JPH0129870B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、化学的蒸着装置に関する。とくに、
本発明は、基体上の選択された元素および化合物
の高度に均一な汚染されていない被膜の化学的蒸
着のための装置、およびその構成成分に関する。

化学的蒸着（CVD）は、化学反応により気相
から基体（substrate）上に固体物質を析出する
方法である。包含される析出反応は、一般に熱分
解、化学的酸化、または化学的還元である。熱分
解の１つの例において、有機金属化合物は基体表
面へ蒸気として移送され、そして基体表面上に元
素の金属状態に還元される。

化学的還元のために、最も通常使用される還元
剤は水素であるが、金属蒸気を使用することもで
きる。基体は、シリコンによる六フツ化タングス
テンの還元の場合におけるように、リダクタント
として作用することもできる。基体が化合物また
は合金の析出物の１つの元素を供給することもで
きる。化学的蒸着法は、多くの元素および合金な
らびに化合物、例えば、酸化物、窒化物および炭
化物を析出するために使用することができる。

本発明の方法において、化学的蒸着技術は種々
の目的で基体上に析出物を生成するために使用す
ることができる。切削工具上の炭化タングステン
および酸化アルミニウムの摩耗被膜；タルタル、
窒化ホウ素、炭化ケイ素などの耐食性被膜および
浸食を減少するための鋼上のタングステン被膜は
本発明に従い適用される。この装置および方法
は、ソリツドステートの電子装置およびエネルギ
ー装置の製作にとくに有利である。

電子材料の化学的蒸着は、T.L.Chu et al.、J.
Bac.Sci.Techno1.10、１（1973）およびB.E.
Watts、Thin Solid Films18、１（1973）に記載
されている。それらは、例えば、シリコン、ゲル
マニウムおよびGaAsのような材料のエピタキシ
ヤルフイルムの形成およびドーピングを記載して
いる。エネルギー転換の分野において、化学的蒸
着法は核分裂の生成物の保持、太陽エネルギール
の収集、および超伝導のための材料を提供する。
化学的蒸着の分野の要約は、W.A.Bryant、“The
Fundamentals of Chemical Vapour
Deposition”、Jounal of Materials Science12、
1285（1977）に提供され、そしてそれらの開示を
ここに引用によつて加える。

温度、圧力、反応成分のガスの比、およびガス
流の量および分布の析出のパラメーターは、析出
速度および特定の系の析出物の所望の均一性およ
び品質を提供する能力を決定する。先行技術の系
の限定は、これらのフアクターの１または２以上
を適切に制御するそれの能力あるいは析出物の汚
染から由来する。

化学的蒸着に使用される反応室は、一般に冷壁
系および熱壁系として分類される。冷壁系におい
て、基体は内部支持体機素の誘導カツプリング、
輻射加熱または直接電気抵抗加熱により加熱され
る。熱壁系は、加熱された反応・析出ゾーンをつ
くるように配置された抵抗加熱素子に頼る。伝導
および対流加熱のアプローチも熱壁系において使
用された。

化学的蒸着のための冷壁系は、米国特許第
3594227号、同第3699298号、同第3704987号およ
び同第4263872号に記載されている。これらの系
において、半導体ウエーハは真空室内に位置し、
そして誘導コイルは真空室の外部に配置される。
ウエーハはRFエネルギーによる加熱に適合した
感受性材料上に取付けられる。熱をすぐ近くの半
導体ウエーハ区域へ局在化することにより、化学
的蒸着は加熱された区域へ限定される。加熱され
ない壁は化学的蒸着の温度より低いので、壁上の
析出物は還元される。反応ゾーンの温度は通常熱
壁系において得られるほど均一ではない。

米国特許第3705567号は、半導体ウエーハをド
ーピング化合物でドーツピングする系に関する。
ウエーハを含有する室は、片持ばり系において炉
中へ延びている。加熱素子は側面に沿つて設けら
れており、そして中央に位置するウエーハの温度
は端の温度から実質的に変化するであろう。蒸気
の拡散はウエーハの配向に対して垂直であり、そ
してウエーハは均一な濃度のドーピング化合物に
暴露されない。VLSI（very large scale
integration）（非常に大規模の集積）装置のよう
な発展した半導体装置に要求されるへり対中央、
ウエーハ対ウエーハ、およびバツチ対バツチの均
一性はこの系を用いて達成することができない。
これを閉じた蒸着系であり、そしてカヤリヤーガ
スを使用する正圧のガス流を提供しない。

半導体材料の製作において現在使用されている
熱壁化学的蒸着系は、最も普通に改造された炉で
ある。これらは石英または同様な不活性材料の長
い管状反応器を有し、そして熱は円筒系部分の外
側のまわりにコイル状に巻かれ加熱素子により供
給される。反応器の端が加熱されず、温度の変動
は非常に激しいので、蒸着室の中央の一部分（典
型的には、加熱された全体の３分の１）のみが有
用であるだけである。制限された反応ゾーンの部
分間の平衡温度の変動は典型的には４℃を超え
る。管壁は被覆され、取り出しおよび清浄が困難
となり、そして破片の源となる。ウエーハはボー
ト内に位置し、ボートは管状反応器の端を越えて
片持ばりで支持され、ウエーハは室から片持ばり
の完全な後退により再装填される。単一の改造さ
れたドーピング炉および関連する装置が占める床
面積［76.2cm（30インチ）の有効反応ゾーンにつ
いて］は、約6.5〜7.4m²（70〜80平方フイート）
である。これらの改造炉は、進歩した集積回路の
構成成分の製作における使用について過酷な制限
を有し、しばしば半体ウエーハを汚染し、そして
高い不良率を生ずる。電力要件の維持は経費を必
要とし、そして単位の容量は熱平衡の到達に要す
る長い時間により制限される。本発明の以前にお
いては、最も進歩した集積回路の構成成分、例え
ば、VLSI装置のための半導体工業により望まれ
る精確な、高い品質の被膜を製作するための装置
は入手不可能であつた。これは均一かつ均質な物
理的および電気的性質、例えば、耐電圧などにつ
いての要件が増大した結果である。

本発明の制御された温度の蒸着装置は、ガスを
内部の室へ導入しかつガスをそれから抜き出す、
ガス分配手段を有する内部の蒸着反応室と、内部
の蒸着反応室を取り囲みかつその壁から間隔を置
いて配置され、その内部に中程度の真空を維持す
る真空室手段とからなる。真空室手段はドーム形
ハウジングとそれと協働する基部とからなり、ド
ーム形ハウジングおよび基部の材料は輻射に対し
て実質的に透明である。輻射加熱手段はドーム形
ハウジングの外表面および基部にわたつて配置さ
れており、内部の蒸着反応室を取り囲み、反応室
内に精確に制御された温度を提供する。輻射加熱
手段およびドーム形ハウジングおよび基部の外表
面は非伝導的関係にある。輻射加熱手段は、好ま
しくは、同一の断面積および電流により達成され
た同一の温度を有する。

ドーム形ハウジングは、支持板と係合する基部
を有する。シールが基部および支持板の間に位置
して真空シールを形成する。冷却手段はドーム形
ハウジングの外壁と、基部および内部の蒸着室を
取り囲むその部分の間において係合して熱をそれ
から除去し、これによりシールを保護する。

石英の真空室の基部は、外部のドーム形部分お
よびそれと一体の軸方向に同心の内部の円筒形部
分を有する。外部のドーム形部分の下端は、その
の内径の少なくとも0.029倍の厚さを有する接続
壁部分により、その側壁へ一体的に接合された外
方に延びる環状取付フランジからなる。内部の蒸
着室は、ガス収集器上に分離可能に支持されたド
ーム形部分を有する。ガス収集器は下の円筒形部
分を有し、その末端は環状支持表面上に分離可能
に支持されている。好ましくは、円筒形部分の下
のへりおよびその支持体は、ガス収集器をその垂
直軸のまわりの配向するための相互に係合する割
り出し手段を有する。内部の蒸着室は、ドーム形
部分とその板の支持手段とにより定められる。支
持手段はガス収集器を受け入れる中央の開口を有
する。ガス分配器の張り出した入口は、雄型ガス
源部材を支持するとき、それと分離可能なシール
係合を形成する。こうして、内部の構成成分は清
浄のために容易に取りはずしできる。

本発明の目的は、内部の蒸着反応室内により均
一な温度を提供する化学的蒸着系を提供すること
である。他の目的は、真空室のシール係合表面の
温度をシールの一体性が破壊されないレベルに低
下させることである。本発明のなお他の目的は、
清浄または交換のために容易に分離される、内部
の蒸着反応室およびガス分配手段を形成する、内
部の１または２位上の構成成分を提供することで
ある。

この明細書中で使用する用語「化学的蒸着
（chemical vapor deposition）」は、反応成分の
反応性、化学的性質または化学的組成を増加また
は変化させると同時に、化学的蒸着法の基本的特
性を保持する方法の変法を包含すると定義され
る。反応成分のガス分子がより反応性の実在物に
転化されるプラズマ促進化学的蒸着、UV励起
（紫外線励起）化学的蒸着、マイクロ波励起化学
的蒸着などのような方法は、この明細書中で使用
するこれらの用語の意味に範囲内に包含される。

この明細書中で使用する用語「放射熱源」は、
熱の少なくとも一部分が輻射により移送される装
置、システムまたは手段を包含する。伝導または
対流による熱の移送も起こることが認識されかつ
意図される。「放射熱源」は、温度の増加が影響
を受ける方法に関して制限を受けないで、高温を
有するいかなる材料であることもできる。例え
ば、抵抗加熱素子および被膜、熱ランプ、加熱液
体および溶液、マイクロ波または誘導加熱された
材料は、「輻射加熱源」として機能することがで
きる。

第１図を参照すると、本発明の化学的蒸着装置
の断面図が示されている。化学的蒸着の環境は、
ドーム形ハウジング２およびドーム形基部４によ
り定められたゾーンである。これらは輻射熱に対
して実質的に透明である組成物から構成される。
抵抗加熱素子６および８が図解されている。ドー
ム形ハウジング２およびドーム形基部４の壁を通
過する輻射熱は、これらの構成成分により定めら
れた化学的蒸着ゾーンを加熱する。抵抗加熱素子
６および８は、それぞれのドーム形ハウジングの
壁２およびドーム形基部４からそれぞれ空気空間
１０および１２により分離されている。抵抗加熱
素子６および８からドーム形ハウジング２および
ドーム形基部４の壁への導電の熱移送を回避する
ことにより、それへの熱負荷は減少し、そしてよ
り詳しく後述するように、熱感受性シール構成成
分への熱損傷が防止される。

抵抗加熱素子６は内部のハウジング壁１４上に
支持されている。内部のハウジング壁１４は絶縁
手段１８により外部のハウジング殻１６から分離
されている。抵抗加熱素子８は、絶縁手段２２に
より支持基部２０から分離されている。

ハウジング２および基部４に関してこの明細書
中で使用する用語「ドーム」は、種々の形状を有
することができる。例えば、ドーム形ハウジング
２の上部２４は半球形であることができる。好ま
しくは、上部は平坦化した形状を有する、すなわ
ち、円筒形側壁２６の半径より大きい球の半径を
有する。同様な方法において、ドーム形基部４の
上部２８は平坦化された形状を有し、中心軸を通
る垂直平面におけるその曲率半径は側壁３０の基
部の半径より大きい。ドーム形基部４の軸方向に
同心の内部のシリンダー２９の上部は、外方に張
り出てそれと一体の上部２８となる。内部の蒸着
反応室は、上の反応室の壁３２および支持板３４
により定められる。ウエーハ３６をボート３８に
より垂直平面内に支持する板３４は、複数の棒で
あることもできる。ドーム形反応室の壁３２は外
方に延びる突起４０を有する。外方に延びる突起
４０は、外部のハウジング構成成分が持ち上げら
れて内部の蒸着室を暴露するとき、突起４２と係
合する。ガス供給導管４４は、ドーム形反応室の
ハウジング３２により定められた内部の蒸着反応
室から支持板３４を経て、ガス収集器４６の中央
を下に延びる。支持体の基部２０を通過する導管
４８を使用して、ドーム形基部４の内部のガスの
圧力を減少することができる。

本発明の装置を用いて達成される内部の蒸着反
応室内の温度の均一性は、先行技術の化学的蒸着
装置を用いて得られるものよるも実質的にすぐれ
る。これは、例えば、さらに一層均一な被膜をウ
エーハ上に形成する。

輻射加熱手段がすべて、定常状態において、内
部の蒸着反応室内に望む温度と同一でる温度にあ
るという、主要な改良が達成された。本発明の好
ましい実施態様において、この均一な輻射加熱器
の温度は、同一の断面積を有する抵抗加熱素子６
を使用することによりかつ前記加熱素子の各々に
同一の電流を流すことにより得られる。適当な電
力の供給は、商業的に入手可能な商品の品目であ
り、そしてこの分野においてよく知られた常用の
技術を用いる。加熱素子６が連続の針金から形成
されている。かあるいは直列の配置であるとき、
この効果は単一の電源により自動的に達成するこ
とができる。いくつかの抵抗素子の回路を使用し
かつ各々が同一の断面積および同一の長さを有す
る針金から作られているとき、単一の電源を使用
し抵抗加熱素子を並列に配置することにより、一
定の電流を得ることができる。

第２図および第３図は、第１図に示す装置のフ
ランジ区域の部分的拡大断面図である。第２図は
左の部分を示し、そして第３図は右の部分を示
す。ドーム形ハウジング２の底部のへり５０は、
環状板５４により支持されたシール５２と係合し
て真空シールを達成する。シール５２は、高温の
合成ゴムのＯリングのような有機ポリマー弾性材
料であり、化学的蒸着装置の通常の使用の間に化
学的蒸着反応室内に存在する高温にさらされる
と、急速に破壊する。環状シール板５４はヒート
シンクを構成し、これは流路５６を循環する冷却
液体により冷却される。くさび形断面を有する金
属または同様な材料の伝導性リング５８は、ドー
ム形ハウジング２の外壁表面６０および板５４の
傾斜表面と熱伝導関係に保持される。リング５８
は高度に熱伝導性の金属、例えば、銅から予備形
成することができ、あるいは金属ウール、例え
ば、銅ウールをくさび形空洞中に充填することに
より形成することができる。伝導性リング５８
は、環状板６２およびナツト６４の圧力により熱
移送表面に対してプレスされる。空気ギヤツプま
たは空気空間１０は、絶縁セラミツクシール６５
により閉じられている。この形状を用いると、ド
ーム形ハウジングの壁２の部分は最高温度に直接
さらされ、内部の蒸着反応室を直接取り巻く部分
は破壊性シール５２により熱的に隔離されてい
る。ドーム形ハウジングの壁２６の下部は高温に
直接さらされない。空気空間１０の加熱されたガ
スは、シールのセラミツクリング６５により遮断
されている。ドーム形ハウジング２の壁を下方に
伝導する熱は伝導性リング５８により除去され、
シール５２がされされる温度はさらに減少され
る。同様な真空シール６６および６８は、最も厚
い構成成分から物理的分離により保護され、さら
に冷却液が通過する冷媒流路７２を有する環状板
７０により冷却される。

ドーム形基部４の側壁３０は、外方の延びるフ
ランジ７４において終り、フランジ７４において
板７０により支持板２０に対して保持されてい
る。ドーム形基部４の下部は最高温度のゾーンか
ら絶縁手段２２により絶縁されている。ドーム形
反応室のハウジング３２をそれから延びる係合突
起４０により係合しかつ上昇する突起４２（第１
図参照）は、環状板５４から延びる。その露出表
面は石英または他の適当なスリーブ７６により覆
われている。スリーブ７６は、装置を開きかつ閉
じる間、金属による汚染から蒸着ゾーンを保護す
る。

第３図を参照すると、冷却流路５６に冷却水の
導管７８を通して冷却水が供給され、導管８０は
冷却水を前記流路から抜き出す。

通路８２はドーム形ハウジング２とドーム形基
部４との間のガス空間８４と連絡する。非反応性
ガスの供給コネクター８６からの通路８２を経て
供給されるガスは、これらの壁の間に正圧を提供
し、これにより反応室からガスが逃げるのを防止
する。非反応性すなわち不活性のガスは、実施す
る化学的蒸着反応に依存して、窒素、水素などで
あることができる。

ドーム形基部４は好ましくは特別に構成された
取付フランジ７４を有する。この構成成分は、内
部の室が排気にされるとき、高い応力を受け、そ
して最も過酷な応力はフランジ７４に隣接して集
中することが発見された。したがつて、側壁３０
の下の壁部分８８、第４図においてＥで示すゾー
ン、は必要な強さを得るために最小の厚さをもた
なくてはならない。厚さＤは、側壁３０の末端を
構成するフランジ７４の内径の少なくとも0.029
倍であるべきである。ドーム形基部が、例えば、
40.64cm（16インチ）の水平面における内径のフ
ランジを有する反応室において、フランジおよび
下部の側壁の他の部分の寸法は、次のとおりであ
ることができる：Ａ＝1.905cm（0.75インチ）、Ｂ
＝3.81cm（1.5インチ）、Ｃ＝0.953cm（0.375イン
チ）、Ｄ＝1.422cm（0.56インチ）およびＥ＝5.397
cm（2.125インチ）。

第５図は、内部の蒸着反応室および関連する構
成成分の断面図である。ドーム形反応室の上部の
壁部分３２は、支持板３４上に座す。突起４０は
支持板３４のへりを越えて延びおり、上昇して突
起４２（第１図参照）と係合する。したがつて、
反応ゾーンは上の壁部分３２および支持板３４に
より定められる。ウエーハのボート３８は支持板
３４上に座し、そしてウエーハ３６はその上に垂
直の配向で支持されている。

ガス収集器４６は円筒形の下部９０および上の
区画９２を有し、上の区画９２は外方に張り出し
てそれと一体のボウル区画を形成する。上部９２
は板３４と共にガス収集室９４を形成する。ガス
収集室９４は、ガス収集口９６および９８を経て
反応ゾーンと連絡する。口９６および９８は好ま
しくは板３４の外側へりに隣接して位置するが、
張り出した上部９２により定められた区域内に位
置する。板３４および張り出したガス収集器部分
９２は分離しているか、あるいは一体であること
ができる。ガス供給導管４４は、板３４の中央を
通して延び、そしてガス出口９７において終る。
ガス収集器シリンダー９０は、側壁２８の内部の
円筒形部分２９内に囲まれている。ガス出口９７
から出るガスは、垂直に配向したウエーハ３６の
間を単一の通過でかつ直ちに収集口９６および９
８を通過する。反応性成分の消耗から生ずるガス
組成の勾配は、これにより最小となる。

第６図は、ガス収集器系の下部の詳細な断面図
である。

ドーム形基部４の内部のシリンダー２９は、円
筒形真空スリーブ板１０１の上のへり９９に対し
てシール１００によりシールされている。板２０
の傾斜した環状表面１０３は、シール１００に対
してシール圧力を提供する。内部のシリンダー２
９の底部のへり１０５は、支持環状棚１０２上に
座す。

ガス収集器４６の円筒形下部９０はドーム形基
部４の円筒形部分２９内に囲まれており、そして
その下の末端１０７は環状支持棚１０４上に座
す。突起１０６および１０８は末端において対応
するそれぞれのノツチ１１０および１１２と係合
し、これによりガス収集器をその軸のまわりに精
確に配向する。ガス供給導管４４は円筒形部分９
０の中心を下に延び、そしてその下端１１４は拡
大しかつ張り出した形状を有する。ガス供給系は
雄型出口１１６を有し、この出口１１６は張り出
した部分１１４と係合しかつそれを支持する。シ
ール（Ｏリング）１１８は、ガス供給導管の張り
出した部分１１４の内表面とシール係合する。ガ
スは雄型部材１１６へガス供給リンクコネクター
１２０を通して供給される。ガスは反応室ゾーン
から口９６および９８を通して排出され、そして
ガス収集器４６を通つて円筒形区画９０を下向き
に通り、それと連絡する出口１２２を通して排出
される。

ガス送出および収集系の内部の構成成分ならび
に反応室を定める構成成分は、好ましくは、輻射
熱に対して透明でありかつ容易に清浄して、装置
の操作の間にその上に析出する微量の金属または
他の物質を除去することができる石英ガラスまた
は同様な材料から作られる。内部の構成成分の１
または２以上は、装置は装填サイクルの間に開く
とき、清浄のために分離することができる。これ
らの機素は容易に取り出しかつ交換することがで
きる。ドーム形ハウジング３２は支持板３４上に
座し、そしてウエーハの交換のためにそれから持
ち上げることができる。ガス供給管４４を垂直方
向に持ち上げ、それをガス供給取付１１６から分
離する。交換用管を上から挿入し、そのフランジ
付末端は雄型部分１１６との再係合を促集する。
棚１０４上に支持されるガス収集器９０は、それ
を垂直に持ち上げることにより取り出すことがで
き、そして交換用ガス収集器は、突起１０６およ
び１０８がノツチ１１０および１１２と係合しか
つ未端が棚１０４上に座すまで、それを下降させ
かつそれを回転することにより、挿入することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の化学的蒸着装置の断面図で
ある。第２図は、第１図に示す化学的蒸着装置の
左側の部分の詳細なフランジ構造の部分断面図で
ある。第３図は、第１図に示す化学的蒸着装置の
右側の部分の詳細なフランジ構造の部分断面図で
ある。第４図は、内部の真空室の基部の取付フラ
ンジの構造の断面詳細図である。第５図は、内部
の蒸着反応室およびガス収集器の構造の断面図で
ある。第６図は、内部の蒸着反応室およびガス分
配器の下部の支持構造体の断面図である。 ２……ドーム形ハウジング、４……ドーム形基
部、６……抵抗加熱素子、８……抵抗加熱素子、
１０……空気空間、１２……空気空間、１４……
内部のハウジング壁、１６……外部のハウジング
殻、１８……絶縁手段、２０……支持体の基部、
２２……絶縁手段、２４……上部、２６……円筒
形側壁、２８……上部、側壁、２９……軸方向に
同心の内部のシリンダー、３０……側壁、３２…
…上の反応室の壁、ドーム形反応室、３４……支
持板、３６……ウエーハ、３８……ボート、４０
……外方の延びる突起、４２……突起、４４……
ガス供給導管、４６……ガス収集器、４８……導
管、５０……底部のへり、５２……シール、５４
……環状板、環状シール板、５６……流路、５８
……伝導性リング、６０……外壁表面、６２……
環状板、６４……ナツト、６５……絶縁セラミツ
クシール、６６……真空シール、６８……真空シ
ール、７０……環状板、７２……冷媒流路、７４
……外方の延びるフランジ、７６……スリーブ、
７８……冷却水の導管、８０……導管、８２……
通路、８４……ガス空間、８６……非反応性ガス
の供給コネクター、８８……下の壁部分、９０…
…円筒形の下部、ガス収集器部分、９２……上の
区画、上部、９４……ガス収集室、９６……ガス
収集口、９７……ガス出口、９８……ガス収集
口、９９……上のへり、１００……シール、１０
１……円筒形真空スリーブ板、１０２……支持環
状棚、１０４……環状支持棚、１０５……底部の
へり、１０６……突起、１０７……下部の支持末
端、１０８……突起、１１０……ノツチ、１１２
……ノツチ、１１４……下端、張り出した部分、
１１６……雄型出口、雄型部材、ガス供給取付、
１１８……シール、１２０……ガス供給リンクコ
ネクター、１２２……出口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ［Ａ］ ドーム形の壁３２及び下端に環状の
   へりを有するハウジング、 ［Ｂ］ 該ハウジングの下端の環状のへりに係合
   する板手段３４、該板手段はガス分配器４４を
   受け入れる開口及びガス非出用通路９６，９８
   を有する、 ［Ｃ］ 円筒形部分９０と該円筒形部分の上端に
   続いて張り出したボウル状部分９２とから成る
   ガス収集器４６、該円筒形部分の下端及び該ボ
   ウル状部分の上端は環状のへりを有しており、
   該ボウル状部分の上端の環状のへりは上記板手
   段の下面に係合する、並びに ［Ｄ］ ガス供給系１２０の雄型出口１１６に分
   離可能に係合し得る拡大しかつ張り出した下端
   部１１４及び開口した上端部９７を有する導管
   から成るガス分配器４４、該分配器は導管の上
   端部が蒸着反応室内に位置するように上記板手
   段３４の開口から蒸着反応室内へ挿入される、 から成ることを特徴とする化学的蒸着装置におけ
   る真空室の内側の内部蒸着反応室を形成するため
   のハウジングと板手段とガス収集器とガス分配器
   とのセツト。