(57)【要約】【課題】結晶の質と堆積プロセスの効率とを向上させる。【解決手段】本発明の堆積装置は、プロセスチャンバー（１）の床を形成し、少なくとも１つの基板（５）が置かれるサセプタ（２）と、プロセスチャンバー（１）の天井を形成するカバープレート（３）と、プロセスチャンバー（１）の中にプロセスガスおよびキャリアガスを導入するためのガス注入エレメント（４）とを備える。サセプタ（２）の下には多数の加熱ゾーン（Ｈ１−Ｈ８）が互いに隣り合って配置され、プロセスチャンバー（１）に面するサセプタ（２）の表面とプロセスチャンバー（１）の中にあるガスとを加熱する。カバープレート（３）の上の熱消散エレメント（８）は、サセプタ（２）からカバープレート（３）に移る熱を消散させる。高い熱伝達能力を持つ熱伝達結合ゾーン（Ｚ１−Ｚ８）は高い熱出力【数１３】2012520578.tif 000015を持つ加熱ゾーン（Ｈ１−Ｈ８）の位置に対応する。【選択図】図２
2012520578.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの基板（５）の上に少なくとも１つの層、特に結晶層を堆積する堆積装置であって、
プロセスチャンバー（１）の床を形成し、少なくとも１つの前記基板（５）が置かれるサセプタ（２）と、
前記プロセスチャンバー（１）の天井を形成するカバープレート（３）と、
加熱の結果として前記プロセスチャンバー（１）の中で層を形成する成分に分解するプロセスガス、およびキャリアガスを導入するためのガス注入エレメント（４）と、
を備え、
前記サセプタ（２）の下に多数の加熱ゾーン（Ｈ１−Ｈ８）が互いに隣り合って配置され、
前記加熱ゾーンによって特に異なる熱出力
【数８】
2012520578.tif 000010
が、前記サセプタ（２）に導入され、前記プロセスチャンバー（１）に面するサセプタ（２）の表面と、前記プロセスチャンバー（１）の中にあるガスとを加熱し、
前記カバープレート（３）と熱的に結び付く熱消散エレメント（８）が、前記カバープレート（３）の上に与えられ、前記サセプタ（２）から前記カバープレート（３）に移る熱を消散させ、
前記カバープレート（３）と前記熱消散エレメント（８）の間の熱伝達結合が異なる位置において異なり、高い熱伝達能力を持つ熱伝達結合ゾーン（Ｚ１−Ｚ８）が高い熱出力
【数９】
2012520578.tif 000011
を持つ加熱ゾーン（Ｈ１−Ｈ８）の位置に対応する、
ことを特徴とする堆積装置。
【請求項２】
前記ガス注入エレメント（４）に隣接したガス注入ゾーンの領域におけるギャップ高さ（Ｓ１，Ｓ２）と、前記ガス注入エレメント（４）から離れて配置されたガス出口ゾーンの領域におけるギャップ高さ（Ｓ７，Ｓ８）とが、前記ガス注入ゾーンと前記ガス出口ゾーンの間にあり、少なくとも１つの基板が置かれる成長ゾーンのギャップ高さ（Ｓ３−Ｓ６）より大きいことを特徴とする請求項１に記載の堆積装置。
【請求項３】
前記熱伝達結合ゾーン（Ｚ１−Ｚ８）が前記カバープレート（３）と前記熱消散エレメント（８）との間の水平ギャップ（９）によって形成され、当該水平ギャップ（９）は異なる位置で異なるギャップ高さ（Ｓ１−Ｓ８）を持ち、前記各熱伝達結合ゾーン（Ｚ１−Ｚ８）のギャップ高さ（Ｓ１−Ｓ８）は特に前記熱伝達結合ゾーン（Ｚ１−Ｚ８）の下に配置された前記各加熱ゾーン（Ｈ１−Ｈ８）の熱出力
【数１０】
2012520578.tif 000012
の関数であることを特徴とする請求項２に記載の堆積装置。
【請求項４】
前記カバープレート（３）に面し、前記水平ギャップ（９）を区切る前記熱消散エレメント（８）の表面が、階段状に変化するか、または湾曲しており、滑らかに変化することを特徴とする請求項３に記載の堆積装置。
【請求項５】
前記水平ギャップ（９）は、パージガスを前記水平ギャップ（９）に流すパージガス注入ライン（１６）に隣接することを特徴とする請求項３または４に記載の堆積装置。
【請求項６】
前記プロセスチャンバー（１）が中心対称のデザインであり、円形の前記カバープレート（３）と、特に隣り合ったリングによって形成された円形の前記熱消散エレメント（８）とが前記ガス注入エレメント（４）を対称の中心として配置されていることを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１項に記載の堆積装置。
【請求項７】
前記ガス注入エレメント（４）が少なくとも１本の水素化物供給ライン（１３、１５）とＭＯ供給ライン（１４）に接続されており、前記少なくとも１本の水素化物供給ライン（１３、１５）が前記ガス注入ゾーン（１０、１２）に開口し、前記ＭＯ供給ライン（１４）が前記ガス注入ソーン（１１）に開口し、前記ＭＯ供給ライン（１４）が望ましくは水素化物のための前記ガス注入ゾーン（１０、１２）に両側で縦方向に隣接することを特徴とする請求項２ないし６のいずれか１項に記載の堆積装置。
【請求項８】
前記カバープレート（３）が、クオーツまたはグラファイトでできており、特に一塊として作られることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の堆積装置。
【請求項９】
前記プロセスチャンバー（１）の縦方向の高さが、前記ガス注入エレメント（４）から出てガス出口エレメント（１７）の方向に流れるプロセスガスの流れの方向に沿って減少することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の堆積装置。
【請求項１０】
ヒーター（７）が、前記プロセスチャンバー（１）の中心を環状になって囲む多数の加熱ゾーン（Ｈ１−Ｈ８）によって形成されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の堆積装置。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の堆積装置の使用方法であって、
プロセスガスを前記ガス注入エレメント（４）の中に導入し、
任意の２つの位置で測定された前記カバープレート（３）での最大の温度差が１００℃、望ましくは５０℃となるように前記加熱ゾーン（Ｈ１−Ｈ８）の熱出力
【数１１】
2012520578.tif 000013
を選択して、前記プロセスチャンバー（１）の中で層を形成する成分に前記プロセスガスを熱分解し、
前記堆積装置の中で少なくとも１つの基板上で層を成長させる、
ことを特徴とする堆積装置の使用方法。
【請求項１２】
前記カバープレート（３）の全表面における温度が、使用される前記プロセスガスの付加物形成温度より高く、基板上での結晶成長が速度論的に制限される温度より低く、特に、例えば、ＧａＮのために５００℃と８００℃の間の範囲であり、ＧａＡｓまたはＩｎＰのために１５０℃と５５０℃の間であることを特徴とする請求項１１に記載の堆積装置の使用方法。
【請求項１３】
少なくとも１つの基板（５）の上に少なくとも１つの層、特に結晶層を堆積する堆積方法であって、
プロセスチャンバー（１）の床を形成し、少なくとも１つの前記基板（５）が置かれるサセプタ（２）と、
前記プロセスチャンバー（１）の天井を形成するカバープレート（３）と、
加熱の結果として前記プロセスチャンバー（１）の中で層を形成する成分に分解するプロセスガス、およびキャリアガスを導入するためのガス注入エレメント（４）と、
を特徴とし、
前記サセプタ（２）の下に多数の加熱ゾーン（Ｈ１−Ｈ８）が互いに隣り合って配置され、
前記加熱ゾーンによって異なる熱出力
【数１２】
2012520578.tif 000014
が、前記サセプタ（２）に導入され、前記プロセスチャンバー（１）に面するサセプタ（２）の表面と、前記プロセスチャンバー（１）の中にあるガスとを加熱し、
前記カバープレート（３）と熱的に結び付く熱消散エレメント（８）が、前記カバープレート（３）の上に与えられ、前記サセプタ（２）から前記カバープレート（３）に移る熱を消散させ、
前記プロセスチャンバー（１）に面する前記カバープレート（３）の全表面の温度が、前記プロセスガスの付加物形成温度より高く、基板上での結晶成長が速度論的に制限される温度より低い、
ことを特徴とする堆積方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの基板の上に少なくとも１つの層、特に結晶層を堆積する堆積装置であって、プロセスチャンバーの床を形成し、少なくとも１つの前記基板が置かれるサセプタと、前記プロセスチャンバーの天井を形成するカバープレートと、加熱の結果として前記プロセスチャンバーの中で層を形成する成分に分解するプロセスガスおよびキャリアガスを導入するためのガス注入エレメントと、を備え、前記サセプタの下に多数の加熱ゾーンが互いに隣り合って配置され、前記加熱ゾーンによって熱出力が前記サセプタに導入されて前記プロセスチャンバーに面するサセプタの表面と前記プロセスチャンバーの中にあるガスとを加熱し、前記カバープレートと熱的に結び付く熱消散エレメントが前記カバープレートの上に与えられて前記サセプタから前記カバープレートに移る熱を消散させる堆積装置に関する。
本発明は、更に、コーティングプロセスを実行するためのそのような堆積装置の使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、回転対称なプロセスチャンバーの中心の周りに配置されたサセプタの上に置かれた多数の基板上でIII−V［族化合物］の層を堆積させる装置を開示する。少なくとも１つの水素化物、例えば、ＮＨ３、ＡｓＨ３、またはＰＨ３を導入するために、ガス注入エレメントがプロセスチャンバーの中心に配置される。また、有機金属化合物、例えば、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、またはＴＭＡｌがガス注入エレメントを経由してプロセスチャンバーに導入される。また、キャリアガス、例えば、水素または窒素がこれらのプロセスガスと一緒にプロセスチャンバーに導入される。サセプタは下方から加熱される。これは熱放射または高周波結合によって達成される。そのようなサセプタの下へのヒーターの配置に関して特許文献２が参照される。プロセスチャンバーは水平方向に広がり、カバープレートによって上方に区切られる。特許文献１は、クオーツでできたカバープレートを開示する。そのカバープレートは反応炉カバーから水平ギャップだけ間隔を空けられている。特許文献３は、固体プレートの下に広がる複数のリング状エレメントから成るカバープレートを開示する。
【０００３】
特許文献４は、中央のガス注入エレメントの周りに対称に配置されたプロセスチャンバーを有するＭＯＣＶＤ反応炉を開示する。そのガス注入エレメントはお互いの上に縦方向に配置されたガス注入ゾーンを形成する。III［族］の成分が真中のゾーンを通ってプロセスチャンバーに導入され、V［族］の成分として水素化物が２つの外側のガス注入ゾーンを通ってプロセスチャンバーに導入される。
【０００４】
プロセスチャンバーの内側における水平方向の温度プロファイルは、関数であり、とりわけヒーターの局部的な熱出力、すなわち局部的な熱移動率の関数である。ヒーターは、プロセスチャンバーの中のプロセスガスの流れの方向に沿ってお互いに隣り合って水平に配置された異なる加熱ゾーンに分割される。回転対称のプロセスチャンバーに対して、加熱ゾーンはその中心の周りに渦巻き状に配置される。各加熱ゾーンはそれ自身の個別の熱出力を持つ。それで、サセプタの異なる位置において単位時間当たり異なるエネルギー量が導入される。プロセスチャンバーに面するサセプタの表面からプロセスチャンバーの天井、すなわちカバープレートへの熱放射または熱の移動を介して上向きのエネルギーの消散が起こる。カバープレートの後ろに配置された固体プレート、すなわち、反応炉壁が
熱消散エレメントとして使われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許Ｎｏ．４，９６１，３９９  Ａ号明細書
【特許文献２】独国特許第１０２  ４７  ９２１  Ａ１号明細書
【特許文献３】独国特許第１００  ４３  ５９９  Ａ１号明細書
【特許文献４】独国特許第１０  ２００４  ００９  １３０  Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＭＯＣＶＤプロセスを使ってIII−V［族化合物］の層が堆積されるとき、望まれない一様な気相の反応が様々なプロセスガスの間で起こる。例えば、２つのプロセスガスＮＨ３とＴＭＧａが混合されるとき、ＮＨ３の存在の中でＴＭＧａを分解する間にＮＨ３を持った副生成物が生じる。これは付加物形成といわれる。この付加物形成は、有機金属の最終／最高部分分解温度に至るまで生じる。例えば、ＴＭＧａは１００℃で最初にＤＭＧａに分解する。そして、それからおよそ５００℃でＭＭＧａを経由する分解の後でのみＧａに分解する。この部分的な分解の過程で生じる中間生成物は水素化物と反応する。生じた化学化合物は気相において塊になってクラスタを形成する。これは核生成といわれる。これらの２つの現象は、原理上は知られているが、ＭＯＣＶＤの中で定義される形状における詳細なシーケンスとこれらの化学物質の関係は知られていない。気相のこの寄生性の性質は、結晶成長の質と、成長率の限界と、非常に高価な先駆物質の変換効率とに関与すると考えられる。更に、熱拡散は、プロセスチャンバーを形成するカバープレートに向かって温度勾配と反対向きに、生じた粒子を運ぶ。すると、粒子は容易に下に落ちて収率を大きく低下させ、結晶の質を悪化させる。
【０００７】
けれども、堆積する層の結晶の質を向上させることは、成長面において有効なV族の超過を改善するために６００ミリバール以上の全圧でプロセスを実行することを必要とする。
【０００８】
従って、反応物質の間の自由工程長を決定するプロセス圧力と、反応の確率を決定するプロセスチャンバーの中のガス混合物の伝播時間と、反応の存在度を決定する反応物質の濃度との間の重要な関係を研究し、プロセスチャンバーの中での等温の分布を解析するために、内部調査が行われた。
【０００９】
１つの重要な発見は、プロセスチャンバーを形成するカバープレートの温度が５００℃より高く設定されるとき、寄生損失の量が大きく低下することである。半径方向の温度分布が非常に一様であることは特に重要である。今までデザインの中で生じる勾配は、カバープレートの上昇した温度において肯定的な結果を阻む。他の重要な発見は、プロセスチャンバーを形成するカバープレート上の寄生性の皮膜の特性が粘着性のない粉から強くて薄い膜に変わることである。
【００１０】
プロセスチャンバーを形成するカバープレートを使って有利な特性を確保するために、熱の管理は調整可能な一様な温度分布を含まなければならない。
【００１１】
特許文献３は、プロセスチャンバーの天井を同様に加熱することができる付加的なヒーターを開示する。そのようなヒーターを使って、サセプタからの熱の移動によってのみカバープレートを加熱するならば、カバープレートの局部的な温度はお互いにかなり異なる。これらの温度勾配はカバープレートにおいて機械的負荷を生じる。それで、ある数の加熱サイクルの後でカバープレートが砕けるリスクがある。また、大きな温度勾配はカバープレートのゆがみを引き起こす。６００ｍｍ以上の直径のプロセスチャンバーのために、そしてそのプロセスチャンバーの中の１０００ミリバールまでの高い全圧値のために、これらのゆがみは結晶成長に不利な影響を及ぼす。
【００１２】
基板上での成長は、基板温度、すなわち、基板の真上の気相の温度で起こり、そこで成長は速度論的に制限される。拡散プロセスを経て境界層を通って基板に達する全ての反応物質が、単結晶を形成する間に最も望ましい熱力学的位置を見出すために基板の表面において十分な時間を持つように、温度が選択される。従って、成長温度は、堆積プロセスが拡散によって制御される温度より上である。
【００１３】
従って、既存の種類の装置を、結晶の質とその中で実行される堆積プロセスの効率とを向上させるために改良する手段を提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
その目的は、請求項に明記された本発明によって達成される。従属する請求項は、引用される請求項の有利な改良を示すのみではなく、また本発明の目的を独立して達成する。
【００１５】
まず第一に、カバープレートと熱消散エレメントの間の熱伝達結合が局部的に異なることが与えられる。従って、高い熱伝達能力を持つ領域が、高い熱出力をサセプタに加える加熱ゾーンと位置に関して結び付けられる。結果として、カバープレートはサセプタによって与えられる熱によってのみ加熱される。単位時間当たりの大量の熱がカバープレートに輸送される位置で、また、単位時間当たりの大量の熱が高い熱伝導性のために放出される。単位時間当たりにカバープレートに輸送される熱の量がより少ない位置で、それに応じてより少ない量の熱が放出される。結果として、カバープレートのさまざまな位置での温度差、すなわち、水平方向の温度勾配が従来の技術よりも小さくなる。
【００１６】
望ましくは、熱伝達結合ゾーンがカバープレートと熱消散エレメントの間の水平ギャップによって形成される。局部的に異なる熱伝達能力を持つこれらの熱伝達ゾーンのために、ギャップ高さは局部的に異なる値を持つ。各熱伝達結合ゾーンのギャップ高さは、独特の熱伝達結合ゾーンと結び付けられる加熱ゾーンの熱出力の関数である。相互に結び付いた熱伝達結合ゾーンと加熱ゾーンは直接上下に縦方向に配置される。加熱ゾーンが中心の周りに環状になって配置されるならば、熱伝達結合ゾーンもまた中心の周りに環状になって配置される。ガス注入エレメントに隣接する加熱ゾーンは、通常基板の下の領域に配置された加熱ゾーンよりも低い熱出力を与える。けれども、削減された熱出力で動作するのは、ガス注入ゾーンと結び付けられた加熱ゾーンだけではない。ガス注入エレメントから離れて配置されており、ガス出力エレメントに隣接する加熱ゾーンが、また削減された熱出力で動作する。結果として、カバープレートと熱消散エレメントの間の水平ギャップのギャップ高さは、ガス注入ゾーンの領域とガス出口ゾーンの領域において、それらの間に配置されており、基板が置かれる成長ゾーンの領域よりも大きい。水平ギャップを区切る熱消散エレメントの下側の表面は、階段状に変化するか、または湾曲した輪郭のラインで延びる横断面を持つ。そのとき、水平ギャップのギャップ高さは、プロセスガスの流れの方向に階段状に、または連続的に変わる。水平ギャップの下側のギャップ壁は、カバープレートの上側に向いた表面によって形成され、平らに広がる。
【００１７】
本発明に係る装置は望ましくは実質的に回転対称のデザインを持ち、その対称軸はガス注入エレメントの中心で縦方向に延びる。これは、特許文献３に記載されている構成である。ガス注入エレメントの下側端面はサセプタの中央の凹部の中に置かれる。それで、サセプタの表面の上に直接配置されるガス注入ゾーンから流れるプロセスガスが、プロセスチャンバーの中にスムーズに流れることができる。このプロセスガスは、望ましくは水素化物、例えば、ＮＨ３である。それは、キャリアガスと一緒にその位置で導入される。このガス注入ゾーンの上には、有機金属成分を導入するための他のガス注入ゾーンが配置される。そして、その有機金属成分はＴＭＡｌである。もう一度水素化物をプロセスチャンバーに導入する第３のガス注入ゾーンがカバープレートのすぐ下に配置される。ガス注入ゾーンは供給ラインに接続される。水素化物供給ラインは、ガス供給システムの関連するガス測定装置に接続される。ＭＯ供給ラインは、同様にガス供給システムの測定装置に接続される。全ての供給ラインは個別にキャリアガスでパージできる。すなわち、全ての供給ラインは個別にキャリアガス供給ラインに接続されている。また、望ましくはキャリアガスは水平ギャップを通って流れる。キャリアガスは、水素、窒素または不活性ガス、またはこれらのガスの混合物である。水平ギャップ内の熱伝達能力は、これらのガスの混合物を使って調整される。
【００１８】
これらの手段の結果として、カバープレートにおける最高温度と最低温度の間の差は、１００℃より下の範囲、望ましくは５０℃より下の範囲に制限される。カバープレートは、グラファイトまたはクオーツでできており、一塊のデザインである。環状に対称なプロセスチャンバーのために、カバープレートは円板の形状である。
【００１９】
本発明の改良において、カバープレートは流れの方向に増加する材料の厚さを持つ。水平ギャップに面するカバープレートの壁は、そのとき平面で広がる。プロセスチャンバーに面するカバープレートの壁は、プロセスチャンバーに面するサセプタの壁に対してある角度をなす横断面で広がる。それで、プロセスチャンバーの高さは流れの方向に減少する。
【００２０】
本発明は、更に、堆積プロセスに関して上述した装置の使用方法に関する。この堆積プロセスにおいて、ガス注入ゾーンを通ってプロセスチャンバーの中に様々なプロセスガスが導かれる。キャリアガスと一緒に、有機金属化合物、例えば、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、またはＴＭＡｌが、中央に縦方向に配置されたガス注入ゾーンを通ってプロセスチャンバーに導入される。キャリアガスと一緒に水素化物が上側と下側のガス注入ゾーンを通ってプロセスチャンバーに導入される。水素化物は、ＮＨ３、ＡｓＨ３、またはＰＨ３である。水素化物の流れとＭＯの流れは個別に調整できる。また、後者は水平ギャップを通るパージガスの流れに対して適用される。
【００２１】
基板は、基板ホルダの上に置かれ、望ましくはサセプタの上に回転可能に配置される。また、複数の基板ホルダがサセプタの中心の周りに環状になって配置される。各基板ホルダはガスクッションで個別に浮いており、そのガスクッションを生じるガスの流れによって回転駆動される。更に、そのようなサセプタは、プロセスチャンバーの対称の中心について回転駆動される。
【００２２】
サセプタの下に配置されるヒーターは抵抗ヒーターまたはＲＦヒーターによって形成される。ヒーターは、流れの方向に水平に隣り合った加熱ゾーンを形成する。回転対称の配置において、加熱ゾーンは環状になってお互いを囲む。加熱ゾーンは、また、渦巻き状にプロセスチャンバーの中心を囲む。本発明によれば、加熱ゾーンは、その熱出力が各加熱ゾーンの上に縦方向に置かれた熱伝達結合ゾーンの熱消散特性に適合するようなエネルギーを持って提供される。それで、２つの任意の位置で測定されるカバープレートの最大の温度差は１００℃または５０℃である。
【００２３】
気相の中で先に分解されたプロセスガス、すなわち、特にＧａまたはＮを含む分解生成物が拡散ゾーンを通って基板の表面に拡散する温度で基板上での成長が起こる。成長は拡散によって制限されない。すなわち、成長温度は、拡散で制御される温度範囲より上であり、成長率が速度論的に制限される温度である。この温度は、使用される有機金属および使用される水素化物の関数である。
【００２４】
基板温度は、７００℃から１１５０℃までの範囲にある。水平ギャップを通る適切なパージガスを選ぶことによって、プロセスチャンバーの天井の温度が５００℃と８００℃の間の範囲にあるように熱消散を調整することができる。
【００２５】
カバープレートの温度は、サセプタの温度より低い。最初に示したように、有機金属成分は段階的なプロセスで金属原子に分解される。従って、例えば、ＴＭＧａは分解生成物であるＤＭＧａとＭＭＧａを経てＧａに分解する。分解はおよそ１００℃で始まる。出発物質は、およそ５００℃の温度で完全に分解される。これらの２つの温度の間では、分解生成物、例えば、ＤＭＧａとＭＭＧａは気相である。従って、付加物の形成、それに続く核生成、そして避けられなければならないクラスタリングがこの温度範囲で起こる。この温度範囲は、使用される有機金属の関数である。この付加物の形成温度より上であるように、すなわち、中間分解生成物が気相で存在しない温度であるように、天井の温度が選択される。けれども、カバープレートの表面温度は下方からのみではなくてまた上方から制限される。カバープレートの温度は、結晶成長が拡散によって制限される温度範囲の中にあるべきである。従って、その温度は、拡散の制限に相当する温度範囲にあり、速度論的に制限される温度範囲にあるサセプタ温度よりも下である。
【００２６】
次に示す添付図面を参照して本発明の典型的な実施形態を以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】軸１９について回転対称である第１の実施形態に係るプロセスチャンバーの右側の横断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係るプロセスチャンバーの右側の横断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係るプロセスチャンバーの右側の横断面図である。
【図４】本発明の第４の実施形態に係るプロセスチャンバーの右側の横断面図である。
【図５】本発明の第５の実施形態に係るプロセスチャンバーの右側の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明に関連するタイプのＭＯＣＶＤ反応炉の基本的な設計は上述した従来技術から知られ、特にこの点で従来技術が参照される。
【００２９】
本実施形態に係るＭＯＣＶＤ反応炉はサセプタ２を持つ。サセプタ２は、円板状のグラファイトプレートまたはクオーツプレートで構成され、回転軸１９の周りを回転する。回転軸１９は反応炉全体の対称軸である。ガス注入エレメント４は反応炉の回転軸１９に沿って延びる。ガス注入エレメント４の下側端面はサセプタ２の凹部１８の中に置かれる。それで、ガス注入ゾーン１２が、凹部１８の上に直接配置され、床の近くのサセプタ２の領域に開く。このガス注入ゾーン１２の上に、第２のガス注入ゾーン１１が配置される。ガス注入ゾーン１２を通って水素化物、例えば、ＮＨ３、ＡｓＨ３、またはＰＨ３がプロセスチャンバー１に導入され、第２のガス注入ゾーン１１を通って有機金属成分、例えば、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、ＴＭＡｌがプロセスチャンバー１に導入される。カバープレート３が上方からプロセスチャンバー１を区切り、第３のガス注入ゾーン１０がカバープレート３に直接隣接する。第３のガス注入ゾーン１０を通って上述した水素化物の１つが同様にプロセスチャンバー１に導入される。
【００３０】
従って、プロセスチャンバー１は、水平方向に広がるサセプタ２とカバープレート３の間でガス注入エレメント４の周りに水平方向に環状になって広がる。カバープレート３はサセプタ２から少し離れて配置され、同様に水平方向に広がる。
【００３１】
カバープレート３の上に熱消散エレメント８がある。これは液体冷却部材である。この液体冷却部材は、図示されない反応炉の壁に適切なマウンティングを介して固定される。この液体冷却部材は、その内側に液体冷却剤が流れるチャンネルがある。
【００３２】
熱消散エレメント８は、クオーツまたはスチールでできており、例えば、凸状に曲がった底面８’を持つ。この底面８’は、カバープレート３の平らに広がる上面３’から所定の間隔で配置され、従って水平ギャップ９が形成される。
【００３３】
ガス注入エレメント４に直接隣接して配置されるガス注入ゾーンを形成する領域において、水平ギャップ９はガス注入エレメント４からの距離に応じて連続的に減少するギャップ高さＳ１、Ｓ２を持つ。従って、ガス注入ゾーンと関連する２つの熱伝達結合ゾーンＺ１とＺ２は異なる熱伝達特性を持つ。その大きなギャップ高さＳ１のために、最初の熱伝達結合ゾーンＺ１は、隣接して配置され、Ｓ１より低いギャップ高さＳ２を持つ熱伝達結合ゾーンＺ２よりも小さな熱輸送能力を持つ。
【００３４】
加熱ゾーンＨ１−Ｈ８は、それぞれ各熱伝達結合ゾーンＺ１−Ｚ８の下に配置され、ガス注入エレメント４の周りに環状になって広がる。加熱ゾーンＨ１−Ｈ８は、抵抗ヒーターまたはＲＦ加熱コイルによって形成される。加熱ゾーンＨ１−Ｈ８は、お互いに異なる熱出力
【数１】
2012520578.tif 000003
を生成する。熱出力
【数２】
2012520578.tif 000004
は、それぞれ加熱ゾーンＨ１とＨ２によって生成され、熱出力
【数３】
2012520578.tif 000005
よりも小さい。熱出力
【数４】
2012520578.tif 000006
はそれぞれ中央の加熱ゾーンＨ３、Ｈ４、Ｈ５およびＨ６によって生成される。これらの加熱ゾーンは、回転軸１９の周りに環状になって配置された基板５の真下に配置される。各基板５は、回転駆動される基板ホルダ６の上に載っている。基板ホルダ６の回転駆動はガス流を介して達成される。それで、基板ホルダ６はガスクッションで支持される。
【００３５】
熱伝達結合ゾーンＺ３−Ｚ６は、これらの成長ゾーンにそれぞれ関連する加熱ゾーンＨ３−Ｈ６の上に縦方向に配置される。これらの熱伝達結合ゾーンＺ３−Ｚ６にそれぞれ関連するギャップ高さＳ３、Ｓ４、Ｓ５およびＳ６は、熱伝達結合ゾーンＺ１とＺ２のギャップ高さよりも低く、それぞれ２つの半径方向に最も外側の熱伝達結合ゾーンＺ７とＺ８のギャップ高さＳ７とＳ８よりも低い。
【００３６】
加熱ゾーンＨ７とＨ８は、プロセスチャンバー１のガス出口ゾーンに配置され、それぞれ半径方向に最も外側の熱伝達結合ゾーンＺ７とＺ８に関連する。ガス出口ゾーンは、基板５の遠い側で流れの方向に配置される。これらの加熱ゾーンＨ７とＨ８によってサセプタ２にそれぞれ結び付けられる熱出力
【数５】
2012520578.tif 000007
は、中央の加熱ゾーンＨ３−Ｈ６によってサセプタ２にそれぞれ結び付けられる熱出力
【数６】
2012520578.tif 000008
よりも小さい。ガス出口ゾーンは環状のガス出口エレメント１７によって囲まれる。
【００３７】
本実施形態では、個々の加熱ゾーンＨ１−Ｈ８はほぼ等間隔に離される。同じことが熱伝達結合ゾーンＺ１−Ｚ８に当てはまり、それらは同様に半径方向の広がりの中で実質的に同一の幅を有する。熱伝達結合ゾーンＺ１−Ｚ８が存在し、それはそれぞれ個々に各加熱ゾーンＨ１−Ｈ８に関連させられ、各熱伝達結合ゾーンＺ１−Ｚ８のギャップ高さＳ１−Ｓ８が各加熱ゾーンＨ１−Ｈ８の熱出力
【数７】
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に適合させられることが本質である。適合は、カバープレート３における横方向の温度勾配が最小限になるような方法で生じる。特に最大の温度差がおよそ１００℃、好ましくはより小さい、すなわちほぼ５０℃程度であるような方法で生じる。
【００３８】
基本的に、基板５が配置されている成長ゾーンの中でよりもガス注入ゾーンとガス出口ゾーン内で単位時間当たりより少量の熱がサセプタ２に導入される。けれども、ガス注入ゾーンに結合される熱出力は、ガス出口ゾーンに結合される熱出力よりも大きい。図１と図２に示される実施形態では、熱消散エレメント８の壁８’はドーナツ形をした表面に沿って広がる。従って、上方から水平ギャップ９を区切る壁８’は凸状に曲がる。そのため、水平ギャップ９の最小ギャップ高さは半径方向において真ん中の領域にある。水平ギャップ９は、その２つの半径方向の端に最大のギャップ高さを有する。従って、熱伝達結合ゾーンは中央の領域で最も大きな熱伝達能力を持ち、半径方向の端で最も小さな［熱］伝達能力を持つ。
【００３９】
図２に示される第２の実施形態は、プロセスチャンバー１のほぼ中央から下流の領域における水平ギャップ９のコースのみ第１の実施形態と異なる。この位置で、壁８’の湾曲は第１の実施形態よりもやや平らである。それで、水平ギャップ９のギャップ高さは流れの方向においてより少なく増加する。もう一つの重要な差は環状のカバープレート３の形状である。ここで、カバープレート３は一塊のデザインであり、単一の環状クオーツプレートまたはグラファイトプレートでできている。図１に示される第１の実施形態では、カバープレート３の２つの広い面は、お互いに平行に広がり、サセプタ２の上面と平行であるのに対し、横断面図に見られるように、プロセスチャンバー１に面するカバープレート３の壁３”は水平ギャップ９の境界を定める壁３’に対してある角度をなして延びる。結果として、プロセスチャンバー１の縦方向の高さは流れの方向に減少する。
【００４０】
図３に示される実施形態は、水平ギャップ９に面する熱消散エレメント８の広い面８’のコースの点で図１に示される実施形態と異なる。この広い面は、回転軸１９の周りに環状になって広がる複数の段を備える。それらの段はカバープレート３の広い面３’から異なる距離Ｓ１−Ｓ８に位置する。
【００４１】
図４に示される実施形態では、熱消散エレメント８は多数の環状の内側に入れ子になったエレメントから成る。けれどもまた、熱消散エレメント８は一塊のデザインを持つ。この実施形態では、熱消散エレメント８は液体冷却媒体によって直接冷却されるのではなく、その代わりに熱を伝達するように、例えば、反応炉壁２０の下にねじ込まれることによって、反応炉壁２０に接続される。反応炉壁２０は、それを冷却するために液体冷却媒体が流れる冷却チャンネル２１を持つ。反応炉壁２０は、例えば、アルミニウムまたはステンレス鋼でできている。熱消散エレメント８は、複数の小区域８．１−８．５から成り、例えば、アルミニウム、グラファイトまたは同様に良好な熱伝導性を持つ材料でできている。この実施形態では、カバープレート３は同様に望ましくはグラファイトでできている。しかし、それはまたクオーツでできていてもよい。望ましくはカバープレート３はＳｉＣまたはＴａＣで覆われる。ＮＨ３とＴＭＧａを使うプロセスのために、すなわちＧａＮを堆積させるために、カバープレート３の温度は４５０℃と８００℃の間である。ＧａＡｓまたはＩｎＰを体積させるためにＡｓＨ３とＰＨ３を使うプロセスのために、カバープレート３の温度は１５０℃と５５０℃の間の範囲にある。
【００４２】
両方の場合に、カバープレート３の表面温度は付加物の形成温度より上であるように選択される。後者は、有機金属成分が完全に分解される温度によって定義される。その温度は、核生成プロセスのためにクラスタリングが生じるように、実質的に水素化物と反応する中間生成物がガス相で存在しない温度である。けれどもまた、カバープレート３の表面温度は上方から制限される。この温度は、基板上での成長が速度論的に制限される範囲にあるべきではない。むしろ、その温度は、基板の存在下で、すなわち拡散境界面を通る反応物質の大量輸送の結果として成長が拡散律速である範囲にあるべきである。
【００４３】
図５に示される実施形態は、実質的に図４に示される実施形態に対応する。ここで、反応炉はアルミニウムでできたハウジングを持つ。そのハウジングはハウジング天井２０と、それに平行なハウジング床２０’を有する。チューブ管状のハウジング壁２０”がハウジング天井２０とハウジング床２０’の間に配置される。多数の冷却チャンネル２１がハウジング天井２０の中に配置され、その中を通って冷却媒体、例えば冷却水が流れる。また、そのような冷却チャンネル２１’、２１”がそれぞれハウジング床２０’とハウジング壁２０”の中に配置される。
【００４４】
らせん状のコイルから形成され、合計８つの巻き線を有するヒーター７がハウジング床２０’の上に少し離れて広がる。各々の個別の巻き線は加熱ゾーンＨ１−Ｈ８を形成する。加熱ゾーンＨ１−Ｈ８は設計に基づいて、または許容誤差によって決定される個別のパワー出力を持つ。もしこれが抵抗ヒーターであるならば、パワー出力は実質的に熱放射として与えられる。もしヒーターがＲＦコイルであるならば、交流電磁場が生成され、ヒーター７の上に配置されたサセプタ２の中に渦電流が生じる。
【００４５】
ＲＦ放射フィールドは不均一である。それで、異なるレベルのパワーが結合されるゾーンがサセプタ２の中に生じる。これらのゾーンは、特にプロセスチャンバー１の中心の周りに回転対称に配置され、異なる程度に加熱される。それで、サセプタ２は半径方向に不均一な温度プロファイルを持つ。
【００４６】
特に、ガス注入エレメント４の周りに直接広がる第１のガス注入ゾーンにおいて、サセプタ２はそこに隣接する成長ゾーンよりも低い表面温度を持つことが与えられる。成長ゾーンに隣接する半径方向に最も外側のゾーンにおいて、サセプタ２はもう一度より低い表面温度を持つ。
【００４７】
上述したように、カバープレート３と、カバープレート３と熱消散エレメント８の間に配置された水平ギャップ９とを通して熱の消失が起こる。
【００４８】
熱消散エレメント８は全部で４つのリングエレメント８．１、８．２、８．３、８．４から成る。それらは同じ幅であるが、異なる横断面のプロファイルを持つ。それで、水平ギャップ９の高さはプロセスチャンバー１の中心から半径方向の距離に応じて変わる。熱消散エレメント８の半径方向に最も内側のリング８．１は、最大の傾斜を持ち、最も薄い材料厚さを有する。この位置でギャップ幅は最大である。第２の熱消散リング８．２の領域の所までギャップ幅はくさび状の態様で減少する。第２の熱消散リング８．２の領域のほぼ中央から、成長ゾーンと関連する水平ギャップ９の一定の高さの領域が第３の熱消散リング８．３を超えて第４の熱消散リング８．４のほぼ真ん中まで広がる。第４の熱消散リング８．４は半径方向に上がる広い平らな面８’を持つ。それで、半径が増加するにつれて水平ギャップ９のギャップ高さは増加する。熱消散エレメント８はガス出口リング１７の領域には存在しない。ガスはこの位置で最大の高さを持ち、カバープレート３と反応炉天井２０の間に広がる。
【００４９】
本実施形態では、水平ギャップ９の半径方向の断面の輪郭は凸状の湾曲を持ち、カバープレート３の底面３”で表面温度は半径方向にほんの少し増加する。すなわち、ガス注入エレメント４の領域におけるおよそ５００℃からガス出口リング１７の領域におけるおよそ６００℃まで実質的に直線的に増加する。
【００５０】
他方、サセプタ２の表面の温度は、ガスの入口の領域におけるおよそ５００℃から成長ゾーンの始まりでおよそ１０００℃まで増加し、そこから成長ゾーンのすべてにわたりおよそ１０００℃で一定のままである。
【００５１】
全ての開示された特徴は、（それ自体で）本発明に関連する。関係する／添付の優先権書類（先の出願のコピー）の開示内容もまた、本願の特許請求の範囲にこれらの書類の特徴を包含させる目的も含め、その出願の開示全体をここに含める。
【符号の説明】
【００５２】
１  プロセスチャンバー
２  サセプタ
３  カバープレート
４  ガス注入エレメント
５  基板
６  基板ホルダ
７  ヒーター
８  熱消散エレメント
９  水平ギャップ
１０  第３のガス注入ゾーン
１１  第２のガス注入ゾーン
１２  ガス注入ゾーン
１３  水素化物供給ライン
１４  ガス注入ライン
１５  水素化物供給ライン
１６  パージガス注入ライン
１７  ガス出力エレメント
１８  凹部
１９  回転軸
２０  反応炉壁
２１  冷却チャンネル
Ｚ１−Ｚ８  熱伝達結合ゾーン
Ｓ１−Ｓ８  ギャップ高さ
Ｈ１−Ｈ８  加熱ゾーン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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