JPS5920381B2 - 気相反応装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は気相反応装置に関するものである。

気相成長反応においては反応室に導入された反応物質を
含んだガスの流れる状態が反応効率や反応生成物の純度
あるいは反応生成物の膜厚や膜質の均一性に大きな影響
を与える。このため気相反応装置においては反応室内の
形状や導入ガスの噴出方向等を充分考慮して設計するこ
とが重要となつて来る。従来では、気相化学反応を用い
て反応生成物を形成対象物上に堆積被着させる場合、ベ
ースとなるキャリア−ガス中に反応成分を添加した混合
ガスを、形成対象物が設置され適当な反応温度に昇温さ
れたいる反応室内にガス噴射装置を介して導入すること
により行なつていた。

第１図に従来の気相反応装置の断面概略図を示し、同図
を用いてガス噴射装置１から噴射されたガスの流れにつ
いて説明する。ガス噴射装置１の下方のガス導入口２よ
り導入された反応成分を含んだ混合ガスは、ガス導入口
２と反対側のガス噴出口３より反応室４内に噴出される
。ガス噴出口３の開口面積は、ガス導入口２の開口面積
よりも小さくなつているので、反応室４内に噴出される
ガスの噴射速度はガス導入口２に導入されるガスの速度
よりも大となる。反応室４内に噴出されたガスはペルシ
ャー５上部に到達した後反応室４下方に導びかれその一
部のガスは形成対象物６を載置し、且つ気相化学反応を
行なわしめる温度に高周波加熱装置７により昇温された
サセプター８上に達する。サセプター８はサセプター支
持台９により回転されると共に支持されている。反応成
分を含んだ混合ガスは形成対象物６およびサセプター８
上で反応を行ない反応生成物を堆積被着する。その後サ
セプター８の中心部方向に流れ再度中心部に位置してい
るガス噴射装置１から噴出されたガスに巻込まれた状態
となり再びペルシャー５上部へ導びかれる。すなわち従
来の気相成長装置における反応室４ノ 内のガスの流れ
は反応室４中心からペルシャー５の内壁に向つての対流
状態となつており、また反応室４内に導入された反応成
分を含んだ混合ガスの一部のみしか形成対象物６上に達
しないために以下の欠点を生じていた。’ｉ（１）形成
対象物６上に到達する対流ガスの成分としては、導入さ
れた混合ガス成分とサセプター８上で既に気相反応によ
り生成した副生成ガスおよび反応室４内で発生する不純
物ガス、例えば高温に昇温されているサセプター８や形
成対象物６から発散した吸着ガスおよび混合ガス成分と
形成対象物６との反応により生じる成分、例えばＳＯＳ
（シリコン・オン・サファイア）結晶成長におけるアル
ミナの水素キャリヤーにおける還元作用で発生する酸化
アルミニウム（Ａｔ２Ｏ，ＡｔＯ）等、種々雑多な成分
を含むので形成対象物６上に堆積被着する反応生成物の
純度は必らずしも目的とした物質のみの清浄な物とは限
らない。

（２）反応室４内に導入された混合ガスの一部は、ペル
シャー５の内壁とサセプター８の間隙を通り、気相成長
装置下方に配設されているガス排出口１０から装置外に
排出される。

反応室４内における前記混合ガスの流れは形成対象物６
上への反応生成物の堆積被着には寄与しないため導入さ
れた混合ガスの利用効率が悪い。本発明はこれらの欠点
を解決することができる気相反応装置を提供するもので
、以下実施例を用いて図面と共に本発明を説明する。

本発明の一実施例における気相反応装置の断面概略を第
２図に示す。

第１のガス噴射装置１１Ａは、反応成分ガスとベースと
なるキヤリアーガスを含んだ混合ガスを噴射するもので
、反応装置底面の中心に配設されていて、ガス導入口１
２Ａを有し、該ガス導入口１２Ａと反対の先端部には、
ガス遮蔽板２２Ａがガス導入方向と直交してガス噴射装
置１１Ａの一端を封じるように配設されている。また該
ガス遮蔽板２２Ａ近傍の該ガス噴射装置１１Ａの側面に
複数個のガス噴出口１３Ａを有している。該ガス噴出口
１３Ａは、その開口総面積が前記ガス導入口１２Ａの面
積よりも小となるように開口されていて、ガス噴出口１
３Ａから噴射される混合ガスの噴射速度が、ガス導入口
１２Ａに導入されるガス速度より大となるように考慮さ
れている。該ガス噴出口１３Ａの位置よりも下方には基
台となるサセプター１８が配設されており、該サセプタ
ー１８は、回転機構を備えたサセプター支持台１９に支
持されると共にガス噴射装置１１Ａを中心として水平に
回転する。サセプター１８の下方には、サセプター１８
を反応温度に昇温するための高周波加熱装置１７が、サ
セプター１８と平行し且つガス噴射装置１１Ａと同心と
なる様に配設されている。また反応室１４の底面には、
ガスを排出するためのガス排出口２０が配設されている
。ところで反応室１４を構成するペルシャー１５の側壁
には、前記ガス噴射装置１１Ａから噴射される混合ガス
中のキヤリアーガスと同種のガス、あるいはアルゴン、
ヘリウム等の不活性ガスの様に反応成分ガスを含まず、
直接的には反応そのものに寄与せず悪影響も与えないガ
ス（以下この様なガスを本説明においては非反応キヤリ
アーガスと称する）を噴射するための第２のガス噴射装
置１１Ｂが配設されている。該ガス噴射装置１１Ｂは、
反応室１４外の先端にガス導入口１２Ｂを有し、反応室
１４内の他方の一端にはガス遮蔽板２２Ｂを有しガス噴
射装置１１Ｂの一端を封じている。ガス遮蔽板２２Ｂは
ガス噴射装置１１Ａのガス遮蔽板２２Ａに対して対向す
ると共に平行な関係に配設されている。ガス遮蔽板２２
Ｂの近傍のガス噴射装置１１Ｂには複数個のガス噴出口
１３Ｂが開口されている。ガス噴出口１３Ｂの開口総面
積は、ガス導入口１２Ｂの面積よりも小となるように開
口されていて、ガス噴出口１３Ｂから噴射される非反応
キヤリアーガスの噴射速度が、ガス導入口１２Ｂに導入
される時の速度より大となる様に考慮されている。ガス
噴射装置１１Ａ，１１Ｂのガス噴射口１３Ａ，１３Ｂ領
域をガス噴射管と称するならば、ガス噴射装置１１Ａと
ガス噴射装置１１Ｂのガス噴射管は互いに同軸をなす様
に配設されている。この様な構成による気相反応装置の
反応室１４内のガス流について説明する。

まず説明を簡単にするため第１のガス噴射装置１１Ａの
みにガスが導入された場合について説明する。ガス噴射
装置１１Ａのガス噴出口１３Ａから噴射される混合ガス
の噴射方向は、反応室１４中心から外方向に向けての横
方向であるが、ガス噴射装置１１Ａ内のガス進行方向が
下方から上方向であるので慣性により若干水平より上向
きの流れとなつてサセプター１８の上部を進行する。サ
セプター１８は形成対象物１６を載置し反応温度まで加
熱昇温されると共に回転しているガス噴射装置１１Ａか
ら噴射された混合ガス中の反応成分は、サセプター１８
上で昇温されることにより反応を行ない、反応生成物を
形成対象物１６やサセプター１８上に堆積被着させる。
また混合ガスのガス流は昇温されることにより膨張し、
密度が小さくなつて反応室１４内で対流をおこす方向に
作用すると共に、ガス噴射方向（若干水平よりも上向き
）等が原因となり、ペルシャー１５内壁に衝突後ペルシ
ャー１５内壁に沿つて上昇しペルシャー１５最頂部から
下降する対流となる。反応室１４の内容積が一定のため
ガス流は対流をおこしながらも導入ガス流量とほぼ等し
い流量のガスが反応室１４からガス排出口２０を通り装
置外に排出される。以上の如くガス噴射装置１１Ａのみ
にガスを導入した場合の反応室１４内でガス流は対流を
おこすことが判る。

次に、第１のガス噴射装置１１Ａにガスを導入すると共
に、第２のガス噴射装置１１Ｂからも非反応キヤリアー
ガスを導入した場合の反応室１４内のガス流について説
明する。

ガス噴射装置１１Ｂのガス導入口１２Ｂから導入された
非反応キヤリアーガスは、反応室１４内において上方か
ら下方に進行した後、複数個のガス噴出口１３Ｂから反
応室１４内に横方向のガス流となつて大きな速度で噴射
される。非反応キヤリアーガスのガス流はガス噴射装置
１１Ａから噴射される混合ガスのガス流と対向する様に
サセプター１８上を流れると共に、反応室１４内上部を
絶えず清浄な非反応キヤリアーガスで充満する様に流れ
る。その後ペルシャー１５内壁に沿つて反応室１４下方
に流れた後、ガス排出口２０から装置外に排出される。
つまりガス噴射装置１１Ｂから反応室１４内に噴射され
るキヤリアーガスＢの作用として、（１）混合ガスに対
するカーテンの作用（一般に見られるエアーカーテンと
同じ）と、（２）反応室１４の内容積を実効的に小さく
することであり、以上の作用からガス噴射装置１１Ａか
ら噴射される反応成分を含んだ混合ガスのガス流れは、
対流が阻止されると共に、反応成分を含む混合ガスの流
れがサセプター１８に対して平行で、且つ近接した状態
の流れとなる。本発明の気相反応装置により、反応室内
のガス流を混合ガス流量と非反応キヤリアーガスの流量
比あるいは総ガス流量により自由に制御することが可能
となる。

実際には、第１のガス噴射装置１１Ａから噴射される混
合ガスと第２のガス噴射装置１１Ｂから噴射される非反
応キヤリアーガスとの比率として、混合ガスに対して非
反応キヤリノＣ アーガスが１．５〜４倍の間が適当であつた。

また、混合ガスと非反応キヤリアーガスとのトータル流
量は、反応室１４の内容積を１とした場合、１分間あた
りその２〜６倍のガス流量が反応生成物の均一性の点で
結果として良好であつた。以下に述べる本発明の効果に
より、本発明の気相反応装置は工業上、特に半導体工業
上非常に大きな価値を有するものである。

（１）サセプターや形成対象物上を流れるガス流が平行
で且つ流速が大なるため膜厚や膜質の均一性の良い反応
生成物を再現性良く堆積被着形成することが可能である
。

（２）サセプターや形成対象物上を流れる反応成分を含
有した混合ガスのガス流は対流とならないため、反応に
より生じる副生成ガスあるいは形成対象物やサセプター
から発散する吸着ガス中の不純物を反応生成物中に取り
込むことが少なくなる。

即ち、オートピングやアウトデイフユージヨンの少ない
清浄な反応成性物を堆積被着することができるので、例
えばサフアイア基板上にシリコンを成長させるような基
板と異種物質を気相成長させる時には、不純物分布の急
峻な堆積層を得ることができるので特に効果的である。

（３）反応成分を含んだ混合ガスのガス流はサセプター
の上面に近接して流れるため、反応成分ガスの反応効率
が良くなり、反応成分の殆んどが反応に寄与することに
より堆積被着形成速度が従来と比して大となる。即ち、
堆積被着速度が大であるため、従来装置よりも堆積に要
する時間が短縮でき、反応温度に加熱するための電力、
反応物質およびキヤリアーガス等の資源節約が可能とな
る。（４）反応速度を従来と同一のものにして同一堆積
層を得ようとする場合、反応温度を下げる以外に、反応
成分を含んだ混合ガス濃度を稀くするととも可能である
ので、有毒物質や可燃性物質を用いた反応においては危
険性が減少する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の気相反応装置の断面概略図、第２図は本
発明の気相反応装置の一実施例を示す断面概略図である
。 １１Ａ，１１Ｂ・・・・・・ガス噴射装置、１２Ａ，１
２Ｂ・・・・・・ガス導入口、１３Ａ，１３Ｂ・・・・
・・ガス噴出口、１４・・・・・・反応室、１５・・・
・・・ペルシャー、１６・・・・・・形成対象物、１７
・・・・・・高周波加熱装置、１８・・・・・・サセプ
ター、１９・・・・・・サセプター支持台、２０・・・
・・・ガス排出口、２２Ａ，２２Ｂ・・・・・・ガス遮
蔽板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 気相成長すべき形成対象物が載置せられる基台と、
   前記形成対象物に反応ガスを噴出するガス噴出口を有す
   る第１のガス噴射装置と、前記第１のガス噴出装置の上
   方に設置せられ、前記形成対象物の主面方向に非反応ガ
   スを噴出する噴出口を設けた第２のガス噴射装置とが反
   応室内に形成されたことを特徴とする気相反応装置。 ２ 第１、第２のガス噴射装置の噴出口を設けた部分は
   管状体で構成されるとともに、互いに対抗配置され、前
   記管状体の一端に、前記管状体の一端の開口面積より大
   きな面積を有するガス遮蔽板を有することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の気相反応装置。