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特許7536770半導体材料の堆積のための回転要素および反応器を備えた反応チャンバ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-08-09
(45)【発行日】2024-08-20
(54)【発明の名称】半導体材料の堆積のための回転要素および反応器を備えた反応チャンバ
(51)【国際特許分類】
H01L 21/31 20060101AFI20240813BHJP
C23C 16/44 20060101ALI20240813BHJP
【ＦＩ】
H01L21/31 B
C23C16/44 J
【請求項の数】
19
(21)【出願番号】P 2021540047
(86)(22)【出願日】2020-01-07
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-03-02
(86)【国際出願番号】 IB2020050090
(87)【国際公開番号】W WO2020144577
(87)【国際公開日】2020-07-16
【審査請求日】2022-11-29
(31)【優先権主張番号】102019000000223
(32)【優先日】2019-01-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】IT
(73)【特許権者】
【識別番号】501372765
【氏名又は名称】エルピーイー ソシエタ ペル アチオニ
(73)【特許権者】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(74)【代理人】
【識別番号】110001519
【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】コリア、フランチェスコ
(72)【発明者】
【氏名】クリッパ、ダニロ
(72)【発明者】
【氏名】メスチア、マウリリオ
(72)【発明者】
【氏名】徳田 雄一郎
【審査官】河合 俊英
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１３－０４３８０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－３２３３５１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０３－２３７７３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０６－２６７８７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－２７７８７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－０６３１７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－００１１０８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５９－０３０７９９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ２１／３１
Ｃ２３Ｃ １６／４４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板上に半導体材料の層を堆積するための反応器の反応チャンバ（１００）であって、管（１１０）とインジェクタ（２０）とホルダ（３０）とを備え、前記管（１１０）は石英からなり、円筒形または角柱形の形状を有し、反応および堆積ゾーンを囲んでおり、
前記インジェクタ（２０）は前駆体ガスを反応および堆積ゾーン内に注入するように構成されており、
前記ホルダ（３０）は堆積プロセス中に前記反応および堆積ゾーン内の基板を支持するように構成されており、
グラファイトサセプタ要素（１０、４０、５０）が、前記反応および堆積ゾーン、並びに前記反応および堆積ゾーン内部の構成要素を加熱するために前記管（１１０）の内側に位置し、
インダクタシステム（６０、７０）が、電磁誘導によってサセプタ要素（１０、４０、５０）にエネルギーを供給するために前記管（１１０）の外側に位置し、
前記インジェクタ（２０）および前記ホルダ（３０）とは別体の、円筒形または角柱形の管の形状の回転要素（８０）が、前記反応および堆積ゾーンの内側に位置し、前記インジェクタ（２０）を囲んでいる、反応チャンバ。
【請求項2】
前記回転要素（８０）は、前記インジェクタ（２０）の外面および底部サセプタ要素（５０）の内面の少なくとも一方への半導体材料の堆積が防止されるように構成される、請求項１に記載の反応チャンバ（１００）。
【請求項3】
円筒形または角柱形の第１のグラファイトサセプタ要素（４０）は前記管（１１０）の第１の端部にあり、前記管（１１０）の軸（Ａ－Ａ）に平行な方向に移動することができ、円筒形または角柱形の第２のグラファイトサセプタ要素（５０）は前記管（１１０）の第２の端部にあり、前記管（１１０）の軸（Ａ－Ａ）に平行な方向に移動することができる、請求項１または請求項２に記載の反応チャンバ（１００）。
【請求項4】
第１のインダクタアセンブリ（６０）は前記管（１１０）の第１の端部にあり、前記第１のグラファイトサセプタ要素（４０）と関連しており、第２のインダクタアセンブリ（７０）は前記管（１１０）の第２の端部にあり、前記第２のグラファイトサセプタ要素（５０）と関連している、請求項３に記載の反応チャンバ（１００）。
【請求項5】
前記回転要素（８０）は、グラファイトで構成される、請求項１～４のいずれか一項に記載の反応チャンバ（１００）。
【請求項6】
前記回転要素（８０）は、前記インジェクタ（２０）と前記グラファイトサセプタ要素（５０）との間に位置する、請求項１～５のいずれか一項に記載の反応チャンバ（１００）。
【請求項7】
前記回転要素（８０）の前記円筒形または角柱形の管は、互いに機械的に結合された管部分に軸方向（Ａ－Ａ）に分割される、請求項１～６のいずれか一項に記載の反応チャンバ（１００）。
【請求項8】
前記回転要素（８０）は、その端部において、モータ（８４）からの回転運動を受け、前記回転運動を前記回転要素（８０）に伝達するように構成されたベース装置（８２）に機械的に結合され、前記ベース装置（８２）がその半径方向の周囲に複数の歯車歯を有する、請求項１～７のいずれか一項に記載の反応チャンバ（１００）。
【請求項9】
前記回転要素（８０）の前記円筒形または角柱形の管が、その長さ（Ａ－Ａ）に沿って延在し、環状の横断面を有する空隙を有する、請求項１～８のいずれか一項に記載の反応チャンバ（１００）。
【請求項10】
前記回転要素（８０）の前記円筒形または角柱形の管が、粗いまたは凹凸のある外面（８０Ｅ）、および粗いまたは凹凸のある内面（８０Ｉ）の少なくとも一方を有する、請求項１～９のいずれか一項に記載の反応チャンバ（１００）。
【請求項11】
前記回転要素（８０）の前記円筒形または角柱形の管が、少なくとも１つの螺旋ねじ山を有する外面（８０Ｅ）、および少なくとも１つの螺旋ねじ山を有する内面（８０Ｉ）の少なくとも一方を有する、請求項１～１０のいずれか一項に記載の反応チャンバ（１００）。
【請求項12】
塵埃を除去する手段を備え、前記塵埃は、場合によっては前記回転要素（８０）によって生成される、請求項１～１１のいずれか一項に記載の反応チャンバ（１００）。
【請求項13】
前記手段が、ガス流入口およびガス流出口（９２、９４）の少なくとも一方である、請求項１２に記載の反応チャンバ（１００）。
【請求項14】
前記ガス流入口およびガス流出口（９２、９４）の少なくとも一方が、前記反応チャンバの底部（９０）に位置する、請求項１３に記載の反応チャンバ（１００）。
【請求項15】
前記ガス流入口およびガス流出口（９２、９４）の少なくとも一方に流体的に結合され、堆積プロセス中に動作しないように構成された洗浄アセンブリを含む、請求項１３または１４に記載の反応チャンバ（１００）。
【請求項16】
前記回転要素（８０）に機械的に結合され、前記回転要素（８０）に回転運動を伝達するように構成された移動アセンブリを含む、請求項１～１５のいずれか一項に記載の反応チャンバ（１００）。
【請求項17】
前記移動アセンブリは、前記回転要素（８０）に交互の回転運動を伝達するように構成される、請求項１６に記載の反応チャンバ（１００）。
【請求項18】
前記移動アセンブリは、前記回転要素（８０）に交互の並進運動も伝達するように構成される、請求項１６に記載の反応チャンバ（１００）。
【請求項19】
請求項１～１８のいずれか一項に記載の反応チャンバ（１００）を含む反応器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、回転要素を有する反応チャンバと、半導体材料の堆積のための反応器とに関する。
【背景技術】
【0002】
知られているように、基板上に半導体材料の層（「シード」と呼ばれることもある）を堆積させるための反応器の反応チャンバは、反応および堆積ゾーンを備えている。特に（例えば、国際公開第２００４／１１１３１６号の図２および図３と、特開２０１０－２８０５２７号公報の図１と同様の図１を参照）、チャンバ（図１の１）は、しばしば管（図１の２）、インジェクタ（図１の３）、および支持体（図１の４）を含み、管は反応および堆積ゾーン（図１において、このゾーンは、参照符号６または管状要素５内の全体の体積に関連した体積とみなすことができる）を囲み、インジェクタは反応および堆積ゾーンに前駆体ガスを注入するように構成され、ホルダは堆積プロセス中に反応および堆積ゾーン内で基板を支持するように構成される。
【0003】
堆積プロセス中に、材料が基板上だけでなく、他の場所、特にインジェクタの外面上に堆積され得ることも知られている（例えば、国際公開第２００６／１２５７７号及び特開２０１０－２８０５２７号公報のインジェクタを参照）。
【0004】
この問題を克服するために、堆積プロセス中のインジェクタの外面上のスプリアス堆積を制限するような方法でチャンバを試行及び設計することが可能である。
【0005】
しかしながら、このようなスプリアス堆積を完全に回避することは不可能ではなく、これは、特定のタイプの反応器に特に当てはまる。
【0006】
本出願人は特に、非常に高い温度（一般的に、２０００℃より高く、３０００℃まで達することができる）で基板上に例えば炭化ケイ素の層を堆積させるための、より具体的には炭化ケイ素の「インゴット／結晶」を炭化ケイ素の「シード」上に「バルク」成長させるための反応器における、この問題に焦点を当ててきた。
【0007】
実際、このような反応器では、インジェクタはしばしば、その全体又は大部分が反応及び堆積ゾーン（例えば、図１参照）内に配置される故に、インジェクタの外面上のスプリアス堆積の問題が関連する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明の全般的な目的は、インジェクタの外面上のスプリアス堆積に関連する欠点を回避または少なくとも低減する反応チャンバを提供することである。第１に考えられる欠点は、例えば、スプリアス堆積物が存在する表面に付着しにくいために、スプリアス堆積物が粒子を生成する傾向があるという事実に関連している。第２に考えられる欠点は、スプリアス堆積が基板上に堆積された材料の組成の（間接的な）変動源であるという事実に関連しており、ここでは例えば「オートドーピング」現象を思い出す。第３に考えられる欠点は、スプリアス堆積物による機械的影響、即ち、反応器の解体の困難性、反応器の可動部分との干渉の可能性に関連している。
【課題を解決するための手段】
【0009】
この全般的な目的は、本明細書の不可欠な部分を形成する添付の特許請求の範囲に記載されていることによって達成される。
【0010】
本発明の背後にある考え方は、反応および堆積ゾーン内で適切に移動し、スプリアス堆積を制限する本体を使用することである。特に、これらのスプリアス堆積物は、それらが所定の厚さを超えようとする、および／または所定の空間を離れるようとするとすぐに、本体から除去される。この考え方は、反応器インジェクタだけでなく適用可能である。
【0011】
本発明は、添付の図面と共に考慮される以下の詳細な説明からより容易に明らかになるのであろう。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】従来技術による、非常に高温での炭化ケイ素の堆積のための反応器の反応チャンバを、非常に概略的に側面断面で示す。
【図2】超高温で炭化珪素を堆積させるための反応器の反応チャンバの一例を概略的に側面断面図で示す。
【発明を実施するための形態】
【0013】
容易に理解できるように、本発明を実際に実施する様々な方法があり、本発明は、添付の特許請求の範囲においてその主な有利な態様で定義され、以下の詳細な説明または添付の特許請求の範囲のいずれにも限定されない。
【0014】
図１の基板上に半導体材料の層を堆積させるための反応器の反応チャンバ１には、説明を簡単にするために、完全な円筒形状であるかのように表されたインジェクタ３がある。図２の解決策（円筒形または回転角柱形の管に基づく）を理解するために、この円筒の側面が主に考慮されるべきであり、実際には、スプリアス堆積は特にこの外面上で起こる。
【0015】
【0016】
図１のチャンバでは、材料は、堆積プロセスの間、インジェクタ３上にゆっくりと堆積し続ける。
【0017】
図２のチャンバでは、可動要素８０（例えば、インジェクタ２０の円筒形または角柱形の表面に、例えば、２～３ｍｍの距離で近接しているが、スプリアス堆積の前にはこれと接触していない、円筒形または角柱形の表面を有する）のおかげで、堆積された材料の厚さは特に、要素８０の内面とインジェクタ２０の外面との間の距離によって制限され、これらの堆積物が要素８０の内面（例えば、先端などの堆積物の特に突出した部分）に接近するとすぐに、要素自体から除去される。
【0018】
一般に、反応および堆積ゾーン内を移動し、スプリアス堆積を受けるものの（スプリアス堆積の前に）それとは接触していない、少なくとも１つの表面に接近して移動する、少なくとも１つの表面を有する本体を使用することが有利である。
【0019】
【0020】
チャンバ１００は、管１１０と、インジェクタ２０と、ホルダ３０とを備え、管１１０は石英製で、円筒形の（または角柱形の）形状を有し、反応および堆積ゾーン（特に、管状要素１０内の実質的に全体の体積に対応する）を囲み、インジェクタ２０は反応および堆積ゾーンに前駆体ガスを注入するように構成され、ホルダ３０は堆積プロセス中に反応および堆積ゾーン内の基板を（底部で）支持するように構成され、図中の黒い長方形はかなりの厚さの半導体材料が堆積された基板に対応する。反応および堆積ゾーン並びに反応及び堆積ゾーン内の構成要素を加熱するために管１１０の内側に配置されたグラファイトサセプタ要素１０、４０および５０が存在する。これらの３つの要素は、円筒形の（または角柱形の）管であり、外側にあり、より大きな直径の要素１０は、全体的な加熱を提供するために使用され、要素４０および５０は局所的な加熱を提供するために使用される。電磁誘導によってサセプタ要素１０、４０および５０にエネルギーを供給するために、管１１０の外側に位置するアセンブリ６０および７０からなるインダクタシステムがある。最後に、円筒形の（または角柱形の）管の形態の回転要素８０があり、これは反応および堆積ゾーンの内側に配置され、インジェクタ２０を取り囲む。
【0021】
図２はさらに、要素１１０と要素１０との間に配置された断熱材料の円筒形の（または角柱形の）管１２０を示す。
【0022】
この実施形態によれば、構成要素１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、１１０、および１２０は円筒対称性を有し、それらの軸は（少なくとも実質的に）一致し、軸Ａ－Ａに対応することに留意されたい。
【0023】
要素８０は、インジェクタ２０の外面及び／又は底部サセプタ要素５０の内面上への半導体材料の堆積を制限するようなものである。
【0024】
好ましくは、要素８０はグラファイトで作られる。
【0025】
要素８０は、インジェクタ２０とサセプタ要素５０との間に位置する。
【0026】
要素８０の円筒形管は、軸方向に管部分、即ち、互いに機械的に結合されたリングに分割することができる。
【0027】
第１の円筒状グラファイトサセプタ要素４０は、管１１０の第１の（上）端部にあり、軸Ａ－Ａに平行な方向に移動することができる（移動手段は図には示されていない）。
【0028】
第２の円筒状グラファイトサセプタ要素５０は、管１１０の第１の（下）端部にあり、軸Ａ－Ａに平行な方向に移動することができる（移動手段は図には示されていない）。
【0029】
第１のインダクタアセンブリ６０は、管１１０の第１の（上）端部にあり、第１のサセプタ要素４０に関連しており、軸Ａ－Ａに平行な方向に移動することができる（移動手段は図には示されていない）。
【0030】
第２のインダクタアセンブリ７０は、管１１０の第２の（下）端部にあり、第２のサセプタ要素５０に関連しており、軸Ａ－Ａに平行な方向に移動することができる（移動手段は図には示されていない）。
【0031】
要素８０は、その端部の１つにおいて、モータからの回転運動（ブロック８４により図に概略的に示されている）を受け、その回転運動を要素８０に伝達するように構成された、ベース装置８２、具体的にはクラウンに機械的に連結されている。好ましくはベース装置８２は、その半径方向周辺に複数の歯車歯を有している。図３において、ブロック８４は、その歯が大きなクラウン８２の歯と噛み合う小さな歯付きピニオン（電気モータによって駆動される）である。
【0032】
要素８０の円筒管は、その長さ（軸Ａ－Ａに平行）にわたって延在し、環状形状の横断面を有する空隙（図示せず）を有することができる。
【0033】
第１の有利な可能性によれば、回転要素８０の円筒管は、粗い又は凹凸のある外面８０Ｅ及び／又は粗い又は凹凸のある内面８０Ｉを有し、要素２０及び５０の表面に対して移動するこれらの表面は、スプリアス堆積物に対する研磨作用に有利に働く。
【0034】
第２の有利な可能性によれば、回転要素８０の円筒管は、少なくとも１つの螺旋ねじ山を有する外面８０Ｅおよび／または少なくとも１つの螺旋ねじ山を有する内面８０Ｉを有し、要素２０および５０の表面に対して移動するこれらの移動表面は、気体の動きおよび／または固体材料の輸送（例えば、下向き）に有利に働く。
【0035】
第１の可能性と第２の可能性とを組み合わせることができることに留意されたい。
【0036】
図３では、インジェクタ２０の外側円筒面２０Ｅと要素８０の内側円筒面８０Ｉとの間に第１の空隙が見え、要素８０の外側円筒面８０Ｅとサセプタ要素５０の内側円筒面５０Ｉとの間に第２の空隙が見える。例示的な実施形態によれば、第１の空隙の厚さ（例えば、１～１０ｍｍ）は第２の空隙の厚さ（例えば、１～１０ｍｍ）よりも小さいが、一般に、２つの厚さは同じであってもよい。
【0037】
記載された実施形態によれば、回転要素は円筒形または角柱形の管の形状を有する。しかしながら、第１の変形例では、この回転要素が異なる形状、例えば、円錐台またはピラミッド型の主要部または二基面を有する球体セグメント（two-base sphere segment）または・・・を有することが考えられる。
【0038】
本発明による反応チャンバは、有利には、塵埃、すなわち、回転要素８０の移動によって生成された塵埃を除去する手段を含むことができ、前述の螺旋状ねじ山は、これらの手段の一部であると考えることができる。
【0039】
これらの手段は、ガス流入口及び／又はガス流出口に対応することができる。例えば、図３を考慮すると、図で強調された第１の環状ゾーン９２および第２の環状ゾーン９４を有する反応チャンバの下壁９０があり、これらのゾーンの一方または両方において、空隙から来る塵埃を吸い上げるように適合された１組の穴を設けることができる。
【0040】
本発明による反応チャンバは、有利には、ガス流入口および／またはガス流出口に流体的に結合された洗浄アセンブリを備えることができる。好ましくは、このアセンブリが堆積プロセス中に不要なガス流を発生させないように、堆積プロセス中に動作しないように構成される。
【0041】
本発明による反応チャンバは、有利には、回転要素８０に機械的に結合され、回転要素８０に回転運動を伝達するように適合された移動アセンブリを備え、図３の要素８２および８４は、このアセンブリの一部であると考えることができる。
【0042】
移動アセンブリは、交互に回転する動きを要素８０に伝えるように構成することができる。
【0043】
移動アセンブリは、交互の並進運動を要素８０に伝えるように構成することができる。
【0044】
上述したような反応チャンバは、特に、基板上に例えば炭化ケイ素の層を堆積させるための反応器、特に、非常に高い温度で堆積プロセスを実行するように適合された反応器に使用される。
【図1】
【図2】
【図3】
