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JP2004040024A - 気相薄膜製造装置 - Google Patents

気相薄膜製造装置 Download PDF

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JP2004040024A
JP2004040024A JP2002198461A JP2002198461A JP2004040024A JP 2004040024 A JP2004040024 A JP 2004040024A JP 2002198461 A JP2002198461 A JP 2002198461A JP 2002198461 A JP2002198461 A JP 2002198461A JP 2004040024 A JP2004040024 A JP 2004040024A
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JP
Japan
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gas
thin film
semiconductor substrate
substrate
susceptor
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Application number
JP2002198461A
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English (en)
Inventor
Shunichi Suzuki
鈴木 俊一
Yoshihisa Abe
阿部 芳久
Hideo Nakanishi
中西 秀夫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Coorstek KK
Original Assignee
Toshiba Ceramics Co Ltd
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Publication date
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Abstract

【課題】半導体基板の温度を正確に測定できる気相薄膜製造装置を提供する。
【解決手段】気相薄膜製造装置において、半導体基板(W)を保持して回転させるためのサセプター(18)と、サセプター(18)に保持された状態の半導体基板(W)を加熱するためのヒーター(14)と、サセプター(18)に保持された状態の半導体基板(W)とヒーター(14)との間の第1スペース(16)に所定のガスを導入するガス導入手段(26)と、ヒーター(14)とは反対側に設けられていて、ガス(A)が導入されない第2スペース(20)から半導体基板(W)の温度を測定するための温度計(22)を備える。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板上に薄膜を形成する際に用いられる気相薄膜製造装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、半導体基板の温度を上昇させ、そこへ必要な原料ガスを送入して、基板上へ薄膜を形成する装置が知られている。
【0003】
半導体基板の温度を上昇させる方法としては、抵抗加熱、ランプ加熱、高周波誘導加熱による方法がある。
【0004】
基板セット方法によって大きく分けると、なるべく基板のみを加熱するcold wallタイプと、基板周辺全体を加熱するhot wallタイプがある。
【0005】
Hot wallタイプでは、基板周辺全体を加熱するため、基板のセット方法に大きな制約はないが、ガスの導入方法は外壁の加熱の都合上制約される。基板温度は、炉内均熱帯に設けた熱電対で測定して概算するか、加熱外壁部分に設けた放射温度計で測定して概算することとなる。
【0006】
Cold wallタイプでは、基板をセットする側(薄膜成長面の反対側)から加熱する場合が多い。あるいは、薄膜成長面を下向きにし(ダウンフェース)、薄膜成長面と対向させて加熱手段を設ける場合もあるが、薄膜成長面と反対側は断熱材などで覆われている。
【0007】
基板の温度は、加熱部の放射温度計による測定値から概算されるか、炉内均熱帯(ヒーターと基板の間)の熱電対による測定値から概算される。
【0008】
また、基板表面(薄膜成長面)を放射温度計により測温する方法もある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術においては、基板温度が正確に測定できない。これは、前述のように、炉内均熱体や加熱外壁部での測定では、測定温度が概算となるため正確とならないからである。
【0010】
また、基板表面(薄膜成長面)を放射温度計により測温する方法では、Si基板上へSi膜を成長させるような同一材料の成長の場合であっても、基板上のガス等の影響で測定温度が正確とならず、薄膜として別材質を成長させる化合物成長の場合や、炉内が汚染される場合には、正確な測温は、不能となる。
【0011】
このような測定方法の場合、例えば化合物成長において複数ガスを導入すると、炉内高温部への析出により炉内が激しく汚染される。また、基板上のガスの巻き上がりなどによるパーティクルが汚染の原因となることもある。
【0012】
本発明は、半導体基板の温度を正確に測定できる気相薄膜製造装置を提供することを目的としている。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明による解決手段を例示すると、次のとおりである。
【0014】
(1)中空に形成されていて、その上部又は下部で半導体基板(W)を保持して回転させるためのサセプター(18)と、サセプター(18)に保持された状態の半導体基板(W)を加熱するためのヒーター(14)と、サセプター(18)に保持された状態の半導体基板(W)とヒーター(14)との間の第1スペース(16)に所定のガスを導入するガス導入手段(26)と、ヒーター(14)とは反対側に設けられていて、ガスが導入されない第2スペース(20)から半導体基板(W)の温度を測定するための温度計(22)を備えることを特徴とする気相薄膜製造装置。
【0015】
(2)ガスが半導体基板(W)の表面に沿ってほぼ平行な方向に流れることを特徴とする前述の気相薄膜製造装置。
【0016】
(3)ガスが半導体基板(W)の表面に向かって又はそれに近い角度で垂直に流れていき、そのあと、半導体基板(W)の表面に沿って流れ去ることを特徴とする前述の気相薄膜製造装置。
【0017】
(4)半導体基板(W)の薄膜成長面に対向してヒーター(141)が設けられており、半導体基板(W)の薄膜成長面と反対側の面を温度計(22)により測定することを特徴とする前述の気相薄膜製造装置。
【0018】
(5)ガスの導入の際に、原料ガス(A)とパージガス(B)を導入可能とし、原料ガス(A)を導入するための原料ガス導入口(26a)と、パージガス(B)を導入するためのパージガス導入口(26b,26c)を設け、原料ガス(A)とパージガス(B)の流量を別々に制御可能に構成したことを特徴とする前述の気相薄膜製造装置。
【0019】
(6)原料ガス(A)が複数の種類の原料から構成されていて、各原料ガス毎に原料ガス導入口を設け、各原料ガスが別々に導入可能に構成されていることを特徴とする前述の気相薄膜製造装置。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明による好適な実施の形態においては、半導体基板を保持して回転させるためのサセプターは、例えば円筒状に形成されていて、その内部に円柱状の空間が形成されていて、第2スペースとして構成されている。サセプターの上部(上端)又は下部(下端)に水平に半導体基板を保持する。サセプターによる半導体基板の回転方法及保持方法は、従来公知の方法を用いることができる。
【0021】
半導体基板を加熱するためのヒーターには、高周波誘導加熱法、抵抗加熱法、ランプ加熱法の他、種々の加熱法を利用できる。
【0022】
好ましくは、半導体基板の一方の面(たとえば上方の面)側のスペースに原料ガスを流し、他方の面(たとえば下方の面)側のスペースには原料ガスを流さず、原料ガスを流さない方のスペースから温度計により半導体基板の温度を測定する。
【0023】
たとえば、ヒーターと半導体基板の間の第1スペースに原料ガスが導入される。そのとき、原料ガスをパージガスと共に第1スペースに導入してもよい。この場合、原料ガスを半導体基板に沿って導入し、パージガスをヒーターに沿って導入し、ヒーターの汚染を防止するのが好ましい。
【0024】
半導体基板と温度計との間に位置する第2スペースには、少なくとも原料ガスが導入されないようにする。好ましくは、第2スペースをサセプターの内部空間として構成し、サセプターの内部空間から半導体基板の温度を測定するのが良い。この場合、サセプターを円筒状に形成するのが良い。
【0025】
好ましくは、半導体基板の薄膜成長面に対向してヒーターを設ける。これにより、半導体基板の薄膜成長面と反対側(半導体基板の裏面側)からの測温が可能となる。
【0026】
なお、本明細書においては、説明の便宜上、薄膜が成長する側を表側とする。
【0027】
【実施例】
以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
【0028】
図1は、本発明による気相薄膜製造装置の一例を示す概略縦断面図である。
【0029】
気相薄膜製造装置10は、高周波誘導加熱により半導体基板の温度を上昇させ、そこへ必要な原料ガスを送入して基板上へ薄膜を形成するための装置であり、主に炉12からなる。
【0030】
炉12は、半導体基板Wの加熱成長等を行うための処理炉である。炉12には、高周波誘導加熱部14、基板W、及びサセプター18が設けられている。
【0031】
高周波誘導加熱部14は、加熱コイル14a及び加熱体14bで構成されている。加熱コイル14aは、炉12外に設けられている。加熱体14bは、炉12内に設けられていて、炉12の壁面上部12aと間隔を空けて設けられている。加熱コイル14aに高周波電流を流すことにより、炉12内の加熱体14bが加熱される。
【0032】
加熱体14bの下方には、所定の空間(以下第1スペース16という)を空けて、基板Wが設けられている。基板Wは、シリコンウェーハ等の円板状の半導体基板である。
【0033】
基板Wは、サセプター18に保持されている。サセプター18は炉12内に上下方向にわたって回転支持機構(図示省略)より支持され、中心軸のまわりに回転可能に支持されている。この回転支持機構は従来公知のものを利用できる。
【0034】
サセプター18は、その内部に円柱状の空間(以下第2スペース20という)が形成されている。
【0035】
サセプター18の軸心方向の下方には、温度計の典型例である放射温度計22が設けられている。放射温度計22は、基板Wの裏面(薄膜成長面と反対側の面)に向けられていて、基板Wの温度を測定可能である。
【0036】
加熱コイル14aと放射温度計22は、温度調節器24に接続されている。温度調節器24は、放射温度計22で測定された温度に基づいて、加熱コイル14aの温度調節を行う。
【0037】
炉12の壁面側部12bには、基板W上に薄膜を形成する際に使用される原料ガスA及び基板表面及び炉内の汚染防止に使用されるパージガスBを導入するためのガス導入手段26が設けられている。
【0038】
ガス導入手段26は、原料ガス導入口26a、パージガス導入口26b、26c及び排出口26d、26e、26fからなる。
【0039】
原料ガス導入口26aと排出口26dは、基板Wの表面の高さに合わせて設けられていて、原料ガスAの供給及び排出に用いられる。原料ガス導入口26aから供給された原料ガスAは、第1スペース16内を基板Wの表面に沿ってほぼ平行な方向に流れ、排出口26dへ排出されるようになっている。
【0040】
パージガス導入口26bは、原料ガス導入口26aの直上かつ加熱部14bのやや下方となる高さに合わせて設けられていて、パージガスBの供給に用いられる。排出口26dは、パージガス導入口26bに対向する炉壁側部12bに位置していて、パージガスBの排出に用いられる。すなわち、排出口26dは、原料ガス導入口26a及びパージガス導入口26bのための共通の出口として構成されている。パージガス導入口26bから供給されたパージガスBは、加熱部14bの下面に沿ってほぼ平行な方向に流れ、排出口26dへ排出されるようになっている。
【0041】
パージガス導入口26cと排出口26eは、加熱部14bの上面と炉壁上部12aの間となる高さに合わせて設けられていて、パージガスBの供給及び排出に用いられる。パージガス導入口26cから供給されたパージガスBは、加熱部14bの上面に沿ってほぼ平行な方向に流れ、排出口26eへ排出されるようになっている。
【0042】
冷却およびパージのため炉壁下部12cにガス導入口26f1、排気口26f2を設けることもできる。
【0043】
図2は、本発明による気相薄膜製造装置の別の例を示す概略縦断面図である。なお、図1に示した装置と同一の機能を有する部材には同一の符号が付されている。
【0044】
気相薄膜製造装置101は、抵抗加熱により半導体基板の温度を上昇させ、そこへ必要な原料ガスを送入して基板上へ薄膜を形成するための装置であり、主に炉121からなる。
【0045】
炉121は、半導体基板Wの加熱成長等を行うための処理炉である。炉121には、抵抗加熱部141、基板W、及びサセプター18が設けられている。
【0046】
抵抗加熱部141は、炉121の炉壁上部121aに設けられている。
【0047】
抵抗加熱部141の下方には、所定の空間(以下第1スペース161という)を空けて、基板Wが設けられている。基板Wは、シリコンウェーハ等の半導体基板である。
【0048】
基板Wは、サセプター18に保持されている。サセプター18は炉121内に回転支持機構(図示省略)により回転可能に支持されている。回転支持機構は従来公知のものを利用できる。サセプター18は、その内部が空間(以下第2スペース20という)として構成されている。
【0049】
サセプター18の軸心方向の下方には、温度計の典型例である放射温度計22が設けられている。放射温度計22は、基板Wの裏面(薄膜成長面と反対側の面)に向けられていて、基板Wの温度を測定可能である。
【0050】
抵抗加熱部141と放射温度計22は、温度調節器24に接続されている。温度調節器24は、放射温度計22で測定された温度に基づいて、抵抗加熱部141の温度調節を行う。
【0051】
炉121の壁面側部121bには、ガス導入手段261が設けられている。ガス導入手段261は、基板W上への薄膜形成に使用される原料ガスA及び基板表面及び炉内の汚染防止に使用されるパージガスBを導入するために使用される。
【0052】
ガス導入手段261は、原料ガス導入口261a、パージガス導入口261b、261c、261f1及び排出口261d、261e、261f2からなる。
【0053】
原料ガス導入口261aと排出口261dは、基板Wの表面の高さに合わせて設けられていて、原料ガスAの供給及び排出に用いられる。原料ガス導入口261aから供給された原料ガスAは、第1スペース161内を基板Wの表面に沿ってほぼ平行な方向に流れ、排出口261dへ排出されるようになっている。
【0054】
パージガス導入口261bは、原料ガス導入口261aの直上かつ抵抗加熱部141のやや下方となる高さに合わせて設けられていて、パージガスBの供給に用いられる。排出口261dは、パージガス導入口261bに対向する炉壁側部121bに位置していて、パージガスBの排出に用いられる。すなわち、排出口261dは、原料ガス導入口261a及びパージガス導入口261bのための共通の出口として構成されている。パージガス導入口261bから供給されたパージガスBは、抵抗加熱部141の下面に沿ってほぼ平行な方向に流れ、排出口261dへ排出されるようになっている。
【0055】
パージガス導入口261cと排出口261eは、炉壁上部121a付近に設けられていて、パージガスBの供給及び排出に用いられる。パージガス導入口261cから供給されたパージガスBは、抵抗加熱部141の周囲に沿って流れ、排出口261eへ排出されるようになっている。
【0056】
冷却およびパージのため炉壁下部121cにガス導入口261f1、排出口261fを設けることもできる。
【0057】
図3は、本発明による気相薄膜製造装置の更に別の例を示す概略縦断面図である。なお、図1に示した装置と同一の機能を有する部材には同一の符号が付されている。
【0058】
気相薄膜製造装置102は、ランプ加熱により半導体基板の温度を上昇させ、そこへ必要な原料ガスを送入して基板上へ薄膜を形成するための装置であり、主に炉122からなる。
【0059】
炉122は、半導体基板Wの加熱成長等を行うための処理炉である。炉122には、ランプ加熱部142、基板W、及びサセプター18が設けられている。
【0060】
ランプ加熱部142は、炉122の上方に設けられている。なお、炉壁上部122aは平坦な面として構成されている。
【0061】
ランプ加熱部142の下方には、所定の空間(以下第1スペース162という)を空けて、基板Wが設けられている。基板Wは、シリコンウェーハ等の半導体基板である。
【0062】
基板Wは、サセプター18に保持されている。サセプター18は炉122内に回転支持機構(図示省略)により回転可能に支持されている。回転支持機構は従来公知のものを利用できる。サセプター18は、その内部が空間(以下第2スペース20という)として構成されている。
【0063】
サセプター18の軸心方向の下方には、温度計の好適例である放射温度計22が設けられている。放射温度計22は、基板Wの裏面(薄膜成長面と反対側の面)に向けられていて、基板Wの温度を測定可能である。
【0064】
ランプ加熱部142と放射温度計22は、温度調節器24に接続されている。温度調節器24は、放射温度計22で測定された温度に基づいて、ランプ加熱部142の温度調節を行う。
【0065】
炉122の壁面側部122bには、ガス導入手段262が設けられている。ガス導入手段262は、基板W上への薄膜形成に使用される原料ガスA及び基板表面及び炉内の汚染防止に使用されるパージガスBを導入するために使用される。
【0066】
ガス導入手段262は、原料ガス導入口262a、パージガス導入口262b、262f1及び排出口262d、262f2からなる。
【0067】
原料ガス導入口262aと排出口262dは、基板Wの表面の高さに合わせて設けられていて、原料ガスAの供給及び排出に用いられる。原料ガス導入口262aから供給された原料ガスAは、第1スペース162内を基板Wの表面に沿ってほぼ平行な方向に流れ、排出口262dへ排出されるようになっている。
【0068】
パージガス導入口262bは、原料ガス導入口262aの直上かつランプ加熱部142のやや下方となる高さに合わせて設けられていて、パージガスBの供給に用いられる。排出口262dは、パージガス導入口262bに対面する炉壁側部122bに位置していて、パージガスBの排出に用いられる。すなわち、排出口262dは、原料ガス導入口262a及びパージガス導入口262bのための共通の出口として構成されている。パージガス導入口262bから供給されたパージガスBは、炉壁上部122aの平坦な面に沿ってほぼ平行な方向に流れ、排出口26dへ排出されるようになっている。
【0069】
図4は、本発明による気相薄膜製造装置の更に別の例を示す概略縦断面図である。なお、図1に示した装置と同一の機能を有する部材には同一の符号が付されている。
【0070】
気相薄膜製造装置103は、薄膜成長面を下向き(ダウンフェース)にした場合の装置であり、主に炉123からなる。
【0071】
炉123は、半導体基板Wの加熱成長等を行うための処理炉である。炉123には、加熱装置143、半導体基板W、及びサセプター18が設けられている。
【0072】
加熱装置143は、炉123の下側に設けられている。加熱装置143としては、前述の高周波誘導過熱手段、抵抗加熱手段、ランプ加熱手段等の種々の加熱手段を利用できる。
【0073】
加熱装置143の上方には、所定の空間(以下第1スペース163という)を空けて、基板Wが設けられている。基板Wは、シリコンウェーハ等の半導体基板である。
【0074】
基板Wは、サセプター18に下向きに保持されている。サセプター18は炉123内に回転支持機構(図示省略)により高速回転可能に支持されている。これは高速回転により基板表面のガス流れ(層流)を均一にするためである。回転支持機構は従来公知のものを利用できる。サセプター18の内部が空間(以下第2スペース20という)として構成されている。
【0075】
サセプター18の軸心方向の上方には、温度計として放射温度計22が設けられている。放射温度計22は、基板Wの裏面(薄膜成長面と反対側の面)に向けられていて、基板Wの温度を測定可能である。
【0076】
加熱装置143と放射温度計22は、温度調節器(図示省略)に接続されている。温度調節器は、放射温度計22で測定された温度に基づいて、加熱装置143の温度調節を行う。
【0077】
炉123の壁面には、ガス導入手段263が設けられている。ガス導入手段263は、基板W上への薄膜形成に使用される原料ガスAを導入するために使用される。
【0078】
ガス導入手段263は、原料ガス導入口263a及び排出口263dからなる。
【0079】
原料ガス導入口263aは、炉壁下部123bに設けられていて、水冷されたノズルにより加熱装置143の中央から原料ガスAを導入するようになっている。高速回転により基板表面のガス流れがコントロールされることにより、前例のように炉の側面からの導入も可能である。排出口263dは、炉壁上部123aに設けられていて、原料ガスAを排出するものである。
【0080】
原料ガス導入口263aから供給された原料ガスAは、第1スペース163内を加熱装置143の方から基板Wの表面に向って垂直に又はそれに近い角度で流れていき、そのあと、基板Wの表面に沿ってほぼ平行な方向に流れをかえて、やがて排出口262dへ排出されるようになっている。
【0081】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体基板の薄膜成長面の裏面温度を測定することにより、半導体基板の測温を正確に行うことができる。
【0082】
更に、薄膜成長面の裏面の温度を測定するので、成長する薄膜の影響を受けない正確な温度測定が可能となる。
【0083】
さらに、測温値を温度調節に使用すれば、正確な基板温度(成長温度)制御が行えるようになる。これにより、温度のバラツキやズレによる結晶性の劣化(欠陥発生、結晶形態変化)が防止できる。
【0084】
炉内にパージガスを導入すると、基板表面及び炉内汚染を防止できる。
【0085】
複数種類の原料ガスを使用する場合、それらの別々の導入が可能となり、それにより、分解しやすいガスほど基板表面近くに導入できるようになり、結晶制御しやすくなる。
【0086】
基板の回転により、均一膜生成が可能となる。
【0087】
基板を回転させる機構を設けると、炉内の原料ガスの層流を整えて、膜厚均一化をはかることが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による気相薄膜製造装置の一例を示す概念図。
【図2】本発明による気相薄膜製造装置の別の例を示す概念図。
【図3】本発明による気相薄膜製造装置の更に別の例を示す概念図。
【図4】本発明による気相薄膜製造装置の更に別の例を示す概念図。
【符号の説明】
10 気相薄膜製造装置
12 炉
12a 炉壁上部
12b 炉壁下部
12c 炉壁側部
14 高周波誘導加熱部
14a 加熱コイル
14b 加熱体
16 第1スペース
18 サセプター
20 第2スペース
22 放射温度計
24 温度調節器
26 ガス導入手段
26a 原料ガス導入口
26b、26c パージガス導入口
26d、26e、26f 排出口
W 半導体基板
A 原料ガス
B パージガス

Claims (6)

  1. 中空に形成されていて、その上部又は下部で半導体基板(W)を保持して回転させるためのサセプター(18)と、
    サセプター(18)に保持された状態の半導体基板(W)を加熱するためのヒーター(14)と、
    サセプター(18)に保持された状態の半導体基板(W)とヒーター(14)との間の第1スペース(16)に所定のガスを導入するガス導入手段(26)と、
    ヒーター(14)とは反対側に設けられていて、ガスが導入されない第2スペース(20)から半導体基板(W)の温度を測定するための温度計(22)
    を備えることを特徴とする気相薄膜製造装置。
  2. ガスが半導体基板(W)の表面に沿ってほぼ平行な方向に流れることを特徴とする請求項1に記載の気相薄膜製造装置。
  3. ガスが半導体基板(W)の表面に向かって又はそれに近い角度で垂直に流れていき、そのあと、半導体基板(W)の表面に沿って流れ去ることを特徴とする請求項1又は2に記載の気相薄膜製造装置。
  4. 半導体基板(W)の薄膜成長面に対向してヒーター(141)が設けられており、半導体基板(W)の薄膜成長面と反対側の面を温度計(22)により測定することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の気相薄膜製造装置。
  5. ガスの導入の際に、原料ガス(A)とパージガス(B)を導入可能とし、原料ガス(A)を導入するための原料ガス導入口(26a)と、パージガス(B)を導入するためのパージガス導入口(26b,26c)を設け、原料ガス(A)とパージガス(B)の流量を別々に制御可能に構成したことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の気相薄膜製造装置。
  6. 原料ガス(A)が複数の種類の原料から構成されていて、各原料ガス毎に原料ガス導入口を設け、各原料ガスが別々に導入可能に構成されていることを特徴とする請求項5に記載の気相薄膜製造装置。
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