(57)【要約】【課題】化学蒸着システムに用いられるガスノズルを提供する。【解決手段】本発明の化学蒸着システムに用いられるガスノズルは、中央領域を含む１つ以上のガス分配層と、間隔を空けて配列される複数のストリームガイドと、複数のガスチャンネルと、を備える。前記中央領域はガス供給装置の収容に用いられる。各前記ストリームガイドは第一端と、第二端と、中間部と、を有し、前記中間部は第一端と第二端との間に位置され、前記第一端は前記中央領域に近接し、前記第二端は前記ガス分配層の周辺に近接する。各２つのストリームガイドにより１つのガスチャンネルが構成され、ガス供給装置から供給されるガスを通過させる。各ストリームガイドの幅は第一端から中間部に沿って徐々に広がり、中間部から第二端に沿って徐々に狭まる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各ガス分配層は異なるガスを同一の水平面から横方向に噴出させ、且つガス供給装置の収容に用いられると共にガスを通過させる中央領域を含む、１つ以上のガス分配層と、
第一端と、第二端と、中間部と、を各々有し、前記中間部は前記第一端と前記第二端との間に位置され、前記第一端は前記中央領域に近接し、前記第二端は前記ガス分配層の周辺に近接する間隔を空けて配列される、複数のストリームガイドと、
複数のガスチャンネルであって、各２つの前記ストリームガイドにより１つの前記ガスチャンネルが構成され、前記ガス供給装置から供給されるガスを通過させる、複数のガスチャンネルと、を備え、
各前記ストリームガイドの幅は、前記第一端から前記中間部に沿って徐々に広がり、前記中間部から前記第二端に沿って徐々に狭まることを特徴とする、
化学蒸着装置に用いられるガスインジェクター。
【請求項２】
各２つの隣接するガスチャンネルから送出されるガスが混合される流体状態は層流であることを特徴とする、請求項１に記載の化学蒸着装置に用いられるガスインジェクター。
【請求項３】
各前記ストリームガイドはダーツ形状の輪郭を有することを特徴とする、請求項１に記載の化学蒸着装置に用いられるガスインジェクター。
【請求項４】
各前記ストリームガイドの第二端の幅は０であることを特徴とする、請求項１に記載の化学蒸着装置に用いられるガスインジェクター。
【請求項５】
各前記ストリームガイドの前記第二端及び前記ガス分配層の周辺には距離を有することを特徴とする、請求項１に記載の化学蒸着装置に用いられるガスインジェクター。
【請求項６】
各前記ストリームガイドの前記第一端から前記中間部にかけて扇型構造を呈することを特徴とする、請求項１に記載の化学蒸着装置に用いられるガスインジェクター。
【請求項７】
各前記ストリームガイドの前記中間部から前記第二端にかけて逆三角形構造を呈することを特徴とする請求項６に記載の化学蒸着装置に用いられるガスインジェクター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学蒸着システムに用いられるガスノズルに関し、更に詳しくは、分配効率の高いガスインジェクターに関する。
【背景技術】
【０００２】
金属有機化学蒸着（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition、MOCVD）の原理は、キャリアガス（carrier gas）を利用して気相反応物質質または前駆物質をウェハーが取り付けられる反応室に運び入れる。ウェハーの下方にあるサセプタ（susceptor）は加熱装置を有し、ウェハー及びウェハーに近接するガスを加熱して温度を上昇させ、高温により単一または数種類のガスの間で化学反応を発生させ、通常は気体の反応物質を固体の生成物に変換させ、且つウェハー表面に成長させる。
【０００３】
金属有機化学蒸着により形成されるエピタキシー層の品質は、反応室（chamber）内のガス流動の安定度及び均等度、ウェハー表面を通過させるガス流の均等度、及び／或いは温度制御の精度等の様々な影響を受ける。これらのパラメータを正しく制御できなければ、エピタキシー層及び形成される電子素子の品質が低下する。
【０００４】
また、反応物質が水素或いは窒素をキャリアガスとする場合、ウェハー表面に伝送されて生成物に変換される。反応物質は自身の活性の違い、反応室の設計、プロセス圧力、ガス流量、プロセスのパラメータの違い等の要素が反応効率に影響を及ぼす。このため、ウェハー表面での反応物質の成長効率を改善させることが、ＭＯＣＶＤエピタキシ技術開発の重要な課題である。
【０００５】
金属有機化学蒸着システムでは、通常インジェクター（injector）を利用してキャリアガス及び反応ガスを、例えば、第３族ガス及び第５族ガスを反応室中に送り込んで、第３族-第５族の化合物半導体薄膜等のエピタキシー薄膜をウェハー表面に形成させる。図１は従来の金属有機化学蒸着システムに使用される三重インジェクター（triple injector）の側面図である。図１を参照し、ノズル１は上から下にかけて上部チャンネル１２Ａ、中部チャンネル１２Ｂ、及び下部チャンネル１２Ｃ等の積層するガスチャンネルを有する。本実施例では、水素（H2）または窒素（N2）を３つのガスチャンネルのキャリアガスとする。第５族ガス（例えば、アンモニア（NH3））は上部チャンネル１２Ａ及び下部チャンネル１２Ｃから射出され、第３族ガス（例えば、トリメチルガリウム（TMGa）やトリメチルアルミニウム（TMAl））は中部チャンネル１２Ｂから射出され、第３族ガス及び第５族ガスがウェハー１４の上方領域で遭遇すると化学反応を発生させ、第３族-第５族化合物半導体薄膜がウェハー１４の表面に形成される。
【０００６】
なお、異なるガスは異なる高さの水平面のガスチャンネルである上部チャンネル１２Ａ、中部チャンネル１２Ｂ、及び下部チャンネル１２Ｃから反応室に吹き入れられる（図１参照）。このため、各種反応ガスは一定時間横方向に拡散され、さらに一定時間縦方向に拡散された後でなければ、各反応ガスが反応室に均等に分配されて反応を発生させることはなく、プロセス時間が増えてしまう。
【０００７】
そこで、本発明者は上記の欠点が改善可能と考え、鋭意検討を重ねた結果、合理的設計で上記の課題を効果的に改善する本発明の提案に到った。
【０００８】
かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、化学蒸着システムに用いられるガスノズルを提供することを目的とする。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明に係る化学蒸着システムに用いられるガスノズルの特徴は、中央領域を含む１つ以上のガス分配層と、間隔を空けて配列される複数のストリームガイドと、複数のガスチャンネルと、を備える。前記中央領域はガス供給装置の収容に用いられる。各前記ストリームガイドは第一端と、第二端と、中間部と、を有し、前記中間部は第一端と第二端との間に位置され、前記第一端は前記中央領域に近接し、前記第二端は前記ガス分配層の周辺に近接する。各２つの前記ストリームガイドにより１つの前記ガスチャンネルが構成され、ガス供給装置から供給されたガスを通過させる。各ストリームガイドの幅は第一端から中間部に沿って徐々に広がり、中間部から第二端に沿って徐々に狭まる。
【００１０】
また、本発明に係る化学蒸着システムに用いられるガスノズルは、中央領域を含む１つ以上のガス分配層と、間隔を空けて配列される複数のストリームガイドと、複数のガスチャンネルと、を備える。前記中央領域はガス供給装置の収容に用いられる。各前記ストリームガイドは第一端と、第二端と、中間部と、を有し、前記中間部は第一端と第二端との間に位置され、前記第一端は前記中央領域に近接し、前記第二端は前記ガス分配層の周辺に近接する。各２つの前記ストリームガイドにより１つの前記ガスチャンネルが構成され、ガス供給装置から供給されたガスを通過させる。各前記ストリームガイドの前記中間部の幅は前記第一端及び前記第二端の幅よりも広い。
【００１１】
なお、本発明に係る化学蒸着システムに用いられるガスノズルは、単層構造でガスを分配させて同一の水平面から横方向に噴出させることにより、反応ガスが均等に拡散するのにかかる時間を短縮させてガスインジェクターの体積を減少させる。また、ガスインジェクターの構造設計により、ガスチャンネルから送出されるガスが層流となり、エピタキシーの均等度を高め、不良率を低下させる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来の有機金属化学蒸着システムに用いられるガスノズルを示す側面図。
【図２】本発明の一実施形態に係る化学蒸着システムに用いられるガスノズルを示す傾斜図。
【図３】図２に示す化学蒸着システムに用いられるガスノズルが高流量の場合のガス流を示すシミュレーション図。
【図４】図２に示す化学蒸着システムに用いられるガスノズルが低流量の場合のガス流を示すシミュレーション図。
【図５】本発明の好ましい実施形態に係る化学蒸着システムに用いられるガスノズルを示す傾斜図。
【図６】本発明の好ましい実施形態に係る化学蒸着システムに用いられるガスノズルを示す上面図。
【図７】図５及び図６に示す化学蒸着システムに用いられるガスノズルが高流量の場合のガス流を示すシミュレーション図。
【図８】図５及び図６に示す化学蒸着システムに用いられるガスノズルが低流量の場合のガス流を示すシミュレーション図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。
次に、本発明の実施形態の図示に係る化学蒸着装置に用いられるガスインジェクターの各構成部材（例えば、ガス分配層、ガスチャンネル）は単一の部材として描写して説明している場合でも、これは限定しているのではなく、特に数量の制限を強調して説明していない限り、本発明の精神及び適用範囲から複数の構成部材が存在し得る構造であることを推定できる。
また、本明細書において、実施形態の図示に係る化学蒸着装置に用いられるガスインジェクターにおける各構成部材（例えば、ガス分配層、ガスチャンネル）の各部分は寸法に完全に則って描画しているのではなく、ある尺度と関連する尺度との比較、誇張、簡略化等のためにより分かりやすく描写することで、本発明に対する理解を促すものにすぎない。
本発明で引用する従来技術は、ここでは重点的な引用とすることで本発明の説明を補助している。
【００１４】
図２は本発明の一実施形態に係る化学蒸着システムに用いられるガスノズル２を示す傾斜図である。好ましくは、化学蒸着システムは金属有機化学蒸着システムであるが、但しこの限りではない。発明の特徴を強調するため、ガスインジェクター２の部分的な部材は分解するか図示を省略する。
図２に示されるように、ガスインジェクター２は単層構造の１つ以上のガス分配層２０を備え、異なる反応ガスを分配させて全ての反応ガスを同一の水平面から横方向に噴出させる。本実施形態では、ガス分配層２０の数量は２つであるが、但しこの限りではない。
【００１５】
図２に示されるように、同一の平面では、ガス分配層２０は間隔を空けて配列される複数のストリームガイド２１及びガスチャンネル２２を有し、各２つのストリームガイド２１により１つのガスチャンネル２２が形成される。
これらのストリームガイド２１及びガスチャンネル２２は放射状を呈し、ガス分配層２０の中心部から周辺に向けて延伸される。
各ガスチャンネル２２はガス分配層２０の中心部にガス入口を有し、ガス分配層２０の周辺部にはガス出口を有する。
【００１６】
なお、ガス分配層２０の中央領域２３は中央ガス供給チャンネルとし、ガス供給装置（図示省略）の収容及び各種反応ガス（例えば、第一反応ガス、第二反応ガス、第三反応ガス等）を通過させるために用いられる。
ガス供給装置は異なる反応ガスを分配させると共に特定のガスチャンネルに輸送させる。ガス供給装置及びその分配方法は本発明の重点ではなく、よって本文ではこれについて詳しく説明はせず、限定もしない。
ガスを分配可能なガス供給装置であれば全て本発明のガスインジェクターに適用できる。本実施形態では、ガス供給装置の構造は台湾特許出願公開第１０５１３１７６０号公報の「半導体設備に適用するガス噴射装置」に記載のガス供給装置と同じである。上述の特許の明細書の内容を本文に編入し、本願の明細書の一部分とする。
【００１７】
図２に示されるように、各ガスチャンネル２２は反応ガスを通過させるために用いられ、ガス分配層１０２の中心部のガス入口から進入し、ガス分配層１０２の周辺部のガス出口から放射状に噴射されて前記反応ガスが反応室に供給される。
また、各種反応ガスがガスインジェクター２に入れられると、ガス供給装置（図示省略）が種類の異なる反応ガスを対応するガスチャンネルにそれぞれ輸送させ、且つ求められる流量に応じてガスチャンネル中の種類の異なる反応ガスの流量をそれぞれ調整させる。本実施形態では、ガスインジェクター２は上部、中部、及び底部吸気口（図示省略）を有し、ガス供給装置（図示省略）は上部、中部、及び底部吸気口から異なるガスチャンネル２２に反応ガスをそれぞれ供給する。
【００１８】
続いて、ガスチャンネル２２は相互に連通されないため、異なる反応ガスがガス分配層２０内で混じりあうことはない。各種反応ガスが同一の平面でガスインジェクター２の周辺から放射状に噴出されて反応室に進入し、反応室中で横方向に拡散すると、各反応ガスが遭遇して反応を発生させてウェハー表面で薄膜が成長する。
これにより、ガス分配ノズル２は単層構造により従来の三重ノズルの多層構造を代替させ、各反応ガスを同一の平面から横方向に噴出させる。縦方向に拡散させる必要がなくなり、横方向にのみ拡散させればよく、プロセス時間が大幅に短縮される。
【００１９】
然しながら、実務において、図２のガスインジェクター２には改善の余地があることが発見された。
図３は図２のガスインジェクター２の第一シミュレーション結果を示す。図中のｘ座標及びｙ座標は距離を表す。第一プロセスの需要に応じて、ガスインジェクターの上部、中部、及び底部吸気口のガス供給流量をそれぞれ３０ｓｌｍ、１５ｓｌｍ、１５ｓｌｍとする（標準状態におけるリットル／分間）。
図３のサークル箇所に示されるように、隣接する２つのガスチャンネルから噴出されるガスが合流すると乱流（turbulence）が発生する。
【００２０】
図４は図２のガスインジェクター２の第二シミュレーション結果を示す。第二プロセスの需要に応じ、ガスインジェクターの上部、中部、及び底部吸気口のガス供給流量をそれぞれ７ｓｌｍ、９ｓｌｍ、７ｓｌｍとする（標準状態におけるリットル／分間）。図４のサークル箇所に示されるように、隣接する２つのガスチャンネルから噴出されるガスが合流すると乱流が発生する。
【００２１】
図３及び図４の結果から分かるように、ガス流量が多い（図３）か少ない（図４）かによらず、隣接する２つのガスチャンネル２２から噴出されるガスが合流すると全て乱流が発生する。
流体力学に基づくと、レイノルズ数（Re）が大きい場合、流動場に対する慣性力の影響が粘性力よりも大きくなり、流体の流動が不安定になって乱流（turbulence）が形成される。
反応ガスの流動状態が乱流である場合、反応が不完全になる恐れがあり、副産物（by product）が発生し、エピタキシー薄膜の欠陥が増え、均等度が低下する。
【００２２】
上述の欠点を克服するため、本出願者は他の化学蒸着システムに用いられるガスインジェクターを提出する。
図５は本発明の一実施形態に係る化学蒸着システムに用いられるガスノズル３を示す傾斜図であり、図６は本発明の一実施形態に係る化学蒸着システムに用いられるガスノズル３を示す上面図である。
好ましくは、化学蒸着システムは金属有機化学蒸着システムであるが、但しこの限りではない。発明の特徴を強調するため、ガスインジェクター３の部分的な部材は分解するか図示を省略する。
図５及び図６に示されるように、ガスインジェクター３は単層構造である１つ以上のガス分配層３０を備え、異なる反応ガスを分配させ、分配された全ての反応ガスを同一の水平面から横方向に噴出させる。
【００２３】
図５及び図６に示されるように、同一の平面において、ガス分配層３０は間隔を空けて配列される複数のストリームガイド３１及びガスチャンネル３２を有し、各２つのストリームガイド３１が１つのガスチャンネル３２を形成させる。好ましくは、ストリームガイド３１は等間隔で配列されるが、但しこの限りではない。
これらストリームガイド３１及びガスチャンネル３２は放射状を呈し、ガス分配層３０の中心部から周辺に向けて延伸される。
各ガスチャンネル３２はガス分配層３０の中心部にガス入口を有し、ガス分配層３０の周辺部にはガス出口を有する。
図５及び図６に示されるように、ガス分配層３０の中央領域３３は中央ガス供給チャンネルとし、ガス供給装置（図示省略）の収容及び各種反応ガスを通過させるために用いられる。
【００２４】
以下、図２のガス分配層２０と図５及び図６のガス分配層３０との違いについて説明する。
図２に示されるように、ガス分配層２０のストリームガイド２１は小さな扇型であり、各ストリームガイド２１は第一端及び第二端を有する。
第一端はガス分配層２０の中心箇所に近接し、第二端はガス分配層２０の周辺に近接する。各ストリームガイド２１の最も狭い箇所は第一端に位置され、最も広い箇所は第二端に位置され、ストリームガイド２１の幅は第一端から第二端にかけて徐々に広がる。
比較すると、図５及び図６のガス分配層３０のストリームガイド３１は、ダーツまたはダイヤモンドに類似する輪郭を有し、各ストリームガイド３１は第一端３１１と、第二端３１３と、中間部３１２と、を有し、中間部３１２は第一端３１１と第二端３１３との間に位置される。
各ストリームガイド３１の最も狭い箇所は第二端３１３に位置され、最も広い箇所は中間部３１２に位置される。ストリームガイド３１の幅は第一端３１１から中間部３１２に沿って徐々に広がり、次いで、ストリームガイド３１の幅は中間部３１２から第二端３１３に沿って徐々に狭まる。
一実施形態において、ストリームガイド３１は第二端３１３の幅が０であるが、但しこの限りではない。
図６に示されるように、本実施形態では、ストリームガイド３１の第二端３１３及びガス分配層３０の周辺に距離Ｄを有するが、但しこの限りではない。
本実施形態では、各ストリームガイド３１の第一端３１１から中間部３１２にかけては扇型に類似する構造であり、中間部３１２から第二端３１３にかけては逆三角形を呈する構造であるが、但しこの限りではない。
【００２５】
図７は図５及び図６のガスインジェクター３の第一シミュレーション結果を示す。第一プロセスの需要に応じ、ガスインジェクター３の上部、中部、及び底部吸気口のガス供給流量をそれぞれ３０ｓｌｍ、１５ｓｌｍ、１５ｓｌｍとする（標準状態におけるリットル／分間）。
図７に示されるように、隣接する２つのガスチャンネルから噴出されるガスが合流しても乱流（turbulence）が発生せず、ガスの状態は層流（Laminar flow）となる。
【００２６】
図８は図５及び図６のガスインジェクター３の第二シミュレーション結果を示す。第二プロセスの需要に応じて、ガスインジェクター３の上部、中部、及び底部吸気口のガス供給流量をそれぞれ７ｓｌｍ、９ｓｌｍ、７ｓｌｍとする（標準状態におけるリットル／分間）。
図８に示されるように、隣接する２つのガスチャンネルから噴出されるガスが合流しても乱流が発生せず、ガスの状態が層流となる。
【００２７】
図７及び図８の結果から分かるように、ガス流量が多い（図７）か少ない（図８）かによらず、ガスインジェクター３の隣接する２つのガスチャンネルから噴出されるガスが合流しても全て乱流が発生せず、ガスの状態が層流となる。流体力学に基づくと、レイノルズ数が小さい場合、流動場に対する粘性力の影響が慣性力よりも大きくなり、流動場中の流速の乱れが粘性力により減衰し、流体の流動が安定して層流となる。
反応室に必要なガスの流動状態は層流であるため、ガスの反応が完全となり、エピタキシーの欠陥を回避させ、エピタキシーの均等度を高める。
【００２８】
上述の実施形態を鑑み、本発明は化学蒸着装置に用いられるガスインジェクターを提供する。
これは単層構造によってガスを分配させて同一の水平面から横方向に噴出させる。
これにより、反応ガスが均等に拡散されるのにかかる時間を短縮させ、ガスインジェクターの体積を減少させる。
また、ガスインジェクターの構造設計により、ガスチャンネルから送出されるガスを層流として、エピタキシーの均等度を高め、不良率を低下させる。
【００２９】
ちなみに、本明細書に記載の各／全ての実施形態は、本分野に習熟する技術者ならばこれを基に様々な修飾、変化、結合、交換、省略、代替、相等の変化を加えることが可能であり、排除されない限りにおいてそれらは全て本発明の概念に属し、本発明の範囲に含まれる。対応するまたは本願で述べる実施形態の特徴と関連する構造や方法、及び／或いは発明者や譲受人が行うあらゆる出願において、放棄またはすでに認められた出願案も全て本文に編入され、本願の明細書の一部分とする。編入される部分は、対応、関連、及び修飾する部分或いは全ての、（１）操作可能及び／或いは構築可能なもの、（２）本分野に習熟する技術者が修飾する操作可能及び／或いは構築可能なもの、（３）本願の明細書、本願に関連する出願案、及び本分野に習熟する技術者の常識及び判断に基づいたあらゆる部分を実施／製造／使用または結合したもの、を含む。
【００３０】
特に説明のない限り、「できる（can）」、「可能（could）」、「推定（might）」、または「でもよい（may）」等の条件文または単語は、通常本願の実施形態の必ずしも必要とは限らない特徴、部材、またはステップを表現する。他の実施形態において、これらの特徴、部材、またはステップは不要な場合もある。
【００３１】
なお、本文の前述の文献の内容は全て本文に編入し、本願の明細書の一部分とする。本発明が提供する実施形態は例示にすぎず、本発明の範囲を制限するものではない。本発明について述べる方法のステップ及び技術を含む特徴や他の特徴は、関連する出願案で述べられている特徴や構造の部分的或いは全てのあらゆる結合や変更も本願とは不等な、本願から分かれた、代替不可能な実施形態であると見做す。本発明に記載の特徴及び方法と対応するまたは関連するものとして、部分的または全ての文中から導き出される排除不可能なもの、及び本分野に習熟する技術者が修飾するものを含み、これは（１）操作可能及び／或いは構築可能なもの、（２）本分野に習熟する技術者の知識に基づいて修飾する操作可能及び／或いは構築可能なもの、（３）（Ｉ）本発明または関連する構造及び方法の１つ以上の部分、及び／或いは（ＩＩ）あらゆる１つ以上の特徴または実施形態の内容のあらゆる変更及び／或いは組み合わせを含む本発明で述べる１つ以上の発明の概念及びその部分的な内容のあらゆる変更及び／或いは組み合わせを含む本願の明細書のあらゆる部分を実施／製造／使用または結合したもの、を含む。
【符号の説明】
【００３２】
１  ノズル
１２Ａ  上部チャンネル
１２Ｂ  中部チャンネル
１２Ｃ  下部チャンネル
１４  ウェハー
２  ガスインジェクター
２０  ガス分配層
２１  ストリームガイド
２２  ガスチャンネル
２３  中央領域
３  ガスインジェクター
３０  ガス分配層
３１  ストリームガイド
３２  ガスチャンネル
３３  中央領域
３１１  第一端
３１２  中間部
３１３  第二端
Ｄ  距離
【図１】
2019134162.tif 000003
【図２】
2019134162.tif 000004
【図３】
2019134162.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2019134162.tif 000008
【図７】
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【図８】
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