JPH05182914A

JPH05182914A - 気相成長装置

Info

Publication number: JPH05182914A
Application number: JP35777991A
Authority: JP
Inventors: Michio Takahashi; 道生高橋; Yukio Komura; 幸夫香村
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1991-12-26
Filing date: 1991-12-26
Publication date: 1993-07-23

Abstract

(57)【要約】【目的】装置構造を大型化することなく、排気室におけ
る反応生成物等の堆積を防止する。【構成】真空容器１内に基板を載置するためのサセプタ
３を設け、真空容器に開設した原料ガス供給口２から原
料ガスを含むキャリアガスを供給し、このキャリアガス
を真空容器に開設した排気口８から排気することにより
基板上に薄膜を成長せしめる気相成長装置であり、サセ
プタ３の下流に当該サセプタの通過領域１０から排気口
８に至るガス流路１６ａ，１６ｂ，１６ｃを少なくとも
３本以上形成する。このガス流路の流路直径をＤ、流路
長をＬとしたときに、たとえば、Ｄ⁴／Ｌで定義される
各ガス流路のコンダクタンスを等しくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シリコンウェハ基板上
に薄膜を形成する気相成長装置に関し、特に化合物半導
体の気相成長装置において、装置構造を大型化すること
なく排気室における反応生成物等の堆積を抑止して、半
導体基板上の薄膜に損傷を与えることなく高い品質で成
長させる気相成長装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】気相成長装置は、加熱した半導体基板上
に原料ガスを含むキャリアガスを流し、このガスを分
解、反応させて半導体基板上に薄膜を形成する装置であ
る。図１１は従来の気相成長装置を示す断面図であり、
筒状の真空容器１の頂部に原料ガスを真空容器１中に供
給するための原料ガス供給口２が開設されている。この
真空容器１内にはその上に薄膜を成長させる半導体基板
を載置するためのサセプタ３が設けられており、このサ
セプタ３は電動機４によって回転する保持シャフト５に
支持されている。したがって、電動機４を駆動させると
保持シャフト５を介してサセプタ３が回転し、サセプタ
３上に載置された半導体基板の近傍におけるガスの流れ
が均一となって、その結果、薄膜が均一に形成される。
また、真空容器１の底部には、その側壁を拡大すること
により構成される排気室６が形成されており、この排気
室６内に整流手段７が設けられている。また、排気室６
には整流手段７を通過したガスを真空容器１の外部に排
出するための排気口８が開設されている。この整流手段
７は、原料ガス供給口２から真空容器１内に導入された
原料ガスを含むキャリアガスをサセプタ上に載置された
半導体基板の近傍において均一な流れとし、半導体基板
上で成長する薄膜の厚さや組織を均一にするための手段
である。なお、図中符号「９」はサセプタ３上に載置さ
れた半導体基板を加熱するために真空容器１の周囲に設
けられた高周波誘導加熱手段である。また、図示する矢
印はガスの流れ方向を示している。

【０００３】上述した従来の整流手段７は、サセプタ３
と同軸的に配置された複数のリング状体で構成されてお
り、これら複数のリング状体のそれぞれには複数の孔が
穿設されている。例えば図１０に示すように、排気室６
内に設けられた内側リング状体７ａには４個の孔が穿設
されており、一方、この内側リング状体７ａの外側に設
けられた外側リング状体７ｂには２個の孔が穿設されて
いる。これにより、サセプタの通過領域１０（図中破線
で示す）から流下したガスは、図中矢印で示すように、
内側リング状体７ａの４個の孔を通過し、外側リング状
体７ｂの２個の孔を通過した後に、排気口８に至る。

【０００４】このように従来の気相成長装置において
は、図１０に示すような整流手段７の採用とサセプタ３
の回転とによって、サセプタ上に載置した半導体基板の
近傍におけるガスの流れが均一となり、これにより生成
膜の一様性を高めることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した気
相成長装置においては、整流手段７が配設されている排
気室６においてガスの流速が著しく低い領域、例えば、
図１２に一点鎖線で示す領域１１に未反応の原料ガスが
分解して堆積したり、反応生成物が堆積したりし、半導
体基板を出し入れする際に、この堆積物が半導体基板上
に落下して半導体基板上に成長した薄膜を損傷するおそ
れがあった。したがって、かかる堆積物を除去するため
に排気室６や整流手段７を高頻度で清掃・洗浄する必要
があり、そうすると，作業効率が低下するという問題が
あった。そこで、排気室内で流速が著しく低い領域を除
去するために、例えば本出願人の特許出願である特願平
３−１５９８６号の気相成長装置が提案されている。図
１３はこの気相成長装置の排気室の横断面図であって、
図１１に示すＢ−Ｂ線に相当する断面図である。この気
相成長装置の整流手段１２は、流路閉塞部１３と当該流
路閉塞部を囲んで設けられた狭窄流路１４とから構成さ
れている。かかる気相成長装置によれば、ガスの流速が
著しく低くなる領域が存在せず、堆積物の発生を抑止す
ることができ、しかも、半導体基板近傍におけるガスの
流れの均一性も確保できることになる。

【０００６】しかしながら、この気相成長装置は流路閉
塞部１３や狭窄流路１４を排気室６に複数対配置する必
要があるため、装置全体が大型化し、装置の製作に要す
る費用や時間も多大になるという問題がある。本発明
は、このような実情に鑑みてなされたものであり、装置
構造を大型化することなく排気室における反応生成物等
の堆積を防止することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の気相成長装置は、真空容器内に半導体基板
を載置するためのサセプタを設け、前記真空容器に開設
した原料ガス供給口から原料ガスを含むキャリアガスを
供給し、このキャリアガスを前記真空容器に開設した排
気口から排気することにより前記半導体基板上に薄膜を
成長せしめる気相成長装置において、前記サセプタの下
流に当該サセプタの通過領域から前記排気口に至るガス
流路を少なくとも３本以上形成し、各ガス流路のコンダ
クタンスを実質的に等しくしたことを特徴とする。この
とき、前記ガス流路は、サセプタの通過領域から排気口
に向かって徐々に拡開していることが好ましい。

【０００８】

【作用】気相成長装置において使用される圧力は、約７
６０〜５０Ｔｏｒｒ程度であり、この圧力範囲は粘性流
領域である。したがって、ガスが流路内を通過するとき
のガスの流れやすさを示すコングクタンスｃ（リットル
／秒：ｌ／ｓ）は、流路の平均直径がＤ、流路長がＬ、
流路内の平均圧力がＰである場合には、たとえば、ｃ＝
１８０・Ｄ⁴・Ｐ／Ｌとして表わされる。このとき、各
ガス流路における平均圧力Ｐは等しいことから、各ガス
流路のコンダクタンスの値を等しく設定すれば、各ガス
流路を通過するガスのコンダクタンスが等しくなる。そ
の結果、サセプタの通過領域から排気口に至るガス流路
を流れるガスの流速は等しくなる。そこで、本発明に係
る気相成長装置にあっては、サセプタの下流に当該サセ
プタの通過領域から排気口に至るガス流路を少なくとも
３本以上形成し、各ガス流路のコンダクタンスを等しく
している。なお、上記コンダクタンスｃの定義式：ｃ＝
１８０・Ｄ⁴・Ｐ／Ｌは一例であり、実際には、比例係
数１８０、Ｄ⁴がそれぞれ、１７５、Ｄ^3.5のように変
化することもある。また、本発明に係る気相成長装置
は、各ガス流路の流路直径と流路長とを選択することに
よって、排気室内での堆積物の発生の抑止と半導体基板
近傍におけるガスの流れの均一性を確保しているため、
流路閉塞部や狭窄流路を排気室に複数対配置する必要も
なく、装置全体をコンパクトに構成することができ、装
置の製造に要する費用や時間も低減することが可能とな
る。さらに、ガス流路をサセプタの通過領域から排気口
に向かって徐々に拡開するように形成すると、ガスの滞
留を抑止するうえで好ましい。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の一実施例に係る気相成長装置
について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は本
発明の一実施例に係る気相成長装置を示す断面図、図２
は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【００１０】本実施例に係る気相成長装置は、筒状の真
空容器１の頂部に原料ガスを真空容器１中に供給するた
めの原料ガス供給口２が開設されている。また、この真
空容器１内には薄膜を成長させる半導体基板を載置する
ためのサセプタ３が設けられており、このサセプタ３は
電動機４によって回転する保持シャフト５に支持されて
いる。したがって、電動機４を駆動させると保持シャフ
ト５を介してサセプタ３が回転し、サセプタ３上に載置
された半導体基板の近傍におけるガスの流れが均一とな
って、その結果、生成膜の一様性が向上する。

【００１１】真空容器１の底部には、好適には、側壁を
拡大することにより構成される、排気室６が形成されて
おり、この排気室６内に図２に示す整流手段１５が設け
られている。また、排気室６には整流手段１５を通過し
たガスを真空容器１の外部に排出するための排気口８が
開設されている。なお、図中符号「９」はサセプタ３上
に載置された半導体基板を加熱するために真空容器１の
周囲に設けられた高周波誘導加熱手段である。また、図
示する矢印はガスの流れ方向を示している。

【００１２】本実施例に係る整流手段１５は、原料ガス
供給口２から真空容器１内に導入された原料ガスを含む
キャリアガスをサセプタ上に載置された半導体基板の近
傍において均一な流れとし、半導体基板上で成長する薄
膜の厚さや組織を均一にするための手段であり、図２に
点線にて示すサセプタの通過領域１０から排気口８に至
る３本のガス流路１６ａ，１６ｂ，１６ｃにより構成さ
れている。ガス流路１６ａはサセプタ通過領域１０から
排気口８に最短距離にて連通された流路であり、一方ガ
ス流路１６ｂ，１６ｃはサセプタ通過領域１０から排気
室８の周囲に沿って排気口８に至る流路である。

【００１３】本実施例においては、これらの流路１６
ａ、１６ｂ、１６ｃを形成するにあたり、当該ガス流路
の平均直径をＤ、流路長をＬ、圧力Ｐは一定、比例定数
も１８０で一定としたときにＤ⁴／Ｌで表わされる各ガ
ス流路のコンダクタンスを実質的に等しく設定してい
る。すなわち、図２に示すように、ガス流路１６ａの平
均流路直径をＤａ、ガス流路１６ｂの平均流路直径をＤ
ｂ、ガス流路１６ｃの平均流路直径をＤｃとし、点１８
から点１９に至るガス流路１６ａの流路長をＬａ、点２
０から点１９に至るガス流路１６ｂの流路長をＬｂ、点
２１から点１９に至るガス流路１６ｃの流路長をＬｃと
したときに、Ｄａ⁴／Ｌａ＝Ｄｂ⁴／Ｌｂ＝Ｄｃ⁴／Ｌｃ・・・（１）の関係が成立するように整流手段１５を形成している。
これは以下の理由に基づく。すなわち、本実施例に係る
気相成長装置において使用される圧力は、約７６０〜５
０Ｔｏｒｒ程度であり、この圧力範囲は粘性流領域であ
る。したがって、ガスが流路内を通過するときのコンダ
クタンスｃ（ｌ／ｓ）は、流路直径がＤ、流路長がＬ、
流路内の平均圧力がＰである場合には、比例係数をたと
えば１８０として、ｃ＝１８０・Ｄ⁴・Ｐ／Ｌとして表
わされる。このとき、各ガス流路１６ａ，１６ｂ，１６
ｃにおける平均圧力Ｐは等しいことから、各ガス流路の
Ｄ⁴／Ｌで表わされるコンダクタンスの値を等しく設定
すれば、各ガス流路を通過する流量が等しくなり、その
結果、サセプタの通過領域１０から排気口８に至るガス
流路にガスの流速が著しく低くなる領域が存在すること
なく、ガスを円滑に流通させることができる。

【００１４】なお、各ガス流路１６ａ，１６ｂ，１６ｃ
は、サセプタ通過領域１０から排気口８に向かって徐々
に拡開するように形成し、キャリアガスが滞留すること
なく円滑に流通するようにしている。さらに、流路１６
ｅはガスの滞留部（デッドスペース）となるので、その
流路直径Ｄｅは極力小さくすることが好ましい。

【００１５】本発明の気相成長装置は、上述した実施例
のみに限定されることなく種々に改変することが可能で
ある。図３〜図６は本発明の他の実施例に係る気相成長
装置を示す断面図であって図１のＡ−Ａ線に相当する断
面図である。

【００１６】図３に示す整流手段２５は、サセプタ通過
領域１０から放射状に３本のガス流路２６ａ，２６ｂ，
２６ｃを形成し、これらガス流路は滑らかに湾曲しなが
ら一つの流路に結合して（結合点１９）、最終的に排気
口８と連通している。この場合も、各ガス流路の平均流
路直径をそれぞれＤａ，Ｄｂ，Ｄｃとし、点１８から結
合点１９に至るガス流路２６ａの流路長をＬａ、点２０
から結合点１９に至るガス流路２６ｂの流路長をＬｂ、
点２１から結合点１９に至るガス流路２６ｃの流路長を
Ｌｃとしたときに、Ｄａ⁴／Ｌａ＝Ｄｂ⁴／Ｌｂ＝Ｄｃ⁴／Ｌｃ・・・（２）の関係が成立するように整流手段２５を形成している。
この実施例においても、デッドスペースをなくすため流
路２６ｅの直径Ｄｅを極力小さくすることが好ましい。

【００１７】図４に示す気相成長装置は、排気室６の２
箇所に排気口８，８を開設した実施例であって、その整
流手段３５は、サセプタ通過領域１０から放射状に４本
のガス流路３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄを形成した
もので、各２本のガス流路３６ａ，３６ｂおよび３６
ｃ，３６ｄがそれぞれの排気口８，８と連通している。
各ガス流路はサセプタ通過領域から下流側に向かって流
路が拡開するように形成しており、これによりガスの滞
留を抑止してサセプタ通過領域から排気口に至る流路を
ガスが円滑に流れるようにしている。またこの場合も、
各ガス流路３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄの平均流路
直径をそれぞれＤａ，Ｄｂ，Ｄｃ，Ｄｄとし、点３７か
ら点３８に至るガス流路３６ａの流路長をＬａ、点３９
から結合点３８に至るガス流路３６ｂの流路長をＬｂ、
点４０から結合点４１に至るガス流路３６ｃの流路長を
Ｌｃ、点４２から結合点４１に至るガス流路３６ｄの流
路長をＬｄとしたときに、Ｄａ⁴／Ｌａ＝Ｄｂ⁴／Ｌｂ＝Ｄｃ⁴／Ｌｃ＝Ｄｄ⁴／Ｌｄ・・・（３）の関係が成立するように整流手段３５を形成している。
この実施例においても流路３６ｅ、３６ｆの直径Ｄｅ、
Ｄｆを小さくし、デッドスペースを小さくすることが望
ましい。

【００１８】図５および図６に示す整流手段４５，５５
は、サセプタ通過領域１０から排気口８に至るガス流路
を６本形成した実施例であって、気相成長装置において
最もガスの流通が円滑となる例である。図５に示す整流
手段４５は、排気室６の外周に沿って流路４７ａ〜４７
ｄを形成し、サセプタ通過領域１０から流路４７ａ、４
７ｂに直線的、かつ拡開しながら放射状にガス流路４６
ａ〜４６ｆを形成している。流路４７ｃ、４７ｄはデッ
ドスペースをなくすように極力細くする。この整流手段
４５は構造的に簡素であり、気相成長装置の小型化を図
る上で最も有効である。また製作にあたり加工も容易で
あるために、廉価な気相成長装置を提供することができ
る。これに対して、図６に示す整流手段５５は、サセプ
タ通過領域１０から放射状に６本のガス流路５６ａ〜５
６ｆを形成し、これを湾曲させて一つの流路６７に結合
せしめ、最終的にそれぞれの排気口８，８と連通させて
いる。図６において、デッドバンドを極力小さくするよ
う、サセプタ通過領域１０の周囲のガス流路を狭くして
いる。

【００１９】本発明に係るガス流路は、上述した実施例
のみに限定されることなく、例えば図７に示すように多
数の流路６６ａ〜６６ｈを設けても良く、要するに、各
ガス流路の流路直径をＤ、流路長をＬとしたときに、た
とえばＤ⁴／Ｌで表わされる各ガス流路のコンダクタン
スを等しく設定していれば良い。

【００２０】図６に示した整流手段５５の変形例として
の整流手段５５Ａを図７に示す。この整流手段５５Ａ
も、各ガス流路５６ａ、５６ｃ、５６ｄ、５６ｆのコン
ダクタンスを実質的に等しく構成している。この整流手
段５５Ａにおいても排気室６との間のデッドスペースを
極力小さくしている。

【００２１】図８にさらに他の整流手段６５の平面図を
示す。この整流手段６５も、サセプタ通過領域１０の周
囲に放射状にそれぞれのコンダクタンスが実質に等しい
ガス流路６６ａ〜６６ｈが設けられている。

【００２２】なお、この構成は流れの視認実験で確認し
ている。すなわち、図６に示す整流手段５５において、
ガス流路５６ａとガス流路５６ｂの流路直径をそれぞれ
Ｄａ、Ｄｂとし、同じく２本のガス流路５６ａ，５６ｂ
の流路長をそれぞれＬａ，Ｌｂとして、２本のガス流路
のコンダクタンスの比（Ｄａ⁴／Ｌａ：Ｄｂ⁴／Ｌｂ）
に対して各ガス流路を流れる流量（ｌ／ｍｉｎ）を測定
した。この測定結果を図９に示すが、グラフ中、「ま
る」印はガス流路５６ａ、「×」印はガス流路５６ｂを
示している。この実験結果からも明らかなように、ガス
流路５６ａのコンダクタンスがガス流路５６ｂのコンダ
クタンスより大きくなると、ガス流路５６ａを流れるガ
ス流量が増加することになり、ガス流路５６ａとガス流
路５６ｂの流量が等しい場合には各ガス流路５６ａ，５
６ｂのコンダクタンスも等しいことになる。

【００２３】かかる整流手段を有する気相成長装置を用
い、原料ガスとしてトリメチルガリウムを２０ｓｃｃ
ｍ、アルシンを２０ｓｃｃｍ、キャリアガスとして水素
ガスを５ｓｃｍ供給し、直径２インチのＧａＡｓ基板を
７５０°Ｃに加熱しながら薄膜をその上に成長させた。
この結果得られた生成膜の膜厚の均一性は面内で±５％
以下であり、従来の気相成長装置と同等の均一性を得る
ことができた。そして、本気相成長装置の清掃頻度は従
来の気相成長装置の約１／４であり、反応生成物の堆積
を低減することができた。

【００２４】本発明の整流手段のさらに他の実施例を図
１０に示す。図１０（Ａ）は図１に示した下部排気室６
に対応する部分の断面図であり、図１０（Ｂ）は図１０
（Ａ）の線Ｈ１−Ｈ１における整流手段７５の断面図、
図１０（Ｃ）は図１０（Ａ）の線Ｈ２−Ｈ２における整
流手段７５の断面図である。この整流手段７５は２段構
造となっており、図１０（Ｃ）に示す下部整流手段のサ
セプタ通過領域１０の周囲に形成されたそれぞれコンダ
クタスが実質的に等しいガス流路７８ａ、７８ｂからの
ガスが図１０（Ｂ）に示す上部整流手段のガス流路７６
に連通する連通穴７９ａ、７９ｂで連通されている。ガ
スはガス流路７８ａ、７８ｂ、連通穴７９ａ、７９ｂ、
ガス流路７６を通って排気口８から排出される。この整
流手段７５もガスの滞留のない構造となっている。

【００２５】なお、本発明は上述した実施例のみに限定
されることはなく、本発明の要旨を越えない限りにおい
てはさらに改変できることは勿論である。さらに、コン
ダクタンスｃの定義としてｃ＝１８０・Ｄ⁴・Ｐ／Ｌを
示したが、この数式は一例であり、たとえば、実験式と
してｃ＝１７５・Ｄ^3.5・Ｐ／Ｌとして近似する場合も
ある。従って、ガスの流れやすさを示す状態量としての
コンダクタンスは、上述した例に限定されない。

【００２６】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明の気相
成長装置は、サセプタの下流に当該サセプタの通過領域
から排気口に至るガス流路を少なくとも３本以上形成
し、各ガス流路のコンダクタンスを等しく設定している
ため、装置構造を大型化することなく、しかも排気室に
おける反応生成物等の堆積を防止することが可能とな
る。その結果、半導体基板上に形成される薄膜の一様性
を高めることができると共に、排気室内の清浄や洗浄の
頻度を大幅に低減して作業効率の向上を図ることができ
る。さらに、ガス流路をサセプタの通過領域から排気口
に向かって徐々に拡開するように形成すれば、ガスの滞
留を抑止することができ、排気口に至るガスの流通状態
が円滑なものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の一実施例に係る気相成長装置を
示す断面図である。

【図２】図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【図３】図３は本発明の他の実施例に係る気相成長装置
を示す断面図であって図１のＡ−Ａ線に相当する断面図
である。

【図４】図４は本発明のさらに他の実施例に係る気相成
長装置を示す断面図であって図１のＡ−Ａ線に相当する
断面図である。

【図５】図５は本発明のさらに他の実施例に係る気相成
長装置を示す断面図であって図１のＡ−Ａ線に相当する
断面図である。

【図６】図６は本発明のさらに他の実施例に係る気相成
長装置を示す断面図であって図１のＡ−Ａ線に相当する
断面図である。

【図７】図７は本発明のさらに他の実施例に係る気相成
長装置を示す断面図であって図１のＡ−Ａ線に相当する
断面図である。

【図８】図８は本発明の実施例の気相成長装置の部分断
面図である。

【図９】図９は本発明に係る気相成長装置のコンダクタ
ンス比に対する流量の関係を示すグラフである。

【図１０】図１０は本発明のさらに他の実施例の気相成
長装置を示す図であって、（Ａ）は気相成長装置の下部
縦方向断面図、（Ｂ）は（Ａ）における線Ｈ１−Ｈ１に
おける横断面図、（Ｃ）は（Ａ）における線Ｈ２−Ｈ２
における横断面図である。

【図１１】図１１は従来の気相成長装置を示す断面図で
ある。

【図１２】図１２は図９のＢ−Ｂ線に沿う断面図であ
る。

【図１３】図１３は従来の気相成長装置を示す断面図で
あって図９のＢ−Ｂ線に相当する断面図である。

【符号の説明】

１…真空容器、２…原料ガス供給口、３…サセプタ、８…排気口、１０…サセプタ通過領域、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ…ガス流路、Ｄ…流路直径、Ｌ…流路長

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器内に半導体基板を載置するための
サセプタを設け、前記真空容器に開設した原料ガス供給
口から原料ガスを含むキャリアガスを供給し、このキャ
リアガスを前記真空容器に開設した排気口から排気する
ことにより前記半導体基板上に薄膜を成長せしめる気相
成長装置において、前記サセプタの下流に当該サセプタ
の通過領域から前記排気口に至るガス流路を少なくとも
３本以上形成し、各ガス流路のコンダクタンスを実質的
に等しくしたことを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】前記ガス流路は、前記サセプタの通過領域
から排気口に向かって徐々に拡開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。