JP4542859B2

JP4542859B2 - 気相成長装置

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Publication number: JP4542859B2
Application number: JP2004291707A
Authority: JP
Inventors: 功松本; 仲男阿久津; 邦全植松; 祐一郎北村
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2004-10-04
Filing date: 2004-10-04
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2024-10-04
Also published as: JP2006108311A

Description

本発明は、気相成長装置に関し、詳しくは、円周上に配置した複数の基板上に同時に半導体薄膜を成長させるための気相成長装置であって、特に、原料ガスの一つに有機金属化合物を使用したＭＯＣＶＤに最適な気相成長装置に関する。

気相成長装置として、円形の上板と下板とによって偏平円筒状に形成した反応室の中央部にガス導入部を配設するとともに、反応室内の同一円周上に複数の基板を配置し、加熱手段で基板を所定温度に加熱してガス導入部から原料ガスを反応室内に導入することにより、同時に複数の基板上に薄膜を成長させる装置が知られている。さらに、このような装置では、各基板を保持する基板ホルダーを回転（自転、公転あるいは自公転）させることにより、複数の基板上に成長させる薄膜の均一化を図ることも行われている（例えば、特許文献１参照。）。
特許第３３７６８０９号公報

しかし、前述のような構造の気相成長装置では、高温に加熱された基板等からの熱輻射や対流伝熱によってガス導入部の先端温度が上昇し、熱分解温度が低い原料ガスがガス導入部から噴出する際に熱分解して所定の薄膜成長を行えなくなることがあった。特に、ガス導入部外周の円周上に複数の基板を配置するものでは、ガス導入部が周囲から加熱されるために、一般的な横型反応室のガス導入部よりも高温になりやすく、原料ガスの熱分解も生じやすくなっている。このため、ガス導入部自体を冷却することも考えられるが、反応室内に複数種のガスを導入するものでは、構造が複雑になって、ガス流れなどに悪影響を及ぼすことがある。

そこで本発明は、ガス導入部の温度上昇を抑えて原料ガスを熱分解させずに基板上に安定した状態で供給することができる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、円盤状の基板保持台と、該基板保持台に対向配置されて基板保持台との間に偏平円筒状の反応室を形成する隔壁と、該隔壁の中央部に設けられたガス導入部と、前記反応室の外周に設けられたガス導出部と、前記基板保持台の同一円周上に配設された複数の基板保持部と、該基板保持部に保持した基板を加熱する加熱手段とを備えた気相成長装置において、前記基板保持台の中央部に冷却手段を設け、該冷却手段の反応室内部側に、前記基板保持台の軸線に対して同軸に設けられた円形又はリング状の冷却面を備え、前記冷却手段の外周にリング状の断熱部を設け、前記ガス導入部は、反応室の軸線を中心とした多重管構造を有し、該多重管の反応室内の先端部には、該多重管により区画されたガス導入経路を通ってそれぞれ導入されるガスを反応室の外周方向に向けてガイドするための外縁が円形のガイド板が設けられていることを特徴としている。

さらに、本発明の気相成長装置は、上記構成において、前記断熱部が、輻射防止部材及び低熱伝導部材のいずれか一方の部材を有していること、または、前記冷却手段の周囲に配置された輻射防止部材と、該輻射防止部材の周囲に配置された低熱伝導部材とを有していることを特徴としている。

また、前記基板保持台の反応室内側の中央部に、前記基板保持部の反応室内面よりも反応室外側方向に窪ませた凹部が設けられていることを特徴としている。

本発明の気相成長装置によれば、反応室を構成する隔壁の中央部に設けたガス導入部を、反応室を構成する基板保持台の中央部に設けた冷却手段によって冷却することができるので、原料ガスに熱分解温度が低いものを使用した場合でも、ガス導入部の温度が前記熱分解温度以上になることを防止できる。

図１及び図２は気相成長装置の第１参考例を示すもので、図１は概略縦断面図、図２は基板保持台の平面図である。

この気相成長装置は、円盤状の基板保持台（サセプタ）１１と、円盤状の隔壁１２とを水平方向に向けて所定間隔で対向配置することにより、基板保持台１１と円盤状の隔壁１２との間に偏平円筒状の反応室１３を形成したものであって、隔壁１２の中央部には、ガス導入管１４を接続したガス導入部１５が設けられ、反応室１３の外周にはガス導出部１６が設けられている。また、隔壁１２の外周は基板保持台１１の周囲を囲むように屈曲しており、基板保持台１１と隔壁外周壁１２ａとの間に下方に向かう排気通路１６ａが形成されている。

基板保持台１１は、ガス導入部１５に対向する中央部分に冷却手段１７を配設するための円形の開口１１ａを有しており、基板保持台１１の外周部分には、基板１８を保持する複数の基板保持部（基板ホルダー）１９が同一円周上に等間隔で配置されている。基板保持台１１は、鉛直線を回転軸として冷却手段１７と一体に、あるいは別体に回転するように形成されており、基板保持部１９は、基板保持台１１に装着された状態で回転するように形成されている。また、基板保持部１９の下方には、基板１８を加熱するための加熱手段として、リフレクター２０に収納されたヒーター２１がリング状に配設されている。

さらに、基板保持台１１の上面は、外周部カバー２２ａ及び基板保持部１９を装着する部分に開口を設けた内周部カバー２２ｂで覆われており、基板保持部１９の上面は、基板１８を保持する開口を設けた保持部カバー２２ｃで覆われている。これらのカバー２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、石英ガラス、アルミナ、サファイア、窒化ホウ素等で形成され、着脱が容易に行えるように設けられている。また、カバー２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、主として基板保持台１１を保護し、上面に反応生成物が付着したときの清掃作業を容易にするために設けられるものであって、省略することも可能である。

前記ガス導入管１４は、小径管１４ａ、中径管１４ｂ及び大径管１４ｃを同心上に配置した三重管構造を有しており、小径管１４ａの内部に第１ガス導入経路２３ａが、小径管１４ａと中径管１４ｂとの間に第２ガス導入経路２３ｂが、中径管１４ｂと大径管１４ｃとの間に第３ガス導入経路２３ｃがそれぞれ形成されている。さらに、最外周で先端が隔壁１２に接続した状態となる大径管１４ｃを除く小径管１４ａ及び中径管１４ｂの反応室１３内の先端部には、各ガス導入経路２３ａ，２３ｂ，２３ｃを通ってそれぞれ導入されるガスを反応室１３の外周方向に向けて均等にガイドするための外縁が円形のガイド板２４ａ，２４ｂが、冷却手段１７の上面の冷却面１７ａに対向するようにしてそれぞれ設けられている。

このように形成した気相成長装置は、ガス導入部１５を構成するガス導入管１４やガイド板２４ａ，２４ｂを冷却手段１７によって冷却できるとともに、基板保持台１１から反応室１３の中央部に熱が伝わるのを抑えることができるので、ガス導入部１５から基板１８に向かって流れる原料ガスの熱分解を防止できる。冷却手段１７は、要求される冷却能力に応じて任意の構造で形成することができるが、少なくともその外周縁が各基板１８から等距離となるように、円形とすることが望ましい。

冷却手段１７としては、例えば、内部を空洞とし、上面に冷却面１７ａを設けた円筒状容器に、冷却媒体、例えば冷却水や低温ガスの導入管と導出管とを接続し、円筒状容器内に冷却媒体を流通させる構造を採用することができる。このとき、基板保持台１１側から直接的に加熱されるガイド板２４ａ，２４ｂの周縁を冷却するだけで十分な場合には、冷却面１７ａをリング状に形成することもできる。なお、冷却手段１７の上面、即ち冷却面１７ａは、少なくともその周辺部が基板保持台１１の上面と面一あるいは滑らかに接続していることが望ましく、隙間も最小限に設定しておくことが望ましい。

また、冷却手段１７は、円盤状の基板保持台１１の中央部背面に前述のような冷却媒体循環用の容器を配置して基板保持台１１の中央部上面を間接的に冷却するようにしてもよく、円盤状の基板保持台１１の中央部背面に冷却媒体、例えば低温窒素ガスを吹き付けて基板保持台１１の中央部を冷却することも可能であり、冷却媒体が流通する通路を基板保持台１１と一体に形成することも可能である。

このような冷却手段１７で使用する冷却媒体は、要求される冷却能力に応じて適宜な気体や液体を使用可能であり、冷却媒体の温度も任意に設定することができ、必要に応じてガイド板２４ａ，２４ｂの上面部分に対応する隔壁１２を冷却するようにしてもよい。

この気相成長装置で基板１８上に薄膜を成長させる際には、前記ヒーター２１を作動させて基板１８を所定温度に加熱するとともに、冷却手段１７を作動させて冷却状態とし、前記ガス導入管１４の各ガス導入経路２３ａ，２３ｂ，２３ｃに所定のガスを供給する。各ガス導入経路２３ａ，２３ｂ，２３ｃに供給するガス種は特に限定されるものではなく、第１ガス導入経路２３ａには、水素又は窒素、アンモニアと水素との混合ガス、アンモニアと窒素との混合ガス、アンモニアと水素と窒素との混合ガスを供給し、第２ガス導入経路２３ｂには、有機金属化合物と水素との混合ガス、有機金属化合物と窒素との混合ガス、有機金属化合物と窒素と水素との混合ガスを供給し、第３ガス導入経路２３ｃには、アンモニアと窒素との混合ガス、アンモニアと水素との混合ガス、アンモニアと窒素と水素との混合ガスをそれぞれ供給し、ガイド板２４ａ，２４ｂによってこれらのガスを反応室１３の外周方向に向けて導入する。

このとき、有機金属化合物として熱分解温度が低いものを使用しても、前述のようにガス導入部１５が冷却手段１７で冷却されているので、熱分解温度が低い有機金属化合物も熱分解することなく基板１８上に供給され、所望の薄膜を成長させることができる。基板１８上を通過したガスは、反応室１３外周のガス導出部１６に向かって流れ、排気通路１６ａを通って装置下方に排出される。

図３は気相成長装置の第２参考例を示す概略縦断面図である。なお、以下の説明において、前記第１参考例で示した気相成長装置における構成要素と同一の構成要素には、それぞれ同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本参考例に示す気相成長装置は、冷却手段１７を、内部に冷却媒体を循環させる冷却容器１７ｂで形成するとともに、該冷却容器１７ｂの冷却面１７ａの上面を、該冷却面１７ａを構成する材料よりも熱伝導率の小さな材料で形成した冷却部カバー３１で覆っている。すなわち、前記冷却面１７ａを含む冷却容器１７ｂを、例えばステンレス鋼、アルミニウム、銅等の金属で形成し、該冷却面１７ａの上面を、石英ガラス、アルミナ、サファイア、窒化ホウ素等の加工可能なセラミックス耐熱材料で形成した冷却部カバー３１で覆ったものである。

このように、冷却手段１７を構成する冷却容器１７ｂを金属製とすることによって容易に製作することができ、また、冷却面１７ａを、これらの金属に比べて熱伝導率の小さな冷却部カバー３１で覆うことにより、表面が冷えすぎて原料が結露又は凝固することを防止できるとともに、冷却面１７ａを腐食性のガスから保護することができる。さらに、冷却手段１７の上面に付着物が発生するような場合でも、冷却部カバー３１を取り外して容易に清掃することができる。

図４は本発明の気相成長装置の第１形態例を示す概略縦断面図である。本形態例に示す気相成長装置は、冷却手段１７と基板保持台１１との間に、リング状の輻射防止部材３２と低熱伝導部材３３とを使用した断熱部を設けた例を示している。輻射防止部材３２は冷却手段１７の周囲を囲むように配置され、低熱伝導部材３３は輻射防止部材３２の周囲で、基板保持台１１の内周を覆うように配置されている。

また、輻射防止部材３２及び低熱伝導部材３３の上面には、輻射防止部材３２を構成する材料よりも熱伝導率の小さな材料、例えば、前述の冷却部カバー３１と同様の石英ガラス、アルミナ、サファイア、窒化ホウ素等の加工可能なセラミックス耐熱材料で形成した断熱部カバー３４が設けられている。

このような輻射防止部材３２及び低熱伝導部材３３を設けることにより、冷却手段１７と基板保持台１１との間の熱移動を抑えることができ、加熱中の基板１８の温度分布が不均一になることを防止できる。また、これらの上面を断熱部カバー３４で覆うことにより、輻射防止部材３２として高融点のタングステンやタンタルを使用しても、これらを保護することができる。また、低熱伝導部材３３は、前述のようなセラミックス耐熱材料で形成することができる。

図５は本発明の気相成長装置の第２形態例を示す概略縦断面図である。本形態例に示す気相成長装置は、基板保持台１１の反応室内側中央部、本形態例では冷却手段１７の上面中央部に、前記基板保持部１９の反応室１３内面よりも反応室１３の外側方向に窪ませた平面視が円形の凹部３５を設けている。

このように、ガス導入部１５に対向する基板保持台１１中央部に凹部３５を設けることにより、反応室１３の高さ寸法に比べてガス導入部１５の部分の高さ寸法を拡大することができるので、ガスを反応室１３の外周方向にガイドするガイド板２４ａ，２４ｂの位置や形状の自由度が高まり、ガス導入部１５から反応室１３に向けてより均等に、より安定した状態でガスを導入することができる。特に、大気圧成長においても十分に早い流速を実現できるようにキャリヤガス流量を増やしても流れに乱れを発生することが少ない。

図６は本発明の気相成長装置の第３形態例を示す概略縦断面図である。本形態例に示す気相成長装置は、基板保持台１１の中央部に凹部３５を設けるとともに、ガス導入部１５のガイド板２４ａ，２４ｂを凹部３５内に配置している。このように、ガイド板２４ａ，２４ｂを凹部３５内に納めるように配置することにより、基板保持台１１からの熱輻射でガイド板２４ａ，２４ｂの先端部分が加熱されるのを抑えることができ、ガス導入部１５の冷却効果を向上させることができる。

さらに、基板保持台１１と冷却手段１７との間に、前述の輻射防止部材３２及び低熱伝導部材３３のいずれか一方あるいは双方を設けることにより、冷却手段１７と基板保持台１１との間の熱移動を抑えることができる。

なお、各形態例及び各参考例では、基板保持部１９の上面に基板１８を保持する構造を示したが、前記特許文献１に記載されているように、基板保持部の下面に基板を保持する構造とし、反応室の下方からガスを供給するように、上下を反転させた状態に形成することもできる。さらに、隔壁１２の全体あるいは一部を基板保持台１１に近付く方向に傾斜させるようにしてもよい。

さらに、基板１８を自転させるとともに公転させる構造で説明したが、自転のみ、公転のみであってもよく、基板を回転させないものにも適用できる。加えて、各部の構造や形状は、基板の大きさやガス流量等の各種条件に応じて設計することができ、各形態例及び各参考例に示した構造、形状に限定されるものではない。

気相成長装置の第１参考例を示す概略縦断面図である。基板保持台の平面図である。気相成長装置の第２参考例を示す概略縦断面図である。本発明の気相成長装置の第１形態例を示す概略縦断面図である。本発明の気相成長装置の第２形態例を示す概略縦断面図である。本発明の気相成長装置の第３形態例を示す概略縦断面図である。

符号の説明

１１…基板保持台、１１ａ…開口、１２…隔壁、１２ａ…隔壁外周壁、１３…反応室、１４…ガス導入管、１４ａ…小径管、１４ｂ…中径管、１４ｃ…大径管、１５…ガス導入部、１６…ガス導出部、１６ａ…排気通路、１７…冷却手段、１７ａ…冷却面、１７ｂ…冷却容器、１８…基板、１９…基板保持部、２０…リフレクター、２１…ヒーター、２２ａ…外周部カバー、２２ｂ…内周部カバー、２２ｃ…保持部カバー、２３ａ…第１ガス導入経路、２３ｂ…第２ガス導入経路、２３ｃ…第３ガス導入経路、２４ａ，２４ｂ…ガイド板、３１…冷却部カバー、３２…輻射防止部材、３３…低熱伝導部材、３４…断熱部カバー、３５…凹部

Claims

円盤状の基板保持台と、該基板保持台に対向配置されて基板保持台との間に偏平円筒状の反応室を形成する隔壁と、該隔壁の中央部に設けられたガス導入部と、前記反応室の外周に設けられたガス導出部と、前記基板保持台の同一円周上に配設された複数の基板保持部と、該基板保持部に保持した基板を加熱する加熱手段とを備えた気相成長装置において、前記基板保持台の中央部に冷却手段を設け、該冷却手段の反応室内部側に、前記基板保持台の軸線に対して同軸に設けられた円形又はリング状の冷却面を備え、前記冷却手段の外周にリング状の断熱部を設け、前記ガス導入部は、反応室の軸線を中心とした多重管構造を有し、該多重管の反応室内の先端部には、該多重管により区画されたガス導入経路を通ってそれぞれ導入されるガスを反応室の外周方向に向けてガイドするための外縁が円形のガイド板が設けられていることを特徴とする気相成長装置。
前記断熱部は、輻射防止部材及び低熱伝導部材のいずれか一方の部材を有していることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
前記断熱部は、前記冷却手段の周囲に配置された輻射防止部材と、該輻射防止部材の周囲に配置された低熱伝導部材とを有していることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
前記基板保持台の反応室内側の中央部に、前記基板保持部の反応室内面よりも反応室外側方向に窪ませた凹部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の気相成長装置。