JP2007521633A - 垂直流型回転ディスク式反応器用のアルキルプッシュ気流 - Google Patents

Abstract

エピタキシャル層を基板（３）上に成長させるための回転ディスク式反応器（１）において、ディスクの回転軸から異なる半径方向距離にある基板に向かうガスが、実質的に同一の速度を有する。軸から離れたディスクの部分（１０ａ）に向かうガスは、軸に近いディスクの部分（１０ｄ）に向かうガスよりも、高濃度の反応ガス（４）を含むとよく、これによって、軸（１４）から異なる距離にある基板表面の部分は、単位面積当りにつき、実質的に同一量の反応ガス（４）を受ける。所望の流れパターンが反応器内において達成され、基板へのエピタキシャル層の均一な堆積と成長を可能にする。

Description

本発明は、有機金属化学気相成長用の反応器に関する。さらに詳細には、本発明は、一又は複数の種類のガスを回転基板の表面に噴射して、その表面にエピタキシャル層を成長させる回転ディスク式反応器に関する。

一又は複数の種類のガスが反応器内で回転している基板表面に下向きに噴射される垂直高速度回転ディスク式反応器は、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）に用いられることが多い。特に、垂直ディスク式ＣＶＤ反応器は、レーザやＬＥＤ等の半導体単層膜及び多層膜構造の種々の組み合わせを含む広範囲のエピタキシャル化合物に有用であることが分かっている。これらの反応器において、基板キャリアの上方に離間した１つ又は複数の噴射器が、所定のガス流をもたらし、このガス流が、基板と接触して、エピタキシャル材料の層を基板の表面に堆積する。

大きなウエハの場合、回転ディスク式反応器は、基板から上方に離間したいくつかの噴射器を用いる。噴射器は、典型的には、基板キャリアの中心軸に対してウエハの１又は複数の半径方向軸に沿った種々の位置において、ウエハの上方に離間している。多くの場合、反応器内に噴射される原料反応性材料の割合は、同一モル量の反応物質が基板の表面に到達し得るように、噴射器ごとに異なっている。従って、一部の反応物質噴射器は、他の反応物質噴射器と異なるガス速度を有するだろう。さらに関連して言えば、この反応物質の速度の変動は、噴射器の相対的な配置による。基板を保持する反応器のキャリアが所定速度で回転するので、キャリアの外縁の近くの噴射器は、どのような時点においても、キャリアの中心に近い噴射器よりも、キャリア上に大きな表面積の領域を占める。従って、所望の均一性を維持するために、外側の噴射器は、典型的には、内側の噴射器よりも、大きな反応物質のガス速度を用いる。例えば、個々の噴射装置のガス速度は、隣接する噴射器間において、３〜４倍も異なることがある。

このガス速度の変動は、より均一な層厚を確実に得るのには役立つが、異なる速度によって、噴射器の流れの間に乱流を引き起こすことがある。また、不均一な層厚、反応物質の散逸、又は反応物質の時期尚早な凝縮などの副次的な悪影響のおそれが増大することがある。

本発明の一態様は、反応器を提供することである。本発明のこの態様による反応器は、好ましくは、チャンバーと、チャンバー内に移動可能に、最も好ましくは軸を中心として回転可能に取り付けられる基板キャリアとを備えている。基板キャリアは、１つ又は複数の基板を、最も好ましくは、基板の処理されるべき表面が実質的に軸と直交する位置に、保持するように構成されている。本発明のこの態様による反応器は、望ましくは、１又は複数のガス流れを、実質的に均一な速度で、チャンバー内の基板キャリアに向けて送達するように構成されたガス流れ生成器を備えている。

最も好ましくは、この１又は複数のガス流れはキャリアガスと反応ガスとを含み、この１又は複数のガス流れの異なる部分は異なる濃度の反応ガスを含むように、ガス流れ生成器は構成される。基板キャリアが軸を中心として回転可能に設けられている場合、望ましくは、異なる濃度の反応ガスを含む前記１又は複数のガス流れを、軸から異なる半径方向距離に供給するように、ガス流れ生成器は構成される。基板キャリアの軸に近い部分に向かうガスは、望ましくは、比較的高濃度のキャリアガスと比較的低濃度の反応ガスを含み、基板キャリアの軸から遠い部分に向かうガスは、望ましくは、高濃度の反応ガスを含む。

ガス流れ生成器は、軸から異なる距離にあるチャンバーと連通する複数のガス入口と、これら入口に接続される反応ガスの１又は複数のガス源と、これら入口の少なくとも１つに接続されるキャリアガスのガス源とを備えることができる。

本発明のさらに別の態様は、基板を処理する方法を含む。本発明のこの態様による方法は、望ましくは、基板支持体に処理されるべき１又は複数の基板を、基板の表面が軸に対して実質的に直交して位置するように支持しながら、その支持体を前記軸を中心として回転させる工程を含む。この方法は、反応ガスとキャリアガスとを、これらガスが前記軸から異なる半径方向距離において実質的に均一な速度を有する１又は複数の流れになってチャンバー内の基板表面に向かって流れるように、前記チャンバー内に導入する工程をさらに含む。この１又は複数のガス流れは、軸から異なる半径方向距離にある基板表面の異なる部分が、単位時間当たりかつ単位面積当り実質的に同じ量の前記反応ガスを受けるように設定される。最も好ましくは、キャリアガスと反応ガスを導入する工程は、基板表面の半径方向外側の部分に向かって流れるガスが基板表面の半径方向内側の部分、すなわち、軸に近い部分に向かって流れるガスよりも高い濃度の反応ガスを含むように、反応ガスの少なくとも一部をキャリアガスと混合する工程を含む。

本発明の前述の態様による好ましい反応器及び方法は、基板キャリアの処理面の全体にわたって、例えば、回転ディスクの基板キャリアの表面の全体にわたって、反応ガスの均一な分布をもたらし、反応ガスの速度が異なることによって引き起こされる乱流を回避することができる。

図１に概略的に示される本発明の一実施形態による装置は、反応チャンバー１と基板キャリア２とを備えている。チャンバーは、上壁１６と排気口１１とを備えている。基板キャリア２は、チャンバー１内に中心軸１４を中心として回転可能に取り付けられ、軸１４を中心として回転され得るように、回転駆動システム１２に接続されている。基板キャリア２は、軸１４と直交して上壁１６の方を向く略平坦なディスクの形態にある処理面１８を画成する。このような処理面１８の一部のみが、図１に示されている。反応チャンバー１は、所望のエピタキシャル成長反応を容易にするための他の従来の要素（図示省略）、例えば、基板キャリアを高温に保持するための加熱システム、温度監視装置、及び圧力監視装置を備えている。装置のこれらの特徴は、ニュージャージ州、サマセットのエムコア・コーポレーションからターボディスク（TURBODISC）の登録商標で市販されている反応器に用いられる型式であればよい。

反応器は、上壁１６を通してチャンバーの内部と連通する複数のガス流入口８ａ〜８ｄを有している。図１の実施形態において、各入口は、中心軸１４と平行の方向に沿ってキャリアの処理面１８に向かって下方に向いた単一穴の形態にあり、各入口の穴は同じ大きさを有している。ガス流入口８ａ〜８ｄは、中心軸１４から半径方向に延在する共通面に沿って配置されている。この共通面は、軸１４とその軸１４と直交して延在する半径方向線１７によって画成される面である。ガス流入口８ａ〜８ｄは、例えば、半径方向において均一な間隔ｈだけ互いに離間されている。各入口８は、処理面１８の異なる環状ゾーンと真直ぐに並んでいる。従って、最外入口、すなわち、第１入口８ａは、軸１４から最も遠い最外ゾーン１０ａと真直ぐに並び、入口８ｂは、次のゾーン１０ｂと真直ぐに並び、入口８ｃは、ゾーン１０ｃと真直ぐに並び、入口８ｄは、軸１４に最も近い最内ゾーン１０ｄと真直ぐに並んでいる。ゾーン境界は、図の説明を明瞭にするために、図１では破線によって示されているが、これらのゾーンは、典型的には、基板キャリアの目立つ特徴部によって、はっきりと眼に見えない。

反応器は、複数の反応ガス源６ａ〜６ｄを備えている。このようなガス源の各々は、反応ガスを所定の質量流量で供給するのに適するようにされている。反応ガスを所定流量で供給することができるどのような装置が、用いられてもよい。図示の配置において、各反応ガス源６ａ〜６ｄは、流量制限装置であり、これらのガス源の全てが、反応ガスの共通源４、例えば、このようなガスを圧力下で保持するタンクに接続されている。各ガス源６ａ〜６ｄに含まれる流量制限装置として、固定オリフィス、手動調整弁、又はフィードバック制御システム（図示省略）に連結された自動制御弁、又は計量ポンプのような任意の従来の流量制御構造が挙げられる。反応ガスが液相からの蒸発によって生成される場合、各反応ガス源は、蒸発の速度を制御するように構成された別体の蒸発器を備えているとよく、又は、各反応ガス源は、前述の流量制限装置を含み、これらの流量制限装置の全てが、共通の蒸発器に接続されているとよい。

反応ガスは、反応器に噴射され、反応器内に噴射されて、反応器内において、基板の堆積に関与することが望まれるどのようなガス、蒸気、又は材料であってもよい。さらに詳細には、反応ガスは、基板表面を処理するのに適したどのようなガスであってもよい。例えば、所望の処理がエピタキシャル成長のような半導体層の成長である場合、反応ガスは、成長される半導体の一種以上の成分を含む。例えば、反応ガスは、化合物半導体の堆積用の１種以上のアルキル金属を含むとよい。反応ガスは、複数の化学種の混合物であってもよく、不活性、すなわち、非反応性成分を含んでもよい。所望の反応が、基板表面のエッチングを含む場合、反応ガスは、基板表面の材料と反応性のある成分を含むとよい。

本発明が適用され得る材料系の種類として、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓ_1-xＰ_x、Ｇａ_1-yＩｎ_yＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＳｂ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体のエピタキシャル成長が挙げられる。しかし、本発明は、他の系にも適用され得る。これらの系として、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＣｄＳｅＴｅなどのＩＩ−ＶＩ族化合物、ＳｉＣ、ダイヤモンド、及びＳｉＧｅなどのＩＶ−ＩＶ族化合物、さらに、ＹＢＣＯ、ＢａＴｉＯ、ＭｇＯ₂、ＺｒＯ、ＳｉＯ₂、ＺｎＯ、及びＺｎＳｉＯなどの酸化物、及びＡｌ、Ｃｕ及びＷのような金属が挙げられる。また、得られる材料は、高輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザ、太陽電池、光電陰極、ＨＥＭＴ、及びＭＥＳＦＥＴを含む広範囲の電子及び光電子の用途を有する。

キャリアガス源７ａ〜７ｄも設けられる。キャリアガス源７ａ〜７ｄは、反応ガス源と同様の構造であればよく、キャリアガスの共通供給源５に接続されるとよい。各ガス流入口８ａ〜８ｄは、１つの反応ガス源６ａ〜６ｄと１つのキャリアガス源７Ａ〜７ｄに接続されている。例えば、入口８ａは、反応ガス源６ａとキャリアガス源７ａに接続され、入口８ｄは、反応ガス源６ｄとキャリアガス源７ｄに接続されている。

キャリアガスは、基板に供給される反応性ガスによって与えられるチャンバー内の堆積反応に関与しないどのような所望のキャリアガス、例えば、不活性ガス又は反応に関与しないガスで合ってもよい。代替的に、キャリアガスは、それ自体、例えば、反応の律速段階に関与しないガスとして作用し、従って、どのような所望量であっても、そのような量が所望の温度、圧力、及び反応条件下で反応器内において律速量を超えている限り、供給され得る反応ガスであってもよい。

本発明の一実施形態による方法において、平坦な薄いディスクの形態にある基板３は、基板キャリア２の処理面１８上に、基板３が処理面を覆ってかつ基板３の処理される表面が上壁１６の方に上向きになるように、配置される。望ましくは、基板３の露出面は、処理面の周囲部分と同一の平面又はほぼ同一の平面である。例えば、処理面１８に配置された比較的薄いウエハの形態にある基板３は、ウエハ３の厚みだけ処理面１８の周囲部分から持ち上がった上向き露出面を有する。基板キャリア２の処理面１８は、ウエハの厚みと略等しい深さを有するポケット又は窪み（図示省略）を備えていてもよい。

基板キャリア２と基板３が所望の反応温度にあり、チャンバー１の内部が特定の反応を得るための所望の減圧下にあるとき、反応ガス源６ａ〜６ｄとキャリアガス源７ａ〜７ｄが作動され、ガスを入口８ａ〜８ｄに供給する。各入口に供給される反応ガス４とキャリアガス５は、混合され、各入口８ａ〜８ｄから流出する組合せガス流９ａ〜９ｄを生成する。入口から流出するガス流９ａ〜９ｄは、軸１４と平行の軸方向に沿って、チャンバー内に下方に向かって流れ、基板３の処理面及び露出面に衝突する。異なる入口８ａ〜８ｄからのガス流９ａ〜９ｄは、処理面１８の異なるゾーン１０ａ〜１０ｄに衝突する。例えば、入口８ａから流出する流れ９ａは、主に最内ゾーン１０ａに衝突し、流れ９ｂ、９ｃ、及び９ｄは、それぞれ、ゾーン１０ｂ、１０ｃ、及び１０ｄに衝突する。従って、流れ９ａ〜９ｄは、互いに合流し、実質的に連続的な半径方向に拡がる流れ、すなわち、基板キャリアに向かって流れるガスのカーテンを形成するが、異なる入口８ａ〜８ｄからの個々の流れ９ａ〜９ｄは、処理面１８の異なるゾーン１０ａ〜１０ｄに向かう。換言すれば、処理面１８の最内ゾーン１０ｄに衝突するガスは、主に、入口８ｄからの流れ９ｄのガスから成り、ゾーン１０ｂに衝突するガスは、主に、入口８ｂからの流れ９ｂのガスから成る。他も同様である。基板キャリア２が所定の回転速度αで回転しているので、キャリア２における軸１４を中心とする異なる円周位置の異なる部分は、ガス流９ａ〜９ｄと整合され、これによって、処理面１８のガス流９ａ〜９ｄへの露出は、あらゆる円周位置において、同一である。

基板３の露出面の種々の領域に等しい反応速度をもたらすために、処理面１８の全ての領域１０ａ〜１０ｄは、単位時間当たりかつ処理面の単位面積当たりに付き、等しい量の反応ガス４が供給されるべきである。しかし、種々のガス出口からガス供給されるゾーン１０ａ〜１０ｄは、等しくない面積を有している。例えば、処理面の周囲に隣接するゾーン１０ａは、軸に隣接するゾーン１０ｄよりも、大きな表面を有している。従って、反応ガス源６ａ〜６ｄによって供給される反応ガスの流量は、種々の入口８ａ〜８ｄから流出する流れ９ａ〜９ｄに異なる流量の反応ガスをもたらすように、選択される。他に規定がない限り、この説明において呼称される「流量」は、モル流量である。モル流量は、単位時間当たりのガスの分子の数（又は単原子ガスの原子の数）を指す。反応ガス源６ａは、流れ９ａを得るために、比較的大きな流量の反応ガスを入口８ａに供給し、反応ガス源６ｄは、流れ９ｄを得るために、比較的小さな流量の反応ガスを入口８ｄに供給する。反応ガス源６ｂ及び６ｃは、中間的な流量の反応ガスを供給する。換言すれば、反応ガスの流量は、反応器１の基板キャリア２の回転中心軸１４と反応ガスが供給されるガス入口８ａ〜８ｄとの間の距離に密接に関係して、増大する。

キャリアガス源７ａ〜７ｄは、異なる流量のキャリアガス５を種々の入口８ａ〜８ｄに供給するように、設定される。キャリアガスの流量は、異なる流れ９ａ〜９ｄの速度が互いに等しくなるように、選択される。等しい断面積の流れをもたらす同一の構成の入口の場合、各入口８ａ〜８ｄから流出する流れ９ａ〜９ｄの体積流量は、等しくあるべきである。

ガスがほぼ理想的なガスであると仮定した第１近似では、各流れのガスの体積流量は、流れの全モル流量、すなわち、反応ガスのモル流量とキャリアガスのモル流量の合計に直接的に比例する。従って、等しい全モル流量、従って、等しい速度を有する多数の流れをもたらすには、キャリアガス源７ｄから入口８ｄに供給されるキャリアガスのモル流量は、キャリアガス源７ａから入口８ａに供給されるキャリアガスのモル流量よりも大きくなければならない。入口８ｄに供給され、流れ９ｄに含まれるより大きいキャリアガスの流量が、反応ガス源６ａから入口８ａに供給される反応ガスの流量に対して反応ガス源６ｄから供給されるより小さい反応ガスの流量を補う。

換言すれば、種々の流れは、全体積流量は同一であるが、異なる濃度の反応ガスを有している。最大ゾーン１０ａに衝突する流れ９ａは、最大の反応ガス流量と最小のキャリアガス流量を有し、最小ゾーン１０ｄと衝突する流れ９ｄは、最小の反応ガス濃度と最大のキャリアガス流量を有している。

この構成は、図１において、棒部１３ａ〜１３ｄによって図式的に示されている。棒部１３ｄの全長Ｃは、入口８ｄから流出する流れ９ｄの全モル流量、すなわち、体積流量を表している。この棒部の暗い部分の長さは、流れにおける反応ガスのモル流量ｖ_aを表し、この棒部の白い部分は、同一流れ９ｄのキャリアガスの流量ｉ_aを表している。同様に、棒部１３ａ、１３ｂ、及び１３ｃは、それぞれ、流れ９ａ、９ｂ、及び９ｃの組成と流量を表している。全ての棒部１３の全長Ｃは、等しいが、棒部１３ａ、１３ｂ及び１３ｃは、流れ９ｃ、９ｂ及び９ａにおいて、少しずつ大きくなる反応ガスのモル流量ｖ_c、ｖ_b及びｖ_aと、少しずつ小さくなるキャリアガスの流量ｉ_c、ｉ_b、及びｉ_aを表している。異なる濃度の反応ガスを含むが、全流れ速度が同一である種々の流れ９ａ〜９ｄを供給することによって、システムは、異なる速度の流れによって生じるであろう乱流や他の流れの不整を回避し、単位時間当たりに、実質的に等しいモル流量の反応ガスを処理面の種々のゾーンに供給する。

従って、処理面１８のあらゆる部分におけるウエハ３の露出面は、単位時間当たりかつ単位面積当りに付き、実質的に同じ量の反応ガスを受ける。従って、反応は、ウエハ３の露出面の全てにわたって、実質的に均一の速度で進行する。例えば、この反応がエピタキシャル成長のような層の堆積を含む場合、堆積層は、種々の露出面上に、実質的に均一の速度で成長する。

システムは、単位時間当たりかつ単位表面当りに付き、等しくない量の反応ガスを送達するように、変更させることができる。例えば、反応器内のガス流れパターンは、処理面又はその近くで、軸１４から半径方向外方に向かう流れを含んでもよい。このような流れは、最内ゾーン１０ｄから最外ゾーン１０ｄに向かって、未処理の反応ガスの一部を運ぶ傾向にある。この影響を補うために、ガス源は、例えば、単位時間当たりの最内流れ９ｄの反応ガス濃度を正確に等しい反応ガス流れを達成するのに必要な反応ガス濃度よりも大きくすることによって、わずかに多い反応ガスを最内ゾーンに送達するように、調整することができる。この場合、反応ガスの流れと反応ガスの濃度は、軸１４からの半径方向距離に正確に比例しない。しかし、システムは、異なる濃度で、かつ同一速度の多数のガス流れを用いているので、実質的に均一な速度と、異なる半径方向の箇所において等しくないガス濃度とを有する下向き、すなわち、軸方向に流れるガスカーテンをもたらす。

他の変形形態において、最外入口８ａからのガス流れにおける反応ガスの濃度を１００％とし、最外ゾーンに衝突する下向きに流れるガスが、キャリアガスを含まず、完全に反応ガスから成るようにしてもよい。この場合、入口８ａに関連するキャリアガス源７ａは、省略されてもよい。また、前述の原理は、前述したよりも多数又は少数のゾーンに向けられる前述したよりも多数又は少数の入口を有する場合にも、適用可能である。

図２及び図３に示される本発明のさらに他の実施形態による装置では、ガス流入口は、図１を参照して前述したような回転軸の片側の半径方向面に、配置されていない。それに代わって、図２及び図３の実施形態では、最外ガス入口１０８ａは、基板キャリア１０２の回転軸１１４の片側において、軸から大きく離れた半径方向距離に配置され、次のガス入口１０８ｂは、軸１１４の反対側において、軸からより小さく離れた半径方向距離に配置されている。軸１１４からより小さく離れた半径方向距離に位置する入口１０８ｃと１０８ｄも、共通直径２１９に沿って、軸の両側に位置している（図３）。ここでも、異なるガス流れ１０９ａ〜１０９ｄが、処理面１１８の異なる面積を有する異なるゾーンと衝突する。キャリアガス源１０７ａ〜１０７ｄからキャリアガス流れと反応ガス源１０６ａ〜１０６ｄからの反応ガス流れは、前述したのと同様に選択され、反応ガスの異なる濃度と流量を有しながら同一速度を有するガス流れ１０９ａ〜１０９ｄをもたらす。さらに他の変形形態では、ガス入口は、１つの入口が中心軸の各側に配置される２つの完全な組として、設けられてもよく、このような各組は、ガスを処理面のあらゆるゾーンに導くのに適した完全な補完体のガス入口をなす。２組以上、例えば、２つの直径に配置される４組のガス入口が設けられてもよい。さらに他の変形形態（図４）では、種々のガス入口３６ａ〜３６ｇが、異なる半径１７ａ〜１７ｇに沿って、中心軸１１４から異なる半径方向距離に分布されてもよい。

前述の装置において、各ガス流は、混合ガスを反応チャンバーに導く前に、キャリアガスと反応ガスを混合することによって、生成されている。しかし、これは、不可欠な条件ではない。図５Ａ及び５Ｂの装置において、最内ガス入口２０８ｄは、反応器の上壁２１６に開口する２つの別個の穴、すなわち、反応ガス穴２３０ｄとキャリアガス穴２３２ｄとを備えている。反応ガス穴２３０ｄは、反応ガス源２０６ｄに接続され、キャリアガス穴２３２ｄは、キャリアガス源２０７ｄに接続されている。これらのガス穴２３０ｄと２３２ｄは、互いに隣接して配置されているので、ガス穴２３２ｄを通して導入されるキャリアガスは、ガス穴２３０ｄを通して導入される反応ガスと、それらのガスが反応チャンバー２０１の内部に流入した直後に、合流し、処理面２１８の関連ゾーンに下方に向かって流れる組合せガス流を生成する。他の入口２０８ａ〜２０８ｃの各々は、同様のガス穴の対によって構成され、同様の態様で作動する。

図５Ａ及び５Ｂの装置は、反応チャンバー２１０内において、上壁２１６と処理面との間に取り付けられた多孔板２１５も備えている。米国特許第６，１９７，１２１号においてより詳細に検討されているように、このような多孔板として、例えば、一組の冷媒導管によって支持されたワイヤメッシュスクリーンが挙げられる。なお、この特許の開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。多孔板は、上壁２１６の方を向いた上流側、すなわち、入口側と、基板キャリア２０２の方を向いた（図５Ａにおいて底の方を向いた）下流側とを有している。多孔板２１５は、上壁から離間している。一組のバリア壁２５０が、入口２０８ａ〜２０８ｄの近傍において、上壁２１６と多孔板２１５との間に延在している。バリア壁２５０は、多孔板の上流の空間を、空間２５４ａ〜２５４ｄに細分している。各ガス入口２０８ａ〜２０８ｄは、このような空間の１つに開口している。付加的な壁２５６が、空間２５４ａ〜２５４ｄを多孔板の上流に位置する他の空間２５８（図５Ｂ）から分離している。

作動時において、各入口を通して供給されるキャリアガスと反応ガスは、その入口と関連する空間２５４内において混合され、このような空間と真直ぐに並ぶ多孔板の領域を通過する。例えば、入口２０８ｄによって供給される組合せガス、すなわち、ガス穴２３０ｄからの反応ガスとガス穴２３２ｄからのキャリアガスとの組合せガスは、多孔板２１５のある領域を下方に通過し、その噴射板の下流側から、流れ２０９ｄとして、処理面に向かい、この流れが、主に処理面２１８の最内領域２１０ｄに衝突する。同様に、入口２０８ｃ、２０８ｂ、及び２０８ｄからのガスが、それぞれ、空間２５４ｃ、２５４ｂ及び２５４ａ内で混合し、流れ２０９ｃ、２０９ｂ、及び２０９ａを生成し、これらの流れが、処理面の他の領域と衝突する。図の説明を明瞭にするために、図５Ａにおいて、個々の流れが別々に描かれているが、実際には、これらの流れは、半径方向に広がり、多孔板２１５から処理面に至る途中で、互いに合流する。ここでも、ガス源の各々から供給されるキャリアガスと反応ガスのそれぞれの流量は、各流れ２０９の全流量、従って、各流れの速度は、実質的に等しいが、種々の流れにおける反応ガスの濃度は、等しくないように、選択される。この構成でも、キャリアガスと反応ガス用の付加的な組の入口２０８’が、中心軸２１４を中心として円周方向に離間した他の個所に設けられてもよい。このような各組は、入口２０８ａ〜２０８ｄと同じ態様で配置されてもよい。また、成長プロセスに用いられる他のガスが、付加的な空間２５８に接続される付加的な入口（図示省略）を通して導入されてもよい。このような他のガスは、上記のキャリアガス及び反応ガスと同時に導入することもできるし、又はプロセスの他の工程における他の時期に、導入することもできる。

同様の多孔板が、図１Ａ及び図２を参照して述べたような入口と共に、用いられてもよい。

さらに他の実施形態（図６）による装置において、入口を構成する穴は、各ガス流のガスの量を制御するように、作用する。この実施形態では、最外ガス入口３０８ａは、反応ガス穴３３０ａとキャリアガス穴３３２ａを備え、他のガス入口３０８ｂ、３０８ｃ、及び３０８ｄの各々も、同様の対のガス穴を備えている。ここでも、各ガス入口を構成するガス穴は、互いに隣接して配置されている。これらのガス穴は、共通の半径方向線３１７に沿って配置されている。反応ガス穴３３０ａ、３３０ｂ、３３０ｃ、及び３３０ｄの全てが、共通導管３０６に接続され、この共通導管３０６は、反応ガスの供給源に接続されている。従って、実質的に同一圧力の反応ガスが、反応ガス穴に供給される。同様に、キャリアガス穴３３２ａ、３３２ｂ、３３２ｃ、及び３３２ｄの全てが、共通導管３０７に接続され、この共通導管３０７は、キャリアガスの供給源に接続されている。従って、実質的に同一圧力のキャリアガスが、キャリアガス口に供給される。ガス穴の大きさ、従って、ガス穴の流れ抵抗は、異なる。最外ガス入口３０８ａの反応ガス穴３３０ａは、比較的大きく、比較的低い流れ抵抗を有し、最外ガス入口のキャリアガス穴３３２ａは、比較的小さく、高い流れ抵抗を有している。その結果、これらのガス穴、従って、ガス入口３０８ａから流出するガス流れは、多量の反応ガスと少量のキャリアガスとを含む。逆に、最内ガス入口３０８ｄの反応ガス穴３３０ｄは、比較的小さく、高い流れ抵抗を有し、同じ入口のキャリアガス穴３３２ｄは、比較的大きく、高い流れ抵抗を有している。この入口３０８ｄから流出するガス流れは、比較的多量のキャリアガスを有している。図６を参照すれば、明らかなように、反応ガス穴３３０の寸法は、軸３１４から半径方向外方に向かって、すなわち、処理面の最小ゾーンから最大ゾーンに向かって、徐々に大きくなり、反応ガス穴の流れ抵抗は、この方向において、徐々に小さくなる。逆に、キャリアガス穴の流れ抵抗は、同じ方向において、徐々に大きくなる。従って、装置は、実質的に同一の全流量（キャリアガス＋反応ガス）を有し、異なる濃度の反応ガスを含み、処理面の異なるゾーンに衝突するガス流れをもたらす。前述したような複数の組のガス穴が、多数の半径方向線に沿って設けられ、チャンバーの周囲に、複数のこのような流れをもたらすことができる。

さらに他の変形形態（図７）では、個別のガス穴とその入口は、上壁４１６内を延在するキャリアガス通路４３２と反応ガス通路４３０によって、置き換えられている。これらの通路の下流端（反応チャンバー内に開口する通路の端）が、図７において見えている。これらの通路は、並んで配置されている。キャリアガス通路４３２は、キャリアガス導管４０７に接続され、反応ガス通路４３０は、反応ガス導管４０６に接続されている。導管４０７と４０６は、それぞれ、キャリアガスと反応ガスの供給源に接続されている。キャリアガス通路４３２は、軸４１４から半径方向外方に向かって徐々に減少する幅ｗ４３２を有している。従って、通路の下流方向（図７の紙面の裏側に向かう方向）におけるキャリアガスの流れに対するキャリアガス通路の抵抗は、半径方向外方に向かって徐々に大きくなる。反応ガス通路は、半径方向外方に向かって徐々に大きくなる幅ｗ４３０を有している。従って、反応ガスの下流に向かう流れに対する反応ガス通路の抵抗は、半径方向外方に向かって徐々に小さくなる。作動時において、比較的多量の反応ガスが、反応ガス通路４３０の半径方向外側の部分を通過し、比較的少量のキャリアガスが、キャリアガス通路４３２の半径方向外側の部分を通過する。逆に、少量の反応ガスと大量のキャリアガスが、通路の半径方向内側の部分を通過する。キャリアガスと反応ガスは、合流し、下流方向（図７の紙面の裏側に向かう方向）に流れるガス流を生成する。このようなガス流れは、半径方向の単位距離当りに付き、実質的に一定の全流量及び全ての半径方向の箇所において実質的に一定の速度を有しながら、半径方向外方に向かって徐々に大きくなる反応ガス濃度を有している。

図８に示される本発明のさらに他の実施形態による反応器は、図７を参照して説明した通路と同様の反応ガス通路５３０とキャリアガス通路５３２とを有している。しかし、図８の反応器では、通路は、それらの半径方向の長さにわたって、一定幅を有している。反応ガス通路５３０は、軸５１４から半径方向外方に向かって徐々に大きくなる多孔率を有するメッシュ又は他の多孔構造５３１によって、充填されている。従って、反応ガスの下流に向かう流れに対する通路５３０の抵抗は、半径方向外方に向かって小さくなる。キャリアガス通路５３２は、半径方向外方に向かって徐々に小さくなる多孔率、従って、半径方向外方に向かって徐々に大きくなる流れ抵抗を有する多孔構造５３３によって、充填されている。正味の効果は、図７を参照して述べたのと同じである。通路の他の特徴は、通路の半径方向長さに沿って、流れ抵抗を同様に変化させることによって、変更させることができる。例えば、通路は、半径方向の種々の個所に配置される邪魔板又は部分的な障害物を備えることができる。さらに他の変形形態において、各通路は、その内縁及び外縁において、通路の下流方向において異なる長さを有することができる。例えば、通路が板を通る場合、板の厚みを半径方向に変化させ、通路の長さ、従って、通路の流れ抵抗を半径方向において変化させることができる。

具体的な実施形態を参照して、本発明をここに説明したが、これらの実施形態は、本発明の原理と用途の単なる例示にすぎないことが、理解されるべきである。従って、例示された実施形態に対して、多数の改善がなされ得ること、及び添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神と範囲から逸脱することなく、他のアレンジがなされ得ることが、理解されるべきである。

本発明は、材料のエピタキシャル成長によって多数の電子部品を製造することが望まれる電子機器製造業に適用可能である。本発明は、例えば、電子部品用のシリコンウエハへの材料のエピタキシャル成長用の垂直ディスク反応器に適用可能である。

本発明の一実施形態に係る反応器を示す模式図である。 図１Ａの実施形態に用いられる基板キャリアの平面図である。 本発明の他の実施形態に係る反応器を示す部分縦断面図である。 図２の線３−３に沿った部分図である。 本発明の更なる他の実施形態に係る反応器に用いられる板の部分底面図である。 本発明の更なる他の実施形態に係る反応器を示す部分縦断面図である。 図５Ａにおける線５Ｂ−５Ｂに沿った断面図である。 本発明の付加的な実施形態に係る反応器に用いられる板の部分を示す、図４と同様の図である。 本発明の付加的な実施形態に係る反応器に用いられる板の部分を示す、図４と同様の図である。 本発明の付加的な実施形態に係る反応器に用いられる板の部分を示す、図４と同様の図である。

Claims (26)

1. 反応チャンバーと、
   前記反応チャンバー内に設けられた基板キャリアであって、少なくとも１つの基板が取り付け可能な基板キャリアと、
   前記チャンバーに接続された複数のガス入口と、
   前記入口に接続された反応ガスの１又は複数のガス源と、前記入口の少なくとも１つに接続されるキャリアガスの１又は複数のガス源と
   を備えた基板を処理するための反応器であって、
   前記入口はそれぞれ、ガス流れを前記チャンバー内の前記基板キャリアに向けて送り、前記入口によって送られた前記ガス流れは、前記反応ガスの異なる濃度および前記反応ガスの異なる質量流量を有するが、実質的に同じ速度を有するように、前記ガス源と前記入口とが構成および配置されているとともに、各ガス流れにおける反応ガスの質量流量が前記処理面の関連するゾーンの面積と比例するように、前記入口と前記ガス源とが配置されている反応器。
2. 前記基板キャリアは、等しくない面積の複数のゾーンを含む処理面を有し、前記入口は、前記ガス流れの各々が前記ゾーンの異なる１つと関連しかつそこに衝突するように、配置されることを特徴とする請求項１に記載の反応器。
3. 前記入口と前記ガス源は、前記ガス流れの第１流れが第１面積を有する前記ゾーンの第１ゾーンと衝突し、前記ガス流れの第２流れが前記第１面積よりも大きい第２面積を有する前記ゾーンの第２ゾーンに衝突し、前記ガス流れの前記第２流れは、前記第１ガス流れの反応ガス質量流量よりも大きい反応ガス質量流量を有するように、設定されることを特徴とする請求項２に記載の反応器。
4. 前記入口と前記ガス源は、各ガス流れの前記反応ガスの質量流量が、前記処理面の前記関連するゾーンの面積と直接的に比例すると共に、一定の全ガス速度が維持されるように、設定されることを特徴とする請求項２に記載の反応器。
5. 前記基板キャリアは、軸を中心として回転可能に取り付けられ、前記処理面は、前記軸と実質的に直交し、前記入口は、前記ガス流れを前記軸と実質的に平行の流れ方向に導くように、配置されることを特徴とする請求項２に記載の反応器。
6. 前記入口は、前記軸から異なる半径方向距離に配置されることを特徴とする請求項５に記載の反応器。
7. 前記入口は、前記ガス流れを実質的に共通面に沿って導くように、配置され、前記共通面は、前記軸から実質的に半径方向に延在することを特徴とする請求項６に記載の反応器。
8. 上流面と下流面とを有する噴射板をさらに備え、前記噴射板は、少なくとも部分的に多孔性であり、前記噴射板は、前記チャンバー内において、前記入口と前記基板キャリアとの間に、前記上流面を前記入口に向けて配置され、前記入口から前記基板キャリアに通過するガスが、前記噴射板を通過して前記下流面に至り、前記下流面から前記基板キャリアに向かって流れることを特徴とする請求項１に記載の反応器。
9. 前記入口の少なくとも１つは、前記１又は複数の反応ガス源の１つと接続される反応ガス穴と、前記１又は複数のキャリアガス源の１つに接続されるキャリアガス穴とを備え、前記ガス穴は、前記反応ガス穴を通して導入される反応ガスと前記キャリアガス穴を通して導入されるキャリアガスが混合し、前記噴射板の前記下流面から流出する組合せガス流れを生成するように、前記チャンバーに開口することを特徴とする請求項８に記載の反応器。
10. 前記入口の少なくとも１つは、共通ガス穴を備え、該共通ガス穴は、前記チャンバーに開口し、及び前記１又は複数の反応ガス源に接続され、また前記１又は複数のキャリアガス源に接続されることを特徴とする請求項１に記載の反応器。
11. チャンバーと、
    前記チャンバー内に移動可能に取り付けられた基板キャリアと、
    実質的に均一の速度を有しながら、異なる個所における反応ガスの異なる濃度を有するガス流れを送達するように設定されたガス流れ生成器であって、前記ガス流れを前記チャンバー内の前記基板キャリアに向けて送るように設定されるガス流れ生成器と
    を備えた基板を処理するための反応器であって、
    前記基板キャリアは、軸を中心として回転可能に取り付けられ、前記ガス流れ生成器は、異なる濃度の前記反応ガスを含む前記ガス流れを前記軸から異なる半径方向距離に供給するように構成される反応器。
12. 前記ガス生成器は、前記ガス流れ生成器の前記軸からの半径方向距離に直接比例する割合の濃度の前記反応ガスを含む前記ガス流れを供給するように構成されることを特徴とする請求項１１に記載の反応器。
13. 前記ガス流れ生成器は、前記ガス流れを、前記軸と平行の軸方向に沿って、前記チャンバーに下方に流すことを特徴とする請求項１１に記載の反応器。
14. 前記ガス流れ生成器は、互いに離間された複数のガス流入口と、前記ガス流入口に接続される異なるガス源を備え、前記ガス源は、異なる入口を通して供給されるガスが、異なる濃度の前記反応ガスを含むと共に、実質的に一定の全ガス速度を維持するように、設定されることを特徴とする請求項１１に記載の反応器。
15. 前記ガス流れ生成器は、下流方向を有するキャリアガス通路と下流方向を有する反応ガス通路とを画成する構造であって、前記反応ガス通路が前記キャリアガス通路の近傍に延在する構造と、前記チャンバーに入るキャリアガスが前記キャリアガス通路を通して下流方向に流れるように、前記キャリアガス通路を介して前記チャンバーの内部と連通するキャリアガス源と、前記チャンバーに入る反応ガスが前記反応ガス通路を通して下流方向に流れるように、前期反応ガス通路を介して前記チャンバーの内部と連通する反応ガス源とを備え、前記ガス通路の各々は、前記通路を通る下流方向におけるガス流れに対して抵抗を有し、前記キャリアガス通路の抵抗は、前記軸から半径方向外方に向かって徐々に大きくなり、前記反応ガス通路の抵抗は、前記軸から半径方向外方に向かって徐々に小さくなることを特徴とする請求項１１に記載の反応器。
16. 板を備える閉塞構造をさらに備え、前記キャリアガス通路は、前記板内を貫通するキャリアガスのスロットの形態にあり、前記反応ガス通路は、前記板内を貫通するキャリアガスのスロットの形態にあり、前記各スロットは、半径方向外方と直交する幅を有し、前記キャリアガスのスロットは、外側方向において徐々に小さくなり、前記反応ガスのスロットは、内側方向において徐々に小さくなることを特徴とする請求項１５に記載の反応器。
17. 反応チャンバーと、
    前記反応チャンバー内に軸を中心に回転可能に取り付けられる基板キャリアであって、少なくとも１つの基板が取り付けられ得る基板キャリアと、
    第１反応ガスを第１反応ガス流量で供給するための第１反応ガス源及び第１キャリアガスを第１キャリアガス流量で供給するための第１キャリアガス源であって、前記第１ガス入口と前記第１キャリアガス源は、前記第１反応ガスと第１キャリアガスが第１組合せガス流れとして前記チャンバーに入るように、前記チャンバーに接続され、前記第１組合せガス流れは、第１組合せ流れ速度を有するような第１反応ガス源及び第１キャリアガス源と、
    第２反応ガスを第２反応ガス流量で供給するための第２反応ガス源及び第２キャリアガスを第２キャリアガス流量で供給するための第２キャリアガス源であって、前記第２反応ガス源と前記キャリアガス源は、前記第２反応ガスと前記第２キャリアガスが第２組合せガス流れとして前記チャンバーに入るように、前記チャンバーに接続され、前記第２組合せガス流れは、前記第１組合せ速度と実質的に等しい第２組合せ速度を有するような第２反応ガス源及び第２キャリアガス源と
    を備えた基板上にエピタキシャル層を成長させるための反応器であって、
    前記反応ガス源と前記キャリアガス源は、前記第１組合せ流れが前記処理の第１処理領域に衝突し、前記第２組合せ流れが前記処理面の第２処理領域に衝突し、前記第２処理領域は、前記第１処理領域と面積が等しくないように、前記チャンバーに接続され、
    前記第１及び第２反応ガス速度は、前記第１処理領域に対する前記第１反応ガス流量の比率が、前記第２処理領域に対する前記第２反応ガス流量の比率と等しくなるように、選択される反応器。
18. 第２ガス入口をさらに備え、前記第２キャリアガス源は、前記第２反応ガスと前記第２キャリアガスが第２組合せガス流れとして前記チャンバーに入るように、前記チャンバーに接続され、前記第１ガス入口と前記第２ガス入口は、それぞれ、前記第１組合せガス流れと前記第２組合せガス流れを前記軸と平行の軸方向に沿って前記チャンバー内に下向きに流すことを特徴とする請求項１６に記載の反応器。
19. チャンバーと、
    前記チャンバーに軸を中心として回転可能に取り付けられる基板キャリアであって、処理される１又は複数の基板を保持するための処理面を備える基板キャリアと、
    反応ガスとキャリアガスを、前記ガスが実質的に均一な速度を有する１又は複数の流れになって、前記チャンバー内の前記処理面に向かって流れ、かつ前記処理面の異なる半径方向位置の異なる部分が、単位時間当たりかつ単位面積当りに付き、実質的に同一量の前記反応ガスを受けるように、前記チャンバー内に導入するガス供給手段と
    を備えた基板を処理するための反応器であって、
    前記ガス供給手段は、前記処理面の半径方向外側の部分に向かって流れるガスが前記処理面の半径方向内側の部分に向かって流れるガスよりも高い濃度の前記反応ガスを含むように、前記反応ガスの少なくとも一部を前記キャリアガスと混合するように作動可能である反応器。
20. 前記ガス流れ生成器は、前記ガス流れを、前記チャンバーに前記軸と平行の軸方向に沿って下方に流すことを特徴とする請求項１９に記載の反応器。
21. 基板支持体に１又は複数の基板を、この基板の処理されるべき１又は複数の表面が軸と実質的に直交して位置するように支持しながら、前記支持体を前記軸を中心として回転させる工程と、
    反応ガスとキャリアガスを、前記ガスが、前記軸から異なる半径方向の距離において実質的に均一な速度を有する１又は複数の流れになって、前記チャンバー内の前記１又は複数の表面に向かって流れ、かつ前記軸から異なる半径方向距離における前記１又は複数の表面の異なる部分が、単位時間当たりかつ単位面積当りに付き、実質的に同一量の前記反応ガスを受けるように、前記チャンバー内に導入する工程と、
    前記１又は複数の表面の半径方向外側の部分に向かって流れるガスが、前記１又は複数の表面の半径方向内側の部分に向かって流れるガスよりも高い濃度の前記反応ガスを含むように、前記反応ガスの少なくとも一部を前記キャリアガスと混合する工程と
    を含む基板を処理する方法。
22. 前記導入工程は、前記軸から異なる半径方向距離に配置される複数の入口を通して、前記ガスを前記チャンバー内に放出する工程を含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
23. 前記混合工程は、前記入口の少なくとも一部から放出する前に、前記キャリアガスを前記反応ガスと混合させ、異なる濃度の前記キャリアガスを含む流れが、前記複数の入口の異なる入口から放出されるように、行なわれることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 前記チャンバー内において、前記反応ガスが前記基板で反応し、前記反応ガスからエピタキシャル反応によって誘導される成分を含む層を前記１又は複数の表面に成長させるような反応条件を、維持する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
25. 前記反応ガスは、アルキル金属を含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
26. 前記キャリアガスは、窒素を含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。

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