzle, the source gas may be decomposed. If the nozzle tip is too close to the substrate 16, the gases flowing out from the tip of the nozzle 19 are not sufficiently mixed with each other. 16 may reach the top surface portion of the film 16 and cause inconvenience in forming a thin film. Therefore, the vertical dimension B of the flow channel 18, the diameter of the susceptor 13, the diameter of the circular opening 13 a, the diameter of the substrate 16, and the number of processed sheets Depending on the above, the vertical dimension C may be set to 1.5 times or more.
  • the lower gas introduction path 19c in the nozzle 19 is formed in a direction parallel to the upper surface of the susceptor 13 and the vertical dimension of the gas introduction path 19c is constant, and the tip is the above-mentioned each It is set at the same position as the nozzle tips of the gas introduction paths 19a, 19b. Therefore, the first source gas, the second source gas, and the purge gas are introduced into the flow channel 18 as a three-layer flow from the tip of the nozzle 19, and each gas is appropriately mixed in the vicinity of the substrate 16. Then, it reaches the upper surface portion of the substrate 16 and a predetermined reaction proceeds to form a predetermined thin film on the substrate surface.
  • the gas introduction path 19c of the nozzle 19 in the direction parallel to the upper surface of the susceptor 13 and the vertical dimension of the gas introduction path 19c as described above,
  • the flow rate and flow velocity of the purge gas in the circumferential direction can be averaged by the flow path resistance of the gas introduction path 19c, and the purge gas can flow uniformly in the substrate direction.
  • mixing with source gas can be made uniform, the growth rate of the thin film formed on a substrate surface can be averaged, and uniform thin film formation can be performed.
  • the flow rate of the purge gas and the raw material gas can be kept constant, and these gases can be uniformly mixed in a predetermined state and supplied to the substrate portion, so that a highly reactive raw material gas, for example, A nitride-based compound semiconductor thin film using an organic metal and ammonia as a source gas can be manufactured efficiently and stably, and the waste of the source gas is eliminated, contributing to a reduction in manufacturing cost.
  • the middle gas introduction path 19b and the lower gas introduction path 19c may have the same structure as the upper source gas introduction path 19a.
  • the kind of source gas may be one, and may be 3 or more types.

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Abstract

原料ガス導入方向とサセプタ回転導入方向とを同一方向としたときのパージガスや原料ガスの流量を一定に保つことができる自公転型の気相成長装置であって、円盤状のサセプタ１３を支持して回転させる中空駆動軸１２の内部に原料ガス供給管２０を同軸に配置し、中空駆動軸と原料ガス供給管との間にパージガス流路２１を形成するとともに、パージガス流路からフローチャンネル１８の外周方向にパージガスを導入するパージガス導入ノズルにおけるガス導入路１９ｃをサセプタの上面に対して平行な方向で、かつ、上下寸法を一定に形成する。

Description

気相成長装置
　本発明は、気相成長装置に関し、詳しくは、基板を自公転させながら基板面に薄膜、特に窒化物系化合物半導体薄膜を気相成長させる自公転型の気相成長装置に関する。
　一度に多数枚の基板に気相成長させる気相成長装置として、公転サセプタの外周部周方向に複数の自転サセプタを配置し、該自転サセプタの外周部に軸受と外歯車とを設け、反応容器（チャンバー）内面に設けた固定内歯車と前記外歯車とを噛み合わせることによって成膜中の基板を自公転させる自公転型気相成長装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、サセプタを回転させながら気相成長を行う装置として、原料ガス導入方向とサセプタ回転導入方向とを同一方向としたシリコンエピタキシャル装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００７－２６６１２１号公報 実開昭４９－１４０号公報
　近年の窒化物系化合物半導体薄膜を製造する際に用いる原料ガスは、例えば有機金属とアンモニアは反応性が高いため、両者を混合させると粒子を容易に生成する。したがって、原料の有機金属ガスとアンモニアガスとは、反応炉（気相成長室）への導入時に混合する必要がある。一方、特許文献２に記載の構造では、放射状に原料ガスを導入する際に、基板表面に近い穴から噴出する原料ガスのみが膜の成長に寄与し、それより上方の穴から噴出する原料ガスは膜の成長に寄与することはなく、原料ガスの無駄となっていた。
　また、特許文献２に記載されているように、回転導入とガス導入とを同一方向にする場合は、回転用受台の中空の回転軸の中にガス導入管を挿入した二重管構造を採用せざるを得ないが、このような二重管構造を採用した場合には、回転軸の内周面とガス導入管の外周面との間の空間から気相成長室内に不純物が浸入したり、逆に気相成長室から原料ガスが外部に漏出したりすることを防止するためのパージガスを常時流しておく必要がある。
　しかし、回転する回転軸と固定されているガス導入管とを正確に同軸に配置して保持することは極めて困難であり、両者の同軸性が損なわれると、前記空間の断面積が周方向で異なってしまうため、気相成長室内に流入するパージガスの流量が気相成長室の周方向で差を生じることになる。
　この点、特許文献２に記載されているような従来のシリコンエピタキシャル装置では、パージガスの僅かな流量差はほとんど問題にならないが、例えば、前述の窒化物系化合物半導体薄膜を気相成長させる場合は、パージガスの僅かな流量差が成膜に大きな影響を与えてしまう。さらに、複数の原料ガスを気相成長室に導入するときに混合させる場合は、気相成長室導入時における各原料ガスの流量が一定に保たれていることが必要になる。
　そこで本発明は、原料ガス導入方向とサセプタ回転導入方向とを同一方向としたときのパージガスや原料ガスの流量を一定に保つことができる自公転型の気相成長装置を提供することを目的としている。
　上記目的を達成するため、本発明の気相成長装置は、チャンバー内に、中空駆動軸に支持されて回転可能に設けられた円盤状のサセプタと、該サセプタの外周部周方向にそれぞれ回転可能に設けられた複数の外歯車部材と、該外歯車部材に噛合する内歯車を備えたリング状の固定内歯車部材と、前記外歯車部材にそれぞれ保持された基板を加熱する加熱手段と、前記基板の表面に平行な方向に原料ガスを導くフローチャンネルと、該フローチャンネルの中心部から外周方向にガスを導入するノズルと、該ノズルに原料ガスを供給する原料ガス供給管とを備え、該原料ガス供給管を前記中空駆動軸の内部に同軸に配置した気相成長装置であって、前記中空駆動軸の内周面と前記原料ガス供給管との間に、前記フローチャンネルの方向にパージガスを流すパージガス流路を形成し、該パージガス流路からフローチャンネルの外周方向にパージガスを導入するパージガス導入ノズルを前記サセプタの上面に対して平行な方向で、かつ、上下寸法を一定に形成している。
　さらに、本発明の気相成長装置は、前記ノズルが、前記原料ガス供給管の上端からフローチャンネルの外周方向に屈曲して円盤状に突設され、該原料ガスノズルの先端部のガス流路の上下寸法が、原料ガスノズルの基部側のガス流路の上下寸法よりも小さく形成され、上下寸法が小さくなったノズル先端部の長さが、ノズル基部側のガス流路の上下寸法の１．５倍以上の長さを有している。
　本発明の気相成長装置によれば、パージガス導入ノズルをサセプタの上面に対して平行な方向にフローチャンネル内に円盤状に突出させているので、中空駆動軸と原料ガス供給管とに軸ずれが生じてパージガス流路を流れるパージガスの流量が周方向で不均一になったとしても、パージガス導入ノズルの部分でサセプタ周方向に均一な流量に補正してフローチャンネル内に導入することができる。また、原料ガス導入ノズルの先端部の上下寸法を小さくすることにより、原料ガス供給管から原料ガス導入ノズルを介してフローチャンネル内に導入する原料ガスの流量を均一にすることができる。
本発明の気相成長装置の一形態例を示す断面正面図である。 同じく要部の断面正面図である。
　本形態例に示す気相成長装置は、チャンバー１１内に、中心部に形成した円形開口１３ａの部分を中空駆動軸１２の上端に支持されて回転可能に設けられた円盤状のサセプタ１３と、該サセプタ１３の外周部周方向にそれぞれ回転可能に設けられた複数の外歯車部材（自転サセプタ）１４と、該外歯車部材１４に噛合する内歯車を備えたリング状の固定内歯車部材１５と、前記外歯車部材１４の上面にそれぞれ保持された基板１６を加熱する加熱手段１７と、前記基板１６の表面に平行な方向に原料ガスを導くフローチャンネル１８と、該フローチャンネル１８の中心部から外周方向に原料ガスやパージガスを導入するノズル１９と、該ノズル１９に原料ガスを供給する原料ガス供給管２０とを配置している。
　チャンバー１１は、下部固定側部材１１ａと、該下部固定側部材１１ａに対して昇降可能に設けられた上部昇降側部材１１ｂとで形成され、フローチャンネル１８も天板１８ａが上方に移動可能に形成されている。また、固定内歯車部材１５は下方に移動可能に形成されている。成膜を終えた基板１６を新たな基板１６に交換する際には、チャンバー１１の上部昇降側部材１１ｂとフローチャンネル１８の天板１８ａとを上昇させるとともに、固定内歯車部材１５を下降させた状態で、基板１６を保持した外歯車部材１４を含むサセプタ１３の全体をチャンバー１１から取り出して行う。
　前記原料ガス供給管２０は、前記中空駆動軸１２の内部に同軸に配置されており、中空駆動軸１２の内周面と原料ガス供給管２０の外周面との間にはパージガス流路２１が形成されている。本形態例示す原料ガス供給管２０は、多重管構造を有しており、中心の流路２０ａに第１の原料ガス、中間の流路２０ｂに第２の原料ガスがそれぞれ供給され、外周側の流路２０ｃには温度調整流体を流通させている。
　前記ノズル１９は、原料ガス供給管２０の上端からフローチャンネル１８の外周方向に屈曲して円盤状に突設された上下三段のガス導入路１９ａ，１９ｂ，１９ｃを有している。上段のガス導入路１９ａは、原料ガス供給管２０の中心の流路２０ａから供給される第１の原料ガスをフローチャンネル１８内に導入するための第１の原料ガス導入ノズルとなり、中段のガス導入路１９ｂは、原料ガス供給管２０の中間の流路２０ｂから供給される第２の原料ガスをフローチャンネル１８内に導入するための第２の原料ガス導入ノズルとなり、下段のガス導入路１９ｃは、パージガス流路２１からのパージガスをフローチャンネル１８内に導入するためのパージガス導入ノズルとなっている。
　ノズル１９の基部が配置されているフローチャンネル１８の中央部は、天板１８ａが上方にオフセットしており、フローチャンネル１８の中央部の上下寸法Ａは、基板１６が配置されるフローチャンネル１８の本体部分（中央部以外の部分）の上下寸法Ｂより大きくなっている。また、前記ノズル１９における上段のガス導入路１９ａは、該ガス導入路１９ａの基部側の上下寸法Ｃに対して先端側の上下寸法Ｄが小さく形成され、さらに、ノズル先端側の上下寸法Ｄが小さく形成された部分の長さ寸法Ｅは、前記ガス導入路１９ａの基部側の上下寸法Ｃの１．５倍以上に形成されている。ガス導入路１９ａをこのように形成することにより、ノズル中心から放射状に拡がって流れ、ノズル先端から基板方向に供給する第１の原料ガスの流れを円滑にすることができ、各基板面に均一に原料ガスを供給することができる。
　なお、長さ寸法Ｅは、ノズル先端から基板１６までの距離に応じて任意に設定することが可能であるが、加熱手段１７によって高温状態となっている基板１６やフローチャンネル１８の本体部分からの放射熱によってノズル先端が高温に加熱されると原料ガスが分解するおそれがあり、また、ノズル先端が基板１６に近すぎるとノズル１９の先端から流出した各ガスが十分に混合せずに基板１６の上面部分に到達して薄膜形成に不都合を来すおそれがあるため、フローチャンネル１８の前記上下寸法Ｂやサセプタ１３の直径及び円形開口１３ａの直径、基板１６の直径及び処理枚数などの条件に応じて前記上下寸法Ｃの１．５倍以上に設定すればよい。
　一方、前記ノズル１９における下段のガス導入路１９ｃは、サセプタ１３の上面に対して平行な方向で、かつ、ガス導入路１９ｃの上下寸法が一定になるように形成されており、先端は前記各ガス導入路１９ａ、１９ｂの各ノズル先端と同じ位置に設定されている。したがって、第１の原料ガス、第２の原料ガス及びパージガスは、ノズル１９の先端から三層流となってフローチャンネル１８内に導入され、基板１６の近傍で各ガスが適度に混合した流れとなって基板１６の上面部分に到達し、所定の反応が進行して基板面に所定の薄膜が形成される。
　このとき、原料ガス供給管２０と中空駆動軸１２とが偏心した状態になっていると、パージガス流路２１の周方向の断面積が異なるため、ノズル１９に至るパージガスの流量が周方向で異なってしまう。このため、例えば、前記特許文献１に記載されているように、フローチャンネルの中心にガスを単に導入した場合は、フローチャンネルの周方向でガス流量及びガス流速が異なってくるため、基板面に形成される薄膜の成長速度に影響を与え、均一な薄膜形成が行えなくなるおそれがある。
　これに対し、ノズル１９のガス導入路１９ｃを、前述のように、サセプタ１３の上面に対して平行な方向で、かつ、ガス導入路１９ｃの上下寸法が一定になるように形成することにより、ガス導入路１９ｃの流路抵抗によって周方向におけるパージガスの流量及び流速を平均化することができ、基板方向に均一にパージガスを流すことができる。これにより、原料ガスとの混合を均一化することができ、基板面に形成される薄膜の成長速度を平均化することができ、均一な薄膜形成を行うことができる。
　このように、パージガスや原料ガスの流量を一定に保つことができ、これらのガスを所定の状態で均一に混合して基板部分に供給することができるので、反応性が高い原料ガス、例えば、有機金属とアンモニアとを原料ガスとして用いる窒化物系化合物半導体薄膜を効率よく安定して製造することができ、原料ガスの無駄もなくなり、製造コストの低減にも寄与することができる。
　なお、中段のガス導入路１９ｂや下段のガス導入路１９ｃを、上段の原料ガス導入路１９ａと同じ構造とすることもできる。また、原料ガスの種類は１種類でもよく、３種類以上であってもよい。
　１１…チャンバー、１１ａ…下部固定側部材、１１ｂ…上部昇降側部材、１２…中空駆動軸、１３…サセプタ、１３ａ…円形開口、１４…外歯車部材（自転サセプタ）、１５…固定内歯車部材、１６…基板、１７…加熱手段、１８…フローチャンネル、１８ａ…天板、１９…ノズル、１９ａ…上段の原料ガス導入路、１９ｂ…中段のガス導入路、１９ｃ…下段のガス導入路、２０…原料ガス供給管、２０ａ…中心の流路、２０ｂ…中間の流路、２０ｃ…外周側の流路、２１…パージガス流路

Claims (2)

  1. 　チャンバー内に、中空駆動軸に支持されて回転可能に設けられた円盤状のサセプタと、該サセプタの外周部周方向にそれぞれ回転可能に設けられた複数の外歯車部材と、該外歯車部材に噛合する内歯車を備えたリング状の固定内歯車部材と、前記外歯車部材にそれぞれ保持された基板を加熱する加熱手段と、前記基板の表面に平行な方向に原料ガスを導くフローチャンネルと、該フローチャンネルの中心部から外周方向にガスを導入するノズルと、該ノズルに原料ガスを供給する原料ガス供給管とを備え、該原料ガス供給管を前記中空駆動軸の内部に同軸に配置した気相成長装置であって、前記中空駆動軸の内周面と前記原料ガス供給管との間に、前記フローチャンネルの方向にパージガスを流すパージガス流路を形成し、該パージガス流路からフローチャンネルの外周方向にパージガスを導入するパージガス導入ノズルを前記サセプタの上面に対して平行な方向で、かつ、上下寸法を一定に形成した気相成長装置。
  2. 　前記ノズルは、前記原料ガス供給管の上端からフローチャンネルの外周方向に屈曲して円盤状に突設され、該原料ガスノズルの先端部のガス流路の上下寸法が、原料ガスノズルの基部側のガス流路の上下寸法よりも小さく形成され、上下寸法が小さくなったノズル先端部の長さが、ノズル基部側のガス流路の上下寸法の１．５倍以上の長さを有している請求項１記載の気相成長装置。
PCT/JP2010/061767 2009-07-15 2010-07-12 気相成長装置 Ceased WO2011007754A1 (ja)

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