JPH0644557B2 - エピタキシー反応器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、エピタキシー反応器、すなわち、種々の材料
の基板が蒸気相の析出によりエピタキシー成長によって
覆われる装置に関する。本発明は、とくに、半導体装置
を製作するためにシリコン基板上にモノクリスタルのシ
リコンをエピタキシー的に析出することに関する。

シリコンのウェーフアーまたは基板上のエピタキシー成
長は、流れる水素及び他のガスの中で、それらと反応し
ないガス不透過性被膜で覆われたグラファイトのサセプ
ター（ｓｕｓｃｅｐｔｏｒ）を使用して９００℃〜１２
５０℃において起こるプロセスであり、前記被膜は典型
的には炭化ケイ素から構成され、その上に基板が固定さ
れる。成長はガスと接触する基板の面上において起こ
る。

サセプターは切頭角錐の形状、ほぼ３００mmの直径およ
びほぼ４５０mmの高さを有し、そして１μ付近の波長に
対して透明のわずかに大きい石英のベル（ｂｅｌｌ）内
に閉じ込められており、そこをガスが流れる。

サセプターはその垂直軸のまわりに回転して、反応ガス
の温度および分布を均一にする。

サセプターを要求する温度にかつそれを保持するため
に、成長過程の間（２０〜９０分）、電磁誘導を特別の
発生器および振動回路により発生させ、前記振動回路は
コンデンサおよび誘導子により構成されており、前記誘
導子は石英のベルの外側に存在しかつサセプターと同軸
であるらせん状の導電体により形成される。

現在まで、２００，０００〜２５０，０００Hzの周波数
の範囲およびほぼ６，０００〜７．０００ボルトの誘導
子ヘッドにおける電圧で三端子素子の発生器が使用され
た。必要な電力は、ほぼ４５％の全体の収率で供給され
るほぼ１３５ｋｗであった。

高周波加熱システムおよび誘導子／サセプターシステム
の形状寸法の適用は、実質的に２つの部類の欠点を含
み、１つはエネルギーおよび製作に関し、そして他方は
得られる製品の品質に関する。

セラミックの三端子素子および振動回路から成る振動子
をもつ高周波発生器システムは、次の特性を示す：構成
成分の高いコストのため高い値段；非常には広くない調
整範囲内のほぼ７０％の三端子素子の固有の収率；収率
の減少による三端子素子の特性の時間（ほぼ４０００〜
５０００時間）の減衰；特定の要件と、それゆえ過剰の
電力および増加したシステムのコストと常にはバランス
されていない適度の電力値をもつ商業的に入手可能な三
端子素子；１３５ｋｗの有用な加熱電力のためには、高
い電力の要件（３００ｋｗ）および高い消費（ほぼ２７
０ｋｗ）；発生器消散(dissipation)による高い冷却コ
スト；用いる電圧（発生器においてほほ１４，０００ボ
ルト）および高い周波数のラインのカプリング（剛性の
同軸導電体など）により絶縁の問題、誘導子への電圧の
ため実質的なエネルギーの回収を確保するために有用な
距離において反射スクリーンを固定することの困難性；
機械の部品、例えば、骨組み、ドアなどとの誘導カプリ
ングの現象、これはサセプターへ伝えられる有用な電力
を減少させる。

製品（典型的にはシリコンのウェーファー）の結晶学的
欠陥は基板の背面から前面にかけて横方向の熱勾配に関
係づけられ、この熱勾配は基板の前面および背面の間の
膨張の差のため基板のカップ様のゆかみを生じ、これは
結晶格子中に応力を発生させ、この応力はある点におい
て弾性限界を越え、結晶学的相のすべりを起こす。前記
すべりの線および転位は冷却後に維持され、そして半導
体の電気的機能がゆがむゾーンを構成し、製品の収率を
低下させる。

誘導加熱システムでは、熱勾配を完全に排除することが
できず、製品を改良するためには、等温の光学的空洞を
つくることにより、すなわち、サセプター上およびウェ
ーファー上においてそれらより放射されるエネルギーを
できるだけ多く反射させることにより、それを最小にす
ることが推奨されており、そしてこれは高周波システム
では前述の理由で達成することはできない。

より大きい直径のシリコンのウェーファーについて、相
応して結晶学的欠陥に対する大きい感受性が存在し、そ
れは製品の収率にとって致命的であることを述べるべき
であろう。

同時に、半導体工業の傾向はさらに一層大きい直径に向
っている（１９７９年にける７５mmの直径から１９８３
年における１２５mmの直径へ、１９８０年代において１
５０mm、さらには２００mmの直径か期待される）。

本発明の主な目的は、サセプターが放射するエネルギー
をサセプター自体上および支持体上で反射し、その結果
定常の操作条件下の電気エネルギーの消費量をより少な
くし、かつシリコン基板の横方向の熱勾配を減少するこ
とのできるシステムを提供することである。

これらの目的は、本発明により達成される。本発明によ
れば、少なくとも１つの石英のベルから成り、前記石英
のベル内に適当な既知の材料で覆われたグラファイトの
サセプターが設置されており、前記サセプターに対して
処理すべき基板が固定されており、前記サセプターはそ
の垂直軸のまわりに回転することができ、前記ベルは適
当な既知の組成のガス混合物を供給され、そして前記サ
セプターは発生器によりおよびコンデンサおよび誘導子
から成る振動回路により生成される電磁誘導によって加
熱され、前記誘導子は前記石英のベルの外側に存在しか
つ前記サセプターと同軸のらせん状の導電体から作られ
ている型のエピタキシー反応器において、前記発生器は
中波で作動する静止コンバーターから成り、そして前記
石英のベルのまわりに、前記サセプターにより放射され
るエネルギーを前記サセプターへ戻すことができる複数
のセクター化された好ましくは円筒状のスクリーンが配
置されており、前記スクリーンは前記サセプターのピー
ク放射波長を反射することができかつ振動の周波数に依
存して誘導子の電磁場と最小のカプリングをすることが
できる材料で構成されていることを特徴とするエピタキ
シー反応器が、提供される。

本発明の好ましい実施態様において、前記静止コンバー
ターは固体サイリスターの６相（ｈｅｘａｐｈａｓｅ）
システムで作動し、そして数千Hz、とくに３０００〜４
０００Hz程度の周波数で作動する。

本発明の第１実施態様と一致して、前記複数のスクリー
ンは誘導子のらせん状の巻き付けと石英のベルの壁との
間に位置し、前記スクリーンを特別に冷却する手段が設
けられている。

本発明の他の実施態様によれば、前記複数のスクリーン
は誘導子のらせん状の巻き付けの外側に位置する。

本発明の他の実施態様によれば、前記複数のスクリーン
は誘導子のらせん状の巻き付けの構造自体の一部であ
る。

上の述べたことに従い、本発明によるエピタキシー反応
器の第１の特徴は、電磁誘導加熱システムとして、よく
知られた型の商業的に入手可能な、中波で、とくに３０
００〜４０００Hzで作動する静止コンバーターの発生器
を使用することにある。

このような静止コンバーターは、システムが固体のサイ
リスターの６相システムにより振動するように作られて
いるので、三端子素子を必要としない。このコンバータ
ーは、本発明において、誘導子の端子において５００ボ
ルトより低い電圧で操作可能であり；９０％より大きい
全体の収率を与えることができ、こうして所定の有用な
電力について電力の要件を小さくしかつ消費量を少なく
し、同時に冷却システムのコストを減少させることがで
き；非常に電力が減少したときでさえ、すぐれた全体の
収率を保持することができ、これは加熱段階の間コンバ
ーターの全体の電力の使用を可能とするので非常に有用
であり、サイクル時間を減少させかつエピタキシー反応
器の生産性を増加し、そして収率を犠牲としないで正常
の操作の間電力を減少することができ；種々のモデルの
中で小さい電力の変化（２０〜３９ｋｗ）を用いて定格
の商業的に入手可能なコンバーターを使用することがで
き、こうして反応器の特定の要件および寸法に最良に適
するコンバーターを選択することができ；同じように有
用な電力の高周波発生器のそれのほぼ５０〜６０％の値
段でかつ時間における収率を低下させないで購入するこ
とができる。

本発明によるエピタキシー反応器の他の必須の特徴は、
サセプターの放射を反射するスクリーンの採用にある。

スクリーンの使用は、主として、前述の静止コンバータ
ーの使用と結びつけられる。低い電圧が誘導子に印加さ
れかつ中波の範囲がかなり浸透すると、好ましくは円筒
形のセクター化された鏡のシステムを準備して、ほぼ等
温の光学的空洞をつくりかつサセプターへ消散をほとん
どなくしてそれが放射するエネルギーのほぼ６０〜７０
％を反射させることができる。

反射スクリーンは放射のピークの波長を反射するために
最も適する材料を用いかつ振動の周波数に依存する誘導
子の電磁場とのカプリングを最小にして構成される。放
射のピークの波長はサセプターの表面構造および処理温
度の関数である。

スクリーンに使用する材料は、３つのクラスに分けるこ
とができる： ａ）機械的におよび電解的に鏡面磨きされた非強磁性材
料； ｂ）輝いたクロム、ニッケル、金、銅などのガルバーニ
被膜または金、アルミニウムなどの真空蒸着被膜を有す
る非鉄金属； ｃ）絶縁体、典型的には透明な石英ガラス、アマルガム
化または蒸着により析出された金属の反射性被膜をも
つ。

一般に、すべてのスクリーンは８７〜９５％の反射率を
有する。スクリーンは好ましくは円筒形のセクターの形
状を有し、これらのセクターは密接せずかつショートし
ない巻き付け（ｔｕｒｎ）をつくるような方法で分割さ
れており、サセプターよりも高く、そして３つの交互す
る位置で存在することができ、各々は特有の利点をも
ち、かつまた次のような固有の制限をもつ： Ａ）誘導子の巻き付けと石英のベルの壁との間に、前記
ベルの壁からほぼ２０〜３０mmの距離が存在し、循環空
気による石英の冷却を可能とする；この配置は放射を最
高に回収し、その間スクリーンは、例えば、電気的に絶
縁された水のコイルにより冷却される； Ｂ）誘導子の外側では反射効率は劣る（上の変法Ａのシ
ステムのそれのほぼ７０％）が、ここでそれらは水で好
ましくは石英のベルを冷却する同一の循環空気で冷却さ
れることができる； Ｃ）他の態様において、スクリーンは誘導子の一部分で
ありかつそれと一体化されている。

添付図面を参照して、本発明を説明する。

知られているように、エピタキシー反応器は、基本的に
は（第１図を参照）石英のベル１０から構成された反応
室から成り、この石英のベル１０は矢印１１により示す
ように外部において空気で冷却されており、好ましくは
上部において矢印１２で示すようにガス混合物を供給さ
れ、一方排出ガスは矢印１３で示すようにベルの底部を
通って外に出る。ベルの上および下のフランジに特別の
シール（図示せず）が接続されている。

ベル１０の内部に、回転する方法で、サセプター１４が
取り付けられており、これは好ましくは切頭角錐の形状
であり、その面上に基板、好ましくはシリコンのウェー
ファー１５が位置する。

サセプター１４は適当な公知の被膜で覆われたグラファ
イトからなり、そして特別の耐火性支持体１６および１
７および金属の支持体１８上に支持されたおり、そして
その垂直軸のまわりに電源（図示せず）により回転す
る。

これらの特徴はすでに知られているので、それらの詳細
な説明は省略する。それらのすべては先行技術において
知られている。

第１図に示す実施態様において、石英のベルのまわりに
誘導子２０が配置されている。誘導子２０は伝導性材
料、典型的には銅の管から作られており、内部において
流体、典型的には水の循環により冷却されており、適切
な数の巻き付けから成り、そして一端においてすぐに次
の上の巻き付けにそして他端においてすぐに次の下の巻
き付けに同一材料の管から作られたＵコネクター２２に
より接続されている。

参照数字２１は、循環する冷却用水の出入を示す。

前記巻き付けに反射スクリーンが固定されている。この
スクリーンはバンド２３から成る。バンド２３は適当な
高さをもち、前述のサセプターに面する表面が処理さ
れ、かつ前記サセプターにより放射されたエネルギーを
反射するように設計されている。

誘導子は、かご構造体２４により支持され且つ案内され
る。かご構造体２４は絶縁耐火材料から作られている。

第２図および第３図は別法Ａのシステムを平面図および
断面図で表わしている。ここで誘導子３０はなお導電性
材料、典型的には銅から作られており、内部を循環する
流体、例えば、水３１により冷却されているが、従来の
方法で円筒形の巻き付けの単一の管状の包装体で構成さ
れている。それは絶縁耐火材料から作られたかご構造体
３４により案内され、そして他の金属構造体３５により
支持され、介在部分３６は誘導子を電気的に絶縁する。

誘導子の内部に、反射スクリーンが存在する。反射スク
リーンは、全体的に３７で示されており、そして複数の
好ましくは湾曲したセクターから成り、それらの典型的
な例は第４図および第５図に与えられている。セクター
３８は石英のベルの壁のそれと適合する曲率を有し、そ
して一体コイル３９を支持し、そのコイル内を冷却用流
体（典型的には水）が循環する。

セクター３８は偏向部分４０を有し、この部分は複数の
スリット４１のための場所を提供し、スリットを通して
ベルの冷却用空気が前記ベルに対して接線方向に向けら
れる。

前記複数へのスクリーンの分割は、要件に従い誘導子の
内部に閉じたショートの巻き付けの形成を回避しかつ冷
却用空気をベルの外表面へ到達させてそれを冷却する。

第６図および第７図は、上の別法Ｂのシステムの概略的
に表わし、ここで誘導子３０は従来のものであり、型お
よび構造が第２図および第３図に図解するものに類似
し、一方その全体が参照数字４７で示されるスクリーン
は誘導子の外部に配置された複数の湾曲したセクター４
９から成る。

セクターは個々に水で冷却することができ、そして第２
図および第３図のシステムの説明において与えた理由で
不連続でなくてはならない。

ここで第８図を考慮すると、本発明に従う中波のサイリ
スター発生器の機能的ブロック線図が示されており、こ
こで主要な供給は絶縁減少トランス１２０へ到達し、そ
こからサイリスター整流ブリッジ１２１へ行く。

この回路は、また、サイリスター１２２、１２３、１２
４、１２５および１２６、限定抵抗体１２７およびショ
ートから保護するインダクタンス１２８を提供し、一方
１１４はエピタキシー反応器のサセプターと相互作用す
る誘導子を示し、そして１２９は誘導子１１４がとる値
に依存して周波数を調節する可変容量のコンデンサを示
す。

公知の型の外部の電子制御により、サイリスター対１２
３、１２６および１２５、１２４は交互にオンにされ、
そして振動回路１１４、１２９を始動する。

誘導子１２８は、機能不全のためサイリスター１２３、
１２４がオンになったとき（それは電力供給をショート
するであろう）、ある時間の間電流を制限する。誘導子
１２８が作動しているとき、整流ブリッジ１２１はオフ
にならなくてはならない。

抵抗体１２７およびサイリスター１２２は発生器の始動
を促進し、その時サイリスター１２２はスイッチオフに
される。

本発明を用い、とくに中波のサイリスター発生器を用い
て得られる利益を、既知の高周波システムと比較して、
特別に記載するために、関連するパラメーターおよび操
作データを下表に要約する。

本発明を好ましい実施態様について説明したが、概念的
に、構造的におよび機能的に同等の変更および変化は本
発明の範囲内で可能であることを理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の変法Ｃに従うエピタキシー反応器の
必須構成成分の略部分断面図である。 第２図は、本発明の別法Ａに従う誘導子の部分の略部分
断面図である。 第３図は、第２図の平面III−IIIに沿った第２図の誘導
子の断面図である。 第４図は、第３図の誘導子の反射スクリーンの詳細な側
面図である。 第５図は、矢印Ｆの方向に見た第４図のスクリーンの図
面である。 第６図は、上の別法Ｂに従う誘導子の部分の略部分断面
図である。 第７図は、第６図の平面VII−VIIに沿った誘導子の断面
図である。 第８図は、本発明に従う中波発生器回路の基本線図を示
す。 １０……石英のベル １１……矢印 １２……矢印 １３……矢印 １４……サセプター １５……ウェーファー １６……耐火性支持体 １７……耐火性支持体 １８……金属支持体 ２０……誘導子 ２１……循環する冷却用水の出入 ２２……Ｕコネクター ２３……バンド ３０……誘導子 ３１……水 ３４……耐火材料のかご構造体 ３５……金属構造体 ３６……介在部分 ３７……反射スクリーン ３８……セクター ３９……一体コイル ４０……偏向部分 ４１……スリット ４７……スクリーン ４９……湾曲セクター １１４……誘導子 １２０……トランス １２１……サイリスター整流ブリッジ １２２……サイリスター １２３……サイリスター １２４……サイリスター １２５……サイリスター １２６……サイリスター １２７……限定抵抗体 １２８……誘導子 １２９……可変容量コンデンサ

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも１つの石英のベルから成り、前
   記石英のベル内にガスを通さない非反応性の被膜、典型
   的には炭化ケイ素で覆われたグラファイトのサセプター
   が設置されており、前記サセプター上に被覆すべき基
   板、典型的にはシリコンのウェーファーが固定されてお
   り、前記サセプターはその垂直軸のまわりに回転するこ
   とができ、前記ベルは適当な既知の組成のガス混合物を
   供給され、そして前記サセプターは発生器によりおよび
   コンデンサおよび誘導子から成る振動回路により生成さ
   れる電磁誘導によって加熱され、前記誘導子は前記石英
   のベルの外側に存在しかつ前記サセプターと同軸のらせ
   ん状の導電体から作られている型のエピタキシー反応器
   において、前記発生器は中波で作動する静止コンバータ
   ーから成り、そして前記透明な石英のベルのまわりに、
   前記サセプターにより放射されるエネルギーを前記サセ
   プターへ戻すことができる複数のセクター化されたスク
   リーンが配置されており、前記スクリーンは前記サセプ
   ターのピーク放射波長を反射することができかつ振動の
   周波数に依存して誘導子の電磁場と最小のカプリングを
   することができる材料で構成されていることを特徴とす
   るエピタキシー反応器。
2. 【請求項２】前記静止コンバーターは６相の固体のサイ
   リスター・システムで作動し、そして数千Hz程度の周波
   数で作動することを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の反応器。
3. 【請求項３】前記静止コンバーターは３０００〜４００
   ０Hzの周波数で作動することを特徴とする特許請求の範
   囲第２項記載の反応器。
4. 【請求項４】前記複数のスクリーンは誘導子のらせん状
   の巻き付けと石英のベルの壁との間に位置し、前記スク
   リーンを特別に冷却する手段がまた設けられていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の反応器。
5. 【請求項５】前記冷却手段は冷たい水が内部を循環する
   コイルから成ることを特徴とする特許請求の範囲第４項
   記載の反応器。
6. 【請求項６】前記スクリーンは、石英のベルのそれに対
   応する曲率をもつ湾曲したセクターから成り、各セクタ
   ーの末端ストリップは前記ベルのための冷却用空気の接
   線方向の通路のためのスリットを形成するような方法で
   ベルへ向かって偏向されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の反応器。
7. 【請求項７】前記複数のスクリーンは誘導子のらせん状
   の巻き付けの外側に位置することを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の反応器。
8. 【請求項８】前記複数のスクリーンは、前記石英のベル
   のために設けられた同一の冷却用空気の循環により冷却
   されることを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の反
   応器。
9. 【請求項９】前記複数のスクリーンは、巻き付け間のシ
   ョートを防止するような方法で、前記誘導子の巻き付け
   と一体化されていることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の反応器。
10. 【請求項１０】前記スクリーンは非強磁性金属から作ら
    れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
    反応器。
11. 【請求項１１】前記金属は鏡面磨きされていることを特
    徴とする特許請求の範囲第１０項記載の反応器。
12. 【請求項１２】前記スクリーンは輝いた金属被膜を有す
    る金属から作られていることを特徴とする特許請求の範
    囲第１項記載の反応器。
13. 【請求項１３】前記被膜はクロム、ニッケル、金、銅な
    どを用いてガルバーニ電気的に形成されていることを特
    徴とする特許請求の範囲第１２項記載の反応器。
14. 【請求項１４】前記被膜は金、アルミニウムまどの真空
    蒸着により形成されていることを特徴とする特許請求の
    範囲第１２項記載の反応器。
15. 【請求項１５】前記スクリーンは反射性金属の被膜で覆
    われた絶縁材料から構成されていることを特徴とする特
    許請求の範囲第１項記載の反応器。
16. 【請求項１６】前記反射性金属の被膜はアマルガム化に
    よりあるいは真空蒸着により析出されていることを特徴
    とする特許請求の範囲第１５項記載の反応器。
17. 【請求項１７】前記絶縁材料は透明な石英であることを
    特徴とする特許請求の範囲第１５項記載の反応器。
18. 【請求項１８】前記誘導子は中波の振動回路の発生器に
    より供給されることを特徴とする特許請求の範囲第１項
    記載の反応器。
19. 【請求項１９】前記振動回路は３０００〜６０００Hzの
    周波数において作動することを特徴とする特許請求の範
    囲第１８項記載の反応器。
20. 【請求項２０】前記振動回路は６相の固体のサイリスタ
    ー・システムにより振動するように作られていることを
    特徴とする特許請求の範囲第１９項記載の反応器。